JP5206424B2

JP5206424B2 - オルタネータの発電制御装置

Info

Publication number: JP5206424B2
Application number: JP2009001769A
Authority: JP
Inventors: 賢午米倉; 賢吾久保
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP2010159671A

Description

本発明は、エンジン始動時のオルタネータの発電負荷を低減して排気エミッションを改善するオルタネータの発電制御装置に関する。

特に、近年の灯火類の光度の上昇や各種電装品の増加に伴ってオルタネータが大型化する傾向がある。エンジンの冷態始動時はオイル粘度が高いため、エンジンのフリクションが大きい。そのため冷態始動時にオルタネータを駆動して発電を行わせると、オルタネータの駆動トルクがエンジンにとっては大きな負荷となり、排気のガスボリュームが増加し、ＨＣ排出量が増加する。

そこで、冷態始動時に空然比フィードバック制御状態およびバッテリ電圧をモニターし、空燃比フィードバック制御の開始後でかつバッテリ電圧が設定電圧より高い場合にオルタネータを非駆動状態として発電を停止し、エンジンの消費空気量を減らしＨＣの排出を抑制するものがある（特許文献１参照）。

特開２００２−２７６４１４号公報

ところで、車両を低温の状態で放置した後のエンジンの始動時、例えば氷点下での始動時には、排気管内の凝縮水の影響により空燃比フィードバック制御の開始までにより時間がかかる。さらに低温の状態ではバッテリ性能が低下する。上記特許文献１の技術では空燃比フィードバック制御の開始までオルタネータを非駆動状態として発電を行わないので、空燃比フィードバック制御が開始される直前までバッテリ電圧は低下し続けることになる。その後、バッテリ電圧が設定電圧以下になると、オルタネータを駆動状態として発電を開始する。すなわち、氷点下のような環境条件であるために始動直後のアイドル運転時間が長びくときには、オルタネータ負荷によりガスボリュームが増加している状態で発電が行われることになり、ＨＣ排出量を効果的に抑制できない。

そこで本発明は、空燃比フィードバック制御の開始前でも、オルタネータによる発電を行い得る装置を提供することを目的とする。

本発明は、エンジンによって駆動され発電を行うオルタネータを備え、エンジンの冷機始動時であって、バッテリ電圧が所定値以上のときにオルタネータを非駆動状態として発電を停止させた状態でエンジンを始動し、その後にバッテリ電圧が前記所定値以下になるとオルタネータを駆動状態として発電を行わせると共に、排気通路に設けられる三元触媒と、前記三元触媒の上下流に設けられる空燃比センサとを備え、前記空燃比センサが活性化したタイミングで空燃比フィードバック制御を開始し、前記空燃比フィードバック制御の開始前に車両の加速が判定されたとき、オルタネータを駆動して発電を行わせる。

本発明によれば、冷態始動時にはオルタネータによる発電を停止するので、エンジンへの補機負荷が減少する。その結果、排気のガスボリュームが減り、ＨＣの排出量が低減する。一方、空燃比フィードバック制御の開始前の車両の加速時にはドライバの要求に応じて排気の全量が大きくなっているため、ドライバの要求に応じた排気量に対するオルタネータ負荷によるガスボリューム増加分の割合が、空燃比フィードバック制御の開始前のアイドル時にオルタネータを駆動して発電を行わせる場合よりも相対的に小さくなる。そのため、オルタネータにより発電を行ってもＨＣ排出量に与える影響は小さい。単にバッテリ電圧が所定値以上の冷機状態でオルタネータを非駆動状態として発電を停止している上記特許文献１の技術では、空燃比フィードバック制御の開始前にバッテリ電圧がアイドル状態で所定値未満となることでオルタネータ負荷によるガスボリューム増加分の割合が大きいときにオルタネータを駆動状態として発電が開始されてしまうのに対し、本発明では空燃比フィードバック制御の開始前の加速運転中に適宜オルタネータを駆動状態として発電を行わせていることから、空燃比フィードバック制御の開始前に冷機状態でバッテリ電圧が所定値未満となってしまうことが上記特許文献１の技術に比して少なくなり、ＨＣ排出量を低減できるという優れた効果を奏する。

