JP4650428B2 - エンジンの始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの始動装置に関し、特に、始動時に吸気バルブの開閉タイミングをあらかじめ設定された所定の開閉タイミングへと制御するエンジンの始動装置に関する。

始動時にバルブタイミングを始動に適したバルブタイミング（以下、「始動用タイミング」という）に制御するエンジンとしては、特許文献１に記載のものがある。このエンジンでは、始動時にバルブタイミングを始動用タイミングへと制御すると共に、始動用タイミングとなるまでの間は燃料の供給を禁止するようにしている。
特開２００５−２４０７６８号公報

しかし、上記従来のエンジンでは、バルブタイミングが始動用タイミングとなるまでの間、すなわち、バルブタイミング変換中においては、モータのみでエンジンを回転させることになるため、モータによるバッテリ消費（電力消費）が大きくならざるを得ない。特に、低温時においてはフリクションが増加することから、モータによるバッテリ消費がさらに大きくなり、バッテリ電力不足となってしまうおそれがある。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、始動時に吸気バルブの開閉タイミングをあらかじめ設定した所定の開閉タイミングへと制御する構成において、始動性を確保しつつ、始動時の電動モータによる電力消費(バッテリ消費)を効果的に抑制することを目的とする。

このため、本発明は、始動時に電動モータによってクランキングを行うと共に吸気バルブの閉タイミングを下死点に近づける制御を行うエンジンの始動装置において、前記吸気バルブの閉タイミングを下死点に近づける制御の実行中に前記エンジン燃焼運転を行わせ、前記吸気バルブの閉タイミングを検出し、検出した吸気バルブ閉タイミングが下死点に近づくほど前記電動モータのトルクを低下させることを特徴とする。

本発明によれば、電動モータは始動時にエンジンをクランキングするが、その際に吸気バルブの開閉タイミングに基づいて電動モータのトルクが制御されるので、電動モータは、吸気バルブの開閉タイミングの変化に伴うエンジントルクの変化に対応した過不足のないトルクを出力する。これにより、目標クランキング回転速度を維持しつつ、電動モータによる電力消費を可能な限り抑制することができ、バッテリの電力不足が防止される。この結果、バッテリを大型化することなく、長時間のクランキングが可能となり、特に低温時における安定した始動を確保できる。

また、吸気バルブの開閉タイミングに基づいて電動モータのトルクを制御することで、他の制御、例えばエンジン回転速度に基づいて電動モータのトルクを制御するような場合に比べて、電動モータのトルク（電動モータの出力）をより早く最適化することができ、電動モータによる電力消費をより効果的に抑制できる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの概略構成を示している。図１において、エンジン１０のクランクシャフト１２には、ギヤ等の動力伝達機構１４を介して電動モータ１６が接続されている。電動モータ１６は、可変電圧装置１８を介してバッテリ２０に接続されており、始動時に動作してエンジン１０をクランキングする。可変電圧装置１８は、バッテリ２０から電動モータ１６に供給する電圧を可変して電動モータ１６の出力を制御する。

エンジン１０の吸気バルブ２２、排気バルブ２４は、それぞれクランクシャフト１２に連動して回転する吸気カムシャフト２６に設けられた吸気カム２８、同じくクランクシャフトに連動して回転する排気カムシャフト３０に設けられた排気カム３２によって開閉される。

吸気カムシャフト２６の一端側（図では左側）には、可変動弁機構としてのバルブタイミング制御装置（ＶＴＣ）３４が取り付けられている。このＶＴＣ３４は、クランクシャフト１２に対する吸気カムシャフト２６の回転位相を変化させることによって吸気バルブ２２の開閉タイミングを変化させる。この種のＶＴＣ３４は、例えば特開２００５−２４０７６８号公報にも記載されているように公知であるので、その説明は省略する。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０は、各種センサ等からの入力信号に基づいてエンジン運転条件等を判断し、エンジン１０、可変電圧装置１８（電動モータ１６）及びＶＴＣ３４の動作を制御する。特に、エンジン始動時においては、可変電圧装置１８を介して電動モータ１６に所定の電圧を供給し、電動モータ１６を動作させてエンジン１０のクランキングを行うと共に、ＶＴＣ３５を動作させて吸気バルブ２２の開閉タイミングを始動に適した開閉タイミング（始動用タイミング）へ制御する。

