JP4022548B2 - 内燃機関始動装置 - Google Patents

Description

この発明は、バッテリから電源供給を受けて駆動されるモータにより内燃機関を始動させる内燃機関始動装置に関するものである。

一般的に、内燃機関始動装置は、始動装置のトルク指令値を変更できず、スタートスイッチをオンすると同時に、１００％のトルク指令値で内燃機関をクランキングしていた。このような始動装置では、始動開始時にバッテリ電圧Ｖｂの低下量が大きくなるが、特に問題とされていなかった。これに対して、始動時のトルク指令値Ｔｄを変化させる内燃機関始動装置として、エンジンと電動発電機（モータジェネレータ）とバッテリとを搭載したハイブリッド車両においては、バッテリの劣化の進行を軽減することを目的として、放電電力を検出して、放電電力が上限値より大きくなったときに、トルク指令値Ｔｄを低減させるという内燃機関始動装置が特許文献１に開示されている。

また、電源電圧の低下を考慮したものとして、車両走行用の駆動モータの他に発電用のエンジンを搭載したハイブリッド車に用いられるハイブリッド車用電源装置においては、内燃機関の始動装置に電力を供給する第一の電源手段と、始動装置の駆動を制御する制御部と、第一の電源手段と制御部との間に制御部と並列に接続され、制御部の電源電圧を保持するための第二の電源手段とを備えるものが、特許文献２に開示されている。

特開２００３−１３８９５８号公報 特開平０５−３２８５３０号公報

しかしながら、従来の一般的な始動装置を、信号待ちなどの短時間アイドリング時のエンジン自動停止始動システム（アイドルストップシステム）で使用した場合、自動始動の度にバッテリ電圧Ｖｂの低下が発生し、同一のバッテリにつながっているＥＣＵ（Electronic Control Unit）やオーディオ機器などにおいて、電源瞬断が発生する可能性がある。例えば、自動始動時にＥＣＵにおいて電源瞬断が発生した場合、ＥＣＵ内にあるマイコンがリセットして、自動始動しなくなる可能性がある。特に、交差点での信号待ちアイドルストップの際などにおいては、エンジンが俊敏に始動しないことで、後続車の追突事故なども懸案される。

また、特許文献１では、始動時のバッテリ電圧Ｖｂの低下については考慮されていないので、先に説明したように、自動始動の度にバッテリ電圧Ｖｂの低下が発生し、同一のバッテリにつながっているＥＣＵやオーディオ機器などの電源瞬断が発生する可能性があり、運転者に対するフィーリング悪化の原因となる。
一方、上記問題を解決しようと、エンジン始動トルクを低下させた場合、エンジン始動開始からエンジン始動完了に要する時間（始動完了時間）が長くなることが考えられる。したがって、交差点でアイドルストップした場合など、再発進時のエンジン始動のもたつきが運転者に対するフィーリング悪化の原因になると考えられる。

また、特許文献２では、エンジン始動時の電圧低下を抑制するために、始動装置用、その他の機器用という具合に複数の電源を搭載することで、始動時の電圧低下の問題を回避しようとしたものであるが、複数の電源を持つため車両のコストアップの原因となる。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、エンジン始動時間が長くなり過ぎることなく、バッテリ電圧Ｖｂの低下量を少なくでき、かつ複数の電源を持たなくても良い内燃機関始動装置を実現するための調整に対して、容易に調整でき、精度良く調整できる内燃機関始動装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる内燃機関始動装置は、内燃機関始動時のトルク目標値を算出するトルク目標値算出手段と、算出されたトルク目標値からトルク指令値を設定するトルク指令値設定手段と、前記トルク指令値設定手段で設定されたトルク指令値を出力する内燃機関始動手段と、前記内燃機関始動手段が出力したトルク指令値に追従したトルクを発生してエンジンを始動する電動発電機とを備え、前記トルク指令値設定手段は、前記トルク目標値に係数を乗算する係数乗算手段と、前記トルク目標値から前記係数乗算手段の出力を減算して得た差分値を一次遅れ要素で遅れをもたせて出力する一次遅れ要素と、前記係数乗算手段の出力と前記一次遅れ要素の出力とを加算合成してトルク指令値を得る加算器とを有するものである。

この発明の内燃機関始動装置よれば、エンジン始動時間が長くなり過ぎることなく、バッテリ電圧Ｖｂの低下量を少なくでき、かつ複数の電源を持たなくても良い内燃機関始動装置を実現するための調整に対して、トルク指令値設定手段における係数乗算手段の係数と一次遅れ要素の時定数とを選定することにより、容易に調整でき、精度良く調整できる。

