JP7413910B2 - Internal combustion engine starting torque estimation method and internal combustion engine starting torque estimation device - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の起動トルク推定方法及び内燃機関の起動トルク推定装置に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine starting torque estimating method and an internal combustion engine starting torque estimating device.
例えば、特許文献1には、入力軸に動力を伝達可能な内燃機関と、入力軸に内燃機関から独立して動力を夫々伝達可能な第1電動発電機及び第2電動発電機と、を備え、第1電動発電機の第1レゾルバ角度と、第2電動発電機の第2レゾルバ角度と、内燃機関の回転状態と、に基づいて内燃機関の出力トルクを推定する技術が開示されている。
For example,
しかしながら、特許文献1は、内燃機関と2つの電動発電機とを備えたシステムを前提として内燃機関の出力トルクを推定するものであり、適用可能なシステムが限定され汎用性に欠ける。
However,
すなわち、内燃機関の起動トルクを推定するにあたっては、更なる改善の余地がある。 That is, there is room for further improvement in estimating the starting torque of an internal combustion engine.
本発明に係る内燃機関は、電動機の回転軸と内燃機関のクランクシャフトとを連結するダンパーのダンパー特性と、上記電動機の回転軸に取り付けられたレゾルバの検出信号と、上記クランクシャフトに取り付けられたクランク角センサの検出信号と、を用い、上記クランクシャフトと上記電動機の回転軸との回転位相差を活用して内燃機関の起動トルクを推定することを特徴としている。 The internal combustion engine according to the present invention has damper characteristics of a damper that connects a rotating shaft of an electric motor and a crankshaft of an internal combustion engine, a detection signal of a resolver attached to the rotating shaft of the electric motor, and a detection signal of a resolver attached to the rotating shaft of the electric motor. The present invention is characterized in that the starting torque of the internal combustion engine is estimated by using a detection signal of a crank angle sensor and by utilizing a rotational phase difference between the crankshaft and the rotating shaft of the electric motor.
本発明によれば、クランクシャフトと電動機回転軸との角度位相差を利用して内燃機関の起動トルク精度良く推定することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to estimate the starting torque of an internal combustion engine with high accuracy by using the angular phase difference between the crankshaft and the motor rotating shaft.
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.
図1は、本発明が適用されるハイブリッド車両のパワートレインの概略構成を模式的に示した説明図である。 FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing a schematic configuration of a power train of a hybrid vehicle to which the present invention is applied.
内燃機関(エンジン)1は、ダンパー2を介して電動機3と連結されている。内燃機関1は、例えば電動機3を発電機として駆動する発電用内燃機関である。つまり、内燃機関1は、当該内燃機関1で発生したトルクが駆動輪(図示せず)に伝達されないものである。
An internal combustion engine (engine) 1 is connected to an electric motor 3 via a
内燃機関1のクランクシャフト4の後端には、クランクシャフト4のクランク角を検出するクランク角センサ5が取り付けられている。
A
電動機3の回転軸(電動機回転軸)6は、前端がダンパー2に連結されている。電動機回転軸6の後端には、電動機回転軸6の回転角を検出するレゾルバ7が取り付けられている。
A rotation shaft (motor rotation shaft) 6 of the electric motor 3 is connected to the
クランク角センサ5及びレゾルバ7の検出信号は、コントロールユニット8に入力されている。
Detection signals from the
