JPH01190922A - 内燃機関のトルク制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関に係り、特に運転時の燃焼圧力変動等
によって生じるトルク変動およびそのトルク変動が誘起
するシリンダブロック等の振動を低減するために好適な
内燃機関のトルク制御装置に関する。

〔従来の技術〕 従来、内燃機関では、混合気の吸入圧縮、燃焼ガスの膨
張等による気筒内圧力の変化によってガストルクが変動
すること、および、クランク軸に対するコネクティング
ロッドの角度の変化によって回転慣性が変化し慣性トル
クが変動することは周知のことである。このようなトル
ク変動が内燃機関によって１駆リリノされる各種機器に
伝達されるとそれらの機器にねじり振動が発生し、性能
の低下や機器の損傷等を引き起こす。さらに、この１−
ルク変ＩＪ１の反作用は、シリンダブロックから内燃機
関を支持するマウントやシャシ−にまで伝達され。

内燃機関や重両全体の振動を引き起こす原因となるため
、内燃機関が発生するトルク変動の大きさを充分低減さ
せる必要がある。

このような課題に対して、従来から、ねじり振動の低減
のためにはフライホイールの慣性質量を増加する。内燃
機関の振動低減のためには共振を避けるようにエンジン
マウントの剛性を低下させる。さらに、トルク変動を直
接低減するためには特開昭ｆｉｌ−１５５６２６号等に
見られるように、内燃機関のクランク軸の回転角に同期
してトルクの吸収・発生を行う方法などが採られている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来技術において、フライホイールの慣性
質量の増加は、回転速度の加減速に対する応答性を悪化
させ、また、エンジンマウントの剛性低下は、急加速時
に内燃機関が発生する大きな回転トルクの反作用により
、かえって内燃機関を大きく振動させることになりかね
ない、さらに。

従来のトルクを吸収・発生させる方法では、オーブンル
ープ制御であるために、内燃機関の速度変化や負荷の変
化によるトルク変動の変化に追従できない、などの＃題
があった。

本発明の目的は、このような課題を解決し、内燃機関の
トルク変動を検出し、このトルク変動情報に基づいて、
主動力伝達系に設けられた電気駆動装置が吸収・発生す
るトルクを制御することにより、トルク変動を低減させ
ることができる内燃機関のトルク制御装置を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は、主動力伝達系に発
電機としての動作、あるいは′ｆｆ１１！ｌＩ機として
の動作、あるいは発電機及び電動機としての動作が可能
な電気駆動装置を備えた内燃機関において、内燃機関の
発生するトルク変動成分を内燃機関の主軸の各回転角度
ごとに検出する検出手段と、この検出されたトルク変動
成分に基づいて前記電気駆動装置が吸収あるいは発生す
るトルクを制御する制御手段とを備え、前記制御手段に
より機関の発生するトルク変動が小さくなるように前記
駆ΔＪ装置が吸収あるいは発生するトルクの大きさを内
燃機関の主軸の回転角ごとに変化させることを特徴とす
る。

〔作用］ 上述の構成によれば、電気駆動装置が吸収・発生するト
ルクは、内燃機関が発生するトルク変動に対応して制御
され、トルク変動を大幅に低減できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第１
図において、内燃機関１は、機関本体２と、クランク角
センサを内蔵したディストリビュータ３と、主動力伝達
系のうちの変速８！４とＩａｒ！ｊＸ１本体２の間に電
気駆動装置の一例であるフライホィール・モータジェネ
レータ５とを備えている。

モータジェネレータ５は、発電機あるいは電動機として
の動作を切り換えながら行うことができる。

モータジェネレータ５が発電機として動作するときは、
発電量（負荷電流あるいは界磁電流）を増せばモータジ
ェネレータ５が吸収するトルクが増し、発電量を減らせ
ば吸収するトルクを減らすことができる。また、電動機
として動作するときは、モータジェネレータ５への電気
入力（電機子電流あるいは界磁電流）を増せばモータジ
ェネレータが発生するトルクが増し、電気入力を減らせ
ば発生するトルクを減らすことができる。

