JP2004245106A

JP2004245106A - 内燃機関の運動エネルギ予測装置

Info

Publication number: JP2004245106A
Application number: JP2003034580A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Murakami; 佳史村上; Seiichiro Nishikawa; 誠一郎西川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】エンジンの持つ未来の運動エネルギを精度良く予測する。
【解決手段】各ＴＤＣ毎に下記式により運動エネルギＥを算出する（ステップ１０１、１０２）。Ｅ＝Ｊ×２π^２×Ｎ^２
ここで、ＥはＴＤＣにおける運動エネルギ、Ｊはエンジン毎に決まる慣性モーメント、ＮはＴＤＣにおける瞬間のエンジン回転速度である。そして、１行程過去のＴＤＣで算出した運動エネルギＥ（ｉ−１）と現在の運動エネルギＥ（ｉ）との差分から、エンジンの運動を妨げる仕事量Ｗを求める（ステップ１０３）。この後、現在の運動エネルギＥ（ｉ）と仕事量Ｗとの差分から１行程未来のＴＤＣにおける運動エネルギの予測値Ｅ（ｉ＋１）を求め（ステップ１０４）、この運動エネルギの予測値Ｅ（ｉ＋１）を用いて１行程未来のＴＤＣにおけるエンジン回転速度Ｎ（ｉ＋１）を算出する（ステップ１０５）。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の未来の運動エネルギを予測する内燃機関の運動エネルギ予測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において、運転状況に応じた制御を行なうためには、内燃機関のもつ運動エネルギの量を把握することが必要である。従来から運動エネルギを代表する値として、エンジン回転速度が広くエンジン制御に用いられている。例えば、特許文献１（特開平１１−１０７８２３号公報）では、イグニッションスイッチがオフされた瞬間のエンジン運転状態（吸気管圧力、エンジン回転速度）に基づいて、クランク軸が慣性により回転して停止するまでの回転量（ＴＤＣ数）を演算し、イグニッションスイッチがオフされる直前に燃料が噴射された気筒と、前記停止するまでの回転量（ＴＤＣ数）とから、次のエンジン始動時の順次噴射における最初の気筒を推定するようにしている。
【０００３】
また、特許文献２（特開２００１−８２２０４号公報）では、減速時フューエルカット実行中に、通常のフューエルカット復帰回転速度Ｎｅ１よりも所定回転速度ΔＮｅだけ高い回転速度において、電動機（モータ・ジェネレータ等）によりエンジンを駆動できるか否かを判断し、駆動できる場合には、フューエルカット復帰回転速度を低い方の回転速度Ｎｅ２に設定して燃費を向上させ、駆動できない場合には通常のフューエルカット復帰回転速度Ｎｅ１に設定するようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１０７８２３号公報（第２頁等）
【特許文献２】
特開２００１−８２２０４号公報（第１頁等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１では、エンジンが持つ慣性の運動エネルギを予めマッチングして記憶しているにすぎず、停止過程において運動エネルギの変化を予測していないため、エンジンフリクションの変化（例えばエンジンオイルの油温変化による粘度の違い等）によるバラツキにより、クランク軸が慣性により回転して停止するまでの回転量（ＴＤＣ数）の推定を誤る可能性があった。しかも、経時変化等によりマッチングした定数とのずれが生じてしまった場合には、修正する手段が無いという問題もあった。
【０００６】
また、前記特許文献２では、フューエルカット復帰の判定条件として、フューエルカット復帰回転速度を持っているだけで、回転速度の変化量、つまり運動エネルギの変化量を予測していないため、エンジンストールを回避する手段として、フューエルカット復帰回転速度を高めに設定して燃費効果を犠牲にしなければならないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、内燃機関の持つ未来の運動エネルギを精度良く予測することができる内燃機関の運動エネルギ予測装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１の内燃機関の運動エネルギ予測装置は、内燃機関の現在の運動エネルギを運動エネルギ演算手段により演算すると共に、内燃機関の運動を妨げる仕事量を仕事量演算手段により演算し、演算した現在の運動エネルギと仕事量とに基づいて未来の運動エネルギを未来運動エネルギ予測手段により予測するようにしたものである。内燃機関の運動エネルギは、その運動を妨げるように働く仕事量によって消費されるため、内燃機関の現在の運動エネルギと前記運動を妨げる仕事量を算出すれば、未来の運動エネルギを予測することができる。
