JP6504039B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、スタータによりエンジンを始動するために必要なエネルギーを低減できるエンジン始動装置に関する。

従来技術として、特許文献１が公知である。
同文献１には、エンジンの停止状態からシリンダにおける最初の空気及び燃料の混合気を燃焼させる燃焼サイクルを予測し、その予測された最初の燃焼サイクル中にスタータのピニオンをエンジンのリングギヤから離脱させる方法が開示されている。この方法によれば、エンジンが完爆するまでピニオンをリングギヤに噛み合わせておく必要がなく、ピニオンをリングギヤから早く離脱させることができる。その結果、スタータの劣化、電流消費、オーバーランによるクラッチの劣化、エンジンのノイズ及び振動を低減することが可能である。

特開２０１１−１２７５９１号公報

ところが、特許文献１の従来技術では、燃焼が発生したと予測されるシリンダの膨張行程中にピニオンをリングギヤから離脱させている。すなわち、少なくとも最初の燃焼サイクルにおける圧縮上死点を越えるまでは、ピニオンがリングギヤから離脱することはない。
これに対し、エンジンが惰性回転で最初の燃焼サイクルにおける圧縮上死点を越えられるタイミングを推定できれば、そのタイミングでピニオンをリングギヤから離脱させることができる。この場合、上記のタイミングでスタータによるクランキングを停止しても、エンジンの惰性回転で初爆を迎えることが可能である。

しかし、上記のタイミングを推定する手段を持たない特許文献１の従来技術では、少なくとも最初の燃焼サイクルにおける圧縮上死点を越えるまでスタータによるクランキングを停止できない。言い換えると、最初の燃焼サイクルにおける圧縮上死点より手前でスタータがオフされることはないため、始動エネルギーの低減を図る上で改善すべき点がある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、エンジンの始動に必要なエネルギーを低減できるエンジン始動装置を提供することにある。

請求項１に係る本発明は、モータの回転をピニオンに伝達するためのクラッチを有するスタータと、前記モータの動作を制御するモータ制御装置とを備え、エンジンのクランク軸に連結されるリングギヤに前記ピニオンを噛み合わせ、前記モータに発生する回転力を前記ピニオンに伝達して前記リングギヤを回転させることで前記エンジンをクランキングするエンジン始動装置であって、前記モータ制御装置は、前記クランキングが開始されてから前記エンジンに蓄えられたエネルギーおよび前記エンジンの初爆までに必要なエネルギーを算出し、前記エンジンに蓄えられたエネルギーが前記初爆までに必要なエネルギーを上回ったときに前記モータの回転速度を減速させることを特徴とする。

クランキングが開始されてからエンジンに蓄えられたエネルギーが初爆までに必要なエネルギーを上回った場合、それ以後、スタータによりエンジンをクランキングしなくても、エンジンの惰性回転によって初爆を迎えることができる。
本発明では、エンジンに蓄えられたエネルギーが初爆までに必要なエネルギーを上回ったときは、エンジンの初爆より前のタイミングでもモータの回転速度を減速させるので、最小の始動エネルギーでエンジンの始動を行うことが可能である。このため、スタータによるエンジンのクランキングを初爆後まで継続して行う特許文献１の従来技術と比較して、エンジンを始動するために必要な始動エネルギーを低減できる。

実施例１に係るエンジン始動装置の全体構成図である。 モータ制御装置の処理手順を示すフローチャートである。 エンジンの行程図である。 体積と圧力との関係を示すグラフである。 モータに逆向きのトルクを発生させた場合のエンジン回転数およびモータ回転数のグラフである。 モータに逆向きのトルクを発生させた場合にクラッチが連結するときのエンジン回転数およびモータ回転数を示すグラフである。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１のエンジン始動装置１は、図１に示すように、モータ３の回転力によってエンジンをクランキングするスタータ２と、モータ３の動作を制御するモータ制御装置４とを備える。スタータ２は、モータ３の他に、以下に説明するピニオン５、減速機（図示せず）、クラッチ６、ソレノイド（図示せず）などを備える。
ピニオン５は、モータ３に駆動される出力軸７の軸上にヘリカルスプライン嵌合して出力軸７の軸上を移動可能に配置され、出力軸７上を反モータ方向（図示左方向）へ移動して、エンジンのクランク軸に連結されるリングギヤ８に噛み合うことができる。

