JP2012505998A - 内燃機関のスタート・ストップ制御方法およびスタート・ストップ制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、自動車の内燃機関（１）のスタート・ストップ運転を制御するための制御方法に関する。当該制御方法では、内燃機関（１）を始動してスタート・ストップ運転を行うために、スタータモータ（８）および噛合装置（１０）を有する始動装置（７）を駆動制御し、内燃機関（１）のクランクシャフトの回転数および位置を検出装置（４）によって検出する。スタート・ストップ運転時の車両快適性を改善し、騒音および摩耗を低減して惰性回転数でスタータピニオン（９）をリングギヤ（６）に噛み合わせるために、内燃機関（１）の停止後に、惰性回転中の内燃機関（１）のリングギヤ（６）に噛み合わせるための噛み合わせ時点を求める。

Description

本発明は、自動車の内燃機関のスタート・ストップ運転を制御するための制御方法に関する。当該制御方法では、内燃機関を始動してスタート・ストップ運転を行うために、スタータモータおよび噛合装置を有する始動装置を駆動制御し、内燃機関のクランクシャフトの回転数および位置を検出装置によって検出する。本発明はさらに、自動車の内燃機関のスタート・ストップ運転のためのコンピュータプログラム製品および制御装置にも関し、当該コンピュータプログラム製品および制御装置では、内燃機関はスタータモータである電気機器によって始動され、当該制御装置は、スタータピニオンを内燃機関のリングギヤに噛み合わせるための噛合装置によって該スタータモータを所定のように駆動制御するために、プログラムメモリを有するマイクロコンピュータを備えている。

燃料を節約し、また内燃機関の排ガスエミッションを削減するために、例えば信号待ちの際、または短時間の停車を必要とする他の交通障害において、エンジン制御部が所定の停止条件にしたがい、殊に所定の時間の経過後に、車両の内燃機関の停止を行うことが公知である。通常は内燃機関は、スタータモータによって駆動されるスタータピニオンを使用して、該スタータピニオンを内燃機関のリングギヤに噛み合わせることによって始動する。スタータピニオンを用いて始動される内燃機関のこのような構成では、内燃機関の再始動を行う際に、内燃機関を再び始動できるようになるまでに待機しなければならない最小時間が存在する。

ＤＥ１０２００６０１１６４４Ａ１からは、内燃機関のリングギヤおよびスタータピニオンを使用する作動装置および作動方法が公知であり、同文献では、リングギヤの回転数およびスタータピニオンの回転数が求められ、スタータピニオンは内燃機関の停止後に、内燃機関の惰性回転時の回転数と実質的に同じ回転数で噛み合わされる。スタータピニオンは内燃機関が回転を開始するまで噛み合わされた状態にとどまる。

ＤＥ１０２００６０３９１１２Ａ１には、自動車の内燃機関のためのスタータの回転数を検出する方法が記載されている。さらにこの刊行物には、スタータモータが専用のスタータ制御装置を有し、このスタータ制御装置によってスタータの回転数が算出され、回転数の低下に起因して内燃機関がそれ自体でもはや始動できない場合に、スタータ・ストップモードにおいてスタータモータのスタータピニオンは最初の段階で噛み合わせることなく加速されることが記載されている。スタータピニオンは、同期された回転数で、惰性回転中の内燃機関のリングギヤに入れられる。

ＥＰ１０４１２７５Ｂ１に、スタータモータによって駆動されるスタータピニオンによって内燃機関のリングギヤの回転を開始する始動装置が記載されている。相互間で作用し合うスタータピニオンまたはリングギヤの個々の歯に過剰な負荷がかかる危険性を回避するため、噛み合わせが開始した後にスタータモータをまず停止し、噛み合わせが十分に深くなったらスタータモータをまずは部分負荷で駆動し、次に全負荷で駆動する。

