JP2006242082A - 内燃機関の停止制御方法および停止制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関を停止する際、内燃機関の振動を抑制するとともに、内燃機関における始動性能向上のための、ピストン位置に基づくクランク停止位置の安定化を図る。
【解決手段】 往復するピストン３と、燃焼室５への吸入空気量を変更する空気量変更手段としてスロットル１３とを備え、吸入空気量を変更してピストンの停止位置を制御する内燃機関１の停止制御方法は、内燃機関１の燃焼終了制御手段３３による停止操作のあと、回転負荷推定手段３４により内燃機関の回転負荷等の状態を推定し、この状態に応じて空気量変更手段３５により吸入空気量を変更する。空気量変更手段３５は、吸入空気量を所定量まで減らし、次いで内燃機関の回転数が所定回転数に到達したとき、吸入空気量を所定量に増やすように変更することが好ましい。
【選択図】 図２

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関し、特に、始動性能の向上のため、内燃機関を停止する際のピストンの停止位置に基づくクランク位置を制御する内燃機関の停止制御方法および停止制御装置に関する。

近年、内燃機関の燃料消費量及び排気の低減を目的として、アイドルストップを実施する車両が増加傾向にあり、車両停止中に内燃機関がアイドル状態のとき内燃機関を自動的に停止させ、発進時には自動的に内燃機関を再始動させる技術が各種提案されている。

この場合、内燃機関の再始動に時間がかかると、ドライバの発進意思に対し車両の発進動作が遅れ、ドライバビリティが悪化してしまうため、素早く円滑に内燃機関を再始動させることが重要となる。また、スタータモータ等を用いクランキングし再始動を行うアイドルストップシステムでは、クランキングの際に電力を大量に必要とし、再始動時に電気負荷が一時的に動作しないような状況が発生したり、バッテリへの負担が大きく劣化を早めたりする。

そこで、例えば特許文献１（特開２００２−４９２９号公報）に記載の筒内噴射型内燃機関の始動装置では、停止中の内燃機関の膨張行程気筒に燃料噴射後に点火を行い、燃焼による回転トルクを発生することで、スタータモータを使用しない再始動方法が提案されている。この再始動方法は、始動初期の燃焼によって発生可能な回転トルクが小さく、また、燃焼を開始するクランク位置によって燃焼により発生する回転トルクが大きく変化し、始動性能に大きく影響する。つまり内燃機関を停止したときのピストンの停止位置が重要となる。

しかし、内燃機関への燃料供給および点火の停止によって内燃機関を停止する方法では、クランク軸回りの回転負荷が停止に与える影響が大きいため、内燃機関の回転停止時におけるピストンの停止位置は不定になる。そこで、例えば特許文献２（特開２０００−２１３３７５号公報）に記載の内燃機関における停止制御方法及び装置では、内燃機関の回転停止前に吸気絞り弁を開くことで、ピストンが上死点付近で停止するのを回避し、更に、吸気弁を開くことによって発生する内燃機関の振動を抑制するために内燃機関の作動停止の際に吸気絞り弁を全閉にしている。

特開２００２−４９２９号公報 特開２０００−２１３３７５号公報

しかし、前記した特許文献１，２に記載の技術は、内燃機関のピストンが上死点付近に停止することを回避することを主眼とした方法であるため、内燃機関のピストンを所定の位置に停止させることに関しては、十分に考慮されていない。

内燃機関のピストン停止位置は、内燃機関のクランク軸周りに働く回転負荷と、内燃機関の圧縮行程気筒と膨張行程気筒の圧縮圧力と膨張圧力によって発生するトルクのバランスから決定される。よって、内燃機関の圧縮行程気筒と膨張行程気筒の圧縮圧力と膨張圧力によって発生するトルク以外の回転負荷が大きい場合と小さい場合とでは、ピストンを所定の位置へ安定的に停止させるために必要な圧縮行程気筒の圧縮圧力と膨張行程気筒の膨張圧力は異なる。

一方、この圧縮行程気筒の圧縮圧力と膨張行程気筒の膨張圧力は内燃機関の振動を発生させる要因となる。以上のことから、内燃機関のピストンの停止位置を安定して制御し、かつ停止制御中の振動を抑制するためには、内燃機関の回転負荷に応じた最適な（最小限の）圧縮圧力と膨張圧力に制御することが必要である。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、内燃機関の停止過程に発生する内燃機関の振動抑制と、内燃機関に働く回転負荷の変化や機差ばらつきに対して影響されずに、安定して所望の停止位置へピストンを停止させる制御方法および制御装置を提供することにある。

特に、内燃機関の停止過程に発生する内燃機関の振動抑制と、内燃機関に働く回転負荷の変化や機差ばらつきに対して影響されずに、安定して所望の停止位置へピストンを停止させ、その後の始動の際に、停止している内燃機関の膨張行程の気筒内へ燃料噴射と点火にて発生する燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる際に、燃焼エネルギを最大限有効利用できるようにすることができる内燃機関の停止制御装置及び方法を提供することにある。

本発明者らは、アイドルストップ装置を装着した車両等において、振動が少ない状態で内燃機関のピストンの位置を所望の位置に停止でき、内燃機関を始動させるときに円滑に始動できるかについて鋭意研究を重ねた結果、以下の特徴を有する本発明を完成させるに至った。

