JP2004225649A - 車両用始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧電源若しくは高電圧電源を切り換えて電力源とする一方で、マグネットスイッチの性能の低下を防止することができる車両用始動装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、低電圧電源１２と高電圧電源１４とを備えた車両に適用される車両用始動装置１０であって、低電圧電源１２又は高電圧電源１４の何れか一方を選択的に電力源として動作し、エンジンを始動させる動力を発生するスタータモータ３と、スタータモータ３の発生する動力を、エンジン側のギヤ８に伝達するギヤ機構４，９，１０，１８と、低電圧電源１２を電力源として動作し、ギヤ機構４，９，１０，１８とエンジン側のギヤ８との接続状態を実現すると共に、スタータモータ３と前記選択された電力源との導通状態を実現するマグネットスイッチ６とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低電圧電源と高電圧電源とを備えた車両に適用される車両用始動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、車両の電気負荷の増大に伴って、既存の低電圧電源とは別に、エネルギの回収効率の良い高電圧電源を車両に搭載する提案がなされている。また、近年では、車両が交差点等で一時的に停止したとき、エンジンを自動的に停止させるアイドルストップを実行し、排気ガスの減少や燃費の向上を図る提案がなされている。
【０００３】
ところで、エンジンを始動させるスタータは、静止慣性の大きいエンジンを回転させるものであるために、比較的大きな消費電力を必要とする。従って、スタータの電力源は、低電圧電源よりも、エネルギの回収効率の良い高電圧電源であることが望ましい。また、アイドルストップ後のエンジン再始動時に高電圧電源を利用すると、低電圧電源を利用する場合に比して、より高速にエンジンを駆動することができるため、エンジンの始動時間の短縮を図ることが可能となる。
【０００４】
このような観点から、従来より、エンジンの通常始動時には、低電圧電源によりスタータを駆動すると共に、アイドルストップ後のエンジン再始動時には、高電圧電源よりスタータを駆動することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−０８９０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両用始動装置（スタータ）としては、ピニオンを電磁力により押し出してエンジン側のリングギヤと噛合させる押し出し式の車両用始動装置が多用されている。この種のスタータは、スタータモータ、マグネットスイッチ、スタータクラッチ、ピニオン等を具備しており、エンジンのシリンダブロックに配設されている。ここで、スタータモータは、低電圧電源若しくは高電圧電源を電力源として、ピニオンが配設されたピニオンシャフトを回転させる構成とされている。また、マグネットスイッチも同様に、低電圧電源若しくは高電圧電源を電力源として、ピニオンがリングギヤと噛合する位置までピニオンシャフトを移動させる構成とされている。
【０００７】
しかしながら、上述の従来のスタータのように、２つの電源を切り換えてスタータのマグネットスイッチへの給電を行う場合、マグネットスイッチの安定した作動性能が得られないという不都合が生ずる。即ち、スタータのマグネットスイッチは、ソレノイドコイルが発生する吸引力と、吸引力により伸縮するばねの荷重とのバランスにより、本来の性能が発揮できる適正な電圧範囲が決定されているため、２つの電源の双方若しくは何れか一方が当該適正な電圧範囲外である場合には、マグネットスイッチの性能が低下するという不都合が生ずる。
【０００８】
より具体的には、適正な電圧範囲外の電圧がマグネットスイッチに印加されると、ピニオンシャフトの押し出し動作とスタータモータへの通電タイミングとの関係が不適切となり、ピニオンとリングギヤとの間で適切な噛合が実現されない状態でスタータモータの回転が開始されることになる。この結果、ピニオンとリングギヤとが不完全に噛み合った状態で回転してしまい、マグネットスイッチの性能の低下（始動性の悪化等）や耐久性の低下（ギヤの磨耗等）という問題点が生じる。
【０００９】
