JP2019100225A - 車両用多気筒内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】機関停止後に吸気バルブと排気バルブとが開いたままになるたことを、低コストで防止する。【解決手段】スタータモータ１６の高速回転用回路３５に、リレー３９を介挿する。スタータモータ１６は、弱い電流が流れる制御電源線３４と強い電流が流れる高速回転用回路３５とを有しており、メインスイッチ３８がＯＮになると制御電源線３４に通電して、ピニオンギア２５が低速回転しながら前進してリングギア１５に噛合する。すると、高速回転用スイッチ３６がＯＮになって、ピニオンギア２５が高速回転する。機関が停止した状態でいずれかの気筒５の吸気バルブと排気バルブとがオーバーラップ状態である場合には、リレー３９をＯＦＦにしてピニオンギア２５を低速回転させてリングギア１５を駆動し、オーバーラップ解除状態に移行させる。【選択図】図１

Description

本願発明は、車両用内燃機関に関するもので、機関停止後に排気ガスが気筒内に逆流することを防止する技術に関するものである。

内燃機関は排気ガスが排出される排気通路を有しており、車両用内燃機関の場合はその長さがかなり長くなる。特に、大半の車両が採用しているフロントエンジン方式では排気通路の長さは相当に長くなってその容積もかなりの大きさになるが、機関の運転を停止すると排気通路に相当の量の排気ガスが残存したままになり、この排気ガスはかなりの時間が経過しないと抜け切らない。

そして、吸気通路の終端は車両の後方に向けて開口させているのが多いが、すると、車両が停止している状態で風が車両の後ろから吹くと、風が排気通路に入り込んで排気ガスを吸気通路の側に押しやるように作用することになる。

他方、４サイクル内燃機関では、排気行程から吸気行程に移行する段階で排気弁と吸気弁とが同時に開いているオーバーラップ状態が存在しており、多気筒内燃機関ではいずれかの気筒がオーバーラップ状態になっていることがある（特に、３気筒内燃機関の場合は、オーバーラップ状態で安定する性質があることから、１つの気筒において吸気バルブと排気バルブとが開いた状態のままで停止しやすい。）。すると、排気通路に溜まっていた排気ガスが、排気弁と吸気弁とがオーバーラップしている気筒を介して吸気通路に押し込まれることがある。

すると、次の運転の始動は吸気通路に新気が殆ど存在しない状態で行われるため、クランキングに長い時間が掛かってバッテリーの負担が増えたり、燃焼せずに気筒内面に付着していた燃料が新気の供給によって一気に燃焼して吹き上がり現象が発生したり、或いは、甚だしい場合は、点火プラグの燃料被りによって始動できなくなるといった不具合が生じる。

この対策として本願出願人は、特許文献１を提案した。すなわちこの特許文献１は、吸気通路の開度を調節する弁手段と、排気通路に溜まっていた排気ガスの逆流を検知する逆流検知手段とを有しており、運転停止状態でも前記吸気通路を僅かに開いた状態を基準状態にしている構成において、前記運転停止時に前記逆流検知手段が排気ガスの逆流を検知すると前記弁手段によって吸気通路が全閉されるようになっている。

特開２０１５−４８７４６号公報

特許文献１では、逆流検知手段で排気ガスの逆流を検知すると吸気通路が全閉することにより、排気ガスが吸気通路に向けて逆流しようとしても、吸気通路のうち弁手段よりも下流側に溜まっている新気が抵抗として作用することで逆流が阻止される。従って、運転停止中に排気通路の出口に風が入り込んでも、次の始動は吸気通路の全体に新気が存在する状態で行われる。よって、運転停止中に排気ガスが逆流することによる問題を防止できる。

特許文献１は、吸気バルブと排気バルブとがオーバーラップ状態で停止することは許容しつつ、排気ガスの逆流を阻止しようとするものであるが、オーバーラップ状態での停止を防止できると、根本的な解決になって好適である。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、吸気バルブと排気バルブとがオーバーラップしたまま停止してしまうことを、簡単な構造で防止せんとするものである。

車両用内燃機関はスタータモータで始動されるが、このスタータモータは、低速回転と高速回転とに切り換え可能になっており、低速回転状態でリングギアに噛合させてから高速回転させることにより、スタータモータとリングギアとの噛み合いを確実化すると共に、リングギア等の損傷を防止している。本願発明者たちはこの点に着目して、本願発明を完成させるに至った。

本願発明は、請求項１のとおり、
「吸気バルブ及び排気バルブで開閉される複数の気筒と、高速回転と低速回転とに変更可能なスタータモータと、前記各気筒における吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態を直接に又は間接的に検知できるセンサとを備えており、
機関停止後に、少なくとも１つ気筒において吸気バルブと排気バルブとの両方が開いていることを前記センサで検知した場合、前記スタータモータを低速回転させてクランク軸を回転させることにより、全ての気筒において吸気バルブと排気バルブとのうち少なくとも一方が全閉状態になるように制御される」
というものである。