本発明の課題は、スタート・ストップ運転時の車両快適性を改善し、低減された騒音および摩耗で、惰性回転数でスタータピニオンをリングギヤに噛み合わせられるように、冒頭に述べた形式の方法、コンピュータプログラム製品および制御装置を提供することである。

本発明の概要
本発明では前記課題は、請求項１，９および１０の構成によって解決される。従属請求項に有利な実施形態が記載されている。

本発明の思想は、スタータピニオンを内燃機関のリングギヤに噛み合わせるために該内燃機関の惰性回転時に特徴的な回転数特性経過を考慮し、このような回転数特性経過を考慮することによって、噛み合わせ時の騒音を低減し、摩耗を低減し、さらに、噛み合わせ過程を確実に成功させることである。

前記課題は、内燃機関の停止後に、惰性回転中の内燃機関のリングギヤに噛み合わせる時点を求めることによって解決される。内燃機関の停止後には特徴的な惰性回転特性が生じ、この惰性回転特性では、時間的に見て回転数の変化が急速でないことにより有利な噛み合わせ時点と、回転数の低下方向の変化が非常に急速であり噛み合わせ時点が不都合になる所定の時間間隔とが存在する。

したがって本発明では、内燃機関の停止後に、該内燃機関の惰性回転数がある特定の公差領域内で一定である噛み合わせ時点を求める。このことによって、噛み合わせ時の騒音発生が低減し、摩耗が低減する。

本発明の方法の１つの実施形態では、惰性回転中の内燃機関の所定の噛み合わせ時点における回転数を予め、少なくとも２つの有利な特徴的な回転数値から計算し、とりわけ、内燃機関のシリンダの点火可能な上死点で計算する。このことにより、内燃機関の惰性回転特性に影響する現在の影響が考慮され、たとえば温度や変化する摩擦値等が考慮される。このように特徴的な回転数値から回転数を予め計算することにより、簡単な方法と少数のデータ値とで、内燃機関の噛み合わせを行うための所定の時点における回転数を求め、スタータピニオンとリングギヤとの間の回転数差が最小限になるようにスタータモータを駆動制御することができる。

別の有利な実施形態では、スタータピニオンの噛み合わせ時点として、内燃機関の点火可能な上死点の直前および直後に内燃機関の回転数の時間的な変化が格段に小さくなる公差領域を計算する。このようないわゆるプラトー期間では、上死点の直前と直後との間の所定の期間において、所定の公差領域において、惰性回転中の内燃機関の回転数の変化が小さくなる。したがって、プラトー期間のこのような期間内の噛み合わせ時点が有利である。内燃機関のシリンダのピストンは点火上死点（ＺＯＴ）に来ると速度を落とす。というのも、シリンダ内の空気が圧縮されるからである。この点火上死点を超えると、圧縮された空気によってピストンは再び加速され、回転数は簡単に上昇し、ないしは、回転数の低下は緩慢になる。この時間は、ある特定の公差領域内で一定であると見なすことができ、プラトーと称することができる。

ここで有利なのは、スタータモータがこのようなプラトーの時点でスタータピニオンを、予め決定された回転数まで加速させて該スタータピニオンが所定の時点で噛み合うことができるようにするように、該スタータモータに通電することである。

本発明の方法の１つの実施形態では、スタータピニオンを可能な限り確実に噛み合わせるために、内燃機関の複数の最後の点火可能な上死点のうち１つを、とりわけ最後から２番目の点火可能な上死点を、特に有利には最後の点火可能な上死点を予め、スタータピニオンの噛み合わせ時点として計算し、該スタータピニオンをこれらの時点のうち１つの時点で同時に噛み合わせる。

このことによって本発明の方法は、最後の点火可能な上死点が特に長い時間、実質的に一定の回転数窓を有するという利点を実現できる。この時間は、これらの最後の点火可能な上死点で、回転数の低下とともに長くなり、スタータピニオンおよびリングギヤの周回転数が実質的に等しくなり、噛み合わせの確実性がさらに改善される。したがって最も簡単なのは、内燃機関の一番最後の点火可能な上死点で噛み合わせを行うことである。

