JP4661757B2 - 内燃機関の停止位置制御装置 - Google Patents

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Description

この発明は、内燃機関の停止位置制御装置に係り、特に、車両が一時的に停止した際に、内燃機関の停止および再始動を自動的に行う制御が適用された内燃機関を制御する装置として好適な内燃機関の停止位置制御装置に関する。
従来、例えば特許文献1には、車両が一時的に停止した際に、内燃機関の停止および再始動を自動的に行う制御(エコラン制御)を実行するエンジンの始動装置が開示されている。この従来の装置は、次回の再始動を円滑に行えるようにすべく、燃料供給を停止するエンジン回転数を制御することにより、内燃機関の自動停止時のピストン停止位置(クランク停止位置)の適正化を図るというものである。
より具体的には、上記従来の装置では、内燃機関の自動停止条件が成立した場合には、フィードバック制御によるアイドル回転数の目標回転数域内の範囲であって、当該目標回転数域よりも狭い範囲となるように設定された所定の燃料供給停止許容回転数域内に、現在のエンジン回転数があるときに、燃料カット(燃焼カット)を実行するようにしている。
特開2004−293444号公報
内燃機関の自動停止時のクランク停止位置を、良好な再始動性を確保するための目標クランク停止位置とすることのできる目標燃焼カット回転数は、複数存在する。内燃機関の自動停止要求が出されてから実際に内燃機関が停止するまでの燃料消費を最小限に留めるためには、そのような複数の目標燃焼カット回転数の何れかにエンジン回転数を合わせ込むのに要する制御時間を極力短縮させたい。ところが、上記従来の技術は、目標燃焼カット回転数が複数存在するという認識の下での制御ではなく、自動停止要求が出された場合に、複数存在する目標燃焼カット回転数の何れかに対して、エンジン回転数をどのようにして迅速に制御するかという点において、未だ改良の余地を残すものであった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の停止および再始動を自動的に行う制御が適用された内燃機関において、自動停止要求が出された場合に、目標燃焼カット回転数に向けてエンジン回転数を制御する際の制御時間を良好に短縮し得る内燃機関の停止位置制御装置を提供することを目的とする。
第1の発明は、内燃機関の燃焼を停止する燃焼カット回転数を制御することによりクランク停止位置を制御する内燃機関の停止位置制御装置であって、
前記燃焼カット回転数の目標値を少なくとも2つ取得する目標回転数取得手段と、
エンジン回転数の実測値を取得するエンジン回転数計測手段と、
前記実測値より上側に前記目標値の1つである上側目標値が存在する場合に、点火時期の進角によって、エンジン回転数を前記上側目標値に合わせることが可能か否かを判別する点火進角可否判別手段と、
前記実測値より上側に前記上側目標値が存在し、かつ、当該実測値より下側に前記目標値の他の1つである下側目標値が存在する場合において、前記点火進角可否判別手段の判別結果と、前記上側目標値および前記下側目標値に対する現在のエンジン回転数の距離とに基づいて、前記上側目標値および前記下側目標値の中から前記目標値を決定する目標回転数決定手段と、
内燃機関の自動停止要求が出された際に、前記目標回転数決定手段により決定された前記目標値が少なくとも前記上側目標値である場合は、点火時期の制御によって、当該目標値となるようにエンジン回転数を制御する回転数制御手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第2の発明は、第1の発明において、前記目標回転数決定手段は、前記点火進角可否判別手段によって、点火時期の進角を用いてエンジン回転数を前記上側目標値に合わせることができないと判断された場合には、前記下側目標値を前記目標値として選択することを特徴とする。
また、第3の発明は、第1または第2の発明において、前記上側目標値および前記下側目標値に対する現在のエンジン回転数の距離に基づいて、現在のエンジン回転数を前記上側目標値に合わせるために要する制御時間と、現在のエンジン回転数を前記下側目標値に合わせるために要する制御時間とのどちらが短いかを判別する制御時間判別手段を更に備え、
前記目標回転数決定手段は、前記点火進角可否判別手段によって、点火時期の進角を用いてエンジン回転数を前記上側目標値に合わせることができると判断された場合であっても、前記制御時間判別手段によって、エンジン回転数を前記下側目標値に向けて制御した方が前記上側目標値に向けて制御する場合に比して制御時間が短くなると判断された場合には、前記下側目標値を前記目標値として選択することを特徴とする。
第1の発明によれば、自動停止時に最も早く到達できる目標燃焼カット回転数を選択することができるので、自動停止要求が出されてから燃焼カットが実行されるまでのエンジン回転数の制御時間を効果的に短縮することができ、そのようなエンジン回転数の合わせ込みの際に、無駄な燃料消費を抑制することができる。
第2の発明によれば、点火時期の進角を用いてエンジン回転数を前記上側目標値に合わせることができない場合には、点火時期の進角以外の他の空気量制御などの手法によってエンジン回転数を上側目標値に合わせるのではなく、下側目標値に向けてエンジン回転数が合わせ込まれるようになる。このため、制御時間の短縮が図れるとともに、当該合わせ込み時に過度なエンジン回転数の吹き上がりを防ぐことができる。
第3の発明によれば、点火時期の進角により合わせ込めるかどうかの基準だけによらずに、実際に制御時間を効果的に短縮できる方の目標燃焼カット回転数を上側目標値および下側目標値の中から適切に選択することができる。
実施の形態1.
