JP2010144536A - 内燃機関の停止を制御する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両との共振を増大させることなく、エンジンを停止させる。
【解決手段】内燃機関の吸入空気量を制御するスロットル弁と、スロットル弁を駆動するためのアクチュエータと、内燃機関を制御する電子制御装置と、を備える。この電子制御装置は、内燃機関の停止指令が発生され、スロットル弁が閉じられた後、内燃機関の回転数が所定値以下となるとき、スロットル弁を開く信号をアクチュエータに送る手段と、停止指令の後、内燃機関に所定の基準を超える振動が発生したか否かを判定する振動判定手段と、振動が発生したと判定されるとき、次回の停止指令後におけるスロットル弁を開くタイミングを遅らせる手段と、を備える。回転数センサで検出される内燃機関の回転数の時系列データ配列を用いて周波数解析を実行し、所定の周波数についてのスペクトルを求め、スペクトルがしきい値を超えるとき、内燃機関に所定の基準を超える振動が発生したと判定する。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の振動を増加させることなく内燃機関を停止させる技術に関する。

ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンなどの内燃機関においては、燃焼室で燃焼が停止しても、ピストンは、ピストンの惰性が摩擦で消費されるまで数十回程度往復運動し、エンジンを振動させる。この振動を低減するために、エンジンを停止するときには吸気通路上のスロットル弁を完全に閉じた位置に配置することが行われた。しかし、スロットル弁を完全に閉じて吸気通路を閉じてしまうと、燃焼停止後しばらく継続するピストンの惰性運動によって吸気通路内が負圧になる。このため、圧縮行程内にある気筒内の空気量が減り、惰性運転において慣性エネルギーに抗する力が弱くなり、ピストンが上死点付近で停止する傾向がある。

特許文献１には、ピストンが上死点付近で停止した状態では、クランクアームとクランクロッドとが直列になり、ピストンを動かすのに必要なトルクが大きいので、エンジンの始動性が悪いことが記載されている。このため、特許文献１は、エンジン停止時に惰性によるエンジン回転数が予め設定された値を下回ると、スロットル弁を少し開いて吸気通路内の負圧を弱めることを提案している。

特許文献２には、エンジン停止時のエンジンの振動を低減するため、スロットル弁の開度をより細かく制御することが記載されている。

また、通常のエンジンでは吸気弁を上死点前数度で開き始め、下死点後数十度で閉じる設定となっており、排気弁は下死点前数十度で開き始め、上死点後数度で閉じる設定となっている。このため、上死点付近の１０数度の区間は、吸気弁および排気弁の両方が開いているバルブオーバーラップ区間となる。近年、内燃機関の出力および燃費を向上させるため、吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングまたはリフト量を変化させる可変動弁機構（Variable Valve Timing and Lift Control System）が使われるようになっている。この機構を用いた内燃機関でも、上死点付近でバルブオーバーラップが発生する。

特許文献３には、エンジン停止時にエンジン回転数が車両の共振周波数域に入る共振回転数より低下してから、スロットル弁を開けてエンジンの停止制御を行うことが記載されている。
特開２０００―２１３３７５ 特開２００５−３２０９０９ 特開２００３−２１４１９２

車両の共振周波数は、経年変化により変化し、また車両によってばらつきがあるので、エンジン停止時のピストン位置を制御するためにスロットル弁を開くタイミングを一定にしたのでは、経年変化により、車両の共振周波数域でスロットルを開いて共振を増大させるおそれがある。

したがって、車両との共振を増大させることなく、エンジンを停止させることができる手法が求められている。

上記の課題を解決するため、この発明の装置は、内燃機関の吸入空気量を制御するスロットル弁と、前記スロットル弁を駆動するためのアクチュエータと、前記内燃機関を制御する電子制御装置と、を備える。この電子制御装置は、内燃機関の停止指令が発生され、スロットル弁が閉じられた後、前記内燃機関の回転数が所定値以下となるとき、スロットル弁を開く信号をアクチュエータに送る手段と、前記停止指令の後、内燃機関に所定の基準を超える振動が発生したか否かを判定する振動判定手段と、前記振動が発生したと判定されるとき、次回の停止指令後におけるスロットル弁を開くタイミングを遅らせる手段と、を備える。

