JP6399005B2 - スタータ - Google Patents

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Description

エンジンを始動させるスタータに関する。
特許文献１には、エンジンの出力軸に連結されたリングギアの方向にピニオンを押し出すソレノイドへの通電と、ピニオンを回転させるモータへの通電とをそれぞれ独立して行うスタータが記載されている。スタータは、ピニオンを初期位置から押し出すことでピニオンとリングギアとを噛み合わせ、ピニオンをモータで回転させることで、リングギアを回転させ、エンジンを始動させる。さらに、特許文献１に記載の構成では、ソレノイド及びモータに供給される電流を調整することで、ピニオンの押し出し及び回転を制御する。
特開２０１５−８６７２０号公報
例えば、ハイブリッド車両では、ＥＶ(Electric Vehicle)走行中において、エンジンは停止されており、エンジンの始動指令に応じて、エンジンを始動させる。ここで、エンジンの始動指令には、例えば、車両に対する加速要求に伴う始動指令が挙げられる。また、車両の動力源としての回転電機に対して電力を供給する二次電池の充電率が低下した場合に、その二次電池に対する充電要求に伴う始動指令が挙げられる。これらの始動指令は、緊急度が異なるものであり、一律にエンジンの始動性を向上させると、スタータにおける騒音の発生が問題となる。また、一律にスタータにおける静音性を向上させると、エンジンの始動性の低下が問題となる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、エンジンの始動要求を発生させる始動要因に種類がある場合に、エンジンの始動性とスタータの静音性との両立を図ることを主たる目的とする。
本構成は、車両（１００）に搭載され、エンジン（１１０）の出力軸（７０）に連結されたリングギア（６８）とピニオンギア（６２）とが噛み合っている状態で、前記ピニオンギアを回転させるモータ（３０）によって前記出力軸を駆動することで、エンジンを始動するスタータ（１０）であって、前記エンジンの始動要求を発生させる始動要因の種類によって、前記エンジンの始動時間を設定する設定部（４１）と、前記設定部によって設定された前記始動時間に基づいて、前記モータに供給する電流を設定することで、前記モータの回転速度、及び、前記モータの出力トルクの少なくとも一方を制御する制御部（４１）と、を備えることを特徴とする。
始動要因の種類によって始動時間を設定する構成とし、さらに、その始動時間に基づいて、モータの回転速度及び出力トルクの少なくとも一方を制御することで、エンジンの始動性とスタータの静音性の両立を図ることができる。例えば、緊急を要する始動の場合には、モータの回転速度及び出力トルクの少なくとも一方を大きくすることで、エンジン始動を優先することができる。また、緊急を要しない始動の場合には、モータの回転速度及び出力トルクの少なくとも一方を小さくすることで、スタータの静音性を優先することができる。
ハイブリッド車両の構成を表す概略図。 スタータの電気的構成図。 スタータの機械的構成を表す概略図。 ピニオンギアに作用する押出力と付勢力とを表す図。 ピニオンギアの押し出し処理を表すフローチャート。 ピニオンギアの押し戻し処理を表すフローチャート。 ピニオンギアの押し出し処理及び押し戻し処理を表すタイミングチャート。 アクセル操作量及びアクセル操作量の時間変化量と、エンジン始動時間との対応を表すマップを示す図。 クランキング期間が長い場合のエンジン回転速度とモータ回転速度との時間変化を表すタイミングチャート。 クランキング期間が短い場合のエンジン回転速度とモータ回転速度との時間変化を表すタイミングチャート。 他気筒における膨張行程完了までに、クランキングを完了させる場合のエンジン回転速度とモータ回転速度との時間変化を表すタイミングチャート。 モータの出力トルク及び回転速度の設定処理を表すフローチャート。
以下、本発明にかかるエンジンの始動装置をハイブリッド車両に適用した実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、車両１００は、具体的には２クラッチ方式のパラレルハイブリッド車両であり、エンジン１１０とモータジェネレータ１１２（回転電機、発電機）とが搭載されている。エンジン１１０の出力軸とモータジェネレータ１１２の出力軸とはクラッチ１１４を介して接続されている。また、モータジェネレータ１１２の出力軸は、クラッチ１１６、変速機１１７、及び、デフ１１８を介して、車両の車輪へと接続されている。
モータジェネレータ１１２には、インバータ１２０を介して、高電圧バッテリ４４が接続されており、高電圧バッテリ４４から電力を供給されて出力軸を駆動する。また、エンジン１１０によって出力軸を駆動されることで、発電を行い、高電圧バッテリ４４に対して充電を行う。
車両１００には、高電圧バッテリ４４より出力電圧の低い低電圧バッテリ４５が搭載されている。低電圧バッテリ４５は、モータジェネレータ１１２以外の補機１０４に対して電力供給を行う。高電圧バッテリ４４と低電圧バッテリ４５とは、ＤＣＤＣコンバータ１０２を介して接続されている。具体的には、高電圧バッテリ４４は、出力電圧２００Ｖのリチウムイオン二次電池の組電池であり、低電圧バッテリ４５は、出力電圧１２Ｖの鉛バッテリである。なお、高電圧バッテリ４４及び低電圧バッテリ４５として他のものを用いてもよい。
ここで、エンジン１１０に対して、スタータ１０が設けられており、スタータ１０には、高電圧バッテリ４４及び低電圧バッテリ４５から電力が供給される構成となっている。以下、図２を用いて、スタータ１０の構成を詳述する。