コントロールユニット8は、CPU、ROM、RAM及び入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、各種センサ類の検出信号に基づいて、内燃機関1及び電動機3を制御する。
The
電動機3で発電された電力は、例えばバッテリ9に充電される。電動機3は、バッテリ9からの電力供給を受けて駆動することも可能である。バッテリ9は、ハイブリッド車両の駆動輪を駆動する駆動用モータ(図示せず)に電力を供給する。バッテリ9の充電容量に対する充電残量の比率であるバッテリSOCは、コントロールユニット8により検出可能となっている。
The electric power generated by the electric motor 3 is charged into a
コントロールユニット8は、クランク角センサ5の検出信号に基づいて、クランクシャフト4の回転数(機関回転数)を算出可能である。また、コントロールユニット8は、レゾルバ7の検出信号に基づいて、電動機回転軸6の回転数(電動機回転数)を算出可能である。
The
コントロールユニット8は、クランク角センサ5とレゾルバ7を用いて、クランクシャフト4と電動機回転軸6との角度位相差から停止している内燃機関1を起動(始動)させるのに必要な起動トルクを推定する。つまり、コントロールユニット8は、起動トルク推定部である。また、コントロールユニット8には、外気温度を検出する外気温度センサ10からの検出信号が入力されている。
The
図2は、クランクシャフト4及び電動機回転軸6の回転角度と、トルクとの相関関係を模式的に示した説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the correlation between the rotation angles of the crankshaft 4 and the
クランクシャフト4は、電動機3からトルク(回転)を付与する場合、ダンパー2のダンパー特性に応じて、電動機3がある程度回転してからトルク(回転)が伝達される。すなわち、クランクシャフト4は、電動機3からトルク(回転)を付与する場合、ダンパー2の捩り角度がダンパー特性に応じた所定の角度捩られるまではトルク(回転)が伝達されない。
内燃機関1の起動トルクは、クランクシャフト4が回転し始めるときのトルクであり、クランクシャフト4と電動機回転軸6との角度位相差を利用して精度良く推定することが可能となる。
When applying torque (rotation) from the electric motor 3 to the crankshaft 4, the torque (rotation) is transmitted after the electric motor 3 has rotated to some extent depending on the damper characteristics of the
The starting torque of the
図3は、外気温度と電動機3に発生するトルクの演算値のばらつきとの関係を模式的に示した説明図である。 FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the outside temperature and the variation in the calculated value of the torque generated in the electric motor 3. As shown in FIG.
電動機3に発生するトルクの演算値は、図3に示すように、組み付け時の外気温度である所定の常温域(例えば20℃±5℃)での精度は高いが、外気温度の変化による機械的なクリアランスや、磁気、電気的な特性が影響して、低温時や高温時に精度が低くなる(ばらつきが大きくなる)。
すなわち、電動機3は、温度によるクリアランスの変化や磁石、電動機3の性能変化がない組み付け状態と略等価な常温域においてトルクの演算値の精度が高くなる(ばらつきが小さくなる)。
As shown in Fig. 3, the calculated value of the torque generated in the electric motor 3 is highly accurate in a predetermined normal temperature range (for example, 20°C ± 5°C), which is the outside temperature at the time of assembly, but the mechanical Accuracy decreases (variation increases) at low or high temperatures due to the influence of mechanical clearance, magnetic, and electrical characteristics.
That is, in the electric motor 3, the accuracy of the torque calculation value becomes high (variation becomes small) in a normal temperature range that is approximately equivalent to the assembled state in which there is no change in clearance due to temperature or change in the performance of the magnet or the electric motor 3.
そこで、内燃機関1の周囲の温度が所定の常温域にある時に、電動機3に発生するトルクとダンパー2の捩り角度との関係性からダンパー2のダンパー特性におけるばね定数を学習する。学習されたダンパー2のばね定数は、例えば、コントロールユニット8のRAM等に記憶される。
これにより、電動機3のトルク精度の良い状態で電動機3のトルクとダンパー2の捩り角度との関係性からダンバーのダンパー特性におけるばね定数を学習することができ、内燃機関1の起動トルクを精度良く推定することが可能となる。
