JP2009508035A - エンジンの回転方向の反転を検出する方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、歯の付いたターゲットを備えたクランクシャフトと、単方向クランクシャフト位置センサと、歯カウンタと、計算機を含んだエンジン管理装置と、失速期におけるエンジン挙動のモデルとを備えた内燃機関のエンジン回転方向の反転を検出する方法に関する。ただし、前記歯のうち1つは長歯であり、前記単方向クランクシャフト位置センサは前記歯のカウントに使用される信号を供給するものである。本発明による方法は、前記クランクシャフト位置センサからの信号を記録し、該信号の連続する2つのエッジの間の各時間間隔を測定するステップと、エンジン位置の時間的変化を、前記モデルに基づいて、前記クランクシャフト位置センサからの信号のエッジ間の時間間隔から計算するステップと、前記エンジンの停止位置を推定するステップとから成る。本発明は、前記エンジン挙動モデルが時間tの2次多項式関数であり、エンジン回転方向の反転位置が前記2次多項式関数の頂点Sの位置の計算から推定されることを特徴としている。
Description
本発明は概して自動車向けの内燃機関の分野に属する。
より具体的には、本発明はエンジンシャットダウンの分野に関する。特に、歯の付いたターゲットを備えたクランクシャフトと、単方向クランクシャフト位置センサと、歯カウンタと、計算機を含んだエンジン管理装置と、失速期におけるエンジン挙動のモデルとを備えた内燃機関であって、前記の歯のうち1つが長歯であり、単方向クランクシャフト位置センサが歯のカウントに使用される信号を供給するような形式の内燃機関の回転方向の反転を検出する方法に関する。
前記方法は下記のステップを有する:
・クランクシャフト位置センサからの信号を記録し、この信号の連続する2つのエッジの間の各時間間隔を測定するステップ、
・エンジン位置の時間的変動を、モデルに基づいて、クランクシャフト位置センサからの信号のエッジ間の時間間隔から計算するステップ、
・エンジンの停止位置を推定するステップ。
・クランクシャフト位置センサからの信号を記録し、この信号の連続する2つのエッジの間の各時間間隔を測定するステップ、
・エンジン位置の時間的変動を、モデルに基づいて、クランクシャフト位置センサからの信号のエッジ間の時間間隔から計算するステップ、
・エンジンの停止位置を推定するステップ。
数年来、自動車製造業者は私用車からのCO2を削減する革新的な解決手段を考えている。最近開発された「ストップアンドスタート」と呼ばれるシステムは正にこうした考えに沿っている。
「ストップアンドスタート」システムは、車両が止まる直前および止まっている間(信号、渋滞等)にエンジンをシャットダウンすることを特徴としている。再始動は例えば運転者が出発したいと思ってブレーキペダルを「放す」と直ちに自動で行われる。
したがって、このシステムは必要のないときにはエンジンを失速させ、運転者が所望する直ちにエンジンを再始動させることから成っている。
このシステムを使用するには内燃機関を始動させる時間が必要であるが、この始動時間は長すぎるため、改善されなければならない。
この始動時間は、スタータの最初の回転から最初の燃焼までの「エンジンフェージング」のための第1の時間と、最初の点火に始まり、エンジンが安定したアイドル速度になると終了する「エンジン速度確立」のための第2の時間の2つの時間に分けることができる。
既存のシステムにおいて、このエンジンフェージング時間は、エンジンの位置を計算するエンジン管理装置のプロセッサが必要とする時間のために非常に短く、限られたものとなる場合がある。
この機能の実行には、通常、センサ/ターゲットアッセンブリを備えた装置が使用される。一般に、クランクシャフトに取り付けられたターゲットは等しい角度で離間した60個の歯から成り、したがって、それぞれの歯は6°のクランクシャフト角に相当し、2つの歯を除去することで形成される「長歯」と呼ばれる1つの角度基準点を含んでいる。
