JP5924066B2 - ディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法 - Google Patents

ディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法 Download PDF

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Description

本発明は、ディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法に関し、特に、所定の自動停止条件が成立すると燃料噴射を停止させるアイドルストップ機能を備えるディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法に関する。
一般的にガソリンエンジンでは、燃費の改善を図るために、信号待ち等の停車時に燃料噴射を停止させるアイドルストップ機能を備えるエンジンが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
このようなアイドルストップ機能を備えるエンジンでは、アイドルストップ時に気筒内を高圧にして、再始動時にプラグで着火して瞬時に始動を開始することで、再始動時におけるタイムラグの低減を図っている。
特開２００６−８３７８８号公報
ところで、ディーゼルエンジンでアイドルストップ後に再始動を行う場合、燃焼は自己着火式のため、上述のガソリンエンジンのようにスパークプラグを用いた着火制御はできない。そのため、再始動時にはガソリンエンジンと異なる着火制御を行う必要がある。
ディーゼルエンジンで燃料が着火するには、ある程度の圧縮端温度と燃料混合気の濃度が必要になる。しかしながら、現状のディーゼルエンジンでは、ある程度のピストンスピード（例えば、２００回転程度）に到達しないと、気筒内圧力が不足するため、混合気も十分に混合されない。そのため、グロープラグを用いても、アイドルストップ後の再始動時に短時間で安定した燃料の着火を行えない可能性がある。
本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、アイドルストップ後の再始動時に、短時間で安定した燃焼を実現できるディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のディーゼルエンジンの始動装置は、所定の自動停止条件が成立すると燃料噴射を停止させるアイドルストップ機能を備えるディーゼルエンジンの始動装置であって、前記ディーゼルエンジンの各気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、通電により発熱して前記ディーゼルエンジンの各気筒を昇温するグロープラグと、前記ディーゼルエンジンの始動時に駆動してクランクシャフトを回転駆動させるスタータモータと、前記燃料噴射手段の燃料噴射、前記グロープラグの通電及び、前記スタータモータの駆動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、アイドルストップ時に所定気筒のピストンを圧縮下死点で停止させると共に、前記グロープラグの通電を開始し、その後、前記所定の自動停止条件が成立しなくなり前記ディーゼルエンジンを再始動する場合は、前記スタータモータを駆動して前記所定気筒のピストンを圧縮下死点から上昇させると共に、前記所定気筒内に前記燃料噴射手段により多段噴射で細かく燃料を噴射させ、前記所定気筒のピストンが上死点に到達する直前に前記燃料噴射手段により着火用の燃料を少量噴射させることを特徴とする。
また、本発明のディーゼルエンジンの始動方法は、所定の自動停止条件が成立すると燃料噴射を停止させるアイドルストップ機能を備えるディーゼルエンジンの始動方法であって、アイドルストップ時に所定気筒のピストンを圧縮下死点で停止させると共に、前記ディーゼルエンジンの各気筒を昇温するグロープラグの通電を開始し、その後、前記所定の自動停止条件が成立しなくなり前記ディーゼルエンジンを再始動する場合は、クランクシャフトを回転駆動させるスタータモータを駆動して前記所定気筒のピストンを圧縮下死点から上昇させると共に、前記所定気筒内に燃料噴射手段により多段噴射で細かく燃料を噴射させ、前記所定気筒のピストンが上死点に到達する直前に前記燃料噴射手段により着火用の燃料を少量噴射させることを特徴とする。
本発明のディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法によれば、アイドルストップ後の再始動時に、短時間で安定した燃焼を実現することができる。
