JP2012520960A - 内燃機関を始動させるための回路装置およびスタータの制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、スタータモータ（２）と、スタータモータ（２）の電流経路（５０．５）を切り替え可能なスイッチリレー（７）と、点火スイッチ（８）によって駆動制御可能な制御リレー（３）と、制御リレー（３）によって駆動制御可能な噛み合いリレー（４）とを有するスタータ（１）を備えた内燃機関を始動させるための回路装置に関する。内燃機関を始動させるためのスタータ（１）を正確に動作させ、したがって長い寿命を達成するために、スイッチリレー（７）は、少なくとも遮断行程において、所定のイベントの発生に依存して駆動制御される。このことは、スイッチリレーが時間的に比較的早い時点においてスタータモータの電流経路、殊に主電流経路を遮断させることができ、その結果、逆方向への電流供給が回避されるという利点を有する。

Description

本発明は、スタータモータと、このスタータモータの電流経路を切り替えることができるスイッチリレーと、噛み合いリレーと、点火スイッチによって駆動制御可能な制御リレーとを有する少なくとも１つのスタータを備えた内燃機関を始動させるための回路装置に関する。

さらに本発明は、内燃機関を始動させるためのスタータ、殊にスタータの回路装置、有利には並列に接続可能なスタータを制御するための方法に関する。スタータはスタータモータと、制御リレーと、この制御リレーによって駆動制御される噛み合いリレーと、噛み合いリレーによって駆動制御されるスイッチリレーとを備えるように構成されている。

内燃機関を始動させるために、並列に配置および接続されているスタータ装置が公知である。通常の場合、その種の内燃機関は非常に大きい寸法で設計されており、また例えば、数１０リットルから１００リットルの排気量を有する。

内燃機関における並列なスタータ装置を使用する場合、関与するスタータモータに主電流を同時に供給することが重要である。何故ならば、そのような同時の供給によって個々のスタータモータが過負荷から保護されるからである。過負荷からの保護が行われるこの特性を達成するために、切り替えおよび噛み合いの機能がそれぞれの個々のリレーによって実施されることが公知である。したがって、噛み合いリレーによって実施される、従来では一体的な２つの機能、例えばスタータピニオンの噛み合いと、スタータモータに対する電流の供給が分離されている。２つの機能を分離することによって、全てのスタータ装置において噛み合い行程が完了したときに初めて、スタータ装置はスタータモータに対して主電流を供給するように電気的な回路装置を設けることができる。噛み合い行程は異なる噛み合い時間を有している可能性がある。何故ならば、スタータピニオンをリングギヤに噛み合わせる際に歯と歯が突き当たる状態が生じている場合には、歯と溝が向き合う状態にある場合よりも長い噛み合い行程時間が必要となるからである。少なくとも２つの閉鎖行程の時間差を補償調整するために、全ての閉鎖行程が実施され終わったときに初めて、少なくとも２つのスタータモータに対して主電流が同時に供給される。すなわち、噛み合いのために後続のリレーが順番に開閉される。噛み合いリレーを解放する制御リレー内の点火電流経路が駆動制御される。全ての噛み合いリレーに電流が供給されると、各スタータモータに対する主電流を解放する少なくとも１つのスイッチリレーが導通接続される。スタータの遮断は同じ順序で行われる。スタータリレーへの給電が停止され、続いて噛み合いリレーが遮断され、最後にスイッチリレーが遮断されると、所属の電流経路が開かれる。

DE 10 2005 006 248 A1には、並列に接続されている複数のスタータを用いて内燃機関を始動させるためのスタータ装置が開示されている。可能な限り僅かな結線コストで接続の信頼性を改善するために、リレーによって実現される「クラッチを入れる」機能および「主電流を供給する」機能が結びついた機能が、それぞれの個々のスタータにおいてそれぞれ別個の機能を有する２つのリレーに分割される。

本発明の課題は、内燃機関を始動させるための少なくとも１つのスタータがより正確に動作し、したがってより長い寿命が達成されるように、冒頭で述べたような回路装置を発展させることである。

発明の概要
本発明によれば、この課題は、請求項１および７の特徴部分に記載されている構成によって解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が記載されている。

