JP6432492B2 - エンジン始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、スタータによるエンジンの始動を制御するエンジン始動装置に関する。

従来技術として、特許文献１が公知である。
同文献１には、エンジン停止からシリンダにおける最初の空気及び燃料の混合気を燃焼させる燃焼サイクルを予測し、その予測された最初の燃焼サイクル中にスタータのピニオンをエンジンのリングギヤから離脱させる方法が開示されている。この方法によれば、エンジンの始動時にピニオンをリングギヤから早く離脱させることができるので、スタータの劣化、電流消費、オーバーランによるクラッチの劣化、エンジンのノイズ及び振動を低減することが可能である。

特開２０１１−１２７５９１号公報

ところが、ピニオンをリングギヤから離脱させた後、エンジンが予測通りに加速しない場合（エンジンの回転速度が閾値未満の場合）は、ピニオンを再度リングギヤに噛み合わせる必要がある。すなわち、エンジンの回転速度が所定の閾値を越えるまでは、リングギヤに対するピニオンの噛み合いと離脱が繰り返し行われる。このため、ピニオンがリングギヤに噛み合う時の音が増大すると共に、ピニオンの摩耗が促進されて耐久性が低下する問題がある。
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、クランキング時の騒音低減およびピニオンの摩擦を低減して耐久性を向上できるエンジン始動装置を提供することにある。

請求項１のエンジン始動装置は、以下のスタータおよびモータ制御装置を備える。すなわち、スタータは、モータとピニオンとの間にクラッチを有し、モータが回転してクラッチが連結することでモータの回転がピニオンに伝達される。また、モータ制御装置は、モータの動作を制御する。そして、エンジン始動装置は、エンジンのクランク軸に連結されるリングギヤにピニオンを噛み合わせ、モータの回転がクラッチを介してピニオンに伝達されてリングギヤを回転させることでエンジンをクランキングして完爆させる。
また、モータ制御装置は、クランキングの開始からエンジンの完爆までの期間において、エンジンで繰り返される膨張および圧縮の１サイクルごとに、クラッチが非連結となるタイミング（ｔ１）で、一旦、モータの回転速度を減速させる。

請求項２のエンジン始動装置によれば、モータ制御装置は、クランキングの開始からエンジンの完爆までの期間において、エンジンで繰り返される膨張および圧縮の１サイクルごとに、クラッチが非連結となってから再び連結するまでの間に、一旦、モータの回転速度を減速させる。

請求項１、２のエンジン始動装置では、クランキングが開始された後、所定のタイミングでモータの回転速度を減速させるため、クラッチが連結する際に生じるリングギヤとピニオンとの歯打ち音およびギヤ同士の摩擦を低減できる。所定のタイミングとは、請求項１に係る発明ではクラッチが非連結となるタイミングであり、請求項２に係る発明ではクラッチが非連結となってから再び連結するまでの間である。
また、モータの回転速度を減速させる際にエンジンの燃焼サイクルを予測する必要がないため、エンジンの情報（例えばクランク角位置、燃料供給データ等）を取り入れるための信号線を増設する必要はなく、その分、コストを抑えることが可能である。

本発明に係るエンジン始動装置の全体構成図である。 クラッチが非連結となるタイミングでモータへの通電を停止した場合のエンジン回転数およびモータ回転数の変化を示すグラフである。 通常のスタータによるクランキング時のエンジン回転数およびモータ回転数の変化を示すグラフである。 （ａ）モータの回転数指令値を変更した場合のエンジン回転数およびモータ回転数の変化を示すグラフ、（ｂ）モータトルクの変化を示すグラフである。 実施例４、５に係るエンジン回転数およびモータ回転数のグラフである。 モータの角移動量が小さいときのエンジン回転数を示すグラフである。 モータの角移動量が大きいときのエンジン回転数を示すグラフである。

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１は、図１に示すように、モータ３の回転力によってエンジンをクランキングするスタータ２と、モータ３の動作を制御するモータ制御装置４とを備える。スタータ２は、モータ３の他に、以下に説明するピニオン５、減速機（図示せず）、クラッチ６、ソレノイド（図示せず）などを備える。
ピニオン５は、モータ３に駆動される出力軸７の軸上にヘリカルスプライン嵌合して出力軸７の軸上を移動可能に配置され、出力軸７上を反モータ方向（図示左方向）へ移動して、エンジンのクランク軸に連結されるリングギヤ８に噛み合うことができる。

