JP5928354B2 - 火花点火式多気筒エンジンの始動装置 - Google Patents

火花点火式多気筒エンジンの始動装置 Download PDF

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Description

ここに開示する技術は、火花点火式多気筒エンジンの始動装置に関する。
例えば特許文献１には、所定の停止条件が成立することによって自動停止したエンジンを、所定の始動条件が成立することによって自動始動（つまり、再始動）するエンジンの始動装置が記載されている。この始動装置は、エンジンを迅速に始動するために、エンジンの停止時点において膨張行程及び圧縮行程にある気筒内に、まず燃料を噴射しかつ点火を行うことで、エンジンを正転方向に回転させると共に、それらの行程に続いて圧縮行程となる、エンジンの停止時点において吸気行程及び排気行程にある気筒内にも、続けて燃料を噴射しかつ点火を行うようにしている。ところが、エンジンの再始動時には、エンジンの温度が比較的高いため、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒内の空気が比較的高温になる。このため、圧縮行程中に気筒内の空気の圧縮が進行するに従い気筒内の温度が極めて高くなり、この気筒内に噴射した燃料が圧縮上死点付近において過早着火してしまう虞がある。そこで、特許文献１に記載された始動装置では、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒には、燃料噴射を禁止したり、圧縮行程中に行う燃料噴射時期を、通常時よりも遅角したりして、過早着火を防止するようにしている。
また、特許文献２には、エンジンの自動始動装置において、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒については、吸気行程中に燃料を分割して噴射することにより、燃料の均質度を高め、そのことで、特許文献１と同様に、過早着火を防止することが記載されている。
尚、エンジンの始動時における過早着火は、振動を発生させ、問題となる。
特開２００４−３０１０７８号公報 特開２００９−４１４６０号公報
ところで、吸気弁の開弁時期及び閉弁時期を変更可能なバルブ位相可変機構を備えたエンジンにおいて、特にそのバルブ位相可変機構が、エンジン駆動の油圧供給源から供給された油圧によって作動する構成であるときには、エンジンの始動時（尚、ここでのエンジン始動は、前述した自動停止後の再始動のみならず、運転者のキーオンによる強制始動も含む）の少なくとも初期には、所定の油圧が得られないため、吸気弁が所定の時期で閉弁するようにロックされる。この吸気弁のロック位置は、具体的には、エンジンの冷間始動が可能となるように、有効圧縮比が比較的高くなる閉弁時期、つまり、圧縮行程の、相対的に吸気下死点に近い時期で吸気弁を閉じるよう設定される場合がある。尚、有効圧縮比とは、吸気弁閉弁時の気筒内容積と、ピストンが上死点にあるときの気筒内容積（つまり、燃焼室の容積）との比である。
ところが、このように油圧駆動のバルブ位相可変機構のロック位置を、有効圧縮比が比較的高くなるように設定した場合、エンジンの温度が比較的高い状態で始動をしようとしたときには、気筒内の温度が高くなることと、前述したような高い有効圧縮比とが組み合わさって、圧縮端温度及び圧縮端圧力が共に高くなり、過早着火を招き易いという問題がある。
この点につき、特許文献１、２に記載されているように、気筒内への燃料噴射の形態を工夫することは、過早着火の回避にはある程度有効であるものの、これらの対策は、始動トルクが低下し得るから、エンジンの始動性の低下を招く。特に、自動停止後の再始動時には、エンジンの温度状態が比較的高いため、高い有効圧縮比と相まって過早着火を招き易い一方で、より迅速な始動が求められる。
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、火花点火式の多気筒エンジンの始動時に、過早着火の回避と迅速始動とを両立することにある。
ここに開示する技術は、火花点火式多気筒エンジンの始動装置に係る。この始動装置は、それぞれピストンが往復動可能に嵌挿された複数の気筒を有する多気筒エンジンと、前記気筒内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、前記気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、前記気筒内に吸気を導入するための吸気弁を、前記ピストンの往復動に同期して開閉するように構成された吸気弁駆動機構と、前記吸気弁の閉弁時期を、吸気下死点以降における所定の最進角時期と所定の最遅角時期との間で変更するように構成された、油圧駆動式のバルブ位相可変機構と、前記エンジンによって駆動される機械駆動式でありかつ、前記バルブ位相可変機構に所定の油圧を供給するように構成された油圧供給源と、前記エンジンの始動の際に、前記燃料噴射弁、点火プラグ、及びバルブ位相可変機構を制御するように構成された始動手段と、を備える。
そして、前記バルブ位相可変機構は、供給される油圧が所定値以下のときには、前記吸気弁の閉弁時期を、前記最進角時期と前記最遅角時期との間の時期であって、有効圧縮比が所定以上となる閉弁時期にロックするように構成されており、前記始動手段は、前記エンジンの始動時の温度状態が所定温度以上の高温状態にあるときには、前記複数の気筒の内の少なくとも、当該エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒の燃料噴射時期を膨張行程初期になるよう遅角設定すると共に、点火時期を前記燃料噴射の完了後の膨張行程初期に設定する。
前記始動手段はまた、前記エンジンの始動を開始して前記バルブ位相可変機構に供給される油圧が前記所定値を超えた後も、前記エンジンの始動が完了するまでは、前記吸気弁の閉弁時期を前記所定時期よりも遅角させない非遅角設定とする。
