CN105275703B - 具有浪涌电流减小单元的发动机起动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发动机起动装置，该发动机起动装置配备有起动机、浪涌电流减小单元和起动机模式开关。浪涌电流减小单元用于减小当安装在起动机中的电动马达被通电时流过电动马达的浪涌电流。起动机模式开关用于至少在低扭/高速模式与高扭/低速模式之间连续地或选择性地改变起动机特性，即起动机的输出特性。起动机模式开关至少在起动机被致动之后当发动机的活塞首次经过上止点并且发动机摩擦已经刚好最大化时将起动机置于高扭/低速模式以通过曲柄起动发动机。这样在不牺牲由浪涌电流减小单元提供的有益效果的情况下缩短了起动发动机所需的时间段。

Description

具有浪涌电流减小单元的发动机起动装置
技术领域
本公开总体上涉及发动机起动装置，其中，该发动机起动装置配备有浪涌电流减小单元以减小当电动马达被通电时由电动马达汲取的浪涌电流。
背景技术
通常，当起动发动机时过大的浪涌电流流过发动机起动机的电动马达将导致蓄电池处的端电压大幅下降，这样会导致安装在车辆中的电子控制单元(ECU)被重置或螺线管致动器的操作不稳定。为了减小流过电动马达的浪涌电流，日本特许首次公报No.2009-224315教示了在通向电动马达的供电线路中安装具有内置的电阻器的ICR(浪涌电流减小)继电器。
用于在汽车的怠速停止系统(也称作自动发动机停止/重新起动系统)中使用的发动机起动机需要使重新起动发动机所耗费的时间(下文中也被称作发动机重新起动时间)最小化以确保驾驶员或乘客的舒适度。缩短发动机重新起动时间可以通过增大发动机通过曲柄起动时的速度来实现。为了实现以上所述并且确保发动机在低温下——在低温下，发动机的机械摩擦通常是较高的——的起动性能，必须在发动机起动机中使用大尺寸、高功率的电动马达。
在不使用大尺寸、高功率的电动马达的情况下通过曲柄起动发动机时的速度的增大可以通过在高速模式与高扭矩模式之间切换安装在发动机起动机中的电动马达的操作特性来实现。例如，日本特许首次公报No.2004-197719公开了如下技术：使用配备有由串联绕组和并联绕组构成的场线圈的电动马达，并且通过ECU在高速模式与高扭矩模式之间切换而控制流过并联绕组的场电流。
然而，当发动机起动机被置于高速模式下来起动发动机时，由发动机起动机输出的扭矩通常是低的，因此导致当发动机活塞首次经过上止点时流过电动马达的电流大幅增大。如图3中所示，该电流可超过通过ICR继电器减小过的浪涌电流值，因此遇到了浪涌电流的水平未保持在允许水平以下的缺点。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种发动机起动装置的改进结构，其设计成减小起动发动机消耗的时间并且保持流过电动马达的浪涌电流的水平低于期望的水平。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于发动机的发动机起动装置，该发动机起动装置包括：(a)起动机，该起动机用于使用由电动马达产生的扭矩来起动发动机；(b)浪涌电流减小单元，该浪涌电流减小单元用于减小当电动马达被通电时流过电动马达的浪涌电流；以及(c)起动机模式开关，该起动机模式开关用于使起动机特性、即起动机的输出特性至少在低扭/高速模式与高扭/低速模式之间连续地或选择性地变化。起动机模式开关至少在起动机被致动之后发动机的活塞首次经过上止点并且发动机摩擦已经刚好最大化时，将起动机置于高扭/低速模式以通过曲柄起动发动机。
“发动机的活塞首次经过上止点时”的表述意为在发动机中的活塞的压缩行程期间活塞经过上止点的转变时期。“发动机摩擦已经刚好最大化时”的表述意为在发动机的压缩行程期间当活塞到达上止点的时刻。
