JP3758626B2 - 内燃機関の始動方法及び始動装置並びにそれらに用いる始動エネルギの推定方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関を始動させる方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式の内燃機関を対象とした始動方法として、始動時に膨張行程にある気筒に燃焼を生じさせ、その燃焼で得られるエネルギを利用して内燃機関の始動を試みるとともに、燃焼開始後の機関回転数に基づいて始動の成否を判定し、始動不良と判断されたときにスタータモータを作動させて始動に必要なエネルギを補う方法が提案されている（特許文献１参照）。また、かかる始動方法に関連して、停止時に膨張行程にある気筒に燃料を噴射した後、燃料が十分に気化するのを待ってから点火を行う技術も知られている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４９８５号公報
【特許文献２】
特開２０００−４９２９号公報
【特許文献３】
特開平１１−１５９３７４号公報
【特許文献４】
特開平７−１１９５９４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の始動方法では、内燃機関を始動させるために与えるべき運動エネルギを燃焼開始前に把握しておらず、燃焼開始後において、始動の成否という観点からエネルギが足りていたか否かを事後的に判断しているに過ぎない。そして、始動失敗時に起動されるスタータモータのエネルギも特に制御されていない。従って、内燃機関の始動に必要な運動エネルギに対して、燃焼やスタータモータによって供給される運動エネルギに過不足が生じ、始動失敗や過回転が生じるおそれがある。
【０００５】
そこで、本発明は、内燃機関の始動に必要なエネルギを適切に供給して確実な始動と無駄なエネルギ消費の排除とを実現できる内燃機関の始動方法及び始動装置を提供することを目的とする。また、これらの始動方法及び始動装置に適した始動エネルギ推定方法及び装置を提供することも併せて目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関の始動方法は、内燃機関の始動に必要な運動エネルギを目標運動エネルギとして予め設定し、所定の始動エネルギ供給手段から、前記目標運動エネルギに応じて制御された運動エネルギを前記内燃機関に供給する内燃機関の始動方法であって、前記始動エネルギ供給手段として、前記内燃機関の気筒内に燃焼を生じさせて運動エネルギを供給する第１のエネルギ供給手段と、該第１のエネルギ供給手段とは異なる方法によって前記運動エネルギを供給する第２のエネルギ供給手段とを設け、前記内燃機関の始動が要求された場合、前記第１のエネルギ供給手段から運動エネルギを供給して前記内燃機関の始動を開始するとともに、前記目標運動エネルギと前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとの差に基づいて前記第２のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを制御することにより、前記内燃機関に対して前記目標運動エネルギを供給して上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
この始動方法によれば、予め目標運動エネルギを設定し、それに合うように始動エネルギ供給手段からエネルギを供給するようにしたので、始動に際して過不足なく運動エネルギを内燃機関に与えて内燃機関を確実に始動させることができる。また、エネルギの無駄な供給を抑え、内燃機関の始動時の過回転を防止して燃費や騒音等の過回転に起因する各種の問題の発生を阻止することができる。
【０００８】
また、本発明の始動方法においては、まず第１のエネルギ供給手段から主体的にエネルギが供給され、その差分が第２のエネルギ供給手段から補われる。第２のエネルギ供給手段は差分に相当するエネルギを与えられる程度でよいので、小型化、軽量化に有利であり、これを車両等に搭載する際の制限も緩和され、コストも低減される。
【０００９】
本発明において、前記第１のエネルギ供給手段は、前記内燃機関の気筒内に燃焼を生じさせて運動エネルギを供給する。第２のエネルギ供給手段は適宜に選択してよい。
【００１０】
そして、燃焼に基づく運動エネルギを利用する場合には、内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて、前記第１のエネルギ供給手段が生じさせる燃焼エネルギを演算し、該燃焼エネルギの演算結果に基づいて前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを推定することができる（請求項２）。内燃機関において発生する燃焼エネルギは燃料混合気の状態方程式を利用してこれを算出することができる。また、内燃機関の機械的構成は予め判っているので、内燃機関にて発生する燃焼エネルギが与えられたならば、これを入力エネルギとして内燃機関にどのような挙動が発生するかは力学的に解析することができる。そして、内燃機関の挙動が判れば、その内燃機関に与えられた運動エネルギも力学的な演算によって推定することができる。このようにして運動エネルギを推定することにより、内燃機関に供給する運動エネルギを目標運動エネルギに対して正確に制御することができる。なお、前記燃焼エネルギから前記内燃機関の運動に伴う機械的損失によって消費されるエネルギを除いた値を前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとして推定することができる（請求項３）。機械的損失は、摩擦による損失に代表されるように、内燃機関の機械的構成やその挙動に応じて特定することができる。
