JP2007309276A - 内燃機関の始動制御装置及び始動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アイドルストップからのリスタート時の安定性・ロバスト性の向上。
【解決手段】 クランクシャフトを回転駆動するスタータモータ３２と、各気筒の燃焼室７内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁６と、吸気弁９の開閉時期を変更可能なバルブタイミング可変機構３１と、を備える。アイドルストップからのリスタート時に、スタータモータ３２によりクランクシャフトを回転駆動するとともに、ピストン停止位置が圧縮行程にある気筒に対して、初回の圧縮行程から膨張行程の間に初爆を行う。アイドルストップの直前に、いずれかの気筒のピストン停止位置が圧縮行程の中で吸気下死点へ近づくように、バルブタイミング可変機構３１を駆動制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アイドルストップ車両に適用される多気筒内燃機関の始動制御に関する。

特許文献１では、信号待ち等の一時停車時に内燃機関を一時的に自動停止する、いわゆるアイドルストップを行う際に、吸気弁と排気弁の一方のバルブタイミングを変更して、排気弁を閉じてから吸気弁を開くまでのマイナスオーバーラップ時間を長くし、ピストンの仕事量を増大させて内燃機関を早期に停止させている。特許文献２には、アイドルストップ時に、吸気弁のバルブタイミングを変更して振動を低減する技術が開示されている。
特開２００４−１６２６１７号公報 特開２００１−３０４００５号公報

アイドルストップからのリスタート時に、安定して迅速に再始動を行うためには、スタータモータによりクランクシャフトをごく短い期間（例えば約１回転）だけ回転駆動しつつ、ピストン停止状態で圧縮行程にある気筒に対して燃料噴射及び点火による初爆を行えば良い。しかしながら、このような再始動の手法では、吸気弁や排気弁からのバルブスプリング反力に起因して、アイドルストップ状態でのクランクシャフトの回転停止位置がばらつき、初爆を行う気筒、つまり圧縮行程で停止している気筒のピストン停止位置が圧縮上死点側へずれていると、初爆に必要な圧縮空気量や圧縮圧、ひいては発生トルクを確保できず、この再始動での始動安定性・ロバスト性を阻害するおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、バルブタイミング可変機構を利用して、アイドルストップからのリスタート時の機関始動性を有効に向上することを主たる目的としている。

クランクシャフトを回転駆動する電動機と、各気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開閉時期を変更可能なバルブタイミング可変機構と、を備えるアイドルストップ車両の多気筒内燃機関の始動制御装置において、アイドルストップからのリスタート時に、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するとともに、圧縮行程にある気筒に対して、その圧縮行程から膨張行程の間に初爆を行う制御部を有し、この制御部は、アイドルストップの直前に、いずれかの気筒のピストン停止位置が圧縮行程の中で吸気下死点へ近づくように、上記バルブタイミング可変機構を駆動制御することを特徴としている。

本発明によれば、アイドルストップからのリスタート時に、圧縮行程にある気筒、言い換えると吸気下死点近傍にある気筒に対し、その初回の圧縮行程から膨張行程の間に初爆を行うものにおいて、バルブタイミング可変機構を利用した簡素な構成で、アイドルストップによる機関停止状態で、いずれかの気筒のピストン停止位置を、圧縮行程の中で吸気下死点へ近づけることができる。これによって、当該気筒の実質的な圧縮行程を十分に長く確保して、初爆時の圧縮圧つまりは発生トルクを十分に確保し、アイドルストップからの再始動時の安定性・ロバスト性を向上することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の始動制御装置を示すシステム構成図である。この内燃機関１は、直列３気筒の筒内噴射式火花点火エンジンであって、各＃１〜＃３気筒（シリンダ）には、吸気通路２を開閉する吸気弁９と、排気通路３を開閉する排気弁１０と、燃焼室７内の混合気を火花点火する点火プラグ８と、燃焼室７内に直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁６と、が設けられている。ピストン４の頂面（冠面）には成層燃焼用の浅皿ボール状のキャビティ５が形成され、成層燃焼時にはこのキャビティ５へ向けて吸気ポートの下方に位置する燃料噴射弁６より燃料が噴射される。

