JP2017194327A - エンジン始動装置における模擬負荷試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に模擬負荷を変更可能な機械的構成で実機に近似する試験データが得られる安価なエンジン始動装置における模擬負荷試験装置を提供する。
【解決手段】円柱状の回転軸１２に対して偏心カム１６およびローラ２４を配置する摺動体２２ならびにスプリング２６の機械的構成要素を付加することで、エンジンの負荷となる圧縮抵抗を再現する共に、回転軸１２に摩擦力を付加するブレーキ３０でエンジンの負荷となる摩擦抵抗を再現する。従って、安価かつ簡易に模擬負荷を変更可能な機械的構成で実機に近似する試験データが得られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばスタータモータなどのエンジン始動装置を性能または耐久など試験する模擬負荷試験装置に関する。

特許文献１には、スタータのオーバーランを防止するスタータ保護装置や、エンジンの自動始動装置等に用いて、エンジンの始動状態を確実に検出できるスタータによるエンジン始動状態検出装置を提供するとともに、該装置を用いることにより、簡易な構成でかつ作動の確実なスタータの自動始動装置が開示されている（明細書中「発明が解決しようとする課題」の欄参照）。

即ち、特許文献１は、エンジン始動状態の検出をスタータのモータ部の内部電圧であるモータ端子間電圧と電機子電圧との比較により行う（「第２図」を参照）から、バッテリの容量及び状態とかスタータ以外の電気負荷状態に左右されることなく、安定かつ信頼性の高い検出が可能となる。また、全体構成がスタータと１個の比較器を用いた回路構成によるもので、簡易となってスタータ保護装置とかスタータの自動始動装置に適用するのに最適となる等の優れた諸効果がある（明細書中「発明の効果」の欄参照）。

一方、特許文献２には、実際の燃焼エンジンの代わりに電気負荷機械を備えた試験台でスタータモータを試験できるように、燃焼エンジンの数学モデルを実装したシミュレーションユニットが配備されており（「要約」の欄参照）、試験台はスタータモータと接続された燃焼エンジンをシミュレーションする電気負荷機械と、この電気負荷機械を制御するコントローラとを備えている（「技術分野」の欄参照）内容が開示されている。そして、特許文献２は、シミュレーションユニットが、この数学モデルを用いて、制御の各サンプリング時点で電気負荷機械の動作時に測定された実際値から、コントローラに提供される新しい負荷目標値を計算する。

特開平０３−７０８６８号公報 特表２０１５−５０５０３１号公報

ところで、特許文献１は本発明における耐久などの試験とは異なる試験であるが、特許文献１の試験でも「・・・スタータが作動し、公知のようにスタータのピニオンギヤが進出してエンジンのリングギヤと噛合いエンジンを駆動し、エンジンは着火する・・・」（「第１実施例」の作動説明を参照）ものである。即ち、特許文献１では、いわゆる実車に搭載しているエンジン（以下、単に「実機」とも言う）に対し、エンジン始動状態検出装置を用いて試験している。従って、実機での試験では、該エンジン入手不可の場合やエンジンに関するメンテナンスなどでの煩雑な手間たとえば燃焼時における種々の対策などが必要となる（特許文献２の段落番号「０００２」後段参照）。

そこで、特許文献２では、その「試験台１は、図１に図示されている通り、電気負荷機械３、例えば、永久磁石励起式同期機械」を備え（段落番号「００１１」参照）る構成で対処している。しかし、特許文献２では電気負荷機械３が例えば「永久磁石励起式同期機械」などであり、その同期処理などには所謂サーボモータを使用しなければならず、非常に高価な装置となる。

なお、特許文献２では「燃焼エンジンの数学モデルを実装したシミュレーションユニットにおいて、この数学モデルを用いて、制御の各サンプリング時点で電気負荷機械の動作時に測定された実際値から、コントローラに提供される新しい負荷目標値を計算する（「要約」の欄参照）」など数学的にシミュレートするのみであり、実際の機械による試験データなどとは異なる場合が想定される。

