JP4375546B2 - 筒内噴射型内燃機関の始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射型内燃機関の始動装置に関する。

従来、筒内噴射型内燃機関（以下、エンジンともいう）の始動方法として、燃焼室内に燃料を噴射し燃焼を生起させることにより、当該燃焼エネルギを始動の動力とする、所謂ダイレクトスタートという技術がある。
この技術（以下、ダイレクトスタートという）は主としてエンジンの始動前に膨張行程にある気筒の燃焼室内に燃焼を生起させるものである。

ここで、エンジンの始動前の状態とは即ちエンジンの停止時の状態であるが、通常、燃料噴射や点火を停止させてエンジンを停止させても、クランクシャフトは惰性によりある程度回転し、ピストン、吸気弁、排気弁等もある程度作動を続けている。このようなことから、クランクシャフトが停止した時点で圧縮行程や膨張行程にある気筒であっても、燃焼室内には燃料や排ガスを殆ど含まず、空気のみである場合が多く、故にダイレクトスタートが可能である。

そして、このようなダイレクトスタートには、燃料噴射弁から燃料とともに圧縮空気を噴射することにより燃焼室内の空気量を増加させ燃焼を促進させることが提案されている。
このような従来のダイレクトスタートでは、点火を行う直前に燃料を噴射するようにしている。例えば、図６のように４気筒エンジンで一点鎖線の時点がエンジンの停止時の各気筒のクランク位置、即ちエンジンの始動前のクランク位置とすると、エンジンの始動前に膨張行程にある気筒＃１に燃料を噴射してすぐに点火を行い、次に膨張行程になった気筒＃３に燃料を噴射してすぐに点火を行い、圧縮行程となった気筒＃４に燃料噴射してすぐに点火を行うようにしている。

ところが、このような燃料噴射方式では、各気筒とも燃料の噴射と点火との間隔が短く、このため燃料が十分に気化される前に燃焼が生起されてしまい、不完全な燃焼になり易いという問題がある。また上述したように燃料噴射と同時に圧縮空気も噴射する場合には、圧縮行程で噴射をすると圧縮とは逆の仕事をしてしまうため、余計にエネルギが必要となるという問題もある。つまり、従来のダイレクトスタートでは、エンジンの始動に十分なエネルギを得られず、エンジンの確実な始動を十分に保証し得るとは言い難い。また、燃焼が不完全であると未燃ＨＣやスモークが発生し好ましいことではない。

そこで、ダイレクトスタートを電動機により補助してエンジンにおける始動の確実性を担保するとともに、電力の消費をも最小限に抑える技術が開発されている（特許文献１参照）。
特開２００２−４９８５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術は、ダイレクトスタートによる始動状態が不完全である場合は電動機を作動させ、クランキングを付け足すことで始動を確実にするものであり、ダイレクトスタートのみでの始動性を確保するものではない。即ち、上記特許文献１に開示された技術では、ダイレクトスタートによる迅速な始動や静寂性等の利点を十分に活かすことができないという問題がある。

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、ダイレクトスタートによるエンジンの始動性を向上させ、省電力化を図りつつ迅速で静寂な始動を行うことができ、且つＨＣやスモークの排出を抑えることができる筒内噴射型内燃機関の始動装置を提供するものである。

上記した目的を達成するために、請求項１の筒内噴射型内燃機関の始動装置では、複数の気筒を有し、燃焼室内に直接燃料を噴射可能な筒内噴射型内燃機関の始動装置において、前記内燃機関の各行程にある気筒を判別する気筒判別手段と、前記気筒の燃焼室内に燃料の噴射を行う燃料噴射手段と、該燃料噴射手段により噴射された燃料に点火を行う点火手段とを備え、前記内燃機関の始動時に、前記気筒判別手段により前記内燃機関の始動前に膨張行程にある気筒を判別し、該膨張行程で該気筒の燃焼室内に前記燃料噴射手段により燃料の噴射を行うとともに該燃料に前記点火手段により点火を行い、該燃料の噴射と同時または直後に、前記内燃機関の始動前に吸気行程にある気筒の燃焼室内に前記燃料噴射手段により燃料を噴射するとともに、該燃料に圧縮行程以降で前記点火手段により点火を行うことを特徴としている。

