JP2006183630A - 内燃機関及びその始動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】クランクキングなしでの始動を確実に行えるようにする。
【解決手段】点火に基づく燃焼によって回転を開始する燃焼始動を行う内燃機関において、機関停止中の筒内圧の経時変化を検出、又は機関停止からの経過時間に基づいて推定し、この検出又は推定した筒内圧の経時変化に基づいて燃料噴射量、点火遅延時期等の燃焼始動の制御パラメータを補正するようにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、内燃機関の始動性(特にクランキングなしでの始動性)を向上させる技術に関する。
内燃機関の始動に関する技術としては、例えば、特許文献1に記載の装置がある。この装置では、筒内直接噴射式内燃機関において、ピストンが上死点後であって排気行程前で停止している気筒を判別し、判別した気筒に燃料を噴射して点火することにより、セルモータやリコイルスタータなどの別途の始動手段(以下、単に「スタータ」という)を用いることなく機関の始動を行うようにしている。
特開平2−271073号公報
ところで、スタータなしで始動を行うためには、その点火時における燃焼室内混合比が適切な状態となっていることが必要であり(後述する図3参照)、そのためには、適切な量の燃料を噴射し、適切な時期に点火を行う必要がある。
しかし、上記従来の装置では、機関停止時のピストン停止位置(すなわち、燃焼室容積)や燃焼室内雰囲気に応じて変化する燃料の気化(霧化)安定時間等が全く考慮されていない。したがって、点火時の燃焼室内混合比が適切な状態になっていないおそれがあり、失火が生じて始動できないおそれがある。
本発明は、このような問題に着目してなされたもので、スタータを用いることなく(すなわち、クランクキングなしで)機関始動を行うことのある内燃機関において、失火を防止して確実な始動を行うことを目的とする。
このため、本発明は、点火に基づく燃焼によって回転を開始する燃焼始動を行う内燃機関において、機関停止中の筒内圧の経時変化に基づいて燃焼始動の制御パラメータ(例えば、点火遅延時間、始動時燃料噴射量)を補正することを特徴とする。
本発明によると、機関停止中の筒内圧の径時変化に基づいて、燃料噴射量、点火遅延時間等の燃焼始動の制御パラメータを補正するようにしたので、始動に際し、燃焼室内空気量(筒内空気量)に応じた適切な量の燃料を噴射することができ、この燃料噴射から筒内圧によって変化する燃料の気化(霧化)特性を考慮した時間分遅らせることで燃焼室内の混合気状態が適切な時期に点火を行うことができる。これにより、確実な着火を可能とし、クランキングなしでの始動性を向上できる。
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略図である。図1に示すように、この機関1の燃焼室2は、シリンダヘッド3と、シリンダブロック4と、このシリンダブロック4のシリンダ内に嵌合するピストン5により構成される。シリンダヘッド3には、燃焼室2へ開口する吸気ポート6及び排気ポート7が形成されている。これらのポート6、7を開閉する吸気弁8及び排気弁9は、図示しない吸気弁用カム及び排気弁用カムにより駆動される。なお、吸気弁8側には、図示しない公知の構成の可変バルブ機構が設けられており、該可変バルブ機構によって吸気弁8の開閉タイミングが制御されるようになっている。なお、排気弁9側に可変バルブ機構を設けるようにしてもよい。
また、シリンダヘッド3には、燃料を燃焼室2内へ直接的に噴射する燃料噴射弁10及び燃焼室2内の混合気を火花点火する点火プラグ11が、燃焼室2に臨ませた状態で配置されている。
吸気ポート6には吸気マニホールド12が接続されており、該吸気マニホールド12の上流側は吸気コレクタ13を介して吸気ダクト14が接続されている。吸気ダクト14には、吸気上流側から吸入空気中のゴミ等を除去するエアクリーナ15、吸入空気量を検出するエアフローメータ16、吸入空気量を制御するスロットル弁17が設けられている。また、吸気ダクト14のスロットル弁17の上流から該スロットル弁14をバイパスして吸気コレクタ13に接続するバイパス通路18が設けられており、このバイパス通路18には通過する空気量を制御するアイドル制御弁19が介装されている。
