JP2004308645A - エンジン始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン始動時に２Ｖを超える電圧降下を発生させることなく、エンジン始動が可能なエンジン始動装置１を提供すること。
【解決手段】エンジン始動装置１は、直巻コイル２ｂと分巻コイル２ｃとを有するモータ２と、このモータ２の電機子２ａと直列に接続された始動抵抗４、及び分巻コイル２ｃの界磁電流を制御する制御用素子６等を備え、エンジン始動時に始動抵抗４を介してモータ２に通電される。その結果、モータ２への起動電流（突入電流）が低減して、バッテリ８の電圧降下が２Ｖ以下に抑制される。また、高トルク型モータ２を採用しているので、モータ２の起動電流が小さくても、最初の上死点乗り越しに必要なトルクを確保できる。更に、最初の上死点を乗り越した後は、分巻コイル２ｃの界磁電流を制御して高回転特性を得ることで、エンジンの始動に必要なクランキング回転数を確保できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、巻線界磁式の直流モータを有し、このモータの回転力をエンジンに伝達して、該エンジンを始動させるエンジン始動装置に関する。

従来技術として、例えば特許文献１に記載されたエンジン始動装置がある。
このエンジン始動装置は、図１１に示す様に、界磁磁束を生成する直巻コイル１００と分巻コイル１１０とを有する直流モータ（電機子）１２０と、分巻コイル１１０に接続された制御素子１３０を駆動して分巻コイル１１０の界磁電流を制御する制御回路１４０とを備えている。

ここで、モータ１２０に流れる電流の時間変化を図１２を参照して説明する。
先ず、モータ１２０に通電が開始されると、ロック電流相当の大きな突入電流が流れ、エンジンのクランク軸が回転を開始する時点で最大となる。その後、モータ１２０の回転に伴って逆起電力が発生すると、電流が減少し始め、最初の上死点を乗り越す付近でややトルクが必要となるため一旦上昇し、二度目の上死点を乗り越した後、クランキングに移行する。
特開平３−３７３７３号公報

ところが、モータ１２０への通電初期（クランク軸が回り始めるまでの間）に大電流（突入電流）が流れると、バッテリの出力電圧が３〜５Ｖ程度低下する。このため、エンジン始動性が低下するだけでなく、車両に搭載される補機類や電装品にも悪影響を与える（例えば、一般に最低作動電圧の高いオーディオやナビゲーションシステム等は、瞬断やリセットを起こし易い）。この問題は、ユーザがイグニッションキーを操作してエンジン始動する場合には、特に問題にならないが、エンジンの停止及び再始動を自動制御するアイドルストップシステムを備えた車両においては大きな問題となる。

このため、従来のアイドルストップシステムを備えた車両では、容量の大きなバッテリや、補助用電源等で対応しているが、バッテリの大型化による重量増加や搭載性が悪化する問題、また複雑な電源構成によるコストアップを招くという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、大容量のバッテリや補助用電源等を使用することなく、エンジン始動時にバッテリの電圧降下を抑制でき、確実にエンジン始動が可能なエンジン始動装置を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明のエンジン始動装置は、メイン接点が閉じてバッテリから電機子にメイン電流が供給される時に、バッテリの電圧降下を２Ｖ以下に抑制できる電圧降下抑制手段を備え、 モータは、バッテリの電圧降下が２Ｖ以下に抑制される始動条件の下で、少なくとも、エンジンが最初の上死点を乗り越すために必要なトルクを発生できる高トルク型に設定されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、エンジン始動時の電圧降下を２Ｖ以下に抑えることができ、且つ高トルク型モータを採用することにより、バッテリの電圧降下が２Ｖ以下に抑制される始動条件下でも、エンジンが最初の上死点乗り越しに必要なトルクを確保できる。これにより、エンジン始動時に２Ｖを超える電圧降下を発生させることなく、エンジン始動を可能にできる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したエンジン始動装置において、電圧降下抑制手段は、バッテリから電機子に供給されるメイン電流を低減する始動抵抗または半導体素子であることを特徴とする。この構成によれば、始動抵抗または半導体素子を介してモータ（電機子）に通電することで、モータの起動時に流れる電流（突入電流）を低減することができ、モータへの通電により生じるバッテリの電圧降下を２Ｖ以下に抑制できる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載したエンジン始動装置において、電圧降下抑制手段と並列にモータ回路に接続され、通電時に閉状態に制御されて電圧降下抑制手段を短絡する短絡回路を形成し、非通電時に開状態に制御されて短絡回路を遮断する短絡用リレーと、この短絡用リレーを通電制御するリレー制御手段とを備え、このリレー制御手段は、メイン接点が閉じた後、電圧降下抑制手段を短絡するタイミングを検出し、そのタイミングが検出された時点で、短絡用リレーを開状態から閉状態に制御することを特徴とする。

上記の構成によれば、短絡用リレーの開閉状態に応じて、バッテリから電機子に流れるメイン電流の通電経路を切り替えることができる。即ち、エンジン始動時には、短絡用リレーを開状態に制御して、バッテリから電圧降下抑制手段を介して電機子に通電することにより、電機子に流れるメイン電流（突入電流）を低減できる。
その後、電圧降下抑制手段を短絡するタイミングが検出された時点で、短絡用リレーを開状態から閉状態に制御することにより、エンジンの始動に必要なクランキングトルクを発生させることができる。

（請求項４の発明）
請求項３に記載したエンジン始動装置において、リレー制御手段は、電圧降下抑制手段を短絡するタイミングとして、ａ）メイン接点が閉じてから所定時間経過した時点、ｂ）所定のエンジン回転数が検出された時点、ｃ）電機子に流れるメイン電流が所定値まで低下した時点を検出することを特徴とする。
電機子が回転を開始すると、逆起電力が発生して、電機子に流れるメイン電流が低下し始めるため、このタイミングを、上記ａ）〜ｃ）の何れかによって検出することが可能である。

