专利名称：发动机起动装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种在起动车辆发动机时使用的发动机起动装置，该发动机起动装置包括起动马达和用以传递起动马达动力的动力传递机构，本发明还涉及一种发动机起动方法。
背景技术：
在这类发动机装置中，发动机的曲轴与起动马达通过单向离合器而相连接。在发动机起动装置中，如果由于一些原因发动机发生反转，则有时在起动马达中会产生过量载荷。
因此，提出了一种发动机起动装置，在起动马达的输出轴上安装了防止反转离合器(例如，参看日本专利申请公开No.2003-83216)。根据该申请所公开的装置，在倒车输入断开离合器的作用下，无论发动机正转还是反转，发动机的扭矩都不会传递到起动马达。因此认为，即使发动机反转，起动马达也能保持良好状态。
发明内容
然而，不管发动机转向如何，反转断开离合器都将起动马达的输出扭矩传递到发动机。因此，即使发动机反转，但是一旦起动马达转动，则其扭矩传递给发动机，在这种情况下，起动马达使正在反转的发动机以正向旋转，因而在起动马达中产生过量载荷。由于这一过量载荷，因而发动机起动装置有风险，不仅起动电机，而且甚至在起动马达和发动机之间的动力传递部件——齿轮及单向离合器也可能会受到损坏。
因此，本发明的目的是提供一种发动机起动装置及一种发动机起动方法，它们能防止由于发动机的反向旋转所引起的起动马达、动力传递机构的损坏。
本发明的上述目的可通过具有以下部件的发动机起动装置而实现用于将扭矩传递给汽车发动机、以使发动机旋转的马达；以及用于在发动机反转时防止该马达旋转的马达控制装置。
该发动机起动装置被应用于车辆发动机。“车辆”在概念上包括客车、双轮车辆、机动自行车、以及所有的动力源为发动机的车辆。“发动机”主要指内燃机，如汽油发动机和柴油机。此外，“发动机”还包括部分包括内燃机的发动机，如混合式发动机。例如，发动机在内燃机汽缸的燃烧室中引爆并燃烧燃料，并借助于爆炸与燃烧的能量来推动活塞。一般说来，客车等的发动机的构造被设置成使活塞的往复运动经由曲轴等部件而被转变成旋转运动。附带提一下，如果将本发明的发动机起动装置应用于这样的发动机，则显而易见，燃料种类、汽缸的数目或容积、循环次数等均不受限制。
本发动机起动装置中的“马达”是用于使车辆发动机旋转的马达。而且，“旋转”并不是用于使车辆行驶的发动机的旋转。“旋转”主要指用于起动处于停止状态的发动机的发动机的旋转。然而，在混合式发动机中，当马达同时起输出动力的马达和起动马达的作用时，这是不成问题的。除了在发动机停机的一些情况之外，能够进行这种旋转来起动发动机，这种情况也包括在“旋转”的范围内。像上述的旋转，要借助于一起动装置来开始发动机的转动。像该情况中的马达，有一供起动装置用的起动马达。当起动发动机时，例如，由电池等的电力而使起动马达用电力转动，且转动动力或扭矩经由合适的传动装置而传递给发动机的曲轴，从而使发动机作机械转动。在发动机转动时，开始供油、压缩、爆燃和排气等过程，且此后，发动机无需起动装置就能自动地重复这些过程，并继续旋转，直至发出停车命令，例如驾驶员将车辆发动机关机。附带说一句，“合适的传动装置”通常是由齿轮、单向离合器等的组合而构成的传动机构。
在发动机起动装置中，“如果发动机在反转状态下运转”指发动机沿由本发明马达获得的起动旋转的方向(即正向)不同的方向旋转或转动。在通常情况下，如果发动机自动旋转，则不会发生这样的反向旋转，但是在发动机停机时，尤其是发动机刚刚停机后，反向旋转或反向转动可能发生，这是因为发动机物理上可沿二个方向旋转。附带说一句，根据发动机的特性，这种反向旋转如果换成曲轴的旋转角，它通常小于半圈。如上所述，即使稍作反向旋转也可能引起问题，如增加马达负载和损坏传动机构。
