JP4737128B2 - エンジンの始動制御装置及び始動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの始動制御装置及び始動制御方法に関する。

車両の駆動源として内燃機関（以下、エンジン）とモータの双方を搭載したハイブリッド車では、エンジンの始動のためのクランキングをジェネレータをモータとして使用して行うが、このジェネレータに電力を供給するバッテリは時間の経過と共に充放電性能が劣化し、出力電圧が低下していく。
特許文献１，２は、バッテリの劣化状態をクランキング回転数等から判別する技術を開示している。
特開２００６−２４０５４１号公報 特開平１１−１７８２３３号公報

ところで、バッテリが劣化していると、圧縮工程中の気筒内での空気の圧縮反力等が作用してクランキング時にクランキング回転数が必要な回転数まで上昇せずエンジンの始動が困難になる。特に、寒冷環境では、エンジンの始動が一層困難になる場合がある。ハイブリッド車では、２００Ｖ程度の高電圧のバッテリを使用しているため、これが劣化してエンジンの始動が困難になると、エンジンの再始動が容易ではない。また、バッテリの配線劣化による内部抵抗増加、エンジンオイルの劣化によるフリクション増加等もエンジンのクランキング回転数上昇の妨げになる。

本発明は、上記の問題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、バッテリ劣化等の要因によりクランキング回転数が上昇しにくい状況であってもエンジンの始動を可能にするエンジンの始動制御装置及び始動制御方法を提供することにある。

本発明に係るエンジンの始動制御装置は、クランキング時のクランキング回転数が所定期間内に所定回転数に達しない場合に、燃焼室への燃料供給を停止すると共に実圧縮比を低減させる実圧縮比低減手段と、前記実圧縮比の低減により前記クランキング回転数がエンジンが始動可能な回転数に上昇したところで、前記燃焼室へ燃料を供給し前記実圧縮比を上昇させて点火を行う実圧縮比上昇手段と、を有する
この構成によれば、クランキング時のクランキング回転が適切に上昇していかない場合に、燃焼室内の圧縮圧が低減されることにより、クランクシャフトが回転しやすくなってクランキング回転数が上昇し、エンジン始動可能な回転数になったところで、燃料供給、圧縮圧の上昇及び点火を行う。

上記構成において、前記実圧縮比低減手段は、吸気バルブを閉じるタイミングを遅角させて前記実圧縮比を低減させ、前記実圧縮比上昇手段は、吸気バルブを閉じるタイミングを進角させて前記実圧縮比を上昇させる、構成を採用できる。
この構成によれば、可変バルブタイミング機構により、実圧縮比の制御が可能になる。

上記構成において、前記エンジンは、前記吸気バルブに対して電動式の可変バルブタイミング機構を備えている、構成を採用できる。

本発明のエンジンの始動制御方法は、クランキング時のクランキング回転数が所定期間内に所定回転数に達しない場合に、燃焼室への燃料供給を停止すると共に実圧縮比を低減させ、前記クランキング回転数がエンジンが始動可能な回転数に上昇したところで、前記燃焼室へ燃料を供給すると共に前記実圧縮比を上昇させて点火を行う、ことを特徴としている。

本発明によれば、エンジンのクランクシャフトを回転させるモータに電力を供給するバッテリの充放電性能の劣化等の原因によりクランキング回転数が上昇しにくい状況であってもエンジンの始動が可能になる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明に係る始動制御装置が適用されるハイブリッド車両の概略構成図であり、図２は図１のハイブリット車両のエンジンの構成を示す図である。
このハイブリッド車両２０は、エンジン２２、エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）２４、モータ／ジェネレータＭＧ１，モータ／ジェネレータＭＧ２、動力分配統合機構３０、減速ギヤ３５、モータ電子制御ユニット（モータＥＣＵ）４０、インバータ４１，４２、バッテリ５０、ギヤ機構６０、ハイブリッド用電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０等を備えている。

エンジン２２は、そのクランクシャフト２６がダンパ２８を介して動力分配統合機構３０のキャリア３４に連結されている。
動力分配統合機構３０は、モータ／ジェネレータＭＧ１のロータと連結されたサンギア３１、サンギア３１の外周に同心状に配置されると共に減速ギア３５の出力側と連結されたリングギア３２、サンギア３１とリングギア３２とに噛合いするピニオンギア３３、ピニオンギア３３を保持するキャリア３４等から構成され、リングギヤ３２に連結されたリングギア軸３２ａは、減速ギア３５の出力側に接続されていると共に、ギヤ機構６０の入力ギヤに連結されている。
モータ／ジェネレータＭＧ２は、そのロータが減速ギアの入力側に接続されている。

