JP2006299997A - 内燃機関の始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機関再始動条件成立後できるだけ早く且つ確実に内燃機関を再始動させることができる内燃機関の始動装置を提供する。
【解決手段】 筒内に直接的に燃料噴射を行う燃料噴射弁２１と、筒内の混合気への点火を行う点火栓２０とを具備し、機関停止条件が成立したときには燃料噴射弁からの燃料噴射及び点火栓による点火を停止する内燃機関の始動装置において、機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合、機関再始動条件成立時に膨張行程の途中にある膨張行程気筒に燃料噴射弁から燃料噴射を行う共に点火栓によって膨張行程気筒内の混合気への点火を行う。
【選択図】 図９

Description

本発明は、内燃機関の始動装置に関する。

近年、燃費低減及びＣＯ₂排出量の抑制等を目的として、内燃機関を搭載した車両の停車中等に内燃機関の運転を自動的に停止させると共に当該車両が再び発進するときに内燃機関を自動的に再始動させる制御（以下、「エコラン制御」と称す）を行う筒内直噴型火花点火式内燃機関が開発されている。斯かるエコラン制御中においては、例えば、車両の停車中であって運転者によるアクセルペダルの踏込み量が零である場合等に機関停止条件が成立し、燃料噴射弁からの燃料の供給や点火栓による点火が中止される。その後、アクセルペダルが踏込まれた場合等に機関再始動条件が成立し、再び内燃機関が作動せしめられる。

ところで、機関停止条件が成立して燃料の供給や点火等の内燃機関の作動が中止されても、内燃機関の回転（すなわち、クランクシャフトの回転）は直ぐに停止するわけではなく、慣性力等により機関停止条件成立から或る程度の期間に亘って回転が維持せしめられる。斯かる期間中に機関再始動条件が成立すると、内燃機関の回転が完全に停止していないうちに再び内燃機関を始動することが必要となる。

特許文献１に記載の装置では、機関停止条件成立後、内燃機関の回転が完全には停止していないときに機関再始動条件が成立した場合には、機関再始動条件成立時に圧縮行程の途中にある気筒（以下、「圧縮行程気筒」と称す）に燃料を供給することで、機関再始動条件が成立してからできるだけ早期に内燃機関の回転を回復させるようにしている。

特開２００２−１４７２６４号 特開２００４−３００９６２号

ところで、引用文献１に記載されているように、圧縮行程気筒に燃料を供給することで内燃機関を再始動させる場合、圧縮行程気筒内の混合気への点火を行うためにはクランク角が圧縮行程気筒についての圧縮上死点を越える必要がある。これは、クランク角が圧縮行程気筒についての圧縮上死点を越える前に点火を行ってしまうと、クランク角が圧縮上死点を越える前に気筒内での燃焼が起こり、その結果、内燃機関が逆回転してしまうことがあるためである。

このため、引用文献１に記載の装置では、機関再始動条件が成立してからクランク角が圧縮行程気筒についての圧縮上死点を越えるまで混合気への点火が行われず、機関再始動条件が成立してから実際に圧縮行程気筒において爆発が起こるまでに時間がかかってしまう。さらに、機関再始動条件成立時に機関回転数が低い場合、すなわち内燃機関の回転による慣性力が小さい場合には、クランク角が圧縮行程気筒についての圧縮上死点を越えることなく内燃機関が停止してしまい、圧縮行程気筒に燃料を供給したにも関わらず当該気筒において爆発を起こさせることができない。

そこで、本発明の目的は、機関再始動条件成立後できるだけ早く且つ確実に内燃機関を再始動させることができる内燃機関の始動装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、筒内に直接的に燃料噴射を行う燃料噴射弁と、筒内の混合気への点火を行う点火栓とを具備し、機関停止条件が成立したときには上記燃料噴射弁からの燃料噴射及び点火栓による点火を中止する内燃機関の始動装置において、機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合、機関再始動条件成立時に膨張行程の途中にある膨張行程気筒に上記燃料噴射弁から燃料噴射を行う共に上記点火栓によって膨張行程気筒内の混合気への点火を行う。
第１の発明によれば、機関再始動条件成立時に膨張行程気筒に燃料噴射及び点火が行われるため、膨張行程気筒において膨張行程中に混合気の燃焼・爆発が起こる。このため、機関再始動条件成立直後に燃焼・爆発により内燃機関に駆動力を与えることができる。

第２の発明では、第１の発明において、上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合であっても、機関再始動条件成立時に内燃機関が逆回転しているときには少なくとも膨張行程気筒内の混合気への点火を行わない。
なお、上記場合であって機関再始動条件成立時に内燃機関が逆回転しているときには、膨張行程気筒内の混合気への点火だけでなく、膨張行程気筒への燃料噴射弁からの燃料噴射をも中止するようにしてもよい。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合、上記膨張行程気筒に対する燃料噴射及び該膨張行程気筒内の混合気への点火に加えて、機関再始動条件成立時に圧縮行程の途中にある圧縮行程気筒にも圧縮行程中に燃料噴射を行う。

第４の発明では、第３の発明において、上記圧縮行程気筒に圧縮行程中に燃料噴射を行った場合には、該圧縮行程気筒について圧縮上死点において又は圧縮上死点経過後において混合気への点火を行う。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合であっても、機関再始動条件成立時に上記膨張行程気筒の排気弁が開弁しているときには該膨張行程気筒への燃料噴射及び該膨張行程気筒内の混合気への点火を行わない。

