JP6409393B2 - エンジン回転挙動予測装置及びエンジン始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン回転挙動予測装置及びエンジン回転挙動予測装置を備えるエンジン始動装置に関する。

従来より、所定のエンジン停止条件が成立したときにエンジンを自動停止させるアイドルストップを実施する車両に適用されるエンジン始動装置として、エンジン回転数降下中の再始動要求によってスタータのピニオンをエンジンのリングギヤに飛び込ませて、スタータモータを回転させることでエンジンをクランキングするものがある。

このようなエンジン始動装置では、エンジンが停止する直前の所定期間は、逆回転が発生する可能性のある期間として、再始動要求があったとしてもピニオンを駆動することを禁止し、例えばエンジンが完全停止した後にピニオンを駆動するのが一般的である。
しかし、この場合、実際には逆回転が発生しない場合でもピニオン駆動を禁止することになるため、無駄にピニオン駆動を禁止することで始動応答性を悪化させてしまう場合がある。

そこで、逆回転が生じると予測される場合のみ、ピニオンの駆動を禁止する技術が求められるが、そのためには、逆回転の発生を予測する技術、すなわち、エンジンが停止に至るまでのエンジンの回転挙動を予測する技術が求められる。

なお、特許文献１には、エンジンの逆回転発生を検出し、逆回転が発生していたらピニオン駆動を禁止する技術が開示されている。
しかしながら、逆回転発生を検出した時点では既にピニオンを押し出す指令信号が出されている場合があり、その場合には、逆回転中にピニオンがリングギヤに当接することになってしまう。このため、逆回転中の噛合いを防止することが困難となる。

特開２０１３−１５１８７８号公報

そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、エンジンの逆回転の発生を含めエンジンが停止に至るまでの回転挙動を予測するエンジン回転挙動予測装置の提供と、エンジン回転挙動予測装置を備えるエンジン始動装置を提供することにある。

本発明のエンジン回転挙動予測装置は、所定のエンジン停止条件が成立したときにエンジンを自動停止させるアイドリングストップを実施する車両に適用される。
そして、エンジン回転挙動予測装置は、クランク角検出手段、ＴＤＣ検出手段、クランク角変化率算出手段、およびエンジン回転挙動予測手段を備える。

クランク角検出手段は、エンジンのクランク軸の回転角であるクランク角Ｃを検出する。
ＴＤＣ検出手段は、エンジンの上死点を検出する。
クランク角変化率算出手段は、クランク角Ｃの変化率ΔＣを算出する。
エンジン回転挙動予測手段は、エンジンを自動停止させる際のエンジン回転数降下中に、上死点を基準とする所定のクランク角範囲におけるクランク角変化率ΔＣに基づいて、エンジンが停止するまでのエンジン回転挙動を予測する。

また、本発明の第１の態様によれば、上死点と次の上死点との間のクランク角幅をΔθ°とすると、エンジン回転挙動予測手段は、次の上死点に対する上死点前３／６｛Δθ°｝から上死点前１／６｛Δθ°｝までのクランク角範囲Ｘにおけるクランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ１未満になった場合、エンジンが逆回転を経た後に停止すると予測する。
さらに、エンジン回転挙動予測手段は、上死点と次の上死点との間であってクランク角範囲Ｘよりも次の上死点に近い所定のクランク角範囲Ｙにおけるクランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ２未満である場合、エンジンは逆回転を生じずに次の上死点付近で停止すると予測する。
本発明によれば、エンジンの逆回転の発生等、エンジンが停止に至るまでの回転挙動を予測することが可能である。このため、予測されるエンジンの回転挙動に応じたスタータの制御が可能となる。例えば、逆回転が生じると予測される場合のみ、スタータのピニオンの駆動を禁止する等の制御が可能となる。

