JP2008196307A - 内燃機関の始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要な圧縮空気の供給や逆転作動を規制して、効率のよい始動を可能とする。
【解決手段】停止時における膨張行程気筒の筒内圧が所定圧以上であるときに、この膨張行程気筒に燃料を噴射し点火することで、圧縮空気の供給や逆転作動等により膨張行程気筒内を加圧することなく、内燃機関の始動を可能にする（S18、S20）。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の始動装置に係り、詳しくはスタータを用いずに内燃機関を始動させる技術に関する。

内燃機関（エンジン）の始動装置として、スタータを用いずに、燃焼室内で混合気を燃焼させ、その膨張力を用いてエンジンを始動させるダイレクトスタート装置が知られている。
ダイレクトスタート装置には、空気供給式及び逆転加圧式の２種類の方式が開発されている。空気供給式のダイレクトスタート装置では、エンジン停止時における膨張行程気筒に圧縮空気を供給して燃料を燃焼させることで、エンジンを正転方向に始動させる。

逆転加圧式のダイレクトスタート装置では、エンジン停止時における圧縮行程気筒で混合気を燃焼させてエンジンを一旦逆転作動させ、膨張行程気筒内を圧縮させる。そしてこの膨張行程気筒内で燃料を燃焼させることで、エンジンを正転方向に始動させる（特許文献１）。
特開２００５−１８８４２２号公報

しかしながら、エンジン停止直後では、始動するのに十分な圧力が膨張行程気筒内に残っている場合がある。このような場合において、上記のようなダイレクトスタート装置によりエンジンを始動させると、必要以上に膨張行程気筒内を加圧することとなる。このように必要以上に膨張行程気筒内を加圧することは、圧縮空気や燃料を無駄に使用することとなり経済性を悪化させるとともに、迅速な始動を妨げる要因ともなる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、スタータを不要とした内燃機関の始動装置において、不要な膨張行程気筒内の加圧を規制して、効率のよい始動を可能とした始動装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、内燃機関の筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、内燃機関の筒内に臨んで設けられた点火プラグと、内燃機関の筒内圧を検出または推定する筒内圧検出手段と、を備えた内燃機関の始動装置であって、筒内圧検出手段により検出または推定した内燃機関の停止時における膨張行程気筒の筒内圧が所定圧以上であるときに、停止状態の内燃機関の膨張行程気筒内に燃料噴射弁により燃料を供給し点火プラグにより点火することで内燃機関を始動させることを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、内燃機関のピストン停止位置を検出するピストン停止位置検出手段を更に備え、前記所定圧は、ピストン停止位置検出手段により検出された膨張行程気筒のピストン停止位置に基づいて推定されることを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項１または２において、内燃機関の筒内を加圧する筒内加圧手段を更に備え、筒内圧検出手段により推定した膨張行程気筒の筒内圧が前記所定圧未満であるときに、筒内加圧手段により膨張行程気筒内を前記所定圧以上に加圧した後に、膨張行程気筒内に燃料を供給し点火することで内燃機関を始動させることを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項３において、筒内加圧手段は、膨張行程気筒内に圧縮空気を供給することで、膨張行程気筒内を加圧することを特徴とする。
また、請求項５の発明では、請求項３において、筒内加圧手段は、内燃機関の停止時における圧縮行程気筒で燃料を燃焼させ内燃機関を一旦逆転作動させて膨張行程気筒内を圧縮することで、膨張行程気筒内を加圧することを特徴とする。

また、請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれかにおいて、筒内圧検出手段は、内燃機関の停止からの経過時間に基づいて筒内圧を推定することを特徴とする。
また、請求項７の発明では、請求項１〜５のいずれかにおいて、筒内圧検出手段は、内燃機関の停止直前に回転方向が変化した回数に基づいて筒内圧を推定することを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の始動装置によれば、内燃機関の停止時における膨張行程気筒の筒内圧が所定圧以上であるときに、膨張行程気筒内に燃料を供給し点火することで内燃機関を始動させるので、膨張行程気筒内を所定圧以上まで加圧する必要がなく、効率的な始動を実現することができる。
請求項２の内燃機関の始動装置によれば、膨張行程気筒内に燃料を供給し点火することによる内燃機関の始動の可否が、ピストン停止位置検出手段により検出されたピストン停止位置に基づいて判定されるので、このピストン停止位置に応じて所定圧を限界値に設定することができ、この始動方法による始動機会を増加させることができる。

