JP5049933B2 - 直接噴射式内燃機関を始動する方法および装置、ならびに自動車 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の直接噴射式内燃機関を始動する方法と、請求項８のプリアンブルに記載の対応する始動装置と、それに対応する自動車とに関する。

自動車の内燃機関は、従来、スタータモータ、例えばピニオンスタータによって始動される。ハイブリッド車両、すなわち、内燃機関に加えて少なくとも１つの追加の電動機を有する自動車において、前記電動機はスタータモータの機能をとることができ、したがって、スタータモータを省略できる。

本発明の目的は、内燃機関を始動するための別の方法およびそれに対応する装置を提供することである。

本発明によれば、直接噴射式内燃機関を始動するための方法は、別個の駆動装置が機械的駆動手段を介してクランクシャフトを回転させ、それにより作動媒体が内燃機関の少なくとも１つのシリンダのピストンにより圧縮されるまで、調整機構によってクランクシャフトとカムシャフトとの間の角度位置に変化を生じさせるように別個の駆動装置を作動させるステップと、位置測定手段を使用してピストンの位置を測定し、これにより、作動媒体が圧縮される燃焼室のシリンダを特定するステップと、内燃機関を始動するために、前記シリンダがその上死点の近傍にあるときに前記シリンダ内に燃料を噴射するステップとを少なくとも含む。言い換えれば、本発明は、内燃機関を始動するためにカムシャフト調整装置の別個の駆動装置を利用する。このために、内燃機関が停止したときに、すなわち、カムシャフト調整装置の別個の駆動装置が機械的駆動手段を介して内燃機関のクランクシャフトを駆動するために利用されることによって、前記カムシャフト調整装置が一時的に「逆に」動作される。このようにして、カムシャフト調整装置の別個の駆動装置は、ある意味では、スタータモータに置き換えられる。この場合、カムシャフト調整装置は、クランクシャフトに対するカムシャフトの制御時間を調整するに過ぎず、内燃機関の弁開放期間および弁リフト量は前記位相調整によって変化されない。本発明は、クランクシャフトとカムシャフトとの間の角度位置の変化が、最小抵抗トルクを有するシャフトにその都度付与されるという認識に基づいている。この場合、抵抗トルクにおいて、例えば、摩擦、シリンダの圧縮に関する圧縮トルク、またはカムシャフトに対する弁の作動トルクを考慮しなければならない。

カムが内燃機関の弁のストッパにほぼ当接するまで、別個の駆動装置が第１のステップで作動され、引き続き、さらに作動され、弁のストッパに当接するカムが前記弁に支持され、これにより、カムシャフトが停止され、この結果、別個の駆動装置が機械的駆動手段を介してクランクシャフトを回転させることが特に好ましい。このことにより、それに対応する構造では、本発明の確実な使用が可能になる。

本発明の第１の好ましい実施形態では、内燃機関が直接噴射式ディーゼルエンジンとして具体化され、ディーゼル燃料が上死点の近傍で噴射され、このディーゼル燃料が自動発火し、これにより、内燃機関が始動される。

第２の好ましい実施形態では、内燃機関が直接噴射式火花点火エンジンとして具体化され、燃料が上死点の近傍で噴射されて、点火プロセスが誘発され、これにより、内燃機関が始動される。当然、内燃機関をリーンバーンエンジン（層状給気エンジンまたはディゾット（ｄｉｓｏｔｔｏ）エンジン）として具体化することも可能である。

駆動ベルトまたは歯付きベルトまたはチェーン駆動装置は、特に確実な機械的駆動手段として設けられることが好ましい。これらのものは、機械的駆動手段を介した内燃機関のクランクシャフトによるカムシャフトの低メンテナンスの駆動を可能にし、これにより、内燃機関の本発明による始動も可能にする。

この場合、駆動されるカムシャフトを内燃機関のインレットカムシャフトまたはアウトレットカムシャフトとして設けることができる。このことにより、内燃機関の種類に応じた本発明の柔軟な使用が可能になる。

クランクシャフトセンサは位置測定手段であるとされる。ここで、クランクシャフトの対応する突出部または凹部によって、クランクシャフトの位置、したがって、内燃機関の個々のシリンダの作動ストロークを信頼性をもって推定することが可能である。特に、燃料を噴射して内燃機関を始動するために、シリンダがその上死点の近傍の状況にあるときを測定することも可能である。

好ましい一実施形態では、別個に駆動可能な調整機構は、伝動装置、特に遊星ギヤセットを備える。このようにして、対応する伝達比を用いることにより、比較的動力の小さい別個の駆動装置でも、小さな設置空間要求で、十分なトルクを付与することが可能である。