第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、機関再始動条件成立時に吸気行程の途中にある気筒及びそれ以降に吸気行程となる気筒については、通常の時期に燃料噴射が行われる。

第７の発明では、第１〜第６の発明において、機関再始動条件成立時に吸気行程の途中にある気筒及びそれ以降に吸気行程となる気筒については、通常の時期に点火が行われる。

第８の発明では、第１〜第７のいずれか一つの発明において、上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合には、少なくとも上記膨張行程気筒の排気弁の開弁時期を遅角させる。

第９の発明では、第１〜第８のいずれか一つの発明において、上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合には、少なくとも上記圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁時期を遅角させる。

本発明によれば、機関再始動条件成立直後に燃焼・爆発により内燃機関に駆動力を与えることができるため、機関再始動条件成立後できるだけ早く且つ確実に内燃機関を再始動させることができる。

図１を参照すると、機関本体１は複数の、例えば４つの気筒１ａを具備する。各気筒１ａはそれぞれ対応する吸気枝管２を介してサージタンク３に連結され、サージタンク３は吸気ダクト４を介してエアクリーナ５に連結される。吸気ダクト４内にはアクチュエータ６により駆動されるスロットル弁７が配置される。また、各気筒１ａは排気マニホルド８及び排気管９を介し、排気浄化触媒１０を内蔵した触媒コンバータ１１に連結される。なお、図１に示される内燃機関では、＃１−＃３−＃４−＃２の順で燃焼が行われる。

各気筒１ａについて詳しく示す図２を参照すると、１２はシリンダブロック、１３はシリンダブロック１２上に固定されたシリンダヘッド、１４はシリンダブロック１２内で往復動するピストン、１５はピストン１４とシリンダヘッド１３との間に形成された燃焼室、１６は一対の吸気ポート、１７は一対の吸気弁、１８は一対の排気ポート、１９は一対の排気弁をそれぞれ示している。シリンダヘッド１３の内壁面の中央部には点火栓２０が配置され、シリンダヘッド１３内壁面周辺部には燃料噴射弁２１が配置される。

各気筒の吸気弁１７は吸気弁駆動装置２２により開閉駆動される。この吸気弁駆動装置２２は、カムシャフトと、クランク角に対するカムシャフトの回転角を進角側と遅角側にとの間で選択的に切り換えるための切換機構とを具備する。カムシャフトの回転角が進角されると図２にＡＤで示されるように吸気弁１７の開弁時期ＶＯ及び閉弁時期ＶＣが進角され、従って開閉弁時期が進角される。一方、カムシャフトの回転角が遅角されると図２にＲＴで示されるように吸気弁１７の開弁時期ＶＯ及び閉弁時期ＶＣが遅角され、従って開閉弁時期が遅角される。この場合、吸気弁１７のリフト量及び作用角（開閉弁期間）が保持されつつ位相角（開閉弁時期）が変更される。図１に示される内燃機関では、カムシャフトの回転角は機関運転状態に応じて進角側又は遅角側に切り換えられる。なお、吸気弁１７の開弁時期が連続的に変更される場合や、リフト量又は作用角が変更される場合にも本発明を適用することができる。

また、各気筒の排気弁１８は排気弁駆動装置２３により開閉駆動される。排気弁駆動装置２３も吸気弁駆動装置２２と同様にカムシャフトと切換機構とを具備し、この排気弁駆動装置２３により排気弁１９も吸気弁１７と同様に位相角が変更せしめられる。

再び図１を参照すると、クランクシャフト２５には図示しないクラッチを介して電気モータ２６が連結可能になっている。この電気モータ２６は例えばいわゆるスタータモータから形成することもできるし、クランクシャフト２５により回転駆動されて発電する発電機能を備えた電気モータから形成することもできる。

クランクシャフト２５にはロータ２７が固定されており、このロータ２７には例えば１歯だけ欠歯した３５歯の突起が１０°間隔で形成されている。これら突起に対面して電磁ピックアップからなるクランク角センサ２８が配置される。このクランク角センサ２８はロータ２７の突起がクランク角センサ２８を通過する毎に出力パルスを発生する。欠歯部分がクランク角センサ２８と対面したときに例えば１番気筒が上死点にあるように欠歯部分が形成されており、従って欠歯部分を表す信号が検出されたときにはクランク角が０°クランク角（ＣＡ）であることがわかる。このため、順次発生する出力パルスに応じてクランク角を求めることができる。また、欠歯部分を表す信号が出力されてから次にこの信号が出力されるまでの時間、即ちクランクシャフト２５が１回転するのに要した時間から機関回転数を求めることができる。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、電源が常時接続されているＢ−ＲＡＭ３５（バックアップＲＡＭ）、入力ポート３６、及び出力ポート３７を具備する。機関本体１には機関冷却水温を表す出力電圧を発生する水温センサ４０が取り付けられる。

