JP2013194576A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】クランク角センサは、クランクシャフト(出力軸)の逆転時において正転時よりもパルス幅が大きい回転信号POSを出力する。この回転信号POSを入力するECUは、回転信号POSのパルス幅を演算し、このパルス幅の今回値と前回値との差分(差分=今回値−前回値)が第1判定値SL1(SL1>0)を超えて大きくなったときに、正転から逆転への切り替わりを判定し、前記差分が第2判定値SL2(SL2<0)を超えて小さくなったときに、逆転から正転への切り替わりを判定する。
【選択図】図4
Description
また、特許文献1には、内燃機関の運転条件が、前記出力軸が正転する条件である場合に計測したパルス幅又は振幅に基づいて、前記閾値を設定することが開示されている。
しかし、閾値を学習したタイミングと、学習した閾値を用いて回転方向を判定するタイミングとの時間的なずれによって、温度などの環境条件が変化してばらつきの特性が変化すると、ばらつきの影響を十分に吸収することができず、回転方向の判定精度が低下する可能性があった。
但し、回転方向によるパルス幅の差を拡大するために、広い側のパルス幅の設計値(ms)をより広くすると、高回転時に隣接するパルス信号が重複して、パルス幅の検出が困難になり、また、狭い側のパルス幅をより狭くすると、ノイズの影響を受けやすくなってパルスの検出精度が低下する、という問題が発生する。
また、回転方向による振幅の差を拡大するために、大きい側の振幅(電圧値)の設計値をより大きくしようとすると、センサを高出力タイプに変更することが必要となり、また、小さい側の振幅の設計値をより小さくすると、ノイズの影響を受けやすくなってパルスの検出精度が低下する、という問題が発生する。
図1は、車両用内燃機関101の構成図である。尚、本実施形態において、内燃機関101は、一例として直列4気筒機関であるものとする。
内燃機関101は、その吸気管102に、電子制御スロットル104を備えている。電子制御スロットル104は、スロットルモータ103aと、スロットルバルブ103bとを備える。そして、内燃機関101は、電子制御スロットル104及び吸気バルブ105を介して、各気筒の燃焼室106内に空気を吸入する。
燃焼室106内の燃料は、図示省略した点火プラグによる火花点火によって着火燃焼する。
燃焼室106内の燃焼後のガスは、排気バルブ107を介して排気管111に流出する。排気管111に設けたフロント触媒コンバータ108及びリア触媒コンバータ109は、排気管111を流れる排気を浄化し、浄化後の排気を大気中に放出する。
吸気カムシャフト134に設けた可変バルブタイミング機構113は、内燃機関101の出力軸であるクランクシャフト120に対する吸気カムシャフト134の回転位相を連続的に変化させることで、吸気バルブ105のバルブタイミングを連続的に変化させる機構である。
ECU114は、各種のセンサからの検出信号を入力する。
更に、ECU114には、内燃機関101の運転・停止のメインスイッチであるイグニションスイッチ124のオン・オフ信号、スタータスイッチ125のオン・オフ信号が入力される。
クランク角センサ117は、出力軸としてのクランクシャフト120に軸支され、周囲に被検出部としての突起部151を備えるシグナルプレート152と、内燃機関101側に固定され、突起部151を検出してパルス状の回転信号POSを出力する回転検出装置153とから構成される。
回転検出装置153が出力する回転信号POSは、突起部151を検出しない場合にローレベルを保持し、前記突起部151を検知したときに一定時間だけハイレベルに変化する、パルス信号とすることができ、また、突起部151を検出しない場合にハイレベルを保持し、前記突起部151を検知したときに一定時間だけローレベルに変化する、パルス信号とすることができる。
