JP6546495B2 - 内燃機関の始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動停止及び自動始動を行う内燃機関の始動装置に関する。

所定の停止条件が成立すると自動停止し、始動条件が成立すると自動始動を行う内燃機関を搭載した車両がある。この種の車両において、内燃機関は、停止処理が開始されても、慣性により正方向に回転を続け、ピストンが圧縮行程の上死点を乗り越えられなくなると、ピストンが押し戻されて逆方向に回転を始める。そして、内燃機関は、逆方向の回転において、膨張行程であった気筒のピストンが上死点を乗り越えられなくなると、正方向に回転方向を変え、回転方向の変換を繰り返して完全に停止する。

上記車両において、内燃機関の停止処理の開始後、内燃機関が完全に停止する前に内燃機関の始動条件が成立する場合がある。特許文献１に記載の内燃機関の始動装置は、内燃機関が正方向に回転している最中に始動条件が成立した場合には、スタータモータにより内燃機関のクランキングを開始している。一方、上記始動装置は、内燃機関が逆方向に回転している最中に始動条件が成立した場合には、動力伝達部材に過大な負荷が掛かることを防止するため、逆回転中はクランキングを禁止し、逆回転が解消するまで待ってからクランキングを開始している。

特開２００５−１４６８７５号公報

上記始動装置は、内燃機関の逆回転が解消するまで待ってからクランキングを開始するため、内燃機関の始動が遅れるおそれがある。また、内燃機関が正方向に回転している最中であっても、停止直前の低回転速度時にクランキングを開始する場合、始動条件成立時の内燃機関の状態によっては始動が遅れるおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑み、始動条件成立後に、内燃機関を迅速に始動することができる内燃機関の始動装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、内燃機関の始動装置であって、内燃機関（１０）をクランキングする回転電機（２０）と、前記内燃機関のクランク軸（１１）の角度を検出する検出装置（５１）と、前記回転電機の駆動を制御する制御装置（５０）と、を備え、前記制御装置は、前記内燃機関のシリンダ（１０ａ）内の気体により前記内燃機関に作用する図示トルクの作用方向を判定する方向判定部と、前記検出装置により検出された前記角度から前記クランク軸の回転速度を算出する速度算出部と、前記内燃機関が完全に停止する前の停止過程中において、前記内燃機関の始動条件が成立した際に、前記速度算出部により算出された前記回転速度が所定速度よりも低い場合に、前記方向判定部により判定された前記作用方向が正方向であることを条件として、前記回転電機による正回転方向のクランキングを開始する開始部と、を備える。

本発明によれば、内燃機関が完全に停止する前の停止過程中において、内燃機関の始動条件が成立した際に、クランク軸の回転速度が所定速度よりも低く、且つ図示トルクの作用方向が負方向の場合には、クランキングが開始されない。ここで、シリンダ内の気体の圧縮及び膨張に伴い内燃機関に作用する図示トルクは、内燃機関の行程に応じて正方向と負方向とに交互に作用する。回転電機によるクランキングの際には、図示トルクと回転電機トルクとの合成トルクがクランク軸に作用する。

内燃機関の始動条件が成立した際に、クランク軸の回転速度が所定速度以上の場合には、図示トルクの作用方向に関わらず、始動条件の成立と同時にクランキングを開始しても、クランク軸の回転速度は速やかに上昇する。一方、内燃機関の始動条件が成立した際に、クランク軸の回転速度が所定速度よりも低下している場合には、図示トルクが負方向となっていると、正方向の合成トルクが不足するおそれがある。そのため、シリンダ内の空気の圧縮に時間を要したり、圧縮された空気による図示トルクと回転電機のトルクとが釣り合ってクランク軸が静止したりして、内燃機関の始動を迅速にできないおそれがある。この点、図示トルクの作用方向が正方向であることを条件として、正回転方向のクランキングを開始するため、正方向の合成トルクが十分に大きくなり、クランキング開始から始動完了までの始動時間を短縮できる。また、クランク軸が逆方向に回転している際に、図示トルクが負方向から正方向へ反転するタイミングは、クランク軸の回転方向が逆回転方向から正回転方向へ反転するタイミングよりも早い。そのため、クランク軸の回転方向が正回転方向へ反転するまで待ってからクランキングを開始するよりも、早くクランキングを開始できる。したがって、始動条件成立後に、内燃機関を迅速に始動することができる。

ハイブリッド車両システムの概略構成を示す図。 エンジンが定速度で回転している場合におけるクランク角度に対する図示トルクを示す図。 第１実施形態に係るエンジン始動の処理手順を示すフローチャート。 第１実施形態、始動要求時にＭＧトルクを付与した場合、及びＭＧトルクを付与しない場合のそれぞれに係る（ａ）エンジン回転速度、（ｂ）ＭＧトルク、（ｃ）図示トルクのタイムチャート。 第２実施形態に係るエンジン始動の処理手順を示すフローチャート。 第１実施形態及び第２実施形態のそれぞれに係る（ａ）エンジン回転速度、（ｂ）ＭＧトルク、（ｃ）図示トルクのタイムチャート。 第１〜第３実施形態のそれぞれに係る（ａ）エンジン回転速度、（ｂ）ＭＧトルク、（ｃ）図示トルクのタイムチャート。

