JP2005299445A - エンジンの停止始動制御装置 - Google Patents

エンジンの停止始動制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 クランキング開始から１行程以内という短期間で初爆を発生させて、始動を短時間で完了させる。
【解決手段】 アイドルストップによるエンジン停止過程において停止時の圧縮行程気筒を予測し、予測した停止時の圧縮行程気筒に対して、停止直前の吸気行程で燃料を噴射して当該気筒内に混合気を吸入させて閉じ込めた状態で停止させる。この際、エンジン停止位置が停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となるように制御する。その後の再始動時に、混合気が閉じ込められている圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させる。このようにすれば、クランキング開始から１行程以内という短期間で初爆を発生させることができて、従来のアイドルストップシステムでは実現できなかった１圧縮始動を実現できる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、始動性を向上させたエンジンの停止始動制御装置に関する発明である。
一般に、エンジン運転中は、クランク角センサとカム角センサの出力信号に基づいて気筒を判別し且つクランク角を検出して点火制御や燃料噴射制御を行うようにしているため、エンジン始動時には、スタータによりエンジンをクランキングして気筒判別を完了するまで、最初に点火・噴射する気筒が不明である。従って、エンジン始動時には、気筒判別を完了した後に、一番早く燃焼させることのできる気筒から燃料噴射を行い、点火し、初爆を発生させて始動するようにしている。
しかし、この始動方法では、気筒判別を完了するまでにある程度のクランキング期間が必要な上に、気筒判別完了後の最初の吸気行程の気筒に燃料を噴射するため、例えば４気筒エンジンで考えると、クランキング開始から初爆までに２〜３行程が必要となり、その分、始動時間が長くなるという欠点があった。特に、アイドル運転中（停車中）に所定の自動停止条件が成立したときにエンジンを自動停止（アイドルストップ）し、運転者のアクセル操作等によって自動的に再始動するアイドルストップシステムを搭載した車両では、始動時間が長くなると、再始動時のもたつき感を運転者に感じさせたり、スタータの駆動音が耳障りな騒音となるため、始動時間短縮の要求が強い。
そこで、特許文献１（特開平１−１７０７３５号公報）に示すように、始動時間を短縮することを目的として、スタータ信号に同期して全気筒に燃料を噴射して、その時点の吸気行程の気筒に燃料を吸入させ、圧縮行程を経て点火し、初爆を発生させるスタータ非同期噴射を行うようにしたものがある。
或は、特許文献２（特開平１１−１０７８２３号公報）に示すように、エンジン停止時にエンジン停止位置を推定してメモリに記憶しておき、次のエンジン始動時にエンジン停止位置の記憶情報に基づいて最初に燃料噴射・点火する気筒を推定して始動するようにしたものがある。
特開平１−１７０７３５号公報（第２頁等） 特開平１１−１０７８２３号公報（第２頁等）
しかし、上記特許文献１，２のいずれの始動方法でも、クランキング開始後に吸気行程の気筒に燃料を噴射して吸入させてから当該気筒の圧縮行程で点火するという経過をたどるため、クランキング開始から初爆までに２行程近くの期間を要してしまい、アイドルストップ後の再始動のような場合、要求される始動時間を満たすことができない。その上、上記特許文献１のスタータ非同期噴射方式では、始動当初に全気筒に燃料を噴射するため、燃焼に寄与しなかった燃料がそのまま排出されてしまい、始動時の排気エミッションが悪化するという問題も発生する。
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、始動時の排気エミッションを悪化させずに、始動を短時間で完了することができるエンジンの停止始動制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、停止時圧縮行程気筒予測手段は、エンジン停止過程において停止時の圧縮行程気筒を予測し、停止時燃料噴射制御手段は、エンジン停止過程において停止時の圧縮行程気筒と予測された気筒に対して燃料を噴射して当該気筒内に混合気を閉じ込め、始動制御手段は、エンジンを始動する際に前記停止時の圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させて始動するようにしたものである。
例えば、吸気ポート噴射エンジンでは、エンジン停止過程において停止時の圧縮行程気筒と予測された気筒に対して、停止直前の吸気行程で燃料を噴射して当該気筒内に混合気を吸入させて閉じ込めた状態で停止させる。また、筒内噴射エンジンでは、エンジン停止過程において停止時の圧縮行程気筒と予測された気筒に対して、停止直前の吸気行程又は圧縮行程で筒内に燃料を噴射して当該気筒内に混合気を閉じ込めた状態で停止させる。このようにすれば、次の始動時に既に圧縮行程気筒内に混合気が閉じ込められた状態になっているため、この圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させることができる。これにより、クランキング開始から１行程以内という短期間で初爆を発生させることができて、始動を短時間で完了することができると共に、スタータ非同期噴射とは異なり、燃焼に寄与しない気筒に燃料を噴射しないため、始動時の排気エミッションを悪化させることもない。
