JP2015117611A - ベルト張力制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンとモータとがベルトを介して接続されている車両において、エンジン始動時のベルト張力を適切に設定する。
【解決手段】ベルト張力制御装置（２０）は、エンジン（１０）と、モータ（ＭＧ）と、該エンジン及びモータ間において動力を伝達するベルト（８）と、該ベルトに加わる張力を変更可能な張力変更手段（３０）と、を備えるハイブリッド車両に搭載される。当該ベルト張力制御装置は、エンジンの始動前に、着火始動に係る燃焼トルク、又はエンジンの始動に必要なモータに係るモータトルクを推定し、該推定された燃焼トルクに応じて、モータからエンジンに伝達されるべきトルクがベルトを介して伝達されるように、エンジンの始動前に、推定されたモータトルクに基づいて、ベルトに加わる張力を変更するように張力変更手段を制御する制御手段（２０）を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、エンジンとモータと補機類との間において動力を伝達するベルトに加わる張力を制御するベルト張力制御装置の技術分野に関する。
この種の装置として、例えば、エンジンのクランク軸とスタータモータとを連結するベルトの張力に応じて、伸縮自在なテンショナをエンジンの再始動時にスタータモータの駆動に先立って収縮不能にロックする装置が提案されている（特許文献１参照）。
尚、エンジンの停止時に、クランク軸の回転角度位置に応じて磁石発電機の電機子コイルを流れる短絡電流を調整して磁石発電機の回転子に生じる制動トルクを制御することにより、クランク軸の停止位置を目標範囲内に収める技術が提案されている（特許文献２参照）。また、ハイブリッド車両におけるエンジン始動時に、着火始動により生じる爆発トルクと、電動機の電動機トルクとを用いてエンジンを始動させる技術が提案されている（特許文献３参照）。
或いは、この種の装置として、例えば、エンジンと、該エンジンを始動可能な回転電機と、が動力伝達用ベルトを介して接続されている車両において、回転電機がエンジンを始動させる場合には、エンジンにより該回転電機が駆動される場合に比べて、動力伝達用ベルトの張力を増加させる装置が提案されている（特許文献４参照）。
或いは、エンジンと、複数の補機とが１本のベルトを介して接続されている車両において、各補機の駆動トルクを検出し、ベルトの動力伝達効率が最大となるように該ベルトの張力を設定する装置が提案されている（特許文献５参照）。
特開２００３−３１４６３８号公報 特開２００１−１９３５４０号公報 特開２０１３−０４３５７２号公報 特開２００４−０１１５５２号公報 特開昭５７−１６１３４４号公報
ところで、エンジンの始動方法には、モータ等によりクランキングした後に燃料に点火してエンジンを始動させる方法（以降、適宜“モータによる始動”と称する）の他に、エンジンの膨張行程にある気筒内に噴射された燃料に点火することで発生する爆発エネルギーによる燃焼トルクでエンジンを始動させる方法（以降、適宜“着火始動”と称する）がある。
エンジンとモータとがベルトを介して接続されており、且つ、上記モータによる始動と着火始動との両方が可能な車両では、例えば、エンジン始動前の状況によって着火始動時の燃焼トルクが変化し要求されるモータトルクも変化する。すると、上記特許文献１に記載の技術のようにエンジン始動時に、常に、テンショナを収縮不能にロックしてしまうと、ベルトに加わる張力が過大となり、張力に起因するフリクションが増加して燃費が悪化し、エンジンが始動しにくくなる可能性があるという技術的問題点がある。加えて、特許文献２乃至５に記載の技術では、上記問題点を解決することは困難である。
本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、エンジンとモータとがベルトを介して接続されている車両において、エンジン始動時にベルトに加わる張力を適切に設定できるベルト張力制御装置を提供することを課題とする。
本発明のベルト張力制御装置は、上記課題を解決するために、エンジンと、モータと、前記エンジン及び前記モータ間において動力を伝達するベルトと、前記ベルトに加わる張力を変更可能な張力変更手段と、を備え、前記エンジンは着火始動及び前記モータによる始動が可能であるハイブリッド車両に搭載されたベルト張力制御装置であって、前記エンジンの始動前に、前記着火始動に係る燃焼トルク及び前記モータに係るモータトルクを推定し、前記推定された燃焼トルクに応じて、前記モータから前記エンジンに伝達されるべきトルクが前記ベルトを介して伝達されるように、前記エンジンの始動前に、前記推定されたモータトルクに基づいて、前記ベルトに加わる張力を変更するように前記張力変更手段を制御する制御手段を備える。
