JP5394569B2 - エンジン始動装置およびエンジン始動装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、始動電動機によってエンジン始動する装置およびその制御方法に関する。

環境対策及びエネルギ資源の節約のために、自動車を運転中にエンジンの一時停止が許容される所定条件が成立したときに、エンジンに供給する燃料を遮断することによりアイドリングを自動的にストップさせる事が考えられており、既に一部の自動車において実施されている。

このアイドルストップの機能を有する自動車において、アイドルストップ後の再始動の度にエンジン始動装置を駆動させることが必要となる。このエンジン始動装置が消費する電流は、自動車のエンジン運転中に発電機で充電して補なっているので、エンジン始動装置が消費する電流の低減をすることは、燃費改善対策の一つとなり得る。

またアイドルストップ後の再始動の度に、始動電動機に流れる初期の過大電流によるバッテリの電圧降下によって、ナビゲーションなどの電装品が瞬間的に停止してしまう恐れがあるため、エンジン始動装置の消費電流を低減することが求められている。

この要求を満たす技術として、特許文献１に記載の様に半導体スイッチ素子とその制御装置を用いることによって、始動スイッチ投入後の過大電流の制御を行っていた。

特許第２６１６５１０号公報 特許第４２１４４０１号公報

半導体スイッチ素子にて電動機への通電路をＯＮする始動電動機をアイドルストップ用として用いる場合、三種類のエンジン再始動モードが考えられる。一つ目のモードは、例えば１分間の赤信号での停止後に青信号となって発進する際のエンジン再始動。

二つ目のモードは、特許文献２に記載の如く、エンジン運転中に自動停止要求が発生してエンジンを自動停止期間中にエンジンの再始動要求が発生した時の再始動。

三つ目のモードは、エンジンの自動停止が完了しエンジンが完全に停止した直後に、再始動要求が発生した時の再始動。

特許文献１の従来の技術では、一つ目の再始動モードでは問題ないが、二つ目の再始動モードでは、再始動要求がエンジン回転が完全停止する直前のゆれ戻り（逆回転）時に行われると、始動電動機への電流負荷が過大となり、始動電動機への電流回路の一部である半導体スイッチ素子の温度が許容範囲以上に上昇してしまうと言う問題がある。また三つ目の再始動モードでは、エンジン再始動要求がエンジンが完全に停止した直後に行われると、エンジンのピストンが上死点手前で止まっている場合などはエンジンの気筒内の圧力が高いままであり、始動電動機への電流負荷が過大となり、始動電動機への電流回路の一部である半導体スイッチ素子の温度が許容範囲以上に上昇してしまうと言う問題がある。

また、マニュアルトランスミッション車で、始動電動機の動力による車両の自走を行う場合、特許文献１の従来の技術では、半導体スイッチ素子の温度が許容範囲以上に上昇してしまうという問題がある。

また、半導体スイッチ素子を制御する制御部が運転可能になるまでにある所定の時間を要する場合（例えば、Ｋｅｙによる始動）は、制御部が運転可能になるまでエンジンを始動することを待たなければならないと言う問題がある。

更に、エンジンが冷えている場合（−２５℃などの極低温も含む）にエンジンを始動する場合、エンジンオイルの粘度低下などにより始動電動機への電流負荷が大きくなり、且つ低温故にガソリンが気化し難くエンジンの始動に時間が掛かり、半導体スイッチ素子の温度が許容範囲以上に上昇してしまうという問題がある。

しかし従来の技術ではそれらの問題が十分に考慮されていなかった。

本発明の目的は、半導体スイッチ素子を用いた始動電動機装置において、電動機に過大電流が流れた場合であっても、半導体スイッチ素子の信頼性を向上することができるエンジン始動装置を提供することにある。