ここで、「膨張行程初期」は、例えば膨張行程を、初期、前中期、中期、及び終期の４つに分けたときの、初期としてもよい。また、「前記吸気弁の閉弁時期を前記所定時期よりも遅角させない」ことは、吸気弁の閉弁時期を所定時期のままに維持すること、及び、吸気弁の閉弁時期を所定時期よりも進角することが含まれる。つまり、吸気下死点以降に設定される吸気弁の閉弁時期を所定時期よりも遅角させたときには、有効圧縮比が低下するところ、前記の構成は、吸気下死点以降に設定される吸気弁の閉弁時期を所定時期よりも遅角させないことによって、有効圧縮比を維持するか、又は、有効圧縮比を高める。
この構成によると、吸気弁のバルブ位相可変機構は、吸気弁の閉弁時期を、吸気下死点以降における最進角時期と最遅角時期との中間時期にロックする。このロック位置は、エンジンの冷間始動が可能となる所定時期に相当するため、バルブ位相可変機構に所定の油圧が供給されずに、吸気弁の閉弁時期が所定時期でロックされるエンジンの始動時には、有効圧縮比は比較的高くなる。
エンジンの始動時の温度状態が所定温度以上の高温状態にあるときには、前述したように、有効圧縮比が比較的高くなることが組み合わさって、過早着火が生じ易い。そこで、始動手段は、複数の気筒の内の少なくとも、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒の、特に初回の燃料噴射時期を、圧縮上死点以降の膨張行程初期になるよう遅角設定する。エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒は、エンジンの始動時に高温の吸気を圧縮して圧縮端温度が高まるものの、圧縮行程中には当該気筒内に燃料を噴射しないことで、圧縮行程中の過早着火は確実に回避される。そうして、燃料噴射が完了した後の膨張行程初期において点火を行い、燃焼を開始する。前述の通り、エンジンの温度状態が比較的高くかつ、有効圧縮比が比較的高いため、膨張行程初期のタイミングで気筒内に噴射した燃料は速やかに気化・霧化し得る。その結果、膨張行程の比較的早い時期に点火及び燃焼が可能になる。このことは、始動トルクを高くして、迅速な始動に有利になる。
ここで、始動手段は、エンジンの始動（尚、ここでいう始動は、自動停止後の自動始動（つまり、再始動）に限らず、強制始動も含む）を行うときに、複数の気筒について順次、燃料噴射と点火とを行ってもよい。つまり、始動手段は、エンジンの停止時点において膨張行程及び圧縮行程にある気筒内に、まず燃料を噴射しかつ点火を行うと共に、それらの行程に続いて圧縮行程となる、エンジンの停止時点において吸気行程及び排気行程にある気筒内にも、続けて燃料を噴射しかつ点火を行うようにしてもよい。この場合、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒は、気筒内の高温の空気を圧縮することになるため、過早着火が生じ易くなる。従って、前述の通り、気筒内への、初回の燃料噴射の時期を膨張行程初期に遅角設定することが過早着火を回避する上で好ましい。また、エンジンの停止時点において排気行程にある気筒は、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒に続いて圧縮行程に至るため、この気筒もまた、比較的温度の高い空気を気筒内に導入して圧縮することになり得る。そのため、エンジンの停止時点において排気行程にある気筒についても、その初回の燃料噴射の時期を、膨張行程初期に遅角設定してもよい。
前記火花点火式多気筒エンジンの始動装置は、前記エンジンのクランキングを行うように構成されたスターターモータをさらに備え、前記始動手段は、前記エンジンの始動時の温度状態が所定温度以上の高温状態にあるときであってかつ、前記エンジンの停止時点において圧縮行程にある気筒のピストン停止位置がその圧縮行程の中間点よりも下死点側にあるときには、前記複数の気筒の内のさらに、当該圧縮行程にある気筒の燃料噴射時期を、圧縮上死点以降の膨張行程初期になるよう遅角設定すると共に、点火時期を前記燃料噴射の完了後の膨張行程初期に設定し、前記始動手段はまた、前記スターターモータを駆動する、としてもよい。
エンジンの停止時点において圧縮行程にある気筒のピストン停止位置が、圧縮行程の中間点よりも下死点側にあるときには、エンジンの始動の際に、この圧縮行程の途中にある気筒内の空気の圧縮が進むにつれて気筒内の温度が高まる。そのため、この気筒に対し圧縮行程中に燃料を噴射すると、過早着火を招く虞がある。そこで、エンジンの停止時点において圧縮行程にある気筒のピストン停止位置に応じて、そのピストン停止位置が、圧縮行程の中間点よりも下死点側にあるときには、圧縮行程にある気筒の燃料噴射時期を、圧縮上死点以降の膨張行程初期になるよう遅角設定すると共に、点火時期を燃料噴射の完了後の膨張行程初期に設定する。このことにより、前述したように、過早着火が確実に回避される。
その一方で、当該停止時点において圧縮行程にある気筒の初回の燃焼が、膨張行程の初期以降に行われることになるから、特に始動開始時のトルクの低下が予想される。そこで、始動手段は、スターターモータを駆動し、エンジンの始動をアシストする。このことにより、エンジンは迅速にかつ確実に始動する。
前記吸気弁駆動機構は、前記油圧供給源から油圧が供給されることによって、前記吸気弁のバルブクリアランスを調整するように構成されたハイドロリックラッシュアジャスタを有し、前記始動手段は、前記エンジンの始動を開始して前記ハイドロリックラッシュアジャスタに油が供給された後は、前記燃料噴射時期の前記遅角設定を終了する、としてもよい。
