JP6493508B1 - エンジンの始動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半暖機状態にあるエンジンを迅速に始動させる。
【解決手段】本発明の始動制御装置は、吸気弁の閉時期を変更可能な吸気弁可変機構（１３ａ）を備えたエンジンに適用される。この始動制御装置は、始動時にエンジンをクランキングする始動モータ２０と、ピストンの温度から気筒の壁面温度を差し引いた温度差が所定値以上になる半暖機状態であるか、半暖機状態のときよりも気筒の壁面温度が高くかつ前記温度差が所定値未満となる暖機状態であるかを判定する判定部（１００）と、エンジンの始動要求があり、かつエンジンが半暖機状態にあると判定された場合に、始動モータ２０を駆動するとともに、エンジンが暖機状態にあった場合に比して気筒への吸気充填量が減少するように吸気弁可変機構（１３ａ）を制御する制御部（１００）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸気弁の閉時期を変更可能な吸気弁可変機構を備えたエンジンに適用される始動制御装置に関する。

低温状態にあるエンジンが始動された直後、つまり冷間始動の直後は、エンジン本体の温度が低く、燃料の着火性が低いため、着火性を確保しながらエンジンの暖機を促進する必要がある。

例えば、下記特許文献１には、吸気通路に設けられた吸気絞り弁と、排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機と、ターボ過給機のタービンよりも上流側の排気ガスの流れを絞るＶＧＴ（可変ノズル機構）とを備えたディーゼルエンジンの冷間始動時に、ＶＧＴを閉じて吸気絞り弁を開く制御（以下、第１の制御という）を所定期間実行した後、ＶＧＴを開いて吸気絞り弁を閉じる制御（以下、第２の制御という）を実行することが開示されている。

上記特許文献１のディーゼルエンジンによれば、ＶＧＴを閉じる第１の制御により気筒の温度を上昇させて着火性を改善した上で、吸気絞り弁を閉じる第２の制御により触媒を加熱してその活性化を促進することができる。すなわち、第１の制御によってＶＧＴが閉じられると、排気ガスの流通抵抗（排気抵抗）が増大し、高温の既燃ガスが気筒内に残留する（いわば内部ＥＧＲが行われる）ので、気筒の温度が急速に上昇し、燃料の着火性が改善する。そして、その状態で実行される第２の制御により吸気絞り弁が閉じられると、吸気量が減少して空燃比がリッチ化するとともに、排気ガスと共に排出される燃料の未燃成分が増大するので、排気ガスの温度が上昇して触媒の活性化が促進される。

特許第４４５３１４５号公報

ここで、エンジンが冷間始動された後、ピストンの温度は燃焼熱を受けて急激に上昇するものの、主に冷却水の温度に影響される気筒の壁面（以下、シリンダ壁という）の温度は徐々にしか上昇しない。このため、冷間始動からしばらく経過した時点で、ピストンの温度がシリンダ壁の温度よりも大幅に高くなる状態が生じる。この状態（以下、半暖機状態という）は、エンジンの暖機がほぼ完了してシリンダ壁の温度が十分に上昇するまで継続する。

半暖機状態では、ピストンの膨張量（特にそのスカート部の径方向の膨張量）がシリンダ壁の膨張量に比べて大きくなるので、ピストンが摺動する際に受ける機械的な摩擦力や圧縮反力（気筒内で圧縮された吸気がピストンを押し戻す力）が増大する。すなわち、相対的に大きく膨張したピストンの外周がシリンダ壁に接近し、両者の接触面積が増大することにより、ピストンの機械的な摩擦力が増大する。また、圧縮行程中にピストン周りの隙間（特にピストンリングとシリンダ壁との隙間）を通じて漏れ出る吸気の量が減少し、これによって気筒内で実際に圧縮される吸気の量が増大することにより、ピストンにかかる圧縮反力が増大する。以下では、ピストンが摺動する際に受けるこれらの抵抗力（摩擦力や圧縮反力など）を総称してピストンの摺動抵抗という。

ピストンの摺動抵抗が大きい半暖機状態では、エンジンの始動性が悪化するという問題がある。例えば、暖機が完了しないままエンジンが停止され、その後間もなくエンジンが始動されるときなどは、その始動の時点でエンジンは半暖機状態にあり、ピストンの摺動抵抗はかなり大きいものと考えられる。このような状態でエンジンが始動されると、ピストンスピードが期待通りに上昇せず、エンジンの始動所要時間、つまりクランクキング（始動モータによる強制回転）が開始されてからエンジン回転速度が規定の回転速度に達するまでに要する時間が長くなったり、最悪の場合はエンジンストール（始動不良）を起こすおそれがある。

これに対し、上記特許文献１の発明は、エンジンの冷間始動時にエンジンおよび触媒の暖機を促進することを目的とした発明であり、半暖機時のエンジンの始動性に関する問題やそのための対策については特に言及されていない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、半暖機状態にあるエンジンを迅速に始動させることが可能なエンジンの始動制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、燃焼が行われる気筒と、気筒内を往復動するピストンと、吸気ポートを介して気筒と連通する吸気通路と、吸気ポートを開閉する吸気弁と、吸気弁の閉時期を変更可能な吸気弁可変機構とを備えたエンジンに適用される始動制御装置であって、始動時にエンジンをクランキングする始動モータと、前記ピストンの温度から前記気筒の壁面温度を差し引いた温度差が所定値以上になる半暖機状態であるか、当該半暖機状態のときよりも前記気筒の壁面温度が高くかつ前記温度差が所定値未満となる暖機状態であるかを判定する判定部と、エンジンの始動要求があり、かつ前記判定部によりエンジンが半暖機状態にあると判定された場合に、前記始動モータを駆動するとともに、エンジンが暖機状態にあった場合に比して前記気筒への吸気充填量が減少するように前記吸気弁可変機構を制御する制御部とを備えた、ことを特徴とするものである（請求項１）。