本発明のベルト張力制御装置によれば、当該ベルト張力制御装置を搭載するハイブリッド車両は、エンジンとモータとがベルトを介して互いに接続されていると共に、該ベルトに加わる張力を変更可能な、例えばテンショナ等である張力変更手段を備える。
ここで、本発明に係る「モータ」は、例えばスタータモータ等のエンジンをクランキングする専用のモータに限らず、モータ・ジェネレータ（電動発電機）において実現されるモータであってもよい。即ち、モータとして機能し得る限りにおいて、本発明に係る「モータ」が、モータ・ジェネレータを意味してもかまわない。
ここで特に、本発明のベルト張力制御装置が搭載されるハイブリッド車両では、エンジンは、該エンジンの膨張行程にある気筒内に噴射された燃料に点火することで生じる燃焼トルクと、必要に応じてモータから出力されるモータトルクと、によりクランキングされ始動されるように構成されている。従って、燃焼トルクが十分でない場合、該燃焼トルクの不足分をモータトルクで補うことによりエンジンが始動される。他方、燃焼トルクが十分に得られる場合は、燃焼トルクのみによりエンジンが始動（つまり、着火始動）される。
尚、エンジンは、上記方法に加えて、モータのみにより始動（つまり、モータによりクランキングした後に燃料に点火してエンジンを始動）されてもよい。
ここで本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、エンジンのクランキングにモータトルクを用いる場合には、ベルトのすべり及び動力伝達の観点から、該ベルトの張力が比較的大きくされる。他方、エンジンのクランキングにモータトルクが不要な場合（つまり、エンジンを着火始動させる場合）には、ベルトが滑りにくいため、フリクション低減の観点から、ベルトの張力が比較的小さくされる。ただし、燃焼トルクは、例えば油水温、大気圧、エンジン停止時間等に起因して変化する。
そこで本発明では、例えばメモリ・プロセッサ等を備えてなる制御手段により、エンジンの始動前に、着火始動に係る燃焼トルク、及び、モータに係るモータトルクが推定される。つまり、制御手段は、着火始動を試みた場合に得られる燃焼トルク、及び、例えばモータから出力可能なトルク等であるモータに係るモータトルク、を推定する。
尚、燃焼トルク及びモータトルクの推定方法には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。
本発明では更に、制御手段により、推定された燃焼トルクに応じて、モータからエンジンに伝達されるべきトルクがベルトを介して伝達されるように、エンジンの始動前に、推定されたモータトルクに基づいて、ベルトに加わる張力を変更するように張力変更手段が制御される。
具体的には例えば、制御手段は、推定された燃焼トルクがエンジンの始動に必要なトルク以上である場合、エンジンの始動のために、モータからエンジンに伝達されるべきトルクは無い又は殆ど無いので、ベルトの張力が比較的小さくなるように張力変更手段を制御する。他方、制御手段は、推定された燃焼トルクがエンジンの始動に必要なトルクに達しない場合、推定された燃焼トルクと、モータからエンジンに伝達されるトルクとの和が、エンジンの始動に必要なトルク以上となるように（即ち、燃焼トルクを補うトルクがモータからエンジンに伝達されるように）、推定されたモータトルクに基づいて、ベルトに加わる張力を変更するように張力変更手段を制御する。
このため、本発明のベルト張力制御装置によれば、ベルトに加わる張力を適切に設定することができる。この結果、エンジン始動時におけるフリクションを適切に低減することができ、燃費の向上を図ることができる。加えて、ベルトに過大な張力が加わることを防止することができるので、例えばベルトの寿命が縮むことを抑制することができる。更に、過大な張力に耐えられるように、例えばベルト幅を増加させる等の必要もなくなる。
本発明のベルト張力制御装置の一態様では、前記推定された燃焼トルクが前記エンジンの始動に必要なトルクより小さい場合、前記制御手段は、前記推定された燃焼トルクと、前記モータから前記ベルトを介して前記エンジンに伝達されるトルクとの和を、前記必要なトルク以上とすべく、前記エンジンの始動前に、前記推定されたモータトルクに基づいて、前記ベルトに加わる張力を変更するように前記張力変更手段を制御する。
