JPH03138453A - エンジンの始動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はエンジンの始動制御装置に関し、特にスタータ
用電動機及び発電機として兼用されるセルタネータを備
えたエンジンの始動制御装置に関するものである。

〔従来技術〕

最近、例えば特開昭６１−５４９４９号公報に記載され
ているように、スタータ用電動機と発電用オルタネータ
との両方の機能を備えたセルタネータが自動用エンジン
に対して実用化されている。

このセルタネータは、一般に、エンジンのフライホイー
ルの外周部に設けた回転界磁極と回転界磁極の径方向内
側のフィールドコアに巻装され回転界磁極を励磁するフ
ィールドコイルと回転界磁極の径方向外側に設けられた
ステータとステータに巻装された３相のステータコイル
とを含むセルタネータ本体と、このセルタネータ本体を
エンジンの始動時には始動用電動機として作動させまた
エンジンの運転中には発電機として作動させるように制
御する制御装置とを備えたものである。

上記セルタネータをスタータ用電動機として作動させる
場合には、回転界磁極の位相に対応する回転磁界が発生
ずるように３相のステータコイルへ制御された３相励磁
電流を供給する必要があり、回転界磁極の位相に対する
回転磁界の位相を最適の位相に設定したときに最適トル
クが得られる。

また、セルタネータを発電機として作動させる場合には
、ステータコイルで発生した発電電流を整流回路を介し
て取出すのみで、ステータコイルを制御する必要はない
。

ここで、セルタネータによってエンジンを始動させる場
合、先ずセルタネータを自起動させて位相制御用基準位
置検出の為の自起動制御が実行され、自起動により基準
位置検出後回転界磁極の位相に対するステータコイルの
回転磁界の位相を最適位相にする位相制御が実行される
。

上記自起動制御は、ステータコイルへ供給する３相励磁
電流の位相を一定周波数で変化させるもので、回転界磁
極の位相に対応させることなくステータコイルを駆動す
る制御であるが、この自起動制御ではステータコイルの
回転磁界の位相が最適に設定されないことから、エンジ
ンの出力軸の回転数は５０ｒｐｍ程度になるだけである
。

上記自起動制御によってセルタネータが起動すると、基
準位置検出用センサからの信号により回転界磁極の基準
位置が確定するので、回転界磁極の位相に対するステー
タコイルの回転磁界の位相が最適位相となるように制御
する位相制御が実行され、これにより最適トルクでエン
ジンが確実に始動されることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記エンジンの始動時にセルタネータを自起動させると
きの自起動周波数とエンジン回転数と出力トルクとの関
係は、第８図のようになるが、自起動によるエンジン回
転数（約、５０ｒｐｍ）では自起動周波数が低くなる程
セルタネータの出力トルクは大きくなる。

一方、自動車用エンジンでは、バッテリからセルタネー
タのフィールドコイル及びステータコイルに給電するこ
とになるが、第９図に示すようにバッテリ電圧は充電の
程度に応じて大小変動しており、バッテリ電圧の低下に
応じてセルタネータの出力トルクが低下する。

しかし、従来のセルタネータでは、始動時の自起動周波
数をバッテリ電圧とは無関係に所定の周波数に設定する
ようになっていたので、バッテリ電圧が低下している場
合には、セルタネータの出力トルクが不足してエンジン
の始動が困難になるという問題があった。

本発明の目的は、バッテリ電圧に応じて自起動周波数を
設定することにより始動確実性を高めたエンジンの始動
制御装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るエンジンの始動制御装置は、エンジンのフ
ライホイールの外周部に設けた回転界磁極と回転界磁極
の径方向内側のフィールドコアに巻装され回転界磁極を
励磁するフィールドコイルと回転界磁極の径方向外側に
設けられたステータとステータに巻装された３相のステ
ータコイルとを含むセルタネータ本体と、このセルタネ
ータ本体をエンジンの始動時には始動用電動機として作
動させまたエンジンの運転中には発電機として作動させ
るように制御する制御手段とを有するセルタネータを備
えたエンジンにおいて、上記フィールドコイル及びステ
ータコイルへ給電するバッテリと、上記バッテリの電圧
を検出する電圧検出手段と、上記電圧検出手段の出力を
受け、エンジンの始動時にセルタネータ本体を自起動さ
せるときの自起動周波数をバッテリ電圧の低下に応じて
低くなるように設定する自起動周波数設定手段とを備え
たものである。

