JP2013050036A - 内燃機関の再始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドル機能を有する自動車の制御装置では、エンジンが完全停止する直前に発生する揺り戻し中にスタータ駆動を行うと過大な電流が流れ、システム電圧の低下、スタータモータ内のブラシの異常磨耗、半導体スイッチの破壊等の故障のおそれがあった。
【解決手段】始動装置の駆動力を任意の値に制御できる機能と、エンジンが正転しているか否かを判定する機能及びエンジンが逆転していないか否かを判定する機能の少なくともいずれかの機能を有する正転判定手段と、を備え、エンジンが正転している若しくは逆転していないと前記正転判定手段が判定した場合、前記始動装置の駆動力を高くするアイドル機能を有する自動車の制御装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の再始動装置、特に、エネルギ資源の節約と環境保全に配慮して、車両が一時停止中のアイドリングを停止させる燃料消費節約型車両の内燃機関の再始動装置に関する。

エネルギ資源の節約と環境保全のために、自動車を運転中にエンジンの一時停止が許容される所定条件が成立したとき、アイドルストップさせることが提案され、一部の自動車において実施されている。このアイドルストップに対応した自動車において、車両が停止する前の減速状態（コースティング領域）で、積極的にアイドルストップを行うことにより、更なる燃費効果を高めたシステムを実現することができる。

しかし、コースティング領域でアイドルストップをするシステムでは、燃料カットを開始した時点からエンジンの完全停止までの間に再発進要求があった場合、車両発進性能を確保するために即座に始動させる必要がある。このため、特許文献１は、燃料カット後のエンジン慣性回転期間中にスタータモータを調速通電し、スタータモータと同軸上に備わるピニオンの回転速度がエンジンに備わるリングギアの回転速度と同期した時点で、ピニオンをリングギアに噛み込ませることにより、スタータ駆動によるエンジンの再始動を速やかに行う技術を記載している。

特開２０１０−１０６８２５号公報

しかしながら、エンジンが停止する際には、その完全停止の直前に各気筒の燃焼室圧力などの影響により、揺り戻し（エンジンの回転方向に対して逆回転する現象）のおそれがある。

コースティング領域中にアイドルストップを行う車両では、発進性能を確保するため再始動を行う要求が存在するが、揺り戻し中にクランキングを行うと、スタータモータの負荷が増大するので、システム電圧が著しく低下し、安定したシステム動作に支障が生ずるおそれがある。

また、揺り戻し中にスタータモータを駆動することで過大な負荷がかかるため、スタータモータ内のブラシが異常磨耗する可能性があり、更に、モータ駆動を半導体スイッチ等により行う場合、揺り戻し中の消費電流が通常時の消費電流を大きく上回り、最悪の場合には、半導体を破壊する等の重大な故障が発生するおそれがある。

このため、最も簡素な方法として、揺り戻しの発生に関わらず、エンジンの完全停止に近いある所定の領域（例えば、エンジン回転数が50r/minを下回った領域）では、一定の期間中、始動装置の駆動を禁止するようにすることが考えられるが、車両発進性能等における応答性における犠牲が伴うという問題があり、この解決が課題となっていた。

上記課題を解決するため、本発明に係る自動車の制御装置は、アイドルストップ機能を有する自動車の制御装置において、始動装置の駆動力を任意の値に制御できる機能と、エンジンが正転したか否かを判定する機能若しくはエンジンが逆転していないか否かを判定する機能の少なくとも一つの機能を有する正転判定手段と、を備え、エンジンが正転した若しくは逆転していないと前記正転判定手段が判定した場合、前記始動装置の駆動力を高くすることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの回転方向を判定することで、スタータ（特にスタータモータ及びモータ駆動系統）に過電流が流れる状態を把握し、これに基づいてスタータの駆動時期や駆動力を制御することにより、システム構成品の保護を行いつつ、電圧降下を許容できる範囲内に維持しつつ、始動性を損なうことなく、始動装置を駆動することができる。

本発明に係る自動車の制御装置の一例である実施例１のシステムの機能構成を示す 本発明に係る自動車の制御装置の他の一例である実施例２のシステムの機能構成を示す。 本発明に係る制御装置（実施例１及び２）の制御方法のフローチャートである。 本発明の制御装置（実施例１及び２）の制御を実行した際のタイミングチャートの一例を示す。 本発明に係る制御装置（実施例１及び２）において、正転判定を行う際のタイミングチャートの一例を示す。 本発明の制御装置（実施例３）の制御を実行した際のタイミングチャートの一例を示す。 クランク角に対する各気筒の筒内圧の変化を示す。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した実施例について、説明する。

