JP2013256873A

JP2013256873A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2013256873A
Application number: JP2012131749A
Authority: JP
Inventors: Mugen Tako; 無限太古
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2013-12-26
Anticipated expiration: 2032-06-11
Also published as: JP6091091B2

Abstract

【課題】燃費の向上及び快適な始動を有効に両立し得る内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の停止時に吸気通路３から燃焼室１０に至るまでのバルブである電子スロットルバルブ３２を閉じ、しかる後に気筒１内のピストンを吸気下死点付近で停止させることにより、内燃機関の停止中は前記気筒１における燃焼室１０を負圧状態に維持する。これにより始動後の初回燃焼時に噴射する燃料の量が抑えられる。そうすることで最適点火時期で点火したとしても過剰なトルクが抑えられる。その結果、点火時期の遅角化による燃費の悪化も、当該燃焼により発生する過大なトルクに起因する回転数の吹き上がりからの不要な音や振動も有効に回避し、燃費の向上及び快適な始動を両立させた。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の始動を好適に行うための制御装置に関するものである。

従来、内燃機関の始動時に起こる吹き上がりと呼ばれる回転数のオーバーシュート抑制の為に、始動時に点火時期を遅角とする等の制御を行っていた。

そして点火時期の遅角による燃費の悪化を回避しつつ前記吹き上がりを抑制するために、吸気マニホルド内を停止中に負圧に保っておくことにより、再始動時には前記負圧に応じた少なめの燃料を噴射することで再始動時の回転数が吹き上がることなく目標値に速やかに収めることを目的とした技術も開示されている（例えば、特許文献１参照）。具体的に説明すると上記特許文献のものは、吸気通路の吸気マニホルド上流側に機密遮蔽可能なバルブを設け、内燃機関の停止時に吸気マニホルド上流側のバルブ及び下流側にある吸気バルブを閉じることで、次回の再始動まで両バルブ間の吸気通路内を負圧状態に維持するという態様をなす。

しかしながら前記特許文献のものでは、通常の内燃機関の構成に加え、機密密閉可能なバルブを複数設ける必要がある。そのため、コストの増加や内燃機関の大型化を招来してしまう。また吸気マニホルド内を負圧状態に維持した場合、始動時において吸気に慣性が無い場合や停止時の燃料カット後のピストンが惰性により停止する位置によっては再始動時の最初の点火時に燃焼に必要な空気量が気筒内に流入されず、正常な燃焼が行えなくなり、当該燃料が無駄になってしまう恐れがある。

特開２００４−１４３９３９号公報

本発明は、上述したような点に着目したものであり、燃料の無駄を回避し且つ回転数の吹き上がりを抑えた始動を実現し得る内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の停止時に吸気通路から燃焼室に至るまでのバルブを閉じ、しかる後に気筒内のピストンを吸気下死点付近で停止させることにより、内燃機関の停止中は前記気筒における燃焼室を負圧状態に維持することを特徴とする。

このようなものであれば、始動時の燃料が燃焼されず無駄になることも、当該燃焼により発生するトルクが大きすぎる回転数の吹き上がりによる不要な音や振動も回避し、燃費の向上及び快適な始動を両立し得る。

本発明によれば、燃費の向上及び快適な始動を有効に両立し得る内燃機関の制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の全体構成を示す図。同実施形態に係る要部の説明図。同実施形態に係る他の要部の説明図。同実施形態に係る作用説明図。同実施形態の変形例に係る作用説明図。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、例えば三気筒の火花点火式のものであり、燃料としてガソリンを用いている。三つの気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。第一の気筒１の行程と第二の気筒１の行程との間、第２の気筒１と第三の気筒１の工程との間には、それぞれ２４０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、気筒１上部に形成される燃焼室１０の天井部（シリンダヘッド）には、インジェクタ１１、点火プラグ１２、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２を設ける。各気筒１の燃焼室１０にはピストン１３が嵌挿され、このピストン１３はコンロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。前記電子スロットルバルブ３２は、スロットルセンサから出力されるスロットル開度信号ｃ及びアクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ｄに基づいて、その時の運転状態に応じてその開度を電気的に制御される型式のもので、アクセルペダルが操作されることにより、その操作に対応して必ずしも開度が変更されるものではない。また電子スロットルバルブ３２は、本実施形態では吸気通路３を完全に遮断・密閉できるように構成されている。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

