(57)【要約】【課題】高膨張比エンジンの始動性を向上させる。【解決手段】エンジン始動時のクランク角が吸気行程の下死点に差し掛かると、スタータモータのモータトルクを増大させてクランク軸の回転速度を増速する。そして、クランク角が吹き戻し行程から圧縮行程に移行したときには、スタータモータのモータトルクを減少させてクランク軸の回転速度を減速する。このように、吸気行程から吹き戻し行程に移行する前に、クランク軸の回転速度を速度αから速度βに増速し、吹き戻し行程から圧縮行程に移行した後に、クランク軸の回転速度を速度βから速度αに減速するようにしたので、吸入方向に流れる混合気の慣性力を高めることができ、混合気の吹き戻し量を削減することができるため、エンジンの始動性を向上させることが可能となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気行程と圧縮行程との間に吸気バルブの閉時期を遅らせる吹き戻し行程を備えるエンジンと、前記エンジンに連結されてクランク軸を始動回転するスタータ機構とを有するエンジン始動装置であって、
前記エンジンが吸気行程から吹き戻し行程に移行する前に、前記スタータ機構に増速信号を出力して前記クランク軸の回転速度を増速させるスタータ制御手段を有することを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項２】
請求項１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は、前記エンジンが吹き戻し行程から圧縮行程に移行した後に、前記スタータ機構に減速信号を出力して前記クランク軸の回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のエンジン始動装置において、
前記スタータ機構は始動モータと補助モータとを備え、前記始動モータによって前記クランク軸を始動回転させた状態のもとで、前記補助モータによって前記クランク軸の回転速度を増減させることを特徴とするエンジン始動装置。
【請求項４】
請求項３記載のエンジン始動装置において、
前記補助モータを発電状態に切り換えて前記クランク軸の回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載されるエンジン始動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの熱効率を向上させて消費燃料を抑制するため、圧縮比よりも膨張比を大きく設定するようにした高膨張比エンジンが開発されている。この高膨張比エンジンは、吸気行程後の下死点を過ぎても所定のクランク角まで開放動作を継続する吸気バルブを備えており、ピストンが下死点を過ぎて上昇を開始した場合であっても吸気ポートに混合気を吹き戻すことができ、膨張行程に比べて圧縮行程を短く設定することが可能となっている(たとえば、特許文献１参照)。このような高膨張比エンジンは、燃費性能が高いことから駆動源としてエンジンと電動モータとを備えるハイブリッド車両に搭載されることも多い。
【特許文献１】特開平８−３２６５４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、高膨張比エンジンにあっては、混合気の吹き抜けに伴ってエンジントルクが低下する傾向にあるため、始動時に十分なエンジントルクを発生させることが困難であり、始動性が低下してしまうという問題がある。特に、極低温時にあっては、潤滑油の粘度が増大してクランク軸の回転抵抗が増大するだけでなく、バッテリの内部抵抗が増大してスタータモータに対する供給電力も低下することになるため、極低温時に高膨張比エンジンを始動させることは極めて困難となっていた。
【０００４】
本発明の目的は、高膨張比エンジンの始動性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のエンジン始動装置は、吸気行程と圧縮行程との間に吸気バルブの閉時期を遅らせる吹き戻し行程を備えるエンジンと、前記エンジンに連結されてクランク軸を始動回転するスタータ機構とを有するエンジン始動装置であって、前記エンジンが吸気行程から吹き戻し行程に移行する前に、前記スタータ機構に増速信号を出力して前記クランク軸の回転速度を増速させるスタータ制御手段を有することを特徴とする。
