JP2008121606A - エンジン始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン始動時にトルク伝達系に衝撃性ストレスが加わらないようにする。
【解決手段】電機子巻線３２ｂと界磁巻線３１ｂとが並列に接続されている直流分巻電動機３ｂからなるスターティングモータ３０と、スターティングモータ３０と電池４との間に接続されたエンジン始動スイッチ５ａと、電機子巻線３２ｂへの給電時にスターティングモータ３０の出力軸をエンジン出力軸２３に連結し、非給電時にその連結を解除する動力伝達機構２ａと、エンジン始動スイッチ５ａおよび界磁巻線３１ｂに流される界磁巻線電流を制御する制御手段とを備えているエンジン始動装置において、上記制御手段は、電機子巻線３２ｂへの給電に応じて動力伝達機構２ａによりスターティングモータ３０の出力軸がエンジン出力軸に連結されたのち、界磁巻線３１ｂに界磁巻線電流を流してスターティングモータ３０にトルクを発生させ、そのトルクが所定のトルク−時間特性となるように界磁巻線電流を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）を始動させるエンジン始動装置に関し、さらに詳しく言えば、スターティングモータのエンジン始動時および停止時におけるトルク制御技術に関するものである。

エンジン始動装置には、スターティングモータとして電池を電源とする直流電動機が用いられるが、多くの場合、直流直巻電動機もしくは直流分巻電動機のいずれかが選択されている。まず、図８ａによりスターティングモータが直流直巻電動機である場合の第１従来例について説明する。

すなわち、第１従来例に係るエンジン始動装置では、スターティングモータ３として、界磁巻線３１ａと電機子巻線３２ａとが直列に接続された直流直巻電動機３ａが用いられる（３３はブラシ）。スターティングモータ３の出力軸は、動力伝達機構２およびエンジン１の減速ギアであるリングギア２３を介してエンジン１の出力軸（クランク軸）に選択的に連結される。

スターティングモータ３の出力軸には、リングギア２３を相手方とするピニオンギア２２が取り付けられており、動力伝達機構２は、ピニオンギア２２を摺動させてリングギア２３に対して噛合・解離させるための制御機構２１を備えている。図８ｂに制御機構２１の詳細を示す。

通常、制御機構２１は、リターンスプリング２１６により解離方向に付勢されているピニオンギア用シフトレバー２１５に対する駆動手段としてマグネチックスイッチ２１０を備える。

マグネチックスイッチ２１０には、ピニオンギア２２の摺動用駆動コイル（シリースコイル）２１１と、スターティングモータ３に対する給電スイッチ２１２と、ピニオンギア２２のかみ合いを保持するシャントコイル２１４とが含まれている。

摺動用駆動コイル２１１とシャントコイル２１４は巻き数はほぼ同じであるが、線径が異なり、摺動用駆動コイル２１１の方がシャントコイル２１４よりも線径が太い。また、制御機構２１は、スターティングモータ３の出力軸に取り付けられるオーバーランニングクラッチ２１３を備えている。

摺動用駆動コイル２１１は、その一端側がエンジン始動スイッチ５を介して電源である電池４に接続され、他端側はスターティングモータ３に接続されている。給電スイッチ２１２は、電池４とスターティングモータ３の界磁巻線３１ａとの間に接続されていて、摺動用駆動コイル２１１によりピニオンギア２２がリングギア２３に噛み合わされた時点でオンとなるディレー的なスイッチである。

この給電スイッチ２１２を備える理由は、エンジン始動スイッチ５をオンにしてスターティングモータ３を起動させる際、ピニオンギア２２がリングギア２３に噛み合う前は摺動用駆動コイル２１１がスターティングモータ３に直列に接続され、小さな電流でピニオンギア２２をゆるやかに回転させながらリングギア２３に向かって摺動させ、ピニオンギア２２とリングギア２３が十分に噛み合ってからバッテリ４とスターティングモータ３が直接接続されて大きなトルクでリングギア２３を駆動させるためである。

オーバーランニングクラッチ２１３はワンウェイクラッチで、エンジン１の始動完了後にエンジン１が自力で回転する際、それに連れてスターティングモータ３が規定回転数以上に回転するのを防止するためのクラッチである。なお、図８において、参照符号６はエンジン１に付設されているオルタネータ，７は自動車のその他の電気負荷である。

図８ａ，図８ｂを参照して、この第１従来例に係るエンジン始動装置の動作について説明する。エンジン始動開始前の初期状態では、リターンスプリング２１６によりピニオンギア２２は図８ａの実線に示す位置にあり、リングギア２３から外されている。

この初期状態で、エンジン始動スイッチ５がオンにされると、摺動用駆動コイル２１１とシャントコイル２１４とに電流が流れるが、線径の太い摺動用駆動コイル２１１の吸引力が主となり、ゆるやかに回転を始めたピニオン２２をリングギア２３との噛み合い位置に押し込む。

この時点で、上記給電スイッチ２１２がオンとなり、スターティングモータ３に電池４から電流が供給され、スターティングモータ３は回転トルクを発生する。これにより、エンジン１が回転し燃料が供給されてエンジン１が自力回転に入る。エンジン回転数が上昇すると、オーバーランニングクラッチ２１３が作動し、スターティングモータ３がエンジン１から切り離される。