この場合、請求項２のように、エンジン停止位置が停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となるように制御する停止位置制御手段を備えた構成とすると良い。
つまり、停止時の圧縮行程気筒であっても、吸気バルブが閉じるまでは、当該圧縮行程気筒内に混合気を閉じ込めておくことができないため、エンジン停止位置は停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後とする必要がある。
また、停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後であっても、圧縮行程気筒内の混合気の圧縮圧が高くなった位置（ピストンが上死点に近付いた位置）で停止すると、エンジン停止中に比較的短時間でピストンとシリンダ内壁との隙間から混合気が漏れて圧縮圧が低下したり、次の始動時に上死点までのピストンの上昇量が少なくなって、圧縮行程気筒内の混合気を十分に圧縮できなくなってしまい、その結果、初爆に失敗したり、初爆の燃焼圧が不足して、１圧縮始動に失敗してしまう。
この対策として、請求項２のように、エンジン停止位置が次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前、つまり圧縮行程気筒内の混合気の圧縮圧が低い位置（次の始動時に上死点までのピストン上昇量を確保できる位置）となるようにエンジン停止位置を制御すれば、エンジン停止中の圧縮行程気筒内の混合気の漏れや圧縮圧の低下を少なくできると共に、次の始動時に圧縮行程気筒内の混合気を十分に圧縮できて、十分な燃焼圧の初爆を確実に発生させることができ、確実に１圧縮始動を実現することができる。
また、停止時の圧縮行程気筒を予測する際に、請求項３のように、エンジン停止過程においてエンジンの運動を表すパラメータとエンジンの運動を妨げるパラメータとを算出して、これら２つのパラメータに基づいて未来の運動を表すパラメータを予測し、この未来の運動を表すパラメータの予測値に基づいて前記停止時の圧縮行程気筒を予測するようにする良い。このようにすれば、エンジンの運動を表すパラメータやエンジンの運動を妨げるパラメータを算出する過程で、エンジンの製造公差、経時変化、エンジンフリクションの変化（例えばエンジンオイルの油温変化による粘度の違い等）によるバラツキを考慮して、未来の運動を表すパラメータを精度良く予測することができるため、この未来の運動を表すパラメータから停止時の圧縮行程気筒を精度良く予測することができる。
この場合、請求項４のように、エンジン停止過程において前記未来の運動を表すパラメータとして未来の瞬時エンジン回転速度を予測し、この未来の瞬時エンジン回転速度が所定値以下になったときに、その時点の各気筒の行程状態でエンジン回転が停止すると予測するようにすると良い。要するに、エンジン停止過程において、予測した未来の瞬時エンジン回転速度が、ピストンが圧縮ＴＤＣ（上死点）を乗り越えることができない回転速度領域に低下した段階で、エンジン回転が停止するものと予測するものである。
また、エンジン停止位置を制御する際に、請求項５のように、停止時圧縮行程気筒予測手段により圧縮行程で停止すると予測された気筒が、エンジン停止直前の吸気行程にある期間に吸入空気量を増加させて、停止時の圧縮行程気筒の圧縮圧を増加させることによりエンジン回転を停止させるようにすると良い。このように、エンジン回転停止時に圧縮行程の圧縮圧を増加させると、圧縮行程で発生する負の回転トルクが増加して、これがエンジン回転を妨げる力となって働き、エンジン回転にブレーキがかけられると共に、回転トルクがエンジンフリクション以下となるクランク角範囲（エンジン回転が停止可能なクランク角範囲）が狭められ、そのクランク角範囲内でエンジン回転が停止することになる。これにより、エンジン停止位置を停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となるように制御することが可能となる。しかも、吸入空気量を制御する手段（例えばアイドル回転速度制御バルブ、電子スロットルバルブ、可変バルブ機構）を利用してエンジン停止位置を制御することができ、現状のエンジン制御システムに対しても制御プログラムの変更のみで本発明を実施することができる。
以上説明した請求項１〜５に係る発明は、運転者がイグニッションスイッチを操作してエンジン停止・始動を行う場合にも適用できるが、請求項６のように、アイドル運転中に所定の自動停止条件が成立したときに燃料噴射及び点火を停止してエンジン回転を停止させる自動停止手段を備えたアイドルストップシステムに本発明を適用し、自動停止手段によるエンジン停止時（アイドルストップ時）に、停止時の圧縮行程気筒を予測して燃料を噴射して当該気筒内に混合気を閉じ込め、所定の自動始動条件が成立したときに始動制御を開始し、停止時の圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させて再始動するようにすると良い。