JP3966120B2

JP3966120B2 - 内燃機関の始動制御装置

Info

Publication number: JP3966120B2
Application number: JP2002239463A
Authority: JP
Inventors: 景子長谷川; 敏夫井上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-08-20
Also published as: JP2004076670A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の始動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンを燃料とする内燃機関（エンジン）は、エアフロメータなどで吸入空気量を検出したり、圧力センサで吸気管内負圧を検出して吸入空気量を推定し、この吸入空気量に基づいて燃料噴射量を決定している。この場合、吸気通路内を空気が連続的に流れている状況では良好な検出精度が得られるが、エンジン始動時には吸気通路内の空気が流れていない状態から検出を行わなくてはならず、始動時の検出精度があまり良くなかった。吸入空気量の検出精度が良くないと燃料噴射量が適正とならず、排気エミッションや燃費の面で不利な場合も生じ得た。通常のエンジンであれば、エンジンを一旦始動させてしまえば運行が終了するまでエンジンは運転され続けられたので始動時の検出精度があまり良くなくても影響は少なかった。
【０００３】
近年になって環境保全に注目が集まり、始動時であっても吸入空気量の検出精度を上げる要望が強くなってきた。また、ハイブリッド車やアイドルストップ車なども実用化されてきたため、一回の運行に際してエンジンの始動／停止が繰り返されるような状況も生まれ、始動時の吸入空気量の検出精度を向上させる必要が生じてきたという側面もある。特開２０００−３２０３６６号公報に記載のエンジン（アイドルストップ車用エンジン）では、エンジン始動時にモータジェネレータによってエンジン回転数を所定回転としてから燃料噴射を開始し、その後も所定回転を維持するフィードバック制御を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、エンジン回転数を所定回転後に、検出した吸入空気量に基づく燃料噴射を行っても、吸気管負圧（吸気ポート噴射の場合）や気筒内負圧（筒内噴射の場合）がバラツクので燃料噴射量が適正とならない場合もある。また、初回燃料噴射以降、負圧が確保されるまでのしばらくの間も同様に燃料噴射量が、適正とならない場合がある。また、吸気負圧を推定する場合（例えば、特開平９−３２４６７８号公報に記載のものなど）は、推定精度が問題となり必ずしも適正な燃料噴射量を設定することができない。
【０００５】
本発明は、このような状況を鑑みて発明されたもので、内燃機関始動時の吸入空気量と燃料噴射量とを最適化し、内燃機関の排気浄化性能及び燃費性能を向上させることのできる内燃機関の始動制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置は、内燃機関の吸気通路上又はシリンダ内に燃料噴射を行う燃料噴射手段と、燃焼運転によらずにクランクシャフトの回転動作を行わせる外的駆動手段と、燃料噴射手段及び外的駆動手段を協働させて内燃機関の始動を制御する始動制御手段とを備えており、始動制御手段は、内燃機関の始動時に、外的駆動手段によってクランクシャフトを時間経過に対応して規定された回転数の上昇パターンで回転させると共に、燃料噴射手段によって前記時間経過に対応して規定された噴射制御パターンで燃料を噴射させることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置において、始動制御手段が、内燃機関の始動時のスロットルバルブの開度変化も前記時間経過に対応して規定された開度制御パターンで制御することを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の始動制御装置において、始動制御手段が、内燃機関の始動時の吸排気バルブの開閉も前記時間経過に対応して規定された開閉制御パターンで制御することを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関の始動制御装置において、内燃機関がハイブリッド車に搭載されており、外的駆動手段が車両駆動用のモータ又は発電用の発電機であることを特徴としている。