JP5614393B2

JP5614393B2 - エンジン始動システム

Info

Publication number: JP5614393B2
Application number: JP2011226692A
Authority: JP
Inventors: 高橋　知也; 知也高橋; 幸男豊良
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: JP2013087648A

Description

本発明は、ハイブリッド車両の走行中に電動機のトルクを利用してエンジンを始動させるエンジン始動システムに関する。

エンジン始動システムとして、ハイブリッド車両のＥＶ走行モード中にエンジンの始動要求があった場合にクラッチを介して電動機のトルクをエンジンに伝達してエンジンを始動させ、その始動過程における振動を抑制するためにクラッチのエンジン側及び電動機側の回転速度が一致した時にクラッチを解放し又は締結力を低減させるものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２０１１−５９５７号公報特開２００８−４４５９９号公報

特許文献１のシステムは、エンジンの始動過程でクラッチの解放操作ができない故障が発生した場合にその故障への対策がなされていない。従って、エンジンの始動過程でクラッチに上記故障が発生すると解放操作が不能になるため、クラッチが係合したままエンジン側回転数が電動機側回転数を超えて振動が発生するおそれがある。

そこで、本発明は、ハイブリッド車両に搭載されるエンジンの始動過程でクラッチの解放操作ができない故障が生じても振動の発生を抑制できるエンジン始動システムを提供することを目的とする。

本発明のエンジン始動システムは、走行用駆動力を出力する動力伝達経路にクラッチを介してエンジンが連結されるとともに、前記動力伝達経路に電動機が連結されたハイブリッド車両に適用され、前記エンジンが停止した走行モード中に前記エンジンの始動要求があった場合に前記電動機のトルクを利用して前記エンジンを始動させるエンジン始動システムにおいて、前記エンジンをクランキングするために前記クラッチを滑らせながら係合する半係合操作と、前記エンジンのクランキング開始後に前記エンジンの回転速度が始動可能限度を超えたことを条件として前記クラッチを解放する解放操作とを実行するクラッチ制御手段と、前記半係合操作後に前記クラッチを解放できない故障が発生した場合、前記クラッチのエンジン側回転速度が動力伝達経路側回転速度を超えない限度に達した時期に前記電動機のトルクを低減させるフェールセーフ手段と、を備えるものである（請求項１）。

このエンジン始動システムによれば、エンジンの始動過程でクラッチを解放できない故障が発生した場合に、クラッチのエンジン側回転速度が動力伝達経路側回転速度を超えない限度に達した時期に電動機のトルクが低減する。従って、クラッチが解放できないままエンジン側回転速度が動力伝達経路側回転速度を超えることによって発生する振動を低減することができる。

本発明のエンジン始動システムの一態様において、前記フェールセーフ手段は、前記故障が発生した場合に前記エンジンに対してフューエルカットを行いながら前記電動機のトルクを低減させてもよい（請求項２）。この態様によれば、電動機のトルクを低減する際にフューエルカットも行われるのでエンジンの出力トルクが低減する。従って、上述の振動を更に抑制できる。

上述の振動を抑制するためには、クラッチのエンジン側回転速度が動力伝達経路側回転速度を超えない限度に達した時期に電動機のトルクを低減させればよい。例えば、前記フェールセーフ手段は、前記エンジン側回転速度と前記動力伝達経路側回転速度とが一致した時期に又は前記エンジン側回転速度と前記動力伝達経路側回転速度との差が所定の安全マージン未満となった時期に前記電動機のトルクを低減させてもよい（請求項３）。この態様によれば、いずれの時期に電動機のトルクを低減させても上述の振動を抑制することができる。

以上説明したように、本発明のエンジン始動システムによれば、エンジンの始動過程でクラッチを解放できない故障が発生した場合に電動機のトルクが低減するため、クラッチが解放できないままエンジン側回転速度が動力伝達経路側回転速度を超えることによって発生する振動を低減できる。

本発明の一形態に係る始動システムが適用された車両の概要を示した図。始動制御の制御ルーチンの一例を示したフローチャート。電磁クラッチが正常時の制御結果の一例を示したタイミングチャート。電磁クラッチが故障時の制御結果の一例を示したタイミングチャート。本発明の始動システムを適用可能な車両の他の例を示した図。

