JP2012127331A - エンジン制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】量産公差範囲内でのリラクタ寸法のバラツキによるエンジン負荷の検出精度の低下を防止する。
【解決手段】エンジン制御装置は、リラクタ４を検出してクランクパルスを出力するパルス発生器ＰＣを有する。角速度算出部４１１は圧縮上死点ＴＤＣ近傍の所定区間で出力される２つのクランクパルスの間隔に基づいて第１クランク角速度ω１０を算出するとともに、オーバラップトップ上死点ＯＬＰ近傍で第１クランク角速度ω１０を算出したのと同じリラクタ４を検出して発生される２つのクランクパルスの間隔に基づいて第２クランク角速度ω２０を算出する。エンジン負荷推定部４１２は、第２クランク角速度ω２０に対する第１クランク角速度ω１０の差分Δω_３６０をエンジン負荷として算出する。エンジン負荷は、エンジン５による負の仕事を含めた１サイクル全体の図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴである。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン制御装置に係り、特に、クランクシャフトの角速度の検出精度を向上させてエンジン負荷を精度良く推定するのに好適なエンジン制御装置に関する。

気筒において燃焼が行われると、燃焼圧によってクランク軸の角速度は第１の角速度ωａから第２の角速度ωｂへと上昇する。したがって、エンジンの回転慣性モーメントをＩとしたとき、運動エネルギＥは、（１／２）・Ｉωａ^２から（１／２）・Ｉωｂ^２へと上昇する。すなわち、この運動エネルギの上昇量ΔＥ＝（１／２）・Ｉ・（ωｂ^２−ωａ^２）によってトルクが発生するので、発生トルクは（ωｂ^２−ωａ^２）に比例することになる。

このように、発生トルクは第１の角速度ωａの二乗と第２の角速度ωｂの二乗との差から求まるので、例えば、特許文献１に記載されているエンジンの制御方法では、第１の角速度ωａの二乗と第２の角速度ωｂの二乗との差から求まる発生トルクに基づいてトルク変動量を算出している。

特公平７−３３８０９号公報

特許文献１に記載された制御方法では、クランク軸が圧縮上死点後３０°から６０°まで回転するのに要する時間に基づいてこの間におけるクランク軸の第１の角速度を求め、クランク軸が圧縮上死点後９０°から１２０°まで回転する時間に基づいてこの間におけるクランク軸の第２の角速度を求めている。ここで、クランク軸の位置すなわちクランク角度は、クランク軸の回転に同期して回転するロータの周囲に所定間隔で設けられる複数のリラクタをピックアップセンサで検出して求めている。したがって、従来方法では、第１の角速度と第２の角速度は、互いに異なるクランク角度に対応するリラクタによって検出している。

しかし、リラクタの幅や配置間隔（リラクタ寸法）は、量産公差範囲でバラツキを伴っているため、このバラツキによって発生トルクの推定精度が低下するという課題があった。

本発明の目的は、リラクタ寸法のバラツキの影響を排除してエンジン負荷の推定精度を向上させることができるエンジン制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、エンジンのクランク軸に同期して回転するクランクパルサロータに設けられるリラクタを検出してクランクパルスを出力するパルス発生器を有するエンジン制御装置において、エンジンの圧縮上死点近傍の所定区間で出力される２つのクランクパルスの間隔に基づいて第１クランク角速度を算出するとともに、オーバラップトップ上死点近傍で前記第１クランク角速度を算出したのと同じリラクタを検出して前記パルス発生器から出力される２つのクランクパルスの間隔に基づいて第２クランク角速度を算出する角速度算出手段と、前記第２クランク角速度に対する前記第１クランク角速度の差分からエンジン負荷を推定するエンジン負荷推定手段を推定するエンジン負荷推定手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、圧縮上死点およびオーバラップトップ上死点の直前位置で出力されるようにリラクタとクランク軸との関係が設定されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、圧縮上死点およびオーバラップトップ上死点をそれぞれ跨いだ位置で出力されるようにリラクタとクランク軸との関係が設定されている点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、クランクパルサロータに設けられる単一のリラクタの前端および後端をそれぞれ検出したときに出力されるものである点に第４の特徴がある。

また、本発明は、前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、クランクパルサロータに設けられる複数のリラクタのうち、所定の２つをそれぞれ検出したときに出力されるものである点に第５の特徴がある。

