JP4670710B2

JP4670710B2 - エンジンの始動装置

Info

Publication number: JP4670710B2
Application number: JP2006100945A
Authority: JP
Inventors: 雅之鐵野
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007270793A

Description

本発明は、一時的に停止状態にあるエンジンを、その後自動的に始動させるエンジンの始動装置に関するものである。

近年、燃費低減およびＣＯ２排出量の抑制等を図るため、アイドル時にエンジンを自動的にいったん停止させるとともに、その後に発進操作等の再始動条件が成立したときにエンジンを自動的に再始動させるようにしたエンジンの始動装置が開発されてきている。

このエンジンの再始動は、再始動条件成立に応じて即座に始動させることが要求されるため、スタータ（始動用のモータ）によりエンジン出力軸を駆動するクランキングを経てエンジンを始動させるような、始動完了までにかなりの時間を要する従来の一般的な始動方法は好ましくない。

そこで、停止状態のエンジンの膨張行程にある気筒（以下、エンジン停止時に膨張行程にある気筒を便宜上停止時膨脹行程気筒と称する。他の行程にある気筒も同様である）に燃料を供給して燃焼を行わせ、そのエネルギーでエンジンが即時的に始動されるようにする始動方法が開発されつつある。

しかし、このような燃焼のみによる始動方法は、スタータを用いた始動方法ほど確実でないのが実情である。そこで、燃焼のみによる始動が不調に終わったとき、または不調に終わると予測される状態となったとき、スタータの補助を受けて始動するものが考えられている（いわゆるバックアップ始動）。

例えば特許文献１には、燃焼のみによる始動を行った後の所定の検査タイミングでバックアップ始動の要否を判定し、必要に応じてこれを行うものが開示されている。

一方、燃焼のみによる始動方法を不調に終わらせる要因のひとつに、いわゆる温間ロックがある。温間ロックとは、気筒内が高温、高圧となることにより、圧縮行程で自着火が起きる現象である。温間ロックが起こると逆向きのトルクが発生するので、始動性に悪影響を及ぼす。

例えば特許文献２には、エンジン停止時に吸気行程にある気筒が最初の圧縮行程を迎えたとき（このときの温間ロックが最も懸念される）、その圧縮行程の気筒内に燃料を供給し、その気化潜熱によって温度と圧力を低減させ、自着火を抑制するものが開示されている。
特開２００５−３１５１９７号公報特開２００５−１８０２０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のバックアップ始動制御を行うような場合には、特許文献２に記載の温間ロック対策が有効に作用しないという問題がある。バックアップ始動制御を行う場合には、温間ロックが問題となるタイミングが大きく遅れるからである。

しかも、バックアップ始動制御が必要と判定されるタイミングは、既に温間ロック対策の燃料供給がなされた後なので、それを修復することが困難である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、的確にバックアップ始動制御を行うとともに、その場合にも有効な温間ロック対策を行うことができるエンジンの始動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための請求項１に係る発明は、一時的に停止状態にあるエンジンに所定の再始動条件が成立したときに、少なくともエンジン停止時に膨張行程にある気筒で燃焼を行わせて自動的に再始動させる自動再始動制御を行う再始動制御手段を備えたエンジンの始動装置であって、エンジンに正転方向の駆動力を付与するスタータモータと、吸気弁の少なくとも閉弁時期を遅角可能な可変バルブタイミング機構とを備え、上記再始動制御手段は、上記自動再始動制御において、所定時期に上記スタータモータを駆動させるバックアップ始動制御を必要に応じて行うように構成され、上記バックアップ始動制御は、始動後の第１圧縮上死点でその要否が判別されるものであって、エンジンの回転が第２圧縮上死点を越えられないと判別されたときに必要と判定され、上記再始動制御手段は、上記バックアップ始動制御を行わないとき、エンジン停止時に吸気行程にある気筒の、最初の圧縮行程での特定燃料供給を実行し、上記再始動制御手段は、上記バックアップ始動制御を行うとき、上記特定燃料供給を禁止するとともに、その後エンジンが逆転を始めると、上記スタータモータを、エンジンが逆転から正転に転じる付近のタイミングで駆動力付与がなされるように駆動し、上記特定燃料供給を禁止した気筒で上記スタータモータの駆動による再圧縮がなされるときに、その再圧縮の開始後の圧縮行程途中まで吸気弁の閉弁時期を遅角させ、該吸気弁の閉弁後の圧縮行程において該気筒に燃料を供給することを特徴とする。