図１に示すように、車両１は内燃機関２及び電動機としてのモータ・ジェネレータ３が走行用動力源として設けられたいわゆるハイブリッド車両として構成されている。内燃機関（以下、エンジンという。）２は火花点火型の内燃機関として構成されている。エンジン２の出力軸２ａは、電磁クラッチ７を介してオートメーテッドトランスミッション（ＡＭＴ）８と接続されている。電磁クラッチ７はＡＭＴ８の変速操作に合わせて係合操作及び解放操作が行なわれる。また、電磁クラッチ７は供給電流の強さを変化させることで動力の伝達率をほぼ無段階で調整できる。従って、電磁クラッチ７への供給電流の強さを制御することによって、電磁クラッチ７を滑らせながら係合する半係合操作が可能である。

ＡＭＴ８は前進４段の複数の変速段から一つの変速段を選択できる。ＡＭＴ８による変速段の選択は車両１の車速やアクセル開度に基づいて自動的に行なわれる。また、ＡＭＴ８がマニュアルモードへ切り替えられることにより、不図示のシフトノブを運転者が操作することによって変速段が選択される。

ＡＭＴ８は、入力軸１０と、これと平行に延びている出力軸１１と、これら入力軸１０と出力軸１１との間に設けられた第１〜第４ギア対Ｇ１〜Ｇ４とを備えている。第１〜第４ギア対Ｇ１〜Ｇ４は第１速〜第４速に対応する。なお、車両１の後退走行は第１速が選択された状態でモータ・ジェネレータ８が逆転することにより実施される。第１ギア対Ｇ１は互いに噛み合う第１ドライブギア１３及び第１ドリブンギア１４を含む。第２ギア対Ｇ２は互いに噛み合う第２ドライブギア１５及び第２ドリブンギア１６を含む。第３ギア対Ｇ３は互いに噛み合う第３ドライブギア１７及び第３ドリブンギア１８を含む。第４ギア対Ｇ４は互いに噛み合う第４ドライブギア１９及び第４ドリブンギア２０を含む。各ギア対Ｇ１〜Ｇ４のギア比は、第１ギア対Ｇ１、第２ギア対Ｇ２、第３ギア対Ｇ３、第４ギア対Ｇ４の順に小さくなるように設定されている。

第１ドライブギア１３及び第２ドライブギア１５は、それぞれ入力軸１０と一体に回転するように入力軸１０に設けられている。一方、第３ドライブギア１７及び第４ドライブギア１９は、それぞれ入力軸１０に対して相対回転可能なように入力軸１０に設けられている。第１ドリブンギア１４及び第２ドリブンギア１６は、それぞれ出力軸１１に対して相対回転可能なように出力軸１１に設けられている。一方、第３ドリブンギア１８及び第４ドリブンギア２０は、それぞれ出力軸１１と一体に回転するように出力軸１１に設けられている。

ＡＭＴ８には、上記複数の変速段のいずれか一つを有効化するため、結合装置Ｃ１〜Ｃ４が設けられている。各結合装置Ｃ１〜Ｃ４は周知の噛み合い式クラッチとして構成されており、不図示の操作機構にて操作される。第１結合装置Ｃ１は第１ドリブンギア１４を出力軸１１に結合させて第１ドリブンギア１４と出力軸１１とを一体回転させる係合状態と、その結合を解放する解放状態との間で動作できる。同様に、第２結合装置Ｃ２は第２ドリブンギア１６を出力軸１１に結合させて第２ドリブンギア１６と出力軸１１とを一体回転させる係合状態と、その結合を解放する解放状態との間で動作できる。また、第３結合装置Ｃ３は第３ドライブギア１７を入力軸１０に結合させて第３ドライブギア１７と入力軸１０とを一体回転させる係合状態と、その結合を解放する解放状態との間で動作できる。同様に、第４結合装置Ｃ４は第４ドライブギア１９を入力軸１１に結合させて第４ドライブギア１９と入力軸１１とを一体回転させる係合状態と、その結合を解放する解放状態との間で動作できる。ＡＭＴ８は、これらの結合装置Ｃ１〜Ｃ４のいずれか一つが係合状態となることによって上記複数の変速段のいずれか一つを有効化できる。

出力軸１１には第１出力ギア２１が一体回転するように設けられている。第１出力ギア２１は、不図示の駆動輪に連結された差動機構２５のケースに設けられたリングギア２６と噛み合っている。ＡＭＴ８から出力されたトルクはリングギア２６及び差動機構２５を介して左右の駆動輪に伝達される。ＡＭＴ８から駆動輪に至る動力伝達経路は走行用駆動力を出力するためのものであるから本発明に係る動力伝達経路に相当する。モータ・ジェネレータ３のトルクはギア列２８を介して出力軸１１に伝達される。ギア列２８は、出力軸１１と一体回転する第２出力ギア２９と、第２出力ギア２９と噛み合った状態でモータ軸３ａと一体回転するモータドライブギア３０とを含む。

