JP3826258B2

JP3826258B2 - エンジン始動装置

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Publication number: JP3826258B2
Application number: JP34333399A
Authority: JP
Inventors: 康介鈴井; 克典八木; 孝紀守屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP2001159384A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転中にエンジンの始動および停止を繰り返し実行する可能性があるシステムにおいて、エンジンを始動するためのエンジン始動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンと電動機とを動力源とするハイブリッド車両が提案されている。ハイブリッド車両では、停車中にエンジンを停止する他、エンジンを停止したまま電動機を動力源として走行することもできる。また、エンジンのみを動力源とする通常の車両においては、燃費を向上しエミッションを低減するために、停車中にエンジンを停止する制御が提案されている。このように近年では、車両の運転中に頻繁にエンジンの停止および始動が行われる技術が種々提案されている。
【０００３】
空調器機、パワーステアリング用オイルポンプなどの補機は、通常、エンジンで駆動されているから、車両の運転中にエンジンを停止させる場合、エンジン停止中は別の手段でこれらの補機を駆動する必要がある。この駆動を実現する方法として、例えば補機を駆動するための補機駆動モータを備える技術が提案されている（例えば、特開平１０ー３３９１８５記載の技術）。この技術では、ベルト伝動機構を介して補機を駆動可能なモータをエンジンのクランクシャフトにクラッチを介して結合する。エンジン停止中は、クラッチを解放状態にして、モータを力行し、補機を駆動する。クラッチを係合させると、モータの動力によってエンジンをクランキングして、エンジンを始動することができる。かかる機構では、静粛性を確保するため、ゴム製のベルトが使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の車両によれば、補機を駆動するためのモータを活用して、エンジンを始動することができる。しかし、一般にエンジンは、潤滑油の粘性の変化などに起因して、温度状態によって始動時に要するトルクが大きく変動する。また、補機駆動用のモータをゴム製のベルトを用いた伝動機構を介して結合した場合、エンジンが低温時には、ベルトが硬化しており、伝達トルクに損失が生じるため、通常よりも大きな始動トルクをモータから出力する必要が生じる。これらの要因により、種々の運転状況下でエンジンを円滑かつ安定して始動しようとすれば、エンジン始動に用いられるモータは大型化する。車両のように限られたスペースにエンジンを搭載する場合には、こうした装置の大型化は特に看過し得ない。
【０００５】
上述の課題は、ハイブリッド車両であるか否かに関わらず、運転中に頻繁にエンジンの停止および始動が行われる車両に共通の課題であった。また、車両以外のシステムにおいても同様であった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、運転開始後にエンジンの始動および停止を繰り返し実行するシステムにおいて、装置の小型化を図りつつ、幅広い運転状況下でエンジンの始動を安定かつ円滑に始動する技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では以下の構成を採用した。本発明は、エンジンの出力軸を回転させて、該エンジンの始動を行うエンジン始動装置において、
該出力軸に結合され、高温状態にある該エンジンを円滑に始動可能な範囲の低トルクを出力する第１電動機と、
前記出力軸に結合され、低温状態にある該エンジンを始動するのに十分な高トルクを出力する第２電動機とを備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明のエンジン始動装置では、エンジンが低温状態にある場合と、高温状態にある場合とで２つの電動機を使い分けてエンジンを始動する点に特徴がある。既に説明した通り、エンジンを始動するために要する始動トルクは、潤滑油の粘性などに起因して温度状態に応じて大きく相違し、低温状態では非常に大きなトルクが要求される。一方、運転開始後にエンジンの始動および停止を繰り返し行うシステムを考えた場合、低温状態でのエンジンの始動は運転開始当初に限られ、その後は高温状態、即ちエンジンの暖機が完了した状態での始動を繰り返し実行することになる。これらを総合的に分析すると、低温状態での始動は大トルクが要求されるものの繰り返し数は比較的少ない特徴があることが分かる。高温状態での始動は逆に、要求されるトルクは比較的小さいものの繰り返し数が多い特徴があることが分かる。両者の特性を単一の電動機で満足しようとすれば、電動機のサイズが大型化し、装置の大型化を招くことになる。
【０００８】
本発明は、かかる分析に基づいてなされたものであり、高温状態での始動に適した第１電動機と、低温状態での始動に適した第２電動機とを備えることにより、装置の小型化を図りつつ、それぞれの運転状況下でエンジンを円滑かつ安定して始動することができる。電動機の数を増やせば装置の大型化につながるという固定観念を打破し、始動時に要求される特性が大きく相違する各運転状態に適した電動機をそれぞれ備えることにより、全体として装置の小型化を図ることができることを見いだした点に本発明の技術的意義がある。
