JP2010501056A - スタータの回転数を求める方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関をスタートさせるスタータ（１）の回転数（ｎ）を決定する方法に関する。上記のスタータ回転数（ｎ）を種々異なる電気的な量（Ｕ₄₅，Ｕ_br）から計算して内燃機関回転数との比較によって較正することにより、スタータ回転数（ｎ）を殊に簡単かつコスト的に有利に求めることができる。

Description

従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載した、内燃機関をスタートさせるスタータの回転数を決定する方法に関する。

今日の自動車の内燃機関はふつういわゆるピニオンスタータ（Ritzelstarter）によって始動される。ピニオンスタータは、実質的に直流モータが有しており、またこのモータによって駆動されるピニオンを有する。スタートさせたい場合にこのピニオンはクランクシャフトのリングギアに噛み合って内燃機関を回転させるのである。エンジン制御装置によってスタート命令が発せられると、いわゆる噛み合わせリレーが作動し、上記のピニオンがクランクシャフトのリングギアに噛み合うのである。上記の噛み合わせリレーが作動すると、スタータに電力を供給する主電流路が自動的に閉じられる。これによって実際の作動過程がスタートするのである。

スタートストップモード用に設計されている車両では、上記のピニオンは、多くの場合、内燃機関が停止する前にすでにリングギアに噛み合わせられる。これによって後続のスタート過程を格段に迅速に実施することができる。それはピニオンがスタート時にすでに噛み合っているからである。この場合にスタータは、ストップ信号を識別すると直ちに回転数で回転させられてピニオンと噛み合わせられる。ここでこれはまだ内燃機関が完全に停止する前に行われる。可能な限り騒音および摩耗の少ない噛み合わせを保証するためには、上記のスタータピニオンの速度を精確にクランクシャフトの周辺速度にして同期的に噛み合わせなければならない。このため、スタータの回転数が極めて精確にわからなければならないのである。

このスタータ回転数は、例えば回転数センサによって測定することができる。しかしながらこれは比較的繁雑でありまたコストもかかってしまう。

発明の開示
したがって本発明の課題は、スタータの回転数を簡単かつコスト的に有利に決定する方法を提供することである。

この課題は本発明により、請求項１の特徴部分に記載した特徴的構成によって解決される。本発明の別の実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明の重要な態様は、スタータ回転数を電気的な量から計算することである。このことの利点は殊に、回転数の決定が専用の回転数センサなしに行われ、ひいてはこれが殊に簡単かつコスト的に有利に実現されることである。

本発明の有利な実施形態では、スタータのターミナル電圧Ｕ₄₅および／またはブラシ電圧（Buerstenspannung）Ｕ_brから、また場合によってスタータのアーマチュア電流Ｉからスタータ回転数ｎを計算する。ここでは上記の個々の量を測定するため、有利には相応の電流ないしは電圧センサが設けられる。ブラシ電圧は有利にはアルゴリズムを用いて推定される。

上記のスタータ回転数は、例えばつぎの関係式
ｎ＝（Ｕ₄₅−Ｉ・Ｒ_statt−Ｉ・ｋ_B−Ｕ_br）／ｋ_n （１）
から計算される。

ここで
Ｕ₄₅は、スタータの外部のターミナル電圧であり、
Ｉは、スタータ電流であり、
Ｒ_stattは、アーマチュア抵抗であり、
Ｕ_brは、ブラシ電圧であり、
ｋ_nは、殊にスタータの構成および磁場強度を考慮する機械パラメタであり、
ｋ_Bは、電流に依存するブラシ電圧降下に対する定数である。

上記の電気的な量Ｕ₄₅，Ｕ_brおよびＩは有利にはアイドリング時に、例えばスタータが回転を止める際に測定される。電流が流れずにスタータが回転を止める際（すなわち給電電圧との接続が遮断されている）には、式（１）は
ｎ＝(Ｕ₄₅−Ｕ_br)／ｋ_n （２）
と簡単な形に還元される。

ここで上記の電圧Ｕ₄₅およびＵ_brは、ジェネレータの量である。

走行運転の開始時、殊にコールドスタート時には、上記のスタータ回転数は有利にも式（１）または（２）によって計算される。

上記の計算アルゴリズムは、有利には測定した回転数に基づいて、殊にエンジン回転数に基づいて較正される。スタータが噛み合わされている状態では、（スタータピニオンとリングギアないしはクランクシャフトとの間の変換比を考慮した上で）エンジン回転数はスタータ回転数に相当する。エンジン回転数は、ふつうエンジン制御装置で得られる。したがって上記の計算アルゴリズム（例えば（１）または（２））はエンジン回転数によって較正できるのである。このために例えば補正パラメタ（ｋ_korr）を決定することができる。

