JP6565618B2 - エンジン始動装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、エンジンが停止した状態で電磁スイッチのソレノイドに通電してピニオンを押し出す予備過程を行い、その後、発進時にモータを回転させてピニオンをリングギヤに噛み合わせることでエンジンの再始動を行う方法が開示されている。
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、ピニオンがリングギヤに当接する際に生じる当接音およびピニオンとリングギヤとの噛み合い時に生じる噛み合い音を低減できるエンジン始動装置を提供することにある。
実施例1のエンジン始動装置は、図1に示すように、回転力を発生してエンジン1の始動を行う第1の始動機2と第2の始動機3を備える。
第1の始動機2は、例えば、電動機及び発電機として機能するモータジェネレータであり、ロータ軸2aとエンジン1のクランク軸1aとが互いのプーリ(図示せず)に掛け渡されるベルト4を介して連結される。電動機として働くモータジェネレータは、インバータ5(図3参照)よりステータ巻線2bに三相交流が印加されて回転磁界を発生し、その回転磁界にロータ(図示せず)が吸引されて回転する。
インバータ5は、図3に示すように、バッテリ6に接続される複数のスイッチング素子5aと、スイッチング素子5aのオンオフ動作を制御する制御回路5bとを有し、バッテリ6の直流を交流に変換して周波数を変えることにより第1の始動機2の回転数を任意に制御できる。
ピニオン押出機構は、ソレノイドSLを内蔵する電磁スイッチ11によって構成される。電磁スイッチ11は、ソレノイドSLが発生する電磁力によりプランジャ12を駆動し、このプランジャ12に連結されるレバー13を介してピニオン9を押し出すと共に、モータ回路に設けられるメイン接点14を開閉してモータ電流をオンオフする働きを有する。
実施例1のエンジン始動装置は、二つの始動機(第1の始動機2と第2の始動機3)によってエンジン1の始動を行う。すなわち、エンジン1の始動要求が発生して第1の始動機2及び第2の始動機3に対し駆動指令が出力されると、第1の始動機2がクランク軸1aを回転させ、第2の始動機3がソレノイドSLの電磁力によりピニオン9を押し出してリングギヤ10に噛み合わせる。この時、第1の始動機2は、エンジン1が最初の圧縮上死点を乗り越すのに必要な初回乗り越しトルクより小さいトルクでクランク軸1aを回転させる。第2の始動機3は、図2に示すように、ピニオン9がリングギヤ10に噛み合った状態でメイン接点14を閉成する。言い換えると、ピニオン9がリングギヤ10に噛み合うまでの間、メイン接点14が閉成することはない。
ここで、第1の始動機2のロータ軸2aに掛かる慣性モーメントは、第2の始動機3の出力軸8に掛かる慣性モーメントより大きいので、モータ7によりピニオン9を回転させる従来スタータと比較してピニオン9とリングギヤ10との相対回転数差を小さくできる。その結果、ピニオン9がリングギヤ10に噛み合う時の衝撃が低減されて噛み合い音を小さくできる。
さらに、第1の始動機2は、エンジン1の初回乗り越しトルクより小さいトルクでクランク軸1aを回転させるので、第1の始動機2の体格を小さくすることが可能である。
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〕
実施例2では、エンジン1の始動要求により第1の始動機2及び第2の始動機3が動作を開始してピニオン9がリングギヤ10に噛み合うまでの流れを図5に示すフローチャートに沿って説明する。第1の始動機2及び第2の始動機3の動作タイミングは、制御装置であるECU15(図4参照)によって制御される。
下記のステップS1〜S10は、図5に示すフローチャートの各ステップに付したS1〜S10に該当する。
ステップS1…クランク軸1aの回転が停止している、つまりエンジン回転数=0であることを確認してステップS2へ進む。
ステップS2…エンジン1の始動要求が発生したか否かを判定する。始動要求が発生した時(判定結果YES)にステップS3へ進む。
ステップS4…第1の始動機2が動作を開始する。この時、第1の始動機2は、エンジン1が最初の圧縮上死点を乗り越すのに必要な初回乗り越しトルクより小さいトルクでクランク軸1aを回転させる。
ステップS5…第1の始動機2に発生する回転力がクランク軸1aに伝達されてリングギヤ10が回転する。
ステップS6…第2の始動機3に対する駆動指令を出力する。
ステップS7…電磁スイッチ11のソレノイドSLに通電される。
ステップS8…ソレノイドSLが発生する電磁力によりレバー13が駆動されてピニオン9が押し出される。
また、ECU15は、第1の始動機2に対する駆動指令と、第2の始動機3に対する駆動指令とを同一タイミングで出力することもできる。
上記のように、第1の始動機2と第2の始動機3の動作タイミングを一つのECU15が制御するので、エンジン1の始動要求に応答して速やかにピニオン9をリングギヤ10に噛み合わせることができる。
実施例3のエンジン始動装置は、バッテリ6からソレノイドSLに通電する二系統の通電ラインを有し、その通電ラインを切り替えることでソレノイドSLが発生する電磁力を可変する一例である。
