JP4161872B2 - 内燃機関始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つ以上の複数の蓄電池を有する内燃機関始動装置に関するものである。

従来、自動車に搭載される内燃機関始動装置は、直巻型直流電動機を用いたものが主流であった（特許文献１参照）。また、界磁が永久磁石により構成した直流電動機を用いたものもあった。
特開２００３−１４８３１５号公報

直巻型直流電動機を用いた場合には、内燃機関の始動に十分な回転エネルギーを生成するために、電動機の巻線インピーダンスを低減する構成としている。しかし、このような巻線インピーダンスが低い電動機により内燃機関を始動する場合には、この電動機により大電流を消費するので、結果として車載の蓄電池が電圧低下し励磁電流が減少することになる。そのため、十分な界磁束を得ることができなくなり、電動機の大型化若しくは蓄電池の大容量化を招来していた。

また、永久磁石により界磁を構成した直流電動機を用いる場合には、永久磁石の飽和磁束密度が低いために十分な界磁束を得るために、電動機が大型化するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、内燃機関始動用電動機が稼働して蓄電池の電圧が低下した場合であっても、内燃機関始動用電動機の大型化を招来することなく十分な界磁束を得ることができる内燃機関始動装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明の内燃機関始動装置は、界磁巻線が巻回された界磁と電機子巻線が巻回された電機子とを備え、内燃機関にトルクを伝達可能な内燃機関始動用電動機と、前記電機子巻線に電機子電流を供給可能に接続された第１蓄電池と、前記界磁巻線に励磁電流を供給可能に接続された第２蓄電池と、前記界磁巻線と前記第２蓄電池との間に直列接続され前記第２蓄電池の電源電圧を昇圧可能な直流電圧変換器を備え、前記第１蓄電池は車両用発電機から充電可能に接続され、さらに、前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器との間に配設され前記内燃機関始動用電動機が稼働していない際に前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器とを接続し、前記内燃機関始動用電動機が稼働している際に前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器とを遮断する蓄電池間スイッチ手段を備えたことを特徴とする（請求項１）。すなわち、第１蓄電池と第２蓄電池とをそれぞれ電機子巻線と界磁巻線とに独立して接続している。つまり、第１蓄電池を電機子電流供給用途とし、第２蓄電池を励磁電流供給用途とする。

内燃機関を始動する際には、内燃機関にトルクを伝達するために内燃機関始動用電動機の電機子巻線にて大きな電機子電流を消費する。このように電機子巻線にて大きな電機子電流を消費することにより、電機子巻線に接続された第１蓄電池の電圧が低下する。しかし、電機子巻線にて大きな電機子電流を消費する場合であっても、第２蓄電池は電圧低下することがない。一方、第２蓄電池は界磁巻線に接続されており、界磁巻線の消費電流は
電機子電流に比べて非常に小さい。従って、第２蓄電池は大きく電圧低下することなく、所定の電圧を常に維持することができる。その結果、内燃機関始動用電動機を大型化することなく、第２蓄電池から界磁巻線に供給される励磁電流により、十分な界磁束を発生させることができる。そして、界磁巻線にて常に十分な界磁束を発生させることができるので、内燃機関始動用電動機により発生させるトルクを従来に比べて大きく維持することが
できる。このように伝達トルクを向上することができるので、内燃機関の始動時間を短縮することができる。また、直流電圧変換器により励磁電圧を徐々に増加させることが可能であるため、内燃機関始動用電動機の回転軸に形成されたピニオンギヤと内燃機関のリングギヤとの噛み合いを滑らかに実施することができる。これにより、内燃機関始動時のギヤ噛み合いによる騒音の低減を図ることができると共に、ギヤの寿命の向上を図ることができる。さらに、内燃機関始動用電動機が稼働していない際に蓄電池間スイッチ手段を閉成することにより、発電機から発電された電力が直流電圧変換器を介して第２蓄電池に充電される。つまり、第１蓄電池の最適電圧と第２蓄電池の最適電圧とが異なる場合においても、それぞれの最適電圧によりそれぞれの蓄電池を充電することができる。すなわち、２つの蓄電池を独立した電圧で最適に充電管理することができる。