当发动机起动时过大的浪涌电流流过电动马达将导致电池的电压降的问题将通过使用浪涌电流减小单元得到缓解。然而，当低扭/高速起动机用于缩短起动发动机所需的时间时，过低程度的扭矩会导致当活塞经过上止点时流过起动机的电动马达的电流的值高于通过浪涌电流减小单元减小过的浪涌电流的值。因此将不会获得期望由浪涌电流减小单元提供的最大效果，这导致了如下风险：一些缺点由于电池处的电压降而产生，比如ECU的重置或安装在车辆中的螺线管的操作的不稳定。
为了缓解上述问题，发动机起动装置用于至少在起动机被致动之后发动机的活塞首次经过上止点并且发动机摩擦已经刚好最大化时将起动机置于高扭/低速模式，即，使发动机以低速旋转以产生较高程度的扭矩。这样使得在发动机摩擦最大化时的时刻流过起动机的电动马达的电流值减小。
在压缩行程期间当活塞经过上止点时，换句话说，当发动机摩擦最大化时，流过电动马达的电流值的减小使得起动发动机消耗的电力减少并且提高了车辆的燃料经济性。
附图说明
根据下文给出的详细描述并且根据本发明的优选实施方式的附图将更充分地理解本发明，然而，这些详细描述和附图不应理解为将本发明局限于具体实施方式，而仅用于解释和理解的目的。
在附图中：
图1为示出了根据第一实施方式的发动机起动装置的局部纵向截面图；
图2为示出了在第一实施方式中当发动机起动时马达电流和发动机转速的变化的波形图；以及
图3为示出了当使用常规的低扭/高速起动机起动发动机时马达电流和发动机转速的变化的波形图。
具体实施方式
参照附图，其中，在若干附图中相同的附图标记指代相同的部件；特别参照图1，其示出了根据实施方式的发动机起动装置。发动机起动装置包括发动机起动机1、控制器4、浪涌电流减小单元5以及起动机特性选择器(将在下面详细描述)。控制器4由电子控制单元(EUC)实现并且用于通过起动机继电器2和3控制发动机起动机1的操作。浪涌电流减小单元5安装在起动机1的起动电路中。起动机特性选择器被设计成连续地或至少在两种模式之间改变起动机1的输出特性(下文中也称作起动机特性)。
起动机1由稍后将详细描述的电动马达6、输出轴8、小齿轮10以及电磁螺线管装置11构成。电动马达6用于当被通电时产生扭矩。扭矩通过稍后将详细描述的可变速减速器7传递至输出轴8。小齿轮10将由马达6产生的扭矩输出至齿圈9，该齿圈9联接至发动机200，比如内燃发动机。
马达6由有刷DC(直流)马达实现，其包括励磁系统、电枢15和电刷16。励磁系统由轭12和布置在轭12的内周上的永磁体13构成。电枢15具有设置在其轴线上的整流器14。电刷16坐落在整流器14的外周上以能够随着电枢15的旋转而滑动。励磁系统可替代性地由励磁绕组而不是永磁体13构成。
输出轴8通过可变速减速器7与马达6的电枢轴15a同轴地设置。输出轴8具有远离马达6的一端，并且由起动机壳体18通过轴承17保持在这一端。
小齿轮10通过花键直接地接合内管19a的外周。内管19a为离合器19的一部分。小齿轮10被小齿轮弹簧20朝向内管19a的顶部(即，在图1中观察为向左方向)迫压以接触小齿轮止挡件21。
离合器19通过螺旋花键接合输出轴8的外周并且用作单向离合器，该单向离合器将由马达6产生的转矩传递至小齿轮10，并且当小齿轮10通过发动机200而旋转时阻止扭矩从小齿轮10传递至输出轴8。
电磁螺线管装置11配备有螺线管SL1和螺线管SL2。螺线管SL1用于通过移位杆23使柱塞22移动以将小齿轮10与离合器19推在一起。螺线管SL2用于使柱塞24移动以打开或关闭主触头(稍后将详细描述)。
主触头包括活动触头和一对固定触头。固定触头通过两个端子螺栓26和27连接至供电路径，通过该供电路径将电力从电池25供给至马达6。活动触头通过柱塞24的移动而移动以电气地关闭或打开固定触头。
端子螺栓26和27被固定至树脂盖28，该树脂盖28覆盖电磁螺线管装置11的后端(即图1中的右端)。端子螺栓26通过电池线缆29连接至电池25的正极端子。端子螺栓27通过马达导线30连接至正极电刷16。