ここで、第１圧縮上死点（第１ＴＤＣ）、第２圧縮上死点（第２ＴＤＣ）・・・とは、特定の気筒の圧縮上死点を指すわけではなく、正回転後に、何れかの気筒で圧縮上死点を経過したら、それを順番にカウントするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のエンジンの始動装置において、上記再始動制御手段は、最初にエンジン停止時に圧縮行程にある気筒で燃焼を行わせて一旦エンジンを逆転させた後、上記エンジン停止時に膨張行程にある気筒での最初の燃焼を行なわせることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２記載のエンジンの始動装置において、上記再始動制御手段は、上記エンジン逆転後の最初の燃焼を行わせ、その後２回目の逆転が起きたときに、その２回目の逆転中の行程の略中間点を起算点として、２回目の逆転の開始時から上記起算点に至るまでの時間から上記スタータモータの遅れ時間を差し引いた時間だけ経過した時点を、上記スタータモータの駆動開始時期として算出することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンの始動装置において、エンジンの温度状態を検出するエンジン温度検出手段を備え、上記可変バルブタイミング機構は電磁力で開閉駆動する電磁式動弁機構であって、上記吸気弁の閉弁時期遅角量は、エンジン温度が高いほど大きくなるように設定されることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４記載のエンジンの始動装置において、上記吸気弁の閉弁時期遅角量の増大幅に合わせ、該吸気弁の閉弁後になされる上記燃料供給の時期が遅角させられることを特徴とする。

請求項１の発明によると、以下説明するように、的確にバックアップ始動制御を行うとともに、その場合にも有効な温間ロック対策を行うことができる。

まずバックアップ始動制御について説明する。一旦正転方向に回転を始めたものの、そのトルクが不足したために第２圧縮上死点を超えられない、という形態の不調をきたす場合、エンジン（ピストン）は減衰振動しながら停止する。つまり正転と逆転とを繰り返して停止する。本発明では、その逆転から正転に転じるタイミングを捉えてスタータによる駆動力付与を行わせるので、例えば完全停止を待ってからスタータで始動させる場合などよりも迅速な始動を行わせることができる。

また、逆転から正転に転じるポイントでは回転速度が略０付近となるので、スタータにかかる負担が少なく、その耐久性低下を抑制することができる。

一方、温間ロックに対しては、バックアップ始動制御を行わない場合には、停止時吸気行程気筒の、最初の圧縮行程での燃料供給（当明細書ではこれを特定燃料供給とも称する）によって、効果的に温間ロックが抑制される。そして、バックアップ始動制御を行う場合、その要否判定を行うタイミングが、特定燃料供給を行うタイミングよりも早い（例えば第１圧縮上死点のエンジン回転速度をもって判定すると良い）ので、「要」と判定されたときに、特定燃料供給を中止することができる。

そして、バックアップ始動制御を行った場合に温間ロックが懸念されるタイミング、すなわちスタータモータの駆動による再圧縮がなされるタイミングで燃料供給するので、このタイミングでの有効な温間ロック対策がなされることとなる。しかもこのとき、吸気バルブの閉弁時期が遅角（リタード）されるので、一層筒内圧力増大が抑制され、温間ロック対策に有効となる。

請求項２の発明によると、このような逆転始動方式にとって、最もその成否を左右する第２圧縮上死点の前にバックアップ始動制御の要否を判定するので、本発明の効果を顕著に享受することができる。

請求項３の発明によると、以下に説明するように、スタータの駆動を開始すべきタイミングを容易かつ精度良く算出することができる。

逆転中のピストンの動きは減衰振動となるが、この減衰振動には、振幅が変化しても周期の変化が小さいという性質がある。つまり、ピストンの反転タイミングの時間的中心点は、減衰振動の中心、つまり行程中間点なのである（１行程１８０°ＣＡであれば、９０°ＣＡのポイント）。

換言すれば、過逆転を開始してから行程中間点（起算点）に至った時間と、起算点からエンジンが正転に転ずるまでの時間が略等しい。この関係を利用して、過逆転を開始してから起算点に至った時間からスタータの遅れ時間を差し引くことにより、起算点からスタータの駆動を開始すべきタイミングまでの時間を精度良く算出することができる。

請求項４の発明によると、温間ロックが起こり易い高温時に、吸気弁閉時期の遅角量を増大させることにより、より大きな温間ロック対策を得ることができる。

請求項５の発明によると、吸気弁が閉じて、筒内圧力が増大した的確なタイミングで燃料供給を行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１および図２は本発明の一実施形態による４サイクル火花点火式エンジンの概略構成を示している。このエンジンには、シリンダヘッド１０およびシリンダブロック１１を有するエンジン本体１と、エンジン制御用のＥＣＵ２とを備える。エンジン本体１には複数の気筒（当実施形態では４つの気筒）１２Ａ〜１２Ｄが設けられている。各気筒１２Ａ〜１２Ｄにはコンロッドを介してクランクシャフト３に連結されたピストン１３が嵌挿され、ピストン１３の上方に燃焼室１４が形成されている。

各気筒１２Ａ〜１２Ｄの燃焼室１４の頂部には点火装置２７に接続された点火プラグ１５が装備され、そのプラグ先端が燃焼室１４内に臨んでいる。さらに、燃焼室１４の側方部には、燃焼室１４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁１６（燃料供給手段）が設けられている。この燃料噴射弁１６は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、パルス信号が入力されることにより、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射するように構成されている。そして、点火プラグ１５付近に向けて燃料を噴射するように燃料噴射弁１６の噴射方向が設定されている。

