JP4661835B2 - 内燃機関の始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、停止状態の気筒の燃焼室内で燃焼を生起させることにより、内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置に関する。

内燃機関（エンジン）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で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２００６−１６９９８９号公報

例えば、直噴式エンジンにおけるダイレクトスタートは、エンジン始動時に、停止時に膨張行程にある燃焼室に始動用の燃料と共に圧縮空気を供給し、当該気筒において、点火プラグによる点火により、供給された始動燃料と圧縮空気との混合気を着火、燃焼させて、そのエネルギにより、ピストンを押し下げ、クランクシャフトを回転させて、エンジンを直接始動させている。

又、吸気管噴射式エンジンにおけるダイレクトスタートは、エンジンの停止直前に燃料を噴射して、予め気筒内に始動用の燃料を封じ込めておき、エンジン始動時には、図５に示すように、停止時に膨張行程にある燃焼室に圧縮空気を供給し（１）、当該気筒において、点火プラグによる点火により、予め封じ込めておいた始動燃料と供給された圧縮空気との混合気を着火、燃焼させて（２）、そのエネルギにより、ピストンを押し下げ、クランクシャフトを回転させて、エンジンを直接始動させている（３）。

このように、ダイレクトスタートは、直噴式エンジンに限らず、吸気管噴射式エンジンにも適用可能であり、又、アイドリングストップ（アイドリング時間が長くなる場合にエンジンを一時的に停止すること）後のエンジンの再始動方法としても用いられている。

アイドリングストップの際には、図６に示すように、エンジンのアイドリング時において、アイドリングストップ条件（詳細は後述する）が成立するかどうか確認し（ステップＳ２１）、アイドリングストップ条件が成立した場合には、燃料噴射を停止すると共に（ステップＳ２２）、点火も停止することにより（ステップＳ２３）、エンジンが惰性で回転することになり、徐々に回転数が低下して、最終的には、エンジンが自動停止することになる。

このように、アイドリングストップの際には、アイドリングストップ条件が成立した直後に燃料噴射及び点火を停止しており、エンジン停止時にどの気筒が膨張行程となるか特定できない。そのため、気筒に圧縮空気を供給する圧縮空気供給ライン（例えば、圧縮空気供給装置等）を、全ての気筒に備えなければならず、装置コストが増大する問題があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、装置コストを低減する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、
内燃機関のアイドル運転中に所定の停止条件が成立したときに燃料供給及び点火を停止して、前記内燃機関を停止させる停止制御手段と、
停止時に膨張行程となる気筒の燃焼室に供給された燃料及び圧縮空気の混合気を点火することにより、前記内燃機関を始動させる始動制御手段と、
前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記内燃機関内の潤滑油の油温を検出する油温検出手段と、
を備え、
前記停止制御手段は、
前記回転数検出手段により検出されたアイドル運転中の回転数と前記油温検出手段により検出されたアイドル運転中の油温とに基づいて、前記内燃機関が停止するまでの行程数を予測し、
該予測された行程数に基づいて、前記内燃機関の停止時に膨張行程にしたい所望の気筒から、停止前の最後の燃料噴射及び最後の点火を行う気筒を求め、
該求めた気筒において停止前の最後の燃料噴射を行うと共に、同一の気筒において停止前の最後の点火を行うことにより、前記所望の気筒を停止時に膨張行程と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の発明に記載した内燃機関の始動装置において、
前記停止制御手段は、
前記回転数検出手段により検出されたアイドル運転中の回転数と前記油温検出手段により検出されたアイドル運転中の油温とが、各々所定範囲内にあると判定された後に、前記最後の燃料噴射及び前記最後の点火を行うことを特徴とする。

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の発明に記載した内燃機関の始動装置において、
停止時に膨張行程とする気筒にのみ、気筒の燃焼室内に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段を設けることを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の自動停止時に膨張行程となる気筒を極めて簡単に特定できるので、気筒に圧縮空気を供給する圧縮空気供給ラインを１つのみとすることができ、その結果、装置コストを低減することができる。