前記目的を達成するべく本発明に係る内燃機関の停止制御方法は、往復するピストンと、燃焼室への吸入空気量を変更する空気量変更手段とを備え、燃焼室への吸入空気量を変更して前記ピストンの停止位置を制御する方法であって、内燃機関の停止操作のあと、内燃機関の状態を推定し、この状態に応じて吸入空気量を変更することを特徴とするものである。すなわち、ピストンの停止位置を制御して、内燃機関のクランク停止位置を制御している。推定する内燃機関の状態とは、例えば慣性モーメントによる回転負荷や付属する機器等の回転負荷がある。

前記のごとく構成された本発明の内燃機関の停止制御方法は、内燃機関を停止させるときに、内燃機関の状態、例えば内燃機関に働く回転負荷等を推定し、この回転負荷に応じて空気量変更手段によって燃焼室への吸入空気量を変更するため、内燃機関の状態に応じて最適な時期に最適な吸入空気量の変更を行う制御が可能となり、内燃機関の停止過程における振動を最低限に抑制することと、安定した停止位置制御の両立を実現することができる。この結果、内燃機関を再始動する際に、少ないエネルギーで、短時間に始動できるためスタータモータを小型化でき、排気ガスも低減できる。

前記の内燃機関の停止制御方法において、空気量変更手段は吸入空気量を変更すると共に、吸入空気量を変更する時期を変更するものであり、推定された前記内燃機関の状態に基づいて前記吸入空気量と吸入空気量を変更する時期の少なくとも一方を変更することが好ましい。特に、空気量変更手段は、吸入空気量を所定量まで減らし、次いで内燃機関の回転数が所定回転数に到達したとき、吸入空気量を所定量に増やすように変更することが好ましい。

このように構成された本発明の内燃機関の停止制御方法によれば、内燃機関の停止過程において、先ず吸入空気量を減らして最小限の圧縮圧力と膨張圧力に制御することで内燃機関の振動を抑制し、次いで内燃機関の回転数が所定の回転数に到達したとき、吸入空気量を増やしてピストンを所望の位置に停止させることができるため、再始動を少ないエネルギーで、短時間に行うことができる。

また、本発明に係る内燃機関の停止制御方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記内燃機関の状態は、該内燃機関の慣性モーメントによる回転負荷、および内燃機関に接続された回転負荷であることを特徴としている。前記の回転負荷は、前記内燃機関の回転数降下速度より推定されることが好ましい。この構成によれば、内燃機関の慣性負荷等の回転負荷を推定し、この回転負荷に応じて吸入空気量を変更するため、所望のピストンの位置、すなわち、この位置に基づく所望のクランク位置で内燃機関を停止できるため、停止時に振動を少なくできると共に、再始動しやすい位置に内燃機関を停止させることができる。

さらに、本発明に係る内燃機関の停止制御方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記空気量変更手段は、推定された内燃機関の状態に基づいて、停止操作開始からの経過時間、あるいは前記内燃機関の回転数、もしくは前記内燃機関の移動回転角度によって前記吸入空気量を変更する時期を変更することを特徴としている。この構成によれば、内燃機関の停止過程の状態を推定して吸入空気量の変更時期を変更するため、内燃機関の状態に合わせて所望のピストン位置に停止させることができる。

前記空気量変更手段は、推定された回転負荷が大きい場合は、前記吸入空気量の増加量を大きくし、推定された回転負荷が小さい場合は、前記吸入空気量の増加量を小さくすることが好ましい。具体的には、例えば回転負荷が大きいときにはスロットルを大きく開き、回転負荷が小さいときにはスロットルを小さく開く。この構成によれば、回転負荷の大小に合わせて吸入空気量の増加量を増減できるため、回転負荷に合わせて停止時の振動を低減することができる。

また、吸入空気量を変更する工程の後工程として、前記内燃機関の回転負荷を低減させることが好ましい。さらに、前記吸入空気量を変更する工程の後工程として、前記内燃機関の停止直前に、この内燃機関の回転負荷を増加させることが好ましい。前記回転負荷の増加または低減は、オルタネータ、パワーステアリング用ポンプ、エアコン用コンプレッサ、ウォーターポンプ、燃料ポンプ、変速機用オイルポンプの少なくとも１つを接続あるいは遮断させて行う。回転負荷を低減させると、停止時の内燃機関の振動を低減でき、停止直前に回転負荷を増加させると停止直前のクランク軸回転のゆり戻しを低減できる。

本発明に係る内燃機関の停止制御装置は、往復するピストンと、燃焼室への吸入空気量を変更する空気量変更手段とを備え、燃焼室への吸入空気量を変更してピストンの停止位置を制御する内燃機関の停止制御装置であって、この制御装置は、前記内燃機関の状態を推定する状態推定手段をさらに備え、前記空気量変更手段は、前記状態に応じ、前記吸入空気量の変更、および／または吸入空気量の変更時期を変更することを特徴としている。このように構成された内燃機関の停止制御装置は、状態推定手段により内燃機関の状態を推定し、この状態に基づいて吸入空気量を変更するため、ピストンをストロークの途中の所望の位置に、低振動で停止でき、再始動が容易に行え、アイドルストップを備えた内燃機関に最適である。

前記空気量変更手段は、前記内燃機関の吸気配管に設けられているスロットル、もしくは、前記内燃機関の燃焼室に設けられた吸気弁または排気弁の少なくとも１つであることが好ましい。そして、空気量変更手段は燃焼室への吸入空気量を変更すると共に、吸入空気量を変更する時期を変更することが好ましい。スロットル、吸気弁、排気弁の少なくとも１つを用いて燃焼室への吸入空気量を変更すると共に吸入空気量を変更する時期を変更して、ピストンを所望の位置に停止させることができる。