また、アクセルペダル（図示せず）にはアクセルペダルの踏込み量を表す出力電圧を発生するアクセル踏込み量センサ４１が取り付けられる。これらセンサ４０、４１の出力信号は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６にそれぞれ入力される。更に、入力ポート３６には上述したクランク角センサ２８と、オンにされていることを表す出力パルスを発生するイグニッション（ＩＧ）スイッチ４２と、オンにされていることを表す出力パルスを発生するキースイッチ４３とが接続される。これらイグニッションスイッチ４２及びキースイッチ４３は内燃機関を搭載した車両の運転者によって操作される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介してアクチュエータ６、燃料噴射弁２１、点火栓２０、及び電気モータ２６にそれぞれ接続される。

本実施形態の内燃機関は、通常運転時において、吸気行程中に燃料を噴射して燃焼室１５全体に亘って混合気の空燃比をほぼ均一にしてから混合気に点火する均質燃焼モードと、点火直前の圧縮行程に燃料を噴射して点火プラグ近傍のみに燃料を偏在させた状態で混合気に点火する成層燃焼モードとの二つの燃焼モードで運転を行うことができる。これら運転モードの選択は、機関負荷、機関回転数に基づいて行われ、例えば機関負荷が小さく且つ機関回転数が低い運転領域においては成層燃焼モードで運転が行われ、機関負荷が高く且つ機関回転数が高い運転領域においては均質燃焼モードで運転が行われる。

図４は、通常運転中に均質燃焼モードで運転が行われている場合のクランク角θに対する各気筒の吸気弁１７の開閉弁時期、排気弁１９の開閉弁時期、燃料噴射時期及び点火時期を示す図である。特に、図４は１番気筒＃１の圧縮上死点を０°ＣＡとした場合のクランク角θの変化に対する吸気弁１７の開閉弁時期（白い矢印）、排気弁１９の開閉弁時期（ハッチングされた矢印）、燃料噴射期間、及び点火時期（黒い矢印）を示している。

図示したように、内燃機関の通常運転時（すなわち、後述するエコラン制御等により内燃機関の停止が行われていない運転時）にはクランクシャフト２５の回転に伴って、各気筒について吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程が順次繰り返し行われる。４番気筒を参照して説明すると、吸気行程中及びその前後において吸気弁１７が開弁され、吸気行程中の気筒内に空気が吸入される。また、図４に示した実施形態では、吸気行程中に燃料噴射弁２１から燃料が噴射され、吸気行程中の気筒内に混合気が形成される。次いで、圧縮行程において混合気の圧縮が行われると共に圧縮上死点付近で点火栓２０によって点火が行われ、これにより混合気の爆発が起こる。この爆発力によって次の膨張行程においてピストン１４が押し下げられる。次いで、排気行程中及びその前後において排気弁１９が開弁され、排気行程中の気筒内の排気ガスが排出せしめられる。

なお、上記説明では、均質燃焼モードで内燃機関が運転されている場合について説明しているが、成層燃焼モードで内燃機関が運転されている場合には、吸気行程中ではなく圧縮行程中に燃料噴射弁２１による燃料噴射が行われる。

本実施形態の内燃機関は、運転者によってイグニッションスイッチ４２がオンにされると電気モータ２６により内燃機関が始動せしめられ、運転者によってキースイッチ４３がオフにされると内燃機関の運転が停止せしめられる。

さらに、本実施形態の内燃機関では、運転者によってキースイッチ４３がオフにされていないときであっても、所定の機関停止条件が成立した場合に自動的に燃料噴射弁２１からの燃料噴射及び点火栓２０による点火が中止され、内燃機関の作動が自動的に停止せしめられ、内燃機関の回転（すなわち、クランクシャフト２５の回転）が停止せしめられる。その後、機関再始動条件が成立すると自動的に内燃機関が再始動せしめられる（すなわち、内燃機関のクランクシャフト２５が再び回転せしめられる）。このように、運転者によってキースイッチがオフにされていないときでも一定の条件下で内燃機関を自動的に停止及び再始動させる制御（以下、斯かる制御を「エコラン制御」と称す）により、燃料消費及び排気ガスの排出を低減することができる。

ここで、機関停止条件が成立する場合とは、機関負荷が零（すなわちアクセル踏込み量センサ４１によって検出されるアクセル踏込み量が零）であって機関回転数が低い場合、又は上記条件に加えて内燃機関を搭載した車両の速度が零の場合等であり、具体的には車両が急激に減速している場合や車両が停車している場合等が含まれる。従って、機関停止条件の成否は、アクセル踏込み量センサ４１、クランク角センサ２８、内燃機関を搭載した車両の速度を検出する車速センサ（図示せず）、及び運転者によるブレーキペダルの踏込み量を検出するためのブレーキ踏込み量センサ（図示せず）等の出力に基づいてＥＣＵ３０において判断される。

一方、機関再始動条件が成立する場合とは、機関負荷が零でなくなった場合又は機関負荷が零でなくなると予想される場合等であり、具体的には運転者がアクセルペダルを踏込んだ場合や運転者によるブレーキペダルの踏込み量が少なくなった場合等が含まれ、また車両停車中においてはクラッチペダルの踏込み操作やシフト位置をＮ（ニュートラル）又はＰ（パーキング）からＤ（ドライブ）へ変更する操作が行われた場合等が含まれる。従って、機関再始動条件の成否は、アクセル踏込み量センサ４１、車速センサ、ブレーキ踏込み量センサ、運転者によるクラッチペダルの踏込みを検出するクラッチセンサ（図示せず）、及びシフトポジションセンサ（図示せず）等の出力に基づいてＥＣＵ３０において判断される。

