JP4998398B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車等の車両に搭載される内燃機関（エンジンともいう）の制御装置に関する。前記内燃機関には、スタータやオルタネータが付設されており、オルタネータは、そのロータに取り付けられるプーリにワンウェイクラッチが組み込まれた構成である。

例えば自動車等の車両に搭載される内燃機関には、クランクシャフトの回転に伴い発電して、車載バッテリに電力を蓄積させるために、オルタネータが付設されている。

このオルタネータは、一般的に、例えば巻線形三相誘導発電機とされ、公知のようにロータとステータとを有する構成であり、前記ロータに取り付けられるオルタネータプーリとクランクシャフトに取り付けられるクランクプーリとにベルトを巻き掛け、クランクシャフトの回転によってロータを回転駆動することにより、ステータコイルに発生する交流電力を直流電力に変換して車載バッテリに充電させるようになっている。

ところで、内燃機関の運転中は、クランクシャフトが常に回転変動している。その一方で、オルタネータのロータは、その回転中、重量と形状とに応じたイナーシャがかかっている。そのために、クランクシャフトの回転変動によりベルトの送り出し側と戻し側とで張りと緩みとが発生し、ベルト張力が変動することになる。甚だしい場合には、ベルトがスリップする等して、スリップ音が発生する。

近年では、ベルトの張力変動を吸収してオルタネータプーリ外周でのベルトのスリップを防止するために、例えば特許文献１に示されているように、オルタネータにおけるロータとプーリとの間にワンウェイクラッチを介装することが考えられている。

また、例えば特許文献２に示されているように、ベルトの張力変動に伴うオルタネータのロータの回転変動の増減と逆相の関係で、ロータの発電トルクを増減制御することが考えられている。

さらに、例えば特許文献３に示されているように、２つの発電機を設け、発電機それぞれの発電量を制御することにより、ベルトの張力変動を低減することも考えられている。

ところで、上述したような内燃機関の回転中におけるベルトの張力変動の他に、内燃機関のクランキングに伴う完爆時には、クランクプーリで回転駆動されるベルトに、オルタネータの過大な発電トルクが急激に加担されるようになるために、ベルトの張力が瞬間的に増大することになるとともに、ベルトがオルタネータプーリ外周でスリップすることがある。

これに対し、例えば特許文献４には、内燃機関のクランキング回転数を上昇させて始動性を改善することを目的として、内燃機関のクランキング中においてオルタネータの発電機能を休止させることにより、オルタネータを空回り状態として、内燃機関に対する負荷を軽減させるようにすることが考えられている。
特開２００６−２１７７５８号公報 特開２００５−２３７１０９号公報 特開２００４−１２９４３１号公報 特開昭６１−１７１８７９号公報

上記特許文献１から４の従来例のうち、特許文献４に係る従来例のみが、内燃機関のクランキング時における制御を工夫した技術である。

この特許文献４に係る従来例は、内燃機関のクランキング回転数を上昇させて始動性を改善することを目的としていて、本発明とは目的思想が異なるうえ、内燃機関のクランキングの際には、オルタネータを空回り状態としても、オルタネータのロータ系のイナーシャがベルトに加担されることになる。

特に、近年の車両のように多数の電装製品が搭載されることに伴い発電能力の高いオルタネータの使用が要求される場合には、クランキングの際においてベルトにかかる負荷が大きくなるために、特許文献４に係る従来例に対しても、改良の余地がある。

このような事情に鑑み、本発明は、必要に応じてクランクシャフトを回転させるためのスタータと、クランクシャフトによりベルトを介して回転駆動されて発電する発電機とが付設される内燃機関の制御装置において、クランキングの際にベルトに過大な負荷がかかることを抑制または防止し、ベルト鳴きを防止するとともに、ベルトの寿命向上を可能とすることを目的としている。

本発明は、必要に応じてクランクシャフトを回転させるためのスタータと、クランクシャフトによりベルトを介して回転駆動されて発電する発電機とが付設される内燃機関の制御装置であって、前記発電機は、そのロータに前記ベルト巻き掛け用のプーリが取り付けられ、このプーリには、前記ロータとの回転差に応じて前記両者を一体化する状態と切り離す状態とに切り替わるワンウェイクラッチが組み込まれており、前記内燃機関の始動要求の有無を判定する始動要求判定手段と、前記始動要求判定手段で始動要求有と判定したときに、前記スタータでクランキングさせる前に、前記発電機のロータを発電側へ回転加速させる始動補助手段とを含む、ことを特徴としている。

