JP2017008784A - エンジンの停止判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランクシャフト１３の回転が完全に停止する前に、できるだけ早くエンジン１の停止を判定する。
【解決手段】クランク信号（クランク角センサ１０１からの信号）を入力し、その時間間隔の変化に基づいてクランクシャフト１３の回転速度の変化率（クランク角加速度）を算出するクランク角加速度算出手段（ステップＳＴ１）と、気筒２の圧縮上死点ＴＤＣおよび進角側の所定クランク角範囲（例えばＢＴＤＣ９０〜ＴＤＣ）において算出したクランク角加速度が、前回の算出値以上である場合に、エンジン１の停止直前のクランクシャフト１３の逆転動作が起きたと判定するエンジン停止判定手段（ステップＳＴ２→ＳＴ３）と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、クランク角センサからの信号に基づいて、エンジンが停止したことを判定する装置に関する。

従来より一般に、車両に搭載されるエンジンには、クランクシャフトが所定角度、回転する毎にパルス信号を出力するようにクランク角センサが配設されており、そのパルス信号（クランク信号）の時間間隔からクランクシャフトの回転速度が算出される。また、クランク信号をカウントすることによって、各気筒のクランク角位置（吸気、圧縮、膨張および排気の４つの行程からなる燃焼サイクルにおける位置）を算出し、各気筒毎に好適なタイミングで燃料の噴射や点火などの制御を行うことができる。

そして、運転中のエンジンが停止するときには、クランクシャフトの回転速度が低下するのに連れて、徐々にクランク信号の時間間隔が長くなってゆき、エンジン回転数の低下が検出されるとともに、クランク信号の時間間隔が所定以上に長くなったとき、言い換えると、予め設定した所定時間以上、クランク信号が入力しないときに、クランクシャフトの回転が停止したと判定される。

一例として特許文献１に記載のエンジンでは、スロットルバルブ周辺のデポジットの堆積によって、吸気の流量が少なくなることに着目し、エンジンの始動時に燃焼が開始された後に、前記のように所定時間以上、クランク信号が入力しなくなったときには、エンストが起きたと判定する。そして、次のエンジン始動時にはスロットルバルブの開度を大きめにして、吸気の流量を増大させるようにしている。

特開２０１３−０３６８０３号公報

ところで、前記のようにエンジンが停止するときのクランクシャフトの回転速度の変化を詳細に見ると、各気筒の圧縮行程においてはピストンが圧縮上死点に近づくほど、大きな筒内圧を受けることになり、クランクシャフトの回転が減速される。一方、圧縮上死点を超えて膨張行程に移行すると、筒内圧によってピストンが下死点に向かい押し出されることから、クランクシャフトの回転は加速されるようになる。

そうして各気筒の圧縮上死点を挟んで減速および加速を繰り返しながら、クランクシャフトの回転速度は全体としては徐々に低下してゆき、その回転の慣性力が小さくなって、何れかの気筒の筒内圧に抗して圧縮上死点を超えることができなくなる。こうなると、クランクシャフトは、圧縮上死点の手前で一瞬、停止した後に逆転動作し、その後、複数回の正転動作および逆転動作を繰り返した後に、完全に停止する。

このようにクランクシャフトが回転を停止する直前には複数回、正転側および逆転側へ回動することから、その間もクランク角センサからクランク信号が出力されることがある。この場合、従来までのようにクランク信号が所定時間以上、入力しないときに停止と判定するものでは、クランクシャフトが正転動作および逆転動作を繰り返す間は停止と判定されず、結果としてエンジン停止の判定が遅れてしまうという問題があった。

すなわち、例えば制御システムの異常によってエンストした場合、エンジンが停止する直前の各種センサによる検出値を異常のデータとして記録しておくことが望ましいが、前記のようにエンジン停止の判定が遅くなれば、その分、記録できるデータが少なくなるので、その後の故障診断および修理の際に、異常の原因を解析することが困難になるおそれがある。

また、前記のようにクランクシャフトが正転動作および逆転動作を繰り返す間、クランク信号が出力されると、そのカウント値に基づいてクランク角位置が誤認されるおそれがある。特に、前記従来例のように始動時にエンストが起きた場合は、クランクシャフトが逆転動作しているときに燃料噴射や点火が行われてしまうと、エンジンの逆回転を誘発するおそれもある。

