JP5051115B2 - 直接始動機能付き内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内にて混合気を燃焼させて直接内燃機関を起動させる直接始動機能付き内燃機関において、始動機能による起動を確実にした直接始動機能付き内燃機関に関する。

車両が信号待ちなどで停止しエンジンがアイドリング状態などになったとき、エンジンの作動を停止させて、燃費を向上させたり排気ガスの排出量を低減させることが知られている。そしてその後、運転者が変速機を操作したり、ブレーキの解除など発進につながる動作を行うと、直ちにエンジンを始動させていた。従来かかるエンジンの始動は、始動用電動機の作動によりエンジンのクランク軸に回転力を付与して行なっていた。

ところで近年、気筒内にある混合気を着火燃焼させ、その燃焼エネルギーを用いてクランク軸に回転力を付与してエンジンを始動させる、いわゆる直接始動方式が考えられている。この内燃機関を直接始動させる方式は、始動用電動機を作動させてエンジンを始動させる方式に比べ、蓄電池の電力消費がほとんど無く、始動用電動機にかかる負担が小さく、かつエンジンの作動が早期に円滑になるなどの特徴を有している。

一方気筒内で混合気を燃焼させて始動を行なわせるには、予めエンジンを、気筒燃焼により始動できる状態で停止させる必要がある。すなわち、クランク軸が回転を停止したとき、仮に１番の気筒が、膨張行程途中になると判断されたとする。すると１番の気筒を起動気筒とし、クランク軸が回転を停止する直近の起動気筒の吸気工程で燃料噴射装置から燃料を吸気通路内に噴射する。そして１番の気筒、つまり起動気筒で混合気を吸引させ、クランク軸の惰性回転で圧縮工程の上死点を越えさせる。そして膨張行程までピストンを移行させる一方、排気工程まで移行させることなく膨張行程の途中で内燃機関の作動を停止させる必要がある。

かかる状態から内燃機関を始動させる場合には、起動気筒に点火プラグから火花放電を行なわせ、起動気筒内にある混合気を着火燃焼させ、その燃焼エネルギーでピストンを押し下げクランク軸に回転力を付与して、内燃機関を起動させる。（特許文献１参照。）
したがってこのような吸気通路内に燃料噴射装置を具えた内燃機関を、気筒内燃焼によって始動（直接始動）させるには、少なくとも１つの気筒を、直接始動可能な状態、つまり起動気筒内に混合気を導入させた状態でクランク軸の回転を停止させる必要がある。
特開２００４−７６７０６号公報

しかしながらクランク軸は、フライホイール等の慣性質量により直ちに回転が停止されない。そのため起動気筒内のピストンは、膨張行程に移行した後本来の停止位置を越えて更に下方に移動するが、ピストンは下死点を越えることなく押し戻されクランク軸が逆回転し、本来の停止位置を越えて上方に移動する。これを繰り返してピストンは本来の停止位置に収束することになる。このようにピストンが大きく移動しクランク軸の揺動角が大きくなると、クランク軸に連動されたカムシャフトが起動気筒に設けられた排気弁を作動させてしまうことがある。

すると、起動気筒に連通した排気通路が開放される。このときピストンは下死点近傍まで下がっているので、起動気筒内は負圧になっており、起動気筒内に排気通路からガスが流入される。そして、ピストンの移動が上昇方向に反転すると直ぐに排気通路は閉じられるので、排気通路から流入したガスが充満した状態で起動気筒は密閉される。すると起動気筒内の混合気は、空燃比が大きくなり、火花放電を行なっても気筒内で混合気に着火できない状態となる。

本発明は上記課題を解決し、膨張工程で停止した気筒内に点火し、クランク軸に回転力を付与して始動させる直接始動機能付き内燃機関において、気筒内への排気通路からのガスの流入による始動不能を防止した直接始動機能付き内燃機関の停止方法を提供することを目的とする。

内燃機関の停止時に膨張行程となる気筒に燃料を供給し、内燃機関始動時に供給された燃料に点火プラグによって点火して始動させる直接始動機能付き内燃機関において、燃焼室に臨ませた排気通路の開口部を開閉させる排気弁に、排気弁の少なくとも開弁時期を変更可能とした可変動弁機構を設ける。そして可変動弁機構は、直接始動動作を可能とした内燃機関の停止処理が開始されたとき、少なくとも膨張行程となる気筒の排気弁の開弁時期を遅角させ、燃料が供給された気筒に対し点火プラグによる点火がなされるまで、かかる気筒の燃焼室に連通した排気通路を閉鎖させておくこととした。

