JP3945253B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシ式の直流電動機を採用したエンジン始動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンを始動させるエンジン始動装置では、大きなトルクが必要であるので、通常、ブラシ式の直流電動機を採用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
直流電動機を採用したエンジン始動装置では、通電開始時の突入電流、およびエンジンクランキング時のクランキング電流によりブラシが摩耗する。
特に、突入電流は短時間であるが、クランキング電流の数倍の大きさであるので、ブラシの摩耗が大きく、整流子片の荒損を招く。
【０００４】
クランキング中においては、圧縮工程でエンジン始動装置がエンジンを駆動し、排気工程でエンジンが自走してエンジン始動装置を駆動する様に作動する。このため、通常のエンジン始動装置では、クラッチで空転させて、排気工程におけるエネルギーを捨てていた。
【０００５】
燃焼により生じるＣＯ₂ の排出量を減らすため、車両停車時にエンジンを一時停止させ、車両発進時にエンジンを再始動させる方式のエンジン始動装置では、エンジン始動回数が多くなるので、ブラシ寿命の延長と電気エネルギーを有効利用することが重要である。
【０００６】
本発明の目的は、通電開始時の突入電流によるブラシの摩耗を抑制でき、且つクランキング中の排気工程時におけるエネルギーの有効利用を図ったエンジン始動装置の提供にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
（請求項１について）
エンジン始動装置に用いる直流電動機は、回転軸の外周に絶縁配置される複数の整流子片に電機子巻線を電気接続した電機子と、対向位置から各整流子片に摺接して電機子巻線と電気接続を図る正極・負極ブラシと、永久磁石か、何れかのブラシに一端を接続して電機子と直列に電気接続される界磁巻線の何方かによる界磁磁束発生手段とを具備する。そして、正極ブラシおよび負極ブラシにキャパシタを並列接続している。
【０００８】
エンジン始動時に電磁スイッチを介して直流電動機に通電が成されると、直流電動機の回転軸が回転してエンジンを駆動する。
【０００９】
通電開始時の突入電流は、電機子巻線の電気抵抗およびキャパシタ（放電時）の内部抵抗の大きさに応じて分流して流れる。
このため、ブラシを介して電機子巻線へ流れる分流突入電流は、キャパシタを接続しない場合に比べて少なくなるので、この通電開始時におけるブラシ摩耗が抑制（ブラシ火花が少なくなるため）される。
【００１０】
直流電動機がエンジンにより駆動されて回転し始めると、キャパシタに充電された電気エネルギーとバッテリからの電気エネルギーとにより、ブラシを介して電機子巻線に適正な電流を流すことができ、圧縮工程で大きなクランキングトルクが得られる。
排気工程では、圧縮工程で得られた回転力により慣性で自走し、直流電動機がエンジンにより駆動される状態になり、キャパシタが再度、充電される。
【００１１】
（請求項２について）
エンジン始動装置は、回転軸の外周に絶縁配置される複数の整流子片に電機子巻線を電気接続した電機子と、対向位置から各整流子片に摺接して電機子巻線と電気接続を図る正極・負極ブラシと、永久磁石か、何れかのブラシに一端を接続して電機子と直列に電気接続される界磁巻線の何方かによる界磁磁束発生手段と、充放電回路とを備える。
【００１２】
エンジン始動時には、正極ブラシおよび負極ブラシにキャパシタが並列接続される状態に充放電回路を切り替える。そして、電磁スイッチを介して直流電動機に通電が成されると、回転軸が回転してエンジンを駆動する。
【００１３】
通電開始時における突入電流は、電機子巻線およびキャパシタ（放電時）の内部抵抗の大きさに応じて分流して流れる。
このため、ブラシを介して電機子巻線へ流れる分流突入電流は、キャパシタを接続しない場合に比べて少なくなるので、この通電開始時におけるブラシ摩耗が抑制（ブラシ火花が少なくなるため）される。
【００１４】
直流電動機がエンジンにより駆動されて回転し始める時点では、キャパシタに充電された電気エネルギーとバッテリからの電気エネルギーとにより、ブラシを介して電機子巻線に適正な電流を流すことができ、圧縮工程で大きなクランキングトルクが得られる。
排気工程では、圧縮工程で得られた回転力により慣性で自走し、直流電動機がエンジンにより駆動される状態になり、キャパシタが再度、充電される。
【００１５】
