(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のクランクシャフトに連結される始動発電機と、
前記始動発電機を所定の通電時間だけ逆転させて前記クランクシャフトを逆転駆動させた後、前記クランクシャフトを所定の通電停止時間だけ惰性回転させることにより前記内燃機関のピストンを排気行程に位置させ、その後前記始動発電機を正転させて前記内燃機関を始動させる制御手段とを有することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の始動装置において、前記始動装置はさらに、温度と電源電圧の少なくとも何れか一方をパラメータとして前記逆転通電時間を設定した逆転通電時間マップと、温度をパラメータとして前記通電停止時間を設定した通電停止時間マップとを格納した記憶手段を有することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項３】
請求項１記載の内燃機関の始動装置において、前記制御手段は、前記逆転通電時間を温度と電源電圧とから算出する逆転通電時間算出手段と、前記通電停止時間を温度から算出する通電停止時間算出手段とを有することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項４】
内燃機関のクランクシャフトに連結される始動電動機の回転に伴って出力される回転パルス信号に基づいて前記始動電動機の回転速度を算出するモータ回転速度算出手段と、
前記回転パルス信号に基づいて前記始動電動機の回転角度を算出するモータ回転角度算出手段と、
前記始動電動機を所定の通電時間だけ逆転させるモータ逆転通電指示手段と、
前記始動電動機の回転速度に基づいて前記クランクシャフトの逆転通電時間を補正する逆転量補正手段と、
前記クランクシャフトを逆転駆動させた後、前記始動電動機に対する通電を所定の通電停止時間だけ停止させ、前記クランクシャフトを惰性回転させて前記内燃機関のピストンを排気行程に位置させるモータ通電停止指示手段と、
前記始動電動機の回転速度および回転角度に基づいて前記クランクシャフトの惰性回転量を補正する惰性回転量補正手段と、
前記通電停止時間終了後に、前記ピストンが排気行程に位置している状態から前記始動電動機を正転させて前記内燃機関を始動させるモータ正転開始指示手段とを有することを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項５】
請求項４記載の内燃機関の始動制御装置において、前記逆転量補正手段は、前記始動電動機の回転速度から算出した回転速度の変化率を予め定めた基準値と比較して、前記変化率が前記基準値以下の場合には前記始動電動機の目標回転速度を上げて前記クランクシャフトの慣性エネルギを増加させ、前記変化率が前記基準値を超えた場合には前記始動電動機の目標回転速度を下げて前記クランクシャフトの慣性エネルギを減少させることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項６】
請求項４または５記載の内燃機関の始動制御装置において、前記逆転量補正手段は、前記始動電動機の回転速度が目標回転速度に達した場合には前記逆転通電時間内であっても前記始動電動機に対する通電を停止し、前記始動電動機の回転速度が前記逆転通電時間内に目標回転速度に達しない場合には前記逆転通電時間を延長して前記始動電動機に対する通電を継続することを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項７】
請求項４〜６の何れか１項に記載の内燃機関の始動制御装置において、前記逆転量補正手段は、前記始動電動機の回転速度が前記逆転通電時間内に所定下限値以下になった場合は、前記逆転通電時間内であっても前記始動電動機に対する通電を停止することを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項８】
請求項４〜７の何れか１項に記載の内燃機関の始動制御装置において、前記惰性回転量補正手段は、前記始動電動機の通電時間による回転角度が所定の逆転基準角度を超えた場合は、前記通電停止時間内であっても前記通電停止時間を終了させて前記モータ正転開始手段によって前記始動電動機を正転させ、回転角度が前記逆転基準角度以下のときに前記始動電動機の回転速度が所定値以下となった場合は、前記通電停止時間内であっても前記通電停止時間を一旦終了させて前記モータ逆転通電手段によって前記始動電動機を再度逆転させることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項９】
請求項４〜８の何れか１項に記載の内燃機関の始動制御装置において、前記惰性回転量補正手段は、前記始動電動機の回転速度から算出した回転速度の低下率が所定上限値を超えた場合、前記通電停止時間内であっても前記通電停止時間を終了させて前記モータ正転開始手段によって前記始動電動機を正転させることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項１０】
内燃機関のクランクシャフトに連結されるスタータモータと、
前記スタータモータの転流位置パルス信号を出力する転流位置検出手段と、
前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させて燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、該エネルギに前記スタータモータによる回転エネルギを付加して前記クランクシャフトまわりの回転系に慣性エネルギを蓄積することで、圧縮行程を乗り越すように前記スタータモータを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記スタータモータを逆転させる際に、前記転流位置検出手段より出力されるパルス信号のパルス間隔の変化に基づいて、前記クランクシャフトの回転方向を検出することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の内燃機関の始動装置において、前記制御手段は、前記転流位置検出手段より出力されるパルス信号のパルス間隔が所定値以上に長くなった場合にピストンが爆発行程に達したと判断することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１２】
内燃機関のクランクシャフトに連結されるスタータモータと、
前記クランクシャフトの角度を検出するクランク角度センサと、
前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させて燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、該エネルギに前記スタータモータによる回転エネルギを付加して前記クランクシャフトまわりの回転系に慣性エネルギを蓄積することで、圧縮行程を乗り越すように前記スタータモータを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記スタータモータを逆転させる際に、前記クランク角度センサによって検出されるクランク角に基づいて、前記ピストンが爆発行程に達したことを検出することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の内燃機関の始動装置において、前記制御手段は、前記クランク角度センサによって検出されるクランク角に基づいて、前記クランクシャフトの正転通電開始を決定することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１４】
内燃機関のクランクシャフトに連結されるスタータモータと、
前記内燃機関のカム位置を検出するカムシャフトセンサと、
前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させて燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、該エネルギに前記スタータモータによる回転エネルギを付加して前記クランクシャフトまわりの回転系に慣性エネルギを蓄積することで、圧縮行程を乗り越すように前記スタータモータを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記スタータモータを逆転させる際に、前記カムシャフトセンサからの信号に基づいて、前記ピストンが爆発行程に達したことを検出することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の内燃機関の始動装置において、前記制御手段は、前記カムシャフトセンサによって検出されるクランク角に基づいて、前記クランクシャフトの正転通電開始を決定することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１６】
請求項１０〜１５の何れか１項に記載の内燃機関の始動装置において、前記制御手段は、前記スタータモータに対する逆転通電停止後、前記クランクシャフトを所定時間惰性回転させた後正転通電を行うことを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１７】
請求項１０〜１６の何れか１項に記載の内燃機関の始動装置において、前記制御手段は、前記クランクシャフトの回転方向が、爆発行程における圧縮反力により正転に転じたことを検出したとき正転通電を開始することを特徴とする内燃機関の始動装置。
【請求項１８】
請求項１０〜１７の何れか１項に記載の内燃機関の始動装置において、前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させる前に、圧縮行程内にまで正転させるようにしたことを特徴とする内燃機関の始動装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、自動二輪車あるいは自動車などに適用される内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置ならびに該始動装置を制御するための内燃機関の始動制御装置に関するものである。
背景技術
エンジン（内燃機関）を始動させるには、燃料の吸入、圧縮および爆発をさせるために、所要の回転を保持するまでに外力によってクランクシャフトを回転させなければならず、エンジンを始動させるために、バッテリを駆動源とした始動装置つまりスタータが用いられている。
従来のスタータとしては、モータの回転を減速機構を介してクランクシャフトの回転に伝達するようにしたタイプと、クランクシャフトにモータを直結させるようにしたタイプのものがある。減速機構を介してクランクシャフトを回転させるタイプのものは、エンジンのフライホイールの外周に設けられたリングギアにピニオンが噛み合うようになり、ピニオンはモータシャフトに沿って前後動するようになっており、始動時にはピニオンギアがリングギアに噛み合って減速されてクランクシャフトに回転力を伝達し、始動完了後には噛み合いが外れて元の位置に戻ることになる。
通常、エンジンを停止させると、クランクシャフトが惰性回転した後、エンジンの圧縮行程での圧縮負荷がクランクシャフトにブレーキとして作用して回転が一旦停止し、その後少し逆戻りしてピストンの圧縮行程の下死点付近でエンジンが停止することが多い。従って、エンジンを始動させる際には、圧縮行程の下死点付近の位置からクランクシャフトの回転を開始することが多い。
しかしながら、この位置からクランクシャフトを回転させて始動させるようにクランキングする場合には、回転開始直後から圧縮の負荷がクランクシャフトに加わるために、クランクシャフトの回転速度が上がりにくく、圧縮時の反力が最大となる位置では、スタータモータにはロック時に近い電流が流れることになる。従って、このとき発生するトルクは、ほぼロックトルクと同等のトルクで上死点を乗り越すことになるので、スタータモータは、この乗り越しトルク以上のロックトルクを発生できるモータ特性のものを選定する必要がある。
特に、減速機構のないクランクシャフトに直結されるタイプのモータをスタータモータとした場合には、大きなロックトルクを発生させる必要があり、大型で高価なモータを使用しなければならないという問題がある。さらに、界磁にマグネットを使用する場合には強い磁界が必要となり、鉄損による内燃機関の回転抵抗が大きくなり、燃費の低下やエンジン出力の低下を招くという問題点がある。
本発明の目的は、エンジンを始動させるスタータモータを小型化することにある。
本発明の他の目的は、スタータモータを少ない消費電力でエンジンを始動し得るようにすることにある。
また、本発明の目的は、エンジンを始動させるスタータモータを制御する始動制御装置のコストダウンを図ることにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
発明の開示
本発明の内燃機関の始動装置は、内燃機関のクランクシャフトに連結される始動発電機と、前記始動発電機を所定の通電時間（逆転通電時間）だけ逆転させて前記クランクシャフトを逆転駆動させた後、前記クランクシャフトを所定の通電停止時間だけ惰性回転させることにより前記内燃機関のピストンを排気行程に位置させ、その後前記始動発電機を正転させて前記内燃機関を始動させる制御手段とを有することを特徴としている。
そしてこれにより、カムシャフトセンサなど、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなく、ピストンを排気行程内に位置させた状態で内燃機関を始動させることができ、センサを省いた安価な内燃機関始動システムを提供することが可能となる。
また、前記始動装置にさらに、温度と電源電圧の少なくとも何れか一方をパラメータとして前記逆転通電時間を設定した逆転通電時間マップと、温度をパラメータとして前記通電停止時間を設定した通電停止時間マップとを格納した記憶手段を設けることで、逆転通電時間や通電停止時間に対して温度補償や電圧変動補償がなされ、環境の変化に対しても安定的にピストンを排気行程に戻すことが可能となる。
さらに、前記制御手段に、前記逆転通電時間を温度と電源電圧とから算出する逆転通電時間算出手段と、前記通電停止時間を温度から算出する通電停止時間算出手段とを設けるようにしても良い。
一方、本発明の内燃機関の始動制御装置は、内燃機関のクランクシャフトに連結される始動電動機の回転に伴って出力される回転パルス信号に基づいて前記始動電動機の回転速度を算出するモータ回転速度算出手段と、前記回転パルス信号に基づいて前記始動電動機の回転角度を算出するモータ回転角度算出手段と、前記始動電動機を所定の通電時間だけ逆転させるモータ逆転通電指示手段と、前記始動電動機の回転速度に基づいて前記クランクシャフトの逆転通電時間を補正する逆転量補正手段と、前記クランクシャフトを逆転駆動させた後、前記始動電動機に対する通電を所定の通電停止時間だけ停止させ、前記クランクシャフトを惰性回転させて前記内燃機関のピストンを排気行程に位置させるモータ通電停止指示手段と、前記始動電動機の回転速度および回転角度に基づいて前記クランクシャフトの惰性回転量を補正する惰性回転量補正手段と、前記通電停止時間終了後に、前記ピストンが排気行程に位置している状態から前記始動電動機を正転させて前記内燃機関を始動させるモータ正転開始指示手段とを有することを特徴としている。
そしてこれにより、逆転通電時間や通電停止時間を、始動電動機の回転速度や回転角度に基づき適宜フィードバックすることが可能となり、カムシャフトセンサなど、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなく、ピストンを排気行程内に位置させた状態で内燃機関を始動させることができ、センサを省いた安価な内燃機関始動システムを提供することが可能となる。
この場合、前記逆転量補正手段が、前記始動電動機の回転速度から算出した回転速度の変化率を予め定めた基準値と比較して、前記変化率が前記基準値以下の場合には前記始動電動機の目標回転速度を上げて前記クランクシャフトの慣性エネルギを増加させ、前記変化率が前記基準値を超えた場合には前記始動電動機の目標回転速度を下げて前記クランクシャフトの慣性エネルギを減少させるようにしても良い。
また、前記逆転量補正手段が、前記始動電動機の回転速度が目標回転速度に達した場合には前記逆転通電時間内であっても前記始動電動機に対する通電を停止し、前記始動電動機の回転速度が前記逆転通電時間内に目標回転速度に達しない場合には前記逆転通電時間を延長して前記始動電動機に対する通電を継続するようにしても良い。
さらに、前記逆転量補正手段が、前記始動電動機の回転速度が前記逆転通電時間内に所定下限値以下になった場合は、前記逆転通電時間内であっても前記始動電動機に対する通電を停止するようにしても良い。
加えて、前記惰性回転量補正手段が、前記始動電動機の通電時間による回転角度が所定の逆転基準角度（例えば１８０度）を超えた場合は、前記通電停止時間内であっても前記通電停止時間を終了させて前記モータ正転開始手段によって前記始動電動機を正転させ、回転角度が前記逆転基準角度以下のときに前記始動電動機の回転速度が所定値（例えば０）以下となった場合は、前記通電停止時間内であっても前記通電停止時間を一旦終了させて前記モータ逆転通電手段によって前記始動電動機を再度逆転させるようにしても良い。
さらに、前記惰性回転量補正手段が、前記始動電動機から算出した回転速度の回転速度の低下率が所定上限値を超えた場合、前記通電停止時間内であっても前記通電停止時間を終了させて前記モータ正転開始手段によって前記始動電動機を正転させるようにすることも可能である。
また、本発明の内燃機関の始動装置は、内燃機関のクランクシャフトに連結されるスタータモータと、前記スタータモータの転流位置パルス信号を出力する転流位置検出手段と、前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させて燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、該エネルギに前記スタータモータによる回転エネルギを付加して前記クランクシャフトまわりの回転系に慣性エネルギを蓄積することで、圧縮行程を乗り越すように前記スタータモータを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記スタータモータを逆転させる際に、前記転流位置検出手段より出力されるパルス信号のパルス間隔の変化に基づいて、前記クランクシャフトの回転方向を検出することを特徴としている。
この場合、前記制御手段は、前記転流位置検出手段より出力されるパルス信号のパルス間隔が所定値以上に長くなった場合にピストンが爆発行程に達したと判断するようにしても良い。
さらに、本発明の内燃機関の始動装置は、内燃機関のクランクシャフトに連結されるスタータモータと、前記クランクシャフトの角度を検出するクランク角度センサと、前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させて燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、該エネルギに前記スタータモータによる回転エネルギを付加して前記クランクシャフトまわりの回転系に慣性エネルギを蓄積することで、圧縮行程を乗り越すように前記スタータモータを制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記スタータモータを逆転させる際に、前記クランク角度センサによって検出されるクランク角に基づいて、前記ピストンが爆発行程に達したことを検出することを特徴としている。