本発明の方法の別の有利な実施形態では、電気エネルギーを削減し、車載電源網にかかる負荷が大きくならないようにするために、内燃機関の停止時に相応する時点ｔ_１より時間的に後に、時点ｔ_２において噛み合わせを行うためにスタータモータに通電し、該スタータモータを、予め計算された回転数まで加速させる。

本発明の方法のさらに有利な実施形態では、内燃機関の回転数が時間‐回転数特性マップにおいてプラトーを成す内燃機関の時間‐回転数窓内でスタータピニオンを噛み合わせる。このことは上記でも説明したように、スタータモータによって駆動されるスタータピニオンの回転数をより良好に適合し、スタータピニオンの噛み合わせが点火可能な上死点直後に行われる場合には、スタータモータの回転数の加速と並行して内燃機関の回転数の加速も行えるという利点を有する。

さらに有利には、時点ｔ_４において内燃機関の回転数がプラトーになる時間‐回転数窓内でスタータピニオンを実質的に等しい周速度でリングギヤに噛み合わせるために、時点ｔ_３において噛合装置に通電する。時点ｔ_３は予め計算される。

択一的な実施形態では、使用領域を可能な限り拡大できるようにするために、内燃機関の回転数が最後のプラトーにおいてスタータモータの最大回転数を超えた場合、スタータピニオンを内燃機関のリングギヤに所定の回転数で噛み合わせる新たな時点ｔ_４０を求める。このように新たな時点ｔ_４０を求めることにより、内燃機関の惰性回転中のリングギヤにスタータピニオンを噛み合わせるために、この時点はスタータモータの回転数に適合される。スタータピニオンを惰性回転中の内燃機関のリングギヤに噛み合わせることにより、スタート・ストップ運転時に内燃機関の始動をより迅速に準備することができる。

上記課題は、コンピュータプログラム製品が制御装置に実装された場合に、上述の方法の全てのステップを実施するためにプログラム命令と共に制御装置のプログラムメモリにロードされるコンピュータプログラム製品によっても解決される。

前記コンピュータプログラム製品は、該コンピュータプログラム製品のために車両内に構成部品を追加する必要がなく、車両に既に設けられている制御装置に実装されるモジュールとして構成できるという利点を有する。前記コンピュータプログラム製品は例えば、半導体メモリとして構成された物理的な媒体として、エンジン制御部、別個の専用の制御部またはスタータ制御部内に設けることができる。コンピュータプログラム製品はさらに、個別の特定の顧客要望に容易に適合させることができ、またより良好な経験値によって運転ストラテジーを改善することができるという利点も有する。

さらに、前記課題は制御装置では、マイクロコンピュータが、内燃機関の回転数の特徴的な惰性回転特性に相応して所定のようにスタータ装置を制御するように、評価制御装置として構成されることによって解決される。ここではとりわけ、プログラムメモリに上記のコンピュータプログラム製品がロードされ、特に有利には上記の方法を実施するように構成される。当該制御装置は、エンジン制御部に実装するか、または別個の制御部にたとえばスタータ制御部として構成することができる。当該制御装置は、実際の回転数値を得るために、バスシステムまたは別の適切な接続部を介してエンジン制御部に情報伝送接続されている。前記制御部はさらに、スタート・ストップ運転を行うために車両にすでに設けられていることにより、本発明を実施するための変更を僅かに行うだけで該制御部を使用できるという利点も有する。

もちろん、上記において説明した特徴、また下記において説明する特徴は、本願明細書に記載された組み合わせだけで使用されるのではなく、別の組み合わせでも使用することができる。

以下で図面を参照しながら、実施例に基づき本発明を詳細に説明する。

本発明による方法を実施するための駆動装置の構成要素の概略的なブロック回路図を示す。 本発明による方法のフローチャートを示す。 本発明の方法の時間‐回転数グラフを示す。

