JP2015197067A - エンジン始動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】着火時のエンジン回転数を正確に予測して、適切な量の燃料を噴射してエンジンをアイドル回転数まで到達させることのできるエンジン始動装置を提供する。【解決手段】エンジン始動装置１は、４５０ｒｐｍ以上の回転数Ｎ１まで所定の回転数上昇率でエンジン２をクランキングするスタータ３を備え、スタータ３によるクランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間に着火する。そして、回転数上昇率に基づいて着火時期でのエンジン回転数を予測する。これによれば、アイドル回転数付近までクランキング可能であるため、エンジン始動のために着火を繰り返す必要がほぼない。また、クランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間に着火するため、着火時の回転数はクランキングの回転数上昇率から高精度に予測することができる。このため、着火時に応じた適切な量の燃料を噴射することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジン始動装置に関する。
従来のエンジン始動方法として、低速回転域（４００ｒｐｍ以下）の所定回転数Ｎ０までは飛び込み式スタータにてクランキングし、その後は燃焼室の燃焼によってアイドル回転数まで引き上げるという方法がある。図４に示すように、通常、アイドル回転数までの引き上げには複数回の燃料噴射及び点火（ディーゼルエンジンの場合は燃料噴射）が必要である。すなわち、例えば、１回目の噴射及び点火を第１気筒で、２回目を第３気筒で、３回目を第４気筒で、４回目を第２気筒でというように、繰り返す必要がある。
ところで、燃焼室の燃焼においては、エンジン回転数に対してエミッション・燃費の観点からの理想燃料噴射量が存在し、回転数が高いほど理想燃料噴射量は少なくなる。この理想燃料噴射量よりも多い量での燃焼になると、空気量に対して燃料が多いリッチ燃焼となり、燃費悪化やエミッション悪化を生じる。そこで、着火時（ガソリンエンジンでは点火時、ディーゼルエンジンでは燃料噴射時）のエンジン回転数を予測し、回転数に見合った燃料噴射量を設定することが好ましい。
ガソリンエンジンでは、燃料噴射の噴射量を設定した後、その設定量で燃料噴射がなされ、その後点火がなされる。このため、点火時期におけるエンジン回転数を予測して、この回転数に応じた燃料噴射量が設定されることが好ましい。
しかしながら、従来の始動方法では、アイドル回転数まで到達させる過程において複数回の点火が必要であり、各点火時期におけるエンジン回転数の予測が以下に説明するように非常に困難である。
１回目の点火で初爆が生じない場合には、スタータがエンジンにトルクを伝達してクランキングする状態が継続するため、２回目の点火は、クランキング中（すなわち低速回転域）での点火となる。
一方、１回目の点火で初爆が生じれば、スタータの一方向クラッチの作用によってクランキングが停止して回転数が燃焼に依存して上昇し、２回目の点火は回転数が燃焼によって上昇している際に実施されることになるため、初爆が生じなかった場合と比べて２回目に必要な燃料噴射量は少なくて済む。
ここで、２回目の燃料噴射量の設定は２回目の燃料噴射時期よりも前に設定されるが、この時点において１回目の点火で初爆が生じるか否かがわからないため、２回目点火時における回転数を正確に予測することが困難となる。
このため、従来は、回転数の予測をせずに、フェイルセーフとして２回目の燃料噴射量を１回目の点火で初爆がなかった場合でも対応できるように多めに設定していた。しかし、この場合、１回目の点火で初爆が生じた場合には、リッチ燃焼による燃費悪化やエミッション悪化の問題が生じる。
また、クランキング停止後の点火においては、燃焼による回転数の上昇度合いを予測しなければならず、回転数の予測が困難である。すなわち、クランキング停止回転数（低回転数域の所定回転数）からアイドル回転数に達するまでの過程における回転数の予測が困難である。このため、やはり、点火時の回転数を低めに見積もって燃料を多めに設定することになり、結果的にアイドル回転数を超える回転数のオーバーシュートが生じていた（図４参照）。