さらなるスタートの際、スタータは一層加熱する。上記の量Ｕ_brおよびｋ_nはスタータ温度およびスタータの経年変化状態に依存するため、上記の式（１）または（２）にしたがって計算したスタータ回転数は、実際の値から比較的大きく偏差することがある。このために提案されるのは、上記の回転数計算を適合させ、また少なくとも温度推移を補償することである。

スタータ回転数ｎを計算するため、つぎの式

を立てることができる。

ここでΔＴは、最後のスタートを基準にしたスタータの温度変化であり、ｋ_mおよびｋ_brは、線形かつ温度には依存しない温度係数であり、またｋ_korrは、コールドスタートにおける計算の偏差を補正する補正係数である。

最初のスタートの前のスタータの開始温度は、エンジン温度と同じであるとする。これは、流通しているすべてのエンジンにおいて測定され、その値は制御装置内に存在する。

上記の温度変化ΔＴは有利には、スタータにおける温度経過を反映する熱モデルから得られる。スタータ温度ないしはその温度変化を決定するため、有利にはスタート過程時に発生する損失エネルギーを推定して、上記の温度ないしは温度変化を熱モデルに基づいて計算する。

本発明の第１の実施形態では、記憶装置に記憶されたデータセットに基づいて上記の損失エネルギーを決定する。このデータセットには、例えばスタート過程における損失エネルギーが、開始温度に依存して表（ルックアップテーブル）の形態で含まれている。この場合に上記のスタータ温度ないしはその温度変化は、有利にも上記の熱モデルに基づいて計算される。

本発明の第２の実施形態では、スタート過程時発生する損失エネルギーＷ_Iは、電気的なエネルギー収支から求められ、このエネルギー収支に対して、例えば式
Ｗ_I＝Ｉ²−Ｒ_stat＋Ｕ_br・Ｉ （４）
を立てることができる。ここでＵ_brはブラシ電圧、Ｉはアーマチュア電流、Ｒ_statはアーマチュアのオーム抵抗である。ここではブラシ電圧Ｕ_brは既知であると仮定する。すなわち、電流に依存して特性マップとして記憶されているかまたは定数として記憶されている。アーマチュア抵抗Ｒ_statは既知である。

式（４）のアーマチュア電流Ｉは、例えば、スタート過程時のスタータの回転数経過から求めることができる。このためにスタータの特性曲線ｎ＝ｆ(Ｉ)が特性マップとして記憶される。この場合にこの特性曲線は、実際温度に計算し直され、時間に依存するスタータ電流を供給する。スタータ回転数を決定するため、有利にはエンジン制御装置によって供給される、回転開始フェーズ中のエンジン回転数を使用する。

択一的にはアーマチュア電流Ｉをスタート過程中に測定し、これに基づいて損失エネルギーＷ_Iを求めることも可能である。この場合にもスタータ温度ないしはその温度変化は、スタータに対する熱モデルから得られる。

例えば式（３）にしたがって温度について補償したスタータ回転数は、後続のスタート時にも、測定した実際の値ｎに適合させることができる。このためにここでもスタータが噛み合わされた状態でエンジン回転数ｎ_motを測定し、ステータ回転数ｎを例えば式（３）にしたがって計算し、２つの回転数ｎ，ｎ_motの間に偏差がある場合に上記の計算アルゴリズムを補正する。この補正のため、例えば、補正した温度ないしは温度変化ΔＴを導入することができる。上記の熱モデルによって推定した温度ないしは温度変化ΔＴ_estは、例えば補正係数ｋ_thを用いて補正することができる。ここでは例えばつぎの関係式
ΔＴ＝ｋ_th・ΔＴ_est （５）
を立てることでき、ここでΔＴ_estは、上記の熱モデルによって推定した温度である。

図面の簡単な説明
以下では添付の図面に基づき、例示によって本発明を詳細に説明する。

ピニオンスタータの概略図である。 スタータ回転数ｎを計算する方法の重要なステップを説明する流れ図である。 スタータ温度ないしは温度変化を決定するスタータに対する熱モデルを示す図である。

