JP2014074363A - エンジン始動装置および始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタータの摩耗や負荷を許容範囲に抑えつつ、スタータ駆動禁止区間を短縮し最大限に再始動時間を速めることができるエンジン始動装置および始動方法を提供することにある。
【解決手段】スタータ１０１は、マグネットスイッチ１０２と、ピニオンギヤ１０３と、モータ本体１０５とによって構成される。制御装置１０９は、エンジンを自動停止させた際エンジンが完全に停止する直前の逆回転領域において、所定のマイナス回転以下の区間をスタータ駆動禁止区間として前記ピニオンギアの移動開始を禁止し、前記スタータ駆動禁止区間以外の領域ではエンジン再始動要求に対し直ちにピニオンギアの移動を開始し、リングギアと連結させエンジンを始動させ、エンジン回転センサ１１０によって検知されたエンジン回転数に基づいて、エンジン再始動を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンを始動させるエンジン始動装置および始動方法に係り、特に、アイドルストップシステムを採用する自動車に用いるに好適なエンジン始動装置および始動方法に関する。

近年の自動車においては、エネルギー資源の節約と環境保全を目的として、運転中に所定の条件が成立した時に自動的にエンジンを一時停止させるアイドルストップシステムを搭載したものがある。このアイドルストップシステムは、例えば信号待ちなどで運転者が車両を停止させる際などにエンジンを自動的に停止し、その後、運転者の操作などによりエンジンの稼働が必要になった時に自動的にエンジンを再始動するものである。エンジンを再始動させるにあたって、いわゆるピニオンギヤ押し出し式のスタータモータを用い、始動時にピニオンギヤを押し出してピニオンギヤをエンジン軸と直結されているリングギヤに噛合わせ、スタータモータによるクランキングによってエンジンを始動させる方法が多い。

エンジンを自動的に停止させたあと、エンジンが完全に停止する直前にはわずかの間逆回転することが知られている（以降、「エンジン逆回転区間」と称する）。運転者の再始動要求がこのエンジン逆回転区間に発生した場合、再始動要求に対し直ちに逆回転中のリングギヤにスタータのピニオンギヤを連結させるとギヤの摩耗やスタータに過剰な負荷がかかることがある。

そこで、従来、エンジン逆回転を検知し、エンジンが逆回転している時にはスタータの駆動を禁止するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、エンジン逆回転区間（逆回転トルク作用期間）を推定し、同様にエンジン逆回転区間でのスタータの駆動を禁止するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５−１４００３０号公報 特開２００９−２２０２号公報

しかしながら、特許文献１，２記載のものでは、スタータ駆動禁止区間を設けるため、その区間に運転者の発進操作によるエンジン再始動要求が発生した場合でもスタータ駆動禁止区間が終了するまでエンジンを再始動することができないものである。

本発明の目的は、スタータの摩耗や負荷を許容範囲に抑えつつ、スタータ駆動禁止区間を短縮し最大限に再始動時間を速めることができるエンジン始動装置および始動方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、エンジン運転中にアイドルストップ条件を満たしたときにエンジンを自動停止させ、再始動要求が発生した時にはスタータのピニオンギアをエンジンのリングギアに噛み合わせ、モータの回転力をエンジンへ伝えクランキングを開始してエンジンを再始動させる方式のアイドルストップシステムを搭載する自動車に用いられ、前記モータにより前記エンジンを再始動するエンジン始動装置であって、エンジン回転を検知するエンジン回転検知部と、エンジンを自動停止させた際エンジンが完全に停止する直前の逆回転領域において、所定のマイナス回転以下の区間をスタータ駆動禁止区間として前記ピニオンギアの移動開始を禁止し、前記スタータ駆動禁止区間以外の領域ではエンジン再始動要求に対し直ちにピニオンギアの移動を開始し、リングギアと連結させエンジンを始動させ、前記エンジン回転検知部によって検知されたエンジン回転数に基づいて、エンジン再始動を制御する制御部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、スタータの摩耗や負荷を許容範囲に抑えつつ、スタータ駆動禁止区間を短縮し最大限に再始動時間を速めることができるものとなる。

本発明によれば、スタータの摩耗や負荷を許容範囲に抑えつつ、スタータ駆動禁止区間を短縮し最大限に再始動時間を速めることができる。

本発明の一実施形態によるエンジン始動装置の構成図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置による制御動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、ピニオンギアの移動開始禁止区間の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置による、エンジン回転の挙動を予測する方法の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置による、エンジン回転の挙動を予測する方法の説明図である。 本発明の一実施形態によるエンジン始動装置の変形例の説明図である。

以下、図１〜図１４を用いて、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるエンジン始動装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置の構成図である。図１は、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置のシステム全体の構造と回路接続の一例を模式的に示している。