この場合、前記制御手段は、前記クランク角度センサによって検出されるクランク角に基づいて、前記クランクシャフトの正転通電開始を決定するようにしても良い。
また、本発明の内燃機関の始動装置は、内燃機関のクランクシャフトに連結されるスタータモータと、前記内燃機関のカム位置を検出するカムシャフトセンサと、前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させて燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、該エネルギに前記スタータモータによる回転エネルギを付加して前記クランクシャフトまわりの回転系に慣性エネルギを蓄積することで、圧縮行程を乗り越すように前記スタータモータを制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記スタータモータを逆転させる際に、前記カムシャフトセンサからの信号に基づいて、前記ピストンが爆発行程に達したことを検出することを特徴としている。
この場合、前記制御手段は、前記カムシャフトセンサによって検出されるクランク角に基づいて、前記クランクシャフトの正転通電開始を決定するようにしても良い。
加えて、前記内燃機関の始動装置においては、前記制御手段が、前記スタータモータに対する逆転通電停止後、前記クランクシャフトを所定時間惰性回転させた後正転通電を行うようにしても良い。また、前記制御手段が、前記クランクシャフトの回転方向が、爆発行程における圧縮反力により正転に転じたことを検出したとき正転通電を開始するようにしても良い。さらに、前記スタータモータをピストンの爆発行程内にまで逆転させる前に、圧縮行程内にまで正転させるようにすることも可能である。
本発明にあっては、スタータモータによりピストンをその停止している位置から爆発行程まで逆転させて燃焼室の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、このエネルギにスタータモータによる回転エネルギを付加してクランクシャフトを正回転させるようにしたので、小トルクのスターターモータを用いて少ない消費電力で内燃機関を始動させることができる。
また、本発明にあっては、クランクシャフトを逆転させる前に、まず、圧縮行程の途中まで正転させて、燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による逆回転のエネルギを蓄積した後に、そのエネルギを使ってクランクシャフトを逆回転させることにより、爆発行程までクランクシャフトを逆回転させる際に回転系に慣性エネルギを蓄積し、その後の爆発行程での再逆転時の燃焼室の気体の圧縮による正回転のエネルギを十分に蓄積させることができ、クランクシャフトを正回転させて圧縮行程を乗り越す際における慣性エネルギを高めることができる。これにより、２サイクルエンジンのように、爆発行程と圧縮行程との間に長いストロークがない場合でも確実に内燃機関を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
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１であるエンジンのスタータモータの構成を示す断面図、図２は図１のスタータモータのハウジングおよびカバーを省略した正面図、図３は図１のスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。
図１のスタータモータ（始動発電機、以下、モータと略記する）１０は、自動二輪車用の４サイクルエンジンに直結されて、エンジンのエンジンケース１１に固定される固定子１２と、エンジンのクランクシャフト１３に連結される回転子１４とを備えている。
回転子１４は、鉄等の磁性材料が用いられて有底の短尺円筒形状に形成されているヨーク１５を備えており、このヨーク１５の底壁の内面には円筒形状のボス部１６が同心状に一体的に突設されている。このボス部１６とクランクシャフト１３とは夫々のテーパ面同士がくさび作用的に結合されてセットナット１７によって締結されることにより、この回転子１４はクランクシャフト１３に一体回転されるよう固定される。ヨーク１５の内周面には、界磁子磁極を構成するための永久磁石１８が、隣合う永久磁石１８が異極となるよう、複数個周方向に配されて固定されている。
モータ１０の固定子１２は、鉄等の磁性材料が用いられて大略星形の短尺円盤形状に形成されているコア１９を備えている。コア１９はエンジンケース１１の外面にクランクシャフト１３と同心的に配されて据え付けられたハウジング２０に、締結手段としてのボルト２１によって締結されて固定されている。また、ハウジング２０の外側には、カバー２６が取り付けられている。そして、ハウジング２０内における固定子１２の外側には回転子１４がその外周を取り囲むように配されており、回転子１４はクランクシャフト１３の駆動によって固定子１２の周囲を回転するようになっている。
コア１９は、鉄製の磁性材料からなる薄板が多数枚積層されて一体化されており、ドーナツ形状に形成された本体２２を備えている。コア本体２２の外周には複数本の突極２３が放射状に突設されている。各突極２３には固定子コイル２４が三相結線巻きにそれぞれ捲線されており、この固定子コイル２４は図示しないターミナルを介してリード線および組電線（何れも図示せず）によりモータドライバ３１に接続されている。すなわち、このモータ１０はモータドライバ３１によって駆動されるブラシレスモータとして構成されている。
また、モータ１０には、転流位置検出センサ２５が複数個（例えば３個）ハウジング２０内に配設されており、永久磁石１８の磁気の感応して回転子１４の回転位置を検出するように構成されている。転流位置検出センサ２５の出力はＣＰＵ３２を介してモータドライバ３１に供給されており、モータドライバ３１はＣＰＵ３２の指令に基づき転流位置検出センサ２５からの検出信号に応じた通電信号を生成し、この信号に基づく電流を固定子コイル２４へ供給して固定子コイル２４を順次励磁する。固定子コイル２４が順次励磁されると、固定子コイル２４により回転磁界が形成される。この回転磁界は永久磁石１８に作用し、この回転磁界により回転子１４が回転され、回転子１４の回転力がヨーク１５のボス部１６を介してクランクシャフト１３に伝達されエンジンが始動される。
また、このモータ１０は、図３に示したように、ＣＰＵ（制御手段）３２に制御されてモータドライバ３１によって駆動される。このＣＰＵ３２には、エンジンの動弁カムの動作を検出するカムシャフトセンサ３３と、エンジンのスタータスイッチ３４およびイグニッションスイッチ３９が接続されている。また、ＣＰＵ３２には、エンジン点火用のイグニッションコイル３５が点火ユニット３６を介して接続されている。さらに、モータドライバ駆動ロジックやエンジン制御等に関する各種制御プログラムが格納されたＲＯＭ３７および、各種センサ類からのデータ等を格納するＲＡＭ３８が接続されている。そして、各種センサ類の検出値に基づいて、モータドライバ３１や点火ユニット３６等に制御信号を送出し、モータ１０やエンジン点火制御等を行うようになっている。なお、モータ１０それ自体やＣＰＵ３２等は、車両搭載の図示しないバッテリを電源として駆動される。
次に、当該モータ１０によるエンジン始動動作について説明する。図４は、モータ１０によるエンジン始動動作をエンジンの各行程との関係にて示したチャートであり、（ａ）は各行程における始動負荷、（ｂ）はモータ１０の駆動力やクランクシャフト１３の慣性によって供給される始動エネルギ、（ｃ）は始動動作時におけるピストン位置、（ｄ）はカムシャフトセンサからの信号をそれぞれ示している。
図４（ａ）に示したように、クランクシャフト１３を回転させるための負荷は、エンジンの動作行程によって変化する。すなわち、排気行程や吸入行程ではバルブが開かれた状態でピストンが上下するため、クランクシャフト１３を動かすための負荷は比較的小さい。これに対し圧縮行程においては、バルブが閉じられた状態でピストンを上昇させるため、クランクシャフト１３の動作負荷が大きくなり、その値は上死点の少し手前で最大となる。このため、前述のようにエンジン停止の際には通常、圧縮行程の前の位置にてピストンが停止し、従来のスタータモータではこの位置からエンジンを始動させるようになっている。このため従来のモータでは、エンジン始動に際し、この圧縮行程での負荷を乗り越えるべくクランクシャフトに対し図４に破線にて示したようなエネルギを供給する必要がある。
これに対し本発明によるモータ１０では、エンジン始動に際しまず圧縮行程前にあるピストンをモータ１０を逆回転させて一旦排気行程まで戻し、そこからエンジンを始動させる。そしてこれにより、回転負荷の少ない区間を助走させる形で圧縮行程に入り、エンジンのフライホイール等による回転系の慣性エネルギとモータ駆動トルクの合力で最大負荷を乗り越え、モータの負荷を軽減してモータの小型化、低消費電力化を図っている。
ここでは、イグニッションスイッチ３９がＯＮされると、ＣＰＵ３２はまず、カムシャフトセンサ３３の検出信号に基づき、現在ピストンが存在する位置を認識し、ピストンを排気行程に戻す必要があるか否かを判定する。つまり、ＣＰＵ３２は、カムシャフトセンサ３３の信号を用いることにより、ピストン位置の確認と、ピストンの排気行程への確実な移動を実行する。
ピストンが排気行程以外の行程にある場合、ＣＰＵ３２はピストンを排気行程に戻す旨の決定を行い、モータドライバ３１に指令を発しモータ１０を一旦逆転させてクランクシャフト１３を排気行程側に回転させる。すなわち、イグニッションスイッチＯＮの段階で、例えば図４（ｃ）の位置Ｐにピストンがあったときには、これを矢印にて示したように排気行程まで移動させる。この場合、当該エンジンではピストンの位置はカムシャフトセンサ３３によって常時モニタされており、カムシャフトセンサ３３はピストンが排気行程に来るとＨ信号を出力する。そして、このカムシャフトセンサ３３からの検出信号（Ｈ）によりピストンが排気行程に来たことが検知されると、ＣＰＵ３２はモータ１０の逆転動作を停止し、ピストンを位置Ｑにて一旦停止させる。
この際ピストンは、図４（ｃ）において「正転開始範囲」とされている排気行程内の位置Ｑに戻されるが、排気行程開始前の下死点近傍位置がもっとも助走区間が長くなるため、その位置に戻すことが望ましい。但し、位置Ｑが正転を開始する「排気行程内」の位置には、排気行程前後における爆発行程の下死点近傍や吸入行程の上死点近傍も含まれる。
一方、カムシャフトセンサ３３により、始動動作開始時点で既にピストンが排気行程の位置Ｒに存在することを検知された場合には、ＣＰＵ３２は、ピストンを排気行程に戻す必要がない旨の決定を行い、前述のような逆転動作は行われない。
なお、ここではイグニッションスイッチ３９をＯＮにした時に、モータ１０の逆転動作を行うようにしているが、これは、スタータスイッチ３４をＯＮした際にすぐにモータ１０が正転動作に入り、エンジン起動にタイムラグが生じないようにするためである。従って、必ずしもイグニッションスイッチＯＮにてモータ１０を逆転させる必要はなく、スタータスイッチ３４をＯＮした時から、逆転動作を開始するようにしても良い。また、エンジン停止時にモータ１０を逆転させておいても良い。
次に、スタータスイッチ３４よりエンジン始動信号が入力されると、ＣＰＵ３２はモータドライバ３１にモータ１０を正転させる旨の信号を出力し、エンジンを排気行程から始動させる。この場合、クランクシャフト１３は、排気行程および吸入行程においては低負荷にて回転するため、モータ１０はピストンが圧縮行程に入る前に、無負荷回転数に近いほぼ最大の回転数に達し、飽和状態に近い回転数となる。このため、クランクシャフト１３も圧縮行程直前においてモータ１０によって可能な最大の回転数で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
このためクランクシャフト１３は、圧縮行程において図４（ｂ）に示したように、慣性エネルギ（一点鎖線）とモータエネルギ（実線）の和である合成エネルギ（実太線）により回転される。つまり、クランクシャフト１３は、その回転数低下に伴って放出される慣性エネルギによる回転トルクＴｉと、モータの駆動トルクＴｍにより駆動され、これらの和である乗り越しトルクＴ＝Ｔｍ＋Ｔｉによって初回の圧縮行程負荷を乗り越えることになる。
このとき本発明のモータを適用したエンジンでは、図４（ｂ）に示したようにＴｍ≦Ｔｉとすることにより、モータ駆動トルクはＴｍ≦Ｔ／２となる。すなわち、慣性エネルギを主、モータエネルギを従として圧縮行程負荷の乗り越しを行い、乗り越しトルクＴの１／２以下の最大トルク（ロックトルク）のモータ１０でエンジンを始動できるようにしている。また、図４（ｂ）に示したように、モータ１０はその駆動エネルギを、助走時と乗り越し時の２回に分けてクランクシャフト１３に与えることになる。従って、１回のエネルギ付与により圧縮行程負荷の乗り越しを行う従前のモータに比して、小さな出力エネルギのモータで大きな乗り越しトルクを発生させることが可能となる。
なお、エンジン始動を失敗した場合には、その直後の再始動時の排気行程までの逆転動作は、イグニッションスイッチ３９がＯＮである限りエンジン回転停止を検出したところで直ちに自動的に行われる。従って、スタータスイッチ３４を再度ＯＮした時には、すぐにモータ１０は正転動作に入りタイムラグを生じないようになっている。また、モータ１０の動作は、ブレーキの作動または、ギアポジションがニュートラルにあることの何れかまたは両方を検出した場合のみ許可され、車両の飛び出しの防止が図られている。
このようにして初回の圧縮行程を乗り越えた後は、慣性エネルギが蓄積されそれ以後の圧縮行程における負荷は容易に乗り越えることができる。そして、所定のタイミングにてイグニッションコイル３５によってスパークを飛ばすことにより、エンジンが起動することになる。
以上、４ストロークエンジンに本発明を適用した例を説明したが、これを２ストロークエンジンに適用することも可能である。図５は、２ストロークエンジンでの動作を示すチャートである。２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンと異なり、吸気・圧縮・爆発・排気の行程が１回転で行われる。２ストロークエンジンでは、４ストロークエンジンのように吸気バルブや排気バルブは存在しないが、ピストン自体がバルブの役割を果たしている。
図５に示したように、２ストロークエンジンでは、圧縮行程および爆発行程ではシリンダの吸気孔および排気孔がピストンによって塞がれている。また、排気行程と吸気行程は同時に行われる。つまり、ピストンが下死点に近い位置では、排気孔と吸気孔の両方が開放された状態となっている。この場合、４ストロークエンジンの排気行程に相当するのは、エンジン動作時（正転）において、排気孔または吸気孔の少なくとも何れか一方が開放されてからピストンが下死点に至るまでの間である。
従って、図４, ５のチャートから明らかなように、上記相違点を除き２ストロークエンジンにおいても４ストロークエンジンと同様の動作をさせることにより、前述同様の効果を得ることが可能となる。
このように、本発明によるモータ１０では、エンジン始動に先立ちピストンを一旦排気行程に戻してそこからエンジンを起動させることにより、クランクシャフト１３の持つ慣性エネルギを利用して、従前に比して小さなモータトルクにより初回の圧縮行程の乗り越しが可能となる。このため、モータの小型化や低コスト化を図ることができ、また、モータの消費電力を低減することも可能となる。さらに、界磁にマグネットを使用したスタータにおいても、マグネットの磁力を過度に強くする必要がなくなるため、回転抵抗を低減でき、燃比の向上やエンジン出力低下防止を図ることが可能となる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２であるエンジンのスタータモータについて説明する。なお、スタータモータ自体の構成は実施の形態１のものと同様であるので、その詳細は省略する。
図６は、当該実施の形態２におけるスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。このモータ１０は、図６に示したように、ＣＰＵ（制御手段）３２に制御されてモータドライバ３１によって駆動される。このＣＰＵ３２には、モータ温度センサ４２や転流位置検出センサ２５、バッテリ電圧センサ４３等のセンサ類と、エンジンのスタータスイッチ３４やイグニッションスイッチ３９等のスイッチ類が接続されている。また、ＣＰＵ３２には、エンジン点火用のイグニッションコイル３５が点火ユニット３６を介して接続されている。さらに、モータドライバ駆動ロジックや後述する各種マップ、エンジン制御に関する各種制御プログラム等が格納されたＲＯＭ（記憶手段）３７および、各種センサ類からのデータ等を格納するＲＡＭ３８が接続されている。そして、各種センサ類の検出値に基づいて、モータドライバ３１や点火ユニット３６等に制御信号を送出し、モータ１０やエンジン点火制御等を行うようになっている。なお、モータ１０それ自体やＣＰＵ３２等は、車両搭載の図示しないバッテリを電源として駆動される。
次に、当該モータ１０によるエンジン始動動作について説明する。図７は、モータ１０によるエンジン始動動作をエンジンの各行程との関係にて示したチャートであり、（ａ）は各行程における始動負荷、（ｂ）はモータ１０の駆動力やクランクシャフト１３の慣性によって供給される始動エネルギ、（ｃ）は転流位置検出センサ２５からのパルス信号、（ｄ）は始動動作時におけるピストン位置をそれぞれ示している。
図７（ａ）に示したように、クランクシャフト１３を回転させるための負荷は、エンジンの動作行程によって変化する。すなわち、排気行程や吸入行程ではバルブが開かれた状態でピストンが上下するため、クランクシャフト１３を動かすための負荷は比較的小さい。これに対し圧縮行程においては、バルブが閉じられた状態でピストンを上昇させるため、クランクシャフト１３の動作負荷が大きくなり、その値は上死点の少し手前で最大となる。このため、前述のようにエンジン停止の際には通常、圧縮行程の前の位置にてピストンが停止し、従来のスタータモータではこの位置からエンジンを始動させるようになっている。このため従来のモータでは、エンジン始動に際し、この圧縮行程での負荷を乗り越えるべくクランクシャフトに対し図７に破線にて示したようなエネルギを供給する必要がある。
これに対し本発明によるモータ１０では、エンジン始動に際しまずクランクシャフト１３を逆転させる方向に所定時間または所定角度駆動し、ピストンを一旦排気行程まで移動させた上でエンジンを始動させる。この際、当該モータ１０では、ピストンの位置をカムシャフトセンサ等のセンサ類によって検知することなく、モータ１０の逆転通電時間やその後の通電停止時間を適宜制御することによりピストンの排気行程への移動を実現している。そしてこれにより、回転負荷の少ない区間を助走させる形で圧縮行程に入り、エンジンのフライホイール等による回転系の慣性エネルギとモータ駆動トルクの合力で最大負荷を乗り越え、モータの負荷を軽減してモータの小型化、低消費電力化を図ると共に、センサ類を省きコストの低減を図っている。
