JP4640184B2

JP4640184B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4640184B2
Application number: JP2006007878A
Authority: JP
Inventors: 雄介伯耆
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-01-16
Also published as: JP2007187140A

Description

この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、エンジンの始動性を向上させ得る内燃機関に関する。

内燃機関（エンジン）では、例えば、寒冷地のような極低温の走行条件下にて、シリンダ内の燃料が着火し難くなりエンジンの始動性が悪化するという課題がある。特に、ディーゼルエンジンでは、その傾向が顕著であり、エンジンの始動性を向上すべき要請が強い。また、近年では、自然環境に対する配慮などから車両の停止時にてアイドリングストップが行われる傾向がある。かかる場合には、車両がスムーズに走行を再開するために、エンジンの再始動が速やかに行われることが好ましい。このため、エンジンの始動性を向上すべき要請が益々強まっている。

なお、この出願にかかる発明に関連する従来の内燃機関には、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の内燃機関（ターボチャージャを備えたエンジンの吸気制御装置）は、エンジンの排気マニフォルドにタービンを設け、該タービンで駆動されるコンプレッサを吸気マニフォルドに連通したターボチャージャを備えたエンジンの吸気装置において、前記コンプレッサからの管路にバイパス管を設け、このバイパス管に電磁弁と蓄圧タンクとレギュレータバルブとを直列に接続し、前記管路と前記バイパス管の合流点には方向切換弁を設け、この方向切換弁の下流側は管路を介して前記吸気マニフォルドに接続し、蓄圧タンク内のタンク圧と前記管路の前記バイパス管との合流点よりもコンプレッサ側の圧力と前記方向切換弁の下流側の管路の圧力とを検出する圧力センサを設け、これ等の圧力センサからの信号に基づき電磁弁、レギュレータバルブ、又は方向切換弁を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

特開平８−２６０９９１号公報

この発明は、エンジンの始動性を向上させ得る内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる内燃機関は、ピストンと前記ピストンを収容するシリンダとを有すると共に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程から成る各行程により前記ピストンが駆動されて動力を発生する内燃機関であって、前記シリンダに蓄圧ガスの流路を介して接続される蓄圧部を含み、且つ、エンジン始動時の吸気行程および圧縮行程にて前記シリンダ内が密閉され、エンジン始動時の膨張行程にて前記蓄圧部が前記シリンダ内に蓄圧ガスを供給すると共に当該蓄圧ガスの圧力により前記ピストンが駆動されることを特徴とする。

この内燃機関では、エンジン始動時の膨張行程にて、蓄圧部がシリンダ内に蓄圧ガスを供給し、この蓄圧ガスの圧力によりピストンが押し下げられて仕事をするので、エンジン始動時のクランキングが補助されてエンジンの始動性が向上する利点がある。
また、この内燃機関では、吸気行程および圧縮行程にてシリンダ内が密閉されるので、圧縮行程における圧縮仕事が低減される。すると、膨張行程にてシリンダ内に蓄圧ガスが供給されたときにシリンダ内の圧力が大きく上昇して、蓄圧ガスがピストンに付与するエネルギーが増加する。これにより、エンジン始動時のクランキングがより効率的に補助されて、エンジンの始動性がさらに向上する利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、エンジン始動時の吸気行程にて前記蓄圧部が前記シリンダ内に蓄圧ガスを供給すると共に当該蓄圧ガスの圧力により前記ピストンが駆動される。

この内燃機関では、エンジン始動時の吸気行程および膨張行程の双方にて蓄圧部がシリンダ内に蓄圧ガスを供給し、この蓄圧ガスの圧力によりピストンが押し下げられて仕事をする。したがって、膨張行程でのみ蓄圧ガスがシリンダ内に供給される構成と比較して、ピストンによる仕事量が増加する。これにより、エンジン始動時のクランキングがより効率的に補助されて、エンジンの始動性がさらに向上する利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、エンジン始動時の吸気行程にて前記蓄圧部が前記シリンダ内に蓄圧ガスを供給すると共に当該蓄圧ガスの圧力により前記ピストンが駆動され、圧縮行程にてシリンダ内のガスが排出される。

また、この発明にかかる内燃機関は、エンジン始動時にてエンジン回転数Ｎｅが自立運転可能な所定の回転数Ｎ２よりも低いときは、前記シリンダ内への燃料供給が停止される。

この内燃機関では、エンジン始動時にて自立運転可能な所定の回転数Ｎ２までシリンダ内への燃料供給が停止されるので、エンジン始動時における燃料のロスが低減される利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、内燃機関が車両に搭載され、且つ、車両の制動時にて前記シリンダ内から取得された制動エネルギーにより前記蓄圧部への蓄圧が行われる。

この内燃機関では、車両の制動エネルギーが利用（回生）されるので、独立して蓄圧が行われる構成と比較して、エンジンの燃費を悪化させることなく蓄圧部への蓄圧が行われる利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、前記蓄圧部への蓄圧が減筒運転時における休止中の前記シリンダを用いて行われる。

この内燃機関では、蓄圧部の蓄圧が休止中のシリンダを用いて行われるので、蓄圧部への蓄圧が確実に行われる利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、可変ノズル付き過給機を有すると共に前記シリンダ内に導入される吸気量を調整するスロットル弁を有し、且つ、前記蓄圧部への蓄圧時にて、前記可変ノズルが締め側に調整されると共に前記スロットル弁が締め側に調整され、前記過給機の下流側かつ前記スロットル弁の上流側から圧力が取得されて蓄圧が行われる。