以下、図１〜図４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り、図１（ａ）は、その側面視であり、図１（ｂ）は、その上面視である。

エンジン１（内燃機関）は、複数の気筒を有するものである。一例としては、例えば、４気筒が直列に並んで構成され、所定の等間隔で点火、燃焼する吸気管噴射式の４サイクル直列４気筒型エンジンが該当する。なお、各気筒は、圧縮空気供給装置以外、同等の構成を有しており、図１（ａ）では、本発明の特徴がよく表れている１つの気筒（唯一圧縮空気供給装置を備える＃１気筒）についてのみ示す。又、本実施例では、一例として、吸気管噴射式エンジンを用いているが、直噴式エンジンにも適用可能であり、その場合、燃料供給装置（インジェクタ）以外、同等の構成でよい。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２の燃焼室３には、点火を行う点火プラグ４が設けられている。そして、全気筒のうち＃１気筒にのみ、圧縮空気を燃焼室３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）が設けられている。本発明においては、後述する制御を行うことにより、全ての気筒に圧縮空気供給装置５を設ける必要はなく、アイドリングストップ時に必ず膨張行程となる気筒にのみ（本実施例の場合＃１気筒にのみ）圧縮空気供給装置５を設けている。なお、本発明では、圧縮空気供給装置５を設ける気筒を１つとすることが望ましいが、停止気筒が１行程ずれることを許容するため、圧縮空気供給装置５を設ける気筒を合計２つとしてもよい。

燃焼室３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３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３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。又、吸気ポート６には、吸気ポート６内に燃料を噴射するインジェクタ１３が設けられており、吸気ポート６内に噴射された燃料は、吸気弁８が開弁しているときに（燃焼室３と吸気ポート６とが連通しているときに）、燃焼室３内へ供給されるようになっている。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２１により、その開閉動作のタイミング等が検知されている。

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３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２２（回転数検出手段）が設けられている。エンジン１には、エンジン１の冷却水の水温を測定する水温センサ２３（水温検出手段）や、エンジン１のエンジンオイルの温度（油温）を測定する油温センサ２８（油温検出手段）も設けられている。

上記点火プラグ４、圧縮空気供給装置５、吸気弁８、排気弁９、インジェクタ１３等の各種制御装置、そして、カム角センサ２１、クランク角センサ２２、水温センサ２３、油温センサ２８等の各種センサは、電子コントロールユニット２０（以降、ＥＣＵと略す。）に電気的に接続されている。又、シフトの位置を検出するシフトポジションセンサ２５、車両の速度を検出する車速センサ２６、ブレーキのオン／オフを検出するブレーキスイッチ２７等も、ＥＣＵ２０に電気的に接続されている。そして、カム角センサ２１、クランク角センサ２２、水温センサ２３、シフトポジションセンサ２５、車速センサ２６、ブレーキスイッチ２７、油温センサ２８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４、圧縮空気供給装置５、吸気弁８、排気弁９、インジェクタ１３等の各種制御装置を、ＥＣＵ２０が制御している。

ここで、図２〜図４を用いて、本発明に係る内燃機関の始動装置における制御、具体的には、エンジン１の自動停止時におけるＥＣＵ２０の制御（停止制御手段）を説明する。なお、図２は、本発明に係る内燃機関の始動装置における制御を示すフローチャートであり、図３は、図２に示したフローチャートの変形例であり、図４は、図３に示した制御によるエンジン停止時の挙動を示すタイムチャートである。

最初に、エンジン１において、アイドリングストップ条件（自動停止条件）が成立するかどうかをＥＣＵ２０により確認する（ステップＳ１）。アイドリングストップ条件が成立するまで、この確認を続け、アイドリングストップ条件が成立した後、ステップＳ２へ進む。