【０００９】
本発明において、第１電動機および第２電動機は、同じ型の電動機を適用することもできるが、各特性に応じて交流モータと直流モータなど異なる型の電動機を適用することも望ましい。上記説明では、第１電動機は低トルク、第２電動機は高トルクを出力するものとして説明したが、更に、第１電動機はトルクを出力する耐用回数が十分に高いことが望ましい。逆に、第２電動機は耐用回数が低くても構わないため、かかる電動機を適用することにより、エンジン始動装置のコスト低減を図ることも可能である。
【００１０】
本発明のエンジン始動装置において、第１電動機および第２電動機は、ギヤを介して結合する構成、ベルトを利用した伝動機構を介して結合する構成など種々の態様でエンジンの出力軸に結合可能である。本発明はこうした種々の態様のうち、第１電動機がゴム製のベルトなどの弾性ベルトを備える動力伝達機構を介して前記出力軸と結合されている構成に特に有効に適用することができる。第１電動機は高温状態でエンジンを頻繁に始動するために用いられる電動機である。弾性ベルトを介してこの第１電動機をエンジンに結合する構成では、第１電動機の運転時における静粛性を向上することができる。従って、頻繁に行われる始動を静粛に行うことができ、上記エンジンを搭載したシステムを快適に利用することが可能となる。
【００１１】
また、弾性ベルトは、一般に低温時には硬化して動力の伝達に損失が生じることが多い。従って、第１電動機が弾性ベルトを介して結合された構成において、仮に第１電動機を用いて低温時までもエンジンの始動を行おうとすれば、上述の損失をも考慮してより高い出力トルクが要求されることになり、第１電動機のサイズが非常に大きくなる。本発明のエンジン始動装置では、低温状態でエンジンを始動する第２電動機を備えるため、かかる要因による第１電動機の大型化を招くことなく、弾性ベルトを利用した構成を実現することができる。
【００１２】
また、本発明のエンジン始動装置において、前記出力軸に結合された補機が備えられている場合には、第２電動機での始動時に、該出力軸と該補機との結合を切り離す切断機構を備えることが望ましい。こうすれば、始動時に補機の駆動に要求される分のトルクを低減することができる。第２電動機は、始動に要求されるトルクが高い低温状態でエンジンを始動するための電動機であるから、補機を切り離して始動時の負荷を減らすことにより、要求される最大トルクを抑制でき、第２電動機の小型化を図ることができる。
【００１３】
なお、出力軸に補機が備えられている場合、エンジン停止時に該補機を駆動するために電動機を備える必要がある。かかる電動機に、本発明のエンジン始動装置における第１電動機を兼用すれば、装置をより小型化することが可能となる。また、弾性ベルトを介した伝動機構により第１電動機と補機とを結合すれば、静粛性を確保することもできる点でより好ましい。
【００１４】
車両に搭載されたエンジンに対して本発明のエンジン始動装置を適用する場合、エンジンのみを動力源とする車両、およびエンジンと電動機とを動力源とするハイブリッド車両のいずれに適用することも可能である。ハイブリッド車両には、エンジンの出力を直接駆動軸に出力し得ないシリーズハイブリッド車両と、直接駆動軸に出力可能なパラレルハイブリッド車両が存在するが、いずれに適用することも可能である。シリーズハイブリッド車両では、エンジンから出力された動力を電力に変換する発電機が備えられているため、この発電機を第２電動機として用いることにより、本発明を適用することができる。
【００１５】
パラレルハイブリッド車両では、エンジンの出力軸に結合されるとともに、駆動軸にも動力を出力可能な電動機を第２電動機として用いることにより、本発明を適用することができる。こうすれば、動力源としての電動機とエンジン始動装置を構成する電動機とを兼用することができるため、装置の小型化を図ることができる。ハイブリッド車両において動力源として使用される電動機は、通常、高いトルクを出力可能であるから、第２電動機に適している。また、かかる構成では、別途第１電動機が備えられることになるため、第１電動機でエンジンを始動することにより、第２電動機から駆動軸に出力されるトルクの低減を招くことなくエンジンを始動させることができる利点もある。パラレルハイブリッド車両では、第２電動機のみの動力によって走行することもあるが、上記構成によれば、かかる状態から駆動軸のトルク変動を招くことなくエンジンを始動させることができるため、ハイブリッド車両の乗り心地を向上することができる。
【００１６】
本発明のエンジン始動装置において、第１電動機と第２電動機の使い分けは運転者が手動で行うものとしてもよいが、
前記エンジンの温度状態を推定する温度状態推定手段と、
低温状態と推定された場合に前記第２電動機を用いて前記エンジンを始動する始動制御装置とを備えて自動的に制御することが望ましい。
温度状態は、第１電動機および第２電動機のいずれが始動に適しているかの判断基準であり、いかなる温度範囲が低温状態に相当するかは、第２電動機の出力トルク、第１電動機の出力トルクを考慮して任意に設定することができる。また、低温状態の範囲は、必ずしも明確な温度範囲で設定されている必要はなく、エンジンの暖機前を低温状態と設定してもよい。なお、始動制御装置は、高温状態と推定された場合には第１電動機で前記エンジンを始動する制御を行うことが望ましい。但し、常に第１電動機を用いる必要はなく、第２電動機を用いて始動する場合があっても構わない。