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関の始動制御装置において、内燃機関の始動時に、車両の要求駆動力に対して、所定パターンに従って運転した場合に発生する車両駆動力の不足分を補助するアシスト手段をさらに備えていることを特徴としている。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか一項に記載の内燃機関の始動制御装置において、所定のパターンが、車両の運転状況に応じて複数用意されていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の制御装置の一実施形態について、図面を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の制御装置は、ハイブリッド車に適用したものであり、その構成を図１に示す。エンジン１は、モータジェネレータ（主として電動機として機能）３２と共に車両に搭載される。この車両は、エンジン１の出力を受けて発電を行うモータジェネレータ（主として発電機として機能）３３も有している。以下、モータジェネレータ３２，３３を単にＭＧ３２，３３と言うこととする。
【００１３】
これらのエンジン１、ＭＧ３２及びＭＧ３３は、動力分割機構３４によって接続されている。動力分割機構３４は、エンジン１の出力をＭＧ３３と駆動輪３５とに振り分けている。また、動力分割機構３４は、ＭＧ３２からの出力を駆動輪３５に伝達させる役割や、減速機３７及び駆動軸３６を介して駆動輪３５に伝達される駆動力に関する変速機としての役割も備えている。本実施形態の動力分割機構３４は、プラネタリギアによって上述した機構を実現している。
【００１４】
ＭＧ３２は、交流同期電動機であり、交流電力によって駆動される。インバータ３９は、バッテリ３８に蓄えられた電力を直流から交流に変換して、ＭＧ３２に供給すると共に、ＭＧ３３によって発電される電力を交流から直流に変換して、バッテリ３８に蓄えるためのものである。ＭＧ３３も、基本的には上述したＭＧ３２とほぼ等しい構成を有しており、交流同期電動機としての構成を有している。ＭＧ３２が主として駆動力を出力するのに対して、ＭＧ３３は、主としてエンジン１の出力を受けて発電する。
【００１５】
なお、エンジン１には各シリンダ１０毎にインジェクタ１１が配設されており、各シリンダ１０の吸気ポートに燃料を噴射するようになっている。インジェクタ１１によって噴射された燃料は、吸気通路１４によって外部から吸入した吸入空気と混合され、混合気を生成する。吸気通路１４上には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ１５が配設されている。本実施形態のスロットルバルブ１５は、いわゆる電子制御式のもので、その開閉はエンジンＥＣＵ(Electrical Control Unit：電子制御ユニット）１８によって制御されるスロットルモータ１６によって行われる。吸気通路１４中を流れる空気量は、スロットルバルブ１５の上流側の吸気通路１４上に配設されたエアフロメータ１７によって検出される。
【００１６】
エアフロメータ１７はエンジンＥＣＵ１８に接続されており、その検出結果はエンジンＥＣＵ１８に送出されている。エアフロメータ１７は、流体の流量質量を検出するものであるが、エンジン１の始動時には、まず吸気通路１４内に停滞していた空気が燃焼に用いられるので、エンジン１の始動時にはエアフロメータ１７によって検出される吸入空気量の精度は必ずしも正確ではない。本発明はこれを改善するものである。なお、エンジン１が始動された後に安定して運転を開始するようになると、吸気通路１４内の空気の流れが安定し（吸気管負圧が安定し）、エアフロメータ１７の検出精度は正確なものとなる。
【００１７】
また、各シリンダ１０毎に点火プラグ１２も配設されており、点火プラグ１２はインジェクタ１１から噴射された燃料によって生成される混合気に対して点火を行う。インジェクタ１１による燃料噴射はエンジンＥＣＵ１８によって制御され、また、点火プラグ１２の点火もエンジンＥＣＵ１８によって制御される。エンジンＥＣＵ１８には、エンジン１のクランクシャフトの回転位置を検出するクランクポジションセンサ１３も接続されている。クランクポジションセンサ１３の出力パルスから、エンジン１の回転数を検出することが可能である。
【００１８】
