JP5548102B2 - 車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の制御装置に係り、例えば、エネルギ資源の節約と環境保全に配慮した燃料消費節約型の車両の制御装置に関する。

車両（自動車）の運転中において、エネルギ資源の節約と環境保全をするために、車両の走行の一時停止時（一時停止が許容される所定条件が成立したとき）に、エンジン（内燃機関）をアイドルストップさせる技術が開発がされており、一部の車両においては既に実施されている。

このようなエンジンのアイドルストップに対応した車両においては、該車両が停止する前の減速状態（以下、コーストストップ領域）から、アイドルストップを行なう形態の制御システムが存在している。この制御システムでは、燃料カットを開始した時点から、実際にエンジンが完全に停止するまでの間に、再発進要求があった場合、車両発進性能を確保するため、即座に始動できることが要求されている。

このため、前記制御システムを備えた車両の制御装置においては、エンジンの慣性回転期間中に、スタータモータを調速通電し、スタータモータと同軸上に備わるピニオンの回転速度がエンジン側に備えられているリングギアの回転速度と同期した時点で、ピニオンをリングギアに噛み込ませて、スタータの駆動による、エンジンの再始動を行なう技術が提案されている（特許文献1）。

特開２０１０−１０６８２５号公報

しかし、前記制御システムを備えた車両の制御装置においては、エンジンが停止する間際には、燃焼室の圧力などの影響により、エンジンが揺り戻し（エンジンの回転方向に対して逆回転）することもあり、前記コーストストップ領域からアイドルストップを行なう車両では、この揺り戻しが発生した場合でも、発進性能を確保するために、再始動を行なう必要がある。

また、特許文献１のように、エンジンが停止する前にピニオンをリングギアへ噛み込ませる制御システムの場合には、スタータモータの通電機能及びピニオン飛び出し機能は、それぞれに、独立した駆動系統とすることが必要であり、また、それぞれの駆動系統は、静音性などの観点から、精度良く駆動制御する必要があると共に、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチにすることが望ましい。

そして、揺り戻しの発生中に、スタータの駆動を行なう場合には、半導体スイッチやスタータへの負荷が増大し、耐久性などに懸念がある。

このように、燃料消費節約型の車両（自動車）においては、スタータシステムの耐久性、耐摩耗性は、この種の車両（自動車）に於いて、解決すべき最も重要な課題のひとつとなっている。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、エネルギ資源の節約と環境保全に配慮した、アイドルストップ機能を備えた燃料消費節約型の車両の制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するべく、本発明の車両の制御装置は、エンジンのアイドルストップ判定手段と、該エンジンが停止する際に発生する揺り戻し発生の有無を予測する揺り戻し予測手段と、を備え、前記揺り戻し予測手段が、前記エンジンの特定気筒に揺り戻しありと予測判定した場合には、前記エンジンのスタータモータを駆動して、前記気筒のピストンの位置を直近の上死点を乗り越えさせるように制御することを特徴としている。

本発明によれば、車両減速状態からアイドルストップを行なう制御システムにおいて、エンジンの揺り戻しの低減ができる、即ち、アイドルストップシステムを構成する部品、特に半導体スイッチ、又は、スタータの信頼性、耐磨耗性を保ちつつ、揺り戻しを低減することにより、従来はクランキングができなかった領域からクランキングを可能とすることで、車両の発進性を向上させることができる。

本発明の第一実施形態のアイドルストップシステムの機能構成図。 本発明の第二実施形態のアイドルストップシステムの機能構成図。 本発明における実施例のフローチャート。 本発明における実施例のタイミングチャート。 揺り戻し予測機能の説明図。 揺り戻し予測機能のフローチャート。 スタータ駆動制御実行時のフローチャート。 スタータ駆動制御実行時のタイミングチャート。

以下、本発明の車両の制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の車両の制御装置の第一実施形態のアイドルストップシステムの機能構成図である。