［実施例１］
図１は、本発明に係る自動車の制御装置の一例である実施例１のシステムの機能構成を示す。

スタータ本体は、スタータモータ（101a）、マグネットスイッチ（101b）、シフトレバー（101c）、ピニオンクラッチ（101d）、ピニオンギア（101e）等から構成されている。ＥＣＵ（Engine Control Unit）（103）の出力によって独立した電源リレーであるスタータモータリレー（104a）とピニオンリレー（105）が制御されることにより、スタータモータ（101a）とマグネットスイッチ（101b）が駆動される。

スタータモータ（101a）とピニオンギア（101e）は、同軸上に連結されており、スタータモータ（101a）が回転するとピニオンギア（101e）も回転する構成となっている。マグネットスイッチ（101b）に通電すると、シフトレバー（101c）が操作されて、その他端がピニオンギア（101e）を押し出し、エンジンに備わるリングギア（106）と連結される構造となっている。

ＥＣＵ（103）は、通常の燃料噴射制御（103c）、点火制御（図示省略）、空気制御（電子制御スロットル制御）（図示省略）に加えて、ブレーキSW、車速センサ等の各種センサ情報に基づいて、アイドルストップ判定ブロック（103a）においてアイドルストップ許可判定を実行する。

また、ＥＣＵ（103）は、エンジンが正転したか否か、又はエンジンが逆転していないか否かを判定する正転判定機能（103d）を備える。この正転判定機能（103d）の判定結果に基づいて、スタータ駆動制御機能（103b）により、スタータモータリレー（104a）及びトルク可変機能（104b）を制御することで、スタータモータ（101a）の駆動力を任意の状態で駆動する。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２について説明する。図２は、本発明に係る自動車の制御装置の他の一例である実施例２のシステムの機能構成を示す。

スタータ本体（201）は、スタータモータ（201a）、マグネットスイッチ（201b）、シフトレバー（201c）、ピニオンクラッチ（201d）、ピニオンギア（201e）、半導体スイッチ機構（201f）等から構成されている。

まず、ＥＣＵ（Engine Control Unit）（203）のスタータ駆動制御（203b）からスタータ駆動信号を半導体スイッチ機構（201f）へ出力する。スタータ駆動信号は、スタータモータ（201a）の通電機能、及びピニオンギア（201e）の飛び出し機能を制御するマグネットスイッチ（201b）の二系統を備え、半導体スイッチ機構（201f）内のMOSFETを、個別のDuty比によりそれぞれ操作することにより、スタータモータ（201a）及びマグネットスイッチ（201b）を個別に制御する。

次に図３及び図４を用いて、本発明の実施例１及び２の基本的な制御方法について説明する。

図３は、本発明に係る制御装置（実施例１及び２）の制御方法のフローチャートである。このフローは、定時（例えば、10ms）間隔で実行される。

ステップS301において、初期モータ駆動時のシーケンスが実行される。ここでは、予め設定した駆動力になるように、スタータモータ駆動を行う。具体的には、図１に示した実施例１の制御装置において、スタータモータリレー（104a）をＯＮにした後、トルク可変機能（104b）を用いてトルク制御を行う。すなわち、ＥＣＵがトルク可変機能（104b）のリレーをＯＦＦに切替えると、トルク変換機能（104b）内の抵抗を経由してスタータモータ（101a）へ電流が印加されるため、抵抗を経由しない状態に比べて、スタータモータ（101a）の発生トルクを抑制することができる。このため、ステップS301においては、トルク可変機能（104b）内の抵抗を用いて、予め設定した駆動力にスタータモータ（101a）を制御する。

また、図２に示した実施例２の制御装置においては、上述の機能を半導体スイッチ機構（201f）によって行うので、ＥＣＵ（203）から、所定の駆動Duty比の信号を半導体スイッチ機構（201f）に与える。

もっとも、ステップS301の初期モータ駆動は、エンジンが正転したと判定した場合若しくはエンジンが逆転していないと判定するまで始動装置を動作させないようにしてもよい。すなわち、図１に示した実施例１の制御装置においては、スタータモータリレー（104a）をＯＮにせず、図２に示した実施例２の制御装置においては、半導体スイッチ機構（201f）へモータ駆動用のDuty比の信号を出力しないようにする。

