JP5464095B2 - エンジン停止始動制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン停止始動制御装置に関するものである。
従来、例えばアクセル操作やブレーキ操作などといった停車又は発進のための動作等を検知してエンジンの自動停止及び自動再始動を行う、所謂アイドルストップ機能を備えるエンジン制御システムが知られている。このアイドルストップ制御により、エンジンの燃費低減等の効果を図っている。
エンジンを再始動させる場合、ドライバビリティ向上等の観点からすると、再始動要求があった後できるだけ速やかにエンジンを始動させるのが望ましく、そのための技術が種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、エンジンを自動停止させる際のエンジン回転速度が降下する期間に再始動要求があった場合、まず、モータによりピニオンを回転させる。その後、ピニオン回転速度がエンジン回転速度(リングギヤ回転速度)に同期した時点でピニオンをリングギヤに噛み合わせ、ピニオンの回転によりリングギヤを回転させる。これにより、エンジンをできるだけ速やかに運転状態に復帰させるようにしている。
特許第4211208号公報
ところで、エンジン回転速度の降下中に再始動要求が生じるタイミングは予期できず、例えばエンジン回転速度が低回転の領域で再始動要求が生じることがある。この場合、降下中のエンジン回転速度に対して、ピニオン回転速度を同期させることができない場合があり、上記特許文献1の制御では、ピニオンとリングギヤとの噛み合わせを適正に実施できない場合がある。そこで、エンジン回転速度の降下中に再始動要求が成立し、その再始動要求に伴いエンジンを再始動させる場合に、まず、ピニオンをリングギヤに噛み合わせ、その噛み合いに伴い、直ちにモータによりピニオンを回転させる制御を実施することが考えられる。この制御は、エンジン回転速度の降下中において、比較的低回転領域(例えば100rpm以下)で再始動要求が生じた場合に特に有効である。
ここで、エンジン回転速度がゼロ近傍の領域で再始動要求が生じ、その再始動要求に基づいてエンジン再始動を行う場合や、エンジン回転速度の降下中における回転降下が急峻な場合には、ピニオンとリングギヤとがエンジン出力軸の反転中に噛み合わされることが考えられる。一方で、エンジン出力軸の反転中にピニオンとリングギヤとが噛み合った際に、その噛み合いに伴い直ちにモータ駆動した場合には、回転方向の相違に起因して種々の不都合が生じることが考えられる。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、エンジン自動停止に際してエンジン回転速度が降下する期間において再始動条件が成立した場合に、クランキングを適正に実施することができるエンジン停止始動制御装置を提供することを主たる目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
本発明は、エンジンの出力軸に連結されたリングギヤに向けてピニオンを移動させて前記リングギヤに前記ピニオンを噛み合わせる噛み合い手段と、電源からの電力供給により回転し前記ピニオンに回転力を付与するモータとを備えるスタータを用いてクランキングが実施されるエンジンに適用され、所定の自動停止条件が成立したときに前記エンジンを自動停止し、前記自動停止条件の成立後、所定の再始動条件が成立したときに前記スタータによるクランキングを実施して前記エンジンを再始動するエンジン停止始動制御装置に関する。
請求項1に記載の発明は、前記エンジンを自動停止させる際のエンジン回転速度が降下する回転降下期間においてエンジン回転速度を予測する回転予測手段と、前記回転降下期間に前記再始動条件が成立したのに伴い前記噛み合い手段による前記ピニオンの前記リングギヤ側への移動を開始したと仮定した場合において、前記回転予測手段により予測したエンジン回転速度に基づいて、前記ピニオンと前記リングギヤとの噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じるか否かを判定する噛み合い判定手段と、前記噛み合い判定手段による判定結果に基づいて、前記噛み合い手段による前記ピニオンの移動開始及び前記モータの回転開始の少なくともいずれかのタイミングを制御するスタータ制御手段と、を備えることを特徴とする。
エンジンのクランキングを適正に実施するには、噛み合い点でのピニオン及びリングギヤの回転状態を考慮する必要がある。例えば、ピニオンとリングギヤとが非噛み合い状態から噛み合い状態へ移行したときにエンジン出力軸が反転している場合、その状態でモータ駆動を行うと、反転状態のエンジン出力軸に対し、モータによって正転方向の回転力が付与されることにより、モータの消費電力が過剰に大きくなったり、ピニオンとリングギヤとの衝突により劣化が生じたりする等の不都合が生じることが考えられる。
その点に鑑み、上記構成では、再始動条件の成立に伴いピニオンの移動を開始した場合、ピニオンとリングギヤとの噛み合い状態への移行が、エンジン出力軸の正転中に生じるか、それとも反転中に生じるかに応じて、ピニオンの移動開始やモータの回転開始のタイミングを制御する。また特に、本構成では、ピニオンとリングギヤとの噛み合い時におけるエンジン出力軸(リングギヤ)の回転方向を、エンジン回転降下期間におけるエンジン回転速度の予測結果に基づいて判定する。したがって、ピニオンとリングギヤとの噛み合い時における回転方向の判別を精度良く行うことができ、その結果、ピニオン及びリングギヤの回転状態に適したタイミングでピニオンの回転を実施することができる。よって、エンジンのクランキング時に発生するおそれがある不都合、例えば、モータの消費電力の過上昇やピニオン及びリングギヤの劣化といった不都合をできるだけ抑制することができる。
ここで、ピニオンとリングギヤとの噛み合い状態とは、ピニオンとリングギヤとが接触した状態になった以降の状態を言い、具体的には、ピニオンの端面とリングギヤの端面とが接触した状態や、ピニオンの歯部とリングギヤの歯部とが一部又は完全に噛み合った状態を含む。
請求項2に記載の発明は、前記噛み合い判定手段により前記噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じると判定される場合に、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間において、エンジン回転速度が反転側ピーク値を超えるのを待って前記モータの回転を開始する。
