JP5534088B2

JP5534088B2 - エンジン始動装置

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Publication number: JP5534088B2
Application number: JP2013140966A
Authority: JP
Inventors: 弘明北野; 正彦栗重; 光一郎亀井; 一浩小田原; 直人金田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: JP2013189988A

Description

この発明は、所定のアイドルストップ条件が成立するとエンジンのアイドルストップを行い、その後再始動条件が成立するとエンジンを再始動させる自動アイドルストップシステムのためのエンジン始動装置に関するものである。

従来、自動車の燃費改善・環境負荷低減等を目的として、所定の条件が満たされると自動でアイドルストップを行う自動アイドルストップシステムが開発されてきた。例えば、スタータピニオンをリングギアに噛み合わせるための方法およびスタータ制御装置において、リングギアの回転数が所定の範囲内かつ回転方向が順方向である場合にピニオンギアをリングギアに噛み合わせており、早期のピニオンギアとリングギアとの噛み合い状態を実現しているものがある（特許文献１参照）。

また、所定時間T(s)経過後のエンジン回転数NEを予測し、NEが制御可能なピニオンの最小回転数Neminより小さければ、極低回転状態であるとして、通常再始動を行っているものがある（特許文献２参照）。

特開２００７−１０７５２７号公報特開２００５−３３０８１３号公報

上記特許文献１においては、プランジャコイルに通電し、ピニオンギアを押し出しているが、押し出してからピニオンギアとリングギアが当接するまでの間のエンジン回転数変化を予測していないために、ピニオンギア押し出し後にエンジンの回転数が上昇し、エンジン回転数とピニオンギア回転数の差が大きくなり、騒音が発生する恐れがあった。

また、上記特許文献２の装置においては、ピニオンギアとリングギアが当接する際のエンジン回転数NEを予測してピニオンギアを同期回転させているものの、正確に予測するには、エンジンＥＣＵに大きな演算負荷がかかる他、必ずしもスタータに通電させてピニオン回転数を同期させずともエンジン回転数が上昇し、燃料供給再開により再始動できる場合にもスタータモータへ通電させるので、無駄なエネルギを消費させスタータの劣化を早めるという課題があった。

この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、エンジンＥＣＵに大きな演算負荷をかけたり、不要なスタータ回転を行うことなく、自動アイドルストップシステムにおけるエンジンの惰性回転中のピニオンギアとリングギアとの噛み合わせを、速やかに、かつ静粛に行うことを可能にしたエンジン始動装置を提供することを目的とする。

この発明は、エンジン始動装置において、アイドルストップ条件が成立するとアイドルストップを行い、その後再始動条件が成立するとエンジンを再始動させる自動アイドルストップシステムのためのエンジン始動装置であって、前記エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、前記エンジンのクランク軸に連結するリングギアと、前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、前記エンジンを始動するためのスタータモータと、前記スタータモータの回転を前記リングギアに伝達するピニオンギアと、前記ピニオンギアを押し出し、前記リングギアと噛み合わせるピニオンギア押し出し手段と、前記自動アイドルストップシステムによるエンジン惰性回転中に前記再始動条件が成立した時に、前記エンジン回転数検出手段で検出されたエンジン回転数により、複数の制御モードのうちいずれを実行するかが定められているスタータ制御手段と、を備え、前記複数の制御モードのうち少なくとも一つは、前記エンジン回転数が第一の所定回転数Ｎｒ_１以上である場合には、前記エンジンへの燃料供給を再開し、燃料の燃焼のみで前記エンジンを再始動させ、前記複数の制御モードのうち少なくとも一つは、前記エンジン回転数が第四の所定回転数Ｎｒ_４以下である場合には、前記ピニオンギア押し出し手段により前記ピニオンギアを押し出し開始した後に、前記スタータモータに通電し、クランキングにより前記エンジンを再始動させ、前記エンジン回転数が、前記第一の所定回転数Ｎｒ_１未満かつ前記第四の所定回転数Ｎｒ_４より大きい領域であり、かつ前記エンジンのクランク角が上死点近傍の領域である時には、前記制御モードを実行しない、不感帯を設けていることを特徴とするものである。