アイドリングストップ条件は、例えば、シフト位置がニュートラルであること、かつ、車速が０（アイドル運転状態）であること、かつ、冷却水の水温が８０°より大きいこと等を確認した後、ブレーキのＯＮ状態が２〜３秒以上となったとき成立する。図１を参照して具体的に説明すると、ＥＣＵ２０が、シフトポジションセンサ２５によりシフト位置がニュートラルであることを確認し、かつ、車速センサ２６により車速が０であることを確認し、かつ、水温センサ２３により冷却水の水温が８０°より大きいこと等を確認した後、ブレーキスイッチ２７によりブレーキのＯＮ状態が２〜３秒以上となったと確認したとき、ＥＣＵ２０は、アイドリングストップ条件が成立すると判断している。

アイドリングストップ条件が成立すると、次に、アイドル運転中の（より具体的には、アイドリングストップ条件が成立した際の）エンジン回転数、油温をクランク角センサ２２、油温センサ２８により検出する（ステップＳ２）。なお、油温センサ２８が無い場合には、水温センサ２２により、油温を推測することができ、その推測値を用いて、本制御を行ってもよい。

そして、所望の気筒を自動停止時に膨張行程とするため、ステップＳ２において検出したエンジン回転数、油温に基づいて、燃料噴射及び点火を最後に行う気筒を求める（ステップＳ３）。

これは、アイドリングストップ条件が成立した際に、その際のエンジン回転数を検出することにより、惰性によるエンジン回転の開始時点のエンジン回転数が把握でき、その際のエンジンオイルの温度を検出することにより、エンジン回転の際のフリクションの大きさが把握できるため、エンジン回転が停止するまでの工程数が予測でき、その予測された工程数から、自動停止時の行程を膨張行程にしたい気筒に対して、燃料噴射及び点火を最後に行うべき気筒を求めることができるためである。

なお、最後に燃料噴射を行う気筒と、最後に点火を行う気筒は同一としているが、これは未燃燃料が未燃のまま排出されないようにするためである。例えば、＃１気筒で燃料噴射を停止し、＃２気筒で点火を停止したとすると、＃１気筒に噴射された燃料が点火されずに、未燃のまま排出されることとなる。最後に燃料噴射を行う気筒と最後に点火を行う気筒を同一とするのは、このような事態を回避するためである。

又、アイドリングストップ条件が成立した際のエンジン回転数、油温、燃料噴射及び点火を最後に行った気筒、自動停止時に膨張行程となった気筒のデータを、予めマップ化して、保持していれば、任意のエンジン回転数、任意の油温であっても、自動停止時に膨張行程としたい気筒に対して、どの気筒において燃料噴射及び点火を最後に行えばよいか、容易に求めることができる。

一方、エンジン回転数を所定の範囲に制御し、エンジンオイルの温度を所定の範囲に制御すると共に、最後の燃料噴射気筒と最後の点火気筒を同一気筒に制御することにより、停止時に膨張行程となる気筒を、所望の気筒に制御することも可能である。特に、アイドル運転時には、エンジン回転数は一定の範囲で制御され、又、油温も一定の範囲で安定していることが多いため、後述する図３の変形例のように、エンジン回転数、油温が各々所定範囲にあることが確認できれば、燃料噴射及び点火を最後に行う所定の同一気筒とすることにより、自動停止時に膨張行程となる気筒を、所望の気筒に容易に制御することができる。つまり、所定の条件が満たされている場合には、燃料噴射及び点火を最後に行う気筒を、所定の同一気筒とするだけで、自動停止時に膨張行程となる気筒を、所望の気筒に容易に制御できることになる。

次に、ステップＳ３で求めた気筒が、例えば、＃１気筒であれば、＃１気筒での燃料噴射があったかどうか確認し（ステップＳ４）、＃１気筒での燃料噴射があった場合には、ＥＣＵ２０からインジェクタ１３へのインジェクタ駆動信号を停止することにより、以降の燃料噴射を停止する（ステップＳ５）。

