JP2004162707A - 内燃機関の停止制御方法及びその方法を実行するのに適した内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スターター無しの直接始動に適した内燃機関の停止制御方法及び、その方法を実行するのに適した内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関1の停止命令の後、比較的、大量の新気が内燃機関1の燃焼室2内へ吸引されるのを可能とするために、吸気システム内のスロットル弁8が再度、開放される。これは、内燃機関1が静止状態になるまで減速する間に、燃焼室2内のガス力を増大し、内燃機関1が制御された態様で停止され得るようにする。同時に、残留している可能性のある燃焼生成物が内燃機関1の燃焼室2から排出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の停止制御方法及び、その方法を実行するのに適した内燃機関に関する。

現代の内燃機関を停止状態から補機なしに始動することは、通常、不可能である。吸気行程中に燃料が空気中へ供給される内燃機関の気筒内では、通常、停止中には着火可能な空気と燃料との混合気が存在しないか、あっても非常に少なく、火花点火ユニットの着火源を作動させるだけでは、燃焼過程を開始するのに充分ではない。そのため、内燃機関の回転速度をいわゆる始動速度まで昇速させるために、通常、電気的に駆動される補助駆動装置、すなわちスターターが用いられる。この速度において、着火可能な混合気が充分に気筒内に吸引され、火花点火装置により着火されて、内燃機関は始動する。そして、スターターは停止して、内燃機関は、自身の動力で回転を続ける。

通常、少なくとも一つの気筒に高圧で噴射される燃料が、少なくとも一つの気筒に直接、噴射される内燃機関の場合には、状況が異なる。内燃機関が停止中のときに、燃料が気筒の一つ又は複数に噴射され、それに続いて着火されれば、それにより生じる燃焼ガスの力は、対応するピストンを動かすのに充分なものとなり得る。そして、ピストンの運動が、コネクティング・ロッドを経由してクランクシャフトに角運動量を生じ、この角運動量は、内燃機関が通常のサイクルを継続するのに充分なものとなり得る。このようにして、内燃機関は、スターターを用いることなく、直接、始動することが出来る。

しかしながら、上述のように、内燃機関を直接、始動するのを可能とするためには、複数の前提条件が満たされていなければならない。例えば、内燃機関の気筒の少なくとも一つのピストンは、燃料噴射とそれに続く空気燃料混合気の着火とによって、実際に、その気筒内のピストンの運動につながるような位置に位置すべきである。そのため、4サイクルの内燃機関の場合、ピストンは膨張若しくは仕事行程に位置しなければならず、少なくとも一つの排気弁が未だ開いていない、という状態でなければならない。例えば、これは、上死点（top dead center: TDC）後、約5〜10度のクランク角の位置である。クランク角がTDC前、約5〜10度の位置の場合でも、ピストンは動くが、クランクシャフトは、所望の回転方向から逆に動くことになる。例えば、特許文献１には、エンジンの直接始動の方法について記載されている。この特許文献１では、シリンダー及びピストンにより形成される燃焼室のうち、仕事行程（膨張行程）にあり、充分な容積の空気を保持している適切なものが特定されるようになっている。そして、所定量の燃料が噴射され着火される。しかしながら、特許文献１は、内燃機関を始動するためには、比較的小型のものであったとしても、スターターが必要と考えるものである。

特許文献２においては、多少、異なる取組みが選択されている。具体的には、クランクシャフトに直接、取り付けられたスターター・モーターにより、クランクシャフトを好ましい位置まで回転させている。このスターター・モーターは、始動後には、発電機として機能する、スターター発電機と呼ばれるものである。上記の好ましい位置においては、燃料を噴射し続いてそれを着火するという上述の方法を用いて、内燃機関の始動をかなり容易にすることが可能である。

特許文献３においては、内燃機関が停止するときに、ピストンを所望の位置まで動かすことにより、所望のピストン停止位置とすることができる。内燃機関は、点火及び燃料供給が中止された後でも、摩擦力及びガス力（圧縮反力）により静止状態になるまで、慣性モーメントによって、数回転は運動し続けるため、例えば、制御された態様で内燃機関を停止させる、補助駆動部を用いることによりクランクシャフトを回転させる、又は内燃機関が停止するまでの停止動作中に別の仕事サイクルを実行する、ことにより、直接始動に適した位置へ内燃機関のピストンを到達させることが可能である。