図２に示すように、本実施形態における内燃機関では、クランクスプロケット７１、吸気側スプロケット７２及び排気側スプロケット７３にタイミングチェーン７４を巻き掛け、このタイミングチェーン７４により、クランクシャフト１５からもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット７２を介して吸気カムシャフトに、排気側スプロケット７３を介して排気カムシャフトに、それぞれ伝達している。

その上で、吸気側スプロケット７２と吸気カムシャフトとの間に、可変バルブタイミング機構６を介設している。本実施形態における可変バルブタイミング機構６は、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフトの回転位相を変化させることにより吸気バルブ２１の開閉タイミングを変化させるものである。

可変バルブタイミング機構６のハウジング６１は、吸気側スプロケット７２に固着しており、吸気側スプロケット７２とハウジング６１とは一体となってクランクシャフト１５に同期して回転する。これに対し、吸気カムシャフトの一端部に固着したロータ６２は、ハウジング６１内に収納され、吸気側スプロケット７２及びハウジング６１に対して相対的に回動することが可能である。ハウジング６１の内部には、作動液が流出入する複数の流体室が形成され、各流体室は、ロータ６２の外周部に成形されたベーン６２１によって進角室６１１と遅角室６１２とに区画されている。

可変バルブタイミング機構６の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン８１内に蓄えられた作動液が液圧ポンプ８２より供給される。液圧ポンプ８２は、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ８２と可変バルブタイミング機構６との間には、切換制御弁たるＯＣＶ９を設けている。作動液の流量及び方向をこのＯＣＶ９を介して操作することで、オイルパン８１から汲み上げた作動液を進角室６１１または遅角室６１２に選択的に供給することができる。さすれば、ハウジング６１がロータ６２に対して相対回動し、吸気バルブ２１の開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ＯＣＶ９は、いわゆる電磁式の四方向スプール弁である。図２に示すように、ＯＣＶ９は、液圧ポンプ８２の吐出口と接続する供給ポート９１、ハウジング６１の進角室６１１と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１２と接続するＢポート９３、並びにオイルパン８１と接続するドレインポート９４、９５を有している。ＯＣＶ９のスプール９６は、ソレノイド９７によって駆動される進退動作により内部流体経路を切り換えて、Ａポート９２及びＢポート９３をそれぞれ供給ポート９１、ドレインポート９４、９５の何れかに連通させる。また、スプール９６が中立位置をとるときには内部流体経路が断絶し、Ａポート９２及びＢポート９３を供給ポート９１にもドレインポート９４、９５にも連通させない。図２では、スプール９６が中立位置にある状態を示している。

スプール９６はソレノイド９７によって駆動する。本実施形態では制御信号ｍとしてソレノイド９７に入力するパルス電流（または、電圧）のＤＵＴＹ比が大きいほど吸気バルブ２１のバルブタイミングが進角し、ＤＵＴＹ比が小さいほど吸気バルブ２１のバルブタイミングが遅角する。

制御信号ｍのＤＵＴＹ比が比較的大きい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＡポート９２を通じて進角室６１１に供給される一方、既に遅角室６１２に貯留していた作動液がＢポート９３を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、進角室６１１の容積が拡大、遅角室６１２の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトの回転位相、換言すれば吸気カムシャフトのクランクシャフト１５に対する変位角が進角して、吸気バルブ２１のバルブタイミングが進角化する。本実施形態では斯かる構成により、吸気下死点よりも前のタイミングで吸気バルブ２１を閉じることができる。

逆に、制御信号ｍのＤＵＴＹ比が比較的小さい場合には、液圧ポンプ８２から吐出される作動液圧がＢポート９３を通じて遅角室６１２に供給される一方、既に進角室６１１に貯留していた作動液がＡポート９２を通じてオイルパン８１に向けて流下することとなり、遅角室６１２の容積が拡大、進角室６１１の容積が縮小するようにベーン６２１及びロータ６２が回動する。結果、吸気カムシャフトのクランクシャフト１５に対する変位角が遅角して、吸気バルブ２１のバルブタイミングが遅角化する。