ソレノイドSLは、図7に示すように、直列に接続される第1コイル16と第2コイル17とを有する。ソレノイドSLへの通電ラインは、第1コイル16のみ通電する第1の通電ラインL1と、第1コイル16と第2コイル17の両方に通電する第2の通電ラインL2とが設けられる。
第1の通電ラインL1と第2の通電ラインL2には、それぞれ電磁石によって接点を開閉する機械式スイッチが設けられ、ECU15より出力される制御信号によって電磁石のオンオフ状態が制御される。以下、第1の通電ラインL1に設けられる機械式スイッチを通常始動用スイッチ18と呼び、第2の通電ラインL2に設けられる機械式スイッチを低温始動用スイッチ19と呼ぶ。
ステップS1…クランク軸1aの回転が停止している、つまりエンジン回転数=0であることを確認してステップS2へ進む。
ステップS2…エンジン1の始動要求が発生したか否かを判定する。始動要求が発生した時(判定結果YES)にステップS3へ進む。
ステップS3…第1の始動機2が実質的に動作できない低温状態であるか否かを判定する。第1の始動機2が実質的に動作できない低温状態とは、第1の始動機2が正常に動作できる動作温度の下限値より低い温度状態を言う。判定結果がNO(第1の始動機2が正常に動作できる温度)の場合はステップS4へ進み、判定結果がYESの場合はステップS5へ進む。
ステップS5…低温始動用スイッチ19をオン制御してステップS9へ進む。
ステップS6…第1の始動機2に対する駆動指令を出力する。
ステップS7…第1の始動機2が動作を開始する。
ステップS8…第1の始動機2に発生する回転力がクランク軸1aに伝達されてリングギヤ10が回転する。
ステップS9…第2の始動機3に対する駆動指令を出力する。
ステップS11…ソレノイドSLが発生する電磁力によりレバー13が駆動されて、ピニオン9がリングギヤ10に向けて押し出される。
ステップS12…ピニオン9とリングギヤ10との噛み合い判定を行う(実施例1と同じ)。
ステップS13…ピニオン9とリングギヤ10との噛み合いが完了する(実施例1と同じ)。
ここで、低温始動用スイッチ19をオンした状態で生じるソレノイドSLの電磁力は、ピニオン9がリングギヤ10に当接した後、ドライブスプリングを圧縮しながらプランジャ12を吸引してメイン接点14を閉成できるだけの強さを有する。これにより、第1の始動機2がクランク軸1aを回転できなくても、ピニオン9がモータ7に駆動されてリングギヤ10と噛み合い可能な位置まで回転することでリングギヤ10に噛み合うことができる。
実施例3の通常始動用スイッチ18および低温始動用スイッチ19は、図7に示す機械式スイッチに替えて、図9に示す半導体スイッチを用いることもできる。
実施例4は、図10に示すように、ソレノイドSLの通電ラインLに半導体スイッチ20を設け、その半導体スイッチ20のオンオフ動作をPWM制御することでソレノイドSLが発生する電磁力を可変する一例である。
実施例4の動作手順を図11に示すフローチャートを基に説明する。
ステップS1〜S3は実施例3と同じである。
ステップS4…半導体スイッチ20を駆動するPWM信号のデューティ比を小さくする。
ステップS5…半導体スイッチ20を駆動するPWM信号のデューティ比を大きくする。
ステップS6〜S13は実施例3と同じである。
また、低温状態であるか否かを判定する代わりに、第1の始動機2に対する駆動指令が出力されたにも係わらず、第1の始動機2が動作しない、あるいはクランク軸1aが回転しないことを検出した時にPWM信号のデューティ比を大きくすることも有効である。
実施例5に示すエンジン始動装置は、第2の始動機3をタンデムソレノイドスタータとする一例である。
タンデムソレノイドスタータは、図12に示すように、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14を開閉するためのソレノイドSL2とを有し、図13に示すECU15によって両ソレノイドSL1、SL2の動作を独立に制御できる。
ECU15は、エンジン1の始動要求が発生すると、第1の始動機2とソレノイドSL1に対し駆動指令を出力し、ピニオン9がリングギヤ10に噛み合った後、ソレノイドSL2に対し駆動指令を出力する。
本発明のエンジン始動装置は、第1の始動機2に直流モータを使用する構成でも良い。
実施例2では、第1の始動機2の動作タイミングと第2の始動機3の動作タイミングとをECU15が制御しているが、両始動機2、3の動作タイミングをインバータ5によって管理することも可能である。
2 第1の始動機 3 第2の始動機
5 インバータ 7 モータ
9 ピニオン 10 リングギヤ
11 電磁スイッチ 15 ECU(制御装置)
18 通常始動用スイッチ(切替スイッチ)
19 低温始動用スイッチ(切替スイッチ)
20 半導体スイッチ SL ソレノイド
L1 第1の通電ライン L2 第2の通電ライン
Claims (12)
- エンジン(1)のクランク軸(1a)に連結されて回転力を発生することで前記クランク軸を駆動できる第1の始動機(2)と、
ソレノイド(SL)が発生する電磁力によってピニオン(9)を前記エンジンのリングギヤ(10)に向けて押し出す機能を有する第2の始動機(3)とを備え、
前記エンジンをクランキングする際に最初の圧縮上死点を乗り越すのに必要なトルクを初回乗り越しトルクと呼び、
前記エンジンの始動要求が発生した時に、前記第1の始動機が前記クランク軸を前記初回乗り越しトルクより小さいトルクで回転させ、前記第2の始動機が前記ピニオンを前記リングギヤに向けて押し出し、
