(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関とかみ合って回転始動させるスタータモータを、内燃機関が自己回転したときにかみ合いからはずして遮断し、スタート遮断時点をスタータモータのスタータ電流の経過特性から求める形式の、内燃機関のスタート遮断方法において、
スタート遮断時点（ｔA）を求めるためスタータ電流（ＩS）に相関する信号を評価し、
時間特性曲線（ｔA＝ｆ（ＩS））を前記スタータ電流に相関する信号と比較し、
該時間特性曲線（ｔA＝ｆ（ＩS））は、スタート遮断の遅延時間と前記スタータ電流（ＩS）との関係を表し、該時間特性曲線（ｔA＝ｆ（ＩS））は内燃機関の動作状態に依存し、
該時間特性曲線（ｔA＝ｆ（ＩS））をスタータ電流（ＩS）における最初の電流最大値（Ｉ1）に基づき切り替え、
前記スタータ電流（ＩS）の負の勾配をもつ期間が前記遅延時間を超えると、前記スタータモータの電流遮断をトリガすることを特徴とする、
内燃機関のスタート遮断方法。
【請求項２】
スタータ電流（ＩS）のリプル期間において電流最大値（Ｉ2，Ｉ4，Ｉ6）から始めて、下降するスタータ電流（ＩS）の経過中、負の勾配をもつ期間（ｔ）を測定し、固定的に記憶されている少なくとも１つの時間経過特性と比較する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記特性曲線は内燃機関の温度に依存している、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
選定可能なクリティカルな温度に依存して、内燃機関の動作温度が該クリティカルな温度（ＴKrit）を超えたときにはウォーム特性曲線を使用し、内燃機関の動作温度が該クリティカルな温度（ＴKrit）よりも低くなったときにはコールド特性曲線を使用する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
暖まった内燃機関と冷えた内燃機関について１つの共通の時間経過特性を使用する、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記時間経過特性を、クランク軸回転数（ｎ）とスタータ電流（ＩS）との関係から求める、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
スタータ電流（ＩS）の勾配を、時点（ｔ0）からの予備フェーズの除去後に評価する、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記スタータ電流（ＩS）に相関する信号として自動車バッテリ電圧（Ｕ）を評価する、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記自動車バッテリ電圧（Ｕ）の測定にあたり、バッテリ内部抵抗（ＲｉBatt）と、スタータモータの接続端子から自動車バッテリへの導体抵抗（ＲｉL）を考慮する、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
自動車における別の目下の電気的負荷が前記自動車バッテリ電圧（Ｕ）に及ぼす影響を排除する、請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
自動車バッテリ電圧（Ｕ）に及ぼす自動車固有の量たとえばバッテリの充電状態、バッテリの温度を排除する、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の構成を備えた内燃機関のスタート遮断方法に関する。
【０００２】
従来の技術
