JP2008240717A - 内燃機関の始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ等を別途設けることなく、低コストでコンパクトな内燃機関の始動装置を提供する。
【解決手段】吸気通路２５を分岐した分岐通路２６に、圧縮空気を貯留するアキュムレータ２８を設け、車両の減速時に圧縮空気を生成するものとし、圧縮空気を生成する際には、ＥＴＶ２３を閉じ、ソレノイドバルブ２７を開けて、電動ターボ２２により過給した空気を、圧縮した状態でアキュムレータ２８に貯留しておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の始動装置に関し、停止状態の気筒の燃焼室内に燃焼を生起させることにより、内燃機関を始動させるものである。

停止中の内燃機関の始動方法として、スタータを使わずに、停止時に膨張行程、圧縮行程となった気筒の燃焼室内に燃焼を生起させることにより、この気筒の燃焼エネルギを始動の動力として用いる技術、所謂、ダイレクトスタートと呼ばれる技術が知られている（特許文献１）。

特開２００６−３３６５７２号公報

停止中の内燃機関において、停止時に膨張行程、圧縮行程となった気筒の燃焼室内に燃焼を生起し易くするため、特許文献１には、筒内噴射型エンジンにおいて、燃料と共に圧縮空気を燃焼室内へ供給するエアアシストインジェクタを設けることが開示されている。特許文献１では、始動の際に、膨張行程、圧縮行程となっている気筒に、エアアシストインジェクタにより燃料、圧縮空気を供給し、供給した燃料、圧縮空気の混合気を点火して、エンジンを始動するようにしている。

ところが、エアアシストインジェクタで供給する圧縮空気を確保するには、圧縮空気を生成するポンプ等を別途設けることが必要であるため、その設置場所を確保することが難しく、又、コストアップの要因となっていた。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、ポンプ等を別途設けることなく、低コストでコンパクトな内燃機関の始動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る内燃機関の始動装置は、
複数の気筒の中で停止中に膨張行程、又は、圧縮行程となった気筒の燃焼室に燃料及び圧縮空気を供給し、該燃焼室において点火を行うことにより、車両の内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置において、
前記気筒の吸気通路に設けられ、吸入した空気を過給する過給手段と、
前記過給手段の下流側の前記吸気通路に設けられ、吸入した空気の流量を制御する流量制御手段と、
前記過給手段と前記流量制御手段との間の前記吸気通路を分岐する分岐通路と、
前記分岐通路に設けられ、前記分岐通路の開閉を行う開閉手段と、
前記開閉手段の下流側の前記分岐通路に設けられ、空気を貯留する貯留手段と、
前記貯留手段から供給される空気を前記燃焼室に供給する圧縮空気供給手段と、
前記過給手段、前記流量制御手段、前記開閉手段及び前記圧縮空気供給手段を制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
前記燃焼室へ過給していないときに、前記流量制御手段を全閉状態とし、前記過給手段を作動させ、前記開閉手段を開状態として、前記過給手段により過給された空気を圧縮して前記貯留手段に貯留しておき、
内燃機関の始動時には、前記貯留手段に貯留された空気を前記圧縮空気供給手段により前記燃焼室へ供給することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る内燃機関の始動装置は、
上記第１の発明に記載の内燃機関の始動装置において、
前記貯留手段に貯留された空気の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記貯留手段内の圧力が第１所定圧力未満である場合に前記貯留手段への圧縮空気の供給を許可し、前記貯留手段内の圧力が第２所定圧力を超える場合に前記貯留手段への圧縮空気の供給を停止することを特徴とする。
好ましくは、圧力検出手段を貯留手段内に設ける。この構成にすれば、貯留手段内の圧力を直接検出して精度よく制御できる。

上記課題を解決する第３の発明に係る内燃機関の始動装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の内燃機関の始動装置において、
前記制御手段は、
車両のアクセルがオフであり、且つ、ブレーキがオンであるときを、前記燃焼室へ過給していないときと判断することを特徴とする。
好ましくは、車両の減速時とする。この構成によれば、貯留手段へ圧縮空気を供給中に燃焼室へ圧縮空気を供給しなければならない運転状態と重なる可能性が低くなる。