本发明的马达控制装置所进行的控制阻止马达在发动机反转状态下转动。在此情形中，“阻止”意指用电的、机械的方法或按照软件程序来阻止转动。而且，它表示一个广义的概念，它包括发动机的反转不会导致过量负荷的所有方面，诸如切断通向马达的动力分配、根据软件程序进行控制使马达不能转动、或控制马达不能物理上转动等。
根据该发动机起动装置，当发动机反转时马达不会旋转。因此，在马达中不会发生过量负荷，这样可望防止马达损坏。还可以防止传动机构损坏，如与马达及发动机相连的传动齿轮或离合器的损坏。而且，如上所述，由于可以减小传动机构的各部件的损坏的可能性，因此可以用较轻且便宜的材料、如树脂来制造传动机构，如马达和发动机之间的齿轮，从而能够在减轻重量和降低成本方面获得显著的效果。
附带说一句，本发明的发动机起动装置优选地被用于靠转动发动机钥匙而运转的起动装置，然而，本发明可应用于其它各种类型的装置。
在本发明的发动机起动装置的一个方面中，发动机起动装置还具有反向旋转检测设备，用于检测发动机是否反向运转。
在此方面中的“反转检测设备”可以直接检测到发动机的旋转方向或转动方向，或者可检测到与发动机的旋转方向对应的物体的转动方向，例如轮胎的转动方向。如果知道哪个方向传动是正向或者反向，则轮胎的旋转方向与发动机的旋转方向相对应。而且，即使原先为了另外目的而放置的设备，如用于检测车速的装置，但若根据其结构和类型可应用于检测反向旋转，则所有这类设备都可包括在本发明中的反向旋转检测设备中。
在具有反向旋转检测设备的发动机起动装置的一个方面中，反向旋转检测设备通过检测位于发动机任一汽缸内的曲轴的旋转方向来检测出发动机是否沿反向旋转。
曲轴与汽缸内的活塞相连接。如上所述，活塞重复其往复运动，且活塞将往复直线运动转变成旋转运动。因此，曲轴的转动方向与发动机的转向相对应。
作为与此方面相关的反转检测设备的一个实例，在由曲轴驱动并旋转的曲轴齿轮的齿面附近有一具有两个脉冲传感器的反转检测设备。该脉冲传感器在齿轮齿的每次通过中产生脉冲。因此，可以从这两个脉冲传感器输出的脉冲的时间间隔来检测出曲轴的旋转方向。而且，利用车速脉冲信号可测出发动机的旋转方向。
根据这一方面，可以实时检测出发动机的转向，并且可以较可靠地保护马达及周围的零件。
在本发时的发动机起动装置的另一方面中，发动机起动装置还具有反转估测设备，用以估测发动机是否反向旋转。
在发动机工作过程中，反转发生率比正转低得多，因此有时可能出现这样的情况，反转状态只显示极短时间。在这种情况下，如果试图在发动机开始反转后来检测，则有时不能测到反转本身，或者在检测反转的时刻反转已经结束。但是甚至在这样短暂时间内起动马达的转动也会损坏马达。该方面中的“估测”指一种概念，其中通过实验、经验、理论或模拟的方式，从发动机的各种机械、电气或物理条件来估测是否会发生反转。通过以此方式提前估测发动机反转，当发动机开始反转时，马达已经被禁止旋转了，从而防止了马达的损坏。
在具有反转估测设备的发动机起动装置的一个方面中，反转估测设备具有用于检测位于发动机任一汽缸中的气体压缩状态的压缩状态检测设备，并且根据由该压缩状态检测设备检测结果所获得的压缩状态来估测发动机是否会反向旋转。
这里所述的“气体”主要指气态燃料。在发动机自行旋转的情况下，重复着吸入、压缩、爆燃和排气等各过程。在发动机停机期间处在压缩过程的汽缸内，活塞在压缩气体的反作用力的作用下被推回去，而发动机反向旋转一会儿。因此，在该方面中定义的“气体的压缩状态”最低限度指两种状况，压缩气体将活塞推回去或不推回去。无疑地，“压缩状态检测设备”抽象化地说明能够最低限度判断这两种状况的东西。