この内燃機関では、可変ノズルおよびスロットル弁の開度調整により高い圧力が効率的に取得されるので、蓄圧部への蓄圧が効率的に行われる利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関は、可変ノズル付き過給機を有すると共に前記シリンダ内に導入される吸気量を調整するスロットル弁を有し、且つ、前記蓄圧部への蓄圧時にて、前記可変ノズルが締め側に調整されると共に前記スロットル弁が開け側に調整され、圧縮行程中にて前記シリンダ内の余剰分の圧力が取得されて蓄圧が行われる。

また、この発明にかかる内燃機関は、前記蓄圧部への蓄圧時にて前記過給機が供給する過給圧が高められる。

この内燃機関では、蓄圧時にて過給機が供給する過給圧が高められるので、蓄圧部への蓄圧が効率的に行われる利点がある。

この発明にかかる内燃機関では、エンジン始動時の膨張行程にて、蓄圧部がシリンダ内に蓄圧ガスを供給し、この蓄圧ガスの圧力によりピストンが押し下げられて仕事をするので、エンジン始動時のクランキングが補助されてエンジンの始動性が向上する利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的同一のものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

図１〜図３は、この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図（図１）および作用説明図（図２および図３）である。図４〜図７は、図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図８は、図１に記載した内燃機関の蓄圧部への蓄圧方法を示す説明図である。図９は、図８に記載した蓄圧方法の変形例を示す説明図である。図１０は、図１に記載した内燃機関の変形例を示す構成図である。

［内燃機関］
この内燃機関（エンジン）１は、多気筒４ストロークエンジンであり、例えば、車両に搭載されるディーゼルエンジン、ガソリンエンジンに適用される。この実施例では、一例として、内燃機関１がディーゼルエンジンに適用される場合について説明する。なお、ガソリンエンジンへの適用は、当業者自明の範囲内にて任意に為し得る。

この内燃機関１は、シリンダ２と、ピストン３と、吸気ポート４と、排気ポート５とを有する（図１参照）。シリンダ２には、ピストン３が往復運動可能に収容される。ピストン３は、クランクシャフト（図示省略）に連結され、その往復運動により動力をクランクシャフトに伝達する。また、シリンダ２には、吸気ポート４が接続され、この吸気ポート４に対して吸気マニホールド（図示省略）が接続される。また、吸気ポート４には吸気バルブ４１が設けられ、この吸気バルブ４１の開閉動作によりシリンダ２への吸気が制御される。また、シリンダ２には排気ポート５が接続され、この排気ポート５に対して排気マニホールド（図示省略）が接続される。また、排気ポート５には排気バルブ５１が設けられ、この排気バルブ５１の開閉動作によりシリンダ２からの排気が制御される。また、シリンダ２には、燃料を噴射するためのインジェクタ（図示省略）が取り付けられている。

ここで、内燃機関１の自立運転（定常運転）時には、吸気行程ａ、圧縮行程ｂ、膨張行程ｃおよび排気行程ｄから成る各行程によりピストン３が駆動されて動力が発生する（図示省略）。なお、内燃機関１の自立運転とは、主として供給された燃料の燃焼による熱エネルギーにより膨張行程ｃが行われる運転状態をいい、後述するエンジン始動時の予備運転（ＳＴ１１）あるいは補助運転（ＳＴ１３）と区別される。

この自立運転時には、（１）吸気行程ａにて、吸気バルブ４１が開弁されると共に排気バルブ５１が閉弁され、ピストン３が下降して吸気（空気）が吸気ポート４からシリンダ２内（燃焼室）に導入される。（２）圧縮行程ｂでは、吸気バルブ４１および排気バルブ５１が閉弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内の吸気が圧縮される。また、圧縮行程ｂの後期にインジェクタからシリンダ２内に燃料が噴射されて燃料供給が行われる。（３）膨張行程ｃでは、シリンダ２内の混合気が圧縮熱により燃焼して膨張し、ピストン３が押し下げられて仕事をする。このとき、吸気バルブ４１および排気バルブ５１が閉弁されている。（４）排気行程ｄでは、吸気バルブ４１が閉弁されると共に排気バルブ５１が開弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内の排気が排気ポート５から押し出される。そして、これらの（１）〜（４）の各行程が繰り返されることにより、ピストン３がシリンダ２内を往復運動して動力がクランクシャフトに伝達される。なお、この自立運転時には、スタータ（図示省略）が停止されており、また、始動補助手段６のシリンダ側バルブ６２が閉弁されている。

［エンジンの始動性の向上］
ここで、この内燃機関１では、以下の構成によりエンジンの始動性の向上が図られる。まず、内燃機関１は、始動補助手段６と制御部７とを有する（図１参照）。始動補助手段６は、エンジンの始動を補助する機能を有し、蓄圧部６１とシリンダ側バルブ６２とを有する。蓄圧部６１は、例えば、圧力エネルギーを蓄える蓄圧タンクであり、シリンダ側流路６４を介してシリンダ２に接続される。また、この蓄圧部６１は、自立運転時におけるシリンダ２内の圧力よりも高圧のガス（以下、蓄圧ガスという。）をシリンダ２内に供給できる。シリンダ側バルブ６２は、シリンダ側流路６４（蓄圧ガスの流路）を開閉するバルブであり、シリンダ側流路６４の開口部（シリンダ２内に開口する部分）に設けられる。