図２に示すように、車両１００には、スタータ１０と、エンジン１１０を制御対象とする電子制御装置（以下、エンジンＥＣＵ２０）とが備えられている。スタータ１０は、モータ３０、インバータ４０、制御回路４１及び電磁ソレノイド５０を備えている。
モータ３０は、３相交流回転機であり、ロータ３２と、Ｕ，Ｖ，Ｗ相ステータコイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗとを備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相ステータコイル３４Ｕ，３４Ｖ，３４Ｗのそれぞれの一端は、中性点にて互いに接続されている。本実施形態では、モータ３０として、永久磁石同期機を用いている。
インバータ４０は、￥相上アームスイッチング素子Ｓ￥ｐ（￥＝Ｕ，Ｖ，Ｗ）、及び￥相下アームスイッチング素子Ｓ￥ｎの直列接続体を３組備える３相インバータである。詳しくは、￥相上，下アームスイッチング素子Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎの接続点は、￥相ステータコイル３４￥の両端のうち中性点と接続された側とは反対側（モータ３０の￥相端子）に接続されている。ここで、本実施形態では、スイッチング素子Ｓ￥＃（＃＝ｐ，ｎ）として、半導体スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴを用いている。また、スイッチング素子Ｓ￥＃には、ダイオードＤ￥＃が逆並列に接続されている。
インバータ４０の一対の入力端子間には、コンデンサ４２を介して高電圧バッテリ４４が接続されている。また、電磁ソレノイド５０（押出部材）を構成するソレノイドコイル５２の一端に、ＤＣＤＣコンバータ４６を介して、低電圧バッテリ４５が接続されている。ソレノイドコイル５２の他端は、接地されている。ＤＣＤＣコンバータ４６は、制御回路４１によって制御されることで、ソレノイドコイル５２に流れる電流Ｉを所定電流とする定電流制御を実施する。なお、ＤＣＤＣコンバータ４６は、出力電圧を所定電圧とする定電圧制御をするものであってもよい。ＤＣＤＣコンバータ４６は、例えば、周知のチョッパ回路である。また、電磁ソレノイド５０は、ソレノイドコイル５２に加えて、プランジャ５４（可動鉄心）を備えている。
エンジンＥＣＵ２０は、エンジン１１０のクランク軸７０に対して設けられた回転角度センサ７６から出力信号を取得することで、クランク軸７０の回転角度、及び、エンジン回転速度（ＮＥ）を取得する。
スタータ１０に設けられた制御回路４１（制御部）は、インバータ４０、即ち、￥相上，下アームスイッチング素子Ｓ￥ｐ，Ｓ￥ｎを操作対象とする。また、制御回路４１は、ＤＣＤＣコンバータ４６を制御対象とする。制御回路４１は、インバータ４０の出力電流を検出する電流センサ７２Ｖ，７２ＷからＶ，Ｗ相の出力電流の検出値を取得する。インバータ４０の入力電圧を検出する電圧センサ７４から入力電圧の検出値を取得する。また、インバータ４０には、エンジンＥＣＵ２０からエンジン回転速度（ＮＥ）及びスタータ１０の駆動要求信号（Ｓｉｇ）が入力される。制御回路４１は、これらの検出値及びスタータ１０の駆動指令に基づいて、インバータ４０及びＤＣＤＣコンバータ４６の出力電流・出力電圧を調整し、スタータ１０の制御を行う。
図３にスタータ１０の構造を表す概略図を示す。スタータ１０は、ワンウェイクラッチ６０、ピニオンギア６２、回転軸６４、ストップリング６５及びシフトレバー６６を備えている。ピニオンギア６２は、ワンウェイクラッチ６０及び連結部材６７を介してモータ３０に連結されている。ワンウェイクラッチ６０は、モータ３０の出力軸８１の回転速度からピニオンギア６２の回転速度を減算した相対回転速度が負でない場合にのみモータ３０からピニオンギア６２へと回転力を伝達させ、上記相対回転速度が負となる場合にモータ３０とピニオンギア６２との間で回転力を伝達させない一方向伝達機構である。
ピニオンギア６２は、モータ３０の出力軸８１と同軸上に設けられている。ピニオンギア６２は、エンジン１１０のクランク軸７０に直結されたリングギア６８と噛み合う位置（以下、連結位置）と、リングギア６８と噛み合わない位置（以下、非連結位置、又は初期位置）との間で移動可能に設けられている。
詳しくは、ＤＣＤＣコンバータ４６の電力出力が停止されソレノイドコイル５２に通電されない場合、ピニオンギア６２は、非連結位置に位置する。一方、ＤＣＤＣコンバータ４６の電力出力によってソレノイドコイル５２に通電される場合、電磁ソレノイド５０の電磁力により、プランジャ５４が所定方向（シフトレバー６６に向かう方向）へ移動させられる。これにより、シフトレバー６６を介して、ピニオンギア６２は、非連結位置からリングギア６８と噛み合う連結位置に向かって押し出されることとなる。以降、本明細書において、ソレノイドコイル５２に通電することを、電磁ソレノイド５０を駆動すると記載することもある。
ピニオンギア６２は、同軸上に設けられた連結部材６７（所定部材）と連結されており、連結部材６７の内周には螺旋状の溝であるヘリカルスプライン（図示略）が設けられている。また、モータ３０の出力軸８１には、連結部材６７の内周に設けられたヘリカルスプラインと嵌合する螺旋状の歯が設けられている。ヘリカルスプラインを介して、モータ３０の出力軸８１の回転が、連結部材６７及びピニオンギア６２へと伝達される。連結部材６７及びピニオンギア６２がシフトレバー６６によって押し出される際、連結部材６７のヘリカルスプラインに沿うように押し出される。なお、モータ３０の出力軸８１と、ピニオンギア６２の回転軸６４とは、別体であり、同軸上に設けられている。
