JP2017115760A - エンジンの始動時制御システム、ハイブリッド車両及びエンジンの始動時制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの始動に要する時間を短縮して、早期に発進準備を完了させることができるエンジンの始動時制御システム、ハイブリッド車両及びエンジンの始動時制御方法を提供する。【解決手段】エンジン１０を固定するブレーキ機構９２を備えるとともに、エンジン１０の停止時に、モーターを予め設定される設定トルクＴｑ１で逆転駆動して、エンジン１０のクランクシャフト１３を逆回転させ、エンジン１０を基本停止位置から予め設定した設定角度だけ逆回転した位置となる始動補助位置まで回転させたときに、モーターを停止させて、ブレーキ機構９２によりエンジン１０を始動補助位置に固定させて、エンジン１０の始動開始時に、ブレーキ機構９２によるエンジン１０の始動補助位置への固定を解除して、モーターによりクランクシャフト１３を正回転する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの始動時制御システム、ハイブリッド車両及びエンジンの始動時制御方法に関し、更に詳しくは、モーターと、該モーターの動力により始動するエンジンと、を備えたエンジンの始動時制御システム、ハイブリッド車両及びエンジンの始動時制御方法に関する。

近年、燃費向上及び環境対策などの観点から、車両の運転状態に応じて複合的に制御されるエンジン及びモータージェネレーターを有するハイブリッドシステムを備えたハイブリッド車両（以下「ＨＥＶ」という。）が注目されている。このＨＥＶにおいては、車両の加速時や発進時には、モータージェネレーターによる駆動力のアシストが行われる一方で、慣性走行時や減速時にはモータージェネレーターによる回生発電が行われる（例えば、特許文献１を参照）。

一方、ＨＥＶに限らず、エンジン（内燃機関）が搭載される車両では、エンジンの気筒（シリンダ）内に燃料と空気を供給し、この燃料と空気の混合気を気筒内で圧縮して燃焼させることで動力を発生させ、この動力をクランクシャフト、トランスミッション、車軸等を介して車輪に伝達することで、走行用の動力を得ている。

エンジンのクランクシャフトには、ギヤ機構やベルト機構等の動力伝達機構を介して、モーター（スターターモーターやＨＥＶ車のモータージェネレーター等）が接続されている。エンジンの始動時には、燃料噴射によるエンジンの自立回転ができるまで、このモーターを回転駆動して、この回転動力を動力伝達機構を介してクランクシャフトに伝達して、クランクシャフトを回転させている。

しかしながら、エンジンの始動時に、エンジンの回転数をゼロからエンジンの自立回転が可能になる回転数まで上昇させる場合、モーターが供給する必要のある起動トルクが大きくなってしまうため、この起動トルクに合わせてモーターの仕様を設定すると、エンジンの常用回転域の効率を悪化させてしまう問題がある。

また、この問題に関連して、エンジンの始動時に、バッテリーからの供給電流に基づき駆動するモーターによりクランクシャフトを逆転駆動して、この逆転駆動後にクランクシャフトを正転駆動するスイングバック制御を行う制御部を有するエンジン制御装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

このエンジン制御装置では、圧縮上死点を乗り越える為に、クランク軸を正転駆動前に逆転駆動して圧縮上死点までの助走距離を長くすることで、クランクシャフトを正転方向に勢いよく回転させることができるので、電動機が供給する必要のある起動トルクを小さくすることができる。

しかしながら、このエンジン制御装置では、エンジンの始動時にクランクシャフトの逆転駆動により圧縮上死点までの助走距離を長くすることで、エンジンの始動を補助することはできても、クランクシャフトの逆転駆動に相当する時間分、エンジンの始動に時間を要することになってしまう。

特開２００２−２３８１０５号公報 特開２０１４−１６７２８７号公報

本発明の目的は、エンジンの始動のためにモーターが供給する必要のある起動トルクを減少することができ、エンジンの常用回転域の効率を維持して、燃費を向上させることができるとともに、エンジンの始動に要する時間を短縮して、早期に発進準備を完了させることができるエンジンの始動時制御システム、ハイブリッド車両及びエンジンの始動時制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の内燃機関の始動時制御システムは、モーターと、該モーターの動力により始動するエンジンと、制御装置と、を備えたエンジンの始動時制御システムにおいて、前記エンジンを固定するブレーキ機構を前記エンジンに備えるとともに、前記制御装置が、前記エンジンの停止信号を受信したときに、前記エンジンを基本停止位置から予め設定した設定角度だけ逆回転した位置となる始動補助位置まで回転させるように、前記モーターを予め設定される設定トルクで逆転駆動して、前記エンジンのクランクシャフトを逆回転させるとともに、前記エンジンを前記始動補助位置まで回転させたときに、前記モーターを停止して、前記ブレーキ機構により前記エンジンを前記始動補助位置に固定させて、前記エンジンの始動開始信号を受信したときに、前記ブレーキ機構による前記エンジンの前記始動補助位置への固定を解除するとともに、前記モーターにより前記クランクシャフトを正回転させる制御を行うように構成される。