【００１７】
ここで、運転者の操作により前記エンジンの始動を指示する始動スイッチを備える場合には、前記温度状態推定手段は、該始動スイッチについて、前記エンジンの運転を開始するための最初の操作がなされた場合には、該エンジンは低温状態であると推定する手段であるものとすることができる。車両に搭載された場合には、いわゆるイグニッションスイッチ６２が最初に操作された場合に、エンジンは低温状態であると推定する態様に相当する。
【００１８】
また、前記エンジンの温度に関与した所定のパラメータを検出する検出手段を備える場合には、前記温度状態推定手段は、該検出結果に基づいて前記エンジンの温度状態を推定する手段であるものとすることができる。
【００１９】
第１電動機と第２電動機との使い分けはその他種々の態様で制御することができる。例えば、第１電動機または第２電動機のいずれか一方でエンジンの始動を開始し、その後のエンジン回転数の変化や、電動機の出力トルクの変化に基づいて、必要に応じて始動を行う電動機を切り替える態様を採ることも可能である。
【００２０】
本発明は、エンジン始動装置に限らず種々の態様で構成することができる。例えば、上述のエンジン始動装置を備えたエンジンを動力源として搭載した車両として構成してもよい。もちろん、車両以外にも、船舶その他の移動体や、産業機械として構成することも可能である。本発明による装置の小型化という利点をより有効に活用するためには、エンジンの搭載するスペースが狭いシステムに適用することが望ましい。本発明は、上述のエンジン始動装置を備えたエンジンを始動するエンジン始動方法として構成することも可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の構成：
Ａ２．一般的動作：
Ａ３．エンジン始動処理：
Ａ４．変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．装置の構成：
Ｂ２．エンジン始動処理：
【００２２】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の構成：
図１は実施例としてのハイブリッド車両の動力系統についての概略構成を示す説明図である。実施例のハイブリッド車両は、動力を出力するための主な機構として、エンジン１０、プラネタリギヤ３０、モータ２０、無段変速機（以下、ＣＶＴという）４０を備える。エンジン１０はガソリンエンジンである。モータ２０はロータに永久磁石を貼付した三相同期モータであり、駆動回路として機能するインバータ２１を介して供給されるバッテリ２２の電力によって駆動される（以下、かかる運転状態を力行運転という）。本実施例では、ソース側、シンク側に一つずつのトランジスタを組にして三相のそれぞれに設けたトランジスタインバータを用いている。モータ２０は外力で回転させられる場合には、発電機として機能し、得られた電力をバッテリ２２に充電することもできる（以下、かかる運転状態を回生運転という）。
【００２３】
プラネタリギヤ３０は、中心で回転するサンギヤ３１，その周囲を自転しながら公転するピニオンギヤ３２ａ、３２ｂおよびこれらのピニオンギヤ３２、３３を軸支して回転するプラネタリキャリア３３、ピニオンギヤ３２ｂのさらに外周で回転するリングギヤ３６から構成される、いわゆるダブルピニオン型のプラネタリギヤである。プラネタリギヤ３０は、サンギヤ３１、プラネタリキャリア３３、リングギヤ３６の回転数およびトルクが以下の関係式で表されることが知られている。
Ｎｓ＝（１＋ρ）／ρ×Ｎｃ−Ｎｒ／ρ；
Ｎｃ＝ρ／（１＋ρ）×Ｎｓ＋Ｎｒ／（１＋ρ）；
Ｎｒ＝（１＋ρ）Ｎｃ−ρＮｓ；
Ｔｓ＝Ｔｃ×ρ／（１＋ρ）＝ρＴｒ；
Ｔｒ＝Ｔｃ／（１＋ρ）；
ρ＝サンギヤの歯数／リングギヤの歯数；
【００２４】
ここで、
Ｎｓはサンギヤ３１の回転数；
Ｔｓはサンギヤ３１のトルク；
Ｎｃはプラネタリキャリア３３の回転数；
Ｔｃはプラネタリキャリア３３のトルク；
Ｎｒはリングギヤ３６の回転数；
Ｔｒはリングギヤ３６のトルク；
である。
【００２５】
ＣＶＴ４０は２つのプーリ４１，４２の間にベルト４３がかけられた構成をしている。プーリ４１，４２は図示しない油圧機構によってその幅が可変に構成されている。プーリ４１，４２の幅を連続的に変えるとベルト４３のプーリ４１，４２への掛かり部分の有効半径が連続的に変わるため、動力伝達の減速比を無断階に変更することができる。
【００２６】
エンジン１０、プラネタリギヤ３０、モータ２０、ＣＶＴ４０の結合状態は次の通りである。クランクシャフト１１はサンギヤ３１に結合されている。モータ２０はプラネタリキャリア３３に結合されている。ＣＶＴ４０のプーリ４１には、動力を入力するための回転板３５、３９が結合されており、プラネタリキャリア３３は第１のクラッチ３４を介して回転板３５と結合および切り離し可能に構成されている。リングギヤ３６は、第２のクラッチ３８を介して回転板３９と結合および切り離し可能に構成されている。リングギヤ３６には、その回転を制止するためのブレーキ３７も設けられている。ＣＶＴ４０のプーリ４２には、車輪５３が結合された車軸５２にディファレンシャルギヤ５１を介して動力を伝達可能な駆動軸５０が結合されている。クラッチ３４，３８およびブレーキ３７の係合状態を切り替えることにより、本実施例のハイブリッド車両は、エンジン１０、モータ２０からの動力を後述する種々の態様でＣＶＴ４０に入力することができ、駆動軸５０に出力することができる。
【００２７】
