WO2013042445A1 - エンジンの再始動装置 - Google Patents

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pinion
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西岡　明
宏泰 城吉
中里　成紀
繁彦 小俣
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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    • F02N2200/04—Parameters used for control of starting apparatus said parameters being related to the starter motor
    • F02N2200/041—Starter speed

Definitions

  • the present invention relates to an engine restart device, and more particularly to an engine restart device suitable for use in an idle stop system.
  • the engine when the engine for an automobile becomes unloaded or under-loaded, the engine is automatically shut down to save fuel consumption of the engine and when engine power is required. Automatically restart the engine.
  • JP 2005-330813 A Japanese Patent Publication No. 2009-529114 JP, 2010-255523, A
  • the idle stop system automatically stops the engine without direct operation by the driver, the engine can be re-started without causing any delay to the driver's request to restart even during automatic stop. You need to start it.
  • the most severe condition for meeting this requirement is when an engine restart request occurs immediately after the start of the automatic stop operation. This is because when using a normal pinion type starter, the engine needs to be completely stopped once to start the engine by the starter.
  • An object of the present invention is to provide an engine restart device capable of quickly restarting the engine and reducing noise at the time of engagement.
  • the present invention provides a pinion connected to an output shaft of a motor, and a shift lever driven by a magnet switch and shifting the pin on in the direction of the ring gear of the engine.
  • a switch module having a starter main body, a first switch for energizing the motor, and a second switch for energizing the magnet switch, and the restart of the engine is determined according to the state of the vehicle;
  • Control means for on / off control of the switch of the switch module, and when the engine is stopped, the motor is rotated while the engine is still rotating, on which the ring gear and the pinion of the engine are
  • An engine restart device for meshing, wherein the ring gear of the engine and the pinion are meshed
  • speed reducing means is provided to actively reduce the rotation of the starter.
  • the decelerating means is configured to decelerate the rotation of the motor by energizing the electromotive force generated by the rotation of the motor of the starter.
  • the decelerating means includes a third switch for energizing the electromotive force generated by the rotation of the motor of the starter, and the control means is for activating the switch of the three. Is at the same time as the activation of the second switch for inserting the pinion of the starter, or after the activation of the second switch.
  • the speed reducing means includes a third switch for energizing the electromotive force generated by the rotation of the motor of the starter, and the third switch is a semiconductor switch .
  • FIG. 1 is a block diagram of an engine restart device according to a first embodiment of the present invention. It is a timing chart when not using the deceleration means by this embodiment. It is a timing chart which shows operation of a restart device of an engine by a 1st embodiment of the present invention. It is a block diagram of the restart apparatus of the engine by 2nd Embodiment of this invention. It is a block diagram of the restart apparatus of the engine by 3rd Embodiment of this invention. It is a block diagram of the restart apparatus of the engine by 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of an engine restart device according to a first embodiment of the present invention.
  • the starter main body 1 includes a motor 13, a pinion 11, a magnet switch 12, a shift lever 14, and the like.
  • the rotational power generated by the motor 13 is transmitted to the pinion 11 via a reduction gear (not shown).
  • the pinion 11 rotates the ring gear 5 of the engine to start the engine. After the engine starts or when the engine is not in use, the engagement between the pinion 11 and the ring gear 5 is released.
  • the magnet switch 12 is energized.
  • the shift lever 14 moves to cause the pinion 11 to jump into the ring gear 5.
  • a sensor for calculating and grasping the rotational speed is provided in order to control the jumping timing of the pinion 11, a sensor for calculating and grasping the rotational speed is provided.
  • the sensor 7 measures the rotation signal of the ring gear 5, and the sensor 8 measures the rotation signal of the starter.
  • the measured signal is input to the control device 2 to calculate the rotational speed.
  • the semiconductor switch module 3 directly manipulates the movement of the starter 1.
  • the semiconductor switch module 3 includes switches 15, 16, and 17.
  • the switch 15 operates the magnet switch 12, and the switch 16 operates ON / OFF of the motor 13.
  • the switch 17 turns on / off the power generation brake of the motor 13.
  • a starter for an automobile has a circuit configuration of a body ground to perform wiring of only the positive pole, and wiring of the negative pole is performed by contacting the body of the vehicle.
  • the switch 17 for the power generation brake operates by communicating the positive pole of the motor with the body ground. That is, although the back electromotive force is generated by the rotation of the motor 13, when the circuit is disconnected, the current can not flow and the braking force is not generated.
  • switches are composed of semiconductors, and their operation is controlled by commands from the control device 2.
  • the operation time until the switch is turned ON / OFF upon receiving a command from the control device 2 can be shortened, and the operation delay time of the switch can be controlled. It is not necessary to consider, and it is possible to eliminate the variation in operation timing due to the variation in operation delay time.
  • the switches 15 and 16 are for controlling energization with the battery 4.
  • the relay switch 6 is provided as a countermeasure when the semiconductor switch fails in the energized state, even if the semiconductor switch fails, the countermeasure is taken. It becomes possible.
