JP4111161B2 - 筒内直接噴射式エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの制御装置に関し、特に始動時におけるスタータでの消費電力を軽減するエンジン始動制御装置に関する。

近年、エンジンの燃料消費量及び排気の低減を目的として、アイドルストップを実施する車両が増加傾向にあり、スタータおよびモータジェネレータが始動時に消費する電力が増加傾向にある。始動時のスタータおよびモータジェネレータの消費電力低減を目的として、様々な始動制御方法の開発が進められている。

また、エンジン停止時において、膨張行程にある気筒に燃料噴射および点火を行い、燃焼によりエンジンを始動させている。さらに、膨張行程にある気筒の排気弁の開弁時期を可変することにより膨張比を大きくし、燃焼により発生する仕事を増加させて始動性を向上させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−４９８５号公報

従来技術では、始動性の向上を目的として排気弁に可変動弁機構を用い、燃焼により得られるトルクのみを用いて、完爆回転数まで上昇させている。しかし、始動初期の非常に低回転な領域では、燃焼により得られるトルクは不安定なものであり、良好な始動性を得ることは困難な場合がある。

そこで本発明では、初爆発生以後にクランク軸に係合するモータによりクランキングを行う。初爆から得られるトルクにより、クランキング初期に必要となるモータの突入電流を低減することが可能となるとともに、モータトルクによりクランキングするため、安定した始動性を確保することが可能となる。さらにはスタータを始動に使用しないため、静粛な始動を実現できる。

筒内に直接燃料を噴射可能なエンジンの制御装置において、
エンジンの始動時に各気筒の行程を判別出来る手段と、
ピストン停止位置を判別できる手段と、
スタータとクランク軸に直接又は間接的に係合され、前記スタータとは異なるモータと、
ピストン停止位置を制御可能な機構を備え、
前記エンジンの暖機後の始動に際し、
前記エンジン初爆発生以後から完爆間での間に前記モータにより前記エンジンがクランキングできるようにトルクを発生することを特徴とする筒内直接噴射式エンジンの制御装置。

更に好ましくはエンジンを始動する際に、
初爆発生以後にモータがクランキングを開始すること、

始動する際の行程中に燃料噴射を２気筒以上に行うとともに、始動する際からクランク角１８０°以内に点火を２気筒以上に行うことを特徴とする始動制御装置である。

初爆から得られるトルクにより、クランキング初期に必要となるモータの突入電流を低減することが可能となるとともに、モータトルクによりクランキングするため、安定した始動性を確保することが可能となる。

以下に、本発明の実施の第１形態について図面を用いて説明する。

図１は、発明の実施の第１形態を示す筒内直接噴射式エンジンのパワートレインシステム図である。図１において、エンジン１と、変速機２と、エンジン１を駆動または制動するモータ３と、前記エンジン１及びモータ３の動作モードを総合制御するパワートレインコントロールユニット４と、エンジン１を制御するエンジンコントロールユニット５と、モータ３を制御するモータコントロールユニット６と、モータコントロールユニット６の指令値に基づき電力をモータ３へ供給するインバータ７と、クランク角センサ８と、エンジン１の気筒を判別する気筒判別センサ９と、図示しないスタータスイッチと、車速センサと、水温センサと、燃料圧力センサと、ブレーキスイッチと、変速機ギヤポジションセンサと、ブレーキ負圧センサを備えている。これらのセンサおよびスイッチからの信号は、気筒判別センサ９および図示しない吸気温センサからの信号はエンジンコントロールユニット５へ、スタータスイッチ，車速センサ，水温センサ，燃料圧力センサ，ブレーキスイッチ，変速機ギヤポジションセンサ，ブレーキ負圧センサ、さらにクランク角センサ８からの信号はパワートレインコントロールユニット４およびモータコントロールユニット６へ出力される。上記モータ３は電動発電機（モータジェネレータ）でも構わない。

パワートレインコントロールユニット４は、エンジン自動停止制御部４１と、エンジン始動制御部４２およびクランク軸加速度演算部４３を備え、クランク軸加速度演算部４３にはエンジントルク演算部４４とを備えている。ブレーキスイッチ，スタータスイッチ，ブレーキ負圧，燃料圧力，水温および車速センサからの入力信号に従って、通常のエンジン始動及びアイドルストップを行うために、エンジン１の始動指令及び停止指令をエンジンコントロールユニット５及びモータコントロールユニット６へ出力する。

エンジンコントロールユニット５は、燃料噴射量，噴射時期制御部５１と、点火時期制御部５２と、行程判別部５３と、スタータ制御部５４とを備えている。燃料噴射量，噴射時期および点火時期は水温，燃料圧力，クランク角から演算されるエンジン回転数により制御される。また、スタータスイッチＯＮによりスタータ制御部５４においてスタータ作動指令が出力されると、クランク角から演算されるエンジン回転数から完爆判定されるまで、燃料噴射量，噴射時期および点火時期は、水温および燃料圧力により制御される。

