JP2004332598A - 内燃機関の始動制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼始動による始動性を向上させる。
【解決手段】エンジンの自動停止中に所定の自動始動条件が成立したときに、始動前（前回のエンジン停止時）に検出したエンジン停止位置を基準にして気筒判別して、膨張行程と圧縮行程にある気筒内に燃料を噴射して点火することで燃焼を発生させ、この燃焼圧力でクランク軸を回転駆動してエンジンを始動する“燃焼始動”を実行する。この燃焼始動時に、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期（圧縮上死点付近）よりも遅角させて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で点火する。これにより、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力を有効に正回転方向のトルクに変換することができて、クランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【選択図】 図３
【解決手段】エンジンの自動停止中に所定の自動始動条件が成立したときに、始動前（前回のエンジン停止時）に検出したエンジン停止位置を基準にして気筒判別して、膨張行程と圧縮行程にある気筒内に燃料を噴射して点火することで燃焼を発生させ、この燃焼圧力でクランク軸を回転駆動してエンジンを始動する“燃焼始動”を実行する。この燃焼始動時に、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期（圧縮上死点付近）よりも遅角させて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で点火する。これにより、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力を有効に正回転方向のトルクに変換することができて、クランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スタータによる始動の他に、膨張行程又は圧縮行程にある気筒内に燃料を噴射して燃焼させ、その燃焼圧力で内燃機関を始動させる“燃焼始動”を行う機能を備えた内燃機関の始動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両に搭載されるエンジンにおいては、燃費節減、排気エミッション低減及び低騒音化を目的として、エンジン自動停止・始動装置（いわゆるアイドリングストップ装置）を採用したものがある。このエンジン自動停止・始動装置は、例えば、運転者が車両を停車させたときにエンジンを自動的に停止し、その後、運転者が車両を発進させようとする操作（例えばアクセルペダル踏込操作等）を行ったときにスタータに通電してエンジンを自動的に再始動するようにしている。このため、停車頻度が多くなる市街地走行等では、スタータの駆動回数が多くなって、スタータやバッテリに掛かる負荷が大きくなり、スタータの故障やバッテリ上がりが発生しやすくなるおそれがある。
【０００３】
この対策として、特許文献１（特開２００２−３９０３８号公報）に示すように、エンジンを自動始動する際に、膨張行程にある気筒内に燃料を噴射して点火することで膨張行程燃焼を発生させ、この膨張行程燃焼の燃焼圧力でクランク軸を回転駆動（クランキング）することで、スタータを使用せずにエンジンを始動する“燃焼始動”を行なうようにしたものがある。
【０００４】
また、最近では、燃焼始動による始動性を向上させるために、膨張行程の気筒に加え、圧縮行程の気筒にも燃料を噴射して点火することが提案されている。一般に、特許文献２（特開平２−１９１８７１号公報）に示すように、始動時の点火時期は、始動性を考慮して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に設定される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３９０３８号公報（第３頁〜第５頁等）
【特許文献２】
特開平２−１９１８７１号公報（第４頁等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼始動では、最初は、エンジンの回転が停止して回転慣性が全くない状態で膨張行程燃焼を発生させて、その燃焼圧力でクランク軸を回転駆動するため、最初の圧縮行程噴射気筒に圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で点火すると、点火時期が早すぎて、圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されず、エンジンがロック状態に陥って始動できないことがある。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、燃焼始動時の圧縮行程噴射気筒の点火時期を適正化して、燃焼始動による始動性を向上させることができる内燃機関の始動制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、スタータ始動と燃焼始動とを始動条件に応じて切り換えるようにした内燃機関の始動制御装置において、点火時期制御手段により、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期よりも遅角させるようにしたものである。
【０００９】