発明の実施形態
図1には、内燃機関に対するスタータ１を大きく簡略化した略図が示されており、ここでこの内燃機関は、例えば自動車に使用される。スタータ１には実質的に、アーマチュアコイルを有するアーマチュア２と、複数の永久磁石３を有するステータとからなる直流モータ２，３が含まれている。アーマチュア２に含まれているアーマチュアコイルには、ブラシ４を介して電力が供給される。モータシャフト５にはピニオン７が固定されており、このピニオンは、スタート過程時にクランクシャフト９のリングギア８に噛み合わせられる。ピニオン７を噛み合わせるため、ないしは噛み合わせを外すため噛み合わせ機構６が設けられており、この噛み合わせ機構にはふつう噛み合わせレバーおよび噛み合わせリレーが含まれており、この噛み合わせリレーによってスタータ１の主電流路が接続される。

スタータ１には、専用のスタータ制御装置１０が含まれており、これは、例えば、スタータ１の回転数ｎを計算してスタータ１を相応に制御するために使用される。スタータ1は、ここではスタートストップモードを有する車両に使用するために設定されている。スタートストップモード時に内燃機関は、所定の走行状況において、例えば信号の前で停止する際に自動的に遮断され、この際にストップ信号STOPが形成される。ドライバが再発進させようとし、このために例えばブレーキペダルを緩めると直ちに内燃機関は新たにスタートさせられる。この内燃機関の回転数がすでに低下しており、それ自体でスタートがもはやできない場合、この内燃機関はスタータ１によって新たにスタートされる。この際にピニオンは、まずエンジン回転数にされ、リングギア８に同期して回転するようにされ、つぎに回転を止めようにしている原動機のリングギア８に噛み合わせられる。スタータ回転数ｎは、数学的なアルゴリズムによって計算される。このアルゴリズムに対し、例えばつぎの式

を立てることができる。

ここで、
Ｕ₄₅は、スタータの外部のターミナル電圧であり、
Ｉは、スタータ電流であり、
Ｒ_stattは、アーマチュア抵抗であり、
Ｕ_brは、ブラシ電圧であり、
ｋ_nは、殊にスタータの構成および磁場強度を考慮する機械パラメタであり、
ｋ_korr，ｋ_br，ｋ_mは、補正係数である。

内燃機関のコールドスタート時にはΔＴ＝０およびｋ_korr＝１が成り立つ。スタータ温度として周囲温度、例えばオイル温度を使用する。電圧Ｕ₄₅（ターミナル電圧）およびＵ_br（ブラシ電圧）は、スタータの起動時にアイドリング状態で測定し、ここから回転数ｎを計算する。

図２ａには、コールドスタートの場合に式（３）に基づいてスタータ回転数ｎを計算する方法の重要なステップが示されている。ステップ２０ではスタータ１をまず起動して、ピニオン７とリングギア８とを同期化する。ここでスタータ１の回転数ｎは、ステップ２１において式（３）に基づいて計算される。ここではΔＴ＝０およびｋ_korr＝１である。上記の電圧Ｕ₄₅およびＵ_brは、アイドリング状態で測定される。所望の回転数ｎに到達すると直ちに、ピニオン７は、回転を止めようにしている内燃機関のリングギア８に噛み合わせられる（ステップ２２）。

エンジン回転数は、噛み合わされた状態では（変換比を考慮すると）スタータ回転数ｎに相応するため、上記のアルゴリズムを較正することができる。このために、ステップ２３においてエンジン回転数を測定し、ステップ２４において補正係数ｋ_korrを計算する。この補正係数によって上記のアルゴリズム（３）を適合させる。

スタータ温度が周囲温度よりも高い後続のスタートでは、ブラシ電圧Ｕ_brおよび機械パラメタｋ_nの温度依存性を考慮しなければならない。ここではスタータの温度ないしは温度変化は有利にはスタータの熱モデルによって決定される。

図２ｂには、後続のスタート過程（ウォームスタート）の場合に、式（３）に基づいてスタータ回転数ｎを計算する方法の重要なステップが示されている。ここではまず第１のステップ３０において、ストップ信号STOPがあるか否かを求める。イエス（Ｙ）の場合、スタータ１を起動してピニオン７とリングギア８とを同期化する。ここではスタータ１の回転数ｎを式（３）にしたがって計算する。式（３）の温度変化ΔＴは、図３に例示したようにスタータの熱モデルから得られる。ステップ３２においてこの熱モデルより、開始温度と、最後のスタートにおけるエネルギー供給と、最後のスタート以来の冷却時間とが考慮されて、スタータ１の温度ないしは温度変化が計算される。エネルギー供給は、例えば式（４）によって計算することができる。

