JP2017082593A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】低温での始動性を向上させたエンジンを提供すること。
【解決手段】エンジンは、エンジン本体を始動させるスタータモータと、エンジン本体の動作を制御する制御部と、スタータモータおよび制御部に対して電力を供給するバッテリと、バッテリから供給された電力によって制御部に電圧を印加する補助電源と、補助電源から制御部への電圧の印加を通遮電するスイッチング回路と、を備え、制御部は、制御部における電圧低下を予測するための電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路の通遮電を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載されるエンジンに関する。

従来より、低温での始動性を向上させることを目的とするエンジンが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１で提案されるエンジンにおいては、エンジン本体のクランク軸をスタータモータにより回転駆動させた後、クランク軸の所定時間毎の平均回転数が所定回転数以上である場合に、スタータモータによる駆動を停止する。このように、スタータモータによる駆動を停止させる際の回転数の閾値として、瞬間的な回転数ではなく所定時間毎の平均回転数を採用することで、特に低温始動時において、瞬間的に回転数が上昇してスタータモータを停止させてしまうことを防止している。

特開２００９−１９７７３９号公報

しかしながら、昨今では、特許文献１のように、スタータモータによるクランク軸の回転駆動を停止させる際の制御以外にも、その他の方法により低温での始動性を向上させることが望まれており、その点については未だ改善の余地があるといえる。

従って、本発明の目的は、低温での始動性を向上させたエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の一態様によれば、エンジン本体を始動させるスタータモータと、エンジン本体の動作を制御する制御部と、スタータモータおよび制御部に対して電力を供給するバッテリと、バッテリから供給された電力によって制御部に電圧を印加する補助電源と、補助電源から制御部への電圧の印加を通遮電するスイッチング回路と、を備え、制御部は、制御部における電圧低下を予測するための電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路の通遮電を制御する、エンジンを提供する。

本発明のエンジンによれば、低温での始動性を向上させることができる。

実施の形態にかかるエンジンの接続関係を示す概略的なブロック図 電圧低下に起因する制御部（ＥＣＵ）の作動停止を防止するための回路機構を示す図 制御部に供給される電圧の推移を示す図 制御フローの一例を示す図

本発明の第１態様によれば、エンジン本体を始動させるスタータモータと、エンジン本体の動作を制御する制御部と、スタータモータおよび制御部に対して電力を供給するバッテリと、バッテリから供給された電力によって制御部に電圧を印加する補助電源と、補助電源から制御部への電圧の印加を通遮電するスイッチング回路と、を備え、制御部は、制御部における電圧低下を予測するための電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路の通遮電を制御する、エンジンを提供する。特に低温始動時において、バッテリからスタータモータおよび制御部に電力を供給し、スタータモータに大きな電流が流れる際には、バッテリの電圧が大きく低下することがあり、制御部の作動電圧を下回る場合には、意図せずに制御部が停止してしまうおそれがある。これを受けて、制御部に対して選択的に電圧を印加可能な補助電源を設けて、制御部の印加電圧を適当なタイミングで増加させて底上げすることにより、意図しない制御部の停止を防止する。これにより、制御部の信頼性を向上させるとともに、低温での始動性を向上させることができる。

本発明の第２態様によれば、外気温度を測定する外気温度測定部をさらに備え、制御部は、外気温度測定部によって測定される外気温度が所定温度以下であるという電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路を通電するように制御する、第１態様に記載のエンジンを提供する。このように、電圧低下予測情報として外気温度を用い、外気温度が所定温度以下となった場合にスイッチング回路に通電して制御部に付加的に電圧を印加することにより、制御部の電圧が瞬間的に下がる前により確実に電圧を印加することができる。これにより、制御部の作動停止をより確実に防止し、低温での始動性を向上させることができる。

本発明の第３態様によれば、制御部は、外気温度測定部によって測定される外気温度が所定温度以上であるという情報に基づいて、スイッチング回路を遮電するように制御する、第２態様に記載のエンジンを提供する。このように、外気温度が所定温度以上であるという情報に基づいてスイッチング回路の遮電を行うことにより、補助電源による制御部への電圧印加を適切なタイミングで停止することができる。

