JP6364974B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、スタータの出力特性を低トルク高回転型と高トルク低回転型との間で切り替えることができるエンジン始動装置に関する。

従来、アイドリングストップ用のスタータには、エンジン再始動時にドライバーや同乗者のフィーリングを向上するため、できるだけエンジン再始動時間を短縮したいと言う要望がある。再始動時間を短縮するにはクランキング回転数を高くする方法があるが、エンジンフリクションが高い低温時での始動性と両立しようとすると、サイズが大きく高出力のモータを使用する必要がある。
モータサイズを大きくすることなく再始動時のクランキング回転数を高くする方法としては、高回転型と低回転型の出力特性を必要に応じて切り替えるものが有る。
例えば、特許文献１には、モータの界磁コイルに直巻コイルと分巻コイルとを備え、その分巻コイルに通電される界磁電流をＥＣＵにより制御することで高回転型の特性と高トルク型の特性とを切り替える技術が開示されている。

特開２００４−１９７７１９号公報

上記の従来技術（特許文献１）では、例えば、エンジン始動時の出力特性を高回転型とすることで、アイドリングストップからのエンジン始動時間を短縮することが可能である。ところが、高回転型の特性では、モータ噛み合い時にピニオン回転数が高くなり過ぎることでピニオンがリングギヤに噛み合いにくくなるため、噛み合い信頼性が低下する問題がある。この問題を解決する方法として、噛み合い時にピニオンを押し出すドライブスプリングの荷重を高くすることが考えられる。
しかし、ドライブスプリングの荷重を高くすると、そのドライブスプリングの反力に抗してプランジャを吸引するソレノイドの吸引力も高くする必要がある。その結果、ソレノイドが大型化して車両への搭載性が悪化すると共に、スタータコストが上昇すると言う課題を生じる。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ソレノイドを大型化することなくエンジン始動時間の短縮を実現できるエンジン始動装置を提供することにある。

本発明は、ソレノイドの吸引力を利用してピニオンをエンジンのリングギヤに飛び込ませ、且つ、モータの回転力をピニオンからリングギヤに伝達してエンジンの始動を行うギヤ飛び込み式スタータと、遊星歯車減速装置からなる可変減速機構部と、可変減速機構部を減速モードと非減速モードとに切り替えることができる減速作動切替部とを有し、スタータの出力特性（以下、スタータ特性と呼ぶ）を低トルク高回転型と高トルク低回転型との間で少なくとも二段階に切り替えることができるスタータ特性切替手段とを備えるエンジン始動装置であって、スタータの作動時に、ソレノイドの吸引力によりピニオンがリングギヤに当接した時に、吸引力によるピニオンの移動方向と同一の方向にピニオンをリングギヤに押し付けるとともに、可変減速機構部を介してピニオンに伝わるモータの回転力によりピニオンとリングギヤとの位相が合致した時に、ピニオンをリングギヤに押し込んで噛み合わせるドライブスプリングを備え、低トルク高回転型のスタータ特性でクランキングを行う場合に、スタータの作動開始後、少なくともピニオンとリングギヤとの噛み合いが完了するまでは高トルク低回転型のスタータ特性であることを特徴とする。

本発明のスタータは、低トルク高回転型のスタータ特性でクランキングを行う場合に、少なくともピニオンとリングギヤとの噛み合いが完了するまでは高トルク低回転型に設定されるので、低トルク高回転型のスタータでピニオンがリングギヤに噛み合う場合と比較して、モータ噛み合い時のピニオン回転数を低減できる。つまり、ソレノイドの作動によって押し出されたピニオンがリングギヤに当接した後、モータの回転によりピニオンが回転してリングギヤに噛み合う時のピニオン回転数が低減するので噛み合い信頼性が向上する。

