JP2004245120A

JP2004245120A - 内燃機関の始動制御システム

Info

Publication number: JP2004245120A
Application number: JP2003035169A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Kaneko; 智洋金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: JP4103616B2

Abstract

【課題】内燃機関始動時の騒音と窒素酸化物の排出を大幅に低減することができるようにした内燃機関の始動制御システムを提供する。
【解決手段】内燃機関の停止と始動を自動的に行う機関制御手段と、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段とを備え、機関制御手段は、燃焼ガスの一部を気筒内に残留させるとともに気筒内に所定量の新気を導入した状態で、燃料噴射を停止する気筒内燃焼済みガス保存モードと、内燃機関の再始動時に、燃焼済みガスが保存された気筒内に燃料を噴射し、燃焼済みガス雰囲気中で着火させる始動モードとを備える。
内燃機関を再始動させるとき、燃料噴射手段から気筒内に燃料が噴射され、この初回の燃焼は、燃焼済みガスと新気との混合ガス中で行われるため、始動時の騒音と、発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）が減少する。
【選択図】図１４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の始動制御システムに関し、更に詳細には内燃機関の始動と停止を自動的に行う形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の燃費改善方法については種々のものが提案されているが、エンジンを使用しない車両の停車時にエンジンを停止させるいわゆるエコノミーランニングシステムが公知である。
【０００３】
これは、特にゴーストップの回数が多い都市部において、信号待ちや渋滞時に自動的にエンジンを停止させ、車両の発進時には、アクセルを踏むなどの簡単な操作によってエンジンを再始動させるような仕組みになっている。このシステムにより燃費の改善はもとより、騒音や排気ガスの低減にも寄与するとされている。
【０００４】
しかし、エンジンを停止させておける時間がある程度長い場合には大きな効果が期待できるものの、エンジンの頻繁な停止と再始動を行う実走行においては、さほどの効果が期待できない場合もある。
【０００５】
その理由は、エンジンの始動時にはアイドリング時よりも濃い、すなわちリッチな空燃比の混合ガスを燃焼させることになるとともに、始動直後はアイドリングよりも高い回転数となるため、エンジン騒音が大きくなることは避けられないからである。しかも、始動時は燃焼条件が悪いため窒素酸化物（ＮＯｘ）の時間当たりの発生量がアイドリング時のそれ以上に多くなる。
【０００６】
一方、大きな電力を消費するスターターモーターを頻繁に使用することは、電力収支の悪化を招くこととなる。
【０００７】
そこで、後者の問題であるエンジン始動を容易にしたものとして特許文献１に示す筒内噴射型内燃機関の始動装置がある。これはエンジン自体に自己始動性を持たせ、スターターモーターを補助的に使用するというものである。
【０００８】
その原理は、エンジンの停止時にクランク角センサとカム角センサからの信号に基づき膨張行程にある気筒を検出し、その気筒内に燃料噴射を行うとともに点火栓に通電し、気筒内燃焼を起こしてエンジンを始動するようにしたものである。なお、自己始動が不完全であればスターターモータを補助的に用いることで始動が完全に行えるようにするフェールセーフ機能を有している。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−４９８５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２２１０８０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記の従来の装置では、スターターモータの負担を軽減することは可能であるが、始動時の騒音発生と窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出について依然として改善されていない。
【００１１】
本発明は、かかる従来の問題点を解決するためになされたもので、内燃機関始動時の騒音と窒素酸化物の排出とを低減できる内燃機関の始動制御システムを提供することを技術的課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の始動制御システムは、前述した技術的課題を解決するために、機関停止時に気筒内に燃焼ガスが残留した状態とし、機関の始動時には気筒内の新気と残留ガスとが混ざり合ったガス中に燃料噴射をして着火し、機関を始動させるものである。この場合、例えば、吸排気バルブ開閉時期または吸排気バルブのリフト量を調整することよって、気筒内に燃焼ガスを残留させることができる。
