JP5499694B2 - エンジン始動制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、エンジン始動制御装置に関する。

従来、アイドルストップ要求後のエンジン回転速度降下中にエンジン再始動要求があったときは、スターターモーターのピニオンギアの回転速度をフライホイールのリングギアの回転速度に同期させて噛み込ませる。そしてエンジンの回転が停止するのを待たずにクランキングを開始するエンジン自動停止再始動装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−３３０８１３号公報

しかし、モータージェネレーターでエンジンを始動させる場合、エンジン回転速度降下中にエンジン再始動要求があると、エンジンの回転揺り戻し中（逆回転中）にエンジンの始動が開始されることがある。このときエンジンの回転速度に応じて、モータージェネレーターのＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタに流れる大電流の通電時間が決まる。エンジンの回転速度が遅いほど通電時間は長くなる。このためエンジンの回転速度が長く低回転領域にあるとき、特にエンジンの回転揺り戻し（逆回転）があるときに通電すると、ＭＯＳトランジスタの半導体部分が発熱して耐久性が低下する虞がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、エンジンが低回転速度領域で再始動されることでモータージェネレーターの耐久性が低下するのを防止するエンジン始動制御装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、励磁が必要な界磁石を有する交流モーターでエンジンを始動するエンジン始動制御装置において、アイドルストップ要求による前記エンジンの回転減速中に再始動要求があったか否かを判定する再始動要求判定部を備える。さらに再始動要求により前記交流モーターを駆動する場合であって、前記エンジンが逆回転であるときには、前記交流モーターの駆動によるエンジン始動を禁止するエンジン始動禁止部を備える。さらに前記エンジンが所定の回転速度以下になったら前記交流モーターの界磁石を励磁する励磁部を備える。前記所定の回転速度とは、前記エンジンが前記所定の回転速度になったときから励磁を開始すれば、前記エンジンが逆回転から正回転になると同時に励磁が完了するような回転速度であることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンが逆回転である間は交流モーターによるエンジン始動が禁止されるので、交流モーターの直流電源を交流に変換する半導体スイッチに大電流が長い時間通電するのを防止することができる。よって交流モーターの半導体を保護することとなり交流モーターの耐久性の低下を防止することができる。

本発明によるエンジン始動制御装置のシステムの一例を示す図である。 本発明によるエンジン始動制御装置のクランク角センサーの一例を示す図である。 本発明によるエンジン始動制御装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明によるエンジン始動制御装置の作動について説明する図である。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

図１は、本発明によるエンジン始動制御装置の一例を示す図である。図１（Ａ）は、エンジン始動制御装置のシステムの一例を示す図であり、図１（Ｂ）はエンジン始動制御装置のＳＳＧの電装システムの構成を示す図である。

エンジン始動制御装置１を適用できるエンジン１０は、ＳＳＧ（Side mounted Starter Generator）３０を備える。

エンジン１０は、直列４気筒エンジンである。エンジン１０はどのような気筒列でもよい。エンジン１０のクランク軸１１は片端にクランクプーリー１１ａが取り付けられる。クランクプーリー１１ａ及びＳＳＧ３０にベルト１２が架けられる。

エンジン回転速度及びエンジン回転方向は、クランク角センサーによって検出される。詳細は後述する。

ＳＳＧ３０は、ベルト１２を介してエンジン１０のクランク軸１１と同期回転する。ＳＳＧ３０は、エンジン始動時にクランク軸１１をクランキングするスターター機能を有する。またＳＳＧ３０は、エンジン運転中にクランク軸１１の駆動力によって発電するオルタネーター機能も有する。ＳＳＧ３０は、コントローラー５０から送信されるＳＳＧ制御信号に応じてスターター又はオルタネーターとして機能する。ここでＳＳＧ３０は、アイドルストップ後のエンジン再始動要求によるエンジン始動の場合に駆動する。詳細は後述する。

スターターモーター４０は、キー操作によるエンジン始動の場合に駆動する。

コントローラー５０は、クランク角センサーなどからの信号に基づいて、ＳＳＧ３０の作動、エンジン１０への燃料噴射時期及び燃料噴射量などを制御する。コントローラー５０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。コントローラー５０を複数のマイクロコンピューターで構成してもよい。

次に図１（Ｂ）を参照してＳＳＧ３０の電装システムについて説明する。ＳＳＧ３０は、三相交流同期モーターである。ＳＳＧ３０は、集積回路３１と、ゲート駆動回路３２と、励磁回路３３と、ＭＯＳトランジスタ３４と、ローター３５と、ステータ３６と、を備える。そして外部のバッテリ６０を電源にしてＳＳＧ３０は励磁、駆動する。

