JP2004036429A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】始動性の向上と早期の出力上昇を両立させることが可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】エンジン１は、始動時にモータジェネレータ１４によってクランキングされるが、クランキング開始から所定のクランク角度位置（クランク角度センサ２１で検出）に達するまでの間、エンジンＥＣＵ７は、バルブ制御機構１８によって吸気バルブ１３または排気バルブ１４を圧縮行程中開弁することで圧縮仕事量を低下させる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関し、特に、始動性を向上させる内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ハイブリッド車やエコラン車等において、停止中のアイドリング状態等で自動的に機関を停止せしめ、発進時等の必要な場合に自動的に機関を再始動させることで燃費向上と排出ガスの抑制を図る技術が用いられている。
【０００３】
このように停止・始動を頻繁に繰り返す車両においては、内燃機関のスムースな始動性を確保する必要がある。特開２０００−６４８７４号公報に開示されている技術はそうした技術の一例であって、直噴エンジンと電気モータを併用したハイブリッド車両において、直噴エンジンの始動時には吸気バルブのバルブタイミングを遅角させて有効圧縮比を小さくするものである。これにより、エンジン振動を抑制しつつ、スムースな始動を可能にすると記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、有効圧縮比を小さくすると、出力が低下するため、出力を早期に上昇させることは難しい。このようにエンジンの停止・始動を頻繁に繰り返す車両においては、停止後のエンジン始動時は、発進や急加速時など高出力を必要とする場合が多く、始動性の向上としては不十分である。
【０００５】
そこで本発明は、始動性の向上と早期の出力上昇を両立させることが可能な内燃機関の制御装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関始動時に該機関をクランキングするクランキング手段とクランク角度位置を検出するクランク角度センサを有している内燃機関の制御装置において、機関の圧縮仕事量を低下させる圧縮仕事量低下手段をさらに備え、クランキング開始から所定のクランク角度位置に達するまでの間、この圧縮仕事量低下手段を作動させることを特徴とする。
【０００７】
クランキングの初期に圧縮仕事量を低下させることで必要クランキングトルクを低下させるため、回転変動を小さくでき、振動を低減して始動性を向上させることができる。そして、所定のクランク角度位置に達した後は圧縮仕事量を通常に戻すことで、圧縮比を確保し、高出力を得ることを可能とする。ここでいう所定のクランク角度位置とは、特定の絶対角度位置のみを意味するものではなく、相対角度位置、つまり、クランキング開始からのクランク角度変化量が所定の変化量に達した時点を含む概念である。これにより、高出力が必要な場合にエンジンを始動させた場合に早期の出力上昇を実現できる。さらに、クランキング手段の小型化・省エネ化を図ることができる。
【０００８】
所定のクランク角度位置は、全気筒の最初の圧縮行程が終了するクランク角度位置であることが好ましい。少なくとも、クランキング開始後に最初に圧縮行程を迎える気筒の最初の圧縮行程が終了するクランク角度位置である必要がある。
【０００９】
最初の圧縮行程、中でもクランキング開始後に最初に圧縮行程を迎える気筒の最初の圧縮行程における圧縮仕事量を低減することで、始動時のクランキングトルクを大幅に低減できるため、始動性を向上させることが可能となる。
【００１０】
圧縮仕事量低下手段は、吸気バルブまたは排気バルブの開弁タイミングを制御する手段であることが好ましい。吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングを制御して、圧縮行程中の少なくとも一時期、吸気バルブまたは排気バルブを開放することで圧縮フリクションエネルギーを低減して初期クランキングトルクを大幅に低減することができる。
【００１１】
