JP5854858B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を制御する制御装置に関する。

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センシングするものである。ロータの外周には、１０°ＣＡ（クランク角度）毎に歯が形成されている。クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度パルス信号（クランク角信号）を出力する。なお、通常、クランクシャフトのロータの歯は一部欠けており、その欠歯部分に起因したクランク角信号パルスの欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度を知る事が可能となっている。

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。カム角センサもまた、カムシャフトに固定されたロータの回転をセンシングするものである。このロータには、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）毎に歯または突起が形成されており、その歯または突起がカム角センサの近傍を通過する都度、カム角センサがパルス信号（カム角信号）を出力する。

カム角信号は、複数の気筒のうちの何れかが所定の行程に至ったことを表す信号である。但し、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトに可変バルブタイミング機構が付随している場合には、その可変バルブタイミング機構が具現しているバルブタイミングを示す信号にもなる。例えば、吸気カムシャフト側に可変バルブタイミング機構及びカム角センサが存在している場合、カム角信号は、何れかの気筒において吸気行程が開始される旨を示唆するとともに、当該気筒の吸気バルブが開弁するタイミングをも表している。この場合のカム角信号のクランク角信号に対する位相は、可変バルブタイミング機構の操作によって進角または遅角する。

内燃機関の制御装置であるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、クランク角信号及びカム角信号を受信し、両信号を参照して各気筒の行程を把握、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して内燃機関の運転を制御する（以上、下記特許文献を参照）。各気筒の現在の行程を知得して燃料噴射及び点火を行わなければならないのは、内燃機関の始動時も同じである。

ところで、極めて稀ではあるが、クランク角センサとＥＣＵとの間の伝送路の断線またはクランク角センサ自体の故障により、ＥＣＵがクランク角信号を受信できなくなることがある。クランク角信号を受信不能であるならば、カム角信号に準拠して点火タイミングを決定するより他にない。即ち、一定の回転角毎に訪れるカム角信号を分周することで擬似的なクランク角信号を生成し、これに基づいて点火タイミングを決定するのである。

しかし、上述の手法は、内燃機関の始動時には適用することが難しい。スタータモータ（セルモータ）により機関を回転駆動するクランキング中は、クランクシャフト及びこれに従動するカムシャフトの回転速度が頻々に変動する。２４０°ＣＡ程度の回転の間にも、カムシャフトの回転は高速になったり低速になったりする。それ故、カム角信号を分周して点火タイミングを決定したとしても、そのタイミングが気筒における点火に適したタイミングであることは保証されておらず、混合気中の燃料に着火できずに始動不良に陥るおそれがあった。

特開２００５−２０７３９４号公報

本発明は、内燃機関の始動時にクランク角信号を受信できなかったとしても、内燃機関を始動できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、クランクシャフトの回転角を所定角度単位で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と、カムシャフトの回転角を当該カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度単位で検出するカム角センサから出力されるカム角信号とを参照し、内燃機関を制御する制御装置において、カム角センサを、カム角信号に加え、ある特定の気筒における点火に適したタイミングを表す気筒判別信号をも出力するものとし、内燃機関の始動時にクランク角信号を受信できない場合、前記特定の気筒の点火の際には気筒判別信号のタイミングを基準に点火を行うとともに、当該気筒判別信号とその直前のカム角信号との時間差を計測しておき、その後に訪れる他の気筒の点火の際には次のカム角信号から前記時間差が経過したタイミングを基準に点火を行うこととした。

本発明によれば、内燃機関の始動時にクランク角信号を受信できなかったとしても、内燃機関を始動することが可能となる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関に付随するクランク角センサの態様を模式的に示す図。 同実施形態の内燃機関に付随するカム角センサの態様を模式的に示す図。 同実施形態の制御装置が内燃機関の始動時に実施する点火制御の内容を示すタイミング図。

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。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンである。図示例の内燃機関は、筒内直接噴射式のもので、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１０と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

気筒１の燃焼室の天井部には、点火プラグ１３を取り付けてある。点火プラグ１３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。

吸気バルブ１１には、その開閉タイミングを変化させることのできる可変バルブタイミング機構１１１が付随している。可変バルブタイミング機構１１１は、例えば、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させることを通じて、吸気バルブ１１の開閉タイミングを進角させたり遅角させたりするものである。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒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、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させることで発生した排気を気筒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、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

