JP2018071500A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランク信号の異常時に内燃機関の加速運転時であってもカム信号に基づきアクチュエータを適切に操作できるようにした内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】ＣＰＵ６２は、カム信号Ｓｃａ１，Ｓｃａ２の一部を抽出することによって、９０°ＣＡ毎のカム周期信号Ｓｃａｃを生成する。クランク信号Ｓｃｒの異常時、ＣＰＵ６２は、カム周期信号Ｓｃａｃを逓倍した３０°ＣＡ毎のタイミング信号に基づき、点火装置１６を操作する。ただし、ＣＰＵ６２は、内燃機関１０の加速運転時においては、カム周期信号Ｓｃａｃによって定まるクランク軸２０の９０°ＣＡの回転に要する時間である検出時間の前回値から今回値を減算した値に応じた補正値に基づき、上記タイミング信号を補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のクランク角に応じてアクチュエータを操作する内燃機関の制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、クランク信号に異常が生じているときに、カム信号に基づき疑似クランク信号を生成し、これに基づき点火制御や燃料噴射制御を実行する制御装置が記載されている。具体的には、クランク信号に異常が生じているときに、カム信号から抽出される９０°ＣＡ毎の信号を逓倍することによって、３０°ＣＡ毎の信号を疑似クランク信号として生成している。

特開２００２−１９５０９２号公報

ただし、上記のカム信号から抽出される９０°ＣＡ毎の信号は、クランク信号の周期と比較して長いことから、内燃機関の加速運転時においては、クランク軸が実際に３０°ＣＡ回転するタイミングに対して疑似クランク信号の発生タイミングが過度に遅くなるおそれがある。そしてその場合、アクチュエータを適切に操作することが困難となるおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、クランク信号の異常時に内燃機関の加速運転時であってもカム信号に基づきアクチュエータを適切に操作できるようにした内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、内燃機関のクランク角に応じてアクチュエータを操作する内燃機関の制御装置において、クランク信号に異常が生じる場合、カム信号から抽出される信号であって前記クランク角の所定の角度間隔毎の信号であるカム周期信号を入力とし、前記所定の角度間隔の回転に要する時間である検出時間を算出する検出時間算出処理と、前記検出時間に基づき、前記所定の角度間隔よりも小さい規定の角度間隔の回転に要する時間である推定時間を算出する推定時間算出処理と、前記推定時間に基づき、前記アクチュエータを操作する操作処理と、を実行し、前記推定時間算出処理は、前記内燃機関の加速運転時である場合、前記検出時間算出処理によって前回算出された前記検出時間および今回算出された前記検出時間の一対の時間同士の減算値に比例して定まる補正値を、前記所定の角度間隔と前記規定の角度間隔との比によって前記検出時間を縮小した値および前記検出時間のいずれかから減算する処理を実行することによって前記推定時間を算出する処理である。

上記構成では、内燃機関の加速運転時である場合、推定時間を、検出時間を上記比によって縮小した値に一致させる代わりに、上記縮小した値を上記補正値によって減少補正した値とする。このため、推定時間が、クランク軸が実際に規定の角度間隔だけ回転する時間に対して過度に長くなることを抑制することができる。そして、推定時間に基づきアクチュエータを操作することにより、クランク信号の異常時に内燃機関の加速運転時であってもカム信号に基づきアクチュエータを適切に操作できる。

一実施形態にかかる内燃機関の制御装置および内燃機関を示す図。 同実施形態においてクランク信号の異常に対処する処理の手順を示す流れ図。 （ａ）〜（ｃ）は、同実施形態にかかるカム信号に基づくタイミング信号の生成処理を例示するタイムチャート。

以下、内燃機関の制御装置にかかる一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示す内燃機関１０は、燃料噴射弁１２から噴射された燃料と空気との混合気を、燃焼室１４内において、点火装置１６の火花放電によって燃焼させ、このときに生成される燃焼エネルギをピストン１８を介してクランク軸２０の回転動力に変換する。内燃機関１０は、４ストロークを１サイクルとする。

