JP2014066208A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気の圧縮不足に起因した始動不良に対し、内燃機関の始動の確実性を高める。
【解決手段】内燃機関の始動のためのクランキング中のクランクシャフトの回転速度の極大値と極小値との差が閾値を下回っており（Ｓ７）、なおかつ内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過しても始動を完了できない場合に（Ｓ６）、吸気バルブの閉じるタイミングを進角させながら（Ｓ８）、クランキングを続行することとした（Ｓ９、Ｓ１０）。回転速度の極大値と極小値との差が小さいことは、圧縮行程における吸気の燃焼室からの漏出を示唆する。吸気バルブタイミングを進角することは、実効的な圧縮圧を上昇させ、機関の回転トルクを補強することを意味する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に機関始動時の制御に関する。

内燃機関の始動時には、電動機であるスタータモータ（セルモータ）により機関のクランクシャフトを回転させるクランキングを行うことが通例である（例えば、下記特許文献を参照）。クランキングは、機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに終了する。

特開２０１１−２０２６４３号公報

内燃機関の始動不良の原因の一つとして、気筒に充填した吸気の圧縮不足がある。吸気バルブまたは排気バルブの弁体と弁座との間に（燃焼室、吸気ポートまたは排気ポートに堆積するデポジット等の）異物を噛み込んでしまい、吸気バルブまたは排気バルブが完全に閉じきらなくなると、圧縮行程において吸気の一部が吸気ポートまたは排気ポートに漏出し、実効的な圧縮圧（筒内圧）が低下して、クランクシャフトの回転トルクを必要十分に高められなくなる。

しかしながら、これまでのところ、異物の噛み込み等による吸気の圧縮不足に起因して内燃機関が円滑に始動しなかったとしても、それに対処することは考えられていなかった。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであって、内燃機関の始動の確実性を向上させることを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の始動のためのクランキング中のクランクシャフトの回転速度の極大値と極小値との差が閾値を下回っており、なおかつ内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過しても始動を完了できない場合に、吸気バルブの閉じるタイミングを進角させることを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の始動の確実性を向上させることができる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態における内燃機関に付帯する可変バルブタイミング機構を示す図。 三気筒の内燃機関における各気筒の行程と始動中の回転速度との関係を示す図。 本実施形態の制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。 同制御装置が実行する処理の手順例を示すフロー図。

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、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうちの一つを図示している）を具備している。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、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。

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。

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６１２と遅角室６１１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、切換制御弁であるＯＣＶ（Ｏｉｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｖａｌｖｅ）９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６１２または遅角室６１１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６１２と接続するＡポート９２、ハウジング６１の遅角室６１１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のスプールは、進退動作により内部粒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。即ち、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）のデューティ比に応じて、スプール９６の進退の距離が変化する。制御信号ｍのデューティ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６１２に供給される一方、既に遅角室６１１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６１２の容積が拡大、遅角室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に対する変位角が進角して、吸気バルブのバルブタイミングが進角化する。

逆に、制御信号ｍのデューティ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６１１に供給される一方、既に進角室６１２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６１１の容積が拡大、進角室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クランクシャフトに対する変位角が遅角して、吸気バルブのバルブタイミングが遅角化する。

総じて言えば、制御信号ｍのデューティ比が中立より大きいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く進角し、デューティ比が中立より小さいほど吸気バルブのバルブタイミングが速く遅角する。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（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ｃ、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ｄ、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ｅ、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ｆ、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）ｇ、車載のバッテリの充電状態を示すバッテリ電圧、バッテリ電流及び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ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタ１３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、ＯＣＶ９に対して制御信号ｍ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータ（セルモータ、図示せず）に制御信号ｎを入力し、スタータモータのピニオンギアをフライホイール（ＭＴ車の場合）またはドライブプレート（ＡＴ車の場合）外周のリングギアに噛合させてクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。そして、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度（吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの回転速度と同義である）が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに、完爆したものと見なしてクランキングを終了する。

内燃機関の始動中、即ちクランキングの開始から完爆に至るまでの時期においては、吸気バルブが開閉するタイミングを最も遅角させる。吸気バルブタイミングを最も遅角させている状況では、吸気バルブは気筒１の排気上死点から数°ＣＡ（クランク角度）遅れて開き始め、吸気下死点から４５°ＣＡを超えたときに完全に閉じる。

しかして、本実施形態のＥＣＵ０は、始動中の吸気の圧縮が不十分なことにより内燃機関が始動不良に陥った場合に、機関の始動を確実ならしめるべく、吸気バルブタイミング、特に吸気バルブが閉止するタイミングを早めるように可変バルブタイミング機構６を操作する制御を行う。

本実施形態では、吸気の圧縮不足に起因した機関の始動不良を検知する目的で、始動中のクランクシャフトの回転速度の変動の推移を参照する。図３に、三気筒の４ストロークエンジンにおける各気筒１の行程と、始動中の回転速度との関係を示す。三気筒エンジンでは、何れかの気筒１が圧縮上死点となる時点で、残りの二つの気筒１における吸気バルブまたは排気バルブが大きく開いており、当該バルブから吸気カムまたは排気バルブが強い反作用力を受ける状態となっている。この反作用力は、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを逆回転させるトルクとなる。故に、各気筒１の圧縮上死点近傍の時点で、クランクシャフトの回転速度が最も減速して極小値をとる。

