JP4107184B2

JP4107184B2 - 内燃機関の始動装置

Info

Publication number: JP4107184B2
Application number: JP2003194293A
Authority: JP
Inventors: 昌彦祐谷; 勉菊池; 祐一入矢; 仁石井; 三泰赤木; 雅洋福住; 克昭内山; 孝雄米谷; 全幸富田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2023-07-09
Also published as: JP2005030252A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の始動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
始動時、特に冷間始動時においては、三元触媒が活性化していないのでＨＣ(Hydro Carbon)が還元されないまま排出される可能性がある。
【０００３】
そこで、暖機時（エンジン冷却水温が低温のとき）は空燃比（以下適宜「Ａ／Ｆ」と略す）をリーンにして圧縮行程で燃料を噴射することで、排気温度を上昇させて、ＨＣの酸化反応を促進するともに触媒を迅速に活性化し排気性能を向上しようとする内燃機関の始動装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４５５１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、始動直後は排気管内の温度が低いので空燃比センサが活性化していないため、空燃比センサの出力結果によるフィードバック制御を行うことができない。
【０００６】
また、排気温度を上昇させることで触媒を迅速に活性化しようとしているが、それでもなお触媒が活性化するまでには時間を要するので、始動直後はＨＣが還元されないまま排出されてしまうおそれがあった。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、始動直後のＨＣの排出量を減少させて排気性能を向上する内燃機関の始動装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００９】
本発明は、活性後に排気浄化性能を発揮する三元触媒を有する内燃機関の始動装置であって、内燃機関の始動時のフリクショントルクを算出するフリクショントルク算出手段（ステップＳ２）と、内燃機関の始動時の機関回転数を検出する回転数検出手段（ステップＳ３）と、前記機関回転数の変化速度を算出する回転数変化速度算出手段（ステップＳ４）と、前記フリクショントルク及び前記機関回転数の変化速度に基づいて内燃機関の始動時の発生トルクを推定する発生トルク推定手段（ステップＳ５）と、前記推定した発生トルクに基づいて空燃比を算出する空燃比算出手段（ステップＳ６）と、内燃機関の始動時の触媒非活性時に機関から排出されるＨＣ成分自体の量が減少して排気性能が許容範囲内に収まるように設定した目標空燃比よりも、前記空燃比算出手段で算出した空燃比がリーンであれば燃料噴射量を増量し、リッチであれば燃料噴射量を減量する燃料噴射増減手段（ステップＳ７）とを備えることを特徴とする。
【００１０】
【作用・効果】
本発明によれば、フリクショントルク及び機関回転数の変化速度に基づいて内燃機関の始動時の発生トルクを推定し、その推定した発生トルクに基づいて空燃比を算出するようにしたので、空燃比センサが活性化していない始動時（暖機時）であっても空燃比を検知することができる。そして、この空燃比に基づいて燃料噴射量を増減するので、始動時から排気性能の向上を図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（基本的な考え方）