ところで、一般に、エコラン制御においては、機関停止条件が成立すると燃料噴射及び点火の中止により内燃機関の回転が完全に停止され、その後、内燃機関の回転が完全に停止した状態において機関再始動条件が成立したときに迅速に電気モータ２６からクランクシャフト２５へ駆動力を加えることによって内燃機関が再始動せしめられ、その後通常運転が行われる。

ところが、機関停止条件が成立して内燃機関の作動を中止（すなわち、燃料噴射及び点火を中止）した後であって内燃機関が完全に停止する前に、すなわち内燃機関が慣性力により空転しているときに、機関再始動条件が成立する場合がある。斯かる場合にも機関再始動条件が成立してから迅速に内燃機関を再始動させる必要がある。なお、本明細書では、内燃機関の回転が完全に停止した後の内燃機関を始動させる場合に加えて、内燃機関の回転が完全に停止する前に内燃機関の回転を回復させるような場合についても「内燃機関の再始動」として説明する。

本発明の実施形態では、機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合に、基本的に電気モータ２６による補助なしで迅速に内燃機関を再始動させるようにしている。

図５は、図４と同様な図であり、機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合の、クランク角θに対する各気筒に対応する吸気弁の開閉弁時期等を示す図である。図５において、時期θｘは機関再始動条件が成立した時期であり、従って時期θｘまでは燃料噴射及び点火が中止されており、一方時期θｘ以降は後述する再始動制御により内燃機関が再始動せしめられる。

図５から分かるように、機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合、機関再始動条件が成立した時（時期θｘ）に膨張行程の途中にある気筒（以下、「膨張行程気筒」と称す。図５においては１番気筒）の燃焼室１５内に燃料噴射弁２１により燃料噴射を行い、膨張行程気筒内に混合気を形成させる。そして、燃料噴射弁２１による燃料噴射中又は燃料噴射弁２１による燃料噴射後に、膨張行程気筒の点火栓２０によって膨張行程気筒内に形成された混合気に点火を行う。このとき、膨張行程気筒内の混合気の温度及び圧力は、クランク角が膨張行程直前の圧縮上死点にある場合における当該気筒内に混合気の温度及び圧力よりも低いため、膨張行程気筒内の混合気には点火しにくい。このため、点火栓２０による点火は複数回行われるのが好ましく、従って燃料噴射弁２１による燃料噴射中から燃料噴射後までに亘って継続的に点火栓２０による点火が行われてもよい。

これにより、膨張行程気筒内に形成された混合気が燃焼・爆発し、よって膨張行程気筒のピストン１４が押し下げられて内燃機関の駆動力となり、これにより内燃機関の回転の回復が促される。

ところで、機関再始動時においては、内燃機関を再始動させるための駆動力を得るため及び成層燃焼を行った場合に適当な混合気が形成されにくいため、図４に示したような均質燃焼モードで内燃機関が運転される。斯かる燃焼モードでは上述したように吸気行程において燃料噴射が行われる。機関再始動時においても同様に均質燃焼モードで燃料噴射及び点火を行おうとすると、機関再始動条件成立時に吸気行程の途中にある気筒（以下、「吸気行程気筒」と称す。図５においては４番気筒）に燃料噴射が行われ、その後１８０〜３６０°ＣＡだけ内燃機関が回転して当該気筒についての圧縮上死点直前で点火が行われる。従って、均質燃焼モードで内燃機関を運転させるためには、機関再始動条件が成立してから少なくとも吸気行程気筒（４番気筒）についての圧縮上死点を越えるまで内燃機関を回転させなければならない。

ところが、上述したように、機関再始動条件成立直後に膨張行程気筒において混合気の燃焼・爆発が行われたとしても、この燃焼・爆発によって得られる内燃機関の駆動力があまり大きくないため、吸気行程気筒についての圧縮上死点を越えるまで内燃機関を回転させることができない場合がある。

すなわち、上記燃焼・爆発は膨張行程の途中に起こるが、このとき既に燃焼室１５の容積は或る程度大きくなっているため、燃焼・爆発によって得られるエネルギのうちピストン１４の押し下げに使われるエネルギ、すなわち内燃機関の駆動力に変換されるエネルギが小さく、よって上記燃焼・爆発によって得られる内燃機関の駆動力はあまり大きくない。

一方、吸気行程気筒についての圧縮上死点を越えるまで内燃機関を回転させるためには、機関再始動条件が成立した時に圧縮行程の途中にある気筒（以下、「圧縮行程気筒」と称す。図５においては３番気筒）及び吸気行程気筒（４番気筒）それぞれについて圧縮上死点を越えなければならない。ここで、圧縮上死点を越えるためには圧縮行程における空気の圧縮が行われるので、内燃機関の回転に対する抵抗となる。上述したように膨張行程気筒における混合気の燃焼・爆発による駆動力は大きくないので、斯かる駆動力のみでは圧縮上死点を越えることに対する内燃機関の回転に対する抵抗に打ち勝てない場合がある。

そこで、本実施形態では、機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合、膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火に加えて、圧縮行程気筒（３番気筒）についても機関再始動条件が成立した時に又は機関再始動条件の成立後であって圧縮行程中（すなわち、機関再始動条件成立から圧縮上死点まで）に、圧縮行程気筒の燃焼室１５内に燃料噴射弁２１から燃料噴射を行い、圧縮行程気筒内に混合気を形成させる。そして、その後の内燃機関の回転によりクランク角が当該圧縮行程気筒についての圧縮上死点に達したときに又は圧縮上死点を越えた後に、点火栓２０によって圧縮行程気筒（３番気筒）内に形成された混合気に点火を行う。