（請求項５の発明）
請求項３または４に記載したエンジン始動装置において、分巻コイルの界磁電流を制御する界磁電流制御手段を備え、この界磁電流制御手段は、エンジンの始動開始より界磁電流を最大に制御するとともに、少なくとも、短絡用リレーが開状態から閉状態に切り替わった後、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とする。

エンジン始動時には、最初の上死点を乗り越すまでの期間において、大きなモータトルク（乗り越しトルク）が必要となるが、その後のクランキング状態では、他の気筒の膨張作用により、最初の上死点乗り越し時と比べて、小さなモータトルク（クランキングトルク）でエンジンを駆動できる。そこで、少なくとも、短絡用リレーが開状態から閉状態に切り替わるまでは、界磁電流を最大に制御することで、エンジンの上死点乗り越しに必要なモータトルクを発生させ、短絡用リレーが開状態から閉状態に切り替わった後は、目的や状況に応じて、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することで、十分な始動性能を確保できる。

（請求項６の発明）
請求項５に記載したエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、短絡用リレーが開状態から閉状態に切り替わったことにより、電機子に流れるメイン電流が一旦上昇した後、下がり始めてから、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とする。
界磁電流を所定の目標界磁電流に制御するタイミングは、電機子に流れるメイン電流によって判定することが可能である。つまり、短絡用リレーが開状態から閉状態に切り替わると、それに応じてメイン電流が一旦上昇した後、下がり始めるため、この時点で、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することにより、最初の上死点を乗り越すために必要なモータトルクを発生させることができる。

（請求項７の発明）
請求項５に記載したエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、エンジンが最初の上死点を乗り越してから、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とする。この場合、最初の上死点を乗り越すまでは、界磁電流を最大に制御しているので、上死点乗り越しに必要なモータトルクを確実に確保できる。

（請求項８の発明）
請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、モータの出力が最大となるように、目標界磁電流を設定することを特徴とする。
エンジンのクランキングトルクは、エンジン油温と密接な関係があり、そのエンジン油温が適切に管理された状態（例えば、エンジンの停止及び再始動を自動制御するアイドルストップシステム）のエンジン始動時には、クランキングトルクを容易に推定できる。そこで、クランキングトルクでのモータの動作点が最大出力点となるように目標界磁電流を設定すれば、クランキング回転数を最大にすることになり、エンジン始動時間の短縮が可能となる。

（請求項９の発明）
請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、バッテリ電圧が所定値以上となるように、目標界磁電流を設定することを特徴とする。
エンジンの排気量やバッテリの容量によっては、モータの出力が最大となるように目標界磁電流を設定すると、クランキング時においてもバッテリの電圧降下が大きくなり、必要なバッテリ電圧を確保できなくなる場合がある。そこで、バッテリ電圧が所定値以上となるように目標界磁電流を設定すれば、バッテリ電圧の低下を防止でき、且つエンジン始動時間の短縮も可能となる。

（請求項１０の発明）
請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、エンジン回転数が所定値以上となるように、目標界磁電流を設定することを特徴とする。
アイドルストップシステムにおけるエンジン始動時には、不快な車両振動を低減するために、始動時のエンジン回転数を所定範囲に設定することが考えられる。そこで、クランキングトルクに対して所定のエンジン回転数となるように目標界磁電流を設定すれば、エンジン始動時の不快な車両振動を低減できるとともに、高い始動性能を実現できる。

（請求項１１の発明）
請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、電機子に供給されるメイン電流が所定の目標メイン電流となるように、目標界磁電流を設定することを特徴とする。
これにより、メイン電流の変動が抑えられるため、モータ出力やバッテリ電圧をより高精度に制御できる。

（請求項１２の発明）
請求項１１に記載したエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、目標メイン電流を設定し、その目標メイン電流と実際のメイン電流とを比較しながら、両者の差に応じて、目標界磁電流を時々刻々に設定することを特徴とする。
設定された目標メイン電流と実際のメイン電流（電流センサ等によって検出された電流値）との差に応じて目標界磁電流をフィードバック制御することにより、確実に所定のメイン電流に制御できる。

（請求項１３の発明）
請求項１１に記載したエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、目標メイン電流を設定し、更に目標メイン電流と相関する目標バッテリ電圧を設定して、その目標バッテリ電圧と実際のバッテリ電圧とを比較しながら、両者の差に応じて、目標界磁電流を時々刻々に設定することを特徴とする。
メイン電流とバッテリ電圧の関係には相関があるので、目標メイン電流から目標バッテリ電圧を設定し、その目標バッテリ電圧と実際のバッテリ電圧（電圧計等によって検出された電圧値）との差に応じて目標界磁電流をフィードバック制御することにより、メイン電流を検出することなく、所定のメイン電流に制御できる。

（請求項１４の発明）
請求項１１に記載したエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、目標メイン電流を設定し、更に目標メイン電流と相関する目標エンジン回転数を設定して、その目標エンジン回転数と実際のエンジン回転数とを比較しながら、両者の差に応じて、目標界磁電流を時々刻々に設定することを特徴とする。
メイン電流とエンジン回転数との関係には相関があるので、目標メイン電流から目標エンジン回転数を設定し、その目標エンジン回転数と実際のエンジン回転数（クランク角センサ等によって検出された回転数）との差に応じて目標界磁電流をフィードバック制御することにより、メイン電流を検出することなく、所定のメイン電流に制御できる。

（請求項１５の発明）
請求項１２〜１４に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、モータの出力が最大となるように、目標メイン電流を設定することを特徴とする。
これにより、クランキング時のトルク変動に対しても、モータの最大出力を維持できるので、更にエンジン始動時間の短縮が可能となる。

（請求項１６の発明）
請求項１２〜１４に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、バッテリ電圧が所定値以上となるように、目標メイン電流を設定することを特徴とする。これにより、バッテリ電圧の低下を確実に防止できるとともに、エンジン始動時間の短縮が可能となる。