このような問題点を考慮して本発明では、前記のようにエンジンの停止直前にクランクシャフトが逆転動作することに着目し、クランクシャフトの回転が完全に停止する前に、できるだけ早くエンジンの停止を判定することが目的である。

前記の目的を達成するために本発明は、クランク角センサからの信号（クランク信号）に基づいてエンジンの停止状態を判定する停止判定装置を対象として、クランク信号を入力し、その時間間隔の変化に基づいて、クランクシャフトの回転速度の変化率であるクランク角加速度を算出するクランク角加速度算出手段と、気筒の圧縮上死点およびその進角側の所定クランク角範囲において算出された前記クランク角加速度が、前回の算出値以上である場合に、エンジン停止直前のクランクシャフトの逆転動作が起きたと判定するエンジン停止判定手段と、を備えたものである。

すなわち、上述したようにエンジンが停止するときには、各気筒の圧縮上死点に近づくほど、上昇する筒内圧によってクランクシャフトの回転が減速されるので、圧縮上死点の直前の所定範囲においてはクランク角加速度が負の値になるはずである。しかしながら、エンジンが停止するときに、圧縮上死点の手前で一瞬、停止したクランクシャフトが逆転動作すれば、クランク角加速度は停止する直前に比べて大きくなる。

このことから、前記の所定範囲において算出されるクランク角加速度が、その前回値以上になれば、前記のようにクランクシャフトが逆転動作していると判定することができる。よって、一旦、逆転動作したクランクシャフトがその後、正転側および逆転側へ回動する間、クランク信号が出力されたとしても、クランクシャフトが回転していると誤認することなく、それが完全に停止するよりも前にエンジンの停止を判定できる。

以上、説明したように本発明に係るエンジンの停止判定装置によると、気筒の圧縮上死点近傍でのクランク角加速度の変化に着目して、クランクシャフトの逆転動作を検出し、直ちにエンジンの停止を判定することができる。よって、何らかの異常によるエンストの場合に従来よりも多くのデータを記録することができ、解析が容易になるとともに、逆転動作後のクランク信号をカウントしてしまい、クランク角位置を誤認することもない。また、始動時にエンストが起きた場合でも、不要な燃料噴射や点火が継続してしまい、エンジンの逆回転を誘発する心配はない。

実施の形態にエンジンの概略構成図である。 エンジンの停止時におけるエンジン回転数、クランク角加速度、およびクランク角位置の変化の一例を示すタイミングチャートである。 エンジン停止直前のクランクシャフトの逆転動作および正転動作を模式的に示す説明図である。 実施の形態に係るエンジン停止判定処理の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態は一例として、本発明を車両に搭載されたガソリンエンジンに適用する場合について説明する。

−エンジンの概要−
図１にはエンジン１の概略構成を示すように、本実施の形態のエンジン１は４気筒ガソリンエンジンであって、第１〜第４の４つの気筒２（図には１つのみ示す）のそれぞれには燃焼室１１を区画するようにピストン１２が収容されている。ピストン１２とクランクシャフト１３はコンロッド１４によって連結されており、そのクランクシャフト１３の回転角（クランク角）を検出するためのクランク角センサ１０１が、シリンダブロック１５の下部に配設されている。

詳しくは、クランクシャフト１３の端部にシグナルロータ１７が取り付けられており、その外周面には複数の歯１７ａが設けられている。クランク角センサ１０１は例えば電磁ピックアップからなり、クランクシャフト１３の回転によってシグナルロータ１７の歯１７ａが通過する都度、パルス信号（以下、クランク信号という）を出力する。なお、シリンダブロック１５の側壁には、ウォータジャケットに臨んで冷却水温度を検出する水温センサ１０２が配設されている。

また、シリンダブロック１５の上端にはシリンダヘッド１６が組み付けられており、各気筒２内に臨むように点火プラグ２０が配設されて、イグナイタ２１からの電力の供給により火花放電するようになっている。このシリンダヘッド１６には、各気筒２内の燃焼室１１に連通するように吸気ポート３０および排気ポート４０が形成されており、それぞれの気筒２内に臨む開口部が吸気バルブ３１および排気バルブ４１によって開閉される。