エンジン始動装置の全体構成図である（実施例）。 停止に至るまでのエンジンの回転挙動（タイプ１）を説明する説明図である （実施例）。 タイプ１におけるエンジン回転数とクランク角のタイムチャートである（実 施例）。 停止に至るまでのエンジンの回転挙動（タイプ２）を説明する説明図である （実施例）。 タイプ２におけるエンジン回転数とクランク角のタイムチャートである（実 施例）。 停止に至るまでのエンジンの回転挙動（タイプ３）を説明する説明図である （実施例）。 タイプ３におけるエンジン回転数とクランク角のタイムチャートである（実 施例）。 タイプ１におけるエンジン回転数とクランク角のタイムチャートである（実施例）。 タイプ３におけるエンジン回転数とクランク角のタイムチャートである（実施例）。 エンジン回転挙動予測のフロー図である（実施例）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例の構成〕
本発明のエンジン回転挙動予測装置を備えるエンジン始動装置１を図１〜１０を用いて説明する。
図１に示すように、このエンジン始動装置１は、エンジン２の停止および再始動を自動制御するアイドルストップシステム搭載車両に適用され、エンジン２の始動を行うスタータ３と、スタータ３の作動を制御するスタータ制御手段として機能するＥＣＵ４等を備えている。

本実施例のエンジン２は、例えば火花点火式の４気筒ガソリンエンジンである。

本実施例のスタータ３は、飛び込み式スタータであって、モータ７、ピニオン８、及び電磁スイッチ９等により構成されている。
モータ７は、フレームを兼ねるヨークの内周に永久磁石（界磁コイルでも良い）を配置して構成される界磁（図示せず）、電機子軸の外周に整流子（図示せず）を備える電機子、整流子の外周上に配置されるブラシ（図示せず）等を有する直流整流子モータである。
このモータ７は、アイドル回転数までクランキング可能なモータ性能を有している。

ピニオン８は、モータ７の出力軸上に配される小径のギヤであり、リングギヤ１１に噛合うことでモータ７の回転力をリングギヤ１１に連結されたエンジン２のクランク軸１２に伝達する。

電磁スイッチ９は、シフトレバーを介してピニオン８を押し出してピニオン８をエンジン２のリングギヤ１１と噛合う噛合位置まで移動させるピニオン押出手段として機能するとともに、バッテリからモータ７への通電回路に設けられてモータ７への通電をオン・オフするモータスイッチとして機能する。なお、本実施例の電磁スイッチ９は、ピニオン８を押し出すソレノイドと、モータ６の通電電流をオン／オフするソレノイドとが同じであってもよいし、別々であってもよい。

ＥＣＵ４は、エンジン回転数を検出する回転数センサ１３、始動スイッチ（図示せず）、ブレーキセンサ（図示せず）等からの信号に基づいて、スタータ３への通電を制御するスタータ制御手段として機能する。

〔実施例の特徴〕
本実施例のエンジン始動装置１は、エンジン回転挙動装置を備える。
エンジンが停止に至るまでのエンジン回転挙動は主に３つのタイプ（タイプ１〜３）に分類される。図２及び図３を用いてタイプ１を、図４及び図５を用いてタイプ２を、図６及び図７を用いてタイプ３を説明する。

なお、以下の説明では、所定のエンジン回転数以下となって最初に現れる上死点を例えば第１気筒と第３気筒の上死点（以下、ＴＤＣ_１と呼ぶ）とし、次の上死点を例えば第２気筒と第４気筒の上死点（以下、ＴＤＣ_２と呼ぶ）として説明する。すなわち、４気筒エンジンの１サイクルに現れる上死点という観点で、第１気筒と第３気筒の上死点の次の上死点は、第２気筒と第４気筒が上死点となる点である。なお、さらにその次の上死点は、さらにクランク軸が回転して第１気筒と第３気筒の上死点となる点である。

＜タイプ１＞
ＴＤＣ_１とＴＤＣ_２との中間位置を越えて、エンジン停止に向かおうとするものの、エンジン停止直前にクランク軸の回転力よりも圧縮圧力が勝り、逆回転を生じる（図２及び図３における［３］、［４］、［５］）。そして、ＴＤＣ_１とＴＤＣ_２との中間位置で安定して停止する（図２及び図３における［５］）。