スタータの遮断行程においては、スイッチリレーのメインコンタクトが依然として閉じられていることによって、噛み合いリレーに逆方向に電流が流れるので、スタータピニオンが離脱後に再びリングギヤの方向に移動することが分かった。

本発明の着想は、スイッチリレーが少なくとも遮断行程においては所定のイベントの発生に依存して駆動制御されることである。このことは、スイッチリレーが時間的に比較的早い時点においてスタータモータの電流経路、殊に主電流経路を遮断させることができ、その結果、逆方向への電流供給が回避されるという利点を有する。

したがって、遮断行程においてスタータピニオンが離脱する際のピニオンの衝突が著しく低減されるか、それどころか阻止されるように、スイッチリレーはスタータモータの電流経路を所期のように解放する。

すなわち本発明が基礎とする着想は、ピニオンの衝突を回避するために、少なくとも１つのスタータを遮断する際にスタータモータを上述の従来技術における遮断時点よりも時間的に早い時点において遮断することである。スタータピニオンが離脱後に内燃機関のリングギヤの方向に再び移動したときに、ピニオンの衝突は生じ、これによってリングギヤおよび／またはスタータピニオンにおける摩耗が生じる。さらには火花が生じる可能性があり、これはスタータないし内燃機関における比較的大きい障害を回避するために、最大限回避されなければならないものである。

別の有利な実施形態によれば、所定のイベントは回路装置が電気機械的に構成されていることによって規定されている。したがって、遮断行程の際の所定のイベントの発生は安定しており、切り替えがより確実に実現され、さらには可能な限り簡単で廉価な構成が実現される。

特別な実施形態によれば、有利には、制御リレーによって切り替え可能な噛み合いリレーの電流経路内にスイッチリレーが配置されている。したがって、スイッチリレーは噛み合いリレーと同時に遮断される。スイッチリレーは上述の従来技術ように、噛み合いリレーによって遮断されるものではない。つまり、スタータモータに関する電流経路を遮断する時点は従来技術とは異なり、著しく早い時点にずらされているので、ピニオンの衝突が回避されるか、その衝突の大きさは著しく小さくなる。摩耗が生じる動作が低減され、したがってスタータの寿命が延長される。

別の有利な実施形態によれば、スイッチリレーは２つの制御スイッチを有する。第１の制御スイッチは噛み合い行程において、その噛み合いの際に最大限に噛み合わされるのと同時にことによって、スイッチリレーに電流を流すことができるスイッチを同時に閉じる噛み合いリレーである。第２の制御スイッチは、噛み合いリレーの離脱行程ないし遮断行程における所定の関係でスイッチリレーを駆動制御するために設けられている。簡単な回路によれば、第２の制御スイッチは制御リレーである。制御リレーは噛み合い行程においても離脱行程においても、第２の制御スイッチとして実際に第１の制御スイッチの前に操作される。

したがって、スイッチリレーおよび制御リレーならびに噛み合いリレーは電気機械的なスイッチとして相互に結合されている。制御リレーは噛み合いリレーの電流経路も、スイッチリレーの電流経路も切り替える。付加的に、噛み合いリレーはスイッチリレーの電流経路を切り替える。

代替的な実施形態によれば、回路装置が電子的な出力スイッチを備えた電子制御部として構成されている。このことは、殊にスイッチリレーの切り替え時間をさらに個別的に適合させることができ、その結果、ピニオンの衝突の強さをより小さくすることができるという利点を有する。

比較的大きい排気量を備えた内燃機関を始動させるために、複数のスタータが並列に接続および配置されている。有利には、スタータ内のそれぞれのスタータモータに対して主電流を供給するために、スタータは相互に直列に接続されているので、これらのスタータは全ての噛み合いリレーがこの噛み合いリレーにおけるスイッチを閉じたときに初めて始動される。有利な実施形態によれば、それぞれのスタータにおける制御リレーによってスイッチリレーをその都度個別に遮断することができる。

本発明の課題は、スイッチリレーを所定のイベントに依存して遮断する方法によっても解決される。所定のイベントはメーカ側およびオペレータ側で事前に設定されており、また、例えばセンサによる所定のセンサ値の検出によって電気機械的または電子的に実現することができる。

