WO2014030219A1

WO2014030219A1 - 自動エンジン停止再始動装置

Info

Publication number: WO2014030219A1
Application number: PCT/JP2012/071125
Authority: WO
Inventors: 西岡　明; 宏泰城吉; 中里　成紀; 繁彦小俣; 眞徳渡部
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-02-27
Also published as: CN104583581A; DE112012006840T5; JP5948421B2; CN104583581B; JPWO2014030219A1

Abstract

　エンジンが停止する途中で、ピニオンを噛み込ませ、再始動をさせるシステムにおいて、ピニオンの噛み込みに失敗して騒音を発生させることを防止しつつ、すばやくエンジンを再始動させる。エンジンの運転中に、自動的に前記エンジンの停止及び再始動を行い、前記再始動の際に、スタータのピニオンを押し出し、前記エンジンのクランク軸と直結したリングギアに前記ピニオンを噛み込ませ、前記スタータによって前記エンジンを再始動させる制御を行う自動エンジン停止再始動装置において、前記エンジンの回転速度を判定し、前記回転速度が閾値以上の時は、前記スタータのモータに通電する制御を行い、前記回転速度が閾値以下の時は、前記ピニオンが前記リングギアに噛み込んだ場合のみ、前記モータに通電する制御を行う。

Description

自動エンジン停止再始動装置

　本発明は、自動エンジン停止再始動装置に関するものである。

　アイドルストップシステムでは、エンジンを自動的に停止させるにあたって、運転者の直接の操作によらずに、システム側の判断に基づいてエンジンの停止動作を開始する。このため、自動停止中に運転者の状況が変化し、即座にエンジンを稼働させる必要が生じることが起こりえる。この運転者の再始動要求に対して、遅れを感じさせることなく、エンジンを再始動させることが、アイドルストップシステムには求められる。この要件を満たす上で最も厳しい条件になるのが、自動停止動作を始めた直後に、エンジンの再始動要求が発生する場合である。従来のピニオン飛込み式スタータを用いて再始動を行うシステムでは、スタータのピニオンをエンジンのリングギアに噛み込ませるために、エンジンが一旦、完全に静止するのを待つ必要があった。これは、完全に静止する前にスタータを飛び込ませ、モータを通電すると、噛み込みに失敗した時に非常な大きな異音が発生し、かつ、スタータやリングギアを痛めてしまうためである。しかし、エンジンが完全に静止することを待つと、それだけ再始動の時間がかかり、運転者が不満を感じてしまう。そのため、近年では、さまざまな手法によって、エンジンが完全に静止する前でもスタータによってエンジンを再始動させるための技術が開発されている。

　近年に開発された技術の一例として、特開２０１１－１４４７９９号公報（特許文献１）がある。この公報には、自動的にエンジンを停止させる動作を始めた直後のエンジン回転降下期間中に再始動要求が発生したときに、スタータのピニオンを押出してエンジンのクランク軸に直結されたリングギアに噛み込ませ、スタータによってエンジンを再始動させる技術が記載されている。また、特許文献１にはその際の動作として、ピニオンを押出す手段の作動タイミングに対し、スタータのモータの接点をＯＮにするタイミングを一定時間遅らせることが記載されている。これにより、エンジンの回転がまだ完全に静止していない中での、回転速度が変化している状況で、スタータのピニオンとエンジンのリングギアの噛み込みが確実になされるようにすることが図られている。

　また、特開２０１２－４１８５９号公報（特許文献２）には、スタータのピニオンを押出し後のエンジンの回転挙動を計測し、エンジン回転の逆回転量に基づいてピニオンとリングギアが噛み合っているかどうかを判定する技術が記載されている。これにより、ピニオンの噛み込みに失敗している時は、そのことを認識することが可能になり、それぞれの状態に適した動作手順でエンジンを再始動させることが可能になる。

　さらに、特開２０１２－６２７６０号公報（特許文献３）には、エンジンの回転速度の低下軌道を予測する手段を備え、その予測軌道に基づいて、スタータのモータを先に駆動してからピニオンを押出すか、ピニオンを押出した後にモータを駆動するかを選択する技術が記載されている。これにより、ピニオンとリングギアの噛み合いが成功する確率をより高めることが可能になる。

特開２０１１－１４４７９９号公報特開２０１２－４１８５９号公報特開２０１２－６２７６０号公報

　エンジンが完全に静止する前に、スタータを用いてエンジンを再始動させるにあたって、特許文献１の手法のように、ピニオン押出しからモータ通電までの時間に一定の間隔を開けるようにする場合、その時間間隔はピニオンとリングギアの噛み合いに時間がかかるケースに合わせて設定せざるをえず、最悪ケースをカバーできるような時間設定では、その間の騒音の発生を許すことになり、十分な静音化を図ることが出来ない。

