JP6070986B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を制御する制御装置に関する。

複数の気筒を備える４ストローク内燃機関では、各気筒が現在どの行程にあるのかを知得して、燃料噴射制御及び点火制御を実施する必要がある。

内燃機関のクランクシャフトには、その回転角度及びエンジン回転数を検出するためのクランク角センサが付設されている。クランク角センサは、クランクシャフトに固定されたロータの回転を、例えば１０°ＣＡ（クランク角度）毎にセンシングする。

クランクシャフトに従動して回転し、各気筒の吸気バルブまたは排気バルブを開閉駆動するカムシャフトにも、カム角センサが付設されている。カム角センサは、カムシャフトに固定されたロータの回転を、例えば一回転を気筒数で割った角度、三気筒エンジンであれば１２０°（クランク角度に換算すれば、２４０°ＣＡ）毎にセンシングする。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、これらクランク角信号及びカム角信号を参照して各気筒の行程を把握し、気筒における燃料噴射タイミングや点火タイミングを決定する。

内燃機関を始動する際には、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。そして、クランクシャフトの回転に伴って発生するクランク角信号及びカム角信号を基に、各気筒の行程を判別して、しかる後各気筒毎の行程に合わせた燃料噴射である同期噴射を開始することが基本である。

だが、可及的速やかに内燃機関を始動させる必要から、近時では、クランキングの開始と略同時に全ての気筒に一斉に燃料を噴射する非同期噴射を実施することが通例となっている（例えば、下記特許文献を参照）。予め非同期噴射を実施しておくことにより、気筒判別の完了直後に点火タイミング即ち圧縮上死点を迎えた気筒に対し、同期噴射による燃料噴射を待つことなく即座に点火することが可能となり、クランキング期間の短縮に資する。

特開２０１２−０８７７３３号公報

気筒判別の完了後、点火タイミングが訪れることなく同期噴射のタイミングを迎えた気筒では、先の非同期噴射による燃料が未だ燃焼または排出されずに残留していることがある。これに同期噴射による燃料が加重されると、混合気が不必要にリッチ化する。

本発明は、上述の問題に初めて着目してなされたものであり、内燃機関の始動の際の不要な燃料噴射を削減することを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の始動に際し、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングの開始と略同時に複数の気筒に一斉に燃料を噴射する非同期噴射を実施し、各気筒の行程の判別が完了した後に気筒毎に個別に燃料を噴射する同期噴射を実施する制御を行うものであって、非同期噴射から各気筒の行程の判別が完了するまでに要した時間と、その間のクランクシャフトの回転速度とから、ポート噴射式の内燃機関にあっては非同期噴射時に既に吸気行程に差し掛かっていたか非同期噴射後各気筒の行程の判別の完了までに吸気行程を迎えていない気筒を知得し、筒内噴射式の内燃機関にあっては非同期噴射時に既に排気行程に差し掛かっていたか非同期噴射後各気筒の行程の判別の完了までに排気行程を迎えていない気筒を知得して、当該気筒の次回の同期噴射をキャンセルすることを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の始動の際の不要な燃料噴射を削減することができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する始動処理の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の内燃機関の制御装置が実行する始動処理の内容を説明するタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、三つの気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備する。それら気筒１は直列配置されており、各気筒１の圧縮上死点は等間隔、即ち２４０°ＣＡ毎に出現する。

各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、車載のバッテリの電圧（または、バッテリ電流）を検出するセンサから出力されるバッテリ電圧信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却液（または、冷却水）の温度を検出する液温センサから出力される冷却液温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｈ等が入力される。アクセル開度は、いわば要求負荷である。内燃機関の冷却液温は、内燃機関の温度を示唆する。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、電動機たるスタータモータ（または、セルモータ。図示せず）に制御信号ｏを入力し、スタータモータにより内燃機関のクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

ここで、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇに関して補足する。クランク角センサは、クランクシャフトに固定されクランクシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには、クランクシャフトの回転方向に沿った所定角度毎に、歯または突起が形成されている。典型的には、クランクシャフトが１０°回転する毎に、歯または突起が配置される。

クランク角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度クランク角信号ｂとしてパルス信号を発信する。ＥＣＵ０は、このパルスをクランク角信号ｂとして受信する。