エンジンの回転停止時にエンジン出力軸が反転する場合、反転と正転とを繰り返すが、その反転量は、最初の反転時において最も大きく、その後、徐々に減衰していく。よって、回転降下時に最初に反転状態となる期間では、モータによる出力軸の回転を回避するのが望ましい。特に、反転開始から反転ピーク(負側のエンジン回転速度のピーク点)に至るまでは、エンジンにおいて、ピニオンの回転とは反対方向の回転エネルギ(負方向の回転エネルギ)が上昇する期間であり、その負方向の回転エネルギに抗して、モータにより出力軸を回転しようとすると、モータの消費電力の過上昇や、ピニオンとリングギヤとの衝突による磨耗等が生じやすくなることが考えられる。その一方で、エンジン再始動要求があった後では、できるだけ速やかにエンジン再始動するのが望ましい。したがって、少なくとも最初の反転期間における反転ピークの後にモータの回転が行われるように、ピニオンの移動開始及びモータの回転開始のタイミングを制御するのが望ましい。
具体的には、請求項3に記載の発明のように、前記回転予測手段により予測したエンジン回転速度に基づいて、エンジン回転速度がゼロ又はゼロ近傍の所定速度になるタイミングを算出する手段を備え、その算出したタイミングと、前記ピニオンの移動開始から前記噛み合い状態に移行するまでに要する噛み合い所要時間とに基づいて判定基準点を算出し、その算出した判定基準点と、前記再始動条件の成立タイミングとの比較結果に基づいて、前記噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じるか否かを判定するとよい。このとき、再始動条件の成立タイミングが判定基準点よりも前であれば、ピニオンとリングギヤとの噛み合い状態への移行が出力軸の正転中に生じると判定し、判定基準点よりも後であれば反転中に生じると判定する。
請求項4に記載の発明では、前記噛み合い判定手段により前記噛み合い状態への移行が前記出力軸の正転中に生じると判定された場合に、前記ピニオンの移動開始タイミングから、前記ピニオンの移動開始から前記噛み合い状態に移行するまでに要する噛み合い所要時間が経過した時点で前記モータの回転を開始する。一方、前記噛み合い状態への移行が反転中に生じると判定された場合に、前記ピニオンの移動開始タイミングから前記噛み合い所要時間が経過した後であって、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間におけるエンジン回転速度の反転側ピーク値を超えた後に前記モータの回転を開始する。
ピニオンとリングギヤとの噛み合い状態への移行がエンジン出力軸の正転中に生じる場合には、現在の回転方向と同じ方向にエンジン出力軸をモータによって回転させるため、モータ負荷増大の不都合は生じにくい。故に、ピニオン及びリングギヤの噛み合いと、ピニオンの回転とを連続して行うことにより、エンジン再始動を速やかに実施することができる。
これに対し、ピニオンとリングギヤとの噛み合い状態への移行がエンジン出力軸の反転中に生じる場合には、ピニオン及びリングギヤの噛み合いとピニオンの回転とを連続して行うと、モータの回転負荷が大きくなったり、ピニオンの歯部とリングギヤの歯部との衝突により劣化が生じたりするといった不都合が生じやすいと考えられる。したがって、噛み合い状態への移行が反転中に生じる場合には、噛み合いとピニオン回転とを非連続で行うことにより、上記の不都合を好適に抑制することができる。
請求項5に記載の発明では、前記ピニオンの移動開始から、前記ピニオンの移動開始から前記噛み合い状態に移行するまでに要する時間である噛み合い所要時間が経過した時点で前記モータの回転を開始することを前提条件とする。このとき、前記噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じると判定された場合において、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間におけるエンジン回転速度の反転側ピーク値を超えた後に前記モータの回転が開始されるタイミングで、前記ピニオンの移動を開始する。本構成によれば、ピニオン及びリングギヤの噛み合い動作と、ピニオンの回転とを連続して行う構成において、ピニオンの移動開始タイミングを制御することにより、モータの回転開始タイミングを適正なタイミングにすることができる。
エンジン制御システムの全体概略構成図。 エンジン回転降下期間でのエンジン回転速度の推移を示すタイムチャート。 エンジン回転予測方法を説明する図。 第1の実施形態のピニオン後回し制御の処理手順を示すフローチャート。 第2の実施形態のピニオン後回し制御の処理手順を示すフローチャート。
(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、エンジン制御システムのエンジン停止始動制御装置に具体化している。当該制御システムにおいては、電子制御ユニット(以下、ECUという)を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御、アイドルストップ制御等を実施する。この制御システムの全体概略を示す構成図を図1に示す。
図1において、スタータ10にはモータ11が設けられており、バッテリ12からの電力供給によりモータ11が回転駆動されるようになっている。モータ11の図示しない回転軸にはピニオン軸13が係合されており、そのピニオン軸13の一端において、ピニオン14が、ピニオン軸13とピニオン14との間で動力の伝達を断続するワンウエイクラッチ15と一体に支持されている。
ピニオン軸13は、軸16を中心に回動するレバー17の一端に支持されている。レバー17の他端には、コイル18及びプランジャ19により構成される第1ソレノイドSL1が配置されており、コイル18内に配置されたプランジャ19がレバー17によって支持されている。コイル18の非通電状態では、ピニオン14が、エンジン20の出力軸(クランク軸)21に連結されたリングギヤ22に対して非接触の状態で配置されている。