【００１１】
また、第１のエネルギ供給手段として燃焼に基づく運動エネルギを利用する場合には、前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別し、前記第１のエネルギ供給手段により、前記膨張行程にある気筒から順次燃焼を生じさせてもよい（請求項４）。これにより、膨張行程にある気筒を始めとして、内燃機関の点火順序に従って各気筒に燃焼が順次生起されて燃焼に基づく運動エネルギが内燃機関に次々に与えられ、第２のエネルギ供給手段から与えられる運動エネルギを受けながら内燃機関が完爆状態へと円滑に移行する。
【００１２】
本発明の始動方法において、内燃機関の燃焼に基づく燃焼エネルギを演算する場合には、前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別し、前記膨張行程にある気筒に対して前記内燃機関の停止中に燃料を噴射し、その燃料の噴射時期から当該気筒内で燃焼が開始されるまでの燃料混合気の拡散状態を考慮して前記燃焼エネルギの演算値を変化させることが望ましい（請求項５）。停止中に噴射された燃料の混合気は時間の経過とともに燃焼室外へ徐々に拡散し、拡散が進行するほど燃焼で得られるエネルギが減少する。従って、燃料噴射から燃焼開始までの拡散状態を考慮して燃焼エネルギを演算することにより燃焼エネルギをより正確に求めることができる。拡散状態は例えば燃料噴射時からの経過時間からこれを特定することができる。
【００１３】
本発明の始動方法においては、前記第２のエネルギ供給手段として電動モータを使用してもよい（請求項６）。電動モータを利用すれば比較的容易にエネルギを制御することができる。
【００１４】
本発明の内燃機関の始動装置は、内燃機関を始動させるための運動エネルギを供給する始動エネルギ供給手段と、前記内燃機関の始動時に前記始動エネルギ供給手段から前記内燃機関に与える運動エネルギを、当該内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして予め設定された目標運動エネルギに応じて制御するエネルギ制御手段とを備えた内燃機関の始動装置であって、前記始動エネルギ供給手段が、前記内燃機関の気筒内に燃焼を生じさせて運動エネルギを供給する第１のエネルギ供給手段と、該第１のエネルギ供給手段とは異なる方法によって前記運動エネルギを供給する第２のエネルギ供給手段とを備え、前記エネルギ制御手段は、前記内燃機関の始動要求に応答して前記第１のエネルギ供給手段から運動エネルギを供給して前記内燃機関の始動を開始させるとともに、前記目標運動エネルギと、前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとの差に基づいて前記第２のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを制御することにより、前記始動エネルギ供給手段から前記内燃機関に前記目標運動エネルギを供給させて、上述した課題を解決する（請求項７）。
【００１５】
この始動装置によれば、目標運動エネルギに応じて始動エネルギ供給手段からのエネルギを制御することにより、本発明の始動方法と同様に、始動に際して過不足なく運動エネルギを内燃機関に与えて内燃機関を確実に始動させることができる。また、エネルギの無駄な供給を抑え、内燃機関の始動時の過回転を防止して燃費や騒音等の過回転に起因する各種の問題の発生を阻止することができる。また、第１のエネルギ供給手段から主体的にエネルギが供給され、その差分が第２のエネルギ供給手段から補われるため、第２のエネルギ供給手段は差分に相当するエネルギを与えられる程度でよい。従って、小型化、軽量化に有利であり、これを車両等に搭載する際の制限も緩和され、コストも低減される。
【００１７】
本発明の内燃機関の始動装置は、上述した本発明の始動方法の好ましい態様を実現するために以下のような態様を備えることができる。すなわち、本発明の始動装置においては、前記エネルギ制御手段は、前記内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて前記第１のエネルギ供給手段が生じさせる燃焼エネルギを演算する手段と、前記燃焼エネルギの演算結果に基づいて前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを推定する手段とを備えてもよい（請求項８）。前記運動エネルギを推定する手段は、前記燃焼エネルギから前記内燃機関の運動に伴う機械的損失によって消費されるエネルギを除いた値を前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとして推定してもよい（請求項９）。
【００１８】
また、本発明の始動装置においては、前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別する手段を備え、前記第１のエネルギ供給手段は、前記膨張行程にある気筒から順次燃焼を生じさせてもよい（請求項１０）。前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別する手段と、前記膨張行程にある気筒内へ燃料を噴射する手段とを具備し、前記エネルギ制御手段は、前記膨張行程にある気筒への燃料の噴射時期から当該気筒内で燃焼が開始されるまでの燃料混合気の拡散状態を考慮して前記燃焼エネルギの演算値を変化させてもよい（請求項１１）。前記第２のエネルギ供給手段として、電動モータが使用されてもよい（請求項１２）。
【００１９】