また、上記の内燃機関の始動時制御システムにおいて、前記ブレーキ機構をドラムブレーキとして構成される。

また、上記の目的を達成する本発明のハイブリッド車両は、前記エンジンの動力を伝達する出力軸に接続されたモータージェネレーターとして前記モーターを構成しているとともに、前記モータージェネレーターを有するハイブリッドシステムと上記エンジンの始動時制御システムを備えて構成される。

また、上記の目的を達成する本発明のエンジンの始動時制御方法は、エンジンをモーターの動力により始動するエンジンの始動時制御方法において、前記エンジンを固定するブレーキ機構を前記エンジンに備えて、前記エンジンの停止時に、前記エンジンを基本停止位置から予め設定した設定角度だけ逆回転した位置となる始動補助位置まで回転させるように、前記モーターを予め設定される設定トルクで逆転駆動して、この逆転駆動した前記モーターにより前記エンジンのクランクシャフトを逆回転させるとともに、前記エンジンを前記始動補助位置まで回転させたときに、前記モーターを停止して、前記ブレーキ機構により前記エンジンを前記始動補助位置に固定させて、前記エンジンの始動開始時に、前記ブレーキ機構による前記エンジンの前記始動補助位置への固定を解除するとともに、前記モーターを正転駆動して、この正転駆動した前記モーターにより前記クランクシャフトを正回転させることを特徴とする方法である。

本発明のエンジンの始動時制御システム、ハイブリッド車両及びエンジンの始動時制御方法によれば、エンジンの停止時に、エンジンをブレーキ機構により圧縮反力を得ることができる状態でブレーキ機構を用いて固定して停止させて、エンジンの始動時にこの圧縮反力をエンジンの始動補助トルクとして利用することができるので、エンジンの始動のためにモーターが供給する必要のある起動トルクを減少することができ、エンジンの常用回転域の効率を維持して、燃費を向上させることができる。

また、エンジンの停止時に、エンジンをブレーキ機構により圧縮反力を得ることができる状態でブレーキ機構を用いて固定して停止させるので、従来、エンジンの始動時に要していたクランクシャフトの逆転駆動に相当する時間が不要となり、エンジンの始動に要する時間を短縮して、早期に発進準備を完了させることができる。

また、エンジンの停止時におけるエンジンの固定を、モーターブレーキによる固定ではなく、モーターとは別のドラムブレーキ等のブレーキ機構による固定とするので、モーターに負荷をかけることなく、エンジンのクランクシャフトの回転を確実に固定することができる。

また、エンジンの始動のためにモーターが供給する必要のある起動トルクを減少することができるので、大きな起動トルクを確保し難い特性を有するモーターを使用することもでき、モーター選定の幅を拡大することができる。

本発明の実施形態からなるエンジンの始動時制御システムを備えたハイブリッド車両の構成図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなるエンジンの始動時制御システムを備えたハイブリッド車両を示す。

このハイブリッド車両（以下「ＨＥＶ」という。）は、普通乗用車のみならず、バスやトラックなどを含む車両であり、車両の運転状態に応じて複合的に制御されるエンジン１０及びモータージェネレーター３１を有するハイブリッドシステム３０を備えている。

エンジン１０においては、エンジン本体１１に形成された複数（この例では４個）の気筒１２内における燃料の燃焼により発生した熱エネルギーにより、クランクシャフト１３が回転駆動される。このクランクシャフト１３の回転動力は、クランクシャフト１３の一端部に接続するクラッチ１４（例えば、湿式多板クラッチなど）を通じてトランスミッション２０に伝達される。

トランスミッション２０で変速された回転動力は、一対の駆動輪（図示せず）にそれぞれ駆動力として伝達される。

ハイブリッドシステム３０は、モータージェネレーター３１と、そのモータージェネレーター３１に順に電気的に接続するインバーター３５、高電圧バッテリー３２、ＤＣ／ＤＣコンバーター３３及び低電圧バッテリー３４とを有している。

高電圧バッテリー３２としては、リチウムイオンバッテリーやニッケル水素バッテリーなどが好ましく例示される。また、低電圧バッテリー３４には鉛バッテリーが用いられる。

ＤＣ／ＤＣコンバーター３３は、高電圧バッテリー３２と低電圧バッテリー３４との間における充放電の方向及び出力電圧を制御する機能を有している。また、低電圧バッテリー３４は、各種の車両電装品３６に電力を供給する。