噛み合い状態ではシャントコイル２１４が噛み合いを維持するが、エンジン始動スイッチ５がオフにされると、その瞬間はまだマクネチックスイッチ２１０の接点は閉じられているため、摺動用駆動コイル２１１，シャントコイル２１４には、互いに磁力を打ち消す方向に電流が流れ、リターンスプリング２１６の付勢力によりピニオン２２はリングギア２３から素早く離脱し、図８ａに示す実線の初期状態に戻される。

次に、図９によりスターティングモータが直流分巻電動機である場合の第２従来例について説明する。すなわち、第２従来例では、スターティングモータ３に、界磁巻線３１ｂと電機子巻線３２ｂとが並列に接続されている直流分巻電動機３ｂが用いられている（第２従来例については、特許文献１参照）。

この場合、電機子巻線３２ｂは上記給電スイッチ２１２を介して電池４に接続されるが、界磁巻線３１ｂは、界磁回路スイッチ８およびエンジン始動スイッチ５を介して電池４に接続されている。その他の構成は、図８に示した上記第１従来例と同じであってよい。なお、界磁回路スイッチ８は、実際には界磁巻線電流を制御する制御素子からなる。

この第２従来例では、エンジン始動スイッチ５がオンにされると、界磁回路スイッチ８もオンになり、界磁巻線３１ｂに電池４の電圧が印加され界磁電流が流れる。また、上記摺動用駆動コイル２１１が励磁されることにより、ピニオンギア２２が図９において左方向に摺動しリングギア２３と噛み合った時点で、上記給電スイッチ２１２が励磁され、電機子巻線３２ｂにも電流が流される。

これにより、スターティングモータ３に回転トルクが発生し、上記第１従来例と同様にしてエンジン１が始動される。なお、この第２従来例では、図示しない始動状態検知回路により始動状態を検知し、界磁回路スイッチ８をオン，オフ制御するようにしている。

次に、図１０により、上記第１従来例で使用している直流直巻電動機３ａと、上記第２従来例で使用している直流分巻電動機３ｂの各動作特性について説明する。図１０（ａ）が直流直巻電動機３ａの電流と発生トルクとの関係を示す動作特性グラフで、図１０（ｂ）が直流分巻電動機３ｂの電流と発生トルクとの関係を示す動作特性グラフである。

直流直巻電動機３ａの場合、界磁巻線３１ａと電機子巻線３２ａが直列であるため、界磁巻線電流と電機子巻線電流は同じであるため、発生トルクはモータ電流の２乗に比例した特性となる。

トルク発生の立ち上がり時間は、エンジン回転数の立ち上がり時間に比べてきわめて短く無視できるので、モータ電流，トルクおよびエンジン回転数の時間に対する挙動は図１０（ａ）に示すような特性となる。

これに対して、直流分巻電動機３ｂの場合、始動時、界磁巻線３１ｂに電池電圧が印加されるため、その界磁巻線電流は電池電圧に比例したほぼ一定の電流となる。通常、界磁巻線３１ｂと電機子巻線３２ｂとにほぼ同時に電池電圧を印加してスターティングモータを始動する。

直流分巻電動機３ｂの発生トルクは、電機子巻線電流と界磁巻線電流の積に比例した値となる。直流分巻電動機３ｂの場合においても、トルク発生の立ち上がり時間は、エンジン回転数の立ち上がり時間に比べてきわめて短く無視できるので、モータ電流，トルクおよびエンジン回転数の時間に対する挙動は図１０（ｂ）に示すような特性となる。

図１０（ａ）と図１０（ｂ）の特性の違いは、直流分巻電動機３ｂの発生トルクは、電機子巻線電流に比例する特性であるため、回転数の上昇に応じたトルクの減少が直流直巻電動機３ａに比べて少ないことである。

いずれにしても、スターティングモータ３のトルクは、エンジン１が回転し始める前に発生するため、このトルクは衝撃性トルクとなってエンジン１側のリングギア（減速ギア）２３に作用する。

特開２００５−１２０９１４号公報

ところで、自動車の燃費向上および排気ガス低減などの観点から、近年、交差点などの停車時に、エンジンのアイドリング運転を停止させるアイドリングストップ運転が普及されつつある。

アイドリングストップ運転ではエンジン始動が頻繁に行われるため、その都度、スターティングモータの衝撃性トルクによる応力がトルク伝達系に加わることになる。これにより、トルク伝達系含まれる例えばギア比の大きなリングギア（減速ギア）に対するストレスが高まり減速ギアの歯を損傷させる懸念があるため、この点の改善が求められている。

特に、ディーゼルエンジンの場合、そのエンジンの特性からエンジン停止時のクランク軸の位置は固定されている。すなわち、毎回ほぼ同じ位置で停止する。したがって、エンジン再始動時には、減速機の歯車は常に同じ歯から始動することになり、特定の歯車の歯に衝撃性トルクが繰り返し加わるため、歯欠損が生じやすい。

また、アイドリングストップ車では、エンジンの始動が頻繁に行われるため、電池からのエンジン始動電流の通電頻度が増して電池寿命を短縮させることになる。この点の改善も求められている。