ピニオンギア６２が連結位置に移動することで、ピニオンギア６２はリングギア６８と噛み合うことが可能となる。ピニオンギア６２がリングギア６８と噛み合った状態において、ピニオンギア６２がモータ３０によって回転駆動されると、エンジン１１０のクランク軸７０に対して、初期回転が付与される。即ち、クランキングが行われる。
また、ストップリング６５が、回転軸６４上に設けられている。電磁ソレノイド５０が駆動されてピニオンギア６２が押し出されると、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いの開始後に、ピニオンギア６２がストップリング６５に当接する。ストップリング６５（第２規制部材）は、ピニオンギア６２に当接することで、ピニオンギア６２の移動を規制し、ピニオンギア６２の位置を連結位置に固定する。
さらに、プランジャ５４には、バネ５５（付勢部材）が連結されている。バネ５５は、プランジャ５４に対して付勢力を加えることで、電磁ソレノイド５０による移動方向とは逆方向（シフトレバー６６から離れる方向）にプランジャ５４を移動させる。クランキングが完了すると、ソレノイドコイル５２への通電が停止され、プランジャ５４に対して、バネ５５による付勢力のみが作用することになる。このため、プランジャ５４がシフトレバー６６から離れる方向に移動させられる。これにより、シフトレバー６６を介して、ピニオンギア６２は、連結位置から非連結位置へと戻されることになる。
本実施形態では、上述したように、リングギア６８がクランク軸７０に直結されている。このため、リングギア６８及びクランク軸７０のそれぞれの回転方向は同じになる。また、本実施形態において、回転軸６４及びクランク軸７０は、回転軸６４の回転中心の軸線とクランク軸７０の回転中心の軸線とが平行となるように設けられている。このため、ピニオンギア６２がリングギア６８と噛み合った状態において、リングギア６８の回転方向と、ピニオンギア６２の回転方向とは逆となる。さらに、本実施形態では、ピニオンギア６２がリングギア６８に噛み合った状態でモータ３０の駆動によってロータ３２が回転している場合に、ピニオンギア６２及びリングギア６８のそれぞれが回転する方向を正回転方向と定義する。
図４にピニオンギア６２に対して作用する電磁ソレノイド５０による押出力ＦＰとバネ５５による付勢力ＦＢとを示す。電磁ソレノイド５０による押出力ＦＰは、ピニオンギア６２をリングギア６８に近づけるように作用する。バネ５５による付勢力ＦＢは、電磁ソレノイド５０による押出力ＦＰと逆方向に作用し、ピニオンギア６２をリングギア６８から離すように作用する。また、付勢力ＦＢはピニオンギア６２（プランジャ５４）の変位に比例し、押出力ＦＰはソレノイドコイル５２とプランジャ５４との距離の二乗に反比例する。
ここで、ピニオンギア６２の移動に伴う衝突によって生じる損傷や、騒音が問題となる。ピニオンギア６２の移動に伴う衝突について図３を用いて説明を行う。
第１に、ピニオンギア６２が電磁ソレノイド５０によって押し出されることで、ピニオンギア６２がリングギア６８に当接する際に、ピニオンギア６２とリングギア６８とが衝突する。第２に、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いの開始後において、ピニオンギア６２の位置を連結位置に規制するストップリング６５と、ピニオンギア６２とが当接する。この際、ピニオンギア６２とストップリング６５とが衝突する。第３に、ピニオンギア６２の押し出し時において、プランジャ５４がプランジャ５４の移動を規制するストッパ５６に衝突する。第４に、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いの解除後、バネ５５によってピニオンギア６２が初期位置に戻される際、連結部材６７と、連結部材６７の移動を規制するストッパ８２（第１規制部材）とが衝突する。
本実施形態の制御回路４１は、ＤＣＤＣコンバータ４６の出力電流を調整することで、電磁ソレノイド５０に対して流れる電流Ｉ（ソレノイド電流Ｉ）を調整し、ピニオンギア６２及びピニオンギア６２に連結されている部材（プランジャ５４、シフトレバー６６及び連結部材６７）に作用する押出力ＦＰを調整する。
具体的には、ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接する直前において、ソレノイド電流Ｉを減少させることで、ピニオンギア６２とリングギア６８との衝撃を低減する。また、ピニオンギア６２とストップリング６５とが当接する時点を含む期間において、ソレノイド電流Ｉを減少させることで、ピニオンギア６２とストップリング６５との衝撃を低減し、また、プランジャ５４とストッパ５６との衝撃を低減する。また、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いの解除後、バネ５５の付勢力ＦＢによってピニオンギア６２が初期位置に戻される前において、ソレノイド電流Ｉとして所定電流を流すことで、バネ５５の付勢力ＦＢを打ち消し、ピニオンギア６２に連結されている連結部材６７とストッパ８２との衝撃を低減する。
図５にピニオンギア６２の押し出し処理を表すフローチャートを示す。本処理は、制御回路４１によって所定周期毎に実施される。
ステップＳ０１において、スタータ駆動要求が生じているか否かを判定する。ここで、スタータ駆動要求とは、具体的には、車両１００において、エンジン１１０の始動要求時に生じるものである。エンジン１１０の始動要求は、加速要求が生じた場合や、高電圧バッテリ４４のＳＯＣの低下に伴いモータジェネレータ１１２において発電を行う場合に生じる。スタータ駆動要求は、エンジンＥＣＵ２０から入力される。スタータ駆動要求が生じていない場合（Ｓ０１：ＮＯ）、処理を終了する。