コントロール集積回路３１は、コントローラー５０からのＳＳＧ制御信号を受けて、ゲート駆動回路３２及び励磁回路３３に与える電圧を制御する。コントロール集積回路３１は、ローター３５の回転速度や通電による熱の影響なども考慮する。

ゲート駆動回路３２は、ＭＯＳトランジスタ３４をオン又はオフする。ゲート駆動回路３２は、バッテリ６０の直流電源を交流にするためにＭＯＳトランジスタ３４を使ってローター３５に流す電流の向き及び大きさを制御する。

励磁回路３３は、ステータ３６に流す電流を制御する。そしてステータ３６を励磁する。励磁とは、ステータ３６に電流を流して磁力を発生させることである。

ＭＯＳトランジスタ３４は、図中において３対の半導体スイッチ（Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２）で構成される。ＭＯＳトランジスタ３４は片側のスイッチＵ１がオンされるとき、もう一方のスイッチＵ２はオフされる。そしてスイッチＵ１，Ｕ２は、ローター３５に繋がるＵ相線にそれぞれ接続される。スイッチＵ１がオンされるとバッテリ６０からローター３５に向かって電流が流れる。スイッチＵ２がオンされるとスイッチＵ１とは逆にローター３５からバッテリ６０に向かって電流が流れる。他の対のスイッチＶ１，Ｖ２及びスイッチＷ１，Ｗ２も同様である。そしてスイッチＵ１，Ｖ１，Ｗ１がそれぞれ位相を１２０度ずつずらしながらオンされる。スイッチのオン又はオフが繰り返されることで、ローター３５の各出力（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）は正の波形と負の波形とが繰り返される交流となる。このようにＭＯＳトランジスタ３４は、バッテリ６０からの直流電源を交流に変換する。

ローター３５は電磁石である。ローター３５には、上述したＵ相線、Ｖ相線及びＷ相線からなる電機子巻線が配置される。ローター３５の３本の巻線には、バッテリ６０の直流をＭＯＳトランジスタ３４で変換した三相交流が流れる。各巻線には、位相が１２０度違う電流が流れる。ローター３５にできる磁界は、変化する電流の大きさと方向によって刻々と変わる。

ステータ３６は、励磁によって磁界を生じる界磁石である。ステータ３６には、界磁巻線が配置される。ステータ３６の界磁巻線には、バッテリ６０の直流が流れる。そしてステータ３６は励磁される。

ＳＳＧ３０は、駆動する場合に、まずステータ３６が励磁される。そしてステータ３６の励磁が完了したら、ローター３５に三相交流が流れる。このときローター３５とステータ３６との間で電磁石と界磁石との引力と反発力とが生じて、ローター３５は連続的に回転運動する。そしてローター３５の回転がベルト１２を介してエンジン１０のクランク軸１１に伝達される。このようにＳＳＧ３０は電気エネルギーを機械エネルギーに変換してエンジン１０をクランキング（始動）する。

アイドルストップ要求によるエンジンの回転減速中に再始動要求があった場合に、エンジンの完全停止を待たずにＳＳＧが駆動してエンジン始動を開始しては、エンジンの逆回転中にエンジンが始動される可能性がある。逆回転中にエンジンが始動されては、ＳＳＧの半導体に通電する時間が長くなってしまい、ＳＳＧの半導体が発熱して耐久性が低下する虞がある。そこで本件発明者は、エンジンの逆回転中におけるＳＳＧによるエンジン始動を禁止することで、ＳＳＧの耐久性が低下することがないようにしたのである。具体的な動作については後述する。

図２は本発明によるエンジン始動制御装置のクランク角センサーの一例を示す図である。図２（Ａ）はクランク軸方向からクランク角センサーを見た図であり、図２（Ｂ）はクランク角センサーによる回転方向検出方法を説明する図である。

クランク軸１１には全周に一定間隔ごとに凹凸が形成されたリングギア１３が固設される。そしてこのリングギア１３の凹凸を検出する２つのクランク角センサー(第１クランク角センサー２０−１及び第２クランク角センサー２０−２)が設けられる。

第１クランク角センサー２０−１及び第２クランク角センサー２０−２は、所定の位相をおいてリングギア１３の凹凸を検出する。エンジンが正回転しているときは、たとえば図２（Ｂ）の左側に示すように先に第２クランク角センサー２０−２から検出信号が出力され、遅れて第１クランク角センサー２０−１から検出信号が出力される。しかしながらエンジンが逆回転すると、たとえば図２（Ｂ）の右側に示すように先に第１クランク角センサー２０−１から検出信号が出力され、遅れて第２クランク角センサー２０−２から検出信号が出力される。このように２つのクランク角センサーを使用すれば、センサーの検出信号の順番によってクランク軸の回転方向を識別できるのである。

