JP2002519587A - 内燃機関のスタート遮断方法 - Google Patents
内燃機関のスタート遮断方法Info
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Abstract
Description
方法に関する。
タートさせなければならないことは知られている。このため一般にスタータモー
タが用いられ、これはいわゆるソレノイドスイッチもしくはピニオン噛み合い駆
動装置(Einrueckrelais)として構成されたスタータリレーを介して電圧源と接
続され、これと同時にスタータモータのピニオンが内燃機関のフリーホイールの
リングギヤと噛合して回転始動するようになる。スタータリレーを投入するため
に、それを外部のスイッチたとえば自動車のイグニッションスイッチまたはスタ
ートスイッチを介して制御することが知られている。内燃機関が自己回転してか
らは騒音の発生や摩耗を防止するため、スタータモータの噛合を解除しなければ
ならない。点火スイッチもしくはスタートスイッチを離すことで、手動によりス
タート遮断を行うことが知られている。自動車の乗り心地を高めるために、内燃
機関の自動的なスタート遮断を実行する解決策が知られている。つまりたとえば
DE 195 03 537 A1 によれば、バッテリ電圧および/またはスタータ電流のリプ
ルの捕捉によって、内燃機関の自己回転の電子的な検出を実現することが提案さ
れている。この場合、内燃機関の自己回転を検出するため、バッテリ電圧または
スタータ電流の絶対値が基準値と比較される。その際の欠点は、内燃機関の動作
条件が不十分にしか考慮できないことであり、その結果、たとえば内燃機関のコ
ールドスタートやウォームスタートなどを考慮できなくなる。
ート遮断時点を求めるために内燃機関の動作状態に関する情報が間接的に考慮さ
れることである。スタート遮断時点を求めるために、スタータ電流に比例する信
号が評価される。その際、スタータ電流に比例する信号を用いた特性曲線が評価
され、この特性曲線は内燃機関の動作状態に依存しており、内燃機関の自己回転
後ただちに最適化されたスタート遮断が可能となり、その結果、始動時間の短縮
が実現され、殊に内燃機関が動作して暖まっているときにそれが達成される。本
発明による方法はあらゆる内燃機関に簡単に適用することができ、その際、内燃
機関の動作状態によって決まるパラメータの特性曲線の整合だけが必要とされる
。
、スタータモータを給電する自動車バッテリのバッテリ電圧を評価するように構
成されている。これにより、内燃機関のクランク軸回転数情報がなくても、スタ
ート遮断時点の最適化が可能となる。
って得られる。
クランク軸回転数との関係を示す図である。図3は、始動フェーズ中のバッテリ
電圧経過特性を示す図である。
過特性が時間tに沿って示されている。スタータモータのスイッチオンに伴い、
スタータ電流ISが時点t1で第1の最大値I1まで上昇する。ついでスタータ
電流ISはリプル領域に移行し、その後、内燃機関が自己回転してから電流I0 に移行する。スタータ電流ISのリプルは周知のように、始動フェーズ中に交互
に生じる内燃機関の圧縮フェーズと圧縮解除フェーズによって生じるものである
。時点t1から間隔をおいてたとえば150msの間隔をおいて規定されている
時点t0から始まって、スタータ電流ISの正または負の勾配をもつフェーズが
捕捉される。図示されている実例では、スタータ電流の負の勾配をもつフェーズ
が期間t2〜t3まで、期間t4〜t5まで、という具合に捕捉され、他方、正
の勾配をもつフェーズが期間t3〜t4まで、期間t5〜t6まで、という具合
に捕捉される。各スタータ電流最大値I2,I4もしくはI6には、時点t2,
t4およびt6で電圧最小値が対応づけられている。
始めて、負の勾配をもつスタータ電流の期間が求められ、固定的に記憶されてい
る時間特性曲線と比較される。固定的に記憶されている時間特性曲線は、関数t Abschalt =f(I1)から求められる。スタータ電流ISの第1の電流
最大値I1に基づき、内燃機関の動作状態を推定することができる。つまり内燃
機関の種々の動作温度において、第1の最大値I1は動作温度に対応づけること
のできる相応の値をもつことが知られている。
基づき、この情報が引き続き評価される。図2の特性曲線は、クランク軸回転数
nとスタータ電流ISの関係を表している。この場合、フリーホイールの連結が
閉じられておりスタータモータと内燃機関の動作がほぼ定常状態にあるものとす
る。ここでは合わせて3つの特性曲線が3つの異なる動作温度について書き込ま
れており、つまり−20゜C、+20゜Cおよび+80゜Cについて書き込まれ
ている。参照符号10により、内燃機関が冷えているときのスタータによる始動
支援の終端領域が規定されている。特性曲線12によって、内燃機関が暖まって
いるときの自己回転のための最低クランク軸回転数nが規定されている。クラン