機関停止時のクランク角度位置を所定の角度位置に制御する停止位置制御手段をさらに備えていてもよい。停止位置を制御することで初爆回転数を一定かつ高く維持することができるので、再始動時間のばらつきをなくし、始動フィーリングを向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置を搭載した内燃機関の概略構成図である。エンジン１は、例えば４気筒式の直噴式のガソリンエンジンであって、各気筒（シリンダ）１０内に往復移動するピストン１１が配置され、その往復移動はコンロッド１２を介してクランク軸２の回転移動へと変換される。各シリンダ１０の上部には吸気バルブ１３、排気バルブ１４、点火プラグ１５、燃料インジェクタ１６が配置されており、吸気バルブ１３と排気バルブ１４の開閉タイミング、リフト量を制御するバルブ制御機構１８を備える。
【００１４】
クランク軸２にはベルト等からなる減速手段３を介してモータジェネレータ４が接続されている。モータジェネレータ４は、モータＥＣＵ５を介して電源６に接続される。クランク軸２には、クランク角度位置を検出するためのクランク角度センサ２１が、モータジェネレータ４のモータ軸にはモータ軸の角度位置を検出するモータ角度センサ４１がそれぞれ配置されている。
【００１５】
減速手段３の減速比は例えば２．５に設定されており、モータジェネレータ４の１回転は、クランク軸２の０．４回転に減速される。クランク角度センサ２１の検出精度は１０°ＣＡである。一方、モータ角度センサ４１にはホール素子等を用いることで検出精度はモータ軸において７．５°程度とすることができ、減速比の関係でクランク軸２の３．０°ＣＡに相当する検出精度を有する。
【００１６】
エンジン１には、冷却水温センサ１７が配置され、この冷却水温センサ１７の出力と、クランク角度センサ２１等の各センサの出力がエンジン１の制御を行うエンジンＥＣＵ７に入力される。エンジンＥＣＵ７は、また、バルブ制御機構１８、点火プラグ１５、燃料インジェクタ１６の作動を制御する。
【００１７】
モータＥＣＵ５にはモータ角度センサ４１が接続されるほか、エンジンＥＣＵ７と相互に信号を授受する。モータＥＣＵ５とエンジンＥＣＵ７とが本発明に係る内燃機関の制御装置の制御部を構成する。
【００１８】
このエンジン１を搭載した車両においては、短時間停車時等で駆動力を必要としない場合には、自動的にエンジン１を停止させ、発進時にモータジェネレータ４によりクランキングさせてエンジン１を再始動させる。この再始動時に所定のクランク角度位置に到達するまでの間、圧縮行程における仕事量を低下させる制御を行う。この仕事量低下制御は、例えば、エンジンＥＣＵ７がバルブ制御機構１８により吸気バルブ１３または排気バルブ１４を圧縮行程中の一時期あるいは全体にわたって開弁することで行うことができる。所定のクランク角度位置に達したか否かの判定は、クランク角度センサ２１の出力によって判定するが、モータジェネレータ１４のモータ角度センサ４１の出力を併用することで精度よい検出が可能となる。
【００１９】
始動時にモータジェネレータ４がクランク軸２を回転させるのに必要とされるトルク（クランキングトルク）は、始動時、つまりクランク軸２の停止角度位置によって異なる。また、このクランキングトルクはエンジン１の気筒数や吸気バルブ１３、排気バルブ１４の開閉タイミングによっても変化する。図２は４気筒の場合の初期クランク角度位置に対する必要クランキングトルクの変位を示すグラフであり、図３は、初期クランク角度位置が異なる場合の始動時のエンジン回転数変化を示すグラフである。
【００２０】
４気筒の場合、必要クランキングトルクはＡＴＤＣ位置から１８０°周期で変位し、約５０°で最大値、約１２０°で最小値をとる。初期角度がＡＴＤＣ６０°ＣＡの場合と、ＡＴＤＣ１２０°ＣＡの場合に同一のクランキング手段を用いて始動させた場合のエンジン回転数変化は図３に示されるように必要クランキングトルクの小さい１２０°の場合のほうが、６０°の場合よりも速やかにアイドル回転数に達し、その間の回転数変動も小さくて済む。
【００２１】
図４は圧縮仕事量低下制御を行わない場合の始動に必要なエネルギーの内訳を示す円グラフであり、図４（ａ）が６０°ＣＡ始動における最初の１山目まで、図４（ｂ）が１２０°ＣＡ始動における最初の２山目までを示している。この山は図３における回転数変動の山に対応する。２つのグラフから明らかなように、エネルギーの大半はシリンダ１０内の空気の圧縮・膨張仕事に用いられ、中でも圧縮行程における圧縮仕事が全体の４分の３を占めている。
【００２２】
図５は６０°ＣＡ始動時のコンプレッション（圧縮だけでなく、膨張・吸気・排気を含む）エネルギーと摩擦により消費されるメカフリクションエネルギーとその合計のクランク角度位置に対する変位を示す棒グラフである。メカフリクションエネルギーの変位は小さいのに対し、コンプレッションエネルギーは最初の１回転、特に初期の１／３回転分がそれ以降に比べて極端に大きい。これは、最初の１回転では、気筒によっては吸気→圧縮→膨張（燃焼）→排気の行程の途中から始めることになり、通常運転時のような燃焼もスタートしていないため、端に空気ポンプとして出力には寄与しない無駄な仕事となるためである。