（請求項１７の発明）
請求項１２〜１４に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、エンジン回転数が所定値以上となるように、目標メイン電流を設定することを特徴とする。これにより、エンジン始動時の不快な車両振動を確実に防止できるとともに、エンジン始動時間の短縮が可能となる。

（請求項１８の発明）
請求項１１〜１７に記載した何れかのエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、目標界磁電流または目標メイン電流を、エンジン始動時の条件に応じて変更することを特徴とする。
例えば、アイドルストップシステムによるエンジン始動時（自動停止後の再始動時）には、始動時間を短縮することが望まれるが、通常のイグニッションキーによるエンジン始動時には、始動時間を短縮することよりも、確実にエンジン始動できることの方が重要となる。そこで、目標界磁電流または目標メイン電流を、エンジン始動時の条件に応じて変更することにより、いずれの条件においても最適な制御を実現することが可能である。

（請求項１９の発明）
請求項１８に記載したエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、少なくともイグニッションキーによるエンジン始動時には、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とする。
上記の様に、イグニッションキーによりエンジン始動を行う場合は、始動時間を短縮することよりも、確実にエンジン始動できることが重要であるため、界磁電流を所定の目標界磁電流（例えば最大界磁）に制御することで、確実に始動できるフィーリングの良い始動性を得ることが可能となる。

（請求項２０の発明）
請求項１８に記載したエンジン始動装置において、界磁電流制御手段は、エンジン始動時に何らかの異常が検出された時には、所定のエンジン回転数となるように、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とする。
何らかの異常が検出された状態（例えば、バッテリが上がり気味な状態や極低温時等）でエンジン始動を行う時は、最低限エンジンを始動する必要がある。この場合、エンジンの着火に必要な最低限のエンジン回転数でクランキングすることが必要条件となる。そこで、このような場合（異常が検出された状態でのエンジン始動）には、所定のエンジン回転数となるように、界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することで、異常時であっても、確実にエンジンを始動できる。

（請求項２１の発明）
請求項１〜２０に記載した何れかのエンジン始動装置において、エンジン始動時にバッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時は、その旨を乗員に知らせるための報知手段を備えていることを特徴とする。
この場合、エンジン始動時にバッテリの電圧降下が２Ｖを超えたか否かを報知手段を介して乗員が検知できるので、バッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時（報知手段が作動した時）には、迅速な対処が可能になる。

（請求項２２の発明）
請求項１〜２１に記載した何れかのエンジン始動装置において、エンジンの停止及び再始動を自動制御するエンジン自動停止／再始動システムに用いられ、同システムによるエンジン再始動時には、バッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時に、その旨を乗員に知らせるための報知手段を作動させ、エンジン再始動時以外の通常始動時には、バッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時でも、報知手段を作動させないことを特徴とする。
通常始動時、つまり１回目のエンジン始動時には、エンジン再始動時と比較してエンジンのフリクションが大きいため、バッテリの状態が良好であっても、エンジン始動時の電圧降下が２Ｖを超える場合が起こり得る。従って、通常始動時には、バッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時でも、報知手段を作動させないこととする。

（請求項２３の発明）
請求項１〜２２に記載した何れかのエンジン始動装置において、
界磁電流制御手段は、クランキング中の電圧変動を０．３Ｖ以内に抑える様に、エンジンの負荷変動に応じて、分巻コイルの界磁電流を制御することを特徴とする。
クランキング中の電圧変動が大きくなると、メータ類やナビゲーション装置、あるいはライト等の電装品にちらつきが発生する。これに対し、エンジンの負荷変動に応じて分巻コイルの界磁電流を制御することにより、クランキング中の電圧変動を０．３Ｖ以内に抑えることができ、上記のちらつきを防止できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は実施例１に係わるエンジン始動装置１の回路図である。
本実施例のエンジン始動装置１は、巻線界磁式のモータ２と、このモータ２の通電回路（以下、モータ回路と呼ぶ）を開閉する電磁スイッチ３、モータ２の電機子２ａと直列に接続された始動抵抗４、この始動抵抗４を短絡できる短絡用リレー５、モータ２の界磁電流を制御するための制御用素子６、及びエンジン始動装置１の作動を制御する制御装置（以下、ＥＣＵ７と呼ぶ）を備えている。

モータ２は、電機子２ａと直列に接続された直巻コイル２ｂと、電機子２ａ及び直巻コイル２ｂと並列に接続された分巻コイル２ｃとを有し、特に直巻コイル２ｂの磁束密度を高くして（巻数が多い）、高トルク型に設定されている。
電磁スイッチ３は、ＥＣＵ７に始動信号が入力されると、コイル３ａが通電されて接点３ｂが閉状態となることでモータ回路を閉成する。
始動抵抗４は、電磁スイッチ３と直巻コイル２ｂとの間に設けられ、モータ２への通電時に生じるバッテリ８の電圧降下を２Ｖ以下に抑制できる様に、モータ２（電機子２ａ）に通電される起動電流（突入電流）を低減する。

短絡用リレー５は、電磁スイッチ３と直巻コイル２ｂとの間で始動抵抗４と並列に接続され、コイル５ａが通電されると、接点５ｂが閉状態となって始動抵抗４を短絡する。 制御用素子６は、例えば半導体素子を用いた電子式スイッチング素子（一例としてＭＯＳ−ＦＥＴ）であり、分巻コイル２ｃと直列に接続されている。
ＥＣＵ７は、電磁スイッチ３及び短絡用リレー５を開閉制御すると共に、制御用素子６を駆動して分巻コイル２ｃに流れる界磁電流を制御する。