内燃機関は、それを単独では動かすことができないため、始動装置によってスタートさせなければならないことは知られている。このため一般にスタータモータが用いられ、これはいわゆるソレノイドスイッチもしくはピニオン噛み合い駆動装置（Einrueckrelais）として構成されたスタータリレーを介して電圧源と接続され、これと同時にスタータモータのピニオンが内燃機関のフリーホイールのリングギヤと噛合して回転始動するようになる。スタータリレーを投入するために、それを外部のスイッチたとえば自動車のイグニッションスイッチまたはスタートスイッチを介して制御することが知られている。内燃機関が自己回転してからは騒音の発生や摩耗を防止するため、スタータモータの噛合を解除しなければならない。点火スイッチもしくはスタートスイッチを離すことで、手動によりスタート遮断を行うことが知られている。自動車の乗り心地を高めるために、内燃機関の自動的なスタート遮断を実行する解決策が知られている。つまりたとえば DE 195 03 537 A1 によれば、バッテリ電圧および／またはスタータ電流のリプルの捕捉によって、内燃機関の自己回転の電子的な検出を実現することが提案されている。この場合、内燃機関の自己回転を検出するため、バッテリ電圧またはスタータ電流の絶対値が基準値と比較される。その際の欠点は、内燃機関の動作条件が不十分にしか考慮できないことであり、その結果、たとえば内燃機関のコールドスタートやウォームスタートなどを考慮できなくなる。
【０００３】
発明の利点
請求項１記載の特徴をもつ本発明による方法によって得られる利点とは、スタート遮断時点を求めるために内燃機関の動作状態に関する情報が間接的に考慮されることである。スタート遮断時点を求めるために、スタータ電流に比例する信号が評価される。その際、スタータ電流に比例する信号を用いた特性曲線が評価され、この特性曲線は内燃機関の動作状態に依存しており、内燃機関の自己回転後ただちに最適化されたスタート遮断が可能となり、その結果、始動時間の短縮が実現され、殊に内燃機関が動作して暖まっているときにそれが達成される。本発明による方法はあらゆる内燃機関に簡単に適用することができ、その際、内燃機関の動作状態によって決まるパラメータの特性曲線の整合だけが必要とされる。
【０００４】
本発明の１つの有利な実施形態によれば、スタータ電流に比例する信号として、スタータモータを給電する自動車バッテリのバッテリ電圧を評価するように構成されている。これにより、内燃機関のクランク軸回転数情報がなくても、スタート遮断時点の最適化が可能となる。
【０００５】
本発明のさらに別の有利な実施形態は、従属請求項に記載のその他の構成によって得られる。
【０００６】
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
【０００７】
図１は、スタータ電流の経過特性である。図２は、スタータ電流と内燃機関のクランク軸回転数との関係を示す図である。図３は、始動フェーズ中のバッテリ電圧経過特性を示す図である。
【０００８】
実施例の説明
図１には、内燃機関におけるスタータモータのスタータ電流ＩSの典型的な経過特性が時間ｔに沿って示されている。スタータモータのスイッチオンに伴い、スタータ電流ＩSが時点ｔ1で第１の最大値Ｉ1まで上昇する。ついでスタータ電流ＩSはリプル領域に移行し、その後、内燃機関が自己回転してから電流Ｉ０に移行する。スタータ電流ＩSのリプルは周知のように、始動フェーズ中に交互に生じる内燃機関の圧縮フェーズと圧縮解除フェーズによって生じるものである。時点ｔ1から間隔をおいてたとえば１５０ｍｓの間隔をおいて規定されている時点ｔ0から始まって、スタータ電流ＩSの正または負の勾配をもつフェーズが捕捉される。図示されている実例では、スタータ電流の負の勾配をもつフェーズが期間ｔ2〜ｔ3まで、期間ｔ4〜ｔ5まで、という具合に捕捉され、他方、正の勾配をもつフェーズが期間ｔ3〜ｔ4まで、期間ｔ5〜ｔ6まで、という具合に捕捉される。各スタータ電流最大値Ｉ2，Ｉ4もしくはＩ6には、時点ｔ2，ｔ4およびｔ6で電圧最小値が対応づけられている。
【０００９】