【００１３】
本発明は、次のように構成されている。
【００１４】
すなわち、運転状態に基づいて内燃機関の停止と始動を自動的に行う機関制御手段と、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、を備え、
前記機関制御手段は、機関の停止時に、燃焼ガスの一部を気筒内に残留させるとともに、気筒内に所定量の新気を導入した状態で燃料噴射を停止する気筒内燃焼済みガス保存モードと、機関の再始動時に、燃焼済みガスが保存された気筒内に燃料を噴射して燃焼済みガス雰囲気中で着火させる始動モードと、を有していることを特徴とする。
【００１５】
前記機関制御手段は、燃料噴射手段の制御と吸排気バルブの動作タイミングなどの制御を行うものであり、マイクロコンピュータと制御プログラムを含む構成となっている。しがって、気筒内燃焼済みガス保存モード、及び始動モードは制御プログラムによって内燃機関を制御することにより実行される。
【００１６】
前記機関制御手段の具体的な構成としては、内燃機関の吸排気バルブの動作タイミング及び動作量を任意に制御できるバルブ制御手段を含み、このバルブ制御手段は気筒内燃焼済みガス保存モードでは、機関の排気タイミングにおける排気バルブの限定的解放と、吸気タイミングでは吸気バルブの解放を行い、燃焼済みガスと新気とを混合した状態で吸排気バルブを閉鎖するようにする。
【００１７】
そして、内燃機関の再始動時において燃焼ガスが保存された気筒内に燃料を噴射する始動モードが起動し、燃焼済みガス雰囲気中で着火される。この後、通常の吸排気バルブの動作タイミングに移行するような構成とすることができる。
【００１８】
前記バルブ制御手段としては、可変バルブタイミング機構を例示できる。この可変バルブタイミング機構は、機械式、油圧式、電子制御式などあらゆる方式が採用できるが、特に、励磁電流が印加された際に発生する電磁力を利用して吸気弁およびまたは排気弁を開閉駆動する電磁駆動式動弁機構が有用である。
【００１９】
本発明では吸気バルブの制御範囲に大幅な自由度が与えられており、通常的な内燃機関に用いられる制御範囲を越えて、内燃機関を停止させまたは始動させる専用のバルブ制御モードが設定されている。
【００２０】
すなわち、一般的な内燃機関では排気行程において排気バルブを大きく開き、低い抵抗で排気ガスを排出するよう設計され、その基本動作は内燃機関の停止時や始動時においても変わることはない。
【００２１】
本発明における気筒内燃焼済みガス保存モードでは、排気バルブのリフト量を小さくしたり開時間を短くすることで、意図的に排気ガスを気筒内に残留させるものである。そして、吸気バルブから新気を吸入した状態で内燃機関を停止させる。内燃機関を始動させるときには、燃料噴射手段から気筒内に燃料を噴射し、混合気に着火をする。
【００２２】
この場合、初回の燃焼に着目すると、燃焼は燃焼済みガスと新気との混合ガス中で行われることとなる。このため、通常の新気に燃料を噴射した場合と比較して燃焼の爆発力は弱く静かに始動させることが可能となる。同時に、燃焼済みガスが存在するため、燃焼温度を低く抑えることができる。このため窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を、一般的な始動方法に比較して大幅に低減させることができる。この原理は、公知の排気再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ、以下ＥＧＲ）装置と同様である。ＥＧＲとは、内燃機関から排出された排気の一部を吸気系へ再循環させるものであり、機関の燃焼温度を低下させてＮＯｘの発生量を低減させるものである。このようなＥＧＲ装置では内燃機関の運転状態によってＥＧＲの実行及びＥＧＲ量を決定するが、本発明においても同様に、残留させるガス量は内燃機関の形式、周囲温度などによって適宜設定する。
【００２３】
具体的には、気筒内燃焼ガス保存モードにおいて、排気タイミングにおける排気バルブのリフト量の調整及び開時間の短縮の少なくとも一方の制御を行うことで、気筒内燃焼済みガスを気筒内に任意の濃度で残留させることが可能である。
【００２４】
本発明は、内燃機関の始動時における騒音と窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出とを抑えることができるため、内燃機関のみを駆動源とする車両の他、内燃機関とモーター動力とを併用したハイブリッド車のように内燃機関の停止と始動を頻繁に行うシステムにおいて特に有用である。
【００２５】
また、車両の自動始動・停止を行うエコノミーランニングシステムに適用すれば、再始動時の騒音の低減や窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出の抑制により、このようなシステムを有効に活用することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関の始動制御システムを図１から図１４に示される実施形態について更に詳細に説明する。