減速機は、例えば、遊星歯車装置によって構成され、モータ３の回転速度を所定の減速比で減速する。クラッチ６は、モータ３とピニオン５との間に配置されて、モータ３からピニオン５へトルクを伝達する際に連結し、ピニオン５がエンジンにより回された時に非連結となってトルクの伝達を遮断する一方向クラッチである。
ソレノイドは、電磁力によってピニオン５を反モータ方向へ押し出す働きを有する。
モータ３は、ステータ巻線３ａに三相交流が印加されて回転磁界を発生し、その回転磁界に連れてロータ（図示せず）が回転する交流モータである。

モータ制御装置４は、バッテリＶの直流電圧を交流電圧に変換してモータ３に印加する周知のインバータであり、ＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴ等のスイッチング素子４ａと、モータ３へ流れる電流をフィードバックしてスイッチング素子４ａのオンオフ動作を制御する制御回路４ｂとを有する。
このモータ制御装置４は、エンジンＥＣＵ（図示せず）より出力されるエンジン始動信号を受けてモータ３への通電を開始した後、所定のタイミングでモータ３の回転速度を減速させるモータ減速制御を行う。以下、「モータ３の回転速度を減速させる」を「モータ３を減速させる」と略して言う。

以下、モータ制御装置４によるモータ減速制御について説明する。
モータ制御装置４は、クランキングが開始された後、クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１（図２、４参照）を予測し、そのタイミングｔ１でモータ３を減速させる。モータ３を減速させる具体例として、例えば、図２に示すように、時刻ｔ１でモータ３への通電を停止して減速させる方法がある。あるいは、図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１でモータ３の回転数指令値をＡからＢ（但し、Ａ＞Ｂ）へ変更してモータ３を駆動する方法がある。これにより、同図（ｂ）に示すように、モータ３の回転方向に対し逆向きのトルク（負のトルク）が発生する、つまり、モータ３に制動トルクが付与される。

クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１は、例えば、図４に示すように、モータ３の回転数指令値（図中Ａ）を一定に制御している時に、同図（ｂ）に示すように、モータ３のトルクの傾きが正から負へ変化するピーク時のタイミング（図中の丸印）から予測できる。あるいは、モータ３のトルク指令値を一定に制御している時に、同図（ａ）に示すように、モータ３の回転数が減少から上昇へ変化するタイミング（図中の丸印）から予測することもできる。

〔実施例１の作用及び効果〕
バッテリＶの直流電圧で駆動される通常のスタータでは、図３に示すように、クランキングの際にエンジンの膨張行程でエンジン回転数（ｒｐｍ）が減速後のモータ回転数を上回ることでクラッチ６が非連結となる。その後、エンジンの圧縮行程でエンジン回転数が低下する間にモータ回転数が上昇してエンジン回転数に追いつくことによりクラッチ６が連結する。その後、ピニオン５がリングギヤ８とのバックラッシュを移動し、エンジン回転数とモータ回転数との相対速度差が大きい状態でピニオン５の歯とリングギヤ８の歯の当接面が入れ替わる。このため、ピニオン５の歯面がリングギヤ８の歯面に当たる時の歯打ち音が大きくなり、且つ、ギヤ同士の摩擦も増大するため、ピニオン５およびリングギヤ８の耐久性が低下する。

これに対し、実施例１のエンジン始動装置１は、スタータ２によりクランキングが開始された後、クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１でモータ３を減速させる。例えば、モータ３への通電を停止する場合は、図２に示すように、図中ｔ１でクラッチ６が非連結となった後、破線で示すモータ回転数が次第に低下するため、実線で示すエンジン回転数とモータ回転数との相対速度差が小さい状態でピニオン５の歯とリングギヤ８の歯の当接面が入れ替わる。その結果、ピニオン５がリングギヤ８の歯面に当接する時の衝撃が緩和されるため、通常のスタータと比較してピニオン５とリングギヤ８との歯打ち音を低減でき、且つ、ギヤ同士の摩擦も抑制できるので、ピニオン５およびリングギヤ８の耐久性も向上する。