【０００６】
本発明のエンジン始動装置は、前記スタータ制御手段は、前記エンジンが吹き戻し行程から圧縮行程に移行した後に、前記スタータ機構に減速信号を出力して前記クランク軸の回転速度を減速させることを特徴とする。
【０００７】
本発明のエンジン始動装置は、前記スタータ機構は始動モータと補助モータとを備え、前記始動モータによって前記クランク軸を始動回転させた状態のもとで、前記補助モータによって前記クランク軸の回転速度を増減させることを特徴とする。
【０００８】
本発明のエンジン始動装置は、前記補助モータを発電状態に切り換えて前記クランク軸の回転速度を減速させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エンジンが吸気行程から吹き戻し行程に移行する前に、クランク軸の回転速度を増速させるようにしたので、吹き戻し行程における混合気の吹き戻し量を削減することができ、エンジンの始動性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は車両に搭載されるエンジン１０と自動変速機１１とを示すスケルトン図であり、図示するエンジン１０は本発明の一実施の形態であるエンジン始動装置によって始動される。
【００１１】
図１に示すように、エンジン１０の後方側には自動変速機１１が設けられており、エンジン１０から出力されるエンジン動力はミッションケース１２内の変速機構１３を介して変速された後に、複数のデファレンシャル機構１４，１５を経て各駆動輪に分配される。また、エンジン動力を変速機構１３に伝達するトルクコンバータ１６は、コンバータケース１７に固定されるポンプインペラ１８と、このポンプインペラ１８に対向するタービンランナ１９とを備えており、トルクコンバータ１６内の作動油を介してポンプインペラ１８からタービンランナ１９に動力が伝達されるようになっている。さらに、トルクコンバータ１６にはロックアップクラッチ２０が組み込まれており、定常走行時にはロックアップクラッチ２０を締結して動力伝達効率を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、トルクコンバータ１６の近傍にはスタータ機構としてのスタータモータ２１が設けられており、このスタータモータ２１が備えるピニオン２２はコンバータケース１７に固定されるリングギヤ２３に噛み合うようになっている。さらに、スタータモータ２１のピニオン２２は、リングギヤ２３に噛み合う突出位置と噛み合わない退避位置とに移動するようになっており、ピニオン２２を突出位置に移動させてスタータモータ２１を駆動することにより、コンバータケース１７を介してエンジン１０のクランク軸２４を始動回転させることが可能となる。
【００１３】
また、変速入力軸２５を介してトルクコンバータ１６に接続される変速機構１３は、遊星歯車列、クラッチ、ブレーキ等を備えている。これらのクラッチやブレーキを選択的に締結することにより、変速機構１３内の動力伝達経路を切り換えて変速することが可能となる。さらに、変速出力軸２６と後輪出力軸２７との間には、前後輪に駆動トルクを分配する複合遊星歯車式のセンタデファレンシャル機構１４が装着されており、このセンタデファレンシャル機構１４を介して前輪出力軸２８と後輪出力軸２７とに動力が分配されている。
【００１４】
図２は本発明の一実施の形態であるエンジン始動装置を概略的に示すブロック図である。なお、図１に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図２に示すように、エンジン始動装置には、スタータモータ２１に対して電力を供給するバッテリ(たとえば１２Ｖの鉛蓄電池)３０が設けられるとともに、スタータモータ２１に対して始動信号を出力するスタータ制御手段としての制御ユニット３１が設けられている。また、制御ユニット３１には、運転手の始動操作に伴う操作信号がスタータスイッチ３２から入力されるとともに、クランク角センサ３３からクランク軸２４の回転角度(クランク角)を示すパルス信号が入力されている。そして、制御ユニット３１は、操作信号やクランク角などに基づいて始動信号を設定するとともに、設定された始動信号をスタータモータ２１に対して出力するようになっている。なお、制御ユニット３１は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、マップデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。
