JP5885540B2 - エンジン制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、運転中のエンジンで燃料噴射が停止された後、次に燃料噴射を再開する時期を制御するエンジン制御の１方法を提供するものであり、特にエンジン始動時に立ち上がったエンジン回転数を早期に安定させるのに有用なエンジン制御方法を提供する。

従来よりエンジンの制御装置では、燃料節約の観点から、運転状況に応じて吸気中に燃料を噴射したり、噴射しなかったりといった制御がなされている。このような制御を燃料カット制御と呼び、燃料の噴射を止めるエンジン回転数を燃料カット回転数、燃料噴射を再開するエンジン回転数を復帰回転数と呼ぶ。

エンジン始動時には、エンジン回転数を上げるために燃料は噴射されるが、燃料噴射が多すぎると、エンジン回転数がオーバーシュートしてしまう。このような場合、燃料カット制御機能を有しているエンジンでは燃料カット制御が働く。しかし、これから自動車を動かそうとする際に、エンジン回転数が上がらないような燃料カット制御が行われると、円滑な始動運転ができなくなる。

このような問題に対して、特許文献１では、エンジン始動後の所定時間内では、燃料カット回転数および復帰回転数を高めにセットする燃料カット制御方法が開示されている。また、特許文献２では、発進要求がある場合は、燃料カット制御を行わないようにエンジン制御を行う方法が開示されている。

特公昭６３−１５４６０号公報 特開２０１１−２０２５３３号公報

エンジン始動時には、停止しているエンジンを回転させるために、所定のトルクが必要となる。したがって、エンジン回転数は最初高くなる。ここで、燃料カット制御を行うエンジンでは、エンジン回転数が燃料カット回転数を上回れば、それ以後は燃料噴射が停止される。そして、その後復帰回転数を下回ったら燃料噴射が再開される。

しかし、始動直後のエンジンは、インテークマニホールド内に空気があり、スロットル開度から予定されている空気量より多い空気がエンジンに供給される。そのため、始動直後の燃料噴射再開時に、トルクが予定より高くなり、エンジンの回転浮きが発生し、燃費を悪化させるという問題があった。

本発明は上記の課題に鑑み想到された発明であり、エンジンが吹き上がり回転数が上がった後、エンジン回転数が減少する際に、スムースに燃料噴射を再開させ、無駄なエンジン回転数を生じさせることなくエンジンを制御する制御方法を提供する。

より具体的には、本発明に係るエンジン制御方法は、
エンジン運転中に停止された燃料噴射を復帰させるエンジンの制御方法であって、
現在のエンジン回転数を前記エンジン運転時に必要とされる目標回転数にするために必要とされる要求トルクを算出する工程と、
エンジン始動直後からエンジンに供給された空気量を積算して始動後積算空気量を算出する工程と、
前記始動後積算空気量から燃料噴射を復帰した時のエンジン回転数における遅角限界トルクを算出する工程と、
前記要求トルクと前記遅角限界トルクが等しくなったら燃料噴射を再開する燃料噴射復帰工程を有することを特徴とする。

本発明のエンジン制御方法は、遅角限界トルクを算出する際に、始動後積算空気量を用いて、燃料噴射を復帰させた時の空気量を推定し、燃料噴射復帰後の回転数と点火時期を制御するので、エンジン回転数の収斂性が向上し、燃費がよくなるという効果がある。

本発明に係るエンジンシステムの構成を示す図である。 エンジン始動直後からの回転数と、トルク、点火時期、積算空気量の関係を示すグラフである。 エンジンの全体制御を示すフローを示す図である。 エンジン始動シークエンスのフローを示す図である。 燃料復帰制御の工程のフローを示す図である。 要求トルクＲｑの工程のフローを示す図である。 空気量とトルクおよび回転偏差と補正値の関係を例示する図である。 遅角限界トルクＬＬｑを算出する工程のフローを示す図である。 空気量と遅角限界角度および始動後積算空気量と発生トルクの関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明を説明する。なお、以下の説明は本発明の一実施形態を例示するものであり、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、下記の実施形態を変形してもよい。

図１には、本発明のエンジン制御方法を実現するエンジンの構成を示す。本発明に係るエンジン制御方法を搭載するエンジンシステム１は、ピストン３、シリンダ２、クランクアーム４、クランク軸５を有するエンジン本体と、インテークマニホールド１１、サージタンク１２、スロットルボディ１３、吸気管１５、エアクリーナ１４といった吸気系と、燃料タンク２３、燃料配管２２、ジェットノズル２１を含む燃料系と、点火装置３２および点火プラグ３１などを含む点火系と、クランク軸５の回転数（エンジン回転数）を検出する回転センサ５２と、吸気系中に配置されたフローメータ５４と、回転センサ５２と連結し、燃料系と点火系を制御する制御装置４１を含む。