ここでは、イグニッションスイッチ３９がＯＮされた状態でスタータスイッチ３４がＯＮされると、ＣＰＵ３２はまず、モータドライバ３１に指令を発しモータ１０に対し所定時間だけ逆転通電を行い、クランクシャフト１３を排気行程側に回転させる。また、この逆転通電の後、所定時間通電を休止し、クランクシャフト１３を惰性回転させる。そして、所定の通電休止時間の後、モータ１０に対し正転通電を行いクランクシャフト１３を正転させてエンジンを始動させる。
なお、ここではスタータスイッチ３４をＯＮした時にモータ１０の逆転動作を行うようにしているが、イグニッションスイッチ３９をＯＮにした時にモータ１０の逆転動作を行うようにすることにより、スタータスイッチ３４をＯＮした際にすぐにモータ１０が正転動作に入り、エンジン起動にタイムラグが生じないようにすることもできる。従って、必ずしもスタータスイッチ３４のＯＮにてモータ１０を逆転させる必要はなく、イグニッションスイッチ３９をＯＮした時に逆転動作を開始するようにしても良い。また、エンジン停止時にモータ１０を逆転させておいても良い。
ここで、前述の始動動作は、ピストンの停止位置に応じて概ね次の３通りのパターンを示す。すなわち、ピストンが圧縮行程前の通常停止位置にいる場合（パターン１）、排気行程と吸入行程の間の上死点前後にいる場合（パターン２）、排気行程前の下死点近傍にいる場合（パターン３）に応じて異なった動作を示す。
そこで、まず前述のパターン１における始動動作について説明する。スタータスイッチ３４がＯＮされると、ＣＰＵ３２の指令によりモータ１０がｔ１秒間逆転し、クランクシャフト１３が排気行程側に回転され、ピストンが位置ＡからＢへと移動する。そして、その後モータ１０への通電がｔ２秒間停止される。この際クランクシャフト１３は、先のｔ１秒間の通電によって得られた慣性力により逆転が継続する。吸入行程から排気行程の間は、ピストンによる圧縮がなく負荷トルクが小さいため、クランクシャフト１３は惰性回転する。そして、負荷トルクによって慣性エネルギが消費されて徐々に回転速度が低下し、やがて位置Ｃにて停止する。
この場合、先の逆転通電時間ｔ１は、通電によって得た慣性力によってピストンが排気行程前の下死点付近まで惰性により戻ることができる時間以上の値が設定される。一方、逆転通電時間ｔ１が長すぎると、クランクシャフト１３の回転速度が上がりすぎ、慣性エネルギが大きくなり通電停止時間ｔ２において爆発行程を乗り越えてしまうおそれがある。このため、逆転通電時間ｔ１は、ピストンが圧縮行程前の下死点にいる場合にクランクシャフト１３を逆転させても、惰性回転中に爆発行程を乗り越さない時間以下に設定される。すなわち、これらの条件により逆転通電時間ｔ１の最小値・最大値が決定されることになる。
また、通電停止時間ｔ２後にモータ１０は正転通電されるが、通電停止時間ｔ２後が短すぎると惰性回転中にピストンが排気行程に戻れない場合が生じる。このため、通電停止時間ｔ２の最小値がここで決定され、前述の逆転通電時間ｔ１も合わせ、これらの条件設定によりピストンが通電停止時間ｔ２の間に位置Ｂから排気行程中の位置Ｃへと移動することになる。
なお、この際ピストンは、図７（ｄ）において「正転開始範囲」とされている排気行程内の位置Ｃに戻されるが、排気行程開始前の下死点近傍位置がもっとも助走区間が長くなるため、その位置に戻すことが望ましい。但し、位置Ｃが正転を開始する「排気行程内」の位置には、排気行程前後における爆発行程の下死点近傍や吸入行程の上死点近傍も含まれる。
通電停止時間ｔ２が終了すると、ＣＰＵ３２はモータドライバ３１にモータ１０を正転させる旨の信号を出力し、エンジンを排気行程から始動させる。この場合、クランクシャフト１３は、排気行程および吸入行程においては低負荷にて回転するため、モータ１０はピストンが圧縮行程に入る前に、無負荷回転数に近いほぼ最大の回転数に達し、飽和状態に近い回転数となる。このため、クランクシャフト１３も圧縮行程直前においてモータ１０によって可能な最大の回転数で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
このためクランクシャフト１３は、圧縮行程において図７（ｂ）に示したように、慣性エネルギ（一点鎖線）とモータエネルギ（実線）の和である合成エネルギ（実太線）により回転される。つまり、クランクシャフト１３は、その回転数低下に伴って放出される慣性エネルギによる回転トルクＴｉと、モータの駆動トルクＴｍにより駆動され、これらの和である乗り越しトルクＴ＝Ｔｍ＋Ｔｉによって初回の圧縮行程負荷を乗り越えることになる。
このとき本発明のモータを適用したエンジンでは、図７（ｂ）に示したようにＴｍ≦Ｔｉとすることにより、モータ駆動トルクはＴｍ≦Ｔ／２となる。すなわち、慣性エネルギを主、モータエネルギを従として圧縮行程負荷の乗り越しを行い、乗り越しトルクＴの１／２以下の最大トルク（ロックトルク）のモータ１０でエンジンを始動できるようにしている。また、図７（ｂ）に示したように、モータ１０はその駆動エネルギを、助走時と乗り越し時の２回に分けてクランクシャフト１３に与えることになる。従って、１回のエネルギ付与により圧縮行程負荷の乗り越しを行う従前のモータに比して、小さな出力エネルギのモータで大きな乗り越しトルクを発生させることが可能となる。
このようにして初回の圧縮行程を乗り越えた後は、慣性エネルギが蓄積されそれ以後の圧縮行程における負荷は容易に乗り越えることができる。そして、所定のタイミングにてイグニッションコイル３５によってスパークを飛ばすことにより、エンジンが起動することになる。
次に、前述のパターン２における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程と吸入行程の間の上死点付近にあり（位置Ｄ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転通電時間ｔ１の間に位置Ｅまで移動し、その後の惰性回転にて、ピストンは排気行程の下死点まで戻り爆発行程に入る。しかしながら、爆発行程においてはピストンによる圧縮負荷が生じるため回転負荷トルクが大きくなり、この負荷トルクにより急激に慣性エネルギが消費され、回転速度が低下して停止する（位置Ｆ）。このとき、ピストン圧縮の反力により、わずかにクランクシャフト１３は正転方向に戻されるが、下死点付近の位置Ｇにて停止する。
そして、通電停止時間ｔ２が終了すると、エンジンはピストンが排気行程の位置Ｇにある状態から始動される。これにより、前述同様、排気行程と吸入行程の助走により得た慣性エネルギによる回転トルクＴｉとモータの駆動トルクＴｍの和により初回の圧縮行程負荷を乗り越える。
さらに、前述のパターン３における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程前の下死点付近にあり（位置Ｈ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転開始後すぐに爆発行程に入るため、ピストンの圧縮による回転負荷トルクが逆転後すぐに生じる。従って、クランクシャフト１３の回転速度も上がらず、また、慣性エネルギもほとんど生じない。一方、モータ１０のトルクは圧縮乗り越しトルクの１／２以下に設定してあるので、逆回転により爆発行程を乗り越すことはなく、ピストンの圧縮反力とモータトルクとがほぼ釣り合ったところでモータはロックして停止する（位置Ｉ）。
逆転通電時間ｔ１が経過すると、通電が停止されてモータトルクがなくなり、クランクシャフト１３は通電停止時間ｔ２の間にピストン反力により正転方向に回転を始め徐々に回転を増す。その後、下死点付近にてピストン反力がなくなり、それ以後は回転負荷トルクにより回転の慣性エネルギが徐々に消費され、排気行程から吸入行程に入る前の位置Ｊにて停止する。そして、前述同様、この位置からクランキングが開始される。但し、通電停止時間ｔ２の間にピストンが排気行程から吸入行程に入ってしまう可能性もあるため、通電停止時間ｔ２は、ピストンが反力によって吸入行程に入ってしまう前に終了する必要がある。すなわち、通電停止時間ｔ２の最大値がここで決定されることになる。
このように、本発明によるモータ１０では、エンジン始動に先立ちモータ１０を前述のパターン１にて説明した条件にて設定した逆転通電時間ｔ１だけ逆転させる。また、これを前述のパターン１,３にて説明した条件にて設定した通電停止時間ｔ２だけ通電を止めてクランクシャフト１３を惰性回転させる。そして、その後モータ１０を正回転させることにより、ピストンを一旦排気行程に戻してエンジンを起動させることが可能となる。この際、当該モータ１０では、逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２の設定によりピストンを排気行程に確実に戻すことができる。従って、カムシャフトセンサなど、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなく排気行程からのエンジン始動を行うことができ、センサを省いて製品のコストダウンを図ることが可能となる。
また、クランクシャフト１３の持つ慣性エネルギを利用して初回の圧縮行程を乗り越すことができるため、モータ１０の負荷を軽減してモータの小型化や低コスト化、低消費電力化を図ることも可能となる。さらに、界磁にマグネットを使用したスタータにおいても、マグネットの磁力を過度に強くする必要がなくなるため、回転抵抗を低減でき、燃比の向上やエンジン出力低下防止を図ることが可能となる。
なお、エンジン始動を失敗した場合には、その直後の再始動時の排気行程までの逆転動作は、スタータスイッチ３４がＯＮである限りエンジン回転停止を検出したところで直ちに、または、スタータスイッチ３４を離しエンジン回転停止を検出したら自動的に行われる。従って、すぐにモータ１０は前述と同様の逆転・正転動作を行うようになっている。また、モータ１０の動作は、ブレーキの作動または、ギアポジションがニュートラルにあることの何れかまたは両方を検出した場合のみ許可され、車両の飛び出しの防止が図られている。
ところで、前述の場合、逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を設定しても、モータ１０の動作は、バッテリ電圧の変動や、温度変動によるモータ性能変化、温度変動に起因するオイル粘性変化による機関の回転負荷トルク（フリクション）の変化により逆転量（角度）が大きく変化する。そこで、本発明によるモータ１０では、ＲＯＭ３７に、スタータモータ温度と電源電圧をパラメータとして逆転通電時間を設定した逆転通電時間マップ１と、スタータモータ温度をパラメータとして通電停止時間を設定した通電停止時間マップ２とを格納し、これらに基づいて各時間を設定している。図８,９は、これらのマップ１,２の一例を示す説明図である。
ここで、モータ１０では、バッテリ電圧が低いほどモータ出力が低下し、ピストンを戻すために必要な回転エネルギを蓄えるのに時間がかかる。また、温度が低いほどオイル粘性が高くなり、回転フリクションが大きくなるためピストン移動に要する回転エネルギを蓄えるのに時間がかかる。さらに、この場合には惰性回転時の慣性エネルギの消費も大きいので、慣性エネルギを多く蓄えておく必要がある。そこで、図８では、バッテリ電圧とスタータモータ温度から最適な逆転通電時間ｔ１を設定し、それをマップとして表している。
一方、温度が低いときには、回転フリクションが大きくなるためクランクシャフト１３の回転速度の低下が速く、目標位置までピストンが戻るのに時間を要する。そこで、図９では、スタータモータ温度から最適な通電停止時間ｔ２を設定し、それをマップとして表している。
この実施の形態では、通電停止時間ｔ２を温度条件のみで決定しているがバッテリ電圧の低下により逆転通電による慣性エネルギが十分に得られなかった分を通電停止時間ｔ２、すなわち、惰性回転時間を長くすることで、所定の位置まで確実に戻るようにするようなバッテリ電圧によるマップデータを加えても良い。
そして、ＣＰＵ３２では、モータ温度センサ４２からモータ温度値Ｔｓを、また、バッテリ電圧センサ４３からバッテリ電圧Ｖを取得し、これらの値から逆転通電時間マップ１および通電停止時間マップ２を参照して、エンジン始動の都度、逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を決定する。これにより、逆転通電時間ｔ１や通電停止時間ｔ２に対して温度補償や電圧変動補償がなされ、環境の変化に対しても安定的にピストンを排気行程に戻すことが可能となる。
なお、ここではＲＯＭ３７に前述のマップ１,２を格納して各時間ｔ１,ｔ２を決定するようにしたが、ＣＰＵ３２に、モータ温度値Ｔｓとバッテリ電圧Ｖとから逆転通電時間ｔ１を算出する逆転通電時間算出手段と、温度から通電停止時間ｔ２を算出する通電停止時間算出手段とを設け、これらを演算するようにしても良い。この場合には、各時間ｔ１,ｔ２は、モータ温度値とバッテリ電圧から例えば次式のような近似式によって演算される。
ｔ１＝０.１８＋（１２−Ｖ）×０.０２＋Ｔｓ
ｔ２＝０.１２＋Ｔｓ×０.０１
また、前述の例ではモータ１０の温度を用いて各時間ｔ１,ｔ２を決定しているが、パラメータとして使用できる温度値はこれに限られず、例えば、エンジン冷却水温度、エンジンオイル温度、外気温なを採用することができる。また、モータ１０の温度のみならず、前述の各種温度値を複数パラメータとして採用してマップや近似式を作成しても良い。
以上、４ストロークエンジンに本発明を適用した例を説明したが、これを２ストロークエンジンに適用することも可能である。図１０は、２ストロークエンジンでの動作を示すチャートである。２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンと異なり、吸気・圧縮・爆発・排気の行程が１回転で行われる。２ストロークエンジンでは、４ストロークエンジンのように吸気バルブや排気バルブは存在しないが、ピストン自体がバルブの役割を果たしている。
図１０に示したように、２ストロークエンジンでは、圧縮行程および爆発行程ではシリンダの吸気孔および排気孔がピストンによって塞がれている。また、排気行程と吸気行程は同時に行われる。つまり、ピストンが下死点に近い位置では、排気孔と吸気孔の両方が開放された状態となっている。この場合、４ストロークエンジンの排気行程に相当するのは、エンジン動作時（正転）において、排気孔または吸気孔の少なくとも何れか一方が開放されてからピストンが下死点に至るまでの間である。
従って、図７,１０のチャートから明らかなように、上記相違点を除き２ストロークエンジンにおいても４ストロークエンジンと同様の動作をさせることにより、前述同様の効果を得ることが可能となる。
（実施の形態３）
次に、実施の形態３である始動制御装置を適用したエンジンのスタータモータについて説明する。なお、スタータモータ自体の構成は実施の形態１のものと同様であるので、その詳細は省略する。
図１１は、当該実施の形態３におけるスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。このモータ１０は、図１１に示したように、ＣＰＵ３２に制御されてモータドライバ３１によって駆動される。このＣＰＵ３２には、転流位置検出センサ２５等のセンサ類と、エンジンのスタータスイッチ３４やイグニッションスイッチ３９等のスイッチ類が接続されている。また、ＣＰＵ３２には、エンジン点火用のイグニッションコイル３５が点火ユニット３６を介して接続されている。さらに、モータドライバ駆動ロジックやエンジン制御等に関する各種制御プログラム等が格納されたＲＯＭ（記憶手段）３７および、各種センサ類からのデータ等を格納するＲＡＭ３８が接続されている。そして、各種センサ類の検出値に基づいて、モータドライバ３１や点火ユニット３６等に制御信号を送出し、モータ１０やエンジン点火制御等を行うようになっている。なお、モータ１０それ自体やＣＰＵ３２等は、車両搭載の図示しないバッテリを電源として駆動される。
次に、当該モータ１０によるエンジン始動動作について説明する。この場合、モータ１０の始動動作の制御は始動制御装置であるＣＰＵ３２によってなされ、ＣＰＵ３２にはさらに、モータ１０の始動制御を行うための各種機能手段が含まれている。図１２はＣＰＵ３２の機能ブロック図である。図１２に示したように、ＣＰＵ３２には、まず、転流位置検出センサ２５からの転流位置パルス信号が入力され、このパルス信号に基づいてモータ１０の回転速度を算出するモータ回転速度算出手段５１と、前記パルス信号に基づいてモータ１０の回転角度を算出するモータ回転角度算出手段５２を有している。また、ＲＯＭ３７に格納された後述する逆転通電時間ｔ１や通電停止時間ｔ２を取り込み、さらにモータ１０の回転速度や回転角度に基づいてそれらを補正する逆転量補正手段５３および惰性回転量補正手段５４を有している。
さらに、ＣＰＵ３２は、逆転量補正手段５３や惰性回転量補正手段５４によって設定された逆転通電時間ｔ１や通電停止時間ｔ２に基づいて、モータドライバ３１に対しモータ１０に対する通電状態を指示するモータ逆転通電指示手段５５およびモータ通電停止指示手段５６を有する。加えて、通電停止時間ｔ２後にモータ１０を正転させてエンジン始動を行わせるモータ正転開始指示手段５７を有している。
そこで、ＣＰＵ３２によるエンジン始動制御について図１３を参照して説明する。図１３は、モータ１０によるエンジン始動動作をエンジンの各行程との関係にて示したチャートであり、（ａ）は各行程における回転負荷、（ｂ）はモータ１０の駆動力やクランクシャフト１３の慣性によって供給される始動エネルギ、（ｃ）は転流位置検出センサ２５からのパルス信号、（ｄ）は始動動作時におけるピストン位置をそれぞれ示している。
図１３（ａ）に示したように、クランクシャフト１３を回転させるための負荷は、エンジンの動作行程によって変化する。すなわち、排気行程や吸入行程ではバルブが開かれた状態でピストンが上下するため、クランクシャフト１３を動かすための負荷は比較的小さい。これに対し圧縮行程においては、バルブが閉じられた状態でピストンを上昇させるため、クランクシャフト１３の動作負荷が大きくなり、その値は上死点にて最大となる。このため、前述のようにエンジン停止の際には通常、圧縮行程の前の位置にてピストンが停止し、従来のスタータモータではこの位置からエンジンを始動させるようになっている。このため従来のモータでは、エンジン始動に際し、この圧縮行程での負荷を乗り越えるべくクランクシャフトに対し図１３に破線にて示したようなエネルギを供給する必要がある。
これに対し本発明によるモータ１０では、エンジン始動に際しまずクランクシャフト１３を逆転させる方向に所定時間または所定角度駆動し、ピストンを一旦排気行程へと移動させた上でエンジンを始動させる。この際、当該モータ１０では、ピストンの位置をカムシャフトセンサ等のセンサ類によって検知することなく、モータ１０の逆転通電時間ｔ１やその後の通電停止時間ｔ２を適宜制御することによりピストンの排気行程への移動を実現している。そしてこれにより、回転負荷の少ない区間を助走させる形で圧縮行程に入り、エンジンのフライホイール等による回転系の慣性エネルギとモータ駆動とトルクの合力で最大負荷を乗り越え、モータの負荷を軽減してモータの小型化、低消費電力化を図ると共に、センサ類を省きコストの低減を図っている。