このようにすれば、従来のアイドルストップシステムでは実現できなかった１圧縮始動を実現できて、始動時間短縮の要求を満たすことができ、再始動時のもたつき感を運転者に感じさせずに済むと共に、スタータの駆動音による騒音を低減でき、静粛化の要求も満たすことができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を吸気ポート噴射方式の４気筒エンジンにて具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の構成を概略的に説明する。エンジン１１の吸気ポート１２に接続された吸気管１３の途中には、スロットルバルブ１４が設けられ、このスロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）ＴＡがスロットル開度センサ１５によって検出される。吸気管１３には、スロットルバルブ１４をバイパスするバイパス通路１６が設けられ、このバイパス通路１６の途中に、アイドルスピードコントロールバルブ（以下「ＩＳＣバルブ」と表記する）１７が設けられている。スロットルバルブ１４の下流側には、吸気管圧力ＰＭを検出する吸気管圧力センサ１８が設けられ、各気筒の吸気ポート１２の近傍には、燃料噴射弁１９が取りつけられている。
一方、エンジン１１の排気ポート２０に接続された排気管２１の途中には、排気ガス浄化用の触媒２２が設置されている。エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温ＴＨＷを検出する冷却水温センサ２３が設けられている。エンジン１１のクランク軸２４に取付けられたシグナルロータ２５の外周に対向してクランク角センサ２６が設置され、このクランク角センサ２６からシグナルロータ２５の回転に同期して所定クランク角毎（例えば１０℃Ａ毎）にクランク信号のパルスが出力される。このクランク角センサ２６のシグナルロータ２５には、１個〜数個分の歯（パルス）が欠けた連続欠け歯と単一欠け歯（図８参照）が設けられ、これら連続欠け歯と単一欠け歯とによってクランク角基準位置が検出されるようになっている。また、エンジン１１のカム軸２７に取付けられたシグナルロータ２８の外周に対向してカム角センサ２９が設置され、このカム角センサ２９からシグナルロータ２８の回転に同期して所定のカム角でカム信号のパルスが出力される。
これら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、各種センサで検出したエンジン運転状態に応じて、燃料噴射弁１９の燃料噴射量や噴射時期、点火プラグ３１の点火時期、ＩＳＣバルブ１７のバイパス空気量等を制御する。また、このＥＣＵ３０は、アイドル運転中に所定の自動停止条件が成立して、アイドルストップ信号がＯＮ（オン）になったときには、燃料噴射及び点火を停止してエンジン回転を停止させる自動停止手段として機能すると共に、このアイドルストップによるエンジン停止中に運転者のアクセル操作等の所定の自動始動条件が成立したときに、後述する１圧縮始動のための始動制御を開始し、クランキング開始後の最初の圧縮ＴＤＣで、圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させて再始動させる始動制御手段として機能する。
更に、このＥＣＵ３０は、後述する図９乃至図１１の各ルーチンを実行することで、クランク信号とカム信号に基づいて、クランク角判定、気筒判別、エンジン回転速度の演算と記憶、運動エネルギの演算と記憶、エンジンの運動を妨げる仕事量の演算と記憶、未来の運動エネルギ予測値の演算、未来の瞬時エンジン回転速度予測値の演算、エンジン停止位置（エンジン停止時の各気筒の行程状態）の予測とＩＳＣバルブ１７による停止位置制御を行なう。このエンジン停止位置の情報は、バックアップＲＡＭ３２（書き換え可能な不揮発性メモリ）又はＲＡＭに記憶され、次のエンジン始動時に、このエンジン停止位置の記憶情報を用いて、後述する１圧縮始動のための始動制御を実行する。
ここで、図２に示すエンジン停止過程のタイムチャートを用いてエンジン停止位置の推定方法を説明する。本実施例では、エンジンの運動を表すパラメータとして、各圧縮ＴＤＣにおける瞬間のエンジン回転速度（以下「瞬時回転速度」と表記する）を用いる。ＥＣＵ３０は、クランク信号のパルス間隔からクランク軸２４が例えば１０℃Ａ回転するのに要する時間を計測して、瞬時回転速度Ｎｅを算出する。
ここで、図２のｉ番目の圧縮ＴＤＣ（以下、単に「ＴＤＣ(i) 」と表記する）におけるエネルギの収支について考える。本実施例では、エンジンの運動を妨げる仕事として、ポンプ損失、各部の摩擦損失、各補機の駆動損失を考慮する。ＴＤＣ(i-1) の時点で、エンジンが持っている運動エネルギをＥ(i-1) とすると、次のＴＤＣ(i) に到達するまでに、この運動エネルギＥ(i-1) が前記各損失による仕事により奪われ、Ｅ(i) まで減少する。このエネルギ収支の関係は、次の（１）式のように表される。
Ｅ(i) ＝Ｅ(i-1) −Ｗ ……（１）
ここで、Ｗは、ＴＤＣ(i-1) からＴＤＣ(i) までの間に前記各損失により奪われた仕事量を全て加算したものである。
また、エンジンの運動を回転運動とみなして、次の（２）式のように表すことができる。
Ｅ＝Ｊ×２π2 ×Ｎｅ2 ……（２）
ここで、Ｅはエンジンのもつ運動エネルギ、Ｊはエンジン毎に決まる慣性モーメント、Ｎｅは瞬時回転速度である。
この（２）式を用いることで、前記（１）式のエネルギ収支の関係を次の（３）式で表される瞬時回転速度変化の関係に置き換えることができる。
Figure 2005299445
上記（３）式の右辺の第２項をエンジンの運動を妨げるパラメータＣstopとし、次の（４）式のように定義する。
