JP6341076B2 - 内燃機関用のベルト駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、車両の内燃機関用のベルト駆動システムに関する。

従来、車両の内燃機関のクランクシャフトの運動を、ベルトを介して伝達するベルト駆動システムが公知である。このようなベルト駆動システムは、クランクシャフトに連結されたクランクプーリと、始動用モータに連結された始動用プーリと、始動用モータ以外の補機に連結された従動プーリと、これらプーリに巻回されたベルトと、を有する。斯かるベルト駆動システムでは、車両の通常の走行時にクランクシャフトの回転によりクランクプーリが回転すると、ベルトを介して始動用プーリ及び従動プーリが回転せしめられる。一方、内燃機関の始動時には、始動用モータにより始動用プーリが回転せしめられ、これによりベルトを介してクランクシャフトが回転させられ、内燃機関が始動せしめられる。

従動プーリは、例えばウォータポンプ、オイルポンプ、エアコン、パワーステアリングポンプ等の補機に連結され、クランクプーリからの動力をこれら補機に伝達する。

ベルト駆動システムのベルトは、テンショナによって張力を付与されており、プーリとベルトとの間の滑りを防止する。また、制御装置であるＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）によって張力を調整可能なオートテンショナが公知である。

一般的なベルト駆動システムでは、内燃機関が停止した状態から内燃機関を再始動させるためには、始動用モータを回転させる。これにより、始動用モータに連結された始動用プーリが回転し、この回転がベルトを介してクランクプーリに伝達され、内燃機関が再始動される。このように始動用モータによってベルトの駆動を行う場合のベルト一周に亘る張力分布は、クランクシャフトによってベルトの駆動を行う場合の張力分布とは異なるものとなる。これは、ベルトの駆動を行うプーリ周りで最もベルトの張力が高くなると共にそこから駆動方向と反対方向に徐々に張力が低くなっていくところ、ベルトの駆動を行うものがクランクシャフトと始動用モータとの間で変わることによってベルトの駆動を行うプーリが変わることに起因するものである。

例えば、クランクシャフトによってベルトが駆動される場合、クランクシャフトに連結されたクランクプーリの回転によって引っ張られる側のベルトは部分的に張力が大きくなるのに対し、クランクプーリの回転によって送られる側のベルトは部分的に張力が小さくなる。逆に内燃機関の始動時に、始動用モータによってベルトが駆動される場合、始動用モータに連結された始動プーリの回転によって引っ張られる側のベルトは部分的に張力が大きくなるのに対し、始動プーリの回転によって送られる側のベルトは部分的に張力が小さくなる。こうして部分的に張力が小さくなった箇所では、ベルトとプーリとの間で滑りが生じてしまう可能性がある。そこで、斯かる滑りを抑制すべく、内燃機関の運転状態に応じてベルトの張力を調整するオートテンショナが提案されている（例えば、特許文献１）。特に、特許文献１に記載の装置では、内燃機関の始動時には、通常運転時に比べて、オートテンショナによってベルトに与える張力を大きくするようにしている。

ところで、内燃機関の停止中には、時間経過と共に内燃機関、オイル、冷却水等の温度が低下する。このため、内燃機関におけるフリクションが増大し、内燃機関を始動するのに必要なトルクが増大する。このように内燃機関を再始動させるときのトルクが増大すると、ベルトの滑りを抑制するためには、これに伴ってベルトに加える張力を大きくする必要がある。そこで、特許文献１に記載の装置では、内燃機関の停止からの経過時間に伴って、すなわち内燃機関等の温度の低下に伴って、ベルトに加える張力が大きくなるようなオートテンショナが用いられている。特許文献１によれば、これにより温度低下に伴ってフリクションが大きくなった内燃機関の再始動時におけるベルトの滑りが防止されるとされている。