本発明の第４態様によれば、キースイッチの位置を判定するキースイッチ位置判定部をさらに備え、制御部は、キースイッチ位置判定部によって判定されるキースイッチの位置がスタータモータを起動する位置であるという電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路を通電するように制御する、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載のエンジンを提供する。このように、電圧低下予測情報としてキースイッチの位置情報を用い、キースイッチの位置がスタータモータを起動する位置となった場合にスイッチング回路に通電して、制御部に付加的に電圧を印加している。これにより、制御部の電圧が瞬間的に下がる前により確実に電圧を印加することができるため、制御部の作動停止をより確実に防止することができ、低温での始動性を向上させることができる。

本発明の第５態様によれば、エンジン本体の回転数を測定するエンジン回転数測定部をさらに備え、制御部は、エンジン回転数測定部によって測定されるエンジン本体の回転数が所定回転数以上であるというエンジン駆動状態情報に基づいて、スイッチング回路を遮電するように制御する、第１態様から第４態様のいずれか１つに記載のエンジンを提供する。このように、エンジン駆動状態情報としてエンジン回転数を用いてスイッチング回路の遮電を行うことにより、補助電源による制御部への電圧印加を適切なタイミングで停止することができる。

本発明の第６態様によれば、スタータモータの状態を判定するスタータモータ状態判定部をさらに備え、制御部は、スタータモータ状態判定部によって測定されるスタータモータの状態が運転停止状態であるというエンジン駆動状態情報に基づいて、スイッチング回路を遮電するように制御する、第１態様から第５態様のいずれか１つに記載のエンジンを提供する。このように、エンジン駆動状態情報としてスタータモータの状態に関する情報を用いてスイッチング回路の遮電を行うことにより、補助電源による制御部への電圧印加を適切なタイミングで停止することができる。

（実施の形態）
以下、本発明のエンジンに係る実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、本発明のエンジンは、以下の実施の形態に記載した構成に限定されるものではない。

図１は、エンジン１における各構成部材の接続関係を示す概略的なブロック図である。図１に示すように、エンジン１は、エンジン本体２と、スタータモータ３と、制御部４と、バッテリ５と、補助電源６と、スイッチング回路７と、第１情報提供部１０と、第２情報提供部１１とを備える。

エンジン本体２は、エンジン１を搭載している車両や機械（例えば農作業用機械）を駆動するためのクランクシャフトやピストンを備えたエンジン本体である。エンジン本体２としては例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンが用いられる。スタータモータ３は、エンジン本体２を始動するためのモータである。制御部４は、いわゆるＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）であり、エンジン本体２およびスタータモータ３などの動作を制御する。バッテリ５は、スタータモータ３および制御部４などに電圧を印加するための部分である。補助電源６は、バッテリ５から供給される電力を使用して、バッテリ５による電圧に加わる形で制御部４に対して補助的に電圧を印加する電源である。スイッチング回路７は、補助電源６から制御部４への電圧印加の通遮電を行う回路である。第１情報提供部（電圧低下予測情報提供部）１０は、制御部４に印加される電圧の低下を予測するための電圧低下予測情報を制御部４に提供する部分である。第２情報提供部（エンジン駆動状態情報提供部）１１は、エンジン本体２におけるエンジンの駆動状態を示すエンジン駆動状態情報を制御部４に提供する部分である。

このような構成において、制御部４に印加される電圧に関して、最低作動電圧が予め定められている。当該最低電圧を下回ると、制御部４の作動が強制的に停止される。特に低温環境下（例えば、−２０度以下）での始動時において、バッテリ５から制御部４に印加される電圧が急激に低下する場合があり、このような場合、制御部４の意図しない作動停止が生じうる。このような制御部４の作動停止を防止するために、本実施の形態におけるエンジン１は、第１情報提供部１０から提供される電圧低下予測情報に基づいて制御部４における電圧低下を予測し、スイッチング回路７の通遮電（特に通電）を制御するものである。

