JP4840613B2 - 内燃機関の回転状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の回転状態の検出方法を改善した内燃機関の回転状態検出装置に関するものである。

一般的なエンジン制御システムでは、例えば、特許文献１（特開昭６０−２４０８７５号公報）に記載されているように、所定クランク角毎にパルス信号を出力するクランク角センサを設け、エンジン運転中に、クランク角センサのパルス信号の間隔（パルス周波数）に基づいてエンジン回転速度を検出するようにしている。

また、エンジン運転中は、クランク角センサとカム角センサの出力信号に基づいて気筒を判別し且つクランク角を検出して点火時期や燃料噴射時期を制御するようにしているが、エンジン始動時は、スタータによりエンジンをクランキングして特定気筒の判別を完了するまで（つまり特定気筒の所定クランク角の信号を検出するまで）、最初に点火・噴射する気筒が不明であるという問題がある。

そこで、特許文献１（特開昭６０−２４０８７５号公報）に記載されているように、エンジン回転停止時にクランク角センサで検出したクランク角（エンジン回転停止位置）をメモリに記憶しておき、次のエンジン始動時に、特定気筒の所定クランク角の信号を最初に検出するまでの間は、上記メモリに記憶されたエンジン回転停止時のクランク角を基準にして点火制御や燃料噴射制御を開始するようにしたものがある。
特開昭６０−２４０８７５号公報（第２頁〜第３頁等）

近年、始動性向上や始動時の排気エミッション向上の要求を満たすために、エンジン回転停止位置の検出精度を向上させる技術や、始動当初の極低回転領域におけるエンジン回転速度検出精度を向上させる技術が必要となってきている。

一般に、エンジン制御システムに用いられるクランク角センサは、コスト等を考慮して電磁ピックアップ方式のクランク角センサが使用されることが多いが、この電磁ピックアップ方式のクランク角センサは、クランク軸と一体的に回転するシグナルロータの回転に伴って発生する誘導起電力をパルス信号として出力する構成であるため、シグナルロータの回転速度が非常に遅いエンジン始動当初や停止間際の極低回転領域では、十分なパルス信号（誘導起電力）を出力することができない。このため、電磁ピックアップ方式のクランク角センサのパルス信号に基づいてエンジン回転速度やエンジン回転停止位置を検出する従来システムでは、極低回転領域のエンジン回転速度やエンジン回転停止位置を精度良く検出することができない。また、エンジン回転が停止する間際に圧縮行程の圧縮圧によってエンジン回転が逆転する現象が発生するが、クランク角センサのパルス信号からはエンジンの逆回転を検出できないため、このエンジン停止間際の逆回転現象によっても、エンジン回転停止位置の検出誤差が大きくなるという問題があった。

これらの欠点を解決するために、電磁ピックアップ方式のクランク角センサに代えて、クランク軸の回転位置をホールセンサで検出するホールセンサ方式のクランク角センサを用いるようにしたものがあるが、ホールセンサ方式のクランク角センサは、コスト高になるという欠点がある。

本発明は、これらの事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、低コスト化の要求を満たしながら、内燃機関の回転状態を精度良く検出することができ、始動性や始動時の排気エミッションを向上させることができる内燃機関の回転状態検出装置を提供することにある。

近年、車両に搭載される内燃機関においては、出力向上、燃費節減、排気エミッション低減等を目的として、可変バルブタイミング装置を採用したものが増加しつつある。この可変バルブタイミング装置は、クランク軸に対するカム軸の回転位相（以下「カム軸位相」という）を変化させることでカム軸によって開閉駆動される吸気バルブや排気バルブのバルブタイミングを変化させるものが多い。

