JP2010174721A - 自動車用内燃機関の始動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素早く快適な始動性能を実現する自動車用内燃機関の始動制御装置を提供する。
【解決手段】一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とが電磁結合されてなる点火トランス１３の二次電圧に基づいて点火プラグＰＧが放電する自動車用内燃機関に設けられ、一次コイルＬ１に直流電圧を供給するバッテリ５と点火トランス１３との間に配置される昇圧回路１と、昇圧回路１の入力端子と出力端子との間に配置されるバイパス回路２と、出力端子の電圧を監視する動作監視部３と、昇圧回路１を駆動して出力端子の電圧を所定レベルに維持する制御部４と、を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、素早く快適な始動特性を実現した自動車用内燃機関の始動制御装置に関するものである。

従来の一般的な自動車では、例えば、交差点での信号待ちで停車すると、エンジンがアイドリング運転状態となり、その間も、燃料を浪費し続けていた。そこで、所定条件下、燃焼室への燃料供給を停止してエンジンを停止させて、排気ガスの排出量を抑えると共に、燃費の改善を図るアイドリングストップ制御が提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献６）。

このようなアイドリングストップ制御では、図３に示すように、(A)始動クランキング動作及び(B)ファーストアイドル動作を経て（C)走行動作を開始した後は、(D)一時停止動作→（E)再始動クランキング動作→（F)再始動アイドル動作→（C)走行動作→(D)一時停止動作を繰り返すことになる。

特開２００８−２４８７１５号公報 特開２００７−２３１７８６号公報 特開２００６−１７７１７１号公報 特開２００６−１３２３４３号公報 特開２００３−０３５１７７号公報 特開２００２−２０２００２号公報

しかしながら、始動クランキング時や、特に、再始動クランキング時における始動特性が悪いと、せっかくアイドリングストップ制御を採用しても、排ガスの抑制効果が不十分となると共に、クランキング時の電力消費のために燃費向上の要請に応えきれないという問題がある。また、運転者としても、一時停車後の再発車動作が円滑でないと、少なからず不快感を覚える。

本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであって、簡単な構成でありながら、素早く快適な始動性能を実現する自動車用内燃機関の始動制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明者は、始動クランキング時及び再始動クランキング時における燃焼動作について詳細に検討した。その結果、(a)クランキング時にバッテリからスタータに流れる大電流（例えば１００〜３００Ａ程度）のために、バッテリ電圧が降下して、点火トランスの二次エネルギーが不足気味になること、(b)しかも、エンジン始動時は、燃焼不安定要素も多いので、燃焼状態が安定せずクランキング時間が長引く傾向となること、(c)一方、エンジン始動時に点火トランスへの供給電圧を所定レベルに維持するだけで、始動性能が顕著に改善されること、(d)また、点火トランスへの供給電圧を所定レベルに維持すると、二次エネルギーも安定化するので、一点火サイクル中に点火プラグを繰返し放電させる多重点火も可能となること、を見出して本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスの二次電圧に基づいて、点火プラグが放電する自動車用内燃機関に設けられ、前記一次コイルに直流電圧を供給するバッテリと前記点火トランスとの間に配置される昇圧回路と、前記昇圧回路の入力端子と出力端子との間に配置されるバイパス回路と、前記出力端子の電圧を監視する動作監視部と、前記昇圧回路を駆動して前記出力端子の電圧を所定レベルに維持する制御部と、を設けたことを特徴とする。

図１は、本発明の効果を確認した実験結果を示す図面であり、バッテリ電圧ＶＢと、点火トランスの二次電圧Ｖ２及び二次エネルギーＰＷとの関係を示している。なお、スイッチングトランジスタのＯＮ時間τは、常に一定値としている。

図示の通り、バッテリ電圧ＶＢが所定レベルより低下すると、二次電圧Ｖ２や二次エネルギーＰＷが低下するが、二次電圧Ｖ２は、二次コイルに数ｐＦのコンデンサを並列接続して実測された値である。また、二次エネルギーＰＷは、二次コイルにツェナーダイオードを並列接続して実測したエネルギー値（二次電圧Ｖ２＊二次電流Ｉ２の時間積分値）である。