[実施の形態1の装置の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の内燃機関の停止位置制御装置が適用された内燃機関10の構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関10を備えている。ここでは、内燃機関10は、直列4気筒型エンジンであるものとする。内燃機関10の筒内には、ピストン12が設けられている。ピストン12は、コンロッド14を介してクランク軸16と連結されている。また、内燃機関10の筒内には、ピストン12の頂部側に燃焼室18が形成されている。燃焼室18には、吸気通路20および排気通路22が連通している。
吸気通路20には、スロットルバルブ24が設けられている。スロットルバルブ24は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。スロットルバルブ24の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルポジションセンサ26が配置されている。スロットルバルブ24の下流には、内燃機関10の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁28が配置されている。また、内燃機関が備えるシリンダヘッドには、気筒毎に、燃焼室18の頂部から燃焼室18内に突出するように点火プラグ30がそれぞれ取り付けられている。吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、燃焼室18と吸気通路20、或いは燃焼室18と排気通路22を導通状態または遮断状態とするための吸気弁32および排気弁34が設けられている。
吸気弁32および排気弁34は、それぞれ吸気可変動弁(VVT)機構36および排気可変動弁(VVT)機構38により駆動される。可変動弁機構36、38は、それぞれ、クランク軸の回転と同期して吸気弁32および排気弁34を開閉させると共に、それらの開弁特性(開弁時期、作用角、リフト量など)を変更することができる。
内燃機関10は、クランク軸の近傍にクランク角センサ40を備えている。クランク角センサ40は、クランク軸が所定回転角だけ回転する毎に、Hi出力とLo出力を反転させるセンサである。クランク角センサ40の出力によれば、クランク軸の回転位置やその回転速度(エンジン回転数Ne)を検知することができる。また、内燃機関10は、吸気カム軸の近傍にカム角センサ42を備えている。カム角センサ42は、クランク角センサ40と同様の構成を有するセンサである。カム角センサ42の出力によれば、吸気カム軸の回転位置(進角量)などを検知することができる。
図1に示すシステムは、ECU(Electronic Control Unit)50を備えている。ECU50には、上述した各種センサに加え、排気通路22内の排気空燃比を検出するための空燃比センサ52、内燃機関10の冷却水温度を検出するための水温センサ54、内燃機関10と変速機(図示省略)との間に設けられるクラッチ(図示省略)の係合状態を検知するためのクラッチスイッチ56、および、アクセル開度を検知するためのアクセルポジションセンサ57などが接続されている。クラッチスイッチ56は、クラッチペダル(図示省略)が踏み込まれた状態でON信号(クラッチ係合)を発し、当該クラッチペダルが踏まれていない状態でOFF信号(クラッチ非係合)を発するスイッチである。また、ECU50には、上述した各種アクチュエータが接続されている。ECU50は、それらのセンサ出力、およびECU50内に仮想的に構成されたエンジンモデル60を用いた演算結果に基づいて、内燃機関10の運転状態を制御することができる。
[エンジンモデルの概要]
図2は、図1に示すECU50が備えるエンジンモデル60の構成を示すブロック図である。図2に示すように、エンジンモデル60は、クランク軸周りの運動方程式演算部62と、エンジンフリクションモデル64と、ミッションフリクションモデル65と、吸気圧力推定モデル66と、筒内圧推定モデル68と、燃焼波形算出部70と、大気圧補正項算出部72と、大気温補正項算出部74とを含んでいる。以下、これらの各部の詳細な構成について説明を行う。
(1)クランク軸周りの運動方程式演算部について
クランク軸周りの運動方程式演算部62は、クランク角度θおよびエンジン回転数Ne(クランク角回転速度dθ/dt)のそれぞれの推定値を求めるためのものである。クランク軸周りの運動方程式演算部62は、筒内圧推定モデル68または燃焼波形算出部70から内燃機関10の筒内圧力Pの入力を受け、演算開始時には、更に、初期クランク角度θ0および初期エンジン回転数Ne0の入力を受ける。
クランク軸周りの運動方程式演算部62によって算出される推定クランク角度θおよび推定エンジン回転数Neは、図2に示すPIDコントローラ76によって、実クランク角度θおよび実エンジン回転数Neとの偏差が無くなるようにフィードバック制御される。また、クランク軸周りの運動方程式演算部62の演算結果には、エンジンフリクションモデル64によって、内燃機関10の内部のフリクションに関する影響が反映されるとともに、ミッションフリクションモデル65によって、変速機の内部のフリクション(主に軸受部の回転摺動によるフリクション)に関する影響が反映される。
次に、クランク軸周りの運動方程式演算部62の内部で実行される具体的な演算内容について説明する。
図3は、クランク軸周りの各要素に付す記号を示す図である。図3に示すように、ここでは、筒内圧力Pを受けるピストン12の頂部の表面積をAとする。コンロッド14の長さをL、クランクの回転半径をrとする。そして、コンロッド14のピストン取り付け点とクランク軸16の軸中心とを結ぶ仮想線(シリンダの軸線)と、コンロッド14の軸線とがなす角度をφ(以下、「コンロッド角度φ」と称する)とし、シリンダの軸線とクランクピン17の軸線とがなす角度をθとする。
4つの気筒を有する内燃機関10では、気筒間のクランク角度の位相差は180°CAであるため、それらの気筒間のクランク角度の関係は、次の(1a)式のように定義することができる。また、各気筒のクランク角回転速度dθ/dtは、それぞれ各気筒のクランク角度θの時間微分となるため、それぞれ次の(1b)式のように表すことができる。
Figure 0004661757
ただし、上記(1a)式および(1b)式において、クランク角度θおよびクランク角回転速度dθ/dtに付された符号1〜4は、内燃機関10の所定の爆発順序に従って燃焼が到来する気筒の順番に対応しており、また、後述する数式においては、それらの符号1〜4を「i」で代表させることがある。
