JP3627541B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復型内燃機関の制御装置であって、特に各気筒ごとの制御指令の時期を決定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復型の内燃機関は、吸気、圧縮、燃焼膨張、排気の工程が間欠的に繰り返される。このため、点火時期、燃料の噴射時期などを、気筒ごとに正確に制御する必要がある。従来、内燃機関のクランク軸とカム軸に、歯車状のロータを設け、これの凹凸を検出して、クランク軸の回転角度（以下、クランク角と記す）を検出している。このとき、前記ロータの１カ所に他の部分とは歯車の歯の配置の間隔を異ならせた部分を設けるなどして、この部分を特定し、ここからの相対位置としてクランク角を検出している。このように、従来、ロータ上の基準位置からの相対的な位置としてクランク角を検出しているので、ロータ上の基準位置が検出されないとクランク角を検出できない。４工程サイクル機関は、クランク角７２０°が１周期であるので、ロータ上の基準位置の検出は、最大で７２０°クランク軸が回転しなければ行えない。
【０００３】
特開平５−２８８１１２号公報に記載の装置においては、クランク角０°〜３６０°と、３６０°〜７２０°とを判別することにより、３６０°以内の回転で基準位置の検出を行うことできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報の装置においても、クランク軸が３６０°回転しなければ、クランク角の基準位置を検出することができない場合があった。したがって、この間は内燃機関の制御を開始することができず、無駄にクランキングが行われる。特に、内燃機関と電動機を備えたパワープラントを有するハイブリッド自動車などにおいては、内燃機関の始動が必要となったときに、自動的にこれが行われるが、このときのクランキングが搭乗者に不快感を与える場合があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題を解決するためになされたものであり、クランク軸の絶対角度を検出し、機関の制御を早期に開始可能な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明にかかる往復型内燃機関と電動機とを有するパワープラントの前記内燃機関の制御装置は、内燃機関のクランク軸の絶対角度に基づき当該機関の各気筒への制御指令の時期を決定する指令時期制御手段と、前記電動機のロータの回転角度を検出する絶対角度センサと、クランク軸の基準角度位置およびこの基準角度位置からの相対角度を検出する相対角度センサと、内燃機関の始動時において、相対角度センサにてクランク軸の基準角度位置が検出されたときの絶対角度センサの回転角度を、クランク角度の基準角度位置として、絶対角度の補正をする絶対角度補正手段と、を有し、この補正された角度に基づき前記制御指令の時期を決定する。
【０００７】
電動機のロータの回転角度を検出する絶対角度センサの値を使用することにより、クランク軸が停止しているときでさえもその回転角度を検出することができる。又、クランク軸の絶対角度センサを専用に設ける必要がないため部品点数を削減することができ、装置の小型化、コストの低減ができる。さらに、前記絶対角度センサは、レゾルバとすることができる。特に、内燃機関と電動機を有し、これらの機関の出力軸が１対１の速度で回転するときには、電動機の有するレゾルバの出力を直接用いることができる。
【０００８】
さらに、クランク軸の半分の回転速度で回転する軸の回転角度を検出し、クランク軸の０°から３６０°の周期と、３６０°から７２０°の周期を区別する、周期判別センサを設け、前記指令時期制御手段は、前記絶対角度と判別された前記周期とに基づき、各気筒への指令時期を決定するものとすることができる。クランク軸の半分の速度で回転する軸は、カム軸とすることが好ましい。周期判別センサを設けることにより、４工程サイクル機関に対応することができる。
【０００９】
