JP4497314B2 - エンジンの始動装置 - Google Patents
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Description
この始動装置では、エンジンの停止時に膨張行程にある気筒を判別し、運転者のスタート操作等に応じてエンジンを始動する際には、この膨張行程気筒に対して燃料を噴射した後に点火を行って噴射燃料を燃焼させ、このときに発生する燃焼圧によりエンジンを始動する。
より具体的には、前記空気密度検出手段は、前記エンジンの冷却水温を検出する水温検出手段を備え、前記水温検出手段によって検出された冷却水温に基づき前記気筒内の空気密度を検出することを特徴とする(請求項2)。
また、より具体的には、前記制御手段は、前記エンジンが燃料カット中であるときに前記エアバルブの開弁による前記蓄圧器への圧縮空気の蓄積を行うことを特徴とする(請求項5)。
また、このエンジンの始動装置によれば、点火プラグに一体で形成されたエアバルブから気筒内に空気を供給するようにしたので、各気筒に空気供給のためのバルブ等を配設するスペースを新たに確保する必要がなくなり、エンジンを小型化することが可能となると共に、組み付け時の手間を省き製造工数を低減することが可能となる。
更に、請求項3のエンジンの始動装置によれば、冷却水温の上昇に伴って空気供給手段からの空気の供給量を増加させるようにしたが、冷却水温が高いほど気筒内の空気密度が低下する傾向にあるため、このように空気供給量を変化させることにより、常に適正な量の空気を気筒内に供給することが可能となる。
図1の全体構成図に示すように、本参考形態のエンジン1は筒内噴射型直列4気筒エンジンとして構成され、各気筒には燃料噴射弁2及び点火プラグ4が設けられている。各気筒の燃料噴射弁2は気筒内、即ち燃焼室6内に燃料を直接噴射可能に構成され、各燃料噴射弁2には図示しない燃料ポンプから所定圧力で燃料が供給される。
一方、燃焼後の排ガスは排気弁16の開弁に伴って排気ポート18から図示しない触媒や消音器を経て外部に排出される。
また、サージタンク20には、サージタンク20内の圧力、即ち吸気圧Pmを検出する吸気圧センサ26と、サージタンク20内の温度、即ち吸気温Taを検出する吸気温センサ28とを備えている。
ECU54の入力側には、各種制御に必要な情報を収集するため、上述した吸気圧センサ26、吸気温センサ28、空気圧センサ40、水温センサ42、油温センサ44、クランク角センサ48、及びカム角センサ52のほか、車両の走行速度を検出する車速センサ56、運転席に設けられたセレクトレバーの操作位置を検出するシフト位置センサ58、及び運転者によるブレーキ操作を検出するブレーキスイッチ60などの各種センサ類やイグニションスイッチ62が接続されており、出力側には演算した制御量に基づき制御が行われる各気筒の燃料噴射弁2、点火プラグ4、電子スロットル弁22、及びエアバルブ32などの各種デバイス類が接続されている。
一方、ECU54は信号待ちや渋滞等による車両の停車中には、エンジン1を一時的に自動停止させるアイドルストップ制御を実行する。本参考形態ではエンジン停止条件として、車速センサ56により検出された車速Vが0km/hであること、ブレーキスイッチ60によりブレーキ操作が検出されていること、及びシフト位置センサ58により検出されたシフト位置がD(ドライブ)レンジ等の走行レンジ又はN(ニュートラル)レンジであることが設定されており、これらの条件が満たされると、ECU54は燃料噴射制御及び点火時期制御を中止してエンジンを停止させる。
図2は始動制御のフローチャートを示すものであり、ECU54は車両の使用中にこのフローチャートに基づく始動制御ルーチンを所定の制御周期で実行している。この始動制御ルーチンはイグニションスイッチ62のOFF位置以外で常に実行され、運転者のキー操作によりエンジン1が停止・始動された(即ち、一旦アクセサリ位置に切換えられた)場合でも継続するように配慮されている。
ステップS4では、エンジン停止指令が入力されたか否かを判定する。このエンジン停止指令はアイドルストップ制御でエンジン停止条件が成立したとき、或いは運転者によりイグニションスイッチ62がOFF操作されたときに入力されるものであり、エンジン停止指令が入力されない場合には今回の制御周期における始動制御ルーチンを終了し、次の制御周期で再びステップS2から処理を行う。