次いで図３に、本実施形態における発電システムの等価回路を示す。オルタネータ１１０は、ベルト及びプーリを要素とする巻掛伝動機構等を介して内燃機関のクランクシャフト１５に接続しており、クランクシャフト１５の回転に従動して回転し発電する。オルタネータ１１０は、ステータに巻回されたステータコイル１１１と、ステータの内側に配置され回転するロータに巻回されたフィールドコイル１１２とを有する。ステータコイル１１１は三相コイルであり、三相交流の誘起電流を発電する。この誘起電流は、レクティファイヤ（整流器）１１３によって直流電流とした上でバッテリ１２０に蓄電する。

オルタネータ１１０が発電し出力する電圧の大きさは、レギュレータ１３０を介して制御される。レギュレータ１３０は、オルタネータ１１０に付帯するＩＣ式のもので、パワートランジスタ、パワーＭＯＳＦＥＴ等に代表されるパワーデバイス（電力用半導体素子）を用いた切替回路１３１を介してフィールドコイル１１２に通電する。そして、パワーデバイスのスイッチ動作により、フィールドコイル１１２への通電をＯＮ／ＯＦＦする。オルタネータ１１０の出力電圧、即ちステータコイル１１１に誘起される電圧は、フィールドコイル１１２を流れるフィールド電流のＤＵＴＹ比（ｆＤＵＴＹ）に比例して大きくなる。レギュレータ１３０の電圧制御回路１３２は、ＥＣＵ０からオルタネータ１１０の出力電圧を指令する出力電圧指令信号ｌを受け付け、その指令された出力電圧を実現するようにｆＤＵＴＹを調節するＰＷＭ制御を行う。そしてｆＤＵＴＹの変動は検出回路１３３により検出され、出力電圧信号ｐとしてＥＣＵ０へ出力される。このオルタネータ１１０の出力電圧を少なくとも二段階、例えば１４．５Ｖまたは１２．８Ｖに切り替えることができる。この場合のＥＣＵ０は、レギュレータ１３０に対し、オルタネータ１１０の出力電圧をＨＩ電位＝１４．５Ｖとするか、ＬＯ電位＝１２．８Ｖとするかを指令する前記出力電圧指令信号ｌを入力する。バッテリ１２０の電圧以下またはバッテリ１２０の電圧に近い低電圧である
オルタネータ１１０による発電量、つまりバッテリ１２０への充電量及び／または電気負荷への給電量は、ｆＤＵＴＹが高いほど増加し、ｆＤＵＴＹが低いほど減少する。また換言すればオルタネータ１１０は内燃機関から見れば機械負荷となる。すなわち、ＥＣＵ０からレギュレータ１３０に高い出力電圧を指令すると、内燃機関の回転に対するオルタネータ１１０の機械負荷が増し、低い出力電圧を指令すると、内燃機関の回転に対するオルタネータ１１０の機械負荷が減る。

本実施形態のＥＣＵ０は、このような構成において自動停止始動装置として機能することにより、いわゆるアイドリングストップを行い得る。アイドリングストップを実施するにあたって、ＥＣＵ０には、アイドリングストッププログラムが格納してあり、そのアイドリングストッププログラムにおいてアイドリングストップ条件と再始動条件とが設定してある。アイドリングストップ条件は、少なくとも、バッテリ１２０の充電量が所定充電量以上であること、外気温が所定温度以上であること、内燃機関の温度が所定温度以上であること、前回のアイドルストップ以降に車速が所定速度以上で走行した履歴があること、前回内燃機関を始動してから所定始動後時間が経過していること、車両が停止してから所定停止時間が経過していること、アイドル運転状態で所定アイドル時間経過していること、ブレーキペダルが踏まれていることである。アイドリングストップは、これらのアイドリングストップ条件が全て成立した場合に実施される。

これに対して、再始動条件は、少なくとも、ブレーキペダルの操作（例えば踏み込み）をやめること、アクセルペダルが操作される（例えば踏み込まれる）こと、アイドリングストップの開始から所定再始動時間が経過したことなどである。そして、再始動は、再始動条件の少なくとも一つが成立する場合に実施される。なお、以上に説明したアイドリングストップ条件及び再始動条件は、列記した事項に限定されるものではなく、この分野で知られているものを採用するものであってよい。

