专利名称：发动机起动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及发动机起动装置，其包括产生辅助驱动力的电动机，该辅助驱动力用于帮助开动发动机。
背景技术：
例如，日本早期公开专利No.6-62553公开了这样一种发动机起动装置，其将例如交流电机的发电机用作电动机，由此帮助开动发动机。在此构造中，电动发电机被通电以帮助开动发动机。当发动机的转速达到预定值时，发动机开始点火并且自动旋转。通常通过控制具有切换元件的逆变器来执行电动发电机的通电和停止通电之间的切换。
当非旋转的电动发电机被通电时，由下式(1)所表示的电流(定子电流)流过电动发电机的定子。
定子电流＝电源电压/(定子电阻+线路电阻) (1)式(1)中的线路电阻是指电源和电动发电机之间除了定子外的部件的电阻。
在切换元件中，产生与定子电流的平方成比例的集电极损耗。集电极损耗产生焦耳热，这使切换元件的温度升高。另一方面，在电动发电机中转速和电流特性具有以下关系。就是说，当转速低时定子电流大，并且当转速增大时定子电流减小。因此，当起动未运行的发动机时，如果电动发电机的转速低，则产生大的定子电流，这大大升高了切换元件的温度。
如果在使用具有相对较低热阻的通用切换元件的情况下，在发动机起动期间流过大定子电流的这样一种状态持续，则元件的温度可能超过元件的额定温度。例如在发动机起动期间发动机摩擦力很大而电动发电机没有旋转(被锁止)时，可能出现这种状态。通常，如果从通电开始的预定时间段(例如，数十毫秒)中电动发电机还没有开始运行，则起动对电动发电机停止供电的供电停止功能。此功能被称为锁止保护功能。大的定子电流持续流动直到该功能被起动。
为了避免这样的缺点，已经提出具有低接通电阻或者增大的热容量的切换元件。低接通电阻切换元件被构造成减小内阻以允许大电流通过。增大的热容量切换元件可承受高温。
但是，因为低接通电阻切换元件和增大的热容量切换元件是新开发出来的，因此很贵，发动机起动装置的成本被大大地提高。所以，需要一种发动机起动装置，其消除上述缺点而不会使用这种昂贵的切换元件。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种发动机起动装置，其在大的电流通过切换元件时抑制切换元件的温度过分升高。
为了实现上述和其他目的，并且根据本发明的目的，提供了一种用于发动机的起动装置，所述发动机具有多个气缸和一个输出轴。所述装置包括电源、具有切换元件的逆变器、电动发电机、通电控制部分、点火部分、转速检测部分和通电禁止部分。电动发电机耦合到所述输出轴并且通过所述逆变器连接到所述电源。当所述发动机被起动时所述通电控制部分通过控制所述逆变器来使所述电动发电机通电。所述点火部分使得在特定气缸中发生点火以由此转动所述输出轴，所述特定气缸在发动机停机状态中容纳有空气燃油混合气并且处于膨胀冲程。转速检测部分直接或间接检测所述电动发电机的转速。在由所述点火部分产生点火后，所述通电禁止部分禁止所述通电控制部分使所述电动发电机通电，直到由所述转速检测部分检测到的所述转速达到或者超过预定值。
此外，本发明提供了一种发动机的起动方法，其中所述发动机的输出轴耦合到电动发电机。所述电动发电机通过具有切换元件的逆变器连接到电源。所述方法包括使得在特定气缸中发生点火以由此转动所述输出轴，所述特定气缸在发动机停机状态中容纳有空气燃油混合气并且处于膨胀冲程；以及在所述点火后，当所述电动发电机的转速达到或者超过预定值时，通过控制所述逆变器来使所述电动发电机通电。
从结合以示例方式图示本发明原理的附图的以下说明，本发明的其他方面和优点将变得清楚。
通过参考对当前优选实施例的以下说明以及附图，可以最好地理解本发明及其目的和优点，附图中图1是示出根据本发明第一实施例的整体构造的概要图；图2是示出与图1实施例的开动停止位置控制相关的燃油喷射正时的时序图；图3是示出图1实施例的自动发动机起动处理的流程图；图4是示出M/G的转速和起动引起的温度升高量Tm之间的关系的曲线图；和图5是示出根据第二实施例的自动发动机起动处理的一部分的流程图。
