JP2010019240A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】始動要求時から所定期間、吸気弁および排気弁を閉弁してクランキングし、所定サイクル毎に吸気弁または排気弁のいずれか一方を開弁して燃焼室内に空気を取り込むことで、直噴式の内燃機関のプレヒート効率を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ１００は、燃料噴射手段、燃料噴射禁止手段、吸排気弁閉弁手段、開弁手段を備えることにより、エンジン１の始動の際に筒内への燃料噴射を禁止し、吸気弁１２および排気弁１４を閉弁して所定期間クランキングする。更に、所定サイクル毎に吸気弁１２を小リフト化し、クランキング中に燃焼室１ａ内からリークした空気を補給する。これによって、燃焼室１ａ内の温度が速やかに上昇し、筒内に噴射された燃料の気化を促進することができることから、直噴式の内燃機関の始動性や排気エミッションを改善することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。特に、内燃機関の低温環境における始動性を向上させる技術に関する。

近年、内燃機関の制御装置として、燃費の向上や排気エミッションの改善等の要求から、燃料を気筒内に直接噴射する直噴式の燃料噴射装置が実用化され、車両用エンジン等に広く採用されている。

直噴式の燃料噴射装置を採用する内燃機関は、極低温環境において始動する際に、筒内に噴射された燃料がほとんど気化しないことから、その始動性が悪化する。このような極低温環境における始動性を向上させるためには、噴射燃料の粒径を微粒化したり、筒内の温度を上昇させたりすることによって、筒内に噴射された燃料の気化を促進することが有効である。

直噴式の内燃機関の低温始動性を向上させるための対策として、排気弁を小作動リフト又は完全閉弁にし、かつ点火プラグによる点火を禁止した状態で所定回数クランキングすることで、筒内の混合ガスを圧縮して燃焼室の温度を上昇させ、燃料の気化を促進するプレヒート技術が特許文献１に開示されている。

同様に、ポート噴射式の内燃機関において、排気弁を閉弁した状態で所定回数クランキングして筒内の混合ガスを圧縮して温度を上昇させつつ、吸気弁を開弁させて燃焼室から吸気ポート、そして吸気ポートから燃焼室へと混合ガスを排出・吸入させることで、吸気弁および吸気ポートの温度を上昇させる技術が、特許文献２に開示されている。

更に、吸気弁および排気弁を閉弁し、かつ点火プラグによる点火を禁止した状態で所定回数クランキングすることで、筒内の混合ガスを圧縮して燃焼室の温度を上昇させて燃料の気化を促進する技術が、特許文献３に開示されている。

特開平１０−００９００４号公報 特開２００７−０１６７１０号公報 特開２００６−０１７００４号公報

直噴式の内燃機関の低温始動性を向上させるためには、燃料が噴射される燃焼室の温度を上昇させることが最も効果的である。しかしながら、特許文献１の技術では、排気弁が小リフトする際、または吸気弁が開弁する際に、クランキング中の圧縮工程で温度が上昇した混合ガスが燃焼室内から排出されてしまうために、低温始動性の向上に最も寄与する燃焼室の温度上昇効果が小さい、といった問題がある。同様に、特許文献２の技術では、燃焼室の温度上昇よりも吸気弁および吸気ポートの温度上昇を目的とした制御であるために燃焼室の温度上昇効果が小さい、という問題点がある。また、特許文献３の技術では、吸気弁および排気弁を閉弁したままクランキングすることから、クランキング中に燃焼室からブローバイとしてリークした混合ガスを再び燃焼室内へと補給することができない。そのため、燃焼室内の混合ガスのリークに伴って筒内の実圧縮が徐々に減少するために、燃焼室の温度上昇効果が少ない、といった問題点がある。このように、従来の技術では、低温始動性の向上に最も寄与する燃焼室の温度を効果的に上昇させることが難しいため、高いプレヒート効率を得ることが困難である、といった課題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされてものであり、始動要求時から所定期間、吸気弁および排気弁を閉弁してクランキングし、所定サイクル毎に吸気弁または排気弁のいずれか一方を開弁して燃焼室内に空気を取り込むことで、直噴式の内燃機関のプレヒート効率を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本発明の燃料噴射制御装置は、燃料を気筒内に直接噴射する燃料噴射手段を備えた内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関の始動要求を検出してから所定期間、前記燃料噴射手段による燃料噴射を禁止させる燃料噴射禁止手段と、前記内燃機関の始動要求を検出してから所定期間、吸気弁および排気弁を閉弁させる吸排気弁閉弁手段と、前記吸排気弁閉弁手段によって閉弁された前記吸気弁および前記排気弁の何れか一方を所定サイクル毎に開弁させる開弁手段と、を備えることを特徴とする。

このように、内燃機関の始動の際に筒内への燃料噴射を禁止することにより、極低温始動時に筒内へ噴射された燃料が気化できずに燃焼室内を濡らすことでプレヒート効率が低下することを抑制することができる。そして、吸気弁および排気弁を閉弁した状態で所定期間クランキングすることにより、筒内の空気は燃焼室内に閉じ込められたまま圧縮膨張を繰り返されるために、その空気温度は吸排気弁を開弁する場合よりも早く上昇する。よって、直噴式の内燃機関における低温始動性の向上に最も寄与する燃焼室の温度をより短時間で上昇させることができる。更に、所定サイクル毎に吸気弁または排気弁を開弁させて燃焼室内に空気を取り込むことにより、クランキング中に燃焼室から徐々にリークした空気を筒内に補給し、常時高い筒内の実圧縮を維持することができる。よって、スタータモータやハイブリット車用の駆動モータの回転を燃焼室内の温度上昇に高効率で変換することができることから、車両のバッテリから供給される電力を熱エネルギーに変換する効率を向上させることができる。