ピニオン14とリングギヤ22との非接触状態において、バッテリ12からコイル18に通電されると、その通電によりプランジャ19が軸線方向に移動し、更にその移動に伴いレバー17が軸16を中心に回動する。これにより、ピニオン14がリングギヤ22に向かう方向に押し出されて、ピニオン14の歯部とリングギヤ22の歯部とが噛み合わされる。
一方、ピニオン14とリングギヤ22とが噛み合わされた状態において、コイル18の通電が遮断されることにより、図示しないスプリングの付勢力によりピニオン軸13がリングギヤ22に向かう方向とは反対方向に移動する。このピニオン軸13の移動により、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合いが解除され、両者の接触状態が解除される。
スタータ10とバッテリ12との間にはIGスイッチ23が設けられており、ドライバの操作に基づくIGスイッチ23のオンにより、バッテリ12からスタータ10への通電が可能になる。また、コイル18とバッテリ12との間には、制御信号に基づいて第1ソレノイドSL1の通電/非通電を切り替えるSL1駆動リレー24が設けられており、モータ11とバッテリ12との間には、モータ11の電磁子に接続され接点の開閉により通電/非通電が切り替えられる第2ソレノイドSL2と、制御信号に基づいて第2ソレノイドSL2の通電/非通電を切り替えるSL2駆動リレー25とが設けられている。
その他、本システムには、エンジン20の所定クランク角毎に(例えば30°CA周期で)矩形状のクランク角信号を出力するクランク角センサ31や、エンジン冷却水の温度を検出する冷却水温センサ32などの各種センサが設けられている。
ECU40は、周知のマイクロコンピュータ等を備えてなる電子制御装置であり、本システムに設けられている各種センサの検出結果等を入力し、それに基づいて燃料噴射量制御や点火時期制御、アイドルストップ制御などの各種エンジン制御や、スタータ10の駆動制御等を実施する。
上記のシステム構成において実施されるアイドルストップ制御について詳述する。アイドルストップ制御は、エンジン20のアイドル運転時に所定の停止条件が成立すると当該エンジン20を自動停止させるとともに、その後、所定の再始動条件が成立するとエンジン20を再始動させるものである。エンジン停止条件としては、例えば、アクセル操作量がゼロになったこと(アイドル状態になったこと)、ブレーキペダルの踏込み操作が行われたこと、車速が所定値以下まで低下したこと等の少なくともいずれかが含まれる。また、エンジン再始動条件としては、例えばアクセルの踏込み操作が行われたこと、ブレーキ操作量がゼロになったこと等の少なくともいずれかが含まれる。
次に、スタータ10の駆動制御について説明する。本実施形態において、ECU40は、SL1駆動リレー24のオン/オフ信号を出力する出力ポートP1と、SL2駆動リレー25のオン/オフ信号を出力する出力ポートP2とを備えている。この出力ポートP1,P2からの制御信号により、スタータ10の通電を自動的に(図示しないスタータスイッチの切り替え状態にかかわらず)行うことが可能になっている。また、これらの制御信号により、モータ11及びコイル18の通電状態をそれぞれ個別に切り替え可能になっている。
また、本実施形態では、エンジン20を自動停止させる際のエンジン回転速度が降下する期間(エンジン回転降下期間)にエンジン再始動条件が成立した場合、エンジン出力軸21が回転停止するのを待たずに、スタータ10によりエンジン20のクランキングを行うこととしている。この場合の一つの態様として、ECU40は、再始動条件の成立タイミングでのエンジン回転速度が比較的低回転(例えば100rpm近傍)の場合には、再始動条件の成立に伴い、まずピニオン14を押し出してピニオン14とリングギヤ22との噛み合いを実施し、その後、モータ11に通電してピニオンを回転させるピニオン後回し制御を実施することとしている。
以下、ピニオン後回し制御について、図2を用いて詳しく説明する。図2は、エンジン20の自動停止の際のエンジン回転降下期間におけるエンジン回転速度の推移を示すタイムチャートである。
エンジン回転降下期間のスタータ制御として、ECU40は、エンジン再始動要求に伴いピニオン14の移動を開始した場合に、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い、より詳細には、ピニオン14のリングギヤ22への移動を開始した後においてピニオン14がリングギヤ22との接触位置まで移動しピニオン14の端面とリングギヤ22の端面とが接触状態になるのが、基本的には当接許可回転速度Ne1以下である場合にピニオン後回し制御を実施する。ここで、当接許可回転速度Ne1は、エンジン出力軸21が回転した状態において、ピニオン14の端面とリングギヤ22の端面とが接触状態になるのを許容するエンジン回転速度の上限値であり、本実施形態では100rpm付近に設定してある。
ECU40は、エンジン回転降下期間において、現時点よりも後の期間でのエンジン回転速度Neを予測しており、その予測データを用いることにより、まず、エンジン回転速度Neが当接許可回転速度Ne1に到達するタイミングtaを算出する。そして、その到達タイミングtaよりも、ピニオン14の押出し開始からピニオン14の端面とリングギヤ22の端面とが接触状態になるまでに要する時間である当接所要時間Tpだけ前のタイミングを基準点tbとし、その基準点tb以降に再始動条件が成立した場合に、ピニオン後回し制御を実施することとしている。
なお、ピニオン14の端面とリングギヤ22の端面とが接触状態になった後では、ピニオン14が回転されることにより、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合いのずれ分だけ回転した時点で、ピニオン14の押出し力によってピニオン14がリングギヤ22に噛み合わされる。本実施形態では、当接所要時間Tpが「噛み合い所要時間」に相当する。
回転予測について本実施形態では、現時点よりも後の期間におけるエンジン回転速度(瞬時回転速度)を、エンジン20のロスエネルギ、エンジン回転速度及びイナーシャをパラメータとして予測することとしている。この予測方法によれば、シリンダ容積の増減変化に伴うエンジン回転速度の増減変化を予測することができる。
具体的には、ECU40は、シリンダ容積の増減変化に伴うエンジン回転速度(瞬時回転速度)の増減1周期分(4気筒エンジンでは180°CA)を回転脈動期間として、現時点よりも前の回転脈動期間での瞬時回転速度に基づいて、その後の回転脈動期間でのエンジン回転速度を予測する。