クランク軸２０には、クランク軸２０と一体的に回転するクランクロータ３０が組み付けられている。クランクロータ３０は、その外周に、凸部３２が３４個形成されている。これら凸部３２は、不等間隔部３６を除き、１０°ＣＡ間隔の凹部３４を挟むようにして等間隔に設けられている。不等間隔部３６は、凸部３２が形成されていない角度領域であって凹部３４よりも広い角度領域（ここでは、３０°ＣＡ）である。

クランク軸２０の動力は、タイミングチェーン１９を介して、カム軸２２，２４に伝達可能となっている。カム軸２２には、カム軸２２と一体的に回転するカムロータ４０が組み付けられている。カムロータ４０は、その外周に凸部４２が３個形成されており、これにより、凸部４２と凹部４４とが交互に３個ずつ形成されていることとなる。一方、カム軸２４には、カム軸２４と一体的に回転するカムロータ５０が組み付けられている。カムロータ５０は、その外周に凸部５２が３個形成されており、これにより、凸部５２と凹部５４とが交互に３個ずつ形成されていることとなる。

クランク角センサ７０は、クランクロータ３０の凹凸を検出し、クランク信号Ｓｃｒを凹凸の検出信号として出力する。カム角センサ７２は、カムロータ４０の凹凸を検出し、カム信号Ｓｃａ１を凹凸の検出信号として出力する。カム角センサ７４は、カムロータ５０の凹凸を検出し、カム信号Ｓｃａ２を凹凸の検出信号として出力する。

ここで、本実施形態では、カムロータ４０の凸部４２および凹部４４と、カムロータ５０の凸部５２および凹部５４とが、それぞれ同一の間隔を有する。すなわち、カムロータ４０は、図中反時計回りに回転すると、１８０°ＣＡの凸部４２、１８０°ＣＡの凹部４４、６０°ＣＡの凸部４２、１２０°ＣＡの凹部４４、１２０°ＣＡの凸部４２、６０°ＣＡの凹部４４の順にカム角センサ７２に対向する。同様、カムロータ５０は、図中反時計回りに回転すると、１８０°ＣＡの凸部５２、１８０°ＣＡの凹部５４、６０°ＣＡの凸部５２、１２０°ＣＡの凹部５４、１２０°ＣＡの凸部５２、６０°ＣＡの凹部５４の順にカム角センサ７４に対向する。ただし、カムロータ４０の１２０°ＣＡの凸部４２の中央がカム角センサ７２に対向しているときに、カムロータ５０の１２０°ＣＡの凸部５２と１２０°ＣＡの凹部５４との境界部分がカム角センサ７４に対向するように配置される。

これにより、カム信号Ｓｃａ１，Ｓｃａ２に基づき、９０°ＣＡ周期の信号であるカム周期信号Ｓｃａｃが生成される。カム周期信号Ｓｃａｃは、カム角センサ７２による凸部４２と凹部４４との境界部分の検出信号であるカム信号Ｓｃａ１の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの一部と、カム角センサ７４による凸部５２と凹部５４との境界部分の検出信号であるカム信号Ｓｃａ２の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの一部とによる信号である。

制御装置６０は、内燃機関を制御対象とし、その制御量（トルク、排気成分等）を制御する。制御装置６０は、中央処理装置（ＣＰＵ６２）およびメモリ６４を備えており、メモリ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が実行することにより、上記制御量を制御するために、燃料噴射弁１２や点火装置１６等のアクチュエータを操作する。

ＣＰＵ６２は、上記制御量を制御すべく、点火時期等を操作する。ここで、ＣＰＵ６２は、点火時期の操作を、１０°ＣＡ毎のクランク信号Ｓｃｒから３０°ＣＡ毎のタイミング信号を抽出し、３０°ＣＡ毎のタイミング信号に基づき実行する。すなわち、ＣＰＵ６２は、３０°ＣＡ毎のタイミング信号に基づき、クランク軸２０が３０°ＣＡ回転するのに要する時間Ｔ３０を算出する。そして、点火角度指令値が、上記３０°ＣＡ毎のタイミング信号によって定まる所定のクランク角度からα°ＣＡだけ進角された角度である場合、所定のクランク角度までの３０°ＣＡに対応するＴ３０を用いて、所定のクランク角度の検知タイミングから、「Ｔ３０・α／３０」の時間が経過するときを点火タイミングに設定する。

