JP4907573B2 - エンジンの始動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータを介してエンジンのクランキングを開始し、エンジンの始動完了を判定したとき、クランキングを終了させるエンジンの始動制御装置に関する。

自動車に搭載されるエンジンは、燃費改善等の観点から始動完了までの時間ができるだけ短いことが求められる。特に、所定の条件でアイドル停止・自動再始動を行うアイドルストップ車においては、ドライバーの発進操作（例えば、ブレーキからアクセルに足を踏み替える）の間にエンジンを始動できなければ、フィーリングを損なうばかりではなく渋滞の原因ともなるため、この点からも始動時間の短縮が求められている。

この場合、当然のことながら、確実に始動できること、及び始動系の耐久性を確保することが要求され、これに対処するための技術が従来から各種提案されている。

例えば、特許文献１や特許文献２には、確実な始動を図るための技術が開示されている。特許文献１に開示の技術は、着火前のクランキング回転速度を低く抑え、クランキングに要する電力を抑制することで、クランキング可能な回数又は時間を確保し、確実な始動を図るものである。クランキング回転速度を低くしたことによる始動性悪化の弊害については、着火後のクランキング回転速度を上げて回転上昇を阻害しないようにすることで回避するようにしている。

また、特許文献２に開示の技術は、主に水温によりクランキング時間やクランキングを停止する回転数を変えることで最適化するものであり、特許文献１と同様にクランキングに要する電力を抑制し、確実な始動ができるようにしている。

一方、始動性を改善する技術としては、スタータモータの出力を大きくする等してクランキング回転速度を上げる技術が知られている。この場合は、クランキングに必要な電力が増大するため、大容量・高性能なバッテリの搭載や電源系の工夫により、確実に始動できるようにする必要があり、例えば、特許文献３、特許文献４には、それぞれ、始動用に高圧電源を用いる技術、始動用に高エネルギー密度のバッテリを用いる技術が開示されている。
特開２００７−４０２６３号公報 特開平１０−１６９５３５号公報 特開２００２−１６１８３８号公報 特開２００３−２５４２０８号公報

従来、始動完了を判定してエンジンのクランキングを終了させる判定回転数は、スタータのみの駆動力で上昇させ得るエンジン回転数より高い回転数に設定されている。これは、エンジンの不調等により着火が遅れた場合に、スタータの駆動力のみでクランキング終了の判定がなされてしまい、エンジンの始動に失敗することを防止するためである。

従って、特許文献１や特許文献２に開示されているように、クランキング回転速度を高めて始動時間を短縮しようとしても、クランキング終了を判定する判定回転数は通常より高く設定せざるを得ず、エンジンの着火によりエンジン回転数が判定回転数を超えるまでの間は、無駄にスタータを回すことになり、速やかにエンジンが着火した場合、この無駄時間は大きなものとなる。

また、エンジンやスタータは慣性モーメントを持つため、スタータをＯＦＦする回転数が高いと、スタータＯＦＦ後にスタータが慣性により暫く回りつづける時間も長くなり、スタータ内部の減速機構等に起因する騒音発生の原因となる。特に、ＤＣモータを使用したギヤ式スタータモータにおいては、クランキング回転数を高くすると、回転数が高い分だけ一回の始動当たりのモータのブラシ摺動距離が長くなり、ブラシ磨耗を促進してしまう。

一方、特許文献３や特許文献４に開示されているように、高エネルギー密度のバッテリ等の高性能な電源を使用した場合には、通常のバッテリと比べてクランキング時の電流が増加し、スタータモータのブラシの温度上昇やコンミテータとブラシとの間の火花放電が強くなり、ブラシ磨耗を更に促進してしまう虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、エンジンの始動時間の短縮を図ると共に、確実なエンジン始動とスタータモータの耐久性とを確保することのできるエンジンの始動制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるエンジンの始動制御装置は、モータを介してエンジンのクランキングを開始させ、エンジンの始動完了を判定したとき、クランキングを終了させるエンジンの始動制御装置において、上記エンジンの始動完了を判定する判定回転数を、少なくともクランキング開始からの経過時間に応じて動的に上昇するよう可変設定する判定回転数設定部と、エンジン回転数が上記判定回転数以上に上昇したとき、始動完了と判定して上記モータによるエンジンのクランキングを終了させる始動完了判定部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの始動時間を短縮することができると共に、確実なエンジン始動とスタータモータの耐久性とを確保することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図４は本発明の実施の一形態に係り、図１はエンジン始動系の構成図、図２始動制御の機能ブロック図、図３はクランキング開始後のエンジン回転数の変化を示す説明図、図４は始動制御ルーチンのフローチャートである。

