JP2013083185A - 内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドル・リダクション（アイドリングストップ）システムを採用する自動車に搭載するような内燃機関において、一時的に内燃機関を停止した後の再始動の際に第１回目の圧縮行程で始動が可能になり、これにより、エンジン始動時間を短縮することができ、車両としての商品価値を向上させることができる内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関１０、１０Ａの運転の停止直前の吸気行程にある気筒１１ｃに、外部装置１５、１８から圧縮空気を予め設定又は算出したタイミングＴｉｎで導入して、ピストンを吸気行程の次の行程である圧縮行程の下死点近傍に留める制御装置２０を備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アイドル・リダクション（アイドリングストップ）システムを採用する自動車搭載の内燃機関において、一時的に内燃機関を停止した後のエンジン始動時間を短縮して早期始動することができる内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法に関する。

一般的に、内燃機関（エンジン）はカム回転センサ、クランク回転センサ等により気筒（シリンダ）判別を行って、各気筒への燃料の噴射開始の時期を決定して、スタータ等により内燃機関を始動し、燃料噴射の時期になったら、その気筒に燃料噴射して、内燃機関の運転を開始するようになっている。

しかしながら、この内燃機関の運転停止時におけるピストンの停止位置は必ずしも特定の位置になるとは限らず、不安定である。このため、一般的なエンジン始動の制御ロジックを用いた場合は、内燃機関の再始動時において、エンジンが回転を開始した直後の燃料の噴射開始の指示が一定でないため始動時間にばらつきが生じるという問題がある。この始動時間は一定であることが望ましいだけでなく、始動にかかる時間自体を短縮することが望ましい。

図４に、内燃機関が運転を停止する際のピストンの挙動に関係するエンジン回転数、各気筒の筒内圧力（シリンダ内圧力）、クランク軸の回転方向を示す。また、図５に示すように、エンジン停止時は、クランク軸の回転の停止直前に圧縮行程にある気筒の筒内圧により逆回転方向の力が作用し、又は、対向する膨張行程の気筒の筒内圧との押し合いで正転と逆転を繰り返しながら、ピストンの停止位置がその気筒の圧縮行程の上死点前８０度（ｄｅｇ）前後になって回転が停止することが実験的に分かっている。

そして、このピストンの停止状態から、内燃機関の運転を開始する時には、この気筒が初めに圧縮されることになるが、上死点前８０度前後からの圧縮動作による１圧縮目（第１回目の圧縮行程）では、着火するのに十分な温度、圧力場を形成することができない。

そのため、既存のエンジン始動の制御ロジックでは、初爆は３圧縮目に、また、ピストンの停止位置によっては４圧縮目に持ち越されることになる。その結果、始動にかかる時間が長くなる。

このエンジンの運転の開始時に始動に係る時間が長くなるという問題は、近年増加しつつあるエンジン停止、エンジン始動を頻繁に繰り返すアイドル・リダクションシステムを搭載した車両においては、商品性能に悪影響を及ぼすので、この問題の解決は非常に重要な課題となっている。

これに関連して、例えば、アイドリングストップ制御の開始時、エアコンディショナとオルタネータを停止し、エンジン負荷の大きさに応じた点火プラグの遅角量をもって点火タイミングを設定し、その後、エンジン回転数が所定値まで低下した時点で点火カット及び燃料カットを行い、エンジンを停止させて、負荷解除された状態で点火カット及び燃料カットすることで、ピストン停止位置を常に一定にする内燃機関の自動停止装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この内燃機関の自動停止装置では、エンジン負荷がある一定値であって、且つエンジン回転数がある一定値である状態ではエンジンの出力エネルギーも一定値であるため、この状態から点火カットと燃料カットを行うと、常にある一定位置にピストンが停止するとしている。

また、例えば、クランク角が最適なクランク角度停止位置に停止制御されている場合、又はそのクランク角度停止位置を高精度で推定できる場合には、再始動時には電動機又はモータジェネレータ等によりエンジン自動再始動を行い、そうでない場合は、モータジェネレータより出力トルクの大きなＤＣスタータにより迅速かつ確実にエンジンの再始動を行う内燃機関の停止始動制御装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２３１７８６号公報 特開２００４−２３９１１１号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、アイドル・リダクションシステムを採用する自動車に搭載するような内燃機関において、一時的に内燃機関を停止した後の再始動の際に第１回目の圧縮行程で始動が可能になり、これにより、エンジン始動時間を短縮することができ、車両としての商品価値を向上させることができる内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関は、内燃機関の運転の停止直前の吸気行程にある気筒に、外部装置から圧縮空気を予め設定又は算出したタイミングで導入して、ピストンを吸気行程の次の行程である圧縮行程の下死点近傍に留める制御装置を備えて構成される。