モータコントロールユニット６は、始動時のモータ３の制御をおこなう始動制御部６１と、エンジン１の停止時にモータ３を駆動させて所望の停止位置にエンジン１を停止させるように制御する停止位置制御部６２とを備えている。停止位置制御部６２の一例としては“特開２００１−３０４０８０”に記載されているものなどがあり任意の気筒の任意の位置にピストンを停止させることが可能となるものであるが、停止位置制御についてはその他の停止位置制御方法を用いるものであっても構わない。

燃料噴射量，噴射時期制御部５１から出力された信号は燃料噴射弁駆動回路１０により増幅され、エンジン１の筒内に直接燃料噴射可能なように配設された燃料噴射弁１１から燃料が噴射される。点火時期制御部５２から出力された信号は、火花点火装置１２の上方に設置された図示しない点火コイルにより昇圧され、筒内に噴射された燃料と空気の混合気へ火花点火装置１２により点火される。スタータ制御部５４からスタータスイッチＯＮの信号が出力されると、図示しないスタータギヤが図示しないフライホイールに噛み合い、スタータ１３によりクランキングされる。エンジン１とモータ３は、クランク軸とモータ３を拘束するベルト１４により係合されており、モータ３によるクランキングを行うことができる。本発明におけるクランキングとは、モータがトルクを発生しクランク軸を駆動することを意味する。

本実施例に記載のクランク角センサ８は、モータの回転制御に用いるレゾルバのように順方向および逆方向の回転角度を計測可能なものであることが望ましい。

本実施例では、各気筒の行程を行程判別部５３において以下のようにして判別する。気筒判別センサ９は例えば予め特定気筒の特定の行程の上死点に合わせて信号を出力するように設定しておく。また、気筒判別センサの出力信号間のクランク角センサ８からの信号をエンジンコントロールユニット５によりカウントおよび記憶することにより、各気筒の行程およびピストン位置を判別可能となる。エンジン１が停止する際には、停止直前に上記各気筒の行程判別手段により各気筒の行程を記憶することにより、エンジン停止時の特定気筒の行程およびピストン停止位置が判別可能となる。上記動作により、膨張行程気筒の判別およびピストン位置の判別が可能となる。

次に、本実施例の動作について説明する。

図２にエンジン自動停止ルーチンの制御フローを示す。Ｓ１１０においてエンジン１が暖機完了しているか否かを判断する。本実施例では水温８０℃以上を暖機完了とし、８０℃以下を冷機状態と判断するが、任意の温度であっても構わない。Ｓ１１０において暖機完了と判断された場合にＳ１２０において、車両が停止しているか否かを判断する。車両が停止している場合、Ｓ１３０において車両が停止してから所定時間経過したか否かを判断する。車両が停止してから所定時間を経過した場合、Ｓ１４０においてアイドルストップの実施が決定され、Ｓ１５０においてアイドルストップの実施が指令される。本実施例では、ピストン停止位置の制御機構を備えているので、その後、Ｓ１６０においてピストン停止位置の制御を行う。図３に示すように、膨張行程にある気筒のピストン位置が予め定められた範囲に入るようにピストン停止位置制御を行う。本実施例では膨張行程において上死点後８０°から１３０°の範囲に停止位置を制御し、スタータを非作動としている。これは前記ピストン位置の範囲内において始動に足る十分なトルクを得られることが実験的に確認できたためである。エンジン１の停止後にエンジン１以外から得られる動力により車両が移動し、膨張行程気筒のピストン停止位置が移動した場合にもアイドルストップ中はパワートレインコントロールユニット４，エンジンコントロールユニット５およびモータコントロールユニット６にはバッテリより電力が供給されているため、膨張行程気筒のピストン停止位置を判別することが出来る。その後、エンジンの始動条件を満足する前に、前記任意の気筒における行程の判別手段により検出された膨張行程気筒への燃料噴射を行っても良い。この動作により、エンジン始動時の燃焼室内において燃料が十分に気化するため、均質な混合気を形成することができる。これにより、始動性を向上させることが出来る。アイドルストップを実施する条件としてその他の条件を加えても構わない。

以下に図４において、エンジン始動ルーチンの制御フローを示す。Ｓ２１０では、少なくともブレーキスイッチ，水温，燃料圧力、およびブレーキ負圧によりエンジンを始動するか否かを判断する。ブレーキスイッチＯＦＦの場合には、ドライバが加速動作に移ったと判断し、エンジンの始動を行うと判断する。また、所定の水温，燃料圧力以下となった場合にスタータによる始動を行う。これは、水温が所定値より低い場合には、燃料の気化が阻害され、排気が悪化するためである。さらには、燃料圧力が所定値より低い場合には、燃料噴霧の粒径が大きくなるため、燃料の気化が阻害され、排気が悪化するためである。ブレーキ負圧が所定値より低下した場合には、ブレーキ負圧確保のためにエンジンをスタータによる始動、あるいは、それ以外の手段で始動させる。