図１において、符号１はエンジンであり、このエンジン１に、エンジン１をクランキングして始動させるスタータ２が連設されている。スタータ２は、図１においては、ＤＣモータを使用したギヤ式スタータを例示しており、ギヤの噛合／解除によりモータをエンジン１の出力軸と結合／離脱させるためのマグネットスイッチ回路を備え、その回路端子がスタータリレー３を介してバッテリ４に接続されている。バッテリ４は、例えば鉛バッテリであり、この鉛バッテリの特性改善のため、並列にコンデンサ５が接続されている。

尚、スタータ２としては、ギヤ式スタータに限定されることなく、エンジン１の出力軸に直結されて始動時のスタータ機能と始動後の発電機能とを併せ持つモータジェネレータでも良い。

スタータリレー３は、エンジン１を電子的に制御するエンジン制御装置（ＥＣＵ）５０によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータを中心として入出力回路等の周辺回路を備えて構成され、入力側に、クランク角センサ６を初めとしてエンジン１の運転状態を検出するための図示しない他のセンサ類が接続され、また、出力側に、スタータリレー３、及び、図示しないインジェクタや各種制御バルブ等のアクチュエータ類が接続されている。更に、ＥＣＵ５０は、ＣＡＮ（Controller Area Network）等によって構成される車内ネットワーク（図示せず）に接続され、自動変速機、ブレーキ、サスペンション等を制御する他の制御装置と通信により各種制御データの交換を行う。

ＥＣＵ５０は、クランク角センサ６から出力されるパルス信号のパルス間隔からエンジン１のクランク位置を検出してエンジン回転数を算出し、クランク位置やエンジン回転数を基本パラメータとして、エンジン１の始動制御、燃料噴射制御、点火時期制御等の各種制御を行う。

エンジン１の始動制御においては、ＥＣＵ５０は、始動判定がなされたとき、エンジン１のクランキングを開始すべく、スタータリレー３をＯＮしてバッテリ４からスタータ２に電源を供給し、スタータモータをエンジン１の出力軸に結合させてモータの回転によりエンジン１をクランキングさせる。そして、エンジン回転数が上昇して始動が完了したと判定したとき、スタータリレー３をＯＦＦしてスタータ２への電源を遮断し、スタータモータをエンジン１から切り離す。

このＥＣＵ５０における始動制御の機能は、図２のブロック図に示される。ＥＣＵ５０は、始動制御の代表的な機能として、始動完了を判定するための判定回転数を動的に可変設定する判定回転数設定部５１と、始動完了を判定してクランキングを終了させる始動完了判定部５２とを有している。

判定回転数設定部５１は、始動完了の判定回転数を、少なくともクランキング開始からの経過時間（クランキング時間）に応じて動的に上昇するよう可変設定する。この始動完了の判定回転数は、システム構成によっても若干異なるが、スタータ２のモータとして高出力のモータを用い、バッテリ４にコンデンサ５を並列にする等して電源特性を改善することで始動性を改善したシステムにおいては、エンジン回転数の立上り特性に合わせたクランキング開始後の経過時間によって設定する。また、安価なスタータモータを用い、通常の電源特性を有するシステム、或いは、特に精密な判定を要する場合には、クランキング時間のみならず電源特性やエンジン負荷等を考慮して判定回転数を設定する。

すなわち、クランキング開始を指示してから実際にエンジンが回り始めるまでには、スタータリレーのＯＮ遅れ、ギヤ式スタータの場合のギヤの噛み合いに要する時間等があり、遅れが発生する。エンジンが回り始めた後は、回転数が徐々に上昇し、混合気の着火（発火）がないものとすると、図３に太線で示すように、やがてフリクションとスタータの駆動力が釣り合う回転数まで上昇する。この場合、通常のエンジンでは、エンジンが回り始めて約３６０ＣＡから５４０ＣＡ程度で混合気が着火し、スタータ駆動力のみで釣り合う回転数に至る前に着火が完了する。

従って、エンジン回転数によって始動完了を判定してスタータをＯＦＦする場合、従来では、図３中に一点鎖線で示すように、始動完了の判定回転数を、スタータ駆動力のみで釣り合う回転数より高い回転に設定することで、エンジンが着火していないのに始動完了と誤判定してしまうことを防止するようにしている。このため、従来では、使用の状態で着火が完了する回転数（図３中の破線で示す立ち上がり特性の回転数）よりも、高い回転数に判定回転数が設定されることになり、着火後も無駄にスタータをＯＮしている状態が発生する。

そこで、判定回転数設定部５１は、始動完了の判定回転数を、図３に細線で示すように、リレーのＯＮ遅れ、ギヤの噛み合いに要する時間等を考慮して設定した初期値からエンジンの回転上昇特性に合わせて動的に上昇するよう可変設定している。エンジン回転数の立上り特性は、電源の特性やエンジンの負荷等によって変化するが、規定の条件（例えば、エンジン負荷が低負荷でバッテリが規定の電源容量である条件）下で予めエンジンの回転上昇特性を計測しておき、計測した回転上昇特性に合わせて、クランキング開始からの経過時間で始動完了の判定回転を可変設定することで、着火後の無駄なスタータＯＮ時間を短縮し、スタータの耐久性を高めることができる。

