JP4784549B2 - クランク角補正装置及びクランク角補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関におけるクランク角補正装置及びクランク角補正方法に関する。

一般に各種内燃機関では、クランク角センサを用いてクランクシャフトのクランク角が検出され、検出されたクランク角は、内燃機関の回転数を求めたり、点火時期等を設定したりするために用いられる。かかるクランク角の検出に用いられるクランク角センサは、クランクシャフトに固定されるロータプレート（シグナルプレート）等を含む磁気センサ又は光電式センサ等であり、一般にディストリビュータに内蔵される。この場合、クランク角センサによるクランク角の検出精度は、ディストリビュータやロータプレートの加工精度や取付精度に大きく依存する。このため、実際には、クランク角センサの検出値と実際のクランク角（真値）とがずれてしまうことがある。

最近では、クランク角のタイミングに基づいて筒内圧を利用して点火時期制御や動弁制御等が行われている。このような制御では、正確なクランク角が得られないと、緻密な制御が困難である。

例えば、特許文献１ないし３等は、クランク角を補正する技術を開示している。

また、クランク角を補正するために、エンジンのモータリング時（非燃焼時）の筒内圧波形が圧縮上死点に関して線対称となることを利用して、モータリング時の筒内圧波形を放物線近似することにより圧縮上死点のクランク角を算出し、このクランク角を用いてクランク角センサで検出したクランク角を補正する補正値を算出する方法が知られている。

特開２００５−１８０３５６号公報 特開平３−４７４７１号公報 特開平８−２８３３８号公報

ところで、エンジンのモータリング時の筒内圧波形を放物線近似することにより圧縮上死点のクランク角を算出し、このクランク角を用いてクランク角センサで検出したクランク角を補正する補正値を算出する方法では、原理上、微小なノイズやＡ／Ｄ変換誤差等の影響が計算値に大きな誤差を発生させやすいため、実際には、数十サイクル分の筒内圧データを平均しなければ高精度な補正値を得ることができない。

また、複数サイクルの筒内圧データの平均を算出するためには、車両の減速時に燃料カットされた時のモータリング波形を使用するしかなく、燃料カット制御が実施されるまで、クランク角の補正値を得ることができない。

さらに、十分なサイクル数の筒内圧波形が得られないと、高精度なクランク角の補正値を算出することが困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、複数サイクルの筒内圧データの平均をすることなく一サイクル内の筒内圧データを用いて正確なクランク角補正値を算出することが可能なクランク角補正装置及びクランク角補正方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、エンジン始動直後から正確なクランク角の補正値を算出することが可能なクランク角補正装置及びクランク角補正方法を提供することにある。

本発明に係るクランク角補正装置は、圧縮上死点における最大筒内圧を含む非燃焼状態の燃焼室の筒内圧とこれに対応するクランク角センサの検出するクランク角の時系列データを取得する筒内圧／クランク角取得手段と、取得した前記筒内圧及び前記クランク角の時系列データから、前記最大筒内圧を取得した時点の前後において同値となる筒内圧にそれぞれ対応する一対のクランク角を複数の筒内圧について特定するクランク角特定手段と、前記一対のクランク角間の中間値をそれぞれ算出すると共にこれら中間値の平均値を算出する平均値算出手段と、前記平均値算出手段の算出した平均値と、前記クランク角センサの検出した圧縮上死点に対応するクランク角とに基づいて、前記クランク角センサの検出するクランク角を補正するクランク角補正値を算出するクランク角補正値算出手段と、ことを特徴としている。

この構成によれば、実際に計測した最大筒内圧を含む一サイクル分の筒内圧データのみを用いて平均化処理ができるため、ノイズの影響を受けにくく、一サイクル分の筒内圧データを用いて高精度にクランク角補正値を算出することができる。

上記構成において、前記筒内圧波形取得手段は、クランキング時の前記筒内圧を取得する、構成を採用できる。

この構成によれば、エンジン始動直後から高精度にクランク角補正値を算出することができる。

本発明に係るクランク角補正方法は、圧縮上死点における最大筒内圧を含む非燃焼状態の燃焼室の筒内圧とこれに対応するクランク角センサの検出するクランク角の時系列データを取得し、取得した前記筒内圧及び前記クランク角の時系列データから、前記最大筒内圧を取得した時点の前後において同値となる筒内圧に対応する一対のクランク角を複数特定し、前記一対のクランク角間の中間値をそれぞれ算出すると共にこれら中間値の平均値を算出し、前記中間値の平均値と、前記クランク角センサの検出した圧縮上死点に対応するクランク角とに基づいて、前記クランク角センサの検出するクランク角を補正するクランク角補正値を算出する、ことを特徴としている。