スタータ１０１は、大きく分けて、マグネットスイッチ１０２と、ピニオンギヤ１０３と、モータ本体１０５とによって構成される。モータ１０５は、いわゆる直流モータであり、直流の電圧を付加することで回転力を生みだす。ピニオンギヤ１０３は必要な時にマグネットスイッチ１０２がレバー１０２Ａを矢印Ａ１方向に引っ張ることでモータ回転軸上を矢印Ａ２方向に移動し、エンジン軸と直結されているリングギヤ１０４と噛み合う。噛合った状態であればモータ本体１０５に通電することでモータ１０５Ａは回転し、モータ１０５Ａの回転力はピニオンギア１０３を通じてリングギア１０４に伝達されエンジンを回転させる。エンジンが回転している状態で、エンジンに燃料を供給し、所定にタイミングで気筒内の燃料噴霧に点火することで、エンジンを始動できる。制御装置１０９は通常の燃料噴射、点火、空気制御（電子制御スロットル）に加え、ブレーキペダル状態、車速等の各種情報より、アイドルストップ及びアイドルストップ後のエンジン再始動を制御する。

ピニオンギア１０３は、ワンウェイクラッチ１０８を備えている。すなわち、モータ１０５Ａの回転力は、ワンウェイクラッチ１０８及びピニオンギア１０３を介して、リングギア１０４に伝達される。しかし、リングギア１０４とピニオンギア１０３が噛み合っている状態で、リングギア１０４側からの回転力は、ワンウェイクラッチ１０８により遮断され、モータ１０５の側には伝達されないようになっている。

図１に示す構成では、マグネットスイッチ１０２はピニオンギヤ１０３を移動させるのと同時に、マグネットスイッチ１０２の電気的な接点１０７を閉じることでモータ１０５Ａへの通電の役割を同時に果たしている。すなわち、制御装置１０９からの駆動信号は、リレー回路１０６を介してマグネットスイッチ１０２の内部のソレノイドコイル１０２ＢにバッテリＢＡから通電させ、ソレノイドコイル１０２Ｂの可動鉄心１０２Ｃが吸引される。可動鉄心１０２Ｃが移動するとピニオンギヤ１０３が移動するのと同時に、可動鉄心１０２Ｃによって接点１０７が閉じてバッテリＢＡからモータ１０５Ａへの通電が行われる。したがって、この図１に示す構造では、制御装置１０９から出力される一つの駆動信号によりピニオンギヤ１０３の移動とモータ１０５Ａの通電までの一連の動作が行われることになる。

なお、図１に示す回路接続以外に、ピニオンギヤ１０３の移動とモータ１０５の通電を別々に制御装置１０９からの信号により制御できる構成とすることもできる。ピニオンギヤ１０３の移動とモータ１０５Ａの通電を別々に制御する場合、制御装置１０９からはそれぞれに駆動信号が出力され、例えばピニオンギヤ１０３の駆動信号から一定時間経過した後にモータ１０５の駆動信号を出力するような制御方式としても良いものである。

さらに、リレー回路１０６や接点１０７の代わりにスイッチング素子を使うこともできる。例えばＭＯＳＦＥＴなどの半導体を用いたスイッチング素子を用いることで通電電流を制御するなど、より柔軟な制御を構築することができる。

図１に示す回転検知センサ１１０は、エンジンの回転数を計測するためのセンサ（エンジン回転検知手段）である。回転検知センサ１１０の出力は制御装置１０９に入力され、エンジン回転数情報として制御に用いられる。なおリングギア１０４はエンジンのクランク軸に連結されているので、リングギア１０４の回転数とエンジン回転数は同義である。

なお、エンジンの回転数だけではなく、クランク軸の角度情報（以下ではクランク角と称する）も必要な場合には、エンジン回転数のみを検知できるセンサとは別にクランク角センサ（クランク角検知手段）を設け、制御装置１０９に入力する必要がある。エンジン回転数と同時にクランク角位置も検知できるタイプのセンサを用いる場合は一つのセンサを制御装置１０９に入力すれば良い。なお、回転検知センサ１１０は、エンジンの正回転と逆回転とを検出できるものであるが、必ずしもエンジンの逆回転を検知できるタイプのセンサを用いる必要はない。エンジンの逆回転を検知できないタイプの回転センサを用いた場合の逆回転検知方法については後述する。

次に、図２を用いて、本実施形態によるエンジン始動装置による制御動作について説明する。
図２は、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置による制御動作を示すフローチャートである。

図２のステップＳ２０１において、制御装置１０９は、所定の条件が成立しエンジンへの燃料供給が絶たれた後に、運転者の操作などによってエンジンの再始動要求が発生したことにより、本実施形態の制御は実行される。本実施形態の制御とは別に、制御装置１０９では、エンジン再始動要求後にエンジンへの燃料供給や燃料噴霧への点火などの燃焼に関する制御などが行われる。

ステップＳ２０２において、制御装置１０９は、将来のエンジン回転数Ｎｅ’を予測する。将来のエンジン回転数Ｎｅ’とは、現時点から所定時間経過後のエンジン回転数である。具体的な予測方法に関しては後述する。