この発明の一実施形態では、振動判定手段は、回転数センサで検出される内燃機関の回転数の時系列データ配列を用いて周波数解析を実行し、所定の周波数についてのスペクトルを求め、前記スペクトルがしきい値を超えるとき、内燃機関に所定の基準を超える振動が発生したと判定する。

また、この実施形態では、振動判定手段は、離散フーリエ変換により前記周波数解析を実行する。

さらにもう一つの実施形態では、スロットル弁を開くタイミングを遅らせる手段は、スロットル弁を開くタイミングを遅らせるとともに、スロットル弁の開度をこの遅らせたタイミングに従って持ち替える手段を有する。

一実施例では、前記所定の周波数として、車両の共振周波数となる可能性のある複数の周波数が設定される。

この発明の他の実施形態では、電子制御装置は、内燃機関の停止指令が発生されてから前記内燃機関が停止するまでの該内燃機関の回転数を記録する不揮発性のメモリを備えており、前記振動判定手段は、該内燃機関が停止した後に実行される。

この実施形態では、前記振動判定手段は、次回にイグニションがオンされた後に実行される。また、スロットル弁を開くタイミングを遅らせる手段は、スロットル弁を開く予め定めた設定回転数を所定回転数減算した値を新たな設定回転数として前記不揮発性のメモリに記憶する。

内燃機関の停止指令は、イグニションがオフされたとき、またはアイドリング時にエンジンが自動停止するとき、電子制御装置により発生される。

次に図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。図１は、内燃機関のアイドル回転数制御装置の全体的な構成を示すブロック図である。エンジン10は、たとえば４気筒の自動車エンジンである。吸気管12には主たる絞り弁であるスロットルバルブ14が配置されている。スロットルバルブ14は、電子制御装置（Electronic Control Unit, ECU）60からの制御信号に応じてアクチュエータ18によって駆動される。ＥＣＵ60は、図に示さないアクセルペダルの踏み込み量センサからの検出出力に応じて、スロットルバルブ14を開閉制御するための制御信号をアクチュエータ18に送る。この方式は、ドライブバイワイヤ方式と呼ばれており、他の方式には、ワイヤ16をアクセルペダルに接続してアクセルペダルにより直接的にスロットルバルブを制御する方式がある。スロットルバルブ14の近くにスロットルバルブ開度センサ20が設けられており、スロットル開度θTHに応じた信号を出力する。

スロットルバルブ14の下流のインテークマニホールドの直後の吸気ポート付近に、気筒ごとにインジェクタ（燃料噴射装置）24が設けられている。インジェクタ24は、燃料タンクに燃料供給管および燃料ポンプを介して接続され、ガソリン燃料の供給を受け、吸気ポート内に噴射する。

吸気管12のスロットルバルブ14の下流には絶対圧センサ32および吸気温センサ34が備えられ、それぞれ吸気管内絶対圧PBAおよび吸気温TAを示す電気信号を出力する。

エンジン10のカムシャフトまたはクランクシャフトの付近に気筒判別センサ(CYL)40が設けられており、たとえば第１気筒の所定クランク角度一で気筒判別信号CYLを出力する。また、TDCセンサ42およびクランク角センサ(CRK)44が備えられており、前者は、各気筒のピストン上死点(TDC)位置に関連した所定のクランク角度位置でTDC信号を出力し、後者は、TDC信号よりも周期の短いクランク角度（たとえば30度）でCRK信号を出力する。

エンジン10は、エキゾーストマニホールドを介して排気管46に接続され、燃焼によって生じた排出ガスを触媒装置50で浄化し、外部に排出する。触媒装置50の上流には広域空燃比(LAF)センサ52が設けられ、リーンからリッチにわたる広範囲において排出ガス中の酸素濃度に比例する信号を出力する。

自動車の車輪を駆動するドライブシャフトの付近に車速センサ54が配置され、ドライブシャフトの所定回転ごとに信号を出力する。また、車両には大気圧センサ56が設けられ、大気圧に応じた信号を出力する。

これらのセンサの出力は、電子制御装置（ECU）60に送られる。ECU60は、マイクロコンピュータで構成されており、演算を行うプロセッサCPU60a、制御プログラムおよび各種データのリスト、テーブルを格納するROM60b、およびCPU60aによる演算結果などを一時記憶するRAM60cを有する。ECU60は、不揮発性のメモリを備えており、次回の運転サイクルでのエンジン制御に必要なデータなどをこの不揮発性メモリに保存する。不揮発性メモリは、書き替え可能なROMであるEEPROM、または車両の電源がオフにされても保持電流が供給されて記憶を保持するバックアップ機能付きのRAMで構成することができる。

