(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制御方法または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、走行用の動力源として車両に搭載される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2を有するシリンダブロック3と、各気筒2を上から閉塞するようにシリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2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。
ピストン5の上方には燃焼室6が画成されており、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。
ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸7が設けられている。クランク軸7は、ピストン5と図外のコネクティングロッドを介して連結され、ピストン5の往復運動(上下運動)に応じて中心軸回りに回転駆動される。
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2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2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、4つの気筒2の気筒番号を紙面手前から順に1番、2番、3番、4番とすると、1番気筒→3番気筒→4番気筒→2番気筒の順に燃焼が行われる。このため、例えば1番気筒が圧縮行程であれば、3番気筒、4番気筒、2番気筒は、それぞれ、吸気行程、排気行程、膨張行程となる。
シリンダヘッド4には、各気筒2の燃焼室6に開口する吸気ポート9および排気ポート10と、各ポート9,10を開閉する吸気弁11および排気弁12とが設けられている。吸気弁11および排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカム軸等を含む動弁機構13,14により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
また、シリンダヘッド4には、燃料噴射弁15(請求項にいう「燃料噴射装置」に相当)が各気筒2につき1つずつ設けられている。各燃料噴射弁15には、燃料を蓄圧状態で蓄える図外のコモンレールから延びる燃料供給管20がそれぞれ接続されており、各燃料噴射弁15は、燃料供給管20から供給された燃料を燃焼室6に高圧噴射することにより、各気筒2に所要量の燃料を供給する。
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(エンジン水温)を検出するための水温センサSN1がシリンダブロック3に設けられている。
シリンダブロック3には、クランク軸7の回転角度(つまりクランク角)、およびクランク軸7の回転数(つまりエンジン回転数)を検出するためのクランク角センサSN2が設けられている。このクランク角センサSN2は、クランク軸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ものである。
具体的に、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25aが突設されている。クランク角センサSN2は、クランクプレート25の歯25aと対向するように設けられており、クランクプレート25の回転に伴い周方向に移動する各歯25aの通過を光学的に検出することによりパルス信号(ON/OFF信号)を出力する。クランク角およびエンジン回転数は、このクランク角センサSN2からのパルス信号に基づいて検出される。
図1は概略図であるため正確ではないが、当実施形態において、クランクプレート25の外周部には微小角度(例えば6°CA)ごとに等間隔に並ぶように多数の歯25aが設けられている。このため、クランク角センサSN2から出力されるパルス信号は、歯25aのピッチ角ごとにON/OFFが繰り返される一定周期の信号となる。ただし、クランクプレート25の外周のうち特定の角度範囲は、歯が省略された欠け歯部25bとされている。この欠け歯部25bは、クランク角を特定するための基準として設けられている。
シリンダヘッド4には、動弁機構(ここでは排気弁12用の動弁機構14)に含まれるカム軸の角度を検出するためのカム角センサSN3が設けられている。カム角センサSN3は、カム軸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、気筒識別情報(どの気筒が何行程にあるかを識別するための情報)を生成するためのパルス信号を出力するものである。
吸気ポート9および排気ポート10には、吸気通路28および排気通路29がそれぞれ接続されている。吸気通路28には、外部から燃焼室6に導入される吸入空気(新気)が流通し、排気通路29には、燃焼室6から外部に排出される排気ガス(燃焼ガス)が流通する。