また、ピニオンをリングギヤに押し込むためにドライブスプリングの荷重を大きくする必要はないので、ソレノイドの大型化を回避できる。すなわち、ソレノイドを大型化することなくエンジン始動時間の短縮が可能である。
さらに、ピニオンとリングギヤとの噛み合いが完了した後、低トルク高回転型に切り替えられてクランキングを行うので、スタータの作動開始からエンジン始動までの時間を短縮できる。特に、本発明をアイドリングストップ用のスタータに適用した場合は、アイドリングストップからのエンジン始動時間を短縮できるので、ドライバーや同乗者のフィーリング向上に寄与する。

実施例１に係るエンジン始動装置の全体構成図である。 エンジン始動時のスタータ電流とエンジン回転数の変動を示す波形図である。 図２に示す波形図の拡大図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１のエンジン始動装置は、図１に示す様に、ギヤ飛び込み式スタータ１と、スタータリレー２、３を介してスタータ１の作動を制御する制御装置（以下、ＥＣＵ４と呼ぶ）と、スタータ１の出力特性（以下、スタータ特性と言う）を切り替えることが出来るスタータ特性切替手段（後述する）とを備える。
スタータ１は、回転力を発生するモータ５と、このモータ５の回転力が可変減速機構部６（後述する）を介して伝達される出力軸７と、モータ５の駆動トルクをエンジンのリングギヤ８に伝達するためのピニオン９と、後述する電磁ソレノイド装置１０などより構成される。
モータ５は、ヨーク１１の内周に永久磁石１２を配置して構成される界磁子と、軸上に整流子１３を有する電機子１４と、この電機子１４の回転に伴って整流子１３の外周上を摺動するブラシ１５等を有するブラシ付き直流モータである。なお、界磁子は、永久磁石１２に替えて界磁巻線を使用する巻線界磁式でも良い。

出力軸７は、可変減速機構部６を介してモータ５の電機子軸１４ａと同軸線上に配置され、反モータ側の先端部が軸受１６を介してスタータハウジング１７に支持されている。
ピニオン９は、クラッチ１８に設けられるインナチューブ１８ａの外周に直スプライン嵌合して、ピニオンスプリング１９によりインナチューブ１８ａの先端方向（図示左方向）へ付勢され、インナチューブ１８ａの先端部に取り付けられるピニオンストッパ２０に当接している。
クラッチ１８は、出力軸７の外周にヘリカルスプライン嵌合してモータトルクをピニオン９に伝達する一方、ピニオン９がエンジンによって回された時に、ピニオン９の回転が出力軸７に伝達されることを防止する一方向クラッチを構成している。

電磁ソレノイド装置１０は、プランジャ２１の移動に伴いシフトレバー２２を介してピニオン９をクラッチ１８と一体に押し出すソレノイドＳＬ１と、プランジャ２３の移動に応じてメイン接点を開閉するソレノイドＳＬ２とを有する。
メイン接点は、バッテリ２４からモータ５に電力を供給するための通電経路に２本の端子ボルト２５、２６を介して接続される一組の固定接点と、前記プランジャ２３の移動に応じて一組の固定接点間を電気的に開閉する可動接点とで構成される。
２本の端子ボルト２５、２６は、電磁ソレノイド装置１０の後端側（図１の右側）を覆う樹脂カバー２７に固定される。一方の端子ボルト２５はバッテリケーブル２８を介してバッテリ２４の正極ターミナルに接続され、他方の端子ボルト２６はモータリード線２９を介して正極ブラシ１５に接続される。

続いて、本発明のスタータ特性切替手段について説明する。
スタータ特性切替手段は、上記の可変減速機構部６と、この可変減速機構部６を減速モードと非減速モードとに切り替えることができる減速作動切替部３０とを備える。
可変減速機構部６は、例えば、周知の遊星歯車減速装置を用いて構成される。
減速作動切替部３０は、遊星歯車減速装置のインターナルギヤ（図示せず）を回転規制する減速モードと、インターナルギヤの回転規制を解除する非減速モードとに切り替えることができる。この減速作動切替部３０は、例えば、電動アクチュエータ（図示せず）を有し、この電動アクチュエータの動作に連動して可変減速機構部６を減速モードまたは非減速モードに切り替える。

