JPH11117989A - トルク変動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トルク変動の高次成分までの必要トルク変動
低減量を正確に算出する。 【解決手段】 クランク軸に加える加振トルクを調整可
能な加振装置３１を有するエンジンにおいて、加振装置
３１の発生する加振トルクを検出手段３２が、エンジン
−パワートレインの振動加速度を検出手段３３がそれぞ
れ検出し、これら検出値から加振装置３１の発生する加
振トルクとエンジン−パワートレインの振動加速度との
伝達関数を算出手段３４が算出する。この伝達関数に基
づいてエンジンロール振動を低減するように加振装置３
１の加振トルクを制御手段３５が制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃焼加振力や慣
性力により発生するエンジンのトルク変動をアクティブ
に低減するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】オルタネータもしくはモータジェネレー
タの負荷をエンジンが発生するトルクとは逆相で発生さ
せることによりクランク軸のトルク変動を低減すること
が可能となる。この場合、トルク変動は回転系のイナー
シャにクランク軸の回転角加速度を乗じたもので表現可
能であるから、クランク軸の回転角速度を検出し、この
値を微分演算して回転角加速度を求め、この値に比例さ
せてトルク変動を求め、このトルク変動の位相を考慮し
て逆相のトルク負荷を発生させるようにしたものがある
（１９９３年の機械学会論文集（Ｃ編）５９巻５６０号
（論文Ｎｏ．９２−１１７５）の「電気補機のアクティ
ブトルク制御による自動車アイドリング振動低減」参
照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来装
置のように、トルク変動の検出のため、クランク軸の回
転角速度を検出し、この値の微分演算によって回転角加
速度を求めるのでは、回転角加速度の検出精度が低い。
また、回転角速度を検出するにはクランク軸（あるいは
これに同期して回転する軸）の回転に応じて所定数のパ
ルスを発生させることになるが、クランク軸１回転当た
りの検出パルス数が少ないと、変動トルクの高次成分の
検出精度が一層低くなる（パルス数を大きくするとサン
プリング周波数を改善する必要が発生しコスト高とな
る）。

【０００４】さらに、自動変速機のギア位置がＮレンジ
にあるときとＤレンジにあるときとでエンジン状態が変
化するのに、ギア位置に関係なくクランク軸の回転変動
を検出するのではロール振動を低減するための制御精度
が不十分となる（トランスミッション側の回転変動も考
慮する必要がある）。

【０００５】そこで本発明は、ロール振動加速度と加振
装置からのトルク入力との伝達関数を所定の運転条件で
算出し、ロール振動が問題となる運転条件になると、こ
の伝達関数に基づいてロール振動を低減するように制御
することにより、トルク変動の高次成分までの必要トル
ク変動低減量を正確に算出することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、図６に示
すように、クランク軸に加える加振トルクを調整可能な
加振装置３１を有するエンジンにおいて、前記加振装置
３１の発生する加振トルクを検出する手段３２と、エン
ジン−パワートレインの振動加速度を検出する手段３３
と、これら検出値から前記加振装置３１の発生する加振
トルクとエンジン−パワートレインの振動加速度との伝
達関数を算出する手段３４と、この伝達関数に基づいて
エンジンロール振動を低減するように前記加振装置３１
の加振トルクを制御する手段３５とを設けた。

【０００７】第２の発明では、第１の発明において前記
加振装置によりエンジン始動時に既知のインパルス入力
を与えたときのエンジンロール振動の変化より前記伝達
関数を算出する。

【０００８】第３の発明は、第１の発明においてロール
振動が問題となる運転条件であってエンジン始動後初め
て経験する運転条件の初期状態で前記加振装置により既
知の入力を与えたときのエンジンロール振動の変化より
前記伝達関数を算出する。

【０００９】第４の発明では、第１から第３までのいず
れか一つの発明において前記加振装置がモータジェネレ
ータである。

【００１０】第５の発明は、第４の発明において前記モ
ータジェネレータをスタータとして兼用させ、フライホ
イールのリングギアと噛み合うようにするとともに、エ
ンジン側壁に剛に結合してモータジェネレータの加振力
の反作用がエンジンブロックに作用するように設ける。