そこで、本発明は、簡易に模擬負荷を変更可能な機械的構成で実機に近似する試験データが得られる安価なエンジン始動装置における模擬負荷試験装置を、提供することを目的とする。

本発明は、エンジン始動装置と接続可能に配置される伝達手段と、この伝達手段の回転軸に配置される偏心手段と、この偏心手段に当接するよう移動可能に配置される回転受け手段と、この回転受け手段を上記偏心手段へ付勢する付勢手段と、上記回転軸に摩擦力を付加する摩擦手段と、上記エンジン始動装置に接続され、その駆動データ（例えば「電圧データ」または「電流データ」など）を検出する検出手段と、を備える。

ここで、エンジン始動装置をスタータモータとする場合、伝達手段はリングギヤとなる。一方、エンジン始動装置が発電機能を備える始動装置（ＩＳＧ）の場合には、伝達手段を回転軸の配置されるプーリ及び上記始動装置のプーリに掛けられるベルトで構成するようにしても良い。そして、回転軸の回転数を計測する場合には、その計測手段（例えば「エンコーダ」など）を計測可能な場所（例えば「軸回り」）に配置する。また、模擬負荷たとえば付勢力や摩擦力は、所望のエンジン特性に対応するよう、付勢手段や摩擦手段の負荷（「荷重」と同義）を変更させる。

本発明は上述した模擬負荷試験装置において、上記回転軸に配置される動力伝達手段と、この動力伝達手段にその動力を断続可能に配置される動力断続手段と、この動力断続手段に連結される駆動手段と、を備えるようにしても良い。また、本発明は上記模擬負荷試験装置において、上記回転軸に対して上記エンジン始動装置がオーバーランする仮想初爆タイミングで上記駆動手段を駆動および所定時間で停止させ且つ上記動力断続手段を断続制御する制御手段と、上記エンジン始動装置の始動から上記仮想初爆タイミングを演算する演算手段と、を備えるようにしても良い。

ここで、仮想初爆タイミングとは、回転軸に対してエンジン始動装置がオーバーランする仮想（「任意」と同義）の初爆タイミングである。また、本発明は上述した各模擬負荷試験装置を、上記エンジン始動装置および上記計測手段からのデータを記憶する記憶手段を設けるようにしても良い。

本発明では、回転軸に対して偏心手段および回転受け手段ならびに付勢手段の機械的構成要素を付加することで、エンジンの負荷となる圧縮抵抗を再現する共に、回転軸に摩擦力を付加する摩擦手段でエンジンの負荷となる摩擦抵抗を再現するので、安価かつ簡易に模擬負荷を変更可能な機械的構成で実機に近似する試験データが得られる。

本実施例における模擬負荷試験装置の概念図である。 図１に示す模擬負荷試験装置における模擬負荷機械の要部平面図である。 図２に示す模擬負荷機械の側面図である。 図３に示す模擬負荷機械の４−４端面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は図２に示す模擬負荷機械における偏心カム回転時の各々模式図である。 図１の制御機器における模擬負荷試験モードのフローチャート図である。 図５に示すルーチンにおけるタイミングチャート図である。 図１の模擬負荷試験装置における負荷構成を概念的に示す概念図である。 図１の模擬負荷試験装置における負荷（ブレーキ及びスプリング）を加えた場合のグラフ図である。 図１の模擬負荷試験装置における負荷（スプリングのみ）を加えた場合のグラフ図である。 図１の模擬負荷試験装置における負荷（ブレーキのみ）を加えた場合のグラフ図である。 図１の模擬負荷試験装置における無負荷のグラフ図である。

以下、本発明を実施するための形態について、具体化した一実施例を説明する。

以下、図１乃至図５に基づいて、本発明の一実施形態であるエンジン始動装置における模擬負荷試験装置について説明する。この模擬負荷試験装置は、図１に示すエンジン始動装置たとえばスタータモータ（以下、単に「スタータＳＭ」ともいう）または発電機能をも備えるインテグレーテット・スタータ・ジェネレーター（以下、単に「ＩＳＧ」ともいう）を試験する装置である。