現在では、エンジン管理のために設置されるシステムは自らを同期させるためにこの長歯を使用している。つまり、始動の際、システムは最初の点火の前にこの長歯が確認されるまで待たなければならない。エンジンの停止位置に応じて、この長歯に達するのに要する時間は変動する。これはエンジン始動時間にとって不利なことであり、エンジン始動時間を長くしてしまう。
始動時間を短くするために、エンジンの停止位置を知ろうとする解決手段もある。このタスクは従来の単方向クランクシャフト位置センサでは達成することが難しい。というのも、従来の単方向クランクシャフト位置センサはエンジンの回転方向を求めることができないからである。問題は、エンジンが失速する場合には回転方向が数回変わることがあるため、単方向センサにより行われるカウントが完全に誤ってしまうことである。
現在、エンジン停止位置を求めるには、以下の2つの主要手段がある:
双方向センサを使用するか、または
歯をカウントする手続き(アルゴリズム)と併せて単方向センサを使用する。
双方向センサを使用するか、または
歯をカウントする手続き(アルゴリズム)と併せて単方向センサを使用する。
しかし、双方向センサを使用すると、製造コストが増えてしまう。
したがって、本発明は歯をカウントする手続きと併せて単方向センサを使用する装置に当たる。
このような解決手段の利点は従来の装置に比べて付加的な要素を必要としないことにある。というのも、このような解決手段では、エンジン管理装置のアプリケーションレイヤーにアルゴリズムがインストールされるだけだからである。
このようなアルゴリズムは従来技術から、例えば、SAE 2005-01-0048"Engine Position Tracking at Shutdown"から公知である。
この文献の方法は、クランクシャフトに配置されたセンサから供給される信号を監視することに基づいている。この方法はエンジン速度の二次外挿から推定エンジン速度を計算し、この推定速度を実際の速度と比較する。実質的な(すなわち、閾値を超えた)差が観察された場合には、エンジンの回転方向の反転が起こったと考えられる。
このような方法の問題点は、とりわけ、限界値を超えるとエンジンの回転方向の反転が検出される構成であるため、限界値の較正が必要になるということに関係している。
さらに、このような方法はエンジン管理システムのプロセッサで使用されるリソースの観点からすると高コストな数学的演算を多数必要とする。
本発明の課題は単純で実施しやすい解決手段を提供することによりこれらの問題を解決することである。
この目的のために、本発明および本明細書の冒頭で示された一般的定義に従った方法は下記の特徴を備えている。すなわち、この方法では、エンジン挙動のモデルは時間の2次多項式関数であり、エンジンの回転方向の反転はこの2次多項式関数の頂点の位置の計算から推定される。
2次多項式関数から成るこの解決手段を用いれば、数学的演算の数と必要とされるリソースが限定される。
有利には、2次多項式関数の頂点はクランクシャフト位置センサからの信号の少なくとも3つの連続するエッジから推定される。
好ましい実施形態では、2次多項式関数の頂点に相当する理論上のエンジン回転方向反転時点は、この関数の1次導関数がゼロになる時点である。
したがって、本発明による方法はエンジン回転方向の反転に関するテストを含んでおり、このテストでは、2次多項式関数の頂点の推定において使用された最後のエッジに続く新たなエッジの現れる時点の関数が、エンジン回転方向の理論上の反転時点の関数と比較される。
したがって、反転テストを決定する変数が負であれば、エンジン管理装置は回転方向の反転が起こったと見なし、エンジンの位置を求めるためにクランクシャフト位置センサからの信号を相応して処理する。
1つの好ましい実施形態では、エンジンの回転方向の反転に関するテストを決定する変数が負の場合、歯カウンタが2つのカウンタに分割され、一方のカウンタのみが反転が起こったと見なしてカウントを行い、エンジン管理装置のプロセッサはこの一方のカウンタに依拠してエンジン位置を計算する。本発明による方法はまた検証ステップも有しており、プロセッサが依拠するカウンタによって予想される位置に長歯がないことが検出された場合には、プロセッサは他方のカウンタに依拠する。
好ましくは、いずれの実施形態を用いても、頂点位置の計算はクランクシャフト位置センサからの信号の各エッジでリフレッシュされる。
