JP2007187447A - 内燃機関のシリンダ位置検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各気筒のシリンダ位置やクランク角度等を精度良く検出できる内燃機関のシリンダ位置検出装置を提供する。
【解決手段】 カムシャフト５の軸端面に、このカムシャフト５の中心軸Ｏ回りに対称な磁極配置を持った磁石１２を取付ける。この磁石１２と対向した位置には、前記磁石１２の磁気を検出する磁気式の絶対角度検出センサ１３を設ける。この絶対角度検出センサ１３の出力であるカムシャフト５の回転位置の絶対角度から、クランクの角度を検出するクランク角度検出手段１４、およびエンジンの各シリンダの位置を検出するシリンダ位置検出手段１５を設ける。絶対角度検出センサ１３は、例えば、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイ等で構成されたものを用いる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、内燃機関における気筒内のピストン位置を検出する内燃機関のシリンダ位置検出装置に関する。

自動車用の内燃機関において、アイドリングストップ後の再始動時に各気筒のシリンダ位置（すなわち、ピストンのストローク位置）を検出することによって、最適な燃料噴射および点火が可能になる。

このような内燃機関のシリンダ位置を検出するシステムの一例として、クランク角度検出部に気筒判別用識別パターンを装備し、カムシャフト回転の前半と後半を識別するセンサとを合わせてシリンダ位置を推定するようにしたものがある（例えば特許文献１）。また、他のシステム例として、クランク角センサの出力が小さくなる低速回転時に、補機駆動用モータのエンコーダパルスを計測することにより、アイドリングストップ時のピストン停止位置を推定し記憶するようにしたものも知られている（例えば特許文献２）。

なお、小型モータや事務機等における回転部材の回転角度を検出する小型高精度の装置として、回転部材に磁石等の磁気発生手段を配置すると共に、前記磁気発生手段の磁気を検出する磁気ラインセンサを固定側部材に配置したものが知られている（例えば特許文献３）。
特開平１１−１５９３９１号公報 特開２００１−２５４６４６号公報 特開２００４−０３７１３３号公報

上記したようなシリンダ位置検出システムにおいては、内燃機関のクランクシャフトに歯車状のセンサターゲットを取付け、固定側部材に配置した磁気センサで前記センサターゲットの回転を検出する構造とした回転センサを用いたものが多い。しかし、このような構造の回転センサでは、細かな角度を検出できず、また検出信号はパルス状の出力信号であるため、相対回転の検出しかできない。

一方、内燃機関における各気筒のバルブの動きや、燃料噴射・点火タイミングは、クランクシャフトの回転に同期して決められている。そのため、アイドリングストップ後の内燃機関の再始動時に、クランクシャフトの回転位置、もしくは各気筒のシリンダ位置がわかっていれば、どの気筒に燃料を噴射し点火すればよいかが分かり、スムーズな起動が可能になる。アイドリングストップ時に停止位置を制御し、再始動しやすい位置で停止することも可能になる。さらに、正確なクランクシャフトの回転位置を検出できれば、その検出情報に基づいてバルブ制御や点火タイミング制御などを電気的に行えるため、より自由度の高い内燃機関制御による効率向上が可能になる。

この発明の目的は、各気筒のシリンダ位置やクランク角度等を精度良く検出できる内燃機関のシリンダ位置検出装置を提供することである。

この発明の内燃機関のシリンダ位置検出装置は、カムシャフトの軸端面に、このカムシャフトの中心軸回りに対称な磁極配置を持った磁石を取付け、この磁石と対向した位置に、前記磁石の磁気を検出する磁気式の絶対角度検出センサを設け、この絶対角度検出センサの出力であるカムシャフトの回転位置の絶対角度から、クランク角度を検出するクランク角度検出手段、およびエンジンの各シリンダの位置を検出するシリンダ位置検出手段を設けたものである。
この構成によると、絶対角度検出センサが磁石の絶対角度からカムシャフトの回転位置の絶対角度を検出し、その検出信号からクランク角度検出手段がクランク角度を検出し、シリンダ位置検出手段がエンジンの各シリンダ位置を検出する。そのため、エンジンが停止している状態であっても、現在のカムシャフトの角度位置を検出可能で、検出されたカムシャフトの回転角度から複数の気筒の現在のシリンダ位置やクランク角度等を精度良く検出することができる。カムシャフトが１回転すると各シリンダは吸気から排気までの各行程を完了するため、カムシャフトの回転位置によって、シリンダの状態を検出できる。