〔作用〕

本発明に係るエンジンの始動制御装置においては、エン
ジンの始動時セルタネータでエンジンを始動させるとき
には、バッテリからフィールドコイルとステータコイル
へ給電され、電圧検出手段によってバッテリの電圧が検
出される。

自起動周波数設定手段は、上記電圧検出手段の出力を受
け、エンジンの始動時に自起動周波数をバッテリ電圧の
低下に応じて低くなるように設定するので、バッテリ電
圧が低下したときにも始動に必要な出力トルクが発生し
エンジンの始動不良を招くことがない。

〔発明の効果〕

本発明に係るエンジンの始動制御装置によれば、上記〔
作用〕の項で説明したように、電圧検出手段と自起動周
波数設定手段とを設け、バッテリ電圧の低下に応じてセ
ルタネータの自起動周波数を低く設定することにより、
バッテリ電圧が低下したときにも始動に必要な出力トル
クが発生し、エンジンの始動不良を招くことがない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

本実施例は、自動車用立型４気筒エンジンであって、ス
タータ用電動機及び発電機として兼用されるセルタネー
タを組込んだエンジンに本発明を適用した場合の一例で
ある。

上記セルタネータは、第４図に示すようにエンジンＥに
組込まれたセルタネータ本体１と、コントロールユニッ
ト２と、インバータ３と、フィールドコイルコントロー
ラ４などを備えている。

上記セルタネータ本体１について説明する。

第１図〜第３図に示すように、セルタネータ零体１は、
エンジンＥのクランク軸１０の軸端に固着されたフライ
ホイール１１の外周部に設けられた回転界磁極１２と、
その径方向内側においてエンジン本体１３に固定的に設
けられたフィールドコア１４及びこのフィールドコア１
４に巻装されたフィールドコイル１５と、回転界磁極１
２の径方向外側においてエンジン本体１３に固定的に設
けられたステータコア１６及びこのステータコア１６に
巻装されたＵ相・Ｖ相・Ｗ相の３相のステータコイル１
７などで構成されている。

上記回転界磁極１２は、第２図に示すようにフライホイ
ール１１の外周部に周方向に所定間隔おきにエンジン本
体１３側へ向けて一体形成された多数の爪２０ａを有す
る第１ボールコア２０と、この第１ポールコア２０の冬
瓜２０ａの間に夫々位置し且つエンジン本体１３と反対
側へ向く多数の爪２１ａを有する第２ポールコア２１と
、第１及び第２ポールコア２０・２１を両者の爪２０ａ
・２１ａの先端部内側で結合する非磁性リング２２とで
構成されている。

上記フィールドコイル１５が巻装されるフィールドコア
１４は磁゛界を遮断するアルミ製プレート１８を介して
エンジン本体１３の端面に固定され、フィールドコア１
４の外周面が回転界磁極１２の内周面に接近して対向す
るように、フライホイール１１の径方向外側部分のエン
ジン本体１３側に凹設された環状凹陥部１１ａ内にフィ
ールドコイル１５が配設されている。上記フィールドコ
ア１４とフライホイール１１及び回転界磁極１２との各
対向面間には微小隙間が設けられている。

上記ステータコア１６は多数の鋼板を積層してなる環状
体で、第３図に図示のようにその内周側には多数のスリ
ット１６ａが周方向所定間隔おきに全幅に亙って形成さ
れ、このステータコア１６はフライホイール１１の径方
向外側に配設されてエンジン本体１３とフライホイール
ハウジング１９間に挟着された環状枠体２３に固定され
、３相のステータコイル１７（１７ｕ・１７ｖ・１７Ｗ
）はステータコア１６のスリット１６ａに分布巻きにて
巻装され、ステータコア１６の内面面と回転界磁極１２
とが相互に対向して両者間に微小隙間が設けられている
。