しかしながら、上述の方法には、補助的運転を用いることにより直接始動を実行するために、又は内燃機関の始動を容易にするために、ピストンを好ましい位置に到達させることのみに焦点を当てている、という問題点がある。エンジン始動の過程において、比較的、多量の燃焼生成物が気筒内にまだ残っている場合には、始動自体は後で可能としても、気筒内の酸素が欠乏した状態で上述の方法を用いて内燃機関を直接、始動させるのは不可能である、という事実が見逃されている。
独国特許出願公開１９８３５０４５号明細書 独国特許出願公開１９７１７４９７号明細書 国際公開第０１／４８３７３号パンフレット

このような背景に対して、直接始動のために、簡単な手段を用いて内燃機関の停止制御を行うと同時に、内燃機関の燃焼室内に酸素を最大限、残すことの出来る方法を開発すること、またこの方法を実行するのに適した内燃機関を開発することが本発明の目的である。

この目的は、請求項１の構成を有する方法と、請求項８の構成を備える内燃機関とにより、達成される。更なる改良が、従属項に含まれている。

本発明による火花点火式内燃機関の停止制御は、内燃機関が停止状態になるまで減速するとき、気筒の内圧を圧縮行程及び仕事行程（膨張行程）において出来るだけ高くすることができるという特徴を有している。これは、火花点火及び燃料供給を停止した後で、あらかじめ閉じられていたスロットル弁を所定の回転角度だけ少なくとも一回、開くことにより達成される。本発明の方法における停止動作過程の間（内燃機関1への停止命令後、完全に停止するまで）には、スロットル弁が閉じた状態で内燃機関を停止させる従来の方法と比較して、かなり多くの新気が気筒内に供給される。これは、内燃機関が静止状態になるまで減速しているときに、スロットル弁を閉じた状態で静止状態になるまで減速するような内燃機関の気筒内圧と比較して、圧縮行程で気筒内圧がかなり高められる、ということを意味する。例えば、スロットル弁が閉じた状態での気筒内圧は通常、5バールであるのに対し、スロットル弁が全開状態での気筒内圧は、例えば20バールである。気筒内圧の増大の結果、ガス力（圧縮反力）が高まる一方、摩擦力の変化は、僅かである。そのため、ガス力の摩擦力に対する比は、大きくなる。ガス力は、クランク角度に応じて変化する。ガス力は、それぞれの上死点（高圧TDC）で最大となる。膨張気筒と圧縮気筒のガス力の平衡は、TDC後、約90度のクランク角度（膨張気筒のクランク角度）で生じる。この角度位置は、続く再始動に好適であるので、有利な停止位置である。それゆえに、高いガス力が、直接始動に適した停止位置に好適となる。更にまた、スロットル弁が開いていることで、残留する可能性のある燃焼生成物が、内燃機関に流れ込む新気により、内燃機関の燃焼室から取り除かれる、という利点がある。これは、燃焼室への燃料の噴射及び生成された燃料／空気の混合気への着火を含む直接始動の際に、十分な量の酸素を燃料の燃焼に利用できるということを、確実なものとする。

しかしながら、スロットル弁を持たないが、個別かつ独立して作動させることが出来るガス交換弁を持つ内燃機関の場合には、ガス交換弁を適切に動作させることにより、上述の方法を実行することが出来る。ここでは、最終的に、スロットル弁又はガス交換弁の可変機構が、内燃機関への空気の供給を制御する可変ガス・メータリング・システムとして機能する。

内燃機関が静止状態まで減速している際にスロットル弁が開いていると、内燃機関の振動又はバッキング（bucking）によって快適性に問題を生じることがあり得る。本発明の好ましい実施形態において、エンジンがオフに切換えられた後、短期間だけ、気筒を新気で掃気するためにスロットル弁が開かれる。その後、エンジンが静止状態になるまで減速している間、内燃機関がより緩やかに減速するように、スロットル弁が少なくとも一回、閉じられる。内燃機関が完全に停止する前の適切な時期に、エンジンが制御された静止状態になるのを確実なものとするために、スロットル弁がもう一度、開かれる。同時に、燃焼室への新気の供給が再び最大になる。