実施の形態１．
この発明をアイドルストップシステムが搭載された車両の制御装置に適用した場合について、図を参照しながら具体的に説明する。図１はこの発明の実施の形態１である車両制御装置を示すブロック構成図であり、特に内燃機関始動装置の関連構成を示している。図１において、内燃機関始動装置は、車両（図示せず）に搭載されたエンジン１と、エンジン１の始動時に回転力を発生するベルト式の電動発電機２（即ち、モータジェネレータで以下、ＭＧ２と言う）と、ＭＧ２に接続された車載の電源（バッテリ）３と、マイクロコンピュータからなるＥＣＵ（電子制御ユニット）４と、エンジン１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ７Ａと、エンジン１の吸気温度Ｔａを検出する吸気温センサ７Ｂとを備えている。

エンジン１とＭＧ２は、プーリ１０、１１を有し、ベルト１３を介してつながっており、始動時はＭＧ２の動力をエンジン１に伝えている。具体的には、クランクプーリ１０は、エンジン１の出力側とは反対側において、クランク軸に取り付けられている。ＥＣＵ４は、バッテリ３から給電されている。ＭＧ２は、バッテリ３からの給電により駆動されると共に、エンジン１の通常運転中においては発電機として機能し、バッテリ３を充電するようになっている。

ＭＧ２は、エンジン１の始動時において、ＥＣＵ４の制御下で駆動され、ベルト１３を介してエンジン１を駆動する。ＥＣＵ４は、例えば、アイドルストップ制御用のプログラムなどに加えて、始動装置のトルク指令値Ｔｄを算出する始動ロジック４０を備えている。始動ロジック４０はエンジン始動要求の有無を判断して、エンジン始動要求があった場合、例えば、エンジンの冷却水温度Ｔｗやエンジン回転数Ｎｅｎｇに応じたマップから、トルク目標値を算出するトルク目標値算出手段４１と、算出されたトルク目標値からトルク指令値Ｔｄを設定するトルク指令値設定手段４２と、トルク指令値設定手段で設定されたトルク指令値ＴｄをＭＧ２に出力する内燃機関始動手段４３を備えている。８はエンジン１の回転センサである。

内燃機関始動手段４３から出力されたトルク指令値ＴｄはＭＧ２に伝えられて、ＭＧ２はトルク指令値Ｔｄに追従したトルクを発生する。次にＭＧ２で発生したトルクはベルト１３を介してエンジン１に伝えられ、エンジン１が回転を開始する。そして、回転信号ＮｅｎｇをＥＣＵ４が検知することで、エンジン１が回転開始したことを検知し、燃料噴射を開始（図示せず）する。供給された燃料の爆発燃焼により、内燃機関が自立運転可能となり、エンジン１の始動を完了する。

図２は図１のトルク指令値設定手段４２を示したブロック線図である。トルク指令値設定手段４２に上位ルーチンで算出されたトルク目標値ＳＶを入力し、係数乗算手段Ｂ１を通して、トルク目標値ＳＶをα倍（例えば０．４倍）してＦ１へ出力する。一方、トルク目標値ＳＶから係数乗算手段Ｂ１の出力Ｆ１を差し引いた差分値Ｆ２を計算し、このＦ２を一次遅れ要素Ｂ２で遅れをもたせてＦ３へ出力する。最後に係数乗算手段Ｂ１の出力Ｆ１と、一次遅れ要素Ｂ２の出力Ｆ３を加算器４５で加算合成してトルク指令値Ｔｄを導出する。なお、ｓはラプラス演算子である。

ここで、図２のトルク指令値設定手段４２の定数α（係数乗算手段Ｂ１の係数）について説明する。入力されたトルク目標値ＳＶは、α＝１．０の場合、係数乗算手段Ｂ１の出力Ｆ１が１．０ＳＶ、一次遅れ要素Ｂ２の入力Ｆ２が０．０となり、トルク指令値Ｔｄはトルク目標値ＳＶをそのままの形で設定することとなり、トルク指令値設定手段４２がない場合と等価な動作となる。一方、α＝０．０の場合、入力されたトルク目標値ＳＶは、係数乗算手段Ｂ１の出力Ｆ１が０．０ＳＶ、一次遅れ要素Ｂ２の入力Ｆ２がＳＶとなり、一次遅れ要素Ｂ２のルートのみが有効となって、トルク指令値Ｔｄが設定される。

また、トルク指令値設定手段４２の定数β（一次遅れ要素Ｂ２の時定数）については、数値が小さくなればなるほど、遅れ時間が短くなる。（立ち上がりが速くなる。）特にβ＝０．０の場合は、一次遅れ要素Ｂ２が１．０となり、トルク指令値Ｔｄはトルク目標値ＳＶをそのままの形で設定することとなり、トルク指令値設定手段４２がない場合と等価な動作となる。