さらに、クランク軸の一つの所定角度位置からの相対角度を検出する相対角度センサと、前記相対角度に基づき前記絶対角度センサの基準位置の補正を行う絶対角度補正手段と、を有するものとすることができる。これによって、組立工程において、絶対角度センサとクランク軸との角度位置を合わせる作業を行う必要がなくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１には、本実施形態の概略構成が示されている。また、図２は、主要部分の内部構造を示す概略図であり、出力軸から下は省略されている。エンジン１０は、４工程サイクル機関であり、クランク軸１１と、吸排気バルブを駆動するカム軸（図示せず）を有している。クランク軸１１はねじりダンパ１３を介して電動機（以下、モータと記す）１２のロータ軸１５と結合されている。ロータ軸１５は、トルクコンバータ１４を介して、変速機１６に結合されている。
【００１１】
エンジン１０は、エンジンの運転状態を示す各種検出値、例えば冷却水温、吸気管内圧力、エンジン油温などと、運転者の操作（主にアクセルペダルの操作）に基づき制御される。具体的には、各種センサの出力を基に、エンジンＥＣＵ（エンジン電子制御ユニット）１８が燃料の噴射量、噴射時期、点火時期などを制御し、運転者などの要求に沿った制御が行われる。往復型など、吸気、圧縮、爆発膨張、排気の各工程が、間欠的に行われる機関においては、これらの工程に同期させ、所定量の燃料を供給（噴射し）、点火を行う必要がある。多気筒往復型エンジンの場合、各気筒の工程を把握し、気筒ごとに噴射制御、点火制御を行う必要がある。各気筒の工程を判定するために、クランク軸の回転角を検出するためのクランク相対角度エンコーダ２０およびカム角度エンコーダ２２が設けられている。
【００１２】
クランク相対角度エンコーダ２０は、クランク軸に固定された円板の周囲に、歯車状の凹凸を設け、周上の１カ所に他の場所から区別するために形状の異なる凹凸が設けられている。歯車状の凹凸を磁気ピックアップなどにより検出し、これをエンジンＥＣＵ１８に送出し、ＥＣＵ１８が、クランク軸の回転および回転角度を算出する。前記の他と形状の異なる凹凸は、通常エンジンの１番気筒の点火時の上死点と一致する位置に設けられており、このときのクランク回転角度を０°と呼んでいる。以降の説明においても、クランク回転角度は、この１番気筒点火時上死点を基準とする。エンコーダ２０からの信号を受けたエンジンＥＣＵ１８は、前記の０°位置からの凹凸を計数することによりクランク角度を算出する。よって、クランク相対角度エンコーダ２０とエンジンＥＣＵ１８がクランク相対角度を検出するクランク相対角度センサを構成する。このセンサに検出される角度は、０°の位置からの相対角度であり、クランク軸が最大で１回転しなければ、クランク角度を検出することができない。
【００１３】
また、４工程サイクル機関では、クランク軸２回転で１サイクルが終了する。よって、クランク軸の回転角度だけでは、各気筒の工程を判断することができない。クランク軸の２回転、すなわち０〜３６０°と３６０〜７２０°を区別するために、吸排気バルブを駆動するカムの軸の回転を検出するのが前記カム角度エンコーダ２２である。カム軸は、クランク軸の１／２の速度で回転しており、これの回転角度を利用すれば、クランク軸の２回転にわたる角度を判別できる。
【００１４】
カム角度エンコーダ２２は、クランク角度０〜３６０°と３６０〜７２０°の対応する角度で、異なる値の信号を出力する。最も簡単な信号は、０〜３６０°でハイ、３６０〜７２０°でローの信号である。より現実的には、クランク角度７２０°内で、奇数周期となる方形波とすることができる。図３には、このようなカム角度エンコーダの信号の一例が示されている。この信号はクランク角度７２０°で、２３周期の方形波であり、図示するようにクランク角度の１周期目と２周期目では、位相が反転している。このような信号と、クランク相対角度エンコーダの出力を組み合わせれば、クランク軸の２回転にわたる角度が検出できる。すなわち、クランク相対角度エンコーダ２０の出力に基づき検出された角度がαであった場合、これがαであるのか、α＋３６０°であるのか、判別できないが、カム角度エンコーダ２２の出力がハイかローかにより、どちらであるのかが判別できる。したがって、クランク相対角度、カム角度の両エンコーダ２０，２２を用いれば、クランク回転角度の０°が検出された以後は、クランク回転角度を常時算出することができる。このように、カム角度エンコーダ２２とエンジンＥＣＵ１８によって、クランク軸の０〜３６０°と３６０〜７２０°の周期を区別する周期判別センサが構成される。しかし、クランク回転角度０°を検出するには、最大で３６０°クランク軸が回転しなければならない。