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。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、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たるＮ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３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｄ、吸気通路３内の吸気圧（または、過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温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及び気筒判別信号を包括したＧ信号ｇ、燃焼室内で発生する振動、騒音または燃焼圧の変化を検出するノックセンサから出力されるノッキング信号ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタに対して点火信号ｉ、可変バルブタイミング機構１１１に対して開閉タイミング制御（位相角）信号ｊ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｍ、インジェクタ１０に対して燃料噴射信号ｎ、スタータモータに対してこれを駆動制御する制御信号ｏ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、吸気圧及び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し、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、吸気バルブ１１の開閉タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）及びＥＧＲバルブ２２の開度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、ｍ、ｎ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、スタータモータに制御信号ｏを入力し、スタータモータのピニオンギアをフライホイール（ＭＴ車）またはドライブプレート（ＡＴ車）外周のリングギアに噛合させて機関を回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

以降、クランク角センサが出力するクランク角信号、カム角センサが出力するカム角信号及び気筒判別信号に関して詳述する。クランク角センサは、クランクシャフトに固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータ７の回転角度をセンシングするものである。図２に示すように、ロータ７には所定角度、例えば１０°ＣＡ毎に歯７１が形成されている。クランク角センサは、ロータ７の個々の歯７１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７の歯７１は一部欠けており、その欠歯部分に起因して、図４に示すようにクランク角信号パルスもまた一部が欠損する。図２及び図４に示している例では、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している。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。上記の０°ＣＡのタイミングを示すパルスは、気筒１の圧縮上死点に等しいか、約１０°ＣＡ以内の範囲で圧縮上死点よりも前方にオフセットさせる。

他方、カム角センサは、カムシャフトに固定されカムシャフトと一体となって回転するロータ８の回転角度をセンシングするものである。図３に示すように、ロータ８には、カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度毎に、突起８１が形成されている。三気筒エンジンであれば、突起８１が１２０°（クランク角度に換算すれば、２４０°ＣＡ）毎に配置される。カム角センサは、個々の突起８１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。

さらに、カム角センサは、カムシャフトが一回転する毎に一回、気筒判別信号を出力する。ロータ８には、カム角信号用の突起８１とは別に、気筒判別信号用の突起８２が形成されており、この突起８２がカム角センサの近傍を通過するときに、気筒判別信号となるパルス信号を発信する。

カム角信号は、何れかの気筒１が所定の行程に至ったことを表す信号である。本実施形態では、吸気カムシャフトにカム角センサが付随しており、図４に示しているように、カム角信号は各気筒１における吸気行程の開始を示唆している。のみならず、カム角信号は、可変バルブタイミング機構１１１により調節される吸気バルブ１１の開弁タイミングをも表している。

そして、気筒判別信号は、カム角信号によって示唆される吸気行程が、どの気筒１におけるものであるかを指し示す。図４に示す例では、第一気筒１の吸気行程の開始後、第二気筒１の吸気行程の開始前に気筒判別信号のパルスが出力されるものとしており、その直前のカム角信号のパルスが第一気筒１における吸気行程の開始である（あるいは、その直後のカム角信号のパルスが第二気筒１における吸気行程の開始である）ことを明らかにしている。

カム角信号及び気筒判別信号の位相は、可変バルブタイミング機構１１１による吸気バルブ１１の開閉タイミングの進角／遅角操作により変化する。本実施形態では、吸気バルブ１１の開弁タイミングが最も遅角化している状態、即ちエンジン回転数が低い運転領域（アイドリングを含む）や機関の始動時を基準位相としている。図４で示しているカム角信号及び気筒判別信号は、基準位相におけるものである。エンジン回転数が上昇し、吸気バルブ１１の開弁タイミングが進角すると、カム角信号及び気筒判別信号の出力タイミングは早まる。つまり、カム角信号及び気筒判別信号の位相が、図４上で左方に変位する。

しかして、本実施形態では、基準位相の気筒判別信号を、特定の気筒１における点火に適したタイミングを表すように設定している。図３及び図４に示している例では、第三気筒１の点火に適したタイミングで気筒判別信号が出力されるようにロータ８の突起８２が配置され、そのタイミングでカム角センサから気筒判別信号のパルスを発信するようになっている。