吸気はエアクリーナ１４から吸気管１５内をエンジン本体に向かって流れる。スロットルボディ１３およびサージタンク１２で空気の流量と流速を制御された後、インテークマニホールド１１を通じて、燃焼室７に送られる。吸気は、燃焼室７に入る前に、ジェットノズル２１から燃料が噴出され混合気体となる。インテークマニホールド１１若しくはサージタンク１２の直前には、フローメータ５４が配設されており、空気の流量が検出される。

燃料は燃料タンク２３から燃料配管２２を通じてジェットノズル２１に送られる。ジェットノズル２１には図示しない空気圧がかかり、後述する制御装置の指示で、燃料を噴出する。噴出量は制御装置４１からの指示で決められる。

エンジン本体は、従来より知られているように、ピストン３とシリンダ２で形成される燃焼室７内で、混合気体が燃焼することで、ピストン３がシリンダ２内で上下運動を行い、その上下運動がクランクアーム４を介してクランク軸５に伝えられ、回転運動に変換されることで、運転される。

クランク軸５には、回転センサ５２が直接若しくは間接的に取り付けられており、クランク軸５の回転数だけでなく、その回転位相まで検出される。

燃焼室７では、吸い込まれた混合気体に点火プラグ３１からスパークを飛ばし、燃焼させる。この燃焼のタイミングは、混合気体が最も圧縮されたピストン３の上死点で燃焼させるのがよい。しかし、燃焼は瞬時に行われるものではないため、トルクを得ようとすると、実際は上死点の手前でスパークを飛ばす。これを進角と呼ぶ。進角を大きくとるとノッキングが発生する。

また、逆にピストン３が上死点を過ぎてからスパークさせることを遅角と呼ぶ。点火タイミングを遅角にすると、トルクは下がるがエンジン回転は安定させることができる。したがって、最もトルクを発生させることができる点火タイミングはノッキングが始まる角度より上死点に近い進角の領域にあるとされている。

点火装置３２は、制御装置４１の指示により点火プラグ３１にスパークを発生させる。若しくはクランク軸５の位相情報と制御装置４１からの点火タイミングの指示を受けて、点火プラグ３１にスパークを発生させるようにしてもよい。

制御装置４１は、ＥＰＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ若しくはＥｌｅｃｔｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ）と呼ばれるマイクロコンピュータと、メモリ４２によって構成される。制御装置４１は、少なくとも油温センサ５１、水温センサ５３、回転センサ５２、フローメータ５４、点火装置３２、ジェットノズル２１と接続されており、油温センサ５１、水温センサ５３、回転センサ５２およびフローメータ５４からの情報に基づいて、点火装置３２およびジェットノズル２１に、点火のタイミングと燃料噴射のタイミングおよび量を指示する。

以上のように構成されたエンジンシステム１において、本発明のエンジン制御方法について説明する。

図２（ａ）は、エンジン始動時におけるエンジン回転数と時間の関係を示すグラフである。縦軸はエンジン回転数であり、横軸は時間である。符号Ｔｒは、目標回転数であり、この場合は、アイドリング回転数である。このアイドリング回転数は、エンジンオイル温度、気温、その他の条件により、制御装置４１が適宜決めている。また、図２（ｂ）は、点火時期を示すグラフである。縦軸は横軸を挟んで進角と遅角を表し、横軸は時間である。

エンジンが始動された直後は、エンジン回転を継続させるために、トルクが必要である。エンジン始動直後は、点火のタイミングは進角で行われ（図２（ｂ）参照）、燃料噴射量も多い。そして時間と共にエンジン回転数は高くなる。

エンジン回転数はある回転数（Ｃｒ）を超えると、オーバーレブしないように、燃料噴射をカットする制御が行われる。これは制御装置４１がジェットノズル２１に指示Ｃｊ（図１参照）を出すことで行われる。

