JP4633138B2 - エンジン始動システム - Google Patents

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Description

本発明は、スタータ兼用オルタネータを用いてエンジン始動を行うエンジン始動システムに関するものである。
特許文献１に示されるように、この種のエンジン始動システムとして、インバータでスタータ兼用オルタネータを始動する際に、電流制御の方法としてＰＷＭ制御ではなく、簡易な１２０度もしくは１８０度の矩形波通電方式が考えられている。
特開平２００５−１２７１９９号公報
しかし、スタータ兼用オルタネータを利用してエンジン始動を行う場合に、エンジン容量が増大すると、より高始動トルクを得るためにはオルタネータサイズを大型化したり、電源電圧を昇圧するなどして入力パワーを増やす必要がある。
しかし回転機設計においては回転機サイズに反比例してコイルインピーダンスが低下するために、エンジン始動時において矩形波通電を行うと、インバータ許容量を越える大電流がインバータに流れてしまう。また、電源電圧を昇圧した場合でも同様であるためこれを抑制する必要がある。
良く知られる電流抑制の方法としては、電圧をパルス列で区切ったＰＷＭ制御が考えられるが、ＰＷＭ制御を行うとインバータを構成するスイッチング素子のスイッチング損失が増加するほか、ＰＷＭ制御のための演算装置が必要となり、結局スイッチング素子サイズの大型化や、複雑な制御装置を追加する必要が生じ、システム全体のコストが高くなるという問題がある。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、オルタネータ用インバータを、簡素な矩形波通電のまま許容電流値内で動作させ、複雑な制御装置を追加する必要がなく、システムコストを低減できる車載用エンジン始動システムを提供することを目的とする。
本発明は、スタータ兼用オルタネータと電動ターボとを有し、エンジン始動時に上記スタータ兼用オルタネータ及び電動ターボを、それぞれオルタネータ用インバータ及び電動ターボ用インバータを介してバッテリで駆動する車載用エンジン始動システムにおいて、
上記オルタネータ用インバータと上記電動ターボ用インバータとを上記バッテリに対して並列接続すると共に、上記電動ターボを駆動するモータのインピーダンスを上記スタータ兼用オルタネータより小さくし、エンジン始動時において、上記オルタネータ用インバータ及び電動ターボ用インバータから上記スタータ兼用オルタネータ及び電動ターボに一定の矩形波電圧を同時に印加し、かつ、（バッテリ開放電圧−電動ターボ用インバータ電流×バッテリ内部抵抗）／（スタータ兼用オルタネータの内部インピーダンス）の値が、上記オルタネータ用インバータの許容電流以下となるように設定したものである。
本発明によれば、電動ターボ用インバータをオルタネータ用インバータと同時に動作させた場合に、大電流が通電されるために配線およびバッテリの内部インピーダンスによってバッテリ端子電圧が低下し、オルタネータ用インバータに対して始動時大電流が流れることがないので、オルタネータ用インバータはＰＷＭ制御などのスイッチング動作による
電流制御をせずとも、簡素な矩形波通電のまま許容電流値内で動作させることができ、複雑な制御装置を追加する必要がなく、システムのコストを低減できる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るエンジン始動システムの概略構成図である。
図１のエンジン始動システムにおいて、エンジン１にスタータ兼用オルタネータ２がベルト３を介して結合されている。スタータ兼用オルタネータ２は、エンジン始動後、通常のオルタネータとして発電を行う。
一方、エンジン１には、排気ガスで駆動され、吸気ガスを圧縮する電動ターボチャージャ４（以下電動ターボという）が備えられると共に、電動ターボ４の過給気動作をアシストするモータ５が電動ターボ４の回転軸に対して追加され、エンジン停止時においても過給気可能に構成されている。
そして、スタータ兼用オルタネータ２及び電動ターボ用モータ５は、それぞれバッテリ６に並列接続されたオルタネータ用インバータ７及びターボ用インバータ８を介して駆動される。
なお、電動ターボ４のモータ５のインピーダンスはスタータ兼用オルタネータ２より小さく設定されている。
図２は実施の形態１に係る要部回路構成図で、スタータ兼用オルタネータ２、電動ターボ用モータ５を駆動するオルタネータ用インバータ７及びターボ用インバータ８は、半導体スイッチング素子を３相ブリッジ接続して構成され、車載用バッテリ６に並列に接続されている。なお、電動ターボ４のモータ５のインピーダンスはスタータ兼用オルタネータ２より小さく設定されている。