尚、突起部151の欠落数は、1個とすることができる他、3つ以上連続して欠落させることができる。
尚、図3において、回転信号POSは、突起部151を検出しない場合にローレベルを保持し、前記突起部151を検知したときに一定時間だけハイレベルに変化するパルス信号として示してある。
尚、回転信号POSを、欠落なく一定間隔毎に出力させ、クランク角センサ117とは別に、基準のクランク角位置で、パルス状の基準クランク角信号を出力する基準クランク角センサを設けることができる。
回転検出装置159は、突起部157を検出してパルス信号を発生するピックアップと共に、波形整形回路などを含む各種の処理回路を一体的に備えている。
そして、カムセンサ133(回転検出装置159)から出力されるパルス信号であるカム信号PHASEは、図3に示すように、突起部157を検知しない場合にはローレベルを保持し、突起部157を検知することで一定時間だけハイレベルに変化し、カム角で90deg、クランク角で180deg毎に、1個単独、3個連続、4個連続、2個連続にハイレベルに変化する。
カム信号PHASEのうち、1個単独のカム信号PHASE、及び、複数連続して出力されるカム信号PHASEの先頭の信号は、クランク角で180deg間隔に出力される。
即ち、カム信号PHASEの連続出力数が1であれば、第1気筒が特定のピストン位置になっていることを示し、カム信号PHASEの連続出力数が3であれば、第3気筒が特定のピストン位置になっていることを示し、カム信号PHASEの連続出力数が4であれば、第4気筒が特定のピストン位置になっていることを示し、カム信号PHASEの連続出力数が2であれば、第2気筒が特定のピストン位置になっていることを示す。
より具体的には、ECU114は、回転信号POSの歯抜け箇所を回転信号POSの周期変化などから判断し、この歯抜け位置を基準に、カム信号PHASEの発生数を計数する区間を特定し、この計数区間におけるカム信号PHASEの発生数に基づいて、次に上死点となる気筒を検出する。
そこで、ECU114は、回転信号POSの欠落部分を基準に、基準クランク角位置REFを検出し、この基準クランク角位置REFから、カム信号PHASEが出力されるまでの角度を、可変バルブタイミング機構113による吸気カムシャフト134の回転位相を示す値として検出する。
回転信号POSは、前述のように、吸気カムシャフト134の回転位相の検出に用いられる他、機関回転速度NEの演算、更に、クランクシャフト120の回転位置の検出に用いられる。
例えば、アイドルストップ制御によって内燃機関101を一時的に停止させる場合には、内燃機関101の停止時におけるクランクシャフト120の角度位置を計測することで、再始動時に燃料噴射を早期に再開させて、始動応答性を高めることができ、ECU114は、クランクシャフト120の停止角度位置の検出を、回転信号POSに基づいて行う。
そこで、内燃機関101の回転方向(正転、逆転)を判別できるように、クランク角センサ117が、内燃機関101の出力軸であるクランクシャフト120の正転時と逆転時とでパルス幅の異なる回転信号POSを出力するようにしてある。
図4に示す例では、正転時におけるパルス幅(ローレベル期間)を45μsとし、逆転時におけるパルス幅(ローレベル期間)を90μsとしてある。
更に、回転信号POSを、突起部151を検知しないときに回転信号POSがローレベルを保持し、突起部151を検知したときに一時的にハイレベルとなる信号特性とし、ハイレベル期間としてのパルス幅を、正転時と逆転時とで異ならせることができる。
そして、クランクシャフト120の正転時であれば、回転信号POSの出力時点で、前回の回転信号POSの出力時点よりも回転信号POSの発生間隔に相当するクランク角だけ、クランクシャフト120が正転方向に回転したと判断する。また、クランクシャフト120の逆転時であれば、回転信号POSの出力時点で、前回よりも回転信号POSの発生間隔に相当するクランク角だけ、逆転方向に回転したと判断する。
