JP2004503711A - 内燃機関用の始動装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関（２）用の始動装置に電気的スタータモータ（３）と、電圧供給部（１６）と、スタータモータ（３）に対する駆動制御装置（４）とが設けられている。
駆動制御装置は電力切換電子回路（６）と、該電力切換電子回路（６）用の制御機器（５）を有する。
スタータモータ（３）の始動電力に関連する物理的パラメータを検出するためのセンサが設けられており、これによりスタータモータ（３）の始動特性曲線が最適に物理的パラメータの許容限界値内で制御される。

Description

【０００１】
本発明は、電気スタータモータ並びに電圧供給部と前記スタータモータに対する制御装置とを有する内燃機関に対する始動装置に関する。
【０００２】
通常の従来型電気スタータモータは一般的に、永久磁石または電気的に励磁される転流型直流モータである。電圧供給は、内燃機関の装備された車両の搭載電源を介してそのバッテリーから行われる。
【０００３】
スタータモータに対する制御装置として、通常は多少複雑な回路装置が使用される。この回路装置は車両の点火錠と結合されており、点火キーの操作を介してスイッチ位置「点火オン」に操作される。
【０００４】
従来技術による従来のスタータ装置は設計特性を有しており、この設計特性はいわゆる始動限界温度での始動出力に向けられている。この設計特性は短時間の操作だけでは持続的出力が出ないように設計されており、このことは結果的に熱的過負荷保護を不要としている。この設計特性に基づき、公知の大量生産スタータはコストが最適化されており、それぞれの適用に比較的良好にアレンジされている。
【０００５】
公知のようにスタータ装置はその使用条件により相反する要求が突き合わされる。例としていわゆる「コールドスタート問題」がある。環境温度が非常に低い場合、スタータモータ自体は高い機械的出力を提供すべきである。なぜなら内燃機関は潤滑油に粘りがあり、そのため高い摩擦力により特徴付けられる回転特性のため回転しにくいからである。このことはスタータに高い出力を要求し、この出力を搭載バッテリーの電圧供給部からの相応のエネルギー取り出しにより実現しなければならない。しかし環境温度が低い場合には、使用可能な搭載バッテリーの電気エネルギーが大きく制限されている。そのため、バッテリーの破損を回避するため過度に高い出力要求を課してはならない。
【０００６】
例として示した問題から出発して本発明の課題は、種々の使用条件に依存してフレキシブルに駆動することができ、始動条件、とりわけ始動出力と始動快適性を始動システムの寿命の向上と関連して改善するような内燃機関用の始動装置を提供することである。
【０００７】
この課題は請求項１の特徴部分の構成を有する駆動装置によって解決される。この制御装置は出力切換電子回路と、制御機器とを有し、制御機器の制御出力端は出力切換電子回路の制御入力側、並びにセンサの接続された制御機器の入力端に接続されている。このセンサはスタータモータの始動電力に関連する物理的パラメータを検出する。ここで制御機器は、センサにより検出されたパラメータに基づいて、スタータモータの制御のための始動特性曲線をこのモータに対する物理的パラメータの許容限界値内で最適化する。とりわけ始動電力が最大にされる。
【０００８】
始動特性曲線は全体として、機械的限界値、例えばスタータモータの最大回転数の形態の機械的限界値、スタータモータの許容最大温度の形態の温度限界値、始動過程時にスタータモータを流れる電流により表される磁気的限界値、並びにいわゆるブラシ火花および転流によって定義される電気限界値を上回らないように制御される。
【０００９】
本発明の有利な実施形態では、特性曲線値が物理的パラメータの許容限界値内で、それぞれのスタータ形式および所定の始動事例に対して処理され、設定された最適パラメータに基づいて調整される。
【００１０】