さらに、本実施形態のエンジン１は、連続可変バルブタイミング機構を有しており、吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できる。連続可変バルブタイミング機構のアクチュエータ１９は、吸気側カムシャフトの端部に配設されており、エンジンＥＣＵ１８によって制御される。なお、本実施形態では吸気バルブの開閉タイミングのみを制御するものであるが、排気側の開閉タイミングも制御するであっても良いし、開閉タイミングだけでなくバルブリフト量も制御するものであっても良い。後述する吸排気バルブの開閉の所定パターンは、これらの吸気側／排気側・タイミング・リフト量の任意の組み合わせで決定される（本実施形態は吸気側のタイミングのみ）。
【００１９】
ＭＧ３２の出力は、動力分割機構３４を介して駆動輪３５に伝達され、車両を走行させる駆動力となる。また、ＭＧ３２は、主として駆動力を発生させるが、駆動輪３５の回転を利用して発電（回生発電）することもでき、発電機としても機能し得る。このとき、駆動輪３５にはブレーキ（回生ブレーキ）がかかるので、これをフットブレーキ（オイルブレーキ）やエンジンブレーキと併用することにより、車両を制動させることができる。
【００２０】
一方、ＭＧ３３は、主としてエンジン１の出力を受けて発電をするが、インバータ３９を介してバッテリ３８の電力を受けて駆動する電動機としても機能し得る。即ち、ＭＧ３３は、いわゆるスタータモータとしても機能し得る。スタータモータとしてのＭＧ３３は、エンジン１のクランクシャフトを回転させてシリンダ内でピストンを往復運動させると共に、タイミングベルト（チェーン）を介してクランクシャフトと連動するカムシャフトを回転させて吸排気バルブの開閉動作を行わせることが出来る。即ち、ＭＧ３３は、外的駆動手段として機能する。
【００２１】
ＭＧ３２及びＭＧ３３の各駆動軸には、それぞれの回転位置及び回転数を検出する回転センサ（レゾルバ）５０，５１が取り付けられている。回転センサ５０，５１は、それぞれモータＥＣＵ４２に接続されている。回転センサ５１、インバータ３９及びモータＥＣＵ４２などによってＭＧ３３の状況を検出することで、エンジン１の状態（出力トルク）を検出することができる。即ち、エンジン１が完爆しているか否かを検出することができる。完爆しているとは、エンジン１のシリンダ内で生成された混合気が完全に燃焼することを言う。完爆していると、エンジン１が始動処理を完了したとみなすことができる。
【００２２】
ハイブリッド車として特徴的な、エンジン１による駆動とＭＧ３２及びＭＧ３３による駆動とは、メインＥＣＵ４０によって総合的に制御される。メインＥＣＵ４０によって、エンジン１の出力とＭＧ３２（ＭＧ３３）による出力の配分が決定され、エンジン１、ＭＧ３２及びＭＧ３３を制御すべく各制御指令がエンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２に出力される。
【００２３】
また、エンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２は、エンジン１、ＭＧ３２及びＭＧ３３の情報をメインＥＣＵ４０に伝えてもいる。メインＥＣＵ４０には、バッテリ３８を制御するバッテリＥＣＵ４３や、ブレーキを制御するブレーキＥＣＵ４４も接続されている。バッテリＥＣＵ４３は、バッテリ３８の充電状態を監視し、充電量が不足した場合は、メインＥＣＵ４０に対して、充電要求指令を出力する。充電要求を受けたメインＥＣＵ４０は、バッテリ３８に対して充電をすべく、ＭＧ３３を発電させる制御を行う。ブレーキＥＣＵ４４は、車両の制動を司っており、メインＥＣＵ４０と共にＭＧ３２による回生ブレーキを制御する。
【００２４】
エンジン１の始動時には、メインＥＣＵ４０、エンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２が協調して、インジェクタ１１による燃料噴射と点火プラグ１２による点火を行いつつＭＧ３３の出力でクランキングを行う。同時に、スロットルバルブ１５の開閉制御や連続可変バルブタイミング機構による吸気バルブの開閉タイミング制御が行われる。即ち、メインＥＣＵ４０、エンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２などが、始動制御手段として機能している。本実施形態では、ＭＧ３２の駆動力によって車両が走行中であるか、車両停止中であるかによらず、次のようにエンジン１の始動処理が行われる。エンジン１の始動制御のフローチャートを図２に示す。
【００２５】
まず、エンジン１の始動要求が生成されたか否かが判断される（ステップ２００）。例えば、バッテリ３８の充電量が少なくなった場合にエンジン１の出力を用いて充電をしようとする場合や、ＭＧ３２の出力だけでは車両に要求されている出力に満たない場合などに、エンジン１の始動要求が生成される。始動要求が生成されていなければ、図２に示されるフローチャートを抜ける。一方、エンジン始動要求が生成されている場合は、所定のパターン（燃料噴射パターン・エンジン回転数上昇パターン・スロットルバルブ１５の開度変化パターン・バルブタイミングパターン）に従ってエンジン１が始動される。