この発明において、上記カムシャフトは排気バルブ側のカムシャフトであっても良い。シリンダ位置検出装置は吸気側のカムシャフトに設けても良いが、吸気側のカムシャフトは、吸気バルブのタイミング制御などのため、クランクシャフトとの位相関係をずらすような可変機構を備えている場合がある。この点から、クランク角度とカムシャフトの回転角度との対応を正確に検出するためには、排気側のカムシャフトにシリンダ位置検出装置を設置するのが望ましい。

この発明において、上記絶対角度検出センサは、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出回路と、この信号読出回路の出力から前記磁石の回転角度の絶対角度を計算する回転角度計算手段とを有するものであっても良い。絶対角度検出センサが、このような磁気センサアレイを用いたものであると、非接触により、高い分解能で精度良くカムシャフトの回転角度を検出することができ、またコンパクトに構成できて、組立・調整も簡単になる。

この発明において、上記絶対角度検出センサは、前記カムシャフトの軸心に垂直な平面における直交２軸方向であるＸ方向およびＹ方向の磁界の強度を検出する複数のセンサ素子を備え、これら複数のセンサ素子の出力するＸ方向およびＹ方向の磁界の強度の比を元に磁界の方向を算出するものであっても良い。

この発明の内燃機関のアイドリングストップ装置は、この発明の上記いずれかの構成の内燃機関のシリンダ位置検出装置と、このシリンダ位置検出装置によるシリンダ位置の検出結果に基づき、エンジンの停止回転角度を再始動情報として用いる再始動情報検出手段とを備えたものである。
この構成によると、シリンダ位置検出手段の検出結果に基づき、点火すべき気筒を決定するなどの起動シーケンスを決定できるため、アイドリングストップ状態からの再起動をスムーズに行うことができる。

この発明の内燃機関のシリンダ位置検出装置は、カムシャフトの軸端面に、このカムシャフトの中心軸回りに対称な磁極配置を持った磁石を取付け、この磁石と対向した位置に、前記磁石の磁気を検出する磁気式の絶対角度検出センサを設け、この絶対角度検出センサの出力であるカムシャフトの回転位置の絶対角度から、クランクの角度を検出するクランク角度検出手段、およびエンジンの各シリンダの位置を検出するシリンダ位置検出手段を設けたため、各気筒のシリンダ位置やクランク角度等を精度良く検出できる。
この発明の内燃機関のアイドリングストップ装置は、この発明の内燃機関のシリンダ位置検出装置と、このシリンダ位置検出装置によるシリンダ位置の検出結果に基づき、エンジンの停止回転角度を再始動情報として用いる再始動情報検出手段とを備えるため、アイドリングストップ状態からの再起動をスムーズに行うことができる。

この発明の一実施形態を図１ないし図９と共に説明する。図２は、この実施形態のシリンダ位置検出装置が装備された内燃機関における一部の概念図を示す。この内燃機関は例えば自動車用の４気筒エンジンであって、各気筒１内のピストン２の進退動作がコンロッド３を介してクランクシャフト４の回転に変換される。２本のカムシャフト５は、各気筒１の吸・排気バルブ（図示せず）に個別に作用して吸・排気バルブを開閉させるものであり、クランクシャフト４の回転がベルトおよびプーリ等からなる回転伝達手段６を介して各カムシャフト５に伝達される。すなわち、クランクシャフト４の回転に同期して各カムシャフト５が回転する。回転伝達手段６は、クランクシャフト４の２回転がカムシャフト５の１回転に対応するように、プーリ径等が設定されている。

この実施形態のシリンダ位置検出装置１１は、図１に示すように、エンジンハウジング７に支持された前記カムシャフト５の一端部の軸端位置に設置されている。この場合のカムシャフト５は吸気側のものでも排気側のものでも良い。ただし、吸気側のカムシャフト５は、吸気バルブのタイミング制御などのため、クランクシャフト４との位相関係をずらすような可変機構を備えている場合があるので、クランク角度とカムシャフト５の回転角度との対応を正確に検出するためには、排気側のカムシャフト５にシリンダ位置検出装置１１を設置するのが望ましい。

このシリンダ位置検出装置１１は、回転側部材である前記カムシャフト５の軸端面に取付けられた磁石１２と、この磁石１２と対向した位置に配置されて磁石１２の磁気を検出する磁気式の絶対角度検出センサ１３とを備える。磁石１２は、カムシャフト５の中心軸回りに対称な磁極配置を持った永久磁石とされる。絶対角度検出センサ１３は、非回転側部材である前記エンジンハウジング７にケース８を介して取付けられる。

