(57)【要約】【課題】  始動時の状況に拘わりなく始動モータの駆動に起因する共振を防止することが可能な内燃機関の始動装置を提供する。【解決手段】  所定の駆動条件で始動モータ２を駆動したときの始動モータ２の回転周波数ｆｓを予測する。内燃機関の始動時に、予測された回転周波数ｆｓが始動モータ２にて加振される所定の振動系の共振領域にある場合には、その回転周波数ｆｓが共振領域から外れるように始動モータ２の駆動条件を制御しつつ始動モータ２を駆動する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の駆動条件で始動モータを駆動したときの当該始動モータの回転周波数を予測する回転周波数予測手段と、
内燃機関の始動時に、前記予測された回転周波数が前記始動モータにて加振される所定の振動系の共振領域にある場合、前記回転周波数が前記共振領域から外れるように前記始動モータの駆動条件を制御しつつ当該始動モータを駆動するモータ駆動制御装置と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項２】
前記モータ駆動制御手段は、所定の判別条件に従って前記始動モータの回転周波数を前記共振領域に対して高低いずれの側へ変化させるかを判別する制御方向判別手段と、前記制御方向判別手段にて判別された側へ前記回転周波数が変化するように前記駆動条件を制御する制御実行手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の始動装置。
【請求項３】
前記共振領域には互いに異なる複数の共振周波数が含まれており、前記制御方向判別手段は、前記回転周波数が前記複数の共振周波数の平均値よりも大きい場合には前記回転周波数を前記共振領域よりも高い側へ変化させるように判別することを特徴とする請求項２に記載の始動装置。
【請求項４】
前記共振領域には互いに異なる複数の共振周波数が含まれており、前記制御方向判別手段は、前記回転周波数が前記複数の共振周波数の平均値よりも小さい場合には前記回転周波数を前記共振領域よりも低い側へ変化させるように判別することを特徴とする請求項２に記載の始動装置。
【請求項５】
前記制御方向判別手段は、前記始動モータの前記回転周波数の上昇に対して所定の阻害要因が生じているか否かを判別し、該阻害要因が生じている場合には前記回転周波数を前記共振領域よりも低い側に変化させるように判別することを特徴とする請求項２に記載の始動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関を始動モータにて始動する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の始動装置として、内燃機関の潤滑油や冷却水等の温度の高低に拘わりなく始動モータが一定速度で回転するように始動モータに印加する電圧を制御しつつ始動モータを駆動する始動装置が知られている（特許文献１参照）。その他に本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。
【特許文献１】特開平５−６５８６１号公報
【特許文献２】特開平８−１１５０４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
始動モータの駆動時には、始動モータ自身及びその周辺の部品が加振される。この場合、始動モータの回転周波数がこうした周辺部品等で構成される振動系の固有振動数に一致していると共振が生じて騒音や振動が顕著に増加する。上述した従来の始動装置において、始動モータの回転周波数が共振領域を避けて設定されていればそのような共振が生じるおそれは本来ない。