特許第３６５２１７７号公報 特開２００５−２１４１２１号公報

ところで、内燃機関が停止している状態から内燃機関を再始動させる場合としては、イグニッションのオフ・オンによるもの以外にも、いわゆるＳ＆Ｓ（ストップアンドスタート）によるものや、コースティング制御により内燃機関を一時的に停止させるものが挙げられる。ここで、コースティング制御により内燃機関を一時的に停止させた場合には、走行する車両が受ける外気によって内燃機関等が冷却されるため、車両が停止した状態で内燃機関を停止させた場合と比べて、内燃機関の冷却速度が速くなる。

このため、車両が停止した状態で内燃機関を停止・再始動させる場合に合わせてベルト張力を設定すると、コースティング制御により内燃機関を停止・再始動させる場合のベルト張力が小さくなり過ぎてしまい、ベルトに滑りが生じる可能性がある。逆にコースティング制御により内燃機関を停止・再始動させる場合に合わせてベルト張力を設定すると、ベルトに不必要な大きな張力が加わり、ベルトの耐久性の低下や不要なエネルギの消費を招く。そこで、かかる課題に鑑みて、本発明の目的は、内燃機関を再始動する場合のベルト張力を最適に設定することにより、ベルトの滑りを抑制しつつベルトに不必要な大きな張力が加わることを防止する、内燃機関用のベルト駆動システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明によれば、内燃機関のクランクシャフトに連結されたクランクプーリと、内燃機関の始動用モータに連結された始動用プーリと、始動用モータ以外の補機に連結された従動プーリと、クランクプーリ、始動用プーリ及び従動プーリに巻回されたベルトと、ベルトの張力を調整するためのテンショナと、テンショナを制御するための制御装置と、を具備する車両の内燃機関用のベルト駆動システムであって、制御装置は、内燃機関の停止中に、内燃機関が停止してからの経過時間に伴って張力が増大されるようにテンショナを制御し、且つ、内燃機関の停止中における車両の走行速度が０より大きな所定の速度より大きい場合には、走行速度が０の場合よりも、経過時間に対する張力の増大速度を大きくするようにテンショナを制御するように構成された、内燃機関用のベルト駆動システムが提供される。

第１の発明によれば、内燃機関を再始動する場合のベルト張力を最適に設定することにより、ベルトの滑りを抑制しつつベルトに不必要な大きな張力が加わることを防止する、内燃機関用のベルト駆動システムを提供することができる。

本発明に係る内燃機関用のベルト駆動システムの概略図である。 Ｓ＆Ｓ制御を行った場合における走行速度、機関回転数、テンショナ張力のタイムチャートである。 コースティング制御を行った場合における走行速度、機関回転数、テンショナ張力のタイムチャートである。 走行速度とベルト８に付与する張力との関係を示した図である。 本発明に係る制御装置によって行われる張力制御を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に亘り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は本発明に係る内燃機関用のベルト駆動システムの概略図である。図１に示したように、ベルト駆動システムは、ベルト８によって巻回された複数のプーリを具備する。プーリは、内燃機関のクランクシャフト（図示せず）に連結されたクランクプーリ１と、ベルト８に負荷する張力を調整するテンショナプーリ２と、モータジェネレータ（図示せず）に連結された始動用プーリ３と、ベルト８によって駆動される従動プーリ４〜７とを具備する。本実施形態では、従動プーリは、オイルポンププーリ４、パワーステアリングポンププーリ５、エアーコンプレッサプーリ６及びウォータポンププーリ７を具備する。これらプーリ４〜７は、それぞれオイルポンプ、パワーステアリングポンプ、エアーコンプレッサ、ウォータポンプにそれぞれ連結される。なお、従動プーリ４〜７は、必ずしも上述した補機に連結されたものでなくてもよく、他の補機に連結されてもよい。また、従動プーリの数も４つに限定されるものではなく、これとは異なる数であっても良い。また、始動用プーリ３は、始動用モータ及び発電機の両方として機能するモータジェネレータに連結されているが、発電機としては機能しない始動用モータに連結されてもよい。

内燃機関の駆動中には、内燃機関のクランクシャフトによってクランクプーリ１が回転せしめられ、このクランクプーリ１の回転は、ベルト８を介して始動用プーリ３及び従動プーリ４〜７へと伝達される。一方、内燃機関が停止した状態で内燃機関を再始動する場合には、モータジェネレータを駆動してモータジェネレータに連結された始動用プーリ３を回転させ、この始動用プーリ３の回転をベルト８によってクランクプーリ１へと伝達させて内燃機関の始動を支援する。