また、本発明は、前記エンジン負荷推定手段は、エンジンによる負の仕事であるポンプ損失を含めたエンジンの１サイクル全体の図示平均有効圧力によってエンジン負荷を推定する点に第６の特徴がある

第１〜６の特徴を有する本発明によれば、クランク角速度変化量を算出するために１サイクルの２箇所でのクランク角速度の増分を算出する場合、１箇所（圧縮上死点近傍）でクランク角速度を検出するのに使用するリラクタを、他の１箇所（オーバラップトップ上死点近傍）でクランク角速度を検出するためにも使用するようにしたので、リラクタの量産公差範囲における加工精度のバラツキによるエンジン負荷の推定精度の低下を防止することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置のシステム構成を示すブロック図である。 複数のリラクタを有するクランクパルサロータの一例を示す正面図である。 １サイクルにおけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートである。 単一のリラクタに関するクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。 複数のリラクタに関するクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。 単一のリラクタに関するクランクパルスが、圧縮上死点とオーバラップトップ上死点を跨ぐ位置で出力されるように設定した例におけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。 空燃比をパラメータとしたクランク角速度変化量と１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係の実験結果を示す図である。 エンジン潤滑油温度をパラメータとしたクランク角速度変化量と１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係の実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン制御装置のシステム構成を示すブロック図である。

図１を参照して、４サイクル単気筒エンジン５のシリンダ１０の上部には、シリンダヘッド８が取り付けられる。エンジン５は、可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）機構を有することができる。ＶＶＴ機構は、ＥＣＵ５０の駆動指令に基づいて図示しない制御モータを動かし、これにより、吸気バルブＩＶおよび排気バルブＥＶのバルブタイミングを変更する。バルブタイミングの変更に伴って、バルブリフト量も変化する。ＶＶＴ機構によるバルブタイミングの可変状態は、制御モータの回転角等を検知するセンサ１９によってＥＣＵ５０に伝達される。

エンジン５のクランク軸１にはクランクパルサロータ２が取り付けられる。クランクパルサロータ２は、クランク軸１と同期回転するロータ３、および該ロータ３から外周方向に突出したリラクタ４からなる。リラクタ４は、ロータ３の周方向において所定の角度範囲に亘る幅Ｂ（例えば、３０°）を有している。ロータ３の外周に対向させて磁気ピックアップ式のパルス発生器ＰＣが設けられる。パルス発生器ＰＣはリラクタ４がある位置ではオン信号を出力し、リラクタ４がない位置ではオフ信号を出力する。つまり、リラクタ４の回転方向前端がパルス発生器ＰＣのオン信号によって検知され、後端がオフ信号によって検知される。検知信号つまりクランクパルスはＥＣＵ５０に入力される。クランクパルサロータ２は、リラクタ４が上死点近傍に位置するようにクランク軸１に位置決めして取り付けられる。

なお、クランクパルサロータ２として、複数のリラクタを有するものを用いることもできる。図２は複数のリラクタを有するクランクパルサロータの正面図である。図２において、クランク軸１と同期回転するクランクパルサロータ２ａが取り付けられる。ロータ３ａの外周には、複数のリラクタ４ａが、１箇所の歯欠け部（リラクタ４ａが無い部分）Ｈを除いて等間隔（例えば３０°間隔）で配置される。パルス発生器ＰＣはリラクタ４ａの前端および後端の検知信号をＥＣＵ５０に入力する。なお、クランクパルサロータ２ａを使用する場合は、パルス発生器ＰＣで検知される前端および後端に対応して出力されるクランクパルスの一方のみを使用するので、リラクタ４ａの幅Ｂ１は図１に示したリラクタ４の幅Ｂと比べて小さくてよい。

図１に戻って、吸気管１１の一端部には、吸気を濾過するエアクリーナボックス１６が取り付けられる。エアクリーナボックス１６の内部には、吸気温度センサ１７および大気圧センサ１８が設けられる。また、吸気管１１には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１５、スロットルバルブ１３の回転角度を検知するスロットルバルブ開度センサ１４、吸気圧力を検知する吸気圧センサ２０が取り付けられる。燃焼室の上部には点火装置９が設けられ、スロットルバルブ１３の下流側の吸気管１１には燃料噴射弁１２が配設される。排気管６には、酸素濃度センサ７が取り付けられる。