しかしながら、低温時やバッテリの劣化時には始動モータへ供給電力が不足して始動モータの回転速度が所定値まで上昇せず、その回転周波数が振動系の共振領域に一致して共振を生じるおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、始動時の状況に拘わりなく始動モータの駆動に起因する共振を防止することが可能な内燃機関の始動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の始動装置は、所定の駆動条件で始動モータを駆動したときの当該始動モータの回転周波数を予測する回転周波数予測手段と、内燃機関の始動時に、前記予測された回転周波数が前記始動モータにて加振される所定の振動系の共振領域にある場合、前記回転周波数が前記共振領域から外れるように前記始動モータの駆動条件を制御しつつ当該始動モータを駆動するモータ駆動制御装置とを備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００６】
この始動装置によれば、始動モータの回転周波数が振動系の共振領域から外れるように始動モータの駆動条件が制御されるため、始動モータの駆動によって共振が生じるおそれがない。従って、振動や騒音を抑えつつ内燃機関を円滑に始動させることができる。
【０００７】
本発明の始動装置において、前記モータ駆動制御手段は、所定の判別条件に従って前記始動モータの回転周波数を前記共振領域に対して高低いずれの側へ変化させるかを判別する制御方向判別手段と、前記制御方向判別手段にて判別された側へ前記回転周波数が変化するように前記駆動条件を制御する制御実行手段とを備えてもよい。この場合には、始動モータの回転周波数が共振領域に入っていた場合に、その共振領域に対して高低いずれの側へ回転周波数を変化させるべきかが判別されることにより、回転周波数を高低いずれか一方の側に固定的に変化させて共振領域から外す場合と比較して、始動モータの回転周波数の変化をより望ましい態様で実現することができる。例えば、予測された回転周波数から共振領域の上限及び下限までの回転周波数の変化幅を比較し、その変化幅が小さくなる側に回転周波数を変化させることにより、始動フィーリングの変化を抑えつつ回転周波数を共振領域から外すことができる。その他にも、制御方向判別手段における判別条件は各種の観点から定めてよい。例えば始動性を優先して回転周波数がなるべく高くなるように判別条件を設定してもよいし、始動時の消費エネルギーを抑えることを優先して回転周波数がなるべく低くなるように判別条件を設定してもよい。
【０００８】
本発明の始動装置は、前記共振領域に互いに異なる複数の共振周波数が含まれている場合にも適用できる。そして、前記制御方向判別手段は、前記回転周波数が前記複数の共振周波数の平均値よりも大きい場合には前記回転周波数を前記共振領域よりも高い側へ変化させるように判別してもよい（請求項３）。このように回転周波数を変化させた場合には、回転周波数の変動幅を小さく抑えつつ始動時の回転周波数を共振領域から確実に外すことができる。回転周波数を高める方向へ変化させる場合には始動モータの消費エネルギーが増加することになるが、予測された回転周波数が複数の共振周波数の平均値よりも高い状況においては、共振領域よりも高い側へ回転周波数を変化させてもそれによる消費エネルギーの増加分は相対的に小さく抑えられる。そして、回転周波数を高めることにより始動時間が短縮され、内燃機関の始動性が向上する。
【０００９】
一方、前記制御方向判別手段は、前記制御方向判別手段は、前記回転周波数が前記複数の共振周波数の平均値よりも小さい場合には前記回転周波数を前記共振領域よりも低い側へ変化させるように判別してもよい（請求項４）。このような回転周波数の変化によっても回転周波数の変動幅を小さく抑えつつ始動時の回転周波数を共振領域から確実に外すことができる。回転周波数を低下させる方向へ変化させる場合には始動モータの消費エネルギーが減少し、バッテリ容量の制限や始動モータの温度上昇により回転周波数の上昇が難しい状況であっても共振領域から回転周波数を確実に外すことができる。
【００１０】
