JP6668830B2 - エンジンの停止位置制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの停止位置制御装置に関する。

特許文献１には、エンジン回転の停止位置を制御するために、エンジンの回転停止過程で上死点（ＴＤＣ）毎にエンジンの回転エネルギーを算出してＴＤＣ間の回転エネルギー変化量を算出し、この回転エネルギー変化量とエンジン回転速度との関係を用いてエンジン回転停止挙動を推定する技術が開示されている。さらに、この技術により推定したエンジン回転停止挙動に基づいて決定したタイミングで、エンジンに連結された発電機の負荷でエンジン回転を目標停止位置で強制的に停止させる技術が開示されている。

特開２００６−５７５２４号公報

しかしながら、エンジンの回転停止過程において、停止直前でのＴＤＣ（最終ＴＤＣ）付近では、エンジンの回転数はきわめて低回転数になっているため、発電機の回転数もきわめて低回転数になっている。その結果、従来の技術では、発電機を、エンジン回転を停止させるための負荷として十分に制御できず、最終的にエンジン回転が停止したときに、或る気筒内のピストンが圧縮行程後のＴＤＣで停止するおそれがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、気筒内のピストンが圧縮行程後のＴＤＣで停止することをより確実に回避することができるエンジンの停止位置制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るエンジンの停止位置制御装置は、複数の気筒内に燃料を直接噴射する４サイクルのエンジンの停止位置制御装置において、前記エンジンの回転エネルギーにより回転駆動可能に連結された発電機であって、該発電機を三相短絡可能な駆動回路を備えた発電機と、前記エンジンの停止過程で、いずれかの気筒内のピストンが圧縮行程後の上死点を通過する毎に、次にいずれかの気筒内のピストンが圧縮行程後の上死点に達するときの前記エンジンの回転エネルギーを予測し、前記予測した回転エネルギーが、当該気筒内のピストンが圧縮行程後の上死点で停止すると推定される範囲にある場合は、前記発電機を三相短絡させるように前記駆動回路を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、予測したエンジンの回転エネルギーが、気筒内のピストンが圧縮行程後のＴＤＣで停止すると推定される範囲にある場合に、発電機を三相短絡させることによりブレーキを掛けることで、エンジンに対してより確実に負荷を与えることができる。その結果、ピストンが圧縮行程後のＴＤＣで停止することをより確実に回避することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態におけるエンジンの停止位置制御装置を模式的に示す図である。 図２は、発電機の構成の一例を模式的に示す図である。 図３は、着火始動時の制御フローを示すフローチャートである。 図４は、着火始動時の動作を説明するための図である。 図５は、或る気筒のピストンがＴＤＣで停止した状態を説明するための図である。 図６は、ＥＣＵによる制御フローを示すフローチャートである。 図７は、エンジンの回転エネルギーとＴＤＣ位置との関係について説明するための図である。 図８は、従来技術と本発明の実施形態とを比較説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるエンジンの停止位置制御装置について具体的に説明する。

図１は、実施形態におけるエンジンの停止位置制御装置を模式的に示す図である。図１に示すように、エンジン１は、Ｖ型６気筒の４サイクルのエンジンであり、走行用動力源として車両に搭載されている。また、エンジン１は、各気筒２（２ａ〜２ｆ）内に燃料を直接噴射する直噴式に構成されている。そのエンジン１は、制御手段としての電子制御装置（ＥＣＵ）１０によって電気的に制御される。

エンジン１には、そのクランクシャフト（図示せず）の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ２０が設けられている。クランク角センサ２０が検出したクランク角は、クランク角信号としてクランク角センサ２０からＥＣＵ１０に入力される。

また、エンジン１には発電機５が連結されている。具体的には、エンジン１のクランクシャフトに連結された回転軸３にはプーリー４が一体回転可能に設けられており、発電機５は、その回転軸６に一体回転可能に設けられたプーリー７とプーリー４との間に伝動ベルト８が掛け渡されることにより、エンジン１と連結されている。これにより、発電機５はエンジン１の回転エネルギーにより回転駆動可能になっている。

図２は、発電機の構成の一例を模式的に示す図である。発電機５は、三相Ｙ結線の回転子巻線５ａ、５ｂを備える。また、発電機５は、回転子巻線５ａに接続された、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備えるハーフブリッジ型のスイッチング回路と、回転子巻線５ｂに接続された、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１２を備えるスイッチング回路と、平滑コンデンサＣと、励磁コイルＬと、ダイオードＤと、励磁電流制御用のスイッチング素子Ｑ１３と、を備える駆動回路を有している。符号Ｅは不図示のバッテリに接続された電源端子である。