本発明にかかる直接始動機能付き内燃機関は、次の効果を有している。

混合気が導入された起動気筒の排気通路が、クランク軸が大きく揺動しても、起動気筒内の混合気が着火燃焼されるまで開放されないので、混合気を封入した状態を保持できる。これにより起動気筒に火花放電を行うことにより、混合気を着火燃焼させることができ、燃焼によりクランク軸に回転力を付与し、内燃機関を確実に直接始動させることができる。

本発明にかかる直接始動機能付き内燃機関の一実施形態について、図を参照して説明する。図１に、エンジン１０の燃焼室部分を示す。エンジン１０は、ガソリンを主な燃料とし、吸気通路内に燃料噴射装置を具え、燃焼室に点火プラグを有する吸気通路内燃料噴射型火花点火式の内燃機関である。エンジン１０は、自然吸気式エンジンであるが、ターボチャージャーや他の過給器を備えた過給式エンジンであってもよい。また燃焼噴射方式でなく、キャブレター式でもよい。

エンジン１０の燃焼室部分は、図１に示すようにシリンダヘッド１２、ピストン１４、シリンダブロック１６などから構成されている。シリンダブロック１６は、内側にシリンダ１８を有している。シリンダブロック１６に形成されたシリンダ１８の数は、特に問わない。シリンダ１８の内部には、ピストン１４が往復動自在に設けられている。

ピストン１４は、クランク軸３６にコネクティングロッド３８を介して連結されている。シリンダブロック１６の上面には、シリンダヘッド１２がボルト（図示せず。）により固定されている。

シリンダヘッド１２は、下面に燃焼室用の凹み２０を具えている。凹み２０は、断面が三角形状で、凹み２０と、ピストン１４の頂面２２と、シリンダ１８の内面で区画された空間でエンジン１０の燃焼室２６を形成している。また、かかる区域を気筒ともいう。

シリンダヘッド１２には、吸気通路２４及び排気通路２８が設けられている。吸気通路２４は、上流側にエアクリーナ（図示せず。）が連結され、燃焼室２６に臨ませた開口部（図示せず。）に吸気弁４２が設けられている。また吸気通路２４内には、燃料噴射装置３４が設けられている。

燃料噴射装置３４は、先端に噴射孔を具え、内部に弁機構（いずれも図示せず。）を有する吸気通路内燃料噴射装置で、燃料タンク５２からの燃料パイプ５６と制御装置５８からの信号線６０が接続されている。燃料タンク５２は、燃料ポンプ６２を具え、燃料ポンプ６２を介して燃料タンク５２内の燃料を燃料パイプ５６内に所定の圧力で圧送する。

燃料噴射装置３４は、噴射孔を吸気通路２４内に臨ませて取り付けられており、信号線６０を介して送られてくる信号に従い弁機構が作動すると燃料タンク５２から送られてきた燃料を吸気通路２４内に所定の圧力で噴射する。尚、燃料噴射装置３４で燃料を加圧し、吸気通路２４内に燃料を噴射するようにしてもよい。噴射とは、基本的に燃料を霧状に放射させることを指すものとするが、液柱状で噴射してもよい。また、燃料噴射装置３４の取付位置、および噴射方向等は、特に限定しない。更に、筒内に直接燃料を噴射するものでも、また双方を具えているものでも良い。

排気通路２８は、排気弁４４を介して燃焼室２６に連通し、排気通路２８の下流側には、触媒２９、３１が連結されている。

吸気弁４２および排気弁４４は、それぞれシリンダヘッド１２に摺動自在に取り付けられ、吸気弁４２には吸気側動弁機構４６が、排気弁４４には排気側動弁機構４８が設けられている。吸気側動弁機構４６および排気側動弁機構４８は、それぞれクランク軸３６の回転に連動して作動し、吸気弁４２と排気弁４４を軸方向に駆動させる。これにより、吸気通路２４および排気通路２８は、エンジン１０の駆動に伴い燃焼室２６に対して所定の時期に開閉される。