以下では具体的なエンジン始動制御ロジックについてフローチャートに沿って説明する。本発明では、ＳＳＧ３０の界磁は電磁石と永久磁石のどちらでも成り立つ。本実施形態はＳＳＧ３０の界磁が電磁石の場合、すなわち励磁が必要な場合について説明する。

図３は、本発明によるエンジン始動制御装置の動作を説明するフローチャートである。なおエンジン始動制御装置１は、この処理を微少時間（たとえば１０ｍｓｅｃ）サイクルで繰り返し実行する。

ステップＳ１において、コントローラー５０は、ＳＳＧ３０の状態が励磁モードか否かを判定する。励磁モードとは、ＳＳＧ３０をスターターとして駆動させる前にステータ３６を励磁するモードである。ＳＳＧ３０の状態が励磁モードでない場合は、コントローラー５０はステップＳ２に処理を移行する。ＳＳＧ３０の状態が励磁モードである場合は、コントローラー５０はステップＳ６に処理を移行する。

ステップＳ２において、コントローラー５０は、アイドルストップ条件が成立したか否かを判定する。アイドルストップ条件とは、たとえばエンジン１０がアイドリング回転速度を一定時間保つことである。アイドルストップ条件が成立した場合は、コントローラー５０はステップＳ３に処理を移行する。アイドルストップ条件が成立しない場合は、コントローラー５０は処理を抜ける。

ステップＳ３において、コントローラー５０は、燃料カットを実行する。コントローラー５０からの燃料噴射停止信号を受けて、燃料インジェクタはエンジン１０への燃料の供給を停止する。

ステップＳ４において、コントローラー５０は、再始動要求があるか否かを判定する。再始動要求とは、たとえばブレーキペダルの踏み込みが解除されることである。再始動要求がある場合は、コントローラー５０はステップＳ５に処理を移行する。再始動要求がない場合は、コントローラー５０は処理を抜ける。

ステップＳ５において、コントローラー５０は、ＳＳＧ３０を励磁モードに設定する。

ステップＳ６において、コントローラー５０は、ＳＳＧ３０の励磁が完了したか否かを判定する。励磁完了とは、ＳＳＧ３０がスターターとして駆動するために十分な磁束をステータ３６に発生させることである。判定は、励磁に要する時間の経過や励磁電流値の検出に基づいてされる。励磁が完了した場合は、コントローラー５０はステップＳ７に処理を移行する。励磁が完了していない場合は、コントローラー５０は処理を抜ける。

ステップＳ７において、コントローラー５０は、エンジン１０が逆回転か否かを判定する。逆回転か否かは、上述したようにクランク角センサー２０を用いて回転方向を識別する。エンジン１０が逆回転である場合は、コントローラー５０は処理を抜ける。エンジン１０が逆回転でない場合、すなわち正回転である場合は、コントローラー５０はステップＳ８に処理を移行する。

ステップＳ８において、コントローラー５０は、ＳＳＧ３０を駆動させてエンジン１０を再始動する。このときＳＳＧ３０は励磁モードからスターターモードに切り替わる。

次に図４（実線）を参照して本発明によるエンジン始動制御装置の実際の作動について説明する。本制御はエンジン１０がアイドリング状態であることが前提となるので、エンジン１０がアイドリング回転速度であるところから説明する。

なおフローチャートとの対応を分かりやすくするために、冒頭にＳを付したステップ番号を併記する。

時刻ｔ１でエンジン１０はアイドリング回転速度を一定期間維持したこととなり、アイドルストップ条件が成立する（図４（Ａ），Ｓ１でＮｏ→Ｓ２でＹｅｓ）。そしてアイドリングストップのため、エンジン１０への燃料供給が停止される（図４（Ｂ），Ｓ３）。このときＳＳＧ３０はオルタネーターモードからニュートラルモードに設定される（図４（Ｃ））。ニュートラルモードとは、ＳＳＧ３０がオルタネーターとしてもスターターとしても機能しない待機モードである。そして時刻ｔ１からエンジン１０の回転速度が減速する（図４（Ａ））。

時刻ｔ２でエンジン１０の再始動要求があって、ＳＳＧ３０は励磁モードに設定される（図４（Ｃ），Ｓ４でＹｅｓ→Ｓ５）。そしてＳＳＧ３０の励磁が開始される。

時刻ｔ３でエンジン１０の回転は正回転から逆回転となる（図４（Ａ）)。ＳＳＧ３０の励磁が完了しても、エンジン１０が逆回転である間は、ＳＳＧ３０はスターターモードに設定されない（Ｓ６でＹｅｓ→Ｓ７でＹｅｓ）。

