JP2023040863A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドルストップ機能を有する車両における、車載の蓄電装置の蓄電量の欠乏を抑制する。【解決手段】車両に搭載される内燃機関、及びこれと接続し内燃機関からエンジントルクの供給を受けて発電する発電機を制御するものであり、停止している内燃機関を冷間始動する場合に比して、アイドルストップから再始動する場合には、発電機による発電電力の単位時間あたりの増加量を大きくする制御装置を構成した。これによれば、内燃機関のアイドルストップの頻度が高い場合に、蓄電装置からの放電が累積してその蓄電量が大きく減少する問題を回避することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載される内燃機関及びこれと接続している発電機を制御する制御装置に関する。

停止していた内燃機関を始動する際には、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを電動機により回転駆動しつつ、インジェクタから燃料を噴射してこれを気筒において燃焼させ、クランクシャフトの回転を加速するクランキング（モータリング）を実行する。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度即ちエンジン回転数が内燃機関の冷却水温等に応じて定まる完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する（例えば、下記特許文献１を参照）。

また、信号待ち等による車両の停車中に、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施することも知られている（例えば、下記特許文献２を参照）。既存のアイドリングストップシステムでは、現在の車速が所定値以下で、ブレーキペダルが踏まれており、車両が所在する路面の勾配が大きくなく、内燃機関の温度及び車載バッテリの電圧が十分に高い、等といった諸条件がおしなべて成立したときに、内燃機関を停止させる。アイドルストップ中、運転者がブレーキペダルから足を離すか、アクセルペダルを踏み込む等の再始動要求があったときには、内燃機関を再始動する。

特開２０１７－００８８６５号公報 特開２０１６－１１３９０９号公報

内燃機関には、補機として発電機（オルタネータ）が付随している。発電機は、内燃機関の出力するエンジントルクの少なくとも一部の供与を受けて駆動され、発電を実行して車載の蓄電装置、典型的には鉛バッテリを充電する。蓄電装置に蓄えた電力は、車両の電装系の各種電気負荷に、そして勿論内燃機関をクランキングする電動機にも供給される。

内燃機関に連れ回されて発電する発電機は、内燃機関から見れば機械的な負荷になる。そこで、内燃機関の始動直後の時期には、発電機による発電電力、換言すれば発電機の出力電圧をゆっくりと増大させる徐励制御を実施して、始動直後におけるエンジン回転数の不当な低落を回避するようにしている。

従来の制御では、内燃機関の冷間始動時であるか、アイドルストップからの再始動時であるかにかかわらず、同様の徐励制御を行っていた。だが、アイドルストップ後の再始動では、内燃機関及び駆動系の暖機が既に完了しており、冷間始動と比較して摩擦損失（フリクションロス）が小さく、エンジン回転数の低落が起こりにくい。

にもかかわらず、冷間始動時と同じように発電量を抑制していることから、アイドルストップの頻度が高い場合に、蓄電装置からの放電が累積して、その蓄電量が大きく減少しかねないという問題が生じる。蓄電装置は、常に適正な充電状態にあることが理想である（鉛バッテリであれば、常に満充電に近い状態にあることが望ましい）。蓄電量の減少は、蓄電装置の寿命を短命化させ得る。また、蓄電装置の蓄電量が不足すると、内燃機関の出力を増強して発電及び充電を実行することとなるので、車両の実用燃費性能を損なう懸念もある。

本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、アイドルストップ機能を有する車両における、車載の蓄電装置の蓄電量の欠乏を抑制することを所期の目的としている。

本発明では、車両に搭載される内燃機関、及びこれと接続し内燃機関からエンジントルクの供給を受けて発電する発電機を制御するものであり、停止している内燃機関を冷間始動する場合に比して、アイドルストップから再始動する場合に、発電機による発電電力の単位時間あたりの増加量を大きくする制御装置を構成した。

本発明によれば、アイドルストップ機能を有する車両における、車載の蓄電装置の蓄電量の欠乏を抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の制御装置が設定する、内燃機関の始動直後の発電機の徐励期間の長さを示す図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（例えば、四気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気バルブよりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、排気通路４を流通するガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよく、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するＯ₂センサであってもよい。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

本実施形態の内燃機関には、各気筒１の少なくとも吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構５が付帯している。吸気ＶＶＴ機構５は、例えば、各気筒１の吸気バルブを駆動する吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧（潤滑油圧）によって変化させるベーン式のものや、電動機によって変化させる電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。周知の通り、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトは、クランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット若しくはプーリに巻き掛けるタイミングチェーン（または、ベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。