【００１５】
図３(ａ)〜(ｅ)はエンジン１０の作動状態を示す説明図であり、吸気行程から排気行程に至るまでの作動状態が示されている。図３に示すように、エンジン１０のクランク軸２４とピストン３４とはコンロッド３５を介して連結されており、ピストン３４の往復運動はクランク軸２４の回転運動に変換されている。また、シリンダ３６の上方に組み付けられるシリンダヘッド３７には、燃焼室３８に開口する吸気ポート３９と排気ポート４０とが形成されている。吸気ポート３９には吸気バルブ４１が開閉自在に組み付けられる一方、排気ポート４０には排気バルブ４２が開閉自在に組み付けられており、吸気バルブ４１および排気バルブ４２の開閉運動は図示しないカム機構によってクランク軸２４の回転運動に同期するようになっている。
【００１６】
まず、図３(ａ)および(ｂ)に示すように、燃焼室３８に混合気を導入する吸気行程においては、吸気バルブ４１が開かれた状態のもとでピストン３４が上死点から下死点まで下降し、燃焼室３８から吸気ポート３９に混合気を案内する吹き戻し行程においては、吸気バルブ４１が開かれた状態のもとでピストン３４が下死点から所定位置まで上昇する。続いて、図３(ｃ)および(ｄ)に示すように、燃焼室３８の混合気を圧縮する圧縮行程においては、吸気バルブ４１が閉じられた状態のもとでピストン３４が上死点に向けてストロークＳ１で上昇し、燃焼室３８の混合気を燃焼させる膨張行程においては、燃焼圧力によってピストン３４が下死点に向けてストロークＳ２で下降する。そして、図３(ｅ)に示すように、燃焼室３８から排気ポート４０に燃焼ガスを排出する排気行程においては、排気バルブ４２が開かれた状態のもとでピストン３４が上死点に上昇するようになっている。このように、吸気バルブ４１の閉時期を遅らせて吸気行程と圧縮行程との間に吹き戻し行程を設けることにより、圧縮ストロークＳ１を膨張ストロークＳ２よりも短縮することができるため、圧縮比よりも膨張比を大きく設定することができ、エンジン１０の熱効率を向上させることが可能となる。すなわち、図示するエンジン１０は、燃費性能を向上させるようにした高膨張比(ミラーサイクル)エンジンとなっている。
【００１７】
続いて、エンジン１０の始動制御について説明する。図４はエンジン始動時におけるスタータモータ２１の作動状態を示すタイミングチャートである。運転手によってスタータスイッチ３２が操作されると、スタータスイッチ３２から制御ユニット３１に対して操作信号が出力され、この操作信号に基づいて制御ユニット３１からスタータモータ２１に対して始動信号が出力される。そして、スタータモータ２１は、ピニオン２２を突出位置に移動させた後に回転駆動し、エンジン１０のクランク軸２４を始動回転することになる。このとき、図示しないエンジン制御ユニットは、インジェクタやイグナイタ等に対して制御信号を出力することにより、混合気を生成するとともに混合気に対する点火制御を開始するようにしている。
【００１８】
また、エンジン始動時にスタータモータ２１から出力されるモータトルクは、クランク角に応じて制御されるようになっている。図４に示すように、吸気行程の終盤までは、スタータモータ２１からほぼ一定のモータトルクが出力されており、クランク軸２４はほぼ一定の回転速度を保つように制御されている。続いて、クランク角が吸気行程の下死点に差し掛かると、制御ユニット３１からスタータモータ２１に対して増速信号が出力され、スタータモータ２１はモータトルクを増大させてクランク軸２４の回転速度を増速する。そして、クランク角が吹き戻し行程から圧縮行程に移行すると、制御ユニット３１からスタータモータ２１に対して減速信号が出力され、スタータモータ２１はモータトルクを減少させてクランク軸２４の回転速度を減速することになる。
【００１９】
ここで、図５(ａ)〜(ｅ)はエンジン１０の作動状態を示す説明図であり、吸気行程から吹き戻し行程を経て圧縮行程に移行するまでの作動状態が示されている。図５(ａ)および(ｂ)に示すように、吸気行程の終盤に差し掛かると、クランク軸２４の回転速度は速度αから速度βに引き上げられる。そして、図５(ｃ)および(ｄ)に示すように、クランク軸２４の回転速度は吹き戻し行程が完了するまで速度βが維持され、図５(ｅ)に示すように、吹き戻し行程から圧縮行程に移行したときには、クランク軸２４の回転速度は速度βから速度αに引き下げられる。