次に、ステップＳ２０３において、制御装置１０９は、予測された将来のエンジン回転数Ｎｅ’と所定の参照用のエンジン回転数Ｎｅrefとを比較し、所定の参照用のエンジン回転数Ｎｅrefよりも予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が上回っているかどうかを判断する。エンジンは正回転する場合と、エンジン停止直前に逆回転する場合があり、正回転時のエンジン回転数を正の値とし、逆回転時のエンジン回転数を負の値とする場合、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefは負の値，すなわち、エンジンが逆回転する時の所定の参照値として設定されている。そして、エンジン回転数が正で、エンジンが正回転している場合は、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefよりも予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が上回っている。また、予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が負の場合、予測されたエンジン回転数Ｎｅ’の絶対値が、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefの絶対値よりも小さい場合は、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefよりも予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が上回っているとする。逆に、予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が負の場合で、予測されたエンジン回転数Ｎｅ’の絶対値が、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefの絶対値よりも大きい場合は、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefよりも予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が下回っていると判断されることになる。この関係は、後述の図３により詳しく説明する。

そして、ステップＳ２０３の判定で、予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が所定の参照用のエンジン回転数Ｎｅrefよりも高い場合はステップＳ２０４に進み、スタータ駆動の動作を開始する。

ステップＳ２０４では、具体的には、制御装置１０９は、マグネットスイッチ１０２への通電を開始し、ピニオンギア１０３を押し出しリングギア１０４と噛み合わせる。所定の参照用のエンジン回転数Ｎｅrefは、例えば乗用車用のエンジンの場合−１００ｒ／ｍｉｎに設定することができる。

ステップＳ２０３で予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が所定のエンジン回転数Ｎｅrefよりも低い場合はスタータの駆動をせずに、ステップＳ２０２に戻り将来のエンジン回転数Ｎｅ’の予測を継続する。つまり、予測されたエンジン回転数Ｎｅ’が所定のエンジン回転数Ｎｅrefよりも高くなるまでスタータ駆動を禁止する。

スタータのピニオンギア１０３をリングギア１０４へ噛みあわせた後に、モータへ通電されることでモータの回転力をエンジンへ伝達し、クランキングを開始することでエンジンを始動させる。

ステップＳ２０５では、制御装置１０９は、エンジン始動が完了したかを判断し、エンジン始動が完了したと判断されればステップＳ２０６にてスタータの駆動を停止し制御が終了する。ステップＳ２０５に示すエンジン始動完了判定は、例えば、エンジン回転数が所定の回転数を上回ったことでエンジン始動が完了したと判断する。

次に、図３〜図１０を用いて、本実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例について説明する。
図３〜図１０は、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、エンジン回転の予測と出力されたスタータ駆動信号の例の説明図である。

最初に、図３を用いて、アイドルストップの条件が成立し、エンジンに対する燃料供給を断った後のエンジン回転数の変化の一例について説明する。

図３において、横軸は時間を示し、縦軸はエンジン回転数を示している。図３における実線Ｎｅがエンジン回転数を示している。

エンジン回転数Ｎｅは、燃料供給を断った後惰性で回転を続け、回転数は脈動しながら（すなわち、正の値として減少した後、一旦逆回転して負の値となり、その後再度正回転となり、その絶対値が次第に小さくなるようにして）、０に近づいていく。エンジン回転数Ｎｅは、完全に止まる直前にある区間ＳＥＣ１にて逆回転する。スタータの駆動禁止の判定に用いる所定の参照用のエンジン回転数Ｎｅrefは、例えばエンジン回転数で−１００ｒ／ｍｉｎ（逆回転で１００ｒ／ｍｉｎ）と設定する。この場合、ピニオンギア１０３とリングギア１０４が接触する際のリングギア１０４の回転数がＮｅref以上であれば、ピニオンギア１０３とリングギア１０４の接触による摩耗や騒音が許容範囲内であるいうことを意味する。

エンジン逆回転中にスタータをエンジンと連結させようとした際、逆回転の回転数が速いほどギヤが摩耗しやすくなり、連結させた際の騒音が大きくなり最悪の場合ギヤなどが破損することがある。しかし、連結させる際のエンジン回転数が一定のマイナス回転以上であれば、エンジン逆回転中にスタータを連結させてもギヤの摩耗を許容範囲に抑えることができ、騒音も気にならないレベルに抑えられることが発明者らの研究によってわかった。そこで、エンジンが逆回転している期間でも、騒音やギヤの摩耗を許容範囲に抑えることができる範囲を判別するための基準値として、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefを用いている。ピニオンギア１０３とリングギア１０４が接触する際のリングギア１０４の回転数が参照用のエンジン回転数Ｎｅref以上であれば、ピニオンギア１０３とリングギア１０４の接触による摩耗や騒音が許容範囲内に抑えることができる。

乗用車向けの３気筒エンジンでは、エンジン逆回転の影響が最も大きい（エンジン逆回転時の回転数が最も速くなる）。３気筒エンジンでは、例えば参照用のエンジン回転数Ｎｅrefを−２００〜−３０ｒ／ｍｉｎの範囲に設定することができる。６気筒や４気筒エンジンの場合は、エンジンが逆回転する時のエンジン回転数は、３気筒エンジンの場合よりも小さいので、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefも、３気筒の場合に比べて、小さく（絶対値が小さく、０ｒ／ｍｉｎに近い）値に設定する。