言い換えれば、内燃機関の停止直前の吸気行程にある気筒に外部装置から圧縮空気を予め設定又は算出したタイミングで瞬時に押し込み、ピストンを強制的に次の行程である圧縮行程の下死点近傍に留めることで、ピストンを次回の内燃機関の始動を迅速に行うことができる位置に停止させる制御を行う。即ち、外部装置からの圧縮空気を用いてピストンの停止位置を制御する。

この構成によれば、内燃機関の回転の停止完了時のある一つの気筒におけるピストンの停止位置を圧縮行程の下死点近傍にすることができるので、内燃機関の運転の再始動時に、このピストン停止位置が圧縮行程の下死点近傍になっている気筒を最初に圧縮される気筒として特定することができ、１圧縮目からの初爆による１圧縮始動が可能になる。その結果、エンジン始動を素早く行うことができ、エンジン始動時間を短縮することができる。なお、この吸気行程にある気筒であるか否かの気筒判別は、カム回転センサとクランク回転センサの検出値を用いて判断することができる。

上記の内燃機関において、前記制御装置が、内燃機関の運転の停止指令を受けた時点のエンジン回転数から、停止直前のエンジン回転数を予測し、エンジン回転数が目標回転数に低下する直前に圧縮空気を導入する制御を行うように構成すると、比較的簡単な制御で、予め設定又は算出したタイミングを決定でき、内燃機関の運転の停止完了時のある一つの気筒におけるピストン停止位置を圧縮行程の下死点近傍にすることができる。

上記の内燃機関において、吸気マニホールドに連結する蓄圧タンクから圧縮空気を供給するように構成し、前記制御装置が、前記蓄圧タンクの出口に配設された開閉弁の開閉制御により、停止直前の吸気行程にある気筒への圧縮空気の導入を制御するように構成すると、非常に簡単な弁の開閉制御で、圧縮空気を気筒に送ることができるようになる。

上記の内燃機関において、電動機ドライバにより電動コンプレッサを駆動して吸気マニホールドに圧縮空気を供給するように構成し、前記制御装置が、前記電動機ドライバの制御により、停止直前の吸気行程にある気筒への圧縮空気の導入を制御するように構成すると、簡単な電動機ドライバの制御で、圧縮空気を気筒に送ることができるようになる。

上記のような目的を達成するための本発明の内燃機関のピストン停止位置制御方法は、内燃機関のピストン停止位置制御方法において、停止直前の吸気行程にある気筒に、外部装置から圧縮空気を予め設定又は算出したタイミングで導入して、ピストンを吸気行程の次の行程である圧縮行程の下死点近傍に留めることを特徴とする方法である。

この方法によれば、内燃機関の運転の停止完了時のある一つの気筒におけるピストン停止位置を圧縮行程の下死点近傍にすることができるので、内燃機関の運転の再始動時に、このピストン停止位置が圧縮行程の下死点近傍になっている気筒を最初に圧縮される気筒として特定することができ、１圧縮目からの初爆による１圧縮始動が可能になる。その結果、エンジン始動を素早く行うことができ、エンジン始動時間を短縮することができる。

本発明に係る内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法によれば、アイドル・リダクションシステムを採用する自動車に搭載するような内燃機関において、一時的に内燃機関を停止した後の再始動の際に第１回目の圧縮行程で始動が可能になり、これにより、エンジン始動時間を短縮することができる。従って、エンジン停止、エンジン始動を煩雑に繰り返すアイドル・リダクションシステムを搭載した車両における商品性能を向上できる。

本発明の第１の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の内燃機関の構成を示す図である。 本発明の実施の形態の圧縮空気の気筒内への供給のタイミングの一例を示す図である。 従来技術における内燃機関の停止時のエンジン回転数と筒内圧力とクランク軸の回転方向の時系列の一例を示す図である。 従来技術における内燃機関の停止時のピストンの位置を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、第１の実施の形態の内燃機関（エンジン）１０は、エンジン本体１１には、吸気マニホールド１１ａ、排気マニホールド１１ｂ、気筒（シリンダ）１１ｃ、インジェクタ（燃料噴射装置）１１ｄ等が配設されている。また、吸気マニホールド１１ａに吸気通路１２が接続され、排気マニホールド１１ｂに排気通路１３が接続されている。空気Ａを吸入する吸気通路１２にはターボチャージャ１４のコンプレッサ１４ａが、排気ガスＧを排出する排気通路１３にはターボチャージャ１４のタービン１４ｂが設けられている。