また、請求項２の筒内噴射型内燃機関の始動装置では、前記内燃機関の始動前に膨張行程にある気筒の次に膨張行程となる気筒が膨張行程になったときに、さらに該気筒の燃焼室内に前記燃料噴射手段により燃料の噴射を行うとともに前記点火手段により該燃料に点火を行うことを特徴としている。
また、請求項３の筒内噴射型内燃機関の始動装置では、前記燃料噴射手段は、燃料の噴射とともに圧縮空気を噴射することを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関の始動装置によれば、エンジンの始動前に膨張行程である気筒での燃料の噴射及び点火を行い、当該燃料の噴射と同時または直後に、エンジンの始動前に吸気行程にある気筒に予め燃料の噴射を行っておくことにより、当該吸気行程にある気筒が圧縮行程となって点火が行われるまでに燃料の十分な気化時間を確保でき、点火した際には良好な燃焼が生起される。よって、エンジンの始動前に膨張行程にある気筒で燃料を噴射し点火を行うダイレクトスタートにおいてエンジンの始動性を向上させることができる。

これにより、省電力化を図りつつ、より迅速で静寂なエンジン始動を行うことができ、燃料の不完全な燃焼を防止してＨＣやスモークの排出をも抑えることができる。
請求項２の筒内噴射型内燃機関の始動装置によれば、エンジンの始動前に膨張行程にある気筒の次に膨張行程となる気筒が膨張行程になったとき、さらに当該気筒でも燃料を噴射し点火を行うので、ダイレクトスタートによるエンジンの始動性をより一層向上させることができる。

請求項３の筒内噴射型内燃機関の始動装置によれば、燃料とともに圧縮空気を噴射することにより燃焼室内の空気量を増加させ燃焼を促進させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置の概略構成図が示されている。以下、同図に基づき本発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置の構成を説明する。
エンジン１は多気筒からなり、図１に示すように、エンジン１の各気筒毎に形成された燃焼室２には点火栓４（点火手段）と、燃料を燃焼室２内に直接噴射する燃料噴射弁６（燃料噴射手段）とが臨んでいる。なお、燃料噴射弁６は燃料とともに圧縮空気も同時に噴射することができる構造となっている。

燃焼室２にはエンジン１の略上下方向に延びる吸気ポート８と、エンジン１の略幅方向に延びる排気ポート１０が連通しており、当該吸気ポート８と排気ポート１０には燃焼室２との連通と遮断を行う吸気弁１２、排気弁１４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１６が設けられ、凹部が形成されているピストン１６の頂面は燃焼室２の下面をなしている。

ピストン１６はコンロッド１８を介してクランクシャフト２０に連結している。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にはクランク角センサ２４及びカム角センサ２６（気筒判別手段）が設けられており、これらクランク角センサ２４及びカム角センサ２６を含む各種センサ類からエンジン１の各状態が検出されると、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２８により演算処理が行われ、各種駆動信号が各装置に出力される。

次に、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置の制御手順について、実施例１及び２に基づき説明する。
まず、実施例１について説明する。
図２を参照すると実施例１における各気筒の燃料噴射及び点火の時期が時系列的に示されており、図３を参照すると、実施例１においてＥＣＵ２８が実行する筒内噴射型内燃機関の始動制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下図２、図３に沿って説明する。

図２に示すように、実施例１はエンジン１が１８０°ＣＡ毎に等間隔で燃焼する４サイクル４気筒エンジンの場合の例であり、燃焼順序は気筒＃１→気筒＃３→気筒＃４→気筒＃２の順である。そして、図２には、当該エンジン１の始動前、即ちエンジン１が完全に停止したときの各気筒のクランク位置が一点鎖線で示されており、以下、この状態から例えばイグニッションスイッチをＯＮにし、エンジン１を始動させたときの実施例１に係る始動制御について詳しく説明する。