上記のように、内燃機関の始動時における燃焼室温度を効果的に上昇させることで、筒内に噴射された燃料の気化が促進されることから、極低温時における内燃機関の始動性を大幅に向上させることができる。更に、燃料の気化が促進されることで未燃ＨＣの排出量が減少することから、始動時の排気エミッションを改善することができる。

特に、本発明の燃料噴射制御装置は、前記開弁手段が、クランク角が上死点から下死点までの範囲にある間、前記吸気弁または前記排気弁の何れか一方を開弁させることを特徴とすることができる。

このように、吸気弁または排気弁の何れか一方を、クランク角が上死点の時に開弁を開始して下死点で閉弁するように、いわゆる膨張工程のみ開弁するよう制御することで、燃焼室内の暖気された空気をなるべく外部へ流出させずに、クランキング中にリークした分の空気を燃焼室内へ補給することができる。これにより、常に高い筒内の実圧縮を維持することができることから、内燃機関の始動時における燃焼室温度を効果的に上昇させることができる。よって、極低温時における内燃機関の始動性を大幅に向上させることができ、更に、始動時の排気エミッションを改善することができる。

また、本発明の燃料噴射制御装置は、前記開弁手段が、前記内燃機関のアイドル運転時における前記吸気弁および前記排気弁のリフト量よりも小さいリフト量で前記吸気弁または前記排気弁の何れか一方を開弁させることを特徴とすることができる。

このように、吸気弁または排気弁のリフト量は、アイドル運転中や走行中のリフト量よりも小さいリフト量であって、例えば、筒内からリークした分の空気を充分に取り込むことができ、かつ筒内で暖気された空気を外部へ流出させない程度のリフト量に設定することができる。これにより、常に高い筒内の実圧縮を維持することができることから、内燃機関の始動時における燃焼室温度を効果的に上昇させることができる。よって、極低温時における内燃機関の始動性を大幅に向上させることができ、更に、始動時の排気エミッションを改善することができる。

更に、本発明の燃料噴射制御装置は、前記所定期間が、前記内燃機関の冷却水温と、油温と、吸気温と、筒内温と、実圧縮比と、累積クランキング回数と、運転者からの車両運転要求を検出したときとの少なくとも１つに基づいて決定することを特徴とすることができる。

このような構成とすることにより、プレヒート中の燃焼室温度を、内燃機関の冷却水温、油温、吸気温、筒内温度、実圧縮比、累積クランキング回数の少なくとも１つから求めることで、燃焼室の温度が筒内に噴射された燃料が気化するのに充分な温度に到達したか否かを確認することができる。そして、燃焼室が充分な温度に到達したときに、プレヒート制御を終了し運転モードへと移行することで、内燃機関のプレヒートを適切に制御することができる。また、例えば運転者によるアクセルの踏み込み等、プレヒート中に運転者からの車両の運転要求があった場合には、速やかにプレヒートを中断して運転モードに移行することで、運転者にストレスを与えることなくプレヒート制御を実行することができる。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、吸排気弁を閉弁して所定期間クランキングすることで、燃焼室の温度を速やかに上昇させることができることから、直噴式の内燃機関の始動性や始動時の排気エミッションを改善することができる。更に、所定サイクル毎に吸気弁または排気弁の何れか一方を開弁することで、プレヒート中に燃焼室内からリークした空気を筒内に補給することができることから、常に高い筒内の実圧縮を維持することができ、プレヒートの効率を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の内燃機関の制御装置を組み込んだエンジン１の概略構成を示した説明図である。なお、図１にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。

エンジン１は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室１ａを構成するピストン２を備えている。各燃焼室１ａのピストン２はそれぞれコネクティングロッド４を介して出力軸であるクランクシャフト３の軸に連結されており、各ピストン２の往復運動がコネクティングロッド４によってクランクシャフト３の回転へと変換される。

クランクシャフト３の軸の近傍には、クランク角センサ５が配置されている。クランク角センサ５はクランクシャフト３軸の回転角度を検出するように構成されており、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。それにより、ＥＣＵ１００は、エンジン始動時のクランキング回数や運転時のエンジン回転数など、クランク角に関する情報を取得することができる。更にクランクシャフト３の一端には、クランクスプロケット６が接続されている。クランクスプロケット６はクランクシャフト３と同じ周期で回転する。クランクスプロケット６としては、複数の歯が外周に配置された周知のスプロケットを用いることができる。クランクスプロケット６にはエンジン１の始動時に起動するスタータモータ７のピニオンギアが噛み合わされており、スタータモータ７の起動に伴うリングギアの回転によりエンジン１のクランキングが行われる。なお、エンジン１がハイブリット車に搭載される場合、スタータモータ７に代えてハイブリット車用の駆動モータを適用することもできる。

各気筒の燃焼室１ａには、それぞれ燃焼室１ａと連通する吸気ポート８と、吸気ポート８に連結し、吸入空気を吸気ポート８から燃焼室１ａへと導く吸気通路９とが接続されている。更に、燃焼室１ａの各気筒には、それぞれ燃焼室１ａと連通する排気ポート１０と、燃焼室１ａで発生した排気ガスをエンジン外へと導く排気通路１１が接続されている。また、各気筒に接続された排気通路１１は、下流側で合流して一本の合流排気通路４００となる。

各気筒の燃焼室１ａの吸気通路、排気通路に対応して複数の吸気弁、排気弁が設けられている。図１には吸気通路、排気通路と吸気弁、排気弁をそれぞれ１つずつ示している。燃焼室１ａの各吸気ポート８には、それぞれ吸気弁１２が配置されており、吸気弁１２を開閉駆動させるための吸気カムシャフト１３が配置されている。更に、燃焼室１ａの各排気ポート１０には、それぞれ排気弁１４が配置されており、排気弁１４を開閉駆動させるための排気カムシャフト１５が配置されている。