上記目的は、請求の範囲に記載の発明によって達成される。

例えば、本発明の一実施例によると、半導体スイッチ素子と始動電動機とを備え、指示信号に基づいて半導体スイッチ素子が、始動電動機への電流回路をＯＮすることにより、始動電動機の駆動力により車両のエンジンを始動させるエンジン始動装置において、半導体スイッチ素子をＰＷＭによるＤｕｔｙ信号または周波数を固定しないＤｕｔｙ信号にて制御することにより、始動電動機への通電を制限する制限部と、半導体スイッチ素子を介した電流回路を始動電動機への第一電流回路とし、第一電流回路とは並列かつ独立して開閉できるように構成された始動電動機への補助電流回路を備えた。

本発明によれば、半導体スイッチ素子を用いた始動電動機装置において、電動機に過大電流が流れても半導体スイッチ素子の信頼性を大幅に向上することができるエンジン始動装置を提供することができる。
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

本発明のエンジン始動装置の一実施例を示す構成図。 一つ目のエンジン再始動時の、始動電動機の電流波形。 二つ目のエンジン再始動時の、始動電動機の電流波形。 三つ目のエンジン再始動時の、始動電動機の電流波形。

以下、一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の係わるエンジン始動装置の一例を示す説明図である。図示しないエンジンを始動するための始動電動機１は、ハーネス（配線）４と第一半導体スイッチ素子６を介した第一電流回路にてバッテリ８に接続されている。また該始動電動機１は第一電流回路とは並列に構成された、第一のソレノイド２ａの電気機械スイッチ３とハーネス５を介した補助電流回路にても、バッテリ８に接続されており、バッテリ８の他端はアースされている。

なお補助電流回路は、電気機械スイッチ３ではなく半導体スイッチ素子（図示せず）にて開閉路されるように構成されてもよい。

また第一のソレノイド２ａの一端は、第二半導体スイッチ素子７を介してバッテリ８に接続され、他端はアースされている。該第一のソレノイド２ａへの通電は、第二半導体スイッチ素子７を用いずに、一般に用いられている車両用リレー（図示せず）を介して該バッテリ８に接続されても良い。第二のソレノイド２ｂは、制御装置９などにより駆動されるリレー１３を介して該バッテリ８に接続されているが、半導体スイッチ素子（図示せず）を介して該バッテリ８に接続されても良い。

該第一半導体スイッチ素子６、該第二半導体スイッチ素子７へは、制御装置９よりＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によるＤｕｔｙ信号または周波数を固定しないＤｕｔｙ信号による制御信号が供給されるようになっている。

ある所定の条件が成立してエンジンをアイドルストップさせ、その後運転者よりエンジンの再始動要求（例として、ブレーキペダルを離す）があった場合、制御装置９より、第一半導体スイッチ素子６、及び第二半導体スイッチ素子７にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号を供給、及びリレー１３を駆動するように構成されている。またはＤｕｔｙ信号は周波数を固定しなくても良い。

シフトレバー１０は該第二のソレノイド２ｂの移動量をピニオン１１に伝達するためのものであり、ピニオン１１がエンジンの回転軸に結合したリングギヤ１２に噛み合って、始動電動機１の回転力がリンギギヤ１２に伝達される事により、エンジンがクランキングされて始動される。

上記構成において、先に述べた、三種類のエンジン再始動モードの内、図２を用いて、まず一つ目の再始動モード（例えば１分間の赤信号での停止後に青信号となって発進する際のエンジン再始動）を説明する。車両の速度や運転状況を判断し、エンジンをアイドルストップする条件が整った時に、図２の（１）の如く、燃料カット等によりエンジンを停止させる。エンジンの停止過程においてある所定の条件、例えばエンジン回転数が４００ｒｐｍに達した時に、制御装置９から第一半導体スイッチ素子６にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号を短時間伝達し、始動電動機１を回転させる。この始動電動機１の回転数とエンジン回転数をモニターし、両者の回転数がほぼ同期するタイミングで、制御装置９はリレー１３を駆動し、ソレノイド２ｂが駆動される事により、ピニオン１１はシフトレバー１０によって、エンジンのリングギヤ１２に噛み込んで、エンジンの再始動要求を待つ。図２の（３），（３）ａ，（３）ｂは、この制御装置９から第一半導体スイッチ素子６にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号を短時間伝達し始動電動機１を回転させた際に、始動電動機１に流れる電流を示したものである。（３）は、従来の良く知られた始動電動機の如く、機械式接点のみで通電した場合であり、第一半導体スイッチ素子６を通電制御する事により、（３）ｂの如く必要最小限の電流値に通電制御されるため、バッテリの電圧降下（図示せず）は必要最小限で留めることができる。