このために、例えばコンピュータプログラムを設けることができ、このコンピュータプログラムはプログラム命令によって制御部のプログラムメモリにロードされており、またプログラムが制御部において実行される場合には、プログラム命令に記述されている方法を実施する。コンピュータプログラム製品は、既存の制御部においてモジュールとして実施することができ、また個別的で用途に応じた設定に容易に適合させることができるという利点を有する。経験的に求められた値の修正を非常に容易に実現することができる。

殊に簡単で安定した方法によれば、スイッチリレーが噛み合いリレーと同時に制御リレーによって遮断される。電気機械的な制御部は、故障に対する安全性が高く、かつ、長い寿命を実現することができるという利点を有する。

電子的または電気機械的に構成することができる代替的な実施形態によれば、スイッチリレーは時間的に調整して、および／または、噛み合いリレーの前に所期のように遮断される。例えば、遮断行程におけるスイッチリレーの遮断と噛み合いリレーの遮断との間に所定の時間差を設定し、いわゆるピニオンの衝突、すなわちスタータピニオンの離脱後にスタータピニオンが再び噛み合う方向に移動することを回避するために、電子的または電気機械的に調整可能な遅延素子を設けることができる。

有利な方法によれば、制御リレーおよび噛み合いリレーが閉じられているときにのみスイッチリレーは接続される。したがって、スタータモータに早期に電流が供給されることは回避される。さらには、これに伴い本発明によれば、スタータモータに対する電流を制御リレーによってのみ遮断することが可能である。

有利な実施形態において、並列に配置されているスタータを用いて内燃機関を始動させるために、複数のスタータにおいては、それぞれのスタータモータのためのそれぞれのスイッチリレーは、全ての噛み合いリレー、殊に全ての制御リレーが閉じられたスイッチを有する場合にのみ接続される。したがって、個々のスタータに過負荷は掛からず、全てのスタータは高い安全性と僅かな誤差範囲で同時に内燃機関を始動させることが保証される。

本発明の別の実施形態によれば、上述の方法を実施する上述の回路装置を備えたスタータ装置におけるスタータは、噛み合いリレーが一段式のリレーとして構成されているように、すなわち、リレーがコイルを１つだけ有するように構成されている。一段式の噛み合いリレーは小さい内燃機関に対して使用される。スタータピニオンの必要な回動は、例えばスタータ内のヘリカルスプラインを介して行われる。

有利には、噛み合いリレーは複数のスタータを備えたスタータ装置において二段式に構成されている。すなわち、噛み合いリレーは引込コイルと保持コイルを備えるように構成されている。引込コイルはスイッチモータの電流経路に接続されているので、スタータモータは噛み合いの際に容易に回転され、歯と歯が突き当たる状態の発生が可能な限り回避され、したがってリングギヤとスタータピニオンとの間において歯と溝が向き合う状態を高い信頼性で生じさせることができる。

上記において説明した特徴、また下記において説明する特徴はそれぞれの記載した組み合わせのみで使用されるのではなく、他の組み合わせにおいても使用できるものであると解される。

以下では、添付の図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

スタータの本発明による回路装置の概略的な回路図を示す。 ２つのスタータを備えた回路装置の概略図を示す。 本発明による方法の概略的なフローチャートを示す。 並列に配置されている２つのスタータの時間と距離と電圧の関係を表すグラフを示す。 歯車の衝突が見て取れる、並列に配置されている２つのスタータの時間と距離と電圧の関係を表すグラフを示す。

発明を実施するための形態
図１には、スタータ１を用いて内燃機関を始動させるための回路装置の概略的な回路図が示されている。このスタータ１は、図２に示されているように、第２のスタータに並列に接続および配置することもできる。スタータ１はスタータモータ２および制御リレー３を有する。制御リレー３は、機械的または電子的に駆動制御される点火スイッチ８を備えた点火経路３８内に配置されている。図示していないスタータピニオンを、同様に図示していない内燃機関のリングギヤに噛み合わせるために、噛み合いリレー４が設けられている。噛み合いリレー４は噛み合いコイル５および保持コイル６を有する。噛み合いコイル５は高抵抗であるので、スタータピニオンとリングギヤを噛み合わせる際に歯と歯が突き当たることを回避するためにスタータモータ２を回転させる電流は小さい。噛み合いリレー４が噛み合わされると、噛み合いコイル５は機械的に結合されているスイッチ５３によって遮断され、また、噛み合いリレー４は小さい電流でもって、噛み合わされた状態に保持される。最大限に噛み合わされた状態に達すると、噛み合いリレー４はスイッチ５４を閉じ、それによりスイッチリレー７に電流が供給され、スイッチリレー７は内燃機関を最大電流で始動させることができる。バッテリの正極は端子３０として表されており、アースは端子３１として表されている。バッテリの正極端子３０とスタータ制御端子５０との間に点火スイッチ８が配置されている。