また、図3に示すピストン・クランク機構においては、クランク角度θiとコンロッド角度φiとは、次の(2)式で表される関係を有することになる。
Figure 0004661757
ただし、上記(2)式において、dXi/dtはピストン速度である。
また、クランク軸周りの全運動エネルギTは、次の(3)式のように表すことができる。(3)式を展開すると、(3)式中の各項の諸々のパラメータを1/2(dθ/dt)2の係数としてまとめることができる。ここでは、そのようにまとめられた係数を、クランク角度θの関数f(θ)として表現している。
Figure 0004661757
ただし、上記(3)式において、右辺第1項はクランク軸16の回転運動に関する運動エネルギに、右辺第2項はピストン12およびコンロッド14の直進運動に関する運動エネルギに、右辺第3項はコンロッド14の回転運動に関する運動エネルギに、それぞれ対応している。また、上記(3)式において、Ikはクランク軸16の軸周りの慣性モーメントであり、Iflはフライホイールの回転軸周りの慣性モーメントであり、Imiは内燃機関10と組み合わされる変速機の回転軸周りの慣性モーメントであり、Icはコンロッドに関する慣性モーメントである。また、mpはピストン12の変位であり、mcはコンロッド14の変位である。尚、変速機に関する上記の慣性モーメント(ミッション側イナーシャ)は、クラッチが係合状態にあると判断された場合におけるモデル演算時にのみ使用され、クラッチが非係合状態にあると判断された場合におけるモデル演算時にはゼロとされる。
次に、ラグラジアンLを、系の全運動エネルギTと位置エネルギUとの偏差として、次の(4a)式のように定義する。そして、クランク軸16に作用する入力トルクをTRQとすると、ラグランジュの運動方程式を用いて、ラグラジアンLとクランク角度θと入力トルクTRQとの関係を、次の(4b)式のように表すことができる。
Figure 0004661757
ここで、上記(4a)式において、位置エネルギUの影響は運動エネルギTの影響に比して小さく、その影響を無視することができる。従って、上記(4b)式の左辺第1項は、上記(3)式をクランク角回転速度(dθ/dt)で偏微分して得られた値を時間微分することで、クランク角度θの関数として、次の(4c)式のように表すことができる。また、上記(4b)式の左辺第2項は、上記(3)式をクランク角度θで偏微分することで、クランク角度θの関数として、次の(4d)式のように表すことができる。
従って、上記(4b)式は、次の(4e)式のようにして表すことができ、これにより、クランク角度θと入力トルクTRQとの関係を得ることができる。また、ここでは、その入力トルクTRQを、次の(5)式のように、3つのパラメータからなるものと定義する。
Figure 0004661757
ただし、上記(5)式において、TRQeは、エンジン発生トルクであり、より具体的には、ガス圧力(筒内圧力P)を受けるピストン12からクランク軸16に作用するトルクである。TRQLは、負荷トルクであり、内燃機関10が搭載される車両の特性に応じて異なる既知の値として、ECU50に記憶されている。TRQfは、フリクショントルク、すなわち、ピストン12、クランク軸16、および変速機の摺動部分の摩擦損失に対応するトルクである。このフリクショントルクTRQfは、エンジンフリクションモデル64およびミッションフリクションモデル65から得られる値である。より具体的には、フリクショントルクTRQfは、クラッチが係合状態にあるときはエンジンフリクションモデル64およびミッションフリクションモデル65の双方を用いて算出され、一方、クラッチが非係合状態にあるときはエンジンフリクションモデル64のみを用いて算出される。
次に、エンジン発生トルクTRQeは、次の(6a)式〜(6c)式に従って算出することができる。すなわち、先ず、筒内圧力Pに基づいてコンロッド14に作用する力Fcは、ピストン12の頂部に作用する力PAのコンロッド14の軸線方向成分として、(6a)式のように表すことができる。そして、図3に示すようにコンロッド14の軸線とクランクピン17の軌跡の接線とがなす角度αが{π/2−(φ+θ)}であるため、筒内圧力Pに基づいてクランクピン17の軌跡の接線方向に作用する力Fkは、コンロッド14に作用する力Fcを用いて、(6b)式のように表すことができる。従って、エンジン発生トルクTRQeは、クランクピン17の軌跡の接線方向に作用する力Fkとクランクの回転半径rとの積であるため、(6a)式および(6b)式を用いて、(6c)式のように表すことができる。
Figure 0004661757
以上説明したクランク軸周りの運動方程式演算部62の構成によれば、筒内圧推定モデル68または燃焼波形算出部70によって筒内圧力Pを取得することにより、(6c)式および(5)式に従って入力トルクTRQを得ることができる。そして、(4e)式を解くことにより、クランク角度θやクランク角回転速度dθ/dtを得ることが可能となる。
(2)エンジンフリクションモデルについて
図4は、図2に示すエンジンフリクションモデル64がエンジンフリクショントルクTRQf_ENを取得するために備えているエンジンフリクションマップの一例を示している。より具体的には、図4(A)は、クランク軸16周りの回転摺動に関する第1エンジンフリクショントルクTRQf_map1とクランク角回転速度(dθ/dt)との関係を概念的に表した図であり、図4(B)は、ピストン12の並進運動に関する第2エンジンフリクショントルクTRQf_map2とピストン速度(dXi/dt)との関係を概念的に表した図である。
本実施形態のシステムにおいては、エンジンモデル60のモデル演算精度を向上させるべく、後述する図7に示すルーチンの処理では、エンジンフリクショントルクTRQfENを、上記のように第1エンジンフリクショントルクTRQf_map1と第2エンジンフリクショントルクTRQf_map2に分けて考えることがある。
図4(A)に示すように、クランク軸16周りの回転摺動に関する第1エンジンフリクショントルクTRQf_map1は、基本的にエンジン回転数 (dθ/dt)に依存する特性を有している。より具体的には、当該トルクTRQf_map1は、図4(A)に示すように、エンジン回転数(dθ/dt)がゼロに近い領域においては、最大静摩擦係数の影響で大きくなり、エンジン回転数(dθ/dt)が増加し始めると、最大静摩擦係数の影響が薄れるため一旦減少に転ずるが、その後はエンジン回転数(dθ/dt)の増大に従って増加する。
また、図4(B)に示すように、ピストン12の並進運動に関する第2エンジンフリクショントルクTRQf_map2は、ピストン12とシリンダ壁面との間のフリクションであり、これらの間の接触圧力と摩擦係数のみに依存し、ピストン速度(dXi/dt)には依存しない特性を有している。また、図4(B)におけるピストン速度(dXi/dt)がゼロに近い領域において、第2エンジンフリクショントルクTRQf_map2が大きな値を示すのは、そのような領域では最大静摩擦係数の影響が大きくなるためである。