本実施の形態における第１情報提供部１０は、外気温度測定部１０ａと、キースイッチ位置判定部１０ｂとを備える。外気温度測定部１０ａは、外気温度を測定し、電圧低下予測情報として制御部４に出力する部分である。キースイッチ位置判定部１０ｂは、エンジン１を搭載した車両や機械におけるキースイッチの位置（ＯＦＦ、ＯＮ、スタートなど）を判定し、電圧低下予測情報として制御部４に出力する部分である。

本実施の形態ではさらに、第２情報提供部１１から提供されるエンジン駆動状態情報に基づいてエンジン本体２の駆動状態を判別し、スイッチング回路７の通遮電（特に遮電）を制御している。本実施の形態における第２情報提供部１１は、エンジン回転数測定部１１ａと、スタータモータ状態判定部１１ｂとを備える。エンジン回転数測定部１１ａは、エンジン本体２におけるエンジン回転数を測定し、エンジン駆動状態情報として制御部４に出力する部分である。スタータモータ状態判定部１１ｂは、スタータモータ３の状態を判定し、エンジン駆動状態情報として制御部４に出力する部分である。

低温始動時における制御部４の作動停止を防止するための補助電源６およびスイッチング回路７による回路機構について、図２を用いて説明する。

図２に示すように、スタータモータ３および制御部４は、バッテリ５に対して並列に接続されている。補助電源６およびスイッチング回路７は、制御部４と並列に接続されている。制御部４とバッテリ５の間には、ダイオード９が設けられている。具体的には、制御部４の上流側、かつ、バッテリ５からスタータモータ３および制御部４に至る分岐点の下流側に、ダイオード９が設けられている。

図示は省略しているが、図２に示す回路にはリレー機構が設けられており、バッテリ５によるスタータモータ３側への電圧の印加と、制御部４（並びに補助電源６およびスイッチング回路７）側への電圧の印加を別々に行うことが可能である。すなわち、バッテリ５からスタータモータ３のみに電圧を印加する形態、制御部４（並びに補助電源６およびスイッチング回路７）のみに電圧を印加する形態、並びにスタータモータ３および制御部４の両方に電圧を印加する形態を適宜選択することができる。

本実施の形態における補助電源６は、バッテリ５からの電力を利用して電荷を蓄積するためのコンデンサである。本実施の形態におけるスイッチング回路７は、逆向きの２つのダイオード８ａおよびダイオード８ｂと、１つのスイッチ８ｃとで構成されている。

このような構成において、図２に示すようにスイッチ８ｃがダイオード８ａに接続されている場合、バッテリ５による電力がダイオード９を通じて供給されると、制御部４および補助電源６の両方に電流が流れるとともに、補助電源６には電荷が蓄積されていく。

図２に示す状態からスイッチ８ｃが切り替わりダイオード８ｂに接続されると、ダイオード８ｂはダイオード９とは逆向きであるため、ダイオード９を通じて流れる電流は、補助電源６およびスイッチング回路７側には流れない。これにより、バッテリ５による電圧はダイオード９を通じて、制御部４のみに印加される。一方で、補助電源６に蓄積されていた電荷により、ダイオード８ｂを通じて、制御部４に電圧が印加される。すなわち、制御部４には、バッテリ５による電圧と補助電源６による電圧を加算した電圧が印加される。

このように、スイッチング回路７の通遮電を制御して、補助電源６による付加的な電圧印加を実施することにより、制御部４の印加電圧を底上げする。これを利用して、低温始動時においてバッテリ５の急激な電圧低下に起因する制御部４の作動停止を防止する。

次に、上述した回路構成を用いて行う制御フローの一例について、図３および図４を用いて説明する。図３は、エンジン始動時における制御部４の印加電圧の時間推移を示す。図４は、図３に示される制御部４の印加電圧の推移を生じさせる制御フローの一例を示す。