Figure 2005299445
このエンジンの運動を妨げるパラメータＣstopは、上記（３）式と（４）式から導き出される次の（５）式を用いて算出する。
Ｃstop＝Ｎe(i-1)2 −Ｎe(i)2 ……（５）
また、エンジンの運動を妨げるパラメータＣstopは、上記（４）式で定義されるように、ＴＤＣ間の各損失による運動を妨げる仕事量Ｗと慣性モーメントＪにより決まる。エンジン停止過程のような低回転の運動条件では、図４に示すように、運動を妨げる仕事として考慮したポンプ損失、各部の摩擦損失、各補機の駆動損失はエンジン回転速度Ｎｅに依らずほぼ一定値となる。従って、エンジンの運動を妨げる仕事量Ｗは、エンジン停止過程のどのＴＤＣ間においてもほぼ一定値となる。加えて、慣性モーメントＪは各エンジンに固有の値であるため、エンジンの運動を妨げるパラメータＣstopはエンジンの停止過程の期間ではほぼ一定値となる。
従って、実測による現在の瞬時回転速度Ｎｅ(i) と、前記（５）式を用いて算出したＴＤＣ間に運動を妨げるパラメータＣstopとを用いて、次の（６ａ）式又は（６ｂ）式により、一つ未来のＴＤＣ(i+1) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+1) の予測値を算出することができる。
Figure 2005299445
ここで、Ｎe(i)2 ＜Ｃstopの場合は、現在エンジンが持っている運動エネルギＥ(i) よりも、ＴＤＣ間の運動を妨げる仕事量Ｗが大きくなる時であり、演算結果が虚数になるのを避けるため、Ｎe(i+1)＝０とする。
以上のようにして算出される一つ未来のＴＤＣ(i+1) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+1) の予測値を用いて、エンジン停止位置における各気筒の行程状態（停止時の圧縮行程気筒）を予測する場合は、一つ未来のＴＤＣ(i+1) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+1) の予測値を予め設定された停止判定値Ｎthと比較することで、エンジン回転が停止するかどうかを判断し、エンジン停止位置における各気筒の行程状態（停止時の圧縮行程気筒）を推定するという方法がある。
この推定方法では、一つ未来のＴＤＣにおける瞬時回転速度の予測値でエンジン回転が停止するか否かを判定するため、エンジン停止位置は、エンジン回転が停止する間際でなければ推定することができない。
そこで、後述する図１０のエンジン停止時気筒状態予測ルーチンでは、未来の瞬時回転速度の予測値と運動を妨げるパラメータを用いて、更に未来の瞬時回転速度を予測するという処理を、エンジン回転停止と判断されるまで繰り返すことで、エンジン回転が停止する間際でなくても、エンジン停止位置を推定できるようにしている。
以下、このエンジン停止位置の推定方法を図３のタイムチャートを用いて説明する。エンジン停止過程のあるＴＤＣ(i) において、前記推定方法と同様の方法で、エンジンの運動を妨げるパラメータＣstopと一つ未来のＴＤＣ(i+1) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+1) の予測値を算出する。
前述したように、エンジンの運動を妨げるパラメータＣstopは、エンジン停止過程の期間ではほぼ一定値となるため、算出したＣstopとＮｅ(i+1) を用いて、次の（７ａ）、（７ｂ）式により、現在より二つ未来のＴＤＣ(i+2) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+2) の予測値を算出する。
Figure 2005299445
このようにして、未来のＴＤＣにおける瞬時回転速度の予測値を算出する処理を、その瞬時回転速度の予測値が停止判定値を下回るまで繰り返し実行し、瞬時回転速度の予測値が停止判定値を下回ったＴＤＣの手前でエンジン回転が停止するものと推定する。
次に、エンジン回転停止制御の概要を図５のタイムチャートを用いて説明する。
図５に示すように、アイドル運転中にアイドルストップ信号がＯＮして、燃料噴射と点火の両方が停止された場合、その後も、暫く、エンジン１１は慣性エネルギーにより回転し続けるが、各損失（ポンプ損失，摩擦損失，補機駆動損失等）によりエンジン回転は低下してゆく。このエンジン停止過程において、停止時の各気筒の行程状態を予測し、圧縮行程で停止すると予測された気筒が、エンジン停止直前の吸気行程にある期間（好ましくは吸気行程開始時又はそれに近い時期）にＩＳＣバルブ１７を全開して吸入空気量を増加させることで、停止時の圧縮行程気筒の圧縮圧を増加させてエンジン回転を妨げる力を増加させて、エンジン回転を強制的に停止させる。これにより、エンジン停止位置が停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となるように制御する。この場合、「次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前」とは、圧縮行程気筒内の混合気の圧縮圧が低い位置（次の始動時に上死点までのピストン上昇量を確保できる位置）のことを意味する。
