JP2005120930A - 内燃機関の始動機構の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 的確なタイミングでエンジンを始動するスタータモータの作動を停止する。
【解決手段】 エンジンＥＣＵは、車両の外気温および二次電池の電圧値を検知するステップ（Ｓ１１０）と、マップに基づいて、検知した外気温および電圧値でスタータモータのアシスト力が消失する遮断回転数を算出するステップと、エンジンの回転数を検知するステップ（Ｓ１２０）と、エンジンの回転数が遮断回転数よりも大きくなると（Ｓ１３０にてＹＥＳ）、スタータモータに駆動カット信号を出力するステップ（Ｓ１４０）とを含むプログラムを実行する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関の始動機構に関し、特に、始動機構を制御する装置に関する。

車両に搭載される内燃機関（エンジン）は、一旦動作を開始するとその後は自身で発生した運動エネルギで動作を継続できるが、始動の際には混合気の吸入と圧縮のために、エンジンの外部から運動エネルギを与える必要がある。このため、スタータモータと呼ばれる始動装置を備える。

このスタータモータの先端にはピニオンギヤ（外歯歯車）が設けられている。また、エンジンのクランクシャフト端部にはフライホイールが設けられ、このフライホイールの周囲には外歯の歯車が設けられている。このスタータモータのピニオンギヤとフライホイールの外歯の歯車とを噛み合わせて、二次電池の電力でスタータモータを作動させることによりクランクシャフトを回転させることができ、エンジンを始動できる。エンジンの始動後には、スタータモータとともに設けられた電磁石を利用したマグネットスイッチを用いて、スタータモータのピニオンギヤとフライホイールの外歯の歯車との噛み合いを解除する。

このようなスタータモータは、運転者がイグニッションスイッチをスタート位置にしている間だけ（イグニッションキーをスタート位置まで回している間だけ）、スタータモータのピニオンギヤとフライホイールの外歯の歯車との噛み合わされた状態で作動され、運転者がエンジンの始動を確認してイグニッションスイッチを戻すと、スタータモータへの電力の供給が停止してエンジン始動動作が完了する。この場合に、エンジン始動後もスタータモータを作動させると、スタータモータは回転数の上昇に伴い、発生するトルクが低下するので、スタータモータがエンジンのフリクションになることがある。

特開平２−２１１３８０号公報（特許文献１）は、エンジンの始動時にエンジン側の始動ギヤでセルスタータが逆に回されて過剰回転により破損することを防止する、エンジンの電気始動装置のオーバーラン防止装置を開示する。このオーバーラン防止装置は、エンジンのセルスタータの指令入力端子を指令入力回路およびメインスイッチを介してバッテリに接続するとともに、セルスタータのパワー入力端子をパワー入力回路を介してバッテリに接続し、メインスイッチを始動位置に投入することにより、セルスタータが作動し、セルスタータのピニオンが押し出されてエンジンの始動用ギヤに噛み込んで回転駆動するように構成したエンジンの電気始動装置において、指令入力回路に給電遮断装置を介装し、エンジンの回転数を回転数検出知装置で検出可能に構成し、回転数検出装置を給電遮断装置に接続し、回転数検出装置の検出回転数が設定回転数以上になると、給電遮断装置が指令入力回路を遮断してセルスタータへの給電を停止するように構成した。

このオーバーラン防止装置によると、運転者の不注意などによりエンジンの始動後もイグニッションキーがメインスイッチの始動位置に長く投入されると、エンジン回転数は急激に上昇して、回転数検出装置の検出回転数は設定回転数以上になる。回転数検出装置からの信号を受けた給電遮断回路は、セルスタータの指令入力端子とメインスイッチとを結ぶ指令入力回路を遮断して、セルスタータへの給電を停止するので、ピニオンがセルスタータの戻しバネで退出して始動用ギヤとの連動がなくなると同時に、アーマチュア軸が給電遮断されて駆動力をなくして（すなわちセルスタータがモータとしての機能をなくして）停止する。その結果、セルスタータのオーバランをなくしてその損傷を防止することができる。
特開平２−２１１３８０号公報