また、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefをエンジンの温度や負荷、バッテリの状態などの車両の状態を示す情報に基づき適宜変更するようにしてもよいものである。例えば、エンジンの温度が低い場合は、エンジンの再始動がしにくいため、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefも、エンジンの温度が高温の場合に比べて、小さく（絶対値が小さく、０ｒ／ｍｉｎに近い）値に設定する。また、バッテリの電圧が低い場合は、エンジンの再始動がしにくいため、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefも、バッテリの電圧が高い場合に比べて、小さく（絶対値が小さく、０ｒ／ｍｉｎに近い）値に設定する。

図３に示すエンジン回転の挙動例では、所定のエンジン回転数Ｎｅrefよりも低い領域は、エンジン逆回転区間ＳＥＣ１の半分程度となることがわかる。所定のエンジン回転数Ｎｅrefよりも低い領域ＳＥＣ２を正確に回避することが望ましいが、実際には制御装置がピニオンギヤ移動開始の信号を出力してからピニオンギア１０３がリングギア１０４に到達するまでに遅れ時間が発生する。そのため、本実施形態ではピニオンギア１０３がリングギア１０４に到達するタイミングでのリングギア１０４回転数を前もって予測し、ピニオン移動開始を判断する。

次に、図４〜図６を用いて、エンジン回転が正回転しているときにエンジン再始動要求が発生した場合に本発明の制御の挙動について説明する。図４は予測されたＮｅ’が正である例、図５は予測されたＮｅ’が負かつＮｅref、より高い例であり、図６は予測されたＮｅ’Ｎｅref、より低い例である。図４（Ａ）はエンジン回転数を示し、図４（Ｂ）はスタータ駆動信号のＯＮ／ＯＦＦを示している。図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）、図６（Ｂ）も同様である。

図４（Ａ）に示す時刻ｔのタイミングでエンジン再始動要求が発生した場合、本実施形態の制御では時刻ｔよりΔｔ秒先の時刻ｔ＋Δｔにおけるエンジン回転数Ｎｅ’を、時刻ｔのタイミングのエンジン回転数Ｎｅを用いて予測する。時刻ｔから予測された将来のエンジン回転の挙動を破線で示し、時刻ｔ＋Δｔにおける、その時に予測された将来のエンジン回転数をＮｅ’とする。Δｔとはピニオンギヤ１０３の移動遅れ時間であり、マグネットスイッチ１０２へ駆動信号が出力されてから実際にピニオンギヤ１０３がリングギア１０４へ接触するまでの時間である。将来のエンジン回転数の予測方法に関しては、図１２及び図１３を用いて後述する。

図２に示した制御フローチャートのステップＳ２０３にて示す通り、本実施形態の制御は予測された将来のエンジン回転数Ｎｅ’と所定のエンジン回転数Ｎｅrefを比較しスタータの駆動を判断する。図４（Ｂ）のスタータ駆動信号に示すように、この場合はＮｅ’＞ Ｎｅrefが成立するので、時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し直ちにスタータ駆動信号をＯＮにし、エンジン再始動を開始する。

なお、スタータのピニオンギヤ１０３の移動とモータ１０５の通電を別々に制御装置１０９からの信号により制御できる構成にする場合、図４に示すケースでは先にモータへの通電を行い、モータを回転させてからピニオンギア１０３とリングギア１０４の回転が同期するタイミングでピニオンギア１０３を押し出しリングギア１０４と連結させるようにしても良い。

図５（Ａ）に示すタイミングｔでエンジン再始動要求が発生した場合、同様に本実施形態の制御では時刻ｔよりΔｔ秒先の時刻ｔ＋Δｔにおけるエンジン回転数Ｎｅ’を、時刻ｔのタイミングのエンジン回転数Ｎｅを用いて予測する。図５（Ａ）に示すように、この場合は予測されたＮｅ’がマイナスであり、つまり逆回転することが予測される。予測されたＮｅ’がマイナスでも、同様に所定のエンジン回転数Ｎｅref に対しＮｅ’＞Ｎｅrefが成立するので、時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し、図５（Ｂ）に示すように、直ちにスタータ駆動信号をＯＮにし、エンジン再始動を開始する。実際にはピニオンギア１０３は時刻ｔ＋Δｔのタイミングで逆回転中のリングギア１０４と噛み合いエンジンを再始動させる。従来は、この条件のようなエンジン逆回転中でのスタータ連結を回避するのに対し、本実施形態はスタータを連結しエンジン再始動を行うことで再始動時間を早めることができる。

