JP4645625B2 - 筒内噴射型内燃機関の始動装置 - Google Patents

Description

本発明は、アイドル時に自動停止したエンジンを再始動要求に応じて始動させる筒内噴射型内燃機関の始動装置に関する。

筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型内燃機関（以下、エンジンと称す）において、燃費向上や排ガス抑制等のために、アイドル時に自動的にエンジンを停止させ、発進操作等のエンジン再始動要求があれば、自動的にエンジンを再始動するようにした始動装置が種々提供されている。

そして、このような筒内噴射型のエンジンの再始動方法の１つとして、エンジン停止時において膨張行程にある気筒を判別し、運転者の発進操作等によるエンジン再始動要求があった場合に、この膨張行程にある気筒に対し、燃料を噴射して点火を行って噴射燃料を燃焼させ、そのエネルギによりエンジンを再始動させるようにしたものがある。このようなエンジンの始動装置は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００２−４９２９号公報

ところで、近年、エンジン再始動時の燃料消費量を一層低減させることが求められており、上記従来の始動装置においては、まだ改善の余地があると考えられる。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、再始動に必要な最少量の燃料を噴射することにより、燃料消費量を一層低減することができると共に、燃料の気化・混合を促進し、未燃燃料を低減して排気ガス性能の一層の改善を図ることができる筒内噴射型内燃機関の始動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置は、
筒内噴射型の内燃機関のアイドル停止時において少なくとも膨張行程にある気筒に対して燃料を噴射して点火させることにより前記内燃機関を始動させる筒内噴射型内燃機関の始動装置であって、
前記内燃機関が停止した後に所定の再始動条件が成立したか否かを判定する再始動条件判定手段と、
前記内燃機関が停止してから第１所定時点が経過するまでに、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立していないと判定されたとき、前記膨張行程にある気筒に対して燃料を噴射する第１燃料噴射制御手段と、
前記第１燃料噴射制御手段により燃料が噴射されてから第２所定時点の経過前に、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されたとき、前記第１燃料噴射制御手段により燃料が噴射されてから前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されるまでの経過期間に応じて、前記膨張行程にある気筒に対して追加燃料を噴射する第２燃料噴射制御手段とを備える
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置は、
第１の発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置において、
前記第２燃料噴射制御手段は、
前記第２所定時点の経過後に、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されたときには、追加燃料の噴射を禁止する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置は、
第１の発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置において、
前記第１燃料噴射制御手段は、
前記第１所定時点の経過前に、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されたときには、前記内燃機関が停止してから前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されるまでの経過期間に応じて、燃料を噴射する
ことを特徴とする。

従って、本発明に係る内燃機関の始動装置によれば、再始動に必要な最少量の燃料を噴射することができるので、燃料消費量を一層低減することができると共に、燃料の気化・混合を促進し、未燃燃料を低減して排気ガス性能の一層の改善を図ることができる。

以下、本発明に係る筒内噴射型内燃機関の始動装置を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係る筒内噴射型エンジンの始動装置の概略構成図、図２はエンジン再始動時のタイムチャート図、図３はクランク停止後経過時間に応じた必要燃料量を示した図、図４は燃料噴射後経過時間に応じた追加燃料量を示した図、図５はエンジン再始動手順を示すフローチャート図である。

図１に示すエンジン１は、図示しない車両に搭載されるものであって、例えば、多気筒を有する筒内噴射型の内燃機関である。

図１に示すように、エンジン１における各気筒のシリンダ１１には、ピストン１２が上下方向に摺動可能に支持されており、このピストン１２はコンロッド１３を介してクランクシャフト１４に連結されている。そして、シリンダ１１の内周面とピストン１２の上面とにより燃焼室１５が形成されている。

シリンダ１１の上部には、燃料噴射弁１６及び点火プラグ１７が設けられており、燃料噴射弁１６の噴射口及び点火プラグ１７の電極は、燃焼室１５内に臨むように配置されている。燃料噴射弁１６は、図示しない燃料タンクから供給されて図示しない燃料ポンプにより昇圧された燃料を、燃焼室１５内に向けて所望の燃圧で直接噴射するものである。このときの燃料噴射量は、燃料吐出圧及び燃料噴射弁１６の開弁時間により制御される。一方、点火プラグ１７は、燃焼室１５内の混合気に対して点火して燃焼させるものである。

燃焼室１５には吸気ポート１８及び排気ポート１９が連通されており、吸気ポート１８には吸気弁２０が設けられる一方、排気弁ポート１９には排気弁２１が設けられている。吸気弁２０及び排気弁２１は、カムやカムシャフト等からなる可変バルブタイミング機構２２に支持されている。即ち、この可変バルブタイミング機構２２を駆動することにより、吸気ポート１８は吸気弁２０に開閉されると共に、排気ポート１９は排気弁２１に開閉され、その開閉時期や、開弁期間または閉弁期間が変更可能となっている。