次に、ＥＣＵ７によるエンジン始動時の制御手順を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１０…ＥＣＵ７に始動信号が入力される。この始動信号は、イグニッションキー（図示せず）の閉操作（通常のエンジン始動）による始動信号、あるいはエコランシステムによるエンジン自動停止後の再始動信号である。
なお、エコランシステムとは、車両が交差点や渋滞等で一時停止した時等に、一旦エンジンを自動停止させ、その後、所定の始動条件が満たされた時（例えば運転者がプレーキペダルからアクセルペダルに踏み替えた時）にエンジンを自動的に再始動させるエンジン自動停止／再始動システムである。

ステップ１１…電磁スイッチ３のコイル３ａに通電して接点３ｂを閉状態にする。この時、バッテリ８から始動抵抗４を通じてモータ２（直巻コイル２ｂと電機子２ａ）に通電されるため、モータ２への起動電流（突入電流）が抑制される。
ステップ１２…モータ２への通電によって生じるバッテリ８の電圧降下が２Ｖ以下か否かを判定する。この判定結果がＮＯの時は、ステップ１９へ進み、判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ１３へ進む。

ステップ１３…始動抵抗４を短絡するタイミングを判定する。電機子２ａが回転を開始すると、逆起電力が発生してメイン電流が低下し始めるため、このタイミングを検出する。具体的には、（１）コイル３ａへの通電開始から所定時間経過したか否か、（２）所定のエンジン回転数が検出されたか否か、（３）メイン電流が所定値以下か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ１４へ進み、判定結果がＮＯの時は、ＹＥＳになるまで待機する（ステップ１３を繰り返す）。

ステップ１４…短絡用リレー５のコイル５ａに通電して接点５ｂを閉状態にする。 これにより、始動抵抗４が短絡されて、バッテリ８の全電圧がモータ２（直巻コイル２ｂと電機子２ａ）に印加される。
ステップ１５…エンジンの始動に必要なクランキング回転数を確保するために、分巻コイル２ｃの界磁電流を制御（低減）して、モータ２を高回転特性とする。
ステップ１６…再度、バッテリ８の電圧降下が２Ｖ以下か否かを判定する。この判定結果がＮＯの時は、ステップ１５へ戻り、電圧降下が２Ｖ以下に収まる様に、分巻コイル２ｃの電流を制御する。判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ１７へ進む。

ステップ１７…エンジン回転数を検出してエンジン始動判定を行う。この判定結果がＹＥＳの時、つまりエンジンが始動したと判定された時は、次のステップ１８へ進み、判定結果がＮＯの時は、ステップ１６へ戻って、エンジン始動判定が成立するまで待機する（ステップ１６とステップ１７を繰り返す）。
ステップ１８…電磁スイッチ３（コイル３ａ）への通電を停止して、接点３ｂを開状態にする。これにより、モータ２への通電が停止する。
ステップ１９…エンジン始動時にバッテリ８の電圧降下が２Ｖを超えたことを乗員（運転者）に知らせるために、ウォーニング手段を作動させる（例えば、ウォーニングランプを点灯する）。

（実施例１の効果）
上記のエンジン始動装置１は、エンジン始動時に始動抵抗４を介してモータ２に通電することで、モータ２に流れる突入電流を低減でき、図３に示す様に、バッテリ８の電圧降下を２Ｖ以下に抑えることができる。また、高トルク型モータ２を採用しているので、バッテリ８の電圧降下が２Ｖ以下に抑制される始動条件下（起動電流が小さい状態）でも、最初の上死点乗り越しに必要なトルクを確保できる。更に、高トルク型モータ２であっても、最初の上死点を乗り越した後は、分巻コイル２ｃの界磁電流を制御して高回転特性を得ることで、エンジンの始動に必要なクランキング回転数を確保できる。

これにより、２Ｖを超える電圧降下を発生させることなく、エンジンを始動させることができるので、容量の大きなバッテリや、補助用電源等を使用する必要がなく、低コスト化を実現できる。また、エンジン始動時に２Ｖを超える様な大きな電圧降下が発生しないので、車両に搭載される補機類や電装品にも悪影響を与えることがなく、信頼性や快適性が向上する。

なお、通常のエンジン始動時、つまりエコランシステムによるエンジン再始動時ではなく、イグニッションキーによるエンジン始動時には、エンジン自動停止後の再始動時と比較してエンジンのフリクションが大きいため、バッテリ８の状態が良好であっても、エンジン始動時の電圧降下が２Ｖを超える場合が起こり得る。従って、通常始動時には、バッテリ８の電圧降下が２Ｖを超えた時でも、ウォーニング手段を作動させない様にしても良い。

本実施例は、エンジン始動時（クランキング中）の電圧変動を所定範囲内に制御する一例である。
具体的な制御手順を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
ステップ２０…ＥＣＵ７に始動信号が入力される。
ステップ２１…電磁スイッチ３を閉状態にする。この時、バッテリ８から始動抵抗４を通じてモータ２（直巻コイル２ｂと電機子２ａ）に通電されるため、モータ２への起動電流（突入電流）が抑制される。

ステップ２２…始動抵抗４を短絡するタイミングを判定する。ここでは、実施例１と同様に、（１）コイル３ａへの通電開始から所定時間経過したか否か、（２）所定のエンジン回転数が検出されたか否か、（３）メイン電流が所定値以下か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ２３へ進み、判定結果がＮＯの時は、ＹＥＳになるまで待機する（ステップ２２を繰り返す）。
ステップ２３…短絡用リレー５を閉状態にする。これにより、始動抵抗４が短絡されて、バッテリ８の全電圧がモータ２に印加される。

ステップ２４…クランキング中の電圧変動が所定範囲内（本発明では０．３Ｖ以内）に収まる様に、エンジンの負荷変動に応じて分巻コイル２ｃの界磁電流を制御する（図５参照）。
ステップ２５…バッテリ８の電圧変動が所定範囲（０．３Ｖ）内であるか否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ２６へ進み、判定結果がＮＯの時は、ステップ２４へ戻って、電圧変動が所定範囲内に抑制されるまでステップ２４とステップ２５を繰り返す。