ここでは、イグニッションスイッチ３９がＯＮされた状態でスタータスイッチ３４がＯＮされると、ＣＰＵ３２はまず、モータドライバ３１に指令を発しモータ１０に対し所定の逆転通電時間ｔ１だけを行い、クランクシャフト１３を排気行程側に回転させる。また、この逆転通電の後、所定の通電停止時間ｔ２だけクランクシャフト１３を惰性回転させる。そしてその後、モータ１０に対し正転通電を行いクランクシャフト１３を正転させてエンジンを始動させる。
なお、ここではスタータスイッチ３４をＯＮした時にモータ１０の逆転動作を行うようにしているが、イグニッションスイッチ３９をＯＮにした時にモータ１０の逆転動作を行うようにすることにより、スタータスイッチ３４をＯＮした際にすぐにモータ１０が正転動作に入り、エンジン起動にタイムラグが生じないようにすることもできる。従って、必ずしもスタータスイッチ３４のＯＮにてモータ１０を逆転させる必要はなく、イグニッションスイッチ３９をＯＮした時に逆転動作を開始するようにしても良い。また、エンジン停止時やスタータスイッチ３４を離した（ＯＦＦした）時に逆転させるようにしても良い。
ここで、前述の始動動作は、ピストンの停止位置に応じて概ね次の３通りのパターンを示す。すなわち、ピストンが圧縮行程前の通常停止位置にいる場合（パターン１）、排気行程と吸入行程の間の上死点前後にいる場合（パターン２）、排気行程前の下死点近傍にいる場合（パターン３）に応じて異なった動作を示す。
そこで、まず前述のパターン１における始動動作について説明する。スタータスイッチ３４がＯＮされると、ＣＰＵ３２のモータ逆転通電指示手段５５の指令によりモータ１０がｔ１秒間逆転し、クランクシャフト１３が排気行程側に回転され、ピストンが位置ＡからＢへと移動する。そして、その後モータ通電停止指示手段５６の指令によりモータ１０への通電がｔ２秒間停止される。この際クランクシャフト１３は、先のｔ１秒間の通電によって得られた慣性力により逆転が継続する。吸入行程から排気行程の間は、ピストンによる圧縮がなく負荷トルクが小さいため、クランクシャフト１３は惰性回転する。そして、負荷トルクによって慣性エネルギが消費されて徐々に回転速度が低下し、やがて位置Ｃにて停止する。
この場合、ＣＰＵ３２においては、転流位置検出センサ２５からの転流位置パルス信号から、モータ回転速度算出手段５１およびモータ回転角度算出手段によりモータ１０の回転速度および回転角度が常時モニタされている。すなわち、通電時間中にカウントした転流位置パルス信号のパルス数やパルス間隔から回転速度を、また、パルス数の積算値から回転角度を算出する。また、転流位置パルス信号からモータ１０の回転速度の変化率（ｄｖ／ｄｔ）も算出される。一方、ＲＯＭ３７には、回転速度の変化率の基準値Ｘｒと、逆転通電時間ｔ１によりモータ１０が到達すべき目標回転速度Ｎｒが格納されている。そして、逆転量補正手段５３では、回転上昇途中の回転速度からエンジンのフリクションを把握し、それをモータ１０の回転制御にフィードバックする。
逆転量補正手段５３ではまず、モータ１０の回転速度から求めた回転速度の変化率と前記基準値Ｘｒとの比較が行われる。そこで、回転速度の変化率が基準値以下の場合、すなわち、速度変化が緩やかでモータ１０が目標回転速度に達するのに予定より時間がかかると予想される場合には、逆転量補正手段５３はクランクシャフト１３の回転負荷が想定よりも大きいと判断する。このとき、そのまま放置すると惰性回転時のフリクションもまた大きいことが予測され、ピストンが期待する位置まで戻れないおそれがある。そこで、逆転量補正手段５３は、目標回転速度Ｎｒを上げてクランクシャフト１３に蓄積される慣性エネルギを増加させ、ピストンが排気工程内に予定通り戻るようにする。
これに対し回転速度の変化率が基準値を超えた場合、すなわち、速度変化が急でモータ１０が予定よりも早く目標回転速度に達すると予想される場合には、クランクシャフト１３の回転負荷が想定よりも小さいと判断する。このとき、そのまま放置すると惰性回転時のフリクションもまた小さいことが予測され、ピストンが期待する位置を行き過ぎるおそれがある。そこで、逆転量補正手段５３は、目標回転速度Ｎｒを下げてクランクシャフト１３に蓄積される慣性エネルギを減少させ、ピストンが排気工程内に予定通り戻るようにする。
また、逆転量補正手段５３ではモータ１０の回転速度そのもの監視されており、回転慣性エネルギの把握もこれによって行われる。すなわち、回転速度が目標回転速度Ｎｒに達した場合には、その時点が逆転通電時間ｔ１内であっても慣性エネルギは所定量蓄積されたと判断する。そして、逆転通電時間ｔ１を短縮する補正を行い、モータ逆転通電指示手段５５に働きかけモータ１０への通電を停止する。これに対し、目標回転速度Ｎｒに達しない場合には、その時点が逆転通電時間ｔ１終了時であっても慣性エネルギ蓄積量が不足していると判断する。そして、逆転通電時間ｔ１を延長する補正を行い、モータ逆転通電指示手段５５に働きかけモータ１０への通電を継続する。
一方、ＲＯＭ３７にはさらに、モータ１０の逆転基準角度θｒが格納されており、惰性回転中においては、惰性回転量補正手段５４によりモータ１０の逆転通電時間による逆転角度とこの逆転基準角度θｒとが比較される。ここでは、この逆転基準角度θｒとして、最も遠い圧縮行程前の下死点から逆転を開始したとしても、ピストンがほぼ排気行程に入っていると考えられる角度である１８０度が設定されている。従って、当該ＣＰＵ３２の惰性回転量補正手段５４では、モータ１０の回転角度が１８０度を超えたか否か、すなわち、転流位置パルス信号が１８０度相当分入力されているか否かを判断することになる。
そして、回転角度が１８０度を超えた場合には、ピストンは排気工程内に戻っていると判断し、通電停止時間ｔ２内であっても通電休止の目的は達せられたとして通電停止時間を終了させる。そして、その旨をモータ通電停止指示手段５６に通知すると共に、モータ正転開始指示手段５７に対しスタータスイッチ３４がＯＮされた場合には直ちにモータ１０の正転を開始するよう指令を発する。
これに対し回転角度が１８０度以下の時点で、モータ１０のパルス信号が規定周期以上の間隔となってモータ回転速度が所定速度（例えば、速度０＝停止）以下となった場合には、ピストンはまだ排気工程内に戻っていないと判断する。そして、この場合には通電停止時間ｔ２内であっても通電休止の目的が達成されていないとして一旦通電停止時間を中止して再度モータ１０を短時間逆転させる。すなわち、モータ通電停止指示手段５６に対し、通電停止時間の終了を通知すると共にモータ逆転通電指示手段５５に短時間の逆転通電を命じる。そして、この短時間の逆転通電後に改めて通電停止時間ｔ２を開始し、通算回転角度が１８０度を超えた時点で前述の処理により通電停止時間を終了させる。
なお、これらの逆転操作によりピストンは、図１３（ｄ）において「正転開始範囲」とされている排気行程内の位置Ｃに戻されるが、排気行程開始前の下死点近傍位置がもっとも助走区間が長くなるため、その位置に戻すことが望ましい。但し、位置Ｃが正転を開始する「排気行程内」の位置には、排気行程前後における爆発行程の下死点近傍や吸入行程の上死点近傍も含まれる。
このようにして通電停止時間ｔ２が終了すると、ＣＰＵ３２のモータ正転開始指示手段５７はモータドライバ３１にモータ１０を正転させる旨の信号を出力し、エンジンを排気行程から始動させる。この場合、クランクシャフト１３は、排気行程および吸入行程においては低負荷にて回転するため、モータ１０はピストンが圧縮行程に入る前に、無負荷回転数に近いほぼ最大の回転数に達し、飽和状態に近い回転数となる。このため、クランクシャフト１３も圧縮行程直前においてモータ１０によって可能な最大の回転数で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
このためクランクシャフト１３は、圧縮行程において図１３（ｂ）に示したように、慣性エネルギ（一点鎖線）とモータエネルギ（実線）の和である合成エネルギ（実太線）により回転される。つまり、クランクシャフト１３は、その回転数低下に伴って放出される慣性エネルギによる回転トルクＴｉと、モータの駆動トルクＴｍにより駆動され、これらの和である乗り越しトルクＴ＝Ｔｍ＋Ｔｉによって初回の圧縮行程負荷を乗り越えることになる。
このとき本発明のモータを適用したエンジンでは、図１３（ｂ）に示したようにＴｍ≦Ｔｉとすることにより、モータ駆動トルクはＴｍ≦Ｔ／２となる。すなわち、慣性エネルギを主、モータエネルギを従として圧縮行程負荷の乗り越しを行い、乗り越しトルクＴの１／２以下の最大トルク（ロックトルク）のモータ１０でエンジンを始動できるようにしている。また、図１３（ｂ）に示したように、また１０はその駆動エネルギを、助走時と乗り越し時の２回に分けてクランクシャフト１３に与えることになる。従って、１回のエネルギ付与により圧縮行程負荷の乗り越しを行う従前のモータに比して、小さな出力エネルギのモータで大きな乗り越しトルクを発生させることが可能となる。
このようにして初回の圧縮行程を乗り越えた後は、慣性エネルギが蓄積されそれ以後の圧縮行程における負荷は容易に乗り越えることができる。そして、所定のタイミングにてイグニッションコイル３５によってスパークを飛ばすことにより、エンジンが起動することになる。
次に、前述のパターン２における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程と吸入行程の間の上死点付近にあり（位置Ｄ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転通電時間ｔ１の間に位置Ｅまで移動し、その後の惰性回転にて、ピストンは排気行程の下死点まで戻り爆発行程に入る。しかしながら、爆発行程においてはピストンによる圧縮負荷が生じるため回転負荷トルクが大きくなり、この負荷トルクにより急激に慣性エネルギが消費され、回転速度が低下して停止する（位置Ｆ）。
この際、モータ１０では、転流位置パルス信号のパルス間隔が長くなる度合いが急激に大きくなり、モータ１０の回転速度の変化率（減速率）が急変し、その上限値Ｘｍａｘを超える。惰性回転量補正手段５４では、回転速度の変化率がこの上限値Ｘｍａｘを超えたことを認識すると、ピストンが排気行程前の下死点を通り過ぎ爆発行程に入り圧縮抵抗を受け始めたと判断する。これにより、助走区間を最も長く取れ、慣性エネルギをクランクシャフト１３に最も多く注入できる領域にピストンが入ったこととなり、正転開始領域にピストンが到達したことが検出される。
そこで、惰性回転量補正手段５４は、通電停止時間ｔ２を中止し、その旨をモータ通電停止指示手段５６に通知し、直ちにモータ１０の正転を開始するよう指令を発する。そして、このとき、ピストン圧縮の反力により、わずかにクランクシャフト１３は正転方向にが戻されるが、ピストンは下死点付近の位置Ｇにて停止する。
そして、通電停止時間ｔ２が終了され、スタータスイッチ３４よりエンジン始動信号が入力されると、エンジンはピストンが排気行程の位置Ｇにある状態から始動される。これにより、前述同様、排気行程と吸入行程の助走により得た慣性エネルギによる回転トルクＴｉとモータの駆動トルクＴｍの和により初回の圧縮行程負荷を乗り越える。
さらに、前述のパターン３における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程前の下死点付近にあり（位置Ｈ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転開始後すぐに爆発行程に入るため、ピストンの圧縮による回転負荷トルクが逆転後すぐに生じる。従って、クランクシャフト１３の回転速度も上がらず、また、慣性エネルギもほとんど生じない。一方、モータ１０のトルクは圧縮乗り越しトルクの１／２以下に設定してあるので、逆回転により爆発行程を乗り越すことはなく、ピストンの圧縮反力とモータトルクとがほぼ釣り合ったところでモータはロックして停止する（位置Ｉ）。
この場合、モータ１０では、その作動に伴い通電中に一旦短くなり始めたパルス信号が規定値以上に長くなり、回転速度が所定下限値Ｖｍｉｎ以下となる。逆転量補正手段５３では、回転速度がこの下限値Ｖｍｉｎ以下となったことを認識すると、ピストンが爆発行程下死点を通過して圧縮トルクが発生し始めたと判断する。すなわち、逆転動作の目的は達成されたと判断して、直ちに逆転通電時間ｔ１を終了させ、その旨をモータ逆転通電指示手段５５に通知すると共に、モータ正転開始指示手段５７に対しスタータスイッチ３４がＯＮされた場合には直ちにモータ１０の正転を開始するよう指令を発する。
逆転通電時間ｔ１が終了すると、通電が停止されてモータトルクがなくなり、クランクシャフト１３は通電停止時間ｔ２の間にピストン反力により正転方向に回転を始め徐々に回転を増す。その後、下死点付近にてピストン反力がなくなり、それ以後は回転負荷トルクにより回転の慣性エネルギが徐々に消費され、排気行程から吸入行程に入る前の位置Ｊにて停止する。ここでの回転負荷トルクが小さかった場合には、惰性回転により通電停止時間ｔ２の間にピストンが排気行程から吸気行程に入ってしまう可能性があるため、通電停止時間ｔ２はピストンが吸気行程に入る前に終了する必要がある。そのためには、モータ１０の転流パルスが最大で１８０゜相当分を超える前に、通電停止時間ｔ２が終了する前であっても正転通電を開始する。そして、前述同様にこの位置からクランキングが開始される。
このように、本発明による始動制御装置では、エンジン始動に先立ちモータ１０を逆転通電時間ｔ１だけ逆転させた後、通電停止時間ｔ２だけ通電を止めてクランクシャフト１３を惰性回転させ、その後モータ１０を正回転させる。この際、当該モータ１０では、転流位置パルス信号からモータ１０の回転速度や速度変化率、回転角度などを算出し、それらによりピストン位置を推定して逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を適宜フィードバック制御する。従って、カムシャフトセンサなど、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなくピストンを確実に排気行程に戻し、そこからエンジンを始動させることができ、センサを省いて製品のコストダウンを図ることが可能となる。
また、クランクシャフト１３の持つ慣性エネルギを利用して初回の圧縮行程を乗り越すことができるため、モータ１０の負荷を軽減してモータの小型化や低コスト化、低消費電力化を図ることも可能となる。さらに、界磁にマグネットを使用したスタータにおいても、マグネットの磁力を過度に強くする必要がなくなるため、回転抵抗を低減でき、燃比の向上やエンジン出力低下防止を図ることが可能となる。
なお、エンジン始動を失敗した場合には、その直後の再始動時の排気行程までの逆転動作は、スタータスイッチ３４がＯＮである限りエンジン回転停止を検出したところで直ちに自動的に行われる。従って、すぐにモータ１０は前述と同様の逆転・正転動作を行うようになっている。また、モータ１０の動作は、ブレーキの作動または、ギアポジションがニュートラルにあることの何れかまたは両方を検出した場合のみ許可され、車両の飛び出しの防止が図られている。
以上、４ストロークエンジンに本発明を適用した例を説明したが、これを２ストロークエンジンに適用することも可能である。図１４は、２ストロークエンジンでの動作を示すチャートである。２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンと異なり、吸気・圧縮・爆発・排気の行程が１回転で行われる。２ストロークエンジンでは、４ストロークエンジンのように吸気バルブや排気バルブは存在しないが、ピストン自体がバルブの役割を果たしている。
図１４に示したように、２ストロークエンジンでは、圧縮行程および爆発行程ではシリンダの吸気孔および排気孔がピストンによって塞がれている。また、排気行程と吸気行程は同時に行われる。つまり、ピストンが下死点に近い位置では、排気孔と吸気孔の両方が開放された状態となっている。この場合、４ストロークエンジンの排気行程に相当するのは、エンジン動作時（正転）において、排気孔または吸気孔の少なくとも何れか一方が開放されてからピストンが下死点に至るまでの間である。
従って、図１３, １４のチャートから明らかなように、上記相違点を除き２ストロークエンジンにおいても４ストロークエンジンと同様の動作をさせることにより、前述同様の効果を得ることが可能となる。
（実施の形態４）
さらに、実施の形態４であるエンジンのスタータモータについて説明する。なお、スタータモータ自体の構成は実施の形態１のものと同様であるので、その詳細は省略する。
図１５は、当該実施の形態３におけるスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。このモータ１０は、図１５に示したように、ＣＰＵ（制御手段）３２に制御されてモータドライバ３１によって駆動される。このＣＰＵ３２には、エンジンの動弁カムの動作を検出するカムシャフトセンサ３３と、エンジンのスタータスイッチ３４およびイグニッションスイッチ３９が接続されている。また、ＣＰＵ３２には、エンジン点火用のイグニッションコイル３５が点火ユニット３６を介して接続されている。さらに、モータドライバ駆動ロジックやエンジン制御等に関する各種制御プログラムが格納されたＲＯＭ３７および、各種センサ類からのデータ等を格納するＲＡＭ３８が接続されている。そして、各種センサ類の検出値に基づいて、モータドライバ３１や点火ユニット３６等に制御信号を送出し、モータ１０やエンジン点火制御等を行うようになっている。なお、モータ１０それ自体やＣＰＵ３２等は、車両搭載の図示しないバッテリを電源として駆動される。
図１６は本発明の始動装置を４ストロークサイクルのエンジンに適用した場合における始動原理を示す図であり、このエンジンは吸入弁が開き排気弁が閉じた状態のもとでピストンが上死点から下降して混合気がシリンダ内へ吸入される吸入行程と、吸入弁と排気弁とがいずれも閉じた状態のもとで混合気が圧縮される圧縮行程と、圧縮行程が終わる上死点の少し前で混合気が点火され、吸入弁と排気弁が閉じられた状態のもとで、燃焼により生じた高圧ガスによりピストンが押し下げられる仕事行程つまり爆発行程と、吸入弁が閉じ排気弁が開いた状態もとで膨張したガスが外部に排出される排気行程とを有し、クランクシャフト１３の２回転つまり４行程で１サイクルが構成される。
エンジンが停止された状態のもとで、モータ１０を回転させて始動させる際には、始動させるときにエンジンがどの行程の位置となっているかにより、（ａ）に示すように、始動時の負荷が相違することになる。すなわち、排気行程や吸入行程では、吸入弁と排気弁のいずれかが開かれた状態でピストンが上下動するため、クランクシャフト１３を回転させるための負荷は比較的小さくなる。これに対して、圧縮行程でエンジンを始動させるには、吸入弁と排気弁とが閉じられた状態でピストンを上昇させるため、クランクシャフト１３の回転負荷は大きくなり、その値は上死点の少し手前で最大となる。
前述のように、エンジン停止の際には通常、ピストンは圧縮行程の下死点付近の位置で停止することが多い。従来の始動装置ではこの位置からエンジンを始動させるため、始動の際には、圧縮行程での負荷を乗り越えるべくクランクシャフト１３に対して図１６において破線で示したようなエネルギーをスタータモータにより供給する必要がある。
本発明の始動装置にあっては、図１６（ｃ）に示す通常停止範囲Ｐのうち、たとえば停止位置Ｐａで停止していた状態からエンジンを始動させる際に、まず、吸入行程と排気行程の位置を経過させて、爆発行程内にまでクランクシャフト１３を逆転させる。この逆転過程においては、ピストンは図１６において矢印で示す方向とは逆の方向に移動することになり、吸入行程の位置にあってはピストンは上死点に向けて移動し、排気行程の位置にあっては下死点に向けて移動し、爆発行程の位置にあっては上死点に向けて移動することになる。