減速機は、例えば、遊星歯車装置によって構成され、モータ３の回転速度を所定の減速比で減速する。
クラッチ６は、モータ３とピニオン５との間に配置されて、モータ３からピニオン５へトルクを伝達する際に連結し、ピニオン５がエンジンにより回された時に非連結となってトルクの伝達を遮断する一方向クラッチである。
ソレノイドは、電磁力によってピニオン５を反モータ方向へ押し出す働きを有する。
モータ３は、ステータ巻線３ａに三相交流が印加されて回転磁界を発生し、その回転磁界に連れてロータ（図示せず）が回転する交流モータである。

モータ制御装置４は、バッテリＶの直流電圧を交流電圧に変換してモータ３に印加する周知のインバータであり、ＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴ等のスイッチング素子４ａと、モータ３へ流れる電流をフィードバックしてスイッチング素子４ａのオンオフ動作を制御する制御回路４ｂとを有する。
このモータ制御装置４は、エンジンＥＣＵ（図示せず）より出力されるエンジン始動信号を受けてモータ３への通電を開始した後、所定の条件（後述する）が成立したときにモータ３の回転速度を減速させるモータ速度制御を行う。
以下、モータ制御装置４によるモータ速度制御の手順を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。

下記のステップＳ１〜Ｓ１２は、図２に示すフローチャートの各ステップに付したＳ１〜Ｓ１２に該当する。
ステップＳ１で初期クランク角θ_０を取得する。例えば、図３に示すように、４気筒４サイクルエンジンで点火順序が気筒１→気筒３→気筒４→気筒２の順に行われる場合、気筒１の圧縮行程における初期位置θ_０＝５０［ｄｅｇ］を取得する。
ステップＳ２でモータ３の回転数ωｍ、回転角θｍ、及びトルクＴｍを取得する。
ステップＳ３でモータ３の出力エネルギーＰｍ、およびモータ３の運動エネルギーＰke_mを算出する。モータ３の出力エネルギーＰｍは、数式（１）に示されるように、モータトルクＴｍを初期位置θ_０から演算タイミングθ_１までの角度で積分すればよい。
数式（１）

モータ３の運動エネルギーＰke_mは、数式（２）に示されるように、モータ３のイナーシャＪｍと回転数ωｍから算出できる。
数式（２）…Ｐke_m＝１／２・Ｊｍ×ωｍ^２
ステップＳ４では、エンジンの入力エネルギーＰｅを算出する。先の数式（１）で求めたモータ３の出力エネルギーＰｍは、下記の数式（３）に示されるように、自身の運動エネルギーＰke_mとエンジンの入力エネルギーＰｅとに変換できる。従って、エンジンの入力エネルギーＰｅは、数式（４）に示されるように、モータ３の出力エネルギーＰｍから運動エネルギーＰke_mを減算して求めることができる。
数式（３）…Ｐｍ＝Ｐke_m＋Ｐｅ
数式（４）…Ｐｅ＝Ｐｍ−Ｐke_m

ステップＳ５で現在のクランク角θ_１を算出する。このクランク角θ_１は、ステップＳ２からステップＳ５までの間に変化するモータ３の回転角変化Δθｍを減速機のギヤ比で除算し、その値をステップＳ１で取得した初期クランク角θ_０に加算して求めることができる。
ステップＳ６では、圧縮行程におけるシリンダ内容積ｖを算出する。ここでは、クランク角θとシリンダ内容積ｖとが関係付けられたマップを使って求めることができる。
ステップＳ７では、圧縮行程におけるシリンダ内の気体エネルギーＰｃと、エンジンの運動エネルギーＰke_eを算出する。