ステップ２６…エンジン回転数を検出してエンジン始動判定を行う。この判定結果がＹＥＳの時、つまりエンジンが始動したと判定された時は、次のステップ２７へ進み、判定結果がＮＯの時は、ステップ２５へ戻って、エンジン始動判定が成立するまでステップ２５とステップ２６を繰り返す。
ステップ２７…電磁スイッチ３を開状態にして、モータ２への通電を停止する。

この実施例２では、エンジンの負荷変動に応じて分巻コイル２ｃの界磁電流を制御することにより、図５に示す様に、クランキング中の電圧変動を所定範囲（０．３Ｖ）内に抑制できる。これにより、メータ類やナビゲーション装置、あるいはライト等の電装品に生じるちらつきを防止できる。

図６は実施例３に係わるエンジン始動装置１０の回路図である。
本実施例のエンジン始動装置１０は、エンジン１１を始動させるためのスタータ１２と、このスタータ１２の通電回路（以下、モータ回路と呼ぶ）に接続される始動抵抗１３と、前記モータ回路に始動抵抗１３と並列に接続される短絡用リレー１４と、スタータ１２によるエンジン始動を制御するコントローラ１５等より構成される。

スタータ１２は、エンジン始動に必要な回転力を発生するモータ１６と、モータ回路に設けられるメイン接点１７を開閉制御する電磁スイッチ１８と、モータ１６の回転力をエンジン１１に伝達する伝達手段（図示せず）等より構成される。
モータ１６は、整流子（図示せず）を有する電機子１６ａ、モータ回路に電機子１６ａと直列に接続される直巻コイル１６ｂ、界磁電流を制御可能な分巻コイル１６ｃ、及び整流子上に配置されるブラシ１６ｄ等より構成され、電磁スイッチ１８によりメイン接点１７が閉じると、モータ回路を通じてバッテリ１９より電機子１６ａに電流（メイン電流）が供給されて、電機子１６ａに回転力を発生する。

電磁スイッチ１８は、スタータリレー２０を介してバッテリ１９に接続される励磁コイル１８ａを有し、この励磁コイル１８ａが通電されると、電磁力の作用でメイン接点１７を閉じ、励磁コイル１８ａへの通電が停止すると、電磁力が消滅することでメイン接点１７を開く。
スタータリレー２０は、イグニッションキー２１を介してバッテリ１９に接続されるコイル２０ａを有し、乗員がイグニッションキー２１を閉操作してコイル２０ａが通電されると接点２０ｂを閉じる。また、スタータリレー２０のコイル２０ａは、アイドルストップ始動を制御するエコランＥＣＵ２２に接続されており、アイドルストップ後のエンジン再始動時に、エコランＥＣＵ２２を通じて通電制御される。

なお、アイドルストップ始動とは、例えば、交差点等で車両が停止した時に、エンジン１１を自動停止させ、その後、所定の始動条件が成立した時に、エンジン１１を再始動させる制御であり、エンジン停止条件が成立すると、エコランＥＣＵ２２から、エンジン１１の運転状態を制御するエンジンＥＣＵ２３にエンジン停止信号（例えば燃料カット信号及び点火カット信号）が出力され、エンジン始動条件が成立すると、エコランＥＣＵ２２からエンジンＥＣＵ２３にエンジン始動信号（例えば燃料噴射信号及び点火信号）が出力される。

始動抵抗１３は、モータ１６の起動時にバッテリ１９から電機子１６ａに流れる突入電流を低減することで、バッテリ１９の電圧降下を２Ｖ以下に抑制できる抵抗値を有している。なお、本実施例では、バッテリ１９の発生電圧を１２Ｖとする。
短絡用リレー１４は、コントローラ１５によって通電制御されるコイル１４ａを有し、このコイル１４ａへの通電時に接点が閉じるノーマルオープンタイプのスイッチである。この短絡用リレー１４は、コイル１４ａが通電されて接点１４ｂが閉じると、始動抵抗１３を短絡する短絡回路を形成し、コイル１４ａへの通電が停止されると、接点１４ｂが開いて短絡回路を遮断する。

コントローラ１５は、短絡用リレー１４を開閉制御するリレー制御回路（図示せず）と、分巻コイル１６ｃの界磁電流を制御する界磁電流制御回路（図示せず）とを内蔵し、スタータリレー２０の閉状態によって出力されるＳＴＡ信号（図８参照）、アイドルストップ始動に伴いエコランＥＣＵ２２より出力されるエコラン信号、及びモータ回路のメイン電流を検出する電流センサ２４の信号などの入力情報に基づき、短絡用リレー１４の開閉制御を行うとともに、分巻コイル１６ｃの界磁電流を制御する。

なお、界磁電流制御回路は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の制御素子（図示せず）をブリッジ接続して構成され、各制御素子の駆動時間をｄｕｔｙ比Ｄ＝０〜＋１００％の間で制御することにより、分巻コイル１６ｃに流れる界磁電流を最小（＝０）から最大の範囲で可変する。すなわち、ｄｕｔｙ比Ｄ＝＋１００％で界磁電流が最大となり、ｄｕｔｙ比Ｄ＝０％で界磁電流が最小（＝０）となる。

次に、エンジン始動に係わるコントローラ１５の制御手順を図７に示すフローチャートに基づいて説明する。
ステップ１００…ＳＴＡ信号を入力する（図８（ｂ）参照）。
ステップ１１０…分巻コイル１６ｃの界磁電流を最大に制御する（ｄｕｔｙ比Ｄ＝１００％）。これにより、エンジン１１が最初の上死点を乗り越すために必要なスタータトルクを確保できる。