前記制御方向判別手段は、前記始動モータの前記回転周波数の上昇に対して所定の阻害要因が生じているか否かを判別し、該阻害要因が生じている場合には前記回転周波数を前記共振領域よりも低い側に変化させるように判別してもよい（請求項５）。上記したように、始動モータの電源バッテリの容量が低下したときや始動モータの温度が許容範囲の上限付近まで上昇しているときには回転周波数の上昇により何らかの支障が生じるおそれがある。そこで、始動モータの回転周波数の上昇が望ましくない場合を阻害要因として予め定めておき、内燃機関の始動時に阻害要因が生じている場合に回転周波数を低く変化させるようにしておけば、共振回避のために不用意に始動モータの回転周波数が上昇するおそれがなくなり、始動装置の信頼性が向上する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の始動装置によれば、始動モータの回転周波数が振動系の共振領域から外れるように始動モータの駆動条件が制御されることにより、振動や騒音を抑えつつ内燃機関を円滑に始動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の始動装置を車両の駆動源としての内燃機関に適用した一形態を示している。この始動装置１は、始動モータ２の出力軸（不図示）と連結されるスタータギア軸３の回転を、そのスタータギア軸３上に設けられたスタータギア４からこれと噛み合うドリブンギア５へ伝達し、そのドリブンギア５の回転をこれと同軸の中間ギア６へ伝達し、その中間ギア６の回転をこれと噛み合うクランクギア７に伝達してクランクギア７と同軸のクランクシャフト８をクランク軸線の回りに所定方向に回転させるように構成されている。ドリブンギア５と中間ギア６との間には不図示のワンウェイクラッチが設けられている。そのワンウェイクラッチはドリブンギア５から中間ギア６への回転伝達を許容し、その反対に中間ギア６からドリブンギア５への回転伝達を阻止するもので、内燃機関の始動後にクランクシャフト８によって始動モータ２が回転駆動されることによる回転負荷の増加を防止する目的で設けられている。噛み合い率の向上によるギア騒音の低減化等を目的として、各ギア４、５、６、７はいずれも歯筋が軸線方向に対して斜めに傾斜したはすば歯車として構成されている。
【００１３】
始動モータ２はブラシ付きＤＣモータであり、図２に示すようにそのブラシ１０と接触するコンミテータ１１の外周には複数の溝１１ａが周方向に等ピッチで設けられている。始動モータ２の回転周波数ｆｓは出力軸の回転数をＲｓ（ｒｐｍ）、溝１１ａの個数をｘとしたときに下式（１）で与えられる。
ｆｓ＝（Ｒｓ／６０）・ｘ……（１）
【００１４】
回転周波数ｆｓが始動モータ２自身、あるいは始動モータ２によって加振される周辺部品の共振周波数と一致又は近似していると、始動モータ２の駆動によって顕著な振動が発生し、始動時の騒音が増加する。そこで、図１の始動装置１では、バッテリ２１と始動モータ２との間に電圧制御回路２２を設け、その電圧制御回路２２から始動モータ２に供給される電源電圧をエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵ）２３からの指示に応じて変化させることにより、回転周波数ｆｓを始動モータ２やその周辺部品によって構成される振動系の共振領域から外すようにした。なお、始動モータ２の回転周波数の制御に関して考慮されるべき振動系の構成部品は共振時の振動や騒音に与える影響の大小に応じて適宜に選択してよい。典型的には、チェーンカバー、クランクケース、オイルパンといった周辺部品が振動系の構成部品に含まれるが、始動モータ２自身も振動系の構成部品に含まれることがある。ＥＣＵ２３は内燃機関に対する燃料噴射を制御する周知のコンピュータユニットであるが、この形態では特定のプログラムをＥＣＵ２３に実行させることにより、ＥＣＵ２３を本発明におけるモータ駆動制御装置としても機能させている。