ＥＣＵ１０はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１２のゲート端子に制御電圧を与えてそのスイッチング動作を制御する。ここで、各スイッチング回路の下流側である下アームのスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６、Ｑ１０〜Ｑ１２を同時に開状態とすることで発電機５は三相短絡可能であり、これにより発電機５にブレーキを掛けることができる。

また、ＥＣＵ１０は、エンジン１の燃料供給、点火を制御することができるように構成されている。ＥＣＵ１０は、図示しない各種のセンサ（例えば、アクセル開度センサ、ブレーキストロークセンサ、車速センサ、スロットル開度センサなど）からの信号が入力されるように構成されている。そして、ＥＣＵ１０は、その記憶部に保存されているプログラム、データおよび入力された信号に基づいて各種の演算を行い、その結果の指令信号をエンジン１に出力して、エンジン１を制御する。

上記ＥＣＵ１０および発電機５はエンジン１に対するエンジンの停止位置制御装置３０を構成している。

このエンジン１およびエンジンの停止位置制御装置３０を搭載した車両は、走行中や信号待ち等で停車した際などに、エンジン１を自動停止し、その後、エンジン１を始動（再始動）できるように構成されている。

ＥＣＵ１０は、所定のエンジン停止条件が成立すると、エンジン停止制御（フューエルカット制御）を実行し、エンジン１を自動停止させる。エンジン停止条件（エンジン停止要求）としては、車両が信号待ち等で一時停止した場合や、走行中の車両が減速している場合や、ある程度高車速で走行中にアクセルペダルの踏み込みが解除された場合などが挙げられる。なお、フューエルカット制御（Ｆ／Ｃ制御）は、エンジン１への燃料供給を停止する制御である。

エンジン１を自動停止後、所定のエンジン始動条件が成立すると、ＥＣＵ１０は、エンジン始動制御（着火始動制御）を実行し、停止中のエンジン１を始動させる。エンジン始動条件（エンジン始動要求）としては、アクセルペダルが踏み込まれたことを検出した場合や、停車中にブレーキペダルの踏み込みが解除された場合などが挙げられる。また、着火始動制御は、エンジン１への燃料供給および点火により気筒２を着火して、その爆発すなわち燃焼エネルギーによってクランクシャフトを回転させ、エンジン回転数を所定回転数まで上昇させる始動制御である。その着火始動を実行する際の制御フローを図３に示す。

図３は、着火始動時の制御フローを示すフローチャートである。図３に示す制御フローは、エンジン１が自動停止制御により停止しているときに実行される。

図３に示すように、エンジン１が停止しているときに、ＥＣＵ１０は、エンジン始動条件が成立したか否か、すなわちエンジン始動要求があるか否かを判定する（ステップＳ１１）。エンジン始動要求がない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、この制御ルーチンは終了し、エンジン１は停止したままとなる。

エンジン始動要求がある場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０は、着火始動制御を実行し、膨張行程にある気筒２への燃料供給および点火を行い、その気筒２を着火する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の着火始動後に、この制御ルーチンは終了し、エンジン１は駆動状態となる。

ここで、ステップＳ１２で着火対象となる、膨張行程にある気筒２のクランク角の一例を、図４を用いて説明する。図４は、着火始動時のクランク角の変化を説明するための図である。まず、４サイクルエンジンでは、気筒間隔が「２回転（７２０°）÷気筒数」で表せる。エンジン１は、Ｖ型６気筒であるため、気筒間隔は１２０°である。そのため、図４に示す各気筒２の間隔は１２０°である。

図４に示すように、エンジン１の着火始動時、ドット模様付きの丸で示す、膨張行程にある気筒２は、圧縮行程後のＴＤＣから回転方向に６０°付近のクランク角に停止している。その膨張行程にある気筒２に対して、燃料噴射および点火を行い着火することにより、燃焼エネルギーによりその気筒２内のピストンが下方に移動して、クランクシャフトを正方向に回転させる。着火始動では、膨張行程にある気筒を着火することになるが、その気筒内のピストンの停止位置は、圧縮行程後のＴＤＣ付近に位置しないだけではなく、着火による燃焼エネルギーを効率的にクランクシャフトの回転力に変換するためには、圧縮行程後のＴＤＣから回転方向に６０°付近に位置することが望ましい。以降、特に言及しない限り、ＴＤＣとは圧縮行程後のＴＤＣを意味するものとする。