また、前記状態推定手段は、前記内燃機関に作用する回転負荷を推定することを特徴としている。すなわち、内燃機関の回転時の慣性負荷と、内燃機関に接続された補器類等の回転負荷とを合わせて回転負荷を推定することが好ましい。この構成によれば、回転負荷に合わせて内燃機関を所望の位置に停止させることができ、低エネルギーで再始動することができる。

本発明の内燃機関の停止制御方法および停止制御装置によれば、内燃機関を停止する際、停止過程で発生する内燃機関の振動を抑制するとともに、内燃機関に働く回転負荷の変化や機差による内燃機関の停止運動の変化に影響されずに、安定して所望の停止位置へピストンを停止させることができ、内燃機関の始動性を向上させることができる。そして、再始動の際の排気ガスを低減できる。また、ピストンの停止位置が安定しているため、通常始動の際の気筒判別に比べ早期に判別完了でき、燃料噴射弁の制御等が容易に行える。

以下、本発明に係る内燃機関の停止制御方法および停止制御装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る内燃機関の停止制御装置を適用した内燃機関の要部構成図、図２は、図１のコントロールユニットのブロック図を示す内燃機関の要部構成図である。

図１，２は本発明に係る停止制御装置の一実施形態を適用した内燃機関を示している。図１，２において、内燃機関１は、例えば自動車に搭載される４サイクルエンジンとして構成されており、複数のシリンダ（気筒）２を含んでいる。なお、図１では単一のシリンダ２のみを示すが、他のシリンダ２に関しても同じ構成である。内燃機関１のシリンダ２の数は３、４、６、８などがあり、それぞれ、３気筒、４気筒、６気筒、８気筒と呼ばれる。

内燃機関１は、燃料噴射弁４からシリンダ２内の燃焼室５に燃料を直接噴射し、その噴射された燃料と燃焼室内の空気とによる混合気を点火プラグ６によって点火（着火）する筒内噴射内燃機関として構成されている。ここで、燃料噴射弁４を吸気通路７に取付け、あらかじめ燃料と空気を混合してから燃焼室５へ吸入する内燃機関を用いてもよい。また、燃料噴射弁４から噴射される燃料にはガソリンが好適に用いられるが、他の燃料でもよい。

さらに、内燃機関１には、燃焼室５と吸気通路７及び排気通路８との間をそれぞれ開閉する吸気バルブ９及び排気バルブ１０が設けられるとともに、各バルブ９，１０を駆動するカム１１，１２、吸気通路７からの吸気量（吸入空気量）を調整するスロットル１３、ピストン３の往復運動をクランク軸１４に回転運動として伝達するコンロッド１５及びクランクアーム１６が設けられる。吸気バルブ９、排気バルブ１０の開・閉タイミングやリフト量は、バルブタイミング・リフト制御装置２０にて自在に変更することができる。スロットル１３、吸気バルブ９、排気バルブ１０の少なくとも１つが、燃焼室５に吸入される吸入空気量を制御する空気量変更手段を構成する。

内燃機関１は、歯車機構１８を介してクランク軸１４を回転可能なスタータモータ１７を備える。なお、このスタータモータ１７は、供給する電流又は電圧の制御により、クランク軸１４の回転（クランキング）の速度を制御可能なものを用いても、また、一般的に用いられているように電流・電圧制御を行わず、供給エネルギのオン・オフ制御のみのものを用いてもよい。さらに、クランキング手段として、クランク軸１４の周りに、例えば、ベルトを介して回転を伝達するモータを装備することも可能である。

コントロールユニット１９は、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置からなるコンピュータとして構成され、ＲＯＭに記録されたプログラムに従って内燃機関１の運転状態を制御するために必要な各種処理を行う。例えば、排気通路８に設置された空燃比センサ２１により計測された空燃比が所定の空燃比となるように燃料噴射弁４の燃料噴射量を制御するなどが挙げられる。

コントロールユニット１９が参照するセンサとしては、前記のセンサの他にも種々設けられるが、本発明に関連するセンサとしては、クランク軸１４のクランク角に応じた信号を出力するクランク角センサ２４と、吸気側のカム１１のカム角に応じた信号を出力するカム角センサ２５などが設けられている。ここで、クランク角センサ２４は、モータの回転制御に用いるレゾルバのようにクランク軸１４の回転方向および逆回転方向の回転角度を計測可能なものであることが望ましい。

次に、本発明のコントロールユニット１９の一つの例について図２を用いて説明する。コントロールユニット１９は、内燃機関１を始動・停止・稼動するために必要な状態を検出するセンサからの信号をコントロールユニット１９に取り込む処理と、内燃機関１の始動・停止・稼動するために必要な機器である燃料噴射弁４、点火プラグ６、スロットル１３、バルブタイミング・リフト制御装置２０などを駆動制御するための出力処理を行う入出力手段３０と、内燃機関１を通常に始動、稼動させるための制御手段（図示しない）に加えて、始動制御手段３１と停止制御手段３２を有する。

始動制御手段３１は、内燃機関１を始動させるためのスタータモータ等の制御手段であり、停止制御手段３２は、内燃機関１を停止させるための制御手段である。さらに、停止制御手段３２は、内燃機関１の停止の際に燃焼終了を制御する燃焼終了制御手段３３、停止位置のばらつき要因となる回転負荷を推定するための回転負荷推定手段３４、推定された回転負荷に応じて燃焼室５への吸入空気量を制御する空気量変更手段３５の３つの手段を備える。回転負荷は内燃機関１の慣性モーメントから算出される慣性負荷と、内燃機関１に接続された補器類の負荷とを加えた負荷である。