図3は、本実施形態のエンジン回転予測方法を説明するための図である。なお、図3では、各気筒のTDCから次のTDCまでの180℃A区間(回転脈動期間)をS[i]として示してある。また、図3では、現在の回転角度がTDC後の30°CAであるものとして説明する。
ECU40は、エンジン自動停止条件の成立後のエンジン回転降下期間において、クランク角センサ31からNE信号が入力される毎に(本実施形態では30°CA毎に)、瞬時回転速度としての角速度ω[rad/sec]を次式(1)により算出し、これを都度記憶する。
ω=30×2π/(360×tp) …(1)
tpはパルス幅[sec]を示す。
次に、前回の180℃A区間S[i-1]における回転角度θ(TDCを基準とする回転角度)での角速度ω[θ,i-1]の変化に基づいて、前回の180℃A区間S[i-1]における回転角度間のロスエネルギT[θn-θn+1,i-1]を回転角度位置ごとに下記式(2)により算出する。
T[θn-θn+1,i-1]=−J・(ω[θn+1,i-1]2 −ω[θn,i-1]2)/2 …(2)
Jはエンジン20のイナーシャであり、本実施形態では予めエンジン20の設計データ等に基づいて算出して記憶用メモリに記憶しておく。
続いて、現時点の角速度ω[30,i]を上記式(1)により算出するとともに、その算出した角速度ω[30,i]と、直前の回転角度での角速度[0,i]とを用いてロスエネルギT[0-30,i]を算出する。
その後、前回の180℃A区間S[i-1]でのロスエネルギのうち、TDCを基準とする回転角度が同じになる回転角度位置でのロスエネルギ、ここではロスエネルギT[30-60,i-1]と現在の角速度ω[30,i]とを用いて、次のパルスの立ち上がりタイミングにおける予測角速度ωとして、回転角度60℃Aでの予測角速度ω'[60,i]を演算する。併せて、クランク角30℃Aから60℃Aに到達するまでの予測到達時間t[30-60,i]を演算する。さらに、前回の180℃A区間S[i-1]のクランク角60℃Aから90℃AまでのロスエネルギT[60-90,i-1]と、予測角速度ω'[60,i]とを用いて、今回の180℃A区間S[i]のTDC後の回転角度90℃Aの予測角速度ω'[90,i]を演算するとともに、クランク角60℃Aから90℃Aに到達するまでの予測到達時間t[60-90,i] を演算する。この処理を何回も繰り返すことで、エンジン20の回転降下期間におけるエンジン回転速度(瞬時回転速度)を予測する。この予測方法に基づき予測した瞬時回転速度が図中の黒丸で示すものであり、エンジン20の予測回転軌道が図中の破線で示すものである。
この予測演算は、NE信号の入力毎(30℃A毎)に、次のNE信号が入力されるまでの時間を利用して実行され、その都度、回転軌道の予測データが更新される。なお、角速度をエンジン回転速度(瞬時回転速度)に換算して予測演算を行うようにしてもよい。
ECU40は、エンジン自動停止の際の回転降下期間において、上記の回転予測方法により予測したエンジン回転速度に基づいて基準点tbを算出する。基準点tbの算出について、具体的には、まず、予測データのうち、当接許可回転速度Ne1に到達する直前の予測回転速度(瞬時回転速度)N1と、当接許可回転速度Ne1を下回った直後の予測回転速度(瞬時回転速度)N2とを用い、これらを例えば線形補間することにより、エンジン回転速度が当接許可回転速度Ne1となるタイミングtaを算出する。なお、エンジン回転速度が当接許可回転速度Ne1となるタイミングが複数ある場合には、最も早いタイミングをタイミングtaとする。そして、タイミングtaの時刻から当接所要時間Tpを差し引くことにより、基準点tbを算出する。
ところで、エンジン自動停止に際し、エンジン回転速度が略ゼロまで低下すると、気筒のピストンが上死点を乗り越えられず、エンジン出力軸21の回転方向が正転から反転に切り替わり、その後、正転と反転とを交互に繰り返し、やがて回転速度ゼロに収束する。また、エンジン回転速度の降下中に再始動要求が生じるタイミングは予期できず、回転速度ゼロ近傍の領域で再始動要求が生じる場合があると考えられる。さらに、エンジン回転降下の度合いは都度異なり、その回転降下の度合い(降下率)に応じて、エンジン出力軸21が正転から反転に切り替わるタイミングが異なると考えられる。そのため、ピニオン後回し制御では、エンジン再始動要求のタイミングやエンジン回転降下の度合いなどによっては、エンジン出力軸21の反転中に、ピニオン14とリングギヤ22とが非噛み合い状態から噛み合い状態に移行する(本実施形態では、ピニオン14の端面とリングギヤ22との端面とが非接触状態から接触状態に移行する)場合がある。
ところが、エンジン出力軸21の反転中にモータ11を駆動すると、反転状態のエンジン出力軸21に対し、モータ11によって正転方向の回転力が付与されるため、モータ11の消費電力が過剰に大きくなったり、ピニオン14とリングギヤ22との衝突によってピニオン14やリングギヤ22の劣化が生じたりする等の不都合が生じることが考えられる。特に本実施形態では、ピニオン14とピニオン軸13と間にワンウエイクラッチ15が設けられており、リングギヤ22の反転時にはワンウエイクラッチ15が係合した状態になることにより、モータ11に逆転方向の負荷がかかり、その結果、モータ11の消費電力が過上昇しやすいと考えられる。
そこで、本実施形態では、エンジン20を自動停止させる際のエンジン回転速度の降下期間に再始動条件が成立し、その成立に伴いピニオン14のリングギヤ22への移動を開始した場合、モータ11の通電開始タイミングがエンジン出力軸21の反転中に生じるか否かを判定し、その判定結果に基づいて、モータ11の通電を制御することとしている。
なお、本実施形態では、ピニオン14のリングギヤ22との噛み合い動作と、モータ11の回転開始の動作とが連続する動作であるため、「ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行がエンジン出力軸21の反転中に生じる」ことと、「モータ11の通電開始タイミングがエンジン出力軸21の反転中に生じる」こととは同じことを示している。