また、吸気弁９（又は排気弁１０）の開閉時期つまりバルブタイミングを変更可能なバルブタイミング可変機構３１と、クランクシャフトを回転駆動する機関始動用電動機であるスタータモータ３２と、が設けられている。バルブタイミング可変機構３１は、周知のようにベーン等を利用したＶＴＣ（バルブ・タイミング・コントロール）機構であり、クランクシャフトに対するカムシャフトの回転位相を遅進させることによって、開弁期間（作動角）が一定のままで、吸気弁（排気弁）の開時期と閉時期とを同時に遅進させるものである。

制御部（コントロールユニット）２１は、各種制御処理を記憶及び実行可能なデジタルコンピュータシステムであって、機関回転数やクランクシャフトの回転角（位置）を検出・演算するためのクランク角センサ２２やカム角センサ２３の他、機関温度としての水温や吸気温を検出する水温センサ２４や吸気温センサ２５等の各種センサ類からの検出信号に基づいて、バルブタイミング可変機構３１、スタータモータ３２、燃料噴射弁６及び点火プラグ８等へ制御信号を出力して、その動作を制御する。更に、この制御部２１は、信号待ちのような一時停車時に、内燃機関１を自動的に停止する、いわゆるアイドルストップを行い、このアイドルストップからの車両発進時に、内燃機関１を自動的に再始動（リスタート）するものである。ここで本実施例では、アイドルストップからのリスタート時には、安定して迅速な再始動を行うために、スタータモータ３２によりごく短い期間だけクランクシャフトを回転駆動するとともに、ピストン停止位置が圧縮行程にある気筒、言い換えると吸気下死点（ＢＤＣ）の近傍にある気筒に対して、その初回の圧縮行程から膨張行程の間、より具体的には圧縮行程中に、燃料噴射及び火花点火による初爆を行うものである。

図２は、上記制御部２１により実行されるアイドルストップ時の制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１では、アイドルストップを開始するか否かを判定する。この判定は、車速が０（ゼロ）で、ブレーキペダルが踏み込まれている等の条件が成立するかにより判定される。ステップＳ１２では、水温センサ２４や吸気温センサ２５（図１参照）により検出される水温や吸気温等の機関温度に基づいて、アイドルストップによる機関停止状態（クランクシャフトの回転が停止した状態）で、いずれかの気筒のピストン、具体的には圧縮行程で停止するピストンの目標ピストン停止位置を算出する。例えば図３に示すように、機関温度が高くなるほど、吸入空気密度の低下を補うように、目標ピストン停止位置（圧縮行程ＰＩＳＴＯＮ停止要求位置）が吸気下死点（ＢＤＣ）側へ近づくように設定される。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２で設定される目標ピストン停止位置に応じて、吸気弁（又は排気弁）のバルブタイミングを変更する。続くステップ１４では、アイドルストップ、すなわち燃料噴射及び火花点火の停止による機関停止を行う。すなわち、ステップＳ１３では、アイドルストップの直前に、いずれかの気筒のピストン停止位置が圧縮行程の中で吸気下死点へ近づくように、別言するとクランクシャフトの停止可能な回転範囲が縮小するとともに、いずれかの気筒のピストン停止位置が圧縮行程の中で吸気下死点へ近づくように、バルブタイミング可変機構３１を駆動制御している。

上述したように図３の設定では、機関温度が高くなるほど、吸入空気密度の低下を補うように、吸気弁の開時期ＩＶＯ及び閉時期ＩＶＣが、一般的な機関始動直後の運転状態であるアイドル運転状態での設定値からの進角量が増加するように設定される。但し、図４に示すように、機関温度が高くなるほど、吸気弁の閉時期ＩＶＣを、一般的な機関始動直後の運転状態であるアイドル運転状態での設定値からの進角量が減少するように設定しても良い。更には、より簡易的に、機関温度によらず、目標ピストン停止位置を予め設定した固定値としても良い。

図５は、本実施例のアイドルストップからのリスタート時の制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ２１では、アイドルストップ中であるかを判定する。ステップＳ２２では、アイドルストップからのリスタートを開始するか否かを判定する。例えば、ブレーキスイッチがオフに切り替わったかを判定する。ステップＳ２３では、リスタートの作動を開始する。具体的には、スタータモータ３２によりクランクシャフトをごく短い期間だけ回転駆動するとともに、ピストンが圧縮行程にある気筒に対し、その初回の圧縮行程中に燃料を噴射するとともに火花点火を行い、初爆を行う。この初爆気筒の識別・判定は、例えばアイドルストップ時にクランク角センサ２２及びカム角センサ２３の信号によりクランクシャフトが停止する回転位置を検出してこれを記憶しておき、この回転停止位置に基づいて行うことができる。