さらに、有利には、本発明による方法はエンジン回転速度が閾値を下回ったとき、とりわけ、500rpm以下の値のときに実施される。
本発明の他の特徴および利点は非限定的な例として以下に示す説明と図面の参照とから明らかとなる。
図1は、本発明による方法を使用した場合について、失速中のエンジンクランクシャフトの位置の時間的変化を概略的に示したものであり、
図2は、本発明が依拠する数学的モデルを示したものである。
図2は、本発明が依拠する数学的モデルを示したものである。
エンジン管理装置を備えた従来の内燃機関は歯カウンタを有している。このカウンタはエンジンの位置を、すなわち、固定した基準に対するクランクシャフトの角度位置を示すために使用される。この歯カウンタは一般にはパルスカウンタであり、これらのパルスはクランクシャフトに組み込まれたターゲットの歯がクランクシャフト位置センサの前を通過したことを表す。
エンジンは失速時にほぼランダムに1回または複数回にわたって回転方向を変える。例えば、失速時に2回回転方向を変え、再び失速したときには3回回転方向を変える。
さらに、同一のエンジンについては、2つの異なる失速イベントが同じ時点にエンジン回転方向の反転を生じさせることはない。
それゆえ、エンジン回転方向の反転の理論上のシーケンスに基づいてアルゴリズムを設計することが可能である。
本発明による方法によれば、反転が起こる場合にはいつであれ、回転方向の反転の瞬間を予測し、さらには検証する解決手段を提供することで、上記制約を取り除くことができる。
図1には、実際にエンジン回転方向の反転を考慮した場合に、エンジン失速期の時間の関数として歯カウンタから得られる値が示されている。図示のように、横座標の値は秒で表されている。縦軸上には、クランクシャフトと一体化したターゲットの歯の数がプロットされている。なお、前記歯は基準長歯から任意に番号付けされている。
t=2.05sまでは、エンジンは正の方向に回転し、歯カウンタはクランクシャフトからの信号のエッジが通過するたびに増分される。
t=2.05sからt=2.1sまでの間は、エンジンが速度ゼロの点を経て、歯番号32辺りで回転方向を変える。したがって、歯カウンタはその後カウントダウンする。
回転方向の新たな変化はt=2.15sからt=2.2sの間に歯番号20辺りで起こり、さらにもう一回の回転方向の変化がt=2.25sからt=2.3sの間に歯番号28辺りで起こる。
したがって、図1に示されているエンジン失速の全期間にわたって、エンジンは3回エンジン回転方向を変え、歯番号26において停止する。
回転方向の変化を検出する方法がなければ、歯カウンタは一方向に増分されるだけであり、歯カウンタにより考慮されるエンジン停止位置は歯番号26ではなく、おそらく歯番号54(各反転の間にカウントされた歯の数の絶対値を加算することにより得られる値)となる確率が高い。これは真の位置からほぼエンジンの半回転である。
それゆえ、問題はエンジンが回転方向を変える瞬間を求めること、すなわち、図1に示されている曲線の変曲点を求めることである。
この目的のために、本発明はエンジン回転方向が反転する時点の近傍におけるエンジン挙動を数学的にモデル化する。
数学的モデル化は、ECU(Electronic Control Unit)とも呼ばれるエンジン管理装置のアプリケーションレイヤーにインストールされる。
インストールされたモデルはエンジンの真の挙動を十分に正しく表現できるように最適化されなければならない。しかも、その際、ECUが演算で過負荷となって、処理リソースに有害な影響が及ぶことがないようにしなければならない。
このことを踏まえて、インストールされたモデルはエンジン回転方向が反転する時点の近傍におけるエンジン挙動を2次多項式関数(すなわち、放物線)で表現する。
このために、エンジン位置yは時間tの関数として次のように定義される。
y=a.t2+b.t+c
ここで、a,b,cは3つの実数である。
y=a.t2+b.t+c
ここで、a,b,cは3つの実数である。
この数学的近似は図2に図示されている。