テンショナプーリ２は、テンショナ９の一部を構成する。テンショナ９は、テンショナプーリ２と、揺動ピン１０ａ周りで回動可能な揺動アーム１０と、張力を調整可能な張力調整機構１１とを具備する。揺動アーム１０の一方の端部には揺動アーム１０に対して回転可能にテンショナプーリ２が連結されている。一方、揺動アーム１０の他方の端部には連結ピン１１ａを介して張力調整機構１１が連結されている。揺動アーム１０が揺動ピン１０ａ回りで回動すると、それに伴ってテンショナプーリ２はベルト８に向かう方向へ又はベルト８から離れる方向へ移動せしめられる（図１の矢印Ｘ）。このように揺動アーム１０の回動に伴ってテンショナプーリ２がベルト８に向かう方向へ移動すると、ベルト８の張力が増大せしめられる。逆に、揺動アーム１０の回動に伴ってテンショナプーリ２がベルト８から離れる方向へ移動すると、ベルト８の張力が減少せしめられる。

張力調整機構１１は、シリンダ及びピストンを有する機構として構成され、油圧により伸張及び収縮が可能である。張力調整機構１１のピストンが連結ピン１１ａによって揺動アーム１０に連結されているため、張力調整機構１１が伸張すると、これに伴って揺動アーム１０を介してテンショナプーリ２がベルト８から離れる方向へ移動せしめられる。逆に、張力調整機構１１が収縮すると、これに伴って揺動アーム１０を介してテンショナプーリ２がベルト８に向かう方向へ移動せしめられる。このように、テンショナ９では、張力調整機構１１を油圧により伸縮させることにより、ベルト８の張力を調整することができる。

テンショナ９の張力調整機構１１は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）等の制御装置１２に接続される。制御装置１２は、張力調整機構１１の作動を制御する。したがって、ベルト８の張力は、制御装置１２によって制御される。

なお、上述した例では、テンショナ９として油圧を用いて張力の調整を行うテンショナを用いている。しかしながら、テンショナ９としては、ベルト８の張力を任意の張力に調整することができるテンショナであれば、上述した張力調整機構１１においてモータにより揺動アーム１０を制御するテンショナ等、如何なるテンショナを用いてもよい。

ところで、車両に搭載された内燃機関が停止されるときとしては、イグニッションスイッチがオフにされたときの他に、Ｓ＆Ｓ制御によって内燃機関が自動停止されるときや、コースティング制御によって内燃機関が自動停止されるときが挙げられる。Ｓ＆Ｓ制御とは、イグニッションスイッチがオンにされた状態において、車両がブレーキにより停止してから所定時間経過した後に内燃機関を自動的に停止させる制御のことを意味する。例えば、車両が停止した後、運転者がブレーキを踏んだと判断されると、Ｓ＆Ｓ制御が開始されて内燃機関が自動的に停止せしめられる。その後、運転者がブレーキから足を離すと、Ｓ＆Ｓ制御が終了され、内燃機関が再始動される。

また、コースティング制御とは、車両の走行中に運転者が加速を停止した状態で所定時間経過した場合に、内燃機関から車両の動力を伝達せずに車両を惰性走行させ、且つ、内燃機関を停止する制御のことを意味する。例えば、車両の走行中に、アクセルペダルの踏み込み量がゼロであると判断されると、コースティング制御が開始されてクラッチが切り離され、内燃機関が自動的に停止せしめられる。その後、アクセルペダルが踏み込まれると、コースティング制御が終了され、クラッチが結合されると共に内燃機関が再始動される。

