JP2017031913A - 内燃機関の始動制御装置及び始動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】騒音及び振動を考慮して、エンジンの始動タイミングを適切に制御し得る始動制御装置及び始動制御方法を提案する。
【解決手段】内燃機関の始動時の動作を制御する始動制御装置において、クランクポジションセンサにより検出されたクランクの回転角度と、カムポジションセンサにより検出されたカムの回転角度とを入力するインタフェースと、インタフェースにより入力された回転角度に基づいて各気筒の状態を判別し、判別した各気筒の状態に基づいて燃料を噴射すべきタイミングを気筒ごとに判断するプロセッサとを備え、プロセッサは、燃料を噴射すべきタイミングであると判断した回数を気筒ごとにカウントし、カウント値が予め定められた所定値よりも初めて大きくなった気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の始動制御装置及び始動制御方法に関し、特に内燃機関の始動タイミングを制御する始動制御装置及び始動制御方法に適用して好適なものである。

従来、内燃機関（エンジン）を始動させる場合、ドライバはイグニッションスイッチをＯＮにしてスタータを動作させる。このときエンジンの動作を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）は、スタータによりクランキングを実行するとともに気筒判別を行う。気筒判別とは、各気筒が吸気工程、圧縮工程、膨張行程、排気工程のうちの何れの工程であって、適切なタイミングで燃料を噴射する気筒が何れであるのかを判別することをいう。

ＥＣＵは、気筒を判別した後、燃料を噴射可能な工程（ガソリンエンジンの場合は圧縮工程、ディーゼルエンジンの場合は膨張工程）の気筒に対して直ちに燃料を噴射して初爆させる。これによりＥＣＵは、気筒を判別した後、エンジンを早期に始動させることができる。エンジンを早期に始動させる技術は、例えば特許文献１及び２に記載されている。

特許文献１には、気筒判別期間に同期して発生するカムパルスに加えて、気筒判別期間から次のクランクロータの特定部位（欠歯部）が検出されるまでの間にも別のカムパルスが発生するようにカムロータ上に３つの突起を設置した構成が開示されている。これら３つの突起は、全ての気筒に対して燃料を噴射可能なタイミングでカムパルスを発生するように設置される。

この特許文献１によれば、欠歯部が検出される前（気筒判別前）にカムパルスが検出された場合には全ての気筒に対して燃料噴射を行い、その後に欠歯部が検出された後（気筒判別後）は最初に圧縮上死点となる気筒に対して直ちに燃料を噴射するようにして、クランキングから最初の点火までの時間を短縮化し、エンジンを良好に始動させるとしている。

また特許文献２には、欠歯部を除いて等間隔のパルスが形成されるクランクパルスと、８個のパルスの相互の間隔が全て異なり、かつ、９０°ごとに３個のパルスが形成されるカムパルスとを用いて気筒を判別する構成が開示されている。具体的には連続する２つのカムパルスの間隔をその間に形成されたクランクパルス数に基づいて判定し、判定されたカムパルスの間隔に基づいて気筒を判別する。

この特許文献２によれば、２つのカムパルスを検出することで気筒を判別するようにして、気筒判別に要する時間を短縮化することができるとしている。

特開２０００−２４０４８９号公報 特開２０１３−１３３７２１号公報

しかし特許文献１及び２に記載の技術は、何れも、気筒判別にかかる時間を短縮化することでエンジンを早期に始動させようとするものであり、エンジンを早期に始動させたことにより生じる騒音及び振動（NV: Noise and Vibration）については何ら考慮されていない。すなわちエンジンを早期に始動させた結果、より大きなＮＶが発生するという課題がある。

ＮＶは、初爆前後のエンジンの回転数の差分に依存する。例えば初爆前のスタータによるエンジンの回転数が１５０ｒｐｍであり、初爆後のエンジンの回転数が８００ｒｐｍである場合と、初爆前の回転数が３００ｒｐｍであり、初爆後の回転数が同じく８００ｒｐｍである場合とでは、３００ｒｐｍから８００ｒｐｍに変動する方が差分は小さく、ＮＶも小さくなる。

このことからスタータによるエンジンの回転数が安定した状態（例えば１５０ｒｐｍから３００ｒｐｍに回転数が上昇した状態）で初爆させることにより、初爆後のエンジンの回転数（例えば８００ｒｐｍ）との差分を小さくしてＮＶを抑制することができる。

単にＮＶを解消するためには、気筒を判別してから一定期間経過後に燃料を噴射するようにして初爆を遅らせればよいが、この場合、エンジンの始動が常に遅くなるという別の問題が生じる。また初爆を遅らせる期間を固定すると、初爆前のスタータによるエンジンの回転数が上昇し難い等の車両の状態によっては期待される程度にＮＶが抑制されない場合がある。