前記モータジェネレータ５が吸収あるいは発生するトル
クを制御する制御系は、マイクロコンピュータ６と、マ
イクロコンピュータ６の指令を受けてモータジェネレー
タ５の動作を発電機と電動機のいずれかに切り換え１発
電量あるいは電気入力量を増減させるトルク制御部７と
で構成される。

内燃機関１のトルク変動は、クランク軸の回転加速度変
動の形で検出できる。回転加速度変動は、クランク角セ
ンサの出力パルス周期をマイクロコンピュータ６内のタ
イマ６ａで計測した値をもとに算出できる。マイクロコ
ンピュータ６は、この回転加速度変動をＯにするために
必要なモータジェネレータ５の動作切り換えのクランク
角回転角度、及び発ｆｆｉ量あるいは電気入力の大きさ
を算出してトルク制御部７に指令値を送る。

第２図にクランク角センサから得られる回転パルスの一
例を示す。クランク角センサは、クランク軸が一定角度
回転するたびにパルスを発生する。

よって、もしクランク軸に回転速度変動が生じると、第
２図に示すように、出力パルスの発生周期も変動する。

第１図のマイクロコンピュータ６は。

タイマー６ａを用いてこの出力パルスの発生周期を計測
し、周期の逆数の時間微分をＣＰＵ６ｂで算出すること
により１時々刻々の回転加速度変動を得ることができる
（第３図）。

第４図は、第１実施例の制御回路の構成を具体的に示し
たものである。モータジェネレータ５は。

発電機動作時は交流電力（第４図では３相交流）を出力
し電動機動作時は電機子電流が流れるステータコイル（
電機子コイル）５ｄ９両動作時に界磁電流が流れるロー
タコイル（界磁コイル）５ｂ。

発電機動作時はステータコイル５ａの交流出力を直流に
整流し電動機動作時はステータコイル５ａ内の各相コイ
ルに電機子電流を分配して供給するサイリスタ等のスイ
ッチング素子５ｃ、出力電圧を一定に調整する自Ｓ電圧
調整器（ＡＶＲ）５ｄ。

ステータコイル５ａとロータコイル５ｂとの位置関係を
知るためにロータコイル５ｂの回転角度を検出する磁極
位置検出器５ｅ、および磁極位置検出器５ｅからの出力
信号をもとにマイコン６が算出したスイッチング素子群
の０Ｎ１０ＦＦ指令パルスを各スイッチング素子５Ｃに
分配するパルス分配器５ｆより構成される。

内燃機関１の回転速度が高く、機関が発生するトルク変
動が小さくてトルク制御が必要としないときには、モー
タジェネレータ５は発電機として以下の動作を行う、す
なわち、ロータコイル５ｂが作る磁界が回転するとステ
ータコイル５ａは発電を始め、整流器として働くスイッ
チング素子５ｃにより直流に整流された後、ライト、ヒ
ータなどの負荷８とバッテリー９に電力を供給する。

発電機の出力電圧は、ＡＶＲ５ｄがロータコイル５ｂに
流れる界磁電流の大きさを変化させることにより自動的
に調整される。

内燃機関１の回転速度が低く（例えばアイドリング時）
、機関が発生するトルク変動が大きいときは、以下に述
べるようなトルク制御を行う、すなわち、トルク変動は
クランク軸の回転加速度変動となって現れ、クランク角
センサ３により検出される。検出された回転パルスは、
分周器１０で制御に必要なパルス数に分周された後マイ
クロコンピュータ６に入力され、前述した方法により回
転加速度変動が算出される６マイクロコンピユータ６は
、更に１回転加速度変動からモータジエネレータ５が吸
収あるいは発生すべきトルク量、および、このトルクを
吸収・発生させるのに必要な発電機動作時の負荷電流あ
るいは電動機動作時の電機子電流の値を演算し、その結
果をパルス分配器５ｆならびにＤ／Ａ変換器１１を介し
てトルク制御部７に送る。