また、各気筒１２Ａ〜１２Ｄの燃焼室１４に対して吸気ポート１７及び排気ポート１８が開口し、これらのポート１７，１８に吸気弁１９及び排気弁２０が装備されている。これら吸気弁１９及び排気弁２０は、電磁ＶＶＴ５０（電磁式動弁機構）によって駆動される。

電磁ＶＶＴ５０は、電磁力で吸排気弁１９，２０を開閉駆動する電磁式動弁機構である。電磁ＶＶＴ５０は周知の構造なので簡潔に記すが、電磁石のオン・オフによって直接吸排気弁１９，２０を開閉させるものであって、一種のＶＶＴ（Variable Valve Timing）である。但し従来のカム位相をずらすようなＶＶＴよりも格段に制御自由度が高く、任意のクランク角で吸排気弁１９，２０を開閉することができる。吸気弁１９には吸気側ＶＶＴ５１が、排気弁２０には排気側ＶＶＴ５２がそれぞれ設けられている。

上記吸気ポート１７および排気ポート１８には、吸気通路２１および排気通路２２が接続されている。上記吸気ポート１７に近い吸気通路２１の下流側は、図２に示すように、各気筒１２Ａ〜１２Ｄに対応して独立した分岐吸気通路２１ａとされ、この各分岐吸気通路２１ａの上流端がそれぞれサージタンク２１ｂに連通している。このサージタンク２１ｂよりも上流側には共通吸気通路２１ｃが設けられるとともに、この共通吸気通路２１ｃには、アクチュエータ２４により駆動されるスロットル弁２３からなる吸気流量調節手段が配設されている。スロットル弁２３に、アイドル運転時の回転速度を調節する図略のＩＳＣ（Idle Speed Control）ユニットを併設しても良い。このスロットル弁２３の上流側には吸気流量を検出するエアフローセンサ２５と吸気温度を検出する吸気温センサ２９とが配設されている。またスロットル弁２３の下流側には吸気圧力（ブースト圧）を検出する吸気圧センサ２６が配設されている。また排気通路２２には、排気を浄化する排気浄化装置３７が設けられている。

また、エンジン本体１には、タイミングベルト等によりクランクシャフト３に連結されたオルタネータ（発電機）２８が付設されている。このオルタネータ２８は、図略のフィールドコイルの電流をレギュレータ回路２８ａで制御して出力電圧を調節できるように構成され、ＥＣＵ２からの制御信号に基づき、通常時に車両の電気負荷および車載バッテリーの電圧等に対応した目標発電電流の制御が実行されるように構成されている。

また、エンジン本体１には、クランクシャフト３に直結されたリングギヤ３６ｂを駆動するスタータモータ（以下スタータ３６と称す）が設けられている。スタータ３６は、必要に応じてピニオンギヤ３６ａをリングギヤ３６ｂに噛合させ、そのピニオンギヤ３６ａを駆動することにより、エンジンを正転方向に駆動する。スタータ３６として、オルタネータを統合したモータ（ＩＳＧ：Integrated Starter Generator）を用いても良い。スタータ３６は、通常のエンジン始動時に用いられる他、当実施形態の自動再始動制御において、必要に応じてなされるバックアップ始動制御を行うときにも用いられる。

さらに、上記エンジンには、クランクシャフト３の回転角を検出する２つのクランク角センサ３０，３１が設けられ、一方のクランク角センサ３０から出力される検出信号に基づいてエンジンの回転速度が検出されるとともに、上記両クランク角センサ３０，３１から出力される位相のずれた検出信号に基づいてクランクシャフト３の回転方向および回転角度が検出されるようになっている。

また、上記エンジンでは、カムシャフトの特定回転位置を検出して気筒識別信号として出力するカム角センサ３２と、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ３３とが設けられ、さらに運転者のアクセル操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３４と、運転者がブレーキ操作を行ったことを検出するブレーキセンサ３５と、車速を検出する車速センサ３８とが設けられている。

ＥＣＵ２は、エンジンの運転を統括的に制御するコントロールユニットである。当実施形態のエンジンは、一時的に停止状態にあって、運転者によるアクセル操作が行われる等により再始動条件が成立したときにエンジンを自動的に再始動させる自動再始動制御を行うように構成されている。つまりＥＣＵ２は再始動制御手段として機能する。

以下ＥＣＵ２の説明にあたり、上記自動再始動制御およびバックアップ始動制御に関する部分を中心に説明する。

ＥＣＵ２には、エアフローセンサ２５、吸気圧センサ２６、吸気温センサ２９、クランク角センサ３０，３１、カム角センサ３２、水温センサ３３、アクセル開度センサ３４、ブレーキセンサ３５および車速センサ３８からの各検知信号が入力されるとともに、燃料噴射弁１６、スロットル弁２３のアクチュエータ２４、点火プラグ１５の点火装置２７、オルタネータ２８のレギュレータ回路２８ａおよびスタータ３６のそれぞれに各駆動信号を出力する。ＥＣＵ２は、燃料噴射制御部４１、点火制御部４２、吸気流量制御部４３、発電量制御部４４、ピストン位置検出部４５、スタータ制御部４６および電磁ＶＶＴ制御部４８を機能的に含んでいる。