ステップＳ２４では、機関回転数Ｎｅが所定の基準値Ｎｅ１に達したかを判定する。機関回転数が基準値Ｎｅ１に達するまで、上記のアイドルストップ直前に設定したリスタート用のバルブタイミングを保持する（ステップＳ２６）。機関回転数が基準値Ｎｅ１に達すると、ステップＳ２５へ進み、一般的な機関始動直後の運転状態であるアイドル要求へ戻すように、バルブタイミング及びスロットル開度ＴＶＯ等を修正する。

次に、図６を参照して、本実施例の作用効果について説明する。図中、破線で示すバルブリフト特性（カム山）は、一般的な機関停止直前の運転状態であるアイドル運転状態での吸気弁（ＩＮＴ）のバルブリフト特性の設定を示している。なお、この実施例では排気弁（ＥＸＨ）の開閉時期は固定であり、排気弁閉時期ＥＶＣは排気上死点（ＴＤＣ）の近傍に設定されている。同図に示すように、アイドル設定状態での吸気弁開時期ＩＶＯは排気上死点よりも遅角しているため、排気上死点の近傍で、吸気弁と排気弁とがともに閉じるマイナスオーバーラップ期間ｍＯ／Ｌ１が比較的長く確保されている。

ここで、アイドルストップによるクランクシャフトの回転が停止する回転角度範囲は、シリンダ圧力と吸・排気弁からの（バルブスプリング）反力、特に、吸・排気弁からの反力の合計（Ｔｏｔａｌのカム山）に大きく依存している。具体的には、上記アイドル設定状態で機関を自動停止した場合、直列３気筒内燃機関では、マイナスオーバーラップ期間ｍＯ／Ｌ１に相当する幅広い範囲Δα１で、上記反力の合計が最も小さくなり、クランクシャフトが停止する可能性がある。このため、仮にこの範囲Δα１の遅角寄りの位置Ｔ１でクランクシャフトが停止すると、アイドルストップからのリスタート時に、ピストンが圧縮行程にある＃１気筒に対して、燃料噴射及び点火による初爆を行わせるときに、圧縮行程の実質的な期間Δβ１を十分に確保できず、所期の圧縮圧力・発生トルクが得られず、安定した始動性を確保できないおそれがある。

これに対して本実施例では、矢印Ｙ１に示すように、アイドルストップの直前に、吸気弁の開閉時期を、一般的な機関停止直前の運転状態であるアイドル状態での設定値よりも進角側へ変換している。言い換えると、吸気弁の開時期ＩＶＯを排気上死点側へ進角させている。このため、マイナスオーバーラップ期間を著しく短縮又は本実施例のように実質的に０（ゼロ）とすることができ、これによって、吸・排気弁の反力合計が最も低くなる範囲、つまりはクランクシャフトが停止する可能性のある範囲Δα２を、上記の範囲Δα１に比して、大幅に縮小できるとともに、圧縮行程にある気筒（この例では＃１気筒）の吸気下死点（ＢＤＣ）側へ十分に近づけることができる。この結果、初爆を行う＃１気筒での初回の圧縮行程の実質的な期間Δβ２を十分に長く確保し、アイドルストップからの再始動を迅速かつ確実に行うことができ、この再始動における始動安定性・ロバスト性を著しく向上することができる。

また、水温や吸気温のような機関温度に応じてバルブタイミングの変更量を設定しており、具体的には機関温度が高くなるほどピストン停止位置が吸気下死点側へ近づくように設定しているため、吸気密度の低い高温時にも、初爆気筒の圧縮行程Δβ２を十分に長く確保して、初爆に必要な圧縮圧力・発生トルクを確保することができる。

アイドルストップによる機関停止状態で、仮に吸気弁が開いている気筒が存在すると、シリンダ内温度の影響で吸気系の温度が上昇して、吸気系の空気密度が上昇し、再始動時の発生トルクが低下し、始動性を阻害するおそれがある。本実施例では、このような不具合を招くことのないように、アイドルストップによるクランクシャフトの回転停止位置で、全ての気筒の吸気弁が閉じた状態となるようにバルブタイミングが設定されている。これによって、シリンダ内の受熱空気の吸気系への逆流を防ぐことができるため、吸気系温度の上昇を抑制できる。この結果、アイドルストップからの再始動時に、吸入空気密度の低下を抑制でき、発生トルクの低下を抑制することができる。

