JP5470241B2 - 車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の制御装置に係り、具体的には、アイドルストップシステムを備え、車両のアイドルストップ条件が成立した時に内燃機関を自動停止し、再発進する時に速やかに内燃機関を始動させて発進する車両の制御装置に関する。

アイドルストップシステムを備えた車両においては、その運転中に、内燃機関の自動停止条件が成立した時に、燃料供給を遮断することにより内燃機関を停止し、運転者の操作又は車両の要求により、内燃機関の再始動条件が成立した時に、速やかに内燃機関を始動し発進する技術が、既に、実用化されている。

このアイドルストップシステムを備えた車両においては、アイドルストップ後の再始動の際に、スタータモータに流れる初期の突入電流によるバッテリの電圧降下によって、最小動作電圧が高いナビゲーションシステムや電装品がリセットし、再起動する恐れがある。

これを防ぐために、DC-DCコンバータを追加してバッテリ電圧を昇圧する方法や、半導体スイッチング素子とDuty制御を用いてスタータモータに初期突入時に流れる通電電流を制御し、電圧降下を抑制する技術が提案されている（特許文献1参照）。

一方、近年のアイドリングストップシステムでは、アイドルストップ条件が成立して燃料カットにより内燃機関が停止過程にある途中でも、加速要求を受けた場合には、即時に、内燃機関を再始動して車両を発進する、所謂チェンジ・オブ・マインドを備えた車両が実用化されている。

しかし、前述の如き、内燃機関の停止過程においては、ピストンが圧縮行程を乗り越えることが出来ずに逆回転する場面もあり、この逆回転中に半導体スイッチング素子でスタータモータを駆動すると、ロック状態となって過大な負荷が半導体スイッチング素子に懸かり、ひいては半導体スイッチング素子に過電流が長時間流れることになって、該半導体スイッチング素子が焼損することがある。

これを防止するためには、電流容量が大きい半導体素子を用いるか、機械式接点を併用するか、又は、内燃機関が逆回転している状態ではスタータモータの駆動を禁止する等の対策が必要となっている。

特開2010-106825号公報

車両用の内燃機関は、運転中に燃料の供給を停止すると、回転数が低下し、停止直前においては、圧縮行程をピストンが乗り越えられずに押し戻される現象（逆回転）が発生する場合がある。

再始動要求を受けて、前記逆回転中にスタータモータを駆動し、内燃機関をクランキングしようとする時、スタータモータの駆動力が足りない場合には、ロック状態になって過大な負荷が懸かり、ひいては、半導体スイッチング素子に許容値以上の電流が流れることとなって、焼損することがある。

前記の逆回転中のクランキングを避けるためには、逆回転が完全に終息するのを待ってから、スタータモータを駆動する必要があるが、そうすると運転者の発進要求から内燃機関の再始動までに、最大で数100msのタイムラグを生じて、運転者に違和感を与えてしまうことがある。

本発明は、前記課題を回避するためのものであって、その目的とするところは、アイドルストップシステムを備えた車両において、内燃機関の再始動の際に運転者へ違和感を与えないようにした車両の制御装置を提供することにあり、特に、アイドルストップシステムの半導体スイッチング素子において機械式接点を追加することなく、また半導体スイッチング素子の大容量化によるコストアップを抑えて、半導体スイッチング素子の破損を防止して、運転者に違和感を感じさせないアイドルストップシステムを備えた車両の制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するべく、本発明の車両の制御装置は、内燃機関の自動停止と自動始動を行うアイドルストップシステムを備え、該アイドルストップシステムが、ピニオンギヤの移動とモータの駆動とをそれぞれ単独で動作させるスタータと、前記ピニオンギヤの移動と前記モータの駆動とを制御する半導体スイッチング素子と、を有し、前記制御装置が、前記内燃機関の回転が停止に向かう過程で該内燃機関が逆回転していることを検知もしくは逆回転していると推定する手段を有し、前記検知もしくは推定した時、該内燃機関が逆回転していることを検知または推定している期間、前記半導体スイッチング素子による前記モータの駆動を禁止する手段を、備えていることを特徴としている。