一般に、スタータ始動時の点火時期は、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に設定されるため、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期よりも遅角させれば、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期が圧縮上死点からある程度遅角され、該圧縮行程噴射気筒のピストンが下降するようになってから点火されるようになる。これにより、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力を、膨張行程噴射気筒の燃焼圧力と同じように有効に正回転方向のトルクに変換することができて、内燃機関のクランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００１０】
この場合、請求項２のように、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で設定することが望ましい。ここで、「ＡＴＤＣ」は「上死点後」の意味である。後述する本発明者の実験結果によれば、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ５℃Ａよりも早いと（進角側であると）、燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されず、始動できない可能性がある。また、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ３５℃Ａよりも遅いと（遅角側であると）、燃焼圧力が低くなってしまうため、燃焼圧力による正回転方向のトルクが小さくなって、始動できない可能性がある。従って、請求項２のように、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で設定すれば、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力による正回転方向のトルクを十分に発生させることができて、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。筒内噴射式の内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、ＤＣモータ等のモータ１５によって駆動されるスロットルバルブ１６が設けられ、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）がスロットル開度センサ１７によって検出される。
【００１２】
また、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に、筒内の気流強度（スワール流強度やタンブル流強度）を制御する気流制御弁３１が設けられている。
【００１３】
エンジン１１の各気筒の上部には、それぞれ燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
【００１４】
エンジン１１のシリンダブロックには、ノッキングを検出するノックセンサ３２と、冷却水温を検出する冷却水温センサ２３と、エンジン１１のクランク角を検出するクランク角センサ２４が取り付けられている。このクランク角センサ２４は、エンジン１１のクランク軸に嵌着されたシグナルロータ３７の外周に対向するように配置され、該シグナルロータ３７の外周には、所定クランク角毎に歯３７ａが形成され、該シグナルロータ３７の外周の特定のクランク角位置（クランク角基準位置）には、１〜３個分の歯３７ａが欠けた欠歯部が形成されている。これにより、エンジン１１の回転に伴って欠歯部以外のクランク角領域では、所定クランク角毎にクランク角センサ２４から等間隔のクランク角パルス信号が出力され、欠歯部（クランク角基準位置）では、パルス間隔の長くなる不等間隔のクランク角パルス信号が出力される。
【００１５】
一方、エンジン１１の排気管２５には、排出ガスを浄化する上流側触媒２６と下流側触媒２７が設けられ、上流側触媒２６の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２８（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。また、排気管２５のうちの上流側触媒２６の下流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側のサージタンク１８との間に、排出ガスの一部を吸気側に還流させるためのＥＧＲ配管３３が接続され、このＥＧＲ配管３３の途中に排出ガス還流量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ弁３４が設けられている。
【００１６】
前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ２２の点火時期等を制御する。
【００１７】
このＥＣＵ３０は、クランク角センサ２４から出力されるクランク角パルス信号のパルス間隔が等間隔か不等間隔かを判別して、不等間隔のクランク角パルス信号が発生する位置（欠歯部）をクランク角基準位置として検出し、該クランク角基準位置から等間隔のクランク角パルス信号をカウントしてそのカウント数によりクランク角を検出して気筒判別し、更に、等間隔のクランク角パルス信号の発生周波数からエンジン回転速度を検出する。
【００１８】
また、ＥＣＵ３０は、エンジン自動停止・自動始動の機能も備え、運転者が車両を停車させて所定の自動停止条件が成立したときに、燃料カット、点火カットを実行してエンジン１１を自動的に停止させると共に、その時のエンジン停止位置を検出してＥＣＵ３０のメモリに記憶する。このエンジン停止位置の検出方法は、例えば、特許第３１８６５２４号公報、特開２００２−３９０３８号公報、特開昭６０−２４０８７５号公報、特開平１１−１０７８２３号公報等に記載された停止位置検出技術を用いて行えば良い。