吸気弁１２および排気弁１４はクランクシャフト３の回転が連結機構（例えばタイミングベルト、タイミングチェーンなど）により伝達された吸気カムシャフト１３および排気カムシャフト１５の回転により開閉され、吸気ポート８および排気ポート１０と燃焼室１ａとを連通・遮断する。なお、吸気弁１２、および排気弁１４の位相は、クランク角を基準にして表される。

吸気カムシャフト１３は可変動弁機構（以下、ＶＶＴ機構という）である電動ＶＶＴ機構１６を有している。この電動ＶＶＴ機構１６はＥＣＵ１００の指示により電動モータ１７で吸気カムシャフト１３を回転させる。それにより吸気カムシャフト１３のクランクシャフト３に対する回転位相が変更されることから、吸気弁１２のバルブタイミングが変更される。この場合、吸気カムシャフト１３の回転位相は、吸気カム角センサ１８にて検出され、ＥＣＵ１００へと出力される。それにより、ＥＣＵ１００は、吸気カムシャフトの位相を取得することができるとともに、吸気弁１２の位相を取得することができる。また、吸気カムシャフト１３の位相は、クランク角を基準にして表される。更に、電動ＶＶＴ機構１６は、ＥＣＵ１００の指令に基づいて、エンジン１の始動時に燃焼室１ａ内の温度が燃料が気化するのに充分な温度に達するまでの間、吸気弁１２を閉弁させる。そして、電動ＶＶＴ機構１６は、ＥＣＵ１００の指令に基づいて、閉弁された吸気弁１２を所定サイクル毎に開弁させる。

また、排気カムシャフト１５は油圧ＶＶＴ機構１９を有している。この油圧ＶＶＴ機構１９はＥＣＵ１００の指示によりオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）２０で排気カムシャフト１５を回転させる。それにより排気カムシャフト１５のクランクシャフト３に対する回転位相が変更されることから、排気弁１４のバルブタイミングが変更される。この場合、排気カムシャフト１５の回転位相は、排気カム角センサ２１にて検出され、ＥＣＵ１００へと出力される。それにより、ＥＣＵ１００は、排気カムシャフトの位相を取得することができるとともに、排気弁１４の位相を取得することができる。また、排気カムシャフト１５の位相は、クランク角を基準にして表される。更に、油圧ＶＶＴ機構１９は、エンジン１の始動時に燃焼室１ａ内の温度が燃料が気化するのに充分な温度に達するまでの間、排気弁１４を閉弁させる。

エンジン１の吸気通路９には、吸気通路９を通過する吸入空気量を検出するエアフロメータ２２が設置されている。また、吸気通路９には、スロットルバルブ２３およびスロットルポジションセンサ２４が設置されている。このエアフロメータ２２およびスロットルポジションセンサ２４はそれぞれの検出結果をＥＣＵ１００に出力する。それにより、ＥＣＵ１００は、吸気ポート８および燃焼室１ａへ吸入される吸入空気量を認識することができる。更に、吸気通路９には吸気温センサ３０が設けられており、エンジン１に取り込まれる吸入空気の温度を検出してＥＣＵ１００へ送信することで、ＥＣＵ１００は吸入空気の温度を認識することができる。

エンジン１の各気筒にはインジェクタ３００が装着されている。燃料ポンプ（図示しない）より燃料配管を通じて供給された高圧燃料は、ＥＣＵ１００の指示によりインジェクタ３００にてエンジン気筒内の燃焼室１ａに噴射供給される。ＥＣＵ１００は、エアフロメータ２２およびスロットルポジションセンサ２４からの吸入空気量、および吸気カム角センサ１８からのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射量と噴射タイミングを決定しインジェクタ３００に信号を送る。インジェクタ３００はＥＣＵ１００の信号に従って、指示された燃料噴射量・噴射タイミングにて燃焼室１ａへ燃料を高圧噴射する。高圧噴射された燃料は霧化し、吸気弁１２の開弁時に供給された吸入空気と混合され、エンジン１の燃焼に適した混合ガスとなる。そして、インジェクタ３００のリーク燃料は、リリーフ配管を通って燃料タンク（図示しない）へと戻される。なお、インジェクタ３００は本発明の燃料噴射手段に相当する。

各気筒の燃焼室１ａはそれぞれ点火プラグ２６を備えており、点火プラグ２６の点火タイミングはイグナイタ２７によって調整される。吸気ポート８から流入された吸入空気はインジェクタ３００から噴射された燃料と混合し、ピストン２の上昇運動により燃焼室１ａ内で圧縮される。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ５からのピストン２の位置、および吸気カム角センサ１８からのカム軸回転位相の情報に基づき、点火タイミングを決定しイグナイタ２７に信号を送る。イグナイタ２７はＥＣＵ１００の信号に従って、指示された点火タイミングでバッテリ２００からの電力を点火プラグ２６に通電する。点火プラグ２６はバッテリ２００からの電力により点火し、圧縮混合ガスを着火させて、燃焼室１ａ内を膨張させピストン２を下降させる。これがコネクティングロッド４を介してクランクシャフト３の軸回転に変更されることにより、エンジン１は動力を得る。燃焼後の排気ガスは、排気弁１４が開いた際に排気ポート１０、排気通路１１を通って合流排気通路４００で合流し、浄化触媒４０１を通過してエンジン１の外部へと排出される。そして、各気筒の燃焼室１ａには筒内温センサ３１、および圧縮比センサ３２が設けられており、燃焼室１ａ内の温度、および実圧縮を検出してＥＣＵ１００へ送信することで、ＥＣＵ１００は燃焼室１ａ内の温度、実圧縮を認識することができる。