　上記の問題は、スタータのピニオンとリングギアが噛み合ったかどうかをシステム側が把握できないことにより、最悪ケースに合わせなくてはならなくなっている。このため、特許文献２の手法により、ピニオンとリングギアの噛み合いが成功しているかどうかを判定する手法も有効な手段の１つと言える。しかし、特許文献２の手法では、エンジン回転の逆回転動作が終了した時点で噛み合いが成功しているかどうかが分かるので、その前の時点では判断することが出来ず、逆回転動作が終了する前に再始動を行いたいケースに用いることは出来ない。

　一方、特許文献３の手法によって、エンジン回転の軌道を予測し、それに応じて２種類の動作手順を使い分ける手法は、ピニオンとリングギアの噛み合いが成功する確率が高まり、そのことで噛み合い時に生じる騒音の低減にも役立つ。しかし、エンジンの回転軌道を正確に予測することは困難であり、その時々のエンジンの状態などによって回転挙動にはバラツキが生じることから、予測した軌道よりも実際のエンジンの回転が下回るということは起こりえる。その際、予測に応じてスタータのモータをＯＮにし、スタータを先に回転させてピニオンを噛み合わせる動作に入ると、スタータの回転速度より、実際のエンジンの回転速度の方が下回るということが起こりえる。その場合、スタータのモータはＯＮなので、回転速度が上がり続け、エンジン回転は予測した軌道よりも回転速度が減速していくという状況になる。このようになると、スタータのピニオンの回転速度とリングギアの回転速度は乖離していってしまうため、両者が噛み合うことは困難な状況になる。ピニオンとリングギアが相対的な回転速度差を持ち、噛み合っていない状態で両者を押し付け続けると異音が発生することから、そのような状況は避けなければならない。よって、エンジンの回転が完全に静止していない状態でも、ピニオンとリングギアをより確実に噛み込ませ、騒音の発生を低減する手法が必要となる。

　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例として、以下のような手段を採る。すなわち、エンジンの運転中に、自動的に前記エンジンの停止及び再始動を行い、前記再始動の際に、スタータのピニオンを押し出し、前記エンジンのクランク軸と直結したリングギアに前記ピニオンを噛み込ませ、前記スタータによって前記エンジンを再始動させる制御を行う自動エンジン停止再始動装置において、前記エンジンの回転速度を判定し、前記回転速度が閾値以上の時は、前記スタータのモータに通電する制御を行い、前記回転速度が閾値以下の時は、前記ピニオンが前記リングギアに噛み込んだ場合のみ、前記モータに通電する制御を行うように構成する。

　本発明を用いることにより、エンジンの回転速度を予測した上で、ピニオンを押し出し、リングギアに噛み込ませる際、エンジンの回転速度が予測よりも下回っても、それが設定した閾値以下の時であれば、ピニオンが噛み込んだ時にのみスタータのモータが通電されることになり、ピニオンが噛み込んでいない状態でモータを通電し、ピニオンとリングギアの回転速度が乖離して、ピニオンを噛み込ませられなくなることを回避できるようになる。これにより、ピニオンを噛み込ませる際に生じる騒音を低減できるとともに、エンジンの再始動が必要になった時に、直ちにエンジンを再始動できることが担保されるようになる。このことから、頻繁にアイドルストップ動作を行っても問題が生じることがなくなるため、アイドルストップの頻度を上げることが可能になり、エンジンが停止している時間が増えると、エンジンの燃料消費をさらに減らすことが可能になる。

本発明における第１の実施例における自動エンジン停止再始動装置の構成図。本発明における第２の実施例における自動エンジン停止再始動装置の構成図。本発明における第３の実施例における自動エンジン停止再始動装置の構成図。本発明における第１の実施例の構成における再始動動作の第１の例。本発明における第１の実施例の構成における再始動動作の第２の例。本発明における第１の実施例の構成における再始動動作の第３の例。本発明における第１の実施例の構成における再始動動作の第４の例。本発明における第１の実施例の構成における再始動動作の第５の例。本発明における第２の実施例の構成における再始動動作の例。本発明における第３の実施例の構成における再始動動作の例。本発明におけるエンジンの回転速度を予測する際に用いるクランク角の基準。本発明におけるエンジンの回転速度を予測する際に用いる関数の例。

　以下、図面を用いて実施例を説明する。

　図１は、本発明における第１の実施例における自動エンジン停止再始動装置の構成を示した図である。スタータ１はエンジンのシリンダブロック（図示せず）に取り付けられ、配線によりバッテリー３に接続されている。モータ４に通電がなされると回転力が出力軸５を介して伝達され、ワンウェイクラッチ６と一体構成されたピニオン７を回転させる。リングギア８はエンジンのクランク軸（図示せず）に直結されており、このリングギア８とピニオン７が噛み合っている時に、モータ４の動力が伝達される。ピニオン７を噛み合わせる際は、マグスイッチ１１の中にある電磁コイル１７、１８のどちらか一方もしくは両方に通電して磁気吸引力を発生させ、それによってプランジャ１５を引き付け、シフトレバー９を介してその動きをピニオンに伝達し、前に押出す。ピニオン７とリングギア８の噛み合いを外す時は、電磁コイル１７、１８の通電を切り、マグスイッチ１１内にあるバネ（図示せず）によってプランジャ１５が元の位置に戻され、シフトレバー９を介してその動きをピニオンに伝達し、元の位置に戻す。本実施例は、ピニオン７をワンウェイクラッチ６と一体構成にしているが、別の構成にすることも可能である。また、モータ４と出力軸５の間にトルクを増幅するための減速機を設けてもよい。