本出願人は、モータを駆動源とする新開発の可変バルブタイミング装置を研究・開発している。このモータ駆動式の可変バルブタイミング装置の特徴は、駆動源となる駆動モータの非駆動時に該駆動モータの回転軸がカム軸と同期して回転することでカム軸位相が現状維持され、駆動モータを駆動してカム軸の回転速度に対して駆動モータの回転速度を変化させることでカム軸位相が変化する構成である。この可変バルブタイミング装置では、駆動モータの回転速度や回転量を精度良く制御してバルブタイミングを精度良く制御するために、駆動モータの回転位置に応じたモータ回転位置信号を出力するホールセンサ等のモータ回転位置センサを設ける必要がある。

この点に着目して、本発明の請求項１に記載の内燃機関の回転状態検出装置は、上記モータ駆動式の可変バルブタイミング装置を搭載したシステムにおいて、駆動モータの回転位置に応じたモータ回転位置信号を出力するモータ回転位置センサを設け、内燃機関の停止中で駆動モータの非駆動時に前記モータ回転位置センサから出力されるモータ回転位置信号に基づいて内燃機関の回転停止位置を停止位置検出手段により検出するようにしたものである。モータ回転位置センサは、駆動モータの回転（内燃機関の回転）が停止した状態でも、駆動モータの回転位置に応じたモータ回転位置信号を出力できるため、内燃機関の停止中にモータ回転位置信号を用いて内燃機関の回転停止位置を精度良く検出することができる。また、内燃機関が停止した状態で内燃機関の回転停止位置を検出できるため、内燃機関の回転停止間際の逆回転の影響も受けない。

この場合、請求項２のように、カム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に制御した状態で内燃機関が停止しているときに、モータ回転位置信号に基づいて内燃機関の回転停止位置を検出するようにしても良い。このようにすれば、駆動モータの回転軸とカム軸との回転位置関係が一定に決められた状態で内燃機関が停止しているときに、モータ回転位置信号を用いて内燃機関の回転停止位置を検出することができ、内燃機関の回転停止位置の検出精度を更に向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、次の２つの実施例１，２を用いて説明する。

本発明の実施例１を図１乃至図４に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてシステム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１は、クランク軸１２からの動力がタイミングチェーン１３（又はタイミングベルト）により各スプロケット１４、１５を介して吸気側カム軸１６と排気側カム軸１７とに伝達されるようになっている。また、吸気側カム軸１６側には、モータ駆動式の可変バルブタイミング装置１８が設けられている。この可変バルブタイミング装置１８によって、クランク軸１２に対する吸気側カム軸１６の回転位相（カム軸位相）を可変することで、吸気側カム軸１６によって開閉駆動される吸気バルブ（図示せず）のバルブタイミングを可変するようになっている。

また、吸気側カム軸１６の外周側には、所定のカム角毎にカム角信号を出力するカム角センサ１９が取り付けられている。一方、クランク軸１２の外周側には、所定のクランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ２０が取り付けられている。

次に、図２に基づいて可変バルブタイミング装置１８の概略構成を説明する。可変バルブタイミング装置１８の位相可変機構２１は、吸気側カム軸１６と同心状に配置された内歯付きのアウタギヤ２２と、このアウタギヤ２２の内周側に同心状に配置された外歯付きのインナギヤ２３と、これらアウタギヤ２２とインナギヤ２３との間に配置されて両者に噛み合う遊星ギヤ２４とから構成されている。アウタギヤ２２は、クランク軸１２と同期して回転するスプロケット１４と一体的に回転するように設けられ、インナギヤ２３は、吸気側カム軸１６と一体的に回転するように設けられている。また、遊星ギヤ２４は、アウタギヤ２２とインナギヤ２３に噛み合った状態でインナギヤ２３の回りを円軌道を描くように旋回することで、アウタギヤ２２の回転力をインナギヤ２３に伝達する役割を果たすと共に、インナギヤ２３の回転速度（吸気側カム軸１６の回転速度）に対する遊星ギヤ２４の旋回速度（公転速度）を変化させることで、アウタギヤ２２に対するインナギヤ２３の回転位相（カム軸位相）を調整するようになっている。