この第１の実施の形態の内燃機関１０においては、更に、圧縮空気Ａｃを貯蔵した蓄圧タンク１５と、この蓄圧タンク１５と吸気通路１２を接続する圧縮空気供給通路１６を設けると共に、この圧縮空気供給通路１６に開閉弁１７を設けて、開閉弁１７を開弁したときに、蓄圧タンク１５から圧縮空気Ａｃを圧縮空気供給通路１６、吸気通路１２、吸気マニホールド１１ａを経由して、気筒１１ｃ内に導入することができるように構成する。

また、内燃機関１０の運転全般を制御する、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置２０を備えて、開閉弁１７の制御も行うように構成する。つまり、この制御装置２０には、カム回転センサ（図示しない）、クランク回転センサ（図示しない）などの検出信号が入力され、インジェクタ駆動信号、圧縮空気制御信号などが出力される。

次に、この内燃機関１０における内燃機関のピストン停止位置制御方法について説明する。この制御は制御装置２０によって行われる。この制御は、エンジン停止から始動までの一連の作動の流れに関する制御であり、最初に、アイドル・リダクションシステムが内燃機関の一時停止を検知して、内燃機関１０の運転を停止するというエンジン停止指令、具体的には、燃料カットの指令を、制御装置１０内で受けると、このエンジン停止指令を受けた時点のエンジン回転数からエンジン停止直前のエンジン回転数（目標）を予測する。実際のエンジン回転数が、この予測した目標エンジン回転数に低下する直前に圧縮空気Ａｃを導入する制御を行う。この圧縮空気Ａｃの導入に際しては、開閉弁１７の動作や圧縮空気Ａｃが圧縮空気供給通路１６、吸気通路１２、吸気マニホールド１１ａを通過する間に経過する時間、即ち、圧縮空気導入の応答遅れを考慮して少し前に開閉弁１７を作動させる。このタイミングが予め設定又は算出したタイミングとなる。

この圧縮空気Ａｃの導入により、ピストンを上方へ押し上げようとする力と圧縮空気Ａｃを導入された気筒内のガス圧が釣り合う下死点近傍でピストンが停止する。また、一方で、制御装置２０は、停止時の圧縮行程にある気筒を判別して、記憶しておく。この圧縮行程にある気筒であるか否かの気筒判別は、カム回転センサとクランク回転センサの検出値を用いて行う。

そして、内燃機関１０の運転を再開するエンジン始動時では、制御装置２０の記憶から、停止時の圧縮行程にある気筒を判別する。この気筒がエンジン始動で初めて圧縮されることになり、しかも、燃料が噴射されても着火するのに十分な温度と圧力場が形成されるので、この気筒に燃料噴射することで１圧縮目から着火できる。つまり、１圧縮目から初爆できる。その結果、エンジン始動時間を短縮できる。

図３に、上記のピストン停止位置の制御を行った場合の、各気筒の筒内圧力と、圧縮空気Ａｃの導入開始のタイミング（時点）Ｔｉｎと内燃機関１０の回転停止（エンジン完全停止）のタイミングＴｓを示す。図３では、ＮＯ．４の気筒がピストンが圧縮行程で停止し、次回の再始動時の１圧縮目で初爆する気筒となる。

次に、第２の実施の形態の内燃機関について説明する。図２に示すように、この第２の実施の形態の内燃機関１０Ａは、第１の実施の形態の内燃機関１０のターボチャージャ１４、コンプレッサ１４ａ、タービン１ｂの代わりに、電動ターボ１８、電動コンプレッサ１８ａ、タービン１８ｂが設けられ、かつ、この電動ターボ１８を駆動及び制御するための電動ドライバ１９を備えている点と、第１の実施の形態の内燃機関１０の蓄圧タンク１５、圧縮空気供給通路１６、開閉弁１７を備えていない点が異なる。

なお、この電動ターボは、電動又は機械式過給機（スーパーチャージャ）のように、タービン無しでコンプレッサを備える装置とは異なり、ターボチャージャのコンプレッサを電動機（モーター）でも駆動できるようにした電動式兼ターボ式の過給機である。