本発明のさらに有利な改善形態では、内燃機関および／またはスタータモータの温度を物理的パラメータとして検出するための温度センサが設けられている。さらにこれに付加的にまたは択一的に、始動過程時にスタータモータを流れる電流を検出するための電流測定機器、始動過程時にスタータモータのトルクを検出するためのトルクセンサおよび／または始動過程時にスタータモータの回転数を検出するための回転数センサを設けることができる。これにより例えばスタータ温度に依存して特性曲線値を、電力を基準にして制御することができ、内燃機関の温度に依存して適合することができる。
【００１１】
別の有利な実施例によれば、始動特性曲線は種々の回転数領域に依存してそれぞれ異なるように制御することができる。従って回転数の低い領域では始動特性曲線を始動電流／トルク限界として、スタータモータマグネットの許容減磁限界に依存して制御することができる。回転数が中程度の領域では始動特性曲線を、再び始動電流／トルク限界として、ブラシ火花に起因する許容摩耗値、スタータ温度および／または内燃機関の温度に依存して制御することができる。回転数の高い領域では始動特性曲線を、遠心力に起因するスタータモータの許容限界値に依存して制御することができる。
【００１２】
すべての駆動制御過程で有利には、始動過程が制御機器により検出され、特性曲線値がとりわけ次の始動過程が改善されるように変化される。このことはエラースタートと関連して、特性曲線値を始動が改善されるように変更できることを意味し、再始動が新たな特性曲線値により初期化される。
【００１３】
ようやくすると有利な改善形態を備える本発明の対象は、従来技術の指導装置に対して次の利点を有する：
・少なくとも係数２だけの出力上昇を達成することができる。
【００１４】
・とりわけ中程度の回転数領域における熱間始動出力の上昇によって、起動支援が改善され、始動時間が短縮され、内燃機関の始動特性が改善される。
【００１５】
・始動特性曲線を、得ようとする始動最適のパラメータに適合することができる。
【００１６】
・始動温度の低い場合には、バッテリーを消耗する始動エネルギーを低減することができる。
【００１７】
・始動電流ピークとその結果の始動電力ピークが回避される。
【００１８】
・始動装置は、熱的、機械的および磁気的過負荷を統合的に回避する。ここでは種々異なる車両および内燃機関に対する種々のスタータ形式の数が、制御機器パラメータをそれぞれの車両データに適合することによって、ハードウエア構成を変更することなしに低減される。
【００１９】
・始動装置は一般的に、少なくとも始動出力を同じままとすれば従来のシステムと比較して構造寸法を低減できる。
【００２０】
本発明のさらなる詳細、特徴、および利点は以下の説明から明かである。以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】
図１は、始動装置のブロック回路図である。
【００２２】
図２は、始動装置の電流特性曲線ないしトルク特性曲線をスタータモータの回転数に依存して示す線図である。
【００２３】
図１に全体が１により示された始動装置は内燃機関、例えばオットー機関を起動するのに使用される。始動装置１の主要部分は電気スタータモータ３であり、これはいわゆる転流型直流モータの構造形式の大量生産ユニットとすることができる。さらに全体で４により示された、スタータモータ３用の駆動制御装置は制御機器５と電力切換電子回路６を有する。この駆動制御装置はＭＯＳ−ＦＥＴ電力半導体７を有し、この電力半導体はスタータモータ３を通常の形式でクロック制御する。電力切換電子回路６の制御は制御機器５の制御出力側８を介して行われる。この制御出力側は電力切換電子回路６の相応の制御入力側９と接続されている。
【００２４】
制御機器１の種々の入力端１０．１から１０．５は種々のセンサ１１，１２，１３，１４，１５，２０と接続されており、これらのセンサはスタータモータ３の始動電力に関連する物理的パラメータを検出するのに用いる。内燃機関２には温度センサ１１が配属されており、このセンサは機関２の動作温度を表す電気信号υＶＭを生成する。同じように温度センサ１２がスタータモータ３に設けられており、このセンサはスタータモータ３の温度を表す電気信号υＳＴを制御機器５に出力する。
【００２５】