【００２７】
図１は、４気筒の過給型ディーゼル機関に適用したシステムの概要を示し、図２は、その気筒内を構造を示している。
【００２８】
内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。この内燃機関１は、各気筒３の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁４を備えている。各燃料噴射弁４は、燃料を所定圧まで蓄圧する蓄圧室（コモンレール）４ｂと接続されている。
【００２９】
前記コモンレール４ｂは、燃料供給管２２を介して燃料ポンプ４ａと連通している。この燃料ポンプ４ａは、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、この燃料ポンプ４ａの入力軸に取り付けられた図示しないポンププーリが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリと連結されている。
【００３０】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ４ａの入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ４ａは、クランクシャフトからこの燃料ポンプ４ａの入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００３１】
前記燃料ポンプ４ａから吐出された燃料は、燃料供給管２２を介してコモンレール４ｂへ供給され、コモンレール４ｂにて所定圧まで蓄圧されて各気筒３の燃料噴射弁４へ分配される。そして、燃料噴射弁４に駆動電流が印加されると、燃料噴射弁４が開弁し、その結果、燃料噴射弁４から気筒３内へ燃料が噴射される。
【００３２】
次に、内燃機関１には、吸気枝管２３が接続されており、吸気枝管２３の各枝管は、各気筒３の燃焼室と吸気ポート２４を介して連通している。
【００３３】
前記吸気枝管２３は吸気管２５に接続されている。吸気管２５には、この吸気管２５内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ２６が取り付けられている。
【００３４】
前記エアフローメータ２６と前記吸気絞り弁１３との間に位置する吸気管２５には、排気のエネルギを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１３のコンプレッサハウジング１３ａが設けられている。
【００３５】
前記吸気管２５は、インタークーラー１１を介して過給機１３に接続されている。インタークーラー１１は過給機１３によって加熱された吸気を冷却して充填率を向上させるためのものである。なお、インタークーラー１１の下流には絞り弁１２が設けられている。
【００３６】
このように構成された吸気系では、吸気は、吸気管２５を介してコンプレッサハウジング１３ａに流入する。
【００３７】
コンプレッサハウジング１３ａに流入した吸気は、このコンプレッサハウジング１３ａに内装されたコンプレッサホイールの回転によって圧縮される。前記コンプレッサハウジング１３ａ内で圧縮された吸気は、必要に応じて吸気絞り弁１２によって流量を調節されて吸気枝管２３に流入する。吸気枝管２３に流入した吸気は、各枝管を介して各気筒３の燃焼室へ分配され、各気筒３の燃料噴射弁４から噴射された燃料を着火源として燃焼される。
【００３８】
一方、内燃機関１には、排気枝管２７が接続され、排気枝管２７の各枝管が排気ポート２８を介して各気筒２の燃焼室と連通している。
【００３９】
前記排気枝管２７は、前記遠心過給機１３のタービンハウジング１３ｂと接続されている。前記タービンハウジング１３ｂは、排気管２９と接続され、この排気管２９は、下流にて大気へと通じている。
【００４０】
前記排気枝管２７と吸気枝管２３とは、排気枝管２７内を流通する排気の一部を吸気枝管２３へ再循環させる排気再循環通路（以下、ＥＧＲ通路とする。）１５を介して連通されている。このＥＧＲ通路１５の途中には、電磁弁などで構成され、印加電力の大きさに応じて前記ＥＧＲ通路１５内を流通する排気（以下、ＥＧＲガスとする。）の流量を変更する流量調整弁（以下、ＥＧＲ弁とする。）１６が設けられている。
【００４１】
前記ＥＧＲ通路１５の途中でＥＧＲ弁１６より上流には、このＥＧＲ通路１５内を流通するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１１が設けられている。前記ＥＧＲクーラ１１には、冷却水通路（図示省略）が設けられ内燃機関１を冷却するための冷却水の一部が循環する。
【００４２】
このように構成された排気再循環機構では、ＥＧＲ弁１６が開弁されると、ＥＧＲ通路１５が導通状態となり、排気枝管２７内を流通する排気の一部が前記ＥＧＲ通路１５へ流入し、ＥＧＲクーラ１１を経て吸気枝管２３へ導かれる。
【００４３】
その際、ＥＧＲクーラ１１では、ＥＧＲ通路１５内を流通するＥＧＲガスと内燃機関１の冷却水との間で熱交換が行われ、ＥＧＲガスが冷却される。
【００４４】