  • the relay switch 6 is a mechanical contact type switch, which is normally off. Only when the starter is used, the relay switch 6 is turned on by a command from the control device 2. With this configuration, even if the semiconductor switch is in the ON state and fails, the battery and the starter can be de-energized, which makes the system safe.
  • FIG. 2 is a timing chart when the decelerating means according to the present embodiment is not used.
  • FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the engine restart device according to the first embodiment of the present invention.
  • the operation of the idle stop is started when the determination of the idle stop is established.
  • fuel injection is first stopped. With this fuel cut, combustion does not occur even if the engine rotates, so the engine rotation can not be maintained, and as shown in FIG. 2, the number of rotations of the ring gear rotating integrally with the engine crankshaft (Waveform 101 in FIG. 2) begins to fall.
  • the engine also has air entering and exiting the combustion chamber even when it rotates in inertia without combustion. Pulsating fluctuations accompany such rotational speeds.
  • the ECM 2 in FIG. 1 sends a command to the semiconductor switch module 3 to turn on the switch 16. Then, energization of the motor 13 of the starter 1 is started, and prerotation of the starter 1 is started.
  • the timing which starts prerotation can also be prescribed
  • the energization of the motor 13 is ended, and the rotation of the starter is switched to the inertia rotation.
  • the constant condition is, for example, that an elapsed time after the start of energization at time t1 has become a predetermined time.
  • the timing at which this motor energization is ended can also be defined by the number of revolutions 102 of the starter. That is, after the start of energization, the number of rotations of the motor 13 can be monitored, and the energization can be stopped when the number of rotations reaches a predetermined number of revolutions.
  • ECM2 of FIG. 1 is a semiconductor at time t3, as shown by a waveform 104 of FIG.
  • the magnet switch 12 is energized, and the pinion 11 jumps, causing the pinion 11 and the ring gear 5 to engage.
  • the determination of the start of the pinion jumping is, for example, when the difference between the rotational speed of the engine and the rotational speed of the starter becomes equal to or less than a predetermined rotational speed. That is, the jumping of the pinion is started at the timing when the rotational speeds of the both approach to a certain extent.
  • the difference ⁇ r between the rotational speeds of the engine and the starter at the time of pinion engagement becomes the amount shown in the figure, and the larger the speed difference, the larger the impact of the tooth surface collision, and the larger the generated noise. Therefore, reducing the speed difference leads to noise reduction.
  • FIG. 3 is a waveform diagram according to the present embodiment, in which the difference between the rotational speeds of the engine and the starter at the time of engagement with the pinion is reduced by using the power generation brake, and the impact of the tooth surface collision is small, and the generated noise Can be made smaller.
  • the ECM 2 shown in FIG. 1 sends a command to the semiconductor switch module 3 at time t5, as shown by the waveform 109 in FIG.
  • the power generation brake causes the rotation of the motor to decelerate by energizing the electromotive force generated by the rotation of the motor of the starter. Due to this power generation brake, the rotational speed of the starter starts to decelerate at a larger deceleration than when decelerating by inertia rotation.
  • the jumping operation of the pinion is performed, and the biting of the pinion 11 is completed at the timing of time t4.
  • the engine deceleration during that time is the same as in FIG.
  • the time difference (t5-t3) needs to be changed according to the type of starter. That is, a small output motor is used as a starter for starting a small displacement engine, and a large output motor is used as a starter for starting a large displacement engine.
  • a small output motor the size of the motor itself is small, and the size of the pinion etc. is also small. Therefore, the inertial weight is small.
  • the inertial weight is larger than that of a small output motor.
  • time difference between time t3 and time t5 also needs to be changed appropriately according to the type of starter.
  • the time difference (t5-t3) is in the range of about 0 ms to 20 ms.
  • the timing at which the power generation brake is turned on (time t5) is simultaneous with the start of the pinion jumping (time t3) or after the start of the pinion jumping (time t3).
  • the active deceleration of the starter is performed by the power generation brake, but other methods can also be taken.
  • the power generation brake uses the motor 13, similarly, as the motor 13, there is a reverse energization brake.
  • the battery 4 is connected to the first terminal of the motor 13 and the second terminal is energized in the direction to be grounded.
  • the reverse energization brake is to reverse the direction of energization, connect the above-mentioned second terminal of the motor 13 to the battery, and energize the above-mentioned first terminal in the direction to ground.
  • the motor 13 tries to rotate in the reverse direction, so that the motor 13 can be decelerated.
  • the reverse energization brake can increase the deceleration compared to the generation brake, it can be used when the generation brake alone is not sufficient.
  • a mechanical friction brake can also be used as another method. In the friction brake, the friction member is brought into contact with the output shaft of the motor 13, and the friction force decelerates the motor.
  • the first collision sound can be reduced by optimizing the timing of time t3. That is, as described above, time t3 is when the difference between the rotational speed of the engine and the rotational speed of the starter becomes equal to or less than the predetermined rotational speed.
