(57)【要約】【課題】クランク軸に発生する逆回転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】スタータモータ２１とクランク軸８とを接続するギヤ列２２中に、クランク軸８からスタータモータ２１への回転伝達を阻止する一方向クラッチ２６が設けられた始動装置２０において、エンジン１の運転状態をセンサ５１〜５４から取得する。取得した運転状態に基づいてクランク軸８に逆回転が発生することを予測する。逆回転の発生が予測されると、逆回転が一方向クラッチ２６へ入力されないように始動装置２０の動作を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸への回転の伝達経路中に、前記クランク軸を正回転させる方向の回転のクランク軸側への出力を許容し、クランク軸側から入力される回転伝達を阻止する一方向クラッチを備えた内燃機関の始動装置において、前記内燃機関の運転状態から前記クランク軸の逆回転の発生を予測する逆回転発生予測手段と、前記逆回転発生予測手段が前記逆回転の発生を予測した際に、前記逆回転が前記一方向クラッチへ入力されないように前記始動装置を作動させる逆回転防止手段と、が設けられたことを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項２】
前記逆回転発生予測手段は、前記内燃機関の回転数が所定値を下回った場合に前記逆回転が発生すると予測する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
【請求項３】
前記逆回転防止手段は、前記逆回転発生予測手段にて前記逆回転が発生すると予測された場合に前記始動装置を作動させ、その作動後には前記内燃機関の気筒内の圧力又は前記始動装置の動作継続時間に基づいて前記始動装置の停止時期を制御する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の始動装置。
【請求項４】
前記逆回転防止手段は、前記内燃機関の気筒内の圧力に基づいて前記始動装置のトルクを調整する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の始動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一方向クラッチを介してクランク軸に回転を伝達する内燃機関の始動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関のクランク軸への回転の伝達経路中に一方向クラッチを備えた、いわゆる常時噛み合い式の始動装置として、内燃機関のクランク軸に逆回転が発生した場合に始動装置側に逆回転が作用することを防止する逆転防止カム機構を有する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として特許文献２が存在する。
【０００３】
【特許文献１】
特開平３−２０２６７６号公報
【特許文献２】
特許第２５３２９２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の始動装置では、逆転防止カム機構はクランク軸に発生した逆回転の始動装置側への伝達を防止するのみであって、クランク軸が逆回転すること自体を防止するものではない。従って、内燃機関の停止直前には、圧縮工程にあるピストンが上死点付近で昇圧された気筒内の空気の圧力で押し戻され、上死点を超えることができないためにクランク軸に逆回転を生じる。逆回転により押し戻されたピストンに対しては、次回の始動時に大きな圧縮反力が作用し、その圧縮反力のために始動装置に要求されるトルクが大きくなる。
【０００５】
一方、逆転防止機能を有しない始動装置では、クランク軸に発生した逆回転が始動装置側に伝達されるため、回転伝達経路中に配置された一方向クラッチにも逆回転が入力されることになる。一方向クラッチにおいては、一対の内外輪の間に爪やスプラグ等の伝達要素が内蔵されており、内輪から外輪へ回転が入力される場合は、伝達要素が内外輪と噛み合って回転が伝達可能となり、外輪から回転が入力される場合は、内輪又は外輪の少なくともいずれか一方に対して伝達要素の噛み合いが外れて回転伝達が不能となることにより、一方向のみの回転が伝達される。しかし、クランク軸を逆回転させる方向の回転が一方向クラッチに入力された場合には、伝達要素が内輪又は外輪の少なくともいずれか一方に噛み込み、一方向クラッチが破壊されて再始動できなくなることがある。また、破壊に至らない場合でも、伝達要素の噛み込み等によりクランク軸からの回転が始動装置に伝達されるため、始動装置に限度を超える回転力が作用して始動装置が故障するおそれがあり、始動装置側がエンジンの負荷となって燃費悪化等の原因にもなる。