なお、この実験結果では、バッテリ電圧が１１．５Ｖ程度で、二次電圧Ｖ２や二次エネルギーＰＷが飽和しているが、それは、点火トランスが飽和傾向となること、及び、一次コイルのＯＮ電流を制限する保護回路が機能するためである。

何れにしても、本発明では、バッテリと点火トランスとの間に昇圧回路が設けられているので、スタータが起動するクランキング時にバッテリ電圧が低下しても、昇圧回路の出力電圧が一定値に維持されることで、点火トランスの二次電圧や二次エネルギーを所望レベルに維持することができる。

本発明のバイパス回路は、好ましくは、昇圧回路の昇圧動作に対応してＯＦＦ状態となる常閉接点を有して構成されている。この構成によれば、非動作状態の昇圧回路を簡易にバイパスすることができる。

前記昇圧回路は、好ましくは、コイルとダイオードとコンデンサの直列回路と、前記ダイオード及びコンデンサに並列接続されるスイッチング素子とで構成され、前記コンデンサの出力電圧が前記点火トランスに供給されている。この場合、前記バイパス回路は、前記コイル及びダイオードに並列接続されるのが好適である。

前記制御部は、好ましくは、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するサブコンピュータ回路で構成され、このサブコンピュータ回路とは別のメインコンピュータ回路によって前記一次コイルが通電制御されている。好適には、メインコンピュータ回路においてアイドリングストップ制御をすべきであり、一時停車時には、所定の条件下、燃焼室への燃料供給が停止される。一方、再発車時には、例えば、ブレーキ操作の解除を検出して、クランキング動作が開始される。

このような場合、メインとサブの２つのコンピュータ回路は、好ましくは、ＬＩＮバスにより接続されるべきである。このような構成を採れば、メインコンピュータ回路からの指示に基づき、サブコンピュータ回路は、クランキング動作に同期するか、やや先行して昇圧回路の動作を開始させることができる。

また、動作監視部は、前記昇圧回路の入力端子の電圧も含め監視するのが好適であり、前記制御部は、前記昇圧回路を構成するスイッチング素子の通電電流を把握可能に構成されるのが好適である。

上記した本発明によれば、簡単な構成でありながら、自動車用内燃機関における素早く快適な始動性能を実現することができる。

本発明の効果を実証した実験結果を示す図面である。 実施例に係る始動制御装置を示すブロック図である。 自動車の動作状態遷移図を図示したものである。

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。図２は、実施例に係る始動制御装置ＥＱＵを、その周辺装置と共に図示した回路ブロック図である。

図示の通り、この始動制御装置ＥＱＵは、クランキング時にバッテリの出力電圧ＶＢを昇圧する昇圧チョッパ１と、昇圧チョッパ１の入出力端子間を短絡させるバイパス回路２と、昇圧チョッパ１の各部の電圧Ｅｉ，Ｅｏ，Ｅｓを取得する電圧取得部３と、昇圧チョッパ１をＰＷＭ制御して、その出力電圧Ｅｏを所定レベルに維持する電源制御部４とを中心に構成されている。

電源制御部４は、ワンチップマイコンその他で構成されるコンピュータ回路ＣＰＵと、コンピュータ回路ＣＰＵを電源リセットするリセット回路ＲＳＴと、コンピュータ回路ＣＰＵの暴走時に、その動作を初期状態に強制リセットするウォッチドッグタイマＷＤと、過熱時にコンピュータ回路ＣＰＵの動作を停止させる温度保護回路ＨＴとを中心に構成されている。

昇圧チョッパ１は、入力端子と出力端子間に配置されるチョークコイルＬ及びダイオードＤの直列回路と、出力端子とグランド間に配置されるコンデンサＣと、チョークコイルＬの出力電圧をグランドに短絡させるトランジスタＱ１とで構成されている。なお、ダイオードＤは、陽極端子がチョークコイルＬに接続され、陰極端子がコンデンサＣに接続されている。