この構成によれば、内燃機関の回転中、クランクシャフトからベルトを介して発電機のプーリが回転駆動され、ワンウェイクラッチがロックして発電機のプーリとロータとを一体化する状態となるので、発電機が発電される。

一方、内燃機関をクランキングする前に、発電機のロータを発電側へ回転加速させるようにすれば、クランキングに伴いクランクシャフトからベルトを通じて回転駆動される発電機のプーリの回転速度が、前記ロータの回転速度より速くなるまでの間、ワンウェイクラッチがフリーになって、発電機におけるプーリとロータとを切り離す状態になる。

このように、クランキングの際に、発電機のプーリが発電抵抗の無い状態で空転することになるから、ベルトおよび発電機のプーリに、発電機を発電駆動するための負荷（ロータ系イナーシャと発電抵抗とを含む）が加担されなくなる。また、クランキングにより内燃機関が完爆することによって、発電機のプーリの回転速度が前記ロータの回転速度を上回ると、ワンウェイクラッチがロックしてプーリとロータとが一体化されるようになるが、その一体化の際、プーリとロータとの回転速度差が小さいので、ベルトに衝撃荷重が加担されなくなる。

これらのことから、クランキングの際にベルトが発電機のプーリ外周でスリップすることが抑制または防止されるようになって、ベルト鳴きを防止することが可能になる他、ベルトの寿命を向上することが可能になる。

好ましくは、前記制御装置において、前記始動補助手段は、前記発電機のロータに励磁電流を供給するための励磁用電源回路と、前記発電機のステータコイルに回転磁界生成用の電流を供給するためのインバータとを制御することにより、前記ロータを励磁させるとともに前記ステータに回転磁界を生成させて、前記ロータを発電側へ回転加速させる。ここでは、発電機のロータを回転加速させるための要素を特定している。この特定により、本発明を実施するときの構成が明確になる。

好ましくは、前記制御装置は、前記クランキングに伴い内燃機関が完爆したか否かを判定する完爆判定手段をさらに含み、前記始動補助手段は、前記完爆判定手段により完爆したと判定したときに、前記発電機のロータに対する回転駆動力の供給を停止させる。

ここでは、内燃機関のクランキングの終了タイミングを制御するための機能実現手段を特定している。

本発明によれば、必要に応じてクランクシャフトを回転させるためのスタータと、クランクシャフトによりベルトを介して回転駆動されて発電する発電機とが付設される内燃機関の制御装置において、クランキングの際にベルトに過大な負荷がかかることを抑制または防止することが可能になる。そのため、ベルト鳴きを防止することが可能になるとともに、ベルトの寿命を向上することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図６に、本発明の一実施形態を示している。図１において、１は内燃機関、２はスタータ、３は発電機としてのオルタネータ、４は励磁用電源回路、５は整流器、６はバッテリ、７はインバータ（例えば無接点半導体インバータ）、８はウォーターポンプやエアコンディショナのコンプレッサ等の補機、９は制御装置である。

内燃機関１のクランクシャフト（図示省略）の回転動力は、オルタネータ３や補機８に伝達されるようになっている。そのようにするために、図２に示すように、クランクシャフトに取り付けられるクランクプーリ１１と、オルタネータ３に取り付けられるオルタネータプーリ１２と、補機８の一つであるウォーターポンプ（図示省略）に取り付けられるウォーターポンププーリ１３と、補機８の一つであるエアコンコンプレッサ（図示省略）のエアコンディショナプーリ１４とに、ベルト１５が巻き掛けられている。このベルト１５の張力は、テンショナ１６により調節されるようになっている。

そして、例えば運転者がイグニッションスイッチ（図示省略）を操作することにより内燃機関１の始動が要求されると、制御装置９は、基本的に、バッテリ６からの電力をスタータリレー（図示省略）を介してスタータ２に供給して、スタータ２を駆動することにより内燃機関１をクランキングさせると同時に、点火制御や燃料供給制御を行うことにより内燃機関１を始動させる。

内燃機関１の始動後は、クランクシャフト（図示省略）の回転動力がクランクプーリ１１からベルト１５を介してオルタネータプーリ１２、ウォーターポンププーリ１３ならびにエアコンディショナプーリ１４に伝達されるようになり、オルタネータプーリ１２の回転に伴いオルタネータ３が発電し、このオルタネータ３からの発電電力が整流器５を介してバッテリ６に充電されるとともに、必要に応じて補機８に供給される。