尚、上記フライホイール１１は、トルクコンバータ２４
とギヤ部（図示略）とからなる自動変速機Ａの入力部２
５に接続され、またフィールドコイル１５の内部及びス
テータコイル１７の外周部両側には夫々冷却水を流す冷
却水パイプ２６・２７が設けられている。

上記セルタネータ零体ｌは、エンジンＥの始動時にフィ
ールドコイル１５に通電した状態で３相のステータコイ
ル１７に３相の励磁電流を供給することにより３相交流
モータとして機能し、またエンジンＥの運転中はフィー
ルドコイル１５に通０ 電した状態で３相のステータコイル１７で発電する３相
交流発電機として機能する。

次に、セルタネータの制御システムについて説明する。

第４図に示すように、この制御システムは、コントロー
ルユニット２と、フィールドコイル１５に対する通電を
制御するフィールドコイルコントローラ４１と、上記ス
テータコイル１７に対する通電を制御するインバータ３
とを有し、イグニションスイッチ６をＯＮ操作した時に
、バッテリ５から上記コントロールユニット２が直接、
またフィールドコイルコントローラ４及びインバータ３
がリレー７を介して夫々給電されるようになっている。

更に、自動変速機Ａと反対側においてエンジンＥのクラ
ンク軸１０の軸端にはディスクプレート３０が固着され
、このディスクプレート３０の外周部には例えば円周６
等分位置にスリットが形成され、このスリットに対応す
る径方向位置でエンジン本体１３に基準検出用の第１近
接スイツチ８が設けられ、この第１近接スイツチ８から
の信号はアンプ３１で増幅されてからコントロールユニ
ット２へ供給される。第１近接スイツチ８はスリットに
対向しないときには「Ｈ」レベルの信号をまたスリット
に対向したときには「Ｌ」レベルの基準位置信号を出力
する。更に、ディスクプレート３０のスリットよりも内
周側の部分には例えば円周３６０等分位置にスリットが
形成され、このスリットに対応する径方向位置でエンジ
ン本体１３にクランク角検出用の第２近接スイツチ９が
設けられ、この第２近接スイツチ９からの信号はアンプ
３２で増幅されてからコントロールユニット２へ供給さ
れる。第２近接スイツチ９はスリットに対向しないとき
には「Ｈ」レベルの信号をまたスリットに対向したとき
には「Ｌ」レベルのクランク角信号を出力する。

上記コントロールユニット２は、第１及び第２近接スイ
ツチ８・９からの信号を波形整形する波形整形回路、バ
ッテリ５のバッテリ電圧を検出する為のＡ／Ｄ変換器２
ｂであって、イグニション１ ２ スイッチ６のスタータ端子６ｂからの信号線２ａの入力
端子をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２ｂと、入出力イン
タフェイス及びマイクロコンピュータなどを備え、マイ
クロコンピュータのＲＯＭ　（リード・オンリ・メモリ
）には、エンジンＥの始動時にインバータ３を介して３
相のステータコイル１７に下記の自起動周波数設定制御
によって設定された自起動周波数の３相交流を供給して
セルタネータ零体１を自起動させる自起動制御の制御プ
ログラム、上記自起動制御によってセルタネータ本体１
が自起動したときに第１及び第２近接スイツチ８・９か
らの信号を用いて時々刻々回転数が増加しながら回転す
る回転界磁極１２の位相に対するステータコイル１７の
回転磁界の位相が目標位相となるように３相のステータ
コイル１７に回転数に応じて変動する周波数の３相交流
を供給してセルタネータ零体１を最適トルクを出力する
ように作動させる位相制御の制御プログラム、エンジン
Ｅの始動時上記自起動制御によってセルタネータを始動
するときに自起動周波数をバッテリ電圧に応じて設定す
る自起動周波数設定制御の制御プログラム及びそれに付
随する第７図のマツプ、始動時及び発電時にフィールド
コイルコントローラ４を介してフィールドコイル１５へ
の励磁電流を制御する制御プログラム（但し、これは自
起動制御の制御プログラム及び位相制御の制御プログラ
ムに含まれる。）、などが予め入力格納されている。