クランク軸の回転加速度変動が負の場合、すなわち、内
燃機関１が発生するトルクが平均トルクに比べて小さい
場合（第５図の区間Ｂ）、トルクの不足分を補うべくモ
ータジェネレータ５は電動機として動作し、トルクを発
生する０発生トルクの大きさはステータコイル５ａを流
れる電機子電流の大きさによって決まり、電機子電流を
大きくすると発生トルクが増加する。よって、機関が発
生するトルクの平均トルクに対する不足分が大きいとき
には、電機子電流を大きくすることによりモータジェネ
レータ５が発生するトルクを大きくし、逆に、不足分が
小さいときには電機子電流を小さくすることによりモー
タジェネレータ５が発生するトルクを小さくするように
して、トルク変動のうちトルクが不足している部分を補
うことができる。なお、電機子電流の大きさは、ステー
タコイル５ａ内の各相コイルに供給される電源の０Ｎ１
０ＦＦのタイミンク（点弧角）を変化させる、すなわち
位相制御することにより変えることができる。具体的に
は、各スイッチング素子５ｃに与えられるパルス分配器
５ｆのパルスが発生するタイミングを、マイコン６によ
り制御することにより達成できる。

次に、クランク１ｌｉｌ［Ｉの回転加速度変動が正の場
合。

すなわち、内燃機関１が発生するトルクが平均トルクに
比べて大きい場合（第５図の区間Ａ、Ｃ）、トルクの余
剰分を取り去るべくモータジェネレータ５は発電機とし
て動作し、トルクを吸収する。

吸収トルクの大きさはステータコイル５ａから流れ出る
負荷電流の大きさによって決まり、負荷電流を大きくす
ると吸収１−ルクが増加する。よって、機関が発生する
トルクの平均トルクに対する余剰分が大きいときには、
負荷電流を大きくすることによりモータジェネレータ５
が吸収するトルクを大きくし、逆に、余剰分が小さいと
きには負荷電流を小さくすることによりモータジェネレ
ータ５が吸収するトルクを小さくするようにして、トル
ク変動のうちの余剰トルクを取り去ることができる。な
お、負荷電流の大きさは以下に述べる方法によって制御
できる。すなわち、トルク制御部７のドライバ１２は、
負荷８およびバッテリー９と並列に接続されたＭＯＳス
イッチ１３を０Ｎ１０ＦＦ制御し、ＭＯＳスイッチ１３
がＯＮされると回路電流はバイパスしてＭＯＳスイッチ
に流れるため、大きな負荷電流が流れる。従って、ドラ
イバ１２をＰＷＭ制御等により駆動し、ＭＯＳスイッチ
１３のＯＮ１０　Ｆ　Ｆのデユーティ比を変化させれば
、負荷電流を増減することができる。

第６図は、トルク制御部７の詳細を示した図である。負
荷電流ｉＬは、検流用抵抗Ｒ５１７の電圧降下として得
られ、増幅器１４により電流検出値ｖｔｔ、に変換され
た後、自動電流＊＊器（ＡＣＲ）１５に送られる。ＡＣ
Ｒｌ５は、マイクロコンピュータ６の電流指令値ＶＬｇ
と電流検出値ｖｉシが等しくなるように帰還ループを構
成しているので。

ＡＣＲｌ　５の出力と三角波発振器１６とでチョッパ信
号を形成するチョッパ回路１７は、負荷電流ｉＬがマイ
クロコンピュータ６の電流指令値に等しくなるようにＭ
ＯＳスイッチをパルス幅変調（ＰＷＭ）によりデユーテ
ィ制御する（第７図参照）。

