JP6984968B2 - 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を制御する制御装置に関する。

周知の通り、停止している内燃機関を始動するにあたっては、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行う。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温度（特に、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（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０１７−１１５６１０号公報

クランキング中の電動機は過負荷で稼働しており、かつ大きな電力を消費する。そこで、クランキングを開始してから、ある程度以上の時間が経過してもなお完爆に至らない場合には、電動機によるクランキング及び燃料噴射を中止することにより、電動機及びバッテリの保護を図るとともに燃料の浪費を抑制し、内燃機関の始動の再試行に備える。

従来の始動制御では、クランキングの開始後内燃機関が完爆に至らない場合において、クランキングを継続する時間の上限は、内燃機関の温度に応じて設定していた。具体的には、内燃機関の始動時の温度が低いほど、長い時間クランキングを続行する。しかしながら、内燃機関の温度による調整を除けば、クランキングを継続する上限時間の長さは恒常的に一定であった。

一方で、内燃機関の始動のしやすさ、換言すればエンジン回転の加速のしやすさは、内燃機関、電動機及びバッテリの経年劣化を含む個体差の影響を受ける。比較的始動しにくい個体に対して、クランキングを継続する上限時間を短く設定してしまうと、本来であれば始動を完遂できるはずであるにもかかわらず、中途でクランキングを打ち切ることとなって内燃機関の始動不良を招く。逆に、比較的始動しやすい個体に対して、クランキングを継続する上限時間を徒に長く設定することは、偶発的に始動が失敗する場合に電動機及びバッテリの損耗を早め、また無駄に燃料を消費することにもなる。

本発明は、内燃機関の始動のためのクランキングを継続する時間の上限を適正化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、停止した内燃機関を始動するにあたり、内燃機関を電動機により回転駆動するクランキングを行いながら気筒に対して燃料を噴射し、エンジン回転数が閾値以上に上昇したならばクランキングを終了する一方、クランキングを開始してから上限時間内にエンジン回転数が閾値以上に上昇しなかったならばクランキング及び燃料噴射を中止するものであって、クランキングの開始からエンジン回転数が閾値以上に上昇するまでに要した時間を計測し、その計測した所要時間に応じて前記上限時間を増減させることとし、今回新たに得る前記上限時間の学習値Ａ _n と直近の過去に学習した上限時間の学習値Ａ _n-1 との差分（Ａ _n −Ａ _n-1 ）を、前記所要時間が長いほど大きくする内燃機関の制御装置を構成した。

好ましくは、前記上限時間Ａ _n （Ｔ）を、内燃機関の始動時の温度Ｔ毎に設定することとし、内燃機関の始動時の温度がある値Ｔ ₀ であるときに始動を実行し計測した前記所要時間Ｃ _n を基に、内燃機関の始動時の温度が同値Ｔ ₀ である場合における前記上限時間Ａ _n （Ｔ ₀ ）とともに、内燃機関の始動時の温度Ｔが他の値である場合における前記上限時間Ａ _n （Ｔ）をも、下式に則って増減させる。なお、添字ｎは今回の学習機会を表し、添字ｎ−１は直近の過去の学習機会を表し、Ｂ（Ｔ）は始動時温度Ｔ下における前記所要時間の平均であり、ｋ（Ｔ）は始動時温度Ｔに応じた１よりも小さい正数である。
Ｂ _n （Ｔ）＝Ｂ _n-1 （Ｔ）＋ｋ（Ｔ）×α×（Ａ _n-1 （Ｔ）−Ｂ _n-1 （Ｔ））
Ａ _n （Ｔ）＝Ａ _n-1 （Ｔ）＋ｋ（Ｔ）×α×（Ａ _n-1 （Ｔ）−Ｂ _n-1 （Ｔ））
α＝（Ｃ _n −Ｂ _n-1 （Ｔ ₀ ））／（Ａ _n-1 （Ｔ ₀ ）−Ｂ _n-1 （Ｔ ₀ ））

本発明によれば、内燃機関の始動のためのクランキングを継続する時間の上限を適正化できる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 内燃機関の始動時の温度Ｔとクランキングの平均所要時間Ｂ（Ｔ）及び上限時間Ａ（Ｔ）との関係を示すグラフ。 内燃機関の始動時の温度Ｔと係数ｋ（Ｔ）との関係を示す表。 内燃機関の始動時の温度Ｔとガード値Ｂ_min（Ｔ）、Ａ_min（Ｔ）、Ｂ_max（Ｔ）、Ａ_max（Ｔ）との関係を示す表。

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ストロークエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示）を具備している。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。

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。

外部ＥＧＲ（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る。ＥＧＲ装置２は、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。

