JP2015081537A - 内燃機関の始動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランキング終了後にピニオンをギアから離間させる際の異音の発生を抑制する。【解決手段】内燃機関の始動時に、スタータモータの出力軸に接続したピニオンを内燃機関のクランクシャフトに駆動力を伝えるためのギアに噛み合わせる制御を行う内燃機関の始動制御装置が、クランクシャフトが所定角度回転するごとに得られる信号を参照して、前記ギアの歯の移動速度がピニオンの歯の移動速度を下回るタイミングを予測し、完爆判定後、当該タイミングでピニオンをギアから離間させる制御を行うようにする。【選択図】図３

Description

本発明は、スタータモータからクランクシャフトに回転駆動力を伝達し内燃機関を始動させるクランキングを行う内燃機関の始動制御装置に関する。

内燃機関の始動時には、スタータモータ側のピニオンを内燃機関のドライブプレート又はフライホイールに設けられたリングギアに噛み合わせ、スタータモータによってクランクシャフトを回転駆動力するクランキングが行われる。クランキングは、完爆判定が行われたとき、換言すれば内燃機関の回転数が完爆状態となったと判断できる最低回転数より高くなったことが判定されたときに終了する。クランキングが終了すると、スタータモータへの通電を解除するとともに、ピニオンをスラスト方向に移動させてリングギアから離間させ噛み合いを解除する（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００７−３２７４８２号公報

しかしながら、スタータピニオンをスラスト方向に移動させてギアから離間させ噛み合いを解除する際に、ピニオンがギアとの間でこすれて異音が発生するという問題が存在する。

本発明は、クランキング終了後、ピニオンをギアから離間させる際の異音の発生を抑制することを目的とする。

以上の課題を解決すべく、本発明に係る内燃機関の始動制御装置は、以下に述べるような構成を有する。すなわち本発明に係る内燃機関の始動制御装置は、内燃機関の始動時に、スタータモータの出力軸に接続したピニオンを内燃機関のクランクシャフトに駆動力を伝えるためのギアに噛み合わせる制御を行う内燃機関の始動制御装置であって、クランクシャフトが所定角度回転するごとに得られる信号を参照して、前記ギアの歯の移動速度がピニオンの歯の移動速度を下回るタイミングを予測し、完爆判定後、当該タイミングでピニオンをギアから離間させる制御を行う。

本発明の発明者は、クランキング終了の際にピニオンがギアとの間でこすれて発生する異音の原因が以下に述べるようなものであることを見出した。すなわち、クランキング終了時にスタータモータへの通電を解除すると、内燃機関側のギアの歯の移動速度とスタータモータ側のピニオンの歯の移動速度との間に微視的なずれが発生するが、特に前記ギアの歯の移動速度が前記ピニオンの歯の移動速度を上回るタイミングでピニオンをギアから離脱させる操作を行うと、互いの歯がこすれて異音が発生するということが判明した。

本発明は前段で述べた知見を利用したものであり、内燃機関側のギアの歯の移動速度がスタータモータ側のピニオンの歯の移動速度を下回るタイミングを予測し、当該タイミングでピニオンをギアから離脱させている。当該タイミングでは、ピニオンの歯がギアの歯を押す一方、ギアの歯はピニオンの歯を押していない状況にある。この状況において、前記ピニオンを前記ギアから離脱させるべく移動させれば、直前までピニオンの歯に接していたギアの歯が回転方向に沿ってピニオンから遠ざかる最中にピニオンの離脱を遂行することができる。従って、前記タイミングでピニオンをギアから離間させることにより、ピニオンとギアとのこすれを回避ないし抑制することができる。

なお、本発明において、「クランクシャフトが所定角度回転するごとに得られる信号」とは、クランクシャフトの回転角度を直接検知して得られるものに限らない。クランクシャフト以外の回転角度を検知することにより得られるものであっても、例えばカム角信号といった、クランクシャフトが所定角度回転するごとに得られるものであれば全て含まれる。

また、「完爆判定後」とは、内燃機関のクランキングを終了してよい基準回転数よりも内燃機関の実際の回転数が高くなった後の時点を示す概念である。

本発明によれば、クランキング終了後、ピニオンをギアから離間させる際の異音の発生を抑制することができる。

本発明の第一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す概略図。 同実施形態における駆動系の構成を示す概略図。 同実施形態の制御装置が行う制御を示すタイムチャート。 同実施形態の制御装置が行う制御の手順を示すフローチャート。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

図２に、車両が備える駆動系の例を示す。この駆動系は、トルクコンバータ７及び自動変速機８、９を備えてなる。特に、本実施形態では、自動変速機８、９の構成要素として、遊星歯車機構を利用した前後進切換装置８、及び無段変速機の一種であるベルト式ＣＶＴ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）９を採用している。