また、従来の動力伝達機構は、ピニオンギアの摺動機構、スターティングモータへの給電スイッチ、オーバーランニングクラッチで構成されており、構造が複雑であるため、より構成の簡単な動力伝達機構が求められている。

また、オーバーランニングクラッチはワンウェイクラッチで、エンジンのトルクをスターティングモータに伝達できないため、エンジンの運動エネルギーを回生することができない。このため、両方向トルクを伝達することができる機能を備えた動力伝達機構が求められている。

また、内燃機関の代表であるレシプロエンジンを搭載した自動車では、図１１に示すように、アドリング運転中および停止時にエンジンの回転が変動する。特に、停止時にはエンジンの回転が大きく変動する。この回転変動は、エンジン自体さらには自動車の車体を振動させる。

エンジンの始動・停止を頻繁に繰り返すアイドリングストップ車においては、エンジン停止時の振動は自動車の乗り心地を悪化させる要因となるため、振動の少ないエンジン停止方法が求められている。また、アイドリング時の乗り心地の改善の観点から、アイドリング時の回転変動による振動の低減も望まれている。

したがって、本発明の第１の課題は、エンジン始動時にトルク伝達系に衝撃性ストレスが加わらないようにすることにある。本発明の第２の課題は、エンジンの始動が頻繁に繰り返されることによる電池寿命の短縮を防止することにある。本発明の第３の課題は、動力伝達機構の構成の簡素化を図ることにある。本発明の第４の課題は、アイドリング時およびエンジン停止時におけるエンジン回転の変動による振動を可及的に抑えることにある。また、本発明の第５の課題は、エンジンの運動エネルギーを電池に回収できるようにすることにある。

上記第１の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、電機子巻線と界磁巻線とが並列に接続されている直流分巻電動機からなるスターティングモータと、上記スターティングモータと電池との間に接続されたエンジン始動スイッチと、上記電機子巻線への給電時に上記スターティングモータの出力軸をエンジン出力軸に連結し、非給電時にその連結を解除する動力伝達機構と、上記エンジン始動スイッチおよび上記界磁巻線に流される界磁巻線電流を制御する制御手段とを備えているエンジン始動装置において、上記制御手段は、上記電機子巻線への給電に応じて上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸が上記エンジン出力軸に連結されたのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータにトルクを発生させ、そのトルクが所定のトルク−時間特性となるように上記界磁巻線電流を制御することを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のエンジン始動装置において、上記制御手段は、チョッパを介して上記界磁巻線電流を制御することを特徴としている。

上記第２の課題を解決するため、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のエンジン始動装置において、上記エンジン始動スイッチと上記電池との間に、電気二重層キャパシタが上記電池に対して並列となるように接続されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のエンジン始動装置において、上記電気二重層キャパシタと上記エンジン始動スイッチ間の接続線は、上記電気二重層キャパシタと上記電池間の接続線よりも線径が太くされていることを特徴としている。

上記第３の課題を解決するため、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンジン始動装置において、上記制御手段は、エンジン始動完了後、上記界磁巻線電流をゼロを含む最小値にして上記スターティングモータの発生トルクをほぼゼロとしたのち、上記エンジン始動スイッチをオフにして上記動力伝達機構による上記スターティングモータの出力軸とエンジン出力軸との連結を解除することを特徴としている。

上記第４の課題を解決するため、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のエンジン始動装置において、上記制御手段は、上記エンジンがアイドリング運転状態のとき、上記電機子巻線に給電したのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータを回転させ、上記スターティングモータのエンジン換算回転数が上記エンジンの回転数とほぼ一致した時点で上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸を上記エンジン出力軸に連結し、その後、上記界磁巻線電流を制御して上記スターティングモータに上記アイドリング運転時における上記エンジンの振動を抑制するトルクを発生させることを特徴としている。

また、上記第４の課題を解決するため、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエンジン始動装置において、上記制御手段は、上記エンジンが停止されるとき、上記電機子巻線に給電したのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータを回転させ、上記スターティングモータのエンジン換算回転数が上記エンジンの回転数とほぼ一致した時点で上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸を上記エンジン出力軸に連結し、その後、上記界磁巻線電流を制御して上記スターティングモータに上記エンジン停止時における上記エンジンの振動を抑制するトルクを発生させることを特徴としている。

上記第５の課題を解決するため、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のエンジン始動装置において、上記制御手段は、上記エンジンが停止されるとき、上記電機子巻線に給電したのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータを回転させ、上記スターティングモータのエンジン換算回転数が上記エンジンの回転数とほぼ一致した時点で上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸を上記エンジン出力軸に連結し、その後、上記界磁巻線電流を制御して上記スターティングモータを発電機として動作させることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、スターティングモータを電機子巻線と界磁巻線とが並列に接続されている直流分巻電動機とし、スターティングモータの出力軸がエンジン出力軸に連結されたのち、界磁巻線に界磁巻線電流を流してスターティングモータにトルクを発生させ、そのトルクが所定のトルク−時間特性となるように界磁巻線電流を制御することにより、スターティングモータの発生トルクの立ち上がり特性を緩やかにして、エンジン始動時にトルク伝達系に衝撃性ストレスが加わらないようにすることができる。したがって、例えばアイドリングストップ車のように、頻繁にエンジンの始動・停止が繰り返される場合、そのエンジン始動トルク伝達系の寿命の短縮を抑制できる。