【０００９】
この場合、請求項２のように、運動エネルギ演算手段は、エンジン回転速度、クランク軸角速度、ピストンの移動速度のうちの少なくとも一つを用いて前記現在の運動エネルギを演算すれば良い。エンジン回転速度、クランク軸角速度、ピストンの移動速度は、いずれも内燃機関の運動エネルギを代表する値であるから、これらから現在の運動エネルギを演算することができる。
【００１０】
また、前記運動を妨げる仕事量は、車両の状態、内燃機関の運転条件により変化するため、請求項３のように、ポンプ損失、各部の摩擦損失、各補機の駆動損失、熱損失、車両駆動系損失、路面との摩擦損失のうちの少なくとも一つを用いて仕事量を演算すれば良い。ここで、車両駆動系損失と路面との摩擦損失は、停車中は考慮する必要がなく、走行中のみ考慮すれば良い。
【００１１】
また、運動エネルギを減少させる原因は運動を妨げる仕事のみである。そこで、請求項４のように、前記運動エネルギ演算手段の過去の演算値である過去の運動エネルギと現在の演算値である現在の運動エネルギとの差分をとることで前記仕事量を求めるようにすれば良い。つまり、ある期間の運動を妨げる仕事量を演算するには、演算したい期間分だけ過去において演算した運動エネルギと現在演算した運動エネルギとの差分をとれば良い。このようにすれば、極めて簡単な演算処理で仕事量を求めることができる。
【００１２】
また、前記運動を妨げる仕事量として考慮した損失が大きく変化しないような状況下では、演算された前記運動を妨げる仕事量と同量だけ、未来において運動エネルギは減少する。そこで、請求項５のように、前記運動エネルギ演算手段により演算された現在の運動エネルギから前記運動を妨げる仕事量を減算することで、未来の運動エネルギの予測値を求めれば良い。このようにすれば、極めて簡単な演算処理で未来の運動エネルギを予測することができる。
【００１３】
また、請求項６のように、未来運動エネルギ予測手段により予測された未来の運動エネルギに基づいて未来の回転速度に関わる値を回転速度予測手段により予測するようにしても良い。内燃機関の未来の運動エネルギを予測すれば、その予測値から内燃機関の回転速度に関わる値を導き出すことで、未来の回転速度に関わる値を予測することができる。この未来の回転速度は、内燃機関の停止位置の制御、フューエルカット復帰制御、トルク制御等の種々の制御に利用することができる。
【００１４】
また、内燃機関の回転速度に関わる値の変化は、回転に関わる部分の性状に影響される。そこで、請求項７のように、内燃機関の回転に関わる部分の質量と内燃機関の回転運動の径、内燃機関の慣性モーメントのうちの少なくとも一つを考慮したパラメータを回転速度に関わる値の変化量として用いて未来の回転速度に関わる値を予測するようにしても良い。これにより、未来の回転速度に関わる値の予測精度を向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［実施形態（１）］
以下、本発明をエンジン停止過程において低下していくエンジン回転速度の予測に適用した実施形態（１）を図１乃至図４に基づいて説明する。尚、本実施形態（１）のエンジン回転速度の予測は、例えば、エンジンが停止した時に圧縮行程にある気筒を推定する際に用いられる。
【００１６】
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の構成を概略的に説明する。エンジン１１の吸気ポート１２に接続された吸気管１３の途中には、スロットルバルブ１４が設けられ、このスロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）ＴＡがスロットル開度センサ１５によって検出される。吸気管１３には、スロットルバルブ１４をバイパスするバイパス通路１６が設けられ、このバイパス通路１６の途中に、アイドルスピードコントロールバルブ（以下「ＩＳＣバルブ」と表記する）１７が設けられている。スロットルバルブ１４の下流側には、吸気管圧力ＰＭを検出する吸気管圧力センサ１８が設けられ、各気筒の吸気ポート１２の近傍には、燃料噴射弁１９が取りつけられている。