而且，在压缩状态检测设备的另一方面中，该压缩状态检测设备根据任一汽缸内的曲轴的旋转角来检测气体的压缩状态。
在具有活塞与曲轴相连的方面的发动机中，曲轴的旋转角与汽缸中目前进行的过程相对应。也就是说，如果提前知道与压缩过程对应的曲轴旋转角，则可以从曲轴的旋转角检测到汽缸是否处于压缩过程。例如，在普通车辆中，通过曲轴角传感器始终在检测曲轴角，以便控制发动机的点火时间。通过从曲轴角传感器中提取信号，可以判断活塞是否处在被压缩气体的反作用力推回去的位置上。而且，对于发动机反转的检测，说明了提供两个脉冲传感器的方面，但若只有没有转向的曲轴角，则可以由一个传感器进行测量。
在本发明的发动机起动装置的另一方面中，马达控制设备控制马达，以便在车辆停车时按起动命令起动停机的发动机。
一般来说，这种控制被叫做经济运行(Eco-Run)控制，这里所述的“车辆停车”指车辆主要在使用时停车的情况，例如驾驶时在交通信号灯处停车的情况。在车辆停车状态下，发动机在经济运行控制下自动停机，在发动机停机情况下，如果进行预定动作，则发动机会被重新起动。该“预定动作”例如是踩下加速踏板预定量的动作。它说明这样一个概念，该概念包括所有的方面，即发动机起动装置能接收若干操作或动作，像用于起动发动机的命令，也就是上述的“起动命令”。
附带提一下，在进行此预定动作后，根据情况，可能出现车辆停车而起动发动机。但进行经济运行控制，提高了耗油效率，并且在确保效果的范围内，这种情况也被包括在该方面中。
在经济运行控制下，例如，当汽车停在陡斜坡上且发动机一度停机的情况，如果离合器踏板接合快于用于发动机重新起动的预定动作，则车辆向后运动，且从而发动机可能会反转。也就是说，在经济运行控制下，发动机反转的机会比一般车辆大，这增加了起动马达损坏的风险。但是根据这个方面，这样的风险被显著地降低，因此它是有效的。
而且，在经济运行控制下，发动机频频反复地停机和起动，从而如果以充电类电池用作发动机起动装置的动力，则电池的使用频率也增加。在这样的情况下，电池可能变得处于过度放电的状态，而不能起动停机的发动机。在对此情况作准备时，在经济运行控制下，进行这样的控制，监测电池的剩余蓄电量，当达到一定水平时，发出起动命令来起动发动机，而不管汽车是否有出发命令(如在汽车停车时)，从而使蓄电量保持足够水平。如上所述，在广泛意义上，基于电池蓄电量的信号输出也被包括在上述的“预定动作”内。
本发明上述目的还可借助于供发动机起动装置用的发动机起动方法来实现，该发动机起动装置具有用于将扭矩传递到车辆发动机、用以转动发动机的马达；以及用于防止在发动机反向旋转时马达发生转动的马达控制设备，该马达控制设备根据起动命令控制马达起动在车辆停车时处于停机的发动机。该发动机起动方法具有以下步骤第一步，接收起动命令；第二步，当收到起动命令时，判断发动机是否在反转；及第三步，当在第二步中判断出发动机未反转时，控制该马达以起动发动机。
本发明这些目的及其它优点将从以下的实施例的描述中清晰可见。
图1是半剖视图，概念化地示出本发明实施例的动力输出装置；图2是本发明实施例中的发动机起动装置的方块图；图3是描述发动机起动装置的操作的流程图。
具体实施例方式
下面将参看附图按次序说明本发明的最佳实施方式。
首先，将参看图1说明本发明实施例中的动力输出装置的结构和操作，该动力输出装置包括发动机起动装置、传动机构和发动机。图1概念化地示出了该动力输出装置。
在图1中，本实施例中的动力输出装置包括发动机起动装置10；传动机构100；和发动机20。