請求項３の内燃機関の始動装置によれば、膨張行程気筒の筒内圧が所定値未満であっても、筒内加圧手段によって筒内が加圧されるので、膨張行程気筒内に燃料を供給し点火することで内燃機関を始動させることができる。
請求項４の内燃機関の始動装置によれば、膨張行程気筒内に圧縮空気を供給することで膨張行程気筒内を加圧するので、膨張行程気筒の筒内圧が所定値未満であっても、スタータを用いることなく容易な構成で始動を可能にすることができる。

請求項５の内燃機関の始動装置によれば、停止時における圧縮行程気筒で燃料を燃焼させ内燃機関を一旦逆転作動させて膨張行程気筒内を圧縮することで、膨張行程気筒内を加圧するので、膨張行程気筒の筒内圧が所定値未満であっても、スタータを用いることなく容易な構成で始動を可能にすることができる。
請求項６の内燃機関の始動装置によれば、内燃機関の停止からの経過時間に基づいて筒内圧を推定するので、筒内圧をセンサ等により検出する必要がなく、部品点数の低減を図ることができる。

請求項７の内燃機関の始動装置によれば、内燃機関の停止直前に回転方向が変化した回数に基づいて筒内圧を推定するので、比較的簡単に筒内圧を推定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の内燃機関の始動装置を備えた内燃機関の概略構成図が示されている。
本実施形態のエンジン（内燃機関）１は、４つの気筒がクランク角１８０°毎に等間隔で爆発する筒内噴射型の４サイクル直列４気筒型エンジンである。図１には、そのうちの１つの気筒についての縦断面が示されている。なお、他の気筒についても同様の構成をしているものとして図示及び説明を省略する。

図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、点火を行う点火プラグ３と、燃料及び圧縮空気を燃焼室４内に直接噴射可能なエアアシストインジェクタ５が設けられている。なお、エアアシストインジェクタ５は公知のものが採用され、その構成についてはここでは説明を省略する。そして、エアアシストインジェクタ５には燃料の供給経路である燃料ライン５ａと、圧縮空気の供給経路である空気ライン５ｂとが接続されている。

シリンダヘッド２には、気筒毎に燃焼室４と連通する吸気ポート６及び排気ポート７が夫々形成されているとともに、吸気ポート６を開閉する吸気バルブ８と、排気ポート７を開閉する排気バルブ９とが設けられている。さらに、気筒内には上下摺動するピストン１０が設けられ、凹部が形成されたピストン１０の頂面は燃焼室４の下面をなしている。
ピストン１０はコンロッド１１を介してクランクシャフト２０に連結されている。そして、クランクシャフト２０の一端部にはフライホイール２２が設けられている。

また、エンジン１にはクランクシャフト２０の回転角、即ちクランク角θaを検出するクランク角センサ２４、吸気バルブ８及び排気バルブ９をカムにより開閉作動させるカムシャフト（図示せず）の回転角、即ちカム角θbを検出するカム角センサ２６、及び燃焼室４内の圧力（筒内圧）Ｐcを検出する筒内圧センサ２８が設けられている。
そして、点火プラグ３、エアアシストインジェクタ５、クランク角センサ２４、カム角センサ２６及び筒内圧センサ２８等の各種装置や各種センサ類はＥＣＵ（電子コントロールユニット：制御手段）３０と電気的に接続されており、ＥＣＵ３０は各種センサ類からの各情報に基づき各種装置を作動制御する。

また、ＥＣＵ３０はイグニッションスイッチ３２と電気的に接続されている。イグニッションスイッチ３２がスタート操作されるとエンジン１の始動信号が、ＯＦＦ操作されるとエンジン１の停止信号がＥＣＵ３０へ入力される。
更に、本実施形態のエンジン１には、スタータを使用せずにエンジンを始動するダイレクトスタート装置として空気供給式始動装置が備えられている。