エンジン始動が完了してオーバーラン状態になると、直流電動機の慣性回転を抑える必要があるので、正極ブラシおよび負極ブラシとキャパシタとの接続を断つとともに、放電用抵抗にキャパシタが並列接続される状態に充放電回路を切り替えて、速やかにキャパシタの電気エネルギーを放電させる。
【００１６】
（請求項３について）
通電開始時において、ブラシを介して電機子巻線へ流れる分流突入電流の大きさを充分小さくするには、キャパシタの内部抵抗（放電時）が電機子巻線の電気抵抗と同等以下のものを使用する必要がある。
これに加え、キャパシタ容量を、エンジン始動時において、排気工程でエンジン側から駆動される時にキャパシタが充電され、圧縮工程でエンジンを駆動する時に放電する値に設定する必要がある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施例に係るエンジン始動装置Ａ（請求項２、３に対応）を、図１および図２に基づいて説明する。
エンジン始動装置Ａは、図１に示す如く、機体内に直流電動機１とマグネットスイッチ２とリレー回路３とを組み付けたスタータ２０と、リレー制御器４とにより構成される。
【００１８】
直流電動機１はブラシを有する直巻式であり、回転軸の外周に互いに絶縁して配置される複数の整流子片に電機子巻線（何れも図示せず）を電気接続した電機子１１と、対向位置から各整流子片に摺接して電機子巻線と電気接続を図る正極ブラシ１２および負極ブラシ１３と、正極ブラシ１２のピグテールに一端を接続して電機子１１と直列に電気接続される界磁巻線１４とを備える。
【００１９】
マグネットスイッチ２（電磁スイッチ）は、エンジン始動信号１０が加わると、接点２１が閉成する。これにより、給電線２２にバッテリ電圧が印加され、直流電動機１に通電が成される。
また、エンジン始動信号１０が加わらなくなると接点２１が開成する。これにより、給電線２２にバッテリ電圧がかからなくなり、直流電動機１への通電が停止される。
【００２０】
リレー回路３は、キャパシタ３１、放電用抵抗３２、およびリレー５により構成される。
キャパシタ３１は、放電時の内部抵抗が電機子巻線の電気抵抗と同等以下である数ｍΩであり、プラス側端子３３がリレー５の共通接点５１に接続され、マイナス側端子３４が接地されている。
またキャパシタ３１の容量は、スタータ２０がエンジン側から駆動される時に効率良く充電され、エンジンを駆動する時に効率良く放電する値に設定（数百Ｆ）されている。
【００２１】
リレー５は、電磁コイル５０と、共通接点５１、常閉接点５２、および常開接点５３を有するリレー接点とを備える。常開接点５３は、界磁巻線１４と正極ブラシ１２との接続点に結線されている。
電磁コイル５０は、一端５４が給電線２２に接続され、他端５５がリレー制御器４に接続されている。
なお、リレー回路３とリレー制御器４とにより、充放電回路が構成される。
【００２２】
放電用抵抗３２は、エンジン始動完了時にキャパシタ３１の充電電荷を早期（数十秒間）に放電させるためのものであり、数Ωの電気抵抗を有する。
この放電用抵抗３２は、一端３５が常閉接点５２に接続され、他端３６が接地されている。
【００２３】
リレー制御器４は、エンジン始動信号１０が加わると電磁コイル５０の他端５５を接地（ステップｓ１、２；リレー５がオン）し、エンジン回転数等によりエンジンが始動したことが検知される（ステップｓ４でＹＥＳ）と他端５５の接地を解除（ステップｓ５；リレー５がオフ）する。
【００２４】
これにより、エンジンを始動させる際に、キャパシタ３１が各ピグテールを介して、正極ブラシ１２および負極ブラシ１３に並列接続される。
また、エンジン始動が完了すると、キャパシタ３１が、正極ブラシ１２および負極ブラシ１３との接続を断って放電用抵抗３２に並列接続される。
【００２５】
つぎに、エンジン始動装置Ａの作動を、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
リレー制御器４は、ステップｓ１でエンジン始動信号１０が送出されているか否かを判別し、エンジン始動信号１０が送出されている場合（ＹＥＳ）にはステップｓ２に進む。
なお、エンジン始動信号１０は、エンジンキーによる始動操作を行った場合や、エンジン一時停止中に運転者がブレーキペダルから足を離した場合に送出される。
【００２６】
ステップｓ２において、エンジン始動信号１０の入力により、リレー制御器４が電磁コイル５０の他端５５を接地してリレー５をオン状態（共通接点５１- 常開接点５３間が導通）にする。
リレー５がオン状態になると、共通接点５１- 常開接点５３間が導通し、正極ブラシ１２および負極ブラシ１３に、各ピグテールを介してキャパシタ３１が並列接続される。