従来、内燃機関始動時には蓄電池の電圧が低下することにより、ナビゲーション装置やオーディオ装置等の他の電気装置は正常な動作を保証できないために作動を禁止していた。しかし、本発明の内燃機関始動装置によれば、第２蓄電池から所定電力を供給することができるので、内燃機関始動時であってもナビゲーション装置やオーディオ装置などの電気装置に対して安定した電力供給が可能となる。つまり、内燃機関始動時であっても、他の電気装置の作動を禁止することなく、運転者等の利便性を向上することができる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

本発明の内燃機関始動装置は、前記界磁巻線と前記第２蓄電池との間に直列接続され前記第２蓄電池の電源電圧を昇圧可能な直流電圧変換器を備えている。つまり、比較的電圧降下の小さい第２蓄電池電圧を昇圧することは、電圧降下の大きな第１蓄電池の電圧を昇圧するよりも定量的に容易に制御管理しやすい利点があり、昇圧効果を有効に利用でき、より大きな励磁電流を界磁巻線に供給することができるので、界磁束をさらに向上させることができる。これにより、内燃機関始動用電動機の電機子の小型化を図ることができ、結果として内燃機関始動用電動機の小型化を図ることができる。

また、本発明の内燃機関始動装置は、前記第１蓄電池は車両用発電機から充電可能に接続され、さらに、前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器との間に配設され前記内燃機関始動用電動機が稼働していない際に前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器とを接続し、前記内燃機関始動用電動機が稼働している際に前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器とを遮断する蓄電池間スイッチ手段を備えている。この蓄電池間スイッチ手段を開閉することにより、第１蓄電池と第２蓄電池とを任意に断続することができる。例えば、電機子巻線にて大電流を消費する内燃機関の始動時には、蓄電池間スイッチ手段を開成して、第１蓄電池と第２蓄電池とを遮断することにより、大きな界磁束を得ることができる。また、大電流を消費しない場合などには、蓄電池間スイッチ手段を閉成して、第１蓄電池と第２蓄電池とを接続することにより、一方の蓄電池のみを消費することを防止することができ、結果として両蓄電池の寿命を向上することができる。蓄電池間スイッチ手段を閉成することにより、発電機から発電された電力が直流電圧変換器を介して第２蓄電池に充電される。つまり、第１蓄電池の最適電圧と第２蓄電池の最適電圧とが異なる場合においても、それぞれの最適電圧によりそれぞれの蓄電池を充電することができる。すなわち、２つの蓄電池を独立した電圧で最適に充電管理することができる。

前記内燃機関始動用電動機は、分巻巻線若しくは複巻巻線からなる直流電動機としてもよい（請求項２）。また、前記内燃機関始動用電動機は、インバータを有する同期電動機としてもよい（請求項３）。

また、本発明の内燃機関始動装置は、さらに、前記内燃機関始動用電動機の稼働時間が所定時間に達するまでの間該稼働時間の経過に応じて前記直流電圧変換器により励磁電圧を徐々に増加させるようにしてもよい（請求項４）。これにより、内燃機関始動用電動機が稼働開始直後においては、内燃機関始動用電動機の回転軸に形成されたピニオンギヤと内燃機関のリングギヤとの噛み合いを滑らかに実施することができる。これにより、内燃機関始動時のギヤ噛み合いによる騒音の低減を図ることができると共に、ギヤの寿命の向上を図ることができる。

なお、前記励磁電圧は、前記内燃機関の回転数が所定回転数に達した後に低減するようにしてもよい（請求項５）。これにより、内燃機関始動用電動機による消費電流を低減することができるので、蓄電池を有効に利用することができる。さらに、励磁電圧を低減して励磁電流を低減することにより、内燃機関の回転数を高く維持することができるので、内燃機関の始動時間を短縮することができる。