ここで試験とは、エンジン始動装置の性能および耐久ならびにそれぞれの再始動（「アイドリング・ストップ」と同義）を含む概念である。そして、耐久試験では、スタータＳＭの特性が試験データとして把握し得れば充分であるので、特に本発明の模擬負荷試験装置の適用が好適といえる。

また、エンジン始動装置でエンジンを始動する際にエンジンから得られる負荷（いわゆる回転脈動およびトルク脈動）は、エンジン自体の摩擦抵抗（「シリンダに対するピストンの摩擦」と同義）およびシリンダ内で空気がピストンによって圧縮される際の周期的な圧縮抵抗によるものである。そして、模擬負荷試験装置は、これらの抵抗を各種の機械的要素で置換した装置である。

（模擬負荷試験装置の概略構成）
図１に示すように、模擬負荷試験装置Ｓは、模擬負荷器具１０と、制御機器４０と、クラッチ機器７０とを備える。模擬負荷機器１０は、いわゆる実車に搭載している例えば４気筒のエンジン（以下、単に「実機」とも言う）に近似するよう各種の機械的要素で構成している（具体的には図２乃至図５参照）。制御機器４０は、模擬負荷試験装置Ｓ全体を制御し、例えばスタータＳＭ（または「ＩＳＧ」も含む）及びクラッチ機器７０などと接続している。クラッチ機器７０は、スタータＳＭにおけるオーバーランの回転域（具体的にはスタータＳＭの図１に示すピニオンギヤＰＧが模擬負荷機器１０のリングギヤ１４より退避し得る回転域）になるようする機器である。

（模擬負荷機器１０に関する構成）
図１乃至図３に示すように、模擬負荷機器１０は、円柱状の回転軸１２と、回転軸１２の先端に配置されるリングギヤ１４と、伝達手段であるリングギヤ１４の後段側で同軸上に配置される偏心カム１６と、偏心手段である偏心カム１６の両サイドに配置されるスプリング部２０（図２及び図４参照）と、偏心カム１６の後段側で同軸上に配置されるブレーキ３０とを備える。

そして、上述した摩擦抵抗はブレーキ３０で再現し、上述した圧縮抵抗はスプリング部２０で再現するものである。また、回転軸１２は、実機におけるクランク軸の代用であり、ベース板１１（図３及び図４参照）に配置される一対の軸受１３で軸支されている。

図３に示すリングギヤ１４は、回転軸１２の先端に固定される取付盤１５に対し、図示しないボルトなどの締結手段で取付けられる。一対の偏心カム１６は、図２に示すように、一対の軸受１３間に配置されている。そして、偏心カム１６は、図５に示すように、回転軸１２に対して偏心（オフセット）するよう真円体を配置したり（若しくはカム形状を楕円体などと）する。なお、図２に示すように、偏心カム１６は一対の保持板１８で挟持される状態で回転軸１２に対して位置決めされる。

図４に示すように、偏心カム１６の両側には、スプリング部２０がベース板１１上に配置されている。即ち、スプリング部２０は、ベース板１１上をスライド可能に配置される摺動体２２と、この摺動体２２上に配置されるローラ（「ベアリング」と同義）２４と、摺動体２２にその一端が固定される複数本（例えば１組４本×摺動体４個＝１６本）のスプリング２６と、スプリング２６の他端を固定し且つベース板１１上に位置決めされるバネ受け２８（図３及び図４参照）と、を備える。

ローラ２４と摺動体２２は回転受け手段を構成し、スプリング２６とバネ受け２８は付勢手段を構成する。スプリング２６は、摺動体２２及びバネ受け２８によって支持され、圧縮可能となっている。そして、バネの強さは、再現したい波形（実機のエンジンまたはスタータの大きさなど）で変更する。また、ローラ２４は偏心カム１６のカム形状に沿って回転するので、摺動体２２は偏心カム１６のオフセットＯＳ（図５参照）の範囲に亘ってスライドする。

その際、スプリング２６によって所望の圧縮力（「荷重」と同義）になるよう回転軸１２に加えられる。即ち、スプリング部２０及び偏心カム１６は、シリンダ及びピストンの代用である。そして、本実施形態では、例えばスプリング２６の強度や本数など又は偏心カム１６の外周形状などを変更することで、種々のエンジン特性（たとえば仕様の排気量などを考慮した各種データ）に対応させることができる。