さらに、本発明の内燃機関の始動方法は、内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる内燃機関の始動方法であって、前記燃料が噴射された気筒内の燃料混合気の状態に基づいて前記燃料によって得られる燃焼エネルギを演算する工程と、前記演算された燃焼エネルギに基づいて、前記燃焼によって前記内燃機関に与えられる運動エネルギを推定する工程と、前記燃焼エネルギを利用した内燃機関の始動の開始後に、前記内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして予め与えられる目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分に応じたエネルギを、燃焼とは異なる方法によって運動エネルギを供給するエネルギ供給手段により供給する工程と、を備えたものとして具現化されてもよい（請求項１３）。
【００２０】
また、本発明の内燃機関の始動装置は、内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置であって、前記内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして設定された目標運動エネルギを記憶する手段と、前記燃料が噴射された気筒内の燃料混合気の状態に基づいて前記燃料によって得られる燃焼エネルギを演算する手段と、前記演算された燃焼エネルギに基づいて、前記燃焼によって前記内燃機関に与えられる運動エネルギを推定する手段と、前記燃焼エネルギを利用した内燃機関の始動の開始後に、前記記憶された目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分に応じたエネルギを、燃焼とは異なる方法によって運動エネルギを供給するエネルギ供給手段により供給する手段と、を備えたものとして具現化されてもよい（請求項１４）。
【００２１】
これらの形態によれば、内燃機関の燃焼によって与えられる運動エネルギの目標運動エネルギに対する差分をスタータモータ等の別のエネルギ供給手段から補うことにより、内燃機関に始動用の運動エネルギを過不足なく与えて内燃機関を確実に始動させ、かつ内燃機関の始動時の過回転を防止して燃費や騒音等の過回転に起因する各種の問題の発生を阻止することができる。
【００２２】
さらに、本発明の始動エネルギ推定方法は、内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる場合に適用される始動エネルギ推定方法であって、前記内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて前記燃焼エネルギを演算し、前記燃焼エネルギの演算結果に基づいて前記内燃機関の燃焼によって得られる運動エネルギを推定し、前記内燃機関の始動に必要な運動エネルギとして予め設定された目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分を、前記内燃機関の燃焼以外の手段によって供給されるべき運動エネルギとして決定するものである（請求項１５）。
【００２３】
また、本発明の始動エネルギ推定装置は、内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置に使用される始動エネルギ推定装置であって、前記内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして設定された目標運動エネルギを記憶する手段と、前記内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて前記燃焼エネルギを演算する手段と、前記燃焼エネルギの演算結果に基づいて、前記内燃機関の燃焼によって得られる運動エネルギを推定する手段と、前記目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分を、前記内燃機関の燃焼以外の手段によって供給されるべき運動エネルギとして決定する手段と、を備えたものである（請求項１６）。
【００２４】
これらの推定方法及び推定装置を利用することにより、内燃機関の燃焼によって得られる始動用の運動エネルギの目標運動エネルギに対する差分を特定し、スタータモータ等のエネルギ供給手段から、過不足なくエネルギを与えて本発明の始動方法又は始動装置を実現することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態に係る始動装置とこれが適用される内燃機関とを示している。図１において、内燃機関１は、例えば自動車に搭載される４サイクルエンジンとして構成されており、複数のシリンダ（気筒）２を含んでいる。なお、図１では単一のシリンダ２のみを示すが、他のシリンダ２の構成も同じである。以下の説明では、内燃機関１をエンジン１と表現することがある。
【００２６】
各シリンダ２におけるピストン３の位相はシリンダ２の個数及びレイアウトに応じて互いにずらされている。例えば、４つのシリンダ２が一方向に並べられた直列４気筒エンジンであれば、ピストン３の位相はクランク角にして１８０°ずつずらされている。これにより、４つのシリンダ２のうちいずれか一つのシリンダ２は必ず膨張行程に該当する。また、エンジン１は、燃料噴射弁４からシリンダ２内の燃焼室５に直接燃料を噴射し、その噴射された燃料に基づく混合気に点火プラグ６から着火する筒内噴射式の火花点火内燃機関として構成されている。燃料噴射弁４から噴射される燃料にはガソリンが好適に用いられるが、他の燃料でもよい。さらに、エンジン１には、燃焼室５と吸気通路７及び排気通路８との間をそれぞれ開閉する吸気バルブ９及び排気バルブ１０が設けられるとともに、各バルブ９，１０を駆動するカム１１，１２、吸気通路７からの吸気量を調整するスロットルバルブ１３、ピストン３の往復運動をクランク軸１４に回転運動として伝達するコンロッド１５及びクランクアーム１６が設けられる。これらの構成は周知の内燃機関と同様でよい。