まず始めに本発明の理解を容易にするために基本的な考え方について説明する。上述のように、始動直後は、触媒が活性化していないのでＨＣが還元されないまま排出されてしまうおそれがある。そこで、本発明では、始動直後のＨＣ排出量自体を減少することで排気性能を向上しようとするものである。
【００１２】
ここで、図１に空燃比（Ａ／Ｆ）とＨＣ濃度との関係の一例を示す。
【００１３】
この図１に示されているように、空燃比はリーン過ぎてもリッチ過ぎてもＨＣ濃度の増加を招く。したがって、ＨＣ濃度を減少するには空燃比を適切に制御することが重要である。空燃比が適切であるか否かを判定するためには空燃比を検出する必要がある。通常、空燃比は排気管の途中に設けられた空燃比（Ａ／Ｆ）センサで検出している。そこで、この空燃比センサの検出結果をフィードバックしながら燃料噴射量を制御することで空燃比を調整してＨＣ濃度を減少することも考えられる。
【００１４】
しかし、始動直後は温度が低いので空燃比センサの検出精度が悪い。
【００１５】
そこで、エンジンの発生トルクＴｉと空燃比（Ａ／Ｆ）とのあいだに相関があることを確認し（図１０参照）、エンジン発生トルクＴｉからＡ／Ｆを推定し、その推定Ａ／Ｆを利用することでエンジン始動時からＨＣ濃度を減少させることとした。
【００１６】
またエンジンの発生トルクＴｉは以下の式によって算出することができる。
【００１７】
【数１】

この式は以下の関係から導かれるものである。
【００１８】
【数２】

ここで、エンジン回転数Ｎｅはクランク角信号によって求めることができ、それよりエンジン回転数の変化量ΔＮｅを求めることができる。時間Δｔはタイマから求めることができる。イナーシャウェイトＩＰはエンジン固有の値であり、エンジンの設計値から算出したり、予め実験によって求めておけばよい。
【００１９】
エンジンフリクショントルクＴｆは、エンジン本体のフリクショントルクＴｆ１と、オルタネータの負荷によるフリクショントルクＴｆ２と、パワーステアリング（以下「Ｐ／Ｓ」という）の負荷によるフリクショントルクＴｆ３と、エアコン（以下「Ａ／Ｃ」という）の負荷によるフリクショントルクＴｆ４と、自動変速機（以下「ＡＴ」という）の負荷によるフリクショントルクＴｆ５との総和によって表すことができる。
【００２０】
また、詳細は後述するが、エンジン本体のフリクショントルクＴｆ１は、エンジン水温から算出することができる（図５（Ａ）参照）。オルタネータの負荷によるフリクショントルクＴｆ２は、オルタネータ発電量から算出することができる（図５（Ｂ）参照）。Ｐ／Ｓ負荷によるフリクショントルクＴｆ３は、Ｐ／Ｓ油圧から算出することができる（図５（Ｃ）参照）。Ａ／Ｃ負荷によるフリクショントルクＴｆ４は、コンプレッサ吐出圧、冷媒温度等から算出することができる（図７（Ａ）〜（Ｃ）参照）。ＡＴ負荷によるフリクショントルクＴｆ５は、ＡＴ油温、ＡＴ油圧等から算出することができる（図９（Ａ）〜（Ｃ）参照）。
【００２１】
したがって、それぞれのフリクショントルクＴｆ１〜Ｔｆ５を求めてその総和を算出すればエンジンフリクショントルクＴｆを求めることができる。
【００２２】
このようにすることで、Ａ／Ｆセンサを使用することなく、Ａ／Ｆを算出（推定）することが可能になり、その推定Ａ／Ｆを利用することでエンジン始動時から排気性能を向上（ＨＣ濃度を減少）させることが可能になったのである。
【００２３】
以下、本発明について具体的に説明する。
（第１実施形態）
図２は、本発明による内燃機関の始動装置を示すシステム構成図である。
【００２４】
エンジン１０には、エンジン水温センサ１１と、エンジン回転数センサ１２と、ＡＴ油圧センサ１３と、ＡＴ油温センサ１４と、エンジン油圧センサ１５と、Ｐ／Ｓ油圧センサ１６と、電流センサ１７と、Ａ／Ｃセンサ１８とが取り付けられている。また、排気管２０にはＡ／Ｆセンサ２１が取り付けられている。それらセンサの信号は、コントローラ３０に入力される。コントローラ３０は、それらセンサの信号に基づいて、後述の通り、燃焼ごとに現在の空燃比を推定し、その結果に基づいてインジェクタ１９の燃料噴射量を制御することで排気性能を向上、すなわちＨＣ濃度を低減させる。なお、電流センサ１７は、オルタネータ（不図示）が発電した発電量を検出する。Ａ／Ｃセンサ１８は、エアコンの冷媒圧力及び温度を検出する。
