JP2007292076A - 内燃機関の運転方法並びに内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】電気起動装置を使用することなく、内燃機関のクランク軸がそれにより直接始動のために最適な始動位置に移動可能な、内燃機関の運転方法および内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関（１０）は、好ましくは自動車を駆動するために使用される。そのクランク軸（３０）は希望の始動位置に移動可能である。その間は燃料がもはや噴射されず且つ点火されない惰性停止過程の間に、少なくとも間接的にクランク軸（３０）に作用するトルクが調節され、これにより、惰性停止後にはクランク軸（３０）が少なくともほぼ希望の始動位置を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の内燃機関の運転方法に関するものである。本発明の対象は、さらに、並列請求項の上位概念に記載の内燃機関である。

冒頭記載のタイプの方法はドイツ特許公開第１００２０１０４号から既知である。この中には、起動装置を使用することなく内燃機関を始動させることが記載されている。このために、停止中の内燃機関においてちょうど作業行程内に存在するシリンダの燃焼室内に燃料が噴射され且つ点火される。この方法は「直接始動」とも呼ばれる。ここでは、直接始動方法の開始時にシリンダのピストンが所定の出発位置に移動されることもまた提案される。このようにして、内燃機関の少なくとも１つのシリンダのピストンが直接始動方法を実行するために最適な位置に存在することが保証可能である。ピストンを移動させるために、内燃機関のクランク軸に作用し且つそれを回転させる電動起動装置の使用が提案される。

電気起動装置を使用することなく、内燃機関のクランク軸がそれにより直接始動のために最適な始動位置に移動可能な、冒頭記載のタイプの方法および内燃機関を提供することが本発明の課題である。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法および並列請求項の特徴を有する内燃機関により解決される。本発明の有利な変更形態が従属請求項に与えられている。さらに、本発明に対して本質的な特徴が以下の説明内に記載され且つ図面に示されている。ここで、これらの特徴は、全く異なる組み合わせにおいても、このことが明示的に指摘されることなく、本発明に対して本質的となりうるものである。

本発明により、その間は燃料がもはや注入されず且つ点火されない惰性停止過程の間になお装置内に存在している回転エネルギーが、クランク軸を少なくともほぼ希望の始動位置に移動させるために使用される。即ち、クランク軸は、本来の直接始動の直前ではなく、それに先行する内燃機関の停止時に希望の始動位置に移動される。燃料噴射および点火の遮断後においてもなおある時間の間、質量慣性に基づいて存在する回転エネルギーが、クランク軸の位置決めのために使用されるので、クランク軸の位置決めのための電動起動装置が省略可能である。これにより、内燃機関のコストは低下され、より小さいバッテリが使用されるだけでよく、および内燃機関の構造が全体として簡単にされる。

クランク軸に作用するトルクを調節する簡単な可能性は、惰性停止過程の間に少なくとも１つの燃焼室内の圧力を調節することにある。クランク軸に作用するブレーキ・トルクを与える軸受摩擦のほかに、クランク軸の回転は特に燃焼室内の圧縮作業により制動される。少なくとも１つの燃焼室内の圧力を調節することにより、このブレーキ・トルクは希望どおりに調節可能である。これは、全可変弁制御によるか、または燃焼室に装着されている追加の弁により実行可能である。

この場合、燃焼室内の圧力は、燃焼室内へのガスの注入により、または燃焼室内に存在するガスの排出により調節可能である。第１の場合、圧縮行程内においては圧力が上昇され、または作業行程内においては圧力低下が少なくとも低減可能である。燃焼室内に存在するガスの排出により、特に圧縮行程内においては、実行されるべき圧縮作業が低減可能であり、このことはクランク軸に作用するブレーキ・トルクを低減させる。

これの代わりにまたはこれに追加して、クランク軸に作用するトルクは、クランク軸に作用する摩擦結合によっても調節可能である。このために、例えば、少なくとも間接的にクランク軸に作用する摩擦ブレーキが設けられてもよい。このような摩擦ブレーキは技術的に簡単に形成可能であり、および摩擦ブレーキは急速に作用し、このことは対応する操作及び／又は制御を簡単にする。

