JP2012132316A - 内燃機関の停止制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来の停止位置制御手法を適用すると、吸気弁と排気弁がともに開弁しているオーバラップ状態で停止する可能性が高い機関において、オーバラップ状態での停止を確実に回避できる内燃機関の停止制御装置を提供する。
【解決手段】 機関の停止指令後にスロットル弁を閉弁し(S14)、機関回転数NEが所定回転数NEICOFPREより低くなり、かつステージ番号STGが「0」であって、何れかの気筒において吸気行程が開始された直後であるときに、スロットル弁を開弁する(S11〜S13)。これにより、機関停止時に吸気行程となる最終吸気行程気筒の吸入空気量が増量され、機関の停止直前における逆転方向のトルクを減少させ、オーバラップ状態での停止が回避される。
【選択図】 図4

Description

本発明は、内燃機関の停止時におけるピストンの停止位置を制御する停止制御装置に関する。
機関が停止したときに吸気弁と排気弁がともに開弁している状態(以下「オーバラップ状態」という)の気筒が存在する場合には、排気が吸気管に逆流して次の始動時に円滑な始動が困難となることがある。特許文献1には、機関がオーバラップ状態で停止しないように、停止直前にスロットル弁を開弁して吸入空気量を増量する停止位置制御手法が示されている。この手法によれば、機関停止時に圧縮行程となる気筒(最終圧縮行程気筒)における停止直前の吸気行程開始時期より前にスロットル弁が開弁される。これにより、最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒の吸入空気量が増加し、停止直前の逆転によってオーバラップ状態で停止することが回避される。
特許第4435844号公報
上記従来の停止位置制御手法によれば、4気筒機関や6気筒機関ではオーバラップ状態での停止を回避することができるが、3気筒機関に適用した場合には、むしろオーバラップ状態で停止する可能性を高めるという課題がある。
図5及び図6を参照してこの点を詳細に説明する。図5及び図6は、機関での燃焼が行われず、かつスロットル弁開度を一定値に維持した状態における膨張行程気筒で発生する正回転方向トルクTRQFと、圧縮行程気筒で発生する逆回転方向トルクTRQRとを太い破線で示し、両者の合成トルクTRQTを細い実線で示しており、図5は3気筒機関に対応し、図6は4気筒機関に対応する。合成トルクTRQTが「0」となる回転位相(以下「トルクバランス角度」という)CAB1及びCAB2が一点鎖線で示されている。太い一点鎖線で示す第1トルクバランス角度CAB1が最も停止する可能性の高い角度位置(位相)を示し、細い一点鎖線で示す第2トルクバランス角度CAB2が次に停止する可能性の高い角度位置を示す。また図5及び図6の下部には、各気筒の行程が示されている。またROVLは、吸排気弁がともに開弁する角度範囲(以下「オーバラップ範囲」という)を示す。
図6に示すように、4気筒機関では第1トルクバランス角度CAB1は、吸気行程及び排気行程の中心角度と一致するので、最終膨張行程気筒の吸入空気量を増量し、第1トルクバランス角度CAB1に停止させることにより、オーバラップ状態での停止を回避できる。
これに対し3気筒機関では、第1トルクバランス角度CAB1は、図5に示すように吸気行程の開始時期と一致するため、第1トルクバランス角度CAB1に停止させると、必ずオーバラップ状態で停止することになる。また、第1トルクバランス角度CAB1は、第1の気筒の膨張行程と第2の気筒の圧縮行程とが重複する角度範囲の略中心の角度位置に相当し、第1トルクバランス角度CAB1が第3の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲ROVL内にある機関(例えば5気筒機関)では、3気筒機関と同様の問題が発生する(図7参照)。
本発明は、上述した点を考慮してなされたものであり、従来の停止位置制御手法を適用すると、オーバラップ状態に停止する可能性が高い機関において、オーバラップ状態での停止を確実に回避できる内燃機関の停止制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため請求項1に記載の発明は、内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、前記機関は、3気筒若しくは5気筒を有する機関、または5気筒より多い気筒を有し、第1の気筒の膨張行程と第2の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度(CAB1)が、第3の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲(ROVL)内にある動作モードで動作可能な機関であり、前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁(3)と、前記機関の停止指令後に前記吸気制御弁(3)を閉弁し、前記機関の停止時に圧縮行程となる最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