(57)【要約】【課題】  簡易な構成によりエンジン始動時の振動低減を実現するエンジンの始動装置を提供することである。【解決手段】  エンジン１００のクランクシャフト２００の端部は、モータ出力伝達軸２４０を介して、スタータモータとして用いられるスイッチトリラクタンスモータ（ＳＭＲ）２５０の出力軸と連結される。モータ出力伝達軸２４０は、クランクシャフト２００に周期的に発生する反力トルクと、ＳＭＲ２５０のトルク変動とが互いに逆位相となるように位置合わせされて、両者間を接続する。これにより、特別なモータ制御を行なうことなく簡易な構成によって、エンジン始動時におけるトルク変動を抑制して振動の発生を防止できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数気筒を有するエンジンの始動装置であって、
周期的な出力トルク変動を有し、前記エンジンの始動時に作動されるリラクタンスモータと、
前記リラクタンスモータの回転子の回転を前記エンジンのクランクシャフトの回転力として伝達するモータ出力伝達軸とを備え、
前記モータ出力伝達軸は、前記クランクシャフトに周期的に発生する反力トルクと、前記リラクタンスモータの前記トルク変動とが互いに逆位相となるように位置合わせされて、前記回転子の回転出力軸とクランクシャフト端との間を接続する、エンジンの始動装置。
【請求項２】
前記回転子の回転出力軸と前記クランクシャフト端との間に設けられたギアをさらに備え、
前記ギアのギア比は、前記出力トルク変動の周期と、前記クランクシャフトの反力トルクの周期とを合致させるように定められる、請求項１記載のエンジンの始動装置。
【請求項３】
前記エンジンは、該エンジンの他の駆動力源をさらに備えるハイブリッド車両に搭載される、請求項１記載のエンジンの始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの始動装置に関し、より特定的には、リラクタンスモータで構成されたエンジンの始動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
駆動力源として内燃機関（エンジン）と電動機（モータ）とを併用し、いずれか一方または双方の駆動力によって走行するハイブリッド車両が知られている。このような、エンジンおよびモータの双方を車両駆動力源として用いることが可能なハイブリッド車両では、基本的に負荷の小さい運転域ではモータのみで走行し、負荷が増大するとエンジンを始動させて所要の駆動力を確保し、必要に応じてエンジンおよびモータを併用することによって最大の駆動力を発揮できるように構成されている。
【０００３】
ハイブリッド自動車では、モータのみによる走行状態から、エンジンを使用する運転状態へ移行するときには、エンジンに始動指令が発せられる。エンジン始動時には、エンジン回転数の上昇を早めようとすると機関のポンピング作用や動弁系統の摩擦によるトルク変動により不快な振動が発生し易くなるという問題がある。特に、ハイブリッド自動車では、上記のように走行中にエンジンが始動されるため、エンジンの始動時回転数が高くなる傾向にあるため、上記の問題点が顕著である。
【０００４】
このような問題点に対応するために、たとえば特開２０００−１１５９１１号公報（特許文献１）には、ハイブリッド車両においてエンジン始動時にモータを最適制御することにより、速やかな始動と振動低減とを両立させる制御構成が提案されている。具体的には、エンジン始動時に所定の回転域では振動トルクを相殺する方向にスタータモータをトルク制御する一方で、それ以外の回転域ではスタータモータを回転数制御とすることによって、振動を抑制しつつ速やかな始動性を得るものである。
【特許文献１】特開２０００−１１５９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されたハイブリッド車両の制御装置では、制御構成が複雑化し、制御装置の演算負荷が増大するという問題点がある。
【０００６】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、より簡易な構成によりエンジン始動時の振動低減を実現するエンジンの始動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるエンジンの始動装置は、複数気筒を有するエンジンの始動装置であって、リラクタンスモータと、モータ出力伝達軸とを備える。リラクタンスモータは、周期的な出力トルク変動を有し、エンジンの始動時に作動される。モータ出力伝達軸は、リラクタンスモータの回転子の回転をエンジンのクランクシャフトの回転力として伝達する。モータ出力伝達軸は、クランクシャフトに周期的に発生する反力トルクと、リラクタンスモータのトルク変動とが互いに逆位相となるように位置合わせされて、回転子の回転出力軸とクランクシャフト端との間を接続する。
【０００８】