一方、エンジン１１には、遊星ギヤ２４の旋回速度を可変するための駆動モータ２６が設けられている。この駆動モータ２６の回転軸２７は、吸気側カム軸１６、アウタギヤ２２及びインナギヤ２３と同軸上に配置され、この駆動モータ２６の回転軸２７と遊星ギヤ２４の支持軸２５とが、径方向に延びる連結部材２８を介して連結されている。これにより、駆動モータ２６の回転に伴って、遊星ギヤ２４が支持軸２５を中心に回転（自転）しながらインナギヤ２３の外周の円軌道を旋回（公転）できるようになっている。

この可変バルブタイミング装置１８は、駆動モータ２６の非駆動時に、駆動モータ２６の回転軸２７が吸気側カム軸１６と同期して回転するように構成され、駆動モータ２６の回転速度ＲＭが吸気側カム軸１６の回転速度ＲＣに一致して、遊星ギヤ２４の公転速度がインナギヤ２３の回転速度（アウタギヤ２２の回転速度）に一致していると、アウタギヤ２２とインナギヤ２３との回転位相の差が現状維持されて、バルブタイミング（カム軸位相）が現状維持されるようになっている。

そして、吸気バルブのバルブタイミングを進角する場合には、駆動モータ２６の回転速度ＲＭを吸気側カム軸１６の回転速度ＲＣよりも速くして、遊星ギヤ２４の公転速度をインナギヤ２３の回転速度よりも速くする。これにより、アウタギヤ２２に対するインナギヤ２３の回転位相が進角されて、バルブタイミング（カム軸位相）が進角される。

一方、吸気バルブのバルブタイミングを遅角する場合には、駆動モータ２６の回転速度ＲＭを吸気側カム軸１６の回転速度ＲＣよりも遅くして、遊星ギヤ２４の公転速度をインナギヤ２３の回転速度よりも遅くする。これにより、アウタギヤ２２に対するインナギヤ２３の回転位相が遅角されて、バルブタイミングが遅角される。

次に、図３に基づいて駆動モータ２６の構成について説明する。駆動モータ２６は、例えば３相ブラシレスモータであり、駆動モータ２６のハウジング２９は、略有底円筒状のケース部３０と、このケース部３０の開口部を閉塞する蓋部３１とから構成され、このハウジング２９の内周側に、略円筒状のステータ３２が固定されている。ステータ３２は、ステータコア３３に設けられた複数のティース部に、インシュレータ３４を介して各相の巻線３５が巻回され、このステータ３２の内周側に、ロータ３６が回転可能に収容されている。

ロータ３６は、複数の円板状のコアシートを積層してロータコア３７が形成され、このロータコア３７の中央部に形成された貫通孔に、回転軸２７が嵌入されてロータコア３７と一体的に回転するようになっている。この回転軸２７は、ケース部３０及び蓋部３１にそれぞれ設けられた軸受３８，３９によって回転可能に支持されている。ロータコア３７には、複数のスリット部４０が周方向に等角度間隔に形成され、各スリット部４０には、それぞれ永久磁石４１が埋め込まれている。また、ロータコア３７の軸方向両端面には、それぞれ非磁性体で形成された固定プレート４２，４３が設けられ、これらの固定プレート４２，４３によって永久磁石４１の脱落を防止するようになっている。

また、駆動モータ２６には、駆動モータ２６の回転位置（ロータ３６の回転位置）に応じたモータ回転位置信号を出力するモータ回転位置センサ４４が内蔵されている。このモータ回転位置センサ４４は、リング状のセンサマグネット４５と、このセンサマグネット４５に対向するように配置されたホール素子４６とから構成されている。センサマグネット４５は、ロータ３６（固定プレート４３）の上面に固定されてロータ３６と一体的に回転し、ホール素子４６は、蓋部３１に設けられた制御回路基板４７に固定されている。