本発明の実施形態の一つによれば、スロットル弁を作動させるために、内燃機関の回転速度に基づいて生成される回転速度信号が用いられる。内燃機関が静止状態になるまで減速しているときに、例えば、特定の回転速度を下回っていれば、スロットル弁を上記のように開閉することが可能である。そのようにして、上述のような方法を、単純な手段により実現することが出来る。

本発明の別の実施形態において、内燃機関の吸気管又は吸気系において、負圧が計測される。このようにして生成された負圧信号は、同じように、スロットル弁を動作させるのに用いることが出来る。それゆえに、例えば、内燃機関が静止状態になる少し前に、最小の負圧に達したときには、スロットル弁を閉じるための信号が生成される一方、あらかじめ定められた最大負圧に達したときには、スロットル弁を開く信号が生成されうる。直噴式内燃機関では、適切な圧力信号が既に判明している場合が多いので、この変形例を実施するのは容易である。

本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、クランクシャフト又はカムシャフトの回転角に基づいてそれぞれ生成される回転角信号が、スロットル弁を作動させるために用いられる。各回転角信号が統合されるならば、例えば最終点火後のカムシャフト又はクランクシャフトの回転の回数を確認することが出来る。このようにして、例えば、スロットル弁の開閉を、所定回転回数後に行うことが出来る。余分なセンサー等を必要としないこの方法は、実施するのに簡便であり有利である。

更に、先に述べたように、内燃機関が静止状態となる少し前に、再びスロットル弁が開かれるならば、有利である。第１に、内燃機関を制御しながら静止させるために、後でエンジンが停止したときに最終的に圧縮気筒となる気筒の吸気行程中にスロットル弁を開くのが有利である。第２に、エンジンが停止したときに最終的に膨張気筒となる気筒に最大限に新気が供給されて、直接始動のための充分な新気がこの気筒内に存在するように、この気筒の吸気行程の間にスロットル弁を開くのが有利である。

本発明は更に、上述の方法の少なくとも一つを実施するのに適した内燃機関に関する。ここで、内燃機関は、気筒とピストンとにより形成される少なくとも一つの燃焼室、吸気系及び吸気流に調整する機器、を有する。これは、例えば、スロットル弁である。しかしながら、吸気弁の別個に独立した制御装置もまた、上述の方法を実施するのに適している。

図１は、内燃機関1の横断面図を示している。燃焼室2は、ピストン4及びシリンダー・ヘッド5により構成される気筒3によって形成される。空気は、スロットル弁8及び吸気ダクト9を通り、吸気弁10を経由して、燃焼室2へと進む。燃料は、既知の態様で仕事行程中に噴射ノズル14によって燃焼室2内へ噴射され、続いて既知の態様で、点火プラグ13からの点火火花を用いる火花点火システムにより点火される。燃焼室2内で生成された空気／燃料の混合気の燃焼中に発生するガス力が、既知の態様でピストン5を下方に動かし、そして既知の態様でコネクティング・ロッド6及びクランクシャフト7を用いてピストン5の運動をクランクシャフト7の回転運動へ変換する。燃焼後に、燃焼生成物が、排気弁11及び排気通路12を通って内燃機関1から出る。クランクシャフトの回転方向を矢印で示す。

本発明によれば、内燃機関1が停止命令を受けた後、すなわち、噴射ノズル14による燃焼室2内への燃料噴射の停止及び火花点火ユニット停止の少なくとも一方の後、スロットル弁8が、所定期間、開かれる。これは、内燃機関1が静止状態になるまで減速している期間すべての場合もあれば、一定期間だけの場合やクランクシャフト7の数回転の間だけの場合もある。更に言えば、スロットル弁8の開度を変更することも可能である。例えば、開度としては、15度が充分なものと考えられる。気筒内を下死点に向かって移動するピストン4の動作により燃焼室2内へ吸引される新気は、スロットル弁8が閉じている場合よりも、かなり多い。これにより、圧縮行程中の燃焼室2内の気筒内圧がかなり上昇することによって、内燃機関1を好ましいクランク角度で停止させることができる。同時に、新気の供給量を増加させることによって、燃焼室2内に残っている可能性のある燃焼生成物が、排気弁11と排気通路12を通って、燃焼室2内から排出される。

図２は、4気筒内燃機関が静止状態まで減速する過程を示すグラフである。この図２には、回転クランクシャフト角度に対する、第１気筒から第４気筒までの吸気弁（EV #1〜EV #4）の開閉、第１気筒から第４気筒までの排気弁（AV #1〜AV #4）の開閉、吸気管圧力又は吸気圧、スロットル弁位置、内燃機関の回転速度、及び停止命令後に内燃機関が静止状態に至るまでの時間との関係がプロットされている。