前記第1始動機が与える、初回乗り越しトルクより小さいトルクにより前記リングギヤが回転することで前記ピニオンが前記リングギヤに噛み合うことを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項1に記載したエンジン始動装置において、
前記第1の始動機は、電源周波数に応じて回転数を可変する交流機であり、前記交流機に印加する周波数を可変するインバータ(5)を有し、
このインバータは、バッテリ(6)に接続される複数のスイッチング素子(5a)と、これらのスイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御回路(5b)とを有し、前記バッテリの直流を交流に変換して周波数を変えることにより前記第1の始動機の回転数を制御することを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項2に記載したエンジン始動装置において、
前記インバータは、前記エンジンの始動要求に応答して前記第1の始動機の動作タイミングと前記第2の始動機の動作タイミングとを制御する機能を有することを特徴とするエンジン始動装置。 - 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、
前記エンジンの始動要求に応答して前記第1の始動機の動作タイミングと前記第2の始動機の動作タイミングとを制御する制御装置(15)を有することを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項4に記載したエンジン始動装置において、
前記制御装置は、前記第1の始動機の回転数または前記回転数に相関する物理量に基づいて前記ピニオンが前記リングギヤに噛み合ったか否かを判定することを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項4に記載したエンジン始動装置において、
前記制御装置は、前記ソレノイドに通電された後、一定時間経過した時点で前記ピニオンが前記リングギヤに噛み合ったと判定することを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項2に記載したエンジン始動装置において、
前記エンジンの始動要求に応答して前記第1の始動機の動作タイミングと前記第2の始動機の動作タイミングとを制御する制御装置(15)を有し、
前記制御装置は、前記インバータが前記第1の始動機の動作制御のために管理している物理量に基づいて前記ピニオンが前記リングギヤに噛み合ったか否かを判定することを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項4〜7のいずれか一項に記載したエンジン始動装置において、
前記第2の始動機は、前記ピニオンを回転駆動するモータ(7)を有し、
前記制御装置は、前記第1の始動機が前記クランク軸を回転できない状態を検出した時に、前記ソレノイドが発生する電磁力を大きくして前記ピニオンを前記エンジンのリングギヤに向けて押し出すことを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項4〜7のいずれか一項に記載したエンジン始動装置において、
前記第2の始動機は、前記ピニオンを回転駆動するモータ(7)を有し、
前記第1の始動機が正常に動作できる動作温度の下限値が設定され、
前記制御装置は、前記第1の始動機の温度に関し、前記動作温度の下限値より低い温度を検出した時に、前記ソレノイドが発生する電磁力を大きくして前記ピニオンを前記エンジンのリングギヤに向けて押し出すことを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項8または9に記載したエンジン始動装置において、
前記ソレノイドのコイル巻き数が少ない状態で通電する第1の通電ライン(L1)と、
前記ソレノイドのコイル巻き数が多い状態で通電する第2の通電ライン(L2)と、
前記第1の通電ラインと前記第2の通電ラインのどちらか一方を選択的に切り替える切替スイッチ(18、19)とを有し、
前記制御装置は、前記切替スイッチの動作を制御して前記第1の通電ラインから前記第2の通電ラインへ切り替えることで前記ソレノイドが発生する電磁力を大きくすることを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項8または9に記載したエンジン始動装置において、
前記ソレノイドの通電ライン(L)に設けられる半導体スイッチ(20)を有し、
前記制御装置は、前記半導体スイッチのオンオフ動作をPWM制御して前記ソレノイドが発生する電磁力を大きくすることを特徴とするエンジン始動装置。 - 請求項8〜11のいずれか一項に記載したエンジン始動装置において、
前記第2の始動機は、前記モータの通電経路に設けられるメイン接点(14)を開閉して前記モータへの通電をオンオフする機能と、前記ピニオンを前記リングギヤに向けて押し出す機能とを独立して制御できるタンデムソレノイドスタ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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