JPWO2002027182A1 - エンジン始動装置 - Google Patents

Abstract

クランク軸を、少なくとも所定の条件下では逆方向に駆動した後、最終的に正転方向にクランキングするようにしたエンジン始動装置に於いて、必要に応じて、好適な振り子始動動作を確実に行い得るようにする。そのために、逆転時に、クランク軸が膨張行程側から上死点を乗り越えてしまうことがないように、電動機が前記クランク軸を逆転させる回転速度を制御する。これによれば、上死点を乗り越えてしまうことなく、しかもできるだけ上死点近くで停止するように回転速度の制御を行って、大きな圧縮反発力を得ることができ、反転して正転方向に駆動する際の大きなアシスト力或いは助走距離が得られ、確実な始動が可能となり、しかも電動機の小型化かつ省電力化を向上し得る。

Description

技術分野
本発明は、エンジン始動装置に関する。
背景技術
従来、自動車において、エンジンを電動機によりクランクキングすると共に、その電動機を発電機として用いるようにしたものがある。このようにすることにより、１台の電動機で始動装置と発電機とを兼用することができ、エンジンの補機を簡略化することができる。
また、始動装置にあっては、エンジンの始動時におけるピストン位置が一定でないことから、圧縮行程直前の位置で停止している状態から始動可能にしたり、粘性抵抗などが大きい冷間時にも確実に始動可能にしたりするために、電動機の出力を高めることが考えられるが、電動機が大型化するという問題がある。
電動機の出力が小さくても上記した条件下での始動を可能にするためには、始動時にエンジンを一旦逆転させた後に正転駆動する振り子型始動装置にすると良い。この場合には、膨張行程まで逆転させることにより、正転方向への大きな助走区間を確保し、圧縮圧力による反発を利用することができるため、低出力型電動機でも、クランキング時の圧縮行程を乗り越えるのに十分な回転速度を得ることが可能になる。
しかしながら、逆転駆動を開始する位置が不定であることから、逆転時の駆動距離が大きい場合やフリクションロスが設計時より小さい場合などには回転速度が高まるため、膨張行程内位置で電動機の通電を停止しても、大きな慣性力で膨張行程の上死点を乗り越えてしまう虞がある。逆に、低温時などフリクションが大きい場合には、回転速度が上がらずに、膨張行程の圧縮圧の反発力に抗して膨張行程内位置に至ることができずに、最終的な正転方向へのクランキングにおいて、圧縮圧の反発力による大きなアシスト力を得られなくなって、圧縮行程の上死点を乗り越えられない虞がある。
また、クランク軸が、エンジン停止時に、クランク時に十分な助走区間を確保し得る位置（膨張行程内位置）で停止していれば、逆転駆動する必要がなく、最初から正転駆動してクランキングすることができ、それにより速やかな始動が可能になると共に、クランキングに要する電流を低減し、バッテリ上に対する負荷を軽減できる。そのような再始動時のクランキング位置を検出するために絶対角度を検出可能なエンコーダを設けることが考えられるが、装置が高騰化するという問題がある。
そのために、例えば、エンジン点火制御に必須である点火時期センサの点火時期基準位置信号を利用してクランク軸の位置を判別することができ、このようにすることにより高価かつ複雑なエンコーダを設ける必要が無くなる。通常、４サイクルエンジンであって、上死点前の所定角度位置を磁気センサにより検出するためのリラクタがクランク軸側（フライホイールなど）に設けられている。そのリラクタの通過を磁気センサにより検出した際に発生する正負のパルスが排気行程と圧縮行程とで発生する。このパルスの周期を例えば先行する負波形に基づいて検出することができる。
しかしながら、周期を検出するための回転角度が大きい（３６０度）ため、例えば急加減速時や不正着火時のように、クランク軸が１回転する間に回転速度が大きく変化したような場合には、周期の大小関係が逆になる場合があり、必ずしも、排気行程と圧縮行程とを区別することができない場合がある。
発明の開示
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、常に確実な始動を行わせることができるように、必要に応じて、好適な振り子始動動作を確実に行い得るようにした始動装置を提供することにある。
本発明の第２の目的は、最小限の電力消費で迅速にエンジンを始動し得るような始動装置を提供することにある。
本発明の第３の目的は、このような始動装置に於いて使用されるクランク軸角度位置センサを簡便化し、装置のコストを極小化し得るような始動装置を提供することにある。
本発明の第４の目的は、頻繁に再始動を行うことが必要となるアイドルストップ構造に採用するのに適する始動装置を提供することにある。
本発明の第５の目的は、発電機を兼ねる電動機を用いるのに適する始動装置を提供することにある。
このような目的は、本発明によれば、始動されるべきエンジンのクランク軸に連結された電動機により、クランク軸を、少なくとも所定の条件下では逆方向に駆動した後、最終的に正転方向にクランキングするようにしたエンジン始動装置であって、クランク軸に連結された電動機と、クランク軸の角度位置を検出するためのセンサと、センサの出力信号に基づき前記電動機への通電を制御するコントローラとを有し、前記コントローラが、エンジン停止時のクランク軸角度を記憶するべく適合されており、記憶されたクランク軸角度が、所定の位置よりも圧縮行程側である場合には、十分な助走距離をもって正転方向にクランキングすることができることから、逆方向に駆動することなく、そのまま最終的に正転駆動することを特徴とするエンジン始動装置を提供することにより達成される。