続いて、最後の燃料噴射を行った気筒と同じ気筒、即ち、＃１気筒での点火があったかどうか確認し（ステップＳ６）、＃１気筒での点火があった場合、ＥＣＵ２０から点火プラグ４への点火信号を停止することにより、以降の点火を停止し（ステップＳ７）、一連の制御を終了する。

そして、上記手順の制御を行うことにより、エンジン１は惰性で回転することになり、徐々に回転数が低下して、最終的には、エンジン１が自動停止することになるが、自動停止する際には、膨張行程となる気筒が常に同じ気筒となって、所望の気筒（本実施例では、＃１気筒）を自動停止時に膨張行程に制御することになる。

なお、図２に示すフローチャートにおいては、一例として、＃１気筒を自動停止時に膨張行程に制御するため、最後の燃料噴射及び点火を＃１気筒で行っているが、これは、アイドリングストップ条件が成立した際のエンジン回転数、油温に応じて、適宜に変更されるものである。

＜変形例＞
上述したように、アイドリングストップ条件が成立したときのエンジン回転数、油温が任意の値である場合には、その値に基づいて、燃料噴射及び点火を最後に行うべき気筒を求め、その気筒に対して最後の燃料噴射及び点火を行えばよいが、アイドル運転時には、エンジン回転数、油温は、一定の範囲内であることも多いため、図２に示す制御手順は、図３に示す変形例のように簡略化することもできる。以下、この変形例について説明を行う。

図３に示す変形例においても、最初に、エンジン１において、アイドリングストップ条件（自動停止条件）が成立するかどうかをＥＣＵ２０により確認する（ステップＳ１１）。アイドリングストップ条件が成立するまで、この確認を続け、アイドリングストップ条件が成立した後、ステップＳ１２へ進む。なお、アイドリングストップの成立条件としては、図２のステップＳ１におけるものに加えて、エンジン回転数、油温が所定範囲内であることを確認する。

次に、＃１気筒での燃料噴射があったかどうか確認し（ステップＳ１２）、＃１気筒での燃料噴射があった場合には、ＥＣＵ２０からインジェクタ１３へのインジェクタ駆動信号を停止することにより、以降の燃料噴射を停止する（ステップＳ１３）。

次に、最後の燃料噴射を行った気筒と同じ気筒、即ち、＃１気筒での点火があったかどうか確認し（ステップＳ１４）、＃１気筒での点火があった場合、ＥＣＵ２０から点火プラグ４への点火信号を停止することにより、以降の点火を停止し（ステップＳ１５）、一連の制御を終了する。

そして、上記手順の制御を行うことにより、エンジン１は惰性で回転することになり、徐々に回転数が低下して、最終的には、エンジン１が自動停止することになるが、自動停止する際には、膨張行程となる気筒が常に同じ気筒となって、所望の気筒（本実施例では、＃１気筒）を自動停止時に膨張行程に制御することになる。

なお、図３に示すフローチャートにおいても、一例として、＃１気筒を自動停止時に膨張行程に制御するため、最後の燃料噴射及び点火を＃１気筒で行っているが、これは、自動停止時に膨張行程としたい所望の気筒に応じて、変更される。

上述したように、本発明に係る内燃機関の始動装置では、図２、図３のフローチャートに示した手順を経て、アイドリングストップが実施される。そこで、図３のフローチャートに示した手順によるエンジン停止時の挙動の実測データを、図４のタイムチャートに示す。

図４に示すように、アイドリングストップ条件が成立すると、燃料噴射（インジェクタ駆動信号）が停止されると共に、点火（点火信号）が停止される。この際、本発明においては、上述したように、エンジン回転数、エンジンオイルの油温が所定の範囲内であることを確認すると共に、燃料噴射の停止及び点火の停止を共に＃１気筒を最後としている。これにより、エンジン１は惰性により回転することになり、徐々に回転数が低下して、最終的には、エンジン１が停止することになるが、ここでは、燃料噴射の停止及び点火の停止を共に＃１気筒を最後としているため、ＥＣＵ２０は、停止時に膨張行程となる気筒を、＃１気筒とすることができる。