次に、本発明に係る内燃機関の停止制御装置の停止制御における制御フローについて説明する。

停止制御の制御フローの詳細を説明する前に、本発明の内燃機関１における始動から停止までの一連の動作概要を図３の処理フローを用いて説明する。始動制御と停止制御は、コントロールユニット１９の始動制御手段３１と停止制御手段３２にて実行処理される。また、コントロールユニット１９では、本処理とは別の処理フローにて内燃機関１の停止・始動の判定を行っており、その停止要求や始動要求に基づいて停止制御や始動制御が実行される。

停止要求や始動要求は、スタータスイッチ、車速センサ、水温センサ、燃料圧力センサ、ブレーキスイッチ、変速機ギヤポジションセンサ、ブレーキ負圧センサ、吸気温センサ、電気負荷スイッチ（エアコン、ヘッドランプ、ラジエターファンなどの電気負荷の使用状況を表す）、バッテリ電圧、などの情報から判定される。例えば、停止要求は、内燃機関１が暖機状態、ブレーキ操作状態、かつアクセルが踏まれないアイドリング状態にあるときに判定される。

また、始動条件は、内燃機関１の停止状態から車両の発進に関連する操作、例えばブレーキ解除、アクセルペダル踏み込み操作、クラッチペダル踏み込み操作、シフト操作等があったときに判定される。つまり、図３に示す停止から始動までの一連の処理フローは、車両の停止時に内燃機関１を停止させ、車両発進前に内燃機関１を再始動させるアイドルストップを実現している。

図３において、まず、運転者のキー操作などによってスタータモータ１７が駆動し内燃機関１が始動され(S101)、内燃機関作動状態となる(S102)。この内燃機関１の作動中に、停止要求の有無が判定される(S103)。機関停止の要求が無い場合は、通常運転制御が継続され(S104)、引き続き内燃機関１は作動状態(S102)となり、再び、機関停止の有無が判定される。機関停止の要求が有る場合、停止制御(S105)が実施される。

停止制御(S105)は、内燃機関１の燃焼を停止させる燃焼終了制御(S200)、停止動作中の内燃機関１に働く回転負荷を推定する回転負荷推定(S300)、推定した回転負荷に応じて内燃機関１の燃焼室５への吸入空気量を制御する空気量制御(S400)が実施される。これらの処理内容の詳細は、後で説明する。停止制御(S105)が完了すると、クランク角センサ２４およびカム角センサ２５の情報をもとに、停止位置検出(S106)が実施される。この停止位置検出では、内燃機関１の速やかな再始動を実現するために必要なクランク軸１４の停止位置情報や各気筒の行程情報を検出する。

回転を停止した内燃機関１は、休止状態(S107)となり、再始動要求が判定される(S108)まで待機する。このとき、停止位置検出(S106)で検出されたクランク軸１４の停止位置情報や行程情報は、内燃機関１の休止状態でも保持され、コントロールユニット１９の電源が遮断されるまで保持され続ける。

次に、内燃機関１は再始動要求の有無を判定し(S108)、再始動要求が無い場合は、引き続き休止状態(S107)を維持し、再び、再始動要求の有無を判定する。再始動要求が有る場合は、始動制御(S109)が実施され、速やかに内燃機関１の再始動が実施される。このとき、内燃機関１の再始動は、スタータモータ１７のクランキングを用いて始動する方法でも、また、回転休止中の内燃機関１の膨張行程に燃料噴射後に点火することによって得られる燃焼エネルギを利用して始動する方法でも構わない。始動制御(S109)が完了すると、再び、作動状態(S102)となり、停止要求を待つ。

次に、内燃機関１の作動状態(S102)において、停止要求があった場合に実行される停止制御(S105)に関する一実施例の詳細を説明する。停止制御では、前述したように燃焼終了制御(S200)、回転負荷推定(S300)、空気量制御(S400)が実行される。

先ず、停止制御(S105)における燃焼終了制御(S200)の一実施例の処理フローについて、図４を用いて説明する。燃焼終了制御(S200)は、停止制御(S105)において最初に実行され、内燃機関１を停止するために燃焼終了を制御する。燃焼終了制御が開始(S201)されると、所定気筒で燃料噴射が実施されたかを判定する(S202)。所定気筒ではないと判定された場合は、所定気筒で燃料噴射が行われるまで判定を繰り返す。所定気筒で燃料噴射が実施されたと判定された場合、燃料供給停止(S203)を実施する。このとき、燃料供給の停止は、全気筒同時に実施しても、また、例えば直列４気筒型の内燃機関ならば、１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒といった燃料噴射順に停止してもよい。

次に、燃料供給停止(S203)が実施されると、燃焼終了の判定が行われる(S204)。この燃焼終了判定(S204)では、各気筒の燃料供給の停止が完了したことを判定し、燃料供給停止が完了されてないと判定された場合、燃料供給の停止(S203)を継続して実施する。全気筒の燃料供給停止が完了したと判定された場合、空気量制御(S205)が実施される。ここで、燃焼が終了したと判定された気筒については点火を終了しても、また、内燃機関１の回転が停止してから点火を停止してもかまわない。ただし、燃料噴射を行った気筒では、排気の悪化を防ぐために必ず点火し燃焼を発生させることが望ましい。

空気量制御(S205)では、スロットル１３もしくは吸気弁９や排気弁１０などの制御により、燃焼室５へ吸入する空気量を減少させる。これによって、内燃機関１の燃焼室５への吸入空気量が低減され、圧縮圧力と膨張圧力を抑えることができるため、回転変動を抑制して車両振動の低減が可能となる。さらに、前記回転変動の抑制によって、次に説明する回転負荷推定の推定精度の向上が期待できる。空気量制御(S205)が完了すると、燃焼終了制御は完了(S206)となる。