ここで、エンジン停止位置が停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となるように制御する理由を図６及び図７に基づいて説明する。一般に、圧縮行程で吸気バルブが閉じる時期はＢＴＤＣ１４０℃Ａ付近である。従って、圧縮行程初期のＢＴＤＣ１８０℃Ａ〜ＢＴＤＣ１４０℃Ａの期間は、吸気バルブが開いているため、この期間には、圧縮行程気筒内に混合気を閉じ込めておくことができない。よって、エンジン停止位置は、停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後とする必要がある。
尚、可変バルブ機構（可変バルブタイミング機構、可変バルブリフト機構等）を搭載したエンジンでは、可変バルブ制御によって吸気バルブの閉時期が変化するため、その吸気バルブの閉時期の変化に合わせてエンジン停止位置を制御するようにしても良く、或は、停止時の吸気バルブの閉時期の可変範囲のうちの最も遅い時期以後にエンジン停止位置を制御するようにしても良い。
また、停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後であっても、圧縮行程気筒内の混合気の圧縮圧が高くなった位置（ピストンがＴＤＣに近付いた位置）で停止すると、エンジン停止中に比較的短時間でピストンとシリンダ内壁との隙間から混合気が漏れて圧縮圧が低下したり、次の始動時にＴＤＣまでのピストンの上昇量が少なくなって、圧縮行程気筒内の混合気を十分に圧縮できなくなってしまい、その結果、初爆に失敗したり、初爆の燃焼圧が不足して、１圧縮始動に失敗してしまう。
図７は、初爆によるエンジン回転上昇量とエンジン停止位置との関係を測定したグラフである。この例では、エンジン停止位置がＢＴＤＣ１００℃Ａ以前では、初爆によるエンジン回転上昇量が十分に大きく、１圧縮始動が可能であるが、ＢＴＤＣ１００℃Ａを越えると、初爆によるエンジン回転上昇量が急激に低下して、１圧縮始動に失敗するという試験結果が得られている。従って、エンジン停止位置は、次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前（本実施例ではＢＴＤＣ１００℃以前）となるように制御する必要があり、それによって、圧縮行程気筒内の混合気の圧縮圧が低い位置（次の始動時に上死点までのピストン上昇量を確保できる位置）となるようにエンジン停止位置を制御することができる。尚、１圧縮始動のための点火を実行するためには、点火基準位置の検出をＢＴＤＣ９０℃以前に行う必要があるが、エンジン停止位置を次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前（本実施例ではＢＴＤＣ１００℃以前）となるように制御すれば、点火基準位置検出（ＢＴＤＣ９０℃以前）の条件も満たされる。
エンジン停止過程において、停止時の圧縮行程気筒を予測し終えた後は、停止時の圧縮行程気筒と予測された気筒に対して、停止直前の吸気行程の期間（好ましくは吸気行程開始時又はそれに近い時期）に次の始動時の初爆に必要な燃料を噴射すると共に、ＩＳＣバルブ１７を全開して吸入空気量を増加させることで、停止時の圧縮行程気筒の圧縮圧を増加させて、停止時の圧縮行程気筒内に混合気を閉じ込めた状態で停止させる。
次に、図８のタイムチャートを用いて１圧縮始動のための始動制御を説明する。この例では、点火順序は、＃１気筒→＃３気筒→＃４気筒→＃２気筒の順序であり、クランク信号の連続欠け歯と単一欠け歯とカム信号のパルスとの位置関係に基づいて気筒判別やＴＤＣの判定を行うようにしている。図８の例では、アイドルストップ時の圧縮行程気筒が＃３気筒であり、この＃３気筒内に混合気（燃料）が閉じ込められた状態で停止している。
このアイドルストップによるエンジン停止中に、運転者のアクセル操作等の所定の自動始動条件が成立したときに、スタータ信号がＯＮになってクランキングが開始され、アイドルストップ時の圧縮行程気筒＃３の例えばＢＴＤＣ５℃Ａ（クランク信号の連続欠け歯）を検出して気筒判別を完了し、圧縮ＴＤＣを検出した時点で、当該圧縮行程気筒＃３に点火して初爆を発生させ、１圧縮始動を行う。この際、クランキング開始時に、最初に点火する気筒＃３の次に点火する気筒＃４に対してスタータ非同期噴射により燃料を噴射することで、気筒＃３→気筒＃４の順序で点火して連爆させる。そして、気筒判別を完了した後は、各気筒の吸気行程に同期して燃料を噴射する同期噴射が実行される。
以上説明した１圧縮始動のためのエンジン停止時及び始動時の制御は、ＥＣＵ３０によって図９乃至図１１の各ルーチンに従って実行される。以下、これら各ルーチンの処理内容を説明する。
［エンジン停止制御ルーチン］
図９のエンジン停止制御ルーチンは、例えばＴＤＣ毎に繰り返し実行される。本ルーチンが起動されると、まずステップ１００で、アイドルストップ信号がＯＮであるか否かを判定し、アイドルストップ信号がＯＦＦであれば、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
一方、アイドルストップ信号がＯＮであれば、ステップ１０１に進み、燃料噴射及び点火を停止してエンジンを自動停止する。これらステップ１００〜１０１の処理が特許請求の範囲でいう自動停止手段としての役割を果たす。この後、ステップ１０２に進み、エンジン停止過程におけるＴＤＣの回数をカウントするＴＤＣカウンタＣtdc のカウント値が所定値ｋTDC （例えば１又は２）以上であるか否かを判定し、このＴＤＣカウンタＣtdc のカウント値が所定値ｋTDC 未満であれば、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。このようにする理由は、燃料噴射・点火を停止した直後は、まだエンジン回転速度Ｎｅが高く、エンジンの運動を妨げるパラメータＣstopを安定した状態で算出することが困難であり、エンジン停止位置を精度良く予測することが困難であるためである。
