JP2019138291A - 内燃機関の電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベルトの異音発生を抑制可能にした内燃機関の電動機制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、クランクシャフトに設けられたクランクプーリ２０と、モータジェネレータ９０と、モータジェネレータ９０の回転軸に設けられたモータプーリ５０と、クランクプーリ２０及びモータプーリ５０に巻き掛けられたベルト７０と、モータジェネレータ９０の上流側に位置するベルト７０に張力を付与する第１テンショナプーリ３１０と、モータジェネレータ９０の下流側に位置するベルト７０に張力を付与する第２テンショナプーリ３５０とを備える。制御装置１００は、モータジェネレータ９０を駆動して機関を始動する際に、モータジェネレータ９０の出力トルクをランプ状に増大させるソフトスタート処理を実行するとともに、ソフトスタート処理を一旦中断してモータジェネレータ９０の出力トルクを一定のトルクに保持するトルク保持処理を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の電動機制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、クランクシャフトに設けられたクランクプーリと、電動機と、電動機の回転軸に設けられた電動機プーリと、クランクプーリ及び電動機プーリに巻き掛けられたベルトと、ベルトに張力を付与するテンショナプーリとを備える内燃機関が開示されている。

この内燃機関では、電動機を駆動して機関を始動する際に、電動機の出力トルクをランプ状に増大させる（時間経過と共に直線状に出力トルクを増大させる）ソフトスタート処理を実行することにより、電動機の起動直後にベルトの張力が大きく変動することを抑えるようにしている。

特開２００３−３２８９１１号公報

ところで、ベルトの送り方向において電動機プーリの上流側に位置するベルトに張力を付与する第１テンショナプーリと、同じく送り方向において電動機プーリの下流側に位置するベルトに張力を付与する第２テンショナプーリとを備える内燃機関において上記ソフトスタート処理を実行すると、以下の不都合の発生が懸念される。

すなわち、ソフトスタート処理が開始されて電動機の出力トルクが増加していくと、電動機プーリの上流側に位置するベルトは張られていき、第１テンショナプーリはベルトの外側に向かって移動していく。この第１テンショナプーリの移動により上流側のベルトには適切な張力が付与される。また、電動機プーリの下流側に位置するベルトは逆に緩んでいき、第２テンショナプーリはベルトの内側に向かって移動していく。この第２テンショナプーリの移動により下流側のベルトにも適切な張力が付与される。

そして、第１テンショナプーリが可動限界位置にまで移動する、あるいはベルトに付与される第１テンショナプーリの付勢力とベルトの張力とが釣り合うなどすると、ベルトの外側に向かっていた第１テンショナプーリの移動は収まり、ベルトを介して回転されるクランクプーリの回転速度は増加していく。

ここで、電動機の出力トルクが増加している最中に第１テンショナプーリの移動が収まると、瞬間的ではあるものの、電動機プーリの下流側に位置するベルトが第２テンショナプーリから離れてしまうことがある。このようにして第２テンショナプーリからベルトが離れてしまうと、離れたベルトが再び第２テンショナプーリに接触したときに異音（叩き音）が発生するおそれがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ベルトの異音発生を抑制可能にした内燃機関の電動機制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の電動機制御装置は、クランクシャフトに設けられたクランクプーリと、電動機と、前記電動機の回転軸に設けられた電動機プーリと、前記クランクプーリ及び前記電動機プーリに巻き掛けられたベルトと、前記ベルトの送り方向において前記電動機プーリの上流側に位置する前記ベルトに張力を付与する第１テンショナプーリと、前記ベルトの送り方向において前記電動機プーリの下流側に位置する前記ベルトに張力を付与する第２テンショナプーリと、を備える内燃機関に適用されて、前記電動機の駆動を制御する。この制御装置は、前記電動機を駆動して機関を始動する際に、前記電動機の出力トルクをランプ状に増大させるソフトスタート処理を実行するとともに、前記ソフトスタート処理の実行途中に当該ソフトスタート処理を一旦中断して前記出力トルクを一定のトルクに保持するトルク保持処理を実行する。

