JP2010144662A - 直接始動機能付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】直接始動可能な状態で停止処理を開始した後、停止前に円滑に運転復帰を可能とした直接始動機能付き内燃機関を提供すること。
【解決手段】直接始動可能な状態で停止処理を開始し、起動気筒に過濃となる燃料を導入させた後、運転を復帰する場合、起動気筒内に所定量の空気を膨張行程の手前の段階であっても噴射させる。かつ、起動気筒内へ空気を噴射させる際に膨張行程にある気筒内にも、より多くの空気を噴射する。そして、起動気筒が膨張行程に達するときに、通常処理に従い起動気筒に火花放電を行い、混合気を着火燃焼させてエンジンを起動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気筒内にて混合気を燃焼させて直接内燃機関を起動させる直接始動機能付き内燃機関において、停止処理を開始した後円滑に運転復帰を可能とした内燃機関に関する。

車両が信号待ちなどで停止しエンジンがアイドリング状態などになったとき、エンジンの作動を停止させて、燃費を向上させたり排気ガスの排出量を低減させることが知られている。その後、運転者が変速機を操作したり、ブレーキ解除など発進につながる動作を行うと、エンジンは直ちに始動される。従来かかるエンジンの始動は、始動用電動機の作動によりエンジンのクランク軸に回転力を付与して行なっていた。

ところで近年、気筒内に導入してある混合気を着火燃焼させ、その燃焼エネルギーを用いてクランク軸に回転力を付与してエンジンを始動させる、いわゆる直接始動方式が考えられている。この内燃機関を直接始動させる方式は、始動用電動機を作動させる方式に比べ、蓄電池の電力消費がほとんど無く、始動用電動機にかかる負担が小さく、かつエンジンが円滑に作動されるなどの特徴を有している。

一方気筒内で混合気を燃焼させて始動を行なわせるには、予めエンジンを、気筒燃焼により始動できる状態で停止させる必要がある。すなわち、クランク軸が回転を停止したとき、仮に１番の気筒が、膨張行程途中になると判断されたとする。すると１番の気筒を起動気筒とし、クランク軸が回転を停止する直近の起動気筒の吸気工程で燃料噴射装置から燃料を吸気通路内に噴射する。そして起動気筒に混合気を導入し、クランク軸の惰性回転で圧縮工程の上死点を越えさせる。そして膨張行程までピストンを移行させる一方、排気工程まで移行させることなくエンジンの作動を停止させる。

エンジンを始動させる場合には、起動気筒に点火プラグから火花放電を行なわせ、起動気筒内にある混合気を着火燃焼させ、その燃焼エネルギーでピストンを押し下げクランク軸に回転力を付与して、エンジンを起動させる。（特許文献１参照。）
特開２００４−７６７０６号公報

しかしながら、車両が一時停止し、制御装置が直接始動可能な停止処理を開始した後、エンジンが完全に停止する以前に、車両を発進させる場合が考えられる。かかる場合特に、起動気筒内に空気噴射装置で空気を噴射し、ピストンを押し下げるとともに混合気を希釈させて着火燃焼させる内燃機関では、次のような問題が生じていた。

起動気筒には、始動時に筒内空気噴射装置から所定量の空気が噴射されることを前提にした混合気が導入されている。したがって、空気が供給されて所定の空燃比になるのであり、空気を噴射することなく点火プラグから火花放電させても、混合気が過濃で着火しない。一方、膨張行程の手前の段階で所定量の空気を起動気筒内に噴射することも考えられるが、吸気行程や圧縮工程で起動気筒内に空気を噴射すると、クランク軸を逆転方向に付勢することとなり、クランク軸の回転が円滑に進行しない。そのためクランク軸が駆動回転せず、エンジンの運転を復帰できなくなることが考えられる。

本発明は上記課題を解決し、膨張工程で停止する起動気筒に混合気を導入させ、停止後起動気筒内にて混合気を着火燃焼して始動させる直接始動機能付き内燃機関において、エンジンを直接始動可能な状態で停止処理を開始した後、停止前に円滑に運転復帰を可能とした直接始動機能付き内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため直接始動機能付き内燃機関（エンジン）を次のように構成した。

直接始動可能な状態で停止処理を開始し、所定気筒に燃料を導入した後、内燃機関の作動が停止する以前に運転を復帰する旨の指示があった場合、筒内空気噴射装置から、所定気筒内に所定量の空気を膨張行程の手前の段階であっても噴射するとともに、所定気筒内へ空気を噴射する際に膨張行程にある気筒内に筒内空気噴射装置から空気を噴射する。そして、所定気筒が膨張行程に達するときに、通常処理に従い所定気筒に火花放電を行い、混合気を着火燃焼させる。