　マグスイッチ１１の中にあるプランジャ１５の動きを、シフトレバー９を介してピニオン７に伝える際、ドライブスプリング１０を支点にして、梃子の動きを用いている。すなわち、ドライブスプリング１０による支点が不動の場合、プランジャ１５が左に引かれるとピニオン７は右に押し出され、プランジャ１５を右に押出すと、ピニオン７は左に引かれる。ピニオン７を右に押出し、リングギア８と噛み合うと、ピニオン７は右方向にフルストロークの移動を行うことになり、プランジャ１５は左方向にフルストロークの移動を行うことになる。プランジャ１５の左側には可動接点１４があり、プランジャが左方向にフルストロークの移動を行うと、可動接点１４も左に押され、固定接点１２、１３が接続され、モータに通電がなされるようになる。可動接点１４はバネ（図示せず）によって右方向の力がかかっており、プランジャ１５によって押された時のみ、固定接点１２、１３を接続し、プランジャ１５が元の位置に戻れば接点の接続は解除される。

　ピニオンとリングギアを噛み合せる際、噛み合いに失敗するケースとして、ピニオン７とリングギア８の端面が衝突し、歯車の歯が互いの歯の間におさまることが出来ないでいる場合、ピニオン７はそれ以上、右に移動出来なくなり、それによってプランジャ１５もそれ以上、左に移動出来なくなる。この際、ドライブスプリング１０にたわみが生じ、支点の位置が左にずれると、ピニオン７は移動しなくても、プランジャ１５は左に移動することが出来るようになる。ドライブスプリング１０のたわみは、プランジャ１５を左に移動させるようとする力が元になって生じるため、ドライブスプリング１０のたわみ量はプランジャ１５に対する磁気吸引力で調整することが可能になる。よって、電磁コイル１７、１８の両方に通電を行った場合は、プランジャ１５に対する磁気吸引力が強くなり、ドライブスプリング１０は多くたわみ、その分、プランジャ１５の右側への移動量も大きくなる。電磁コイル１７、１８のどちらか一方のみを通電した場合、磁気吸引力はその分弱いため、ドライブスプリング１０のたわみによるプランジャ１５の移動量も小さくなる。

　電磁コイル１７、１８の両方に通電をした場合のみ、プランジャ１５の移動によって可動接点１４を移動させ、接点が通電できるようにし、電磁コイル１７、１８の一方にのみ通電した場合は、プランジャ１５の移動が少なくて、接点の通電がなされないようにすると、ピニオンのリングギアへの噛み込みの失敗したケースにおいて、その状態でモータ４に通電するか、しないかを選択することが可能になる。すなわち、電磁コイル１７、１８の一方のみを通電した状態にしておくと、噛み込みに成功すれば、モータ４に通電され、噛み込みに失敗すればモータ４には通電がなされない。一方、電磁コイル１７、１８の両方に通電を行うと、噛み込みの成功、失敗に関わりなく、モータ４への通電がなされる。

　上記のような動作は、マグスイッチ１１の磁気吸引力と、ドライブスプリング１０のバネ定数、可動接点１４のストロークの設計により可能になる。

　電磁コイル１７への通電の切り替えはリレースイッチ１９によって行い、同様に、電磁コイル１８への通電の切り替えはリレースイッチ２０によって行う。電磁コイルに通電を行っている状態から、リレースイッチ１９、２０によって通電を切断する場合、電流が切れることによってサージ電圧が発生し、リレースイッチを痛めることもあることから、ダイオード２３、２４を設置し、これを対策することも可能である。すなわち、電磁コイル１７、１８は通電されている時、コイルの周りに磁場を形成しており、通電が遮断されてコイルに流れる電流が低下すると、磁場も低下し、磁場が変化する時はその変化を打ち消す方向に誘導起電力が発生する。よって、電流の低下が急であるほど誘導起電力も大きくなるので、通電を切る際にサージ電圧が発生する。グランドに接続されたダイオード２１を設けておくと、電磁コイル１７への通電が切れても、発生する誘導起電力でダイオード２３に電流に流れ、電磁コイル１７の電流の変化が小さくなり、サージ電圧の発生を防ぐことが可能になる。同様に、ダイオード２４を設けると、電磁コイル１８のサージ電圧発生を防止することが可能になる。