そこで、本発明は、低電圧電源若しくは高電圧電源を切り換えて電力源とする一方で、マグネットスイッチの性能の低下を防止することができる、車両用始動装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、請求項１に記載する如く、低電圧電源と高電圧電源とを備えた車両に適用される車両用始動装置であって、
前記低電圧電源又は前記高電圧電源の何れか一方を選択的に電力源として動作し、エンジンを始動させる動力を発生するスタータモータと、
前記スタータモータの発生する動力を、エンジン側のギヤに伝達するギヤ機構と、
前記低電圧電源を電力源として動作し、前記ギヤ機構と前記エンジン側のギヤとの接続状態を実現すると共に、前記スタータモータと前記選択された電力源との導通状態を実現するマグネットスイッチとを備えることを特徴とする、車両用始動装置により達成される。
【００１１】
本発明において、スタータモータは、低電圧電源（例えば、鉛バッテリ）又は高電圧電源（例えば、リチウムイオンバッテリ）から選択的に給電され、エンジンを始動させる動力を発生する。一方、マグネットスイッチは、低電圧電源から給電され、ギヤ機構（ピニオンギヤ等）とエンジン側のギヤ（即ち、リングギヤ）との接続状態を実現すると共に、スタータモータと選択された電力源との導通状態を実現する。本発明によれば、マグネットスイッチには略一定の電圧が印加されるので、異なる電圧が印加された場合に生ずる性能の低下、即ち、ギヤ機構とエンジン側のギヤとの適切な接続状態が実現される前にスタータモータが始動してしまう等の不都合が生じることがなく、安定したエンジン始動性を実現することができる。
【００１２】
また、請求項２に記載する如く、前記スタータモータが、通常的なエンジン始動時には、前記低電圧電源を電力源とし、アイドルストップ実行後のエンジン再始動時には、前記高電圧電源を電力源とする場合には、充電効率の向上と共にエンジンの始動時間の短縮が可能となる一方で、安定したエンジン始動性を実現することができる。
【００１３】
また、請求項３に記載する如く、前記低電圧電源が、定格電圧が１２Ｖの鉛バッテリである場合には、一般的な車両に搭載される鉛バッテリ用に設計された既存の車両用始動装置を、２つの電源を切り換えて使用する車両に搭載した場合であっても、安定したエンジン始動性を得ることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例である車両用始動装置１０（スタータ）に関連するシステム構成図を示す。図１に示す如く、本システムは、２つのバッテリ１２，１４を備えている。本実施例では、バッテリ１２は、１２Ｖ程度の電圧を有する鉛バッテリ（低電圧電源）であり、一方、バッテリ１４は、１４．５Ｖ〜１５．７Ｖ程度の電圧を有するリチウムイオンバッテリ（高電圧電源）である。尚、鉛バッテリ１２は、リチウムイオンバッテリ１４に比して、単位体積当たりに取り出せる出力（出力密度；単位はＷ／ｌ）が高い一方、単位体積当たりに取り出せるエネルギ（エネルギ密度；単位はＷｈ／ｌ）が低いバッテリである。
【００１６】
エンジンには、電子制御ユニット４９（以下、「ＥＦＩ・ＥＣＵ４９」という）が接続されている。ＥＦＩ・ＥＣＵ４９は、各種アイドルストップの許可条件（例えば、エンジン冷却水温度に関する条件や、バッテリの温度等に関する条件、エンジン回転数に関する条件）の成立状況を確認して、最終的にアイドルストップの実行条件が成立するか否かを判定する。最終的にアイドルストップの実行条件が成立した場合、運転者がイグニッションスイッチ１７をＩＧオン状態からオフ状態へ移行させることなく燃料噴射や点火等の実行が停止され、エンジンが運転状態から停止状態へ移行される。
【００１７】
アイドルストップ中、即ちエンジンが一時的に停止状態にある間、ＥＦＩ・ＥＣＵ４９は、車両がＡＴ車である場合は変速機のシフト位置が“Ｎ”レンジから“Ｄ”レンジ又は“Ｒ”レンジに移行したか否か或いはブレーキ操作が解除されたか否か、また、車両がＭＴ車である場合はクラッチペダルが踏み込まれたか否かに基づいて、アイドルストップの解除条件が成立するか否を判定する。その結果、アイドルストップの解除条件が成立した場合は、後述する如く、運転者がイグニッションスイッチ１７をＩＧオン状態からスタータオン状態に移行させることなく車両用始動装置１０が作動状態となり、エンジンが再始動される。
【００１８】