実施例のハイブリッド車両では、動力を出力する系統の他、エンジン１０を始動するための機構、および補機１２を駆動するための機構が備えられている。補機１２には、空調機器、オイルポンプなどが含まれる。補機１２は、ゴムベルト１３を用いた伝動機構によりエンジン１０および補機駆動モータ１４と連結されている。補機駆動モータ１４はロータに永久磁石が貼付された三相同期モータであり、該モータ側からゴムベルト１３方向にのみ動力を伝達するワンウェイクラッチ１５を介して連結されている。補機１２は、エンジン１０が運転されている場合にはその動力が伝動機構により伝達されて駆動される。エンジン１０の運転が停止されている場合において、補機１２を駆動する必要があるときは、インバータ１６をスイッチングすることによりバッテリ２２を電源として補機駆動モータ１４を力行すれば、その動力によって補機１２を駆動することができる。インバータ１６もインバータ２１と同じく、トランジスタインバータである。補機駆動モータ１４を力行するとき、エンジン１０は空転させられる。この状態で燃料の噴射および点火を行えば、補機駆動モータ１４をスタータとして活用して、エンジン１０を始動することもできる。補機駆動モータ１４は同期モータであり、回転数を精度良く制御可能であるから、エンジン１０の回転数を滑らかに上昇させることができ、円滑な始動を実現することができる。
【００２８】
本実施例のハイブリッド車両では、制御ユニット６０が、エンジン１０、インバータ１６，２１、ＣＶＴ４０，クラッチ３４，３８およびブレーキ３７などの動作状態を包括的に制御している。制御ユニット６０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。図１中に制御ユニット６０との間でやりとりされる信号を破線で示した。これらの制御を実現するために、制御ユニット６０には、種々のセンサからの信号が入力されている。図１では、後述する制御に関連深いエンジン水温センサ６１、イグニッションスイッチ６２からの信号のみを図示し、その他のセンサ入力については、図示を省略した。
【００２９】
Ａ２．一般的動作：
次に、本実施例のハイブリッド車両における動力の出力に関する一般的動作について説明する。図２は各運転モードにおけるクラッチ３４，３８およびブレーキ３７の係合状態を示す説明図である。これらの係合状態は、運転者によるシフトレバーの操作および車速やバッテリ２２の充電状態などに応じて切り替えられる。シフトレバーがＢレンジまたはＤレンジと呼ばれる前進用のシフトポジションにある場合には、電気トルコン（ＥＴＣ）モード、直結モード、モータ走行モードの３種類の運転モードが選択可能である。ＥＴＣモードでは、第１のクラッチ３４およびブレーキ３７を非係合とし、第２のクラッチ３８を係合とする。このときリングギヤ３６の回転数およびトルクは、先に示した関係式から明らかな通り、サンギヤ３１に結合されたエンジン１０、プラネタリキャリア３３に結合されたモータ２０の回転数およびトルクに応じて決定される。従って、エンジン１０を一定の回転数およびトルクで運転しつつ、モータ２０の回転数を制御すれば、リングギヤ３６の回転数を滑らかに変化させることができ、車両の滑らかな加速を実現することができる。なお、ＥＴＣモードにおけるモータ２０の運転状態は回生運転となる。
【００３０】
直結モードでは、クラッチ３４、３８が係合され、ブレーキ３７は非係合となる。このときは、先の関係式から明らかな通り、プラネタリギヤ３０は一体的に回転するようになるから、エンジン１０の動力が直接、ＣＶＴ４０に伝達される。また、これに併せてモータ２０を力行してエンジン１０の動力をアシストしたり、モータ２０でエンジン１０の動力の一部を回生することもできる。
【００３１】
モータ走行モードでは、第１のクラッチ３４のみが係合され、第２のクラッチ３８、ブレーキ３７は非係合となる。このときはモータ２０がＣＶＴ４０に結合された状態となる。第２のクラッチ３８とブレーキ３７が解放された状態では、リングギヤ３６の回転状態が決まらず、プラネタリギヤ３０の回転状態は決定されないから、エンジン１０は実質的に切り離されたのと同等となる。
【００３２】
シフトレバーがＮレンジまたはＰレンジにある場合は、ニュートラルモードまたは充電、エンジン始動モードが選択可能である。ニュートラルモードでは、クラッチ３４，３８およびブレーキ３７の全てが非係合となる。このとき、ＣＶＴ４０へは一切、動力を伝達することができない。充電、エンジン始動モードではブレーキ３７のみが係合され、クラッチ３４，３８は非係合となる。クラッチ３４，３８が非係合であるため、ＣＶＴ４０に動力は伝達されないが、ブレーキ３７が係合されることによって、プラネタリギヤ３０の回転状態は決定可能となる。従って、エンジン１０の動力をモータ２０で回生したり、逆にモータ２０を力行してエンジン１０をクランキングして始動したりすることが可能となる。先に説明した通り、本実施例のハイブリッド車両では、補機駆動モータ１４を用いてエンジン１０を始動することも可能であるから、エンジン１０のスタータモータとして補機駆動モータ１４とモータ２０の２種類を備えていることになる。
【００３３】
シフトレバーがＲレンジにある場合は、モータ走行モードおよびフリクション走行モードが選択可能である。モータ走行モードでは、第１のクラッチ３４のみが係合され、第２のクラッチ３８、ブレーキ３７は非係合となる。このときはモータ２０がＣＶＴ４０に結合された状態となる。フリクション走行モードでは、第１のクラッチ３４が係合され、第２のクラッチ３８が非係合となるとともに、ブレーキ３７とがスリップ係合される。これによりモータ２０とエンジン１０の動力を利用して後進することが可能となる。