上記課題を解決する第４の発明に係る内燃機関の始動装置は、
上記第１乃至第３のいずれかの発明に記載の内燃機関の始動装置において、
前記過給手段を電動式としたことを特徴とする。

本発明によれば、電動ターボ等の過給手段を、過給器としての通常の使い方に加えて、圧縮空気を生成するためのポンプとして兼用するので、設置場所を別途確保する必要がなくなり、その結果、装置がコンパクトとなると共にコストも低減することができる。

又、従来は、始動の際に圧縮空気を電動ポンプにて生成し、生成した圧縮空気を気筒の燃焼室へ供給しているため、始動するには数サイクル必要であったが、本発明では、アキュムレータ等の貯留手段に貯留した圧縮空気を気筒の燃焼室へ直接供給するので、始動を早くすることができる。その結果、例えば、アイドルストップを行ったときであっても、早い始動が可能となる。更に、始動時のスタータが不要となるので、スタータギアの音を無くすことができる。

又、電動ターボ等の電動式の過給手段を用いた場合には、その制御性、応答性が更に向上する。

以下、図１、図２を用いて、本発明に係る内燃機関の始動装置を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の始動装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
エンジン１（内燃機関）は、複数の気筒、例えば、４気筒が直列に並んで構成されたものであり、所定の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。なお、全ての気筒は同様の構成を有しているので、図１では、４気筒のうちの１つの気筒について示す。

図１に示すように、エンジン１の燃焼室２には、点火を行う点火プラグ３と、燃料を燃焼室２内に直接噴射する燃料噴射装置４と、圧縮空気を燃焼室２内に直接供給する圧縮空気供給装置５（圧縮空気供給手段）とが設けられている。

燃焼室２には、吸入した空気を供給する吸気ポート６と、燃焼したガスを排気する排気ポート７とが設けられており、吸気ポート６には、燃焼室２と吸気ポート６との連通／遮断を行う吸気弁８が設けられ、排気ポート７には、燃焼室２と排気ポート７との連通／遮断を行う排気弁９が設けられている。吸気弁８及び排気弁９は、図示しないカムシャフトにより開閉作動されており、このカムの回転角、即ち、カム角を検出するカム角センサ１４が設けられている。

又、気筒内には上下摺動するピストン１０が設けられ、ピストン１０の頂面が燃焼室２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１２に連結されており、クランクシャフト１２の回転角、即ち、クランク角を検出するクランク角センサ１３が設けられている。

又、吸気ポート６の上流側には吸気通路２５が接続されており、吸気通路２５には、その上流側から、吸入した空気を清浄化するエアクリーナ２１と、吸入した空気を過給する電動ターボ２２（過給手段）と、吸入した空気の流量を制御する電子制御スロットルバルブ２３（流量制御手段；以降、ＥＴＶと略す。）と、吸入した空気を各気筒に分岐するインテークマニホールド２４が設けられている。

更に、電動ターボ２２とＥＴＶ２３との間の吸気通路２５には、その通路を分岐する分岐通路２６が設けられており。分岐通路２６には、その上流側から、分岐通路２６の開閉を行うソレノイドバルブ２７（開閉手段）と、空気を圧縮した状態で貯留するアキュムレータ２８（貯留手段）と、アキュムレータ２８からの圧縮空気を圧縮空気供給装置５へ供給する経路となる供給通路３０が設けられている。アキュムレータ２８には、内部に貯留された圧縮空気の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）が設けられており、アキュムレータ内の圧縮空気の圧力が監視されている。なお、電動ターボ２２とＥＴＶ２３との間の吸気通路２５に圧力センサを設けた場合でもソレノイドバルブ２７を開くことで間接的にアキュムレータ２８内の圧力を検出できる。