第８図は１以上で説明した制御回路の制御フローを示す
図である。機関−燃焼サイクル（クランク軸の回転角度
に換算すると、４サイクル機関の場合７２０’　、２サ
イクル機関の場合３６０’）中で制御に用いる回転パル
ス数をＮとする。ステップ１１０において、あるクラン
ク軸回転角度における回転パルス（ｋ番目）を検出する
と、ｋ−１番目のパルスとの間の周期Δｔ、から、この
回Δ　ｔｋ クル機関の場合４π／Ｎ（ｒａｄ）　、　２サイクル機
関の場合２π／　Ｎ　（ｒａｄ）　）が算出でき、更に
、回転きる。Ｖｌ、、ａｈの算出方法はこの他にも数多
く考えられるが、制御に必要な精度等に合せて選択する
ことができる０例えば、Δｔ　ｋ二Δｔ　ｈ−ｚと考Δ
　ｔｋ であり、更に、限られた回転速度（例えばアイドリング
時）の範囲でトルク制御を行うとすれば。

ａｋ＝ｋ　・（ｖｈ−ｖｋ−ｔ）（ｋは定数）とするこ
とも可能である。

次に、ステップ１２０では、１サイクル前において発電
機動作、電動機動作のいずれを行っていたかを判定する
８ 発電機動作を行っていたときはステップ１３０に移り、
ステップ１１０で新たに得た回転加速度変＃Ｊ　ａ　ｈ
を用いて、負荷電流指令ｉｋを１ｈ＝ｉｈ＋ｋａ’　ａ
ｈ　　（ｋｎは正の定数）・（１）の形で修正する。（
１）式によれば、機関が発生するトルクに余剰分がある
とき、すなわちａｋ＞Ｏのときは、ｌｋを増加させて吸
収トルクを大きくし、また、トルクが不足しているとき
、すなわちａｋ＜Ｏのときは、ｉｋを減少をさせて吸収
トルクを小さくするので、常に、トルク変動が小さくな
るように負荷電流指令１ｋを修正できる。ただし、ステ
ップ１３０の修正の際にｉｋが０未満になる場合、すな
わち、負荷電流を０にし吸収トルクを０にしてもなおト
ルクが不足している場合には、ステップ１３１で判定さ
れ、新たに電動機としてトルクを発生すべくステップ１
４０に移る。

同様に、ステップ１２０で、■サイクル前には電動機動
作を行っていたと判定された場合には、制御はステップ
１４０に移り、電機子電流指令ｉ、を ｉ＋ｔ＝ｉｈ−ｋＭ・ａｋ　　（ｋＭは正の定数）　　
・（２）の形で修正する。（２）式によれば、機関が発
生するトルクが不足しているとき、すなわちａ−＜０の
ときは、ｉｋを増加させて発生トルクを大きくし、また
、トルクに余剰分があるとき、すなわちａｋ〉０のとき
は、ｌｂ　を減少させて発生トルクを小さくするので、
常に、トルク変動が小さくなるように電機子電流指令ｉ
ｂ　を修正できる。ただし、ステップ１４０の修正の際
にｉｈがＯ未満になる場合、すなわち、ｆｔＬ１子電流
をＯにし発生トルクを０にしてもなおトルクが余ってい
る場合は。

ステップ１４１で判定され、新たに発電機としてトルク
を吸収すべくステップ１３０に移る。

上記の過程を経て新たに得られた負荷電流指令あるいは
電機子電流指令ｉｋは、ステップ１６０にてトルク制御
部７やパルス分配器５ｆに出力される。ここで重要にな
るのはマイクロコンピュータ６の演算速度である。演算
速度がクランク軸の回転速度に比べて充分に速く、ステ
ップ１１０から１６０までの処理が大きな時間的遅れを
伴わずに完了できる場合は問題がない、もし、演算速度
が遅く、処理に要する時間が制御上問題になるような場
合は、機関が発生するトルク変動が第９図。

第１０図に示すような１燃焼サイクルを１周期とする周
期脈動であることに注目し、新たに得られた指令値’Ａ
ｈ　を１燃焼サイクル後のに番目の回転パルス検出時に
出力すれば、時間遅れを伴わず、かつ、演算速度が速い
場合とほぼ同等の制御効果を挙げることができる。