发动机起动装置10是用于旋转起动发动机20的装置，且具有起动马达12及用于控制该起动马达12操作的控制装置11。以下将说明发动机起动装置10的详细结构及操作(参看图2和图3)。
发动机20是普通的汽油发动机。为了理解方便，图1只示出一台发动机20，但是在曲轴151上连接了多台发动机20。该发动机20被构造成使得在燃烧过程中，随着曲轴151的旋转，发动机20的活塞、连杆和其它部件沿正向运动。
传动机构100被放置在发动机起动装置10和发动机20之间，且被构造成将发动机起动装置10输出的扭矩传递给发动机20，以便于起动发动机20。该传动机构100的结构大体如下。
起动齿轮轴110是用于将起动电机12的扭矩输入传动机构100的旋转轴。起动齿轮111被固定在起动齿轮轴110的周围，且能够与起动齿轮轴110沿同一方向一体转动。
副从动齿轮120与起动齿轮111啮合。该副从动齿轮120与被固定在从动齿轮轴121周围的从动齿轮122啮合。通过该从动齿轮122，从动齿轮轴121与从动齿轮122一起沿同方向转动。
中间齿轮130被固定在中间齿轮轴131周围。在该中间齿轮130与从动齿轮122中间放置有单向离合器140，该单向离合器140由轴承141及其它支承部件支承。
曲轴齿轮150与中间齿轮130啮合。该曲轴齿轮150被固定在曲轴151周围。该曲轴151随曲轴齿轮150的转动而转动。该曲轴151通过未示出的连杆和其它部件(图上均未示)而与发动机20的活塞相连接。
在上述结构的情况下，当发动机起动装置10的起动马达12转动从而起动发动机20时，该转动被转变成起动齿轮111、从动齿轮122、单向离合器141、中间齿轮130以及曲轴齿轮150的转动，并且被传递给曲轴151。通过曲轴151的旋转，发动机20起动。此时发动机20的旋转方向是发动机20的正向。
接着，将参看图2说明发动机起动装置10的结构。图2是显示发动机起动装置10的方块图。
在图2中，控制装置11是用于控制发动机起动的装置10的操作的装置。起动马达12是用于起动发动机20的马达，且被连接到未示的动力源及电线上。借助于控制装置11的控制，起动马达12沿预定方向旋转。扭矩被传递给起动齿轮轴110(图1)。
在未示的加速踏板上连接了踩下量检测装置13，该踩下量检测装置13具有检测该加速踏板的踩下量的传感功能。当加速踏板被踩下预定量或更多量时，从该踏下量检测设备13输出起动命令脉冲给控制装置11。该控制装置11接收该起动命令脉冲，作为发动机20的起动命令。
检测发动机的反向旋转有多种技术。在本实施例中，选择了检测曲轴的转向的技术。也就是说，反向旋转检测传感器14具有两个旋转脉冲传感器(它们未被示出)，用于检测曲轴151的旋转方向。如果检测到发动机20反向旋转，则这些反向旋转检测传感器14输出反向旋转检测脉冲给控制装置11。而且，转速计15是用于测量发动机20的转数或转速的装置。
接着，将参看图3说明发动机起动装置10的操作。图3示出了由控制装置11进行的发动机起动方法。附带提一下，本实施例中的发动机起动装置10用于在经济运行控制下的车辆。图3说明了借助于经济运行控制从停机状态起动发动机的发动机起动方法。
在图3中，首先，控制装置11判断有无发动机起动命令(步骤S10)。本实施例被构造成借助于踩下加速踏板预定量或者与顶量以上的量而重新起动发动机20。控制装置11以恒定的时钟时间间隔检测有无作为踩下量检测装置13的输出的起动命令脉冲。如果未测到起动命令脉冲(步骤S10否)，则控制装置11重复执行步骤10，直至测到起动命令脉冲。如果测到起动命令脉冲(步骤S10是)，则控制装置11随后判断发动机20是否反向旋转(步骤S20)。