減速モードでは、インターナルギヤの回転が規制されるので、可変減速機構部６が通常の減速装置として機能する。つまり、モータ５の回転が可変減速機構部６により減速されて出力軸７に伝達される。
非減速モードでは、インターナルギヤの回転規制が解除されて回転可能となるので、可変減速機構部６が減速装置として機能することはない。つまり、モータ５が回転すると、可変減速機構部６の各ギヤ（インターナルギヤ、遊星ギヤ、サンギヤ）が一体となって回転するため、モータ５の回転が可変減速機構部６によって減速されることなく出力軸７に伝達される。すなわち、スタータ特性は、可変減速機構部６を減速モードに設定することで高トルク低回転型となり、非減速モードに設定することで低トルク高回転型となる。

次に、スタータ１の作動を説明する。
ここでは、アイドリングストップからエンジンを再始動する際に、低トルク高回転型のスタータ特性でクランキングを行う事例を説明する。
ＥＣＵ４は、エンジンの再始動要求が発生すると、例えば、スタータリレー２を先にオン制御し、その後、スタータリレー３をオン制御する。
スタータリレー２がオンしてソレノイドＳＬ１が作動すると、シフトレバー２２を介してピニオン９がクラッチ１８と一体に反モータ方向（図１の左方向）へ押し出される。この時、ピニオン９とリングギヤ８との噛合位相がずれていると、ピニオン９の歯とリングギヤ８の歯の端面同士が当接する。

その後、スタータリレー３がオンしてソレノイドＳＬ２が作動すると、メイン接点が閉成してバッテリ２４よりモータ５に電力が供給されてモータ５に回転力が発生する。このモータ５の回転速度が可変減速機構部６により減速されて出力軸７に伝達され、さらに出力軸７からクラッチ１８を介してピニオン９に伝達される。これにより、ピニオン９が回転してリングギヤ８との噛合位相が合致すると、ピニオン９の歯がリングギヤ８の歯と歯の間に飛び込んでピニオン９とリングギヤ８との噛み合いが成立する。その結果、モータトルクがピニオン９からリングギヤ８に伝達されてエンジンをクランキングする。

ここで、可変減速機構部６は、スタータ１の作動開始後、少なくともピニオン９とリングギヤ８との噛み合いが完了するまでは減速モードに設定され、ピニオン９とリングギヤ８との噛み合いが完了した後、非減速モードに切り替えられる。すなわち、スタータ特性は、図２に示すように、ソレノイドＳＬ１への通電開始からピニオン９とリングギヤ８との噛み合いが完了するまで（図中ｔ１）は高トルク低回転型であり、噛み合い完了後のクランキング時は低トルク高回転型となる。
スタータ特性を高トルク低回転型から低トルク高回転型に切り替えるタイミングは、例えば、タイマー回路３１（図１参照）によって設定できる。具体的には、ソレノイドＳＬ１への通電開始からピニオン９とリングギヤ８との噛み合いが完了するまでの時間間隔を予め計測しておき、その計測時間をタイマー回路３１に設定する。タイマー回路３１は、図１に示すように、スタータリレー２のオン信号によって動作を開始し、設定された時間ｔ１（図２、図３参照）をカウント終了した時点で減速作動切替部３０の電動アクチュエータに通電する。

〔実施例１の作用及び効果〕
アイドリングストップからエンジンを再始動する際に、少なくともソレノイドＳＬ１への通電開始からピニオン９がリングギヤ８に飛び込んで噛み合いが完了するまでは高トルク低回転型のスタータ特性であり、ピニオン回転数が最も低くなる。このため、低トルク高回転型のスタータと比較すると、図３に示すように、ソレノイドＳＬ２への通電開始からピニオン９とリングギヤ８との噛み合い完了時までピニオン回転数が上昇する傾きが小さくなっている。つまり、低トルク高回転型のスタータと比較してモータ噛み合い時のピニオン回転数が低減する。なお、図３の波形図は、図２の時間軸（横軸）に示すＯ−Ｔ間の拡大図である。また、モータ噛み合い時のピニオン回転数とは、ピニオン９がリングギヤ８に当接した後、モータ５の回転によりピニオン９が回転してリングギヤ８との噛合位相が一致した時に、ピニオン９がリングギヤ８に飛び込んで噛み合う時のピニオン９の回転数を言う。