尚、エンジンフリクショントルクTRQf_ENは、エンジン冷却水温度が低くなると大きくなる傾向を有している。このため、エンジンフリクショントルクTRQf_ENは、図4においては図示を省略しているが、エンジン回転数Ne(およびピストン速度(dXi/dt))との関係に加え、エンジン冷却水温度との関係をも考慮して定められている。また、ここでは、ECU50の計算負荷の低減のため、エンジンフリクションモデル64として、上記のようなフリクションマップを備えるようにしているが、エンジンフリクションモデルの構成は、これに限定されるものではなく、以下の(7)式のような関係式を用いるものであってもよい。この(7)式では、フリクショントルクTRQf_ENが、エンジン回転数Neと内燃機関10の潤滑油の動粘度νとをパラメータとする関数となるように構成されている。
Figure 0004661757
ただし、上記(7)式において、C1、C2、C3は、それぞれ実験等により適合される係数である。
(3)ミッションフリクションモデルについて
図5は、図2に示すミッションフリクションモデル65がミッションフリクショントルクTRQf_MIを取得するために備えるミッションフリクションマップの一例を示している。ミッションフリクションモデル65によって算出されるミッションフリクショントルクTRQf_MIは、車両の停止中にギヤがニュートラル位置にあり、かつ、クラッチが係合された状態、すなわち、変速機のギヤが内燃機関10の動力をタイヤ側に伝達させることなく回転している状態におけるフリクショントルクである。そこで、ミッションフリクショントルクTRQf_MIは、変速機の内部のフリクション(主に軸受部の回転摺動によるフリクション)に対応する値となるように定められている。このため、図5に示すように、ミッションフリクショントルクTRQf_MIは、第1エンジンフリクショントルクTRQf_map1と同様にエンジン回転速度(dθ/dt)に依存する特性を有している。
(4)吸気圧力推定モデルについて
吸気圧力推定モデル66は、吸気圧力を推定するための吸気圧マップ(図示省略)を備えている。この吸気圧マップは、吸気圧力を、スロットル開度TA、エンジン回転数Ne、および吸排気弁のバルブタイミングVVTとの関係で定めたものである。このような吸気圧力推定モデルの構成によれば、ECU50の計算負荷を低く抑えつつ、吸気圧力を取得することができる。尚、詳細に吸気圧力を計算する場合には、上記のような吸気圧マップを用いずに、スロットルバルブ24を通過する空気流量を推定するスロットルモデルと、吸気弁32の周囲を通過する空気流量(すなわち、筒内吸入空気流量)を推定するバルブモデルとを用いて、吸気圧力推定モデルを構成するようにしてもよい。
(5)筒内圧推定モデルについて
筒内圧推定モデル68は、燃焼が行われない状況下で、筒内圧力Pを算出するために用いられるモデルである。この筒内圧推定モデル68では、内燃機関10の各行程における筒内圧力Pを、次の(8a)式〜(8d)式を用いて算出するようにしている。すなわち、先ず、吸気行程の経過中の筒内圧力Pは、(8a)式で示すように、上述した吸気圧力推定モデル66が有する吸気圧マップから得られる筒内圧力のマップ値Pmapから得るようにしている。
Figure 0004661757
次に、圧縮行程の経過中の筒内圧力Pは、気体の可逆断熱変化の式に基づいて、(8b)式のように表すことができる。
ただし、上記(8b)式において、VBDCはピストン12が吸気下死点にあるときの行程容積Vであり、κは比熱比である。
また、膨張行程の経過中の筒内圧力Pについても、圧縮行程の場合と同様にして、(8c)式のように表すことができる。
ただし、上記(8c)式において、VTDCはピストン12が圧縮上死点にあるときの行程容積Vであり、Pcは圧縮行程の終了時における筒内圧力である。
また、排気行程の経過中の筒内圧力Pは、(8d)式で示すように、排気通路22内の圧力Pexであるものとしている。この圧力Pexは、ほぼ大気圧力Pairに等しいとみなすことができるものである。従って、ここでは、大気圧力Pairを、排気行程の経過中の筒内圧力Pに使用している。
(6)燃焼波形算出部について
燃焼波形算出部70は、圧縮行程の途中から膨張行程の途中までの燃焼が行われている期間における筒内圧力(燃焼圧力)Pを算出するために用いられるモデルである。この燃焼波形算出部70では、Weibe関数を用いた関係式である(9a)式と、後述する(10)式とを用いて、燃焼圧力Pの推定値が算出される。
Figure 0004661757
より具体的には、燃焼波形算出部70では、先ず、(9a)式を用いて、現在のクランク角度θに対応する熱発生率dQ/dθを算出することとしている。
ただし、上記(9a)式において、mは形状係数、kは燃焼効率、θbは着火遅れ期間、aは燃焼速度(ここでは固定値6.9)である。これらの各パラメータは、事前に適合された値が使用される。また、Qは発熱量である。
上記(9a)式を用いて熱発生率dQ/dθを算出するには、発熱量Qを算出する必要がある。発熱量Qは、微分方程式である(9a)式を解くことにより算出することができる。そのために、先ず、(9b)式では、(9a)式におけるWeibe関数に相当する部分をg(θ)と置き換えている。そうすると、(9a)式を(9c)式のように表すことが可能となる。次いで、(9c)式の両辺をクランク角度θで積分した後に、当該(9c)式を展開することで、発熱量Qを(9d)式のように表すことができる。次いで、(9d)式に従って算出された発熱量Qを、再度(9a)式に代入することで、熱発生率dQ/dθが算出される。
熱発生率dQ/dθと筒内圧力(燃焼圧力)Pとは、エネルギ保存則に基づく関係式を用いて(10)式のように表すことができる。従って、(9a)式に従って算出された熱発生率dQ/dθを代入して当該(10)式を解くことにより、燃焼圧力Pを算出することができる。
Figure 0004661757
以上説明した筒内圧推定モデル68および燃焼波形算出部70によれば、筒内圧推定モデル68を用いて燃焼が行われていない状況下での筒内圧力Pを算出するととともに、燃焼波形算出部70を用いて燃焼が行われている期間中の筒内圧力Pを算出することにより、燃焼実行の有無に関係なく、内燃機関10の筒内圧力Pの履歴を取得することができる。
尚、内燃機関10の筒内圧力Pの履歴を取得する手法は、上記の手法に限定されるものではなく、例えば、以下の図6を参照して示すような手法であってもよい。
