JP6646367B2

JP6646367B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP6646367B2
Application number: JP2015126864A
Authority: JP
Inventors: 無限太古; 修一花井
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2035-06-24
Also published as: JP2017008865A

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。

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するクランキングを実行しつつ、各気筒の吸気行程に合わせて燃料を噴射し、気筒内で燃焼させてエンジン回転を加速させる（例えば、下記特許文献を参照）。この始動処理に費やす時間は、短いほどよい。特に、アイドルストップした内燃機関の再始動時には、アイドルストップが信号待ち等による路上での停車に起因して生起することから、確実かつ速やかに内燃機関の始動を完了することが望まれる。

クランキング中、燃料噴射量は混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように設定し、かつ点火タイミングを幾分遅角させる。これは、燃料性状如何によらず安定した着火燃焼を得、その上でエンジン回転数の吹き上がりを抑制する意図である。

内燃機関の始動のためのクランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに終了する。

特開２０１５−０４８７２３号公報

内燃機関の始動時、インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて噴射される燃料の一部は、液状となって吸気ポートの壁面や吸気バルブの傘部等に付着する。このポートウェット分の燃料は、燃料噴射直後の吸気行程では気筒に吸引されず、後になって気化して気筒に吸引される。とりわけ、霧化しにくい特性を持つ重質燃料が使用されると、ポートウェットの発生量が増す。

通常は、クランキングの開始後、各気筒において一度ずつ燃料噴射及び着火燃焼を行うことで、エンジン回転数を判定値以上に上昇させることができる。だが、ポートウェットが多く発生した等の事由により、エンジン回転の加速が不十分であると、クランキング中に何れかの気筒において二度目の燃料噴射及び燃焼の機会が訪れることとなる。この場合に、二度目の機会に噴射する燃料と、先に行った一度目の燃料噴射により生じたポートウェットの燃料とがともに当該気筒に吸引され、混合気の空燃比が過剰なリッチとなって燃焼不良が起こり、エンジン回転数の上昇が遅れることがあった。

このような空燃比の過リッチに起因する燃焼不良は、気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式の内燃機関でも起こり得る。

本発明は、以上の問題に初めて着目してなされたものであり、内燃機関の始動の遅れを回避することを所期の目的としている。

本発明では、アイドルストップしたポート噴射式の内燃機関を再始動する際、クランクシャフトを電動機により回転駆動するクランキングを実行しながら、吸気行程を迎える気筒に対し燃料を噴射して当該気筒内で燃焼させ、エンジン回転数が判定値以上に加速したことを条件としてクランキングを終了するものであって、クランキングの開始後、初めて各気筒に対して燃料を噴射するときには、各気筒についての燃料噴射量をそれぞれ、気筒に充填される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように増量し、その上で、それら各気筒のうち最初に燃料を噴射する気筒に対する噴射量を最も多く、二番目に燃料を噴射する気筒に対する噴射量を最初に燃料を噴射する気筒に対する噴射量よりも少なく、三番目に燃料を噴射する気筒に対する噴射量を二番目に燃料を噴射する気筒に対する噴射量よりも少なくし、クランキングの終了前に同じ気筒に対して二度目の燃料噴射を実行することとなった場合、その二度目の燃料噴射において、同気筒に対する一度目の燃料噴射における噴射量よりも少なく、かつその二度目の燃料噴射の直近に実行した他の気筒に対する燃料噴射における噴射量よりも少ない量の燃料を噴射することとし、クランキングの開始後最初に燃料を噴射した気筒に対する二度目の燃料噴射における噴射量を、当該気筒に対する一度目の燃料噴射における噴射量の半分以下とし、かつその二度目の燃料噴射の直近に実行した他の気筒に対する一度目の燃料噴射における噴射量の六割以下に低減するポート噴射式内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、内燃機関の始動の遅延を回避することができる。

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内燃機関の始動時に実施する制御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（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の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を気筒１毎に設けている。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（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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、特にサージタンク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（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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、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、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ｄ、車載のバッテリの端子電流及び／または端子電圧を検出する電流／電圧センサから出力されるバッテリ電流／電圧信号ｅ、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、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ（ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等）から出力されるブレーキ信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、イグナイタ１３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。

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、エアコンディショナの冷媒圧縮用コンプレッサが稼働しておらず、シフトレンジが走行レンジであり、前回のアイドルストップ終了からある車速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以下である（例えば、車速が１３．５ｋｍ／ｈ以上から１３ｋｍ／ｈまで低下した、または９．５ｋｍ／ｈ以上から７ｋｍ／ｈまで低下した）、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）、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の何れかを以て、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、冷間始動も含む）するに際して、ＥＣＵ０は、電動機（スタータモータ（セルモータ）またはＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ））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、エンジン回転数即ちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに（完爆と見なして）終了する。