また、モータ３に逆向きのトルクを発生させる場合は、図４（ａ）に示すように、最初の圧縮行程における最小回転数Ｒ１より回転数指令値Ｂを低く設定することで、少なくとも最初の圧縮行程でエンジン回転数が低下した際にクラッチ６が連結することはない。その結果、モータ３への通電を停止する場合よりクラッチ６の連結時間を短くできるので、ピニオン５とリングギヤ８との歯打ち音の発生期間を短くでき、且つ、ピニオン５およびリングギヤ８の耐久性を更に向上できる。
また、クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１でモータ３への通電を停止する、あるいは、モータ３に逆向きのトルクを発生させる場合に、エンジンの燃焼サイクルを予測する必要がない。このため、モータ制御装置４にエンジンのクランク角位置や燃料供給データ等の情報を与える必要がないので、余計な信号線を増設する必要がなく、その分、コストを抑えることができる。

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て詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
この実施例２は、クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１（図２、４参照）でモータ３への通電を停止した後、クラッチ６が連結したと推定され、且つ、モータ３の回転数が所定の回転数まで低下した時に、再びモータ３への通電を開始する事例である。所定の回転数とは、例えば、エンジンが完爆可能な最低回転数である。

この実施例２では、モータ３の回転数が所定の回転数に低下するまでモータ３への通電を行わないので、ピニオン５とリングギヤ８との歯打ち音の発生期間を短くできる。また、ギヤ同士の摩擦も低減できるので、ピニオン５およびリングギヤ８の耐久性が向上する。
さらに、クラッチ６が連結した後、モータ３の回転数が所定の回転数まで低下した時にモータ３への通電を開始するので、エンジンの始動を確実に行うことができる。なお、クラッチ６が非連結の状態から連結すると、モータ３の回転数の減速度が変化するので、そのモータ３の回転数の変化からクラッチ６の連結を推定できる。

〔実施例３〕
この実施例３は、モータ３に逆向きのトルクを発生させるために回転数指令値をＡからＢへ変更した後、クラッチ６が連結したと推定される場合に、再びモータ３の回転数を上昇させる事例である。
図４（ａ）に示す時刻ｔ１でクラッチ６が非連結となった後、エンジンが最初の圧縮行程で初爆が起きないと、例えば、次回の圧縮行程でエンジン回転数がモータ３の回転数指令値Ｂまで低下してクラッチ６が連結することがある。そこで、モータ３が回転数指令値Ｂで駆動されている際に、クラッチ６が連結したと推定される場合は、再びモータ３の回転数を上昇させることにより確実にエンジンを始動できる。

また、エンジンの温度に相関する物理量を取得して、その取得した物理量が低温域に設定される第１の閾値より小さい場合、あるいは、高温域に設定される第２の閾値より大きい場合にモータ３の回転数指令値Ｂを低く設定することもできる。エンジンに相関する物理量の具体例としてモータ３の温度がある。
エンジンの温度（例えば、冷却水温度）を取得できるときは、その温度が第１の閾値より低い場合、あるいは、第２の閾値より高い場合にモータ３の回転数指令値Ｂを低く設定することもできる。

取得した物理量が第１の閾値より小さい場合、つまり、エンジンの温度が第１の閾値より低い場合は、オイル粘度が高くなることでフリクションロスが大きくなる。一方、エンジンの温度が第２の閾値より高い場合は、エンジンの熱膨張によってフリクションロスが大きくなる。このため、取得した物理量が第１の閾値より小さい場合、あるいは、第２の閾値より大きい場合は、モータ３の回転数指令値Ｂを低く設定することで、最初の圧縮行程におけるエンジンの最小回転数Ｒ１が低下した際に、クラッチ６が連結することを回避できる。

〔実施例４〕
この実施例４は、クラッチ６が非連結となった後、再び連結するまでの間にモータ３の減速を開始する事例である。
具体的には、図５に示すように、クラッチ６が非連結となってから再び連結するまでの時間Ｔ（以下、クラッチ６の非連結時間Ｔと呼ぶ）を予め計測し、その計測した時間より短い所定の時間を待機時間としてタイマーに設定する。
モータ制御装置４は、クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１でタイマーを作動させ、このタイマーで計測される時間が待機時間に到達したことを確認してモータ３を減速させる。これにより、クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１でモータ３を減速する場合と比較して、モータ３の減速を開始するときのエンジン回転数が高くなるため、エンジンの始動時間を短くすることが可能である。