ハイドロリックラッシュアジャスタに対して油が未供給のときには、ハイドロリックラッシュアジャスタの、いわゆる沈み込みが発生し、バルブクリアランスが大きくなる結果、吸気弁のリフト量が全体に低下するようになる。このことは、吸気弁の開弁期間を短くし、吸気下死点以降に設定される閉弁時期を実質的に進角させる。このため、当該気筒の有効圧縮比が高まり、過早着火を招き易くなる。そこで、始動手段は、エンジンの始動時であって、ハイドロリックラッシュアジャスタに油が供給される前は、前述したように、複数の気筒の内の少なくとも、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒についての燃料噴射時期を遅角させる。このことにより、過早着火が有効に回避される。一方、ハイドロリックラッシュアジャスタに油が供給された後は、ハイドロリックラッシュアジャスタの沈み込みが解消され、吸気弁の実質的な閉弁時期は、その分、遅角する（具体的にハイドロリックラッシュアジャスタの沈み込みが解消するタイミングは、ハイドロリックラッシュアジャスタは、その構造上、吸気弁が、一回リフトした後に、油が供給されて沈み込みが解消されるから、吸気弁が一回リフトした後になる）。吸気弁の実質的な閉弁時期が遅角することは、気筒の有効圧縮比が低下して過早着火の回避に有利になる。そこで、前述した燃料噴射時期の遅角設定を終了する。つまり、燃料噴射時期を進角し、それに伴い点火時期も早めることで、始動トルクが高まる。このことは、エンジンの始動の迅速化に有利になる。
尚、複数の気筒の内のいくつかの気筒に対して燃料噴射と点火とを行い、始動の開始後、数気筒が吸気を導入することにより、その後、気筒内に導入される吸気の温度が低下して過早着火の発生が抑制されるような状態になれば、ハイドロリックラッシュアジャスタに油が供給される前であっても、燃料噴射の遅角設定（つまり、膨張行程初期に燃料を噴射すること）を終了してもよい。その場合、燃料噴射時期は、例えば圧縮行程の終期（つまり、圧縮行程を、初期、前中期、中期、及び終期の４つに区分したときの終期）に設定してもよい。こうすることで、過早着火の発生をより確実に回避しつつ、エンジンの始動がさらに迅速化する。
前記始動手段は、前記エンジンの始動が完了するまでは、前記吸気弁の閉弁時期を前記所定時期に維持する、としてもよい。
エンジンの始動が開始して、バルブ位相可変機構に油圧が供給された後においても、エンジンの始動が完了するまでは、吸気弁の閉弁時期を所定時期のままで維持する。つまり、前記の構成では、燃料噴射時期を膨張行程初期に設定することで、過早着火が回避されるから、過早着火を回避するために、バルブ位相可変機構を作動させて有効圧縮比を低下させる必要がない。逆に、バルブ位相可変機構を作動させずに、吸気弁の閉弁時期を所定時期のままで維持することによって、比較的高い有効圧縮比が維持されるから、始動トルクを高めて、エンジンの迅速始動に有利になる。
前記始動手段は、前記エンジンを所定の条件下で自動停止させた後、所定の条件成立によって自動始動する際に、前記燃料噴射時期の前記遅角設定と、前記吸気弁の閉弁時期の前記非遅角設定とを行う、としてもよい。
エンジンの自動停止後の自動始動時には、エンジンの温度が比較的高いため、圧縮端温度が高くなって、過早着火を招く虞があるところ、前述したように、燃料噴射時期を遅角設定することは、エンジンの自動始動時における過早着火の発生を有効に回避することが可能になる。それと共に、バルブ位相可変機構により、吸気弁の閉弁時期を前記所定時期よりも遅角させない非遅角設定とすることで、エンジンの自動始動の最中は比較的高い有効圧縮比を維持するから、エンジンの迅速始動が可能になる。
以上説明したように、前記の火花点火式多気筒エンジンの始動装置は、エンジンの始動時の温度状態が所定温度以上の高温状態にあるときには、バルブ位相可変機構が、吸気弁の閉弁時期をエンジンの冷間始動が可能となる所定時期でロックして有効圧縮比が比較的高くなることと相まって、過早着火が生じ易くなるところ、始動手段が、複数の気筒の内の少なくとも、エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒の燃料噴射時期を、圧縮上死点以降の膨張行程初期になるよう遅角設定することにより、圧縮行程中の過早着火を確実に回避しつつ、膨張行程の比較的早い時期に確実に燃焼を行って、エンジンの迅速始動が可能になる。
火花点火式多気筒エンジン及びその制御装置の構成を示す概略図である。 吸気弁の駆動機構の構成を示す図である。 ＨＬＡに対する油圧の供給回路構成を示す概念図である。 エンジンの自動停止から自動始動に係るエンジン回転数の変化と吸気閉弁時期の変化との例を示す図である。 エンジンの高温状態での自動始動時の、各気筒のサイクル、吸気弁のリフトカーブ、並びに、燃料噴射及び点火時期を例示する説明図である。 エンジンの低温状態での自動始動時の、各気筒のサイクル、吸気弁のリフトカーブ、並びに、燃料噴射及び点火時期を例示する説明図である。
以下、火花点火式多気筒エンジンの始動装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は、例示である。図１に示されるように、エンジン・システムは、エンジン１、エンジン１に付随する様々なアクチュエーター、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエーターを制御するエンジン制御器１００を有する。このエンジン・システムは、幾何学的圧縮比が１３以上２０以下（例えば１４）の高圧縮比エンジン１を備える。
エンジン１は、火花点火式４ストローク内燃機関であって、図１には１つのみ図示するが、直列に配置された第１〜第４の４つの気筒１１を有する。但し、ここに開示する技術が適用可能なエンジンは、直列４気筒エンジンには限定されない。エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。
エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、ブロック１２の内部に気筒１１が形成されている。周知のように、シリンダブロック１２には、ジャーナル、ベアリングなどによりクランクシャフト１４が回転自在に支持されており、このクランクシャフト１４が、コネクティングロッド１６を介してピストン１５に連結されている。
各気筒１１の天井部には、略中央部からシリンダヘッド１３の下端面付近まで延びる２つの傾斜面が形成されており、それらの傾斜面が互いに差し掛けられた屋根のような形状をなすいわゆるペントルーフ型となっている。