【０００６】
そこで、本発明は、内燃機関のクランク軸に発生する逆回転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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、クランク軸への回転の伝達経路中に、前記クランク軸を正回転させる方向の回転のクランク軸側への出力を許容し、クランク軸側から入力される回転伝達を阻止する一方向クラッチを備えた内燃機関の始動装置において、前記内燃機関の運転状態から前記クランク軸の逆回転の発生を予測する逆回転発生予測手段と、前記逆回転発生予測手段が前記逆回転の発生を予測した際に、前記逆回転が前記一方向クラッチへ入力されないように前記始動装置を作動させる逆回転防止手段と、を設けることにより上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００８】
この発明によれば、逆回転の発生が予測された場合に、始動装置を作動させてクランク軸へ回転を伝達することにより、クランク軸に対して逆回転を防ぐ方向の回転力を作用させることができる。
【０００９】
本発明の始動装置においては、前記逆回転発生予測手段は前記内燃機関の回転数が所定値を下回った場合に前記逆回転が発生すると予測することができる（請求項２）。この形態によれば、内燃機関の停止寸前に回転数が所定値を下回ると、逆回転が発生すると逆回転発生予測手段にて予測されるようになる。
【００１０】
前記逆回転防止手段は、前記逆回転発生予測手段にて前記逆回転が発生すると予測された場合に前記始動装置を作動させ、その作動後には前記内燃機関の気筒内の圧力又は前記始動装置の動作継続時間に基づいて前記始動装置の停止時期を制御してもよい（請求項３）。
【００１１】
クランク軸に発生する逆回転は、内燃機関の停止直前に圧縮工程にあるピストンが上死点付近で昇圧された気筒内の空気の圧力で押し戻され、上死点を超えることができないために生じる。この時、逆回転防止手段にて逆回転を防止すると気筒内に圧縮圧力が残るけれども、その圧縮圧力はピストンリングの間隙から漏れ出し、気筒内の圧力の低下に伴ってピストンを押し戻す力が低下する。従って、逆回転の恐れがなくなるほど気筒内圧力が低下するまで、始動装置を作動させればよい。従って、始動装置の停止時期は気筒内圧力又は始動装置の動作継続時間から判別することができる。なお、気筒内の圧力は、直接検出してもよいし、これと相関する物理量を検出してもよい。
【００１２】
本発明の始動装置においては、前記逆回転防止手段は、前記内燃機関の気筒内の圧力に基づいて前記始動装置のトルクを調整してもよい（請求項４）。内燃機関の気筒内の圧力が小さいほどピストンを押し戻そうとする力が減少するので、気筒内の圧力に応じて始動装置のトルクを調整することにより、始動装置からクランク軸に対して適切なトルクを負荷することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の始動装置を車両の動力源としての内燃機関に適用した一実施形態を示している。図１において、エンジン１は、気筒２とピストン３とによって規定される燃焼室４に燃料噴射弁５から燃料を噴射して燃料混合気を形成し、その燃料混合気に点火プラグ６から着火して燃焼室４に燃焼を生じさせ、その燃焼エネルギでピストン３を往復運動させ、その往復運動をコンロッド７からクランク軸８に伝達してクランク軸８を回転させる周知のレシプロ式火花点火内燃機関として構成されている。燃料噴射弁５から噴射される燃料にはガソリンが好適に用いられるが、他の燃料でもよい。
【００１４】
エンジン１には、燃焼室４と吸気通路９及び排気通路１０との間をそれぞれ開閉する吸気バルブ１１及び排気バルブ１２が設けられるとともに、各バルブ１１、１２を駆動するカム１３、１４、吸気通路９からの吸気量を調整するスロットルバルブ１５が設けられる。スロットルバルブ１５は不図示のアクセルペダルの踏み込み量に応じてその開度が変化する。
【００１５】