本発明では、ピニオンギアとリングギアとの噛み合わせを速やか、かつ静粛に行うことで、ドライバに違和感を与えず、さらにピニオンギアとリングギアとの噛みあわせ時の騒音低減および部品の長寿命化を達成できる。

この発明の実施の形態１によるエンジン始動装置の概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１におけるエンジン回転数検出手段の概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１におけるピニオン押し出し手段の概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１におけるアイドルストップ制御の流れを示すフローチャートである。この発明の実施の形態１におけるエンジン再始動制御の流れを示すフローチャートである。この発明の実施の形態１におけるクランク角と４気筒エンジンにおける各気筒の吸排気行程を示すイメージ図である。この発明の実施の形態１におけるアイドルストップ開始からエンジンが惰性回転により回転数が降下していく際の、エンジン回転数およびクランク角を示すイメージ図である。この発明の実施の形態２によるエンジン始動装置の概略構成を示すブロック図である。アイドルストップによるエンジン惰性回転中の吸気量によるエンジン回転数降下特性の違いおよび不感帯の設定を示す図である。

本発明では、アイドルストップによるエンジン惰性回転中に再始動条件が成立した時に、以下に示す複数の制御モード（a）〜（c）からエンジン回転数を閾値として、実行する制御モードを決定するエンジンの再始動において、エンジン回転数が所定の範囲内である場合に制御モードを実行しない不感帯を設けている。
（a）スタータによりクランキングを行わず燃料供給の再開のみでエンジンを再始動させる制御モード。
（b）スタータモータを回転させてピニオンギア回転数とエンジン回転数を同期させて噛み合わせてクランキングによりエンジンを再始動させる制御モード。
（c）スタータモータを回転させずにピニオンギアを押し出し噛み合わせてからクランキングによりエンジンを再始動させる制御モード。

これにより、例えばクランク角毎に発生するピストンの圧縮・膨張によるトルク変動により、制御モードが切り替わった後にエンジン回転数が上昇し、一旦実行された制御モードによるエンジンの再始動が働かないことや、エンジンとピニオンギアとの回転数差が噛み合い可能な範囲外となることを防ぎ、ピニオンギアとリングギアをスムーズに噛み合わせることが可能となる。

以下この発明によるエンジン始動装置を各実施の形態に従って図を用いて説明する。なお、各図において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し重複する説明は省略する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるエンジン始動装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、エンジンＥＣＵ１０はアイドルストップ条件（例えば車速5km/ｈ以下かつドライバがブレーキを踏んでいる等）が成り立つか否かを判定し、これをエンジン始動装置２０のコントローラ１３へと入力する。エンジン始動装置２０は、エンジンの（図示しない）クランク軸に連結しているリングギア１１と、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサ１２と、スタータ１９と、スタータモータ１７とソレノイド１６への通電を制御するコントローラ１３とを備える。スタータ１９は、スタータモータ１７の回転を伝えるピニオンギア１４と、ピニオンギア１４を押し出し、リングギア１１と噛み合わせるためのプランジャ１５と、通電することによりプランジャ１５を可動させることができるソレノイド１６と、ピニオンギア１４の回転数を検出することのできるピニオンギア回転数センサ１８を備える。コントローラ１３による通電の制御は、スタータモータ１７への通電と、ソレノイド１６への通電を独立して制御することができる。

また、エンジン回転数Ｎｒは、クランク角センサ１２からのセンサ入力周期よりコントローラ１３で演算しているが、代わりに回転エンコーダやリングギアの歯のパルスを検出できるパルス発生器等を備え、これらからの信号のＦＶ(周波数−電圧)変換等による、別の手段を用いてエンジン回転数Ｎｒを検出してもよい。

また、ピニオンギア回転数Nstに関しても、ホール素子等によるピニオンギア回転数センサで検出しているが、ピニオンギア回転数センサ以外にもスタータモータ１７に印加される電圧または電流に対応した回転数テーブル等、別の手段を用いてピニオンギア回転数Nstを検出してもよい。