ク軸回転数nとスタータ電流ISとにより得られる特性曲線は、直線化された経
過特性に移行している。参照符号14により「ウォーム」特性曲線が示されてお
り、それと並行して延びる「コールド」特性曲線が参照符号16で示されている
。スタータ電流ISと回転数nとの良好な関係は、約10゜Cよりも高い温度お
よび約300 1/minまでの回転数領域nについて生じる。暖機状態の内燃
機関については、ミスファイアや燃焼エラーが発生していなければ、そこから遮
断判定基準を求めることができる。温度が0゜Cよりも低ければ、最低所要回転
数nとスタータ電流ISとの交点は生じない。
といっしょに評価することで、内燃機関のスタート遮断のための時間特性曲線が
形成される。この場合、内燃機関の種々の動作状態に対する様々な時間特性曲線
を、たとえば動作温度に依存して、格納し処理することができる。たとえば10
゜Cという初期温度TKritを規定することにより、TKritよりも大きい
特性曲線とTKritよりも小さい特性曲線を区別することができる。これらの
特性曲線の切り替えは、たとえばスタータ電流ISの電流最大値I1,I2の評
価により行われる。なぜならばそれらによって、内燃機関が冷えているのか暖ま
っているのかについての情報が供給されるからである。たとえば最大値I1,I 2 の振幅、振幅t2−t1の時間間隔ならびに差I2−I1によって、暖まった
内燃機関もしくは冷えた内燃機関を検出するための判定基準を得ることができる
。
るように構成することができ、その際にたとえば、暖まった内燃機関と冷えた内
燃機関について1つの共通の特性曲線が用いられる。
ールの連結が開かれている期間にわたり遮断が行われるようにしなければならな
い。フリーホイールの連結が開かれていることは、スタータ電流ISの経過特性
によって検出することができる。スタート遮断が許可される前にフリーホイール
の連結が開かれているときに少なくとも待機しなければならない観察時間は、4
シリンダ内燃機関における点火間隔に応じて、燃焼トルクなしで回転数nが変化
したときにクランク軸が0.8〜1半回転する時間に相当する。係数0.8とな
る理由は、内燃機関が暖まっており減速型スタータであると、フリーホイールの
連結が閉じられているときの動力伝達フェーズは内燃機関のサイクル時間の約2
0%を下回らないからである。
するフリーホイール連結の閉鎖フェーズにわたり、スタータ電流ISとクランク
軸回転数nとの関係(ウォーム特性曲線)に従い行うことができる。温度が+2
0゜Cよりも著しく低いとき、および/または自動車バッテリが部分放電してい
るとき、スタータ電流ISが同じであればそれ相応に小さく割り当てられた回転
数値nが生じる。このことは内燃機関温度が低いときには、以下のようにして補
償される。すなわちこの場合、相対的な動力伝達フェーズが、0゜Cであれば典
型的には50%まで、−20゜Cであれば典型的には70%まで上昇することに
より補償される。そのときにも係数0.8のまま保たれると、フリーホイール連
結の開放フェーズは負の温度のときも確実に橋絡される。低温時においておそく
とも第2の圧縮フェーズからは、スタータ電流ISの高い電流レベルと、電流最
大値I1とI2の間の僅かな下降によって、内燃機関が冷えていることを明確に
検出することができ、その結果、比較的長い待機時間つまりそれ相応に異なる時
間特性曲線に切り替えることができる。これにより、内燃機関のスタート遮断に
あたり(所定の度合いまでの)ミスファイアが生じても内燃機関が停止してしま
うことはない、という利点が得られる。同様に、少なくとも1つの完全なミスフ
ァイアを橋絡するため、時間特性曲線においてフリーホイール連結開放時にいっ
そう大きい遅延時間を設定することも可能である。
と接続された後、時点t0までの予備フェーズが除去されるようにして評価され
る。ついでスタータ電流ISの勾配が常に評価され、これは電流最大値I2,I 4 ,I6...が正の勾配をもつそれぞれ1つのフェーズの終了時に形成される
ように評価される。これらの値によって、スタータ電流ISの負の勾配からの時
間特性曲線にわたり遅延時間が形成される。この遅延時間までは、電流遮断をト
リガするため、スタータ電流ISの負の勾配を一定に保持する必要がある。この
場合、ウォーム特性曲線もしくはコールド特性曲線を求めるために、関数TAb schalt =f1(I1)が適用される。第2の完全な圧縮フェーズの後、正
の電流勾配をもつそれぞれ1つのフェーズの終了時における2つの電流最大値I 2 −I4,I4−I6,...について、内燃機関の温度が0゜Cよりも高いか
0゜Cよりも低いかについて判定される。温度が低ければ、時間特性曲線はTA bschalt =f2(I1)に切り替えられる。これにより、内燃機関が冷え
ているとき(スタータ電流ISの値が大きいとき)にはスタート遮断が行われな
いようにすることができる。これと同時に、スタータ電流ISが小さいとき(内