したがって、この逆転によって爆発行程においては、吸入弁と排気弁とが閉じた状態のもとで、燃焼室内に残留している気体は圧縮されることになり、燃焼室内に圧縮反動による正回転エネルギが蓄積される。図１６（ｂ）における二点鎖線は蓄積されたエネルギを示す。なお、始動を開始させる際に、ピストンが通常停止範囲Ｐ内となっている場合のみならず、吸入行程や排気行程の位置でピストンが停止している状態となっており、その位置からエンジンを始動させる場合にも前述と同様に逆転動作を行うことができる。
クランクシャフト１３が爆発行程の正転開始範囲Ｑのうち、たとえば反転位置つまり正転位置Ｑａまで逆転した後に、クランクシャフト１３をモータ１０により正転される。この時、燃焼室内の気体の圧縮により蓄えられた正回転エネルギが、フライホイールなどを含めたクランクシャフト１３の回転系に放出されることになり、回転系にはこの放出された圧縮反動のエネルギと、モータ１０により加えられれた回転エネルギとが加えられることになる。
図１６（ｂ）において、正転するモータ１０によりクランクシャフト１３に加えられるモータのエネルギの変化を実線で示し、回転系に蓄えられる慣性エネルギの変化を一点鎖線で示すように、正転初期に回転系には圧縮により蓄積された気体のエネルギの放出による圧縮反動で迅速に慣性エネルギが高まり、さらに、モータ１０の回転力により、回転系は爆発行程から圧縮行程に向けて、徐々に慣性エネルギが増大することになる。したがって、圧縮行程においては、それまでに回転系に蓄えられた慣性エネルギとモータ１０のエネルギとの合成のエネルギが太い実線で示すように、クランクシャフト１３に加えられることになる。つまり、クランクシャフト１３は、その回転数の低下に伴って放出されて圧縮行程に費やされる慣性エネルギと、モータ１０の回転トルクとにより駆動され、最大の乗り越しトルクＴは、慣性トルクの放出エネルギの最大値Ｔi と、モータトルクの最大値Ｔm との合計により初回の圧縮行程の負荷を乗り越えることになる。
図１７（ａ）は始動時におけるピストン位置の変化を、同図（ｂ）はクランクシャフトの回転数の変化を、同図（ｃ）はエネルギの変化を、同図（ｄ）はモータ出力エネルギの変化を、そして同図（ｅ）は乗り越し時のエネルギの変化を示す図である。また、図１８は爆発行程までクランクシャフト１３を逆転させた後に正転させた場合におけるモータの発生エネルギと回転系のエネルギの変化とを示す特性図である。
本実施の形態にあっては、内燃機関の始動時にモータ１０をピストンの爆発行程内にまで逆転させて燃焼室内の気体を圧縮することにより、その圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、このエネルギにモータ１０による回転エネルギを付加してクランクシャフト１３まわりの回転系に慣性エネルギを蓄積することで、圧縮行程を乗り越すようにモータ１０を制御するようにしたので、小型のモータ１０を使用することができる。
爆発行程までクランクシャフト１３を逆転させる際に、２ストロークの場合は、クランクシャフトの角度を直接検出するクランク角センサを設け、その検出値に基づいてクランク角を把握し、逆転から正転に転ずる位置を決定すれば良い。一方、４ストロークの場合は、クランクシャフト１３の停止位置Ｐａを検出し、正転位置Ｑａを検出するために、クランク角センサのみならず、カムシャフトセンサ３３からの信号を用いるようにしても良く、逆転通電の停止や正転通電の開始をクランクシャフトやカムシャフトに設けた角度センサにより決定することができる。なお、正転通電の開始を、クランクシャフトの回転方向が圧縮反力により正転に転じたことを検出したとき行うようにしても良い。また、これらの角度センサから発生するパルスが回転速度の低下を伴った状態で発生した場合のみ逆転終了および正転開始の信号として使用しても良く、この場合、排気行程におけるパルスは無視されることになる。
さらに、２ストローク,４ストロークの場合は、停止位置から所定の時間だけモータ１０を逆転させることにより、その後に惰性で爆発行程まで戻すようにしても良く、爆発行程までモータ１０により駆動させるようにしても良い。なお、逆転通電停止の後、所定時間の惰性回転を行い、その後正転通電を行うことにより、モータに過大電流が流れてＦＥＴ等の転流素子が破壊されるのを防止できる。つまり、逆転通電を即、正転通電に切り換えた場合のように、ＦＥＴ等に過大な負荷をかけることなく逆転動作を行うことが可能となる。
また、モータ１０の逆転時および正転時には、図１６（ｄ）に示すように、転流位置検出センサ２５からパルス信号を取り出すことができるので、これを検出することによって、逆転状態から正転状態に反転させる位置を検出するようにしても良い。この逆転位置の検出方式としては、モータ１０の逆転に際してのパルス数をカウントするようにしても良く、パルス間隔から速度を検出するようにしても良く、検出結果から制御部にフィードバック信号を送ることにより、確実に反転位置を検出することができる。
パルス間隔から速度を検出するようにすれば、速度が期待値に達するのに予定の時間よりも長くかかる場合には、エンジンの回転抵抗が大きく所定の位置まで戻れないおそれがあるので、速度目標値を上げるようにフィードバック制御する。一方、速度が期待値に達するのに予定の時間よりも早い場合には、エンジンの回転抵抗が小さく所定の位置を行き過ぎるおそれがあるので、速度目標値を下げるように制御する。
また、回転系の回転慣性エネルギを把握することによって、回転系の回転速度が所定の目標回転速度に達するまで通電し、目標回転速度に達した時に通電を停止するようにしても良い。
ピストンが吸入行程を経て排気行程から爆発行程に変化する際には、下死点を通過してピストンが上昇移動となるときに圧縮抵抗を受けることになるので、図１７（ｂ）に示すように、逆転時の速度は徐々に高くなった後に減速に転ずることになる。したがって、回転パルス間隔は増速してパルス間隔が短くなった後に、減速してパルス間隔が長くなる。このパルス間隔の変化を検出することによって、爆発行程に達したことを検出することもできる。また、モータに通電することなく、惰性で爆発行程にまで戻す場合には、パルス間隔が長くなる度合い、つまり減速する度合いが急に大きく変化することから、その変化を検出することによって爆発行程に達したことを検出するようにしても良い。
次に、エンジン始動時の手順について説明すると、イグニッションスイッチ３９がＯＮされると、ＣＰＵ３２はまず、カムシャフトセンサ３３の検出信号に基づき、現在ピストンが存在する位置を認識する。つまり、ＣＰＵ３２は、カムシャフトセンサ３３の信号を用いることにより、ピストン位置の確認と、ピストンの爆発行程への逆転動作のスタンバイをする。
ピストンが通常停止範囲Ｐ以外の位置で停止していた場合にも、カムシャフトセンサ３３が設けられている場合には、その検出信号によって停止位置を検出することができる。次に、スタータスイッチ３４によりエンジン始動信号が入力されると、その検出結果に基づいてＣＰＵ３２はピストンを爆発行程内に戻す旨の決定を行い、モータドライバ３１に指令を発しモータ１０を一旦逆転させてクランクシャフト１３を爆発行程内まで逆転させる。ピストンが爆発行程内の正転開始位置Ｑａの位置まで逆転したことを検出するには、たとえば、カムシャフトセンサ３３を設けた場合には、カムシャフトセンサ３３によりピストンが爆発行程内に達したことを示すＨ信号を出力する。これにより、ＣＰＵ３２はモータ１０の逆転動作を停止し、すみやかに、正転動作を開始する。
この場合、クランクシャフト１３は、排気行程および吸入行程においては低負荷にて回転するため、モータ１０はピストンが圧縮行程に入る前に、無負荷回転数に近いほぼ最大の回転数に達する。このため、クランクシャフト１３も圧縮行程直前においてモータ１０によって可能な最大の回転数で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
このためクランクシャフト１３は、圧縮行程において図１６（ｂ）に示したように、慣性エネルギ（一点鎖線）とモータエネルギ（実線）の和である合成エネルギ（実太線）により回転される。また、図１６（ｂ）に示したように、モータ１０はその駆動エネルギを、助走時と乗り越し時の２回に分けてクランクシャフト１３に与えることになる。従って、１回のエネルギ付与により圧縮行程負荷の乗り越しを行う従前のモータに比して、モータエネルギを効率良く活用することが可能となる。
また、モータ１０の動作は、ブレーキの作動または、ギアポジションがニュートラルにあることの何れかまたは両方を検出した場合のみ許可され、車両の飛び出しの防止が図られている。
このようにして初回の圧縮行程を乗り越えた後は、慣性エネルギが蓄積されているので、それ以後の圧縮行程における負荷は容易に乗り越えることができる。そして、所定のタイミングにてイグニッションコイル３５によってスパークを飛ばすことにより、エンジンが始動することになる。
このように、本発明によるモータ１０では、エンジン始動に先立ちピストンを一旦、停止位置直前の爆発行程に戻してそこからエンジンを起動させることにより、１回の乗り越しまでに、クランクシャフト１３の持つ慣性エネルギを高めておくことができるので、そのエネルギを利用することで、従前に比して小さなモータトルクにより初回の圧縮行程の乗り越しが可能となる。このため、モータの小型化や低コスト化を図ることができ、また、モータの消費電力を低減することも可能となる。
前述した場合には、エンジンを始動させる際には、まず、停止位置からピストンの爆発行程まで逆転させた後に正転させるようにしているが、一旦正転させ、圧縮行程前の下死点を転流位置検出センサ２５からのパルス間隔の変化から検出し、この位置からモータ１０を逆転通電することにより、爆発行程後の下死点に到達する時点までに慣性エネルギを蓄え、この慣性エネルギ放出による回転トルクと、モータ１０の発生トルクで、爆発行程でのＱａ位置までピストンを上昇させるエネルギとすることができる。
さらには、まず、圧縮行程の途中まで、たとえば、圧縮行程の上死点の手前までクランクシャフト１３を正転させた後に、先のとおり、爆発行程まで逆転させるようにしても良い。その場合には、圧縮行程において同様に燃焼室内の残留気体の圧縮反力を利用してモータのエネルギとともにクランクシャフトを逆転させて、爆発行程でのＱａ位置までピストンを上昇させるエネルギとすることができる。これらにより、より小さなトルクのモータでも爆発行程でのピストンを上昇させるエネルギをより大きなものとするとができ、より大きな正転方向の反力を得ることができる。
このように、始動時にまずクランクシャフト１３を正転させて燃焼室内の気体を圧縮し、その反動を利用して逆転させる方式は、２サイクルのエンジンに有効である。なぜならば、２サイクルのエンジンでは、毎回爆発となるため、単に逆転させただけではすぐに圧縮行程に入ってしまうために、回転エネルギとして蓄えるための助走区間を十分に確保することができづらいからである。
図１９はこのように、始動時にまず、クランクシャフト１３を圧縮行程の途中まで正転させて燃焼室内の気体を圧縮した後に、その反動を利用してクランクシャフト１３を逆転させるようにした場合を示す始動動作を示す図であり、図２０はこの場合におけるエネルギの変化を示す図である。このように、逆転動作の前に正転動作を加えることによって、２サイクルエンジンの場合にも、モータ１０の小型化を達成することができる。
さらには、この正転側の圧縮反力と逆転側の圧縮反力を利用して正転方向圧縮点を乗り越すため、慣性エネルギを蓄える方法は、多気筒エンジンの始動にも有効である。特に、４サイクルエンジン配列２気筒１８０°クランクのエンジンにおいては、図２１に示すように、ピストン停止位置から正転方向逆転方向のいずれも、気筒Ａまたは気筒Ｂのピストンが圧縮方向となるため、回転エネルギを蓄えるための助走区間をすることができない。
このような場合には、正転方向の圧縮反力と逆転方向の圧縮反力の両方を複数回利用し徐々に圧縮の反力エネルギを高め、最終的に正転方向の圧縮点を乗り越す慣性エネルギを得ることができる。
一方、これら前記複数の実施の形態において、逆転方向で爆発方向に慣性エネルギを利用し、圧縮エネルギを蓄える場合には、温度による回転付加変動などにより、逆転方向に圧縮を乗り越してしまうおそれがある。これを防止するために、逆転方向の圧縮のピストン位置を検出し、逆転方向に乗り越すおそれのある角度まで戻った場合には、逆転方向の通電を停止し、ただちに正転方向の通電に切り換えなければならない。ピストン位置の検出には、クランク角センサやカムシャフ角センサを用いても良いし、ブラシレスモータの転流パルスのパルスカウント数を用いても良い。
（実施の形態５）
次に、実施の形態５であるエンジンのスタータモータについて説明する。図２２は本発明の一実施の形態であるエンジンのスタータモータの構成を示す断面図、図２３は図２２のスタータモータのハウジングおよびカバーを省略した正面図である。
図２２のスタータモータ（以下、モータと略記する）１１０は、自動二輪車用の４サイクルエンジンに直結されて、エンジンのエンジンケース１１１に固定される固定子１１２と、エンジンのクランクシャフト１１３に連結される回転子１１４とを備えている。
回転子１１４は、鉄等の磁性材料が用いられて有底の短尺円筒形状に形成されているヨーク１１５を備えており、このヨーク１１５の底壁の内面には円筒形状のボス部１１６が同心状に一体的に突設されている。ボス部１１６とクランクシャフト１１３とはテーパ面同士がくさび作用的に結合されてセットナット１１７によって締結されることにより、この回転子１１４はクランクシャフト１１３に一体回転されるよう固定される。ヨーク１１５の内周面には、界磁子磁極を構成するための永久磁石１１８と、鉄等の磁性材料（透磁率が大きい材料）が用いられて形成された制御磁極１２８とが同じ数だけ、周方向に交互に複数個ずつ配置されて固定されている。これらの永久磁石１１８と制御磁極１２８とは互いに等しい大きさの円弧形状の直方体形状に形成されており、周方向に等間隔離れて交互に配設されている。また、隣り合う永久磁石１１８同士は同極に形成されており、対極はその間の制御磁極１２８によって形成されるようになっている。
モータ１１０の固定子１１２は、鉄等の磁性材料が用いられて大略星形の短尺円盤形状に形成されているコア１１９を備えている。コア１１９はエンジンケース１１１の外面にクランクシャフト１１３と同心的に配されて据え付けられたハウジング１２０に、締結手段としてのボルト１２１によって締結されて固定されている。また、ハウジング１２０の外側には、カバー１２６が取り付けられている。そして、ハウジング１２０内における固定子１１２の外側には回転子１１４がその外周を取り囲むように配されており、回転子１１４はクランクシャフト１１３の駆動によって固定子１１２の周囲を回転するようになっている。
コア１１９は、鉄製の磁性材料からなる薄板が多数枚積層されて一体化されており、ドーナツ形状に形成された本体１２２を備えている。コア本体１２２の外周には複数本の突極１２３が放射状に突設されている。各突極１２３には固定子コイル１２４が三相結線巻きにそれぞれ捲線されており、この固定子コイル１２４は図示しないターミナルを介してリード線および組電線（何れも図示せず）により後述するモータドライバに接続されている。すなわち、このモータ１１０はモータドライバによって駆動されるブラシレスモータとして構成されている。
コア本体１２２におけるヨーク１１５の底部側には界磁磁束を制御するための界磁制御コイル１２９が円筒状に形成され、かつ同心的に配されて固定されている。界磁制御コイル１２９の巻線方法は固定子１１２および回転子１１４に対して同心円となっている。したがって、界磁制御コイル１２９の磁束Ｆはその大部分がコア１１９の本体１２２、制御磁極１２８に対向する突極１２３、回転子１１４の制御磁極１２８、ヨーク１１５、ボス部材１１６およびコア１１９を経由する閉磁路をそれぞれ形成することになる。
界磁制御コイル１２９に対する励磁制御は、後述する磁界コイル制御部によって行われるようになっており、固定子コイル１２４に作用する界磁の有効磁束を増加させる方向に界磁制御コイル１２９を励磁すると、固定子コイル１２４に鎖交する磁界の磁束は永久磁石１１８による磁束に界磁制御コイル１２９による磁束Ｆが重畳されたものとなり、界磁制御コイル１２９に通電する電流に応じて磁束が増えた分だけ磁束変化が大きくなり、固定子コイル１２４に生じる磁力が増加されることになる。これにより、制御磁極１２８は永久磁石１１８と逆方向の磁極で同程度以上の磁力を得、ロックトルクの大きなモータ特性とすることができる。
一方、制御磁極１２８が永久磁石１１８と同極となるように、前述した場合とは逆方向に界磁制御コイル１２９に通電すると、固定子コイル１２４には永久磁石１１８による磁束と界磁制御コイル１２９による磁束Ｆ’とが差動的に鎖交する状態となるため、界磁制御コイル１２９に通電される電流に応じて磁束が相殺される分だけ磁束変化が小さくなる。これにより、固定子コイル１２４に作用する有効磁束そのものが減少されて、コア１１９の鉄損が減少される。これにより、制御磁極１２８は弱い磁力を得、ロックトルクの小さいモータ特性とすることができる。
モータ１１０には、転流位置検出センサ１２５が複数個（例えば３個）ハウジング１２０内に配設されており、永久磁石１３０の磁気に感応して回転子１１４の回転位置を検出するように構成されている。転流位置検出センサ１２５の出力は制御回路を通じて後述するモータドライバに供給されており、モータドライバは転流位置検出センサ１２５からの検出信号に応じた通電信号を生成し、この通電信号に基づく電流を固定子コイル１２４へ供給して固定子コイル１２４を順次励磁する。固定子コイル１２４が順次励磁されると、固定子コイル１２４により回転磁界が形成される。この回転磁界は永久磁石１１８に作用し、この回転磁界により回転子１１４が回転されて、回転子１１４の回転力がヨーク１１５のボス部１１６を介してクランクシャフト１１３に伝達されエンジンが始動される。
図２４はモータ１１０の特性を示す特性線図であり、図２５はモータ特性の切換制御を示す特性線図である。
これらの特性線図に示すように、界磁制御コイル１２９に通電して磁界を強くすると、起動トルクが大きくなるので、低回転時の回転上昇率が大きくなる。ただし、無負荷回転速度が低いので、回転速度の飽和が早く最大回転速度が低くなる。これに対して、磁界を弱くした場合には、無負荷回転速度が高いので、回転速度の飽和が遅く最大回転速度が高いが、起動トルクが小さいので、低回転時の回転上昇率が小さくなる。
そこで、図２５に示すように、モータ特性を切り換えることによって、回転速度が低い領域では磁束を強くすることで回転上昇率を高め、回転速度が高い領域では磁束を弱めて最大回転速度を高くすることができる。
図２６は前述したモータ１１０の制御回路を示すブロック図であり、ＣＰＵ１３１には、前述した転流位置検出センサ１２５と、エンジンの動弁カムの動作を検出するカムシャフトセンサ１３２と、スタータスイッチ１３３と、イグニッションスイッチ１３４、ＡＣＧパルサ１３５とからの信号が入力するようになっている。このＣＰＵ１３１からは固定子コイル１２４に対する電流の供給を制御するモータドライバ１３６と、界磁制御コイル１２９に対する電流の供給を制御する界磁コイル制御部１３７とに制御信号が送られるとともに、エンジン点火用のイグニッションコイル１３８の点火タイミングを制御する点火ユニット１３９に制御信号が送られるようになっている。さらに、モータドライバ駆動ロジックやエンジン制御などに関する各種制御プログラムが格納されたＲＯＭ１４１および、各種センサ類からのデータなどを格納するＲＡＭ１４２がＣＰＵ１３１に接続されている。なお、モータ１１０それ自体やＣＰＵ１３１等は、車両搭載の図示しないバッテリを電源として駆動される。