スタート遮断時点を求めるためスタータ電流の各最大値Ｉ2，Ｉ4，Ｉ6から始めて、負の勾配をもつスタータ電流の期間が求められ、固定的に記憶されている時間特性曲線と比較される。固定的に記憶されている時間特性曲線は、関数ｔAbschalt ＝ｆ（Ｉ1）から求められる。スタータ電流ＩSの第１の電流最大値Ｉ1に基づき、内燃機関の動作状態を推定することができる。つまり内燃機関の種々の動作温度において、第１の最大値Ｉ1は動作温度に対応づけることのできる相応の値をもつことが知られている。
【００１０】
図２に示されている内燃機関クランク軸回転数とスタータ電流ＩSとの関係に基づき、この情報が引き続き評価される。図２の特性曲線は、クランク軸回転数ｎとスタータ電流ＩSの関係を表している。この場合、フリーホイールすなわちオーバーランニングクラッチの連結が閉じられておりスタータモータと内燃機関の動作がほぼ定常状態にあるものとする。ここでは合わせて３つの特性曲線が３つの異なる動作温度について書き込まれており、つまり−２０゜Ｃ、＋２０゜Ｃおよび＋８０゜Ｃについて書き込まれている。参照符号１０により、内燃機関が冷えているときのスタータによる始動支援の終端領域が規定されている。特性曲線１２によって、内燃機関が暖まっているときの自己回転のための最低クランク軸回転数ｎが規定されている。クランク軸回転数ｎとスタータ電流ＩSとにより得られる特性曲線は、直線化された経過特性に移行している。参照符号１４により「ウォーム」特性曲線が示されており、それと並行して延びる「コールド」特性曲線が参照符号１６で示されている。スタータ電流ＩSと回転数ｎとの良好な関係は、約１０゜Ｃよりも高い温度および約３００ １／ｍｉｎまでの回転数領域ｎについて生じる。暖機状態の内燃機関については、ミスファイアや燃焼エラーが発生していなければ、そこから遮断判定基準を求めることができる。温度が０゜Ｃよりも低ければ、最低所要回転数ｎとスタータ電流ＩSとの交点は生じない。
【００１１】
図１に示されている電流と時間の値を図２に示されている回転数と電流の関係といっしょに評価することで、内燃機関のスタート遮断のための時間特性曲線が形成される。この場合、内燃機関の種々の動作状態に対する様々な時間特性曲線を、たとえば動作温度に依存して、格納し処理することができる。たとえば１０゜Ｃという初期温度ＴKritを規定することにより、ＴKritよりも大きい特性曲線とＴKritよりも小さい特性曲線を区別することができる。これらの特性曲線の切り替えは、たとえばスタータ電流ＩSの電流最大値Ｉ1，Ｉ2の評価により行われる。なぜならばそれらによって、内燃機関が冷えているのか暖まっているのかについての情報が供給されるからである。たとえば最大値Ｉ1，Ｉ2の振幅、振幅ｔ2−ｔ1の時間間隔ならびに差Ｉ2−Ｉ1によって、暖まった内燃機関もしくは冷えた内燃機関を検出するための判定基準を得ることができる。
【００１２】
簡単にするため、スタート遮断時点が１つの共通の特性曲線に基づき求められるように構成することができ、その際にたとえば、暖まった内燃機関と冷えた内燃機関について１つの共通の特性曲線が用いられる。
【００１３】
内燃機関が確実に自己回転してからスタート遮断を行うためには、オーバーランニングクラッチの連結が開かれている期間にわたり遮断が行われるようにしなければならない。オーバーランニングクラッチの連結が開かれていることは、スタータ電流ＩSの経過特性によって検出することができる。スタート遮断が許可される前にオーバーランニングクラッチの連結が開かれているときに少なくとも待機しなければならない観察時間は、４シリンダ内燃機関における点火間隔に応じて、燃焼トルクなしで回転数ｎが変化したときにクランク軸が０．８半回転〜１半回転する時間に相当する。係数０．８となる理由は、内燃機関が暖まっており減速型スタータであると、オーバーランニングクラッチの連結が閉じられているときの動力伝達フェーズは内燃機関のサイクル時間の約２０％を下回らないからである。
【００１４】