エンジン１にはこれを始動させるための始動装置２０が設けられている。図２により詳しく示したように、始動装置２０は、スタータモータ２１と、エンジン１のクランク軸８にスタータモータ２１の回転を伝達するギヤ列２２とを備えている。ギヤ列２２は、スタータモータ２１の出力軸２１ａによって駆動されるスタータギヤ２３と、クランク軸８及びスタータモータ２１と平行に設けられた支持軸２４上にスタータギヤ２３と噛み合うように設けられたドリブンギヤ２５と、支持軸２４上にクラッチ手段としての一方向クラッチ２６を介して同軸的に設けられた中間ギヤ２７と、中間ギヤ２７と噛み合うようにしてクランク軸８と一体回転可能に設けられたクランクギヤ２８とを備えている。スタータギヤ２３とドリブンギヤ２５、中間ギヤ２７とクランクギヤ２８との間の歯数比はそれぞれのギヤ間でスタータモータ２１の出力軸２１ａ側からクランク軸８側に向かって回転が減速して伝達されるように設定されている。従って、ギヤ列２２においては回転が漸次減速されてクランク軸８まで伝達される。ドリブンギヤ２５は支持軸２４と一体回転可能である。一方向クラッチ２６は支持軸２４から中間ギヤ２７への回転伝達を許容し、中間ギヤ２７から支持軸２４への回転伝達を阻止する。
【００１６】
図３に示すように、一方向クラッチ２６は、中間ギヤ２７の内周面２７ｂに密着するように嵌め込まれている。中間ギヤ２７の内周面２７ａ、２７ｃには、一方向クラッチ２６を挟み込むようにして軸受２９、３０が嵌合している。軸受２９、３０と、一方向クラッチ２６とは、中間ギヤ２７に組み込まれた状態で、支持軸２４に一体で嵌め合わされる。中間ギヤ２７を支持軸２４の軸端部２４ｅ側から嵌め合わることを可能とするために、支持軸２４の外周面２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、その径が順に小さくなるように加工されている。軸端部２４ｅには軸受３２が圧入されており、板ばね３３を介して中間ギヤ２７の抜け止めとされている。支持軸２４は、軸端部２４ｄ、２４ｅに嵌合した軸受３１、３２で回転自由に支持されている。
【００１７】
中間ギヤ２７の内周面２７ｂは内周面２７ａ、２７ｃよりも小さな径となるように加工されている。従って、内周面２７ｂの研削精度を容易に出すことができる。軸受２９、３０には板ばね３３によって予圧がかけられているので、軸受２９、３０からの振動、騒音を抑制することができる。
【００１８】
図１に戻って、エンジン１にはその運転状態を制御するためにエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５０が設けられている。ＥＣＵ５０はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を含んだコンピュータとして構成され、ＲＯＭに記録されたプログラムに従ってエンジン１の運転状態を制御するために必要な各種の処理を実行する。
【００１９】
エンジン１には、回転数を検出する回転センサ５１と、気筒２の内圧を検出する圧力センサ５２と、エンジン１の潤滑油の温度を検出する油温センサ５３と、エンジン１の冷却水の温度を検出する水温センサ５４とが備えられている。各センサ５１〜５４の出力信号はＥＣＵ５０で参照され、エンジン１の運転制御に必要な各種の演算処理及び各種の機器の動作制御が実行される。上記のセンサ５１〜５４の他にも、スロットルバルブ１５の開度に対応した信号を出力するスロットル開度センサ等が存在するが、それらの図示は省略した。
【００２０】
図４に示すように、一方向クラッチ２６は、一対の内輪４１、外輪４２と、それらの隙間に配列された複数のスプラグ４３と、内外輪４１、４２と同軸的に配置され、スプラグ４３の姿勢を保持する一対のリテイナ４４とを備えている。スプラグ４３はエンジン１の回転数に応じて回転の伝達方向を切り替える伝達要素としての機能を有している。
【００２１】
エンジン１の始動時（図４（ａ））には、内輪４１に正方向の回転Ｒ１が入力される。この時、スプラグ４３は、内輪４１の外周面４１ａと外輪４２の内周面４２ａとの両方に接触しているので、接触面の摩擦力により外輪４２へ正方向の回転Ｒ２を伝達することができる。一方、エンジン１の運転時（図４（ｂ））には、クランク軸８の回転が外輪４２に伝達され、正方向の回転Ｒ３が入力される。この時、スプラグ４３は遠心力を受けて矢印ｒ１の方向に回転して傾斜する。スプラグ４３の一方の対角方向の長さＬ１は他方の長さＬ２よりも短いので、傾斜したスプラグ４３は内輪４１の外周面４１ａに接触することができなくなる。外輪４２はスプラグ４３と共に内輪４１の周りを空転することになるので、外輪４２の正方向の回転Ｒ３の伝達は阻止される。
【００２２】
エンジン１の停止寸前には、スプラグ４３が受ける遠心力が小さくなるので、スプラグ４３は図４（ａ）に示す姿勢に戻る。この状態で、クランク軸８に逆回転が発生すると、外輪４２に逆回転Ｒ４が伝達されるので、スプラグ４３が矢印ｒ２の方向に引き込まれて、スプラグ４３が内外輪４１、４２に噛み込むことがある。このような噛み込みを防ぐために、ＥＣＵ５０は図５に示す逆回転防止制御ルーチンを実行して、逆回転Ｒ４の発生を防止する。