内燃機関１への停止命令後、本発明に従い、スロットル弁8は、所定値（閉位置に対して、例えば15度）まで出来るだけ迅速に開かれる。しかしながら、全開又は中間位置も考えられないことはない。ここで、スロットル弁8を15度だけ開くことによって、内燃機関1内へ流れ込む新気量は増大し、吸気管内の絶対圧が、約0.3 barから0.8 barへ上昇する。このようにして、燃焼室2が新気で掃気される。内燃機関1の回転速度は、摩擦力とガス交換仕事により、同時かつ継続的に降下する。エンジンが静止状態まで減速している間に生じる上述のノイズ及び快適性の問題を改善するために、一定期間後又は一定のクランクシャフト回転後に、再びスロットル弁8を閉じる。図示の例において、スロットル弁8は、開いた後、クランクシャフト7の2回転後に再び閉じられている。本発明によれば、内燃機関1が停止する前の適切な時期に、新気が気筒内に再度、吸入されるべきで、その結果として、内燃機関1が、制御された態様によって所望のクランクシャフト位置で静止状態になるようにするべきである。ここで、上述のように、例えば、回転速度、吸気圧又は停止命令後のクランクシャフト角度から、この気筒を特定するための適切な信号を得ることが出来る。図示のグラフにおいて、停止命令後、5回のクランクシャフト回転後又はクランクシャフト角度で1800度が経過した後で、スロットル弁8が、制御された態様で再度、開放される。この時点で第１気筒の吸気弁（EV #1）が開放されているため、本発明により、第１気筒が一杯になるまで新気を吸引し、その結果として、圧縮抵抗を高め、エンジンを所望のクランクシャフト位置で静止させる。

吸気システムとスロットル弁を備える内燃機関の概略断面図である。 停止動作過程において、クランクシャフトの回転角度に対する、各気筒の吸・排気弁の開閉、吸気圧、スロットル弁位置、回転速度及び停止命令後から停止までの時間を示すグラフである。

符号の説明

1 内燃機関（火花点火式内燃機関）
2 燃焼室
3 シリンダー
8 スロットル弁
9 吸気ダクト
10 吸気弁

Claims (8)

1. シリンダー及びピストンにより形成された燃焼室を少なくとも一つ備えていて、少なくとも一つのスロットル弁及びガス・メータリング・システムの少なくとも一方を有する燃焼空気吸入システムと、エンジン制御器と、を備える火花点火式内燃機関の停止制御方法であって、
   上記内燃機関が停止するまでの停止動作中に、上記スロットル弁又は上記ガス・メータリング・システムのいずれか一方が、少なくとも一度、開放される、方法。
2. 上記内燃機関の停止動作中に、上記スロットル弁または上記ガス・メータリング・システムのいずれか一方が、少なくとも一度、閉じられる、請求項１に記載の方法。
3. 上記スロットル弁または上記ガス・メータリング・システムのいずれか一方を作動させるために、上記内燃機関の回転速度に基づいて生成される回転速度信号が用いられる、請求項１又は２のいずれか一つに記載の方法。
4. 上記スロットル弁または上記ガス・メータリング・システムのいずれか一方を作動させるために、上記内燃機関の吸気管または吸気系のいずれか一方で計測された負圧に基づいて生成される負圧信号が用いられる、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
5. 上記スロットル弁または上記ガス・メータリング・システムのいずれか一方を作動させるために、クランクシャフト又はカムシャフトのいずれか一方の回転角に基づいて生成される回転角信号が用いられる、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法。
6. 上記内燃機関の停止時に圧縮行程にある気筒が該内燃機関の停止前に迎える最後の吸気行程において、上記スロットル弁または上記ガス・メータリング・システムのいずれか一方が開放される、請求項１乃至５のいずれか一つに記載の方法。
7. 上記内燃機関の停止時に膨張行程にある気筒が該内燃機関の停止前に迎える最後の吸気行程において、上記スロットル弁または上記ガス・メータリング・システムのいずれか一方が開放される、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。
8. 上記請求項１乃至７のうちの少なくとも一つに記載の方法が実行される内燃機関。

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