【００１９】
そして、ＥＣＵ３０は、エンジン１１の自動停止中に所定の自動始動条件（燃焼始動条件）が成立したとき（運転者が車両を発進させようとする操作を行ったとき）、ＥＣＵ３０のメモリに記憶されているエンジン停止位置を基準にして気筒判別して、膨張行程と圧縮行程にある気筒内に燃料を噴射して点火することで燃焼を発生させ、この燃焼圧力でクランク軸を回転駆動（クランキング）することで、スタータ３８を使用せずにエンジン１１を始動する“燃焼始動”を実行する（図２参照）。
【００２０】
また、ＥＣＵ３０は、運転者がエンジン停止中にイグニッションスイッチ３９をスタート位置に操作したときに、スタータ３８に通電してクランク軸を回転駆動してエンジン１１を始動する“スタータ始動”を実行する。このスタータ始動時の点火時期は、始動性を考慮して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に設定されている。尚、燃焼始動による始動を失敗した場合は、自動的にスタータ３８に通電してスタータ始動を実行する。
【００２１】
ここで、燃焼始動時の点火・噴射制御について図２を用いて説明する。図２は４気筒エンジン１１を燃焼始動する場合の点火・噴射制御の一例を示している。図２の例では、エンジン停止位置において、第１気筒が膨張行程、第３気筒が圧縮行程、第４気筒が吸気行程、第３気筒が排気行程となっている。このエンジン停止位置で、自動始動条件（燃焼始動条件）が成立すると、まず、ＥＣＵ３０のメモリに記憶されているエンジン停止位置に基づいて膨張行程の気筒（第１気筒）と圧縮行程の気筒（第３気筒）を判別し、この膨張行程の気筒（第１気筒）と圧縮行程の気筒（第３気筒）にそれぞれ燃料を噴射する。そして、まず、膨張行程噴射気筒（第１気筒）のみに点火して膨張行程燃焼を発生させ、この膨張行程燃焼の燃焼圧力でクランク軸を回転駆動する。これにより、圧縮行程噴射気筒（第３気筒）のピストン４０が圧縮上死点（ＴＤＣ）を乗り越えて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で設定された目標点火時期に到達すると、圧縮行程噴射気筒（第３気筒）に点火して燃焼を発生させ、この燃焼圧力でクランク軸を回転駆動してエンジン１１を始動する。
【００２２】
尚、エンジン停止位置において、吸気行程の気筒（第４気筒）と排気行程の気筒（第２気筒）については、燃焼始動によりクランク軸が回転駆動されるのに伴って、それぞれの気筒で、吸気行程で燃料を噴射して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で点火する通常の噴射・点火制御を実行する。また、エンジン停止位置において、膨張行程の気筒（第１気筒）と圧縮行程の気筒（第３気筒）についても、それぞれ、２回目以降の噴射・点火は、吸気行程で燃料を噴射して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で点火する通常の噴射・点火制御を実行する。
【００２３】
燃焼始動では、最初は、エンジン１１の回転が停止して回転慣性が全くない状態で膨張行程燃焼を発生させて、その燃焼圧力でクランク軸を回転駆動するため、最初の圧縮行程噴射気筒に圧縮上死点付近で点火すると、点火時期が早すぎて、圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されず、エンジン１１がロック状態に陥って始動できないことがある。
【００２４】
そこで、本実施形態の燃焼始動では、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期（圧縮上死点付近）よりも遅角させて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で点火するようにしている。これにより、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力を、膨張行程噴射気筒の燃焼圧力と同じように有効に正回転方向のトルクに変換することができて、エンジン１１のクランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００２５】
本発明者は、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期の適正範囲を考察する試験を行ったので、その試験結果を図３に示す。この燃焼始動の試験では、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をＢＴＤＣ１０℃ＡからＡＴＤＣ５５℃Ａの範囲で少しずつ変化させ、各々の点火時期で点火して、その燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度を計測した。この場合、クランク軸回転角度が大きくなるほど、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力によって発生する正回転方向のトルクが大きくなって、始動性が向上することを意味する。
【００２６】