摩擦手段であるブレーキ３０は、図２及び図３に示すように、後段の軸受１３の更に後段に配置されており、摩擦ブレーキ構造となっている。即ち、ブレーキ３０は、回転軸１２に固定されたブレーキ輪３２と、無端状のベルト３４（図３参照）と、このベルト３４が掛装される図示しないブレーキ輪と、を備える。そして、本実施形態のブレーキ３０は、図示しないブレーキ輪の距離などを変更することより、回転軸１３に対する負荷（「荷重」と同義）を変更し種々のエンジン特性（たとえば脈動の強さなど）に対応させることができる。

（模擬負荷試験装置Ｓの制御系に関する構成）
図１に示すように、模擬負荷試験装置Ｓの制御機器４０は、制御手段であるＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）４２と、演算手段である演算部４４と、記憶手段であるメモリ４６と、アナログをデジタルへと変換するＡ／Ｄ４８と、タイマ５０と、バッテリー（充電器を含む）又は商業電源などの電源５２と、を備える。

検出手段である制御機器４０は、スタータＳＭ・模擬負荷機器（「ブレーキ３０」を含む）１０・クラッチ機器７０に接続され、信号またはデータが送受信される。また、ＰＬＣ４２は、模擬負荷試験装置Ｓの全体的な動作を司り、例えば運転信号（「スタータＳＭスイッチ信号」と同義）がＰＬＣ４２へ入力される場合にはその運転信号に基づき試験処理を行う。ＰＬＣ４２には、模擬負荷試験装置Ｓに各種の処理たとえば試験処理を制御するプログラムなどが記録されている。タイマ５０は、例えばクラッチのオン・オフのタイミング（図７参照）などをカウントする。

図１に示すように、模擬負荷機器１０内には、計測手段例えばエンコーダ５４が回転軸１２の周辺に配置されている。このエンコーダ５４は、回転軸１２の回転の有無または回転数を計測する。そして、これらの計測データは、制御機器４０のＡ／Ｄ４８へ出力され、メモリ４６に記憶される。また、制御機器４０には、スタータＳＭの駆動データ例えば電圧値または電流値が、Ａ／Ｄ４８に入力（「検出」と同義）され、メモリ４６に記憶される。

（クラッチ機器７０に関連する構成）
図１に示すように、クラッチ機器７０は、制御機器４０に接続されるインバータＩＮＶと、このインバータＩＮＶに接続される駆動モータＭと、駆動モータＭのモータ軸７２先端に配置されるクラッチ板７４と、このクラッチ板７４に対向し動力断続可能にスライドするクラッチ板７６と、クラッチ板７６の軸７８に配置されるプーリ８０と、このプーリ８０に対向する回転軸１２上に配置されるプーリ８２と、これらのプーリ８０・８２間に掛装される無端状のベルト８４とを備える。なお、インバータＩＮＶ及び駆動モータＭは、駆動手段を構成する。

クラッチ板７４または７６は、制御機器４０からの駆動信号に基づき、スライドし動力が断続するように構成されている。そして、駆動モータＭは、インバータＩＮＶへ制御機器４０からの駆動信号が入力されると、モータ軸７２が回転駆動もしくは低速または高速など回転制御される。一方、クラッチ板７４または７６は、制御機器４０からの駆動信号が入力されると、両者７４・７６ともに重なり軸７８（プーリ８２などをも含む）が回転駆動する。即ち、回転軸１２は、スタータＳＭの図１に示すピニオンギヤＰＧが、リングギヤ１４より退避し得るまで高速回転する。

（本実施形態の作用）
図６に示すフローチャート及び図７に示すタイミングチャートを主に用いて、模擬負荷試験装置Ｓの動作およびＰＬＣ４２の試験処理について説明する。ＰＬＣ４２の試験処理は、運転信号が入力されると、プログラムをロードすることによって実行される。実行される処理ルーチンは図６のフローチャートで表され、これらのプログラムは予めＰＬＣ４２（図１参照）のプログラム領域に記憶されている。