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2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共通のサージタンク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、単管状の共通通路部28cが設けられている。
共通通路部28cには、各気筒2への吸入空気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。
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。ピニオンギア34bは、クランク軸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、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、クランク軸7が回転駆動される。
(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。
ECU50には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ECU50は、上述した水温センサSN1、クランク角センサSN2、およびカム角センサSN3と電気的に接続されており、これら各センサSN1〜SN3からの入力信号に基づいて、エンジン水温、クランク角、エンジン回転数、気筒識別情報等の種々の情報を取得する。
また、エンジンを搭載する車両のエンジンルームには、外気温を検出するための外気温センサSN4が設けられている。さらに、車両の各部には、例えば車両の走行速度(車速)、アクセルペダルの開度(アクセル開度)、ブレーキペダルのON/OFF(ブレーキの有無)といった各種情報を検出するための車載センサSN4が設けられている。ECU50は、外気温センサSN4および車載センサSN5と電気的に接続されおり、これら各センサSN4,SN5からの入力信号に基づいて、車速、アクセル開度、ブレーキの有無といった車両に関する種々の情報、および外気温を取得する。
ECU50は、上記各センサSN1〜SN5から得られる情報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ものであり、請求項にいう「燃料供給量設定部」および「閾値設定部」に相当するものである。具体的に、ECU50は、燃料噴射弁15、吸気絞り弁30、およびスタータモータ34等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制御用の信号を出力する。
ECU50が有するより具体的な機能について説明する。エンジンの運転中、ECU50は、例えば、車載センサSN5により検出される車速やアクセル開度等に基づいてエンジンの要求トルク(負荷)を算出するとともに、クランク角センサSN2により検出されるクランク角の変化に基づいてエンジン回転数を算出する。また、算出した要求トルクおよびエンジン回転数等の種々の条件に基づいて、各気筒2に供給すべき燃料の目標供給量を設定し、設定した目標供給量に一致する量の燃料が各気筒2に供給されるように、各気筒2の燃料噴射弁15を制御する。
また、当実施形態のエンジンにはいわゆるアイドリングストップ機能が付加されている。すなわち、ECU50は、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、または再始動させる機能を有している。例えば、ECU50は、車速がほぼゼロであること、アクセルペダルがOFF(アクセル開度がゼロ)であること、ブレーキペダルがONであること等の複数の条件が全て満足されたときに、燃料噴射弁15からの燃料供給をカットしてエンジンを自動的に停止させる。一方で、エンジンの自動停止後、アクセルペダルがOFFからONになった(アクセル開度がゼロより大きくなった)こと、ブレーキペダルがONからOFFになったこと等の複数の条件のうち少なくとも1つが満足されたときに、燃料噴射弁15からの燃料供給を再開するなどしてエンジンを再始動させる。
(3)通常運転時の制御
次に、エンジンの通常運転時、つまりエンジンの始動(イグニッションONに伴う強制始動または自動停止後の再始動)が完了した後の運転中に適用される制御の具体例、特に、エンジン回転数を算出する方法および燃料の目標供給量を設定する方法について説明する。
図2は、クランク角センサSN2からECU20に入力されるパルス信号をクランク角の変化軸上で示す図である。なお、図2では、燃料を噴射する気筒2の行程変化を併せて図示している。そして、当該気筒2の圧縮上死点を360°CA、吸気下死点を180°CA、排気上死点を0°CAとしている。
エンジンの通常運転時、ECU50は、気筒2に供給すべき燃料の目標供給量を設定する処理を、圧縮行程中の所定のクランク角C6の時点で開始する。具体的には、クランク角センサSN2の検出値に基づきクランク角がC6になったことが確認された時点で、C6以前のクランク角の時間変化に基づいてエンジン回転数を算出する(その詳細な方法は後述する)。そして、算出したエンジン回転数と、車載センサSN5により検出される車速やアクセル開度等から算出されるエンジンの要求トルク(負荷)と、水温センサSN1により検出されるエンジン水温とに基づいて、燃料噴射弁15から噴射すべき燃料の量、つまり燃料の目標供給量を設定する。