図３に示すように、最初はキースイッチがＯＦＦの状態から始まり、回路構成としては、図２に示したようにスイッチ８ｃがダイオード８ａ側に接続されている状態から始まる。このとき、補助電源６による制御部４への電圧印加は行われないため、スイッチング回路７は「遮電」された状態にある。

その後、キースイッチがＯＮの状態（イグニションランプが点灯する等の始動開始準備状態）とされると、バッテリ５から制御部４側に電圧が印加される。すなわち、制御部４が起動される。このとき、バッテリ５による電圧は制御部４のみに印加され、スタータモータ３には印加されない。すなわち、エンジン本体２は始動しない。このような状態でのバッテリ５による電圧印加により、前述したように補助電源６には電荷が蓄積されていく。一方で、起動された制御部４は、図４に示すフローを行う。

具体的には、まず、１次判定を行う（ステップＳ１）。１次判定は、第１情報提供部１０から提供される電圧低下予測情報に基づいて、制御部４がスイッチング回路７の切換えを行うかどうか判定するものである。すなわち、電圧低下予測情報に基づいて、ダイオード８ａに接続しているスイッチ８ｃをダイオード８ｂへ接続するかどうかを決定する。

本実施の形態では、１次判定要素として、外気温度測定部１０ａによって測定される外気温度の情報と、キースイッチ位置判定部１０ｂによって判定されるキースイッチの位置情報とを用いる。具体的には、第１情報提供部１０によって提供されるこれらの情報に基づき、外気温度が所定温度以下（例えば−２０度以下）かどうか、および、キースイッチ位置がスタート位置にあるかどうかを判定する。「スタート位置」とは、エンジン本体２を始動するようにスタータモータ３を起動させるためのキースイッチの位置である。ユーザがＯＮの位置からスタート位置にキースイッチを移動させ、そのことが認識されると、制御部４だけでなく、スタータモータ３にも電圧が印加される。スタータモータ３は特に、大電流を使用するものである。

外気温度が所定温度以下、かつ、キースイッチ位置がスタート位置にあることを制御部４が判定すると、スイッチング回路７の切り替えを行う（ステップＳ２）。すなわち、制御部４からスイッチング回路７へ、スイッチ８ｃをダイオード８ｂに接続する信号が送信される。

上記制御によれば、外気温度が所定温度以下であると判定されていても、キースイッチの位置がスタート位置にあることが判定されるまでは、スイッチング回路７の切換えは行われない。外気温度が所定温度以下であると判定され、かつ、図３に示すようにキースイッチ位置がスタート位置にきたときに、制御部４によるスイッチング回路７の切換えが行われる。

スイッチング回路７の切換えが行われて、スイッチ８ｃがダイオード８ｂに接続されると、前述したように、補助電源６に蓄積されていた電荷により、制御部４に電圧が印加される。補助電源６による制御部４への電圧印加が行われるため、スイッチング回路７は「通電」された状態にある。このようにして、制御部４には、バッテリ５による電圧に加えて、補助電源６に蓄積されていた電荷による電圧が付加的に印加される。図３において、上述した制御を行った場合の制御部４の実際の電圧変化を示すものがＣ１である（実施例）。本実施の形態とは異なり、補助電源６やスイッチング回路７の構成を持たずにバッテリ５のみによる電圧印加を行う場合の電圧変化を示すものがＣ２である（比較例）。

特に周囲温度が極めて低い場合などの低温始動時において、バッテリ５からスタータモータ３および制御部４に電力を供給し、スタータモータ３に大きな電流が流れる際には、バッテリ５の電圧が大きく低下することがある。Ｃ２に示すように、バッテリ５による電圧印加のみとした場合、電圧の瞬時低下により、制御部４の最低作動電圧Ｌ１を下回り、制御部４が意図せずに作動停止になる場合がある。

これに対して、Ｃ１に示すように、バッテリ５だけでなく補助電源６を用いて付加的な電圧を印加して制御部４の印加電圧を上昇させることにより、制御部４の電圧がＬ１を下回ることを事前に防止することができる。