図１において、車両のアイドルストップシステムは、スタータモータ本体１０１ａと、制御装置（（Engine Control Unit、ＥＣＵ）１０３と、スタータモータリレー１０４と、ピニオンリレー１０５、エンジンのリングギア１０６等で、構成されている。

スタータ本体１０１は、スタータモータ１０１ａ、マグネットスイッチ１０１ｂ、シフトレバー１０１ｃ、ピニオンクラッチ１０１ｄ、ピニオンギア１０１ｅなどにより構成されている。

スタータモータ１０１ａとマグネットスイッチ１０１ｂとは、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０３の出力に基づき、独立した電源リレー（スタータモータリレー１０４、ピニオンリレー１０５）を制御することで駆動される。

スタータモータ１０１ａとピニオンギア１０１ｅとは、同軸上に連結されており、スタータモータ１０１ａが回転すると、ピニオンギア１０１ｅも回転する構成となっている。

マグネットスイッチ１０１ｂに通電を行なうと、シフトレバー１０１ｃが押し出されピニオンギア１０１ｅが、エンジンに備えられているリングギア１０６と連結される構造となっている。

また、制御装置（ＥＣＵ）１０３は、通常の燃料噴射制御手段１０３ｃ、点火制御手段（図示なし）、空気制御手段（電子制御スロットル、図示なし）に加え、ブレーキスイッチ、車速センサ等の各種センサからの情報信号より、アイドルストップ許可判定手段１０３ａで、アイドルストップ許可判定を実行する。

更に、制御装置（ＥＣＵ）１０３では、エンジンが停止する間際に発生する揺り戻しの発生有無を、揺り戻し予測手段１０３ｄにより予測する。揺り戻し予測手段１０３ｄの予測結果が、揺り戻しありとなった場合、制御装置（ＥＣＵ）１０３は、揺り戻しを低減させるため、スタータ制御手段１０３ｂにより、スタータ１０１を駆動する。

次に、本発明の第二実施形態について説明する。
図２は、図１と同様に、本発明の第二実施形態のアイドルストップシステムの機能構成図である。

図２において、図１と同様に、車両のアイドルストップシステムは、スタータ本体２０１と、（半導体スイッチ機構２０１ｆと、）制御装置（Engine Control Unit、ＥＣＵ）２０３と、エンジンのリングギア２０６等で、構成されている。

スタータ本体２０１は、スタータモータ２０１ａ、マグネットスイッチ２０１ｂ、シフトレバー２０１ｃ、ピニオンクラッチ２０１ｄ、ピニオンギア２０１ｅ、半導体スイッチ機構２０１ｆ等により構成されている。

制御装置（Engine Control Unit、ＥＣＵ）２０３は、図１の第一実施形態と同じである。

まず、制御装置（ＥＣＵ）２０３からのスタータ駆動信号は、半導体スイッチ機構２０１ｆへ出力される。スタータ駆動信号は、スタータモータ２０１ａの通電機能とピニオンギア２０１ｅの飛び出し機能とを制御するマグネットスイッチ２０１ｂの２系統を備え、それぞれが、個別のDuty比により半導体スイッチ機構２０１ｆ内のＭＯＳＦＥＴを制御し、スタータモータ２０１ａ、マグネットスイッチ２０１ｂの駆動を行なう。

次に、図３と図４を用いて、前記２つの実施形態の車両の制御装置の基本的な制御について説明する。
図３は、前記２つの実施形態の車両の制御装置の制御フローチャートである。本制御フローは、定時間隔（例えば10ms）で実行される。

まず、図１又は図２に記載の各種センサの情報信号等よりアイドルストップの実行可否を判断し、アイドルストップ条件が成立した場合、Ｓ３０１で燃料カット制御の実行条件が成立したか否かの判定を行なう。条件不成立の場合、本制御は終了し、燃料カット条件が成立した場合、Ｓ３０２へ進み、燃料カット制御を実行する。