まず、Ｓ＆Ｓ制御を行った場合について説明する。図２は、Ｓ＆Ｓ制御を行った場合の、走行速度、機関回転数、及び、テンショナ９がベルト８に対して付与するテンショナ張力のタイムチャートである。図２に示した例では、時刻ｔ１以前には、車両が所定の速度で走行している。その後、時刻ｔ１において、ブレーキペダルが踏み込まれ、これにより時刻ｔ１以降、車両の走行速度が低下していき、時刻ｔ２において走行速度が０になる。その後、Ｓ＆Ｓ制御の実行条件が成立すると、Ｓ＆Ｓ制御の開始によって内燃機関の燃料噴射が停止される。内燃機関における燃料噴射が停止されると、機関回転数は急激に低下し、図示した例では、時刻ｔ５において内燃機関が停止する。

ここで、上述したように、内燃機関を再始動する際には、滑りを抑制するために、ベルト８に大きな張力を付与することが必要となる。そこで、本実施形態では、Ｓ＆Ｓ制御によって内燃機関が停止されたときには、テンショナ９によってベルト８に付与される張力が増大せしめられる。特に、図２に示した例では、内燃機関が停止するにあたって、機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊ、すなわち内燃機関がモータジェネレータによるアシスト無しで自立復帰可能な回転数まで低下したとき（時刻ｔ４）には、初期張力Ｔ１となっているようにベルト８に張力が付与される。具体的には、内燃機関の燃料噴射が停止されて機関回転数が低下しても、機関回転数が自立復帰可能回転数よりも高い所定の回転数Ｎ１に到達するまでは、テンショナ９によってベルト８に付与される張力が機関運転時に通常付与される張力Ｔ０に維持される。その後、時刻ｔ３において機関回転数が所定の回転数Ｎ１に到達すると、テンショナ９によってベルト８に付与される張力の増大が開始される。これにより、機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊより小さくなった場合の内燃機関の再始動に必要なテンショナ張力を、機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊより小さくなる前に予めベルト８に付与し、再始動に備えておくことが可能となる。なお、初期張力Ｔ１は、内燃機関の温度が十分高いとき（内燃機関が暖機状態にあるとき）に、ベルト８とプーリとの間で滑りを生じることなく内燃機関を再始動させることができるような張力とされる。

本実施形態では、時刻ｔ４以降、テンショナ張力は、時間経過に伴って増大せしめられる。特に、Ｓ＆Ｓ制御を行うことによって内燃機関が停止された図２の例では、時間経過に対して張力勾配Ｔｓで張力が増大せしめられる。

その後、時刻ｔ６において、ブレーキペダルが解放されること又はスロットルペダルが踏み込まれること等によりＳ＆Ｓ制御が終了せしめられ、内燃機関が再始動される。このとき、テンショナ張力は一定に保持される。その後、時刻ｔ７において、機関回転数が例えば７００ｒｐｍ等、アイドル回転数Ｎ２に達すると、テンショナ張力が機関運転時に通常付与される張力Ｔ０へと戻される。

ここで、上述したように、Ｓ＆Ｓ制御により内燃機関が停止されると、内燃機関が停止されてから（或いは、機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊより小さくなったときから）の経過時間に応じて内燃機関等の温度が低下し、内燃機関におけるフリクションが増大する。このため、内燃機関の再始動には大きなトルクが必要になり、これに伴ってベルト８の滑りを防止するために必要な張力も増大する。これに対して、本実施形態では、上述したように、内燃機関が停止されてからの経過時間に応じてテンショナ張力が増大せしめられる。このため、内燃機関の停止中におけるテンショナ張力をこのように制御することにより、内燃機関を再始動する際に必要とされるテンショナ張力を適切に確保することができる。

次に、図３を参照して、コースティング制御を行った場合について説明する。図３は、コースティング制御を行った場合の走行速度等の、図２と同様なタイムチャートである。図３に示した例では、時刻ｔ１以前には、車両が所定の走行速度で走行している。その後、時刻ｔ１において、アクセルペダルの踏み込み量がゼロになり、コースティング制御の実行条件が成立すると、コースティング制御が開始される。コースティング制御が開始されると、内燃機関における燃料噴射が停止され、機関回転数が急激に低下し、図示した例では時刻ｔ５において内燃機関が停止する。