なお、ＥＣＵ４０に入力される信号としては、吸入空気量を検出するエアフロメータ、スロットル開度を検出するスロットルセンサ、アクセル操作量を検出するアクセルセンサ、クランクシャフト１２の回転角度を検出するクランクセンサ４２、吸気カムシャフト２２の回転角度を検出するカムセンサ４４、バッテリ２０の電圧、電流等を検出するバッテリセンサ４６、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ４８などの検出信号のほか、キースイッチやアイドルスイッチなどのスイッチ類のＯＮ／ＯＦＦ信号などがある。

エンジン回転速度Ｎｅは、クランクセンサ４２の検出信号（例えば、基準クランク角信号の周期）に基づいて算出される。また、吸気バルブ２２の開閉タイミングは、クランクセンサ４２及びカムセンサ４４の検出信号に基づいて、クランクシャフト１２に対する吸気カムシャフト２６の回転位相として算出される。但し、これに限るものではなく、他のセンサ等によりエンジン回転速度Ｎｅ、吸気バルブ２２の開閉タイミングを検出（又は算出）してもよい。

次に、本実施形態においてＥＣＵ４０によって実行される始動制御について説明する。

本実施形態における始動制御は、電動モータ１６を動作させてエンジン１０のクランキングを行うと共に、ＶＴＣ３４を動作させて吸気バルブ２２の開閉タイミングを停止中の状態から始動用タイミングへと変化させるものである。そして、特にエンジン１０のクランキングに関しては、始動用タイミングへと変化する吸気バルブ２２の開閉タイミングを検出し、この検出した開閉タイミングに基づいて電動モータ１６のトルクを制御するようにしている。

本実施形態のように、可変動弁機構としてＶＴＣを採用する場合には、エンジン停止中（すなわち、始動初期状態）においては、吸気バルブ２２の開閉タイミングが最も遅角した最遅角タイミングにあるのが一般的である。この場合、吸気バルブ２２の閉時期（ＩＶＣ）が遅角しており、着火により発生するエンジントルクは小さいが、始動用タイミングへと制御することによってＩＶＣが進角し、これに伴ってエンジントルクも大きくなる。このため、吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングに近づくにつれて、電動モータ１６のトルクを小さくしても所定クランキング回転速度を維持することができる。そこで、吸気バルブ２２の開閉タイミングに基づいて電動モータ１６のトルクを制御することにより、エンジントルクと合わせて所定のクランキング回転速度を維持できるトルクを出力するようにし、電動モータ１６による電力消費（バッテリ消費）を抑制する。

図２は、本実施形態に係る始動制御を示すフローチャートである。

図２において、Ｓ１１では、始動制御の開始判定を行う。かかる判定は、例えばキースイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて行われる。キースイッチがＯＮされて始動制御の開始を判定するとＳ１２に進む。

Ｓ１２では、エンジン１０のクランキングを開始する。すなわち、可変電圧装置１８を介して所定電圧を電動モータ１６に供給し、電動モータ１６を一定出力で動作させる。ここで、所定電圧は、目標クランキング回転速度において少なくともフリクショントルクとつり合うトルクを発生するように電動モータ１６を動作させる値であり、例えばエンジン冷却水温度Ｔｗに応じて設定される。また、目標クランキング回転速度は、エンジン１０が着火及び燃焼性を確保できるエンジン回転速度であり、例えば、図３に示すようなエンジン１０の着火特性に基づいて、筒内圧縮温度が所定温度以上となるエンジン回転速度として設定される。これにより、エンジン（クランキング回転速度）は目標クランキング回転速度へと近づいて行く。

Ｓ１３では、始動時バルブタイミング制御を実行する。すなわち、ＶＴＣ３４を動作させて、停止中に最遅角タイミングとなっていた吸気バルブ２２の開閉タイミングを始動用タイミングへと制御する。

