JP2013007307A - 内燃機関のアイドリングストップの制御方法及びアイドリングストップシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの自動停止時における再始動を、スタータを損傷することなく、従来よりも速やかに行うことができる内燃機関のアイドリングストップの制御方法及びアイドリングストップシステムを提供する。
【解決手段】エンジン１が完全停止する前に再始動要求が発生したときには、エンジン１の水温又は油温の測定値を参照してエンジン１のクランク軸２の推定回転速度Ｎｅを算出するとともに、スタータのピニオン５の回転駆動を開始して回転速度を推定し、ピニオン５の推定回転速度Ｎｓが、その回転速度Ｎｅと同一の又は近似する値となったときに、ピニオン５を押し出してクランク軸２に連結されたリンクギア４に噛合させ、エンジン１をクランキングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のアイドリングストップの制御方法及びアイドリングストップシステムに関し、更に詳しくは、エンジンの自動停止時における再始動を、スタータを損傷することなく、従来よりも速やかに行うことができる内燃機関のアイドリングストップの制御方法及びアイドリングストップシステムに関する。

近年、自動車のエンジンには、燃費の節減及び排気ガスによる環境悪化の防止の観点から、停車時においてエンジンを自動停止し、かつ発車時にエンジンを自動で再始動させる、いわゆるアイドリングストップ機構が搭載されるようになっている。具体的には、エンジンの停止要求が発せられたときにはエンジンへの燃料供給を停止し、エンジンの再始動要求が発せられたときは、燃料供給を再開してスタータでエンジンを再始動させることが自動的に行われるようになっている。

このエンジンの再始動に用いられるスタータは、モーターにより回転駆動されるピニオンを、エンジンのクランク軸に連結されたリングギアに向けて押し出して両者を噛み合わせることで、エンジンをクランキングするものである。そのため、従来のアイドリングストップ機構では、エンジンが完全停止する前に再始動要求が発せられた場合でも、スタータのピニオンとリングギアとがスムーズに噛み合うように、エンジンが完全停止してからスタータを起動してエンジンをクランキングすることが行われていた。

しかし、そのようにエンジンの完全停止を待っていては、再始動要求の発生からエンジンの再始動までにタイムロスが発生するので、ドライバーに再始動が遅いという感覚（もたつき感）を抱かせることになってしまう。

そのため近年では、エンジンが完全停止する前に再始動要求が発せられた場合には、エンジンの完全停止を待たずにスタータを起動させて、エンジンをクランキングするようなシステムが登場してきているが、スタータのピニオンとリングギアとは互いに回転しているためスムーズに噛み合わないことがあり、そのようなケースでは異音が発生し、最悪の場合にはスタータが損傷してしまうおそれがある。

このような問題を解決するため、例えば、エンジンの回転速度の変化を予測し、その回転速度とピニオンの回転速度とが同期する時点に合わせて、ピニオンをリングギアに向けて押し出すエンジン自動停止再始動装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

上記のエンジン自動停止再始動装置では、エンジンの回転速度の変化を予測する方法として、エンジンの運動エネルギーを仕事量とから演算により求める（特許文献２を参照）ことを例示しているが、エンジンの実際の仕様や状態を考慮していないため正確性に欠け、スタータの損傷を十分に防止することはできない。

