JP2017155597A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カム角信号を参照せずに内燃機関の各気筒の行程を判別する。【解決手段】内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する毎にクランク角センサが発するパルス信号であるクランク角信号を参照して、ある気筒のピストンの現在位置を知得するとともに、同気筒に設置され当該気筒の燃焼室内圧力を検出する筒内圧センサの出力信号を参照して、同気筒の燃焼室内圧力がピークを迎えたか否かに応じて、同気筒のピストンが上死点に到達したタイミングが圧縮上死点であるか排気上死点であるかを判別する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の始動の際の各気筒の行程の判別を行う内燃機関の制御装置に関する。

複数の気筒を備える４ストローク内燃機関では、各気筒が現在どの行程にあるのかを知得して、燃料噴射制御及び点火制御を実施する必要がある。

内燃機関のクランクシャフトには、その回転角度及びエンジン回転数を検出するためのクランク角センサ（エンジン回転センサ）が付設されている。クランク角センサは、クランクシャフトに固定されたロータの回転を、例えば１０°ＣＡ（クランク角度）毎にセンシングする。

クランクシャフトに従動して回転し、各気筒の吸気バルブまたは排気バルブを開閉駆動するカムシャフトにも、カム角センサが付設されている。カム角センサは、カムシャフトに固定されたロータの回転を、例えば一回転を気筒数で割った角度、三気筒エンジンであれば１２０°（クランク角度に換算すれば、２４０°ＣＡ）毎にセンシングする。

内燃機関の運転制御を司る電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、これらクランク角信号及びカム角信号を参照して各気筒の行程を把握し、各気筒における燃料噴射タイミングや点火タイミングを決定する（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１５−１４０６９８号公報

ところで、稀ではあるが、カム角センサとＥＣＵとの間の伝送路が断線し、あるいはセンサ自体が故障して、ＥＣＵがカム角信号を受信できなくなることがある。そのような場合のフェイルセーフとして、ＥＣＵに、カム角信号を参照せずに各気筒の行程を判別し内燃機関の運転を維持する機能を備えておく必要がある。

クランク角センサから出力されるクランク角信号を参照すれば、クランクシャフトの絶対的な角度を知ることができ、各気筒のピストンの現在位置を得ることが可能である。しかしながら、４ストローク内燃機関においては、一つの気筒が一サイクル（吸気−圧縮−膨張−排気の一連）を完遂する間にクランクシャフトが二回転し、ピストンが気筒内を二往復する。つまり、気筒のピストンの位置を知得できたとしても、当該気筒が現在何れの行程にあるのかは一意に特定できない。例えば、ある気筒のピストンが上死点に位置しているとき、それが圧縮上死点なのか排気上死点なのかを別途判別する必要が生じる。

本発明は、カム角信号を参照せずに各気筒の行程を判別することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する毎にクランク角センサが発するパルス信号であるクランク角信号を参照して、ある気筒のピストンの現在位置を知得するとともに、同気筒に設置され当該気筒の燃焼室内圧力を検出する筒内圧センサの出力信号を参照して、同気筒の燃焼室内圧力がピークを迎えたか否かに応じて、同気筒のピストンが上死点に到達したタイミングが圧縮上死点であるか排気上死点であるかを判別する内燃機関の制御装置を構成した。

並びに、本発明では、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する毎にクランク角センサが発するパルス信号であるクランク角信号を参照して、ある気筒のピストンの現在位置を知得するとともに、同気筒の吸気ポート近傍に設置され当該気筒の吸気ポート近傍の吸気圧力を検出する吸気ポート圧センサの出力信号を参照して、同気筒の吸気ポート近傍における吸気脈動の多寡に応じて、同気筒が吸気行程中であるか膨張行程中であるかを判別する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、カム角信号を参照することなく各気筒の行程を判別することが可能となる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の構成を示す図。 同実施形態の制御装置が実行する気筒判別処理の内容を説明するタイミング図。 本発明の変形例の制御装置が実行する気筒判別処理の内容を説明するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、三つの気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。それら気筒１は直列配置されており、各気筒１の圧縮上死点は等間隔、即ち２４０°ＣＡ毎に出現する。

各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水（または、冷却液）の温度を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、少なくとも一つの気筒１に設置され当該気筒１の筒内圧即ち燃焼室内圧力を検出する筒内圧センサから出力される筒内圧信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、イグナイタ１３に対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲ量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機（スタータモータ（セルモータ）またはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））に制御信号ｏを入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が内燃機関の冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆と見なして）終了する。

クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇに関して補足する。クランク角信号を出力するクランク角センサは、クランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングする。そのロータには、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する毎に、歯または突起が配置される。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号としてパルス信号を発信する。

但し、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータの歯または突起は一部欠けており、その欠歯部分に起因して、クランク角信号のパルス列もまた一部が欠損する。例えば、十七番目、十八番目、二十番目、二十一番目、三十五番目及び三十六番目に該当するパルスが欠損する。この欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度を知ることが可能である。欠損した三十六番目のパルスの次の一番目のパルスのタイミングを０°ＣＡとおくと、欠損した十八番目のパルスに続く十九番目のパルスのタイミングが１８０°ＣＡということになる。

他方、カム角信号を出力するカム角センサは、吸気カムシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングする。そのロータには、カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度毎に、歯または突起が形成されている。三気筒エンジンの場合、カムシャフトが１２０°回転する毎に、歯または突起が配置される。カムシャフトは、巻掛伝動機構等を介してクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転するもので、その回転速度はクランクシャフトの二分の一である。故に、上記の歯または突起は、クランク角度に換算すれば２４０°ＣＡ毎に配置されていることになる。加えて、ロータには、追加的なカム角信号を発生させるための歯または突起が、２４０°ＣＡ毎の歯または突起の間に一つ設けられる。

カム角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度カム角信号としてパルス信号を発信する。図示例のカム角信号は、各気筒の圧縮上死点の近傍、または圧縮上死点から所定のクランク角度だけ進角側に偏倚したタイミングを示唆している。いわゆる位相変化型の可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構が付随している内燃機関にあっては、カム角信号が当該ＶＶＴ機構により調節される吸気バルブの開閉タイミングをも表す。

通常、ＥＣＵ０は、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇの双方を参照して各気筒１の現在の行程を知得し、各気筒１で適切な燃料噴射タイミングにて燃料を噴射し、また適切な点火タイミングにて混合気への点火を行う。

だが、ＥＣＵ０がカム角信号ｇを受信できなくなった場合には、カム角信号ｇを参照することなしに各気筒１の現在の行程を知得し、燃料噴射タイミング及び点火タイミングを決定する必要がある。

ＥＣＵ０は、クランク角信号ｂを参照することで、現在のクランクシャフトの絶対的な角度を知ることができ、各気筒１のピストンの現在位置を得ることが可能である。だが、４ストローク内燃機関では、気筒１のピストンの位置を知得できたとしても、当該気筒１が現在何れの行程にあるのかは一意に特定できない。クランク角信号ｂのみからでは、ｘ°ＣＡ（または、（ｘ＋７２０）°ＣＡ）と、（ｘ＋３６０）°ＣＡとを区別することができないからである。

そこで、本実施形態では、少なくとも一つの気筒１に設置されている筒内圧センサの出力信号ｈを参照し、これに基づいて当該気筒１の燃焼室内圧力を知得することにより、当該気筒１の現在の行程を判別するようにしている。

図２は、本実施形態のＥＣＵ０が実行する、カム角信号ｇを参照しない気筒判別処理の内容を示すものである。内燃機関の始動のためのクランキング中も、気筒１の燃焼室内圧力は当該気筒１の行程に応じて、換言すればピストン及び吸排気バルブの運動に起因して増減する。気筒１の燃焼室内圧力が最も高まるのは圧縮上死点のタイミング、即ち当該気筒１の吸気バルブ及び排気バルブがともに閉弁している状態でピストンが上死点近傍に到達するタイミングである。筒内圧センサが設置されている気筒１のピストンが上死点に到達するタイミングは、クランク角信号ｂのパルス列から判明する。そして、同気筒１のピストンが上死点に到達したタイミングまたはそれに近いタイミングで、筒内圧信号ｈを参照して知得される燃焼室内圧力がピークを迎えたならば、その上死点が圧縮上死点であると判断することができ、さもなければその上死点が排気上死点であると判断することができる。