次のステップS10では、クランク角センサ48により検出されたクランク角信号とカム角センサ52により検出されたTOP信号とに基づき、エンジン停止の直前に膨張行程にある気筒(以下、膨張行程気筒と称する)を判別すると共に、次のステップS12で、膨張行程気筒のピストン位置を、クランク角センサ48により検出されたクランク角信号に基づき上死点後のクランク角として検出し、これらの判別結果及び検出結果を記憶装置に記憶した後、今回の制御周期における始動制御ルーチンを終了する。
このようにしてエンジン1が停止され、エンジン回転速度Neが停止判別値Nerを下回ると、ステップS2からステップS14へと処理が進む。
ステップS14では、エンジン始動指令が入力されたか否かを判定する。このエンジン停止指令は、エンジン1が停止状態にあり、アイドルストップ制御でエンジン始動条件が成立したとき、或いは運転者によりイグニションスイッチ62がスタート操作されたときに入力されるものであり、エンジン始動指令の入力がない場合には、今回の制御周期における始動制御ルーチンを終了し、次の制御周期で再びステップS2からステップS14に進んでエンジン始動指令の有無を判定する。
次にステップS18に進むと、エンジン1の停止の際にステップS10で判別して記憶した膨張行程気筒に対し、エアバルブ32を開閉制御することにより、蓄圧器34に蓄えられている圧縮空気の供給を行う。このときの供給空気量は図3に示す供給空気量決定制御ルーチンにより決定される。
このピストン位置と基本供給空気量Qbとの関係は図4のようになっており、ピストン位置は上死点後のクランク角が用いられる。図4に示すように、A点のピストン位置より上死点側では、ピストン12が上死点に近いために燃焼室6の容積がかなり小さくなるため、エンジン1を始動するのに必要な燃焼力を得るにはより多くの空気と燃料を供給する必要がある。このため、A点のピストン位置より上死点側では、ピストン位置が上死点側に近づくほど基本供給空気量Qbが増加するようになっている。一方、A点のピストン位置より下死点側では、燃焼室6の容積の拡大に伴い膨張仕事量が減少するため、燃料を多く燃焼させて燃焼力を増大させる必要があり、これに伴い供給すべき空気量も増加させる必要がある。このため、A点のピストン位置より下死点側では、ピストン位置が下死点側に近づくほど基本供給空気量Qbが増加するようになっている。
次のステップS110では、クランク軸14の駆動力補正係数Ktを設定する。この駆動力補正係数Ktは、エンジン1の温度によりエンジン1の始動に必要なクランク軸14の駆動力が変化するため、これに対応して供給空気量を補正するための係数である。
そこで、この駆動力補正係数Ktは、エンジン1の温度に影響を及ぼすものとして、ステップS104で取り込んだ冷却水温Tw、油温To、エンジン停止後の経過時間ts、及びステップS106で推定した気筒内空気温度Tcをパラメータとして、予め記憶したマップから読み出して設定する。これらのパラメータのうち、冷却水温Tw、油温To、及び気筒内空気温度Tcはいずれも上昇するほどエンジン1の温度も上昇することになりエンジン1の始動にはより大きな駆動力が必要となることから、これらの値の上昇に伴い駆動力補正係数Ktも大きな値となるようになっている。また、エンジン1停止後の経過時間tsについては、エンジン1の温態時は経過時間tsが大きくなるに従いエンジン1の温度が冷却水温Twに近づいて上昇することから、駆動力補正係数Ktは経過時間tsの増大と共に増大するようになっている。一方、エンジン1の冷態時はエンジン1の温度と冷却水温Twとがほぼ同一の関係となるため、駆動力補正係数Ktは設定しなくてもよい。
Q=Qb×Kd×Kt
前述したように、空気密度補正係数Kdは、気筒内空気温度Tcが高いほど、また吸気圧Pmが低いほど大きな値となり供給空気量Qも増大する。即ち、気筒内空気密度が低下するほど供給空気量Qが増大することになる。また、気筒内空気温度Tcは、前述のように冷却水温Twが高いほど上昇するものであるため、上述したような供給空気量の設定を行うことにより、供給空気量Qは冷却水温Twの変化に対して図5に示すような変化をするようになっている。
また、駆動力補正係数Ktは冷却水温Tw、油温To、或いは気筒内空気温度Tcが上昇するほど、またエンジン1停止後の経過時間tsが短いほど大きな値となり供給空気量Qも増大する。即ち、エンジン1の温度が高く、エンジン1の始動により多くの駆動力を必要とするほど供給空気量が増大することになる。
このようにして決定された供給空気量Qの空気が膨張行程気筒内に供給されるよう、図2のステップS18でエアバルブ32が開閉され、次のステップS20に進む。