後に前記吸気制御弁(3)を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、前記機関は、3気筒若しくは5気筒を有する機関、または5気筒より多い気筒を有し、第1の気筒の膨張行程と第2の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度(CAB1)が、第3の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲(ROVL)内にある動作モードで動作可能な機関であり、前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁(3)と、前記機関の停止指令後に前記吸気制御(3)弁を閉弁し、前記機関の停止時に吸気行程となる最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時期と同時または開弁期間中に前記吸気制御弁(3)を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の内燃機関の停止位置制御装置において、前記機関の回転速度(NE)を検出する回転速度検出手段と、前記機関軸の回転角度(CA)を検出する機関軸回転角度検出手段とを備え、前記機関回転速度(NE)及び前記機関軸回転角度(CA)に基づいて、前記吸気制御弁(3)の開弁時期(CATHO)を判定することを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、機関の停止指令後に吸気制御弁が閉弁され、最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後に吸気制御弁が開弁される。これにより、最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒に吸入される空気量は増量されず、最終吸気行程気筒に吸入される空気量が増量される。この空気量の増量が下降するピストンの動きを促すとともに、停止直前に機関が逆転を開始しても、増量された空気を吸気管に戻すために必要な力が逆転方向のトルクを減少させ、ピストンが吸気行程開始上死点付近に達するまで逆転すること、すなわちオーバラップ状態での停止を防止することができる。
請求項2に記載の発明によれば、機関の停止指令後に吸気制御弁が閉弁され、最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時期と同時または開弁期間中に吸気制御弁が開弁される。これにより、最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒に吸入される空気量は増量されず、最終吸気行程気筒に吸入される空気量が増量されるので、請求項1の発明と同様の効果を得ることができる。
請求項3に記載の発明によれば、検出される機関回転速度及び機関軸回転角度に基づいて、吸気制御弁の開弁時期が判定される。機関回転速度は機関回転の慣性エネルギと相関がある一方、機関軸回転角度から吸気弁の開閉状態(作動位相)を特定できるので、検出される機関回転速度及び機関軸回転角度に基づいて、吸気制御弁の開弁時期を判定することにより、請求項1または2に記載した適切なタイミングで吸気制御弁を開弁することができる。
本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 本実施形態における吸排気弁のリフトカーブ、各気筒の行程、及びステージ番号(STG)を示す図である。 本実施形態における停止位置制御を、従来の制御と比較して説明するためのタイムチャートである。 停止位置制御処理のフローチャートである。 機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク(TRQT,TRQF,TRQR)及び各気筒の行程を示すタイムチャートである(3気筒機関)。 機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク(TRQT,TRQF,TRQR)及び各気筒の行程を示すタイムチャートである(4気筒機関)。 機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク(TRQT,TRQF,TRQR)及び各気筒の行程を示すタイムチャートである(5気筒機関)。 機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク(TRQT,TRQF,TRQR)及び各気筒の行程を示すタイムチャートである(6気筒機関)。
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関(以下単に「エンジン」という)1は、3気筒エンジンであり、吸気管2を有し、吸気管2の途中にはスロットル弁3が配されている。スロットル弁3には、スロットル弁3の開度THを検出するスロットル弁開度センサ4が設けられており、その検出信号が電子制御ユニット(以下「ECU」という)5に供給される。スロットル弁3には、スロットル弁3を駆動するアクチュエータ7が接続されており、アクチュエータ7は、ECU5によりその作動が制御される。