加えて、内燃機関に、各気筒１の排気バルブの開閉タイミングを可変制御できる排気ＶＶＴ機構が付帯していることもある。排気バルブタイミングを調節するためのＶＶＴ機構もまた、例えば、各気筒１の排気バルブを駆動する排気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧や電動機によって変化させるものである。このＶＶＴ機構は存在しないことがあり、その場合、排気バルブタイミングは不変である。

本実施形態の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、内燃機関のクランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号ｂ、車両の運転者が操作するアクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求されるエンジン負荷率またはエンジントルク）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１に連なる吸気通路３（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、運転者が操作するブレーキペダルの踏込量を検出するセンサまたはマスタシリンダから吐出されるブレーキ作動液の圧力であるマスタシリンダ圧を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、車両が所在している路面の勾配を検出する傾斜角センサ（または、加速度センサ）から出力される傾斜角（または、加速度）信号ｈ、車載の蓄電装置の現在の蓄電量を示唆する端子電圧または電流の大きさを示す信号ｐ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構５に対して吸気バルブの開閉タイミングの制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｐを入力インタフェースを介して取得し、気筒１に吸入される空気量に見合った（目標空燃比を具現し得るような）要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング（一度の燃焼に対する点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ量（または、吸気に占めるＥＧＲガスの割合であるＥＧＲ率）、吸気バルブタイミング等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍ、ｏ、ｑを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、所定のアイドルストップ条件が成立したときに、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実行する。ＥＣＵ０は、ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧が所定値以上であり（ブレーキペダルが踏まれた）、内燃機関の冷却水温が所定以上に高く、車載の蓄電装置の充電量または端子電圧が所定以上に高く、シフトレンジが走行レンジであり、車両が所在している路面の勾配の絶対値が所定以下であり、ブレーキブースタが蓄えている負圧の大きさが所定値以上であり、前回のアイドルストップ終了からある車速（例えば、１０ｋｍ／ｈ）以上まで加速した経歴があり、かつ現在の車速がある車速（例えば、９ｋｍ／ｈ）以下である、等といった諸条件がおしなべて成立したことを以て、アイドルストップ条件が成立したものと判断する。

アイドルストップ条件の成立後、所定のアイドルストップ終了条件が成立したときには、内燃機関を再始動する。ＥＣＵ０は、ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧が０または０に近い最低値未満となった（ブレーキペダルが踏まれなくなった）、逆にブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧がさらに増大した（ブレーキペダルがさらに強く踏み込まれた）、アクセル開度が増大した（アクセルペダルが踏まれた）、ブレーキブースタが蓄えている負圧の大きさが所定値未満に低下した、アイドルストップ状態で所定時間（例えば、３分）が経過した、等のうち何れかを以て、アイドルストップ終了条件が成立したものと判断する。

停止した内燃機関を始動（アイドリングストップからの復帰だけでなく冷間始動を含む）するにあたり、ＥＣＵ０は、電動機（例えば、スタータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））に制御信号ｏを入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転駆動しながら、インジェクタ１１から燃料を噴射し、点火プラグ１２により火花点火して燃料を燃焼させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が完爆判定値を超えたときに、完爆して始動が完了したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる完爆判定値は、内燃機関の温度等に応じて上下し得る。基本的には、内燃機関の冷却水温が低いほど完爆判定値を高く引き上げる。

内燃機関には、補機として発電機（オルタネータ）が付随している。発電機は、内燃機関の出力するエンジントルクの少なくとも一部の供与を受けて駆動され、発電を実行して車載の蓄電装置を充電する。蓄電装置は、典型的には鉛バッテリである。蓄電装置に蓄えた電力は、車両の電装系の各種電気負荷や、内燃機関をクランキングする電動機に供給される。ＥＣＵ０は、発電を実行する発電機の出力電力、電圧または電流を指令する信号ｑを、当該発電機に対して与える。

内燃機関に連れ回されて発電する発電機は、内燃機関から見れば機械的な負荷となる。そこで、内燃機関の始動直後の時期には、発電機による発電電力、換言すれば発電機の出力電圧及び／または電流を緩やかに増大させる徐励制御を実施して、始動直後におけるエンジン回転数の不当な低落を回避しようとする。