時刻ｔ４でエンジン１０の回転は逆回転から正回転となる（図４（Ａ），Ｓ７でＮｏ）。またＳＳＧ３０の励磁が完了する（図４（Ｃ），Ｓ１でＹｅｓ→Ｓ６でＹｅｓ）。ＳＳＧ３０の励磁が完了したときにエンジン１０が正回転であれば、ＳＳＧ３０はスターターモードに設定され、燃料供給が開始される（図４（Ｂ）（Ｃ），Ｓ８）。エンジン１０がクランキングしてエンジン回転速度が上昇する（図４（Ａ））。

時刻ｔ５でエンジン１０が始動するとＳＳＧ３０はスターターモードからオルタネーターモードに設定される（図４（Ｃ））。

ところで本実施形態では、時刻ｔ２でエンジン再始動要求があって、時刻ｔ４でＳＳＧ３０の励磁完了と同時にエンジン１０が逆回転から正回転となる場合を表している。つまり時刻ｔ４から時刻ｔ２を差し引いた時間がＳＳＧ３０の励磁に必要な時間である。しかし、エンジン１０の回転速度が減速中で時刻ｔ２よりも手前でエンジン再始動要求があった場合は、ＳＳＧ３０の励磁が完了してもエンジン１０が逆回転のため始動されずに励磁モードが延長されることがある。また時刻ｔ３以前に励磁が完了して、エンジン１０が正回転であると判定されても、制御信号の通信などのばらつき（遅れ）が生じてエンジン１０が逆回転のときにエンジン１０が始動される可能性がある。

これらを考慮して、エンジン１０の回転速度が閾値以下、すなわち時刻ｔ２における回転速度Ｎ２以下になったらＳＳＧ３０の励磁を開始されるようにしてもよい。ＳＳＧ３０の励磁かつエンジン１０の始動が効率よく実行される。閾値Ｎ２は、エンジンの仕様に応じて算出される。

本実施形態によれば、アイドルストップ要求によってエンジン１０の回転が減速しているときに再始動要求があってＳＳＧ３０の励磁が完了しても、エンジン１０が逆回転である場合はエンジン１０の始動を禁止する。これによりＳＳＧ３０のＭＯＳトランジスタ３４に大電流が長い時間通電するのを防止することができる。ＭＯＳトランジスタ３４の半導体を保護することができるので、ＳＳＧ３０の耐久性の低下を防止できる。

そしてＳＳＧ３０の励磁が完了して、エンジン１０が正回転である場合に、ＳＳＧ３０によるエンジン１０の始動を開始する。エンジン１０が正の回転速度のときにＳＳＧ３０が駆動するので、エンジン１０は低回転速度領域から抜け出しやすい。このため、ＳＳＧ３０のＭＯＳトランジスタ３４に大電流が長い時間通電するのを防止することができる。よってＳＳＧ３０の耐久性の低下を防止できる。

上述したように本実施形態ではＳＳＧ３０の界磁が電磁石であるが、励磁が不要な永久磁石の場合にも上述の効果が得られる。ＳＳＧ３０の駆動準備が整っても、エンジン１０が逆回転である場合はＳＳＧ３０によるエンジン１０の始動を禁止する。また、エンジン１０が正回転である場合にＳＳＧ３０によるエンジン１０の始動を開始する。これによりＳＳＧ３０の耐久性の低下を防止できる。

さらに本実施形態のようにＳＳＧ３０が励磁を必要とする場合には、エンジン１０が逆回転である間はＳＳＧ３０を励磁する。エンジン１０が逆回転である間はＳＳＧ３０をスターターモードにすることを禁止して、さらにニュートラルモードではなく励磁モードに設定する。このため本実施形態のようにエンジン１０が逆回転中に励磁が完了する場合に、エンジン１０が逆回転から正回転になったらすぐにＳＳＧ３０を駆動できる。エンジン１０が逆回転である間はＳＳＧ３０の駆動を禁止するが励磁は許可するので、ＳＳＧ３０によるエンジン１０の始動性が向上する。