このように、機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合に、膨張行程気筒に加えて圧縮行程気筒に対しても燃料噴射を行い、その後圧縮行程気筒についての圧縮上死点到達時に点火を行うことにより、機関再始動条件成立時から吸気行程気筒についての圧縮上死点を越えるまでの間に圧縮行程気筒において混合気の燃焼・爆発が起こり、この燃焼・爆発による駆動力により機関再始動条件成立後において吸気行程気筒についての圧縮上死点を越えることができるようになる。これにより、吸気行程気筒においては、通常運転時と同様に均質運転モードで燃料噴射及び点火が行われ、よってその後に吸気行程となる気筒については通常運転時と同様に燃料噴射及び点火が行われる。

換言すると、本実施形態によれば、膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火並びに圧縮行程気筒に対する燃料噴射及び点火を行うことにより内燃機関を再始動させるのに十分な駆動力を得ることができ、それ以降については通常運転が行われる。

上述したように、膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火が行われることにより、下記に説明するように、機関再始動条件が成立してからいずれかの気筒において最初の混合気の燃焼・爆発（以下、「初爆」と称す）が起きるまでにかかる時間が非常に短いものとなり、これに伴って電動モータ２６による補助無しで内燃機関が再始動し易くなる。

図６は、機関停止条件が成立して燃料噴射及び点火を中止してから、上述したように膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行うことにより内燃機関の回転が回復せしめられるまでの内燃機関の挙動を示すタイムチャートである。図６において、上段はクランク角の時間推移、中段は機関回転数の時間推移、下段は１番気筒（破線）及び３番気筒（実線）の筒内圧力の推移をそれぞれ示している。

図６を参照すると、時刻０において機関停止条件が成立すると、内燃機関の作動が中止され、全ての気筒について燃料噴射弁２１からの燃料噴射及び点火栓２０による点火が中止されるため、全ての気筒について混合気の燃焼・爆発が発生しない。このため、図６に示したように全ての気筒について筒内圧力はピストン１４の上昇に伴う圧力上昇分しか上昇せず、また、爆発力が得られないため内燃機関の空転に対するフリクションにより機関回転数が徐々に低下し、単位時間当たりに進むクランク角が小さくなる。

時刻Ｔ₁において機関再始動条件が成立すると、膨張行程気筒（図６においては１番気筒）に対して燃料噴射及び点火が行われ、これにより膨張行程気筒内で混合気の燃焼・爆発（初爆）が起こる（時刻Ｔ₂）。斯かる混合気の燃焼・爆発が起こると、膨張行程気筒内の筒内圧力が急激に上昇し、これにより膨張行程気筒のピストンが押し下げられる。よって内燃機関に対して駆動力が加えられ、機関回転数が上昇せしめられる。

その後、時刻Ｔ₃において、圧縮行程気筒（図６においては３番気筒）が圧縮上死点を越えると共に、圧縮行程気筒内の混合気に対する点火が行われる。これにより、圧縮行程気筒についての圧縮上死点において又はその直後において圧縮行程気筒内の筒内圧力が急激に上昇し、これにより圧縮行程気筒内のピストンが押し下げられる。よって内燃機関に対する駆動力が加えられ、機関回転数が上昇せしめられる。

このように、本実施形態によれば、図６に示したように機関再始動条件が成立してから初爆が起こるまでの時間ΔＴ₁₂は非常に短い。例えば、機関再始動条件が成立してから膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火を行わずに圧縮行程気筒に対する燃料噴射及び点火を行うような始動装置（例えば、特許文献１に記載の始動装置。以下、「従来装置」と称す。）によれば、機関再始動条件が成立してから初爆が起こるまでに時間ΔＴ₁₃がかかることになるため、従来装置に対して本実施形態では半分以下の時間で初爆を起こすことができる。

また、機関再始動条件が成立してから初爆が起こるまでにかかる時間が長いと、機関再始動条件成立時の機関回転数によってはこの間に内燃機関の回転が完全に停止してしまい、内燃機関を再始動させるためには電動モータの補助が必要となる。これに対して、本実施形態によれば、機関再始動条件が成立してから初爆が起こるまでにかかる時間が短いため、内燃機関が完全に停止する前に初爆が起こり、よって内燃機関を電動モータの補助無しで再始動させ易くなる。

ところで、一般に、排気弁１９は膨張行程の終期に開弁されてその後吸気行程の初期に閉弁される。すなわち、排気弁１９は膨張行程の終期から膨張下死点までの間にも開弁されていることになる。ここで、上述したように膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火をする場合、膨張行程の途中で混合気の燃焼・爆発が起こるため、斯かる燃焼・爆発によって得られるエネルギを効率的に膨張行程気筒のピストンに対する押下げ力に変換させるためには、膨張行程の終期から膨張下死点までの間には排気弁１９を開弁させないか又は斯かる間の開弁期間を短くする必要がある。従って、機関再始動時には排気弁１９の開弁時期を遅角させるのが好ましい。