前記ピストン１５は、各気筒１１内に摺動自在に嵌挿されており、気筒１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。ピストン１５の頂面は、前述した気筒１１の天井面のペントルーフ型の形状に対応するように、その周縁部から中央部に向かって隆起する台形状に形成されており、これによって、ピストン１５が圧縮上死点に到達したときの燃焼室容積を小さくして、１３以上の高い幾何学的圧縮比を達成している。ピストン１５の頂面にはまた、その概略中心位置に、概ね球面状に凹陥したキャビティ１５１が形成されている。このキャビティ１５１は、気筒１１の中心部に配設された点火プラグ５１に相対するように、配置されており、これによって、燃焼期間を短縮するようにしている。つまり、前述したように、この高圧縮比エンジン１は、ピストン１５の頂面が隆起していて、ピストン１５が圧縮上死点に到達したときに、ピストン１５の頂面と気筒１１の天井面との間隔が極めて狭くなるように構成されている。このため、キャビティ１５１を形成していないときには、初期火炎がピストン１５の頂面と干渉して冷却損失が増大し、火炎伝播が阻害されて燃焼速度が遅延してしまう。これに対し、前記のキャビティ１５１は、初期火炎の干渉を回避して、その成長を妨げないため、火炎伝播が速くなって、燃焼期間が短縮し得る。このことは、ノッキングの抑制に有利になり、点火時期の進角によるトルクの向上に寄与する。
気筒１１毎に、吸気ポート１８及び排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれが燃焼室１７に連通している。吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構３０により、排気弁２２は排気弁駆動機構４０により、それぞれ駆動され、それによって所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉する。
吸気弁駆動機構３０及び排気弁駆動機構４０は、それぞれ吸気カムシャフト３１及び排気カムシャフト４１を有する。カムシャフト３１，４１は、周知のチェーン／スプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフト１４に連結される。動力伝達機構は、周知のように、クランクシャフト１４が二回転する間に、カムシャフト３１，４１を一回転させる。
図２は、吸気弁駆動機構３０の構成をさらに詳細に示している。尚、排気弁駆動機構４０も、吸気弁駆動機構と同様の構成を有しているため、以下においては、その説明を省略する。吸気弁駆動機構３０は、スイングアームを備えたロッカーアーム式に構成されている。尚、図２においては、吸気弁２１をその軸部が紙面における上下方向に延びるように示しているが、吸気弁２１は、シリンダヘッド１３内において、気筒１１の中心軸に対し傾斜して配置される。
コイルスプリング３０１によって上方（弁を閉じる方向）に押圧付勢されている吸気弁２１は、スイングアーム式のロッカーアーム３０２を介して吸気カムシャフト３１により駆動されると、スプリング２５の押圧力に抗して押し下げられる。
ロッカーアーム３０２は、カムとの当たり面にローラを配置したローラーロッカーアームであり、エンジン１の幅方向に延びるように配置されている。ロッカーアーム３０２の長手方向の両端部のうち、気筒中心寄りの端部（図２における紙面左側の端部）が、吸気弁２１の軸端を押し下げる一方、反対側の端部は、エンドピボットにより枢支されている。
エンドピボットは、ハイドロリックラッシュアジャスタ（HydraulicLash Adjuster：ＨＬＡ）３０３によって構成されている。ＨＬＡ３０３は周知の構成であるため、ここでは詳細な図示を省略するが、油の供給を受けてバルブクリアランスがゼロとなるように調整する。つまり、ＨＬＡ３０３は、油の供給を受けて伸長することで、ロッカーアーム３０２を、図２においては反時計回り方向に回動させ、それによってロッカーアーム３０２の端部と吸気弁２１の軸端とのクリアランスをゼロにする。
図３は、ＨＬＡ３０３に対する油圧の供給回路８を概念的に示している。各気筒１１の吸気弁２１のＨＬＡ３０３に対しては、エンジン１のクランクシャフト１４に駆動連結されたオイルポンプ８１から、シリンダブロック１２内に設けられたメインオイルギャラリ８２及びシリンダヘッド１３内に設けられたサブオイルギャラリ８３を通じて、油が供給される。ＨＬＡ３０３は、その構造上、吸気弁２１が一度開弁した後に、ＨＬＡ３０３内の油室にエンジンオイルが充填されて伸長する。従って、エンジン１の始動開始時には、ＨＬＡ３０３の油室の油が抜けていて、ＨＬＡ３０３は縮退したままであり、その後、吸気弁２１が一度開弁した後に、ＨＬＡ３０３が伸長する。このため、エンジン１の始動時であって、ＨＬＡ３０３が縮退しているとき（以下、この状態をＨＬＡ３０３の沈み込みという場合がある）には、バルブクリアランスが大きくなる結果、吸気弁２１のリフト量が全体に小さくなりかつ、その開弁期間は実質的に短くなる。
吸気弁駆動機構３０は、吸気弁２１の開閉時期を変更可能な吸気バルブ位相可変機構３２を含んで構成され、排気弁駆動機構４０は、排気弁２２の開閉時期を変更可能な排気バルブ位相可変機構４２を含んで構成される。吸気バルブ位相可変機構３２は、この実施形態では、吸気カムシャフト３１の位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、油圧式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）により構成され、排気バルブ位相可変機構４２は、排気カムシャフト４１の位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、油圧式の位相可変機構により構成されている。吸気バルブ位相可変機構３２は、吸気弁２１の閉弁時期を変更することにより、有効圧縮比を調整し得るものである。