有利な実施形態によれば、従来技術とは異なり、スイッチリレー７が第２の制御スイッチと接続されており、これにより、スタータピニオンの離脱行程において、場合によってはスタータピニオンがリングギヤの方向に移動することが回避される。この第２の制御スイッチは、有利には規定された所定のイベントの発生に依存して、駆動制御される。この所定のイベントを「自由に」選択することができる。イベントを検出器によって識別することができるが、スイッチを用いても識別することができる。図１に示されているような、簡単な電気機械的な構造に関して、有利には、制御リレー３によって切り替え可能である、噛み合いリレー４の電流経路５０．５内にスイッチリレー７が配置されている。

したがって、端子４５においてスタータモータ２に対する主電流を導通させるスイッチリレー７を、従来技術から公知の回路装置ないしスタータ制御部におけるスイッチリレーよりも時間的に著しく早期に遮断することができるので、ピニオンの衝突は回避され、したがってリングギヤの摩耗もしくはスタータピニオンの歯の側縁の摩耗、または、２つの歯車のうちの一方の摩耗が著しく低減される、および／または、その種の摩耗が阻止される。この電気機械的な切り替え計画によって、スイッチリレー７の遮断は厳密に規定された通りにイベントに依存することになる。噛み合いリレー４もスイッチリレー７と同時に制御リレー３によって遮断される。

スタータ１を熱負荷から保護するために、サーモスイッチ９がスタータ１において制御リレー３に直列に接続されている。したがってサーモスイッチ９は、点火スイッチ８の開放と同じ遮断特性を生じさせる。

図２は、並列に配置されている２つのスタータ１および１’を示し、これら２つのスタータ１，１’は、商用車両または船舶の機関のような比較的大きい排気量を有する内燃機関を始動させるためのスタータモータ２，２’をそれぞれ１つずつ有している。各スタータ１，１’は、点火スイッチ８によって駆動制御される別個の制御リレー３，３’を有している。点火スイッチ８からの制御信号の転送は内部の配線によって行われる。続いて、制御リレー３，３’はそれぞれ噛み合いリレー４，４’を切り替える。噛み合いリレー４，４’はその都度異なる噛み合い時間を有している可能性がある。何故ならば、例えば、スタータ１においては歯と歯が突き当たる位置が生じており、スタータモータ２を用いるスタータピニオンには高抵抗の噛み合いコイル４によって僅かな電流しか流れないからである。同様にスタータ１’においては、場合によっては、スタータピニオンとリングギヤとの間に歯と溝が向き合う位置が生じていることから、この場合には噛み合い行程が著しく高速に行われる。内燃機関を始動する際にスタータモータ２，２’に均等に負荷が掛けられるようにするために、スタータ１，１’は直列に接続されているので、主電流ないし端子４５，４５’における主電流経路３０．２，３０．２’を切り替えるためのスイッチリレー７，７’には、全ての噛み合いリレー４，４’が完全に噛み合わされたときに初めて電流が供給される。このために、噛み合いリレー４，４’におけるスイッチ５４，５４’が閉じられる。

本発明によれば、制御リレー３，３’によって切り替えられる噛み合いリレー４の電流経路５０．５においては、スイッチ５４，５４’に隣接する電流経路５０．７，５０．７’の分岐が形成されている。したがって、スイッチ５４，５４’と制御リレー３，３’のスイッチのいずれも閉じられているときに初めてスイッチリレー７に電流が供給される。つまり、遮断行程における新たな機能が達成される。電流供給が停止されて制御リレー３，３’が遮断されると、それと同時に、電流供給の停止によりスイッチリレー７，７’が噛み合いリレー４，４’によって遮断される。