上記エンジンの始動装置によれば、構造的に周期的な出力トルク変動が発生するリラクタンスモータにより、クランクシャフト反力トルクの周期的変動をリラクタンスモータのトルク変動によって相殺するようにエンジンの始動を行なうことができる。この結果、特別なモータ制御を行なうことなく簡易な構成によって、エンジン始動時におけるトルク変動を抑制して、振動の発生を防止できる。
【０００９】
好ましくは、本発明によるエンジンの始動装置は、回転子の回転出力軸とクランクシャフト端との間に設けられたギアをさらに備える。このギアのギア比は、出力トルク変動の周期と、クランクシャフトの反力トルクの周期とを合致させるように定められる。
【００１０】
上記エンジンの始動装置によれば、クランクシャフトの反力トルク変動周期と、リラクタンスモータの出力トルク変動周期とをギア比によって調整できるので、始動装置の適用度が高められる。
【００１１】
さらに、好ましくは、本発明によるエンジンの始動装置は、エンジンの他の駆動力源をさらに備えるハイブリッド車両に搭載されたエンジンを始動する。
【００１２】
上記エンジンの始動装置によれば、車両走行中に、すなわち比較的高回転域でエンジンを始動するハイブリッド車両において、特別なモータ制御を行なうことなく簡易な構成によってエンジン始動時におけるトルク変動を抑制して、振動の発生を防止できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるエンジンの始動装置では、特別なモータ制御を行なうことなく簡易な構成によってエンジン始動時の振動を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中における同一または相当部分には同一符号を付してその詳細な説明は繰返さないものとする。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に従うエンジン始動装置の概略構成を説明する図である。
図１を参照して、気筒♯１〜♯４を有するエンジン１００のクランクシャフト２００は、各気筒♯１〜♯４に共通に設けられる。
【００１６】
図２は、エンジン１００の各気筒の構成例を説明する図である。
図２を参照して、各気筒は、シリンダブロック１０１と、シリンダブロック１０１の上部に連結されるシリンダヘッド１０２とを備えるシリンダ１１１と、シリンダ１１１内を往復動するピストン１０３とを有して構成される。
【００１７】
シリンダ１１１内においては、シリンダブロック１０１およびシリンダヘッド１０２の内壁とピストンの頂面とによって混合気を燃焼するための燃焼室１０７が区画形成されている。シリンダヘッド１０２には、この燃焼室１０７に突出する態様で混合気に点火を行なう点火プラグ１１４が配設されている。
【００１８】
さらに、燃料噴射インジェクタインジェクタ１２０は、インテークマニホールド、すなわち吸気通路２０と燃焼室１０７との連通部分である吸気ポート２２または／および吸気通路２０に燃料を噴射供給するように、吸気通路噴射用として配設される。あるいは、燃焼室１０７に燃料を噴射供給する筒内噴射用インジェクタ（図示せず）を、吸気通路噴射用インジェクタ１２０に代えて、あるいは吸気通路噴射用インジェクタ１２０とともに配設することも可能である。
【００１９】
吸気通路２０および／または吸気ポート２２に噴射された燃料を含む混合気は、吸気弁２４の開弁期間に燃焼室１０７内へ導かれる。点火プラグ１１４による点火により燃料が燃焼された後の排気は、排気弁８４の開弁期間に排気通路８０を介して三元触媒コンバータ９０へ送られる。
【００２０】
燃焼室１０７での燃料燃焼により、ピストン１０３は、シリンダ１１１内の往復運動を行なう。このピストン１０３は、エンジン１００の出力軸であるクランクシャフト２００に、コンロッド１０６を介して連結される。クランクシャフト２００は、クランクピン２０５と、クランクアーム２１０と、クランクジャーナル２２０とを含む。
【００２１】
図１にも示されるように、気筒♯１〜♯４の各々は、コンロッド１０６の一端がクランクピン２０５と連結されることによって、クランクシャフト２００と連結される。クランクジャーナル２２０は、クランクシャフト２００の主軸に相当する。クランクアーム２１０は、クランクピン２０５およびクランクジャーナル２２０を連結する。
【００２２】
これにより、順次点火される気筒♯１〜♯４でのピストン１０３の往復運動は、クランク回転軸２０２を中心軸とするクランクシャフト２００の回転運動に変換される。
【００２３】
各気筒ではクランキング時に圧縮上死点でトルクが最小となり回転速度が遅くなる。このように、シリンダヘッド位置に応じて各気筒からクランクシャフト２００に発生される反力トルクが異なってくるため、順次点火される気筒♯１〜♯４でのトルク変動が重ね合わされて、図３に示すように、クランクシャフト２００の反力トルク３０５は、クランク角度ＣＡに応じて周期的に変化する。このトルク変動による回転速度の変化が、特に高回転域でのエンジン始動時に振動発生要因となる可能性がある。
【００２４】