エンジンが半暖機状態にあるときは、気筒の壁面よりもかなり高温になったピストンが相対的に大きく膨張することに起因して、ピストンの摺動抵抗が増大するとともに、ピストンの周囲隙間を通じた漏れ損失が減少する。このため、吸気弁の閉時期を暖機状態のときと同一に設定した場合には、ピストンによって実際に圧縮される吸気の量が増大する等により、ピストンの摺動抵抗がますます増大してしまう。これに対し、本発明では、半暖機状態でのエンジン始動時に、気筒への吸気充填量が減少するように吸気弁の閉時期が調整されるので、ピストンの摺動抵抗を低減することができ、始動所要時間を短縮することができる。

しかも、バルブタイミングの変更により吸気充填量を減少させる本発明によれば、吸気充填量を減らすために吸気絞り弁を閉弁させる必要がない。このため、ポンピングロスが増大するのを回避しつつピストンの摺動抵抗を効果的に低減することができ、良好な燃費性能の確保と始動所要時間の短縮とを両立することができる。

好ましくは、電気エネルギーにより駆動される電動過給機が前記吸気通路に設けられ、前記制御部は、エンジンの始動要求があり、かつエンジンが前記半暖機状態にあると判定された場合に、前記電動過給機を駆動して吸気を過給する（請求項２）。

この構成によれば、燃焼安定性を確保しながらピストンの摺動抵抗を低減することができる。すなわち、始動所要時間の短縮を吸気弁の閉時期の遅角化のみによって実現しようとすると、吸気弁の閉時期を大幅に遅角させる必要が生じるので、当該遅角化によって吸気充填量が過度に減少し、圧縮端温度（圧縮上死点における筒内温度）が不足するおそれがある。圧縮端温度が不足すると、燃料の着火性が悪化するので、燃焼が不安定化したり、最悪の場合は失火を招くおそれがある。これに対し、前記構成では、半暖機状態でのエンジン始動時に電動過給機が駆動されて吸気が過給されるので、吸気弁の閉時期を大幅に遅角させながら所要量の吸気を気筒に充填することができ、燃料を安定的に着火させ得る十分な圧縮端温度を確保することができる。これにより、吸気弁の閉時期を大幅に遅角させてエンジンの始動所要時間を確実に短縮しながら、始動時の燃焼安定性を良好に維持することができる。

前記構成において、より好ましくは、前記制御部は、エンジンの始動要求があり、かつエンジンが前記半暖機状態にあると判定された場合に、吸気弁の閉時期が圧縮行程の中期まで遅角されるように前記吸気弁可変機構を制御する（請求項３）。

このように、圧縮行程の中期というかなり遅めのタイミングまで吸気弁の閉時期を遅角した場合には、ピストンの摺動抵抗を十分に低減することができ、エンジンの始動所要時間を効果的に短縮することができる。この場合において、仮に電動過給機を駆動しなかった場合には、圧縮端温度が不足して燃焼の不安定化等を招く可能性が高いが、電動過給機が駆動される前記構成によれば、このような事態を招くことなくエンジンの始動所要時間を短縮することができる。

好ましくは、前記始動制御装置は、エンジンの冷却水の温度を検出する水温センサをさらに備え、前記判定部は、前記冷却水の温度が所定の閾値以上である状態でのエンジンの始動時に、前記始動モータの作動電流が所定の基準電流よりも高いという第１の要件と、前記水温センサにより検出される前記冷却水の温度が前記閾値よりも高く設定された基準温度よりも低いという第２の要件とのいずれかが成立した場合に、エンジンが半暖機状態にあると判定し、前記第１および第２の要件の双方が非成立であった場合に、エンジンが暖機状態にあると判定する（請求項４）。

この構成によれば、エンジンの実際の温度と始動モータの作動電流（言い換えるとエンジンをクランキングするための所要トルク）との双方に基づいて、エンジンが半暖機状態にあること、つまり気筒の壁面とピストンとの温度差が大きくピストンの摺動抵抗が増大し易い状態にあることを、エンジンの暖機状態と区別して適正に判定することができる。

好ましくは、前記エンジンは、所定の条件下で自動停止するアイドリングストップ機能を有しており、前記制御部は、自動停止したエンジンを再始動させる再始動要求があり、かつエンジンが前記半暖機状態にあると判定された場合に、前記始動モータを駆動するとともに前記吸気弁可変機構によって前記気筒への吸気充填量を減少させる前記制御を実行する（請求項５）。

この構成によれば、始動の迅速性がよりシビアに求められる自動停止後のエンジン再始動時に、その始動所要時間を短縮することができ、エンジンの商品性を高めることができる。

本発明の始動制御装置が適用されるエンジンは特にその種類を問わないが、例えば、幾何学的圧縮比が１４以上の圧縮着火式エンジンは、半暖機時のピストンの摺動抵抗が特に大きくなり易いと言える。このため、本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上の圧縮着火式エンジンに好適である（請求項６）。

以上説明したように、本発明のエンジンの始動制御装置によれば、半暖機状態にあるエンジンを迅速に始動させることができる。

本発明の制御装置が適用されたエンジンの好ましい実施形態を示すシステム図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 自動停止したエンジンを再始動させる再始動制御の詳細を示すフローチャートである。 低温状態にあるエンジンがキー始動された後のピストンおよびシリンダ壁の各温度の時間変化を示すグラフである。 図４の温度変化に伴って変化するピストンの摺動抵抗と漏れ損失とをそれぞれ示すグラフである。 図３のステップＳ４の制御が行われた場合の吸気弁のリフト特性の変化を示す図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の制御装置が適用されたエンジンの好ましい実施形態を示すシステム図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのディーゼルエンジンであり、エンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出された排気ガスが流通する排気通路４０と、吸気通路３０を流通する吸気を圧縮しつつエンジン本体１に送り出す過給装置５０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するＥＧＲ装置７０とを備えている。