また、スロットル弁17の上流側の吸気ダクト14とシリンダブロック4内のクランクケースとを接続する第1ブローバイ通路20と、シリンダヘッド3のヘッドカバー内のロッカ室と吸気コレクタ13とを接続する第2ブローバイ通路21とが設けられている。このブローバイ通路20、21によって、機関1内で発生するブローバイガスは、吸気ダクト14から導入される吸気で換気され吸気コレクタ13へと導かれることになる。なお、第2ブローバイ通路21には、ブローバイガスの圧力を制御する圧力制御弁(PCV弁)22、ブローバイガス流量を制御するブローバイ制御弁23が設けられている。
さらに、機関1の下部には、クランク軸の回転を開始させるスタータモータ24が配置されている。
コントロールユニット(C/U)30には、上記エアフローメータ16の他に、スロットル開度TVOを検出するスロットル開度センサ31、クランク角センサ32、カム角センサ33、水温センサ34、車速センサ35、変速機のギヤ位置を検出するギヤ位置センサ36、ブレーキの作動(ON/OFF)を検出するブレーキセンサ37等の各種センサの検出信号が入力されている。
C/U30は、入力された検出信号に基づいて、可変バルブ機構、燃料噴射弁10、点火プラグ11、スロットル弁17、アイドル制御弁19、ブローバイ制御弁23、スタータモータ24等を制御する。
なお、C/U30は、クランク角センサ32の検出信号に基づいて機関回転速度Neを検出すると共に、クランク角センサ32及びカム角センサ33の検出信号に基づいて、特定の行程にある気筒を判別することが可能であり、さらに、ピストン5の停止位置を検出することも可能である。具体的には、次のようにしてピストン停止位置を検出する。
すなわち、クランクプーリの外周に30deg毎に凸部(又は凹部)を設けると共に(図示省略)、15degだけ位相をずらして2つのピストン位置センサ38を配置する(なお、図に示すように、一方のピストン位置センサとしてクランク角センサ32を用いてもよい)。このピストン位置センサ38は、前記凸部(又は凹部)が通過する際にON又はOFF信号を出力する。そして、2つのピストン位置センサ38のON又はOFF信号の立ち上がり、立下りをシーケンス管理してカウントアップすると共に、2つのピストン位置センサ38からON又はOFF信号の出力順序が逆転したときはカウントダウンし(図2参照)、このカウント値によりピストン5の停止位置を検出する。なお、これは一例であり、他の方法によってピストン5の停止位置を求めるようにしてもよい。
さらに、C/U30は、所定のアイドルストップ条件が成立した場合(例えば、変速機のギヤ位置がDレンジにあり、ブレーキがONで(作動して)車速がゼロであるとき)には、機関1を自動的に停止するアイドルストップを実行し、アイドルストップ中に所定のアイドルストップ解除条件が成立した場合(例えば、アイドルストップ条件成立後にブレーキがOFFされたときやドライバーによる発進操作があったとき)には、アイドルストップを解除して自動的に機関1の再始動を行う、アイドルストップ制御を実行する。
本実施形態に係る機関1は、膨張行程にある気筒に燃料を噴射して、点火することによって、スタータを用いることなく(すなわち、クランクキングなしで)機関の再始動を行うようにしている。ここで、図3に示すように、始動を可能とするトルク(燃焼圧力)を得るためには、点火時における燃焼室2内の混合比(空燃比)が適切な所定範囲内にあることが必要となる。したがって、クランキングなしでの始動をより確実に行うには、(1)燃焼室内の空気量を正確に求めて適切な量の燃料を噴射すること、(2)噴射した燃料の気化(霧化)特性を考慮して燃焼室内空燃比が最適な状態において点火すること、が必要となる。そこで、本実施形態では、機関停止中における燃焼室内圧力(筒内圧)の漏洩分をも考慮して始動時の燃料噴射量及び点火時期を設定するようにしている。
図4、5は、C/U30によって実行されるアイドルストップ制御(機関停止及び再始動)の内容を示すフローチャートであり、所定時間毎に実行される。