ここで、かかる始動時バルブタイミング制御を開始しても、通常は、吸気バルブ２２の開閉タイミングは直ちに始動用タイミングとはならず、徐々に始動用タイミングへと変化することになる。この間、電動モータ１６のみでエンジン１０をクランキングさせると、電動モータ１６による電力消費が大きくなる。特にＶＴＣ３４が油圧駆動式である場合、低温時には油圧の立ち上がり時間がかかるため、吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングになるまでの時間が長くなるとともに、エンジン１０のフリクションも増大することから、電動モータ１６による電力消費が増大してバッテリ２０が電力不足になるおそれがある。これを防止するためバッテリ２０を大型化することが考えられるが、レイアウト上の問題から大型化できない場合も多く、コストアップを招くことにもなる。

一方、エンジン１０は着火によりエンジントルクを発生するから、着火後は発生したエンジントルク分、電動モータ１６のトルクを低下させても目標クランキング回転速度を維持することが可能である。そして、エンジン１０が発生するトルクは吸気バルブ２２の開閉タイミングに応じて変化する。

そこで、本実施形態においては、エンジン１０の着火を検出し、エンジン着火後は、吸気バルブ２２の実際の開閉タイミングに応じて電動モータ１６のトルクを制御することで、電動モータ１６による電力消費を抑制する。

Ｓ１４では、エンジン１０の着火判定を行う。かかる着火判定は、エンジン回転速度が目標クランキング回転速度になったか否かにより行う。上述したように、目標クランキング回転速度は着火及び燃焼性の観点より設定されており、かかる目標クランキング回転速度となるとエンジン１０が着火すると考えられるからである。エンジン回転速度が目標クランキング回転速度となっていれば、エンジン１０が着火したと判定してＳ１５に進み、目標クランキング回転速度よりも低ければ、電動モータ１６の定出力運転をそのまま維持する。

但し、より確実な着火を判定するため、目標クランキング回転速度とは別に着火判定回転速度を設定してもよい。この場合、例えば、目標クランキング回転速度の５〜１０％増の値を着火判定回転速度とすることが考えられる。また、エンジン回転速度に基づいて着火判定を行うのではなく、筒内温度や筒内圧力を検出（又は推定）し、この検出（又は推定）した筒内温度や筒内圧力に基づいて着火判定を行ってもよい。

Ｓ１５では、電動モータ１６のトルク制御（モータトルク制御）を開始する。すなわち、吸気バルブ２２の開閉タイミングを検出し、この検出した開閉タイミングに基づいて電動モータ１６の出力（トルク）を制御する。

上述したように、着火によりエンジントルクが発生する。そして、この着火により発生するエンジントルクは、吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングに近づくほど大きくなる。したがって、図４に示すように、吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングに近づくほど（すなわち、進角するほど）、目標クランキング回転速度を維持するために必要な電動モータ１６のトルク（目標クランキング回転速度において発生する電動モータ１６のトルク）が減少することになる。

そこで、図５に示すような「バルブタイミング（吸気開閉タイミング）−モータトルク」テーブルをあらかじめ作成しておき、クランクセンサ４２及びカムセンサ４４の検出信号に基づいて検出される実際の吸気バルブ２２の開閉タイミングに応じてモータトルクを求め、目標クランキング回転速度においてこの求めたモータトルクを出力するように電動モータ１６の出力を制御する。より具体的には、可変電圧装置１８を介して電動モータ１６に供給する電圧を制御して電動モータ１６の出力を制御する。これにより、エンジン着火後において、電動モータ１６のトルクは吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングに近づくほど（進角するほど）小さくなり、この電動モータ１６のトルクとエンジントルクとによってエンジン１０は目標クランキング回転速度を維持する。

Ｓ１６では、完爆判定を行う。かかる判定は、例えば、エンジン回転速度Ｎｅがあらかじめ設定した完爆判定回転速度（＞目標クランキング回転速度）となったか否かを判定することにより行う。この場合、吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングとなり、しかも、エンジン１０も十分なトルクを発生していると考えられるからである。エンジン回転速度が完爆判定回転速度以上となればＳ１７に進み、完爆判定回転速度よりも低い場合はそのまま電動モータ１６のトルク制御を継続する。