本発明は、アイドルストップによる内燃機関停止の直前に発生する揺り戻し逆回転が発生した状態において、再始動要求を受けてモータ駆動を行った場合に、過負荷による半導体スイッチング素子の焼損を防止することができるとともに、再始動の際に運転者へ違和感を与えることがない。

本発明の車両の制御装置におけるアイドルストップシステムの機能構成図。 図１の車両の制御装置の制御システム構成図。 図１の車両の制御装置の制御フローチャート。 図１のアイドルストップシステムの回転同期式プリメッシュの動作チャート。 図１のアイドルストップシステムのアイドルストップ時の内燃機関の回転数挙動図。

以下、本発明の車両の制御装置の実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の車両の制御装置の実施形態のアイドルストップシステムの機能構成図である。

図１の機能構成図において、本実施形態は、多気筒の内燃機関本体１、該内燃機関本体１のクランク軸１ａ、点火コイル１４ａ、点火プラグ１４ｂ、燃料噴射弁１５、アイドルストップシステム１０、及び、ＥＣＵ（コントロールユニット、制御装置）１１、を備えている。前記アイドルストップシステム１０は、前記ＥＣＵ（コントロールユニット、制御装置）１１の一部を機能構成していると共に、ピニオンギヤ押し出し式のスタータ本体３と半導体スイッチング素子１３とを備えている。

前記内燃機関本体１のクランク軸１ａ上には、リングギヤ２が取り付けられ、前記スタータ本体３には、半導体スイッチング素子１３により駆動されるアクチュエータ５とモータ７と、ピニオンギヤ４とが配置されている。

リングギヤ２には、ギヤの凸凹をパルス信号に変換するリングギヤ２のリングギヤセンサ３７が設けられ、該リングギヤセンサ３７は、ＥＣＵ１１内で周波数-電圧変換処理することにより、1回転当たり100パルス以上の高精度な内燃機関回転数を検出する。

スタータ本体３は、前記リングギヤ２に当接するピニオンギヤ４と、そのピニオンギヤ４を移送するアクチュエータ５と、該アクチュエータ５の駆動力を伝達するレバー６と、ピニオンギヤ４を回転させるスタータモータ７と、ピニオン軸８のパルスを検知して出力するピニオンギヤセンサ３８とで、構成される。

ピニオンギヤ４は、スタータモータ７の軸（ピニオン軸）８に軸方向に移動可能な状態に設けられており、ＥＣＵ１１のピニオン移送指令が半導体スイッチング素子１３aのゲート端子に入力されると、バッテリ電源１２がアクチュエータ５へ供給され、電磁力の働きによりレバー６がピニオンギヤ４を図の右方向へ移送し、リングギヤ２へ噛み込ませる。

一方、スタータモータ７は、ＥＣＵ１１からのモータ駆動指令が半導体スイッチング素子１３bのゲート端子に入力されると、スタータモータ７へバッテリ電源１２が供給されるとピニオンギヤ４を回転駆動し、噛み込んでいるリングギヤ２を介して内燃機関本体１をクランキングする。

図２は、ＥＣＵ１１のシステム構成図であり、該ＥＣＵ１１に入力するセンサ等の各種の入力信号、及び、該ＥＣＵ１１から制御機器等に出力する各種の出力信号を示している。

ＥＣＵ１１の入力回路２４には、車両のアクセルペダルの踏み込み量を検知するアクセル開度センサ３０、スロットルバルブの開き量を検知するスロットル開度センサ３１、内燃機関本体１のシリンダ内へ吸入される吸入空気量を計測するエアフロセンサ３２、車両の走行速度を検出する車速センサ３３、フットブレーキの操作を検知するブレーキスイッチ３４、内燃機関本体１の点火、噴射タイミングの算出や気筒判定に用いるカム角信号とクランク角信号を検出するカム角センサ３５とクランク角センサ３６、内燃機関本体１のリングギヤ２の凹凸を検出してパルス信号を出力するリングギヤセンサ３７、スタータ本体３のピニオンギヤ軸８のパルス信号を検出するピニオンギヤセンサ３８が入力される。