また、所定気筒内に混合気が導入される以前に運転復帰要求があった場合は、その直後の吸気行程となる気筒に所定の濃度の混合気を導入し、着火燃焼して内燃機関を始動させることとした。

本発明にかかる直接始動機能付き内燃機関は、次の効果を有している。 直接始動可能な運転停止処理がなされ、所定気筒に燃料が導入され膨張行程に到達していない状態で内燃機関の始動要求がなされても、所定気筒に空気が噴射され、かつ膨張行程の気筒にも空気が噴射されるので、クランク軸が逆回転することを抑制し、エンジンの運転を円滑に復帰させることができる。

本発明にかかる直接始動機能付き内燃機関の一実施形態について、図を参照して説明する。図１に、内燃機関としてのエンジン１０の燃焼室部分を示す。エンジン１０は、ガソリンを主な燃料とし、吸気通路内に燃料噴射装置を具え、燃焼室に点火プラグを有する吸気通路内燃料噴射型火花点火式の内燃機関である。エンジン１０は、自然吸気式エンジンであるが、ターボチャージャーや他の過給器を備えた過給式エンジンであってもよい。また燃焼噴射方式でなく、キャブレター式でもよい。

エンジン１０の燃焼室部分は、図１に示すようにシリンダヘッド１２、ピストン１４、シリンダブロック１６などから構成されている。シリンダブロック１６は、内側にシリンダ１８を有している。シリンダブロック１６に形成されたシリンダ１８の数は、特に問わない。シリンダ１８の内部には、ピストン１４が往復動自在に設けられている。

ピストン１４は、クランク軸３６にコネクティングロッド３８を介して連結されている。シリンダブロック１６の上面には、シリンダヘッド１２がボルト（図示せず。）により固定されている。

シリンダヘッド１２は、下面に燃焼室用の凹み２０を具えている。凹み２０は、断面が三角形状で、凹み２０と、ピストン１４の頂面２２と、シリンダ１８の内面で区画された空間でエンジン１０の燃焼室２６を形成している。また、かかる区画域内を気筒ともいう。

シリンダヘッド１２には、吸気通路２４及び排気通路２８が設けられている。吸気通路２４は、上流側にエアクリーナ（図示せず。）が連結され、燃焼室２６に臨ませた開口部（図示せず。）に吸気弁４２が設けられている。また吸気通路２４内には、燃料噴射装置３４が設けられている。

燃料噴射装置３４は、先端に噴射孔を具え、内部に弁機構（いずれも図示せず。）を有する吸気通路内燃料噴射装置で、燃料タンク５２からの燃料パイプ５６と制御装置５８からの信号線６０が接続されている。燃料タンク５２は、燃料ポンプ６２を具え、燃料ポンプ６２を介して燃料タンク５２内の燃料を燃料パイプ５６内に所定の圧力で圧送する。

燃料噴射装置３４は、噴射孔を吸気通路２４内に臨ませて取り付けられており、信号線６０を介して送られてくる信号に従い弁機構が作動すると燃料タンク５２から送られてきた燃料を吸気通路２４内に所定の圧力で噴射する。尚、燃料噴射装置３４で燃料を加圧し、吸気通路２４内に燃料を噴射するようにしてもよい。噴射とは、基本的に燃料を霧状に放射させることを指すものとするが、液柱状で噴射してもよい。また、燃料噴射装置３４の取付位置、および噴射方向等は、特に限定しない。

排気通路２８は、排気弁４４を介して燃焼室２６に連通し、排気通路２８の下流側には、触媒２９と３１が連結されている。

吸気弁４２および排気弁４４は、それぞれシリンダヘッド１２に摺動自在に取り付けられ、吸気弁４２には吸気側動弁機構４６が、排気弁４４には排気側動弁機構４８が設けられている。吸気側動弁機構４６および排気側動弁機構４８は、それぞれクランク軸３６の回転に連動して作動し、吸気弁４２と排気弁４４を軸方向に駆動させる。これにより、吸気通路２４および排気通路２８は、エンジン１０の駆動に伴い燃焼室２６に対して所定の時期に開閉される。