＜タイプ２＞
クランク軸の回転力と圧縮圧力とがＴＤＣ_２で釣り合い、ＴＤＣ_２で停止する（図４及び図５における[３]）。

＜タイプ３＞
ＴＤＣ_２で回転が停止せず、ＴＤＣ_２を越えて回転し（図６及び図７における［３］〜［４］）、ＴＤＣ_２を越えた所定位置で停止する（図６及び図７における［４］）。

本実施例では、エンジン回転挙動装置によって、この３つのいずれのタイプで停止するのかを予測する。
以下に、予測方法の概要を説明する。

＜タイプ１＞
ここで、ＴＤＣ_１とＴＤＣ_２との間のクランク角間隔をΔθ°とする。
タイプ１におけるクランク角の時間変化をみると、図３に示すように、逆回転を生じる場合は、逆回転を生じる前に、ＴＤＣ_２に対する上死点前３／６｛Δθ°｝（図３ではＢＴＤＣ３／６｛Δθ°｝と表記）を越えた辺りから、クランク角Ｃの変化の鈍化が生じている。このため、このクランク角Ｃの変化の鈍化の発生を把握することで、タイプ１でエンジン２が停止することを予測できる。

発明者は、特に、上死点前１／６｛Δθ°｝〜上死点前３／６｛Δθ°｝のクランク角範囲Ａでクランク角Ｃの変化の鈍化が生じると、その後に逆回転が発生するということを発見した。上死点前１／６｛Δθ°｝〜上死点前３／６｛Δθ°｝とは、上死点と次の上死点の行程を６分割した内の３／６以上５／６以下の領域のことである。すなわち、本実施例では、最初の上死点（ＴＤＣ_１）を０°、次の上死点（ＴＤＣ_２）を１８０°とすると、クランク角範囲Ａは９０°≦Ｃ≦１５０°である。

また、さらに範囲を絞って、上死点前１／６｛Δθ°｝〜上死点前２／６｛Δθ°｝のクランク角範囲Ｘ（本実施例では１２０°≦Ｃ≦１５０°）でクランク変化率ΔＣが所定値未満になると、逆回転角度がより多くなるということも発見した。すなわち、上死点前２／６｛Δθ°｝〜上死点前１／６｛Δθ°｝までのクランク角範囲Ｘにおけるクランク変化率ΔＣが所定値未満なった場合、エンジンが所定角度以上の逆回転を経た後に停止すると予測できる。

一般的に逆回転が生じている際にピニオン８の押出しを禁止するが、小さい角度の逆回転であればギヤ磨耗やリングギヤとの当接音の観点から逆回転中であってもピニオン８のリングギヤ１１への押出しが許容される場合がある。この場合、このピニオン押出しが許容される逆回転角度を許容逆回転角度として予め定めている。
「所定角度以上の逆回転」とは、例えばこの許容逆回転角度以上の逆回転のことである。

＜タイプ２＞
タイプ２におけるクランク角の時間変化をみると、図５に示すように、ＴＤＣ２直前の所定のクランク角範囲Ｙにおけるクランク角Ｃの変化の鈍化が生じている。
このため、クランク角範囲Ｙにおけるクランク角Ｃの鈍化の発生を把握することで、タイプ２でエンジン２が停止することを予測できる。

ここで、ＴＤＣ_２直前の所定のクランク角範囲Ｙとは、例えば、ＴＤＣ_２に対する上死点前１／６｛Δθ°｝以降でＴＤＣ_２の手前までのクランク角範囲である。すなわち、上死点前と次の上死点前の行程を６分割した内の５／６以上６／６未満の領域(本実施例では１５０°≦Ｃ＜１８０°)である。