なお、図１ではコントローラ１３とエンジンＥＣＵ１０を別々のものとして示しているが、コントローラ１３を備える代わりに、エンジンＥＣＵ１０が処理を行っても良い。従ってエンジン始動装置２０はエンジンＥＣＵ１０を含み得る。

また、コントローラ１３およびエンジンＥＣＵ１０もしくはどちらか一方がエンジン回転数検出手段２１とスタータ制御手段２２を構成し(図２参照)、コントローラ１３およびエンジンＥＣＵ１０もしくはどちらか一方とプランジャ１５とソレノイド１６がピニオンギア押し出し手段２２（図３参照）を構成する。

また、通常、ピニオンギア１４はリングギア１１に比して歯数が少ないが、混乱を避けるため、本実施の形態でのピニオンギア回転数、エンジン回転数は、ピニオンギアとリングギアの歯数比を考慮して、リングギアでの回転数に換算したものを用いることとする。

次に実施の形態１の動作について説明する。図４、図５は実施の形態１におけるコントローラ１３およびエンジンＥＣＵ１０での処理を示すフローチャートである。
まずエンジンＥＣＵ１０において、アイドルストップ条件が成立しているか否かを判定する(Ｓ１１０)。成立していなければ次の制御周期へと進む。ステップＳ１１０でアイドルストップ条件が成立していたならば、アイドルストップ制御を開始し(Ｓ１１１)、エンジンＥＣＵ１０の制御によりエンジンへの燃料供給をストップさせる。そして、エンジンの惰性回転によりエンジン回転数が降下する間に、エンジンＥＣＵ１０への信号でエンジン再始動条件(例えばドライバがブレーキペダルから足を離す等)が成立しているか否かを判定する(Ｓ１１２)。再始動条件が成立している場合には、ステップＳ１１３に進み、再始動条件が成立していない場合には、次の制御周期へと進む。ステップS１１３では、エンジンが回転中か否かを判定し、エンジンが回転中であると判定された場合には、ステップS１１４へと進み、エンジン再始動制御を開始する。また、エンジンが回転していない、つまり完全に停止していると判断されたならば、次の制御周期へと進む。ここでエンジンが回転中か否かの判定は、例えば一定期間の間、クランク角センサ１２へ入力が来なければエンジンが完全に停止していると判定すればよい。

次に図３を用いて、エンジン再始動制御について説明する。
まずステップS１２０においてエンジン回転数Ｎｒがエンジン自己復帰可能回転数Nr₁（例えば７００ｒｐｍ）以上か否かの判定を行う。

なお、エンジン自己復帰可能とは、スタータ１９によるクランキングを行わずに、燃料を噴射し着火するだけで再始動できることであり、例えば燃料を多めに噴射することで、燃焼させやすくする等の制御があるが、エンジン自己復帰の制御の詳細に関しては、この発明の範囲ではないので、ここでは詳細説明は行わない。

ステップS１２０においてエンジン回転数Nrがエンジン自己復帰回転数Nr₁以上と判定されたならば、ステップＳ１２１に進みエンジン自己復帰制御を行い、エンジンを再始動させる。また、ステップＳ１２０においてエンジン回転数がエンジン自己復帰可能回転数Nr₁より小さかった場合は、ステップＳ１２２へと進む。

ステップS１２２では、エンジン回転数Nrが、エンジン自己復帰回転数Nr₁から所定回転数（例えば５０rpm）低いNr₂以下かつ、エンジンの気筒の膨張・圧縮トルクによる回転数変動の影響を考慮した、後述するNr₄より高い回転数Nr₃（例えば２５０rpm）以上か否かの判定を行い、エンジン回転数Nrが上記Nr₂以下かつNr₃以上であるならば、ステップS１２３へと進み、スタータモータ１７への通電によりピニオンギア１４の回転を開始する。