ステップ１２０…始動抵抗１３を短絡するタイミングが検出されたか否かを判定する。 実施例１にも記載したように、電機子１６ａが回転を開始すると、逆起電力が発生してメイン電流が低下し始めるため、このタイミングを検出する。具体的には、（１）ＳＴＡ信号を入力してから所定時間経過したか否か、（２）所定のエンジン回転数が検出されたか否か、（３）メイン電流が所定値以下か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ１３０へ進み、判定結果がＮＯの時は、ＹＥＳになるまで待機する（ステップ１２０を繰り返す）。

ステップ１３０…短絡用リレー１４のコイル１４ａに通電して接点１４ｂを閉じる（図８（ｅ）参照）。これにより、始動抵抗１３を短絡する短絡回路が形成される。
ステップ１４０…最初の上死点（ＴＤＣ）が検出されたか否かを判定する。なお、ＴＤＣを検出する代わりに、メイン電流の変化を検出しても良い。つまり、短絡用リレー１４が閉制御されて短絡回路が形成されると、図８（ｄ）に示すように、それまで始動抵抗１３を通ることで抑えられていたメイン電流が、一旦上昇してから下がり始めるため、この下がり始めた時点を検出しても良い。この判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ１５０へ進み、判定結果がＮＯの時は、ＹＥＳになるまで待機する（ステップ１４０を繰り返す）。

ステップ１５０…分巻コイル１６ｃの界磁電流を所定の目標界磁電流（ｄｕｔｙ比Ｄ＝Ｄ２％）に制御する。
エンジン１１が最初のＴＤＣを乗り越すまでの間は、分巻コイル１６ｃの界磁電流が最大（ｄｕｔｙ比Ｄ＝＋１００％）に制御されているので、図９に示すように、エンジン１１の反発トルクが最大（乗り越しトルクＴ１）になる時、バッテリ電圧はＶ１となり、アクセサリ類の最低作動電圧１０Ｖを確保できる。その後、最初のＴＤＣを乗り越してエンジン１１の反発トルクが小さくなり、クランキングトルクＴ２になると、ｄｕｔｙ比Ｄ＝＋１００％のままでは、スタータ出力がＰ０しか得れない。

これに対し、ｄｕｔｙ比Ｄを落として、ｄｕｔｙ比Ｄ＝Ｄ３％に設定すると、クランキングトルクＴ２に対して最大の出力Ｐ３が得られる。つまり、クランキング回転数を最高にして始動時間を最短にできる。しかし、ｄｕｔｙ比Ｄ＝Ｄ３％に設定すると、クランキングトルクＴ２でのバッテリ電圧がＶ２（≦１０Ｖ）となり、始動時間は短くできるものの、アクセサリ類の最低作動電圧１０Ｖを下回ってしまうため、アイドルストップ始動でのバッテリ電圧維持ができなくなる。

そこで、アイドルストップ始動の場合には、アクセサリ類の最低作動電圧１０Ｖを確保しながら、且つ高いスタータ出力が得られるように、ｄｕｔｙ比Ｄ＝Ｄ２％（＞Ｄ３％）に設定する。これにより、クランキングトルクＴ２でのバッテリ電圧がＶ３（≧１０Ｖ）となり、スタータ出力もＰ２（＞Ｐ０）と高い出力が得られるため、エンジン始動時のバッテリ電圧低下を防止でき、且つ始動時間の短縮も可能となる。
なお、アクセサリ類の最低作動電圧１０Ｖは、例えば、ナビゲーションシステムやオーディオ類などの一般的な最低作動電圧から設定したもので、システムによっては、この数値（最低作動電圧）を変更しても良い。

ステップ１６０…エンジン始動が完了したか否かを判定する。具体的には、実際のエンジン回転数がクランキング回転数より高い所定回転数に達したか否かによって判定することができる。この判定結果がＹＥＳの時、つまりエンジン始動が完了したと判定された時は、本処理を終了し、判定結果がＮＯの時は、始動完了判定が成立するまで待機する（ステップ１６０を繰り返す）。

（実施例３の効果）
実施例３によれば、エンジン始動時に始動抵抗１３を介してモータ１６に通電することで、図８（ｄ）に示すように、電機子１６ａに流れる突入電流を低減でき、バッテリ１９の電圧降下を２Ｖ以下に抑えることができる。また、図８（ｃ）に示すように、エンジン１１が最初のＴＤＣを乗り越すまでは、分巻コイル１６ｃの界磁電流を最大（ｄｕｔｙ比Ｄ＝＋１００％）に制御しているので、バッテリ１９の電圧降下が２Ｖ以下に抑制される始動条件下（メイン電流が小さい状態）でも、ＴＤＣを乗り越すために必要なスタータトルクを確保できる。
更に、ＴＤＣを乗り越した後は、分巻コイル１６ｃの界磁電流を所定の目標界磁電流（図９ではｄｕｔｙ比Ｄ＝Ｄ２％）に制御することで、アクセサリ類の最低作動電圧１０Ｖを確保しながら、且つ高いスタータ出力を得ることができ、始動時間を短縮することが可能である。

本実施例は、実施例３に記載した目標界磁電流を設定する方法について説明する。
図１０はコントローラ１５の制御手順を示すフローチャートであり、図７に示すフローチャートのステップ１３０に続いて実行される。
ステップ１４０…ｄｕｔｙ比Ｄ′＝Ｄとする。
ステップ１５０…目標メイン電流Ｉ０を設定する。ここでは、バッテリ電圧の確保とスタータ出力の最大化を狙いとして、図９に示すバッテリ電圧１０Ｖぎりぎりの値Ｉ０に設定している。

ステップ１６０…何らかの異常が検出されたか否かを判定する。この判定結果がＮＯの時、つまり異常が検出されなかった時は、次のステップ１７０へ進み、判定結果がＹＥＳの時（例えば、バッテリ１９が上がり気味な状態や極低温時など）は、ステップ２３０へ進む。
ステップ１７０…最初の上死点（ＴＤＣ）が検出されたか否かを判定する。この判定方法は、実施例３と同じである。判定結果がＹＥＳの時は、次のステップ１８０へ進み、判定結果がＮＯの時は、ステップ１６０へ戻る。