但し、完爆判定は、これに限るものではなく、筒内温度や筒内圧力を検出（又は推定）し、この検出（又は推定）した筒内温度や筒内圧力に基づいて完爆判定を行うようにしてもよい。

Ｓ１７では、電動モータ１６を停止する。

図６は、上記始動制御のタイミングチャートである。

始動制御の開始により、可変電圧装置１８を介して所定電圧が供給され、電動モータ１６が一定出力で動作してエンジン１０のクランキングが開始される（時刻ｔ１）。また、クランキングが開始されると、ＶＴＣ３４が駆動され、最遅角タイミングとなっている吸気バルブ２２の開閉タイミングは始動用タイミングへと変化し始める（時刻ｔ２）。

エンジン１０は着火によりエンジントルクを発生し、このエンジントルクは、吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングに近づくにつれて（ここでは、進角するにつれて）上昇する。吸気バルブ２２の（実）開閉タイミングに応じて電動モータ１６に供給する電圧を制御する（電動モータ１６の出力を低下させる）ことにより、電動モータ１６のトルクは、上昇したエンジントルクに対応して低下する。そして、エンジン１０が完爆すると、電動モータ１６を停止する（時刻ｔ３）。これにより、クランキング時に図６においてハッチングで示す領域（トルク）に相当する電力の消費が抑制される。

ここで、図６では、電動モータ２２を停止するタイミングと吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングとなるタイミングとが一致しており（時刻ｔ３）、吸気バルブ２２の開閉タイミングが始動用タイミングとなったときに電動モータ２２を停止することができる。但し、これに限られず、上述したようにエンジン１０が完爆したと判断したときに電動モータ１６を停止させればよい。

以上説明した実施形態によれば、次のような効果を有する。

すなわち、始動時に少なくとも吸気バルブ２２の開閉タイミングを始動に適した始動用タイミングへと制御する構成において、吸気バルブ２２の開閉タイミングを検出し、この検出した開閉タイミングに基づいて電動モータ１６のトルクを制御するようにしたので、開閉タイミングによって変化（上昇）するエンジントルクに合わせて電動モータ１６のトルクを低下させることができる。これにより、目標クランキング回転速度を維持しつつ、電動モータ１６による過剰な電力消費が回避され、バッテリ２０の電力不足を防止することができる。この結果、バッテリ２０を大型化することなく、長時間のクランキングが可能となり、低温始動時においても安定した始動を実現できる。

ここで、吸気バルブ２２の開閉タイミングに基づいて電動モータ１６のトルクを制御することにより、より速やかに電動モータ１６の出力（電動モータ１６に供給する電圧）を最適化することができ、電力消費をより効果的に抑制することができる。すなわち、エンジントルクが上昇すればエンジン回転速度（クランキング回転速度）も上昇するため、エンジン回転速度に基づいてフィードバック制御することも考えられるが、図７に示すように、本実施形態（実線）の方が、エンジン回転速度に基づいてフィードバック制御（一点鎖線）するよりもエンジントルクの上昇分をより速やかにモータトルクに反映させることができる。つまり、本実施形態では、実際にエンジン回転速度が上昇する前に電動モータ１６の出力を制御できるのに対し、エンジン回転速度に基づいてフィードバック制御する場合には、エンジン回転速度が上昇してから電動モータ１６の出力が制御されることになるため、制御に遅れが生じ、本実施形態に比べて、図６のハッチングで示す領域に相当するトルク分の電力消費が大きくなってしまうのであり、電動モータ１６による電力消費の低減という観点から本実施形態の方が優れている。

ところで、以上説明した実施形態では、クランクシャフト１２に対する吸気カムシャフト２６の回転位相を変化させることによって吸気バルブ２２の開閉タイミングを変化させる構成を説明したが、本発明はこれに限られない。すなわち、始動時に少なくとも吸気バルブの開閉タイミングを始動に適した始動用タイミングへと制御する構成であって、その途中における吸気バルブの実際の開閉タイミングに基づいて電動モータ１６のトルク（電動モータ１６の出力）を制御するものであれば適用できる。