これら吸気バルブ３１および排気バルブ４１を動作させる動弁系は、吸気および排気の２本のカムシャフト３２，４２（カム軸）を備え、図示しないタイミングチェーンおよびスプロケットを介して、クランクシャフト１３により回転されるようになっている。また、吸気カムシャフト３２の近傍には、何れかの気筒２が所定クランク角位置（例えば第１気筒２が圧縮上死点）にあるときにパルス信号（以下、カム信号という）を出力するように、カム角センサ１０３が設けられている。

吸気カムシャフト３２（および排気カムシャフト４２）は、クランクシャフト１３の半分の速度で回転するので、クランクシャフト１３が２回転（クランク角で７２０°変化）する毎に、カム角センサ１０３は少なくとも１回、カム信号を出力する。そして、このカム信号とクランク信号とによって、後述するように各気筒２のクランク角位置を表すクランクカウンタが生成される。

前記吸気ポート３０の上流側（吸気の流れの上流側）に連通する吸気通路３には、エアフローメータ１０４、吸気温センサ１０５（エアフローメータ１０４に内蔵）、および、電子制御式のスロットルバルブ３３が配設されている。このスロットルバルブ３３はスロットルモータ３４によって駆動され、吸気の流れを絞ってエンジン１の吸気量を調整するものである。また、吸気通路３の下流側には、各気筒２毎に吸気ポート３０に燃料を噴射するようにインジェクタ３５が配設されている。

そのインジェクタ３５によって吸気ポート３０に噴射された燃料は、吸気と混じり合いながら吸気行程の気筒２内に吸入され、圧縮行程で圧縮された後に点火プラグ２０により点火されて燃焼する。これにより発生した既燃ガスは、気筒２の排気行程で排気ポート４０に流出する。この排気ポート４０の下流側（排気の流れの下流側）に連通する排気通路４には、排気浄化用の触媒４３が配設され、その上流側には空燃比センサ１０６が配設されている。

−制御系−
以上のように構成されたエンジン１はＥＣＵ１００によって制御される。ＥＣＵ１００は、公知の電子制御ユニット（Electronic Control Unit）からなり、図示は省略するが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびバックアップＲＡＭなどを備えている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶し、バックアップＲＡＭは例えばエンジン１の停止時に保存すべきデータ等を記憶する。

そして、ＥＣＵ１００には、前記したクランク角センサ１０１、水温センサ１０２、カム角センサ１０３、エアフローメータ１０４、吸気温センサ１０５、空燃比センサ１０６などの他に、図示しないが、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサなどが接続されている。これらの各種センサ１０１〜１０６などから入力する信号に基づいてＥＣＵ１００は、種々の制御プログラムを実行することにより、イグナイタ２１による点火時期の制御、スロットルモータ３４によるスロットル開度の制御（即ち、吸気量の制御）、およびインジェクタ３５による燃料噴射制御を実行する。

ここで、前記の燃料噴射制御や点火制御は各気筒２毎に好適なタイミング（クランク角位置）で行われるものであり、そのために、クランクシャフト１３の２回転（クランク角で７２０°）を１周期とするクランクカウンタが生成される。図２に一例を示すようにクランクカウンタは、例えば第１気筒２の圧縮上死点（＃１ＴＤＣ）を基準として生成される。すなわち、カム信号の入力に応じてクランクカウンタはリセットされ、図２の下段に示すようにカウント値が零（０）になった後に、クランク信号の入力に応じてカウントアップされてゆく。

なお、本実施の形態ではクランク角センサ１０１は、クランクシャフト１３が３０°回転する毎にクランク信号を発生するものであり、クランクカウンタは、このクランク信号の入力する都度、カウントアップする３０°カウンタである。よって、図２の下段に示すようにクランクカウンタは、クランク角で３０°ずつ階段状に変化してゆくことになる。