図２７は本発明の始動装置を４ストロークサイクルのエンジンに適用した場合における始動動作を示す図である。このエンジンは吸入弁が開き排気弁が閉じた状態のもとでピストンが上死点から下降して混合気がシリンダ内へ吸入される吸入行程と、吸入弁と排気弁とがいずれも閉じた状態のもとで混合気が圧縮される圧縮行程と、圧縮行程が終わる上死点の少し前で混合気が点火され、吸入弁と排気弁が閉じられた状態のもとで、燃焼により生じた高圧ガスによりピストンが押し下げられる仕事行程つまり爆発行程と、吸入弁が閉じ排気弁が開いた状態もとで膨張したガスが外部に排出される排気行程とを有し、クランクシャフト１１３の２回転つまり４行程で１サイクルが構成される。
エンジンが停止された状態のもとで、モータ１１０を回転させて始動させる際には、始動させるときにエンジンがどの行程の位置となっているかにより、（ａ）に示すように、始動回転時の負荷が相違することになる。すなわち、排気行程や吸入行程では、吸入弁と排気弁のいずれかが開かれた状態でピストンが上下動するため、クランクシャフト１１３を動かすための負荷は比較的小さくなる。これに対して、圧縮行程でエンジンを始動させるには、吸入弁と排気弁とが閉じられた状態でピストンを上昇させるため、クランクシャフト１１３の始動時の負荷が大きくなり、その値は上死点にて最大となる。同様に、爆発行程でエンジンを始動させるには、吸入弁と排気弁とが閉じられた状態でピストンを下死点に向けて下降移動させなければならず、クランクシャフト１１３の始動負荷が大きくなる。
前述のように、エンジン停止の際には通常、ピストンは圧縮行程の下死点付近の位置で停止することが多い。従来の始動装置ではこの位置からエンジンを始動させるようにしており、エンジン始動の際には、圧縮行程での負荷を乗り越えるべくクランクシャフト１１３に対して図２７（ｂ）において破線で示したようなエネルギーをスタータモータにより供給する必要がある。
図２７に示す場合には、たとえば停止位置Ｐａで停止していた状態からエンジンを始動させる際に、まず、モータ１０によりクランクシャフト１３を逆転させて、排気行程へと戻した後に、クランクシャフト１１３を正転させる。これにより、回転負荷の少ない区間を助走させる形で圧縮行程に入り、エンジンのフライホイール等による回転系の慣性エネルギとモータ駆動とトルクの合力で最大負荷を乗り越え、モータの負荷を軽減してモータの小型化および低消費電力化を図っている。
クランクシャフト１１３を正転させる際には、図２５に示すように、界磁制御コイル１２９に通電して界磁を強くしてモータ１１０を起動させる。モータ１１０の回転速度が上昇していくと、モータ１１０の起動トルクは徐々に低下していき、図２４に示すように、無負荷回転速度のほぼ１／２の回転速度を超えると、モータ出力は最大出力点を超えてモータ出力を回転エネルギに効果的に変換できなくなる。つまり、回転の上昇率が低下する。
そこで、この時に界磁を弱めると、モータ特性はロックトルクや最大出力は小さくなるが、高い回転速度ではトルクおよびモータ出力は高くなる。これにより、再びモータ出力を回転エネルギに効果的に変換することが可能となる。つまり、回転速度の上昇率を高くすることが可能となる。この制御をモータ１１０の正転開始から圧縮行程までの間に順次繰り返すとともに、この時の界磁コイルへの通電を、界磁を強める方向に大きな電流→小さな電流→通電なし、また界磁を弱める方向に小さな電流→大きな電流、と順次切り替えることで、最も効率の良い回転上昇、つまり慣性エネルギの蓄積が可能となる。
このように、磁石磁界を可変とする界磁コイルを備えた始動装置にあっては、起動時は界磁を強めるための界磁コイル通電を行い、モータ特性の切換タイミングに合わせて、界磁コイルへの通電を制御するだけで、効率的な回転上昇を行うことができる。
回転速度はモータの回転に同期してパルスを発生させる装置を設けて、このパルス間隔から速度を求めることができるが、モータとしてブラシレスモータを使用すると、電機子コイルの通電転流位置を検出するためのセンサパルスを利用することによって、特別なセンサを設ける必要がない。
次に、図２７に示すようにしたエンジンの始動手順について説明すると、イグニッションスイッチ１３４がＯＮされると、ＣＰＵ１３１はまず、カムシャフトセンサ１３２の検出信号に基づき、現在ピストンが存在する位置を認識し、ピストンを排気行程に戻す必要があるか否かを判定する。つまり、ＣＰＵ１３１は、カムシャフトセンサ１３２の信号を用いることにより、ピストン位置の確認と、ピストンの排気行程への確実な移動を実行する。
ピストンが排気行程以外の行程にある場合、ＣＰＵ１３１はピストンを排気行程に戻す旨の決定を行い、モータドライバ１３６に指令を発しモータ１１０を一旦逆転させてクランクシャフト１１３を排気行程側に回転させる。すなわち、イグニッションスイッチＯＮの段階で、例えば図２７（ｃ）の位置Ｐａにピストンがあったときには、これを矢印にて示したように排気行程まで逆転移動させる。この場合、エンジンのピストン位置はカムシャフトセンサ１３２によって常時モニタされており、カムシャフトセンサ１３２はピストンが排気行程に来るとＨ信号を出力する。そして、このカムシャフトセンサ１３２からの検出信号（Ｈ）によりピストンが排気行程に来たことが検知されると、ＣＰＵ３１はモータ１１０の逆転動作を停止し、ピストンを位置Ｑａにて一旦停止させる。
この際ピストンは、図２７（ｃ）における正転開始範囲Ｑである排気行程内の位置Ｑａに戻されるが、排気行程開始前の下死点近傍位置がもっとも助走区間が長くなるため、その位置に戻すことが望ましい。但し、位置Ｑａが正転を開始する排気行程内の位置としては、排気行程前後における爆発行程の下死点近傍や吸入行程の上死点近傍も含まれる。
一方、カムシャフトセンサ１３２により、始動動作開始時点で既にピストンが排気行程の位置Ｒに存在することを検知された場合には、ＣＰＵ１３１は、ピストンを排気行程に戻す必要がない旨の決定を行い、前述のような逆転動作は行われない。
なお、ここではイグニッションスイッチ１３４をＯＮにした時に、モータ１１０の逆転動作を行うようにしているが、これは、スタータスイッチ１３３をＯＮした際にすぐにモータ１１０が正転動作に入り、エンジン起動にタイムラグが生じないようにするためである。従って、必ずしもイグニッションスイッチＯＮにてモータ１１０を逆転させる必要はなく、スタータスイッチ１３３をＯＮした時から、逆転動作を開始するようにしても良い。また、エンジン停止時やステータスイッチを離した（ＯＦＦした）時に逆転させるようにしても良い。
次に、スタータスイッチ１３３よりエンジン始動信号が入力されると、ＣＰＵ１３１はモータドライバ１３６にモータ１１０を正転させる旨の信号を出力し、エンジンを排気行程からクランクシャフト１１３を正転させることになる。モータ１１０が回転を始める時点では界磁コイル１２９に界磁を強くする方向に通電し、起動トルクを高めてある。回転速度が徐々に上昇し、所定の回転速度Ｎ１を越えた時点で、界磁コイル１２９への通電を停止し、モータ特性を無負荷回転数の高い特性に切り替える。さらに、回転速度が上昇し、所定の回転速度Ｎ2 を越えると、界磁コイル１２９に界磁を弱める方向に通電し、モータ特性を切り替える（図２５）。これにより、モータ１１０の回転速度は効率的に高めることができ、ピストンが圧縮行程に入る前に、特性切替前のモータ特性で上昇できる最高回転数よりも高い回転速度にする。このため、クランクシャフト１１３も圧縮行程直前においてモータ１１０によって可能な最大の回転速度で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
このためクランクシャフト１１３は、圧縮行程において図２７（ｂ）に示したように、慣性エネルギ（一点鎖線）とモータエネルギ（実線）の和である合成エネルギ（実太線）により回転される。つまり、クランクシャフト１１３は、その回転数低下に伴って放出される慣性エネルギによる回転トルクＴｉと、モータの駆動トルクＴｍにより駆動され、これらの和である乗り越しトルクＴ＝Ｔｍ＋Ｔｉによって初回の圧縮行程負荷を乗り越えることになる。
なお、この圧縮行程負荷を乗り越える際の慣性エネルギ放出により回転速度が低下し、前記所定回転速度Ｎ２，Ｎ１より低くなった場合は、その回転速度に応じたモータ特性に再び切り替える。これにより、乗り越し時のモータトルクを高めることができる。
このとき本発明のモータを適用したエンジンでは、図２７（ｂ）に示したようにＴｍ≦Ｔｉとすることにより、モータ駆動トルクはＴｍ≦Ｔ／２となる。すなわち、慣性エネルギを主、モータエネルギを従として圧縮行程負荷の乗り越しを行い、乗り越しトルクＴの１／２以下の最大トルク（ロックトルク）のモータ１１０でエンジンを始動できるようにしている。また、図２７（ｂ）に示したように、モータ１１０はその駆動エネルギを、助走時と乗り越し時の２回に分けてクランクシャフト１１３に与えることになる。従って、１回のエネルギ付与により圧縮行程負荷の乗り越しを行う従前のモータに比して、小さな出力エネルギのモータで大きな乗り越しトルクを発生することが可能となる。
なお、エンジンが始動しなかった場合には、その直後の再始動時の排気行程までの逆転動作は、イグニッションスイッチ１３４がＯＮである限りエンジン回転停止を検出したところで直ちに自動的に行われる。従って、スタータスイッチ１３３を再度ＯＮした時には、すぐにモータ１１０は正転動作に入りタイムラグを生じないようになっている。また、モータ１１０の動作は、ブレーキの作動または、ギアポジションがニュートラルにあることの何れかまたは両方を検出した場合のみ許可され、車両の飛び出しの防止が図られている。
このようにして初回の圧縮行程を乗り越えた後は、慣性エネルギが蓄積されそれ以後の圧縮行程における負荷は容易に乗り越えることができる。そして、所定のタイミングにてイグニッションコイル１３８によってスパークを飛ばすことにより、エンジンが起動することになる。
このように、図２７に示す場合には、エンジン始動に先立ちピストンを一旦排気行程に戻してそこからエンジンを起動させることにより、クランクシャフト１１３の持つ慣性エネルギを利用して、従前に比して小さなモータトルクにより初回の圧縮行程の乗り越しが可能となる。このため、モータの小型化や低コスト化を図ることができ、また、モータの消費電力を低減することも可能となる。さらに、界磁にマグネットを使用したスタータにおいても、マグネットの磁力を過度に強くする必要がなくなるため、回転抵抗を低減でき、燃比の向上やエンジン出力低下防止を図ることが可能となる。
図２８は本実施の形態の変形例である始動装置の制御回路を示すブロック図であり、図２９はこの制御回路により作動するモータ１１０によるエンジン始動動作をエンジンの各行程との関係にて示したチャートである。この場合のモータ１１０も前述した特性のものが使用されている。
この場合には、図２７に示した場合と同様に、エンジン始動に際しまずクランクシャフト１１３を逆転させる方向に駆動し、ピストンを一旦排気行程へと移動させた上でエンジンを始動させるようにしているが、ピストンの位置をカムシャフトセンサ等のセンサ類によって検知することなく、モータ１１０の逆転通電時間やその後の通電停止時間を適宜制御することによりピストンの排気行程への移動を実現している。そのために、モータの温度を検出するモータ温度センサ１４３と、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧センサ１４４の検出信号がＣＰＵ１３１に送られるようになっている。
イグニッションスイッチ１３４がＯＮされた状態でスタータスイッチ１３３がＯＮされると、ＣＰＵ１３１はまず、モータドライバ１３６に指令を発しモータ１１０に対し所定時間だけ逆転通電を行い、クランクシャフト１１３を排気行程側に回転させる。また、この逆転通電の後、所定時間通電を休止し、クランクシャフト１１３を惰性回転させる。そして、所定の通電休止時間の後、モータ１１０に対し正転通電を行いクランクシャフト１１３を正転させてエンジンを始動させる。
なお、ここではスタータスイッチ１３３をＯＮした時にモータ１１０の逆転動作を行うようにしているが、イグニッションスイッチ１３４をＯＮした時に直ぐにモータ１１０を正転動作に入り、エンジン起動にタイムラグが生じないようにすることもできる。したがって、必ずしもスタータスイッチ１３３のＯＮにてモータ１１０を逆転させる必要はなく、イグニッションスイッチ１３４をＯＮした時に逆転動作を開始するようにしても良い。
この始動動作は、ピストンの停止位置に応じて概ね次の３通りのパターンを有している。すなわち、ピストンが圧縮行程前の通常停止範囲にいる場合（パターン１）、排気行程と吸入行程の間の上死点前後にいる場合（パターン２）、排気行程前の下死点近傍にいる場合（パターン３）に応じて異なった動作を示す。
そこで、まず前述のパターン１における始動動作について説明する。スタータスイッチ１３３がＯＮされると、ＣＰＵ１３１の指令によりモータ１１０がｔ１秒間逆転し、クランクシャフト１１３が排気行程側に回転され、ピストンが位置ＡからＢへと移動する。そして、その後モータ１１０への通電がｔ２秒間停止される。この際クランクシャフト１１３は、先のｔ１秒間の通電によって得られた慣性力により逆転が継続する。吸入行程から排気行程の間は、ピストンによる圧縮がなく負荷トルクが小さいため、クランクシャフト１１３は惰性回転する。そして、負荷トルクによって慣性エネルギが消費されて徐々に回転速度が低下し、やがて位置Ｃにて停止する。
この場合、先の逆転通電時間ｔ１は、通電によって得た慣性力によってピストンが排気行程前の下死点付近まで惰性により戻ることができる時間以上の値が設定される。一方、逆転通電時間ｔ１が長すぎると、クランクシャフト１１３の回転速度が上がりすぎ、慣性エネルギが大きくなり通電停止時間ｔ２において爆発行程を乗り越えてしまうおそれがある。このため、逆転通電時間ｔ１は、ピストンが圧縮行程前の下死点にいる場合にクランクシャフト１１３を逆転させても、惰性回転中に爆発行程を乗り越さない時間以下に設定される。すなわち、これらの条件により逆転通電時間ｔ１の最小値・最大値が決定されることになる。
また、通電停止時間ｔ２後にモータ１１０は正転通電されるが、通電停止時間ｔ２後が短すぎると惰性回転中にピストンが排気行程に戻れない場合が生じる。このため、通電停止時間ｔ２の最小値がここで決定され、前述の逆転通電時間ｔ１も合わせ、これらの条件設定によりピストンが通電停止時間ｔ２の間に位置Ａから排気行程中の位置Ｃへと移動することになる。
なお、この際ピストンは、図２９（ｄ）において正転開始範囲とされている排気行程内の位置Ｃに戻されるが、排気行程開始前の下死点近傍位置がもっとも助走区間が長くなるため、その位置に戻すことが望ましい。但し、位置Ｃが正転を開始する「排気行程内」の位置には、排気行程前後における爆発行程の下死点近傍や吸入行程の上死点近傍も含まれる。
通電停止時間ｔ２が終了すると、ＣＰＵ１３１はモータドライバ１３６にモータ１１０を正転させる旨の信号を出力し、エンジンを排気行程から始動させる。この場合、クランクシャフト１１３は、排気行程および吸入行程においては低負荷にて回転するため、モータ１１０はピストンが圧縮行程に入る前に、無負荷回転数に近いほぼ最大の回転数に達し、飽和状態に近い回転数となる。このため、クランクシャフト１１３も圧縮行程直前においてモータ１１０によって可能な最大の回転数で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
このためクランクシャフト１１３は、圧縮行程において図２９（ｂ）に示したように、慣性エネルギ（一点鎖線）とモータエネルギ（実線）の和である合成エネルギ（実太線）により回転される。つまり、クランクシャフト１１３は、その回転数低下に伴って放出される慣性エネルギによる回転トルクＴｉと、モータの駆動トルクＴｍにより駆動され、これらの和である乗り越しトルクＴ＝Ｔｍ＋Ｔｉによって初回の圧縮行程負荷を乗り越えることになる。
このとき、図２９（ｂ）に示したようにＴｍ≦Ｔｉとすることにより、モータ駆動トルクはＴｍ≦Ｔ／２となる。すなわち、慣性エネルギを主、モータエネルギを従として圧縮行程負荷の乗り越しを行い、乗り越しトルクＴの１／２以下の最大トルク（ロックトルク）のモータ１１０でエンジンを始動できるようにしている。また、図２５（ｂ）に示したように、モータ１１０はその駆動エネルギを、助走時と乗り越し時の２回に分けてクランクシャフト１１３に与えることになる。従って、１回のエネルギ付与により圧縮行程負荷の乗り越しを行う従前のモータに比して、小さな出力エネルギのモータで大きな乗り越しトルクを発生させることが可能となる。
このようにして初回の圧縮行程を乗り越えた後は、慣性エネルギが蓄積されそれ以後の圧縮行程における負荷は容易に乗り越えることができる。そして、所定のタイミングにてイグニッションコイル１３８によってスパークを飛ばすことにより、エンジンが起動することになる。
次に、前述のパターン２における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程と吸入行程の間の上死点付近にあり（位置Ｄ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転通電時間ｔ１の間に位置Ｅまで移動し、その後の惰性回転にて、ピストンは排気行程の下死点まで戻り爆発行程に入る。しかしながら、爆発行程においてはピストンによる圧縮負荷が生じるため回転負荷トルクが大きくなり、この負荷トルクにより急激に慣性エネルギが消費され、回転速度が低下して停止する（位置Ｆ）。このとき、ピストン圧縮の反力により、わずかにクランクシャフト１１３は正転方向にが戻されるが、下死点付近の位置Ｇにて停止する。
そして、通電停止時間ｔ２が終了すると、エンジンはピストンが排気行程の位置Ｇにある状態から始動される。これにより、前述同様、排気行程と吸入行程の助走により得た慣性エネルギによる回転トルクＴｉとモータの駆動トルクＴｍの和により初回の圧縮行程負荷を乗り越える。
さらに、前述のパターン３における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程前の下死点付近にあり（位置Ｈ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転開始後すぐに爆発行程に入るため、ピストンの圧縮による回転負荷トルクが逆転後すぐに生じる。従って、クランクシャフト１１３の回転速度も上がらず、また、慣性エネルギもほんんと生じない。一方、モータ１１０のトルクは圧縮乗り越しトルクの１／２以下に設定してあるので、逆回転により爆発行程を乗り越すことはなく、ピストンの圧縮反力とモータトルクとがほぼ釣り合ったところでモータはロックして停止する（位置Ｉ）。