図2の例では、各気筒2の圧縮行程の中期にパイロット噴射F0が実行されるとともに、圧縮行程の後期にメイン噴射F1が実行されるようになっており、ECU50は、燃料の目標供給量として、これらパイロット噴射F0およびメイン噴射F1による合計の噴射量を、上記エンジン回転数、要求トルク、およびエンジン水温とに基づいて設定する。
パイロット噴射F0のタイミングは、燃料の目標供給量を設定する処理が開始されるクランク角C6よりもやや遅角側にずれたタイミングに設定されている。言い換えると、クランク角C6の時点からパイロット噴射F0の時点までの間にはある程度のクランク角差に相当する期間が存在しており、当該期間は、少なくとも、エンジン回転数および燃料の目標供給量を特定する演算に要する期間もしくはそれ以上になるように設定されている。
ここで、パイロット噴射F0およびメイン噴射F1が実行されるタイミングについては、図2に示すようなタイミングに限られず、エンジン回転数、要求トルク、およびエンジン水温等に応じて変化し得る。また、燃料噴射弁15からの噴射パターンについても、パイロット噴射およびメイン噴射の2回の噴射をするパターンに限られず、3回以上の噴射をするパターンが採用される場合もあれば、1回のみの噴射をするパターンが採用される場合もある。ECU50は、上述した燃料の目標供給量を設定する処理と併せて、これら燃料の噴射パターンおよび噴射タイミングを設定する処理を行う。ただし、これらの各設定をクランク角C6の時点のエンジン回転数に基づいて行うために、いずれの噴射パターンにおいても、クランク角C6よりも遅角側に1回目の燃料噴射のタイミングが設定されるようになっている。
図2に示される式(1)は、クランク角C6の時点でのエンジン回転数Nを算出するための演算式である。この式(1)に示すように、クランク角C6の時点でのエンジン回転数N(rpm)は、クランク角C6以前に設定された複数の分割区間(D1〜D6)におけるそれぞれの経過時間の計測値(Δt1〜Δt6)に基づいて算出される。
具体的に、当実施形態では、吸気行程中の所定のクランク角C0から圧縮行程中の上記クランク角C6までのクランク角範囲(例えば180°CAの範囲)が6つに分割されることにより、第1分割区間D1から第6分割区間D6までの6つの分割区間が設定されている(C1〜C5は各分割区間の境界のクランク角である)。ECU50は、これら第1〜第6分割区間D1〜D6それぞれの開始から終了までの時間、つまり各分割区間D1〜D6の経過時間Δt1〜Δt6を、自身に内蔵されたタイマーのカウント値に基づいて計測する。そして、ECU50は、これらのデータに基づいて、式(1)によりエンジン回転数Nを算出する。
式(1)のうち、鎖線で囲んだA項、つまり、クランク角C6とクランク角C0との差分(C6−C0)を各分割区間D1〜D6の時間計測値の合計(Δt1+Δt2‥‥+Δt6)で割った値は、クランク角がC0からC6まで変化する期間中の平均の角速度、言い換えると、各分割区間D1〜D6の角速度の平均値を表している。エンジン回転数N(rpm)は1分あたりにクランク軸7が回転する数であるので、この平均の角速度(A項)に60(s)/360(°CA)を掛けることにより、エンジン回転数N(rpm)を算出することができる。
このように、エンジンの通常運転時は、複数の(ここでは6つの)分割区間D1〜D6の時間計測値Δt1〜Δt6を用いて各分割区間D1〜D6の平均角速度が算出されるとともに、その平均角速度に基づいてエンジン回転数が算出されるようになっている。
ここで、図2の例において、第6分割区間D6中のパルス信号が常にOFFとなっているのは、この第6分割区間D6が図1に示したクランクプレート25の欠け歯部25bに対応した区間となっているためである。すなわち、欠け歯部25bがクランク角センサSN2の前を通過する間、クランク角センサSN2からは歯25aの通過に伴うON信号が出力されないため、パルス信号は常にOFFとなる。第6分割区間D6は、この欠け歯部25bの開始から終了までの期間に対応した無信号区間となっている。
なお、当実施形態のような直列4気筒型エンジンでは、各気筒2の位相差が180°CAであるので、図2のように第6分割区間D6が無信号区間(欠け歯部25bに対応する区間)となるのは、4気筒のうちの2つだけであり、他の2つの気筒では第6分割区間D6は無信号区間にはならない。例えば、第1気筒および第4気筒において第6分割区間が無信号区間になるとすれば、第2気筒および第3気筒では、第6分割区間D6は無信号区間にはならない。ただし、第6分割区間D6が無信号区間であっても、ON/OFFの切り替わりによって当該区間の開始と終了は特定できるので、第6分割区間D6の経過時間Δt6は測定可能である。つまり、エンジン回転数および燃料の目標供給量を特定するにあたって、第6分割区間D6が無信号区間かどうかは特に影響しない。言い換えると、第1気筒から第4気筒のいずれであっても、エンジン回転数および燃料の目標供給量を特定する方法は同じである。
(4)エンジン始動時の制御
次に、エンジンの始動時にECU50により実行される制御の内容について説明する。ここで、エンジンの「始動」には、イグニッションONに伴うエンジンの強制始動だけでなく、自動停止(アイドリングストップ)されたエンジンを再始動させること、つまりエンジンの自動始動も含まれるが、以下では、エンジンの強制始動時の制御を例に説明する。なお、エンジンの自動始動では、気筒識別情報が既知であるため、強制始動のときと異なり後述するステップS3の制御が不要になるが、その余の制御はほぼ同様である。