同構成によれば、上述したソフトスタート処理の実行途中に上記トルク保持処理が実行されて電動機の出力トルクが一定のトルクに保持されることにより、同電動機の出力トルク増加は一旦中断される。この出力トルクの増加を中断させるトルク保持処理の実行時期を、ソフトスタート処理の開始に伴う第１テンショナプーリの移動が収まる時期に合わせることにより、電動機プーリの下流側に位置するベルトが瞬間的に第２テンショナプーリから離れることが抑えられる。そのため、離れたベルトが再び第２テンショナプーリに接触するという状態になりにくく、その結果、ベルトの異音発生を抑えることができるようになる。

一実施形態にかかる電動機制御装置及び内燃機関を示す模式図。 同実施形態における始動時制御の処理手順を示すフローチャート。 同実施形態における始動時のモータトルクの推移を示すタイミングチャート。 同実施形態の始動時におけるモータプーリ周りの状態を示す模式図。 同実施形態の始動時におけるベルト張力の変動を示すグラフ。

以下、内燃機関の電動機制御装置を具体化した一実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態の内燃機関１０は、いわゆるマイルドハイブリッド車両に搭載される内燃機関であって、所定の自動始動条件が成立すると、後述のモータジェネレータ９０が力行作動されることにより、内燃機関１０の自動始動が実施される。また、車両の低速走行時や、加速時にもモータジェネレータ９０は力行作動されてクランクシャフトの回転を補助する。また、車両の減速時などには、モータジェネレータ９０は回生作動されて発電を行う。

図１に示すように、内燃機関１０のクランクシャフトには、クランクプーリ２０が固定されている。内燃機関１０のウォータポンプの回転軸には、ウォータポンププーリ４０が固定されている。電動機である上記モータジェネレータ９０の回転軸には、電動機プーリであるモータプーリ５０が固定されている。エアコンディショナの圧縮機の回転軸には、エアコンプーリ６０が固定されている。

そして、クランクプーリ２０、ウォータポンププーリ４０、モータプーリ５０、エアコンプーリ６０の順にベルト７０が巻き掛けられている。なお、本実施形態では、クランクプーリ２０とウォータポンププーリ４０との間のベルト７０にアイドラプーリ３０が巻き掛けられており、また、ベルト７０の送り方向は、図１において右回り（図１に示す矢印Ｒ方向）になっている。

モータプーリ５０に巻き掛けられているベルト７０には、テンショナ３００によって所定の張力が付与されている。このテンショナ３００は、ベルト７０の送り方向においてモータプーリ５０の上流側に位置するベルト７０（より詳細にはモータプーリ５０とウォータポンププーリ４０との間のベルト７０）に張力をかける第１テンショナプーリ３１０を備えている。この第１テンショナプーリ３１０は、中央付近に設けられた第１軸３３０によって回動可能に支持された第１アーム３２０の先端に回転可能に支持されている。

また、テンショナ３００は、ベルト７０の送り方向においてモータプーリ５０の下流側に位置するベルト７０（より詳細にはモータプーリ５０とエアコンプーリ６０との間のベルト７０）に張力をかける第２テンショナプーリ３５０を備えている。この第２テンショナプーリ３５０は、中央付近に設けられた第２軸３７０によって回動可能に支持された第２アーム３６０の先端に回転可能に支持されている。

そして、第１アーム３２０において第１テンショナプーリ３１０が配設された端部の反対側の端部と、第２アーム３６０において第２テンショナプーリ３５０が配設された端部の反対側の端部とは、それら各端部を離す方向に付勢するスプリング３８０で繋がっている。このスプリング３８０の付勢力により、第１テンショナプーリ３１０及び第２テンショナプーリ３５０は互いに近づくように付勢されており、これによりモータプーリ５０の上流側に位置するベルト７０及びモータプーリ５０の下流側に位置するベルト７０には、トルク伝達を行う上で最適な張力が付与されている。

制御装置１００は、内燃機関１０を制御対象とし、内燃機関の各種操作対象機器（燃料噴射弁など）を操作することによって、内燃機関１０の各種制御を実施する。また、制御装置１００は、上記モータジェネレータ９０に接続された駆動回路９５を制御することにより、モータジェネレータ９０の力行作動や回生作動といった電動機制御を実施する。

制御装置１００は、各種制御を実施する際、クランク角センサ２１０の出力信号Ｓｃｒから算出される機関回転速度ＮＥを参照する。また、制御装置１００は、アクセルセンサ２２０によって検出されるアクセルペダルの操作量であるアクセル操作量ＡＣＣＰや、圧力センサ２３０によって検出される車両用ブレーキのマスタシリンダ内の液圧であるブレーキ圧ＢＰを参照する。制御装置１００は、ＣＰＵ１１０、ＲＯＭ１２０及びＲＡＭ１３０を備えており、ＲＯＭ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することにより、内燃機関１０の各種制御を実行する。