本願発明は、様々に展開することができる。その例として請求項２では、
「前記クランク軸には始動用のリングギアを設けている一方、
前記スタータモータは、回転軸の軸心上をスライドして前記リングギアと係脱するピニオンギアと、メインスイッチがＯＮになると前記回転軸を低速回転させながら前記ピニオンギアを前進させて前記リングギアと噛合させる低速噛み合わせ機構と、前記ピニオンギアがリングギアに噛合したら高速回転用スイッチがＯＮになって通電する高速回転用回路とを備えており、
前記高速回転用回路に、機関停止後に前記スタータモータを低速回転させるときに前記高速回転用スイッチがＯＮになっても高速回転用回路に電流を流さない電流継断部を介挿している」
という構成になっている。

また、請求項２の展開例として請求項３では、
「前記電流継断部は電磁式のリレーであり、機関停止後に前記スタータモータを低速回転させているときに始動要求があったときは、前記高速回転用スイッチをＯＦＦにしてから前記リレーが通電状態になるように制御される」
という構成になっている。

本願発明において、スタータモータは、始動専用のものだけでなく、発電機能を有するモータジェネレータも含んでいる。また、機関の停止には、イグニッションスイッチをＯＦＦにした場合と、信号待ち等においてアイドリング防止のために一時的に回転停止する場合との両方を含んでいるが、いずれか一方のみに適用することも可能である。

本願発明では、車両に必須の装置として搭載されているスタータモータを利用して、吸気バルブと排気バルブとがオーバーラップしたまま停止することを防止できる。従って、排気ガスの逆流による始動時の不具合を、高いコストを要することなく防止できる。また、バルブの開度を検知するセンサとしては、クランク軸の回転を検知する回転センサやカム角度センサを採用できるが、これらのセンサも車両には標準的に搭載されているため追加的な費用は不要であり、この面でも、コスト的に有利である。

また、クランク軸を低速回転させるものであるため、排気ガスや吸気の抵抗を無くした状態でクランク軸を回転させることができる。従って、バルブの閉じ制御を正確に行うことができる。

請求項２のスタータモータは、従来から使用されているものをより具体化したものであり、従来から使用されているスタータモータの高速回転用回路に、リレー等の電流継電部を追加するだけであるため、コストアップを大幅に抑制できる。従って、実用性に優れているし、既存の車両への適用も容易である。

車両の操作として、イグニッションスイッチをＯＦＦにしてからすぐに再始動することがある。また、アイドリング防止のための一時的に停止してから、発進のために自動的に再始動することは頻繁に生じる。このような場合は、バルブの開度制御を中止して機関を始動させる必要があるが、電流継電部がリレーである場合、大電流が流れた状態でリレーをＯＮにすると、リレーが損傷する可能性があり、さりとて、大電流に対応した耐衝撃性のリレーを使用するとコストが嵩むことになる。

この点、請求項３の構成では、メインスイッチがＯＦＦの状態でリレーがＯＮになるため、簡単な構造のリレーであっても損傷は生じない。従って、安価なリレーを使用してコストを抑制することができる。

実施形態を示す模式図である。

(1).内燃機関の概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、内燃機関の概要を説明する。実施形態の内燃機関は、車両に搭載される４サイクル３気筒タイプである。内燃機関は従来と同様の構造であり、機関本体として、シリンダブロック１とその上面に重ね固定されたシリンダヘッド２、両者の前面に固定されたフロントカバー３、及び、シリンダヘッド２の下面に固定されたオイルパン４を備えている。

シリンダブロック１に形成した３つの気筒（シリンダボア）５にそれぞれピストン６が摺動自在に嵌まっており、ピストン６の往復動は連接棒７を介してクランク軸８の回転に変換される。

更に、シリンダヘッド２には、各気筒５に対応して一対ずつの吸気及び排気のバルブ９が取付けられており、各バルブ９はカム軸１０で駆動される（カム軸は吸気バルブ用と排気バルブ用とがあるが、図では纏めて１本に表示している。）。ばねなどは省略している。符号１１は、バルブタイミング可変装置（ＶＶＴ装置）である。カム軸１０の回転位相はカム角度センサで検知されるが、図では、カム角度センサは省略している。

クランク軸８とカム軸１０とは、フロントカバー３の内側に配置されたタイミングチェーン１２で駆動される。クランク軸８の一端部はフロントカバー３の外側に露出しており、この露出した端部に、外周に凹凸を形成したギア状のセンシングロータ１３を固定し、フロントカバー３のセンシングロータ１３の上方部に、センシングロータ１３の外周に形成して凹凸を検知する回転センサ１４を配置している。