【００２７】
エンジン１には、これを始動させるためのエネルギを供給する始動エネルギ供給手段として、シリンダ２内に燃焼を生じさせて始動用の運動エネルギを供給する手段（第１のエネルギ供給手段）が設けられている。この燃焼に基づくエネルギ供給手段は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０が図２及び図３に示したエンジン休止制御ルーチンを実行することにより実現される。また、エンジン１には、別のエネルギ供給手段（第２のエネルギ供給手段）としてスタータモータ１７が設けられている。スタータモータ１７は、減速歯車機構１８を介してクランク軸１４を回転させる周知の電動モータである。なお、スタータモータ１７は、供給する電流又は電圧の制御により、エンジン１に与える運動エネルギを変更可能なものが用いられる。例えば、ＰＷＭ制御により運動エネルギを制御可能な電動モータをスタータモータ１７として用いることができる。
【００２８】
ＥＣＵ２０はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺装置を含んだコンピュータとして構成され、ＲＯＭに記録されたプログラムに従ってエンジン１の運転状態を制御するために必要な各種の処理を実行する。一例として、ＥＣＵ２０は、吸気通路７の圧力に対応した信号を出力する吸気圧センサ２１や、排気通路８の空燃比に対応した信号を出力する空燃比センサ２２の出力信号を参照して、所定の空燃比が得られるように燃料噴射弁４の燃料噴射量を制御する。ＥＣＵ２０が参照するセンサとしては、上記のセンサ２１，２２の他にも種々設けられるが、特に図２及び図３の処理に関連して参照されるセンサとしては、燃焼室５の圧力に応じた信号を出力する圧力センサ２３と、燃焼室５の温度に応じた信号を出力する温度センサ２４と、クランク軸１４の位相（クランク角）に応じた信号を出力するクランク角センサ２５と、吸気側のカム１１の位相（カム角）に応じた信号を出力するカム角センサ２６とが設けられている。
【００２９】
次に、図２及び図３に示すエンジン休止制御ルーチンを説明する。この休止制御ルーチンは、エンジン１に関する所定の停止条件が満たされたときにエンジン１の燃焼を一時的に停止させ、所定の再起動条件が満たされたときにエンジン１を再起動させるためにＥＣＵ２０が実行する処理であり、その再起動時の手順に関して本発明の始動方法が適用されている。なお、図２及び図３のエンジン休止制御ルーチンは、ＥＣＵ２０が実行する各種の処理と並行して実行される。エンジン１の停止条件及び再起動条件は、図２及び図３のルーチンとは異なるルーチンによってその成否が監視されており、停止条件が満たされると所定の停止要求が発せられ、再起動条件が満たされると所定の再起動要求が発せられる。停止条件は例えばエンジン１がアイドリング状態にあるときに肯定され、再起動条件はそのアイドリング状態から車両の発進に関連する操作、例えばアクセルペダルやクラッチペダルの踏み込み操作、変速機の操作等があったときに肯定される。つまり、図２及び図３のエンジン休止制御ルーチンは、車両の停止時にエンジン１を停止させ、発進前にエンジン１を再起動させる、いわゆるアイドリングストップを実現するための制御として位置付けられるものである。
【００３０】
図２のエンジン休止制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ２０はまずステップＳ１でエンジン１の停止要求があるか否かを判断する。要求がなければステップＳ２０でエンジン１の通常の制御を指示してステップＳ１に戻り、エンジン停止要求を待つ。エンジン停止要求があるとステップＳ２へ進み、エンジン１を停止させるための制御を実行する。エンジン１が停止するとステップＳ３へ進み、クランク角センサ２５及びカム角センサ２６のそれぞれの出力信号を参照してクランク角θ及び吸気側のカム角φをそれぞれ検出し、それらの検出結果から膨張行程にあるシリンダ２を判別する。
【００３１】
続くステップＳ４では、圧力センサ２３及び温度センサ２４の出力信号を参照して燃焼室５の圧力（燃焼室圧力）Ｐ、及び燃焼室５の温度（燃焼室温度）Ｔを取得する。また、クランク角θから燃焼室５の容積（燃焼室容積）Ｖ（θ）を取得する。燃焼室５の容積は、ピストン３の位置、シリンダ２の直径及びピストン３の頂面形状等に応じて定まるが、ピストン３の位置以外の値はクランク角θに拘わりなく一定であり、ピストン３の位置はクランク角θに応じて一義的に定まる。従って、燃焼室５の容積はクランク角θを変数とする関数で表現することができ、その関数にクランク角センサ２５の出力信号に基づいて取得したクランク角θを代入すれば燃焼室容積Ｖ（θ）を求めることができる。
【００３２】
その後、ステップＳ５で膨張行程にあるシリンダ２に吸入されている空気量Ｇａを次式（１）により算出する。
【００３３】
【数１】
Ｇａ＝ａ・Ｐ・Ｖ（θ）／Ｔ ……（１）
但し、ａは係数である。また、上記の通り、Ｐ、Ｔはそれぞれ燃焼室圧力及び燃焼室温度である。
【００３４】
次のステップＳ６では、吸入空気量Ｇａに所定の係数ｂを乗じて再起動用燃料噴射量Ｇｆ（＝ｂ・Ｇａ）を算出する。そして、ステップＳ７において、算出された量Ｇｆの燃料を、ステップＳ３で判別した膨張行程にあるシリンダ２内に再起動用燃料として噴射する。この後、ステップＳ８で点火インターバルｔ０を計時するためのカウンタをスタートさせる。なお、ステップＳ６で使用される係数ｂは始動時における空燃比の目標値に従って設定すればよい。
【００３５】
続くステップＳ９では、圧力センサ２３及び温度センサ２４の出力信号を参照して燃焼室圧力Ｐ及び燃焼室温度Ｔを取得し、クランク角センサ２５の出力信号を参照して燃焼室容積Ｖ（θ）を取得する。これらの値は、燃焼室５における燃料混合気の状態を示す物理量である。