【００１７】
一方、エンジン１１の排気ポート２０に接続された排気管２１の途中には、排気ガス浄化用の触媒２２が設置されている。エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温ＴＨＷを検出する冷却水温センサ２３が設けられている。エンジン１１のクランク軸２４に取付けられたシグナルロータ２５の外周に対向してクランク角センサ２６が設置され、このクランク角センサ２６からシグナルロータ２５の回転に同期して所定クランク角毎（例えば１０℃Ａ毎）にクランクパルス信号ＣＲＳが出力される。また、エンジン１１のカム軸２７に取付けられたシグナルロータ２８の外周に対向してカム角センサ２９が設置され、このカム角センサ２９からシグナルロータ２８の回転に同期して所定のカム角でカムパルス信号ＣＡＳが出力される。
【００１８】
これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、各種センサで検出したエンジン運転状態に応じて、燃料噴射弁１９の燃料噴射量や噴射時期、点火プラグ３１の点火時期、ＩＳＣバルブ１７のバイパス空気量等を制御する。更に、このＥＣＵ３０は、クランクパルス信号ＣＲＳとカムパルス信号ＣＡＳに基づいてクランク角判定、エンジン回転速度Ｎの演算と記憶、運動エネルギの演算と記憶、運動を妨げる仕事量の演算と記憶、未来の運動エネルギ予測値の演算、未来のエンジン回転速度予測値の演算を行なう。
【００１９】
ここで、図２に示すタイムチャートを用いて、未来の運動エネルギと未来のエンジン回転速度の予測方法を説明する。本実施形態（１）では、各ＴＤＣにおいて、下記の（１）式により運動エネルギＥを算出する。ｉ番目のＴＤＣにおいて、１行程後のｉ＋１番目のＴＤＣにおける運動エネルギの予測を行なった上で、それをエンジン回転速度に変換することで、ｉ＋１番目のＴＤＣにおけるエンジン回転速度の予測を行う。
【００２０】
Ｅ＝Ｊ×２π^２×Ｎ^２ ……（１）
ここで、ＥはＴＤＣにおける運動エネルギ、Ｊは、エンジン毎に決まる慣性モーメントであり、予め適合等により算出された値が用いられる。Ｎは、ＴＤＣにおける瞬間のエンジン回転速度（以下「瞬時回転速度」と表記する）である。
【００２１】
このエンジン回転速度の予測は、図３に示すエンジン回転速度予測プログラムによって実行される。本プログラムは、ＴＤＣ毎に繰り返し起動される。本プログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、クランクパルス信号ＣＲＳから現在のＴＤＣにおける瞬時回転速度Ｎ（ｉ）を算出し、次のステップ１０２で、前記（１）式を用いて現在のＴＤＣにおける運動エネルギＥ（ｉ）を算出する。このステップ１０２の処理が特許請求の範囲でいう運動エネルギ演算手段としての役割を果たす。
【００２２】
この後、ステップ１０３に進み、次の（２）式を用いて、運動を妨げる仕事量Ｗを算出する。本実施形態（１）では、エンジン停止過程の条件であるため、運動を妨げる仕事量Ｗとしては、ポンプ損失、各部の摩擦損失、各補機の駆動損失を考慮する。
【００２３】
Ｗ＝Ｅ（ｉ−１） −Ｅ（ｉ） ……（２）
ここで、Ｅ（ｉ−１）は、１行程過去のＴＤＣにおいて（１）式により算出された運動エネルギである。このステップ１０３の処理が特許請求の範囲でいう仕事量演算手段としての役割を果たす。この場合、運動エネルギを減少させる原因は運動を妨げる仕事のみであるため、１行程過去の運動エネルギＥ（ｉ−１）と現在の運動エネルギＥ（ｉ）との差分をとることで、仕事量Ｗを求める。
【００２４】
エンジン停止過程のような低回転の運転条件では、図４に示すように、運動を妨げる仕事量Ｗとして考慮したポンプ損失、各部の摩擦損失、各補機の駆動損失はエンジン回転速度に依らずほぼ一定値となる。従って、１行程未来のＴＤＣにおいてエンジン１１の持つ運動エネルギは、ステップ１０３で算出された運動を妨げる仕事量Ｗ分だけ減少することになる。そこで、ステップ１０４で、次の（３）式を用いて１行程未来のＴＤＣにおける運動エネルギの予測値Ｅ（ｉ＋１）を算出する。
Ｅ（ｉ＋１）＝Ｅ（ｉ） −Ｗ ……（３）
【００２５】
このステップ１０４の処理が特許請求の範囲でいう未来運動エネルギ予測手段としての役割を果たす。
そして、次のステップ１０５で、前記（１）式を変形した次の（４）式を用いて１行程未来のＴＤＣにおける瞬時回転速度Ｎ（ｉ＋１）を算出する。
【００２６】
【数１】