図3は、エンジンの強制始動時の制御の具体的手順を示すフローチャートである。イグニッションがON操作されて本フローチャートに示す制御がスタートすると、ECU50は、スタータモータ34を駆動してクランク軸7を強制回転させるクランキングを開始する(ステップS1)。
また、上記クランキングの開始と併せて、ECU50は、外気温センサSN4により検出される外気温に基づいて、図5に示すエンジン回転数の閾値X1,X2,X3を設定する(ステップS2)。以下、X1を第1回転数、X2を第2回転数、X3を第3回転数とすると、第3回転数X3はアイドル回転数Yよりも低く、第2回転数X2は第3回転数X3よりも低く、第1回転数X1は第2回転点数X2よりも低くなるように設定される。なお、アイドル回転数Yとは、周知のとおり、エンジンの始動完了後、アクセルペダルがOFF(アクセル開度がゼロ)でかつ車両が停止しているときに設定されるエンジン回転数のことである。
第2回転数X2から第3回転数X3までの範囲は、エンジンおよび変速機を含むパワートレインの振動が大きくなり易い回転域であり、以下ではこれを共振帯域Rという。言い換えると、第2回転数X2は共振帯域Rの下限回転数であり、第3回転数X3は共振帯域Rの上限回転数である。共振帯域Rは、パワートレインの共振周波数に対応する回転数(共振回転数)を含むように設定される。
すなわち、エンジンおよび変速機を含むパワートレインにおいて、加振源であるエンジン本体1の振動の周波数がある特定の周波数になると、パワートレイン全体が共振により大きく振動する現象が生じる。このような共振が生じる周波数に対応する回転数、つまり共振回転数がアイドル回転数Y以上であると、エンジンの通常運転時にパワートレインの共振が起きてしまい、車両の乗り心地が悪化してしまう。そこで、一般には、共振回転数がアイドル回転数よりも低くなるように、例えばパワートレインを車体にマウントするマウント部材の配置や材料特性(弾性係数等)が調整される。当実施形態においても、このような一般の車両と同様、共振回転数がアイドル回転数Yよりも低くなるようにマウント部材等がセッティングされている。そして、この共振回転数に近い回転数を含む所定範囲、つまり共振回転数よりやや低い第2回転数X2から共振回転数よりやや高い第3回転数X3までの範囲が、パワートレインの振動が大きくなり易い共振帯域Rとして設定されている。なお、当実施形態の場合、共振帯域Rは、アイドル回転数Y以下の領域のほぼ中間部に設定されており、この共振帯域Rのさらに低回転側に第1回転数X1が設定されている。第1回転数X1は、請求項にいう「所定回転数」に相当する。
ここで、パワートレインの共振周波数は外気温によって多少変動する。これは、マウント部材の弾性率が外気温の相違によって変化することに対応している。これにより、共振が起きる回転数つまり共振回転数は、温度変化によって低回転側または高回転側にシフトするので、これに合わせて共振帯域Rも低回転側または高回転側にシフトさせることが望まれる。そこで、ECU50は、共振帯域Rの下限回転数および上限回転数、つまり第2回転数X2および第3回転数X3を、外気温センサSN4により検出される外気温に基づいて可変的に設定する。より詳しくは、共振回転数は外気温が高くなるほど低回転側にシフトすることが分かっているので、共振帯域Rの下限回転数および上限回転数(第2回転数X2および第3回転数X3)も、外気温が高いほど低回転側にシフトするように設定される。同様に、第1回転数X1についても、共振帯域Rと連動するように、外気温が高いほど低回転側にシフトするように設定される。
上記のようにして回転数に関する各閾値(X1,X2,X3)の設定を行った後、ECU50は、クランク角センサSN2およびカム角センサSN3からの入力信号に基づいた気筒識別情報の読み取りが完了したか否かを判定する(ステップS3)。この読み取りは、クランキングにより少なくともクランク軸7が2回転(言い換えるとカム軸が1回転)する間に完了する。
上記ステップS3でYESと判定されて気筒識別情報の読み取り完了が確認された場合、ECU50は、その時点で圧縮行程にある気筒2に最初の燃料を供給すべく、当該気筒2の燃料噴射弁15から燃料を噴射させる(ステップS4)。この最初の燃料噴射による燃料の供給量は、失火を起こすことなくかつ過剰な燃焼トルクが発生しない程度の適切な量となるように予め定められている。なお、エンジン水温が低い(言い換えると燃焼室6の壁面温度が低い)場合には噴射された燃料のうち気化する燃料の割合が減るので、エンジン水温に応じて適宜の範囲で燃料の供給量を増減補正するようにしてもよい。
上記の燃料噴射に基づく最初の燃焼が行われた後、ECU50は、その最初の燃焼が行われた気筒の次に圧縮行程を迎える気筒のクランク角が図4に示すC6に達したか否かを、クランク角センサSN2からの入力信号に基づき判定する(ステップS5)。この図4に示すクランク角C6は、既に図2に示した通常運転時の制御のときと同様、燃料噴射量の設定処理が開始されるクランク角を表している。なお、図2および図4では、燃料噴射量の設定処理が開始されるクランク角をいずれもC6としているが、図2(通常運転時)におけるクランク角C6と図4(始動時)におけるクランク角C6は同じである必要はなく、異なっていてもよい。このことは、後述するクランク角C5でも同様である。
