JP3668825B2

JP3668825B2 - 発電機駆動用ベルトのスリップ検出装置

Info

Publication number: JP3668825B2
Application number: JP24889197A
Authority: JP
Inventors: 英明菅沼; 雅彦日比野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2017-09-12
Also published as: JPH10150742A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機駆動用ベルトのスリップ検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車用機関等のように内燃機関の出力軸からベルトを介して発電機を駆動するような場合には駆動用ベルトのスリップを正確に検出することが重要となる。
一般に、駆動用ベルトのスリップが増大すると機関の動力が十分に発電機に伝達されないため発電機の発電量が不足してバッテリの充電不良が生じる。また、ベルトの残存寿命はベルトのスリップと相関があり、ベルトの残存寿命が短くなる程スリップが増大することが知られている。このため、ベルトの切断等による発電不能等のトラブルを防止するためにもベルトのスリップを検出してベルトの残存寿命を正確に判断することが必要となる。
【０００３】
発電機駆動用ベルトのスリップ検出装置の例としては、例えば特公昭５２−２６３０２号公報に記載されたものがある。
同公報の装置は、内燃機関の回転数を検出する軸回転検出器と、該機関により駆動用ベルトを介して駆動される発電機の回転数を検出する従回転検出器とを備え、それぞれの回転検出器の検出信号の積算値に基づいてベルトスリップの有無を検出するようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発電機駆動用ベルトのスリップの有無は、内燃機関（駆動機）と発電機（非駆動機）との回転数を検出して、これらの回転数を比較することにより容易に検出することができる。また、電子制御式の内燃機関では制御情報として機関回転数を使用するため、回転数センサ（例えばクランク回転角センサ等）を設けるのが一般的であり、比較的簡単に機関の正確な回転数を知ることができる。
【０００５】
しかし、自動車用機関等では、ベルトスリップ検出のみのために発電機に専用の回転数センサを設けることはコスト増大を招き好ましくない。このため、発電機の回転数は、発電機出力電圧の変動（出力波形）に基づいて算出するのが一般的である。
上記特公昭５２−２６３０２号公報の装置においては、従回転検出器は発電機出力電圧の変動（リップル）を波形整形回路で処理することにより発電機回転数に比例した周波数のパルス信号を出力している。すなわち、上記公報の装置においても、発電機回転数は発電機出力電圧の変動（リップル）に基づいて検出される。
【０００６】
ところが、上記のように発電機出力電圧のリップルに基づいて発電機回転数を検出しようとすると、回転数を精度良く検出することが困難になる問題がある。通常、自動車用機関などでは発電機はバッテリに接続されており、常時バッテリの充電が行われる。このため、発電機出力電圧はバッテリに供給される電流値が過大になることを防止するために、或る上限値（例えば１２〜１４Ｖ程度）を越えないように制御されている。このように、発電機出力電圧が比較的低い値に制御されている場合には、それに応じて出力電圧の変動幅（リップルの振幅）も小さくなる。更に、上記公報の装置ではバッテリが発電機に接続された状態で回転数を検出するため、発電機出力電圧の変動はバッテリにより平滑化されてしまい実際の出力電圧のリップルは極めて小さなものとなってしまう。
【０００７】
このため、上記公報の装置では、リップルを波形整形回路でパルス信号に変換する際にリップルの検出が不正確になり回転数に比例したパルス信号が得られない場合がある。