JP4669762B2 - エンジンの始動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの回転軸に設けた駆動部材とエンジンのクランク軸に設けた従動部材とにトルクを伝達する無端伝動部材を巻き掛け、モータ制御手段がモータ回転数検出手段で検出したモータ回転数に基づいてモータの出力トルクを制御しながらクランク軸をクランキングしてエンジンを始動するエンジンの始動制御装置に関する。

モータにより無端ベルトを介してエンジンのクランク軸をクランキングして始動を行う際に、クランク軸の回転数が始動開始時からの時間経過に応じて等角加速度で増加するようにモータの出力トルクを制御することにより、モータの出力トルクを最大限にエンジンに印加する場合と略同等の時間でクランク軸の回転数を始動回転数まで増加させるものが、下記特許文献１により公知である。
特開２００４−３４６８３４号公報

ところで、エンジンのクランク軸をクランキングする負荷はクランクアングルに応じて周期的に変動するため、エンジン回転数がリニアに増加するようにクランキングを行うと、前記負荷の変動に応じて無端ベルトの張力が周期的に変動してしまい、無端ベルトの張力が増加した瞬間にプーリに対するスリップが発生してスムーズな始動が損なわれる問題がある。

そこで無端ベルトの張力が一定になるようにエンジン回転数を周期的に変動させながらクランキングを行うことが考えられ、この場合にはエンジン回転数が周期的に変動するようにモータの出力トルクを周期的に変動させることになる。しかしながら、モータのロータには慣性モーメントが存在するため、モータ回転数が変動するとロータの慣性モーメントとモータの角加速度との積に比例する慣性トルクが発生してしまい、この慣性トルクの分だけモータの出力トルクに誤差が生じてモータ回転数を精度良く制御できなくなり、結果として無端ベルトの張力が変動してしまう可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、モータの出力トルクで無端伝動部材を介してエンジンを始動する際に、モータ回転数が変動する場合の慣性トルクの影響を考慮して無端伝動部材の張力変動を最小限に抑えることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、モータの回転軸に設けた駆動部材とエンジンのクランク軸に設けた従動部材とにトルクを伝達する無端伝動部材を巻き掛け、モータ制御手段が、モータ回転数検出手段で検出したモータ回転数に基づいて定まる目標トルクを用いてモータの出力トルクを制御しながらクランク軸をクランキングしてエンジンを始動するエンジンの始動制御装置において、所定のクランクアングル毎にクランク軸の位相信号を出力するクランク軸位相検出手段と、そのクランク軸位相検出手段が出力するクランク軸の位相信号の時間間隔に基づいてモータ角加速度を検出するモータ角加速度検出手段とを備え、前記モータ制御手段は、前記クランク軸のクランキング中、前記モータ角加速度検出手段で検出したモータ角加速度と前記モータの慣性モーメントとの積からモータの慣性トルクを算出し且つこの慣性トルクを前記目標トルクから減算する目標トルクの補正を行うことで前記モータの出力トルクを補正することを特徴とするエンジンの始動制御装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記クランク軸位相検出手段が、クランクアングルの１５°毎に前記位相信号を出力することを特徴とするエンジンの始動制御装置が提案される。

尚、実施例の駆動プーリ１２は本発明の駆動部材に対応し、実施例の従動プーリ１４は本発明の従動部材に対応し、実施例の無端ベルト１５は本発明の無端伝動部材に対応し、実施例の電子制御ユニットＵは本発明のモータ制御手段に対応する。

本発明によれば、モータ回転数検出手段で検出したモータ回転数に基づいて定まる目標トルクを用いてモータの出力トルクを制御しながらクランク軸をクランキングしてエンジンを始動するモータ制御手段が、クランク軸のクランキング中、モータ角加速度検出手段で検出したモータ角加速度とモータの慣性モーメントとの積からモータの慣性トルクを算出し且つこの慣性トルクを前記目標トルクから減算する目標トルクの補正を行うことでモータの出力トルクを補正するので、モータでクランク軸をクランキングする際の負荷変動に応じてモータ回転数を精度良く制御でき、従って、そのクランキングの際にモータ回転数が変動する場合の慣性トルクの影響を考慮して無端伝動部材の張力変動を最小限に抑えることができる。

しかもクランク軸位相検出手段が出力する所定のクランクアングル毎のクランク軸の位相信号の時間間隔に基づいて、モータ角加速度検出手段がモータ角加速度を検出するので、クランク軸の位相信号の時間間隔を計時するだけでモータ角加速度を検出することができる。

以下、本発明の実施形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

図１〜図８は本発明の一実施例を示すもので、図１は始動用モータを備えた自動車のエンジンを示す図、図２は一般的なモータの回転数と出力トルクとの関係を示すグラフ、図３は始動時のエンジン回転数および角加速度の変化特性を示すグラフ、図４は従来のモータ電磁トルク（目標トルク）の設定手法の説明図、図５は本実施例のモータ電磁トルク（目標トルク）の設定手法の説明図、図６はカム位相信号およびクランク位相信号の説明図、図７はモータ角加速度の検出手法の説明図、図８はモータ目標角加速度の設定手法の説明図である。