ところで、クラッチ６の非連結時間Ｔは、モータ３への通電開始からクラッチ６が非連結となるタイミングまでのモータ３の角移動量によって異なる。具体的には、図６及び図７に示すように、モータ３の角移動量Δθが大きい時の方が小さい時よりクラッチ６の非連結時間Ｔが長くなる。このため、モータ３の角移動量が大きい時に設定される待機時間をそのままモータ３の角移動量が小さい場合に適用すると、待機時間がクラッチ６の非連結時間Ｔより長くなって、クラッチ６が連結する前にモータ３の減速を開始できないことがある。そこで、モータ３の角移動量が大きい程、待機時間を長く設定することにより、モータ３の角移動量が大きい場合でも、クラッチ６が連結するまでに確実にモータ３の減速を開始できる。

〔実施例５〕
この実施例５は、クラッチ６が非連結となった後、再び連結するまでの間にモータ３の減速を開始する他の事例である。
具体的には、図５に示すように、クラッチ６が非連結となった時のモータ回転数ω１と、クラッチ６が再び連結した時のモータ回転数ω２とを予め計測し、ω２とω１との差Δωより小さい所定の回転数をω１に加算した回転数を待機回転数として設定する。
モータ制御装置４は、クラッチ６が非連結となった後、モータ３の回転数が待機回転数に到達したことを確認してモータ３を減速させる。これにより、クラッチ６が非連結となるタイミングｔ１でモータ３を減速させる場合と比較して、モータ３の減速を開始するときのエンジン回転数が高くなるため、エンジンの始動時間を短くすることが可能である。
また、モータ３への通電開始からクラッチ６が非連結となるタイミングまでのモータ３の角移動量が大きい程、待機回転数を大きく設定することもできる。これにより、モータ３の角移動量が大きい場合でも、クラッチ６が連結するまでに確実にモータ３の減速を開始できる。

〔変形例〕
実施例１に記載したモータ３は、交流電圧の周波数に応じて回転速度を可変する交流モータであるが、本発明は直流モータを使用することもできる。この場合、モータ制御装置４は、スイッチング素子４ａのオンオフ動作をＰＷＭ制御して、直流モータに印加する直流電圧を任意の電圧に変換することで直流モータの回転速度を可変する。
実施例１では、モータ制御装置４がインバータを構成する事例を説明したが、モータ制御装置４をインバータと別に構成することもできる。また、モータ制御装置４が直接エンジン情報を受け取る構成でも良い。
実施例４、５では、モータ３の角移動量に替えて、角移動量に関連したモータ３の消費電力を基に待機時間、待機回転数を設定しても良い。また、モータ制御装置４がエンジンの初期クランク角度を取得できる場合は、その初期クランク角度に基づいて待機時間、待機回転数を設定することもできる。

１ エンジン始動装置 ２ スタータ
３ モータ ４ モータ制御装置
５ ピニオン ６ クラッチ
８ リングギヤ

Claims (16)