すなわち、従来の始動方法では、回転数上昇中における点火時の回転数の予測が非常に困難であるため、回転数を低めに見積もって燃料を多めに噴射する制御をせざるを得なかった。このため、アイドル回転数を超える回転数のオーバーシュート、燃費悪化、エミッション悪化を生じる恐れがあった。
なお、特許文献１には、初回燃料噴射量を補正する点が開示されているが、点火時の回転数を正確に予測して燃料噴射量を設定するものではない。また、エンジン回転数上昇中の燃料噴射量の設定について、点火時の回転数に見合った燃料噴射量に設定するための手段は開示されていない。
特許４９７３５９５号公報
そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、着火時のエンジン回転数を正確に予測して、適切な量の燃料を噴射してエンジンをアイドル回転数まで到達させることのできるエンジン始動装置を提供することにある。
本発明のエンジン始動装置は、スタータ、着火時期設定手段、および着火時回転数予測手段を備える。
スタータは、回転力を発生するモータと、エンジンのリングギヤにモータの回転力を伝達するピニオンと有し、４５０ｒｐｍ以上の所定回転数Ｎ１まで所定の回転数上昇率でエンジンをクランキングする。
着火時期設定手段は、スタータによるクランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間に前記エンジンの燃焼室に着火するよう着火時期を設定する。
着火時回転数予測手段は、回転数上昇率に基づいて着火時期でのエンジン回転数を予測する。
本発明では、４５０ｒｐｍ以上の高速回転域までクランキング可能であるため、ほとんどの場合、エンジン始動のために着火を繰り返す必要がない。従来のように着火を繰り返して燃焼によってアイドル回転数にまで到達させるのではなく、アイドル回転数まで到達させるまでの全過程もしくはほとんどの過程をスタータによるクランキングが分担しているからである。
そして、クランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間に着火するため、着火時の回転数はクランキングの回転数上昇率から高精度に予測することができる。このため、適切な量の燃料を噴射してエンジンをアイドル回転数まで到達させることができる。
エンジン始動装置の全体構成図である（実施例１）。 エンジン回転数とピニオン回転数、モータ駆動電流、および燃料噴射量のタイミングチャートである（実施例１）。 エンジン始動のフロー図である（実施例１）。 エンジン回転数とピニオン回転数、および燃料噴射量のタイミングチャートである（従来例）。
本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。
〔実施例〕
〔実施例の構成〕
実施例を図１〜３を用いて説明する。
図１に示すように、このエンジン始動装置１は、エンジンの停止および再始動を自動制御するアイドルストップシステム搭載車両に適用され、エンジン２の始動を行うスタータ３と、スタータ３及び点火装置（図示せず）の作動を制御する電子制御装置であるＥＣＵ４等を備えている。
本実施例のエンジン２は、火花点火式のガソリンエンジンである。
本実施例のスタータ３は、アイドル回転数以上の回転数まで回転可能な飛び込み式スタータであって、モータ７、ピニオン８、及び電磁スイッチ９等により構成されている。
モータ７は、フレームを兼ねるヨークの内周に永久磁石（界磁コイルでも良い）を配置して構成される界磁（図示せず）、電機子軸の外周に整流子（図示せず）を備える電機子、整流子の外周上に配置されるブラシ（図示せず）等を有する直流整流子モータである。
このモータ７は、アイドル回転数までクランキング可能なモータ性能を有している。
ピニオン８は、モータ７の出力軸上に配される小径のギヤであり、リングギヤ１１に噛合うことでモータ７の回転力をリングギヤ１１に連結されたエンジン２のクランク軸１２に伝達する。
電磁スイッチ９は、シフトレバーを介してピニオン８を押し出してピニオン８をエンジン２のリングギヤ１１と噛合う噛合位置まで移動させるピニオン移動手段として機能するとともに、バッテリからモータ７への通電回路に設けられてモータ７への通電をオン・オフするモータスイッチとして機能する。なお、本実施例の電磁スイッチ９は、ピニオン８を押し出すソレノイドと、モータ６の通電電流をオン／オフするソレノイドとが同じであってもよいし、別々であってもよい。