なお、過給手段としては、制御性や最大供給圧を考慮すると、電動ターボが好ましいが、必ずしも、電動ターボである必要はなく、機械駆動式のターボやスーパーチャージャー等も使用可能である。又、燃料噴射装置４と圧縮空気供給装置５は互いに独立した構成であるが、燃料と圧縮空気とを噴射することができるエアアシストインジェクタを用いてもよい。

クランク角センサ１３、カム角センサ１４等の各種センサ、そして、点火プラグ３、燃料噴射装置４、圧縮空気供給装置５、吸気弁８、排気弁９、電動ターボ２２、ＥＴＶ２３、ソレノイドバルブ２７等の各種装置は、電子コントロールユニット１５（制御手段；以降、ＥＣＵと略す。）に電気的に接続されている。又、エンジン１の始動スイッチとなるイグニッションスイッチ（図示せず）、エンジン１のアクセルペダルの操作状態を検知するアクセルペダルセンサ１６、車両のブレーキの操作状態を検知するブレーキペダルセンサ１７等も、ＥＣＵ１５に電気的に接続されている。そして、イグニッションスイッチ、クランク角センサ１３、カム角センサ１４、アクセルペダルセンサ１６、ブレーキペダルセンサ１７等の各種センサから取得した情報に基づいて、点火プラグ３、燃料噴射装置４、圧縮空気供給装置５、吸気弁８、排気弁９、電動ターボ２２、ＥＴＶ２３、ソレノイドバルブ２７等の各種装置を、ＥＣＵ１５が制御している。

ここで、本発明に係る内燃機関の始動装置の構成の概要を、従来技術と比較して説明する。

従来の内燃機関の始動装置においては、エンジン始動の際に、エンジン内に設けた電動ポンプを駆動して、気筒の燃焼室内に圧縮空気を供給していた。このような構成の場合、圧縮空気を生成するための電動ポンプの設置場所を別途確保する必要があり、始動を早くするためには、気筒に近い場所に電動ポンプを設置する必要もあり、適切な設置場所を確保することが難しく、コストアップへの要因にもなっていた。又、電動ポンプの設置場所によっては、所望の圧力の圧縮空気を気筒の燃焼室へ即座に供給することができず、始動にために数サイクル必要なこともあった。

これに対して、本発明に係る内燃機関の始動装置においては、圧縮空気を生成するための電動ポンプの代替品として、エンジンの過給器を使用し、加えて、生成した圧縮空気を貯留しておく構成としている。具体的には、図１に示すように、吸気通路２５を分岐した分岐通路２６に、生成した圧縮空気を貯留するアキュムレータ２８を設け、圧縮空気を生成する際には、ＥＴＶ２３を閉じ、ソレノイドバルブ２７を開けて、電動ターボ２２により過給した空気を、圧縮した状態でアキュムレータ２８に貯留するようにしている。従って、電動ポンプを不要とし、設置場所を別途確保する必要もなくなり、装置がコンパクトとなると共に装置コストも低減することができる。

そして、エンジン１の始動の際には、供給通路３０を介してアキュムレータ２８に接続された圧縮空気供給装置５を用いて、アキュムレータ２８に貯留された圧縮空気を直接気筒の燃焼室２へ供給可能としている。従って、このような構成により、所望の圧力の圧縮空気を気筒の燃焼室２へ直接供給できるので、スタータを不要として、始動時のギヤ音を低減すると共に、エンジンの始動を早くすることが可能である。しかも、本発明の場合、圧縮空気を電動ターボ２２により生成する場合には、燃焼室２へ過給する必要がないときに、例えば、減速時に、電動ターボ２２を作動させて、圧縮空気を生成するようにしており、電動ターボ２２を過給用と圧縮空気生成用とに兼用するようにして、電動ターボ２２の有効利用を図っている。