従って、上記公報の装置では、発電機回転数を精度良く検出することが困難であり、そのため発電機駆動用ベルトのスリップを正確に検出できない問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み、発電機回転数を検出するために専用の回転センサを設けることなく、しかも簡易な方法で精度良く発電機駆動用ベルトのスリップを検出することが可能なベルトのスリップ検出装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、内燃機関によりベルトを介して駆動され、バッテリと高電気負荷とに電流を供給する発電機の駆動用ベルトのスリップ検出装置であって、前記内燃機関の回転数を検出する機関回転数検出手段と、前記発電機の出力電圧変動に基づいて発電機の回転数を検出する発電機回転数検出手段と、前記高電気負荷に電流が供給されるときに、発電機とバッテリとの接続を遮断するとともに、発電機とバッテリが接続されている時に較べて発電機出力電圧を上昇させる手段と、前記高電気負荷に電流が供給されている時に検出された機関回転数と発電機回転数とに基づいて発電機駆動用ベルトのスリップの有無を検出するスリップ検出手段と、を備えた発電機駆動用ベルトのスリップ検出装置が提供される。
【００１０】
本発明では、発電機はバッテリの充電とともに、高電気負荷（例えば自動車においては、デフォッガ、電気ヒータ付触媒コンバータ等の大電力を消費する負荷）に電流を供給する。また、上記高電気負荷に電流を供給するときには、発電機とバッテリとの接続が遮断され、さらに高電気負荷に大電力を供給するために発電機出力電圧が上昇せしめられる。このため、発電機出力電圧の増大に応じてリップル振幅が増加し、しかもバッテリが発電機から切り離されているためリップルの平滑化が生じることがない。従って、発電機出力電圧のリップル検出が容易になるため、リップル検出精度が向上し、発電機回転数が正確に検出される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明を自動車用の発電機に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
図１において、１は自動車用内燃機関、３は三相交流発電機（オルタネータ）、１ａは機関１の出力軸に設けられたベルト駆動用プーリ、３ａはオルタネータ３の回転子の駆動軸に設けられたプーリ、２はプーリ１ａ、３ａを接続する発電機駆動用ベルトを示している。すなわち、オルタネータ３は内燃機関１からベルト２を介して駆動されている。
【００１２】
本実施形態では、オルタネータ３はダイオード整流器（図示せず）を内蔵しており、オルタネータのステータからの三相交流出力はダイオード整流器により直流に変換され、プラス出力端子３ｂから出力される。また、オルタネータ３は、コイルロータの励磁電流を制御するレギュレータ５を内蔵している。レギュレータ５の作用については後述する。
【００１３】
図１において、１１はバッテリ（蓄電池）、２１は高電気負荷としての電気ヒータ付触媒コンバータ（ＥＨＣ）を示す。本実施形態のＥＨＣ２１は、メタル担体を有する触媒２１ａを備えており、機関始動時等の触媒温度が低いときに触媒２１ａのメタル担体に電流を流し、担体を発熱させることにより触媒温度を短時間で上昇させる。すなわち、ＥＨＣ２１は、メタル担体を電気ヒータとして作用させることにより、機関始動後短時間で担体に担持された触媒温度を活性化温度まで上昇させ始動直後から排気浄化作用を開始させるものである。
【００１４】
ＥＨＣ２１とバッテリ１１とは、切換スイッチ２５を介してオルタネータ３の出力端子に接続されており、切換スイッチ２５を切り換えることにより、ＥＨＣ２１とバッテリ１１とのうちの一方をオルタネータ３に接続することができる。また、図１に２３で示したのは、エンジンのイグニッション、車両のランプ等の通常の車両電気負荷である。本実施形態では、車両電気負荷２３はバッテリに接続されており、切換スイッチ２５がＥＨＣ２１とオルタネータ３とを接続する位置に切り換えられているときにはバッテリ１１のみから車両電気負荷２３に電力が供給されるようになっている。
【００１５】
図１に３０で示すのは、機関１の電子制御を行う制御回路（ＥＣＵ）である。本実施形態では、ＥＣＵ３０はＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ及び入出力ポートを互いに双方向性バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ３０は、機関１の燃料噴射制御や点火時期制御等の基本制御を行う他、本実施形態では後述するように、機関１の回転数を検出する機関回転数検出手段、オルタネータ３の回転数を検出する発電機回転数検出手段、ＥＨＣ２１作動時にオルタネータ３の出力電圧を上昇させる手段及び、機関回転数とオルタネータ回転数とに基づいてベルト２のスリップの有無を検出するスリップ検出手段として機能する。
【００１６】