【００１５】
ＥＣＵ２３にて回転周波数ｆｓを制御するために必要な入力情報の検出装置として、図１の始動装置１では、内燃機関の潤滑油の温度Ｔｏ（°Ｃ）び油量Ｗｏ（Ｌ、リットル）をそれぞれ検出する油温センサ２４及び油量センサ２５、内燃機関の冷却水温度Ｔｗ（°Ｃ）を検出する水温センサ２６、始動モータ２のコイル温度Ｔｃ（°Ｃ）を検出するコイル温度センサ２７、バッテリ２１の温度Ｔｂ（°Ｃ）を検出するバッテリ温度センサ２８、バッテリ２１の電圧Ｖｂ（ｖ）を検出するバッテリ電圧センサ２９がＥＣＵ２３に接続されている。これ以外にも適宜のセンサがＥＣＵ２３に接続されてもよい。
【００１６】
次に、図３を参照してＥＣＵ２３による始動モータ２の回転周波数の制御について説明する。始動モータ２によって加振される振動系の構成部品にはそれぞれ固有の共振周波数があり、それらの共振周波数のうち最も低い共振周波数をｆ＿ｍｉｎ、最も高い共振周波数をｆ＿ｍａｘとする。その他の構成部品の共振周波数は全てこれらの共振周波数ｆ＿ｍｉｎ〜ｆ＿ｍａｘの間に含まれるから、この間を共振領域として定義すれば始動モータ２の回転周波数ｆｓは次式（２）を満たさないように制御すればよい。
ｆ＿ｍｉｎ≦ｆｓ≦ｆ＿ｍａｘ    ……（２）
【００１７】
実際には、図３に示したように振動系の構成部品の共振周波数はｆ＿ｍｉｎ、ｆ＿ｍａｘをピークとして前後に多少の広がりを持っていることが多いので、共振領域は上述した（２）式よりも共振周波数のｆ＿ｍｉｎ、ｆ＿ｍａｘの広がりに相当するマージンを加えた範囲に設定することが望ましい。また、始動モータ２を始動させるときに生成される振動の周波数も上記（１）式で得られる回転周波数の前後に多少の広がりを持っているので、その広がりに相当するマージンをさらに追加して共振領域を定義することがさらに望ましい。これらのマージンを定量的に示せば、回転周波数を共振領域よりも低く設定する場合には、回転周波数ｆｓ＿１を最小周波数ｆ＿ｍｉｎの１／√２倍以下に設定し、回転周波数を共振領域よりも高く設定する場合には、回転周波数ｆｓ＿２を最大周波数ｆ＿ｍａｘの１／√２倍以上に設定することが望ましい。
【００１８】
始動モータ２の回転周波数ｆｓは共振領域に対して高低いずれの側に変化させてもよい。一つの好適な態様においては、振動系の全ての構成部品の共振周波数の平均値ｆ＿ａｖｅを求める一方、バッテリ２１の電圧Ｖｂをそのまま始動モータ２に供給したときの回転周波数ｆｓ＿ｉが平均値ｆ＿ａｖｅよりも小さければ最小共振周波数ｆ＿ｍｉｎから所定のマージンを差し引いた周波数ｆｓ＿１まで回転周波数ｆｓを低下させ、回転周波数ｆｓ＿ｉが平均値ｆ＿ａｖｅよりも大きければ最大共振周波数ｆ＿ｍａｘに所定のマージンを加えた周波数ｆｓ＿２まで回転周波数ｆｓを上昇させる。なお、回転周波数ｆｓを制御する上で考慮すべき振動系の構成部品の範囲を予め定めておけば、各構成部品の共振周波数は実験、シミュレーション又は数値計算によって求めることができ、最小共振周波数ｆ＿ｍｉｎ、最大共振周波数ｆ＿ｍａｘ及び平均値ｆ＿ａｖｅはいずれも既知の値としてＥＣＵ２３のＲＯＭ等に書き込んでおくことができる。
【００１９】
図４は上記のように回転周波数ｆｓを制御するためにＥＣＵ２３が実行する回転周波数制御ルーチンを示している。この制御ルーチンは、車両の停止に応答してＥＣＵ２３の制御により内燃機関の運転が停止されているアイドリングストップ中に、所定の始動条件が成立して内燃機関の始動が必要となった場合に実行される。この回転周波数制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２３はまずステップＳ１で回転周波数ｆｓの制御に必要な情報として、油温センサ２４が検出する油温Ｔｏ、油量センサ２５が検出する潤滑油量Ｗｏ、水温センサ２６が検出する水温Ｔｗ、コイル温度センサ２７が検出するコイル温度Ｔｃ、バッテリ温度センサ２８が検出するバッテリ温度Ｔｂ、及びバッテリ電圧センサ２９が検出するバッテリ電圧Ｖｂを読み取る。続くステップＳ２では、潤滑油の劣化度Ｄｏ、及び始動モータ２の使用期間Ｄｓ（秒）を補正項として取り込む。