その後、ＴＤＣカウンタＣtdc のカウント値が所定値ｋTDC 以上になった時点で、ステップ１０３に進み、後述する気筒状態予測済みフラグＸＥＧがエンジン停止時の気筒状態を予測済みでないことを意味する“０”であるか否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定された場合（つまり気筒状態予測済みフラグＸＥＧ＝０の場合）には、ステップ１０４に進み、後述する図１０のエンジン停止時気筒状態予測ルーチンを実行して、エンジン停止時の気筒状態（吸気行程気筒ＣＥＧＳＴＩＮと圧縮行程気筒ＣＥＳＴＣＭＰ）を予測して、ステップ１０５に進む。上記ステップ１０３で、「Ｎｏ」と判定された場合（つまり気筒状態予測済みフラグＸＥＧ＝１の場合）には、エンジン停止時の気筒状態を予測済みであるため、ステップ１０４を飛び越してステップ１０５に進む。
このステップ１０５では、気筒状態予測済みフラグＸＥＧ＝１（エンジン停止時の気筒状態を予測済み）であるか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定されれば、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
これに対して、ステップ１０５で、気筒状態予測済みフラグＸＥＧ＝１と判定されれば、エンジン停止時の気筒状態を予測済みであると判断して、ステップ１０６に進み、停止時の圧縮行程気筒ＣＥＧＳＴＣＭＰと予測された気筒の現在の行程が停止直前の吸気行程であるか否かを判定し、停止直前の吸気行程でなければ、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了するが、停止直前の吸気行程であれば、ステップ１０７に進み、停止時の圧縮行程気筒ＣＥＧＳＴＣＭＰと予測された気筒に対して、停止直前の吸気行程の期間（好ましくは吸気行程開始時又はそれに近い時期）に次の始動時の初爆に必要な燃料を噴射し、次のステップ１０８で、ＩＳＣバルブ１７を全開して吸入空気量を増加させることで、停止時の圧縮行程気筒ＣＥＧＳＴＣＭＰの圧縮圧を増加させてエンジン回転を妨げる力を増加させて、エンジン回転を強制的に停止させる。この後、ステップ１０９に進み、１圧縮始動許可フラグＸ１ＣＭＰを、１圧縮始動を許可する“１”にセットして、本ルーチンを終了する。
尚、上記ステップ１０６〜１０７の処理が特許請求の範囲でいう停止時燃料噴射制御手段としての役割を果たし、ステップ１０８の処理が特許請求の範囲でいう停止位置制御手段としての役割を果たす。
［エンジン停止時気筒状態予測ルーチン］
図１０のエンジン停止時気筒状態予測ルーチンは、上記図９のエンジン停止制御ルーチンのステップ１０４で実行されるサブルーチンであり、特許請求の範囲でいう停止時圧縮行程気筒予測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２０１で、前回のＴＤＣ(i-1) での瞬時回転速度Ｎｅ(i-1) と現在のＴＤＣ(i) での瞬時回転速度Ｎｅ(i) を用いて前記（５）式によってエンジンの運動を妨げるパラメータＣstopを算出する。
この後、ステップ２０２に進み、瞬時回転速度の予測回数をカウントする予測回数カウンタｊに初期値「１」をセットする。この後、ステップ２０３、２０４、２０５で、ｊ行程後（最初はｊ＝１）の未来のＴＤＣ(i+j) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) の予測値を次のようにして算出する。まず、ステップ２０３で、Ｎe(i+j-1)2 ≧Ｃstopであるか否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定されれば、ステップ２０４に進み、前記（６ａ）式を用いてｊ行程後の未来のＴＤＣ(i+j) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) の予測値を算出する。
これに対して、Ｎe(i+j-1)2 ＜Ｃstopであれば、ステップ２０５に進み、ｊ行程後の未来のＴＤＣ(i+j) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) の予測値を０とする。
そして、次のステップ２０６で、このｊ行程後の未来の瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) の予測値が予め設定された停止判定値Ｎj を下回るか否かで、ｊ行程後の未来のＴＤＣ(i+j) を乗り越えられずにエンジン回転が停止するか否かを判定する。その結果、ｊ行程後の未来の瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) の予測値が停止判定値Ｎj を上回っている（エンジンがｊ行程後の未来のＴＤＣ(i+j) を乗り越えて回り続ける）と判定されれば、ステップ２０７に進み、予測回数カウンタｊを１だけ増加して、ステップ２０３〜２０５の処理に戻り、前述した処理を繰り返す。