本発明の第１実施形態のオルタネータ制御系の回路構成図である。本発明の第１実施形態のエンジンの概略構成図である。エンジン冷態始動からのエンジン回転速度、車速、スロットル開度、オルタネータ電流、ＨＣ排出量（積算値）の変化を示すタイミングチャートである。オルタネータの制御を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態のオルタネータ１の制御系の回路構成図、図１はオルタネータ１を駆動するエンジン３１の概略構成図である。

エンジン３１によって駆動されるオルタネータ１は、図１に示したように、三相交流を発生するためのステータコイル２、磁場を形成するためのフィールドコイル３、ステータコイル２に発生した交流電圧を直流電圧に整流する整流回路（レクチファイアー）４、出力電圧を制御するための集積回路で形成された電圧レギュレータ５等を一体的に備えて構成される。なお、符号６はノイズ消去用のコンデンサである。

オルタネータ１には、発電電力の出力端子であるＢＡＴ端子、目標発電電圧の入力端子であるＣ端子、発電出力のフィードバック入力端子であるＳ端子、フィールドコイル３の通電・非通電を制御する端子であるＬ端子、接地用のＥ端子が設けられている。オルタネータ１の内部では、ＢＡＴ端子、Ｃ端子、Ｓ端子、Ｌ端子、Ｅ端子が、それぞれ電圧レギュレータ５の対応する各端子（Ｂ端子、Ｃ端子、Ｓ端子、Ｌ端子、Ｅ端子）に接続され、また、整流回路４の出力側及びフィールドコイル３の一端がＢＡＴ端子に接続されている。フィールドコイル３の他端は、フィールド電流の制御端子である電圧レギュレータ５のＦ端子に接続され、さらに、ステータコイル２を形成する三相のコイルの一つがステータコイル２の制御端子である電圧レギュレータ５のＰ端子に接続されている。

一方、バッテリ７の正極端子がオルタネータ１のＢＡＴ端子及びＳ端子に接続されると共に、負極端子にオルタネータ１のＥ端子が接続されている。また、バッテリ７の正極端子には、イグニッションスイッチ８を介してチャージランプ９が接続され、このチャージランプ９がオルタネータ１のフィールドコイル３とバッテリ７とを接続／遮断する開閉手段としてのＬ端子制御用リレー１０のリレー接点１０ａを介してオルタネータ１のＬ端子に接続されている。

さらに、バッテリ７の正極端子には、メインリレー１１のリレーコイル１１ｂの一端が接続されると共に、メインリレー１１のリレー接点１１ａを介してＬ端子制御用リレー１０のリレーコイル１０ｂの一端が接続されている。Ｌ端子制御用リレー１０及びメインリレー１１の各リレーコイル１０ｂ、１１ｂの他端は、エンジンを制御するエンジンコントロールユニット２０（制御手段）に接続されて開閉制御され、Ｌ端子制御用リレー１０のリレー接点１０ａを開放してオルタネータ１のＬ端子への通電をカットすることで、オルタネータ１を非駆動状態として発電を停止させる。

エンジンコントロールユニット２０は、マイクロコンピュータを中心としてその他の周辺回路を備えて構成されるものであり、バッテリ７が接続されてバッテリ電圧をモニターすると共に、イグニッションスイッチ８が接続されてＯＮ，ＯＦＦを検出する。さらに、エンジンコントロールユニット２０には、図２にも示したようにエンジン３１の冷却水温を検出するためのエンジン水温センサ２１、エンジン回転速度を算出するためのクランク角センサ２２、吸入空気量を検出するための吸入空気量センサ２３、三元触媒３６上流の排気中の空燃比を検出するための空燃比センサ２４、三元触媒３６下流の排気中の酸素濃度を検出するためのＯ₂センサ２５等のセンサ類、吸気通路３２に燃料を噴射供給するインジェクタ３３や火花点火を行う点火プラグ３４、スロットルバルブ４１を駆動するモータ４２等のアクチュエータ類が接続されている。