【００２５】
図３は、本発明による内燃機関の始動装置の第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。以下、図３を参照しながらコントローラ３０の具体的な制御ロジックについて説明する。
【００２６】
ステップＳ１において、始動時の燃料噴射制御中であるか否かを判定し、制御中であればステップＳ２以降へ進む。
【００２７】
ステップＳ２において、エンジンのフリクショントルクを推定する。ここで、図４を参照しながら、エンジンフリクショントルク推定サブルーチンについて説明する。なお以下の各テーブルはエンジン固有のものであり、予め実験によって求められているものである。
【００２８】
ステップＳ２１において、図５（Ａ）に示すテーブルを参照して、エンジン水温からエンジン本体のフリクショントルクＴｆ１を推定する。
【００２９】
ステップＳ２２において、図５（Ｂ）に示すテーブルを参照して、オルタネータ発電量からオルタネータの負荷によるフリクショントルクＴｆ２を推定する。
【００３０】
ステップＳ２３において、図５（Ｃ）に示すテーブルを参照して、Ｐ／Ｓ油圧からＰ／Ｓ負荷によるフリクショントルクＴｆ３を推定する。
【００３１】
ステップＳ２４において、Ａ／Ｃ負荷によるフリクショントルクＴｆ４を推定する。ここで、図６を参照しながら、Ａ／Ｃフリクショントルク推定サブルーチンについて説明する。
【００３２】
ステップＳ２４１において、図７（Ａ）に示すテーブルを参照して、Ａ／Ｃクラッチ信号からＴｆ４１を設定する。
【００３３】
ステップＳ２４２において、図７（Ｂ）に示すテーブルを参照して、コンプレッサ吐出圧（以下「Ｐｄ圧」という）からＴｆ４２を推定する。
【００３４】
ステップＳ２４３において、図７（Ｃ）に示すテーブルを参照して、Ａ／Ｃの冷媒温度からＴｆ４３を推定する。
【００３５】
ステップＳ２４４において、Ａ／ＣフリクショントルクＴｆ４（＝Ｔｆ４１×（Ｔｆ４２＋Ｔｆ４３））を算出する。
【００３６】
再び図４に戻る。
【００３７】
ステップＳ２５において、ＡＴ負荷によるフリクショントルクＴｆ５を推定する。ここで、図８を参照しながら、ＡＴフリクショントルク推定サブルーチンについて説明する。
【００３８】
ステップＳ２５１において、図９（Ａ）に示すテーブルを参照して、ＡＴ油温からＴｆ５１を算出する。
【００３９】
ステップＳ２５２において、図９（Ｂ）に示すテーブルを参照して、ＡＴ油圧からＴｆ５２を算出する。
【００４０】
ステップＳ２５３において、ＡＴフリクショントルクＴｆ５（＝Ｔｆ５１×Ｔｆ５２）を算出する。
【００４１】
再び図４に戻る。
【００４２】
ステップＳ２６において、エンジンフリクショントルクＴｆ（＝Ｔｆ１＋Ｔｆ２＋Ｔｆ３＋Ｔｆ４＋Ｔｆ５）を算出する。
【００４３】
再び図３に戻る。
【００４４】
ステップＳ３においてエンジン回転数を検出する。
【００４５】
ステップＳ４において、エンジン回転数の変化速度を算出する。
【００４６】
ステップＳ５において、エンジン発生トルクＴｉを算出する。具体的には（１）式に基づいてエンジン発生トルクＴｉを算出する。
【００４７】
ステップＳ６において、筒内Ａ／Ｆを算出する。具体的には図１０を参照して、エンジン発生トルクＴｉから筒内Ａ／Ｆを算出する。
【００４８】
ここで図１０について説明する。図１０は空燃比（Ａ／Ｆ）と発生トルクとの関係の一例を示す図であり、予備実験によって求められている。この図１０に示されているように、空燃比を増減すると、そのときに発生するトルクも変化する。また、この図１０を利用すれば、発生トルクから、筒内の空燃比Ａ／Ｆを算出することができる。なお、このようにして算出した空燃比Ａ／Ｆの目標空燃比に対してする乖離が大き過ぎるときは、システム故障が考えられる。このような場合に制御したのでは過補正してしまい、かえって始動不良となる可能性があるので、このようなときは異常時として本制御を停止するとよい。