これによれば、迅速な始動を可能とし、しかも電力消費を節約することができ、電動機の小型化かつ省電力化を向上し得る。また、電動機が、比較的低い定格出力のものであって良いことから、電動機を発電機として適合させることができる。所望に応じて、電動機としてブラシレスモータを用い、それをＡＣ発電機としても用いるようにすると良い。
このように、エンジン停止時のクランク軸角度を判定することが、再始動制御を最適化する上で有用である。クランク軸角度は、種々の方法で検出可能であるが、低コストのセンサで検出し得るのが望ましい。
例えば、前記クランク軸角度位置センサが、所定角度間隔の１対のパルスを前後して発生する点火時期センサを含み、これら両パルス間の時間間隔を、先行するパルス対の時間間隔と比較することにより、各パルス対の発生時点が、圧縮行程或いは排気行程のいずれであるかを判定することができる。このような点火時期センサとして、一般的なリラクタを用いるパルサ式の点火時期センサがある。
これによれば、点火時期基準位置を検出するパルスのパルス幅の周期を用いて圧縮行程であるか否かを判断することにより、圧縮行程における上死点に至るまでの極端に遅くなる（周期が長くなる）区間に着目して検出することができ、例えば４サイクルエンジンにあっては点火時期センサにより排気行程において検出されたパルスとのパルス幅周期の違いを明確に区別することができ、１回転周期で変化するような急加減速時や不正着火時などの影響による誤検出を防止することができる。
或いは、前記クランク軸角度位置センサが、点火時期基準パルスを発生する点火時期センサと、より高い解像度をもって、所定角度毎にパルスを発生する角度信号センサとを含み、点火時期基準パルス発生後、前記角度信号パルスが所定個数検出された後の所定数の前記角度信号パルスの周期を検出し、該周期の変化により前記クランク軸の位置を判定することもできる。これによれば、角度信号センサとして、簡単な構造のギヤの歯をリラクタとして利用したセンサや、電動機をブラシレスモータとして、その転流信号センサからなるものとすることができる。
通常、点火時期センサはクランク軸１回転ごとに１つの絶対角度位置を表すパルスを発生し、角度信号センサは、高い解像度を有する相対角度変化を表すパルスを発生する。従って、これらを組み合わせれば、高い解像度をもって、クランク軸の絶対角度を知ることができる。圧縮行程に於いては、角度信号パルスの周期が延びることから、これによって行程位置を判定することができる。また、角度信号センサのパルス出力の周期が、増大傾向から、減少に移行した時点を圧縮・膨張行程間の上死点に対応するものと判定することもできる。
更に、前記クランク軸角度位置センサが、少なくとも１つの不均等部分以外については、クランク軸１回転ごとに複数のパルスを、所定角度毎に発生するべく適合された角度信号センサを含み、該角度信号センサのパルス出力に基づき前記クランク軸の位置を判定するようにすれば、単一のセンサにより高い解像度をもって、クランク軸の絶対角度を知ることができる。
前記コントローラが、前記逆転時に前記クランク軸が膨張行程側から上死点を乗り越えてしまうことがないように、前記電動機が前記クランク軸を逆転させる回転速度を制御するべく適合されていれば、膨張行程側から上死点を乗り越えてしまうことなく、しかもできるだけ上死点近くで停止するように回転速度の制御を行って大きな圧縮反発力を得ることができ、反転して正転方向に駆動する際の大きなアシスト力が得られ、大きな助走距離が得られことと相俟って、確実な始動が可能となる。また、電動機の小型化かつ省電力化を向上し得る。
例えば、前記電動機が、前記逆転時に前記クランク軸を逆転させる回転速度が所定の上限値を超えないように回転速度制御を行うことができる。その場合、合理的な設計上の考慮として、前記回転速度上限値が、前記エンジンのピストンの最大圧縮時エネルギと最大圧縮時までの前記エンジンのフリクションロスエネルギとの和をＥＰ０とし、前記エンジンのクランク系全体の慣性モーメントをＩとした場合に、（２ＥＰ０／Ｉ）^１／２未満とすると良い。また、実用上、前記クランク軸を逆転させる際の回転速度を、１／４×（２ＥＰ０／Ｉ）^１／２以上にすることにより、好適な速度制御を行うことができる。
また、エンジンの始動特性が、バッテリ電圧及びエンジン温度の影響を強く受けることから、前記回転速度上限値が、バッテリ電圧及びエンジン温度の少なくともいずれか一方に基づいて変化するものであると良い。
高い安全性を期するためには、前記膨張行程の上死点近傍に強制反転位置を設け、前記クランク軸が前記強制反転位置に達したことを検出した時には前記クランク軸を強制的に正転方向に反転駆動すると良い。或いは、前記逆転駆動開始時から所定時間内に、前記クランク軸が正転方向へ反転していない場合には、前記逆転駆動停止し、前記クランク軸を強制的に正転駆動すると良い。
また、別の速度制御方法として、前記膨張行程の途中に回転速度検出位置を設け、前記クランク軸が前記回転速度検出位置に達した際の回転速度が、所定の回転速度上限値以上であることを検出した時には前記クランク軸を強制的に正転方向に反転駆動することもできる。この方法によれば、制御回路の構成を簡略化し得る。