制御装置１００は、上記モータジェネレータ９０による機関の自動始動時において、以下の始動時制御を実行する。すなわち、制御装置１００は、機関の自動始動時において、モータジェネレータ９０の出力トルク（以下、モータトルクという）をランプ状に増大させるソフトスタート処理を実行するとともに、ソフトスタート処理の実行途中に当該ソフトスタート処理を一旦中断してモータトルクを一定のトルクに保持するトルク保持処理を実行する。

以下、上記ソフトスタート処理及び上記トルク保持処理を実行する本実施形態の始動時制御について詳細を説明する。
図２に、制御装置１００が実行する上記始動時制御の処理手順を示す。この図２に示す処理は、ＲＯＭ１２０に記憶されたプログラムをＣＰＵ１１０が実行することにより実現される。なお、図２に示す処理は、所定条件の成立によって機関の自動停止が実行されている間、所定周期毎に繰り返し実行される。また、以下では、先頭に「Ｓ」を付与した数字によってステップ番号を表現する。

図２に示す処理を開始すると、制御装置１００は、自動始動要求があるか否かを判定する（Ｓ１００）。このＳ１００の処理では、機関の自動停止が実行されている状態において、例えばアクセル操作量ＡＣＣＰが規定値以上になった場合やブレーキ圧ＢＰの低下量が規定量以上になった場合に、自動始動要求があると判定される。そして自動始動要求がないときには（Ｓ１００：ＮＯ）、本処理は一旦終了される。

一方、自動始動要求があるときには（Ｓ１００：ＹＥＳ）、制御装置１００は、モータジェネレータ９０のソフトスタート処理を実行する（Ｓ１１０）。このソフトスタート処理は、モータジェネレータ９０のモータトルクをランプ状に増大させる、つまり時間経過と共に直線状にモータトルクを増大させる処理であり、こうしたモータトルクの制御は、制御装置１００が駆動回路９５を通じてモータジェネレータ９０の力行作動を制御することによって実施される。

次に、制御装置１００は、Ｓ１１０にてソフトスタート処理を開始してから第１期間ＰＤ１が経過したか否かを判定する（Ｓ１２０）。そして、第１期間ＰＤ１がまだ経過していないときには（Ｓ１２０：ＮＯ）、Ｓ１２０にて肯定判定されるまで、制御装置１００はＳ１２０の処理を繰り返す。

一方、第１期間ＰＤ１が経過したと判定される場合には（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、制御装置１００は、現在実行中のソフトスタート処理を一旦中断して、モータトルクを一定のトルクに保持するトルク保持処理を実行する（Ｓ１３０）。このトルク保持処理では、ソフトスタート処理を中断した時点のモータトルクが予め定めた第２期間ＰＤ２の間保持される。

次に、制御装置１００は、Ｓ１３０にてトルク保持処理を開始してから第２期間ＰＤ２が経過したか否かを判定する（Ｓ１４０）。そして、第２期間ＰＤ２がまだ経過していないときには（Ｓ１４０：ＮＯ）、Ｓ１４０にて肯定判定されるまで、制御装置１００はＳ１４０の処理を繰り返す。

一方、第２期間ＰＤ２が経過したと判定される場合には（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、制御装置１００は、トルク保持処理を中止して、ソフトスタート処理を再開する（Ｓ１５０）。このＳ１５０にてソフトスタート処理が再開されると、モータトルクは、トルク保持処理にて保持されていたモータトルクから始動時最大トルクに向けてランプ状に増大されている。

次に、制御装置１００は、内燃機関１０が完爆したか否か、つまり機関の自動始動が完了したか否かを判定する（Ｓ１６０）。ちなみに、完爆したか否かの判定は、例えば機関回転速度ＮＥが所定の完爆判定速度以上になったことをもって完爆したと判定することができる。そして、いまだ完爆していないときには（Ｓ１６０：ＮＯ）、Ｓ１６０にて肯定判定されるまで、制御装置１００はＳ１６０の処理を繰り返す。

一方、完爆したと判定される場合には（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、制御装置１００は、モータ駆動を停止する、つまりモータジェネレータ９０のモータトルクが「０」になるように駆動回路９５を制御して（Ｓ１７０）、その後、本処理を一旦終了する。