図１に示すように、自動車用のエンジンＥには始動用のモータＭが設けられており、モータＭの回転軸１１に固定した駆動プーリ１２とエンジンＥのクランク軸１３に固定した従動プーリ１４とに無端ベルト１５が巻き掛けられる。モータＭを駆動すると、回転軸１１のトルクが駆動プーリ１２、無端ベルト１５および従動プーリ１４を介してクランク軸１３に伝達され、クランク軸１３がクランキングされてエンジンＥが始動する。本実施例では、便宜的に駆動プーリ１２の直径と従動プーリ１４の直径とが等しく設定されている。

モータ回転数検出手段Ｓａで検出したモータＭの回転数（以下、モータ回転数Ｎｍという）と、クランク軸位相検出手段Ｓｂで検出したクランク軸１３の位相と、カム軸位相検出手段Ｓｃで検出したカム軸１６の位相とが入力される電子制御ユニットＵは、モータ回転数Ｎｍ、クランク軸１３の位相およびカム軸１６の位相に基づいてモータＭの出力トルクを制御する。

図２は一般的なモータＭの回転数と出力トルクとの関係を示すグラフであって、モータ回転数Ｎｍが所定回転数に達するまで出力トルクは一定であり、所定回転数を越えるとモータ回転数Ｎｍの増加に伴って出力トルクが双曲線状に減少する。

図３の実線は無端ベルト１５にスリップが発生しない場合のエンジン回転数（モータ回転数Ｎｍ）の変化特性を示すグラフである。クランク軸１３をクランキングするとシリンダ内でピストンが往復動して周期的な負荷変動が発生するため、エンジン回転数がリニアに増加するようにモータＭの駆動を制御すると無端ベルト１５の張力が周期的に変化してしまう。その結果、無端ベルト１５の張力が増加した瞬間に駆動プーリ１２と無端ベルト１５との間にスリップが発生し、モータＭの出力トルクをクランク軸１３に効率的に伝達できなくなる。そこでクランキングに伴うクランク軸１３の周期的な負荷変動に応じてエンジン回転数を図３の実線のように制御することで、無端ベルト１５の張力を一定に保持してスリップの発生を抑制することができる。図３の破線は、実線のエンジン回転数に対応するエンジン角加速度であり、このエンジン角加速度はエンジン回転数の変動に応じて変動する。

図４に破線で示すモータＭの電磁トルクは、実線で示すエンジン回転数（無端ベルト１５の張力が一定値に保持される回転数）を得るためのものである。モータＭが一定角速度で回転していて後述する慣性トルクが発生しない場合には、破線で示すモータＭの電磁トルクをトルク指令値としてモータＭを駆動すると、実線で示すエンジン回転数が得られて無端ベルト１５の張力が一定値に保持されるはずである。しかしながら、実際には角速度が変動するモータＭのロータには一点鎖線で示す慣性トルクが作用するため、モータＭは電磁トルクに慣性トルクを加算した二点鎖線で示す総駆動トルクを出力してしまい、その結果として実線で示すエンジン回転数が得られなくなって無端ベルト１５の張力が変動してしまう問題がある。

そこで図５に示す本実施例では、無端ベルト１５の張力が一定値に保持されるエンジン回転数（実線参照）を得るためのトルク指令値として、モータ電磁トルク（破線参照）から慣性トルク（一点鎖線参照）を減算して総駆動トルク（二点鎖線参照）を算出し、この総駆動トルクをトルク指令値としてモータＭの駆動を制御する。その結果、トルク指令値は無端ベルト１５の張力を一定値に保持するものとなる。

上述したモータＭの慣性トルクは、モータＭのロータの慣性モーメントにモータＭの角加速度αを乗算することで算出可能である。モータＭの角加速度αは、モータ回転数検出手段Ｓａで検出したモータ回転数Ｎｍ（つまりモータＭの角速度ω）を時間微分することで算出可能であるが、本実施例ではクランク軸位相検出手段Ｓｂで検出したクランク軸位相およびカム軸位相検出手段Ｓｃで検出したカム軸位相に基づいてモータＭの角加速度αを算出している。

図６に示すように、クランク軸位相検出手段Ｓｂはクランクアングルの１５°毎にクランク軸位相信号を出力し、カム軸位相検出手段Ｓｃはクランクアングルの１８０°毎にカム軸位相信号を出力する。カム軸位相信号をクランク軸１３の回転の１周期の開始タイミングに利用し、クランクアングルの１５°毎に出力されるクランク軸位相信号の時間間隔を計時し、その時間間隔でクランクアングルの１５°を除算することで、クランクアングルの１５°毎の各期間における区間回転速度変化量（つまりクランク軸１３の角加速度）を算出することができる。図７にはその一例が示される。