浪涌电流减小单元5由电阻器和电磁继电器构成。电阻器设置在用于电池6的供电路径中，即电池线缆29中。电磁继电器具有继电器触头，这些继电器触头与电阻器平行地设置在电池线缆29中。电磁继电器用于对安装在其中的电磁体进行通电或断电以关闭或打开继电器触头。当继电器触头打开时，端子螺栓26通过电阻器与电池25接触。替代性地，当继电器触头关闭时，端子螺栓26绕过电阻器并且直接地与电池25连接。电磁继电器包括继电器线圈，该继电器线圈当被电通电时用作电磁体。具体地，当起动机继电器3接通时，将电力从电池25供给至继电器线圈。在起动机继电器3接通后经过给定的时间段之后，继电器线圈被断电。起动机继电器3接通与继电器线圈断电之间的时间段由例如计时器设定。继电器触头为常闭式。具体地，当继电器线圈被通电而形成电磁体时，继电器触头打开，从而电池25通过电阻器与端子螺栓26连接。当对继电器线圈的电力供给被切断时，由电磁体产生的磁吸力消失，从而继电器触头关闭。
下面将对起动机特性的切换的进行详细地描述。
起动机特性选择器配备有可变速减速器7和减速操作开关31，该减速操作开关31用作使可变速减速器7(即起动机1)的操作在减速模式与非减速模式之间改变的起动机模式开关。
可变速减速器7由例如已知的行星齿轮减速器构成。减速操作开关31设计成在减速模式与非减速模式之间切换；在减速模式下，行星齿轮减速器的内齿轮(未示出)被保持以免旋转；在非减速模式下，行星齿轮减速器的内齿轮被允许旋转。减速操作开关31包括例如电动致动器(未示出)，以使可变速减速器7的操作在减速模式与非减速模式之间变化。
在减速模式下，可变速减速器7的内齿轮如上所述由电动致动器保持以免旋转，从而可变速减速器7用作减小输入至马达6的马达6的旋转速度并且将马达6的旋转速度传递至输出轴8的一般的减速器。
在非减速模式下，内齿轮被保持以免旋转的状态被释放以允许内齿轮旋转。因此，可变速减速器7不用作减速器。具体地，当马达6旋转时，可变速减速器7的齿轮(即内齿轮、行星齿轮和太阳轮)一起旋转，从而不减小马达6的旋转速度，即马达6的旋转速度未加改变地被直接地传递至输出轴8。
根据以上讨论明显的是，起动机1的输出特性(即起动机特性)包括在减速模式下建立的高扭/低速特性以及在非减速模式下建立的低扭/高速特性。
下面将对起动机1的操作进行描述。
将对在怠速停止模式下发动机200停止之后重新起动发动机200的示例进行讨论。
当做出重新起动发动机200的重新起动命令时，ECU 4首先接通起动机继电器2并且然后接通起动机继电器3。
当起动机继电器2接通以使螺线管SL1通电时，柱塞22发生移动以通过移位杆23将小齿轮10与离合器19一起推离马达6(即图1中的向左方向)。当小齿轮10的齿部脱离能够与齿圈9的齿部啮合的位置时，将导致小齿轮10的齿部的端面撞击齿圈9的齿部的端面。
然后，当通过ECU 4接通起动机继电器3以使螺线管SL2通电时，将导致柱塞24被移动以使活动触头与固定触头抵接，从而关闭主触头。另外，当起动机继电器3接通时，浪涌电流减小单元5的电磁继电器打开，从而将电力通过电阻器从电池25供给至马达6，因而减小了流过马达6的浪涌电流。因此，马达6以低速旋转而不经历速度急剧增大。由马达6产生的扭矩通过可变速减速器7被传递至输出轴8并且然后通过离合器19被传递至小齿轮10，从而小齿轮10旋转。当小齿轮10旋转直至能够与齿圈9接合的位置时，将使得小齿轮10的齿部与齿圈9的齿部啮合。
在起动机继电器3接通后经过给定的时间段之后，如上所述的浪涌电流减小单元5的电磁继电器关闭。这样使得在供电路径中产生了使浪涌电流减小单元5的电阻器的端部短路的旁通路径，从而将在电池25处形成的全电压施加至马达6。然后，马达6以高速旋转，从而使马达6产生的扭矩从小齿轮10传递至齿圈9以通过曲柄起动发动机200。