この内燃機関１０Ａでは、電動ドライバ１９で駆動及び制御される電動ターボ１８のコンプレッサ１８ａの作動により、空気Ａを加圧して圧縮空気Ａｃにして、この圧縮空気Ａｃを吸気通路１２、吸気マニホールド１１ａを経由して、気筒１１ｃ内に導入するように構成される。

この第２の実施の形態の内燃機関１０Ａにおけるピストン停止位置の制御は、第１の実施の形態の内燃機関１０におけるピストン停止位置の制御と同じであり、圧縮空気Ａｃの供給の制御が、第１の実施の形態の内燃機関１０では、開閉弁１７の開閉制御であるのに対して、第２の実施の形態の内燃機関１０Ａでは、電動ドライバ１９による電動ターボ１８の駆動及び制御となる。この制御は制御装置２０によって行われる。つまり、制御装置２０から圧縮空気制御信号（開閉弁制御信号）の代わりに、電動機運転指令信号が出力される。

上記の構成の内燃機関１０、１０Ａ、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法によれば、内燃機関１０、１０Ａの停止直前の吸気行程にある気筒に外部装置１５、１８から圧縮空気を予め設定又は算出したタイミングＴｉｎで瞬時に押し込み、ピストンを強制的に次の行程である圧縮行程の下死点近傍に留めることで、ピストンを次回の内燃機関の始動を迅速に行うことができる位置に停止させる。即ち、外部装置１５、１８からの圧縮空気Ａｃを用いてピストンの停止位置を制御する。

これにより、内燃機関１０、１０Ａの回転の停止完了時のある一つの気筒におけるピストンの停止位置を、比較的簡単な制御で圧縮行程の下死点近傍にすることができるので、内燃機関１０、１０Ａの運転の再始動時に、このピストン停止位置が圧縮行程の下死点近傍になっている気筒を最初に圧縮される気筒として特定することができ、１圧縮目からの初爆による１圧縮始動が可能になる。その結果、エンジン始動を素早く行うことができ、エンジン始動時間を短縮することができる。

本発明の内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法によれば、アイドル・リダクションシステムを採用するような自動車搭載の内燃機関において、一時的に内燃機関を停止した後の再始動の際に、１圧縮で始動が可能になり、これにより、エンジン始動時間を短縮できるので、多くの車両の内燃機関、及び内燃機関のピストン停止位置制御方法として利用できる。

１０、１０Ａ 内燃機関（エンジン）
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド
１１ｂ 排気マニホールド
１１ｃ 気筒（シリンダ）
１１ｄ 燃料噴射装置
１２ 吸気通路
１３ 排気通路
１４ ターボチャージャ（ターボ式過給器）
１４ａ コンプレッサ
１４ｂ タービン
１５ 蓄圧タンク
１６ 圧縮空気供給通路
１７ 開閉弁
１８ 電動ターボ
１８ａ コンプレッサ
１８ｂ タービン
１９ 電動機ドライバ
２０ 制動装置（ＥＣＵ）
Ａ 空気
Ａｃ 圧縮空気
Ｇ 排気ガス

Claims (5)

1. 内燃機関の運転の停止直前の吸気行程にある気筒に、外部装置から圧縮空気を予め設定又は算出したタイミングで導入して、ピストンを吸気行程の次の行程である圧縮行程の下死点近傍に留める制御装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御装置が、内燃機関の運転の停止指令を受けた時点のエンジン回転数から、停止直前のエンジン回転数を予測し、エンジン回転数が目標回転数に低下する直前に圧縮空気を導入する制御を行うことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 吸気マニホールドに連結する蓄圧タンクから圧縮空気を供給するように構成し、前記制御装置が、前記蓄圧タンクの出口に配設された開閉弁の開閉制御により、停止直前の吸気行程にある気筒への圧縮空気の導入を制御することを請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 電動機ドライバにより電動コンプレッサを駆動して吸気マニホールドに圧縮空気を供給するように構成し、前記制御装置が、前記電動機ドライバの制御により、停止直前の吸気行程にある気筒への圧縮空気の導入を制御することを請求項１又は２に記載の内燃機関。
5. 内燃機関のピストン停止位置制御方法において、停止直前の吸気行程にある気筒に、外部装置から圧縮空気を予め設定又は算出したタイミングで導入して、ピストンを吸気行程の次の行程である圧縮行程の下死点近傍に留めることを特徴とする内燃機関のピストン停止位置制御方法。

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