しかしながら、上述した公報に開示されたオーバーラン防止装置によると、回転数検出装置により検出された回転数が設定回転数以上になるとセルスタータへの給電を遮断するので、エンジンが始動直後にセルスタータへの給電を遮断でき、オーバランを防止できるというものにすぎない。すなわち、設定回転数のみに基づいてセルスタータへの給電を遮断している。

セルスタータがトルクを発生させている時間においてはエンジンを回転させることになるので、エンジンの始動性を向上させるためには給電を遮断しないことが好ましい。一方、回転数が上昇してセルスタータから発生するトルクが０になると、セルモータはエンジンのフリクションになるのみであるから給電を遮断することが好ましい。さらに、セルモータのトルクは、始動電流値や温度により変動するものである。上述した特許文献１においては、このようなトルクを考慮したり、温度を考慮したりしているものではなく、的確なタイミングにおいてセルスタータへの給電を遮断することができているとは限らない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、的確なタイミングで始動装置の作動を停止することができる、内燃機関の始動機構の制御装置を提供することである。

第１の発明に係る制御装置は、内燃機関の始動機構を制御する。始動機構は蓄電機構から電力が供給される。この制御装置は、内燃機関の回転数を検知するための検知手段と、始動機構の発生トルクが予め定められた値以下になる遮断回転数を算出するための算出手段と、検知された内燃機関の回転数と算出された遮断回転数とに基づいて、蓄電機構から始動機構への電力の供給を制御するための制御手段とを含む。

第１の発明によると、エンジン等の内燃機関を始動する始動機構であるスタータ（スタータモータおよびマグネットスイッチを含む）を停止させるタイミングを的確に制御できる。たとえば、このようなスタータモータは回転数の上昇に伴い発生するトルクが小さくなり一定の回転数で発生トルクは０になる。回転数が低くスタータモータから発生するトルクが０や予め定められた小さな値（以下、０や予め定められた小さな値を含めて、ステータモータから発生するトルクが０であると記載する）より大きければ、スタータモータがエンジンのフリクションにはならない。このため、スタータモータから発生するトルクが０になる回転数までエンジン回転数が上昇する間は、スタータモータに蓄電機構であるバッテリから電力を供給して、スタータモータから発生するトルクが０になる回転数までエンジン回転数が上昇すれば、スタータモータにバッテリからの電力供給を遮断する。このようにすると、スタータモータがトルクを発生させている限りスタータモータによりエンジンを始動させることができるとともに、スタータモータから発生するトルクが０になるとスタータの作動を停止させて（バッテリからの電力供給を遮断して、スタータモータの回転を停止させるとともに、マグネットスイッチでスタータモータとエンジンとを離隔する）、スタータモータがエンジンのフリクションになることを避けることができる。その結果、的確なタイミングで始動装置の作動を停止することができる、内燃機関の始動機構の制御装置を提供することができる。

第２の発明に係る制御装置においては、第１の発明の構成に加えて、算出手段は、蓄電機構の電圧値と始動機構の温度または始動機構の周囲温度とに基づいて、遮断回転数を算出するための手段を含む。

第２の発明によると、スタータモータから発生するトルクは始動電流値により定まる。この始動電流値は、バッテリの電圧値と始動機構の周囲温度（外気温）とに基づいて算出できる。さらにステータモータから発生するトルクは、温度により変動する特性（温度が低いと発生するトルクが大きい）を有する。そのため、スタータモータに流れる電流値を測定することなく、電圧値と外気温とに基づいて、たとえば発生トルクが０になる遮断回転数を算出することができる。なお、外気温とは、始動機構の周囲温度、蓄電機構の周囲温度、内燃機関の周囲温度のいずれであってもよいし、これらを搭載した車両の外気温であってもよい。

第３の発明に係る制御装置においては、第１の発明の構成に加えて、算出手段は、始動機構における電流値に基づいて、遮断回転数を算出するための手段を含む。

第３の発明によると、スタータモータから発生するトルクは始動電流値により定まるので、この始動電流値に基づいて、たとえば発生トルクが０になる遮断回転数を正確に算出することができる。

第４の発明に係る制御装置においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、算出手段は、始動機構の発生トルクが０になる遮断回転数を算出するための手段を含む。

第４の発明によると、スタータモータの発生トルクが０になると、スタータモータがエンジンのフリクションになるので、このような不要な負荷の発生を回避することができるともに、スタータモータの発生トルクが０になるまでは、スタータモータによりエンジンを始動させることができる。