具体的に、吸気バルブ位相可変機構３２は、図４に「ＶＶＴ作動範囲」として示すように、吸気弁２１の閉弁時期を、吸気下死点以降における所定の最進角時期と最遅角時期との間で変更するように構成されている。最進角時期は、例えばＡＢＤＣ３０〜５０°ＣＡに設定され、最遅角時期は、例えばＡＢＤＣ１００〜１２０°ＣＡに設定される。尚、閉弁時期は、１ｍｍリフト時点で定義する（以下、同じである）。
吸気バルブ位相可変機構３２はまた、詳細な図示は省略するが、エンジン駆動のオイルポンプ８１からの油圧の供給を受けて作動するように構成されている。吸気バルブ位相可変機構３２は、供給される油圧が所定値以下のときには、吸気弁２１の閉弁時期を、最進角時期と最遅角時期との間における所定時期に、ロックするように構成されている。この中間ロック位置は、エンジン１の冷間始動が可能となるよう、有効圧縮比が比較的高くなるような閉弁時期に相当し、図４に例示するように、圧縮行程の中間点（９０°ＣＡ）から下死点側（例えばＡＢＤＣ７０〜９０°ＣＡ）に設定されている。
ここで、前述したように、ＨＬＡ３０３が沈み込み状態にあるときには、吸気弁２１の開弁期間は実質的に短くなるため、吸気下死点以降に設定された吸気弁２１の閉弁時期は、実質的に進角することになる。その進角量は、例えば３０°ＣＡ程度である。ＨＬＡ３０３が沈み込み状態となるエンジン１の始動時には、吸気バルブ位相可変機構３２の中間ロック位置よりも、吸気弁２１の閉弁時期が進角する結果、有効圧縮比がさらに高まることになる。
図１に戻り、燃料噴射弁５３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造で、この実施形態ではシリンダヘッド１３の一側（図例では吸気側）に取り付けられている。このエンジン１は、燃料を気筒１１内に直接噴射する、いわゆる直噴エンジンであり、燃料噴射弁５３の先端は、上下方向については吸気ポート１８の下方に、また、水平方向については気筒１１の中央に位置して、燃焼室１７内に臨んでいる。但し、燃料噴射弁５３の配置はこれに限定されるものではない。燃料噴射弁５３は、この例においては、多噴口（例えば６噴口）型の燃料噴射弁（Multi Hall Injector：ＭＨＩ）である。各噴口の向きは、図示は省略するが、気筒１１内の全体に燃料が噴射できるように、噴口軸の芯先が広がっている。ＭＨＩの利点は、多噴口であるため一噴口の径が小さく、比較的高い圧力で燃料を噴射し得る点、及び、気筒１１内の全体に燃料を噴射可能に広がっているため、燃料のミキシング性が高まると共に、燃料の気化・霧化が促進される点にある。従って、吸気行程中に燃料を噴射した場合は、気筒１１内の吸気流動を利用した、燃料のミキシング性、及び、気化・霧化の促進の点で有利になる一方、圧縮行程において燃料を噴射した場合は、燃料の気化・霧化の促進により、気筒１１内のガス冷却の点で有利になる。尚、燃料噴射弁５３は、ＭＨＩに限定されるものではない。
燃料供給システム５４は、燃料を昇圧して燃料噴射弁５３に供給する高圧ポンプ（燃料ポンプ）と、この高圧ポンプに対して燃料タンクからの燃料を送る配管やホース等と、燃料噴射弁５３を駆動する電気回路と、を備えている。燃料ポンプは、この例ではエンジン１によって駆動される。尚、燃料ポンプを電動ポンプとしてもよい。燃料噴射弁５３が多噴口型である場合は、微小な噴口から燃料を噴射するために、燃料噴射圧力は比較的高く設定される。電気回路は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて燃料噴射弁５３を作動させ、所定のタイミングで所望量の燃料を、燃焼室１７内に噴射させる。ここで、燃料供給システム５４は、エンジン回転数が上昇するに伴い燃圧を高く設定する。これは、エンジン回転数が上昇するに伴い、気筒１１内に噴射される燃料量も増大するが、燃圧が高くなることで、燃料の気化・霧化に有利になると共に、燃料噴射弁５３の燃料噴射に係るパルス幅を可及的に短くするという利点がある。
吸気ポート１８は、吸気マニホールド５５内の吸気経路５５ｂによってサージタンク５５ａに連通している。図示しないエアクリーナからの吸気流は、スロットルボデー５６を通過してサージタンク５５ａに供給される。スロットルボデー５６にはスロットル弁５７が配置されており、このスロットル弁５７は、周知のようにサージタンク５５ａに向かう吸気流を絞って、その流量を調整する。スロットル・アクチュエーター５８が、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁５７の開度を調整する。
排気ポート１９は、排気マニホールド６０内の排気経路によって周知のように排気管内の通路に連通している。この排気マニホールド６０は、図示を省略するが、各気筒１１の排気ポート１９に接続された分岐排気通路が、排気順序が隣り合わない気筒同士で第１集合部により集合され、各第１集合部の下流の中間排気通路が第２集合部で集合された構造となっている。すなわち、このエンジン１の排気マニホールド６０には、いわゆる４−２−１レイアウトが採用されている。
エンジン１にはまた、その始動時にクランキングを行うためのスターターモータ２０が設けられている。
エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。
エンジン制御器１００は、エアフローセンサ７１からの吸気流量及び吸気温度、吸気圧センサ７２からの吸気マニホールド圧、互いに一定量だけ位相のずれた２つのクランク角センサ７３、７４からのクランク角パルス信号、カムシャフトに設けられたカム角センサ７９からのカム角信号、水温センサ７８からのエンジン水温、というように、種々の入力を受ける。エンジン制御器１００は、例えばクランク角パルス信号に基づいて、エンジン回転数を計算する。また、２つのクランク角センサ７３、７４からのクランク角パルス信号、及び、カム角信号によって、エンジン制御器１００は、エンジン１の停止時のピストン１５の停止位置の検出、及び、気筒識別を行う。エンジン制御器１００は、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７５からのアクセル開度信号を受ける。さらに、エンジン制御器１００には、変速機の出力軸の回転速度を検出する車速センサ７６からの車速信号が入力される。加えて、シリンダブロック１２には、当該シリンダブロック１２の振動を電圧信号に変換して出力する加速度センサからなるノックセンサ７７が取り付けられており、その出力信号もエンジン制御器１００に入力される。