本発明の実施形態
図１は、本発明による方法を実施するための駆動装置の基本的な構成要素すべてを示す概略的なブロック回路図を示す。シリンダ１１，１２，１３，１４を有する内燃機関１はクランクシャフト２を有し、該クランクシャフト２によって内燃機関１は始動する。クランクシャフト２の回転数および位置を求めるために、複数の歯と、同期マークである少なくも１つの歯溝とが設けられた歯車３が、非対称的にクランクシャフト２の一端に設けられており、この歯車３によってクランクシャフト位置および回転数が、固定的に取り付けられた検出装置４によって検出することができる。検出装置４はエンジン制御部５に接続されており、エンジン制御部５は、内燃機関１を所定のように駆動制御するために、該内燃機関１に別のアクチュエータおよびセンサを有する。

内燃機関１は、クランクシャフト２に固定されたリングギヤ６を使用してスタータ装置７によって始動される。スタータ装置７はスタータモータ８を有し、該スタータモータ８には軸方向に可動なスタータピニオン９が設けられており、該スタータピニオン９は前記リングギヤ６に噛み合うように設けられている。前記スタータピニオン９は、噛合リレーとして構成された噛合装置１０において、スタータモータ８のスタータシャフト上で軸方向に移動する。噛合装置１０およびスタータモータ８はスタータ制御部１５によって所定のように駆動制御される。スタータ制御部１５はスタータモータ８の通電に依存せずに、パワーエレクトロニクススイッチと少なくとも１つのスイッチリレーとを介して噛合装置１０を所定のように駆動制御することができる。

制御部１５は、プログラムメモリ１７を有するマイクロコンピュータ１６を備えており、このプログラムメモリ１７には、本発明のコンピュータプログラム製品がたとえば半導体メモリの形態で記憶されている。スタータ制御部１５は従来のバスシステム１９を介してマイクロコンピュータ１６に情報伝送接続されており、スタータ制御部１５はこの情報伝送接続によって、たとえばスタート・ストップ運転の実施に関する情報を得る。

図２は、本発明の方法の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１において内燃機関１は、エンジン制御部５が検出した停止条件に基づいて停止される。この停止条件は従来のバスシステム１９を介して、マイクロコンピュータ１６を有するスタータ制御部１５に通知される。

エンジン制御部はステップＳ２において、スタータ制御部は内燃機関の回転数およびクランクシャフト位置を受け取り、ステップＳ３において計算アルゴリズムにしたがい、スタータピニオン９を内燃機関１のリングギヤ６に噛み合わせるのに適した時点を計算して決定する。前記回転数は有利には少数のデータに基づいて測定され、とりわけ特徴的なデータに基づいて測定され、たとえば惰性回転状態にある内燃機関１の点火可能な上死点ＺＯＴに基づいて測定される。本発明では、スタータピニオン９をリングギヤ６に噛み合わせるために、前記値のうち少なくとも２つから、点火可能な上死点ＺＯＴを選択する。有利には、前記スタータピニオン９をリングギヤ６に噛み合わせるための時点は、点火可能な上死点ＺＯＴより若干前に選択され、内燃機関１の回転数の変化がたとえば５ｍｓの時間にわたって非常に小さくなりこの５ｍｓの領域内での回転数の上昇が僅かである公差領域内の時間窓のほぼ中間に選択される。この領域は、回転数のプラトーとも称される。

オプションとして、問い合わせステップＡ１においてさらに、クランクシャフト位置および回転数を測定して呼び出し、場合によっては噛み合わせ時点を補正する。

ステップＳ４において、時点ｔ_２でスタータモータ８に通電し、所定の時点ｔ_４でスタータピニオン９と内燃機関１のリングギヤとを、実質的に等しい周回転数Ｗで噛み合わせられるようにする。

オプションとして、問い合わせステップＡ２において回転数およびクランクシャフト位置を再度問い合わせ、すでに計算された時点が未だ適正であるか否かを問い合わせ、場合によっては、再度測定された前記回転数およびクランクシャフト位置の値に適合しているか否かを問い合わせる。