上記ステップS5でYESと判定されてクランク角がC6に達したことが確認された場合、ECU50は、クランク角センサSN2からの入力信号に基づいてエンジン回転数Nを算出する(ステップS6)。
具体的に、ECU50は、図4に示す式(2)を用いてエンジン回転数Nを算出する。この式(2)に示すように、クランク角C6の時点におけるエンジン回転数N(rpm)は、クランク角C6からその少し手前のクランク角C5までの間に設定された第6分割区間D6の経過時間の計測値Δt6に基づいて算出される。すなわち、ECU50は、クランク角C6とC5との差分(C6−C5)を、第6分割区間D6の開始から終了までの時間計測値Δt6で割ることにより、第6分割区間D6の角速度(式(2)のB項)を得るとともに、当該角速度に60(s)/360(°CA)を掛けることにより、エンジン回転数N(rpm)を算出する。
このように、エンジンの始動時は、クランク角C6の直前の分割区間である第6分割区間D6の時間計測値Δt6を用いて当該分割区間D6の角速度が算出されるとともに、この単一の分割区間D6の角速度のみに基づいてエンジン回転数Nが算出されるようになっている。言い換えると、エンジンの始動時は、エンジンの通常運転時(図2)であれば考慮されるはずの第1〜第6分割区間D1〜D6の時間計測値Δt1〜Δt6のうち、過去分の5つの分割区間の時間計測値(Δt1〜Δt5)は無視して、直近の1つの分割区間の時間計測値(Δt6)のみを用いてエンジン回転数が算出される。
上記のようにしてクランク角C6の時点でのエンジン回転数Nが算出されると、ECU50は、算出されたエンジン回転数Nが、上記ステップS2で設定された第1回転数X1以上であるか否かを判定する(ステップS7)。
上記ステップS7でNOと判定されてクランク角C6の時点でのエンジン回転数Nが第1回転数X1未満であること(N<X1)が確認された場合、ECU50は、この時点で圧縮行程にある気筒2に供給すべき燃料の目標供給量、つまり当該気筒2の燃料噴射弁15から噴射すべき燃料の量を、予め定められた第1供給量に設定する(ステップS8)。この第1供給量は、次に圧縮行程を迎える気筒に燃料を噴射する時点でのエンジン回転数が、上記ステップS2で設定された第2回転数X2(共振帯域Rの下限回転数)未満になるような比較的少ない量に設定される。
すなわち、エンジン回転数が第1回転数X1未満である現時点で圧縮行程にある気筒に多くの燃料を噴射すると、その噴射された燃料の燃焼に伴い発生するトルクによってエンジン回転数が比較的大きく上昇し、次に圧縮行程を迎える気筒に燃料を噴射する時点、つまり今からほぼ180°CA経過後に行われる次サイクルでの燃料噴射時におけるエンジン回転数が第2回転数X2を中途半端に超えるような値になってしまう。こうなると、次サイクルの燃焼噴射による燃焼が、パワートレインの振動が大きくなり易い共振帯域R内(第2回転数X2と第3回転数X3との間)で起きることになり、当該燃焼に伴い発生するトルクがパワートレインに大きな振動を引き起こすと考えられる。そこで、このような事態を回避すべく、上記ステップS7では、燃料の目標供給量が、次サイクルの燃料噴射時のエンジン回転数ができるだけ第2回転数X2未満になるように予め定められた少量の第1供給量に設定される。
一方、上記ステップS7でYESと判定されてクランク角C6の時点でのエンジン回転数Nが第1回転数X1以上であること(N≧X1)が確認された場合、ECU50は、当該エンジン回転数Nが共振帯域Rの下限回転数である第2回転数X2未満であるか否かを判定する(ステップS9)。
上記ステップS9でYESと判定されてクランク角C6の時点でのエンジン回転数が第1回転数X1以上かつ第2回転数X2未満であること(X1≦N<X2)が確認された場合、ECU50は、燃料の目標供給量を、エンジン始動時に設定し得る燃料供給量の範囲の中で最も大きい値である最大供給量に設定する(ステップS10)。
すなわち、エンジン始動時に気筒2に対し供給し得る燃料の量は、燃料を着火させる(失火を起こさない)ために必要な下限の供給量である最小供給量から、空気と反応できない余剰燃料が過度に大きくならないように定められる上限の供給量である最大供給量までの範囲のいずれかに設定する必要がある。上記ステップS10では、当該範囲の上限である最大供給量を燃料の目標供給量として設定する。ここで、燃料の最小供給量および最大供給量は、エンジン水温(言い換えると燃焼室6の壁面温度)に応じて異なる。例えば、エンジン水温が低いほど燃料の気化率が低下するので、最小供給量および最大供給量はエンジン水温が低いほど多くなる。ECU50は、このようにエンジン水温に応じて変化する最小供給量および最大供給量を予め記憶しており、この中から現時点のエンジン水温(水温センサSN1により検出される温度)に適合した最大供給量を読み取って、これを燃料の目標供給量として設定する。なお、燃料の目標供給量を最大供給量に設定するのは、多量の燃料を燃焼させることで大きなトルクを発生させ、次サイクルの燃料噴射時のエンジン回転数を共振帯域Rを超える回転数まで一気に上昇させるためである。