図6は、そのような変形例の手法を説明するための図である。この手法では、上記(9a)式および(10)式を用いて、所定のクランク角度θ毎に燃焼圧力Pを計算することを行うのではなく、事前に、上記(9a)式および(10)式を用いて、図6(A)に示すような燃焼パターン、すなわち、燃焼に付されることで変化する筒内圧力Pの波形の変化分(燃焼による圧力増加分)のみを算出しておく。
より具体的には、そのような燃焼パターンを決定する3つのパラメータである着火遅れ期間、燃焼期間、およびΔPmax(燃焼時の最大圧力Pmaxと燃焼無し時の最大圧力Pmax0との偏差)を、エンジン回転数Ne、空気充填率KL、吸排気弁のバルブタイミングVVT、および点火時期のそれぞれとの関係で定めたマップを記憶しておく。そして、燃焼による圧力増加分に対応する波形を、2次関数などの簡易な関数を組み合わせて近似させた波形として算出するために、当該近似波形の各係数を上記のエンジン回転数Neとの関係でマップ化しておく。そして、図6(B)に示すように、そのようなマップを参照して得られた燃焼による圧力増加分の波形を、筒内圧推定モデル68で算出される筒内圧力Pの値と足し合わせることで、燃焼圧力Pを取得するようにする。
(6)大気圧補正項算出部について
大気圧補正項算出部72は、筒内に吸入される筒内充填空気量Mcを推定するモデル(ここでは「エアモデル」と称する)を含んでいる。このエアモデルでは、筒内充填空気量Mcを次の(11)式に従って算出することとしている。
Figure 0004661757
ただし、上記(11)式において、a、bは、それぞれ運転条件(エンジン回転数NeやバルブタイミングVVTなど)に応じて適合される係数である。尚、Pmは、吸気圧力であり、例えば、上述した吸気圧力推定モデル66によって算出される値を使用することができる。
また、大気圧補正項算出部72は、筒内に吸入される燃料量fcを推定するモデル(ここでは「燃料モデル」と称する)を含んでいる。燃料噴射弁28から噴射された後の燃料の挙動を考慮すると、すなわち、噴射された燃料の一部の吸気ポートの内壁等への付着やその付着燃料の気化という現象を考慮すると、第kサイクルにおける燃料噴射の開始時における壁面付着燃料量がfw(k)であり、第kサイクルにおける実燃料噴射量がfi(k)である場合、第kサイクルの終了後に発生している壁面付着燃料量fw(k+1)、および第kサイクルにおいて筒内に吸入される燃料量fcは、次の(12a)式および(12b)式のように表すことができる。
Figure 0004661757
ただし、上記(12)式において、Pは、付着率、より具体的には、噴射燃料量fiのうちの吸気ポートの内壁等に付着する燃料量の割合である。Rは、残留率、より具体的には、吸気行程の実行後に付着燃料量fwが壁面等に付着したままの状態で残る割合である。
上記(12)式によれば、付着率Pおよび残留率Rをパラメータとして、個々のサイクル毎に上記燃料量fcを算出することができる。
従って、上記のエアモデルおよび燃料モデルの算出結果を用いて、空燃比A/Fの推定値を算出することができる。大気圧補正項算出部72では、次いで、この推定空燃比A/Fと、噴射された燃料が燃焼に付された後に空燃比センサ52に到達するまでの輸送遅れを考慮したタイミングで検出する空燃比A/Fの実測値との定常偏差を算出する。そして、この定常偏差が筒内充填空気量Mcの誤差であるため、当該定常偏差が大きい場合には、大気圧がずれているものとして、大気圧補正係数kairpを算出する。具体的には、上記エアモデルより吸気圧力Pmを逆算し、その吸気圧力Pmに基づいて標準大気圧Pa0に対する補正率として大気圧補正係数kairpを算出する。この大気圧補正係数kairpは、上述した吸気圧力推定モデル66および筒内圧推定モデル68において、吸気圧力Pmapと排気圧力(大気圧Pair)の補正に用いられる。
(7)大気温補正項算出部について
大気温補正項算出部74では、排気行程中の行程容積V、残留ガス質量(排気上死点でのすきま容積Vcに基づいて算出)m、残留ガス(既燃ガス)のガス定数R、および大気温度Tairの実測値を理想気体の状態方程式に代入することで、筒内圧力Pthを算出する。当該筒内圧力Pthと、筒内圧推定モデル68で算出される筒内圧力Pとの偏差を算出する。そして、その偏差が大きい場合には、上記偏差に基づいて補正係数を算出する。この補正係数は、上述した吸気圧力推定モデル66において、吸気圧力Pmapの補正に用いられる。
[クランク停止位置の推定値の算出手法について]
内燃機関を備えた車両では、車両が一時的に停止した際に、内燃機関の停止(アイドルストップ)および再始動を自動的に行う制御(エコラン制御)が実行されることがある。また、内燃機関とモータとで車両を駆動するハイブリッド車両においても、車両システムの起動中(車両走行中も含む)に、内燃機関の停止および再始動を自動的に行う制御(本明細書中では、これも広い意味で「エコラン制御」と称している)が実行されることがある。
上記のエコラン制御において、内燃機関の再始動を円滑に行えるようにするためには、内燃機関を自動停止する際のクランク軸16の停止位置(ピストン12の停止位置)を狙いの停止位置に精度良く制御したいという要求がある。上述したエンジンモデル60では、クランク停止位置に影響を与えるフリクション、大気圧力、大気温度、スロットル開度、バルブタイミングVVT等(本発明でいう「所定のパラメータ」)の影響が適切にモデル化されている。そこで、本実施形態のシステムでは、以上説明したエンジンモデル60を、エコラン制御時にクランク軸16の停止位置を推定するための停止位置推定モデルとして用いることとしている。上述したエンジンモデル60によれば、クランク角回転速度dθ/dtがゼロとなる際のクランク角度θの推定値を取得することにより、内燃機関10の自動停止時のクランク軸16の停止位置を取得することができる。尚、本明細書中においては、クランク軸16の停止位置を、単に「クランク停止位置」と称することがある。
より具体的には、以下のような手法によって、クランク停止位置の推定値を算出することができる。尚、エンジンモデル60によって、クランク停止位置の推定値が算出される際、クラッチが係合状態にある場合には、エンジンフリクションモデル64とミッションフリクションモデル65の双方がフリクションモデルとして使用され、一方、クラッチが非係合状態にある場合には、エンジンフリクションモデル64のみがフリクションモデルとして使用される。
アイドル状態時に取得された燃焼圧力Pの平均値、吸気圧力Pmap、クランク角度θ0、およびエンジン回転数(燃焼カット回転数)Ne0(=クランク角回転速度dθ0/dt)を初期値として入力して、クランク軸周りの運動方程式演算部62を用いて、クランク角度θおよびクランク角回転速度dθ/dtのそれぞれの推定値が順次算出されることになる。以下、次の(13)式および(14)式を用いて、その具体的な算出手法を説明する。尚、本明細書中においては、このような手法を用いて、上記図2中に示す矢印方向にエンジンモデル60を解くことを「順モデル演算」と称する。