しかしながら、前記トルクを、クランク軸に作用するはめあい結合により調節することもまた可能である。このようなはめあい結合は、はめあい結合の対応する形状および位置決めにより機械的に停止位置を設定する可能性を提供する。これにより、クランク軸に作用するトルクの操作及び／又は制御は完全に省略可能である。一方で、このことは本発明による内燃機関の製造コストを低減させる。さらに、このようなはめあい結合はきわめて確実に作動する。基本的に、このようなはめあい結合は、内燃機関が希望の始動位置に対応するこのような位置のみをとり続けることが可能なように働く。

しかしながら、はめあい結合の係合において、内燃機関の回転はきわめて急激に停止される。このときクランク軸および軸受に作用する力を低減させるために、この衝撃が衝撃緩衝装置により緩衝されるとき、それは有利である。このようにして、本発明による内燃機関の寿命が延長される。

以下に本発明の特に好ましい実施例を添付図面により詳細に説明する。

図１において、内燃機関は全体として符号１０を有している。内燃機関１０は図示されていない自動車を駆動するために使用され且つ複数のシリンダを含み、複数のシリンダのうち図１には例として符号１２を有する１つのみが示されている。しかしながら、シリンダ１２は同じに形成されている。

シリンダ１２は燃焼室１４を含み、燃焼室１４は往復運動するピストン１６により包囲される。シリンダ１２は２つのガス交換弁を備えている。即ち、シリンダ１２は、一方の吸気弁１８と、他方の排気弁２２とを備えている。吸気弁１８により、燃焼室１４が吸気管２０と結合可能となっている。排気弁２２により、燃焼室１４が排気管２４と結合可能となっている。

内燃機関１０において、燃料は、燃焼室１４内に直接、それに付属のインジェクタ２６から噴射される。インジェクタ２６は、「レール」とも呼ばれる燃料マニホルド（図示されていない）に接続され、燃料マニホルド内に燃料が高圧下で貯蔵されている。燃焼室１４内に存在する燃料及び空気の混合物は点火プラグ２８により点火される。シリンダ１２のピストン１６は通常のようにクランク軸３０と結合され、クランク軸３０の角度位置および角速度はセンサ３２により測定される。さらに、燃焼室１４に位置決め装置３４が付属され、位置決め装置３４により、その間は燃料がもはや噴射されず且つ点火されない惰性停止過程の間にクランク軸３０に作用するトルクが調節可能であり、これにより、惰性停止後にはクランク軸３０は少なくともほぼ希望の始動位置を有している。これに関しては、以下にさらに詳細に説明する。

位置決め装置３４は弁装置３６を含み、弁装置３６を介して燃焼室１４は蓄圧器３８と結合可能である。内燃機関１０の運転は、操作及び／又は制御装置４０により、操作及び／又は制御される。操作及び／又は制御装置４０は、メモリを備え、メモリ上に内燃機関１０を操作及び／又は制御するためのコンピュータ・プログラムが記憶されている。操作及び／又は制御装置４０は、内燃機関１０の種々のセンサから、即ちセンサ３２並びに内燃機関１０を停止するための信号伝送器４２からも信号を受け取る。信号伝送器４２は、内燃機関１０のユーザがそれにより内燃機関１０を始動または停止可能なキー・スイッチであっても、または例えば信号停止において内燃機関１０を自動的に停止し且つ改めて加速ペダルを踏んだときに再び内燃機関１０を始動させる始動及び／又は停止装置であってもよい。操作及び／又は制御装置４０により、特に、インジェクタ２６、点火プラグ２８並びに弁装置３６が操作される。

内燃機関１０は確かに起動装置を備えているが、この起動装置は、通常の内燃機関においてよりも明らかにより小さいものであり、したがって、図を簡単にするために図１には示されていない。始動のために、いわゆる「直接始動方法」が使用される。このために、従来、種々の可能性が既知である。即ち、内燃機関１０の第１の直接始動方法においては、停止中の内燃機関１０において、そのピストン１６がちょうど作業行程（膨張行程）内に存在するシリンダ１２の燃焼室１４内に、燃焼のために必要な燃料量がインジェクタ２６により噴射され且つ点火プラグ２８により点火される。これにより、クランク軸３０は前方方向に加速される。その後に、そのピストン１６が次に作業行程を実行するシリンダ１２の燃焼室１４内にそれぞれ、対応ピストン１６がその作業位置に到達したとき直ちに、燃料がインジェクタ２６により噴射され且つ点火される。