次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。

（第１実施例）
第１実施例における内燃機関始動装置について図１を参照して説明する。図１に示すように、第１実施例における内燃機関始動装置は、内燃機関始動用電動機１と、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第１イグニッションスイッチリレー４と、第２イグニッションスイッチリレー５とから構成される。

内燃機関始動用電動機１は、分巻直流電動機であって、電機子１１と界磁１２とから構成される。電機子１１は、直流の電機子巻線が巻回されており、両端側が一対のブラシ（図示せず）に接続されている。さらに、電機子１１の出力軸（図示せず）には、内燃機関のリングギヤに螺合するピニオンギヤが形成されており、界磁１２に対して相対回転可能に配設されている。すなわち、電機子１１の出力軸に形成されたピニオンギヤが回転することにより、内燃機関のリングギヤを回転して内燃機関を始動させる。界磁１２は、界磁巻線が巻回されている。この界磁巻線に励磁電流が供給されることにより、界磁１２は界磁束を発生する。なお、電機子１１の電機子巻線と界磁１２の界磁巻線とは、並列に接続されており、一端側は蓄電池に接続され、他端側は車体等にアース接続されている。

第１蓄電池２は、第１イグニッションスイッチリレー４を介して電機子１１の電機子巻線の一端側に接続されている。この第１蓄電池２は、電機子巻線に電機子電流を通電可能に電気的に接続されて設けられている。第１蓄電池２は、界磁１２の界磁巻線には通電することがないように界磁巻線とは電気的に遮断され、接続されていない。第２蓄電池３は、第２イグニッションスイッチリレー５を介して界磁１２の界磁巻線の一端側に接続されている。この第２蓄電池３は、界磁巻線に界磁電流を通電可能に電気的に接続されて設けられている。第２蓄電池３は、電機子１１の電機子巻線には通電することがないように電機子巻線とは電気的に遮断され、接続されていない。すなわち、第１蓄電池２は、界磁１２の界磁巻線とは電気的に遮断されている。また、第２蓄電池３は、電機子１１の電機子巻線とは電気的に遮断されている。つまり、第１蓄電池２は、電機子１１の電機子巻線へ電機子電流のみを供給する。第２蓄電池３は、界磁１２の界磁巻線へ励磁電流のみを供給する。

なお、第１蓄電池２はエンジンルーム内に配設されており、第２蓄電池は車室内又は荷室内に配設されている。第１蓄電池２は大電力が必要な電機子巻線に接続されているので、電圧低下を抑制するために内燃機関始動用電動機１付近に配設する方がよい。一方、第２蓄電池３は大電力を必要としないので、エンジンルームに配設する必要はない。そこで、温度環境がエンジンルームに比べると比較的良好な所に第２蓄電池３を配設することにより、第２蓄電池３の寿命等を向上することができる。また、第１蓄電池２及び第２蓄電池３の電圧は１２Ｖである。

第１イグニッションスイッチリレー４は、電機子１１の電機子巻線と第１蓄電池２との間に直列的に配設されている。そして、第１イグニッションスイッチリレー４は、イグニッションスイッチがＯＮしたときに閉成して、第１蓄電池２と電機子１１の電機子巻線とを電気的に接続する。一方、イグニッションスイッチがＯＦＦしたときには開成して、第１蓄電池２と電機子１１の電機子巻線との接続を遮断する。

第２イグニッションスイッチリレー５は、界磁１２の界磁巻線と第２蓄電池３との間に直列的に配設されている。そして、第２イグニッションスイッチリレー５は、イグニッションスイッチがＯＮしたときに閉成して、第２蓄電池３と界磁１２の界磁巻線とを電気的に接続する。一方、イグニッションスイッチがＯＦＦしたときには開成して、第２蓄電池３と界磁１２の界磁巻線との接続を遮断する。