　制御装置３４はリレースイッチ１９、２０を直接制御することで、スタータ１の全ての動作を制御する。また、制御を行う際、エンジンの回転速度検出器４２の信号や、クランク角の情報、再始動要求の情報を受けて判断し、動作を決定する。

　図２は、本発明における第２の実施例における自動エンジン停止再始動装置の構成を示した図である。第１の実施例との違いについてのみ説明すると、電磁コイル１７、１８への通電の制御を半導体スイッチ２２で行っている。また、この半導体スイッチ２２はモータ４への通電の制御も行うようにしている。半導体スイッチは機械的なスイッチと異なり、半導体の作用のみで通電のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることが出来ることから、ＯＮ／ＯＦＦの切り替えに要する時間が非常に短く、頻繁に切り替えること可能になる。よって、ＰＷＭ制御を行うことが可能となり、ＯＮ／ＯＦＦの時間割合（＝デューティー）を変更することで、電磁コイル１７、１８に流れる電流を制御することが可能になる。また、半導体スイッチ２２の内部にダイオード２５を設けることで、半導体スイッチがＯＦＦになった瞬間にも電磁コイルやモータ側には誘導起電力による電流が流れ続けることが可能になり、サージ電圧の発生が防止される。

　半導体スイッチは、電気的な特性で絶縁したり通電したりするため、特性が壊れると通電したままになってしまう可能性がある。このような故障が生じても重大な問題にならないようにするために、機械的なリレースイッチ２１を半導体スイッチ２２と直列に設け、正常動作時にのみリレースチッチ２１をＯＮにし、それ以外の時はリレースチッチ２１をＯＦＦにしておくと、システムの安全性が確保される。

　制御装置３４は半導体スイッチ２２とリレースチッチ２１のみを制御し、マグスイッチ１１の磁気吸引力を上げる時は、半導体スイッチ１９のデューティーを上げ、磁気吸引力を下げる時は、半導体スイッチ１９のデューティーを下げる。すなわち、半導体スイッチ１９のデューティーを増やすと、ＯＮになる時間割合が増え、電流が増加することで、磁気吸引力が増え、デューティーを減らすと、ＯＮになる時間割合が減り、電流が低下することで、磁気吸引力が低下する。

　よって、ピニオン７がリングギア８に噛み込んでいなくてもモータ４に通電がされるように動作させる時は、半導体スイッチ２２のデューティーを高くし、ピニオン７がリングギア８に噛み込まないうちはモータ４に通電がされないように動作させる時は、半導体スイッチ２２のデューティーを低くする。

　また、モータ４への通電がなされると、その電流は半導体スイッチ２２を通過して流れることから、半導体スイッチ２２のデューティーを調整することで、モータ４に流れる電流を制御することもできる。モータ４の動力によってエンジンを再始動させるには、大きなトルクが必要なため、モータ４に流れる電流も大きい。バッテリー３は大きな電流が流れると電圧降下を起こす。バッテリー３につながる機器（図示せず）の中には、電圧が低下すると正常な動作が出来ないものもあり、バッテリーの電圧降下は一時的であっても問題を生じることがある。半導体スイッチ２２によってモータ４に流れる電流を抑制することが出来ると、バッテリーの電圧降下を抑制することが可能になる。モータ４に流れる電流を抑制する手段としては、電気抵抗を追加する手法もあるが、抵抗体に電流を流すことはエネルギーの損失となり、発熱も生じるので好ましくない。半導体スイッチ２２によってＰＷＭ制御を行うと、エネルギーの損失なしで、電流抑制が可能なり、エネルギー効率が高まることで、エンジンの燃料消費をさらに減らすことが可能になる。

　図３は、本発明における第３の実施例における自動エンジン停止再始動装置の構成を示した図である。第１、２の実施例との違いについてのみ説明すると、電磁コイル１７、１８への通電の制御を電流制御回路２６で行っている。電流制御回路２６の原理的な回路図を図の下側に示す。本回路では、シャント抵抗２７に流れる電流に応じて発生する電圧をオペアンプ２９で検出する。ここで検出した電圧は制御対象の電流に対応した情報となっており、この情報と目標電流の差をオペアンプ３０でとり、それをトランジスタ２８に与えることで，自動的に目標電流に到達するような回路構成になっている。この時の目標電流は制御装置３４によって決められ、電圧信号によって電流制御回路２６に伝えられる。トランジスタによって通電の制御を行う点では実施例２と同じであるが、実施例２のようにＰＷＭ制御を行う際、それをオープン制御によって行う場合は、負荷側の抵抗値の変化や、電源電圧の変化が生じた場合に、その変化に応じた補正を行うことは出来ない。一方、電流制御回路を用いると、電磁コイルの抵抗値が温度によって変化したり、バッテリー電圧が変化したりした場合でも、その時に流れる電流を検知してフィードバックがかかるため、目標値通りの電流に自動的に制御される。電磁コイル１７、１８に流す電流が目標値通りに制御されると、その電流によって生じる磁気吸引力のバラツキを低減することが可能になり、磁気吸引力とドライブスプリング１０のバネ力のバランスで決まる動作を安定させることが出来るようになる。