そこで、本実施形態では、図５に示したように、機関停止条件が成立して燃料噴射及び点火を中止させるのと同時に、排気弁１９の開弁時期が所定の開弁時期になるように遅角せしめられる。具体的には、機関停止条件が成立した場合に排気弁駆動装置２３の切替え装置により排気弁１９の位相角を所定の目標位相角となるように全体的に遅角側に変更させる。ここで、所定の開弁時期とは、内燃機関の通常運転時における排気弁１９の開弁時期よりも遅い開弁時期であり、また、所定の目標位相角とは排気弁１９の開弁時期が上記所定の開弁時期となるような位相角である。

また、一般に、吸気弁１７は排気行程の終期に開弁されてその後圧縮行程の初期に閉弁される。すなわち、吸気弁１７は吸気下死点から圧縮行程の初期までの間にも開弁されていることになる。ここで、吸気弁１７の閉弁時に筒内に充填されている空気量は、圧縮行程中の吸気弁１７の閉弁時期に応じて変わる。すなわち、吸気弁１７の閉弁時には筒内圧力は吸気管（サージタンク及び吸気枝管）内の圧力とほぼ等しいものとなるが、吸気弁１７の閉弁時期が遅くなるほど筒内の容積が小さくなるため、筒内充填空気量が少なくなる。

一方、筒内充填空気量が多いと筒内に充填されている空気の圧縮に必要なエネルギが大きくなり、内燃機関の回転に対する抵抗が大きくなる。このため、機関再始動時には内燃機関の回転に対する抵抗が小さくなるように、筒内充填空気量が少ない方が好ましい。すなわち、機関再始動時には吸気弁１７の閉弁時期を遅角させるのが好ましい。

そこで、本実施形態では、図５に示したように機関停止条件が成立して燃料噴射及び点火を中止させるのと同時に、吸気弁１７の閉弁時期が所定の閉弁時期となるように遅角せしめられる。具体的には、機関停止条件が成立した場合に吸気弁駆動装置２３の切替え装置により吸気弁１７の位相角を所定の目標位相角となるように全体的に遅角側に変更させる。ここで、所定の閉弁時期とは、内燃機関の通常運転時における吸気弁１７の閉弁時期よりも遅い閉弁時期であり、また、所定の目標位相角とは吸気弁１７の閉弁時期が上記所定の閉弁時期となるような位相角である。

そして、上記吸気弁１７及び排気弁１９の開閉弁時期は、燃料噴射及び点火が通常運転時と同様に行わるようになるのと同時に、又はそれ以降に通常運転時における吸気弁１７及び排気弁１９の開閉弁時期とされる。

なお、上記実施形態では、吸気弁駆動装置２２及び排気弁駆動装置２３は、カムシャフト及び切換機構を具備する装置として説明しているが、例えば吸気弁１７及び排気弁１９用の電磁駆動装置であってもよい。この場合には、吸気弁１７の開弁時期は遅角させずに閉弁時期のみを遅角させ、排気弁１９の閉弁時期は遅角させずに開弁時期のみを遅角させるようにしてもよい。特にこの場合、少なくとも膨張行程気筒について排気弁１９の開弁時期の遅角が行われ、また、少なくとも圧縮行程気筒について吸気弁１７の閉弁時期の遅角が行われ、それ以外の気筒については閉弁時期及び開弁時期の遅角が行われなくてもよい。

図７は、図６と同様な図であり、機関停止条件が成立して燃料噴射及び点火を中止してから内燃機関が完全に停止するまでの内燃機関の挙動を示すタイムチャートである。図からわかるように、時刻０において機関停止条件が成立すると、全ての気筒に対して燃料噴射及び点火が中止され、フリクションにより機関回転数が徐々に低下し、単位時間当たりに進むクランク角が小さくなる。

機関回転数の低下が進むと内燃機関の回転による慣性力が小さくなるため、いずれかの気筒について圧縮上死点を越えることができなくなる。図示した例では、３番気筒の圧縮上死点を越えることができず、よって３番気筒の吸気上死点に達する前に内燃機関の回転が停止してしまう（時刻Ｔ₄）。

このとき、１番気筒及び３番気筒はそれぞれ膨張行程及び圧縮行程にあり、いずれの気筒についても基本的に吸気弁１７及び排気弁１９が閉じられていると共に、内燃機関の回転の慣性力により、１番気筒の筒内圧力よりも３番気筒の筒内圧力の方が高い。このため、３番気筒内の筒内圧力により３番気筒のピストンが押し下げられ、よって内燃機関が逆回転してしまう。

この逆回転により今度は３番気筒の筒内圧力よりも１番気筒の筒内圧力の方が高くなるため、内燃機関の回転が再び停止し（時刻Ｔ₅）、その後再び正回転する。このような作動を繰り返して内燃機関の回転は完全に停止する（時刻Ｔ₇以降）。

ここで、内燃機関の逆回転中に機関再始動条件が成立し、膨張行程気筒（すなわち３番気筒）において混合気の燃焼・爆発が起こると、逆回転中であった内燃機関が急激に正回転せしめられることになり爆発時に内燃機関に与えられるショックが大きなものとなる。これにより、ピストン１４等の破損を招いたり、内燃機関から異常音が発生したりするといった問題を生じることとなる。