一方、上記ステップS9でNOと判定されてクランク角C6の時点でのエンジン回転数Nが第2回転数X2以上であること(N≧X2)が確認された場合、ECU50は、当該エンジン回転数Nが共振帯域Rの上限回転数として上記ステップS2で設定された第3回転数X3より大きいか否かを判定する(ステップS11)。
上記ステップS11でYESと判定されてクランク角C6の時点でのエンジン回転数Nが第3回転数X3より大きいこと(N>X3)が確認された場合、ECU50は、燃料の目標供給量を、第3回転数X3との差分に応じて変化する値である第2供給量に設定する(ステップS12)。
図6は、現時点(クランク角C6の時点)のエンジン回転数Nから共振帯域Rの上限回転数である第3回転数X3を差し引いて得られる差分(以下、単に回転数差という)と、上記ステップS12で設定される燃料の目標供給量との関係を示したグラフである。本図に示すように、燃料の目標供給量は、上記回転数差が閾値Z未満の範囲において、回転数差が大きいほど比例的に大きくなるように(言い換えると回転数差が小さいほど比例的に小さくなるように)設定される。また、回転数差が閾値Zに一致するときの目標供給量をWとすると、回転数差が閾値Zを超えたときの目標供給量は、閾値Zからの超過量にかかわらず一定値(W)に維持される。
一方、上記ステップS11でNOと判定されてクランク角C6の時点でのエンジン回転数Nが第2回転数X2以上かつ第3回転数X3以下であること(X2≦N≦X3)、つまり共振帯域Rに含まれる回転数であることが確認された場合、ECU50は、上記ステップS10に移行して、燃料の目標供給量を最大供給量に設定する。
上記ステップS8,S10,S12のいずれかで燃料の目標供給量が設定されると、ECU50は、設定された目標供給量に一致する量の燃料を、圧縮行程にある気筒の燃料噴射弁15から噴射させる(ステップS13)。ここで、当実施形態では、図4に示すように、パイロット噴射F0およびメイン噴射F1の2回の噴射を行うパターンがエンジン始動時に選択されるようになっている。このため、上記ステップS13では、パイロット噴射F0およびメイン噴射F1の各噴射量の合計が上記目標供給量に一致するように燃料噴射弁15が制御される。なお、パイロット噴射F0およびメイン噴射F1のそれぞれの噴射量は、予め定められた分割比率と上記目標噴射量とに基づいて決定することができる。
上記ステップS13で噴射された燃料が燃焼すると、ECU50は、その燃焼が行われた気筒の次に圧縮行程を迎える気筒が圧縮行程中のクランク角C6(図4)を迎えた時点で、上記ステップS6と同様の手順によりエンジン回転数Nを算出し(ステップS14)、その算出した回転数Nが予め定められたアイドル回転数Y以上であるか否かを判定する(ステップS15)。そして、このステップS15でNOと判定されてエンジン始動が未完であること(N<Y)が確認された場合は上記ステップS7に戻り、YESと判定されてエンジン始動が完了したこと(N≧Y)が確認された場合には、本フローを終了して通常運転時の制御へと移行する。
図5の2つのグラフ(a)(b)には、以上のような制御により設定されるエンジン始動時の燃料供給量の変化パターンの具体例が示されている。グラフ(a)の折れ線の波形は、外気温が低かった場合の燃料供給量の変化パターンを示しており、グラフ(b)の折れ線の波形は、外気温が高かった場合の燃料供給量の変化パターンを示している。また、それぞれの波形の黒丸または白丸の点は、始動開始後の最初の燃料噴射を1サイクル目の燃料噴射とした場合におけるnサイクル目(n=1,2‥‥)の燃料噴射を表しており、左から順に1サイクル目、2サイクル目、3サイクル目‥‥の燃料噴射である。つまり、各点の横軸の位置がnサイクル目の燃料噴射が行われたときのエンジン回転数を表し、各点の縦軸の位置がnサイクル目の燃料噴射による噴射量を表している。
低温条件下での始動時に対応する図5(a)のグラフにおいて、実線で示す第1パターンは、始動開始後の2サイクル目の燃料噴射時のエンジン回転数、より詳しくは当該2サイクル目の燃料噴射が行われる直前のクランク角C6の時点でのエンジン回転数が第1回転数X1よりも低かった場合の燃料供給量の変化パターンであり、一点鎖線で示す第2パターンは、2サイクル目の燃料噴射時のエンジン回転数が第1回転数X1より高かった場合の燃料供給量の変化パターンである。
図5(a)に示す第1パターン(実線の波形)では、2サイクル目の燃料噴射時のエンジン回転数(点P2)が第1回転数X1よりも低い。このため、当該2サイクル目の燃料噴射では、上述した第1供給量(ステップS8)に相当する比較的少量の燃料が噴射されている。これにより、エンジン回転数の上昇幅が抑えられ、その次(3サイクル目)の燃料噴射時のエンジン回転数(点P3)が、共振帯域Rの下限回転数である第2回転数X2よりも低い値に抑えられている。一方、3サイクル目の燃料噴射では、上述した最大供給量(ステップS10)に相当する多量の燃料が噴射されている。これにより、その次(4サイクル目)の燃料噴射時のエンジン回転数(点P4)が、共振帯域Rの上限回転数である第3回転数X3よりも高い値まで上昇している。