図３の試験結果を評価すると、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内では、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度が大きくなり（つまり最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力によって発生する正回転方向のトルクが大きくなり）、始動性が良いことが分かる。これに対して、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ５℃Ａよりも早いと（進角側であると）、燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されないため、燃焼圧力による正回転方向のトルクが小さくなって、燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度が小さくなり、始動性が悪くなる。また、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ３５℃Ａよりも遅いと（遅角側であると）、燃焼圧力が低くなってしまうため、燃焼圧力による正回転方向のトルクが小さくなって、燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度が小さくなり、始動性が悪くなる。
【００２７】
ところで、燃焼始動時に、クランク角センサ２４がシグナルロータ３７の欠歯部（クランク角基準位置）を正確に検出するまでは、クランク角センサ２４から出力されるクランク角パルス信号のカウント数に基づいてクランク角を正確に検出することはできない。そのため、燃焼始動の初期のクランク角の検出や気筒判別は、始動前（前回のエンジン停止時）に検出したエンジン停止位置に基づいて行うようにしているが、エンジン停止時の回転慣性や逆転現象によりエンジン停止位置を正確に検出することは困難であるため、エンジン停止位置を基準にしてクランク角パルス信号のカウント数からクランク角を検出しても、クランク角の検出誤差を生じてしまう。
【００２８】
従って、このクランク角の検出誤差による点火時期の制御誤差を考慮して、最初の圧縮行程噴射気筒の目標点火時期をＡＴＤＣ１０℃Ａ〜ＡＴＤＣ３０℃Ａ、より好ましくはＡＴＤＣ１５℃Ａ〜ＡＴＤＣ２５℃Ａの範囲に設定すると良い。クランク角の検出誤差が大きい場合は、最初の圧縮行程噴射気筒の目標点火時期を最適な点火時期であるＡＴＤＣ２０℃Ａに設定すれば良い。要は、クランク角の検出誤差（点火時期の制御誤差）を考慮して目標点火時期を設定して、実際の点火時期が適正範囲であるＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内に収まるように制御すれば良い。
【００２９】
ＥＣＵ３０は、燃焼始動とスタータ始動のいずれかの始動要求が発生したときに、図４に示す始動時目標点火時期設定ルーチンを所定時間毎又は所定クランク角毎に実行し、特許請求の範囲でいう点火時期制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火であるか否かを判定し、最初の圧縮行程噴射気筒の点火でなければ、以降の処理を行うことなく本ルーチンを終了する。この場合は、通常運転時の目標点火時期設定ルーチン（図示せず）によって目標点火時期が設定される。
【００３０】
一方、上記ステップ１０１で、始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火であると判定されれば、ステップ１０２に進み、始動モードが燃焼始動モードであるか否かを判定し、このステップ１０２で「Ｎｏ」と判定された場合（スタータ始動の場合）には、ステップ１０４に進み、目標点火時期を圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定する。尚、燃焼始動による始動を失敗した場合も、上記ステップ１０２で「Ｎｏ」と判定されて、ステップ１０４に進み、目標点火時期を圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定し、スタータ３８に通電してスタータ始動を実行する。
【００３１】
これに対して、上記ステップ１０２で、始動モードが燃焼始動モードであると判定されれば、ステップ１０３に進み、目標点火時期を最適な点火時期であるＡＴＤＣ２０℃Ａに設定する。これにより、燃焼始動の初期にクランク角の検出誤差による点火時期の制御誤差があっても、実際の点火時期が適正範囲であるＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内に収まるように制御される。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、燃焼始動時に、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期（ＴＤＣ）よりも遅角させて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内に制御するようにしたので、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力によって正回転方向のトルクを有効に発生させることでできて、クランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００３３】
尚、図４の始動時目標点火時期設定ルーチンでは、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の目標点火時期を最適な点火時期であるＡＴＤＣ２０℃Ａに設定したが、この目標点火時期を冷却水温等の始動条件やクランク角の検出誤差を考慮して、適正範囲であるＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で変化させるようにしても良い。
【００３４】
その他、本発明は、４気筒エンジンに限定されず、３気筒以下又は５気筒以上のエンジンにも適用して実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるエンジン制御システム全体を示す図
【図２】各気筒の行程と燃焼始動時の噴射時期と点火時期の関係を示す図