請求項２に記載の発明によれば、チョッパを介して界磁巻線電流を制御するようにしたことにより、界磁巻線電流の制御回路を低コストにて容易に構築することができる。

請求項３に記載の発明によれば、エンジン始動スイッチと電池との間に、電気二重層キャパシタを電池に対して並列となるように接続したことにより、エンジン始動時の急峻な大電流が電気二重層キャパシタから放電されるため、電池の電池寿命を延ばすことができる。

請求項３に関連して、請求項４に記載の発明によれば、電気二重層キャパシタとエンジン始動スイッチ間の接続線（給電線）の線径を、電気二重層キャパシタと電池間の接続線（給電線）の線径よりも太くしたことにより、電気二重層キャパシタからの給電量の負担割合が増加し、相対的に電池の給電量の負担割合が減少するため、電池の電池寿命をより一層延ばすことができる。

請求項５に記載の発明によれば、エンジン始動完了後、界磁巻線電流をゼロを含む最小値にしてスターティングモータの発生トルクをほぼゼロとしたのち、エンジン始動スイッチをオフにして動力伝達機構によるスターティングモータの出力軸とエンジン出力軸との連結を解除するようにしたことにより、動力伝達機構は、ピニオンギアの摺動機構のみでよく、上記第１，第２従来例でのオーバーランニングクラッチおよび給電スイッチが不要となることから、動力伝達機構の構成を大幅に簡素化することができる。

請求項６に記載の発明によれば、エンジンがアイドリング運転状態のとき、電機子巻線に給電したのち、界磁巻線に界磁巻線電流を流してスターティングモータを回転させ、スターティングモータのエンジン換算回転数がエンジンの回転数とほぼ一致した時点で、動力伝達機構によりスターティングモータの出力軸をエンジン出力軸に連結し、その後、界磁巻線電流を制御してスターティングモータにアイドリング運転時におけるエンジンの振動を抑制するトルクを発生させるようにしたことにより、別途に制振手段を用意することなく、直流分巻電動機の界磁巻線電流を制御するだけでアイドリング運転時におけるエンジンの振動を効果的に抑制することができる。

同様に、請求項７に記載の発明によれば、エンジンが停止されるとき、電機子巻線に給電したのち、界磁巻線に界磁巻線電流を流してスターティングモータを回転させ、スターティングモータのエンジン換算回転数がエンジンの回転数とほぼ一致した時点で、動力伝達機構によりスターティングモータの出力軸をエンジン出力軸に連結し、その後、界磁巻線電流を制御してスターティングモータにエンジン停止時におけるエンジンの振動を抑制するトルクを発生させるようにしたことにより、別途に制振手段を用意することなく、直流分巻電動機の界磁巻線電流を制御するだけでエンジン停止時におけるエンジンの振動を効果的に抑制することができる。

請求項８に記載の発明によれば、エンジンが停止されるとき、電機子巻線に給電したのち、界磁巻線に界磁巻線電流を流してスターティングモータを回転させ、スターティングモータのエンジン換算回転数がエンジンの回転数とほぼ一致した時点で、動力伝達機構によりスターティングモータの出力軸をエンジン出力軸に連結し、その後、界磁巻線電流を制御してスターティングモータを発電機として動作させることにより、エンジン停止時の運動エネルギーを直流電源に回生することができ、電力の有効利用が図られる。

まず、本発明の基本的に考え方ついて説明する。直流電動機の発生トルクは電機子巻線電流と界磁巻線電流の積に比例する。直流電動機には大別して、直流直巻電動機と直流分巻電動機とがあるが、直流分巻電動機の場合、電機子巻線電流を供給しても界磁巻線電流を流さないかぎりトルクは発生しない。

よって、直流分巻電動機によれば、界磁巻線電流を制御することにより、発生トルクパターンを衝撃性トルクとならないようにすることができる。また、界磁巻線電流を制御することにより、エンジンに対してスターティングモータを発電機として作用させることができる。

また、アイドリング時およびエンジン停止時に、エンジンにスターティングモータを連結して、スターティングモータにアイドリング時およびエンジン停止時に生ずる振動を打ち消すようなトルクを発生させることにより、アイドリング時およびエンジン停止時における振動を抑制することができる。

さらには、エンジン停止時には、界磁巻線電流を制御してスターティングモータを発電機とすることにより、エンジンの運動エネルギーを電池に回収することができる。

また、直流分巻電動機によれば、そのトルクは界磁巻線電流によって任意に制御することができるため、エンジンが自力回転に入った場合、界磁巻線電流をゼロを含む最小値とすることにより、上記従来例で用いられていたオーバーランニングクラッチおよび給電スッチを省略でき、動力伝達機構の構成を大幅に簡素化することが可能となる。

以下、図１ないし図７により、アイドリングストップ運転が適用された自動車を例にして本発明のいくつかの実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明は、自動車以外のエンジン（内燃機関）である船舶のエンジンや建設機械のエンジンなどにも適用可能である。