本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの始動装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係るＥＣＵを示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係るＥＣＵによる制御内容を示すフローチャートである。
以下、図１〜３に基づいて、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジンの始動装置の全体構成について説明する。
図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０は複数の気筒（本実施形態では４気筒）を備えている。これら各気筒＃１〜＃４には、気筒内に燃料を直接噴射するインジェクタ１１がそれぞれ設けられている。
インジェクタ１１は、図示しないピエゾ素子への電圧の印加により噴孔の開口面積を可変とする公知のピエゾ式インジェクタであって、燃料供給ラインを介してコモンレール１２に接続されている。コモンレール１２には、何れも図示しない燃料タンクから高圧供給ポンプにより汲み上げられた加圧燃料が供給される。このインジェクタ１１による燃料噴射は、後述する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）７０から出力される指示信号に応じて制御される。
エンジン１０の各気筒＃１〜＃４には、その先端部を気筒内に臨ませたグロープラグ１３がそれぞれ設けられている。このグロープラグ１３は、エンジン１０の始動時に内蔵されたヒータへの通電がオンにされると、表面温度を上昇（例えば、７００〜８００℃以上）させて付着した燃料を表面着火させる。グロープラグ１３のヒータへの通電のオン・オフはＥＣＵ７０から出力される指示信号に応じて制御される。
エンジン１０の前方側には、オルタネータ（以下、ＡＣＧという）２０が設けられている。このＡＣＧ２０には、クランクシャフト１０ａに連結されたクランクプーリ２１の回転力がベルト２２を介して伝達される。また、ＡＣＧ２０は、何れも図示しないロータコイルとステータコイルとを備えており、ＥＣＵ７０から入力される指示信号に応じてロータコイルへの励磁電流の供給がオン・オフに制御されることにより、発電駆動又は発電停止に切り替えられる。ＡＣＧ２０で発電される電力は、エンジン１０の図示しない補機類の駆動に用いられると共に、余剰電力はバッテリ２８に蓄電される。
エンジン１０の後方側には、エンジン１０を始動させるためのスタータモータ４０が設けられている。このスタータモータ４０の出力軸には、ピニオンギヤ４１が軸方向に移動可能に設けられている。また、エンジン１０のクランクシャフト１０ａには、図示しないフライホイールに固定されたリングギヤ４２が設けられている。スタータモータ４０を用いてエンジン１０を始動する際は、ピニオンギヤ４１がスタータモータ４０の出力軸上を移動してリングギヤ４２と噛合すると共に、スタータモータ４０の駆動力でクランクシャフト１０ａを回転させてクランキングさせる。
クランク角センサ３０は、クランクシャフト１０ａの回転角を検出するもので、検出値は電気的に接続されたＥＣＵ７０に入力される。カム角センサ３１は、図示しないカムシャフトの回転角を検出するもので、検出値は電気的に接続されたＥＣＵ７０に入力される。
車速センサ３２は、車両の速度を検出するもので、検出値は電気的に接続されたＥＣＵ７０に入力される。冷却水温センサ３３は、エンジン１０の図示しないウォータジャケット内を流れるエンジン冷却水の水温を検出するもので、検出値は電気的に接続されたＥＣＵ７０に入力される。
ＥＣＵ７０は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うため、ＥＣＵ７０には、各種センサの出力信号が入力される。
また、ＥＣＵ７０は、図２に示すように、自動停止制御部７１と、ＡＣＧ負荷制御部７２と、グロープラグ通電制御部７３と、気筒選定部７４と、再始動判定部７５と、再始動制御部７６とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアであるＥＣＵ７０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
自動停止制御部７１は、車両が信号待ちで停車した場合等、所定の自動停止条件が成立した際にエンジン１０を自動停止させるアイドルストップを実施する。例えば、車速センサ３２で検出される車速が０（ゼロ）で、アクセルペダルがオフ、もしくはブレーキペダルがオンにされる所定の自動停止条件が成立すると、自動停止制御部７１はインジェクタ１１による燃料噴射を停止させる指示信号（以下、エンジン停止信号という）を出力する。また、自動停止制御部７１は、アイドルストップ実施時にアクセルペダルがオンされた場合など、上述の所定の自動停止条件が成立しなくなると、エンジン１０を再始動させる指示信号（以下、エンジン再始動信号という）を出力する。