【図３】燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期と、燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度との関係を考察する試験データを示す図
【図４】始動時目標点火時期設定ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２４…クランク角センサ（クランク角パルス信号発生手段）、３０…ＥＣＵ（点火時期制御手段）、３７…シグナルロータ、３８…スタータ、３９…イグニッションスイッチ、４０…ピストン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、スタータによる始動の他に、膨張行程又は圧縮行程にある気筒内に燃料を噴射して燃焼させ、その燃焼圧力で内燃機関を始動させる“燃焼始動”を行う機能を備えた内燃機関の始動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両に搭載されるエンジンにおいては、燃費節減、排気エミッション低減及び低騒音化を目的として、エンジン自動停止・始動装置（いわゆるアイドリングストップ装置）を採用したものがある。このエンジン自動停止・始動装置は、例えば、運転者が車両を停車させたときにエンジンを自動的に停止し、その後、運転者が車両を発進させようとする操作（例えばアクセルペダル踏込操作等）を行ったときにスタータに通電してエンジンを自動的に再始動するようにしている。このため、停車頻度が多くなる市街地走行等では、スタータの駆動回数が多くなって、スタータやバッテリに掛かる負荷が大きくなり、スタータの故障やバッテリ上がりが発生しやすくなるおそれがある。
【０００３】
この対策として、特許文献１（特開２００２−３９０３８号公報）に示すように、エンジンを自動始動する際に、膨張行程にある気筒内に燃料を噴射して点火することで膨張行程燃焼を発生させ、この膨張行程燃焼の燃焼圧力でクランク軸を回転駆動（クランキング）することで、スタータを使用せずにエンジンを始動する“燃焼始動”を行なうようにしたものがある。
【０００４】
また、最近では、燃焼始動による始動性を向上させるために、膨張行程の気筒に加え、圧縮行程の気筒にも燃料を噴射して点火することが提案されている。一般に、特許文献２（特開平２−１９１８７１号公報）に示すように、始動時の点火時期は、始動性を考慮して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に設定される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３９０３８号公報（第３頁〜第５頁等）
【特許文献２】
特開平２−１９１８７１号公報（第４頁等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼始動では、最初は、エンジンの回転が停止して回転慣性が全くない状態で膨張行程燃焼を発生させて、その燃焼圧力でクランク軸を回転駆動するため、最初の圧縮行程噴射気筒に圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で点火すると、点火時期が早すぎて、圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されず、エンジンがロック状態に陥って始動できないことがある。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、燃焼始動時の圧縮行程噴射気筒の点火時期を適正化して、燃焼始動による始動性を向上させることができる内燃機関の始動制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、スタータ始動と燃焼始動とを始動条件に応じて切り換えるようにした内燃機関の始動制御装置において、点火時期制御手段により、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期よりも遅角させるようにしたものである。
【０００９】
一般に、スタータ始動時の点火時期は、圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に設定されるため、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期よりも遅角させれば、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期が圧縮上死点からある程度遅角され、該圧縮行程噴射気筒のピストンが下降するようになってから点火されるようになる。これにより、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力を、膨張行程噴射気筒の燃焼圧力と同じように有効に正回転方向のトルクに変換することができて、内燃機関のクランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００１０】