このように構成される内燃機関始動装置の動作は、次のとおりである。まず、運転者によりイグニッションスイッチがＯＮされると、第１イグニッションスイッチリレー４及び第２イグニッションスイッチリレー５が閉成する。そうすると、第１蓄電池２は、電機子１１の電機子巻線に電機子電流を供給する。一方、第２蓄電池３は、界磁１２の界磁巻線に励磁電流を供給する。そして、界磁１２には界磁束が発生し、電機子１１が所定トルクで回転を開始する。電機子１１が回転することにより、電機子１１の出力軸のピニオンギヤから内燃機関のリングギヤへ回転が伝達される。その結果、内燃機関が始動する。

次に、第１実施例の内燃機関始動装置における第１蓄電池２及び第２蓄電池３の電圧について、従来の内燃機関始動装置における蓄電池の電圧と比較して図２を参照して説明する。ここで、図２（ａ）は、第１実施例の内燃機関始動装置における第１蓄電池２及び第２蓄電池３の電動機稼働時間に対する電圧を示す図である。図２（ｂ）は、従来の内燃機関始動装置における蓄電池の電動機稼働時間に対する電圧を示す図である。なお、従来の内燃機関始動装置としては、１つの蓄電池で直流直巻電動機を内燃機関始動用電動機に用いた装置を例にあげる。

図２（ｂ）に示すように、従来の内燃機関始動装置は、電動機稼働開始直後には、1つの蓄電池の電圧が、急激に低下した後に僅かに昇降を繰り返しながら徐々に上昇している。ここで、最初に大きく電圧降下した時点は、停止している内燃機関を駆動するための大きなトルクを必要とするために、大きな電力を消費することによるものである。その後、第１番目の電圧上昇後の頂点の時点が、内燃機関が最初に上死点位置に達したときである。一度回転を始めた内燃機関を内燃機関始動用電動機により回転するためのトルクは、最初のトルクに比べて非常に小さくてよい。従って、最初に上死点位置に達した後は、大きく電圧降下することなく、僅かな電圧昇降を繰り返している。そして、内燃機関が数回転した後に、第１，第２イグニッションスイッチリレー４，５をＯＦＦさせて内燃機関始動装置は停止する。その後は、蓄電池の電圧は、内燃機関始動用電動機に電力消費されないので、さらに上昇している。

このように、従来の内燃機関始動装置における蓄電池の電圧は、図２（ｂ）のように変化しており、この変化する電圧が内燃機関始動用電動機の電機子巻線及び界磁巻線に印加されていることになる。

一方、本実施例の内燃機関始動装置は、電動機稼働開始直後には、電機子巻線に接続されている第１蓄電池２の電圧が急激に低下している。それに対して、界磁巻線に接続されている第２蓄電池３の電圧は、非常に僅かな電圧しか低下していない。これは、電力消費量が、電機子１１では大きいの対して、界磁１２は非常に小さいからである。従って、電機子巻線に接続されている第１蓄電池２の電圧は、従来の内燃機関始動装置の蓄電池の電圧の変化とほぼ同様の変化となる。しかし、界磁巻線に接続されている第２蓄電池３の電圧は、ほとんど変化しない。

その結果、本実施例の内燃機関始動装置によれば、界磁巻線に常に一定値以上の励磁電流を供給することができるので、電機子１１の出力軸の回転トルクを従来に比べて非常に大きくすることができる。その結果、内燃機関の始動までの時間を短縮することにつながる。また、第２蓄電池３に、例えばナビゲーション装置やオーディオ装置等の他の電気装置に接続することで、内燃機関始動時においてもこれらの他の電気装置を使用することがでる。その結果、運転者等の利便性を向上することができる。

（第２実施例）
第２実施例における内燃機関始動装置について図３を参照して説明する。図３に示すように、第２実施例における内燃機関始動装置は、内燃機関始動用電動機１と、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第１イグニッションスイッチリレー４と、第２イグニッションスイッチリレー５と、さらに蓄電池間スイッチ６と、車両用発電機７とから構成される。ここで、内燃機関始動用電動機１と、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第１イグニッションスイッチリレー４と、第２イグニッションスイッチリレー５とは、上述した第１実施例において説明したものと同様であるので説明を省略する。