【００２３】
以下に逆回転防止制御ルーチンの説明をする。ＥＣＵ５０は、エンジン１の運転中に図５に示した逆回転防止制御ルーチンを予め決められた周期で繰り返し実行する。この逆回転防止制御ルーチンにおいて、ステップＳ１では、エンジン１の回転数の低下中に、燃料噴射弁５からの燃料噴射を停止して触媒過熱防止や燃費向上をはかる、いわゆる減速時のフュエルカット中か否かをＥＣＵ５０が判断する。減速時のフュエルカット中ではないと判断した場合には、今回のルーチンを終了する。減速時のフュエルカット中と判断した場合には、減速に伴ってクランク軸８の回転が低下して逆回転が発生する可能性があるので、ステップＳ２に進む。
【００２４】
続くステップＳ２では、エンジン１の運転状態を検出するパラメータとして、回転数Ｎｅ、気筒２の内部の圧力Ｐ、潤滑油の油温Ｔｏ、冷却水の水温Ｔｗをセンサ５１〜５４から取得する。続くステップＳ３では、ステップＳ２で取得したパラメータのうち、回転センサ５１が検出した回転数Ｎｅが、スタータ電流制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔを下回っているか否かを判断する。スタータ電流制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔは、クランク軸８の逆回転の発生を予測するための閾値として予め定められる値である。回転数Ｎｅが、スタータ電流制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔ以上であれば、ルーチンを終了する。一方、Ｎｅ＜Ｎｓｔａｒｔの場合には、クランク軸８の逆回転が発生すると予測して、ステップＳ４に進む。
【００２５】
ステップＳ４では、ステップＳ２で取得したパラメータのうち、圧力センサ５２が検出した気筒２の内部の圧力Ｐが、制御終了気筒内圧Ｐｅｎｄを下回っているか否かを判断する。制御終了気筒内圧Ｐｅｎｄは、スタータモータ２１による逆回転防止動作を終了する時期を判定するための閾値である。圧力Ｐが制御終了気筒内圧Ｐｅｎｄを下回っている場合にはステップＳ７に進み、スタータ電流Ｉを零にしてルーチンを終了する。一方、Ｐ≧Ｐｅｎｄの場合には、クランク軸８には未だに逆回転が発生する恐れがあると判定して、ステップＳ５に進む。
【００２６】
続くステップＳ５では、ステップＳ２で取得したパラメータのうち、油温センサ５３が検出した潤滑油の油温Ｔｏと、水温センサ５４が検出した冷却水の水温Ｔｗとに対応するエンジンフリクションＦを、予め実験的に求められてＥＣＵ５０のＲＯＭに保存されているマップから取得し、ステップＳ６に進む。
【００２７】
続くステップＳ６では、気筒２の内部の圧力Ｐと、ステップ５で取得されたエンジンフリクションＦから、クランク軸８の逆回転を防止するのに必要なトルクを発生するスタータ電流Ｉを算出し、その算出結果に応じた電流をスタータモータ２１に供給して、今回の逆回転防止制御ルーチンを終了する。
【００２８】
次に、図５の逆回転防止制御ルーチンによって始動装置２０の動作が制御される具体例を図６〜８を参照しながら説明する。図６〜８は、図５のルーチンが実行された場合の回転数Ｎｅ、気筒２の内部の圧力Ｐ、スタータ電流Ｉ、の相互関係の一例を示している。
【００２９】
図６に示すように、減速時のフュエルカットを開始するフュエルカット時期τｏにステップＳ１の条件が肯定され、ステップＳ２に従いエンジン１の運転状態が検出される。その後、回転数Ｎｅは低下し続け、スタータ電流制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔを下回った時にステップＳ３が肯定される。この時を制御開始時期τｓｔａｒｔとした場合、図７に示す制御開始時期τｓｔａｒｔにおける気筒内圧Ｐｓｔａｒｔは制御終了気筒内圧Ｐｅｎｄより大きいので、ステップＳ５とステップＳ６に基づいた処理が実行され、図８に示すようにスタータモータ２１へスタータ電流Ｉの供給が開始される。その後、図７に示すように気筒２の内部の圧力Ｐは、ピストン３が上死点に近づくに従って最高圧力Ｐｍａｘまで昇圧される。最高圧力Ｐｍａｘによる反力によってピストン３が押し戻される時にクランク軸８に逆回転力が発生するが、スタータ電流Ｉｍａｘに応じたトルクがスタータモータ２１から出力されるのでクランク軸８の逆回転は防止される。その後、気筒２の内部の空気は気筒２とピストン３との摺動部に配置されたピストンリング（不図示）の間隙から漏れ出す。図７に示すように気筒２の内部の圧力Ｐが低下するので、この圧力Ｐの低下に応じてスタータ電流Ｉも小さくされる（図８）。やがて気筒２の内部の圧力Ｐが制御終了気筒内圧Ｐｅｎｄを始めて下回る制御終了時期τｅｎｄに、ステップＳ４の条件が肯定され、ステップＳ７でスタータ電流Ｉは零とされる。以上の制御によってクランク軸８の逆回転の発生が防止される。