燃料噴射制御部４１は、燃料噴射時期と、各噴射における燃料噴射量とを設定して、その信号を燃料噴射弁１６に出力する燃料噴射制御手段である。

点火制御部４２は、各気筒１２Ａ〜１２Ｄに対して適切な点火時期を設定し、各点火装置２７に点火信号を出力する。

吸気流量制御部４３は、各気筒１２Ａ〜１２Ｄに対して適切な吸気流量を設定し、その吸気流量に応じたスロットル弁２３の開度信号をアクチュエータ２４に出力する。スロットル弁２３にＩＳＣユニットが併設されている場合は、その制御（ＩＳＣ制御）も行う。

発電量制御部４４は、オルタネータ２８の適切な発電量を設定し、その駆動信号をレギュレータ回路２８ａに出力する。特に当実施形態では、エンジン自動停止制御においてオルタネータ２８の発電量を調節することによってクランクシャフト３の負荷を変化させ、ピストン１３が再始動に適した適正範囲に停止するような制御を行っている。発電量制御部４４は、その際のオルタネータ２８の発電量の調節も行う。

ピストン位置検出部４５は、クランク角センサ３０，３１の各検出信号に基づき、ピストン位置を検出する。ピストン位置とクランク角（°ＣＡ）とは１対１に対応するので、一般的になされているように当明細書においてもピストン位置をクランク角で表す。当実施形態では、膨張行程気筒および圧縮行程気筒の自動停止中のピストン位置に基いて各筒内空気量を算出し、それに応じて再始動時における各気筒の燃焼制御を行っている。

スタータ制御部４６は、スタータ３６の駆動制御を行う。通常は、運転者のエンジン始動操作に応じてスタータ３６に駆動信号を送る。また自動再始動制御において、必要に応じてエンジン始動を補助するバックアップ始動制御を行う際にもスタータ３６に駆動信号を送る。

電磁ＶＶＴ制御部４８は、電磁ＶＶＴ５０による吸気弁１９および排気弁２０の開閉時期を設定するバルブタイミング制御手段である。

以上のような構成のＥＣＵ２によって自動再始動制御を行うにあたり、当実施形態では最初に圧縮行程気筒で燃焼を行わせることにより、そのピストン１３を押し下げてクランクシャフト３を少しだけ逆転させる。これによって膨張行程気筒のピストン１３を一旦上昇（上死点に近づける）させ、その気筒内の空気（燃料噴射後は混合気となる）を圧縮した状態で、この混合気に点火して燃焼させることにより、クランクシャフト３に正転方向の駆動トルクを与えてエンジンを再始動させるように構成されている。

上記のように原則としてスタータ３６を使用することなく、特定の気筒に噴射された燃料に点火するだけでエンジンを適正に再始動させるためには、上記膨張行程気筒の混合気を燃焼させることにより得られる燃焼エネルギーを充分に確保することにより、これに続いて圧縮上死点を迎える気筒（当実施形態では圧縮行程気筒および吸気行程気筒）がその圧縮反力に打ち勝って圧縮上死点を超えるようにしなければならない。したがって、膨張行程気筒内に充分な空気量を確保しておく必要がある。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、圧縮行程気筒と膨張行程気筒とでは、それぞれ位相が１８０°ＣＡだけずれているため、各ピストン１３が互いに逆方向に作動する。膨張行程気筒のピストン１３が行程中央よりも下死点側に位置していれば、その気筒の空気量が多くなって充分な燃焼エネルギーが得られる。しかし、上記膨張行程気筒のピストン１３が極端に下死点側に位置した状態となると、圧縮行程気筒内の空気量が少なくなり過ぎて、再始動時の初回燃焼でクランクシャフト３を逆転させるための燃焼エネルギーが充分に得られなくなる。

これに対して上記膨張行程気筒の行程中央、つまり圧縮上死点後のクランク角が９０°ＣＡとなる位置よりもやや下死点側の所定範囲Ｒ、例えば圧縮上死点後のクランク角が１００°〜１２０°ＣＡとなる範囲Ｒ内にピストン１３を停止させることができれば、圧縮行程気筒内に所定量の空気が確保されて上記初回の燃焼によりクランクシャフト３を少しだけ逆転させ得る程度の燃焼エネルギーが得られることになる。しかも、膨張行程気筒内に多くの空気量を確保することにより、クランクシャフト３を正転させるための燃焼エネルギーを充分に発生させてエンジンを確実に再始動させることが可能となる（以下この範囲Ｒを適正停止範囲Ｒとする）。そこで、ピストン１３を適正停止範囲Ｒ内に停止させるよう、ＥＣＵ２によってスロットル弁２３の開度を調節する等のエンジン自動停止制御が行われる。