制御装置９は、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ（プログラムメモリ）、ＲＡＭ（データメモリ）、ならびにバックアップＲＡＭ（不揮発性メモリ）等を含んだ一般的に公知のＥＣＵ（Electronic Control Unit）とされ、例えば内燃機関１における種々の制御（例えば空燃比制御、燃料噴射制御、点火制御、スロットル制御、始動制御等）を実行するものである。

本発明では、制御装置９による始動制御を工夫しているので、後で詳細に説明する。なお、この実施形態での始動制御は、簡単に言えば、内燃機関１の始動時に、ベルト１５に過大な負荷を作用させないようにするものである。

次に、図３を参照して、オルタネータ３の概略構成を説明する。オルタネータ３は、例えば巻線形三相誘導発電機とされ、公知のように、ロータ３１と、ステータ３２とを含んでいる。

ロータ３１は、ロータコイル３１ａをロータコア３１ｂで包んだ電磁石からなり、このロータコア３１ｂをロータ軸３１ｃの外径側に固定した構成になっている。ステータ３２は、ステータコア３１ａに星型結線またはデルタ結線されたステータコイル３２ｂを巻装した構成であり、オルタネータケース３４の内周に取り付けられている。

このオルタネータ３は、一般的に公知のように、ロータコイル３１ａに励磁用電源回路４から励磁電流を流した励磁状態でロータ３１が回転させられると、ステータコイル３２ｂに三相交流電力が誘起される。このステータコイル３２ｂが発生した三相交流電力は、整流器５により直流化されて、バッテリ６に充電されるとともに、適宜の補機８に供給される。

但し、この実施形態では、オルタネータ３をあたかも電動機のように使用可能とするために、必要に応じて、インバータ７により、バッテリ６の直流電流をオルタネータ３のステータコイル３２ｂに回転磁界を生成するための交流電流に変換して、当該ステータコイル３２ｂに供給することにより、ロータ３１を回転駆動させることが可能になっている。このロータ３１の回転速度は、インバータ７により必要に応じて適宜制御される。

図４を参照して、オルタネータプーリ１２の概略構成を説明する。オルタネータプーリ１２は、オルタネータ３のロータ軸３１ｃにおいて外端部分の外径側に取り付けられている。このオルタネータプーリ１２は、内径側環体１２ａと外径側環体１２ｂとの間にワンウェイクラッチ１２ｃを組み込んだ構成になっている。

内径側環体１２ａは、ロータ軸３１ｃにおいて外端部分の外径側にボルト１２ｅを介して取り付けられており、この内径側環体１２ａの外径側に軸方向に離隔配置された二つの転がり軸受（例えば深溝玉軸受等）１２ｄ，１２ｄを介して外径側環体１２ｂが相対回転可能に取り付けられている。

この内径側環体１２ａと外径側環体１２ｂと二つの転がり軸受１２ｄ，１２ｄとで囲まれた環状空間に、ワンウェイクラッチ１２ｃが介装されている。このワンウェイクラッチ１２ｃは、例えばスプラグを用いた公知の構成とされているが、ローラを用いる公知の構成とすることも可能である。

このオルタネータプーリ１２の動作を説明する。まず、外径側環体１２ｂの回転速度が内径側環体１２ａの回転速度より速いときには、ワンウェイクラッチ１２ｃがロックして、外径側環体１２ｂと内径側環体１２ａとを一体化させる状態になる一方、外径側環体１２ｂの回転速度が内径側環体１２ａの回転速度より遅いときには、ワンウェイクラッチ１２ｃがフリーになって、外径側環体１２ｂと内径側環体１２ａとを切り離して相対回転させる状態になる。

このようなワンウェイクラッチ１２ｃを組み込んだオルタネータプーリ１２を用いる場合、内燃機関１の回転中、クランクシャフトからベルト１５を介してオルタネータプーリ１２が回転駆動され、ワンウェイクラッチ１２ｃがロックしてオルタネータプーリ１２とロータ３１とを一体回転させる状態になるので、オルタネータ３が発電される。

しかも、ベルト１５の回転変動に伴う外径側環体１２ｂの回転速度と内径側環体１２ａの回転速度との差に応じてワンウェイクラッチ１２ｃがロック、フリーに切り替わることによって、ベルト１５に作用する張力変動を吸収することが可能になるとともに、ベルト１５のスリップを防止することが可能になる。

この実施形態では、内燃機関１の始動時における制御形態を工夫しているので、図５から図７を参照して、詳細に説明する。

図５は、制御装置９による内燃機関１の始動制御に関する動作説明に用いるフローチャートである。このフローチャートは、制御装置９の動作を主体としたもので、周期的にエントリーされる。

