(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の一実施形態に係る始動制御装置が適用されたディーゼルエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるディーゼルエンジンは、走行駆動用の動力源として、手動変速機を搭載するMT車両に用いられる4サイクルのディーゼルエンジンである。このエンジンのエンジン本体1は、いわゆる直列4気筒型のものであり、紙面に直交する方向に列状に並ぶ4つの気筒2A〜2Dを有するシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2A〜2Dにそれぞれ往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。
上記ピストン5の上方には燃焼室6が形成されており、この燃焼室6には、燃料としての軽油が、後述する燃料噴射弁15からの噴射によって供給される。そして、噴射された燃料(軽油)が、ピストン5の圧縮作用により高温・高圧化した燃焼室6で自着火し(圧縮自己着火)、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動するようになっている。
上記ピストン5は図外のコネクティングロッドを介してクランクシャフト7と連結されており、上記ピストン5の往復運動(上下運動)に応じて上記クランクシャフト7が中心軸回りに回転するようになっている。
ここで、図示のような4サイクル4気筒のディーゼルエンジンでは、各気筒2A〜2Dに設けられたピストン5が、クランク角で180°(180°CA)の位相差をもって上下運動する。このため、各気筒2A〜2Dでの燃焼(そのための燃料噴射)のタイミングは、180°CAずつ位相をずらしたタイミングに設定される。具体的には、気筒2A,2B,2C,2Dの気筒番号をそれぞれ1番、2番、3番、4番とすると、1番気筒2A→3番気筒2C→4番気筒2D→2番気筒2Bの順に燃焼が行われる。このため、例えば1番気筒2Aが膨張行程であれば、3番気筒2C、4番気筒2D、2番気筒2Bは、それぞれ、圧縮行程、吸気行程、排気行程となる。
上記シリンダヘッド4には、各気筒2A〜2Dの燃焼室6に開口する吸気ポート9及び排気ポート10と、各ポート9,10を開閉する吸気弁11及び排気弁12とが設けられている。なお、吸気弁11及び排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構13,14により、クランクシャフト7の回転に連動して開閉駆動される。
また、上記シリンダヘッド4には、燃料噴射弁15が各気筒2A〜2Dにつき1つずつ設けられている。各燃料噴射弁15は、蓄圧室としてのコモンレール20に分岐管21を介してそれぞれ接続されている。コモンレール20には、燃料供給ポンプ23から燃料供給管22を通じて供給された燃料(軽油)が高圧状態で蓄えられており、このコモンレール20内で高圧化された燃料が分岐管21を通じて各燃料噴射弁15にそれぞれ供給されるようになっている。
上記燃料噴射弁15は、先端部に複数の噴孔を有した多噴孔型のものであり、その内部に、上記各噴孔に通じる燃料通路と、この燃料通路を開閉するために電磁的に駆動されるニードル状の弁体とを有している(いずれも図示省略)。そして、通電による電磁力で上記弁体が開方向に駆動されることにより、コモンレール20から供給された燃料が上記各噴孔から燃焼室6に向けて直接噴射されるようになっている。なお、本実施形態における燃料噴射弁15は、8〜12個という多数の噴孔を有している。
上記燃料噴射弁15と対向するピストン5の冠面(上面)の中央部には、他の部分(冠面の周縁部)よりも下方に凹んだキャビティ5aが形成されている。このため、ピストン5が上死点の近くにある状態で上記燃料噴射弁15から燃料が噴射された場合、この燃料は、まずキャビティ5aの内部に進入することになる。
ここで、本実施形態のエンジン本体1は、その幾何学的圧縮比(ピストン5が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン5が上死点にあるときの燃焼室容積との比)が14に設定されている。すなわち、一般的な車載用のディーゼルエンジンの幾何学的圧縮比が18もしくはそれ以上に設定されることが多いのに対し、本実施形態では、幾何学的圧縮比が14というかなり低い値に設定されている。
上記シリンダブロック3やシリンダヘッド4の内部には、冷却水が流通する図外のウォータジャケットが設けられており、このウォータジャケット内の冷却水の温度を検出するための水温センサSW1が、上記シリンダブロック3に設けられている。
また、上記シリンダブロック3には、クランクシャフト7の回転角度及び回転速度(すなわちエンジン回転速度)を検出するためのクランク角センサSW2が設けられている。このクランク角センサSW2は、クランクシャフト7と一体に回転するクランクプレート25の回転に応じてパルス信号を出力する。
具体的に、上記クランクプレート25の外周部には、一定ピッチで並ぶ多数の歯が突設されており、その外周部における所定範囲には、基準位置を特定するための歯欠け部25a(歯の存在しない部分)が形成されている。そして、このように基準位置に歯欠け部25aを有したクランクプレート25が回転し、それに基づくパルス信号が上記クランク角センサSW2から出力されることにより、クランクシャフト7の回転角度(クランク角)及び回転速度(エンジン回転速度)が検出されるようになっている。