スタータモータ３の駆動制御の際に電力切換電子回路６を介してスタータモータ３を流れる電流を検出するため、電流測定機器１３がスタータモータ３と直列に電流分岐路１４に接続されている。この電流測定機器は流れる電流Ｉを表す電気信号ＩＳＴを発生する。
【００２６】
最後にスタータモータ３にはトルクセンサ１５が配置されている。このセンサはスタータモータ３により始動過程時に形成されるトルクを検出し、相応の信号ＭＳＴを制御機器５の入力側１０．４に出力する。
【００２７】
さらにスタータモータ３には回転数センサ２０が設けられており、このセンサは制御機器５の入力端１０．５に回転数を表す信号ｎＫＷを出力する。図２に基づいて説明するように、スタータモータ３の特性曲線は、特性値としてのスタータモータ回転数ｎＫＷに依存して相応に制御される。
【００２８】
スタータモータ３の電圧供給は車両の搭載バッテリー１６を介して行われる。ここではスタータモータ巻線１７，１８および電流測定機器１３からなる直列回路に並列にフリーホイールダイオード１９が接続されている。
【００２９】
この関連から図２は、始動過程中にスタータモータ３を流れる電流Ｉないしはその際に展開されるトルクＭと回転数ｎＫＷとの関係を線図に示す。ここでこの線図は種々の限界を示している。例えば減磁限界Ｅは破線により示されている。スタータモータ制御とその際に使用される特性曲線を最適化するためには、減磁限界Ｅを基準にして、通常の大量生産スタータの電力上昇が例えば能力の大きい磁石の使用により可能となるようにしなければならない。現在通常のスタータを流れる最大電流（短絡電流）が本発明では、所定の限界電流によるスタータモータの相応の駆動制御によって回避される。従って減磁特性は、それぞれのスタータに最適に適合することのできる限界電流によって決められる。
【００３０】
スタータの出力を上昇させるために比較的に高い電圧で駆動することもできる。しかもこの場合に損傷を受けることがない。なぜなら、限界電流を適切に制御することによって関連するすべての限界値、とりわけ減磁限界Ｅを維持することができるからである。このことは、図２に実線で示した１２Ｖでの搭載電圧での駆動に対するトルク特性曲線ＭＫＬ１ないしは１２Ｖ以上の搭載電圧での駆動に対するトルク特性曲線ＭＫＬ２によって示されている。すべての場合でここでは、限界電流を動作点でのトルクが安全であるように選択しなければならない。この値は典型的には係数２だけ短絡電流の値より下である。
【００３１】
二点鎖線により図２にはさらにいわゆる転流限界Ｋが示されている。この転流限界は整流子における最大許容ブラシ火花によって決められる。ブラシ火花はさらに整流子寿命を決定する。ここでも制御機器５を介してスタータ固有にそして環境パラメータに依存して最大特性曲線を制御することができる。
【００３２】
最後に重要な限界として破線により機械的限界Ｍが示されている。この機械的限界は例えばスタータモータ３の回転数ｎＫＷが６００回転／分の所にある。この回転数上側限界は実質的に、整流子の領域とスタータモータ３のロータ巻線ヘッドの領域における遠心力により決められる。ここでも最大値を制御を介してスタータモータ３ないしは内燃機関２の各温度においてほぼ制御することができる。従来のスタータ駆動制御においても許容始動電力が最低温度において遠心力限界により、スタータが暖かい場合に強く制限される。
【００３３】
制御機器５により制御される目標特性曲線Ｓの代表が図２の線図に濃い実線により示されている。ここから回転数が低い領域では、始動特性曲線が始動電流／トルク限界として、始動電流の許容減磁限界Ｅに依存して制御されることが明かである。始動電流Ｉは１０００Ａの減磁限界の半分に制限される。目標特性曲線Ｓのこのための代表となる区間はＩにより示されている。
【００３４】
さらに中程度の回転数領域には目標特性曲線の区間ＩＩが示されている。この区間は転流限界Ｋに依存して、すなわちブラシ火花に起因する許容摩耗値を勘案して制御される。ここでスタータモータ３と内燃機関２の温度を勘案して、スタータモータ３に対する熱的過負荷を回避することができる。
【００３５】