エンジン２、モータ・ジェネレータ３、電磁クラッチ７及びＡＭＴ８のそれぞれに対する制御は、コンピュータユニットとして構成された電子制御ユニット（ＥＣＵ）４０にて行われている。ＥＣＵ４０は車両１の適正な走行状態を得るための各種制御プログラムを保持している。ＥＣＵ４０は、これらのプログラムを実行することにより上述したエンジン２等の制御対象に対する制御を行っている。ＥＣＵ４０には車両１の走行状態に関係する情報を出力する種々のセンサが接続されている。例えば、入力軸１０の回転速度に応じた信号を出力する入力側レゾルバ４１、出力軸１１の回転速度に応じた信号を出力する出力側レゾルバ４２、エンジン２のクランク角に応じた信号を出力するクランク角センサ４３、及びアクセル開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ４４がＥＣＵ４０に電気的に接続されている。

ＥＣＵ４０が行なう制御としては、エンジン２及びモータ・ジェネレータ３を走行用動力源とするハイブリッド走行モードやエンジン２を停止した状態でモータ・ジェネレータ３のみを走行用動力源とする電気走行モード等の各種の走行モードを切り替える走行モード切替制御がある。その走行モード切替制御に付随してエンジン２の停止制御や始動制御が行なわれる。更に、車両１の減速時に駆動輪から入力される動力を利用してモータ・ジェネレータ３で発電する回生制御も行なわれる。以下、ＥＣＵ４０が実行する制御のうち本発明に関連する制御について説明し、その他の制御については説明を省略ないし簡略化する。

ＥＣＵ４０は、不図示のバッテリの蓄電率が不足する等の禁止条件が成立する場合を除いて車両１の停車に合わせてエンジン２を停止させ、運転者の発進意図が反映された発進操作に合わせて内燃機関２を再始動させるいわゆるアイドルストップ制御を行なう。また、ＥＣＵ４０は電気走行モード中に要求駆動力の増大に合わせてエンジンを始動させて電気走行モードからハイブリッド走行モードへ走行モードを切り替える場合がある。この走行モードを切り替える過程でエンジン２の始動を実現するため、ＥＣＵ４０は図２の始動制御を行なう。図２のルーチンのプログラムはＥＣＵ４０の記憶されており、適時に読み出されて数ｍｓｅｃ程度の所定間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１において、ＥＣＵ４０はエンジン２の始動要求の有無を判定する。始動要求が有る場合はステップＳ２に進み、そうでない場合は以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。始動要求は電気走行モードで走行中に要求駆動力が閾値を超えて増大する等の始動条件が成立した場合に発生する。

ステップＳ２において、ＥＣＵ４０は電磁クラッチ７の半係合操作を開始してクラッチトルクを増加させると同時に、電磁クラッチ７の損失を補償して車両１が減速しないようにモータ・ジェネレータ３のトルク（モータトルク）を増加させる。これにより、エンジン２はクランキングされる。なお、ステップＳ２の処理一回当たりのクラッチトルク及びモータトルクの増加量は適宜設定される。

ステップＳ３において、ＥＣＵ４０はエンジン２の回転速度Ｎｅが始動可能限度Ｎｅｃを超えたか否かを判定する。始動可能限度Ｎｅｃはエンジン２に固有のものであり、ファイヤリングを行って始動可能となるエンジン２の回転速度の限界値である。回転速度Ｎｅが始動可能限度Ｎｅｃを超えた場合はステップＳ４に進み、そうでない場合はステップＳ２に戻る。

ステップＳ４において、ＥＣＵ４０はエンジン２に対してファイヤリングを行い、同時にクラッチトルク及びモータトルクをそれぞれ低減させる。すなわち、ＥＣＵ４０はファイヤリング及びモータトルクの低減を行いながら、電磁クラッチ７に対する解放操作を開始する。

ステップＳ５において、ＥＣＵ４０はクラッチトルクＴｑｃが基準トルクＴｑｃｌａよりも大きいか否かを判定する。基準トルクＴｑｃｌａは振動を発生させないクラッチトルクの下限値である。クラッチトルクＴｑｃが基準トルクＴｑｃｌａよりも大きい場合はステップＳ６に進み、そうでない場合はステップＳ１２に進む。