第５の発明に係る制御装置においては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加えて、制御手段は、内燃機関の回転数が遮断回転数より大きくなると、蓄電機構から始動機構への電力の供給を遮断するための手段を含む。

第５の発明によると、エンジンの回転数が遮断回転数より大きくなると、スタータモータの発生トルクが０になりスタータモータがエンジンのフリクションになるので、このような不要な負荷の発生を回避することができる。また、エンジンの回転数が遮断回転数より大きくなるまでは、スタータモータの発生トルクが０にならないので、スタータモータによりエンジンを始動させることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。なお、以下においては、内燃機関としてエンジンを搭載した車両について説明するが、エンジン以外の内燃機関であってもよいし、エンジンとモータジェネレータとを搭載したハイブリッド車両であってもよい。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係る車両の制御ブロック図について説明する。なお、以下の説明においては、この車両のパワートレインは、トルクコンバータと歯車式変速機構とを有するものとして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、歯車式変速機構ではなく、ベルト式やトロイダル式などのＣＶＴ（Continuously Variable Transmission：無段変速機）などであってもよい。

図１に示すように、この車両のパワートレインは、一般的な内燃機関としてのエンジン１００と、そのエンジン１００の出力軸に接続され、トルク増幅機能を有する流体継手であるトルクコンバータ２００と、トルクコンバータ２００の出力軸に接続された歯車式変速機構３００とを有する。エンジン１００のクランクシャフトプーリ４０２は、オルタネータ３０００のオルタネータプーリ４００、エアコンコンプレッサ１１０２のエアコンコンプレッサプーリ４０４およびウォーターポンプ１１０４のウォータポンププーリ４０６と、ベルト４１０を介して接続されている。

この車両におけるエンジン１００の始動は、イグニッションスイッチをスタート位置にしたことを検知したエンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０００が、スタータモータ３２００に駆動指令信号を出力することにより行なわれる。このとき、スタータモータ３２００とエンジンＥＣＵ１０００との間において、本実施の形態の特徴である制御が実行される。この制御の詳細については後述する。したがって、本実施の形態に係る内燃機関の始動機構の制御装置は、エンジンＥＣＵ１０００およびこのエンジンＥＣＵ１０００で実行されるプログラムにより実現される。

二次電池２０００は、定格電圧が１４Ｖの一般的な鉛蓄電池が用いられる。二次電池２０００からスタータモータ３２００に電力が供給され、オルタネータ３０００により発電された電力により二次電池２０００が充電される。

また、二次電池２０００は、電圧降下防止機構２１００（たとえばバックアップブーストコンバータ、キャパシタ、リチウム電池など）を経由して補機ＥＣＵ１１００に接続される。補機ＥＣＵ１１００を介して、各種補機（ヘッドライト、オーディオ等）に電力が供給される。

オルタネータ３０００は、エンジン１００のクランクシャフトプーリ４０２とベルト４１０を介して接続されたプーリ３０３０により回転され、オルタネータロータ部が回転することによりオルタネータステータ部に発生した電力をレクチファイアと呼ばれる整流回路により交流から直流に変換して、発生した電力を二次電池２０００に供給する。

スタータモータ３２００は、モータ部とマグネットスイッチ部とで構成される。モータ部の回転軸にはピニオンギヤが備えられ、フライホイール周囲の歯車に噛み合って減速しながら回転を伝達する。マグネットスイッチ部がピニオンギヤをフライホイールに噛み合わせたり、離したりする。このような動作は、エンジンＥＣＵ１０００からの駆動指令信号に基づいて制御される。

図２に、エンジンＥＣＵ１０００のメモリに記憶されるマップを示す。このマップは、スタータモータ３２００の回転特性（回転数に対する発生トルク特性）を示す。スタータモータ３２００は、回転数が低いほどその発生トルクは大きいが、回転数が高くなると発生トルクは次第に減少して０になる。また、スタータモータ３２００に流れる電流値が大きいほど、スタータモータ３２００の発生トルクは大きくなる傾向を有する。さらに、外気温が低いと、スタータモータ３２００の発生トルクは大きくなる傾向を有する。