【００３６】
また、ステップＳ９においては、点火インターバルｔ０の計数値に基づいて混合気拡散係数ｃ（ｔ０）を取得する。図４に示すように、混合気拡散係数ｃ（ｔ０）は点火インターバルｔ０を変数とする関数として与えられるものであり、燃料噴射時（ｔ０＝０）から所定の時間Ａが経過した時点でピーク値１をとり、その後は１から０に向かって徐々に値が低下する。混合気拡散係数ｃ（ｔ０）は、燃料混合気が時間の経過とともに燃焼室５外へ徐々に拡散し、その結果として、燃焼エネルギ（燃焼によって得られるエネルギ）が減少するため、これを燃焼エネルギの演算において反映させるために設けられた係数である。所定時間Ａまでは係数ｃ（ｔ０）が増加するのは、噴射された燃料が気化して燃料混合気が形成されるまでに一定の遅れが存在するためである。但し、時間Ａは一般には数十ｍ秒、最大でも１秒以内である。
【００３７】
点火インターバルｔ０と混合気拡散係数ｃ（ｔ０）との関係は予めシミュレーション又は実験にて求め、マップ又は関数としてＥＣＵ２０のＲＯＭに記録しておくことができる。ステップＳ９ではそのＲＯＭに記録されたマップ又は関数を利用して、点火インターバルｔ０に対応する混合気拡散係数ｃ（ｔ０）を取得する。
【００３８】
次のステップＳ１０では、ステップＳ７で噴射した燃料に基づく燃焼エネルギＥｃ（ｔ０）を次式（２）により算出する。
【００３９】
【数２】
Ｅｃ（ｔ０）＝ｃ（ｔ０）・Ｐ・Ｖ（θ）／Ｔ ……（２）
続くステップＳ１１では、燃焼エネルギＥｃ（ｔ０）に基づいてクランク軸１４に与えられる運動エネルギＥａ（ｔ１）を推定する。推定手法については後述する。なお、ｔ１は点火時からの経過時間であり、運動エネルギＥａ（ｔ１）は点火時からの経過時間の関数として運動エネルギＥａを表していることを示す。運動エネルギＥａ（ｔ１）の推定後はステップＳ１２へ進み、エンジン１の再起動が要求されたか否かを判断する。そして、再起動が要求されていないときはステップＳ９へ戻り、燃料混合気の状態の判別と、その判別結果に基づく燃焼エネルギＥｃ（ｔ０）の演算と、それに基づく運動エネルギＥａ（ｔ１）の推定とを繰り返す。
【００４０】
ここで、運動エネルギＥａ（ｔ１）の推定について説明する。任意の期間に発生する燃焼エネルギをＥｃ、クランク軸１４の回転運動エネルギをＥａとすれば両者の間には次の関係がある。
【００４１】
【数３】
Ｅｃ＝Ｅｆ＋Ｅａ ……（３）
但し、Ｅｆはエンジン１の動作に伴う機械的損失、例えば摩擦による損失によって消費されるエネルギであり、クランク軸１４の回転数（回転速度）Ｎｅの関数として特定される。回転数Ｎｅと損失エネルギＥｆとの関係は予めシミュレーション又は実験により求めておくことができる。また、燃焼エネルギＥｃと、そのエネルギＥｃに基づくクランク軸１４の挙動との関係もシミュレーションによって特定でき、そのクランク軸１４の挙動が判れば燃焼エネルギＥｃとクランク軸１４の回転数Ｎｅとの関係も特定することができる。従って、点火時における燃焼エネルギＥｃ（ｔ０）が与えられたならば、これに対応する損失エネルギＥｆを特定し、その特定したエネルギＥｆを燃焼エネルギＥｃ（ｔ０）から減算することにより、最初の燃焼に基づいてクランク軸１４に与えられる運動エネルギＥａを求めることができる。
【００４２】
また、内燃機関１の始動が開始された後は、シリンダ２の点火順序に従って他のシリンダ２にも順次燃焼が生起される。従って、２番目以降の燃焼によって得られるエネルギも同様の手法、つまり各シリンダ２における燃料混合気の状態を示す物理量Ｐ，Ｖ（θ）、Ｔによって各シリンダ２における燃焼エネルギＥｃを特定し（但し、この場合には連続した燃焼となるので、混合気拡散係数を考慮する必要はない。）、各回の燃焼で得られる燃焼エネルギＥｃに対応したクランク軸１４の運動エネルギＥａを求めることができる。そして、各回の燃焼に基づく運動エネルギＥａを点火時からの経過時間ｔ１に対応付けて合計することにより、エンジン１の燃焼によってもたらされるクランク軸１４の運動エネルギＥａを経過時間ｔ１と関連付けた関数Ｅａ（ｔ１）として得ることができる。
【００４３】
図５は上記に従って運動エネルギＥａ（ｔ１）を推定した例を示し、図中の太線が最初の燃焼エネルギＥｃ（ｔ０）に基づく運動エネルギの推定値に対応している。この図から明らかなように、シリンダ２で燃焼が生じる毎に燃焼エネルギが追加されて運動エネルギの推定値Ｅａ（ｔ１）は増加するが、燃焼の間では機械的損失のために運動エネルギＥａ（ｔ１）が低下する。一方、エンジン１を円滑に始動させるためには、図５に示したように点火時から連続的に増加し、所定レベルで平衡状態に達するような目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）を必要とする。目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）はエンジン１の機械的特性等によって定まり、予めシミュレーションや実験によってこれを求めておくことができる。一般に、運動エネルギの推定値Ｅａ（ｔ１）は、機械的損失等のために目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）よりも相対的に小さく、従って、仮にエンジン１の燃焼のみで始動を試みた場合には図５のハッチング領域に相当するだけ運動エネルギが不足する。
【００４４】
そこで、図２及び図３のエンジン休止制御ルーチンでは、図５のハッチング領域に相当するエネルギをスタータモータ１７から補うことにより、目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）を得るようにしている。
【００４５】