在起动机1开始被致动之后，可变速减速器7处于减速模式至少直至发动机200的活塞250在活塞250的压缩行程期间首次经过上止点。在发动机200的活塞250首次经过上止点之后，可变速减速器7切换至非减速模式。具体地，如可以在图2中看到的，由可变速减速器7建立的起动机特性至少当在起动机1开始被致动之后发动机200的活塞250在活塞250的压缩行程期间首次经过上止点时呈现高扭/低速特性，并且然后当在发动机200的活塞250首次经过上止点之后发动机200被通过曲柄起动时呈现低扭/高速特性。
如图1中所示，例如通过计时器电路32设定起动机特性应当从高扭/低速特性切换至低扭/高速特性的时间(下文中也将被称作切换时间)，即应当通过起动机模式开关(即可变速减速器7和减速操作开关31的组合)使起动机1的操作从高扭/低速模式(即减速模式)改变至低扭/高速模式(即非减速模式)的时间。具体地，螺线管SL1的通电开始时与起动机1致动之后发动机200的活塞250首次经过上止点时之间的时间间隔被预先测量，并且然后设定在计时器电路32中。计时器电路32响应于从ECU 4输出至起动机继电器2的用来使螺线管SL1通电的接通信号开始对时间进行计时。当由计时器电路32计时的时间已经经过预先选定的时间t时，如图2中所示，计时器电路32开始接通减速器操作开关31的电动致动器以使可变速减速器7的操作模式切换至非减速模式。
起动机特性应当从高扭/低速特性切换至低扭/高速特性的切换时间如上所述作为固定值被设定在计时器电路32中，但是也可以根据给定参数连续地或间歇地变化。例如，切换时间可以根据电池25中的电荷量比如电池25的充电状态(SOC)连续地或间歇地变化。具体地，切换时间随着电池25中的电荷量的增加而减少。这是因为当电池25中的电荷量大时，将使得浪涌电流的值上升，但是电池25处的电压足够高以确保如上所述的电气设备——比如安装在车辆上的ECU或螺线管——的操作的稳定性。例如，当电池25中的电荷量小时，切换时间设定为120毫秒，而当电池25中的电荷量大时，切换时间设定为90毫秒。电池25中的电荷量可通过图1中所示的电流传感器300测量。替代性地，切换时间可以随着发动机200的冷却剂的温度的升高而连续地或间歇地变化。这是为了提高在发动机200暖机之后起动机1重新起动发动机200时的响应速度。例如，当冷却剂的温度低时，即发动机200处于较冷的状态时，切换时间设定为250毫秒，而当发动机200处于热起来的状态时，切换时间设定为150毫秒。替代性地，当发动机200处于冷的状态时，切换时间可设定为活塞250两次经过上止点的时间。换句话说，可变速减速器7的操作模式保持处于减速模式直至起动机1开始被致动之后活塞250两次经过上止点，以减小在发动起起动装置中消耗的电力的大小并且确保起动发动机200时的稳定性，因为在冷的状态下发动机200中的机械摩擦(即发动机摩擦)较高。用于发动机200的冷却剂的温度可通过图1中所示的冷却剂温度传感器400测量。
第一实施方式的发动机起动装置提供了下列优点。
当通过螺线管SL2关闭主触头时，发动机起动装置用于通过浪涌电流减小单元5减小在马达6中流动的浪涌电流。这样避免了电池25处不期望的电压降，因而避免了安装在车辆中的ECU的重置或螺线管操作的不稳定。
至少在起动机1开始被致动之后发动机200的活塞250在活塞250的压缩行程期间首次经过上止点、并且发动机摩擦已经刚好最大化时，发动机特性被选择为呈现高扭/低速特性；换句话说，起动机1处于高扭/低速模式，因而减小了当在当活塞250到达上止点即发动机摩擦最大时流过马达6的电流值。如图2中示出的，这样使得当活塞250首次经过上止点时马达6中的电流值变得小于被浪涌电流减小单元5减小过的浪涌电流的值，因此提高了发动机起动装置的操作的稳定性并且降低了在起动发动机200中消耗的电力，从而提高了车辆的燃料经济性。活塞250经过上止点的时刻可以被确定为流过马达6的电流值最大的时刻。至少在该时间，ECU 4将可变速减速器7的操作置于减速模式。