エンジンコントロールユニット２０では、イグニッションスイッチ８のＯＮ，ＯＦＦ、バッテリ電圧、各種センサ・スイッチ類からの入力信号に基づく運転状態を監視してオルタネータ１のＬ端子及びＣ端子を介してオルタネータ１の駆動、非駆動を制御し、特にエンジン冷態始動時には、後述するように車両の加速状態に応じてオルタネータ１による発電制御を行い、オルタネータ１によるフリクションを低減してエンジンの負荷を低減し、エンジンの円滑な始動・暖機を可能とする共に、ＨＣ排出量を低減する。

さて、エンジン３１の冷態始動時にオルタネータ１の駆動トルクがエンジン３１にとっては大きな負荷となり、近年の灯火類の高度の上昇や各種電装品の増加に伴ってオルタネータ１が大型化する傾向がある。その一方で、エンジン冷態始動時にはＨＣが多く発生する。冷態始動時に大型のオルタネータ１を駆動するには、エンジン回転速度を安定させるために吸入空気量を増してエンジントルクを大きくする必要があり、そうなると排気のガスボリュームが増えるためにＨＣ排出量が増加する。

この対策として、エンジン冷態始動時に空然比フィードバック制御状態およびバッテリ電圧をモニターし、空燃比フィードバック制御開始前でかつバッテリ電圧が設定電圧より高い場合にオルタネータ１を非駆動状態として発電を停止し、エンジンの消費空気量を減らし、これによって冷態始動直後のＨＣ排出量を抑制するようにした従来装置がある。

従来装置においては、空燃比フィードバック制御開始後にオルタネータ１を駆動して発電を行わせる。その理由は次の通りである。すなわち、図２に示したように排気通路３５に設けられる三元触媒３６（下流側の三元触媒３７についても）は、排気の空燃比が理論空燃比を中心とする狭い範囲（ウインドウ）にある場合に、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの有害三成分を同時に効率よく浄化できるため、三元触媒３６の上流側に設けた空燃比センサ２４の出力と三元触媒３６の下流側に設けたＯ₂センサ２５の出力とに基づいて実際の空燃比がウインドウに収まるように空燃比のフィードバック制御を行っている。つまり、空燃比フィードバック制御が開始された後には、有害三成分が三元触媒の下流に排出されることはない。そこで、従来装置では空燃比フィードバック制御の開始後にオルタネータ１を駆動して発電を行わせ、このとき多く発生するＨＣは三元触媒３６により浄化させようと、空燃比フィードバック制御開始後にオルタネータ１を駆動して発電を行わせるわけである。

冷態始動直後に多く排出されるＨＣを低減するには空燃比フィードバック制御をできるだけ早期に開始させることである。このため、上流側空燃比センサ２４、下流側Ｏ₂センサ２５にヒータを付属させ、各ヒータによりセンサ２４、２５を加熱し、上流側空燃比センサ２４、下流側Ｏ₂センサ２５が活性化したタイミングで空燃比フィードバック制御を開始させるようにしている。

このように空燃比フィードバック制御を早期に実行するようにしていても、従来装置によれば、排気管中の凝縮水の影響により空燃比フィードバック制御開始までに時間がかかってしまうという問題がある。すなわち、車両を氷点下の大気状態に放置したとき、エンジン３１の始動時に排気通路３５内に突出しているセンサ２４、２５が排気通路３５内の凝縮水により氷結する。氷結状態でヒータをＯＮにするとセンサ２４、２５に素子割れなどの不都合が生じてしまうので、センサ２４、２５に付着している氷（凝縮水）が蒸発するのを待ってヒータをＯＮとするようにしている。そして、このヒータＯＮによる加熱によってセンサ２４、２５が活性化した後に空燃比フィードバック制御が開始される。従来装置では、空燃比フィードバック制御が開始されるまでオルタネータ１による発電を行わせないので、このときバッテリ電圧は低下し続けることになる。その後、バッテリ電圧が設定値以下になるとオルタネータ１を駆動して発電を開始する。すると、氷点下の大気状態での始動時（冷態始動時）には空燃比フィードバック制御の開始前にバッテリ電圧が設定電圧より低下してオルタネータ１による発電を行わなければならない事態が生じ、これによって冷態始動直後のＨＣ排出量を抑制することができない。