絶対角度検出センサ１３は、カムシャフト５の中心軸回りに対称な磁極配置を持った磁石１２の磁気を検出することから、その出力はカムシャフト５の回転位置の絶対角度に相当するものとなる。この絶対角度検出センサ１３の出力は、エンジンハウジング７に固定されたコネクタ９を通じて外部のクランク角度検出手段１４およびシリンダ位置検出手段１５に入力される。クランク角度検出手段１４は、前記絶対角度検出センサ１３の出力であるカムシャフト５の回転位置の絶対角度からクランクシャフト４の回転角度を検出するものである。シリンダ位置検出手段１５は、カムシャフト５の回転位置の絶対角度からエンジンの各気筒１内におけるピストン２の現在位置、つまりシリンダ位置を検出するものである。これらクランク角度検出手段１４およびシリンダ位置検出手段１５は、独立した電子回路等で構成されたものであっても、また自動車の電気制御ユニット（ＥＣＵ）等に設けられたものであっても良い。

図３には、前記内燃機関におけるカムシャフト５およびクランクシャフト４の回転角度と、４つの各気筒１での点火タイミングの対応関係をタイミングチャートで示している。このタイミングチャートによると、カムシャフト５の１回転の間に、各気筒１で順次点火が行われて１連の動作を終えることから、前記シリンダ位置検出手段１５では、このタイミングチャートと、カムシャフト５の回転位置の絶対角度とに基づき、各気筒１のシリンダ位置を算出することができる。

図４には、前記シリンダ位置検出装置１１における磁石１２と絶対角度検出センサ１３の組合せ構成の具体例を斜視図で示している。この場合、磁石１２は、１つの永久磁石１７を２つの磁性体ヨーク１８，１８で挟むことにより概形が二叉のフォーク状とされ、一方の磁性体ヨーク１８の一端がＮ磁極、他方の磁性体ヨーク１８の一端がＳ磁極となる。この磁石１２をその中心がカムシャフト５の中心軸Ｏと一致するように、カムシャフト５の軸端面に取付けることで、カムシャフト５の回転によって上記中心軸Ｏ回りをＮ磁極およびＳ磁極が旋回移動する。磁石１２は、上記の形状のものに限らず、例えば板状やブロック状等の形状のものであっても良い。

絶対角度検出センサ１３は、磁気センサ素子２３ａ（図５）をアレイ状に並べた磁気センサアレイ２３と、磁気センサアレイ２３の信号を読み出す信号読出回路２４と、この信号読出回路２４の出力から前記磁石１２の回転角度の絶対角度を計算する回転角度計算手段２５とを有する。磁気センサアレイ２３は、図５のように仮想の矩形の４辺における各辺に沿って配置され、各辺のセンサ列２３Ａ〜２３Ｄにおける磁気センサ素子２３ａは各列方向に並べて構成される。この場合、矩形の中心は、カムシャフト５の中心軸Ｏに一致する。このように構成される絶対角度検出センサ１３は、前記ケース８に取付けられる一つの半導体チップ１９の前記磁石１２と対向する面上に集積される。半導体チップ１９は、例えばシリコンチップである。

信号読出回路２４は磁気センサアレイ２３の信号を読み出す回路であり、回転角度計算手段２５は前記信号読出回路２４の出力から前記磁石１２の回転角度の絶対角度を計算する回路である。信号読出回路２４は、各センサ列２３Ａ〜２３Ｄ毎の磁気センサ素子２３ａからアナログ信号である検出信号を増幅して読み出し、その検出信号をデジタル信号にして回転角度計算手段２５に入力する。