各気筒の排気通路１１は下流で合流して合流排気通路４００を形成し、合流排気通路４００の先には浄化触媒４０１が設けられている。浄化触媒４０１は、エンジン１の排ガスを浄化するために用いられるもので、例えば三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元型触媒などが適用され、エンジン１の排気量、使用地域等の違いによってこれら浄化触媒４０１を複数個組み合わせて設置される場合もある。浄化触媒４０１には触媒温度センサ４０２が設けられている。ＥＣＵ１００は、触媒温度センサ４０２からの信号を受信することにより、浄化触媒４０１の温度を認知し、浄化触媒４０１が活性温度域にあるか否かを判断することができる。

燃焼室１ａの周辺にはウォータジャケットが設けられており、ウォータジャケット内部は燃焼室１ａを冷却するためのエンジン冷却水が循環している（図示しない）。そして、ウォータジャケットにはエンジン冷却水温を測定するための水温センサ２８が設けられており、エンジン冷却水温を検出してＥＣＵ１００へと送信することで、ＥＣＵ１００は、エンジン冷却水温を認識することができる。また、燃焼室１ａの下部には油温センサ２９が設けられており、エンジン１内部を循環する油温を検出してＥＣＵ１００へと送信することで、ＥＣＵ１００は、エンジン油温を認識することができる。

バッテリ２００は、正極に二酸化鉛（ＰｂＯ_２）、負極に海綿状鉛（Ｐｂ）、電解液として希硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）を用いた二次電池であり、それらの化学反応によって充放電サイクルを実施する。バッテリ２００は、オルタネータ（図示しない）の発電量が各電装品の電力使用量を超える場合に、超えた分の電力を充電してバッテリ内部に蓄電する。そして、バッテリ２００は、エンジン１の始動の際にスタータモータ７を稼動させるために、または車両の走行中にＥＣＵ１００等の電装品を適切に稼動させるために、バッテリ２００の内部に蓄電した電力を放電する。バッテリ２００としては、例えば１２［Ｖ］システムを適用することができるが、４２［Ｖ］システム等の高電圧仕様を適用することもできる。

ＥＣＵ１００は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備えるコンピュータである。ＥＣＵ１００は、クランク角センサ５、カム角センサ１８，２１、エアフロメータ２２、スロットルポジションセンサ２４、水温センサ２８の検出結果を読み込み、ＶＶＴ機構１６，１９の動作、インジェクタ３００の動作、点火プラグ２６の点火時期など、エンジン１の運転動作を統合的に制御する。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の始動の際に燃焼室１ａ内の温度を上昇させるためのプレヒート制御を実行する。図２は、エンジン１の始動時におけるプレヒート制御の概要を示した説明図である。ＥＣＵ１００は、エンジン１の始動要求を検出すると、インジェクタ３００の燃料噴射および点火プラグ２６の点火を禁止させる。更に、ＥＣＵ１００は、ＶＶＴ機構１６，１９を制御することで、吸気弁１２および排気弁１４をプレヒート制御の終了まで閉弁させるとともに、スタータモータ７を駆動させてクランキングを開始する。そして、ＥＣＵ１００は、所定サイクル毎に吸気弁１２を開弁させ、プレヒート中に燃焼室１ａ内からリークした空気を筒内に補給する。ここで、ＥＣＵ１００は、水温センサ２８、油温センサ２９、吸気温センサ３０、筒内温センサ３１、圧縮比センサ３２の検出結果、およびクランク角センサ５の検出結果に基づく累積クランキング回数のうち少なくとも１つから、プレヒート中の燃焼室１ａ内の温度を求めることで、燃焼室１ａ内の温度が燃料が気化するのに充分な温度に到達したときにプレヒート制御を終了する。ＥＣＵ１００は、プレヒート制御の終了後に、インジェクタ３００の燃料噴射および点火プラグ２６の点火を開始させ、吸気弁１２、排気弁１４を開弁させて運転モードへと移行する。また、ＥＣＵ１００は、プレヒート制御中に運転者からの運転要求があった場合に、速やかにプレヒート制御を中断して運転モードへと移行する。なお、ＥＣＵ１００は本発明の燃料噴射禁止手段、吸排気弁閉弁手段、および開弁手段に相当する。

つづいて、ＥＣＵ１００の制御の流れに沿って、エンジン１の動作を説明する。図３はＥＣＵ１００の処理の一例を示すフローチャートである。本実施例のエンジン１は、燃料噴射手段、燃料噴射禁止手段、吸排気弁閉弁手段、および開弁手段を備えることにより、エンジン１の始動の際に、燃料噴射を禁止し、吸気弁１２および排気弁１４を閉弁して所定期間クランキングすることで燃焼室１ａ内の温度を上昇させるプレヒート制御を実行する。また、本実施例のエンジン１は、クランキング中の所定サイクル毎において、クランク角が上死点から下死点にある間に吸気弁１２を小リフト化することにより、クランキング中に燃焼室１ａ内からリークした空気を筒内に補給する。更に、本実施例のエンジン１は、水温センサ２８、油温センサ２９、吸気温センサ３０、筒内温センサ３１、圧縮比センサ３２、クランク角センサ５の検出結果、および運転者の運転要求を検出した場合の少なくとも１つから、プレヒート制御を実行する所定期間を判断する。

ＥＣＵ１００の制御は、エンジン１の始動要求がされると、すなわちイグニッションスイッチがＯＮにされると開始する。まず、ＥＣＵ１００はステップＳ１で、インジェクタ３００による燃焼室１ａ内への燃料噴射と、点火プラグ２６による点火を禁止する。更に、ＥＣＵ１００は、ＶＶＴ機構１６，１９を制御することで吸気弁１２および排気弁１４を閉弁する。