【００２０】
劣化度Ｄｏは潤滑油の使用期間に応じて変化する無次元量である。潤滑油の使用期間は、例えば潤滑油の交換時のみに行われるドレンプラグの取り外し作業等と関連付けて初期化を実施し、その初期化後における内燃機関の運転時間をＥＣＵ２３で積算することにより求めることができる。また、始動モータ２の使用期間ＤｓはＥＣＵ２３が電圧制御回路２２に対して電圧供給を許可した時間を始動モータ２の使用開始時から積算することにより求めることができる。
【００２１】
続くステップＳ３ではステップＳ１で取り込んだ検出量と、ステップＳ２で取り込んだ補正量とから、バッテリ２１の電圧Ｖｂをそのまま始動モータ２に与えた場合の始動モータ２の回転数Ｒｓ（ｒ．ｐ．ｍ．)を算出する。その算出は、油温Ｔｏ等の検出量と回転数Ｒｓとを関連付けて作成したマップからステップＳ１の検出結果に対応した回転数を求め、その回転数をステップＳ２で求めた劣化度Ｄｏや使用期間Ｄｓにて補正することによって行うことができる。ここで使用するマップは予め実験的に求めてＥＣＵ２３のＲＯＭに書き込んでおくことができる。油温Ｔｏ等の物理量はいずれも始動モータ２の回転数Ｒｓに影響を与えるパラメータとして選ばれたものであり、他にも始動モータ２の回転数に影響する物理量があればステップＳ１にて適宜取り込むようにしてよい。油量Ｗｏに関しては、各ギア４〜７の潤滑油への浸り具合により回転抵抗が変化することから考慮されている。劣化度Ｄｏは潤滑油の劣化が進むほど粘度が低下して回転数Ｒｓが上昇し易いことから補正項として考慮されている。使用期間Ｄｓは始動モータ２が使用されるほどブラシ１０がすり減って回転数Ｒｓが低下することから補正項として考慮されている。
【００２２】
ステップＳ３にて回転数Ｒｓを算出した後はステップＳ４へ進み、回転数Ｒｓに対応する回転周波数ｆｓを上記（１）式から求め、得られた回転周波数ｆｓが共振領域に含まれているか否かを判断する。これらのステップＳ３及びＳ４を実行することによりＥＣＵ２３は回転周波数予測手段として機能する。
【００２３】
ステップＳ４において回転周波数ｆｓが共振領域に含まれている場合にはステップＳ５へ進み、回転周波数ｆｓが最小共振周波数ｆ＿ｍｉｎと共振周波数の平均値ｆ＿ａｖｅとの間に含まれているか否か判断する。このステップＳ５の実行によりＥＣＵ２３は本発明の制御方向判別手段として機能する。ステップＳ５の条件が肯定された場合にはステップＳ６に進み、始動モータ２の回転周波数ｆｓを最小共振周波数ｆ＿ｍｉｎよりも低い回転周波数ｆｓ＿１に一致させるために必要な始動モータ２の駆動電圧Ｖ１を算出する。一方、ステップＳ５の条件が否定された場合にはステップＳ７に進み、始動モータ２の回転周波数ｆｓを最大共振周波数ｆ＿ｍａｘよりも高い回転周波数ｆｓ＿２に一致させるために必要な始動モータ２の駆動電圧Ｖ２を算出する。
【００２４】
ステップＳ６又はＳ７で駆動電圧Ｖ１又はＶ２が算出された後はステップＳ８へ進み、電圧制御回路２２から始動モータ２へ算出された電圧Ｖ１又はＶ２を供給して始動モータ２を駆動する。これにより、バッテリ２１の電圧Ｖｂをそのまま始動モータ２に与えた場合に共振の発生が見込まれる状況においても、駆動電圧のＶ１又はＶ２への変更によって共振が回避されて内燃機関を円滑に始動させることができる。一方、ステップＳ４の条件が否定された場合にはステップＳ５〜Ｓ７の処理をスキップしてステップＳ８へジャンプし、バッテリ２１の電圧Ｖｂを始動モータ２にそのまま供給する。この場合にはステップＳ４で回転周波数ｆｓが共振領域を外れているので、共振が生じるおそれはない。
【００２５】
内燃機関の始動が確認されるまでステップＳ８による始動モータ２の駆動を継続し、始動確認により図４のルーチンを終える。なお、ステップＳ８の実行により、ＥＣＵ２３は本発明の制御実行手段として機能する。