吸気バルブまたは排気バルブの弁体と弁座との間に異物を噛み込む等により、吸気バルブまたは排気バルブが完全に閉じきらなくなると、圧縮行程にある気筒１にて吸気の一部が吸気ポートまたは排気ポートに漏出し、吸気が圧縮不足となり、圧縮行程の終期における気筒１内圧力を低下させ、実効的な圧縮圧を低下させる。圧縮圧の低下は、圧縮行程に伴うクランクシャフトの減速の度合いを弱め、クランクシャフトの回転速度の極小値を高めることにつながる。並びに、圧縮圧の低下は、膨張行程にて発生するクランクシャフトの回転トルクを減少させる。回転トルクが減少すれば、クランクシャフトの回転が必要十分に加速せず、完爆即ち始動の完了、クランキングの終了が遅れることとなる。

そして、始動中の吸気の圧縮不足は、クランクシャフトの回転速度の極大値と極小値との差Δｖの縮小をもたらす。このΔｖを算出し、閾値と比較すれば、吸気の圧縮不足に起因した始動不良を検知することができる。

図４及び図５に、内燃機関の始動の際にＥＣＵ０がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。ＥＣＵ０は、イグニッションスイッチがＯＮに操作されたり、アイドルストップを終了して機関を再始動する条件が成立したりしたときに（ステップＳ１）、スタータモータによる機関のクランキングを開始する（ステップＳ２）とともに、各気筒１に燃料を噴射して混合気に点火する（ステップＳ３）始動処理を行う。始動中のクランクシャフトの回転速度が判定値を超えたならば（ステップＳ４）、完爆したものと見なして機関のクランキングを終了する（ステップＳ５）。

他方、完爆に至らないまま、クランキングを開始してから経過した時間が所定値を超え（ステップＳ６）、さらに、クランクシャフトの回転速度の極大値と極小値との差Δｖが閾値を下回っている（ステップＳ７）場合には、吸気バルブタイミングを徐々に進角させながら（ステップＳ８）始動処理を続行する（ステップＳ９、Ｓ１０）。ステップＳ７における回転速度の極小値は、各気筒１の圧縮上死点の近傍の時点で検出される回転速度の値であり、極大値は各気筒１の圧縮上死点の中間の時点で検出される回転速度の値である。ステップＳ８において吸気バルブタイミングを早める、つまり吸気バルブを早く閉じることは、吸気の圧縮不足を補い、実効的な圧縮圧を上昇させ、膨張行程にて発生するクランクシャフトの回転トルクを増強することを意味する。

ステップＳ８ないしＳ１０の結果、完爆に至り始動できた場合には、即座に吸気バルブタイミングを最も遅角した状態に戻し、吸気バルブと排気バルブとがともに開いているバルブオーバラップ期間をなくす。

一方で、さらにある時間が経過しても完爆に至らなければ（ステップＳ１１、Ｓ１２）、クランキング、燃料噴射及び点火を停止する（ステップＳ１３、１４）。そして、ＥＣＵ０は、始動不良の旨を表す情報（ダイアグノーシスコード）を、そのときの日時のタイムスタンプ等とともにメモリに書き込んで記憶保持する（ステップＳ１５）。この情報は、吸気の圧縮不足以外の原因、例えば燃料供給系や点火系等の異常により始動不良に陥っていることを示唆するものとなり、事後の検査や修理の作業における始動不良の原因の究明の助けとなる。

また、内燃機関の始動を妨げる問題が存在していることを、運転者の視覚または聴覚に訴えかける態様で出力してもよい。例えば、車両のコックピット内に設置された警告灯（エンジンチェックランプ）を点灯させたり、ディスプレイに表示させたり、ブザーまたはスピーカから警告音を音声出力させたりする。

本実施形態では、内燃機関の始動のためのクランキング中のクランクシャフトの回転速度の極大値と極小値との差Δｖが閾値を下回っており、なおかつ内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過しても始動を完了できない場合に、吸気バルブの閉じるタイミングを進角させることを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、気筒１に充填した吸気の圧縮不足に起因して内燃機関の始動が困難となっている場合において、この内燃機関をより確実に始動させることが可能となる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。本発明は、気筒数が二気筒や四気筒である内燃機関に対しても適用することが可能である。

また、内燃機関の始動中の回転速度の指標値として、スタータモータに電力を供給するバッテリの電圧（または、電流）を参照することもできる。この場合、バッテリ電圧の極大値と極小値との差を算出し、これを閾値と比較することになる。

可変バルブタイミング機構の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの回転位相を液圧により進角／遅角させる態様のもの以外にも、吸気バルブを電磁ソレノイドバルブとしたものや、吸気バルブを開弁駆動する吸気カムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動モータで変化させるもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、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、車両等に搭載される内燃機関の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
６…可変バルブタイミング機構
ｂ…クランク角信号

Claims (1)

1. 内燃機関の始動のためのクランキング中のクランクシャフトの回転速度の極大値と極小値との差が閾値を下回っており、なおかつ内燃機関の始動を開始してから所定時間が経過しても始動を完了できない場合に、吸気バルブの閉じるタイミングを進角させることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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