そして、エンジン１には、クランキング用のスタータ（電動機）２３が設けられており、このスタータ２３のピニオンギヤ２４はクランクシャフト１４のリングギヤ２５と噛み合い可能となっている。即ち、ピニオンギヤ２４をリングギヤ２５に噛み合せて、スタータ２３を駆動することにより、エンジン１をクランキングさせることができる。

また、エンジン１を搭載した車両には、クランクシャフト１４の回転角、即ち、クランク角を検出するクランク角センサ３１、カムシャフトの回転角、即ち、カム角を検出するカム角センサ３２、その車速を検出する車速センサ３３、運転者によるブレーキ操作を検出するブレーキスイッチ３４、及び、運転席に設けられたシフトレバーの操作位置を検出するシフト位置センサ３５等の各種センサ類が設けられている。そして、これら各種センサ類には、電子制御ユニットであるＥＣＵ（再始動条件判定手段、第１燃料噴射制御手段、第２燃料噴射制御手段）４０が接続されている。ＥＣＵ４０は、入力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、及び、タイマカウンタ等から構成されており、このＥＣＵ４０によりエンジン１を含めた総合的な制御が行われる。

即ち、ＥＣＵ４０の入力側には、クランク角センサ３１、カム角センサ３２、車速センサ３３、ブレーキスイッチ３４、及び、シフト位置センサ３５等が接続され、これら各種センサ類からの検出情報が入力される。一方、ＥＣＵ４０の出力側には、燃料噴射弁１６、点火プラグ１７、可変バルブタイミング機構２２、及び、スタータ２３等の各種出力ディバイスが接続されており、これら各種出力ディバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づいてＥＣＵ４０により演算された燃料噴射時期、燃料噴射量、点火時期、及び、吸排気タイミング等の最適値がそれぞれに出力される。これにより、吸気弁２０及び排気弁２１が適正なタイミングで開閉されると共に、燃料噴射弁１６から適正量の燃料が適正なタイミングで噴射されて適正なタイミングで点火される。

一方、このように構成されたエンジン１にあって、ＥＣＵ４０は、クランク角センサ３１により検出されたクランク角、及び、カム角センサ３２により検出されたカム角を用いて、特定の行程にある気筒を判別することができる。そして、このような気筒判別の機能を用いて、例えば、エンジン１が停止したときに、膨張行程にある気筒を検出することができる。

また、ＥＣＵ４０は、信号待ちや渋滞等による車両のアイドル時において、所定のアイドルストップ（エンジン停止）条件が成立したか否かを判断すると共に、運転者の発進操作等により所定のエンジン再始動条件（要求）が成立したか否かを判断することができる。そして、所定のアイドルストップ条件が成立したときには、燃料噴射及び点火を禁止してエンジン１を自動的に停止させると共に、その後、所定のエンジン再始動条件が成立したときには、エンジン１を自動的に再始動させるようになっている。

本実施形態では、アイドルストップ条件として、車速センサ３３により検出された車速が０ｋｍ／ｈであること、ブレーキスイッチ３４により検出されたブレーキ操作がＯＮであること、及び、シフト位置センサ３５により検出されたシフトレバーの操作位置がＤ（ドライブ）等の走行レンジ、または、Ｎ（ニュートラル）であることが設定されている。そして、これらの条件が満たされたときに、ＥＣＵ４０は燃料噴射及び点火を禁止してエンジン１を停止させる。

また、エンジン再始動条件として、車速センサ３３により検出された車速が０ｋｍ／ｈを超えていること、ブレーキスイッチ３４により検出されたブレーキ操作がＯＦＦであること、及び、シフト位置センサ３５により検出されたシフトレバーの操作位置がＤ等の走行レンジであることが設定されている。そして、これらの条件が満たされたときに、ＥＣＵ４０は燃料噴射及び点火を再開してエンジン１を再始動させる。

次に、ＥＣＵ４０によるエンジン再始動制御について図２乃至図４を用いて説明する。ＥＣＵ４０では、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す３つのエンジン再始動制御の中から、いずれか１つの制御を実行する。

先ず、図２（ａ）のエンジン再始動制御では、アイドルストップ条件が成立して、燃料噴射及び点火を禁止すると、クランクシャフト１４の回転が停止する。このようにクランクシャフト１４の回転が停止すると同時に、クランク停止後経過時間Ｔ１の計測が開始される。