また、所定の常温域において、電動機3のトルクの演算値とダンパー2のダンパー特性におけるばね定数との関係性を学習することで、常に電動機3のトルクとダンパー2のダンパー特性におけるばね定数との関係性を把握可能となり、システムの構成部品が経時劣化してきても精度良く内燃機関1の起動トルクを推定できる。
Therefore, the spring constant in the damper characteristics of the
As a result, the spring constant of the damper characteristics of the damper can be learned from the relationship between the torque of the electric motor 3 and the torsion angle of the
In addition, by learning the relationship between the calculated value of the torque of the electric motor 3 and the spring constant of the damper characteristics of the
ダンパー2のダンパー性能は、ダンパー2のばね定数と摩擦抵抗を用いて数値モデル化が可能である。
The damper performance of the
内燃機関1が停止している状態であれば、電動機3に内燃機関1のフリクション以下で互いに異なる値のトルクを複数回(例えば2回)発生させることで、ダンパー2のばね定数を検出し学習することができる。
When the
電動機3に内燃機関1のフリクション以下のトルクを発生させた場合、内燃機関1が停止していれば、電動機回転軸6の回転角度はダンパー2のばね定数に応じた回転角度となる。
When the electric motor 3 generates a torque that is less than the friction of the
従って、図4に示すように、電動機3に発生させたトルクと電動機3にトルクを発生させたときの電動機回転軸6の回転角度との関係性から、直線近似によりダンパー2のばね定数を検出することができる。
Therefore, as shown in FIG. 4, the spring constant of the
図4は、ダンパー2が電動機3または内燃機関1により回転軸が捻られた角度とバネ特性によりわかるトルクの関係性を表したダンパーバネ特性を表した説明図である。電動機回転軸6の回転角度は、レゾルバ7の検出信号を用いて検出可能である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the damper spring characteristics showing the relationship between the angle at which the rotary shaft of the
図4中の点A、点Bは、電動機3に発生させたトルクとそのときの電動機回転軸6の回転角度を示すものである。図4中の特性線Sは、点A、点Bを通る直線であり、その傾きがダンパー2のばね定数を表している。
Points A and B in FIG. 4 indicate the torque generated in the electric motor 3 and the rotation angle of the electric
内燃機関1が運転している状態であれば、内燃機関1が一定回転速度で運転中に電動機3の力行運転を開始する過渡時において、レゾルバ7の検出信号とクランク角センサ5の検出信号との位相差と、電動機3に発生させる駆動トルク(過渡時における電動機3の駆動トルクの変化量)と、を用いることで、ダンパー2のばね定数を検出し学習することができる。
If the
ダンパー2の摩擦抵抗は、例えば、予め実験等で求めた値をコントロールユニット8のROM等に記憶させて利用すればよい。
As for the frictional resistance of the
また、電動機3のトルクの演算値は、環境温度(外気温度)が常温域から変化すると精度が低くなる(ばらつきが大きくなる)。 Further, the accuracy of the calculated value of the torque of the electric motor 3 decreases (dispersion increases) when the environmental temperature (outside temperature) changes from the normal temperature range.
そこで、ダンパー2のダンパー特性におけるばね定数を用いて、電動機3のトルクを補正する。つまり、ダンパー2のダンパー特性におけるばね定数を基に内燃機関1の起動トルクを算出する。
Therefore, the torque of the electric motor 3 is corrected using the spring constant in the damper characteristics of the
これにより、電動機3のトルク精度を向上させること可能となり、内燃機関1の始動時(起動時)に電動機3に必要以上のトルクを発生させてしまうことを抑制でき、消費電力を低減することができる。 As a result, it is possible to improve the torque accuracy of the electric motor 3, and it is possible to prevent the electric motor 3 from generating more torque than necessary when starting the internal combustion engine 1 (startup), thereby reducing power consumption. can.