ＥＣＵ４は、エンジン回転数を検出する回転数センサ１３、始動スイッチ（図示せず）、ブレーキセンサ（図示せず）等からの信号に基づいて、スタータ３への通電を制御するスタータ制御手段として機能する。
エンジン始動装置１は、ピニオン８をリングギヤ１１に噛み合わせた状態でモータ７を回転させることでエンジン２のクランキングを実施し、ピニオン８とリングギヤ１１との噛み合わせを解除する、もしくは、モータ７への通電を停止させることでエンジン２のクランキングを停止する。
すなわち、ＥＣＵ４は、エンジン２の始動指令があった際、スタータ３を駆動ＯＮ状態にしてエンジン２をクランキングする。
駆動ＯＮ状態とは、ピニオン８がリングギヤ１１との噛合位置まで移動してリングギヤ１１と噛合った状態で、且つ、モータ７に通電された状態であり、クランク軸１２にモータ７の回転力を伝達させる状態である。
エンジン２の始動指令とは、例えば、エンジン停止時に始動スイッチがＯＮ操作されたという信号である。また、アイドルストップシステム搭載車両では、一般的にアイドルストップがブレーキＯＦＦ操作により解除されてエンジンが再始動される。従って、始動指令は、ブレーキセンサで検出されるブレーキＯＦＦ操作されたという信号であってもよい。なお、このブレーキＯＦＦ操作は、エンジンが自動停止に向けて回転数降下している際にされた場合も、再始動指令となる。
また、ＥＣＵ４は、クランキング停止の所定の条件が満たされた場合に、ピニオン８を噛合位置から元の位置に戻してピニオン８とリングギヤ１１との噛み合わせを解除する、もしくは、モータ７への通電を停止させることでエンジン２のクランキングを停止する。つまり、スタータ３の駆動をＯＦＦにする。
〔本実施例の特徴〕
本実施例では、スタータ３は４５０ｒｐｍ以上の所定回転数Ｎ１まで所定の回転数上昇率でエンジン２をクランキングする。
所定の回転数上昇率は、４５０ｒｐｍ以上であってアイドル回転数に到達する前にクランキングを停止した場合に、惰性によってエンジン回転数が所定期間上昇し続け得る回転数上昇率である。
例えば、所定回転数Ｎ１が６００ｒｐｍであり、６００ｒｐｍまで０．３ｓでほぼリニアに上昇させる。すなわち、回転数上昇率は２０００ｒｐｍ／ｓである。この場合、回転数Ｎ１までクランキングした後にクランキングを停止しても、しばらくの間、クランキングによる回転の惰性によって、ほぼリニアに回転数が上昇し続ける。
なお、この回転数上昇率は、クランキング中に生じるエンジン２のポンピングによる急激なエンジン回転数の上昇時においても、ピニオン８からリングギヤ１１へ回転力を伝達し続け得る回転数上昇率でもある。
回転数上昇率が低い場合、図４に示すように、クランキング初期時（およそ３ＴＤＣまで）に、エンジン２がポンピングによって急激にエンジン回転数が速くなった際に、ピニオンとリングギヤが離れてピニオンの回転トルクをリングギヤに伝達できないトルク抜けという現象が生じる。トルク抜けが生じると、図４に示すように、クランキング中にも関わらずピニオンの回転数よりもエンジン回転数が上回る場合がある。
しかし、本実施例では、エンジン２のポンピングによるエンジン回転数の上昇率を予め把握しておき、その回転数の上昇率よりも高い回転数上昇率でクランキングをする。
また、始動装置１は、クランキング中に複数回のＴＤＣを通過する。例えば、本実施例では、図２に示すように、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順にＴＤＣとなり、クランキング中に第１、３、４気筒のＴＤＣを通過する。つまり、３回のＴＤＣを通過する。
そして、第１気筒のＴＤＣでの回転数、第３気筒のＴＤＣでの回転数、及び第４気筒のＴＤＣでの回転数は、順に回転数がリニアに上昇するような関係となっている。すなわち、図２において、第１、３、４気筒のＴＤＣでの回転数の上昇偏移は直線Ｘで近似可能である。この近似直線Ｘの傾きが本実施例での回転数上昇率となっている。具体的には上述のように、例えば２０００ｒｐｍ／ｓである。
また、ＥＣＵ４は、以下に説明する着火時期設定手段および着火時回転数予測手段として機能する。
着火時期設定手段は、スタータ３によるクランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間にエンジン２の燃焼室に着火するよう着火時期を設定する。