このトルク変動周期は、クランク角度ＣＡを用いて、Ｔｃｓ＝７２０／気筒数［度］で示される。すなわち４気筒エンジンの場合は図に示されるように反力トルク３０５の変動周期は１８０度ＣＡとなる。
【００２５】
再び図１を参照して、本発明の実施の形態に従うエンジン始動装置では、クランクシャフト２００の端部が、スタータモータとして用いられるリラクタンスモータ２５０と、モータ出力伝達軸２４０を介して接続される。モータ出力伝達軸２４０は、リラクタンスモータ２５０の出力をクランクシャフト２００の回転力として伝達するために配設される。
【００２６】
リラクタンスモータは、同期電動機の一種であり、電動機の突極性に基づくリラクタンストルク、すなわち磁気吸引力を利用して回転力を得る。代表的には、電力変換器により回転磁界を発生するスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）が本発明の実施の形態におけるリラクタンスモータ２５０として用いられる。
【００２７】
図４は、リラクタンスモータ（ＳＲＭ）２５０の断面構造を示す図である。
図４を参照して、ＳＲＭ２５０は、固定子２５２および回転子２５４とも突極構造を有している。図４には、三相、固定子の突極数Ｎｓ＝６、回転子の突極数Ｎｒ＝４のＳＲＭ構造が例示される。
【００２８】
一般に知られるように、ＳＲＭ２５０では、回転子２５４の突極位置を検出し、検出した回転位置に応じて固定子巻線に電流を流す。図４には代表的に、Ｕ相の固定子巻線２５５およびＵ′相の固定子巻線２５６が例示されるが、各相について固定子巻線が配設されている。
【００２９】
図５は、ＳＲＭ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
図５を参照して、ＳＲＭ駆動システム３００は、ＳＲＭ２５０と、ＳＲＭ２５０に設けられ位置検出センサ（レゾルバ）２６０と、三相インバータ２７０と、電流センサ２７２と、制御回路２８０とを含む。
【００３０】
位置検出センサ２６５は、ＳＲＭ２５０の回転子２５４の回転角度を検出する。三相インバータ２７０は、各相の電力用半導体素子（図示せず）が配置された一般的な構成を有し、制御回路２８０からのスイッチング制御信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷに従ったスイッチング動作により、図示しない直流電源からの直流電圧を、ＳＲＭ２５０を回転駆動するための三相交流電流に変換する。
【００３１】
電流センサ２７２は、ＳＲＭ２５０の三相巻線のうちの２相分の電流を検出可能なように配置される。たとえば、図５の構成では、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗを検出するように電流センサ２７２が配置される。三相電流の瞬時値の和は零（すなわち、ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０）であるため、２相分の電流検出によって三相のモータ電流を検出することができる。
【００３２】
制御回路２８０は、電流センサ２７２によって検出された各相電流および位置検出センサ２６５によって検出された回転子の回転角度に基づき、回転子２５４の突極位置に応じて励磁する固定子巻線を選択する。たとえば、一般的に用いられる周知のＳＲＭ制御方式に従って、三相固定子巻線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に位相が１２０度ずつずれた方形波電流が供給され、かつ、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相と、Ｕ′相、Ｖ′相およびＷ′相との間にはそれぞれ１８０度位相の異なる方形波電流が供給されるように、スイッチング制御信号ＳＵ，ＳＶ，ＳＷを発生する。
【００３３】
ＳＲＭ２５０は、三相インバータ２７０からの交流電流により固定子巻線に発生される回転磁界によって回転子２５４が回転することにより、出力軸２６０に回転力を出力する。この際に、一般的なＳＲＭでは、固定子巻線による磁束分布を正弦波状に変化させることが困難であるため、出力トルクに周期的な変動（脈動）が発生することが知られている。
【００３４】
すなわち、図６に示すように、ＳＲＭ２５０の出力トルク３１０は、トルク指令値Ｔｑｃｏｍに合致するようにその平均値が制御される一方で、周期Ｔｒのトルク脈動がモータ構造上発生してしまう。この出力トルク変動の周期Ｔｒは、ＳＲＭ構造（特に、相数および突極数）によって決まる。
【００３５】
再び図５を参照して、ＳＲＭ２５０の出力軸２６０は、必要に応じてギア２８５を介してモータ出力伝達軸２４０と連結される。モータ出力伝達軸２４０は図１に示されるようにクランクシャフト２００の端部と接続されている。これにより、ＳＲＭ２５０の回転出力がクランクシャフト２００の回転力として使用できるので、ＳＲＭ２５０によりエンジン１００を始動することができる。
【００３６】