燃料カットを開始したことにより慣性回転となったエンジンの回転挙動は、最終的に完全停止するが、この停止間際に発生する揺り戻しの発生有無を、Ｓ３０３において、揺り戻し予測手段１０３ｄ、２０３ｄで予測し、Ｓ３０４で、揺り戻しが発生すると判定した場合、Ｓ３０５へ進み、揺り戻しがない場合は、そのまま終了となる。

Ｓ３０５では、所定の手順によりスタータ駆動制御を実行し、揺り戻しが低減できる様、スタータの制御を行なう。

次に、図４を用いて、更に具体的な制御を説明する。
図４は、アイドルストップを許容する所定条件が成立し、エンジンへ供給する燃料を遮断した後、エンジンが停止する前にピニオンギアをリングギアへ噛み込ませることができる車両の制御装置において、ピニオンをリングギアへ噛み込ませた後、前記揺り戻し予測機能の予測結果が揺り戻しありと判定した場合に、エンジンの当該気筒のピストン位置が直近の上死点以降になるように、スタータを駆動するべく、制御装置を実行する場合の制御タイミングチャートである。

図４において、上から（Ａ）エンジンの回転挙動、（Ｂ）ピニオンの回転（スタータの回転）挙動、（Ｃ）スタータモータの駆動Duty、（Ｄ）ピニオンの駆動Dutyとなっている。

まず、図３のステップＳ３０２で、燃料カット制御が実行されると、エンジンの回転挙動（Ａ）は、慣性回転を経て最終的に停止に至る。

そして、エンジンの回転挙動が慣性回転中において、所定条件が成立した場合、ピニオンの予回転制御が実行され、スタータモータの通電を開始する（Ｔ４０１）。その後、所定のピニオン回転になるまでこれを継続した後、一度、スタータモータの通電制御を停止させ（Ｔ４０２）、慣性回転となったピニオン回転とエンジン回転の挙動から、両者の回転差が所定値以内となった時点で、ピニオン駆動を実行し（Ｔ４０３）、ピニオンをエンジン側のリングギアと連結させる（Ｔ４０４）。

Ｔ４０４以降は、ピニオンとリングギアが連結した状態で、両者が完全に停止するが（Ｔ４０８）、完全停止する間際にエンジンの揺り戻しが発生する（Ｔ４０６〜Ｔ４０８の斜線部）。この揺り戻しを図３のステップＳ３０３で、揺り戻しの発生有無を予測し、揺り戻しが発生すると判定した場合、揺り戻しが発生する前（具体的には、Ｔ４０５のタイミング）に、スタータからのトルクにより、停止間際の上死点を乗り越えさせる様、スタータモータを制御することで、揺り戻しを低減させる。

なお、図４は、図２の第二実施形態の機能構成を前提に説明しているが、図１の第一実施形態の機能構成の場合は、ピニオン駆動Dutyも制御する必要がある。

次に、図５と図６を用いて、ゆり戻し予測機能の説明を行なう。
まず、図５は、揺り戻しを予測する原理を説明する図である。図５の横軸は、経過時間を示し、縦軸は、停止過程におけるクランク角を示している。Ｓ５０１は、エンジンが停止する際に揺り戻しが発生したクランク角挙動である。揺り戻しを予測するためには、まず、直近の上死点を乗り越えられるか否かの判定が必要となる。

これは、エンジンの燃焼室の圧力に慣性回転中のエンジン回転力が耐えられず、結果的に上死点を乗りえることができず、揺り戻し（逆転）が発生するためである。つまり、エンジンが停止する前に最終的に乗り越えることができる上死点を判定することを意味する。