エンジン本体１は、列状に並ぶ複数の気筒２（図１にはそのうちの１つの気筒のみが示される）を有する直列多気筒型のものであり、当該複数の気筒２が内部に形成されたシリンダブロック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の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２にそれぞれ往復動可能に挿入された複数のピストン５とを有している。なお、各気筒２の構造は同一であるため、以下では基本的に１つの気筒２のみに着目して説明を進める。

ピストン５の上方には燃焼室６が画成されている。この燃焼室６には、後述する燃料噴射弁１５からの噴射により、軽油を主成分とする燃料が供給される。そして、供給された燃料が圧縮着火により燃焼（拡散燃焼）し、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。

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とコネクティングロッド８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。

気筒２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、１４以上２０以下に設定されている。

シリンダブロック３には、クランク軸７の角度（クランク角）およびクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、シリンダヘッド４には、エンジン本体１（シリンダブロック３およびシリンダヘッド４）の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する水温センサＳＮ２が設けられている。

クランク軸７は、電気式の始動モータ２０と係脱可能に連結されている。始動モータ２０は、エンジンの始動時にクランク軸７と係合してこれを強制回転（クランキング）させる。また、始動モータ２０には、その作動電流を検出する電流センサＳＮ５（図２）が内蔵されている。

シリンダヘッド４には、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、吸気ポート９を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０を開閉する排気弁１２と、吸気弁１１および排気弁１２をクランク軸７の回転に連動して開閉駆動する動弁機構１３，１４とが設けられている。

吸気弁１１用の動弁機構１３には、吸気弁１１の開閉時期を変更可能な吸気ＶＶＴ１３ａが内蔵されている。吸気ＶＶＴ１３ａは、いわゆる位相式の可変機構であり、吸気弁１１の開時期および閉時期を同時にかつ同量だけ変更する。また、吸気ＶＶＴ１３ａは、図外の電気モータにより駆動される電動式の可変機構である。

シリンダヘッド４には、さらに、燃焼室６に燃料（軽油）を噴射する燃料噴射弁１５が設けられている。燃料噴射弁１５は、例えば、燃焼室６の天井面中央から放射状に燃料を噴射する多噴孔型の噴射弁である。なお、図示を省略するが、ピストン５の冠面には、燃料噴射弁１５から噴射された燃料を受け入れるための凹部（キャビティ）が形成されている。

吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。この吸気通路３０には、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３１と、吸気の流量を調整する開閉可能な吸気絞り弁３２と、過給装置５０により圧縮された吸気を冷却するインタークーラ３３と、サージタンク３４とが、吸気通路３０の上流側（エンジン本体１から遠い側）からこの順に設けられている。

吸気通路３０におけるエアクリーナ３１よりも下流側の部分には、吸気通路３０を通じてエンジン本体１に導入される空気（新気）の流量を検出するエアフローセンサＳＮ３が設けられている。また、サージタンク３４には、その内部の吸気の圧力を検出する吸気圧センサＳＮ４が設けられている。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。この排気通路４０には、排気ガスに含まれる各種の有害成分を浄化するための触媒４１ａを内蔵した触媒コンバータ４１が設けられている。触媒４１ａとしては、例えば、排気ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化して無害化する酸化触媒、および排気ガス中のＮＯｘを還元して無害化するＮＯｘ触媒のいずれかもしくは両方が用いられる。なお、図示を省略するが、排気通路４０には、排気ガス中のスート（煤）を捕集するためのＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）が別途設けられている。

過給装置５０は、いわゆる２ステージ型の過給装置であり、直列に配置された２つの過給機５１，５２を有している。過給機５１は、電気エネルギーにより駆動される電動過給機（以下、電動過給機５１という）であり、過給機５２は、排気ガスのエネルギーにより駆動されるターボ過給機（以下、ターボ過給機５２という）である。

電動過給機５１は、電力の供給を受けて作動するモータ６２と、モータ６２により回転駆動されることで吸気を圧縮するコンプレッサ６１とを有している。コンプレッサ６１は、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１と吸気絞り弁３２との間に形成された主通路６３に配置されている。吸気通路３０には、コンプレッサ６１をバイパスするためのバイパス通路６４が主通路６３と並行して設けられており、このバイパス通路６４には開閉可能なバイパス弁６５が設けられている。

ターボ過給機５２は、排気通路４０を流通する排気ガスにより回転駆動されるタービン６７と、タービン６７と連動して回転可能に設けられ、吸気通路３０を流通する吸気を圧縮するコンプレッサ６６とを有している。コンプレッサ６６は、吸気通路３０における電動過給機５１（コンプレッサ６１）よりも上流側の部分に配置され、タービン６７は、排気通路４０における触媒コンバータ４１よりも上流側の部分に配置されている。排気通路４０には、タービン６７をバイパスするためのバイパス通路６８が設けられており、このバイパス通路６８には開閉可能なウェストゲート弁６９が設けられている。

ＥＧＲ装置７０は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路７１と、ＥＧＲ通路７１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するＥＧＲクーラ７２と、ＥＧＲガスの流量を調整する開閉可能なＥＧＲ弁７３とを有している。

なお、当実施形態におけるＥＧＲ装置７０は、タービン６７よりも上流側を流れる排気ガスの一部をコンプレッサ６１よりも下流側の吸気通路３０に還流するように設けられているが、このＥＧＲ装置７０とは別に、タービン６７よりも下流側を流れる排気ガスの一部をコンプレッサ６６よりも上流側の吸気通路３０に還流するＥＧＲ装置をさらに設けてもよい。