特許４２１４４０１号公報 特開２００４−２４５１０６号公報

本発明の目的は、エンジンの自動停止時における再始動を、スタータを損傷することなく、従来よりも速やかに行うことができる内燃機関のアイドリングストップの制御方法及びアイドリングストップシステムを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の内燃機関のアイドリングストップの制御方法は、エンジンの運転中に発生した停止要求により前記エンジンへの燃料供給を停止し、再始動要求によりスタータを起動させるアイドリングストップシステムを備えた内燃機関のアイドリングストップの制御方法であって、前記エンジンが完全停止する前に前記再始動要求が発生したときには、前記エンジンの水温又は油温の測定値を参照してエンジンのクランク軸の将来の回転速度を推定し、前記スタータのピニオンを回転駆動し、該スタータのピニオンの将来の回転速度を推定し、前記クランク軸の推定回転速度Ｎｅが前記ピニオンの推定回転速度Ｎｓと同一の又は近似する値以下となる時点Ｔｓにおいて、そのピニオンを押し出して前記クランク軸に連結されたリンクギアに噛合させることを特徴とするものである。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関のアイドリングストップシステムは、エンジンの運転中に発生した停止要求により前記エンジンへの燃料供給を停止し、再始動要求によりスタータを起動させて、前記エンジンのクランク軸に連結されたリングギアに噛合可能なピニオンを回転駆動する内燃機関のアイドリングストップシステムであって、前記エンジンの水温又は油温を測定する測定手段と、制御手段とを備え、前記制御手段は、前記エンジンが完全停止する前に前記再始動要求が発生したときには、前記測定手段の測定値を参照して前記クランク軸の将来の回転速度を推定し、前記スタータのピニオンを回転駆動し、該スタータのピニオンの将来の回転速度を推定し、前記クランク軸の推定回転速度Ｎｅが前記ピニオンの推定回転速度Ｎｓと同一の又は近似する値以下となる時点Ｔｓにおいて、そのピニオンを押し出して前記クランク軸に連結されたリンクギアに噛合させることを特徴とするものである。

本発明の内燃機関のアイドリングストップの制御方法及びアイドリングストップシステムによれば、水温又は油温に基づいてクランク軸の回転速度を推定し、スタータのピニオンを回転駆動し、クランク軸の推定回転速度Ｎｅがピニオンの推定回転速度Ｎｓと同一又は近似する回転速度以下になったときに、ピニオンを作動させてクランク軸に連結されたリングギアに噛み合わせるようにしたので、エンジンの実際の状態に基づいて数サイクル先までのクランク軸の回転速度を精度良く推定することができるため、リングギアとピニオンがスムーズに噛み合うようになり、スタータが損傷することなく、従来よりも速やかに再始動をおこなうことができる。また、リングギアとピニオンが噛み合う際の打音を低減することもできる。

本発明の実施の形態からなる内燃機関のアイドリングストップシステムの構成を示す構成図である。 本発明の第１の実施の形態からなる内燃機関のアイドリングストップの制御方法を説明するフロー図である。 図２の制御方法におけるエンジン及びピニオンの回転速度の経時変化を説明するグラフである。 エンジンの水温とフリクションの関係の一例を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態からなる内燃機関のアイドリングストップの制御方法を説明するフロー図である。 図５の制御方法におけるエンジン及びピニオンの回転速度の経時変化を説明するグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態の内燃機関のアイドリングストップシステムの構成を示す。

この内燃機関のアイドリングストップシステムは、エンジン１のクランク軸２の回りにフライホイール３を介して接続されたリングギア４と、そのリングギア４に噛合可能なピニオン５と、エンジン１の水温又は油温を測定する測定手段６と、制御手段７とを有している。

ピニオン５は、モータ８により回転駆動され、その回転軸９は電磁ソレノイド式のアクチュエータ１０によってリングギア４に向けて伸縮されるように構成されている。モータ８とピニオン５の回転軸９との間には、図示しない減速ギアが介設されており、リングギア４からピニオン５に高速回転が付加されたときにモータ８を保護するようになっている。これらのピニオン５、モータ８、アクチュエータ１０等によりスタータが構成されている。

エンジン１の水温又は油温を測定する測定手段６は、特に限定するものではないが、熱電対やサーミスタを利用したセンサが用いられる。エンジン１の水温及び油温としては、冷却水及びエンジンオイルの温度（例えば、一次遅れフィルタや移動平均フィルタ後の値）をそれぞれ用いるようにする。

制御手段７は、記憶部を備えたＣＰＵ（中央演算処理装置）から構成され、モータ８、アクチュエータ１０、測定手段６及びエンジン１のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１１のそれぞれに信号線１２ａ〜１２ｄを通じて接続している。