例えば、内燃機関101の停止直前にクランクシャフト120が逆転し、クランクシャフト120の停止位置が不明になると、再始動時には、例えば、回転信号POSの欠落部分が検出されるまでクランクシャフト120の回転位置が不明となり、燃料噴射や点火の開始が遅れる。
アイドルストップ制御においては、例えば、車速VSPが0km/h、機関回転速度NEが所定回転速度以下、アクセル開度ACCが全閉、ブレーキスイッチ122がON(制動状態)、冷却水温度TWが所定温度以上(暖機後)などの条件が全て成立しているときに、アイドルストップ条件(自動停止条件)が成立していると判断し、燃料噴射及び点火を停止させ、内燃機関101を停止させる。
一方、内燃機関101を自動停止させている状態で、例えば、ブレーキスイッチ122がOFF(非制動状態)に切り替わったり、アクセルペダルが踏み込まれたり、自動停止状態(アイドルストップ状態)の継続時間が基準時間よりも長くなったり、バッテリ電圧の低下を判断したりすると、再始動条件が成立したと判断して、内燃機関101を再始動させる。
尚、内燃機関101の再始動時には、スタータモータを用いて内燃機関101を回転させ始めることができ、また、燃焼室内での燃料の燃焼によって内燃機関101を回転させ始めることができる。
図5のフローチャートに示すルーチンは、回転信号POSの発生毎に割り込み実行され、まず、ステップS501では、今回発生した回転信号POS(パルス)のパルス幅WIPOSを計測する。
具体的には、以下の運転条件(1)〜(5)のうちの少なくとも1つが成立している場合に、内燃機関1の出力軸であるクランクシャフト120が正転する運転条件であると判断する。
尚、以下の運転条件(1)〜(5)のうちの複数が成立していることに基づいて正転を判断させれば、正転条件をより高精度に判定できる。
(2)カム信号PHASEによって判別される気筒が、正転方向に沿って切り替わっている。
(3)機関負荷TPが所定負荷TPS以上である。
(4)スタータスイッチ125のオン状態である。
(5)吸気圧PBが大気圧から所定以上に増大又は低下した状態である。
即ち、内燃機関101の逆転時における機関回転速度NEの最大値は、内燃機関101の正転時における機関回転速度NEの最大値に比べて低いので、逆転時の機関回転速度NEの最大値を越える機関回転速度NEに達している場合には、クランクシャフト120(内燃機関101)が正転していると判断できる。
換言すれば、内燃機関101が逆転している場合には、所定負荷TPSを超える機関負荷で内燃機関101が運転されることはなく、機関負荷が所定負荷TPS以上であれば、内燃機関101(クランクシャフト120)は正転していると判断する。
ここで、所定負荷TPSを高く設定するほど、正転状態の判定精度は高くなるが、例えば、内燃機関101のアイドル運転時に運転条件(3)の成立が判断される程度に、所定負荷TPSを設定しても、必要充分な判定精度を得られる。
クランクシャフト120の逆転は、内燃機関101の停止直前に発生し、停止直前における吸気圧PBは大気圧付近となる。換言すれば、吸気圧PBが大気圧から所定以上に変化している場合には、内燃機関101(クランクシャフト120)の正転状態であると判断でき、吸気圧PBが大気圧から所定以上に変化しているか否かは、吸気圧PBと所定圧PBSとを比較することで判断できる。
ここで、内燃機関101が自然吸気機関(過給機を備えない機関)であれば、全開運転状態で吸気圧PBが大気圧付近になるので、所定圧PBSを負圧に設定し、吸気圧PBが所定圧PBS以上に大きな負圧になっている場合、換言すれば、内燃機関101が吸気負圧の大きな低負荷で運転されている場合に、内燃機関101(クランクシャフト120)の正転を判断する。
尚、内燃機関101が自然吸気機関である場合、機関負荷の増大によって吸気圧PBが負圧から大気圧に近づくことになり、また、前述のように、逆転状態においても吸気圧PBは大気圧付近となるので、吸気圧PBに基づいて機関負荷の判断を行わせる場合には、大気圧付近を正転判定領域から除外し、負圧発生状態である場合に、内燃機関101が正転していると判断することができる。