スタータ駆動要求が生じている場合（Ｓ０１：ＹＥＳ）、ステップＳ０２において、ピニオンギア６２とリングギア６８との距離が所定距離以上離れている期間であるか否かを判定する。ピニオンギア６２とリングギア６８との距離が所定距離以上離れている期間である場合（Ｓ０２：ＹＥＳ）、ステップＳ０３において、電磁ソレノイド５０に対して流れる電流値をＩ１に設定し、処理を終了する。
ピニオンギア６２とリングギア６８との距離が所定距離以上離れている期間でない場合（Ｓ０２：ＮＯ）、ステップＳ０４において、ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接する直前の期間であるか否かを判定する。ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接する直前の期間である場合（Ｓ０４：ＹＥＳ）、ステップＳ０５において、ソレノイド電流ＩをＩ２（＜Ｉ１）に設定することで、ソレノイド電流Ｉを所定量減少させ、処理を終了する。
ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接する直前の期間でない場合（Ｓ０４：ＮＯ）、ステップＳ０６において、ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接した後であって、ピニオンギア６２をリングギア６８に噛み合わせる期間であるか否かを判定する。ピニオンギア６２をリングギア６８に噛み合わせる期間である場合（Ｓ０６：ＹＥＳ）、ステップＳ０７において、ソレノイド電流ＩをＩ１に設定することで、ソレノイド電流Ｉを所定量増加させ、処理を終了する。
ピニオンギア６２をリングギア６８に噛み合わせる期間でない場合（Ｓ０６：ＮＯ）、ステップＳ０８において、ピニオンギア６２がストップリング６５に当接する期間であるか否かを判定する。ピニオンギア６２がストップリング６５に当接する期間である場合（Ｓ０８：ＹＥＳ）、ステップＳ０９において、ソレノイド電流ＩをＩ３（＜Ｉ１）に設定することで、ソレノイド電流Ｉを所定量減少させ、処理を終了する。
ピニオンギア６２がストップリング６５に当接する期間でない場合（Ｓ０８：ＮＯ）、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いを保持し、ピニオンギア６２の回転をリングギア６８に伝達する期間である。このため、ステップＳ１０において、ソレノイド電流ＩをＩ４（Ｉ１＞Ｉ４＞Ｉ３）に設定し、処理を終了する。
図６にピニオンギア６２の押し戻し処理を表すフローチャートを示す。本処理は、制御回路４１によって所定周期毎に実施される。
ステップＳ２１において、クランキング終了後の期間であるか否かを判定する。ここで、クランキング終了後の期間とは、スタータ駆動要求が停止した後であって、ピニオンギア６２が初期位置に戻されるまでの期間である。クランキング終了後の期間でない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、処理を終了する。
クランキング終了後の期間である場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２において、ピニオンギア６２の押し戻し処理が開始されているか否かを判定する。ピニオンギア６２の押し戻し中でない場合（Ｓ２２：ＮＯ）、ステップＳ２３において、エンジン回転速度の時間変化量（ｄＮＥ／ｄｔ）が所定値未満であるか否かを判定する。エンジン回転速度の時間変化量が所定値以上である場合（Ｓ２３：ＮＯ）、ステップＳ２４において、ソレノイド電流ＩをＩ４に設定することで、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いを維持する。エンジン回転速度の時間変化量が所定値未満である場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、ステップＳ２５において、ピニオンギア６２の押し戻し処理を開始し、ステップＳ２６において、ソレノイド電流Ｉを０に設定する。
ピニオンギア６２の押し戻し処理が開始されている場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２７において、ピニオンギア６２が初期位置に戻る直前の期間であるか否かを判定する。ピニオンギア６２が初期位置に戻る直前の期間でない場合（Ｓ２７：ＮＯ）、ステップＳ２９において、ソレノイド電流Ｉを０に設定し、処理を終了する。ピニオンギア６２が初期位置に戻る直前の期間である場合（Ｓ２７：ＹＥＳ）、ステップＳ２８において、ソレノイド電流ＩをＩ５に設定することで、電磁ソレノイド５０に所定電流Ｉ５を流し、処理を終了する。
図７に、図５，６に示した制御を実施した場合の電磁ソレノイド５０に流れる電流Ｉの変化と、ピニオンギア６２の位置を表すタイミングチャートを示す。
時刻ｔ０において、スタータ駆動要求が生じることで、ソレノイド電流Ｉが０からＩ１とされる。ソレノイド電流ＩがＩ１とされることで、ピニオンギア６２が加速されながらリングギア６８に近づく。時刻ｔ１において、ピニオンギア６２とリングギア６８との距離が所定距離となり、ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接される直前の期間となるため、ソレノイド電流ＩがＩ１からＩ２に減少する。これにより、ピニオンギア６２に作用する押出力ＦＰが付勢力ＦＢより弱くなるため、ピニオンギア６２の軸方向の移動速度が減少する。