この態様によれば、推定された燃焼トルクがエンジンの始動に必要なトルクより小さい場合、即ち、着火始動のみではエンジンを始動できない場合であっても、比較的容易にして、ベルトに加わる張力を適切に設定して、エンジンを始動させることができる。
本発明のベルト張力制御装置の他の態様では、前記推定された燃焼トルクが前記エンジンの始動に必要なトルクより大きい場合、前記制御手段は、前記ベルトに加わる張力が、前記推定された燃焼トルクが前記エンジンの始動に必要なトルクより小さい場合に比べて小さくなるように、前記エンジンの始動前に前記張力変更手段を制御する。
この態様によれば、比較的容易にして、エンジン始動時におけるフリクションを低減することができると共に、ベルトに過大な張力が加わることを防止することができる。
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
実施形態に係るエンジンの要部を示す概念図である。 エンジン始動時のベルト張力の時間変動の一例である。 エンジン停止時におけるエンジン回転数及びクランク角度各々の時間変動の一例である。 エンジン停止時におけるクランク停止位置制御の概念を示す概念図である。 実施形態に係るベルト張力の時間変動を、エンジン回転数及びクランク角度各々の時間変動と共に示す図である。 実施形態の変形例に係るベルト張力の時間変動を、エンジン回転数及びクランク角度各々の時間変動と共に示す図である。
本発明のベルト張力制御装置の実施形態を、図面に基づいて説明する。
先ず、実施形態に関連する機械的構成の要部について、図１を参照して説明する。図１は、実施形態に係るエンジンの要部を示す概念図である。
図１において、ハイブリッド車両（図示せず）は、エンジン１０と、モータ・ジェネレータＭＧと、該エンジン１０及びモータ・ジェネレータＭＧ等を制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御ユニット）２０を備える。
エンジン１０のクランク軸には、クランクプーリ１が固定されている。モータ・ジェネレータＭＧの回転軸にはモータ・ジェネレータプーリ２が固定されている。尚、モータ・ジェネレータＭＧは、典型的には、エンジン１０の制御及び発電用のモータ・ジェネレータであるが、ハイブリッド車両の駆動及び回生ブレーキ用のモータ・ジェネレータであってよい。
動力を伝達するベルト８は、クランクプーリ１、ウォータポンプの回転軸に固定されたウォータポンププーリ４、空調用コンプレッサの回転軸に固定された空調用コンプレッサプーリ５、アイドラプーリ６及び７、モータ・ジェネレータプーリ２、並びに、電動テンショナ３０の回転軸に固定されたテンショナプーリ３に、巻き掛けられている。
ベルト８に加わる張力は、電動テンショナ３０がＥＣＵ２０に制御されることにより調整される。尚、電動テンショナ３０には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。
実施形態に係るエンジン１０は、該エンジン１０の膨張行程にある気筒内に噴射された燃料に点火することで生じる燃焼トルクと、必要に応じてモータ・ジェネレータＭＧから出力されベルト８を介してクランクプーリ１に伝達されるモータトルクと、によりクランキングされ始動される。
このように構成すれば、モータ・ジェネレータＭＧのみによりエンジン１０をクランキングして始動させる場合に比べて、ベルト８に加わる張力を低減することができる。
具体的には、モータ・ジェネレータＭＧのみによりエンジン１０をクランキングする場合、ベルト８に加わる張力は、例えば図２に示すように、クランキング初期に急激に上昇する。これは、クランクプーリ１の慣性が非常に大きく、クランキング初期に、クランクプーリ１とモータ・ジェネレータプーリ２との間のベルト８の張力が増大するためである。
しかるに本実施形態の如く、燃焼トルクと併せてモータトルクを用いる場合、該モータトルクを抑制することができるので、ベルト８に加わる張力も低減することができる。
更に、着火始動を試みたが燃焼トルクのみによりエンジン１０を始動できず、改めてモータ・ジェネレータＭＧのみによりエンジン１０をクランキングして始動させる場合に比べて、エンジン１０を早期に且つ確実に始動することができる。
尚、上記エンジン１０の始動方法に加え、スタータモータを更に設け、該スタータモータによってもエンジン１０が始動される構成としてよい。このように構成すれば、着火始動が難しい場合に、ベルト８に加わる張力を増加することなく、エンジン１０を始動することができ、実用上非常に有利である。