上記インバータ３について第５図に基いて説明する。

バッテリ５の正極と負極の間には、Ｕ・■・Ｗの３相に
対応する３組の電流制御回路３４ｕ・３４ｖ・３４ｗが
並列に接続され、これら電流制御回路３４ｕ・３４ｖ・
３４ｗには夫々直列接続されたエンハンスメントＭＯ３
形ＦＥＴからなるスイッチング素子３５〜４０が設けら
れ、各スイッチング素子３５〜４０にはバッテリ５の負
極側から正極側へ電流を通過させるように各ダイオード
４１〜４６が並列接続され、各電流制御回路３４Ｕ・３
４ｖ・３４ｗにおけるスイッチング素子３３ ４ ５〜４０間の回路にはステータコイル１７の対応するＵ
相コイル１７ｕ−Ｖ相コイル１７ｖ−Ｗ相コイル１７ｗ
が夫々接続され、各スイッチング素子３５〜４０のゲー
トにはコントロールユニット２からの信号線３５ａ〜４
０ａが接続されている。

エンジンＥの始動時に、フィールドコイル１５に通電し
た状態においてコントロールユニット２からの制御パル
ス信号によりスイッチング素子３５〜４０を所定の組合
せとシーケンスで断続的にＯＮ、ＯＦＦさせることによ
り、ステータコイル１７に３相交流を供給して回転磁界
を発生させ、その回転磁界の磁力を回転界磁極１２に作
用させてフライホイール１１とクランク軸１０をその正
転方向へ回転させ、これによりエンジンＥを始動させる
。つまり、セルタネータは３相交流モータとして機能す
る。

また、エンジンＥの運転中にスイッチング素子３５〜４
０をＯＦＦに保持した状態でフィールドコイル１５によ
り励磁された回転界磁極１２がフライホイール１１と共
に回転すると、ステータコイル１７の３相のコイル１７
ｕ・１７ｖ１７ｗに交流の誘導電流が発生し、それがダ
イオード４１〜４６からなる整流回路で整流されてバッ
テリ５へ供給される。つまり、セルタネータはオルタネ
ータとして機能する。

次に、エンジンＥを始動させるときにコントロールユニ
ット２により実行される自起動周波数設定制御を含む始
動制御について第６図のフローチャートに基いて説明す
る。但し、図中５ｔ（ｉ＝１．２．３、・・・）は各ス
テップを示すものである。

イグニションスイッチ６が投入されてイグニション端子
６ａに接続されると、コントロールユニット２へ通電さ
れて制御が開始し、ＲＡＭ　（ランダム・アクセス・メ
モリ）に対して必要な初期化が実行され（Ｓｌ）、次に
スタータスイッチ信号が信号線２ａからＡ／Ｄ変換器２
ｂを介して読込まれ（Ｓ２）、スタータスイッチ信号が
ＯＮか否か判定され（Ｓ３）、スタータスイッチ信号が
ＯＦＦのうちはＳ２・Ｓ３が繰返されるが、エンジ５ ６ ンＥを始動させる為にイグニションスイッチ６がスター
タ端子６ｂに接続されてスタータスイッチ信号がＯＮに
なると、信号線２ａからＡ／Ｄ変換器２ｂを介してバッ
テリ電圧Ｖｏが読込まれ（Ｓ４）、次に３５において第
７図のマツプを用いて自起動周波数ｆｏが演算・設定さ
れる（Ｓ５）。