すなわち、図２のステップＳ１２においてエンジンの再起動が要求されていた場合、ＥＣＵ２０は図３のステップＳ１３へと処理を進め、点火インターバルカウンタをリセットするとともに点火カウンタによる経過時間ｔ１の計時を開始する。そして、ステップＳ１４で膨張行程にあるシリンダ２の燃料混合気に対する点火を実行し、ステップＳ１５で次式により点火カウンタの経過時間ｔ１に応じたスタートアシストエネルギＥｓ（ｔ１）を算出する。
【００４６】
【数４】
Ｅｓ（ｔ１）＝Ｅｔ（ｔ１）−Ｅａ（ｔ１） ……（４）
つまり、経過時間ｔ１における目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）に対する運動エネルギＥａ（ｔ１）の差分をスタートアシストエネルギＥｓ（ｔ１）として求める。なお、目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）はＥＣＵ２０のＲＯＭに予め記憶され、必要に応じて参照される。
【００４７】
続くステップＳ１６では、スタータモータ１７からクランク軸１４に対してスタートアシストエネルギＥｓ（ｔ１）を供給できるようにスタータモータ１７を駆動制御する。そして、ステップＳ１７でエンジン１が継続して燃焼を続けられる完爆状態が得られたか否かを判断し、完爆状態でなければステップＳ１５へ戻ってスタートアシストエネルギＥｓ（ｔ１）の算出以下の処理を繰り返す。完爆状態か否かは、例えばクランク角センサ２５が検出するクランク角の変動によって判別することができる。そして、完爆状態が得られるとステップＳ１８へ進んで点火カウンタをリセットし、その後にステップＳ１へ戻る。
【００４８】
以上のように、本実施形態によれば、エンジン１が始動する際に必要な運動エネルギが目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）として予め設定され、その目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）と燃焼によって得られる運動エネルギＥａ（ｔ１）との差分に相当するスタートアシストエネルギＥｓ（ｔ１）がスタータモータ１７からエンジン１に供給される。従って、エンジン１には目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）が過不足なく供給され、エンジン１を無駄なく円滑に始動させることができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、予め目標運動エネルギＥｔ（ｔ１）を把握しており、しかも、燃焼によって得られる運動エネルギについてもその範囲が予想できるため、スタータモータ１７から与えるべきエネルギについてもこれを事前に大まかに把握することができる。従って、不必要に大きなスタータモータ１７を搭載する必要がなく、スタータモータ１７の搭載に関する制限が緩和され、かつスタータモータ１７に関するコストも低減される。つまり、従来の方法では始動に必要なエネルギを何ら把握せず、結果的にエネルギが不足するときにスタータで補なうだけなので、どの程度のエネルギをスタータから補うべきかが把握されておらず、スタータに余裕を見込んで大出力のものを用いる必要があった。これに比して本実施形態ではスタータモータ１７の適正なサイズが予想できるので、従来と比較してスタータモータの小型軽量化を図ることができる。
【００５０】
以上の実施形態では、ＥＣＵ２０が、エネルギ制御手段、燃焼エネルギを演算する手段、運動エネルギを推定する手段、及び膨張行程にある気筒の判別手段として機能する。また、ＥＣＵ２０が膨張行程にあるシリンダ２に対応する燃料噴射弁４に対して燃料噴射を指示することにより、燃料を噴射する手段が実現される。さらに、ＥＣＵ２０のＲＯＭが、目標運動エネルギを記憶する手段として機能する。
【００５１】
目標運動エネルギは様々な観点からこれを定めることができる。一例として、エンジン１の完爆状態が得られる理論的な最小運動エネルギとして目標運動エネルギを定めることができる。この場合には始動時に消費するエネルギを最小限に抑えることができるので、アイドリングストップを実行する場合のようにエンジン１の停止及び再起動が頻繁に繰り返されるような場合に好適である。
【００５２】
但し、本発明の始動方法はアイドリングストップ時における再起動に限定されず、例えばイグニッションキーのオン操作に対応した始動時にもこれを適用できる。なお、目標運動エネルギを理論上の最小値に設定した場合には、乗員がエンジン１の始動に気付かないほど始動時の騒音や振動が小さくなり、そのためにエンジン１の始動に失敗したものと誤解するおそれがある。このような懸念があるときは、目標運動エネルギを理論上の最小値よりも意図的に大きく設定し、乗員がエンジン１の始動を確実に感じ取れるようにしてもよい。
【００５３】
その他にも、内燃機関と電動モータとを併用するハイブリッド車両におけるエンジンの再起動時等、内燃機関を始動させるあらゆる場合に本発明は適用できる。
【００５４】
上記の実施形態では第２のエネルギ供給手段として電動モータを利用したが、本発明ではこれに限らず、種々の装置を第２のエネルギ供給手段として利用してよい。例えば、第２のエネルギ供給手段として、始動制御の対象となる内燃機関とは別の内燃機関を利用してもよいし、空気圧等の流体の圧力によってエネルギを蓄え、始動時にその蓄えたエネルギを放出する装置を利用してもよい。
【００５５】
上記の実施形態では、燃焼室内の燃料混合気の状態を表す物理量として燃焼室圧力Ｐ及び燃焼室温度Ｔをそれらに対応するセンサ２３，２４によって直接的に検出しているが、本発明はこのような態様に限定されない。例えば、燃焼室圧力や燃焼室温度に相関する物理量（エンジン冷却水の水温やエンジン停止時からの経過時間）を検出し、それらの物理量からマップや関数を利用して燃料混合気の状態を特定してもよい。
【００５６】