このエンジン自動停止制御については種々提案されており、特許文献１や特許文献２にも詳述されているので、ここでは簡潔に記す。所定の自動停止条件が成立すると、エンジンへの燃料供給が停止される。するとエンジン回転速度が次第に低下して行き、まもなく完全に停止する。エンジンへの燃料供給を停止する前後のタイミングから完全に停止するまで、スロットル弁２３の開度やオルタネータ２８の発電量等を制御することにより、最終的にピストン１３が上記適正停止範囲Ｒに停止するように調整される。ここでは、ピストン１３を適正停止範囲Ｒに停止させることに成功したことを前提に以下説明を続ける。

図４は、エンジン自動再始動制御、およびバックアップ始動制御を含むタイムチャートであり、上段にはエンジン回転速度と、バックアップ始動制御におけるスタータ３６の駆動制御に関するチャート、下段には各気筒の行程推移チャートを示す。

なお、以下説明を簡潔にするため、エンジンが完全に停止している時点ｔ１において、＃１気筒１２Ａが圧縮行程、＃２気筒１２Ｂが膨張行程、＃３気筒１２Ｃが吸気行程、＃４気筒１２Ｄが排気行程にあるものとする。そして便宜上、＃１気筒１２Ａを停止時圧縮行程気筒１２Ａ、＃２気筒１２Ｂを停止時膨張行程気筒１２Ｂ、＃３気筒１２Ｃを停止時吸気行程気筒１２Ｃ、＃４気筒１２Ｄを停止時排気行程気筒１２Ｄと称する。

エンジン回転速度の特性は、二点鎖線で示す特性７２が、通常の自動再始動制御の場合、つまり逆転始動方式による始動が成功した場合の特性である。また実線で示す特性７１が、逆転始動方式による始動を試みたものの、第２ＴＤＣを超えられず、バックアップ始動制御によって始動を行った場合の特性である。下段の各チャートは、特性７１の場合のものである（「８７」を除く）。

まず、通常の自動再始動制御の場合について説明する。時点ｔ１で所定のエンジン再始動条件（アクセルオン、ブレーキオフ、エアコンオン、バッテリー電圧が低下などのうち、少なくとも１つがＹＥＳのときに成立）が成立すると、ＥＣＵ２は、まずピストン１３の停止位置に基づいて停止時圧縮行程気筒１２Ａおよび停止時膨張行程気筒１２Ｂ内の空気量を求め、さらにその空気量に応じて適宜空燃比となるように各気筒への燃料噴射量を設定する。

そして、まず停止時圧縮行程気筒１２Ａに対して１回目の燃料噴射８１が行われる。この燃料噴射８１は、理論空燃比ないしはそれよりリッチ空燃比となるようにすることが望ましい。そうすることにより、停止時圧縮行程気筒１２Ａ内の空気量が少ないときであっても、逆転のための燃焼エネルギーを充分得ることができる。

そして燃料噴射８１から気化時間を考慮して設定した時間の経過後に、当該気筒に対して点火８２が行われる。この燃焼によって、エンジン（クランクシャフト３）は逆回転する。すなわちエンジン回転速度が負の値となる。

点火８２から一定時間内にクランク角センサ３０，３１からの信号により、ピストン１３が動いた（逆転を始めた）ことを確認後、停止時膨張行程気筒１２Ｂに燃料噴射を行う。当実施形態では、停止時膨張行程気筒１２Ｂへの燃料噴射を８３と８４とに分割して行う。前段噴射８３によって気化が促進される。また後段噴射８４によって、ピストン１３が上死点に接近したときの筒内圧が低減され、ピストン１３をより上死点近くにまで上昇させることができる。なお、前段噴射８３は、もっと早期、例えば燃料噴射８１と略同時期、あるいはそれよりも早い時期（再始動条件成立以前）に行っても良い。

その後、所定のディレー時間経過後に点火され（８５）、燃焼が行われる。この点火８５による停止時膨張行程気筒１２Ｂでの燃焼により、エンジンは逆転から正転に転じる（時点ｔ２）。

点火８２後、燃料気化時間を考慮に入れ、停止時圧縮行程気筒１２Ａに２回目の燃料噴射８６が行われる。燃料噴射８６の噴射量は、燃料噴射８１の噴射量とを合計した噴射量に基づく全体の空燃比が可燃空燃比（下限は７〜８）よりも更にリッチ（例えば６程度）になるように設定される。この燃料噴射８６の気化潜熱によって、停止時圧縮行程気筒１２Ａの圧縮上死点（第１ＴＤＣ。時点ｔ３）付近の圧縮圧力が低減するので、少ないエネルギー消費量で第１ＴＤＣを越えることができる。

なお、この停止時圧縮行程気筒１２Ａへの燃料噴射８６は、専ら筒内の圧縮圧力を低減させるためになされるものであって、これに対する点火、燃焼は行われない（可燃空燃比よりもリッチなので自着火も起こらない）。この不燃燃料は、その後、排気通路２２の排気浄化装置３７によって無害化され、排出される。

