JP2014001684A - 内燃機関のアイドリングストップの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドリングストップ時におけるエンジンの再始動を、コストを増加させることなく従来よりも速やかに行うことができる内燃機関のアイドリングストップの制御方法を提供する。
【解決手段】エンジン３の停止要求が発生したときには、エンジン３のクランク軸４と連動して回転する高圧ポンプ１２によりコモンレール１５内で昇圧した燃料の目標圧力を増加させることで、高圧ポンプ１２の圧送量を増加させてクランク軸４に負荷を加えて第１のブレーキとして作用させるとともに、インテークスロットルバルブ２０を閉止させることで、気筒１１内に発生するポンピングロスを増加させてクランク軸４に負荷をかけて第２のブレーキとして作用させることにより、エンジン回転速度を減少させてエンジン３の完全停止までの時間を短縮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のアイドリングストップの制御方法に関し、更に詳しくは、アイドリングストップ時におけるエンジンの再始動を、コストを増加させることなく従来よりも速やかに行うことができる内燃機関のアイドリングストップの制御方法に関する。

近年、自動車のエンジンには、燃費の節減及び排気ガスによる環境悪化の防止の観点から、停車時においてエンジンを自動停止し、かつ発車時にエンジンを自動で再始動させる、いわゆるアイドリングストップ機構が搭載されるようになっている。具体的には、エンジンの停止要求が発せられたときにはエンジンへの燃料供給を停止し、エンジンの再始動要求が発せられたときは、燃料供給を再開してスタータでエンジンを再始動させることが自動的に行われるようになっている。

このエンジンの再始動に用いられるスタータは、モータにより回転駆動されるピニオンを、エンジンのクランク軸に連結されたリングギアに向けて押し出して両者を噛合させることで、エンジンをクランキングするものである。そのため、従来のアイドリングストップ機構では、エンジンが完全停止する前に再始動要求が発せられた場合でも、スタータのピニオンとリングギアとがスムーズに噛合するように、エンジンが完全停止してからスタータを起動してエンジンをクランキングすることが行われていた。

しかし、そのようにエンジンの完全停止を待っていては、再始動要求の発生からエンジンの再始動までにタイムロスが発生するので、ドライバーに再始動が遅いという感覚（もたつき感）を抱かせることになってしまう。

そのため近年では、エンジンが完全停止する前に再始動要求が発せられた場合には、エンジンの完全停止を待たずにスタータを起動させて、エンジンをクランキングするようなシステムが登場してきている。しかし、スタータのピニオンとリングギアとは互いに回転しているためスムーズに噛み合わないことがあり、そのようなケースでは異音が発生し、最悪の場合にはスタータが損傷してしまうおそれがある。

このような問題を解決するために、スタータの回転とピニオンとを別々に操作可能に構成したスタータが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

しかしながら、上記のように従来品とは異なる特別なスタータを用いると、自動車の製造コスト等が増加してしまうという問題がある。

特許４２１４４０１号公報

本発明の目的は、アイドリングストップ時におけるエンジンの再始動を、コストを増加させることなく従来よりも速やかに行うことができる内燃機関のアイドリングストップの制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の内燃機関のアイドリングストップの制御方法は、エンジンのクランク軸と連動して回転する高圧ポンプで目標圧力に昇圧した燃料をコモンレール内に蓄え、その蓄えられた燃料を噴射ノズルを通じて気筒内に噴射するコモンレールシステムと、前記気筒内に吸入される空気の流量を調整するインテークスロットルバルブとを備えた内燃機関のアイドリングストップの制御方法であって、前記エンジンの停止要求が発生したときには、前記目標圧力を増加させ、該エンジンの停止過程中に前記高圧ポンプに圧送仕事をさせることで、前記クランク軸に負荷をかけて第１のブレーキとして作用させるとともに、前記インテークスロットルバルブを閉止して、前記気筒内に発生する吸入抵抗を利用して、前記クランク軸に負荷をかけて第２のブレーキとして作用させることを特徴とするものである。

