JP6547643B2 - エンジン始動装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、始動要求がある前に、予め、飛び込み式スタータのピニオンをリングギヤに噛み合わせ、スタータのモータによってリングギヤを回して、クランク軸をエンジン始動に適した位置に回転させる技術が開示されている。
クランク軸位置決め装置は、クランク軸のトルクがピークを示す時のクランク角をクランク軸トルクピーク位置と呼ぶときに、モータのトルクと回転数の少なくとも一方の情報を基に、クランク軸トルクピーク位置とモータの回転位置との関係を把握するクランク軸位置把握部と、クランク軸トルクピーク位置を基準にしてクランク軸を所定の位置へ移動させるようにモータを制御するモータ制御部とを有する。
また、本発明の第1の態様によれば、クランク軸位置把握部は、モータのトルクと回転数からクランク軸のトルクを算出し、その算出結果を基にクランク軸トルクピーク位置を推定する。
また、本発明の第2の態様によれば、クランク軸位置把握部は、モータ制御部によりモータのトルク指令値が一定に制御されている時に、モータの回転数の変化量を基にクランク軸トルクピーク位置を推定する。
さらに、本発明の第3の態様によれば、クランク軸位置把握部は、モータ制御部によりモータの回転数指令値が一定に制御されている時に、モータのトルクがピークを示す時のモータの回転位置からクランク軸トルクピーク位置を推定する。
上記の構成によれば、モータのトルクと回転数の少なくとも一方の情報を基に、クランク軸トルクピーク位置とモータの回転位置との関係を把握するので、クランク角センサを用いることなくクランク軸の位置決めを行うことができる。その結果、センサの信号線を追加する必要がないため、その分、コストを低減できる。
実施例1の構成を図1〜4を用いて説明する。
エンジン始動装置1は、例えば、ハイブリッド車両に搭載されるエンジン2を始動させるための装置であり、エンジン2をクランキングするためのスタータ3と、スタータ3の動作を制御するECU4とを備える。
スタータ3は、回転力を発生するモータ5と、モータ5に駆動される出力軸6と、出力軸6の軸上を移動可能に配置されるピニオン7と、出力軸6の回転をピニオン7に伝達するクラッチ8と、ピニオン7を押し出すためのピニオン押出機構(後述する)などより構成される。
出力軸6は、図示しない減速装置で増幅されたモータトルクが伝達されて回転する。
ピニオン7は、出力軸6の軸上を反モータ方向へ移動して、エンジン2のクランク軸9に連結されたリングギヤ10に噛み合うことが可能である。
クラッチ8は、出力軸6の外周にヘリカルスプライン嵌合して出力軸6の回転をピニオン7に伝達する一方、ピニオン7から出力軸6へのトルク伝達を遮断する一方向クラッチである。
アクチュエータ11は、バッテリ13より電力が供給されて磁力を発生するソレノイド(図示せず)と、ソレノイドの磁力によって軸方向に吸引されるプランジャ(図示せず)とを有し、このプランジャの動きがシフトレバー12を介してピニオン7に伝達される。
シフトレバー12は、支点12aを中心に揺動可能に設けられて、支点12aより一端側の端部がプランジャに連結され、支点12aより他端側の端部がクラッチ8に連結される。
このECU4は、エンジン2の停止中に、次の始動要求に備えて、クランク軸9を所定の位置に移動させる本発明のクランク軸位置決め装置として機能する。以下、エンジン2の停止中にクランク軸9を所定の位置に移動させる動作をクランク軸位置決めモードと呼ぶ。
このクランク軸9の回転位置(クランク角)によって、気筒14内でのピストン15の位置が決まる。
そこで、ECU4は、エンジン2の停止中にクランク軸9をエンジン始動に適した位置へ移動させるために、クランク軸位置決めモードを実施する。すなわち、エンジン2の停止中にアクチュエータ11を駆動してピニオン7をリングギヤ10に噛み合わせた後、モータ5によりリングギヤ10を回してクランク軸9をエンジン始動に適した位置に回転させる。これにより、次の始動要求があった際に早期にエンジン2の始動が可能となる。
実施例1では、モータ5を回してクランク軸9を所定の位置(以下、目標クランク角という)に移動させる際、クランク軸9の位置をモータトルクに基づいて把握する。
ECU4は、以下に説明するモータトルク検出部16と、クランク軸位置把握部17と、モータ制御部18とを備える。
クランク軸位置把握部17は、モータ5のトルクピークが検出された際のモータ5の回転位置におけるクランク軸9の位置を、クランク軸9のトルクがピークとなるクランク軸トルクピーク位置であると推定することにより、モータ5の回転位置とクランク軸9の位置との関係を把握する。モータ5の回転位置とは、ロータの回転位置であることは言うまでもない。
