JP6914592B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の運転制御を司る制御装置に関する。

停止していた内燃機関を始動する際には、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを電動機により回転駆動しつつ、インジェクタから燃料を噴射してこれを気筒において燃焼させ、クランクシャフトの回転を加速するクランキングを実行する。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度即ちエンジン回転数が内燃機関の冷却水温等に応じて定まる完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する（例えば、下記特許文献１を参照）。

また、信号待ち等による車両の停車中に、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実施することも知られている（例えば、下記特許文献２を参照）。既存のアイドリングストップシステムでは、車速が所定値以下で、ブレーキペダルが踏み込まれており、車両が所在する路面の勾配が大きくなく、内燃機関の温度及び車載バッテリの電圧が十分に高い、等といった諸条件がおしなべて成立したときに、内燃機関を停止させる。アイドルストップ中、運転者がブレーキペダルから足を離すか、アクセルペダルを踏み込む等の再始動要求があったときには、内燃機関を再始動する。

特開２０１７−００８８６５号公報 特開２０１６−１１３９０９号公報

冷間始動と比較して、アイドルストップ後の再始動では、既に暖機が完了しフリクションロスが低減していることもあり、エンジン回転数が過剰に上昇する吹き上がりが起こりやすい。エンジン回転数が吹き上がると、単位時間あたりの燃料噴射及び点火燃焼の回数が増加して燃料消費量の増大を招く。燃費性能の一層の良化を図るには、内燃機関の始動直後のエンジン回転数の吹き上がりを如何に抑制するかが重要となる。

吹き上がりを抑制するための手立てとしては、クランキングの完了後に燃料噴射を一時中断する燃料カットを実行することが考えられる。しかしながら、それでもなお、燃料カットから復帰して燃料噴射を再開したときに、不必要にエンジン回転数が上昇してしまうことがあり得る。燃料噴射の再開時には、気筒に連なる吸気通路（特に、サージタンク）内に空気が満ちており、スロットルバルブの開度を絞ったとしても気筒に充填される混合気の量が必ずしも低減せず、エンジントルクの増大つまりはエンジン回転の加速を必要十分に抑止できない。

本発明は、内燃機関の始動後のエンジン回転数の上昇を適切に抑制することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、停止していた内燃機関を始動させた後に気筒への燃料供給を一時的に中断する燃料カットを実行し、その燃料カットを終了して気筒への燃料供給を再開した直後の時期において、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを一時的に、燃料カットの開始前のそれと比較して気筒に充填される空気の量が減少するようなタイミングに変更する内燃機関の制御装置を構成した。

前記燃料カットの終了直後の時期における、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを一時的に変更する際の変更量は、前記燃料カットの実行時間の長さに応じて増減させる。加えて、前記変更量を、そのときのエンジン回転数、及びそのときの内燃機関の温度（内燃機関の温度と相関がある何らかの温度、即ちその温度が高いほど内燃機関の温度が高いと言えるような何らかの温度を、ここに言う内燃機関の温度を見なしてもよい。典型的には、内燃機関の冷却水温）のうちの少なくとも一つに応じて増減させることも好ましい。吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するための操作は、前記燃料カット中に開始することが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の始動後のエンジン回転数の不必要な上昇を適切に抑制することができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置が実施する制御の内容を説明するタイミング図。 同実施形態の制御装置がＶＶＴ機構を介して操作する吸気バルブの開閉タイミングを示す図。

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。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気バルブよりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて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ことで生じる排気を各気筒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。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

内燃機関の各気筒１の吸気バルブの開閉タイミングを可変制御する可変バルブタイミング（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構５は、例えば、吸気バルブを駆動する吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を電動機によって変化させる電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。周知の通り、カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトから回転駆動力の供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、回転駆動力を伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブの開閉タイミングを変更する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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。

ＥＣＵ０の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クランク角センサから出力されるクランク角信号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（いわば、要求されるエンジン負荷率）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、吸気通路３のサージタンク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ｄ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサまたはマスタシリンダから吐出されるブレーキ作動液の圧力であるマスタシリンダ圧を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｅ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号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、車両が所在している路面の勾配を検出する傾斜角センサ（または、加速度センサ）から出力される傾斜角（または、加速度）信号ｈ等が入力される。

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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構５に対して吸気バルブの開閉タイミングの制御信号ｍ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、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、要求ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）、吸気バルブタイミング等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、所定のアイドルストップ条件が成立したときに、内燃機関のアイドル回転を停止させるアイドルストップを実行する。ＥＣＵ０は、ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧が閾値以上であり（ブレーキペダルが踏まれた）、内燃機関の温度（冷却水温）が所定以上に高く、車載のバッテリの充電量または端子電圧が所定以上に高く、シフトレンジが走行レンジであり、車両が所在している路面の勾配の絶対値が所定以下であり、ブレーキブースタが蓄えている負圧の大きさが閾値以上であり、前回のアイドルストップ終了からある車速（例えば、１０ｋｍ／ｈ）以上まで加速した経歴があり、かつ現在の車速がある車速（例えば、９ｋｍ／ｈ）以下である、等といった諸条件がおしなべて成立したことを以て、アイドルストップ条件が成立したものと判断する。