−エンジンの停止判定−
そのように変化するクランクカウンタの値によって、各気筒２毎に所定のタイミングで前記燃料噴射や点火の制御を行う他に、ＥＣＵ１００は、クランク信号に基づいて、以下のようにエンジン１の停止を判定する。まず、エンジン１が停止するときには、図２の上段に表れているように、エンジン回転数が低下するのに連れて、クランク信号の時間間隔が長くなってゆき、同図の下段に示すようにクランクカウンタのグラフの傾斜は徐々に緩やかになってゆく。

このとき、クランクシャフト１３の回転速度の変化を詳細に見ると、同図の中段に示すようにクランク角加速度は、各気筒２の圧縮上死点ＴＤＣを過ぎると一旦、上昇し、正値のピークを迎えた後に下降して、次の圧縮上死点ＴＤＣにおいて負値のピークを迎えるようになる。なお、図の例では、左から三番目に示す第１気筒２の圧縮上死点＃１ＴＤＣを過ぎてから、気筒２への吸気充填効率の向上に伴い、クランク角加速度の変動幅が大きくなっている。

より詳しくは、各気筒２の点火順（＃１、＃３、＃４、＃２）に、前記の＃１ＴＤＣから次の＃３ＴＤＣの間では、第１気筒２のピストン１２が膨張行程における筒内圧を受けることにより、クランクシャフト１３の回転が加速され、クランク角加速度が時刻ｔ１において正値のピークを迎える。一方、第３気筒２のピストン１２が圧縮行程における筒内圧を受けることにより、クランクシャフト１３の回転は減速され、クランク角加速度は圧縮上死点（＃３ＴＤＣ）に近づくほど、下降してゆく。

そして、時刻ｔ２、即ち第３気筒２の圧縮上死点（＃３ＴＤＣ）において、クランク角加速度は負値のピークを迎えた後に、この圧縮上死点を過ぎると、今度は第３気筒２のピストン１２が膨張行程における筒内圧を受けることにより、クランクシャフト１３の回転が再び加速される。これにより、クランク角加速度は時刻ｔ３において再び正値のピークを迎える。

このようにして各気筒２の圧縮上死点（＃１ＴＤＣ、＃３ＴＤＣ、＃４ＴＤＣ、…）を挟んで、クランクシャフト１３の回転が減速および加速を繰り返しながら（クランク角加速度が下降および上昇を繰り返しながら）、クランクシャフト１３の回転速度は全体としては徐々に低下してゆく。そして、その回転の慣性力が小さくなり、図示の時刻ｔ４において何れかの気筒２（図の例では第４気筒２）の筒内圧に抗して、圧縮上死点（＃４ＴＤＣ）を超えることができなくなる。

こうなるとクランクシャフト１３は、圧縮上死点の手前で一瞬、停止した後に、図３に模式的に示すように逆転動作し（図には仮想線の矢印で示す）、その後、再び正転動作し（図には実線の矢印で示す）、さらに再び逆転動作をする。こうして複数回、正転動作および逆転動作を繰り返した後に、クランクシャフト１３は完全に停止するのであるが、その間、クランク角センサ１０１からは、シグナルロータ１７の歯１７ａの通過に応じてクランク信号が出力される。

図２の例では、時刻ｔ４〜ｔ５の間にクランク信号が４回、カウントされた後に、クランク信号が入力しなくなっている。このようにクランク信号の入力しない時間が、予め設定した所定時間Δｔ１になれば（時刻ｔ６）、クランクシャフト１３の回転が完全に停止していて、エンジン１は停止したと判定することができる。

しかしながら、そのようにクランク信号が所定時間以上、入力しないときに停止判定するようにした場合は、前記のように逆転動作した時刻ｔ４以降、クランクシャフト１３は実質、回転していないにもかかわらず、その後に完全停止する時刻ｔ６までは停止と判定されないことになり、時刻ｔ４から時刻ｔ６まで、エンジン１の停止の判定が遅れてしまうという問題があった。

すなわち、例えば上述したエンジン１または制御系に何らかの異常が生じてエンストが起きた場合、このエンストの直前までの各種センサ１０１〜１０６による検出値を異常のデータとして記録しておくことが望ましい。この点で、前記のようにエンジン１の停止判定が遅れると、その分、記録できるデータが少なくなってしまい、故障診断や修理の際に原因を解析することが困難になるおそれがあった。