そこで本発明は、エンジン冷態始動時であって、バッテリ電圧が所定値以上のときにオルタネータ１を非駆動状態として発電を停止しておき、加速判定したらオルタネータ１を駆動状態として発電を行わせることとする。これは、アイドル状態でオルタネータを駆動して発電を行わせると、排気の全量に対するオルタネータ負荷によるガスボリューム増加分の割合が大きく、そのためにＨＣ排出量が増えるのに対して、加速状態でオルタネータを駆動して発電を行わせる場合には、排気の全量に対するオルタネータ負荷によるガスボリューム増加分の割合が、アイドル状態でオルタネータを駆動して発電を行わせる場合よりも相対的に小さくなるためである。言い換えると、オルタネータによる発電を加速時に行う場合の方が、オルタネータによる発電をアイドル時に行う場合よりＨＣ排出量に対する影響が小さいのである。

本発明によれば、空燃比フィードバック制御の開始前でも車両の加速が行われれば、オルタネータ１による発電が行われバッテリ７に充電できることになる。その分バッテリ電圧を設定電圧に保持し易くなる。このため、空燃比フィードバック制御の開始前に加速後再びアイドる状態に戻ったときにも、その戻ったアイドル状態でより長い時間オルタネータ１を非駆動状態として発電を停止しておくことができる。

本発明についてさらに図３を参照して説明する。図３は冷態始動まもないｔ１のタイミングで車両の発進加速のためアクセルペダルを踏み込んで車速ＶＳＰを上昇させ、望みの車速に到達したｔ４のタイミングでアクセルペダルを戻して一定車速を保ち、ｔ５のタイミングで車速ＶＳＰを低下させ、ｔ７のタイミングで停車させた場合の、エンジン冷態始動からのエンジン回転速度Ｎｅ、車速ＶＳＰ、スロットル開度ＴＶＯ、オルタネータ電流、ＨＣ排出量（積算値）の変化をモデルで示している。スロットル開度ＴＶＯはｔ１のタイミング以前にはアイドル相当値であったものが、ｔ１のタイミングより急上昇してｔ４のタイミングでピークを採り、その後に低下して所定値となり、ｔ５のタイミングでアイドル相当値へと戻されている。

本発明では、車速ＶＳＰとスロットル開度ＴＶＯに閾値を設けており、
〈１〉車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えていること、かつ
〈２〉スロットル開度ＴＶＯが閾値ＴＶＯ１を超えていること
の２つの条件が満たされるｔ３のタイミングで車両の加速時であると判定して、オルタネータ１に開閉手段を介して所定の電流を流す。そして、２つの条件の２つとも満たされなくなるｔ６のタイミングで車両の加速が終了したと判断し、オルタネータ１への電流供給を開閉手段を介して停止する。

このため、エンジンコントロールユニット２０には、さらに車速センサ２６からの車速の信号、スロットルセンサ２７からのスロットル開度の信号が入力され、エンジンコントロールユニット２０では、エンジンの冷態始動時にオルタネータ１による発電を停止させた状態でエンジンの始動を行わせる。そして、冷態始動直後から車両の加速が行われたか否かを判定し、加速が行われたと判定されたときにオルタネータ１を駆動して発電を行わせる。

エンジンコントロールユニット２０で行われるこの制御を図４のフローチャートにより詳述する。図４はエンジン始動からの制御の流れを示すもので、一定時間毎に繰り返し行う操作を示すものでない。このフローはイグニッションスイッチ８がＯＮにされたときに開始する。