ダンパー2のダンパー特性におけるばね定数は、温度に応じて補正するようにしてもよい。これによって、内燃機関1の起動トルクを一層精度良く推定することが可能となる。
The spring constant in the damper characteristics of the
また、内燃機関1の起動トルクを精度良く推定することができれば、この起動トルクを発生させるために電動機3に必要な電力がわかる。つまり、内燃機関1の始動時、電動機3に電力を供給可能なバッテリ9に要求されるバッテリSOCを精度良く推定できる。
図5は、バッテリ9の出力(output power)とバッテリSOCの相関関係を模式的に示した説明図である。
Furthermore, if the starting torque of the
FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the correlation between the output power of the
バッテリ9の出力は、バッテリSOCが低下すると低下し、バッテリSOCが同じでも温度が低下すると低下する。
The output of the
図5中に破線で示す補助線S1、S2は、内燃機関1の起動トルクのばらつき幅を模式的に示したものである。
Auxiliary lines S1 and S2 shown as broken lines in FIG. 5 schematically show the range of variation in the starting torque of the
例えば、バッテリSOCの下限値は、極低温時(例えば-30℃)の環境下での内燃機関1の始動性を考慮して、内燃機関1の起動トルクがばらつき下限であっても始動できるように設定される(補助線S1参照)。
しかしながら、バッテリSOCの下限値は、内燃機関1の起動トルクを精度良く推定できれば、内燃機関1の起動トルクのばらつきを考慮することなく設定できる。
例えば、内燃機関1の始動性は、内燃機関1の起動トルクがばらつき範囲の中央値であるならその分だけバッテリ9のバッテリSOCの下限値を低く設定しても担保される(補助線S2を参照)。
つまり、バッテリ9の使用範囲は、図5に示すように、内燃機関1の起動トルクを精度良く推定できれば、極低温時の環境下での内燃機関1の始動性を確保しつつ、拡大することができる。
For example, the lower limit value of the battery SOC is set so that the
However, the lower limit value of the battery SOC can be set without considering variations in the starting torque of the
For example, if the starting torque of the
In other words, as shown in FIG. 5, if the starting torque of the
極低温時における内燃機関1の起動トルクがどのような値になるかは、外気温度と内燃機関1の起動トルクとの関係性を記憶して予め予測する必要がある。
The value of the starting torque of the
そこで、コントロールユニット8は、外気温度と内燃機関1の起動トルクの下限値との相関関係を表す基準特性線と内燃機関1の起動トルクとを比較して両者の関係性を記憶しておき、極低温時における内燃機関1の起動トルクを予測できるように準備する。
具体的には、コントロールユニット8は、クランクシャフト4と電動機3の回転軸との回転位相差を活用して推定した内燃機関1の起動トルクと基準特性線から求まる内燃機関1の起動トルクとを比較し、小さい方をそのときの温度における内燃機関1の起動トルクとして記憶する。
さらに、コントロールユニット8は、実際の内燃機関1の起動トルクが基準特性線からどの程度ずれているのか両者の差分を外気温度毎に記憶して、極低温時における内燃機関1の起動トルクが基準特性線からどの程度ずれるのか予測する。 そして、予測された極低温時における内燃機関1の起動トルクに基づいて、バッテリ9のバッテリSOC下限値を設定する。
なお、基準特性線は、例えば予想される各種ばらつきの最大値を積み上げて設定されたものであり、予めコントロールユニット8のROM等に記憶させたものである。
Therefore, the
Specifically, the
Furthermore, the
Note that the reference characteristic line is set by accumulating, for example, the maximum values of various expected variations, and is stored in advance in the ROM of the
図6は、起動トルクと外気温度の相関関係を示す説明図である。図6中の実線は、上述した基準特性線を示している。図6中の破線は、クランクシャフト4と電動機3の回転軸との回転位相差を活用して推定した内燃機関1の起動トルクから推定される起動トルク特性線である。図6中の●は、クランクシャフト4と電動機3の回転軸との回転位相差を活用して推定した内燃機関1の起動トルクをプロットしたものである。図6中の○は、クランクシャフト4と電動機3の回転軸との回転位相差を活用して推定した内燃機関1の起動トルクから推定される低温時の予想起動トルクである。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the correlation between starting torque and outside temperature. The solid line in FIG. 6 indicates the reference characteristic line mentioned above. The broken line in FIG. 6 is a starting torque characteristic line estimated from the starting torque of the