制御部７は、例えば、内燃機関１のＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成される。この制御部７は、吸気バルブ４１、排気バルブ５１、シリンダ側バルブ６２、インジェクタなどを駆動制御する。また、制御部７は、各センサー（図示省略）によりエンジン回転数Ｎｅ、エンジンの冷却水温度Ｔｗ、蓄圧部６１内の圧力Ｐｓ、吸気の圧力Ｐｉｍ、シリンダ２内の圧力Ｐ、車両の速度Ｄ、燃料の目標噴射量Ｐｆｉｎなどに関する情報を取得できる。また、制御部７は、後述する制御に必要なデータ（Ｎ１〜Ｎ３、Ｄ１、Ｐｍｉｎ、Ｐｍａｘ、Ｑ１など）に関する情報を有する。

エンジンの始動時には、まず、予備運転が行われる（ＳＴ１１）（図２参照）。この予備運転では、シリンダ内への燃料供給（インジェクタによる燃料噴射）が行われず、例えば、スタータ（例えば、エンジンのセルモータ）によりクランクシャフトが駆動されてピストン３がシリンダ２内を往復運動する。この予備運転は、エンジンの回転数Ｎｅが所定の回転数Ｎ１になるまで継続される（ＳＴ１２）。これにより、エンジンの始動直後にてクランクシャフトの回転方向が所定の一定方向に規制されて、クランクシャフトの反転が防止される。なお、予備運転（ＳＴ１１）では、始動補助手段６のシリンダ側バルブ６２が閉弁されている。

次に、エンジンの回転数Ｎｅが所定の回転数Ｎ１になると、スタータが停止されて予備運転（ＳＴ１１）から補助運転（ＳＴ１３）への移行が行われる（ＳＴ１２）（図２および図３参照）。なお、図３に示すＰ−Ｖ線図では、容積Ｖがシリンダ２の行程容積を示しており、容積Ｖ１および容積Ｖ２がピストン３の上死点および下死点における各シリンダ容積を示している。また、圧力Ｐがシリンダ２内の燃焼室における圧力を示しており、Ｐ０が大気圧を示しており、Ｐｓが蓄圧部６１から供給される蓄圧ガスの圧力を示している。

（１）補助運転の吸気行程ａ１では、吸気バルブ４１が開弁されると共に排気バルブ５１が閉弁され、ピストン３が下降して吸気が吸気ポート４からシリンダ２内に導入される（図３参照）。このとき、始動補助手段６のシリンダ側バルブ６２は閉弁されている。

（２）圧縮行程ｂ１では、吸気バルブ４１、排気バルブ５１およびシリンダ側バルブ６２が閉弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内の吸気が圧縮される。このとき、シリンダ２内への燃料供給は行われない。

（３）膨張行程ｃ１では、その初期にシリンダ側バルブ６２が開弁される。このとき、吸気バルブ４１および排気バルブ５１は閉弁されている。ここで、蓄圧部６１には、エンジンの自立運転時（ＳＴ１５）におけるシリンダ２の内圧Ｐよりも高い圧力Ｐｓが蓄えられている。このため、シリンダ側バルブ６２が開弁されると、蓄圧部６１からシリンダ側流路６４を介してシリンダ２内に蓄圧ガスが供給される。すると、この蓄圧ガスの圧力Ｐｓによりシリンダ２内の圧力Ｐが上昇し、ピストン３が押し下げられて仕事をする。これにより、ピストン３の駆動が補助されてエンジン始動時のクランキングが速やかに行われる。なお、シリンダ側バルブ６２は、膨張行程ｃ１中の所定の時期（排気行程ｄ１に移行する前）に閉弁される。これにより、膨張行程ｃ１から排気行程ｄ１への移行が速やかに行われる。

（４）排気行程ｄ１では、吸気バルブ４１およびシリンダ側バルブ６２が閉弁されると共に排気バルブ５１が開弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内の排気が排気ポート５から押し出される。そして、これらの（１）〜（４）の各行程が繰り返されることにより、ピストン３がシリンダ２内を往復運動して動力がクランクシャフトに伝達される。

次に、エンジンの回転数Ｎｅが所定の回転数Ｎ２まで上昇すると、補助運転（ＳＴ１３）から自立運転（ＳＴ１５）への移行が行われる（ＳＴ１４）。この回転数Ｎ２は、エンジンの自立運転が可能な回転数であり、例えば、蓄圧部６１の圧力Ｐｓによる補助を受けることなく、燃料供給のみにより各行程ａ〜ｄが行われてピストン３が駆動され得る回転数に設定される。これにより、補助運転（ＳＴ１３）から自立運転（ＳＴ１５）への移行がスムーズに行われる。

なお、上記の補助運転（ＳＴ１３）と自立運転（ＳＴ１５）とは、各膨張行程ｃ、ｃ１にて相異し、他の吸気行程ａ、ａ１、圧縮行程ｂ、ｂ１および排気行程ｄ、ｄ１では略同一である。具体的には、補助運転（ＳＴ１３）では、主として蓄圧部６１から供給された蓄圧ガスの圧力によりピストン３が駆動されるのに対し、自立運転（ＳＴ１５）では、主として供給された燃料の燃焼によりピストン３が駆動される点で相異する。しかし、これに限らず、補助運転（ＳＴ１３）と自立運転時（ＳＴ１５）とが併用され、蓄圧ガスの圧力と供給燃料の燃焼との双方によりピストン３が駆動されても良い。