　図４に、本発明における第１の実施例の構成で、エンジンを再始動させる第１の例を示す。図の上側は各種動作のタイミングであり、下側がエンジン回転数の時間変化を示すグラフである。上下の図は同じ時刻を示している。状況として、エンジンシステムがアイドルストップの決定をした後の動作を示している。アイドルストップによって燃料噴射が停止された後、エンジン回転数は脈動しながら徐々に低下していく。タイミング図の最上段に示した再始動要求の状態が、時刻ｔ１にＯＦＦからＯＮに切り替わったことで、時刻ｔ１に再始動要求が発生したことを示している。再始動要求が発生した時刻ｔ１以降は、燃焼制御の側では燃料を噴射し、燃焼を再開することが準備される。しかし、エンジンは燃料噴射や燃焼を行えるタイミングが決まっているため、その時になるまではエンジン回転速度の低下が続く。その間、スタータを制御するシステムの側では、制御装置３４がエンジン回転数のその後の変化を予測し続け、時刻ｔ２の時点で、リレースイッチ１９をＯＮにする。このスイッチ操作によりマグスイッチ１１に半分の通電がなされ、磁気吸引力が発生し、ピニオン７が押し出される。ピニオン７の押出しによりピニオンとリングギアが接触する時点のエンジン回転数を事前に予測し、その回転数が目標の値になるように、制御装置３４はタイミングをとり、リレースイッチ１９をＯＮにするタイミングを決める。ピニオンとリングギアが接触した後もエンジン速度数が事前に決めておいた値よりも高い時はリレースイッチ２０をＯＮにして、マグスイッチ１１にフル通電がなされるようにする。これにより、ピニオンがリングギアに噛み込んでいなくても、ドライブスプリング１０をたわませ、プランジャ１５が可動接点１４を押し、モータ４を通電させる。スタータのピニオンの回転数を同期するエンジンの回転数に換算して表記したのが「スタータ回転数」であり、時刻ｔ３の後でモータの接点がＯＮになったことで、スタータが回り始め、回転数が徐々に上昇していく。スタータのピニオンの回転速度とエンジンのリングギアの回転速度が近付いた時刻ｔ４で、ギアどうしは自然に噛み合うことが可能となり、ピニオンの噛み込みが達成されると同時に、スタータによるエンジンの駆動（＝クランキング）が始まり、エンジンの回転数が上昇に転じる。その後、エンジンの燃焼が始まると、エンジン回転数はさらに上昇し、スタータの回転数よりも高くなり、エンジンの再始動が完了する。なお、エンジン回転数のグラフに破線で示したものは、ピニオンの噛み込みが行われなかった時のエンジンの挙動を参考に示したものである。

　本ケースでは、時刻ｔ２のピニオンの押出しを開始した後に、エンジン回転数が脈動する挙動の中で、再び上昇に転じたため、スタータのピニオンとの回転数が離れている状況にあった。しかし、それを感知し、即座にリレースイッチ２０をＯＮにしたことで、スタータの回転が始まり、エンジンの回転数が落ちてくるのを待たずにピニオンとリングギアを噛み合わせることができ、再始動に要する時間の短縮に貢献している。

　この動きを実現するためには、リレースイッチ２０をＯＮにする判定を適切に行うことが重要であり、そのためのエンジンの回転速度を検知するセンサの情報を制御装置３４が取り込むと同時に、エンジンのクランク角に関する情報も用い、常に最新の情報からエンジン回転速度を予測し、それを事前に決めておく閾値との比較でリレースイッチ２０の動作を判定するようにする。なお、本実施例の他に、リレースイッチ１９と２０の動作を入れ替えて動作させることも可能である。

　図５に、本発明における第１の実施例の構成で、エンジンを再始動させる第２の例を示す。本実施例では、先ほどの例よりも遅いタイミングで再始動要求が発生している。このため、再始動要求が発生した時刻ｔ１ではエンジン回転数は０付近にある。このため、制御装置３４は再始動要求と同時にリレースイッチ１９をＯＮにする。これによりピニオンが押し出されるが、このケースではエンジン回転が低い（マイナスなっている）ため、リレースイッチ２０は終始ＯＦＦのままである。リレースイッチ２０がＯＦＦでも、エンジン回転速度の絶対値が低いことで、ピニオンとの相対的な回転速度が小さいことで、ピニオンはリングギアと自然に噛み合うことが可能となる。それにより、ピニオンが噛み込んで前に移動すると、リンク機構で動くマグスイッチのプランジャは奥に進み、ドライブスプリング１０がたわまなくても、モータの接点が自然にＯＮになる。時刻ｔ２にピニオンが噛み込むことと、モータ接点が通電されることが同時に行われ、これによりエンジンに対するクランキングが始まり、エンジンとスタータの回転が同期して高まっていく。その後、燃焼が始まることで、エンジン回転数はスタータの回転数以上に上昇し、再始動が完了する。本図においても、エンジン回転数を破線で示したものは、ピニオンをリングギアに噛み合わせなった場合のエンジンの挙動を参考に示したものである。