ステップＳ６において、ＥＣＵ４０は電磁クラッチ７の故障を判定する。クラッチトルクＴｑが基準トルクＴｑｃｌａを超えている原因が電磁クラッチ７を解放できない故障であるか否かを判定する。その故障の判定は、電磁クラッチ７への供給電流とクラッチトルクＴｑとの関係を正常時の当該関係と比較することにより行われる。電磁クラッチ７が上記のように故障している場合はステップＳ７に進み、そうでない場合はステップＳ１２に進む。

ステップＳ７において、ＥＣＵ４０はエンジン２に対してフューエルカットを実行する。それにより、エンジン２のトルクが低下するので振動を抑えることが可能となる。

ステップＳ８において、ＥＣＵ４０は入力軸１０の回転速度Ｎｉｎとエンジン２の回転速度Ｎｅとの差が安全マージンβ未満か否かを判定する。安全マージンβは制御遅れなどを考慮して適宜設定される。その差が安全マージンβ未満となった時期は、電磁クラッチ７のエンジン側回転速度が動力伝達経路側回転速度を超えない限度に達した時期に相当する。本形態は、エンジン２の出力軸２ａ及び入力軸１０のそれぞれが電磁クラッチ７に直結されているので、エンジン２の回転速度はエンジン側回転速度に、入力軸１０の回転速度は動力伝達経路側回転速度にそれぞれ相当する。なお、ステップＳ８の処理を、安全マージンβを設定せずに電磁クラッチ７のエンジン側回転速度と動力伝達経路側回転速度とが一致したか否かを判定する処理に変更することも可能である。

ステップＳ９において、ＥＣＵ４０はモータトルクを低減させる。その低減の程度は適宜設定してよい。本形態において、ＥＣＵ４０は故障した電磁クラッチ７が負担するクラッチトルク分だけモータトルクを低減させる。

ステップＳ１０において、ＥＣＵ４０はフューエルカットを解除する。これにより、エンジン２のトルクは増加する。

ステップＳ１１において、ＥＣＵ４０は走行用駆動源のトルクをモータ・ジェネレータ３のトルクからエンジン２のトルクへすり替える。具体的には、モータ・ジェネレータ３のトルクを更に低減させながら、その低減操作と同時進行でエンジン２のトルクを増加させる。

ステップＳ１２において、ＥＣＵ４０は入力軸１０の回転速度Ｎｉｎとエンジン２の回転速度Ｎｅとの差が安全マージンα未満となったか否かを判定する。安全マージンαはステップＳ８の安全マージンβと同じでもよいし、異なっていてもよい。当該差が安全マージンα未満の場合はステップＳ１３に進み、そうでない場合は解放操作を続行させるためステップＳ４に戻る。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ４０は電磁クラッチ７を係合操作して滑らせながら走行用駆動源のトルクをモータ・ジェネレータ３のトルクからエンジン２のトルクへすり替える。電磁クラッチ７の係合が完全に行われると走行モードがエンジン２を駆動源とする走行モードへ切り替えられる。

以上説明した図２の始動制御が行なわれることによって、図３及び図４に示した制御結果が得られる。図３に示すように、電磁クラッチ７が正常な場合、始動要求の発生時ｔ０から半係合操作が開始されてクラッチトルクＴｑｃが増加する。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ２までクラッチトルクＴｑｃが一定に維持される。それにより、エンジン２がクランキングされてその回転速度Ｎｅが徐々に上昇する。エンジン２のクランキングに並行して、エンジン２のファイヤリングが行われる。つまり、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間にフューエルカット（Ｆ／Ｃ）の実行を管理するフラグがＯＮからＯＦＦに切り替わる。

電磁クラッチ７の半係合操作に伴う損失を補償するため、モータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍはクラッチトルクＴｑｃと同様に変化する。エンジン２の回転速度Ｎｅが始動可能限度Ｎｅｃに時刻ｔ２に達すると電磁クラッチ７の解放操作が開始されてクラッチトルクＴｑｃが低下する。その解放操作に合わせてモータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍもクラッチトルクＴｑｃと同じように低下する。エンジン２の回転速度Ｎｅが入力軸１０の回転速度Ｎｉｎに達する時刻ｔ３までに、電磁クラッチ７は完全に解放されてクラッチトルクＴｑｃが０になっている。そのため、電磁クラッチ７で振動は発生しない。その後、時刻ｔ４で電磁クラッチ７の係合操作が開始され、その係合操作と同時進行でモータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍが徐々に低減して０に至る。これにより、走行用駆動源のトルクがモータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍからエンジン２のトルクへすり替わる。そして、時刻ｔ５で電磁クラッチ７が完全に係合して走行モードがエンジン２を駆動源とする走行モードへ切り替わる。