内燃機関の運転及び補機の制御を司るＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフト１５の回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、スロットルバルブ３２の開度を検出するセンサから出力されるスロットル開度信号ｃ、アクセルペダルの踏込量をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｄ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｅ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｆ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｈ、バッテリ１２０の充電状態（バッテリ電圧、バッテリ電流、バッテリ温度）を検出するセンサから出力されるバッテリ信号ｎ、オルタネータ１１０の出力電圧を検出するセンサから出力される出力電圧信号ｐ、並びに、照明灯、エアコンディショナ、ヒータ、デフォッガ、オーディオ機器、カーナビゲーションシステム等を稼働させることを要望するユーザの手によって操作される操作入力デバイス（操作スイッチ、ボタン、タッチパネル等）から与えられる信号ｏ等が入力される。エンジン回転センサは、例えば１０°ＣＡ（クランク角度）毎にパルス信号を発する。カム角センサは、７２０°ＣＡを気筒数で割った角度、三気筒エンジンであれば２４０°ＣＡ毎にパルス信号を発する。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、レギュレータ１３０に対して出力電圧指令信号ｌ、並びに、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。

本実施形態に係る内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、内燃機関の停止時に吸気通路３から燃焼室１０に至るまでのバルブである電子スロットルバルブ３２を閉じ、しかる後に気筒１内のピストン１３を吸気下死点付近で停止させることにより、内燃機関の停止中は前記気筒１における燃焼室１０を負圧状態に維持するようにしている。

ＥＣＵ０は、上記アイドリングストップ条件が成立した場合に、何れかの気筒１におけるピストン１３の位置を吸気下死点近傍の位置で停止させるピストン停止手段としても作用している。具体的には、内燃機関を停止させるタイミングでの回転数と、燃料噴射及び点火を停止した後にクランクシャフト１５が停止するまでに惰性で回転する量との間の相関を予め実験的に求めておく。そしてアイドルストップ条件の成立時にＥＣＵ０は最も早いタイミングで吸気下死点で停止させることができる気筒１を判別し、当該気筒１内のピストン１３が吸気下死点近傍の位置で停止できるタイミングで燃料カット及び点火の停止を実行する。その後ピストン１３の停止位置を精密に制御すべくレギュレータ１３０に対して出力電圧指令信号ｌを出力する。換言すればオルタネータ１３０のｆＤＵＴＹを調節することで、燃料カット及び点火の停止後惰性で回転するクランクシャフト１５の回転量を制御すべく内燃機関への負荷を制御するようにしている。オルタネータ１３０を制御する際には勿論、バッテリ１２０の充電量やエアコンディショナ等の補機の使用状況も適宜勘案される。

そして本実施形態では図４に示すように、アイドルストップ条件の成立時にＥＣＵ０が定めた気筒１である最上に図示される気筒１に対し吸気下死点に至るまでにスロットルバブル３２を遮断・密閉することにより、当該気筒１が吸気下死点近傍で停止した際には当該気筒１の燃焼室１０からスロットルバルブ３２に至るまでの間を負圧に維持するようにしている。なお可変バルブタイミング機構６により開閉タイミングを極端に進角側に設定していない通常時ではピストン１３が吸気下死点付近にあるときは吸気バルブ２１はまだ遮蔽されていない状態である。加えて、他の気筒１は２４０ＣＡ°ずつそれぞれ角度位相が異なるためにそれぞれ排気行程並びに膨張行程の途中にある。それ故勿論それら他の気筒１の吸気バルブ２１は閉じられた状態にある。よって同図にハッチを入れることで示した通り、負圧となる領域は図示最上の気筒１の燃焼室１０並びにスロットルバルブ３２下流のサージタンク３３及び３つの気筒１に至るそれぞれの吸気マニホルド３４の領域となる。