上述したように、エンジン１を自動停止および再始動できる車両では、エンジン自動停止時に、エンジン１のいずれかの気筒２内でピストンがＴＤＣで停止する可能性がある。図５は、ドット模様付きの丸で示す気筒２のピストンがＴＤＣで停止した状態を説明するための図である。このとき、二重丸で示す気筒２は膨張行程にあるが、排気弁が開状態にあるかその後すぐに開状態となるため、燃料噴射および点火を行い着火することにより発生するトルクは小さい。そこで、図５のような、或る気筒２がＴＤＣで停止することを回避することが望ましい。

そこで、エンジンの停止位置制御装置３０において、ＥＣＵ１０は、エンジン１の自動停止の際に、或る気筒２内のピストンがＴＤＣで停止することをより確実に回避させるための制御を実行する。

図６は、ＥＣＵによる制御フローを示すフローチャートである。ＥＣＵ１０は、所定のエンジン停止条件が成立すると、図６に示す制御フローを実行する。
まず、ステップＳ２１において、ＥＣＵ１０は、発電機５に対する励磁要求を出力する。具体的には、発電機５の駆動回路のスイッチング素子Ｑ１３に対して制御電圧を出力し、励磁コイルＬに電流を流して回転子巻線５ａを励磁する。ただし、このとき発電機５が過電圧にならない程度に励磁する。

つづいて、ステップＳ２２において、ＥＣＵ１０は、クランク角センサ２０からのクランク角信号に基づいて、各気筒２内のピストン位置を検出し、いずれかの気筒２内のピストンがＴＤＣを通過したか否かを判定する。いずれかの気筒２内のピストンがＴＤＣを通過していないと判定した場合（ステップＳ２２、Ｎｏ）は、ステップＳ２２を繰り返す。いずれかの気筒２内のピストンがＴＤＣを通過したと判定した場合（ステップＳ２２、Ｙｅｓ）は、ステップＳ２３において、その時点でのエンジン１の回転エネルギー（Ｅｎ）を算出する。なお、算出したＥｎはＥＣＵ１０の記憶部に記憶される。

ここで、Ｅｎは以下の式を用いて算出できる。
Ｅｎ＝（１／２）×Ｉ×ｗ^２
なお、Ｉはエンジン１の回転モーメントであり、ｗはエンジン１の回転の角速度である。

つづいて、ステップＳ２４において、ＥＣＵ１０は、次にいずれかの気筒２内のピストンがＴＤＣに達するときのエンジン１の回転エネルギー（Ｅｎ＋１）を予測する。ステップＳ２４はステップＳ２３と略同じタイミングで実行される。

ここで、Ｅｎ＋１は以下の式を用いて算出できる。
Ｅｎ＋１＝Ｅｎ−（Ｅｎ−１−Ｅｎ）
なお、Ｅｎ−１はＥｎを算出した時点より以前かつ直近にいずれかの気筒２内のピストンがＴＤＣを通過したときのエンジン１の回転エネルギーである。Ｅｎ−１については、後述するようにステップＳ２３が２回以上実行されている場合には、算出された値がＥＣＵ１０の記憶部に記憶されているものである。ステップＳ２３が１回だけ実行されている場合は、Ｅｎ−１として、例えばＥＣＵ１０の記憶部に予め記憶された、事前に実験等により設定された所定値を用いることができる。

つづいて、ステップＳ２５において、ＥＣＵ１０は、予測した回転エネルギーＥｎ＋１が、当該気筒２内のピストンが圧縮行程後の上死点で停止すると推定される範囲（以下、制御実施区間と呼ぶ）にあるか否かを判定する。Ｅｎ＋１が制御実施区間にないと判定した場合（ステップＳ２５、Ｎｏ）は、制御処理はステップＳ２２に戻る。Ｅｎ＋１が制御実施区間にあると判定した場合（ステップＳ２５、Ｙｅｓ）は、ＥＣＵ１０は、発電機５を三相短絡させるように、発電機５の駆動回路を制御する（ステップＳ２６）。なお、三相短絡は事前に実験等により設定された所定の負荷量をエンジン１に与え終わるまで継続して実施される。