前記フラグF1は、内燃機関101の停止を判断したとき、又は、内燃機関101の再始動時に0にリセットされるようになっており、フラグF1に「1」が設定されている場合には、正転する運転条件を経験済みであることを示す。
ステップS504では、内燃機関101の停止要求が発生しているか否か、又は、内燃機関101の回転速度がアイドル回転よりも低く、停止に向けて回転速度が低下している状態であるか否かを判断する。換言すれば、ステップS504では、内燃機関101の逆転が発生し得る停止直前の状態に至る条件であるか否かを判断する。
内燃機関101の停止要求とは、キースイッチによる停止操作の他、アイドルストップ制御による停止指令などが含まれる。
一方、ステップS504で、内燃機関101の停止要求が発生していると判断した場合、又は、内燃機関101の回転速度が停止に向けて低下している状態であると判断した場合には、逆転の有無を判定させ、クランクシャフト120の停止位置の検出を行わせるために、ステップS505以降へ進む。
フラグF1が「1」である場合には、クランクシャフト120が正転する状態を経験しており、回転方向の判定開始初期は、クランクシャフト120が正転しているものと推定できる。
一方、フラグF1がゼロである場合には、正転状態を経験しておらず、現時点での回転方向が、正転状態でない可能性がある。
従って、クランクシャフト120が正転する条件で内燃機関101が運転された履歴がない場合には、パルス幅WIPOSのステップ的な変化を検出する前の時点での回転方向が不明であることになり、クランクシャフト120の回転位置の検出が行えないことになる。
尚、ステップS502、ステップS503、ステップS505の処理、即ち、クランクシャフト120が正転する条件で内燃機関101が運転されたか否かを判定する処理、及び、当該判定結果に基づく回転方向の判定処理を省略し、内燃機関101の停止要求が発生した時点では、内燃機関101が正転しているものと見做して、その後の逆転への切り替わりをパルス幅WIPOSの時系列的な変化に基づいて検出させることができる。
ステップS507では、今回計測したパルス幅WIPOSnewと、本ルーチンの前回実行時に計測した前回の回転信号POSのパルス幅WIPOSoldとの差分ΔWIPOS(ΔWIPOS=WIPOSnew−WIPOSold)を演算し、この差分(変化量)ΔWIPOSが、第1判定値SL1(SL1>0)よりも大きいか否かを判断する。
尚、上記の第1判定値SL1及び後述する第2判定値SL2は、回転方向の切り替わりによるパルス幅WIPOSのステップ的な変化と、一定の回転方向を維持しているためにパルス幅WIPOSが殆ど変化しない状態とを切り分けることができるように、予め実験やシミュレーションによって適合してメモリに記憶されている値である。
従って、ステップS507で、ΔWIPOS≦第1判定値SL1であると判断した場合、即ち、パルス幅WIPOSのステップ的な増大変化が検出されず、パルス幅WIPOSが略一定値で推移している場合には、クランクシャフト120が正転方向に回転し続けていると判断し、ステップS508へ進んで、クランクシャフト120の正転を判定し、かつ、ステップS509では、フラグF2をゼロのまま保持させる。
そこで、ΔWIPOS>第1判定値SL1であると判断すると、ステップS510へ進んで、クランクシャフト120の回転方向が逆転方向であると判断し、次のステップS511では、フラグF2に対し、逆転状態であることを示す「1」を設定する。
クランクシャフト120が逆方向に回転している場合、次に発生する回転方向の切り替わりは、逆転から正転への切り替わりで、係る回転方向の切り替わり時には、回転信号POSのパルス幅WIPOSが時系列的に減少することになる。