次に、停止制御(S105)における回転負荷推定(S300)の処理フローの実施例について、図５と図６を用いて説明する。回転負荷推定(S300)では、内燃機関１の停止位置に影響を及ぼす内燃機関１の回転負荷を推定するが、その方法の一例として、内燃機関１の回転数降下速度から推定を行っている。これは、燃焼終了後の内燃機関１の停止過程では、内燃機関１の有する運動エネルギが回転負荷によって奪われることによって内燃機関１の回転数が低下すると考えることができるからである。

回転負荷の推定方法に関する処理フローの一実施例を図５に示す。
回転負荷推定が開始(SA301)されると、内燃機関１の回転数が所定回転数ＮｅＡ以下かどうかを判定する(SA302)。回転数がＮｅＡより大きい場合、条件を満たすまで判定を繰り返す。回転数がＮｅＡ以下の場合、そのときの回転数Ｎｅ１と燃焼終了からの経過時間Ｔ１を計測する(SA303)。つづいて、内燃機関１の回転数が所定回転数ＮｅＢ以下かどうかを判定し(SA304)、回転数がＮｅＢより大きい場合は、条件を満たすまで判定を繰り返し、回転数がＮｅＢ以下の場合は、そのときの回転数Ｎｅ２と燃焼終了からの経過時間Ｔ２を計測する(SA305)。２点での回転数と経過時間の計測完了後は、回転数降下速度を式（１）、（２）、（３）によって求める(SA306)。

回転数降下速度 ＝ ΔＮｅ／ΔＴ 式（１）
ΔＮｅ ＝ (Ｎｅ２−Ｎｅ１) 式（２）
ΔＴ ＝ (Ｔ２−Ｔ１) 式（３）
式（１）は、単位時間あたりの回転数変化を求めている。

その後、演算した回転数降下速度を用い、図１１に示す変換マップもしくは、以下に示す式（４）
回転負荷 ＝ クランク軸周りの慣性モーメントＪ × ΔＮｅ／ΔＴ 式（４）
によって回転負荷を推定し(SA307)、回転負荷推定の処理を終了する(SA308)。図１１の変換マップは、回転数降下速度ΔＮｅに対する回転負荷を表しており、式（４）においてクランク軸１４周りの慣性モーメントＪが０．１５ｋｇｍ^２に相当する場合の一例である。回転数降下速度が大きくなるほど、クランク軸１４に働く回転負荷が大きいことを表している。このように、回転数降下速度から回転負荷を推定することで、内燃機関１の状態を推定している。

さらに、回転負荷の推定方法に関する処理フローの別の一実施例を図６に示す。
回転負荷推定が開始(SC301)されると、内燃機関１の燃焼終了からの経過時間が所定時間Ｔ１経過したかどうかを判定する(SC302)。経過時間がＴ１より短い場合、条件を満たすまで判定を繰り返す。経過時間がＴ１に到達した場合、そのときの回転数Ｎｅ１を計測する(SC303)。つづいて、内燃機関１の燃焼終了からの経過時間が所定時間Ｔ２経過したかどうかを判定し(SC304)、経過時間がＴ２より短い場合は、条件を満たすまで判定を繰り返し、経過時間がＴ２に到達した場合は、そのときの回転数Ｎｅ２を計測する(SC305)。２点での回転数の計測後は、回転数降下速度を式（１）、（２）、（３）によって求める(SC306)。その後、演算した回転数降下速度を用い、図１１に示す変換マップもしくは、式（４）によって回転負荷を推定し(SC307)、回転負荷推定の処理を終了する(SC308)。

最後に、停止制御(S105)における空気量制御(S400)の処理フローについて、図７を用いて説明する。空気量制御(S400)では、回転負荷に応じて、燃焼室５に吸入する空気量を変化させ、内燃機関１のクランク軸１４を所定の位置に停止させるための制御を行う。まず、空気量制御が開始(S401)されると、前段にて推定した推定回転負荷に応じて燃焼室５に吸入すべき吸入空気量Ｐを演算する(S402)。つぎに、空気量Ｐを実現するための空気量変更手段の操作量Ｑを演算する(S403)。

推定回転負荷から吸入空気量Ｐを、また、吸入空気量Ｐから操作量Ｑを演算するためには、図１２（Ａ）に示す変換マップを用いる。ここで、空気量変更手段は、スロットル１３、または、吸気弁９または排気弁１０のいずれか、あるいは、それらの組み合わせであり、操作量Ｑはそれぞれスロットル開度、吸気弁９または排気弁１０のリフト量もしくは位相角に相当する。つづいて、推定回転負荷に応じた、燃焼室５への吸入空気量の変更時期Ｒを演算する(S404)。

この変更時期Ｒに従って、空気量変更手段の操作を行う操作時期Ｓを演算する(S405)。推定回転負荷から変更時期Ｒを、また、変更時期Ｒから操作時期Ｓを演算するには、図１３（Ａ）に示す変換マップを用いる。ここで、変更時期Ｒと操作時期Ｓは、燃焼終了からの経過時間、もしくは、内燃機関１の回転数、もしくは、燃焼終了からのクランク軸１４の移動回転角度とする。また、変更時期Ｒを操作時期Ｓへ変換するマップは、空気量変更手段の操作に対する吸入空気量の応答の時間遅れを考慮している。前記の移動回転角度とは、停止操作後のクランク軸の回転角度に相当する。