ＥＣＵ１１は、燃料タンク１３からエンジン１に燃料を供給する燃料供給管１４に介設された電磁バルブ１５に信号線１２ｅを通じて接続しており、エンジン１の停止要求又は再始動要求の発生に応じて、主に電磁バルブ１５を開弁又は閉弁することでアイドリングストップを行うようになっている。エンジン１の停止要求は、例えば、車速（車輪速センサにより検知）やバッテリー電圧などの項目のうちのいくつかが、所定の条件を満たしたときに発せられる。また、エンジンの再始動要求は、例えば、ギアの位置やクラッチペダルの状態などが、所定の条件を満たしたときに発せられる。

更に、フライホイール３又はリングギア４の側面に対向する位置には、信号線１２ｆにより制御手段７に接続された回転センサ１７が取り付けられている。回転センサ１７としては、ホール素子や電磁ピックアップにより、フライホイール３表面に刻まれた凹凸やリングギア４の歯数を検出するものを例示することができる。回転センサ１７により検出されたパルスは、制御手段７においてクランク軸２の回転速度の変動に変換される。

上記のモータ８、アクチュエータ１０、制御手段７、ＥＣＵ１１及び回転センサ１７は、バッテリー１６を電源として動作する。

なお、上記の構成では、制御手段７とＥＣＵ１１を別体としているが、ＥＣＵ１１に制御手段７の機能を合わせて持たせるようにしてもよい。

このような構成を有するアイドリングストップシステムにおいて、エンジン１が完全停止する前に再始動要求が発せられた場合におけるアイドリングストップの第１の制御方法を、図２に示すフロー図、及び図３に示すグラフに基づいて以下に説明する。なお、図３は、エンジンが完全停止する前に、ＥＣＵ１１から再始動要求が発せられた場合におけるエンジン１（クランク軸２）及びピニオン８の推定回転速度の経時変化を示すグラフである。

制御手段７は、エンジン１が完全停止する前に発せられた再始動要求をＥＣＵ１１を通じて受け取ると（Ｓ１０）、信号線１２ａを通じてモータ８を起動してスタータのピニオン５の回転駆動を開始し（Ｓ２０）、信号線１２ｃを通じてエンジン１の水温又は油温の測定値を入力する（Ｓ３０）。なお、このときＥＣＵ１１は、信号線１２ｅを通じて、電磁バルブ１５を開弁して、エンジン１に燃料を供給している。

そして、あらかじめ記憶部に格納されている、水温又は油温と、クランク軸２のイナーシャ及びフリクショントルクとの関係を示すデータテーブルと照合して、測定値に対応するイナーシャＩ及びフリクショントルクＴ_fを決定する（Ｓ４０）。図４に、水温とフリクショントルクとの関係を例示する。記憶部には、このようなデータが、データテーブルの形式であらかじめ格納されている。

次に、下記に示す式（１）〜（７）を用いて、クランク軸２の角加速度αを算出する。

但し、D：シリンダ内径、L：コンロッド長さ、R：クランク半径、m_rec：往復部質量、P₀：インマニ圧力、κ：比熱比、Vs：隙間容積、V₀：下死点でのシリンダ容積、θ：クランク角度、ψ：コンロッド−シリンダ軸間角度、をそれぞれ示す。

この角加速度αを再始動要求の発生時から所定の期間で積分することで、クランク軸２の将来の（例えば、数サイクル先までの）推定回転速度Ｎｅを算出する（Ｓ５０）。この推定回転速度Ｎｅの計算においては、積分開始の初期値として、回転センサ１７により検出されたフライホイール３又はリングギア４の回転速度を利用する。

また、それと同時に、再始動要求後の一定時間におけるピニオン５の推定回転速度Ｎｓも算出する（Ｓ５０）。このピニオン５の推定回転速度Ｎｓは、記憶部に格納されている、あらかじめ実験的に得られたモータ８についての起動開始からの経過時間とバッテリー１６電圧とのデータテーブルを参照することにより求められる。