ここで、クランクシャフト120が逆方向に回転している状態を保持する場合には、パルス幅WIPOSはステップ的に減少することはなく、略一定で推移することになるから、ステップS512において、ΔWIPOS≧第2判定値SL2であると判断されることになる。
一方、ΔWIPOS<第2判定値SL2であるとステップS512で判断した場合、即ち、前回のパルス幅WIPOSoldに対して、今回のパルス幅WIPOSnewが第2判定値SL1を超えて小さくなった場合には、クランクシャフト120の回転方向が逆転から正転に切り替わったものと判断し、ステップS508へ進む。
上記のようにして、クランクシャフト120の回転方向を判定すると、正転時であれば、回転信号POSの出力時点で前回よりも回転信号POSの発生間隔に相当するクランク角だけ、クランクシャフト120が正転方向に回転したと判断する。
一方、クランクシャフト120の逆転時であれば、回転信号POSの出力時点で、前回よりも回転信号POSの発生間隔に相当するクランク角だけ、クランクシャフト120が逆転方向に回転したと判断する。
回転信号POSの第1パルス#1から第3パルス#3までは、クランクシャフト120が正転していることに対応して、正転時に対応するパルス幅WIPOS=45μsを維持し、差分ΔWIPOSは、今回値と前回値とが略同等であることを示す0付近を維持する。
ここで、第4パルス#4を今回の回転信号POSとし、第3パルス#3を前回の回転信号POSとして演算される差分ΔWIPOSは、各パルスを発生したときの回転方向の違いによって第1判定値SL1を超えてプラス側に変位することで、正転から逆転への切り替わりが検出される。
続いて、第5パルス#5の発生時点から次の第6パルス#6が発生するまでの間で、クランクシャフト120の回転方向が逆転から正転に切り替わり、第6パルス#6のパルス幅WIPOSは45μs付近を示している。
上記のように、回転信号POSのパルス幅WIPOSが、クランクシャフト120の回転方向に応じて異なるようにし、かつ、係る回転信号POSのパルス幅WIPOSの時系列的な変化、即ち、今回のパルス幅WIPOSと前回のパルス幅WIPOSとの差分ΔWIPOSに基づいて回転方向の切り替わりを判定するようにしたので、温度などの環境変化によって、計測されるパルス幅WIPOSがばらついても、回転方向を精度良く判定することが可能である。
従って、パルス幅WIPOSの時系列的な変化を示す差分ΔWIPOSに基づいて、回転方向の切り替わりを判定するようにすれば、温度などの環境条件の変化によって、計測されるパルス幅WIPOSがばらついても、クランクシャフト120の回転方向を精度良く判定することが可能である。
尚、回転信号POSのパルス幅WIPOSの時系列的な変化を示す差分ΔWIPOSは、ΔWIPOS=WIPOSold−WIPOSnewとすることができる。ΔWIPOS=WIPOSold−WIPOSnewとする場合、差分ΔWIPOSが0付近からマイナスに変化したときに、正転から逆転への切り替わりを判定し、差分ΔWIPOSが0付近からプラスに変化したときに、逆転から正転への切り替わりを判定することになる。
この場合、例えば、比率RPOS=WIPOSnew/WIPOSoldとすると、比率RPOSが第1判定値RSL1(RSL1>1)を超えて大きくなった場合に、正転から逆転への切り替わりを判定し、比率RPOSが第2判定値RSL2(RSL2<1)を超えて小さくなった場合に、逆転から正転への切り替わりを判定する。
一方、比率RPOSが1付近の値であれば、それまでの回転方向を維持しているものと判定する。
また、クランク角センサ117が出力する回転信号POSは、クランクシャフト120の回転方向によってパルス幅WIPOSが異なるパルス信号の他、回転方向によって振幅の異なるパルス信号とすることができる。
図6に示す例では、回転信号POSの振幅(電圧レベル)が、正転時よりも逆転時で大きくなるように、クランク角センサ117の出力特性を設定してある。
