JP2009508035A - エンジンの回転方向の反転を検出する方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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ｔ_th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ｔ_th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。

このようにして、反転を判定するために行われるテストの変数Ａが定義される。計算は時点ｔ４で行われるので、ｔ４の値は２次多項式関数の一階導関数がゼロとなる時点に相当する時点の値と比較される。すなわち、

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。

したがって、このモデルでは、以下の変数変換が行われる。なお、ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃およびｔ₄はクランクシャフト位置センサからの信号の連続する４つのエッジがそれぞれ生じる連続した時点である。

さらに、計算を簡単にするため、ｔ₁はゼロであると仮定してよい。すると、テスト変数Ａは次のようになる。

最終的には、下式が得られる。

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、ｔ_i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、ｔ_i+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。Ｔ_iは信号の連続する２つのエッジの間の時間間隔であり、Ｔ_i+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Ｔ_i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。

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す。 本発明が依拠する数学的モデルを示す。

Claims (9)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. エンジン回転方向の反転に関する前記テストは下記の変数Ａにより定義され、
   

   

   ここで
   

   

   であり、ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃およびｔ₄は前記クランクシャフト位置センサからの信号の連続する４つのエッジがそれぞれ生じる連続した時点である、請求項４記載の方法。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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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