ここで、プレヒート制御において吸気弁１２および排気弁１４の両方を閉弁する必要性について説明する。図４は、エンジン１のクランキング時のＰＶ線図を示している。従来技術のように、吸気弁１２を開弁してクランキングする場合、燃焼室１ａ内の空気は、圧縮工程で吸気ポート８へと移動する。そして、吸気ポート８内へ移動した空気は、膨張工程で再び燃焼室１ａ内へと移動する。このように、クランキング時に吸気弁１２を開弁すると、圧縮工程で空気が筒内から移動してしまうために高い実圧縮を得ることができない（図４（ａ））。一方、本発明のように吸気弁１２および排気弁１４を閉弁してクランキングする場合、圧縮工程、膨張行程のいずれにおいても燃焼室１ａ内からの空気の移動がないために、圧縮工程で高い実圧縮を得ることができる（図４（ｂ））。ここで、理想気体の状態方程式に基づくと、
［理想気体の状態方程式］
ＰＶ＝ｎＲＴ ・・・（１）
（Ｐ：気体の圧力，Ｖ：気体の体積，ｎ：気体の物質量，Ｒ：気体定数，Ｔ：気体の熱力学温度）
（１）式より、気体の圧力Ｐが高いほど気体の熱力学温度Ｔも高くなる。よって、吸気弁１２および排気弁１４を閉弁して筒内の実圧縮を向上させることで、燃焼室１ａ内の空気温度をより高い温度まで上昇させることができるために、プレヒート効率を向上させることができる。

また、従来技術のように、クランキング時に吸気弁１２を開弁する場合、圧縮膨張工程に伴って空気が燃焼室１ａと吸気ポート８とを移動するために、スタータモータ７の仕事量が大きくなる（図４（ａ）の斜線部分）。一方、本発明のように吸気弁１２および排気弁１４を閉弁してクランキングする場合、燃焼室１ａからの空気の移動がないためにスタータモータ７の仕事量も小さくすることができる（図４（ｂ））。よって、スタータモータ７の回転を燃焼室１ａ内の温度上昇に高効率で変換することができることから、省エネルギーで筒内の温度を速やかに上昇させることができる。ＥＣＵ１００はステップＳ１の処理を終えると、次のステップＳ２へ進む。

ステップＳ２で、ＥＣＵ１００は、スタータモータ７を駆動させてエンジン１のクランキングを開始する。ＥＣＵ１００はステップＳ２の処理を終えると、つづいてステップＳ３へ進む。

ステップＳ３で、ＥＣＵ１００は、クランキングの開始時点からのエンジン１のサイクル数をカウントする。ここで、一般的にエンジンの１サイクルは、吸入、圧縮、膨張、排気の４工程を言うために、クランク角が２回転する７２０°で表現されるが、本実施例のプレヒート制御における１サイクルは、圧縮、膨張の２工程を１サイクルとするために、クランク角が１回転する３６０°で表現するものとする。ＥＣＵ１００はステップＳ３の処理を終えると、つづいてステップＳ４へ進む。

ステップＳ４で、ＥＣＵ１００は、プレヒート制御の終了条件が成立したか否かを判断する。ここで、プレヒート制御の終了条件については後述するため、その詳細な説明は省略する。プレヒート制御の終了条件が成立した場合（ステップＳ４／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はステップＳ７へ進む。プレヒート制御の終了条件が成立していない場合（ステップＳ４／ＮＯ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ５へ進む。

ステップＳ５で、ＥＣＵ１００は、クランキング開始からのサイクル数が所定回数に到達したか否かを判断する。ここで、サイクル数の所定回数は、燃焼室１ａ内の実圧縮が低下し筒内の温度上昇が停止するサイクル数を適用することができ、例えばエンジン１の排気量や燃焼室１ａの形状などに基づいて６サイクル、８サイクル、または１０サイクルのいずれかに設定することができる。また、サイクル数の所定回数は、圧縮比センサ３２の検出結果に基づいて設定することもできる。クランキング開始からのサイクル数が所定回数に到達していない場合（ステップＳ５／ＮＯ）、ＥＣＵ１００は再びステップＳ４の処理を行う。クランキング開始からのサイクル数が所定回数に到達した場合（ステップＳ５／ＹＥＳ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ６へ進む。

ステップＳ６で、ＥＣＵ１００は、クランク角が上死点から下死点にある間、ＶＶＴ機構１６を制御して吸気弁１２を小リフト化する。ここで、プレヒート制御において所定サイクル毎に吸気弁１２を小リフト化する必要性について説明する。燃焼室１ａ内の空気は、クランキングによるピストン２の上下運動に伴い、ピストンリングとスリーブ部とのわずかな隙間などから徐々にリークする。この場合、吸気弁１２および排気弁１４は閉弁されているために、膨張工程においても燃焼室１ａ内へ空気は供給されない。よって、吸気弁１２および排気弁１４を閉弁したままクランキングを繰り返すことで、燃焼室１ａ内の空気量は徐々に減少する。このように、筒内の空気量が減少すると筒内の圧力Ｐが低下することから、上記（１）式より筒内の温度Ｔも低下するために、燃焼室１ａのプレヒート効率が著しく低下する。そのため、所定サイクル毎に吸気弁１２を小リフト化し、クランキング時にリークした分の空気を燃焼室１ａ内に補給することで、燃焼室１ａ内の空気量の低下を抑制し、エンジン１の筒内温度を効率よく上昇させることができる。

図５は、ポート噴射式エンジンと、実施例１のエンジンとのプレヒート時における吸気弁の開弁サイクルの一例を示している。ポート噴射式エンジンのプレヒート制御では、燃料が噴射される吸気ポートの温度を上昇させることが低温始動性の向上に最も寄与する。よって、２サイクル毎に吸気弁を開弁させて、筒内で圧縮膨張されて温度が上昇した空気を吸気弁から吸気ポートへ送り込むことで、吸気ポートの温度を上昇させる。一方、本実施例のエンジン１は、燃焼室１ａの温度を上昇させることが低温始動性を向上させるために最も効果的である。よって、吸気弁１２と排気弁１４との両方を閉弁させてクランキングする頻度を高くするために、例えば６サイクル、８サイクル、１０サイクルのいずれかで吸気弁１２を小リフト化してリークした空気を筒内に補給する。そして、残りのサイクルは吸気弁１２および排気弁１４を閉弁してクランキングすることで、効率よくプレヒート制御を実行することができる。