更に、前記膨張行程途中に逆転駆動停止位置を設け、前記クランク軸が前記膨張行程を逆行して前記逆転駆動停止位置に達したときに前記逆転駆動を停止し、前記クランク軸が慣性力により逆転し続けて圧縮圧が優勢となることにより正転方向へ反転したことを検出した時に、前記クランク軸を強制的に正転方向に駆動すれば、電動機の無駄な電力消費を効果的に抑制することができ、円滑な作動が可能となる。
発明を実施するための最良の形態
図１は、本発明が適用されたエンジン始動装置の概略構成図である。図１に示されるように、本始動装置の電動機（発電機）１は、４サイクルエンジンＥＮＧのクランク軸２に同軸的に直結された状態に設けられており、始動時のクランキングを行うと共に、エンジン運転中には発電機として用いられるようになっている。また、電動機１及びエンジンＥＮＧを制御するコントローラＥＣＵにはイグニッションスイッチＩＧ及びスタータスイッチＳＴの各信号が入力するようにされている。また、コントローラＥＣＵからエンジンＥＮＧには、点火信号Ｐや燃料噴射信号Ｆが出力されるようになっている。
次に、本電動機１の構造を図２及び図３を参照して以下に示す。図に示されるように、電動機１は、エンジンＥＮＧのクランク軸２に同軸的に固着された、フライホイールを兼ねる扁平な有底円筒状のアウタロータ３を有し、アウタロータ３の円筒部の内周面に所定数の円弧状マグネット４がＮ・Ｓ極を周方向に交互に配置させるように固着されている。
電動機１は、更にアウタロータ３と協働するべく同軸的に配置されたインナステータ５を有する。インナステータ５は、マグネット４の磁極に対向するようにアウタロータ３の周壁の内方にて、かつクランク軸２に対して放射状に設けられた、マグネット４と同数のステータコア７と、各ステータコアに巻回されたステータコイル６とを有し、エンジンＥＮＧの端面に、固定ボルト１１によりねじ止めされて固設されている。各ステータコイル６は、図４に併せて示されるように、コントローラＥＣＵ内のＣＰＵからの電動機制御信号に応じて電動機１を駆動するためのモータドライバ１４内の例えばＦＥＴからなる各駆動素子と接続されている。なお、本ＡＣＧスタータは三相ブラシレスモータ構造であり、モータドライバ１４にはＵ・Ｖ・Ｗ相毎にハイ・ロー駆動用に２つずつＦＥＴが設けられており、各対をなすハイ・ローのＦＥＴの中間部が各相のステータコイル６と接続されている。
アウタロータ３の周壁部の外周面には、磁性体からなるリラクタ８が固着されている。パルサ（磁気検出コイル）９が、アウタロータ３の周壁部の外周面に臨むように、そのブラケット１０を介して、エンジンＥＮＧの端面に、取付ボルト１２により固設されている。パルサ９は、リラクタ８の通過による磁気変化を検出することにより、リラクタ８と協働して点火時期センサを構成している。電動機１のインナステータ５の内部には、転流位置検出センサを構成する３つのホール素子１３が配設されている。また、アウタロータ３には、そのエンジン本体側に向けて突出するボス部の突出端部の外周面に被検出体としての円環状のセンサマグネット１５が取り付けられている。上記各ホール素子１３が、センサマグネット１５の磁極位置の変化を検出するために、位置決め用ケースを介してインナステータ５の適所に固設されている。ホール素子１３は、図３に示されるように、Ｕ・Ｖ・Ｗ相に対応して３個が周方向に所定の等角度ピッチにて配設されている。
なお、図１及び図４に示されるように、コントローラＥＣＵは、エンジン温度ＴＥやバッテリ電圧ＢＴを監視している。それらの検出値に応じて、例えば予めＲＯＭに記憶されているテーブルデータに基づいて、制御を変えて効率的かつ適切な予備動作を行うようにすることができる。そのエンジン温度ＴＥは、水冷エンジンにおける冷却水温度や、エンジンルーム内の雰囲気温度や、電動機（発電機）１の温度や、エンジンルーム内に搭載した場合のコントローラＥＣＵの温度など、エンジンのいずれかの部分の温度の指標を与えるものであれば良い。
次に、このようして構成された本始動装置の始動要領について以下に示す。本実施例では、３相のブラシレスモータを用いていることから、ホール素子１３は、図６に示されるようにＵ・Ｖ・Ｗ相の立ち上がり（Ｌ→Ｈ）／立ち下がり（Ｈ→Ｌ）のタイミングを検出するべく配置され、これらの相の状態の組み合わせから、回転角度の変化を、ホール素子１３からの転流位置信号に基づき１０度単位で判定することができる。この場合、組み合わせ数は、６通りであることから、６０度毎に同一の組み合わせが繰り返され、それ自体では相対角度変化を検出し得るものの、絶対角度を判定することができない。
このエンジンＥＮＧが４サイクルエンジンであることから、図７に示されるように、クランク軸が２回転即ち７２０度回転する間に、圧縮、膨張、排気及び吸気の各行程が行なわれる。パルサ９は、圧縮・膨張行程間の上死点のやや手前の位置（θ１）及び排気・吸気行程間の上死点のやや手前の位置（θ２）、即ちθ１に対して３６０度離れた位置で、リラクタ８の通過を検出する。ここで、θ１を点火時期基準位置、θ２を角度算出基準位置と呼ぶものとする。このとき、リラクタ８が所定の幅を有することから、パルサ９は、リラクタ８の前縁及び後縁の通過に伴い、それぞれ互いに逆の極性のパルスを発生することにより、リラクタ８の位置に対応する信号を発生する。ここで、パルサ９は、リラクタ８の絶対角度位置を判定することができるが、それ自体では、３６０度中の一点を検出し得るのみで、また圧縮行程であるか排気行程であるかを区別することができない。