上記構成において、クランキング時の前記筒内圧を取得する、構成を採用できる。

本発明によれば、複数サイクルの筒内圧データを平均をすることなく正確なクランク角の補正値を算出することが可能となる。

また、本発明によれば、エンジン始動時から正確なクランク角の補正値を算出することが可能となる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態が適用されるエンジンシステムの一例の概念図である。

エンジン１０は、燃料を燃料噴射弁１１から吸気ポート１２内に噴射し、点火プラグ１３によって着火させる型式のものである。

燃焼室１４にそれぞれ臨む吸気ポート１２および排気ポート１５が形成されたシリンダヘッド１６には、吸気ポート１２を開閉する吸気弁１７および排気ポート１５を開閉する排気弁１８を含む動弁機構が組み込まれている。燃料噴射弁１１や、燃焼室１４内の混合気を着火させる点火プラグ１３およびこの点火プラグ１３に火花を発生させるイグニッションコイル１９の他に、燃焼室１４内の圧力を検出するための筒内圧センサ２０もシリンダヘッド１６に搭載されている。筒内圧センサ２０によって検出された信号は、ＥＣＵ２１に出力される。

吸気ポート１２に連通するようにシリンダヘッド１６に連結されて吸気ポート１２と共に吸気通路２２を画成する吸気管２３の上流端側には、大気中に含まれる塵埃などを除去して吸気通路２２に導くためのエアクリーナ２４が設けられている。このエアクリーナ２４よりも下流側に位置する吸気管２３の部分には、運転者によって操作される図示しないアクセルペダルの踏み込み量に基づき、吸気通路２２の開度が調整されるスロットル弁２５が組み込まれている。また、このスロットル弁２５にはその開度を検出するためのスロットル開度センサ２６が付設され、その検出情報がＥＣＵ２１に出力されるようになっている。本実施形態では、アクセルペダルとスロットル弁２５とを機械的に連結しているが、アクセルペダルの踏み込み動作と、スロットル弁２５の開閉動作とを切り離し、アクチュエータを用いてスロットル弁２５の開閉動作を電気的に制御できるようにしたものであってもよい。

スロットル弁２５とエアクリーナ２４との間の吸気管２３の途中には、サージタンク２７が形成され、このサージタンク２７とエアクリーナ２４との間の吸気管２３の途中には、吸気通路２２内を流れる吸気流量を検出してこれをＥＣＵ２１に出力するエアフローメータ２８が取り付けられている。吸気管２３におけるエアフローメータ２８の取り付け位置は、スロットル弁２５の取り付け位置よりも上流側であればよく、図１の如き位置に限定されるものではない。

排気ポート１５に連通するようにシリンダヘッド１６に連結されて排気ポート１５と共に排気通路２９を画成する排気管３０の途中には、燃焼室１４内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための三元触媒３１が組み込まれている。なお、この三元触媒３１を排気通路２９に沿って直列に複数個組み込むことも有効である。三元触媒３１と排気ポート１５との間の排気管３０の途中には、排気通路２９内を流れる排気ガス中の空燃比を検出してＥＣＵ２１に出力するＡ/Ｆセンサ３２が設けられている。本実施形態におけるＡ/Ｆセンサ３２は、ジルコニアを検出素子として用いているため、その活性化を促進させるヒータ３２ａがＡ/Ｆセンサ３２に組み込まれている。ヒータ３２ａは、ＥＣＵ２１から電力を受けて検出素子をその活性化温度まで迅速に上昇させる。

従って、エアクリーナ２４を通って吸気管２３から燃焼室１４内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から吸気ポート１２内に噴射される燃料と混合気を形成し、点火プラグ１３の火花により着火して燃焼し、これによって生成する排気ガスが三元触媒３１を通って排気管３０から大気中に排出される。