ここで、図３に示すように、クランク停止後の燃焼室１５内（気筒内）においては、圧力が低下すると共に空気温度が上昇するため、クランク停止後経過時間Ｔ１の経過に伴って、エンジン再始動（着火）に必要な燃料量Ｆ１は減少する。即ち、クランク停止直後においては、燃焼室１５内には多くの空気が残っているので、所定割合の混合気にするには多くの燃料が必要となる。その後、燃焼室１５内において圧力が抜けて低下していくと、燃料量Ｆ１もこれに伴って急激に減少し、その圧力が大気圧と同じ値になると、必要な燃料量Ｆ１は一定となる。

そこで、このエンジン再始動に必要な燃料量Ｆ１が一定で、且つ、最少となる経過時刻を所定時間ｔ１と定めると共に、このときの燃料量Ｆ１を燃料量ｆｏとする。そして、クランク停止後経過時間Ｔ１の計測が開始されてから所定時間ｔ１が経過したときには、一端、膨張行程にある気筒に対して、エンジン再始動に必要な最少の燃料量ｆｏの燃料を噴射する。次いで、このように燃料量ｆｏの燃料が噴射されると、クランク停止後経過時間Ｔ１の計測が終了する同時に、燃料噴射後経過時間Ｔ２の計測が開始される。

更に、図４に示すように、エンジン再始動に必要な最少の燃料量ｆｏの燃料が噴射された燃焼室１５内においては、噴射された燃料の気化・混合が促進するため、燃料噴射後経過時間Ｔ２の経過に伴って、エンジン再始動に必要な追加燃料量Ｆ２は減少する。即ち、燃料量ｆｏの燃料を噴射した直後においては、燃焼室１５内における燃料の気化・混合が十分ではないので、それを補うための多くの追加燃料が必要となる。その後、その気化・混合が十分に促進されると、追加燃料量Ｆ２もこれに伴って減少して次第に一定となる。

そこで、このエンジン再始動に必要な追加燃料量Ｆ２が一定で、且つ、最少となる経過時刻を所定時間ｔ２と定める。なお、このときの追加燃料量Ｆ２は０となる。そして、燃料噴射後経過時間Ｔ２の計測が開始されてから所定時間ｔ２が経過しない前に、運転者の発進操作等により所定のエンジン再始動要求が発生したときには、燃料量ｆｏの燃料を噴射してからエンジン再始動要求発生までの経過時間に応じて、膨張行程にある気筒に対して、燃料の不足を補うための追加燃料量Δｆの燃料を噴射する。次いで、このように追加燃料量Δｆの燃料を噴射してから所定時間ｔｏが経過すると点火が行われる。

また、図２（ｂ）のエンジン再始動制御では、燃料噴射後経過時間Ｔ２の計測が開始されたから所定時間ｔ２が経過した後に、運転者の発進操作等により所定のエンジン再始動要求が発生したときには、燃焼室１５内における燃料の気化・混合が十分に行われており、燃料量ｆｏで足りているので、追加燃料の噴射を禁止して点火のみを行う。

更に、図２（ｃ）のエンジン再始動制御では、クランク停止後経過時間Ｔ１の計測が開始されてから所定時間ｔ１が経過しない前に、運転者の発進操作等により所定のエンジン再始動要求が発生したときには、クランク停止からエンジン再始動要求発生までの経過時間に応じて、膨張行程にある気筒に対して、エンジン再始動に必要な燃料量ｆの燃料を噴射する。即ち、燃焼室１５内には多くの空気が残っているので、この空気と所定割合の混合気にするために、燃料量ｆｏよりも多い燃料量ｆの燃料を噴射する。次いで、このように燃料量ｆの燃料を噴射してから所定時間ｔｏが経過すると点火が行われる。

次に、エンジン始動制御手順について図５を用いて説明する。

先ず、ステップＳ１でアイドルストップ条件が成立すると、ステップＳ２で燃料噴射弁１６による燃料噴射が停止（燃料カット）され、ステップＳ３で点火プラグ１７による点火が停止される。そして、ステップＳ４でクランク角センサ３１によりクランクシャフト１４のクランク角が検出される。

ステップＳ５でクランクシャフト１４の回転が停止したか否かが判断される。ここで、可であれば、ステップＳ６でクランク停止後経過時間Ｔ１の計測が開始される。また、否であれば、ステップＳ４での検出が続けられる。

ステップＳ７で運転者の発進操作等によるエンジン再始動要求が発生したか否かが判断される。ここで、否であれば、ステップＳ８でクランク停止後経過時間Ｔ１が所定時間ｔ１に到達したか否かが判断される。ここで、可であれば、燃焼室１５内の圧力が大気圧と同じ値になると共に空気温度が上昇することから、エンジン再始動に必要な燃料量Ｆ１が一定となり、ステップＳ９で膨張行程にある気筒に対して、燃料噴射弁１６からエンジン再始動に必要な最少の燃料量ｆｏの燃料を噴射する。また、否であれば、ステップＳ７での処理が続けられる。