図４において、ステップ１ではオルタネータ１を非駆動状態として発電を停止する。すなわち、Ｌ端子制御用リレー１０のリレーコイル１０ｂへの通電をＯＦＦしてリレー接点１０ａを開放すると共に、オルタネータ１のＣ端子に印加する目標発電電圧をＬＯＷ（例えば１０Ｖ）にセットする。これは、特にエンジン冷態始動直後に、エンジンにかかるオルタネータ負荷を無くし、始動安定性を確保するためである。

ステップ２ではエンジンの冷態始動時であるか否かをみる。冷態始動時であるか否かは、水温センサ２１により検出される始動時の水温Ｔｓｔと閾値Ｔｗ１（例えば６０℃）との比較に基づく。例えば始動時水温Ｔｓｔが閾値Ｔｗ１未満であれば冷態始動時であると判定し、始動時水温Ｔｓｔが閾値Ｔｗ１以上であればホットリスタート時であると判定する。

冷態始動時であると判定したときにはステップ３以降に進む。ステップ３では、バッテリ電圧ＶＢと第１閾値ＶＢ１（所定値）を比較する。第１閾値ＶＢ１は必要最低限のバッテリ電圧で、例えば１０Ｖである。バッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１を超えている場合には、必要最低限のバッテリ電圧が確保されていると判断し、ステップ４に進んで車速センサ２６により検出される車速ＶＳＰと閾値ＶＳＰ１を比較する。閾値ＶＳＰ１は、車両の加速時であるか否かを判定するための値で、例えば４ｋｍ／ｈである。車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えているときには、車両の加速時であると判定し、ステップ５に進む。

ステップ５では、スロットルセンサ２７により検出されるスロットル開度ＴＶＯと閾値ＴＶＯ１を比較する。閾値ＴＶＯ１も車両の加速時であるか否かを判定するための値で、例えば１０ｄｅｇである。車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えてからスロットル開度ＴＶＯが閾値ＴＶＯ１を一度も超えない場合には車両の加速時でないと判断し、ステップ１に戻って、ステップ１〜５の操作を繰り返す。また、ステップ４で車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えていない場合にも、ステップ１に戻って、ステップ１〜４の操作を繰り返す。

一方、ステップ５で車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えてからスロットル開度ＴＶＯが閾値ＴＶＯ１を一度でも超えた場合には、車両の加速時であると判定する。このように、車速ＶＳＰとスロットル開度ＴＶＯの両方をみて車両の加速時であるか否かを判定するのは、車速ＶＳＰだけだと、加速判定を正確に行わせることができないためである。すなわち、車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えている場合には、加速時だけでなく減速時も含まれているからである。

車両の加速時であると判定したときにはステップ６に進んでオルタネータ１を駆動して発電を行わせる。すなわち、Ｌ端子制御用リレー１０のリレーコイル１０ｂへの通電をＯＮしてリレー接点１０ａを閉成させ、オルタネータ１のフィールドコイル３に通電すると共に、オルタネータ１のＣ端子に印加する目標発電電圧をＬＯＷからＨＩＧＨ（例えば１２Ｖ）へゆっくりと上昇させる。

ステップ７では再び車速ＶＳＰと閾値ＶＳＰ１を比較する。これは車両の加速時でなくなったか否かを判定する部分である。車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１以上である場合にステップ６に戻ってステップ６の操作を繰り返す。

ステップ７で車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１未満になると、車両の加速時でなくなったと判断し、ステップ８に進んでオルタネータ１を非駆動状態として発電を停止し、今回の処理を終了する。

一方、ステップ３でバッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１以下であるときには必要最低限のバッテリ電圧が確保されていないのであるから、即座に発電を行わせる必要がある。このときには、ステップ９に進み、オルタネータ１を駆動状態として発電を行わせる。ここでの具体的な操作はステップ６と同じである。

ステップ１０では、バッテリ電圧ＶＢと第２閾値ＶＢ２を比較する。第２閾値ＶＢ２は設定電圧を与える値で、例えば１２Ｖである。バッテリ電圧ＶＢが第２閾値ＶＢ２に満たなければステップ９に戻ってステップ９の操作を実行する。やがて、バッテリ電圧ＶＢが第２閾値ＶＢ２以上となればステップ８に進んでオルタネータ１を非駆動状態として発電を停止し、今回の処理を終了する。