ところで、着火始動によりエンジン１０を始動させるためには、該エンジン１０の停止時のクランク停止位置を、例えば圧縮ＴＤＣ（Ｔｏｐ Ｄｅａｄ Ｃｅｎｔｅｒ）よりも少しだけ進んだ位置（例えば圧縮ＴＤＣ後４５°等）に合わせる必要がある。他方で、エンジン１０を単純に停止しただけでは、クランク停止位置を目標停止位置に合わせることは難しい。
そこで本実施形態では、エンジン１０を停止させる際に、ＥＣＵ２０により、クランク停止位置が目標停止位置に合うようにモータ・ジェネレータＭＧが制御される。具体的には、エンジン１０の停止処理が開始されると（図３における時刻ｔ１以降参照）、ＥＣＵ２０は、動力を出力してクランク軸の回転を進めたり、回生ブレーキによりクランク軸の回転を減速したりするようにモータ・ジェネレータＭＧを制御する。
エンジン１０が４気筒エンジンである場合のモータ・ジェネレータＭＧの制御について、図４を参照してより具体的に説明する。図４において太線で示されたクランク角が、目標とされる停止位置である。
ＥＣＵ２０は、例えばエンジン１０の回転数等に基づいて、クランク停止位置を推定し、該推定されたクランク停止位置が、目標停止位置よりも進んだ所定範囲内（図４下段において符号Ｂが付された範囲内）である場合、回生してクランク軸の回転を減速させるようにモータ・ジェネレータＭＧを制御する。
他方、ＥＣＵ２０は、推定されたクランク停止位置が、目標停止位置よりも前の所定範囲内（図４下段において符号Ａが付された範囲内）である場合、動力を出力してクランク軸の回転を進めるようにモータ・ジェネレータＭＧを制御する。
上記制御の結果、クランク停止位置が目標停止位置となれば、エンジン１０の次回始動時に燃焼トルクを用いて該エンジン１０をクランキングすることができるので、エンジン１０を素早く始動できる。加えて、エンジン１０の始動時にベルト８に加わる張力を低減することができると共に、フリクションを低減することができるので燃費の向上を図ることができる。
ところで、上述の制御によりクランク停止位置を目標停止位置に合わせられない場合もある。この場合、ＥＣＵ２０は、エンジン１０の停止後、クランク停止位置を目標停止位置に合わせるようにモータ・ジェネレータＭＧを制御する。この際、ＥＣＵ２０は、モータ・ジェネレータＭＧから出力される動力を、ベルト８を介して適切にクランクプーリ１に伝達させるために、ベルト８に加わる張力を増加するように電動テンショナ３０を制御する。
具体的には、ＥＣＵ２０は、クランク停止位置が目標停止位置ではなく、且つエンジン１０の素早い始動が求められる場合に、ベルト８に加わる張力を増加するように電動テンショナ３０を制御すると共に、クランク停止位置を目標停止位置に合わせるようにモータ・ジェネレータＭＧを制御する（図５における時刻ｔ２〜ｔ３参照）。
ここで、エンジン１０の素早い始動が求められる場合は、例えば、所謂アイドルストップ機構により停止されたエンジン１０をハイブリッド車両の発進時に自動的に再始動する場合や、ハイブリッド車両がモータ・ジェネレータの駆動力のみで走行している際にエンジン１０を始動する場合、等である。
エンジン１０を着火始動しようとする場合であっても、例えば油水温、大気圧、エンジン１０が停止してからの経過時間等によっては、エンジン１０を始動させるだけの十分な爆発エネルギー（つまり、燃焼トルク）が得られない場合がある。
本実施形態では特に、ＥＣＵ２０が、クランク停止位置を目標停止位置に合わせるようにモータ・ジェネレータＭＧ等を制御した後（例えば図５における時刻ｔ３等）に、着火始動に係る燃焼トルク、及びモータ・ジェネレータＭＧに係るモータトルクを推定する。そして、ＥＣＵ２０は、推定された燃焼トルクに応じて、モータ・ジェネレータＭＧからエンジン１０に伝達されるべきトルクがベルト８を介して伝達されるように、エンジン１０の始動前に、推定されたモータトルクに基づいて、ベルト８に加わる張力を変更するように電動テンショナ３０を制御する。
具体的には、ＥＣＵ２０は、推定された燃焼トルクが、エンジン１０の始動に必要なトルクより小さく着火始動のみではエンジン１０を始動できない場合、モータ・ジェネレータＭＧから出力されベルト８を介してエンジン１０に、燃料トルクの不足分を補うようなトルクが伝達すべく、ベルト８に加わる張力が大きくなるように電動テンショナ３０を制御する（例えば図５における実線（Ａ）参照）。このように構成すれば、燃焼トルクとモータトルクとによってエンジン１０を確実に始動することができる。
他方、推定された燃焼トルクが、エンジン１０の始動に必要なトルクより大きく着火始動のみでエンジン１０を始動できる場合、ベルト８に加わる張力が、燃焼トルクがエンジン１０の始動に必要なトルクより小さい場合に比べて小さくなるように電動テンショナ３０を制御する（例えば図５における一点鎖線（Ｂ）参照）。このように構成すれば、エンジン１０の着火始動時におけるフリクションを低減して燃費の向上を図ることができる。