図１を参照して既に説明したように、各スタータ１，１’は、制御リレー３，３’に直列に接続されている、過負荷保護部としてのサーモスイッチ９，９’を有する。

コンピュータプログラム製品を用いた電子的な制御によっても実施できる、３つのリレー３，４および７の間の機能的な結合を説明するために、図３にはスタータの離脱行程に関する概略的なフローチャートが示されている。

噛み合いのために、先ず点火スイッチ８が閉じられるので、制御リレー３が閉じられ、続いてスイッチ５４を操作する噛み合いリレー４が閉じられ、その結果、スイッチリレー７はスタータモータ２に対する主電流をイネーブルする。スタータ１を遮断する際に、個々のリレーが接続される際と同じ順序で操作される。

内燃機関が始動されている所定の時点において、ステップＳ１では点火電流経路３８が点火スイッチ８によって開かれる。

したがってステップＳ２においては、制御リレー３における電気機械的なスイッチが開かれ、その結果、電流経路５０．５はもはやバッテリの正極、すなわち端子３０に直接的に接続されない。

スイッチリレー７，７’が接続されている電流経路５０．７にもはや電流が供給されなくなると、ステップＳ３においてはスタータモータ２が遮断される。負荷端子５０ｉには、制御リレー３によって切り替え可能である、噛み合いリレー４の電流経路５０．４が接続されており、殊にこの電流経路５０．４を通って保持コイル６に電流が供給される。

制御リレー３を開くことによって、噛み合いリレー４にはもはや電流が流れなくなり、その結果、ステップＳ４において噛み合いリレー４が離脱する。

端子４５における電流経路３０．２は既にスイッチリレー７によって遮断されているので、噛み合いコイル５にはもはや電流が供給されず、殊に逆方向に電流は供給されないので、図示していないスタータピニオンはもはや、従来技術によるスタータにおけるスタータピニオンのように顕著にリングギヤに向かって再び移動することはない。いわゆるピニオンの衝突がより明確に回避され、遮断行程はステップＳ５において終了する。

図４には、図１から図３に関連させて説明したような遮断行程の時間的な経過が、時間と距離と電圧に関連付けられたグラフで示されている。特性曲線Ｋ₄およびＫ_4’でもって、スタータ１ないし１’のスタータピニオンの離脱距離Ｓが表されている。電圧Ｖと時間の関係を表す特性曲線としての特性曲線Ｋ₃は制御リレー３，３’における制御信号を表し、電圧特性曲線Ｋ₇，Ｋ_7’は電流経路５０．７におけるスイッチリレー７，７’の切り替え信号を表し、また、電圧特性曲線Ｋ₄₅，Ｋ_45’は端子４５，４５’における電流経路３０．２，３０．２’の遅延された特性曲線を表す。

時点ｔ₁においては、点火スイッチ８によってスイッチリレー３が遮断される。制御リレー３の遅延された切り替え時間に基づき、時点ｔ₂において、電流経路５０．７，５０．７’が特性曲線Ｋ７，Ｋ７’に応じて無電流になるか、もしくは図４に示されているように、電流経路５０．７，５０．７’に負の電圧が印加される。同様に時間的に遅延されて、時点ｔ₃においては、特性曲線Ｋ₄およびＫ_4’に応じてスタータピニオンが距離Ｓにわたり離脱される。非常に短い時間間隔をおいて時点ｔ₄では、特性曲線Ｋ₄₅，Ｋ_45’に応じて電流経路３０．２，３０．２’が無電流になる。したがって、主電流経路３０．２，３０．２’は、スタータピニオンが離脱した状態にある時点ｔ₅よりも時間的に遙かに前の時点において無電流になる。第２のスタータピニオンは時点ｔ_5'において時間的に若干遅延して離脱する。時点ｔ₆，ｔ_6'においては、一次的に機械的に形成されるパルスに基づき、スタータピニオンが極僅かに逆方向に最小限移動する。本発明においては、噛み合いリレー４の噛み合いコイル５の逆方向の電流供給はもはや行われない。

図４からは、噛み合いピニオンが完全に離脱する前に、電流経路３０．２，３０．２’における主電流が時点ｔ₅において既に遮断されていることが見て取れる。つまりピニオンの衝突が非常に良好に回避され、したがって摩耗が著しく低減される、もしくは完全に排除される。火花はもはや生じない。

