JP6187013B2 - 車両用エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用エンジンの制御装置、特にエンジンの振動に起因するパワートレインの共振を抑制するエンジンの制御装置に関し、エンジンの振動制御技術の分野に属する。

車両に搭載されるパワートレインは、エンジンと変速機等の動力伝達機構とを連結した構成であり、ハイブリッド車両の場合には、さらにモータが含まれることになる。このパワートレインにおいて、エンジンと変速機やモータなどとを一体化して構成されるパワーユニットは、弾力性を有するマウント部材を介して車体に搭載される。エンジンないしパワーユニットの振動は前記マウント部材に吸収され、車体への伝達が抑制されるようになっている。

このようなパワーユニットの振動の伝達を抑制するものとして、ゴム製のマウント部材を介してエンジンが船体に搭載された船舶用推進装置が特許文献１に開示されている。この船舶用推進装置では、マウント部材の共振域が常用回転域外に設定されると共に、共振が発生したときにはエンジン回転数は共振域外に自動調整されるようになっている。

特開平０３−２７３９９８号公報

ところで、パワートレインの開発過程等においては、エンジンとこれに結合される変速機やモータ等との組合せによって、パワーユニットないしパワートレインが、エンジンの振動に共振することが見いだされることがある。特に、寒冷時等のエンジンのアイドリング中にこの傾向があり、この場合、パワートレインの共振やこれに伴う異音が乗員に伝わって不快感を与えることが想定されるため、パワートレインの共振を抑制する手段が求められる。

そこで本発明は、寒冷時等のアイドリング中に生じるパワートレインの共振を抑制可能な車両用エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の発明者らが検討を行った結果、エンジンの燃焼室付近での水分の氷結が、パワートレインの共振の原因の一つとして見いだされた。

つまり、例えばエンジン始動から停止までの運転時間が短く半暖機状態でエンジンが停止した場合、燃焼室の温度が充分に高くないために燃焼ガス中の水分が充分に気化せず、その一部が凝縮水として、主として排気弁やその周辺の壁面に付着した状態となる。そして、寒冷時或いは寒冷地等において、次回エンジン始動時までの間の外気温が低い場合、前記凝縮水が氷結する。開状態にある排気弁の弁側やシリンダヘッド側の座面でこの氷結が生じると、エンジン始動時に、圧縮行程で排気弁が完全に密閉されないという事態が生じる。そのため、いわゆるガス抜けが発生して一部気筒が失火し、アイドリング中にエンジンが異常振動を生じ、これを起振源としてパワーユニットないしパワートレインが共振するのである。

そこで、請求項１に係る発明は、エンジンのアイドリング時の回転に起因する共振が抑制されるように制御を行う車両用エンジンの制御装置であって、エンジン始動時に、エンジンの暖機運転制御が必要か否かを判定する暖機判定手段と、前記暖機判定手段によりエンジンの暖機運転制御が必要と判定されたときに、排気弁の氷結を予測する氷結予測手段と、前記エンジンのアイドル回転数を制御するアイドル回転数制御手段とを備え、前記アイドル回転数制御手段は、前記氷結予測手段により排気弁が氷結していると予測されたときに、前記アイドル回転数を暖機運転制御時の回転数より高い回転数とする氷結解除制御を行い、前記エンジンの点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備え、前記点火時期制御手段は、前記エンジンの暖機運転制御時には、前記エンジンの点火時期を第１所定量だけ非暖機運転制御時からリタードさせ、前記エンジンの氷結解除制御時には、前記エンジンの点火時期を前記第１所定量より小さい第２所定量だけ非暖機運転制御時からリタードさせることを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、エンジンのアイドリング時の回転に起因する共振が抑制されるように制御を行う車両用エンジンの制御装置であって、エンジン始動時に、エンジンの暖機運転制御が必要か否かを判定する暖機判定手段と、前記暖機判定手段によりエンジンの暖機運転制御が必要と判定されたときに、排気弁の氷結を予測する氷結予測手段と、前記エンジンのアイドル回転数を制御するアイドル回転数制御手段とを備え、前記アイドル回転数制御手段は、前記氷結予測手段により排気弁が氷結していると予測されたときに、前記アイドル回転数を暖機運転制御時の回転数より高い回転数とする氷結解除制御を行い、前記アイドル回転数制御手段によるエンジンのアイドル回転数の制御後に、エンジン振動の振幅が所定値より大きいか否かを判定する振幅判定手段をさらに備え、前記アイドル回転数制御手段は、前記振幅判定手段によりエンジン振動の振幅が所定値より大きいと判定されたときには、前記エンジンのアイドル回転数を前記暖機運転制御時の回転数より低い回転数とすることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記氷結予測手段は、前回エンジン停止時のエンジン温度が所定の半暖機判定温度より低いか否かを判定する半暖機停止判定手段と、今回エンジン始動時のエンジン温度が所定の冷間始動判定温度より低いか否かを判定する冷間始動判定手段とで構成されることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、発電機の負荷を制御する発電機負荷制御手段をさらに備え、前記発電機負荷制御手段は、前記エンジンの氷結解除制御時には、前記発電機の負荷を増大させることを特徴とする。