当在起动机1被致动之后发动机200的活塞250已经首次经过上止点之后，起动机特性切换至呈现低扭/高速特性，因而增加了发动机200通过曲柄起动时的速度，缩短了起动发动机200所需的时间。特别地，在车辆配备有怠速停止系统的情况下，发动机起动装置用于减少起动机1接通(即螺线管SL1的通电开始)时与发动机200重新起动时之间的时间间隔，因而为车辆中的驾驶员或乘客提供了平稳的驾乘感。
使用计时器电路32在减速模式与非减速模式之间切换可变速减速器7的操作促进了控制起动机特性应当从高扭/低速特性切换至低扭/高速特性的时间的便利性并且还提高了确定该时间的准确性。
在起动机1中使用有刷DC马达6实现了与当使用需要逆变器来控制大的电流的AC马达时相比更低成本的发动机起动装置。
下面将对第二实施方式的发动机起动装置进行描述。与第一实施方式中采用的相同的附图标记将指示相同的部件，并且在此处其详细解释将被省略。
本实施方式的起动机1配备有多个可变速减速器7和多个减速操作开关31，所述多个可变速减速器7彼此串联连接，对每个可变速减速器7设置有一个减速操作开关31。与第一实施方式中类似，可变速减速器7中的每个可变速减速器以减速模式和非减速模式中选择的一个模式运行。减速操作开关31中的每个减速操作开关用于使可变速减速器7中相应的一个可变速减速器的操作在减速模式与非减速模式之间切换。ECU 4分别控制减速操作开关31的操作以使起动机1的操作(即起动机特性)在至少三种模式中切换。
例如，当在起动机1被致动之后发动机200的活塞250首次经过上止点时，ECU 4使起动机1以最高扭矩/最低速度模式运行；在起动机1开始被致动之后直至活塞250首次到达上止点之前的时间间隔期间，ECU 4使起动机1以中扭矩/中速模式运行；并且当在活塞250已经经过上止点之后发动机通过曲柄起动时，ECU 4使起动机1以最低扭矩/最高速度模式运行。最高扭矩/最低速度模式为从小齿轮10输出最高可能程度的扭矩并且使小齿轮10以最低可能的速度旋转的起动机1的操作模式。
起动机1的高扭/低速模式用于减小小齿轮10通过马达6旋转并且然后与齿圈9啮合时的速度，因此确保了实现小齿轮10与齿圈9之间的接合的可靠性。然而，当马达6开始致动时，过高的扭矩导致当小齿轮10与齿圈9啮合时小齿轮10的端面与齿圈9的端面之间的机械摩擦增大，这样导致了起动机1的耐用性降低。为了缓解该缺点，本实施方式的发动机起动装置可设计成在起动机1起动之后直至活塞250首次到达上止点之前的时间间隔期间驱动起动机1输出中等程度的扭矩，即，在起动机1的耐用性和起动发动机200时的可靠性方面适于实现小齿轮10与齿圈9之间的接合的程度的扭矩。该中等程度的扭矩被设定成小于当活塞250经过发动机200中的上止点时由起动机1产生的程度的扭矩。起动机1的以上控制使小齿轮10与齿圈9彼此啮合时它们的端表面之间的机械摩擦最小化，以确保起动机1的耐用性并且在降低的小齿轮10的速度的帮助下提高在小齿轮10与齿圈9之间建立接合的稳定性。
改型
虽然为了便于更好地理解本发明而根据优选实施方式公开了本发明，但是应当了解的是，可以在不背离本发明的原理的情况下以多种方式实现本发明。
除了使用计时器电路32来切换可变速减速器7的操作模式之外，ECU 4可以设计成具有计时器功能以确定可变速减速器7的操作应该从减速模式改变至非减速模式的时间。在第一实施方式中使用的计时器电路32对螺线管SL1开始通电时与起动机特性应被改变时之间的间隔即时间t进行计时。换句话说，计时器电路32响应于使起动机继电器2通电的接通信号开始操作，但是其可以被设计成响应于从ECU 4输出至起动机继电器3的使螺线管SL2通电的接通信号开始操作。换句话说，当计时器电路32已经完成从螺线管SL2的通电开始的给定时间段的计时时，计时器电路32可以接通减速操作开关31的电动致动器。