　本動作では、リレースイッチ２０をＯＦＦのままに保つため、ピニオンがリングギアに噛み合う前に、モータに通電されることがない。仮に、本ケースのような状況で、ピニオンがリングギアに噛み合う前に、モータに通電がなされたとすると、ピニオンの回転速度は上昇していく一方で、エンジン回転は逆回転のフェーズになっているため、マイナス方向に加速していく。そうなると、ピニオンとリングギアの相対的な回転速度差は広がっていき、ピニオンを噛み込ませることが出来なくなってしまう。ピニオンとリングギアが相対的に速度差をもった状態で、ギアの端面どうしを押し付け続けると、異音が発生し、ギアの摩耗も進むので、避けるべき動作である。これを避けることは、リレースイッチ２０をＯＦＦに保つことで実現している。同時に、リレースイッチ１９はＯＮにしてあるため、ギアどうしの自然な噛み合いによって、すばやく再始動がなされる。

　図６に、本発明における第１の実施例の構成で、エンジンを再始動させる第３の例を示す。本実施例は、エンジン回転数に対する再始動要求とリレースイッチ１９をＯＮにするタイミングが図５に示した例と同じである。ただし、ピニオンとリングギアの噛み込みがすぐには成功しなかった場合を示している。ここで噛み込みに時間がかかっている理由は、エンジン回転数が大きくマイナスになっていること原因であり、相対的な回転速度差が大きいと、ギアどうしは噛み込みにくいという性質がある。エンジン回転速度は一時的に大きなマイナスになっても、いずれは０に戻ってくるため、マイナス回転での絶対値が小さくなった時点の時刻ｔ２に自然にピニオンはリングギアに噛み込む。これによりモータの接点がＯＮになり、クランキングが始まり、再始動がなされる。

　図７に、本発明における第１の実施例の構成で、エンジンを再始動させる第４の例を示す。本実施例は、図５、図６の実施例と同じタイミングで再始動要求があったケースを示しており、違った点として、ピニオンが自然にリングギアに噛み込まなかったケースを示している。ピニオンをリングギアに噛み込ませるためには、単に押しつけておくだけでなく、両者の相対的な回転が必要である。そこで、エンジン回転速度が一定値以下になった後の一定時間が経過した後は、リレースイッチ２０をＯＮにするようにプログラミングしておく。これにより、エンジン回転が静止して、スタータも回転しないことで、互いに噛み込めないでいることを回避することが可能になる。

　図８に、本発明における第１の実施例の構成で、エンジンを再始動させる第５の例を示す。本動作例は、エンジン回転数がまだ高い段階で再始動要求が発生する点で、図４の実施例と共通する。制御装置３４は、時刻ｔ１に再始動要求が発生した以降、エンジンの回転数予測をし続け、適切なタイミングである時刻ｔ２でリレースイッチ１９をＯＮにする。この時、同時にリレースイッチ２０もＯＮにし、短時間の後、リレースイッチ２０はＯＦＦにする。リレースイッチ１９、２０によって通電されるマグスイッチ１１はピニオン７を押出すだけの磁気吸引力を発生させる必要があることから、発生させる磁束が多い。磁束を発生させる際は逆起電力が生じるため、すぐにはフル電流にならず、定常的な磁気吸引力に到達するためには一定の時間を要する。このため、短時間の間だけ、リレースイッチ１９、２０の両方をＯＮにすると、磁気吸引力の立ち上がりが速くなり、ピニオンの動き出しを早めることが出来る。リレースイッチ２０は、ピニオンの動き出しを早める目的にのみ、通電しているので、ピニオンが動きだすタイミングでＯＦＦにする。また、ピニオンの移動速度が速すぎると、リングギアの端面に衝突した後の跳ね返りが大きくなって、噛み込みにくくなるため、リングギアに衝突する前に、リレースイッチ１９を短時間だけＯＦＦにする。これによりピニオンの移動速度が大きくなり過ぎることを防止して、ピニオンをリングギアに押し付ける。ピニオンがリングギアに接触する時点で、適切なエンジン回転速度になっていると、すばやく噛み込むことが可能となり、ピニオンの噛み込みにより、時刻ｔ３の時点でモータが通電される。これによりクランキングがなされ、エンジンは再始動する。