クランク角センサとＥＣＵ０との間の伝送路が断線し、またはクランク角センサ自体が故障して、ＥＣＵ０がクランク角信号を受信できなくなった場合において、内燃機関を始動するためには、依然として受信可能であるカム角信号及び気筒判別信号に基づいて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。

カム角信号及び気筒判別信号の双方を参照すれば、どの気筒１で吸気行程が開始されたかを知得することは容易である。始動時の燃料噴射については、吸気行程が開始された気筒１に係るカム角信号の受信後のタイミングで、当該気筒１のインジェクタ１０から必要量の燃料を噴射させればよい。

翻って、始動時の点火については、まず、第三気筒１の点火の際には、気筒判別信号を受信したときに点火を行えばよい。その上で、ＥＣＵ０は、第一気筒１の吸気行程の開始を示唆するカム角信号と、その後に訪れる気筒判別信号との時間差ｔを計測しておく。

そして、次の第一気筒１の点火の際には、第二気筒１の吸気行程の開始を示唆するカム角信号を受信してから、上記の計測した時間差ｔが経過したタイミングで点火を行う。同様に、次の第二気筒１の点火の際には、第三気筒１の吸気行程の開始を示唆するカム角信号を受信してから、時間差ｔが経過したタイミングで点火を行う。

さらにその後の第三気筒１の点火の際には、気筒判別信号を受信したときに点火を行うとともに、当該気筒判別信号と直近のカム角信号（これは、第一気筒１の吸気行程の開始を示唆するものである）との時間差ｔを再度計測する。計測した時間差ｔは、以後の第一気筒１及び第二気筒１における点火タイミングの決定に用いる。

本実施形態では、クランクシャフトの回転角を所定角度単位で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と、カムシャフトの回転角を当該カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度単位で検出するカム角センサから出力されるカム角信号とを参照して内燃機関を制御するものであって、カム角センサを、カム角信号に加え、ある特定の気筒１における点火に適したタイミングを表す気筒判別信号をも出力するものとし、内燃機関の始動時にクランク角信号を受信できない場合、前記特定の気筒１の点火の際には気筒判別信号のタイミングを基準に点火を行うとともに、当該気筒判別信号と直近のカム角信号との時間差ｔを計測しておき、その後に訪れる他の気筒１の点火の際には次のカム角信号から前記時間差ｔが経過したタイミングを基準に点火を行うことを特徴とする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の始動時、クランキング中にクランクシャフト及びカムシャフトの回転速度が頻々に変動するような状況下においても、カム角センサから出力されるカム角信号及び気筒判別信号を参照して適正な点火タイミングを設定することが可能となる。従って、クランク角信号が受信できないとしても確実に内燃機関を始動できるという、フェイルセーフが実現される。

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、吸気カムシャフト側にカム角センサが付設されていたが、排気カムシャフト側にカム角センサが付設されている態様を妨げない。特に、排気バルブ１２に可変バルブタイミング機構が付随しているものでは、排気カムシャフトの回転位相ひいては排気バルブ１２のバルブタイミングを検出するためのカム角センサが必須となる。この場合のカム角信号は、例えば各気筒１における排気行程の開始を示唆するとともに、排気バルブ１２の開弁タイミングを表すものとなる。

内燃機関の気筒数は、三気筒に限定されないことは言うまでもない。

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火花点火式内燃機関の始動時の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…吸気バルブ
１１１…可変バルブタイミング機構
ｂ…クランク角信号（Ｎ信号）
ｇ…カム角信号及び気筒判別信号（Ｇ信号）

Claims (1)

1. クランクシャフトの回転角を所定角度単位で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と、カムシャフトの回転角を当該カムシャフトの一回転を気筒数で割った角度単位で検出するカム角センサから出力されるカム角信号とを参照し、内燃機関を制御する制御装置において、
   カム角センサを、カム角信号に加え、ある特定の気筒における点火に適したタイミングを表す気筒判別信号をも出力するものとし、
   内燃機関の始動時にクランク角信号を受信できない場合、前記特定の気筒の点火の際には気筒判別信号のタイミングを基準に点火を行うとともに、当該気筒判別信号とその直前のカム角信号との時間差を計測しておき、その後に訪れる他の気筒の点火の際には次のカム角信号から前記時間差が経過したタイミングを基準に点火を行う
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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