ステップS１２４において、エンジン回転数Nrとピニオンギア回転数Nstとの回転数差と、噛み合い可能な所定回転数差Ndiffとを比較し、Ndiffより小さければ、ステップS１２５へと進み、ソレノイド１６への通電によりプランジャ１５を可動させ、ピニオンギア１４を押し出し、ピニオンギアとリングギアを噛み合わせる。

そして、ステップS１２６においてクランキングによりエンジンを再始動させる。また、ステップS１２４において、エンジン回転数Nrとピニオンギア回転数Nstとの回転数差がNdiff以上であるならば、Ndiffより小さくなるまでステップS１２４を繰り返す。

次に実施の形態１の効果を説明する。
まず、ステップS１２２で用いるNr₂をエンジン自己復帰回転数Nr₁より低くし、不感帯を設けた理由について説明する。ここでは、不感帯はエンジン回転数Nr₁〜Nr₂の領域に設定されている。

図６に例として４気筒エンジンにおける１サイクル中の各気筒の行程を示す。各気筒ともに２回転(７２０ｄｅｇ)で１サイクル(圧縮、膨張、排気、吸気の４行程)となっているが、ハッチングの部分で示したように、上死点直前ではいずれかの気筒が圧縮行程後半かつ別のいずれかの気筒では膨張行程後半となっている。圧縮行程では後半になるほど圧縮により、エンジンの順方向回転を妨げるトルクが大きく、膨張行程は後半になるほど圧縮により、エンジンの順方向回転を助長するトルクが小さくなる。よって、上死点直前では、エンジン回転数の低下が他のクランク角領域に比べて大きくなる。

逆に、上死点直後ではいずれかの気筒が圧縮行程前半かつ別のいずれかの気筒では膨張行程前半となっている。圧縮行程前半では、エンジンの順方向回転を妨げるトルクが小さく、膨張行程後半では、エンジンの順方向回転を助長するトルクが小さくなる。

よって、上死点直後では、エンジン回転数の低下が他のクランク角領域に比べて小さくなり、場合によっては回転数が上昇することもある。このような理由により、上死点近傍のクランク角ではエンジン回転数の脈動が発生する（図７参照）。

よって、図７に示すように、例えばエンジン回転数Nrがエンジン自己復帰回転数Nr₁を下回った直後に再始動条件が成立した場合に、前記トルク変動によりエンジン回転数Nrが上昇し、再びエンジン自己復帰回転数Nr₁を上回る可能性がある。

よって、前記トルク変動によりエンジン回転数Nrが上昇したとしても、エンジン自己復帰回転数Nr₁を上回らない回転数Nr₂まで図７のハッチング部分に不感帯を設け、次の制御モードに入らないようにしている。これにより、できる限りエンジンの自己復帰による再始動の機会を多くし、スタータモータ１７を回転させてピニオンギア１４を噛み合わせる回数を減らし、スタータ１９の長寿命化、クランキングを省略することによる静粛化、および燃料再供給だけでの再始動による再始動の迅速化という利点がある。

次にステップS１２２において、エンジン回転数NrがNr₃より小さいと判断されたならば、ステップS１２７へと進み、エンジン回転数Nrが、ピニオンギア１４を回転させずに噛み合い可能なエンジン回転数Nr₄（例えば５０rpm）以下か否かを判定する。

エンジン回転数NrがNr₄以下であるならば、ステップS１２５へと進み、前述の手順と同様にピニオンギアとリングギアを噛み合わせ、クランキングによりエンジンを再始動する。また、ステップS１２７において、エンジン回転数NrがNr₄より大きいと判定された場合には次の制御周期へと進む。

ここで、ステップS１２７で用いるNr₄をエンジン自己復帰回転数Nr₃より低くし、不感帯を設けた理由について説明する。
前述のようにピストンの運動による膨張・圧縮トルクにより、脈動を発生させながらエンジン回転数Nrは低下していき、前記Nr₃より小さく、前記Nr₄より大きい場合に再始動要求があった場合に直ぐにピニオンギア１４を押し出し噛み合わせようとした場合に、前記トルク変動によりエンジン回転数Nrが上昇し、噛み合い可能な回転数Nr₄になるまで時間を要し、ギア磨耗や騒音を発生させる可能性がある。