以上のようにして、未来の瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) の予測値の算出を、それが停止判定値Ｎj を下回るようになるまで繰り返し、未来の瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) をＴＤＣ間隔で順次予測していく。
そして、未来の瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) の予測値が停止判定値Ｎj を下回った時点で、その瞬時回転速度Ｎｅ(i+j) のＴＤＣ(i+j) の手前でエンジン回転が停止すると判定して、テップ２０８に進み、停止すると判定されたｊ行程後の未来のＴＤＣ(i+j) からそれより一つ過去のＴＤＣ(i+j-1) までの間における各気筒の行程状態（吸気行程気筒ＣＥＧＳＴＩＮと圧縮行程気筒ＣＥＳＴＣＭＰ）をエンジン停止位置の情報としてバックアップＲＡＭ３２又はＲＡＭに記憶する。
例えば、３行程後の未来のＴＤＣ(i+3) における瞬時回転速度Ｎｅ(i+3) の予測値が停止判定値Ｎj を下回ったと判定されれば、２行程後の未来のＴＤＣ(i+2) から３行程後の未来のＴＤＣ(i+3) までの間にエンジン回転が停止すると判定して、ＴＤＣ(i+2) からＴＤＣ(i+3) までの間における各気筒の行程状態（吸気行程気筒ＣＥＧＳＴＩＮと圧縮行程気筒ＣＥＳＴＣＭＰ）をエンジン停止位置の情報としてバックアップＲＡＭ３２又はＲＡＭに記憶する。この後、ステップ２０９に進み、気筒状態予測済みフラグＸＥＧを“１”にセットして本ルーチンを終了する。
［１圧縮始動制御ルーチン］
図１１の１圧縮始動制御ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源ＯＮ期間中に所定時間毎（例えば８ｍｓ毎）に繰り返し起動され、特許請求の範囲でいう始動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３０１で、１圧縮始動許可フラグＸ１ＣＭＰが１圧縮始動許可を意味する“１”であるか否かを判定し、「Ｎｏ」と判定されれば、ステップ３０７に進み、通常の燃料噴射・点火を許可し、１圧縮始動を禁止する。
これに対して、１圧縮始動許可フラグＸ１ＣＭＰ＝１（１圧縮始動許可）の場合は、ステップ３０２に進み、スタータ信号がＯＮ（クランキング開始）か否かを判定し、スタータ信号がＯＦＦであれば、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了するが、スタータ信号がＯＮ（クランキング開始）と判定されれば、ステップ３０３に進み、バックアップＲＡＭ３２又はＲＡＭに記憶されているエンジン停止位置の情報からクランキング開始時の吸気行程気筒ＣＥＧＳＴＩＮを判別して、当該吸気行程気筒ＣＥＧＳＴＩＮに燃料を非同期噴射する。
この後、ステップ３０４に進み、クランキング開始後に最初の圧縮ＴＤＣを検出したか否かを判定し、まだ圧縮ＴＤＣを検出していなければ、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。そして、最初の圧縮ＴＤＣを検出した時点で、ステップ３０５に進み、バックアップＲＡＭ３２に記憶されているエンジン停止位置の情報からクランキング開始時の圧縮行程気筒ＣＥＳＴＣＭＰを判別して、当該圧縮行程気筒ＣＥＳＴＣＭＰの圧縮ＴＤＣにて点火を実行して、初爆を発生させて１圧縮始動を行う。この後、ステップ３０６に進み、１圧縮始動許可フラグＸ１ＣＭＰをリセットして本ルーチンを終了する。
以上説明した本実施例では、アイドルストップによるエンジン停止過程において停止時の圧縮行程気筒を予測し、停止時の圧縮行程気筒と予測された気筒に対して、停止直前の吸気行程で燃料を噴射して当該気筒内に混合気を吸入させて閉じ込めた状態で停止させ、その後の再始動時に、混合気が閉じ込められている圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させるようにしたので、クランキング開始から１行程以内という短期間で初爆を発生させることができて、始動を短時間で完了することができると共に、スタータ非同期噴射とは異なり、燃焼に寄与しない気筒に燃料を噴射しないため、始動時の排気エミッションを悪化させることもない。
しかも、本実施例のように、アイドルストップシステムに本発明を適用すれば、従来のアイドルストップシステムでは実現できなかった圧縮始動を実現でき、始動時間短縮の要求を満たすことができ、再始動時のもたつき感を運転者に感じさせずに済むと共に、スタータの駆動音による騒音を低減でき、静粛化の要求も満たすことができる。
しかしながら、本発明は、アイドルストップシステムに限定されず、運転者がイグニッションスイッチを操作してエンジン停止・始動を行う場合にも適用できる。
また、本実施例では、エンジン停止位置が停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となるように制御する停止位置制御を行うようにしたので、停止時の圧縮行程気筒内に混合気を確実に閉じ込めることができ、しかも、エンジン停止中の圧縮行程気筒内の混合気の漏れや圧縮圧の低下を少なくできると共に、次の始動時に圧縮行程気筒内の混合気を十分に圧縮できて、十分な燃焼圧の初爆を確実に発生させることができ、確実に１圧縮始動を実現することができる。