このモータ回転位置センサ４４は、ロータ３６と一体的に回転するセンサマグネット４５の回転位置に応じてホール素子４６に鎖交する磁束密度が変化することで、ホール素子４６がロータ３６の回転位置に応じたモータ回転位置信号を出力する。制御回路基板４７は、モータ回転位置信号に基づいて検出したロータ３６の回転位置に応じてステータ３２の各相の巻線３５への通電を順次切り換えてロータ３６を回転駆動する。

前述した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）４８に入力される。このＥＣＵ４８は、マイクロコンピュータを主体として構成され、そのＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁（図示せず）の燃料噴射量や点火プラグ（図示せず）の点火時期を制御する。

また、ＥＣＵ４８は、可変バルブタイミング制御プログラム（図示せず）を実行することで、吸気バルブの実バルブタイミングを目標バルブタイミングに一致させるように可変バルブタイミング装置１８（駆動モータ２６）を制御する。

また、ＥＣＵ４８は、図４に示すエンジン回転状態検出プログラムを実行することで、エンジン運転中に、エンジン回転速度ＮＥが所定値以上のときには、クランク角センサ２０のクランク角信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥを検出し、エンジン回転速度ＮＥが所定値よりも低いときには、モータ回転位置センサ４４のモータ回転位置信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥとエンジン回転方向を検出する。更に、エンジン停止中に、モータ回転位置センサ４４のモータ回転位置信号に基づいてエンジン回転停止位置（クランク軸１２の回転停止位置）を検出する。

以下、ＥＣＵ４８が実行する図４に示すエンジン回転状態検出プログラムの処理内容を説明する。図４に示すエンジン回転状態検出プログラムは、ＥＣＵ４８の電源オン中に所定周期で実行される。尚、図示しないイグニッションスイッチのオフ後も、本プログラムを実行するために、暫くの間、ＥＣＵ４８への通電が継続されるようになっている。

本プログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、エンジン回転速度ＮＥ算出要求をオンした後、ステップ１０２に進み、エンジン回転速度ＮＥ（例えば前回の検出値）が所定値よりも低いか否かを判定する。この所定値は、クランク角センサ２０のクランク角信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥを精度良く算出できるエンジン回転速度の下限値又はそれよりも少し高い値（例えば１００ｒｐｍ）に設定されている。

その結果、エンジン回転速度ＮＥが所定値以上であると判定された場合には、クランク角センサ２０のクランク角信号に基づいたエンジン回転速度ＮＥ算出の精度を確保できると判断して、ステップ１０３に進み、クランク角センサ２０のクランク角信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥを算出する。

一方、上記ステップ１０２で、エンジン回転速度が所定値よりも低いと判定された場合には、クランク角センサ２０のクランク角信号に基づいたエンジン回転速度ＮＥ算出の精度が低下すると判断して、ステップ１０４に進み、可変バルブタイミング装置１８の作動を禁止して、駆動モータ２６への通電を停止することでカム軸位相を現状維持する状態にする。これにより、クランク軸１２によって回転駆動される吸気側カム軸１６と駆動モータ２６の回転軸２７とが同期して回転するため、駆動モータ２６の回転状態がエンジン回転状態の情報となる。

この後、ステップ１０５に進み、モータ回転位置センサ４４のモータ回転位置信号の挙動等に基づいてエンジン１１が正回転しているか逆回転しているかを判定した後、ステップ１０６に進み、モータ回転位置センサ４４のモータ回転位置信号の変化速度等に基づいてエンジン回転速度ＮＥを算出する。

この後、ステップ１０７に進み、エンジン回転速度ＮＥが０になったか否かによってエンジン停止したか否かを判定し、エンジン回転速度ＮＥが０になったときに、エンジン停止中であると判断して、ステップ１０８に進み、エンジン停止中のモータ回転位置センサ４４のモータ回転位置信号に基づいたモータ回転停止位置からエンジン回転停止位置（クランク角）を算出する。このステップ１０８の処理が特許請求の範囲でいう停止位置検出手段としての役割を果たす。