更に排気側動弁機構４８は、可変動弁機構を具えている。これにより、排気側動弁機構４８は、制御装置５８からの指示に従いエンジン１０の運転内容に応じて、シリンダ１８内でのピストン１４の位置、つまりクランク軸３６のクランク角に対して排気弁４４の開閉時期を変更させることが可能となっている。排気弁４４の開閉時期を変更させる可変動弁機構としては、電動モータを用いたものでも、油圧を用いたものでもよく、その機構は限定しない。尚、排気側動弁機構４８は、少なくとも排気弁４４の開放時期が変更可能に構成されている。また吸気側動弁機構４６も、吸気弁４２に対して、排気側動弁機構４８と同様、吸気弁４２の開閉時期を変更可能としてもよい。また、可変動弁機構は、各弁の開閉時期のみでなく、弁開度も変更可能としてもよい。

又シリンダヘッド１２には、点火プラグ３０が取り付けられている。点火プラグ３０は、先端に電極部分を具え、燃焼室２６の上部の略中心に、電極部分を燃焼室２６に臨ませてシリンダヘッド１２に取り付けられている。点火プラグ３０は、点火機構４０に接続されており、点火機構４０の作用により適宜の点火時期に放電を行わせる。尚、点火プラグ３０は、燃焼室２６の中央でなく、他の位置に取り付けられていてもよい。

更にシリンダヘッド１２には、空気噴射装置３２が取り付けられている。空気噴射装置３２は、内部に弁機構を具え、制御装置５８からの信号線６８が接続され、空気管６６を介して空気圧縮機６４が接続している。空気圧縮機６４は、外気を吸引し、吸引した空気を所定の圧力に上昇させて空気管６６に送り出す。空気噴射装置３２は、制御装置５８から指示を受けると、弁機構を作動させ空気圧縮機６４からの圧縮空気を所定量燃焼室２６内に噴射する。

またシリンダブロック１６には、クランク角センサ７２が設けられている。クランク角センサ７２は、クランク軸３６のクランク角を計測し、その結果を信号線７０を介して制御装置５８に送出する。制御装置５８は、エンジン１０に通常の作動をさせる通常の制御に加え、主な機能として直接始動機能を備えている。

次に、エンジン１０の直接始動機能について説明する。ここでエンジン（内燃機関）１０を直接始動させるとは、エンジン１０を始動（主に、短時間の作動停止後の始動）させる時に所定の気筒内にて混合気を燃焼させ、その燃焼圧力を利用してクランク軸３６を回転駆動させ、エンジン１０を起動させることをいう。尚直接始動機能は、短時間の作動停止後の始動でなく、夜間エンジンの作動を停止させ、翌朝エンジンを始動させる場合などに用いてもよい。

制御装置５８は、例えば車両が通常走行して、冷却水温度が所定温度に達しエンジン１０が安定した作動状態であると判断すると、アイドルストップ制御を行なう。すなわち、信号待ちなどで車両が一時停止した場合、エンジン１０の作動を停止させ、発進時に自動的にエンジン１０を再始動させる。

具体的には、車両が停止し、運転者が変速機を中立状態（ニュートラル）とし、サイドブレーキをかけたり、フットブレーキを踏み続けていると、制御装置５８は、車両が信号待ちなど一時停止で、しばらく経過した後車両は発進すると判断する。すると制御装置５８は、エンジン１０の作動を直接始動可能な状態で停止させる。

制御装置５８は、直接始動可能な作動停止を決定すると、まず点火プラグ３０による火花放電と燃料噴射装置３４からの燃料噴射を停止させる。そして制御装置５８は、クランク角センサ７２から、クランク軸３６のクランク角信号を受け取ると、クランク軸３６の回転速度や回転角度などから、クランク軸３６が回転を停止するまでのクランク軸３６の回転数等を算出する。停止するまでのクランク軸３６の回転数に基づき、クランク軸３６が停止したとき、エンジン１０の各気筒が、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、排気のいずれの工程になるかを判別する。尚クランク軸３６が回転を停止するまでの回転数が一定で、予め判明している場合は、エンジン１０の作動を直接始動可能な状態で停止処理を行なった時期等に基づいて、各気筒の工程状態を判定してもよい。