逆転通電時間ｔ１が経過すると、通電が停止されてモータトルクがなくなり、クランクシャフト１１３は通電停止時間ｔ２の間にピストン反力により正転方向に回転を始め徐々に回転を増す。その後、下死点付近にてピストン反力がなくなり、それ以後は回転負荷トルクにより回転の慣性エネルギが徐々に消費され、排気行程から吸入行程に入る前の位置Ｊにて停止する。そして、前述同様、この位置からクランキングが開始される。但し、通電停止時間ｔ２の間にピストンが排気行程から吸入行程に入ってしまう可能性もあるため、通電停止時間ｔ２は、ピストンが反力によって吸入行程に入ってしまう前に終了する必要がある。すなわち、通電停止時間ｔ２の最大値がここで決定されることになる。
このように、エンジン始動に先立ちモータ１１０を前述のパターン１にて説明した条件にて設定した逆転通電時間ｔ１だけ逆転させる。また、これを前述のパターン１, ３にて説明した条件にて設定した通電停止時間ｔ２だけ通電を止めてクランクシャフト１１３を惰性回転させる。そして、その後モータ１１０を正回転させることにより、ピストンを一旦排気行程に戻してエンジンを起動させることが可能となる。この際、当該モータ１１０では、逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２の設定によりピストンを排気行程に確実に戻すことができる。従って、カムシャフトセンサなど、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなく排気行程からのエンジン始動を行うことができ、センサを省いて製品のコストダウンを図ることが可能となる。
ところで、前述の場合、逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を設定しても、モータ１１０の動作は、バッテリ電圧の変動や、温度変動によるモータ性能変化、温度変動に起因するオイル粘性変化による機関の回転負荷トルク（フリクション）の変化により逆転量（角度）が大きく変化する。そこで、ＲＯＭ１４１にスタータモータ温度と電源電圧をパラメータとして逆転通電時間を設定した逆転通電時間マップと、スタータモータ温度をパラメータとして通電停止時間を設定した通電停止時間マップとを格納し、これらに基づいて各時間を設定している。図３０は逆転通電時間マップの一例を示し、図３１は通電停止時間マップの一例を示す説明図である。
モータ１１０では、バッテリ電圧が低いほどモータ出力が低下し、ピストンを戻すために必要な回転エネルギを蓄えるのに時間がかかる。また、温度が低いほどオイル粘性が高くなり、回転フリクションが大きくなるためピストン移動に要する回転エネルギを蓄えるのに時間がかかる。さらに、この場合には惰性回転時の慣性エネルギの消費も大きいので、慣性エネルギを多く蓄えておく必要がある。そこで、図３０に示す場合には、バッテリ電圧とスタータモータ温度から最適な逆転通電時間ｔ１を設定し、それをマップとして表している。
温度が低いときには、回転フリクションが大きくなるためクランクシャフト１１３の回転速度の低下が速く、目標位置までピストンが戻るのに時間を要する。そこで、図３１に示す場合には、スタータモータ温度から最適な通電停止時間  ｔ２を設定し、それをマップとして表している。
この場合には、通電停止時間ｔ２を温度条件のみで決定しているが、バッテリ電圧の低下により逆転通電による慣性エネルギが十分に得られなかった分を通電停止時間ｔ２、すなわち、惰性回転時間を長くすることで、所定の位置まで確実に戻るようにするようなバッテリ電圧によるマップデータを加えても良い。
そして、ＣＰＵ１３１では、モータ温度センサ１４３からモータ温度値Ｔｓを、また、バッテリ電圧センサ１４４からバッテリ電圧Ｖを取得し、これらの値から逆転通電時間マップおよび通電停止時間マップを参照して、エンジン始動の都度、逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を決定する。これにより、逆転通電時間ｔ１や通電停止時間ｔ２に対して温度補償や電圧変動補償がなされ、環境の変化に対しても安定的にピストンを排気行程に戻すことが可能となる。
なお、ここではＲＯＭ１４１に前述の図３０および図３１に示したマップを格納して各時間ｔ１,ｔ２を決定するようにしたが、ＣＰＵ１３１に、モータ温度値Ｔｓとバッテリ電圧Ｖとから逆転通電時間ｔ１を算出する逆転通電時間算出手段と、温度から通電停止時間ｔ２を算出する通電停止時間算出手段とを設け、これらを演算するようにしても良い。この場合には、各時間ｔ１,ｔ２は、モータ温度値とバッテリ電圧から例えば次式のような近似式によって演算される。
ｔ１＝０.１８＋（１２−Ｖ）×０.０２＋Ｔｓ
ｔ２＝０.１２＋Ｔｓ×０.０１
また、前述の例ではモータ１１０の温度を用いて各時間ｔ１,ｔ２を決定しているが、パラメータとして使用できる温度値はこれに限られず、例えば、エンジン冷却水温度、エンジンオイル温度、外気温なを採用することができる。また、モータ１１０の温度のみならず、前述の各種温度値を複数パラメータとして採用してマップや近似式を作成しても良い。さらに、前述した場合には、逆転や惰性回転を時間によって制御しているが、これをモータ１１０の回転角度によって制御することも可能である。この場合には、図２９（ｃ）にて示されている転流位置検出センサ１２５からの検出パルス信号によってモータ１１０の回転角度が認識され、所定角度移動する分の逆転通電と通電停止が実行される。
図３２は図２９に示した場合と同様のエンジンの始動動作を行うために、ＣＰＵ１３１に設けられた各種機能手段を示すブロック図である。
この場合の始動動作の制御は図２６や図２８に示した場合と同様に制御回路により制御されることになるが、図３２に示すように、ＣＰＵ１３１は転流位置検出センサ１２５からの転流位置パルス信号に基づいてモータ１１０の回転速度を算出するモータ回転速度算出手段１５１と、前記パルス信号に基づいてモータ１１０の回転角度を算出するモータ回転角度算出手段１５２を有し、ＲＯＭ１４１に格納された後述する逆転通電時間ｔ１や通電停止時間ｔ２を取り込み、モータ１１０の回転速度や回転角度に基づいてそれらを補正する逆転量補正手段１５３および惰性回転量補正手段１５４を有している。さらにＣＰＵ１３１は、逆転量補正手段１５３や惰性回転量補正手段１５４によって設定された逆転通電時間ｔ１や通電停止時間ｔ２に基づいて、モータドライバ１３６に対しモータ１１０に対する通電状態を指示するモータ逆転通電指示手段１５５およびモータ通電停止指示手段１５６を有し、通電停止時間ｔ２後にモータ１１０を正転させてエンジン始動を行わせるモータ正転開始指示手段１５７を有している。
そこで、まず図２９に示したパターン１における始動動作について説明する。イグニッションスイッチ３４がＯＮされた状態でスタータスイッチ３３がＯＮされると、ＣＰＵ１３１はモータ逆転通電指示手段１５５の指令によりモータ１１０がｔ１秒間逆転し、クランクシャフト１１３が排気行程側に回転され、ピストンが位置ＡからＢへと移動する。そして、その後モータ通電停止指示手段１５６の指令によりモータ１１０への通電がｔ２秒間停止される。この際クランクシャフト１１３は、先のｔ１秒間の通電によって得られた慣性力により逆転が継続する。吸入行程から排気行程の間は、ピストンによる圧縮がなく負荷トルクが小さいため、クランクシャフト１１３は惰性回転する。そして、負荷トルクによって慣性エネルギが消費されて徐々に回転速度が低下し、やがて位置Ｃにて停止する。
この場合、ＣＰＵ１３１においては、転流位置検出センサ１２５からの転流位置パルス信号から、モータ回転速度算出手段１５１およびモータ回転角度算出手段によりモータ１１０の回転速度および回転角度が常時モニタされている。すなわち、通電時間中にカウントした転流位置パルス信号のパルス数やパルス間隔から回転速度を、また、パルス数の積算値から回転角度を算出する。また、転流位置パルス信号からモータ１１０の回転速度の変化率（ｄｖ／ｄｔ）も算出される。一方、ＲＯＭ１４１には、回転速度の変化率の基準値Ｘｒと、逆転通電時間ｔ１によりモータ１１０が到達すべき目標回転速度Ｎｒが格納されている。そして、逆転量補正手段１５３では、回転上昇途中の回転速度からエンジンのフリクションを把握し、それをモータ１１０の回転制御にフィードバックする。
逆転量補正手段１５３ではまず、モータ１１０の回転速度から求めた回転速度の変化率と前記基準値Ｘｒとの比較が行われる。そこで、回転速度の変化率が基準値を以下の場合、すなわち、速度変化が緩やかでモータ１１０が目標回転速度に達するのに予定より時間がかかると予想される場合には、逆転量補正手段１５３はクランクシャフト１１３の回転負荷が想定よりも大きいと判断する。このとき、そのまま放置すると惰性回転時のフリクションもまた大きいことが予測され、ピストンが期待する位置まで戻れないおそれがある。そこで、逆転量補正手段５３は、目標回転速度Ｎｒを上げてクランクシャフト１１３に蓄積される慣性エネルギを増加させ、ピストンが排気行程内に予定通り戻るようにする。
これに対し回転速度の変化率が基準値を超えた場合、すなわち、速度変化が急でモータ１１０が予定よりも早く目標回転速度に達すると予想される場合には、クランクシャフト１１３の回転負荷が想定よりも小さいと判断する。このとき、そのまま放置すると惰性回転時のフリクションもまた小さいことが予測され、ピストンが期待する位置を行き過ぎるおそれがある。そこで、逆転量補正手段５３は、目標回転速度Ｎｒを下げてクランクシャフト１１３に蓄積される慣性エネルギを減少させ、ピストンが排気行程内に予定通り戻るようにする。
また、逆転量補正手段１５３ではモータ１１０の回転速度そのもの監視されており、回転慣性エネルギの把握もこれによって行われる。すなわち、回転速度が目標回転速度Ｎｒに達した場合には、その時点が逆転通電時間ｔ１内であっても慣性エネルギは所定量蓄積されたと判断する。そして、逆転通電時間ｔ１を短縮する補正を行い、モータ逆転通電指示手段１５５に働きかけモータ１１０への通電を停止する。これに対し、目標回転速度Ｎｒに達しない場合には、その時点が逆転通電時間ｔ１終了時であっても慣性エネルギ蓄積量が不足していると判断する。そして、逆転通電時間ｔ１を延長する補正を行い、モータ逆転通電指示手段１５５に働きかけモータ１１０への通電を継続する。
一方、ＲＯＭ１４１にはさらに、モータ１１０の逆転基準角度θｒが格納されており、惰性回転中においては、惰性回転量補正手段１５４によりモータ１１０の逆転開始時からの逆転角度とこの逆転基準角度θｒとが比較される。ここでは、この逆転基準角度θｒとして、最も遠い圧縮行程前の下死点から逆転を開始したとしても、ピストンがほぼ排気行程に入っていると考えられる角度である１８０度が設定されている。従って、当該ＣＰＵ１３１の惰性回転量補正手段１５４では、モータ１１０の回転角度が１８０度を超えたか否か、すなわち、転流位置パルス信号が１８０度相当分入力されているか否かを判断することになる。
そして、回転角度が１８０度を超えた場合には、ピストンは排気行程内に戻っていると判断し、通電休止時間ｔ２内であっても通電休止の目的は達せされたとして通電休止時間を終了させる。そして、その旨をモータ通電停止指示手段１５６に通知すると共に、モータ正転開始指示手段１５７に対しスタータスイッチ１３３がＯＮされた場合には直ちにモータ１１０の正転を開始するよう指令を発する。
これに対し回転角度が１８０度以下の時点で、モータ１１０のパルス信号が規定周期以上の間隔となってモータ回転速度が所定速度（例えば、速度０＝停止）以下となった場合には、ピストンはまだ排気行程内に戻っていないと判断する。そして、この場合には通電休止時間ｔ２内であっても通電休止の目的が達成されていないとして一旦通電休止時間を中止して再度モータ１１０を短時間逆転させる。すなわち、モータ通電停止指示手段１５６に対し、通電停止時間の終了を通知すると共にモータ逆転通電指示手段１５５に短時間の逆転通電を命じる。そして、この短時間の逆転通電後に改めて通電休止時間ｔ２を開始し、通算回転角度が１８０度を超えた時点で前述の処理により通電休止時間を終了させる。
このようにして通電停止時間ｔ２が終了すると、ＣＰＵ１３１のモータ正転開始指示手段１５７はモータドライバ１３６にモータ１１０を正転させる旨の信号を出力し、エンジンを排気行程から始動させる。この場合、クランクシャフト１１３は、排気行程および吸入行程においては低負荷にて回転するため、モータ１１０はピストンが圧縮行程に入る前に、無負荷回転数に近いほぼ最大の回転数に達し、飽和状態に近い回転数となる。このため、クランクシャフト１１３も圧縮行程直前においてモータ１１０によって可能な最大の回転数で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
次に、前述のパターン２における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程と吸入行程の間の上死点付近にあり（位置Ｄ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転通電時間ｔ１の間に位置Ｅまで移動し、その後の惰性回転にて、ピストンは排気行程の下死点まで戻り爆発行程に入る。しかしながら、爆発行程においてはピストンによる圧縮負荷が生じるため回転負荷トルクが大きくなり、この負荷トルクにより急激に慣性エネルギが消費され、回転速度が低下して停止する（位置Ｆ）。
この際、モータ１１０では、転流位置パルス信号のパルス間隔が長くなる度合いが急激に大きくなり、モータ１１０の回転速度の変化率（減速率）が急変し、その上限値Ｘｍａｘを超える。惰性回転量補正手段１５４では、回転速度の変化率がこの上限値Ｘｍａｘを超えたことを認識すると、ピストンが排気行程前の下死点を通り過ぎ爆発行程に入り圧縮抵抗を受け始めたと判断する。これにより、助走区間を最も長く取れ、慣性エネルギをクランクシャフト１１３に最も多く注入できる領域にピストンが入ったこととなり、正転開始領域にピストンが到達したことが検出される。
そこで、惰性回転量補正手段１５４は、通電停止時間ｔ２を中止し、その旨をモータ通電停止指示手段１５６に通知し、直ちにモータ１１０の正転を開始するよう指令を発する。そして、エンジンは、ピストン圧縮の反力により、わずかにクランクシャフト１１３は正転方向にが戻されるが、ピストンは下死点付近の位置Ｇにて停止する。
そして、通電停止時間ｔ２が終了され、スタータスイッチ１３３よりエンジン始動信号が入力されると、エンジンはピストンが排気行程の位置Ｇにある状態から始動される。これにより、前述同様、排気行程と吸入行程の助走により得た慣性エネルギによる回転トルクＴｉとモータの駆動トルクＴｍの和により初回の圧縮行程負荷を乗り越える。
さらに、前述のパターン３における始動動作について説明する。ここでは、ピストンが排気行程前の下死点付近にあり（位置Ｈ）、ここから逆転動作が始まる。この場合には、逆転開始後すぐに爆発行程に入るため、ピストンの圧縮による回転負荷トルクが逆転後すぐに生じる。従って、クランクシャフト１１３の回転速度も上がらず、また、慣性エネルギもほとんど生じない。一方、モータ１１０のトルクは圧縮乗り越しトルクの１／２以下に設定してあるので、逆回転により爆発行程を乗り越すことはなく、ピストンの圧縮反力とモータトルクとがほぼ釣り合ったところでモータはロックして停止する（位置Ｉ）。
この場合、モータ１１０では、その作動に伴い通電中に一旦短くなり始めたパルス信号が規定値以上に長くなり、回転速度が所定下限値Ｖｍｉｎ以下となる。逆転量補正手段１５３では、回転速度がこの下限値Ｖｍｉｎ以下となったことを認識すると、ピストンが爆発行程下死点を通過して圧縮トルクが発生し始めたと判断する。すなわち、逆転動作の目的は達成されたと判断して、直ちに逆転通電時間ｔ１を終了させ、その旨をモータ逆転通電指示手段１５５に通知する。
逆転通電時間ｔ１が終了すると、通電が停止されてモータトルクがなくなり、クランクシャフト１１３は通電停止時間ｔ２の間にピストン反力により正転方向に回転を始め徐々に回転を増す。その後、下死点付近にてピストン反力がなくなり、それ以後は回転負荷トルクにより回転の慣性エネルギが徐々に消費され、排気行程から吸入行程に入る前の位置Ｊにて停止する。ここでの回転負荷トルクが小さかった場合には、惰性回転により通電停止時間ｔ２の間にピストンが排気行程から吸入行程に入ってしまう可能性があるため、通電停止時間はピストンが吸入行程に入る前に終了する必要がある。そのために、モータ１１０の転流パルスが最大で１８０°相当分を超える前に通電停止時間ｔ２が終了する前であっても正転通電を開始する。そして、前述同様にこの位置からクランキングが開始される。なお、通電停止時間ｔ２の間にスタータスイッチ３３がＯＮされた場合には、通電停止時間ｔ２内であっても直ちにモータ１１０の正転を開始する。
このように、エンジン始動に先立ちモータ１１０を逆転通電時間ｔ１だけ逆転させた後、通電停止時間ｔ２だけ通電を止めてクランクシャフト１１３を惰性回転させ、その後モータ１１０を正回転させる。この際、当該モータ１１０では、転流位置パルス信号からモータ１１０の回転速度や速度変化率、回転角度などを算出し、それらによりピストン位置を推定して逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を適宜フィードバック制御する。従って、カムシャフトセンサなど、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなくピストンを確実に排気行程に戻し、そこからエンジンを始動させることができ、センサを省いて製品のコストダウンを図ることが可能となる。
図３３は本実施の形態の他の変形例である始動装置におけるエンジン始動動作を示すチャートである。
この場合には、図３３（ｃ）に示す通常停止範囲Ｐのうち、たとえば停止位置Ｐａで停止していた状態からエンジンを始動させる際に、まず、吸入行程と排気行程の位置を経過させて、爆発行程内にまでクランクシャフト１１３を逆転させる。したがって、この逆転によって爆発行程においては、吸入弁と排気弁とが閉じた状態のもとで、燃焼室内に残留している気体は圧縮されることになり、燃焼室内に圧縮反動による正転エネルギが蓄積される。図３３（ｂ）における二点鎖線は蓄積されたエネルギを示す。なお、始動を開始させる際に、ピストンが通常停止範囲Ｐ内となっている場合のみならず、吸入行程や排気行程の位置でピストンが停止している状態となっており、その位置からエンジンを始動させる場合にも前述と同様に逆転動作を行うことができる。
クランクシャフト１１３が爆発行程の正転開始範囲Ｑのうち、たとえば反転位置つまり正転位置Ｑａまで逆転した後に、クランクシャフト１１３をモータ１１０により正転される。この時、燃焼室内の気体の圧縮により蓄えられた正回転エネルギが、フライホイールなどを含めたクランクシャフト１１３の回転系に放出されることになり、回転系にはこの放出された圧縮反動のエネルギと、モータ１１０により加えられた回転エネルギとが加えられることになる。
図３３（ｂ）において、正転するモータ１１０によりクランクシャフト１１３に加えられるモータのエネルギの変化を実線で示し、回転系に蓄えられる慣性エネルギの変化を一点鎖線で示すように、正転初期に回転系には圧縮により蓄積された気体のエネルギの放出による圧縮反動で迅速に慣性エネルギが高まり、さらに、モータ１１０の回転力により、回転系は爆発行程から圧縮行程に向けて、徐々に慣性エネルギが増大することになる。したがって、圧縮行程においては、それまでに回転系に蓄えられた慣性エネルギとモータ１１０のエネルギとの合成のエネルギが太い実線で示すように、クランクシャフト１１３に加えられることになる。つまり、クランクシャフト１１３はその回転数の低下に伴って放出されて圧縮行程に費やされる慣性エネルギと、モータ１１０の回転トルクとにより駆動され、最大の乗り越しトルクＴは、慣性トルクの放出エネルギの最大値Ｔｉと、モータトルクの最大値Ｔｍとの合計により初回の圧縮行程の負荷を乗り越えることになる。