ステップＳ１０で燃料噴射後経過時間Ｔ２の計測が開始される。そして、ステップＳ１１でエンジン再始動要求が発生したか否かが判断される。ここで、可であれば、燃焼室１５内における燃料の気化・混合が十分に促進されていないので、ステップＳ１２で燃料量ｆｏの燃料を噴射してからエンジン再始動要求発生までの経過時間に応じて、膨張行程にある気筒に対して、燃料噴射弁１６から追加燃料量Δｆの燃料を噴射する。そして、ステップＳ１３で所定時間ｔｏが経過した後、点火プラグ１７により点火を行う（図２（ａ）のエンジン再始動制御）。

また、ステップＳ７で可であった場合には、燃焼室１５内に多くの空気が残っており、圧力も高いことから、エンジン再始動に必要な燃料量Ｆ１は多くなり、ステップＳ１４で膨張行程にある気筒に対して、燃料噴射弁１６から燃料量ｆの燃料を噴射する。そして、ステップＳ１５で所定時間ｔｏが経過した後、点火プラグ１７により点火を行う（図２（ｃ）のエンジン再始動制御）。

更に、ステップＳ１１で否であった場合には、ステップＳ１６で燃料噴射後経過時間Ｔ２が所定時間ｔ２に到達したか否かが判断される。ここで、可であれば、燃焼室１５内における燃料の気化・混合が十分に促進されているので、ステップＳ１７でエンジン再始動要求が発生したと判断されると、追加の燃料噴射を行うことなく、ステップＳ１８で点火プラグ１７により点火を行う（図２（ｂ）のエンジン再始動制御）。また、否であれば、ステップＳ１１での処理が続けられる。

従って、本発明に係る内燃機関の始動装置によれば、クランク停止後における燃焼室１５内の圧力や空気温度、及び、燃料噴射後における燃焼室１５内の燃料の気化・混合の度合いに応じて、燃料噴射時期とその燃料量、及び、点火時期を設定することにより、膨張行程にある気筒に対して、エンジン再始動に必要な最少量の燃料を噴射することができる。これにより、燃料消費量を一層低減することができると共に、燃料の気化・混合を促進し、未燃燃料を低減して排気ガス性能の一層の改善を図ることができる。

本発明は、燃料噴射から点火までの経過時間を適切に設定して良好な燃料気化及び筒内での燃料付着の抑制により失火を回避し、確実な再始動を実現できる筒内噴射型内燃機関の始動装置に適用可能である。

本発明の一実施例に係る筒内噴射型エンジンの始動装置の概略構成図である。 エンジン再始動時のタイムチャート図である。 クランク停止後経過時間に応じた必要燃料量を示した図である。 燃料噴射後経過時間に応じた追加燃料量を示した図である。 エンジン再始動手順を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ エンジン
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ コンロッド
１４ クランクシャフト
１５ 燃焼室
１６ 燃料噴射弁
１７ 点火プラグ
１８ 吸気ポート
１９ 排気ポート
２０ 吸気弁
２１ 排気弁
２２ 可変バルブタイミング機構
２３ スタータ
２４ ピニオンギヤ
２５ リングギヤ
３１ クランク角センサ
３２ カム角センサ
３３ 車速センサ
３４ ブレーキスイッチ
３５ シフト位置センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 筒内噴射型の内燃機関のアイドル停止時において少なくとも膨張行程にある気筒に対して燃料を噴射して点火させることにより前記内燃機関を始動させる筒内噴射型内燃機関の始動装置であって、
   前記内燃機関が停止した後に所定の再始動条件が成立したか否かを判定する再始動条件判定手段と、
   前記内燃機関が停止してから第１所定時点が経過するまでに、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立していないと判定されたとき、前記膨張行程にある気筒に対して燃料を噴射する第１燃料噴射制御手段と、
   前記第１燃料噴射制御手段により燃料が噴射されてから第２所定時点の経過前に、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されたとき、前記第１燃料噴射制御手段により燃料が噴射されてから前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されるまでの経過期間に応じて、前記膨張行程にある気筒に対して追加燃料を噴射する第２燃料噴射制御手段とを備える
   ことを特徴とする筒内噴射型内燃機関の始動装置。
2. 請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関の始動装置において、
   前記第２燃料噴射制御手段は、
   前記第２所定時点の経過後に、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されたときには、追加燃料の噴射を禁止する
   ことを特徴とする筒内噴射型内燃機関の始動装置。
3. 請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関の始動装置において、
   前記第１燃料噴射制御手段は、
   前記第１所定時点の経過前に、前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されたときには、前記内燃機関が停止してから前記再始動条件判定手段により前記所定の再始動条件が成立したと判定されるまでの経過期間に応じて、燃料を噴射する
   ことを特徴とする筒内噴射型内燃機関の始動装置。
   

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