先ず、上記(4e)式で表されるクランク軸周りの運動方程式において、(∂f(θ)/∂θ)≡h(θ)とし、かつ、当該(4e)式中の入力トルクTRQに上記(5)式を代入したうえで、当該(4e)式を離散化することで、次の(13)式が得られる。
Figure 0004661757
そして、上記(13)式による順モデル演算の計算初期値として、上記の如く、クランク角度θ0、およびクランク角回転速度dθ0/dt等が与えられる。以下、ステップ数kを順次更新していくことにより、対応するクランク角度θおよびクランク角回転速度dθ/dtのそれぞれの推定値が順次算出されることになる。上記(13)式にステップ数k=1を代入すると、次の(14a)式のように表すことができる。
Figure 0004661757
上記(14a)式中のクランク角度θ(k)の一部を対応するクランク角回転速度dθ(k)/dtに書き直すと、上記(14b)式のように表すことができる。そして、その(14b)式を展開すると、ステップ数k=1のときのクランク角回転速度dθ(1)/dtは、上記(14c)式のように、前回、すなわち、初期値として入力されたクランク角度θ0およびクランク角回転速度dθ0/dtを用いて表すことができる。更に、上記(14c)式を積分することにより、ステップ数k=1のときのクランク角度θ(1)を、上記(14d)式のように算出することができる。
そして、上記の処理を、ステップ数kがN回となるまで、すなわち、クランク角回転速度がdθ(N)/dt=0となるまで繰り返すと、クランク角回転速度dθ(N)/dt=0、およびクランク角度θ(N)が算出される。つまり、上記の処理によれば、内燃機関10が停止した際のエンジン回転数Ne=0と、クランク停止位置のそれぞれの推定値を算出することができる。
[フリクション学習について]
内燃機関10を自動的に停止させる際に、クランク停止位置が目標の停止位置からずれる主な要因としては、クランク軸16への入力となるフリクションの影響が考えられる。そこで、本実施形態のエンジンモデル60は、フリクションを適宜学習する構成を備えている。より具体的には、フリクションの学習は、以下のような手法によって行われる。
図7は、フリクション学習の手法を説明するための図である。先ず、エンジン回転数Neの実測値とモデル推定値との偏差(以下、「回転数偏差」と略することがある)が算出される。そして、PIDコントローラ76によって、その回転数偏差に所定のフィードバックゲインを乗じた値として算出されるPID補正量を、エンジンフリクションモデル64等が備えるフリクションマップ(図4参照)のマップ値に反映させるようにしている。
図7は、そのようなフリクションマップの補正の仕方を表している。尚、図7中の丸印および三角印は、所定のエンジン回転数における学習前後の各マップ値にそれぞれ対応している。また、図7において、破線で示す曲線は学習がなされる前の各マップ値を通るものであり、実線で示す曲線は当該学習のなされた後の各マップ値を通るものに、それぞれ対応している。
図7に示すように、上記のPID補正量は、ノイズ的な挙動を除去すべく、各マップ点に対する所定の領域を考慮して、当該領域の中で算出された補正量の平均値や時間的な積分値として算出されたものである。このようなPID補正量が各マップ値(丸印の値)に反映されることで、フリクションの値が新たなマップ値(三角印の値)に学習更新される。
また、エンジンモデル60は、クラッチの係合状態に応じたフリクションとイナーシャの違いを適切に考慮して、高精度なクランク停止位置の適応学習制御を実現すべく、既述したように、エンジンフリクションモデル64とミッションフリクションモデル65とを別個に備えるようにしている。そして、車両の停止時にクラッチが係合状態にあるときは、エンジンフリクションモデル64とミッションフリクションモデル65とを用いてフリクション学習を行うこととし、一方、車両の停止時にクラッチが非係合状態にあるときは、エンジンフリクションモデル64のみを用いてフリクション学習を行うこととしている。
[目標燃焼カット回転数の算出について]
内燃機関を自動的に停止させる際に、実クランク停止位置が目標クランク停止位置となるように、点火や燃料供給をカットするエンジン回転数(燃焼カット回転数)を制御する手法が知られている。尚、以下の明細書中においては、燃焼カット回転数を適宜「点火カット回転数」とも称している。
図8は、本実施形態のシステムにおいて用いられる燃焼カット回転数の算出手法を説明するためのブロック図である。本実施形態では、図8に示すように、エンジンモデル60の逆モデル演算により点火カット回転数を算出するようにしている。逆モデル演算とは、エンジンモデル60を上述した順モデル演算と逆方向に解くという演算手法である。上述したエンジンモデル60によれば、クランク軸16の目標クランク停止位置(クランク角度)および初期エンジン回転数(=0回転)を初期値として入力し、当該エンジンモデル60を逆モデル演算することにより、実クランク停止位置を所望の目標クランク停止位置とするための目標の点火カット回転数(順モデル演算の場合の初期クランク角回転速度dθ0/dtに相当)を算出することができる。また、このような手法によれば、適宜学習が行われるフリクションの影響を反映させた点火カット回転数を取得することができる。
また、本実施形態では、エンジンモデル60により算出されるクランク停止位置の推定値と実クランク停止位置との停止位置誤差の大きさに応じて、逆モデル演算により算出される点火カット回転数を補正するようにしている。より具体的には、図8に示すように、停止位置誤差に基づきPI制御により算出される補正量を、逆モデル演算による点火カット回転数に反映させることによって、新しい目標点火カット回転数が取得される。
[本実施形態の特徴部分]
図9は、自動停止時のエンジン回転数の変化を表したタイムチャートである。自動停止時に、クランク停止位置を良好な再始動性を確保できる位置とすることのできる点火カット回転数は、複数存在する。より具体的には、点火カット回転数は、自動停止時に目標停止位置が得られる気筒を選ばなければ、所定の回転数おきにほぼ等間隔で複数の点火カット回転数が存在することになる。そのような複数の点火カット回転数は、上記のように、目標停止位置を初期値として、エンジンモデル60の逆モデル演算を実施することにより算出可能である。