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。

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、内燃機関の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（エンジン回転センサ）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（運転者が要求するエンジン出力、いわば要求負荷）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、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、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）等といった各種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を出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、イグニッションキー（または、イグニッションスイッチ）がＯＦＦからＯＮに操作されたことに伴い、停止した内燃機関を冷間始動するに際して、電動機（スタータモータまたは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駆動す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、エンジン回転数が内燃機関の温度（特に、冷却水温）等に応じて定まる閾値を超えたときに、内燃機関が完爆したものと見なして終了する。

しかしながら、何らかの理由により内燃機関の始動に失敗、即ちクランキングを開始してから上限時間内にエンジン回転数が閾値以上に上昇しなかった場合には、それ以上クランキングを続行せず、電動機を停止させて始動処理を中止する。

その上で、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の始動に成功した場合において、クランキングの開始からエンジン回転数が閾値以上に上昇するまでに要した時間を計測し、その計測した所要時間の履歴を基に、上記の上限時間を増減させる。

詳述すると、ＥＣＵ０は、内燃機関の冷間始動に成功する都度、始動のためのクランキングに要した時間の平均Ｂ（Ｔ）、及び以後の内燃機関の始動においてクランキングを継続する時間の上限Ａ（Ｔ）の学習を行う。一般に、上限時間Ａ（Ｔ）は、過去に計測したクランキングの所要時間の平均Ｂ（Ｔ）に安全余裕を加味したものである。故に、上限時間Ａ（Ｔ）は、平均所要時間Ｂ（Ｔ）よりも長くなる。図２に示しているように、平均所要時間Ｂ（Ｔ）及び上限時間Ａ（Ｔ）はそれぞれ、内燃機関の始動時の温度Ｔに応じて変動する。原則として、始動時の温度Ｔが低いほど、内燃機関のフリクションロスが大きくなることから、平均所要時間Ｂ（Ｔ）は長くなり、それとともに上限時間Ａ（Ｔ）も長くなる。ＥＣＵ０は、内燃機関の始動時の温度Ｔ毎に、平均所要時間Ｂ（Ｔ）及び上限時間Ａ（Ｔ）の学習値を学習してメモリに記憶保持する。

本実施形態のＥＣＵ０は、下式［１］及び［２］に則って、平均所要時間Ｂ（Ｔ）及び上限時間Ａ（Ｔ）の学習値を算定する。
Ｂ_n（Ｔ）＝Ｂ_n-1（Ｔ）＋ｋ（Ｔ）×α×（Ａ_n-1（Ｔ）−Ｂ_n-1（Ｔ）） ……［１］
Ａ_n（Ｔ）＝Ａ_n-1（Ｔ）＋ｋ（Ｔ）×α×（Ａ_n-1（Ｔ）−Ｂ_n-1（Ｔ）） ……［２］
添字ｎは今回の学習機会を表し、添字ｎ−１は直近の過去の学習機会を表している。上式［１］及び［２］は、直近の過去に学習した学習値Ｂ_n-1（Ｔ）及びＡ_n-1（Ｔ）を、今回新たに得られる学習値Ｂ_n（Ｔ）及びＡ_n（Ｔ）によって更新することを意味している。

係数ｋ（Ｔ）は、内燃機関の始動時の温度Ｔに応じた学習反映率であって、１よりも小さい正数である。図３に例示するように、始動時の温度Ｔが高い場合の係数ｋ（Ｔ）は、始動時の温度Ｔがより低い場合の係数ｋ（Ｔ）よりも小さくなる。

係数αは、内燃機関の始動が成功したときに計測した、クランキングの開始からエンジン回転数が閾値以上に上昇するまでの所要時間Ｃ_nにより決定する。ＥＣＵ０は、係数αを、下式［３］に則って求める。
α＝（Ｃ_n−Ｂ_n-1（Ｔ₀））／（Ａ_n-1（Ｔ₀）−Ｂ_n-1（Ｔ₀）） ……［３］
係数αは、今回の始動に要した実測の所要時間Ｃ_nが、平均所要時間Ｂ（Ｔ）からどの程度乖離しているかを示す。Ｔ₀は、今回の学習機会における内燃機関の始動時の温度である。Ｂ_n-1（Ｔ₀）及びＡ_n-1（Ｔ₀）はそれぞれ、内燃機関の始動時の温度Ｔ＝Ｔ₀の条件の下でのＢ_n-1（Ｔ）及びＡ_n-1（Ｔ）である。