アイドルストップ条件の成立後、所定のアイドルストップ終了条件が成立したときには、内燃機関を再始動する。ＥＣＵ０は、ブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧が０または０に近い閾値未満となった（ブレーキペダルが踏まれなくなった）、逆にブレーキペダルの踏込量またはマスタシリンダ圧がさらに増大した（ブレーキペダルがさらに強く踏み込まれた）、アクセル開度が増大した（アクセルペダルが踏まれた）、ブレーキブースタが蓄えている負圧の大きさが閾値未満に低下した、アイドルストップ状態で所定時間（３分）が経過した、等のうち何れかを以て、アイドルストップ終了条件が成立したものと判断する。

停止した内燃機関を始動（アイドリングストップからの復帰だけでなく、冷間始動をも含む）するに際して、ＥＣＵ０は、電動機（スタータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）。図示せず）に制御信号ｏを入力し、当該電動機により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、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる完爆判定値は、内燃機関の温度等に応じて上下し得る。具体的には、内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定する。

図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、アイドルストップにより停止していた内燃機関を再始動させた後、換言すれば始動のためのクランキングを完了した後の時点ｔ₁より、エンジン回転数の吹き上がりを抑止するべく、インジェクタ１１からの燃料噴射（及び、点火プラグ１２による火花点火）を一時休止する燃料カットを実行する。この燃料カットは、エンジン回転数が所定値まで低下した時点ｔ₂で終了する。その所定値は、内燃機関の始動のためのクランキング中の完爆判定値よりは低く、内燃機関のアイドル運転中の目標回転数よりはやや高い。

そして、ＥＣＵ０は、燃料カットを終了して燃料噴射（及び、火花点火）を再開した時点ｔ₂の直後の時期において、気筒１に充填された混合気に点火するタイミングを一時的に、燃料カット開始前のそれと比較して遅角させる。点火タイミングの遅角補正は、内燃機関の膨脹行程における熱機械変換効率の低下をもたらす。

さらに、ＥＣＵ０は、燃料カットの終了直後の時期において、吸気バルブの開弁タイミング及び／または閉弁タイミングを一時的に、燃料カット開始前のそれと比較して気筒１に充填される空気（新気）の量が減少するようなタイミングに変更する。なお、このとき、併せてインジェクタ１１からの燃料噴射量を一時的に減量することがある。上記の制御により、内燃機関の出力するエンジントルクが低減し、燃料カットの終了に伴うエンジン回転数の不必要な再上昇を抑制することができる。

燃料カットの終了直後の時期に気筒１に充填される空気量を減少させるためには、ＶＶＴ機構５を介して、各気筒１の吸気バルブの開閉タイミングを遅角させる。具体例を挙げると、図３に示すように、内燃機関のクランキング中や完爆後燃料カットの開始前の時期には、混合気の燃焼の安定性を考慮して、吸気バルブが排気上死点よりも約２５°ＣＡ（クランク角度）早いタイミングで開弁し、吸気下死点よりも約１８°遅いタイミングで閉弁するように吸気バルブタイミングを設定する（図３中、実線で表している）。この吸気バルブタイミングは、内燃機関のアイドル運転中の吸気バルブタイミングと同等である。

一方で、燃料カットの終了直後の時期には、吸気バルブがこれよりも遅角したタイミングで開弁し、また閉弁するように吸気バルブタイミングを変更する。このときの吸気バルブタイミングの変更量即ち遅角量は、最大で２５°ＣＡ程度とする。即ち、吸気バルブタイミングを最大に遅角させると、吸気バルブが排気上死点近傍のタイミングで開弁し、吸気下死点よりも約４３°遅いタイミングで閉弁するようになる（図３中、鎖線で表している）。

燃料カットの終了直後の時期における、吸気バルブの開閉タイミングの遅角量は、現在のエンジン回転数、燃料カットの実行時間（時点ｔ₁から時点ｔ₂までの時間）の長さ、現在の内燃機関の温度のうちの少なくとも一つに基づいて調整する。具体的には、エンジン回転数が高いほど、若しくはエンジン回転数から目標回転数を減算した偏差が大きいほど吸気バルブタイミングの遅角量を大きくし、燃料カットの実行時間が長いほど吸気バルブタイミングの遅角量を大きくし、及び／または、内燃機関の冷却水温が高いほど吸気バルブタイミングの遅角量を大きくする。燃料カットの実行時間の長さに応じて吸気バルブタイミングの遅角量を増減させるのは、燃料カット時間が長いほど、燃料カットの開始前に気筒１内に残留していた排気ガス（内部ＥＧＲガス）が掃気されて残留量が減少し、その分だけ気筒１に空気が流入することによる。