一方、第2パターン(一点鎖線の波形)では、2サイクル目の燃料噴射時のエンジン回転数(点P2’)が第1回転数X1よりも高い。このため、当該2サイクル目の燃料噴射では、上述した最大供給量(ステップS10)に相当する多量の燃料が噴射されている。これにより、その次(3サイクル目)の燃料噴射時のエンジン回転数(点P3’)が、共振帯域Rの上限回転数である第3回転数X3よりも高い値まで上昇している。つまり、第2のパターンでは、上述した第1のパターンに比べて、共振帯域Rを超えるまでに要する燃焼回数が1回少なくなっている。
また、共振帯域Rを超えた後の燃料噴射量も、第1パターンと第2パターンとで異なっている。すなわち、第1パターンでは、共振帯域Rを超えた直後の4サイクル目の燃料噴射時のエンジン回転数(点P4)が、第3回転数X3よりも幾分大きくなっている。一方、第2パターンでも、共振帯域Rを超えた直後の3サイクル目の燃料噴射時のエンジン回転数(点P3’)は第3回転数X3よりも大きいが、両者の差は第1パターンに比べれば小さいものとなっている。このため、共振帯域Rを超えた直後の燃料噴射量は、第2パターンのときの方が第1パターンのときよりも少なく設定されている。なお、図5(a)のグラフ中に示す破線のラインLは、共振帯域Rを超えた後の燃料噴射量の変化の限界ラインであり、噴射量の設定が当該ラインLより下側に制限されることを表している。
以上のような低温条件下での始動時(図5(a))に比べて、図5(b)に示される高温条件下での始動時には、共振帯域Rの上限回転数および下限回転数(第2回転数X2および第3回転数X3)と、第1回転数X1とが、それぞれ低温条件のときに比べて低回転側にシフトされている(シフト前の各回転数を破線で表している)。このため、高温条件下では、図5(a)に示した第2パターンと同様に、共振帯域Rを超えるまでに要する燃焼回数が少ないパターンが得られ易くなる。すなわち、図5(b)に示すように、2サイクル目の燃料噴射時のエンジン回転数(点P2”)がシフト後の第1回転数X1よりも高くなる確率が高くなる。第1回転数X1より高くなると、当該2サイクル目の燃料噴射では、上述した最大供給量(ステップS10)に相当する多量の燃料が噴射されるので、その次(3サイクル目)の燃料噴射時のエンジン回転数(点P3”)は、シフト後の共振帯域Rの上限回転数である第3回転数X3よりも高い値まで上昇することになる。
(5)作用等
以上説明したとおり、当実施形態では、エンジンの始動中に、パワートレイン(エンジンおよび変速機等)の振動が大きくなり易い回転域である共振帯域Rよりもエンジン回転数が低い状態で気筒2に燃料を供給するときの目標供給量が、次サイクルの燃料供給時のエンジン回転数が共振帯域Rから外れるような値に設定されるとともに、共振帯域Rが外気温が高いほど低回転側にシフトするように可変的に設定されるので、パワートレインの共振が起きる共振回転数が外気温によって変動しても、共振帯域R内で燃焼が行われるのを高い確率で回避することができ、エンジン始動時の振動を効果的に抑制できるという利点がある。
より詳しくは、上記実施形態では、燃料を噴射する直前のクランク角であるクランク角C6の時点でのエンジン回転数が、共振帯域Rの下限回転数である第2回転数X2よりもさらに低い第1回転数X1未満である場合に、次サイクルの燃料供給時のエンジン回転数が第2回転数X2未満になるように、燃料の目標供給量が比較的小さい値(第1供給量)に設定される。一方、クランク角C6の時点でのエンジン回転数が第1回転数X1以上かつ第2回転数X2未満である場合には、次サイクルの燃料供給時のエンジン回転数が共振帯域Rの上限回転数である第3回転数X3を一気に超えるように、燃料の目標供給量が十分に大きい値(最大供給量)に設定される。
このように、上記実施形態では、クランク角C6の時点でのエンジン回転数が共振帯域Rの下限回転数(第2回転数X2)に対し近い場合でも遠い場合でも、燃料の目標供給量が、次サイクルの燃料供給時のエンジン回転数が共振帯域Rから外れるような値に設定されるので、次サイクルの燃料供給に基づく燃焼により発生するトルクがパワートレインに大きな振動を引き起こすのを防止することができる。
しかも、上記のように燃料の目標供給量の増減を決めるための閾値である第1回転数Xと、次サイクルの燃料供給時のエンジン回転数として避けたい範囲である共振帯域R(その下限および上限の回転数X2,X3)とが、それぞれ外気温が高いほど低回転側にシフトされるので、パワートレインの共振が起きる回転数(共振回転数)が外気温の影響で変動したとしても、当該変動を反映した共振帯域Rの位置に基づいて燃料の目標供給量が調整されることにより、次サイクルの燃料供給時のエンジン回転数を高い確率で共振帯域Rから外すことができる。これにより、外気温による共振回転数の変動にかかわらずエンジン始動時の振動を効果的に抑制することができる。
また、上記実施形態では、共振帯域Rの上限回転数である第3回転数X3よりもエンジン回転数が高い状態で燃料を供給するときの目標供給量が、第3回転数X3とエンジン回転数との差が小さいほど少なくなるように設定されるので、共振帯域Rに近い(つまり振動が誘発され易い)状態で燃焼による大きなトルクが発生するのを外気温にかかわらず回避することができ、当該トルクによって振動が増大するのを抑制することができる。