そこで、本実施形態では、内燃機関の逆回転中、すなわち図７の時刻Ｔ₄〜Ｔ₅及び時刻Ｔ₆〜Ｔ₇には、機関再始動条件が成立しても膨張行程気筒に対して少なくとも点火栓２０による点火を行わないようにしている。これにより、内燃機関の逆回転中に燃焼・爆発が起こること起こることが防止される。

なお、上記実施形態では、内燃機関の逆回転中に膨張行程気筒に対して点火栓２０による点火を行わないようにしているが、これに加えて膨張行程気筒に対して燃料噴射弁２１による燃料噴射も行わないようにしてもよい。

また、上記説明では、機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合に膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行うこととしているが、斯かる場合に加えて内燃機関が完全に停止してから膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行ってもよい。斯かる場合にも、基本的に、膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行うことによる駆動力のみにより、すなわち電気モータ２６による駆動力を利用することなく内燃機関を再始動させることができる。ただし、斯かる場合には、内燃機関を再始動させるにあたり、内燃機関の慣性力を利用することができないため、内燃機関完全停止時のクランク角によっては膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行うことによる駆動力のみでは内燃機関を再始動させることができないときがあり、この場合には膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火に加えて電気モータ２６を利用して内燃機関を再始動させる。

したがって、本実施形態によれば、図７の時刻０〜時刻Ｔ₄、時刻Ｔ₅〜時刻Ｔ₆、及び時刻Ｔ₇以降において、膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火による内燃機関の再始動が行われる。そして、機関再始動条件成立時に内燃機関が逆回転している場合には、内燃機関が正回転するまで又は内燃機関が完全に停止するまで制御開始を遅延する。

ところで、上述したように、機関再始動条件成立時に膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行う場合、混合気の燃焼・爆発時に排気弁１９が開弁していると燃焼室１５内のガスが排気ポート１８を介して燃焼室１５内から流出してしまうため、混合気の燃焼・爆発によって生じるエネルギを、ピストン１４を押し下げる力（すなわち内燃機関の駆動力）に効率的に変換することができない。

そこで、本実施形態では、機関再始動条件成立時に膨張行程気筒の排気弁１９が開弁している場合、又は機関再始動条件の成立により膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行うことにより混合気の燃焼・爆発が生じる時に排気弁１９が開弁していると予想される場合には、機関再始動条件が成立しても膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火を行わないようにしている。これにより、混合気の燃焼・爆発によって生じるエネルギを内燃機関の駆動力に効率的に変換することができない状況における膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火が防止され、燃費の悪化や排気エミッションの悪化が防止される。

なお、機関再始動条件成立時に膨張行程気筒の排気弁１９が開弁していて膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火を行わないような場合、機関再始動条件成立後に圧縮行程気筒について圧縮上死点を越えることができるか否かに応じて異なる制御を行う。

機関再始動条件成立後に圧縮行程気筒について圧縮上死点を越えることができる場合には、圧縮行程気筒に対して燃料噴射弁２１により燃料噴射を行い、圧縮上死点又は圧縮上死点直後において当該気筒に対して点火栓２０により点火を行う。これにより、圧縮行程気筒において圧縮上死点経過後に混合気の燃焼・爆発が起きるため、内燃機関を再始動させることができる。

一方、機関再始動条件成立後に圧縮行程気筒について圧縮上死点を越えることができない場合には、排気弁１９が閉弁するまで又は内燃機関が完全に停止するまで制御開始を遅延させる。斯かる制御開始の遅延後、排気弁１９が閉弁して内燃機関が未だに回転している場合には上述したように膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火により内燃機関が再始動せしめられる。一方、排気弁１９が開弁した状態で内燃機関が停止した場合には、膨張行程気筒に対する燃料噴射及び点火を行っても爆発によるエネルギを内燃機関の駆動力に変化することができないため、電気モータ２６の補助により内燃機関が再始動せしめられる。

なお、機関再始動条件成立後に圧縮行程気筒について圧縮上死点を越えることができるか否かの判断は機関再始動成立時に行われるが、斯かる判断は例えば図８に示したようなマップに基づいて判断される。

図８は、ｘ軸が機関再始動条件成立時における機関回転数、ｙ軸が機関再始動条件成立時から内燃機関が回転可能なクランク角を示している。図からわかるように機関再始動条件成立時における機関回転数が２００ｒｐｍ程度以上であれば、機関再始動条件成立時から内燃機関が１８０ＣＡ以上回転することができるため、機関再始動条件成立後に圧縮行程気筒について圧縮上死点を越えることができると判断される。

図９は、内燃機関の再始動制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップ１０１において、アクセル踏込み量センサ４１及びクランク角センサ２８等の出力に基づいて機関停止条件が成立しているか否かが判定される。機関停止条件が成立していないと判定された場合にはステップ１０２へと進み、通常運転が行われる。一方、ステップ１０１において機関停止条件が成立していると判定された場合にはステップ１０３へと進む。

ステップ１０３では、内燃機関の停止、すなわち燃料噴射弁２１による燃料噴射及び点火栓２０による点火が中止せしめられると共に、吸気弁１７及び排気弁１９が上述した所定の目標位相角へと遅角せしめられる。次いで、ステップ１０４では、アクセル踏込み量センサ４１及び車速センサ等の出力に基づいて機関再始動条件が成立しているか否かが判定される。機関再始動条件が成立していないと判定された場合にはステップ１０４が繰り返される。一方、再始動条件が成立したと判定された場合にはステップ１０５へと進む。