この場合、上述したＳ＆Ｓ制御の場合と同様に、時刻ｔ３において機関回転数が所定の回転数Ｎ１以下になったときに、テンショナ張力の急速な増大が開始され、機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊまで低下したとき（時刻ｔ４）にはテンショナ張力は初期張力Ｔ１まで増大されている。

コースティング制御の場合においても、時刻ｔ４以降、テンショナ張力は、時間経過に伴って増大せしめられる。特に、コースティング制御を行うことによって内燃機関が停止された図３の例では、時間経過に対して張力勾配Ｔｆで張力が増大せしめられる。

その後、時刻ｔ６において、アクセルペダルが踏み込まれること等によりコースティング制御が終了せしめられ、内燃機関が再始動される。このとき、テンショナ張力を一定に保持される。その後、時刻ｔ７において、機関回転数がアイドル回転数Ｎ２に達すると、テンショナ張力が機関運転時に通常付与される張力Ｔ０へと戻される。

ここで、Ｓ＆Ｓ制御によって内燃機関を停止させた場合には車両が停止しているため、内燃機関等の冷却速度はそれほど速くない。一方、コースティング制御中により内燃機関を一時的に停止させた場合には、走行する車両が受ける外気によって内燃機関等が冷却されるため、Ｓ＆Ｓ制御によって内燃機関を停止させた場合と比べて、内燃機関等の冷却速度が速くなる。このため、コースティング制御により内燃機関を停止させた場合には、Ｓ＆Ｓ制御により内燃機関を停止させた場合以上に、内燃機関を再始動させる際の内燃機関におけるフリクションが増大する。このため、コースティング制御により内燃機関を停止された場合には、内燃機関を再始動させるのにより大きなトルクが必要になる。これに対して、本実施形態によれば、コースティング制御中における張力勾配Ｔｆの大きさ（すなわち、単位時間当たりの張力の増大速度）は、Ｓ＆Ｓ制御中における張力勾配Ｔｓよりも大きくされる。これにより、コースティング制御により内燃機関が停止された後に内燃機関を再始動するときであっても、ベルト８に滑りが生じないだけの張力を付与することが可能となる。

図４は、内燃機関の停止中における車両の走行速度と、ベルト８に付与する張力の張力勾配（単位時間当たりの張力の増大速度）との関係を示す図である。図４に示したように、本実施形態では、走行速度を検知する速度検知装置（図示せず）によって検知した走行速度が速くなるほど、張力勾配が大きくされる。なお、図４では、走行速度から張力勾配が一意に決定されるものとして示されているが、これは例示にすぎず、張力勾配は、車両の走行に関する他のパラメータ（例えば、外気温や機関停止時の油温等）に応じて変化するように設定されてもよい。

具体的には、テンショナ９によってベルト８に付与するテンショナ張力Ｔｓｅｔは例えば下記式（１）に基づいて算出される。
Ｔｓｅｔ＝（Ｔｓｔｐ／Ｋｔｍｐ）×Ｋｓｐｄ …（１）
式（１）において、Ｔｓｔｐは、加速を停止してからの時間、又は、内燃機関が完全に停止してからの停止時間である。また、Ｋｔｅｍｐは、外気温度が低い場合に小さくなり、外気温度が高い場合に大きくなる外気温度係数Ｋｔｍｐである。加えて、Ｋｓｐｄは、走行速度が低い場合に小さくなり、走行速度が高い場合に大きくなる車両走行係数Ｋｓｐｄである。

なお、上述した実施形態では、内燃機関の停止中における走行速度に応じて張力勾配を設定している。しかしながら、Ｓ＆Ｓ制御によって内燃機関が停止された場合と、コースティング制御によって内燃機関が停止された場合とを明確に区別してテンショナ張力を決定するようにしてもよい。この場合、例えば、内燃機関の停止中に走行速度が０の場合と、０よりも大きい所定の閾値Ｖ１以上の場合とを明確に区別してテンショナ張力を決定することができる。したがって、このような態様も考慮すると、本発明では、内燃機関の停止中における走行速度が所定の閾値Ｖ１よりも大きい場合には、内燃機関の停止中の走行速度が０の場合よりも、経過時間に対する張力の増大速度が大きくなるようにテンショナの制御が行われるといえる。