具体的には、モータ5のトルクピークが検出された時のモータ回転位置におけるクランク軸9の位置を、クランク軸9のトルクが最小となるトルクピークとなるクランク軸トルクピーク位置(クランク角θ1)であると推定する。
なお、モータ5のトルクピークは、例えば、モータトルク検出部16がトルク変化の微分値により検出できる。
モータ制御部18は、モータ5を駆動するモータ駆動回路18aと、このモータ駆動回路18aへ指令信号を送信するモータ指令部18bとを有する。
モータ指令部18bは、クランク軸位置把握部17からの信号や、モータ5のロータ位置を示す信号(例えば、エンコーダのカウント値や誘起電圧)等の入力を受けて、モータ5を駆動するための信号を生成し、モータ駆動回路18aを動作させる。
これにより、モータ制御部18は、現在のモータ5の回転位置を基準にモータ5を回転させることで、クランク角θ1を基準にクランク軸9を回転させて目標クランク角に移動させることができる。
しかし、クランク軸位置決めモードでクランク軸9をモータ5により回し終わった後に筒内圧力が残っていると、モータ5の通電をOFFにしたと同時に、クランク軸9の位置がずれてしまう可能性がある。そこで、クランク軸位置決めモードにおいて、筒内圧力が抜けるまで待機するというステップを入れる。
まず、ステップS1で、アクチュエータ11を駆動してピニオン7をリングギヤ10に噛み合わせる。
その後、ステップS2で、モータ5への通電を開始してモータ5を定速回転制御する。定速回転制御とは、図3(c)に示すように、モータ5の回転数指令値を一定に制御することを言う。この定速回転制御が行われている間、モータトルク検出部16によってモータトルクをモニタリングして、モータ5のトルクピークを検出する。
定速回転制御は、モータ5のトルクが最大となるトルクピークを検出するまで、つまり、クランク軸9の位置がクランク軸トルクピーク位置となるまで実施する。
実施例1では、モータロック制御の方法として、例えば、0相ベクトル通電を行う。なお、モータロック制御は、0相ベクトル通電に限らず、別途モータ5の端子を短絡する電気式スイッチを設けて、その電気式スイッチを作動させるのでもよいし、機械的にロータの回転を停止させるロック機構を設けて、そのロック機構を作動させるのでもよい。
筒内圧力が抜けたと判定されたら、モータロック制御を解除し、クランク軸9が目標クランク角に達するまでモータ5を定速回転させる(ステップS6、S7参照)。
このとき、モータ5を現在の回転位置を基準に回転させることで、クランク軸9をクランク角θ1を基準に回転させることができ、目標クランク角にクランク軸9を移動させることができる。
ステップS6で目標クランク角に到達したら、ステップS8に進み、モータ通電をOFFにする。そして、クランク軸位置決めモードが終了し、この状態で、エンジン2の始動要求を待つ。始動要求があったら、モータ5への通電を開始してクランキングを行う。
実施例1では、クランク軸位置決めモードを行う際に、クランク軸位置把握部17によって把握した関係に基づいて、モータ5を駆動してクランク軸9を目標クランク角に移動させる。これによれば、エンジン始動装置1において、クランク角センサを用いずにクランク軸位置決めを行うことができる。
すなわち、実施例1では、モータ5のトルクを検出することによってクランク軸9の位置を把握する。このため、クランク軸9の位置を検出するためのセンサが不要となり、センサの信号線を追加する必要がないので、コストを低減することができる。なお、モータ5のトルクを検出する機能は、モータ5に一般的に備え付けられているものであるため、特別なコストを要しない。
これによれば、クランク軸9を目標クランク角に移動させた後、モータ5の通電をOFFにしたとしても、残留筒内圧力の影響でクランク軸9が目標クランク角からずれてしまうという事態を回避できる。このため、次の始動要求までの間、モータ5の通電をOFFにしておくことが可能となり、省エネとなる。
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実施例1を参照する。
〔実施例2〕
実施例2では、目標クランク角がクランク角θ1である。すなわち、クランク軸トルクピーク位置を目標クランク角とする。
このため、実施例1のクランク軸位置決めモードのフロー(図4参照)におけるステップS6、S7が不要であり、図5に示すフローに従ってクランク軸位置決めモードを実行する。
この実施例2によっても、実施例1と同様の作用効果を奏する。
クランク軸トルクピーク位置もエンジン始動に適した位置であって、この位置からのクランキングでもエンジン2の早期始動が可能である。
この実施例3では、図6に示すように、スタータ3のモータ5ではなく、ハイブリッド車両に搭載されるモータジェネレータ20(以下、MG20と呼ぶ)がクランク軸9に動力伝達する。
MG20は、モータの機能と発電機の機能を併せ持っており、モータとしての機能を利用してクランク軸9を回転させる。
