JP5238014B2

JP5238014B2 - 内燃機関の停止制御装置

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Publication number: JP5238014B2
Application number: JP2010282522A
Authority: JP
Inventors: 優幸萩原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2030-12-20
Also published as: CN102536471B; EP2466099B1; JP2012132316A; CN102536471A; EP2466099A1

Description

本発明は、内燃機関の停止時におけるピストンの停止位置を制御する停止制御装置に関する。

機関が停止したときに吸気弁と排気弁がともに開弁している状態（以下「オーバラップ状態」という）の気筒が存在する場合には、排気が吸気管に逆流して次の始動時に円滑な始動が困難となることがある。特許文献１には、機関がオーバラップ状態で停止しないように、停止直前にスロットル弁を開弁して吸入空気量を増量する停止位置制御手法が示されている。この手法によれば、機関停止時に圧縮行程となる気筒（最終圧縮行程気筒）における停止直前の吸気行程開始時期より前にスロットル弁が開弁される。これにより、最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒の吸入空気量が増加し、停止直前の逆転によってオーバラップ状態で停止することが回避される。

特許第４４３５８４４号公報

上記従来の停止位置制御手法によれば、４気筒機関や６気筒機関ではオーバラップ状態での停止を回避することができるが、３気筒機関に適用した場合には、むしろオーバラップ状態で停止する可能性を高めるという課題がある。

図５及び図６を参照してこの点を詳細に説明する。図５及び図６は、機関での燃焼が行われず、かつスロットル弁開度を一定値に維持した状態における膨張行程気筒で発生する正回転方向トルクＴＲＱＦと、圧縮行程気筒で発生する逆回転方向トルクＴＲＱＲとを太い破線で示し、両者の合成トルクＴＲＱＴを細い実線で示しており、図５は３気筒機関に対応し、図６は４気筒機関に対応する。合成トルクＴＲＱＴが「０」となる回転位相（以下「トルクバランス角度」という）ＣＡＢ１及びＣＡＢ２が一点鎖線で示されている。太い一点鎖線で示す第１トルクバランス角度ＣＡＢ１が最も停止する可能性の高い角度位置（位相）を示し、細い一点鎖線で示す第２トルクバランス角度ＣＡＢ２が次に停止する可能性の高い角度位置を示す。また図５及び図６の下部には、各気筒の行程が示されている。またＲＯＶＬは、吸排気弁がともに開弁する角度範囲（以下「オーバラップ範囲」という）を示す。

図６に示すように、４気筒機関では第１トルクバランス角度ＣＡＢ１は、吸気行程及び排気行程の中心角度と一致するので、最終膨張行程気筒の吸入空気量を増量し、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１に停止させることにより、オーバラップ状態での停止を回避できる。

これに対し３気筒機関では、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１は、図５に示すように吸気行程の開始時期と一致するため、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１に停止させると、必ずオーバラップ状態で停止することになる。また、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１は、第１の気筒の膨張行程と第２の気筒の圧縮行程とが重複する角度範囲の略中心の角度位置に相当し、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１が第３の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲ＲＯＶＬ内にある機関（例えば５気筒機関）では、３気筒機関と同様の問題が発生する（図７参照）。