各種センサの出力は、ECU60の入力インターフェイス60dに入力される。入力インターフェイス60dは、入力信号を整形して電圧レベルを修正する回路、およびアナログ信号からディジタル信号に変換するA/D変換器を備えている。

CPU60aは、クランク角センサ44からのCRK信号をカウンタでカウントしてエンジン回転するNEを検出し、また、車速センサ54からの信号をカウントして車両の走行速度VPを検出する。CPU60aは、ROM60bに格納されたプログラムに従って演算を実行し、出力インターフェイス60eを介してインジェクタ24、点火装置（図示せず）、スロットルバルブ・アクチュエータ18などに駆動信号を送る。

図２は、エンジン回転数NEとエンジンに固有の共振周波数72との関係を示す。図２（A）では、エンジンの停止指令によって始められるエンジンの停止制御が一点鎖線70の時点で開始されることを示している。THはスロットル弁の開度を示し、停止制御の開始と同時にスロットル弁が閉じられ、開始点AAから吸気管内の負圧を弱めるために開かれる。図に矢印で71で示すようにエンジンの回転数NEが共振周波数と交わるときにスロットル弁が開かれている。スロットル弁が開かれると、エンジンが回転しやすくなり、瞬間的にトルクが大きくなり振動を増大させる。曲線Gは、エンジンの振動を表し、エンジン回転数NEが共振周波数と交わるところで大きく振動することを表している。

図２（B）は、エンジンの停止制御開始後にスロットル弁を開く開始点AAをエンジン回転数がエンジンの共振周波数よりも小さくなった時点に設定した状態を表している。図にサークル74で示すエンジン回転数が共振周波数と交わる時点より後にスロットル弁を開いている。こうすることにより、共振点付近でエンジンのトルクを増大させることがないので、図２（A）で示したような共振を増大させる現象は発生しない。

図３は経年変化によりエンジンの共振周波数が変化したとき、エンジン停止制御に発生する問題を表している。図３（A）では、イグニションがオフされエンジンの停止制御が開始した時点70でいったん閉じられたスロットル弁を開くタイミングAAが共振域76以後に設定されている。この状態では、スロットル弁を開くことによってエンジンの共振が増大されることはない。

スロットル弁をこのようなタイミングで開ように停止制御を設定した車両であっても、経年変化によりエンジン共振周波数が変化すると、問題を生じる。図３（B）に示すように、初期の共振周波数72が車両の経年変化により線73で示す値に変化すると、エンジン回転数NEが共振周波数と交わる時点が遅れ、初期の共振域76が共振域77に変化する。この状態でスロットル弁を開くタイミングAAを図３（A）で示した位置のままにすると、共振域77でスロットル弁が開かれ、これにより発生するトルクにより振動が増大される。このことが振動曲線Gで示されている。

この発明の装置は、エンジンの共振周波数の経年変化を検出し、変化した共振周波数に合わせてスロットル弁を開くタイミングを遅らせる制御を行う。

図４のマップを参照すると、一実施例では、変化した共振周波数に合わせてスロットル弁を開くタイミングを遅らせる（具体的にはスロットル弁を開くときのエンジン回転数を低回転数側に変更する）とともにスロットル弁の開度（TH開度）をこの遅らせたタイミング（すなわち低回転数側に変更したエンジン回転数）に従って持ち替える。このマップは、スロットル弁を開くエンジン回転数が低回転側になるほどスロットル弁の開度が低開度となるように設定され、ECUのメモリに格納されている。

この発明の一実施形態では、エンジンの停止指令で始まる停止制御開始からエンジンが停止するまでの、エンジン回転数を不揮発性メモリに保存する。次回にイグニションがオンにされ、車両が運転状態に入ったときバックグラウンドでエンジンの共振周波数を検出するための演算を実施する。