以下、内燃機関の始動装置を具現化した各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の各実施形態において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

（第１実施形態）
まず、本実施形態に係るハイブリッド車両システムの構成について、図１を参照して説明する。本実施形態に係るハイブリッド車両システムは、車両の走行駆動源であるエンジン１０及びＭＧ２０と、ハイブリッド車両システムを制御するＥＣＵ５０を備える。

エンジン１０は、所定の停止条件が成立すると自動停止し、所定の始動条件が成立すると自動始動するガソリン等のエンジンである。また、エンジン１０は、４つのシリンダ１０ａ（＃１）〜（＃４）を備える４気筒エンジンである。各シリンダ１０ａには、図示しない燃料噴射弁が設置されており、燃料噴射弁により燃料が噴射される。本実施形態において、エンジン１０が内燃機関に相当する。なお、本実施形態では、一例として４気筒のエンジンを示しているが、エンジン１０の気筒数はいくつでも構わない。

ＭＧ２０は、電動機及び発電機として作動する３相のモータジェネレータである。ＭＧ２０は、３相のインバータ２２に接続されている。３相のインバータ２２は、高圧（例えば数百Ｖ）の直流電源であるバッテリ２３に接続されている。ＭＧ２０が電動機として作動する場合、インバータ２２によりバッテリ２３の直流電力が交流電力に変換されてＭＧ２０に供給され、ＭＧ２０が駆動される。また、ＭＧ２０が発電機として作動する場合、ＭＧ２０により発電された交流電力は、インバータ２２により直流電力に変換されて、バッテリ２３へ供給される。

エンジン１０のクランク軸１１は、クランクプーリ３１に機械的に接続されている。また、ＭＧ２０の回転軸２１は、ＭＧプーリ３２に機械的に接続されている。クランクプーリ３１とＭＧプーリ３２とは、補機ベルト３３により連結されている。ＭＧ２０が電動機として作動する場合、ＭＧ２０から出力されたトルクは、ＭＧプーリ３２、補機ベルト３３及びクランクプーリ３１を介して、クランク軸１１に作用し、クランク軸１１を回転させる。ここでは、ＭＧ２０から出力されたトルクに応じて、最終的にクランク軸１１に作用するトルクをＭＧトルクと称する。ＭＧトルクは、クランクプーリ３１とＭＧプーリ３２との比、及びＭＧ２０から出力されたトルク等により決まる。また、クランク軸１１の回転速度を、エンジン１０の回転速度Ｎｅと称する。ＭＧプーリ３２、補機ベルト３３及びクランクプーリ３１は、ＭＧトルクをクランク軸１１へ伝達する動力伝達機構となっている。動力伝達機構はこの構成に限らず他の構成でもよい。例えば、ギアやワンウェイクラッチを備えた機構であってもよい。なお、本実施形態において、ＭＧ２０は比較的小型の走行アシスト用モータであり、ＭＧ２０の出力だけで走行することは困難となっている。

また、ＭＧ２０は、エンジン１０の始動時に、動力伝達機構を介してクランク軸１１にＭＧトルクを付与して、エンジン１０をクランキングするスタータモータとして機能する。すなわち、ＭＧ２０が、内燃機関をクランキングする回転電機に相当する。なお、本実施形態に係るハイブリッド車両システムは、ＭＧ２０とは別に、ユーザによる初回始動時にエンジン１０をクランキングするスタータモータを備えていてもよいし、モータジェネレータを複数備えていてもよい。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏ等を備えたマイクロコンピュータを主体として構成された電子制御装置である。ＥＣＵ５０は、運転者の要求等に基づき、エンジン１０やＭＧ２０の出力を制御する。詳しくは、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ５１により検出されたクランク軸１１の回転角度であるクランク角度、及びアクセルセンサ５２により検出されたアクセル開度等の検出値を取得する。そして、ＥＣＵ５０は、取得した各種検出値に基づいて、エンジン１０の要求出力及びＭＧ２０のトルク指令値を算出する。ＥＣＵ５０は、算出したエンジン１０の要求出力に基づいて、スロットルバルブを調整するスロットルアクチュエータへ駆動信号を出力するとともに、算出したトルク指令値に基づいて、インバータ２２へ駆動信号を出力する。本実施形態において、ＥＣＵ５０が回転電機の駆動を制御する制御装置に相当し、クランク角センサ５１が検出装置に相当する。

また、ＥＣＵ５０は、エンジン１０のアイドリングストップ制御を行う。詳しくは、ＥＣＵ５０は、停止条件が成立した場合に燃料カット等の処理を実施してエンジン１０を自動停止させ、始動条件が成立した場合にエンジン１０を自動始動させる。停止条件は、アクセルペダルが踏み込まれていない等である。始動条件は、アクセルペダルが踏み込まれる等である。