ＥＣＵ５０は、回転変動制御部４１を備える。回転変動制御部４１は、入力される前記パルス発生器ＰＣの検知信号がオンとなっている時間の長さに基づいて、エンジン５の圧縮上死点における第１クランク角速度ω１０と圧縮上死点からクランク軸１が３６０°回転（つまり１回転）した位置、すなわちオーバラップトップ上死点における第２クランク角速度ω２０を算出する角速度算出部４１１を有する。さらに、回転変動制御部４１は、第１クランク角速度ω１０と第２クランク角速度ω２０との差つまりクランク角速度変動量Δω_３６０を算出し、エンジン負荷を推定するエンジン負荷推定部４１２を有する。点火時期制御部３９は点火時期指示部４１３から入力された点火時期の指示に従って、予め決定された点火時期で点火装置９に点火信号を供給する。

これら回転変動制御部４１および点火時期制御部３９は、マイクロコンピュータのプログラムによって実現でき、ＥＣＵ５０は、そのプログラムを実行するマイクロコンピュータを有する。このように、ＥＣＵ５０はクランク角速度変動量Δω_３６０に基づいて点火時期を制御し、エンジンの回転変動を抑制する制御を行う機能を有する。

次に、クランク角速度の変動について図３を参照して説明する。図３は、１サイクルにおけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートである。

図３において、クランク軸１の角速度ωは、クランク軸の変動トルクに起因して、平均回転速度Ｎｅを中心にエンジンの１サイクルすなわち圧縮、膨張、排気、および吸気の４行程によって周期的に変動する。最小角速度ω０は圧縮上死点ＴＤＣ近傍で現れ、最大角速度ω１は膨張行程の終了時つまり排気上死点ＢＤＣ近傍（クランク角１５０〜１８０°）で現れる。

具体的には、圧縮行程では、シリンダ内圧の上昇による圧縮抵抗に起因してクランク角速度ωの減少が生じる。一方、膨張行程では、燃焼によるシリンダ内圧の上昇によってクランク回転エネルギが発生し、これに起因してクランク角速度ωは増加に転ずる。圧縮行程で最小値ω０まで低減したクランク角速度ωは、膨張行程の終了間際に最大クランク角速度ω１に到達する。その後、エンジン内の機械的な摩擦抵抗、排気行程における既燃ガスの排出抵抗、吸気行程における吸入抵抗等のポンプ仕事によりクランク角速度ωは低下を続けて、再び吸気行程・圧縮行程に至る。

このようなクランク角速度ωの変動によれば、圧縮上死点ＴＤＣの近傍で検知される最小クランク角速度ω０は、平均エンジン回転速度Ｎｅより小さくなる。一方、膨張行程終了間際（燃焼下死点ＢＤＣ）で検知される最大クランク角速度ω１は、平均エンジン回転速度Ｎｅより大きくなる。最小クランク角速度ω０と最大クランク角速度ω１との差Δωは、次に述べるように、エンジン５に対する負荷を代表する。

膨張行程における回転エネルギの上昇量ΔＥは次式１で求められる。
ΔＥ＝１／２×Ｉｅ×（ω１^２−ω０^２）……式１。
ここで、Ｉｅはクランク軸系慣性モーメントである。

このエネルギ上昇量ΔＥはエンジンの燃焼による仕事であるから、次式２でも求められる。
ΔＥ＝ＩＭＥＰ×Ｖｓ……式２。
ここで、ＩＭＥＰは図示平均有効圧力、Ｖｓはエンジンの排気量である。

また、式１の右辺は次式３に変換できる。
１／２×（ω１^２−ω０^２）＝（ω１−ω０）×１／２×（ω１＋ω０）……式３。

膨張行程区間のクランク角速度の変化量Δωは、
Δω＝（ω１−ω０）で定義する。また、式３の右辺はサイクル平均の角速度ω、すなわち回転速度Ｎｅとおおむね一致するので、次式４で近似できる。
１／２×（ω１＋ω０）＝Ｎｅ……式４。

式１〜式４より、クランク角速度の変化量Δωは、次式５で示される。
Δω＝（ＩＭＥＰ×Ｖｓ）／（Ｉｅ×Ｎｅ）……式５。
すなわち、クランク角速度の変化量Δωは図示平均有効圧力ＩＭＥＰおよび排気量Ｖｓに比例し、エンジンの回転速度Ｎｅとクランク軸系慣性モーメントに反比例する。