燃料カット制御が行われると、エンジン回転数は、ある程度のオーバーシュートをした後、下がってくる。ここで、従来は燃料噴射の復帰回転数が一定値（Ａ）に定められていた。エンジン始動直後は、スロットルの開度に対して、インテークマニホールド中の空気の分だけ、スロットル開度から予想される空気量が多くエンジンに供給される。そのため、エンジン稼働時において、適切になるように設定された固定的な燃料噴射の再開のタイミングでは、予定された以上のトルクが発生してしまい、回転浮き（Ｂ）が発生していた。

本発明は、この燃料噴射の復帰タイミングを固定された復帰回転数で決めるのではなく、要求トルクと、遅角限界トルクが等しくなる時点まで遅らせることで、安定したエンジン回転数を維持できるようにする。

図３には、エンジン制御のフローの概略を示す。エンジンがスタートされると（ステップＳ１００）、始動シークエンスが行われる（ステップＳ１０２）。次にアクセルの開閉を判断する（ステップＳ１０４）。制御装置４１は、アクセルが開いているか否を、スロットルの開度を信号Ｓｓによって知る（図１参照）。アクセルが開いている場合（ステップＳ１０４のＹ分岐）は、エンジン回転制御を行う（ステップＳ１１０）。エンジン回転制御（ステップＳ１１０）は車速や選択されたギアといった状況も考慮される。アクセルが開いてない場合（ステップＳ１０４のＮ分岐）は、そのままアイドリング制御される（ステップＳ１０８）。アイドリング制御（ステップＳ１０８）は、アイドリング回転数を一定に維持するための制御である。その時点で使用されているエアコン等の付加も考慮された目標回転数で安定して回転するように制御される。なお、エンジン停止しているか否かをステップＳ１０６で判断している。

これは主として、点火時期を調整することで行われる。すなわち、エンジン回転数が、目標回転数Ｔｒより下がったら、点火時期を進角側に移動させる。また、エンジン回転数が目標回転数Ｔｒより高くなったら、点火時期を遅角側に移動させる。

図４には、始動シークエンス（ステップＳ１０２）の１例を示す。始動シークエンス（ステップＳ１０２）は図４の処理だけに限定されず、これ以外の処理を含んでいてもよい。また、図４の処理は１つのサブルーチンとしてもよい。始動シークエンス（ステップＳ１０２）がスタートすると、エンジンが回転しているか否かが確認される（ステップＳ１２２）。エンジンの回転は回転センサ５２で検知する。

エンジンが回転していない場合は、待ち状態になり（ステップＳ１２２のＮ分岐）、回転している場合（ステップＳ１２２のＹ分岐）は、燃料噴射（ステップＳ１２４）を行う。燃料噴射は、制御装置４１からジェットノズル２１へ指令Ｃｊによって行われる。

そして、エンジン回転数Ｒｎが所定の回転数Ｃｒ（図２（ａ）参照）を超えた場合（ステップＳ１２６のＹ分岐）は、燃料カット制御（ステップＳ１２８）が行われる。この燃料カット制御も、制御装置４１からジェットノズル２１への指令Ｃｊによって行われる。燃料カット制御（ステップＳ１２８）が行われた後は、燃料復帰制御（ステップＳ１３０）へ制御が移る。なお、燃料復帰制御（ステップＳ１３０）が終了したら、始動シークエンスは終了し、元のルーチンに処理を戻す（ステップＳ１３２）。処理を戻す先は、図３のアクセルが開いているか否かの判断（ステップＳ１０４）であってもよいし、始動シークエンス（ステップＳ１０２）の他の処理であってもよい。

図５に本発明のエンジン制御に係る燃料復帰制御（ステップＳ１３０）のフローを示す。この制御がスタートすると（ステップＳ１４０）、現時点のエンジン回転での要求トルクＲｑを算出する（ステップＳ１４２）。要求トルクＲｑとは、現時点のエンジン回転数Ｒｎを目標回転数Ｔｒにするために必要なトルクである。

次に、遅角限界トルクＬＬｑを算出する（ステップＳ１４４）。遅角限界トルクＬＬｑとは、現時点のエンジン回転数Ｒｎで、失火する直前まで点火時期を遅角させた時のトルクであり、現時点のエンジン回転数Ｒｎで得ることのできる最低トルクである。

そして、要求トルクＲｑと遅角限界トルクＬＬｑが等しくなった時に（ステップＳ１４６のＹ分岐）、点火時期を遅角限界角度に設定し（ステップＳ１４８）、燃料噴射を再開（復帰）する（ステップＳ１５０）。点火を再開した後は、処理を元に戻す（ステップＳ１５２）。処理を戻す先は、図４の燃料復帰制御（ステップＳ１３０）であるので、さらに、元のルーチンに戻る。元のルーチンとは、図３で示した始動シークエンス（ステップＳ１０２）内の他の処理若しくは、スロットルの開閉判断（ステップＳ１０４）である。