上記の内燃機関のアイドリングストップの制御方法においては、インテークスロットルバルブを全閉することで、第２のブレーキの大きさを最大にすることができる。

また、第１のブレーキ及び第２のブレーキを作用させた後に、前記エンジンの回転速度と該エンジンの回転速度の下降率と前記クランク軸のクランク角度との関係を予め設定したマップデータに従って、エンジンの完全停止時に前記ピストンが上死点から離れた所望の位置で停止するようにインテークスロットルバルブを開放することで、再始動要求が発生したときにエンジン始動までの時間を短縮することができる。

上記の内燃機関のアイドリングストップの制御方法においては、目標圧力をコモンレールシステムの最大許容圧力まで増加させることで、第１のブレーキの大きさを最大にすることができる。

また、停止要求の発生後に再始動要求が発生したときには、エンジンが完全停止した後に、そのエンジンを再始動させることが望ましい。

本発明の内燃機関のアイドリングストップの制御方法によれば、エンジンの停止要求が発生したときにコモンレール圧力の目標圧力を増加させるとともに、インテークスロットルバルブを閉止するようにしたので、コモンレールに燃料を圧送する高圧ポンプの圧送量が増加して、クランク軸に負荷をかける第１のブレーキとして作用し、かつエンジンの気筒の吸入行程においてポンピングロスが増加して、クランク軸に負荷をかける第２のブレーキとして作用するため、エンジンが完全停止するまでの時間が短縮されて、従来よりもエンジンの再始動を速やかに行うことができる。また、従来のアイドリングシステムをそのまま使用できるので、コストが増加することはない。

本発明の第１の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップシステムの制御方法に係る内燃機関のアイドリングストップシステムの構成図である。 本発明の第１の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップシステムの制御方法を説明するフロー図である。 本発明の第１の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップシステムの制御方法におけるエンジン回転速度及びコモンレール圧力の経時変化を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップシステムの制御方法に係る内燃機関のアイドリングストップシステムの構成図である。 本発明の第２の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップシステムの制御方法を説明するフロー図である。 エンジン再始動時に最初に圧縮行程となる気筒におけるピストンの停止位置を示すグラフである。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップの制御方法を実施する内燃機関のアイドリングストップシステムを示す。

この内燃機関のアイドリングストップシステムは、燃料タンク１からの燃料及びインテークマニホールド２からの吸入空気がそれぞれ供給されるエンジン３と、そのエンジン３のクランク軸４の回りにフライホイール５を介して接続されたリングギア６を通じてエンジン３をクランキングするスタータ７と、エンジン３の運転を制御するＥＣＵ８とから主に構成されている。

エンジン３は、クランク軸４に接続するピストン９が往復動するシリンダ１０からなる４個の気筒１１を有している。燃料タンク１内に貯留する燃料は、高圧ポンプ１２により燃料供給管１３に介設された流量制御弁１４を通じてコモンレール１５へ圧送されて、コモンレール１５内で蓄圧される。このときのコモンレール圧力（燃料圧）は、コモンレール１５に取り付けられた圧力センサ１６により測定される。また、高圧ポンプ１２は、その駆動軸１７が歯車１８等を介してクランク軸４と機械的に連結しており、エンジン３の出力に連動して駆動されるようになっている。

一方、吸気口（図示せず）から吸気管１９に吸入された空気は、インテークスロットルバルブ２０を経てインテークマニホールド２へ流入する。インテークスロットルバルブ２０は、インテークマニホールド２内の空気の酸素濃度が、エンジン３の状態から決定される目標吸入酸素濃度になるように、ＥＣＵ８により弁開度が制御される。

コモンレール１５内で蓄圧された燃料は、インテークマニホールド２から各気筒１１内に吸引され圧縮された吸入空気中に、噴射ノズル２１を通じて噴射されて燃焼・膨張することでピストン９を上下動させる。

スタータ７は、リングギア６に噛合可能なピニオン２２と、そのピニオン２２を回転駆動するモータ２３とから主に構成されている。モータ２３の回転軸２４は、アクチュエータによってリングギア６に向けて伸縮可能になっている。