【００４９】
ステップＳ７において、目標Ａ／Ｆに近づくように燃料噴射量を補正する。ここで図１１を参照しながら燃料噴射補正ルーチンについて説明する。
【００５０】
ステップＳ６において推定した筒内Ａ／Ｆがリーンのときは（ステップＳ７１においてＹ）、燃料噴射量を増量し（ステップＳ７２）、リッチのときは（ステップＳ７３においてＹ）、燃料噴射量を減量する（ステップＳ７３）。なお、具体的な増減量は図１２に基づいて算出する。
【００５１】
図１２（Ａ）の横軸はΔＡ／Ｆ（＝目標Ａ／Ｆ−算出Ａ／Ｆ）であり、左側ほど算出Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリーンの状態、右側ほど算出Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリッチの状態を示す。また図１２（Ａ）の縦軸は燃料噴射の増量率を示す。今回の噴射量に対して次回は増量（＋）又は減量（−）する。したがって、算出Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリーンであればあるほど次回噴射する燃料量を増量（＋）し、リッチであればあるほど減少（−）する。例えば、図１０の場合であれば、算出Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリッチであるので、次回噴射する燃料量を減少する。
【００５２】
なお、噴射増量率は大きくし過ぎても（燃料量を増量し過ぎても）発生トルクが低下する。したがって、噴射増量率に上限を設定するといい。また噴射増量率は小さくし過ぎても（燃料量を減量し過ぎても）失火してエンストを生じる。したがって、噴射増量率に下限を設定するといい。
【００５３】
また、図１２（Ａ）では横軸にΔＡ／Ｆ（＝目標Ａ／Ｆ−算出Ａ／Ｆ）をプロットしたが、図１２（Ｂ）のようにＡ／Ｆ比（＝目標A/F／算出A/F）をプロットしてもよい。この場合も、図１２（Ａ）と同様であり、左側ほど算出Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリーンの状態、右側ほど算出Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリッチの状態を示す。したがって、算出Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆに対してリーンであればあるほど次回の噴射増量率を増量（＋）し、リッチであればあるほど減少（−）する。
【００５４】
また、この場合においても噴射増量率の上限値、下限値を設定してもよい。
【００５５】
再び図３に戻る。
【００５６】
ステップＳ１において、始動時の燃料噴射制御中でなければ、ステップＳ８へ進んで通常燃料噴射量制御へ移行する。
【００５７】
本発明による内燃機関の始動装置は、以上のようにして燃料噴射制御を行う。
【００５８】
本実施形態によれば、内燃機関の始動時の機関回転数の変化速度及びフリクショントルクに基づいて、内燃機関の始動時の発生トルクを推定し、その推定した発生トルクに基づいて空燃比を算出するようにしたので、空燃比センサが活性化していない始動時であっても空燃比を検知することができる。そして、この空燃比に基づいて燃料噴射量を増減するので、始動時から排気性能の向上（ＨＣ濃度の低減）を図ることができるのである。
【００５９】
なお、フリクショントルクは、エンジン水温、オルタネータの発電量、パワーステアリング油圧、エアコンの運転状態、自動変速機の運転状態に基づいて推定するようにしたので、フリクショントルクを直接計測できなくても、精度よく推定可能である。
【００６０】
また、燃料噴射量は、増量し過ぎても減量し過ぎても、かえって性能が低下することがある。したがって、あらかじめ上下限値を設定しておくとよい。