上記のように停止時圧縮行程気筒１２Ａでの燃料噴射８６による燃焼が行われないので、停止時膨張行程気筒１２Ｂでの最初の燃焼に続く次の燃焼は、停止時吸気行程気筒１２Ｃでの最初の燃焼となる。停止時吸気行程気筒１２Ｃのピストン１３が圧縮上死点（第２ＴＤＣ）を越えるためのエネルギーとして、停止時膨張行程気筒１２Ｂにおける初回燃焼のエネルギーの一部が充てられる。停止時膨張行程気筒１２Ｂにおける初回燃焼のエネルギーは、停止時圧縮行程気筒１２Ａが第１ＴＤＣを超えるためと停止時吸気行程気筒１２Ｃが第２ＴＤＣを越えるためとの両方に供される。従って、円滑な始動のためには停止時吸気行程気筒１２Ｃが第２ＴＤＣを越えるためのエネルギーが小さいことが望ましい。

また、停止時吸気行程気筒１２Ｃは、エンジン停止中にサージタンク２１ｂ内で滞留して高温になった空気を最初に吸気する気筒である。このため、その圧縮行程における筒内温度が高くなりがちである。そのため、第２ＴＤＣ前の圧縮行程で自着火してしまう虞がある。このような自着火が起こると、その燃焼によって第２ＴＤＣ前に停止時吸気行程気筒１２Ｃのピストン１３を下死点側に押し戻す逆トルクが発生する（温間ロック）。これはその分第２ＴＤＣを越えるためのエネルギーを多く消費するので望ましくない。

そこで、停止時吸気行程気筒１２Ｃが第２ＴＤＣを越えるためのエネルギーを小さくするために、また自着火を起こさせないようにするために、停止時吸気行程気筒１２Ｃへの燃料噴射８７（特定燃料供給）が第１ＴＤＣ後の圧縮行程において行われる。

燃料噴射８７が行われると、その気化潜熱によって圧縮圧力が低減するので、第２ＴＤＣを越えるための必要エネルギーが低減する。すなわち第２ＴＤＣが超えやすくなる。その噴射時期は、エンジンの自動停止期間、吸気温度、エンジン水温等に基いて、圧縮行程内の適宜タイミングとなるように設定される。

また、燃料噴射８７の気化潜熱によって圧縮圧力が低減するので、第２ＴＤＣ前の自着火が抑制され、温間ロックが効果的に防止される。

次に、バックアップ始動制御を行う場合（エンジン回転速度の特性７１）について説明する。この場合、点火８６を行うまでは上記の場合と同様である。しかし何らかの原因で第２ＴＤＣを超えられないような事態となった場合には、第１ＴＤＣ（時点ｔ３）での回転速度が大きく落ち込み、その後（時点ｔ４以降で）２回目の逆転が起きる。当実施形態では、この第１ＴＤＣでの回転速度が所定値以下となったとき、バックアップ始動制御が必要と判定し、実行する。

バックアップ始動制御では、まず特定燃料供給８７を禁止する。第１ＴＤＣという早いタイミングでバックアップ始動制御の要否判定を行っているので、それが可能となる。

そして電磁ＶＶＴ５０によって、停止時吸気行程気筒１２Ｃでの吸気弁開弁期間（通常は期間９５）を期間９６まで、つまりスタータ３６の駆動による再圧縮がなされるときの圧縮行程途中（再圧縮が始まる時点ｔ７以降で、後述する燃料噴射８９より前）まで遅角する。この遅角量は、エンジン温度（冷却水温度）が高いほど大きい値に設定される。こうすることにより、温間ロックの起こり易い高温時であっても、これを効果的に抑制することができる。

そして一旦落ち込んで逆転したエンジンの回転速度が、正転に転じるまで待機する（時点ｔ７）。そしてこのタイミングを捉え、望ましくはエンジン回転速度が、正転側で０〜６０ｒｐｍ程度の範囲で、スタータ３６からリングギヤ３６ｂを介してクランクシャフト３に正転方向の駆動力が付与される（Ａ１）。その強い駆動力によって、エンジンが正転方向に始動する。

ところで、スタータ３６は、スタータ制御部４６が駆動開始信号を出してから、実際にクランクシャフト３に駆動力を付与するまでに、時間遅れＴｂを要する。従って、図４の時点ｔ７でクランクシャフト３がスタータ３６から駆動力を受けるためには、スタータ制御部４６は、それよりも遅れ時間Ｔｂだけ早いタイミング、すなわち時点ｔ６でスタータ３６の駆動を開始する必要がある。