図３に示すように、まずステップＳ１０では、カム角センサ２６によりエンジン１の始動前に膨張行程にある気筒＃１を検出し、当該気筒＃１に燃料及び圧縮空気の噴射を行う。これは図２に示す（ａ）の時点であり、以下図２に示す各時点は、例えば噴射（ａ）のように表記するものとする。
そして、ステップＳ１１では、気筒＃１での噴射（ａ）の直後に、エンジン1の始動前に吸気行程にある気筒＃４を検出し、当該気筒＃４に燃料の噴射（ｂ）を行いステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、気筒＃４での噴射（ｂ）の直後に、気筒＃１で点火（ｃ）を行い燃焼を生起させる。この燃焼により気筒＃１のピストンが押し下げられクランクシャフト２０が回転を始める。
次にステップＳ１３では、クランクシャフト２０の回転により気筒＃１の次に膨張行程となる気筒、即ちエンジン１の始動前には圧縮行程にあった気筒＃３を検出し、当該気筒＃３が膨張行程に入ってから燃料及び圧縮空気の噴射（ｄ）を行い、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、気筒＃４の次に吸気行程となる気筒、即ちエンジン１の始動前には排気行程にあった気筒＃２を検出し、当該気筒＃２に気筒＃３での噴射（ｄ）の直後に燃料の噴射（ｅ）を行い、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５では、気筒＃２での噴射（ｅ）の直後に、気筒＃３で点火（ｆ）を行い燃焼を生起させる。

以降、通常走行時の燃料噴射と点火の順序となり、ステップＳ１６では、通常走行時の燃料噴射と点火とを行う。具体的には圧縮行程後半となった気筒＃４で点火（ｇ）を行った後、吸気行程となった気筒＃１に燃料の噴射（ｈ）を行い、次に圧縮行程後半となった気筒＃２で点火（ｉ）を行い、以降、各気筒吸気行程で燃料噴射、圧縮行程で点火という順序で制御を継続し、エンジン１の始動が完了したならば当該始動制御ルーチンを終了する。

以下このように構成された実施例１の作用について説明する。
まず、始動前に膨張行程にある気筒＃１に燃料及び圧縮空気が噴射（ａ）され、点火（ｃ）が行われると、当該気筒＃１において燃焼が生起されクランクシャフト２０が回転し始める。また、これと同時期に、吸気行程にある気筒＃４に燃料の噴射（ｂ）が行われる。

そして、気筒＃１の次に膨張行程に入る気筒＃３にも燃料及び圧縮空気の噴射（ｄ）と点火（ｆ）とが行われて燃焼が生起され、クランクシャフト２０の回転が維持される。
また、これと同時期にも、このとき吸気行程にある気筒＃２に燃料の噴射（ｅ）が行われる。
そして、予め燃料の噴射（ｂ）が行われた気筒＃４が圧縮行程の後半となったときに点火（ｇ）が行われる。この際、気筒＃４は燃料が十分に気化されているため完全な燃焼が生起され、これよりクランクシャフト２０に十分な回転力が与えられる。

さらに、気筒＃４と同様に、予め燃料の噴射（ｅ）が行われた気筒＃２でも圧縮行程後半になって点火（ｉ）が行われ、やはり完全な燃焼が生起される。
そして、エンジン１が始動したら当該始動制御が終了し、以降、通常走行時の燃料噴射と点火とが行われる。
次に実施例２について説明する。

図４を参照すると実施例２における各気筒の燃料噴射及び点火の時期が時系列的に示されており、図５を参照すると、実施例２においてＥＣＵ２８が実行する筒内噴射型内燃機関の始動制御ルーチンがフローチャートで示されており、以下図４、図５に沿って説明する。
図４に示すように、実施例２はエンジン１が１２０°ＣＡ毎に等間隔で燃焼する４サイクル６気筒エンジンの場合の例であり、燃焼順序は気筒＃１→気筒＃２→気筒＃３→気筒＃４→気筒＃５→気筒＃６の順である。そして、図４には、実施例１の図２と同様に、当該エンジン１の始動前の各気筒のクランク位置が一点鎖線で示されている。以下、この状態からエンジン１を始動させたときの実施例２に係る始動制御について詳しく説明する。

図５に示すように、まずステップＳ３０では、カム角センサ２６によりエンジン１の始動前に膨張行程にある気筒を検出し、当該気筒に燃料及び圧縮空気の噴射を行う。ただし、図４に示されているように膨張行程にある気筒が気筒＃１と気筒＃６のように２つあるような場合にはクランク角センサ２４から膨張行程の前半にある方の気筒＃１を選択し、当該気筒＃１の燃焼室内に燃料及び圧縮空気の噴射（Ａ）を行う。