一方、上記シリンダヘッド4には、動弁用のカムシャフト(図示省略)の角度を検出するためのカム角センサSW3が設けられている。カム角センサSW3は、カムシャフトと一体に回転するシグナルプレートの歯の通過に応じて、気筒判別用のパルス信号を出力する。
すなわち、上記クランク角センサSW2から出力されるパルス信号の中には、上述した歯欠け部25aに対応して360°CAごとに生成される無信号部分が含まれるが、その情報だけでは、例えばピストン5が上昇しているときに、それがどの気筒の圧縮行程又は排気行程にあたるのか判別することができない。そこで、720°CAごとに1回転するカムシャフトの回転に基づきカム角センサSW3からパルス信号を出力させ、その信号が出力されるタイミングと、上記クランク角センサSW2の無信号部分のタイミング(歯欠け部25aの通過タイミング)とに基づいて、気筒判別を行うようにしている。
上記吸気ポート9及び排気ポート10には、吸気通路28及び排気通路29がそれぞれ接続されている。すなわち、外部からの吸入空気(新気)が上記吸気通路28を通じて燃焼室6に供給されると共に、燃焼室6で生成された排気ガス(燃焼ガス)が上記排気通路29を通じて外部に排出されるようになっている。
上記吸気通路28のうち、エンジン本体1から所定距離上流側までの範囲は、気筒2A〜2Dごとに分岐した分岐通路部28aとされており、各分岐通路部28aの上流端がそれぞれサージタンク28bに接続されている。このサージタンク28bよりも上流側には、単一の通路からなる共通通路部28cが設けられている。
上記共通通路部28cには、各気筒2A〜2Dに流入する空気量(吸気流量)を調節するための吸気絞り弁30が設けられている。吸気絞り弁30は、エンジンの運転中は基本的に全開もしくはこれに近い高開度に維持されており、エンジンの停止時等の必要時にのみ閉弁されて吸気通路28を遮断するように構成されている。
また、上記吸気絞り弁30とサージタンク28bとの間の共通通路部28cには、吸気流量を検出するためのエアフローセンサSW4が設けられている。サージタンク28bには、サージタンク28b内の圧力(吸気圧力)を検出するインマニ圧センサSW5が設けられている。ここで、サージタンク28b内の圧力は、吸気絞り弁30よりも下流側の吸気通路28内の圧力(インマニ圧)である。
上記クランクシャフト7には、タイミングベルト等を介してオルタネータ32が連結されている。このオルタネータ32は、図外のフィールドコイルの電流を制御して発電量を調節するレギュレータ回路を内蔵しており、車両の電気負荷やバッテリの残容量等から定められる発電量の目標値(目標発電電流)に基づき、クランクシャフト7から駆動力を得て発電を行うように構成されている。
上記シリンダブロック3には、エンジンを始動するためのスタータモータ34が設けられている。このスタータモータ34は、モータ本体34aと、モータ本体34aにより回転駆動されるピニオンギア34bとを有している。上記ピニオンギア34bは、クランクシャフト7の一端部に連結されたリングギア35と離接可能に噛合している。そして、上記スタータモータ34を用いてエンジンを始動する際には、ピニオンギア34bが所定の噛合位置に移動して上記リングギア35と噛合し、ピニオンギア34bの回転力がリングギア35に伝達されることにより、クランクシャフト7が回転駆動されるようになっている。
クランクシャフト7の変速機側の端部には、エンジンの回転ムラを低減して変速機に滑らかな回転を入力するためのフライホイールが装備されている。図2に示すように、このフライホイール100は、デュアルマスフライホイール(DMF)と称されるもので、クランクシャフト7に連結されたプライマリプレート101と、変速機への入力軸106に連結されたセカンダリプレート104とを備える。プライマリプレート101には上記リングギア35が一体に結合され、セカンダリプレート104にはフランジ部材105が一体に結合されている。プライマリプレート101の内部に環状に曲成されたコイルスプリング107が収容され、セカンダリプレート104がプライマリプレート101に嵌入している。上記コイルスプリング107の一端がプライマリプレート101に接続され、他端がフランジ部材105に接続されている。エンジンの回転ムラ(回転変動)は、コイルスプリング107の伸縮により吸収され、セカンダリプレート104及び入力軸106は滑らかに回転する。
このように、フライホイール100がエンジンのクランクシャフト7に装備されているMT車両は、例えばフライホイールがエンジンのクランクシャフトに装備されていないAT車両等に比べて、回転慣性質量が大きいため、燃料カット後の回転低下が遅く、燃料カット後の惰性によるエンジン回転が長く続き、エンジンが完全停止するまで長い時間を要する。
(2)制御系
以上のように構成されたエンジンは、その各部がECU(エンジン制御ユニット)50により統括的に制御される。ECU50は、周知のとおり、CPU、ROM、RAM等から構成されるマイクロプロセッサである。