空気供給式始動装置は、例えば特開２００６−３３６５７２号公報に記載されているように、エンジン停止時における膨張行程気筒の燃焼室４内に、エアアシストインジェクタ５により圧縮空気及び燃料を供給して燃焼させることで、クランクシャフト２０を正回転させてエンジン１を始動させる機能を有するシステムである。
図２は、本発明の第１の実施形態においてＥＣＵ３０が実行するエンジン１の始動制御手順を示すフローチャートである。以下、同フローチャートに沿って、本実施形態におけるエンジン１の始動制御を説明する。

本ルーチンは、イグニッションスイッチ３２からの始動信号の入力に伴い実行が開始される。
先ずステップＳ１０では、カム角センサ２６からカム角θbを入力し、このカム角θbに基づいて膨張行程にある気筒（膨張行程気筒）を判別する。そして、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、ステップＳ１０において判定された膨張行程気筒に設けられたクランク角センサ２４により、ピストン停止位置としてクランク角θaを検出する（ピストン停止位置検出手段）。そして、ステップＳ１４に進む。なお、本実施形態では、クランク角θaが０°であるときにピストン停止位置が上死点となり、クランク角θaが１８０°であるときにピストン停止位置が下死点となる。

ステップＳ１４において検出されたクランク角θaに基づいて必要筒内圧Ｐcobjを推定する。必要筒内圧Ｐcobjは、エンジン１を始動するのに必要な筒内圧であって、例えば図３に示すようなマップからクランク角θaに応じて読み出すことで求めればよい。図３に示すように、必要筒内圧Ｐcobjは、クランク角６０度近辺で最小値となり、ここから上死点または下死点に近づくにしたがって増加する。そして、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６では、筒内圧センサ２８により筒内圧Ｐcを検出する。そして、ステップＳ１８に進む。
ステップＳ１８では、ステップＳ１６において検出された筒内圧Ｐcが必要筒内圧Ｐcobj以上であるか否かを判別する。筒内圧Ｐcが必要筒内圧Ｐcobj以上である場合は、ステップＳ１８に進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０において判定された膨張行程気筒のエアアシストインジェクタ５を制御して、この膨張行程気筒の燃焼室４内に燃料を噴射供給する。このとき、圧縮空気は供給しない。そして、点火プラグ３に電流を供給して点火する。そして、本ルーチンを終了する。
一方、ステップＳ１８において、筒内圧Ｐcが必要筒内圧Ｐcobj未満であると判定された場合は、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、ダイレクトスタート装置の通常制御を行う。詳しくは、ステップＳ１０において判定された膨張行程気筒のエアアシストインジェクタ５を制御して、この膨張行程気筒の燃焼室４内に燃料とともに圧縮空気を噴射供給する。これにより、燃焼室内を高圧化した上で、点火プラグ３に電流を供給して点火することで、エンジン１を始動させる。そして、本ルーチンを終了する。

以上の構成により、停止時における膨張行程気筒の筒内圧Ｐcが、ピストン停止位置に基づいて推定される必要筒内圧Ｐcobj以上であるときには、圧縮空気を使用せずに始動させる。これにより、空気供給式始動装置（ダイレクトスタート装置）を備えたエンジンにおいて、圧縮空気の使用量を抑制することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について、第１の実施形態に対する相違点のみ説明する。第２の実施形態ではダイレクトスタート装置として、逆転加圧式始動装置を備えている。

逆転加圧式始動装置は、例えば特開２００５−１８８４２２号公報に記載されているように、エンジン停止時において圧縮行程にある気筒（圧縮行程気筒）で混合気を燃焼させてクランクシャフト２０を一旦逆回転させ(エンジン１を逆転作動させ)、膨張行程気筒内を圧縮させる。そしてこの膨張行程気筒内で燃料を燃焼させることで、クランクシャフト２０の回転を反転させてエンジン１を正転方向に始動させる機能を有するシステムである。