この場合、より精密な判定のためには、実際の電源の特性やエンジンの負荷を、判定回転数に反映させることが望ましい。バッテリ劣化等によりスタータへの電力供給量が大幅に変化することが予想される場合には、例えば、電源電圧、スタータ電流の積算値やスタータへ供給された電力量の積算値等のスタータに供給されるエネルギーを代表するパラメータを導入し、このパラメータとクランキング開始後の経過時間とを用いて判定回転数を変化させることで、判定精度を向上させることができる。

エンジン負荷の変化については、例えばエンジン水温によりエンジンのフリクションを代表させ、完爆判定回転数や完爆判定ディレーを水温に応じて変化させることが従来から行われており、同様に水温に応じた回転上昇特性を計測し、それに基づき判定回転数を変えることで対応することができる。

判定回転数設定部５１による判定回転数の動的な可変設定に対して、始動完了判定部５２は、そのときのエンジン回転数を判定回転数と逐次比較し、エンジン回転数が判定回転数以上に上昇したとき、始動完了と判定してスタータリレー３をＯＦＦし、クランキングを終了させる。尚、以下に説明するように、実際の処理では、判定回転数には、誤判定防止のための余裕を加算した判定回転数（クランキング終了判定回転数）との比較となり、エンジン回転数がクランキング終了判定回転数を上回っても直ちにスタータリレー３をＯＦＦせず、若干のディレー時間の後、スタータリレー３をＯＦＦするようにしている。

以上のＥＣＵ５０によるエンジンの始動制御は、具体的には、図４のフローチャートに示す始動制御ルーチンのプログラム処理によって実現される。以下、図４のフローチャートに従って、エンジンの始動制御について説明する。

この始動制御ルーチンは、一定周期（例えば、１０ｍｓｅｃ）毎に実行されるルーチンであり、先ず、最初のステップＳ１０１において、始動判定が成立しているか否かを判定する。この始動判定は、後述するように、クランキングが終了した時点でクリアされ、マニュアル変速機搭載のアイドルストップ車であれば、ＣＡＮを介して入力された情報に基づく所定の条件、例えば、変速ギヤがニュートラル位置にあり、アイドル停止状態からクラッチペダルが踏み込まれた条件に基づいて判定し、これらの条件が成立したとき、始動判定成立とされる。また、アイドルストップを行わない車両の場合には、キースイッチがスタート位置に回された等、運転者による始動操作を検出するスタート信号により、始動の判定を行う。

ステップＳ１０１にて、始動判定が成立していないと判定された場合には、何も行わずルーチンを抜ける。始動判定が成立しているときは、ステップＳ１０２へ進み、スタータリレー３が既にＯＮされているか否かを調べる。その結果、スタータリレー３がＯＮされていなければ、ステップＳ１０３へ進んでスタータリレー３をＯＮし、ステップＳ１０４，Ｓ１０５で、クランキング開始後の経過時間（クランキング時間）を計時するクランキング時間タイマ、始動完了判定からスタータリレー３をＯＦＦするまでのディレー時間を計時する終了判定ディレータイマをそれぞれクリアし、各タイマを初期化しておく。

一方、ステップＳ１０２でスタータリレー３が既にＯＮされている場合には、ステップＳ１０２からステップＳ１０６へ進み、クランキング終了判定回転数を設定する。このクランキング終了判定回転数は、エンジン回転の立上がり特性に基づく判定回転数に対して、誤判定防止のための余裕回転数を取った回転数である。

クランキング終了判定回転数は、クランキング時間のみを用いて設定する場合には、予めテーブルに設定されたデータから補間計算により算出する。また、より精度の高い判定を行うため、クランキング終了判定回転数を、電源の特性やエンジンの負荷を考慮して設定する場合には、クランキング時間の時間パラメータと、バッテリ４の電源電圧やスタータ２の電流の積算値、スタータ２への供給電力の積算値等のスタータ２に供給されるエネルギーを代表するパラメータとを軸として予め作成されたマップを補間計算付きで参照し、更に、水温に応じたエンジン負荷の補正を加えることで、クランキング終了判定回転数を設定する。尚、水温によるエンジン負荷の補正は、予めマップに組み込んでおいても良い。

ステップＳ１０６でクランキング終了判定回転数が設定された後は、ステップＳ１０７へ進み、クランキングタイマで計時したクランキング時間が設定時間を上回っていないかを判定する。クランキング時間が設定時間を上回った場合には、ステップＳ１０７からステップＳ１１２へジャンプしてスタータリレー３をＯＦＦし、ステップＳ１１３で始動判定をクリアして処理を終了する。これは、エンジンの何らかの異常によって始動が不可能なとき、設定された時間でクランキングを打ち切ることでスタータの焼損を防止し、スタータを保護するための処理である。