ＡＣＧ負荷制御部７２は、アイドルストップを実施すべくエンジン停止信号が出力されて、エンジン１０が慣性エネルギで回転している際に、所定の気筒（本実施形態では＃１気筒）のピストンを再始動時に最適な圧縮下死点で停止させるようにＡＣＧ２０の駆動を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ７０には、予め実験等で作成したクランク角と、このクランク角からピストンを圧縮下死点で停止させるのに必要となるＡＣＧ２０の回転駆動力との関係を示すマップ（不図示）が記憶されている。ＡＣＧ負荷制御部７２は、エンジン停止信号が出力された時のクランク角センサ３０の検出値に対応する回転駆動力をマップから読み取ると共に、この回転駆動力がクランクシャフト１０ａに付与されるようにＡＣＧ２０を発電駆動させる。これにより、アイドルストップが実行された際に、所定の気筒（＃１気筒）のピストンを圧縮下死点で確実に停止させることができる。
グロープラグ通電制御部７３は、グロープラグ１３への通電のオン・オフを制御する。より詳しくは、このグロープラグ通電制御部７３は、自動停止制御部７１によりアイドルストップが実行されている時に、冷却水温センサ３３や吸気温センサ（不図示）の検出値から推定される筒内温度がエンジン１０の再始動時に燃料の着火性を悪化させる所定の下限温度（例えば、４００℃）まで低下すると、グロープラグ１３への通電をオンに制御する。また、グロープラグ通電制御部７３は、図示しないタイマカウント装置によるアイドルストップ後からの計測時間が所定時間（例えば、３分）を超えると、バッテリ２８の無駄な電力消費を回避すべくグロープラグ１３への通電をオフに制御する。
気筒選定部７４は、アイドルストップが実施されてクランクシャフト１０ａの回転が停止した際に、クランク角センサ３０やカム角センサ３１の検出値に基づいて、各気筒＃１〜＃４のうちピストンが圧縮下死点で停止している気筒を再始動時に燃料噴射を最初に開始する始動気筒として選定する。本実施形態では、ＡＣＧ負荷制御部７２の停止制御により、通常は＃１気筒が始動気筒として選定される。しかしながら、何らかの外力の影響で他の気筒（例えば＃３気筒）のピストンが圧縮下死点で停止している場合は、この他の気筒を始動気筒として選定する。
再始動判定部７５は、自動停止制御部７１からエンジン再始動信号が出力されると、詳細を後述する再始動制御部７６によるエンジン１０の再始動が可能か否かを判定する。例えば、アイドルストップが実施されてから長時間が経過すると、エンジン１０は冷機状態となり再始動制御部７６による再始動は困難となる。そこで、再始動判定部７５は、タイマカウント装置（不図示）によるアイドルストップ後からの計測時間が所定時間（例えば、３分）を超えた場合や、冷却水温センサ３３の検出値が所定温度（例えば、８０℃）を下回った場合は、再始動制御部７６による再始動を不可能と判定する。なお、再始動制御部７６による再始動が不可能と判定された場合、エンジン１０は通常の始動制御によって再始動される。
再始動制御部７６は、再始動判定部７５が再始動を可能と判定した場合に、以下の手順でエンジン１０を再始動させる。まず、再始動制御部７６は、スタータモータ４０を駆動させてエンジン１０のクランキングを開始する。そして、気筒選定部７４により始動気筒として選定された気筒（本実施形態では＃１気筒）のピストンが圧縮下死点から上昇を開始すると、インジェクタ１１に多段噴射で細かく燃料を噴射させて希薄混合気（主燃焼用混合気）を生成させる。さらに、クランキングが進みピストンが上死点に達する直前に、インジェクタ１１に着火用の燃料を少量噴射させる。これにより、噴射した周辺の濃い混合気を中心に着火され、その後瞬時に気筒内の主燃焼用混合気を着火することができる。
また、再始動制御部７６は、他の気筒（＃２〜４気筒）についても同様に、本実施形態では＃３気筒→＃４気筒→＃２気筒の順番で、ピストンが圧縮下死点から上昇を開始すると多段噴射で細かく燃料を噴射させると共に、ピストンが上死点に到達する直前に着火用の燃料を少量噴射させる燃料噴射制御を実施する。なお、再始動制御部７６による再始動制御は、クランク角センサ３０で検出されるエンジン回転数が所定の回転数（例えば、２００ｒｐｍ）に達するまで継続される。その後、エンジン回転数が所定の回転数を超えると、インジェクタ１１による燃料噴射は、エンジン１０の運転状態に基づいた通常の多段噴射に切り替えられる。
次に、図３に基づいて、本実施形態に係るディーゼルエンジンの始動装置のＥＣＵ７０による制御フローを説明する。
ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、所定の自動停止条件が成立すると、自動停止制御部７１によりエンジン停止信号が出力されて、インジェクタ１１の燃料噴射が停止される。さらに、Ｓ１１０では、所定の気筒（本実施形態では＃１気筒）のピストンを再始動時に最適な圧縮下死点で停止させるように、ＡＣＧ負荷制御部７２によりＡＣＧ２０が発電駆動される。
Ｓ１２０では、冷却水温センサ３３や吸気温センサ（不図示）の検出値から推定される筒内温度がエンジン１０の再始動時に燃料の着火性を悪化させる所定の下限温度（例えば、４００℃）まで低下したか否かが確認される。筒内温度の推定値が所定の下限温度まで低下した場合は、Ｓ１３０でグロープラグ通電制御部７３によりグロープラグ１３の通電がオンに制御される。
Ｓ１４０では、アクセルペダルがオンされた場合など、所定の自動停止条件が成立しなくなったことを受けてエンジン再始動信号が出力される。
Ｓ１５０では、再始動制御部７６によるエンジン１０の再始動が可能か否かが再始動判定部７５により判定される。例えば、タイマカウント装置によるアイドルストップ後からの計測時間が所定時間（例えば、３分）を超えていない場合や、冷却水温センサ３３の検出値が所定温度（例えば、８０℃）を下回っていない場合は、再始動制御部７６による再始動は可能と判定されてＳ１６０に進む。
一方、タイマカウント装置によるアイドルストップ後からの計測時間が所定時間を超えている場合や、冷却水温センサ３３の検出値が所定温度を下回っている場合は、再始動制御部７６による再始動は不可能と判定される。再始動制御部７６による再始動が不可能と判定された場合は、エンジン１０は通常の始動制御（Ｓ２２０参照）で再始動される。
Ｓ１６０では、再始動制御部７６によりスタータモータ４０が駆動されて、エンジン１０のクランキングを開始する。そして、気筒選定部７４により始動気筒として選定された気筒（本実施形態では＃１気筒）のピストンが圧縮下死点から上昇を開始すると、Ｓ１７０では、インジェクタ１１に多段噴射で細かく燃料を噴射させて、気筒内に希薄混合気（主燃焼用混合気）を生成する。
さらに、Ｓ１８０では、Ｓ１２０で通電がオンにされたグロープラグ１３の表面温度が所定の高温域（例えば、７００〜８００℃）まで上昇し、Ｓ１９０では、ピストンが上死点に達する直前にインジェクタ１１に着火用の燃料を少量噴射させる。これにより、噴射した周辺の濃い混合気を中心に着火され、その後瞬時に気筒内の主燃焼用混合気が着火して、この爆発力によりクランクシャフト１０ａが回転する。
Ｓ２００では、クランク角センサ３０で検出されるエンジン回転数が所定回転数（例えば、２００ｒｐｍ）に達したか否かが確認される。エンジン回転数が所定の回転数に達した場合は、Ｓ２１０でエンジン１０の運転状態に基づいた通常の燃料噴射制御に切り替えられて本制御はリターンされる。
一方、エンジン回転数が所定の回転数に達していない場合は、Ｓ１７０に戻される。すなわち、エンジン回転数がある程度上昇して安定するまでは、Ｓ１７０〜１９０による燃料噴射制御が繰り返し行われる。
次に、本実施形態に係るディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法による作用効果を説明する。
アイドルストップを実施する所定の自動停止条件が成立して、エンジン停止信号が出力されると、所定の気筒（本実施形態では＃１気筒）のピストンを再始動時に最適な圧縮下死点で停止させるようにＡＣＧ２０の駆動が制御される。さらに、筒内温度がエンジン１０の再始動時に燃料の着火性を悪化させる所定の下限温度（例えば、４００℃）まで低下すると、グロープラグ１３の通電がオンに制御される。
その後、所定の自動停止条件が成立しなくなり、エンジン再始動信号が出力されると、スタータモータ４０が駆動されてエンジン１０のクランキングを開始する。そして、所定の気筒（＃１気筒）のピストンが圧縮下死点から上昇を開始すると、インジェクタ１１により多段噴射で細かく燃料が噴射され、気筒内に希薄混合気（主燃焼用混合気）が生成される。
さらに、グロープラグ１３の表面温度が所定の高温域（例えば、７００〜８００℃）まで上昇し、ピストンが上死点に達する直前に、インジェクタ１１により着火用の燃料が少量噴射される。これにより、噴射した周辺の濃い混合気を中心に着火され、その後瞬時に気筒内の主燃焼用混合気を着火することができる。
したがって、本実施形態のディーゼルエンジンの始動装置及び始動方法によれば、アイドルストップ後の再始動時に、グロープラグ１３を用いて短時間で安定した燃焼を実現することが可能になる。