各気筒から、クランク軸３６が停止したときに膨張行程途中となる気筒を特定する。特定した気筒が、起動気筒となる。そして、クランク軸３６が回転を停止する直前で、起動気筒が吸気工程にあるときに、燃料噴射装置３４から吸気通路２４内に燃料を噴射する。噴射する燃料は、起動気筒で点火プラグ３０による点火を行なったとき、混合気が確実に着火燃焼するに適した空燃比を形成する量である。

更に制御装置５８は、排気側動弁機構４８に、排気弁４４の開弁時期を遅らせる指示を送出する。これにより、クランク軸３６が回転を停止する前にピストン１４が往復運動し、クランク軸３６が揺動回転しても、クランク軸３６に連結された排気側動弁機構４８、つまりカム機構が排気弁４４を開方向に作動しなくなる。

また制御装置５８は、直接始動可能な状態でエンジン１０を停止させた後、運転者が所定の操作を行なったと判断したなら、エンジン１０を再始動させる。運転者の所定の操作とは、例えば、パーキングブレーキを戻し、ギアを一速に入れる、あるいはフットブレーキから足を放すなどの車両発進に関連した所定の操作である。かかる操作が確認されたら、起動気筒の点火プラグ３０に火花放電を行なわせる。起動気筒内で混合気が着火燃焼されると、ピストン１４が下げられ、クランク軸３６に回転力が作用される。

尚始動に際して、空気噴射装置３２から起動気筒に空気を噴射させてもよい。空気を噴射させると、起動気筒の圧力が高まりクランク軸３６が正回転方向に付勢される。その場合、起動気筒内に噴射される空気量を考慮した量の燃料を予め流入させることとする。また、起動気筒に対向して圧縮工程となっている気筒内に空気噴射装置３２から空気を噴射させてもよい。すると、クランク軸３６が当初逆方向に回転されるので、起動気筒が一時的に圧縮され、混合気の着火、膨張作用が容易になる。

次に、エンジン１０の作用、効果について説明する。

エンジン１０は、車両が通常に運転されている場合においては、制御装置５８等による制御で作動する。また吸気弁４２や排気弁４４が、吸気側動弁機構４６や排気側動弁機構４８によりクランク軸３６の回転に伴い作動し、また車両の運転状態によってそれらの開閉時期や弁開度などが適宜変更される。

そして車両が信号待ちなどで停車すると、それまでの運転履歴や運転者による変速レバーやブレーキ操作等から車両の停止は一時停止であり、所定時間経過後車両が再発進すると制御装置５８は判断する。その後ギアが中立に設定されるなど所定の操作が行なわれた後、直接始動を可能にする停止処理でエンジン１０の作動が停止される。

すなわち上述した手順に従い、膨張行程途中の起動気筒内に混合気が導入された状態でクランク軸３６の回転が停止する。更にその際、起動気筒の排気弁４４の開弁時期が、可変動弁機構によりクランク軸３６の回転方向に対して遅角される。これによりピストン１４が往復動して、シリンダブロック１６内部で下死点近傍に達しても排気弁４４は作動されず、排気通路２８が開放されることがない。開弁時期を遅らせた状態を図２に示す。

図２の縦軸は、ピストン１４の移動量、つまりクランク軸３６の揺動角度に対応しており、横軸は時間である。図に示すように、起動気筒が吸気行程で混合気を吸引し、圧縮行程の上死点Ｂを越えて膨張行程に移行する。起動気筒が膨張行程に移行すると、排気弁４４の開弁時期が点線ｆの位置から実線ｅの位置まで遅くなるので、ピストン１４が膨張行程での下端点Ａに達しても、排気弁４４の開弁時期ｅはそれより遅く設定してあることから排気弁４４は作動されず、排気通路２８は開放されない。ピストン１４は、時間の経過とともに振幅が小さくなるので、それ以降排気弁４４が開放されることはなく、したがって、起動気筒内部に排気通路２８からガスが流入することなく往復動が収束し、クランク軸３６が回転停止する。なお、排気弁４４の開弁時期ｅを膨張行程の下死点近傍に設定すればクランク軸３６の揺動回転中に排気弁が開弁することを確実に抑制できる。また、排気弁４４の開弁時期ｅを膨張行程の下死点より遅角側に設定すれば更に抑制できる。