上記ECU50には、各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ECU50は、エンジンの各部に設けられた上記水温センサSW1、クランク角センサSW2、カム角センサSW3、エアフローセンサSW4、及びインマニ圧センサSW5と電気的に接続されており、これら各センサSW1〜SW5からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転速度、気筒判別情報、吸気流量、吸気圧力(インマニ圧)等の種々の情報を取得する。
また、ECU50には、車両に設けられた各種センサ(SW6〜SW9)からの情報も入力される。すなわち、車両には、運転者により踏み込み操作されるアクセルペダル36の開度を検出するためのアクセル開度センサSW6と、ブレーキペダル37のON/OFF(ブレーキの有無)を検出するためのブレーキセンサSW7と、車両の走行速度(車速)を検出するための車速センサSW8と、バッテリ(図示省略)の残容量を検出するためのバッテリセンサSW9とが設けられている。ECU50は、これら各センサSW6〜SW9からの入力信号に基づいて、アクセル開度、ブレーキの有無、車速、バッテリの残容量といった情報を取得する。
上記ECU50は、上記各センサSW1〜SW9からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。具体的に、ECU50は、上記燃料噴射弁15、吸気絞り弁30、オルタネータ32、及びスタータモータ34と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。
上記ECU50が有するより具体的な機能について説明する。ECU50は、例えばエンジンの通常運転時に、運転条件に基づき定められる所要量の燃料を燃料噴射弁15から噴射させたり、車両の電気負荷やバッテリの残容量等に基づき定められる所要発電量をオルタネータ32に発電させる等の基本的な機能を有する他、いわゆるアイドルストップ機能として、予め定められた特定の条件下でエンジンを自動的に停止させ、又は再始動させる機能をも有している。このため、ECU50は、エンジンの自動停止又は再始動制御に関する機能的要素として、自動停止制御部51及び再始動制御部52を有している。
上記自動停止制御部51は、エンジンの運転中に、予め定められたエンジンの自動停止条件が成立したか否かを判定し、且つ、エンジンを停止させても支障のない状態であるか(システム条件が成立したか)否かを判定し、両方が確認された場合に、エンジンを自動停止させる制御を実行するものである。
例えば、車両が停止状態にあること等の複数の要件が揃い(自動停止条件が成立し)、且つ、エンジンを停止させても支障のない状態である(システム条件が成立した)ことが確認された場合に、燃料噴射弁15からの燃料噴射を停止(燃料カット)する等により、エンジンを停止させる。
上記再始動制御部52は、エンジンが自動停止した後、予め定められた再始動条件が成立したか否かを判定し、成立した場合に、エンジンを再始動させる制御を実行するものである。
例えば、車両を発進させるために運転者がアクセルペダル36を踏み込む等して、エンジンを始動させる必要が生じたときに、再始動条件が成立したと判定する。そして、スタータモータ34を駆動してクランクシャフト7に回転力を付与しつつ、燃料噴射弁15からの燃料噴射を再開させることにより、エンジンを再始動させる。
(3)自動停止制御
次に、上記ECU50の自動停止制御部51により実行されるエンジンの自動停止制御の内容をより具体的に説明する。図3は、エンジンの自動停止制御時における各状態量の変化を示すタイムチャートである。本図では、エンジンの自動停止条件が成立した時点をt1、その後システム条件が成立した時点をt2、その後待機時間Tが経過した時点をt3としている。また、3TDC(iii)(エンジンが停止する前の全気筒2A〜2Dの最後の上死点の2つ前の上死点)が到来する時点をt4、2TDC(ii)(上記最後の上死点の1つ前の上死点)が到来する時点をt5、最終TDC(i)(上記最後の上死点)が到来する時点をt6としている。そして、エンジンが完全停止(0rpm)した時点をt7としている。なお、図中、「インマニ圧」とあるのは、インマニ圧センサSW5で検出されるサージタンク28b内の圧力(吸気圧力)のことである。
図3に示すように、エンジンの自動停止制御の際には、まず、上記時点t1で自動停止条件が成立し、且つ、上記システム条件が成立した時点t2で、燃料噴射弁15からの燃料噴射を停止する制御(燃料カット)が実行される。このとき、自動停止条件の成立時点t1からシステム条件の成立時点t2まで所定の遅れ時間Aが経過する。その理由は、ECU50が、単に運転者による車両の停止操作だけでエンジンの自動停止を許可するのではなく、それに加えて車両システムの観点からエンジンの自動停止の可否を判定するのに、例えば機器との通信時間等、ある程度の時間を要するからである。自動停止条件が成立しても、システム条件が成立しなければ、燃料カットは実行されない。
前述したように、本実施形態のディーゼルエンジンは、手動変速機を搭載するMT車両に用いられている。そのため、エンジンの回転ムラ(回転変動)を低減して変速機に滑らかな回転を入力するためのフライホイール100がクランクシャフト7に装備されている。したがって、例えば自動変速機を搭載するAT車両に用いられる場合と比べて、回転系の慣性重量が大きいため、燃料カット後のエンジンの回転低下が遅く、燃料カット後の惰性による回転が長く続き、エンジンが完全停止するのに相対的に長い時間を要する。