しかも、本実施例のように吸気弁の開時期ＩＶＯと閉時期ＩＶＣの双方が同時に同期して変化するバルブタイミング可変機構３１にあっては、アイドルストップの直前に吸気弁開時期ＩＶＯを排気上死点へ向けて進角させると、同時に吸気弁の閉時期ＩＶＣが吸気下死点へ向けて進角することとなる。このため、例えば図６に示すように、クランクシャフトの停止可能範囲Δα３が、アイドル設定ではＩＶＣ前の位置であったとしても、アイドルストップ直前にバルブタイミング可変機構３１を進角側へ駆動制御することによってＩＶＣ後となり、全ての気筒の吸気弁を閉じた状態とすることができる。つまり、バルブタイミング可変機構３１による吸気弁開閉時期の進角化により、全ての気筒の吸気弁が閉じている範囲も進角側へ移行することとなる。従って、図６に示すように、全ての気筒の吸気弁が閉じている状態を確保しつつ、初爆を行う気筒のピストン停止位置（Δα３）を更に吸気下死点へ近づけることが可能である。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、本実施例では吸気弁の開閉時期を変更する構成としているが、排気弁の開閉時期を変更する構成としてもよい。また、本実施例では直列３気筒の内燃機関に本発明を適用しているが、他の気筒数、例えば直列４気筒やＶ型６気筒等の内燃機関に本発明を適用することも可能である。

本発明の一実施例に係る内燃機関の始動制御装置を示すシステム構成図。 本実施例に係るアイドルストップ時の制御の流れを示すフローチャート。 機関温度と圧縮行程にある気筒の目標ピストン停止位置との関係を示す特性図。 機関温度と吸気弁閉時期（ＩＶＣ）との関係を示す特性図。 本実施例に係るアイドルストップ状態からのリスタート時の制御の流れを示すフローチャート。 本実施例に係る３気筒内燃機関のクランク回転角と吸・排気弁のリフト特性等との関係を示す特性図。

符号の説明

４…ピストン
６…燃料噴射弁
７…燃焼室
９…吸気弁
１０…排気弁
２１…制御部
２４…水温センサ（温度検出手段）
２５…吸気温センサ（温度検出手段）
３１…バルブタイミング可変機構
３２…スタータモータ（電動機）

Claims (6)

1. クランクシャフトを回転駆動する電動機と、各気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開閉時期を変更可能なバルブタイミング可変機構と、を備えるアイドルストップ車両の多気筒内燃機関の始動制御装置において、
   アイドルストップからのリスタート時に、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するとともに、ピストン停止位置が圧縮行程にある気筒に対して、初回の圧縮行程から膨張行程の間に初爆を行う制御部を有し、
   この制御部は、アイドルストップの直前に、いずれかの気筒のピストン停止位置が圧縮行程の中で吸気下死点へ近づくように、上記バルブタイミング可変機構を駆動制御することを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
2. 上記制御部は、アイドルストップの直前に、吸気弁の開時期を排気上死点へ向けて進角させ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。
3. 上記制御部は、アイドルストップの直前に、吸気弁の閉時期を吸気下死点へ向けて進角させることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の始動制御装置。
4. 機関温度を検出する温度検出手段を備え、
   上記制御部は、アイドルストップの直前に、機関温度が高くなるほど、いずれかの気筒のピストン停止位置が圧縮行程の中で吸気下死点へ近づくように、上記バルブタイミング可変機構を駆動制御す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始動制御装置。
5. アイドルストップによるクランクシャフトの回転停止位置で、全ての気筒の吸気弁が閉じた状態となるように設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の始動制御装置。
6. クランクシャフトを回転駆動する電動機と、各気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開閉時期を変更可能なバルブタイミング可変機構と、を備えるアイドルストップ車両の多気筒内燃機関の始動制御方法において、
   アイドルストップの直前に、クランクシャフトの停止可能な回転範囲が縮小するとともに、いずれかの気筒のピストン停止位置が圧縮行程の中で吸気下死点へ近づくように、上記バルブタイミング可変機構を駆動制御し、
   上記アイドルストップからのリスタート時には、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するとともに、ピストン停止位置が圧縮行程にある気筒に対して、初回の圧縮行程から膨張行程の間に初爆を行うことを特徴とする内燃機関の始動制御方法。

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