【００２３】
そこで、本実施形態においては、クランキング開始後所定のクランク角度位置に達するまで圧縮行程における仕事量を低下させる制御を行うことで、必要なクランキングトルクを抑制する。図６は、吸気バルブ１３を開放して運転を行った場合のクランク角度に対するエネルギー変化の開放期間による変化を示すグラフである。始動初期からの吸気バルブ１３の開放期間が長くなるほどエネルギーが最初に立ち上がる山がクランク角度位置にして遅くなる。必要クランキングトルクは、このエネルギー曲線に接する接線の傾きとして定義されるので、基本的には最初の山が遅くなり、山の高さが小さくなるほど必要クランキングトルクは小さくなる。つまり、吸気バルブ１３の開放期間が長くなるほど必要クランキングトルクは小さくて済む。しかし、開放期間を長くすることは始動までの時間を長期化することを意味する。
【００２４】
一方、この必要クランキングトルク変化の開放期間に対する変化という点で見ると、図７に示されるように、開放期間により必要クランキングトルク低減の効果は始動後の最初の圧縮行程時が大きく、その後は減衰するため、最初のＡＴＤＣ（３６０°）まであるいは長期に見積もっても２回目のＡＴＤＣ（７２０°）までで十分といえる。そして、開放期間を長くともクランク軸２の２回転程度とすることで、始動後早期にエンジン回転数を上げた状態で初爆を行うことができるので、早期に出力を上昇させることができ、始動性が向上する。
【００２５】
図８は本実施形態において、０°ＣＡからの始動時において、吸気バルブ１３の開放を行わなかった場合と１８０°ＣＡまで開放した場合と、５４０°ＣＡまで開放した場合についての始動初期のエンジン回転数変化を示したものである。開放期間が長いほど必要クランキングトルクが少なくてすむので、エンジン回転数の立ち上がりが早く、スムースな始動が可能となる。一方で、吸気バルブ１３を通常動作に移行した時点では大きな回転変動となるため、いたずらに開放期間を長く設定することは妥当でない。
【００２６】
図９は、本実施形態におけるエンジン１の始動時の行程図である。♯は気筒番号を意味する。ここでは、停止クランク角度位置がＡＴＤＣ−１８０°〜０°の場合を例にとる。クランキング開始からＡＴＤＣ０°に達するクランク角度位置までは、バルブ制御機構１８により吸気バルブ１３を開放することでコンプレッションエネルギーを無効化する。そして、ＡＴＤＣ０°で吸気バルブ１３を通常制御に移行させる。この後、各シリンダ１０内では圧縮行程の後期に燃料インジェクタ１６によって筒内に燃料を噴射し、点火プラグ１５によって着火を行うことで燃焼をスタートさせる。これにより、始動からクランク軸２の半回転程度で初爆を可能とし、始動性を向上させることができる。さらにクランキングトルクを低減することができるので、モータジェネレータ１４を小型化するとともに、モータＥＣＵ５も低電力化できるため、電源６からの配線を細くすることができ、低コスト化、省エネ化を図れる。
【００２７】
なお、燃料を筒内に直接噴射するタイプのエンジン１ではなく、吸気ポートに燃料を噴射する場合には、直噴タイプよりも開放期間を長く設定することが好ましい。図１０はこのような吸気ポート噴射エンジンに本発明を適用した場合の始動時の行程図である。図９と同様に、停止クランク角度位置がＡＴＤＣ−１８０°〜０°の場合を例にとる。クランキング開始からＡＴＤＣ５４０°に達するクランク角度位置までは、バルブ制御機構１８により吸気バルブ１３を開放することでコンプレッションエネルギーを無効化する。そして、ＡＴＤＣ５４０°で吸気バルブ１３を通常制御に移行させる。ＡＴＤＣ３６０°移行から吸気行程時に当該シリンダに接続される吸気ポート内に燃料を噴射することで、シリンダ内に混合気を導入し、圧縮行程後期に点火プラグ１５によって着火を行うことで燃焼をスタートさせる。これにより、始動からクランク軸２の２回転程度での初爆を可能とし、始動性を向上させることができる。そのほか、図９の動作行程と同一の効果が得られる。
【００２８】
上述の実施例では、特定の絶対クランク角度位置まで吸気バルブを開放する例を説明したが、クランキング開始時のクランク角度位置は変化する可能性がある。そこで、クランキング開始時のクランク角度位置に対する相対クランク角度位置が特定の相対クランク角度位置となるまで吸気バルブを開放してもよい。あるいは、クランキング開始時のクランク角度位置に応じて吸気バルブ開放を終了する絶対クランク角度位置を切り替えてもよい。いずれの場合も本発明における「所定のクランク角度位置」に含まれる概念である。