以上の構成により、本願各請求項の発明によれば、次の効果が得られる。

まず、請求項１に記載の発明によれば、エンジンの暖機運転制御が必要でかつ排気弁の氷結が予測されたときには、エンジンのアイドル回転数が暖機運転制御時の回転数より高い回転数まで上昇し、これにより、寒冷時等のアイドリング中に前記暖機運転制御時の回転数付近で生じるパワートレインの共振を抑制する共に、排気弁の氷結解除を促進させることができる。さらに、エンジンの点火時期が、暖機運転制御時には第１所定量だけ非暖機運転制御時からリタードし、氷結解除制御時には第１所定量より小さい第２所定量だけ非暖機運転制御時からリタードすることにより、排気弁の氷結解除をさらに促進しつつ、排気を浄化するための触媒が排気弁側に設けられた場合には、当該触媒を早期活性化させることができる。
また、請求項２に記載の発明によれば、エンジンの暖機運転制御が必要でかつ排気弁の氷結が予測されたときには、エンジンのアイドル回転数が暖機運転制御時の回転数より高い回転数まで上昇し、これにより、寒冷時等のアイドリング中に前記暖機運転制御時の回転数付近で生じるパワートレインの共振を抑制する共に、排気弁の氷結解除を促進させることができる。さらに、エンジンのアイドル回転数を前記暖機運転制御時より高い回転数としても依然として共振が続く場合には、前記アイドル回転数は暖機運転制御時より低い回転数まで低下し、これにより、高いアイドル回転数が長時間続くことによる不自然さを乗員に感じさせることなく排気弁の氷結解除を確実に行うことができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、氷結予測手段が半暖機停止判定手段と冷間始動判定手段とで構成されることにより、請求項１または２による効果が具体的に達成される。

また、請求項４に記載の発明によれば、氷結解除制御に併せて発電機の負荷が増大することによりエンジンの燃焼室の温度が上昇するため、排気弁の氷結解除をさらに促進させることができる。

本発明の一実施形態による車両用エンジンの制御システム図である。 本発明の第１実施形態による車両用エンジンの制御動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態による車両用エンジンの制御動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態による車両用エンジンの制御システム図である。
ガソリンエンジンであるエンジン１は、発電機２０やバッテリなど（図示せず）と共にハイブリッド車に搭載される。パワートレインは、これらと変速機等の動力伝達機構とにより構成される。なお、発電機２０は電動機として機能してもよい。図１において、エンジン１および発電機２０と駆動輪等との連結については図示していない。

エンジン１は、燃焼室２と、吸気弁５を介して燃焼室２に通じる吸気ポート３と、排気弁６を介して燃焼室２に通じる排気ポート４とを備えている。また、エンジン１には、冷却水の温度Ｔｗを検出する水温センサ７と、エンジン１の回転数を検出するエンジン回転数センサ８とが設置されている。本実施形態では、冷却水の温度Ｔｗを検出することにより、エンジン１の温度を間接的に検出している。燃焼室２には、燃料噴射弁９と点火プラグ１０とが設置されている。吸気ポート３には、上流側から、吸入空気量を検出するエアフローセンサ１１と、燃焼室２へ送る混合気を調整するスロットルバルブ１２とが設置されている。排気ポート４には、酸化触媒１３を含む排気浄化装置と、酸化触媒１３の温度Ｔｃを検出する触媒温度センサ１４とが設置されている。

