JP2020125056A - スタータの異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スタータの異常判定が可能なスタータの異常判定装置を提供することを課題とする。【解決手段】内燃機関および電動機を駆動源とし、前記内燃機関を始動させるスタータを有するハイブリッド車両において、前記内燃機関を始動または停止させる際に前記スタータを駆動させたときの前記内燃機関の状態に基づいて前記スタータが異常であるか否か判定する判定部と、前記内燃機関を始動させる際に前記判定部が判定を行う場合、前記判定の後に前記電動機を用いて前記内燃機関を始動させる始動制御部と、を具備するスタータの異常判定装置。【選択図】図４

Description

本発明はスタータの異常判定装置に関する。

内燃機関の始動にはスタータを用いる。スタータの回転数に基づき、スタータの故障を検出することができる（例えば特許文献１）。

特開２０１２−０２３８１３号公報

内燃機関および電動機の少なくとも一方から得られる動力により走行するハイブリッド車両では、振動および騒音の抑制のため、内燃機関の始動に電動機を用いることがある。このためスタータの使用頻度が低下し、スタータの故障を検出することが困難となる。したがって、スタータを使用したいときにスタータの異常が判明する恐れがある。そこでスタータの異常判定が可能なスタータの異常判定装置を提供することを目的とする。

上記目的は、内燃機関および電動機を駆動源とし、前記内燃機関を始動させるスタータを有するハイブリッド車両において、前記内燃機関を始動または停止させる際に前記スタータを駆動させたときの前記内燃機関の状態に基づいて前記スタータが異常であるか否か判定する判定部と、前記内燃機関を始動させる際に前記判定部が判定を行う場合、前記判定の後に前記電動機を用いて前記内燃機関を始動させる始動制御部と、を具備するスタータの異常判定装置によって達成できる。

スタータの異常判定が可能なスタータの異常判定装置を提供できる。

図１はハイブリッド車両を例示する模式図である。 図２は内燃機関、ＭＧ、スタータ、ピニオンギヤおよびＥＣＵを抜き出した模式図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は第１実施形態におけるタイムチャートである。 図４はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。 図５は第２実施形態におけるタイムチャートである。 図６は第２実施形態におけるタイムチャートである。 図７はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。 図８はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。 図９（ａ）および図９（ｂ）は第３実施形態におけるタイムチャートである。 図１０はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。 図１１（ａ）および図１１（ｂ）は第４実施形態におけるタイムチャートである。 図１２はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態のスタータの異常判定装置について説明する。異常判定装置はハイブリッド車両に適用される。

（ハイブリッド車両）
図１はハイブリッド車両１を例示する模式図である。図１に示すように、ハイブリッド車両１は、内燃機関１０（エンジン）、モータジェネレータ（ＭＧ：Motor Generator）４および５を搭載し、駆動輪１ａおよび１ｂを有する。なお、駆動輪１ａおよび１ｂはそれぞれ１対あり、図１では省略している。ハイブリッド車両１は、不図示のバッテリが外部電源により充電可能なプラグインハイブリッド車両でもよい。

内燃機関１０は例えばガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンなどであり、燃料を燃焼させて動力を発生させる。内燃機関１０とＭＧ５とはダンパ３を介して互いに連結され、これらはＡＴ（Automatic Transmission）２およびディファレンシャルギヤ７ｂを介して駆動輪１ｂに連結される。ＭＧ４は、減速機８およびディファレンシャルギヤ７ａを介して駆動輪１ａに連結される。

内燃機関１０およびＭＧ５の動力が駆動輪１ｂに伝達され、ＭＧ４の動力が駆動輪１ａに伝達されることでハイブリッド車両１は走行する。内燃機関１０の動力によりＭＧ５が発電することで、不図示のバッテリを充電することができる。また、減速時にはＭＧ４によりエネルギーを回生しバッテリを充電する。

内燃機関１０の始動時にはＡＴ２のクラッチ２ａを開放することで、内燃機関１０とＭＧ５とがつながり、他の構成にはつながらない状態となる。ＭＧ５の動力が伝達することで内燃機関１０が始動する。なお、ハイブリッドシステムは動力分割機構を持つものでもよい。

（内燃機関）
図２は内燃機関１０、ＭＧ５、スタータ２０、ピニオンギヤ３０およびＥＣＵ５０を抜き出した模式図である。図２に示すように、内燃機関１０はシリンダヘッド１１とシリンダブロック１２とを有する。シリンダブロック１２の内部には、ピストン１４、コンロッド１５、およびクランクシャフト１６が収納されている。シリンダヘッド１１、シリンダブロック１２およびピストン１４により、内燃機関１０の内部に燃焼室１３が形成される。ピストン１４はコンロッド１５によりクランクシャフト１６に連結されている。