一方、出力回路２６には、カム角センサ３５、クランク角センサ３６の信号から算出したタイミングでシリンダ内の混合気に点火するために、点火プラグ１４ｂへ高電圧を供給する点火コイル１４ａ、エアフロセンサ３２で計量された吸入空気量を元に算出した燃料量を噴射する燃料噴射弁１５、スタータ３への駆動要求を受けた時にPWM駆動信号を出力し、アクチュエータ５、モータ７をそれぞれ駆動するための半導体スイッチング素子１３が接続されている。

図３は、本実施形態の制御フローチャートであり、詳しくは、アイドルストップ時に内燃機関の回転数とピニオンギヤ４の回転数とを同期して、ピニオンギヤ４をリングギヤ２へ噛み込ませながら内燃機関本体１を停止する回転数同期式プリメッシュのフローチャートである。

内燃機関１がアイドル運転中にある時、ステップ１０１で、車速センサ３３やブレーキスイッチ３４などの各入力条件がアイドルストップ条件を満たすと、ステップ１０２で、燃料噴射弁１５の駆動を停止して、内燃機関の燃料供給の遮断燃料カットを行う。

前記燃料カット動作により、内燃機関の回転数は徐々に低下して、ステップ１０３で、判定条件の所定値A以下となった時には、ステップ１０４に進み、ピニオン予回転動作、即ちスタータモータ７へ通電し、ピニオンギヤセンサ３８から算出されるピニオンギヤ回転数を所定値まで上昇させて、通電を停止する動作を行う。

この場合、前記のピニオン予回転動作により、ピニオンギヤ回転数は、惰性によって時間とともに徐々に低下する。一方、内燃機関回転数は、吸入→圧縮→排気を繰り返して脈動しながら低下するので、リングギヤセンサ３７から算出される内燃機関回転数とピニオン予回転動作によって徐々に低下しているピニオンギヤ回転数が同期するタイミングを予測し、ステップ１０５で、プリメッシュ条件が成立した時、ステップ１０６に進み、ピニオンギヤ移送を実行、即ちスタータアクチュエータへの通電を開始し、レバーを介して、ピニオンギヤをリングギヤへ噛み込ませる、所謂プリメッシュ状態とする。

ステップ１０７で、運転者からのチェンジオブマインド要求が無いと判定された場合は、ステップ１０８に進み、前記プリメッシュ状態のまま、内燃機関は完全停止し、ステップ１０９に進み、再始動要求を受けるまで、待機状態となる。

前記ステップ１０９の待機状態において、運転者の操作などにより、再始動要求を受けた時には、ステップ１１２に進み、スタータモータ７へ通電し、燃料噴射を再開して内燃機関を再始動する。

また、ステップ１０７において、運転者からのチェンジオブマインド要求が有りと判定された場合は、ステップ１１０に進み、エンジン回転数が所定値Ｂ以下か否かを判定する。エンジン回転数が所定値Ｂ以下でない場合には、ステップ１１２に進み、内燃機関回転数が所定値Ｂ以下の場合には、ステップ１１１に進み、所定時間、スタータ３の駆動を禁止した後、ステップ１１２に進む。

その後、ステップ１１３に進み、エンジン回転数が所定値Ｃ以上か否かを判定して、所定値Ｃ以上の場合は、ステップ１１４に進み、スタータ３の駆動をＯＦＦとする。

以上のように、ピニオンギヤ４とリングギヤ２との回転数同期式のプリメッシュ動作を行うことにより、ピニオンギヤ４がリングギヤ２へ噛み込むまでの時間を短縮することが出来るので、ギヤ噛み込み時の騒音が発生する時間を低減することが出来る。

また、次回再始動時には、ピニオンギヤ４をリングギヤ２へ噛み込ませるまでの時間を省略することが出来るので、再始動要求を受けてから内燃機関が完爆に至るまでの始動時間を短縮することが可能である。