【００２０】
このように、吸気行程から吹き戻し行程に移行する前に、クランク軸２４の回転速度を速度αから速度βに増速し、吹き戻し行程から圧縮行程に移行した後に、クランク軸２４の回転速度を速度βから速度αに減速するようにしたので、吸入方向に流れる混合気の慣性力を高めることができ、吹き戻し行程における混合気の吹き戻し量を削減することが可能となる。すなわち、回転速度を増速させない場合に比べて混合気の慣性力を高めることにより、混合気が吸気ポート３９に向けて逆流を開始するタイミング(クランク角に対するタイミング)を遅らせることができるため、多くの混合気が逆流する前に吸気ポート３９を閉じることが可能となる。そして、このように混合気の吹き戻し量を削減して混合気の充填効率を高めることにより、エンジントルクを増大させてエンジン１０を素早く自力運転に移行させることができ、エンジン１０の始動性を向上させることが可能となる。また、部分的にクランク軸２４の回転速度を増速させるようにしたので、バッテリ３０の消費電力を抑制することも可能となる。
【００２１】
また、これまで説明したエンジン始動装置にあっては、スタータ機構として減速ギヤを介してクランク軸２４を始動回転させるスタータモータ２１を設けるようにしているが、これに限られることはなく、スタータ機構としてエンジン１０に直結されるモータジェネレータを用いるようにしても良い。ここで、図６はハイブリッド車両に搭載されるパワーユニット５０を示すスケルトン図であり、このパワーユニット５０が備えるエンジン１０は、本発明の他の実施の形態であるエンジン始動装置によって始動されるようになっている。なお、図１に示す部材と同一の部材については、同一の記号を付してその説明を省略する。
【００２２】
図６に示すように、図示するパワーユニット５０は、ハイブリッド車両に搭載されるパラレル方式のパワーユニットであり、駆動源としてエンジン１０およびモータジェネレータ(スタータ機構)５１を備えている。エンジン１０の後方側に設けられるモータジェネレータ５１は、モータケース５２に固定されるステータ５３と、エンジン１０のクランク軸２４に連結されるロータ５４とを備えており、ロータ５４はドライブプレート５５を介してトルクコンバータ１６に連結されている。このモータジェネレータ５１を用いてクランク軸２４を始動回転する場合であっても、前述したように、吸気行程から吹き戻し行程に移行する前にクランク軸２４の回転速度を増速し、吹き戻し行程から圧縮行程に移行した後にクランク軸２４の回転速度を減速することにより、混合気の吹き戻し量を削減することができ、エンジン１０の始動性を向上させることが可能となる。
【００２３】
以下、本発明の他の実施の形態であるエンジン始動装置について説明する。図７はハイブリッド車両に搭載されるパワーユニット６０を示すスケルトン図であり、このパワーユニット６０が備えるエンジン１０は、本発明の他の実施の形態であるエンジン始動装置によって始動されるようになっている。なお、図１および図６に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２４】
図７に示すように、パワーユニット６０には、駆動源としてのエンジン１０とモータジェネレータ(補助モータ)５１とが設けられており、モータジェネレータ５１の後方側にはトルクコンバータ１６が接続されている。また、トルクコンバータ１６の近傍には始動モータとしてのスタータモータ２１が設けられており、このスタータモータ２１とモータジェネレータ５１とによってスタータ機構が構成されている。なお、図示するパワーユニット６０はパラレル方式のパワーユニットであり、走行用の主要な駆動源としてエンジン１０が駆動される一方、発進時や加速時には補助的な駆動源としてモータジェネレータ５１が駆動される。また、減速時や定常走行時にはモータジェネレータ５１を発電駆動させることにより、減速エネルギや余剰動力を電気エネルギに変換して回収することが可能となっている。
【００２５】