また、前記のようにエンジン１の停止直前でクランクシャフト１３が正転動作および逆転動作を繰り返す間、クランク信号をカウントしてしまうと、クランク角位置を誤認するおそれがあった。さらに、エンジン１の始動時にエンストが起きた場合、クランクシャフト１３が逆転動作しているときに燃料噴射や点火が行われてしまうと、エンジン１の逆回転を誘発するおそれがあった。

このような問題点を考慮して本実施の形態では、前記図２の時刻ｔ４においてクランクシャフト１３が逆転動作したことを判定し、これによりエンジン１の停止を判定するようにしたものである。以下に図４を参照して、ＥＣＵ１００により行われるエンジン停止判定の具体的な処理の手順を説明する。この処理は、エンジン１の運転中にエンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥ０以下にまで低下した場合に（ＮＥ≦ＮＥ０）、割り込み処理として実行される。

ここで、前記の所定回転数ＮＥ０というのは、例えば２００〜３００ｒｐｍくらいであって、図３を参照して前記したクランクシャフト１３の逆転動作が起き得ない状態（クランクシャフト１３の回転の慣性力が大きくて、エンストが起き得ない状態）を排除するために、予め設定したものである。よって、エンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥ０以下にまで低下し、エンストの起きるおそれがあるときに図４の処理がスタートする。

まず、ステップＳＴ１において、クランク信号に基づいてクランク角加速度を算出する。クランク信号はクランク角で３０°毎にクランク角センサ１０１から出力されるので、このクランク信号の入力に応じて、前回のクランク信号との時間間隔を算出し、これによりクランク角速度を算出することができる。こうしてクランク信号が入力する都度、算出したクランク角速度はＥＣＵ１００のＲＡＭに記憶されており、今回の算出値と前回の算出値との差分を、今回のクランク角加速度として算出する。

ステップＳＴ２では、各気筒２の圧縮上死点およびその進角側の所定クランク角範囲において、前記のように算出したクランク角加速度が、前回の算出値未満か否か判定する（算出値＜前回値？）。すなわち、図２を参照して上述したように本来、クランク角加速度は、気筒２の圧縮行程の中盤から圧縮上死点に向かって下降してゆくはずなので、例えば上死点前９０°から圧縮上死点までのクランク角範囲において、クランク角加速度の算出値が前回値未満で肯定判定（ＹＥＳ）すれば、クランクシャフト１３は正回転していると判定し、リターンする。

一方、クランク角加速度の算出値が前回値以上で、否定判定（ＮＯ）であれば、上述したように本来、下降してゆくはずのクランク角加速度が変化していないか、或いは上昇していることから、クランクシャフト１３は逆転動作していると判定する（ステップＳＴ３）。すなわち、図２の例では、第４気筒２の圧縮行程の後半において圧縮上死点（＃４ＴＤＣ）に向かって下降してゆくクランク角加速度が、時刻ｔ４の圧縮上死点（＃４ＴＤＣ）において破線Ｇとして示すように落ち込むべきところ、実線のように僅かに上昇していれば、クランクシャフト１３が逆転動作していると判定する。

こうして逆転判定したステップＳＴ３に続いてステップＳＴ４では、インジェクタ３５による燃料噴射およびイグナイタ２１による点火をいずれも停止し、続くステップＳＴ５においてエンジン１の始動時か否か判定する。この判定が否定判定（ＮＯ）であればステップＳＴ６に進んで所定期間（例えばクランクシャフト１３の回転が完全に停止する時刻ｔ６まで）、各種センサ１０１〜１０６による検出値を異常のデータとして、ＥＣＵ１００のバックアップＲＡＭに記録（データ記録）し、その後、ステップＳＴ７に進む。

一方、前記ステップＳＴ５においてエンジン１の始動時であると肯定判定（ＹＥＳ）すれば、異常データの記録は行わずに前記ステップＳＴ７に進む。そして、ＥＣＵ１００のＲＡＭに記憶されているカム角信号およびクランク角信号のデータ（即ち、クランクカウンタのカウント値など）を初期化して、処理を終了する（エンド）。