  • time t3 is when the difference between the rotational speed of the engine and the rotational speed of the starter becomes equal to or less than the predetermined rotational speed.
  • the first collision sound can be reduced by optimizing the time t3. Furthermore, by executing active deceleration (for example, a power generation brake) of the starter at time t4, the second collision sound can also be reduced, and both the first and second collision sounds can be reduced.
  • active deceleration for example, a power generation brake
  • FIG. 4 is a block diagram of an engine restart device according to a second embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same parts.
  • the power generation brake switch 18 is configured by a relay switch (mechanical contact type switch). When both the power generation brake switch 18 and the motor switch 16 are turned on, a short circuit occurs as a circuit, but a mechanical contact type relay switch that is normally off is used for the power generation brake to avoid a failure in the ON state Will be able to do more and be more secure.
  • a relay switch mechanical contact type switch
  • FIG. 5 is a block diagram of an engine restart device according to a third embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same parts.
  • the magnet switch switch 22, the motor switch 23, and the power generation brake switch 18 are configured by mechanical contact type relay switches. By turning off these switches normally, failure in the ON state can be avoided, and switches that shut off the power supply on the upstream side become unnecessary.
  • FIG. 6 is a block diagram of an engine restart device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same parts.
  • the semiconductor switch can perform ON / OFF operation at high speed, so frequent switching can be performed, but when the magnet switch 12 or the motor 13 to be energized has an inductance and the switch is turned off, the current time With the change, an induced electromotive force is generated. In a circuit which is not subjected to the surge voltage countermeasure, the current becomes zero at the moment the switch is turned off, so that the time change of the current is very large and a very large electromotive force is generated. This electromotive force is called a surge voltage, and if no measures are taken, it will cause equipment damage.
  • the diode 19 serves as a measure against the surge voltage of the switch 15, and this diode connects the positive pole of the magnet switch 12 to the body ground.