エンジン１は、コントロールユニット（以下、ＣＵという）からの制御信号により制御される。具体的には、図１に矢印で示しているように、水温センサ７、エンジン回転数センサ８、エアフローセンサ１１および触媒温度センサ１４からの信号がＣＵに入力される。これらのセンサからの信号は、Ａ／Ｄ変換器を介してＣＵに読み込まれる。また、ＣＵにはメモリが設けられており、エンジン１が停止すると、水温センサ７により検出される冷却水の温度Ｔｗが前記メモリに記憶されるようになっている。ＣＵは、これらのセンサからの信号に基づいてエンジン１の状態を検出し、その状態に応じて、燃料噴射弁７、点火プラグ８、スロットルバルブ１０および発電機２０に制御信号を送信し、燃焼室２への燃料の供給量およびタイミング、燃料への点火タイミング（リタード量）、スロットル開度および発電機２０の負荷を制御する。

次に、図２のフローチャートを用いて、本発明の第１実施形態による車両用エンジンの制御動作について説明する。制御は、前記の通りＣＵからの制御信号によって行われる。なお、本実施形態では、通常のアイドル回転数Ｎｅ０付近の回転数でパワートレインの共振が生じる場合を想定している。当該回転数Ｎｅ０は、例えば１０００ｒｐｍである。
乗員によりイグニッションオンの状態にされると、まず、前回エンジン停止時の冷却水温度（以下、前回冷却水温度という）Ｔｗｎ−１がメモリから呼び出されると共に、制御時現在の冷却水温度（以下、今回冷却水温度という）Ｔｗｎと、制御時現在の触媒温度ＴｃとがＣＵに読み込まれる（ステップＳ１）。

ここで、寒冷時等のアイドリング中に生じるパワートレインの共振の原因の一つについて再度説明する。半暖機状態でエンジン１が停止した場合、燃焼室２の温度が充分に高くないために燃焼ガス中の水分が充分に気化せず、その一部が凝縮水として、主として排気弁６やその周辺の壁面（以下、排気弁等という）に付着した状態となる。そして、次回エンジン始動時までの間の外気温が低い場合、前記凝縮水が氷結する。ここで開状態にある排気弁６の弁側やシリンダヘッド側の座面で氷結が生じると、エンジン始動時に、圧縮行程で排気弁６が完全に密閉されず、直列に複数本配置された気筒の一部が失火してしまう。これにより、アイドリング中にエンジン１が異常振動を生じ、これを起振源としてパワートレインが共振する。

そこで、半暖機状態でエンジン１が停止したか否か、即ちステップＳ１で呼び出された前回冷却水温度Ｔｗｎ−１が所定の半暖機判定温度Ｔｗ０より低いか否かが判定される（ステップＳ２）。そして、低いと判定されたときは、今回エンジン始動時のエンジン温度が氷結を生じさせる温度であるか否か、即ち今回冷却水温度Ｔｗｎが所定の冷間始動判定温度Ｔｗ１より低いか否かが判定される（ステップＳ３）。なお、半暖機判定温度Ｔｗ０は例えば４５℃であり、冷間始動判定温度Ｔｗ１は例えば０℃である。