図６は、所定サイクル毎に開弁される吸気弁１２の開弁形態を示している。吸気弁１２は、クランク角がＴＤＣの時に開弁を開始してＢＤＣで閉弁するように、いわゆる膨張工程のみ開弁するよう制御されることで、筒内の空気をなるべく外部へ流出させずにリークした分の空気を燃焼室１ａ内へ補給することができることから、高い実圧縮を維持することができる。その際、吸気弁１２のリフト量は、クランキング中に燃焼室１ａからリークした分の空気を筒内に充分に取り込むことができ、かつ燃焼室１ａ内の空気を外部へ逃がさないようなリフト量を適用することができ、例えば４［ｍｍ］前後に設定することができる。ＥＣＵ１００はステップＳ６の処理を終えると、再びステップＳ３の処理を繰り返す。

ステップＳ４の判断がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ７へ進む。ステップＳ７で、ＥＣＵ１００は、インジェクタ３００による燃料噴射と、点火プラグ２６による点火を開始し、ＶＶＴ機構１６，１９を制御して吸気弁１２および排気弁１４を開弁することで、プレヒート制御を終了して運転モードへと移行する。ステップＳ７の処理を終えると、ＥＣＵ１００は制御の処理を終了する。

つづいて、ＥＣＵ１００がプレヒート制御の終了を判定するフローを説明する。図７はＥＣＵ１００の処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ１００の制御は、エンジン１の始動要求がされると、すなわちイグニッションスイッチがＯＮにされると開始する。

ステップＳ８で、ＥＣＵ１００は、アクセルＯＮの信号を検出したか否かを判断する。ここで、アクセルＯＮの信号は、運転者からの運転要求の一例であり、このようなプレヒート中に車両の運転要求があった場合には、速やかにプレヒートを中断して運転モードに移行することで、運転者にストレスを与えることなくプレヒートを実行することができる。この場合、アクセルＯＮの信号以外の信号を運転者からの運転要求信号として適用することもできる。アクセルＯＮの信号を検出した場合（ステップＳ８／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はステップＳ１２へ進む。アクセルＯＮの信号を検出しなかった場合（ステップＳ８／ＮＯ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ９へ進む。

ステップＳ９で、ＥＣＵ１００は、エンジン１の水温、油温、吸気温、筒内温、実圧縮比、累積クランキング回数を検出する。このように、エンジン１の冷却水温、油温、吸気温、筒内温、実圧縮比、累積クランキング回数を検出することで、それら検出結果の少なくとも１つから、燃焼室１ａ内の温度を求めることができる。この場合、上記パラメータのうち少なくとも１つを検出してもよい。ＥＣＵ１００はステップＳ９の処理を終えると、つづいてステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０で、ＥＣＵ１００は、ステップＳ９で検出した結果から燃焼室１ａの温度を求める。この処理によって、燃焼室１ａの温度が筒内に噴射された燃料が気化するのに充分な温度に到達したか否かを確認することができる。なお、ステップＳ１０で求める燃焼室１ａ内の温度は、クランク角がＴＤＣ付近の筒内温度相当とすることが好ましい。ＥＣＵ１００はステップＳ１０の処理を終えると、つづいてステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１１で、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０で求めた燃焼室１ａの温度が所定値以上であるか否かを判断する。ここで、燃焼室１ａの温度の所定値は、筒内に噴射された燃料が気化するのに充分な温度を適用することができ、例えば７０℃に設定することができる。燃焼室１ａの温度が所定値に満たない場合（ステップＳ１１／ＮＯ）、ＥＣＵ１００はステップＳ８に戻り、再び上記の処理を実行する。燃焼室１ａの温度が所定値以上である場合（ステップＳ１１／ＹＥＳ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２で、ＥＣＵ１００は、燃焼室１ａが充分な温度に到達したことにより、プレヒート終了条件が成立したと判断する。この判断をもとに、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４でプレヒート制御を終了し運転モードへと移行することで、内燃機関のプレヒートを適切に制御することができる。ステップＳ１２の処理を終えると、ＥＣＵ１００は制御の処理を終了する。

以上のように、本実施例１のエンジン１は、エンジン１の始動の際に燃料噴射を禁止することで、筒内へ噴射された燃料が気化できずに燃焼室内を濡らすことでプレヒート効率が低下することを抑制することができる。そして、吸気弁１２および排気弁１４を閉弁して所定期間クランキングすることで、低温始動性の向上に最も寄与する燃焼室１ａの温度をより短時間で上昇させることができる。更に、所定サイクル毎に吸気弁１２を小リフト化し、クランキング中に燃焼室１ａ内からリークした空気を補給することで、プレヒートの効率を向上させることができる。このように、プレヒート制御を最適に実行することで、筒内に噴射された燃料の気化を促進することができることから、直噴式の内燃機関の始動性や始動時の排気エミッションを改善することができる。

また、本実施例１のエンジン１は、クランキング中の所定サイクル毎において、吸気弁１２が、クランク角がＴＤＣの時に開弁を開始しＢＤＣで閉弁するよう、いわゆる膨張工程のみ開弁するように制御されることで、筒内の空気をなるべく外部へ流出させずにリークした分の空気を燃焼室１ａ内へ補給することができる。よって、常に高い筒内の実圧縮を維持することができることから、プレヒートの効率を向上させることができる。