  • a surge voltage countermeasure for the switch 16 for the motor 13 is provided by the diode 20, and at the moment the switch 16 is turned off, a current flows from the ground through the diode 20 to the motor 13 to prevent generation of a large surge voltage.
  • the countermeasure against the surge voltage of the power generation brake switch 17 is the diode 21.
  • current flows from the motor 13 to the ground of the semiconductor switch module. This current flow is maintained even when the switch 17 is turned off, as a measure against the surge voltage.
  • the current flows through the diode 21 and is absorbed by the battery 4.
  • engine restart can be quickly performed, and noise at the time of engagement can be reduced.

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Abstract

　エンジン再始動を速やかに行えるとともに、噛み合い時の騒音を低減できるエンジンの再始動装置を提供することにある。スタータ本体１は、モータ１３と、ピニオン１１と、シフトレバー１４とを有する。制御手段であるＥＣＭ２は、車両の状態に応じて、エンジンの再始動を判定し、前記スイッチモジュール３のスイッチをオンオフ制御する。ＥＣＭ２は、エンジンの停止の際、まだエンジンが回転している間にモータを回転させ、その上でエンジンのリングギアと前記ピニオンを噛み合わせる。減速手段として、スイッチ１７を備えた発電ブレーキを備え、エンジンのリングギアとピニオンを噛み合わせる際、スタータの回転を能動的に減速させる。

Description

エンジンの再始動装置
　本発明は、エンジンの再始動装置に係り、特に、アイドルストップシステムに用いるに好適なエンジンの再始動装置に関する。
　アイドルストップシステムでは、自動車用のエンジンが無負荷もしくは低負荷になった際に、自動的にエンジンを停止させることで、エンジンの燃料消費を節減し、かつ、エンジンの動力が必要となった際に、自動的にエンジンを再始動させている。
　従来、自動停止要求発生直後のエンジン回転降下期間中に再始動要求が発生したときに、エンジン回転の完全な停止を待たずにスタータのピニオンを回転させ、エンジンのクランク軸に直結されたリングギヤの回転速度と同期させた上で噛み込ませ、すみやかにクランキングを開始することにより、迅速にエンジンを再始動させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　また、自動エンジン停止を開始した直後のエンジン回転降下期間中に、再始動要求がなくてもスタータを回転させ、スタータの回転速度とリングギヤの回転速度の同期を図ってピニオンを飛込ませ、ピニオンとリングギヤを噛み合わせ、再始動要求に備えることも知られている（例えば、特許文献２参照）。
　さらに、回転しているピニオンとリングギヤを噛み合わせる際に生じる歯面衝突の荷重を低減するために、スタータに備えた一方向クラッチを利用することも知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５－３３０８１３号公報 特表２００９－５２９１１４号公報 特開２０１０－２５５５２３号公報
　アイドルストップシステムは、運転者の直接の操作によらずにエンジンを自動停止させるため、自動停止中であっても、運転者の再発進要求に対して、遅れを感じさせることなく、エンジンを再始動させる必要がある。この要件を満たす上で最も厳しい条件になるのが、自動停止動作を始めた直後に、エンジンの再始動要求が発生する場合である。これは、通常のピニオン飛込み式スタータを用いる場合、スタータによるエンジンの始動を行うには、エンジンが一旦、完全に静止する必要があるためである。すなわち、通常のピニオン飛込み式スタータを、エンジンの回転が止まっていない状態で使用すると、ピニオンが飛び込んでエンジンのリングギヤと噛合うまでに非常にうるさい騒音が発生し、かつ、スタータのピニオンや、エンジンのリングギヤを摩耗させる。これを避けるために、エンジンが完全に静止するのを待って、スタータの使用を開始すると、エンジンの回転が復帰するのに、多大な時間を要し、運転者に不安を抱かせる。これを解決するためには、エンジン停止途中で、エンジンがまだ回っている間に、スタータのピニオンをエンジンのリングギヤに静かに噛み込ませることが求められる。
　本発明の目的は、エンジン再始動を速やかに行えるとともに、噛み合い時の騒音を低減できるエンジンの再始動装置を提供することにある。
　（１）上記目的を達成するために、本発明は、モータの出力軸に連結されたピニオンと、マグネットスイッチにより駆動されるとともに、前記ピンオンをエンジンのリングギアの方向にシフトするシフトレバーとを有するスタータ本体と、前記モータに通電する第1のスイッチと、前記マグネットスイッチに通電する第２のスイッチとを有するスイッチモジュールと、車両の状態に応じて、前記エンジンの再始動を判定し、前記スイッチモジュールのスイッチをオンオフ制御する制御手段とを有し、前記エンジンの停止の際、まだ前記エンジンが回転している間に前記モータを回転させ、その上で前記エンジンのリングギアと前記ピニオンを噛み合わせるエンジンの再始動装置であって、前記エンジンのリングギアと前記ピニオンを噛み合わせる際、スタータの回転を能動的に減速させる減速手段を備えるようにしたものである。　