又シリンダヘッド１２には、点火プラグ３０、および空気噴射装置３２が取り付けられている。点火プラグ３０は、先端に電極部分を具え、燃焼室２６の上部の略中心に、電極部分を燃焼室２６に臨ませてシリンダヘッド１２に取り付けられている。点火プラグ３０は、点火機構４０に接続されており、点火機構４０の作用により適宜の点火時期に放電を行わせる。尚、点火プラグ３０は、燃焼室２６の中央でなく、他の位置に取り付けられていてもよい。

空気噴射装置３２は、内部に弁機構（図示せず。）を具え、空気管６６を介して空気圧縮機６４に接続し、制御装置５８からの信号線６８が接続している。空気圧縮機６４は、外気を吸引し、吸引した空気を所定の圧力に上昇させて空気管６６に送り出す。空気噴射装置３２は、制御装置５８から指示を受けると、弁機構を作動させ空気圧縮機６４からの空気を所定量燃焼室２６内に噴射する。

またシリンダブロック１６には、クランク角センサ７２が設けられている。クランク角センサ７２は、クランク軸３６のクランク角を計測し、その結果を信号線７０を介して制御装置５８に送出する。制御装置５８は、エンジン１０に通常の作動をさせる通常の制御に加え、主な機能として直接始動機能、および運転復帰機能を備えている。

次に、エンジン１０の直接始動機能について説明する。ここでエンジン１０を直接始動させるとは、エンジン１０を始動（主に、短時間の作動停止後の始動）させる時に所定の気筒内にて混合気を燃焼させ、その燃焼圧力を利用してクランク軸３６を回転駆動させ、エンジン１０を起動させることをいう。尚直接始動機能は、エンジンを短時間作動停止させた後の始動でなく、夜間エンジンの作動を停止させ、翌朝エンジンを始動させる場合などに用いてもよい。

制御装置５８は、例えば車両が通常走行して、冷却水温度が所定温度に達しエンジン１０が安定した作動状態であると判断すると、アイドルストップ制御を行なう。すなわち、信号待ちなどで車両が一時停止した場合、エンジン１０の作動を停止させ、発進時に自動的にエンジン１０を再始動させる。

具体的には、車両が停止し、運転者が変速機を中立状態（ニュートラル）とし、サイドブレーキをかけたり、フットブレーキを踏み続けていると、制御装置５８は、車両が信号待ちなど一時停止で、しばらく経過した後車両は発進すると判断する。すると制御装置５８は、エンジン１０の作動を直接始動可能な状態で停止させることを決定する。

制御装置５８は、直接始動可能な作動停止を決定すると、まず点火プラグ３０による火花放電と燃料噴射装置３４からの燃料噴射を停止させる。そして制御装置５８は、クランク角センサ７２から、クランク軸３６のクランク角信号を受け取ると、クランク軸３６の回転速度や回転角度などから、クランク軸３６が回転を停止するまでのクランク軸３６の回転数等を算出する。停止するまでのクランク軸３６の回転数に基づき、クランク軸３６が停止したとき、エンジン１０の各気筒が、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、排気のいずれの工程になるかを判別する。尚クランク軸３６が回転を停止するまでの回転数が一定で、予め判明している場合は、エンジン１０の作動を直接始動可能な状態で停止処理を行なった時期等に基づいて、各気筒の工程状態を判定してもよい。

クランク軸３６が停止したときに膨張行程途中となる気筒を特定したら、特定した気筒を起動気筒（所定気筒）とする。そして、クランク軸３６が回転を停止する直前で、起動気筒が吸気工程にあるときに、燃料噴射装置３４から吸気通路２４内に燃料を噴射し、起動気筒内に混合気を吸引させる。燃料噴射装置３４から噴射する燃料、つまり保持用の燃料は、後述する空気噴射装置３２が起動気筒内に空気噴射した後、起動気筒内の混合気が点火プラグ３０による点火で確実に着火燃焼するに適した空燃比を形成する量である。つまり燃料噴射装置３４では、過濃な混合気を生成させる。

また制御装置５８は、直接始動可能な状態でエンジン１０を停止させた後、運転者が所定の操作を行なったと判断したなら、エンジン１０を再始動させる。運転者の所定の操作とは、例えば、パーキングブレーキを戻し、ギアを一速に入れる、あるいはアクセルペダルを少し踏み込むなどの車両発進に関連した所定の操作である。かかる操作が確認されたら、空気噴射装置３２で起動気筒内に所定量の空気を噴射し、起動気筒内の混合気を所定濃度に希釈し、点火プラグ３０で点火して着火燃焼させる。これにより、空気噴射による圧力上昇を含めてクランク軸３６が正回転方向に付勢され、クランク軸３６に作用した回転力を利用してエンジン１０が起動される。