回転数同期式によるプリメッシュでアイドルストップを行うシステムの基本的な動作は、前述した内燃機関が完全に停止した後に再始動するパターンであるが、運転者の再始動要求のタイミングによっては、燃料カット直後に再始動を行うパターン、プリメッシュした直後に再始動を行うパターン、プリメッシュして内燃機関が停止する直前に揺り戻している逆転している最中に再始動を行うパターン等、内燃機関が完全に停止していない状態で再始動を行う状態が存在する。
このようなパターンを、本願では、チェンジオブマインドと呼ぶことにする。

チェンジオブマインドのパターンの内、内燃機関が順方向に回転しているパターンから再始動を行う場合には、問題ないが、内燃機関が停止する直前に揺り戻っている逆転している状態で再始動を行う場合には、スタータモータを駆動する半導体スイッチング素子に過大な負荷がかかり、半導体スイッチング素子の許容を越える過電流が流れて、焼損することがある。

前記の過電流による焼損をコストアップせずに防止する方法としては、逆転中であることを検出している最中には、再始動を禁止する方法が考えられるが、リングギヤパルス信号で逆転状態が完全に終了したことを判別するには、数100msの時間が必要であり、チェンジオブマインド指令から再始動までの時間が遅れ、運転者に違和感を与えることとなる。

本実施形態は、前記チェンジオブマインドにおける再始動の際に運転者へ与える違和感を可能な限り抑えるとともに、半導体スイッチング素子へ過電流が流れて焼損することを防止するためになされたものであり、機械式接点の追加や大容量の半導体スイッチング素子を用いる等のコストアップをすることなく実現することを可能としている。

図４は、ピニオンギヤ４とリングギヤ２とが噛み合う回転数同期式のプリメッシュ動作を行う内燃機関において、該内燃機関を停止させた時の内燃機関回転数挙動（制御状態）を、実機に基づいて経時経過と共に示した例である。

図４において、（ａ）は、アイドルストップ制御の要求フラグ（燃料カット）状態、（ｂ）は、再始動制御の要求フラグ状態、（ｃ）は、アクチュエータ作動状態、（ｄ）はスタータモータ作動状態、（ｅ）はスタータモータ駆動の禁止フラグ状態、（ｆ）内燃機関（リングギヤ）の回転数状態、及び、（ｇ）は、ピニオンギヤの回転状態を、各々示している。

図５は、アイドルストップシステムのアイドルストップ時の内燃機関の回転数挙動図で、図４の（ｆ）、（ｇ）を詳細に示したものである。

前記例は、内燃機関回転数挙動を複数回記録し、記録したチャートから、停止直前の「内燃機関回転加速度」、正転状態を検知可能な最も低い内燃機関回転数である「最小正転検知回転数」、及び、その回転数から逆転が収束するまでの「逆転時間」を求めている。

前記より、内燃機関回転が停止に向かう過程で、内燃機関回転数が「最小正転検知回転数」となった場合、内燃機関が逆回転すると推定して、その後、「逆転時間」を経過するまでは、半導体スイッチング素子１３によるモータ駆動を禁止することとしたものである。換言すると、前記モータの駆動を禁止する手段は、前記内燃機関が逆回転することを検知もしくは推定した時、その推定逆回転時間が経過するまで、モータの駆動を禁止するものである。そして、モータの駆動を禁止すること、すなわち手段は、内燃機関１の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下、もしくは、消費電流が所定値以上に上昇した場合に、モータの駆動を禁止する時間が短いと判定し、次回のモータの駆動禁止時間を延長するように学習するものである。

ただし、内燃機関回転数が降下する際の加速度から、逆転が発生しない加速度以下の場合は、前記「逆転時間」、すなわち内燃機関が逆回転していることを検知または推定している期間内であっても、モータの駆動を許可する。

このようにすることにより、不必要にモータ駆動を禁止することを回避できるため、再始動の際、運転者に出来る限り違和感を与えないようにすることが可能となる。

前記「最小正転検知回転数」と「逆転時間」は、内燃機関の逆転を高精度で検知可能なリングギヤセンサ３７を用いたシステムにおいては、逆転時間を学習して機差や経時劣化のばらつきを吸収する構成としてもよい。