この場合、請求項２のように、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で設定することが望ましい。ここで、「ＡＴＤＣ」は「上死点後」の意味である。後述する本発明者の実験結果によれば、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ５℃Ａよりも早いと（進角側であると）、燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されず、始動できない可能性がある。また、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ３５℃Ａよりも遅いと（遅角側であると）、燃焼圧力が低くなってしまうため、燃焼圧力による正回転方向のトルクが小さくなって、始動できない可能性がある。従って、請求項２のように、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で設定すれば、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力による正回転方向のトルクを十分に発生させることができて、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。筒内噴射式の内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、ＤＣモータ等のモータ１５によって駆動されるスロットルバルブ１６が設けられ、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）がスロットル開度センサ１７によって検出される。
【００１２】
また、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に、筒内の気流強度（スワール流強度やタンブル流強度）を制御する気流制御弁３１が設けられている。
【００１３】
エンジン１１の各気筒の上部には、それぞれ燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
【００１４】
エンジン１１のシリンダブロックには、ノッキングを検出するノックセンサ３２と、冷却水温を検出する冷却水温センサ２３と、エンジン１１のクランク角を検出するクランク角センサ２４が取り付けられている。このクランク角センサ２４は、エンジン１１のクランク軸に嵌着されたシグナルロータ３７の外周に対向するように配置され、該シグナルロータ３７の外周には、所定クランク角毎に歯３７ａが形成され、該シグナルロータ３７の外周の特定のクランク角位置（クランク角基準位置）には、１〜３個分の歯３７ａが欠けた欠歯部が形成されている。これにより、エンジン１１の回転に伴って欠歯部以外のクランク角領域では、所定クランク角毎にクランク角センサ２４から等間隔のクランク角パルス信号が出力され、欠歯部（クランク角基準位置）では、パルス間隔の長くなる不等間隔のクランク角パルス信号が出力される。
【００１５】
一方、エンジン１１の排気管２５には、排出ガスを浄化する上流側触媒２６と下流側触媒２７が設けられ、上流側触媒２６の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２８（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。また、排気管２５のうちの上流側触媒２６の下流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側のサージタンク１８との間に、排出ガスの一部を吸気側に還流させるためのＥＧＲ配管３３が接続され、このＥＧＲ配管３３の途中に排出ガス還流量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ弁３４が設けられている。
【００１６】
前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ２２の点火時期等を制御する。
【００１７】
このＥＣＵ３０は、クランク角センサ２４から出力されるクランク角パルス信号のパルス間隔が等間隔か不等間隔かを判別して、不等間隔のクランク角パルス信号が発生する位置（欠歯部）をクランク角基準位置として検出し、該クランク角基準位置から等間隔のクランク角パルス信号をカウントしてそのカウント数によりクランク角を検出して気筒判別し、更に、等間隔のクランク角パルス信号の発生周波数からエンジン回転速度を検出する。
【００１８】
また、ＥＣＵ３０は、エンジン自動停止・自動始動の機能も備え、運転者が車両を停車させて所定の自動停止条件が成立したときに、燃料カット、点火カットを実行してエンジン１１を自動的に停止させると共に、その時のエンジン停止位置を検出してＥＣＵ３０のメモリに記憶する。このエンジン停止位置の検出方法は、例えば、特許第３１８６５２４号公報、特開２００２−３９０３８号公報、特開昭６０−２４０８７５号公報、特開平１１−１０７８２３号公報等に記載された停止位置検出技術を用いて行えば良い。
【００１９】
そして、ＥＣＵ３０は、エンジン１１の自動停止中に所定の自動始動条件（燃焼始動条件）が成立したとき（運転者が車両を発進させようとする操作を行ったとき）、ＥＣＵ３０のメモリに記憶されているエンジン停止位置を基準にして気筒判別して、膨張行程と圧縮行程にある気筒内に燃料を噴射して点火することで燃焼を発生させ、この燃焼圧力でクランク軸を回転駆動（クランキング）することで、スタータ３８を使用せずにエンジン１１を始動する“燃焼始動”を実行する（図２参照）。
【００２０】
また、ＥＣＵ３０は、運転者がエンジン停止中にイグニッションスイッチ３９をスタート位置に操作したときに、スタータ３８に通電してクランク軸を回転駆動してエンジン１１を始動する“スタータ始動”を実行する。このスタータ始動時の点火時期は、始動性を考慮して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に設定されている。尚、燃焼始動による始動を失敗した場合は、自動的にスタータ３８に通電してスタータ始動を実行する。
【００２１】