本発明は、上述した点を考慮してなされたものであり、従来の停止位置制御手法を適用すると、オーバラップ状態に停止する可能性が高い機関において、オーバラップ状態での停止を確実に回避できる内燃機関の停止制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、前記機関は、３気筒若しくは５気筒を有する機関、または５気筒より多い気筒を有し、第１の気筒の膨張行程と第２の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度（ＣＡＢ１）が、第３の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲（ＲＯＶＬ）内にある動作モードで動作可能な機関であり、前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁（３）と、前記機関の停止指令後に前記吸気制御弁（３）を閉弁し、前記機関の停止時に圧縮行程となる最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後に前記吸気制御弁（３）を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、前記機関は、３気筒若しくは５気筒を有する機関、または５気筒より多い気筒を有し、第１の気筒の膨張行程と第２の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度（ＣＡＢ１）が、第３の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲（ＲＯＶＬ）内にある動作モードで動作可能な機関であり、前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁（３）と、前記機関の停止指令後に前記吸気制御（３）弁を閉弁し、前記機関の停止時に吸気行程となる最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時期と同時または開弁期間中に前記吸気制御弁（３）を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の停止位置制御装置において、前記機関の回転速度（ＮＥ）を検出する回転速度検出手段と、前記機関軸の回転角度（ＣＡ）を検出する機関軸回転角度検出手段とを備え、前記機関回転速度（ＮＥ）及び前記機関軸回転角度（ＣＡ）に基づいて、前記吸気制御弁（３）の開弁時期（ＣＡＴＨＯ）を判定することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の停止指令後に吸気制御弁が閉弁され、最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後に吸気制御弁が開弁される。これにより、最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒に吸入される空気量は増量されず、最終吸気行程気筒に吸入される空気量が増量される。この空気量の増量が下降するピストンの動きを促すとともに、停止直前に機関が逆転を開始しても、増量された空気を吸気管に戻すために必要な力が逆転方向のトルクを減少させ、ピストンが吸気行程開始上死点付近に達するまで逆転すること、すなわちオーバラップ状態での停止を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、機関の停止指令後に吸気制御弁が閉弁され、最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時期と同時または開弁期間中に吸気制御弁が開弁される。これにより、最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒に吸入される空気量は増量されず、最終吸気行程気筒に吸入される空気量が増量されるので、請求項１の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、検出される機関回転速度及び機関軸回転角度に基づいて、吸気制御弁の開弁時期が判定される。機関回転速度は機関回転の慣性エネルギと相関がある一方、機関軸回転角度から吸気弁の開閉状態（作動位相）を特定できるので、検出される機関回転速度及び機関軸回転角度に基づいて、吸気制御弁の開弁時期を判定することにより、請求項１または２に記載した適切なタイミングで吸気制御弁を開弁することができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。本実施形態における吸排気弁のリフトカーブ、各気筒の行程、及びステージ番号（ＳＴＧ）を示す図である。本実施形態における停止位置制御を、従来の制御と比較して説明するためのタイムチャートである。停止位置制御処理のフローチャートである。機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク（ＴＲＱＴ，ＴＲＱＦ，ＴＲＱＲ）及び各気筒の行程を示すタイムチャートである（３気筒機関）。機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク（ＴＲＱＴ，ＴＲＱＦ，ＴＲＱＲ）及び各気筒の行程を示すタイムチャートである（４気筒機関）。機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク（ＴＲＱＴ，ＴＲＱＦ，ＴＲＱＲ）及び各気筒の行程を示すタイムチャートである（５気筒機関）。機関での燃焼が行われない状態での慣性トルク（ＴＲＱＴ，ＴＲＱＦ，ＴＲＱＲ）及び各気筒の行程を示すタイムチャートである（６気筒機関）。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、３気筒エンジンであり、吸気管２を有し、吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３には、スロットル弁３の開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が設けられており、その検出信号が電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ７が接続されており、アクチュエータ７は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

燃料噴射弁６は図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。エンジン１の各気筒には点火プラグ９が設けられており、点火プラグ９にはＥＣＵ５から点火信号が供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（機関軸）の回転角度ＣＡを検出するクランク角度位置センサ８が接続されており、クランク軸の回転角度ＣＡに応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ８は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（３気筒エンジンではクランク角２４０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ１０が接続されており、その検出信号がＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６などに駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、上述したセンサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁６の開弁時間の制御、点火プラグ９の点火時期制御、スロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを算出し、検出したスロットル弁開度ＴＨが目標開度ＴＨＣＭＤに一致するようにアクチュエータ７の駆動制御を行う。

次に本実施形態におけるエンジン停止時のピストン位置の制御（以下「停止位置制御」という）の概要を説明する。

図２は、停止位置制御で使用されるパラメータを説明するための図であり、図の曲線Ｌ１及びＬ２は、それぞれ＃１気筒の排気弁のリフトカーブ及び吸気弁のリフトカーブである。図２にはさらにステージ番号ＳＴＧ及び各気筒（＃１気筒、＃２気筒、及び＃３気筒）の行程が示されている。ステージ番号ＳＴＧは、クランク軸の回転角度３０度毎のクランク角度範囲を示すパラメータであり、各気筒の吸気行程開始時期から３０度の期間をＳＴＧ＝０として、順次「７」まで増加し、「０」に戻るように定義されている。

ＣＡＩＯ及びＣＡＩＣは、それぞれ吸気弁開弁時期及び吸気弁閉弁時期であり、ＣＡＥＣは排気弁閉弁時期である。したがって、吸気弁開弁時期ＣＡＩＯから排気弁閉弁時期ＣＡＥＣまでの角度範囲がオーバラップ範囲ＲＯＶＬに相当する。

図３は、本実施形態における停止位置制御と、従来の停止位置制御とを対比して説明するためのタイムチャートであり、実線が本実施形態の制御に対応し、破線が特許文献１に示された制御（以下「従来制御」という）に対応し、一点鎖線はスロットル弁開度を全閉状態に維持する例に対応する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、それぞれエンジン回転数ＮＥ、吸気圧ＰＢＡ、スロットル弁開度ＴＨ、及びクランク角度ＣＡＲ（エンジン停止時に吸気行程となる気筒の吸気行程開始時期を０度として２４０度に達すると０度に戻るように定義されている）の推移を示す。