図５は、不揮発性メモリに保存された、エンジンの停止制御開始からエンジンが停止するまでの1000ミリ秒間における回転数NE（rpm）の変化を示す。この実施例では、図５にサークル１からサークル８で示す８つの区間（ANLY）について、共振周波数となる可能性の高い10Hz（エンジン回転数600rpmに相当）、8.3Hz（500rpmに相当）、6.7Hz（400rpmに相当）の３つの周波数のそれぞれについてフーリエ解析を行い、スペクトルがしきい値を超えるかどうかにより共振を検出する。図５は、10Hzについて周波数解析する例を示しており、8つの区間のそれぞれは10Hzに対応する周期である100ミリ秒としている。この８つの区間は、図５の下方に示すように半周期の50ミリ秒ずつずれている。ECUの不揮発性メモリには、エンジンが停止するまでの1000ミリ秒間の回転数が１ミリ秒間隔で記憶されている。したがって、100ミリ秒の一つの区間(ANLY)には、100個の数値の配列がある。

図６は、振動検出のフローを示し、図７は振動判定のしきい値レベルを示している。図５に示すエンジン回転数の時系列データ、すなわち数値の配列に対し、８つの区間のそれぞれについて10Hzの周波数で離散フーリエ変換を行う（201）。次いで、同様の手法で、8.3Hzの周波数で離散フーリエ変換を行い（203）、最後に6.7Hzの周波数で離散フーリエ変換を行う(205)。これらの３つのサブルーチンでの離散フーリエ変換のいずれかでスペクトルが図７のしきい値レベル90を超えると、振動フラグF_VIBを１にセットし（207）、スロットル弁を開く開始点AAを10rpmに対応する時間だけ遅らせる(209)。具体的にはスロットル弁を開く開始点AAの設定回転数を10rpm減算する。当該更新した開始点AA（10rpm減算した後の設定回転数）は、不揮発性メモリに記憶しておき、次回のエンジン停止制御における開始点AAとして用いる。この処理を繰り返すことにより、開始点AAが10rpmに対応する時間ずつ遅らされ、共振が発生しない時点まで移動される。

図８は、エンジン停止制御の全体的なフローを示す。エンジンの停止指令が発せられ、停止モードフラグが１にセットされると(211)、エンジン回転数NEがスロットル弁を開く開始点の回転数に達したかどうか点検し（213）、達していればステップ215に進む。ステップ215では、スロットル弁の開始点に基づいてテーブルを検索し、スロットル弁の開度を求める。このスロットル弁開度をスロットル弁駆動のための信号THCMDとする（219）。ステップ213でエンジン回転数がスロットル弁を開く開始点に対応する回転数に達していないときは、閉弁中のスロットル開度（たとえば、０度）をスロットル弁駆動のための信号THCMDとする（217）。

次に図９を参照して、図６のサブルーチン201、203、205で実行される離散フーリエ変換を説明する。簡単に複素形フーリエ変換を説明すると、Tを周期とする f(t)=f(t-T) なる周期波は、次式で表される。

ここで、
ω₀＝２π/Ｔ

c_nは、複素形フーリエ係数であり、次式で表される。

周期Tの正弦波のスペクトル（大きさ、強度）K_nおよび位相は、次式で求められる。この式で、REは実数部を意味し、IMは虚数部を意味する。

図９は、この発明の実施例において、離散フーリエ変換によるディジタル演算によりスペクトル(Spectrum)を求めるプロセスを示す。上記の式のディジタル形式での演算を行うことになる。ここでは、車両の共振周波数となる可能性のある10Hz、8,3Hzおよび6.7Hzをフーリエ変換の対象としている。この周波数は、一例であり、これに限定されるものではない。ステップ301で、フーリエ変換の対象とする３つの周波数(FREQ)を角周波数OMEGA(rad/sec)に変換する。いま、周波数10Hzについてフーリエ変換を実施するとき、OMEGA=2π×10(rad/sec)となる。

ステップ303で解析区間の長さTERMを設定する。この実施例では、TERMは、解析対象とする周波数の周期の長さに設定する。FREQ=10Hzのとき、TERM=（1/10）×1000（ミリ秒）=1０0（ミリ秒)となる。

ステップ305から、図５で示した８つの解析区間(ANLY)のそれぞれにおいてフーリエ変換を繰り返すループに入る。ステップ307において、解析区間の開始点KSTを前回の解析区間の開始点から1/2区間進めた点に設定する。最初の解析区間１についてはKSTは初期値１に設定される。２番目の解析区間２については、開始点KSTは、初期値から１／２区間進んだ時点になる。ステップ309において、STは回転数データのサンプリング間隔に設定される。この実施例ではサンプリング間隔は１ミリ秒である。ステップ311でｎを解析区間の開始点KSTから（KST＋TERM）、つまりその解析区間の終わりまで値に設定して演算のループに入る。すなわち、周波数10Hzについてフーリエ変換を行うときは、区間の長さが100ミリ秒であるから、n = KST, KST+1, KST+2, ・・・・,KST+99とする演算のループに入る。ステップ313において、時間tをサンプリング間隔STすなわち１ミリ秒にｎを乗算して設定する。STは整数の値なので、ミリ秒の単位にするため、ステップ315および317の演算では、t/1000を用いる。