そして、クランク軸２の推定回転速度Ｎｅが、ピニオン５の推定回転速度Ｎｓと同一又は近似する値（近似幅：Ｎ_th）以下（Ｎｅ≦Ｎｓ＋Ｎ_th）になるまでの時刻Ｔｓからピニオン５の飛び出しタイミングＴｐを計算し（Ｓ６０）、再始動要求の発生からＴｐが経過したときに（Ｓ７０）、アクチュエータ１０を起動して、回転するピニオン５をリングギア４に向けて押し出して（飛び出させて）噛み合わせ（Ｓ８０）、クランク軸２にトルクを加えてエンジン１をクランキングする。

このようにして、エンジン１の実際の状態を示す水温又は油温に基づいて、クランク軸２の将来の推定回転速度Ｎｅを精度良く算出し、クランク軸２の推定回転速度Ｎｅが、ピニオン５の再始動要求後の一定時間における推定回転速度Ｎｓと同一の又は近似する回転速度以下になるようなタイミングで、ピニオン５を作動させて押し出してリングギア４と噛み合わせる（当てる）ようにしたので、リングギア４とピニオン５がスムーズに噛み合うようになるため、スタータが損傷することなく、従来よりも速やかに再始動をおこなうことができる。また、リングギア４とピニオン５が噛み合う際の打音を低減することもできる。

また、エンジン１の実際の仕様を考慮した所定の式（１）〜（７）を用いることで、クランク軸２の推定回転速度Ｎｅをより精度良く算出することができる。

上述した制御方法において、ピニオン５の推定回転速度Ｎｓに近似する幅Ｎ_thを持たせているのは、図３に示すように、実際にはピニオン５が静止状態から回転速度Ｎｓに達するまでのタイムラグＴｄやバラツキがあるためである。このタイムラグＴｄは、モータ８の特性とバッテリー１６の電圧から、あらかじめ求めることができる。実際の機器の仕様、運転状態及びピニオン５とリングギア４との噛み合い作動のバラツキなどの条件を考慮すると、クランク軸２の推定回転速度Ｎｅからピニオン５の推定回転速度Ｎｓを差し引いた値（Ｎ_th）は、例えば０ｒｐｍ以上の値とするのがよい。

更に、実際には、図３に示すように、ピニオン５の作動指令をしてからリングギア４に到達するまでの移動時間Ｔｒがあるので、その遅れ時間を考慮してピニオン５の作動を指令することが望ましい。

この所定の移動時間Ｔｒは、あらかじめ実験等により求めることができるので、図３に示すように、クランク軸２の推定回転速度Ｎｅが、ピニオン５の推定回転速度Ｎｓと同一又は近似する値Ｘ以下になるまでの時刻Ｔｓから所定の移動時間Ｔｒの大きさだけ戻った時点が経過したときに、回転しているピニオン５を作動して押し出しを開始すればよい。
このように、ピニオン５を作動させて押し出しするタイミングを制御することで、リングギア４とピニオン５とをよりスムーズに噛み合わせることができる。

また、上述したタイムラグＴｄには、非常に微少な時間ではあるが、回路やリレーなどの遅れに起因するモータ８への通電から回転開始までのタイムラグも含まれる。上記の制御方法において、この微少なタイムラグを考慮することで、更にリングギア４とピニオン５をスムーズに噛み合わせる事が可能になる。

図５に示すフロー図に基づいて、図１に示すアイドリングストップシステムにおけるアイドリングストップの第２の制御方法を以下に説明する。

上述した第１の制御方法では、クランク軸２の回転数とスタータのピニオン５の回転数とは、指定された回転数差で噛み合うようになっている。しかし、両者を変動極小点や変動上昇面などの回転変動の指定部分で噛み合わせることにより、更なる打音の低減などの効果が期待できる。この第２の制御方法では、指定された回転数差でかつ回転変動の指定部分（クランク角度）で両者を噛み合わせるために、ピニオン５の飛び出しタイミングＴｐに加えて、モータ８によるピニオン５の回転始まりのタイミングＴｍも制御するものである。