【００１１】

【発明の効果】第１の発明では、伝達関数の逆数にエン
ジン−パワートレインの振動加速度を乗ずることによ
り、エンジン−パワートレインの振動を低減するために
必要な加振トルクを求めているので、従来装置と比較し
て微分演算が必要でなく、トルク変動の高次成分までの
必要トルク変動低減量を正確に算出できる。この結果、
アイドル振動やロックアップこもり音が大幅に低減可能
である。

【００１２】エンジン始動時はもともと外乱が発生する
タイミングであるから、第２の発明によりエンジン始動
時に加振装置による加振力を加えても振動の違和感を感
知させることなく伝達特性の把握が可能となる。

【００１３】第３の発明では、制御対象の変動（つま
り、同じ運転条件でもガタの違い（個体差、経時変化な
ど）により、また同じ個体、同じ回転数でも負荷により
伝達関数が変化するということ）に追従してきめ細かく
制御可能である。言い換えると、ロール振動をどの使用
状況にあっても直接的にキャンセル可能である。また、
エンジン始動後２度目以降にロール振動が問題となる運
転条件となったときにも伝達関数を算出するのでは、そ
の都度、加振力による振動の違和感を感知させることに
なるが、第３の発明ではそうしたこともなくなる。

【００１４】ベルトはトルクを伝達しようとする場合に
伸縮する。この場合、補機やプーリをイナーシャ、また
ベルトを伸縮方向のバネとして、たとえば２０Ｈｚから
３０Ｈｚのあいだに共振点が存在する（エンジンの回転
速度では１２００ｒｐｍ程度）ため、共振周波数以上で
はトルクが同相で伝わらなくなる。したがって、エンジ
ンの燃焼タイミングに合わせてモータジェネレータに発
生させるトルクを制御し続けると位相が合わなくなり、
かえってトルク変動を大きくしてしまうことがある。こ
れに対して、第５の発明では、ベルト（あるいはチェー
ン）駆動方式によるこうした駆動系共振の影響を受ける
ことがなく、正確な伝達特性の把握やトルク変動低減制
御が可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１はパワープラント１（エンジ
ン−パワートレイン）の斜視図である。図において、３
はシリンダブロック、４はアルミ製のオイルパン、５は
板金製のオイル溜まり、６はシリンダブロック３にボル
トで一体結合されているシリンダヘッド、７はシリンダ
ヘッド６を覆うロッカーカバーで、これらからエンジン
２が構成され、このエンジン２にトルクコンバータ（図
示しない）を介してパワートレインとしてのトランスミ
ッション８が接続される。エンジンおよびパワートレイ
ンからなるこのパワープラント１は、図３に示したよう
にエンジンマウント９を介して車体１０に固定される。

【００１６】本来、エンジンは燃焼加振力によるピスト
ンの往復運動をコンロッドとクランク軸によるリンク機
構から回転出力に変換しているが、燃焼加振力が大きく
変動していると、クランク-コンロッド機構の揺動から
トルク変動が発生する。このトルク変動は、フライホイ
ール、クラッチ（またはトルクコンバータ）を介してト
ランスミッションに伝達される。一方、クランク軸に作
用するこれらのトルク変動は、反作用としてエンジンブ
ロックにも加振力として加わる。この結果、エンジンが
ロール振動し、エンジンマウントへの変位加振となって
車体へ加振力が伝達される。これらの現象は、アイドル
時にはアイドル振動としてステアリングや車体のフロア
振動を増大させ、また定常ロックアップ走行時にはロッ
クアップこもり音などとして問題になる。

【００１７】この場合、オルタネータもしくはモータジ
ェネレータの負荷をエンジンが発生するトルクとは逆相
で発生させることにより（正確にはオルタネータの場合
は吸収トルクを大きくしたり小さくしたりしている）、
クランク軸のトルク変動を低減することが可能となるた
め、クランク軸の回転角速度を微分演算することによっ
て回転角加速度を求め、これに比例させてトルク変動を
求め（トルク変動は、回転系のイナーシャに回転角加速
度を乗じたもので表現可能）、このトルク変動の位相を
考慮して逆相のトルク負荷を発生させるようにしたもの
が提案されているが、クランク軸の回転角速度の微分演
算によって回転角加速度を求めるのでは、回転角加速度
の検出精度が低いし、トランスミッションのギア位置が
ＮレンジにあるときとＤレンジにあるときとでエンジン
状態が変化するのに、ギア位置に関係なくクランク軸の
回転変動を検出するだけではロール振動を低減するため
の制御精度が不十分である。