本実施形態のシステムでは、エコラン制御の実行時に所定の自動停止条件が成立して、自動停止要求が出された場合には、無駄な燃料消費を減らすべく、内燃機関10を自動停止させるようにしている。そのような燃費改善を追求するという観点では、自動停止要求が出された場合に、エンジン回転数を目標点火カット回転数に合わせ込むために要する制御時間を少しでも短縮したい。
そこで、本実施形態では、自動停止要求が出された場合にアイドル状態にある内燃機関10のエンジン回転数を合わせ込むための目標点火カット回転数を、複数備えておくようにしている。図9は、アイドル状態に制御されるエンジン回転数を間に挟むようにして、当該実エンジン回転数の上下に、2つの目標点火カット回転数(ターゲットAおよびB)が存在するケースを示している。尚、これらのターゲットAおよびBなどの目標点火カット回転数は、既述したように、最新のフリクション学習が反映された値に適宜更新されるものである。
本実施形態では、現在のエンジン回転数を間に挟んで隣り合う2つの目標点火カット回転数(ターゲットA、B)のうちのどちらをターゲットとするかを、以下のような考え方で決定するようにしている。すなわち、上記ターゲットA、Bへの到達時間を効果的に短縮するためには、現在の実エンジン回転数に近いターゲットの方が有利である。また、実エンジン回転数をターゲットに合わせ込む際にエンジン回転数を制御する手法としては、吸入空気量の制御や点火時期の制御などが考えられるが、迅速な応答性が得られるという点では、吸入空気量の制御よりも点火時期の制御の方が優れている。その点火時期の制御は、より具体的には、エンジン回転数を上げたいときは、点火時期を進角させるようにし、逆に、エンジン回転数を下げたいときは、点火時期を遅角させるようにするというものである。しかしながら、等吸入空気量である条件の下では、点火時期の進角によってエンジン回転数を上げられる範囲には限度がある。
本実施形態では、以上の考えに基づき、現在のエンジン回転数を間に挟んで隣り合う2つの目標点火カット回転数の何れかに対して、エンジン回転数を迅速に合わせ込めるようにすべく、(1)点火時期の進角制御によって上側の目標点火カット回転数(ターゲットA)に合わせることが可能か否かの判断と、(2)隣り合う上下2つの目標点火カット回転数(ターゲットA、B)と現時点の実エンジン回転数との距離とに基づいて、これらのターゲットAおよびBの中から、自動停止時にエンジン回転数を合わせ込む目標点火カット回転数を決定するようにした。
図10は、上記の機能を実現するために、本実施の形態1においてECU50が実行するルーチンのフローチャートである。図10に示すルーチンでは、先ず、現在の内燃機関10の運転状態がアイドリング状態であるか否かが判別される(ステップ100)。その結果、アイドリング状態であると判定された場合には、次いで、内燃機関10の自動停止要求があるか否かが、より具体的には、エコラン制御による所定の自動停止条件が成立するか否かが判別される(ステップ102)。
上記ステップ102において、自動停止要求があると認められた場合には、現在のアイドリング回転数が取得される(ステップ104)。次いで、現在のアイドリング回転数より上側であって最も近い目標点火カット回転数が上側最近ターゲットA(上側目標値)として取得される(ステップ106)。
次に、上記ステップ106において取得された上側最近ターゲットAと、上記ステップ104において取得されたアイドリング回転数との差である回転数差分ΔNEが所定の基準値1より小さいか否かが判別される(ステップ108)。この基準値1は、上記回転数差分ΔNEが点火時期の進角によって解消可能な差分であるか否かを判別できるような値として、かつ、エンジン回転数を上側最近ターゲットAおよび下側最近ターゲットBのどちらに向けて合わせ込むようにすることが制御時間の短縮となるかを回転数差分ΔNEとの比較により判別できるような値として、予め設定されたものである。
図11は、ECU50が記憶している基準値1の設定例を示す図である。より具体的には、図11は、点火時期の進角によって上側最近ターゲットAに合わせることのできる目標点火カット回転数の下限値よりも、制御時間をより短縮できる目標点火カット回転数が当該ターゲットAとターゲットBとの間で別れることになる目標点火カット回転数の境界値が上側に位置するケースを一例として示している。このようなケースでは、点火進角によりターゲットAにエンジン回転数を合わせることが可能であるが、制御時間を比較した場合にターゲットBに合わせることが有利となる範囲が図11に示すように存在することとなる。そこで、このようなケースでは、本ステップ108における基準値1は、点火進角によりターゲットAに合わせることができる範囲内であって、かつ、上記境界値よりも少し上側の値として定められる。
図10に示すルーチンでは、上記ステップ108において、回転数差分ΔNE<基準値1が成立すると判定された場合には、上側最近ターゲットAが自動停止の際の目標点火カット回転数として決定される(ステップ110)。次いで、点火時期の進角によって、上側最近ターゲットAとなるようにエンジン回転数が制御される(ステップ112)。
一方、上記ステップ108において、回転数差分ΔNE<基準値1が不成立であると判定された場合には、現在のアイドリング回転数より下側であって最も近い目標点火カット回転数が下側最近ターゲットB(下側目標値)として取得される(ステップ114)。次いで、下側最近ターゲットBが自動停止の際の目標点火カット回転数として決定される(ステップ116)。
次に、点火時期の遅角によって、下側最近ターゲットBとなるようにエンジン回転数が制御される(ステップ118)。尚、本ステップ118では、点火時期の遅角という手法によって、下側最近ターゲットBに向けてエンジン回転数を下げるようにしている。しかしながら、当該下側最近ターゲットBに向けてエンジン回転数を下げるための手法はこれに限らず、例えば、燃料噴射量の減量によって行うようにしてもよい。
以上説明したルーチンによれば、回転数差分ΔNEを上記のように設定された基準値1と比較することにより、(1)点火時期の進角制御によって上側の目標点火カット回転数(ターゲットA)に合わせることが可能か否かの判断と、(2)隣り合う上下2つの目標点火カット回転数(ターゲットA、B)と現時点の実エンジン回転数との距離とに基づいて、自動停止時に最も早く到達できる目標点火カット回転数を選択することができる。
そして、そのように決定された目標点火カット回転数に向けて、点火時期の制御によってエンジン回転数を制御することにより、自動停止要求が出されてから点火カットが実行されるまでの時間を効果的に短縮することができ、そのようなエンジン回転数の合わせ込みの際に、無駄な燃料消費を抑制することができる。