Ｓ２２０において少なくとも始動する際の膨張行程気筒のピストン位置によりスタータを作動するか否かを決定する。図３に示すピストン停止位置範囲に入る場合には、スタータを非作動とする。バッテリ残量が所定の値に比べ少なければスタータを非作動としても良い。さらに、ピストン位置に加えて、水温，燃圧によりスタータの作動あるいは非作動を決定しても構わない。所定の水温，燃料圧力以上で、スタータを非作動とする。これは、水温が所定値より低い場合には、燃料の気化が阻害されるためである。また、燃料圧力が所定値より低い場合には、燃料噴霧の粒径が大きくなるため、燃料の気化が阻害されるためである。さらに、ＧＰＳからの地図情報，ステアリングの舵角，ウィンカー，ブレーキ解除からアクセルペダル踏み込みまでの時間のいずれかによりスタータを作動するか否かを決定しても構わない。これは、例えば交差点などにおいての右折時にアイドルストップからの始動を行う際における始動不良を回避するためのセーフティ機能である。ＧＰＳからの地図情報，ステアリングの舵角，ウィンカー，ブレーキ解除からアクセルペダル踏み込みまでの時間によりドライバが右折しようとしていると判断される場合には、スタータを必ず作動させるなどの措置をとっても構わない。

Ｓ２２０においてスタータ非作動が選択された場合、Ｓ２３０において、始動する際の膨張行程気筒および圧縮行程気筒のピストン停止位置，水温および吸気温により、膨張行程気筒および圧縮行程気筒に充填されている空気量を決定する。膨張行程気筒に充填されている空気量は、予め始動時の水温，吸気温およびピストン位置のそれぞれのマップとして書き込まれている。図５，図６および図７に水温，吸気温およびピストン停止位置に対する膨張行程気筒および圧縮行程気筒に充填されている空気量の関係を示す。また、吸気行程気筒に充填される空気量は、筒内圧力を大気圧として初爆開始時の吸気温および水温から算出しても構わない。

次に、Ｓ２４０では、Ｓ２３０において決定された空気量に基づいて、目標とする空燃比となるように、各気筒への燃料噴射量が決定される。これにより、始動時のエンジン状態により、最適な燃料噴射量を選定可能となり、始動性向上とともに燃料噴霧のピストン付着などによる排気悪化を回避することが出来る。

Ｓ２４０において燃料噴射量を決定し、Ｓ２５０において決定された燃焼噴射量の分割噴射割合を決定する。分割噴射することにより噴霧のペネトレーションを短く出来るため、燃焼室壁面への燃料噴霧の付着を回避することが可能となる。Ｓ２５０において、始動する際の少なくとも燃料噴射量，膨張行程気筒および圧縮行程気筒のピストン位置のいずれかにより燃焼噴射量の分割噴射割合を決定する。さらに、ピストン位置および燃料噴射量に加えて、水温，燃圧により燃料噴射量の分割割合を決定しても構わない。本実施例では、燃焼噴射量の分割噴射割合のマップが、始動時の水温，燃料噴射量，燃圧および膨張行程気筒および圧縮行程気筒のピストン停止位置のそれぞれのマップとして書き込まれている。燃料の分割噴射により、燃料噴霧の空気利用率を向上させることが可能となり、気化促進を図ることが出来る。

次にＳ２６０において、少なくとも始動時の燃料噴射量および燃料噴射量の分割噴射割合により燃料噴射から点火までの時間間隔（以下、気化時間と呼ぶ）を決定する。さらに、燃料噴射量および燃料噴射量の分割噴射割合に加えて、水温および燃圧により気化時間を決定しても構わない。本実施例では、気化時間のマップが、始動時の水温，燃圧，燃料噴射量および分割噴射割合のそれぞれのマップとして書き込まれている。この気化時間の最適値は、燃料噴霧の気化特性，燃料噴霧により誘起される筒内流動および点火プラグ周辺の空燃比に依存するため、それらに感度の高い水温，燃圧，燃料噴射量および分割噴射割合により決定することができる。これにより始動時のエンジン状態により最適な気化時間を選定可能となり、始動トルクを向上させることが出来る。