調整機構の別個の駆動装置は、電動式に、特に電動モータとして構成されることが特に好ましい。当然、他の種類の駆動装置、例えば電気油圧駆動装置を設けることも可能である。内燃機関が停止したときに、常に、別個の駆動装置の確実な動作が必要である。

本発明による方法では、クランクシャフトを回転させるために、別個に駆動可能な調整機構が利用される。しかし、内燃機関の弁を保護するために、通常は、制限された調整範囲のみが提供される。したがって、内燃機関が停止された場合に、別個に駆動可能な調整機構を停止位置に移動させることが有利である。そうすれば、本発明による方法によれば、内燃機関が始動されたときに、別個に駆動可能な調整機構の最大調整範囲が利用可能である。この場合、別個に駆動可能な調整機構の前部ストッパまたは後部ストッパを停止位置として設けることができる。言い換えれば、本発明による方法によって、エンジンを順方向および逆方向に始動できる。

本発明の特に好ましい一実施形態では、内燃機関は、別個に駆動可能な調整機構がそれぞれ割り当てられた多気筒エンジンとして構成され、機械的駆動手段を介してトルクを、例えばそれぞれの弁に支持される別個の駆動装置からクランクシャフトに加えるために、調整機構が同じ方向に作動される。この場合、トルクの付加を連続的にまたは同時に行うことができる。カムシャフトのそれぞれの調整機構の別個の駆動装置の各々が作動されることにより、機械的駆動手段を介してクランクシャフトに伝達されるトルクが増大される。したがって、それに応じて、クランクシャフトを回転させるためのトルクも増大され、内燃機関の確実な始動が保証される。

この場合、調整機構は、例えば回転方向と逆方向における支持を保証し、したがってクランクシャフトの回転を保証するトルク支持体を備えることも可能である。このために、例えば、フリーホイールをカムシャフトにまたはクランクシャフトに設けることが可能である。

次に、図面を参照して、本発明について説明する。ここで単一の図は、本発明による方法を行うのに特に適切な電動カムシャフト調整装置を一例として示している。クランクシャフトＫＷとカムシャフトＮＷとの間で回転運動を伝達するために、駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置ＴＭを介してカムシャフトＮＷが連結される内燃機関のクランクシャフトＫＷが概略的に示されている。この場合、内燃機関は直接噴射式ディーゼルエンジンまたは直接噴射式火花点火エンジンである。内燃機関の別のカムシャフトを連結するために、別の駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置ＴＭｘをクランクシャフトＫＷに設けることが可能である。このことは図面に破線で概略的に示されている。上記の電動カムシャフト調整装置は、クランクシャフトとカムシャフトとの間の角度位置を調整するものであり、たとえば本願出願人により提案されているポルシェのバリオカム（Porsche VarioCam）として知られている。

駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置ＴＭは、カムシャフトＮＷを駆動するための機械的駆動手段の一部であり、別個に駆動可能な調整機構に連結される。さらに、機械的駆動手段は、駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置ＴＭによって駆動されるリングギヤＴＲを有する遊星ギヤセットを備える。さらに、遊星ギヤセットは、カムシャフトＮＷが連結されるサンギヤ（図示せず）を備える。次に、リングギヤＴＲをサンギヤに連結するための遊星キャリアＶＭが設けられる。遊星キャリアには電動モータＥＭの形態の別個の駆動装置が連結される。電動モータＥＭは、一定の角度範囲内でカムシャフトＮＷを調整するように機能する。このこととは独立して、カムシャフトＮＷは、内燃機関が動作しているときに、駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置ＴＭを介してクランクシャフトＫＷにより連続的に回転される。

カムシャフトＮＷに割り当てられる内燃機関の弁を保護するために、調整機構、すなわちカムシャフトＮＷを調整し得る角度範囲が制限される。例えば、カムシャフトの７０°の調整範囲は従来のものである。遊星ギヤセットの伝達比が作用できるように、内燃機関はカムシャフト調整装置の調整範囲内で始動される。したがって、カムシャフト調整装置は、内燃機関が停止された場合に停止位置に移動される。内燃機関を始動するために、機械的駆動手段を介してトルクを電動モータＥＭからクランクシャフトＫＷに伝達できる電気的カムシャフト調整装置が作動される。その作動によって、カムシャフトＮＷとクランクシャフトＫＷとの間の角度位置に変化が生じる。遊星ギヤセットの伝達比のトルクによって、例えば１：６０の伝達比で、調整が行われる。このことにより、全体で１：３０の伝達比が得られる（４ストロークエンジンでは、クランクシャフトとカムシャフトとの間の伝達比が１：２であることにより）。したがって、リングギヤの差動回転速度により、クランクシャフトの調整が行われる。