【００３４】
本実施例のハイブリッド車両は、これらの運転モードを使い分けて走行する。前進時を例にとって説明する。まず、停車中は信号待ちなどの一時的な停車時も含めて、エンジン１０の運転は停止している。既に説明した通り、この間、補機駆動モータ１４を力行して補機１２が駆動されている。運転者がアクセルペダルを踏み込んで加速操作を行うと、補機駆動モータ１４またはモータ２０によってクランキングされているエンジン１０に燃料が供給され、エンジン１０は運転を開始する。そして、ＥＴＣモードでモータ２０の回生電力を調整することで、エンジン１０の回転数を滑らかに変化させつつ出力して発進および加速する。なお、モータ走行モードでモータ２０の動力のみを利用して発進する場合もある。モータ走行モードで発進した場合も、エンジン１０は補機駆動モータ１４によりクランキングされているから、所定の速度に達した時点で燃料が供給されエンジン１０の始動が行われる。その後、エンジン１０の動力を、ＣＶＴ４０のみによって変速すれば足りる走行状態にある場合には、直結モードが選択され、ＣＶＴ４０による変速範囲を超えて変速が必要になる場合には、ＥＴＣモードが選択されて走行する。
【００３５】
Ａ３．エンジン始動処理：
先に説明した通り、本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０のスタータモータとして補機駆動モータ１４とモータ２０の２種類を備えている。本実施例では、エンジン１０の状態に応じて両者を使い分けて始動を行う。これらの使い分けを実現する制御処理について以下説明する。
【００３６】
上述した２種類のスタータモータの使い分けは、エンジン１０の始動が要求された際に、エンジン１０の温度状態、ここではエンジン１０の暖機が完了しているか否かによって行われる。エンジン１０の暖機が完了している場合には、補機駆動モータ１４により始動される。暖機が完了していない場合には、モータ２０により始動される。補機駆動モータ１４は、補機１２を駆動するために必要な範囲の出力定格のモータであり、暖機完了前の始動トルクが大きい状態でエンジン１０をクランキングするのに適していないからである。これに対し、モータ２０は大きな始動トルクを十分に出力できる定格を有しているから、暖機前はモータ２０を用いてエンジン１０を始動する。
【００３７】
エンジン１０の暖機が完了した後は、補機駆動モータ１４で十分に始動を行うことができる。また、モータ２０はプラネタリギヤ３０を介してエンジン１０に結合されているのに対し、補機駆動モータ１４はゴムベルト１３を用いた伝動機構でエンジン１０に結合されているため、始動時の静粛性に優れる利点がある。更に、モータ２０はプラネタリギヤ３０、ＣＶＴ４０を介して駆動軸５０に結合されているため、モータ２０でエンジン１０を始動した場合、クラッチ３４，３８およびブレーキ３７の動作状態によっては、そのトルク変動が駆動軸５０に出力される可能性があるが、補機駆動モータ１４はかかるトルク変動を招くことなくエンジン１０を始動できる利点がある。このように、エンジン１０の暖機前はモータ２０がスタータモータに適しており、エンジン１０の暖機後は補機駆動モータ１４がスタータモータに適している。
【００３８】
本実施例では、イグニッションスイッチ６２が最初に操作された場合は、その時点でハイブリッド車両の運転が開始されたことを意味するため、エンジン１０の暖機は完了していないものと判断する。従って、かかる場合には、モータ２０を用いてエンジン１０を始動する。その他の場合にエンジン１０の始動要求がなされた場合には、エンジン１０の暖機は完了しているものと判断する。従って、かかる場合には、補機駆動モータ１４を用いてエンジン１０を始動する。この制御処理は、以下のフローチャートによって実現される。
【００３９】
図３はエンジン始動制御処理ルーチンのフローチャートである。エンジン１０の始動要求が出された場合に、制御ユニット６０内のＣＰＵが実行する処理である。エンジン１０の始動要求は、第１に運転者がイグニッションスイッチ６２を操作したことが検出された場合に出される。イグニッションスイッチ６２の操作位置には、車両の運転を停止するポジション「ＯＦＦ］、ファンや照明機器などの電装品のみを使用可能にするポジション「ＡＣＣ」、車両の運転を行うポジション「ＯＮ」、車両の運転を開始するためのポジション「ＳＴＡＲＴ」の４つのポジションがある。運転者がイグニッションスイッチ６２を「ＳＴＡＲＴ」ポジションに操作すると、エンジン１０の始動要求が出されてエンジン１０が始動し、ハイブリッド車両の運転が開始される。その後、イグニッションスイッチ６２は弾力によって「ＯＮ」ポジションに移動し、車両の運転中はこのポジションを維持する。
【００４０】
本実施例のハイブリッド車両は、燃費を向上し、いわゆるエミッションを低減するため、停車中にエンジン１０を停止する。従って、エンジン１０の始動要求が出される第２の場合としては、停車状態から再度走行を開始する場合が挙げられる。運転者がアクセルを操作して車両の加速を指示したことが検出されると、それに応じて制御ユニット６０がエンジン１０の始動要求を出す。従って、イグニッションスイッチ６２は「ＯＮ」ポジションにある場合でも、エンジン１０の始動要求が出されることがある。
【００４１】
本実施例のハイブリッド車両は、先に説明した通り、モータ２０のみを動力源として走行することもできる。エンジン１０の始動要求が出される第３の場合としては、モータ２０を動力源として走行している状態からエンジン１０を動力源として利用する走行に切り替える場合が挙げられる。モータ２０のみを動力源として走行中に車速、要求トルク、バッテリ２２の充電状態が予めマップで設定された所定の状態に至ると、制御ユニット６０がエンジン１０を始動すべきと判断して、始動要求を出す。