なお、MG20は、クランク軸9に直結される構成でも良いが、ベルト係合あるいはギア係合などによってクランク軸9に連結される構成でも良い。
MG20の場合は、一度、MG20の回転位置とクランク軸9の位置との関係を記憶すれば、たとえ、その後、筒内圧力の影響でクランク軸9が逆方向に回されたとしても、その記憶した関係に基づいて、MG20を制御してクランク軸9を目標クランク角に移動させることができる。
しかし、MG20の場合は、筒内圧力の影響でクランク軸9が逆方向に回されたとしても、クランク軸9とともにMG20のロータも逆方向に回されるため、クランク軸9の位置とMG20の回転位置との対応は、記憶した関係のままである。このため、実施例3では、筒内圧力の影響を気にする必要はない。
まず、ステップS11でクランク軸9にMG20の回転が伝達される係合状態にする。
その後、ステップS12でMG20を定速で回転させる。この定速回転中、モータトルク検出部16によってモータトルクをモニタリングする。
モータ5のトルクピークを検出したら、クランク軸位置把握部17はそのモータ回転位置でのクランク軸9の位置をクランク軸トルクピーク位置と推定する。つまり、ステップS13では、モータ5のトルクピークの検出をもって、クランク軸9の位置がクランク軸トルクピーク位置、すなわちクランク角θ1になったと判定する。
その後、ステップS14に進み、記憶した関係に基づいてクランク軸9を目標クランク角に移動させる。
この実施例3によっても、実施例1と同様に、エンジン始動装置1において、クランク角センサを用いずにクランク軸位置決めを行うことができる。
この実施例4は、モータ5のトルク指令値を一定に制御した場合の事例である。
モータ5のトルク指令値がクランク軸9のトルクピークより小さい条件では、図8に示すように、クランク軸9のトルクピークが発生する時に、モータ減速時の回転数の変化量(dω/dt)が最大となる。よって、クランク軸位置把握部17は、モータトルク指令値<クランク軸トルクピークの条件の下で、モータ減速時の回転数の変化量が最大となるときのモータ5の回転位置によってクランク軸トルクピーク位置(クランク角θ1)を推定できる。
ECU4は、モータ減速時の回転数の変化量が最大となるときのモータ5の回転位置を基準にモータ5の回転角度を制御することで、クランク角θ1を基準としてクランク軸9を目標クランク角へ移動させることができる。
ECU4は、モータ加速時の回転数の変化量が最小となるときのモータ5の回転位置を基準にモータ5の回転角度を制御することで、クランク角θ1を基準としてクランク軸9を目標クランク角へ移動させることができる。
この実施例5は、モータ5のトルクと回転数を基にエンジントルクを算出し、その算出結果を基にクランク軸トルクピーク位置を把握する事例である。
ECU4は、図10に示すように、モータ5のトルクと回転数からエンジントルクを算出するエンジントルク算出部21を有し、このエンジントルク算出部21で算出されたエンジントルクがクランク軸位置把握部17へ出力される。
モータ5のトルクは、例えば、実施例1で説明したように、電流センサ19で検出されるモータ5の通電電流を基に算出できる。モータ5の回転数は、例えば、レゾルバ、エンコーダ等によって検出できるロータの回転位置を基に算出できる。
なお、Te:エンジントルク、Tm:モータトルク、ωm:モータ回転数、Je:エンジンイナーシャ、Jm:モータイナーシャ、G:モータ5からクランク軸9までのギヤ比(具体的には、リングギヤ10の半径/ピニオン7の半径)である。
前提条件として、クランク軸9の位置制御時におけるスタータ回転数とエンジン回転数は等しいものとする。
〔Jm+(1/G2)×Je〕dωm/dt=Tm+(1/G)×Te ……(1)
クランク軸位置把握部17は、エンジントルク算出部21で算出されるエンジントルクTeからクランク軸トルクピーク位置を推定する。
モータ制御部18は、推定されたクランク軸トルクピーク位置(クランク角θ1)に対応する現在のモータ5の回転位置を基準に、モータ5の回転角度を制御することで、クランク角θ1を基準としてクランク軸9を目標クランク角へ移動させることができる。
この実施例5においても、実施例1と同様に、クランク角センサを用いることなく、クランク軸9の位置決めを行うことができる。
実施例1では、クランク軸9をエンジン始動に適した位置(目標クランク角)へ移動させるが、必ずしもエンジン始動に適した位置である必要はなく、所望の位置を適宜に設定しても良い。
実施例1では、モータ5のトルクピークが検出された回転位置でモータロック制御を実施しているが、モータ5のトルクピークが検出された回転位置からエンジンの圧縮行程でピストン15が上死点に移動するまでの間にモータロック制御を実施しても良い。
スタータ3は、ピニオン7がリングギヤ10に常時噛み合っている常時噛み合い式のスタータであってもよい。