まず、図１により本発明によるエンジン始動装置の第１実施形態について説明する。本発明では、スターディングモータ３０として、先の図９で説明した第２従来例と同じく、界磁巻線３１ｂと電機子巻線３２ｂとを並列に接続してなる直流分巻電動機３ｂが用いられる。なお、図９の第２従来例と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。

第１実施形態において、界磁巻線３１ｂは電流制御素子のひとつであるチョッパ８ａに接続され、チョッパ８ａはエンジン始動スイッチ５ａを介して電池４に接続される。また、電機子巻線３２ｂはエンジン始動スイッチ５ａを介して電池４に接続される（３３はブラシ）。

本発明では動力伝達機構２ａは構成が大幅に簡素化され、動力伝達機構２ａは、基本的な構成として、スターティングモータ３０の出力軸に取り付けられているピニオンギア２２を摺動させるピニオンギア摺動用駆動コイル（シリースコイル）２１１ａと、図８ｂに示されている噛み合い維持用のシャントコイル２１４とを備えるが、上記第２従来例で用いられている給電スイッチ２１２とオーバーランニングクラッチ２１３を特に必要としない。ピニオンギア摺動用駆動コイル２１１ａは、エンジン始動スイッチ５ａを介して電池４に接続される。

トルク−時間特性が示されている図２を併せて参照して、第１実施形態の動作について説明する。まず、時刻ｔ_０でエンジン始動スイッチ５ａをオンにすると、ピニオンギア摺動用駆動コイル２１１ａが励磁され、ピニオンギア２２が図１の矢印方向（左方向）に摺動してリングギア（減速ギア）２３と噛み合う。また、エンジン始動スイッチ５ａのオンと同時に電機子巻線３２ｂに電機子巻線電流ｉ_３が流れる。この電機子巻線電流ｉ_３は瞬時に立ち上がる。

これに対して、時刻ｔ_０時点ではチョッパ８ａの出力電流、すなわち界磁巻線電流ｉ_８はゼロもしくは最小値にしておく。電機子巻線電流ｉ_３が流れても界磁巻線電流ｉ_８は流れていないかもしくは微小値であるため、スターティングモータ３０の発生トルクはゼロである。

エンジン始動スイッチ５ａをオンにしたのちの所定時刻で、スターティングモータ３０のトルクが所定のパターン（一例として、図２（ｂ）のトルクパターン）になるようにチョッパ８を制御して界磁巻線電流ｉ_８を図２（ａ）の電流波形Ｗａに示すように立ち上げる。そして、界磁巻線電流ｉ_８が最大値Ｉ_ＦＭＡＸに達したら、その電流値を保持する。

これにより、スターティングモータ３０に界磁巻線電流ｉ_８に応じた図２（ｂ）に示すような特性のトルクが発生し、エンジン１が始動し回転が上昇する。エンジン１の回転上昇に応じて電機子巻線電流ｉ_３は減少していく。エンジン１が自立回転に移行したのちの時刻ｔ_１でエンジン始動スイッチ５ａをオフにする。

このようにして、界磁巻線電流ｉ_８を制御して、スターティングモータ３０の発生トルクの立ち上がりを緩やかにすることにより、トルク伝達系の特にリングギア２３などに対する衝撃性トルクを緩和することができる。

なお、本発明によると、上記第２従来例に比べてトルク発生が遅くなる分、エンジン回転の立ち上がりも遅くなる。図２のグラフの時間軸において、ｔ_１’は上記第２従来例でのスタートスイッチオフ時刻で、本発明におけるスタートスイッチオフ時刻ｔ_１はｔ_１’よりも若干遅れることになるが、エンジン１が自立回転に至った時点で、図２（ａ）の電流波形Ｗｂに示すように、界磁巻線電流ｉ_８を減少させトルクをより早く低減させることも可能である。

アイドリングストップ車の場合、エンジンの始動が頻繁に繰り返されるため、電池４の消耗が激しく電池寿命が短くなる。そこで、本発明の第２実施形態では、図３に示すように、エンジン始動スイッチ５ａと電池４との間に、電気二重層キャパシタ１０を電池４に対して並列となるように接続し、エンジン始動時の急峻な大電流を電気二重層キャパシタ１０から放電させることにより、電池４の電池寿命を延ばすようにしている。

この場合、電気二重層キャパシタ１０とエンジン始動スイッチ５ａとの間の接続線（給電線）の線径を、電気二重層キャパシタ１０と電池４との間の接続線（給電線）の線径よりも太くすることにより、電気二重層キャパシタ１０からの給電量の負担割合が増加し、相対的に電池の給電量の負担割合が減少するため、電池４の電池寿命をより一層延ばすことができる。

次に、図４により本発明の第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、図１の上記第１実施形態の構成に加えて、図２に例示したトルクパターンを得るための制御手段を備える。なお、図４では電池４および自動車の電気負荷７の部分は図示が省略されている。

すなわち、第３実施形態では、図１の上記第１実施形態の構成に加えて、エンジン制御回路１００と、電機子巻線電流を検出する電流検出器８１と、界磁巻線電流指令回路８２とを備える。