その後運転者が変速機を１速に入れたり、アクセルペダルを踏み込んだりしたとき、エンジン１０が始動する。これは、従来と同様の操作であり、混合気が導入されている起動気筒の点火プラグ３０に火花放電を生じさせ、混合気に着火して、これを燃焼させる。この起動気筒内での混合気の燃焼により、ピストン１４が押し下げられ、クランク軸３６に回転力が付与され、順次各気筒内で燃焼が行なわれ、エンジン１０が起動する。

このように、上記エンジンの停止方法によれば、排気弁４４の開弁時期が遅角され、クランク軸３６が停止する前に起動気筒の排気通路２８が開放されないことから、点火プラグ３０による火花放電により混合気が着火し、円滑にエンジン１０を起動させることができる。

次に、停止方法の他の例について説明する。

これは、排気弁４４を作動させる排気側動弁機構４８が、排気弁４４を任意に作動させる機構とした例である。排気側動弁機構４８としては、例えば電動アクチュエータがあるが、電動でなくともよい。

この例では、直接始動を可能にした停止処理が行われると、起動気筒内に混合気が導入された後は、可変動弁機構としての排気側動弁機構４８により、少なくともクランク軸３６が停止するまで、具体的には、エンジン１０の直接始動動作がなされるまで、排気弁４４が作動されない。したがって排気通路２８が開放されず、これにより、起動気筒内に排気通路２８からガスが流入することがなく、起動気筒で確実に着火燃焼を起こさせ、エンジン１０を始動させることができる。

本発明にかかる可変動弁機構付き内燃機関の一実施形態を示す断面図である。 気筒のピストン動作を示すグラフである。

符号の説明

１０…エンジン
１４…ピストン
１８…シリンダ
２４…吸気通路
２６…燃焼室
２８…排気通路
３０…点火プラグ
３２…空気噴射装置
３４…燃料噴射装置
３６…クランク軸
４２…吸気弁
４４…排気弁
４６…吸気側動弁機構
４８…排気側動弁機構
５８…制御装置
６４…空気圧縮機
７２…クランク角センサ

Claims (3)

1. シリンダ（気筒）と、
   前記シリンダ内に往復動自在に設けられたピストンと、
   前記シリンダとピストンにより形成された燃焼室と、
   前記ピストンに連結されたクランク軸と、
   前記燃焼室に連通された排気通路と、
   前記燃焼室に臨ませた点火プラグと、を備えた内燃機関であって、
   前記内燃機関の停止時に膨張行程となる気筒に燃料を供給し、内燃機関始動時に供給された燃料に前記点火プラグによって点火する直接始動機能付き内燃機関において、
   前記燃焼室に臨ませた前記排気通路の開口部を開閉させる排気弁に、該排気弁の少なくとも開弁時期を変更可能とした可変動弁機構を具え、
   前記可変動弁機構は、直接始動動作を可能とした内燃機関の停止処理が開始されたとき、前記膨張行程となる気筒の前記排気弁の開弁時期を膨張行程の下死点近傍まで遅角させ、燃料が供給された前記膨張行程となる気筒内における前記燃料に対して、前記内燃機関の直接始動時の前記点火プラグによる着火燃焼がなされるまで、前記気筒の前記燃焼室に連通した前記排気通路を閉鎖させておくことを特徴とする直接始動機能付き内燃機関。
2. 前記燃焼室に連通された吸気通路と、
   前記吸気通路内に噴射孔を臨ませて取り付けられた燃料噴射装置と、
   制御装置と、を更に具備し、
   前記制御装置は、直接始動動作を可能とした内燃機関の停止処理中に、該内燃機関の停止時に膨張行程となる起動気筒を判定し、前記内燃機関が回転を停止する直前において前記起動気筒が吸気行程にあるときに、前記燃料噴射装置から前記吸気通路内に燃料を噴射させることを特徴とする請求項１記載の直接始動機能付き内燃機関。
3. 前記燃焼室に臨ませた空気噴射装置を、更に具備し、
   前記空気噴射装置は、前記直接始動時に際して前記起動気筒に圧縮空気を噴射することを特徴とする請求項２記載の直接始動機能付き内燃機関。

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