本実施例では駆動プーリ１２および従動プーリ１４が同一直径であることから、上述した手法で算出したクランク軸１３の角加速度は、モータＭの角加速度αに一致する。駆動プーリ１２および従動プーリ１４の直径が異なる場合には、その直径比に基づいてクランク軸１３の角加速度を補正することで、モータＭの角加速度αを算出する。

以上のように、エンジンＥのクランク軸１３をクランキングする際のモータＭのトルク指令値を、
トルク指令値＝目標トルク（電磁トルク）−慣性トルク
で設定したので、慣性トルクの影響を補償してモータＭに的確なトルク指令値を与え、モータ回転数Ｎｍ（エンジン回転数）をクランク軸１３の負荷変動に応じて周期的に変化させて無端ベルト１５の張力を一定に保持し、駆動プーリ１２に対するスリップの発生を効果的に阻止することができる。

また前記慣性トルクは、
慣性トルク＝ロータの慣性モーメント×モータ角加速度
により設定されるが、モータＭが目標角加速度で制御される場合には、前記慣性トルクは、
慣性トルク＝ロータの慣性モーメント×（モータ角加速度−目標角加速度）
により設定される。

図８において、エンジンＥの始動時にモータ回転数Ｎｍは実線のように変化するが、目標回転数はモータ回転数Ｎｍを近似する破線のように設定され、この目標回転数に対応する目標角加速度は鎖線のように設定される。尚、図８における符号ＮｍｉはモータＭのエンジン始動後回転数である。エンジン始動後回転数Ｎｍｉとは、エンジンＥが完爆状態になって始動が完了するエンジン回転数に対応するモータ回転数Ｎｍであり、本実施例では駆動プーリ１２および従動プーリ１４が同一直径であるため、モータＭのエンジン始動後回転数Ｎｍｉは、そのときのエンジン回転数に一致する。

このように目標角加速度が設定されている場合、この目標角加速度とロータの慣性モーメントとの積に相当する慣性トルクが発生するため、この目標角加速度に基づく慣性トルクをモータ角加速度に基づく慣性トルクから減算して補正を行うことで、モータＭの慣性トルクを更に精度良く算出することができる。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例では駆動プーリ１２および従動プーリ１４を同一直径としているが、異なる直径であっても良い。

また本発明の無端伝動部材は実施例の無端ベルト１５に限定されず、駆動スプロケットおよび従動スプロケットに巻き掛けられた無端チェーンであっても良い。この場合、本発明によれば無端チェーンに加わる最大荷重を低減して耐久性を高めることができる。

始動用モータを備えた自動車のエンジンを示す図 一般的なモータの回転数と出力トルクとの関係を示すグラフ 始動時のエンジン回転数および角加速度の変化特性を示すグラフ 従来のモータ電磁トルク（目標トルク）の設定手法の説明図 本実施例のモータ電磁トルク（目標トルク）の設定手法の説明図 カム位相信号およびクランク位相信号の説明図 モータ角加速度の検出手法の説明図 モータ目標角加速度の設定手法の説明図

１１ 回転軸
１２ 駆動プーリ（駆動部材）
１３ クランク軸
１４ 従動プーリ（従動部材）
１５ 無端ベルト（無端伝動部材）
Ｅ エンジン
Ｍ モータ
Ｎｍ モータ回転数
Ｓａ モータ回転数検出手段
Ｓｂ クランク軸位相検出手段
Ｕ 電子制御ユニット（モータ制御手段）
Ｕａ モータ角加速度検出手段
α モータ角加速度

Claims (2)

1. モータ（Ｍ）の回転軸（１１）に設けた駆動部材（１２）とエンジン（Ｅ）のクランク軸（１３）に設けた従動部材（１４）とにトルクを伝達する無端伝動部材（１５）を巻き掛け、モータ制御手段（Ｕ）が、モータ回転数検出手段（Ｓａ）で検出したモータ回転数（Ｎｍ）に基づいて定まる目標トルクを用いてモータ（Ｍ）の出力トルクを制御しながらクランク軸（１３）をクランキングしてエンジン（Ｅ）を始動するエンジンの始動制御装置において、
   所定のクランクアングル毎にクランク軸（１３）の位相信号を出力するクランク軸位相検出手段（Ｓｂ）と、
   そのクランク軸位相検出手段（Ｓｂ）が出力するクランク軸（１３）の位相信号の時間間隔に基づいてモータ角加速度（α）を検出するモータ角加速度検出手段（Ｕａ）とを備え、
   前記モータ制御手段（Ｕ）は、
   前記クランク軸（１３）のクランキング中、前記モータ角加速度検出手段（Ｕａ）で検出したモータ角加速度（α）と前記モータ（Ｍ）の慣性モーメントとの積からモータ（Ｍ）の慣性トルクを算出し且つこの慣性トルクを前記目標トルクから減算する目標トルクの補正を行うことで前記モータ（Ｍ）の出力トルクを補正することを特徴とする、エンジンの始動制御装置。
2. 前記クランク軸位相検出手段（Ｓｂ）が、クランクアングルの１５°毎に前記位相信号を出力することを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの始動制御装置。

Images