具体实施例方式
现在将参照图1至4说明根据本发明第一实施例的发动机起动装置。
图1是示出发动机起动装置、该装置所应用到的发动机11及其周围结构的概要图。首先，将说明发动机11及其周围结构。
发动机11耦合到具有变矩器12的自动变速器13。发动机11的动力通过曲轴11a、变矩器12和自动变速器13的输出轴13a传递到驱动轮(未示出)。
发动机11还耦合到各种辅助设备20，例如用于空调的压缩机、动力转向泵和用于冷却发动机11的水泵。发动机11的动力还通过耦合到曲轴11a的电磁离合器21和发动机带轮22传递到皮带23。当皮带23旋转时，耦合到辅助设备20的辅助设备带轮24被旋转。辅助设备驱动系统可以包括齿轮和链条，来代替带轮22、24和皮带23。曲轴11a随着电磁离合器21被啮合和释放而选择性地与辅助设备驱动系统连接和断开。
此外，发动机11耦合到用于开动发动机11的起动机电机30。
发动机起动装置包括电动发电机(以下称为M/G)40、逆变器41、蓄电池42和电子控制单元(ECU)43。M/G40用作发电机和电动机。逆变器40切换M/G40的功能。蓄电池42向M/G40供电。ECU43控制M/G40的操作。
M/G带轮40a耦合到M/G40的转轴，并且皮带23与M/G带轮40a配合。确定诸如M/G带轮40a和发动机带轮22的直径之类的特性，以使得M/G40的转轴例如以曲轴11a的速率的两倍来旋转。当从蓄电池42接收电能时，M/G40用作电动机并且向发动机11(曲轴11a)和辅助设备20提供转矩。当被发动机11施加的转矩驱动时，M/G40用作发电机。即，M/G40将所施加的转矩转换成电并用其对蓄电池42充电。当没有在旋转的M/G40被通电以开动时，由上述式(1)表示的定子电流流过M/G40的定子。
逆变器41包括切换元件44。切换元件44使M/G40在发电机功能和电动机功能之间切换。在此实施例中，具有相对较低热容量的便宜的绝缘栅极场效应晶体管(MOS-FET)被用作切换元件44。通常，在切换元件44中产生与定子电流的平方成比例的集电极损耗。集电极损耗产生焦耳热，这使切换元件44的温度升高。
ECU43连接到用于检测发动机11和车辆的状态的各种传感器以及各种开关。ECU43从传感器和开关接收检测信号。传感器和开关包括例如以下的这些用于检测曲轴11a的旋转角度的曲轴转角传感器51；用于检测加速踏板60的压下程度的加速踏板传感器52；用于检测加速踏板被压下的状态的加速踏板开关53；用于检测制动踏板61被压下的制动踏板开关54；用于检测自动变速器13的换档位置的换档位置传感器55；和用于检测车速的车速传感器56。
由曲轴转角传感器51检测到的曲轴11a的转角被用来计算发动机转速，其是曲轴11a每单位时间的转数。
此外，ECU43被连接到逆变器41、起动机电机30、电磁离合器21、用于喷射燃油到发动机11的气缸中的喷油器和用于点燃气缸中的空气燃油混合气的火花塞，并向它们输出致动信号。基于传感器51、52、55、56和开关53、54的检测结果，ECU43执行与发动机11的操作和车辆的驱动有关的各种控制。例如，ECU43执行发动机11的自动停机处理和自动起动处理。
在此实施例中，ECU43执行开动停止位置控制，用于与自动停机处理一起控制发动机11的曲轴11a的停止位置。
在自动起动处理中，ECU43执行膨胀冲程点火处理并且向M/G40通电。通过膨胀冲程点火处理，曲轴11a被转动，并且由此转动的曲轴11a的转矩被施加到M/G40。例如当满足全部以下自动停机的条件时，执行自动停机处理加速踏板60没有被压下；车辆没有在移动；发动机11的转速等于或者小于预定速度；蓄电池42的充电电平等于或大于预定电平；制动踏板61被压下，或者自动变速器13的换档手柄处于停车或者空档。
这些自动停机条件可以被其他条件代替。或者，可以增加其他条件。