なお、本実施例では、エンジン２がガソリンエンジンであるため、着火時期とは点火装置による燃焼室への点火時期である。なお、ディーゼルエンジンの場合には、燃料噴射とほぼ同時に着火するため、着火時期は燃料噴射時期である。
本実施例では、例えば、エンジン停止状態からのクランキングでの初めての着火時期Ｔｃが、例えばクランキング開始からの所定時間経過したタイミングであって、クランキング停止後、惰性による回転数上昇中の所定のタイミングに設定される。この着火時期Ｔｃは、環境条件やエンジン状態やスタータ３のバッテリ状態等に応じて設定される。
着火時回転数予測手段は、クランキングの回転数上昇率に基づいて着火時期でのエンジン回転数Ｎｃを予測する。
例えば、ＥＣＵ４がクランキングの回転数上昇率を予め所定の関数として把握しておき、回転数上昇率から着火時期Ｔｃのエンジン回転数Ｎｃを算出する。
例えば、本実施例では、着火時期Ｔｃが第２気筒のＴＤＣ（ＴＤＣ♯２）付近に設定されている。そして、上述のように、ＴＤＣでのエンジン回転数がリニアに上昇するため、その上昇度合いから第２気筒のＴＤＣ付近での回転数が容易に且つ高精度に算出できる。すなわち、クランキング開始からの時間と回転数との関係を近似直線Ｘを所定の関数として把握しており、着火時期Ｔｃでの回転数Ｎｃをこの近似直線Ｘによって算出する。
なお、回転数上昇率（近似直線Ｘの傾き）は、バッテリ状態等に伴うモータ７への印加電圧の変化によって多少変動するため、バッテリ状態に基づいて補正をしてもよい。
次に、エンジン始動のフローを図３を用いて説明する。
まず、始動スイッチのＯＮ操作や、アイドルストップ解除のためのブレーキＯＦＦ操作がされると、始動指令がＯＮとなり、スタータ３が駆動ＯＮ状態にされる（ステップＳ１）。すなわち、スタータ３によるエンジン２のクランキングが開始される。
次に、ステップＳ２で、回転数上昇率から着火時期Ｔｃでのエンジン回転数Ｎｃを予測する。予測の方法は上述の通りである。
次に、ステップＳ３で、現在の吸入空気量から着火時期Ｔｃでの筒内空気量を予測する。
そして、ステップＳ４で、予測したエンジン回転数Ｎｃ及び筒内空気量に基づき、適切な燃料噴射量を算出する。
その後、ステップＳ５で、算出された燃料噴射量の燃料を噴射する。
次に、ステップＳ６で、回転数Ｎ１に到達したか否かを判定し、回転数Ｎ１に到達していたら、ステップＳ７でクランキングを停止する。
そして、ステップＳ８で、点火装置による燃焼室への点火（すなわち着火）を実施する。
〔本実施例の作用効果〕
本実施例のエンジン始動装置１によれば、スタータ３は４５０ｒｐｍ以上の所定回転数Ｎ１まで所定の回転数上昇率でエンジン２をクランキングする。そして、スタータ３によるクランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間にエンジン２の燃焼室に着火するよう着火時期Ｔｃを設定する着火時期設定手段、および、回転数上昇率に基づいて着火時期Ｔｃでのエンジン回転数Ｎｃを予測する着火時回転数予測手段を備える。
これによれば、アイドル回転数付近の４５０ｒｐｍ以上の高速回転域までクランキング可能であるため、ほとんどの場合、エンジン始動のために着火を繰り返す必要がない。従来のように着火を繰り返して燃焼によってアイドル回転数にまで到達させるのではなく、アイドル回転数まで到達させるまでの全過程もしくはほとんどの過程をスタータによるクランキングが分担しているからである。
そして、クランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間に着火するため、着火時期Ｔｃの回転数Ｎｃをクランキングの回転数上昇率から高精度に予測することができる。このため、適切な量の燃料を噴射してエンジンをアイドル回転数まで到達させることができる。
また、所定の回転数上昇率は、クランキング中に生じるエンジン２のポンピングによる急激なエンジン回転数の上昇時においても、ピニオン８からリングギヤ１１へ回転力を伝達し続け得る回転数上昇率である。
これによれば、特にクランキング初期時に生じやすいトルク抜けによるエンジン回転数がピニオン回転数をわずかに上回る現象を回避できるため、クランキング中のエンジン回転数の予測をより正確にすることができる。且つ、上記リングギヤ１１とピニオン８との間でのギヤ飛びにより生じるクランキング時の噛合い音を低減することができる。
また、本実施例では、クランキング中に、ＴＤＣ♯１、３、４を通過し、ＴＤＣ♯１、３、４における回転数がリニアに増加する。