燃料噴射弁6は図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にECU5に電気的に接続されて当該ECU5からの信号により燃料噴射弁6の開弁時間が制御される。エンジン1の各気筒には点火プラグ9が設けられており、点火プラグ9にはECU5から点火信号が供給される。
ECU5には、エンジン1のクランク軸(機関軸)の回転角度CAを検出するクランク角度位置センサ8が接続されており、クランク軸の回転角度CAに応じた信号がECU5に供給される。クランク角度位置センサ8は、エンジン1の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス(以下「CYLパルス」という)を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点(TDC)に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で(3気筒エンジンではクランク角240度毎に)TDCパルスを出力するTDCセンサ及びTDCパルスより短い一定クランク角周期(例えば6度周期)でCRKパルスを発生するCRKセンサから成り、CYLパルス、TDCパルス及びCRKパルスがECU5に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数(エンジン回転速度)NEの検出に使用される。
ECU5には、エンジン1により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量(以下「アクセルペダル操作量」という)APを検出するアクセルセンサ10が接続されており、その検出信号がECU5に供給される。
ECU5は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路(以下「CPU」という)、CPUで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁6などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ECU5は、上述したセンサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁6の開弁時間の制御、点火プラグ9の点火時期制御、スロットル弁3の目標開度THCMDを算出し、検出したスロットル弁開度THが目標開度THCMDに一致するようにアクチュエータ7の駆動制御を行う。
次に本実施形態におけるエンジン停止時のピストン位置の制御(以下「停止位置制御」という)の概要を説明する。
図2は、停止位置制御で使用されるパラメータを説明するための図であり、図の曲線L1及びL2は、それぞれ#1気筒の排気弁のリフトカーブ及び吸気弁のリフトカーブである。図2にはさらにステージ番号STG及び各気筒(#1気筒、#2気筒、及び#3気筒)の行程が示されている。ステージ番号STGは、クランク軸の回転角度30度毎のクランク角度範囲を示すパラメータであり、各気筒の吸気行程開始時期から30度の期間をSTG=0として、順次「7」まで増加し、「0」に戻るように定義されている。
CAIO及びCAICは、それぞれ吸気弁開弁時期及び吸気弁閉弁時期であり、CAECは排気弁閉弁時期である。したがって、吸気弁開弁時期CAIOから排気弁閉弁時期CAECまでの角度範囲がオーバラップ範囲ROVLに相当する。
図3は、本実施形態における停止位置制御と、従来の停止位置制御とを対比して説明するためのタイムチャートであり、実線が本実施形態の制御に対応し、破線が特許文献1に示された制御(以下「従来制御」という)に対応し、一点鎖線はスロットル弁開度を全閉状態に維持する例に対応する。図3(a)〜図3(d)は、それぞれエンジン回転数NE、吸気圧PBA、スロットル弁開度TH、及びクランク角度CAR(エンジン停止時に吸気行程となる気筒の吸気行程開始時期を0度として240度に達すると0度に戻るように定義されている)の推移を示す。
時刻t0にイグニッションスイッチがオフされ、同時にスロットル弁の閉弁指令が行われる。従来制御では時刻t1に開弁指令が行われ、図3(c)に破線で示すようにスロットル弁開度THが増加する。本実施形態では、時刻t2に開弁指令が行われ、実線で示すようにスロットル弁開度THが増加する。スロットル弁開度THの増加に伴って、吸気圧PBAが増加する(図3(b))。その結果、従来制御では最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒の吸入空気量が増量され、図3(d)に破線で示すように吸気行程開始角度位置(CAR=0)まで逆回転して戻される。すなわち、エンジン1はオーバラップ状態で停止する。
これに対し本実施形態では、最終吸気行程気筒の吸入空気量が増量され、下降するピストンの動きを促すとともに、停止直前に逆回転を開始しても、増量された空気を吸気管に戻すために必要な力が逆転方向のトルクを減少させる。その結果、図3(d)に実線で示すように逆回転が抑制され、ピストンが吸気行程開始上死点付近に達するまで逆転すること、すなわちオーバラップ状態での停止を防止することができる。