既に述べた通り、本実施形態のＥＣＵ０は、内燃機関の始動に成功する都度、学習値Ｂ_n（Ｔ）及びＡ_n（Ｔ）の学習を実行する。このとき、ＥＣＵ０は、今回の始動時の内燃機関の温度Ｔ₀に対応する学習値Ｂ_n（Ｔ₀）及びＡ_n（Ｔ₀）のみならず、始動時の温度Ｔ≠Ｔ₀の条件の下での学習値Ｂ_n（Ｔ）及びＡ_n（Ｔ）をも一斉に算出して、それら学習値Ｂ_n（Ｔ）及びＡ_n（Ｔ）をメモリに記憶する。Ｔ₀以外の温度Ｔに対応した学習値Ｂ_n（Ｔ）及びＡ_n（Ｔ）を演算するにあたり、係数ｋ（Ｔ）には、そのＴ₀以外の温度Ｔの条件下での係数ｋ（Ｔ）を充てる。一方で、係数αには、今回の学習機会における内燃機関の始動時の温度Ｔ₀の条件下でのＢ_n-1（Ｔ₀）、Ａ_n-1（Ｔ₀）及び実測の所要時間Ｃ_nを用いて算定した係数αを宛てる。つまり、本実施形態では、一度の学習機会において、様々な温度条件Ｔの下での学習値Ｂ_n（Ｔ）及びＡ_n（Ｔ）の算出に、共通する係数αを用いる。

結果として、平均所要時間Ｂ_n（Ｔ）及び上限時間Ａ_n（Ｔ）は、内燃機関の始動のためのクランキングに要した時間Ｃ_nが長いほど（または、実測の所要時間Ｃ_nが平均所要時間Ｂ_n-1（Ｔ₀）から大きく乖離しているほど）長くなり、これが短いほど（または、Ｃ_nのＢ_n-1（Ｔ₀）からの乖離が小さいほど）短くなる。

但し、学習値Ｂ_n（Ｔ）及びＡ_n（Ｔ）に対しては、予め下限ガード値Ｂ_min（Ｔ）、Ａ_min（Ｔ）及び上限ガード値Ｂ_max（Ｔ）、Ａ_max（Ｔ）を設けている。ＥＣＵ０は、上記の算出式［１］ないし［３］に則って算出した学習値Ｂ_n（Ｔ）が下限ガード値Ｂ_min（Ｔ）を下回るならば、学習値Ｂ_n（Ｔ）＝Ｂ_min（Ｔ）としてこれをメモリに記憶し、算出した学習値Ｂ_n（Ｔ）が上限ガード値Ｂ_max（Ｔ）を上回るならば、学習値Ｂ_n（Ｔ）＝Ｂ_max（Ｔ）としてこれをメモリに記憶する。同様に、算出した学習値Ａ_n（Ｔ）が下限ガード値Ａ_min（Ｔ）を下回るならば、学習値Ａ_n（Ｔ）＝Ａ_min（Ｔ）としてこれをメモリに記憶し、算出した学習値Ａ_n（Ｔ）が上限ガード値Ａ_max（Ｔ）を上回るならば、学習値Ａ_n（Ｔ）＝Ａ_max（Ｔ）としてこれをメモリに記憶する。

下限ガード値Ｂ_min（Ｔ）、Ａ_min（Ｔ）及び上限ガード値Ｂ_max（Ｔ）、Ａ_max（Ｔ）はそれぞれ、内燃機関の始動時の温度Ｔに依存する。図４に例示するように、始動時の温度Ｔが高い場合のガード値Ｂ_min（Ｔ）、Ａ_min（Ｔ）、Ｂ_max（Ｔ）、Ａ_max（Ｔ）は、始動時の温度Ｔがより低い場合のガード値Ｂ_min（Ｔ）、Ａ_min（Ｔ）、Ｂ_max（Ｔ）、Ａ_max（Ｔ）よりも小さくなる。

停止している内燃機関の始動に際しては、ＥＣＵ０が、そのときの内燃機関の温度Ｔに対応する上限時間Ａ（Ｔ）の学習値をメモリから読み出し、クランキングを実行する。クランキングの開始からその上限時間Ａ（Ｔ）が経過するまでの間にエンジン回転数が閾値以上に上昇したならば、内燃機関の始動に成功したものとして、クランキングを終了し（燃料噴射及び点火燃焼による内燃機関の運転は続行することは言うまでもない）、計測した所要時間Ｃ_nを用いて平均所要時間Ｂ（Ｔ）及び上限時間Ａ（Ｔ）の学習、更新を行う。翻って、クランキングの開始から上限時間Ａ（Ｔ）が経過するまでの間にエンジン回転数が閾値以上に上昇しなかったならば、内燃機関の始動に失敗したものとして、クランキング及び燃料噴射を中止する。