ピニオンギヤ３０はスタータ２０に連結され、電磁石の作用によりスラスト方向に移動可能である。ピニオンギヤ３０は移動することで内燃機関１０のクランクシャフト１６に設けられたフライホイールと噛み合う。スタータ２０はモータを含み、スタータ２０の回転力がピニオンギヤ３０を介してクランクシャフト１６に伝達されることで内燃機関１０が始動する。ＭＧ５の駆動力が内燃機関１０に伝達されることによっても、内燃機関１０の始動は可能である。

シリンダブロック１２に設けられたクランク角センサ１９はエンジンのクランク角を検出する。シリンダブロック１２には燃焼室１３を囲むウォータジャケット１７が設けられ、ウォータジャケット１７内に冷却水が貯留される。水温センサ２２は冷却水の温度（水温）を測定する。電流センサ２４はＭＧ５に入力される電流を検出する。電圧センサ２６はＭＧ５に入力される電圧を検出する。

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０（異常判定装置）はＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置等を備え、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１９が検出するクランク角を取得し、内燃機関１０の回転数を取得する。また、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０が停止したときのクランク角を記憶し、当該クランク角からピストン１４の停止位置を取得および記憶する。ＥＣＵ５０は、ピニオンギヤ３０の位置を制御し、例えばスラスト方向に移動（飛び込み）させることでピニオンギヤ３０とフライホイールとを噛み合わせ、また噛み合いを解除させる。

ＥＣＵ５０は、スタータ２０およびＭＧ５に入力される電流および電圧などを制御することで、スタータ２０およびＭＧ５の駆動を制御する。ＥＣＵ５０は、電流センサ２４が検出する電流、および電圧センサ２６が検出する電圧を取得し、これらの積としてＭＧ５が発生させる出力（ＭＧパワー）を算出する。ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の回転数およびＭＧパワーから内燃機関１０が発生させるトルクおよびエネルギーを推定する。

ＥＣＵ５０は、内燃機関１０の回転数およびトルクなどに基づいて、スタータ２０の異常を判定する判定部として機能する。またＥＣＵ５０は、スタータ２０またはＭＧ５を用いて内燃機関１０を始動させる始動制御部として機能する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は第１実施形態におけるタイムチャートであり、図３（ａ）はスタータ２０の正常時を例示し、図３（ｂ）はスタータ２０の異常時を例示する。各図において上段から順に、内燃機関１０の始動要求フラグ、スタータ２０の駆動状態、内燃機関１０の回転、スタータ２０の故障判定、ＭＧ５の駆動状態、内燃機関１０の始動判定を表す。

図３（ａ）に示すように、時間ｔ１において例えばドライバがイグニッションをオンにするなどすると、内燃機関１０の始動要求フラグがオンになり、ＥＣＵ５０はスタータ２０を駆動させる（オン）。このときピニオンギヤ３０は飛び込み、スタータ２０と内燃機関１０とを連結させる。スタータ２０が駆動後の時間ｔ２において内燃機関１０が回転している（オン）。つまり、スタータ２０の駆動により内燃機関１０が回転しており、スタータ２０は正常である。また、ＭＧ５が駆動することで時間ｔ３において内燃機関１０は始動する。なお、内燃機関１０の始動とは例えば回転数が所定の値以上になることである。

図３（ｂ）の例では、スタータ２０の駆動後に内燃機関１０が回転しない（オフ）。したがってスタータ２０は故障していると判定される。なお、時間ｔ４においてＭＧ５が駆動することで内燃機関１０は始動する。

図４はＥＣＵ５０が実行する制御を例示するフローチャートであり、内燃機関１０が停止状態から始動する際に行われる。まずＥＣＵ５０は、内燃機関１０の始動要求フラグがオンであるか否かを判定する（ステップＳ１０）。否定判定（Ｎｏ）の場合、ステップＳ１０が繰り返される。

肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ５０はスタータ２０の故障判定が実施済みであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。例えばハイブリッド車両１の走行距離が所定の距離に達するごと、または所定の時間が経過するごとに故障判定を行うものとする。つまり故障判定が未実施の状態における走行距離が所定の距離未満、または時間が所定の時間（数か月、数年など）未満ならば肯定判定である。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０は、ＭＧ５を駆動させて内燃機関１０を始動させる（ステップＳ２２）。