内燃機関１０の他の直接始動方法は次のように形成されている。即ち、クランク軸３０の停止時に、そのピストンがちょうど圧縮行程内に存在するシリンダ１２内に燃料が噴射され且つ点火され、これにより、クランク軸３０ははじめに後方に移動する。この場合、噴射および点火は、ピストン１６がその後方の死点を超えないで、ほぼ下死点の範囲内においてクランク軸３０の運動が後方方向から前方方向に反転されるように実行される。

この反転点の手前において、そのピストン１６がちょうど作業行程内に存在するシリンダ１２の燃焼室１４内に燃料が噴射され且つ点火される。この燃焼はクランク軸３０を前方方向に加速させ、これにより、圧縮行程内に存在するピストン１６は上死点を超えることになる。そのピストン１６が圧縮行程内に存在するシリンダ１２内における第１の燃焼の燃焼排気ガスは、このとき、新たな燃焼を行うことなく圧縮され且つそれに続いて膨張される。その後に、そのピストン１６が次に作業行程を実行するシリンダ１２の燃焼室１４内にそれぞれ、このピストン１６が作業位置に到達したとき直ちに、燃料が噴射され且つ点火される。

上記２つの直接始動方法においては、対応シリンダ１２のピストン１６が第１の噴射および点火のために好ましい位置にある希望の始動位置内にクランク軸３０が存在していることが必要である。例えば、クランク軸３０と結合されているピストン１６がちょうど上死点ないしは下死点内に存在するこのような位置にクランク軸３０が存在しているとき、それは好ましくないであろう。これを阻止するために、ここでは位置決め装置３４が設けられている。位置決め装置３４により、のちに説明するように、内燃機関１０を停止したときに予め、クランク軸が希望の始動位置をとり続けるようにさせることができる。これは、クランク軸３０に作用するトルクが調節されることにより行われるので、位置決め装置３４はここでは調節装置とも呼ばれる。調節装置は次のように作動する。

内燃機関１０を停止させるために、信号伝送器４２を介して、インジェクタ２６による燃料の噴射および点火プラグ２８による点火が遮断される。しかしながら、クランク軸３０は急激には停止せず、それ自身およびそれと結合されている可動部品（例えばピストン１６）の質量慣性に基づいて、さらにある時間回転し続ける。この場合、クランク軸３０は、特に軸受摩擦と、並びに燃焼室１４内において実行されるべき圧縮作業とにより制動される。燃料噴射および点火の遮断からクランク軸３０の停止までの内燃機関の運転過程は、「惰性停止過程」と呼ばれる。

惰性停止過程の間に、弁装置３６は操作及び／又は制御装置４０により操作され、これにより、燃焼室１４内の圧力は、蓄圧器３８内に貯蔵されているガスの燃焼室１４内への注入により調節される。このガスは通常の場合空気である。ここで、一方で、燃焼室１４がちょうど圧縮行程内に存在するときに燃焼室１４内に空気を注入することが考えられる。この結果、内燃機関１０はより大きな圧縮作業を行わなければならず、このことはクランク軸３０を制動するトルクを増大させることになる。空気の注入時点並びに注入時間の適切な選択により、このようにして、クランク軸３０がとり続ける位置が調節可能である。

他方で、燃焼室１４がちょうど作業行程内に存在しているとき、燃焼室１４内に空気が注入され、ないしは吹き込まれるように弁装置３６を操作することが可能である。この結果、この燃焼室１４内の圧力が上昇されるかまたは少なくともそれほど低下されず、これにより、クランク軸３０の回転運動が支援され、ないしはクランク軸３０に作用するブレーキ・トルクが低減される。したがって、クランク軸３０は、このような空気の吹込みがないときよりもさらに回転し続ける。この場合もまた、空気の吹込み時点および吹込み時間の適切な選択により、クランク軸３０がとり続ける位置が調節可能である。