ここまでの処理によって、停止位置を制御するための空気量変更手段の操作量Ｑおよび操作時期Ｓが求まる。以降は演算結果に従い、空気量変更手段の操作を実施する。空気量変更手段の操作は、操作時期Ｓかどうかを判定し(S406)、条件を満たさない場合は判定を繰り返し、条件を満たした場合は、空気量変更手段を操作量Ｑへ変更し(S407)、空気量制御を完了する(S408)。その後、内燃機関１の回転が停止すると、空気量変更手段の操作量を、再始動時の値、もしくは、通常アイドル稼動時と同等にする。

ここで、本処理フローでは、回転降下速度より回転負荷を推定してから空気量変更手段の操作量Ｑや操作時期Ｓを決定しているが、図１２（Ｂ）や図１３（Ｂ）に示すように回転降下速度より直接に空気量変更手段の操作量Ｑや操作時期Ｓを演算してもよい。また、エンジン停止の判定（エンスト判定）は、本停止制御を実施する場合、通常の機関停止時に実施するエンスト判定とは異なる、アイドルストップ用のエンスト判定を行ってもよい。また、ここでは推定した回転負荷に応じて燃焼室５に吸入すべき吸入空気量Ｐを演算し、空気量変更手段の操作量Ｑを演算しているが、空気量変更手段がスロットル１３の場合、吸気管圧力が所定値となるように制御してもよい。これは、吸気管圧力と燃焼室５への吸入空気量すなわち圧縮行程の最大圧縮圧には相関があるためである。

図４から図７の停止制御処理フローに基づき内燃機関１の停止制御を行った場合のタイムチャートの一例を、図８、図９、図１０に示す。図８は通常回転負荷の例を、図９は回転負荷が増加した場合の例を、図１０は回転負荷が減少した場合の例を示す。ここでは、空気量の変更手段として、スロットル１３を用いている。

まず、通常回転負荷における停止制御を、図８のタイムチャートを用いて説明する。内燃機関１が稼動している区間Ａにて、各種条件により内燃機関１の停止要求の有無が判定される。時刻Ｘにて停止要求があると、停止制御が開始される。停止制御では、燃焼を終了し、吸入空気量を減少するためにスロットル開度をＴＶＯ１からＴＶＯ２へ変更する。ＴＶＯ１は、内燃機関１がアイドル中である場合、アイドル状態を保持するスロットル開度であり、ＴＶＯ２は、停止過程において、圧縮圧力と膨張圧力を小さくして内燃機関１の回転振動を抑制するためのスロットル開度である。ここまでの処理は図３の処理フローの、Ｓ１０２からＳ２００までのステップに相当する。なお、スロットル開度ＴＶＯ２は、全閉でもよい。

次に、内燃機関１の運動エネルギが回転負荷によって徐々に奪われ、回転数が降下する過程(区間Ｂ)において、先ず、ΔＮｅとΔＴ１から回転降下速度が演算され、回転数降下速度より回転負荷が推定される。回転負荷の推定は、前述した方法などによって行われる。回転負荷は内燃機関１の慣性モーメントによる慣性負荷と、内燃機関１に付属する補器類の回転負荷を合わせた負荷である。

また、推定回転負荷に応じた空気量変更手段の操作量Ｑおよび操作時期Ｓが演算される。本実施例では、操作時期を内燃機関１の回転数にて判定する場合の例である。つまり、内燃機関１の回転数が所定の回転数以下になると吸入空気量の変更制御を行う場合である。例えば、停止位置を安定化させるために吸入空気量を最適量に制御するスロットル１３を開く時期は、内燃機関１の回転数がＮｅｊ１であるとすると、図８では、時刻Ｙに内燃機関１の回転数がＮｅｊ１となり、操作時期Ｓに到達したと判定されることになる。ここで、操作時期Ｓに到達したと判定すると、振動抑制のための制御されたスロットル開度ＴＶＯ２から停止位置を安定化するために内燃機関１の燃焼室５へ吸入する空気量を最適化させるスロットル開度ＴＶＯ３へ変更する。ここまでの処理は図３の処理フローのＳ３００とＳ４００のステップに相当する。

スロットル開度をＴＶＯ２からＴＶＯ３へ変更することによって、内燃機関１の燃焼室５に所定量の空気が吸入され(区間Ｃ)、圧縮圧力および膨張圧力が大きくなり、内燃機関１のクランク軸１４が所定の位置に停止する(時刻Ｚ)。回転停止後は、スロットル１３は開度をＴＶＯ３から再始動時の開度、もしくは、通常停止時と同等の開度であるＴＶＯ４へ変更し停止制御が終了する。時刻Ｚでは、クランク角度が２８０〜３００度程度となり、所定気筒のピストン位置は膨張行程の中程となって、次の再始動の際に短時間で始動でき、エネルギー消費が少なくなる。なお、所定のピストンの停止時の位置は、クランク角度で６０〜１２０度、あるいは２４０〜３００度の範囲になると好ましい。

次に、回転負荷が通常に比べ増加した場合の停止制御のタイムチャートを図９に示す。回転負荷が増加したことにより、区間Ｂ１において、同じ回転数降下ΔＮｅに要する時間が通常回転負荷の場合にΔＴ１であるのに対し、負荷増加時はΔＴ２と短くなる。この結果、前述したように回転負荷が増大していることを推定する。この回転負荷の増加に対応し、停止位置を安定化させるためには、内燃機関１の燃焼室５へ吸入する空気を図８に示した通常回転負荷の場合の停止制御よりも増加する必要がある。