ＥＧＲ通路１５を介して排気枝管２７から吸気枝管２３へ還流されたＥＧＲガスは、吸気枝管２３の上流から流れてきた新気と混ざり合いつつ各気筒３の燃焼室へ導かれる。
【００４５】
また、前記排気管２９の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒１８が設けられている。このＮＯｘ触媒１８には、触媒温度を計測する温度センサ１４が取り付けられている。
【００４６】
一方、前記気筒３内には、ピストン８が内装されているとともに、気筒内に形成される燃焼室を開閉する吸気バルブ５と排気バルブ６とが、シリンダヘッドにそれぞれ設けられている。吸気バルブ５はシリンダヘッドから延出された吸気ポート２４に設けられ、任意のタイミングで開閉して新気を気筒３内に導入することができるようになっている。
【００４７】
前記排気バルブ６は、シリンダヘッドから延出された排気ポート２８に設けられ、任意のタイミングで燃焼済みガスを排気ポート２８から排気枝管２７へ排出することができるように構成されている。
【００４８】
シリンダヘッドには、励磁電流が印加されたときに発生する電磁力を利用して前記吸排気弁５、６を進退駆動する電磁駆動機構９、１０（以下、電磁駆動機構と称する）が設けられている。各電磁駆動機構９、１０には、これらの電磁駆動機構に励磁電流を印加するための駆動回路（図示せず）が電気的に接続されている。
【００４９】
電磁駆動機構９、１０のソレノイドには電磁コイル１０ａと磁性プレート１０ｂが備えられ、電磁コイル１０ａに通電することで常時は閉状態にあるソレノイドが開くように構成されている。
【００５０】
前記ソレノイド９、１０には、バルブタイミングやリフト量を調整するためのバルブ制御手段７（図１）が接続されている。このバルブ制御手段７は電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０で制御され、これらバルブ制御手段７と電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０で機関制御手段２を構成している。また、電子制御ユニット２０にはアクセル開度センサ２１の信号が入力されており、内燃機関の再始動時期を検出することができるようになっている。
【００５１】
本発明のシステムの動作について、図３から図１４にしたがって説明する。
【００５２】
図４はバルブタイミングを示しており、横軸はクランクシャフト角度、縦軸はバルブリフト量を夫々示す。なお、図面上下にあるグラフのうち上側（Ａ）は定常走行時のバルブタイミングを示し、下側（Ｂ）のグラフの実線が内燃機関の自動停止始動時のものとなっている。このバルブの制御は前記バルブ制御手段７により定常走行時と内燃機関の自動停止始動時とで異なった制御がなされる。図４中、ＢＤＣはピストンの下死点、ＴＤＣはピストンの上死点を示している。そして排気行程が始まるときに内燃機関１が停止した状況を示している。
【００５３】
まず、排気行程が開始されると、通常であれば（Ａ）に示すように排気バルブ５が完全に開き上死点付近で吸気バルブ６とオーバーラップしながら閉じることとなるが、内燃機関１が停止モードに入っていると（Ｂ）に示すように下死点から３８度の時点で閉じるように設定されている。なお、閉じるタイミングは、図示の他の実線で示すもの以外に、２点鎖線で示すように２０度で閉じるようにしてもよい。このタイミングは残留させるＥＧＲガス量によって任意に設定できるようになっている。
【００５４】
また、燃料噴射も内燃機関１が停止モードに入った時点で停止される。
この動作を図５から図１３に示すバルブ開閉動作とともに説明する。
【００５５】
図５は定常走行中（図３における通常運転モード３０）の燃料噴射行程を示し、図６に示すような爆発行程に移行する。ここで内燃機関１が停止モードに入ると（図３における機関停止モード３１）、排気バルブ６のリフト量が少なくなるとともに、その開時間が短くなる。したがって、燃焼済みガスは図７に示すように完全には排出されなくなる。
【００５６】
続いて、図８に示す吸気行程では吸気バルブ５が開き新気が気筒３内に導入される。ここで、吸排気バルブ５、６は、図９に示すように両方共閉じられ、やがて内燃機関１は停止する。この状態が図３における気筒内燃焼済みガス保存モード３２となる。
【００５７】
そして、次回の内燃機関始動時（図３における始動モード３３）には、図１０に示すように、圧縮行程において燃料噴射弁４が作動し、気筒３内に燃料が噴射される。
【００５８】
次に、図１１に示すように、噴射された燃料に着火して爆発する。このとき気筒３内では保存されている燃焼済みガスと燃料との混合気が爆発するため、通常のように、新気に燃焼を噴射した場合と比較して燃焼の爆発力は弱く、内燃機関１は静かに始動することとなる（図３における燃焼済みガス雰囲気中で始動３４）。さらに、燃焼済みガスが存在することから燃焼温度が抑制されるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を、一般的な始動方法に比較して大幅に低減することができる。
【００５９】