トランジスタＱのベース端子には、始動クランキング時及び再始動クランキング時に限り、トランジスタＱをＯＮ動作させる駆動パルスＳＧが供給されるよう構成されている。ここで、駆動パルスＳＧは、トランジスタＱのＯＮ時間を制御するＰＷＭ(Pulse Width Modulation)波であって、電源制御部４のコンピュータ回路ＣＰＵから出力ポートＰＲＴを経由して、供給される。なお、この実施例では、トランジスタＱのエミッタ端子とグランド間にシャント抵抗Ｒが配置されることで、ＯＮ動作時のトランジスタＱのエミッタ電圧Ｅｓを検出可能に構成されている。したがって、Ｅｓ／Ｒの値からトランジスタＱのＯＮ電流を特定することができる。

バイパス回路２は、この実施例では、電源制御部４のコンピュータ回路ＣＰＵによって開閉制御されるリレーＲＬＹで構成される。このリレーＲＬＹは、昇圧チョッパ１が非動作状態である通常時にはＯＮ状態を維持する常閉接点を有して構成されている。そのため、昇圧チョッパ１の非動作時には、昇圧チョッパ１の入出力端子が短絡され、一方、昇圧チョッパ１の動作時には、電源制御部４の制御によってリレーＲＬＹがＯＦＦ状態となる。したがって、リレーＲＬＹは、動作状態の昇圧チョッパ１に影響を与えるおそれはない。

電圧取得部３は、昇圧チョッパ１の入力電圧Ｅｉを取得するＡＤ変換器ＡＤ１と、トランジスタＱのエミッタ電圧Ｅｓを取得するＡＤ変換器ＡＤ２と、昇圧チョッパ１の出力電圧Ｅｏを取得するＡＤ変換器ＡＤ３とを有して構成されている。なお、ＡＤ変換器ＡＤ１〜ＡＤ３は、これらを、電源制御部４を構成するワンチップマイコンに内蔵させても良いのは勿論である。この点は、出力ポートＰＲＴについても同様である。

図示の通り、コンピュータ回路ＣＰＵは、車載ネットワーク１０を経由して、別のコンピュータ回路１１に接続されている。ここで、コンピュータ回路１１は、エンジンの燃焼制御を実現するＥＣＵ(Engine Control Unit)である。

このように、コンピュータ回路ＣＰＵは、車載ネットワーク１０を通してＥＣＵ１１に接続されているので、始動クランキング時及び再始動クランキング時に、ＥＣＵ１１からの指示に基づいて始動制御装置ＥＱＵを機能させることができる。具体的には、電源制御部４のコンピュータ回路ＣＰＵは、リレーＲＬＹの常閉接点を開放した後に、トランジスタＱ１への駆動パルスＳＧの供給を開始する。この実施例では、車載ネットワーク１０として、特に、ＬＩＮ(Local Interconnect Network)を採用することで、低コストの通信ネットワークを実現している。

ところで、上記した始動制御装置ＥＱＵは、自動車運転時にオルタネータ７によって充電されるバッテリ５と、自動車運転時に点火プラグＰＧを放電させる点火トランス１３_−１〜１３_−ｎとの間に配置される。図示の通り、バッテリ５の出力電圧ＶＢは、ノイズフィルタや逆接保護回路８などを経由して始動制御装置ＥＱＵに供給されている。また、バッテリ５の出力電圧ＶＢは、安定化電源部９において、降下安定化されて、コンピュータ回路ＣＰＵやＥＣＵ１１などの電源電圧となる。

一般に、始動クランキング時や再始動クランキング時には、バッテリ５から直流電流を受けてスタータ６が始動回転するので、バッテリ５の出力電圧ＶＢが大幅に低下するが、本実施例では、始動制御装置ＥＱＵが設けられているので、エンジン始動時に点火トランス１３への供給電圧が低下することはない。なお、エンジン始動時にスタータ６に流れ込む電流は、エンジンの排気量や回転速度などにより異なるが、普通車では１００〜３００Ａ程度であり、始動特性を改善することの技術的価値は高い。