エンジン２２の出力軸であるクランクシャフト２６の回転は、モータ／ジェネレータＭＧ１及びギヤ機構６０及びディファレンシャルギア６２を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに分配されるようになっている。
また、モータ／ジェネレータＭＧ２の回転は、減速機３５を介してリングギヤ軸３２ａに出力され、ギヤ機構６０及びディファレンシャルギア６２を介して駆動輪６３ａ，６３ｂに入力可能になっている。

インバータ４１，４２は、バッテリ５０の直流を３相交流に変換してモータ／ジェネレータＭＧ１、ＭＧ２にそれぞれ供給すると共に、モータ／ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で発電された３相交流を直流に変換してバッテリ５０へ供給できるようになっている。

モータＥＣＵ４０は、モータ／ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ設けられた回転位置検出センサ４３，４４からの信号に基づいて、インバータ４１，４２を駆動し、モータ／ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を回転制御する。

バッテリ５０は、モータ／ジェネレータＭＧ１で発電された電力を蓄え、発進時、加速時、登坂時等にモータ／ジェネレータＭＧ２へ電力を供給し、減速時にモータ／ジェネレータＭＧ２で回生発電した電力を蓄える。バッテリ５０は、２００ボルト程度の電圧で電力の供給及び充電を行う。
バッテリＥＣＵ５２は、バッテリ５０に設けられた温度センサ５１からの信号等に基づいて、バッテリ５０の充電状態の監視を行う。
サブバッテリ５３は、補機類や後述するＶＶＴ１５０を駆動する電力を供給する。このサブバッテリ５３は、バッテリＥＣＵ５２よりも低電圧であり、例えば、１２Ｖ程度である。

ハイブリットＥＣＵ７０は、ＣＰＵ７２、ＲＯＭ７４、ＲＡＭ７６等のハードウエアと所要のソフトウエアで構成され、イグニションスイッチ８０、シフトレバー８１に設けられたシフトポジションセンサ８２、アクセルペダル８３に設けられたアクセルポジションセンサ８４、ブレーキペダル８５に設けられたブレーキペダルセンサ８６、車速センサ８８等からの信号が入力され、運転状態に応じたエンジン２２の出力及びモータトルクを求め、各ＥＣＵへ要求値を出力することにより、駆動力を制御する等の機能を備えている。尚、ハイブリットＥＣＵ７０は、は、エンジンの始動制御装置を構成する。

図２に示すように、エンジン２２は、シリンダブロックに形成された燃焼室１３１の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室１３１内でピストン１３２を往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態のエンジン２２は車両用多気筒エンジン（例えば４気筒エンジン、１気筒のみ図示）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

エンジン２２のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁１２８と、排気ポートを開閉する排気弁１２９とが気筒ごとに配設されている。各吸気弁１２８および各排気弁１３０は図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室１３１内の混合気に点火するための点火プラグ１３０が気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートの上流側には吸気集合通路をなす吸気管が接続されており、吸気管の上流端にはエアクリーナ１２２が設けられている。そして、吸気管には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１４８と、温度センサ１４９と、スロットルバルブ１２４とが組み込まれている。スロットルバルブ１２４には、これを駆動するスロットルモータ１３６が設けられていると共にスロットルバルブポジションセンサ１４６が設けられている。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２６が気筒ごとに配設される。インジェクタ１２６から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁１２８の開弁時に燃焼室１３１に吸入され、ピストン１３２で圧縮され、点火プラグ１３０で点火燃焼させられる。

各気筒の排気ポートの下流側には排気管が接続されており、排気管には、下流側に三元触媒からなる浄化装置１３４が取り付けられている。また、浄化装置１３４の上流側には排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１３５ａが設けられ、下流側には排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ１３５ｂが設けられている。

シリンダヘッド上には、可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）１５０が設けられている。ＶＶＴ１５０は、吸気バルブ１２８側のカムシャフトの位相をエンジンＥＣＵ２４からの指令に応じて可変する。
このＶＶＴ１５０に対しては、図３に示すように、モータ１５１Ａ及びその駆動回路１５１Ｂからなる電動駆動部１５１が設けられている。すなわち、ＶＶＴ１５０は、エンジンの状態に関係なく位相可変可能な電動式の可変バルブタイミング機構であり、油圧駆動式に比べて応答性がよい。

エンジンＥＣＵ２４は、図２に示すように、ＣＰＵ２４ａ、ＲＯＭ２４ｂ、ＲＡＭ２４ｃ等のハードウエアと所要のソフトウエアで構成され、空燃比センサ１３５ａ、酸素センサ１３５ｂ、クランクポジションセンサ１４０、水温センサ１４２、カムポジションセンサ１４４、スロットルバルブポジションセンサ１４６、エアフローメータ１４８、温度センサ１４９等からの信号が入力されると共に、スロットルモータ１３６、イグニションコイル１３８、ＶＶＴ１５０の電動駆動部１５１等に制御信号を出力する。