开动停止位置控制是指这样的控制，其中当通过自动停机处理使发动机11停机时曲轴11a被停止在目标停止位置。目标停止位置是减小发动机11的下一次自动起动中的摩擦的曲轴11a的转角。在开动停止位置控制中，不执行点火。相反，M/G40帮助发动机11旋转使得曲轴11a被停止在目标停止位置。除了使用M/G40，可以提供另一个电动机以向曲轴11a施加动力，使得该电动机帮助发动机11将曲轴11a停止在目标停止位置。
如图2所示，在开动停止位置控制中，当发动机11为下一次自动起动中的膨胀冲程点火做好准备而被停机时，燃油喷射到处于膨胀冲程的气缸(在此示例中为第一气缸)中，在所述膨胀冲程中活塞向下移动。
现在将参照图3的流程图说明在发动机11的自动起动处理中一系列处理的示例。流程图所示一系列处理是在发动机11已经通过自动停机处理停机的条件下执行的。
在该系列处理中，确定是否满足自动起动条件(步骤100)。例如，当满足以下条件中的任何一项时，确定满足自动起动条件当自动变速器13的换档手柄处于驱动档时，制动踏板61被松开而加速踏板60被压下(车辆起动)；在换档手柄处于驱动档的同时，制动踏板61被松开，并且该松开状态已经持续预定时间段；从换档手柄从停车或者空档切换到另一个档位开始已经过预定时间段；车辆在以等于或者大于预定速度的速度移动。
这些自动停机条件可以被其他停机代替。或者，可以增加其他条件。
当不满足自动起动条件(步骤100为否)时，重复步骤100直到满足自动起动条件。在此情况下，即当发动机11停机时，曲轴11a和M/G40也停止。此外，在发动机11的特定气缸中，活塞在向下冲程或膨胀冲程期间被停止。在此气缸中，由于在发动机之前的停机中的开动停止位置控制，仍有刚好在曲轴11a被停止之前喷射的空气燃油混合气还没有燃烧。当在这样的发动机停机状态中满足条件(步骤100为是)时，ECU43向操作来起动发动机11的部分发送发动机起动命令(步骤101)。
在此示例中，为了执行膨胀冲程点火处理，ECU43向其中残留有空气燃油混合气的气缸(即处于膨胀冲程的气缸)的火花塞输出致动信号。所以，处于膨胀冲程的气缸的火花塞被启动(步骤102)，其燃烧气缸中的空气燃油混合气并且向下推动活塞。这以极低的速度转动曲轴11a。曲轴11a的转矩通过皮带23、带轮22、40a传递到M/G40，以转动M/G40的转轴。所以，增大了曲轴11a和M/G40的转速。
在M/G40通过膨胀冲程点火处理而开始转动后，确定M/G40的转速N是否等于或者大于预定值N1(例如，650rpm)(步骤103)。通过将由曲轴转角传感器51检测到的曲轴11a的转速(发动机转速)加倍来获得转速N。
如果转速N小于预定值N1，则重复步骤103。在此情况下，M/G40不被通电。相反，如果转速N等于或者大于预定值N1(步骤103为是)，则逆变器41被控制以向M/G40通电。这样，直到转速N达到预定值N1为止一直禁止M/G40的通电。
按照以下方式获得作为确定是否向M/G40通电的阈值的预定值N1。
以下三项属于当切换元件44被通电时影响切换元件44的温度升高的因素(i)切换元件44的环境温度环境温度Ta；(ii)由于M/G40发电引起的切换元件44的温度升高量发电引起的温度升高量Tg；和(iii)由于发动机11的自动起动引起的切换元件44的温度升高量起动引起的温度升高量Tm。
如果在M/G40通电后切换元件44的温度由T表示，当在切换元件44的温度已通过M/G40发电而升高的状态下使M/G40通电时，温度T由下式(2)表示。
T＝Ta+Tg+Tm(2)在切换元件44能够发挥预定性能的温度范围中的设计最高温度由额定温度Tspec表示。环境温度Ta、发电引起的温度升高量Tg和起动引起的温度升高量Tm的最高值分别用Tamax、Tgmax和Tmmax表示。在此示例中，假定最大值Tamax和Tgmax基本上恒定，并且使用实际测量的值。
在此情况下，为了使切换元件44发挥设计性能，必须满足下式(3)。
Tspec≥Tamax+Tgmax+Tmmax(3)当发动机11起动时切换元件44的允许温度升高量必须满足下式(4)，此式(4)是通过修改式(3)获得的。