吸気バルブの開閉タイミングを遅角させるためのＶＶＴ機構５の操作、即ち吸気カムシャフトを吸気カムスプロケットに対して相対的に回動させる操作は、燃料カットの終了時点ｔ₂前から開始することが好ましい。より詳しくは、燃料カット中にエンジン回転数が極大となった時点ｔ₃以後、吸気バルブタイミングを遅角させるためのＶＶＴ機構５の操作を開始することが好ましい。

なお、燃料カットの終了時点ｔ₂後、エンジン回転数が目標回転数を下回った場合には、燃料カットの終了直後の時期においても、吸気バルブの開弁タイミング及び／または閉弁タイミングを、内燃機関のクランキング中または完爆後燃料カットの開始前の時期におけるそれよりも遅角させないか、あるいはそれよりも進角させることがあり得る。

本実施形態では、停止していた内燃機関を始動させた後に気筒１への燃料供給を一時的に中断する燃料カットを実行し、その燃料カットを終了して気筒１への燃料供給を再開した直後の時期において、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを一時的に、燃料カットの開始前のそれと比較して気筒１に充填される空気の量が減少するようなタイミングに変更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、停止した内燃機関を再始動するに際して、サージタンク３３内に溜まっていた、始動に必要な最小限量よりも多い量の空気が気筒１に流入するとしても、完爆直後に燃料カットを実行することで、エンジン回転数の吹き上がりを抑止することができる。さらに、燃料カットから復帰するときに、ＶＶＴ機構５を介して吸気バルブタイミングを操作し、気筒１に流入する空気の量を一時的に減少させるようにしたため、燃料噴射及び点火燃焼の再開に起因するエンジン回転数の不必要な上昇を適切に抑制することができる。ひいては、燃費性能のより一層の向上に寄与し得る。

しかも、前記燃料カットの終了直後の時期において、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを一時的に変更する際の変更量を、そのときのエンジン回転数、前記燃料カットの実行時間の長さ、またはそのときの内燃機関の温度のうちの少なくとも一つに応じて増減させるようにしている。これにより、実測のエンジン回転数と目標回転数との偏差、気筒１内に残留している排気ガスの量、または内燃機関のフリクションロスを加味して、始動後のエンジン回転数を可及的速やかに目標回転数に収束せしめることが可能となる。

また、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するための操作を前記燃料カット中に開始する、即ち燃料の燃焼を生じない燃料カット中にＶＶＴ機構５によるカムシャフトの回転駆動を実施することで、内燃機関の出力するエンジントルクの変動を小さくすることができ、安定したエンジン回転制御を実現できる。さらには、燃料カット中のエンジン回転数が極大値をとった時点ｔ₃から、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するための操作を開始するようにしているので、エンジン回転数の吹き上がりの抑制のための制御が適正に進行していることを確認した上でＶＶＴ機構５を制御することとなり、信頼性が向上する。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。例えば、上記実施形態では、完爆後に開始した燃料カットを、エンジン回転数が所定値以下となったことを条件として終了することとしていた。つまり、燃料カットの実行時間の長さが不定であった。これに対し、完爆後に実行するべき燃料カットの実行時間の長さを恒常的に一定とすることも考えられる。その場合には、燃料カットの実行時間の長さに応じて吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングの変更量（遅角量）が増減することはない。

上記実施形態では、基本的に、アイドルストップした内燃機関の再始動を想定していた。だが、イグニッションキーまたはスイッチがＯＦＦに操作されて内燃機関を停止した後、再びイグニッションキーまたはスイッチが操作されて内燃機関を始動する状況においても、その内燃機関を停止していた期間の長さが短いときには、アイドルストップ後の再始動の場合と同様のエンジン回転数の吹き上がりの問題が生じ得る。従って、イグニッションキーまたはスイッチが操作されたことに伴う内燃機関の始動時にも、本発明の制御を適用してよい。

内燃機関の各気筒１の吸気バルブの開弁及び／または閉弁のタイミングを変化させるためのＶＶＴ機構５の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を進角／遅角させるもの以外にも、吸気バルブを開弁駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動機を介して変化させるもの、吸気バルブを電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。

その他、各部の具体的構成は、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制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
５…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ｂ…クランク角信号
ｅ…吸気温信号
ｆ…冷却水温信号
ｊ…燃料噴射信号
ｍ…吸気バルブタイミングの制御信号
ｏ…クランキング用の電動機の制御信号

Claims (2)

1. 停止していた内燃機関を始動させた後に気筒への燃料供給を一時的に中断する燃料カットを実行し、その燃料カットを終了して気筒への燃料供給を再開した直後の時期において、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを一時的に、燃料カットの開始前のそれと比較して気筒に充填される空気の量が減少するようなタイミングに変更するものであって、
   前記燃料カットの終了直後の時期において、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを一時的に変更する際の変更量を、前記燃料カットの実行時間の長さに応じて増減させる内燃機関の制御装置。
2. 前記燃料カット中に、吸気バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するための操作を開始する請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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