控制装置11检测有无作为反向旋转检测传感器14的输出的反向旋转检测脉冲。如果测出反向旋转检测脉冲(步骤S20是)，则控制装置11认为发动机20正在反向旋转，并使发动机起动方法再返回到步骤S10。然后，重复步骤10和步骤20，直至反向旋转结束。如果测不到反向旋转脉冲(步骡S20否)，则控制装置11认为发动机并未沿反向旋转，并开始将动力分配到起动马达12，从而使起动马达12旋转(步骤S30)。
控制装置11被连接在未示出的若干发动机控制装置上，这些发动机控制装置用于进行向发动机20供油、点火时机控制及其它过程。如果在步骤S30下使起动马达12旋转，则起动马达12的扭矩被转变为曲轴151的旋转，并且进一步被转变为活塞的往复运动。该发动机控制装置在发动机起动装置10发出的开始旋转过程中以适当的时间间隔进行供油、点火及其它必要过程，从而使发动机20开始自发旋转。
然后，控制装置11借助于参看转速计15来确定发动机20的转数，并进行全面爆燃判断(步骤S40)。全面爆燃判断是判断发动机20的旋转是否稳定。在本实施例中，它是借助于发动机20的转数是否大于或者等于400转/分(rpm)及在恒定的周期内它是否不低于发动机的转数来判断。显然这一判断标准不限于这个方面。如果判断出发动机20的转数并不稳定(步骤S40否)，则控制装置11使发动机起动方法返回到步骡S30，并继续将动力分配给起动马达12，从而保持起动马达12的旋转。如果判断出发动机20旋转稳定(步骤S40是)，则控制装置11切断通往起动马达12的动力分配，从而使起动马达12停机(步骤S50)，并结束本实施例中的发动机起动方法。
在本实施例中，检测发动机反向旋转的方法并不局限于上述步骤S20中的示例性方面。例如，可以以下面方式检测发动机的反向旋转。
例如，可以在随发动机旋转的转动元件、如飞轮的外周附近设置两个传感器。这些传感器监测齿轮齿的通过，这些齿轮齿形成在该转动元件的外周，并且以沿其周向的规则间距布置。而且，这两个传感器的位置被设置成使它们在齿轮齿的每次通过中所产生的脉冲信号的波形相互具有相位差。在这里，各传感器的输出信号被输进运行电路，且从该运行电路中输出一偏差信号，该偏差信号通过从一个信号减去另一信号而得到。如果将该偏差信号经包括微分元件的滤波器过滤，则输出信号包括由瞬态部件产生的过大脉冲波形。过程脉冲信号通过将输出信号输入比较电路而获得，由于过大的脉冲，该信号随发动机转向而有很大变化，借助于该过大的脉冲，能够检测出发动机的转向。
而且，还可借助于曲轴角传感器和凸轮轴角传感器来检测发动机的旋转方向。例如，将由用于监测曲轴传感轮的曲轴角传感器检测到的两个不同的曲轴位置指定成由用于监测凸轮轴传感轮的凸轮轴角传感器检测到的预定凸轮轴位置。这两个曲轴位置分别与发动机的正转和反转对应。通过知道检测到的是哪个曲轴位置，可以判断出发动机的旋转方向。
而且，也可以采用以下方面。也就是在被驱动与发动机同步旋转的圆形部件的外周上放置两个指示器，且每个指示器具有不同的角宽度。在该圆形部件的外周附近设置一个传感器。该传感器产生的脉冲的时间宽度与各指示器的角宽度相对应。在此结构中，比值(a)/(b)随发动机的旋转方向而改变，其中(a)是从时间宽度较短的第一脉冲结束到时间宽度较长的第二脉冲结束的时间长度，而(b)是从第一脉冲结束到下一个第一脉冲的开始的时间长度。因此，通过对这些作比较，可以判断出发动机旋转方向是正向还是反向。
附带提一句，本实施例被设计成使得在车辆停车时，借助于踩踏加速踏板，将用于起动发动机20的起动命令输出给控制装置11。但是，如上所述，还可想到这样的情况，即，根据作为起动马达12的动力源的电池的剩余蓄电量输出起动发动机20的起动命令，从而起动起动马达12，而不依赖于踩下加速踏板。