第７図は自起動周波数ｆとバッテリ電圧Ｖとをパラメー
タとしてセルタネータの出力トルクの等トルク線Ｔ、〜
Ｔ、を示したもので、等トルク線Ｔ２より小さいトルク
の領域では自起動することが困難であり、確実に自起動
させる為には等トルク線Ｔ２よりも大きなトルクの領域
となるようにバッテリ電圧Ｖとの関連で自起動周波数ｆ
を設定することが必要である。そこで、自起動の回転数
を極力大きく出来且つ確実に自起動させることが出来る
ように、等トルク線Ｔ２よりも若干大きなトルクの等ト
ルク線Ｔ、を自起動周波数ｆとバッテリ電圧Ｖとをパラ
メータとしてマツプにて予め制御プログラムに入力格納
しておいて、このマツプを用いて図示のように検出バッ
テリ電圧Ｖｏがら自起動周波数ｆＯを決定する。次に３
６においてセルタネータ本体１を自起動（自己始動）さ
せる自起動制御が３５で設定された自起動周波数にて実
行される。

この自起動制御は既存周知の制御と同様なので簡単に説
明すると、フィールドコイルコントローラ４へ制御信号
を出力してフィールドコイル１５に所定電圧の励磁電流
を供給させる一方、所定の組合せとシーケンスで信号線
３５ａ〜４０ａへ負電圧の制御パルス信号を出力するこ
とによりスイッチング素子３５〜４０を所定の組合せと
シーケンスでＯＮに切換えて、３相のステータコイル１
７に上記の設定自起動周波数で回転する回転磁界を発生
させる。この場合ステータコイル１７における電流の流
れは、例えばＵ相コイル１７ｕ−＋ｖ相コイル１７ｖ−
Ｗ相コイル１７ｗ、Ｕ相コイル１７ｕ・■相コイル１７
ｖ−＋Ｗ相コイル１７Ｗ。

■相コイル１７ｖ−＋Ｗ相コイル１７ｗ−Ｕ相コイル１
７ｕ、Ｖ相コイル１７ｖ−Ｗ相コイル１７ｗ→Ｕ相コイ
ル１７ｕ、等々の順序で微小時間おき７ ８ に切換えられることになる。

Ｓ６の自起動制御実行とは実際には信号線３５ａ〜４０
ａへの制御パルス信号の出力を意味し、その出力毎に第
１近接スイツチ８からの基準位置信号が読込まれ（Ｓ７
）、次に基準位置信号がｒ　Ｌ　、ｔレベルか否かつま
りクランク軸１０やフライホイール１１の基準位置に相
当する６個のスリットの何れかが第１近接スイツチ８の
位置に合致したか否か判定され（３８）、Ｎｏの時にば
Ｓ６へ戻りＳ６〜Ｓ８が繰返され、セルタネータ零体１
が起動してクランク軸１０が小角度回転（最大でも６０
度）してＳ８の判定がＹｅｓとなると、自起動制御を終
了すべきと決定される（Ｓ９）（但し、このステップは
省略可能である）。

次に、３１０において、回転する回転界磁極１２の位相
に対するステータコイル１７の回転磁界の位相が予め設
定された目標位相となるように制御する位相制御が実行
される。この位相制御は既存周知の制御と同様なので簡
単に説明すると、フィールドコイルコントローラ４へ制
御信号を出力してフィールドコイル１５へ所定電圧の励
磁電流を供給しつつ、第２近接スイツチ９からのクラン
ク角信号に基いて回転数を求め、第１近接スイツチ８か
らの基準位置信号に基いて得られる回転界磁極１２の位
相に対するステータコイル１７の回転磁界の位相が目標
位相となるようにインバータ３へ制御パルス信号を出力
し、前述のような所定の組合せとシーケンスでスイッチ
ング素子３５〜４０をＯＮに切換える。これら制御パル
ス信号の出力完了毎に、ＳＩＯからＳｌｌへ移行してク
ランク角信号が読込まれ（Ｓｌｌ）、そのクランク角信
号に基いてエンジン回転数Ｎｅが演算される＜３１２）
。但し、３１０で得られたエンジン回転数Ｎｅを用いる
場合には３１１・３１２は省略可能である。次に、エン
ジン回転数Ｎｅが始動判定回転数Ｎｓ以上か否か判定さ
れ（Ｓ１３）、Ｎｅ＜ＮｓのときにはＳ１０へ戻り、３
１０〜Ｓ１３が繰返される。このようにして、位相制御
が実行され、エンジン回転数Ｎｅも増加していく。その
結果、Ｎｅ≧ＮｓになるとエンジンＥの始動が９ ０ 完了するので、Ｓ１３から３１４へ移行して位相制御の
終了と決定されて制御が終了する。