【００６１】
さらに、推定した空燃比Ａ／Ｆの目標空燃比に対してする乖離が大き過ぎるときは、システム故障が考えられるので、このようなときは異常時として本制御を停止することで、異常時の過補正によって、かえって始動不良となることを防止することができる。
【００６２】
さらにまた、インジェクタなどの固体バラツキによって燃料の噴射量が変化する可能性があるが、本実施形態では燃焼ごとにエンジン回転数の変化速度よりＡ／Ｆを推定し、その結果を次燃焼に反映させることとしたので、始動性能及び排気性能が安定するのである。
【００６３】
（第２実施形態）
図１３は、本発明による内燃機関の始動装置の第２実施形態を説明する図である。
【００６４】
本実施形態では、ステップＳ７の燃料噴射量補正制御において、図１２に変えて図１３に基づいて噴射増量率を決定する。すなわち、ΔＡ／Ｆ＝０付近で噴射増量率がゼロである不感帯を設ける。この不感帯は、ΔＡ／Ｆを変更してもＨＣ濃度が許容範囲内に収まる範囲に設定するとよい。
【００６５】
なお、この場合も図１３（Ａ）では横軸にΔＡ／Ｆ（＝目標Ａ／Ｆ−算出Ａ／Ｆ）をプロットしたが、図１３（Ｂ）のようにＡ／Ｆ比（＝目標A/F／算出A/F）をプロットしてもよい。
【００６６】
本実施形態によれば、上述したようにエンジン水温から推定したエンジン本体のフリクショントルクＴｆ１等から算出エンジンフリクショントルクＴｆに基づいて、Ａ／Ｆを算出（推定）している。そのため、誤差が含まれている可能性もある。したがって、算出Ａ／Ｆが、目標Ａ／Ｆに一致しないからといって、燃料噴射量を変更しても、誤差の影響によって、必ずしも目標（すなわち、ＨＣ濃度を最小にする）を達しない可能性もある。また、始動時は燃焼室内の温度が低いため、燃料の特性によって気化率が左右される。そのため、図１０に示すように燃料の性状によってＡ／Ｆがバラつく可能性がある。したがって、本実施形態のように不感帯を設けることで、算出Ａ／Ｆが、目標Ａ／Ｆに完全に一致しなくても、ＨＣ濃度が許容範囲内に収まる範囲内であれば、そのときの燃料噴射増量率を維持してもよい。このようにすることで、検知誤差による影響を排除することができるのである。
【００６７】
（第３実施形態）
図１４は、本発明による内燃機関の始動装置の第３実施形態を説明するフローチャートである。
【００６８】
上記実施形態では、水温に基づいて燃料噴射量を求め、それを初期値として運転状態に応じて補正していた。本実施形態では、燃料噴射量を水温から求めてから、さらにその燃料噴射量に前回始動時の燃料噴射量の補正量を反映させたものを今回の燃料噴射量初期値とする。
【００６９】
すなわち、図１４のフローチャートに沿って説明すると以下である。
【００７０】
ステップＳ１０１において、水温に基づいて燃料噴射量を求める。
【００７１】
ステップＳ１０２において、前回始動時の燃料噴射量の補正量を求める。なお、前回始動時の燃料噴射量の補正量とは、例えば前回始動時の初回（１回目）の噴射に対する補正量である。図１５に示すように、このときの補正量（補正量１）は、通常、他の回数のときの補正量よりも大きく、この補正量１を使用して補正すれば、補正量を算出する負担が少ないものの大きな効果を得ることができ、今回の始動時の最初（１回目）のＨＣ濃度の減少量が大きくなるのである。
【００７２】
なお、補正量の算出負担は増えるが、例えば、図１５の補正量２のように、前回始動時の制御全体の平均補正量を使用してもよい。そのようにすれば精度が向上する。また、これら２値（初回の補正量と、平均補正量）を加重平均したものを使用したり、パラメータの過去の履歴を加重平均したもの等を採用してもよい。
【００７３】
ステップＳ１０３において、前回始動時の燃料噴射量を反映させた燃料噴射量を今回の燃料噴射量初期値にする。
【００７４】
そして、それ以降は、ステップＳ１０４において、上述した実施形態のフローチャートに沿って制御を行う。
【００７５】