前記図４のフローにおいて、ステップＳＴ１の処理を実行することによってＥＣＵ１００は、入力するクランク信号の時間間隔の変化からクランク角加速度を算出するクランク角加速度算出手段を構成する。また、ステップＳＴ２，ＳＴ３の処理を実行することによってＥＣＵ１００は、何れかの気筒２の圧縮上死点およびその進角側の所定クランク角範囲において算出されたクランク角加速度が、前回の算出値以上である場合に、クランクシャフト１３の逆転動作が起きたと判定するエンジン停止判定手段を構成する。

以上、説明したように本実施の形態では、図２に一例を示すようにエンジン１が停止するときに、エンジン回転数が低下して第４気筒２の圧縮上死点（＃４ＴＤＣ）を超えることができなくなり、その直前でクランクシャフト１３が逆転動作すれば（図示の時刻ｔ４）、本来、下降するはずのクランク角加速度が僅かに上昇することによって、クランクシャフト１３の逆転動作を直ちに判定することができる。

これにより、その後、複数回に亘ってクランクシャフト１３が正転側および逆転側へ回動する間（時刻ｔ４〜ｔ６）、ＥＣＵ１００にクランク信号が入力しても、クランクシャフト１３が回転していると誤認することなく、その動作が完全に停止するよりも前に、エンジン１の停止を判定することができる。よって、何らかの異常によるエンストの場合にデータを従来よりも多く記録することが可能になり、異常の原因の解析が容易になる。

また、そうして停止判定した後はクランクカウンタを初期化するので、クランクシャフト１３が正転側および逆転側へ回動する間のクランク信号をカウントしてしまい、クランク角位置を誤認することもない。さらに、エンストがエンジン１の始動時に起きた場合であっても、クランクシャフト１３が逆転動作しているときに燃料噴射や点火が行われてしまい、エンジン１の逆回転を誘発する心配はない。

−他の実施の形態−
前記した実施の形態では、クランクシャフト１３が３０°回転する毎にＥＣＵ１００に入力するクランク信号に基づいて、当該クランクシャフト１３の回転速度の変化率であるクランク角加速度を算出している。そして、一例として各気筒２の上死点前９０°から圧縮上死点までのクランク角範囲において算出したクランク角加速度の変化から、クランクシャフト１３の逆転動作を判定するようにしている。

しかしながら、クランク信号は、クランクシャフト１３が３０°未満の所定角度（例えば１０°）回転する毎に、ＥＣＵ１００に入力するものであってもよい。また、クランク角加速度の変化を判定するクランク角範囲は、上死点前９０°から圧縮上死点までに限定されず、例えば上死点前６０〜３０°のいずれかから圧縮上死点までというように、クランクシャフト１３の逆転動作が起き得るクランク角範囲とすればよい。

さらに、前記実施の形態では、車両に搭載された４気筒ガソリンエンジン１に本発明を適用した場合について説明したが、これにも限定されず、本発明は、ディーゼルエンジンやアルコールエンジン、ガスエンジンなどに適用することも可能であり、また、車両以外に搭載されるエンジンに適用することも可能である。

本発明は、エンジンの停止を従来よりも早く判定することができ、エンストが起きた際のデータをより多く記録できる等のメリットがあるので、例えば自動車に搭載されたエンジンに適用して効果が高い。

１ エンジン（エンジン）
２ 気筒
１３ クランクシャフト
１００ ＥＣＵ（クランク角加速度算出手段、エンジン停止判定手段）
１０１ クランク角センサ

Claims (1)

1. クランク角センサからの信号に基づいてエンジンの停止状態を判定する停止判定装置であって、
   前記クランク角センサからの信号を入力し、その時間間隔の変化に基づいて、クランクシャフトの回転速度の変化率であるクランク角加速度を算出するクランク角加速度算出手段と、
   気筒の圧縮上死点およびその進角側の所定クランク角範囲において算出された前記クランク角加速度が、前回の算出値以上である場合に、エンジン停止直前のクランクシャフトの逆転動作が起きたと判定するエンジン停止判定手段と、を備えることを特徴とするエンジンの停止判定装置。

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