エンジン制御回路１００は、エンジン始動スイッチ５ａのオンオフを制御するとともに、図２に例示したトルクパターンを界磁巻線電流指令回路８２に与える。

上記したように、直流分巻電動機３ｂの発生トルクは、電機子巻線電流と界磁巻線電流との積に比例するため、界磁巻線電流指令回路８２は、電流検出器８１で検出された電機子巻線電流の電流値から、エンジン制御回路１００より指令されたトルクを発生させるのに必要な界磁巻線電流指令値を演算し、チョッパ８ａに出力する。

エンジン制御回路１００よりエンジン始動指令が出されると、エンジン始動スイッチ５ａがオンになり、ピニオンギア摺動用駆動コイル２１１ａが励磁されてピニオンギア２２がリングギア２３に連結される。ピニオンギア２２がリングギア２３に連結される過程で、電機子巻線３２ｂに電機子巻線電流が流れるが、界磁巻線３１ｂには電流が流れていないので、スターティングモータ３０にはトルクが発生していない。

ピニオンギア２２がリングギア２３に連結されたのち、エンジン制御回路１００から界磁巻線電流指令回路８２にエンジン始動時の所定のトルクパターンが与えられる。界磁巻線電流指令回路８２は、そのトルクパターンになるように電流検出器８１の検出電流値から界磁巻線電流値を算出し、チョッパ８ａに出力する。チョッパ８ａは、界磁巻線電流指令回路８２からの指令値にしたがって界磁巻線電流を制御する。

界磁巻線電流が流されることにより、スターティングモータ３０は指令されたトルクを発生する。エンジン１が回転を始めたら、燃料供給によりエンジン１の回転は上昇する。エンジン回転数が上昇したら、エンジン始動スイッチ５ａをオフにしてエンジン始動を終了させる。

エンジン始動スイッチ５ａのオフと同時に界磁巻線電流もゼロになりスターティングモータ３０のトルクもゼロとなる。また、エンジン始動スイッチ５ａのオフにより、ピニオンギア摺動用駆動コイル２１１ａが非励磁となるため、ピニオンギア２２は図示しないバネ手段などによりリングギア２３から外され元の位置に戻る。

この場合、界磁巻線電流をゼロにすることにより、スターティングモータ３０のトルクもゼロとなり、スターティングモータ３０はエンジン１と連れ回るだけであるため、素早くスターティングモータ３０をエンジン１から切り離すことができる。これにより、上記第１，第２従来例におけるオーバーランニングクラッチ２１３を不要とすることができる。

次に、図５ないし図７により本発明の第４実施形態について説明する。この第４実施形態は、アイドリング運転時とエンジン停止時の制振技術に関するものであるが、まずアイドリング運転時について説明する。

アイドリング運転時には、先の図１１に示したように、エンジンに回転変動が発生している。この第４実施形態では、図５に示すように、スターティングモータからエンジンの振動を打ち消すためのトルクを発生させ回転変動を低減する。

この発生トルクは正負に変動するトルクで、正側のトルクはエンジンの回転を加速するトルクで、負側のトルクはエンジンの回転を減速するトルクであり、エンジンが持っている運動エネルギーを回収することを意味している。

図６はアイドリング運転時の振動抑制の動作説明図で、エンジン回転，スターティングモータのモータトルク，電機子巻線電流および界磁巻線電流の推移が示されている。時刻Ｔ_１からその後の動きを観察すると、エンジン回転数は矢印Ａで示すように回転が増加しようとしている。この回転数が増加することを抑制するには、モータトルクは矢印Ｂに示すように負方向のトルクとする必要がある。

時刻Ｔ_１では、エンジン回転数は変化していないのでモータトルクはゼロでよく、したがって電機子巻線電流もゼロである。スターティングモータはエンジンに連れられて回転しているが、時刻Ｔ_１でスターティングモータの発生電圧が電池電圧（電池４の電圧）と同じになっていれば電機子巻線電流は流れない。

電機子巻線電流がゼロであれば、モータトルクもゼロである。このときの界磁巻線電流はＩ_Ｆである。スターティングモータの発生トルクを負にすることは、モータを発電機動作にすることであるので、モータの発生電圧を電池電圧より高くする。そのため、界磁巻線電流をＩ_Ｆより矢印Ｄ方向に向けて大きくする。

時刻Ｔ_２以降では、時刻Ｔ_１とは逆の動作を行う。以降、これに準じた動作を繰り返すことにより、エンジンを振動させる回転変動が抑制され、エンジンは滑らかに回転する。

また、エンジン停止時にも、先の図１１に示したように、アイドリング時よりも大きな回転変動が生ずるが、アイドリング時と同様に、スターティングモータに正，負のトルクを発生させることにより、エンジンの回転変動による振動を抑制することができる。

図７により、上記した制振のためのトルク制御を実現し得る第４実施形態のエンジン始動装置の構成例について説明する。この第４実施形態は、上記第３実施形態をさらに発展させたものであり、上記第３実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付している。

この第４実施形態では、上記第３実施形態に付加される構成要素として、エンジン主制御回路１００ａと、スターティングモータ動作指令回路１１０と、トルク指令回路１２０と、エンジン出力軸の回転位置を検出する第１回転位置センサ１３０と、スターティングモータ３０の出力軸の回転位置を検出する第２回転位置センサ２４とを備える。