図５は、本発明に係る制御装置１２によって行われるテンショナ９による張力制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは一定時間間隔の割り込みによって行われる。

まず、ステップＳ１１において、張力制御フラグＦＲが１であるか否かが判定される。張力制御フラグＦＲは、内燃機関の停止に伴う張力制御が実行されているときに１とされ、それ以外のときに０とされるフラグである。ステップＳ１１において、張力制御フラグＦＲが０であると判定されると、ステップＳ１２へと進む。

ステップＳ１２では、機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊよりも低いか否かが判定される。機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊ以上であると判定された場合には、ステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、機関回転数がＮ１以下であるか否かが判定される。ステップＳ１３において、機関回転数がＮ１よりも高いと判定され場合には制御ルーチンが終了せしめられる。

その後、Ｓ＆Ｓ制御又はコースティング制御により、機関回転数がＮ１以下に低下すると、次の制御ルーチンではステップＳ１３からステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、テンショナ張力が初期張力Ｔ１に設定され、これに伴ってテンショナ９はベルト８に付与される張力がＴ１になるように作動せしめられる。

さらに機関回転数が低下して、機関回転数が自立復帰可能回転数Ｎｊよりも低くなると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１２からステップＳ１５へと進む。ステップＳ１５では、図４に示したマップ等に基づいてテンショナ張力が設定される。次いで、ステップＳ１６では、張力制御フラグＦＲが１にセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

張力制御フラグＦＲが１にセットされると、次の制御ルーチンでは、ステップＳ１１において張力制御フラグＦＲが１にセットされているとして、ステップＳ１７へと進む。ステップＳ１７では、停止していた内燃機関が再始動されたか否かが判定される。内燃機関が再始動されていないと判定された場合には、ステップＳ１５へと進む。一方、ステップＳ１７において内燃機関の再始動が検知された場合には、ステップＳ１８へと進む。

ステップＳ１８では、機関回転数がアイドル回転数Ｎ２以上であるか否かが判定される。内燃機関の再始動直後で機関回転数が十分に上昇していない場合には、ステップＳ１８において機関回転数はアイドル回転数Ｎ２よりも低いと判定され、ステップＳ１９へと進む。ステップＳ１９では、テンショナ張力が一定に保持されるように設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、内燃機関の再始動後、機関回転数が十分に上昇すると、ステップＳ１８において機関回転数はアイドル回転数Ｎ２以上であると判定され、ステップＳ２０へと進む。ステップＳ２０では、テンショナ張力が通常時の張力Ｔ０に設定される。次いで、ステップＳ２１では、張力制御フラグＦＲが０にリセットされ、制御ルーチンが終了せしめられる。

１ クランクプーリ
２ テンショナプーリ
３ 始動用プーリ
４ オイルポンププーリ
５ パワーステアリングポンププーリ
６ エアーコンプレッサプーリ
７ ウォータポンププーリ
８ ベルト
９ テンショナ
１０ 揺動アーム
１１ 張力調整機構
１２ 制御装置

Claims (1)

1. 内燃機関のクランクシャフトに連結されたクランクプーリと、
   内燃機関の始動用モータに連結された始動用プーリと、
   前記始動用モータ以外の補機に連結された従動プーリと、
   前記クランクプーリ、前記始動用プーリ及び前記従動プーリに巻回されたベルトと、
   該ベルトの張力を調整するためのテンショナと、
   該テンショナを制御するための制御装置と、を具備する車両の内燃機関用のベルト駆動システムであって、
   前記制御装置は、前記内燃機関の停止中に、前記内燃機関が停止してからの経過時間に伴って前記張力が増大されるように前記テンショナを制御し、且つ、
   前記内燃機関の停止中における前記車両の走行速度が０より大きな所定の速度より大きい場合には、前記走行速度が０の場合よりも、経過時間に対する前記張力の増大速度を大きくするように前記テンショナを制御するように構成された、内燃機関用のベルト駆動システム。

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