【００１８】これに対処するため本発明では、エンジン
のロール振動加速度（エンジン−パワートレインの振動
加速度）と加振装置からのトルク入力との伝達関数を運
転中に算出し、この運転中に得た伝達関数に基づいてロ
ール振動を低減するように制御する。

【００１９】このため、シリンダブロック３の一部に
は、ロール方向振動を検出するための加速度ピックアッ
プ１１が装着されている。このピックアップ１１の装着
位置は、パワープラント１の慣性主軸２５（図３参照）
からなるべく離れていてかつロール振動の接線方向に加
速度ピックアップ１１の主軸が向くように配向すること
が望ましい。

【００２０】シリンダブロック３の側壁には加振装置と
して働くとともにスタータを兼用するモータジェネレー
タ１２が台座１３を介して固定される。加振装置として
働くときはインバータ１４（図３参照）からの出力に応
じて駆動され、モータジェネレータ１２の発生するトル
クが加振トルクとしてパワープラント１の全体に作用す
る。

【００２１】このモータジェネレータ１２からの加振ト
ルクをエンジンが発生するトルクと逆相で発生させるこ
とにより、クランク軸のトルク変動を低減することが可
能となる。さらに説明すると、トルク変動を低減するた
めの原理図である図２において、エンジンの燃焼加振力
によりピストンサイドフォースがライナに作用している
が、これの反力がクランク軸に加わったものがクランク
軸中心より右に向かう図示の力Ｆ１で、この力Ｆ１と燃
焼加振力とでエンジン２を反時計回りに回転させようと
する力となる。これに対して、モータジェネレータ１２
より右斜め上に向かう力Ｆ２とクランク軸中心より左下
に向かう力Ｆ３はギアのかみ合いによる反力で、ｒ１＋
ｒ２の距離分を腕としてエンジン１を時計方向に回転さ
せる偶力となる。この偶力が上記の燃焼加振力に伴う反
時計回りの力をキャンセルするのである。

【００２２】なお、図２において、メインフライホイー
ルのイナーシャをＩ１（２リッタークラスのガソリンエ
ンジンであれば０．１ｋｇｍ²程度）、サブホイールと
してのモータジェネレータのイナーシャをＩ２としたと
き、Ｉ２は理想的にはギア比（ｒ１／ｒ２）の逆数をＩ
１に乗じた値であることが望ましい。したがって、スペ
ースの関係でこの値にまでモータジェネレータのイナー
シャを大きくとれないときは、その分だけロール振動の
低減効果が少なくなる。

【００２３】図３は図１に示したメカ構成に電気回路を
追加したものである。

【００２４】加速度ピックアップ１１の出力は、出力が
安定している電圧タイプのものが望ましく、アンプ２１
に入力させる。このアンプ２１からの出力信号のうち不
要な高周波成分をカットするため（加速度出力は一般的
に高周波数領域ほど大きいためオーバーロードを意識す
るとＳ／Ｎ比が低下するので）、ローパスフィルタ２２
を介して演算装置２３に入力させる。

【００２５】エンジン回転数、ブースト圧、トランスミ
ッションのギア位置などの信号が入力される演算装置２
３では、所定の運転条件でモータジェネレータ１２を加
振装置として働かせ、このときのロール振動加速度とモ
ータジェネレータ１２からのトルク入力との伝達関数Ｈ
を求め、その後にエンジンのロール振動が問題となる運
転条件になると、この伝達関数Ｈに基づいて加振装置と
してのモータジェネレータ１２に与える制御トルクを求
め、この制御トルクによりロール振動を低減するように
制御する。

【００２６】主にマイコンからなる演算装置２３で実行
される伝達関数の算出方法を図４のフローチャートを用
いて詳述する。

【００２７】ここで、伝達関数が必要となる運転条件は
ロール振動が問題となる運転条件であるから、エンジン
始動後初めてロール振動が問題となる運転条件となった
とき伝達関数を算出し、記憶させておく。