続いて、燃焼済みガスは、図１２に示すように完全に排気され、図１３に示すように新気が導入される通常運転モード３０に移行する。
【００６０】
以下、動作の一例を図１４のフローチャートで説明する。
【００６１】
先ず、通常走行時において、ステップＳ１０１のエコノミーランニング要求がなされる。このとき再始動時の振動を発生させないために、吸気量を制限する停止準備処理を行う。その設定時間から各気筒の最終燃料噴射時期が予測可能となる。
【００６２】
続いて各気筒３の最終の燃料噴射時に吸気バルブを早閉じするステップＳ１０２に移行する。
【００６３】
次に、ステップＳ１０３において吸排気バルブ５、６を共に閉じる。そして運転者から発進の要求があった場合（ステップＳ１０４）、初回のサイクルのみ吸気バルブ６を開かず始動が行われる（ステップＳ１０５）。
【００６４】
再始動後は、通常のバルブ動作と燃料噴射動作が行われ（ステップＳ１０６）、始動モードは解除される。
【００６５】
このようにして、機関の始動時における騒音と窒素酸化物（ＮＯｘ）排出の抑制が達成され、その後は、通常運転に移行するのでドライバビリティを損なうことがなく所期の目的が達成できる。
（その他の実施の形態）
なお、ステップＳ１０５において、若干の吸気が可能なように制御することは、トータルの燃焼ガス（ＥＧＲ量）と新気を所定量に維持できるのであれば問題はなく、必ずしも始動時の吸気を停止する構成を採る必要はない。
【００６６】
上記の実施の形態は、４気筒の内燃機関の例について説明したが、本発明は、気筒数に制限されるものではなく、２気筒、３気筒、６気筒または８気筒等の内燃機関に広く適用することが可能である。また、多気筒である場合は、一部の気筒について、燃焼ガスを残留させ、新気と混合する上記の始動制御を実施してもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃焼ガスの一部を気筒内に残留させるとともに気筒内に所定量の新気を導入した状態で、燃料噴射を停止して気筒内燃焼済みガスを保存し、内燃機関の再始動時に、燃焼済みガスが保存された気筒内に燃料を噴射して燃焼済みガス雰囲気中で着火させるようにしたので、内燃機関始動時の騒音と窒素酸化物の排出とを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の始動制御システムを備えた内燃機関のブロック図である。
【図２】始動制御システムを備えた内燃機関の気筒部分の構造を示す断面図である。
【図３】始動制御システムの原理的な動作を示すフローチャートである。
【図４】始動制御システムのバルブタイミングと定常走行時のバルブタイミングと比較して記述したタイムチャート図である。
【図５】始動制御システムを備えた内燃機関の動作を示す図であり、燃料噴射状態を示す。
【図６】その爆発行程を示す図である。
【図７】ぞの排気行程を示す図である。
【図８】その吸気行程を示す図である。
【図９】その吸気行程中に吸排気弁が閉じられた状態を示す図である。
【図１０】その圧縮行程で燃料噴射した状態を示す図である。
【図１１】その再始動時の爆発行程を示す図である。
【図１２】その排気行程を示す図である。
【図１３】通常運転状態に移行した後の吸気行程を示す図である。
【図１４】本発明の始動制御システムによる制御のフローチャート図である。
【符号の説明】
１内燃機関
２機関制御手段
３気筒
４燃料噴射手段
５吸気バルブ
６排気バルブ
７バルブ制御手段
３２気筒内燃焼済みガス保存モード
３３始動モード

Claims

運転状態に基づいて内燃機関の停止と始動を自動的に行う機関制御手段と、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、を備え、
前記機関制御手段は、機関の停止時に、燃焼ガスの一部を気筒内に残留させるとともに、気筒内に所定量の新気を導入した状態で燃料噴射を停止する気筒内燃焼済みガス保存モードと、機関の再始動時に、燃焼済みガスが保存された気筒内に燃料を噴射して燃焼済みガス雰囲気中で着火させる始動モードと、を有していることを特徴とする内燃機関の始動制御システム。
前記機関制御手段は、内燃機関に設けた吸排気バルブの動作タイミング及び動作量を任意に制御できるバルブ制御手段を含み、このバルブ制御手段は、気筒内燃焼済みガス保存モードでは、機関の排気タイミングにおける排気バルブの限定的解放と、吸気タイミングにおける吸気バルブの解放とを行い、燃焼済みガスと新気とを混合した状態で吸排気バルブを閉鎖し、機関の再始動時に燃焼ガスが保存された気筒内に燃料を噴射して燃焼済みガス雰囲気中で着火させた後、通常の吸排気バルブの動作タイミングに移行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動制御システム。
前記バルブ制御手段は、気筒内燃焼ガス保存モードでは、排気タイミングにおける排気バルブのリフト量の調整または開状態の期間短縮の少なくとも一方の制御を行うことで、気筒内燃焼済みガスを気筒内に残留させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の始動制御システム。