S1では、アイドルストップ条件が成立しているか否かを判定する。アイドルストップ条件が成立していればS2に進み、成立していなければ本フローを終了する。なお、上述したように、本実施形態におけるアイドルストップ条件の成立は、(1)ギヤ位置がDレンジであること、(2)車速がゼロ(ほぼゼロ)であること及び(3)ブレーキが作動していること(ONであること)であるが、これに限定するものではない。
S2では、機関停止指令を出力する。これにより、各気筒に対する燃料供給が停止されて機関が停止することになる。
S3では、機関の停止を確認し、確認後S4に進む。
S4では、膨張行程にある気筒及びそのピストン停止位置(クランク停止角度)を検出する。
S5では、停止タイマのカウントアップを開始する。この停止タイマのカウントTC1値は、機関停止からの経過時間に相当する。
S6では、アイドルストップ解除条件(換言すれば、再始動条件)が成立しているか否かを判定する。アイドルストップ解除条件が成立していればS8に進み、成立していなければ機関停止状態をそのまま維持する。なお、上述したように、本実施形態におけるアイドルストップ解除条件の成立は、(1)ブレーキがOFFされたこと、又は(2)ドライバーによる発進操作があったこと(アクセル操作が行われたこと)であるが、これに限定するものではない。
S7では、停止タイマのカウント値TC1が所定値Tst以下であるか否かを判定し、TC1≦Tstである場合、すなわち、機関停止からの経過時間が所定時間以内である場合はS8に進み、TC1>Tstである場合、すなわち、機関停止からの経過時間が所定時間を超えている場合は筒内圧が所定値を下回ったものとしてS19に進む。なお、上記所定値Tstは一定値としてもよいし、例えばアイドルストップ条件成立前の機関運転状態に応じて可変設定するようにしてもよい。
S8では、S4で検出したピストン停止位置に基づいて、図6に示すようなテーブルを検索して膨張行程にある気筒に対する基本燃料噴射量f0及び燃料噴射から点火までの時間の基本値(基本点火遅延時間)t0を設定する。ピストン停止位置から燃焼室容積を求めることができ、この燃焼室容積から燃焼室内の空気量Qを推定できる。従って、ピストン停止位置を検出することにより、(基準状態において)所定の目標混合比(始動時目標空燃比:図3参照)とするための燃料噴射量及び点火遅延時期とを設定できる。図6に示すテーブルは、このような観点から作成されたものである。
S9では、停止タイマのカウント値TC1(すなわち、機関停止からの経過時間)に基づいて、図7に示すようなテーブルを検索して前記基本燃料噴射量f0を補正するための第1補正係数Kf1を算出する。機関停止後はピストンリング等からの圧抜けによって燃焼室内圧力が低下して空気密度(したがって、空気量)も減少することから、その分を燃料噴射量に反映させる必要がある。図7に示すテーブルは、このような観点から作成されたものである。つまり、この第1補正係数Kf1は、機関停止からの経過時間によって機関停止中の筒内圧の経時変化(及びこれに伴う空気量の変化)を推定し、この変化に基づいて基本燃料噴射量f0を補正するものであり、これにより、燃料噴射量は、機関停止からの経過時間(すなわち、筒内圧の経時変化)が大きいほど、少なくなるように補正(減少補正)されることになる。なお、燃圧センサを設けて、第1補正係数Kf1の設定に際して、そのときの燃圧を考慮するようにしてもよい。
S10では、水温センサ34により水温(機関温度に相当する)を検出し、検出した水温に基づいて、図8に示すようなテーブルを検索して前記基本燃料噴射量f0を補正するための第2補正係数Kf2を算出する。機関温度が低温のときには、噴射した燃料が速やかに気化せずに壁面等に付着してしまうおそれがあり、気化する燃料の割合が高温の場合に比べて低くなる。従って、前記始動時目標空燃比とするためには、機関温度が低いほど燃料噴射量を多くする必要がある。図8に示すテーブルは、このような観点から作成されている。この第2補正係数Kf2によって、燃料噴射量は機関温度が高くなるほど、少なくなるように補正(減少補正)されることになる。
S11では、基本燃料噴射量f0に第1補正係数Kf1及び第2補正係数Kf2を乗算して始動時燃料噴射量F(=f0×Kf1×Kf2)を設定する。