シリンダ内の気体エネルギーＰｃは、体積ｖと圧力Ｐとの関係を示す図４のグラフで説明すると、シリンダ内容積がｖ_０からｖ_１に減少する間にシリンダ内の気体圧力がｐ_０からｐ_１まで増大した場合、図中のハッチングを施した部分の面積で表される。すなわち、数式（５）に示されるように、シリンダ内の気体圧力を体積で積分することにより算出できる。なお、初期位置でのシリンダ内圧力を大気圧ｐ_０とし、空気の比熱比をγとする。
数式（５）

エンジンの運動エネルギーＰke_eは、数式（６）に示されるように、エンジンのイナーシャＪｅと回転数ωｅから算出できる。
数式（６）…Ｐke_e＝１／２・Ｊｅ×ωｅ^２
ステップＳ８では、エンジンのフリクションＴｌを数式（７）より算出する。αはフリクションの重み付け係数であり、初期値は「１」である。
数式（７）…Ｔｌ＝αＰｌ／（θ_１−θ_０）
数式（７）に含まれるＰｌはエンジン負荷の損失エネルギーであり、下記の数式（８）に示されるように、エンジンの入力エネルギーＰｅと、エンジンの運動エネルギーＰke_eと、シリンダ内の気体エネルギーＰｃより算出できる。
数式（８）…Ｐｌ＝Ｐｅ−Ｐke_e−Ｐｃ

ステップＳ９では、初爆時のエンジン目標回転数をωe_refとして、現在の演算タイミ
ング（図３のθ_１＝１２０［ｄｅｇ］の位置）における初爆までの必要エネルギーＰｎを
数式（９）より算出する。図３の行程図では、気筒３の圧縮上死点に付与した▽印が初爆
のタイミングを示している。
数式（９）

ステップＳ１０では、現在の演算タイミングにおいてエンジンに蓄えられたエネルギー
Ｐe_tを数式（１０）より算出する。
数式（１０）…Ｐe_t＝Ｐke_e＋Ｐｃ
ステップＳ１１では、数式（１１）により定義される所定の条件が成立したか否かを判
定し、成立した場合（判定結果ＹＥＳ）にステップＳ１２へ進む。数式（１１）に含まれ
るＸは閾値であり、初期値を「０」とする。
数式（１１）…Ｐe_t−Ｐｎ＞Ｘ
ステップＳ１２でモータ３の回転速度を減速させる。具体的には、モータ３への通電を
停止する。あるいは、モータ３の回転方向に対し逆向きのトルクを発生させる、つまり、
モータ３に制動トルクを与えて減速する。

〔実施例１の作用及び効果〕
実施例１のエンジン始動装置１は、エンジンが惰性回転で最初の燃焼サイクルの圧縮上
死点を越えられるタイミングを推定し、そのタイミングでモータ３の回転速度を減速させる。すなわち、クランキングが開始されてからエンジンに蓄えられたエネルギーＰe_tとエンジンの初爆までに必要なエネルギーＰｎとを算出し、Ｐe_tがＰｎを上回った時にモータ３の回転速度を減速させる。これにより、初爆より前のタイミングでモータ３の回転速度を減速できるので、スタータ２によるエンジンのクランキングを初爆後まで継続して行う特許文献１の従来技術と比較して、エンジンを始動するために必要な始動エネルギーを低減できる。