時刻ｔ０にイグニッションスイッチがオフされ、同時にスロットル弁の閉弁指令が行われる。従来制御では時刻ｔ１に開弁指令が行われ、図３（ｃ）に破線で示すようにスロットル弁開度ＴＨが増加する。本実施形態では、時刻t２に開弁指令が行われ、実線で示すようにスロットル弁開度ＴＨが増加する。スロットル弁開度ＴＨの増加に伴って、吸気圧ＰＢＡが増加する（図３（ｂ））。その結果、従来制御では最終圧縮行程気筒及び最終膨張行程気筒の吸入空気量が増量され、図３（ｄ）に破線で示すように吸気行程開始角度位置（ＣＡＲ＝０）まで逆回転して戻される。すなわち、エンジン１はオーバラップ状態で停止する。

これに対し本実施形態では、最終吸気行程気筒の吸入空気量が増量され、下降するピストンの動きを促すとともに、停止直前に逆回転を開始しても、増量された空気を吸気管に戻すために必要な力が逆転方向のトルクを減少させる。その結果、図３（ｄ）に実線で示すように逆回転が抑制され、ピストンが吸気行程開始上死点付近に達するまで逆転すること、すなわちオーバラップ状態での停止を防止することができる。

なおスロットル弁３を全閉状態に維持する例では、図３（ｄ）に一点鎖線で示すように従来制御とほぼ同様にピストンは吸気行程開始上死点付近で停止する。

最終吸気行程気筒の吸入空気量を増量させるための制御手法としては、以下の２つの制御手法がある。なお、下記第１及び第２の手法のいずれにおいても、スロットル弁の開弁状態はエンジンが停止するまで維持する。
第１の手法：最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後にスロットル弁を開弁する。
第２の手法：最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁と同時または開弁期間中にスロットル弁を開弁する。

これらの手法を図２を参照して説明する。先ず、＃１気筒が最終圧縮行程気筒であるとすると、吸気弁閉弁時期ＣＡＩＣより後の比較的早い時期（例えばステージ番号ＳＴＧが「１」の期間が終了する時期（ＣＡ＝６０度）まで）にスロットル弁を開弁することにより、最終吸気行程気筒である＃２気筒の吸入空気量が増量される。また、＃１気筒が最終吸気行程気筒であるとすると、吸気弁開弁時期ＣＡＩＯと同時またはその後の比較的早い時期（例えばステージ番号ＳＴＧが「０」の期間が終了する時期（ＣＡ＝３０度）まで）においてスロットル弁を開弁することにより、＃１気筒の吸入空気量が増量される。すなわち、第１の手法では、最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁時点から所定期間ＴＴＨＯ（例えばクランク角度４０度に相当する期間）内にスロットル弁を開弁し、第２の手法では、最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時点から所定期間ＴＴＨＯ内にスロットル弁を開弁することが望ましい。

図４は、上述した第２の手法による停止位置制御を行う処理のフローチャートである。この処理は、エンジン１の停止指令が行われた時点、すなわちイグニッションスイッチがオフされた時点、またはアイドル運転を一時的に停止するためのアイドル停止指令が出された時点から、エンジン１が停止するまでの期間において、所定時間（例えば１０ミリ秒）毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。

ステップＳ１１では、エンジン回転数ＮＥが所定回転数ＮＥＩＣＯＦＰＲＥ（例えば４００ｒｐｍ）より低いか否かを判別する。最初はこの答は否定（ＮＯ）となるので、ステップＳ１４に進み、スロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを「０」に設定する。

エンジン回転数ＮＥが低下し、ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）となると、ステージ番号ＳＴＧが「０」であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。この答が否定（ＮＯ）であるときは、前記ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）であるときに、ステップＳ１３に進み、目標開度ＴＨＣＭＤを所定開度ＴＨＯＦ（例えば２０ｄｅｇ）に設定する。

図４の処理によれば、エンジン回転数ＮＥによってエンジン回転の慣性エネルギが考慮され、さらにステージ番号ＳＴＧによって最適なスロットル弁開弁時期ＣＡＴＨＯを判定することができる。

なお、上記第１の手法は、図４のステップＳ１２において、例えばステージ番号ＳＴＧが「１」であるか否かを判別することにより実現できる）。

図５は、従来技術の課題を説明するために用いた図であり、３気筒エンジンでは、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１が、オーバラップ範囲ＲＯＶＬ内にある。そこで、本実施形態では、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１を避けてエンジン１を停止させるために、上述した停止位置制御が行われる。なお、３気筒エンジンでは、第２トルクバランス角度ＣＡＢ２における合成トルクＴＲＱＴの、クランク角度に対する変化率（図に示される合成トルク曲線の傾き）が大きいので、スロットル弁開度を一定に維持した場合には、第２トルクバランス角度ＣＡＢ２で停止する可能性は非常に小さい。