Tspec-Tamax-Tgmax≥Tmmax(4)所以，例如如果Tspec＝150℃、Tamax＝90℃而Tgmax＝49℃(M/G40在5000rpm下具有80A的发电能力)，当发动机11起动时切换元件44的允许温度升高量(起动引起的温度升高量Tm)最多为11℃。
另一方面，M/G40的转速和电流特性具有以下关系。即，当转速N低时流过M/G40的定子的电流(定子电流)很大，并且当转速N增大时定子电流减小。此现象归因于这样的事实，即在定子中产生反电动势并且定子和电源之间的电势差减小，结果式(1)右侧的分子减小。
在切换元件44中，产生与定子电流的平方成比例的集电极损耗。集电极损耗使切换元件44的温度升高。因此，因为当M/G40的转速增大时定子电流减小，所以集电极损耗被减小。结果，如图4所示，切换元件44的起动引起的温度升高量的最大值Tmmax在M/G40的转速N减小时增大，并且在转速N增大时减小。
根据图4，当最大值Tmmax是11℃时M/G40的转速N是650rpm。所以，如果当M/G40的转速等于或者大于650rpm时M/G40被通电，则起动引起的温度升高量Tm不会超过11℃。也就是说，在发动机11的自动起动期间，如果当M/G40的转速等于或者大于650rpm时M/G40被通电，则通电后切换元件44的温度将在额定温度Tspec(150℃)的范围内。
当在步骤104中M/G40开始被通电时，M/G40用作电动机。M/G40的动力通过皮带23和带轮40a、22被传递到曲轴11a，由此帮助开动发动机11。此后，当发动机11的转速增大时，发动机11变得能够以自给方式运行。此时，停止M/G40的通电，并且完成了发动机11的自动起动控制(步骤105)。在步骤105，与发动机11的自动起动处理相关的一系列处理结束。该系列处理重复地执行直到驾驶员停止发动机11，例如直到驾驶员断开车辆的点火开关。
在由ECU43执行的发动机自动起动处理中，步骤104对应于由通电控制部分执行的处理。步骤103(只要结果是“否”就重复步骤103)对应于由通电禁止部分执行的处理。步骤102对应于由膨胀冲程点火部分执行的处理。曲轴转角传感器51对应于直接检测M/G40的转速N的转速检测部分。
根据本发明第一实施例的发动机起动装置具有以下优点。
(1)当满足自动起动条件时产生发动机起动命令。响应于此发动机起动命令，在这样的气缸中进行点火，即当上次发动机停机时该气缸中的活塞在膨胀冲程期间停止并且其中产生有空气燃油混合气。所以，该活塞被向下移动使得曲轴11a被转动(步骤102)。即使当起动发动机11耐发动机摩擦很大，这也防止M/G被锁止而不转动。
(2)在点火开始后禁止M/G40的通电直到M/G40的转速N达到或者超过预定值N1为止(步骤103为否)。
所以，虽然通常当转速N很低时M/G40的通电在定子中产生很大的定子电流，并且大大升高切换元件44的温度，但通电禁止处理防止由于定子电流而导致在切换元件44处的这种温度升高。
然后，当M/G40的转速N达到预定值N1时，允许通电，由此逆变器41被控制来使M/G40通电。所以，M/G40被转动以帮助开动发动机11。
由此，防止了切换元件44被大电流过度加热。所以，可以使用传统的便宜切换元件。换言之，不需要特殊的切换元件。这降低了成本。
(3)与M/G40的转速N相关的预定值N1被确定为与发动机11起动时切换元件44的允许温度升高量的最大值相对应。满足条件的值被设置为预定值N1，其被用作确定是否允许通电的阈值。此构造防止了切换元件44的温度超过发动机11起动时的允许温度升高量的最大值Tmmax。
(4)通过从切换元件44的额定温度Tspec中减去环境温度的最大值Tamax和由于发电引起的温度升高的最大值Tgmax，来计算项(3)中的温度升高量的最大值Tmmax，其在起动发动机11时被使用。由此获得的与最大值Tmmax相对应的转速N的值被设置为预定值N1。这确保了项(1)的优点。
(5)因为曲轴的转速和M/G40的转速N是一一对应的，所以基于由曲轴转角传感器51检测到的曲轴11a的转速来获得M/G40的转速N，并且获得的转速N被用来确定是否使M/G40通电。所以，不需要直接检测M/G的转速的传感器，这减少了部件的数量。