回転数計算の結果はステップ３３で出力される。スタータ回転数ｎがエンジン回転数と等しい場合、ピニオン７はステップ３４で噛み合わされる。

後続のステップ３５および３６でも上記の計算アルゴリズムが較正されるこのためにステップ３５ではエンジン回転数ｎ_motが測定され、前に計算したスタータ回転数ｎと比較される。偏差がある場合にはステップ３６で、熱モデルによって推定した温度に対する補正係数ｋ_thが求められる。

図３にはスタータ１の熱モデルの重要な素子が示されている。この実施例ではこの熱モデルには、スタータ１の線路に対する熱抵抗Ｒ_Zulと、アーマチュアの熱容量Ｃ_Ankと、ブラシ４とアーマチュア２との間のエアギャップの熱抵抗Ｒ_Luftspと、磁石３の熱容量Ｃ_Magと、磁石３の熱容量Ｃ_Magに平行な熱ブリーダ抵抗Ｒ_Ablとが含まれている。この熱回路網に流れ込む熱流は、参照符号１１で示されている。

この熱流は、例えばシステムに記憶されるテーブルから読み出すことができる。選択的には上記の熱流をエネルギー収支から計算することも可能であり、これに対して例えば式（４）を立てることが可能である。

ここで上記のアーマチュア電流Ｉは、測定するかまたはエンジン制御装置ｎ_motの回転数情報から求めることができる。ブラシ電圧Ｕ_brは有利には推定される。上記の熱モデルにより、結果として温度ないしは温度変化が得られ、これがつぎに式（３）において使用される。

Claims (13)

1. 例えば自動車の内燃機関に対するスタータ（１）の回転数（ｎ）を決定する方法において、
   計算アルゴリズムを用いて電気的な量（Ｕ₄₅，Ｕ_br，Ｉ）から前記の回転数（ｎ）を計算することを特徴とする、
   スタータ（１）の回転数（ｎ）を決定する方法。
2. ターミナル電圧（Ｕ₄₅）および／またはブラシ電圧（Ｕ_br）および／またはアーマチュア電流（Ｉ）から前記の回転数（ｎ）を計算する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記の電気的な量（Ｕ₄₅，Ｕ_br，Ｉ）のうちの少なくとも１つを前記のスタータ（１）のアイドリングモードにて測定する、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記の計算アルゴリズムを較正し、ここで前記の内燃機関回転数（ｎ_mot）を測定して、スタータが噛み合わさった状態にて前記の計算したスタータ回転数（ｎ）と比較して、偏差がある場合に前記の計算アルゴリズムを相応に補正する、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 前記の計算アルゴリズムを補正するため、少なくとも１つの補正係数（ｋ_korr，ｋ_br，ｋ_m）を求める、
   請求項４に記載の方法。
6. 前記の計算アルゴリズムにより、前記のスタータ温度またはその温度変化（ΔＴ）を考慮する、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. スタート過程にて発生する損失エネルギー（Ｗ_I）を決定し、
   熱モデルに基づいて前記のスタータ（１）の温度（Ｔ）ないしは温度変化（ΔＴ）を求める、
   請求項１から６までのいずれ１項に記載の方法。
8. 記憶装置に記憶されているデータセットに基づき、開始温度に依存して前記の損失エネルギー（Ｗ_I）を決定する、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記の損失エネルギー（Ｗ_I）を電気的なエネルギー収支に基づいて求める、
   請求項７に記載の方法。
10. スタータ（１）の回転数経過（ｎ）をスタート過程中に測定し、
    当該の回転数経過（ｎ）に基づいてアーマチュア電流（Ｉ）を求め、
    当該アーマチュア電流に基づいて前記の損失エネルギー（Ｗ_I）を計算する、
    請求項９に記載の方法。
11. スタータ（１）のアーマチュア電流（Ｉ）をスタート過程中に測定し、
    当該アーマチュア電流に基づいて前記の損失エネルギー（Ｗ_I）を計算する、
    請求項９に記載の方法。
12. 前記のスタータの回転数（ｎ）を
    

    

    によって計算し、ここで
    Ｕ₄₅は、前記のスタータ（１）の外部のターミナル電圧であり、
    Ｕ_brは、前記のブラシ電圧であり、
    ΔＴは、スタータ（１）の温度変化であり、
    ｋ_korr，ｋ_br，ｋ_mは相異なる補正係数である、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
13. 前記のスタータ（１）が噛み合った状態でエンジン回転数（ｎ_mot）を測定して、計算したスタータ回転数（ｎ）と比較し、偏差がある場合に前記の温度変化（ΔＴ）を補正する、
    請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。

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