図2の曲線では、横軸が時間tに対応し、縦軸がエンジン位置に対応している。クランクシャフトに一体化したターゲットは60個の歯を有しているため、各歯はクランクシャフトの6°の回転を表す。したがって、検出される各エッジ(歯の始めに1つ、終わりにまた1つ)は3°のクランクシャフト回転を表す。よって、クランクシャフトセンサの前を歯dの開始点が通過すると、時点t1にエッジ(この場合は立ち上りエッジ)yが発生する。歯dの終了点が通過すると、時点t2にエッジ(この場合は立ち下りエッジ)y+3°が発生する。そして、次の歯d+1の開始点が通過すると、時点t3にエッジ(この場合は立ち上りエッジ)y+6°が発生する。
この論理は各yが歯dの終了点の通過を表す場合にも適用可能であることは明らかである。その場合には、エッジy+3°は歯d+1の開始を表す、等々。
点(t1,y)、(t2,y+3°)、(t3,y+6°)はこれら3つの点を通る放物線の頂点の横座標を計算するために用いられる。
したがって、これら3つの実数(a,b,c)は下記のように定義される。
この系は下式に等しい。
最後の2つの式から、aとbを結び付ける式が得られる。
したがって、これら3つの実数(a,b,c)は下記のように定義される。
一階導関数を計算することにより、この導関数がゼロとなる2次多項式曲線の変曲点を計算することができる。
このようにして、エンジン管理システムは曲線の変曲点Sに対応する理論上の時点tthを計算し、対応する(すなわち、図2では、y+6°とy+9°の間の)エンジン位置を計算する。
次のエッジは時点t4に生じる。この時点t4には、エンジン回転方向の反転がない場合には、エッジy+9°を発生させる歯d+1の終了点が対応し、反転がある場合には、再びエッジy+6°を発生させる歯d+1の開始点が対応する。
したがって、時点t4にエッジが生じた場合、この時点t4と理論上の反転時点tthとの差が正の値であるのか、あるいは負の値であるのかによって、エンジンが回転方向を変えたかどうかが決定される。
Aが正であれば、放物線の頂点は現在のエッジt4の後にあると推定される。つまり、エンジンの回転方向の反転は存在していない。
Aが負であれば、放物線の頂点は現在のエッジt4の前にあると推定される。つまり、反転が存在している。
しかし、上記の計算は絶対時間で行われなければならず、実施は困難である。その結果、本発明は好ましくはイベント(クランクシャフト信号の立ち上りエッジと立ち下りエッジを発生させるセンサの前を歯が通過すること)間の時間を測定することにより相対時間を定義する。
一般には、この目的のために、各エッジで更新されるタイマを使用することが好ましい。
それゆえ、本発明によるエンジン回転方向の反転のテストでは、tiはクランクシャフト位置センサからの信号のエッジが生じる時点であり、ti+1はクランクシャフト位置センサからの信号の次のエッジが生じる時点である。Tiは信号の連続する2つのエッジの間の時間間隔であり、Ti+1は信号の連続する2つのエッジの間の時間間隔であって、しかも、最初のエッジが時間間隔Tiのエッジのうちの後の方のエッジであるような時間間隔である。
このテストは好ましくはクランクシャフト位置センサからの信号の各エッジにおいて実施される。この場合、エッジfに関して測定された時間間隔T2は次のエッジf+1の時間間隔T1となり、時間間隔T3は時間間隔T2となる、等々。
時間間隔T1,T2,T3等の測定値はエンジン管理装置のメモリに記憶される。
該当するエッジが信号を発生させる時点t4、あるいは、より正確に、このエッジと先行エッジとの間の時間間隔T4は、反転が生じたか否かを前記テストの変数Aを解くことにより推定するために用いられる。
前述の計算に見られるように、本発明によるエンジン反転推定方法は、2次多項式関数の頂点Sを3つの連続するエッジから推定する計算に基づいている。関数の頂点S、今のケースでは放物線の頂点Sは、複数のエッジを用いることでも同様に求めることができるが、それでは処理時間が著しく長くなってしまう危険性がある。よって、推定は3つの連続するエッジを用いて実行され、計算は第4のエッジである後続のエッジの際に実行されることが好ましい。
それゆえ、エンジン回転方向の反転の推定は、反転位置の推定に使用された最後のエッジに続くエッジが生じたときに行われる。