ＥＦＩ・ＥＣＵ４９には、エンジンの回転により発電する直流発電機（オルタネータ）２０が接続されている。ＥＦＩ・ＥＣＵ４９は、燃費の効率化を図るべく、車両の走行状態に応じて直流発電機２０の発電電圧を制御する。具体的には、定常走行時やアイドル運転時には、直流発電機２０の発電電圧は、所定の範囲内で調整される。また、車両減速時には、直流発電機２０の発電電圧は、定常走行時やアイドル運転時に比して大きな値に調整される。また、車両加速時には、アイドルストップ中（即ち、エンジン停止中）と同様、直流発電機２０の発電電圧はゼロになる（即ち、発電が行われない）。
【００１９】
直流発電機２０には、負荷２６及び鉛バッテリ１２が接続されると共に、リチウムイオンバッテリ１４がＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して接続されている。直流発電機２０が発生する電気エネルギは、負荷２６の電力源として用いられると共に、鉛バッテリ１２及び／又はリチウムイオンバッテリ１４の充電に用いられる。
【００２０】
負荷２６には、直流発電機２０及び鉛バッテリ１２が接続されると共に、リチウムイオンバッテリ１４がＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して接続されている。負荷２６には、各種補機、及び、アクセルやブレーキ等のいわゆるバイワイヤシステムが含まれる。尚、補機には、ヘッドランプ、フォグランプ、コーナリングシグナルランプ、コーナーランプ等のランプ類、エアコン等の空調装置、オーディオ、カーナビゲーション、ＡＢＳシステム、オイルポンプ、メータ類、デフォガ、ワイパ、パワーウィンド等が含まれる。各補機および各バイワイヤシステムは、エンジン作動時には主に直流発電機２０から電力供給され、一方、アイドルストップ中のようなエンジン停止時には主にリチウムイオンバッテリ１４から電力供給される。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、内蔵するパワートランジスタのスイッチング動作に従って、鉛バッテリ１２側の電圧を昇圧してリチウムイオンバッテリ１４側へ供給し、或いは、リチウムイオンバッテリ１４側の電圧を降圧して鉛バッテリ１２側へ供給する。
【００２２】
図２は、本発明の一実施例である車両用始動装置１０の構成図を示す。図２に示す如く、車両用始動装置１０は、スタータモータ３、スタータクラッチ４、ピニオンシャフト５、マグネットスイッチ６等を具備した構成とされている。この車両用始動装置１０は、スタータハウジングをシリンダブロック（図示せず）に固定することによりエンジンに取り付けられる。
【００２３】
スタータモータ３は、給電されることにより回転するアーマチャを内蔵しており、その先端部には、モータハウジングから突出するドライブピニオン９が配設されている。このドライブピニオン９には、クラッチギヤ１１が中間ギヤ７を介して噛合している。クラッチギヤ１１は、スタータクラッチ４の外周部に形成されている。このドライブピニオン９、中間ギヤ７、及びクラッチギヤ１１は協働して減速機を構成している。
【００２４】
マグネットスイッチ６は、プランジャシャフト１４が挿通するソレノイドコイル２５を備えている。このマグネットスイッチ６は、イグニッションスイッチ１７が閉成されることにより、プランジャシャフト１４をＡ１方向に変位させてピニオンシャフト５をピニオンギヤ１８とリングギヤ８が噛合する位置まで移動させると共に、スタータモータ３へのメイン電流をオン・オフする機能を有する。
【００２５】
スタータクラッチ４の両端は、ベアリング１３で支持されており、スタータクラッチ４の内部には、ピニオンシャフト５が挿通されている。ピニオンシャフト５は、図１に示す矢印Ａ１方向の端部にリングギヤ８と噛合するピニオンギヤ１８が設けられており、また矢印Ａ２方向の端部にはマグネットスイッチ６のプランジャシャフト１４が当接するフランジ１９が配設されている。更に、ピニオンシャフト５には、リターンスプリング２１が挿通されている。このリターンスプリング２１は、ピニオンシャフト５を常に矢印Ａ２方向に付勢するよう構成されている。
【００２６】