この内燃機関１では、エンジン始動時の膨張行程ｃ１にて、蓄圧部６１がシリンダ２内に蓄圧ガスを供給し、この蓄圧ガスの圧力によりピストン３が押し下げられて仕事をする。これにより、エンジン始動時のクランキングが補助されてエンジンの始動性が向上する利点がある。

また、この内燃機関１では、エンジン始動時にて自立運転可能な所定の回転数Ｎ２までシリンダ２内への燃料供給が停止される（ＳＴ１１〜ＳＴ１４）。これにより、エンジン始動時における燃料のロスが低減される利点がある。例えば、低温条件下では、燃料の着火が困難なために供給された燃料が無駄になるおそれがある。そこで、エンジンの始動直後は、燃料供給が行われずに予備運転（ＳＴ１１）あるいは補助運転（ＳＴ１３）によりピストン３が駆動され、エンジンの回転数Ｎｅが上昇して自立運転（ＳＴ１５）が可能となってから燃料供給が開始される。

［変形例１］
また、例えば、寒冷地などの極めて低温の走行条件下では、燃料の着火が困難なため、燃料を供給しても直ちに自立運転を行うことが出来ない。このため、かかる走行条件下では、エンジン始動時にて、早期にエンジン回転数Ｎｅを上昇させてシリンダ２内の圧縮端温度を高め、自立運転を行えるようにする必要がある。そこで、この内燃機関１では、上記の補助運転（ＳＴ１３）が以下のように行われることが好ましい（図２および図４参照）。

（１）吸気行程ａ２では、吸気バルブ４１および排気バルブ５１が閉弁されたまま、シリンダ側バルブ６２が開弁される。すると、シリンダ２内に蓄圧ガスが供給されてシリンダ２内の圧力Ｐが上昇し、ピストン３が押し下げられて仕事をする。すなわち、この変形例１では、蓄圧部６１側から吸気が行われ、吸気ポート４側からは吸気が行われない。なお、シリンダ側バルブ６２は、吸気行程ａ２中の所定の時期（圧縮行程ｂ２に移行する前）に閉弁される。これにより、吸気行程ａ２から圧縮行程ｂ２への移行が速やかに行われる。

（２）圧縮行程ｂ２では、吸気バルブ４１、排気バルブ５１およびシリンダ側バルブ６２が閉弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内のガスが圧縮される。このとき、シリンダ２内への燃料供給は行われない。

（３）膨張行程ｃ２では、その初期にシリンダ側バルブ６２が再び開弁されてシリンダ２内に蓄圧ガスが供給される。このとき、吸気バルブ４１および排気バルブ５１は閉弁されている。すると、この蓄圧ガスの圧力Ｐｓによりシリンダ２内の圧力Ｐが上昇し、ピストン３が押し下げられて再び仕事をする。なお、シリンダ側バルブ６２は、膨張行程ｃ２中の所定の時期（排気行程ｄ２に移行する前）に閉弁される。これにより、膨張行程ｃ２から排気行程ｄ２への移行が速やかに行われる。

（４）排気行程ｄ２では、吸気バルブ４１およびシリンダ側バルブ６２が閉弁されると共に排気バルブ５１が開弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内の排気が排気ポート５から押し出される。そして、これらの（１）〜（４）の各行程が繰り返されることにより、ピストン３がシリンダ２内を往復運動して動力がクランクシャフトに伝達される。そして、エンジンの回転数Ｎｅが所定の回転数Ｎ２まで上昇すると、補助運転（ＳＴ１３）から自立運転（ＳＴ１５）への移行が行われる（ＳＴ１４）。

かかる構成では、エンジン始動時の吸気行程ａ２および膨張行程ｃ２の双方にて蓄圧部６１がシリンダ２内に蓄圧ガスを供給し、この蓄圧ガスの圧力によりピストン３が押し下げられて仕事をする（図４参照）。すなわち、１サイクル中に２度、シリンダ側バルブ６２が開閉動作して蓄圧ガスがシリンダ２内に供給される。したがって、膨張行程ｃ１でのみ蓄圧ガスがシリンダ２内に供給される構成（図３参照）と比較して、ピストン３による仕事量が増加する。これにより、エンジン始動時のクランキングがより効率的に補助されて、エンジンの始動性がさらに向上する利点がある。

また、かかる構成では、吸気行程ａ２にて蓄圧部６１側から吸気（蓄圧ガス）が導入されるので、吸気ポート４側から吸気が導入される構成（図３参照）と比較して、圧縮行程ｂ２の初期におけるシリンダ２内の圧力Ｐが増加する（図４参照）。また、蓄圧ガスの圧力Ｐｓが吸気ポート４側からの吸気（大気圧Ｐ０）よりも高圧なので、シリンダ２内への吸気の導入速度が増加する。したがって、シリンダ２内の圧縮端温度および酸素密度が増加して、燃料の着火性が向上する。これにより、早期に自立運転（ＳＴ１５）が可能となり、エンジンの始動性が向上する利点がある。

