JP4252008B2 - 内燃機関の始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、筒内燃料噴射火花点火式内燃機関においてアイドリング運転を停止した後に内燃機関を再始動する場合の内燃機関の始動方法に関するものである。

近年、例えば自動車を駐停車している場合に、エンジンのアイドリング運転を停止することにより、騒音、地球温暖化や大気汚染などを防止することが試みられている。このような試みを積極的に推進するために、アイドリング運転を停止している状態からエンジンを再始動するための様々な装置や方法が考案されている。このようなアイドリング運転停止状態からの再始動時にあっては、騒音の抑制及びバッテリの消費電力の低減の観点から、エンジンのスタータの起動時間を短くすることが望まれている。

スタータの起動時間を短縮する技術としては、例えば特許文献１あるいは特許文献２に記載されるものが知られている。特許文献１に記載のものでは、モニターしているエンジン回転数が一定値以上の回転数で一定時間以上連続して回転した場合には、エンジンが始動したものとみなしてスタータをオフする構成である。また、特許文献２に記載のものでは、手動での始動に要した時間つまりスタータ稼働時間を複数回記憶しておき、記憶した複数回のスタータ稼働時間の平均値を演算し、算出した平均値に基づいて遠隔始動時のスタータの駆動時間を設定する構成である。
特開平５−１４９２２１号公報 特開２０００−３８９７７号公報

ところで、例えば燃焼室を含むシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射式のエンジンでは、燃料が燃焼室に直接噴射されることから、燃料の供給にほとんど遅延がなく、一つの気筒において燃焼が開始されてあるクランク角度までクランク軸が回転することによりその後の回転上昇がおおむね保証されるものである。このような筒内燃料噴射式エンジンに、上記した特許文献１や特許文献２の構成を適用すると、始動された際に燃焼が開始されているにもかかわらずスタータが作動している状態になることがある。つまり、エンジン回転数が一定値になる前あるいは設定されたスタータ稼働時間になる前に燃焼が始まっていると、燃焼が始まった後にスタータが作動している時間は無駄な時間となる。このため、このような構成では、スタータ作動時間の最適化を図ることが困難であった。

本発明は、以上のような不具合を解消するためになされたものである。

すなわち、本発明の内燃機関の始動方法は、始動のための電動機を備えると共に気筒内に燃料を直接供給し、供給された燃料を空気と混合して圧縮し、圧縮された燃料に点火する筒内燃料噴射火花点火式内燃機関が、少なくとも暖機運転が完了してアイドリング運転を停止している際に再始動する内燃機関の始動方法であって、再始動をするか否かを判定し、再始動をすると判定した場合に最初に燃料を噴射し圧縮する気筒を判別し、電動機に通電してクランキングを開始し、前記判別した気筒が点火される時に電動機への通電を停止することを特徴とする。

このような構成によれば、アイドリング運転を停止した状態において、再始動を判定すると最初に燃料を圧縮する気筒を判別し、電動機に通電してクランキングを開始する。このクランキングの開始の後、燃料を気筒内に噴射し圧縮する気筒において点火される時に電動機への通電を停止しても、点火を実行することでこの気筒において膨張行程が開始される。これにより、内燃機関に回転力が発生するので、電動機の駆動力がなくとも内燃機関は回転を開始する。したがって、この点火のタイミングにおいて電動機への通電を停止しても内燃機関が回転を維持するため、電動機が作動している時間を短縮することが可能になる。

本発明における圧縮する気筒とは、ピストンが上死点を通過し下死点に向かう位置つまり吸気行程の途中でピストンが停止している気筒、及びピストンが下死点を通過し上死点に向かう位置つまり圧縮工程の途中でピストンが停止している気筒を指すものである。この場合に、ピストンの停止位置は、その停止位置より回転した位置において燃料を噴射しても、確実に燃料が圧縮される位置が好ましい。

また、点火される時とは、点火を実行している時、及びピストンが上死点近傍の位置にある場合で、開始されたクランキングによりピストンがクランク角換算の点火時期位置まで移動し得る時を含むものである。つまり、点火される時とは、点火を実行している時及び点火を実行する直前の時を含むものである。