制御手段７は、エンジン１が完全停止する前に発せられた再始動要求をＥＣＵ１１を通じて受け取ると（Ｓ１０）、信号線１２ｃを通じてエンジン１の水温又は油温の測定値を入力する（Ｓ３０）。なお、このときＥＣＵ１１は、信号線１２ｅを通じて、電磁バルブ１５を開弁して、エンジン１に燃料を供給している。そして、あらかじめ記憶部に格納されている、水温又は油温と、クランク軸２のイナーシャ及びフリクショントルクとの関係を示すデータテーブルと照合して、測定値に対応するイナーシャＩ及びフリクショントルクＴ_fを決定する（Ｓ４０）。次に、上記の式（１）〜（７）を用いて、クランク軸２の角加速度αを算出し、この角加速度αを再始動要求の発生時から所定の期間で積分することで、クランク軸２の将来の推定回転速度Ｎｅを算出するとともに、再始動要求後の一定時間におけるピニオン５の推定回転速度Ｎｓも算出する（Ｓ５０）。

そして、あらかじめ指定されたクランク角度のタイミングで、クランク軸２の推定回転速度Ｎｅが、ピニオン５の推定回転速度Ｎｓと同一又は近似する値以下になるまでの時間Ｔｓ、及びそのＴｓに基づくピニオン５の飛び出しタイミングＴｐを算出する（Ｓ６３）。

スタータのピニオン５の推定回転速度Ｎｓとクランク軸２の推定回転速度Ｎｅとから、あらかじめ指定されたクランク角度で噛み合わせる場合の例を図６に示す。

この図６では、回転変動の極小点、すなわちピストンが上死点になるときに圧縮圧力が最大となりエンジン回転数が極小となる点で両者を噛み合わせている。この場合には、上死点を０度とすると、指定された角度は０度となる。ピニオン５の推定回転速度Ｎｓと、クランク軸２の推定回転速度Ｎｅと、指定角度０度との関係から、スタータのピニオン５が噛み合うまでの時間Ｔｍ₀が算出される。上述したタイムラグＴｄも考慮すると、モータ８を駆動するタイミングＴｍは、Ｔｍ＝Ｔｓ−Ｔｍ₀−Ｔｄ₀で算出される。

このように、ピニオン５の押し出し作動のタイミングＴｐに加えて、ピニオン５の回転駆動を開始するタイミングＴｍも適切に制御するようにしたので、第１の制御方法に比べて更にスムーズにリングギア４とピニオン５とを噛み合わせることができるとともに、クランク軸２へのトルクの伝達効率を向上することができる。

なお、上記の第２の制御方法においては、ピニオン５とリングギア４とを、どのような局面で当てるかは、あらかじめ音や振動などから判定して決めておくようにする。また、どのタイミングで当たるかは、上述したようにクランク角度で指定する。

また、上記の第２の制御方法においても、第１の制御方法の場合と同様に、ピニオン５が押し出されてリングギア４に噛合するまでの所定の移動時間ＴｒやタイムラグＴｄを考慮することが望ましい。

なお、図１に示すアイドリングストップシステムにおいては、従来のアイドリングストップシステムと同じく、ピニオン５の押し出し作動の開始と、ピニオン５の回転駆動の開始とを同時に行うようにすることもできる。

本発明の制御装置及び制御方法の用途は、自動車用のエンジン１に限るものではなく、一般の内燃機関にも適用することができる。

１ エンジン
２ クランク軸
３ フライホイール
４ リングギア
５ ピニオン
６ 測定手段
７ 制御手段
８ モータ
９ 回転軸
１０ アクチュエータ
１１ ＥＣＵ
１２ａ〜１２ｆ 信号線
１３ 燃料タンク
１４ 燃料供給管
１５ 電磁バルブ
１６ バッテリ
１７ 回転センサ