電動機3に電力を供給するバッテリ9は、内燃機関1の起動トルクを精度良く推定できれば、起動トルクのばらつきマージンを考慮する必要がなくなり、使用可能なバッテリSOCの範囲(バッテリ9の使用可能領域)が拡大可能となる。 クランクシャフト4と電動機回転軸6との回転位相差を活用して推定した内燃機関1の起動トルクが基準特性線から求まる起動トルクよりも小さい場合には、内燃機関1の始動性を確保しつつ、バッテリSOCの下限値を拡大することが可能となり、EV走行シーンを拡大(EV走行時間を延長)することができる。
If the starting torque of the
そのため、内燃機関1が搭載されたハイブリッド車両は、バッテリ9の使用可能領域の拡大に伴い、EV走行による走行距離(航続距離)を長くすることやバッテリ9を小型化することが可能となり、コストや重量を低減できる。
Therefore, in a hybrid vehicle equipped with the
また、内燃機関1は、起動トルクが精度よく推定できることで、始動時(起動時)における燃料噴射量や吸入空気量を最適化でき、排気性能が改善(排気がクリーン化)される。また、内燃機関1は、排気性能の改善により、排気浄化用に排気通路に設けられる触媒のコスト低減が可能となる。
さらに、同一外気温度における内燃機関1の起動トルクの経時変化を整理すれば、潤滑油の劣化度合いを推定可能である。また、同一外気温度における内燃機関1の起動トルクが経時的に急激に変化した場合には、何らかの故障や不具合が発生した推定可能である。
なお、基準特性線が予想される各種ばらつきの最大値を積み上げて設定されたものである場合には、クランクシャフト4と電動機3の回転軸との回転位相差を活用して推定した内燃機関1の起動トルクが基準特性線から求まる起動トルクよりも大きければ何らかの故障があると判定できる。
Furthermore, since the starting torque of the
Furthermore, by examining the change over time in the starting torque of the
In addition, if the reference characteristic line is set by accumulating the maximum values of various expected variations, the
図7は、上述した内燃機関1の制御の流れの一例を示すフローチャートである。
ステップS1では、内燃機関1を始動する否かを判定する。所定の始動条件が成立して内燃機関1を始動する場合には、ステップS2へ進む。
FIG. 7 is a flowchart showing an example of the flow of control of the
In step S1, it is determined whether or not to start the
ステップS2では、ダンパー2のばね定数を読み込む。ステップS3では外気温度に応じてダンパー2のばね定数を補正する。ステップS4では、内燃機関1の起動トルクを推定する。ステップS5では、推定された内燃機関1の起動トルクに基づいて内燃機関1の始動条件を設定する。内燃機関1の始動条件は、電動機3のトルクや、内燃機関1の吸入空気量等である。
In step S2, the spring constant of the
ステップS6では、ステップS5の始動条件にて内燃機関1が始動したか否かを判定する。内燃機関1が始動した場合には、ステップS7へ進み、内燃機関1を通常運転する。内燃機関1がしない場合には、ステップS8へ進む。
In step S6, it is determined whether the
ステップS8では、内燃機関始動不可回数が予め設定された所定値(所定回数、例えば3回)を超えたか否かを判定する。内燃機関始動不可回数が所定値を超えた場合にはステップS9へ進む。内燃始動不可回数が所定値を超えていない場合にはステップS10へ進む。 In step S8, it is determined whether the number of times the internal combustion engine cannot be started has exceeded a predetermined value (a predetermined number of times, for example, three times). If the number of times the internal combustion engine cannot be started exceeds a predetermined value, the process advances to step S9. If the number of internal combustion start failures does not exceed the predetermined value, the process advances to step S10.
ステップS9では、内燃機関1の始動ができない状態であると判定(故障検出)する。故障検出した場合には、警告灯を点灯させて運転者に告知するようにしてもよい。
In step S9, it is determined that the
ステップS10では、内燃機関始動不可回数をカウントするとともに、内燃機関1の起動トルクの前回値に、予め設定された所定値(所定トルク補正量)を加算したものを新たな起動トルクとして、ステップS5へ戻る。
In step S10, the number of times the internal combustion engine cannot be started is counted, and the previous value of the starting torque of the
1…内燃機関
2…ダンパー
3…電動機
4…クランクシャフト
5…クランク角センサ
6…電動機回転軸
7…レゾルバ
8…コントロールユニット
1...