＜タイプ３＞
タイプ３におけるクランク角の時間変化をみると、図７に示すように、ＴＤＣ２直前の所定のクランク角範囲Ｙにおけるクランク角Ｃの変化の鈍化が生じている。しかし、タイプ２とは異なり、ＴＤＣ２直前でのエンジン回転数がある程度大きい（図７における[３]）。
このため、タイプ２よりも大きい閾値を用いてクランク角Ｃの鈍化の発生を把握することで、タイプ３でエンジンが停止することを予測できる。

以下に、エンジン回転挙動予測装置の構成を説明する。
エンジン回転挙動予測装置は、クランク角センサ１５、回転数センサ１３、クランク角変化率算出手段およびエンジン回転挙動予測手段等により構成されている。
なお、ＥＣＵ４がクランク角変化率算出手段およびエンジン回転挙動予測手段として機能する。

クランク角センサ１５は、上死点を検出できるとともに、エンジンのクランク軸１２の回転角であるクランク角Ｃを検出可能な検出器である。

クランク角変化率算出手段は、クランク角センサ１５で出力されるクランク角の変化量の時間変化を所定のサンプリング周期で算出するものである。すなわち、クランク角変化率は、クランク角のタイムチャートの傾きを算出するものである。

エンジン回転挙動予測手段は、エンジン２を自動停止させる際のエンジン回転数降下中に、上死点を基準とする所定のクランク角範囲におけるクランク角変化率ΔＣに基づいて、エンジン２が停止するまでのエンジン回転挙動を予測する。すなわち、上述の予測方法の概要に沿って、タイプ１〜３に当てはまる回転挙動を予測する。

具体的には、クランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ１未満になったときのクランク角が上死点前１／６｛Δθ°｝〜上死点前２／６｛Δθ°｝のクランク角範囲Ｘ内であれば、エンジン２が所定角度以上の逆回転を経た後に停止すると予測する。すなわち、エンジン回転挙動はタイプ１となると予測する（図８参照。）。
なお、図８には、クランク角変化率ΔＣの経時変化は図示されておらず、エンジン回転数Ｎｅの経時変化を示すラインにおいて、閾値Ｃ１相当の値を図示した。

また、クランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ３未満になったときのクランク角がＴＤＣ２直前の所定のクランク角範囲Ｙ内である場合、エンジン２がＴＤＣ２を超えて停止すると予測する。すなわち、エンジン回転挙動はタイプ３となると予測する。この閾値Ｃ３は閾値Ｃ１よりも大きい値である（図９参照。）。
なお、図９には、クランク変化率ΔＣの経時変化は図示されておらず、エンジン回転数Ｎｅの経時変化を示すラインにおいて、閾値Ｃ３相当の値を図示した。

また、クランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ２未満になったときのクランク角がＴＤＣ２直前の所定のクランク角範囲Ｙ内である場合、エンジン２がＴＤＣ２で停止すると予測する。すなわち、エンジン回転挙動はタイプ２となると予測する。なお、この閾値Ｃ２は閾値Ｃ１よりも大きい値である。また、閾値Ｃ３は閾値Ｃ２よりも小さい。

以下、図１０のフローを用いて、図８、９を参照しつつ、エンジン回転挙動予測の具体的な流れを説明する。

まず、ステップＳ１では、エンジン自動停止制御中か否かを判定する。すなわち、アイドルストップシステム搭載車両では、エンジン運転中にエンジン自動停止要求が生じると、燃料噴射がカットされて、エンジン回転数Ｎｅが停止に向かって降下するが、そのエンジン回転数降下期間か否かをここで判定する。
この判定結果がＹＥＳであれば、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、クランク角変化率ΔＣが閾値Ｃ３よりも小さいか否かを判定する。小さい場合には、ステップＳ３に進み、クランク角Ｃがクランク角範囲Ｙ内であるか否かを判定する。
クランク角範囲Ｙ内であれば、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、クランク角変化率ΔＣが閾値Ｃ２以上か否かを判定する。クランク角変化率ΔＣが閾値Ｃ２以上であるならば、エンジン回転挙動はタイプ３になると予測する（ステップＳ５）。
また、クランク角変化率ΔＣが閾値Ｃ２未満であるならば、エンジン回転挙動はタイプ２になると予測する（ステップＳ６）。