この際に、図７に示されるように、クランクシャフト２００の反力トルク３０５（図３）と、ＳＲＭ出力トルク３１０（図６）とが互いに逆位相となるように位置決めされて、モータ出力軸２６０およびクランクシャフト２００の間が連結される。すなわち、このような位相関係となるように機械的位置を合致させて、モータ出力軸２６０、モータ出力伝達軸２４０およびクランクシャフト２００の間の機械的位置関係が固定されて、これらが互いに機械的に連結される。なお、ギア２８５は、ＳＲＭ出力トルク３１０の変動周期と、クランクシャフト反力トルク３０５の変動周期とを合致させるために、必要に応じて設けられる。すなわち、ギア２８０のギア比は、ＳＲＭ出力トルク３１０の変動周期と、クランクシャフト反力トルク３０５の変動周期との比に従って定められる。
【００３７】
このような構成とすることにより、構造的に出力トルク変動が発生するリラクタンスモータを用いて、エンジンの始動時トルク変動を相殺することができる。これにより、特別なモータ制御を行なうことなく簡易な構成によって、エンジン始動時におけるトルク変動を抑制して、振動の発生を防止できる。
【００３８】
特に、上記のエンジン始動装置は、比較的高い回転数でエンジンを始動するハイブリッド車両への搭載に好適である。
【００３９】
図８は、本発明の実施の形態に従うエンジン始動が適用されるハイブリッド車両の構成例を示すブロック図である。
【００４０】
図８を参照して、ハイブリッド車両１０００は、エンジン（内燃機関）１００の他に、バッテリ１０１０、電力変換部（ＰＣＵ：Power Control Unit）１０２０、電動機１０３０、動力分割機構１０５０、発電機（ジェネレータ）１０６０、減速機１０７０、駆動軸１０７５、駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂおよび、ハイブリッド車両１０００の全体動作を制御するハイブリッドＥＣＵ１０９０を備える。なお、図１には、前輪のみが駆動輪であるハイブリッド車両を示したが、さらに後輪駆動用の電動機を設けて、４ＷＤハイブリッド車両を構成することも可能である。
【００４１】
バッテリ１０１０は、充電可能な二次電池（たとえばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池）から構成される。電力変換部１０２０は、バッテリ１０１０から供給された直流電圧を、電動機１０３０駆動用の交流電圧に変換するインバータ（図示せず）を含む。このインバータは、双方向の電力変換が可能なように構成され、電動機１０３０の回生制動動作による発電電力（交流電圧）およびジェネレータ１０６０による発電電力（交流電圧）を、バッテリ１０１０充電用の直流電圧に変換する機能を併せ持つものとする。
【００４２】
さらに、電力変換部１０２０は、直流電圧のレベル変換を行なう昇降圧コンバータ（図示せず）をさらに含んでもよい。このような昇降圧コンバータを配置することにより、バッテリ１０１０の供給電圧よりも高電圧を振幅とする交流電圧によって電動機１０３０を駆動することができるので、モータ駆動効率を向上することができる。
【００４３】
エンジン１００は、図１および図２に示すように構成され、燃料の燃焼による熱エネルギを源として駆動力を発生する。エンジン１００は、モータ出力伝達軸２４０によりＳＲＭ駆動システム３００（図５）と接続される。
【００４４】
動力分割機構１０５０は、エンジン１００によって生じた駆動力を、減速機１０７０を介して駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂが連結された駆動軸１０７５へ伝達する経路と、ジェネレータ１０６０へ伝達する経路とに分割可能である。ジェネレータ１０６０は、動力分割機構１０５０を介して伝達されたエンジン１００からの駆動力によって回転されて発電する。ジェネレータ１０６０による発電電力は、電力変換部１０２０によって、バッテリ１０１０の充電電力、あるいは電動機１０３０の駆動電力として用いられる。
【００４５】
電動機１０３０は、電力変換部１０２０から供給された交流電圧によって回転駆動されて、その駆動力は、減速機１０７０を介して駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂへ伝達されて、車両駆動力となる。また、電動機１０３０が駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂの減速に伴って回転される回生制動動作時には、電動機１０３０は発電機として作用する。
【００４６】
ハイブリッド車両１０００では、発進時ならびに低速走行時あるいは緩やかな坂を下るときとの軽負荷時には、エンジン効率の領域を避けるために、エンジン１００の駆動力を用いることなく、電動機１０３０による駆動力で走行する。したがって、この場合には、暖機やバッテリ充電のためのエンジン運転が必要な場合を除いてエンジン１００の運転が停止される。なお、暖機やバッテリ充電のためのエンジン運転が必要な場合には、エンジン１００はアイドル運転される。
【００４７】