まず、ステップＳ１において、内燃機関１の始動要求を受けたか否かを判定する。この判定は、図示していないイグニッションスイッチの状態検出結果に基づいて行なわれる。

ここで、前記ステップＳ１で否定判定した場合、つまり内燃機関１の始動要求が無ければ、このフローチャートの処理を終了する。しかしながら、前記ステップＳ１で肯定判定した場合、つまり内燃機関１の始動要求が有った場合には、続くステップＳ２に移行する。

このステップＳ２では、オルタネータ３のロータ３１を発電時と同じ向きへ回転加速させてから、ステップＳ３において、スタータ２を駆動させることにより、内燃機関１をクランキングする。

なお、前記ステップＳ２では、インバータ７により、オルタネータ３のステータコイル３２ｂに回転磁界生成用の電流を供給することにより、ロータ３１を回転駆動させて所定の目標回転速度にまで加速させるようにする。目標回転速度は、内燃機関１の完爆時に上昇するクランクシャフト回転速度に基づいて適宜に設定される。

この後、ステップＳ４において、内燃機関１が完爆したか否かを判定する。ここでの判定は、例えばクランクシャフトの角速度が規定値以上になったか否かを調べることにより行えるが、それ以外の公知の方法とすることも可能である。

ここで、前記ステップＳ４で否定判定した場合、つまり内燃機関１が完爆しなければ、当該ステップＳ４を繰り返すことにより、完爆するまで待つ。

しかしながら、前記ステップＳ４で肯定判定した場合、つまり内燃機関１が完爆した場合には、続くステップＳ５において、オルタネータ３のロータ３１に対する回転駆動力の供給を停止させてから、このフローチャートの処理を終了する。

このような制御装置９により実行する各ステップＳ１〜Ｓ５が、請求項に記載の各手段に相当する。

以上説明したように、要するに、内燃機関１を始動する際、オルタネータ３のロータ３１を発電時と同じ向きに回転加速させておいて、スタータ２で内燃機関１をクランキングさせるようにしている。

このスタータ２により内燃機関１をクランキングすることに伴いクランクプーリ１１が回転され、このクランクプーリ１１の回転動力がベルト１５を介して各プーリ１２〜１４に伝達されることになるが、このベルト１５によってオルタネータプーリ１２の外径側環体１２ｂが回転されたときには、例えば図６に示すように、既にオルタネータ３のロータ３１および内径側環体１２ａが外径側環体１２ｂと同じ向きに回転加速されている。

そのため、外径側環体１２ｂの回転速度がロータ３１および内径側環体１２ａの回転速度より速くなるまでの間、ワンウェイクラッチ１２ｃがフリーになっていて、オルタネータプーリ１２の外径側環体１２ｂとロータ３１および内径側環体１２ａとが相対回転するので、オルタネータプーリ１２の外径側環体１２ｂからオルタネータ３が切り離されて、外径側環体１２ｂが空転していることになる。

これにより、要するに、内燃機関１のクランキングの際、オルタネータプーリ１２およびベルト１５に、オルタネータ３を発電駆動するための負荷（ロータ３１系のイナーシャと発電抵抗とを含む）が加担されなくなる。

こうした後、内燃機関１が完爆すると、図６に示すように、クランクプーリ１１の回転速度が急上昇するとともに、このクランクプーリ１１からベルト１５を通じて回転駆動されるオルタネータプーリ１２の外径側環体１２ｂの回転速度が急上昇することになる。その一方で、内燃機関１が完爆したことに伴い、オルタネータ３のロータ３１に対する回転駆動力の供給を停止させるので、ロータ３１および内径側環体１２ａが惰性回転しながら減速することになる。

これにより、オルタネータプーリ１２の外径側環体１２ｂの回転速度がオルタネータ３のロータ３１および内径側環体１２ａの回転速度よりも速くなり、その時点で、ワンウェイクラッチ１２ｃがロックして、ロータ３１および内径側環体１２ａと外径側環体１２ｂとが一体化して、両者が同期回転するようになる。

ところで、前述したように内燃機関１が完爆してワンウェイクラッチ１２ｃがロックするときには、オルタネータ３のロータ３１および内径側環体１２ａの回転速度がオルタネータプーリ１２の外径側環体１２ｂの回転速度と略同期していて、ロータ３１および内径側環体１２ａと外径側環体１２ｂとの回転速度差が小さいので、ベルト１５に衝撃荷重がほとんど加担されなくなる。