また、ＣＰＵ６２は、クランク信号Ｓｃｒに異常が生じたと判定する場合、上記カム周期信号Ｓｃａｃに基づき、上記点火時期を操作する。
図２に、クランク信号Ｓｃｒの異常時の点火時期の操作のための信号の生成処理について説明する。図２に示す処理は、メモリ６４に記憶されたプログラムをＣＰＵ６２が上記カム周期信号Ｓｃａｃをトリガとして繰り返し実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」を付与した数字によって、各処理のステップ番号を記載する。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ６２は、まずクランク信号Ｓｃｒの異常時であるか否かを判定する（Ｓ１０）。ここでは、たとえば、クランク信号Ｓｃｒが常時一定値となるなどした場合、クランク信号Ｓｃｒに異常が生じたと判定すればよい。ＣＰＵ６２は、クランク信号Ｓｃｒの異常時であると判定する場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、上記カム周期信号Ｓｃａｃに基づき、クランク軸２０が９０°ＣＡ回転するのに要する時間である検出時間Ｔ９０（ｎ）を算出する（Ｓ１２）。ここで、変数ｎは、最新の９０°ＣＡの角度間隔の回転に要する時間であることを示すものとする。次に、ＣＰＵ６２は、検出時間Ｔ９０（ｎ）に基づき、上記クランク信号Ｓｃｒに基づく時間Ｔ３０と同様、クランク軸２０が３０°ＣＡ回転するのに要する時間である逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）を算出する（Ｓ１４）。ここでは、逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）は、「Ｔ９０（ｎ）／３」として算出される。

次に、ＣＰＵ６２は、図２に示す処理の前回の制御周期において算出された逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ−１）から今回の制御周期におけるＳ１４の処理によって算出された逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）を減算した減算値（補正値Ｖｃ）が、正であるか否かを判定する（Ｓ１６）。この処理は、内燃機関１０の加速運転時であるか否かを判定するためのものである。そしてＣＰＵ６２は、ゼロ以下であると判定する場合、すなわち内燃機関１０の加速運転時ではないと判定する場合（Ｓ１６：ＮＯ）、点火時期の操作に用いる、３０°ＣＡの回転に要する時間の推定値である推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）を、逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）とする（Ｓ１８）。

これに対し、ＣＰＵ６２は、正であると判定する場合、すなわち内燃機関１０の加速運転時であると判定する場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）を、逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）から補正値Ｖｃを減算した値とする（Ｓ２０）。これは、内燃機関１０の加速運転時においては、逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）が、図２に示す処理の今回の制御周期から次回の制御周期までの期間において、クランク軸２０が３０°ＣＡ回転するのに要する時間よりも長くなると考えられるために設けられた処理である。ここで、補正値Ｖｃは、前回の制御周期から今回の制御周期までの９０°ＣＡの回転期間における３０°ＣＡの回転に要する時間が、今回の制御周期から次回の制御周期までの９０°ＣＡの回転期間における３０°ＣＡの回転に要する時間を上回る量の予測値となっている。

ＣＰＵ６２は、Ｓ１８，Ｓ２０の処理が完了する場合には、クランク信号Ｓｃｒが正常であるならば、クランク信号Ｓｃｒのパルス信号を間引くことによって生成される３０°ＣＡ毎のタイミング信号を、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）に基づき生成する（Ｓ２２）。すなわち、ＣＰＵ６２は、図２に示す一連の処理のトリガとしてのカム周期信号Ｓｃａｃが得られたタイミングから、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）が経過するタイミングと、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）の２倍の時間が経過するタイミングとを、図１に示した３０°ＣＡ毎のタイミング信号の代わりとして生成する。これにより、カム周期信号Ｓｃａｃと、上記推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）に基づき生成される信号とに基づき、３０°ＣＡ毎のタイミング信号を生成することができる。