内燃機関の状態が再始動性に欠けるような場合に再始動を確実に実行するには、再始動をすると判定した後に再始動の可能性の良否をさらに判定し、再始動の可能性が不良と判定した場合には、クランキングを開始した後に前記気筒の判別及び前記電動機への通電の停止を行うことなく電動機に通電した後に機関回転数から始動の判定を行う構成が好ましい。

本発明は、以上説明した構成により、以下に記載されるような効果を奏する。

燃料を気筒内に噴射し圧縮する気筒において点火される時に電動機への通電を停止しても、点火を実行することでこの気筒において膨張行程が開始されるので、内燃機関に回転力が発生し、電動機の駆動力がなくとも内燃機関を始動することができる。この結果、電動機が作動している時間を短縮することができる。

また、通常、交差点などにおいて信号で停止している場合にアイドリング運転を停止するので、再始動後に迅速に発進する必要があるが、上述のように、電動機の作動している時間つまり可動時間を短縮することにより、アクセルペダルを踏み込んで加速する状態へ迅速に移行することができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に１気筒の構成を概略的に示した筒内燃料噴射火花点火式エンジン（以下、エンジンと称する）１００は、例えば自動車用の４気筒のもので、例えば自動変速機を搭載する自動車に搭載されるもので、各気筒に対応するシリンダＣＬを内蔵するシリンダブロックＣＬＢに固定されるシリンダヘッド１に燃料噴射弁２が取り付けられて、燃料であるガソリンが燃焼室３を含むシリンダＣＬ内に直接噴射されて供給される形式である。そして、始動のための電動機であるスタータＳＴを備えている。また、シリンダヘッド１には、吸気弁４、排気弁５、及び燃料（混合気）に対する火花点火のためのスパークプラグ６が取り付けられる。

さらに、エンジン１００の吸気系７には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ８が配設されるとともに、そのスロットルバルブ８を迂回するバイパス通路９には、主としてエンジン１００のアイドル回転制御（以下、ＩＳＣと称する）の際の吸入空気量を調整するための流量制御弁たるＩＳＣバルブ１０が配設してある。加えて、エンジン１００には、エンジン１００の温度である冷却水温を検出するための水温センサ１１、エンジン回転数を検出するための回転数センサ１２、吸入空気圧力を検出する吸気圧センサ１３、エンジンの回転状態を検出して気筒判別信号ｅとクランク角度基準位置信号ｆとクランク角度信号ｇとを出力するクランク角度センサ１４等が取り付けてある。そして、それぞれのセンサから出力される信号が、電子制御装置１５に入力される。なお、図示しないが、排気系１６には、燃焼室３から排気弁５を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ、及び排気ガスを浄化するための三元触媒が取り付けられている。

電子制御装置１５は、中央演算処理装置１５ａと、記憶装置１５ｂと、入力インターフェース１５ｃと、出力インターフェース１５ｄとを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース１５ｃには、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、回転数センサ１２から出力されるエンジン回転数信号ｂ、スロットルバルブ８の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１７から出力されるＩＤＬ信号ｃ、水温センサ１１から出力される水温信号ｄ、クランク角度センサ１４から出力される気筒判別信号ｅ、クランク角度基準位置信号ｆ及びクランク角度信号ｇ、Ｏ₂ センサから出力される空燃比信号等が入力される。一方、出力インターフェース１５ｄからは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号が出力されるようになっている。

電子制御装置１５は、それぞれのセンサから出力される信号に基づいてエンジン１００の運転状態すなわち始動制御、燃料噴射制御、点火時期制御などの制御をするもので、記憶装置１５ｂにはエンジン１００の各種の制御のための制御プログラムが格納してある。すなわち、電子制御装置１５は、始動時にあっては、後述する始動制御プログラムにより暖機運転完了後にアイドリング運転を停止している場合のエンジン１００の始動を制御するとともに、燃料制御プログラムにより暖機運転後のフィードバック制御時にあっては、エンジン回転数と吸入空気圧とに基づいて燃料噴射弁２を開弁するための燃料噴射時間を設定し、空燃比が理論空燃比近傍となるように燃料噴射量を制御する。フィードバック制御のためのプログラムは、当該分野で広く知られたものを使用することができる。なお、アイドリング運転を停止している状態では、電子制御装置１５は通電された状態を維持しているので、各センサからの信号は受け入れられるものであるとともに、以下の始動制御プログラムを実行し得るものである。