【００２６】
図５は図４の制御ルーチンの変形例を示している。この例では、ステップＳ６又はＳ７にて駆動電圧Ｖ１又はＶ２を算出した後に、ステップＳ６Ａ又はＳ７Ａに進み、算出された駆動電圧Ｖ１又はＶ２を始動モータ２に与えたときの回転周波数ｆｓをステップＳ３、Ｓ４と同様の手法で予測し、予測された回転周波数ｆｓが最小共振周波数ｆ＿ｍｉｎよりも低いか、又は最大共振周波数ｆ＿ｍａｘよりも高いかを確認している。そして、ステップＳ６Ａの条件が否定された場合にはステップＳ６へ戻って再び駆動電圧Ｖ１を算出し、以下ステップＳ６Ａの条件が肯定されるまで同様の手順を繰り返す。一方、ステップＳ７Ａの条件が否定された場合にはステップＳ７へ戻って再び駆動電圧Ｖ２を算出し、以下ステップＳ７Ａの条件が肯定されるまで同様の手順を繰り返す。駆動電圧Ｖ１、Ｖ２の算出を繰り返す場合には例えば所定のステップ幅ずつ駆動電圧Ｖ１を低下させ、又は駆動電圧Ｖ２を上昇させてもよい。ステップＳ６Ａ、Ｓ７Ａの追加以外は図４と同じである。このような例によれば、図４の形態にも増して、始動モータ２の回転周波数ｆｓを共振領域から確実に外すことができ、制御精度が向上する。
【００２７】
図６は図４の制御ルーチンのさらなる変形例を示している。この例では、ステップＳ４の条件が肯定された場合にステップＳ４Ａに進み、一定の阻害要因が生じているか否かを判断して阻害要因が生じている場合にステップＳ５をスキップしてステップＳ６へ進む。このようにすれば阻害要因が生じている場合には回転周波数ｆｓが強制的に最小共振周波数ｆ＿ｍｉｎよりも低く変更されることになる。なお、阻害要因は、バッテリ容量Ｖｂが一定の基準電圧よりも低下して駆動電圧Ｖ２の供給が困難であること、始動モータ２のコイル温度Ｔｃが所定の限界に達していること等、バッテリ電圧Ｖｂよりも駆動電圧を上昇させることが不可能か又は可能であってもそのような昇圧が望ましくない状況に対応して適宜に設定してよい。なお、図６のステップＳ４Ａは図５のルーチンに組み込んでもよい。
【００２８】
本発明は以上の形態に限定されず、種々の形態にて実施してよい。例えば、上記の形態では始動モータにＤＣモータを使用しているが、始動モータは回転周波数を変更できる限りその形式を問わない。また、上記形態では始動モータの駆動条件として電圧を変化させて回転周波数を変化させているが、各種のパラメータを駆動条件として変化させて始動モータの回転周波数を変化させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の内燃機関の始動装置の一形態を示す図。
【図２】始動モータのブラシとコンミテータとの関係を示す図。
【図３】始動モータによって加振される振動系の構成部品の共振周波数と始動モータの回転周波数との関係を示す図。
【図４】始動モータの回転周波数を変化させるためにＥＣＵが実行する回転周波数制御ルーチンの手順を示すフローチャート。
【図５】図４の変形例におけるフローチャート。
【図６】図４のさらなる変形例におけるフローチャート。
【符号の説明】
【００３０】
１  始動装置
２  始動モータ
８  クランクシャフト
１０  ブラシ
１１  コンミテータ
１１ａ  溝
２１  バッテリ
２２  電圧制御回路
２３  エンジンコントロールユニット（モータ駆動制御装置、制御方向判別手段、制御実行手段）
２４  油温センサ
２５  油量センサ
２６  水温センサ
２７  コイル温度センサ
２８  バッテリ温度センサ
２９  バッテリ電圧センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005207247.tif 000006
【図５】
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【図６】
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