モータ11の通電開始タイミングがエンジン出力軸21の反転中に生じるか否かの判定は、エンジン回転降下期間でのエンジン回転速度の予測データに基づいて行う。具体的には、ECU40は、まず、図2に示すように、現時点よりも後の期間におけるエンジン回転速度Neの予測データを用いることにより、エンジン回転速度Neがゼロになる最初のタイミングtmを算出する。タイミングtmについて、本実施形態では、エンジン回転速度Neがゼロに到達する直前の予測回転速度N3と、ゼロを下回った直後の予測回転速度N4とを用い、これらを例えば線形補間することにより算出する。
続いて、そのタイミングtmよりも、当接所要時間Tpだけ前のタイミングをエンジン回転状態の判定基準点tnとする。そして、ピニオン後回し制御の実施可否の判定基準点tb以降であって、かつ判定基準点tn以前に(例えば図2のtAのタイミングで)再始動条件が成立した場合(ピニオン14の移動開始タイミングが生じた場合)には、モータ11の通電開始タイミングが、エンジン出力軸21の正転中に生じるものと判定する。この場合、ピニオン14の押出し開始(SL1駆動リレー24の音信号の出力タイミング)から当接所要時間Tpが経過した時点で、すなわちピニオン14とリングギヤ22との噛み合い動作に連続させてモータ通電を開始し、エンジン20のクランキングを実施する。
一方、判定基準点tnよりも後に(例えば図2のtBのタイミングで)再始動条件が成立した場合には、モータ11の通電開始タイミングが、エンジン出力軸21の反転中に生じるものと判定する。この場合、ピニオン14の押出し開始から、当接所要時間Tpよりも長い時間(Tp+α)が経過したタイミングでモータ通電を開始し、エンジン20のクランキングを実施する。ここで、αは、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間(反転開始から正転復帰するまでの期間)よりも長い時間である。このαは、予め設定したものを用いてもよいし、回転予測の予測データに基づいて、最初の反転期間において反転開始から正転復帰するまでに要する時間を算出し、その算出値を基に可変に設定してもよい。
つまり、エンジン出力軸21の反転中にモータ11の通電開始タイミングが到来するときには、そのタイミングでモータ11の回転を開始するのではなく、モータ通電タイミングを遅延させることで、エンジン出力軸21の反転中にピニオン14の回転が実施されるのを回避するようにする。これにより、モータ11の消費電力が過剰に大きくなるのを抑制するとともに、ピニオン14の歯部とリングギヤ22の歯部との衝突による劣化が生じるのを抑制する。
図4は、本実施形態におけるピニオン後回し制御の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ECU40により所定周期毎に実行される。
図4において、まずステップS11では、エンジン自動停止の際のエンジン回転速度の降下期間にエンジン再始動条件が成立したか否かを判定し、再始動条件が成立している場合には、ステップS12へ進み、スタータ10によるエンジン20のクランキング中か否かを判定する。クランキング中でない場合には、ステップS13へ進み、後回し判定基準点以降に再始動条件が成立したか否かを判定する。ここで、後回し判定基準点は、ピニオン後回し制御を実施するか否かを判定するしきい値であり、エンジン回転降下期間におけるエンジン回転速度の予測データと、当接所要時間Tpとに基づいて算出される上記の判定基準点tbに相当する。そして、後回し判定基準点(tb)よりも前に再始動条件が成立した場合にはそのまま本処理を終了する。この場合、例えば、再始動条件の成立に伴い、まずモータ11によってピニオン14を回転させ、ピニオン14とリングギヤ22との各歯部の通過速度差が所定値以下になった時点でピニオン14をリングギヤ22に噛み合わせるピニオン先回し制御が、図示しない別ルーチンにより実行される。
一方、後回し判定基準点(tb)以降に再始動条件が成立している場合には、ステップS14へ進み、SL1駆動リレー24にオン信号を出力し、第1ソレノイドSL1を通電オフからオンの状態に切り替える。この通電切り替えによりプランジャ19が移動して、ピニオン14のリングギヤ22に向かう方向への移動が開始される。
ステップS15では、回転状態判定基準点よりも後にエンジン再始動条件が成立したか否かを判定する。この回転状態判定基準点は、ピニオン14のリングギヤ22への噛み合い状態への移行がエンジン出力軸21の反転中に生じるか否か、つまりモータ11の通電開始タイミングがエンジン出力軸21の反転中となるか否かを判定するしきい値であり、エンジン回転降下期間におけるエンジン回転速度の予測データと、当接所要時間Tpとに基づいて算出される上記の判定基準点tnに相当する。
回転状態判定基準点(tn)以前にエンジン再始動条件が成立した場合、つまりエンジン出力軸21の正転中にピニオン14とリングギヤ22とが接触状態に移行すると判定される場合には、ステップS16へ進み、モータ待機時間Tmとして当接所要時間Tpを設定する。このモータ待機時間Tmは、SL1駆動リレー24へのオン信号の出力タイミングからモータ11の通電を開始するまでの時間である。
一方、回転状態判定基準点(tn)よりも後にエンジン再始動条件が成立した場合、つまり、エンジン出力軸21の反転中にピニオン14とリングギヤ22とが接触状態に移行すると判定される場合には、ステップS17へ進み、モータ待機時間Tmとして、当接所要時間Tpよりも長い時間(Tp+α)を設定する。
ステップS18では、SL1駆動リレー24へのオン信号の出力タイミングからモータ待機時間Tmが経過したか否かを判定し、モータ待機時間Tmが経過したことを条件に、ステップS19へ進み、SL2駆動リレー25にオン信号を出力し、第2ソレノイドSL2を通電オフからオンの状態に切り替える。これにより、ピニオン14が回転され、エンジン20のクランキングが行われる。
ステップS20では、エンジン回転速度Neが始動回転速度Nef(例えば400〜500rpm)以上であるか否かを判定する。この始動回転速度Nefは、クランキング回転速度よりも所定速度だけ高い値に設定してある。そして、エンジン回転速度が始動回転速度Nef以上であることを条件にステップS21へ進み、SL1駆動リレー24及びSL2駆動リレー25にオフ信号を出力する。これにより、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合わせが解除され、かつモータ11の回転が停止されることにより、クランキングが終了される。