更に制御装置５８は、運転復帰の制御を行なう。これは、直接始動可能な作動停止を開始した後、エンジン１０が停止する以前に運転を復帰させる制御である。例えば、信号で停止し、直接始動可能な状態での作動停止を開始したが、直ぐに信号が変わり、発進させる必要が生じたような場合である。

運転復帰要求が、起動気筒内に混合気が導入された後になされたときは、起動気筒内に空気噴射装置３２により所定量の空気が噴射される。所定量とは、起動気筒内の混合気が希釈され、所定の濃度に設定される量である。更に、起動気筒内への空気の噴射とともにこのとき膨張行程となっている気筒に、起動気筒に噴射したと同量かそれより多い量の空気を空気噴射装置３２から噴射する。そして起動気筒が点火時期に達したとき、点火プラグ３０を作動させ、火花放電にて起動気筒の混合気を着火燃焼させる。

また、運転復帰要求が、起動気筒内に混合気が導入される以前になされたときは、運転復帰要求の後、吸気行程となる気筒を判別し、かかる気筒内に所定の濃度の混合気が吸気行程で吸入されるように燃料噴射装置３４から燃料を噴射する。そしてその気筒が点火時期に達したとき、点火プラグ３０を作動させて、混合気を吸引した気筒に火花放電を行ない、気筒内にて混合気を着火燃焼させる。

図２に、エンジン１０が運転復帰する際のフローチャートを示す。エンジン１０の運転復帰動作、およびその効果についてフローチャート、および図３のタイムチャートを用いて説明する。

車両が運転されている場合、エンジン１０は、制御装置５８等による通常の制御で作動する。車両が信号待ちなどで停車すると、それまでの運転履歴や運転者による変速レバーやブレーキ操作等に基づき、制御装置５８は、車両の停止は一時停止であると判断する（Ｓ−１０）。ここで一時停止とは、所定時間経過後車両が再発進する場合をいう。その後ギアが中立に設定されるなど所定の操作が行なわれると、直接始動を可能にする停止処理によりエンジン１０の作動停止が開始される（Ｓ−２０）。

作動停止が開始されるとまず、点火プラグ３０からの火花放電、および燃料噴射装置３４からの燃料噴射が停止される。次に、運転復帰要求が有るか否か判断が行われる（Ｓ−３０）。復帰要求がなければ、起動気筒を判別し、起動気筒に所定の濃度の混合気が導入されるように燃料噴射装置３４から燃料が噴射される（Ｓ−４０）。

燃料噴射がなされ、起動気筒内に混合気が導入されたら、再び復帰要求があるか否か判別する（Ｓ−５０）。復帰要求がなく、起動気筒が膨張行程に到達したならクランク軸３６が回転を停止し、エンジン（内燃機関）１０の作動が停止する（Ｓ−６０）。

その後エンジン１０を始動させる要求があるか否か判断され（Ｓ−７０）、運転者が変速機を１速に入れたり、アクセルペダルを踏み込んだりするなど要求が有ると判断すると、起動気筒内の混合気を着火燃焼させる（Ｓ−８０）。これは、上述したと同様、混合気が導入されている起動気筒内に空気噴射装置３２から空気を噴射させ混合気を所定濃度に希釈し、点火時期に点火プラグ３０から火花放電を行い、混合気を着火燃焼させる。この起動気筒内への空気噴射と起動気筒内での混合気の燃焼により、ピストン１４が押し下げられ、クランク軸３６に回転力が付与され、その後順次各気筒で燃焼が行なわれ、エンジン１０が起動する（Ｓ−９０）。

一方、ステップ（Ｓ−３０）にて、復帰要求がなされたとする。つまり、停車して直ちに発車するような場合である。このときは、起動気筒への燃料噴射がなされていない。この場合復帰要求後に、いずれの気筒が吸気行程となる気筒かを判別する。そして、判別された気筒内に、点火プラグ３０による火花放電で着火可能な濃度の混合気が流入するように燃料噴射装置３４から燃料を噴射する。このようにして気筒内に所定濃度の混合気が導入されたら、点火時期に点火プラグ３０を作動させ、混合気を着火燃焼させる（Ｓ−１００）。かかる気筒内燃焼は、その後順次他の気筒で行い、エンジン１０を起動させる。