そしてＣＰＵ６２は、変数ｎを更新し、今回の変数ｎを「ｎ−１」等とする（Ｓ２４）。なお、ＣＰＵ６２は、Ｓ２４の処理が完了する場合や、Ｓ１０において否定判定する場合には、図２に示す一連の処理を一旦終了する。

ここで、本実施形態の作用を説明する。
図３（ａ）は、実際のクランク軸２０の回転角度を示し、図３（ｂ）は、上記逓倍時間Ｔ３０ｂを示し、図３（ｃ）は、Ｓ２０の処理によって算出された推定時間Ｔ３０ｅを示す。なお、図３は、クランク信号Ｓｃｒの異常時であって内燃機関１０の加速運転時のものである。また、図３において、たとえば「３９０」と記載された区間は、３９０°ＣＡのタイミングとなってから、３０°ＣＡ先の４２０°ＣＡとなるまでの期間を示す。また、図３においては、点火角度指令値が５２０°ＣＡであることを例示する。

図示されるように、カム周期信号Ｓｃａｃに基づく４５０°ＣＡのタイミングから、逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）の３倍の時間が経過する前に、カム周期信号Ｓｃａｃに基づく５４０°ＣＡのタイミングが出現する。この場合、クランク軸２０の実際の回転角度が点火角度指令値である５２０°ＣＡとなるタイミング（時刻ｔ１）において、逓倍時間Ｔ３０ｂに基づき定まる回転角度は、未だ５１０°ＣＡにも達していない。このため、図２のＳ２２の処理において、仮に逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）に基づき３０°ＣＡ毎のタイミング信号を生成する場合には、点火時期を適切に操作することができなくなるおそれがある。これに対し、本実施形態において、ＣＰＵ６２は、加速運転時に逓倍時間Ｔ３０ｂ（ｎ）が補正値Ｖｃによって減少補正された推定時間Ｔ３０ｅに基づき、３０°ＣＡ毎のタイミング信号を生成するため、図３（ｃ）に示すように、５１０°ＣＡに対応するタイミング信号を適切に生成することができる。そして、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）に基づくタイミング信号と、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）とに基づき、点火時期を適切に把握することができる。

なお、ＣＰＵ６２は、燃料噴射弁１２の操作についても、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）に基づくタイミング信号と、推定時間Ｔ３０ｅ（ｎ）とに基づき実行する。
＜対応関係＞
上記実施形態を特定する事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。アクチュエータは、点火装置１６や燃料噴射弁１２に対応し、検出時間算出処理は、Ｓ１２の処理に対応し、推定時間算出処理は、Ｓ１８，Ｓ２０の処理に対応し、操作処理は、図１に示す処理における時間Ｔ３０を推定時間Ｔ３０ｅに代えて点火時期を設定する処理に対応する。また、「検出時間の一対の時間同士の減算値に比例して定まる補正値」における一対の時間同士の減算値は、補正値Ｖｃを３倍したものであり、減算値に比例して定まる補正値は、補正値Ｖｃに対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。
・図２の処理において、Ｓ１６，Ｓ１８の処理を省き、代わりに、Ｓ２０において用いる補正値Ｖｃを、「Ｔ３０ｂ（ｎ−１）−Ｔ３０ｂ（ｎ）」とゼロとのうちの大きい方としてもよい。もっとも、これに限らず、たとえば、補正値Ｖｃが負であっても、Ｓ２０の処理にて逓倍時間Ｔ３０ｂを補正値Ｖｃにて補正することも可能である。

・補正値Ｖｃを、「Ｔ３０ｂ（ｎ−１）−Ｔ３０ｂ（ｎ）」とする代わりに、これに補正係数Ｋを乗算した値である「Ｋ・｛Ｔ３０ｂ（ｎ−１）−Ｔ３０ｂ（ｎ）｝」としてもよい。ここで、補正係数Ｋは、「０．５」よりも大きく「１」よりも小さい値か、「１」よりも大きく「１．５」よりも小さい値とされる。