ピニオンギア６２の移動速度がほぼ０となり、また、ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接する直前の時点である時刻ｔ２において、ソレノイド電流ＩがＩ２からＩ１へと増加する。これにより、ピニオンギア６２に作用する押出力ＦＰが付勢力ＦＢより強くなり、リングギア６８に向かってピニオンギア６２が当接され、時刻ｔ３において、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いが開始される。時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間において、リングギア６８の溝部に対して、ピニオンギア６２の歯部が挿入されるように、ピニオンギア６２がリングギア６８に押し込まれる。
ピニオンギア６２とストップリング６５とが当接する直前の時点である時刻ｔ４において、ソレノイド電流ＩがＩ３とされる。これにより、ピニオンギア６２に作用する押出力ＦＰと、付勢力ＦＢ及び摩擦力の和とが、ほぼ等しくなり、ピニオンギア６２の加速が弱められる。その後、時刻ｔ５において、ピニオンギア６２がストップリング６５と当接し、ピニオンギア６２が連結位置とされる。
ピニオンギア６２が連結位置とされた後、所定時間の経過後である時刻ｔ６において、ソレノイド電流ＩがＩ４とされ、ピニオンギア６２が連結位置に固定された状態で、ピニオンギア６２とリングギア６８との噛み合いが継続され、クランキングが実施される。
時刻ｔ１０において、クランキングが終了し、スタータ駆動要求が停止するとともに、エンジン回転速度の時間変化量が所定値未満となると、ソレノイド電流Ｉが０にされる。これにより、ピニオンギア６２に対して押出力ＦＰと付勢力ＦＢとのうち付勢力ＦＢのみが作用することになり、ピニオンギア６２が初期位置に向かって押し戻される。
ピニオンギア６２が初期位置に戻る直前の時点である時刻ｔ１１において、ソレノイド電流ＩがＩ５とされる。これにより、押出力ＦＰが付勢力ＦＢより強くなり、ピニオンギア６２の軸方向の移動速度が減少する。その後、時刻ｔ１２において、ピニオンギア６２が初期位置とされ、連結部材６７がストッパ８２に当接される。以上の動作によって、ピニオンギア６２をリングギア６８に押し出す際の衝撃、及び、ピニオンギア６２をリングギア６８から初期位置に押し戻す際の衝撃を緩和できる。
また、本実施形態では、エンジン１１０の始動要求を発生させる始動要因の種類によって、エンジン１１０の始動時間を設定する構成とした。さらに、その始動時間に基づいて、モータ３０の回転速度及び出力トルクの少なくとも一方を制御する構成とした。ハイブリッド自動車（車両１００）において、エンジン１１０の始動要求を発生させる始動要因の種類として、車両１００の加速要求が含まれる。また、高電圧バッテリ４４のＳＯＣ（充電率）低下に伴うモータジェネレータ１１２での発電要求が含まれる。また、エンジン１１０において発生する熱を熱源とし、車両１００の室内を暖める暖房装置（図示略）の作動要求が含まれる。また、エンジン１１０の冷却水の温度低下に伴うエンジン１１０の始動要求が含まれる。
ここで、車両１００の加速要求に伴うエンジン始動は、他の始動要因と比較して、応答性が要求される。そこで、車両１００の加速要求に伴うエンジン１１０の始動時において、他の始動要因に伴うエンジン１１０の始動時と比較し、エンジン１１０の始動時間を短く設定する構成とした。さらに、車両１００の加速要求に伴うエンジン１１０の始動時において、加速要求としてのアクセル操作量及びアクセル操作量の時間変化量に基づいて、始動時間を設定する構成とした。
図８に、アクセル操作量（％）と、アクセル操作量の時間変化量（％／ｓｅｃ）と、始動時間との対応を表すマップを示す。アクセル操作量が大きいほど、始動時間を短く設定する。また、アクセル操作量の時間変化量が大きいほど、始動時間を短く設定する。なお、本実施形態では、アクセル操作量は、その操作量の最大値に対する実際値の割合で表している。
また、本実施形態では、エンジン始動時間が長いほど、モータ３０の回転速度を小さくする制御、及び、出力トルクを小さくする制御を実施する構成とした。このような制御を行うことで、スタータ１０の駆動時における騒音の発生を抑制することができる。
図９にスタータ駆動時（クランキング時）におけるモータ回転速度と、エンジン回転速度とを表すタイミングチャートを示す。
４ストローク機関であるエンジン１１０の燃焼行程は、吸入行程・圧縮行程・燃焼行程・排気行程の４行程から構成される。通常のエンジン始動時において、スタータ駆動（クランキング）は、吸入行程及び圧縮行程が終了するまで実施される。圧縮行程が終了した後、燃焼行程が開始され、エンジン１１０が始動する。図９に示すように、エンジン１１０の停止時において、エンジン１１０を構成する気筒のいずれかにおいて、ピストンを上死点近傍に停止させる構成としている。これにより、エンジン１１０の始動性が向上する。
ここで、複数の気筒を有するエンジン（例えば、４気筒エンジン）の始動時に、第１の気筒において吸入行程が実施されている間に、第２の気筒において圧縮行程が実施される。その後、第１の気筒において圧縮行程が実施されている間に、第２の気筒において、燃焼を伴わない膨張行程が実施される。ここで、この膨張行程では、第２の気筒において実施された圧縮行程中に圧縮された空気が、第２の気筒において膨張する。この空気の膨張によって、エンジン１１０のクランク軸７０にトルクが付与される。このトルクの付与に伴って、エンジン１１０の回転速度（クランク軸７０の回転速度）が、モータ３０の回転速度を一時的に上回ることが懸念される。
図１０に、設定された始動時間が短く、モータ３０の出力トルクが大きい場合の、スタータ駆動時におけるモータ３０の回転速度と、エンジン回転速度とを表すタイミングチャートを示す。