先ず図１に示す制御機器Ｓのスイッチ（図示省略）がオンされると、モータＭが低速回転まで回転駆動する。ここで、予めモータＭを低速回転に維持させているのは、後述するクラッチの切換えを円滑（「迅速」と同義）かつ確実に移行させるためである。そして、スタータＳＭはその電源をオンすると、図７に示すよう信号が立ち上がると共に図１乃至図４の回転軸１２が回転駆動する。即ち、図６に示すステップ１００において、回転軸１２が回転しているか否かを判断する。この回転の有無は、図１に示すエンコーダ５４の信号で判断する。

図７に示すように、スタータＳＭは、所定時間（例えば２．５秒間のカウント値）に亘って回転（「クラッキング」及び「ΔＴ」図７参照）させる。このクラッキング及び仮想初爆タイミング（回転軸に対してスタータＳＭがオーバーランする仮想すなわち任意の初爆タイミング）は、予め設定されており、ＰＬＣ４２またはメモリ４６に記憶されている。

そして、クラッキングの脈動は、図９に示すように、スタータＳＭの電流値または回転軸１２の回転数などの各種データとして表される。このデータは、図１に示す制御機器４０のＡ／Ｄ４８を介してメモリ４６に記憶される。ここで、図９に示すような脈動（スタータＳＭの電流波形）において、図８に示すような基礎部分はブレーキ３０の摩擦力によって再現され、図８に示すような波形部分はスプリング部２０の圧縮力によって再現される。

また、本実施形態における例えば２組８本のスプリング２６では、バネ定数が６５Ｋｇｆ/ｍｍで 初期たわみ３ｍｍとなっており、また初期圧は１９５Ｋｇｆ/ｍｍでストロークが２０ｍｍとなっている。更に、２０ｍｍのストローク時では、最大反力が１４９５Ｋｇｆ/ｍｍである。また、ブレーキ力は、５０Ｎ・ｍ〜７５Ｎ・mなどである。なお、これらの数値は、模擬負荷器具１０を所望のエンジン特性に対応（「変更」と同義）させることにより、大幅に異なる。

スプリング部２０のみの構成でのデータは、図１０に示すように、スタータＳＭの電流波形が微弱となり、実機の脈動データに近似していない（例えば特許文献１の第２図参照など）。また、ブレーキ３０のみの構成でのデータは、図１１に示すように、スタータＳＭの電流波形が微弱となり、スプリング部２０の場合と同様、実機の脈動データに近似してしない。更に、無負荷（スプリング部２０及びブレーキ３０も無い状態）では、図１２に示すように、スタータＳＭの電流波形が微弱すぎるデータとなる。

図６に戻り、ステップ１００が肯定の場合すなわち回転軸１２が回転している場合には、タイマ５０のカウントを開始する。そしてステップ１０２で所定のカウント値（例えば２．５秒間のカウント値）になると、ステップ１０４でモータＭは低速回転から高速回転へと切換ると共にステップ１０６でクラッチをオン即ちモータの動力を伝達させる。なお、ステップ１０２が否定の場合は、所定時間（「カウント値」と同義）が経過するのを待つ。

ＰＬＣ４２は、ステップ１０８において、タイマ５０が所定のカウント値（例えば１.５秒間のカウント値）か否かを判断する。ステップ１０８が否定の場合は、所定時間（「カウント値」と同義）が経過するのを待つ。一方ＰＬＣ４２は、ステップ１１０が肯定の場合モータＭを高速回転から低速回転へと切換える。即ち、モータＭが高速回転している間は、オーバーランの期間である（図７参照）。

その後ステップ１１２において、ＰＬＣ４２はタイマ５０が所定のカウント値（例えば０.５秒間のカウント値）か否かを判断する。ステップ１１２が否定の場合は、所定時間（「カウント値」と同義）が経過するのを待つ。一方ＰＬＣ４２は、ステップ１１２が肯定の場合ステップ１１４でクラッチをオフさせる。そして、モータＭがオフとなってからクラッチがオフとなる間は、減速の期間である（図７参照）。即ち、本実施形態では、これらのクラッキング及びオーバーラン並びに減速の期間を、１サイクルとしている。