図３のフローチャートを用いて、アイドルストップ後でエンジン自動始動条件が成立した場合の内燃機関始動装置の動作を説明する。ステップＳ１０でエンジン自動始動条件が成立したか否かを判定する。もし判定結果がＮＯの場合リターンし処理を終了する。ここで、アイドルストップ後のエンジン自動始動について説明する。例えばオートマチック車において、エンジン自動停止中であって、図示しないブレーキペダルの踏み込み状態を検出して、ブレーキが踏み込まれていない場合に運転者の発車意図を認識し、ＥＣＵ４内のマイコンでエンジン自動始動の判断を行なう。判断の条件は前記ブレーキペダルが踏み込まれていない状態の他、あらかじめ複数の条件（例えば、さらに、アクセルペダルが踏まれている）を設定しておき、全ての条件が満足したときにエンジン自動始動を指令する。

一方、エンジン自動始動の指令が発生し、ステップＳ１０の判定結果がＹＥＳの場合、ステップＳ１１へ進み、始動トルクの目標値を算出する。ここで、始動トルクの目標値ＳＶはエンジン１の冷却水温度Ｔｗやエンジン回転数Ｎｅｎｇに応じたマップから導出しても良い。ステップＳ１２で、始動トルク目標値ＳＶから図２で示したトルク指令値設定手段４２を介して、トルク指令値Ｔｄを導出し、ステップＳ１３でトルク指令値ＴｄをＭＧ２へ出力して処理を終了しリターンする。

次に図２のトルク指令値設定手段４２のα、βについて、例えば、始動直後のバッテリ電圧Ｖｂが１０Ｖ以上、始動完了時間が０．５秒以内を目標とした場合のα、βの設定方法（調整方法）を具体的に説明する。ここで、始動完了時間は、エンジン１の始動を開始してからエンジン回転数が６００ｒｐｍを超えた時刻までを始動完了時間とする。

図４〜図７にα、βを変更したときのエンジン回転数とバッテリ電圧の応答を示す。図４はα＝１．０かつβ任意、またはβ＝０．０かつα任意の場合の応答で、トルク指令値設定手段４２を作動させないときの応答を示す。図５はα＝０．０かつβ＝０．１の場合の応答を示す。図６はα＝０．０かつβ＝０．５の場合の応答を示す。図７はα＝０．４かつβ＝０．１の場合の応答を示す。いずれの場合も時刻０．０５秒（ｓ）にエンジン１を始動開始し、トルク目標値ＳＶを１００％としている。

図４はトルク指令値設定手段４２を作動させないので、時刻０．０５秒にステップ的に１００％のトルク指令値Ｔｄとなっている。この条件での始動完了時間は約０．４秒である。一方、時刻０．０７〜０．０８秒頃にバッテリ電圧Ｖｂが約８．５Vまで落ち込んでおり、オーディオなどに代表される車載の電子機器は電源瞬断する可能性がある。

図５はα＝０．０かつβ＝０．１の場合の応答で、一次遅れ要素Ｂ２の時定数β＝０．１で遅れを持たせて１００％の指令値に漸近させている。この条件での始動完了時間は０．５秒である。一方、バッテリ電圧は１０V以上を維持している。

図６はα＝０．０かつβ＝０．５の場合の応答で、一次遅れ要素Ｂ２の時定数β＝０．５で遅れを持たせて１００％の指令値に漸近させている。β＝０．５のため、図５に比べ、トルク指令値Ｔｄはゆっくり上昇している。この条件での始動完了時間は１秒以上である。

図４〜図６から、βを大きくしてトルク指令値Ｔｄの増加をなまらせることで、始動開始直後のバッテリ電圧Ｖｂが１０Ｖ以上を維持できるようになる。しかし、βを大きくしすぎると図６のように始動完了時間が長くなってしまう。このように、始動開始直後のバッテリ電圧Ｖｂと始動完了時間はトレードオフ（交換）関係である。

上述の説明のとおり、始動時のバッテリ電圧Ｖｂと始動完了時間とのトレードオフ関係のため、βの変更だけでは、両者を満足できない。そこでもうひとつのパラメータαを設定することで両者を満足する設定を導出する。ここで、図４〜図６のβ変更試験で得られた結果より、始動開始直後のバッテリ電圧Ｖｂが１０Ｖ以上で、なおかつ始動完了時間が速い図５から、βは０．１を選択する。