［変形例２］
また、例えば、アイドリングストップによるエンジンの再始動時には、瞬時にエンジン回転数Ｎｅを上昇させて自立運転（ＳＴ１５）を可能とする必要がある。ここで、エンジンの再始動時には、エンジンが暖まっているため燃料の着火が比較的容易である。しかし、より早期に自立運転（ＳＴ１５）を可能とするために以下の構成が採用されることが好ましい（図５および図６参照）。

まず、エンジンの再始動時には、例えば、ドライバーの発進動作（再始動の開始信号）が検出される（ＳＴ２１）。この発進動作の検出では、例えば、アイドリングストップ時にてドライバーがブレーキペダルを緩める動作をセンサー（図示省略）が検出し、その検出信号を制御部７が取得する。

次に、ドライバーの発進動作が検出されると、予備運転が開始される（ＳＴ２２）。この予備運転では、スタータによりクランクシャフトが駆動されて、クランクシャフトの回転方向が所定の一定方向に規制される。これにより、エンジンの再始動時におけるクランクシャフトの反転が防止される。なお、予備運転は、例えば、エンジンの回転数Ｎｅが上昇して所定の回転数Ｎ１となるまで継続される。

次に、補助運転が開始される（ＳＴ２３）（図６参照）。この補助運転では、（１）吸気行程ａ３にて、シリンダ２内が密閉される。具体的には、吸気バルブ４１、排気バルブ５１およびシリンダ側バルブ６２のいずれもが閉弁される。また、吸気行程ａ３中におけるシリンダ２内への吸気の流入が停止される。かかる吸気の停止は、例えば、内燃機関１のディーゼルスロットル、可変バルブタイミング機構などの駆動制御により行われる（図示省略）。また、スタータによりクランクシャフトが駆動されて、ピストン３がシリンダ２内を下死点（Ｖ＝Ｖ２）まで移動する。なお、このスタータによるクランクシャフトの駆動は、予備運転（ＳＴ２２）から継続して行われても良い。

（２）圧縮行程ｂ３では、吸気バルブ４１、排気バルブ５１およびシリンダ側バルブ６２が閉弁されたままスタータによりクランクシャフトが駆動されて、ピストン３が上死点（Ｖ＝Ｖ１）まで移動する。このとき、理想的な断熱条件下では、上記のようにシリンダ２内が密閉されるので、先の吸気行程ａ３によりシリンダ２内が減圧される。したがって、圧縮行程ｂ３では、ピストン３が上死点まで引き戻されて移動するため、圧縮仕事が低減（あるいは省略）される。なお、圧縮行程ｂ３の終了時（膨張行程ｃ３の開始時）には、シリンダ２内の圧力Ｐが略大気圧Ｐ０となる。また、このとき、シリンダ２内への燃料供給は行われない。

（３）膨張行程ｃ３では、その初期にシリンダ側バルブ６２が開弁されてシリンダ２内に蓄圧ガスが供給される。このとき、吸気バルブ４１および排気バルブ５１は閉弁されている。すると、シリンダ２内の圧力Ｐが略大気圧Ｐ０からの蓄圧ガスの圧力Ｐｓまで一気に上昇し、ピストン３が押し下げられて仕事をする。なお、シリンダ側バルブ６２は、膨張行程ｃ３中の所定の時期（排気行程ｄ３に移行する前）に閉弁される。

（４）排気行程ｄ３では、吸気バルブ４１およびシリンダ側バルブ６２が閉弁されると共に排気バルブ５１が開弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内の排気が排気ポート５から押し出される。そして、これらの（１）〜（４）の各行程が繰り返されることにより、ピストン３がシリンダ２内を往復運動して動力がクランクシャフトに伝達される。そして、エンジンの回転数Ｎｅが所定の回転数Ｎ２まで上昇すると、補助運転（ＳＴ２３）から自立運転（ＳＴ２５）への移行が行われる（ＳＴ２４）。

かかる構成では、吸気行程ａ３および圧縮行程ｂ３にてシリンダ２内が密閉されるので、理想的な断熱条件下では、圧縮行程ｂ３における圧縮仕事が低減される（行われない）。すると、膨張行程ｃ３の開始時におけるシリンダ２内の圧力Ｐが吸気行程ａ３の開始時の圧力（大気圧Ｐ０）に略等しくなる。このため、その後の膨張行程ｃ３にてシリンダ２内に蓄圧ガスが供給されたときに、この蓄圧ガスの圧力Ｐｓによりシリンダ２内の圧力Ｐが大きく上昇する。すなわち、圧縮行程ｂ１にて圧縮仕事が行われる構成（図３参照）と比較して、蓄圧ガスがピストン３に付与するエネルギーが増加する（図６参照）。これにより、エンジン始動時のクランキングがより効率的に補助されて、エンジンの始動性がさらに向上する利点がある。

特に、エンジンの再始動時には、エンジンが既に暖められている場合が多いため、吸気行程ａ３にて吸気（外気）がシリンダ２内に導入されると、シリンダ２内の温度が著しく低下して燃料の着火が困難となる。また、この内燃機関１では、自立運転時（ＳＴ２５）におけるシリンダ２内の圧力よりも高圧の蓄圧ガスが蓄圧部６１からシリンダ２内に供給される。このため、エンジン再始動時にて上記の補助運転（ＳＴ２３）が行われる構成では、当初から燃料供給によりピストン３が駆動される構成と比較して、より早くエンジンの回転数Ｎｅが上昇する利点がある。