ＥＣＵ５０は、始動条件が成立してエンジン１０を自動始動させる際に、ＭＧ２０を電動機として作動させてエンジン１０をクランキングする。ここで、停止条件が成立してエンジン１０を自動停止させている過程で、エンジン１０が完全に停止する前に、始動条件が成立する場合がある。このとき、始動条件成立時のエンジン１０の状態によっては、始動条件の成立と同時に正回転方向のクランキングを開始すると、エンジン１０の始動が遅れるおそれがある。よって、ＥＣＵ５０は、始動条件が成立した場合に、適切なタイミングで正回転方向のクランキングを開始し、エンジン１０を迅速に始動させる。以下、ＥＣＵ５０によるエンジン１０の自動始動処理について説明する。

まず、エンジン１０の動作について説明する。各シリンダ１０ａは、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程を１サイクルとし、クランク軸１１が７２０°回転すると１サイクルを終了する。吸気行程では、吸気バルブが開いた状態で、シリンダ１０ａ内のピストンが下死点（ＢＤＣ）へ下がり、シリンダ１０ａ内へ空気を吸い込む。圧縮行程では、吸気バルブが閉じた状態で、ピストンがＢＤＣから上死点（ＴＤＣ）へ上がり、シリンダ１０ａ内の燃料と空気の混合気が圧縮される。この際、気体の圧縮反力により、エンジン１０のクランク軸１１の回転方向とは反対方向のトルクが、エンジン１０のクランク軸１１に作用する。燃料の燃焼に伴うクランク軸１１の回転方向を正回転方向とすると、クランク軸１１が正回転方向に回転している場合には、圧縮反力により負トルクがクランク軸１１に作用する。この圧縮反力によるトルクは、ピストンがＴＤＣに到達する前にピークとなり、その後ＴＤＣ付近でゼロに近づく。

膨張行程では、燃焼気体が膨張してピストンがＴＤＣからＢＤＣへ押し下げられる。この際、気体の膨張力により、エンジン１０のクランク軸１１の回転方向と同じ方向のトルクが、エンジン１０のクランク軸１１に作用する。すなわち、クランク軸１１が正回転方向に回転している場合には、膨張力により正トルクがクランク軸１１に作用する。この膨張力によるトルクは、ピストンがＢＤＣへ近づくにつれて小さくなる。排気行程では、排気バルブが開いた状態で、ピストンがＢＤＣから上がり、燃焼気体をシリンダ１０ａ外へ押し出す。

シリンダ１０ａ（＃１）〜（＃４）は、＃１→＃３→＃４→＃２の順に、シリンダ１０ａ内の混合気が点火される。例えば、シリンダ１０ａ（＃１）が圧縮行程のときは、シリンダ１０ａ（＃３）が吸気行程、シリンダ１０ａ（＃４）が排気行程、シリンダ１０ａ（＃２）が膨張行程となる。クランク軸１１には、圧縮行程におけるシリンダ１０ａで発生したトルクと、膨張行程におけるシリンダ１０ａで発生したトルクの合計トルクが作用する。各シリンダ１０ａ内の空気の圧縮及び膨張に伴い、エンジン１０のクランク軸１１に作用するトルクを図示トルクと称する。ここでは、燃料の燃焼により発生したトルクだけでなく、燃料の燃焼停止中に慣性によりクランク軸１１が回転している場合において、各シリンダ１０ａ内の空気の圧縮及び膨張に伴い、エンジン１０のクランク軸１１に作用するトルクも図示トルクと称する。

図２に、燃焼がない状態でエンジン１０が一定の回転速度Ｎｅで運転している場合における図示トルクを示す。図２では、クランク角度０°から１８０°の範囲では、例えば、シリンダ１０ａ（＃１）が膨張行程、シリンダ１０ａ（＃３）が圧縮行程となっている。クランク角度０°から約９０°の範囲では、シリンダ１０ａ（＃１）で発生する膨張に伴う正トルクが、シリンダ１０ａ（＃３）で発生する圧縮に伴う負トルクよりも大きいため、クランク軸１１には正トルクが作用する。その後、シリンダ１０ａ（＃１）における正トルクと、シリンダ１０ａ（＃３）における負トルクとが釣り合う。

さらに、クランク角度が約９０°〜１８０°の範囲では、シリンダ１０ａ（＃１）における正トルクよりも、シリンダ１０ａ（＃３）における負トルクの方が大きくなり、クランク軸１１には負トルクが作用する。そして、クランク角度が１８０°となると、シリンダ１０ａ（＃１）のピストンはＢＤＣ、シリンダ１０ａ（＃３）のピストンはＴＤＣの位置となる。このように、シリンダ１０ａ内の気体によりクランク軸１１に作用する図示トルクは、正の値と負の値を交互に繰り返す。

エンジン１０は、自動停止処理が開始されても直ちに停止するわけではなく、慣性により正回転方向に回転を続ける。そして、エンジン１０は、あるシリンダ１０ａのピストンが圧縮行程のＴＤＣを乗り越えられなくなると、ピストンが押し戻されて逆回転方向に回転を始める。さらに、エンジン１０は、逆回転方向の回転において、正回転方向時に膨張行程であったシリンダ１０ａのピストンがＴＤＣを乗り越えられなくなると、正回転方向に回転方向を変える。エンジン１０は、回転方向の変化を繰り返して完全に停止する。エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した場合には、エンジン１０が完全に停止してからクランキングを開始することも考えられるが、エンジン１０が完全に停止するまで待つとエンジン１０の始動が遅くなる。よって、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した場合には、エンジン１０が完全に停止するまで待つことなくクランキングを開始する。