次にステップS302へ進み、エンジンが正転しているか否かの判定若しくは逆転しているか否かの判定の少なくとも一方の判定を行う。詳細については後述するが、ここで、正転判定機能（103d, 203d）が、エンジンが正転している若しくはエンジンが逆転していないと判定した場合、ステップS303のクランキング（エンジン始動）シーケンスに進む。一方、ステップS302の条件が不成立（エンジンが逆転中）の場合、ステップS301へ戻り、以後、ステップS303の条件が成立（エンジンが正転している若しくはエンジンが逆転していないと判定）するまで、以上の動作を繰り返す。

ステップS303では、実際にクランキングを行うため、スタータモータ（101a, 201a）に印加する電流を上げる。この際、実施例１（図１）では、前記のとおり、ＥＣＵ（103）がトルク可変機能（104b）をＯＮにすることで、トルク可変機能（104b）内の抵抗を介さずスタータモータ（101a）へ電流を印加する。また、実施例２（図２）では、半導体スイッチ機構（201f）に対し、モータ駆動Duty比を高くするように、ＥＣＵ（203）が制御を実行する。なお、これら一連の制御では、マグネットスイッチ（101b, 201b）はＯＮ状態とする。

次に、本発明の制御装置の制御内容について説明する。図４は、本発明の制御装置（実施例１及び２）の制御を実行した際のタイミングチャートの一例を示す。図４において、上からブレーキスイッチ（405）、エンジン回転数（406）、正転判定結果（407）、モータ駆動Duty比（408）及びバッテリ電圧（409）が示されている。

まず、アイドルストップが許可されたことより、燃料カットが実行され、エンジンは停止挙動から完全停止に至るが、この一連の挙動は、エンジン回転（406）の変化により示されている。完全停止に至る過程の中で、揺り戻し（一時的なエンジンの逆転現象）が発生するが、これを正転判定機能（103d, 203d）により判定した結果が、正転判定結果（407）として示されている。

図４に示した例では、時刻T401から時刻T403までの時間、逆転（正転していない）と判定している。また、時刻T402において、ブレーキスイッチ（405）がＯＮからＯＦＦになっている。これは、運転者の意図とした発進又は再始動要求であるため、直ちにアイドルストップ許可を解除し、再始動シーケンスに移行する。

再始動シーケンスでは、モータ駆動Duty比（408a）を所定値に設定し、これを時刻T403まで継続する。つまり、時刻T402から時刻T403は、図３に示したステップS301を実行したことになる。また、前記したエンジンが正転したと判定した場合若しくはエンジンが逆転していないと判定するまで始動装置を動作させないようにした場合には、時刻T401からT403までは、スタータモータの駆動を実行しないことで、異常な電圧低下を完全に防止している。

時刻T403において、正転判定機能によりエンジンが正転していると判定され、以後、モータ駆動Duty比を上げて所定の駆動Duty比でスタータモータを駆動する。なお、図示はしていないが、時刻T402から、エンジンの再始動が完了したと判定した時点の時刻T404まで、マグネットスイッチ（101b, 201b）はＯＮ状態である。これらに操作により、バッテリ電圧（409）は、図示されたバッテリ電圧（409a）の挙動を示し、システムの安定動作に必要な最低保証電圧（409c）を満足しつつ、始動時の応答性を上げることができる。

なお、図４には、参考のために、従来の機械式リレーを用いた際のスタータモータの駆動Duty比（408b）を示す。この場合、駆動Duty比が常に100%となるので、モータ駆動系に対する突入電流が大きく、また、スタータモータの負荷を最大とした条件で駆動を行うため、バッテリ電圧（409b）が、最低保証電圧（409c）を大きく下回る。これに対し、本発明の制御装置によれば、バッテリ電圧が最低保証電圧（409c）を下回ることがないようにすることが可能であるという優れた効果を奏する。

次に、本発明に係る制御装置（実施例１及び２）の正転判定機能の説明を行う。図５は、本発明に係る制御装置（実施例１及び２）において、正転判定を行う際のタイミングチャートの一例を示す。図５において、上から、エンジン位置センサの出力（501）、エンジン回転数（502）、正転判定フラグ（503）が示されている。

実施例１及び２において用いられるエンジン位置センサは、エンジン回転方向に応じて出力値が変わる特性を備え、ＥＣＵ（103, 203）の正転判定機能（103d, 203d）は、かかるエンジン位置センサ（501）からの出力に基づいて、正転パルスを所定回数以上（例えば、２回連続）で検出した場合にエンジンが正転したと判定する正転判定機能を備えている。