［変形例３］
また、この内燃機関１では、上記の補助運転（ＳＴ１３、ＳＴ２３）が以下のように行われても良い（図２、図５および図７参照）。この補助運転では、（１）吸気行程ａ４にて、吸気バルブ４１および排気バルブ５１が閉弁されると共にシリンダ側バルブ６２が開弁される。すると、シリンダ２内に蓄圧ガスが供給されてシリンダ２内の圧力Ｐが蓄圧ガスの圧力Ｐｓまで上昇し、ピストン３が押し下げられて仕事をする。なお、シリンダ側バルブ６２は、吸気行程ａ４中の所定の時期（圧縮行程ｂ４に移行する前）に閉弁される。

（２）圧縮行程ｂ４では、吸気バルブ４１または排気バルブ５１の少なくとも一方が開弁され、シリンダ側バルブ６２が閉弁される。そして、ピストン３が上昇してシリンダ２内のガスが吸気ポート４または排気ポート５から排出される。したがって、この圧縮行程ｂ４では、シリンダ２内の圧力が大気圧Ｐ０のまま一定に維持され、圧縮仕事が行われない。なお、このとき、シリンダ２内への燃料供給は行われない。

（３）膨張行程ｃ４では、その初期にシリンダ側バルブ６２が開弁されてシリンダ２内に蓄圧ガスが供給される。このとき、吸気バルブ４１および排気バルブ５１は閉弁されている。すると、シリンダ２内の圧力Ｐが大気圧Ｐ０からの蓄圧ガスの圧力Ｐｓまで一気に上昇し、ピストン３が押し下げられて仕事をする。なお、シリンダ側バルブ６２は、膨張行程ｃ４中の所定の時期（排気行程ｄ４に移行する前）に閉弁される。

（４）排気行程ｄ４では、吸気バルブ４１およびシリンダ側バルブ６２が閉弁されると共に排気バルブ５１が開弁され、ピストン３が上昇してシリンダ２内の排気が排気ポート５から押し出される。そして、これらの（１）〜（４）の各行程が繰り返されることにより、ピストン３がシリンダ２内を往復運動して動力がクランクシャフトに伝達される。そして、エンジンの回転数Ｎｅが所定の回転数Ｎ２まで上昇すると、補助運転（ＳＴ１３、ＳＴ２３）から自立運転（ＳＴ１５、ＳＴ２５）への移行が行われる（ＳＴ１４、ＳＴ２４）。

かかる構成では、エンジン始動時の吸気行程ａ４および膨張行程ｃ４の双方にて蓄圧部６１がシリンダ２内に蓄圧ガスを供給し、この蓄圧ガスの圧力によりピストン３が押し下げられて仕事をする（図７参照）。したがって、膨張行程ｃ１でのみ蓄圧ガスがシリンダ２内に供給される構成（図３参照）と比較して、ピストン３による仕事量が増加する。これにより、エンジン始動時のクランキングがより効率的に補助されて、エンジンの始動性がさらに向上する利点がある。

また、かかる構成では、圧縮行程ｂ４にてシリンダ２内のガスが排出されるので、圧縮仕事が低減される（行われない）。すると、膨張行程ｃ４の開始時におけるシリンダ２内の圧力Ｐが大気圧Ｐ０に略等しくなる。このため、その後の膨張行程ｃ４にてシリンダ２内に蓄圧ガスが供給されたときに、この蓄圧ガスの圧力Ｐｓによりシリンダ２内の圧力Ｐが大きく上昇する。すなわち、圧縮行程ｂ１にて圧縮仕事が行われる構成（図３参照）と比較して、蓄圧ガスがピストン３に付与するエネルギーが増加する（図７参照）。これにより、エンジン始動時のクランキングがより効率的に補助されて、エンジンの始動性がさらに向上する利点がある。

なお、上記の構成では、吸気行程ａ４および膨張行程ｃ４では、シリンダ２内の圧力Ｐが蓄圧部６１内の圧力Ｐｓまで昇圧される前に、シリンダ側バルブ６２が閉弁されてもよい（図示省略）。かかる構成としても、エンジンの始動性が効果的に向上する。

［蓄圧部への蓄圧］
また、この内燃機関１では、蓄圧部６１への蓄圧を行うために以下の構成が採用される。まず、蓄圧部６１が吸気ポート側流路６５を介して吸気ポート４に接続される（図１参照）。また、吸気ポート側流路６５には流量調整弁６３が配置される。そして、この流量調整弁６３により吸気ポート側流路６５におけるガスの流量が調整される。

ここで、蓄圧部６１への蓄圧時には、流量調整弁６３が開弁されると共にシリンダ側バルブ６２が閉弁される。これにより、吸気ポート４内の高圧ガスが吸気ポート側流路６５を介して蓄圧部６１に導かれて蓄圧が行われる。なお、蓄圧部６１への蓄圧は、上記の構成に限定されず、他の構成により行われても良い。

また、蓄圧部６１への蓄圧は、例えば、車両の制動時にてシリンダ２内から取得された制動エネルギー（圧力）により行われることが好ましい（図８参照）。かかる構成では、車両の制動エネルギーが利用（回生）されるので、独立して蓄圧が行われる構成と比較して、エンジンの燃費を悪化させることなく蓄圧部６１への蓄圧が行われる利点がある。