このように、エンジンの負荷を代表するもの、例えば図示平均有効圧力ＩＭＥＰはクランク角速度の変化量Δωと相関性があるため、エンジン負荷の推定にクランク角速度の変化量Δωを用いることができるが、リラクタの加工精度やパルス発生器ＰＣの取り付け精度など、実機の計測におけるさまざまなバラツキ要素がある。そこで、このバラツキ要素の影響を排除するため、同一リラクタを用いてクランク角速度の変化量Δωを求める。

すなわち、最小クランク角速度ω０は圧縮上死点ＴＤＣ近傍で検出した第１クランク角速度ω１０で代える一方、最大クランク角速度ω１は、圧縮上死点ＴＤＣからクランク軸が３６０°回転した位置であるオーバラップトップ上死点ＯＬＰ近傍で検出した第２クランク角速度ω２０で代える。これによって、クランク角速度の変化量Δωを、第１クランク角速度ω１０から第２クランク角速度ω２０への増分、つまり膨張行程および排気行程に亘るクランク角３６０°でのクランク角速度変化量Δω_３６０で定義する。

図４は単一のリラクタ４を有するクランクパルスロータ２のクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。クランク角速度ωは膨張行程の開始位置つまり圧縮上死点ＴＤＣ近傍で最小値ω０となり、膨張行程の終了間際（おおよそＴＤＣから１５０°の位置）で最大値ω１となる。そして、クランク角速度ωは排気行程で徐々に低減し、さらに吸気行程に入った直後に急激に低減する。その後、圧縮行程の中間部までクランク角速度ωはエンジンの平均回転速度より低い値でほぼ維持され、圧縮行程の後半から最小値ω０に向かって低減する。

図４に示した例では、リラクタ４の前端および後端を検知してパルス発生器ＰＣから出力されるクランクパルスのうち、後端に対応するクランクパルスが、圧縮上死点ＴＤＣの直前（例えば、１０°手前）に対応するようにクランクパルスロータ２の位置を設定してある。したがって、クランクパルスは、圧縮上死点ＴＤＣの直前で発生され、エンジンの１回転後つまりオーバラップトップ上死点ＯＬＰの直前でも発生されることになる。そして、各位置でのクランクパルスの幅をその位置でのクランク角速度ωつまり第１クランク角速度ω１０および第２のクランク角速度ω２０として検出し、これらの増分Δω_３６０がクランク角度変化量として算出される。

一方、図４には、１枚のリラクタ４に対応するクランクパルスと併せて、図２に示した複数のリラクタ４ａを有するクランクパルスロータ２ａのクランクパルスを使用した従来のクランク角速度検出位置を示す。従来は、クランクパルスロータ２ａを用いて、圧縮上死点ＴＤＣをまたぐ２つのクランクパルスと圧縮上死点ＴＤＣから１５０°の位置における２つのクランクパルスに基づいて最小クランク角速度ω０と最大クランク角速度ω１とによりクランク角速度変化量Δωを求めている。すなわち、それぞれ異なるリラクタによるクランクパルスを使用している。

図５は複数のリラクタ４ａを有するクランクパルスロータ２ａのクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートである。図５において、複数のリラクタ４ａのうち、圧縮上死点ＴＤＣの直前およびオーバラップトップ上死点ＯＬＴ直前の位置で得られる２つのリラクタ４ａからのクランクパルスをそれぞれ用いて、第１クランク速度ω１０および第２クランク角速度ω２０を求める。

この例では、複数のリラクタ４ａのうち２つを、第１クランク角速度ω１０および第２クランク角速度ω２０の検出に共通に使用するので、単一のリラクタ４を有するクランクパルスロータ２を用いる場合と同様、量産公差範囲内の寸法バラツキの影響を排除できる。

なお、圧縮上死点ＴＤＣの近傍やオーバラップトップ上死点ＯＬＴの近傍でクランク角速度ω１０、ω２０を求める場合、２つのクランクパルスが圧縮上死点ＴＤＣやオーバラップトップ上死点ＯＬＴを跨ぐようにクランクパルスロータ２ａの位置を設定しても良い。

図６は、１サイクルにおけるクランクパルスとクランク角速度ωの変動との関係を示すタイムチャートであり、２つのクランクパルスが圧縮上死点ＴＤＣやオーバラップトップ上死点ＯＬＴを跨ぐようにクランクパルスロータ２の位置を設定した例を示す図である。図６に示した例では、第１クランク角速度ω１０は最小クランク角速度ω０とほぼ同一値である。