ステップS20では、膨張行程気筒に対して燃料噴射弁2から燃料を噴射する。このときの燃料噴射はステップS10及びステップS12で記憶されている情報、及びステップS18で供給した空気量に基づいて実行される。即ち、膨張行程気筒のピストン位置から算出した気筒内空気量とエアバルブ32から供給した空気量とに基づいて燃料噴射量を算出し、算出した燃料噴射量に基づいて膨張行程気筒に対して燃料噴射を行う。
このようにしてエンジン1が始動した後の制御周期では、ステップS2においてエンジン回転速度Neが停止判別値Ner以上と判定されるため、再びステップS4でエンジン1の停止指令が有りと判断されるまで、ステップS2とステップS4の処理が繰り返されることになる。
以上のように、膨張行程気筒への燃料噴射と点火によりエンジン1を始動する際には、膨張行程気筒に対してエアバルブ32から圧縮空気が供給されると共に、この圧縮空気を含む膨張行程気筒内の空気量に応じた燃料が気筒内に噴射されるので、エンジン1を始動するのに必要な燃焼圧を得ることができる。
この供給空気量決定制御ルーチンが開始すると、まずステップS202において、図2のステップS12で検出され記憶されたエンジン1停止時の膨張行程気筒におけるピストン位置に基づき、予め記憶したマップから、気筒内に供給すべき空気の基本量である基本供給空気量Qbを決定する。この基本供給空気量Qの決定は前述の図3のステップS102の処理と全く同様であって、ピストン位置と基本供給空気量Qbとの関係は図4のようになっている。
ステップS206では、ステップS204で取り込んだ冷却水温Twをパラメータとして、気筒内空気密度及びエンジン1の始動に必要な駆動力を推定して検出し、予め記憶したマップからこれらに対応する水温補正係数Kwを読み出して設定する。前述のように、冷却水温Twは膨張行程気筒内の空気密度及びエンジン1の始動に必要な駆動力に影響を及ぼすものであり、冷却水温Twが高いほど気筒内空気密度は低くなり、始動に必要な駆動力は大きくなるため、より多くの供給空気量を必要とする。従って、ステップS206で設定される水温補正係数Kwは、冷却水温Twが高いほど大きな値となるようになっている。
Q=Qb×Kw×Kp
前述したように、水温補正係数Kwは水温Twが高いほど大きな値となり供給空気量Qも増大するので、気筒内空気密度が低下するほど、或いは始動に必要な駆動力が増大するほど供給空気量Qが増大することになる。なお、このときの水温Twと供給空気量Qとの関係も、図5と同様のものとなるようになっている。
また、圧力補正係数Kpは吸気圧Pmが低下するほど大きな値となり供給空気量Qが増大するので、気筒内空気密度が低下するほど供給空気量が増大することになる。
従って、気筒内空気密度に影響を及ぼす吸気圧Pmに変動があっても、それに対応した適正な空気の供給量が設定されることになる。
ところで、蓄圧器34に蓄えられエアバルブ32から膨張行程気筒内に供給される圧縮空気は、適宜蓄圧器34に補充される必要があり、本参考形態ではエンジン1が燃料カット運転中であるときに、圧縮行程で圧縮された気筒内の空気を用いて圧縮空気の補充を行っている。具体的には、この圧縮空気補充制御は図7のフローチャートに従い、所定の制御周期で実行される。
一方、エンジン1が運転中である場合にはステップS304に進み、燃料カット中であるか否かを判定する。燃料カット中でない場合には、気筒内の空気のみの圧縮を行うことができないため、これで今回の制御周期を終了し、次の制御周期で再びステップS302から処理を行う。
一方、蓄圧器34内の空気圧Paが所定下限圧Pr以下である場合にはステップS308に進み、クランク角センサ48の検出信号に基づき求めたエンジン回転数Neが所定回転数Nea以上であるか否かを判定する。
一方、エンジン回転数Neが所定回転数Nea以上である場合にはステップS310に進み、クランク角センサ48により検出されたクランク角信号とカム角センサ52により検出されたTOP信号とに基づき、圧縮行程にある気筒を判別し、クランク角センサ48により検出されたクランク角信号に基づき圧縮行程の後半にエアバルブ32を開弁する。
ステップS310の処理で今回の制御周期を終えると、次の制御周期では再びステップS302から処理が行われ、エンジン1が燃料カット運転中で、蓄圧器40内の空気圧Paが所定下限圧Pr以下であり、エンジン回転数Neが所定回転数Nea以上であれば、圧縮行程にある気筒による圧縮空気の補充が行われる。
このようにして圧縮行程にある気筒により圧縮空気の補充を行うことにより、エアポンプなどを別に設ける必要がなくなり、始動装置を小型化すると共にコストを低減することができる。