【００２８】ロール振動が問題となるのは、エンジン
がアイドル状態のときの車両（フロアーやステアリン
グ）のアイドル振動や自動変速機をロックアップした
ときに発生するロックアップこもり音である。したがっ
て、ロール振動が問題となる運転条件としては比較的低
回転かつ低負荷の領域（たとえば２０００ｒｐｍ以下か
つ１／２負荷以下）である。以下では簡単のため、上記
のとを対象とする場合で述べる。

【００２９】ステップ１ではイグニッションキースイッ
チをみて、これがＯＮ状態のときはステップ２でギア位
置をみてＮレンジにあるかＤレンジにあるかを確認して
ステップ３に進む。

【００３０】ステップ３ではエンジン回転数とブースト
圧（負荷）を読み込み、ステップ４においてこれらが上
記の運転域（比較的低回転かつ低負荷の領域）にあるか
どうかをみる。

【００３１】上記の運転域であるときは、ステップ５に
進み、始動後に当該運転域で伝達関数をすでに算出済み
であるかどうかをみる。当該運転域で伝達関数をまだ算
出していない場合にステップ６に進む。

【００３２】ステップ６ではモータジェネレータを加振
装置として働かせるため、モータジェネレータ１２への
駆動電流を指示する。このとき、ギア比（モータジェネ
レータ１２とフライホイール１５（図３参照）のギア
比）も考慮してモータジェネレータ１２に駆動トルク
（始動時に伝達関数を求めるときは始動に必要なＤＣト
ルク）を発生させると同時に、燃焼加振力とは無相関の
変動成分も重ね合わせた信号を与える。

【００３３】ここで、燃焼加振力とは無関係の変動成分
も重ねた合わせた信号を与えるのは次の理由からであ
る。計測される振動加速度にはエンジンが燃焼すること
によって発生する振動も含まれている。これを分離する
ために無相関な信号を重ね合わせたものである。また、
エンジン側の燃焼加振力から燃焼加振力に対する伝達特
性も明らかになる。

【００３４】ステップ７では、このときのロール振動加
速度を測定し、これをステップ８においてモータジェネ
レータ１２の発生する駆動トルクで除することにより伝
達関数Ｈを算出する。

【００３５】なお、モータジェネレータ１２に発生する
駆動トルクは、モータの電流もしくは電圧と素直な比例
関係にあるため、インバータ１４に与えた電流もしくは
電圧を用いて推定している。

【００３６】ステップ９ではメモリにそのときのギア位
置に応じて最新の値を格納する。

【００３７】ここで、上記の運転域（比較的低回転かつ
低負荷の領域）の全体に対して１つの伝達関数を求める
のではなく、この運転域をさらに複数の小さな領域に区
分しており、その小さな領域毎に伝達関数（周波数ごと
の伝達関数）を格納している。つまり、回転数と負荷を
パラメータとする伝達関数のマップをギア位置ごとに持
っており（ＮレンジとＤレンジに対して１つずつのマッ
プ）、その各マップ上の小さな領域ごとに別々の値が格
納されることになる。

【００３８】図５のフローチャートは、このようにして
伝達関数を求めた後にロール振動が問題となる運転条件
になったとき、その求めた伝達関数に基づいてトルク制
御を行うためのものである。

【００３９】ステップ１１ではエンジン回転数とブース
ト圧を読み込み、ステップ１２においてこれらが所定の
運転域にあるかどうかをみる。この所定の運転域は前述
したロール振動が問題となる運転域である。所定の運転
域でないときはロール振動が問題とならないので、その
まま今回の処理を終了する。

【００４０】所定の運転域であるときは、ステップ１３
に進んでギア位置がＮレンジにあるのかＤレンジにある
のかを確認したあと、ステップ１４、１５において加速
度ピックアップ１１により検出されるそのときのロール
振動加速度Ａを測定し、車両感度やマウントインシュレ
ータ（ばね定数）等より決定されるエンジンマウント振
動の目標加速度とこの実際の加速度Ａの差を０と比較す
る。