図７は、５気筒のエンジンについて図５と同様にトルク変化を示す図である。この図から明らかなように、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１は、３気筒エンジンと同様にオーバラップ範囲ＲＯＶＬ内にある。したがって、上述した第１及び第２の手法は、５気筒エンジンにおいても有効であり、オーバラップ状態での停止を防止することができる。

図８は、６気筒のエンジンについて図５と同様にトルク変化を示す図である。この図から明らかなように、６気筒エンジンでは、第２トルクバランス角度ＣＡＢ２がオーバラップ範囲ＲＯＶＬ内にある。したがって、特許文献１に示された制御手法によって、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１で停止させることにより、オーバラップ状態での停止を回避できる。しかしながら、６気筒エンジンでは、合成トルクＴＲＱＴの推移を示す曲線の、第１トルクバランス角度ＣＡＢ１における傾きの絶対値と、第２トルクバランス角度ＣＡＢ２における傾きとがともに比較的大きくかつほぼ等しくなるため、トルクバランス角度ＣＡＢ１及びＣＡＢ２で停止する可能性はどちらもほぼ同一であり、かつ５気筒以下のエンジンに比べて、角度ＣＡＢ１またはＣＡＢ２で停止する可能性は小さくなる。さらにエンジンのフリクションが大きくなることから、６気筒エンジンでは、トルクバランス角度ＣＡＢ１，ＣＡＢ２以外の角度で止まる可能性が高くなる。

したがって、６気筒エンジンでは、本実施形態の停止位置制御方法が特に有効であるとはいえないが、６気筒エンジンにおいて３気筒休止運転（３気筒のみ作動させる運転）を行っているときは、３気筒エンジンと同じトルク変化特性（図５の特性）を示すことになるため、本実施形態における停止位置制御方法が有効である。また例えば１０気筒エンジンにおいて５気筒休止運転を行っている状態から停止するときも同様である。

本実施形態では、スロットル弁３が吸気制御弁に相当し、ＥＣＵ５及びアクチュエータ７が吸気制御手段を構成する。またクランク角度位置センサ８が、回転速度検出手段及び機関軸回転角度検出手段に相当する。また６気筒エンジンにおける３気筒休止運転、あるいは１０気筒エンジンにおける５気筒休止運転が、「第１の気筒の膨張行程と第２の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度が、第３の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲内にある動作モード」に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１または第２の手法を実現する停止位置制御は、図４に示すものに限らず、例えば特許文献１に示される他の制御手法を適用してもよい。スロットル弁開弁時期ＣＡＴＨＯにおけるエンジン回転数ＮＥ、クランク角度ＣＡ（ステージ番号ＳＴＧ）、及びスロットル弁開度ＴＨＯＦと、ピストン停止位置との関係は実験的に予め求めておくことができるからである。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの停止位置制御にも適用が可能である。

１内燃機関
２吸気管
３スロットル弁（吸気制御弁）
５電子制御ユニット（吸気制御手段）
７アクチュエータ（吸気制御手段）
８クランク角度位置センサ（回転速度検出手段、機関軸回転角度検出手段）

Claims

内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、
前記機関は、３気筒若しくは５気筒を有する機関、または５気筒より多い気筒を有し、第１の気筒の膨張行程と第２の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度が、第３の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲内にある動作モードで動作可能な機関であり、
前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁と、
前記機関の停止指令後に前記吸気制御弁を閉弁し、前記機関の停止時に圧縮行程となる最終圧縮行程気筒の吸気弁の閉弁後に前記吸気制御弁を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の停止位置制御装置。
内燃機関の停止時に前記機関のピストンの停止位置を制御する、内燃機関の停止位置制御装置において、
前記機関は、３気筒若しくは５気筒を有する機関、または５気筒より多い気筒を有し、第１の気筒の膨張行程と第２の気筒の圧縮行程とが重複する機関軸角度範囲の略中心の機関軸角度が、第３の気筒の吸気弁及び排気弁の開弁期間がオーバラップするオーバラップ範囲内にある動作モードで動作可能な機関であり、
前記機関の各気筒に備えられた吸気弁の上流側に設けられ、前記機関の吸気量を制御する吸気制御弁と、
前記機関の停止指令後に前記吸気制御弁を閉弁し、前記機関の停止時に吸気行程となる最終吸気行程気筒の吸気弁の開弁時期と同時または開弁期間中に前記吸気制御弁を開弁する吸気制御手段とを備えることを特徴とする内燃機関の停止位置制御装置。
前記機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記機関軸の回転角度を検出する機関軸回転角度検出手段とを備え、
前記機関回転速度及び前記機関軸回転角度に基づいて、前記吸気制御弁の開弁時期を判定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の停止位置制御装置。