【００４２】
これらの始動要求に応じて図３に示すエンジン始動制御処理ルーチンが開始されると、制御ユニット６０のＣＰＵは、まず初期始動フラグＦＥが値０であるか否か、イグニッションスイッチ６２のポジションが「ＳＴＡＲＴ」であるか否かを判断する（ステップＳ１０，Ｓ１２）。初期始動フラグＦＥは、従前にイグニッションスイッチ６２が操作されたことがあるか否かを示すフラグである。運転者がエンジンキーをイグニッションスイッチ６２に挿入した時点で値０に初期化される。イグニッションスイッチ６２を「ＯＦＦ」ポジションに操作した時点で初期化するものとしてもよい。
【００４３】
ステップＳ１０，Ｓ１２の条件をいずれか一方でも満足しない場合には、エンジン１０の暖機が完了しているものと判断し、スタータモータとして補機駆動モータ１４を設定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１０，Ｓ１２の条件を双方ともに満たす場合には、初めてエンジン１０の始動要求が出されたものと判断され、暖機前であると判断されるため、ＣＰＵは、初期始動フラグＦＥに値１を代入するとともに（ステップＳ１４）、エンジン１０の始動に使用するスタータモータとしてモータ２０を設定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１４において、初期始動フラグＦＥに「１」を代入することにより、その後にイグニッションスイッチ６２が「ＳＴＡＲＴ」ポジションに操作された場合でも、暖機前であると判断されないことになる。
【００４４】
こうしてスタータモータが設定されると、ＣＰＵは設定されたスタータモータを制御して、エンジン１０が完爆して自立運転を開始するまで、クランキングを行う（ステップＳ２０、Ｓ２２）。モータ２０に対してはインバータ２１，補機駆動モータ１４に対してはインバータ１６のスイッチングをそれぞれ制御することにより、バッテリ２２を電源として各モータを力行するのである。同期電動機の運転を制御する技術は周知であるため、詳細な説明を省略する。
【００４５】
以上で説明した本実施例のハイブリッド車両によれば、エンジン１０が初めて始動された場合には、モータ２０をスタータモータとして使用し、その他の場合は、補機駆動モータ１４をスタータモータとして使用することができる。エンジン１０が低温状態にあるのは、初期の始動時のみであるのが通常であるため、かかる処理によれば、エンジン１０の暖機状態に応じて２種類のスタータモータを使い分けることができる。先に説明した通り、モータ２０は暖機前の始動に適した特性を有しており、補機駆動モータ１４は暖機後の始動に適した特性を有しているから、本実施例のハイブリッド車両によれば、エンジン１０の暖機状態に応じて円滑かつ安定した始動を実現することができる。また、エンジン１０の暖機前後にそれぞれ適したスタータモータを用意することにより、補機駆動モータ１４またはモータ２０のいずれか一方のみでエンジン１０を始動する場合に比較して装置の小型化を図ることができる。
【００４６】
Ａ４．変形例：
エンジン１０の温度に応じてスタータモータを使い分ける制御処理は、実施例の他にも種々の変形例を構成することができる。図４は変形例としてのエンジン始動制御処理ルーチンのフローチャートである。実施例では、エンジン１０を初めて始動する場合以外には暖機が完了しているのが通常であることを前提としてスタータモータの使い分けを行う場合を例示したが、変形例ではエンジン１０の水温に基づいて両者の使い分けを行う点で相違する。
【００４７】
即ち、変形例のエンジン始動制御処理ルーチンでは、ＣＰＵは、まずエンジン水温Ｔｅを入力し、所定の温度Ｔｈ未満か否かを判定する（ステップＳ１１，Ｓ１３）。エンジン水温Ｔｅは、エンジン水温センサ６１によって検出される。その後の処理は、実施例と同様である。即ち、エンジン水温Ｔｅが所定の温度Ｔｈ未満の場合には、低温状態と判断されるため、スタータモータとしてモータ２０を用い、その他の場合には、スタータモータとして補機駆動モータ１４を用いて完爆するまでエンジン１０をクランキングする（ステップＳ１６〜Ｓ２２）。但し、変形例では、初期始動フラグＦＥを使用しないため、フラグＦＥへの値の代入は行わない。
【００４８】
判定に使用される温度Ｔｈは、スタータモータの使い分けの判断基準となる温度であり、任意の値を設定することができる。モータ２０および補機駆動モータ１４の出力定格などを考慮して、所望の使い分けが実現される値を選択すればよい。かかる変形例の処理によれば、エンジン水温Ｔｅに基づいてより確実にスタータモータを使い分けることが可能となる。
【００４９】
Ｂ．第２実施例：
次に、本発明の第２実施例について説明する。第１実施例では、ハイブリッド車両に本発明を適用した場合を例示した。第２実施例では、エンジンのみを動力源として走行する通常の車両への適用例を示す。
【００５０】
Ｂ１．装置の構成：
図５は第２実施例としての車両の概略構成を示す説明図である。第２実施例の車両は動力源としてエンジン１０Ａを備える。エンジン１０Ａのクランクシャフト１１は、流体式のトルクコンバータ７４およびトランスミッション７５を介して駆動軸５０に結合されている。クランクシャフト１１には、ギヤ７１，７２を介してモータ７３が結合されている。モータ７３は、いわゆるセルモータであり、バッテリ２２を電源として駆動する直流モータである。直流モータであるため、駆動回路としてのインバータは不要である。もちろん、インバータを備え、モータ７３に同期モータを用いるものとしてもよい。