ここで、図４はＶＶＴ１５０による吸気弁の閉タイミングを進角させたとき（ＶＶＴ進角時）の吸排気弁のバルブタイミングの関係を示す図であり、図５は吸気弁の閉タイミングを遅角させたとき（ＶＶＴ遅角時）の吸排気弁のバルブタイミングの関係を示す図である。また、図６はＶＶＴ進角時とＶＶＴ遅角時とにおけるクランキング時の気筒内の圧縮圧力の変動を示すグラフである。
ＶＶＴ１５０による吸気弁の閉タイミングを進角させると、エンジン２２はオットーサイクルで運転される。また、ＶＶＴ１５０による吸気弁の閉タイミングを遅角させると、エンジン２２は、アトキンソンサイクルで運転される。

図４及び図５からわかるように、吸気バルブの閉タイミングを遅角して、圧縮行程中も吸気バルブを開かせておくようにすれば、エンジンの実圧縮比が低減されて、その分クランキングシャフトに作用する圧縮反力が低下されるため、始動時のクランキングシャフトに作用する回転反力が低減されるようになる。すなわち、吸気弁の閉タイミングを進角させると、圧縮領域が相対的に長くなり（実圧縮比が相対的に上昇し）、吸気弁の閉タイミングを遅角させると、圧縮領域が相対的に短くなる（実圧縮比が相対的に低減される）。このため、図６に示すように、クランキング時には、吸気弁の閉タイミングを遅角させると、進角させた場合よりも、圧縮工程中の実圧縮比が大幅に下がり、クランキング回転数が上昇しやすくなる。尚、図５に示す状態がいわゆるデコンプ状態である。

次に、ハイブリットＥＣＵ７０によるエンジンの始動制御の一例について、図７のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ハイブリットＥＣＵ７０はクランキングを開始させる（ステップＳ１）。具体的には、ハイブリットＥＣＵ７０は、モータＥＣＵ４０へ指令を与え、モータＥＣＵ４０は、インバータ４１を制御してバッテリ５０に蓄えられた電力を三相交流に変換してモータ／ジェネレータＭＧ１を駆動制御し、エンジン２２のクランキングを行う。

次に、ハイブリットＥＣＵ７０は、クランキングを開始した後、所定期間Ａが経過したかを判断する（ステップＳ２）。所定期間Ａが経過した場合には、クランキング回転数（エンジン回転数ＮＥ）が所定回転数４００ｒｐｍ以下かを判断する（ステップＳ３）。
ここで、図８に示すように、バッテリ５０が正常な場合には、クランキング所定期間Ａを経過すると、エンジン回転数ＮＥは、エンジン始動が可能である所定回転数４００ｒｐｍ程度に到達する。この場合には、ＶＶＴ１５０による吸気弁の閉タイミングは進角状態にあり、燃料噴射及び点火が行われて、エンジン２２が始動する。

一方、バッテリ５０が劣化等していると、図９に示すように、エンジン回転数ＮＥは、所定期間Ａ内に所定回転数４００ｒｐｍまで到達しないことがある。
そこで、ハイブリットＥＣＵ７０は、ステップＳ３において、クランキング回転数が４００ｒｐｍ以下である場合には、バッテリ５０が劣化等していると判断し、圧縮圧を低減する（ステップＳ４）。具体的には、ＶＶＴ１５０により吸気弁の閉タイミングを遅角させてデコンプ状態にして、圧縮圧を低減する。このとき、電動駆動部１５１によりＶＶＴ１５０を駆動するため、エンジンの駆動状態によらず、吸気弁の閉タイミングを確実に遅角させることができる。
これと同時に、燃料噴射をカットして燃焼室１３１への燃料供給を停止する。未燃ガスの放出を防ぐためである。
尚、バッテリ５０の劣化判断については、所定量のデコンプをさせた状況で、例えば、４００ｒｐｍに達しないときに初めてバッテリ５０が劣化していると判断してもよい。また、バッテリ５０があ劣化していると判断した時点で、警告ランプの点灯等によりユーザに知らせることも可能である。これにより、デコンプにより退避走行中であることをユーザ（ドライバ）に知らせることができ、デコンプで始動余力のある範囲で始動不可能となる前に修理工場などへ退避走行することが可能となる。