（２）制御系統
図２は、当実施形態のエンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

ＥＣＵ１００には各種センサによる検出情報が入力される。具体的に、ＥＣＵ１００は、上述したクランク角センサＳＮ１、水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、吸気圧センサＳＮ４、および電流センサＳＮ５と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された各種情報、例えばクランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、吸気流量、吸気圧（過給圧）、始動モータ２０の作動電流等の情報が、それぞれＥＣＵ１００に逐次入力される。

また、車両には、当該車両の走行速度（以下、車速という）を検出する車速センサＳＮ６と、車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度（以下、アクセル開度という）を検出するアクセルセンサＳＮ７と、同じくドライバーにより操作されるブレーキペダルのオン／オフ状態を検出するブレーキセンサＳＮ８とが設けられており、これら車速センサＳＮ６、アクセルセンサＳＮ７、およびブレーキセンサＳＮ８による検出情報もＥＣＵ１００に逐次入力される。

ＥＣＵ１００は、上記各センサＳＮ１〜ＳＮ８からの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ１００は、吸気ＶＶＴ１３ａ、燃料噴射弁１５、始動モータ２０、吸気絞り弁３２、電動過給機５１用のモータ６２、バイパス弁６５、ウェストゲート弁６９、およびＥＧＲ弁７３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。このようなＥＣＵ１００は、請求項にいう「判定部」および「制御部」に相当する。

例えば、ＥＣＵ５０は、アクセルセンサＳＮ７により検出されるアクセル開度および車速センサＳＮ６により検出される車速等に基づいてエンジンの負荷（要求トルク）を算出し、算出した負荷と、クランク角センサＳＮ１により検出されるエンジン回転速度とに基づいて、気筒２に噴射すべき燃料の量（目標噴射量）を決定し、決定した目標噴射量に一致する量の燃料が気筒２に噴射されるように燃料噴射弁１５を制御する。

また、ＥＣＵ１００は、上記エンジン回転速度／負荷等に基づいて目標過給圧を設定するとともに、吸気圧センサＳＮ４により検出される吸気圧（過給圧）がこの目標過給圧に一致するように、バイパス弁６５およびウェストゲート弁６９の各開度や、電動過給機５１用のモータ６２の回転等を制御する。

さらに、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、ＥＣＵ１００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、ＥＣＵ１００は、エンジンが冷機状態にないこと、車速がほぼゼロであること、アクセルペダルがオフ状態（アクセル開度がゼロ）であること、ブレーキペダルがオン状態であること、といった複数の要件の成否を水温センサＳＮ２、車速センサＳＮ６、アクセルセンサＳＮ７、およびブレーキセンサＳＮ８等の各検出値に基づいて都度判定し、これら各要件が全て満足されたことが確認された場合に、エンジンの自動停止条件が成立したと判定する。自動停止条件が成立すると、ＥＣＵ１００は、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。なお、エンジンが冷機状態にあるか否かの判定は、水温センサＳＮ２により検出されるエンジン水温と予め定められた閾値との比較に基づいて行われる。具体的に、この判定で用いられる温度の閾値は、暖機完了時のエンジン水温よりも十分に低くかつ外気温よりも高い所定の温度（例えば４０℃）に設定される。そして、エンジン水温が当該閾値よりも低ければエンジンが冷機状態にあり、閾値以上であれば冷機状態ではない（つまり後述する半暖機状態または暖機状態のいずれかである）と判定される。

また、ＥＣＵ１００は、エンジンの自動停止後、ブレーキペダルがオン状態からオフ状態に切り替わったこと、自動停止後の経過時間（自動停止の継続時間）が所定時間に達したこと、といった複数の要件の成否を上記ブレーキセンサＳＮ８の検出値や内蔵されたタイマーのカウント値に基づいて都度判定し、これら各要件のいずれかが満足されたことが確認された場合に、エンジンの再始動条件が成立したと判定する。再始動条件が成立すると、ＥＣＵ１００は、始動モータ２０を駆動してエンジン本体１をクランキングしつつ燃料噴射弁１５からの燃料供給を再開することにより、エンジンを再始動させる。

（３）エンジン再始動時の温度状態に応じた制御
次に、自動停止したエンジンを再始動させる制御の詳細について説明する。図３は、エンジン再始動時の制御手順を示すフローチャートである。エンジンが自動停止されてこのフローチャートに示す制御がスタートすると、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１において、再始動条件が成立したか否かを判定する。この再始動条件の詳細は既に説明したとおりであり、その成否は、例えばブレーキセンサＳＮ８の検出値やタイマーのカウント値に基づいて判定される。

上記ステップＳ１でＹＥＳと判定されて再始動条件が成立したことが確認された場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２に移行して、始動モータ２０を駆動してクランク軸７を強制回転させる制御、つまりエンジンのクランキングを開始する。

上記クランキングの開始後、ＥＣＵ１００は、ステップＳ３に移行して、電流センサＳＮ５により検出される始動モータ２０の作動電流と、水温センサＳＮ２により検出されるエンジン水温とに基づいて、エンジンが半暖機状態にあるか暖機状態にあるかを判定する。半暖機状態とは、冷機状態でも暖機状態でもない暖機半ばの状態のことであり、例えば、乗員のイグニッション・オン操作によるエンジン始動が行われてからの経過時間、つまりエンジンの運転継続時間が比較的短いときに生じ易い。この半暖機状態では、気筒２の壁面２ａ（以下、シリンダ壁という）の温度に比べてピストン５の温度が大幅に高くなる。