また、この第４実施形態ではスイッチ制御回路５０ａを備え、スイッチ制御回路５０ａには、エンジン始動スイッチ５ａと、エンジン始動スイッチ５ａに対して並列に接続されるエンジン停止スイッチ９とが含まれている。また、エンジン始動スイッチ５ａからピニオンギア摺動用駆動コイル２１１ａに至る配線内には、その励磁電流をオンオフする励磁電流用スイッチ２１１ｂが接続されている。

エンジン主制御回路１００ａは、エンジン始動および停止のスイッチ動作を制御するスイッチ制御回路５０ａ，スターティングモータ動作指令回路１１０および励磁電流用スイッチ２１１ｂに動作信号を出力する。

スターティングモータ動作指令回路１１０は、上記第３実施形態におけるエンジン制御回路１００に相当し、トルク指令回路１２０に図２に例示したようなエンジン始動時のトルクパターンを出力する。

第１回転位置センサ１３０は、エンジン出力軸の回転位置を検出し、その検出信号をエンジン主制御回路１００ａとトルク指令回路１２０とに出力する。また、第２回転位置センサ２４は、スターティングモータ３０の出力軸の回転位置を検出し、その検出信号をエンジン主制御回路１００ａに出力する。

トルク指令回路１２０は、スターティングモータ動作指令回路１１０からのトルクパターンを受けて、そのトルクパターンを直接またはエンジン出力軸の回転角信号に対応したトルク指令を界磁巻線電流指令回路８２に出力する。

次に、アイドリング運転中のトルク制御について説明する。まず、ステップ１として、エンジン主制御回路１００ａは、例えば第１回転位置センサ１３０の回転位置信号からエンジン回転数を演算し、そのエンジン回転数が規定回転数以下かどうかにより、アイドリング運転モードか非アイドリング運転モードかを判断する。

エンジン始動後は、スターティングモータ３０はエンジン１との連結が切り離されているので、制振のため、アイドリング運転時に図５に示したモータトルクをエンジン１に伝達するには、スターティングモータ３０をエンジン１に再連結する必要がある。

この場合、エンジン始動時と異なりエンジン１は回転しているため、エンジン１の回転とスターティングモータ３０の回転とを同期させる必要がある。エンジン１の回転とスターティングモータ３０の回転とが同期していれば、エンジン始動時と同じ方法、すなわちピニオンギア摺動用駆動コイル２１１ａを励磁することにより連結することができる。

エンジン１の出力軸の回転数および回転位置は第１回転位置センサ１３０により検出され、また、スターティングモータ３０の出力軸の回転数および回転位置も第２回転位置センサ２４にて検出されるため、次のようにして同期させる。

上記ステップ１で、アイドリング運転モードであると判断された場合、ステップ２として、スイッチ制御回路５０ａにエンジン停止信号を出力してエンジン停止スイッチ９をオンにする（なお、エンジン始動後であるため、エンジン始動スイッチ５ａはオフ）。

エンジン停止スイッチ９のオンにより電機子巻線３２ｂに電機子巻線電流が流れても、界磁巻線３１ｂには界磁巻線電流は流れていないため、スターティングモータ３０にはトルクが発生せず回転しない。

ステップ３として、界磁巻線３１ｂに界磁巻線電流を流して、スターティングモータ３０を回転させ、その回転数がエンジン回転数と同じ回転数になるように界磁巻線電流を制御する。

ステップ４として、回転数が同じに達した時点で、励磁電流用スイッチ２１１ｂをオンにしてピニオンギア摺動用駆動コイル２１１ａを励磁して、ピニオンギア２２をリングギア２３に連結する。

その後、ステップ５として、図５に例示したアイドリング運転時の振動抑制（制振）用のトルクパターンをトルク指令回路１２０から界磁巻線電流指令回路８２に出力し、チョッパ８ａにより界磁巻線電流を制御して、スターティングモータ３０にアイドリング時の振動を打ち消すトルクを発生させる。

続いて、アイドリング運転で燃料をカットしてエンジン１を停止させる際のトルク制御について説明する。エンジン主制御回路１００ａからスターティングモータ動作指令回路１１０にエンジン停止運転モードが出されると、これを受けてスターティングモータ動作指令回路１１０は、図５に例示したエンジン時の振動抑制用のトルクパターンをトルク指令回路１２０に出力する。

これにより、トルク指令回路１２０は、エンジン１の出力軸の回転数および回転位置に対応したトルク指令値を界磁巻線電流指令回路８２に出力する。これを受けた界磁巻線電流指令回路８２は、指令されたトルクが発生されるように電機子巻線電流から界磁巻線電流を求め、その界磁巻線電流となるようにチョッパ８ａを制御する。

以上説明したように、本発明によれば、スターティングモータとして直流分巻電動機を用い、その界磁巻線電流をチョッパにより制御して、エンジン始動時のモータ発生トルクを適切なパターンにして、エンジン始動トルク伝達系に衝撃性ストレスが加わらないようにしたことにより、アイドリングストップ車のように頻繁にエンジンを始動・停止する自動車の場合、エンジン始動トルク伝達系の寿命の短縮を抑制することができる。