【００２６】
上述したように、本実施形態ではＭＧ３３によってクランキングを行う。また、ハイブリッド車であるため、走行中でも車両の走行状況に影響を受けないでクランキングを行うことができる。このため、所定のパターンに従って始動処理を行うことができる。所定のパターンに従ってエンジン１を始動させることで、エンジン１の状況は予想されていた通りの状況で始動されることとなる。このため、最適な始動状況を容易に作り出すことができることとなり、始動時の燃費性能や排気浄化性能を向上させることができる。
【００２７】
これらの所定パターンは、予め実験などによって決定し、エンジンＥＣＵ１８内に格納させておけばよい。上述した所定パターンで始動させることで、吸入空気量変化やそれに伴う空燃比変化が、始動時に均一化される。噴射された燃料は、その一部がポートや筒内の表面に付着し、また、付着した燃料が剥離するので、噴射した燃料量が燃焼に寄与しているとは言えない状況もある。しかし、上述した所定のパターンによってエンジン１を始動させることで、始動時のエンジン１の状況を常に一定とすることで、このような燃料付着・剥離に関しても一定と見なせるようになる。
【００２８】
また、本実施形態では、車両の運転状態によって、上述した所定パターンを複数用意している。例えば、車両としての必要出力が求められているような場合は、エンジン１の始動と同時にエンジン１には高出力を発揮してもらいたい。あるいは、エンジン１を始動させて充電を行う場合は、始動後は効率の良い回転数域でエンジン１を運転させたい。このような要求に応じて、所定パターンを複数用意しておけば、始動後速やかにエンジン１を所望の状況とすることができる。何れのパターンを選択しても、各パターンでの始動処理時のエンジン１の状況をそれぞれのパターン毎で均一化させることができる。
【００２９】
エンジンが確実に始動するまではステップ２１０が繰り返し実行され、所定パターンでの始動処理が継続される（ステップ２２０）。本実施形態の場合は、エンジン１の始動直後も、しばらくは所定パターンでの運転が継続される（ステップ２３０）。なお、所定パターンの一例（エンジン回転数）としては、毎秒Ａ回転毎ずつエンジン回転数を上昇させ、Ｂ回転に達したらその回転を維持、というようなパターンがある。このような場合、ステップ２３０では、Ｂ回転が維持されるというような制御となる。
【００３０】
エンジン１は、所定のパターンで運転されるので、エンジン１に出力の配分がなされるような場合、その配分を満たせない場合も生じ得る。このような場合は、所定パターンに従った運転が終了するまではＭＧ３２の出力を増やして対応する（ステップ２４０）。この場合、メインＥＣＵ４０やモータＥＣＵ４２、ＭＧ３２などがアシスト手段として機能している。上述した場合とは逆に、エンジン１に出力の配分がなされた場合に、その配分をオーバーする出力をしてしまうようなこともあり得る。このような場合は、エンジン１のオーバーした出力を用いてＭＧ３３で回生発電を行う（ステップ２４０）。
【００３１】
ステップ２４０の処理によって、車両としての出力を満足させつつ、吸気管負圧が確保されたか否か（安定したか否か）を判定する（ステップ２５０）。本実施形態では、単にエンジン始動後の経過時間で吸気管負圧が確保されたか否かを判定しているが、エアフロメータ１７の出力などに基づいて判断しても良い。ステップ２５０が否定される場合は所定パターンに基づいてエンジン１の運転を継続するが、肯定される場合は車両負荷に応じたエンジン駆動、即ち、通常の制御に移行し（ステップ２６０）、図２のフローチャートを終了する。
【００３２】
本発明の空燃比制御装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態は、ハイブリッド車に適用した例であったが、アイドルストップ車や通常のエンジン車にも適用が可能である。また、上述した実施形態における外的駆動手段は、ハイブリッド車におけるモータジェネレータであったが、ハイブリッド車ではない通常のエンジン車であれば、スタータモータ（回転数制御を行えるとよい）などであってもよい。
【００３３】