次に例えば信号が青色になることなどにより、エンジンの再始動要求が発生した時、制御装置９からリレー１３を駆動すと、第二のソレノイド２ｂが駆動され、シフトレバー１０を介して既にリングギヤ１２に噛み込んでいるピニオン１１をリングギヤ１２側に噛み合った状態を保持し、第一半導体スイッチ素子６にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号が伝達される。Ｄｕｔｙ信号の伝達により、始動電動機１に、ハーネス４及び第一半導体スイッチ素子６を介して、バッテリ８から電流が流れて始動電動機１が回転し、ピニオン１１を介してエンジンのリングギヤ１２回転する事によりエンジンが再始動する。図２の（５），（５）ａ，（５）ｂは、この際の始動電動機１に流れる電流を示したものである。該（３），（３）ａ，（３）ｂと同じく、従来の良く知られた始動電動機の機械式スイッチのみで通電した場合の電流（５）に対して、第一半導体スイッチ素子６にて通電制御する事により、（５）ｂの如く必要最小限の電流値に通電されるため、バッテリの電圧降下（図示せず）は必要最小限で留めることができる。

上述の如く、該１つ目の再始動モードにおける始動電動機１への通電経路は、バッテリ８→第一半導体スイッチ素子６→ハーネス４を介した第一電流回路のみである。

次に二つ目の再始動モードについて、以下説明する。

図３の（６）は、アイドルストップする条件が整ってエンジンを自動停止させている自動停止期間中にエンジンの再始動要求が発生した時を示している。この再始動要求が、エンジン回転が完全停止する直前のゆれ戻り（逆回転）付近に行われると、始動電動機１への電流負荷が過大となる。一例として、一つ目の再始動モードの始動電動機１への通電電流（５）ｂに対して、エンジン回転停止途中の再始動では、始動電動機１への負荷電流は（７）の如く過大となる。

再始動要求が発生すると、制御装置９からリレー１３を駆動し第二のソレノイド２ｂが駆動され、シフトレバー１０を介してピニオン１１がリングギヤ１２に噛み込んでいるピニオン１１をリングギヤ１２側に噛み合った状態を保持し、次に第一半導体スイッチ素子６にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号を伝達し、始動電動機１に、ハーネス４及び第一半導体スイッチ素子６を介して、バッテリ８から電流が流れる。このＰＷＭによるＤｕｔｙ信号により、ある所定の時間のみ電流を制限し、次に制御装置９が第二半導体スイッチ素子７にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号を伝達することにより、バッテリ８からの電流により第一のソレノイド２ａを駆動させ、第一電流回路とは並列になるように構成された補助電流回路（バッテリ８→ハーネス５→電気機械スイッチ３）が閉路となり、始動電動機１には並列に接続された第一電流回路と補助電流回路にて電流が供給される。次に、ゆれ戻りが終わってエンジンが正転方向に回転してピストンが上死点を越えた時点または上死点を越えた以降に、補助電流回路が開路となるように制御装置９が第一のソレノイド２ａの駆動を解除する。または補助電流回路は、エンジンが始動して始動電動機を停止するまでの間、第一電流回路と並列に接続されたままでも良い。図３の（８），（８）ａ，（８）ｂは、この再始動の際の始動電動機１に流れる電流を示したものである。第一電流回路のみで通電する際の電流（７）に対して、第一電流回路と補助電流回路を並列とする事で、第一電流回路と補助電流回路の合計電流（８）に対し、第一半導体スイッチ素子６を介した第一電流回路の電流（８）ａは大幅に低減する。