例えば走行距離が所定の距離以上、または時間が所定の時間以上ならば否定判定である。否定判定の場合、ＥＣＵ５０は、内燃機関１０が停止した際のピストン１４の停止位置を取得し、停止位置が所定の位置Ｐ０よりも上死点側か否か判定する（ステップＳ１４）。否定判定の場合、ＥＣＵ５０はステップＳ２２を行う。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０は、スタータ２０を駆動させる（ステップＳ１６、図３（ａ）および図３（ｂ）の時間ｔ１）。

ＥＣＵ５０は、スタータ２０駆動後に内燃機関１０が回転したか否かを判定する（ステップＳ１８）。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０はスタータ２０が正常であると判定する（ステップＳ２０、図３（ａ）の時間ｔ２）。その後、ＥＣＵ５０はＭＧ５を駆動させることにより内燃機関１０を始動させる（ステップＳ２２、図３（ａ）の時間ｔ３）。一方、ステップＳ１８において否定判定の場合、ＥＣＵ５０は内燃機関１０が回転しない状態で所定時間が経過したか否か判定する（ステップＳ２４）。否定判定の場合、ステップＳ１８が行われる。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０はスタータ２０が異常であると判定する（ステップＳ２６、図３（ｂ）の時間ｔ４）。その後、ＥＣＵ５０はステップＳ２２を行う。ステップＳ２２の後、制御は終了する。

第１実施形態によれば、ＥＣＵ５０はスタータ２０を駆動させたときの内燃機関１０の回転に基づいて、スタータ２０が異常であるか否かを判定する。内燃機関１０が回転していれば、スタータ２０は正常であると判定される。内燃機関１０が回転していなければ、スタータ２０は異常、すなわち故障していると判定される。さらに、ＥＣＵ５０はＭＧ５を駆動させることで内燃機関１０を始動させる。このようにＥＣＵ５０は、内燃機関１０始動の前にスタータ２０で内燃機関１０が回転するか判定する。これによりスタータ２０の故障判定が可能である。

例えば低温の環境などでは、ＥＣＵ５０はＭＧ５ではなくスタータ２０による始動を行うことがある。スタータ２０の故障判定が実施されず故障に気づかずにいると、内燃機関１０の始動が困難となる。第１実施形態によれば、ＭＧ５による始動を行う際にスタータ２０の故障判定を行うため、スタータ２０の正常・異常をあらかじめ知ることができる。スタータ２０が異常の場合、例えば警告灯などでドライバに通知してもよい。これによりドライバはあらかじめスタータ２０の交換などが可能である。なお、低温などではない通常の環境ではスタータ２０が正常でも異常でもＭＧ５により内燃機関１０は始動することができる。これによりスタータ２０による始動に比べて振動および音を抑制することができる。

ピストン１４の停止位置がＰ０より下死点側であり、かつスタータ２０の故障判定を行うと内燃機関１０の始動時間が長くなる。したがって停止位置がＰ０より下死点側ならばスタータ２０の故障判定は行わない。一方、停止位置がＰ０よりも上死点側にある場合、スタータ２０の故障判定を行う。これにより始動時間の長期化を抑止し、かつスタータ２０の故障判定が可能である。なお、ＥＣＵ５０は、図３（ａ）のようにスタータ２０の駆動後に内燃機関１０が少しでも回転していればスタータ２０は正常と判定してもよいし、回転数が所定の値に到達した場合に正常と判定してもよい。

（第２実施形態）
図１および図２の構成は第２実施形態にも共通である。第２実施形態において、以下のようにしてＥＣＵ５０は内燃機関１０が発生させるトルクＴｅを算出する。クランクシャフト１６の回転による運動エネルギーＫｃは、ＭＧ５が発生させるエネルギーＫｍｇと内燃機関１０が発生させるエネルギーＫｅｇとの和である。ＥＣＵ５０は、回転数に基づいてクランクシャフト１６の運動エネルギーＫｃを算出し、かつ電流および電圧に基づいてＭＧ５のエネルギーＫｍｇを算出する。ＥＣＵ５０は、ＫｃとＫｍｇとの差としてエネルギーＫｅｇを算出し、エネルギーＫｅｇを時間微分することで内燃機関１０が発生させるトルクＴｅを算出する。

図５および図６は第２実施形態におけるタイムチャートであり、図５はスタータ２０の正常時を例示し、図６はスタータ２０の異常時を例示する。各図において上段から順に、内燃機関１０の始動要求フラグ、スタータ２０の駆動状態、ピニオンギヤ３０の飛び込み、ＭＧ５の駆動状態、内燃機関１０が発生させるトルクＴｅ、スタータ２０の故障判定、内燃機関１０の始動判定を表す。