エンジンＥＮＧの停止状態に於いては、クランク軸は、排気或いは吸気行程にあることが予想されるものの、通常、その位置を特定することができない。そのため、最終的な正転始動動作に先立って、クランク軸を逆転駆動することにより、エンジンの始動を好適に行うようにしようとした場合（振り子始動動作）、どの程度クランク軸を逆転駆動すべきかを判定することができない。即ち、始動時のクランク軸の位置によっては、逆転駆動しても、膨張行程を逆行する際の圧縮抵抗により、クランク軸が十分に逆転されず、十分な助走距離即ち十分な振り子作用を伴った最終的な正転駆動ができなかったり、逆に膨張行程の側から上死点を超えたりすることが考えられる。そこで、本実施例に於いては、振り子始動動作に先立って、必要に応じて、圧縮・膨張行程の上死点を超えない範囲で、クランク軸を正転駆動（予備的正転駆動）しておいて、逆転駆動に対する十分な助走距離を確保した上で、振り子始動動作を行うようにしている。
本始動装置にあっては、まずイグニッションスイッチＩＧをオンすることにより装置に電力が供給されるようになり、その後スタータスイッチＳＴをオンすることにより、電動機１に通電されて、エンジンをクランキングするようになる。この時、図５に示されるように、上記イグニッションスイッチＩＧがオンされると、コントローラＥＣＵは、電動機１を間欠的に正転方向に駆動して最初の予備的正転駆動を実行する。この間欠駆動時の通電オン時間ｔ１は例えば５０ｍｓ程度であって良い。この動作は、運転者が、イグニッションスイッチＩＧをオンした後、スタータスイッチＳＴをオンする一連の動作の間に、自動的に行なわれる。
この最初の正転駆動では、図７及び図８の矢印Ａに示されるように４サイクルエンジンにおける圧縮行程の上死点の手前まで回転させるようにしている。そのための制御としては、転流位置信号即ち回転角度のカウントから回転速度を算出することができることから、間欠駆動時の駆動オフ状態で回転速度が停止状態になったと判断したら、ピストンが上死点近傍まで上昇してシリンダ圧が上がって圧縮圧によりピストンが停止したと判断することができ、その時点で正転駆動を停止する。なお、間欠駆動は、上死点を越えられない（圧縮反発力に打ち勝つトルクを発生できない）程度までクランク軸２を回転可能な程度であって、点火時期基準位置（点火制御に用いる上死点前所定角度）θ１に略一致するまで回転させることができるようにするためである。
そして、スタータスイッチＳＴのオンにより電動機１を逆転方向に駆動する（図７及び図８の矢印Ｂ）。このとき、図示例の４サイクルエンジンにあっては排気行程でもパルサ９によりリラクタ８の通過（角度算出基準位置θ２）を検出することから、上記点火時期基準位置θ１と同様の信号が発生する。この角度算出基準位置θ２から、改めて回転角度をカウントし、所定の角度αをカウントした時点で、電動機１の逆転方向への駆動を停止する。このθ２から更に角度α逆行した位置を逆転駆動停止位置θ３と呼ぶものとする。電動機１の逆転方向への駆動を停止した後も、クランク軸は、慣性力により、ある距離逆行し続けるが、やがて膨張行程を逆行することにより上昇する圧縮反発力が優勢となり、停止する。この位置を、正転反転位置θ４と呼ぶものとする。クランク軸が正転反転位置θ４に達したなら、電動機１を正転方向に駆動する（図７の矢印Ｃ）。このようにすることにより、逆転駆動後直ちに正転駆動する場合に比較して、消費電力を節約することができる。
これにより、膨張行程を逆行した際の圧縮圧の上昇による圧縮反発力により正転駆動方向のアシスト力が発生し、正転方向への十分な助走区間と相俟って、電動機１の回転速度の上昇を高め得ることにより、正転時の圧縮行程の側からその上死点を容易に乗り越えることができるトルクが発生するため、始動装置の電動機の低出力化が可能である。
次に、図９を参照して実施例の始動要領について以下に示す。なお、図９は、始動時に、逆転方向に駆動する場合を示したものである。スタータスイッチＳＴの信号に応じて電動機１によりクランク軸２を逆転方向に駆動し、常温の場合には図の実線に示されるようにクランク軸２の回転速度は、膨張行程に至るまでは徐々に上昇し、膨張行程に入ると減少する。クランク軸２の角度位置が、膨張行程の途中（圧縮圧上昇開始点近傍）に設けられた回転速度検出位置θｄ（ＢＴＤＣ６００度）に達したら、電動機１への通電を停止する。その後は慣性力により膨張行程を逆行し続け、それに連れて上昇する圧縮圧による反発力により回転が止まり、その後は圧縮反発力により正転方向に反転し始め、その反転に応じて電動機１を正転駆動する。これにより、圧縮反発力を利用して正転駆動することから、高出力型電動機１を用いることなく、クランキング時のトルクを増大し得る。
また、本発明の特徴であるクランク軸２が膨張行程側から上死点を乗り越えてしまう回転速度未満となるようにするためには、例えば上限回転速度ＮＨ後の回転速度を監視し、所定の減速度以上になるように、場合に応じて、モータドライバ１４のロー側のＦＥＴの全てをオン状態にすることにより、電動機１により発電（回生）制動をかけるようにしても良い。
さらに、上記回転速度の抑制を簡単に実現するべく、本図示例では上限回転速度ＮＨに達したらそれを越えないように定速度制御するようにしている。この場合には図の二転鎖線に示されるように上限回転速度ＮＨに達した後には定速度制御を行い、上記と同様に回転速度検出位置θｄに達したら電動機１への通電を停止する。このようにすることにより、フリクションロスが極めて少ない場合に回転速度が上がり過ぎて膨張行程の上死点を乗り越えてしまうことを防止できる。