エンジン制御器１００は前記のような入力に基づいて、以下のようなエンジン１の制御パラメータを計算する。例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等である。そしてエンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル・アクチュエーター５８、燃料供給システム５４、点火システム５２、並びに、吸気及び排気バルブ位相可変機構３２、４２等に出力する。エンジン制御器１００はまた、エンジン１の始動時には、スターターモータ２０に駆動信号を出力する。
（エンジンの自動停止及び自動始動制御）
このエンジン・システムは、予め設定されたエンジン停止条件が成立したときに、燃料噴射弁５３からの燃料の噴射を中止すると共に、点火プラグ５１の点火動作を停止することにより、自動的にエンジン１を停止させる。また、エンジン１の自動停止後にエンジン１の再始動条件が成立したときに、エンジン１を自動的に再始動させる制御を実行する。エンジン１の自動停止時には、圧縮行程にある気筒１１及び膨張行程にある気筒１１において、ピストン１５が上死点方向に移動する際の抵抗を大きくすべく、少なくともこれらの気筒１１に対する吸気量を増大させ、特に膨張行程となる気筒１１に対してより多く吸気を供給するように、スロットル弁５７をエンジン１の停止動作期間中における所定期間だけ所定の開状態とする制御を実行する。
自動停止状態となったエンジン１を再始動させる際には、エンジン制御器１００（つまり、始動手段に相当する）が、スターターモータ２０をエンジン１の再始動開始時点から作動させつつ、下記の燃焼制御を実行する再始動制御を行う。
以下、エンジン制御器１００が実行をする再始動制御について、図４〜６を参照しながら詳細に説明する。図４は、エンジン１の自動停止から自動始動を経て始動完了に至るまでの、エンジン回転数の変化の一例（上図）及び吸気バルブ位相可変機構３２によって設定される吸気弁２１の閉弁時期を示している。また、図５は、エンジン１の始動時における温度が所定温度以上の高温状態にあるときの、各気筒１１のサイクル、吸気弁２１のリフトカーブ、並びに、燃料噴射及び点火時期を例示する図であると共に、図６は、エンジン１の始動時における温度が所定温度未満の低温状態にあるときの、各気筒１１のサイクル、吸気弁２１のリフトカーブ、並びに、燃料噴射及び点火時期を例示する図である。この所定温度は、３５〜４０℃程度に適宜設定され、この例では、水温センサ７８によって検知されたエンジン水温に基づいてエンジン１の始動時の温度状態を検知する。尚、エンジン水温の代わりに、エンジンオイルの温度（つまり、油温）に基づいて、エンジン１の始動時の温度状態を検知してもよい。
先ず、前述したように、エンジン１の自動停止条件が成立してエンジン１が自動停止した後には、オイルポンプ８１の駆動が停止するため、吸気バルブ位相可変機構３２に供給される油圧が所定値以下になる。吸気バルブ位相可変機構３２は、吸気弁２１の閉弁時期を中間ロック位置に固定する。これによって、図４に示すように、吸気弁２１の閉弁時期は、圧縮行程における中間点よりも下死点側に設定されるから、エンジン１の始動時には、有効圧縮比は比較的高くなる。また、エンジン１の自動停止後にＨＬＡ３０３の油が抜けることにより、ＨＬＡ３０３は沈み込み状態となり、エンジン１の自動始動を開始する時には、図４に破線で示すように、吸気弁２１の実質的な閉弁時期はさらに進角することになり、有効圧縮比はさらに高くなっている。
エンジン１の自動始動条件が成立して自動始動を行うときであって、エンジン１の温度状態が所定温度以上の高温状態にあるときには、図５に示すように、エンジン１の停止時点で、膨張行程にある＃２気筒、及び、圧縮行程にある＃１気筒に、所定のタイミングで燃料噴射Ｆ１，Ｆ２を行い、点火Ｓ１，Ｓ２を順次行うことによりエンジン１を正転方向に駆動する。このように、膨張行程及び圧縮行程にある気筒１１に対して燃料噴射と燃焼とを行うことにより、エンジン１の迅速な始動が可能になる。
エンジン１の高温始動時に、何れかの気筒が上死点を超えた次の行程から圧縮行程となる＃３気筒（つまり、エンジン１の停止時点で吸気行程にある気筒１１）、及び、＃４気筒（つまり、エンジン１の停止時点で排気行程にある気筒１１）においては、比較的高温の吸気を吸い込んで圧縮する上に、前述の通り、吸気バルブ位相可変機構３２が、吸気弁２１の閉弁時期を中間ロック位置に固定していると共に、ＨＬＡ３０３の沈み込みによって有効圧縮比が比較的高くなっていることから、圧縮端温度及び圧縮端圧力が共に高くなる。こうした＃３気筒及び＃４気筒に対して、圧縮行程中に燃料噴射を行ったのでは、過早着火を招く虞がある。尚、図５におけるＬｉは、吸気弁２１のリフトカーブを概念的に示しており、太実線で示されるリフトカーブＬｉは、ＨＬＡ３０３の沈み込みによってリフト量が低減しかつ、開弁期間が短縮した例を示している。
そこで、このエンジン１においては、高温始動時には、エンジン１の停止時点で吸気行程にある気筒（図例では＃３気筒）については少なくとも、燃料噴射Ｆ３の時期を膨張行程初期になるよう遅角設定すると共に、点火時期Ｓ３を燃料噴射の完了後の膨張行程初期に設定する。尚、図５の例では、エンジン１の停止時点で排気行程にある気筒（つまり、＃４気筒）についても、燃料噴射Ｆ４の時期を膨張行程初期になるよう遅角設定すると共に、点火時期Ｓ４を燃料噴射の完了後の膨張行程初期に設定している。ここで、膨張行程初期とは、膨張行程を、例えば初期、前中期、中期、及び終期の４つに分けたときの、初期とすればよい。具体的には、燃料噴射の開始を、ＡＴＤＣ０〜２０°ＣＡの範囲で適宜設定すればよい。燃料噴射開始時期の一例としては、ＡＴＤＣ１０°ＣＡである。このことにより、圧縮行程中の過早着火は確実に回避される。一方で、エンジン１の温度状態が比較的高い状態にあり、しかも有効圧縮比が比較的高いため、膨張行程初期のタイミングで気筒１１内に燃料を噴射しても、その燃料を、速やかに気化・霧化させることが可能である。