以下、駆動開始時点ｔ６の算出方法について説明する。

駆動開始時点ｔ６は、スタータ制御部４６によって、次の式（１）で求められる。

（ｔ６）＝（ｔ５）＋（Ｔａ）−（Ｔｂ）・・・（式１）
（式１）において、ｔ５は、駆動開始時点ｔ６を求めるための起算点であって、ピストンが行程の中間点（９０°ＣＡ）を通過した時点である。ここで、時点ｔ４，ｔ７と起算点ｔ５との関係について説明する。時点ｔ４は、行程の境界であり、ピストン１３の反転ポイント（２回目の逆転が始まる時点）である。また時点ｔ７は、ピストン１３が逆転から正転に転じる時点であり、やはりピストンの反転ポイント（再圧縮の開始時点）である。つまり時点ｔ４〜時点ｔ７は、ピストン１３の減衰振動における１／２周期となっている。減衰振動には、振幅が変化しても周期の変化が小さいという性質がある。つまり、時点ｔ４と時点ｔ７との時間的中心点は、減衰振動の中心、つまり行程中間点である起算点ｔ５となるのである。

従って次の（式２）が成り立つ。また図４から明らかに（式３）が成り立つ。

（Ｔａ）＝（Ｔａ’）＝（減衰振動の１／４周期）・・・（式２）
（ｔ６）＝（ｔ５）＋（Ｔａ’）−（Ｔｂ）・・・（式３）
（式２）と（式３）から、（式１）が導き出せる。

時間Ｔａは、時点ｔ４から時点ｔ５までの経過時間であるから、スタータ制御部４６は、時点ｔ５以降は時間Ｔａを既知の値とすることができる。また遅れ時間Ｔｂは、予め実験等によって求められている値に、バッテリ電圧等の補正要素を考慮することにより、やはり既知の値とすることができる。こうして、起算点ｔ５を経過したところで、（式１）によって駆動開始時点ｔ６が求められるのである。

こうして、時点ｔ５を起算点とすることにより、駆動開始時点ｔ６を容易且つ精度良く求めることができる。またそうすることにより、スタータにかかる負担を軽減し、その耐久性低下を抑制することができる。

時点ｔ７以降、エンジンは正転に転じる。停止時吸気行程気筒１２Ｃでは、圧縮によって筒内圧が高められる。しかし、吸気弁の閉時期が遅角されていることと、燃料噴射８９が行われることにより、効果的に温間ロックが抑制される。また充分な新気があること、燃料噴射８７が省略されていることから、スモーク（黒煙）の発生が抑制される。

図５〜６は、バックアップ始動制御を含む自動再始動制御の制御フローチャートである。このフローチャートがスタートし、エンジンが完全停止した後（ステップＳ１でＹＥＳ）、エンジンの再始動要求があったら（ステップＳ３でＹＥＳ）、まず停止時圧縮行程気筒１２Ａでの燃焼制御を行ってエンジンを一旦逆転させる（ステップＳ５）。その後停止時膨張行程気筒１２Ｂでの燃焼制御を行う（ステップＳ６）。

次に第１ＴＤＣでのエンジン回転速度が所定値以下であるか否かが判定される（ステップＳ７）。ここでＹＥＳの場合、第２ＴＤＣを超えることが困難と判定され、バックアップ始動制御を開始する。すなわち、電磁ＶＶＴ５０で停止時吸気行程気筒１２Ｃの吸気弁１９の開弁期間を延長する（ステップＳ９）。次に、エンジンが逆回転しつつ、所定のクランク位置（上死点と下死点の中間位置）となったか否かが判定される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１でＹＥＳとなった時点が、図４の起算点ｔ５である。ここでスタータ３６の駆動開始時点ｔ６の算出が可能になるので、その駆動制御を開始する（ステップＳ１３）。

そしてエンジンが逆転から正転に転じ（ステップＳ１５でＹＥＳ）、エンジン温度（水温センサ３３によって検出される水温で代用）が高いほど遅角された所定のクランク位置となったら（ステップＳ１７でＹＥＳ）、吸気弁１９が閉弁される（ステップＳ１９）。さらに所定のクランク位置となったら（ステップＳ２１でＹＥＳ）、停止時吸気行程気筒１２Ｃに燃料が供給され（ステップＳ２３）、点火される（ステップＳ２５）。そして通常燃焼に移行する（ステップＳ２７）。

一方、ステップＳ７でＮＯの場合は、バックアップ始動制御に移行せず、通常の逆転始動方式での始動（燃焼始動）を継続（ステップＳ２９）した後、通常制御に移行する（ステップＳ２７）。

以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。その変形例を以下に説明する。

（１）上記実施形態では、エンジン再始動時にエンジンをいったん逆転作動させてから正転作動させるものとされているが、最初から正転作動だけで再始動させるものであってもよい。ただし、エンジンをいったん逆転作動させると、停止時膨張行程気筒１２Ｂの燃焼エネルギーが高まることから、より確実にエンジンを再始動させることができる。また本発明の効果を顕著に享受することができる。

（２）上記実施形態では、可変バルブタイミング機構として電磁ＶＶＴ５０を採用しているが、必ずしも電磁ＶＶＴ５０でなくても良く、例えばカム位相をずらせるもの等であっても良い。但し電磁ＶＶＴ５０とした場合には、制御の自由度が格段に増大する。