以下、そのような例を上記実施形態とあわせて記載する。

まず、図８（ａ）は上記実施形態を示している。この場合は、上述したように、初期状態は吸気バルブの開閉タイミングが最遅角タイミングとなっており、この最遅角タイミングから進角させて始動用タイミングとする。初期状態においては、吸気バルブの閉時期（ＩＶＣ）が遅角しておりエンジントルクも小さいが、進角するに伴いエンジントルクも大きくなる。したがって、この構成においては、図８（ｂ）に示すように、吸気バルブの開閉タイミングが進角するほど電動モータのトルクを低下させることになる。

図９（ａ）は、可変動弁機構がバルブリフト量及び作動角を可変することで吸気バルブの開閉タイミングを変化させる構成であり、バルブリフト量及び作動角が最小となる状態を初期状態とするものを示している。この場合、初期状態は吸気バルブの閉時期（ＩＶＣ）がＢＤＣよりも大きく進角しており、バルブリフト量及び作動角を大きくすることでＩＶＣを遅角させてＩＶＣがＢＤＣの近傍となる始動用タイミングとする。初期状態においては、ＩＶＣがＢＤＣよりも進角側にあってエンジントルクも小さいが、バルブリフト量（及び作動角）を増加させるほどＩＶＣが遅角してＢＤＣに近づいてエンジントルクも大きくなる。したがって、この場合には、図９（ｂ）に示すように、バルブリフト量（及び作動角）が大きくなるほど電動モータのトルクを低下させることになる。

図１０（ａ）は、可変動弁機構がバルブリフト量及び作動角を可変することで吸気バルブの開閉タイミングを変化させる構成であり、バルブリフト量及び作動角が最大となる状態を初期状態とするものを示している。この場合、初期状態は吸気バルブの開時期（ＩＶＣ）がＢＤＣよりも遅角側にあり、バルブリフト量及び作動角を小さくすることでＩＶＣを進角させてＩＶＣがＢＤＣの近傍となる始動用タイミングとする。初期状態においては、ＩＶＣがＢＤＣから大きく遅角しておりエンジントルクも小さいが、バルブリフト量（及び作動角）を減少させるほどＩＶＣが進角してＢＤＣに近づいてエンジントルクも大きくなる。したがって、この場合には、図１０（ｂ）に示すように、バルブリフト量（及び作動角）が小さくなるほど電動モータのトルクを低下させることになる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。 本実施形態に始動制御を示すフローチャートである。 目標クランキング回転速度の設定例を示す図である。 目標クランキング回転速度における吸気バルブの開閉タイミング、エンジントルク及びモータトルクの関係を示す図である。 吸気開閉タイミング−モータトルクの変換テーブル例を示す図である。 上記始動制御のタイムチャートである。 本実施形態の効果を説明するための図である。 本実施形態の概要を示す図である。 他の実施形態の概要を示す図である。 他の実施形態の概要を示す図である。

符号の説明

１０…エンジン、１２…クランクシャフト、１６…電動モータ、１８…可変電圧装置、２０…バッテリ、２２…吸気バルブ、２６…吸気カムシャフト、２８…吸気カム、３４…ＶＴＣ、４０…ＥＣＵ、４２…クランクセンサ、４４…カムセンサ、４６…バッテリセンサ、４８…水温センサ

Claims (2)

1. 始動時に電動モータによってクランキングを行うと共に吸気バルブの閉タイミングを下死点に近づける制御を行うエンジンの始動装置において、
   前記吸気バルブの閉タイミングを下死点に近づける制御の実行中に前記エンジン燃焼運転を行わせ、
   前記吸気バルブの閉タイミングを検出し、検出した吸気バルブ閉タイミングが下死点に近づくほど前記電動モータのトルクを低下させることを特徴とするエンジンの始動装置。
2. 所定のクランキング回転速度を維持するように前記電動モータに供給する電圧を減少させることを特徴とする請求項１記載のエンジンの始動装置。

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