第一实施方式的发动机起动装置用于使起动机1(即可变速减速器7)的操作从减速模式(即高扭/低速特性)切换至非减速模式(即低扭/高速特性)。第二实施方式的发动机起动装置用于使起动机1的操作在高扭/低速特性与低扭/高速特性之间在至少三种模式中切换。然而，发动机起动装置可设计成使起动机1的操作(即起动机特性)以非阶梯式形式连续地变化。
以上实施方式中的起动机1用于使小齿轮10朝向齿圈9移动，但是可以替代性地设计为永久接合的起动机，其中，小齿轮10被布置成与齿圈9或带驱动起动机恒定地接合。
在以上实施方式中使用的电磁螺线管装置1为配备有推动小齿轮10的螺旋管SL1和关闭或打开主触头的螺旋管SL2的串联螺线管类型，但是，电磁螺线管装置1可以替代性地设计成使用单个螺线管执行这两个操作。

Claims (8)

1.一种用于发动机的发动机起动装置，包括：
起动机，所述起动机用来使用由电动马达产生的扭矩来起动发动机；
浪涌电流减小单元，所述浪涌电流减小单元用来减小当所述电动马达被通电时流过所述电动马达的浪涌电流；以及
起动机模式开关，所述起动机模式开关用来使起动机特性、即所述起动机的输出特性至少在低扭/高速模式与高扭/低速模式之间连续地或选择性地变化，所述起动机模式开关至少在所述起动机被致动之后发动机的活塞首次经过上止点并且发动机摩擦已经刚好最大化时将所述起动机置于所述高扭/低速模式以通过曲柄起动所述发动机，
其中，所述起动机模式开关是与所述电动马达分开的装置。
2.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，当在所述起动机被致动之后发动机的所述活塞首次经过所述上止点时使用的所述起动机特性被确定为使得当发动机的所述活塞首次经过所述上止点时在所述电动马达中流动的电流的值低于被所述浪涌电流减小单元减小过的在所述电动马达中流动的浪涌电流的值。
3.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，当在所述起动机被致动之后发动机的所述活塞首次经过所述上止点时使用的所述起动机特性被设置成呈现所述起动机的最高扭矩/最低速度特性。
4.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，通过使用计时器功能确定所述起动机的操作开始与切换时间之间的时间间隔，所述切换时间被设置为在所述活塞首次经过所述上止点之后的时间，其中，所述切换时间为所述起动机特性从所述高扭/低速模式切换至所述低扭/高速模式时的时间。
5.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，所述电动马达为有刷直流马达。
6.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，切换时间、即所述起动机特性从所述高扭/低速模式切换至所述低扭/高速模式时的时间被设定为预先选定的固定值。
7.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，切换时间、即所述起动机特性从所述高扭/低速模式切换至所述低扭/高速模式时的时间根据向所述起动机的所述电动马达供电的电源中的电荷量而确定。
8.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，切换时间、即所述起动机特性从所述高扭/低速模式切换至所述低扭/高速模式时的时间根据用于发动机的冷却剂的温度而确定。
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