（３）上記実施形態では、説明の都合上、＃１気筒１２Ａを停止時圧縮行程気筒、＃２気筒１２Ｂを停止時膨張行程気筒、＃３気筒１２Ｃを停止時吸気行程気筒、＃４気筒１２Ｄを停止時排気行程気筒であるとしたが、必ずしもそのようにする必要はなく、また自動停止する度に変動しても良い。但し着火順序は変動しないので、どの気筒が停止時膨張行程気筒であるかが決定すれば、他の気筒は一義的に決定する。

（４）上記実施形態の、自動再始動制御の開始時点である、エンジン完全停止に至る過程、或いは制御は、いかなるものであっても良い。また、ピストン１３の停止位置が適正停止範囲Ｒにないものに本発明を適用しても良い。

（５）上記実施形態では、燃料噴射弁１６について筒内噴射型のものを採用しているが、ポート噴射型の燃料噴射弁を採用する場合にも適用することができる。しかし筒内直噴型であるほうが、追加燃料噴射８６の効果を顕著に享受することができる。

本発明に係る始動装置を備えたエンジンの概略断面図である。エンジンの吸気系および排気系の構成を示す説明図である。エンジンの圧縮行程気筒と膨張行程気筒との関係を示す図である。（ａ）は圧縮行程気筒および膨張行程気筒のピストンの位置関係を示す図であり、（ｂ）はピストンの停止位置と各気筒内の空気量との関係を示す図である。バックアップ始動制御を含むエンジン自動再始動制御のタイムチャートである。バックアップ始動制御を含むエンジン自動再始動制御のフローチャートの前半である。図５のフローチャートの後半である。

符号の説明

１エンジン本体
２ＥＣＵ（再始動制御手段）
１２Ａ＃１気筒（停止時圧縮行程気筒）
１２Ｂ＃２気筒（停止時膨張行程気筒）
１２Ｃ＃３気筒（停止時吸気行程気筒）
１２Ｄ＃４気筒（停止時排気行程気筒）
１６燃料噴射弁（燃料供給手段）
１９吸気弁
３３水温センサ（温度検出手段）
３６スタータ（スタータモータ）
５０電磁ＶＶＴ（電磁式動弁機構、可変バルブタイミング機構）

Claims

一時的に停止状態にあるエンジンに所定の再始動条件が成立したときに、少なくともエンジン停止時に膨張行程にある気筒で燃焼を行わせて自動的に再始動させる自動再始動制御を行う再始動制御手段を備えたエンジンの始動装置であって、
エンジンに正転方向の駆動力を付与するスタータモータと、
吸気弁の少なくとも閉弁時期を遅角可能な可変バルブタイミング機構とを備え、
上記再始動制御手段は、上記自動再始動制御において、所定時期に上記スタータモータを駆動させるバックアップ始動制御を必要に応じて行うように構成され、
上記バックアップ始動制御は、始動後の第１圧縮上死点でその要否が判別されるものであって、エンジンの回転が第２圧縮上死点を越えられないと判別されたときに必要と判定され、
上記再始動制御手段は、上記バックアップ始動制御を行わないとき、エンジン停止時に吸気行程にある気筒の、最初の圧縮行程での特定燃料供給を実行し、
上記再始動制御手段は、上記バックアップ始動制御を行うとき、上記特定燃料供給を禁止するとともに、その後エンジンが逆転を始めると、上記スタータモータを、エンジンが逆転から正転に転じる付近のタイミングで駆動力付与がなされるように駆動し、上記特定燃料供給を禁止した気筒で上記スタータモータの駆動による再圧縮がなされるときに、その再圧縮の開始後の圧縮行程途中まで吸気弁の閉弁時期を遅角させ、該吸気弁の閉弁後の圧縮行程において該気筒に燃料を供給することを特徴とするエンジンの始動装置。
上記再始動制御手段は、最初にエンジン停止時に圧縮行程にある気筒で燃焼を行わせて一旦エンジンを逆転させた後、上記エンジン停止時に膨張行程にある気筒での最初の燃焼を行なわせることを特徴とする請求項１記載のエンジンの始動装置。
上記再始動制御手段は、上記エンジン逆転後の最初の燃焼を行わせ、その後２回目の逆転が起きたときに、その２回目の逆転中の行程の略中間点を起算点として、２回目の逆転の開始時から上記起算点に至るまでの時間から上記スタータモータの遅れ時間を差し引いた時間だけ経過した時点を、上記スタータモータの駆動開始時期として算出することを特徴とする請求項２記載のエンジンの始動装置。
エンジンの温度状態を検出するエンジン温度検出手段を備え、
上記可変バルブタイミング機構は電磁力で開閉駆動する電磁式動弁機構であって、
上記吸気弁の閉弁時期遅角量は、エンジン温度が高いほど大きくなるように設定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のエンジンの始動装置。
上記吸気弁の閉弁時期遅角量の増大幅に合わせ、該吸気弁の閉弁後になされる上記燃料供給の時期が遅角させられることを特徴とする請求項４記載のエンジンの始動装置。