上記のように、実施例１のエンジン始動装置では、モータ噛み合い時のピニオン回転数が低減することで噛み合い信頼性が向上する。これにより、モータ噛み合い時にピニオン９を押し出すドライブスプリング３２（図１参照）の荷重を大きくする必要がないので、ソレノイドＳＬ１の吸引力を増大する必要もない。その結果、電磁ソレノイド装置１０が大型化することはなく、車両への搭載性悪化を回避できる。
また、ピニオン９とリングギヤ８との噛み合いが完了した後、低トルク高回転型に切り替えてクランキングを行うので、クランキング回転数を高くしてエンジン始動時間を短縮できる。特に、アイドリングストップシステムを搭載する車両では、スタータ１の作動開始（実施例１ではソレノイドＳＬ１への通電開始）からエンジン再始動までの時間を短縮できるので、ドライバーや同乗者のフィーリング向上に寄与する。

更に、可変減速機構部６の状態（減速モードと非減速モード）を切り替えるためにタイマー回路３１を用いているので、スタータ特性を高トルク低回転型から低トルク高回転型に切り替えるタイミングを容易に且つ適切に制御できる。
また、実施例１のスタータ１は、ブラシ付き直流モータ５を使用しているので、例えば大電流を制御するためのインバータを必要とする交流モータを使用する場合と比較して、低コストで本発明のエンジン始動装置を実現できる。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与し、詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
上記の実施例１で説明したスタータ１は、出力特性を切り替えるための可変減速機構部６を設けているが、この可変減速機構部６を直列に複数組み合わせることもできる。すなわち、実施例２では、直列に複数組み合わせた各可変減速機構部６の状態（減速モードと非減速モード）をそれぞれ減速作動切替部３０により個別に切り替えることで、スタータ特性を少なくとも３段階以上に切り替えることができる。

この実施例２の構成を採用した場合に、モータ噛み合い時の出力特性を最も高トルクとなる特性より低トルク側の特性（但し、クランキングに使用する出力特性より高トルク特性）とすることもできる。
高トルク低回転型の場合は、実施例１に記載したように、モータ噛み合い時のピニオン回転数を低減できるので噛み合い信頼性が向上する。しかし、モータ５の起動トルクが高すぎると、モータ噛み合い時に発生するピニオン９とリングギヤ８との端面摩耗が増大して、噛み合い性能を維持できる耐久性能が低下すると言う課題が発生する。これに対し、ピニオン９とリングギヤ８との噛み合いが完了するまでは、高トルク低回転型で最も高トルクとなる場合より低いトルク特性、言い換えると適正なトルク特性を選定することもできる。これにより、端面摩耗の増加を最小限に抑えて耐久性能を維持しつつ、モータ噛み合い時のピニオン回転数の低減による噛み合い性能向上を両立できる。

〔変形例〕
実施例１では、可変減速機構部６の状態を切り替えるためにタイマー回路３１を用いているが、タイマー回路３１を設ける代わりに、タイマー回路３１の機能をＥＣＵ４に持たせることも可能である。また、実施例１のタイマー回路３１は、ソレノイドＳＬ１の通電開始からスタータ特性が切り替わるまでの時間ｔ１をカウントしている、言い換えると、スタータリレー２のオン信号を基にカウント動作を開始するが、ソレノイドＳＬ２の通電開始となるスタータリレー３のオン信号を基にカウント動作を開始しても良い。つまり、ソレノイドＳＬ２の通電開始からの時間ｔ２（図２、図３参照）をカウント終了した時点で減速作動切替部３０の電動アクチュエータに通電しても良い。