蓄電池間スイッチ（蓄電池間スイッチ手段）６は、第１蓄電池２と第２蓄電池３との間に配設されている。そして、蓄電池間スイッチ６を開成することにより、第１蓄電池２と第２蓄電池３とは電気的に遮断される。一方、蓄電池間スイッチ６を閉成することにより、第１蓄電池２と第２蓄電池とは電気的に接続される。なお、蓄電池間スイッチ６が閉成された場合には、第１，第２イグニッションスイッチリレー４，５がＯＮしているかＯＦＦしているかに関わらずに、第１蓄電池２と第２蓄電池３とが接続される。車両用発電機７は、第１蓄電池２に接続されている。

このような構成からなる内燃機関始動装置の動作について説明する。まず、運転者によりイグニッションスイッチがＯＮされると、第１イグニッションスイッチリレー４及び第２イグニッションスイッチリレー５が閉成する。このとき、蓄電池間スイッチ６は開成している。そうすると、第１蓄電池２は、電機子１１の電機子巻線に電機子電流を供給する。一方、第２蓄電池３は、界磁１２の界磁巻線に励磁電流を供給する。そして、界磁１２には界磁束が発生し、電機子１１が所定トルクで回転を開始する。電機子１１が回転することにより、電機子１１の出力軸のピニオンギヤから内燃機関のリングギヤへ回転が伝達される。その結果、内燃機関が始動する。

内燃機関が始動した後には、第１，第２イグニッションスイッチリレー４，５が開成され、同時に蓄電池間スイッチ６が閉成する。そうすると、車両用発電機７と第２蓄電池３とは、蓄電池間スイッチ６を介して接続されることになる。ここで、第１蓄電池２は常に車両用発電機７に接続されている。従って、内燃機関始動用電動機１の稼働を停止した後には、１つの車両用発電機７により第１蓄電池２及び第２蓄電池３を充電される。

（第３実施例）
第３実施例の内燃機関始動装置について図４を参照して説明する。図４に示すように、第３実施例における内燃機関始動装置は、内燃機関始動用電動機８と、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第２イグニッションスイッチリレー５と、蓄電池間スイッチ６と、車両用発電機７とから構成される。ここで、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第２イグニッションスイッチリレー５と、蓄電池間スイッチ６と、車両用発電機７とは、上述した第１実施例及び第２実施例において説明したものと同様であるので説明を省略する。

内燃機関始動用電動機８は、３相同期電動機であって、インバータ８１と電機子８２と界磁８３とから構成される。インバータ８１は、第１蓄電池２に接続されている。このインバータ８１は、第１蓄電池２から供給される直流電流を交流電流に変換し、電機子８２の電機子巻線に接続している。なお、インバータ８１は、第１実施例における第１イグニッションスイッチリレー４の役割をも有している。

電機子８２は、３相巻線が巻回されており、インバータ８１の各相の端子にそれぞれ接続されている。そして、回転子ここでは界磁８３の出力軸（図示せず）には、内燃機関のリングギヤに螺合するピニオンギヤが形成されている。すなわち、回転子８３の出力軸に形成されたピニオンギヤが回転することにより、内燃機関のリングギヤを回転して内燃機関を始動させる。界磁８３は、界磁巻線が巻回されている。この界磁巻線に励磁電流が供給されることにより、界磁８３は界磁束を発生する。

このような構成からなる内燃機関始動装置の動作について説明する。まず、運転者によりイグニッションスイッチがＯＮされると、第２イグニッションスイッチリレー５が閉成する。さらに、インバータ８１の各相のスイッチング素子が所定のデューティーによりＯＮ・ＯＦＦ駆動する。このとき、蓄電池間スイッチ６は開成している。そうすると、第１蓄電池２は、インバータ８１の駆動により電機子８２の電機子巻線に交流からなる電機子電流を供給する。一方、第２蓄電池３は、界磁８３の界磁巻線に励磁電流を供給する。そして、界磁８３には界磁束が発生し、回転子８３が所定トルクで回転を開始する。回転子８３が回転することにより、回転子８３の出力軸のピニオンギヤから内燃機関のリングギヤへ回転が伝達される。その結果、内燃機関が始動する。