本発明は以上の点を考慮してなされたものであり、騒音及び振動を考慮して、エンジンの始動タイミングを適切に制御し得る始動制御装置及び始動制御方法を提案する。

かかる課題を解決するために、本発明においては、内燃機関の始動時の動作を制御する始動制御装置において、クランクポジションセンサにより検出されたクランクの回転角度と、カムポジションセンサにより検出されたカムの回転角度とを入力するインタフェースと、インタフェースにより入力された回転角度に基づいて各気筒の状態を判別し、判別した各気筒の状態に基づいて燃料を噴射すべきタイミングを気筒ごとに判断するプロセッサとを備え、プロセッサは、燃料を噴射すべきタイミングであると判断した回数を気筒ごとにカウントし、カウント値が予め定められた所定値よりも初めて大きくなった気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御することを特徴とする。

本発明によれば、騒音及び振動を考慮して、エンジンの始動タイミングを適切に制御することができる。

エンジンのブロック図である。 始動制御処理のフローチャートである。

（１）全体構成
図１は、本実施の形態におけるエンジン１のブロック図を示す。エンジン１は、各種センサ１１〜１３、イグニッションスイッチ１４、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１５及びアクチュエータ１６等から構成される。各種センサとは、ここではクランクポジションセンサ１１、カムポジションセンサ１２及び水温センサ１３である。

クランクポジションセンサ１１は、クランクシャフトに一体固定されて回転するクランクロータの外周に対向配置される。クランクロータの外周には、所定角度（例えば６°ＣＡ：Crank Angle）ごとに複数の歯が形成される。また一部歯が形成されていない欠歯部（例えば１８°ＣＡ分）が形成される。欠歯部は、クランクロータの基準位置を決定するために設けられる。

クランクポジションセンサ１１は、クランクロータが６°ＣＡ回転するごとに歯の有無を検出し、歯を検出すると立ち上がるパルスを生成する。また歯が通過する或いは欠歯部を検出すると立ち下がるパルスを生成して、これらハイ及びローの矩形波からなるパルス列をクランクパルスとしてＥＣＵ１５に出力する。ＥＣＵ１５は、このクランクパルスに基づいて、エンジン１の回転数を算出する。

カムポジションセンサ１２は、カムシャフトに一体固定されて回転するカムロータの外周に対向配置される。カムロータの外周には凹凸又は歯が形成されており、カムポジションセンサ１２は、クランクポジションセンサ１１と同様、カムロータが回転するごとに凹凸又は歯の有無を検出して矩形波からなるパルス列を生成し、これをカムパルスとしてＥＣＵ１５に出力する。ＥＣＵ１５は、このカムパルス及び上述のクランクパルスに基づいて、気筒を判別する。

水温センサ１３は、シリンダ近傍に設置され、エンジン１の冷却水温を検出してＥＣＵ１５に出力する。ＥＣＵ１５は、この冷却水温に基づいて、後述するようにエンジン１を早期に始動すべきであるか否かを判断する。なおエンジン１はこれらのセンサ１１〜１３以外にも、例えばアクセル開度センサ、エアフローセンサ及びＯ_２センサ等を備えるが、ここでの説明は省略する。

イグニッションスイッチ１４は、ＥＣＵ１５に電源を供給するための電源ラインに設けられる。イグニッションスイッチ１４がＯＮされると、ＥＣＵ１５に所定の電源が供給される。イグニッションスイッチ１４のＯＮ／ＯＦＦは、例えばキーが鍵穴に差し込まれて所定の角度だけ回転されたり、或いは、所定のボタンが押下されたりすることにより行われる。

またイグニッションスイッチ１４は、例えばキーが更に回転されたり、或いは、所定のボタンが押下されたりすることにより、エンジン１の始動要求を示す信号を生成してＥＣＵ１５に出力する。ＥＣＵ１５は、イグニッションスイッチ１４からの始動要求を入力すると、スタータを回転させる。そしてＥＣＵ１５は、気筒を判別した後に適切なタイミングで燃料を噴射してエンジン１を始動する。

ＥＣＵ１５は、プロセッサ１５１、記憶部１５２及びインタフェース１５３等を備えて構成される。プロセッサ１５１は、イグニッションスイッチ１４がＯＮされて電源が供給されると、記憶部１５２に格納されている各種プログラムと協働して、エンジン１の動作を統括的に制御する。なおこのときプロセッサ１５１は、インタフェース１５３により入力した各種信号に基づいて制御信号を生成し、生成した制御信号をインタフェース１５３により出力する。