上記の各作用を行うために、ＥＣＵ３０の入力ポートには、機関１のクランク軸近傍に配置された回転数センサ３１からクランク軸一定回転角（例えば１５度毎）にクランク角パルス信号が入力される。、また、ＥＣＵ３０の入力ポートにはオルタネータ３の出力端子３ｂからオルタネータ出力電圧ＶＡが波形整形回路３５を経由して入力される。後述するように、波形整形回路３５は出力電圧ＶＡの変動成分（リップル）のみを取り出し、パルス信号に変換するものである。
【００１７】
ＥＣＵ３０は、別途一定時間毎に実行される機関回転数演算ルーチン（図示せず）により、回転数センサ３１から入力したクランク角パルス信号の間隔に基づいて機関回転数（回転速度）を演算する。
また、ＥＣＵ３０の出力ポートは、切換スイッチ２５に接続されスイッチ２５の切換動作を行う。
【００１８】
次に、レギュレータ５の作用について説明する。レギュレータ５はオルタネータ３のロータコイルに接続されたスイッチングトランジスタを備えており、このトランジスタをオン／オフすることによりロータコイルに流れる励磁電流を制御する。本実施形態では、バッテリ１１が発電機に接続されているときには、レギュレータはバッテリ電圧が所定値以上（例えば１４Ｖ以上）になるとトランジスタをオフしてロータコイルへの励磁電流の供給を停止し、バッテリ電圧が上記所定値より低下するとトランジスタをオンしてロータコイルへ電流を供給する。従って、通常の運転時（すなわち、スイッチ２５が発電機とバッテリとを接続する位置に切り換えられている時）には、オルタネータ３の出力電圧ＶＡはロータコイルの励磁電流のオン／オフにより上記所定値以下に維持され、バッテリ１１の過充電が防止される。この定電圧制御のため、バッテリの端子電圧ＶＢがレギュレータ５の入力端子５１に入力されている。
【００１９】
レギュレータ５の別の入力端子５３はＥＣＵ３０の出力ポートに接続され、ＥＣＵ３０から切換信号を入力するようになっている。レギュレータ５は、入力端子５３にＥＣＵ３０からの切換信号が入力していない場合には、バッテリ端子電圧に基づいてロータコイルの励磁電流を制御し、上述したオルタネータの定電圧制御を行う。一方、レギュレータ５は、入力端子５３にＥＣＵ３０からの切換信号が入力すると、上記定電圧制御を中止してスイッチングトランジスタをオン状態に保持する。これにより、ロータコイルに供給される励磁電流は最大になり、オルタネータの出力電圧が大幅に上昇する。
【００２０】
本実施形態では、ＥＣＵ３０は通常運転時は切換スイッチ２５を、オルタネータ３の出力端子３ｂとバッテリ１１とを接続する位置に保持するとともに、レギュレータ５への切換信号をオフにする。これにより、バッテリ１１がオルタネータ３に接続されているときには、オルタネータ３の出力電圧は一定値（例えば１４Ｖ）以下の比較的低い電圧に制御されることになる。
【００２１】
一方、機関始動時等でＥＨＣ２１に通電する場合には、ＥＣＵ３０は切換スイッチ２５をオルタネータ３の出力端子３ｂとＥＨＣ２１とを接続する位置に切り換えるとともに、レギュレータ５への切換信号をオンにする。これにより、レギュレータ５はロータコイルへの励磁電流を増大させ、オルタネータ３の出力電圧が大幅に上昇するためＥＨＣ２１には大電力が供給される。本実施形態では、ＥＨＣ２１通電時（ＥＣＵ３０からの切換信号オン時）のオルタネータ出力電圧は２５Ｖ程度になるように設定されている。
【００２２】
次に、オルタネータ３の回転数検出について説明する。前述のように、本実施形態ではオルタネータのステータコイルで発生する三相交流電流はダイオード整流器で直流電流に変換されるため、オルタネータ３の出力端子３ｂの端子電圧はオルタネータ回転数の６倍の変動成分（リップル）を含んでいる。このため、リップルの周波数を検出することができれば、オルタネータ回転数は（リップル周波数）×（１／６）として算出することができる。本実施形態では、波形整形回路３５を用いてオルタネータ３の出力端子３ｂの電圧のリップル成分のみを取り出し、パルス信号に変換してＥＣＵ３０に供給している。ＥＣＵ３０は入力したパルス信号の周波数を計測することによりオルタネータの回転数を検出する。
【００２３】
図２は、本実施形態における波形整形回路３５の構成を示す回路図である。
図２に示すように、本実施形態の波形整形回路３５は、カップリングコンデンサＣ１とヒステリシス付反転比較回路ＣＴとを備えている。オルタネータ３の出力端子３ｂの電圧はカップリングコンデンサＣ１によりその変動成分（リップル）のみが取り出され、比較回路ＣＴに供給される。ヒステリシス付反転比較回路ＣＴは、比較器ＣＴ１の出力が１か０かによりＳ点の電圧（基準電圧）ＶＳが変化する。すなわち、比較器ＣＴ１の出力が１のときには基準電圧は高電圧ＶＳＨになり、比較器ＣＴ１の出力が０のときには基準電圧は低電圧ＶＳＬとなる。