内燃機関が始動した後には、第２イグニッションスイッチリレー５及びインバータ８１の全てのスイッチング素子が開成され、同時に蓄電池間スイッチ６が閉成する。そうすると、車両用発電機７と第２蓄電池３とは、蓄電池間スイッチ６を介して接続されることになる。ここで、第１蓄電池２は常に車両用発電機７に接続されている。従って、内燃機関始動用電動機１の稼働を停止した後には、１つの車両用発電機７により第１蓄電池２及び第２蓄電池３を充電される。

なお、前記インバータ８１の導通モードを発電モードで通電し、第２イグニッションスイッチリレー５を閉成すれば、内燃機関始動用電動機８は発電機として作動し内燃機関の軸出力を電気エネルギーに変換しインバータ８１を介して第１蓄電池２に蓄積することも可能である。この場合、内燃機関始動用電動機８はいわゆる発電電動機であり、すなわち内燃機関始動用電動機８は発電電動機により構成することも可能である。

（第４実施例）
第４実施例の内燃機関始動装置について図５を参照して説明する。図５に示すように、第４実施例における内燃機関始動装置は、内燃機関始動用電動機９と、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第１イグニッションスイッチリレー４と、第２イグニッションスイッチリレー５と、励磁電流制御装置１０とから構成される。ここで、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第１イグニッションスイッチリレー４と、第２イグニッションスイッチリレー５とは、上述した第１実施例において説明したものと同様であるので説明を省略する。

内燃機関始動用電動機９は、分巻直流電動機であって、電機子９１と界磁９２と励磁電流供給スイッチ９３とから構成される。電機子９１は、直流の電機子巻線が巻回されており、両端側が一対のブラシ（図示せず）に接続されている。さらに、電機子９１の出力軸（図示せず）には、内燃機関のリングギヤに螺合するピニオンギヤが形成されている。すなわち、電機子９１の出力軸に形成されたピニオンギヤが回転することにより、内燃機関のリングギヤを回転して内燃機関を始動させる。界磁９２は、界磁巻線が巻回されている。この界磁巻線に励磁電流が供給されることにより、界磁９２は界磁束を発生する。励磁電流供給スイッチ９３は、界磁９２の界磁巻線とアースとの間に直列的に接続されている。この励磁電流供給スイッチ９３は、高速制御可能で消費電力の小さいパワートランジスタであるＭＯＳＦＥＴ等からなる。そして、励磁電流供給スイッチ９３は、励磁電流制御装置１０から出力されるＰＷＭ信号に基づき、ＯＮ・ＯＦＦ駆動する。つまり、励磁電流制御装置１０から出力されるＰＷＭ信号のデューティーに応じた励磁電流が第２蓄電池３から界磁巻線に供給される。

励磁電流制御装置（ＰＷＭ制御手段）１０は、所定のデューティーからなるＰＷＭ信号を出力する。この励磁電流制御装置１０が出力するＰＷＭ信号のデューティーについて図６を参照して説明する。なお、図６（ａ）は、第１蓄電池２の電圧を示す図である。これは、上述した第１実施例にて説明した図２（ａ）の第１蓄電池２の電圧と同様である。図６（ｂ）は、励磁電流制御装置１０が励磁電流スイッチ９３に出力するＰＷＭ信号のデューティーを示す図である。

図６（ａ）（ｂ）に示すように、内燃機関始動用電動機９が稼働開始した直後（ｔ１）には、第１蓄電池２の電圧が急激に低下する。そして、第１番目の電圧上昇の頂点の時点（ｔ２）には、内燃機関が最初の上死点位置に達する。この間、つまり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、デューティーは徐々に増加させ、時刻ｔ２のときにデューティー１００％となるようにしている。このように徐々にデューティーを増加することにより、電機子９１の出力軸のピニオンギヤと内燃機関のリングギヤとが滑らかに螺合して、騒音の抑制及びギヤ寿命の向上を図ることができる。