クランク軸８の他端部はシリンダブロック１の後面から突出しており、この他端部に、始動用のリングギア１５を配置しており、リングギア１５をスタータモータ１６で駆動することによって機関が始動する。

(2).スタータモータの構造
スタータモータ１６は、ハウジング１８で回転自在に保持された回転軸１９を有しており、回転軸１９には、ブラシ２０から通電されるアーマチュア（ロータ）２１が固定されている。ブラシ２０には、フィールドコイル２２が接続されている。

また、回転軸１９のうちアーマチュア２１を挟んでブラシ２０と反対側の部位に、シフター２３がスプライン嵌合等によってスライド自在に嵌め入れられており、シフター２３に、当該シフター２３の前進・後退によってリングギア１５に噛み合い・離脱するピニオンギア２５を設けている。シフター２３には、ストッパーとしてのオーバーランニングクラッチ２６が回転自在及び摺動自在に嵌め込まれており、オーバーランニングクラッチ２６よりもアーマチュア２１の側に、シフター２３を後退方向に付勢するばね２７が配置されている。

シフター２３は、シーソー式に回動するシフトレバー２８によってスライドする。すなわち、シフトレバー２８の先端には、シフター２３に回転自在に嵌まったリング２９が相対動自在に取付けられており、リング２９をシフター２３に設けたフランジ３０で挟むことにより、シフター２３は、回転を許容された状態で回転軸１９上をスライドする。

シフトレバー２８は、プルインコイル３１とホールディングコイル３２とによって往復動するプランジャ３３で駆動される。両コイル３１，３２は制御電源線３４に接続されており、ホールディングコイル３２の終端はアースされて、プルインコイル３１の終端はフィールドコイル２２に接続されている。

(3).制御回路
制御電源線３４でプランジャ３３を動かしつつ、ピニオンギア２５を低速回転で前進させる機構は、請求項に記載した低速噛み合わせ機構を構成している。従って、シフトレバー２８や高速回転用スイッチ３６も、低速噛み合わせ機構を構成している。

そして、高速回転用回路３５に大きな電流が流れているが、制御電源線３４には弱い電流しか流れていない。従って、制御電源線３４からフィールドコイル２２及びブラシ２０に通電している状態では、回転軸１９は低速回転していると共に、シフター２８が前進する。シフター２８が前進しきってピニオンギア２５がリングギア１５に噛合すると、フィールドコイル２２及びブラシ２０には高速回転用回路３５から強い電流が流れて、回転軸１９は高速回転する。

そこで、高速回転用回路３５に、プランジャ３３の前進動によってＯＮになる高速回転用スイッチ３６を設けている。高速回転用スイッチ３６は、２つの固定接点３６ａと、プランジャ３３の前進動によって動く可動接点３６ｂとを有しており、可動接点３６ｂはばね（図示せず）で後退方向に付勢されている。

高速回転用回路３５と制御電源線３４とはバッテリー３７に接続されており、制御電源線３４にメインスイッチ３８を介挿している。そして、高速回転用回路３５の高速回転用スイッチ３６よりも電源側の部位に、当該高速回転用回路３５への通電を継断する電流継断部の一例としてリレー３９を介挿している。リレー３９は電磁式であり、固定接点３９ａと、電磁ソレノイド３９ｂで駆動される可動接点３９ｃとを有している。可動接点３９ｃばねで前進方向に付勢されており、電磁ソレノイド３９ｂに通電していない状態ではＯＮになって、電磁ソレノイド３９ｂに通電するとＯＦＦになる。

内燃機関は、各種の制御を行うＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）を備えており、メインスイッチ３８やリレー３９の電磁ソレノイド３９ｂ、回転センサ１４は、ＥＣＵと電気的に結線されている。また、車両の運転席に設けたイグニッションスイッチ４０もＥＣＵに接続されている。

(4).停止後の制御
以上の構成において、センシングロータ１３の外周には原点となる部分が存在しており、原点を基準にしてクランク軸８の回転位相を検知することにより、点火時期の制御やスロットルバルブの制御などが行われている。従って、機関を停止したときにカム軸１０がどの位相で停止しているかは、回転センサ１４で検知したクランク軸８の位相によって判定することができる。

そして、イグニッションスイッチ４０のＯＦＦ操作やアイドリング防止のための停止により、メインスイッチ３８がＯＦＦになってクランク軸８の回転が停止したときに、いずれかの気筒５において吸気バルブと排気バルブとの両方が開いた状態（オーバーラップ状態）になっていると判定したときは、リレー３９をＯＦＦ（電磁ソレノイド３９ｂに通電した状態）にすると共に、メインスイッチ３８をＯＮにしてリングギア１５を回転させて、吸気バルブと排気バルブとが閉じた状態に移行させる。