以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。
エンジン20を自動停止させる際のエンジン回転速度の降下中に再始動条件が成立し、その成立に伴いピニオン14のリングギヤ22への移動を開始した場合、回転降下中のエンジン回転速度の予測結果に基づいて、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が出力軸21の反転中に生じるか否か、換言すれば、モータ11の通電開始タイミングがエンジン出力軸21の反転中に生じるか否かを判定し、その判定結果に基づいて、モータ11の通電を制御する構成としたため、噛み合い状態への移行時におけるエンジン出力軸21の回転方向を正確に判別することができ、その判定結果に基づいて、エンジン出力軸21の回転状態に適したタイミングでピニオン14の回転を行うことができる。したがって、モータ11の消費電力の過上昇やピニオン14及びリングギヤ22の劣化といった不都合を抑制することができる。
ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が出力軸21の反転中に生じる場合に、回転降下時に最初に反転状態となる期間を超えた後にモータ11を駆動する構成としたため、反転量が最も大きくなる期間でのモータ駆動を回避することで電力消費の過上昇等の不都合を抑制しつつ、エンジン再始動をできるだけ速やかに実施することができる。
ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が出力軸21の正転中に生じる場合に、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合いと、ピニオン14の回転とを連続して行い、噛み合い状態への移行が出力軸21の反転中に生じる場合に、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合いと、ピニオン14の回転とを非連続で行う構成としたため、早期再始動と電力消費の抑制とをバランスよく行うことができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、上記第1の実施形態との相違点を中心に説明する。上記実施形態では、ピニオン後回し制御の実施に際し、モータ11の通電開始タイミングがエンジン出力軸21の反転中に生じる場合に、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い動作とモータ11の回転開始とを非連続で行うことにより、反転中でのモータ駆動を回避する構成としたが、本実施形態では、モータ11の通電開始タイミングがエンジン出力軸21の反転中に生じる場合に、ピニオン14の押出し動作とモータ11の回転開始とを連続して行いつつ、反転中でのモータ駆動を回避する構成とする。
図5は、本実施形態におけるピニオン後回し制御の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、ECU40により所定周期毎に実行される。なお、図5の説明では、上記図4と同じ処理については、図4と同じステップ番号を付してその説明を省略する。
図5において、まずステップS31〜S33では、図4のステップS11〜S13と同じ処理を実行し、ステップS33で肯定判定された場合には、ステップS34へ進み、図4のステップS15と同じ処理を実行する。
ステップS34で、回転状態判定基準点(tn)以前にエンジン再始動条件が成立したと判定される場合には、ステップS35へ進み、再始動条件が成立してからピニオン14の押出しを開始するまでの時間である押出し遅延時間Tnにゼロをセットする。
一方、回転状態判定基準点(tn)よりも後にエンジン再始動条件が成立したと判定される場合には、ステップS36へ進み、エンジン出力軸21が反転する際の反転量ΔNEを算出し、その反転量ΔNEが判定値TH1(例えば200rpm)以上か否かを判定する。ここで、反転量ΔNEは、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間におけるエンジン回転速度の反転側ピーク値(絶対値)であり、例えば、エンジン回転速度の予測データや、エンジン回転速度の降下率、エンジンの回転エネルギなどに基づいて算出する。
反転量ΔNEが判定値TH1未満の場合には、ステップS35へ進み、押出し遅延時間Tnにゼロをセットする。一方、反転量ΔNEが判定値TH1以上の場合にはステップS37へ進み、押出し遅延時間Tnにβ(β>0)をセットする。ここで、βについて本実施形態では、例えば、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間の時間(反転開始から正転復帰するまでの時間)よりも、噛み合い所要時間Tpだけ短い時間になっている。このβは、予め設定したものを用いてもよいし、回転予測の予測データに基づいて、最初の反転開始から正転復帰するまでに要する時間を算出し、その算出値を基に可変に設定してもよい。
反転量ΔNEと判定値TH1との比較結果に基づき押出し遅延時間Tnを可変にするのは以下の理由からである。すなわち、反転期間のうち、特にエンジン回転速度が負側の所定回転速度(例えば−200rpm)以下の領域では、ピニオン14とリングギヤ22との回転速度差が大きく、この領域で噛み合いを実施すると、噛み合い音が大きくなりやすい。また逆に、出力軸21の反転中であっても、エンジン回転速度がゼロ近傍であれば、噛み合い音はさほど大きくなく、噛み合いを実施することによる不都合は小さい。よって、本実施形態では、反転量ΔNEが判定値TH1未満であれば、ピニオン14とリングギヤ22との接触状態への移行が反転中に生じる場合であっても、ピニオン14の押出しタイミングを再始動条件の成立タイミングとし、これにより、エンジン20を速やかに再始動するようにする。一方、反転量ΔNEが判定値TH1以上の場合には、ピニオン14とリングギヤ22との接触状態への移行が反転中に生じる場合において、ピニオン14の押出しタイミングを再始動条件の成立タイミングよりも遅くし、回転降下時の最初の反転期間の経過後に噛み合いが生じるようにする。