ステップＳ１０７でクランキング時間が設定時間内であれば、ステップＳ１０７からステップＳ１０８へ進んでクランキング時間タイマをインクリメントし、次に、ステップＳ１０９で、その時点でのエンジン回転数とクランキング終了判定回転数とを比較する。エンジン回転数がクランキング終了判定回転数より低い場合は、前述のステップＳ１０５で終了判定ディレータイマを初期化し、ルーチンを抜ける。

一方、エンジン回転数がクランキング終了判定回転数以上に上昇した場合には、ステップＳ１０９からステップＳ１１０へ進み、終了判定ディレータイマが設定値以上か否かを判定する。終了判定ディレータイマが設定値未満の場合は、ステップＳ１１１で終了判定ディレータイマをインクリメントし、終了判定ディレータイマが設定値以上になって所定のディレー時間が経過したとき、ステップＳ１１２でスタータリレー３をＯＦＦする。このように、エンジン回転数がクランキング終了判定回転数以上の状態が設定時間続いたとき、クランキングを終了し、その後、ステップＳ１１３で始動判定をクリアすることで本ルーチンの実質的な処理が終了し、始動完了となる。

尚、アイドルストップ車においては、クランキング終了判定回転数の可変設定は、アイドル停止からの再始動のみに限定するようにしても良い。一般に、アイドル停止は安定して再始動できる条件に限定して実施され、アイドル停止からの再始動回数が初始動回数に対して非常に多いことから、アイドル停止からの再始動時のクランキング時間を短縮するのみでも、スタータの耐久性を向上する上で十分な効果を発揮させることができる。従って、アイドル停止からの再始動時には、クランキング終了判定回転数を、クランキング開始からの動的な回転数挙動に基づいて可変設定し、それ以外の初始動時については、クランキング時間によらず一定の判定回転数とすることが可能であり、データの適合を簡単なものとすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、従来のようにスタータの駆動力のみで釣り合う回転数を元に始動完了の判定回転数を設定するのではなく、クランキング開始からの動的な回転数挙動に基づいて判定回転数を可変するため、クランキング開始直後で十分にクランキング回転数が上がっていない状態でエンジンが着火した場合においても、エンジンの着火に対応して迅速にクランキングを終了させることができる。

これにより、スタータの無駄な作動時間を削減し、スタータの消費電力を抑制すると共に、スタータモータのブラシの磨耗を抑制する等して、スタータの耐久性向上を図ることが可能となる。また、エンジン不調等によりクランキングが長引いた場合にも、誤判定によってクランキング終了に至ることがなく、十分なクランキング時間を確保することができる。

特に、スタータをＯＦＦにした後にギヤの噛み合いが解除されるギヤ式スタータでは、モータが慣性によりしばらく回り続け、モータの作動音や内部減速機構によるギヤの噛み合い音が発生するが、本実施の形態のように低い回転数でスタータをＯＦＦすることにより、モータが慣性で回りつづける時間を短縮して騒音レベルを低下させることができる。また、スタータが発電機とスタータ機能を併せ持つモータジェネレータである場合においても、始動のために消費される電力を抑制すると共に、始動時の電力による発熱量を抑制することができ、ジェネレータとしての能力低下を防止することができる。

エンジン始動系の構成図、 始動制御の機能ブロック図 クランキング開始後のエンジン回転数の変化を示す説明図 始動制御ルーチンのフローチャート

符号の説明

１ エンジン
２ スタータ
４ バッテリ
５０ エンジン制御装置
５１ 判定回転数設定部
５２ 始動完了判定部

Claims (4)

1. モータを介してエンジンのクランキングを開始させ、エンジンの始動完了を判定したとき、クランキングを終了させるエンジンの始動制御装置において、
   上記エンジンの始動完了を判定する判定回転数を、少なくともクランキング開始からの経過時間に応じて上昇するよう可変設定する判定回転数設定部と、
   エンジン回転数が上記判定回転数以上に上昇したとき、始動完了と判定して上記モータによるエンジンのクランキングを終了させる始動完了判定部と
   を備えたことを特徴とするエンジンの始動制御装置。
2. 上記判定回転数を、クランキング開始からの経過時間と、上記モータに供給されるエネルギーを代表するパラメータとに応じて可変設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの始動制御装置。
3. 上記判定回転数を、アイドル停止からの再始動時に可変設定することを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンの始動制御装置。
4. 上記始動完了判定部は、始動完了後所定時間経過後にエンジンのクランキングを終了させることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のエンジンの始動制御装置。

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