図８は本発明の他の実施の形態であるエンジン始動装置を概略的に示すブロック図である。なお、図２および図７に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図８に示すように、エンジン始動装置には、モータジェネレータ５１に電力を供給する高電圧バッテリ(たとえばリチウムイオンバッテリ)６１が設けられるとともに、スタータモータ２１に電力を供給する低電圧バッテリ(たとえば１２Ｖの鉛蓄電池)６２が設けられている。また、高電圧バッテリ６１と低電圧バッテリ６２とはコンバータ６３を介して接続されており、このコンバータ６３によって高電圧電流を低電圧電流に変換することにより、高電圧バッテリ６１から低電圧バッテリ６２に電力を供給することが可能となっている。
【００２６】
また、エンジン始動装置には、高電圧バッテリ６１の電圧や電流を制御して充放電量を制御するとともに、電圧、電流、セル温度に基づき高電圧バッテリ６１の充電状態ＳＯＣ(state of charge)を算出するバッテリ制御ユニット６４が設けられている。さらに、エンジントルクやエンジン回転数を制御するエンジン制御ユニット６５が設けられており、このエンジン制御ユニット６５からインジェクタやイグナイタ等に対して制御信号が出力されるようになっている。さらに、スタータモータ２１やモータジェネレータ５１に対して始動信号を出力するスタータ制御手段としてのスタータ制御ユニット６６が設けられている。これらの制御ユニット６４〜６６は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、マップデータ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。
【００２７】
さらに、スタータ制御ユニット６６には、運転手の始動操作に伴う操作信号がスタータスイッチ３２から入力されるとともに、エンジン制御ユニット６５を介してクランク角センサ３３からクランク角を示すパルス信号が入力されるようになっている。そして、スタータ制御ユニット６６は、操作信号やクランク角などに基づいて始動信号を設定するとともに、設定された始動信号をスタータモータ２１やモータジェネレータ５１に対して出力することになる。
【００２８】
なお、モータジェネレータ５１の駆動状態を制御するため、高電圧バッテリ６１とモータジェネレータ５１との間にはインバータ６７が設けられている。スタータ制御ユニット６６からインバータ６７に対して制御信号を出力することにより、インバータ６７を介して交流電流の電流値や周波数を制御することができ、交流同期型モータであるモータジェネレータ５１のモータトルクやモータ回転数を制御することが可能となっている。
【００２９】
続いて、エンジン１０の始動制御について説明する。図９はエンジン始動時におけるモータジェネレータ５１の作動状態を示すタイミングチャートである。運転手によってスタータスイッチ３２が操作されると、スタータスイッチ３２からスタータ制御ユニット６６に対して操作信号が出力され、この操作信号に基づいて制御ユニット３１からスタータモータ２１に対して始動信号が出力される。そして、スタータモータ２１は、ピニオン２２を突出位置に移動させた後に回転駆動し、エンジン１０のクランク軸２４を始動回転することになる。このとき、エンジン制御ユニット６５は、インジェクタやイグナイタ等に対して制御信号を出力し、混合気を生成するとともに混合気に対する点火制御を開始するようになっている。
【００３０】
また、エンジン始動時におけるモータジェネレータ５１の制御状態は、クランク角に応じて切り換えられるようになっている。図９に示すように、吸気行程の終盤までは、モータジェネレータ５１は発電状態に切り換えられており、モータジェネレータ５１からほぼ一定の負荷トルクが出力されるとともに、クランク軸２４はほぼ一定の回転速度αを保つように制御されている。続いて、クランク角が吸気行程の下死点に差し掛かると、スタータ制御ユニット６６からモータジェネレータ５１に対して増速信号が出力され、この増速信号に基づきモータジェネレータ５１は駆動状態に切り換えられる。駆動状態となったモータジェネレータ５１からはアシストトルクが出力され、クランク軸２４の回転速度は速度βまで引き上げられる。そして、クランク角が吹き戻し行程から圧縮行程に移行すると、スタータ制御ユニット６６からモータジェネレータ５１に対して減速信号が出力され、この減速信号に基づきモータジェネレータ５１は発電状態に切り換えられる。発電状態となったモータジェネレータ５１からは負荷トルクが出力され、クランク軸２４の回転速度は速度αまで引き下げられる。なお、スタータモータ２１はほぼ一定のモータトルクを出力するように制御される。