但し、クランク角センサは、クランクシャフトが一回転する間に三十六回のパルスを出力するわけではない。クランクシャフトのロータの歯または突起は一部欠けており、その欠歯部分に起因して、クランク角信号ｂのパルス列もまた一部が欠損する。図２に示す例では、十七番目、十八番目、二十番目、二十一番目、三十五番目及び三十六番目に該当するパルスが欠損している。この欠損を基にして、クランクシャフトの絶対的な角度を知ることが可能である。欠損した三十六番目のパルスの次の一番目のパルスのタイミングを０°ＣＡとおくと、欠損した十八番目のパルスに続く十九番目のパルスのタイミングが１８０°ＣＡということになる。上記の０°ＣＡのパルスのタイミングは、特定の気筒（図示例では、第二気筒）１の上死点に略等しい。

カム角センサもまた、カムシャフトに固定されカムシャフトと一体となって回転するロータの回転角度をセンシングするものである。そのロータには、少なくともカムシャフトの一回転を気筒数で割った角度毎に、歯または突起が形成されている。三気筒エンジンの場合、カムシャフトが１２０°回転する毎に、歯または突起が配置される。カムシャフトは、巻掛伝動機構等を介してクランクシャフトから回転駆動力の伝達を受けて回転するもので、その回転速度はクランクシャフトの二分の一である。故に、上記の歯または突起は、クランク角度に換算すれば２４０°ＣＡ毎に配置されていることになる。

それらに加えて、各気筒１の行程を判別するための補助となる気筒判別信号を発生させるための歯または突起が、２４０°ＣＡ毎の歯または突起の間に一つ設けられる。

カム角センサは、ロータの外周に臨み、個々の歯または突起が当該センサの近傍を通過することを検知して、その都度カム角信号ｇとしてパルス信号を発信する。ＥＣＵ０は、このパルスをカム角信号ｇとして受信する。

カム角信号ｇは、何れかの気筒１が所定の行程に至ったことを表す信号である。吸気カムシャフトにカム角センサが付随している場合、そのカム角センサが出力する信号ｇは各気筒１における圧縮上死点の近傍、または圧縮上死点から所定クランク角度（３０°ＣＡないし７０°ＣＡの範囲内の値）だけ進角側に偏倚したタイミングを示唆する。いわゆる位相変化型の可変バルブタイミング機構が付随している内燃機関にあっては、カム角信号ｇが当該機構により調節されるバルブタイミングをも表す。

因みに、図２に示している例では、カム角信号ｇにおける、第一気筒１の圧縮上死点を表すパルスから６０°ＣＡ進角したタイミングに、気筒判別信号のパルスが存在している。（クランク角信号ｂのパルス列から明らかとなる）６０°ＣＡの間隔を隔てて二つのカム角信号ｇのパルスを受信したとき、後者のパルスの直後が第一気筒１の圧縮上死点であることが分かる。

ＥＣＵ０は、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇの双方を参照して各気筒１の現在の行程を知得し、各気筒１で適切な燃料噴射タイミングにて燃料を噴射する同期噴射を行い、また適切な点火タイミングにて混合気への点火を行う。

本実施形態のＥＣＵ０は、停止している内燃機関の始動に際し、スタータモータによりクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行い、かつそのクランキングの開始と略同時（クランキングの開始の直前、開始と同時または開始した直後）に、三気筒１の全てに一斉に燃料を噴射する非同期噴射を実施する。

そして、クランクシャフトの回転に伴い発生するクランク角信号ｂ及びカム角信号ｇを受信して、各気筒１の行程の判別を行う。各気筒１の行程の判別が完了したならば、気筒１毎に個別に燃料を噴射する同期噴射及び火花点火を開始する。内燃機関のクランキング中は、各気筒１毎に、排気上死点の直前のタイミングで同期噴射を実施するとともに、圧縮上死点の直後のタイミングで火花点火を実施する。

その上で、本実施形態では、各気筒１の行程の判別が完了した時点で非同期噴射による燃料が未だ残留している気筒１を知得し、当該気筒１の次回の同期噴射をキャンセルすることとしている。

