JP2016211381A - エンジン始動装置及びエンジン始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの始動時間を短縮し、ギアの摩耗と始動時の衝突による騒音を抑制させることが可能なエンジン始動装置及びエンジン始動方法を提供する。【解決手段】モータ部１０への通電電流をオンにするとき、モータ部１０の出力軸２０に設けられたピニオンギア部３１を、エンジンに結合されたリングギア８０と噛み合うように移動させ、モータ部１０への通電電流をオンにするとき、モータ部１０に設けられている複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、その後、ピニオンギア部３１とリングギアと８０が噛み合ったと判定したとき、前記複数の極数の内、多い方の極数に切り替える。【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンを始動するためのスタータとして知られるエンジン始動装置及びエンジン始動方法に関するものである。

近年では低燃費化のためにアイドリングストップを行うシステムが普及しており、アイドリングストップを行うシステムに使用するエンジン始動装置に於いては、エンジン始動装置の使用頻度が高いためリングギアやピニオンギアの摩耗による損傷が進行し、ピニオンギアとリングギアの噛み合い失敗を引き起こすことがある。
また、アイドリングストップを行うシステムにおいては、エンジンの再始動性能を確保するため、リングギアの回転中にもピニオンギアをリングギアと噛み合わせることがある。

例えば、アイドリングストップした瞬間であってエンジンの回転がまだ止まっていない状態で再始動要求が入った場合、或いはエンジンの停止状態から再始動の際に時間を短縮する必要がある場合には、リングギアの回転中に事前にピニオンギアとリングギアとの噛み合わせを行なうようにしている。

このようにアイドリングストップを行う頻度が高くなるにつれて摩耗が激しくなるため噛み合い失敗をさせないためには摩耗を抑制しなければならない。また、エンジンを停止させる様々な状態からの再始動は従来よりもエンジンを始動させる時間を短縮しなければ始動時に違和感が発生してしまう。
そこでピニオンギアとリングギアの噛み合わせロス時間の短縮だけでなく、スタータモータでエンジンをアイドリング回転数に達する時間を短縮する必要がある。

例えば、エンジン始動装置において減速比を可変にすることで始動初期の高トルクから終盤の高回転で駆動できるスタータがある（例えば、特許文献１参照）。
また、モータの巻線コイルに対してエンジンの負荷変動に応じてコイルの通電を制御する制御素子を制御することで迅速に始動させ、トルク変動に伴うピニオンギアとリングギアの噛み合わせ騒音を小さくするスタータ制御システムがある（例えば、特許文献２参照。）
さらに、エンジンの始動性の向上と、大きなバッテリー電流がモータに流れるのを防止するため、直巻コイルをバイパスする回路を流れる電流量をモータの回転状態に応じて制御するエンジン始動装置がある（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００４‐２１８６２７号公報 特開２００２−７０７００号公報 特開２００４−３１２９５０号公報

上記の特許文献１の場合、減速比を可変にすることで出力トルクを変えて低速での高トルク化は可能であるが、減速比を可変にしてもエネルギーは変わらないため高速回転域での出力軸での回転数での高トルク化はできず、モータの出力を効率良く使っているものの、迅速にエンジンを始動させることはできない。

上記の特許文献２の場合には、迅速に始動させるためには出力を上げる必要があるが、ピニオンギアとリングギアが噛み合うまでに出力を上げるとその衝突音が大きくなって騒音となり、その衝突することで摩耗が激しくなる。

また、上記の特許文献２及び３の場合には、与えるエネルギーをエンジンやモータの回転数によって制御すればコストが高くなるばかりでなく、エンジンの回転を認識してからになるため、エンジン始動を加速させるタイミングが遅れてしまう。

本発明は、上記の課題を解決するために為されたもので、その目的は、エンジンの始動時間を短縮し、ギアの摩耗と始動時の衝突による騒音を抑制可能なエンジン始動装置及びエンジン始動方法を提供することに在る。