エンジン１１０の始動時において、エンジン１１０を構成する気筒のいずれかにおいて膨張行程が開始されると、その気筒内部の圧力によって、クランク軸７０に対してトルクが付与される。始動時間が短い場合、及び、モータ３０の出力トルクが大きい場合、クランク軸７０の回転速度の変化が激しく、膨張行程（図１０中の圧縮行程）におけるクランク軸７０の回転速度の変化も激しくなる。これにより、膨張行程の開始に伴って、クランク軸７０の回転速度がモータ３０の回転速度を上回る状況が生じる。その後、膨張行程の終了に伴って、クランク軸７０の回転速度とモータ３０の回転速度とが、再度一致する。
このようにクランク軸７０に対するモータ３０の相対的な回転速度が０→負→０と変化する場合に、相対的な回転速度が負→０となるタイミングで、ワンウェイクラッチ６０に大きな力が加わる。この力によって、騒音が生じ、また、ワンウェイクラッチ６０の寿命が短くなることが懸念される。
そこで、図１１に示すように、膨張行程（図１１中の圧縮行程）が略開始するまでにクランキングを完了させ、クランク軸７０に対するモータ３０の相対的な回転速度を負に維持することで、ワンウェイクラッチ６０の再締結を防止する制御を行う。具体的には、モータ３０の出力トルクを増加させることで、膨張行程（図１１中の圧縮行程）が略開始するまでに、ピニオンギア６２からリングギア６８へのトルク伝達によるクランキングを完了させる。ここで、クランキングを完了させるとは、図１１の圧縮行程が完了し、燃焼行程に移行するまでに要するエネルギをクランク軸７０に付与することをいう。これにより、クランク軸７０の回転速度に対するモータ３０の相対的な回転速度を負に維持したまま燃焼行程に移行できる。即ち、スタータ１０における騒音の発生を抑制したり、スタータ１０の寿命が短くなったりすることを抑制できる。
図１２にエンジン１１０の始動時間の設定処理及びモータ３０の出力トルク及び回転速度の設定処理を表すフローチャートを示す。本処理は、「制御部」及び「設定部」としての制御回路４１において所定周期毎に実施される。なお、エンジンＥＣＵ２０と制御回路４１とで処理を分担してもよい。
ステップＳ３１において、エンジン始動要求が生じているか否かを判定する。エンジン始動要求が生じていない場合（Ｓ３１：ＮＯ）、処理を終了する。エンジン始動要求が生じている場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、ステップＳ３２において、エンジン始動要求が車両１００の加速要求に伴うものであるか否かを判定する。ここで、エンジン始動要求が、複数の始動要因に伴って生じたものであり、その始動要因に車両１００の加速要求に伴うものを含んでいる場合には、エンジン始動要求が車両１００の加速要求に伴うものであると判定する。
エンジン始動要求が車両１００の加速要求に伴うものである場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、ステップＳ３３において、アクセル操作量及びアクセル操作量の時間変化量を取得する。ステップＳ３４において、アクセル操作量及びアクセル操作量の時間変化量と、図８に示したマップと、に基づいて、エンジン１１０の始動時間を設定する。
また、エンジン始動要求が車両１００の加速要求に伴うものでない場合（Ｓ３２：ＮＯ）、ステップＳ３５において、始動要因の種類に基づいて始動時間を設定する。ここで、エンジン始動要求が、複数の始動要因に伴って生じたものである場合、その複数の始動要因のうち最も始動時間が短くなるものに基づいて、始動時間を設定する。ステップＳ３６において、ステップＳ３４又はステップＳ３５で設定されたエンジン１１０の始動時間に基づいて、モータ３０の出力トルク及び回転速度を設定する。具体的には、始動時間が長いほど、モータ３０の回転速度を小さく設定し、出力トルクを小さく設定する。なお、始動時間が長いほど、モータ３０の回転速度及び出力トルクのいずれか一方を小さく設定してもよい。
ステップＳ３７において、ステップＳ３６で設定された出力トルクが所定値より大きいか否かを判定する。出力トルクが所定値より大きい場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ３８において、出力トルクを再設定する。具体的には、エンジン１１０を構成する気筒のいずれかにおいて、燃焼を伴わない膨張行程が略開始されるまでに、圧縮行程の完了に要するエネルギをクランク軸７０に付与することが可能な程度に出力トルクを増加させて再設定する。これにより、クランク軸７０の回転速度に対するモータ３０の相対的な回転速度を負に維持したまま燃焼行程に移行できる。
ステップＳ３８における出力トルクの再設定の後、及び、ステップＳ３７の判定において出力トルクが所定値以下の場合（Ｓ３７：ＮＯ）、ステップＳ３９において、始動時間と所定の閾値時間とを比較する。始動時間が閾値時間以上である場合（Ｓ３９：ＹＥＳ）、ステップＳ４０において、ピニオンギア６２の押し出し時における静音化制御（図５に示す制御）を実施するように設定し、処理を終了する。また、始動時間が閾値時間より短い場合、ピニオンギア６２の押し出し時における静音化制御（図５に示す制御）を省略するように設定し、処理を終了する。ここで、「ピニオンギア６２の押し出し時における静音化制御を省略する」とは、具体的には、図５に示すステップＳ０２〜Ｓ０９の処理を省略することであり、スタータ１０の駆動要求が生じた後、ピニオンギア６２とストップリング６５とが当接するまでの間、ソレノイド電流Ｉを一律にＩ１に設定する。