また、点火時期は、燃料噴射開始時期に基づいて設定すればよい。例えば燃料噴射開始時期に対して１０〜４０°ＣＡ程度遅れた時期に設定してもよい。点火時期の一例としては、ＡＴＤＣ３０°ＣＡである。前述の通り、気筒１１内に噴射した燃料が速やかに気化・霧化することから、点火時期を早めることが可能であり、点火時期の進角化は、膨張行程期間内での燃焼時期を早めて、始動トルクを高める。これは、エンジン１の迅速な始動に有利になる。
こうして、＃３気筒及び＃４気筒における初回の燃焼を行うことにより、エンジン１の始動時にサージタンク５５ａ内等に存在していた比較的高温の吸気が、これら＃３気筒及び＃４気筒に吸い込まれる結果、その後に、＃２気筒に吸い込まれる吸気の温度は、相対的に低下し得る。このことは、圧縮端温度を低下させて、過早着火の発生を抑制する上で有利になる。そこで、＃２気筒についての２回目の燃料噴射Ｆ５以降は、その噴射時期を、膨張行程初期ではなく圧縮行程中に設定し、圧縮上死点付近において点火を行ってもよい。図例では、＃２気筒についての燃料噴射Ｆ５、及び、＃１気筒についての燃料噴射Ｆ６の噴射時期をそれぞれ、圧縮行程に設定している。
但し、圧縮端温度が比較的高く、圧縮行程中に燃料噴射を行うと過早着火が生じる虞があるときには、図５に破線で示すように、燃料噴射Ｆ５及び点火Ｓ５を膨張行程初期に行う遅角設定を継続してもよい。
また、＃２気筒に対し２回目の燃料噴射を行うときには、前述した＃３気筒や＃４気筒の初回の燃料噴射時と比較して圧縮端温度は低くなり、その分、過早着火が生じ難くなる。そこで、燃料噴射Ｆ５及び点火Ｓ５を膨張行程初期に行う遅角設定を継続する場合においても、その燃料噴射Ｆ５及び点火Ｓ５を、圧縮上死点に近づけるように進角してもよい。こうすることで、過早着火を回避しつつも、始動トルクを高めて、エンジン１の迅速始動に有利になる。
このように、燃料噴射及び点火の遅角設定を、どこまで継続させるかについては、一例として、エンジン１の始動時点におけるエンジン１の温度状態（つまり、エンジン水温）の高低に基づいて決定してもよい。
そして、エンジン１の始動が開始することでオイルポンプ８１の駆動が開始し、さらに、各気筒１１について吸気弁２１が一度開弁すれば、図４に破線で示すように、各気筒１１のＨＬＡ３０３に油が供給されて沈み込みが解消し、それによって、バルブクリアランスはゼロになる。その結果、図５の細実線で示すように、吸気弁２１のリフト量が大きくなりかつ、開弁期間は長くなる。そうして、実質的に進角していた吸気弁２１の閉弁時期は遅角するようになり、有効圧縮比は、その分、低下する。そこで、ＨＬＡ３０３の沈み込みが解消された後には、前述した燃料噴射及び点火の遅角設定を、終了する。図５の例では、＃３気筒の２回目の燃料噴射Ｆ７が、それに相当し、燃料噴射Ｆ７は、圧縮行程中の所定時期に行われ、圧縮上死点付近において点火Ｓ７を行う。
その一方で、オイルポンプ８１の駆動によって、吸気バルブ位相可変機構３２に対しても所定値以上の油圧が供給されるようになり、吸気バルブ位相可変機構３２の作動が可能になる。しかしながら、このエンジン・システムにおいては、図４に示すように、吸気バルブ位相可変機構３２の作動が可能になった後でも、エンジン回転数がＮ１となってエンジン１の始動が完了するまでは、吸気バルブ位相可変機構３２を非作動のままにする。こうして、エンジン１の自動始動時に、有効圧縮比を比較的高い状態に維持することにより、エンジン１の始動の迅速化が図られる。尚、吸気バルブ位相可変機構３２を非作動のままにせず、特にＨＬＡ３０３の沈み込みが解消した後に、吸気弁２１の閉弁時期をさらに進角させるようにしてもよい。こうすることで、ＨＬＡ３０３の沈み込みが解消した後においても吸気弁２１の閉弁時期が遅角せず、有効圧縮比を、より高い状態で維持することが可能になる。
尚、前述したエンジン１の自動始動時には、スターターモータ２０を駆動しているものの、スターターモータ２０の駆動を省略してもよい。
また、エンジン１の停止時点において、圧縮行程にある気筒（図例では＃１気筒）のピストン１５の停止位置が、圧縮行程の中間点よりも下死点側にあるときには、エンジン１の自動始動時に、この圧縮行程の途中にある気筒１１内の空気の圧縮が進むにつれて気筒１１内の温度が大きく上昇し、前述の通り、圧縮行程中での燃料噴射Ｆ２を行うと、過早着火を招く虞がある。そこで，停止時点において圧縮行程にある＃２気筒への燃料噴射時期を、図５に破線で示すように、膨張行程初期に設定すると共に、点火Ｓ２の時期を燃焼噴射の完了後の膨張行程初期に設定してもよい。この場合は、エンジン１の始動開始時のトルクが低下することから、スターターモータ２０を駆動して、エンジン１の始動をアシストすることが好ましい。こうすることで、エンジン１の迅速かつ確実な始動が可能になる。
以上説明したようなエンジン１の高温状態での自動始動の制御に対し、エンジン１の温度状態が所定温度未満の低温状態での自動始動時には、図６に例示するような制御が行われる。つまり、低温状態での始動時には、高温状態での始動時と同様に、吸気バルブ位相可変機構３２が、吸気弁２１の閉弁時期を中間ロック位置に固定すると共に、ＨＬＡ３０３の沈み込みにより、吸気弁２１の閉弁時期が進角して、有効圧縮比が比較的高くなる。但し、エンジン１の低温状態では、気筒１１内に吸い込まれる吸気の温度が比較的低くなるため、圧縮端温度はその分低くなる。そのため、圧縮行程中に、気筒１１内に燃料を噴射しても過早着火が生じ難い。逆に、高温始動時と同様に、膨張行程初期に燃料を噴射しても、気筒１１内の温度が低い分だけ、燃料の気化・霧化には不利になる。尚、ここでいう低温状態は、エンジン１の自動停止を行う条件下においての低温状態を意味する。