さらに、上記では、第１のエネルギ供給手段から供給する運動エネルギが目標運動エネルギに対して不足する場合について説明したが、第１のエネルギ供給手段から供給するエネルギが目標運動エネルギを超えているときに第２のエネルギ供給手段から負の運動エネルギを供給して（つまり、クランク軸の回転に対する抵抗を与えて）、エネルギの合計値を目標運動エネルギに合わせる場合も本発明の範囲に含まれる。
【００５８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の始動方法及び始動装置によれば、予め目標運動エネルギを設定し、それに合うようにエネルギを供給するようにしたので、始動に際して過不足なく運動エネルギを内燃機関に与えて内燃機関を確実に始動させ、かつ無駄なエネルギ消費を排除して内燃機関の始動時の過回転を防止し、燃費や騒音等の過回転に起因する各種の問題の発生を阻止することができる。また、第１のエネルギ供給手段から主体的にエネルギが供給され、その差分が第２のエネルギ供給手段から補われる。第２のエネルギ供給手段は差分に相当するエネルギを与えられる程度でよいので、小型化、軽量化に有利であり、これを車両等に搭載する際の制限も緩和され、コストも低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る始動装置とこれが適用される内燃機関との構成を示す図。
【図２】図１のＥＣＵが実行するエンジン休止制御ルーチンの手順を示すフローチャート。
【図３】図２に続くフローチャート。
【図４】図２の処理で参照される混合気拡散係数を示す図。
【図５】目標運動エネルギと運動エネルギの推定値との関係を示す図。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダ（気筒）
３ ピストン
１７ スタータモータ（第２のエネルギ供給手段）
２０ ＥＣＵ
２１ 吸気圧センサ
２２ 空燃比センサ
２３ 圧力センサ
２４ 温度センサ
２５ クランク角センサ
２６ カム角センサ

Claims (16)

1. 内燃機関の始動に必要な運動エネルギを目標運動エネルギとして予め設定し、所定の始動エネルギ供給手段から、前記目標運動エネルギに応じて制御された運動エネルギを前記内燃機関に供給する内燃機関の始動方法であって、
   前記始動エネルギ供給手段として、前記内燃機関の気筒内に燃焼を生じさせて運動エネルギを供給する第１のエネルギ供給手段と、該第１のエネルギ供給手段とは異なる方法によって前記運動エネルギを供給する第２のエネルギ供給手段とを設け、前記内燃機関の始動が要求された場合、前記第１のエネルギ供給手段から運動エネルギを供給して前記内燃機関の始動を開始するとともに、前記目標運動エネルギと前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとの差に基づいて前記第２のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを制御することにより、前記内燃機関に対して前記目標運動エネルギを供給することを特徴とする内燃機関の始動方法。
2. 内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて、前記第１のエネルギ供給手段が生じさせる燃焼エネルギを演算し、該燃焼エネルギの演算結果に基づいて前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを推定することを特徴とする請求項１に記載の始動方法。
3. 前記燃焼エネルギから前記内燃機関の運動に伴う機械的損失によって消費されるエネルギを除いた値を前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとして推定することを特徴とする請求項２に記載の始動方法。
4. 前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別し、前記第１のエネルギ供給手段により、前記膨張行程にある気筒から順次燃焼を生じさせることを特徴とする請求項１に記載の始動方法。
5. 前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別し、前記膨張行程にある気筒に対して前記内燃機関の停止中に燃料を噴射し、その燃料の噴射時期から当該気筒内で燃焼が開始されるまでの燃料混合気の拡散状態を考慮して前記燃焼エネルギの演算値を変化させることを特徴とする請求項２に記載の始動方法。
6. 前記第２のエネルギ供給手段として、電動モータを使用することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の始動方法。
7. 内燃機関を始動させるための運動エネルギを供給する始動エネルギ供給手段と、
   前記内燃機関の始動時に前記始動エネルギ供給手段から前記内燃機関に与える運動エネルギを、当該内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして予め設定された目標運動エネルギに応じて制御するエネルギ制御手段と、
   を備えた内燃機関の始動装置であって、
   前記始動エネルギ供給手段が、前記内燃機関の気筒内に燃焼を生じさせて運動エネルギを供給する第１のエネルギ供給手段と、該第１のエネルギ供給手段とは異なる方法によって前記運動エネルギを供給する第２のエネルギ供給手段とを備え、前記エネルギ制御手段は、前記内燃機関の始動要求に応答して前記第１のエネルギ供給手段から運動エネルギを供給して前記内燃機関の始動を開始させるとともに、前記目標運動エネルギと、前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとの差に基づいて前記第２のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを制御することにより、前記始動エネルギ供給手段から前記内燃機関に前記目標運動エネルギを供給させることを特徴とする始動装置。