この上記回転速度検出位置θｄ及び上限回転速度ＮＨの値を、クランク軸２が膨張行程側から上死点を乗り越えてしまう回転速度未満となるように設定しておくことにより、図に示されるように上死点前で停止し、かつできるだけ上死点近くで停止するように設定すればより一層大きな圧縮反発力を得ることができ、反転して正転方向に駆動する際の大きなアシスト力が得られ、電動機の小型化かつ省電力化を向上し得る。
また、エンジンのピストンの最大圧縮時エネルギ（ＥＰ１）と最大圧縮時までのエンジンのフリクションロスエネルギ（ＥＰ２）との和をＥＰ０（＝ＥＰ１＋ＥＰ２）とし、前記エンジンのクランク系全体の慣性モーメントをＩとした場合に、上記上限回転速度ＮＨが（２ＥＰ０／Ｉ）^１／２未満となるように、クランク軸２の回転速度を制御する。さらに、上記下限回転速度ＮＬが１／４×（２ＥＰ０／Ｉ）^１／２以上になるようにクランク軸２の回転速度を制御する。このようにすれば、回転速度制御を合理的に設計することができる。
また、上記上限回転速度ＮＨをバッテリ電圧及びエンジン温度の少なくともいずれか一方に基づいて変化させるようにすることができる。例えば図１に示されるようにエンジン温度（冷却水温度／電動機１の温度／コントローラＥＣＵの温度など）の検出信号をコントローラＥＣＵに入力し、図１０に示されるように、エンジン温度が高い場合にはフリクションロスが低いため上限回転速度を下げ（ＮＨ１）、エンジン温度が低い場合にはフリクションロスが高いため上限回転速度を上げ（ＮＨ２）る。なお、設定値は二値ではなく、温度に応じて低上限回転速度ＮＨ１と高上限回転速度ＮＨ２との間に適宜設定することもできる。
このようにすることにより、クランク軸２の逆転から正転に切り替わる反転位置Ｈを、図１０に示されるように、エンジン温度の違いにかかわらず常に略一定した位置にすることができ、常に十分な圧縮反発力を得ることができる。なお、図１に示されるように、パラメータとしてはエンジン温度に限られるものではなく、バッテリ電圧とすることもできる。この場合には、バッテリ電圧が低い場合には上限回転速度を高く設定し、バッテリ電圧が高い場合には上限回転速度を低く設定すれば良い。さらに、エンジン温度とバッテリ電圧との両検出結果に応じて設定するようにしても良い。
また、本発明の更に別の実施例によれば、図１１に示されるように、膨張行程の上死点近傍に強制反転位置θｈを設け、クランク軸２が強制反転位置θｈに達したことを検出した時にはクランク軸２を強制的に正転方向に反転駆動するようにする。この場合には、強制反転をしない場合には図の一点鎖線に示されるように膨張行程の上死点を乗り越えてしまうような回転速度の上昇があった場合であっても、図１１に示されるように、確実に上死点手前で反転させることができる。
また、本発明の更に別の実施例によれば、図１２に示されるように、膨張行程の途中に回転速度検出位置θｓを設け（上記各図示例におけるθｄと同じ位置であっても良い）、クランク軸２が回転速度検出位置θｓに達した際のクランク軸２の回転速度が回転速度上限値Ｎｍａｘ以上であることを検出した時にはクランク軸２を強制的に正転方向に反転駆動する制御に移る。具体的には、上記各図示例と同様に、通常は図の二点鎖線に示されるように回転速度検出位置θｓで逆転駆動を停止し、慣性力に対する圧縮反発力の増大により逆転が停止して反転し始めたら正転駆動するが、回転速度検出位置θｓで回転速度上限値Ｎｍａｘ以上であった場合には、正転駆動により制動をかけ、高過ぎる回転速度により上死点を乗り越えてしまうことを防止して、正転方向に反転させる。
また、本発明の更に別の実施例によれば、図１３に示されるように、クランク軸２を逆転駆動し、膨張行程をクランク軸２が逆行することにより圧縮が開始される逆転時圧縮開始位置θｄをクランク軸２が通過したことを検出したら、電動機１の通電を停止し、その後、慣性力により逆転し続けて圧縮圧が上昇することにより正転方向へ反転したことを検出した時に電動機１を正転駆動してクランク軸を強制的に正転方向に反転させる。このように、クランク軸の慣性力が膨張行程を逆行することによる圧縮力とバランスしてクランク軸が停止して反転した時に初めて正転駆動することにより、逆転駆動後直ちに正転駆動する場合に比較して、消費電力を節約することができる。
また、本発明の更に別の実施例によれば、上記図１１の実施例において回転速度が低い場合（図１１の想像線）には強制反転位置θｈに達することなくクランク軸２が停止してしまうことから、そのような場合でも速やかな正転駆動を行うことができるように、逆転駆動開始時からタイマを起動し、所定時間経過前に強制反転位置θｈに達しないことを検出したら、強制的に正転駆動を行うこともできる。同様に、上記図１２や図１３においても上記所定時間内にクランク軸２が反転したことが検出されなかったら、強制的に正転駆動を行うことができる。このようにすることにより、何らかの原因により反転駆動開始するための条件が揃わなかった場合でも、確実に正転方向に駆動してクランキングを行うことができる。