・逓倍時間Ｔ３０ｂを算出することは必須ではなく、たとえば、補正値Ｖｃを、「Ｔ９０（ｎ−１）−Ｔ９０（ｎ）」とし、この補正値Ｖｃを、検出時間Ｔ９０（ｎ）に加算した値を「１／３」倍したものを推定時間Ｔ３０ｅとしてもよい。また、この際、補正値Ｖｃを、「Ｋ・｛Ｔ９０（ｎ−１）−Ｔ９０（ｎ）｝」としてもよい。ここで、補正係数Ｋは、「０．５」よりも大きく「１」よりも小さい値か、「１」よりも大きく「１．５」よりも小さい値とされる。さらに、補正値Ｖｃを、「Ｋ・｛Ｔ３０ｂ（ｎ−１）−Ｔ３０ｂ（ｎ）｝：０．５＜Ｋ／３＜１．５」とし、検出時間Ｔ９０（ｎ）を補正値によって補正した値を「１／３」倍したものを推定時間Ｔ３０ｅとしてもよい。

・カム周期信号Ｓｃａｃによって規定される９０°ＣＡの領域を３分割した各領域のうち後に出現する領域において先に出現する領域よりも、推定時間Ｔ３０ｅの算出に用いる補正値Ｖｃが大きくなるように、上記補正係数Ｋを可変設定してもよい。

・制御装置としては、ＣＰＵ６２とメモリ６４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。すなわち、制御装置は、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの構成であればよい。（ａ）上記処理の全てを、プログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するメモリとを備える。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置およびプログラムを記憶するメモリと、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。

・カムロータやカム角センサを２個ずつ備えることは必須ではなく、１個ずつであってもよい。内燃機関としては、火花点火式内燃機関に限らず、たとえば圧縮着火式内燃機関であってもよい。アクチュエータを操作するために利用するタイミング信号としては、３０°ＣＡ毎の信号に限らず、たとえば１０°ＣＡ毎の信号であってもよい。

・カム周期信号としては、９０°ＣＡ毎の信号に限らない。たとえば、４気筒の内燃機関の場合、９０°ＣＡよりも広い角度間隔の周期信号であってもよい。

１０…内燃機関、１２…燃料噴射弁、１４…燃焼室、１６…点火装置、１８…ピストン、１９…タイミングチェーン、２０…クランク軸、２２…カム軸、２４…カム軸、３０…クランクロータ、３２…凸部、３４…凹部、３６…不等間隔部、４０…カムロータ、４２…凸部、４４…凹部、５０…カムロータ、５２…凸部、５４…凹部、６０…制御装置、６２…ＣＰＵ、６４…メモリ、７０…クランク角センサ、７２，７４…カム角センサ。

Claims (1)

1. 内燃機関のクランク角に応じてアクチュエータを操作する内燃機関の制御装置において、
   クランク信号に異常が生じる場合、カム信号から抽出される信号であって前記クランク角の所定の角度間隔毎の信号であるカム周期信号を入力とし、前記所定の角度間隔の回転に要する時間である検出時間を算出する検出時間算出処理と、
   前記検出時間に基づき、前記所定の角度間隔よりも小さい規定の角度間隔の回転に要する時間である推定時間を算出する推定時間算出処理と、
   前記推定時間に基づき、前記アクチュエータを操作する操作処理と、を実行し、
   前記推定時間算出処理は、前記内燃機関の加速運転時である場合、前記検出時間算出処理によって前回算出された前記検出時間および今回算出された前記検出時間の一対の時間同士の減算値に比例して定まる補正値を、前記所定の角度間隔と前記規定の角度間隔との比によって前記検出時間を縮小した値および前記検出時間のいずれかから減算する処理を実行することによって前記推定時間を算出する処理である内燃機関の制御装置。
   

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