1. モータ（３）とピニオン（５）との間にクラッチ（６）を有し、前記モータが回転して前記クラッチが連結することで前記モータの回転が前記ピニオンに伝達されるスタータ（２）と、
   前記モータの動作を制御するモータ制御装置（４）とを備え、
   エンジンのクランク軸に連結されるリングギヤ（８）に前記ピニオンを噛み合わせ、前記モータの回転が前記クラッチを介して前記ピニオンに伝達されて前記リングギヤを回転させることで前記エンジンをクランキングして完爆させるエンジン始動装置（１）であって、
   前記モータ制御装置は、前記クランキングの開始から前記エンジンの完爆までの期間において、前記エンジンで繰り返される膨張および圧縮の１サイクルごとに、前記クラッチが非連結となるタイミング（ｔ１）で、一旦、前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
2. モータ（３）とピニオン（５）との間にクラッチ（６）を有し、前記モータが回転して前記クラッチが連結することで前記モータの回転が前記ピニオンに伝達されるスタータ（２）と、
   前記モータの動作を制御するモータ制御装置（４）とを備え、
   エンジンのクランク軸に連結されるリングギヤ（８）に前記ピニオンを噛み合わせ、前記モータの回転が前記クラッチを介して前記ピニオンに伝達されて前記リングギヤを回転させることで前記エンジンをクランキングして完爆させるエンジン始動装置（１）であって、
   前記モータ制御装置は、前記クランキングの開始から前記エンジンの完爆までの期間において、前記エンジンで繰り返される膨張および圧縮の１サイクルごとに、前記クラッチが非連結となってから再び連結するまでの間に、一旦、前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項１または２に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータの通電を停止することで前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項１または２に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータの回転方向に対して逆向きのトルクを発生させることで前記モータの回転速度を減速させ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、
   前記モータ制御装置は、前記モータのトルク指令値を一定に制御した時に、前記モータの回転数の変化から前記クラッチが非連結となるタイミングを予測することを特徴とするエンジン始動装置。
6. 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、
   前記モータ制御装置は、前記モータの回転数指令値を一定に制御した時に、前記モータのトルクの変化から前記クラッチが非連結となるタイミングを予測することを特徴とするエンジン始動装置。
7. 請求項３に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータへの通電を停止した後、前記クラッチが連結したと推定され、且つ、前記モータの回転数が所定の回転数まで低下した時に前記モータへの通電を再開することを特徴とするエンジン始動装置。
8. 請求項３に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータへの通電を停止した後、前記クラッチが連結したと推定される時に前記モータへの通電を再開することを特徴とするエンジン始動装置。
9. 請求項４に記載したエンジン始動装置において、
   前記モータ制御装置は、前記モータに逆向きのトルクを発生させた後、最初のエンジン圧縮行程における最小回転数より低い所定回転数を指令値として前記モータを駆動することを特徴とするエンジン始動装置。
10. 請求項９に記載したエンジン始動装置において、
    前記モータ制御装置は、前記エンジンの温度と相関を持った物理量が低温域に設定される第１の閾値より小さい場合あるいは高温域に設定される第２の閾値より大きい場合に前記指令値を低く設定することを特徴とするエンジン始動装置。
11. 請求項９または１０に記載したエンジン始動装置において、
    前記モータ制御装置は、前記モータが前記指令値で駆動されて前記クラッチが連結したと推定される場合に、再び前記モータの回転数を上昇させることを特徴とするエンジン始動装置。
12. 請求項８または１１に記載したエンジン始動装置において、
    前記モータ制御装置は、前記モータの回転数またはトルクの変化から前記クラッチが連結したと推定することを特徴とするエンジン始動装置。
13. 請求項２に記載したエンジン始動装置において、
    前記クラッチが非連結となってから再び連結するまでの時間（Ｔ）を予め計測し、その計測した時間より短い所定の時間を待機時間として設定するタイマーを備え、
    前記モータ制御装置は、前記クラッチが非連結となるタイミングで前記タイマーを作動させ、このタイマーで計測される時間が前記待機時間に到達したことを確認して前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
14. 請求項２に記載したエンジン始動装置において、
    前記クラッチが非連結となった時の前記モータの回転数ω１と、前記クラッチが再び連結した時の前記モータの回転数ω２とを予め計測すると共に、前記ω２と前記ω１との差Δωより小さい所定の回転数を前記ω１に加算した回転数を待機回転数として設定し、
    前記モータ制御装置は、前記クラッチが非連結となった後、前記モータの回転数が前記待機回転数に到達したことを確認して前記モータの回転速度を減速させることを特徴とするエンジン始動装置。
15. 請求項１３に記載したエンジン始動装置において、
    前記モータ制御装置は、前記モータへの通電開始から前記クラッチが非連結となるタイミングまでの前記モータの角移動量が大きい程、前記待機時間を長く設定することを特徴とするエンジン始動装置。
16. 請求項１４に記載したエンジン始動装置において、
    前記モータ制御装置は、前記モータへの通電開始から前記クラッチが非連結となるタイミングまでの前記モータの角移動量が大きい程、前記待機回転数を大きく設定することを特徴とするエンジン始動装置。
    

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