図示の通り、始動制御装置ＥＱＵの出力電圧Ｅｏは、ノイズフィルタ１２などを経由して点火トランス１３_−１〜１３_−ｎに供給されている。点火トランス１３_−１〜１３_−ｎは、各々、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２とが電磁結合されて構成され、各一次コイルＬ１には、トランジスタＱ２_−１〜Ｑ２_−ｎが接続されている。トランジスタＱ２のベース端子には、ＥＣＵ１１から点火パルスＩＧ_−１〜ＩＧ_−ｎが供給され、トランジスタＱ２のＯＦＦ遷移時に、二次コイルＬ２に誘起される高電圧に基づいて、点火プラグＰＧ_−１〜ＰＧ_−ｎが放電する。

このように、本実施例では、クランキング動作時に昇圧チョッパ１を機能させて点火トランス１３への供給電圧を安定化させて始動特性を改善することができる。

また、この実施例では、始動制御装置ＥＱＵの出力電圧Ｅｏだけでなく、入力電圧Ｅｉを取得しているので、例えば、クランキング動作時に限らず、何らかの理由でバッテリの出力電圧ＶＢが低下した場合にも、昇圧チョッパ１を動作させることで、点火トランス１３その他の電気負荷への給電電圧を一定化することができる。

また、この実施例では、トランジスタＱ１のエミッタ電流を把握可能に構成されているので、トランジスタＱ１に負担とならない安定したＰＷＭ制御が可能となる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、上記の実施例では、便宜上、単なるトランジスタＱ１，Ｑ２として説明したが、実際には、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、その他の電力制御用トランジスタが使用される。

また、本発明の構成によれば、エンジン始動時も含めて、一点火サイクル中に点火プラグを繰返し放電させる多重点火制御を採ることもできる。そして、本発明を一回の爆発行程で多重点火を行うマルチ点火システムに適用することで、特にエンジン始動時等の燃焼混合気の濃度にバラツキが生じている場合であっても安定燃焼を実現できる。

本発明は、低燃費で環境に優しい自動車エンジンに好適に利用される。

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
１３ 点火トランス
ＰＧ 点火プラグ
５ バッテリ５
１ 昇圧回路
２ バイパス回路
３ 動作監視部
４ 制御部

Claims (8)

1. 一次コイルと二次コイルとが電磁結合されてなる点火トランスの二次電圧に基づいて、点火プラグが放電する自動車用内燃機関に設けられ、
   前記一次コイルに直流電圧を供給するバッテリと前記点火トランスとの間に配置される昇圧回路と、
   前記昇圧回路の入力端子と出力端子との間に配置されるバイパス回路と、
   前記出力端子の電圧を監視する動作監視部と、
   前記昇圧回路を駆動して前記出力端子の電圧を所定レベルに維持する制御部と、を設けたことを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
2. 前記バイパス回路は、前記昇圧回路の昇圧動作に対応してＯＦＦ状態となる常閉接点を有して構成されている請求項１に記載の始動制御装置。
3. 前記昇圧回路は、コイルとダイオードとコンデンサの直列回路と、前記ダイオード及びコンデンサに並列接続されるスイッチング素子とで構成され、
   前記コンデンサの出力電圧が前記点火トランスに供給されている請求項１又は２に記載の始動制御装置。
4. 前記バイパス回路は、前記コイル及びダイオードに並列接続されている請求項３に記載の始動制御装置。
5. 前記制御部は、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するサブコンピュータ回路で構成され、このサブコンピュータ回路とは別のメインコンピュータ回路によって前記一次コイルが通電制御されている請求項３又は４に記載の始動制御装置。
6. 前記２つのコンピュータ回路は、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）バスにより接続されている請求項５に記載の始動制御装置。
7. 動作監視部は、前記昇圧回路の入力端子の電圧も含め監視している請求項１〜６の何れかに記載の始動制御装置。
8. 前記制御部は、前記昇圧回路を構成するスイッチング素子の通電電流を把握可能に構成されている請求項１〜７の何れかに記載の始動制御装置。