そして、ステップＳ３１では、気筒＃１での噴射（Ａ）の直後に、エンジン1の始動前に吸気行程にある気筒を検出し、燃料の噴射を行う。ただし、図４に示されているように吸気行程にある気筒が、気筒＃３と気筒＃４のように２つあるような場合にはクランク角センサ２４から吸気行程の前半にある方の気筒＃４を選択し、当該気筒＃４に燃料の噴射（Ｂ）を行いステップＳ３２に進む。

ステップＳ３２では、気筒＃４での噴射（Ｂ）の直後に、気筒＃１で点火（Ｃ）を行い燃焼を生起させる。この燃焼により気筒＃１のピストンが押し下げられクランクシャフト２０が回転を始める。
次にステップＳ３３では、クランクシャフト２０の回転により気筒＃１の次に膨張行程となる気筒、即ちエンジン１の始動前には圧縮行程にあった気筒＃２を検出し、当該気筒＃２が膨張行程に入ってから燃料及び圧縮空気の噴射（Ｄ）を行い、ステップＳ３４に進む。

ステップＳ３４では、気筒＃４の次に吸気行程となる気筒、即ちエンジン１の始動前には排気行程にあった気筒＃５を検出し、当該気筒＃５に気筒＃２での噴射（Ｄ）の直後に燃料の噴射（Ｅ）を行い、ステップＳ３５に進む。
ステップＳ３５では、気筒＃５での噴射（Ｅ）の直後に、気筒＃２で点火（Ｆ）を行い燃焼を生起させる。

次にステップＳ３６では、気筒＃２の次に膨張行程となる気筒、即ちエンジン１の始動前には吸気行程の後半にあった気筒＃３を検出し、当該気筒＃３が膨張行程に入ってから燃料及び圧縮空気の噴射（Ｇ）を行い、ステップＳ３７に進む。
ステップＳ３７では、気筒＃５の次に吸気行程となる気筒、即ちエンジン１の始動前には膨張行程の後半にあった気筒＃６を検出し、当該気筒＃６に気筒＃３での噴射（Ｇ）の直後に燃料の噴射（Ｈ）を行い、ステップＳ３８に進む。

ステップＳ３８では、気筒＃６での噴射（Ｈ）の直後に、気筒＃３で点火（Ｉ）を行い燃焼を生起させる。
以降、通常走行時の燃料噴射と点火の順序となり、ステップＳ３９では、通常走行時の燃料噴射と点火とを行う。具体的には圧縮行程後半となった気筒＃４で点火（Ｊ）を行った後、吸気行程となった気筒＃１に燃料の噴射（Ｋ）を行い、次に圧縮行程後半となった気筒＃５で点火（Ｌ）を行い、以降、各気筒吸気行程で燃料噴射、圧縮行程で点火という順序で制御を継続し、エンジン１の始動が完了したならば当該始動制御ルーチンを終了する。

以下このように構成された実施例２の作用について説明する。
まず、始動前に膨張行程にある気筒＃１に燃料及び圧縮空気が噴射（Ａ）され、点火（Ｃ）が行われると、当該気筒＃１において燃焼が生起されクランクシャフト２０が回転し始める。また、これと同時期に、吸気行程にある気筒＃４に燃料の噴射（Ｂ）が行われる。

そして、気筒＃１の次に膨張行程に入る気筒＃２にも燃料及び圧縮空気の噴射（Ｄ）と点火（Ｆ）とが行われ、燃焼が生起され、クランクシャフト２０の回転が維持される。
また、これと同時期にも、このとき吸気行程にある気筒＃５に燃料の噴射（Ｅ）が行われる。
さらに、気筒＃２の次に膨張行程に入る気筒＃３にも燃料及び圧縮空気の噴射（Ｇ）と点火（Ｉ）とが行われ、燃焼が生起され、クランクシャフト２０の回転が維持される。

また、これと同時期にも、このとき吸気行程にある気筒＃６に燃料の噴射（Ｈ）が行われる。
そして、予め燃料の噴射（Ｂ）が行われた気筒＃４が圧縮行程の後半となったときに点火（Ｊ）が行われる。この際、気筒＃４は燃料が十分に気化されているため完全な燃焼が生起され、これによりクランクシャフト２０に十分な回転力が与えられる。