次に三つ目の再始動モードについて、以下説明する。

図４の（９）は、エンジンの自動停止が完了しエンジンが完全に停止した直後に、再始動要求が発生した時を示しており、エンジンのピストン（図示せず）が上死点手前で止まっている場合などはエンジンの気筒内圧力が高いままであり、始動電動機への電流負荷が過大となる。一つ目の再始動モードの始動電動機１への通電電流（５）ｂに対して、エンジン回転停止直後の再始動では、始動電動機１への負荷電流は（１０）の如く過大となる。

再始動要求が発生すると、制御装置９からリレー１３を駆動し第二のソレノイド２ｂが駆動され、シフトレバー１０を介してピニオン１１がリングギヤ１２に噛み込んでいるピニオン１１をリングギヤ１２側に噛み合った状態を保持し、次に第一半導体スイッチ素子６にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号を伝達し始動電動機１に、ハーネス４及び第一半導体スイッチ素子６を介して、バッテリ８から電流が流れる。このＰＷＭによるＤｕｔｙ信号により、ある所定の時間のみ電流を制限し、次に制御装置９が第二半導体スイッチ素子７にＰＷＭによるＤｕｔｙ信号を伝達することにより、バッテリ８からの電流により第一のソレノイド２ａを駆動させ、第一電流回路とは並列になるように構成された補助電流回路（バッテリ８→ハーネス５→電気機械スイッチ３）が閉路となり、始動電動機１には並列に接続された第一電流回路と補助電流回路にて電流が供給される。次に、クランクアングルセンサー（図示せず）等の信号によりエンジンのピストンの動きを判別し、ピストンが上死点を越えた時点または上死点を越えた以降に、補助電流回路が開路となるように制御装置９が第一のソレノイド２ａの駆動を解除する。または補助電流回路は、エンジンが始動して始動電動機を停止するまでの間、第一電流回路と並列に接続されたままでも良い。図４の（１１），（１１）ａ，（１１）ｂは、この際の始動電動機１に流れる電流を示したものである。第一電流回路のみで通電する際の電流（１０）に対して、第一電流回路と補助電流回路を並列とする事で、第一電流回路と補助電流回路の合計電流（１１）に対し、第一半導体スイッチ素子６を介した第一電流回路の電流（１１）ａは大幅に低減する。

従って、始動電動機１に過大な電流が流れる二つ目及び三つ目の再始動モードにおいて、第一電流回路と補助電流回路を並列接続することにより、第一半導体スイッチ素子６への通電電流を大幅に低減することが可能になり、第一半導体スイッチ素子６の電流容量を必要最低限とする事ができることはもとより、信頼性の高い始動装置を供給する事が可能となる。

しかしながら、一つ目、二つ目、三つ目の再始動モードを判別して制御すると構成が複雑になるため、アイドルストップ後にエンジンを再始動する場合は、常に第一電流回路と補助電流回路を並列になるように制御して、何れの再始動モードにおいても、第一半導体スイッチ素子６を介した第一電流回路の電流を低減させても良い。

さらには、マニュアルトランスミッション車で、始動電動機の動力による車両の自走が必要となった場合でも、第一電流回路を開路または半導体スイッチ素子をＰＷＭによるＤｕｔｙ信号にて制御する事により電流を制限し、補助電流回路が前記始動電動機への主な電流経路とする事により、第一半導体スイッチ素子の信頼性を損なわずに、エンジンを始動する事が可能となる。

また第一半導体スイッチ素子６を介した始動電動機１への第一電流回路において、第一半導体スイッチ素子６の温度が許容範囲以上に上昇してしまった場合または機能不全に陥った場合でも、補助電流回路のみ閉路とすることにより始動電動機へ通電を行う事ができ、エンジンを始動する事が可能となる。