なおスロットル弁3を全閉状態に維持する例では、図3(d)に一点鎖線で示すように従来制御とほぼ同様にピストンは吸気行程開始上死点付近で停止する。
最終吸気行程気筒の吸入空気量を増量させるための制御手法としては、以下の2つの制御手法がある。なお、下記第1及び第2の手法のいずれにおいても、スロットル弁の開弁状態はエンジンが停止するまで維持する。
第1の手法:最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後にスロットル弁を開弁する。
第2の手法:最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁と同時または開弁期間中にスロットル弁を開弁する。
これらの手法を図2を参照して説明する。先ず、#1気筒が最終圧縮行程気筒であるとすると、吸気弁閉弁時期CAICより後の比較的早い時期(例えばステージ番号STGが「1」の期間が終了する時期(CA=60度)まで)にスロットル弁を開弁することにより、最終吸気行程気筒である#2気筒の吸入空気量が増量される。また、#1気筒が最終吸気行程気筒であるとすると、吸気弁開弁時期CAIOと同時またはその後の比較的早い時期(例えばステージ番号STGが「0」の期間が終了する時期(CA=30度)まで)においてスロットル弁を開弁することにより、#1気筒の吸入空気量が増量される。すなわち、第1の手法では、最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁時点から所定期間TTHO(例えばクランク角度40度に相当する期間)内にスロットル弁を開弁し、第2の手法では、最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時点から所定期間TTHO内にスロットル弁を開弁することが望ましい。
図4は、上述した第2の手法による停止位置制御を行う処理のフローチャートである。この処理は、エンジン1の停止指令が行われた時点、すなわちイグニッションスイッチがオフされた時点、またはアイドル運転を一時的に停止するためのアイドル停止指令が出された時点から、エンジン1が停止するまでの期間において、所定時間(例えば10ミリ秒)毎にECU5のCPUで実行される。
ステップS11では、エンジン回転数NEが所定回転数NEICOFPRE(例えば400rpm)より低いか否かを判別する。最初はこの答は否定(NO)となるので、ステップS14に進み、スロットル弁3の目標開度THCMDを「0」に設定する。
エンジン回転数NEが低下し、ステップS11の答が肯定(YES)となると、ステージ番号STGが「0」であるか否かを判別する(ステップS12)。この答が否定(NO)であるときは、前記ステップS14に進む。
ステップS12の答が肯定(YES)であるときに、ステップS13に進み、目標開度THCMDを所定開度THOF(例えば20deg)に設定する。
図4の処理によれば、エンジン回転数NEによってエンジン回転の慣性エネルギが考慮され、さらにステージ番号STGによって最適なスロットル弁開弁時期CATHOを判定することができる。
なお、上記第1の手法は、図4のステップS12において、例えばステージ番号STGが「1」であるか否かを判別することにより実現できる)。
図5は、従来技術の課題を説明するために用いた図であり、3気筒エンジンでは、第1トルクバランス角度CAB1が、オーバラップ範囲ROVL内にある。そこで、本実施形態では、第1トルクバランス角度CAB1を避けてエンジン1を停止させるために、上述した停止位置制御が行われる。なお、3気筒エンジンでは、第2トルクバランス角度CAB2における合成トルクTRQTの、クランク角度に対する変化率(図に示される合成トルク曲線の傾き)が大きいので、スロットル弁開度を一定に維持した場合には、第2トルクバランス角度CAB2で停止する可能性は非常に小さい。
図7は、5気筒のエンジンについて図5と同様にトルク変化を示す図である。この図から明らかなように、第1トルクバランス角度CAB1は、3気筒エンジンと同様にオーバラップ範囲ROVL内にある。したがって、上述した第1及び第2の手法は、5気筒エンジンにおいても有効であり、オーバラップ状態での停止を防止することができる。
図8は、6気筒のエンジンについて図5と同様にトルク変化を示す図である。この図から明らかなように、6気筒エンジンでは、第2トルクバランス角度CAB2がオーバラップ範囲ROVL内にある。したがって、特許文献1に示された制御手法によって、第1トルクバランス角度CAB1で停止させることにより、オーバラップ状態での停止を回避できる。しかしながら、6気筒エンジンでは、合成トルクTRQTの推移を示す曲線の、第1トルクバランス角度CAB1における傾きの絶対値と、第2トルクバランス角度CAB2における傾きとがともに比較的大きくかつほぼ等しくなるため、トルクバランス角度CAB1及びCAB2で停止する可能性はどちらもほぼ同一であり、かつ5気筒以下のエンジンに比べて、角度CAB1またはCAB2で停止する可能性は小さくなる。さらにエンジンのフリクションが大きくなることから、6気筒エンジンでは、トルクバランス角度CAB1,CAB2以外の角度で止まる可能性が高くなる。