次に、図２のフローチャートを用いて、本発明に係る内燃機関の始動装置において、圧縮空気を生成する手順を説明する。

最初に、ＥＣＵ１５が、アクセルペダルセンサ１６を用いて、アクセルがＯＦＦ状態であるか否かを確認する（ステップＳ１）。アクセルがＯＦＦ状態であれば、ステップＳ２へ進み、アクセルがＯＦＦ状態でなければ、この手順自体を終了する。

アクセルがＯＦＦ状態であれば、次に、ＥＣＵ１５が、ブレーキペダルセンサ１７を用いて、ブレーキがＯＮ状態であるか否かを確認する（ステップＳ２）。ブレーキがＯＮ状態であれば、ステップＳ３へ進み、ブレーキがＯＮ状態でなければ、この手順自体を終了する。

これらのステップＳ１、Ｓ２では、燃焼室２への過給が必要でない状態であること、例えば、車両の停止時や減速時等であることを確認している。つまり、電動ターボ２２を過給用に使用していないタイミングを見計らって、電動ターボ２２を圧縮空気生成用に作動させるためである。なお、ブレーキＯＮの減速時はその後すぐに加速する可能性が低く、したがって、電動ターボ２２の本来のエンジン過給機としての使用と、アキュムレータポンプとしての使用とが重なることを抑えられる。

ブレーキがＯＮ状態であれば、次に、ＥＣＵ１５が、圧力センサ２９を用いて、アキュムレータ２８内の圧力Ｐacを取得し、圧力Ｐacが予め定められた第１所定圧力Ｘより小さいかどうか確認する（ステップＳ３）。圧力Ｐacが第１所定圧力Ｘ未満の場合、ステップＳ４へ進み、圧力Ｐacが第１所定圧力Ｘ以上の場合、この手順自体を終了する。

圧力Ｐacが第１所定圧力Ｘ未満の場合、次に、ＥＣＵ１５は、ＥＴＶ２３の開度を０にする（ステップＳ４）。つまり、吸気通路２５をＥＴＶ２３により全閉状態としている。これは、吸気通路２５に吸入された空気を分岐通路２６側へ導くためである。

次に、ＥＣＵ１５は、電動ターボ２２を作動させた後（ステップＳ５）、ソレノイドバルブ２７を開状態とする（ステップＳ６）。これは、吸気通路２５に吸入する空気を電動ターボ２２により過給状態、即ち、圧縮状態としてアキュムレータ２８へ貯留するためである。なお、アキュムレータ２８に貯留した空気の逆流（吸気通路２５側への流入）を防止するためには、電動ターボ２２を作動させた後、ソレノイドバルブ２７を開状態とすることが望ましい。

ステップＳ５、Ｓ６において、空気を圧縮状態としてアキュムレータ２８へ貯留しているとき、ＥＣＵ１５は、圧力センサ２９を用いて、アキュムレータ２８内の圧力Ｐacを監視し、圧力Ｐacが予め定められた第２所定圧力Ｙより大きいかどうか確認する（ステップＳ７）。圧力Ｐacが第２所定圧力Ｙより大きい場合、ステップＳ８へ進み、圧力Ｐacが第２所定圧力Ｙ以下の場合、ステップＳ５へ戻る。つまり、アキュムレータ２８内の圧力Ｐacをフィードバックして、圧力Ｐacが第２所定圧力Ｙより大きくなるまで、ステップＳ５、Ｓ６が繰り返される。なお、短時間で、圧力Ｐacを第２所定圧力Ｙより大きくするには、電動ターボ２２は全開状態で作動させることが望ましい。

圧力Ｐacが第２所定圧力Ｙより大きくなった後、ソレノイドバルブ２７を閉状態とし（ステップＳ８）、次に、電動ターボ２２を停止させる（ステップＳ９）。このとき、貯留した空気の逆流を防止するため、必ず、ソレノイドバルブ２７を閉状態とした後、電動ターボ２２を停止させる。