この実施形態では、図8に示すように、膨張行程気筒に空気を供給するためのエアバルブを点火プラグ4に一体的に設けており、他の構成は先の参考形態のエンジンの始動装置と同じである。
この場合、点火プラグ4外部と燃焼室6とを連通する連通路64内に、図示しないスプリングにより閉弁方向に付勢されて保持された外開きのチェック弁66を設け、電磁弁68を介して連通路64にエア供給管36が接続されるようになっている。ECU54からの信号により電磁弁68が開弁し、蓄圧器34から圧縮空気が供給されると、スプリングの付勢力に抗して圧縮空気がチェック弁66を開弁させ、圧縮空気が燃焼室6内に供給される。
このように膨張行程気筒に空気を供給するためのエアバルブを点火プラグ4と一体的に構成することにより、エアバルブを配設するためのスペースを確保する必要がなくなってエンジン1をコンパクトにすることができると共に、製造時の手間を省き製造工数を低減することができる。
また、前記実施形態及び参考形態では、膨張行程気筒への燃料噴射と点火でエンジン1を始動するようにしたが、ピストン位置が下死点に近い場合には十分な燃焼圧が得られない可能性があるため、エンジン1の停止時に圧縮行程にあった気筒に対しても、膨張行程となったときに同様の方法によって空気を供給すると共に燃料噴射及び点火を行ってエンジン1の始動に必要なトルクを確保するようにしてもよい。
また、前記実施形態及び参考形態では、気筒内の空気密度を冷却水温Tw、吸気温度Ta、エンジン停止後の経過時間ts、及び吸気圧Pmに基づき推定して検出するようにしたが、冷却水温Twのみに基づき推定するようにしてもよいし、これらのパラメータのうち冷却水温Twを含む少なくとも2つ以上のパラメータに基づき気筒内空気密度を推定するようにしてもよい。また、気筒内の空気密度を直接検出するセンサを設けてもよい。
更にまた、前記実施形態及び参考形態は直列4気筒エンジンに本発明を適用したものであったが、エンジン1はこれに限定されるものではない。
2 燃料噴射弁
4 点火プラグ
30 空気供給装置(空気供給手段)
32 エアバルブ
34 蓄圧器
42 水温センサ(水温検出手段)
54 ECU(制御手段、空気密度検出手段、気筒判別手段)
66 チェック弁(エアバルブ)
68 電磁弁
Claims (5)
- エンジンの気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁により前記気筒内に噴射された燃料を点火する点火プラグと、
前記エンジンの吸気弁の開閉による吸気の供給とは独立して前記気筒内に空気を供給する空気供給手段と、
前記気筒内の空気密度を検出する空気密度検出手段と、
前記エンジンの停止時に膨張行程にある気筒を判別する気筒判別手段と、
エンジン停止の際に膨張行程にあった気筒に対し、前記空気密度検出手段によって検出された空気密度に基づき設定した供給量の空気を前記空気供給手段から供給すると共に、前記燃料噴射弁から燃料を供給し、前記点火プラグで前記供給燃料を点火することにより前記エンジンを始動する制御手段とを備え、
前記空気供給手段は、前記点火プラグに一体で形成されたエアバルブから前記気筒内への空気の供給を行う
ことを特徴とするエンジンの始動装置。 - 前記空気密度検出手段は、前記エンジンの冷却水温を検出する水温検出手段を備え、前記水温検出手段によって検出された冷却水温に基づき前記気筒内の空気密度を検出することを特徴とする請求項1に記載のエンジンの始動装置。
- 前記制御手段は、前記水温検出手段によって検出された冷却水温の上昇に伴って前記空気供給手段からの空気の供給量を増加させることを特徴とする請求項2に記載のエンジンの始動装置。
- 前記空気供給手段は、圧縮空気を蓄える蓄圧器と、気筒内に連通する吐出孔を有し開弁時に前記蓄圧器と前記気筒内とを連通することにより前記蓄圧器内の圧縮空気を前記気筒内に噴射するエアバルブとを備え、前記制御手段は、前記エンジンが回転しているときに圧縮行程にある気筒の前記エアバルブを開弁することにより、前記圧縮行程によって圧縮された空気を前記蓄圧器に流入させて蓄えることを特徴とする請求項1に記載のエンジンの始動装置。
- 前記制御手段は、前記エンジンが燃料カット中であるときに前記エアバルブの開弁による前記蓄圧器への圧縮空気の蓄積を行うことを特徴とする請求項4に記載のエンジンの始動装置。
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