ちなみに、本発明の比較例として、内燃機関１のクランキングの際に、前記のようにロータ３１を回転加速させずに静止している場合について、図７を参照して説明する。その場合、内燃機関１の完爆に伴いクランクプーリ１１の回転速度が急上昇することに伴いオルタネータ３のロータ３１が急加速されることになって、ベルト１５に瞬間的に過大な負荷がかかることになる。この他、背景技術の欄で提示した特許文献４のように、クランキング時にオルタネータ３の発電機能を休止させている場合だと、内燃機関１の完爆時に、オルタネータ３の静止しているロータ３１のイナーシャがベルト１５にかかることになる。このベルト１５にかかる負荷は、前記比較例に比べると小さいものの、クランキング毎にベルト１５に繰り返し作用することを考えると、特許文献４では、ベルト１５の寿命が低下することは明らかである。

このような比較例や従来例に比べると、上述した本実施形態の場合には、ベルト１５に加担される負荷が遥かに小さくて済むと言える。したがって、内燃機関１のクランキングの際にベルト１５がオルタネータプーリ１２の外周でスリップすることが抑制または防止されるようになって、ベルト鳴きを防止することが可能になる他、ベルト１５の寿命を向上することが可能になる。

特に、本実施形態では、公知の既存構成に、インバータ７を追加して、制御装置９の制御プログラムを変更するだけであるから、既存の販売車両に搭載される内燃機関１やその周辺のハード構成を変更する必要がなく、また、設備コストの上昇を抑えることが可能になる等、実用上においてきわめて有利となる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下で例を挙げる。

（１）上記実施形態において、発電機としてのオルタネータ３は、いわゆるモータジェネレータとすることも可能である。また、オルタネータ３で発電した電力を蓄積するためのバッテリ６は、大容量コンデンサ等とすることも可能であり、あるいはバッテリ６と大容量コンデンサとを組み合わせた蓄電装置を用いることも可能である。

（２）上記実施形態においては、内燃機関１の始動要求が有ったときに、オルタネータ３のロータ３１を回転加速させてから、スタータ２を駆動させるようにした例を挙げているが、オルタネータ３のロータ３１の回転加速と同時にスタータ２を駆動させることも可能である。

本発明に係る内燃機関の制御装置の適用対象となる構成例を模式的に示す図である。 図１の内燃機関に付設されるオルタネータや補機の動力伝達系を模式的に示す図である。 図１および図２のオルタネータの内部構造の概略を示す断面図である。 図３のオルタネータプーリの内部構造の概略を示す断面図である。 図１の制御装置による動作説明に用いるフローチャートである。 図１の内燃機関の始動時におけるクランクプーリおよびオルタネータロータの回転変化と、ベルトの張力変動との関係を示すグラフである。 本発明の比較例で、図６に対応するグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ スタータ
３ オルタネータ（発電機）
３１ オルタネータのロータ
３１ａ ロータコイル
３１ｃ ロータ軸
３２ オルタネータのステータ
３２ｂ ステータコイル
４ 励磁用電源回路
５ 整流器
６ バッテリ
７ インバータ
８ オルタネータ以外の補機
９ 制御装置
１１ クランクプーリ
１２ オルタネータプーリ
１２ａ 内径側環体
１２ｂ 外径側環体
１２ｃ ワンウェイクラッチ
１５ ベルト

Claims (3)

1. 必要に応じてクランクシャフトを回転させるためのスタータと、クランクシャフトによりベルトを介して回転駆動されて発電する発電機とが付設される内燃機関の制御装置であって、
   前記発電機は、そのロータに前記ベルト巻き掛け用のプーリが取り付けられ、このプーリには、前記ロータとの回転差に応じて前記両者を一体化する状態と切り離す状態とに切り替わるワンウェイクラッチが組み込まれており、
   前記内燃機関の始動要求の有無を判定する始動要求判定手段と、
   前記始動要求判定手段で始動要求有と判定したときに、前記スタータでクランキングさせる前に、前記発電機のロータを発電側へ回転加速させる始動補助手段とを含む、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記始動補助手段は、前記発電機のロータに励磁電流を供給するための励磁用電源回路と、前記発電機のステータコイルに回転磁界生成用の電流を供給するためのインバータとを制御することにより、前記ロータを励磁させるとともに前記ステータに回転磁界を生成させて、前記ロータを発電側へ回転加速させる、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記クランキングに伴い内燃機関が完爆したか否かを判定する完爆判定手段をさらに含み、
   前記始動補助手段は、前記完爆判定手段により完爆したと判定したときに、前記発電機のロータに対する回転駆動力の供給を停止させる、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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