(6)环境温度Ta的最大值Tamax和发电温度升高量Tg的最大值Tgmax两者都是实际测量的值。最大值Tamax和Tgmax被用于获取当发动机11起动时切换元件44的允许温度升高量的最大值Tmmax。所以，不需要设置用于检测环境温度Ta和发电引起的温度升高量Tg的传感器。
(第二实施例)现在将说明根据本发明的第二实施例。将主要讨论与第一实施例的区别。
在第一实施例中，M/G40在膨胀冲程点火处理和通电处理中被转动，以自动地起动发动机11。但是，在发动机11中摩擦很大的情况下，存在这样的可能性，即，即使在紧接膨胀冲程点火处理后M/G 40的转速N变得暂时等于或者大于预定值N1，发动机11也不能够以自给方式运行并且转速N下降。在这样的情况下，在M/G40被通电后，通过切换元件44的电流也随着M/G40(曲轴11a)的转速减小而增大。所以，切换元件44的温度升高。因此，在第二实施例中，为了消除这样的缺点，即使在M/G40被通电后，当确定发动机11不能够以自给方式运行时也强制停止M/G40的通电。
下面，将参照图5说明强制停止M/G40的通电的处理示例。该处理是发动机11的自动起动处理的一部分，并且在M/G40被通电后(图3的步骤104)执行。
如图5所示，当M/G40开始被通电时(步骤104)，确定M/G40的转速N是否小于预定值N1(步骤110)。即，在步骤110确定发动机11是否能够以自给方式运行。步骤110的确定被重复执行直到从M/G40开始被通电起经过预定时间段为止。预定时间段对应于从M/G40开始被通电时到发动机11变得能够以自给方式运行时的时间段。如果在步骤110处直到经过预定时间段M/G40的转速N都没有降到预定值N1之下(步骤110为否)，则假定发动机11在以自给方式运行。所以，发动机11的自动起动完成(步骤105)，并且一系列处理结束。
另一方面，如果在步骤110处在经过预定时间段之前确定M/G40的转速N已经降到预定值N1之下(步骤110为是)，则不假定发动机11在以自给方式运行。所以，强制停止M/G40的通电(步骤111)。此外，基本上在停止通电的同时，向起动机电机30供电(步骤112)。这启动了起动机电机30，其又开始开动发动机11。
此后，当发动机11的转速增大时，发动机11变得能够以自给方式运行。此时，停止起动机电机30的通电，并且发动机11的自动起动控制完成(步骤105)。在步骤105处，与发动机11的自动起动处理相关的一系列处理结束。
由ECU43执行的在自动起动处理期间的步骤110和111对应于由通电停止部分所执行的处理。
除了第一实施例中项(1)至(6)所列举的优点，根据第二实施例的发动机起动装置提供了以下优点。
(7)在M/G40开始被通电后当M/G40的转速N降低到预定值N1之下时强制停止M/G40的通电(步骤110和111)。所以，在因为转速N曾经达到过预定值N1而已经开始通电，但由于某种原因转速N降低到预定值N1之下的情况下，防止了切换元件44被大电流过度加热。在这点上，第二实施例通过消除对特殊切换设备的需要而确保了成本的降低。
(8)在M/G40的通电被强制停止后，发动机11由起动机电机30开动(步骤112)。所以，如果发动机11不能由M/G40的转矩起动，发动机11也容易被起动。
(其他实施例)上述实施例可以被修改如下。
在上述实施例中，可以设置温度传感器，用于检测切换元件44附近的环境温度，例如外部温度或者冷却剂温度(当逆变器41是水冷式时)。在此情况下，在发动机11的自动起动控制期间，由增加的温度传感器所检测的温度被用作环境温度Ta。每次检测到环境温度Ta时都计算预定值N1。类似地，可以设置温度传感器，用于检测切换元件44的温度。在此情况下，发电引起的温度升高量Tg由增加的温度传感器检测，以计算预定值N1。所以，预定值N1的范围被扩展到相对较低的值。
在图示实施例中，可以设置传感器用于直接检测M/G40的转速N。在此情况下，基于所增加传感器的检测值来执行步骤103和110中至少一个步骤的确定。