ステップ１８０…再度、異常が検出されたか否かを判定する。判定結果がＮＯの時は、次のステップ１９０へ進み、判定結果がＹＥＳの時は、ステップ２３０へ進む。
ステップ１９０…実際のメイン電流Ｉ１を検出する。このメイン電流Ｉ１は、図６に示す電流センサ２４によって検出される。

ステップ２００…目標メイン電流Ｉ０と実際のメイン電流Ｉ１との差に応じて、目標界磁電流（ｄｕｔｙ比Ｄ）をフィードバック制御する。つまり、Ｉ１＞Ｉ０の場合は、ｄｕｔｙ比Ｄを大きくしてメイン電流を低減する方向に制御し、Ｉ１＜Ｉ０の場合は、ｄｕｔｙ比Ｄを小さくしてメイン電流を増大する方向に制御する。なお、ここでは、メイン電流の差分をフィードバックしているが、制御の応答性を上げるためには、微分値を加えてフィードバックすることも考えられる。

ステップ２１０…ｄｕｔｙ比Ｄ′＝Ｄ（ステップ２００で設定された値）とする。 ステップ２２０…エンジン始動が完了したか否かを判定する。この判定方法は、実施例３と同じである。判定結果がＹＥＳの時は、本処理を終了し、判定結果がＮＯの時は、ステップ１８０へ戻る。

ステップ２３０…何らかの異常が検出された時でも、確実にエンジン１１を始動できる様に、ｄｕｔｙ比Ｄ＝１００％に設定する。
ステップ２４０…エンジン始動が完了したか否かを判定する。判定結果がＹＥＳの時は、本処理を終了し、判定結果がＮＯの時は、ＹＥＳになるまで待機する（ステップ２４０を繰り返す）。

（実施例４の効果）
実施例４では、所定のバッテリ電圧が確保できる範囲で、スタータ出力が最大となるように目標メイン電流を設定し、その目標メイン電流を維持できる様に、ｄｕｔｙ比Ｄをフィードバック制御しているので、クランキング時のトルク変動に対してもスタータ１２の最大出力を維持できるので、更なるエンジン始動時間の短縮が可能となる。
また、始動の途中で何らかの異常が検出された時には、着火に必要なエンジン回転数でクランキングできるように、ｄｕｔｙ比Ｄを設定するので、異常時でも確実にエンジン１１を始動できる。

（変形例）
実施例４では、目標メイン電流と実際のメイン電流（センサ値）との差に応じてｄｕｔｙ比Ｄをフィードバック制御しているが、例えば、メイン電流とバッテリ電圧との関係に相関があるので、目標メイン電流から目標バッテリ電圧を設定し、その目標バッテリ電圧と実際のバッテリ電圧との差に応じてｄｕｔｙ比Ｄをフィードバック制御しても良い。あるいは、メイン電流とエンジン回転数との関係に相関があるので、目標メイン電流から目標エンジン回転数を設定し、その目標エンジン回転数と実際のエンジン回転数との差に応じてｄｕｔｙ比Ｄをフィードバック制御しても良い。

また、目標メイン電流は、所定のバッテリ電圧以上となるように設定することで、エンジン始動時のバッテリ電圧低下を確実に防止することもできる。あるいは、所定のエンジン回転数となるように目標メイン電流を設定することで、エンジン始動時の不快な車両振動を低減でき、高い始動性能を実現することもできる。
実施例１及び実施例３に記載したエンジン始動装置の回路図には、本発明の電圧降下抑制手段の一例として、始動抵抗４、１３を用いているが、始動抵抗４、１３に替えて半導体素子を使用することもできる。

実施例１に係わるエンジン始動装置の回路図である。 実施例１に係わるＥＣＵの制御手順を示すフローチャートである。 実施例１に係わるエンジン始動時の電圧波形図である。 実施例２に係わるＥＣＵの制御手順を示すフローチャートである。 実施例２に係わるクランキング中の電圧変動を示す電圧波形図である。 実施例３に係わるエンジン始動装置の回路図である。 実施例３に係わるコントローラの制御手順を示すフローチャートである。 実施例３に係わるエンジン始動時のタイムチャートである。 実施例３に係わるスタータ特性図である。 実施例４に係わるコントローラの制御手順を示すフローチャートである。 従来技術に係わるエンジン始動装置の回路図である。 従来技術に係わるエンジン始動時の電流波形図である。

符号の説明

（実施例１及び２）
１ エンジン始動装置
２ モータ
２ｂ 直巻コイル
２ｃ 分巻コイル
４ 始動抵抗（電圧降下抑制手段）
６ 制御用素子（界磁電流制御手段）
７ ＥＣＵ（制御回路）
８ バッテリ
（実施例３及び４）
１０ エンジン始動装置
１１ エンジン
１３ 始動抵抗（電圧降下抑制手段）
１４ 短絡用リレー
１５ コントローラ（リレー制御手段、界磁電流制御手段）
１６ モータ
１６ａ 電機子
１６ｂ 直巻コイル
１６ｃ 分巻コイル
１７ メイン接点
１９ バッテリ
２１ イグニッションキー

Claims (23)