また、予混合に十分な時間が得られ、混合気を十分に混合することが可能になるので、再始動時に噴射する燃料は着火核を形成する微量燃料で十分となる。したがって、通常の再始動制御のように過度の燃料を噴射する必要がなくなり、再始動時におけるＨＣ等による排ガスの悪化や、燃費の悪化を効果的に抑制することができる。
また、クランキング半回転で噴射した燃料を確実に着火することができるので、アイドルストップ後の再始動を短時間かつ快適に実現することが可能になる。
また、本実施形態の始動装置及び始動方法を既存のエンジンに適用する場合は、バッテリ２８の容量増とＡＣＧ２０の負荷制御機能とを追加すればよい。したがって、僅かなコストアップや設計変更のみで、既存のエンジンを本実施形態の始動装置を備えるエンジンに容易に変更することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、エンジン１０は４気筒に限られず、単気筒や６気筒等、４気筒以外のエンジンにも広くて適用することが可能である。
さらに、本発明はディーゼルエンジンに限られず、気筒内に燃料を直接噴射して、ピストンの上昇により圧縮して自己着火させる種々の圧縮自己着火式エンジンにも広く適用することが可能である。
１０ エンジン
１１ インジェクタ（燃料噴射手段）
１２ コモンレール（燃料噴射手段）
１３ グロープラグ
２０ オルタネータ
３０ クランク角センサ
３１ カム角センサ
３２ 車速センサ
３３ 冷却水温センサ
４０ スタータモータ
７０ ＥＣＵ（制御手段）
７１ 自動停止制御部
７２ ＡＣＧ負荷制御部
７３ グロープラグ通電制御部
７４ 気筒選定部
７５ 再始動判定部
７６ 再始動制御部

Claims (4)

  1. 所定の自動停止条件が成立すると燃料噴射を停止させるアイドルストップ機能を備えるディーゼルエンジンの始動装置であって、
    前記ディーゼルエンジンの各気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、
    通電により発熱して前記ディーゼルエンジンの各気筒を昇温するグロープラグと、
    前記ディーゼルエンジンの始動時に駆動してクランクシャフトを回転駆動させるスタータモータと、
    前記燃料噴射手段の燃料噴射、前記グロープラグの通電及び、前記スタータモータの駆動を制御する制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、アイドルストップ時に所定気筒のピストンを圧縮下死点で停止させると共に、前記グロープラグの通電を開始し、その後、前記所定の自動停止条件が成立しなくなり前記ディーゼルエンジンを再始動する場合は、前記スタータモータを駆動して前記所定気筒のピストンを圧縮下死点から上昇させると共に、前記スタータモータの駆動開始後に、前記所定気筒内に主燃焼用希薄混合気を生成するよう、前記所定気筒内に前記燃料噴射手段により多段噴射で燃料を噴射させ、前記所定気筒のピストンが上死点に到達する直前に前記燃料噴射手段により着火用の燃料を噴射させ、これにより前記主燃焼用希薄混合気を着火させることを特徴とするディーゼルエンジンの始動装置。
  2. 所定の自動停止条件が成立すると燃料噴射を停止させるアイドルストップ機能を有するディーゼルエンジンの始動方法であって、
    アイドルストップ時に所定気筒のピストンを圧縮下死点で停止させると共に、前記ディーゼルエンジンの各気筒を昇温するグロープラグの通電を開始し、その後、前記所定の自動停止条件が成立しなくなり前記ディーゼルエンジンを再始動する場合は、クランクシャフトを回転駆動させるスタータモータを駆動して前記所定気筒のピストンを圧縮下死点から上昇させると共に、前記スタータモータの駆動開始後に、前記所定気筒内に主燃焼用希薄混合気を生成するよう、前記所定気筒内に燃料噴射手段により多段噴射で燃料を噴射させ、前記所定気筒のピストンが上死点に到達する直前に前記燃料噴射手段により着火用の燃料を噴射させ、これにより前記主燃焼用希薄混合気を着火させることを特徴とするディーゼルエンジンの始動方法。
  3. 前記ディーゼルエンジンのクランクシャフトに連結されたオルタネータをさらに備え、
    前記制御手段は、アイドルストップ時に前記オルタネータの駆動を制御することにより前記所定気筒のピストンを圧縮下死点で停止させる
    ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの始動装置。
  4. アイドルストップ時に前記所定気筒のピストンを圧縮下死点で停止させる際、前記ディーゼルエンジンのクランクシャフトに連結されたオルタネータの駆動を制御することにより前記所定気筒のピストンを圧縮下死点で停止させる
    ことを特徴とする請求項２に記載のディーゼルエンジンの始動方法。
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