図６および図７は、前記回転角度計算手段２５による角度算出処理の説明図である。図６（Ａ）〜（Ｄ）は、カムシャフト５が回転しているときのある時刻における磁気センサアレイ２３の各センサ列２３Ａ〜２３Ｄによる出力波形図を示す。それらの横軸は、各センサ列２３Ａ〜２３Ｄにおける磁気センサ素子２３ａの並び位置を示し、縦軸は検出磁界の強度を示す。
いま、図７に示す位置Ｘ１，Ｘ２に磁気センサアレイ２３の検出磁界のＮ磁極とＳ磁極の境界であるゼロクロス位置があるとする。この状態で、磁気センサアレイ２３の各センサ列２３Ａ〜２３Ｄの出力が、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示す信号波形となる。したがって、ゼロクロス位置Ｘ１、Ｘ２は、センサ列２３Ａ，２３Ｃの出力から直線近似することで算出できる。
角度計算は、次式（１）で行うことができる。
θ＝ｔａｎ^-1（２Ｌ／ｂ） ……（１）
ここで、θは、磁石１２つまりカムシャフト５の回転角度θを絶対角度で示した値である。２Ｌは、矩形に並べられる各センサ列２３Ａ〜２３Ｄの１辺の長さである。ｂは、ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２間の横方向長さである。
ゼロクロス位置Ｘ１，Ｘ２がセンサ列２３Ｂ，２３Ｄにある場合には、それらの出力から得られるゼロクロス位置データにより、上記と同様にして回転角度θが算出される。

このように、絶対角度検出センサ１３として、半導体チップ１９上に形成した磁気センサアレイ２３を用いる場合、非接触により、高い分解能で精度良くカムシャフト５の回転角度θを検出することができる。しかも、主要構成部品が磁石１２と半導体チップ１９の２部品であり単純なため、コンパクトに配置できると共に、組立・調整が簡単になるという効果がある。
また、絶対角度検出センサ１３は磁石１２の絶対角度からカムシャフト５の回転角度θを検出するので、エンジンが停止している状態であっても、現在のカムシャフト５の角度位置を検出可能で、検出されたカムシャフト５の回転角度θから複数の気筒１の現在のシリンダ位置を算出することができる。さらに、算出された各シリンダ位置の情報を元に、点火すべき気筒１を決定するなどの起動シーケンスを決定できるため、図１のようにアイドリングストップ装置３０の再始動情報検出手段３１に、クランク角度検出手段１４およびシリンダ位置検出手段１４の出力を入力することにより、エンジンの停止回転角度を再始動情報として用いて、アイドリングストップ状態からの再起動をスムーズに行うことができる。また、シリンダ位置の情報から、バルブのリフト量やタイミング、燃料噴射のタイミング、点火時期など、エンジンの動作を制御する各種信号を生成することも可能である。これらによって、機械的リンクによる制限を受けることなく、自由度の高いエンジン制御を実施することができる。なお、再始動情報検出手段３１は、例えば自動車の電気制御ユニットに設けられる。

この実施形態の利点をまとめ直して次に示す。
（１）高分解能な絶対角度検出を行えるため、各シリンダの位置や、クランク角度などを精度良く検出することができる。
（２）絶対角度を検出することができるので、アイドリングストップ時の各シリンダ状態を常に把握することができ、再始動をスムーズに行う制御が可能になる。
（３）絶対角度検出センサ１３がシリコンチップで構成されているため、省スペースでコンパクトな実装ができる。
（４）絶対角度検出センサ１３は、磁石１２にシリコンチップを対向させるものであるので、構成が単純で信頼性が高い。
（５）特に、磁気センサアレイ２３を用いた絶対角度検出センサ１３では、回転軸に取付けられた磁石１２と、これに対向して固定されたセンサとの位置ずれの影響を受け難いため、組み立て調整が簡単になる。
（６）クランクシャフト４やカムシャフト５の正確な回転位置が検出できるため、バルブや点火タイミングなどをより自由に制御できる。

図８には、前記シリンダ位置検出装置１１における磁石１２と絶対角度検出センサ１３の組合せ構成の他の具体例を平面図で示している。この場合、磁石１２は、直径方向にＮ磁極とＳ磁極が２分されている。絶対角度検出センサ１３は、磁気ベクトル検出方式の角度センサであって、半導体チップ２９上において直交する２方向Ｘ，Ｙの磁界強度をそれぞれ検出する２つのセンサ列１３Ｘ，１３Ｙを、複数の磁気センサ素子を並べて形成したものである。例えば、片方のセンサ列１３ＸはＸ方向の磁界強度を検出し、もう片方のセンサ列１３ＹはＹ方向の磁界強度を検出する。ここでは、センサ列１３Ｘ，１３Ｙの出力に基づき角度演算処理を行うデジタル処理回路は図示しないが、強度Ｂの磁界の方向（矢印Ｐで示す）のＸ方向に対する角度をθとすると、角度演算処理回路では以下の演算を行う。
すなわち、この場合、センサ列１３Ｘの検出するＸ方向の磁界強度がＢX ＝Ｂｃｏｓθ，センサ列１３Ｙの検出するＹ方向の磁界強度がＢY ＝Ｂｓｉｎθである。図９には、各センサ列１３Ｘ，１３Ｙの出力波形図を示す。これらの出力値から、
ｔａｎθ＝ＢY ／ＢX …（２）
の関係が得られる。この関係式から、角度演算処理回路は、磁石１２の磁界の角度θつまりカムシャフト５の回転角度θを正確に算出することができる。