図示されていない代替設計内燃機関１０においては、弁装置３６は蓄圧器と結合されず、周囲と結合されている。この場合においては、惰性停止過程の間に、燃焼室１４内の圧力が、燃焼室１４内に存在する、通常は空気であってもよいガスの排出により調節可能である。燃焼室１４からのガスのこの排出は、燃焼室１４が圧縮行程内に存在するときに実行される。この結果、この圧縮行程の間に、より小さい圧縮作業が行われるにすぎず、これにより、クランク軸３０に作用するブレーキ・トルクは低減される。この場合もまた、燃焼室１４内に閉じ込められているガスの排出時点および排出時間の適切な選択により、どの程度の圧縮作業が行われなければならないかが制御可能である。一方で、惰性停止過程の終了時におけるクランク軸３０の位置は、この圧縮作業に依存する。弁装置３６は、さらに、圧縮行程の間に開放されているのみならず、ピストン１６の上死点を超えて作業行程内に入っても開放されたままであってもよい。この場合には、作業行程の間に燃焼室１４内にガスが吸い込まれ、これにより、行われるべき膨張作業が低減され、およびその結果としてさらにクランク軸３０に作用するブレーキ・トルクが低減される。

図２−６に、位置決め装置３４の代替実施形態が示されている。ここで、既に上で説明された要素および範囲は同じ符号を有し且つこれらは再度詳細には説明されていないことを付記しておく。

図２に示されている実施形態において、位置決め及び／又は調節装置３４は摩擦ブレーキ４４を含み、摩擦ブレーキ４４はクランク軸３０に間接的に作用可能である。このために、摩擦ブレーキ４４は第１のディスク４６を備え、第１のディスク４６はクランク軸３０の端部と固定結合されている。クランク軸３０から離れた側に、第１のディスク４６は第１の摩擦ライニング４８を備えている。摩擦ブレーキ４４の第２のディスク５０は回転可能ではないが、操作装置５２を介して軸方向に移動可能に（矢印５４）保持されている。操作装置５２の代わりに、電気式直線駆動装置、空圧式または油圧式操作シリンダが使用されてもよい。操作装置５２は操作及び／又は制御装置４０により操作される。第１のディスク４６に向く側に、第２のディスク５０は第２の摩擦ライニング５６を備えている。

内燃機関１０の惰性停止過程の間にクランク軸３０の希望の始動位置を形成するために、惰性停止過程の間に、操作装置５２により、第２の摩擦ライニング５６を有する第２のディスクが第１のディスク４６の第１の摩擦ライニング４８に押圧される。摩擦ブレーキ４４が作動される時点、および第２のディスク５０が第１のディスク４６に押圧される力の適切な選択により、クランク軸３０に作用するブレーキ・トルクは、クランク軸３０が希望の位置即ち希望の始動位置をとり続けるように調節可能である。

図３−５に示されている調節装置ははめあい結合継手５８として形成されている。即ち、はめあい結合継手５８は、上記の摩擦ブレーキ４４と同様に、２つのディスク４６および５０を含み、この場合、第１のディスク４６はクランク軸３０と結合され、第２のディスクは回転可能ではないが、操作装置５２を介して軸方向に移動可能に保持されている。摩擦ライニングの代わりに、第１のディスク４６上の、クランク軸３０から離れた側に、第１のはめあい結合部分を形成するつめ６０が配置され、これらのつめ６０には、かみあいクラッチの場合と同様に、第２のディスク５０の、第１のディスク４６に向く側に、第２のはめあい結合部分を形成する４つのつめ６２が付属されている。