すなわち、乗員のイグニッション・オフ操作によりエンジンが停止された後、あまり時間を空けずに再びイグニッション・オン操作が行われるような場合を除いて、イグニッション・オン操作によるエンジン始動時（以下、これをキー始動という）は、ピストン５の温度もシリンダ壁２ａの温度も、外気温と同程度の十分に低い値となっている。図４は、このような一般的なキー始動が行われた場合におけるピストン５の温度とシリンダ壁２ａの温度との時間変化をそれぞれ示している。この図４に示すように、時点ｔ０でエンジンがキー始動されると、その直後からピストン５の温度は急激に上昇する。これは、燃焼室６で生じる燃焼熱が直接的にピストン５に作用するからである。一方、エンジンのキー始動後、シリンダ壁２ａの温度は徐々にしか上昇しない。これは、シリンダ壁２ａの温度は主にエンジンの冷却水の温度に影響されるものであり、しかも当該冷却水の温度はその性質上（シリンダブロック３およびシリンダヘッド４という大質量の部材の内部を循環している性質上）徐々にしか上昇しないからである。なお、図４にはエンジンの冷却水の温度も併せて示しており、この冷却水の温度は、シリンダ壁２ａの温度と同様の傾向で上昇している。このことからも、シリンダ壁２ａの温度が主に冷却水の温度に影響されていることが分かる。

上記のようなピストン５とシリンダ壁２ａとの昇温スピードの相違により、エンジンのキー始動から少し経過した時点ｔ１において、ピストン５の温度からシリンダ壁２ａの温度を差し引いた温度差が所定値ΔＴｘまで拡大している。そして、時点ｔ１からしばらく経過した時点ｔ２まで、温度差は所定値ΔＴｘ以上の範囲で推移する。すなわち、キー始動後の時点ｔ１からｔ２までの間、ピストン５の温度がシリンダ壁２ａの温度よりも所定値ΔＴｘ以上高くなる状態が継続されている。この期間（ｔ１〜ｔ２）が半暖機状態の期間である。

半暖機状態の前後の期間において、エンジンは冷機状態または暖機状態にある。すなわち、エンジンが半暖機状態になる前の期間（時点ｔ０〜ｔ１）は冷機状態の期間であり、この冷機状態のときは、ピストン５とシリンダ壁２ａとの温度差が所定値ΔＴｘ未満になり、かつシリンダ壁２ａの温度が半暖機状態のときよりも低くなる。また、半暖機状態を過ぎた期間（時点ｔ２〜）は暖機状態の期間であり、この暖機状態のときは、ピストン５とシリンダ壁２ａとの温度差が所定値ΔＴｘ未満になり、かつシリンダ壁２ａの温度が半暖機状態のときよりも高くなる。

半暖機状態から暖機状態に移行した時点ｔ２以降、上記温度差はΔＴｘから漸減し、シリンダ壁２ａの温度はピストン５の温度にどんどん近づいていく。暖機完了とみなされる時点ｔ３では、上記温度差が十分に縮小し、シリンダ壁２ａおよびピストン５の双方が十分に暖められた状態となる。

図５は、図４の温度変化に伴って変化するピストン５の摺動抵抗と漏れ損失とをそれぞれ示している。ピストン５の摺動抵抗とは、ピストン５が気筒２内を往復動する際に受ける抵抗力のことであり、機械的な摩擦力や圧縮反力（燃焼室６内で圧縮された吸気がピストン５を押し戻す力）などが複合された抵抗力のことである。また、漏れ損失とは、ピストン５（特にその外周に設けられるピストンリング）とシリンダ壁２ａとの間の隙間を通じて燃焼室６から外部に漏れ出るガスの量（圧縮された吸気や既燃ガスの漏れ量）のことである。図５に示すように、時点ｔ１〜ｔ２の半暖機状態の期間は、それ以外の期間、つまり時点ｔ０〜ｔ１の冷機状態の期間や時点ｔ２以降の暖機状態の期間と比べて、ピストン５の摺動抵抗が増大するとともに、漏れ損失が減少する。これは、ΔＴｘ以上に拡大した大きな温度差に起因するものである。

すなわち、半暖機状態（時点ｔ１〜ｔ２）では、ピストン５の温度がシリンダ壁２ａの温度よりも大幅に高いため、ピストン５の膨張量がシリンダ壁２ａの膨張量に比べて十分に大きくなり、その結果、ピストン５（主にそのスカート部）の周面のうちシリンダ壁２ａと接触する部分の面積が増大する。この接触面積の増大は、ピストン５の機械的な摩擦力を増大させる。一方、ピストン５の周面とシリンダ壁２ａとの隙間は縮小するので、当該隙間を通じた漏れ損失が減少し、燃焼室６内で実際に圧縮される吸気の量が増大する。このことは、圧縮された吸気からピストン５に加わる圧縮反力の増大を招く。このように、エンジンの半暖機状態では、ピストン５の機械的な摩擦力および圧縮反力の双方が増大するので、これらが複合された抵抗力つまりピストン５の摺動抵抗も当然に増大する。

なお、半暖機状態のときに見られる上記のような現象、つまりピストンの摺動抵抗の増大は、ピストン５とシリンダ壁２ａとの熱膨張係数の差が大きいほど顕著になる。例えば、ピストン５がアルミ合金製で、シリンダ壁２ａが鋳鉄製である場合、ピストン５の熱膨張係数がシリンダ壁２ａのそれよりも大幅に大きくなるので、半暖機状態におけるピストン５の摺動抵抗はより大きくなる。

上記のように、半暖機状態では、ピストン５とシリンダ壁２ａとの温度差がΔＴｘ以上に拡大する、言い換えるとシリンダ壁２ａの温度がピストン５の温度に比べて十分に低くなる上に、ピストン５の摺動抵抗が大きくなる。上記ステップＳ３での半暖機状態の判定において、水温センサＳＮ２および電流センサＳＮ５の各検出値を用いるのは、このような現象の有無を確認するためである。