また、上記実施形態では、エンジン回転数がアイドル回転数Y以上である通常運転時に、所定のクランク角範囲を6つに分割した分割区間D1〜D6の経過時間を計測して得られる6つの時間計測値Δt1〜Δt6に基づいてエンジン回転数が算出されるのに対し(図2参照)、エンジン回転数がアイドル回転数Y未満である始動時には、上記分割区間D1〜D6のうちの1つの分割区間D6の時間計測値Δt6のみに基づいてエンジン回転数が算出される(図4参照)ので、エンジン始動時の回転数を正確に算出でき、算出したエンジン回転数に基づいて燃料の目標供給量を適切に設定できるという利点がある。
すなわち、エンジンの始動時は、通常運転時と比べて、エンジン回転数が低くしかもその変動が激しい。このため、あるクランク角範囲(例えば180°CAの範囲)の開始から終了までの経過時間は、始動時の方が通常運転時よりも長くなるし、また、当該時間が長くなる分、上記クランク角範囲の開始から終了までの間に変動するクランク軸7の角速度の変動量も、始動時の方が通常時よりも大きくなる。したがって、このようなエンジンの始動時に、6つの分割区間D1〜D6の時間計測値Δt1〜Δt6を全て用いる通常運転時と同様の方法でエンジン回転数を算出したのでは、比較的長時間にわたるクランク角の時間変化を平均化することになり、その間に大きく変動している可能性のある実際のエンジン回転数を正確に計算値に反映することが困難になる。
これに対し、上記実施形態では、6つの分割区間D1〜D6の時間計測値Δt1〜Δt6を全て用いるのではなく、そのうちの1つの分割区間D6の時間計測値Δt6のみを用いてエンジン回転数が算出されるので、値が低くかつ変動の激しい始動時のエンジン回転数であっても、これを比較的正確に算出することができる。
そして、上記実施形態では、エンジンの始動時に、上記のようにして算出された比較的正確なエンジン回転数に基づいて気筒2に供給すべき燃料の目標供給量が設定されるので、実際のエンジン回転数に近い回転数に対応した適切な目標供給量を設定することができる。すなわち、この設定した目標供給量に従って気筒2に燃料を供給することにより、始動時のエンジン回転数を狙いの態様で上昇させることができ、各回の燃料供給時のエンジン回転数が共振帯域Rに入り込むのをより高い確率で回避することができる。
なお、上記実施形態では、エンジンルーム内に設けられた外気温センサSN4により直接外気温を検出したが、外気温に連動して変化する何らかの状態量(例えば吸気温度など)を検出し、その検出値に基づいて外気温を推定するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、燃料噴射弁15から気筒2に燃料を噴射する直前のクランク角であるクランク角C6の時点で算出されたエンジン回転数に基づいて燃料の目標供給量を設定するようにしたが、燃料噴射よりもいくらか前に算出されたエンジン回転数から噴射直前のエンジン回転数を推定し、その推定したエンジン回転数に基づいて燃料の目標供給量を設定するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、共振帯域Rの上限回転数および下限回転数(つまり第2回転数X2および第3回転数X3)と、第1回転数X1とを、それぞれ外気温が高いほど低回転側にシフトするようにしたが、少なくとも一つの外気温の閾値を境にして、上記各回転数X1,X2,X3をステップ状に変化させるようにしてもよい。また、外気温に応じて変化させる対象は、少なくとも共振帯域Rの下限回転数(第2回転数X2)であればよく、他の2つの閾値(第1回転数X1および第3回転数)は固定値であってもよい。
また、上記実施形態では、共振帯域Rの上限回転数(第3回転数X3)とエンジン回転数との差(回転数差)が図6に示す閾値Z以下の範囲において、燃料の目標供給量を、回転数差が小さいほど比例的に少なくなるように設定したが、回転数差に応じてステップ状に目標供給量を変化させるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、エンジン始動開始後の最初の燃料噴射として行われる少量の燃料噴射(ステップS4)と、その後のエンジン回転数の上昇度合いに応じて噴射量が調整される少なくとも1回の燃料噴射(ステップS8,S10)とを経て、振動が大きくなり易い共振帯域Rよりも高回転側までエンジン回転数を上昇させるようしたが(図5参照)、最初に行われる少量の燃料噴射(ステップS4)は必須ではない。例えば、共振帯域Rが図5の例よりも低回転側にずれている場合には、最初の燃料噴射を行うときのエンジン回転数(クランキングのみにより到達するエンジン回転数)が第1回転数X1の近傍まで上昇することになる。この場合、最初に行われる少量の燃料噴射(ステップS4)は不要になり、いきなりエンジン回転数に応じた燃料噴射(ステップS8またはS10)を実行することが可能になる。
また、上記実施形態では、軽油を圧縮着火させるディーゼルエンジンに本発明の制御方法あるいは制御装置を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはディーゼルエンジンに限られず、例えばガソリンを空気と予混合してから圧縮着火させるいわゆるHCCIガソリンエンジンにも本発明を好適に適用することができる。すなわち、ディーゼルエンジンまたはHCCIガソリンエンジンは、通常の火花点火式ガソリンエンジンに比べて圧縮比が高く、始動時の振動が大きくなり易いといえる。このため、エンジン始動時の燃料供給をより精密に制御できる本発明は、これらの圧縮着火式エンジンに対して好適である。