内燃機関が出力する回転トルクは、内燃機関のクランクシャフト７０からトルクコンバータ７の入力側のポンプインペラ７１に入力され、出力側のタービンランナ７２に伝達される。タービンランナ７２の回転は、前後進切換装置８を介してＣＶＴ９の駆動軸９４に伝わり、ＣＶＴ９における変速を経て従動軸９５を回転させる。従動軸９５の回転は、出力ギア１０１に伝達される。出力ギア１０１は、デファレンシャル装置のリングギア１０２と噛合し、デファレンシャル装置を介して車軸１０３及び駆動輪（図示せず）を回転させる。

トルクコンバータ７は、ロックアップ機構を備える。ロックアップ機構は、この分野では既知のもので、トルクコンバータ７の入力側と出力側とを相対回動不能に締結するロックアップクラッチ７３と、ロックアップクラッチ７３を断接切換駆動するための作動液圧（油圧）を制御するロックアップソレノイドバルブ（図示せず）とを要素とする。ロックアップソレノイドバルブは、制御信号ｌを受けてその開度を変化させる流量制御弁である。

ＣＶＴ９を搭載した車両においては、車速が所定値（例えば、１０ｋｍ／ｈ）以上である場合、ほぼ常時トルクコンバータ７をロックアップする。車速が所定値以下となれば、トルクコンバータ７のロックアップを解除する。

そして、内燃機関の始動時に内燃機関をクランキングするためのスタータモータ６１、ピニオンギア６２及びドライブプレート６３は、内燃機関とトルクコンバータ７との間に設けられている。具体的に説明すると、スタータモータ６１の駆動軸の先端にピニオンギア６２が設けられ、当該ピニオンギア６２がドライブプレート６３外周部のリングギア６４に噛合してドライブプレート６３及びクランクシャフト７０を回転駆動する。なお、ピニオンギア６２は請求項中のピニオンとしての機能を有する。また、リングギア６４は請求項中のギアとしての機能を有する。

このスタータモータ６１はいわゆるオートスタートシステムにより駆動、制御される。すなわちドライバの操作により図示しないスタートスイッチ（または、イグニッションスイッチ）が押圧されると上記の通りピニオンギア６２がドライブプレート６３外周部のリングギア６４に噛合してドライブプレート６３及びクランクシャフト７０を回転駆動する。しかる後、完爆判定が行われたとき、換言すればクランキングを終了しても内燃機関のストールが発生しない基準回転数を内燃機関の実際の回転数が上回ったと判定されたときに、両ギア６２、６４の噛み合いを解除して内燃機関を始動させるものである。斯かる始動時の制御については後に詳述する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。制御用のプログラムは予め格納されており、その実行の際にメモリに読み込まれ、プロセッサで解読される。

内燃機関、ＣＶＴ９、スタータモータ６１等は、ＥＣＵ０によって制御される。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフト７０の回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、ドライバによる操作によりＯＮとなるスタートスイッチ（または、イグニッションスイッチ）から出力されるスタートスイッチ信号ｑ等が入力される。

出力インタフェースからは、スタータモータ６１に通電してクランキングを行う、或いはスタータモータ６１への通電を遮断してクランキングを終了させるためのモータ駆動信号ｈ、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ロックアップクラッチ７３の断接切換用のロックアップソレノイドバルブに対して開度制御信号ｌ、前後進切替装置８のフォワードブレーキ８４またはリバースクラッチ８５の断接切換用のソレノイドバルブに対して開度制御信号ｍ、ＣＶＴ９に対して変速比制御信号ｎ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｑを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、トルクコンバータ７のロックアップを行うか否か、自動変速機８、９の変速比といった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。しかして、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

また、前述したように、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータ６１にモータ駆動信号ｈを入力し、スタータモータ６１のピニオンギア６２をドライブプレート６３外周のリングギア６４に噛合させて内燃機関のクランクシャフト７０を回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる基準回転数を超えたとき、すなわち完爆判定が行われたときに終了する。

さらに、ＥＣＵ０は、クランク角信号（Ｎ信号）ｂを参照して、前記リングギア６４の歯の移動速度がピニオンギア６２の歯の移動速度を下回るタイミングを予測する。具体的には、図３に示すように、内燃機関のいずれか一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻の前後、すなわち同図の期間ｘにおいて前記リングギア６４の歯の移動速度がピニオンギア６２の歯の移動速度を下回るという知見を利用して、内燃機関のいずれか一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻を予測する。さらに詳述すると、クランク角信号（Ｎ信号）ｂに基づき内燃機関のいずれか一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻から他の一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻までの間隔を測定し、この間隔と冷却水温信号ｆから次にさらに他の一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻を予測する。

加えて、ＥＣＵ０は、完爆判定後、前記リングギア６４の歯の移動速度がピニオンギア６２の歯の移動速度を下回るタイミングでピニオンギア６２をスラスト方向に移動させリングギア６４と噛み合わせた状態を解除する制御を行う。すなわち、内燃機関の始動が終了したと判定できる所定回転数よりも内燃機関の回転数が高くなったことが判定されると、前段で述べた方法で内燃機関のいずれか一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻を予測し、次の圧縮上死点での回転数が所定回転数以上であることが予測される場合には、この時刻からスタータモータ６１にモータ駆動信号ｈを入力してからスタータピニオン６２が実際にスラスト方向に移動しリングギア６４と噛み合った状態が解除されるまでのディレイ時間ｔ_dだけ以前の時刻を、スタータモータ６１への通電を中止しスタータピニオン６２をリングギア６４から離間させるべくスラスト方向に移動させるためのモータ駆動信号ｈを出力するモータ駆動信号出力時刻として決定する。