続いて、内燃機関が第１番目の上死点位置から第２番目の上死点位置までは、大きなトルクを必要とするので、第１番目の上死点位置に相当する時刻（ｔ２）から第２番目の上死点位置に相当する時刻（ｔ３）までは、デューティーを１００％で維持する。

続いて、内燃機関が第２番目の上死点位置を超える（時刻ｔ３→ｔ４）、デューティーを低減させて内燃機関が高速回転可能な状態にする。そして、内燃機関が始動したとき（ｔ４）にデューティーを０％として励磁電流の供給を停止する。すなわち、内燃機関始動用電動機９の動作を停止する。

このように、第２番目の上死点を超えたときにデューティーを低減させることにより、消費電力を低減することができると共に、内燃機関の回転数を高く維持することができるので内燃機関の始動時間を短縮することができる。なお、上記実施例においては、内燃機関が第１番目の上死点位置及び第２番目の上死点位置にてデューティーの切替を行っているが、これに限られるものではない。例えば、内燃機関が所定回転数に達したときにデューティーを切り替えるようにしてもよい。

（第５実施例）
第５実施例の内燃機関始動装置について図７を参照して説明する。図７に示すように、第５実施例における内燃機関始動装置は、内燃機関始動用電動機１と、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第１イグニッションスイッチリレー４と、車両用発電機７と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、蓄電池間スイッチ１４とから構成される。ここで、内燃機関始動用電動機１と、第１蓄電池２と、第２蓄電池３と、第１イグニッションスイッチリレー４と、車両用発電機７とは、上述した第１実施例又は第２実施例において説明したものと同様であるので説明を省略する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）１３は、第２蓄電池３と界磁１２の界磁巻線との間に直列的に接続されている。そして、このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、一方側の電圧を昇圧又は降圧した電圧を他方側へ印加することができる。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の詳細な構成については公知であるので説明を省略する。

蓄電池間スイッチ（蓄電池間スイッチ手段）１４は、第１蓄電池２とＤＣ−ＤＣコンバータ１３の界磁１２側との間に配設されている。そして、蓄電池間スイッチ１４を開成することにより、第１蓄電池２と第２蓄電池３とは電気的に遮断される。一方、蓄電池間スイッチ１４を閉成することにより、第１蓄電池２と第２蓄電池とはＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続される。

このような構成からなる内燃機関始動装置の動作について説明する。まず、運転者によりイグニッションスイッチがＯＮされると、第１イグニッションスイッチリレー４が閉成する。このとき、蓄電池間スイッチ１４は開成している。そうすると、第１蓄電池２は、電機子１１の電機子巻線に電機子電流を供給する。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の駆動により第２蓄電池３の電圧を昇圧又は降圧した励磁電圧が、界磁１２の界磁巻線に印加されて励磁電流が供給される。

ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の駆動によりＤＣ−ＤＣコンバータ１３から界磁巻線に印加される励磁電圧について図８を参照して詳述する。図８（ａ）は、第１蓄電池２の電圧を示す図である。図８（ｂ）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３から界磁巻線に印加される励磁電圧を示す図である。

図８（ａ）（ｂ）に示すように、内燃機関始動用電動機１が稼働開始した直後（ｔ１）には、第１蓄電池２の電圧が急激に低下する。そして、第１番目の電圧上昇の頂点の時点（ｔ２）には、内燃機関が最初の上死点位置に達する。この間、つまり、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間、励磁電圧が徐々に増加するようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３が駆動する。すなわち、第２蓄電池３の電圧は１２Ｖであるので、内燃機関始動用電動機１が稼働開始した直後ｔ１付近では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は第２蓄電池３の電圧を降圧した励磁電圧を界磁巻線に印加している。その後、励磁電圧が１２Ｖを超えたときには、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は第２蓄電池３の電圧を昇圧した励磁電圧を界磁巻線に印加している。ここでは、内燃機関が最初の上死点位置に達するときに励磁電圧が３０Ｖとなるように、励磁電圧を比例的に増加させている。このように、徐々に励磁電圧を増加することにより、電機子１１の出力軸のピニオンギヤと内燃機関のリングギヤとが滑らかに螺合して、騒音の抑制及びギヤ寿命の向上を図ることができる。