ここで図２（ｄ）を参照する。図２（ｄ）は、縦軸がトルクを表す。横軸は図２の他のグラフ同様で時間である。エンジン始動後からの要求トルクＲｑを実線で示した。要求トルクＲｑは目標回転数Ｔｒよりエンジン回転数が高い部分では、負の値となる。目標回転数Ｔｒにエンジン回転数が近付けば、要求トルクＲｑの絶対値は小さくなる。目標回転数と現時点の回転数が等しくなると要求トルクＲｑはゼロとなる。また、図２（ｄ）には遅角限界トルクＬＬｑを点線で示した。遅角限界トルクＬＬｑは、その時のエンジン回転数で発生できる遅角限界トルクＬＬｑであるので、エンジン回転数と共に減少する。

本発明のエンジン制御方法では、エンジン回転数が下がっていくときに、そのエンジン回転数で発生できるトルクのなかで最も小さなトルク（遅角限界トルクＬＬｑ）が、要求トルクＲｑとなった時（図２（ｄ）のＦ点）に点火を再開する。このように点火の再開タイミングを制御すると、トルクが最小の点からアイドリング制御を開始することができるので、アイドリングの回転浮や、再吹き上がりといった現象を排除することができ、燃費の向上につながる。

次に図６のフローを用いて、要求トルクＲｑの算出をより詳細に説明する。要求トルクＲｑを算出するには、まず現状のトルクを算出する（ステップＳ１６２）。トルクはエンジンが吸い込んだ空気量とその時の回転数によって決まる。図７（ａ）にはトルクと空気量の関係を示す。縦軸はトルクを表し、横軸は空気量を表す。回転数によって同じ空気量であっても発生トルクは変わる。制御装置４１は、フローメータ５４からエンジンが吸い込んだ空気量を検出し、また回転センサ５２からエンジンの回転数を知る。そして、この関係から現在のエンジン回転数での発生トルクを算出する。実際には、図７（ａ）の関係のテーブルをメモリ上に持っておき、このテーブルから現在の発生トルクを算出する。

図６に戻って、次に補正値を算出する（ステップＳ１６４）。図７（ａ）の空気量とトルクとエンジン回転数の関係は油温や水温、回転偏差で変化する。そこで、これらの条件による補正値を予め求めておき、補正値をステップＳ１６２で求めた現状トルクに乗ずることで正確なトルク（これを「補正現状トルクＴｎ」と呼ぶ。）を求める（ステップＳ１６６）。図７（ｂ）には、補正値を求めるグラフを例示する。縦軸は補正値であり、横軸は回転偏差（回転ムラ）である。グラフは油温および水温によって変化し、回転偏差が大きくなるほど補正値は大きくなる。

制御装置４１は、油温センサ５１および水温センサ５３によってエンジンの油温および水温を検出し、図７（ｂ）の関係から補正値を求める。油温センサ５１はオイルパン６内のエンジンオイルの油温を測定し、水温センサ５３はウォータージャケット８内の水温を測定する。なお、油温および水温を図１の油温センサ５１および水温センサ５３からの信号Ｓｔｏおよび信号Ｓｔｗによって制御装置４１は検知する。また、図７（ａ）の場合同様、これらの関係はメモリ上にテーブルとして保持されている。

再び図６を参照し、次に現状トルクおよび補正値を積算することによって、補正現状トルクＴｎを算出する（ステップＳ１６６）。次に目標トルクＴｓを算出する（ステップＳ１６８）。これは、図７（ａ）のトルクと空気の関係から求める。具体的には、制御装置４１が車速、スロットル開度等の運転状態から求めるエンジン回転数を決める。これは目標回転数Ｔｒである。今エンジン始動直後であって、スロットルが閉じていれば、目標回転数Ｔｒは、アイドリング回転数である。

そして、フローメータ５４からの空気の流量と目標回転数Ｔｒから目標トルクＴｓを算出する。そして、要求トルクＲｑを、補正現状トルクＴｎ−目標トルクＴｓによって求める（ステップＳ１７０）。以上のように要求トルクＲｑとは、現時点の補正現状トルクＴｎから目標回転数に到達するために、必要なトルクを意味する。したがって、補正現状トルクＴｎの方が目標回転数Ｔｒを維持するために必要なトルクより大きい場合は、負の値となり得る。