ＭＧ２０でエンジン１０をクランキングする場合、クランク軸１１には図示トルクとＭＧトルクと摩擦等との合成トルクが作用する。以下では、摩擦等を省略して、合成トルクを、図示トルクとＭＧトルクとを合成したトルクとする。本実実施形態に係るＭＧ２０は、小型のアシストモータであり、ＭＧトルクは、シリンダ１０ａ内の圧縮反力によるトルクに対して十分に大きくない。詳しくは、ＭＧ２０は、ＭＧトルクの最大値が図示トルクの最大値よりも小さいモータである。

エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した際に、エンジン１０の回転速度Ｎｅが所定速度以上の場合には、図示トルクの作用方向に関わらず、始動条件の成立と同時に正回転方向のクランキングを開始すると、回転速度Ｎｅは速やかに上昇する。一方、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低下している場合には、図示トルクが負方向となっていると、正方向の合成トルクが不足するおそれがある。正方向の合成トルクが不足すると、シリンダ１０ａ内の空気の圧縮に比較的長い時間を要したり、負方向の図示トルクとＭＧトルクとが釣り合ってクランク軸１１が静止したりして、エンジン１０の始動を迅速にできないおそれがある。すなわち、クランキングの開始から、エンジン１０がＭＧ２０の力を借りることなく自立回転するようになるまでの始動時間が長くなったり、始動できなかったりするおそれがある。そこで、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した際に、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低い場合には、図示トルクの作用方向が正方向であることを条件として、ＭＧ２０による正回転方向のクランキングを開始する。

詳しくは、ＥＣＵ５０は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムを実行することにより、速度算出部、方向判定部、トルク判定部、待機部、及び開始部の各機能を実現する。

速度算出部は、クランク角センサ５１により検出されたクランク角度から、クランク軸１１の回転速度すなわちエンジン１０の回転速度Ｎｅを算出する。詳しくは、速度算出部は、回転速度Ｎｅを、正回転方向を正の値且つ逆回転方向を負の値として算出する。クランク角センサ５１は、正回転方向と逆回転方向のどちらの場合でも、クランク角度を検出できるセンサを用いると、逆回転方向の回転速度Ｎｅが算出される。

方向判定部は、図示トルクの作用方向を判定する。具体的には、クランク角センサ５１により検出されたクランク角度に基づいて、図示トルクの作用方向を判定する。クランク角度とエンジン１０の行程とは対応し、エンジン１０の行程と図示トルクの作用方向とは対応する。よって、図２に示すような、クランク角度と図示トルクとの作用方向との対応関係を予め用意しておき、方向判定部は、予め用意しておいた対応関係を用いて、図示トルクの作用方向を判定する。

あるいは、方向判定部は、クランク軸１１の角加速度に基づいて、作用方向を判定してもよい。この場合、ＥＣＵ５０は、速度算出部により算出された回転速度Ｎｅから、クランク軸１１の角加速度を算出する角加速度算出部の機能を備える。一般に、トルクは回転軸の角加速度に比例し、トルクが正回転方向であれば、角加速度も正回転方向に加速する値となる。よって、方向判定部は、算出されたクランク軸１１の角加速度が正回転方向の加速度であれば、図示トルクの作用方向を正方向、角加速度が逆回転方向の加速度であれば、図示トルクの作用方向を負方向と判定する。

トルク判定部は、クランク角センサ５１により検出されたクランク角度に基づいて、図示トルクの大きさを判定する。詳しくは、図２に示すような、クランク角度と図示トルクの作用方向及び大きさとの対応関係を予め用意しておき、トルク判定部は、予め用意しておいた対応関係を用いて図示トルクの大きさを判定する。あるいは、上述したように、クランク角度に基づいて算出されたクランク軸１１の角加速度は、図示トルクに比例するため、トルク判定部は、クランク軸１１の角加速度から図示トルクの大きさを判定してもよい。

待機部は、エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した際に、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低く、且つ、判定された図示トルクの作用方向が負方向の場合には、判定された図示トルクの作用方向が正方向になるまで、ＭＧ２０による正回転方向のクランキングの開始を待機する。

開始部は、エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した際に、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低い場合には、図示トルクの作用方向が正方向であることを条件として、ＭＧ２０による正回転方向のクランキングを開始する。

詳しくは、開始部は、判定された図示トルクの作用方向が正方向で、且つ判定された図示トルクの大きさが所定値よりも大きいことを条件として、ＭＧ２０による正回転方向のクランキングの開始を待機する。図示トルクが正トルクで、且つ大きさが所定値よりも大きくなってから正回転方向のクランキングを開始することで、エンジン１０が確実に始動される。なお、この所定値は、ＭＧ２０の出力の大きさやエンジン１０の出力の大きさによって変化する０以上の値である。所定値は実験等により予め設定しておく。