これにより、発電機５はブレーキが掛けられるが、三相短絡により発生するブレーキ力は比較的大きいので、エンジン１に対して確実に負荷を与えることができる。その結果、エンジン停止直前のＴＤＣの時点でＴＤＣ停止を推定してブレーキを掛けることで、次のピストンがより確実にＴＤＣに到達せずにエンジン１の回転が停止する。従って、いずれかの気筒２のピストンがＴＤＣで停止するＴＤＣ停止をより確実に回避させることができる。その後、処理制御フローは終了する。

なお、エンジン１の回転が停止し、三相短絡が解除された後は、クランクシャフトは逆回転して気筒内圧がバランスする位置にて止まるので、エンジン１の各気筒２は図４に示す状態に近い位置となる。従って、その後の着火始動を好適に行うことができる。

次に、エンジン１の回転エネルギーとＴＤＣ位置との関係について図７の例示を参照して説明する。図７（ａ）に示すように、エンジン１の回転エネルギーはその停止過程において、ＴＤＣ付近で極小値を取るように振動しながら減少する。

ここで、ＴＤＣ停止を回避するために発電機５に三相短絡でブレーキを掛けることでエンジン１に負荷を与える場合、最も大きい負荷量を与えられるのは、或るＴＤＣから次のＴＤＣの直前までの区間Ｒ１である。なお、ＴＤＣ直前とは、例えばクランク角センサ２０におけるクランクパルスが１０°毎であるとすると、（ＴＤＣ−１０°）の位置である。そこで、この区間Ｒ１で発電機５にブレーキを掛け続けることでエンジン１に与えることができる負荷（ブレーキエネルギーＥｂ）を事前に実験等により求めておく。

次に、図７（ｂ）に示すように、エンジン１がＴＤＣ停止してしまうときの、そのＴＤＣ位置でのエンジン１の回転エネルギーＥｔｄｃを事前に実験等により求めておく。なお、Ｅｔｄｃは小さい値であるので０に設定してもよい。

このとき、図７（ｃ）に示すように、原理的には予測した回転エネルギーＥｎ＋１が、破線で示すＥｔｄｃ＋Ｅｂより小さければ、ブレーキエネルギーＥｂにより、ピストンがＴＤＣに到達する前にエンジン１を停止させることができる。従って、制御実施区間として、Ｅｔｄｃ＋Ｅｂより小さい区間を設定してもよい。

ただし、実際にはＴＤＣ停止してしまうときの回転エネルギーＥｔｄｃやブレーキエネルギーＥｂには、エンジン１毎や発電機５毎にばらつきが存在する。そのため、ブレーキエネルギーＥｂに対して余裕度αを設定し、これをブレーキエネルギーＥｂから減算した上で、上記のエネルギーのばらつきに対応させて、Ｅｔｄｃ±（１／２）＊（Ｅｂ−α）という区間Ｒ２（図７（ｄ）参照）を制御実施区間とすれば、上記ばらつきによらずに、より確実にＴＤＣ停止を回避することができる。このように制御実施区間を設定した場合、図６に示す制御フローでは、Ｅｎ＋１が下記式を満たす場合に、ＥＣＵ１０は、発電機５を三相短絡させるように、発電機５の駆動回路を制御する。
Ｅｔｄｃ−（１／２）＊（Ｅｂ−α）＜Ｅｎ＋１＜Ｅｔｄｃ＋（１／２）
＊（Ｅｂ−α）

なお、Ｅｎ＋１≦Ｅｔｄｃ−（１／２）＊（Ｅｂ−α）の場合、発電機５にブレーキを掛けてエンジン１に負荷を与えなくてもＴＤＣ停止は発生しないが、発電機５によりエンジン１に負荷を与えても問題ないので、制御実施区間として、Ｅｔｄｃ＋（１／２）＊（Ｅｂ−α）より小さい区間を設定してもよい。このように制御実施区間を設定した場合、図６に示す制御フローでは、Ｅｎ＋１が下記式を満たす場合に、ＥＣＵ１０は、発電機５を三相短絡させるように、発電機５の駆動回路を制御する。
Ｅｎ＋１＜Ｅｔｄｃ＋（１／２）＊（Ｅｂ−α）