本実施の形態のエンジン１によれば、制御部４に対して選択的に電圧を印加可能な補助電源６を設けて、制御部４の印加電圧を適当なタイミングで増加させて底上げすることにより、意図しない制御部４の停止を防止することができる。これにより、制御部４の信頼性を向上させるとともに、低温での始動性を向上させることができる。

上記構成によれば、補助電源６による電圧印加は、スイッチング回路７により切り替えることができる。よって、補助電源６に十分な電荷が蓄積されたときには、スイッチング回路７を切り替えて、補助電源６の充電状態を解除し、蓄積された電荷を放電することができる。このような制御によれば、補助電源６の過充電を防止することができ、特にコンデンサとしての補助電源６の長寿命化を図ることができる。

また本実施の形態では、スイッチング回路７の通電を行うかどうか判断するための電圧低下予測情報として、外気温度およびキースイッチ位置の情報を用いている。外気温度が所定温度以下となり、かつ、キースイッチ位置がスタータモータ３を起動する位置であるスタート位置となった場合に、スイッチング回路７に通電して、制御部４に付加的に電圧を印加している。このような制御によれば、制御部４の電圧が瞬間的に低下しやすい状況を前もって予測し、そのような低下が生じる前に制御部４に予め電圧を印加することができる。これにより、制御部４の作動停止をより確実に防止することができ、制御部４の信頼性を向上させるとともに、低温での始動性を向上させることができる。

その後、制御部４は２次判定を行う（ステップＳ３）。２次判定は、１次判定で使用した電圧低下予測情報とは異なるエンジン駆動状態情報に基づいて、制御部４がエンジン本体２におけるエンジンの駆動状態を判別し、スイッチング回路７の切換えを行うかどうかを決定するものである。すなわち、エンジン駆動状態情報に基づいて、ダイオード８ｂに接続しているスイッチ８ｃをダイオード８ａへ接続するかどうかを決定する。

本実施の形態では、２次判定要素として、エンジン回転数測定部１１ａによって測定されるエンジン回転数の情報と、スタータモータ状態判定部１１ｂによって判定されるスタータモータ３の状態情報とを用いる。具体的には、これらの情報に基づき、エンジン回転数が所定回転数以上（例えば１２０ｒｐｍ以上）になったかどうか、および、スタータモータ３が停止（ＯＦＦ）状態になったかどうかを判定する。エンジン回転数が所定回転数以上である、又は、スタータモータ３が停止状態であることを制御部４が判定すると、エンジン本体２におけるエンジンの駆動状態が安定したものと判断し、スイッチング回路７の切り替えを行う（ステップＳ４）。すなわち、制御部４からスイッチング回路７へ、スイッチ８ｃをダイオード８ａに接続する信号が制御部４から送信される。これにより、補助電源６による電圧の印加状態から、補助電源６の充電状態へと切り替えられる。

このようにして、エンジン駆動状態情報をもとにエンジンの駆動状態が安定化したことを判断し、スイッチング回路７を切り替えることにより、補助電源６による電圧印加が不要なタイミングで適切に電圧印加を停止することができる。

本実施の形態では、スイッチング回路７の遮電を行うかどうか判断するためのエンジン駆動状態情報として、エンジン回転数およびスタータモータ状態の情報を用いている。エンジン回転数が所定回転数以上となった、又は、スタータモータ３が停止状態となった場合にスイッチング回路７を遮電して、制御部４への電圧印加を停止している。このような方法によれば、エンジン本体２におけるエンジンの駆動状態が安定していることをより確実な情報により認識することができるため、補助電源６による制御部４への電圧印加を適切なタイミングで停止することができる。