図６（Ａ）に示すタイミングｔでエンジン再始動要求が発生した場合、同様に本実施形態明の制御では時刻ｔよりΔｔ秒先の時刻ｔ＋Δｔにおいてのエンジン回転数Ｎｅ’を、時刻ｔのタイミングのエンジン回転数Ｎｅを用いて予測する。図６（Ａ）に示すように、この場合は予測されたＮｅ’がマイナスであり、つまり逆回転することが予測される。所定のエンジン回転数Ｎｅref に対しＮｅ’＜Ｎｅrefとなるので、時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し、図６（Ｂ）に示すように、本実施形態の制御ではスタータの駆動を禁止する。図２に示した制御フローチャートのステップＳ２０３で示すように、スタータ駆動信号を出力せずに、ステップＳ２０２に戻り将来のエンジン回転数の予測を継続する。このケースでは、エンジン回転数Ｎｅがまだ正回転しているが、予測した結果の回転数Ｎｅ’が所定の回転数Ｎｅrefより低いので、スタータ駆動を禁止する。将来のエンジン回転数の予測を継続し、予測した結果の回転数Ｎｅ’が所定の回転数Ｎｅrefより高くなった時点で、図６（Ｂ）に破線で示すように、スタータ駆動のＯＮ信号を出力し、エンジンを再始動させる。

次に、図７〜図１０を用いて、エンジン回転が逆回転しているときにエンジン再始動要求が発生した場合の、本実施形態の制御の挙動について説明する。図７はＮｅ＞Ｎｅref、のケースであり、図８はＮｅ’＜ＮｅrefかつＮｅ＜Ｎｅref、図９はＮｅ’＞ＮｅrefかつＮｅ＜Ｎｅref、図１０はＮｅ’＞０かつＮｅ＜０の例である。

図７（Ａ）に示すタイミングｔでエンジン再始動要求が発生した場合、同様に本実施形態の制御では、時刻ｔよりΔｔ秒先の時刻ｔ＋Δｔにおけるエンジン回転数Ｎｅ’を、時刻ｔのタイミングのエンジン回転数Ｎｅを用いて予測する。図７（Ａ）に示すケースは、すでに逆回転中のエンジン回転数から将来のエンジン回転数を予測する。予測された将来のエンジン回転数Ｎｅ’が、所定のエンジン回転数Ｎｅref に対しＮｅ’＜Ｎｅrefとなるので、時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し本実施形態の制御では、図７（Ｂ）に示すように、スタータの駆動を禁止する。図２に示した制御フローチャートのステップＳ２０３で示すように、スタータ駆動信号を出力せずに、ステップＳ２０２に戻り将来のエンジン回転数の予測を継続する。将来のエンジン回転数の予測を継続し、予測した結果の回転数Ｎｅ’が所定の回転数Ｎｅrefより高くなった時点で、図７（Ｂ）に破線で示すように、スタータ駆動のＯＮ信号を出力し、エンジンを再始動させる。

図８（Ａ）に示すタイミングｔでエンジン再始動要求が発生した場合、同様に本実施形態の制御では時刻ｔよりΔｔ秒先の時刻ｔ＋Δｔにおけるエンジン回転数Ｎｅ’を、時刻ｔのタイミングのエンジン回転数Ｎｅを用いて予測する。予測された将来のエンジン回転数Ｎｅ’が、所定のエンジン回転数Ｎｅref に対しＮｅ’＜Ｎｅrefとなるので、時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し本実施形態の制御では、図８（Ｂ）に示すように、スタータの駆動を禁止する。制御フローチャートのステップＳ２０３で示すように、スタータ駆動信号を出力せずに、ステップＳ２０２に戻り将来のエンジン回転数の予測を継続する。将来のエンジン回転数の予測を継続し、予測した結果の回転数Ｎｅ’が所定の回転数Ｎｅrefより高くなった時点で、図８（Ｂ）に破線で示すように、スタータ駆動のＯＮ信号を出力し、エンジンを再始動させる。

図９（Ａ）に示すタイミングｔでエンジン再始動要求が発生した場合、同様に本実施形態の制御では時刻ｔよりΔｔ秒先の時刻ｔ＋Δｔにおけるエンジン回転数Ｎｅ’を、時刻ｔのタイミングのエンジン回転数Ｎｅを用いて予測する。予測された将来のエンジン回転数Ｎｅ’が、所定のエンジン回転数Ｎｅref に対しＮｅ’＞Ｎｅrefとなるので、時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し本実施形態の制御では時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し、図９（Ｂ）に示すように、直ちにスタータ駆動信号をＯＮにし、エンジン再始動を開始する。実際にはピニオンギア１０３は時刻ｔ＋Δｔのタイミングで逆回転中のリングギア１０４と噛み合いエンジンを再始動させる。従来は、この条件のようなエンジン逆回転中でのスタータ連結を回避するのに対し、本実施形態はスタータを連結しエンジン再始動を行うことで再始動時間を早めることができる。

図１０（Ａ）に示すタイミングｔでエンジン再始動要求が発生した場合、同様に本実施形態の制御では時刻ｔよりΔｔ秒先の時刻ｔ＋Δｔにおけるエンジン回転数Ｎｅ’を、時刻ｔのタイミングのエンジン回転数Ｎｅを用いて予測する。予測された将来のエンジン回転数Ｎｅ’が、所定のエンジン回転数Ｎｅref に対しＮｅ’＞Ｎｅrefとなるので、時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し本実施形態の制御では時刻ｔにおいて発生したエンジン再始動要求に対し、図１０（Ｂ）に示すように、直ちにスタータ駆動信号をＯＮにし、エンジン再始動を開始する。実際にはピニオンギア１０３は時刻ｔ＋Δｔのタイミングで完全停止、もしくは正転中のリングギア１０４と噛み合いエンジンを再始動させる。