【００３０】
以上の実施形態によれば、エンジン１の回転数Ｎｅの検出結果が設定値を下回った場合にクランク軸８に逆回転が発生すると予測され、一方向クラッチ２６への逆回転の入力が防止される。エンジン１の回転数Ｎｅがスタータ電流制御開始回転数Ｎｓｔａｒｔを下回った時から、気筒２の内部の圧力Ｐが制御終了気筒内圧Ｐｅｎｄを下回った時まで始動装置２０を動作させるので、クランク軸８の逆回転を防止するのに必要で十分な時間にわたって、連続的に始動装置２０を動作させ続けることができる。また、気筒２の内部の圧力Ｐ、油温Ｔｏ、水温Ｔｗから、クランク軸８の逆回転を阻止するのに必要なトルクを算出し、算出結果に応じてスタータモータ２１のトルクを調整できるので、逆回転を防止するトルクを過不足なくスタータモータ２１に出力させることができる。
【００３１】
また、クランク軸８の逆回転を防止する際、ピストン３が上死点付近で保持されているので、次回の始動時にピストン３が受ける圧縮反力を抑制することができる。圧縮反力によってスタータモータ２１が要求されるトルクの増大を防止できるので、始動装置２０を円滑に始動することができる。
【００３２】
以上の実施形態では、図５の逆回転防止制御ルーチンのうち、ＥＣＵ５０がステップＳ３を実行することにより逆回転発生予測手段として、ステップＳ４〜Ｓ６を実行することにより逆回転防止手段としてそれぞれ機能する。
【００３３】
本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、クランク軸８に逆回転が発生する恐れがなくなったことを判定する際に参照される運転パラメータは、ステップＳ４の圧力に限らず、気筒２の内部の圧力に相関する各種の物理量を考慮してよい。また、実施形態では気筒２の内部の圧力を直接検出して制御終了時期τｅｎｄを判断したが、検出された運転パラメータと逆回転が発生しなくなるまでの時間との関係を予め実験的に求めておき、マップから始動装置２０の制御継続時間を取得してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、内燃機関の運転状態からクランク軸の逆回転の発生を予測して、逆回転が発生すると予測された場合に始動装置を作動させるので、一方向クラッチへの逆回転の入力を防止することができる。内燃機関の気筒内の圧力又は始動装置の動作継続時間から、逆回転防止の停止時期を判定し、逆回転を防止するトルクの調整をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の始動装置が組み込まれたエンジンの要部を示す図。
【図２】図１のエンジンに設けられる始動装置の要部を示す部分断面図。
【図３】図２のＩＩＩ部の拡大図。
【図４】図２の始動装置に組み込まれる一方向クラッチの要部を示す図。
【図５】図１のＥＣＵにて実行される逆回転防止ルーチンを示すフローチャート。
【図６】図５の逆回転防止制御ルーチンが実行された場合の経過時間と回転数との対応関係の一例を示す図。
【図７】図５の逆回転防止制御ルーチンが実行された場合の経過時間と気筒内部の圧力との対応関係の一例を示す図。
【図８】図５の逆回転防止制御ルーチンが実行された場合の経過時間とスタータ電流との対応関係の一例を示す図。
【符号の説明】
１  エンジン
２  気筒
３  ピストン
５  燃料噴射弁
８  クランク軸
２０  始動装置
２１  スタータモータ
２１ａ  出力軸
２２  ギヤ列
２３  スタータギヤ
２４  支持軸
２５  ドリブンギヤ
２６  一方向クラッチ
２７  中間ギヤ
２８  クランクギヤ
４１  内輪
４２  外輪
４３  スプラグ
４４  リテイナ
５０  ＥＣＵ
５１  回転センサ
５２  圧力センサ
５３  油温センサ
５４  水温センサ
【図１】
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【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】
2005009430.tif 000009
【図８】
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