これとは異なり図５においては、例えば電子的な制御によって、または上述の従来技術による回路装置の場合と同様に、スイッチリレー７，７’が図４に示した時点よりも遅い時点において遮断される場合が示されている。図４に示されている経過と同様に、時点ｔ₁においては、点火経路において制御リレー３が特性曲線Ｋ₃に応じて遮断される。制御リレー３および噛み合いリレー４の電気機械的な作用に基づき、時点ｔ₃*においては、噛み合いリレー４，４’におけるスタータピニオンの離脱行程と同時に、電流経路５０．７，５０．７’が無電流に切り替えられる。ここでもまた電気機械的な時間的な遅延が生じることに基づき、時点ｔ₄*よりも時間的に前に位置する時点ｔ₅*において、スタータピニオンは離脱される。時点ｔ₄*において電流経路３０．２は無電流になる。この時点は図４による時点よりも後の時点であるので、噛み合いコイル５には短時間逆方向に電流が流れ、その結果、グラフにおいては距離を表す特性曲線Ｋ₄，Ｋ_4’によって示されているように、リングギヤのスタータピニオンの方向における顕著な逆方向移動が行われ、これによって不所望な摩耗が生じる可能性がある。したがって本発明によれば、時点ｔ₄*を別個に調整して、時間的に前の時点にシフトさせることが行われる。これによって、例えば時点ｔ₆*において生じる可能性があるような、顕著なピニオンの衝突が回避される。全ての図面は概略的に示されたものに過ぎず、縮尺通りではない。その他の点においては、殊に、本発明にとって重要なもののみが示されている。

Claims (11)

1. スタータモータ（２）と、該スタータモータ（２）の電流経路（５０．５）を切り替え可能なスイッチリレー（７）と、点火スイッチ（８）によって駆動制御可能な制御リレー（３）と、該制御リレー（３）によって駆動制御可能な噛み合いリレー（４）とを有するスタータ（１）を備えた内燃機関を始動させるための回路装置において、
   前記スイッチリレー（７）は、少なくとも遮断行程において、所定のイベントの発生に依存して駆動制御されることを特徴とする、回路装置。
2. 前記所定のイベントは電気機械的に構成されている回路装置によって規定されている、請求項１記載の回路装置。
3. 前記スイッチリレー（７）は、前記制御リレー（３）によって切り替え可能である、前記噛み合いリレー（４）の電流経路（５０．５）内に配置されている、請求項１または２記載の回路装置。
4. 前記スイッチリレー（７）は２つの制御スイッチを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の回路装置。
5. 前記回路装置は電子的な出力スイッチを備えた電子的な制御部として構成されており、該電子的な制御部によって遮断のための所定のイベントが設定される、請求項１から４までのいずれか１項記載の回路装置。
6. 前記内燃機関を始動させるための複数のスタータ（１，１’）が並列に接続および配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の回路装置。
7. スタータモータ（２）と、制御リレー（３）と、該制御リレー（３）によって駆動制御される噛み合いリレー（４）と、該噛み合いリレー（４）の所定のイベントに依存して駆動制御されるスイッチリレー（７）とを備えたスタータ（１）、有利には並列に接続可能なスタータ（１）、殊に有利には請求項１から６までのいずれか１項記載の回路装置の制御方法において、
   前記スイッチリレー（７）を所定のイベントの発生に依存して駆動制御することを特徴とする、制御方法。
8. 前記スイッチリレー（７）を前記噛み合いリレー（４）と同時に前記制御リレー（３）によって遮断する、請求項７記載の方法。
9. 前記スイッチリレー（７）を時間的に調整して遮断する、および／または、噛み合いリレー（４）の遮断前に所期のように遮断する、請求項８記載の方法。
10. 前記制御リレー（３）および前記噛み合いリレー（４）が閉じられているときにのみ、前記スイッチリレー（７）を接続する、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 複数のスタータ（１，１’）が設けられている場合、全ての噛み合いリレー（４，４’）、殊に全ての制御リレー（３，３’）が閉じられているときにのみ、それぞれのスイッチリレー（７，７’）を接続する、請求項６から１０までのいずれか１項記載の方法。

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