ここで、燃焼始動時の点火・噴射制御について図２を用いて説明する。図２は４気筒エンジン１１を燃焼始動する場合の点火・噴射制御の一例を示している。図２の例では、エンジン停止位置において、第１気筒が膨張行程、第３気筒が圧縮行程、第４気筒が吸気行程、第３気筒が排気行程となっている。このエンジン停止位置で、自動始動条件（燃焼始動条件）が成立すると、まず、ＥＣＵ３０のメモリに記憶されているエンジン停止位置に基づいて膨張行程の気筒（第１気筒）と圧縮行程の気筒（第３気筒）を判別し、この膨張行程の気筒（第１気筒）と圧縮行程の気筒（第３気筒）にそれぞれ燃料を噴射する。そして、まず、膨張行程噴射気筒（第１気筒）のみに点火して膨張行程燃焼を発生させ、この膨張行程燃焼の燃焼圧力でクランク軸を回転駆動する。これにより、圧縮行程噴射気筒（第３気筒）のピストン４０が圧縮上死点（ＴＤＣ）を乗り越えて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で設定された目標点火時期に到達すると、圧縮行程噴射気筒（第３気筒）に点火して燃焼を発生させ、この燃焼圧力でクランク軸を回転駆動してエンジン１１を始動する。
【００２２】
尚、エンジン停止位置において、吸気行程の気筒（第４気筒）と排気行程の気筒（第２気筒）については、燃焼始動によりクランク軸が回転駆動されるのに伴って、それぞれの気筒で、吸気行程で燃料を噴射して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で点火する通常の噴射・点火制御を実行する。また、エンジン停止位置において、膨張行程の気筒（第１気筒）と圧縮行程の気筒（第３気筒）についても、それぞれ、２回目以降の噴射・点火は、吸気行程で燃料を噴射して圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で点火する通常の噴射・点火制御を実行する。
【００２３】
燃焼始動では、最初は、エンジン１１の回転が停止して回転慣性が全くない状態で膨張行程燃焼を発生させて、その燃焼圧力でクランク軸を回転駆動するため、最初の圧縮行程噴射気筒に圧縮上死点付近で点火すると、点火時期が早すぎて、圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されず、エンジン１１がロック状態に陥って始動できないことがある。
【００２４】
そこで、本実施形態の燃焼始動では、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期（圧縮上死点付近）よりも遅角させて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で点火するようにしている。これにより、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力を、膨張行程噴射気筒の燃焼圧力と同じように有効に正回転方向のトルクに変換することができて、エンジン１１のクランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００２５】
本発明者は、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期の適正範囲を考察する試験を行ったので、その試験結果を図３に示す。この燃焼始動の試験では、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をＢＴＤＣ１０℃ＡからＡＴＤＣ５５℃Ａの範囲で少しずつ変化させ、各々の点火時期で点火して、その燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度を計測した。この場合、クランク軸回転角度が大きくなるほど、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力によって発生する正回転方向のトルクが大きくなって、始動性が向上することを意味する。
【００２６】
図３の試験結果を評価すると、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内では、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度が大きくなり（つまり最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力によって発生する正回転方向のトルクが大きくなり）、始動性が良いことが分かる。これに対して、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ５℃Ａよりも早いと（進角側であると）、燃焼圧力が正回転方向のトルクに有効に変換されないため、燃焼圧力による正回転方向のトルクが小さくなって、燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度が小さくなり、始動性が悪くなる。また、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期がＡＴＤＣ３５℃Ａよりも遅いと（遅角側であると）、燃焼圧力が低くなってしまうため、燃焼圧力による正回転方向のトルクが小さくなって、燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度が小さくなり、始動性が悪くなる。
【００２７】
ところで、燃焼始動時に、クランク角センサ２４がシグナルロータ３７の欠歯部（クランク角基準位置）を正確に検出するまでは、クランク角センサ２４から出力されるクランク角パルス信号のカウント数に基づいてクランク角を正確に検出することはできない。そのため、燃焼始動の初期のクランク角の検出や気筒判別は、始動前（前回のエンジン停止時）に検出したエンジン停止位置に基づいて行うようにしているが、エンジン停止時の回転慣性や逆転現象によりエンジン停止位置を正確に検出することは困難であるため、エンジン停止位置を基準にしてクランク角パルス信号のカウント数からクランク角を検出しても、クランク角の検出誤差を生じてしまう。