これによれば、次のＴＤＣ付近で着火する場合、着火時の回転数を、ＴＤＣ♯１、３、４の回転数上昇率から容易に且つ正解に予測できる。
また、モータ７が直流モータであるため、回転数のリニアな上昇を実現しやすい。このため、回転数の予測が行いやすく、且つ高精度となる。
〔変形例〕
実施例１のエンジン始動装置１では、クランキング開始からの時間と回転数との関係が近似直線Ｘによる線形関係となっていたが、非線形関係であってもよい。
実施例のエンジン始動装置１では、ＥＣＵ４が回転数上昇率を予め所定の関数として把握していたが、回転センサ１３によって燃料噴射量設定時期Ｔｂ（図２参照）の前に通過するＴＤＣでの回転数を検出し、この検出値を用いて回転数上昇率を算出し、この回転数上昇率から着火時期Ｔｃ（次回ＴＤＣ付近）の回転数を予測してもよい。
すなわち、実施例において、第１気筒のＴＤＣでの回転数と第３気筒のＴＤＣでの回転数を回転数センサ１３から検出し、その上昇率から着火時期Ｔｃでの回転数Ｎｃを予測してもよい。
従来のスタータ３は、一般的に、モータ３の回転力をピニオン８に伝達する一方でピニオン側からモータ３側への回転力の伝達を遮断する一方向クラッチを有しているが、
本実施例では、スタータ３によるクランキングを着火前に終了しているため、エンジンによってモータが回される現象が生じないため、一方向クラッチは不要である。ただし、着火後にクランキングを停止する場合には、一方向クラッチが存在していてもよい。
１ エンジン始動装置
２ エンジン
３ スタータ
４ ＥＣＵ（着火時期設定手段、着火時回転数予測手段）
７ モータ
８ ピニオン
９ 電磁スイッチ
１１ リングギヤ

Claims (7)

  1. 回転力を発生するモータ（７）と、エンジン（２）のリングギヤ（１１）に前記モータ（７）の回転力を伝達するピニオン（８）とを有し、４５０ｒｐｍ以上の所定回転数Ｎ１まで所定の回転数上昇率で前記エンジン（２）をクランキングするスタータ（３）、
    前記スタータ（３）によるクランキング中もしくはクランキング停止後で惰性により回転数が上昇している間に前記エンジンの燃焼室に着火するよう前記着火時期を設定する着火時期設定手段（４）、
    および、前記回転数上昇率に基づいて前記着火時期でのエンジン回転数を予測する着火時回転数予測手段（４）を備えるエンジン始動装置。
  2. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
    前記所定の回転数上昇率は、４５０ｒｐｍ以上であってアイドル回転数に到達する前にクランキングを停止した場合に、惰性によってエンジン回転数が所定期間上昇し続け得る回転数上昇率であることを特徴とするエンジン始動装置。
  3. 請求項１に記載のエンジン始動装置において、
    前記所定の回転数上昇率は、クランキング中に生じる前記エンジン（２）のポンピングによる急激なエンジン回転数の上昇時においても、前記ピニオン（８）から前記リングギヤ（１１）へ回転力を伝達し続け得る回転数上昇率であることを特徴とするエンジン始動装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジン始動装置において、
    前記クランキング中に少なくとも２回のＴＤＣを通過するとともに、前記ＴＤＣにおけるエンジン回転数は所定の関係によって増加し、
    前記着火時期設定手段（４）は、前記所定の関係から前記着火時期で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。
  5. 請求項４に記載のエンジン始動装置において、
    前記所定の関係とは、線形関係であることを特徴とするエンジン始動装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のエンジン始動装置において、
    前記着火時期は、クランキング停止後であって惰性によるエンジン回転数の上昇中の所定タイミングであることを特徴とするエンジン始動装置。
  7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載のエンジン始動装置において、
    前記モータ（７）は直流モータであることを特徴とするエンジン始動装置。
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