上記の目的を達成するため、本発明によるエンジン始動装置は、選択可能な複数の極数を有するモータ部と、前記モータ部の出力軸に設けられたピニオンギア部と、前記モータ部の出力軸に設けられ、軸方向に移動可能なピニオン移動体部と、前記ピニオンギア部が、エンジンに結合されたリングギアと噛み合うように前記ピニオン移動体部を移動させる押出機構部と、前記モータ部への通電電流をオン／オフするソレノイドスイッチ部であって、前記通電電流をオンにするとき前記押出機構部を駆動するとともに、前記複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、その後、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが噛み合ったと判定したとき、複数の極数の内、多い方の極数に切り替えるソレノイドスイッチ部とを備えたものである。

また、本発明では、モータ部への通電電流をオンにするとき、前記モータ部の出力軸に設けられたピニオンギア部を、エンジンに結合されたリングギアと噛み合うように移動させ、前記モータ部への通電電流をオンにするとき、前記モータ部に設けられている複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、その後、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが噛み合ったと判定したとき、前記複数の極数の内、多い方の極数に切り替えるエンジン始動方法が提供される。

本発明によるエンジン始動装置及びエンジン始動方法によれば、モータ部への通電電流をオンにするとき、モータ部に設けた複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、その後はピニオンギア部とリングギアとが噛み合ったと判定したとき、複数の極数の内、多い方の極数に切り替えるように構成したので、初期噛み合い時のピニオンギア部とリングギアの衝突力を低減できることで、ギアの摩耗と騒音も抑制しながら、迅速にエンジンを始動させることができる。また、これらの切り替えを複雑な制御を用いることなく、低コスト化が可能となる。

本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置の分解斜視図である。 本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置の側面断面図である。 本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置に使用されるモータ部の正面断面図である。 本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置に使用されるモータ部とソレノイドスイッチ部との接続関係を示した電気回路図である。 本発明の実施形態１によるエンジン始動装置におけるリングギアとピニオンギア部との噛み合い状態を説明した図である。 本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置のピニオン回転数と出力トルクとの関係を示す特性グラフ図である。 本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置に使用されるモータ部の変形例を示した回路図である。 本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置に使用されるモータ部のさらに別の変形例を示した回路図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置を図に基づいて詳細に説明する。
図１に示す本発明の実施の形態１によるエンジン始動装置は、概略的には、モータ部１０と、出力軸２０と、ピニオン移動体部３０と、ソレノイドスイッチ部４０と、プランジャ５０と、レバー６０と、ブラケット７０と、内部減速部９０とを備えている。

モータ部１０は、入力部１１，１２を有し、エンジン（図示せず。）を始動するための回転力を発生する。出力軸２０は、モータ部１０に減速ギア部９０を介して結合するためのヘリカルスプライン部２０ａを有する。ピニオン移動体部３０は、出力軸２０に対して、後述するヘリカルスプライン部と出力軸ヘリカルスプライン部２０ａとにより、ヘリカルスプライン係合され、出力軸２０の周面を出力軸２０の軸方向に回転しながら移動させるものである。

ソレノイドスイッチ部４０は、入力部４５と出力部４１，４２を有し、プランジャ５０を備える。レバー６０は、ほぼ中央部が回動自在に支持され、一端がプランジャ５０に係合され他端がピニオン移動体部３０に係合されている。ブラケット７０は、ピニオン移動体部３０が、モータ部１０とは反対側の所定位置まで移動した際にその移動を停止させるもので、モータ部１０と、出力軸２０と、ピニオン移動体部３０と、ソレノイドスイッチ部４０等の構成部品を、エンジン側に固定している。

図２は、図１に分解図で示したエンジン始動装置を左右逆方向から見たときの断面図を示す。ソレノイドスイッチ部４０は、車両のキースイッチ（図示せず。）がオンにされたとき、若しくはエンジン制御装置（図示せず。以下、ＥＣＵと称する。）からエンジン始動装置にオン指令が発動されたとき、内部に設けられた吸引コイル４３が付勢され、プランジャ５０を吸引する。吸引コイル４３とプランジャ５０とレバー６０は、ピニオン移動体部３０を介して、ピニオンギア部３１がリングギア８０と噛み合う位置に移動させる押出機構部を構成している。リングギア８０はエンジンと結合されている。