　かかる構成により、エンジン再始動を速やかに行えるとともに、噛み合い時の騒音を低減できるものとなる。
　（２）上記（１）において、好ましくは、前記減速手段は、前記スタータのモータの回転により生じる起電力を通電させることによって前記モータの回転に減速が生じるようにしたものである。
　（３）上記（２）において、好ましくは、前記減速手段は、前記スタータのモータの回転により生じる起電力を通電させるための第３のスイッチを備え、前記制御手段は、前記３のスイッチの起動が、スタータのピニオンを飛込ませるための前記第２のスイッチの起動と同時か、又は、前記第２のスイッチの起動より後とするものである。
　（４）上記（２）において、好ましくは、前記減速手段は、前記スタータのモータの回転により生じる起電力を通電させるための第３のスイッチを備え、該第３のスイッチは、半導体スイッチである。
　本発明によれば、エンジン再始動を速やかに行えるとともに、噛み合い時の騒音を低減できるものとなる。
本発明の第１の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。 本実施形態による減速手段を用いない場合のタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態によるエンジンの再始動装置の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。 本発明の第４の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。
　以下、図１～図３を用いて、本発明の第１の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成及び動作について説明する。　
　最初に、図１を用いて、本実施形態によるエンジンの再始動装置の構成について説明する。　
　図１は、本発明の第１の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。
　スタータ本体１は、モータ１３、ピニオン１１、マグネットスイッチ１２、シフトレバー１４等を備えている。モータ１３によって発生する回転動力が、図示していない減速装置を介してピニオン１１に伝えられる。ピニオン１１が、エンジンのリングギヤ５を回転させることで、エンジンが始動する。エンジンが始動した後や、エンジン未使用時は、ピニオン１１とリングギヤ５の噛み合いは外される。ピニオン１１をリングギヤ５に噛み合わせる際は、マグネットスイッチ１２に通電される。マグネットスイッチ１２に通電されると、シフトレバー１４が動いて、ピニオン１１をリングギア５に飛込ませる。また、ピニオン１１の飛込みタイミングをコントロールために、回転速度を演算して把握するためのセンサを備えている。センサ７はリングギヤ５の回転信号を計測し、センサ８はスタータの回転信号を計測する。計測した信号は、制御装置２に入力され、回転速度が演算される。
　半導体スイッチモジュール３は、スタータ１の動きを直接操作するのである。半導体スイッチモジュール３は、スイッチ１５，１６，１７を備えている。スイッチ１５はマグネットスイッチ１２を操作し、スイッチ１６はモータ１３のＯＮ／ＯＦＦを操作する。スイッチ１７はモータ１３での発電ブレーキをＯＮ／ＯＦＦさせる。自動車用のスタータは、ボディーアースの回路構成をとることにより、プラス極だけの配線を行い、マイナス極の配線は、車両のボディーに接触させことで行う。発電ブレーキ用のスイッチ１７は、モータのプラス極とボディーアースと連通することで動作する。すなわち、モータ１３は回転により逆起電力が生じるが、回路が切れている時は電流が流れることが出来ず、ブレーキ力は発生しない。スイッチ１６が切れていて、モータ１３が惰性回転している時にスイッチ１７をＯＮにすると、逆起電力で発生した電圧で、ボディーアースを通じて電流が流れ、その電流に比例してブレーキ力が発生する。このブレーキ力によりモータ１３の回転速度を減速させる。すなわち、スイッチ１７により発生するブレーキ力をモータ１３の減速手段として用いている。
　これらのスイッチは半導体で構成されており、その動作は制御装置２からの指令によって制御される。スイッチ１５、１６、１７を半導体スイッチで構成することにより、制御装置２から指令を受けてスイッチがＯＮ／ＯＦＦされるまでの動作時間の短縮が図られ、制御の際にスイッチの動作遅れ時間を考慮する必要がなくなり、かつ、動作遅れ時間のバラツキによる動作タイミングのバラツキをなくすことが可能になる。
　スイッチ１５，１６はバッテリー４との通電を制御するものであるが、半導体スイッチが通電状態で故障した場合の対策として、リレースイッチ６を設けておくと、半導体スイッチに故障が生じても対処することが可能となる。リレースイッチ６は機械接点式のスイッチであり、通常時がＯＦＦである。スタータを使用する時のみ、制御装置２からの指令によりリレースイッチ６はＯＮになる。この構成をとると、半導体スイッチがＯＮ状態で故障しても、バッテリーとスタータの通電を遮断することが可能となり、システムとして安全となる。
　次に、図２及び図３を用いて、本実施形態によるエンジンの再始動装置の動作について説明する。　
　図２は、本実施形態による減速手段を用いない場合のタイミングチャートである。図３は、本発明の第１の実施形態によるエンジンの再始動装置の動作を示すタイミングチャートである。
　アイドルストップの動作は、アイドルストップの判定が成立した時点で開始される。アイドルストップの判定が成立すると、最初に、燃料噴射が停止される。この燃料カットにより、エンジンが回転しても燃焼が起きなくなることで、エンジンの回転を維持できなくなり、図２に示すように、エンジンのクランク軸と一体となって回転しているリングギヤの回転数（図２の波形１０１）が低下を始める。（なお、エンジン回転速度、エンジン回転数、リングギヤ回転数はいずれも同じ意味で使用する）エンジンは、燃焼なしで惰性回転する時も、燃焼室への空気の出入りがあるため、図２に示すような回転速度に脈動的な変動が伴う。