内燃機関１０の惰性停止過程の間に操作装置５２が操作及び／又は制御装置４０により操作された場合、第２のディスク５０は第１のディスク４６の方向に移動する。つめ６０および６２が相互に係合したとき直ちに、クランク軸３０の回転運動は制動され且つほぼ直ちに停止させられる。つめ６０および６２の数により、全体として、クランク軸３０がとり続けることができるクランク軸３０の４つの位置のみが可能である。これは四気筒内燃機関１０における希望の始動位置に対応する。シリンダ数がさらに多い場合、それに対応してより多くのつめ６０および６２が必要である。つめ６０および６２が相互に係合したとき、クランク軸３０はほぼ急激に強制停止させられるので、クランク軸３０が所定の限界回転速度を下回ったときにはじめて、操作装置５２が操作及び／又は制御装置４０により操作されることに注意すべきである。

はめあい結合継手５８の代替形態が図４および５に示されている。即ち、図４および５においては、第１のディスク４６の、クランク軸３０から離れた側に、第１のはめあい結合部分を形成するスリット状の溝６４が存在し、溝６４は周方向に平行に伸長し且つその深さは一方の端部から他方の端部へ増大している。第２のディスク５０の、第１のディスク４６に向く側に、第２のはめあい結合部分を形成するピン６６が固定され、ピン６６の直径は、第１のディスク４６内のスリット状溝６４の幅にほぼ対応している。

ここで操作装置５２が操作され、これにより、第２のディスク５０が第１のディスク４６の方向に移動された場合、ピン６６はクランク軸３０の回転運動の過程内において溝６４内に次第に係合し、この結果、最後にはピン６６はそれぞれの溝６４の端部に衝突し、これによりクランク軸３０は強制停止される。ピン６６が溝６４の端部に衝突したときに発生する衝撃を緩衝するために、溝６４の対応端部に、緩衝装置を形成する、弾性材料からなる材料部材６８が配置されている。

位置決め装置３４のさらに他の実施形態が図６に示されている。しかしながら、この実施形態においては、クランク軸３０の本来の始動位置決めは、のちに説明するように、惰性停止過程の終了後にはじめて行われる。図６に示されている位置決め及び／又は調節装置３４は図２のそれに類似している。しかしながら、第２のディスク５０は軸７０上に回転可能に（矢印６９）支持されている。しかしながら、第２のディスク５０は、切換可能なクラッチ７２により軸７０と固定結合可能である。調節装置３４はさらにねじりコイルばね７４を備え、ねじりコイルばね７４の一端は第２のディスク５０と結合され、およびその他端は軸７０と結合されている。

調節装置３４は次のように作動する。即ち、内燃機関１０の正常運転においては、はじめにクラッチ７２は開放されていて、即ち第２のディスク５０は軸７０に対して自由に回転可能である。操作装置５２の操作により、軸７０は第２のディスク５０と共に第１のディスク４６の方向に移動され、最後に両方の摩擦ライニング４８および５６が係合することになる。これにより、ねじりコイルばね７４は引っ張られる。ねじりコイルばね７４の希望の張力が達成されたとき、クラッチ７２が閉鎖される。同時に、軸７０および第２のディスク５０は再び第１のディスク４６から引き離される。即ち、このときねじりコイルばね７４に張力が与えられている。

惰性停止過程の終了後においてクランク軸３０が停止しているとき、第２のディスク５０が操作装置５２を介して再び第１のディスク４６の方向に移動され、この結果、両方の摩擦ライニング４８および５６は相互に接触することになる。ここで、クラッチ７２が開放され、これにより、第２のディスク５０がねじりコイルばね７４を介して回転され、および第２のディスク５０と第１のディスク４６との間の接触によりクランク軸３０もまた回転される。クランク軸３０が希望の始動位置内に存在したとき直ちに、クラッチ７２が再び閉鎖され且つ第２のディスク５０は操作装置５２を介して第１のディスク４６から引き離される。