また第一半導体スイッチ素子６や第二半導体スイッチ素子７を制御する制御装置が運転可能になるまでにある所定の時間を要する場合（例えば、Ｋｅｙによる始動）でも、一般に用いられている車両用リレー（図示せず）を介して駆動されるように構成された第一のソレノイド２ａを駆動する事によって、補助電流回路を介して始動電動機１へ電流を供給する事が可能となり、ある所定の時間を待つことなく俊敏にエンジンを始動することが可能となる。

またエンジンが冷えている状態（−２５℃などの極低温も含む）でエンジンを始動する場合、エンジンオイルの粘度低下などにより始動電動機１への電流負荷が大きくなり、且つガソリンが気化し難くエンジンの始動に時間が掛かる場合、第一電流回路において、第一半導体スイッチ素子６の温度が許容範囲以上に上昇してしまうが、第一電流回路を開路または半導体スイッチ素子をＰＷＭによるＤｕｔｙ信号にて制御する事により電流を制限し、補助電流回路が始動電動機への主な電流経路とする事により、第一半導体スイッチ素子の信頼性を損なわずに、エンジンを始動する事が可能となる。

また、第一半導体スイッチ素子６の寿命を向上させるために、補助電流回路を開閉路させる手段に半導体スイッチ素子を用いて構成し、第一電流回路の役割と補助電流回路の役割を交互または略同等の使用頻度となるように制御装置９にて制御する事により、第一半導体スイッチ素子の使用限度（寿命）を、略２倍に延長することが可能となる。

また、第一半導体スイッチ素子６保護のため、第一半導体スイッチ素子６を介した始動電動機１への第一電流回路において、第一半導体スイッチ素子６の温度をモニターし、第一半導体スイッチ素子６の温度が許容値例えば１ ７０℃とすると、それ以下の閾値１５０℃になった時点で制御装置９にて第一半導体スイッチ素子６への制御信号を止めて第一電流回路を開路とし、補助電流回路のみ閉路とすることにより、始動電動機へ通電を行う。こうすることにより、第一半導体スイッチ素子６の信頼性を損なわずに、エンジンを始動する事が可能となる。更に、第一半導体スイッチ素子６の保護のため、上述した半導体スイッチ素子の温度をモニターする方法に代えて、第一半導体スイッチ素子６の電流と通電時間をみて、電流×通電時間が所定の値を越えた場合には、制御装置９にて第一半導体スイッチ素子６への制御信号を止めて第一電流回路を開路とし、補助電流回路のみ閉路とすることにより、始動電動機へ通電を行う。こうすることによっても、第一半導体スイッチ素子を保護しつつ、エンジンを始動することが可能となる。また、半導体スイッチ素子の温度と電流×通電時間との両方を用いる方法によって、半導体スイッチ素子の保護を図ってもよい。尚、所定の値は素子の発熱と放電との関係によっても変わる。
上記記載は実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の精神と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更および修正をすることができることは当業者に明らかである。

１ 始動電動機
２ａ 第一のソレノイド
２ｂ 第二のソレノイド
３ 電気機械スイッチ
４ 第一電流回路のハーネス
５ 補助電流回路のハーネス
６ 第一半導体スイッチ素子
７ 第二半導体スイッチ素子
８ バッテリ
９ 制御装置
１０ シフトレバー
１１ ピニオン
１２ エンジンのリングギヤ
１３ リレー

Claims (15)