例えば、車両の走行時には、制御部７がセンサー（図示省略）により車両の制動開始を監視している。そして、制動が開始されると（ＳＴ３１）、車両の速度Ｄと所定の下限値Ｄ１とが比較され、また、エンジンの回転数Ｎｅと所定の下限値Ｎ３とが比較される（ＳＴ３２）。これらの下限値Ｄ１、Ｎ３は、車両の走行性能が維持される値に設定されている。そして、車両の速度Ｄおよびエンジンの回転数Ｎｅが対応する下限値Ｄ１、Ｎ３以上の場合には、シリンダ２内の圧力Ｐと蓄圧ガスの圧力Ｐｓおよび蓄圧部６１の上限圧力Ｐｍａｘとが比較される（ＳＴ３３）。そして、シリンダ２内の圧力Ｐが蓄圧ガスの圧力Ｐｓより大きく、蓄圧部６１の上限圧力Ｐｍａｘよりも小さい場合には、制動エネルギーに回生装置（図示省略）により蓄圧部６１への蓄圧が行われる（ＳＴ３４）。

また、上記の構成では、蓄圧ガスの圧力Ｐｓが所定の下限値Ｐｍｉｎよりも低くなった場合（ＳＴ４１）には、強制的に蓄圧部６１の蓄圧が行われる（ＳＴ４３）ことが好ましい（図９参照）。このとき、燃料の目標噴射量Ｑｆｉｎと低負荷の判断基準となる燃料噴射量Ｑ１とが比較される（ＳＴ４２）。そして、エンジンの負荷が軽い（Ｑｆｉｎ＜Ｑ１）と判断された場合に、蓄圧部６１の蓄圧が強制的に行われる。

例えば、蓄圧部６１の蓄圧が休止中のシリンダ２を用いて行われる。すなわち、蓄圧の要求が高い場合には、減筒運転が行われ、燃料噴射が行われていないシリンダ２を用いて蓄圧が行われる。これにより、蓄圧部６１への蓄圧が確実に行われる利点がある。

また、例えば、内燃機関１が可変ノズル付き過給機を有すると共にシリンダ２内に導入される吸気量を調整するスロットル弁を有する構成（図示省略）では、以下のように蓄圧部６１への蓄圧が行われる。すなわち、低負荷運転時にて、可変ノズルが締め側（過給圧が増加する側）に調整される。例えば、可変ノズルは、過給圧が最大となる開度に調整される。また、スロットル弁が締め側（シリンダ２への空気量が減少する側）に調整される。例えば、スロットル弁は、エンジンの必要空気量が下限となる開度に調整される。そして、過給機の下流側かつスロットル弁の上流側から圧力が取得されて、蓄圧部６１への蓄圧が行われる。これにより、可変ノズルおよびスロットル弁の開度調整により高い圧力が効率的に取得されるので、蓄圧部６１への蓄圧が効率的に行われる利点がある。また、かかる構成では、上記の減筒運転による構成と比較して、複数のシリンダ２間におけるトルク変動が少ない。これにより、蓄圧時におけるエンジン振動が低減される利点がある。

また、例えば、上記のように、内燃機関１が可変ノズル付き過給機を有すると共にシリンダ２内に導入される吸気量を調整するスロットル弁を有する構成では、以下のように蓄圧部６１への蓄圧が行われても良い。すなわち、低負荷運転時にて、可変ノズルが締め側（例えば、過給圧が最大となる開度）に調整され、スロットル弁が開け側（例えば、シリンダ２への空気量が最大となる開度）に調整される。そして、圧縮行程ｂ中にてシリンダ２内の余剰分の圧力が取得されて蓄圧が行われる。これにより、可変ノズルおよびスロットル弁の開度調整により高い圧力が効率的に取得されるので、蓄圧部６１への蓄圧が効率的に行われる利点がある。また、かかる構成では、上記の減筒運転による構成と比較して、複数のシリンダ２間におけるトルク変動が少ない。これにより、蓄圧時におけるエンジン振動が低減される利点がある。

また、上記の構成では、蓄圧時にて過給機が供給する過給圧が高められることが好ましい。これにより、蓄圧部６１への蓄圧が効率的に行われる（例えば、蓄圧時間が短縮される）利点がある。例えば、蓄圧時には、排気行程ｄにおける排気バルブ５の開弁時期が早められて排気エネルギーが増加される。これにより、過給機の過給圧が高められる。

また、かかる構成では、シリンダ２内に供給される燃料量（燃料噴射量）が増加されることが好ましい。これにより、排気バルブ５１の開弁時期の早期化に伴うエンジントルクの低下が低減される利点がある。

なお、これらの構成では、蓄圧時における可変ノズルの開度、スロットル弁の開度、シリンダ２内に供給される燃料量、排気行程ｄにおける排気バルブ５１の開弁時期などが、エンジンの定常運転時を基準として相対的に決定される。