M/G40以两倍于曲轴11a的速率转动。所以，图3的步骤103可以被改变成确定发动机转速是否等于或者大于N1/2(rpm)。类似地，图5的步骤110可以被改变成确定发动机转速是否小于N1/2(rpm)。
所以，本示例和实施例应当被视为举例说明性的而非限制性的，并且本发明不限于此处给出的细节，而可以在所附权利要求的范围和等价方案内被修改。
权利要求
1.一种用于发动机的起动装置，所述发动机具有多个气缸和一个输出轴，所述装置包括电源；具有切换元件的逆变器；耦合到所述输出轴并且通过所述逆变器连接到所述电源的电动发电机；和通电控制部分，当所述发动机被起动时所述通电控制部分通过控制所述逆变器来使所述电动发电机通电，所述装置的特征在于包括点火部分，其中，所述点火部分使得在特定气缸中发生点火以由此转动所述输出轴，所述特定气缸在发动机停机状态中容纳有空气燃油混合气并且处于膨胀冲程；转速检测部分，其直接或间接检测所述电动发电机的转速；和通电禁止部分，其中，在由所述点火部分产生点火后，所述通电禁止部分禁止所述通电控制部分使所述电动发电机通电，直到由所述转速检测部分检测到的所述转速达到或者超过预定值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预定值被设置成当起动所述发动机时由所述电动发电机的通电引起的所述切换元件的允许温度升高量的最大值。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，通过从所述切换元件的额定温度减去所述切换元件的环境温度的最大值和由于发电引起的所述切换元件的温度升高的最大值，来计算所述最大值。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于包括通电停止部分，其中，在所述通电控制部分开始使所述电动发电机通电后，当由所述转速检测部分检测到的所述转速降低到所述预定值之下时，所述通电停止部分使得所述通电控制部分停止使所述电动发电机通电。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于包括耦合到所述发电机的所述输出轴的起动机电机，其中当所述通电停止部分停止使所述电动发电机通电时所述起动机电机被启动。
6.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于当满足预定的自动停机条件时所述发动机被自动地停机，并且其中，当所述发动机被自动地停机后满足预定的自动起动条件时，所述点火部分使得在所述特定气缸中发生点火。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，当所述发动机被自动地停机时，燃油被供应到在发动机停机状态中处于膨胀冲程的所述特定气缸。
8.一种发动机的起动方法，其中所述发动机的输出轴耦合到电动发电机，并且其中所述电动发电机通过具有切换元件的逆变器连接到电源，所述方法的特征在于使得在特定气缸中发生点火以由此转动所述输出轴，所述特定气缸在发动机停机状态中容纳有空气燃油混合气并且处于膨胀冲程；以及在所述点火后，当所述电动发电机的转速达到或者超过预定值时，通过控制所述逆变器来使所述电动发电机通电。
全文摘要
本发明公开了一种用于发动机的起动装置，所述发动机具有多个气缸和一个输出轴。所述装置包括电源、具有切换元件的逆变器、电动发电机、ECU和曲轴转角传感器。电动发电机耦合到输出轴并通过逆变器连接到电源。当发动机被起动时ECU通过控制逆变器来使所述电动发电机通电。ECU使得在特定气缸中发生点火，所述特定气缸在发动机停机状态中容纳有空气燃油混合气并且处于膨胀冲程。曲轴转角传感器间接检测所述电动发电机的转速。在产生点火后，ECU禁止所述电动发电机通电，直到检测到的转速达到或者超过预定值。结果，此装置抑制了切换元件温度的过度升高。
文档编号F02N99/00GK1690394SQ20051006619
公开日2005年11月2日 申请日期2005年4月21日 优先权日2004年4月23日
发明者久须美秀年, 三田井贤太郎 申请人:丰田自动车株式会社