次に、βを０．１固定として、αを徐々に大きくしていく。始動開始直後のバッテリ電圧Ｖｂが１０Ｖ以下にならない程度までαを大きくし、そのαを最終的な設定値とする。ここで、αを大きくしていくと、始動開始直後のバッテリ電圧Ｖｂは、電圧低下が多くなり、図４の応答に近づいていく。

図７はα＝０．４の時の応答であり、始動直後のバッテリ電圧Ｖｂは１０V以上を維持して良好である。一方、始動完了時間は０．４４秒と図５の０．５秒に対して速くなっている。このようにトルク指令値設定手段４２を設けて、αとβの最適値を選択することで、トレードオフ関係にある始動直後のバッテリ電圧Ｖｂが１０Ｖ以上で始動完了時間が０．５秒以内を満足できる。

ここでは、内燃機関始動装置を、アイドルストップシステムが搭載された車両の制御装置に適用した場合について説明したが、これに限定されることはなく、たとえばハイブリッド車両にも適用可能である。また、内燃機関始動装置としてベルト式のＭＧ２を適用した場合について説明したが、これに限定されることなく、例えば、従来から使われているギア式のスタータでも適用可能である。

以上のように、この発明の内燃機関始動装置は、内燃機関始動時のトルク目標値を算出するトルク目標値算出手段と、算出されたトルク目標値からトルク指令値を設定するトルク指令値設定手段と、前記トルク指令値設定手段で設定されたトルク指令値を出力する内燃機関始動手段と、前記内燃機関始動手段が出力したトルク指令値に追従したトルクを発生してエンジンを始動する電動発電機とを備え、前記トルク指令値設定手段は、前記トルク目標値に係数を乗算する係数乗算手段と前記トルク目標値から前記係数乗算手段の出力を減算して得た差分値を一次遅れ要素で遅れをもたせて出力する一次遅れ要素と、前記係数乗算手段の出力と前記一次遅れ要素の出力とを加算合成してトルク指令値を得る加算器とを有する構成とした。そのため、エンジン始動時間が長くなり過ぎることなく、バッテリ電圧Ｖｂの低下量を少なくでき、かつ複数の電源を持たなくても良い内燃機関始動装置を実現するための調整に対して、トルク指令値設定手段における係数乗算手段の係数と一次遅れ要素の時定数とを選定することにより、容易に調整でき、精度良く調整できる。そして、アイドルストップ車などで、内燃機関始動時のフィーリングを改善できる。

また、前述の構成をとることにより、トルク指令値設定手段のパラメータ調整が容易に行なえるようになり、精度良く調整可能となる。
さらに、トルク指令値設定手段を、バッテリ電圧Ｖｂ低下が一番問題となるアイドリングストップ後のエンジン自動始動時に作動させるようにすれば、エンジン自動停止後のオーディオ機器の電源瞬断などが解消され、運転者の違和感を解消できる。

実施の形態２．
実施の形態２においては、車両制御装置を示すブロック構成図（図１）とアイドルストップ後でエンジン自動始動条件が成立した場合の動作（図３）が実施の形態１の場合と同様でる。図２のトルク指令値設定手段４２のα，β（係数乗算手段Ｂ１の係数α、一次遅れ要素Ｂ２の時定数β）を図８のように冷却水温度Ｔｗの関数とした場合について説明する。

内燃機関始動装置において、エンジン１を始動する際の要求トルクはエンジンの冷機時と暖機時では異なることが考えられる。例えば、エンジンの冷却水温度Ｔｗが高い暖機時に対して、冷却水温度Ｔｗが低い冷機時は、エンジン１を始動する際の要求トルクが大きい。このような状況で実施の形態１で説明したように、α，βを固定値（例えばα＝α１、β＝β１）とした場合、エンジン１の暖機／冷機によって始動性能が変化することが考えられる。例えば、エンジン１を始動する際の要求トルクが大きい冷機時は、暖機時の設定（α＝α１、β＝β１）を用いた場合、始動完了時間が長くなる。

そこで、図８の冷却水温度Ｔｗ＝Ｔ２の時のα＝α２（α２＞α１）、β＝β２（β２＜β１）として、暖機時に比べトルク指令値Ｔｄの立ち上がりを速くすることで、冷機時の始動完了時間の悪化を抑制できる。

以上により、例えば、αはエンジンの冷却水温度Ｔｗに対して右下がり、βはエンジンの冷却水温度Ｔｗに対して右上がりの連続的な関数として設定すれば、どのような冷却水温度Ｔｗに対しても同様の始動完了時間を実現できる。また、α，βは、冷却水温度Ｔｗをいくつかの区域に分けて、各区域で値を設定しても良い。また、図８では冷却水温度Ｔｗに対するα，βの関係を一次関数としているが、これに限定されず、例えば二次関数やその他の関数であっても良い。