すなわち、水温センサＳＮ２より検出されるエンジン冷却水の温度（エンジン水温）が予め定められた基準温度よりも低い場合には、ピストン５とシリンダ壁２ａとの温度差が十分に大きいとみなすことができる（なお、エンジンが自動停止される前の運転によってピストン５は既に十分に加熱されているはずなので、エンジン水温が低いことをもって上記温度差が大きいとみなすことができる）。また、電流センサＳＮ５により検出される始動モータ２０の作動電流が予め定められた基準電流よりも高い場合には、エンジンのクランキングに要する始動モータ２０の発生トルクが大きく、ピストン５の摺動抵抗が十分に大きいとみなすことができる。なお、ピストン５とシリンダ壁２ａとの温度差が大きいことを確認するための上記基準温度は、自動停止の可否を判定するためのエンジン水温の閾値、つまりエンジンが冷機状態にあるか否かを判定するため閾値（例えば４０℃）よりも所定量高い値（例えば７０℃）に設定される。

上記ステップＳ３において、ＥＣＵ１００は、上述した２つの要件のいずれかが成立した場合、つまり、エンジン水温が基準温度よりも低いという要件と、始動モータ２０の作動電流が基準電流よりも高いという要件のいずれかが成立した場合に、エンジンが半暖機状態にあると判定する。逆に、これら２つの要件がいずれも非成立であった場合、エンジンは暖機状態にあるといえる。つまり、エンジンが自動停止される前提として、エンジンは少なくとも冷機状態にはないはずなので、上記２要件の非成立は、エンジンが冷機状態でも半暖機状態でないこと、つまり暖機状態にあることを意味する。なお、このステップＳ３での判定は、通常、圧縮行程で停止していた気筒２のピストン５が最初の圧縮上死点に到達する前には完了する。

上記ステップＳ３でＮＯと判定されてエンジンが暖機状態にあることが確認された場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ８に移行して、通常の再始動制御によりエンジンを再始動させる。具体的には、吸気ＶＶＴ１３ａにより設定される吸気弁１１の開閉時期（位相）を、後述するステップＳ４で設定される開閉時期よりも進角側に設定し（図６の一点鎖線のリフトカーブ参照）、かつ電動過給機５１を駆動しない状態で、エンジンの各気筒２に燃料噴射弁１５から順次燃料を噴射、燃焼させる。

また、上記通常のエンジン再始動（Ｓ８）では、吸気絞り弁３２およびバイパス弁６５が例えば流量飽和点以上の開度まで開かれる。なお、流量飽和点とは、吸気絞り弁３２（またはバイパス弁６５）の上流側と下流側の圧力差がなくなる開度であって、開度をそれ以上増大させても吸気流量が増大しない開度のことである。流量飽和点の開度はエンジンの運転条件により異なるが、上記ステップＳ８の制御が実行されるような運転条件下では、流量飽和点の開度は例えば３０％程度となる。この場合、吸気絞り弁３２およびバイパス弁６５の各開度はそれぞれ約３０％以上とされる。

一方、上記ステップＳ３でＹＥＳと判定されてエンジンが半暖機状態にあることが確認された場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４，Ｓ５に移行して、吸気ＶＶＴ１３ａを駆動して吸気弁１１の開閉時期を遅角側に変更するとともに、電動過給機５１のモータ６２を駆動してコンプレッサ６１に過給を行わせる。このとき、電動過給機５１で過給された吸気がバイパス通路６４を逆流しないように、バイパス弁６５が全閉相当の開度（ほぼ０％）まで閉じられる。一方、吸気絞り弁３２については、上記流量飽和点以上の開度（例えば３０％以上）まで開かれる。

図６は、上記ステップＳ４で吸気弁１１の開閉時期が遅角された場合の吸気弁１１のリフト特性、つまり半暖機状態にあるエンジンが始動される場合にＶＶＴ１３ａにより設定される吸気弁１１のリフト特性を示す図である。本図に示すように、半暖機状態でのエンジン始動時に、吸気弁１１は、排気上死点（左側のＴＤＣ）を過ぎてから開弁し、かつ吸気下死点（右側のＢＤＣ）を過ぎてから閉弁するように駆動される。特に、吸気弁の閉時期（以下、ＩＶＣともいう）は、圧縮行程の中期というかなりの遅めのタイミングまで遅角される。圧縮行程の中期とは、圧縮行程を前期、中期、後期に３等分した場合における中期のことであり、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１２０〜６０°ＣＡの期間のことである。圧縮行程の中期までＩＶＣが遅角されることにより、吸気行程中に燃焼室６に導入された吸気の一部が圧縮行程中に吸気ポート９へと吹き返す現象（吸気の吹き返し）が生じ、その結果、燃焼室６への吸気充填量は、暖機状態のとき（そのときの吸気弁１１のリフト特性を一点鎖線で示す）に比べて減少する。

なお、当実施形態では、電動過給機５１による過給が行われるため、仮にＩＶＣを遅角しなかった場合には燃焼室６への吸気充填量は増大することになる。しかしながら、上記ステップＳ４によるＩＶＣの大幅な遅角化により、燃焼室６への吸気充填量は増大せず、むしろ減少する。言い換えると、上記ステップＳ４におけるＩＶＣの遅角量は、過給による吸気の増分を上回る量の吸気が減少するような遅角量に設定される。

次いで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ６に移行して、過給の開始（ステップＳ５）から少し遅れた適宜のタイミングで、燃料噴射弁１５から燃料を噴射させる。例えば、吸気行程で停止していた気筒が最初の圧縮上死点を迎える（エンジン全体では２回目の圧縮上死点を迎える）ときに、この圧縮上死点を迎える気筒に対し最初の燃料を噴射する。噴射された燃料は、当該気筒の燃焼室６で自着火、燃焼し、ピストン５を押し下げる。これにより、エンジン本体１の自律回転が開始され、エンジン回転速度が急上昇する。