場合によっては、ステップＳ５においてスタータモータ１の回転数を検査し、場合によっては適合する。

ステップＳ６において、時点ｔ_３で噛み合わせ装置１０に通電することにより、予め求められた噛み合わせ装置の噛み合わせ時間内ないしは応答時間内に、予め計算された噛み合わせ時点ｔ_４において、クランクシャフト２の低下する惰性回転数の変化が小さい所望の公差領域で、スタータピニオン９をリングギヤ６に噛み合わせる。

問い合わせＡ０において、エンジン制御部５の始動要望が検出されたか否かを検査する。この始動要望が検出された場合、ステップＳ７において、スタータモータ８により大きく通電することによって、場合によっては最大回転開始電流をスタータモータ８に流すことにより、内燃機関１を始動する。

始動要望が検出されなかった場合、スタータモータ８は内燃機関１に噛み合った状態で、場合によっては静止するまで惰性回転する。本方法は問い合わせステップＡ０に戻り、始動要望が検出されて内燃機関が短時間の停車によって再始動するまで、本方法はループで繰り返される。

図３に、内燃機関１のクランクシャフト２の時間‐回転数特性曲線Ｋ２と、スタータモータ８の回転数とを示す。時点ｔ_１において内燃機関を停止する。図３によれば、クランクシャフトの回転数は大きな時間分解能で、非常に特徴的な特性曲線で挙動する。点火可能な上死点ＺＯＴで個々のシリンダにピストンが通ることによって回転数が減速する減速幅と、その後にシリンダ内の空気が圧縮されて回転数が加速する加速幅が大きくなると、時間的間隔が大きくなる。図３に示されたように、約５ｍｓの時間窓Ｚ１および約 10 r.p.m. の回転数領域Ｄ１の最後の複数のプラトーのうち１つのプラトー、有利には最後のプラトーＰ１に、予め計算された噛み合わせ時点ｔ_４が置かれる。時点ｔ_２においてスタータモータ８に通電し、特性曲線Ｓ８のように時間に比例する回転数で加速させる。スタータピニオン８に時間窓Ｚ１および回転数窓Ｄ１内でいわゆる回転数プラトーＰ１において適正なタイミングでスタータピニオン８を噛み合わせるために、時点ｔ_３で噛み合わせを行う直前に、噛み合わせ装置１０に通電する。このことにより、噛み合わせ時の騒音および摩耗を著しく低くすることができる。内燃機関は、クランクシャフト２が静止する時点より格段に早期に再始動可能状態になる。さらに、スタータピニオン８が噛み合う確実性は大きくなり、歯対歯位置によって回転数差が過度に大きくなることによって噛み合わせ装置１０の駆動方向と反対方向に突き戻されることはなくなる。図３には、内燃機関の回転数の減速が再び大きくなったときの、内燃機関１の回転数プラトーＰ１の開始時点でのスタータモータ８の回転数Ｓ８と、時点ｔ_５における回転数プラトーの終了時点でのスタータモータ８の回転数Ｓ８との回転数差の一例も示しており、これは矢印Ｓ８‐Ｎによって示されている。内燃機関１の回転数のスタータモータ８の回転数差は矢印Ｓ８＋Ｎによって示されている。この特別な実施形態では、時点ｔ_２および時点ｔ_３は回転数プラトーＰ１の開始時点と一致する。全ての図面は概略的に示されたものに過ぎず、縮尺通りには示されていない。その他の点においては、殊に、本発明にとって重要なもののみが示されている。

Claims (10)