また、正転判定機能は、少なくとも一つ以上の燃焼室内圧を検出若しくは予測できる手段から得られる燃焼室内圧の時間経過に基づいて、エンジンの回転方向の判定をするようにしてもよい。具体的には、各気筒の筒内圧は、図７のようにクランク角に基づき一定の変化となる。これは、吸気バルブの閉弁及び排気バブルの開弁とピストンの上下運動による容積の変化に起因するためであるが、揺り戻しが発生した場合、図内の破線の様に、本来上昇すべきクランク角度において、筒内圧が低下する現象が発生する。このため、筒内圧を検出又は予測できる手段から、正転時と揺り戻し時の差異を検出することで、正転判定を実施することができる。

まず、ＥＣＵ（103, 203）は、各アイドルストップ条件に基づき、燃料カットを実行し、エンジンを停止させる。この際、エンジンは慣性回転（燃料カットから完全停止までエンジン回転数が低下する）状態となる。この慣性回転中のエンジン回転方向は正転を示すため、エンジン位置センサ（501）は、正転パルスを出力し、これに応じて、前記正転判定機能の判定結果は、正転を示す正転判定フラグ（503a）となる。その後、エンジンが完全停止する前の揺り戻しが発生する。

揺り戻しが発生すると、エンジン位置センサ（501）は、時刻T504において逆転パルスを出力し、前記正転判定機能は、この逆転パルスを検出した時点である時刻T504からエンジンが逆転していると判定する（503b）。その後、（図３に示したステップS301における）所定の初期駆動力により、クランキングが行われることに加えて、揺り戻しによる逆転トルクが減衰することにより、時刻T506において、エンジンは再び正転方向に動き始める。そこで、エンジン位置センサ（501）は、この時刻T506から正転パルスを出力し始めるが、実施例１及び２においては、前記のとおり、正転パルスを２回検出した時点からエンジンが正転したと判定するため、正転判定機能は、時刻T507から正転していると判定する（503c）。

以上、本発明に係る実施例１及び２を示したが、正転判定機能は、上述のものに限られるものではない。

［実施例３］
次に、本発明の実施例３について説明する。図６は、本発明の制御装置（実施例３）の制御を実行した際のタイミングチャートの一例を示す。図６において、上からブレーキスイッチ（605）、エンジン回転数（606）、正転判定結果（607）、モータ駆動Duty比（608）及びバッテリ電圧（609）が順次示されている。

まず、アイドルストップが許可されたことより、燃料カットが実行され、エンジンは、停止挙動から完全停止に至る。この一連の挙動が、図６におけるエンジン回転（606）として示されているが、この過程の中で揺り戻し（一時的なエンジンの逆転現象）が発生する。これを、正転判定機能により判定した結果が正転判定結果（607）として示されている。

図６が示す例では、時刻T601から時刻T603までの間を逆転（言い換えると、正転していない）と判定している。また、図６では、ブレーキスイッチ（605）がＯＮからＯＦＦとなるタイミングを時刻T602としている。これは、運転者が意図とした発進又は再始動要求を行ったためであり、直ちにアイドルストップ許可を解除し、再始動シーケンスに移行する。再始動シーケンスでは、モータ駆動Duty比（608a）を所定値に設定し、これを時刻T603まで継続する。つまり、時刻T602から時刻T603の間に、図３のステップS301を実行したことになる。

時刻T603以降（図内では右側）では、正転判定機能によりエンジンが正転したと判定するため、以後は、モータ駆動Duty比を上げて所定の駆動Dutyにてスタータモータを駆動する。この際に、バッテリ電圧が最低保障電圧以下とならないように（図６のバッテリ電圧609a参照）、モータ駆動Duty比（608a）を、クランク角、エンジン回転数、ピニオン回転数、燃焼室内圧及びバッテリ電圧の少なくとも一つの情報に基づいて制御することを特徴とする。

例えば、バッテリ電圧が低下し、最低保障電圧に近づいた場合、駆動Dutyを下げることでバッテリ電圧の低下を抑制する必要がある。しかし、これだけでは、クランキングに必要な駆動力が失われるため、クランキングの継続が困難になる恐れがある。このため、バッテリ電圧が比較的高い状態である領域の駆動力を高くすることで、ピニオン回転速度を高くすることで、慣性力を高め、駆動Dutyを下げた際の損失分を補う様にする。更に説明すると、クランキング時に必要となる駆動力（言い換えると要求駆動Duty）は、クランク角に依存し、圧縮上死点に近づくほど、エンジンのフリクションが高くなり、要求される駆動力が高くなる。つまり、バッテリ電圧の低下幅が最も大きくなり、圧縮上死点を超えると一定のクランク角まで、エンジンの慣性力により進むため、要求される駆動力は少なくなる。このため、クランク角、エンジン回転数、ピニオン回転数、燃焼室内圧及びバッテリ電圧から、この状態を検出することで、必要となる要求駆動力を推定することが可能となるため、これに基づく、バッテリ電圧が一定となる様、スタータ制御を実施する。