そして、差分ΔVが第1判定値VSL1(VSL1>0)を超えて大きくなったとき(0付近からプラスに変化したとき)に、正転から逆転への切り替わりを判定し、差分ΔVが第2判定値VSL2(VSL2<0)を超えて小さくなったとき(0付近からマイナスに変化したとき)に、逆転から正転への切り替わりを判定する。
また、振幅が、正転時よりも逆転時が小さくなるように、クランク角センサ117の特性を設定することができる。
また、回転信号POSのパルス幅や振幅の時系列的な変化を判断するときに、今回値と前回値とを比較する代わりに、回転方向が同じであると判定した過去複数回での計測値の平均値(加重平均値、単純平均値、最大値及び最小値を除いたデータの平均値など)と、今回の計測値とを比較させることができる。まあ、今回の計測値と前々回の計測値とを比較させるなど、時系列的に不連続なデータ間での差又は比率から回転方向を判定させることができる。
例えば、回転信号POSのパルス幅や振幅の計測値と、これらの閾値との差が、設定値を上回っている場合であって、判定精度を確保できるものと推定される場合には、パルス幅や振幅の計測値と閾値とを比較して回転方向を判定し、前記差が設定値を下回っている場合であって、判定精度の低下が推定される場合には、パルス幅や振幅の計測値の時系列的な変化に基づき回転方向を判定させることができる。
また、パルス幅や振幅の計測値、或いは、これらの計測値の差分や比率が、予め定めた範囲(正常時におけるばらつき範囲)を外れている場合に、これらのデータに基づく回転方向の判定を禁止することができる。そして、回転方向の判定を禁止した場合には、アイドルストップ制御を禁止することができる。
以上、好ましい実施形態を具体的に説明したが、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
(イ)機関回転速度が上昇した状態、既定のピストン位置であると判別した気筒の更新順が正常である状態、機関負荷が上昇した状態、機関の始動操作状態、吸気圧が大気圧から所定以上に増大又は低下した状態のうちの少なくとも1つが成立する場合に、前記出力軸が正転する条件であると判定する、請求項3記載の内燃機関の制御装置。
上記構成によると、出力軸が正転する運転条件を適切に判断し、その後の正転から逆転への切り替わりを、回転信号のパルス幅又は振幅の時系列的な変化に基づき精度良く判定できる。
上記発明によると、回転方向に変化がない場合には、回転信号のパルス幅又は振幅が一定で推移することになり、回転方向が切り替わることでパルス幅又は振幅が変化し、これによって差分又は比率が変化することになるので、回転方向の切り替わりによるパルス幅又は振幅の変化に見合う差分又は比率であるか否かを、差分又は比率と判定値とを比較することで判定する。
上記発明によると、内燃機関の停止要求が発生したとき、又は、内燃機関の回転速度が停止に向けて低下しているときは、出力軸の逆転が発生し得る条件であり、このときに回転信号のパルス幅又は振幅の時系列的な変化に基づく回転方向の判定を行うことで、無用に回転方向の判定処理が実施されることを抑制できる。
Claims (3)
- 内燃機関の出力軸の回転に応じて出力される回転信号であって、前記出力軸の正転時と逆転時とでパルス幅又は振幅が異なるパルス信号として出力される回転信号を入力し、
前記回転信号のパルス幅又は振幅の時系列的な変化に基づき、前記出力軸の回転方向を判定する、内燃機関の制御装置。 - 前記回転信号のパルス幅又は振幅の時系列的なデータ間における差又は比率に基づき、前記出力軸の回転方向を判定する、請求項1記載の内燃機関の制御装置。
- 前記内燃機関の運転条件が、前記出力軸が正転する条件である場合に、前記出力軸の正転を判定し、その後、前記パルス信号のパルス幅又は振幅の時系列的な変化に基づき、前記出力軸の回転方向の切り替わりを判定する、請求項1又は2記載の内燃機関の制御装置。
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