図５に示すように、時間ｔ５において始動要求フラグがオンになり、ＥＣＵ５０はスタータ２０を駆動させる。時間ｔ６においてピニオンギヤ３０は飛び込みを完了し（オン）、スタータ２０と内燃機関１０とが連結される。また、ピニオンギヤ３０の飛び込み完了直後にＭＧ５は駆動を開始する。スタータ２０の駆動後であってピニオンギヤ３０の飛び込み完了後である時間ｔ７付近にトルクＴｅは正の値である。すなわち、スタータ２０の駆動力が伝達することで内燃機関１０が回転して、正のトルクを発生させる。このためスタータ２０は正常であると判定される。また、ＭＧ５が駆動することで時間ｔ８において内燃機関１０は始動する。

図６の例では、スタータ２０の駆動後であってピニオンギヤ３０の飛び込み完了後にも関わらず、トルクＴｅは正の値にならず、フリクションの影響で負の値となる。したがってスタータ２０は故障していると判定される。

図７および図８はＥＣＵ５０が実行する制御を例示するフローチャートである。図７のステップＳ１０およびＳ１２は図４と同じである。始動要求フラグがオンの場合、ＥＣＵ５０は水温センサ２２から冷却水の温度Ｔｗを取得し、水温Ｔｗが閾値Ｔｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。否定判定の場合、ＥＣＵ５０は、ＭＧ５により内燃機関１０を始動させる（ステップＳ３０）。その後、制御は終了する。肯定判定の場合、内燃機関１０の暖機は完了している。ＥＣＵ５０はスタータ２０が故障判定済みであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２で肯定判定の場合、ＥＣＵ５０は、ＭＧ５により内燃機関１０を始動させ、制御は終了する。一方、ステップＳ１２で否定判定の場合、ＥＣＵ５０は、スタータ２０を駆動させる（ステップＳ１６、図５および図６の時間ｔ５）。

ＥＣＵ５０は、ピニオンギヤ３０の飛び込みが完了したか否かを判定する（ステップＳ１７）。否定判定の場合、ステップＳ１７が繰り返される。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０はＭＧ５を駆動させる（ステップＳ３２、時間ｔ６）。

図８に示すように、ＥＣＵ５０は内燃機関１０が発生させるトルクＴｅを算出し（ステップＳ３４）、トルクＴｅが０より大きいか否かを判定する（ステップＳ３６）。肯定判定、すなわちトルクＴｅが正ならば、ＥＣＵ５０はスタータ２０が正常であると判定する（ステップＳ３８、図５の時間ｔ７）。否定判定、すなわちトルクＴｅが０以下ならば、ＥＣＵ５０はスタータ２０が異常であると判定する（ステップＳ４０、図６）。ステップＳ３８またはＳ４０の後、制御は終了する。なお、ＭＧ５が駆動することで内燃機関１０は始動する。

第２実施形態によれば、スタータ２０で内燃機関１０に正のトルクが発生するか判定することで、スタータ２０の故障判定が可能である。また、故障判定中にＭＧ５が駆動するため、内燃機関１０が迅速に始動する。したがって始動時間の長期化が抑制される。

ピニオンギヤ３０の飛び込みが完了してからＭＧ５を駆動させることが好ましい。ＭＧ５により内燃機関１０が回転してからピニオンギヤ３０を移動させるとギヤが衝突し噛み合いが困難になる恐れがある。なお、ピニオンギヤ３０が常にフライホイールと噛み合う場合、図７のステップＳ１７は実施しなくてよい。

水温Ｔｗが閾値Ｔｔｈ未満においてＥＣＵ５０はスタータ２０の故障判定を行ってもよい。しかしフリクションが大きいためトルクＴｅの誤差が大きくなり、故障判定の精度が低下する。内燃機関１０の暖機後には暖機前に比べてフリクションが低下するため、トルクＴｅの誤差が小さくなり、故障判定の精度が向上する。したがって水温Ｔｗが閾値Ｔｔｈ以上になってから故障判定を行うことが好ましい。

（第３実施形態）
図１および図２の構成は第３実施形態にも共通である。第３実施形態においては内燃機関１０の停止時にスタータ２０の故障判定を行う。

図９（ａ）および図９（ｂ）は第３実施形態におけるタイムチャートである。図９（ａ）はスタータ２０の正常時を例示し、図９（ｂ）はスタータ２０の異常時を例示する。各図において上段から順に内燃機関１０の停止要求フラグ、スタータ２０の駆動状態、内燃機関１０の回転、スタータ２０の故障判定を表す。