内燃機関の始動のためのクランキングの最中の燃料噴射制御に関して述べる。ＥＣＵ０は、クランキングの開始後、クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇを参照して各気筒１の現在の行程を把握し、吸気行程を迎える気筒１の吸気ポートに向けて、当該気筒１に付随するインジェクタ１１から燃料を噴射する同期噴射を実行する。噴射された燃料は、吸気ポートの壁面等に液状となって付着するポートウェット分を除き、当該気筒１に吸引される。そして、同気筒１における圧縮行程を経た後、圧縮上死点近傍のタイミングで、同気筒１に設置された点火プラグ１２により点火される。

内燃機関が四気筒エンジンであり、クランキングの開始後、第一気筒１、第三気筒１、第四気筒１、第二気筒１の順に吸気行程を迎えると仮定すると、この順番で各気筒１に対して燃料を噴射して、順次着火燃焼させる。クランキングの開始後、初めて各気筒１に対して燃料を噴射するときには、各気筒１についての燃料噴射量をそれぞれ、気筒１に充填される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように増量する。また、このとき、ＥＣＵ０は、図２に示すように、最初に燃料を噴射する第一気筒１に対する噴射量を最も多く（第一気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間を最も長く）、二番目に燃料を噴射する第三気筒１に対する噴射量をそれよりも少なく（第三気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間をより短く）し、三番目に燃料を噴射する第四気筒１に対する噴射量を第三気筒１に対するそれよりも少なく（第四気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間をさらに短く）する。四番目に燃料を噴射する第二気筒１に対する噴射量（第二気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間）は、直近に燃料を噴射した第四気筒１に対する噴射量（第四気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間）以下またはこれと同等とする。図２中、ｔ₀がクランキングの開始時点、Ｔ₁が第一気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁する期間、Ｔ₂が第三気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁する期間、Ｔ₃が第四気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁する期間、Ｔ₄が第二気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁する期間である。

なお、最初に燃料を噴射する第一気筒１に対する噴射量Ｔ₁を、クランキングの開始時（内燃機関の停止時）または第一気筒１に対する燃料噴射の開始時のピストンの位置（クランク角度）に応じて増減調整しても構わない。その調整如何によっては、二番目に燃料を噴射する第三気筒１に対する噴射量Ｔ₂が、最初に燃料を噴射する第一気筒１に対する噴射量Ｔ₁を上回ることもあり得る。

通常であれば、クランキングの開始後、各気筒１において一度ずつ（四気筒エンジンであれば、都合四回）燃料噴射及び着火燃焼を行うことで、エンジン回転数を判定値以上に上昇させてクランキングを終了することができる。しかし、ポートウェットが多く発生した等の事由により、エンジン回転の加速が不十分となると、各気筒１で一度ずつ燃料噴射及び燃焼を行ったとしても、エンジン回転数が判定値に到達しない。そうなれば、クランキングの終了よりも前に、最初に燃料を噴射した第一気筒１が再び吸気行程を迎えることとなり、クランキング中に当該第一気筒１に対して二度目の燃料噴射を実行しなければならなくなる。この場合、第一気筒１には、二度目の吸気行程に合わせてインジェクタ１１から同期噴射した燃料に加えて、クランキング開始直後の一度目の燃料噴射によって生じたポートウェットが気化した燃料が吸引される。

図２に鎖線で描画しているように、当該第一気筒１に対する二度目の燃料噴射機会における噴射量（第一気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間）、言わば五番目の燃料噴射の噴射量を、その直近の第二気筒１に対する燃料噴射における噴射量（第二気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間）Ｔ₄と同程度の量Ｔ₅’に設定したとすると、第一気筒１に対する二度目の燃料噴射直後の吸気行程において、第一気筒１に過剰な量の燃料が吸引されてしまう。その結果、第一気筒１に充填される混合気の空燃比が過剰なリッチとなって燃焼不良または失火が起こり、エンジン回転数の上昇が遅れ、内燃機関の始動の遅延即ちクランキング期間の延長を招くおそれがある。図２中のｔ₅’は、第一気筒１に対する二度目の燃料噴射機会において噴射された燃料が同第一気筒１の膨張行程中に適正に燃焼せずエンジン回転の加速が妨げられた時期を指し示している。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、図２に実線で描画しているように、クランキング中に第一気筒１に二度目の吸気行程が訪れることとなった状況下において、この二度目の吸気行程の直前に当該第一気筒１に対して実行する二度目の燃料噴射の噴射量を、直近の第二気筒１に対する燃料噴射における噴射量Ｔ₄よりも少なく、かつ当該第一気筒１に対する一度目の燃料噴射機会における噴射量Ｔ₁よりも少ない量Ｔ₅に設定する。これにより、クランキング中に第一気筒１で営まれる二度目の膨張行程において燃料が適正に燃焼するようになり、エンジン回転の加速が促進される。