本发明不局限于上述的实施例，而且需要时可作改变，而不脱离本发明的范围或者实质，本发明的范围或实质可从权利要求书及说明书全文中读到。与此改变相应的发动机起动装置及发动机起动方法也在本发明技术范围内。
工业适用性与本发明相关的发动机起动的装置及发动机起动方法可被应用于常见车辆中的内燃机，如动力源为发动机的客车及双轮车辆的内燃机中。
权利要求
1.一种发动机起动装置，包括马达，其用于将扭矩传递给车辆发动机，使发动机旋转；以及马达控制设备，其用于在发动机反向旋转时防止所述马达旋转。
2.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，该发动机起动装置还包括反向旋转检测设备，用于检测发动机是否反向旋转。
3.根据权利要求2所述的发动机起动装置，其中，所述反向旋转检测设备通过检测位于发动机的任一汽缸内的曲轴的旋转方向来检测发动机是否反向旋转。
4.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，该发动机起动装置还包括反向旋转估测装置，用来估测发动机是否反向旋转。
5.根据权利要求4所述的发动机起动装置，其中，所述反向旋转估测装置具有压缩状态检测设备，用于检测位于发动机的任一汽缸内的气体的压缩状态，并根据由该压缩状态检测设备的检测结果所得出的压缩状态来估测发动机是否反向旋转。
6.根据权利要求5所述的发动机起动装置，其中，所述压缩状态检测设备根据位于所述任一气缸内的曲轴的旋转角来检测气体的压缩状态。
7.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，所述马达控制设备根据起动命令来控制所述马达，以起动停车时停止工作的发动机。
8.根据权利要求1所述的发动机起动装置，其中，该发动机起动装置还包括传动机构，用于将马达的扭矩传递给发动机，其中，该传动机构包括起动齿轮部件，其包括起动齿轮和起动齿轮轴；从动齿轮部件，其包括从动齿轮和从动齿轮轴；中间齿轮部件，其包括中间齿轮和中间齿轮轴；曲轴齿轮部件，其包括曲轴齿轮和曲轴齿轮轴；以及单向离合器，所述起动齿轮部件将来自起动马达的扭矩传递给所述从动齿轮部件，该从动齿轮部件将来自起动马达的扭矩传递给所述中间齿轮部件，该中间齿轮部件将该扭矩从动齿轮部件传递给所述曲轴齿轮部件，该曲轴齿轮部件将该扭矩从该中间齿轮部件传递给发动机，而所述单向离合器则被放置在所述从动齿轮部件和所述中间齿轮部件之间。
9.一种供发动机起动装置使用的发动机起动方法，该发动机起动装置包括用于将扭矩传递给汽车发动机、以使发动机旋转的马达；以及用于当发动机反向旋转时防止该马达旋转的马达控制设备，该马达控制设备根据起动命令来控制所述马达，以起动在停车时停止工作的发动机，所述发动机起动方法包括以下步骤第一步，接收起动命令；第二步，如果接到起动命令，则判断发动机是否反向旋转；以及第三步，如果在所述第二步中判断出发动机未反向旋转，则控制所述马达以起动发动机。
全文摘要
一种发动机起动装置10，其具有一个反向旋转检测传感器14，用于检测发动机的反向旋转。有一控制装置11，用于控制发动机起动装置10，该控制装置11执行这样的控制，当反转检测传感器14检测到发动机的反向旋转时，即使收到了预定的发动机起动命令，也使起动马达12不旋转。
文档编号G01P13/04GK1875186SQ20048003193
公开日2006年12月6日 申请日期2004年11月5日 优先权日2003年11月7日
发明者浅田俊昭 申请人:丰田自动车株式会社