アクチュエータ11は、ピニオン7を押し出すためのソレノイドに加えて、モータ5のメインスイッチを開閉するためのソレノイドを有していてもよい。この場合、メインスイッチを開閉するためのソレノイドがモータ制御部18の一部をなす。
2 エンジン
3 スタータ
4 ECU(クランク軸位置決め装置)
5 モータ
7 ピニオン
9 クランク軸
10 リングギヤ
15 ピストン
17 クランク軸位置把握部
18 モータ制御部
20 モータジェネレータ(モータ)
Claims (5)
- エンジン(2)のクランク軸(9)に直接または間接的に連結されて前記クランク軸を回転駆動できるモータ(5、20)と、
前記エンジンの停止中に前記モータを駆動して前記クランク軸を所定の位置に移動させるクランク軸位置決め装置(4)とを備えるエンジン始動装置(1)であって、
前記クランク軸位置決め装置は、
前記クランク軸のトルクがピークを示す時のクランク角をクランク軸トルクピーク位置と呼ぶときに、前記モータのトルクと回転数の少なくとも一方の情報を基に、前記クランク軸トルクピーク位置と前記モータの回転位置との関係を把握するクランク軸位置把握部(17)と、
前記クランク軸トルクピーク位置を基準にして前記クランク軸を所定の位置へ移動させるように前記モータを制御するモータ制御部(18)とを有し、
前記クランク軸位置把握部は、前記モータのトルクと回転数から前記クランク軸のトルクを算出し、その算出結果を基に前記クランク軸トルクピーク位置を推定することを特徴とするエンジン始動装置。 - エンジン(2)のクランク軸(9)に直接または間接的に連結されて前記クランク軸を回転駆動できるモータ(5、20)と、
前記エンジンの停止中に前記モータを駆動して前記クランク軸を所定の位置に移動させるクランク軸位置決め装置(4)とを備えるエンジン始動装置(1)であって、
前記クランク軸位置決め装置は、
前記クランク軸のトルクがピークを示す時のクランク角をクランク軸トルクピーク位置と呼ぶときに、前記モータのトルクと回転数の少なくとも一方の情報を基に、前記クランク軸トルクピーク位置と前記モータの回転位置との関係を把握するクランク軸位置把握部(17)と、
前記クランク軸トルクピーク位置を基準にして前記クランク軸を所定の位置へ移動させるように前記モータを制御するモータ制御部(18)とを有し、
前記クランク軸位置把握部は、前記モータ制御部により前記モータのトルク指令値が一定に制御されている時に、前記モータの回転数の変化量を基に前記クランク軸トルクピーク位置を推定することを特徴とするエンジン始動装置。 - エンジン(2)のクランク軸(9)に直接または間接的に連結されて前記クランク軸を回転駆動できるモータ(5、20)と、
前記エンジンの停止中に前記モータを駆動して前記クランク軸を所定の位置に移動させるクランク軸位置決め装置(4)とを備えるエンジン始動装置(1)であって、
前記クランク軸位置決め装置は、
前記クランク軸のトルクがピークを示す時のクランク角をクランク軸トルクピーク位置と呼ぶときに、前記モータのトルクと回転数の少なくとも一方の情報を基に、前記クランク軸トルクピーク位置と前記モータの回転位置との関係を把握するクランク軸位置把握部(17)と、
前記クランク軸トルクピーク位置を基準にして前記クランク軸を所定の位置へ移動させるように前記モータを制御するモータ制御部(18)とを有し、
前記クランク軸位置把握部は、前記モータ制御部により前記モータの回転数指令値が一定に制御されている時に、前記モータのトルクがピークを示す時の前記モータの回転位置から前記クランク軸トルクピーク位置を推定することを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項1ないし請求項3の内のいずれか1つに記載のエンジン始動装置において、
前記クランク軸位置決め装置は、前記クランク軸トルクピーク位置に対応する前記モータの回転位置から前記エンジンの圧縮行程でピストン(15)が上死点に移動するまでの間に前記モータの回転を停止させて、その停止状態を保持することで前記クランク軸を静止させるクランク軸静止期間を設けることを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項1ないし請求項4の内のいずれか1つに記載したエンジン始動装置において、
前記モータは、スタータ(3)のモータであって、
前記スタータは、前記クランク軸に連結されたリングギヤ(10)にピニオン(7)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から前記リングギヤに伝達してクランク軸を回転駆動することを特徴とするエンジン始動装置。
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