前回冷却水温度Ｔｗｎ−１が半暖機判定温度Ｔｗ０より低く、今回冷却水温度Ｔｗｎが冷間始動判定温度Ｔｗ１より低いと判定された場合には、排気弁６等に氷結が生じていることが予測されるため、ステップＳ５〜９で氷結解除制御が行われる。具体的には、目標のアイドル回転数が所定の氷結解除回転数Ｎｅ２に設定されると共に、エンジン１の（或いは点火プラグ１０の）点火時期をリタード（遅角）させ、かつ、発電機２０の負荷を標準よりも増大させる制御が行われる（ステップＳ５）。氷結解除回転数Ｎｅ２は、通常のアイドル回転数Ｎｅ０を１０００ｒｐｍとすると、例えば２０００ｒｐｍであり、後述する暖機運転制御時のアイドル回転数Ｎｅ１よりも高い。また、氷結解除制御時のリタード量は、後述の暖機運転制御時より小さい値とされる。これにより、燃焼室２の温度、特に筒内温度を上昇させることができ、排気弁６等の氷結解除をさらに促進させることができる。同様に、発電機２０の負荷を増大させることにより、燃焼室２の温度を上昇させることができる。

なお、氷結解除制御の前段のステップＳ４では、後述するフラグの真偽値（１，０）を基に、排気弁６が氷結解除済みであるか否かが判定される。

続いてタイマカウンタ値ｔがスタートし、予め設定された値ｔ０に至るまでカウントされ、リセットされる（ステップＳ６〜８）。最後に、氷結解除済みであることを示すようにフラグの真偽値が１とされる。

一方、ステップＳ２で前回冷却水温度Ｔｗｎ−１が半暖機判定温度Ｔｗ０より低くないと判定された場合、または、ステップＳ３で今回冷却水温度Ｔｗｎが冷間始動判定温度Ｔｗ１より低くないと判定された場合には、排気弁６等に氷結が生じていないことが予測されるため、共振を考慮しない制御がステップＳ１０〜１２で行われる。また、ステップＳ４で排気弁６等が氷結解除済みであると判定された場合にも、同様の制御が行われる。

具体的には、まず、今回冷却水温度Ｔｗｎが半暖機判定温度Ｔｗ０より高いか否かと、併せて触媒温度Ｔｃが所定の活性化判定温度Ｔｃ０より高いか否かが判定される（ステップＳ１０）。活性化判定温度Ｔｃ０は例えば０℃である。酸化触媒１３は実際には数百℃程度の充分高い温度で活性化するため、触媒温度センサ１４が酸化触媒１３の近い位置に設置されるほど、活性化判定温度Ｔｃ０は高い温度とされる。今回冷却水温度Ｔｗｎが判暖機判定温度Ｔｗ０より高く、かつ、触媒温度Ｔｃが活性化判定温度Ｔｃ０より高いと判定されたときには、目標のアイドル回転数は通常のアイドル回転数Ｎｅ０に制御されると共に、エンジン１の点火時期をリタードさせず、発電機２０の負荷を標準とする制御が行われる（ステップＳ１１）。

一方、今回冷却水温度Ｔｗｎが判暖機判定温度Ｔｗ０より高くないか、または触媒温度Ｔｃが活性化判定温度Ｔｃ０より高くないと判定されたときには、暖機運転制御が行われる。つまり、目標のアイドル回転数は通常のアイドル回転数Ｎｅ０より高い所定の暖機運転回転数Ｎｅ１に制御されると共に、点火時期をリタードさせ、かつ、発電機２０の負荷を標準よりも増大させる制御が行われる（ステップＳ１２）。前記の通り、暖機運転制御時のリタード量は、氷結解除制御時よりも大きい。エンジン１の点火時期を大きくリタードさせることで、いわゆる後燃え状態となって排気ポート４内の温度が上昇するため、酸化触媒１３を早期活性化させることができる。

なお、本実施形態では、ステップＳ１０において、今回冷却水温度Ｔｗｎが温度Ｔｗ０より高いか否かに基づいて暖機運転制御が必要か否かを判定したが、必ずしも半暖機判定温度Ｔｗ０を基準として判定を行う必要はなく、他の基準温度が設定されてもよい。

以上、本実施形態によれば、排気弁６等の氷結が予測されたときには氷結解除制御が行われてエンジン１のアイドル回転数が上昇する。さらに、点火時期リタード量および発電機負荷の制御も行われる。これにより、寒冷時等のアイドリング中に通常のアイドリング回転数Ｎｅ０付近で生じるパワートレインの共振を抑制しつつ、排気弁６等の氷結解除を促進させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について第１実施形態と異なる部分を挙げて説明し、同一の部分については説明を簡略化または省略する。本発明の第２実施形態では、図１に一点鎖線で示すように、エンジン振動の振幅の大きさを検出する振動センサ１５が設置され、ＣＵには振動センサ１５からの信号が入力される。