本実施の形態におけるＥＣＵ１５は、上述した通り、クランクポジションセンサ１１からのクランクパルスに基づいてエンジン１の回転を算出し、またこのクランクパルスと、カムポジションセンサ１２からのカムパルスとに基づいて気筒を判別する。また水温センサ１３からの水温に基づいて早期にエンジン１を始動するか否かを判断する。処理の詳細については後述する（図２）。

アクチュエータ１６は、インジェクタ１６１及びイグナイタ１６２等から構成される。インジェクタ１６１は、各気筒のそれぞれに対応して設置され、各気筒の内部に形成される燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置である。インジェクタ１６１は、ＥＣＵ１５からの制御信号に基づいて、適切な噴射時期に適切な噴射量を燃焼室に噴射する。

イグナイタ１６２は、各気筒に対応して設置される点火プラグに対し、ＥＣＵ１５からの制御信号に基づいて適切な点火タイミングを決定する。点火プラグは、イグナイタ１６２により決定された点火タイミングで燃焼室に供給される燃料及び空気の混合気を点火し、混合気を燃焼させることでエンジン１を始動させる。

（２）フローチャート
図２は、本実施の形態における始動制御処理のフローチャートを示す。始動制御処理は、エンジン１の始動要求がＥＣＵ１５に入力されたことを契機として、ＥＣＵ１５のプロセッサ１５１と記憶部１５２に格納されている各種プログラムとの協働により実行される。なお説明の便宜上、以下の説明では処理主体をＥＣＵ１５として説明する。

まずＥＣＵ１５は、エンジン１の始動要求を入力すると（ＳＰ１）、入力した始動要求がアイドルストップからの始動要求であるか否かを判断する（ＳＰ２）。

例えばＥＣＵ１５は、ステップＳＰ１で入力したエンジン１の始動要求がアイドルストップＥＣＵ等の他の機器からの始動要求である場合、アイドルストップからの始動要求であると判断する（ＳＰ２：Ｙ）。そしてこの場合、ＥＣＵ１５は通常のエンジン始動を行うように制御して（ＳＰ３）、本処理を終了する。

通常のエンジン始動とは、気筒を判別した後、騒音及び振動（ＮＶ）を考慮することなく直ちに燃料を噴射して初爆させる始動をいう。アイドルストップからエンジン１を始動する場合には通常、ドライバは早期にエンジン１を始動させることを望む。よってこの場合は通常のエンジン始動によりエンジン１を早期に始動させるようにしている。

これに対しＥＣＵ１５は、ステップＳＰ１で入力したエンジン１の始動要求が例えばイグニッションスイッチ１４からの始動要求である場合、アイドルストップからの始動要求ではないと判断する（ＳＰ２：Ｎ）。そしてこの場合、ＥＣＵ１５はステップＳＰ４に移行する。

ステップＳＰ４においてＥＣＵ１５は、水温センサ１３から水温を示す信号を入力し、現在の水温が予め定められた所定温度Ｔ１よりも大きいか否かを判断する（ＳＰ４）。この判断で否定結果を得ると（ＳＰ４：Ｎ）、ＥＣＵ１５は通常のエンジン始動を行うように制御して（ＳＰ３）、本処理を終了する。

水温が低い場合、すなわち外気温が低い場合には通常、ドライバは早期にエンジン１を始動させることを望む。よってこの場合は通常のエンジン始動によりエンジン１を早期に始動させるようにしている。

これに対しステップＳＰ４の判断で肯定結果を得ると（ＳＰ４：Ｙ）、ＥＣＵ１５は現在クランキング中であるか否かを判断する（ＳＰ５）。この判断で否定結果を得る場合（ＳＰ５：Ｎ）、すなわちクランキング中ではない場合、ＥＣＵ１５はスタータを動作させてクランキングを実行する。

これに対しステップＳＰ５の判断で肯定結果を得る場合（ＳＰ５：Ｙ）、すなわちクランキング中である場合、ＥＣＵ１５は、各気筒における燃料噴射タイミングのカウント値Ｓ１が予め定められた所定値Ｃ１よりも大きいか否かを判断する（ＳＰ６）。

燃料噴射タイミングとは、ＥＣＵ１５がクランクパルス及びカムパルスに基づいて気筒を判別した後に燃料を噴射すべきであると判断したタイミングであり、気筒ごとにそれぞれ異なる。また燃料噴射タイミングのカウント値Ｓ１とは、燃料を噴射すべきであると判断した回数を気筒ごとにカウントした値である。カウントはＥＣＵ１５の内部カウンタによりカウントされる。