モータージェネレーター３１は、回転軸３７に取り付けられた第１プーリー１５とエンジン本体１１の出力軸であるクランクシャフト１３の他端部に取り付けられた第２プーリー１６との間に掛け回された無端状のベルト状部材１７を介して、エンジン１０との間で動力を伝達する。なお、２つのプーリー１５、１６及びベルト状部材１７の代わりに、ギヤボックスなどを用いて動力を伝達することもできる。また、モータージェネレーター３１に接続するエンジン本体１１の出力軸は、クランクシャフト１３に限るものではなく、例えばエンジン本体１１とトランスミッション２０の間の伝達軸であっても良い。

このモータージェネレーター３１は、クランキングを行う機能を有する。

これらのエンジン１０及びハイブリッドシステム３０は、制御装置８０により制御される。具体的には、ＨＥＶの発進時や加速時には、ハイブリッドシステム３０は高電圧バッテリー３２から電力を供給されたモータージェネレーター３１により駆動力の少なくとも一部をアシストする一方で、慣性走行時や減速時においては、モータージェネレーター３１による回生発電を行い、余剰の運動エネルギーを電力に変換して高電圧バッテリー３２を充電する。

本発明のエンジンの始動時制御システムは、モータージェネレーター３１と、このモータージェネレーター３１の動力により始動するエンジン１０と、制御装置８０と、を備えたエンジンの始動時制御システムである。また、エンジン１０を固定するドラムブレーキ（ブレーキ機構）９２をエンジン１０のクランクシャフト１３に備える。

なお、図１では、ドラムブレーキ９２によりクランクシャフト１３を固定することで、エンジン１０を固定しているが、エンジン１０を圧縮反力を得ることができる状態で固定することができれば、ドラムブレーキ以外のブレーキ機構を用いてもよいし、クランクシャフト１３以外の位置で固定してもよい。

そして、さらに、制御装置８０が、エンジン１０の停止信号を受信したときに、エンジン１０を基本停止位置（図示しない）から実験等により予め設定した設定角度だけ逆回転した位置となる始動補助位置（図示しない）まで回転させるように、モータージェネレーター３１を実験等により予め設定される設定トルクＴｑ１で逆転駆動して、この逆転駆動したモータージェネレーター３１によりエンジン１０のクランクシャフト１３を逆回転させる制御を行うように構成される。

なお、エンジン１０の停止信号は、エンジン１０の気筒１２内への燃料噴射量がゼロとなり、かつ、クランクシャフト回転センサ（図示しない）等により検出されるエンジンの回転数がゼロとなり、さらに、予め設定した設定時間を経過後に、制御装置８０に送信される。

また、エンジン１０の温度環境状態に応じて、気筒（シリンダ）１２内に残留した気体がエンジン１０の回転方向とは反対側の方向に抵抗する力（圧縮抵抗力）が変化するため、モータージェネレーター３１を逆転駆動するときの設定トルクＴｑ１をエンジン冷却水とエンジン吸入空気の温度に基づいて設定して、この圧縮抵抗力に応じた設定トルクＴｑ１を出力できるように構成すると、より好ましい。

そして、制御装置８０が、エンジン１０を始動補助位置まで回転させたときに、モータージェネレーター３１を停止して、ドラムブレーキ９２によりエンジン１０に固定力Ｆを加えて、エンジン１０を始動補助位置に固定させる制御を行うように構成される。エンジン１０の始動補助位置までの回転の検知は、例えば、クランクシャフト１３に設けたクランク角センサ（図示しない）等により行われる。

制御装置８０は、さらに、エンジン１０の停止後、エンジン１０の始動開始信号を受信したときに、ドラムブレーキ９２によるエンジン１０の始動補助位置への固定を解除するとともに、モータージェネレーター３１によりクランクシャフト１３を正回転させる制御を行うように構成される。このモータージェネレーター３１によるクランクシャフト１３の正回転制御は、制御装置８０が、エンジン１０の始動完了信号を受信するまで行われる。

ここで、エンジン１０の始動開始信号とは、通常、エンジン１０を備えた車両に設けたイグニッションキー（図示しない）を運転者が操作したときに制御装置８０に送信される信号である。

また、エンジン１０の始動完了信号とは、エンジン１０に設けたエンジン回転数検出センサ（図示しない）の検出値Ｎｅが燃料噴射量に基づいて実験等により予め設定される始動判定回転数Ｎｅ１以上となったときに、すなわち、燃料噴射によるエンジン１０の自立回転が可能となったときに、制御装置８０に送信される信号である。