2次の数学関数の頂点の推定に使用された最後のエッジに続くエッジが生じる時点の関数が理論上のエンジン反転時点の関数と比較される。したがって、好ましくは、多項式関数の頂点Sの推定に使用された最後のエッジに続く新たなエッジと多項式関数の頂点Sの推定に使用された最後のエッジの間の時間間隔に相当する時間間隔が、2次多項式関数の頂点Sに相当する推定された時点とエンジン回転方向の反転位置の推定に使用された最後のエッジとの間の差に相当する理論上の時間間隔と比較される。
反転推定の計算は好ましくは「移動式」で行われる、すなわち、頂点の位置の計算はクランクシャフト位置センサからの信号の各エッジにおいてリフレッシュされる。
有利なことに、本発明による方法はさらに検証ステップを有しており、この検証ステップでは、反転テストが結果が肯定的である場合には、歯カウンタを2つのカウンタに分割し、一方のカウンタのみが反転が起こったと見なしてカウントを行い、エンジン管理装置のプロセッサはこの一方のカウンタに依拠してエンジン位置を計算し、他方のカウンタはエンジン回転方向の反転は起こっていないと見なしてカウントする。プロセッサが依拠するカウンタによって予想される位置に長歯がないことが検出された場合には、プロセッサは他方のカウンタに依拠する。
本発明による方法はエンジン回転速度が閾値を下回ったとき、とりわけ、500rpm以下の値のときにのみ有利に実施される。
Claims (9)
- 歯の付いたターゲットを備えたクランクシャフトと、単方向クランクシャフト位置センサと、歯カウンタと、計算機を含んだエンジン管理装置と、失速期におけるエンジン挙動のモデルとを備えた内燃機関のエンジン回転方向の反転を検出する方法であって、前記歯のうち1つは長歯であり、前記単方向クランクシャフト位置センサは前記歯のカウントに使用される信号を供給するものであり、・前記クランクシャフト位置センサからの信号を記録し、該信号の連続する2つのエッジの間の各時間間隔を測定するステップと、・エンジン位置の時間的変化を、前記モデルに基づいて、前記クランクシャフト位置センサからの信号のエッジ間の時間間隔から計算するステップと、・前記エンジンの停止位置を推定するステップとから成る方法において、前記エンジン挙動モデルは時間tの2次多項式関数であり、エンジン回転方向の反転位置をy=a.t2+b.t+cの形式の2次多項式関数の頂点Sの位置の計算から推定することを特徴とする、内燃機関のエンジン回転方向の反転を検出する方法。
- 前記2次多項式関数の頂点Sを前記クランクシャフト位置センサからの信号の少なくとも3つの連続するエッジから推定する、請求項1記載の方法。
- 前記2次多項式関数の頂点Sに対応する理論上のエンジン回転方向反転時点は前記関数の1次導関数がゼロになる時点である、請求項1または2記載の方法。
- エンジン回転方向の反転に関するテストを含んでおり、該テストでは、前記2次多項式関数の頂点Sの推定において使用された最後のエッジに続く新たなエッジが現れる時点の関数が、前記の理論上のエンジン回転方向反転時点の関数と比較される、請求項3記載の方法。
- 前記反転テストの変数Aが負ならば、前記エンジン管理装置は回転方向の反転が起こったと見なし、エンジン位置を求めるために前記クランクシャフト位置センサからの信号を相応して処理する、請求項5記載の方法。
- エンジン回転方向の反転に関する前記テストの変数Aが負の場合には、歯カウンタを2つのカウンタに分割し、一方のカウンタのみが反転が起こったと見なしてカウントを行い、前記エンジン管理装置のプロセッサはこの一方のカウンタに依拠してエンジン位置を計算し、該方法はまた検証ステップも有しており、前記プロセッサが依拠するカウンタによって予想される位置に前記長歯がないことが検出された場合には、前記プロセッサは他方のカウンタに依拠する、請求項5または6記載の方法。
- 前記頂点Sの位置の計算は前記クランクシャフト位置センサからの信号の各エッジにおいてリフレッシュされる、請求項1記載の方法。
- エンジン回転速度が閾値を下回ったとき、とりわけ、500rpm以下の値であるときに実行される、請求項1から8のいずれか1項記載の方法。
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