回転数ｎの回転数測定は、そのつどオーバーランニングクラッチ連結の開放フェーズに先行するオーバーランニングクラッチ連結の閉鎖フェーズにわたり、スタータ電流ＩSとクランク軸回転数ｎとの関係（ウォーム特性曲線）に従い行うことができる。温度が＋２０゜Ｃよりも著しく低いとき、および／または自動車バッテリが部分放電しているとき、スタータ電流ＩSが同じであればそれ相応に小さく割り当てられた回転数値ｎが生じる。このことは内燃機関温度が低いときには、以下のようにして補償される。すなわちこの場合、相対的な動力伝達フェーズの期間を、０゜Ｃであれば典型的には５０％まで、−２０゜Ｃであれば典型的には７０％まで上昇させることにより補償される。そのときにも係数０．８のまま保たれると、オーバーランニングクラッチ連結の開放フェーズが負の温度のときも確実に橋絡され切り抜けられる。低温時においておそくとも第２の圧縮フェーズからは、スタータ電流ＩSの高い電流レベルと、電流最大値Ｉ１とＩ２の間の僅かな下降によって、内燃機関が冷えていることを明確に検出することができ、その結果、比較的長い待機時間つまりそれ相応に異なる時間特性曲線に切り替えることができる。これにより、内燃機関のスタート遮断にあたり（所定の度合いまでの）ミスファイアが生じても内燃機関が停止してしまうことはない、という利点が得られる。同様に、少なくとも１つの完全なミスファイアを切り抜けるため、時間特性曲線においてオーバーランニングクラッチ連結開放においていっそう大きい遅延時間を設定することも可能である。
【００１５】
全体としてスタータ電流ＩSは、スタータモータが電圧源（自動車バッテリ）と接続された後、時点ｔ0までの予備フェーズが除去されるようにして評価される。ついでスタータ電流ＩSの勾配が常に評価され、この場合、電流最大値Ｉ2，Ｉ4，Ｉ6．．．が正の勾配をもつそれぞれ１つのフェーズの終了時に形成される。これらの値によって、スタータ電流ＩSの負の勾配からの時間特性曲線にわたり遅延時間が形成される。この遅延時間までは、電流遮断をトリガするため、スタータ電流ＩSの負の勾配を一定に保持する必要がある。この場合、ウォーム特性曲線もしくはコールド特性曲線を求めるために、関数ＴAbschalt ＝ｆ1（Ｉ1）が適用される。第２の完全な圧縮フェーズの後、正の電流勾配をもつそれぞれ１つのフェーズの終了時における２つの電流最大値Ｉ2−Ｉ4，Ｉ4−Ｉ6，．．．について、内燃機関の温度が０゜Ｃよりも高いか０゜Ｃよりも低いかについて判定される。温度が低ければ、時間特性曲線はＴAbschalt ＝ｆ2（I1）に切り替えられる。これにより、内燃機関が冷えているとき（スタータ電流ＩSの値が大きいとき）にはスタート遮断が行われないようにすることができる。これと同時に、スタータ電流ＩSが小さいとき（内燃機関の温度が比較的高いとき）の遅延時間は、格納されている特性曲線によって自動的に短くされ、これによって内燃機関の温度が比較的高いときに遮断時点において過度に高い回転数値ｎを防ぐことができる。
【００１６】
図２に示されている特性曲線１４，１６は、以下のようにして求めることができる。
【００１７】
適用事例に依存した遅延時間の計算の実例：
簡単にされた（線形化された）図２による「ウォーム特性曲線」は以下の通りである：
Nkwwarm = Nkwl * (1. - I1/ Iwk)      Nkwl = 300 1/min
Iwk  = 1000 A
「コールド特性曲線」については、単純化して平行にシフトされた勾配が適用される：
Nkwkalt = Nkwlwarm - 50 1/min
クランク軸回転数に依存して遅延時間（ｔｆｅｎｓｔｅｒ）について以下のことが成り立つ：
tfenster = 120. * 係数 / (Nkw*Nzz)   Nzz = 4; シリンダ数
係数 ＝０．８；上述の記載参照
tfenster = 24. /Nkw
この（線形化された）式に従い求められた回転数と、暖まった内燃機関および冷えた内燃機関のための待機時間は、以下の表にまとめられている：
【００１８】
【表１】
0004469498.tif 000002
【００１９】
ここで、
Ｉ1    ［Ａ］  電流カーブが下降しはじめたときの電流最大値（Ｉs）
Nkwwarm    ［1/min］  推定されたウォーム回転数（ｎ）