さて、ステップS38では、再始動条件の成立タイミングから押出し遅延時間Tnが経過したか否かを判定し、押出し遅延時間Tnが経過したことを条件にステップS39へ進み、SL1駆動リレー24にオン信号を出力し、第1ソレノイドSL1を通電オフからオンの状態に切り替える。
ステップS40では、ピニオン14の押出しタイミング(SL1駆動リレー24へのオン信号の出力タイミング)から当接所要時間Tpが経過したか否かを判定し、当接所要時間Tpが経過したことを条件にステップS41へ進み、SL2駆動リレー25にオン信号を出力し、第2ソレノイドSL2を通電オフからオンの状態に切り替える。その後、ステップS42〜43において、図4のステップS20〜21と同様の処理を実行し、本処理を終了する。
以上詳述した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。
ピニオン14の移動開始から噛み合い所要時間Tpが経過した時点でモータ11の回転を開始する構成において、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が出力軸21の反転中に生じると判定された場合に、回転降下時に最初に反転状態となる期間を超えた後にモータ11が回転開始されるようにピニオン14の押出しタイミングを制御する構成としたため、モータ11の回転開始タイミングを適正なタイミングにすることができる。つまり、エンジン出力軸21の回転状態に適したタイミングでピニオン14の回転を行うことができ、ひいては、モータ11の消費電力の過上昇やピニオン14及びリングギヤ22の劣化といった不都合を抑制することができる。
(他の実施形態)
本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
・エンジン20を自動停止させる際のエンジン回転速度が降下する期間において、今回のTDCが、エンジン出力軸21の正転方向の最終TDCであるか否かを判定し、最終TDCであると判定された場合に、エンジン回転状態の判定基準点tnに基づいて、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行がエンジン出力軸21の反転中に生じるか否かを判定する。エンジン回転降下期間中にエンジン出力軸21が正転方向の最終TDCを通過した後は、エンジン20のピストンが次のTDCを乗り越えられず、出力軸21が反転する。よって、上記構成では、正転から反転に移行する可能性が高い状況において、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合いがエンジン出力軸21の反転中に実施されるか否かを判定することができる。
ここで、今回のTDCが正転方向の最終TDCであるか否かは、例えば、回転予測の予測データに基づいて判定する。具体的には、現在、TDCの到達タイミングであれば、次のNE信号の入力タイミングでの予測角速度ωが0以下であるか否かを判定し、0以下と判定された場合に、今回のTDCが正転方向の最終TDCであるとする。
・上記第1の実施形態において、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が出力軸21の反転中に生じると判定された場合に、回転降下時の最初の反転期間における反転側ピーク値を超えた時点であって、正転復帰するまでの間でモータ通電を開始する。この場合、エンジン20の回転エネルギが負方向に上昇する期間において、モータ駆動を回避することでモータ11の電力消費の過上昇を抑制しつつ、できるだけ早期にエンジン20のクランキングを開始することができる。
・上記第1の実施形態において、エンジン出力軸21が反転する際の反転量ΔNE(反転側ピーク値)を算出し、その算出した反転量ΔNEに基づいて、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が反転中に生じる場合のモータ11の通電開始タイミングを決定する。このとき、反転量ΔNEがしきい値以下であれば、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が反転中に生じる場合であっても、モータ11の通電開始タイミングを、SL1駆動リレー24をオンしてから当接所要時間Tpが経過した後のタイミングとする。ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が反転中に生じる場合であっても、反転量ΔNEが小さい領域であれば、モータ11の電力消費の過上昇の影響が比較的小さいと考えられる。したがって、上記構成とすることにより、電力消費の抑制と早期再始動とをバランスよく行うことができる。
・エンジン回転降下期間におけるエンジン回転速度の反転量ΔNEに基づいて、エンジン再始動条件の成立からモータ11の通電までのモータ待機時間Tmや、エンジン再始動条件の成立からピニオン14の移動開始までの押出し遅延時間Tnを設定する構成とする。このとき、エンジン回転速度の降下率が大きいほど、モータ待機時間Tm、押出し遅延時間Tnを長くする。
・上記第2の実施形態において、反転量ΔNEがしきい値以下であるか否かに関わらず、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行がエンジン出力軸21の反転中に生じると判定された場合に、ピニオン14の押出しを再始動条件の成立タイミングよりも遅くしてクランキングを実施する。この場合、出力軸21の反転中におけるピニオン14とリングギヤ22との噛み合いが回避されることにより、反転量ΔNEの大小を判定することなく、判定量ΔNEが大きい状態での両者の噛み合わせを回避することができる。
・ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態への移行が出力軸21の反転中に生じると反転された場合、出力軸21の回転が完全停止した後に、ピニオン14をリングギヤ22側に押し出し、両者の噛み合い後、モータ11を駆動する構成とする。この場合、
回転降下時の最初の反転期間だけでなく、その後の反転期間においても、モータ駆動を回避することができる。
・エンジン回転降下期間のエンジン回転速度の予測方法は上記以外であってもよい。例えば、エンジン回転速度をパラメータとして、現時点以降のエンジン回転速度の減少変化の回転軌道を予測する。具体的には、クランク角センサ31から出力されるNE信号に基づいて、瞬時回転速度としての角速度ωを算出する。また、その算出した角速度ωを複数用いて(例えば連続する3つの角速度ωを用いて)、例えばそれらを結ぶ関数によって増減変化せずに減少する軌道を予測することにより、エンジン回転速度を予測する。