また、エンジンが惰性回転で最初の燃焼サイクルの圧縮上死点を越えられると推定されるタイミングでモータ３の回転速度を減速させるので、通常のスタータと比較してピニオン５とリングギヤ８との歯打ち音を低減できる。また、ギヤ同士の摩擦も抑制できるので、ピニオン５およびリングギヤ８の耐久性も向上する。
さらに、モータ３の回転方向に対して逆向きのトルクを発生させる場合は、モータ３への通電を停止する場合よりクラッチ６の連結期間を短くできるので、ピニオン５とリングギヤ８との歯打ち音を更に低減でき、耐久性も更に向上する。また、モータ３に逆向きのトルクを発生させることで、モータ３の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してバッテリＶに戻すことができるので、省エネルギーにも寄与する。

ステップＳ９で初爆までに必要なエネルギーＰｎを求める際に、例えばオイル粘度によって変化するエンジンのフリクションＴｌを数式（９）に算入しているので、エネルギーＰｎの演算精度が向上する。
また、ステップＳ７では、シリンダ内の気体エネルギーＰｃを求める際に、数式（５）に大気圧ｐ_０を算入することで気圧の変化による演算誤差を補正できるので、気体エネルギーＰｃの演算精度が向上する。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与して詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
この実施例２は、実施例１に記載したステップＳ１２でモータ３の回転速度を減速させるためにモータ３への通電を停止した後、クラッチ６が連結したと推定され、且つモータ３の回転数が所定の回転数まで低下した時に、再びモータ３への通電を開始する事例である。所定の回転数とは、エンジンが完爆可能な最低回転数である。

この実施例２では、モータ３の回転数が所定の回転数に低下するまでモータ３への通電を行わないので、ピニオン５とリングギヤ８との歯打ち音の発生期間を短くでき、ギヤ同士の摩擦も低減できる。その結果、騒音を低減できると共に耐久性が向上する。また、モータ３の回転数が所定の回転数まで低下した時にモータ３への通電を開始することでスタータ２によるクランキングを再開できるので、エンジンの始動を確実に行うことができる。
なお、クラッチ６が非連結の状態から連結すると、モータ３の回転数が変化するため、そのモータ３の回転数の変化からクラッチ６の連結を推定できる。

〔実施例３〕
この実施例３は、実施例１に記載したステップＳ１２でモータ３の回転速度を減速させるためにモータ３の回転方向に対し逆向きのトルクを発生させた後、初爆時のエンジン目標回転数より低い所定回転数を指令値としてモータ３を駆動する事例である。
具体的には、図５に示すように、時刻ｔ１でモータ３の回転数指令値をＡからＢ（但し、Ａ＞Ｂ）へ変更してモータ３を駆動する。回転数指令値Ｂは、初爆時のエンジン目標回転数ωe_refより低い所定回転数である。これにより、モータ３は、時刻ｔ０（通電開始）から時刻ｔ１まで回転数指令値Ａで駆動された後、時刻ｔ１からｔ２の間で減速され、それ以降（ｔ２以降）、回転数指令値Ｂで駆動される。

この実施例３では、モータ３の回転数指令値がＡからＢへ変更されてモータ３の回転速度が減速された後、スタータ２のクラッチ６が連結しないので、通常のスタータと比較してピニオン５とリングギヤ８との歯打ち音を低減できる。また、ギヤ同士の摩擦も抑制できるので、ピニオン５およびリングギヤ８の耐久性も向上する。
ところで、実際のフリクションが推定したフリクションより大きいと、図６に示すように、圧縮上死点におけるエンジン回転数がモータ３の回転数指令値Ｂを下回ってクラッチ６が連結する場合がある。そこで、次回のエンジン始動時には、数式（７）に含まれる重み付け係数αを大きくしてフリクションＴｌを算出する。また、運転者のキー操作によりＩＧ（イグニッション）がオフされた場合、すなわち、モータ制御装置４への電源供給が遮断された場合は、αを初期化する。