以上のように、膨張行程気筒，圧縮行程気筒および吸気行程気筒に充填される空気量，膨張行程気筒への燃料噴射量，気化時間が決定され、Ｓ２７０およびＳ２８０において膨張行程気筒および圧縮行程気筒への燃料噴射、および膨張行程気筒へ点火指令が出される。次にＳ２９０において、膨張行程気筒で発生する初爆が良好に行われたか否かを判断する。本実施例では、点火指令出力後の一定時間内に所定のクランク軸の加速度に到達しない場合には、初爆が不調に終わったと判断し、スタータを作動させることとしている。所定の加速度に到達するまでに時間が経過するため、モータにトルク指令を与えるまでの無駄時間を設けることができる。その後にＳ３００においてモータ始動制御ルーチンがスタートする。また、Ｓ２２０において、スタータ作動が選択されるとＳ４００においてスタータ制御部５４からの出力により、スタータが作動し、エンジン１を始動する。

本実施例ではＳ２５０において、燃料の分割噴射割合を決定するが、分割噴射を行わずとも構わない。Ｓ２９０において、音圧センサおよび筒内圧センサにより初爆が良好に行われたかを判断しても良い。

図８に、図１のモータコントロールユニット６内の始動制御部６１において行われるエンジン始動時のモータ制御ルーチンの制御フローを示す。Ｓ３１０でモータトルク指令が出力された後、Ｓ３２０において、燃焼により得られる軸トルクとモータトルクとの和から演算されるクランク軸加速度と目標とするクランク軸加速度の差分を計算し、その差分値がゼロ以上となるようにＳ３３０およびＳ３４０において燃料噴射量および点火時期を決定する。Ｓ３３０において決定される燃料噴射量は、エンジン始動指令出力から点火が３回目までの気筒については図４の説明で前述したように決定される。点火回数が４回目以降の場合には、Ｓ３２０において計算される差分値がゼロ以上となるように、Ｓ３３０およびＳ３４０において燃料噴射量および点火時期を決定する。そして、Ｓ３５０およびＳ３６０において、燃料噴射および点火指令が出力される。Ｓ３７０では、エンジン回転数と目標エンジン回転数との差分を計算し、その差分値がゼロ以上であれば、完爆と判定し、Ｓ３７５において、モータトルクをゼロ以下とし、この制御フローを終了する。

本実施例では、初爆発生後にモータトルク指令を出力しているが、初爆発生と同時にモータトルク指令を出力しても構わない。その場合には、膨張行程気筒への点火と同時に図４中のモータ始動制御ルーチン（Ｓ３００）を開始し、図８中のモータトルク指令
（Ｓ３１０）を出力する。Ｓ３１０以降の制御ルーチンは図８と同様である。

本発明の第１実施形態のパワートレインシステム図。 本発明の第１実施形態のエンジン自動停止ルーチンの制御フローを示す図。 本発明の第１実施形態のピストン位置によるスタータ非作動領域を示す図。 本発明の第１実施形態のエンジン始動ルーチンの制御フローを示す図。 本発明の第１実施形態の水温に対する膨張行程気筒および圧縮行程気筒における充填空気量の関係を示す図。 本発明の第１実施形態の吸気温に対する膨張行程気筒および圧縮行程気筒における充填空気量の関係を示す図。 本発明の第１実施形態のピストン停止位置に対する膨張行程気筒および圧縮行程気筒における充填空気量の関係を示す図。 本発明の第１実施形態のエンジン始動時のモータ制御ルーチンの制御フローを示す図。

符号の説明

１…エンジン、２…変速機、３…モータ、４…パワートレインコントロールユニット、５…エンジンコントロールユニット、６…モータコントロールユニット、７…インバータ、８…クランク角センサ、９…気筒判別センサ、１０…燃料噴射弁駆動回路、１１…燃料噴射弁、１２…火花点火装置、１３…スタータ、１４…ベルト。

Claims (5)

1. エンジンの各気筒の行程を判別できる気筒判別手段と、
   エンジンの始動を行うスタータを制御するスタータ制御手段と、
   クランク軸に直接又は間接的に係合されるモータを制御するモータ制御手段と、を有し、
   前記エンジンの暖機後の始動に際し、
   前記気筒判別手段により、膨張行程にあると判別された膨張行程気筒に燃料を噴射すると共に点火指令を出力し、出力後の一定時間内に前記クランク軸が所定の加速度に到達した場合に、前記モータ制御手段により、モータを制御しクランク軸をクランキングさせ、到達しなかった場合に、前記スタータ制御手段により、スタータを制御しエンジンを始動させることを特徴とする筒内噴射式エンジンの制御装置。
2. 前記膨張行程気筒のピストン位置が予め定められた範囲に入るようにピストン位置を停止させることとを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
3. 前記膨張行程気筒のピストン位置が予め定められた範囲にない場合は、前記スタータ制御手段を制御してエンジンを始動させることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
4. 前記予め定められた範囲は、上死点後８０°〜１３０°であることを特徴とする請求項２，３記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。
5. 前記エンジンの水温，燃料圧力の少なくとも一方が所定値以下である場合には、前記スター制御手段を制御してエンジンを始動させることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式エンジンの制御装置。

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