このようにトルク指令値設定手段４２のα，βを冷却水温度Ｔｗに応じて変化させることで、冷却水温度Ｔｗが低い冷機時においても、暖機時と同等のエンジン始動性能が得られる。なお、α，βを図８と逆の特性（αは冷却水温度Ｔｗに対して右上がり、βは冷却水温度Ｔｗに対して右下がり）とすることで、始動開始直後のバッテリ電圧Ｖｂ低下量を抑制することもできる。

実施の形態２では、α，βを冷却水温度Ｔｗの関数として説明したが、吸気温度Ｔａの関数、または冷却水温度Ｔｗと吸気温度Ｔａ両方を参照した関数としても、先に説明したα，βを冷却水温度Ｔｗの関数とした場合と同様の効果が期待できることは言うまでもない。
また、α，βのいすれかを一方を冷却水温度Ｔｗの関数としてもよいし、吸気温度Ｔａの関数、または冷却水温度Ｔｗと吸気温度Ｔａ両方を参照した関数としてもよい。

実施の形態２においても、内燃機関始動装置を、アイドルストップシステムが搭載された車両の制御装置に適用した場合について説明したが、これに限定されることはなく、たとえばハイブリッド車両にも適用可能である。また、内燃機関始動装置としてベルト式のＭＧ２を適用した場合について説明するが、これに限定されることなく、例えば、従来から使われているギア式のスタータでも適用可能である。

この発明の実施の形態１である車両制御装置を示すブロック構成図である。 図１のトルク指令値設定手段を示すブロック線図である。 アイドルストップ後のエンジン自動始動の動作を示すフローチャートである。 α＝１．０かつβ任意、またはβ＝０．０かつα任意の時のトルク指令値とエンジン回転数，バッテリ電圧の応答を示す特性図である。 α＝０．０かつβ＝０．１の時のトルク指令値とエンジン回転数，バッテリ電圧の応答を示す特性図である。 α＝０．０かつβ＝０．５の時のトルク指令値とエンジン回転数，バッテリ電圧の応答を示す特性図である。 α＝０．４かつβ＝０．１の時のトルク指令値とエンジン回転数，バッテリ電圧の応答を示す特性図である。 冷却水温度Ｔｗとα，βの関係を示す図である。

符号の説明

１ エンジン ２ 電動発電機
３ バッテリ ４ ＥＣＵ
７Ａ 水温センサ ７Ｂ 吸気温センサ
８ 回転センサ １０ クランクプーリ
１１ プーリ １３ ベルト
４０ 始動ロジック ４１ トルク目標値算出手段
４２ トルク指令値設定手段 ４３ 内燃機関始動手段
４５ 加算器 Ｂ１ 係数乗算手段
Ｂ２ 一次遅れ要素

Claims (3)

1. 内燃機関始動時のトルク目標値を算出するトルク目標値算出手段と、
   算出されたトルク目標値からトルク指令値を設定するトルク指令値設定手段と、
   前記トルク指令値設定手段で設定されたトルク指令値を出力する内燃機関始動手段と、
   前記内燃機関始動手段が出力したトルク指令値に追従したトルクを発生してエンジンを始動する電動発電機とを備え、
   前記トルク指令値設定手段は、
   前記トルク目標値に係数を乗算する係数乗算手段と、
   前記トルク目標値から前記係数乗算手段の出力を減算して得た差分値を一次遅れ要素で遅れをもたせて出力する一次遅れ要素と、
   前記係数乗算手段の出力と前記一次遅れ要素の出力とを加算合成してトルク指令値を得る
   加算器とを有することを特徴とする内燃機関始動装置。
2. 前記トルク指令値設定手段は、所定の自動停止条件を満足するときには、内燃機関を自動停止させると共に、この自動停止後に所定の自動始動条件を満足するときには、内燃機関を自動始動させるよう制御する自動始動停止制御手段を備え、前記所定の自動始動条件を満足して内燃機関を自動始動させるときに作動するようにしたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関始動装置。
3. 前記トルク指令値設定手段は、エンジンの冷却水温度と吸気温度の少なくともいずれか一つの値に応じて、
   前記トルク目標値に係数を乗算する前記係数乗算手段の係数と
   前記トルク目標値から前記係数乗算手段の出力を減算して得た差分値を一次遅れ要素で遅れをもたせて出力する前記一次遅れ要素の時定数の
   少なくともいずれか一方を変更するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関始動装置。

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