1. モータ回路を通じてバッテリに接続される電機子、前記モータ回路に前記電機子と直列に接続される直巻コイル、及び界磁電流を制御可能な分巻コイルを有し、前記モータ回路に設けられるメイン接点が閉じることにより、前記バッテリから前記電機子にメイン電流が供給されて、前記電機子に回転力を発生するモータを備え、
   前記電機子に発生する回転力をエンジンに伝達して、該エンジンを始動させるエンジン始動装置であって、
   前記モータ回路に前記電機子と直列に接続され、前記メイン接点が閉じて前記バッテリから前記電機子にメイン電流が供給される時に、前記バッテリの電圧降下を２Ｖ以下に抑制できる電圧降下抑制手段を備え、
   前記モータは、前記バッテリの電圧降下が２Ｖ以下に抑制される始動条件の下で、少なくとも、前記エンジンが最初の上死点を乗り越すために必要なトルクを発生できる高トルク型に設定されていることを特徴とするエンジン始動装置。
2. 請求項１に記載したエンジン始動装置において、
   前記電圧降下抑制手段は、前記バッテリから前記電機子に供給されるメイン電流を低減する始動抵抗または半導体素子であることを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項１または２に記載したエンジン始動装置において、
   前記電圧降下抑制手段と並列に前記モータ回路に接続され、通電時に閉状態に制御されて前記電圧降下抑制手段を短絡する短絡回路を形成し、非通電時に開状態に制御されて前記短絡回路を遮断する短絡用リレーと、
   この短絡用リレーを通電制御するリレー制御手段とを備え、
   このリレー制御手段は、前記メイン接点が閉じた後、前記電圧降下抑制手段を短絡するタイミングを検出し、そのタイミングが検出された時点で、前記短絡用リレーを開状態から閉状態に制御することを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項３に記載したエンジン始動装置において、
   前記リレー制御手段は、前記電圧降下抑制手段を短絡するタイミングとして、前記メイン接点が閉じてから所定時間経過した時点、または所定のエンジン回転数が検出された時点、または前記電機子に流れるメイン電流が所定値まで低下した時点を検出することを特徴とするエンジン始動装置。
5. 請求項３または４に記載したエンジン始動装置において、
   前記分巻コイルの界磁電流を制御する界磁電流制御手段を備え、
   この界磁電流制御手段は、前記エンジンの始動開始より前記界磁電流を最大に制御するとともに、少なくとも、前記短絡用リレーが開状態から閉状態に切り替わった後、前記界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とするエンジン始動装置。
6. 請求項５に記載したエンジン始動装置において、
   前記界磁電流制御手段は、前記短絡用リレーが開状態から閉状態に切り替わったことにより、前記電機子に流れるメイン電流が一旦上昇した後、下がり始めてから、前記界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とするエンジン始動装置。
7. 請求項５に記載したエンジン始動装置において、
   前記界磁電流制御手段は、前記エンジンが最初の上死点を乗り越してから、前記界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とするエンジン始動装置。
8. 請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、
   前記界磁電流制御手段は、前記モータの出力が最大となるように、前記目標界磁電流を設定することを特徴とするエンジン始動装置。
9. 請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、
   前記界磁電流制御手段は、バッテリ電圧が所定値以上となるように、前記目標界磁電流を設定することを特徴とするエンジン始動装置。
10. 請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、エンジン回転数が所定値以上となるように、前記目標界磁電流を設定することを特徴とするエンジン始動装置。
11. 請求項５〜７に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記電機子に供給されるメイン電流が所定の目標メイン電流となるように、前記目標界磁電流を設定することを特徴とするエンジン始動装置。
12. 請求項１１に記載したエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記目標メイン電流を設定し、その目標メイン電流と実際のメイン電流とを比較しながら、両者の差に応じて、前記目標界磁電流を時々刻々に設定することを特徴とするエンジン始動装置。
13. 請求項１１に記載したエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記目標メイン電流を設定し、更に前記目標メイン電流と相関する目標バッテリ電圧を設定して、その目標バッテリ電圧と実際のバッテリ電圧とを比較しながら、両者の差に応じて、前記目標界磁電流を時々刻々に設定することを特徴とするエンジン始動装置。
14. 請求項１１に記載したエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記目標メイン電流を設定し、更に前記目標メイン電流と相関する目標エンジン回転数を設定して、その目標エンジン回転数と実際のエンジン回転数とを比較しながら、両者の差に応じて、前記目標界磁電流を時々刻々に設定することを特徴とするエンジン始動装置。
15. 請求項１２〜１４に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記モータの出力が最大となるように、前記目標メイン電流を設定することを特徴とするエンジン始動装置。
16. 請求項１２〜１４に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記バッテリ電圧が所定値以上となるように、前記目標メイン電流を設定することを特徴とするエンジン始動装置。
17. 請求項１２〜１４に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記エンジン回転数が所定値以上となるように、前記目標メイン電流を設定することを特徴とするエンジン始動装置。
18. 請求項１１〜１７に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、前記目標界磁電流または前記目標メイン電流を、エンジン始動時の条件に応じて変更することを特徴とするエンジン始動装置。
19. 請求項１８に記載したエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、少なくともイグニッションキーによるエンジン始動時には、前記界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とするエンジン始動装置。
20. 請求項１８に記載したエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、エンジン始動時に何らかの異常が検出された時には、所定のエンジン回転数となるように、前記界磁電流を所定の目標界磁電流に制御することを特徴とするエンジン始動装置。
21. 請求項１〜２０に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    エンジン始動時に前記バッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時は、その旨を乗員に知らせるための報知手段を備えていることを特徴とするエンジン始動装置。
22. 請求項１〜２１に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記エンジンの停止及び再始動を自動制御するエンジン自動停止／再始動システムに用いられ、同システムによるエンジン再始動時には、前記バッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時に、その旨を乗員に知らせるための報知手段を作動させ、
    前記エンジン再始動時以外の通常始動時には、前記バッテリの電圧降下が２Ｖを超えた時でも、前記報知手段を作動させないことを特徴とするエンジン始動装置。
23. 請求項１〜２２に記載した何れかのエンジン始動装置において、
    前記界磁電流制御手段は、クランキング中の電圧変動を０．３Ｖ以内に抑える様に、前記エンジンの負荷変動に応じて、前記分巻コイルの界磁電流を制御することを特徴とするエンジン始動装置。
    

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