クランク軸８の回転位相と各バルブ９の位相（或いはカム軸１０の位相）との関係は予めマップに記憶されているので、吸気バルブと排気バルブとが閉じた状態になるクランク軸８の位相を目標位相として設定して、目標位相と現実の位相との差だけクランク軸８を回転させたらよい。

この場合、始動時には、ピニオンギア２５がリングギア１５に噛合すると高速回転用回路３５に通電して回転軸１９が高速回転するが、バルブを閉じるための制御では、リレー３９がＯＦＦになっていて高速回転用回路３５には通電しないため、ピニオンギア２５がリングギア１５に噛合した状態で回転軸１９が低速回転する。従って、クランク軸８を低速で回転させて、吸気バルブと排気バルブとのオーバーラップ状態がなくなるように制御できる。

運転者がイグニッションスイッチ４０をＯＦＦにしてからすぐに再始動したり、車両が停止して機関が止まった後にすぐに発進したりする場合は、クランク軸８の位相制御モードから始動モードに切り換える必要がある。この場合、リレー３９をすぐにＯＮにすると、大きな電流が瞬間的にリレー３９の接点に流れるため、リレー３９が衝撃防止手段を施していない場合は、リレー３９が損傷（ショート）するおそれがある。

これに対して本願実施形態では、始動要求があった場合は、いったんメインスイッチ３８をＯＦＦにして高速回転用スイッチ３６をＯＦＦにし、それからリレー３９をＯＮにして、再度メインスイッチ３８をＯＮにする。これにより、リレー３９が単純な構造であっても、損傷を防止できる。

なお、機関が停止してからバルブの制御のためにメインスイッチ３８がＯＮになって、まだ高速回転用スイッチ３６がＯＮになっていない状態で始動要求があった場合は、そのままリレー３９をＯＮにしたらよい。これにより、再始動を速やかに行える。

上記の実施形態は３気筒の内燃機関に適用したが、他の気筒数の内燃機関にも適用できる。バルブの開度を検知するセンサとしては、カム角度センサを使用してもよい。スタータモータは、図示以外の様々な構造のものを採用できる。高速回転用回路の電流継断部としてリレーを使用したが、パワー半導体などを使用したスイッチング回路などを採用することも可能である。

本願発明は、内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
５ 気筒
６ ピストン
８ クランク軸
９ バルブ（吸気バルブ、排気バルブ）
１０ カム軸
１５ リングギア
１６ スタータモータ
１８ ハウジング
１９ 回転軸
２０ ブラシ
２１ アーマチュア
２３ シフター
２５ ピニオンギア
２８ シフトレバー
３１ プルインコイル
３３ プランジャ
３４ 制御電源線
３５ 高速回転用回路
３６ 高速回転用スイッチ
３８ メインスイッチ
３９ 電流継断部の例としてのリレー
４０ イグニッションスイッチ

Claims (3)

1. 吸気バルブ及び排気バルブで開閉される複数の気筒と、高速回転と低速回転とに変更可能なスタータモータと、前記各気筒における吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態を直接に又は間接的に検知できるセンサとを備えており、
   機関停止後に、少なくとも１つ気筒において吸気バルブと排気バルブとの両方が開いていることを前記センサで検知した場合、前記スタータモータを低速回転させてクランク軸を回転させることにより、全ての気筒において吸気バルブと排気バルブとのうち少なくとも一方が全閉状態になるように制御される、
   車両用多気筒内燃機関。
2. 前記クランク軸には始動用のリングギアを設けている一方、
   前記スタータモータは、回転軸の軸心上をスライドして前記リングギアと係脱するピニオンギアと、メインスイッチがＯＮになると前記回転軸を低速回転させながら前記ピニオンギアを前進させて前記リングギアと噛合させる低速噛み合わせ機構と、前記ピニオンギアがリングギアに噛合したら高速回転用スイッチがＯＮになって通電する高速回転用回路とを備えており、
   前記高速回転用回路に、機関停止後に前記スタータモータを低速回転させるときに前記高速回転用スイッチがＯＮになっても高速回転用回路に電流を流さない電流継断部を介挿している、
   請求項１に記載した車両用多気筒内燃機関。
3. 前記電流継断部は電磁式のリレーであり、機関停止後に前記スタータモータを低速回転させているときに始動要求があったときは、前記高速回転用スイッチをＯＦＦにしてから前記リレーが通電状態になるように制御される、
   請求項２に記載した車両用多気筒内燃機関。

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