よって、前記トルク変動によりエンジン回転数Nrが上昇したとしても、Nr₃を上回らない回転数Nr₄まで図７のハッチング部分に不感帯を設け、次の制御モードに入らないようにしている。これにより、ピニオンギア１４を噛み合わせる際のリングギアとピニオンギアの回転数差を小さくし、リングギアおよびピニオンギアの磨耗低減、噛み合い時の騒音低減等の利点がある。

このように、燃料再供給によりエンジンを自己復帰させる制御モード、スタータモータ１７を回転させ、リングギアとピニオンギアの回転数を同期させてギアを噛み合わせ、エンジンを再始動する制御モード、ピニオン押し出し開始後、スタータモータ１７を回転させ、エンジンを再始動する制御モードのそれぞれが実行されるエンジン回転数範囲を決定する回転数Nr₁、Nr₂、Nr₃、Nr₄を異なる値に設定し、各制御モードの間に不感帯を設けることで、エンジン回転数の脈動によりギア当接時の回転数差が大きくなり、ギアの磨耗や騒音の発生を防ぐ。

以上のように、この発明の実施の形態１に係るエンジン始動装置２０は、エンジンのクランク軸に連結するリングギア１１と、エンジンのクランク角を検出するクランク角センサ１２と、スタータ１９と、スタータモータ１７とソレノイド１６への通電を制御するコントローラ１３とを備え、スタータ１９は、スタータモータ１７の回転を伝えるピニオンギア１４と、ピニオンギア１４を押し出しリングギア１１と噛み合わせるためのプランジャ１５と、通電することによりプランジャ１５を可動させることができるソレノイド１６と、ピニオンギア１４の回転数を検出することのできるピニオンギア回転数センサ１８を備えており、コントローラ１３による通電の制御は、スタータモータ１７への通電とソレノイド１６への通電を制御することができる。

コントローラ１３およびエンジンＥＣＵ１０は、図４、図５のフローチャートに従い、再始動条件が成立している際のエンジン回転数Nrによって制御モードを変更し、エンジンの再始動を行う。

以上のように、この実施の形態によれば、エンジンＥＣＵ１０によりアイドルストップ条件の成立がコントローラ１３に入力され、エンジンが惰性回転により回転数が降下していく際に、各制御モードを実行するエンジン回転数範囲の間に不感帯を設けて、トルク脈動に起因するエンジン回転数の上昇による制御モードの切り替わりを防ぐことにより、リングギア１１とピニオンギア１４の噛み合い音を小さくし、さらに衝撃を低減することにより部品の寿命をも伸ばすことができる。

また、この実施の形態においてNr₁、Nr₂、Nr₃、Nr₄は定数として説明したが、上記トルク脈動の発生はクランク角によってほぼ定まっているため、その制御周期におけるクランク角Ｃ_ａｎｇによりNr₁、Nr₂、Nr₃、Nr₄を、図７に示す大小関係（Nr₁＞Nr₂＞Nr₃＞Nr₄）が入れ替わらない範囲において、可変にしてもよく、例えばエンジンのいずれかの気筒で上死点近傍に相当するクランク角（図６のハッチング部）である時に、上死点直前の圧縮行程であれば、前記不感帯の上限を決定するエンジン回転数（Nr₁またはNr₃）を高く設定する、もしくは上死点直後の膨張行程であれば、下限を決定するエンジン回転数（Nr₂またはNr₄）を低く設定してもよい。

これにより、トルク脈動によりエンジン回転数Nrが変化する期間にのみ、不感帯の範囲を広げ、それ以外の時には不感帯の範囲を狭めることにより、エンジン再始動制御が実行されない期間を短縮し、より早期のエンジン再始動を実現することができる。