【００１５】
モータ１２には、バッテリ２４からの電力がインバータ２６を介して供給される。バッテリ２４からの直流電力が、インバータ２６により三相交流電力に変換され、この電力によってモータ１２が駆動される。モータ１２のロータの回転角度を検出するためのレゾルバ２８の出力は、モータＥＣＵ（モータ電子制御ユニット）３０に送られる。モータＥＣＵ３０は、レゾルバ２８の出力に基づき、モータ１２の回転角度を算出し、この回転角度に基づきインバータを制御して、所定の三相交流電力の位相を制御する。出力の制御は、エンジンＥＣＵ１８を介して送られる運転者の所定の操作、およびバッテリ２４の充電レベルに応じて制御される。また、モータ１２は、変速機１６およびトルクコンバータ１４を介して、出力軸３２により駆動される場合には、発電機として機能し、回生制動を行う。このときの制御は、レゾルバ２８の出力信号、バッテリ２４の充電レベルなどに基づき行われる。
【００１６】
レゾルバ２８は、モータ１２のロータの回転角度に応じた信号を出力し、これに基づきモータＥＣＵ３０がロータの回転角度を算出する。図３には、レゾルバ２８の出力に基づき求められた回転角度を表す出力信号が示されている。この信号は、ロータの回転角度の０°から３６０°まで、線形に単調増加する信号であり、ロータ１回転を周期としてしている。したがって、この信号の値から現在のロータの回転位置が直ちに分かる。この回転角度に基づき、ステータにより発生される回転磁界の位相が制御される。したがって、レゾルバ２８は、モータ１２が停止しているときであっても、ロータの回転角度を検出する必要がある。レゾルバ２８は、ロータ軸に固定された偏心円板と、この円板の外周との間隔を測定する、ステータに固定されたセンサとを有する。円板が偏心しているために、ロータが回転すると円板外周とセンサの間隔が周期的に変化し、この変化に基づきロータの回転角度を算出することができる。
【００１７】
エンジン１０のクランク軸と、モータ１２のロータ軸が実質的に一体となっていれば、レゾルバ２８の出力に基づきロータの回転角度をクランク軸の回転角度として用いることができる。これによれば、エンジン１０のクランク軸の回転角度を０〜３６０°の範囲で、絶対値として算出することができる。そして、前述のカム角度エンコーダの信号を用いれば、０〜７２０°で、クランク軸の回転角度を算出することができる。
【００１８】
レゾルバ２８の出力に基づき算出された回転角度は、本来モータ１２の制御に用いられるものであり、エンジン１０のクランク軸の回転角度とは、関連づけられているものではない。エンジン１０とモータ１２を組み付ける際に、クランク軸とロータ軸の角度位置を機械的に位置合わせして結合させれば、レゾルバ２８の出力を直接、クランク軸の回転角度とすることができる。しかし、この場合、エンジン１０とモータ１２の組付けの際、クランク軸とロータ軸の角度位置を合わせる作業が必要となる。修理などによりエンジン１０とモータ１２を分離した場合にも角度位置合わせの作業が必要となり煩わしい。本実施形態においては、エンジン１０とモータ１２を組み付けた後、クランク相対角度エンコーダ２０の出力に基づきレゾルバ２８の出力を較正する。すなわち、クランク相対角度エンコーダ２０にて、０°が検出された位置のレゾルバ２８の出力を０°とするように補正を行う。具体的には、モータＥＣＵ３０からのロータの回転角度に対し、エンジンＥＣＵ１８にて上記の補正を行い、クランク軸の絶対角度が算出される。よって、レゾルバ２８とモータＥＣＵ３０、さらに上記補正を行う場合にはエンジンＥＣＵ１８が、クランク軸の絶対回転角度を算出する絶対角度センサを構成する。
【００１９】
図４には、本実施形態におけるエンジン始動時の制御処理のフローチャートが示されている。まず、入力された信号の処理が行われ（Ｓ１００）、これらの信号に基づきエンジンが始動中であるかが判断される（Ｓ１０２）。エンジンを始動しているのであれば、クランク角度を学習する条件が成立しているかが判断される（Ｓ１０４）。具体的には、エンジン回転速度が所定値以上であるかにより判断される。始動時において、まだエンジン回転速度が十分に高くなっていないと、正確な回転角度を検出できない可能性があるので、この場合を排除する。学習条件が成立している場合、クランク回転角度の学習、すなわちクランク相対角度エンコーダ２０およびカム角度エンコーダ２２の出力に基づき算出されたクランク角度が０°となったときのレゾルバ２８の出力を０°として較正する（Ｓ１０６）。