次いで、上記燃料カットが実行された時点t2から所定の待機時間Tが経過した時点t3で、吸気絞り弁30が閉方向に駆動され、その開度が、上記自動停止条件が成立する前に設定されていた通常運転時の開度(図例では80%)よりも小さい全閉(0%)まで低減される。
次いで、上記燃料カットの実行後、エンジン回転速度が低下する途上で、吸気絞り弁30が再び開かれる。具体的には、全気筒2A〜2Dにおけるエンジン停止直前の最後の上死点を最終TDCとしたときに、この最終TDCよりも1つ前の上死点(2TDC)の通過時(時点t5)に、吸気絞り弁30が開方向に駆動され、その開度が0%を超える所定の開度(例えば10〜30%程度)まで増やされる。
その後、時点t6で最終TDCを迎えた後、エンジンは、一時的にピストンの揺れ戻しにより逆回転するも、一度も上死点を越えることなく、時点t7で完全停止状態に至る。
ここで、上記のように吸気絞り弁30を開く制御を時点t5で実行するのは、エンジンが完全停止したときに圧縮行程にある気筒、つまり停止時圧縮行程気筒(図3では3番気筒2C)のピストン停止位置を、図4(b)に示すように、上死点と下死点との間に位置する基準停止位置Xよりも下死点側に設定された特定範囲Rxにできるだけ収めるためである。なお、基準停止位置Xは、エンジンの形状(排気量、ボア/ストローク比等)や暖機の進行度合い等によって異なり得るが、例えば上死点前(BTDC)90〜75°CAの間のいずれかの位置に設定することができる。例えば、基準停止位置XがBTDC80°CAである場合、上記特定範囲Rxは、BTDC80〜180°CAの範囲となる。
上記停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が上記特定範囲Rxで停止していれば、その後エンジンの再始動条件が成立したときに、上記停止時圧縮行程気筒2Cに最初の(エンジン全体として最初の)燃料を噴射する1圧縮始動によって、エンジンを迅速に再始動させることができる。一方、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置が上記特定範囲Rxから外れていれば、再始動の開始後、停止時圧縮行程気筒2Cの次に圧縮行程を迎える気筒、つまりエンジン停止時に吸気行程にある停止時吸気行程気筒(図3では4番気筒2D)に燃料を噴射する2圧縮始動によってエンジンを再始動する必要が生じる。このように、ピストン停止位置によって1圧縮始動と2圧縮始動とを使い分けるのは、ピストン停止位置によって停止時圧縮行程気筒2Cでの着火性が異なるからである。
上記2圧縮始動は、停止時吸気行程気筒2Dが圧縮行程に移行するまで燃料を燃焼させることができないので、始動の迅速性という点では、1圧縮始動の方が有利である。このため、1圧縮始動を高い頻度で実行可能にするには、できるだけ停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置を上記特定範囲Rxに収める必要がある。そこで、本実施形態では、図3に示したように、時点t5で吸気絞り弁30を開くようにしている。すなわち、図3の制御によれば、最終TDCの1つ前の上死点(2TDC)までは(時点t5までは)、吸気絞り弁30の開度が0%とされ、2TDCを過ぎると(時点t5を過ぎると)、吸気絞り弁30の開度が0%超の所定開度まで増大される。これにより、3TDC〜2TDCのインマニ圧が相対的に低くなり、2TDC〜最終TDCのインマニ圧が相対的に高くなる。そのため、2TDCから吸気行程を迎える(時点t5〜時点t6が吸気行程となる)停止時圧縮行程気筒2Cに対する流入空気量が、最終TDCの2つ前の上死点(3TDC)から吸気行程を迎える(時点t4〜時点t5が吸気行程となる)気筒、言い換えると、エンジンが完全停止したときに膨張行程にある停止時膨張行程気筒(図3では1番気筒2A)に対する流入空気量よりも増大することになる。
この点について図4(a),(b)を用いてより詳しく説明する。上記のように2TDCの通過時に吸気絞り弁30を開くと、上述したように、エンジンが自動停止する直前に、停止時圧縮行程気筒2C内への流入空気量(充填量)が停止時膨張行程気筒2A内への流入空気量(充填量)よりも多くなる。これにより、図4(a)に示すように、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5に作用する圧縮空気による押下げ力(圧縮された空気が膨張しようとする力)が大きくなる一方、停止時膨張行程気筒2Aのピストン5に作用する圧縮空気による押下げ力が小さくなる(むしろ停止時膨張行程気筒2Aのピストン5に作用する膨張空気による押上げ力が大きくなる)。このため、エンジンが完全停止したときには、図4(b)に示すように、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5の停止位置が自ずと下死点寄りとなり(停止時膨張行程気筒2Aのピストン5の停止位置は上死点寄りとなり)、結果として、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5を、比較的高い頻度で、上記基準停止位置Xよりも下死点側の特定範囲Rxに停止させることができるようになる。特定範囲Rxでピストン5が停止していれば、エンジンの再始動時には、停止時圧縮行程気筒2Cに燃料を噴射する1圧縮始動によってエンジンを迅速に再始動させることが可能となる。