S12では、停止タイマのカウント値TC1(機関停止からの経過時間)に基づいて、図9に示すようなテーブルを検索して前記基本点火遅延時間t0を補正するための第1補正係数Kt1を算出する。上述したように、機関停止後はピストンリング等からの圧抜けによって筒内圧が低下するため、この筒内圧に相違によって、噴射した燃料の気化(霧化)特性も変化して気化安定時間等が異なる(一般に、筒内圧が高いほど気化安定時間が長い)。従って、最適な時期に点火を行うためには、気化特性(気化安定時間)を考慮して点火遅延時間を設定する必要がある。図9に示すテーブルは、このような観点から作成されたものである。つまり、この第1補正係数Kt1は、機関停止からの経過時間によって機関停止中の筒内圧の経時変化を推定し、この変化に基づいて基本点火遅延時間t0を補正するものであり、これにより、点火遅延時間は、機関停止からの経過時間が大きいほど(すなわち、筒内圧が小さくなるほど)、少なくなるように補正(減少補正)されることになる。なお、燃圧センサを設け、第1補正係数Kt1の設定に際して、そのときの燃圧を考慮するようにしてもよい。
S13では、水温(すなわち、機関温度)に基づいて、図10に示すようなテーブルを検索して前記基本点火遅延時間t0を補正するための第2補正係数Kt2を算出する。噴射した燃料の気化特性は、燃焼室内の温度によっても変動することから、この変動分を考慮して最適な時期に点火を行うためである。図10に示すテーブルは、このような観点から作成されたものであり、この第2補正係数Kt2によって、点火遅延時間は機関温度が高いほど、少なくなるように補正(減少補正)されることになる。
S14では、基本点火遅延時間t0に第1補正係数Kt1及び第2補正係数Kt2を乗算して点火遅延時間Twait(=t0×Kt1×Kt2)を設定する。
S15では、前記膨張行程にある気筒の燃料噴射弁10に燃料噴射指令を出力し、設定した燃料噴射量Fを噴射する。また、噴射タイマのカウントアップを開始する。この噴射タイマのカウント値TC2は、燃料噴射(終了)からの経過時間に相当する。
S16では、燃料噴射からの経過時間が前記点火遅延時間Twaitとなったか(すなわち、TC2≧Twaitとなったか)否かを判定する。TC2≧Twaitとなって燃料噴射から点火遅延時間Twaitが経過すると、S17に進み、前記膨張行程にある気筒の点火プラグ11に点火指令を出力し、点火を行う。
S18では、停止タイマ及び噴射タイマのカウント値をクリアする。
S19では、スタータモータ24を駆動してクランク軸を回転させる(クランキングを行う)と共に、所定の量の燃料を噴射し、点火することにより燃焼始動を行う。
この実施形態によると、アイドルストップ後の再始動時に、機関停止後の経過時間に基づいて、機関停止中の筒内圧の経時変化を推定し、この推定した筒内圧の経時変化に基づいて、燃料噴射量、点火時期(点火遅延時間)という燃焼始動の制御パラメータを補正するので、再始動における点火時の燃焼室内混合比を最適な状態とすることができる。これにより、確実な着火が可能となり、クランクキングなしでの始動性を向上できる。
また、機関停止からの経過時間が所定時間を超えて筒内圧が所定値を下回ったと判断した場合には、スタータモータ等の補助手段によって始動を行う(燃焼始動を補助する)ので、筒内圧の低下によって、燃料を供給して燃焼させたとしても始動に必要なトルクを得られないような場合であっても確実な始動を実現できる。
次に、本発明に係る別の実施形態(第2実施形態)を説明する。この第2実施形態は、筒内圧センサ(図示省略)を設け、該筒内圧センサにより検出した筒内圧に基づいて燃料噴射量、点火遅延時間を補正するようにした点、及び燃焼始動に適する位置にピストン5の停止位置を修正するようにした点が、上記第1実施形態と相違している。
図11、12は、第2実施形態に係るアイドルストップ制御(機関停止及び再始動)の内容を示すフローチャートであり、所定時間毎に実行される。
S21〜S24は、図4のS1〜4と同じである。S25では、図4のS6と同様、アイドルストップ解除条件(換言すれば、再始動条件)が成立しているか否かを判定する。アイドルストップ解除条件が成立していればS26に進み、成立していなければ機関停止状態をそのまま維持する。