したがって、6気筒エンジンでは、本実施形態の停止位置制御方法が特に有効であるとはいえないが、6気筒エンジンにおいて3気筒休止運転(3気筒のみ作動させる運転)を行っているときは、3気筒エンジンと同じトルク変化特性(図5の特性)を示すことになるため、本実施形態における停止位置制御方法が有効である。また例えば10気筒エンジンにおいて5気筒休止運転を行っている状態から停止するときも同様である。
本実施形態では、スロットル弁3が吸気制御弁に相当し、ECU5及びアクチュエータ7が吸気制御手段を構成する。またクランク角度位置センサ8が、回転速度検出手段及び機関軸回転角度検出手段に相当する。また6気筒エンジンにおける3気筒休止運転、あるいは10気筒エンジンにおける5気筒休止運転が、「第1の気筒の膨張行程と第2の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度が、第3の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲内にある動作モード」に相当する。
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第1または第2の手法を実現する停止位置制御は、図4に示すものに限らず、例えば特許文献1に示される他の制御手法を適用してもよい。スロットル弁開弁時期CATHOにおけるエンジン回転数NE、クランク角度CA(ステージ番号STG)、及びスロットル弁開度THOFと、ピストン停止位置との関係は実験的に予め求めておくことができるからである。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの停止位置制御にも適用が可能である。
1 内燃機関
2 吸気管
3 スロットル弁(吸気制御弁)
5 電子制御ユニット(吸気制御手段)
7 アクチュエータ(吸気制御手段)
8 クランク角度位置センサ(回転速度検出手段、機関軸回転角度検出手段)

Claims (3)

  1. 内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、
    前記機関は、3気筒若しくは5気筒を有する機関、または5気筒より多い気筒を有し、第1の気筒の膨張行程と第2の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度が、第3の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲内にある動作モードで動作可能な機関であり、
    前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁と、
    前記機関の停止指令後に前記吸気制御弁を閉弁し、前記機関の停止時に圧縮行程となる最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後に前記吸気制御弁を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の停止位置制御装置。
  2. 内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、
    前記機関は、3気筒若しくは5気筒を有する機関、または5気筒より多い気筒を有し、第1の気筒の膨張行程と第2の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度が、第3の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲内にある動作モードで動作可能な機関であり、
    前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁と、
    前記機関の停止指令後に前記吸気制御弁を閉弁し、前記機関の停止時に吸気行程となる最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時期と同時または開弁期間中に前記吸気制御弁を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の停止位置制御装置。
  3. 前記機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
    前記機関軸の回転角度を検出する機関軸回転角度検出手段とを備え、
    前記機関回転速度及び前記機関軸回転角度に基づいて、前記吸気制御弁の開弁時期を判定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位置制御装置。
JP2010282522A 2010-12-20 2010-12-20 内燃機関の停止制御装置 Active JP5238014B2 (ja)

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