次に、図１１を用いて、本実施形態を実施した際に結果的にピニオンギア１０３の移動開始を禁止した区間の一例について説明する。
図１１は、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置により制御した場合の、ピニオンギアの移動開始禁止区間の説明図である。

図１１（Ａ）では所定のエンジン回転数Ｎｅrefよりも低い領域ＳＥＣ２に対し、実際にピニオンギア１０３の移動開始を禁止した区間は領域ＳＥＣ２’となる。エンジン回転の挙動はエンジンの自動停止を行うごとに毎回違うので所定のエンジン回転数Ｎｅrefよりも低い領域ＳＥＣ２も毎回違い、ピニオンギア１０３の移動開始を禁止する区間ＳＥＣ２’も毎回異なる。

図１１（Ｂ）に示すエンジン回転挙動はエンジン逆回転区間が短く、逆回転数も所定のエンジン回転数Ｎｅrefを下回ることがない。この場合、本実施形態の制御ではピニオンギア１０３の移動開始を禁止しない。

従来は、図１１（Ｂ）に示すケースではエンジン逆回転中でのスタータ連結を回避している。それに対して、上述のように、本実施形態はスタータの連結を禁止することなくエンジン逆回転区間全域で再始動要求に対し直ちにエンジンを再始動することができる。つまり、本実施形態はエンジン回転数の予測により、エンジン回転数の挙動に対しスタータ連結の禁止領域の有無を判断することができる。

次に、図１２及び図１３を用いて、本実施形態によるエンジン始動装置による、エンジン回転の挙動を予測する方法について説明する。
図１２及び図１３は、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置による、エンジン回転の挙動を予測する方法の説明図である。

エンジン回転数の予測の際は、計測しているエンジン回転数の情報と、クランク角の情報を用いる。両者の情報に基づき、図１３に示す関数で予測を行うが、その際、使用するクランク角の基準は図１２のようにとる。本説明では３気筒エンジンを例にとって説明するが、考え方は他の気筒数の場合でも同じである。

図１２において、第１気筒が圧縮工程から始まる場合、その後は、膨張工程、排気工程、吸気工程と続き、一巡して、元の状態から繰り返す。圧縮工程が終了し、膨張工程が始まる瞬間はエンジンのピストンが上死点ＴＤＣに到達している。４サイクルエンジンではクランク角が２回転で１サイクルをなすため、クランク角で７２０°が１サイクルになる。３気筒エンジンではその角度を３等分した角度、すなわち２４０°だけ、各気筒の位相がずれる。よって、第１気筒のＴＤＣと第２気筒のＴＤＣ、および第３気筒のＴＤＣは、それぞれ、２４０°ずつ位相がずれている。各気筒でピストンが上死点にくるのは、図中に示したＴＤＣのタイミングの他に、排気工程が終了した瞬間もそうであるが、ここでは圧縮工程の終わりのＴＤＣに着目する。燃焼が行われていない場合、気筒内の圧力は圧縮工程の終わりのＴＤＣの瞬間が最も高く、その前後を通じて気筒内の圧力がピストンを押す力となって、エンジンの回転挙動を支配する。よって、圧縮工程終わりのＴＤＣをクランク角の基準にとり、ＴＤＣでのクランク角を０°とし、前後１２０°ずつでクランク角を表現する。よって、第１気筒がクランク角の表現を規定している状態が過ぎた後は、第２気筒のＴＤＣを基準にしてクランク角は規定され、その後、第３気筒で規定するというふうに循環する。

図１２で規定したクランク角を用いて、エンジン回転の挙動を予測する関数について、図１３を用いて説明する。図１３に示したグラフは、横軸がクランク角、縦軸がエンジン加速度（＝回転数の変化率）である。エンジンが燃焼していない状態では、ここで示した加速度に従った挙動をエンジンが行うと考えて、エンジンの回転挙動を予測する。すなわち、エンジンが停止する途中の挙動は、式（１）の関数に従った挙動をすると考える。

式（１）の具体的な中身を示したのが式（２）であり、エンジンの加速度は主にクランク角で規定されるとしており、それをグラフで示したのが図１３となる。

３気筒エンジンではクランク角が２４０°ごとに、同じ状態を繰り返すため、２４０°を１周期としたフーリエ級数を使って関数を記述している。関数の形態はフーリエ級数以外のものを用いてもよい。係数ａ１〜ａ４、ｂ１〜ｂ４は定数であり、定常成分である係数ａ０は式（３）に示す通りエンジン回転数によって変化する。

式（３）において、係数ｃ、ｋはプラスの数の定数である。すなわち、エンジン回転が正転の時は、加速度の定常成分はマイナスであって、エンジンが逆回転の時に加速度の定常成分がプラスになることを示している。式（３）では、正転と逆転での間を線形な関数でつないでいるが、この他にヒステリシスを持つような関数で規定することも可能である。また、式（２）の係数ａ１〜ａ４、ｂ１〜ｂ４もエンジン回転数によって変化するような形態にすることも可能である。