一方、通常走行時には、エンジン１００が始動され、エンジン１００から出力された駆動力は、動力分割機構１０５０によって駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂの駆動力と、ジェネレータ１０６０での発電用駆動力とに分割される。ジェネレータ１０６０による発電電力は、電動機１０３０の駆動に用いられる。したがって、通常走行時には、エンジン１００による駆動力を電動機１０３０による駆動力でアシストして、駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂが駆動される。ハイブリッドＥＣＵ１０９０は、動力分割機構１０５０による動力分割比率を、全体の比率が最大となるように制御する。さらに、全開加速時には、バッテリ１０１０から供給される電力が電動機１０３０の駆動にさらに用いられて、駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂの駆動力がさらに増加する。
【００４８】
減速および制動時には、電動機１０３０は、駆動輪１０８０ａ，１０８０ｂによって回転駆動されて発電する。電動機１０３０の回生発電によって回収された電力は、電力変換部１０２０によって直流電圧に変換されてバッテリ１０１０の充電に用いられる。さらに、車両停止時には、エンジン１００は自動的に停止される。
【００４９】
このように、ハイブリッド車両１０００は、エンジン１００によって発生された駆動力と電気エネルギを源として電動機１０３０によって発生された駆動力との組合せによって、すなわち車両状況に応じてエンジン１００および電動機１０３０の動作を制御することにより燃費を向上させた車両運転を行なう。すなわち、ハイブリッドＥＣＵ１０９０は、運転状況に応じて、ＳＲＭ駆動システム３００に対して、エンジン１００を始動させるための回転出力発生を指示する。
【００５０】
このように、本発明の実施の形態に従うエンジン始動装置を、車両走行中に、すなわち比較的高回転域でエンジン１００を始動するハイブリッド車両１０００のエンジン始動に用いることにより、エンジン始動の際の振動発生を防止することが可能となる。
【００５１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態に従うエンジン始動装置の概略構成を説明する図である。
【図２】エンジンの各気筒の構成例を説明する図である。
【図３】クランクシャフトに作用する反力トルクの周期的変動を説明する図である。
【図４】図２に示したリラクタンスモータの断面構造を示す図である。
【図５】ＳＲＭ駆動システムの概略構成を示すブロック図である。
【図６】ＳＲＭ出力トルクの周期的変動を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態に従うエンジン始動装置におけるクランクシャフト反力トルクとＳＲＭ出力トルクとの位相関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に従うエンジン始動が適用されるハイブリッド車両の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５３】
２０  吸気通路、２２  吸気ポート、２４  吸気弁、８０  排気通路、８４  排気弁、９０  三元触媒コンバータ、１００  エンジン、１０１  シリンダブロック、１０２  シリンダヘッド、１０３  ピストン、１０６  コンロッド、１０７  燃焼室、１１１  シリンダ、１１４  点火プラグ、１２０  燃料噴射インジェクタ、２００  クランクシャフト、２０２  クランク回転軸、２０５  クランクピン、２１０  クランクアーム、２２０  クランクジャーナル、２４０  モータ出力伝達軸、２５０  リラクタンスモータ、２５２  固定子、２５４  回転子、２５５，２５６  固定子巻線、２６０  モータ出力軸、２６５  位置検出センサ、２７０  三相インバータ、２７２  電流センサ、２８０  制御回路、２８５  ギア、３００  ＳＲＭ駆動システム、３０５  クランクシャフト反力トルク、３１０  ＳＲＭ出力トルク、１０００  ハイブリッド車両、１０１０  バッテリ、１０２０  電力変換部、１０３０  電動機、１０５０  動力分割機構、１０６０  ジェネレータ、１０７０  減速機、１０７５  駆動軸、１０８０ａ，１０８０ｂ  駆動輪、ＣＡ  クランク角度、ｉｖ，ｉｗ  モータ電流、ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ  スイッチング制御信号（三相インバータ）、Ｔｃｓ  クランクシャフト反力トルク変動周期、Ｔｑｃｏｍ  ＳＲＭトルク指令値、Ｔｒ  ＳＲＭ出力トルク変動周期。
【図１】
2006327233.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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