燃機関の温度が比較的高いとき)の遅延時間は、格納されている特性曲線によっ
て自動的に短くされ、これによって内燃機関の温度が比較的高いときに遮断時点
において過度に高い回転数値nを防ぐことができる。
きる。
である: Nkwwarm = Nkwl * (1. - I1/ Iwk) Nkwl = 300 1/min Iwk = 1000 A 「コールド特性曲線」については、単純化して平行にシフトされた勾配が適用
される: Nkwkalt = Nkwlwarm - 50 1/min クランク軸回転数に依存して遅延時間(tfenster)について以下のこ
とが成り立つ: tfenster = 120. * 係数 / (Nkw*Nzz) Nzz = 4; シリンダ数 係数 =0.8;上述の記載参照 tfenster = 24. /Nkw この(線形化された)式に従い求められた回転数と、暖まった内燃機関および
冷えた内燃機関のための待機時間は、以下の表にまとめられている:
個尾場合、スタータ電流mISの代わりに自動車バッテリ電圧Uがスタータ電流
に比例する信号として用いられる。電圧U(バッテリ電圧)の経過特性は内燃機
関の始動過程時、スタータ電流ISに対し鏡像的に振る舞う。電圧Uはスタータ
電流ISのリプルとは逆のリプルを有しており、つまりスタータ電流ISが上昇
する区間では電圧Uは下降し、スタータ電流ISが下降する区間では電圧Uが上
昇する。明瞭にするため、図3には時点t2,t4,t6に電流I2,I4,I 6 がいっしょに書き込まれている。電圧Uはスタータモータの端子から取り出さ
れ、これは自動車バッテリのプラス極と接続されている。ここで以下の関係が成
り立つ: U = UBatt - IS (RiBatt + RiL) ここで UBatt は自動車バッテリの無負荷電圧であり、ISはスタータ電
流、Ribattは自動車バッテリの内部抵抗、そしてRiLは接続端子から自
動車バッテリへの導体抵抗である。
動車バッテリ、温度、ならびに積載状態に依存する。以下の表によれば全体的に
非線形関係が生じ、ここで無負荷電圧UBattはVで、バッテリ内部抵抗Ri Batt はmΩで表されている。
いくらか低下し、無負荷電圧UBattはまだいくらか上昇して経過することが
あてはまる。
動車バッテリのプラス端子からスタータ電流の接続端子までの導体長に従い、1
mΩの定格抵抗値を有している。この値は、導体材料一般には銅の温度係数に依
存する。
態であれば、約6〜7mΩの総抵抗値が生じる。温度が低くかつ自動車バッテリ
の充電状態が悪いと、総抵抗値は約7〜9mΩとなる。
目的で(印加パルスが短いと非常に手間をかけてしか実行できず、その理由は約
100Aという大きい測定電流によってしかそれ相応の測定精度が得られないか
らである)、内燃機関のスタート遮断時点の算出にあたり、バッテリ内部抵抗R
iBattを6mΩとする。なぜならばこの抵抗値によって、温度が10゜Cよ
りも高くかつ正常なバッテリ充電状態であれば、内燃機関において起こり得る多
数の動作事例がカバーされるからである。
られる。それというのも、温度が低いときには自動的に比較的大きい電流mIS が推定され、ひいてはスタート遮断まで比較的大きい時間窓がアクティブになる
からである。
気的負荷を排除する目的で、スタータモータに配属されたソレノイドスイッチの
リレー投入フェーズ開始前であって初期フェーズtinが終了した後、電圧Uの
最初の測定が行われる。それにより以下のようになる: U_0 = UBatt - IVerb 0 (RiBatt + RiL) ここでUBattは無負荷電圧であり、IVerbは始動時点につながる別の
電気的負荷の電流である。したがって電圧U_0には、その時点でつなげられた
電気的負荷における電圧降下の差し引かれたバッテリ無負荷電圧が含まれる。こ
の場合、必要とされる電圧窓は10V〜+13Vまでである。
してから、つまり時点t0で行われる。ここで以下の通りとなる: U_1 = UBatt - (IVerb + IS) ・(RiBatt + RiL) 最後に挙げた式の差形成により電圧差 dU = IS (RiBatt + RL) が得られ、この場合、抵抗値RiBatt+RLについて全体として抵抗RX=
6mΩが代入される。これにより IS = (U_0 - U_1) / 6 mΩ となる。
的で、始動過程にあたり動作中の電装品をシステマティックに捕捉し、始動過程
の時間領域全体にわたって記録する必要がある。ここで重要なのは個々の電流の
レベルと経過特性である。なぜならば場合によっては、適切に選定されたフィル
タを介して電装品の除去も行われるからである。
電圧Uの1つのフェーズにおけるそれぞれ1つの時間窓に相当する。上昇する電
圧Uのフェーズは、図1による下降するスタータ電流ISのフェーズに対応して
おり、したがってスタータ電流ISについて同様のことがあてはまる。
ォーム特性曲線またはコールド特性曲線と比較することにより、電圧Uの上昇フ