次に、上、記エンジンの自起動周波数設定制御の作用に
ついて説明する。

上記のように、エンジンＥの始動時にバッテリ電圧Ｖｏ
を検出し、そのバッテリ電圧Ｖｏに基いて自起動に必要
なトルクとなる等トルク線Ｔ３から自起動周波数ｆｏを
設定し、その自起動周波数ｆｏにて自起動制御を実行す
るので、バッテリ電圧Ｖの低下に起因する始動不良が起
ることがなく、エンジンＥを確実に始動させることが出
来る。

尚、バッテリ５の電圧を検出するのに、Ａ／Ｄ変換器２
ｂに代えてイグニションスイッチ６よりもバッテリ５側
においてバッテリ５の出力線に電圧検出センサを設けて
検出するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の実施例を示すもので、第１図
はセルタネータ本体等の縦断面図、第２図はセルタネー
タ本体の部分斜視図、第３図はステータコアとステータ
コイルの部分図、第４図はエンジンに組込んだセルタネ
ータの全体構成図、第５図はインバータとステータコイ
ルの構成図、第６図は自起動周波数設定制御を含む始動
制御のルーチンのフローチャート、第７図は自起動周波
数とバッテリ電圧とをパラメータとする等トルク線を含
む自起動周波数設定用マツプの特性図、第８図は従来技
術に係るエンジン回転数と自起動周波数をパラメータと
するセルタネータのトルク特性図、第９図は従来技術に
係るバッテリ電圧をパラメータとするセルタネータの出
力トルクの特性図である。 Ｅ・・エンジン、　　１・・セルタネータ本体、２・・
コントロールユニット、　　２ｂ・・Ａ／Ｄ変換器、　
３・・インバータ、　４・・フィールドコイルコントロ
ーラ、　　５・・バッテリ、８・・第１近接スイツチ、
　　９・・第２近接スイツチ、　　１１・・フライホイ
ール、　　１２・・回転界磁極、　　１４・・フィール
ドコア、１５・・フィールドコイル、　　１６・・ステ
ータ１ ２ コア、 １７　・ ・ステータコイル。 特 許 出 願 人 マツダ株式会社 ３ 特開平３ １３８４５３　（１１） 区 ＋Ｉ４へへ一ヘｅ 区 −）ＩＲ二走へ 一＋ｌ自へへ−へｅ 味 ４４２−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）エンジンのフライホィールの外周部に設けた回転
   界磁極と回転界磁極の径方向内側のフィールドコアに巻
   装され回転界磁極を励磁するフィールドコイルと回転界
   磁極の径方向外側に設けられたステータとステータに巻
   装された３相のステータコイルとを含むセルタネータ本
   体と、このセルタネータ本体をエンジンの始動時には始
   動用電動機として作動させまたエンジンの運転中には発
   電機として作動させるように制御する制御手段とを有す
   るセルタネータを備えたエンジンにおいて、上記フィー
   ルドコイル及びステータコイルへ給電するバッテリと、 上記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段と、上記電
   圧検出手段の出力を受け、エンジンの始動時にセルタネ
   ータ本体を自起動させるときの自起動周波数をバッテリ
   電圧の低下に応じて低くなるように設定する自起動周波
   数設定手段とを備えたことを特徴とするエンジンの始動
   制御装置