ＥＣＵ８は、車両の運転状態に応じて適切なコモンレール圧力の目標圧力を決定し、圧力センサ１６の検出値がその目標圧力になるように流量制御弁１４を制御する。そして、制御用マップ等に従って噴射ノズル２１を駆動して、各気筒１１内に燃料を噴射させる。

またＥＣＵ８は、エンジン３の停止要求が発生したときには、噴射ノズル２１からの燃料噴射を停止する。一方、エンジン３の再始動時には、モータ２３を起動してピニオン２２を回転駆動させ、アクチュエータにより回転軸２４を伸長させてピニオン２２をリングギア６に噛合させることでエンジン３をクランキングする。なお、エンジン３の停止要求は、例えば、車速（車輪速センサにより検知）やバッテリー電圧などの項目のうちのいくつかが、所定の条件を満たしたときに発せられる。

更にＥＣＵ８は、フライホイール５又はリングギア６の側面に取り付けられた回転センサ２５により、エンジン３の回転速度を検知する。この回転センサ２５としては、ホール素子や電磁ピックアップにより、フライホイール５の表面に刻まれた凹凸やリングギア６の歯数を検出するものを例示することができる。

このような構成を有するアイドリングストップシステムにおいて、エンジン３の停止要求が発生した場合における第１の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップの制御方法を、図２に示すフロー図に基づいて以下に説明する。

ＥＣＵ８は、エンジン３の停止要求が発生すると（Ｓ１０）、流量制御弁１４を開弁してコモンレール圧力（燃料圧）の目標圧力を増加させる（Ｓ２０）のと同時に、インテークスロットルバルブ２０を閉止する（Ｓ３０）。

前者のようにコモンレール圧力の目標圧力を増加させると、高圧ポンプ１２の圧送量が増加して仕事量が増え、それにより高圧ポンプ１２と連動するクランク軸４に負荷がかかり、エンジン回転速度を減少させる第１のブレーキとして作用する。

このコモンレール圧力の目標圧力の増加値としては、高圧ポンプ１２がブレーキとして作用するために十分に高い値である必要があるが、望ましくは、高圧ポンプ１２の能力や運転可能領域などから定められるコモンレール１５の最大許容圧力（例えば、１６０ＭＰａ）とする。なお、このような最大許容圧力は、実用上は流量制御弁１４の開度を全開にすることで設定する。このようにコモンレール圧力の目標圧力を最大許容圧力にすることで、第１のブレーキの大きさを最大にすることができる。

また、後者のようにインテークスロットルバルブ２０を閉止すると、各気筒１１の吸入行程において吸入抵抗（ポンピングロス）が増加して、ピストン９に連接するクランク軸４に負荷がかかり、エンジン回転速度を減少させる第２のブレーキとして作用する。

このインテークスロットルバルブ２０の閉止の程度については、第２のブレーキの大きさを最大にするために全閉とすることが望ましい。

これらの第１及び第２のブレーキの相乗作用により、エンジン３が完全停止するまでの時間が短縮されるため、従来よりもエンジン３の再始動を速やかに行うことができるのである。また、従来のアイドリングシステムをそのまま使用できるので、コストが増加することはない。

エンジン３の停止要求が発生したときのエンジン回転速度及びコモンレール圧力の経時変化の例を図３に示す。このグラフでは、第１及び第２ブレーキを作用させた場合（実施例）と、それらを作用させない場合（従来例）とを比較して示している。

エンジン３の停止要求が発生すると、ＥＣＵ８は目標燃料噴射量をゼロにする（図３（ｂ））とともに、コモンレール圧力の目標圧力を１６０ＭＰａに増加させると同時にインテークスロットルバルブ２０を全閉する。これにより、高圧ポンプ１２の吐出量が増大してコモンレール圧力が増加する（図３（ｃ））とともに、各気筒１１の吸入行程においてポンピングロスが増加する。そして、高圧ポンプ１２及びピストン９からクランク軸４に加わる負荷が第１及び第２のブレーキとして作用し、従来例よりも大きな割合でエンジン回転速度が低下する（図３（ａ））。