エンジン始動時には、オルタネータ用インバータ７及び電動ターボ用インバータ８は、同時に動作し、スタータ兼用オルタネータ２及び電動ターボ４を同時に駆動すると共に、それぞれ矩形波通電を行うため一定の矩形波電圧として、例えば電気角１周期あたり６回の転流のみからなる１２０度または１８０度の矩形波電圧を出力するように制御される。
上記のような構成において、車両停止後にエンジン停止させて待機後、発進時にエンジンを始動させる場合の動作について説明する。
図３（ａ）において、Ｉ０はオルタネータ用インバータ７単独で、スタータ兼用オルタネータ２に対し矩形波通電を行った場合の通電直後の入力電流（直流部）を示している。矩形波通電で電流制御が行われない状態で、かつ、エンジン始動時、スタータ兼用オルタネータ２が停止状態で内部の逆起電力も無いことから、大電流が流れてしまい許容電流値を超える状況となっている。
図３（ｂ）は、本発明の実施の形態１により、オルタネータ用インバータ７による矩形波通電と同時に、ターボ用インバータ８による矩形波通電を行った場合の通電直後の入力電流（直流部）を示しており、Ｉ１，Ｉ２はオルタネータ用インバータ７及びターボ用インバータ８の通電直後の入力電流（直流部）をそれぞれ示している。
すなわち、オルタネータ用インバータ７とターボ用インバータ８をバッテリ６に対して並列接続して同時に動作させることにより、バッテリ６の最大出力電流はバッテリ内部抵抗および配線抵抗で決まるため、各々のインバータ７，８はバッテリ６の最大出力電流を２分する形となり、双方のインバータともに許容電流値を越えることを防ぐことができる。
図４は実施の形態１におけるエンジン始動時の一連の動作を示すフローチャートで、まず、ステップＳ１１でターボ用インバータ８を動作させて電動ターボ用モータ５を駆動し
た後、ステップＳ１２でオルタネータ用インバータ７を動作させてスタータ兼用オルタネータ２を駆動する。
この状態において、オルタネータ用インバータ７及び電動ターボ用インバータ８は、一定の矩形波電圧、例えば電気角１周期あたり６回の転流のみからなる１２０度または１８０度の矩形波電圧を出力するように制御されている。
次に、ステップＳ１３でエンジン回転数が所定値以上か否か判定され、所定値以上の場合は、電動ターボ用インバータ８の動作が停止される（ステップ１４）。
そしてステップＳ１５において、エンジンが始動したか否か判定され、エンジン始動状態となれば、ステップＳ１６でスタータ兼用オルタネータ２の動作モードを力行動作から回生動作へ変更して発電機として動作させる。
ここで従来技術においては、エンジンは停止状態から回転を開始してクランキング動作を開始するが、クランキング時において、エンジンは吸気動作を開始することから吸気配管は負圧となりポンピングロスが発生するため、これを補うためにエンジン始動トルクが必要となる。
本発明では上記のように、エンジン始動時に既に電動ターボ４の過給気動作によってエンジン吸気部へ空気が送り込まれていることから、ポンピングロスをなくして、始動トルクを低減して迅速なエンジン始動可能となる。またエンジンがディーゼル式の場合は始動時当初から燃料に対して十分な空気量が供給されていることから、始動時の燃料過剰状態における黒煙発生などの問題も解決できる。
したがって電動ターボ４の動作によってオルタネータ用インバータ７を過電流から保護する作用に加えて、エンジン始動時間短縮、エンジン始動時の排ガス清浄化などの作用を併せて有することが可能となる。
その後さらに通電を続けると、スタータ兼用オルタネータ２は内部誘起電圧が発生することから、矩形波通電を行っても過電流状態となることはないので、電動ターボ４の通電を継続する必要は無く、適宜電動ターボ４を停止させる。
そして、エンジン始動状態となればスタータ兼用オルタネータ２の動作モードを力行動作から回生動作へ変更して発電機として動作を継続する。