例えば、図２に示すように、非同期噴射を実施した時点で、第一気筒１が膨張行程中、第二気筒１が圧縮行程中、第三気筒１が吸気行程の開始直前であったとする。

クランクシャフトが回転し始めた直後のクランク角信号ｂのパルス列の欠損は、検出することが難しい。故に、各気筒１の行程は、第三気筒１の圧縮上死点の直前に発生するクランク角信号ｂのパルス列の欠損及びカム角信号ｇのパルスを受信することによって判明する。厳密には、クランク角信号ｂの十七番目、十八番目、二十番目及び二十一番目のパルスの欠損を検出するために、欠損したパルスの直前のパルスと直後のパルスとの間隔に等しい３０°ＣＡ分のパルス列をさらに受信することが必要であり、気筒判別が完了するのはクランク角信号ｂの二十四番目のパルスを受信した後である。

気筒判別の完了時に吸気行程の最中にあり、気筒判別後に圧縮上死点を迎える第一気筒１については、同期噴射が実施されずとも、先の非同期噴射による燃料が既に当該気筒１に吸引されていることから、圧縮上死点の直後に火花点火を実施して、混合気が燃焼する膨張行程を営むことができる。

これに対し、気筒判別の完了時に排気行程の最中にある第二気筒１では、未だ吸気行程を迎えておらず、吸気ポート内に非同期噴射による燃料が残存している。その後に訪れる排気上死点に合わせて同期噴射を実施すると、不必要に多量の燃料を第二気筒１に供給することとなってしまう。そこで、第二気筒１における初回の同期噴射はキャンセルする。

並びに、第三気筒１は、クランキングの開始時点で既に吸気行程の開始直前であった。クランキングの開始時点で吸気行程の開始直前、または吸気行程中にある気筒１では、ピストンが吸気下死点に向けて運動を始めたとしても、非同期噴射により吸気ポート内に噴射された燃料が十分に気筒１内に吸引されない。つまり、第二気筒１と同様、気筒判別完了後に訪れる排気上死点に合わせて同期噴射を実施すると、不必要に多量の燃料を当該気筒１に供給することとなる。よって、第三気筒１における初回の同期噴射もまたキャンセルする。

本実施形態における内燃機関に実装されたクランク角センサ及びカム角センサはそれぞれ、ロータの回転をピックアップコイルを介して検出するＭＰＵセンサである。ＭＰＵセンサは、磁気抵抗素子を用いるＭＲＥセンサよりも低コストである反面、内燃機関が停止したときのクランクシャフト及びカムシャフトの絶対的な回転角度（ピストンの位置及び吸排気バルブを駆動するカムの姿勢）、換言すれば始動時噴射を実施するクランキング開始時点での各気筒１の行程を知ることができない。

従って、本実施形態のＥＣＵ０は、非同期噴射から気筒判別が完了するまでに要した時間Ｔと、その間のクランクシャフトの回転速度とに基づき、クランキングの開始時点での各気筒１の行程、ひいては気筒判別が完了した時点で非同期噴射による燃料が未だ残留している気筒１を判断する。

クランクシャフトを回転駆動するスタータモータは、車載のバッテリから電力の供給を受ける。図３に示すように、クランキング中のバッテリ電圧（または、電流）は、クランクシャフトの回転速度に応じた周期で脈動する。

三気筒エンジンの場合、クランクシャフトを回転させることに対する機械的な負荷は、各気筒１の圧縮上死点近傍において最も大きくなり、各気筒１の圧縮上死点の中間で最も小さくなる。ある気筒１が圧縮上死点近傍にあるとき、他の二つの気筒１はそれぞれ吸気行程及び排気行程の最中にあり、吸気カムシャフトが前者の気筒１の吸気バルブを押し下げ、かつ排気カムシャフトが後者の気筒１の排気バルブを押し下げている。よって、全ての気筒１が、クランクシャフトの回転駆動を妨げる方向に作用する。

バッテリ電圧は、クランクシャフトを回転させることに対する負荷が高いほど降下する。脈動するバッテリ電圧の極大値と極小値との間隔は、三気筒エンジンの１２０°ＣＡに相当する。従って、極大値と極小値との時間差ｔを計測すれば、そのときのクランクシャフトの回転速度が明らかとなる。時間差がｔ（ｓｅｃ）であるならば、エンジン回転数は６０／３ｔ（ｒｐｍ）である。