このため、まず、直近の上死点を超えることができる最低の傾きを所定値Ａとする（図内５０２が該当）。次にエンジン停止時に揺り戻しが発生するか否かの判定を行なう。これは、エンジンの停止挙動において、常に揺り戻しが発生する訳ではないため、揺り戻しが発生する最低の傾きを所定値Ｂとし（図内５０３）、この所定値Ｂより、傾きが立っている場合、揺り戻しの発生があると判定し、所定値Ｂより傾きが寝ている場合、揺り戻しの発生はないと判定する。つまり、所定値Ａと所定値Ｂの間に、角速度がある場合、揺り戻しがあると判定することとなる。

図６は、揺り戻し予測手段による予測機能におけるフローチャートを示している。本フローは、定時間隔で実行（例えば1ms）される。

まず、Ｓ６０１では、所定のクランク角間（例えば、ＴＤＣから４０°ＡＴＤＣ間）における経過時間を算出する。次にＳ６０２で、予め設定した所定値ＡとＳ６０１で算出した経過時間を比較し、所定値Ａが経過時間より大きい場合、Ｓ６０１へ戻る。所定値Ａが経過時間以下の場合、Ｓ６０３へ進み、所定値ＢとＳ６０１で算出した経過時間を比較する。所定値Ｂが、経過時間以下の場合、Ｓ６０５へ進み、揺り戻しはないと判定する。所定値Ｂが、経過時間より大きい場合、Ｓ６０４へ進み、揺り戻しが発生すると判定する。

なお、前記説明においては、所定値Ａ及び所定値Ｂは、予め設定した値として説明したが、エンジン水温やその他のエンジン補機類などの運転状態により、学習させる機能を持たせることで、更に精度が向上する。

また、前記説明の揺り戻し予測手段による予測機能は、本発明の一実施例として示したものであり、揺り戻し予測機能は、前記説明の実施例に限定されるものではない。

次に、揺り戻し予測手段による予測機能が、揺り戻しありと判定した場合のスタータ駆動制御について図７と図８を用いて説明する。
まず、図７は、揺り戻し予測機能が揺り戻しありと判定した場合のスタータ駆動におけるフローチャートである。本フローは定時間隔で実行（例えば1ms）される。まず、Ｓ７０１で、揺り戻し予測機能が揺り戻しありと判定したか否かの判定を行なう。条件不成立時は、スタータ駆動は行なわず本制御は終了する。条件成立時は、Ｓ７０２へ進み、現時点のクランク角を検出する。その後、Ｓ７０３で、Ｓ７０２により検出したクランク角に基づき、スタータ駆動開始タイミングか否かの判定を行なう。条件不成立時は、Ｓ７０２へ戻り、再度クランク角の検出を行なう。条件成立時は、Ｓ７０４へ進み、スタータ駆動を行なう。この際、前記請求項１の制御装置では、スタータモータ及びピニオン駆動の制御を実行し、前記請求項２の制御装置では、ピニオンは既にエンジン側のリングギアと連結された状態であるため、スタータモータのみを駆動する。また、前記請求項４の制御装置では、スタータモータの通電及びピニオン駆動のDuty比をクランク角などに応じて変更することで、ピニオン回転やピニオンの移動速度などを精度良く制御することで、より安定した揺り戻し低減効果を得ることができる。

次に、制御はＳ７０５へ進み、スタータ駆動中のクランク角を検出する。その後、Ｓ７０６へ進み、Ｓ７０５で検出したクランク角と予め設定したスタータ駆動停止のクランク角との比較を行い、スタータ駆動を停止させるタイミングであるか否かの判定を行なう。条件不成立時は、再びＳ７０４へ戻り、Ｓ７０６の条件が成立するまで、スタータ駆動を継続し、条件成立時は、スタータ駆動を停止し、制御が終了する。