また、上述した実施形態においては、エンジン回転と燃料噴射とを所定パターンとするのに加えて、スロットルバルブの開度変化や吸排気バルブの開閉も所定パターンとした。このようにするのが、始動時のエンジン状態を常に均一とする上では好ましいが、エンジン回転及び燃料噴射のみを所定パターンとしても効果が得られる。また、スロットルバルブの開度変化や吸排気バルブの開閉は、上述した実施形態のように同時に採用しても良いが、何れか一方のみを採用しても良い。なお、吸排気バルブの開閉パターンに関して様々なパターンが考え得ることは上述したとおりである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の始動制御装置によれば、内燃機関の始動時に、内燃機関を回転上昇パターンで回転させると共に、燃料を所定の噴射パターンで噴射させることで、内燃機関の始動時の状態を常に均一化し、始動時の排気浄化性能や燃費性能を向上させ、安定した始動を行わせることができる。
【００３５】
ここで、スロットルバルブの開度変化も所定パターンとすることで、内燃機関の始動時の状態をより一層均一化することができ、排気浄化性能向上や燃費性能を向上をより効果的に実現することができる。また、吸排気バルブの開閉も所定パターンとすることで、内燃機関の始動時の状態をより一層均一化することができ、排気浄化性能向上や燃費性能を向上をより効果的に実現することができる。
【００３６】
さらに、ここで、所定のパターンに従って内燃機関を始動させたときに、車両駆動力の不足分を補助するアシスト手段をさらに有しているので、内燃機関の始動に際して車両の運動性能が損なわれることがない。また、ここで、所定のパターンを車両の運転状況に応じて複数用意しておくことで、所定のパターンを利用した始動処理を行うことによる利点をより効果的に実現することが可能となる。また、車両の運動性能が損なわれるのを防止することができるという側面もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の始動制御装置の一実施形態を有する車両の駆動系構成図である。
【図２】本発明の始動制御装置の一実施形態による始動制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１…エンジン（内燃機関）、１０…シリンダ、１１…インジェクタ、１２…点火プラグ、１３…クランクポジションセンサ、１４…吸気通路、１５…スロットルバルブ、１６…スロットルモータ、１７…エアフロメータ、１８…エンジンＥＣＵ、１９…（連続可変バルブタイミング機構の）アクチュエータ、３２…モータジェネレータ、３３…モータジェネレータ（外的駆動手段）、３４…動力分割機構、３５…駆動輪、３６…駆動軸、３７…減速機、３８…バッテリ、３９…インバータ、５０，５１…回転センサ、４０…メインＥＣＵ、４２…モータＥＣＵ（外的駆動手段）、４３…バッテリＥＣＵ、４４…ブレーキＥＣＵ。

Claims

内燃機関の吸気通路上又はシリンダ内に燃料噴射を行う燃料噴射手段と、
燃焼運転によらずにクランクシャフトの回転動作を行わせる外的駆動手段と、
前記燃料噴射手段及び前記外的駆動手段を協働させて前記内燃機関の始動を制御する始動制御手段とを備えており、
前記始動制御手段は、前記内燃機関の始動時に、前記外的駆動手段によって前記クランクシャフトを時間経過に対応して規定された回転数の上昇パターンで回転させると共に、前記燃料噴射手段によって前記時間経過に対応して規定された噴射制御パターンで燃料を噴射させることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
前記始動制御手段が、内燃機関の始動時のスロットルバルブの開度変化も前記時間経過に対応して規定された開度制御パターンで制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置。
前記始動制御手段が、内燃機関の始動時の吸排気バルブの開閉も前記時間経過に対応して規定された開閉制御パターンで制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の始動制御装置。
前記内燃機関がハイブリッド車に搭載されており、前記外的駆動手段が車両駆動用のモータ又は発電用の発電機であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関の始動制御装置。
前記内燃機関の始動時に、車両の要求駆動力に対して、前記所定パターンに従って運転した場合に発生する車両駆動力の不足分を補助するアシスト手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関の始動制御装置。
前記所定のパターンが、車両の運転状況に応じて複数用意されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の内燃機関の始動制御装置。