更に、ステップ（Ｓ−５０）にて、復帰要求がなされたとする。つまり、起動気筒に混合気が導入された後に復帰要求が行なわれた場合である。図３に、エンジン１０を４気筒エンジンとした場合の復帰動作のタイムチャートを示す。図３は、横軸に時間を示し、縦軸には、上から空気噴射装置３２の駆動信号、燃料噴射装置３４の駆動信号、点火プラグ３０の点火信号を示す。

図３はＢ点付近で停止処理が開始されており、 起動気筒は４番気筒と判定され、４番気筒への燃料噴射はｂで行なわれている。Ａが、復帰要求がされた時期である。復帰要求があったＡの時点では、クランク軸３６の回転は停止しておらず、また起動気筒である４番の気筒は、膨張行程に到達していない。

Ａの時点で復帰要求があると、起動気筒が吸気行程と圧縮行程のいずれの行程であっても、空気噴射装置３２から４番の気筒（起動気筒）に所定量の空気を噴射させる。空気噴射動作をｃで示す。更に４番気筒への空気噴射に伴い、４番気筒への空気噴射時に膨張行程となっている３番の気筒内に空気噴射装置３２から空気を噴射する（Ｓ−１１０）。３番気筒への空気噴射をｄで示す。膨張行程となっている３番の気筒内への空気噴射は、４番気筒へ噴射する空気量と同等かそれ以上の空気量を噴射する。

すると、４番の気筒内の混合気が、空気噴射装置３２からの噴射空気により所定濃度に希釈され、点火プラグ３０による火花放電により着火可能となる。更に、膨張行程の３番気筒内に、４番気筒への空気量と同等以上の量の空気が噴射されることから、空気噴射による４番の気筒内での圧力上昇分が、膨張行程の３番の気筒への空気噴射により相殺され、クランク軸３６に逆回転の回転力が付与されない。

次に、ステップ（Ｓ−８０）に至り、起動気筒に点火プラグ３０で点火し、混合気を着火燃焼させて、エンジン１０を起動させる（Ｓ−９０）。４番の起動気筒への点火プラグ３０の点火をｅで示す。

停止処理が開始された後の復帰動作をこのように制御することにより、起動気筒内の混合気を適切な濃度に希釈し、かつクランク軸３６の回転を制限せず、円滑にエンジン１０の運転を復帰させることができる。

また、起動気筒に混合気が導入される以前に復帰要求が有った場合は、復帰要求の後に吸気行程となるいずれかの気筒に混合気を導入させ、点火プラグ３０で着火燃焼させるので、上記と同様にエンジン１０の運転を円滑に復帰させることができる。

本発明にかかる可変動弁機構付き内燃機関の一実施形態を示す断面図である。 復帰動作に関するフローチャートを示す図である。 復帰動作に関するタイムチャートを示す図である。

符号の説明

１０…エンジン
１４…ピストン
１８…シリンダ
２４…吸気通路
２６…燃焼室
３２…空気噴射装置
３４…燃料噴射装置
３６…クランク軸
４４…排気弁
４８…排気側動弁機構
５８…制御装置
７２…クランク角センサ

Claims (3)

1. 複数のシリンダ（気筒）と、
   前記シリンダ内に往復動自在に設けられたピストンと、
   前記シリンダと前記ピストンにより形成された燃焼室と、
   前記燃焼室に連通された吸気通路と、
   前記燃焼室に臨ませた点火プラグと、
   前記吸気通路に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   前記各気筒内に空気を噴射する筒内空気噴射装置とを備えた内燃機関であって、
   前記内燃機関の停止時に膨張行程となる所定気筒の燃焼室に燃料が保持された直接始動可能状態で停止し、始動時に前記所定気筒に対し前記筒内空気噴射装置から空気を噴射し、前記点火プラグで点火して前記内燃機関を起動する直接始動機能付き内燃機関において、
   前記筒内空気噴射装置は、直接始動可能状態とする停止処理を開始し、前記所定気筒に対し保持用の燃料を噴射した後、該所定気筒が膨張行程に達する以前に前記内燃機関の始動要求がなされたとき、前記所定気筒内に空気を噴射するとともに、該所定気筒への空気噴射時に膨張行程である気筒に空気を噴射することを特徴とした直接始動機能付き内燃機関。
2. 前記膨張気筒へ供給する空気量を、前記所定気筒へ供給する空気量より多くしたことを特徴とした請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃料噴射装置は、直接始動可能状態とする停止処理を開始し、前記所定気筒に対し保持用の燃料を噴射する以前に前記内燃機関の始動要求がなされたとき、吸気行程にある気筒に対し燃料を噴射することを特徴とした請求項１または２に記載の内燃機関。

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