また、この実施の形態において、３つの制御モードと２つの不感帯で説明を行ったが、必ずしも全ての制御モードの間に不感帯を設ける必要はなく、例えばNr₁およびNr₂により決定される不感帯を設けず、Nr₃およびNr₄により決定される不感帯のみを設けてもよい。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２によるエンジン始動装置の概略構成を示すブロック図である。図８のエンジン始動装置では、エンジンに吸入される吸気量を検出するエアフローセンサ２３(吸気量検出手段を構成する)を備え、この吸気量に基づき、実施の形態１において、不感帯を決定していたエンジン回転数Nr₁、Nr₂、Nr₃、Nr₄を設定してもよい。図８では、コントローラはコントローラ２４と表記している。

図９はアイドルストップによるエンジン惰性回転中の吸気量の違いによるエンジン回転数降下特性を示している。図９に示すように、吸気量により膨張・圧縮トルクが変化し、吸気量が多いほど、膨張・圧縮トルクも大きくなり、エンジン回転数の脈動も大きくなる。そのため例えばエアフローセンサ２３により検出された吸気量が予め定められた標準的な吸気量に対して多い場合には、図９（a）に示すように、前記標準的な吸気量に対して定められている不感帯の幅よりも大きくなるようにNr₁、Nr₂、Nr₃、Nr₄を設定し、上記検出された吸気量が前記標準的な吸気量に対して低い場合には、図９（b）に示すように、前記標準的な吸気量に対して定められている不感帯の幅よりも小さくなるようにNr₁、Nr₂、Nr₃、Nr₄を設定する。

これにより、アイドルストップ時の吸気量が変化する場合においても、エンジン回転数の脈動の大きさに合わせて、不感帯の幅を変更することが可能となり、よりスムーズにピニオンギア１４とリングギア１１を噛み合わせることが可能となる。

１０エンジンＥＣＵ、１１リングギア、１２クランク角センサ、１３，２４コントローラ、１４ピニオンギア、１５プランジャ、１６ソレノイド、１７スタータモータ、１８ピニオンギア回転数センサ、１９スタータ、２０、２５エンジン始動装置、２１エンジン回転数検出手段、２２ピニオンギア押し出し手段、２３エアフローセンサ。

Claims

アイドルストップ条件が成立するとアイドルストップを行い、その後再始動条件が成立するとエンジンを再始動させる自動アイドルストップシステムのためのエンジン始動装置であって、
前記エンジンのクランク角を検出するクランク角センサと、
前記エンジンのクランク軸に連結するリングギアと、
前記エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
前記エンジンを始動するためのスタータモータと、
前記スタータモータの回転を前記リングギアに伝達するピニオンギアと、
前記ピニオンギアを押し出し、前記リングギアと噛み合わせるピニオンギア押し出し手段と、
前記自動アイドルストップシステムによるエンジン惰性回転中に前記再始動条件が成立した時に、前記エンジン回転数検出手段で検出されたエンジン回転数により、複数の制御モードのうちいずれを実行するかが定められているスタータ制御手段と、を備え、
前記複数の制御モードのうち少なくとも一つは、前記エンジン回転数が第一の所定回転数Ｎｒ_１以上である場合には、前記エンジンへの燃料供給を再開し、燃料の燃焼のみで前記エンジンを再始動させ、
前記複数の制御モードのうち少なくとも一つは、前記エンジン回転数が第四の所定回転数Ｎｒ_４以下である場合には、前記ピニオンギア押し出し手段により前記ピニオンギアを押し出し開始した後に、前記スタータモータに通電し、クランキングにより前記エンジンを再始動させ、
前記エンジン回転数が、前記第一の所定回転数Ｎｒ_１未満かつ前記第四の所定回転数Ｎｒ_４より大きい領域であり、かつ前記エンジンのクランク角が上死点近傍の領域である時には、前記制御モードを実行しない、不感帯を設けていることを特徴とするエンジン始動装置。
前記不感帯の範囲を決定するエンジン回転数は前記クランク角により、変更されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
エンジンに吸入される空気量を検出する、吸気量検出手段を備え、前記吸気量検出手段により検出された吸気量により、前記不感帯の範囲を決定するエンジン回転数を変更することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン始動装置。