このようにして、電動モータＥＭが作動することにより、遊星ギヤセットの遊星キャリアが回転される。前記回転運動がサンギヤに伝達されて、カムシャフトＮＷを回転させる。内燃機関の弁を作動させるための力が、クランクシャフトＫＷを回転させるための力よりも大きいことにより、電動モータはここで弁に、またはそれを支持する弁ばねに支持され、この結果、クランクシャフトＫＷが電気的カムシャフト調整装置の電動モータＥＭによって回転される。この理由は、前記遮断された弁に当接するカムが、弁ばねに支持されて、カムシャフトを停止させるからである。遊星ギヤセットにおいて、カムシャフトに連結されるサンギヤはここで停止されるが、電動モータＥＭが遊星キャリアを駆動し続けることにより、リングギヤＴＲが電動モータＥＭによって回転される。リングギヤの回転運動は駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置ＴＭを介して内燃機関のクランクシャフトＫＷに伝達される。この理由は、カムシャフトＮＷの抵抗トルクがここでクランクシャフトＫＷの抵抗トルクよりも大きく、この結果、クランクシャフトＫＷが回転するからである。クランクシャフトＫＷの動きにより、ピストンの移動が生じ、作動媒体はここで内燃機関の少なくとも１つのシリンダ空間で圧縮される。

内燃機関のクランクシャフトセンサＰＢによって、クランクシャフトＫＷの位置が連続的に測定される。このために、クランクシャフトの規定された点で生じた下降または上昇が検知され、また内燃機関の個々のシリンダのピストンの位置がクランクシャフトＫＷの位置から推定される。これにより、内燃機関のどのシリンダで、作動媒体がクランクシャフトＫＷの回転によって圧縮されているかどうかを決定することが可能である。作動媒体が最大に圧縮されるシリンダの上死点の近傍において、言い換えればシリンダ内のピストンの上死点の近傍において、そのとき燃料が噴射され、これによって内燃機関が始動される。本発明による始動プロセスの制御は、この場合、制御ユニットＳＧによって制御され、内燃機関の始動プロセスは、制御ユニットＳＧが始動コマンドＳＢを受信した後に制御ユニットＳＧによって開始される。

直接噴射式内燃機関の本発明による始動プロセスは、始動／停止システムを有する車両に及びハイブリッド車両に使用するのに特に適切である。始動／停止システムを有する車両の内燃機関が運転温度にあるときに、本発明による始動プロセスが行われる場合は、従来のスタータモータは冷間始動のためにのみ提供されればよい。したがって、対応してより少ない始動プロセスのために、従来のスタータモータを構成できるかまたは完全に省略し得る。ハイブリッド車両、特に、クラッチによって内燃機関に連結されかつモータとしてまた発電機として動作させることができる電動機を有するパラレルフルハイブリッド車両において、電気駆動範囲の拡大が可能になる。この理由は、内燃機関を再始動するために電動機のトルク保存を行う必要がもはやないからである。さらに、再始動中の快適性が向上される。

本発明による方法を行うのに特に適切な電動カムシャフト調整装置の図面である。

符号の説明

ＥＭ 電動モータ
ＫＷ クランクシャフト
ＮＷ カムシャフト
ＰＢ クランクシャフトセンサ
ＳＢ 始動コマンド
ＳＧ 制御ユニット
ＴＭ 駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置
ＴＭｘ 別の駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置
ＴＲ リングギヤ
ＶＭ 遊星キャリア

Claims (13)