【００２７】
このステップ１０５の処理が特許請求の範囲でいう回転速度予測手段としての役割を果たす。
以上説明したような処理により、エンジン１１が持つ未来の運動エネルギを予測することができ、その運動エネルギの予測値から未来のエンジン回転速度を予測することができる。
【００２８】
尚、上記実施形態（１）では、運動を妨げる仕事量として考慮した損失がほぼ一定値であるエンジン停止過程（低回転域）の場合で示したが、例えば、フューエルカット（燃料カット）等での高・中回転域からのエンジン回転速度低下過程のように、運動を妨げる仕事量として考慮した損失が変化する場合であっても、損失の変化に影響するパラメータを用いて補正を行なうことで、回転速度領域に依らず未来の運動エネルギを予測することができる。
【００２９】
また、上記実施形態（１）では、運動エネルギの算出にエンジン回転速度を用いたが、クランク軸角速度、ピストンの移動速度といった他の内燃機関の回転速度に関わる値を用いて算出しても良い。
【００３０】
また、上記実施形態（１）では、エンジン１１の燃焼が停止しているエンジン停止過程で説明したが、燃焼が発生しているエンジン運転中は、現在の運動エネルギを演算する手段と、運動を妨げる仕事量を演算する手段に加え、燃焼によって得られるエネルギを推定する手段を追加して、未来の運動エネルギを予測すれば良い。この際、燃焼によって得られるエネルギの推定は、各気筒の筒内圧、吸気管圧力、吸入空気量、スロットル開度、噴射燃料量、点火タイミング、空燃比等を考慮して行なえば良い。
【００３１】
また、上記実施形態（１）では、算出した現在の運動エネルギと運動を妨げる仕事量とに基づいて１行程未来の運動エネルギを予測するようにしたが、予測した未来の運動エネルギと運動を妨げる仕事量とに基づいて、更に未来の運動エネルギを予測するようにしても良い。
【００３２】
また、上記実施形態（１）では、ＴＤＣ毎のタイミングで運動エネルギの算出、運動を妨げる仕事量の算出、未来の運動エネルギの予測を行ない、１行程未来の運動エネルギの予測値を算出するようにしたが、これらの算出・予測のタイミング、予測する期間は、ＴＤＣ毎、１行程毎に限定されず、いずれのタイミング、いずれの期間に行なっても良い。
【００３３】
［実施形態（２）］
上記実施形態（１）では、運動エネルギＥを算出する際に、エンジンに固有の慣性モーメントＪが必要となるため、予め、正確な慣性モーメントＪを適合等により求める工数が必要となる。
【００３４】
そこで、本発明の実施形態（２）では、図５のエンジン回転速度予測プログラムによって、慣性モーメントＪを用いずに、未来のエンジン回転速度を予測するようにしている。
【００３５】
ここで、本実施形態（２）のエンジン回転速度の予測方法を説明する。
運動エネルギ算出式である前記（１）式を用いて、運動を妨げる仕事量の算出式である（２）式を変形すると、次の（５）式のようになる。
【００３６】
【数２】