Claims (8)

1. エンジンの運転中に発生した停止要求により前記エンジンへの燃料供給を停止し、再始動要求によりスタータを起動させるアイドリングストップシステムを備えた内燃機関のアイドリングストップの制御方法であって、
   前記エンジンが完全停止する前に前記再始動要求が発生したときには、前記エンジンの水温又は油温の測定値を参照してエンジンのクランク軸の将来の回転速度を推定し、前記スタータのピニオンを回転駆動し、該スタータのピニオンの将来の回転速度を推定し、前記クランク軸の推定回転速度Ｎｅが前記ピニオンの推定回転速度Ｎｓと同一の又は近似する値以下となる時点Ｔｓにおいて、そのピニオンを押し出して前記クランク軸に連結されたリンクギアに噛合させることを特徴とする内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
2. 前記エンジンの水温又は油温の測定値に対応するクランク軸のイナーシャＩ及びフリクショントルクＴ_fを決定し、下記に示す式（１）〜（７）により求めた前記クランク軸の角加速度αを、前記再始動要求の発生時から所定の期間で積分することで、前記クランク軸の推定回転速度Ｎｅを算出する請求項１に記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
   

   

   但し、D：シリンダ内径、L：コンロッド長さ、R：クランク半径、m_rec：往復部質量、P₀：インマニ圧力、κ：比熱比、Vs：隙間容積、V₀：下死点でのシリンダ容積、θ：クランク角度、ψ：コンロッド−シリンダ軸間角度、をそれぞれ示す。
3. 前記クランク軸の推定回転速度Ｎｅから、前記ピニオンの推定回転速度Ｎｓを差し引いた値が０ｒｐｍ以上である請求項１又は２に記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
4. 前記時点Ｔｓから前記ピニオンが押し出されて前記リングギアに噛合するまでの所定の移動時間Ｔｒだけ戻った時点において、該ピニオンの押し出しを開始する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
5. 前記ピニオン及びリングギアが、あらかじめ指定されたクランク角度で互いに噛み合うように該ピニオンの回転駆動と押し出しとを開始する請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
6. エンジンの運転中に発生した停止要求により前記エンジンへの燃料供給を停止し、再始動要求によりスタータを起動させて、前記エンジンのクランク軸に連結されたリングギアに噛合可能なピニオンを回転駆動する内燃機関のアイドリングストップシステムであって、
   前記エンジンの水温又は油温を測定する測定手段と、制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記エンジンが完全停止する前に前記再始動要求が発生したときには、前記測定手段の測定値を参照して前記クランク軸の将来の回転速度を推定し、前記スタータのピニオンを回転駆動し、該スタータのピニオンの将来の回転速度を推定し、前記クランク軸の推定回転速度Ｎｅが前記ピニオンの推定回転速度Ｎｓと同一の又は近似する値以下となる時点Ｔｓにおいて、そのピニオンを押し出して前記クランク軸に連結されたリンクギアに噛合させることを特徴とする内燃機関のアイドリングストップシステム。
7. 前記制御手段は、前記測定手段の測定値に対応する前記クランク軸のイナーシャＩ及びフリクショントルクＴ_fを決定し、下記に示す式（１）〜（７）により求めた前記クランク軸の角加速度αを、前記再始動要求の発生時から所定の期間で積分することで、前記クランク軸の推定回転速度Ｎｅを算出する請求項６に記載の内燃機関のアイドリングストップシステム。
   

   

   但し、D：シリンダ内径、L：コンロッド長さ、R：クランク半径、m_rec：往復部質量、P₀：インマニ圧力、κ：比熱比、Vs：隙間容積、V₀：下死点でのシリンダ容積、θ：クランク角度、ψ：コンロッド−シリンダ軸間角度、をそれぞれ示す。
8. 請求項６又は７に記載の内燃機関のアイドリングストップシステムを備えた内燃機関。

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