電子制御装置１５に格納されている始動制御プログラムは、始動のためのスタータＳＴを備えると共にシリンダＣＬ内に燃料を直接供給し、供給された燃料を空気と混合して圧縮し、圧縮された燃料に点火するエンジン１００が、少なくとも暖機運転が完了してアイドリング運転を停止している際に再始動するものであって、再始動をするか否かを判定し、再始動をすると判定した場合に最初に燃料を噴射し圧縮する気筒を判別し、スタータＳＴに通電してクランキングを開始し、前記判別した気筒が点火される時にスタータＳＴへの通電を停止するようにプログラムされているとともに、再始動をすると判定した後に再始動の可能性の良否をさらに判定し、再始動の可能性が不良と判定した場合には、クランキングを開始した後に前記気筒の判別及び前記スタータＳＴへの通電の停止を行うことなくスタータＳＴに通電した後にエンジン回転数から始動の判定を行うようにプログラムされている。

この始動制御プログラムの概略手順を、図２を参照して説明する。

図２において、ステップＳ１では、エンジン１００が暖機運転の完了した状態で、かつアイドリング運転を停止しているか否かを判定する。暖機運転は、例えば水温センサ１１から出力される信号に基づいて検出したエンジン１００の冷却水温が、所定温度以上である場合に完了していると判定する。アイドリング運転の停止は、アイドルスイッチ１７からＩＤＬ信号ｃが出力されており、自動変速機の変速操作手段が通常走行のためのいわゆるＤレンジに設定してある状態で、かつ例えば回転数センサ１２から出力されるエンジン回転数信号ｂが電子制御装置１５に入力されないことにより判定する。エンジン回転数信号ｂの代えてクランク角度信号ｇが入力されないことにより判定してもよい。このステップＳ１において、エンジン１００が暖機運転完了後で、かつアイドリング運転を停止していないと判定した場合は、この制御を終了する。

ステップＳ１において上記条件にてエンジン１００が停止していると判定した場合には、ステップＳ２に進み、再始動をするか否かを判定する。この再始動の要求は、ブレーキペダルが操作されている状態からその操作が解除された時に要求有りと判定する。なお、再始動の要求は、オン時間の極端に短いパルス状の出力信号を操作された際に出すようにした押しボタンスイッチであってもよい。始動要求がないと判定した場合はステップＳ１に戻り、有りと判定した場合はステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、始動性の良否を判定する。この始動性は、少なくとも、例えば燃料圧力（燃圧）が所定圧を上回っていること、冷却水温が設定された温度を上回っていること、バッテリ電圧が所定電圧を上回っていることからなる始動性判定条件を満たした場合に、始動性が良好であると判定する。この始動性判定条件としては、吸入空気の温度やシリンダＣＬ内の酸素濃度などを追加するものであってもよい。始動性が良好であると判定した場合は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、最初に圧縮が完了する気筒を判別する。最初に圧縮を完了する気筒とは、ピストンが圧縮工程の途中にある気筒、及び吸気行程の途中にある気筒であり、アイドリング運転を停止した時点で検出した気筒判別信号ｃ、クランク角度基準位置信号ｆ及びクランク角度信号ｇに基づいて最初に圧縮を完了する気筒を検出する。この場合、圧縮行程及び吸気行程にある気筒を検出するとともに、その圧縮行程及び吸気行程におけるピストンの位置をクランク角度に換算して検出しておく。また、この最初に圧縮が完了する気筒以外の気筒についても、どの行程にてピストンがどの位置（クランク角度換算位置）に停止しているのかを検出しておく。検出した各気筒の行程に関する情報及びその行程におけるピストンの位置情報は、記憶装置１５ｂに保存されるものである。したがって、ステップＳ４では、記憶装置１５ｂの気筒の情報を検索して、最初に圧縮が完了する気筒を判別する。