上記半導体チップ２９がシリコンチップである場合、上記磁気ベクトル検出方式の角度センサを構成する磁気センサ素子として垂直ホール型素子なとを用いることができる。この磁気センサ素子の場合、角度演算処理回路を同一の半導体チップ２９上に集積できるため、コンパクトで安価な絶対角度検出センサ１３を構成することができる。

なお、上記実施形態では、シリンダ位置検出装置１１をカムシャフト５の端部位置に配置した場合につき説明したが、クランクシャフト４の端部位置にシリンダ位置検出装置１１を配置しても良い。ただし、この場合には、シリンダ位置検出装置１１がクランク角度を正確に検出しても、それが１回転目の角度か２回転目の角度かを判定できないため、カムシャフト４の回転が前半１８０度にあるかどうかを識別する別の情報を得る手段（図示せず）を設ける。
また、上記実施形態によると、カムシャフト５の回転識別信号を利用して、クランク角度検出手段１４で検出されるクランク角度情報と組み合わせることで、各気筒１のシリンダ位置を検出することができるため、先述したようなアイドリングストップからの再起動をスムーズにしたり、エンジンの細かなタイミング制御などを行うことができる。

この発明の一実施形態にかかる内燃機関のシリンダ位置検出装置の概略構成図である。 同シリンダ位置検出装置が装備されるエンジンの一例の要部概念図である。 同エンジンにおけるカムシャフトおよびクランクシャフトの回転角度と各気筒の点火タイミングの関係を示すタイミングチャートである。 シリンダ位置検出装置における磁石と絶対角度検出センサの組合せ構成の一例を示す斜視図である。 同絶対角度検出センサの平面図である。 同絶対角度検出センサにおける磁気センサアレイの出力を示す波形図である。 同絶対角度検出センサにおける回転角度計算手段の演算処理の説明図である。 絶対角度検出センサの他の例の平面図である。 同絶対角度検出センサにおける各センサ列の出力を示す波形図である。

符号の説明

５…カムシャフト
１２…磁石
１３…絶対角度検出センサ
１４…クランク角度検出手段
１５…シリンダ位置検出手段
２３…磁気センサアレイ
２４…信号読出回路
２５…回転角度計算手段
３０…アイドリングストップ装置
３１…再始動情報検出手段

Claims (5)

1. カムシャフトの軸端面に、このカムシャフトの中心軸回りに対称な磁極配置を持った磁石を取付け、この磁石と対向した位置に、前記磁石の磁気を検出する磁気式の絶対角度検出センサを設け、この絶対角度検出センサの出力であるカムシャフトの回転位置の絶対角度から、クランクの角度を検出するクランク角度検出手段、およびエンジンの各シリンダの位置を検出するシリンダ位置検出手段を設けた内燃機関のシリンダ位置検出装置。
2. 請求項１において、上記カムシャフトは排気バルブ側のカムシャフトである内燃機関のシリンダ位置検出装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記絶対角度検出センサは、磁気センサ素子をアレイ状に並べた磁気センサアレイと、この磁気センサアレイの信号を読み出す信号読出回路と、この信号読出回路の出力から前記磁石の回転角度の絶対角度を計算する回転角度計算手段とを有するものである内燃機関のシリンダ位置検出装置。
4. 請求項１または請求項２において、上記絶対角度検出センサは、前記カムシャフトの軸心に垂直な平面における直交２軸方向であるＸ方向およびＹ方向の磁界の強度を検出する複数のセンサ素子を備え、これら複数のセンサ素子の出力するＸ方向およびＹ方向の磁界の強度の比を元に磁界の方向を算出するものである内燃機関のシリンダ位置検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の内燃機関のシリンダ位置検出装置と、このシリンダ位置検出装置によるシリンダ位置の検出結果に基づき、エンジンの停止回転角度を再始動情報として用いる再始動情報検出手段とを備えた内燃機関のアイドリングストップ装置。

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