Nkwkalt      ［1/min］  推定されたコールド回転数（ｎ）
Tfenwarm    ［ms］     内燃機関が暖まっているときの最低遅延時間
Tfenkalt      ［ms］     内燃機関が冷えているときの最低遅延時間
図３に基づき、内燃機関のスタート遮断のための別の方法について説明する。この場合、スタータ電流ｍＩSの代わりに自動車バッテリ電圧Ｕがスタータ電流に比例する信号として用いられる。電圧Ｕ（バッテリ電圧）の経過特性は内燃機関の始動過程時、スタータ電流ＩSに対し鏡像的に振る舞う。電圧Ｕはスタータ電流ＩSのリプルとは逆のリプルを有しており、つまりスタータ電流ＩSが上昇する区間では電圧Ｕは下降し、スタータ電流ＩSが下降する区間では電圧Ｕが上昇する。明瞭にするため、図３には時点ｔ2，ｔ4，ｔ6に電流Ｉ2，Ｉ4，Ｉ6がいっしょに書き込まれている。電圧Ｕはスタータモータの端子から取り出され、これは自動車バッテリのプラス極と接続されている。ここで以下の関係が成り立つ：
U = UBatt- IS (RiBatt + RiL）
ここで UBattは自動車バッテリの無負荷電圧であり、ＩSはスタータ電流、Ｒｉbattは自動車バッテリの内部抵抗、そしてＲiLは接続端子から自動車バッテリへの導体抵抗である。
【００２０】
バッテリ抵抗ＲｉBattと無負荷電圧ＵBattは基本的に、使用される自動車バッテリ、温度、ならびに積載状態に依存する。以下の表によれば全体的に非線形関係が生じ、ここで無負荷電圧ＵBattはＶで、バッテリ内部抵抗ＲｉBattはｍΩで表されている。
【００２１】
【表２】
0004469498.tif 000003
【００２２】
温度Ｔが２０゜Ｃよりも高いときには、バッテリ内部抵抗ＲｉBattはまだいくらか低下し、無負荷電圧ＵBattはまだいくらか上昇して経過することがあてはまる。
【００２３】
バッテリ内部抵抗ＲｉBattに対し直列につながれた導体抵抗ＲｉLは、自動車バッテリのプラス端子からスタータ電流の接続端子までの導体長に従い、１ｍΩの定格抵抗値を有している。この値は、導体材料一般には銅の温度係数に依存する。
【００２４】
これにより全体として、温度Ｔが＋１０゜Ｃよりも高くかつ正常なバッテリ状態であれば、約６〜７ｍΩの総抵抗値が生じる。温度が低くかつ自動車バッテリの充電状態が悪いと、総抵抗値は約７〜９ｍΩとなる。
【００２５】
バッテリ内部抵抗ＲｉBattを手間をかけてそのつど測定するのを回避する目的で（印加パルスが短いと非常に手間をかけてしか実行できず、その理由は約１００Ａという大きい測定電流によってしかそれ相応の測定精度が得られないからである）、内燃機関のスタート遮断時点の算出にあたり、バッテリ内部抵抗ＲｉBattを６ｍΩとする。なぜならばこの抵抗値によって、温度が１０゜Ｃよりも高くかつ正常なバッテリ充電状態であれば、内燃機関において起こり得る多数の動作事例がカバーされるからである。
【００２６】
どのような事例であっても、このような前提によって確実な遮断判定基準が得られる。それというのも、温度が低いときには自動的に比較的大きい電流ｍＩＳが推定され、ひいてはスタート遮断まで比較的大きい期間がアクティブになるからである。
【００２７】
電圧Ｕをスタータ電流に相関する信号として評価する際、無負荷電圧と別の電気的負荷を排除する目的で、スタータモータに配属されたソレノイドスイッチのリレー投入フェーズ開始前であって初期フェーズｔinが終了した後、電圧Ｕの最初の測定が行われる。それにより以下のようになる：
U＿0 = UBatt - IVerb (RiBatt + RiL）
ここでＵBattは無負荷電圧であり、ＩVerbは始動時点につながる別の電気的負荷の電流である。したがって電圧Ｕ＿０には、その時点でつなげられた電気的負荷における電圧降下の差し引かれたバッテリ無負荷電圧が含まれる。この場合、必要とされる電圧範囲は１０Ｖ〜＋１３Ｖまでである。
【００２８】
電圧Ｕの主測定は、スタータモータ主接点が閉じられた後、１５０ｍｓが経過してから、つまり時点ｔ0で行われる。ここで以下の通りとなる：