さらに、気筒＃４と同様に、予め燃料の噴射（Ｅ）、（Ｈ）が行われた気筒＃５、＃６でも圧縮行程後半になって点火（Ｌ）、（Ｎ）が行われ、やはり完全な燃焼が生起される。
そして、エンジン１が始動したら当該始動制御が終了し、以降、通常走行時の燃料噴射と点火とが行われる。

このように、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置では、膨張行程の燃焼と同時期に吸気行程へ燃料及び圧縮空気の噴射を行っておくことにより、当該吸気行程で燃料噴射された気筒が圧縮行程後半で点火されるまでに燃料を十分に気化されることができ、燃焼を良好に生起させることができる。また、圧縮空気の噴射が圧縮行程では行われないことから、無駄にエネルギを消費させることもない。

これにより、エンジン１の始動に必要なエネルギを十分に得ることができ、エンジン１の始動性を向上させることができる。
また、燃料が完全燃焼することにより、未燃ＨＣやスモークの発生、排出も抑制することができる。
以上で本発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、膨張行程での燃焼を実施例１の４気筒エンジンでは２回行っており、実施例２の６気筒エンジンでは３回行っているが、これに限られるものではなく、これよりも早い段階でエンジンの始動が確保されるようであれば実施例１、２の場合よりも膨張行程での燃焼の回数を少なくしても構わない。
また、上記実施形態では、予め吸気行程で燃料噴射した気筒は、圧縮行程の後半になって点火を行っているが、これに限られるものではなく、例えば膨張行程になってから点火しても構わない。

また、上記実施形態では、膨張行程気筒への燃料噴射の直後に吸気行程気筒への燃料噴射を行っているが、これに限るものではなく、例えば、膨張行程気筒の燃料噴射と吸気行程の燃料噴射を同時に行ってもよい。
また、上記実施形態では、膨張行程気筒での点火を、吸気行程の燃料噴射の直後としているが、これに限るものではなく、例えば膨張行程の点火と吸気行程の燃料噴射を同時に行うものとしてもよい。

また、上記実施形態では４気筒と６気筒についてのみ述べたが、他の多気筒エンジンに適用させても構わない。

本発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置の概略構成図である。 実施例１における各気筒の燃料噴射及び点火の時期を時系列的に示した図である。 実施例１においてＥＣＵが実行する筒内噴射型内燃機関の始動制御ルーチンを示すフローチャートである。 実施例２における各気筒の燃料噴射及び点火の時期を時系列的に示した図である。 実施例２においてＥＣＵが実行する筒内噴射型内燃機関の始動制御ルーチンを示すフローチャートである。 従来の筒内噴射型内燃機関の始動装置における各気筒の燃料噴射及び点火の時期を時系列的に示した図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 燃焼室
４ 点火栓
６ 燃料噴射弁
２４ クランク角センサ
２６ カム角センサ
２８ ＥＣＵ（電子制御ユニット）

Claims (3)

1. 複数の気筒を有し、燃焼室内に直接燃料を噴射可能な筒内噴射型内燃機関の始動装置において、
   前記内燃機関の各行程にある気筒を判別する気筒判別手段と、
   前記気筒の燃焼室内に燃料の噴射を行う燃料噴射手段と、
   該燃料噴射手段により噴射された燃料に点火を行う点火手段とを備え、
   前記内燃機関の始動時に、
   前記気筒判別手段により前記内燃機関の始動前に膨張行程にある気筒を判別し、該膨張行程で該気筒の燃焼室内に前記燃料噴射手段により燃料の噴射を行うとともに該燃料に前記点火手段により点火を行い、
   該燃料の噴射と同時または直後に、前記内燃機関の始動前に吸気行程にある気筒の燃焼室内に前記燃料噴射手段により燃料を噴射するとともに、該燃料に圧縮行程以降で前記点火手段により点火を行うことを特徴とする筒内噴射型内燃機関の始動装置。
2. 前記内燃機関の始動前に膨張行程にある気筒の次に膨張行程となる気筒が膨張行程になったときに、さらに該気筒の燃焼室内に前記燃料噴射手段により燃料の噴射を行うとともに前記点火手段により該燃料に点火を行うことを特徴とする請求項１記載の筒内噴射型内燃機関の始動装置。
3. 前記燃料噴射手段は、燃料の噴射とともに圧縮空気を噴射することを特徴とする請求項１または２記載の筒内噴射型内燃機関の始動装置。

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