【００４１】比較の結果、目標値−Ａの値が０より大き
い場合は、ロール振動を低減する必要があるので、ステ
ップ１６以降に進み、モータジェネレータ１２を加振装
置として働かせてエンジンマウント振動を抑制する方向
に加振力を加える。

【００４２】詳細には、ステップ１６で摂動トルクＴに
ギア位置に応じた伝達関数Ｈ（ｔ）を乗算した値を、モ
ータで制御したときの加速度レベルＡｃとして求め、上
記の目標値−Ａの値とこのＡｃをステップ１７において
比較し、目標値−Ａの値がこのＡｃと一致するまでステ
ップ１６、１７の操作を繰り返す。

【００４３】上記の摂動トルクＴは、モータジェネレー
タの必要発生トルクＴｍ０（平均的な数値）を初期値に
して摂動させるトルクのことで、Ｔｍ０はマップ検索に
より求める。このマップも、エンジン回転数と負荷をパ
ラメータとするマップで、伝達関数のマップと同じに複
数の領域に区分けしている。

【００４４】上記の目標値−Ａの値がＡｃと一致したと
きはステップ１７よりステップ１８、１９に進み、この
ときの摂動トルクＴの値を制御トルクＴｍに移し、この
制御トルクＴｍ（の得られる電流値）をインバータに出
力する。

【００４５】単純に考えると、制御トルクＴｍを求める
のに、Ｔｍ＝（目標値−Ａ）／ｈ（ｔ）とすればよいわ
けであるが、伝達関数Ｈ（ｔ）の逆数をとるときに伝達
関数Ｈ（ｔ）が限りなく０に近い場合（反共振点）、誤
差が拡大されてしまうため、乗算の形で収束計算を行わ
せてＴｍを求めることで、制御精度の低下を防止するの
である。もちろん、Ｔｍ＝（目標値−Ａ）／ｈ（ｔ）に
より制御トルクＴｍを求めてもよいことはいうまでもな
い。

【００４６】このようにして、伝達関数に基づいて求め
た制御トルクＴｍをモータジェネレータ１２よりパワー
プラント１に与えることで、エンジンの目標ロール振動
加速度に対する実際のロール振動加速度Ａとの差分をキ
ャンセルすることができる。

【００４７】次に、本発明の作用を説明する。

【００４８】通常、トルク変動の検出は回転角速度を検
出し、これを微分演算することにより回転角加速度を求
め、これにエンジンのイナーシャＩｐを掛け合わせるこ
とでトルク変動を算出する。一般的に微分演算の精度が
低いこともあり、トルク変動の高次成分を算出するため
には検出パルス数を上げなければならないが、この場
合、演算に時間を要するため、時時刻々の制御は無理で
あり、何サイクルか前の状態で制御することになる。

【００４９】これに対して、伝達関数を用いてのトルク
変動低減方式である本発明では、微分演算が発生せず、
エンジンマウント振動を低減するために必要なトルクＴ
ｍを伝達関数の逆数にエンジンマウント振動加速度Ａを
乗ずる（時間領域では畳み込み積分）ことにより求めて
いるので、従来装置と比較すると、トルク変動の高次成
分までの必要トルク変動低減量を正確に算出できる。

【００５０】また、モータジェネレータにも所定のイナ
ーシャを持たせることにより、ロール振動を低減させる
際のシステムをコンパクトにすることが可能である。従
来のように電気モータだけでトルク変動をキャンセルし
ようとすると、非常に大きなモータが必要となり、レイ
アウトや重量が現実的でなかったが（エンジンは平均的
な出力に比べ変動分が大きく、この傾向は負荷が大きい
と顕著だから）、所定のイナーシャを持たせたモータジ
ェネレータであれば、物理的にキャンセルできるトルク
が存在するため、残った変動成分を電気的にキャンセル
するだけでよくなるためコンパクトなシステムとなるの
である。

【００５１】実施形態では、伝達関数を実際に算出する
場合で説明したが、計算負荷を低く抑えるのであれば、
周波数毎の伝達関数をギア位置毎の運転領域のマップに
格納したものを予め用意しておき、トルク制御は、この
マップに応じて行うようにすることもできる。