なお、このエンジン回転速度の低下に伴う高圧ポンプ１２の吐出量の減少により、コモンレール圧力は実際には目標圧力（１６０ＭＰａ）まで到達せず、吐出量と高圧ポンプ１２や噴射ノズル２１からの燃料のリーク量とがバランスした時点においてピーク値（約１５０ＭＰａ）を示し、その後は減少に転じることになる（図３（ｃ））。なお、エンジン回転数がゼロになった時点でコモンレール圧力の低下は一瞬停止するが、その後は、噴射ノズル２１などからの燃料リークにより再度減少する（図３（ａ）（ｃ））。

その後に、回転センサ２５からの信号でエンジン３が完全停止したことを確認した後に（Ｓ４０）、スタータ７によりエンジン３をクランキングして再始動させる（Ｓ５０）。

図４は、本発明の第２の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップの制御方法を実施する内燃機関のアイドリングストップシステムを示す。なお、図１と同じ部品には同一の符号を付し、説明を省略する。また、図５は、本発明の第２の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップ方法を示すフロー図を示す。なお、図２と同じ処理には同一のステップ番号を付して説明を省略する。

図４の内燃機関のアイドリングストップシステムは、クランク軸４のクランク角度を検出する逆転検出クランク角センサ２６と、コモンレール１５に設置された圧抜き弁２７とを備えている。圧抜き弁２７は、アクチュエータにより電気的に開閉可能であり、断続的に作動させることで、コモンレール圧力を低下させることができる。それらの逆転検出クランク角センサ２６及び圧抜き弁２７は、ＥＣＵ８により制御されるようになっている。更に、噴射ノズル２１として、停止時の燃料リークが少ないゼロリークインジェクタを用いている。

上述した第１の実施形態からなる内燃機関のアイドリングストップ方法（図１、２）においては、エンジンの完全停止までインテークスロットルバルブ２０を閉止したままにするため、図６のＸ部に示すように、ピストン９は上死点前の−７０度付近で停止することになる。この位置でピストン９が停止すると、エンジン再始動時には、クランキング後に最初の圧縮行程となる気筒１１における圧縮圧力は、噴射燃料が着火するのに十分な大きさにはならず、２番目に圧縮行程となる気筒１１において噴射燃料が着火することになる。そのため、エンジン再始動にかかる時間が遅くなるおそれがある。

そこで、この第２の実施形態では、エンジンが完全停止する直前にインテークスロットルバルブ２０を予め設定したタイミングで開放することにより、クランキング後に最初の圧縮行程となる気筒１１におけるピストン９を、エンジンの再始動をすみやかにおこなうことができる所望の位置で停止させるようにしている。

ここで、第１のブレーキとしてコモンレール圧力の目標圧力を増加させたままにしておくと、上記のインテークスロットルバルブ２０の開放によるピストン９の停止位置の制御に影響を与えるおそれがある。そのため、以下の条件に従ってインテークスロットルバルブ２０を制御すると同時に、コモンレール圧力の目標圧力を０ＭＰａとして第１のブレーキとしての作用を停止させておく必要がある。

具体的には、まずＥＣＵ８は、予め設定したタイミングでインテークスロットルバブル２０を開放する指令を出す（Ｓ３３）。このインテークスロットルバルブ２０を開放する指令を出すタイミングは、次に示す(1)式が成立した後に、クランク角度が(2)式により決定される角度を経過した時点である。
Ｎｅ＜Table 1（Ｎｅ、ｄＮｅ） ---(1)
Ｔopen＝Table 2（Ｎｅ、Ｔdelay） ---(2)

但し、Ｎｅ：エンジン回転速度[rpm]、ｄＮｅ：エンジン回転速度下降率[rpm/sec]、Ｔopen[CAdeg]：インテークスロットルバルブ２０が開放するクランク角度、Ｔdelay[sec]：インテークスロットルバルブ２０の開放指令から実際に空気が気筒１１に流入するまでの遅れ時間をそれぞれ意味する。また、Table 1、Table 2は、それぞれ予め定められたマップデータである。