S26では、筒内圧センサ39により筒内圧(燃焼室内圧力)Pcを検出する。
S27では、検出した筒内圧Pcが所定値Ps以上(Pc≧Ps)であるか否かを判定する。Pc≧PsであればS28に進む。一方、Pc<PsであればS39、S40を経た後にS28に進む。
S39では、S24で検出したピストン停止位置が所定位置(所定範囲内)にあるか否かを判定する。なお、この所定位置(範囲)は、燃料噴射及び点火によって始動に十分なトルク(燃焼圧力)を得ることができるような位置として設定されるものであり、例えば6気筒機関においてはATDC60deg程度(4気筒機関においてはATDC90deg程度)を想定している。ピストン停止位置が所定位置にあればS41に進み、所定位置になければS40に進む。
S40では、ピストン停止位置を前記所定位置に修正する。この修正は、例えばスタータモータ24を用いて行うことができるが、これに限るものではなく、他の方法によるものであってもよい。そして、ピストン停止位置を修正した後にS28に進む。
S28〜S38までは図4、5におけるS8〜S18と同様である。
この実施形態においても、上記第1実施形態と同様、アイドルストップ後の再始動時に、機関停止後の経過時間に基づいて、機関停止中の筒内圧の経時変化を推定し、この推定した筒内圧の経時変化に基づいて、燃料噴射量、点火時期(点火遅延時間)という燃焼始動の制御パラメータを補正するので、再始動における点火時の燃焼室内混合比を最適な状態とすることができる。これにより、確実な着火が可能となり、クランクキングなしでの始動性を向上できる
特に、筒内圧が所定値を下回った場合には、ピストン停止位置(すなわち、燃焼室容積)を適切な位置に修正すると共に、検出した筒内圧に基づいて、燃料噴射量、点火時期(点火遅延時間)という燃焼始動の制御パラメータを補正するようにしたので、始動に必要なトルクを確保し、クランキングなしでの始動をより確実に行うことができる。
なお、上記第1、第2実施形態では、筒内直接噴射式内燃機関を対象とし、燃料噴射量及び点火遅延時期の双方を補正するようにしているが、これに限るものではなく、例えば、通常の内燃機関において燃料を筒内に残留させておく構成としたり、燃料噴射量と点火遅延時期のいずれか一方のみを補正するようにしたりしてもよい。
また、基本燃料噴射量f0を設定し、この基本燃料噴射量f0を補正するようにしているが、燃焼室内の空気量Qを補正して補正後の空気量に対して始動時目標空燃比となるような燃料噴射量を設定するようにしてもよい(この場合であっても、結果的に燃料噴射量が補正されることになる)。
また、上記第1、第2実施形態では、アイドルストップ制御における再始動を対象としているが、通常の始動に適用するようにしてもよい。この場合、例えば上記フローチャートを次のように修正することで対応可能である。すなわち、簡単に説明すると、まず、S1(又はS21)においてイグニッションスイッチがOFFされたか否かを判定し、OFFされていればS2(又はS22)に進む。次に、S6(又はS25)においてイグニッションスイッチがONされたか否かを判定し、ONされていればS7(又はS26)に進むようにする。このようにすれば、通常の始動においてもクランキングなしでの始動を確実に行うことができる。
さらに、上記第1、第2実施形態における制御を部分的に交換したり、追加したりすることも可能である。例えば、第1実施形態のS5及びS7(機関停止からの経過時間による判定)と第2実施形態のS26(検出した筒内圧による判定)とを交換してもよいし、第1実施形態におけるS19(スタータ始動)の前に第2実施形態におけるS39及びS40(ピストン停止位置の修正)を追加するようにしてもよい(これにより、筒内圧が低い状態にあっても、早期かつ確実な始動を実現できる)。