ステップＳ３での判定結果がＮＯである場合、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７では、クランク角変化率ΔＣが閾値Ｃ１よりも小さいか否かを判定する。小さい場合には、ステップＳ８に進み、クランク角Ｃがクランク角範囲Ｘ内であるか否かを判定する。
クランク角範囲Ｘ内であれば、エンジン回転挙動は、エンジンが所定角度以上の逆回転を経た後に停止するタイプ（タイプ１）になると予測する（ステップＳ９）。

以上により、エンジン回転挙動がタイプ１〜３に当てはまる場合を予測する。
そして、その後、予測されたタイプ毎にスタータ３を制御する。
例えば、図１０のフローにおいて、タイプ１と予測された場合、閾値Ｃ１未満となってタイプ１と予測された時点ｔ１から所定時間をピニオン８の押し出しを禁止する禁止時間とする。すなわち、再始動要求があってもただちにピニオン８を押し出さず、所定時間待機させた後に押し出すようにする。逆回転中にピニオン８をリングギヤ１１に当接させないようにするためである。

また、タイプ３と予測された場合には、閾値Ｃ３未満となってタイプ３と予測された時点ｔ３から所定時間をピニオン８の押し出しを禁止する禁止時間とする。タイプ２では上死点を超える際にエンジン回転数が上昇するため、この期間はピニオン８とリングギヤ１１との相対回転数を小さく制御することが困難な場合があるからである。

〔本実施例の作用効果〕
本実施例のエンジン始動装置１は、エンジン回転挙動装置を備える。
エンジン回転挙動装置は、エンジン回転挙動予測装置は、クランク角センサ１５、回転数センサ１３、クランク角変化率算出手段およびエンジン回転挙動予測手段等により構成されている。エンジン回転挙動予測手段は、エンジン２を自動停止させる際のエンジン回転数降下中に、上死点を基準とする所定のクランク角範囲におけるクランク角変化率ΔＣに基づいて、エンジン２が停止するまでのエンジン回転挙動を予測する。

これによれば、エンジン２の逆回転の発生等、エンジン２が停止に至るまでの回転挙動を予測することが可能である。このため、予測されるエンジン２の回転挙動に応じたスタータ３の制御が可能となる。例えば、逆回転が生じると予測される場合のみ、スタータ３のピニオン８の駆動を禁止する等の制御が可能となる。

また、本実施例では、逆回転を経て停止するタイプ（タイプ１）と、逆回転を生じないで上死点で安定して停止するタイプ（タイプ２）、逆回転を生じないで上死点を超えて停止するタイプ（タイプ３）の３つのエンジン２の回転挙動を予測可能である。
このため、それぞれのタイプに応じたスタータ３の制御をすることが可能となる。

特に、逆回転を経て停止するタイプの場合に、ピニオン８の押し出しを所定時間禁止することによって、逆回転中のリングギヤ１１にピニオン８が当接する際に生じる磨耗や当接音による騒音を低減することができる。

〔変形例〕
実施例の図１０のフローでは、ステップＳ８でクランク角Ｃがクランク角範囲Ｘ内であるか否かを判定したが、クランク角範囲Ａ内であるか否かを判定してもよい（図３参照）。そして、その判定がＹＥＳの場合に、エンジン回転挙動がタイプ１となると予測し、ピニオン８の押し出しを所定時間禁止してもよい。

また、実施例では、スタータ制御手段として機能するＥＣＵ４が、クランク角変化率算出手段およびエンジン回転挙動予測手段としても機能していたが、クランク角変化率算出手段およびエンジン回転挙動予測手段がＥＣＵ４とは異なるマイコン等に搭載されていてもよい。そして、予測結果をＥＣＵ４に送信してもよい。