　エンジン回転が低下し始めたことを受けて、次に、図２の波形１０３に示すように、時刻ｔ１において、図１のＥＣＭ２は、半導体スイッチモジュール３に指令を送り、スイッチ１６をオンすることで、スタータ１のモータ１３に通電を開始し、スタータ１の予回転を開始する。なお、予回転を開始するタイミングは、リングギヤの回転速度で規定することもできる。
　予回転開始後は、スタータの回転数（＝回転速度と同じ）を検知し続け、一定の条件が成立した時点（図２の時刻ｔ２）で、波形１０３に示すように、図1のスイッチ１６をオフすることで、モータ１３の通電を終了し、スタータの回転を惰性回転に切り替える。ここで、一定の条件とは、例えば、時刻ｔ１に通電開始した後の経過時間が所定時間になったことである。なお、このモータ通電を終了するタイミングはスタータの回転数１０２で規定することもできる。すなわち、通電開始後、モータ１３の回転数を監視し、その回転数が所定回転数になったとき、通電を停止するようにすることもできる。
　なお、図２では、スタータの回転速度を表記するにあたり、ピニオンとリングギヤが噛み合った状態でのエンジン回数数に換算した値にしている。この換算を行うことで、エンジンの回転速度とスタータの回転速度が同期しているかどうかが見やすくなる。
　スタータが惰性回転中であって、リングギヤ回転数が低下してくる時に、ピニオンの飛込み開始が判定されると、図２の波形１０４に示すように、時刻ｔ３において、図１のＥＣＭ２は、半導体スイッチモジュール３に指令を送り、スイッチ１５をオンすることで、マグネットスイッチ１２に通電して、ピニオン１１の飛込みを行い、ピニオン１１とリングギヤ５を噛み込ませる。ピニオンの飛込み開始の判定は、例えば、エンジンの回転速度とスタータの回転速度との差が所定回転数以下になったときとする。すなわち、両者の回転数がある程度近づいたタイミングで、ピニオンの飛び込みを開始する。
　エンジンの回転速度が脈動している中で、減速度が大きい時は、スタータが惰性回転で減速している時の減速度よりも大きい。このため、ピニオンの飛込みを開始したタイミング（時刻ｔ３）では、エンジンの回転速度（波形１０１）の方が、スタータの回転速度（波形１０２）よりはるかに大きい。
　時刻ｔ３以後は、マグネットスイッチ１２に電流が流れ出し、ピニオン１１を押し出す力が発生し、ピニオン１１の飛込み動作が始まる。ピニオン１１が飛込みを開始した後は、ピニオン１１の先端の面が、リングギア５の側面に接触し、ピニオン１１の歯が、リングギア５の歯の間の位置にきた時点で、噛み込みが始まり、歯車の厚さ分を移動して、噛み込みが完了する。この噛み込み完了が、時刻ｔ４のタイミングとなる。
　飛込み開始（時刻ｔ３）から、噛み込み完了（時刻ｔ４）までにある程度の時間がかかることで、時刻ｔ３の時点と、時刻ｔ４の時点では、エンジンとスタータの回転速度の相対的な関係が異なる。すなわち、時刻ｔ３の時点では、エンジン回転速度の方がスタータの回転速度よりはるかに大きかったにも関わらず、時刻ｔ４の時点では、逆にエンジン回転速度の方がスタータの回転速度より小さくなっている。このようなことは、エンジンの気筒の中で、圧縮工程にある気筒のピストンが上死点に近付いている時に起きやすい。すなわち、圧縮工程でピストンが上死点に近付くと、筒内圧が高まり、ピストンを押し返す力が強まる。この力が、エンジンの回転速度を減速させるトルクとなることから、上死点近くでは、エンジン回転速度の急激な減速が起きる。
　ピニオン１１が噛み合った時点でエンジン回転速度がスタータ回転速度より低い場合、歯車の歯面衝突によって角運動量の交換が行われる。これにより、エンジン回転速度（波形１０１）は上昇し、スタータ回転速度（波形１０２）は低下する。その後、エンジンの圧縮工程にあった気筒のピストンが上死点を越えると、今度は筒内圧によってエンジンが加速され、回転速度の大幅な上昇が生じる。一般に、スタータにはワンウェイクラッチの機構が組み込まれていて、スタータのモータからピニオンへの正回転方向の動力は伝達されるが、ピニオン回転がモータ回転より増速した場合は、クラッチが切れ、動力伝達が行われないようになっている。このため、ピニオン１１がリングギア５に噛み合った後にも、エンジン回転が増速する分にはスタータのモータと同期することなく回転することが可能となる。
　ピニオン噛み込み時点でのエンジンとスタータの回転速度の差Δｒが図示した量となり、この速度差が大きいほど、歯面衝突の衝撃が大きくなり、発生する騒音が大きくなる。よって、この速度差を小さくすることが、騒音低減につながる。
　図３は、本実施形態による波形図であり、発電ブレーキを用いることで、ピニオン噛み込み時点でのエンジンとスタータの回転速度の差を小さくして、歯面衝突の衝撃が小さく、発生する騒音が小さくできるものである。
　図３の動作において、ピニオン１１の飛込み開始（時刻ｔ３）までは図２の動作と全く同じになるため、説明を省略する。
　図３の動作においては、ピニオン１１の飛込み開始（時刻ｔ３）の直後に、図３の波形１０９に示すように、時刻ｔ５において、図１のＥＣＭ２は、半導体スイッチモジュール３に指令を送り、スイッチ１７をオンすることで、発電ブレーキのスイッチをＯＮにする。発電ブレーキは、スタータのモータの回転により生じる起電力を通電させることによってモータ回転に減速を生じさせるものである。この発電ブレーキにより、スタータの回転速度は惰性回転で減速していた時よりも、より大きな減速度で減速し始める。それと同時にピニオンの飛込み動作は行われ、時刻ｔ４のタイミングでピニオン１１の噛み込みが完了する。その間のエンジン減速度は図２と同じであるが、スタータの回転をより減速させたことで、時刻ｔ４の時点での速度差Δｒ’が小さくなる。すなわち、エンジンの減速度にスタータの減速度が近付き、ピニオンが噛み合う間にエンジン回転が大きく減速しても、噛み合った瞬間の速度差が大きくならずに済む。これによって、歯面衝突で発生する衝撃力が小さくなり、発生する騒音も小さくなる。