　図９に、本発明における第２の実施例の構成で、エンジンを再始動させる例を示す。エンジンの挙動と再始動要求のタイミングは図８の例と同じであることから、マグスイッチへの通電を始めるタイミングである時刻ｔ２も同じである。ただし、ハード構成がリレースイッチから半導体スイッチに替わっているため、時刻ｔ２での動作は、半導体スイッチのデューティーを０から１００％に上げている。半導体スイッチはデューティーが０％の時に完全に通電が切られ、１００％の時にフル通電となる。時刻ｔ２の直後はフル通電を行い、ピニオンの動き出しが早くなることに努めるが、その後、一旦デューティーを落とし、ピニオンの移動速度が上がり過ぎることを防止する。ピニオンがリングギアに接触する頃には、中間的なデューティーになるようにプログラミングしておく。その後、時刻ｔ３でピニオンが噛み込むとモータの通電が始まる。この際、モータに流れる電流も半導体スイッチに設定しているデューティーで電流が絞られる。スタータに用いる直流モータは、モータの回転数が低いと多大な電流が流れ、大きなトルクを発生させる。大きなトルクを発生させることは再始動時間を早める点では有利であるが、消費する電流が大きいと、それによるバッテリーの電圧降下も大きく、バッテリーを共有している他の機器が影響を受ける。そのため、スタータを再始動させる際は、流れる電流をある程度絞った方がよく、半導体スイッチによって、電流を絞ることは好都合となる。その後、エンジンの回転が上がり出すと、スタータの回転も上がることから、スタータに流れる電流が低下しだすため、その後は半導体スイッチのデューティーを徐々に上げ、適切な電流にすることで、スタータのトルクを上げ、再始動時間の短縮に努める。

　図１０に、本発明における第３の実施例の構成で、エンジンを再始動させる例を示す。エンジンの挙動と再始動要求のタイミングは図８、図９の例と同じであることから、マグスイッチへの通電を始めるタイミングｔ２も同じである。本実施例の構成ではマグスイッチに流す電流の目標値を電流制御回路に指示するため、時刻ｔ２でフル通電の指示を出す。その後、ピニオンの移動速度が上がり過ぎることを抑制するために、電流の目標値を一旦下げ、ピニオンがリングギアに接触する頃に中間的な目標値になるようにプログラミングする。その後、時刻ｔ３でピニオンが噛み込むとモータの通電が始まり、エンジンの再始動がなされる。

　図１１、図１２を通じて、マグスイッチへの通電を開始するタイミングを決めるために、エンジン回転の挙動を予測する手法を説明する。予測の際は、計測しているエンジン回転数の情報と、クランク角の情報を用いる。両者の情報に基づき、図１２に示す関数で予測を行うが、その際、使用するクランク角の基準は図１１のようにとる。本説明では３気筒エンジンを例にとって説明するが、考え方は他の気筒数の場合でも同じである。

　図１１において、第１気筒が圧縮工程から始まる場合、その後は、膨張工程、排気工程、吸気工程と続き、一巡して、元の状態から繰り返す。圧縮工程が終了し、膨張工程が始まる瞬間はエンジンのピストンが上死点に到達しており、これをＴＤＣとして図中に示した。４サイクルエンジンではクランク角が２回転で１サイクルをなすため、クランク角で７２０°が１サイクルになる。３気筒エンジンではその角度を３等分した角度、すなわち２４０°だけ位相がずれる。よって、第１気筒のＴＤＣと第２気筒のＴＤＣ、および第３気筒のＴＤＣは２４０°ずつ位相がずれている。各気筒でピストンが上死点にくるのは、図中に示したＴＤＣのタイミングの他に、排気工程が終了した瞬間もそうであるが、ここでは圧縮工程の終わりのＴＤＣに着目する。燃焼が行われていない場合、気筒内の圧力は圧縮工程の終わりのＴＤＣの瞬間が最も高く、その前後を通じて気筒内の圧力がピストンを押す力となって、エンジンの回転挙動を支配する。よって、圧縮工程終わりのＴＤＣをクランク角の基準にとり、ＴＤＣでのクランク角を０°とし、前後１２０°ずつでクランク角を表現する。よって、第１気筒がクランク角の表現を規定している状態が過ぎた後は、第２気筒のＴＤＣを基準にしてクランク角は規定され、その後、第３気筒で規定するというふうに循環する。

　図１１で規定したクランク角を用いて、エンジン回転の挙動を予測する関数が図１２の通りとなる。図１２の最上部に示したグラフは、横軸がクランク角、縦軸がエンジン加速度（＝回転速度の変化率）である。エンジンが燃焼していない状態では、ここで示した加速度に従った挙動をエンジンが行うと考えて、エンジンの回転挙動を予測する。すなわち、エンジンが停止する途中の挙動は、式（１）の関数に従った挙動をすると考える。式（１）の具体的な中身を示したのが式（２）であり、エンジンの加速度は主にクランク角で規定されるとしており、それをグラフで示したのが最上段に図になる。３気筒エンジンではクランク角が２４０°ごとに、同じ状態を繰り返すため、２４０°を１周期としたフーリエ級数を使って関数を記述している。関数の形態はフーリエ級数以外のものを用いてもよい。係数ａ１～ａ４、ｂ１～ｂ４は定数であり、定常成分である係数ａ０は式（３）に示す通りエンジン回転数によって変化する。式（３）において、係数ｃ、ｋはプラスの数の定数である。すなわち、エンジン回転が正転の時は、加速度の定常成分はマイナスであって、エンジンが逆回転の時に加速度の定常成分がプラスになることを示している。式（３）では、正転と逆転での間を線形な関数でつないでいるが、この他にヒステリシスを持つような関数で規定することも可能である。また、式（２）の係数ａ１～ａ４、ｂ１～ｂ４もエンジン回転数によって変化するような形態にすることも可能である。エンジン回転数Ｎｅ［ｒｐｍ］とクランク角θ［°］は式（４）の関係でリンクしている。