また、始動時間が閾値時間以上である場合（Ｓ３９：ＹＥＳ）、ステップＳ４０において、ピニオンギア６２の押し出し時における静音化制御（図５に示す制御）を実施する場合に、ステップＳ０８，Ｓ０９の制御を省略してもよい。即ち、ピニオンギア６２とリングギア６８とが当接する際に、ピニオンギア６２とリングギア６８との距離が所定範囲となる期間において、ソレノイド電流ＩをＩ１からＩ２に減少させる制御のみを実施する構成としてもよい。同様に、また、始動時間が閾値時間以上である場合（Ｓ３９：ＹＥＳ）、ステップＳ４０において、ピニオンギア６２の押し出し時における静音化制御（図５に示す制御）を実施する場合に、ステップＳ０４，Ｓ０５の制御を省略してもよい。即ち、ピニオンギア６２とストップリング６５とが当接する際に、ピニオンギア６２とストップリング６５との距離が所定範囲となる期間において、ソレノイド電流ＩをＩ１からＩ３に減少させる制御のみを実施する構成としてもよい。
始動時間が所定時間（閾値時間）以上の場合に、ピニオンギア６２の押し出しにおける静音化処理を実施することで、スタータ１０による始動性の確保と、始動時における静音性との両立を図ることが可能になる。
以下、本実施形態の効果を述べる。
始動要因の種類によって始動時間を設定する構成とし、さらに、その始動時間に基づいて、モータ３０の回転速度及び出力トルクの少なくとも一方を制御することで、エンジン１１０の始動性とスタータ１０の静音性の両立を図ることができる。例えば、緊急を要する始動の場合には、モータ３０の回転速度及び出力トルクの少なくとも一方を大きくすることで、エンジン始動を優先することができる。また、緊急を要しない始動の場合には、モータ３０の回転速度及び出力トルクの少なくとも一方を小さくすることで、スタータ１０の静音性を優先することができる。
緊急を要する始動指令の具体例は、車両１００の加速要求に伴う始動指令である。始動指令が、加速要求に伴う始動指令である場合に、加速要求に伴う始動指令以外の始動指令に比べて、始動時間を短く設定することで、エンジン１１０の始動性を向上することができる。
さらに、アクセル操作量（スロットル開度率）及びアクセル操作量の時間変化量に基づいて始動時間を設定することで、緊急度に応じたエンジン１１０の始動が可能になる。
加速要求と比較して、緊急度の低い始動指令は、具体的には、高電圧バッテリ４４のＳＯＣ低下に伴う始動指令、暖房装置の作動要求に伴う始動指令、及び、エンジン１１０の冷却水温の低下に伴う始動指令である。
始動時間が長い場合に、モータ３０の回転速度を小さくする、又は、モータ３０の出力トルクを小さくすることで、低騒音化を実現できる。
エンジン１１０を構成する気筒のいずれかにおいて膨張行程が開始されると、その気筒内部の圧力によって、クランク軸７０に対してトルクが付与される。モータ３０の出力トルクが所定値より大きい場合、クランク軸７０の回転速度の変化が激しく、膨張行程における回転速度の変化も激しくなる。これにより、膨張行程の開始に伴って、クランク軸７０（リングギア６８）の回転速度がピニオンギア６２の回転速度を上回る状況が生じる。その後、クランク軸７０の回転速度とピニオンギア６２の回転速度とが、再度一致する。
このように、クランク軸７０に対するピニオンギア６２の相対的な回転速度が０→負→０と変化する場合に、相対的な回転速度が負→０となるタイミングで、ワンウェイクラッチ６０に大きな力が加わる。この力によって、騒音が生じ、また、スタータ１０の寿命が短くなることが懸念される。そこで、エンジン１１０を構成するいずれかの気筒において膨張行程が略開始されるまでに、クランキングが完了するように出力トルクを大きくし、リングギア６８とピニオンギア６２との噛み合いを解除させる。これにより、クランク軸７０の回転速度に対する、ピニオンギア６２の相対的な回転速度が一時的に負になることを抑制する。これにより、スタータ１０における騒音の発生を抑制したり、スタータ１０の寿命が短くなったりすることを抑制できる。
スタータ１０を構成するモータ３０が、車両１００の動力源であるモータジェネレータ１１２と同一の二次電池（高電圧バッテリ４４）から電力を供給されることで、モータ３０の出力トルクを向上させることができる。これにより、エンジン１１０の始動時間を短くすることが可能となる。
（他の実施形態）
・ＤＣＤＣコンバータ４６を省略し、ソレノイドコイル５２に流れる電流Ｉを調整する機能を省略してもよい。この構成では、低電圧バッテリ４５とソレノイドコイル５２との間にリレースイッチを設け、制御回路４１がそのリレースイッチを開閉する構成とするとよい。
・図５のステップＳ０４の処理を省略し、ピニオンギア６２を減速させずにリングギア６８と当接される構成としてもよい。同様に、ステップＳ０８において、ピニオンギア６２を減速させずにストップリング６５と当接させる構成としてもよい。
・図６のステップＳ２３における処理を省略し、クランキングの終了と同時にピニオンギア６２を押し戻す構成としてもよい。
・上記実施形態では、アクセル操作量及びアクセル操作量の時間変化量に基づいて、エンジン１１０の始動時間を設定する構成としたがこれを変更してもよい。即ち、アクセル操作量の時間変化量のみに基づいて、エンジン１１０の始動時間を設定する構成としてもよい。また、アクセル操作量のみに基づいてエンジン１１０の始動時間を設定する構成としてもよい。
・図１２のステップＳ３７，Ｓ３８において、出力トルクが所定値より大きい場合に、出力トルクをさらに増加させることで、エンジン１１０を構成する気筒のいずれかにおいて燃焼行程を伴わない膨張行程が略開始するまでに、クランキングを完了させる構成とした。これを変更し、始動時間が所定値より短い場合に、出力トルクを増加させることで、エンジン１１０を構成する気筒のいずれかにおいて燃焼行程を伴わない膨張行程が略開始するまでに、クランキングを完了させる構成としてもよい。このような構成に変更した場合であっても、クランク軸７０（リングギア６８）に対するピニオンギア６２の相対的な回転速度が０→負となることを抑制することができる。つまり、これにより、クランク軸７０の回転速度に対するモータ３０の相対的な回転速度を負に維持したまま燃焼行程に移行できる。