そして、本実施例１のエンジン１は、水温センサ２８、油温センサ２９、吸気温センサ３０、筒内温センサ３１、圧縮比センサ３２、クランク角センサ５の検出結果、および運転者の運転要求を検出した場合の少なくとも１つから、プレヒート制御を実行する所定期間を判断することで、燃焼室１ａの温度が筒内に噴射された燃料が気化するのに充分な温度に到達したか否かを確認してプレヒート制御を適切に実行することができる。また、プレヒート中に運転者からの車両の運転要求があった場合、速やかにプレヒートを中断して運転モードに移行することで、運転者にストレスを与えることなくプレヒートを実行することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例のエンジン５０は、実施例１のエンジン１とほぼ同様の構成となっているが、エンジン５０は、クランキング中の所定サイクル毎に、排気弁１４を小作動リフト化する制御を行う点でエンジン１と相違している。

本実施例のエンジン５０は、実施例１と同様に車両内部にＥＣＵ１００を備えている。このＥＣＵ１００が、クランキング中の所定サイクル毎に、排気弁１４を小リフト化する制御を行う。エンジン５０の始動の際に、吸気弁１２および排気弁１４を閉弁して所定期間クランキングし、所定サイクル毎に、クランク角が上死点から下死点にある間に排気弁１４を小リフト化することにより、クランキング中に燃焼室１ａ内からリークした空気を筒内に補給する。

つづいて、ＥＣＵ１００の制御の流れに沿って、エンジン５０の動作を説明する。図８は、ＥＣＵ１００の処理の一例を示すフローチャートである。なお、実施例１と同様の処理については、その詳細な説明は省略する。実施例１と同様に、ＥＣＵ１００の制御は、エンジン５０の始動要求がされると、すなわちイグニッションスイッチがＯＮにされると開始する。

まず、ＥＣＵ１００はステップＳ１３で、インジェクタ３００による燃焼室１ａ内への燃料噴射と、点火プラグ２６による点火を禁止させる。更に、ＥＣＵ１００は、ＶＶＴ機構１６，１９を制御することで吸気弁１２および排気弁１４を閉弁させる。なお、プレヒート制御において吸気弁１２および排気弁１４の両方を閉弁する必要性については、実施例１と同様であるために、その詳細な説明は省略する。ＥＣＵ１００はステップＳ１３の処理を終えると、次のステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４で、ＥＣＵ１００は、スタータモータ７を駆動させてエンジン５０のクランキングを開始する。ＥＣＵ１００はステップＳ１４の処理を終えると、つづいてステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５で、ＥＣＵ１００は、クランキングの開始時点からのエンジン５０のサイクル数をカウントする。ここで、プレヒート制御におけるエンジン５０の１サイクルは、実施例１と同様にクランク角が１回転する３６０°で表現するものとする。ＥＣＵ１００はステップＳ１５の処理を終えると、つづいてステップＳ１６へ進む。

ステップＳ１６で、ＥＣＵ１００は、プレヒート制御の終了条件が成立したか否かを判断する。ここで、プレヒート制御の終了条件については実施例１と同様であるため、その詳細な説明は省略する。プレヒート制御の終了条件が成立した場合（ステップＳ１６／ＹＥＳ）、ＥＣＵ１００はステップＳ１９へ進む。プレヒート制御の終了条件が成立していない場合（ステップＳ１６／ＮＯ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ１７へ進む。

ステップＳ１７で、ＥＣＵ１００は、クランキング開始からのサイクル数が所定回数に到達したか否かを判断する。ここで、サイクル数の所定回数は、燃焼室１ａ内の実圧縮が低下し筒内の温度上昇が停止するサイクル数を適用することができ、例えばエンジン５０の排気量や燃焼室１ａの形状などに基づいて６サイクル、８サイクル、または１０サイクルのいずれかに設定することができる。また、サイクル数の所定回数は、圧縮比センサ３２の検出結果に基づいて設定することもできる。クランキング開始からのサイクル数が所定回数に到達していない場合（ステップＳ１７／ＮＯ）、ＥＣＵ１００は再びステップＳ１６の処理を行う。クランキング開始からのサイクル数が所定回数に到達した場合（ステップＳ１７／ＹＥＳ）は、ＥＣＵ１００は次のステップＳ１８へ進む。

ステップＳ１８で、ＥＣＵ１００は、クランク角が上死点から下死点にある間、ＶＶＴ機構１６を制御して排気弁１４を小リフト化する。ここで、プレヒート制御において所定サイクル毎に排気弁１４を小リフト化する必要性について説明する。実施例１においては、クランキング中に燃焼室１ａ内からリークした空気を筒内に補給するために吸気弁１２を小リフト化する。しかし、本実施例のエンジン５０のような直噴式の内燃機関の場合、エンジンの低温始動性を向上させるためには、燃焼室の温度を上昇させることが最も効果的であることから、吸気弁と排気弁とのどちらを開弁させてもプレヒート効率は変わらない。つまり、プレヒート中に燃焼室内からリークした空気を補給するためには排気弁を開弁しても良い。そして、一般のガソリンエンジンにおいては、吸気弁よりも排気弁の方が小さいために、吸気弁をリフトするよりも排気弁をリフトする方が燃焼室内の暖気された空気が漏れにくいという利点がある。そのため、所定サイクル毎に排気弁１４を小リフト化することで、燃焼室１ａ内の空気の流出を抑制しつつ、燃焼室１ａ内からリークした分の空気を筒内へ補給することができる。なお、排気弁１４の開弁サイクルについては実施例１と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