　制御装置に入力される情報によって、時刻ｔでのエンジン回転数Ｎｅとクランク角θが分かった場合、Δｔの時間後のエンジン回転数とクランク角を求める方法が式（５）（６）の関数となる。式（５）は式（１）を時間積分したものであり、式（６）は式（４）を時間積分したものである。事前にエンジンの停止挙動を計測し、式（２）（３）の係数を決めておけば、式（５）（６）は数値的に積分可能であり、その積分計算によって、エンジン挙動を予測することが可能となる。この積分計算をリアルタイムの制御の中で行うことは計算負荷が高く、高価なコンピュータを必要とすることから、積分計算は事前にやっておき、その結果を表にしておくと、リアルタイムの制御の時には、その表を参照し、表の補間計算で上記の積分計算と同等の計算結果を得ることが出来る。本計算はエンジン回転数Ｎｅとクランク角θを初期条件に与えれば解くことが出来るので、エンジン回転数Ｎｅ、クランク角θ、予測する時間Δｔをパラメータとした計算を事前に行い、それらに対する計算結果を表として制御装置が保有しておけば、容易にエンジンの回転数挙動を予測することが可能となる。

　１　　スタータ
　３　　バッテリー
　４　　モータ
　５　　出力軸
　６　　ワンウェイクラッチ
　７　　ピニオン
　８　　リングギア
　９　　シフトレバー
　１０　ドライブスプリング
　１１　マグスイッチ
　１２，１３　固定接点
　１４　可動接点
　１５　プランジャ
　１７，１８　電磁コイル
　１９，２０，２１　リレースイッチ
　２２　半導体スイッチ
　２３，２４，２５　ダイオード
　２６　電流制御回路
　２７　シャント抵抗
　２８　電流制御用トランジスタ
　２９，３０　オペアンプ
　３４　制御装置
　４２　エンジンの回転速度検出器

Claims

　エンジンの運転中に、自動的に前記エンジンの停止及び再始動を行い、
　前記再始動の際に、スタータのピニオンを押し出し、前記エンジンのクランク軸と直結したリングギアに前記ピニオンを噛み込ませ、前記スタータによって前記エンジンを再始動させる制御を行う自動エンジン停止再始動装置において、
　前記エンジンの回転速度を判定し、
　前記回転速度が閾値以上の時は、前記スタータのモータに通電する制御を行い、
　前記回転速度が閾値以下の時は、前記ピニオンが前記リングギアに噛み込んだ場合のみ、前記モータに通電する制御を行う自動エンジン停止再始動装置。
　請求項１に記載の自動エンジン停止再始動装置において、
　前記スタータが、前記ピニオンを押し出す機構と、前記モータの通電を制御する機構とを兼用する構成であり、
　前記機構は、前記ピニオンが前記リングギアに噛み込んでいない時に前記モータを通電する制御と、前記ピニオンが前記リングギアに噛み込むまでモータを通電しない制御との双方が可能な自動エンジン停止再始動装置。
　請求項２に記載の自動エンジン停止再始動装置において、
　前記機構は、電磁コイルの磁気吸引力により可動鉄心を移動させることで動作し、
　前記磁気吸引力が所定値より弱く制御されている場合、前記ピニオンが所定の距離押し出されるまで前記モータが通電されず、
　前記磁気吸引力が所定値より強く制御されている場合、前記ピニオンが前記所定の距離押し出される前にモータが通電されることを特徴とする自動エンジン停止再始動装置。
　請求項３に記載の自動エンジン停止再始動装置において、
　前記電磁コイルが、複数のコイルから構成され、
　前記複数のコイルの内、通電するコイルの数を変えることによって磁気吸引力を変化させる自動エンジン停止再始動装置。
　請求項１に記載の自動エンジン停止再始動装置において、
　前記回転速度の判定にあたり、エンジンのクランク角に関わる情報と、エンジンの回転速度に関わる情報を用い、
　前記エンジンの回転速度に関わる情報と、前記エンジンのクランク角に関わる情報とを組み合わせ、押し出された前記ピニオンが前記リングギアに接触する時点のエンジン回転速度を推定し、前記エンジン回転速度に基づいて前記スタータを制御する自動エンジン停止再始動装置。