次いで、ＥＣＵ１００は、最初に燃焼が行われた気筒（初爆気筒）の次に圧縮行程を迎える気筒、さらにその次に圧縮行程を迎える気筒‥‥という順に、同様に燃料噴射弁１５から燃料を噴射、燃焼させる。そして、全ての気筒２で燃焼が行われてエンジンが完爆したか否かを判定し（ステップＳ７）、完爆した時点でエンジンの再始動制御を終了する。再始動制御の終了後は、アクセル開度や車速等に応じて燃料の噴射量を調整するといった通常の制御に移行する。

（４）作用効果等
以上説明したように、当実施形態では、自動停止後に再始動されるエンジンが半暖機状態（ピストン５とシリンダ壁２ａとの温度差が所定値ΔＴｘ以上になる状態）にある場合に、吸気ＶＶＴ１３ａが駆動されてＩＶＣ（吸気弁１１の閉時期）が遅角されることにより、エンジンが暖機状態にあった場合に比して燃焼室６への吸気充填量が減らされる。このような構成によれば、半暖機状態にあるエンジンを迅速に始動させることができるという利点がある。

すなわち、エンジンが半暖機状態にあるときは、シリンダ壁２ａよりもかなり高温になったピストン５が相対的に大きく膨張することに起因して、ピストン５の摺動抵抗が増大するとともに、ピストン５の周囲隙間を通じた漏れ損失が減少する（図５参照）。このため、ＩＶＣを仮に暖機状態のときと同一に設定した場合には、ピストン５によって実際に圧縮される吸気の量が増大する上に、圧縮中に生じる大きな圧力によってピストンリングが拡径するので、ピストン５に加わる圧縮反力やピストン５の機械的な摩擦力が増大し、ピストン５の摺動抵抗がますます増大してしまう。このことは、ピストン５の移動スピードの低下、ひいてはエンジンの始動所要時間の増大につながる。これに対し、上記実施形態では、半暖機状態でのエンジン再始動時に、ＩＶＣが吸気下死点よりも大幅に遅角されて燃焼室６への吸気充填量が減らされるので、ピストン５の摺動抵抗を低減することができ、始動所要時間を短縮することができる。

しかも、ＩＶＣの変更により吸気充填量を減少させる上記実施形態によれば、吸気充填量を減らすために吸気絞り弁３２を閉弁させる必要がない。このため、ポンピングロスが増大するのを回避しつつピストン５の摺動抵抗を効果的に低減することができ、良好な燃費性能の確保と始動所要時間の短縮とを両立することができる。

また、吸気充填量が減らされた相対的に燃料リッチな環境下で燃焼が行われるので、燃焼室６から排出される排気ガスの温度を高めることができ、この高温の排気ガスにより触媒４１ａを加熱してその活性化を促進することができる。

ただし、始動所要時間の短縮をＩＶＣの遅角化のみによって実現しようとすると、ＩＶＣを大幅に遅角させる必要が生じるので、当該遅角化によって吸気充填量が過度に減少し、圧縮端温度（圧縮上死点における燃焼室６の内部温度）が不足するおそれがある。圧縮端温度が不足すると、燃料の着火性が悪化するので、燃焼が不安定化したり、最悪の場合は失火を招くおそれがある。これに対し、上記実施形態では、半暖機状態でのエンジン再始動時に電動過給機５１が駆動されて吸気が過給されるので、ＩＶＣを大幅に遅角させながら所要量の吸気を燃焼室６に充填することができ、燃料を安定的に着火させ得る十分な圧縮端温度を確保することができる。これにより、ＩＶＣを大幅に遅角させてエンジンの始動所要時間を確実に短縮しながら、再始動時の燃焼安定性を良好に維持することができる。

特に、上記実施形態では、圧縮行程の中期というかなり遅めのタイミングまでＩＶＣが遅角されるので、仮に電動過給機５１を駆動しなかった場合には、圧縮端温度が不足して燃焼の不安定化等を招く可能性が高い。これに対し、ＩＶＣが遅角されるだけでなく電動過給機５１が駆動される上記実施形態によれば、燃焼安定性が確保される程度に圧縮端温度を高めながら、ＩＶＣの大幅な遅角化によりピストン５の摺動抵抗を十分に低減することができる。

また、上記実施形態では、自動停止したエンジンを再始動させる際に、水温センサＳＮ２により検出されるエンジン水温（エンジン冷却水の温度）と、電流センサＳＮ５により検出される始動モータ２０の作動電流とに基づいて、エンジンが半暖機状態にあるか否かが判定される、言い換えると、エンジンの実際の温度と始動モータ２０の発生トルク（つまりエンジンをクランキングするための所要トルク）とに基づいて半暖機状態が判定されるので、シリンダ壁２ａとピストン５との温度差が大きくピストン５の摺動抵抗が大きくなっている場合に、これを半暖機状態として確実に認識することができる。

なお、上記実施形態では、自動停止したエンジンの再始動時にエンジンが半暖機状態にあるか暖機状態にあるかを判定し、半暖機状態にあると判定した場合に、電動過給機５１を駆動しつつＩＶＣを遅角させる制御（図３のステップＳ４，Ｓ５）を実行するようにしたが、この制御と同様の制御を、乗員のイグニッション・オン操作に基づくエンジンのキー始動時に実行してもよい。すなわち、半暖機状態にあるエンジンがキー始動される場合でも、ピストン５の摺動抵抗が大きく始動性が悪いという事情は同じなので、その対策のために上記ステップＳ４，Ｓ５と同様の制御を実行してもよい。