尚、推定された燃焼トルクが、エンジン１０の始動に必要なトルクと同程度である場合に、エンジン１０を確実に始動させるために、ベルト８を介してモータ・ジェネレータＭＧからエンジン１０に所定トルクを伝達すべく、ベルト８に加わる張力を変更するように電動テンショナ３０が制御されてもよい。或いは、推定された燃焼トルクが、エンジン１０の始動に必要なトルクより所定トルクだけ大きいトルクに達しているか否かにより、ベルト８を介してモータ・ジェネレータＭＧからエンジン１０にトルクを伝達するか否かを決定してよい。ここで、「所定トルク」は、例えば、燃焼トルクの推定に必要な物理量又はパラメータを検出するためのセンサに係る誤差や、推定処理に係る誤差等に基づいて設定すればよい。
尚、図５における時刻ｔ３〜時刻ｔ４に、ベルト張力が増加しているが（実線（Ａ）及び一点鎖線（Ｂ）参照）、これは、燃焼トルクが時間の経過に伴って減少することに起因している。
実施形態に係る「ＥＣＵ２０」は、本発明に係る「ベルト張力制御装置」及び「制御手段」の一例である。実施形態に係る「電動テンショナ３０」は、本発明に係る「張力変更手段」の一例である。
＜変形例＞
実施形態に係るベルト張力制御装置の変形例について、図６を参照して説明する。図６は、実施形態の変形例に係るベルト張力の時間変動を、エンジン回転数及びクランク角度各々の時間変動と共に示す図である。
変形例では、本発明に係る「ベルト張力制御装置」の一例としてのＥＣＵ２０は、図６における時刻ｔ２で増加されたベルト８に加わる張力を、エンジン１０の次回始動に備えて維持するように、電動テンショナ３０を制御する。
このように構成すれば、エンジン１０の次回始動時（図６では時刻ｔ４）に、燃焼トルクが、エンジン１０を始動させるために必要なトルクに達しない場合であっても、燃焼トルクの不足分をモータ・ジェネレータＭＧにより比較的容易に補うことができる。他方で、燃焼トルクのみによりエンジン１０が始動される場合であっても、フリクションを抑制して燃費の向上を図ることができる。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うベルト張力制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
１…クランクプーリ、２…モータ・ジェネレータプーリ、３…テンショナプーリ、４…ウォータポンププーリ、５…空調用コンプレッサプーリ、６、７…アイドラプーリ、８…ベルト、１０…エンジン、２０…ＥＣＵ、３０…電動テンショナ、ＭＧ…モータ・ジェネレータ

Claims (3)

  1. エンジンと、モータと、前記エンジン及び前記モータ間において動力を伝達するベルトと、前記ベルトに加わる張力を変更可能な張力変更手段と、を備え、前記エンジンは着火始動及び前記モータによる始動が可能であるハイブリッド車両に搭載されたベルト張力制御装置であって、
    前記エンジンの始動前に、前記着火始動に係る燃焼トルク及び前記モータに係るモータトルクを推定し、前記推定された燃焼トルクに応じて、前記モータから前記エンジンに伝達されるべきトルクが前記ベルトを介して伝達されるように、前記エンジンの始動前に、前記推定されたモータトルクに基づいて、前記ベルトに加わる張力を変更するように前記張力変更手段を制御する制御手段を備える
    ことを特徴とするベルト張力制御装置。
  2. 前記推定された燃焼トルクが前記エンジンの始動に必要なトルクより小さい場合、前記制御手段は、前記推定された燃焼トルクと、前記モータから前記ベルトを介して前記エンジンに伝達されるトルクとの和を、前記必要なトルク以上とすべく、前記エンジンの始動前に、前記推定されたモータトルクに基づいて、前記ベルトに加わる張力を変更するように前記張力変更手段を制御することを特徴とする請求項１に記載のベルト張力制御装置。
  3. 前記推定された燃焼トルクが前記エンジンの始動に必要なトルクより大きい場合、前記制御手段は、前記ベルトに加わる張力が、前記推定された燃焼トルクが前記エンジンの始動に必要なトルクより小さい場合に比べて小さくなるように、前記エンジンの始動前に前記張力変更手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のベルト張力制御装置。
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