　図３に示すように、時刻ｔ２において、モータの通電が終了すると、スタータの回転は減速する。この減速は、言わば、受動的な減速である。それに対して、時刻ｔ４において発電ブレーキをオンすると、スタータの回転は更に減速する。これを能動的な減速と称する。
　時刻ｔ３と、時刻ｔ５の間は、例えば、１０ｍｓとしている。なお、この時間差（ｔ５－ｔ３）については、スタータの種類に応じて変える必要がある。すなわち、小排気量のエンジンを始動するためのスタータは小出力のモータが用いられ、大排気量のエンジンを始動するためのスタータは大出力のモータが用いられる。小出力のモータの場合、モータ自体の体格も小さく、また、ピニオン等の体格も小さい。そのため、慣性重量が小さいものである。一方、大出力のモータの場合、慣性重量が小出力のモータに比べて大きいものである。その結果、図３の時刻ｔ２以降において、モータ回転速度が減少する割合は、スタータの種類によって異なることとなる。そこで、時刻ｔ３と時刻ｔ５の時間差も、スタータの種類に応じて、適宜変える必要が或る。数種類のスタータについて検証した結果では、時間差（ｔ５－ｔ３）は、０ｍｓ～２０ｍｓ程度の範囲となる。いずれにしても、発電ブレーキをオンするタイミング（時刻ｔ５）は、ピニオンの飛び込み開始（時刻ｔ３）と同時か、ピニオンの飛び込み開始（時刻ｔ３）よりも後としている。
　スタータのピニオンを、エンジンのクランク軸に直結されたリングギヤに噛み合わせておくことで、再始動条件が整った場合には、すみやかにクランキングを開始することにより、迅速にエンジンを再始動させることができる。
　以上説明した本実施形態では、スタータの能動的減速は、発電ブレーキにより行っているが、他の方法も取り得る。例えば、発電ブレーキは、モータ１３を用いるものであるが、同様に、モータ１３を用いるものとして、逆通電ブレーキがある。通常、モータ１３には、図１に示すように、バッテリ４をモータ１３の第１の端子に接続し、第２の端子は接地する方向に通電する。それに対して、逆通電ブレーキとは、通電方向を逆にして、モータ１３の前述の第２の端子をバッテリに接続し、前述の第1の端子を接地する方向に通電するものである。これによりモータ１３は逆方向に回転しようとするため、モータ１３の減速することができる。逆通電ブレーキは、発電ブレーキに比べて減速度を大きくできるため、発電ブレーキだけでは減速度が十分でない場合に用いることができる。また、以上の２つの例は、モータ１３を用いた電気的なブレーキであるが、他の方法として、機械的な摩擦ブレーキを用いることもできる。摩擦ブレーキでは、モータ１３の出力軸に対して摩擦部材を接触するようにして、その摩擦力により、モータを減速する。
　ここで、ピニオン１１とリングギア５が接触するときの衝突音としては、２種類ある。第１は、ピニオン１１の端面が、リングギア５の側面に接触する時に発生する衝突音である。第２は、第１の衝突音が発生した後、ピニオン１１とリングギア５の歯面が接触する時に発生する音である。図２の例において、時刻ｔ３のタイミングを適切化することで、第１の衝突音を低減することができる。すなわち、前述したように、時刻ｔ３は、エンジンの回転速度とスタータの回転速度との差が所定回転数以下になったときとしている。それに対して、第２の衝突音を低減するには、図２の例では、時刻ｔ３を図示の状態よりも、早めることが効果的である。但し、この場合、第２の衝突音を低減できても、第1の衝突音が増大することになる。すなわち、図２に示す例では、第１及び第２の衝突音の双方を低減することができないものである。それに対して、本実施形態では、図３に示したように、時刻ｔ３を適切化して、第１の衝突音を低減できる。更に、時刻ｔ４において、スタータの能動的減速（例えば、発電ブレーキ）を実行することで、第２の衝突音も低減でき、第１と第２の衝突音の両方を低減できるものである。
　以上説明したように、本実施形態によれば、エンジンがまだ回っている間にスタータのピニオンをエンジンのリングギアに静かに噛み込ませることが可能になり、これによって、エンジン停止動作を開始した直後に再始動要求が生じた場合にも、速やかにエンジンを再始動させることが可能となる。また、ピニオンとリングギアを噛合わせる際の騒音が低減されることで、運転者に不快感を与えずに済む他、ピニオンとリングギアの摩耗が減り、頻繁にアイドルストップを行っても、部品の劣化による交換の必要をなくすことが可能になる。
　さらに、回転が停止したリングギアにスタータのピニオンを噛み込ませる際は、リングギアのある程度決まった位置の歯とピニオンが接触して、噛み込むことになり、リングギアの特定の歯の摩耗が進むことになるが、この問題に対しても改善が図られる。それは、エンジンが停止する際、圧縮工程の気筒の内圧が上がるようなピストン位置ではピストンが押し戻されるため、結果として毎回、同じようなピストンの位置が回転が止まることになり、リングギアの回転位置は特定の範囲に集中して停止することになる。これに対して、回転中のリングギアにスタータのピニオンを静かに噛み込ませることが可能になると、再始動要求がなくても毎回、リングギアが回転している間にピニオンを噛み込ませればよくなる。この場合、リングギアは回転中であるため、噛み込みの際接触する歯が特定の位置に集中することなく、全ての歯に均等に機会が訪れるようになる。そうなると、リングギアの摩耗が特定の歯に集中することがなくなり、アイドルストップを繰り返し実施しても耐久性の問題を引き起こすことがなくて済むようになる。
　次に、図４を用いて、本発明の第２の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成及び動作について説明する。　