図１４〜１６は、本発明が適用された４サイクルエンジンの予備的な正転駆動を伴わない始動制御の実施例を示している。本始動装置にあっては、まずイグニッションスイッチＩＧをオンすることにより装置に電力が供給されるようになり、その後スタータスイッチＳＴをオンすることにより、電動機１に通電されて、エンジンをクランキングするようになる。この場合、スタータスイッチＳＴをオンすることにより電動機１を逆転方向に駆動する（図１５及び図１６の矢印Ｂ）。このとき、図示例の４サイクルエンジンにあっては排気行程でもパルサ９によりリラクタ８の通過（角度算出基準位置θ２）を検出することから、上記点火時期基準位置θ１と同様の信号が発生する。この角度算出基準位置θ２から、改めて回転角度をカウントし、所定の角度αをカウントした時点で、電動機１の逆転方向への駆動を停止する。このθ２から更に角度α逆行した位置を逆転駆動停止位置θ３と呼ぶものとする。電動機１の逆転方向への駆動を停止した後も、クランク軸は、慣性力により、ある回転角度逆行し続けるが、やがて膨張行程を逆行することにより上昇する圧縮反発力が優勢となり、停止する。この位置を、正転反転位置θ４と呼ぶものとする。クランク軸２が正転反転位置θ４に達したなら、電動機１を正転方向に駆動する（図１５及び図１６の矢印Ｃ）。このようにすることにより、逆転駆動後直ちに正転駆動する場合に比較して、消費電力を節約することができる。
これにより、膨張行程を逆行した際の圧縮圧の上昇による圧縮反発力によりピストンを押し戻す力が発生すると共に、正転方向への十分な助走区間による回転速度の上昇を高め得ることにより、正転時の圧縮行程においてその上死点を容易に乗り越えることができるトルクが発生するため、始動装置の電動機の低出力化が可能である。
このように、振り子駆動制御を行う場合には、クランク軸の角度位置を知ることが重要であるが、エンジン停止時に、クランク軸の位置を記憶しておき、記憶したクランク軸位置に基づいて、次回の振り子駆動制御を行うと良い。例えば、エンジン停止時のクランク軸の位置が、圧縮行程内または吸気行程側の近傍位置にある場合には、逆転方向に駆動した後に最終的に正転方向に駆動することとし、エンジン停止時のクランク軸の位置が、膨張行程または排気行程側の近傍位置にある場合には、逆転駆動を伴うことなく、そのまま最終的に正転方向に駆動することができる。
そこで、本発明に基づくクランク軸の位置確認要領に付いて図１７を参照して以下に示す。図１７に示されるように、パルサ９によるパルサ検出信号が圧縮行程と排気行程とでそれぞれ発生する。リラクタ８が或る幅を有するため、パルサ検出信号は、リラクタ８の初端及び終端において発生する互いに逆の極性の１対のパルスからなる。本発明によれば、圧縮行程時のパルサ検出信号の周期（正負のパルス対間の周期）ｔｃ１・ｔｃ２・ｔｃ３・…と、排気行程時のパルサ検出信号の周期ｔｈ１・ｔｈ２・…とを比較する。この周期は、クランク軸の回転速度に反比例する。この周期の変化に基づいて、クランク軸の回転速度の変化を微視的に観測できる。
圧縮行程の上死点に近づくにつれ大きく回転速度が低下することから、例えば隣り合うまたは連続する３対のパルサ対間の各周期を比較することにより、周期の長いパルサ対を圧縮行程時に発生したパルサ対であるとすることができる。図示例では、排気行程のパルサ対の周期ｔｈ２よりも、続く圧縮行程のパルサ対の周期ｔｃ３の方が長く（ｔｈ２＜ｔｃ３）、この場合には長い方の周期ｔｃ３となるパルサ対が圧縮行程で発生したと判別することができる。
また、連続する３つのパルス対同士を比較する場合として、ｔｈ１＜ｔｃ２＞ｔｈ２の場合には周期ｔｃ２のものが圧縮行程時に発生したものであるとし、ｔｃ２＞ｔｈ２＜ｔｃ３の場合には周期ｔｃ２・ｔｃ３のものが圧縮行程時に発生したものであると判別することができる。
また、本発明の別の実施例によれば、図１７に示されるように、パルサ検出信号の正または負パルスのいずれかを基準（図では負パルス）として、その基準点から所定回転角度（図では１角度ピッチ）後の所定数（図では２つ）の角度信号パルス間の周期θｃ１・θｈ１・θｃ２・θｈ２・θｃ３を比較する。角度信号パルスは、例えば、Ｕ・Ｖ・Ｗ相の状態の変化に基づくブラシレスモータの転流信号からなるものであって良く、前記したように、例えば１０度刻みで、クランク軸の回転角度に従って発生するパルス列をなす。このようしても、連続する２つのパルス間の周期の比較、例えばθｈ２＜θｃ３から、周期θｃ２が圧縮行程に対応したものであると判別できる。また、連続する３つのパルス間の周期の比較、例えばθｈ１＜θｃ２＞θｈ２やθｃ２＞θｈ２＜θｃ３から、周期θｃ２或いはθｃ３が圧縮行程に対応したしたものであると判別できる。
次に本発明の更に別の実施例を説明する。この実施例にあっては角度信号パルスの発生周期の増減を監視する。すなわち、圧縮行程時に上死点に至るまではシリンダ内の圧力上昇により回転速度が低下していき、上死点後の爆発による膨張行程にあっては回転速度が急激に上昇することから、上死点前後で角度信号の周期が大きく変わる（図１７参照）。即ち、角度信号の周期が増大傾向から短縮傾向に移行した時点を圧縮・膨張行程間の上死点であると判断することができ、これにより、上死点を基準とした角度信号に応じてクランク軸２の回転角度位置を知ることができ、どの行程で停止しているかを特定して、停止位置に応じた始動制御を容易に行うことができる。これは、アイドリングストップを行い、頻繁に再始動を行う場合に特に有用である。例えば圧縮行程内で停止している場合には、前記したように再始動時に逆転させた後、最終的に正転方向に駆動する。
また、例えば膨張行程またはその近傍で停止している場合にはその位置から正転方向に駆動することでも十分な助走距離が得られ、圧縮行程の上死点を乗り越えるだけの加速力を得ることができるため、このような始動が可能である。これにより、アイドリングストップを頻繁に行うような場合でも、常に振り子駆動して無駄に電流を消費してしまうことを防止でき、バッテリ上がりを好適に防止することができる。