本実施例１のモータ駆動式の可変バルブタイミング装置１８は、駆動モータ２６の回転位置に応じたモータ回転位置信号を出力するモータ回転位置センサ４４が駆動モータ２６に内蔵されていると共に、非駆動時に駆動モータ２６の回転軸２７が吸気側カム軸１６と同期して回転するため、駆動モータ２６の回転状態がエンジン回転状態の情報となる。

これらの点に着目して、本実施例１では、駆動モータ２６への通電を停止して吸気側カム軸１６と駆動モータ２６の回転軸２７とが同期して回転しているときに、モータ回転位置センサ４４の出力信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥとエンジン回転方向を検出するため、エンジン回転速度ＮＥやエンジン回転方向（正回転・逆回転）を精度良く検出することができる。モータ回転位置センサ４４（センサマグネット４５とホール素子４６からなるホールセンサ）は、駆動モータ２６の回転位置に応じてモータ回転位置信号が変化するため、駆動モータ２６の回転速度（エンジン回転速度）が非常に低い極低回転領域でも、モータ回転位置信号からエンジン回転速度ＮＥを精度良く検出することができる。しかも、可変バルブタイミング装置１８用のモータ回転位置センサ４４をエンジン回転速度ＮＥ用の回転センサとして兼用するため、低コスト化の要求も満たすことができる。

ところで、モータ回転位置センサ４４の出力信号からエンジン回転速度ＮＥを演算するＥＣＵ４８の演算負荷は、エンジン回転速度ＮＥ（モータ回転位置センサ４４の出力パルス周波数）が高くなるほど増大する。

この点を考慮して、本実施例１では、クランク角センサ２０の信号で回転速度検出精度を確保できる所定値以上の回転領域では、クランク角センサ２０の信号を用いて回転速度検出を行い、クランク角センサ２０の信号では回転速度検出精度を確保できない所定値未満の回転領域のみ、モータ回転位置センサ４４の信号を用いて回転速度検出を行うようにしているため、ＥＣＵ４８の演算負荷を軽減することができる。

更に、モータ回転位置センサ４４は、駆動モータ２６の回転（エンジン回転）が停止した状態でも、駆動モータ２６の回転位置に応じたモータ回転位置信号を出力できることに着目して、本実施例１では、エンジン停止中にモータ回転位置センサ４４のモータ回転位置信号に基づいてエンジン回転停止位置を検出するようにしたので、エンジン回転停止間際の逆回転の影響を受けずに、エンジン停止中にモータ回転位置信号からエンジン回転停止位置を精度良く検出することができる。

次に、図５を用いて本発明の実施例２を説明する。
本実施例２では、図５に示すエンジン回転状態検出プログラムを実行することで、エンジン回転速度ＮＥが所定値よりも低いときに、カム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に制御した状態でモータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥとエンジン回転方向を検出する。更に、カム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に制御した状態でエンジン停止したときにモータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転停止位置を検出するようにしている。

本実施例２で実行する図５のエンジン回転状態検出プログラムでは、ステップ１０２で、エンジン回転速度が所定値よりも低いと判定された場合に、ステップ１０４ａに進み、カム軸位相が最遅角位置又は最進角位置になるように可変バルブタイミング装置１８の駆動モータ２６を制御することで、可変バルブタイミング装置１８の可動部（図示せず）を遅角側又は進角側のストッパ部（図示せず）に押し当ててカム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に固定する。これにより、駆動モータ２６の回転速度と吸気側カム軸１６の回転速度を強制的に一致させると共に、駆動モータ２６の回転軸２７とカム軸との回転位置関係を強制的に固定した状態にする。