回転数が高い領域では目標特性曲線Ｓが、機械的限界Ｍに対して所定の安全性間隔（目標特性曲線Ｓの区間ＩＩＩ）が得られるように制御される。
【００３６】
このような目標特性曲線Ｓによって始動過程が実行されれば、スタータモータ３ないしは内燃機関２の始動特性が機関制御電子回路を介して検出され、問題が生じた場合には特性曲線値および特性曲線制御の変更を行うことができ、これにより次の始動過程時に改善が達成される。とりわけ始動が失敗した際には、これにより改善されたパラメータにより始動を繰り返し試行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、始動装置のブロック回路図である。
【図２】図２は、始動装置の電流特性曲線ないしトルク特性曲線をスタータモータの回転数に依存して示す線図である。

Claims (11)

1. 電気スタータモータ（３）と、該スタータモータ（３）に対する電圧供給部（１６）と、前記スタータモータ（３）に対する駆動制御装置（４）とを有する内燃機関用の始動装置において、
   前記駆動制御装置（４）は、電力切換電子回路（６）と、制御機器（５）とを有し、
   該制御機器の制御出力端（８）は電力切換装置（６）の制御入力端（９）と接続されており、
   スタータモータ（３）の始動電力に関連する物理的パラメータを検出するために、前記制御機器の入力端（１０）と接続されたセンサ（１１，１２，１３，１５，２０）が設けられており、
   前記制御機器（５）は、前記センサ（１１，１２，１３，１５，２０）により検出されたパラメータに基づき、始動特性曲線（５）をスタータモータ（３）の駆動制御のために、当該物理的パラメータの許容限界値（Ｅ，Ｍ，Ｋ）内で最適化し、とりわけ最大とする、
   ことを特徴とする始動装置。
2. 始動特性曲線（３）は、特性曲線値が物理的パラメータの許容限界値（Ｅ，Ｍ，Ｋ）内で設定された値に調整可能であるように適合される、請求項１記載の始動装置。
3. 第１の温度センサ（１１）は内燃機関（２）の温度を物理的パラメータとして検出するために設けられている、請求項１または２記載の始動装置。
4. 第２の温度センサ（１２）はスタータモータ（３）の温度を物理的パラメータとして検出するために設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の始動装置。
5. 電流測定機器（１３）が、始動過程時にスタータモータ（３）を流れる電流を物理的パラメータとして検出するために設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の始動装置。
6. トルクセンサ（１５）が、始動過程時にスタータモータ（３）のトルク（Ｍ）を物理的パラメータとして検出するために設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の始動装置。
7. 下位テンスセンサ（２０）が、始動過程時にスタータモータ（３）の回転数（ｎＫＷ）を物理的パラメータとして検出するために設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の始動装置。
8. 始動特性曲線（５）は回転数の比較的低い領域においては始動電流／トルク限界として、スタータモータ磁石の許容減磁限界（Ｅ）に依存して制御可能である、請求項１から７までのいずれか１項記載の始動装置。
9. 始動特性曲線（５）は中程度の回転数領域においては始動電流／トルク限界として、ブラシ火花に起因する許容摩耗値、スタータ温度および／または内燃機関（２）の温度に依存して制御可能である、請求項１から８までのいずれか１項記載の始動装置。
10. 始動特性曲線（５）は回転数の比較的高い領域においては始動電流／トルク限界として、遠心力に起因するスタータモータ（３）の許容機械的限界値（Ｍ）に依存して制御可能である、請求項１から９までのいずれか１項記載の始動装置。
11. 始動経過は制御機器（５）により検出され、特性曲線値は次の始動経過が改善されるように変更される、請求項１から１０までのいずれか１項記載の始動装置。