図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の始動直後の時期にあって、可及的速やかに蓄電装置を充電する必要がある状況下（現在の蓄電装置の端子電圧が所定値以下である等）を除き（ステップＳ１）、今回の始動が冷間始動ではなくアイドルストップからの再始動であるならば（ステップＳ２）、冷間始動に比して発電機の徐励制御時間を短縮するように制御する。

具体的には、現在の内燃機関の冷却水温が所定値（例えば、８０℃）以上に高く（ステップＳ３）、既に充分に暖機されていると言えるときには、内燃機関の始動完了時ｔ₀から、発電機の出力電圧の目標値を所定値（例えば、１４．５Ｖないし１５Ｖの間）に逓増させる時点までの間の徐励時間を、０または０に近い極小値とする（ステップＳ４）。即ち、図３に実線で描画しているように、内燃機関の始動完了直後から即時的に、発電機の目標出力電圧を所定値に制御する。

対して、内燃機関の冷却水温が所定値以下（ステップＳ３）であり、既に充分に暖機されているとまでは言えないときには、発電機の徐励時間を、現在の内燃機関の冷却水温に応じて調節する（ステップＳ５）。基本的には、冷却水温が低い場合に、冷却水温がより高い場合に比して、徐励時間を長くする。図４に示す例に即して述べると、始動時の冷却水温が６０℃以下であるならば徐励時間を５００ミリ秒、冷却水温が８０℃以上であるならば徐励時間を０秒とし、冷却水温が６０℃ないし８０℃の間であるならば冷却水温が低いほど徐励時間を延長することになる。この結果、図３に破線で描画するように、既に暖機が完了しているとき（ステップＳ３）よりも、発電機の目標出力電圧の上昇が遅く、発電機の内燃機関に対する機械的な負荷の増大が緩やかとなり、内燃機関の始動直後の時期におけるエンジンストールが回避される。

翻って、今回の始動がアイドルストップからの再始動ではなく冷間始動であるならば（ステップＳ２）、アイドルストップからの再始動に比して発電機の徐励制御時間を延長するように制御する。

具体的には、現在の内燃機関の冷却水温が所定値（例えば、６０℃）以上に高く（ステップＳ６）、ある程度以上は暖機されていると言えるときには、発電機の徐励時間をある所定値、例えばアイドルストップからの再始動時と同等の５００ミリ秒に設定する（ステップＳ７）。

対して、内燃機関の冷却水温が所定値以下（ステップＳ６）であり、内燃機関が暖機されていない低温状態であるときには、発電機の徐励時間を上記ステップＳ４、Ｓ５及びＳ７よりも長い時間（例えば、１５００ミリ秒）に設定する（ステップＳ８）。この結果、図３に一点鎖線で描画するように、発電機の目標出力電圧の上昇がさらに遅く、発電機の内燃機関に対する機械的な負荷の増大がさらに緩やかとなって、内燃機関の冷間始動直後の時期におけるエンジンストールが確実に回避される。

なお、アイドルストップからの再始動であるか冷間始動であるかを問わず、可及的速やかに蓄電装置を充電する必要がある状況下（ステップＳ１）では、発電機の徐励時間を、０または０に近い極小値とする（ステップＳ９）。

本実施形態では、車両に搭載される内燃機関、及びこれと接続し内燃機関からエンジントルクの供給を受けて発電する発電機を制御するものであり、停止している内燃機関を冷間始動する場合に比して、アイドルストップから再始動する場合には、発電機による発電電力の単位時間あたりの増加量を大きくする制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、車載の内燃機関のアイドルストップの頻度が高い場合に、蓄電装置からの放電が累積してその蓄電量が大きく減少する問題を回避することができる。従って、蓄電装置として一般的な鉛バッテリの寿命を延命できる。また、蓄電装置の蓄電量の欠乏に伴う内燃機関の出力の増強（発電及び充電の強化）の機会が低減し、車両の実用燃費性能を高く維持することが可能となる。

本実施形態の制御は、新規のハードウェア、例えば高価な筒内温センサまたは筒内圧センサ等を追加することなく実現でき、コストの高騰を招かない。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限定されるものではない。各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
ｏ…クランキング用の電動機の制御信号
ｑ…発電機の出力の制御信号

Claims (1)

1. 車両に搭載される内燃機関、及びこれと接続し内燃機関からエンジントルクの供給を受けて発電する発電機を制御するものであり、
   停止している内燃機関を冷間始動する場合に比して、アイドルストップから再始動する場合に、発電機による発電電力の単位時間あたりの増加量を大きくする制御装置。

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