図３４（ａ）は始動時におけるピストン位置の変化を、同図（ｂ）はクランクシャフトの回転数の変化を、同図（ｃ）はエネルギの変化を、同図（ｄ）はモータ出力エネルギの変化を、そして同図（ｅ）は乗り越し時のエネルギの変化を示す図である。
この場合には、始動時にクランクシャフト１１３を爆発行程まで逆転させ、燃焼室内の気体を圧縮することにより圧縮反動による正回転のエネルギを蓄積し、このエネルギにモータ１１０による回転エネルギを付加してクランクまわりの回転系の慣性エネルギを蓄積することで、乗り越しエネルギをモータ１１０の発生エネルギのみならず、圧縮反動エネルギをも加えることができるので、小型のモータ１１０を使用することができる。
爆発行程までクランクシャフト１１３を逆転させる際に、クランクシャフト１１３の停止位置Ｐａを検出し、正転位置Ｑａを検出するために、カムシャフトセンサ１３２からの信号を用いるようにしても良く、停止位置から所定の時間だけモータ１１０を逆転させることにより、その後に惰性で爆発行程まで戻すようにしても良く、爆発行程までモータ１１０により駆動させるようにしても良い。
また、モータ１１０の逆転時および正転時には、図３３（ｄ）に示すように、転流位置検出センサ１２５からパルス信号を取り出すことができるので、これを検出することによって、逆転状態から正転状態に反転させる位置を検出するようにしても良い。この逆転位置の検出方式としては、モータ１１０の逆転に際してのパルス数をカウントするようにしても良く、パルス間隔から速度を検出するようにしても良く、検出結果から制御部にフィードバック信号を送ることにより、確実に反転位置を検出することができる。
パルス間隔から速度を検出するようにすれば、速度が期待値に達するのに予定の時間よりも長くかかる場合には、エンジンの回転抵抗が大きく所定の位置まで戻れないおそれがあるので、速度目標値を上げるようにフィードバック制御する。一方、速度が期待値に達するのに予定の時間よりも早い場合には、エンジンの回転抵抗が小さく所定の位置を行き過ぎるおそれがあるので、速度目標値を下げるように制御する。
また、回転系の回転慣性エネルギを把握することによって、回転系の回転速度が所定の目標回転速度に達するまで通電し、目標回転速度に達した時に通電を停止するようにしても良い。
ピストンが吸入行程を経て排気行程から爆発行程に変化する際には、下死点を通過してピストンが上昇移動となるときに圧縮抵抗を受けることになるので、逆転時の速度は徐々に高くなった後に減速に転ずることになる。したがって、回転パルス間隔は増速してパルス間隔が短くなった後に、減速してパルス間隔が長くなる。このパルス間隔の変化を検出することによって、爆発行程に達したことを検出することもできる。また、モータに通電することなく、惰性で爆発行程にまで戻す場合には、パルス間隔が長くなる度合い、つまり減速する度合いが急に大きく変化することから、その変化を検出することによって爆発行程に達したことを検出するようにしても良い。
次に、エンジン始動時の手順について説明すると、イグニッションスイッチ１３４がＯＮされると、ＣＰＵ１３１はまず、カムシャフトセンサ１３２の検出信号に基づき、現在ピストンが存在する位置を認識する。つまり、ＣＰＵ１３１は、カムシャフトセンサ１３２の信号を用いることにより、ピストン位置の確認と、ピストンの爆発行程への逆転を実行する。
ピストンが通常停止範囲Ｐ以外の位置で停止していた場合にも、カムシャフトセンサ１３２が設けられている場合には、その検出信号によって停止位置を検出することができる。検出結果に基づいてＣＰＵ１３１はピストンを爆発行程内に戻す旨の決定を行い、モータドライバ１３６に指令を発しモータ１１０を一旦逆転させてクランクシャフト１１３を爆発行程内に回転させる。ピストンが爆発行程内の正転開始位置Ｑａの位置まで逆転したことが検出された場合には、カムシャフトセンサ１３２が設けられていれば、カムシャフトセンサ１３２によりピストンが爆発行程内に達したことを示すＨ信号を出力する。これにより、ＣＰＵ１３１はモータ１１０の逆転動作を停止し、ピストンを位置Ｑａにて一旦停止させる。
次に、スタータスイッチ１３３よりエンジン始動信号が入力されると、ＣＰＵ１３１はモータドライバ１３６にモータ１１０を正転させる旨の信号を出力し、エンジンを爆発行程から始動させる。この場合、クランクシャフト１１３は、排気行程および吸入行程においては低負荷にて回転するため、モータ１１０はピストンが圧縮行程に入る前に、無負荷回転数に近いほぼ最大の回転数に達し、飽和状態に近い回転数となる。このため、クランクシャフト１１３も圧縮行程直前においてモータ１１０によって可能な最大の回転数で回転され、その回転系の慣性マスに蓄えられる慣性エネルギもまた最大の状態となって圧縮行程に突入する。
このためクランクシャフト１１３は、圧縮行程において図３３（ｂ）に示したように、慣性エネルギ（一点鎖線）とモータエネルギ（実線）の和である合成エネルギ（実太線）により回転される。また、図３３（ｂ）に示したように、モータ１１０はその駆動エネルギを、助走時と乗り越し時の２回に分けてクランクシャフト１１３に与えることになる。従って、１回のエネルギ付与により圧縮行程負荷の乗り越しを行う従前のモータに比して、モータエネルギを効率良く活用することが可能となる。
このように、エンジン始動に先立ちピストンを一旦爆発行程に戻してそこからエンジンを起動させることにより、エンジン内に圧縮反動エネルギを蓄積し、それを放出することによりクランクシャフト１１３の慣性エネルギに変換し、回転系の持つ慣性エネルギを利用して、従前に比して小さなモータトルクにより初回の圧縮行程の乗り越しが可能となる。
前述した場合には、エンジンを始動させる際には、まず、停止位置からピストンの爆発行程まで逆転させた後に、正転させるようにしているが、まず、圧縮行程の途中まで、たとえば、圧縮行程の上死点の手前までクランクシャフト１３を正転させた後に、爆発行程まで逆転させるようにしても良い。その場合には、圧縮行程において燃焼室内の残留気体を圧縮してエネルギを蓄積することができ、その圧縮エネルギを放出してモータのエネルギとともにクランクシャフトを逆転させることができる。
このように、始動時にまずクランクシャフト１１３を正転させて圧縮エネルギを蓄積し、それを放出しながら逆転させる方式は、２ストロークサイクルのエンジンに有効である。なぜならば、２サイクルのエンジンでは、爆発行程と圧縮行程との間で排気弁と排気弁つまり掃気弁とが同時に開いた状態があり、爆発行程と圧縮行程との間のストローク距離が４サイクルのエンジンに比して短いので、十分に助走距離を確保することができないからである。
図３５はこのように、始動時にまず、クランクシャフト１１３を圧縮行程の途中まで正転させて燃焼室内の気体を圧縮した後に、圧縮エネルギを利用してクランクシャフト１１３を逆転させるようにした場合を示す始動動作を示す図であり、図３６はこの場合におけるエネルギの変化を示す図である。このように、逆転動作の前に正転動作を加えることによって、２サイクルエンジンの場合にも、モータ１１０の小型化を達成することができる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
例えば、前述の実施の形態では、二輪車用のエンジンを例にとって説明したが、四輪自動車用のエンジンにも本発明を適用することが可能である。また、単気筒のみならず複数気筒を有するエンジンにも適用可能である。さらに、前述の実施の形態では、エンジンのクランク軸に直結されるモータを例にとって説明したが、直結モータのみならず、ギアや電磁クラッチを介してクランクシャフトを駆動するタイプのスタータモータにも適用可能である。さらに、モータの種類も前述のようなアウタロータタイプには限られず、インナロータタイプのモータにも適用可能である。
このように本発明によれば、ピストンを排気行程内に位置させた状態でスタータモータを正転させてエンジンを始動させるようにしたことにより、排気行程と吸入行程にてクランクシャフトに慣性エネルギが蓄えられ、圧縮行程を慣性エネルギとスタータモータの回転エネルギの合成エネルギにより乗り越すことが可能となる。従って、圧縮行程を乗り越すために要するスタータモータの回転エネルギを低減させることができ、スタータモータの小型化、低価格化を図ることが可能となる。
また、界磁にマグネットを利用した場合においても、マグネットの磁力を過度に強くする必要がなくなるため、回転抵抗を低減でき、燃比の向上やエンジン出力低下防止を図ることが可能となる。
さらに、本発明の内燃機関の始動装置では、スタータモータを逆転させてピストンを一旦排気行程内に移動させるようにしたことにより、ピストンが排気行程以外の位置にて停止していた場合においても、ピストンを排気行程内に位置させた状態で内燃機関を始動させることが可能となる。
加えて、スタータモータを所定の逆転通電時間だけ逆転させた後所定時間の通電を停止してピストンを排気行程に位置させ、その後スタータモータを正転させてエンジンを始動させるようにしたことにより、カムシャフトセンサなど、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなく、ピストンを排気行程内に位置させた状態でエンジンを始動させることができ、エンジン始動システムのコスト低減を図ることが可能となる。
また、逆転通電時間マップと通電停止時間マップとを用いて逆転通電時間や通電停止時間を設定することにより、逆転通電時間や通電停止時間に対して温度補償や電圧変動補償を行うことができ、環境の変化に対しても安定的にピストンを排気行程に戻すことが可能となる。
さらに、本発明の制御装置によれば、スタータモータを逆転通電時間ｔ１だけ逆転させた後、通電停止時間ｔ２だけ通電を止めてクランクシャフトを惰性回転させ、その後モータを正回転させる際に、スタータモータの転流位置パルス信号からモータの回転速度や速度変化率、回転角度などを算出し、それらに基づき逆転通電時間ｔ１と通電停止時間ｔ２を適宜フィードバック制御することにより、ピストン位置を検出するセンサを特に設けることなくピストンを排気行程内に戻してエンジン始動を行うことができる。従って、カムシャフトセンサなどのセンサ類を省いてエンジン始動システムのコスト低減を図ることが可能となる。
加えて、本発明の内燃機関の始動装置では、ピストンを爆発行程までスタータモータを逆転させることで燃焼室内の気体を圧縮させ、それが膨張する反動力を利用してクランクシャフトを正転させるようにし、正転時に回転系に蓄えられる慣性エネルギを増大させて、その慣性エネルギとスタータモータの合算エネルギにより１回目の圧縮行程の乗り越しを行うようにしたので、乗り越し時のスタータモータに供給する回転エネルギを低減させることができ、スタータモータの小型化と低価格化とを達成することができる。
また、爆発行程にまで逆転させる前にまず、次の圧縮行程の途中までクランクシャフトを正転させることにより、燃焼室内の気体を圧縮し、その反動を逆転時の回転力に利用することにより、逆転動作に必要なエネルギの低減と乗り越し時に蓄えられた慣性エネルギの増大を実現できる。これにより、たとえば、２サイクルエンジンのように逆転可能区間が短いエンジンの場合にも、確実に小型のスタータモータによりエンジンを始動させることができる。
さらに、圧縮行程に入る前の回転系の回転速度を高くすることができ、大きな慣性エネルギを回転系に蓄えることができる。これにより、安定して圧縮行程を乗り越すことができるので、信頼性の高い移動装置が得られる。また、乗り越しに必要な回転速度、つまり慣性エネルギを得るのに、より小さい出力のモータで良く、安価な始動装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１であるエンジンのスタータモータの構成を示す断面図である。
図２は、図１のスタータモータのハウジングおよびカバーを省略した正面図である。
図３は、図１のスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。
図４は、図１のスタータモータによる４ストロークエンジンの始動動作を示したチャートであり、（ａ）は各行程における回転負荷、（ｂ）は始動エネルギ、（ｃ）は始動動作時におけるピストン位置、（ｄ）はカムシャフトセンサ信号を示している。
図５は、本発明のスタータモータを２ストロークエンジンに適用した場合の始動動作を示したチャートであり、（ａ）は各行程における回転負荷、（ｂ）は始動エネルギ、（ｃ）は始動動作時におけるピストン位置、（ｄ）はカムシャフトセンサ信号を示している。
図６は、実施の形態２におけるスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。
図７は、実施の形態２のスタータモータによる４ストロークエンジンの始動動作を示したチャートであり、（ａ）は各行程における回転負荷、（ｂ）は始動エネルギ、（ｃ）は転流位置検出センサからのパルス信号、（ｄ）は始動動作時におけるピストン位置を示している。
図８は、逆転通電時間マップの一例を示す説明図である。
図９は、通電停止時間マップの一例を示す説明図である。
図１０は、本発明のスタータモータを２ストロークエンジンに適用した場合の始動動作を示したチャートであり、（ａ）は各行程における回転負荷、（ｂ）は始動エネルギ、（ｃ）は始動動作時におけるピストン位置、（ｄ）はカムシャフトセンサ信号を示している。
図１１は、実施の形態３におけるスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。
図１２は、本発明によるエンジン始動制御装置の機能ブロック図である。
図１３は、実施の形態３のスタータモータによる４ストロークエンジンの始動動作を示したチャートであり、（ａ）は各行程における回転負荷、（ｂ）は始動エネルギ、（ｃ）は転流位置検出センサからのパルス信号、（ｄ）は始動動作時におけるピストン位置を示している。
図１４は、本発明のエンジン始動制御装置を適用したスタータモータを２ストロークエンジンに適用した場合の始動動作を示したチャートであり、（ａ）は各行程における回転負荷、（ｂ）は始動エネルギ、（ｃ）は始動動作時におけるピストン位置、（ｄ）はカムシャフトセンサ信号を示している。
図１５は、本発明の実施の形態４であるスタータモータの制御系の構成を示すブロック図である。
図１６は、実施の形態４のスタータモータによるエンジン始動動作を示したチャートであり、（ａ）は各行程における始動負荷、（ｂ）は始動エネルギ、（ｃ）は始動動作時におけるピストン位置、（ｄ）は転流位置検出センサからのパルス信号、（ｅ）はカムシャフト信号を示している。
図１７は、実施の形態４のスタータモータによるエンジン始動動作を示したチャートであり、（ａ）はピストン位置の変化、（ｂ）はクランクシャフトの回転数の変化、（ｃ）はエネルギの変化、（ｄ）はモータ出力エネルギの変化、（ｅ）は乗り越しエネルギの変化を示している。
図１８は、実施の形態４のスタータモータによるエンジン始動時におけるエネルギの蓄積過程を示したチャートであり、（ａ）はモータの発生エネルギの変化、（ｂ）は回転系の回転エネルギの変化を示している。
図１９は、実施の形態４に関する一変形例であるエンジンのスタータモータにおける始動動作を示すチャートである。
図２０は、図１９に示した始動装置におけるエネルギの蓄積過程を示したチャートであり、（ａ）はモータの発生エネルギの変化、（ｂ）は回転系の回転エネルギの変化を示している。
図２１は、２気筒のエンジンに本発明の始動装置を適用した場合におけるチャートである。
図２２は、本発明の実施の形態５であるエンジンのスタータモータの構成を示す断面図である。
図２３は、図２２のスタータモータのハウジングおよびカバーを省略した正面図である。
図２４は、図２２および図２３に示したスタータモータの特性を示す特性線図である。
図２５は、図２２および図２３に示したスタータモータの特性の切換制御を示す特性線図である。
図２６は、本発明の実施の形態５である始動装置における制御回路を示すブロック図である。
図２７は、本発明の実施の形態５である始動装置におけるスタータモータの始動動作などを示すチャートである。
図２８は、実施の形態５に関する一変形例である始動装置におけるスタータモータの制御回路を示すブロック図である。
図２９は、図２８の変形例におけるスタータモータの始動動作などを示すチャートである。
図３０は、逆転通電時間のマップの一例を示す説明図である。
図３１は、通電停止時間のマップの一例を示す説明図である。
図３２は、図２９に示した始動動作を行うための他の制御制御装置におけるエンジン始動制御部の機能ブロック図である。
図３３は、実施の形態５に関する他の変形例である始動装置におけるスタータモータの始動動作などを示すチャートである。
図３４は、図３３に示した始動動作を行った場合における圧縮反動エネルギの蓄積状態などを示すチャートである。
図３５は、実施の形態５に関するさらに他の変形例であるエンジンのスタータモータにおける始動動作を示すチャートである。
図３６は、図３５に示した始動装置におけるエネルギの蓄積過程を示したチャートである。
【図１】
0004230116.tif 000002
【図２】
0004230116.tif 000003
【図３】
0004230116.tif 000004
【図４】
0004230116.tif 000005
【図５】
0004230116.tif 000006
【図６】
0004230116.tif 000007
【図７】
0004230116.tif 000008
【図８】
0004230116.tif 000009
【図９】
0004230116.tif 000010
【図１０】
0004230116.tif 000011
【図１１】
0004230116.tif 000012
【図１２】
0004230116.tif 000013
【図１３】
0004230116.tif 000014
【図１４】
0004230116.tif 000015
【図１５】
0004230116.tif 000016
【図１６】
0004230116.tif 000017
【図１７】
0004230116.tif 000018
【図１８】
0004230116.tif 000019
【図１９】
0004230116.tif 000020
【図２０】
0004230116.tif 000021
【図２１】
0004230116.tif 000022
【図２２】
0004230116.tif 000023
【図２３】
0004230116.tif 000024
【図２４】
0004230116.tif 000025
【図２５】
0004230116.tif 000026
【図２６】
0004230116.tif 000027
【図２７】
0004230116.tif 000028
【図２８】
0004230116.tif 000029
【図２９】
0004230116.tif 000030
【図３０】
0004230116.tif 000031
【図３１】
0004230116.tif 000032
【図３２】
0004230116.tif 000033
【図３３】
0004230116.tif 000034
【図３４】
0004230116.tif 000035
【図３５】
0004230116.tif 000036
【図３６】
0004230116.tif 000037