なお、角度信号としては、図示例ではブラシレスモータ（電動機１）の転流位置信号（図６参照）を兼用し、このようにすることにより、回転角度検出手段を別個に設ける必要がないため、始動装置の簡素化及び低廉化を向上し得る。しかしながら、回転角度検出手段として、例えばフライホイールの外周にギアを形成し、その各歯を磁気センサなどで検出するようにしても良い。この場合には検出角度ピッチを任意の角度とすることができ、例えば機種別に最適な設計を行うことができる。
また、パルサ検出信号の発生タイミングはリラクタ８の位置から上死点前何度であるかは分かっており、上記した圧縮行程の判別により、角度信号の角度ピッチの精度に応じて圧縮行程時の上死点を特定することができる。その上死点を基準として角度信号の発生に応じて（本図示例では１０度ピッチで）絶対角度を求めることができ、このようにして求めた絶対角度を用いてコントローラＥＣＵからエンジンＥＮＧに、図１・４に示されるように、点火信号Ｐや燃料噴射信号Ｆを出力する制御を行うことができる。これにより、それらの制御のための別個の角度検出センサなどを設ける必用が無く、エンジン全体の構成を簡略化し得る。
なお、角度信号を検出してクランク軸２の位置を検出するものとして、所定の角度を隔てた複数個の角度信号による合計周期（図１７のｎθ１・ｎθ２）同士を比較するようにしても良い。図示例では、排気行程に相当する位置の合計周期ｎθ１と圧縮行程に相当する位置の合計周期ｎθ２とを比較しており、ｎθ１＜ｎθ２から、合計周期ｎθ２の位置が圧縮行程であると判別することができる。
また、同様の位置における複数個の角度信号による平均周期（図１７のＡθ１・Ａθ２）同士を比較する用にしても良い。この場合も、Ａθ１＜Ａθ２から、平均周期Ａθ２の位置が圧縮行程であると判別することができる。いずれの場合も、その後の再始動などの制御にあっては前記各図示例と同様である。
なお、本図示例では４サイクルエンジンについて示したが、本発明によれば、２サイクルエンジンにも適用可能であり、その場合には下死点側にも同様のリラクタを設けることにより対応可能である。
また、本発明によれば、電子燃料噴射装置を設けたエンジンのように、噴射時期制御用にクランク軸２の１回転当たり複数のパルスを検出するようにしたエンジンに好適に適用される。例えば図１８に示されるように、アウタロータ３の周壁部の外周面には複数のリラクタ８ａ〜８ｋが固着されている。各リラクタ８ａ〜８ｋは、リラクタ８ｋとリラクタ８ａとの間が１個分欠落した状態でリラクタ８ａからリラクタ８ｋまでを等角度ピッチに配設されている。これらリラクタ８ａ〜８ｋの通過をパルサ９により検出することにより、図１９に示されるように、クランク軸２の１回転当たりリラクタ８ａ〜８ｋの数に応じて上記と同様のパルスが発生する。
上記欠落部分と上死点との位置関係から各パルス発生時におけるクランク軸２の絶対角度を判別することができる。したがって、点火時期基準位置に対応するパルスを図１９のＰ１に示されるものとすることができ、噴射基準位置も図１９のＦ１に示されるものとすることができる。また、回転速度の変動により噴射時期を図の矢印Ｄに示されるように変化させることから、その噴射時期をできるだけ細かく制御するために、必要な数のパルスを発生させるようにすれば良い。
本図示例の場合には、上記パルスの内、点火時期基準位置用パルスＰ１を上記図示例における点火時期基準位置θ１の代わりに用いることができる。また、そのパルスＰ１から所定数個（Ｎ個）目のパルスＰｎを基準としても良い。そして、上記した回転角度による周期比較を行って、同様の判断を行うことができる。
以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、請求の範囲に記載された本発明の概念から逸脱することなく、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明が適用されたエンジン始動装置の概略構成図。
図２は、本発明が適用されたエンジン始動装置の要部破断縦断面図。
図３は、図２の矢印ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って見た一部破断要部端面図。
図４は、本発明が適用されたエンジン始動装置の概略回路構成図。
図５は、本発明が適用された４サイクルエンジンの予備的な正転駆動を伴う始動制御の実施例を説明するためのタイムチャート。
図６は、電動機（ブラシレスモータ）の転流信号を示すタイムチャート。
図７は、図５における制御手順に対応する行程変化を示す説明図。
図８は、図５における制御手順に対応するタイムチャート。
図９は、本発明に基づく逆転駆動時の制御要領の一実施例を示す説明図。
図１０は、本発明に基づく逆転駆動時の制御要領の別の実施例を示す説明図。
図１１は、本発明に基づく逆転駆動時の制御要領の更に別の実施例を示す説明図。
図１２は、本発明に基づく逆転駆動時の制御要領の更に別の実施例を示す説明図。
図１３は、本発明に基づく逆転駆動時の制御要領の更に別の実施例を示す説明図。
図１４は、本発明が適用された４サイクルエンジンの予備的な正転駆動を伴わない始動制御の実施例を説明するためのタイムチャート。
図１５は、図１４における制御手順に対応する行程変化を示す説明図。
図１６は、図１４における制御手順に対応するタイムチャート。
図１７は、本発明に基づく圧縮行程判別要領のいくつかの実施例を示すタイムチャート。