一方、図４に示すように、電磁クラッチ７に上述した故障が発生した場合、時刻ｔ２においてエンジン２の回転速度Ｎｅが始動可能限度Ｎｅｃへ達しても、故障Ｆにより電磁クラッチ７の解放操作ができない。そのため、クラッチトルクＴｑｃは一定のままである。時刻ｔ２における故障Ｆの判定に応答して、フューエルカットが行われてファイヤリングが中断される。そして、エンジン２の回転速度Ｎｅが入力軸１０の回転速度Ｎｉｎに達する時刻ｔ３の直前にモータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍが電磁クラッチ７が負担するクラッチトルクＴｑｃ分だけ低減される。これにより、故障が発生したままモータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍが低減されずに維持される場合よりもエネルギーが減少する。そのため、電磁クラッチ７で発生する振動が抑制される。その後、時刻ｔ４でファイヤリングが再開される。ファイヤリングの再開と同時にモータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍが低減されて０に至る。これにより、走行用駆動源のトルクがモータ・ジェネレータ３のトルクＴｑｍからエンジン２のトルクへすり替わる。なお、トルクＴｑｍが０に至ってトルクがすり替えられた後にエンジン２で走行を続けることは困難なので運転者に停車を促す警告を出力してもよい。

上記形態において、ＥＣＵ４０は図２の制御ルーチンを実行することにより本発明のクラッチ制御手段及びフェールセーフ手段としてそれぞれ機能する。但し、本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。クラッチの故障時にフューエルカットを行うことは必須ではない。フューエルカットを行わなくても電動機のトルクを低減することにより振動を抑制することは可能である。

本発明のエンジン始動システムが適用可能な車両としては図１の形態に限らない。例えば、図５に示すように、電動機としてのモータ・ジェネレータ６１が内蔵された変速機６０を搭載した車両１′でもよい。電動機の搭載箇所に制限はない。従って、電動機は、クラッチよりも出力側に設けられていればよい。例えば、電動機は、駆動輪が連結される差動機構や、駆動輪と差動機構との間に設けられてもよい。更に、電動機はインホイールモータとして駆動輪の内部に設けられてもよい。車両に搭載される変速機としては、デュアルクラッチトランスミッション（ＤＣＴ）でも、無段変速機（ＣＶＴ）でも、オートマチックトランスミッション（ＡＴ）でも構わない。

１、１′ 車両
２エンジン
３モータ・ジェネレータ（電動機）
７電磁クラッチ（クラッチ）
４０ＥＣＵ（クラッチ制御手段、フェールセーフ手段）

Claims

走行用駆動力を出力する動力伝達経路にクラッチを介してエンジンが連結されるとともに、前記動力伝達経路に電動機が連結されたハイブリッド車両に適用され、前記エンジンが停止した走行モード中に前記エンジンの始動要求があった場合に前記電動機のトルクを利用して前記エンジンを始動させるエンジン始動システムにおいて、
前記エンジンをクランキングするために前記クラッチを滑らせながら係合する半係合操作と、前記エンジンのクランキング開始後に前記エンジンの回転速度が始動可能限度を超えたことを条件として前記クラッチを解放する解放操作とを実行するクラッチ制御手段と、前記半係合操作後に前記クラッチを解放できない故障が発生した場合、前記クラッチのエンジン側回転速度が動力伝達経路側回転速度を超えない限度に達した時期に前記電動機のトルクを低減させるフェールセーフ手段と、を備えることを特徴とするエンジン始動システム。
前記フェールセーフ手段は、前記故障が発生した場合に前記エンジンに対してフューエルカットを行いながら前記電動機のトルクを低減させる、請求項１に記載のエンジン始動システム。
前記フェールセーフ手段は、前記エンジン側回転速度と前記動力伝達経路側回転速度とが一致した時期に又は前記エンジン側回転速度と前記動力伝達経路側回転速度との差が所定の安全マージンを超えた時期に前記電動機のトルクを低減させる、請求項１又は２に記載のエンジン始動システム。