【００３１】
このように、吸気行程から吹き戻し行程に移行する前にクランク軸２４の回転速度を増速し、吹き戻し行程から圧縮行程に移行した後にクランク軸２４の回転速度を減速することにより、混合気の吹き戻し量を削減することができるため、エンジン１０の始動性を向上させることが可能となる。さらに、モータジェネレータ５１を発電状態に切り換えることによって、クランク軸２４の回転速度を減速するようにしたので、高電圧バッテリ６１の消費電力を抑制することも可能となっている。
【００３２】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、前述の説明では、クランク軸２４の回転速度を２段階に切り換えているが、クランク軸２４の回転速度を更に細かい段階に分けて制御しても良く、クランク軸２４の回転速度を連続的に制御しても良い。
【００３３】
また、前述の説明では、発明の理解を容易にするため、１つのシリンダを備える単気筒エンジンについて説明したが、本発明のエンジン始動装置を適用することが可能なエンジンとしては、単気筒エンジンに限られることはなく、複数のシリンダを備える多気筒エンジンであっても良い。本発明のエンジン始動装置によって多気筒エンジンを始動する際には、各シリンダの吹き戻し行程に合わせてスタータモータ２１やモータジェネレータ５１のモータトルクを増大させることにより、混合気の吹き戻し量を削減するようにクランク軸２４の回転速度が増速されることになる。
【００３４】
また、運転者によってスタータスイッチ３２が操作されることにより、エンジン１０の始動制御が開始されているが、これに限られることはなく、車両状態に応じてエンジンを停止するアイドリングストップ車両の再始動時に本発明のエンジン始動装置を用いるようにしても良い。
【００３５】
さらに、図示するエンジン１０は、吸気ポート３９に燃料を噴射して混合気を燃焼室に供給するようにした吸気管噴射方式のエンジンであるが、これに限られることはなく、燃焼室内に導入された空気に対して燃料を噴射するようにした筒内噴射方式のエンジンに対して本発明のエンジン始動装置を適用しても良い。
【００３６】
なお、モータジェネレータ５１に電力を供給する高電圧バッテリ６１としては、リチウムイオンバッテリに限られることはなく、ニッケル水素バッテリやキャパシタ等であっても良い。同様に、スタータモータ２１に電力を供給する低電圧バッテリ３０，６２についても、鉛蓄電池に限られることなく、他の形式のバッテリを用いても良いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】車両に搭載されるエンジンと自動変速機とを示すスケルトン図である。
【図２】本発明の一実施の形態であるエンジン始動装置を概略的に示すブロック図である。
【図３】(ａ)〜(ｅ)はエンジンの作動状態を示す説明図であり、吸気行程から排気行程に至るまでの作動状態が示されている。
【図４】エンジン始動時におけるスタータモータの作動状態を示すタイミングチャートである。
【図５】(ａ)〜(ｅ)はエンジンの作動状態を示す説明図であり、吸気行程から吹き戻し行程を経て圧縮行程に移行するまでの作動状態が示されている。
【図６】ハイブリッド車両に搭載されるパワーユニットを示すスケルトン図である。
【図７】ハイブリッド車両に搭載されるパワーユニットを示すスケルトン図である。
【図８】本発明の他の実施の形態であるエンジン始動装置を概略的に示すブロック図である。
【図９】エンジン始動時におけるモータジェネレータの作動状態を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１０    エンジン
２１    スタータモータ(スタータ機構，始動モータ)
２４    クランク軸
３１    制御ユニット(スタータ制御手段)
４１    吸気バルブ
５１    モータジェネレータ(スタータ機構，補助モータ)
６６    スタータ制御ユニット(スタータ制御手段)
【図１】
2007255288.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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