【００２４】
図３は比較回路ＣＴ１の端子Ｔ１に入力する電圧リップル成分の波形（図３(A) ）と、端子Ｔ２からＥＣＵ３０に出力される整形後のパルス信号の波形（図３(B) ）とを示している。出力パルス信号（図３(B) ）のレベルは、入力電圧信号が高電圧側基準値ＶＳＨを越えると０になり、低電圧側基準値ＶＳＬより低下すると１になる。このため、ＥＣＵ３０には、リップルの周波数に等しい周波数のパルス信号が入力することになる。
【００２５】
前述のように、リップルの周波数はオルタネータ３の回転数に正確に比例するため、上記パルス信号の周波数を計測することによりオルタネータ３の回転数を検出することができる。また、本実施形態では機関１の回転数は回転数センサ３１からのパルス信号の周波数を計測することにより正確に検出することができる。このため、上記により検出したオルタネータ回転数と機関１の回転数とを比較することにより、ベルトにスリップが生じているか否かを正確に判定することが可能となる。
【００２６】
ところで、上記のようにリップルの周波数をパルス信号に変換する場合には、リップルの振幅が小さいと、図３(A) における高電圧側基準値ＶＳＨと低電圧側基準値ＶＳＬとの間隔を狭く設定する必要があり、ノイズの影響を受けやすくなる。このため、リップル振幅が小さいほどリップル周波数の検出誤差が大きくなる傾向がある。ところが、前述のようにオルタネータ３がバッテリ１１に接続された状態では、バッテリ１１の過充電を防止するためにオルタネータ３の出力電圧が一定値（例えば１４Ｖ程度の比較的低い電圧）以下になるような制御を行う必要がある。リップル成分の振幅は出力電圧（平均値）の大きさに比例して変化するためオルタネータ出力電圧が低い場合には、リップル振幅もそれに応じて小さくなる。さらに、バッテリがオルタネータに接続されると、オルタネータ出力電圧の変動成分はバッテリ１１により平滑化されてしまい、リップル振幅は極めて小さくなってしまう。このため、バッテリ１１をオルタネータ３に接続した状態でリップル周波数を検出すると誤差が生じやすくなり、オルタネータの回転数を正確に検出することが困難なため、ベルトのスリップの有無を正確に判断できない問題がある。
【００２７】
本実施形態では、オルタネータ３とＥＨＣ２１とが接続された状態でベルトのスリップの有無を検出することにより上記問題を解決している。
前述のように、本実施形態ではスイッチ２５が切り換えられてＥＨＣ２１がオルタネータ３に接続されると、レギュレータ５はオルタネータ出力電圧を大幅に上昇させる。このため、出力電圧の上昇に応じてリップル振幅も増大する。しかも、本実施形態では、ＥＨＣ２１がオルタネータ３に接続された状態ではバッテリ１１はオルタネータ３から切り離されるためリップルがバッテリにより平滑化されることがない。このため、ＥＨＣ２１通電中はオルタネータ出力電圧のリップル振幅は大きな値に維持されるため、リップル周波数を精度良く検出することが可能となる。
【００２８】
図４は、本実施形態において、オルタネータ３にバッテリ１１を接続した状態のオルタネータ出力電圧（カーブＡ）と、オルタネータ３にＥＨＣ２１を接続した状態のオルタネータ出力電圧（カーブＢ）とを示している。
図４、カーブＡに示すように、オルタネータ３とバッテリ１１とを接続した状態では、オルタネータ出力電圧は１４Ｖを中心として極めて小さな振幅で変動しており、リップル振幅は極めて小さい。これに対して、カーブＢに示すように、オルタネータ３とＥＨＣ２１とを接続した状態では、オルタネータ電圧は２５Ｖ程度まで増加し、リップル振幅も７Ｖ程度まで増大する。このため、ＥＨＣ２１通電時には、前述の比較器の高電圧側基準値ＶＳＨと低電圧側基準値ＶＳＬとの間隔を十分に広く取ることができるようになり、正確なリップル周波数を検出することが可能となることが判る。
【００２９】
図５は、本実施形態におけるオルタネータ駆動用ベルトのスリップ検出動作を示すフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ３０により一定時間毎に実行される。
図５においてルーチンがスタートすると、ステップ５０１では、フラグＸＥＨＣの値が１にセットされているか否かが判定される。ＸＥＨは、別途ＥＣＵ３０により実行される図示しないルーチンにより、ＥＨＣ２１に通電を行うべきときに（例えば機関始動時等）に１にセットされるフラグであり、ＸＥＨＣ＝１はＥＨＣ２１に通電中を、ＸＥＨＣ＝０は通電停止を表している。フラグＸＥＨＣの値が１にセットされると、ＥＣＵ３０は切換スイッチ２５をＥＨＣ２１がオルタネータ３の出力端子３ｂに接続される位置に切り換えるとともに、オルタネータ３のレギュレータ５に切換信号を出力し、オルタネータ３の出力電圧を上昇させる。また、フラグＸＥＨＣの値が０にセットされると、ＥＨＣ３０は切換スイッチ２５をバッテリ１１側に接続してオルタネータ３の出力端子３ｂとバッテリ１１とを接続する。また、レギュレータ５への切換信号はオフとされ、オルタネータ３出力電圧はバッテリ１１端子電圧に応じて制御される。