第一気筒１に対する二度目の燃料噴射機会における噴射量Ｔ₅は、直近の燃料噴射機会である第二気筒１に対する燃料噴射における噴射量Ｔ₄の六割程度またはそれ以下に低減する。並びに、この燃料噴射量Ｔ₅は、第一気筒１に対する一度目の燃料噴射機会における噴射量Ｔ₁の半分程度またはそれ以下とする。但し、第一気筒１に対する一度目の燃料噴射における噴射量Ｔ₁を、クランキングの開始時または第一気筒１に対する燃料噴射の開始時のピストンの位置に応じて増減調整している場合には、その調整如何により、二度目の燃料噴射における噴射量Ｔ₅が一度目の燃料噴射における噴射量Ｔ₁の半分を上回ることがあり得る。

また、万が一、第一気筒１に対する二度目の燃料噴射後も依然としてエンジン回転数が判定値に到達せず、クランキング中に第三気筒１に二度目の吸気行程が訪れることとなった場合には、その二度目の吸気行程の直前に当該第三気筒１に対して実行する二度目の燃料噴射の噴射量（第三気筒１に付随するインジェクタ１１の開弁時間）、言わば六番目の燃料噴射の噴射量を、直近の第一気筒１に対する燃料噴射における噴射量Ｔ₅以下（噴射量Ｔ₅と同等でもよい）、かつ当該第三気筒１に対する一度目の燃料噴射機会における噴射量Ｔ₂よりも少ない量に設定する。クランキング中の七番目以降の燃料噴射の噴射量も、六番目の燃料噴射の噴射量と同様としてよい。

本実施形態では、内燃機関を始動する際、クランクシャフトを電動機により回転駆動するクランキングを実行しながら、吸気行程を迎える気筒１の吸気ポートに燃料を噴射して当該気筒１内で燃焼させ、エンジン回転数が判定値以上に加速したことを条件としてクランキングを終了するものであって、クランキングの終了前に同じ気筒１（例えば、第一気筒１）に対して二度目の燃料噴射を実行することとなった場合、その二度目の燃料噴射において、同気筒１に対する一度目の燃料噴射における噴射量Ｔ₁よりも少なく、かつその二度目の燃料噴射の直近に実行した他の気筒１（例えば、第二気筒１）に対する燃料噴射における噴射量Ｔ₄よりも少ない量の燃料Ｔ₅を噴射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、クランキング中に二度目の吸気行程を迎える気筒１に対して過剰な量の燃料を供給して燃焼不安定を招く問題を有効に回避でき、エンジン回転の加速の遅れ、換言すれば内燃機関の始動の遅延の防止を図ることができる。また、クランキング中に二度目の吸気行程を迎える気筒１に対して噴射する燃料の量を削減することは、燃料消費の抑制、燃費性能の向上に寄与する。

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、制御対象となる内燃機関の気筒数は、四気筒に限定されないことは言うまでもない。

また、本発明は、気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射式の内燃機関の始動処理にも適用することができる。クランキング中に二度目の燃料噴射及び燃焼の機会が訪れた気筒の燃焼室内には、二度目の機会に噴射する燃料と、一度目の機会に噴射され燃焼せずに残留した燃料（燃焼室の天井部やシリンダボア壁に液状となって付着した燃料等）とがともに存在する。これにより、混合気の空燃比が過リッチとなって燃焼不良が起こり、エンジン回転数の上昇が遅れることがあり得る。本発明によれば、直噴エンジンの始動の遅延を防止することが可能となる。

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始動時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
ｊ…インジェクタに対する燃料噴射信号
ｏ…クランキング用電動機に対する制御信号

Claims

アイドルストップしたポート噴射式の内燃機関を再始動する際、クランクシャフトを電動機により回転駆動するクランキングを実行しながら、吸気行程を迎える気筒に対し燃料を噴射して当該気筒内で燃焼させ、エンジン回転数が判定値以上に加速したことを条件としてクランキングを終了するものであって、
クランキングの開始後、初めて各気筒に対して燃料を噴射するときには、各気筒についての燃料噴射量をそれぞれ、気筒に充填される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるように増量し、その上で、それら各気筒のうち最初に燃料を噴射する気筒に対する噴射量を最も多く、二番目に燃料を噴射する気筒に対する噴射量を最初に燃料を噴射する気筒に対する噴射量よりも少なく、三番目に燃料を噴射する気筒に対する噴射量を二番目に燃料を噴射する気筒に対する噴射量よりも少なくし、
クランキングの終了前に同じ気筒に対して二度目の燃料噴射を実行することとなった場合、その二度目の燃料噴射において、同気筒に対する一度目の燃料噴射における噴射量よりも少なく、かつその二度目の燃料噴射の直近に実行した他の気筒に対する燃料噴射における噴射量よりも少ない量の燃料を噴射することとし、
クランキングの開始後最初に燃料を噴射した気筒に対する二度目の燃料噴射における噴射量を、当該気筒に対する一度目の燃料噴射における噴射量の半分以下とし、かつその二度目の燃料噴射の直近に実行した他の気筒に対する一度目の燃料噴射における噴射量の六割以下に低減するポート噴射式内燃機関の制御装置。