次に、上記始動時制御の作用を説明する。
図３に示すように、制御装置１００は、内燃機関１０の自動始動要求があると（時刻ｔ１）、モータジェネレータ９０の出力トルク（以下、モータトルクといい、図３において実線Ｌ１で示す）を「０」から始動時最大トルクに向けてランプ状に増大させる、つまり時間経過と共に直線状にモータトルクを増大させるソフトスタート処理を開始する。なお、始動時最大トルクは、自動始動時においてモータジェネレータ９０から出力されるモータトルクの最大値であり、機関始動に必要な速度にまでクランクプーリ２０の回転速度を高めるために必要なモータトルクになっている。

図４に示すように、ソフトスタート処理が開始されてモータトルクが増加していくと、モータジェネレータ９０の上流側に位置するベルト７０は張られていくため、第１テンショナプーリ３１０はベルト７０の外側方向（図３に示す矢印Ｄ１方向）に向かって移動していく。この第１テンショナプーリ３１０の移動により上流側のベルト７０には適切な張力が付与される。また、ソフトスタート処理が開始されてモータトルクが増加していくと、モータジェネレータ９０の下流側に位置するベルト７０は逆に緩んでいくため、第２テンショナプーリ３５０はベルト７０の内側方向（図３に示す矢印Ｄ２方向）に向かって移動していく。この第２テンショナプーリ３５０の移動により下流側のベルト７０にも適切な張力が付与される。

そして、時刻ｔ１においてソフトスタート処理を開始してから所定時間が経過すると、第１テンショナプーリ３１０が可動限界位置にまで移動する、あるいはベルト７０に付与される第１テンショナプーリ３１０の付勢力とベルト７０の張力とが釣り合うなどして、ベルト７０の外側方向（矢印Ｄ１方向）に向かっていた第１テンショナプーリ３１０の移動が収まる（止まる）。こうして第１テンショナプーリ３１０の移動が収まると、ベルト７０を介して回転されるクランクプーリ２０の回転速度は、モータトルクの増大に伴って増加していく。なお、本実施形態では、時刻ｔ１においてソフトスタート処理を開始してから第１テンショナプーリ３１０の移動が収まるまでの上記所定時間が予め計測されており、その計測された値が上記第１期間ＰＤ１として設定されている。

ここで、モータジェネレータ９０のモータトルクが増加している最中に第１テンショナプーリ３１０の移動が止まると、図４に一点鎖線Ｌ３で示すように、瞬間的ではあるものの、モータジェネレータ９０の下流側に位置するベルト７０が第２テンショナプーリ３５０から離れてしまうことがある。このようにして第２テンショナプーリ３５０からベルト７０が離れてしまうと、離れたベルト７０が再び第２テンショナプーリ３５０に接触したときに異音（叩き音）が発生するおそれがある。

この点、本実施形態では、時刻ｔ１においてソフトスタート処理を開始してから上記第１期間ＰＤ１が経過した時点で、制御装置１００は、ソフトスタート処理を一旦中断してモータトルクを一定のトルクに保持するトルク保持処理を開始する（図３の時刻ｔ２）。このトルク保持処理では、ソフトスタート処理を中断した時点のモータトルク（時刻ｔ２の時点におけるモータトルク）が第２期間ＰＤ２の間保持される。

このようにモータトルクの増加を中断させるトルク保持処理の実行時期を、第１テンショナプーリ３１０の移動が収まる時期に合わせることにより、モータジェネレータ９０の下流側に位置するベルト７０が瞬間的に第２テンショナプーリ３５０から離れることが抑えられる。そのため、離れたベルト７０が再び第２テンショナプーリ３５０に接触するという状態になりにくく、その結果、ベルト７０の異音発生が抑えられる。

なお、本実施形態では、モータジェネレータ９０の下流側に位置するベルト７０が瞬間的に第２テンショナプーリ３５０から離れることを抑えるために必要な上記トルク保持処理の実行期間についてその最適値が予めの実験等を通じて求められており、同最適値が上記第２期間ＰＤ２として設定されている。