なお、排気行程から吸気行程に移行した直後のクランク角速度ωの急激な低下を考慮すれば、圧縮上死点ＴＤＣの直後よりも直前やオーバラップトップ上死点ＯＬＴの直後よりも直前でクランク角速度ωを求めるのが好ましい。

ここで、同一リラクタを用いて算出されるクランク角速度の変化量Δω_３６０の意味について説明する。クランク角速度の変化量Δωは図示平均有効圧力ＩＭＥＰに比例するが、この場合の図示平均有効圧力ＩＭＥＰは、圧縮行程から膨張行程で発生する正の仕事のみを扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_{ＧＲＯＳＳ}である。

本発明者等は、エンジンの１サイクルにおける角速度の変化量Δω_３６０は、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴと相関性があると推測し、実験調査を行った。

図７は、空燃比Ａ／Ｆをパラメータとしたクランク角速度変化量Δω_３６０と、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係の実験結果を示す図である。なお、エンジンは一定速度で回転させた場合である。

図８は、エンジン潤滑油温度をパラメータとしたクランク角速度変化量Δω_３６０と、１サイクル全体の図示仕事を扱う図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係の実験結果を示す図である。なお、エンジンは一定速度で回転させた場合である。

図７、図８に示した実験結果から理解できるように、１サイクルのクランク角速度の変化量Δω_３６０と図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関関係は、空燃比Ａ／Ｆやエンジン潤滑油温度に関わらず、一定であることが確かめられている。このことから、クランク角速度変化量Δω_３６０は吸入空気量の変化やエンジン潤滑温度、すなわちメカニカル損失の変化に影響を受けるものではなく図示平均有効圧力ＩＭＥＰ_ＮＥＴとの相関を有することが確認された。

したがって、第１クランク角速度ω１０と第２クランク角速度ω２０との差分つまりクランク角速度変化量Δω_３６０によってもエンジンにかかる負荷を推定することができる。

１…クランク軸、 ２…クランクパルサロータ、 ３…ロータ、 ２ａ、４ａ…リラクタ、５…エンジン、 ３９…点火時期制御部、 ４１…回転変動制御部、 ５０…ＥＣＵ、 ４１１…角速度算出部、 ４１２…角速度変動量算出部、 ４１３…点火時期指示部、 ＰＣ…パルス発生器

Claims (6)

1. エンジン（５）のクランク軸（１）に同期して回転するクランクパルサロータ（２）に設けられるリラクタ（４、４ａ）を検出してクランクパルスを出力するパルス発生器（ＰＣ）を有するエンジン制御装置において、
   エンジン（５）の圧縮上死点近傍の所定区間で出力される２つのクランクパルスの間隔に基づいて第１クランク角速度（ω１０）を算出するとともに、オーバラップトップ上死点近傍で前記第１クランク角速度（ω１０）を算出したのと同じリラクタ（４、４ａ）を検出して前記パルス発生器（ＰＣ）から出力される２つのクランクパルスの間隔に基づいて第２クランク角速度（ω２０）を算出する角速度算出手段（４１１）と、
   前記第２クランク角速度（ω２０）に対する前記第１クランク角速度（ω１０）の差分（Δω_３６０）からエンジン負荷を推定するエンジン負荷推定手段（４１２）とを具備したことを特徴とするエンジン制御装置。
2. 前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、圧縮上死点およびオーバラップトップ上死点の直前位置で出力されるようにリラクタ（４、４ａ）とクランク軸（１）との関係が設定されていることを特徴とする請求項１記載のエンジン制御装置。
3. 前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、圧縮上死点およびオーバラップトップ上死点をそれぞれ跨いだ位置で出力されるようにリラクタ（４、４ａ）とクランク軸（１）との関係が設定されていることを特徴とする請求項１記載のエンジン制御装置。
4. 前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、クランクパルサロータ（２）に設けられる単一のリラクタ（４）の前端および後端をそれぞれ検出したときに出力されるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンジン制御装置。
5. 前記圧縮上死点近傍およびオーバラップトップ上死点近傍の所定区間でそれぞれ出力される２つのクランクパルスが、クランクパルサロータ（２）に設けられる複数のリラクタ（４ａ）のうち所定の２つをそれぞれ検出したときに出力されるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエンジン制御装置。
6. 前記エンジン負荷推定手段は、エンジン（５）による負の仕事であるポンプ損失を含めたエンジン（５）の１サイクル全体の図示平均有効圧力（ＩＭＥＰ_ＮＥＴ）によってエンジン負荷を推定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエンジン制御装置。

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