筒内圧センサが設置されている気筒１の圧縮上死点または排気上死点が判明すれば、他の気筒１の現在の行程も自ずと明らかとなる。

本実施形態では、内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する毎にクランク角センサが発するパルス信号であるクランク角信号ｂを参照して、ある気筒１のピストンの現在位置を知得するとともに、同気筒１に設置され当該気筒１の燃焼室内圧力を検出する筒内圧センサの出力信号ｈを参照して、同気筒１の燃焼室内圧力がピークを迎えたか否かに応じて、同気筒１のピストンが上死点に到達したタイミングが圧縮上死点であるか排気上死点であるかを判別する内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、カム角信号ｇを参照することなく各気筒１の行程を判別することが可能となる。従って、制御装置たるＥＣＵ０がカム角信号ｇを受信できなくなった場合にも、各気筒１の行程を判別して内燃機関の運転を維持することができる。あるいは、内燃機関からカム角センサを排除してコストダウンを図ることも考えられる。

また、内燃機関の複数の気筒１または全ての気筒１に筒内圧信号ｈを出力する筒内圧センサが実装されているならば、内燃機関の始動のためのクランキングの開始後に筒内圧センサを有した気筒１が上死点を迎えるタイミングが早まり、速やかに行程判別を完了することができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、気筒１の燃焼室内圧力を検出する筒内圧センサの出力信号ｈを参照し、同気筒１の燃焼室内圧力がピークを迎えたか否かを根拠として、同気筒１の上死点のタイミングが圧縮上死点であるか排気上死点であるかを判別していた。これに対し、内燃機関の何れか少なくとも一つの気筒１の吸気ポートの近傍に、吸気ポート近傍の吸気圧力を検出する吸気ポート圧センサが設置されている場合には、その吸気ポート圧センサの出力信号を参照し、これに基づいて当該気筒１の吸気ポート近傍での吸気脈動の大きさを知得することにより、同気筒１の吸気行程または膨張行程を特定することができる。

図３は、本変形例においてＥＣＵ０が実行する、カム角信号ｇを参照しない気筒判別処理の内容を示すものである。内燃機関の始動のためのクランキング中も、気筒１の吸気ポート近傍の吸気圧力は気筒１の行程に応じて、換言すればピストン及び吸排気バルブの運動に起因して増減する。気筒１の吸気ポート近傍における吸気の脈動が最も大きくなるのは吸気行程中、即ち当該気筒１の吸気バルブが開弁した状態でピストンが上死点から下死点に向かって運動しているときである。吸気ポート圧センサが設置されている気筒１のピストンが上死点に到達するタイミング、及びその後再び下死点に帰還するタイミングは、クランク角信号ｂのパルス列から判明する。そして、同気筒１のピストンが上死点に到達してから再度下死点に到達するまでの期間中に、吸気ポート圧センサの出力信号を参照して知得される吸気脈動がピークを迎えたならば、その期間が吸気行程であり、同期間の前後の上死点及び下死点がそれぞれ排気上死点及び吸気下死点であると判断することができる。さもなくば、その期間は吸気行程ではなく膨張行程であり、同期間の前後の上死点及び下死点がそれぞれ圧縮上死点及び膨張下死点であると判断することができる。

吸気脈動がピークを迎えたか否かを判定する具体的な手法は種々考えられるが、例えば、吸気ポート圧センサの出力信号波形の極大値をピークホールドし、その極大値が判定閾値よりも大きくなったならば、吸気脈動が最大となった、つまりは吸気ポート圧センサの付随する気筒１が吸気行程にあると判定することができる。

吸気ポート圧センサが設置されている気筒１の排気上死点、吸気下死点、圧縮上死点または膨張下死点が判明すれば、他の気筒１の現在の行程も自ずと明らかとなる。

その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に用いることができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
ｂ…クランク角信号
ｈ…筒内圧信号

Claims (2)

1. 内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する毎にクランク角センサが発するパルス信号であるクランク角信号を参照して、ある気筒のピストンの現在位置を知得するとともに、
   同気筒に設置され当該気筒の燃焼室内圧力を検出する筒内圧センサの出力信号を参照して、同気筒の燃焼室内圧力がピークを迎えたか否かに応じて、同気筒のピストンが上死点に到達したタイミングが圧縮上死点であるか排気上死点であるかを判別する内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関のクランクシャフトが所定角度回転する毎にクランク角センサが発するパルス信号であるクランク角信号を参照して、ある気筒のピストンの現在位置を知得するとともに、
   同気筒の吸気ポート近傍に設置され当該気筒の吸気ポート近傍の吸気圧力を検出する吸気ポート圧センサの出力信号を参照して、同気筒の吸気ポート近傍における吸気脈動の多寡に応じて、同気筒が吸気行程中であるか膨張行程中であるかを判別する内燃機関の制御装置。

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