次に、図３のフローチャートを用いて、本発明の第２実施形態による車両用エンジンの制御動作について説明する。なお、本実施形態では、暖機運転回転数Ｎｅ１付近の回転数でパワートレインの共振が生じる場合を想定している。乗員によりイグニッションオンの状態にされると、まず、前回冷却水温度Ｔｗｎ−１がメモリから呼び出されると共に、今回冷却水温度Ｔｗｎと、制御時現在の触媒温度Ｔｃと、振動センサ１５からの信号とがＣＵに読み込まれる（ステップＳ２１）。

次に、今回冷却水温度Ｔｗｎが半暖機判定温度Ｔｗ０より高いか否かと、併せて触媒温度Ｔｃが活性化判定温度Ｔｃ０より高いか否かが判定される（ステップＳ２２）。このステップＳ２２は、第１実施形態のステップＳ１０に相当する。なお、本実施形態でも第１実施形態と同様に、ステップＳ２２で必ずしも半暖機判定温度Ｔｗ０を基準として判定を行う必要はない。今回冷却水温度Ｔｗｎが判暖機判定温度Ｔｗ０より高くないか、または触媒温度Ｔｃが活性化判定温度Ｔｃ０より高くないと判定されたときには、半暖機状態でエンジン１が停止したか否か、即ち前回冷却水温度Ｔｗｎ−１が半暖機判定温度Ｔｗ０より低いか否かが判定される（ステップＳ２３）。そして、低いと判定されたときは、今回エンジン始動時のエンジン温度が氷結を生じさせる温度であるか否か、即ち今回冷却水温度Ｔｗｎが冷間始動判定温度Ｔｗ１より低いか否かが判定される（ステップＳ２４）。このステップＳ２３，２４は、第１実施形態のステップＳ２，３に相当する。

つまり、本実施形態では、ステップＳ２３〜２５で排気弁６等の氷結を予測する前に、ステップＳ２２で暖機運転制御が必要であるか否かが判定される。

前回冷却水温度Ｔｗｎ−１が半暖機判定温度Ｔｗ０より低く、今回冷却水温度Ｔｗｎが冷間始動判定温度Ｔｗ１より低いと判定され、ステップＳ２５でフラグの真偽値が０であると判定された場合には、ステップＳ２６〜３１で氷結解除制御が行われる。

ステップＳ３１では、ステップＳ２１で振動センサ１５から読み込まれたエンジン振動の振幅の大きさが所定値より大きいか否かが、氷結解除制御中に判定される。例えば、前記所定値をしきい値として、振幅の大きさがしきい値を１回でも超えたか否か、所定時間内にしきい値を超えた回数が一定回数以上であるか、などを基に判定が行われてもよい。振幅の大きさが所定値より大きいと判定された場合は、通常のアイドリングが行われる（ステップＳ３３）。つまり、アイドル回転数が氷結解除回転数Ｎｅ２に制御されているにも関わらず依然として共振が続く場合には、逆に暖機運転制御時のアイドル回転数Ｎｅ１より低い回転数Ｎｅ０までアイドル回転数を低下させることにより、排気弁６等の氷結解除が確実に行われることになる。また、例えば２０００ｒｐｍという高い氷結解除回転数Ｎｅ２が長時間続くことにより乗員が不自然さを感じることも想定されるところ、当該制御によりこれも防止される。

一方、ステップＳ２３〜２５での判定により氷結解除制御が行われない場合には、暖機運転制御が行われる（ステップＳ３２）。また一方、ステップＳ２２で、今回冷却水温度Ｔｗｎが判暖機判定温度Ｔｗ０より高く、かつ、触媒温度Ｔｃが活性化判定温度Ｔｃ０より高いと判定されたときには、通常のアイドリングが行われる（ステップＳ３３）。