マグネットスイッチ６に所定の電圧が印加されると、ピニオンシャフト５は、マグネットスイッチ６のプランジャシャフト１５によりリターンスプリング２１の付勢力に抗して矢印Ａ１方向に移動させられる（押し出される）。この結果、ピニオンシャフト５のピニオンギヤ１８が、リングギヤ８と噛合し、スタータモータ３の回転が上述の減速機等を介してリングギヤ８に伝達され、エンジンが始動する。尚、上述のスタータクラッチ４は、スタータモータ３の回転をピニオンシャフト５に伝達すると共に、エンジンが始動しリングギヤ８の回転力がスタータモータ３の回転力を超えた時に、リングギヤ８の回転力がピニオンシャフト５に伝達されないようクラッチ動作を行う構成とされている。
【００２７】
再び図１を参照するに、車両用始動装置１０のスタータモータ３の端子には、切換スイッチ１６を介して鉛バッテリ１２及びリチウムイオンバッテリ１４が接続されている。切換スイッチ１６は、スタータモータ３の端子に鉛バッテリ側端子１６ａ若しくはリチウムバッテリ側端子１６ｂを選択的に導通させる機能を果たす。尚、車両用始動装置１０は、切換スイッチ１６を介してリチウムイオンバッテリ１４にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介することなく接続されている。これは、エンジンを始動させるための比較的大きな電流（例えば、１４０Ａ〜１５０Ａ）をＤＣ／ＤＣコンバータ２２（最大電流ガード：５０Ａ）を介して供給できないことに基づく。
【００２８】
一方、車両用始動装置１０のマグネットスイッチ６の端子には、イグニッションスイッチ１７を介して鉛バッテリ１２が接続されている。従って、本実施例では、車両用始動装置１０のスタータモータ３は、切換スイッチ１６の状態に応じて２つのバッテリ１２，１４の何れか一方から選択的に給電される一方で、マグネットスイッチ６は、常に鉛バッテリ１２側から給電される。
【００２９】
通常的なエンジン始動時には、切換スイッチ１６は、鉛バッテリ側端子１６ａに接続されている。この状態で、ユーザがイグニッションスイッチ１７をオンとすると、マグネットスイッチ６の端子には、鉛バッテリ１２側から１２Ｖ程度の電圧が印加される。そして、プランジャシャフト１５の移動に伴ってメインスイッチ２３がオンとなり、スタータモータ３が鉛バッテリ１２を電力源として始動し、この結果、停止状態のエンジンが始動する。
【００３０】
一方、アイドルストップ終了後のエンジン再始動時には、切換スイッチ１６は、鉛バッテリ側端子１６ａからリチウムバッテリ側端子１６ｂに切り換えられる。この状態で、上述のアイドルストップの解除条件が成立すると、イグニッションスイッチ１７がオンとなり、通常的なエンジン始動時と同様、マグネットスイッチ６の端子には、鉛バッテリ１２により１２Ｖ程度の電圧が印加される。そして、プランジャシャフト１５の移動に伴ってメインスイッチ２３がオンとなり、スタータモータ３がリチウムイオンバッテリ１４を電力源として始動し、この結果、一時停止状態のエンジンが再始動する。
【００３１】
ところで、上述の如く、アイドルストップ終了後のエンジン再始動時において、スタータモータ３をエネルギ回生効率の良い高電圧電源（本例では、リチウムイオンバッテリ１４）により駆動することで、充電効率の向上（及びそれに伴う燃費の向上）が可能となると共に、エンジンの始動時間の短縮が可能となる。しかしながら、既存の低電圧電源（即ち、鉛バッテリ１２）に対応して設計されている車両用始動装置１０を電圧の異なる電源（即ち、リチウムイオンバッテリ１４）により駆動する場合、マグネットスイッチ６の性能の低下を招いてしまうという不都合が生じることは、上述した通りである。即ち、マグネットスイッチ６は、ソレノイドコイル２５が発生する吸引力と、吸引力により伸縮するリターンスプリング２１の荷重とのバランスにより、本来の性能が発揮できる適正な電圧範囲が決定されているため、車両用始動装置１０を電圧の異なる電源により駆動すると、マグネットスイッチ６の性能が低下するという不都合が生ずる。例えば、マグネットスイッチ６がリチウムイオンバッテリ１４から給電されると、鉛バッテリ１２から給電された場合に対して、プランジャシャフト１５の移動速度が変動し、ピニオンギヤ１８がリングギヤ８に適切に噛み合う位置に到達する前に、スタータモータ３が始動してしまう（メインスイッチ２３がオンとなってしまう）。この結果、ピニオンギヤ１８とリングギヤ８が不完全に噛み合った状態で回転することになり、マグネットスイッチ６の性能の低下（始動性の悪化等）や耐久性の低下（ピニオンギヤ１８及びリングギヤ８の磨耗等）という不都合が生じる。
【００３２】