ステップ２でホットリスタート時であると判定されたときにはステップ１１に進み、冷態始動時と同様にバッテリ電圧ＶＢと第１閾値ＶＢ１を比較する。バッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１未満であれば、必要最低限のバッテリ電圧が確保されていないのであるから、オルタネータ１による発電を行わせる必要がある。この場合に、即座にオルタネータ１による発電を行わせるのではなく、車両の加速時に限ってオルタネータ１を駆動して発電を行わせるようにする。すなわち、バッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１未満であるときにはステップ４、５へと進ませ、車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えており、かつ車速ＶＳＰが閾値ＶＳＰ１を超えてからスロットル開度ＴＶＯが閾値ＴＶＯ１を一度でも超えた場合にステップ６でオルタネータ１を駆動して発電を行わせる。

このように、本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、エンジンの冷機始動時であって、バッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１（所定値）を超えるときにオルタネータ１を非駆動状態として発電を停止させた状態でエンジンを始動する（図４のステップ１参照）。このため、エンジンへの補機負荷が減少する。その結果、排気のガスボリュームが減り、ＨＣの排出量が低減する。

一方、本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、始動した後に車両の加速が判定されたとき、オルタネータを駆動して発電を行わせる（図４のステップ４、５、６参照）。車両の加速時には排気の全量に対するオルタネーター負荷によるガスボリューム増加分の割合が、アイドル時にオルタネータを駆動して発電を行わせる場合よりも相対的に小さくなる。そのため、オルタネータ１により発電を行ってもＨＣ排出量に与える影響は小さい。言い換えると、加速判定したらオルタネータ１を駆動して発電を開始するので、空燃比フィードバック制御の開始前でも加速中にはオルタネータ１により発電した電気をバッテリ７に充電できることになる。その充電分だけ、バッテリ電圧を設定電圧（１２Ｖ）に保持し易くなる。そのため、加速後に再びアイドル状態に戻ったときには、バッテリ７に充電した分に相当する時間、より長くオルタネータ１を非駆動状態としておくことができる。

実施形態では、図４ステップ３でバッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１（所定値）を超えている場合にステップ４に進ませ、これに対してバッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１以下である場合にステップ９に進ませる場合で説明したが、バッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１（所定値）以上である場合にステップ４に進ませ、これに対してバッテリ電圧ＶＢが第１閾値ＶＢ１未満である場合にステップ９に進ませるようにしてもかまわない。

１オルタネータ
３フィールドコイル
７バッテリ
１０Ｌ端子制御用リレー（開閉手段）
２０エンジンコントロールユニット（制御手段）
３１エンジン本体

Claims

エンジンによって駆動され発電を行うオルタネータと、
エンジンの冷間始動時であって、バッテリ電圧が所定値以上のときにオルタネータを非駆動状態として発電を停止させた状態でエンジンを始動する手段と、
その後にバッテリ電圧が前記所定値以下になるとオルタネータを駆動状態として発電を行わせる手段と、
排気通路に設けられる三元触媒と、
前記三元触媒の上下流に設けられる空燃比センサと、
前記空燃比センサが活性化したタイミングで空燃比フィードバック制御を開始する手段と、
前記空燃比フィードバック制御の開始前に車両の加速が判定されたとき、オルタネータを駆動して発電を行わせる制御手段と
を備えることを特徴とするオルタネータの発電制御装置。
前記オルタネータのフィールドコイルとバッテリとを接続／遮断する開閉手段を備え、
前記オルタネータを非駆動状態として発電を停止させるときにはこの開閉手段を開状態とし、前記オルタネータを駆動して発電を行わせるときにはこの開閉手段を閉状態とすることを特徴とする請求項１に記載のオルタネータの発電制御装置。
車速が予め定めた閾値を超え、かつスロットル開度が予め定めた閾値を超える場合に車両の加速時であると判定することを特徴とする請求項１に記載のオルタネータの発電制御装置。