次に、始動条件が成立した場合に、エンジン１０を始動させる処理手順について、図３のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、エンジン１０の始動条件の成立時に、ＥＣＵ５０が実行する。

まず、ステップＳ１０では、回転速度Ｎｅが所定速度以上か否か判定する。回転速度Ｎｅが所定速度以上の場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）、ステップＳ１１において、正のＭＧトルクを発生させて、クランク軸１１に付与する。

一方、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低い場合（ステップＳ１０でＮＯ）、ステップＳ１２において、図示トルクが０以上の値である所定値以下か否か判定する。図示トルクが正の所定値以下の場合は（ステップＳ１２でＹＥＳ）、ステップＳ１２の処理を繰り返し実行する。一方、図示トルクが所定値よりも大きい場合は（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１１において、正のＭＧトルクを発生させて、クランク軸１１に付与し、クランキングを開始する。以上で本処理を終了する。

図４に、エンジン１０の停止過程中で、且つ図示トルクが負の方向のときに、エンジン１０の始動条件が成立した場合における、（ａ）エンジン１０の回転速度Ｎｅ、（ｂ）ＭＧトルク、（ｃ）図示トルクのタイムチャートを示す。図４（ａ）〜（ｃ）において、始動条件が成立する前における回転速度Ｎｅ及び図示トルクを二点鎖線で示す。また、始動条件成立後における本実施形態に係る回転速度Ｎｅ、ＭＧトルク、及び図示トルクを実線で示す。また、始動条件成立と同時に正方向のＭＧトルクを付与した場合に係る回転速度Ｎｅ、ＭＧトルク、及び図示トルクを破線で示す。さらに、始動条件成立後にＭＧトルクを付与しない場合に係る回転速度Ｎｅ、ＭＧトルク、及び図示トルクを一点鎖線で示す。

図４（ａ）〜（ｃ）に一点鎖線で示すように、エンジン１０の停止過程中に始動条件が成立してもＭＧトルクを付与しない場合、本実施形態においてＭＧトルクを付与するまでの間と同様に、回転速度Ｎｅが低下し続けて０となった後、エンジン１０は逆方向に回転している。そして、エンジン１０は、回転方向の変化を繰り返した後に停止している。また、エンジン１０の始動条件成立と同時に正方向のＭＧトルクを付与した場合は、負の図示トルクに対して正のＭＧトルクが十分に大きくないため、ＭＧトルクと図示トルクとが釣り合い、エンジン１０は回転を停止している。すなわち、正方向の合成トルクが不足して、エンジン１０の始動ができていない。このように、正方向の合成トルクが不足した場合、エンジン１０の始動ができたとしても、始動に時間がかかる。

これに対して、本実施形態の場合、図示トルクが所定値よりも大きくなった時に、正のＭＧトルクをクランク軸１１に付与しているため、正方向の図示トルクが十分に大きくなり、エンジン１０が速やかに始動している。

なお、エンジン１０の始動条件の成立時に図示トルクが正の所定値よりも大きい場合は、始動条件の成立と同時に、正のＭＧトルクを付与してクランキングを開始すれば、速やかにエンジン１０を始動できる。

以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。

・図示トルクの作用方向が正方向であることを条件として、正回転方向のクランキングを開始するため、正方向の合成トルクが十分に大きくなり、クランキング開始から始動完了までの始動時間を短縮できる。また、エンジン１０が逆回転方向に回転している際に、図示トルクが負方向から正方向へ反転するタイミングは、エンジン１０の回転方向が逆回転方向から正回転方向へ反転するタイミングよりも早い。そのため、エンジン１０の回転方向が正回転方向へ反転するまで待ってからクランキングを開始するよりも、早くクランキングを開始できる。したがって、始動条件成立後に、エンジン１０を迅速に始動することができる。

・エンジン１０の停止過程中に始動条件が成立した際に、図示トルクの作用方向が負方向の場合には、正方向になるまで待ってから正回転方向のクランキングを開始することにより、図示トルクを大きくして、エンジン１０を迅速に始動することができる。

・図示トルクが所定値よりも大きいことを条件として、正回転方向のクランキングを開始することにより、エンジン１０を確実に始動することができる。

・クランク角度とエンジン１０の行程とは対応し、エンジン１０の行程と図示トルクの作用方向及び図示トルクの大きさとは対応するため、クランク角の角度に基づいて、図示トルクの作用方向及び大きさを判定することができる。

・クランク軸１１の角加速度は図示トルクに比例するため、クランク軸１１の角加速度に基づいて、図示トルクの作用方向及び図示トルクの大きさを判定することができる。

・ＭＧトルクが図示トルクに対して十分に大きくない小型のＭＧ２０をクランキングに用いる場合には、図示トルクが正方向の所定値よりも大きくなるまでクランキングの開始を待ち、正方向の合成トルクを大きくすることは特に有効である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るＥＣＵ５０によるエンジン１０の自動始動処理について、第１実施形態と異なる点について説明する。