内燃機関クランク軸がそれにより希望の位置に移動可能な位置決め装置の第１の実施形態を有する内燃機関のシリンダの原理図である。 位置決め装置の第２の実施形態の略側面図である。 位置決め装置の第３の実施形態の斜視図である。 位置決め装置の第４の実施形態の斜視図である。 図４の位置決め装置の側面図である。 位置決め装置の第５の実施形態の斜視図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ 燃焼室
１６ ピストン
１８ 吸気弁
２０ 吸気管
２２ 排気弁
２４ 排気管
２６ インジェクタ
２８ 点火プラグ
３０ クランク軸（クランクシャフト）
３２ センサ
３４ 位置決め装置（調節装置）（位置決め及び／又は調節装置）
３６ 弁装置
３８ 蓄圧器
４０ 操作及び／又は制御装置
４２ 信号伝送器
４４ 摩擦ブレーキ
４６ ディスク（第１のディスク）
５０ ディスク（第２のディスク）
４８ 摩擦ライニング（第１の摩擦ライニング）
５６ 摩擦ライニング（第２の摩擦ライニング）
５２ 操作装置
５４ 軸方向移動方向（軸線方向移動方向）
５８ はめあい結合継手
６０ はめあい結合部分（つめ）（第１のはめあい結合部分）
６２ はめあい結合部分（つめ）（第２のはめあい結合部分）
６４ はめあい結合部分（溝）
６６ はめあい結合部分（ピン）
６８ 衝撃緩衝装置（材料部材）
６９ 回転方向
７０ 軸（シャフト）
７２ クラッチ
７４ ねじりコイルばね

Claims (12)

1. クランク軸（３０）が希望の始動位置に移動される、好ましくは車両を駆動するための内燃機関（１０）の運転方法において、
   燃料がもはや噴射されず且つ点火されない惰性停止過程の間に少なくとも間接的にクランク軸（３０）に作用するトルクが調節され、これにより、惰性停止後にはクランク軸（３０）が少なくともほぼ希望の始動位置を有することを特徴とする内燃機関（１０）の運転方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記トルクが、惰性停止過程の間に少なくとも１つの燃焼室（１４）内の圧力が調節されることにより調節されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   燃焼室（１４）内の前記圧力が、ガスの注入により調節されることを特徴とする方法。
4. 請求項２または３のいずれか１項に記載の方法において、
   燃焼室（１４）内の前記圧力が、燃焼室（１４）内に存在するガスの排出により調節されることを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法において、
   前記トルクが、クランク軸（３０）に作用する摩擦結合により調節されることを特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法において、 前記トルクが、クランク軸（３０）に作用するはめあい結合により調節されることを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   前記はめあい結合の係合時に発生する衝撃が、衝撃緩衝装置（６８）により緩衝されることを特徴とする方法。
8. クランク軸（３０）を希望の始動位置に移動可能な位置決め装置（３４）を有する、好ましくは自動車を駆動するための内燃機関（１０）において、
   前記位置決め装置が調節装置（３４）を含み、燃料がもはや噴射されず且つ点火されない惰性停止過程の間、前記調節装置（３４）により、クランク軸（３０）に作用するトルクが調節可能であり、これにより、惰性停止後にはクランク軸（３０）が少なくともほぼ希望の始動位置を有することを特徴とする内燃機関（１０）。
9. 請求項８に記載の内燃機関（１０）において、
   前記調節装置（３４）が弁装置（３６）を含み、少なくとも１つの燃焼室（１４）内の圧力が、弁装置（３６）により調節可能であることを特徴とする内燃機関（１０）。
10. 請求項８または９のいずれか１項に記載の内燃機関（１０）において、
    前記調節装置（３４）が摩擦ブレーキ（４４）を含み、摩擦ブレーキ（４４）は、少なくとも間接的にクランク軸（３０）に作用可能であることを特徴とする内燃機関（１０）。
11. 請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の内燃機関（１０）において、
    前記調節装置（３４）が少なくとも１つの第１の定置はめあい結合部分（６２）を有し、第１の定置はめあい結合部分（６２）は、少なくとも１つの第２の、クランク軸（３０）と少なくとも間接的に結合されているはめあい結合部分（６０）と係合可能であることを特徴とする内燃機関（１０）。
12. 請求項１１に記載の内燃機関（１０）において、
    緩衝装置（６８）を含み、緩衝装置（６８）は、第１のはめあい結合部分（６２）が第２のはめあい結合部分（６０）内に係合したときに発生する衝撃を緩衝することを特徴とする内燃機関（１０）。

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