そこで、図９に示すように、回転負荷が増大したと推定されると、通常回転負荷の場合のスロットル開度ＴＶＯ３に比べスロットル開度をＴＶＯ３Ｕと大きく開くような指令が出力され、スロットル開度が大きく開く。また、回転負荷が大きい場合は、回転低下が早くなるため、スロットル開度を操作する時期を通常回転負荷の場合よりも早くする必要がある。区間Ｂ１における振動抑制を行うために設定したスロットル開度ＴＶＯ２から停止位置を安定化するためのスロットル開度ＴＶＯ３Ｕへ切り換える時期を内燃機関１の回転数Ｎｅｊ２とする。判定回転数Ｎｅｊ２は、通常回転負荷の場合の判定回転数Ｎｅｊ１より高くなっており、この結果、通常回転負荷の場合よりも内燃機関１の回転数が高い状態から吸入空気量を変更する制御が行われる。

さらに、回転負荷が通常に比べ減少した場合の停止制御のタイムチャートを図１０に示す。回転負荷が減少したことにより、区間Ｂ２において、同じ回転数降下ΔＮｅに要する時間が通常回転負荷の場合にΔＴ１であるのに対し、負荷減少時はΔＴ３と長くなる。この結果、前述したように回転負荷が低減していることを推定する。この回転負荷の低減に対応し、停止位置を安定化させるためには内燃機関１の燃焼室５へ吸入する空気を図８に示した通常回転負荷の場合の停止制御にくらべ減少させても可能である。吸入空気量を低減できれば、停止時の振動を一層低減可能であるので、可能な限り吸入空気量を低減することが好ましい。

そこで、図１０に示すように、回転負荷が低減したと推定されると通常回転負荷の場合のスロットル開度ＴＶＯ３に比べ、スロットル開度をＴＶＯ３Ｄと小さく開くような指令が出力され、スロットル開度は小さく開く。また、回転負荷が小さい場合は、回転低下が遅くなるため、スロットル開度を操作する時期を通常回転負荷の場合よりも遅くする必要がある。区間Ｂ２における振動抑制を行うために設定したスロットル開度ＴＶＯ２から停止位置を安定化するためのスロットル開度ＴＶＯ３Ｄへ切り換える時期を内燃機関１の回転数Ｎｅｊ３とする。判定回転数Ｎｅｊ３は、通常回転負荷の場合の判定回転数Ｎｅｊ１より低くなっており、この結果、通常回転負荷の場合よりも内燃機関１の回転数が低い状態から吸入空気量を変更する制御が行われる。

以上、図８、図９、図１０のタイムチャートに示すように、停止制御は、振動抑制制御と停止位置安定化制御の２つのフェーズから実現されることになる。図８、図９、図１０に示す区間Ｂ，Ｂ１，Ｂ２が振動抑制制御、区間Ｃが停止位置安定化制御に相当する。振動抑制制御では、スロットル開度を閉じることにより燃焼室５への吸入空気量を少なくし、圧縮および膨張の圧力を低減することで、振動を抑制している。

一方、停止位置安定化制御では、スロットル開度を開くことにより燃焼室５への吸入空気量を増大することで、圧縮および膨張の圧力を増大し、停止位置に影響する他の因子の影響を相対的に小さくすることで、圧縮と膨張のトルクバランスが主要因となるようにすることで停止位置を安定化している。このように、振動抑制制御と停止位置安定化制御は、相反する空気量制御を行っている。そのため、振動抑制制御から、停止位置安定化のための空気量増加の切り換え時期(時刻Ｙ)は、可能な限り停止直前に実施することが望ましい。

以上、説明した実施形態は、アイドルストップを例に説明したが、イグニッションオフによる内燃機関１の停止の場合でも同様の制御を行って、所望の停止位置へピストンを停止させて、所望のクランク位置に停止させることができるため、次の始動が短時間で容易に達成できる。この結果、排気ガスの低減も同時に達成できる。

本発明の内燃機関の停止制御方法は、停止要求のあとの内燃機関の停止過程において、吸入空気量を変更する工程の後工程として、内燃機関の回転負荷を低減させることが好ましい。図示していないが、図３の停止制御(S105)のあと、例えばパワーステアリング用ポンプと内燃機関１との接続を解除して、内燃機関１の回転負荷を低減させる。このように内燃機関の停止過程において、内燃機関の回転負荷を低減させると、停止時の内燃機関１の振動をさらに低減することができる。

また、本発明の内燃機関の停止制御方法は、吸入空気量を変更する工程の後工程として、内燃機関の停止直前において、内燃機関の回転負荷を増加して、停止直前のクランク軸のゆり戻しを低減することができる。この場合は、図示していないが、図３の停止制御(S105)のあと、例えばパワーステアリング用ポンプを接続して、内燃機関１の回転負荷を増加させる。このように内燃機関１の停止直前に回転負荷を増加させると、クランク軸の停止直前の回転速度を減衰させることができ、クランク軸のゆり戻しを低減でき停止時間を短縮できる。

前記のように、吸入空気量を変更した後で、内燃機関１の回転負荷を増加または低減するときは、オルタネータ、パワーステアリング用ポンプ、エアコン用コンプレッサ、ウォーターポンプ、燃料ポンプ、変速機用オイルポンプの少なくとも１つを断続させることが好ましい。これらの補器類を接続あるいは遮断することで、内燃機関１の回転負荷を増加または低減することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、内燃機関を停止させるときの吸入空気量の変更手段として、スロットルにより行う例を示したが、吸気弁や他の手段により吸入空気量を変更するように構成してもよい。