【００２７】
また、エンジン始動信号１０の入力により、マグネットスイッチ２がオンになり、給電線２２にバッテリ電圧が印加され、直流電動機１に通電が成される（ステップｓ３）。
【００２８】
この時、正極ブラシ１２および負極ブラシ１３に、各ピグテールを介してキャパシタ３１が並列接続されているので、突入電流は、電機子巻線の電気抵抗およびキャパシタ３１（放電時）の内部抵抗の大きさに応じて分流して流れる。
【００２９】
スタータ２０の直流電動機１の回転軸がエンジンにより駆動されて回転し始めると、キャパシタ３１に充電された電気エネルギーとバッテリからの電気エネルギーとにより、正極ブラシ１２、負極ブラシ１３を介して電機子巻線に適正な電流が流れ、圧縮工程において、大きなトルクでクランキングが行われる。
排気工程では、圧縮工程で得られた回転力によりスタータ２０が慣性で自走し、スタータ２０がエンジンにより駆動される状態になり、キャパシタ３１が再度、充電される。
【００３０】
ステップｓ４で、エンジン始動の完了をＥＣＵ等の情報から判別し、エンジン始動が完了している場合（ＹＥＳ）にはステップｓ５に進み、完了していない場合（ＮＯ）には待機する。なお、エンジン始動が完了したか否かは、エンジン回転数等に基づいて成される。
【００３１】
ステップｓ５において、リレー制御器４が電磁コイル５０の他端５５を開放してリレー５をオフ状態（共通接点５１- 常開接点５３間が開成、共通接点５１- 常閉接点５２間が閉成）にする。
エンジン始動が完了した場合（オーバーラン状態）には、正極ブラシ１２および負極ブラシ１３とキャパシタ３１との接続が断たれるので、直流電動機１の慣性回転を抑えることができる。そして、キャパシタ３１と放電用抵抗３２とが並列接続状態になるので、キャパシタ３１の電気エネルギーが数秒間で放電する。マグネットスイッチ２がオフになり、給電線２２にバッテリ電圧がかからなくなるので、スタータ２０の直流電動機１への通電が停止する（ステップｓ６）。
【００３２】
本実施例のエンジン始動装置Ａは、以下の利点を有する。
［ア］エンジン始動装置Ａは、エンジン始動信号１０が加わると、リレー制御器４がリレー５をオン状態にして、正極ブラシ１２および負極ブラシ１３に、各ピグテールを介してキャパシタ３１を並列接続する構成である。
【００３３】
これにより、通電開始時における突入電流を、電機子巻線の電気抵抗およびキャパシタ３１の内部抵抗の大きさに応じて分流することができる。
このため、電機子巻線へ流れる分流突入電流を、キャパシタ３１を接続しない場合に比べて少なくすることができるので、通電開始時におけるブラシ摩耗を抑制（ブラシ火花が少なくなるため）することができる。
【００３４】
また、直流電動機１がエンジンにより駆動されて回転し始める時点では、キャパシタ３１に充電された電気エネルギーとバッテリからの電気エネルギーとにより、電機子巻線に適正な電流を流すことができ、圧縮工程で大きなクランキングトルクが得られる。なお、排気工程では、圧縮工程で得られた回転力によりスタータ２０が慣性で自走するので、スタータ２０がエンジンにより駆動される状態になり、圧縮工程に備えてキャパシタ３１を充電する。
【００３５】
［イ］エンジン始動が完了してオーバーラン状態になった場合には、電機子巻線とキャパシタ３１との接続を断つので、直流電動機１の慣性回転を抑えることができる。
なお、キャパシタ３１と放電用抵抗３２とを並列接続状態にして速やかに電気エネルギーを放電するので、次回のエンジン始動に対応することができる。
【００３６】
［ウ］キャパシタ３１の内部抵抗が数ｍΩ以下であるので、通電開始時において、電機子巻線へ流れる分流突入電流の大きさを充分に小さくすることができる。また、キャパシタ３１の容量を数百Ｆに設定しているので、エンジン始動時において、排気工程でエンジン側から駆動される時にキャパシタ３１が充電され、圧縮工程でエンジンを駆動する時に放電する値にすることができる。
【００３７】
つぎに、本発明の第２実施例に係るエンジン始動システムＢ（請求項１、３に対応）を、図３に基づいて説明する。
エンジン始動システムＢは、以下の点がエンジン始動システムＡと異なる。
【００３８】
本実施例では、正極ブラシ１２および負極ブラシ１３の各ピグテールに、数十Ｆのキャパシタ３１を常時、並列接続している。
【００３９】
本実施例のエンジン始動装置Ｂは、以下の利点を有する。
［エ］エンジン始動時における突入電流を、電機子巻線の電気抵抗およびキャパシタ３１の内部抵抗の大きさに応じて分流して流すことができる。