例えば４気筒エンジンの場合であって、第１の気筒に次いで第２の気筒に燃料噴射タイミングが到来する場合、第２の気筒の燃料噴射タイミングは、第１の気筒において圧縮上死点（TDC: Top Dead Center）が到来するタイミング以降であって、第２の気筒において圧縮上死点が到来するタイミング以前の間に設定される。

本実施の形態におけるＥＣＵ１５は、例えばカウント値Ｓ１が「０」から「１」に＋１だけインクリメントされたときであっても、すなわち気筒判別後に燃料を噴射する適切なタイミングを始めてカウントしたときでも、所定値Ｃ１が「１」である場合にはＳ１＞Ｃ１を満たさないため直近で燃料を噴射可能な気筒に対して燃料噴射を行わない。これにより初爆のタイミングを遅らせることができる。

なお所定値Ｃ１の値は、任意に設定することができる。例えばＣ１を「０」に設定することにより、気筒判別後に燃料を噴射する適切なタイミングを始めてカウントした気筒に対して燃料を噴射することができる。また逆にＣ１を例えば「５」のように大きな値に設定すると、Ｓ１＞Ｃ１を満たすまでの時間を長くすることができる。

この所定値Ｃ１の設定は、ドライバが所定の範囲で設定するようにしてもよいし、整備士等の特定の者だけが設定するようにしてもよい。ドライバが任意に設定することができる場合、エンジン１の早期の始動を優先させたり、逆に始動を遅らせてＮＶを十分に抑制させたりすることをドライバの趣向に合わせて柔軟に対応することができる。

次いでＥＣＵ１５は、エンジン１の回転数Ｎｅ１が予め定められた所定回転数Ｃ２よりも大きいか否かを判断する（ＳＰ７）。エンジン１の回転数Ｎｅ１とは、具体的にはクランクシャフトの単位時間当たりの回転数である。

ステップＳＰ７の判断で肯定結果を得ると（ＳＰ７：Ｙ）、ＥＣＵ１５は、スタータによるエンジン１の回転数Ｎｅ１が所定回転数Ｃ２まで上昇しており安定している状態であると判断する。すなわち十分にＮＶを抑制することができると判断してステップＳＰ９に移行する。

これに対し否定結果を得ると（ＳＰ７：Ｎ）、バッテリの容量が低下している等の理由でスタータによるエンジン１の回転数Ｎｅ１が所定回転数Ｃ２まで上昇しない場合にエンジン１を始動させることができなくなることを考慮して、この場合であってもエンジン１を始動させることができるようにＥＣＵ１５はステップＳＰ８に移行する。

すなわちＥＣＵ１５は、隣接気筒又は同一気筒の燃料噴射タイミングにおけるエンジン１の回転数Ｎｅ１の差分が予め定められた所定差分値Ｃ３よりも大きいか否かを判断する（ＳＰ８）。隣接気筒とは、燃料噴射タイミングが続けて到来する２つの気筒をいい、例えば第１の気筒に次いで第２の気筒に燃料噴射タイミングが到来する場合、この２つの気筒は隣接気筒である。

具体的には、隣接気筒の燃料噴射タイミングにおけるエンジン１の回転数Ｎｅ１がそれぞれ１９０ｒｐｍ及び２００ｒｐｍである場合、隣接気筒の回転数Ｎｅ１の差分は、１０となる。所定差分値Ｃ３が１００である場合、差分（１０）が所定差分値Ｃ３（１００）よりも小さい。この場合、ＥＣＵ１５はスタータによるエンジン１の回転数は変動の少ない安定した状態であると判断して、ステップＳＰ９に移行する。

また同一気筒の燃料噴射タイミングにおけるエンジン１の回転数Ｎｅ１の差分とは、一の気筒に対して複数回の燃料噴射タイミングが到来する場合に続けて到来したタイミングにおけるエンジン１の回転数Ｎｅ１の差分をいう。具体的には第１の気筒において続けて到来した燃料噴射タイミングにおける回転数Ｎｅ１が１９０ｒｐｍ及び２００ｒｐｍである場合、上記の通り、差分（１０）が所定差分値Ｃ３よりも小さく、ＥＣＵ１５はステップＳＰ９に移行する。