その後は、エンジン１のＯＮ／ＯＦＦに応じて、上述した１次判定および２次判定を繰り返し行う。

以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されない。例えば、本実施の形態では、１次判定に用いる電圧低下予測情報として、外気温度とキースイッチ位置の両方の情報を用いる場合について説明したが、このような場合に限らず、これらの情報のいずれか一方のみを用いてもよい。さらには、これらの代わりにその他の各種電圧低下予測情報を用いてもよい。また、本実施の形態では、２次判定に用いるエンジン駆動状態情報として、エンジン回転数とスタータモータ３の状態の情報を用いる場合について説明したが、このような場合に限らず、これらの情報のいずれか一方のみを用いてもよい。さらには、これらの代わりにその他の各種エンジン駆動状態情報を用いてもよい。例えば、その他の電圧低下予測情報およびエンジン駆動状態情報としては、エンジン冷却水の温度、エンジンオイルの温度、あるいはエンジン本体２に設けられたグロー・ヒータの状態に関する情報などがある。これらの情報を適宜、電圧低下予測情報、エンジン駆動状態情報、あるいはその両方として用いてもよい。

また、本実施の形態では、電圧低下予測情報の外気温度が所定温度以下である場合に、スイッチング回路の通電を行う場合について説明したが、このような場合に限らない。例えば、このような制御とは逆に、外気温度が所定温度以上であるという情報をもとに、スイッチング回路の遮電を行うようにしてもよい。このような制御であっても、補助電源６による制御部４への電圧印加を適切なタイミングで停止することができる。

また本実施の形態では、補助電源６がコンデンサであり、スイッチング回路７が２つのダイオード８ａ、８ｂと１つのスイッチ８ｃにより構成される場合について説明したが、このような場合に限らない。補助電源６としては、制御部４に付加的に電圧を供給できるものであれば任意のものでよい。また、スイッチング回路７としては、補助電源６から制御部４への電圧印加の通遮電を切り替えられるものであれば任意のものでよい。

本発明は、車両等に搭載されるエンジンであれば適用可能である。

１ エンジン
２ エンジン本体
３ スタータモータ
４ 制御部
５ バッテリ
６ 補助電源
７ スイッチング回路
８ａ、８ｂ ダイオード
８ｃ スイッチ
９ ダイオ―ド
１０ 第１情報提供部
１０ａ 外気温度測定部
１０ｂ キースイッチ位置判定部
１１ 第２情報提供部
１１ａ エンジン回転数測定部
１１ｂ スタータモータ状態判定部

Claims (6)

1. エンジン本体を始動させるスタータモータと、
   エンジン本体の動作を制御する制御部と、
   スタータモータおよび制御部に対して電力を供給するバッテリと、
   バッテリから供給された電力によって制御部に電圧を印加する補助電源と、
   補助電源から制御部への電圧の印加を通遮電するスイッチング回路と、を備え、
   制御部は、制御部における電圧低下を予測するための電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路の通遮電を制御する、エンジン。
2. 外気温度を測定する外気温度測定部をさらに備え、
   制御部は、外気温度測定部によって測定される外気温度が所定温度以下であるという電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路を通電するように制御する、請求項１に記載のエンジン。
3. 制御部は、外気温度測定部によって測定される外気温度が所定温度以上であるという情報に基づいて、スイッチング回路を遮電するように制御する、請求項２に記載のエンジン。
4. キースイッチの位置を判定するキースイッチ位置判定部をさらに備え、
   制御部は、キースイッチ位置判定部によって判定されるキースイッチの位置がスタータモータを起動する位置であるという電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路を通電するように制御する、請求項１から３のいずれか１つに記載のエンジン。
5. エンジン本体の回転数を測定するエンジン回転数測定部をさらに備え、
   制御部は、エンジン回転数測定部によって測定されるエンジン本体の回転数が所定回転数以上であるという電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路を遮電するように制御する、請求項１から４のいずれか１つに記載のエンジン。
6. スタータモータの状態を判定するスタータモータ状態判定部をさらに備え、
   制御部は、スタータモータ状態判定部によって測定されるスタータモータの状態が運転停止状態であるという電圧低下予測情報に基づいて、スイッチング回路を遮電するように制御する、請求項１から５のいずれか１つに記載のエンジン。

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