このため、簡単な回路構成で、電機子巻線へ流れる分流突入電流を、キャパシタ３１を接続しない場合に比べて少なくすることができるので、通電開始時におけるブラシ摩耗を抑制（ブラシ火花が少なくなるため）することができる。
【００４０】
また、直流電動機１がエンジンにより駆動されて回転し始める時点では、キャパシタ３１に充電された電気エネルギーとバッテリからの電気エネルギーとにより、電機子巻線に適正な電流を流すことができ、圧縮工程で大きなクランキングトルクが得られる。なお、排気工程では、圧縮工程で得られた回転力によりスタータ２０が慣性で自走するので、スタータ２０がエンジンにより駆動される状態になり、圧縮工程に備えてキャパシタ３１を充電する。
【００４１】
［オ］キャパシタ３１の内部抵抗が数ｍΩ以下であるので、通電開始時において、電機子巻線へ流れる分流突入電流の大きさを充分に小さくすることができる。
また、キャパシタ３１の容量を、数十Ｆに設定しているので、エンジン始動時において、排気工程でエンジン側から駆動される時にキャパシタ３１が充電され、圧縮工程でエンジンを駆動する時に放電する値にすることができる。
なお、キャパシタ３１の容量を数十Ｆと、若干、少なくしているので放電させる必要がなく、リレー回路３を省くことができる。
【００４２】
本発明は、上記実施例以外に、つぎの実施態様を含む。
ａ．上記第１、第２実施例において、界磁磁束発生手段を界磁巻線でなく、永久磁石で構成しても良い（請求項１、２、３に対応）。
この場合には、正極ブラシ１２を給電線２２に直結する。
【００４３】
ｂ．正極・負極ブラシが二組の場合には、図４の端子位置にキャパシタ３１か、リレー５の常開接点５３を接続する（請求項１、２、３に対応）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係るエンジン始動システムの電気回路図である。
【図２】そのエンジン始動システムの作動を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施例に係るエンジン始動システムの電気回路図である。
【図４】他の実施例に係るエンジン始動システムの電気回路図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ エンジン始動装置
１ 直流電動機
２ マグネットスイッチ（電磁スイッチ）
３ リレー回路（充放電回路）
４ リレー制御器（充放電回路）
１１ 電機子
１２ 正極ブラシ
１３ 負極ブラシ
１４ 界磁巻線（界磁磁束発生手段）
３１ キャパシタ

Claims (3)

1. 回転軸の外周に絶縁配置される複数の整流子片に電機子巻線を電気接続した電機子と、
   対向位置から各整流子片に摺接して前記電機子巻線と電気接続を図る正極・負極ブラシと、
   永久磁石か、何れかのブラシに一端を接続して前記電機子と直列に電気接続される界磁巻線の何方かによる界磁磁束発生手段とを具備する直流電動機を用い、エンジン始動時に電磁スイッチを介して前記直流電動機に通電が成されると前記回転軸が回転してエンジンを駆動するエンジン始動装置において、
   前記正極ブラシおよび前記負極ブラシにキャパシタを並列接続したことを特徴とするエンジン始動装置。
2. 回転軸の外周に絶縁配置される複数の整流子片に電機子巻線を電気接続した電機子と、
   対向位置から各整流子片に摺接して前記電機子巻線と電気接続を図る正極・負極ブラシと、
   永久磁石か、何れかのブラシに一端を接続して前記電機子と直列に電気接続される界磁巻線の何方かによる界磁磁束発生手段とを具備する直流電動機を用い、エンジン始動時に電磁スイッチを介して前記直流電動機に通電が成されると前記回転軸が回転してエンジンを駆動するエンジン始動装置において、
   エンジン始動時には、前記正極ブラシおよび前記負極ブラシにキャパシタを並列接続し、エンジン始動が完了すると、ブラシとの接続を断って放電用抵抗に前記キャパシタを並列接続する充放電回路を設けたことを特徴とするエンジン始動装置。
3. 前記キャパシタは、放電時の内部抵抗が前記電機子巻線の電気抵抗と同等以下のものを使用し、
   エンジン始動時において、前記直流電動機がエンジン側から駆動される時に前記キャパシタが充電され、前記直流電動機がエンジンを駆動する時に前記キャパシタが放電する値に前記キャパシタの容量を設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジン始動装置。

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