内燃機関の状態を推定する例として、慣性モーメントから算出される回転負荷と、ポンプやコンプレッサ等の補器類の負荷とを合わせた回転負荷の例を示したが、内燃機関の暖機状態や外気温等を検出して内燃機関の状態を推定してもよい。また、前記の回転負荷を加算した回転負荷を用いてもよい。

本発明の活用例として、前記した内燃機関の停止制御装置をディーゼルエンジンに設置することもでき、さらに、ＬＰＧ等を燃料とする気体燃料エンジンの用途にも適用することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の停止制御装置と適用される内燃機関の要部構成図。 図１に示す停止制御装置のコントロールユニットを示すブロック図。 図１，２に示す内燃機関の停止・始動方法の概要を示すフローチャート。 図３に示す停止制御における燃焼終了制御の処理を示すフローチャート。 図３に示す停止制御における回転負荷推定の処理を示すフローチャート。 図３に示す停止制御における回転負荷推定の処理を示す別のフローチャート。 図３に示す停止制御における空気量制御の処理を示すフローチャート。 内燃機関の停止過程における通常回転負荷時の内燃機関の回転数と、クランク角度と、スロットル開度を示すタイムチャート。 内燃機関の停止過程における回転負荷増加時の内燃機関の回転数と、クランク角度と、スロットル開度を示すタイムチャート。 内燃機関の停止過程における回転負荷減少時の内燃機関の回転数と、クランク角度と、スロットル開度を示すタイムチャート。 図５，６に示す回転数降下速度に対する回転負荷推定の変換マップ。 回転負荷に対する吸入空気量の変換マップと吸入空気量に対する空気量変更手段の操作量の変換マップ。 回転負荷に対する空気量変更時期の変換マップと空気量変更時期に対する空気量変更手段の操作時期の変換マップ。

符号の説明

１：内燃機関、２：シリンダ、３：ピストン、４：燃料噴射弁、５：燃焼室、６：点火プラグ、９：吸気バルブ（吸気弁）、１０：排気バルブ（排気弁）、１３：スロットル（空気量変更手段）、１４：クランク軸、１９：コントロールユニット、３１：始動制御手段、３２：停止制御手段、３３：燃料終了制御手段、３４：回転負荷推定手段、３５：空気量変更手段

Claims (14)

1. 往復するピストンと、燃焼室への吸入空気量を変更する空気量変更手段とを備え、該吸入空気量を変更して前記ピストンの停止位置を制御する内燃機関の停止制御方法であって、前記内燃機関の停止操作のあと、前記内燃機関の状態を推定し、該状態に基づいて前記吸入空気量を変更することを特徴とする内燃機関の停止制御方法。
2. 前記空気量変更手段は、吸入空気量を変更すると共に、吸入空気量を変更する時期を変更するものであり、推定された前記内燃機関の状態に基づいて前記吸入空気量と吸入空気量を変更する時期の少なくとも一方を変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の停止制御方法。
3. 前記空気量変更手段は、吸入空気量を所定量まで減らし、次いで内燃機関の回転数が所定回転数に到達したとき、吸入空気量を所定量に増やすように変更す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停止制御方法。
4. 前記内燃機関の状態は、該内燃機関の慣性モーメントによる回転負荷、および内燃機関に接続された回転負荷であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の停止制御方法。
5. 前記回転負荷は、前記内燃機関の回転数降下速度より推定されることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の停止制御方法。
6. 前記空気量変更手段は、推定された前記内燃機関の状態に基づいて、停止操作開始からの経過時間、あるいは前記内燃機関の回転数、もしくは前記内燃機関の移動回転角度によって前記吸入空気量を変更する時期を変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の停止制御方法。
7. 前記空気量変更手段は、推定された回転負荷が大きい場合は、前記吸入空気量の増加量を大きくし、推定された回転負荷が小さい場合は、前記吸入空気量の増加量を小さくすることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の停止制御方法。
8. 前記吸入空気量を変更する工程の後工程として、前記内燃機関の回転負荷を低減させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の停止制御方法。
9. 前記吸入空気量を変更する工程の後工程として、前記内燃機関の停止直前に、該内燃機関の回転負荷を増加させることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関に停止制御方法。
10. 前記回転負荷の増加または低減は、オルタネータ、パワーステアリング用ポンプ、エアコン用コンプレッサ、ウォーターポンプ、燃料ポンプ、変速機用オイルポンプの少なくとも１つを接続あるいは遮断することを特徴とする請求項８または９に記載の内燃機関の停止制御方法。
11. 往復するピストンと、燃焼室への吸入空気量を変更する空気量変更手段とを備え、該吸入空気量を変更して前記ピストンの停止位置を制御する内燃機関の停止制御装置であって、該制御装置は、前記内燃機関の状態を推定する状態推定手段をさらに備え、
    前記空気量変更手段は、前記状態に応じ、前記吸入空気量の変更、および／または吸入空気量の変更時期を変更することを特徴とする内燃機関の停止制御装置。
12. 前記空気量変更手段は、前記内燃機関の吸気配管に設けられているスロットル、もしくは、前記内燃機関の燃焼室に設けられた吸気弁または排気弁の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の停止制御装置。
13. 前記空気量変更手段は、前記燃焼室への吸入空気量を変更すると共に、吸入空気量を変更する時期を変更することを特徴とする請求項１１または１２に記載の内燃機関の停止制御装置。
14. 前記状態推定手段は、前記内燃機関に作用する回転負荷を推定することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の内燃機関の停止制御装置。

Images