エンジンを再始動させる際に再始動信号によりソレノイドスイッチ部４０の吸引コイル４３にバッテリー１００（図３参照。）から通電されることによってプランジャ５０が引き込まれてレバー６０を引き込む。これにより、レバー回転中心６１で回転することでピニオン移動体部３０をリングギア８０の方向に押し出す。これにより、後述する図５（Ａ）に示すように、ピニオンギア部３１がリングギア８０と端面部で当接する。

また、図３の断面図に示すように、モータ部１０は、継鉄の内側に、ロータ部１４の周囲において回転方向に並べて配置された複数の磁極鉄心１３と、これら複数の磁極鉄心１３の各々に巻回された界磁巻線１１ａ，１１ｂ及び１２ａ，１２ｂとで構成されて、所定の条件によって通電の極数を変えるように構成されている。

電気的には、図４に示すように、電源としてのバッテリー１００は、ソレノイドスイッチ部４０の入力部４５に接続され、ソレノイドスイッチ部４０の４極通電時のスイッチ４０ａ及び２極通電時の４０ｂを経て出力部４１及び４２に接続されている。なお、２極通電時にはスイッチ４０ｂのみがオンにされ、４極通電時には、スイッチ４０ｂとスイッチ４０ａの双方がオンにされる。

ソレノイドスイッチ部４０の出力部４１及び４２は、それぞれ、モータ部１０の４極通電時の入力部１１及び２極通電時の１２に接続されている。入力部１１及び１２は、それぞれ、４極通電時の界磁巻線１１ａ，１１ｂの並列回路及び２極通電時の界磁巻線１２ａ，１２ｂの並列回路に接続されている。これらの並列回路は、ロータ部１４に接続されている。

以下、通電動作を、上記の図１〜図４、並びに図５及び図６を参照して説明する。
エンジン始動信号が発生されると、２極通電時としてスイッチ（又は接点）４０ｂがオンにされる。このとき、２極通電時の入力部１２から界磁巻線１２ａ及び１２ｂが通電され、２極モータとして回転を始める。ピニオンギア３１とリングギア８０が噛み合った後には４極通電時に移行し、スイッチ４０ｂに加えてスイッチ（又は接点）４０ａをオンにすると、４極通電時の入力部１１から界磁巻線１１ａ及び１１ｂも併せて通電され、４極モータとして回転する。

次に、２極通電から４極通電に切り替えるときの動作を、ピニオンギア部３１とリングギア８０の噛み合い状態を概念的に示す図５、及びトルク−回転数の特性関係を示した図６を参照して以下に説明する。
まず、スイッチ４０ｂがオンにされるとき、これに対応して吸引コイル４３が付勢されるので、プランジャ５０及びレバー６０を経由してピニオン移動体部３０が、図５（Ａ）の矢印の方向にピニオンギア部３１を押し出す。これにより、上述したように、ピニオンギア部３１がリングギア８０と端面部で当接した、図５（Ａ）に示す状態となる。

一方、２極通電時においてプランジャ５０がスイッチ４０ｂをオンにすると、モータ部１０の入力部１２を経由して界磁巻線１２ａ，１２ｂにバッテリー１００からの電源が与えられる。これによりロータ部１４が回転を開始し、さらに減速ギア部９０を介してピニオン移動体部３０が回転を開始する。

これにより、図５（Ｂ）の矢印で示すように、ピニオンギア部３１が回転し始めることで、ピニオンギア部３１とリングギア８０とは一旦離れるとともに位相が合うようになり、この後、レバー６０で押し込まれてピニオン移動体部３０はリングギア８０に噛み込まれるようになる。