本実施形態では、停止した内燃機関を始動するにあたり、内燃機関を電動機により回転駆動するクランキングを行いながら気筒１に対して燃料を噴射し、エンジン回転数が閾値以上に上昇したならばクランキングを終了する一方、クランキングを開始してから上限時間Ａ（Ｔ）内にエンジン回転数が閾値以上に上昇しなかったならばクランキング及び燃料噴射を中止するものであって、クランキングの開始からエンジン回転数が閾値以上に上昇するまでに要した時間Ｃ_nを計測し、その計測した所要時間Ｃ_nに応じて前記上限時間Ａ（Ｔ）を増減させ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、内燃機関及び電動機の個体差を加味して、始動のためのクランキングを継続する時間の上限Ａ（Ｔ）を最適化できる。比較的始動しにくい個体に対しては、クランキングを継続する上限時間Ａ（Ｔ）をより延長し、内燃機関の始動の中途でクランキングを打ち切ることなく始動を完遂することが可能となる。他方、比較的始動しやすい個体に対しては、クランキングを継続する上限時間Ａ（Ｔ）をより短縮し、偶発的に始動が失敗する場合の電動機及びバッテリの損耗を抑制し、内燃機関の始動の再試行に備えることが可能となる。加えて、無駄な燃料の浪費も避けられる。

また、本実施形態では、前記上限時間Ａ（Ｔ）を、内燃機関の始動時の温度Ｔ毎に設定することとし、内燃機関の始動時の温度Ｔがある値Ｔ₀であるときに始動を実行し計測した前記所要時間Ｃ_nを基に、内燃機関の始動時の温度Ｔが同値Ｔ₀である場合における前記上限時間Ａ（Ｔ₀）とともに、内燃機関の始動時の温度Ｔが他の値である場合における前記上限時間Ａ（Ｔ）をも増減させるようにしている。これにより、一度の学習機会において、始動時の温度Ｔ＝Ｔ₀の条件の下での上限時間Ａ（Ｔ₀）だけでなく、始動時の温度Ｔ≠Ｔ₀の条件の下での上限時間Ａ（Ｔ）をも更新することが可能となり、様々な温度条件Ｔに対応する上限時間Ａ（Ｔ）の学習回数が実効的に増加し、実現する頻度の低い温度条件Ｔについての上限時間Ａ（Ｔ）の学習も行い得る。ひいては、上限時間Ａ（Ｔ）の値の精度がより一層高まる。

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。各部の具体的構成や処理の内容等は、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
１２…点火プラグ
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ
４…排気通路
ｂ…クランク角信号
ｅ…吸気温・吸気圧信号
ｆ…冷却水温信号
ｇ…カム角信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…開度操作信号
ｏ…クランキング用の電動機の制御信号

Claims (1)

1. 停止した内燃機関を始動するにあたり、内燃機関を電動機により回転駆動するクランキングを行いながら気筒に対して燃料を噴射し、エンジン回転数が閾値以上に上昇したならばクランキングを終了する一方、クランキングを開始してから上限時間内にエンジン回転数が閾値以上に上昇しなかったならばクランキング及び燃料噴射を中止するものであって、
   クランキングの開始からエンジン回転数が閾値以上に上昇するまでに要した時間を計測し、その計測した所要時間に応じて前記上限時間を増減させることとし、
   今回新たに得る前記上限時間の学習値Ａ_nと直近の過去に学習した上限時間の学習値Ａ_n-1との差分（Ａ_n−Ａ_n-1）を、前記所要時間が長いほど大きくし、
   前記上限時間Ａ _n （Ｔ）を、内燃機関の始動時の温度Ｔ毎に設定することとし、
   内燃機関の始動時の温度がある値Ｔ ₀ であるときに始動を実行し計測した前記所要時間Ｃ _n を基に、内燃機関の始動時の温度が同値Ｔ ₀ である場合における前記上限時間Ａ _n （Ｔ ₀ ）とともに、内燃機関の始動時の温度Ｔが他の値である場合における前記上限時間Ａ _n （Ｔ）をも、下式に則って増減させる内燃機関の制御装置。
   なお、添字ｎは今回の学習機会を表し、添字ｎ−１は直近の過去の学習機会を表し、Ｂ（Ｔ）は始動時温度Ｔ下における前記所要時間の平均であり、ｋ（Ｔ）は始動時温度Ｔに応じた１よりも小さい正数である。
   Ｂ _n （Ｔ）＝Ｂ _n-1 （Ｔ）＋ｋ（Ｔ）×α×（Ａ _n-1 （Ｔ）−Ｂ _n-1 （Ｔ））
   Ａ _n （Ｔ）＝Ａ _n-1 （Ｔ）＋ｋ（Ｔ）×α×（Ａ _n-1 （Ｔ）−Ｂ _n-1 （Ｔ））
   α＝（Ｃ _n −Ｂ _n-1 （Ｔ ₀ ））／（Ａ _n-1 （Ｔ ₀ ）−Ｂ _n-1 （Ｔ ₀ ））

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