ピストン３３が往復動するシリンダブロック３４には、連接棒３５を介してピストン３３が連結されるクランク軸３６の回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ２１に出力するクランク角センサ３７が取り付けられている。

ＥＣＵ２１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器等の入出力回路、記憶装置などのハードウエアと所要のソフトウエアで構成され、イグニッションキースイッチ３８からの信号や、上述した筒内圧センサ２０，スロットル開度センサ２６，Ａ/Ｆセンサ３２，クランク角センサ３７およびエアフローメータ２８からの検出情報などに基づき、予め設定されたプログラムに従って円滑なエンジン１０の運転がなされるように、燃料噴射弁１１，イグニッションコイル１９，Ａ/Ｆセンサ３２のヒータ３２ａなどの作動を制御するようになっている。

また、ＥＣＵ２１は、クランク角センサ３７や筒内圧センサ２０の検出値を、微小時間（サンプリング時間）毎にサンプリングし、ＥＣＵ２０の所定の記憶領域（バッファ）に格納保持する。

尚、ＥＣＵ２１は、本発明のクランク角補正装置を構成する。

次に、ＥＣＵ２１によるクランク角補正処理の一例について図２及び図３を参照して説明する。尚、図２は、クランク角補正処理の手順の一例を示すフローチャート、及び図３はクランク角補正値の算出方法を図解するためのグラフである。

先ず、イグニションスイッチがオンされると（ステップＳ１）、クランキングを開始する（ステップＳ２）。この状態では、エンジン１０の燃焼室内は燃焼していない。

次いで、筒内圧及びこれに対応するクランク角をサンプリングする（ステップＳ３）。図３に示すように、筒内圧Ｐは、クランキングを開始すると、クランク角の増加に伴って最低筒内圧力Ｐ₀から上昇していき、圧縮上死点において最大筒内圧Ｐ_maxをとり、再び下降していく。ＥＣＵ２１は、この筒内圧Ｐ及びこれに対応するクランク角θを所定のサンプリング時間毎にサンプリングする（ステップＳ３）。すなわち、ＥＣＵ２１は、筒内圧Ｐとこれに対応するクランク角センサ３７の検出するクランク角θの時系列データを取得する。この時系列データは、１サイクル分のデータである。尚、非燃焼状態の燃焼室の筒内圧Ｐの波形は、図３に示すように、圧縮上死点に関して略線対称となる。また、ステップＳ３の処理が筒内圧／クランク角取得手段を構成している。

次いで、サンプリングした筒内圧Ｐとこれに対応するクランク角θの時系列データから最小筒内圧Ｐ₀と最大筒内圧Ｐ_maxを取得する（ステップＳ４）。

次いで、クランク角センサ３７の検出した圧縮上死点に対応するクランク角θ_TDCをサンプリングしたクランク角センサ３７の検出値から取得する（ステップＳ５）。このクランク角θ_TDCは、クランク角センサ３７のロータプレートの加工精度や取付精度等に依存する。

次いで、最小筒内圧Ｐ₀と最大筒内圧Ｐ_maxとの間で代表的な筒内圧Ｐ_k（ｋ＝１，２，．．．，Ｎ−１、Ｎ＝整数）を次式により決定する（ステップＳ６）。

次いで、筒内圧Ｐ_kのときのクランク角θ_k，θ_k’を取得する（ステップＳ７）。クランク角θ_k，θ_k’は、最大筒内圧Ｐ_maxを取得した時点の前後において同値となる筒内圧Ｐ_kに対応する一対のクランク角である。尚、ステップＳ７の処理によりクランク角特定手段が構成される。

次いで、平均値θ_Tを次式により算出する（ステップＳ８）。すなわち、一対のクランク角θ_k，θ_k’間の中間値（θ_k＋θ_k’）／２（ｋ＝１〜Ｎ−１）をそれぞれ算出すると共に、これらＮ−１個の中間値（θ_k＋θ_k’）／２の平均値θ_Tを算出する。尚、ステップＳ８の処理により平均値算出手段が構成される。

次いで、平均値θ_Tとクランク角センサ３７の検出した圧縮上死点に対応するクランク角θ_TDCとに基づいて、クランク角センサ３７の検出するクランク角ＣＡを補正するクランク角補正値Δθを次式により算出する（ステップＳ９）。尚、ステップＳ９の処理によりクランク角補正値算出手段が構成される。