この後、モータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転方向を算出すると共に、モータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥを算出し（ステップ１０５，１０６）、エンジン停止後に、エンジン停止中のモータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転停止位置を算出する（ステップ１０７，１０８）。

以上説明した本実施例２では、カム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に制御した状態でモータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥとエンジン回転方向を検出するようにしたので、可変バルブタイミング装置１８の可動部を遅角側又は進角側のストッパ部に押し当ててカム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に固定して駆動モータ２６の回転速度と吸気側カム軸１６の回転速度を強制的に一致させた状態でモータ回転位置信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥ及びエンジン回転方向を検出することができ、エンジン回転速度ＮＥやエンジン回転方向の検出精度を更に向上させることができる。

更に、カム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に制御した状態でエンジン１１が停止しているときに、モータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転停止位置を検出するようにしたので、駆動モータ２６の回転軸２７とカム軸との回転位置関係を強制的に固定した状態でエンジン１１が停止しているときにモータ回転位置４４の信号に基づいてエンジン回転停止位置を検出することができ、エンジン回転停止位置の検出精度を更に向上させることができる。

尚、上記各実施例１，２では、エンジン回転速度ＮＥが所定値よりも低いときにモータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥを検出するようにしたが、全回転速度領域でモータ回転位置センサ４４の信号に基づいてエンジン回転速度ＮＥを検出するようにしても良い。
また、クランク角センサ２０の故障時に、モータ回転位置センサ４４を代用するようにしても良い。

また、本発明は、吸気バルブの可変バルブタイミング装置１８に限定されず、排気バルブの可変バルブタイミング装置に適用しても良い。更に、可変バルブタイミング装置１８の位相可変機構は、本実施例のような遊星歯車機構を用いたものに限定されず、他の方式の位相可変機構を用いても良く、要は、駆動モータの回転軸がカム軸と同期して回転することでカム軸位相が現状維持され、駆動モータの回転速度をカム軸の回転速度に対して変化させることでカム軸位相が変化するモータ駆動式の可変バルブタイミング装置であれば良い。

本発明の実施例１における制御システム全体の概略構成図である。 可変バルブタイミング装置の概略構成図である。 駆動モータの縦断面図である。 実施例１のエンジン回転状態検出プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施例２のエンジン回転状態検出プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…クランク軸、１６…吸気側カム軸、１８…可変バルブタイミング装置、２０…クランク角センサ、２１…位相可変機構、２２…アウタギヤ、２３…インナギヤ、２４…遊星ギヤ、２６…駆動モータ、２７…回転軸、３２…ステータ、３６…ロータ、４１…永久磁石、４４…モータ回転位置センサ、４５…センサマグネット、４６…ホール素子、４８…ＥＣＵ（停止位置検出手段）

Claims (2)

1. 内燃機関のクランク軸に対するカム軸の回転位相（以下「カム軸位相」という）を変化させることで該カム軸によって開閉駆動される吸気バルブ又は排気バルブのバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング装置を備えた内燃機関の回転状態検出装置において、
   前記可変バルブタイミング装置は、駆動源となる駆動モータの非駆動時に該駆動モータの回転軸が前記カム軸と同期して回転することで前記カム軸位相が現状維持され、前記駆動モータを駆動して前記カム軸の回転速度に対して前記駆動モータの回転速度を変化させることで前記カム軸位相が変化するように構成され、
   前記駆動モータの回転位置に応じたモータ回転位置信号を出力するモータ回転位置センサと、
   前記内燃機関の停止中で前記駆動モータの非駆動時に前記モータ回転位置センサから出力される前記モータ回転位置信号に基づいて前記内燃機関の回転停止位置を検出する停止位置検出手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の回転状態検出装置。
2. 前記停止位置検出手段は、前記カム軸位相を最遅角位置又は最進角位置に制御した状態で前記内燃機関が停止しているときに前記モータ回転位置信号に基づいて前記内燃機関の回転停止位置を検出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の回転状態検出装置。

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