そこで、図５（Ｃ）のようにピニオンギア部３１とリングギア８０が初期衝突を起こして噛み合う。レバー６０で押し込まれるだけでなく、ロータ部１４が回転することで出力軸２０のヘリカルスプライン部２０ａによりさらに押し込まれて、図５（Ｄ）に示すように完全に噛み合うようになりリングギア８０を回転開始させるとともに、矢印方向に移動させる。

この完全に噛み合うまでの時間若しくは噛み合うことを検知する機構やセンサーで噛み合ったことを検出した後、４極通電に移る。ここで噛み合うことを検知する機構はレバー６０が動くことでその位置関係を一定以上動作すれば検知する機構を用いることで、問題無く低コストで簡単に検知が可能となる。
すなわち、ソレノイドスイッチ部４０のスイッチ４０ａがオンとなり、すなわち吸引コイル４４に通電することで、バッテリー１００から出力部４１及びモータ入力部１１を経由して界磁巻線１１ａ，１１ｂが通電されることにより、ロータ部１４の回転をさらに加速させてエンジンを迅速に始動させることになる。

この時のモータ部１０は、図６に示すような特性を示す。
すなわち、最初の２極通電時には、２極通電時のトルク−回転数の特性１００ｂの実線部分を辿り、そして、切替時の特性１００ｃの実線部分を辿って、４極通電時のトルク−回転数の特性１００ａの実線部分を辿る。

さらに、この界磁巻線の仕様は、２極部の界磁巻線１２ａ，１２ｂは、例えば巻き数を減らす等、巻き数を変えておくことで明確に４極通電時の特性１００ａより２極通電時の特性１００ｂのトルクを抑制できる。
このように極数を切り替えることが可能なモータを制御することにより、２極通電時のトルク特性が抑制できるので、図５（Ｃ）に発生する騒音とギア先端の摩耗が抑制できる。従って、始動性を改善するために出力を上げる手法として、または入力の電圧を上げる際の摩耗の抑制として効果を発揮できる。

噛み合い前は低温で始動できるだけの最低必要トルクまで抑制し、噛み合い後は可能な限り出力を大きくなっても問題ないため、高回転領域でトルクを上げるような巻線仕様にしておけば、エンジンの始動時間を短縮しながらギアの摩耗や騒音の抑制も可能になる。

また、図７に示すように、２極通電時の界磁巻線１２ａ，１２ｂの並列回路と直列に抵抗１５などを取り付けるかそれ相当の回路によって１２ａ，１２ｂへの電流を抑制するようにしてもよい。

さらに、図８に示すように、２極通電時するスイッチ４０ｂを最初にオンにした後、切り替え時には、そのスイッチ４０ｂをオフにした後、スイッチ４０ａに通電して４極通電にするコイル構成でもよい。
その場合は、２極通電時の界磁巻線１２ａ及び１２ｂを２つに分け、その一部の界磁巻線１２ａ１，１２ｂ１を２極通電用に残し、他方の界磁巻線１２ａ２，１２ｂ２を４極通電時の界磁巻線１１ａ及び１１ｂに割り振るように結線状態を変えればよい。

１０ モータ部、１１ モータへの通電入力部、１１ａ ４極通電時（ギア噛み合い後）の界磁巻線、１１ｂ ４極通電時の界磁巻線、１２ モータへの通電入力部、１２ａ ２極通電時（ギア噛み合い前）の界磁巻線、１２ｂ ２極通電時の界磁巻線、１３ 磁極鉄心、１４ ロータ部、１４ａ 電機子巻線、１５ 抵抗、２０ 出力軸、２０ａ 出力軸ヘリカルスプライン部、３０ ピニオン移動体部、３１ピニオンギア部、３１ａ スタータ側の歯、４０ ソレノイドスイッチ部、４１ ４極通電時の出力部、４２ ２極通電時の出力部、４３ 吸引コイル、４４ 吸引コイル、４５ 入力部、５０ プランジャ、６０ レバー、６１ レバー回転軸中心、７０ ブラケット、８０ リングギア、８０ａ エンジン側ギアの歯、９０ 減速ギア部、１００ バッテリー、１００ａ ４極通電時のトルクと回転数の特性曲線、１００ｂ ２極通電時のトルクと回転数の特性曲線、１００ｃ 切り替え時のトルクと回転数の特性曲線。