第２実施形態に係るＥＣＵ５０は、始動条件成立時の図示トルクが負方向の場合に、図示トルクが０以上の所定値を超えるタイミングを早くするため、逆回転部の機能を備える。詳しくは、逆回転部は、エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した際に、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低く、且つ判定された図示トルクの作用方向が負方向の場合に、ＭＧ２０によりエンジン１０を逆回転方向に所定時間クランキングさせる。

エンジン１０の停止過程中の始動条件成立時に、エンジン１０が正回転しており、且つ図示トルクが負方向の場合には、負のＭＧトルクをクランク軸１１に付与することで、正回転方向の回転速度Ｎｅの減速が促進され、正回転から逆回転へ反転するタイミングが早くなる。ひいては、図示トルクの作用方向が負方向から正方向へ反転し、所定値よりも大きくなるタイミングが早くなる。エンジン１０の回転方向が正回転方向から逆回転方向に反転すると、正回転時に圧縮行程であったピストンが膨張行程となる。そして、逆回転時に膨張行程となったピストンが圧縮行程に移行し、圧縮反力が大きくなると、図示トルクが負方向から正方向へ反転する。逆回転部は、ＭＧ２０の負トルクをクランク軸１１に付与することで、図示トルクが負方向から正方向へ反転するタイミングを早くする。

また、エンジン１０の停止過程中の始動条件成立時に、エンジン１０が逆回転しており、且つ図示トルクが負方向の場合には、負のＭＧトルクをクランク軸１１に付与することで、回転速度Ｎｅの減速が促進される、すなわち、エンジン１０の逆回転方向の回転速度Ｎｅが上昇する。これにより、逆回転時に膨張行程であったピストンが圧縮行程に移行し、圧縮反力が大きくなるタイミングが早くなるため、図示トルクが負方向から正方向へ反転し、所定値よりも大きくなるタイミングが早くなる。

開始部は、第１実施形態と同様に、エンジン１０の停止過程中において始動条件が成立した際に、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低い場合には、図示トルクの作用方向が正方向で、且つ所定値よりも大きいことを条件として、ＭＧ２０による正回転方向のクランキングを開始する。逆回転部により、図示トルクが所定値よりも大きくなるタイミングが早くなると、ＭＧ２０による正回転方向のクランキングの開始タイミングが早くなるため、エンジン１０の始動が更に早くなる。

なお、本実施形態において、所定時間は、始動条件が成立してから図示トルクが所定値よりも大きくなるまでの時間とする。すなわち、本実施形態では、始動条件の成立と同時に負のＭＧトルクを発生させ、図示トルクが所定値よりも大きくなった時点で、ＭＧトルクを負トルクから正トルクに切り替える。

次に、始動条件が成立した場合に、エンジン１０を始動させる処理手順について、図５のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、エンジン１０の始動条件の成立時に、ＥＣＵ５０が実行する。

まず、ステップＳ２０では、回転速度Ｎｅが所定速度以上か否か判定する。回転速度Ｎｅが所定速度以上の場合（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ステップＳ２１において、正のＭＧトルクを発生させて、クランク軸１１に付与する。

一方、回転速度Ｎｅが所定速度よりも低い場合（ステップＳ２０でＮＯ）、ステップＳ２２において、図示トルクが０以上の値である所定値よりも小さいか否か判定する。図示トルクが所定値以下の場合は（ステップＳ２２でＹＥＳ）、ステップＳ２３において、負のＭＧトルクを発生させて、負のＭＧトルクをクランク軸１１に付与した後、ステップＳ２２の処理に戻る。

一方、ステップＳ２２の判定において、図示トルクが所定値よりも大きい場合は（ステップＳ１２でＮＯ）、ステップＳ１１において、正のＭＧトルクを発生させて、正のＭＧトルクをクランク軸１１に付与し、正回転方向のクランキングを開始する。以上で本処理を終了する。

図６に、エンジン１０の停止過程中で、且つ図示トルクが負の方向のときに、エンジン１０の始動条件が成立した場合における、（ａ）エンジン１０の回転速度Ｎｅ、（ｂ）ＭＧトルク、（ｃ）図示トルクのタイムチャートを示す。図６（ａ）〜（ｃ）において、始動条件が成立する前における回転速度Ｎｅ及び図示トルクを二点鎖線で示す。また、始動条件成立後における第２実施形態及び第１実施形態に係る回転速度Ｎｅ、ＭＧトルク、及び図示トルクを、それぞれ実線と破線で示す。

図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、第２実施形態は、エンジン１０の始動条件の成立と同時に負のＭＧトルクをクランク軸１１に付与しているため、第１実施形態よりも回転速度Ｎｅの減速が促進され、回転速度Ｎｅが急激に落ち込んでいる。これに伴い、第２実施形態は、第１実施形態よりも、図示トルクが負方向から正方向に反転するタイミング、ひいては、図示トルクが所定値よりも大きくなるタイミングが早くなっている。その結果、第２実施形態は、第１実施形態よりも、始動条件成立後にエンジン１０が迅速に始動している。

なお、エンジン１０の始動条件の成立時に、図示トルクの作用方向が正方向の場合には、負のＭＧトルクをクランク軸１１に付与することなく、図示トルクが所定値よりも大きくなったタイミングで、正のＭＧトルクをクランク軸１１に付与すればよい。