次に、ステップＳ５において、判別した気筒に対して、その気筒のピストンの位置を示すクランク角度が設定されたどの条件に当てはまるかを判定する。判定条件は、以下の通りである。

条件１：角度Ａ＜クランク角度＜角度Ｂ
条件２：クランク角度＜角度Ａ
条件３：角度Ｂ＜クランク角度
なお、角度Ａは、均一燃焼のための燃料噴射時期（燃料噴射タイミング）より上死点側に設定された位置におけるクランク角度で、通常の吸気行程で最も燃料噴射時期を遅らせた（遅角させた）場合の角度より上死点側の位置を示す角度で、この実施形態での始動の際の吸気行程において燃料噴射を行った場合に着火が可能な限界となる角度である。また角度Ｂは、成層燃焼のための燃料噴射時期より下死点側に設定された位置におけるクランク角度で、この実施形態での始動の際の圧縮行程において燃料噴射を行った場合に着火が可能な限界となる角度である。これらの燃料噴射時期と各角度の関係を図３に示す。均一燃焼とは、出力の増大を図るために吸気行程において燃料を噴射した際の燃焼であり、成層燃焼とは、リーンな空燃比でエンジン１００を運転するために圧縮工程において燃料を噴射した際の燃焼である。なお、この実施形態にあっては、図３に示す均一燃焼時の燃料噴射時期を超えた角度領域では、成層燃焼の場合の燃料噴射時期となるので、条件１に当てはまる場合は圧縮行程での燃料噴射とする。

ステップＳ５における判定の結果、条件１に当てはまる場合は、ステップＳ６において、着火を良好にするとともにトルクを増大するために燃料増量値を決定してスタータＳＴに通電する。この後ステップＳ７において、判別した気筒のシリンダＣＬ内に、成層燃焼における燃料噴射時期（タイミング）で燃料増量値にて増量した燃料を噴射する。この場合、判別した気筒は圧縮行程にスタータＳＴに通電することによりクランキングが開始されるので、シリンダＣＬ内に噴射された燃料が空気とともに混合されて混合気となって圧縮される。

ステップＳ５における判定の結果、条件２に当てはまる場合は、ステップＳ８において、ステップＳ６と同様に着火を良好にするとともにトルクを増大するために燃料増量値を決定してスタータＳＴに通電する。この後ステップＳ９において、判別した気筒のシリンダＣＬ内に、均一燃焼における燃料噴射タイミングで燃料増量値にて増量した燃料を噴射する。この場合、判別した気筒は吸気行程にスタータＳＴに通電することによりクランキングが開始されるので、シリンダＣＬ内に噴射された燃料が空気とともに混合されて混合気となって圧縮される。

ステップＳ５における判定の結果、条件３に当てはまる場合は、成層燃焼における燃料噴射タイミングでの着火可能限界角度を超えているので、燃料噴射を実行しても失火する可能性が大であるので、ステップＳ１０において次に圧縮が完了する気筒を判別する。この次に圧縮が完了する気筒についても、記憶装置１５ｂに記憶されているので、ステップＳ４と同様に記憶装置１５ｂの気筒の情報を検索して判別する。この後、ステップＳ５に戻る。

そしてステップＳ１１では、ステップＳ４で判定された気筒が点火される時か否かを判定する。具体的には、クランキングが開始されることによりピストンの位置が点火時期のクランク角度換算位置に達したか否かを判定する。この場合に、ピストンの位置と点火時期のクランク角度換算位置との差は、クランキングによる慣性力でスタータＳＴの駆動力がなくてもピストンが点火位置まで移動し得るクランク角度に設定すればよい。

ステップＳ１１において点火される時と判定した場合は、ステップＳ１２においてスタータＳＴへの通電を止めてスタータＳＴを停止する。そして、この後点火時期となった際に、スパークプラグ６に対して点火信号が出力されて燃焼室３内の混合気中の燃料に火花が供給され、判別された気筒において膨張行程が開始されてエンジン１００が始動する。なお、判別された気筒において上述のように燃料噴射が制御されて点火される間に、他の気筒では吸気行程において燃料噴射が実行されて、順次圧縮行程を経て膨張行程に至るように制御されるものである。