ステップ315において、一つの解析区間に含まれる１ミリ秒間隔の数値配列について積分演算を行ってフーリエ級数の実数部REを求める。ステップ317において、同様に積分演算を行ってフーリエ級数の虚数部IMを求める。

次いで、ステップ321においてフーリエ変換のスペクトルを演算する。こうして得られたスペクトルが判定しきい値VIBJUDより大きいならば（321）、振動が発生したと判定し、フラグF_VIBを１にセットする（325）。すべての解析区間についての演算が終了したならば（327）、周波数10Hzについてのフーリエ変換処理を終了する。

以上の処理を、周波数8.3Hz、6.7Hzについて実施して図６の離散フーリエ変換のサブルーチン201、203、205を終える。

以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。

たとえば、振動判定手段は、圧電素子など振動を検出するセンサを用いて構成することが可能である。

この発明の一実施例のエンジンの全体的な構成を示す図。 エンジンの停止制御におけるスロットル弁を開くタイミングとエンジンの共振との関係を示す図。 この発明にしたがってスロットル弁を開タイミングを決定する様子を示す図。 一実施例においてスロットル弁の開度を持ち替えるためのマップを示す。 エンジンの停止制御におけるエンジン回転数の変化を示す図。 この発明にしたがってエンジンの振動を判定する流れを示す図。 一実施例における、フーリエ変換で得られるスペクトルから振動を判定する、しきい値レベルの例を示す図。 エンジン停止制御の全体的な流れを示す図。 この発明の一実施例で使われる離散フーリエ変換の流れを示す図。

符号の説明

１０ エンジン
１４ スロットル弁
６０ 電子制御装置（ECU）
７２、７３ 共振周波数

Claims (8)

1. 内燃機関の吸入空気量を制御するスロットル弁と、
   前記スロットル弁を駆動するためのアクチュエータと、
   前記内燃機関を制御する電子制御装置と、を備え、
   前記電子制御装置は、
   前記内燃機関の停止指令が発生され、前記スロットル弁が閉じられた後、前記内燃機関の回転数が所定値以下となるとき、前記スロットル弁を開く信号を前記アクチュエータに送る手段と、
   前記停止指令の後、前記内燃機関に所定の基準を超える振動が発生したか否かを判定する振動判定手段と、
   前記振動が発生したと判定されるとき、次回の停止指令後における前記スロットル弁を開くタイミングを遅らせる手段と、
   を備える、内燃機関の停止を制御する装置。
2. 前記振動判定手段は、前記回転数センサで検出される内燃機関の回転数の時系列データ配列を用いて周波数解析を実行し、所定の周波数についてのスペクトルを求め、前記スペクトルがしきい値を超えるとき、前記内燃機関に所定の基準を超える振動が発生したと判定する、請求項１に記載の装置。
3. 前記振動判定手段は、離散フーリエ変換により前記周波数解析を実行する、請求項２に記載の装置。
4. 前記スロットル弁を開くタイミングを遅らせる手段は、該スロットル弁を開くタイミングを遅らせるとともに、該スロットル弁の開度をこの遅らせたタイミングに従って持ち替える手段を有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記所定の周波数として、車両の共振周波数となる可能性のある複数の周波数が設定される、請求項２または３に記載の装置。
6. 前記電子制御装置は、前記内燃機関の停止指令が発生されてから前記内燃機関が停止するまでの該内燃機関の回転数を記録する不揮発性のメモリを備えており、前記振動判定手段は、該内燃機関が停止した後に実行される、請求項２から５のいずれか１つに記載の装置。
7. 前記振動判定手段は、次回にイグニションがオンされた後に実行される、請求項６に記載の装置。
8. 前記スロットル弁を開くタイミングを遅らせる手段は、スロットル弁を開く予め定めた設定回転数を所定回転数減算した値を新たな設定回転数として前記不揮発性のメモリに記憶する、請求項６または７に記載の装置。

Images