図６には、参考のために、実施例１及び２の制御装置における、予め設定したモータ駆動Duty比で制御する場合のその変化（608b）の推移を示す。

実施例３では、図６に示すようなフラットなバッテリ電圧（609a）に制御することが可能となり、最低保証電圧（609c）を下回ることなく、効率的に始動を行うことができる。

101：スタータ（本体）、101a：スタータモータ、101b：マグナットスイッチ、101c：シフトレバー、101d：ピニオンクラッチ、101e：ピニオンギア、102：ピニオン回転センサ、
103：ＥＣＵ、103a：アイドルストップ判定、103b：スタータ駆動制御、103c：燃料噴射制御、103d：正転判定機能、
104a：スタータモータリレー、104b：トルク可変機能、
105：ピニオンリレー、106：リングギア、
201：スタータ（本体）、201a：スタータモータ、201b：マグナットスイッチ、201c：シフトレバー、201d：ピニオンクラッチ、201e：ピニオンギア、201f：半導体スイッチ機構、202：ピニオン回転センサ、
203：ＥＣＵ、203a：アイドルストップ判定、203b：スタータ駆動制御、203c：燃料噴射制御、203d：正転判定機能、
T401：エンジンが逆転と判定された時点、T402：ブレーキスイッチがＯＮからＯＦＦへの切換え時点、T403：エンジンが正転と判定された時点、T404：エンジンの再始動が完了と判定された時点、
408：モータ駆動Duty比、408a：実施例１及び２のモータ駆動Duty比、408b：従来の機械式リレーを用いた際のモータ駆動Duty比、409：バッテリ電圧、409a：実施例１及び２のバッテリ電圧、409b：従来の機械式リレーを用いた際のバッテリ電圧、
T504：エンジンが逆転と判定された時点、T506：エンジンの正転パルスの出力開始時点、T507：エンジンの正転パルスを２回検知した時点、
T601：エンジンの逆転が判定された時点、T602：ブレーキを踏み込んだ（始動要求が発生した）時点、T603：エンジンの正転が判定された時点、T604b：クランキング終了タイミング、
608：モータ駆動Duty比、608a：実施例３のモータ駆動Duty比、608b：実施例１及び２のモータ駆動Duty比、609：バッテリ電圧、609a：実施例３のバッテリ電圧の挙動、609b：実施例１及び２のバッテリ電圧の挙動、609c：最低保証電圧。

Claims (6)

1. アイドルストップ機能を有する自動車の制御装置において、
   始動装置の駆動力を任意の値に制御できる機能と、
   エンジンが正転しているか否かを判定する機能及びエンジンが逆転していないか否かを判定する機能の少なくともいずれかの機能を有する正転判定手段と、を備え、
   エンジンが正転している若しくは逆転していないと前記正転判定手段が判定した場合、前記始動装置の駆動力を高くすることを特徴とする自動車の制御装置。
2. 請求項１に記載された制御装置において、
   前記始動装置の初期駆動力は、所定の電圧となるように予め設定され、
   前記始動装置の駆動力を高くする際には、前記初期駆動力より高くすることを特徴とする自動車の制御装置。
3. 請求項１に記載された制御装置において、
   エンジンが正転している若しくは逆転していないと前記正転判定手段が判定するまでは、前記始動装置を駆動しないことを特徴とする自動車の制御装置。
4. 請求項１から３のいずれかの請求項に記載された制御装置において、
   前記正転判定手段は、エンジン回転方向を判別するセンサの出力値に基づいて前記の判定をすることを特徴とする自動車の制御装置。
5. 請求項１から３のいずれかの請求項に記載された制御装置において、
   前記正転判定手段は、少なくとも一つ以上の燃焼室内圧を検出若しくは予測できる手段から得られる燃焼室内圧の時間経過に基づいて、前記の判定をすることを特徴とする自動車の制御装置。
6. 請求項１から５のいずれかの請求項に記載された制御装置において、
   前記正転判定手段が前記の判定をした後、クランク角、エンジン回転数、ピニオン回転数、燃焼室内圧及びバッテリ電圧の少なくとも一つの情報に基づいて、バッテリ電圧が所望の電圧以下とならないように、前記始動装置の駆動力を制御することを特徴とする自動車の制御装置。

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