上記の目的を達成するための本発明に係るエンジン始動装置は、選択可能な複数の極数を有するモータ部と、前記モータ部の出力軸に設けられたピニオンギア部と、前記モータ部の出力軸に設けられ、軸方向に移動可能なピニオン移動体部と、前記ピニオンギア部が、エンジンに結合されたリングギアと噛み合うように前記ピニオン移動体部を移動させる押出機構部と、前記モータ部への通電電流をオン／オフするソレノイドスイッチ部であって、前記通電電流をオンにするとき前記押出機構部を駆動し、前記ピニオンギア部が前記リングギアに当接した後に前記モータ部に通電する時間遅れのソレノイドスイッチ部であると共に、前記通電電流がオンになった時には前記複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、その後、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが当接から噛み合うまでの時間で、前記複数の極数の内、多い方の極数に切り替えるソレノイドスイッチ部とを備えている。

また本発明では、モータ部への通電電流をオンにするとき、前記モータ部の出力軸に設けられたピニオンギア部を、エンジンに結合されたリングギアと噛み合うように移動させ、前記モータ部への通電電流をオンにするとき、前記ピニオンギア部が前記リングギアに当接してから時間遅れで前記モータ部に通電し、このとき、前記通電電流がオンになった時には複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、その後、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが当接から噛み合うまでの時間で、噛み合ったと判定したとき、前記複数の極数の内、多い方の極数に切り替えるエンジン始動方法が提供される。

Claims (7)

1. 選択可能な複数の極数を有するモータ部と、
   前記モータ部の出力軸に設けられたピニオンギア部と、
   前記モータ部の出力軸に設けられ、軸方向に移動可能なピニオン移動体部と、
   前記ピニオンギア部が、エンジンに結合されたリングギアと噛み合うように前記ピニオン移動体部を移動させる押出機構部と、
   前記モータ部への通電電流をオン／オフするソレノイドスイッチ部であって、前記通電電流をオンにするとき前記押出機構部を駆動するとともに、前記複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、その後、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが噛み合ったと判定したとき、複数の極数の内、多い方の極数に切り替えるソレノイドスイッチ部とを備えた
   エンジン始動装置。
2. 前記判定の条件は、前記通電電流がオンになった時から、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが噛み合うと想定される時間が経過することである
   請求項１に記載のエンジン始動装置。
3. 前記判定の条件は、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが噛み合ったことを検知することである
   請求項１に記載のエンジン始動装置。
4. 前記モータ部は、回転子と、継鉄と、前記継鉄の内側に前記回転子の回転方向に並べて配置された複数の磁極鉄心と、前記複数の磁極鉄心の各々に巻回された界磁巻線とで構成されており、前記界磁巻線は極数によって巻線が異なる
   請求項１に記載のエンジン始動装置。
5. 前記少ない極数の側の界磁巻線と直列に抵抗を設けた
   請求項４に記載のエンジン始動装置。
6. 前記少ない方の極数の側の界磁巻線の一部を、前記多い方の極数の側の界磁巻線に割り振るように結線状態を変えた
   請求項４に記載のエンジン始動装置。
7. モータ部への通電電流をオンにするとき、前記モータ部の出力軸に設けられたピニオンギア部を、エンジンに結合されたリングギアと噛み合うように移動させ、
   前記モータ部への通電電流をオンにするとき、前記モータ部に設けられている複数の極数の内、少ない方の極数を選択し、
   その後、前記ピニオンギア部と前記リングギアとが噛み合ったと判定したとき、前記複数の極数の内、多い方の極数に切り替える
   エンジン始動方法。

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