図８は、従来技術と本発明の実施形態とを比較説明するための図である。従来技術では、発電機を、エンジン回転を停止させるための負荷として十分に制御できず、図８（ａ）に示すように、エンジンの回転エネルギーがゼロになりエンジンが停止したときに、或る気筒２のピストンがＴＤＣ停止する場合がある。このとき、二重丸で示す気筒２は膨張行程にあるが、排気弁が開状態にあるかその後すぐに開状態となるため、燃料噴射および点火を行い着火することにより発生するトルクは小さい。

これに対して、本発明の実施形態によれば、ＴＤＣにおいて回転エネルギーＥｎ−１、Ｅｎ（白丸で示す）を算出する。Ｅｎ−１、ＥｎはＴＤＣを乗り越えられる回転エネルギーであるが、そこから予測される次のＴＤＣでの回転エネルギーＥｎ＋１（黒丸で示す）が制御実施区間にあるので、発電機５の駆動回路を三相短絡してブレーキを掛ける（ブレーキＯＦＦからブレーキＯＮとする）。これにより、次の気筒２が次のＴＤＣに達する前にエンジン１が停止し、ＴＤＣ停止を確実に回避することができる。なお、発電機５のブレーキはエンジン１の回転停止後にＯＦＦ状態にされる。その結果、二重丸で示す気筒２は、圧縮行程後のＴＤＣから回転方向に６０°付近のクランク角に停止し、膨張行程にある。従って、その膨張行程にある気筒２に対して、燃料噴射および点火を行い着火することにより、燃焼エネルギーによりその気筒２内のピストンが下方に移動して、クランクシャフトを正方向に回転させることができる。

なお、上記実施形態では、エンジン１はＶ型６気筒であるが、本発明は、複数の気筒内に燃料を直接噴射する４サイクルのエンジンであれば、型式や気筒数によらず適用できる。たとえば、本発明を適用できるエンジンとしては、直列３気筒、直列４気筒、Ｖ型８気筒などがある。特に、３気筒や４気筒などの気筒数が少ないエンジンの場合、或る気筒内のピストンがＴＤＣ停止していると、ピストンが膨張行程にある気筒がない場合が多いので、本発明を好適に適用できる。Ｖ型８気筒またはそれ以上の気筒数を有するエンジンの場合は、或る気筒内のピストンがＴＤＣ停止していても、ピストンが膨張行程にある気筒がある場合が多いが、本発明を適用することによって、より確実にＴＤＣ停止を回避することができるので、より確実に着火始動を行う上で好適である。

１ エンジン
２（２ａ〜２ｆ） 気筒
５ 発電機
１０ ＥＣＵ
３０ エンジンの停止位置制御装置

Claims (1)

1. 複数の気筒内に燃料を直接噴射する４サイクルのエンジンの停止位置制御装置において、
   前記エンジンの回転エネルギーにより回転駆動可能に連結された発電機であって、該発電機を三相短絡可能な駆動回路を備えた発電機と、
   前記エンジンの停止過程で、いずれかの気筒内のピストンが圧縮行程後の上死点を通過する毎に、次にいずれかの気筒内のピストンが圧縮行程後の上死点に達するときの前記エンジンの回転エネルギーを予測し、前記予測した回転エネルギーが制御実施区間にある場合は、前記発電機を三相短絡させるように前記駆動回路を制御する制御手段と、
   を備え、前記制御手段は、前記エンジンの回転エネルギーと前記三相短絡による前記エンジンに対するブレーキエネルギーのばらつきが考慮された余裕度αを前記ブレーキエネルギーに設定することによって、前記発電機を三相短絡させるように前記駆動回路の制御を行うための前記制御実施区間が設定されており、
   前記制御実施区間は、下記式で定義されることを特徴とするエンジンの停止位置制御装置。
   Ｅｔｄｃ−（１／２）＊（Ｅｂ−α）＜Ｅｎ＋１＜Ｅｔｄｃ＋（１／２）＊（Ｅｂ−α）
   ただし、Ｅｎ＋１は予測した回転エネルギーであり、Ｅｔｄｃは当該気筒内のピストンが圧縮行程後の上死点で停止するときの回転エネルギーであり、Ｅｂは、或る上死点から次の上死点の直前までの区間で三相短絡によりエンジンにブレーキを掛け続けることでエンジンに与えることができる負荷としてのブレーキエネルギーである。

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