図８は、図７の制御を行なった際のタイミングチャートである。尚、本図８は、６気筒エンジンを想定した図となっている（120°毎に上死点が存在する）。

まず、実線８０１は、スタータ駆動による揺り戻し低減を行なっていない従来の停止挙動を示したものである。時間Ｔ８０４（揺り戻し予測終了タイミング）までに揺り戻し予測を終了し、揺り戻しが発生すると判定したい場合、図８内では、時間Ｔ８０５（スタータ駆動開始タイミング）で、スタータ駆動（具体的にはスタータモータ駆動）を開始する（図内実線８０３がスタータモータの駆動信号）。

これにより、スタータによるトルクがリングギアへ供給されるため、停止挙動は、破線８０２に示す挙動となる。また、このスタータ駆動のDuty比（実線８０３）をクランク角やスタータ駆動開始からの経過時間などにより変化させることで、揺り戻しをより安定的に低減できる効果を得ることができる。

尚、本願の実施態様の制御については、車両を用いた実験結果から、Duty比が所定値以上でスタータ駆動（スタータモータ駆動）を行った場合、スタータトルクが大きくなり過ぎ、スタータ駆動を停止した後も、クランク角が停止せず、再び揺り戻しが発生する恐れもあるため、適度のDuty比（例えば、Duty比５０〜７０%など）で制御することが望ましい。

更に、スタータ駆動タイミングは、駆動信号を出力していから実際にスタータモータが回転するまでの遅れがあることから、この遅れを想定した駆動開始タイミングとする。

その後、クランク角がスタータ駆動停止となるクランク角になるまで、スタータ駆動を行い（図内では、上死点 = 0°ATDC）、時間Ｔ８０６（スタータ駆動停止タイミング）でスタータ駆動を停止させる。

これらの制御により、揺り戻しが発生する前にスタータ駆動を行なうことで、揺り戻しの低減を行なうことができ、コーストストップ領域からアイドルストップを行なう車両での発進性を満足させるとともに、スタータ及び半導体スイッチなどアイドルストップシステムの信頼性・耐磨耗性を向上させることができる。

８０１ 従来のエンジン停止挙動
８０２ 揺り戻し低減制御によるエンジン停止挙動
８０３ スタータモータ駆動Duty
Ｔ８０４ 揺り戻し予測終了タイミング
Ｔ８０５ スタータ駆動開始タイミング
Ｔ８０６ スタータ駆動停止タイミング

Claims (5)

1. エンジンのアイドルストップ判定手段と、該エンジンが停止する際に発生する揺り戻し発生の有無を予測する揺り戻し予測手段と、を備えた車両の制御装置であって、
   前記揺り戻し予測手段が、前記エンジンの特定気筒に揺り戻しありと予測判定した場合には、前記エンジンのスタータモータを駆動して、前記気筒のピストンの位置を直近の上死点を乗り越えさせるように制御することを特徴とする車両の制御装置。
2. 前記車両は、前記エンジンが停止する前に前記スタータモータのピニオンギアを前記エンジンのリングギアに噛み込ませることができるものであり、前記アイドルストップ判定手段がアイドルストップを許容するアイドルストップ許可条件が成立したと判定した場合に、前記エンジンへの燃料の供給を遮断し、その後に、前記リングギアに前記ピニオンギアを噛み込ませると共に、前記スタータモータを駆動制御することを特徴とした請求項１に記載の車両の制御装置。
3. 前記揺り戻し予測手段は、クランク角、クランク角速度、所定クランク角間の経過時間、筒内圧の少なくとも一つ以上の情報に基づき、揺り戻しの発生の有無を予測することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両の制御装置。
4. 前記車両の制御装置は、半導体スイッチなどにより前記スタータモータの通電をDuty制御できるものであって、前記半導体スイッチにより所定タイミングからの経過時間、クランク角、気筒内の圧力などの少なくとも一つの情報に基づき、前記スタータモータの駆動信号のDuty比を変えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の車両の制御装置。
5. 所定クランク角間の経過時間、クランク角、気筒内の圧力などの少なくとも一つの情報に基づき、スタータ駆動開始タイミングとスタータ駆動停止タイミングを決定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の車両車の制御装置。

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