【００５１】
エンジン１０Ａには、第１実施例と同様、ベルト１３を用いた伝動機構を介して補機１２および補機駆動モータ１４が結合されている。但し、第２実施例では、エンジン１０Ａと伝動機構との間に電磁クラッチ７０が介設されている。電磁クラッチ７０を解放した場合には、エンジン１０Ａと伝動機構との間の動力の伝達は切断される。エンジン１０Ａによる補機１２の駆動、および補機駆動モータ１４によるエンジン１０Ａの始動は、電磁クラッチ７０を係合した場合に可能となる。
【００５２】
第２実施例の車両は、エンジン１０Ａのみが動力源となるため、走行中にエンジン１０Ａが停止することはない。但し、燃費を向上し、エミッションを低減するため、停車中はエンジン１０Ａの運転を停止する。従って、第２実施例の車両も、第１実施例と同様、エンジン１０Ａの始動および停止は頻繁に繰り返して行われる。
【００５３】
第２実施例の車両も、エンジン１０Ａのスタータモータとして、モータ７３と補機駆動モータ１４の２種類を備えている。補機駆動モータ１４は、エンジン１０Ａが高温状態にある場合における始動に適している点は第１実施例の場合と同様である。これに対し、モータ７３は従来からエンジン１０Ａの始動に適用されているセルモータであるため、エンジン１０Ａが低温状態にある場合における始動に適している。つまり、比較的小型でありながら、エンジン１０Ａの始動に十分なトルクを出力することができる。逆に、耐用回数が低いため、頻繁に繰り返し始動を行うのには適していない。また、回転数を精度良く制御できない簡易な構成の直流モータであるため、頻繁に繰り返し行われる始動に適用すると、車両の乗り心地を損ねる可能性がある。これらの点で、高温状態での始動には適していないモータであるとも言える。従って、第２実施例においては、エンジン１０Ａが高温状態にある場合には補機駆動モータ１４がスタータモータに適しており、エンジン１０Ａが低温状態にある場合にはモータ７３がスタータモータに適している。
【００５４】
Ｂ２．エンジン始動処理：
第２実施例においても、第１実施例と同様、２種類のスタータモータをエンジン１０Ａの運転状態に応じて使い分けている。低温状態にある場合にはモータ７３を用い、高温状態にある場合には、補機駆動モータ１４を用いてエンジン１０Ａを始動する。なお、第２実施例では、モータ７３でエンジン１０Ａを始動する際には、電磁クラッチ７０を解放し、モータ７３の負荷を低減する。これらの制御は、次のフローチャートによって実現される。
【００５５】
図６は第２実施例におけるエンジン始動制御処理ルーチンのフローチャートである。制御ユニット６０ＡのＣＰＵがエンジン始動要求に応じて実行する処理である。エンジン始動要求が出されるタイミングについては、第１実施例とほぼ同様である。第１にイグニッションスイッチ６２が「ＳＴＡＲＴ」位置に操作された場合、第２に停車中にエンジン１０Ａが停止されている状態から、再び走行を開始する場合である。
【００５６】
エンジン始動制御処理ルーチンが開始されると、第１実施例と同様、初期始動フラグＦＥの値、およびイグニッションスイッチ６２が「ＳＴＡＲＴ」ポジションであるか否かに基づいてエンジン１０Ａが暖機前か否かを判断する（ステップＳ１０，Ｓ１２）。これらの条件をいずれか一方でも満足しない場合には、エンジン１０Ａの暖機が完了しているものと判断して、補機駆動モータ１４をスタータモータとしてエンジン１０のクランキングを行う（ステップＳ３０，Ｓ３２）。
【００５７】
一方、上記ステップＳ１０，Ｓ１２の条件をともに満足する場合には、エンジン１０Ａが暖機前と判断されるため、初期始動フラグＦＥに値１を代入した後（ステップＳ１４）、モータ７３を用いた始動処理を行う。この始動処理としては、エンジン１０Ａと補機１２とを切り離して、モータ７３の負荷を軽減するため、電磁クラッチ７０を解放する（ステップＳ３４）。次に、モータ７３に通電して完爆するまでエンジン１０Ａをクランキングする（ステップＳ３６，Ｓ３８）。エンジン１０Ａが完爆したところで、電磁クラッチ７０を係合する（ステップＳ４０）。エンジン１０Ａが完爆するまでは、補機１２は駆動されないことになる。
【００５８】
以上で説明した第２実施例の車両によれば、第１実施例と同様、２種類のスタータモータをエンジン１０Ａの運転状態に応じて使い分けることができる。従って、エンジン１０Ａの運転状態に応じて円滑かつ安定した始動を行うことができる。また、低温状態と高温状態で始動に適したスタータモータをそれぞれ個別に備えることにより、装置の小型化を図ることもできる。また、第２実施例では、低温状態でエンジン１０Ａを始動する際に、電磁クラッチ７０を解放することによって、モータ７３の負荷を軽減することができるから、モータ７３を更に小型化することが可能である。
【００５９】
なお、第２実施例では、第１実施例と同じくイグニッションスイッチ６２の状態に基づいてエンジン１０Ａの運転状態を判定する場合を例示したが、変形例（図４）と同様、エンジン１０Ａの水温に基づいて運転状態を判定するものとしても構わない。エンジン１０Ａの水温に基づいて運転状態を判定する場合には、車両の運転を開始した後にモータ７３によるクランキングが再び行われる可能性もある。かかる場合には、補機１２の駆動を確保しておく必要があるため、電磁クラッチ７０の解放を省略する、補機駆動モータ１４により補機１２の駆動を行うなどの対策を施すことが望ましい。