・当接所要時間Tpと、当接後ピニオン14とリングギヤ22との噛み合いが完了するまでに要する時間γとを考慮して、後回し判定基準点(tb)及び回転状態判定基準点(tn)を算出する。この場合、当接所要時間Tpと時間γとを足し合わせた時間が「噛み合い所要時間」に相当する。また、この場合の「ピニオン14とリングギヤ22との噛み合い状態」とは、ピニオンの歯部とリングギヤの歯部とが噛み合った状態である。
・上記実施形態では、コイル18の通電/非通電を制御するSL1駆動リレー24と、モータ11の通電/非通電を制御するSL2駆動リレー25とを有するスタータ10を本発明に適用する場合について説明したが、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合わせ解除とモータ11の回転停止とを独立して制御可能なスタータであればよく、例えば従来のスタータにおいてモータ通電制御用のリレーを設けたものを本発明に適用してもよい。すなわち、この構成では、図1のスタータ10における第2ソレノイドSL2に代えて、プランジャ19において、レバー17とは反対側の端部にモータ通電用の接点が設けられている。また、本構成では、モータ11とバッテリ12との間において、ECU40からの制御信号に基づいてオン/オフの切り替え可能なモータ通電制御用のリレーが設けられている。この構成においても、SL1駆動リレー24とモータ通電制御用のリレーとを個別に制御することにより、ピニオン14とリングギヤ22との噛み合わせ動作とモータ11の回転動作とを独立して制御可能である。
・ガソリンエンジンを適用する場合について説明したが、ディーゼルエンジンを本発明に適用する構成であってもよい。
10…スタータ、11…モータ、14…ピニオン、18…コイル(噛み合い手段)、20…エンジン、21…クランク軸、22…リングギヤ、24…SL1駆動リレー、25…SL2駆動リレー、40…ECU(回転予測手段、噛み合い判定手段、スタータ制御手段)、SL1…第1ソレノイド(噛み合い手段)、SL2…第2ソレノイド。

Claims (5)

  1. エンジンの出力軸に連結されたリングギヤに向けてピニオンを移動させて前記リングギヤに前記ピニオンを噛み合わせる噛み合い手段と、電源からの電力供給により回転し前記ピニオンに回転力を付与するモータとを備えるスタータを用いてクランキングが実施されるエンジンに適用され、
    所定の自動停止条件が成立したときに前記エンジンを自動停止し、前記自動停止条件の成立後、所定の再始動条件が成立したときに前記スタータによるクランキングを実施して前記エンジンを再始動するエンジン停止始動制御装置において、
    前記エンジンを自動停止させる際のエンジン回転速度が降下する回転降下期間においてエンジン回転速度を予測する回転予測手段と、
    前記回転降下期間に前記再始動条件が成立したのに伴い前記噛み合い手段による前記ピニオンの前記リングギヤ側への移動を開始したと仮定した場合において、前記回転予測手段により予測したエンジン回転速度に基づいて、前記ピニオンと前記リングギヤとの噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じるか否かを判定する噛み合い判定手段と、
    前記噛み合い判定手段による判定結果に基づいて、前記噛み合い手段による前記ピニオンの移動開始及び前記モータの回転開始の少なくともいずれかのタイミングを制御するスタータ制御手段と、
    を備えることを特徴とするエンジン停止始動制御装置。
  2. 前記スタータ制御手段は、前記噛み合い判定手段により前記噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じると判定される場合に、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間において、エンジン回転速度が反転側ピーク値を超えるのを待って前記モータの回転を開始する請求項1に記載のエンジン停止始動制御装置。
  3. 前記回転予測手段により予測したエンジン回転速度に基づいて、エンジン回転速度がゼロ又はゼロ近傍の所定速度になるタイミングを算出する手段を備え、
    前記噛み合い判定手段は、該算出したタイミングと、前記ピニオンの移動開始から前記噛み合い状態に移行するまでに要する噛み合い所要時間とに基づいて判定基準点を算出し、その算出した判定基準点と、前記再始動条件の成立タイミングとの比較結果に基づいて、前記噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じるか否かを判定する請求項1又は2に記載のエンジン停止始動制御装置。
  4. 前記スタータ制御手段は、
    前記噛み合い判定手段により前記噛み合い状態への移行が前記出力軸の正転中に生じると判定された場合に、前記ピニオンの移動開始タイミングから、前記ピニオンの移動開始から前記噛み合い状態に移行するまでに要する噛み合い所要時間が経過した時点で前記モータの回転を開始し、
    前記噛み合い状態への移行が反転中に生じると判定された場合に、前記ピニオンの移動開始タイミングから前記噛み合い所要時間が経過した後であって、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間におけるエンジン回転速度の反転側ピーク値を超えた後に前記モータの回転を開始する請求項1乃至3のいずれか一項に記載のエンジン停止始動制御装置。
  5. 前記スタータ制御手段は
    記噛み合い状態への移行が前記出力軸の反転中に生じると判定された場合において、回転降下時に最初に反転状態となる反転期間におけるエンジン回転速度の反転側ピーク値を超えた後に前記モータの回転が開始されるタイミングで、前記ピニオンの移動を開始し、
    前記ピニオンの移動開始から、前記ピニオンの移動開始から前記噛み合い状態に移行するまでに要する時間である噛み合い所要時間が経過した時点で前記モータの回転を開始する請求項1乃至3のいずれか一項に記載のエンジン停止始動制御装置。
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