そして、図３に示すように、第２期間ＰＤ２が経過すると（時刻ｔ３）、制御装置１００は、トルク保持処理を中止して、ソフトスタート処理を再開することにより、トルク保持処理にて保持されていたモータトルクを始動時最大トルクに向けてランプ状に増大させていく。そして、モータトルクが始動時最大トルクに達すると（時刻ｔ４）、制御装置１００は、内燃機関１０が完爆するまで、モータジェネレータ９０のモータトルクを始動時最大トルクに保持することにより、クランクプーリ２０は機関始動に必要な速度で回転する。

以上説明した本実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（１）モータジェネレータ９０を駆動して内燃機関１０を始動する際、上記ソフトスタート処理の実行途中に当該ソフトスタート処理を一旦中断してモータトルクを一定のトルクに保持するトルク保持処理を実行するようにしている。そのため、上述したようにベルト７０の異音発生を抑えることができる。

（２）また、本実施形態では、自動始動時において上述したソフトスタート処理を実行するために、自動始動の開始直後におけるモータトルクの増大が緩やかになる。そのため、図３において二点鎖線Ｌ２にて示すように自動始動の開始直後からモータトルクを急速に始動時最大トルクにまで高める場合と比較して、自動始動の開始直後におけるモータジェネレータ９０の消費電力を低減することができる。

（３）図５に、モータジェネレータ９０の上流側に位置するベルト７０の自動始動開始直後における張力を示す。なお、図５に示す実線Ｌ１は本実施形態における同ベルト７０の張力を示す。一方、図５に示す二点鎖線Ｌ２は、図３において二点鎖線Ｌ２にて示したように自動始動の開始直後からモータトルクを急速に始動時最大トルクにまで高める場合の同ベルト７０の張力を示す。

上述したように、本実施形態では、自動始動時に上述したソフトスタート処理を実行する。そのため、図３において二点鎖線Ｌ２にて示した上記の始動態様と比較して、自動始動の開始直後においてモータプーリ５０とクランクプーリ２０の周速（プーリの外周が１秒間に移動する距離）の差が急激に増大することが抑えられる。そのため、本実施形態では図５に実線Ｌ１にて示すように、同図５に二点鎖線Ｌ２にて示す場合と比較して、自動始動の開始直後において、モータジェネレータ９０の上流側に位置するベルト７０の張力を低くすることができる。従って、例えばベルト７０の耐久性が低下することを抑えることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、図３に示したように、時刻ｔ４以降、モータジェネレータ９０のモータトルクを始動時最大トルクに保持するようにした。この他、モータトルクが始動時最大トルクに達した以降（時刻ｔ４以降）、モータトルクを低下させても、クランクプーリ２０の回転速度を十分に維持することができるのであれば、時刻ｔ４以降のモータトルクを始動時最大トルクよりも小さいトルクにしてもよい。

・図１に示した各プーリの配置や、プーリを備える補機の種類は適宜変更することができる。

１０…内燃機関、２０…クランクプーリ、２２…スタータギヤ、３０…アイドラプーリ、４０…ウォータポンププーリ、５０…モータプーリ、６０…エアコンプーリ、７０…ベルト、９０…モータジェネレータ、９５…駆動回路、１００…制御装置、１１０…ＣＰＵ、１２０…ＲＯＭ、１３０…ＲＡＭ、２１０…クランク角センサ、２２０…アクセルセンサ、２３０…圧力センサ、３００…テンショナ、３１０…第１テンショナプーリ、３２０…第１アーム、３３０…第１軸、３５０…第２テンショナプーリ、３６０…第２アーム、３７０…第２軸、３８０…スプリング。

Claims (1)

1. クランクシャフトに設けられたクランクプーリと、電動機と、前記電動機の回転軸に設けられた電動機プーリと、前記クランクプーリ及び前記電動機プーリに巻き掛けられたベルトと、前記ベルトの送り方向において前記電動機プーリの上流側に位置する前記ベルトに張力を付与する第１テンショナプーリと、前記ベルトの送り方向において前記電動機プーリの下流側に位置する前記ベルトに張力を付与する第２テンショナプーリと、を備える内燃機関に適用されて、前記電動機の駆動を制御する制御装置であって、
   前記電動機を駆動して機関を始動する際に、前記電動機の出力トルクをランプ状に増大させるソフトスタート処理を実行するとともに、前記ソフトスタート処理の実行途中に当該ソフトスタート処理を一旦中断して前記出力トルクを一定のトルクに保持するトルク保持処理を実行する
   内燃機関の電動機制御装置。