そこで、低温始動時には、前述した燃料噴射及び点火の遅角設定を行わない。具体的には、図６に示すように、先ず、エンジン１の停止時点で膨張行程にある＃２気筒、及び、圧縮行程にある＃１気筒のそれぞれについて、所定のタイミングで燃料噴射Ｆ１，Ｆ２を行い、点火Ｓ１，Ｓ２を順次行うことによりエンジン１を正転方向に駆動する。
その後、エンジン１の停止時点で吸気行程にある＃３気筒、及び、排気行程にある＃４気筒においては、高温始動時とは異なり、燃料噴射Ｆ３、Ｆ４を、圧縮行程の所定時期に行うと共に、圧縮上死点付近において点火を行う。また、＃２気筒における２回目以降の燃料噴射Ｆ５及び点火Ｓ５、並びに、＃１気筒における２回目以降の燃料噴射Ｆ６及び点火Ｓ６についても、同様である。このような燃料噴射時期は、例えばＢＴＤＣ９０〜６０°ＣＡで適宜設定してもよい。燃料噴射時期の一例としては、ＢＴＤＣ７０°ＣＡである。こうして低温始動時においては、燃料噴射時期及び点火時期を、高温始動時と比較して進角させることにより、過早着火を回避しながら、始動トルクの向上に有利になり、エンジン１の迅速始動に有利になる。また、ＨＬＡ３０３の沈み込みが解消した後の、燃料噴射Ｆ７及び点火Ｓ７は、高温始動時と同様に、圧縮行程の所定時期に設定される。
また、吸気バルブ位相可変機構３２は、高温始動時と同様に、エンジン１の始動が完了するまでは、吸気弁２１の閉弁時期を中間ロック位置に保持してもよいし、例えばＨＬＡ３０３の沈み込みが解消した後には、高い有効圧縮比を維持して低温始動時の始動性をさらに高めるべく、吸気弁２１の閉弁時期を進角させるようにしてもよい。
尚、前記の説明では、燃料噴射及び点火の遅角設定を、エンジン１の自動始動時に適用しているが、運転者がキーオンをすることによってエンジン１を始動させる強制始動時に、この遅角設定技術を適用することも可能である。
１ エンジン
１００ エンジン制御器（始動手段）
１１ 気筒
１５ ピストン
２０ スターターモータ
３０ 吸気弁駆動機構
３０３ ＨＬＡ（ハイドロリックラッシュアジャスタ）
３２ 吸気バルブ位相可変機構
５１ 点火プラグ
５３ 燃料噴射弁
８１ オイルポンプ（油圧供給源）

Claims (5)

  1. それぞれピストンが往復動可能に嵌挿された複数の気筒を有する多気筒エンジンと、
    前記気筒内に燃料を噴射するように構成された燃料噴射弁と、
    前記気筒内の混合気に点火をするように構成された点火プラグと、
    前記気筒内に吸気を導入するための吸気弁を、前記ピストンの往復動に同期して開閉するように構成された吸気弁駆動機構と、
    前記吸気弁の閉弁時期を、吸気下死点以降における所定の最進角時期と所定の最遅角時期との間で変更するように構成された、油圧駆動式のバルブ位相可変機構と、
    前記エンジンによって駆動される機械駆動式でありかつ、前記バルブ位相可変機構に所定の油圧を供給するように構成された油圧供給源と、
    前記エンジンの始動の際に、前記燃料噴射弁、点火プラグ、及びバルブ位相可変機構を制御するように構成された始動手段と、を備え、
    前記バルブ位相可変機構は、供給される油圧が所定値以下のときには、前記吸気弁の閉弁時期を、前記最進角時期と前記最遅角時期との間の時期であって、有効圧縮比が所定以上となる閉弁時期にロックするように構成されており、
    前記始動手段は、前記エンジンの始動時の温度状態が所定温度以上の高温状態にあるときには、前記複数の気筒の内の少なくとも、当該エンジンの停止時点において吸気行程にある気筒の燃料噴射時期を膨張行程初期になるよう遅角設定すると共に、点火時期を前記燃料噴射の完了後の膨張行程初期に設定し、
    前記始動手段はまた、前記エンジンの始動を開始して前記バルブ位相可変機構に供給される油圧が前記所定値を超えた後も、前記エンジンの始動が完了するまでは、前記吸気弁の閉弁時期を前記所定時期よりも遅角させない非遅角設定とする火花点火式多気筒エンジンの始動装置。
  2. 請求項１に記載の火花点火式多気筒エンジンの始動装置において、
    前記エンジンのクランキングを行うように構成されたスターターモータをさらに備え、
    前記始動手段は、前記エンジンの始動時の温度状態が所定温度以上の高温状態にあるときであってかつ、前記エンジンの停止時点において圧縮行程にある気筒のピストン停止位置がその圧縮行程の中間点よりも下死点側にあるときには、前記複数の気筒の内のさらに、当該圧縮行程にある気筒の燃料噴射時期を、圧縮上死点以降の膨張行程初期になるよう遅角設定すると共に、点火時期を前記燃料噴射の完了後の膨張行程初期に設定し、
    前記始動手段はまた、前記スターターモータを駆動する火花点火式多気筒エンジンの始動装置。
  3. 請求項１又は２に記載の火花点火式多気筒エンジンの始動装置において、
    前記吸気弁駆動機構は、前記油圧供給源から油圧が供給されることによって、前記吸気弁のバルブクリアランスを調整するように構成されたハイドロリックラッシュアジャスタを有し、
    前記始動手段は、前記エンジンの始動を開始して前記ハイドロリックラッシュアジャスタに油が供給された後は、前記燃料噴射時期の前記遅角設定を終了する火花点火式多気筒エンジンの始動装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式多気筒エンジンの始動装置において、
    前記始動手段は、前記エンジンの始動が完了するまでは、前記吸気弁の閉弁時期を前記所定時期に維持する火花点火式多気筒エンジンの始動装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の火花点火式多気筒エンジンの始動装置において、
    前記始動手段は、前記エンジンを所定の条件下で自動停止させた後、所定の条件成立によって自動始動する際に、前記燃料噴射時期の前記遅角設定と、前記吸気弁の閉弁時期の前記非遅角設定とを行う火花点火式多気筒エンジンの始動装置。
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