【００２８】
従って、このクランク角の検出誤差による点火時期の制御誤差を考慮して、最初の圧縮行程噴射気筒の目標点火時期をＡＴＤＣ１０℃Ａ〜ＡＴＤＣ３０℃Ａ、より好ましくはＡＴＤＣ１５℃Ａ〜ＡＴＤＣ２５℃Ａの範囲に設定すると良い。クランク角の検出誤差が大きい場合は、最初の圧縮行程噴射気筒の目標点火時期を最適な点火時期であるＡＴＤＣ２０℃Ａに設定すれば良い。要は、クランク角の検出誤差（点火時期の制御誤差）を考慮して目標点火時期を設定して、実際の点火時期が適正範囲であるＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内に収まるように制御すれば良い。
【００２９】
ＥＣＵ３０は、燃焼始動とスタータ始動のいずれかの始動要求が発生したときに、図４に示す始動時目標点火時期設定ルーチンを所定時間毎又は所定クランク角毎に実行し、特許請求の範囲でいう点火時期制御手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火であるか否かを判定し、最初の圧縮行程噴射気筒の点火でなければ、以降の処理を行うことなく本ルーチンを終了する。この場合は、通常運転時の目標点火時期設定ルーチン（図示せず）によって目標点火時期が設定される。
【００３０】
一方、上記ステップ１０１で、始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火であると判定されれば、ステップ１０２に進み、始動モードが燃焼始動モードであるか否かを判定し、このステップ１０２で「Ｎｏ」と判定された場合（スタータ始動の場合）には、ステップ１０４に進み、目標点火時期を圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定する。尚、燃焼始動による始動を失敗した場合も、上記ステップ１０２で「Ｎｏ」と判定されて、ステップ１０４に進み、目標点火時期を圧縮上死点（ＴＤＣ）に設定し、スタータ３８に通電してスタータ始動を実行する。
【００３１】
これに対して、上記ステップ１０２で、始動モードが燃焼始動モードであると判定されれば、ステップ１０３に進み、目標点火時期を最適な点火時期であるＡＴＤＣ２０℃Ａに設定する。これにより、燃焼始動の初期にクランク角の検出誤差による点火時期の制御誤差があっても、実際の点火時期が適正範囲であるＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内に収まるように制御される。
【００３２】
以上説明した本実施形態によれば、燃焼始動時に、最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をスタータ始動時の点火時期（ＴＤＣ）よりも遅角させて、ＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内に制御するようにしたので、最初の圧縮行程噴射気筒の燃焼圧力によって正回転方向のトルクを有効に発生させることでできて、クランク軸を確実に正回転方向に駆動して始動することができ、燃焼始動による始動性を向上させることができる。
【００３３】
尚、図４の始動時目標点火時期設定ルーチンでは、燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の目標点火時期を最適な点火時期であるＡＴＤＣ２０℃Ａに設定したが、この目標点火時期を冷却水温等の始動条件やクランク角の検出誤差を考慮して、適正範囲であるＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で変化させるようにしても良い。
【００３４】
その他、本発明は、４気筒エンジンに限定されず、３気筒以下又は５気筒以上のエンジンにも適用して実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるエンジン制御システム全体を示す図
【図２】各気筒の行程と燃焼始動時の噴射時期と点火時期の関係を示す図
【図３】燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期と、燃焼圧力で到達するクランク軸回転角度との関係を考察する試験データを示す図
【図４】始動時目標点火時期設定ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２４…クランク角センサ（クランク角パルス信号発生手段）、３０…ＥＣＵ（点火時期制御手段）、３７…シグナルロータ、３８…スタータ、３９…イグニッションスイッチ、４０…ピストン。
Claims (2)
- スタータの駆動力により内燃機関のクランク軸を回転駆動して内燃機関を始動させる“スタータ始動”と、膨張行程又は圧縮行程にある気筒内に燃料を噴射して燃焼させ、その燃焼圧力で内燃機関のクランク軸を回転駆動して内燃機関を始動させる“燃焼始動”とを始動条件に応じて切り換えるようにした内燃機関の始動制御装置において、
前記燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期を前記スタータ始動時の点火時期よりも遅角させる点火時期制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。 - 前記点火時期制御手段は、前記燃焼始動時の最初の圧縮行程噴射気筒の点火時期をＡＴＤＣ５℃Ａ〜ＡＴＤＣ３５℃Ａの範囲内で設定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装置。
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