以上のような手順を経て、アキュムレータ２８に所定圧力の圧縮空気を貯留しておく。ガソリンエンジンの場合、点火時の燃焼室内の圧力が、０．５ｋｇ／ｃｍ³程度であることから、アキュムレータ２８内の圧力は、少なくとも、０．５ｋｇ／ｃｍ³以上あればよい。その場合、第１所定圧力Ｘ、第２所定圧力Ｙは、例えば、Ｘ＝０．５ｋｇ／ｃｍ³、Ｙ＝０．６ｋｇ／ｃｍ³と設定する。又、供給通路３０に減圧弁等を設けた場合には、例えば、Ｘ＝０．６ｋｇ／ｃｍ³、Ｙ＝０．８ｋｇ／ｃｍ³と設定しておき、減圧弁を用いて、０．５ｋｇ／ｃｍ³まで減圧した後、圧縮空気供給装置５を用いて、燃焼窒２へ圧縮空気を供給するようにしてもよい。

そして、エンジン１が停止した後、再始動する際には、アキュムレータ２８に貯留した圧縮空気を用いて、エンジンを始動させることになる。この場合、イグニッションオフによるエンジン停止後の再始動だけでなく、アイドルストップによるエンジン停止後の再始動にも適用される。そこで、一例として、アイドルストップによるエンジン停止後の再始動について、以下に説明を行う。

信号等により車両が停止し、エンジン１がアイドル状態となると、燃料の無駄な消費を無くすため、エンジン１が自動的に停止される（アイドルストップ）。なお、車両停止中に圧縮空気の貯留を行う場合には、貯留が完了した後エンジン１を自動停止する。そして、再始動時には、アクセルペダルセンサ１６がＯＮ状態となったことをＥＣＵ１５が検知して、以下の手順により、エンジン１を自動的に再始動させることになる。

具体的には、アクセルペダルセンサ１６がＯＮ状態となったとき、ＥＣＵ１５は、カム角センサ１４を用いて、エンジン１が停止したときの各気筒の行程（膨張、排気、吸気、圧縮）を判別する。

次に、クランク角センサ１３を用いて、膨張行程にある気筒のクランク角を検出し、膨張行程にある気筒内に、圧縮空気供給装置５を用いて、所定量の圧縮空気の供給を行って、燃焼室２内の空気量を増加させると共に、燃料噴射装置４を用いて、理論空燃比となる量の燃料を噴射する。このとき、圧縮空気の供給量は、膨張行程にある気筒のピストン１０の停止位置に応じて調整する。例えば、上死点（ＴＤＣ）を０°とすると、ピストン１０の停止位置が４０〜８０°ＡＴＤＣ（上死点後）の間では比較的少なく、ピストン１０の停止位置が上死点側、下死点側により近づくと比較的多くなるよう設定する。これはピストン１０の停止位置が、上死点近傍にある場合は燃焼室内の空気量が少なく、下死点近傍にある場合は燃焼を生起させたとしても膨張量が十分に得られず、それぞれ始動が悪化するためである。従って、このような場合には、比較的多くの圧縮空気を供給することで燃焼を促進させて、始動性を向上させている。

次に、膨張行程にある気筒の燃焼室２内の混合気（噴射されて気化が進行した燃料と圧縮空気の混合気）に、点火プラグ３により点火を行い、燃焼を生起させ、この燃焼のエネルギにより気筒のピストン１０を押し下げる。この時点から、クランクシャフト１２が回転を始める。

エンジン１の停止中に圧縮行程にあった気筒に対しても、膨張行程と同様に圧縮空気供給装置５を用いて、所定量の圧縮空気の供給を行って、燃焼室２内の空気量を増加させると共に、燃料噴射装置４を用いて、理論空燃比となる量の燃料を噴射し、膨張行程の気筒に続いて点火させる準備を行う。

なお、エンジン１の停止中に圧縮行程にあり、ピストン１０の停止位置が上死点から比較的離れている場合（下死点側に近い場合）には、燃焼室２内に十分な空気量が確保されているため、圧縮空気を供給する必要は無く、燃料噴射装置４を用いて燃料のみを噴射すればよい。これは、当該気筒の圧縮時の反力を抑制すると共に、当該気筒での燃焼を良好に生起させるためである。