図９（ａ）に示すように、例えばイグニッションのオフなどドライバから内燃機関１０の停止要求があると、時間ｔ９において停止要求フラグがオンになり、ＥＣＵ５０はスタータ２０を駆動させる。このときピニオンギヤ３０はスタータ２０と内燃機関１０とを連結させる。スタータ２０駆動後の時間ｔ１０において内燃機関１０が回転している。したがってスタータ２０は正常である。図９（ｂ）の例では、スタータ２０の駆動後、時間ｔ１１になっても内燃機関１０が回転しない。したがってスタータ２０は故障していると判定される。

図１０はＥＣＵ５０が実行する制御を例示するフローチャートであり、内燃機関１０が運転状態から停止する際に行われる。まずＥＣＵ５０は、内燃機関１０の停止要求フラグがオンであるか否かを判定する（ステップＳ１３）。否定判定の場合、ステップＳ１３が繰り返される。

肯定判定の場合、図４と共通の処理であるステップＳ１２、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２４およびＳ２６が行われる。ＥＣＵ５０はスタータ２０の故障判定が実施済みであるか否かを判定する（ステップＳ１２）。肯定判定の場合、制御は終了する。否定判定の場合、ＥＣＵ５０は、スタータ２０を駆動させる（ステップＳ１６、図９（ａ）および図９（ｂ）の時間ｔ９）。

ＥＣＵ５０は、スタータ２０駆動後に内燃機関１０が回転したか否かを判定する（ステップＳ１８）。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０はスタータ２０が正常であると判定する（ステップＳ２０、図９（ａ）の時間ｔ１０）。否定判定の場合、ＥＣＵ５０は内燃機関１０が回転しない状態で所定時間が経過したか否か判定する（ステップＳ２４）。否定判定の場合、ステップＳ１８が行われる。肯定判定の場合、ＥＣＵ５０はスタータ２０が異常であると判定する（ステップＳ２６、図９（ｂ）の時間ｔ１１）。以上で制御は終了する。第３実施形態によれば、内燃機関１０の停止時においてスタータ２０の故障判定が可能となる。

（第４実施形態）
図１および図２の構成は第４実施形態にも共通である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は第４実施形態におけるタイムチャートである。図１１（ａ）はスタータ２０の正常時を例示し、図１１（ｂ）はスタータ２０の異常時を例示する。各図において上段から順に内燃機関１０の停止要求フラグ、スタータ２０の駆動状態、内燃機関１０が発生させるトルクＴｅ、スタータ２０の故障判定を表す。

図１１（ａ）に示すように、時間ｔ１２において停止要求フラグがオンになり、ＥＣＵ５０はスタータ２０を駆動させる。スタータ２０駆動後の時間ｔ１３付近において内燃機関１０のトルクＴｅは正の値である。このためスタータ２０は正常であると判定される。図１１（ｂ）の例では、スタータ２０の駆動後、時間ｔ１４になってもトルクＴｅは正の値にならず０である。したがってスタータ２０は故障していると判定される。

図１２はＥＣＵ５０が実行する制御を例示するフローチャートであり、内燃機関１０が運転状態から停止する際に行われ、図１０と同じステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１６、図８と同じステップＳ３４からＳ４０を含む。すなわち、トルクＴｅが正ならば、ＥＣＵ５０はスタータ２０が正常であると判定する（ステップＳ３８）。トルクＴｅが０以下ならば、ＥＣＵ５０はスタータ２０が異常であると判定する（ステップＳ４０）。第４実施形態によれば、内燃機関１０の停止時にスタータ２０の故障判定が可能である。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ ハイブリッド車両
１ａ、１ｂ 駆動輪
２ ＡＴ
２ａ クラッチ
３ ダンパ
４、５ ＭＧ
７ａ、７ｂ ディファレンシャルギヤ
８ 減速機
１０ 内燃機関
１１ シリンダヘッド
１２ シリンダブロック
１４ ピストン
１５ コンロッド
１６ クランクシャフト
１７ ウォータジャケット
１９ クランク角センサ
２０ スタータ
２２ 水温センサ
２４ 電流センサ
２６ 電圧センサ
３０ ピニオンギヤ
５０ ＥＣＵ

Claims (1)

1. 内燃機関および電動機を駆動源とし、前記内燃機関を始動させるスタータを有するハイブリッド車両において、
   前記内燃機関を始動または停止させる際に前記スタータを駆動させたときの前記内燃機関の状態に基づいて前記スタータが異常であるか否か判定する判定部と、
   前記内燃機関を始動させる際に前記判定部が判定を行う場合、前記判定の後に前記電動機を用いて前記内燃機関を始動させる始動制御部と、を具備するスタータの異常判定装置。

Images