そして、再始動条件の成立時には図示最上の気筒１に対し、最適点火時期のタイミングで燃料を噴射し、点火を行う。このとき当該気筒１の燃料室１０内にはピストン１３が吸気下死点にある状態で大気圧とした通常の場合の空気量よりも空気が少ない状態にある。よって、通常の場合の空気量との空気量の差異を勘案し、より少量の燃料を噴射する。通常、始動時における燃料の噴射量は冷却水温等に応じて予め定められている。そのため、通常の場合の空気量に対応した所定の燃料噴射量と空気量の差異とを基に燃料噴射量を決定する。また本実施形態ではサージタンク３３及び吸気マニホルド３４も負圧に設定されているため、始動後他の気筒１も初回の燃焼時には前記通常の場合の空気量よりも少量となる。これに応じてこれらの気筒１についての初回燃焼時の燃料噴射量も通常の場合の空気量と実際に燃焼室１０に導入される空気量との差異とを基に燃料噴射量をより少量に決定して燃料を噴射し、最適点火時期にて点火する。

また上記実施形態では内燃機関が吸気バルブ２１の開閉タイミングを制御し得る可変バルブタイミング機構６を備えている。よって図５に変形例として示すように、当該可変バルブタイミング機構６を操作することにより同図にハッチで示すとおり、停止時にピストン１３が吸気下死点付近で停止する気筒１の燃料室１０のみを負圧に維持するようにしても良い。

すなわち同図では、可変バルブタイミング機構６を操作することにより、何れかの気筒１内のピストン１３が吸気下死点付近で停止する前に、吸気バルブ２１の開閉タイミングを進角側に制御しておくことでピストン１３が吸気下死点に至る前のタイミングで吸気バルブ２１を閉じる。これによりピストン１３が吸気下死点付近で停止したとき、図示例では最上の気筒１の燃料室１０のみを負圧としている。ここで勿論、ピストン１３を吸気下死点で停止させる気筒１を他の気筒１としても良い。図示の場合では、最上の気筒の初回燃焼時のみ、前記所定の噴射量と空気量の差異とを基に、前記所定の噴射量よりも少量に設定された燃料を噴射する。そして順次点火する他の気筒１に対しては通常と同じ量の燃料を噴射する。

以上のように、本実施形態に係る内燃機関の制御装置であるＥＣＵ０は、燃焼により発生するトルクは勿論、気筒１内を大気圧とした従来の場合よりも抑えられている。すなわち燃料室１０内の空気を少なくしたため、最適点火時期で点火したとしても過剰なトルクが抑えられるので、点火時期の遅角化による燃費の悪化も有効に回避している。これにより初回の燃焼により発生する過大なトルクに起因する始動時の回転数の吹き上がりによる不要な音や振動も回避している。加えて燃焼室１０内の空気量に応じた少量の燃料の噴射による燃費の向上も実現している。すなわち本実施形態では、快適な始動と燃費の向上との両立を実現ししている。

さらに本実施形態では上記特許文献１とは異なり、ピストン１３が吸気下死点にある気筒１内には燃焼に必要な空気が保持されている上、始動時には燃焼室１０が負圧となっている気筒１の燃焼に必要な燃料の量を、気筒１内を大気圧とした場合の量よりも少なく抑えても正常な燃焼が実現できる。すなわち始動時に噴射した燃料が燃焼されず無駄になることも有効に回避している。

加えて本実施形態では吸気系３に格別の弁や動弁装置を追加せずとも停止中に気筒１内を負圧にすることを実現している。その結果、燃焼室１０内を負圧とすることによる燃料の節約を部品点数の増加を回避しながら実現している。そして部品点数の増加の回避は内燃機関の大型化の回避にもつながる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態ではアイドルストップ条件成立時を経た再始動時の始動に本発明を適用した態様を開示したが勿論、冷間始動時において本発明を適用しても良い。また上記実施形態では油圧により吸気バルブの開閉タイミングを制御する可変バルブタイミング機構を搭載した態様を開示したが、勿論吸気バルブを電磁式吸気バルブとして本発明を適用してもよい。またピストンの停止位置の制御方法や燃焼噴射量の補正量といった具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、内燃機関の始動を好適に行うための制御装置として利用することができる。

０…内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１０…燃焼室
１３…ピストン
２１…バルブ（吸気バルブ）
３２…バルブ（電子スロットルバルブ）

Claims

内燃機関の停止時に吸気通路から燃焼室に至るまでのバルブを閉じ、しかる後に気筒内のピストンを吸気下死点付近で停止させることにより、内燃機関の停止中は前記気筒における燃焼室を負圧状態に維持することを特徴とする内燃機関の制御装置。