図１８は、複数のリラクタを設けた電動機を単純化して示す説明図。
図１９は、図１８に示された電動機から得られたパルス列に基づく制御要領を示すタイムチャート。

Claims (15)

1. 始動されるべきエンジンのクランク軸に連結された電動機により、クランク軸を、少なくとも所定の条件下では逆方向に駆動した後、最終的に正転方向にクランキングするようにしたエンジン始動装置であって、
   クランク軸に連結された電動機と、
   クランク軸の角度位置を検出するためのセンサと、
   センサの出力信号に基づき前記電動機への通電を制御するコントローラとを有し、
   前記コントローラが、前回エンジン停止時のクランク軸角度を記憶するべく適合されており、記憶されたクランク軸角度が、圧縮行程内又はその吸気行程側近傍である場合には、逆方向に駆動することなく、そのまま最終的に正転駆動することを特徴とするエンジン始動装置。
2. 前記クランク軸角度位置センサが、所定角度間隔の１対のパルスを前後して発生する点火時期センサを含み、これら両パルス間の時間間隔を、先行するパルス対の時間間隔と比較することにより、各パルス対の発生時点が、圧縮行程或いは排気行程のいずれであるかを判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
3. 前記クランク軸角度位置センサが、点火時期基準パルスを発生する点火時期センサと、より高い解像度をもって、所定角度毎にパルスを発生する角度信号センサとを含み、点火時期基準パルス発生後、前記角度信号パルスが所定個数検出された後の所定数の前記角度信号パルスの周期を検出し、該周期の変化により前記クランク軸の位置を判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
4. 前記電動機がブラシレスモータからなり、前記角度信号センサが前記ブラシレスモータの転流位置検出センサからなることを特徴とする請求項３に記載のエンジン始動装置。
5. 前記逆方向駆動から最終的な正転駆動に移行するべき前記クランク軸の角度位置を、前記エンジンの圧縮行程又は排気行程中に前記点火時期センサの発生する出力を基準として、前記角度信号センサの出力に基づき判定することを特徴とする請求項３に記載のエンジン始動装置。
6. 前記クランク軸角度位置センサが、少なくとも１つの不均等部分以外については、クランク軸１回転ごとに複数のパルスを、所定角度毎に発生するべく適合された角度信号センサを含み、該角度信号センサのパルス出力に基づき前記クランク軸の位置を判定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
7. 前記クランク軸角度位置センサが、クランク軸１回転ごとに複数のパルスを、所定角度毎に発生するべく適合された角度信号センサを含み、該角度信号センサのパルス出力の周期が、増大傾向から、減少に移行した時点を圧縮・膨張行程間の上死点に対応するものと判定することを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
8. 前記コントローラが、前記逆転時に前記クランク軸が膨張行程側から上死点を乗り越えてしまうことがないように、前記電動機が前記クランク軸を逆転させる回転速度を制御するべく適合されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジン始動装置。
9. 前記電動機が、前記逆転時に前記クランク軸を逆転させる回転速度が所定の上限値を超えないようにすることを特徴とする請求項８に記載のエンジン始動装置。
10. 前記回転速度上限値が、前記エンジンのピストンの最大圧縮時エネルギと最大圧縮時までの前記エンジンのフリクションロスエネルギとの和をＥＰ０とし、前記エンジンのクランク系全体の慣性モーメントをＩとした場合に、（２ＥＰ０／Ｉ）^１／２未満であるようにしたことを特徴とする請求項９に記載のエンジン始動装置。
11. 前記回転速度上限値が、バッテリ電圧及びエンジン温度の少なくともいずれか一方に基づいて変化することを特徴とする請求項９に記載のエンジン始動装置。
12. 前記膨張行程内の上死点近傍位置に強制反転位置を設け、前記クランク軸が前記強制反転位置に達したことを検出した時には前記クランク軸を強制的に正転方向に反転駆動することを特徴とする請求項８に記載のエンジン始動装置。
13. 前記膨張行程の途中に回転速度検出位置を設け、前記クランク軸が前記回転速度検出位置に達した際の回転速度が、所定の回転速度上限値以上であることを検出した時には前記クランク軸を強制的に正転方向に反転駆動することを特徴とする請求項８に記載のエンジン始動装置。
14. 前記膨張行程途中に逆転駆動停止位置を設け、前記クランク軸が前記膨張行程を逆行して前記逆転駆動停止位置に達したときに前記逆転駆動を停止し、前記クランク軸が慣性力により逆転し続けて圧縮圧が優勢となることにより正転方向へ反転したことを検出した時に、前記クランク軸を強制的に正転方向に駆動することを特徴とする請求項８に記載のエンジン始動装置。
15. 前記逆転駆動開始時から所定時間内に、前記クランク軸が正転方向へ反転していない場合には、前記逆転駆動停止し、前記クランク軸を強制的に正転駆動することを特徴とする請求項８に記載のエンジン始動装置。

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