　図４は、本発明の第２の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
　本実施形態では、発電ブレーキ用スイッチ１８をリレースイッチ（機械接点式スイッチ）で構成している。発電ブレーキ用スイッチ１８とモータ用スイッチ１６の両方がＯＮになると、回路として短絡するが、機械接点式で、かつ、通常ＯＦＦのリレースイッチを発電ブレーキに用いることで、ＯＮ状態での故障をさけることができるようになり、より安全性が高まる。
　次に、図５を用いて、本発明の第３の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成及び動作について説明する。　
　図５は、本発明の第３の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
　本実施形態では、マグネットスイッチ用スイッチ２２、モータ用スイッチ２３、発電ブレーキ用スイッチ１８を機械接点式のリレースイッチで構成している。これらのスイッチを通常ＯＦＦにすることで、ＯＮ状態で故障することが避けられ、上流側で通電を遮断するスイッチが不要になる。
　次に、図６を用いて、本発明の第４の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成及び動作について説明する。　
　図６は、本発明の第４の実施形態によるエンジンの再始動装置の構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
　本実施形態では、図1に示した回路をより詳細に記載し、サージ電圧対策を施したものである。
　半導体スイッチは高速でＯＮ／ＯＦＦ動作ができるため、頻繁にスイッチングを行うことが可能であるが、通電対象であるマグネットスイッチ１２やモータ１３はインダクタンスを持ち、スイッチをＯＦＦにした時、電流の時間変化に伴い誘導起電力が発生する。サージ電圧対策をしていない回路では、スイッチを切った瞬間に電流が０になるため、電流の時間変化が非常に大きく、非常に大きな起電力が発生する。この起電力をサージ電圧と呼び、対策を施さない場合、機器を痛める原因となる。スイッチ１５のサージ電圧対策となるのがダイオード１９であり、このダイオードはマグネットスイッチ１２のプラス極とボディーアースをつなぐ。これにより、マグネットスイッチ１２のスイッチ１５をＯＦＦにした瞬間に誘導起電力が発生しても、ダイオード１９を通じて、電流が流れることで、マグネットスイッチ１２に流れる電流の時間変化が小さくて済み、発生する起電力も小さくなる。
　同様にモータ１３用のスイッチ１６に対するサージ電圧対策が、ダイオード２０で施してあり、スイッチ１６が切れた瞬間に、アースからダイオード２０を通じてモータ１３に電流が流れ、大きなサージ電圧の発生を防ぐ。
　発電ブレーキ用スイッチ１７のサージ電圧対策が、ダイオード２１である。発電ブレーキ動作中は、モータ１３から半導体スイッチモジュールのアースに向かって電流が流れている。この電流の流れを、スイッチ１７をＯＦＦにした時にも維持させるのが、サージ電圧対策であり、ダイオード２１を通じて電流を流し、この電流はバッテリー４に吸収させる。
　以上の図４～図６に示した実施形態でも、エンジン再始動を速やかに行えるとともに、噛み合い時の騒音を低減できるものとなる。
１…スタータ本体
２…制御装置
３…半導体スイッチモジュール
４…バッテリー
５…リングギア
６…電源遮断用リレースイッチ
７…リンギギヤ回転速度センサ
８…スタータ回転速度センサ
１１…ピニオン
１２…マグネットスイッチ
１３…モータ
１４…シフトレバー
１５…マグネットスイッチ用スイッチ
１６…モータ用スイッチ
１７…発電ブレーキ用スイッチ
１８…発電ブレーキ用リレースイッチ
１９…マグネットスイッチ用ダイオード
２０…モータ用ダイオード
２１…発電ブレーキ用ダイオード
２２…マグネットスイッチ用リレースイッチ
２３…モータ用リレースイッチ

Claims (4)

  1. 　モータの出力軸に連結されたピニオンと、マグネットスイッチにより駆動されるとともに、前記ピンオンをエンジンのリングギアの方向にシフトするシフトレバーとを有するスタータ本体と、
    　前記モータに通電する第1のスイッチと、前記マグネットスイッチに通電する第２のスイッチとを有するスイッチモジュールと、
    　車両の状態に応じて、前記エンジンの再始動を判定し、前記スイッチモジュールのスイッチをオンオフ制御する制御手段とを有し、
    　前記エンジンの停止の際、まだ前記エンジンが回転している間に前記モータを回転させ、その上で前記エンジンのリングギアと前記ピニオンを噛み合わせるエンジンの再始動装置であって、
    　前記エンジンのリングギアと前記ピニオンを噛み合わせる際、スタータの回転を能動的に減速させる減速手段を備えることを特徴とするエンジンの再始動装置。
  2. 　請求項１記載のエンジンの再始動装置において、
    　前記減速手段は、前記スタータのモータの回転により生じる起電力を通電させることによって前記モータの回転に減速が生じるようにしたことを特徴とするエンジンの再始動装置。
  3. 　請求項２記載のエンジンの再始動装置において、
    　前記減速手段は、前記スタータのモータの回転により生じる起電力を通電させるための第３のスイッチを備え、
    　前記制御手段は、前記３のスイッチの起動が、スタータのピニオンを飛込ませるための前記第２のスイッチの起動と同時か、又は、前記第２のスイッチの起動より後とすることを特徴とするエンジンの再始動装置。
  4. 　請求項２記載のエンジンの再始動装置において、
    　前記減速手段は、前記スタータのモータの回転により生じる起電力を通電させるための第３のスイッチを備え、
    　該第３のスイッチは、半導体スイッチであることを特徴とするエンジンの再始動装置。
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