次いで、クランク角補正値Δθを算出した後の、クランク角センサ３７の検出するクランク角をＣＡ₀、補正後のクランク角をＣＡとすると、補正後のクランク角ＣＡは、次式により求まる（ステップＳ１０）。

クランク角補正値Δθが算出された後は、クランク角センサ３７の検出するクランク角をＣＡ₀は、クランク角補正値Δθにより補正され、補正後のクランク角ＣＡがエンジン１０の制御に用いられる。

以上のように、本実施形態では、複数サイクルの筒内圧波形の平均化処理をするのではなく、一サイクルの筒内圧波形から得られる一対のクランク角θ_k，θ_k’間の中間値（θ_k＋θ_k’）／２（ｋ＝１〜Ｎ−１）の平均化処理に基づいてクランク角補正値Δθを算出するので、複数サイクルにわたる筒内圧波形は不要であり、ノイズの影響を抑制できると共に、クランキング時（エンジン始動時）から高精度なクランク角補正値Δθを得ることができる。

また、本実施形態によれば、クランキング時の筒内圧波形を用いてクランク角補正値Δθを算出することができるので、エンジン１０の始動直後からクランク角を高精度に補正することができる。

本実施形態では、クランキング時にクランク角補正値Δθを算出する場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば、車両の減速時に燃料カットされた時の筒内圧波形を用いてクランク角補正値Δθを算出することも可能である。また、クランキング時に算出したクランク角補正値Δθと燃料カット時に算出されたクランク角補正値Δθとの平均を算出することにより、クランク角補正値Δθの信頼性はさらに向上する。

本発明の一実施形態が適用されるエンジンシステムの一例の概念図である。 クランク角補正処理の手順の一例を示すフローチャートである。 クランク角補正値の算出方法を図解するためのグラフである。

符号の説明

１０…エンジン
１１…燃料噴射弁
１２…吸気ポート
１３…点火プラグ
１４…燃焼室
１５…排気ポート
１６…シリンダヘッド
１７…吸気弁
１８…排気弁
１９…イグニッションコイル
２０…筒内圧センサ
２１…ＥＣＵ
３７…クランク角センサ
Ｐ…筒内圧
θ…クランク角

Claims (4)

1. 圧縮上死点における最大筒内圧を含む非燃焼状態の燃焼室の筒内圧とこれに対応するクランク角センサの検出するクランク角の時系列データを取得する筒内圧／クランク角取得手段と、
   取得した前記筒内圧及びクランク角の時系列データから、前記最大筒内圧を取得した時点の前後において同値となる筒内圧にそれぞれ対応する一対のクランク角を複数の筒内圧について特定するクランク角特定手段と、
   前記一対のクランク角間の中間値をそれぞれ算出すると共にこれら中間値の平均値を算出する平均値算出手段と、
   前記平均値算出手段の算出した平均値と、前記クランク角センサの検出した圧縮上死点に対応するクランク角との差を、前記クランク角センサの検出するクランク角から減算して新たなクランク角とする補正をするクランク角補正値を算出するクランク角補正値算出手段と、
   を有することを特徴とするクランク角補正装置。
2. 前記筒内圧取得手段は、クランキング時の前記筒内圧を取得する、ことを特徴とする、請求項１に記載のクランク角補正装置。
3. 圧縮上死点における最大筒内圧を含む非燃焼状態の燃焼室の筒内圧とこれに対応するクランク角センサの検出するクランク角の時系列データを取得し、
   取得した前記筒内圧及び前記クランク角の時系列データから、前記最大筒内圧を取得した時点の前後において同値となる筒内圧にそれぞれ対応する一対のクランク角を複数の筒内圧について特定し、
   前記一対のクランク角間の中間値をそれぞれ算出すると共にこれら中間値の平均値を算出し、
   前記中間値の平均値と、前記クランク角センサの検出した圧縮上死点に対応するクランク角との差を、前記クランク角センサの検出するクランク角から減算して新たなクランク角とする補正をするクランク角補正値を算出する、
   ことを特徴とするクランク角補正方法。
4. クランキング時の前記筒内圧を取得する、ことを特徴とする請求項３に記載のクランク角補正方法。

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