【００３７】
この（５）式の左辺を回転速度低下を表す量Ｃとして次の（６）式のように定義する。
【００３８】
【数３】

【００３９】
この（６）式を（５）式に代入して得られた次の（７）式を用いて、回転速度低下量Ｃを算出する。
Ｃ＝Ｎ（ｉ−１） ^２−Ｎ（ｉ） ^２ ………（７）
ここで、Ｎ（ｉ）は現在のＴＤＣにおける瞬時回転速度、Ｎ（ｉ−１）は１行程前のＴＤＣにおける瞬時回転速度である。
【００４０】
前述したように、エンジン停止過程のような低回転の運転条件では、運動を妨げる仕事量Ｗは一定値とみなせる。また、慣性モーメントＪもエンジン毎に固有の一定値であるので、上記（６）式で定義した回転速度低下量Ｃはエンジン回転速度に依らず一定値となる。従って、１行程未来のＴＤＣにおける瞬時回転速度Ｎ（ｉ＋１）は、上記（６）式で算出された回転速度低下量Ｃ分だけ減少することになる。
そこで、次の（８）式を用いて１行程未来のＴＤＣにおける瞬時回転速度の予測値Ｎ（ｉ＋１）を算出する。
【００４１】
【数４】

【００４２】
以上説明した瞬時回転速度の予測値Ｎ（ｉ＋１）の算出は、図５のエンジン回転速度予測プログラムによってＴＤＣ毎に繰り返し実行される。本プログラムが起動されると、まず、ステップ２０１で、クランクパルス信号ＣＲＳから現在のＴＤＣにおける瞬時回転速度Ｎ（ｉ）を算出する。この後、ステップ２０２に進み、前記（７）式を用いて回転速度低下量Ｃを算出した後、ステップ２０３に進み、前記（８）式を用いて１行程未来のＴＤＣにおける瞬時回転速度の予測値Ｎ（ｉ＋１）を算出する。
【００４３】
以上説明した本実施形態（２）のエンジン瞬時回転速度の予測値Ｎ（ｉ＋１）の算出方法では、エンジンに固有の慣性モーメントＪを用いることなく、現在と１行程前の瞬時回転速度Ｎ（ｉ），Ｎ（ｉ−１）のみからエンジン瞬時回転速度の予測値Ｎ（ｉ＋１）を算出することができるため、エンジンに固有の慣性モーメントＪを予め適合等により求める工数が不用となり、開発期間を短縮することができる利点がある。しかも、未来のエンジン瞬時回転速度を予測するまでに必要な演算回数を少なくすることができ、ＥＣＵ３０のＣＰＵ演算負荷を軽減することができる。また、適合により求めた慣性モーメントＪを使用しないため、エンジン毎の製造公差に影響されなくなり、更に精度のよい未来のエンジン回転速度を予測することができる。
【００４４】
尚、前記（８）式の右辺に前記（７）式を代入して、次の（９）式のように変形し、この（９）式を用いて、回転速度低下量Ｃを演算せずに、現在と１行程前の瞬時回転速度Ｎ（ｉ），Ｎ（ｉ−１）のみからエンジン瞬時回転速度の予測値Ｎ（ｉ＋１）を算出するようにしても良い。
【００４５】
【数５】

【００４６】
以上説明した各実施形態（１），（２）では、未来のエンジン回転速度を予測するようにしたが、同様の方法を用いて、クランク軸角速度や、ピストンの移動速度といった内燃機関の回転速度に関わるその他の値を予測するようにしても良い。
【００４７】
また、上記実施形態（２）では、回転速度低下量Ｃ（回転速度に関わる値の変化量）として慣性モーメントＪを考慮した値を用いたが、ピストンとコンロッド、クランク軸の質量の合計値のような回転に関わる部分の質量や、クランク軸半径のような回転運動の径を考慮した値を回転速度に関わる値の変化量として用いるようにしても良い。
【００４８】
その他、本発明は、４気筒エンジンに限定されず、３気筒以下又は５気筒以上のエンジンにも適用して実施することができ、また、図１に示すような吸気ポート噴射エンジンに限定されず、筒内噴射エンジンやリーンバーンエンジンにも適用して実施できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態（１）におけるエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】エンジン回転速度の挙動と運動エネルギ予測のタイミングを示したタイムチャート
【図３】実施形態（１）のエンジン回転速度予測プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図４】ガソリンエンジンのエンジン回転速度と各種の損失の大きさとの関係を示す図
【図５】実施形態（２）のエンジン回転速度予測プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１３…吸気管、１４…スロットルバルブ、１６…バイパス通路、１７…ＩＳＣバルブ、１９…燃料噴射弁、２６…クランク角センサ、２９…カム角センサ、３０…ＥＣＵ（運動エネルギ演算手段，仕事量演算手段，未来運動エネルギ予測手段，回転速度予測手段）。

Claims

内燃機関の現在の運動エネルギを演算する運動エネルギ演算手段と、
内燃機関の運動を妨げる仕事量を演算する仕事量演算手段と、
前記二つの演算手段で演算した現在の運動エネルギと仕事量とに基づいて未来の運動エネルギを予測する未来運動エネルギ予測手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の運動エネルギ予測装置。
前記運動エネルギ演算手段は、エンジン回転速度、クランク軸角速度、ピストンの移動速度のうちの少なくとも一つを用いて前記現在の運動エネルギを演算することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の運動エネルギ予測装置。
前記仕事量演算手段は、ポンプ損失、各部の摩擦損失、各補機の駆動損失、熱損失、車両駆動系損失、路面との摩擦損失のうちの少なくとも一つを用いて前記仕事量を演算することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の運動エネルギ予測装置。
前記仕事量演算手段は、前記運動エネルギ演算手段の過去の演算値である過去の運動エネルギと現在の演算値である現在の運動エネルギとの差分をとることで前記仕事量を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の運動エネルギ予測装置。
前記未来運動エネルギ予測手段は、前記運動エネルギ演算手段により演算された現在の運動エネルギから前記仕事量演算手段により演算された仕事量を減算することで前記未来の運動エネルギを求めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の運動エネルギ予測装置。
前記未来運動エネルギ予測手段により予測された未来の運動エネルギに基づいて未来の回転速度に関わる値を予測する回転速度予測手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関の運動エネルギ予測装置。
前記回転速度予測手段は、内燃機関の回転に関わる部分の質量、前記内燃機関の回転運動の径、前記内燃機関の慣性モーメントのうちの少なくとも一つを考慮したパラメータを回転速度に関わる値の変化量として用いて前記未来の回転速度に関わる値を予測することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の運動エネルギ予測装置。