以上、本実施形態によれば、エンジン１の暖機運転制御が必要で、かつ、排気弁６等の氷結が予測されたときには、氷結解除制御が行われてエンジン１のアイドル回転数が上昇する。さらに、点火時期リタード量および発電機負荷の制御も行われる。これにより、寒冷時等のアイドリング中に暖機運転制御時の回転数Ｎｅ２付近で生じるパワートレインの共振を抑制しつつ、排気弁６等の氷結解除を促進させることができる。

以上で説明した構成において、特許請求の範囲に記載の氷結予測手段（半暖機停止判定手段、冷間始動判定手段）、アイドル回転数制御手段、暖機判定手段、発電機負荷制御手段、点火時期制御手段、振幅判定手段は、ＣＵと各センサ７，８，１４，１５などによって実現される。

以上の説明では、ハイブリッド車に搭載される車両用エンジンの制御装置について説明したが、本発明はこれに限定されず、エンジンが搭載される車両一般に適用可能である。

以上のように、本発明によれば、寒冷時等のアイドリング中に生じるパワートレインの共振を抑制可能となるので、本発明は、この種の車両の製造産業分野において好適に利用される可能性がある。

１ エンジン
６ 排気弁
７ 水温センサ
８ エンジン回転数センサ
１５ 振動センサ
２０ 発電機
ＣＵ コントローラユニット

Claims (4)

1. エンジンのアイドリング時の回転に起因する共振が抑制されるように制御を行う車両用エンジンの制御装置であって、
   エンジン始動時に、エンジンの暖機運転制御が必要か否かを判定する暖機判定手段と、
   前記暖機判定手段によりエンジンの暖機運転制御が必要と判定されたときに、排気弁の氷結を予測する氷結予測手段と、
   前記エンジンのアイドル回転数を制御するアイドル回転数制御手段とを備え、
   前記アイドル回転数制御手段は、前記氷結予測手段により排気弁が氷結していると予測されたときに、前記アイドル回転数を暖機運転制御時の回転数より高い回転数とする氷結解除制御を行い、
   前記エンジンの点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備え、
   前記点火時期制御手段は、
   前記エンジンの暖機運転制御時には、前記エンジンの点火時期を第１所定量だけ非暖機運転制御時からリタードさせ、
   前記エンジンの氷結解除制御時には、前記エンジンの点火時期を前記第１所定量より小さい第２所定量だけ非暖機運転制御時からリタードさせることを特徴とする、車両用エンジンの制御装置。
2. エンジンのアイドリング時の回転に起因する共振が抑制されるように制御を行う車両用エンジンの制御装置であって、
   エンジン始動時に、エンジンの暖機運転制御が必要か否かを判定する暖機判定手段と、
   前記暖機判定手段によりエンジンの暖機運転制御が必要と判定されたときに、排気弁の氷結を予測する氷結予測手段と、
   前記エンジンのアイドル回転数を制御するアイドル回転数制御手段とを備え、
   前記アイドル回転数制御手段は、前記氷結予測手段により排気弁が氷結していると予測されたときに、前記アイドル回転数を暖機運転制御時の回転数より高い回転数とする氷結解除制御を行い、
   前記アイドル回転数制御手段によるエンジンのアイドル回転数の制御後に、エンジン振動の振幅が所定値より大きいか否かを判定する振幅判定手段をさらに備え、
   前記アイドル回転数制御手段は、前記振幅判定手段によりエンジン振動の振幅が所定値より大きいと判定されたときには、前記エンジンのアイドル回転数を前記暖機運転制御時の回転数より低い回転数とすることを特徴とする、車両用エンジンの制御装置。
3. 前記氷結予測手段は、
   前回エンジン停止時のエンジン温度が所定の半暖機判定温度より低いか否かを判定する半暖機停止判定手段と、
   今回エンジン始動時のエンジン温度が所定の冷間始動判定温度より低いか否かを判定する冷間始動判定手段とで構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の車両用エンジンの制御装置。
4. 発電機の負荷を制御する発電機負荷制御手段をさらに備え、
   前記発電機負荷制御手段は、前記エンジンの氷結解除制御時には、前記発電機の負荷を増大させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用エンジンの制御装置。

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