次に図５のステップＳ１４４で示した遅角限界トルクＬＬｑの算出について、図８を参照しながら説明する。遅角限界トルクＬＬｑを求めるためには、まず、その時のエンジン回転数における遅角限界角度を算出する（ステップＳ１８２）。図９（ａ）には、エンジンに供給された空気量と遅角限界角度の関係を示す。縦軸は遅角限界角度を表し、横軸はエンジンに供給された空気量を示す。遅角限界角度は、これ以上点火時期を遅角方向にずらすと、失火する角度である。

制御装置４１は、空気量の情報をフローメータ５４から得、また回転センサ５２からエンジン回転数の情報を得る。そして、これらの情報から図９（ａ）の関係に基づいて遅角限界角度を得る。

図８を再度参照して、次に始動後積算空気量を算定する（ステップＳ１８４）。始動後積算空気量とは、エンジン始動後からエンジンに供給された空気の積算量である。これは、フローメータ５４からの信号Ｓｆをエンジン始動直後から積算した値を求めておく。

図１を参照して、始動直後のエンジンには、インテークマニホールド１１とサージタンク１２（斜線部分：以後「残留部分」とよぶ。）等に空気が残留しており、これがエンジン始動に使用される。ここに残っている空気はスロットルボディ１３の開度とは関係なく使用される空気である。

したがって、通常のエンジン制御では予定外の空気となる。そこで、燃料噴射を再開した時に、予定外の空気がどの程度使用されるのかを推定する。残留部分の体積は予め設計段階でわかるので、始動後積算空気量を残留部分から引くことで、予定外の空気があとどれくらい残っているかを求めることができる。

次に遅角限界トルクＬＬｑを算出する（ステップＳ１８６）。図９（ｂ）には、発生トルクと始動後積算空気量の関係を示す。始動直後のエンジンの発生トルクは、始動後積算空気量に反比例する。予定外の空気の量が多いからである。また、点火時期が進角に進めば高くなる。そこで、この関係の最も大きな遅角タイミングと、始動後積算空気量との関係より、発生トルクを求め、遅角限界トルクＬＬｑとする。なお、この関係も、メモリ上に記憶したテーブルから求められる。

遅角限界トルクＬＬｑを求めたら、処理を戻す（ステップＳ１８８）。戻す先は、図５で示したステップＳ１４６である。

以上のように、図６のように求めた要求トルクＲｑと図８で求めた遅角限界トルクＬＬｑが求められ、図２（ｄ）の点Ｆを判断して、点火は再開される。

図２（ｂ）には、点火時期と始動開始後の時間を示す。図２（ｄ）の点Ｆ以後は、点火時期は、進角に向かって制御される。もちろん、点火時期は、エンジン回転数が上がるなら遅角方向にずらされ、逆に下がれば進角方向にずらされる。

また、図２（ｃ）には、積算空気量と時間の関係を示す。積算空気量は、残留部分の空気を使い果たしたら、その後は求める必要はない。エンジンが定常的に動いている場合は、スロットルの開度によって制御するからである。

本発明のエンジン制御方法は、始動直後のエンジン回転数の制御に好適に利用することができる。

１ エンジンシステム
２ シリンダ
３ ピストン
４ クランクアーム
５ クランク軸
６ オイルパン
７ 燃焼室
８ ウォータージャケット
１１ インテークマニホールド
１２ サージタンク
１３ スロットルボディ
１４ エアクリーナ
１５ 吸気管
２１ ジェットノズル
２２ 燃料配管
２３ 燃料タンク
３１ 点火プラグ
３２ 点火装置
４１ 制御装置
４２ メモリ
５１ 油温センサ
５２ 回転センサ
５３ 水温センサ
５４ フローメータ

Claims (1)

1. エンジン運転中に停止された燃料噴射を復帰させるエンジンの制御方法であって、
   現在のエンジン回転数を前記エンジン運転時に必要とされる目標回転数にするために必要とされる要求トルクを算出する工程と、
   エンジン始動直後からエンジンに供給された空気量を積算して始動後積算空気量を算出する工程と、
   前記始動後積算空気量から燃料噴射を再開した時のエンジン回転数における遅角限界トルクを算出する工程と、
   前記要求トルクと前記遅角限界トルクが等しくなったら燃料噴射を再開する燃料噴射復帰工程を有することを特徴とするエンジン制御方法。