そして、同時にコモンレール圧力の目標圧力を０ＭＰａにして、高圧ポンプ１２からの燃料圧送を停止することで第１のブレーキとしての作用を停止させる（Ｓ３５）。更に、コモンレール圧力がエンジン再始動に必要な圧力（例えば、約３０ＭＰａ）になるまで、コモンレール１５の圧抜きを行う（Ｓ３７）。このコモンレール１５の圧抜きは、圧抜き弁２７を用いる他に、噴射ノズル２１内のアクチュエータを気筒１１内に燃料が噴射しない程度の微小な時間で断続的に（パルス状に）作動させて、燃料圧を作動油として抜くことにより行うこともできる。

このように、エンジンが完全停止する直前にインテークスロットルバルブ２０を開放すると、停止直前の気筒１１に空気が流入し、最後の圧縮時にはその空気が圧縮される反力により、ピストン１１は上死点から遠い位置、例えば図６のＹ部に示すように、上死点前の−１２０度付近で停止するようになる。この状態でエンジンを再始動すると、最初の圧縮行程となる気筒１１における圧縮圧力は十分な大きさに上昇し、噴射燃料が着火することですみやかにエンジンを再始動することができるのである。

次に、回転センサ２５からの信号でエンジン３が完全停止したことを確認した後に（Ｓ４０）、逆転検出クランク角センサ２６の検出値に基づいて、エンジン再始動時に最初の圧縮行程となる気筒１１を判別する（Ｓ４５）。スタータ７によりエンジン３をクランキングして再始動させたときには（Ｓ５０）、この判別された気筒１１への燃料噴射が行われるが、噴射ノズル２１にはゼロリークインジェクタが用いられているため、コモンレール圧力は上述した圧抜き（Ｓ３７）後の圧力（例えば、約３０ＭＰａ）まで低下した状態からは、図３（ｃ）のように大きく低下することはないので、燃料噴射に支障を来すことはない。

１ 燃料タンク
２ インテークマニホールド
３ エンジン
４ クランク軸
７ スタータ
８ ＥＣＵ
９ ピストン
１１ 気筒
１２ 高圧ポンプ
１５ コモンレール
２０ インテークスロットルバルブ
２１ 噴射ノズル

Claims (5)

1. エンジンのクランク軸と連動して回転する高圧ポンプで目標圧力に昇圧した燃料をコモンレール内に蓄え、その蓄えられた燃料を噴射ノズルを通じて気筒内に噴射するコモンレールシステムと、前記気筒内に吸入される空気の流量を調整するインテークスロットルバルブとを備えた内燃機関のアイドリングストップの制御方法であって、
   前記エンジンの停止要求が発生したときには、前記目標圧力を増加させ、該エンジンの停止過程中に前記高圧ポンプに圧送仕事をさせることで、前記クランク軸に負荷をかけて第１のブレーキとして作用させるとともに、
   前記インテークスロットルバルブを閉止して、前記気筒内に発生する吸入抵抗を利用して、前記クランク軸に負荷をかけて第２のブレーキとして作用させることを特徴とする内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
2. 前記インテークスロットルバルブを全閉する請求項１に記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
3. 前記第１のブレーキ及び第２のブレーキを作用させた後に、前記エンジンの回転速度と該エンジンの回転速度の下降率と前記クランク軸のクランク角度との関係を予め設定したマップデータに従って、前記エンジンの完全停止時に前記ピストンが上死点から離れた所望の位置で停止するように前記インテークスロットルバルブを開放する請求項１又は２に記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
4. 前記目標圧力を前記コモンレールシステムの最大許容圧力まで増加させる請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。
5. 前記停止要求の発生後に再始動要求が発生したときには、前記エンジンが完全停止した後に該エンジンを再始動させる請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のアイドリングストップの制御方法。

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