ェーズ内でその期間経過後、時点tAで内燃機関のスタート遮断が行われる。
量たとえば自動車バッテリおよびスタータモータの接続端子への接続導体に関す
る設定量を排除し、温度の影響や耐用年数の影響がスタート遮断の決定にできる
かぎり僅かな作用しか及ぼさないようにすることで、遮断時点tAの決定精度を
高めることができる。
タ電流ISの最大値の時点でつまり時点t1の電流I1の最大値の時点で測定さ
れ、このとき電圧Uはその最小値Uminをもつ。この時点では、誘導電圧成分
Null(L* di/dt = 0; di/dt = 0)およびスタータモータの回転数から生じ
る電圧成分Uistaは比較的小さく、スタータモータの温度には依存しない。
これは、生じ得る温度範囲全体において0.3〜0.5Vとなる。
って接続端子におけるその時点でのスタータ電流ISと、バッテリ内部抵抗Ri Batt および導体抵抗RiLから求められる抵抗が得られる。ここで次式が成
り立つ: Istag = (Umin - Uxx) / Ra および Rig = (UBatt - Umin) / IS ここでIstagは推定された最大スタータ電流であり、Istaはシミュレ
ートされた最大スタータ電流、UBattは自動車バッテリ無負荷電圧、Umi n はスタータモータの接続端子における最小電圧、UXXはスタータモータのブ
ラシ電圧+スタータモータの誘導電圧、RiGは推定されたバッテリ抵抗RiB att +導体抵抗RiL、さらにRaは接触抵抗+アース側の導体抵抗+スター
タモータの巻線抵抗+スタータブラシに配分される成分である。
められた結果を以下に示す。平衡点は+20゜C付近にある。用いられたパラメ
ータは、励磁を伴う1.8KWのスタータモータについてあてはまる。
Claims (11)
- 【請求項1】 内燃機関とかみ合って回転始動させるスタータモータを、内
燃機関が自己回転したときにかみ合いからはずして遮断し、スタート遮断時点を
スタータモータのスタータ電流の経過特性から求める形式の、内燃機関のスター
ト遮断方法において、 スタート遮断時点(tA)を求めるためスタータ電流(IS)に比例する信号
を評価し、スタータ電流に比例する信号を用いた特性曲線を評価し、該経過特性
は内燃機関の動作状態に依存し、 スタータ電流(IS)における最初の電流最大値(I1)に基づき時間特性曲
線(tA=f(IS))を選択することを特徴とする、 内燃機関のスタート遮断方法。 - 【請求項2】 スタータ電流(IS)のリプル期間において電流最大値(I 2 ,I4,I6)から始めて、下降するスタータ電流(IS)の経過中、負の勾
配をもつ期間(t)を測定し、固定的に記憶されている少なくとも1つの時間経
過特性と比較する、請求項1記載の方法。 - 【請求項3】 前記特性曲線は内燃機関の温度に依存している、請求項1ま
たは2記載の方法。 - 【請求項4】 選定可能なクリティカルな温度に依存して、内燃機関の動作
温度が該クリティカルな温度(TKrit)を超えたときにはウォーム特性曲線
を使用し、内燃機関の動作温度が該クリティカルな温度(TKrit)よりも低
くなったときにはコールド特性曲線を使用する、請求項1から3のいずれか1項
記載の方法。 - 【請求項5】 暖まった内燃機関と冷えた内燃機関について1つの共通の時
間経過特性を使用する、請求項1から4のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項6】 前記時間経過特性を、クランク軸回転数(n)とスタータ電
流(IS)との関係から求める、請求項1から5のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項7】 スタータ電流(IS)の勾配を、時点(t0)からの予備フ
ェーズの除去後に評価する、請求項1から6のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項8】 スタータ電流(IS)に比例する信号として自動車バッテリ
電圧(U)を評価する、請求項1から7のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項9】 前記自動車バッテリ電圧(U)の測定にあたり、バッテリ内
部抵抗(RiBatt)と、スタータモータの接続端子から自動車バッテリへの
導体抵抗(RiL)を考慮する、請求項1から8のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項10】 自動車における別の目下の電気的負荷が前記自動車バッテ
リ電圧(U)に及ぼす影響を排除する、請求項1から9のいずれか1項記載の方
法。 - 【請求項11】 自動車バッテリ電圧(U)に及ぼす自動車固有の量たとえ
ばバッテリの充電状態、バッテリの温度を排除する、請求項1から10のいずれ
か1項記載の方法。
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