次に、以上のようなエンジン自動停止制御を司る自動停止制御部51の具体的制御動作の一例について、図5のフローチャートを用いて説明する。
図5のフローチャートに示す処理がスタートすると、自動停止制御部51は、各種センサ値を読み込む制御を実行する(ステップS1)。具体的には、水温センサSW1、クランク角センサSW2、カム角センサSW3、エアフローセンサSW4、インマニ圧センサSW5、アクセル開度センサSW6、ブレーキセンサSW7、車速センサSW8、及びバッテリセンサSW9からそれぞれの検出信号を読み込み、これらの信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転速度、気筒判別情報、吸気流量、インマニ圧、アクセル開度、ブレーキの有無、車速、バッテリの残容量等の各種情報を取得する。
次いで、自動停止制御部51は、上記ステップS1で取得された情報に基づいて、エンジンの自動停止条件が成立しているか否かを判定する(ステップS2)。例えば、車両が停止していること、アクセルペダル36の開度がゼロ(アクセルOFF)であること、ブレーキペダル37が操作中(ブレーキON)であること、等の複数の要件が全て揃ったときに、自動停止条件が成立したと判定する。なお、車速については、必ずしも完全停止(車速=0km/h)を条件とする必要はなく、所定の低車速以下(例えば3km/以下)という条件を設定してもよい。
上記ステップS2でYESと判定されて自動停止条件が成立したことが確認された場合、自動停止制御部51は、エンジンを停止させても支障のない状態であるか否か、つまりシステム条件が成立しているか否かを判定する(ステップS3)。例えば、エンジンの冷却水温が所定値以上であること、バッテリの残容量が所定値以上であること等の複数の要件が全て揃ったときに、システム条件が成立したと判定する。
なお、前述したように、システム条件が成立しているか否かを判定するためには、車両システムの現在の状態に基いて、いまエンジンを停止させた場合の問題の有無を調べなければならないので、ある程度の時間がかかり、そのため、自動停止条件が成立した時点t1から所定の遅れ時間Aが経過した後に、このステップS3の判定の結果が出る。よって、自動停止条件の成立時点t1からシステム条件の成立時点t2まで所定の遅れ時間Aが経過する。
上記ステップS3でYESと判定されてシステム条件が成立したことが確認された場合、自動停止制御部51は、燃料噴射弁15からの燃料の供給を停止する燃料カットを実行する(ステップS4)。すなわち、上記システム条件が成立した時点t3以降は、各気筒2A〜2Dの燃料噴射弁15に対する駆動信号を全てOFFにし、各燃料噴射弁15の弁体を全閉位置に維持することにより、燃料カットを実行する。これにより、エンジン回転が徐々に低下していく。
前述したように、本実施形態のディーゼルエンジンは、MT車両に用いられ、クランクシャフト7にフライホイール100が装備されているから、燃料カット後のエンジン回転の低下が相対的に遅く、惰性による回転が相対的に長く続く傾向にある。比較のため、クランクシャフトにフライホイールが装備されていないAT車両の場合の燃料カット後のエンジン回転の低下の一例を図3に鎖線アで示した。AT車両の場合は、燃料カット後のエンジン回転がMT車両の場合と比べて速く低下し、燃料カット後のエンジン回転数が少ないことが分かる。
自動停止制御部51は、上記燃料カットと同時に、待機時間Tのカウントを開始する(ステップS4)。
次いで、自動停止制御部51は、上記待機時間Tが経過したか否かを判定する(ステップS5)。そして、燃料カットから上記待機時間Tが経過したときは、自動停止制御部51は、吸気絞り弁30の開度を自動停止条件が成立する前の開度よりも小さい全閉(0%)に設定する制御を実行する(ステップS6)。すなわち、図3のタイムチャートに示したように、燃料カットを開始した時点t2から上記待機時間Tが経過した時点t3で、吸気絞り弁30の開度を閉方向に駆動し始め、その開度を最終的に0%まで低下させる。
一方、燃料カットから上記待機時間Tが経過していないときは、自動停止制御部51は、例えば運転者がアクセルペダル36を踏み込む等の再始動要求があるか否かを判定する(ステップS7)。そして、燃料カットから上記待機時間Tが経過していないうちに再始動要求があるときは、自動停止制御部51は、現在のエンジン回転速度が再始動が可能なエンジン回転速度であるか否かを判定する(ステップS8)。そして、現在のエンジン回転速度が再始動可能回転速度であるときは、自動停止制御部51は、現在圧縮行程にある気筒に燃料を噴射して(ステップS9)、自動停止制御を終了する。これにより、燃料カットによってエンジン回転が低下している途中でエンジンが再始動される。
上記待機時間Tが経過し、吸気絞り弁30の開度を0%とした後は、自動停止制御部51は、4つの気筒2A〜2Dのいずれかのピストン5が上死点を迎えたときのエンジン回転速度(上死点通過回転速度)の値が、予め定められた所定範囲内にあるか否かを判定する(ステップS10)。なお、図3に示すように、エンジン回転速度は、4つの気筒2A〜2Dのいずれかが圧縮上死点(圧縮行程と膨張行程の間の上死点)を迎える度に一時的に落ち込み、圧縮上死点を越えた後に再び上昇するというアップダウンを繰り返しながら徐々に低下していく。よって、上死点通過回転速度は、エンジン回転速度のアップダウンの谷のタイミングにおける回転速度として測定することができる。