次の圧縮上死点での回転数は、以下のようにして予測する。前記クランク角信号（Ｎ信号）ｂは、例えば３０°ＣＡ（クランク角）ごとに出力されるが、完爆判定が行われた時点から前記クランク角信号（Ｎ信号）ｂが出力されるごとに、過去の所定数の計測点（例えば３点）における各時点の回転数に基づき平均加速度（または減速度）を求める。その上で、現時点から次の圧縮上死点までの間その平均加速度（または減速度）で推移すると仮定し、次の圧縮上死点での回転数の予測値を求める。

以下、プロセッサが制御プログラムを実行することにより行われる制御の手順を、フローチャートである図４を参照しつつ示す。

完爆判定が行われると（ステップＳ１）、クランク角信号（Ｎ信号）ｂに基づき内燃機関のいずれか一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻から他の一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻までの間隔を測定し、この間隔と冷却水温信号ｆをパラメータとしてさらに他の一つの気筒が圧縮上死点に達する時刻を予測する（ステップＳ２）。次の圧縮上死点での回転数が所定回転数以上である場合（ステップＳ３）、スタータモータ６１をＯＦＦとすべき時刻を求める（ステップＳ４）。そして、スタータモータ６１をＯＦＦとすべき時刻までの時間が前記ディレイ時間ｔ_dとなる時刻すなわちモータ駆動信号出力時刻に（ステップＳ５）、スタータモータ６１をＯＦＦとしつつスタータピニオン６２をリングギア６４から離脱させるためのモータ駆動信号ｈを出力する（ステップＳ６）。

このような制御を行うことにより、以下に述べるような作用効果が得られる。すなわち、始動終了後、スタータモータ６１の運転を停止すべくモータ駆動信号ｈを出力した後前記ディレイ時間ｔ_dが経過した時点で、いずれか一つの気筒１が圧縮上死点となり、図３に示すようにスタータピニオン６２の歯の移動速度がリングギア６４の歯の移動速度を上回る。このタイミングでは、スタータピニオン６２の歯がリングギア６４の歯を押している一方、リングギア６４はスタータピニオン６２を押していないという状況である。この状況でスタータピニオン６２をリングギア６４から離脱させるために移動させることにより、直前までスタータピニオン６２の歯に接していたリングギア６４の歯が回転方向に沿ってスタータピニオン６２から遠ざかる最中にスタータピニオン６２の離脱を遂行することができる。従って、当該タイミングでスタータピニオン６２とリングギア６４とを噛み合わせた状態を解除することによりスタータピニオン６２とリングギア６４とのこすれを回避又は抑制でき、ひいては異音の発生を抑制することができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、クランク角信号（Ｎ信号）ｂでなく、カム角信号（Ｇ信号）ｇを参照してギアの歯の移動速度がピニオンの歯の移動速度を下回るタイミングを予測してもよい。カム角信号（Ｇ信号）ｇは、カムシャフトの回転角度を検知することにより得られるものではあるが、７２０°ＣＡ（クランク角）を気筒数で割った角度ごとに出力されるからである。

また、上述した実施形態では、自動変速機を搭載した車両においてスタータモータの出力軸に接続したピニオンをドライブプレート外周部のギアに噛み合わせるようにしているが、手動変速機を搭載した車両においては、スタータモータの出力軸に接続したピニオンをフライホイール外周部のギアに噛み合わせるようにするとよい。

加えて、内燃機関のクランクシャフトに駆動力を伝えるためのギアは、リングギアに限らず、例えば内歯歯車であってもよい。

そして、上述した実施形態におけるステップＳ３の判断処理は省略してもよい。この場合、完爆判定が行われ、圧縮上死点の時刻を予測した後、直ちにスタータモータをＯＦＦとすべき時刻を求めることとなる。

その他、本発明の趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

０…制御装置（ＥＣＵ）
６１…スタータモータ
６２…ピニオン
６４…ギア
７０…クランクシャフト
ｂ…クランク角信号（Ｎ信号）

Claims (1)

1. 内燃機関の始動時に、スタータモータの出力軸に接続したピニオンを内燃機関のクランクシャフトに駆動力を伝えるためのギアに噛み合わせる制御を行う内燃機関の始動制御装置であって、
   クランクシャフトが所定角度回転するごとに得られる信号を参照して、前記ギアの歯の移動速度がピニオンの歯の移動速度を下回るタイミングを予測し、完爆判定後、当該タイミングでピニオンをギアから離間させる制御を行うことを特徴とする内燃機関の始動制御装置。

Images