U＿1 = UBatt - (IVerb + IS) ・(RiBatt + RiL）
最後に挙げた式の差形成により電圧差
dU = IS (RiBatt + RL)
が得られ、この場合、抵抗値ＲｉBatt＋ＲLについて全体として抵抗ＲX ＝６mΩが代入される。これにより
IS = (U＿0 - U＿1) / 6 mΩ
となる。
【００２９】
このため必要とされる電圧範囲は、７Ｖ〜＋１３Ｖとなる。測定精度を高める目的で、始動過程にあたり動作中の電装品をシステマティックに捕捉し、始動過程の時間領域全体にわたって記録する必要がある。ここで重要なのは個々の電流のレベルと経過特性である。なぜならば場合によっては、適切に選定されたフィルタを介して電装品の除去も行われるからである。
【００３０】
図３にはハッチングされた時間領域が描かれており、それらの領域は上昇する電圧Ｕの１つのフェーズにおけるそれぞれ１つの期間に相当する。上昇する電圧Ｕのフェーズは、図１による下降するスタータ電流ＩSのフェーズに対応しており、したがってスタータ電流ＩSについて同様のことがあてはまる。
【００３１】
生じた期間を内燃機関の動作状態の期間に対応づけられた特性曲線たとえばウォーム特性曲線またはコールド特性曲線と比較することにより、電圧Ｕの上昇フェーズ内でその期間経過後、時点ｔAで内燃機関のスタート遮断が行われる。
【００３２】
電圧Ｕをスタータ電流に比例する信号として評価する場合、自動車固有の設定量たとえば自動車バッテリおよびスタータモータの接続端子への接続導体に関する設定量を排除し、温度の影響や耐用年数の影響がスタート遮断の決定にできるかぎり僅かな作用しか及ぼさないようにすることで、遮断時点ｔAの決定精度を高めることができる。
【００３３】
この目的で、電圧Ｕがスタータモータの接続端子においてまずはじめにスタータ電流ＩSの最大値の時点でつまり時点ｔ1の電流Ｉ1の最大値の時点で測定され、このとき電圧Ｕはその最小値Ｕminをもつ。この時点では、誘導電圧成分Ｎｕｌｌ（Ｌ* di/dt = 0; di/dt = 0）およびスタータモータの回転数から生じる電圧成分Ｕistaは比較的小さく、スタータモータの温度には依存しない。これは、生じ得る温度範囲全体において０．３〜０．５Ｖとなる。
【００３４】
これらの境界条件に基づきＵminについて２つの式がたてられ、それらによって接続端子におけるその時点でのスタータ電流ＩSと、バッテリ内部抵抗ＲｉBattおよび導体抵抗ＲｉLから求められる抵抗が得られる。ここで次式が成り立つ：
Istag = (Umin - Uxx) / Ra および
Rig = (UBatt - Umin) / IS
ここでＩstagは推定された最大スタータ電流であり、Ｉstaはシミュレートされた最大スタータ電流、ＵBattは自動車バッテリ無負荷電圧、Ｕminはスタータモータの接続端子における最小電圧、ＵXXはスタータモータのブラシ電圧＋スタータモータの誘導電圧、ＲｉGは推定されたバッテリ抵抗ＲｉBatt ＋導体抵抗ＲｉL、さらにＲａは接触抵抗＋アース側の導体抵抗＋スタータモータの巻線抵抗＋スタータブラシに配分される成分である。
【００３５】
シミュレーションに基づき想定温度範囲である−２０゜Ｃ〜＋８０゜Ｃ内で求められた結果を以下に示す。平衡点は＋２０゜Ｃ付近にある。用いられたパラメータは、励磁を伴う１．８ＫＷのスタータモータについてあてはまる。
【００３６】
【表３】
0004469498.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【図１】  スタータ電流の経過特性である。
【図２】  スタータ電流と内燃機関のクランク軸回転数との関係を示す図である。
【図３】  始動フェーズ中のバッテリ電圧経過特性を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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