次に、エンジン１の停止中に圧縮行程にあった気筒の燃焼室２内の混合気に、点火プラグ３により点火を行い、燃焼を生起させる。このときには燃焼室２内には十分な空気量を有していることから良好に燃焼が生起され、これにより気筒のピストン１０は押し下げられ、クランクシャフト１２の回転を促進させる。その結果、エンジン１の始動性が向上し、迅速且つ静寂な始動を行うことができるようになる。その後、各気筒における燃料噴射時期、点火時期を通常運転時の制御に移行して、エンジン１が完全に始動することになる。

なお、上記実施形態では膨張行程にある気筒に圧縮空気を供給して初爆させたが、スタータを併用し、圧縮行程にある気筒に圧縮空気を供給して圧縮行程の気筒を初爆としてもよい。また、圧縮行程にある気筒に圧縮空気を供給して圧縮行程の気筒を初爆させ一時的にエンジンを逆回転させ、その反動を利用して膨張行程にある気筒を圧縮させ始動させるものに適用しても良い。

本発明に係る内燃機関の始動装置は、ターボやスーパーチャージャー等の過給器を有する車両に好適なものである。

本発明に係る内燃機関の始動装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。 図１に示した内燃機関の始動装置における動作手順を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ 燃焼室
３ 点火プラグ
４ 燃料噴射装置
５ 圧縮空気供給装置
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ ピストン
１１ コンロッド
１２ クランクシャフト
１３ クランク角センサ
１４ カム角センサ
１５ ＥＣＵ
１６ アクセルペダルセンサ
１７ ブレーキペダルセンサ
２１ エアクリーナ
２２ 電動ターボ
２３ ＥＴＶ（電子制御スロットルバルブ）
２４ インテークマニホールド
２５ 吸気通路
２６ 分岐通路
２７ ソレノイドバルブ
２８ アキュムレータ
２９ 圧力センサ
３０ 供給通路

Claims (4)

1. 複数の気筒の中で停止中に膨張行程、又は、圧縮行程となった気筒の燃焼室に燃料及び圧縮空気を供給し、該燃焼室において点火を行うことにより、車両の内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置において、
   前記気筒の吸気通路に設けられ、吸入した空気を過給する過給手段と、
   前記過給手段の下流側の前記吸気通路に設けられ、吸入した空気の流量を制御する流量制御手段と、
   前記過給手段と前記流量制御手段との間の前記吸気通路を分岐する分岐通路と、
   前記分岐通路に設けられ、前記分岐通路の開閉を行う開閉手段と、
   前記開閉手段の下流側の前記分岐通路に設けられ、空気を貯留する貯留手段と、
   前記貯留手段から供給される空気を前記燃焼室に供給する圧縮空気供給手段と、
   前記過給手段、前記流量制御手段、前記開閉手段及び前記圧縮空気供給手段を制御する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、
   前記燃焼室へ過給していないときに、前記流量制御手段を全閉状態とし、前記過給手段を作動させ、前記開閉手段を開状態として、前記過給手段により過給された空気を圧縮して前記貯留手段に貯留しておき、
   内燃機関の始動時には、前記貯留手段に貯留された空気を前記圧縮空気供給手段により前記燃焼室へ供給することを特徴とする内燃機関の始動装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の始動装置において、
   前記貯留手段に貯留された空気の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記貯留手段内の圧力が第１所定圧力未満である場合に前記貯留手段への圧縮空気の供給を許可し、前記貯留手段内の圧力が第２所定圧力を超える場合に前記貯留手段への圧縮空気の供給を停止することを特徴とする内燃機関の始動装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の始動装置において、
   前記制御手段は、
   車両のアクセルがオフであり、且つ、ブレーキがオンであるときを、前記燃焼室へ過給していないときと判断することを特徴とする内燃機関の始動装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つの請求項に記載された内燃機関の始動装置において、
   前記過給手段を電動式としたことを特徴とする内燃機関の始動装置。

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