また、上記のエンジン１０の始動時制御システムを基にした、本発明のエンジン１０の始動時制御方法は、エンジンをモータージェネレーター３１の動力により始動するエンジンの始動時制御方法において、エンジン１０を固定するブレーキ機構９２をエンジン１０に備えて、エンジン１０の停止時に、エンジン１０を基本停止位置から実験等により予め設定した設定角度だけ逆回転した位置となる始動補助位置まで回転させるように、モーターを実験等により予め設定される設定トルクＴｑ１で逆転駆動して、この逆転駆動したモーターによりエンジン１０のクランクシャフト１３を逆回転させるとともに、エンジン１０を始動補助位置まで回転させたときに、モーターを停止して、ブレーキ機構９２によりエンジン１０を始動補助位置に固定させて、エンジン１０の始動開始時に、ブレーキ機構９２によるエンジン１０の始動補助位置への固定を解除するとともに、モーターを正転駆動して、この正転駆動したモーターによりクランクシャフト１３を正回転させることを特徴とする方法である。

以上より、本発明のエンジンの始動時制御システム、ハイブリッド車両及びエンジンの始動時制御方法によれば、エンジン１０の停止時に、ブレーキ機構９２によりエンジン１０をクランクシャフト１３の圧縮反力を得ることができる状態で固定して停止させて、エンジン１０の始動時にこの圧縮反力をエンジン１０の始動補助トルクとして利用することができるので、エンジン１０の始動のためにモーターが供給する必要のある起動トルクを減少することができ、エンジン１０の常用回転域の効率を維持して、燃費を向上させることができる。

また、エンジン１０の停止時に、ブレーキ機構９２によりエンジン１０をクランクシャフト１３の圧縮反力を得ることができる状態で固定して停止させるので、従来、エンジン１０の始動時に要していたクランクシャフト１３の逆転駆動に相当する時間が不要となり、エンジン１０の始動に要する時間を短縮して、早期に発進準備を完了させることができる。

また、エンジン１０の停止時におけるエンジン１０の固定を、モーターブレーキによる固定ではなく、モーターとは別のドラムブレーキ等のブレーキ機構９２による固定としているので、モーターに負荷をかけることなく、エンジン１０を確実に固定することができる。

また、エンジン１０の始動のためにモーターが供給する必要のある起動トルクを減少することができるので、大きな起動トルクを確保し難い特性を有するモーターを使用することもでき、モーター選定の幅を拡大することができる。

１０ エンジン
１１ エンジン本体
１３ クランクシャフト
３０ ハイブリッドシステム
３１ モータージェネレーター
８０ 制御装置
９２ ドラムブレーキ
Ｔｑ１ 設定トルク
Ｆ クランクシャフトへの固定力

Claims (4)

1. モーターと、該モーターの動力により始動するエンジンと、制御装置と、を備えたエンジンの始動時制御システムにおいて、
   前記エンジンを固定するブレーキ機構を前記エンジンに備えるとともに、
   前記制御装置が、
   前記エンジンの停止信号を受信したときに、前記エンジンを基本停止位置から予め設定した設定角度だけ逆回転した位置となる始動補助位置まで回転させるように、前記モーターを予め設定される設定トルクで逆転駆動して、前記エンジンのクランクシャフトを逆回転させるとともに、前記エンジンを前記始動補助位置まで回転させたときに、前記モーターを停止して、前記ブレーキ機構により前記エンジンを前記始動補助位置に固定させて、
   前記エンジンの始動開始信号を受信したときに、前記ブレーキ機構による前記エンジンの前記始動補助位置への固定を解除するとともに、前記モーターにより前記クランクシャフトを正回転させる制御を行うように構成される内燃機関の始動時制御システム。
2. 前記ブレーキ機構をドラムブレーキとして構成されている請求項１に記載の内燃機関の始動時制御システム。
3. 前記エンジンの動力を伝達する出力軸に接続されたモータージェネレーターとして前記モーターを構成しているとともに、前記モータージェネレーターを有するハイブリッドシステムと請求項１または２に記載のエンジンの始動時制御システムを備えているハイブリッド車両。
4. エンジンをモーターの動力により始動するエンジンの始動時制御方法において、
   前記エンジンを固定するブレーキ機構を前記エンジンに備えて、
   前記エンジンの停止時に、前記エンジンを基本停止位置から予め設定した設定角度だけ逆回転した位置となる始動補助位置まで回転させるように、前記モーターを予め設定される設定トルクで逆転駆動して、この逆転駆動した前記モーターにより前記エンジンのクランクシャフトを逆回転させるとともに、前記エンジンを前記始動補助位置まで回転させたときに、前記モーターを停止して、前記ブレーキ機構により前記エンジンを前記始動補助位置に固定させて、
   前記エンジンの始動開始時に、前記ブレーキ機構による前記エンジンの前記始動補助位置への固定を解除するとともに、前記モーターを正転駆動して、この正転駆動した前記モーターにより前記クランクシャフトを正回転させることを特徴とする内燃機関の始動時制御方法。

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