なお、エンジン回転数Ｎｅ［ｒ／ｍｉｎ］とクランク角θ［°］は式（４）の関係でリンクしている。

制御装置に入力される情報によって、時刻ｔでのエンジン回転数Ｎｅとクランク角θが分かった場合、Δｔの時間後のエンジン回転数とクランク角を求める方法が式（５）（６）の関数となる。

式（５）は式（１）を時間積分したものであり、式（６）は式（４）を時間積分したものである。事前にエンジンの停止挙動を計測し、式（２），式（３）の係数を決めておけば、式（５），式（６）は数値的に積分可能であり、その積分計算によって、エンジン挙動を予測することが可能となる。

なお、この積分計算をリアルタイムの制御の中で行うことは計算負荷が高く、高価なコンピュータを必要とすることから、積分計算は事前にやっておき、その結果を表にしておくと、リアルタイムの制御の時には、その表を参照し、表の補間計算で上記の積分計算と同等の計算結果を得ることができる。本計算はエンジン回転数Ｎｅとクランク角θを初期条件に与えれば解くことができるので、エンジン回転数Ｎｅ、クランク角θ、予測する時間Δｔをパラメータとした計算を事前に行い、それらに対する計算結果を表として制御装置が保有しておけば、容易にエンジンの回転数挙動を予測することが可能となる。

また、前記エンジン回転数の予想方法は同時に将来のクランク角も予測できることが式（６）からわかる。これにより、エンジン回転数と同様に将来のクランク角を用いてスタータ駆動禁止区間を設けることもできる。エンジンを駆動する際の負荷はクランク角、すなわちピストンの位置によって決まることから、エンジンをスタータが駆動する際に過大な負荷を避けるためには特定のクランク角の範囲を回避して連結すれば良い。例えば、特定のクランク角は、ＴＤＣを基準として、−１０°〜０°の範囲をする。制御フローのステップＳ２０３に示すスタータ駆動禁止区間の判定に、エンジン回転数に加えて、クランク角も含めてスタータ駆動禁止区間を判定することで、スタータに過大な負荷がかかることを避けることができる。

次に、図１４を用いて、本実施形態によるエンジン始動装置の変形例について説明する。
図１４は、本発明の一実施形態によるエンジン始動装置の変形例の説明図である。

本実施形態ではエンジン回転の逆回転を含め検知できる回転センサを用いるのが望ましいが、前述した将来のエンジン回転数の予測方法を用いてエンジン逆回転の回転数を予測することで正転のみを検知できる回転センサを用いる構成にしてもよいものである。

図１４は、エンジン回転の正転のみを検知できる回転センサを用いた場合の制御方法を説明するためのものである。図１４に示すエンジン回転数Ｎｅは回転センサを用いて計測したものであり、これに基づいてタイミングｔで、前述の将来のエンジン回転数予測方法を用いる。時刻ｔのタイミングで、時刻ｔ以降エンジンが完全に停止するまでの回転数の挙動を予測する。予測されたエンジン回転数の挙動は、例えば、破線で示すようになる。時刻ｔ以降は回転検知センサを用いずに、代わりに予測されたエンジン回転数を用いて制御を行うができる。この時、時刻ｔのタイミングでエンジン回転数が所定のエンジン回転数Ｎｅref以下となる領域ＳＥＣ２を確定することもできる。これにより、正回転のみを検知できるタイプの回転検知センサを使用しても、予測されたエンジン回転数を用いて同様の制御を行うこともできる。

図４に示した例において、Δｔは、ピニオンギヤ１０３の移動遅れ時間であり、マグネットスイッチ１０２へ駆動信号が出力されてから実際にピニオンギヤ１０３がリングギア１０４へ接触するまでの時間である。この移動遅れ時間Δｔは、スタータによって異なる。これは、始動するエンジンの排気量や、モータに対する電流の流れやすさ等によって異なるものである。移動遅れ時間Δｔは、２０ｍｓ〜５０ｍｓ程度であることが一般的である。この程度の移動遅れ時間がある場合には、移動遅れ時間Δｔ後の予測されたエンジン回転数を用いてエンジンの再始動のためのスタータ駆動信号をＯＮすることが適当である。

しかしながら、スタータによっては、移動遅れ時間Δｔが上記の例よりも短く、例えば、１０ｍｓ程度の場合もある。このような場合には、あえて、予測されたエンジン回転数を用いることなく、実際に検出されたエンジン回転数をそのまま用いて、エンジンの再始動のためのスタータ駆動信号をＯＮすることもできる。ただし、この場合、僅かながらも、移動遅れ時間があるため、基準として用いる所定の参照用のエンジン回転数Ｎｅrefは、前述の場合よりも、大きくすることが好ましい。例えば、前述の例では、参照用のエンジン回転数Ｎｅrefとして、−１００ｒ／ｍｉｎとした場合、本例では、例えば、−５０ｒ／ｍｉｎとする。

以上説明したように、本実施形態によれば、アイドルストップシステムにおいて、エンジンの再始動時間を短縮することができる。つまり、エンジン逆回転区間に再始動要求が発生した際は、スタータの駆動禁止区間を従来より短縮することで、できるだけ早くスタータを駆動させエンジン始動動作を開始することができる。