また、動力伝達機構には、ピニオンギアを摺動させるピニオンギア摺動用駆動コイルがあればよく、従来必要とされていたオーバーランニングクラッチや給電スイッチ機構が不要となるため、動力伝達機構の大幅な簡素化が図れる。

また、エンジン始動スイッチと電池との間に電気二重層キャパシタを挿入し、好ましくは電気二重層キャパシタからスターティングモータに至る給電線は太く、これに対し電池と電気二重層キャパシタとの間の給電線は細くするようにしたことにより、電気二重層キャパシタからの給電量の負担割合が増加し、相対的に電池の給電量の負担割合が減少するため、電池の電池寿命をより一層延ばすことができる、等々の効果が奏される。

なお、本発明の適用範囲は、アイドリングストップ車に限定されるものではなく、これ以外のエンジン（内燃機関）である船舶のエンジンや建設機械のエンジンなどにも適用可能であることは上記したとおりである。

本発明の第１実施形態の構成例を示す模式図。 本発明で好ましいエンジン始動時のトルクパターンを示すグラフ。 本発明の第２実施形態の構成例を示す模式図。 本発明の第３実施形態の構成例を示す模式図。 本発明の第４実施形態でアイドリング時およびエンジン停止時に発生させるモータのトルクパターンを示すグラフ。 図５のトルクパターンを発生させる作用説明図。 本発明の第４実施形態の構成例を示す模式図。 第１従来例の構成を示す模式図。 従来の制御機構の構成をより詳細に示す模式図。 第２従来例の構成を示す模式図。 上記第１従来例と上記第２従来例で発生されるエンジン始動時のモータのトルクパターンを示すグラフ。 アイドリング時およびエンジン停止時におけるエンジンの振動状態を示すグラフ。

符号の説明

１ エンジン
２ａ 動力伝達機構
４ 電池
２２ ピニオンギア
２３ リングギア（減速ギア）
２１１ａ ピニオンギア摺動用駆動コイル
３ｂ 直流分巻電動機
３０ スターティングモータ
３１ｂ 界磁巻線
３２ｂ 電機子巻線
４ 電池
５ａ エンジン始動スイッチ
８ａ チョッパ
９ エンジン停止スイッチ
１０ 電気二重層キャパシタ
８２ 界磁巻線電流指令回路
１００ 制御回路

Claims (8)

1. 電機子巻線と界磁巻線とが並列に接続されている直流分巻電動機からなるスターティングモータと、上記スターティングモータと電池との間に接続されたエンジン始動スイッチと、上記電機子巻線への給電時に上記スターティングモータの出力軸をエンジン出力軸に連結し、非給電時にその連結を解除する動力伝達機構と、上記エンジン始動スイッチおよび上記界磁巻線に流される界磁巻線電流を制御する制御手段とを備えているエンジン始動装置において、
   上記制御手段は、上記電機子巻線への給電に応じて上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸が上記エンジン出力軸に連結されたのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータにトルクを発生させ、そのトルクが所定のトルク−時間特性となるように上記界磁巻線電流を制御することを特徴とするエンジン始動装置。
2. 上記制御手段は、チョッパを介して上記界磁巻線電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
3. 上記エンジン始動スイッチと上記電池との間に、電気二重層キャパシタが上記電池に対して並列となるように接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン始動装置。
4. 上記電気二重層キャパシタと上記エンジン始動スイッチ間の接続線は、上記電気二重層キャパシタと上記電池間の接続線よりも線径が太くされていることを特徴とする請求項３に記載のエンジン始動装置。
5. 上記制御手段は、エンジン始動完了後、上記界磁巻線電流をゼロを含む最小値にして上記スターティングモータの発生トルクをほぼゼロとしたのち、上記エンジン始動スイッチをオフにして上記動力伝達機構による上記スターティングモータの出力軸とエンジン出力軸との連結を解除することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンジン始動装置。
6. 上記制御手段は、上記エンジンがアイドリング運転状態のとき、上記電機子巻線に給電したのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータを回転させ、上記スターティングモータのエンジン換算回転数が上記エンジンの回転数とほぼ一致した時点で上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸を上記エンジン出力軸に連結し、その後、上記界磁巻線電流を制御して上記スターティングモータに上記アイドリング運転時における上記エンジンの振動を抑制するトルクを発生させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のエンジン始動装置。
7. 上記制御手段は、上記エンジンが停止されるとき、上記電機子巻線に給電したのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータを回転させ、上記スターティングモータのエンジン換算回転数が上記エンジンの回転数とほぼ一致した時点で上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸を上記エンジン出力軸に連結し、その後、上記界磁巻線電流を制御して上記スターティングモータに上記エンジン停止時における上記エンジンの振動を抑制するトルクを発生させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のエンジン始動装置。
8. 上記制御手段は、上記エンジンが停止されるとき、上記電機子巻線に給電したのち、上記界磁巻線に界磁巻線電流を流して上記スターティングモータを回転させ、上記スターティングモータのエンジン換算回転数が上記エンジンの回転数とほぼ一致した時点で上記動力伝達機構により上記スターティングモータの出力軸を上記エンジン出力軸に連結し、その後、上記界磁巻線電流を制御して上記スターティングモータを発電機として動作させることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のエンジン始動装置。

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