これに対して、本実施例では、上述の如く、マグネットスイッチ６には、常に鉛バッテリ１２側から給電が行われている。このため、プランジャシャフト１５の移動速度の変動が生じず、メインスイッチ２３がオンとなるタイミングと、ピニオンシャフト５の押し出し動作との間の適正な関係が維持される。従って、本実施例によれば、電圧の異なる２つの電源を切り換えて車両用始動装置１０を駆動する場合であっても、マグネットスイッチ６の性能の低下が生ずることはない。
【００３３】
また、スタータモータ３及びマグネットスイッチ６に同一の電源から給電を行う場合には、メインスイッチ２３がオンとなってスタータモータ３に大電流が流れる際に生じる電圧降下の影響により、マグネットスイッチ６の性能が低下するという不都合が生ずる。これに対して、本実施例では、上述の如く、アイドルストップ終了後のエンジン再始動時において、マグネットスイッチ６は鉛バッテリ１２側から給電され、スタータモータ３はリチウムイオンバッテリ１４側から給電されている。従って、本実施例によれば、マグネットスイッチ６は、スタータモータ３に大電流が流れる時点で生じる電圧降下の影響を受けることがなく、安定した性能を発揮することができる。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３５】
例えば、上述した実施例は、２個のバッテリ、即ち鉛バッテリ１２とリチウムイオンバッテリ１４とを備えた車両に関するものであったが、本発明は、特にバッテリの数及び種類を特定するものではなく、２個以上のバッテリを有する如何なる車両に対しても適用可能である。例えば、本発明は、高圧のハイブリッドバッテリーと鉛バッテリとを備えたハイブリッド車に対しても適用可能である。
【００３６】
また、上述した実施例においては、アイドルストップ終了後のエンジン再始動時において、マグネットスイッチ６には鉛バッテリ１２から給電が行われていたが、マグネットスイッチ６にリチウムイオンバッテリ１４からＤＣ／ＤＣコンバータ２２を介して給電することも可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低電圧電源若しくは高電圧電源を切り換えて電力源とする一方で、マグネットスイッチの性能の低下を防止することができる車両用始動装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である車両用始動装置１０に関連するシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施例である車両用始動装置１０の構成図である。
【符号の説明】
３ スタータモータ
４ スタータクラッチ
５ ピニオンシャフト
６ マグネットスイッチ
７ 中間ギヤ
８ リングギヤ
９ ドライブピニオン
６ マグネットスイッチ
１０ 車両用始動装置（スタータ）
１１ クラッチギヤ
１２ 鉛バッテリ
１４ リチウムイオンバッテリ
１５ プランジャシャフト
１６ 切換スイッチ
１７ イグニッションスイッチ
１８ ピニオンギヤ
２０ 直流発電機
２１ リターンスプリング
２２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３ メインスイッチ
２５ ソレノイドコイル
２６ 負荷
４９ ＥＦＩ・ＥＣＵ

Claims (3)

1. 低電圧電源と高電圧電源とを備えた車両に適用される車両用始動装置であって、
   前記低電圧電源又は前記高電圧電源の何れか一方を選択的に電力源として動作し、エンジンを始動させる動力を発生するスタータモータと、
   前記スタータモータの発生する動力を、エンジン側のギヤに伝達するギヤ機構と、
   前記低電圧電源を電力源として動作し、前記ギヤ機構と前記エンジン側のギヤとの接続状態を実現すると共に、前記スタータモータと前記選択された電力源との導通状態を実現するマグネットスイッチとを備えることを特徴とする、車両用始動装置。
2. 前記スタータモータは、通常的なエンジン始動時には、前記低電圧電源を電力源とし、アイドルストップ実行後のエンジン再始動時には、前記高電圧電源を電力源とする、請求項１記載の車両用始動装置。
3. 前記低電圧電源は、定格電圧が１２Ｖの鉛バッテリである、請求項１又は２記載の車両用始動装置。

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