また、スタータの駆動禁止区間を予測された将来のクランク角も用いて決定する場合は、負荷が高いクランク角を回避することでスタータに過大な負荷がかかることを回避することもできる。

さらに、エンジン逆回転を検知できるセンサを用いない場合には、センサにかかるコストを低減することができる。

１０１…スタータ本体
１０２…マグネットスイッチ
１０３…ピニオンギア
１０４…リングギア
１０５…直流モータ
１０６…マグネットスイッチ通電用スイッチ
１０７…モータ通電用接点
１０８…ワンウェイクラッチ
１０９…制御装置
１１０…回転検知センサ

Claims (9)

1. エンジン運転中にアイドルストップ条件を満たしたときにエンジンを自動停止させ、再始動要求が発生した時にはスタータのピニオンギアをエンジンのリングギアに噛み合わせ、モータの回転力をエンジンへ伝えクランキングを開始してエンジンを再始動させる方式のアイドルストップシステムを搭載する自動車に用いられ、
   前記モータにより前記エンジンを再始動するエンジン始動装置であって、
   エンジン回転を検知するエンジン回転検知部と、
   エンジンを自動停止させた際エンジンが完全に停止する直前の逆回転領域において、所定のマイナス回転以下の区間をスタータ駆動禁止区間として前記ピニオンギアの移動開始を禁止し、前記スタータ駆動禁止区間以外の領域ではエンジン再始動要求に対し直ちにピニオンギアの移動を開始し、リングギアと連結させエンジンを始動させ、
   前記エンジン回転検知部によって検知されたエンジン回転数に基づいて、エンジン再始動を制御する制御部を備えることを特徴とするエンジン始動装置。
2. 請求項１記載のエンジン始動装置において、
   前記制御部は、
   エンジン回転数とエンジンのクランク軸の角度により将来の逆回転中のエンジン回転数を予測し、
   この予測された将来の逆回転中のエンジン回転数を用いて、エンジン再始動を制御することを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項２記載のエンジン始動装置において、
   前記制御部は、スタータ駆動信号を出力してから、スタータのピニオンギアがエンジンのリングギアへ到達するまでの移動遅れ時間分の将来のエンジン回転数を予測することを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項２記載のエンジン始動装置において、
   前記制御部は、
   将来のエンジン回転数に加え将来のクランク角も予測し、
   前記所定のマイナス回転以下の区間に加え所定のクランク角の範囲もスタータ駆動禁止区間と設定することを特徴とするエンジン始動装置。
5. 請求項２記載のエンジン始動装置において、
   前記エンジン回転検知部は、エンジン回転の正転のみを検知できる回転センサであり、
   前記制御部は、エンジンを自動停止させた際エンジンが完全に停止する直前の逆回転領域より前に、エンジン回転数が所定の回転数を下回った以降は、前記エンジン回転数が所定の回転数を下回った時点でのエンジン回転数とクランク角に基づいてエンジンが完全に停止するまでのエンジン回転数の変化を予測し、予測されたエンジン回転数を用いて、エンジン再始動を制御することを特徴とするエンジン始動装置。
6. 請求項１記載のエンジン始動装置において、
   前記制御部は、前記所定のマイナス回転の値を、自動車の状態を表す情報に基づいて、変更することを特徴とするエンジン始動装置。
7. 請求項２記載のエンジン始動装置において、
   前記制御部は、
   前記将来の逆回転中のエンジン回転数を、エンジン回転数の変化率をクランク角とエンジン回転数に対し定義する定義式を用いて予測するものであり、
   前記定義式において、エンジン回転が正転の時は、変化率の定常成分はマイナスであり、エンジンが逆回転の時に変化率の定常成分がプラスであることを特徴とするエンジン始動装置。
8. 請求項１記載のエンジン始動装置において、
   前記制御部は、エンジンを自動停止させた際エンジンが完全に停止する直前の逆回転領域において、所定の判定により、エンジン再始動要求に対しスタータ駆動禁止領域の有無を判断することを特徴とするエンジン始動装置。
9. エンジン運転中にアイドルストップ条件を満たしたときにエンジンを自動停止させ、再始動要求が発生した時にはスタータのピニオンギアをエンジンのリングギアに噛み合わせ、モータの回転力をエンジンへ伝えクランキングを開始してエンジンを再始動させる方式のアイドルストップシステムを搭載する自動車に用いられ、
   前記モータにより前記エンジンを再始動するエンジン始動方法であって、
   エンジンを自動停止させた際エンジンが完全に停止する直前の逆回転領域において、所定のマイナス回転以下の区間をスタータ駆動禁止区間として前記ピニオンギアの移動開始を禁止し、前記スタータ駆動禁止区間以外の領域ではエンジン再始動要求に対し直ちにピニオンギアの移動を開始し、リングギアと連結させエンジンを始動させ、
   前記エンジン回転検知部によって検知されたエンジン回転数に基づいて、エンジン再始動を制御することを特徴とするエンジン始動方法。

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