上記ステップS10での上死点通過回転速度に関する判定は、エンジン停止直前の最後の上死点(最終TDC)よりも1つ前の上死点(2TDC)を通過するタイミング(図3の時点t5)を特定するために行われる。すなわち、エンジンを自動停止させる過程において、エンジン回転速度の低下の仕方には一定の規則性があるため、上死点の通過時にそのときの回転速度(上死点通過回転速度)を調べれば、それが最終TDCの何回前の上死点にあたるのかを推定することができる。そこで、上死点通過回転速度を常時測定し、それが予め設定された所定範囲、すなわち、最終TDCの1つ前の上死点(2TDC)を通過するときの回転速度として予め実験等により求められた所定範囲の中に入るか否かを判定することにより、上記2TDCの通過タイミングを特定する。
上記ステップS10でYESと判定されて現時点が2TDC通過タイミング(図3の時点t5)であることが確認された場合、自動停止制御部51は、吸気絞り弁30を開方向に駆動し始め、その開度を0%超の所定開度(例えば10〜30%程度)まで増大させる制御を実行する(ステップS11)。これにより、時点t5から吸気行程を迎える停止時圧縮行程気筒2Cに対する流入空気量が、その1サイクル前(時点t4〜時点t5)が吸気行程であった停止時膨張行程気筒2Aに対する流入空気量よりも増大する。
その後、自動停止制御部51は、エンジン回転速度が0rpmであるか否かを判定することにより、エンジンが完全停止したか否かを判定する(ステップS12)。そして、エンジンが完全停止していれば(時点t7)、自動停止制御部51は、例えば、吸気絞り弁30の開度を、通常運転時に設定される所定の開度(例えば80%)に設定する等して、自動停止制御を終了する。
以上のように、この自動停止制御では、時点t5の2TDC通過時に吸気絞り弁30を開くステップS10〜S11の制御により、停止時圧縮行程気筒2Cの吸気行程と停止時膨張行程気筒2Aの吸気行程とのインマニ圧偏差が大きくなり、停止時圧縮行程気筒2Cと停止時膨張行程気筒2Aとの流入空気量(充填量)に差が生じているため、エンジンが完全停止したときには、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が、比較的高い頻度で下死点寄りの特定範囲Rx(図4(b))内に収まることになり、1圧縮始動を高い頻度で実行することが可能となる。
(4)再始動制御
次に、上記ECU50の再始動制御部52により実行されるエンジンの再始動制御の具体的制御動作の一例について、図6のフローチャートを用いて説明する。
図6のフローチャートに示す処理がスタートすると、再始動制御部52は、各種センサ値に基づいて、エンジンの再始動条件が成立しているか否かを判定する(ステップS21)。例えば、車両発進のためにアクセルペダル36が踏み込まれたこと(アクセルON)、エンジンの冷却水温が所定値未満になったこと、バッテリの残容量の低下幅が許容値を超えたこと、エンジンの停止時間(自動停止後の経過時間)が所定時間を越えたこと、等の要件の少なくとも1つが成立したときに、再始動条件が成立したと判定する。
上記ステップS21でYESと判定されて再始動条件が成立したことが確認された場合、再始動制御部52は、上述したエンジンの自動停止制御に伴い圧縮行程で停止した停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置を、クランク角センサSW2及びカム角センサSW3に基づき特定し、その特定したピストン停止位置が、基準停止位置Xよりも下死点側の特定範囲Rx(図4(b))にあるか否かを判定する(ステップS22)。
上記ステップS22でYESと判定されて停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置が特定範囲Rxにあることが確認された場合、再始動制御部52は、停止時圧縮行程気筒2Cに最初の燃料を噴射する1圧縮始動によってエンジンを再始動させる制御を実行する(ステップS23)。すなわち、スタータモータ34を駆動してクランクシャフト7に回転力を付与しつつ、燃料噴射弁15から停止時圧縮行程気筒2Cに燃料を噴射して自着火させることにより、エンジン全体として最初の圧縮上死点を迎えるときから燃焼を再開させて、エンジンを再始動させる。
ここで、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置は、上述した自動停止制御(図3、図5)の効果により、比較的多くのケースにおいて、上記特定範囲Rxに収まっていると考えられる。しかしながら、場合によっては、上記ピストン停止位置が特定範囲Rxを外れる(基準停止位置Xよりも上死点側でピストン5が停止する)こともあり得る。このようなときは、上記ステップS22でNOと判定されることになる。