スタータモータ３２００に流れる電流値は、始動時の二次電池２０００の電圧値と外気温との関数ｆで表わすことができる（電流値Ｉ＝ｆ（外気温Ｔ、電圧値Ｖ））。したがって、外気温と二次電池２０００の電圧値とから、スタータモータ３２００における始動電流を算出して、その電流値とそのときの外気温とから、発生トルクが０になる回転数ＫＥ（スタータモータ３２００のアシスト力が消失して、スタータモータ３２００がエンジン１００のフリクションになり始める回転数＝遮断回転数）を算出することができる。なお、このアシスト力が消失する場合とは、スタータモータ３２００の発生トルクが０である場合のみならず、予め定められた小さなトルク値以下になる場合であってもよい。

図２に示すように、たとえば、外気温が低い場合にスタータモータ３２００の発生トルクが０になる回転数は、電流値が小さい場合にＫＥ（１−１）であって、電流値が中程度の場合にＫＥ（１−２）であって、電流値が大きい場合にＫＥ（１−３）である。

また、外気温が高い場合にスタータモータ３２００の発生トルクが０になる回転数は、電流値が小さい場合にＫＥ（２−１）であって、電流値が中程度の場合にＫＥ（２−２）であって、電流値が大きい場合にＫＥ（２−３）である。

なお、図２に示したマップは一例であって、本発明がこのマップに限定されるものではない。

図３を参照して、エンジンＥＣＵ１０００で実行されるエンジン始動制御プログラムの制御構造について説明する。なお、このフローチャートは、エンジン１００の始動要求が運転者により行なわれた後の処理を示す。始動要求とは、イグニッションスイッチがスタート位置まで回されたということである。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、エンジンＥＣＵ１０００は、外気温Ｔと二次電池２０００の電圧値Ｖとを検知する。このとき、エンジンＥＣＵ１０００は、外気温センサから入力される外気温信号と、電池ＥＣＵ１２００を介して二次電池２０００に設けられた電圧計から入力される電圧値信号とに基づいて、外気温Ｔと二次電池２０００の電圧値Ｖとを検知する。

Ｓ１１０にて、エンジンＥＣＵ１０００は、たとえば図２に示すマップに基づいて、検知した外気温Ｔおよび電圧値Ｖで、スタータモータ３２００のアシスト力が消失する回転数ＫＥを算出する。このとき、まず、エンジンＥＣＵ１０００は、検知した外気温Ｔと電圧値Ｖとを関数ｆに代入して始動時のスタータモータ３２００の電流値Ｉを算出する。この電流値Ｉと外気温Ｔと図２に示すようなマップとに基づいて、スタータモータ３２００のアシスト力が消失する回転数ＫＥを算出する。なお、この回転数ＫＥは、スタータモータ３２００のピニオンギヤとフライホイールのギヤとの比に基づいて換算された、エンジン回転数と直接的に比較できるような回転数である。

Ｓ１２０にて、エンジンＥＣＵ１０００は、エンジン１００の回転数ＮＥを検知する。Ｓ１３０にで、エンジンＥＣＵ１０００は、エンジン回転数ＮＥが、アシスト力消失回転数ＫＥよりも大きいか否かを判断する。エンジン回転数ＮＥが、アシスト力消失回転数ＫＥよりも大きいと（Ｓ１３０にてＹＥＳ）、処理はＳ１４０へ移される。もしそうでないと（Ｓ１３０にてＮＯ）、処理はＳ１２０へ戻される。

Ｓ１４０にて、エンジンＥＣＵ１０００は、スタータモータ３２００に駆動カット指令信号を出力する。このとき、駆動指令信号をＨｉｇｈの状態からＬｏｗの状態に変更するようにしてもよい。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る始動制御装置であるエンジンＥＣＵ１０００を搭載した車両の始動動作について説明する。

運転者がイグニッションスイッチをスタート位置まで回すと、外気温Ｔと二次電池２０００の電圧値とが検知される（Ｓ１００）。外気温Ｔと電圧値Ｖとからスタータモータ３２００の始動時の電流値Ｉが算出される。電流値Ｉと外気温Ｔとを参照して図２に示すようなマップを用いて、スタータモータ３２００のアシスト力が消失する回転数ＫＥを算出する（Ｓ１１０）。