［内燃機関の変形例］
また、この内燃機関１では、以下の構成が採用されても良い（図１０参照）。まず、蓄圧部６１が吸気ポート側流路６５を介して吸気ポート４に接続される。また、吸気ポート側流路には開閉弁６６が設けられる。この開閉弁６６は、例えば、三方弁、流量調整弁などにより構成され、ＥＣＵ７により駆動制御される。また、蓄圧部６１とシリンダ２とがシリンダ側流路６４を介して接続され、シリンダ側流路６４の開口部にシリンダ側バルブ６２が配置される。また、シリンダ側流路６４上には、熱交換器（冷却器）６８が配置される。

かかる構成では、開閉弁６６が開弁されると、蓄圧ガスが蓄圧部６１から吸気ポート側流路６５および吸気ポート４を介してシリンダ２に供給される。また、蓄圧部６１への蓄圧時には、シリンダ側バルブ６２が開弁され、シリンダ２内の圧縮ガスがシリンダ側流路６４を介して蓄圧部６１に導入される。このとき、圧縮ガスが熱交換器６８にて冷却される。

［適用対象］
また、この内燃機関１は、例えば、過給機を有する内燃機関に適用される（図示省略）。かかる内燃機関では、一般に、過給機がタービンとコンプレッサとを有すると共に排気マニホールドに接続されて配置される。そして、排気マニホールドを通過する排気によりタービンが駆動されると共にこのタービンによりコンプレッサが駆動されて吸気が圧縮される。そして、この圧縮された吸気（過給圧）が吸気マニホールドを介してシリンダ内に供給されることにより、エンジン出力が増加される。

このような内燃機関には、エンジンの低回転時における過給遅れを改善するために、蓄圧タンクが設けられる。この蓄圧タンクは、吸気ポートに接続されて設置され、例えば、エンジンの高回転時にて生ずる余剰の過給圧を蓄える。そして、エンジンの低回転時にて過給遅れが発生したときに、この過給圧が吸気ポートを介してシリンダに供給される。これにより、過給遅れが抑制されてエンジン性能が向上する。

ここで、この内燃機関１が、かかる過給機を有する内燃機関に適用される場合には、始動補助手段６の蓄圧部６１が上記の蓄圧タンクにより構成される。すなわち、既存の蓄圧タンクが蓄圧部６１に兼用される。これにより、内燃機関１の構成が簡素化される利点がある。

以上のように、本発明にかかる内燃機関は、エンジンの始動性を向上させ得る点で有用である。

この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。この発明の実施例にかかる内燃機関を示す作用説明図である。この発明の実施例にかかる内燃機関を示す作用説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の蓄圧部への蓄圧方法を示す説明図である。図８に記載した蓄圧方法の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
３ピストン
４吸気ポート
４１吸気バルブ
５排気ポート
５１排気バルブ
６始動補助手段
６１蓄圧部
６２シリンダ側バルブ
６３流量調整弁
６４シリンダ側流路
６５吸気ポート側流路
６６開閉弁
６８熱交換器
７制御部

Claims

ピストンと前記ピストンを収容するシリンダとを有すると共に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程から成る各行程により前記ピストンが駆動されて動力を発生する内燃機関であって、
前記シリンダに蓄圧ガスの流路を介して接続される蓄圧部を含み、且つ、
エンジン始動時の吸気行程および圧縮行程にて前記シリンダ内が密閉され、エンジン始動時の膨張行程にて前記蓄圧部が前記シリンダ内に蓄圧ガスを供給すると共に当該蓄圧ガスの圧力により前記ピストンが駆動されることを特徴とする内燃機関。
エンジン始動時の吸気行程にて前記蓄圧部が前記シリンダ内に蓄圧ガスを供給すると共に当該蓄圧ガスの圧力により前記ピストンが駆動される請求項１に記載の内燃機関。
エンジン始動時の吸気行程にて前記蓄圧部が前記シリンダ内に蓄圧ガスを供給すると共に当該蓄圧ガスの圧力により前記ピストンが駆動され、圧縮行程にてシリンダ内のガスが排出される請求項１に記載の内燃機関。
エンジン始動時にてエンジン回転数Ｎｅが自立運転可能な所定の回転数Ｎ２よりも低いときは、前記シリンダ内への燃料供給が停止される請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。
内燃機関が車両に搭載され、且つ、車両の制動時にて前記シリンダ内から取得された制動エネルギーにより前記蓄圧部への蓄圧が行われる請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関。
前記蓄圧部への蓄圧が減筒運転時における休止中の前記シリンダを用いて行われる請求項１〜５のいずれか一つに記載の内燃機関。
可変ノズル付き過給機を有すると共に前記シリンダ内に導入される吸気量を調整するスロットル弁を有し、且つ、前記蓄圧部への蓄圧時にて、前記可変ノズルが締め側に調整されると共に前記スロットル弁が締め側に調整され、前記過給機の下流側かつ前記スロットル弁の上流側から圧力が取得されて蓄圧が行われる請求項１〜６のいずれか一つに記載の内燃機関。
可変ノズル付き過給機を有すると共に前記シリンダ内に導入される吸気量を調整するスロットル弁を有し、且つ、前記蓄圧部への蓄圧時にて、前記可変ノズルが締め側に調整されると共に前記スロットル弁が開け側に調整され、圧縮行程中にて前記シリンダ内の余剰分の圧力が取得されて蓄圧が行われる請求項１〜６のいずれか一つに記載の内燃機関。
前記蓄圧部への蓄圧時にて前記過給機が供給する過給圧が高められる請求項７または８に記載の内燃機関。