ステップ１０５では、内燃機関が逆回転しているか否かが判定される。内燃機関が逆回転していると判定された場合にはステップ１０５が繰り返し実行され、従って制御の実行が遅延される。一方、内燃機関が逆回転していないと判定された場合には、ステップ１０６へと進み、排気弁１９が閉弁しているか否かが判定される。ステップ１０６において排気弁１９が閉弁していると判定された場合には、ステップ１０７へと進む。ステップ１０７では、膨張行程気筒に対して燃料噴射及び点火が実行される。次いでステップ１０８においては圧縮行程気筒に対して燃料噴射が行われると共に、圧縮行程気筒についての圧縮上死点において又は圧縮上死点経過直後に点火が行われる。

一方、ステップ１０６において排気弁１９が開弁していると判定された場合には、ステップ１０９へと進む。ステップ１０９では、内燃機関の回転が停止しているか否かが判定され、内燃機関の回転が停止していると判定された場合には、ステップ１１０へと進む。ステップ１１０では、電気モータ２６によりクランクシャフト２５が駆動されると共に、圧縮行程気筒に対して燃料噴射が行われ、圧縮行程気筒についての圧縮上死点において又は圧縮上死点経過直後に点火が行われる。

一方、ステップ１０９において、内燃機関の回転が停止していないと判定された場合にはステップ１１１へと進む。ステップ１１１では、図８に示したようなマップに基づいて、内燃機関の慣性力により圧縮行程気筒について圧縮上死点を越えることができるか否かが判定される。圧縮上死点を越えることができると判定された場合にはステップ１１２へと進み、圧縮行程気筒に対して燃料噴射が行われ、圧縮行程気筒についての圧縮上死点において又は圧縮上死点経過直後に点火が行われる。また、ステップ１１１において、圧縮上死点を越えることができないと判定された場合にはステップ１０５へと進む。

なお、上記実施形態では、本発明を４気筒の内燃機関に適用した例を示しているが、本発明は上記４気筒の内燃機関に限らず、６気筒及び８気筒の内燃機関等、４気筒以上の気筒数の内燃機関であれば如何なる内燃機関にも適用可能である。

本発明が適用される内燃機関の全体図である。 各気筒の概略断面図である。 吸気弁の開閉弁時期を示す図である。 通常運転時における各気筒のサイクル、燃料噴射時期、及び点火時期を示す図である。 機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合における燃料噴射期間、点火時期、吸気弁の開閉弁期間及び排気弁の開閉弁期間を示す図である。 機関停止条件成立後であって内燃機関の完全停止前に機関再始動条件が成立した場合における内燃機関の挙動を示すタイムチャートである。 機関停止条件が成立してから内燃機関が完全停止するまでの内燃機関の挙動を示すタイムチャートである。 機関停止条件成立時の機関回転数と機関停止条件成立時から回転可能なクランク角との関係を示す図である。 再始動制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 機関本体
１ａ 気筒
１５ 燃焼室
１７ 吸気弁
１９ 排気弁
２０ 点火栓
２１ 燃料噴射弁
２２ 吸気弁駆動装置
２３ 排気弁駆動装置
２５ クランクシャフト
２６ 電気モータ
２７ クランク角センサ

Claims (9)

1. 筒内に直接的に燃料噴射を行う燃料噴射弁と、筒内の混合気への点火を行う点火栓とを具備し、機関停止条件が成立したときには上記燃料噴射弁からの燃料噴射及び点火栓による点火を中止する内燃機関の始動装置において、
   機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合、機関再始動条件成立時に膨張行程の途中にある膨張行程気筒に上記燃料噴射弁から燃料噴射を行う共に上記点火栓によって膨張行程気筒内の混合気への点火を行う、内燃機関の始動装置。
2. 上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合であっても、機関再始動条件成立時に内燃機関が逆回転しているときには少なくとも膨張行程気筒内の混合気への点火を行わない、請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
3. 上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合、上記膨張行程気筒に対する燃料噴射及び該膨張行程気筒内の混合気への点火に加えて、機関再始動条件成立時に圧縮行程の途中にある圧縮行程気筒にも圧縮行程中に燃料噴射を行う、請求項１又は２に記載の内燃機関の始動装置。
4. 上記圧縮行程気筒に圧縮行程中に燃料噴射を行った場合には、該圧縮行程気筒について圧縮上死点において又は圧縮上死点経過後において混合気への点火を行う、請求項３に記載の内燃機関の始動装置。
5. 上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合であっても、機関再始動条件成立時に上記膨張行程気筒の排気弁が開弁しているときには該膨張行程気筒への燃料噴射及び該膨張行程気筒内の混合気への点火を行わない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。
6. 機関再始動条件成立時に吸気行程の途中にある気筒及びそれ以降に吸気行程となる気筒については、通常の時期に燃料噴射が行われる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。
7. 機関再始動条件成立時に吸気行程の途中にある気筒及びそれ以降に吸気行程となる気筒については、通常の時期に点火が行われる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。
8. 上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合には、少なくとも上記膨張行程気筒の排気弁の開弁時期を遅角させる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。
9. 上記機関停止条件が成立した後であって機関回転中に機関再始動条件が成立した場合には、少なくとも上記圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁時期を遅角させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の始動装置。

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