以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、エンジン１０の始動条件成立時に図示トルクの作用方向が負方向の場合には、図示トルクが所定値よりも大きくなるタイミングを早くして、更にエンジン１０の始動を迅速に行うことができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係るＥＣＵ５０によるエンジン１０の自動始動処理について、第２実施形態と異なる点について説明する。

第２実施形態では、エンジン１０の停止過程中の始動条件の成立時に、図示トルクの作用方向が負方向の場合に、負のＭＧトルクをクランク軸１１に付与し、図示トルクが所定値よりも大きくなった時点で、負のＭＧトルクを正のＭＧトルクに切り替えていた。

第３実施形態では、第２実施形態と同様に、負のＭＧトルクをクランク軸１１に所定時間付与した後、一旦、ＭＧトルクのクランク軸１１への付与を停止する。そして、図示トルクが所定値よりも大きくなった時点で、正のＭＧトルクのクランク軸１１への付与を開始する。すなわち、第３実施形態における負のＭＧトルクを付与する所定時間は、第２実施形態における負のＭＧトルクを付与する所定時間よりも短くする。

ＭＧ２０の慣性や応答性により、ＥＣＵ５０からインバータ２２への駆動信号の送信タイミングと、それに応じたＭＧトルクの発生タイミングとのタイムラグが比較的大きい場合には、本実施形態のように、負のＭＧトルクをクランク軸１１へ付与した後、正のＭＧトルクをクランク軸１１へ付与する前に、ＭＧトルクを零にする期間を設けるとよい。駆動信号の送信タイミングとＭＧトルクの発生タイミングとのタイムラグが比較的小さい場合には、第２実施形態のように、ＭＧトルクを零にする期間を設けなくてもよい。

また、補機ベルト３３や補機ベルト３３のテンショナ、他の補機類等により、ＭＧ２０によるＭＧトルクの発生タイミングと、クランク軸１１がＭＧトルクを受けるタイミングとのタイムラグが比較的大きい場合にも、本実施形態のように、ＭＧトルクを零にする期間を設けるとよい。ＭＧトルクの発生タイミングと、ＭＧトルクを受けるタイミングとのタイムラグが比較的小さい場合には、第２実施形態のように、ＭＧトルクを零にする期間を設けなくてもよい。

さらに、クランク軸１１へ負のＭＧトルクを比較的長い時間付与することで、回転速度Ｎｅが低下しすぎることを回避したい場合には、本実施形態のように、所定時間を短くして、ＭＧトルクを零にする期間を設けるとよい。

図７に、図６に対応する（ａ）エンジン１０の回転速度Ｎｅ、（ｂ）ＭＧトルク、（ｃ）図示トルクのタイムチャートを示す。図７（ａ）〜（ｃ）において始動条件成立後における第３実施形態、第２実施形態及び第１実施形態に係る回転速度Ｎｅ、ＭＧトルク、及び図示トルクを、それぞれ一点鎖線、実線、破線で示す。

図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、第３実施形態は、第２実施形態よりも回転速度Ｎｅの落ち込みは少ないが、その分、第２実施形態よりも正のＭＧトルクをクランク軸１１に付与するタイミングが遅くなっている。しかしながら、エンジン１０の始動条件の成立と同時に負のＭＧトルクをクランク軸１１に付与しているため、第１実施形態よりも回転速度Ｎｅの減速が促進され、正のＭＧトルクをクランク軸１１に付与するタイミグは早くなっている。

以上説明した第３実施形態によれば、第２実施形態と同様の効果を奏する。さらに、ＭＧ２０の慣性や応答性により、ＭＧトルクを負から正へ瞬時に切り替えることが困難な場合、ＭＧトルクの発生とクランク軸１１への伝達とにタイムラグが大きい場合、回転速度Ｎｅの低下しすぎを回避したい場合に、有効である。

（他の実施形態）
・エンジン１０の始動条件成立時において、判定閾値である所定速度を段階的に複数設定してもよい。例えば、第１所定速度（例えば１００ｒｐｍ）と、第１所定速度よりも高い第２所定速度（例えば８００ｒｐｍ）とを設定する。そして、回転速度Ｎｅが第２所定速度以上の場合は、ＭＧ２０によるクランキングを行わず、燃料の噴射だけで、エンジン１０の再始動を行うようにしてもよい。また、回転速度Ｎｅが第１所定速度以上且つ第２所定速度未満の場合は、図示トルクを考慮することなく、直ちにＭＧ２０による正回転方向のクランキングを開始してもよい。そして、回転速度Ｎｅが第１所定速度未満の場合には、各実施形態で示したように、図示トルクを考慮して、ＭＧ２０による正回転方向のクランキングを開始してもよい。