【００６０】
電磁クラッチ７０は、第１実施例の構成に適用することも可能である。逆に、第２実施例の構成において電磁クラッチ７０を省略しても構わない。本発明は、この他、種々の構成のシリーズハイブリッド車両、パラレルハイブリッド車両に適用可能である。また、エンジンの動力を利用して稼働するシステムであれば、車両以外に船舶、航空機などの移動体および産業機械に適用することも可能である。
【００６１】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。また、運転者がスイッチ操作によって手動でスタータモータを使い分ける構成を採ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としてのハイブリッド車両の動力系統についての概略構成を示す説明図である。
【図２】各運転モードにおけるクラッチ３４，３８およびブレーキ３７の係合状態を示す説明図である。
【図３】エンジン始動制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図４】変形例としてのエンジン始動制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図５】第２実施例としての車両の概略構成を示す説明図である。
【図６】第２実施例におけるエンジン始動制御処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０、１０Ａ…エンジン
１１…クランクシャフト
１２…補機
１３…ゴムベルト
１４…補機駆動モータ
１５…ワンウェイクラッチ
１６，２１…インバータ
２０…モータ
２２…バッテリ
３０…プラネタリギヤ
３１…サンギヤ
３２ａ、３２ｂ…ピニオンギヤ
３３…プラネタリキャリア
３４，３８…クラッチ
３５、３９板
３６…リングギヤ
３７…ブレーキ
４０…無段変速機（ＣＶＴ）
４１，４２…プーリ
４３…ベルト
５０…駆動軸
５１…ディファレンシャルギヤ
５２…車軸
５３…車輪
６０、６０Ａ…制御ユニット
６１…エンジン水温センサ
６２…イグニッションスイッチ
７０…電磁クラッチ
７１，７２…ギヤ
７３…モータ
７４…トルクコンバータ
７５…トランスミッション

Claims

エンジンの出力軸を回転させて、該エンジンの始動を行うエンジン始動装置であって、
該出力軸に結合され、高温状態にある該エンジンを円滑に始動可能な範囲の低トルクを出力する第１電動機と、
前記出力軸に結合され、低温状態にある該エンジンを始動するのに十分な高トルクを出力する第２電動機とを備え、
前記第１電動機は、弾性ベルトを備える動力伝達機構を介して前記出力軸と結合され、前記第２の電動機は、ギヤを介して前記出力軸と結合されているエンジン始動装置。
エンジンの出力軸を回転させて、該エンジンの始動を行うエンジン始動装置であって、
高温状態にある前記エンジンを円滑に始動可能な範囲の低トルクを出力する第１電動機と、
低温状態にある前記エンジンを始動する第２電動機とを備え、
前記エンジンは、前記出力軸を介して駆動軸に動力を出力可能であると共に、前記第２電動機も、前記駆動軸に動力を出力可能であるエンジン始動装置。
エンジンの出力軸を回転させて、該エンジンの始動を行うエンジン始動装置であって、
高温状態にある前記エンジンを始動する補機駆動用の第１電動機と、
低温状態にある前記エンジンを始動するのに十分な高トルクを出力する第２電動機とを備えるエンジン始動装置。
前記第２電動機は、セルモータであることを特徴とする請求項３に記載のエンジン始動装置。
前記第１電動機は、弾性ベルトを備える動力伝達機構を介して前記出力軸と結合されている請求項２ないし請求項４のいずれか記載のエンジン始動装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか記載のエンジン始動装置であって、
前記出力軸に結合された補機と、
前記第２電動機での始動時に、該出力軸と該補機との結合を切り離す切断機構を備えるエンジン始動装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか記載のエンジン始動装置であって、
前記エンジンの温度状態を推定する温度状態推定手段と、
低温状態と推定された場合に前記第２電動機を用いて前記エンジンを始動する始動制御装置とを備えるエンジン始動装置。
請求項７記載のエンジン始動装置であって、
運転者の操作により前記エンジンの始動を指示する始動スイッチを備え、
前記温度状態推定手段は、該始動スイッチについて、前記エンジンの運転を開始するための最初の操作がなされた場合には、該エンジンは低温状態であると推定する手段であるエンジン始動装置。
請求項７記載のエンジン始動装置であって、
前記エンジンの温度に関与した所定のパラメータを検出する検出手段を備え、
前記温度状態推定手段は、該検出結果に基づいて前記エンジンの温度状態を推定する手段であるエンジン始動装置。
動力源としてのエンジンと、
請求項１ないし請求項９のいずれか記載のエンジン始動装置とを備えた車両。
エンジンの出力軸に結合され、高温状態にある該エンジンを円滑に始動可能な範囲の低トルクを出力する第１電動機と、該出力軸に結合され、低温状態にある該エンジンを始動するのに十分な高トルクを出力する第２電動機とを用いて該エンジンを始動するエンジン始動方法であって、
（ａ）前記エンジンの温度状態を推定する工程と、
（ｂ）低温状態と推定された場合に前記第２電動機の運転を制御して前記エンジンを始動する工程とを備えるエンジン始動方法。