以上のように指令値１ｋを出力した後は、ステップ１７
０においてパルスのカウント値ｋを更新後、ステップ１
１０に戻って次の回転パルス検出に備える。

第１１図は、制御を行う際の回転加速度データとして、
現在より数サイクル前までのデータをストックし、平均
化処理したデータを用い制御量を決定する方法を示した
ものである。今、ｋ番目の回転パルスに対応するクラン
ク軸回転角度での回転加速度データ８１Ｈについて、過
去ｎサイクルにわたって重みづけ移動平均をとると、 −〇 ａｋ”　　ΣＡＩ−ａｋ量　　　　　　　　　　・・・
（３）ｉ＝１ と表わされる。このような平均化処理は、例えば第１１
図に示すような線形の逃巡回型デジタルフィルタを使用
することにより行うことができる。

ただし、Ａ□はｉ−１サイクル前のデータにかかる重み
づけ係数であり、 Ａ　ｔ　＝　Ａｘ＝　・＝　−Ａ　ｎ＝　　　　　　　
　　−（４）のとき、（３）式は単純な算術平均を求め
る式となる。このような平均化処理を用いると、機関が
発生するトルク変動（すなわち、クランク軸の回転加速
度変動）は周期的であるため、偶発的に現れた変動に対
し、これによる制御の不安定化を最小限に抑えることが
でき、トルク変動の支配的な成分について確実に制御が
できるので、信頼性をより高くすることが可能となる。

第１２図は、本発明の第２実施例を示す図である。これ
は、モータジェネレータ５が発電機動作を行う際の吸収
トルクの制御を、第４図に示す第１実施例では負荷電流
制御により行ったのに対し、本第２実施例では、ロータ
コイル（界磁コイル）５ｂを流れる界磁電流を制御する
ことにより行うものである。すなわち、界磁電流を増加
させるとロータコイルが発生する界磁の強さが大きくな
り。

これに従って、モータジェネレータ５を駆動するのに必
要なトルク、つまりモータジェネレータ５の吸収トルク
が大きくなる。したがって、クランク角センサ３で得た
クランク軸の回転加速度変動からマイクロコンピュータ
６で必要な吸収トルクの大きさと、それを実現するため
の界磁電流の大きさを指令値として算出し、指令値出力
に同期させてロータコイル５ｂを流れる界磁電流量を制
御すればよい。そのための手段としては、第１２図に示
すように、ロータコイル５ｂを流れる界磁電流の大きさ
を検出し、これがマイクロコンピュータ６の指令値に等
しくなるように界磁電流調整器（ＡＣＲ）１８で制御し
、ドライバ１９を介してトランジスタスイッチ２０を０
Ｎ１０ＦＦすることが考えられる。トランジスタスイッ
チ２０がＯＮ状態のときは、界磁電流がコレクタからエ
ミッタに流れるためロータコイル５ｂにも電流が流れ、
逆に、ＯＦＦ状態のときには電流は流れない。

このときの０Ｎ１０ＦＦのデユーティ比を変化させるこ
とにより、所望の界磁電流を流すことができる。

第１３回は、電気駆動装置としてフライホィール・ジェ
ネレータを用いてトルク制御を行ったときの、機関発生
トルク、ジェネレータの吸収トルク、トルク制御時発生
トルクを表わす図である。

図中、破線は、トルク変動のうち余剰分（区間Ａ。

Ｃ）のみをジェネレータで吸収するように制御を行った
場合を示し実線は、トルク変動がＯとなるように吸収ト
ルクの制御を行った場合を示す、どの程度トルク変動を
低減させる必要があるかにより、吸収トルクの大きさを
決めることができる。

また、第１４図は、＠気駆動装置としてフライホィール
・モータを用いてトルク制御を行ったときの、機関発生
トルク、モータの発生トルク、トルク制御時発生トルク
を表わす図である０図中、破線は、トルク変動のうち不
足分（区間Ｂ）のみをモータが発生するトルクで補うよ
うに制御を行った場合を示し、実線は、トルク変動がＯ
となるように発生トルクの制御を行った場合を示す。