本実施形態によれば、前回始動時の燃料噴射量の補正量を反映させ、それを今回の燃料噴射初期値とする学習制御を行うので、今回の始動時の最初の燃料噴射から、ＨＣ濃度を極小に低減することが可能である。
【００７６】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】空燃比（Ａ／Ｆ）とＨＣ濃度との関係の一例を示す図である。
【図２】本発明による内燃機関の始動装置を示すシステム構成図である。
【図３】本発明による内燃機関の始動装置の第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図４】エンジンフリクショントルク推定サブルーチンを示すフローチャートである。
【図５】フリクショントルクＴｆ１、Ｔｆ２、Ｔｆ３を示すテーブルである。
【図６】Ａ／Ｃフリクショントルク推定サブルーチンを示すフローチャートである。
【図７】Ａ／ＣフリクショントルクＴｆ４を示すテーブルである。
【図８】ＡＴフリクショントルク推定サブルーチンを示すフローチャートである。
【図９】ＡＴフリクショントルクＴｆ５を示すテーブルである。
【図１０】空燃比（Ａ／Ｆ）と発生トルクとの関係の一例を示す図である。
【図１１】燃料噴射補正ルーチンを示すフローチャートである。
【図１２】燃料噴射量の増減率を示す図である。
【図１３】本発明による内燃機関の始動装置の第２実施形態を説明する図である。
【図１４】本発明による内燃機関の始動装置の第３実施形態を説明するフローチャートである。
【図１５】次回補正時の初回補正量の概要を示す図である。
【符号の説明】
１０エンジン
３０コントローラ
ステップＳ２フリクショントルク算出手段
ステップＳ３回転数検出手段
ステップＳ４回転数変化速度算出手段
ステップＳ５発生トルク推定手段
ステップＳ６空燃比算出手段
ステップＳ７燃料噴射量増減手段

Claims

活性後に排気浄化性能を発揮する三元触媒を有する内燃機関の始動装置であって、
内燃機関の始動時のフリクショントルクを算出するフリクショントルク算出手段と、
内燃機関の始動時の機関回転数を検出する回転数検出手段と、
前記機関回転数の変化速度を算出する回転数変化速度算出手段と、
前記フリクショントルク及び前記機関回転数の変化速度に基づいて内燃機関の始動時の発生トルクを推定する発生トルク推定手段と、
前記推定した発生トルクに基づいて空燃比を算出する空燃比算出手段と、
内燃機関の始動時の触媒非活性時に機関から排出されるＨＣ成分自体の量が減少して排気性能が許容範囲内に収まるように設定した目標空燃比よりも、前記空燃比算出手段で算出した空燃比がリーンであれば燃料噴射量を増量し、リッチであれば燃料噴射量を減量する燃料噴射増減手段と、
を備える内燃機関の始動装置。
前記フリクショントルク算出手段は、少なくとも、エンジン水温と、オルタネータの発電量と、パワーステアリング油圧と、エアコンの運転状態と、自動変速機の運転状態とのいずれかに基づいてフリクショントルクを推定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
前記燃料噴射量の増減量に上下限を設ける、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
前記算出した空燃比と前記目標空燃比との差が所定値以上あるときは燃料噴射量の増量又は減量の制御を中止する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
前記燃料噴射増減手段は、前記算出した空燃比が前記許容範囲内の空燃比のときは、そのときの燃料噴射量を増減せずに維持する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。
前回始動時の燃料噴射量に基づいて今回の燃料噴射量初期値を決定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動装置。