このように、本発明においては、上述した制御手順により、アイドリングストップ時に膨張行程となる気筒を、所望の気筒に制御することができる。その結果、全ての気筒ではなく、１つの気筒にのみ圧縮空気供給装置５を設ければ、ダイレクトスタートによる再始動が可能となり、気筒に設ける圧縮空気供給装置５の数を低減することができる。特許文献１に示す発明においては、再始動を行うため、再始動モータを設ける等、大掛かりな装置が別途必要であったが、本発明においては、再始動モータのような装置も不要であり、簡単な構成でダイレクトスタートを行うことができる。

そして、エンジン１が停止した後、再始動する際には、以下の手順を経て、エンジン１を始動させることになる（始動制御手段）。なお、図４中には示していないが、エンジン１が完全に停止する直前には、各気筒（＃１〜＃４）には、別途、始動用の燃料が噴射されて、各気筒内に封じ込まれている。

アイドリングストップの後、ブレーキスイッチ２７がＯＦＦ状態となったこと（ブレーキが解除されたこと）をＥＣＵ２０が検知すると、ＥＣＵ２０は、停止時に膨張行程とした＃１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い、エンジン停止直前に当該気筒内に封じ込められた始動燃料と圧縮空気との混合気を形成した後、当該混合気を着火、燃焼させて、エンジン１を始動させる。

なお、停止気筒が１行程ずれることを許容するため、圧縮空気供給装置５を設ける気筒を合計２つとしてもよい。

本発明に係る内燃機関の始動装置は、直噴式エンジン、吸気噴射式エンジン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り、（ａ）は、その側面視、（ｂ）は、その上面視である。 図１に示した内燃機関の始動装置における制御を説明するフローチャートである。 図２に示したフローチャートの変形例である。 図３に示した制御によるエンジン停止時の挙動を示すタイムチャートである。 吸気管噴射式エンジンにおけるダイレクトスタートの概要を説明する図である。 アイドリングストップ時の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダブロック
３ 燃焼室
４ 点火プラグ
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 インジェクタ
２０ ＥＣＵ
２１ カム角センサ
２２ クランク角センサ
２３ 水温センサ
２５ シフトポジションセンサ
２６ 車速センサ
２７ ブレーキスイッチ
２８ 油温センサ

Claims (3)

1. 内燃機関のアイドル運転中に所定の停止条件が成立したときに燃料供給及び点火を停止して、前記内燃機関を停止させる停止制御手段と、
   停止時に膨張行程となる気筒の燃焼室に供給された燃料及び圧縮空気の混合気を点火することにより、前記内燃機関を始動させる始動制御手段と、
   前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記内燃機関内の潤滑油の油温を検出する油温検出手段と、
   を備え、
   前記停止制御手段は、
   前記回転数検出手段により検出されたアイドル運転中の回転数と前記油温検出手段により検出されたアイドル運転中の油温とに基づいて、前記内燃機関が停止するまでの行程数を予測し、
   該予測された行程数に基づいて、前記内燃機関の停止時に膨張行程にしたい所望の気筒から、停止前の最後の燃料噴射及び最後の点火を行う気筒を求め、
   該求めた気筒において停止前の最後の燃料噴射を行うと共に、同一の気筒において停止前の最後の点火を行うことにより、前記所望の気筒を停止時に膨張行程とすることを特徴とする内燃機関の始動装置。
2. 請求項１に記載した内燃機関の始動装置において、
   前記停止制御手段は、
   前記回転数検出手段により検出されたアイドル運転中の回転数と前記油温検出手段により検出されたアイドル運転中の油温とが、各々所定範囲内にあると判定された後に、前記最後の燃料噴射及び前記最後の点火を行う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に記載した内燃機関の始動装置において、
   停止時に膨張行程とする気筒にのみ、気筒の燃焼室内に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段を設けることを特徴とする内燃機関の始動装置。

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