【発明の効果〕

上述のように、本発明によれば、内燃機関が発生するト
ルク変動を検出し、このトルク変動を低減させるように
主動力伝達系に設けた電気駆動装置が吸収あるいは発生
するトルクが制御されるので、主動力伝達系や補機駆動
系へ伝達されるトルクの変動成分、および、トルク反力
による機関や車両の振動を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例として電気駆動装置にフライ
ホィール・モータジェネレータを用いたときのトルク制
御回路の構成図、第２図および第３図はクランク軸セン
サから出力される回転パルスおよびクランク軸の回転加
速度変動の一例を示す図、第４図は本発明の第１実施例
のトルク制御装置の回路図、第５図はトルク制御時のト
ルク波形の一例を示す図、第６図および第７図は第１実
施例のトルク制御部の回路図およびその中で使われるチ
ョッパ信号の一例を示す図、第８図はトルク制御装置の
制御フロー図、第９図および第１０図は内燃機関が発生
するトルク波形の一例を示す図、第１１図は平均化処理
したデータを用いるときのデジタルフィルタの回路図、
第１２図は本発明の第２実施例の回路図、第１３図およ
び第１４図は電気駆動装置としてそれぞれフライホィー
ル・ジェネレータおよびフライホィール・モータを用い
てトルク制御を行ったときのトルク波形のｍ個を示す図
である。 ５・・・電気駆動装置の一例たるフライホィール・モー
タジェネレータ、６・・・マイクロコンピュータ、７・
・・トルク制御部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主動力伝達系に発電機としての動作、あるいは電動
   機としての動作、あるいは発電機及び電動機としての動
   作が可能な電圧駆動装置を備えた内燃機関において、内
   燃機関の発生するトルク変動成分を内燃機関の主軸の各
   回転角度ごとに検出する検出手段と、この検出されたト
   ルク変動成分に基づいて前記電気駆動装置が吸収あるい
   は発生するトルクを制御する制御手段とを備え、前記制
   御手段により機関の発生するトルク変動が小さくなるよ
   うに前記駆動装置が吸収あるいは発生するトルクの大き
   さを内燃機関の主軸の回転角度ごとに変化させたことを
   特徴とする内燃機関のトルク制御装置。 ２、前記制御手段は、内燃機関の主軸の各回転角度にお
   けるトルク変動成分として、１燃焼サイクル前の各回転
   角度において検出されたトルク変動を用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関のトルク制
   御装置。 ３、前記検出手段は、内燃機関の主軸の回転加速度変動
   を検出することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の内燃機関のトルク制御装置。 ４、前記電気駆動装置としてフライホィール・ジェネレ
   ータを設け、機関が発生するトルク変動が増大するとき
   はジェネレータの発電量を増加させることによりジェネ
   レータが吸収するトルクを大きくし、逆に、機関が発生
   するトルク変動が減少するときは発電量を減少させるこ
   とにより吸収するトルクを小さくすることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の内燃機関のトルク制御装置
   。 ５、前記電気駆動装置としてフライホィール・モータを
   設け、機関が発生するトルク変動が減少するときはモー
   タへの電圧入力を増加させることによりモータが発生す
   るトルクを大きくし、逆に、機関が発生するトルク変動
   が増大するときは電気入力を減少させることにより発生
   するトルクを小さくすることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の内燃機関のトルク制御装置。 ６、前記電気駆動装置としてフライホィール・モータジ
   ェネレータを設け、機関が発生するトルクが平均トルク
   より大きいときはモータジェネレータを発電機として動
   作させることにより余剰トルクを吸収し、逆に、機関が
   発生するトルクが平均トルクより小さいときはモータジ
   ェネレータを電動機として動作させることにより不足分
   のトルクを発生することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の内燃機関のトルク制御装置。