8. 前記エネルギ制御手段は、前記内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて前記第１のエネルギ供給手段が生じさせる燃焼エネルギを演算する手段と、前記燃焼エネルギの演算結果に基づいて前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギを推定する手段とを備えていることを特徴とする請求項７に記載の始動装置。
9. 前記運動エネルギを推定する手段は、前記燃焼エネルギから前記内燃機関の運動に伴う機械的損失によって消費されるエネルギを除いた値を前記第１のエネルギ供給手段から供給される運動エネルギとして推定することを特徴とする請求項８に記載の始動装置。
10. 前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別する手段を備え、前記第１のエネルギ供給手段は、前記膨張行程にある気筒から順次燃焼を生じさせることを特徴とする請求項７に記載の始動装置。
11. 前記内燃機関の停止時の状態に基づいて当該停止時に膨張行程にある気筒を判別する手段と、前記膨張行程にある気筒内へ燃料を噴射する手段とを具備し、前記エネルギ制御手段は、前記膨張行程にある気筒への燃料の噴射時期から当該気筒内で燃焼が開始されるまでの燃料混合気の拡散状態を考慮して前記燃焼エネルギの演算値を変化させることを特徴とする請求項８に記載の始動装置。
12. 前記第２のエネルギ供給手段として、電動モータが使用されることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の始動装置。
13. 内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる内燃機関の始動方法において、
    前記燃料が噴射された気筒内の燃料混合気の状態に基づいて前記燃料によって得られる燃焼エネルギを演算する工程と、
    前記演算された燃焼エネルギに基づいて、前記燃焼によって前記内燃機関に与えられる運動エネルギを推定する工程と、
    前記燃焼エネルギを利用した内燃機関の始動の開始後に、前記内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして予め与えられる目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分に応じたエネルギを、燃焼とは異なる方法によって運動エネルギを供給するエネルギ供給手段により供給する工程と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の始動方法。
14. 内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置において、
    前記内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして設定された目標運動エネルギを記憶する手段と、
    前記燃料が噴射された気筒内の燃料混合気の状態に基づいて前記燃料によって得られる燃焼エネルギを演算する手段と、
    前記演算された燃焼エネルギに基づいて、前記燃焼によって前記内燃機関に与えられる運動エネルギを推定する手段と、
    前記燃焼エネルギを利用した内燃機関の始動の開始後に、前記記憶された目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分に応じたエネルギを、燃焼とは異なる方法によって運動エネルギを供給するエネルギ供給手段により供給する手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の始動装置。
15. 内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる場合に適用される始動エネルギ推定方法であって、
    前記内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて前記燃焼エネルギを演算し、前記燃焼エネルギの演算結果に基づいて前記内燃機関の燃焼によって得られる運動エネルギを推定し、前記内燃機関の始動に必要な運動エネルギとして予め設定された目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分を、前記内燃機関の燃焼以外の手段によって供給されるべき運動エネルギとして決定することを特徴とする内燃機関の始動エネルギの推定方法。
16. 内燃機関の停止中に膨張行程にある気筒内に燃料を噴射し、その燃料の燃焼によって得られる燃焼エネルギを利用して内燃機関を始動させる内燃機関の始動装置に使用される始動エネルギ推定装置であって、
    前記内燃機関を始動させるために必要な運動エネルギとして設定された目標運動エネルギを記憶する手段と、
    前記内燃機関の気筒内における燃料混合気の状態を表す物理量に基づいて前記燃焼エネルギを演算する手段と、
    前記燃焼エネルギの演算結果に基づいて、前記内燃機関の燃焼によって得られる運動エネルギを推定する手段と、
    前記目標運動エネルギと、推定された運動エネルギとの差分を、前記内燃機関の燃焼以外の手段によって供給されるべき運動エネルギとして決定する手段と、
    を備えたことを特徴とする内燃機関の始動エネルギ推定装置。

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