本発明の第２の実施形態では、ステップＳ１８において、筒内圧Ｐcが必要筒内圧Ｐcobj以上であると判定された場合は、上記の逆転加圧式始動装置を用いずに、第１の実施形態と同様に、膨張行程気筒の燃焼室内に燃料を噴射供給して点火することでエンジンを始動させる。
一方、ステップＳ１８において、筒内圧Ｐcが必要筒内圧Ｐcobj未満であると判定された場合は、上記の逆転加圧式始動装置を用いてエンジンを始動させる。

以上により、第２の実施形態では、停止時における膨張行程気筒の筒内圧Ｐcが、ピストン停止位置に基づいて推定される必要筒内圧Ｐcobj以上であるときには、逆転作動せずに始動させる。これにより、逆転作動する際に必要な燃料を節約することができるとともに、迅速な始動が可能となる。
なお、本実施形態では、筒内圧Ｐcを筒内圧センサ２８により検出しているが、これに限定されるものではなく、例えばエンジン１が停止してからの経過時間に基づいて推定してもよい。詳しくは、図４に示すようなマップを用いて、エンジン１が停止してからの経過時間に対応した筒内圧Ｐcを読み出せばよい。図４に示すように、エンジン１が停止してからの経過時間が大きくなるにしたがって、筒内圧Ｐcは低下する。また、筒内圧Ｐcを、クランク角センサ２４から検出したクランク角θaにより、エンジン停止直前でのクランク挙動あるいは逆転回数から推定してもよい。一般的に、クランク挙動の大きいあるいは逆転回数の大きい場合は、筒内圧が大きくなる傾向にあり、実験等によりあらかじめ確認してマップとして記憶し、これを用いて筒内圧Ｐcを求めればよい。

本発明の実施形態に係るエンジンの構成図である。 ＥＣＵが実行するエンジンの始動制御ルーチンを示すフローチャートである。 必要筒内圧とクランク角との関係を示すマップである。 エンジン停止からの経過時間と筒内圧との関係を示すマップである。

符号の説明

１ エンジン
３ 点火プラグ
５ エアアシストインジェクタ
２４ クランク角センサ
２８ 筒内圧センサ
３０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. 内燃機関の筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   前記内燃機関の筒内に臨んで設けられた点火プラグと、
   前記内燃機関の筒内圧を検出または推定する筒内圧検出手段と、を備え、
   前記筒内圧検出手段により検出または推定した前記内燃機関の停止時における膨張行程気筒の筒内圧が所定圧以上であるときに、停止状態の前記内燃機関の膨張行程気筒内に前記燃料噴射弁により燃料を供給し前記点火プラグにより点火することで前記内燃機関を始動させることを特徴とする内燃機関の始動装置。
2. 前記内燃機関のピストン停止位置を検出するピストン停止位置検出手段を更に備え、
   前記所定圧は、前記ピストン停止位置検出手段により検出された前記膨張行程気筒のピストン停止位置に基づいて推定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
3. 前記内燃機関の筒内を加圧する筒内加圧手段を更に備え、
   前記筒内圧検出手段により推定した前記膨張行程気筒の筒内圧が前記所定圧未満であるときに、前記筒内加圧手段により前記膨張行程気筒内を前記所定圧以上に加圧した後に、前記膨張行程気筒内に燃料を供給し点火することで内燃機関を始動させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の始動装置。
4. 前記筒内加圧手段は、前記膨張行程気筒内に圧縮空気を供給することで、前記膨張行程気筒内を加圧することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の始動装置。
5. 前記筒内加圧手段は、前記内燃機関の停止時における圧縮行程気筒で燃料を燃焼させ前記内燃機関を一旦逆転作動させて前記膨張行程気筒内を圧縮することで、前記膨張行程気筒内を加圧することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の始動装置。
6. 前記筒内圧検出手段は、前記内燃機関の停止からの経過時間に基づいて前記筒内圧を推定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の始動装置。
7. 前記筒内圧検出手段は、前記内燃機関の停止直前に回転方向が変化した回数に基づいて前記筒内圧を推定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の始動装置。

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