【００５２】実施形態では、ロール振動が問題となる運
転条件をエンジン始動後初めて経験したときモータジェ
ネレータにより既知の入力を与えてエンジンロール振動
の変化より伝達関数を算出する場合で説明したが、モー
タジェネレータによりエンジン始動時に既知のインパル
ス入力を与えたときのエンジンロール振動の変化より伝
達関数を算出させてもかまわない。

【００５３】伝達関数を求める場合、入力となる加振力
の周波数特性と応答となるエンジンマウント振動の周波
数特性のわり算を実行することになる。このため、加振
力と加速度レベルの計測と周波数分析が必要となる。本
実施形態では、この加振力がモータジェネレータによる
トルク入力であるため、この計測が必要となる。この場
合に、トルクセンサを用いてトルクを計測するのも一例
ではあるが、コストがかさむため、モータジェネレータ
を流れる電流とトルクの関係を予め求めておき、その電
流を計測することでトルクに換算する。このとき、限ら
れた時間にトルクを発生させるという意味合いで上記
「インパルス」という表現を用いている。モータ駆動電
流により発生トルクを予測すれば実際の電流を計測する
ことも必要でない。エンジン始動時はもともと外乱が発
生するタイミングであるから、エンジン始動時にモータ
ジェネレータにより加振力を加えても振動の違和感を感
知させることなく伝達特性の把握が可能となる。

【００５４】ただし、ギア位置がＮレンジにあるエンジ
ン始動時に求まる伝達関数は、ギア位置がＮレンジにあ
るときに最適な値となるので、このときの伝達関数を、
ギア位置がＤレンジにあるロックアップ時に用いたので
は、ズレが生じる。したがって、ロックアップ時に用い
る伝達関数は、ギア位置がＤレンジにあるときに求めた
伝達関数であることが望ましい。

【００５５】実施形態では、伝達関数を算出するのに、
運転域のほかギア位置を考慮したが、補機の駆動状態に
ついても考慮することで、さらにトルク制御の精度を高
めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態のパワープラント１の斜視図であ
る。

【図２】トルク変動を低減するための原理図である。

【図３】第１実施形態の制御システム図である。

【図４】伝達関数の算出を説明するためのフローチャー
トである。

【図５】伝達関数に基づいたトルク制御を説明するため
のフローチャートである。

【図６】第１の発明のクレーム対応図である。

【符号の説明】

１ パワープラント ２ エンジン ８ トランスミッション（パワートレイン） １２ モータジェネレータ １４ インバータ ２１ 加速度ピックアップ ２３ 演算装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅原 康之 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クランク軸に加える加振トルクを調整可能
   な加振装置を有するエンジンにおいて、 前記加振装置の発生する加振トルクを検出する手段と、 エンジン−パワートレインの振動加速度を検出する手段
   と、 これら検出値から前記加振装置の発生する加振トルクと
   エンジン−パワートレインの振動加速度との伝達関数を
   算出する手段と、 この伝達関数に基づいてエンジンロール振動を低減する
   ように前記加振装置の加振トルクを制御する手段とを設
   けたことを特徴とするトルク変動制御装置。
2. 【請求項２】前記加振装置によりエンジン始動時に既知
   のインパルス入力を与えたときのエンジンロール振動の
   変化より前記伝達関数を算出することを特徴とする請求
   項１に記載のトルク変動制御装置。
3. 【請求項３】ロール振動が問題となる運転条件であって
   エンジン始動後初めて経験する運転条件の初期状態で前
   記加振装置により既知の入力を与えたときのエンジンロ
   ール振動の変化より前記伝達関数を算出することを特徴
   とする請求項１に記載のトルク変動制御装置。
4. 【請求項４】前記加振装置はモータジェネレータである
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに
   記載のトルク変動制御装置。
5. 【請求項５】前記モータジェネレータをスタータとして
   兼用させ、フライホイールのリングギアと噛み合うよう
   にするとともに、エンジン側壁に剛に結合してモータジ
   ェネレータの加振力の反作用がエンジンブロックに作用
   するように設けることを特徴とする請求項４に記載のト
   ルク変動制御装置。