本発明に一実施形態に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成図である。 ピストン位置センサからの出力信号例を示す図である。 クランキングなしでの始動を可能とする燃焼室内空燃比(混合比)の範囲を示す図である。 一実施形態に係るアイドルストップ制御(機関停止及び再始動)の内容を示すフローチャート(1)である。 一実施形態に係るアイドルストップ制御(機関停止及び再始動)の内容を示すフローチャート(2)である。 基本燃料噴射量、基本点火遅延時間設定テーブルの一例を示す図である。 燃料噴射量用の第1補正係数Kf1設定テーブルの一例を示す図である。 燃料噴射量用の第2補正係数Kf2設定テーブルの一例を示す図である。 点火遅延時間用の第1補正係数Kt1設定テーブルの一例を示す図である。 点火遅延時間用の第2補正係数Kt2設定テーブルの一例を示す図である。 別の実施形態に係るアイドルストップ制御(機関停止及び再始動)の内容を示すフローチャート(1)である。 別の実施形態に係るアイドルストップ制御(機関停止及び再始動)の内容を示すフローチャート(2)である。
符号の説明
1…機関、2…燃焼室、10…燃料噴射弁、11…点火プラグ、24…スタータモータ、30…コントロールユニット(C/U)、31…スロットルセンサ、32…クランク角センサ、33…カム角センサ、34…水温センサ、35…車速センサ、36…ギヤ位置センサ、37…ブレーキセンサ、38…ピストン位置センサ、39…筒内圧センサ

Claims (15)

  1. 点火に基づく燃焼によって回転を開始する燃焼始動を行う内燃機関において、機関停止中の筒内圧の経時変化に基づいて燃焼始動の制御パラメータを補正することを特徴とする内燃機関。
  2. 機関停止からの経過時間に基づいて前記筒内圧の経時変化を推定することを特徴とする請求項1記載の内燃機関。
  3. 前記制御パラメータは、燃料噴射からの点火遅延時間であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の内燃機関。
  4. 前記筒内圧の経時変化又は前記機関停止からの経過時間が大きいほど、前記点火遅延時間を減少補正することを特徴とする請求項3記載の内燃機関。
  5. 機関温度に基づいて前記点火遅延時間をさらに補正することを特徴とする請求項3又は請求項4記載の内燃機関。
  6. 機関温度が高いほど、前記点火遅延時間を減少補正することを特徴とする請求項5記載の内燃機関。
  7. 前記点火遅延時間は、機関停止時に膨張行程にある気筒のピストン停止位置に基づいて設定されることを特徴とする請求項3〜6のいずれか1つに記載の内燃機関。
  8. 前記制御パラメータは、燃料噴射量であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の内燃機関。
  9. 前記筒内圧の経時変化又は前記機関停止からの経過時間が大きいほど、前記燃料噴射量を減少補正することを特徴とする請求項8記載の内燃機関。
  10. 機関温度に基づいて前記燃料噴射量をさらに補正することを特徴とする請求項8又は請求項9記載の内燃機関。
  11. 機関温度が高いほど、前記燃料噴射量を減少補正することを特徴とする請求項10記載の内燃機関。
  12. 前記燃料噴射量は、機関停止時に膨張行程にある気筒のピストン停止位置に基づいて設定されることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1つに記載の内燃機関。
  13. 前記筒内圧が所定値を下回ったとき又は前記機関停止からの経過時間が所定値を上回ったときに、前記燃焼始動を補助する補助手段を備えることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1つに記載の内燃機関。
  14. 前記補助手段には、機関をクランキングするスタータモータ及び前記ピストンの停止位置を修正する修正手段の少なくとも一方が含まれることを特徴とする請求項13記載の内燃機関。
  15. 点火に基づく燃焼によって回転を開始する燃焼始動を行う内燃機関の始動方法であって、機関停止中の筒内圧の経時変化を検出又は推定し、該機関停止中の筒内圧の経時変化に基づいて、燃料噴射量及び点火遅延時間の少なくとも一方を補正することを特徴とする内燃機関の始動方法。
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