またエンジン１０が所定の回転速度Ｎ２になったらＳＳＧ３０の励磁を開始してもよい。アイドルストップ要求によるエンジン１０の回転減速が始まって早い段階で再始動要求があっても、エンジン１０が所定の回転速度Ｎ２になるまでＳＳＧ３０の励磁を開始しない。これにより、エンジン１０の逆回転中にＳＳＧ３０の励磁が完了してしまい、励磁状態（通電時間）が延びる、ということがなくなる。よってＳＳＧ３０の励磁時間が必要以上に長くなることがない。さらにエンジン１０が逆回転になる手前の正回転のときに再始動条件が成立したにもかかわらず（Ｓ６でＹｅｓかつＳ７でＮｏ）、制御信号の通信遅れなどが影響してエンジン１０が逆回転中に始動されてしまう、という万が一の可能性もなくなる。エンジン１０の逆回転中の始動を禁止できるので、ＳＳＧ３０の耐久性の低下を防止できる。また所定の回転速度Ｎ２は、そのときからＳＳＧ３０の励磁を開始すれば、エンジン１０が逆回転から正回転になると同時に励磁が完了する。よってＳＳＧ３０は適切な励磁時間でエンジン１０の始動を開始することができる。さらにエンジン１０が逆回転から正回転になったらすぐにＳＳＧ３０によるエンジン始動ができるので、エンジン１０の始動性が向上する。

また別の実施形態を図４の一点鎖線で示す。別の実施形態では、時刻ｔ１でアイドルストップ条件が成立してアイドリングからアイドルストップに移行する。そしてエンジン１０の回転速度が減速している途中の時刻ｔ２でエンジン再始動要求があっても、エンジン１０が完全に停止する時刻ｔ９まで待ってからＳＳＧ３０によってエンジン１０を始動する。このときＳＳＧ３０は、時刻ｔ９から励磁完了までに要する時間を差し引いて、時刻ｔ６から励磁される。アイドルストップ条件が成立してからエンジン１０が完全に停止するまでの時間及び励磁に必要な時間は、エンジン仕様に応じて求められる。またエンジン１０の完全停止とは、エンジン１０が回転速度ゼロのまま一定時間（時刻ｔ８〜時刻ｔ９）経過することを条件とする。これは、エンジン１０の揺り戻しによって正回転と逆回転とが入れ替わる瞬間に回転速度がゼロになるので、この場合を含まないようにするためである。このように別の実施形態では、エンジン再始動要求からエンジンを始動するまでに時間（時刻ｔ２〜時刻ｔ９）がかかる。

従って、図４の実線で示す実施形態と図４の一点鎖線で示す実施形態とで同時刻ｔ２でエンジン再始動要求があっても、時刻ｔ９から時刻ｔ４を差し引いた時間Δｔだけ図４の実線で示す実施形態の方がＳＳＧ３０による迅速なエンジン始動を提供できる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

実施形態では、ＳＳＧはエンジンのクランク軸との間にベルトを介していたが、これに限らない。例えばギアを介する方式であってもよい。またＳＳＧ及びスターターモーターを設けて、ＳＳＧはアイドルストップからの再始動要求によるエンジン始動に利用したが、キー操作によるエンジン始動もＳＳＧが実行してよい。またＳＳＧは三相交流同期モーターとしたが、これに限らない。またＳＳＧはローターが電機子でステータが界磁である回転電機子型としたが、これに限らない。ＳＳＧが回路上にＭＯＳトランジスタのような半導体が設けられている交流モーターであれば本発明が適用される。またエンジンの回転方向を２つのクランク角センサーから判断する方法を示したがそれに限らない。別途検出装置を設けてエンジンの回転方向を判断してもよい。

１ エンジン始動制御装置
１０ エンジン
３０ ＳＳＧ（交流モーター）
３６ ステータ（界磁）
Ｓ４ 再始動要求判定部
Ｓ５ 励磁部
Ｓ７ エンジン始動禁止部
Ｓ８ エンジン始動部

Claims (2)

1. 励磁が必要な界磁石を有する交流モーターでエンジンを始動するエンジン始動制御装置において、
   アイドルストップ要求による前記エンジンの回転減速中に再始動要求があったか否かを判定する再始動要求判定部と、
   再始動要求により前記交流モーターを駆動する場合であって、前記エンジンが逆回転であるときには、前記交流モーターの駆動によるエンジン始動を禁止するエンジン始動禁止部と、
   前記エンジンが所定の回転速度以下になったら前記交流モーターの界磁石を励磁する励磁部と、を備え、
   前記所定の回転速度とは、前記エンジンが前記所定の回転速度になったときから励磁を開始すれば、前記エンジンが逆回転から正回転になると同時に励磁が完了するような回転速度である、
   ことを特徴とするエンジン始動制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジン始動制御装置において、
   前記エンジンが正回転であるときには、前記交流モーターの駆動によるエンジン始動を開始するエンジン始動部を備える、
   ことを特徴とするエンジン始動制御装置。

Images