1. 直接噴射式内燃機関を始動する方法であって、機械的駆動手段（ＴＭ、ＴＲ）を介して前記内燃機関の少なくとも１つのカムシャフト（ＮＷ）を駆動するために、前記内燃機関のクランクシャフト（ＫＷ）が設けられ、前記機械的駆動手段が、前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの間の角度位置に変化を生じさせるように前記カムシャフトを調整する別個の駆動装置（ＥＭ）により駆動される調整機構（ＶＭ）を備え、前記内燃機関のシリンダのピストンの位置を測定する位置測定手段（ＰＢ）が設けられる始動方法において、
   前記内燃機関が停止した場合に、前記調整機構によって前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの間の角度位置に変化を生じさせるように前記別個の駆動装置を作動させて、カムが前記内燃機関の弁のストッパまで移動し、前記カムが前記弁に当接し、前記カムシャフトが停止され、それにより前記調整機構を停止位置に移動する第１のステップと、
   前記内燃機関を始動するときに、前記別個の駆動装置を作動させて、前記カムシャフトが停止されている結果前記機械的駆動手段を介して前記クランクシャフトを回転させ、それにより作動媒体が前記内燃機関の少なくとも１つのシリンダの前記ピストンにより圧縮される第２のステップと、
   前記位置測定手段を使用して前記ピストンの位置を測定し、これにより、前記作動媒体が圧縮される燃焼室の前記シリンダを特定する第３のステップと、
   前記内燃機関を始動するために、前記シリンダが前記シリンダの上死点の近傍にあるときに前記シリンダ内に燃料を噴射する第４のステップと、
   を少なくとも含む始動方法。
2. 前記内燃機関が直接噴射式ディーゼルエンジンとして構成され、ディーゼル燃料が前記上死点の近傍で噴射され、前記ディーゼル燃料が自動発火し、これにより前記内燃機関が始動される請求項１に記載の始動方法。
3. 前記内燃機関が直接噴射式火花点火エンジンとして構成され、燃料が前記上死点の近傍で噴射されて、点火プロセスが誘発され、これにより前記内燃機関が始動される請求項１に記載の始動方法。
4. 前記停止位置が、シリンダの上死点を越えて前記クランクシャフトを回転させることによって前記内燃機関を始動するために、前進停止位置として設けられるか、または前記内燃機関の動作方向と反対方向に前記クランクシャフトを回転させることによって前記内燃機関を始動するために、後退停止位置として設けられる請求項１に記載の始動方法。
5. 前記内燃機関が、前記カムシャフトの各々に割り当てられた別個の駆動装置をそれぞれ有する調整機構を有する多気筒エンジンとして構成され、前記別個の駆動装置によって伝達されたトルクを、前記それぞれの機械的駆動手段を介して前記クランクシャフトに加えるために、前記それぞれの調整機構が同じ方向に作動される請求項１〜４のいずれか１項に記載の始動方法。
6. 直接噴射式内燃機関を始動する装置であって、機械的駆動手段（ＴＭ、ＴＲ）を介して前記内燃機関の少なくとも１つのカムシャフト（ＮＷ）を駆動するために、前記内燃機関のクランクシャフト（ＫＷ）が設けられ、前記機械的駆動手段が、前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの間の角度位置に変化を生じさせるように前記カムシャフトを調整する別個の駆動装置（ＥＭ）により駆動される調整機構（ＶＭ）を備え、前記内燃機関のシリンダのピストンの位置を測定する位置測定手段（ＰＢ）が設けられる始動装置において、
   前記内燃機関用の始動関連信号を計測するための計測手段と、
   前記内燃機関が停止した場合に、前記調整機構によって前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの間の角度位置に変化を生じさせるように前記別個の駆動装置を作動させて、カムが前記内燃機関の弁のストッパまで移動し、前記カムが前記弁に当接し、前記カムシャフトが停止され、それにより前記調整機構を停止位置に移動し、前記内燃機関を始動するときに、前記別個の駆動装置を作動させて、前記カムシャフトが停止されている結果前記機械的駆動手段を介して前記クランクシャフトを回転させ、それにより作動媒体が前記内燃機関の少なくとも１つのシリンダの前記ピストンにより圧縮される作動手段と、
   位置測定手段を使用して前記ピストンの前記位置を測定し、これにより前記作動媒体が圧縮される燃焼室の前記シリンダを特定するための測定手段と、
   前記内燃機関を始動するために、前記シリンダが前記シリンダの上死点の近傍にあるときに、前記作動媒体が圧縮される前記内燃機関の前記当該シリンダ内に燃料を噴射することによって、前記内燃機関を始動するためのコマンドを出力する出力手段と、
   を有する制御ユニットが設けられる始動装置。
7. 前記機械的駆動手段が、前記クランクシャフトと前記カムシャフトとの間で回転運動を伝達するための駆動ベルト／歯付きベルトまたはチェーン駆動装置を備える請求項６に記載の始動装置。
8. 前記カムシャフトが、前記内燃機関のインレットカムまたはアウトレットカムを作動させるためのインレットカムシャフトまたはアウトレットカムシャフトとして構成される請求項６または７に記載の始動装置。
9. 前記位置測定手段が、前記内燃機関のシリンダの位置を測定できるようにするためにクランク角センサとして構成される請求項６〜８のいずれか１項に記載の始動装置。
10. 前記カムシャフトと前記機械的駆動手段との間で相対運動を生じさせるために、前記１つまたは各々の別個の駆動装置には、伝動装置、特に遊星ギヤセットが割り当てられ、それにより前記別個の駆動装置を作動させることにより前記カムシャフトが調整される請求項６〜９のいずれか１項に記載の始動装置。
11. 前記１つまたは各々の別個の駆動装置が電気式である請求項６〜１０のいずれか１項に記載の始動装置。
12. 請求項６〜１１のいずれか１項に記載の装置を有する自動車。
13. 前記自動車が、クラッチによって前記内燃機関に連結されかつモータとしてまた発電機として動作させることができる電動機を有するパラレルフルハイブリッド車両として提供される請求項１２に記載の自動車。

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