これにより、初爆までに必要なエネルギーＰｎが大きくなるため、数式（１１）の条件が成立するためには、モータ３の回転速度を減速させるタイミング（以下、減速タイミングと言う）を遅らせる必要がある。すなわち、モータ３の減速タイミングを遅らせることでエンジンに蓄えられたエネルギーＰe_tが大きくなるため、圧縮上死点におけるエンジン回転数が上昇してモータ３の回転数指令値Ｂを上回ることにより、クラッチ６の連結を回避できる。なお、実施例１に記載した数式（１１）に含まれる閾値Ｘは、初爆時のエンジン目標回転数ωe_refとモータ３の回転数指令値Ｂとの回転数差に応じて設定される。

〔変形例〕
実施例１に記載したモータ３は、交流電圧の周波数に応じて回転速度を可変する交流モータであるが、本発明は直流モータにも適用できる。モータ制御装置４は、例えば、スイッチング素子４ａのオンオフ動作をＰＷＭ制御して直流モータに印加する直流電圧を任意の電圧に変換することにより直流モータの回転速度を調整できる。
実施例１では、数式（１）〜（１１）の演算をモータ制御装置４で行っているが、別のＥＣＵが演算を行っても良い。例えば、エンジンＥＣＵが演算を行い、モータ制御装置４にモータ３の速度指令値や電圧ＤＵＴＹ指令値を通信等で送ることにより、同様な制御が実現できる。
実施例１では、モータ制御装置４がインバータを構成する事例を説明したが、モータ制御装置４をインバータと別に構成することもできる。

１ エンジン始動装置 ２ スタータ
３ モータ ４ モータ制御装置
５ ピニオン ６ クラッチ
８ リングギヤ

Claims (9)

1. モータ（３）の回転をピニオン（５）に伝達するためのクラッチ（６）を有するスタータ（２）と、
   前記モータの動作を制御するモータ制御装置（４）とを備え、
   エンジンのクランク軸に連結されるリングギヤ（８）に前記ピニオンを噛み合わせ、前記モータに発生する回転力を前記ピニオンに伝達して前記リングギヤを回転させることで前記エンジンをクランキングするエンジン始動装置（１）であって、
   前記モータ制御装置は、前記クランキングが開始されてから前記エンジンに蓄えられたエネルギー（Ｐe_t）および前記エンジンの初爆までに必要なエネルギー（Ｐｎ）を算出し、前記エンジンに蓄えられたエネルギーが前記初爆までに必要なエネルギーを上回ったときに前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
2. 請求項１に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータへの通電を停止することで前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項１に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータの回転方向に対して逆向きのトルクを発生させることで前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータへの通電を開始した後、前記初爆までに必要なエネルギーを算出する際に、前記エンジンのフリクション（Ｔｌ）によるエネルギーロスを加味することを特徴とするエンジン始動装置。
5. 請求項２に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータへの通電を停止した後、前記クラッチが連結したと推定され、且つ、前記モータの回転数が所定の回転数まで低下した時に前記モータへの通電を再開することを特徴とするエンジン始動装置。
6. 請求項３に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータの回転方向に対して逆向きのトルクを発生させた後、初爆時の前記エンジンの目標回転数（ωe_ref）より低い所定回転数を指令値として前記モータを駆動することを特徴とするエンジン始動装置。
7. 請求項６に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータへの通電を開始した後、前記初爆までに必要なエネルギーを算出する際に、前記エンジンのフリクション（Ｔｌ）によるエネルギーロスを加味し、初爆より前に前記クラッチが連結したと推定される場合は、前記フリクションを算出する際に付与される重み付け係数（α）を大きくすることを特徴とするエンジン始動装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記エンジンの運動エネルギー（Ｐke_e）とシリンダ内の気体エネルギー（Ｐｃ）とを合算して前記エンジンに蓄えられたエネルギーを算出し、前記シリンダ内の気体エネルギーを気圧の変化に応じて補正することを特徴とするエンジン始動装置。
9. 請求項５または７に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータの回転数の変化から前記クラッチが連結したと推定することを特徴とするエンジン始動装置。

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