ＥＣＵ０は、非同期噴射から気筒判別の完了までの期間におけるバッテリ電圧の脈動から、当該期間におけるクランクシャフトの回転速度を推算する。そして、その回転速度と、当該期間の時間Ｔの長さとから、非同期噴射を実施したクランキング開始時点での各気筒１の行程を判断する。既に述べた通り、脈動するバッテリ電圧の極大値と極小値との間隔は１２０°ＣＡに相当する。よって、非同期噴射から気筒判別の完了までの所要時間Ｔを、極大値と極小値との時間差ｔで除することで、非同期噴射から気筒判別の完了までにクランクシャフトがどれくらいの角度回転したかが分かる。結果、気筒判別完了時点での各気筒１の行程を基準として、クランキング開始時点における各気筒１の行程が判明する。

クランキング開始時点での各気筒１の行程、及び気筒判別完了時点での各気筒１の行程が判明すれば、気筒判別完了後に最初に訪れる同期噴射をキャンセルできる気筒１、即ち非同期噴射による燃料が未だ気筒１に吸引されず吸気ポートに残留している気筒１（非同期噴射時に既に吸気行程に差し掛かっていたか吸気行程以外の行程にあり、その後気筒判別の完了までに吸気行程を迎えていない気筒１）を知ることができる。

本実施形態では、内燃機関の始動に際し、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングの開始と略同時に複数の気筒１に一斉に燃料を噴射する非同期噴射を実施し、各気筒１の行程の判別が完了した後に気筒１毎に個別に燃料を噴射する同期噴射を実施する制御を行うものであって、非同期噴射から各気筒１の行程の判別が完了するまでに要した時間Ｔと、その間のクランクシャフトの回転速度とから、各気筒１の行程の判別が完了した時点で非同期噴射による燃料が未だ残留している気筒１を知得し、当該気筒１の次回の同期噴射をキャンセルすることを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

本実施形態によれば、内燃機関の始動の際の不要な燃料噴射を削減することができ、燃費性能の一層の向上に資する。また、本実施形態の始動制御は、比較的高価なＭＲＥセンサを用いることなく実現できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、内燃機関の始動の際にクランクシャフトを回転駆動するための電動機は、クランクシャフトから回転駆動力の供給を受けて発電（特に、回生制動）する発電機の機能を兼ね備えたモータジェネレータであることがある。

上記実施形態における内燃機関はポート噴射式のものであったが、各気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射式の内燃機関の始動制御に本発明を適用することも可能である。この場合には、非同期噴射から各気筒の行程の判別が完了するまでに要した時間と、その間のクランクシャフトの回転速度とから、各気筒の行程の判別が完了した時点で非同期噴射による燃料が気筒の燃焼室内に未だ残留している気筒（非同期噴射時に既に排気行程に差し掛かっていたか排気行程以外の行程にあり、その後気筒判別の完了までに排気行程を迎えていない気筒）を知得して、当該気筒の次回の同期噴射をキャンセルする。

その他、各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の始動制御に用いることができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
ｂ…クランク角信号
ｄ…バッテリ電圧信号
ｇ…カム角信号

Claims (1)

1. 内燃機関の始動に際し、電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングの開始と略同時に複数の気筒に一斉に燃料を噴射する非同期噴射を実施し、各気筒の行程の判別が完了した後に気筒毎に個別に燃料を噴射する同期噴射を実施する制御を行うものであって、
   非同期噴射から各気筒の行程の判別が完了するまでに要した時間と、その間のクランクシャフトの回転速度とから、ポート噴射式の内燃機関にあっては非同期噴射時に既に吸気行程に差し掛かっていたか非同期噴射後各気筒の行程の判別の完了までに吸気行程を迎えていない気筒を知得し、筒内噴射式の内燃機関にあっては非同期噴射時に既に排気行程に差し掛かっていたか非同期噴射後各気筒の行程の判別の完了までに排気行程を迎えていない気筒を知得して、当該気筒の次回の同期噴射をキャンセルすることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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