また、上記実施形態では、自動停止したエンジンの再始動時にエンジンが暖機状態にある場合に、図３のステップＳ８に示した通常の再始動制御を実行し、その一環として、電動過給機５１の駆動を停止しつつＩＶＣを進角させる制御を実行するようにしたが、これと同様の制御は、暖機状態でのエンジン再始動時だけでなく、暖機状態でのエンジンのキー始動時に実行することも当然に可能である。また、エンジンが冷機状態にあるときも、半暖機状態と比べればピストンの摺動抵抗は小さいので、上記ステップＳ８と同様の制御（電動過給機５１の駆動を停止しつつＩＶＣを進角させる制御）を、冷機状態でのエンジンのキー始動時に実行してもよい。

また、上記実施形態では、吸気絞り弁３２とサージタンク３４との間の部分の吸気通路３０が単管状に形成されており、燃焼室６に導入される前の吸気は必ずインタークーラ３３を通過するようになっているが、インタークーラ３３への吸気の通過／非通過を切り替え得るように吸気通路３０を改変してもよい。すなわち、インタークーラ３３が配設されるインタークーラ配設通路とは別に、インタークーラ３３をバイパスするインタークーラバイパス通路を設けるとともに、これらインタークーラ配設通路およびインタークーラバイパス通路のいずれかに選択的に吸気を導入するための切替弁とを追加で設けてもよい。この場合、半暖機状態でのエンジン始動時には、インタークーラバイパス通路に吸気が導入されるように上記切替弁を制御することが考えられる。このようにすれば、燃焼室６の導入される吸気の温度（圧縮開始温度）が上昇し、これに伴い圧縮端温度も上昇するので、燃料の着火性をより改善することができる。

また、上記実施形態では、始動モータ２０の作動電流を検出する電流センサＳＮ５を設けるとともに、自動停止したエンジンの再始動時にこの電流センサＳＮ５の検出値に基づいて始動モータ２０の発生トルクを特定するようにしたが、始動モータ２０の発生トルクは、当該トルクと相関する何らかのパラメータを検出することで特定可能であり、作動電流以外の適宜のパラメータ（例えば電圧等）を検出し、その検出値に基づいて始動モータ２０の発生トルクを特定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、軽油を主成分とする燃料を圧着着火させるディーゼルエンジンに本発明の制御装置を適用した例について説明したが、本発明を適用可能なエンジンはこれに限らず、例えばガソリンを主成分とする燃料をリーンな空燃比下で燃焼させるリーンバーンガソリンエンジンに本発明を適用してもよい。

２ 気筒
２ａ シリンダ壁（気筒の壁面）
５ ピストン
９ 吸気ポート
１１ 吸気弁
１３ａ 吸気ＶＶＴ（吸気弁可変機構）
２０ 始動モータ
３０ 吸気通路
５１ 電動過給機
１００ ＥＣＵ（判定部、制御部）
ＳＮ２ 水温センサ
ΔＴｘ （温度差の）所定値

Claims (6)

1. 燃焼が行われる気筒と、気筒内を往復動するピストンと、吸気ポートを介して気筒と連通する吸気通路と、吸気ポートを開閉する吸気弁と、吸気弁の閉時期を変更可能な吸気弁可変機構とを備えたエンジンに適用される始動制御装置であって、
   始動時にエンジンをクランキングする始動モータと、
   前記ピストンの温度から前記気筒の壁面温度を差し引いた温度差が所定値以上になる半暖機状態であるか、当該半暖機状態のときよりも前記気筒の壁面温度が高くかつ前記温度差が所定値未満となる暖機状態であるかを判定する判定部と、
   エンジンの始動要求があり、かつ前記判定部によりエンジンが半暖機状態にあると判定された場合に、前記始動モータを駆動するとともに、エンジンが暖機状態にあった場合に比して前記気筒への吸気充填量が減少するように前記吸気弁可変機構を制御する制御部とを備えた、ことを特徴とするエンジンの始動制御装置。
2. 請求項１に記載のエンジンの始動制御装置において、
   電気エネルギーにより駆動される電動過給機が前記吸気通路に設けられ、
   前記制御部は、エンジンの始動要求があり、かつエンジンが前記半暖機状態にあると判定された場合に、前記電動過給機を駆動して吸気を過給する、ことを特徴とするエンジンの始動制御装置。
3. 請求項２に記載のエンジンの始動制御装置において、
   前記制御部は、エンジンの始動要求があり、かつエンジンが前記半暖機状態にあると判定された場合に、吸気弁の閉時期が圧縮行程の中期まで遅角されるように前記吸気弁可変機構を制御する、ことを特徴とするエンジンの始動制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの始動制御装置において、
   エンジンの冷却水の温度を検出する水温センサをさらに備え、
   前記判定部は、前記冷却水の温度が所定の閾値以上である状態でのエンジンの始動時に、前記始動モータの作動電流が所定の基準電流よりも高いという第１の要件と、前記水温センサにより検出される前記冷却水の温度が前記閾値よりも高く設定された基準温度よりも低いという第２の要件とのいずれかが成立した場合に、エンジンが半暖機状態にあると
   判定し、前記第１および第２の要件の双方が非成立であった場合に、エンジンが暖機状態にあると判定する、ことを特徴とするエンジンの始動制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの始動制御装置において、
   前記エンジンは、所定の条件下で自動停止するアイドリングストップ機能を有しており、
   前記制御部は、自動停止したエンジンを再始動させる再始動要求があり、かつエンジンが前記半暖機状態にあると判定された場合に、前記始動モータを駆動するとともに前記吸気弁可変機構によって前記気筒への吸気充填量を減少させる前記制御を実行する、ことを特徴とするエンジンの始動制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの始動制御装置において、
   前記エンジンは、幾何学的圧縮比が１４以上の圧縮着火式エンジンである、ことを特徴とするエンジンの始動制御装置。
   

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