・ステップＳ１２及びステップＳ２２における図示トルクが所定値よりも大きいか否かの判定は、図示トルクを直接用いずに、図示トルクに対応する情報としてエンジン１０の回転速度Ｎｅを用いて判定してもよい。図２及び図６に示すように、図示トルクが負方向の間、回転速度Ｎｅは低下し続ける。逆方向に回転している場合は、図示トルクが負方向の間、逆方向の回転速度Ｎｅの大きさが増加し続ける。そして、図示トルクが負方向から正方向に反転すると、回転速度Ｎｅは上昇を始める。よって、回転速度Ｎｅが第１所定値以下の状態から第２所定値まで上昇したか否かを判定し、回転速度Ｎｅが第１所定値以下の状態から第２所定値まで上昇した場合に、図示トルクが所定値よりも大きくなったとしてもよい。第２所定値は、第１所定値よりも大きい値とし、例えば、第１所定値が負の値の場合、第２所定値は、絶対値が第１所定値よりも小さい負の値とする。すなわち、図示トルクが所定値よりも大きいか否かは、クランク角度に基づいた情報により判定すればよい。

・エンジン１０が完全に停止した状態で始動条件が成立した時に、エンジンオイルの劣化による摩擦の増加や、ＭＧ２０が本来の性能を発揮できない状況等により、通常のＭＧ２０による正回転方向のクランキングでエンジン１０の始動が困難と判定される場合に、ＭＧ２０により逆回転方向に所定時間クランキングさせてもよい。逆回転方向のクランキングにより、エンジン１０を逆方向に回転させ、エンジン１０の停止時に膨張行程の位置で停止したシリンダ１０ａ内で空気の圧縮が開始させる。そして、シリンダ１０ａ内の空気の圧縮反力により、クランク軸１１に正の図示トルクが作用していると判定すると、ＭＧ２０により正回転方向のクランキングを開始する。このようにすれば、逆回転中に発生する圧縮反力による正の図示トルクと、正のＭＧトルクとの合成トルクを、クランク軸１１に作用させることができるので、エンジン１０の始動が困難な場合でもエンジン１０の始動を確実に実行することができる。なお、ＭＧ２０が本来の性能を発揮できない状況は、ＭＧ２０や、インバータ２２、バッテリ２３の故障や不調に伴い発生する。

１０…エンジン、１０ａ…シリンダ、２０…ＭＧ、１１…クランク軸、５０…ＥＣＵ。

Claims (7)

1. 内燃機関（１０）をクランキングする回転電機（２０）と、
   前記内燃機関のクランク軸（１１）の角度を検出する検出装置（５１）と、
   前記回転電機の駆動を制御する制御装置（５０）と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記内燃機関のシリンダ（１０ａ）内の気体により前記内燃機関に作用する図示トルクの作用方向を判定する方向判定部と、
   前記検出装置により検出された前記角度から前記クランク軸の回転速度を算出する速度算出部と、
   前記内燃機関が完全に停止する前の停止過程中において、前記内燃機関の始動条件が成立した際に、前記速度算出部により算出された前記回転速度が、回転電機トルクと前記図示トルクとの合成トルクに関する所定速度であって、前記図示トルクが負方向となっていると、正方向の前記合成トルクが不足する所定速度よりも低い場合に、前記方向判定部により判定された前記作用方向が正方向であることを条件として、前記回転電機による正回転方向のクランキングを開始する開始部と、
   を備える、内燃機関の始動装置。
2. 前記制御装置は、前記内燃機関が完全に停止する前の停止過程中において、前記内燃機関の始動条件が成立した際に、前記速度算出部により算出された前記回転速度が前記所定速度よりも低く、且つ前記方向判定部により判定された前記作用方向が負方向の場合に、前記方向判定部により判定された前記作用方向が正方向になるまで、前記回転電機による正回転方向のクランキングの開始を待機する待機部を備える請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
3. 前記制御装置は、前記内燃機関が完全に停止する前の停止過程中において、前記内燃機関の始動条件が成立した際に、前記速度算出部により算出された前記回転速度が前記所定速度よりも低く、且つ前記方向判定部により判定された前記作用方向が負方向の場合に、前記回転電機により前記内燃機関を逆回転方向に所定時間クランキングさせる逆回転部を備える請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
4. 前記検出装置により検出された前記角度に基づいて前記図示トルクの大きさを判定するトルク判定部を備え、
   前記開始部は、前記方向判定部により判定された前記作用方向が正方向で、且つ前記トルク判定部により判定された前記図示トルクの大きさが所定値よりも大きいことを条件として、前記回転電機による正回転方向のクランキングの開始する請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。
5. 前記方向判定部は、前記検出装置により検出された前記角度に基づいて、前記作用方向を判定する請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。
6. 前記速度算出部は、前記検出装置により検出された前記角度から前記クランク軸の回転速度を、正回転方向を正の値且つ逆回転方向を負の値として算出し、
   前記制御装置は、前記速度算出部により算出された前記回転速度から前記クランク軸の角加速度を算出する角加速度算出部を備え、
   前記方向判定部は、前記角加速度算出部により算出された前記角加速度に基づいて、前記作用方向を判定する請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。
7. 前記内燃機関及び前記回転電機はハイブリッド車両の走行駆動源であり、
   前記内燃機関に作用する前記回転電機のトルクの最大値は、前記内燃機関のシリンダ内の気体により前記内燃機関に作用する前記図示トルクの最大値よりも小さい請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。

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