【００２９】
以上の説明では、吸気バルブ１３を所定のクランク角度位置まで開放する形態について説明したが、吸気バルブ１３を圧縮行程の一時期開弁してもよく、吸気バルブ１３の代わりに排気バルブ１４を開いてもよい。もちろん、両者の開弁動作を組み合わせてもよい。吸気バルブ１３の閉弁を吸気ＢＤＣ（下死点）より遅らせることで圧縮行程中の開弁を行ってもよい。さらに、吸気バルブ１３、排気バルブ１４とは別にシリンダ１０内と外部との接続、遮断を切り替える弁を設け、これを圧縮行程中の少なくとも一時期開弁してシリンダ１０内と外部とを連通させることで圧縮仕事量を低下させてもよい。
【００３０】
さらに、エンジン１を停止させる際に、モータジェネレータ４に通電してモーター角度センサ４１とクランク角度センサ２１の出力を参照しながらクランク軸２を所望の角度位置（好ましくＡＴＤＣ０°）で停止させることにより、次回の始動性を向上させるとともに、初爆までの時間を略一定に維持し、始動フィーリングを向上させることができる。この場合、上述の絶対クランク角度位置と相対クランク角度位置のいずれを用いた制御を行っても常に同じ制御結果が得られる。特に、頻繁にエンジン１の停止・始動を繰り返すハイブリッド車やエコラン車において好適である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、クランキング開始から所定のクランク角度位置に到達するまでの間、圧縮仕事量を低減することで、エンジンの回転変動を抑制し、その始動性を向上させるとともに、早期の出力上昇も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る内燃機関の制御装置を搭載した内燃機関の概略構成図である。
【図２】初期クランク角度位置に対する必要クランキングトルクの変位を示すグラフである。
【図３】初期クランク角度位置が異なる場合の始動時のエンジン回転数変化を示すグラフである。
【図４】圧縮仕事量低下制御を行わない場合の始動に必要なエネルギーの内訳を示す円グラフである。
【図５】コンプレッションエネルギーとメカフリクションエネルギー、その合計のクランク角度位置に対する変位を示す棒グラフである。
【図６】吸気バルブ１３を開放して運転を行った場合のクランク角度に対するエネルギー変化の開放期間による変化を示すグラフである。
【図７】開放期間に対する必要クランキングトルク低減の効果を示すグラフである。
【図８】吸気バルブ開放の有無による始動初期のエンジン回転数変化を比較して示したものである。
【図９】本実施形態におけるエンジン１の始動時の行程図である。
【図１０】吸気ポート噴射エンジンに本発明を適用した場合の始動時の行程図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…クランク軸、３…減速手段、４…モータジェネレータ、５…モータＥＣＵ、６…電源、７…エンジンＥＣＵ、１１…ピストン、１２…コンロッド、１３…吸気バルブ、１４…排気バルブ、１５…点火プラグ、１６…燃料インジェクタ、１７…冷却水温センサ、１８…バルブ制御機構、２１…クランク角度センサ、４１…モータ角度センサ。

Claims (5)

1. 内燃機関始動時に該機関をクランキングするクランキング手段とクランク角度位置を検出するクランク角度センサを有している内燃機関の制御装置において、
   機関の圧縮仕事量を低下させる圧縮仕事量低下手段をさらに備え、クランキング開始から所定のクランク角度位置に達するまでの間、前記圧縮仕事量低下手段を作動させる内燃機関の制御装置。
2. 前記所定のクランク角度位置は、全気筒の最初の圧縮行程が終了するクランク角度位置である請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記所定のクランク角度位置は、クランキング開始後に最初に圧縮行程を迎える気筒の最初の圧縮行程が終了するクランク角度位置である請求項１記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記圧縮仕事量低下手段は、吸気バルブまたは排気バルブの開弁タイミングを制御する手段である請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 機関停止時のクランク角度位置を所定の角度位置に制御する停止位置制御手段をさらに備えている請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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