１０…スタータ、３０…モータ、４１…制御回路、６２…ピニオンギア、６８…リングギア、７０…クランク軸、１００…車両、１１０…エンジン。

Claims (12)

  1. 車両（１００）に搭載され、エンジン（１１０）の出力軸（７０）に連結されたリングギア（６８）とピニオンギア（６２）とが噛み合っている状態で、前記ピニオンギアを回転させるモータ（３０）によって前記出力軸を駆動することで、エンジンを始動するスタータ（１０）であって、
    前記エンジンの始動要求を発生させる始動要因の種類によって、前記エンジンの始動時間を設定する設定部（４１）と、
    前記設定部によって設定された前記始動時間に基づいて、前記モータに供給する電流を設定することで、前記モータの回転速度、及び、前記モータの出力トルクの少なくとも一方を制御する制御部（４１）と、を備え、
    前記設定部は、前記出力トルクが所定値より大きい場合、又は、前記始動時間が所定値より短い場合に、前記エンジンを構成する気筒のいずれかにおける燃焼行程を伴わない膨張行程が略開始するまでに、前記ピニオンギアから前記リングギアへのトルク伝達によるクランキングを完了させるスタータ。
  2. 前記設定部は、前記始動要因が、前記車両の加速要求に伴うものである場合に、その加速要求に伴う始動要因以外の前記始動要因に比べて、前記始動時間を短く設定する請求項１に記載のスタータ。
  3. 前記設定部は、前記始動要因が前記加速要求に伴うものである場合に、前記加速要求としてのアクセル操作量及びアクセル操作量の時間変化量に基づいて、前記始動時間を設定する請求項２に記載のスタータ。
  4. 前記車両は、前記車両の動力源としての回転電機（１１２）に電力を供給するとともに、前記出力軸の回転によって発電する発電機（１１２）から電力を供給される二次電池（４４）を備え、
    前記二次電池の充電率が所定値より低下したことに伴う前記始動要因を、前記加速要求に伴う始動要因以外の前記始動要因に含む請求項２又は３に記載のスタータ。
  5. 前記エンジンにおいて発生する熱を熱源とし、前記車両の室内を暖める暖房装置の作動要求に伴う前記始動要因を、前記加速要求に伴う始動要因以外の前記始動要因に含む請求項２乃至４のうちいずれか１項に記載のスタータ。
  6. 前記エンジンの冷却水の温度低下に伴う前記始動要因を、前記加速要求に伴う始動要因以外の前記始動要因に含む請求項２乃至５のうちいずれか１項に記載のスタータ。
  7. 前記設定部は、複数の前記始動要因が生じた場合に、その複数の始動要因のうち要求される始動時間が最も短くなる始動要因に基づいて、前記始動時間を設定する請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載のスタータ。
  8. 前記制御部は、前記始動時間が長いほど、前記回転速度を小さくする制御、及び、前記出力トルクを小さくする制御の少なくとも一方を実施する請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載のスタータ。
  9. 前記制御部は、前記エンジンの停止時に、前記エンジンを構成する気筒のいずれかにおいて、ピストンを上死点近傍に停止させる請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載のスタータ。
  10. 前記車両は、前記エンジン及び回転電機（１１２）を動力源とするハイブリッド車両であって、
    前記モータは、前記回転電機に電力を供給する二次電池（４４）から電力を供給される請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載のスタータ。
  11. 前記リングギアに向けて、ソレノイド（５２）に電流が流れることで生じる磁力によって前記ピニオンギアを押し出すことで、前記リングギアと前記ピニオンギアとを噛み合わせる押出部材（５０）と、
    前記押出部材が前記ピニオンギアを押し出す方向と逆方向に、前記ピニオンギアを付勢する付勢部材（５５）と、
    を備え、
    前記制御部は、前記設定部によって設定された前記始動時間が所定時間以上であることを条件として、前記ピニオンギアと前記リングギアとが当接する際に、前記ピニオンギアと前記リングギアとの距離が所定範囲となる期間において、前記ソレノイドに流れる電流を所定量減少させる制御を実施する請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載のスタータ。
  12. 前記リングギアに向けて、ソレノイド（５２）に電流が流れることで生じる磁力によって前記ピニオンギアを押し出すことで、前記リングギアと前記ピニオンギアとを噛み合わせる押出部材（５０）と、
    前記押出部材が前記ピニオンギアを押し出す方向と逆方向に、前記ピニオンギアを付勢する付勢部材（５５）と、
    前記リングギアと前記ピニオンギアとが噛み合っている状態で、前記ソレノイドに電流が流れることで生じる磁力による前記ピニオンギアの移動を規制する第２規制部材（６５）と、を備え、
    前記制御部は、前記設定部によって設定された前記始動時間が所定時間以上であることを条件として、前記ピニオンギアと前記第２規制部材とが当接する際に、前記ピニオンギアと前記第２規制部材との距離が所定範囲となる期間において、前記ソレノイドに流れる電流を所定量減少させる制御を実施する請求項１乃至１１のうちいずれか１項に記載のスタータ。
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