上記ステップS22でNOと判定された場合(つまり停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が特定範囲Rxよりも上死点側で停止している場合)、再始動制御部52は、吸気行程で停止していた停止時吸気行程気筒2Dに最初の燃料を噴射する2圧縮始動によってエンジンを再始動させる制御を実行する(ステップS24)。すなわち、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が上死点を超えて、次に停止時吸気行程気筒2Dが圧縮行程を迎えるまで、燃料を噴射することなく、スタータモータ34の駆動のみによってエンジンを強制的に回転させる。そして、停止時吸気行程気筒2Dのピストン5が圧縮上死点付近に近づいた時点で燃料噴射弁15から停止時吸気行程気筒2Dに燃料を噴射し、噴射した燃料を自着火させることにより、エンジン全体として2回目の圧縮上死点を迎えるときから燃焼を再開させ、エンジンを再始動させる。
本実施形態では、少なくとも上記ステップS23で1圧縮始動を行う場合に、燃料噴射弁15にプレ噴射を行わせるようにしている。プレ噴射とは、圧縮上死点付近で噴射される拡散燃焼用の燃料噴射をメイン噴射とした場合に、このメイン噴射よりも前に予備的に噴射される燃料噴射のことである。プレ噴射による燃焼(プレ燃焼)は、メイン噴射に基づく圧縮上死点付近での拡散燃焼(メイン燃焼)を確実に引き起こすために利用される。すなわち、メイン噴射よりも早い段階で、プレ噴射によって少量の燃料を噴射し、その噴射した燃料を所定の着火遅れの後に燃焼(プレ燃焼)させることにより、筒内温度・圧力を上昇させて、その後に続くメイン燃焼を促進する。
上記のようなプレ噴射を停止時圧縮行程気筒2Cに対し実行すれば、圧縮上死点付近での筒内温度・圧力を意図して高めることができるので、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置が少々上死点側に近づいても、確実に1圧縮始動によりエンジンを再始動させることができるようになる。図4(b)に示した特定範囲Rxの境界である基準停止位置Xは、このようなプレ噴射による着火性の改善を加味して設定されたものである。つまり、プレ噴射がなかった場合には、上記基準停止位置Xは、図4(b)の例よりも下死点側に設定せざるを得ないが、プレ噴射によって着火性を改善することで、基準停止位置Xをより上死点側に設定することが可能になり、その結果、基準停止位置Xを、例えばBTDC90〜75°CAといった、下死点からかなり離れた位置に設定することが可能となる。これにより、特定範囲Rxが上死点側に拡大するので、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5がより高い頻度で上記特定範囲Rxに収まることとなり、1圧縮始動による迅速な再始動を行える機会が増える。
ここで、本実施形態におけるプレ噴射は、圧縮上死点よりも前の所定のクランク角範囲内で複数回(より具体的には2〜5回)実行される。これは、同じ量の燃料であれば、1回のプレ噴射で噴射し切るよりも、複数回のプレ噴射に分けて噴射した方が、ピストン5の冠面に設けられたキャビティ5a内にリッチな混合気を継続的に形成でき、着火遅れを短くできるからである。
(5)作用効果等
以上説明したように、本実施形態では、所定の条件下で自動的にエンジンを停止させたり再始動させたりする、いわゆるアイドルストップ機能を有したディーゼルエンジン、特に再始動時に1圧縮始動が可能なディーゼルエンジンにおいて、次のような特徴的な構成を採用した。
ECU50は、エンジンを自動停止させる過程(自動停止制御)において、自動停止条件が成立した時点t1から所定の遅れ時間Aが経過した時点t2に、燃料噴射弁15からの燃料噴射を停止し、燃料カットを実行する。次いで、ECU50は、上記燃料カットを開始した時点t2から所定の待機時間Tが経過した時点t3に、吸気絞り弁30の開度を上記自動停止条件が成立する前の開度よりも小さくする。
このような構成により、吸気絞り弁30の閉じ動作を燃料カットよりも後に行うから、吸気絞り弁30の閉じ動作を燃料カットよりも前に行う場合と比べて、燃料カット後に回転が低下している状態での気筒2A〜2Dへの流入空気量が多い時間が長くなる。その分、回転低下中の圧縮行程での圧縮反力及び圧縮漏れによる回転エネルギーの消費が多くなり、回転低下が速められて、エンジンが早期に完全停止する。そのため、たとえエンジンのクランクシャフト7にフライホイール100が装備されて回転系の慣性質量が大きいMT車両であっても、エンジンを自動停止させる過程において、エンジンの完全停止が早期化され、自動停止制御開始後の運転者の再始動要求に迅速に応答することが可能となる。
また、吸気絞り弁30の閉じ動作を燃料カットよりも前に行う場合と比べて、燃料カット後に気筒2A〜2Dへの流入空気量が多い時間が長くなる分、燃料カット後の筒内の掃気が促進され、エンジン再始動時の燃焼改善が図られる。
上記のような本実施形態の構成に対し、上記遅れ時間Aを利用して、上記遅れ時間Aが経過する前に吸気絞り弁30を先に閉じておき、上記遅れ時間Aが経過した時点(システム条件の成立が確認された時点)t2で燃料カットを行うことが提案される。このように、燃料カットを行うよりも前に吸気絞り弁30を先に閉じておくことは、ポンピングロスが多くなって回転低下が速まるように思われるが、いわゆるアイドルストップが実行されるような極低回転域では、吸気絞り弁30を閉じることによるポンピングロスは少ないため、回転低下を速める効果は得らないのである。
本実施形態では、このことに着目し、吸気絞り弁30の閉じ動作を燃料カットよりも後に行い、回転低下中の圧縮反力及び圧縮漏れによる回転エネルギーの消費を多くして、アイドルストップが実行されるような極低回転域で、回転低下を速める効果を得るようにしたものである。