そしてＥＣＵ１５は、ステップＳＰ６〜ＳＰ８を経由したＮＶ対策済みのエンジン始動を行うように制御して（ＳＰ９）、本処理を終了する。

（３）本実施の形態による効果
以上のように本実施の形態によれば、エンジン１を始動する際、スタータによるクランキングを実行してから気筒判別後の最初の燃料噴射タイミングの時点では燃料を噴射せず、次回以降の燃料噴射タイミングの時点で燃料を噴射するようにした。更にはスタータによるエンジン１の回転数が安定した状態で燃料を噴射するようにした。これにより初爆前後のエンジン１の回転数の差分を小さくして、エンジン１の始動時におけるＮＶを抑制することができる。

一方でアイドルストップからエンジン１を始動する場合や外気温が低い場合には通常のエンジン始動を行うように制御して、気筒判別後の最初の燃料噴射タイミングの時点で燃料を噴射するようにした。よって初爆時のＮＶを抑制することよりも、エンジン１を早期に始動することの方が優先される場合には初爆を遅らせないようにすることができる。すなわちエンジン１の早期始動とＮＶの抑制との適正化を図ることができる。

特に小型で防音処理のスペースが乏しい車両、安価で防音材の乏しい車両、或いは、剛性の乏しい車両等に本実施の形態におけるＥＣＵ１５を搭載させることで、ＮＶをより十分に抑制することができる。

１ エンジン
１１ クランクポジションセンサ
１２ カムポジションセンサ
１３ 水温センサ
１４ イグニッションスイッチ
１５ ＥＣＵ
１６ アクチュエータ

Claims (10)

1. 内燃機関の始動時の動作を制御する始動制御装置において、
   クランクポジションセンサにより検出されたクランクの回転角度と、カムポジションセンサにより検出されたカムの回転角度とを入力するインタフェースと、
   前記インタフェースにより入力された回転角度に基づいて各気筒の状態を判別し、判別した各気筒の状態に基づいて燃料を噴射すべきタイミングを気筒ごとに判断するプロセッサと
   を備え、
   前記プロセッサは、
   燃料を噴射すべきタイミングであると判断した回数を気筒ごとにカウントし、
   カウント値が予め定められた所定値よりも初めて大きくなった気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御する
   ことを特徴とする始動制御装置。
2. 前記プロセッサは、
   燃料を噴射すべきタイミングにおける内燃機関の回転数を気筒ごとに算出し、
   前記カウント値が前記所定値よりも初めて大きくなった気筒について前記算出した回転数が予め定められた所定回転数よりも大きい場合、該気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
3. 前記プロセッサは、
   燃料を噴射すべきタイミングにおける内燃機関の回転数を気筒ごとに算出し、
   前記カウント値が前記所定値よりも初めて大きくなった気筒について前記算出した回転数と、該気筒の直前に燃料を噴射すべきタイミングが到来した隣接気筒について前記算出した回転数との差分が予め定められた所定差分値よりも小さい場合、該気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
4. 前記プロセッサは、
   燃料を噴射すべきタイミングにおける内燃機関の回転数を気筒ごとに算出し、
   前記カウント値が前記所定値よりも初めて大きくなった気筒について前記算出した回転数と、該気筒において前回燃料を噴射すべきタイミングが到来した時点の前記算出した回転数との差分が予め定められた所定差分値よりも小さい場合、該気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
5. 前記プロセッサは、
   アイドルストップからの始動要求を入力した場合、燃料を噴射すべきタイミングであると最初に判断した気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
6. 前記プロセッサは、
   外気温が予め定められた所定温度よりも小さい場合、燃料を噴射すべきタイミングであると最初に判断した気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
7. 前記プロセッサは、
   クランキング中である場合に燃料を噴射すべきタイミングであると判断した回数を気筒ごとにカウントする
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
8. 前記カウント値と比較する前記所定値は、１以上又は０である
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
9. 燃料噴射タイミングが第１の気筒に次いで第２の気筒に到来する場合の前記第２の気筒の燃料噴射タイミングは、第１の気筒において圧縮上死点が到来するタイミング以降であって、第２の気筒において圧縮上死点が到来するタイミング以前の間に設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動制御装置。
10. 内燃機関の始動時の動作を制御する始動制御方法において、
    ＥＣＵが、
    クランクポジションセンサにより検出されたクランクの回転角度と、カムポジションセンサにより検出されたカムの回転角度とを入力する第１のステップと、
    前記回転角度に基づいて各気筒の状態を判別し、判別した各気筒の状態に基づいて燃料を噴射すべきタイミングを気筒ごとに判断する第２のステップと、
    燃料を噴射すべきタイミングであると判断した回数を気筒ごとにカウントする第３のステップと、
    カウント値が予め定められた所定値よりも初めて大きくなった気筒に対して燃料を噴射して内燃機関を始動するように制御する第４のステップと
    を備えることを特徴とする始動制御方法。
    

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