続いて、内燃機関が第１番目の上死点位置から第２番目の上死点位置までは、大きなトルクを必要とするので、第１番目の上死点位置に相当する時刻（ｔ２）から第２番目の上死点位置に相当する時刻（ｔ３）までは、励磁電圧を３０Ｖの高電圧を維持しておく。

続いて、内燃機関が第２番目の上死点位置を超えると（時刻ｔ３→ｔ４）、励磁電圧が６ＶとなるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３が駆動する。すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、第２蓄電池３の１２Ｖの電圧を降圧させて界磁巻線に励磁電圧を印加している。そして、内燃機関が始動したとき（ｔ４）には、励磁電圧が０ＶとなるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３が駆動する。

そして、内燃機関が始動した後には、第１イグニッションスイッチリレー４が開成され、同時に蓄電池間スイッチ１４が閉成する。そうすると、車両用発電機７とＤＣ−ＤＣコンバータ１３とが接続されることになる。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、車両用発電機７により発生した電力を第２蓄電器３に充電するように駆動する。第２蓄電池３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して充電することができるので、第２蓄電池３の最適電圧により充電することができる。

なお、上記実施例においては、内燃機関が第１番目の上死点位置及び第２番目の上死点位置にて印加する励磁電圧を変更しているが、これに限られるものではない。例えば、内燃機関が所定回転数に応じて印加する励磁電圧を変更してもよい。

第１実施例における内燃機関始動装置を示す図である。 第１実施例の第１蓄電池と第２蓄電池の電圧と従来の蓄電池の電圧とを説明する図である。 第２実施例における内燃機関始動装置を示す図である。 第３実施例における内燃機関始動装置を示す図である。 第４実施例における内燃機関始動装置を示す図である。 励磁電流制御装置が出力するデューティーを説明する図である。 第５実施例における内燃機関始動装置を示す図である。 励磁電圧を説明する図である。

符号の説明

１，８，９・・・内燃機関始動用電動機、
２・・・第１蓄電池、
３・・・第２蓄電池、
４・・・第１イグニッションスイッチリレー、
５・・・第２イグニッションスイッチリレー、
６，１４・・・蓄電池間スイッチ（蓄電池間スイッチ手段）、
７・・・車両用発電機、
１０・・・励磁電流制御装置（ＰＷＭ制御手段）、
１１・・・電機子、
１２・・・界磁、
１３・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）、

Claims (5)

1. 界磁巻線が巻回された界磁と電機子巻線が巻回された電機子とを備え内燃機関にトルクを伝達可能な内燃機関始動用電動機と、
   前記電機子巻線に電機子電流を供給可能に接続された第１蓄電池と、
   前記界磁巻線に励磁電流を供給可能に接続された第２蓄電池と、
   記界磁巻線と前記第２蓄電池との間に直列接続され前記第２蓄電池の電源電圧を昇圧可能な直流電圧変換器を備え、
   前記第１蓄電池は車両用発電機から充電可能に接続され、
   さらに、前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器との間に配設され前記内燃機関始動用電動機が稼働していない際に前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器とを接続し、前記内燃機関始動用電動機が稼働している際に前記第１蓄電池と前記直流電圧変換器とを遮断する蓄電池間スイッチ手段を備えたことを特徴とする内燃機関始動装置。
2. 前記内燃機関始動用電動機は、分巻巻線若しくは複巻巻線からなる直流電動機であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関始動装置。
3. 前記内燃機関始動用電動機は、インバータを有する同期電動機であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関始動装置。
4. さらに、前記内燃機関始動用電動機の稼働時間が所定時間に達するまでの間該稼働時間の経過に応じて前記直流電圧変換器により励磁電圧を徐々に増加させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関始動装置。
5. 前記励磁電圧は、前記内燃機関の回転数が所定回転数に達した後に低減することを特徴とする請求項４記載の内燃機関始動装置。

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