【００３０】
ステップ５０１でＸＥＨＣ＝０である場合は、現在オルタネータ３にバッテリ１１が接続されているため、ステップ５０３以降のスリップ検出を行うことなくルーチンを終了する。
一方、ステップ５０１てＸＥＨＣ＝１である場合は、現在ＥＨＣ２１に通電が行われており、オルタネータ３の出力電圧のリップルは十分に大きくなっているため、ステップ５０３に進み前述の波形整形回路３５から入力するパルス信号の周波数ｆを計測し、ステップ５０５ではオルタネータ３の回転数ＮＡＬＴを、ＮＡＬＴ＝ｆ×６として算出する。また、ステップ５０７では、別途実行される図示しないルーチンにより算出された機関１の回転数ＮＥを用いて、ベルトのスリップ率ＳＬをオルタネータ３の回転数ＮＡＬＴと機関１の回転数ＮＥとの比として算出する（ＳＬ＝ＮＡＬＴ／ＮＥ）。
【００３１】
また、ステップ５０９では、上記スリップ率ＳＬが所定値αより小さいか否かを判定する。ここで、αは１より小さい定数であり、本実施形態ではα＝０．９に設定されている。ステップ５０９でＳＬ＜αであった場合には、ベルトのスリップが大きく、ＥＨＣ２１に電力を供給するためにオルタネータ３の高出力運転を続けるとベルトが損傷する可能性があるため、ステップ５１１でフラグＸＥＨＣの値を０にセットしてＥＨＣ２１への通電を停止するとともに、異常フラグＸＦの値を１にセットする。フラグＸＦの値が１にセットされると、別途実行される図示しないルーチンにより運転席の警告灯が点灯され、運転者にベルトにスリップが発生していることが報知される。また、ステップ５０９でＳＬ≧αであった場合には、フラグＸＦの値はステップ５１５で０にセットされ、そのままルーチンを終了する。なお、ＥＣＵ３０に機関のメインスイッチオフ後も記憶内容を保持可能なバックアップＲＡＭを設け、将来の点検、修理のためにフラグＸＦの値を格納するようにしても良い。
【００３２】
上述のように、本実施形態ではＥＨＣ２１通電時にオルタネータ３出力電圧のリップルに基づいてオルタネータ回転数を検出するようにしたことにより、正確にオルタネータ回転数を検出することが可能となっている。
なお、上記実施形態では高電気負荷としてＥＨＣ２１に電力を供給する場合について説明したが、高電気負荷としてはＥＨＣ２１に限らず他の大電力を消費する負荷（例えば外気温度が低いときに車両の窓ガラスの霜や曇りをとるためのデフォッガ等）有する場合にも本発明を適用することができるのはいうまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、発電機の出力電圧変動に基づいて発電機回転数を検出する際に、回転数検出精度が向上するため、発電機駆動用ベルトのスリップの有無を正確に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を自動車用発電機に適用した場合の概略構成を示す図である。
【図２】図１の実施形態の波形整形回路の構成を示す回路図である。
【図３】図２の波形整形回路の入出力信号の波形を示す図である。
【図４】発電機出力電圧の変動を説明する図である。
【図５】スリップ検出ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…内燃機関
２…発電機駆動ベルト
３…発電機
１１…バッテリ
２１…電気ヒータ付触媒コンバータ
２５…切換スイッチ
３０…制御回路（ＥＣＵ）

Claims

内燃機関によりベルトを介して駆動され、バッテリと高電気負荷とに電流を供給する発電機の駆動用ベルトのスリップ検出装置であって、
前記内燃機関の回転数を検出する機関回転数検出手段と、
前記発電機の出力電圧変動に基づいて発電機の回転数を検出する発電機回転数検出手段と、
前記高電気負荷に電流が供給されるときに、発電機とバッテリとの接続を遮断するとともに、発電機とバッテリが接続されている時に較べて発電機出力電圧を上昇させる手段と、
前記高電気負荷に電流が供給されている時に検出された機関回転数と発電機回転数とに基づいて発電機駆動用ベルトのスリップの有無を検出するスリップ検出手段と、
を備えた発電機駆動用ベルトのスリップ検出装置。