また、アイドルストップ時の内燃機関回転数の挙動は、内燃機関やミッションの暖機状態、ギヤ位置、内燃機関補機の負荷、ミッションのギヤポジションの負荷によって変動するポテンシャルがあるので、内燃機関の回転停止時の逆転時間を、冷却水温度、内燃機関潤滑油温度、ミッション潤滑油温度などを横軸として、予め定数テーブルとして設定しておき、内燃機関の運転条件から最適値を検索することにより、また内燃機関の回転停止時の逆転時間を、補機負荷、変速機のギヤポジション条件で切り分けた複数の定数テーブルとして予め設定しておき、内燃機関の運転条件から最適値を検索することにより、運転条件が変化しても最適な値を用いることが出来るため、モータ駆動禁止時間が不必要に長くなることを防止できる。

１ 内燃機関本体
２ リングギヤ
３ スタータ
４ ピニオンギヤ
５ ピニオン移送アクチュエータ
６ ピニオン移送レバー
７ スタータモータ
８ ピニオン軸
１０ アイドルストップシステム
１１ コントロールユニット（制御装置）
１２ バッテリ
１３ 半導体スイッチング素子
１３ａ 半導体スイッチング素子ピニオン移送アクチュエータ駆動用
１３ｂ 半導体スイッチング素子スタータモータ駆動用
１４ａ 点火コイル
１４ｂ 点火プラグ
１５ 燃料噴射弁
３７ リングギヤセンサ
３８ ピニオンギヤセンサ

Claims (7)

1. 内燃機関の自動停止と自動始動を行うアイドルストップシステムを備えた車両の制御装置であって、
   前記アイドルストップシステムは、ピニオンギヤの移動とモータの駆動とをそれぞれ単独で動作させるスタータと、前記ピニオンギヤの移動と前記モータの駆動とを制御する半導体スイッチング素子と、を有し、
   前記内燃機関の回転が停止に向かう過程で該内燃機関が逆回転していることを検知もしくは逆回転していると推定する手段を有し、前記検知もしくは推定をした時、該内燃機関が逆回転していることを検知または推定している期間、前記半導体スイッチング素子による前記モータの駆動を禁止する手段を、備えていることを特徴とする車両の制御装置。
2. 前記逆回転を推定する手段は、前記内燃機関のクランク軸の回転数がある所定値を下回っている場合に、前記内燃機関が逆回転していると推定することを特徴とする請求項１に記載の車両の制御装置。
3. 前記逆回転を推定する手段は、前記内燃機関のクランク軸の加速度がある所定値を下回っている場合に、前記内燃機関が逆回転しないで停止すると推定することを特徴とする請求項１に記載の車両の制御装置。
4. 前記モータの駆動を禁止する手段は、前記内燃機関の再始動時に、バッテリ電圧が所定値以下に低下、もしくは、消費電流が所定値以上に上昇した場合に、前記モータの駆動を禁止する時間が短いと判定し、次回の前記モータの駆動禁止時間を延長するように学習することを特徴とする請求項１に記載の車両の制御装置。
5. 前記モータの駆動禁止時間は、前記内燃機関の回転停止時の逆転時間を、冷却水温度、潤滑油温度、ミッションの潤滑油温度を横軸として定数テーブルとして予め設定しておき、内燃機関の運転条件から最適値を検索するものであることを特徴とする請求項４に記載の車両の制御装置。
6. 前記モータの駆動禁止時間は、前記内燃機関の回転停止時の逆転時間を、補機負荷、変速機のギヤポジション条件で切り分けた複数の定数テーブルとして予め設定しておき、内燃機関の運転条件から最適値を検索するものであることを特徴とする請求項４に記載の車両の制御装置。
7. 前記車両の制御装置は、前記内燃機関の回転数が降下する際の加速度から、逆回転が発生しない加速度以下の場合は、前記逆回転していることを検知または推定している期間内であっても、前記モータの駆動を許可する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の車両の制御装置。

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