所定サイクル毎に開弁される排気弁１４の開弁形態について説明する。排気弁１４の面積は、吸気弁１２の面積よりも小さいために、同じリフト量の場合、燃焼室１ａ内の暖気された空気は外部へ流出しにくいが、筒内へ取り込まれる空気量も少ない。よって、燃焼室１ａからリークした分の空気を補給するために、排気弁１４のリフト量は吸気弁１２のリフト量よりも大きくする必要がある。排気弁１４は、クランク角がＴＤＣの時に開弁を開始し、ＢＤＣで閉弁するように制御されることで、筒内の空気をなるべく外部へ流出させずにリークした分の空気を燃焼室１ａ内へ補給することができることから、高い実圧縮を維持することができる。その際、排気弁１４のリフト量は、クランキング中に燃焼室１ａからリークした分の空気を筒内に充分に取り込むことができ、かつ燃焼室１ａ内の空気を外部へ逃がさないようなリフト量を適用することができ、例えば５［ｍｍ］前後に設定することができる。ＥＣＵ１００はステップＳ１８の処理を終えると、再びステップＳ１５の処理を繰り返す。

ステップＳ１６の判断がＹＥＳの場合、ＥＣＵ１００はステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９で、ＥＣＵ１００は、インジェクタ３００による燃料噴射と、点火プラグ２６による点火を開始させ、ＶＶＴ機構１６，１９を制御して吸気弁１２および排気弁１４を開弁させることで、プレヒート制御を終了して運転モードへと移行する。ステップＳ１９の処理を終えると、ＥＣＵ１００は制御の処理を終了する。

以上のように、本実施例２のエンジン５０は、エンジン５０の始動の際に燃料噴射を禁止させることで、筒内へ噴射された燃料が気化できずに燃焼室内を濡らすことでプレヒート効率が低下することを抑制することができる。そして、吸気弁１２および排気弁１４を閉弁させて所定期間クランキングすることで、低温始動性の向上に最も寄与する燃焼室１ａの温度をより短時間で上昇させることができる。更に、所定サイクル毎に排気弁１４を小リフト化させ、クランキング中に燃焼室１ａ内からリークした空気を補給することで、高い筒内の実圧縮を維持することができることから、プレヒートの効率を向上させることができる。このように、プレヒート制御を最適に実行することで、筒内に噴射された燃料の気化を促進することができることから、直噴式の内燃機関の始動性や始動時の排気エミッションを改善することができる。

更に、実施例２のエンジン５０は、クランキング中の所定サイクル毎において、排気弁１４が、クランク角がＴＤＣの時に開弁を開始しＢＤＣで閉弁するよう、いわゆる膨張工程のみ開弁するように制御されることで、筒内の空気をなるべく外部へ流出させずにリークした分の空気を燃焼室１ａ内へ補給することができる。よって、常に高い筒内の実圧縮を維持することができることから、プレヒートの効率を向上させることができる。

なお、実施例２のエンジン５０は、実施例１と同様に、水温センサ２８、油温センサ２９、吸気温センサ３０、筒内温センサ３１、圧縮比センサ３２、クランク角センサ５の検出結果、および運転者の運転要求を検出した場合の少なくとも１つから、プレヒート制御を実行する所定期間を判断することで、燃焼室１ａの温度が筒内に噴射された燃料が気化するのに充分な温度に到達したか否かを確認してプレヒート制御を適切に実行することができる。また、プレヒート中に運転者からの車両の運転要求があった場合、速やかにプレヒートを中断して運転モードに移行することで、運転者にストレスを与えることなくプレヒートを実行することができる。

上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれら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要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１の内燃機関の制御装置を組み込んだエンジンの概略構成を示した説明図である。 実施例１のエンジンの始動時におけるプレヒート制御の概要を示した説明図である。 実施例１のＥＣＵが行う制御のフローを示している。 実施例１のエンジンのクランキング時のＰＶ線図を示している。 ポート噴射式エンジンと、実施例１のエンジンとのプレヒート時における吸気弁の開弁サイクルの一例を示している。 所定サイクル毎に開弁される吸気弁の開弁形態を示している。 実施例１のＥＣＵが行う制御のフローを示している。 実施例２のＥＣＵが行う制御のフローを示している。

符号の説明

１ エンジン
１ａ 燃焼室
２ ピストン
３ クランクシャフト
５ クランク角センサ
８ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１２ 吸気弁
１３ 吸気カムシャフト
１４ 排気弁
１５ 排気カムシャフト
１６ 電動可変動弁機構（電動ＶＶＴ機構）
１７ 電動モータ
１８ 吸気カム角センサ
１９ 油圧可変動弁機構（油圧ＶＶＴ機構）
２０ オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）
２１ 排気カム角センサ
２８ 水温センサ
２９ 油温センサ
３０ 吸気温センサ
３１ 筒内温センサ
３２ 圧縮比センサ
１００ ＥＣＵ（燃料噴射禁止手段、吸排気弁閉弁手段、開弁手段）
３００ インジェクタ（燃料噴射手段）

Claims (4)

1. 燃料を気筒内に直接噴射する燃料噴射手段を備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の始動要求を検出してから所定期間、前記燃料噴射手段による燃料噴射を禁止させる燃料噴射禁止手段と、
   前記内燃機関の始動要求を検出してから所定期間、吸気弁および排気弁を閉弁させる吸排気弁閉弁手段と、
   前記吸排気弁閉弁手段によって閉弁された前記吸気弁および前記排気弁の何れか一方を所定サイクル毎に開弁させる開弁手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記開弁手段は、クランク角が上死点から下死点までの範囲にある間、前記吸気弁または前記排気弁の何れか一方を開弁させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記開弁手段は、前記内燃機関のアイドル運転時における前記吸気弁および前記排気弁のリフト量よりも小さいリフト量で前記吸気弁または前記排気弁の何れか一方を開弁させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記所定期間は、前記内燃機関の冷却水温と、油温と、吸気温と、筒内温と、実圧縮比と、累積クランキング回数と、運転者からの車両運転要求を検出したときとの少なくとも１つに基づいて決定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の内燃機関の制御装置。
   
   

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