本実施形態では、特に、ECU50は、上記待機時間Tが経過する前に運転者がアクセルペダル36を踏み込む等の再始動要求があり、且つエンジン回転速度が再始動可能な回転速度であるときは、燃料噴射弁15からの燃料噴射を再開するから(ステップS5、S7〜S9)、上記待機時間T中に燃料噴射を再開するだけで(つまり吸気絞り弁30を開く動作をしなくても)、燃料カットによる回転の低下中にエンジンを再始動させることができる。そのため、エンジンの完全停止を待たなくても、燃料カット開始後の運転者の再始動要求により一層迅速に応答することができる。すなわち、上記待機時間T中は、まだ吸気絞り弁30が開いているので、エンジンを再始動させるためには燃料噴射を再開するだけで済み、且つ、十分大きい始動トルクが得られ、エンジンが良好に再始動する。
本実施形態では、特に、ECU50は、吸気絞り弁30の開度を小さくした後、2TDC(時点t5)で、吸気絞り弁30の開度を大きくするから、停止時圧縮行程気筒2C内への流入空気量を、停止時膨張行程気筒2A内への流入空気量よりも多くすることができ、結果として、1圧縮始動による迅速なエンジン再始動の機会が増やされる。
なお、図3に鎖線アで示したように、AT車両の場合は、燃料カット後のエンジン回転が速く低下するため、符号イで示すように、3TDCが相対的に早く到来する。そして、この時点ではインマニ圧はまだ十分には低下していない。そのため、3TDC〜2TDCが吸気行程となる停止時膨張行程気筒2A内に相対的に多量の空気が流入し、2TDC〜最終TDCが吸気行程となる停止時圧縮行程気筒2C内への流入空気量との差が小さくなる。その結果、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5の停止位置が下死点寄りとなる頻度が相対的に少なくなり、1圧縮始動の機会が増え難くなる。
これに対し、本実施形態では、MT車両であるから、図3に実線で示したように、燃料カット後のエンジン回転が遅く低下するため、3TDCが相対的に遅く到来する(時点t4)。したがって、吸気絞り弁30の閉じ動作を燃料カットよりも後に行っても、3TDCの時点t4ではインマニ圧はすでに十分に低下している。そのため、3TDC〜2TDCが吸気行程となる停止時膨張行程気筒2A内に相対的に少量の空気が流入し、2TDC〜最終TDCが吸気行程となる停止時圧縮行程気筒2C内への流入空気量との差が大きくなる。その結果、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5の停止位置が下死点寄りとなる頻度が相対的に高くなり、1圧縮始動の機会が増え易くなるのである。
本実施形態では、特に、このディーゼルエンジンは、幾何学的圧縮比が16未満(より具体的には14)に設定されたディーゼルエンジンである。
このような構成により、幾何学的圧縮比が16未満のディーゼルエンジンは、従来から多用されてきたディーゼルエンジンに比べれば圧縮比が低く、その分、圧縮行程の途中位置に停止するピストン5の圧縮代(停止位置から圧縮上死点までの有効圧縮比)は小さく、燃料の自己着火性が相対的に低いため、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5を安定して下死点寄りに停止させて1圧縮始動の頻度を高めることができるという本実施形態の作用効果は非常に大きいものとなる。
(6)他の実施形態
上記実施形態では、フライホイール100としてデュアルマスフライホイールを用いたが、これに限らず、単一のプレートを有する通常のフライホイールを用いても構わない。
また、上記実施形態では、燃料カットを開始した時点t2から所定の待機時間Tが経過した時点t3に吸気絞り弁30の閉じ動作を行ったが、燃料カットを開始した時点t2に吸気絞り弁30の閉じ動作を行ってもよい。これによっても、吸気絞り弁30の閉じ動作を燃料カットよりも前に行う場合と比べて、燃料カット後に回転が低下している状態での気筒2A〜2Dへの流入空気量が多い時間が長くなる作用効果が得られる。
また、上記実施形態では、吸気絞り弁30の開度を0%から0%超の開度(例えば10〜30%程度)に切り替える時期を、2TDC(時点t5)としたが、これに限らず、停止時圧縮行程気筒2C内への流入空気量を停止時膨張行程気筒2A内への流入空気量よりも多くすることができる限り、2TDCよりも所定時間前の時点で吸気絞り弁30の開度を切り替えてもよく、また、2TDCよりも所定時間後の時点で吸気絞り弁30の開度を切り替えてもよい。つまり、吸気絞り弁30の開度を切り替える時期を、2TDCの近傍とすることが可能である。
また、上記実施形態では、圧縮自己着火式エンジンの一例としてディーゼルエンジン(軽油を自己着火により燃焼させるエンジン)を用い、ディーゼルエンジンに本発明に係る自動停止・再始動制御を適用した例を説明したが、圧縮自己着火式エンジンであれば、ディーゼルエンジンに限定されない。例えば、最近では、ガソリンを含む燃料を高圧縮比で圧縮して自己着火させる(HCCI:Homogeneous−Charge Compression Ignition:予混合圧縮着火)タイプのエンジンが研究、開発されているが、このような圧縮自己着火式のガソリンエンジンに対しても、本発明に係る自動停止・再始動制御は好適に適用可能である。