また、上記基準値1の設定によれば、上側最近ターゲットAが目標点火カット回転数として設定されるケースが、点火時期の進角によって可能な範囲に制限される。このような処理によれば、上側最近ターゲットAに合わせ込む場合には、点火時期の進角によって制御時間の短縮を図ることができる。そして、そのような処理によれば、点火時期の進角によってエンジン回転数を上側最近ターゲットAに合わせることができないと判断された場合には、吸入空気量の制御などで上側ターゲットAに合わせることが完遂されるのではなく、下側最近ターゲットに合わせ込まれることとなるため、制御時間の短縮が図れるとともに、当該合わせ込み時に過度なエンジン回転数の吹き上がりを防ぐことができる。
また、上記基準値1の設定によれば、現在のエンジン回転数(アイドル回転数)が点火時期の進角によって上側最近ターゲットAに合わせることのできる範囲内にあると認められる場合であっても、下側最近ターゲットBに合わせる方が制御時間を短縮できると判断される場合には、上記ステップ108の判定が不成立となる。このような処理によれば、点火時期の進角により合わせ込めるかどうかの基準だけによらずに、実際に制御時間を効果的に短縮できる方の目標点火カット回転数をターゲットA、Bの中から適切に選択することができる。
尚、上述した実施の形態1においては、ECU50が、上記ステップ106およびステップ114の処理を実行することにより前記第1の発明における「目標回転数取得手段」が、クランク角センサ40の出力に基づきエンジン回転数を取得することにより前記第1の発明における「エンジン回転数計測手段」が、上述した基準値1に基づき上記ステップ108の処理を実行することにより前記第1の発明における「点火進角可否判別手段」が、上記ステップ106〜110、および114〜116の処理を実行することにより前記第1の発明における「目標回転数決定手段」が、上記ステップ112または118の処理を実行することにより前記第1の発明における「回転数制御手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU50が上述した基準値1に基づき上記ステップ108の処理を実行することにより前記第3の発明における「制御時間判別手段」が実現されている。
本発明の実施の形態1の内燃機関の停止位置制御装置が適用された内燃機関の構成を説明するための図である。 図1に示すECUが備えるエンジンモデルの構成を示すブロック図である。 クランク軸周りの各要素に付す記号を示す図である。 図2に示すエンジンフリクションモデルがエンジンフリクショントルクTRQf_ENを取得するために備えているエンジンフリクションマップの一例を示す図である。 図2に示すミッションフリクションモデルがミッションフリクショントルクTRQf_MIを取得するために備えるミッションフリクションマップの一例を示す図である。 筒内圧力Pの履歴取得の変形例の手法を説明するための図である。 フリクション学習の手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態1のシステムにおいて用いられる燃焼カット回転数の算出手法を説明するためのブロック図である。 自動停止時のエンジン回転数の変化を表したタイムチャートである。 本発明の実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートである。 ECUが記憶している基準値1の設定例を示す図である。
符号の説明
10 内燃機関
12 ピストン
14 コンロッド
16 クランク軸
24 スロットルバルブ
26 スロットルポジションセンサ
40 クランク角センサ
42 カム角センサ
50 ECU(Electronic Control Unit)
52 空燃比センサ
54 水温センサ
56 クラッチスイッチ
57 アクセルポジションセンサ
60 エンジンモデル
62 クランク軸周りの運動方程式演算部
64 エンジンフリクションモデル
65 ミッションフリクションモデル
66 吸気圧力推定モデル
68 筒内圧推定モデル
70 燃焼波形算出部
72 大気圧補正項算出部
74 大気温補正項算出部
76 PIDコントローラ
dQ/dθ 熱発生率
dθ/dt クランク角回転速度

Claims (3)

  1. 内燃機関の燃焼を停止する燃焼カット回転数を制御することによりクランク停止位置を制御する内燃機関の停止位置制御装置であって、
    前記燃焼カット回転数の目標値を少なくとも2つ取得する目標回転数取得手段と、
    エンジン回転数の実測値を取得するエンジン回転数計測手段と、
    前記実測値より上側に前記目標値の1つである上側目標値が存在する場合に、点火時期の進角によって、エンジン回転数を前記上側目標値に合わせることが可能か否かを判別する点火進角可否判別手段と、
    前記実測値より上側に前記上側目標値が存在し、かつ、当該実測値より下側に前記目標値の他の1つである下側目標値が存在する場合において、前記点火進角可否判別手段の判別結果と、前記上側目標値および前記下側目標値に対する現在のエンジン回転数の距離とに基づいて、前記上側目標値および前記下側目標値の中から前記目標値を決定する目標回転数決定手段と、
    内燃機関の自動停止要求が出された際に、前記目標回転数決定手段により決定された前記目標値が少なくとも前記上側目標値である場合は、点火時期の制御によって、当該目標値となるようにエンジン回転数を制御する回転数制御手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の停止位置制御装置。
  2. 前記目標回転数決定手段は、前記点火進角可否判別手段によって、点火時期の進角を用いてエンジン回転数を前記上側目標値に合わせることができないと判断された場合には、前記下側目標値を前記目標値として選択することを特徴とする請求項1記載の内燃機関の停止位置制御装置。
  3. 前記上側目標値および前記下側目標値に対する現在のエンジン回転数の距離に基づいて、現在のエンジン回転数を前記上側目標値に合わせるために要する制御時間と、現在のエンジン回転数を前記下側目標値に合わせるために要する制御時間とのどちらが短いかを判別する制御時間判別手段を更に備え、
    前記目標回転数決定手段は、前記点火進角可否判別手段によって、点火時期の進角を用いてエンジン回転数を前記上側目標値に合わせることができると判断された場合であっても、前記制御時間判別手段によって、エンジン回転数を前記下側目標値に向けて制御した方が前記上側目標値に向けて制御する場合に比して制御時間が短くなると判断された場合には、前記下側目標値を前記目標値として選択することを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の停止位置制御装置。
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