このように、最初に圧縮が完了する気筒を判別して、点火される時にスタータへの通電を停止しているので、膨張行程が始まっているにもかかわらずスタータＳＴが作動していることを回避することができる。したがって、スタータＳＴの作動している時間を短縮することができる。また、アイドリング運転を停止している際に、不意に再始動の要求があり、しかも始動後に迅速に発進する必要がある場合に、スタータＳＴの作動時間が短いことから、アクセルペダルを操作するタイミングが早くなり、再始動時の操作性を向上させることができ、しかも要求に応じた発進を行うことができる。さらに、シリンダＣＬ内に直接燃料を噴射するので、燃料の供給に遅延がなく、したがって判定された気筒から順次各気筒に対して燃焼を連続させることができる。

また、スタータＳＴが作動している時間が短いため、騒音の発生を抑制することができるとともに、その耐久性を向上させることができる。

一方、ステップＳ３において、始動性が低いと判定した、すなわちステップＳ３における始動性判定条件の少なくとも一つを満たさない場合は、ステップＳ１３において、スタータＳＴに通電を開始してクランキングを開始する。この場合、手動による始動などの通常の始動の場合と同様に、燃料噴射制御が実行されてクランキングを実行するものである。次に、ステップＳ１４において、クランキング後のエンジン回転数を検出する。そして、ステップＳ１５において、検出したエンジン回転数が所定回転数を上回ったか否かを判定し、上回った場合は、ステップＳ１６において、スタータＳＴへの通電を停止する。所定回転数は、通常の始動判定における完爆状態となる回転数に設定すればよい。

このように構成することにより、暖機運転が完了している状態でアイドリング運転を停止した場合に、始動性が低くステップＳ４〜ステップＳ１２による始動制御が不可能な場合でも、始動要求があった場合に確実にエンジン１００を始動することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態におけるステップＳ６及びステップＳ８において、燃料増量量を決定したが、この燃料増量量は、エンジン停止時に燃料カットを実行するものと実行しないものとでは、シリンダ内に残留する燃料量が異なるため、燃料増量量はエンジン形式に応じて異なる量で決定するものであってよい。

また、スタータＳＴを停止するタイミングは、点火を実行すると同時、あるいは点火を実行して火花が消滅する時点に適合させるものであってもよい。

加えて、成層燃焼に対する燃料噴射制御を行わないエンジンにあっては、上記実施形態におけるステップＳ５の条件から条件１を削除するとともに、ステップＳ６及びステップＳ７を削除したプログラムとすればよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本発明の活用例として、

本発明の同実施形態が適用されるエンジンの概略構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施実施形態のピストン位置を判定するための条件となる角度の関係を示す説明図。

符号の説明

ＳＴ…スタータ
ＣＬ…シリンダ
１５…電子制御装置
１５ａ…中央演算処理装置
１５ｂ…記憶装置
１５ｃ…入力インターフェース
１５ｄ…出力インターフェース

Claims (2)

1. 始動のための電動機を備えると共に気筒内に燃料を直接供給し、供給された燃料を空気と混合して圧縮し、圧縮された燃料に点火する筒内燃料噴射火花点火式内燃機関が、少なくとも暖機運転が完了してアイドリング運転を停止している際に再始動する内燃機関の始動方法であって、
   再始動をするか否かを判定し、
   再始動をすると判定した場合に最初に燃料を噴射し圧縮する気筒を判別し、
   電動機に通電してクランキングを開始し、
   前記判別した気筒が点火される時に電動機への通電を停止する内燃機関の始動方法。
2. 再始動をすると判定した後に再始動の可能性の良否をさらに判定し、
   再始動の可能性が不良と判定した場合には、クランキングを開始した後に前記気筒の判別及び前記電動機への通電の停止を行うことなく電動機に通電した後に機関回転数から始動の判定を行う請求項１記載の内燃機関の始動方法。
   
   

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