以上のように、本発明の実施の形態1によれば、スタータ兼用オルタネータ２と電動ターボ４とを有し、エンジン始動時に上記スタータ兼用オルタネータ２及び電動ターボ４を、それぞれオルタネータ用インバータ７及び電動ターボ用インバータ８を介してバッテリ６で駆動する車載用エンジン始動システムにおいて、上記オルタネータ用インバータ７と上記電動ターボ用インバータ８とを上記バッテリ６に対して並列接続すると共に、上記電動ターボを駆動するモータのインピーダンスを上記スタータ兼用オルタネータより小さくし、エンジン始動時において、上記オルタネータ用インバータ及び電動ターボ用インバータから上記スタータ兼用オルタネータ及び電動ターボに一定の矩形波電圧を同時に印加し、かつ、（バッテリ開放電圧−電動ターボ用インバータ電流×バッテリ内部抵抗）／（スタータ兼用オルタネータの内部インピーダンス）の値が、上記オルタネータ用インバータの許容電流以下となるように設定したので、エンジン始動時に、電動ターボ用インバータがオルタネータ用インバータと同時に動作し大電流が通電されるために、配線およびバッテリの内部インピーダンスによってバッテリ端子電圧が低下し、オルタネータ兼用インバータに対してエンジン始動時大電流が流れることがなく、オルタネータ用インバータはＰＷＭ制御などのスイッチング動作による電流制御をせずとも、簡素な矩形波通電のまま許容電流値内で動作させることができ、複雑な制御装置を追加する必要がなく、システムのコストを低減できる。
実施の形態２．
図５は実施の形態２におけるエンジン始動時の一連の動作を示すフローチャートで、ステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２５、Ｓ２６は、図４のステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１５、Ｓ１６と同じであるが、ステップＳ２４においてエンジン回転数が所定値以上か否か判定され、所定値以上の場合は、電動ターボ４の動作を力行から回生状態に変
更させるようにしたものである。
すなわち、スタータ兼用オルタネータ２の内部誘起電圧が所定値に達した際には、スタータ兼用オルタネータ２に流れる始動電流とバッテリ６の内部抵抗や配線抵抗のために、インバータ入力部の電圧は、バッテリ６の基準電圧（約１３．５Ｖ）よりやや電圧が低下しているが、この実施の形態２のように電動ターボ４を停止させる場合に、電動ターボ４を回生状態にて動作させることにより、電動ターボ本体およびターボ部が持つ回転エネルギーを回生して、スタータ兼用オルタネータ２へ供給することができるので、前記の電圧低下分を補うことができる。
また、電動ターボ４が持つ回転子慣性エネルギーを回生することで、バッテリ６と電動ターボ用インバータ８の双方から電力が供給されるので、電源インピーダンスを低くでき、より大電流をスタータ兼用オルタネータ２に対して供給できる。
本発明の実施の形態１に係るエンジン始動システムの概略構成図である。 実施の形態１に係る要部回路構成図である。 エンジン始動時のインバータ入力電流の変化を説明するための電流波形図である。 実施の形態１におけるエンジン始動時の一連の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２におけるエンジン始動時の一連の動作を示すフローチャートである。
符号の説明
１：エンジン
２：スタータ兼用オルタネータ
３：ベルト
４：電動ターボ
５：モータ
６：バッテリ
７：オルタネータ用インバータ
８：電動ターボ用インバータ

Claims (3)

  1. スタータ兼用オルタネータと電動ターボとを有し、エンジン始動時に上記スタータ兼用オルタネータ及び電動ターボを、それぞれオルタネータ用インバータ及び電動ターボ用インバータを介してバッテリで駆動する車載用エンジン始動システムにおいて、
    上記オルタネータ用インバータと上記電動ターボ用インバータとを上記バッテリに対して並列接続すると共に、上記電動ターボを駆動するモータのインピーダンスを上記スタータ兼用オルタネータより小さくし、
    エンジン始動時において、上記オルタネータ用インバータ及び電動ターボ用インバータから上記スタータ兼用オルタネータ及び電動ターボに一定の矩形波電圧を同時に印加し、
    かつ、（バッテリ開放電圧−電動ターボ用インバータ電流×バッテリ内部抵抗）／（スタータ兼用オルタネータの内部インピーダンス）の値が、上記オルタネータ用インバータの許容電流以下となるように設定した
    ことを特徴とするエンジン始動システム。
  2. 上記オルタネータ用インバータ及び電動ターボ用インバータは、それぞれ３相ブリッジ接続されたスイッチング素子で構成され、上記一定の矩形波電圧として、電気角１周期あたり６回の転流のみからなる矩形波電圧を出力する請求項１記載のエンジン始動システム。
  3. 上記スタータ兼用オルタネータが所定の回転数に達した段階で、エンジン始動までの間、電動ターボ用インバータを回生動作させたことを特徴とする請求項１または２記載のエンジン始動システム。
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