【００２０】
次に、エンジンの始動指令がなされているかが判断される（Ｓ１０８）。始動指令がなされていることは、イグニッションスイッチがオンとなっているか、または自動始動制御されているかによって判断される。ここで、自動制御始動とは、運転条件によって、モータ１２が運転していた状態からエンジン１０を併せて運転する状態にするためにエンジン始動を行う制御で、操作者（運転者）の意思によらず実行される。エンジン始動指令がなされていれば、較正されたレゾルバ２８の出力と、カム角度エンコーダ２２の出力に基づき、クランク回転角が算出される。そして、制御すべき気筒、すなわち次に圧縮上死点に達する気筒の判定が行われ（Ｓ１１０）、更に所定のタイミングで、燃料の噴射、点火などの制御が実行される（Ｓ１１２）。そして、制御結果から、制御が正しく行われたかが判断される（Ｓ１１４）。この判断は、実際にエンジンが始動したかによって判断され、正しく行われていない場合、これはステップＳ１０４におけるレゾルバ出力の較正（学習）が正しくなかったとして、次回の制御周期においてもう一度学習を実施するようにするフラグを立てる（Ｓ１１６）。正常に始動した場合は、次回からの学習は行わないようにするフラグを立てる（Ｓ１１８）。
【００２１】
なお、ステップＳ１０４の判断を行わず、エンジン始動時においては、とりあえずクランク回転角度の学習を実行し、ステップＳ１１４における正否判断により、前回の学習について評価するようにもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のパワープラントの概略構成図である。
【図２】本実施形態の主要部の内部構造を示した図である。
【図３】カム角度エンコーダの出力信号に基づくクランク軸の周期判定、およびレゾルバ出力に基づく回転角度を示す信号に関する説明図である。
【図４】本実施形態におけるエンジン始動時の制御フローチャートである。
【符号の説明】
１０ エンジン（内燃機関）、１２ モータ（電動機）、１８ エンジンＥＣＵ（相対角度センサ、周期判別センサ、絶対角度センサ）、２０ クランク相対角度エンコーダ（相対角度センサ）、２２ カム角度エンコーダ（周期判別センサ）、２８ レゾルバ（絶対角度センサ）、３０ モータＥＣＵ（絶対角度センサ）。

Claims (3)

1. 往復型内燃機関と電動機とを有するパワープラントの前記内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関のクランク軸の絶対角度に基づき当該機関の各気筒への制御指令の時期を決定する指令時期制御手段と、
   電動機のロータの回転角度を検出する絶対角度センサと、
   クランク軸の基準角度位置およびこの基準角度位置からの相対角度を検出する相対角度センサと、
   内燃機関と電動機を組み付けた後、相対角度センサの出力に基づき絶対角度センサの回転角度を補正する絶対角度補正手段と、
   を有し、
   前記指令時期制御手段は、この補正された絶対角度に基づき前記制御指令の時期を決定する、
   内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置であって、
   内燃機関の始動時において始動しなかった場合には、絶対角度補正手段は、再度、相対角度センサの出力に基づき絶対角度センサの回転角度を補正する、
   内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置であって、
   クランク軸の半分の回転速度で回転する軸の回転角度を検出し、クランク軸の０°から３６０°の周期と、３６０°から７２０°の周期を区別する、周期判別センサを有し、
   前記指令時期制御手段は、前記絶対角度と判別された前記周期とに基づき、各気筒への指令時期を決定する、
   内燃機関の制御装置。

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