1. 半導体スイッチ素子と始動電動機とを備え、
   指示信号に基づいて前記半導体スイッチ素子が、前記始動電動機への電流回路をＯＮすることにより、前記始動電動機の駆動力により車両のエンジンを始動させるエンジン始動装置において、
   前記半導体スイッチ素子をＰＷＭによるＤｕｔｙ信号または周波数を固定しないＤｕｔｙ信号にて制御することにより、前記始動電動機への通電を制限する制限手段と、
   前記半導体スイッチ素子を介した前記電流回路を前記始動電動機への第一電流回路とし、前記第一電流回路とは並列かつ前記第一電流回路とは独立して開閉できるように構成された前記始動電動機への補助電流回路を備えたエンジン始動装置。
2. エンジン運転中に自動停止要求が発生してエンジンを自動停止期間中に、エンジンの再始動要求が発生した時の再始動時に、前記補助電流回路を閉路とする、請求項１記載のエンジン始動装置。
3. エンジン運転中に自動停止要求が発生しエンジンが完全に停止した後にエンジンの再始動要求が発生した時の再始動時に、前記補助電流回路を閉路とする、請求項１記載のエンジン始動装置。
4. エンジン運転中に自動停止要求が発生して、エンジンが自動停止を開始した以降にエンジンの再始動要求が発生した時に、前記補助電流回路を閉路とする、請求項１記載のエンジン始動装置。
5. マニュアルトランスミッシン車における前記始動電動機での車両自走が必要な場合、前記第一電流回路を開路または前記半導体スイッチ素子をＰＷＭによるＤｕｔｙ信号または周波数を固定しないＤｕｔｙ信号にて制御する事により電流を制限し、前記補助電流回路が前記始動電動機への主な電流経路となる、請求項１記載のエンジン始動装置。
6. 前記半導体スイッチ素子を介した前記始動電動機への前記第一電流回路において、前記半導体スイッチ素子の温度が許容範囲以上に上昇してしまった場合または機能不全に陥った場合、前記補助電流回路のみで前記始動電動機へ通電を行う、請求項１記載のエンジン始動装置。
7. 前記半導体スイッチ素子を制御する制御手段が運転可能になるまでに時間を要する例えばＫｅｙによるエンジン始動の場合、前記補助電流回路のみを用いて前記始動電動機に電流を供給可能にする、請求項１記載のエンジン始動装置。
8. エンジンが冷えている時の始動の場合、前記第一電流回路を開路または前記半導体スイッチ素子をＰＷＭによるＤｕｔｙ信号または周波数を固定しないＤｕｔｙ信号する事により電流を制限し、前記補助電流回路が前記始動電動機への主な電流経路となる、請求項１記載のエンジン始動装置。
9. 前記補助電流回路を開閉路する手段を、前記第一電流回路に構成されている半導体スイッチ素子と同じまたは同様の半導体スイッチ素子にて行う、請求項１記載のエンジン始動装置。
10. 前記第一電流回路と前記補助電流回路を、各々の役割を交互または略同等の使用頻度となる様に制御する、請求項１記載のエンジン始動装置。
11. 前記第一電流回路と前記補助電流回路を、各々の役割を交互または略同等の使用頻度となる様に制御する、請求項９記載のエンジン始動装置。
12. 始動電動機と、
    半導体スイッチ素子が途中に設けられ、前記半導体スイッチ素子の動作により開閉路する第１の電流回路と、
    前記半導体スイッチ素子をＰＷＭによるＤｕｔｙ信号または周波数を固定しないＤｕｔｙ信号にて制御することにより電流を制限する制御手段と、
    機械式スイッチが途中に設けられ、前記機械式スイッチの動作により開閉路する第２の電流回路とを備え、
    前記第１の電流回路および／または前記第２の電流回路を介して、前記始動電動機に電流を供給し、車両のエンジンを始動させるエンジン始動装置の制御方法であって、
    前記第１の電流回路および前記第２の電流回路が閉路した後に、
    前記半導体スイッチ素子および／または前記エンジンの状態に基づいて、前記第１の電流回路または前記第２の電流回路のいずれか一方を先に開路するエンジン始動装置の制御方法。
13. 請求項１２において、前記エンジンが逆回転した後に前記エンジンが正回転した場合には、前記第２の電流回路を先に開路するエンジン始動装置の制御方法。
14. 請求項１２において、前記エンジンの運転中にあった自動停止要求により前記エンジンを停止させるための期間中に前記エンジンの再始動要求があった後、前記エンジンが正回転した場合には、前記第２の電流回路を先に開路するエンジン始動装置の制御方法。
15. 請求項１２において、
    前記半導体スイッチ素子が所定の温度または所定の電流×通電時間以上である場合には、前記第１の電流回路を先に開路するエンジン始動装置の制御方法。

Images