実施例１に記載した電磁ソレノイド装置１０は、ピニオン９を押し出すためのソレノイ
ドＳＬ１と、メイン接点を開閉するためのソレノイドＳＬ２とを有する、いわゆるタンデ
ムソレノイド型であるが、ピニオン９の押し出しとメイン接点の開閉を一つのソレノイド
で行う従来の電磁スイッチを使用することもできる。

１ ギヤ飛び込み式スタータ
５ モータ
６ 可変減速機構部（スタータ特性切替手段）
８ リングギヤ
９ ピニオン
３０ 減速作動切替部（スタータ特性切替手段）
３１ タイマー回路（タイマー機能）
ＳＬ１ ソレノイド

Claims (5)

1. ソレノイド（ＳＬ１）の吸引力を利用してピニオン（９）をエンジンのリングギヤ（８）に飛び込ませ、且つ、モータ（５）の回転力を前記ピニオン（９）から前記リングギヤ（８）に伝達して前記エンジンの始動を行うギヤ飛び込み式スタータ（１）と、
   遊星歯車減速装置からなる可変減速機構部（６）と、この可変減速機構部（６）を減速モードと非減速モードとに切り替えることができる減速作動切替部（３０）とを有し、前記スタータ（１）の出力特性（以下、スタータ特性と呼ぶ）を低トルク高回転型と高トルク低回転型との間で少なくとも二段階に切り替えることができるスタータ特性切替手段（６、３０）とを備えるエンジン始動装置であって、
   前記スタータ（１）の作動時に、前記ソレノイド（ＳＬ１）の吸引力により前記ピニオン（９）が前記リングギヤ（８）に当接した時に、吸引力による前記ピニオン（９）の移動方向と同一の方向に前記ピニオン（９）を前記リングギヤ（８）に押し付けるとともに、前記可変減速機構部（６）を介して前記ピニオン（９）に伝わる前記モータ（５）の回転力により前記ピニオン（９）と前記リングギヤ（８）との位相が合致した時に、前記ピニオン（９）を前記リングギヤ（８）に押し込んで噛み合わせるドライブスプリング（３２）を備え、
   前記低トルク高回転型のスタータ特性でクランキングを行う場合に、前記スタータ（１）の作動開始後、少なくとも前記ピニオン（９）と前記リングギヤ（８）との噛み合いが完了するまでは前記高トルク低回転型のスタータ特性であることを特徴とするエンジン始動装置。
2. 請求項１に記載したエンジン始動装置において、
   前記スタータ（１）の作動開始後、少なくとも前記ピニオン（９）と前記リングギヤ（８）との噛み合いが完了するまでは、前記高トルク低回転型で最も回転数が低くなるスタータ特性に設定されることを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項１に記載したエンジン始動装置において、
   前記スタータ特性切替手段（６、３０）は、前記低トルク高回転型と前記高トルク低回転型との間で、三段階以上、前記スタータ特性を切り替えることができ、少なくとも前記ピニオン（９）が前記リングギヤ（８）に噛み合う時点では、前記高トルク低回転型で最も高トルクとなる場合よりトルクが低くなるスタータ特性に設定されることを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載したエンジン始動装置において、
   前記スタータ特性が前記高トルク低回転型から前記低トルク高回転型に切り替わるタイミング（切替タイミングと呼ぶ）は、前記ピニオン（９）と前記リングギヤ（８）との噛み合い完了後となるように、前記スタータ（１）の作動開始から前記切替タイミングまでの時間をタイマー機能（３１）によって設定もしくは制御しており、
   前記前記減速作動切替部（３０）を動作させるための電源は、前記スタータ（１）への供給路から分岐した経路により供給され、
   前記タイマー機能（３１）は、前記スタータ（１）への供給路から分岐した経路に設けられていることを特徴とするエンジン始動装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ（５）は、ブラシ付き直流モータであることを特徴とするエンジン始動装置。

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