しかしながら、本発明は、停止位置制御を行わない構成としても良い。この場合は、エンジン停止位置の予測結果に基づいて、エンジン停止位置が停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となると予測される場合のみ、停止時の圧縮行程気筒に対して燃料を噴射して当該気筒内に混合気を閉じ込めて、１圧縮始動を行うようにしても良い。
また、停止位置制御を行う場合でも、ＩＳＣバルブ１７に代えて、他の吸入空気量制御手段（例えば電子スロットルバルブ、可変バルブ機構等）を用いて圧縮行程気筒の吸入空気量を増加させるようにしても良い。また、停止時の圧縮行程気筒の予測方法を適宜変更しても良い。
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することができ、また、図１に示すような吸気ポート噴射エンジンに限定されず、筒内噴射エンジンやリーンバーン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。
本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体を示す図である。 エンジン停止位置の予測方法を説明するタイムチャートである（その１）。 エンジン停止位置の予測方法を説明するタイムチャートである（その２）。 ガソリンエンジンのエンジン回転速度と各種の損失の大きさの関係を示す図である。 エンジン停止位置の予測と１圧縮始動の制御方法を説明するタイムチャートである。 エンジン停止位置の制御方法を説明する図である。 初爆によるエンジン回転上昇量とエンジン停止位置との関係を測定したグラフである。 １圧縮始動の制御例を示すタイムチャートである。 エンジン停止制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 エンジン停止時気筒状態予測ルーチンの処理流れを示すフローチャートである。 １圧縮始動制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
符号の説明
１１…エンジン、１３…吸気管、１４…スロットルバルブ、１６…バイパス通路、１７…ＩＳＣバルブ、１９…燃料噴射弁、２６…クランク角センサ、２９…カム角センサ、３０…ＥＣＵ（停止時圧縮行程気筒予測手段，停止時燃料噴射制御手段，始動制御手段，停止位置制御手段，自動停止手段）、３２…バックアップＲＡＭ（書き換え可能な不揮発性メモリ）

Claims (6)

  1. エンジン停止過程において停止時の圧縮行程気筒を予測する停止時圧縮行程気筒予測手段と、
    エンジン停止過程において前記停止時の圧縮行程気筒と予測された気筒に対して燃料を噴射して当該気筒内に混合気を閉じ込める停止時燃料噴射制御手段と、
    エンジンを始動する際に前記停止時の圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させて始動する始動制御手段と
    を備えていることを特徴とするエンジンの停止始動制御装置。
  2. エンジン停止位置が前記停止時の圧縮行程気筒の吸気バルブの閉時期以後で且つ次の始動時の初爆の燃焼圧を確保できる所定クランク角以前となるように制御する停止位置制御手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの停止始動制御装置。
  3. 前記停止時圧縮行程気筒予測手段は、エンジン停止過程においてエンジンの運動を表すパラメータとエンジンの運動を妨げるパラメータとを算出して、これら２つのパラメータに基づいて未来の運動を表すパラメータを予測し、この未来の運動を表すパラメータの予測値に基づいて前記停止時の圧縮行程気筒を予測することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの停止始動制御装置。
  4. 前記停止時圧縮行程気筒予測手段は、エンジン停止過程において前記未来の運動を表すパラメータとして未来の瞬時エンジン回転速度を予測し、この未来の瞬時エンジン回転速度が所定値以下になったときに、その時点の各気筒の行程状態でエンジン回転が停止すると予測することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの停止始動制御装置。
  5. 前記停止位置制御手段は、前記停止時圧縮行程気筒予測手段により圧縮行程で停止すると予測された気筒が、エンジン停止直前の吸気行程にある期間に吸入空気量を増加させて、停止時の圧縮行程気筒の圧縮圧を増加させることによりエンジン回転を停止させることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの停止始動制御装置。
  6. アイドル運転中に所定の自動停止条件が成立したときに燃料噴射及び点火を停止してエンジン回転を停止させる自動停止手段を備え、
    前記自動停止手段によるエンジン停止時に前記停止時圧縮行程気筒予測手段による停止時の圧縮行程気筒の予測と前記停止時燃料噴射制御手段による停止時の燃料噴射制御を実行し、
    前記始動制御手段は、前記自動停止手段によるエンジン停止中に所定の自動始動条件が成立したときに始動制御を開始し、前記停止時の圧縮行程気筒に点火して初爆を発生させて再始動することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のエンジンの停止始動制御装置。
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