エンジン２２をデコンプ状態にしてクランキングを継続すると、バッテリ５０に余力があれば、図９に示すように、クランキング回転数（エンジン回転数）はが上昇していき、エンジン始動が可能である所定回転数４００ｒｐｍ程度に到達する。この状態では、クランクシャフトの回転はフライフォイールにより回転惰性がついた状態となっている。
ハイブリットＥＣＵ７０は、エンジン始動が可能である所定回転数４００ｒｐｍに到達したかを判断し（ステップＳ５）、所定回転数４００ｒｐｍに到達した場合には、圧縮圧を上昇させる（ステップＳ６）。具体的には、図９に示すように、ＶＶＴ１５０により吸気弁の閉タイミングを再び進角させると共に、燃料を噴射させ、混合気に点火する。

尚、ステップＳ５において、バッテリ５０が劣化し、デコンプ状態にしても所定回転数４００ｒｐｍに到達しない場合には、例えば、警告ランプの点灯等により、エンジン２２を始動できないことをユーザに知らせる（ステップＳ７）。

以上のように、本実施形態によれば、バッテリ５０の劣化等により、クランキング回転数が上昇しにくい場合であっても、燃焼室の圧縮圧を低減することにより、エンジン２２の始動が可能になる。

上記実施形態では、本発明の始動制御装置を図１に示したハイブリッド車両へ適用した場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、他の形式のハイブリッド車両への適用も可能である。また、ハイブリッド車両ではなく、駆動源が内燃機関のみのセルモータでクランキングを行う車両にも本発明を適用可能である。

上記実施形態では、電動駆動部１５１によりＶＶＴ１５０を駆動した場合について説明したが、ＶＶＴ１５０を油圧駆動とすることもできる。

上記実施形態では、吸気バルブを閉じるタイミングを遅角させることにより圧縮圧を変更する場合について説明したが、これに限定されるわけではなく、圧縮圧を可変できる他の手段を採用することも可能である。

本発明に係る始動制御装置が適用されるハイブリッド車両の概略構成図である。 図１のハイブリット車両のエンジンの構成を示す図である。 電動式の可変バルブタイミング機構の概略構成図である。 ＶＶＴ進角時の吸排気弁のバルブタイミングの関係を示す図である ＶＶＴ遅角時の吸排気弁のバルブタイミングの関係を示す図である。 ＶＶＴ進角時とＶＶＴ遅角時とにおけるクランキング時の気筒内の圧縮圧力の変動を示すグラフである。 ハイブリットによるエンジンの始動制御の一例を示すフローチャートである。 バッテリ正常時におけるＶＶＴ制御及び燃料噴射・点火のタイミング及びエンジン回転数を示すグラフである。 バッテリ劣化時におけるＶＶＴ制御及び燃料噴射・点火のタイミング及びエンジン回転数を示すグラフである。

符号の説明

２０…ハイブリッド車両
２２…エンジン
２４…エンジンＥＣＵ
３０…動力分配統合機構
３５…減速ギヤ
４０…モータＥＣＵ
４１，４２…インバータ
５０…バッテリ
５３…サブバッテリ
６０…ギヤ機構
７０…ハイブリッド用ＥＣＵ
ＭＧ１，ＭＧ２…モータ／ジェネレータ

Claims (4)

1. バッテリから供給される電力によりクランキングモータを回転させるクランキング時のクランキング回転数がクランキング開始から所定期間内に所定回転数に達したかを判断する手段と、
   前記所定回転数に達しない場合に、前記バッテリの劣化と判断して、燃焼室への燃料供給を停止すると共に実圧縮比を低減させる実圧縮比低減手段と、
   前記実圧縮比の低減により前記クランキング回転数がエンジンが始動可能な回転数に上昇したところで、前記燃焼室へ燃料を供給し前記実圧縮比を上昇させて点火を行う実圧縮比上昇手段と、
   を有することを特徴とするエンジンの始動制御装置。
2. 前記実圧縮比低減手段は、吸気バルブを閉じるタイミングを遅角させて前記実圧縮比を低減させ、
   前記実圧縮比上昇手段は、吸気バルブを閉じるタイミングを進角させて前記実圧縮比を上昇させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの始動制御装置。
3. 前記エンジンは、前記吸気バルブに対して電動式の可変バルブタイミング機構を備えている、ことを特徴とする請求項２に記載のエンジンの始動制御装置。
4. バッテリから供給される電力によりクランキングモータを回転させるクランキング時のクランキング回転数がクランキング開始から所定期間内に所定回転数に達したかを判断し、
   前記所定期間内に所定回転数に達しない場合に、前記バッテリの劣化と判断して、燃焼室への燃料供給を停止すると共に実圧縮比を低減させ、
   前記クランキング回転数がエンジンが始動可能な回転数に上昇したところで、前記燃焼室へ燃料を供給すると共に前記実圧縮比を上昇させて点火を行う、
   ことを特徴とするエンジンの始動制御方法。

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