スタータモータ３２００により始動されたエンジン１００の回転数ＮＥが検知される。エンジン１００が完爆するとエンジン１００の回転数ＮＥがアイドル回転数近傍まで次第に上昇する。

その過程において、エンジン回転数ＮＥが、アシスト力消失回転数ＫＥよりも大きくなるまでは（Ｓ１３０にてＮＯ）、スタータモータ３２００の作動が継続して行なわれ、スタータモータ３２００がエンジン１００を始動する。エンジン回転数ＮＥが、アシスト力消失回転数ＫＥよりも大きくなった時点で（Ｓ１３０にてＮＯ）、スタータモータ３２００の作動がカットされる（Ｓ１４０）。

このようにして、本実施の形態に係る始動制御装置であるエンジンＥＣＵ１０００によると、たとえば二次電池２０００が劣化していてスタータモータ３２００に流れる電流が減少した場合には、スタータモータ３２００の発生トルクが０になる回転数ＫＥが低くなる。二次電池２０００の電圧に基づいて始動時の電流値からこの回転数ＫＥをマップから算出しているので、二次電池２０００の劣化分を考慮して補正された回転数ＫＥでスタータモータ３２００の作動がカットされる。また、外気温が低い場合には、スタータモータ３２００の特性から、発生トルクが上昇する傾向がある。この場合でも、二次電池２０００の電圧値と外気温とでスタータモータ３２００の発生トルクが０になる回転数ＫＥを算出しているので、最適な回転数でスタータモータ３２００の作動をカットできる。

以上のようにして、スタータモータが回転数が低い時には高いトルクを発生し、回転数が高くなるに従ってトルクが低下して０になる。このときにはエンジンの始動をアシストしないばかりか、エンジンのフリクションになってしまう。外気温と二次電池の電圧値とからスタータモータの発生トルクが０になる回転数を算出して、その回転数よりもエンジン回転数が高くなるとスタータモータの作動を停止させる。このようにすると、最適な回転数でスタータモータの作動を停止できるので、スタータモータがフリクションになることを防止できるとともに、スタータモータの発生トルクが０になるまでは確実にエンジンの始動に利用することができる。

なお、上述した実施の形態においては、スタータモータ３２００の始動電流値を外気温と二次電池２０００の電圧とに基づいて算出した。この代わりに、スタータモータ３２００に流れる電流値を測定する電流センサを設けるようにしてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る車両の制御ブロック図である。 エンジンＥＣＵのメモリに記憶されるマップを示す図である。 エンジンＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ エンジン、２００ トルクコンバータ、３００ 歯車式変速機構、４００ モータジェネレータプーリ、４０２ クランクシャフトプーリ、４０４ エアコンコンプレッサプーリ、４０６ ウォータポンププーリ、４１０ ベルト、１０００ エンジンＥＣＵ、１１００ 補機ＥＣＵ、１２００ 電池ＥＣＵ、２０００ 二次電池、２１００ 電圧降下防止機構、３０００ オルタネータ、３２００ スタータモータ。

Claims (5)

1. 内燃機関の始動機構の制御装置であって、前記始動機構は蓄電機構から電力が供給され、
   前記内燃機関の回転数を検知するための検知手段と、
   前記始動機構の発生トルクが予め定められた値以下になる遮断回転数を算出するための算出手段と、
   前記検知された内燃機関の回転数と前記算出された遮断回転数とに基づいて、前記蓄電機構から前記始動機構への電力の供給を制御するための制御手段とを含む、制御装置。
2. 前記算出手段は、前記蓄電機構の電圧値と前記始動機構の温度または前記始動機構の周囲温度とに基づいて、前記遮断回転数を算出するための手段を含む、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記算出手段は、前記始動機構における電流値に基づいて、前記遮断回転数を算出するための手段を含む、請求項１に記載の制御装置。
4. 前記算出手段は、前記始動機構の発生トルクが０になる遮断回転数を算出するための手段を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の制御装置。
5. 前記制御手段は、前記内燃機関の回転数が前記遮断回転数より大きくなると、前記蓄電機構から前記始動機構への電力の供給を遮断するための手段を含む、請求項１〜４のいずれかに記載の制御装置。
   

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