Claims (6)
上記電動機の回転軸に取り付けられたレゾルバの検出信号と、
上記クランクシャフトに取り付けられたクランク角センサの検出信号と、を用い、
上記電動機から上記クランクシャフトに回転を付与する場合に上記電動機の回転軸が回転し始めてから上記クランクシャフトが回転し始めるまでの回転位相差が上記ダンパー特性に応じて生じることを利用して、回転が停止している上記クランクシャフトを上記電動機で回転させた際に、上記クランクシャフトが回転し始めるときのトルクである内燃機関の起動トルクを上記クランクシャフトと上記電動機の回転軸との回転位相差を活用して推定し、
内燃機関の周囲の温度が所定の常温域にある時に、上記電動機に発生するトルクと上記ダンパーの捩り角度との関係性から上記ダンパーのダンパー特性におけるばね定数を学習することを特徴とする内燃機関の起動トルク推定方法。 damper characteristics of a damper that connects the front end of the rotating shaft of the electric motor and the rear end of the crankshaft of the internal combustion engine;
A detection signal of a resolver attached to the rotating shaft of the electric motor,
Using the detection signal of the crank angle sensor attached to the crankshaft,
When applying rotation to the crankshaft from the electric motor, the rotation phase difference between the rotation shaft of the electric motor starts to rotate and the crankshaft starts to rotate is generated depending on the damper characteristics. When the crankshaft is stopped and is rotated by the electric motor, the starting torque of the internal combustion engine, which is the torque when the crankshaft starts rotating, is determined by the rotational phase difference between the crankshaft and the rotating shaft of the electric motor. Estimate using
An internal combustion engine characterized in that a spring constant in a damper characteristic of the damper is learned from the relationship between the torque generated in the electric motor and the torsion angle of the damper when the temperature around the internal combustion engine is in a predetermined normal temperature range. starting torque estimation method.
上記クランクシャフトと上記電動機の回転軸との回転位相差を活用して推定した内燃機関の起動トルクと上記基準特性線から求まる内燃機関の起動トルクとを比較し、小さい方をそのときの温度における内燃機関の起動トルクとする請求項1~3のいずれかに記載の内燃機関の起動トルク推定方法。 It has a reference characteristic line that expresses the correlation between the outside temperature and the starting torque of the internal combustion engine,
The starting torque of the internal combustion engine estimated by utilizing the rotational phase difference between the crankshaft and the rotating shaft of the electric motor is compared with the starting torque of the internal combustion engine determined from the above reference characteristic line, and the smaller one is selected based on the temperature at that time. The method for estimating starting torque of an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3 , wherein the starting torque is the starting torque of the internal combustion engine.
上記電動機に取り付けられたレゾルバと、
上記クランクシャフトに取り付けられたクランク角センサと、
上記クランクシャフトと上記電動機の回転軸との回転位相差を活用して内燃機関の起動トルクを推定する起動トルク推定部と、を有し、
上記起動トルク推定部は、上記電動機から上記クランクシャフトに回転を付与する場合に上記電動機の回転軸が回転し始めてから上記クランクシャフトが回転し始めるまでの回転位相差が上記ダンパーのダンパー特性に応じて生じることを利用して、回転が停止している上記クランクシャフトを上記電動機で回転させた際に、上記クランクシャフトが回転し始めるときのトルクである内燃機関の起動トルクを推定し、内燃機関の周囲の温度が所定の常温域にある時に、上記電動機に発生するトルクと上記ダンパーの捩り角度との関係性から上記ダンパーのダンパー特性におけるばね定数を学習することを特徴とする内燃機関の起動トルク推定装置。 an electric motor connected to a crankshaft of an internal combustion engine via a damper;
a resolver attached to the electric motor;
a crank angle sensor attached to the crankshaft;
a starting torque estimation unit that estimates the starting torque of the internal combustion engine by utilizing a rotational phase difference between the crankshaft and the rotating shaft of the electric motor ;
The starting torque estimating unit is configured to calculate a rotational phase difference between when a rotating shaft of the electric motor starts to rotate and when the crankshaft starts to rotate when applying rotation from the electric motor to the crankshaft according to a damper characteristic of the damper. When the crankshaft, which has stopped rotating, is rotated by the electric motor, the starting torque of the internal combustion engine, which is the torque when the crankshaft starts rotating, is estimated, and the internal combustion engine Starting an internal combustion engine, characterized in that a spring constant in a damper characteristic of the damper is learned from the relationship between the torque generated in the electric motor and the torsion angle of the damper when the surrounding temperature is in a predetermined normal temperature range. Torque estimation device.
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