１ エンジン始動装置
２ エンジン
３ スタータ
４ ＥＣＵ（クランク角変化率算出手段、エンジン回転挙動予測手段）
１２ クランク軸
１５ クランク角センサ（クランク角検出手段、ＴＤＣ検出手段）

Claims (5)

1. 所定のエンジン停止条件が成立したときにエンジン（２）を自動停止させるアイドリングストップを実施する車両に適用され、
   前記エンジン（２）のクランク軸（１２）の回転角であるクランク角Ｃを検出するクランク角検出手段（１５）と、
   前記エンジン（２）の上死点を検出するＴＤＣ検出手段（１５）と、
   前記クランク角Ｃの変化率であるクランク角変化率ΔＣを算出するクランク角変化率算出手段（４）と、
   前記エンジン（２）を自動停止させる際のエンジン回転数降下中に、前記上死点を基準とする所定のクランク角範囲（Ｘ、Ｙ）における前記クランク角変化率ΔＣに基づいて、前記エンジン（２）が停止するまでのエンジン回転挙動を予測するエンジン回転挙動予測手段（４）とを備え、
   上死点と次の上死点との間のクランク角幅をΔθ°とすると、
   前記エンジン回転挙動予測手段（４）は、
   前記次の上死点に対する上死点前３／６｛Δθ°｝から上死点前１／６｛Δθ°｝までのクランク角範囲（Ｘ）におけるクランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ１未満になった場合、前記エンジン（２）が逆回転を経た後に停止すると予測し、
   さらに、前記上死点と前記次の上死点との間であって前記エンジン（２）が逆回転を経た後に停止するか否かの予測を行うクランク角範囲（Ｘ）よりも前記次の上死点に近い所定のクランク角範囲（Ｙ）におけるクランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ２未満である場合、前記エンジン（２）は逆回転を生じずに前記次の上死点付近で停止すると予測することを特徴とするエンジン回転挙動予測装置。
2. 請求項１に記載のエンジン回転挙動予測装置において、
   前記エンジン回転挙動予測手段（４）は、
   前記次の上死点に対する上死点前２／６｛Δθ°｝〜上死点前１／６｛Δθ°｝までのクランク角範囲におけるクランク角変化率ΔＣが所定の閾値Ｃ１未満なった場合、前記エンジン（２）が所定角度以上の逆回転を経た後に停止すると予測することを特徴とするエンジン回転挙動予測装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のエンジン回転挙動予測装置において、
   前記エンジン回転挙動予測手段（４）は、
   前記上死点と前記次の上死点との間であって前記エンジン（２）が逆回転を経た後に停止するか否かの予測を行うクランク角範囲（Ｘ）よりも前記次の上死点に近い所定のクランク角範囲（Ｙ）におけるクランク角変化率ΔＣが、閾値Ｃ２よりも大きい所定の閾値Ｃ３未満、かつ、閾値Ｃ２以上である場合、前記エンジン（２）は逆回転を生じずに前記次の上死点を超えて停止すると予測することを特徴とするエンジン回転挙動予測装置。
4. 請求項１ないし請求項３の内のいずれか１つに記載のエンジン回転挙動予測装置と、
   回転力を発生するモータ（６）、前記エンジン（２）のリングギヤ（１１）に前記モータ（６）の回転力を伝達するピニオン（８）、および、前記ピニオン（８）を前記リングギヤ（１１）に向けて押し出すピニオン押出手段（９）を有するスタータ（３）と、
   前記スタータ（３）の駆動を制御するスタータ制御手段（４）とを備え、
   前記スタータ制御手段（４）は、前記エンジン回転挙動予測装置からの予測結果に応じて、前記スタータ（３）の駆動を制御することを特徴とするエンジン始動装置。
5. 請求項４に記載のエンジン始動装置において、
   前記スタータ制御手段（４）は、前記エンジン回転挙動予測装置が、逆回転を経た後に前記エンジン（２）が停止すると予測した場合に、前記ピニオン（８）の押し出しを所定時間禁止することを特徴とするエンジン始動装置。

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