ステップ１１４の処理が終了した場合には、本フローチャートの処理は終了する。なお、図７に示すように、実際のモータ軸回転数は略正三角の波形であるが、モータＭのオン・オフの波形とは異なっている。また、図７に示す試験モードは、例えばタイマ５０（図２参照）で所定時間を変更設定すれば、種々のデータを入手できる。即ち、上述したプログラムの処理の流れは一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能である。

また、上述した構成は４気筒に対応させた（１８０度に１回転させる）構成となっているが、例えば３気筒に変更（２７０度に１回圧縮）する場合はリングギヤ１４を別に設けた軸に移しその間をプーリとベルトで伝達させてプーリ比で対応させる。更に、本実施例では、図１の２点鎖線に示すように、始動装置をインテグレーテット・スタータ・ジェネレーターＩＳＧとして、無端状のベルト９４をＩＳＧのプーリ９０と、このプーリ９０に対向する回転軸１２上に配置される伝達手段のプーリ９２とに掛装することにより、模擬負荷試験を行う。

本実施例においては、回転軸１２に対して偏心カム１６およびローラ２４を配置する摺動体２２ならびにスプリング２６の機械的構成要素を付加することで、エンジンの負荷となる圧縮抵抗を再現する共に、回転軸１２に摩擦力を付加するブレーキ３０でエンジンの負荷となる摩擦抵抗を再現する。従って、本実施形態によれば、安価かつ簡易に模擬負荷を変更可能な機械的構成で実機に近似する試験データが得られる。

なお、本実施形態では、ブレーキ機構を上述した摩擦方式の例以外に、パウダー方式などとしても良い。また、本実施形態では、図９に示すようになデータを、メモリ４６に記憶させる例以外に、例えば紙などに記録（「打出し」と同義）させる方式などとしても良い。

１０…模擬負荷機器、１２…回転軸、１４…リングギヤ（伝達手段）、１６…偏心カム（偏心手段）、２０…スプリング部、２２…摺動体（回転受け手段）、２４…ローラ（回転受け手段）、２６…スプリング（付勢手段）、２８…バネ受け（付勢手段）、３０…ブレーキ（摩擦手段）、４０…制御機器（検出手段）、４２…ＰＬＣ（制御手段）、４４…演算部（演算手段）、４６…メモリ（記憶手段）、５０…タイマ、５４…エンコーダ（計測手段）、７０…クラッチ機器（動力断続手段）、９２…プーリ（動力伝達手段）、９４…ベルト（動力伝達手段）、Ｓ…模擬負荷試験装置、Ｍ…モータ（駆動手段）、ＩＳＧ…インバータ（駆動手段）、ＳＭ…スタータ（始動装置）、ＩＳＧ…インテグレーテット・スタータ・ジェネレーター（始動装置）

Claims (3)

1. エンジン始動装置と接続可能に配置される伝達手段と、
   この伝達手段の回転軸に配置される偏心手段と、
   この偏心手段に当接するよう移動可能に配置される回転受け手段と、
   この回転受け手段を上記偏心手段へ付勢する付勢手段と、
   上記回転軸に摩擦力を付加する摩擦手段と、
   上記エンジン始動装置に接続され、その駆動データを検出する検出手段と、
   を備えるエンジン始動装置における模擬負荷試験装置。
2. 請求項１に記載の模擬負荷試験装置において、上記回転軸に配置される動力伝達手段と、この動力伝達手段にその動力を断続可能に配置される動力断続手段と、この動力断続手段に連結される駆動手段と、を備えるエンジン始動装置における模擬負荷試験装置。
3. 請求項２に記載の模擬負荷試験装置において、上記回転軸に対して上記エンジン始動装置がオーバーランする仮想初爆タイミングで上記駆動手段を駆動および所定時間で停止させると共に、上記動力断続手段を断続制御する制御手段と、上記エンジン始動装置の始動から上記仮想初爆タイミングを演算する演算手段と、を備えるエンジン始動装置における模擬負荷試験装置。

Images