1. 自動車において内燃機関（１）のスタート・ストップ運転を制御するための制御方法であって、
   前記内燃機関（１）を始動させ、スタート・ストップ運転を行うために、スタータモータ（８）および噛合装置（１０）を含む始動装置（７）を駆動制御し、
   前記内燃機関（１）のクランクシャフト（２）の回転数および位置を検出装置（４）によって検出する制御方法において、
   前記内燃機関（１）の停止後に、惰性回転中の内燃機関（１）のリングギヤ（６）に噛み合わせる噛み合わせ時点を求めることを特徴とする、制御方法。
2. 惰性回転中の内燃機関（１）の所定の噛み合わせ時点における回転数を予め、少なくとも２つの回転数値から計算し、有利には、とりわけシリンダ（１１，１２，１３，１４）の点火可能な上死点（ＺＯＴ）における少なくとも２つの特徴的な回転数値から計算する、請求項１記載の制御方法。
3. スタータピニオン（９）を噛み合わせる噛み合わせ時点として、前記内燃機関（１）の点火可能な上死点（ＺＯＴ）の直前および直後に、該内燃機関（１）の回転数の時間的な変化が格段に小さくなる公差領域を計算する、請求項１または２記載の制御方法。
4. 前記スタータピニオン（１）を噛み合わせる噛み合わせ時点として予め、前記内燃機関（１）の最後の複数の点火可能な上死点（ＺＯＴ）のうち１つの点火可能な上死点を計算し、とりわけ最後から２番目の点火可能な上死点（ＺＯＴ）を計算し、特に有利には最後の点火可能な上死点（ＺＯＴ）を計算し、
   前記スタータピニオン（９）を前記噛み合わせ時点のうちいずれかの時点で適時に噛み合わせる、請求項１から３までのいずれか１項記載の制御方法。
5. 前記内燃機関の停止に対応する時点ｔ_１より時間的に後で、所定の時点ｔ_２において前記スタータモータ（８）に通電し、噛み合わせのために予め計算された回転数まで該スタータモータ（８）を加速させる、請求項１から４までのいずれか１項記載の制御方法。
6. 前記内燃機関（１）の時間‐回転数特性マップにおいて該内燃機関（１）の回転数がプラトーをなすことにより、前記スタータピニオン（９）を噛み合わせる、請求項１から５までのいずれか１項記載の制御方法。
7. 前記内燃機関（１）の回転数がプラトーになる時間‐回転数期間内で、前記スタータピニオン（９）を、実質的に等しい周回転速度で前記リングギヤ（６）に時点ｔ_４において噛み合わせるために、時点ｔ_３において前記噛合装置（１０）に通電する、請求項１から６までのいずれか１項記載の制御方法。
8. 前記内燃機関（１）の回転数が最後のプラトーにおいて前記スタータモータ（８）の最大回転数を超えた場合、前記スタータピニオン（９）を該内燃機関（１）のリングギヤ（６）に所定の回転数で噛み合わせる新たな時点ｔ_４０を求める、請求項１から７までのいずれか１項記載の制御方法。
9. プログラムが制御装置において実行される場合に、請求項１から８までの少なくとも１項記載の方法の全てのステップを実施するために該プログラムの命令と共に該制御装置のプログラムメモリ（１７）にロードされる、コンピュータプログラム製品。
10. 自動車において内燃機関（１）のスタート・ストップ運転を制御するための制御装置であって、
    前記内燃機関（１）は、スタータモータ（８）である電気機器によって始動し、
    当該制御装置は、前記スタータモータ（８）と、スタータピニオン（９）を前記内燃機関（１）のリングギヤ（６）に噛み合わせるための噛合装置（１０）とを含む始動装置（７）を所定のように駆動制御するために、プログラムメモリ（１７）を備えたマイクロコンピュータ（１６）を有する制御装置において、
    前記マイクロコンピュータ（１６）は、前記始動装置（７）を所定のように駆動制御するために評価制御装置として構成されており、
    とりわけ、特に有利には請求項１から８までのいずれか１項記載の制御方法を実施するために、前記プログラムメモリ（１７）に、請求項９記載のコンピュータプログラム製品がロードされるように構成されていることを特徴とする、制御装置。

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