JP2022129779A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】何れかの気筒がバルブオーバラップ状態で停止した内燃機関を再び始動する際に、始動遅延または始動不良の要因となる酸素不足に対して適切に対処し、始動性を向上させる。【解決手段】停止している内燃機関を始動するに際し、気筒に連なる吸気通路内の酸素量または酸素濃度が低減するような所定の事象を感知している場合、そうでない場合と比較して、内燃機関の始動のためのクランキングの開始後燃料を噴射し始めるタイミングをより遅らせる、クランキング中の燃料噴射量をより減量する、クランキング中の吸気絞り弁の開度をより拡大することのうち少なくとも一つを実施する内燃機関の制御装置を構成した。【選択図】図３

Description

本発明は、動力源として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するクランキング（または、モータリング）を実行しつつ、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させる。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の温度等に応じて定まる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。

内燃機関の停止中、インジェクタから燃料が漏洩する油密漏れが発生することがある。漏洩した燃料は、後の内燃機関の始動時に気筒に吸引され、混合気の空燃比をリッチ化させる。空燃比が過リッチとなると、燃焼が不安定となり、または失火が発生して、エンジン回転が十分に加速せずに始動遅延または始動不良を招く懸念が生じる。

そこで、内燃機関を始動する際、油密漏れが起こっていると判断した場合には、吸気絞り弁であるスロットルバルブの開度をより大きく開き、吸気通路を気筒に向かって流れる空気の量、換言すれば気筒に供給する酸素の量を増加させる（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０２０－１７６５５４号公報

内燃機関の運転を終了するとき、何れかの気筒の吸気バルブ及び排気バルブがともに開いているバルブオーバラップ状態でクランクシャフトの回転が停止することがある。バルブオーバラップ状態での停止は、直列三気筒内燃機関で比較的生起しやすい。

内燃機関の停止中に、一つの気筒の吸気バルブ及び排気バルブの両方が開いていると、排気通路における熱対流（煙突効果）により、当該気筒の燃焼室内で気化した未燃燃料や排気ガスが同気筒から吸気通路に逆流入することがあり得る。さすれば、吸気通路内の酸素濃度が低下する。にもかかわらず、内燃機関の始動時のスロットルバルブの開度や燃料噴射量を平常通りに設定すると、気筒に供給される酸素量が不足して燃焼の不安定化または失火を招来し、始動遅延または始動不良に陥りかねない。

本発明は、何れかの気筒がバルブオーバラップ状態で停止した内燃機関を再び始動する際に、始動遅延または始動不良の要因となる酸素不足に対して適切に対処し、始動性を向上させることを所期の目的とする。

本発明では、停止している内燃機関を始動するに際して、気筒に連なる吸気通路内の酸素量または酸素濃度が低減するような所定の事象を感知している場合、そうでない場合と比較して、内燃機関の始動のためのクランキングの開始後燃料を噴射し始めるタイミングをより遅らせる、クランキング中の燃料噴射量をより減量する、及び、クランキング中の吸気絞り弁の開度をより拡大することのうち少なくとも一つを実施する内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、何れかの気筒がバルブオーバラップ状態で停止した内燃機関を再び始動する際に、始動遅延または始動不良の要因となる酸素不足に対して適切に対処し、始動性を向上させることができる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関及びその制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 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。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、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、ポート噴射式の４ストローク火花点火エンジンであり、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、当該気筒１の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それぞれ、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。

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、吸気絞り弁である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、排気通路４を流れる排気の一部を吸気通路３に還流させて吸気に混交する外部ＥＧＲを実現するものである。このＥＧＲ装置２は、排気通路４と吸気通路３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における触媒４１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または吸気マニホルト３４）に接続している。

内燃機関には、各気筒１の少なくとも吸気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構５が付帯することがある。吸気バルブタイミングを調節するためのＶＶＴ機構５は、例えば、各気筒１の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液圧（潤滑油圧）によって変化させるベーン式のものや、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トルクの供給を受け、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、回転トルク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は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

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、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またはエンジントルク）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、気筒１に連なる吸気通路３（スロットルバルブ３２の下流、特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）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、同吸気通路３内の酸素濃度を検出するセンサ（リニアＡ／ＦセンサやＯ₂センサ等）から出力される酸素濃度信号ｅ、内燃機関の冷却水の温度（内燃機関の温度を示唆する）を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、内燃機関の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、車両が所在する場所の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。

ＥＣＵ０の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、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に吸入される空気量を推算する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、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（一度の燃焼に対する点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、吸気バルブタイミング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、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を再び始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの再始動であることもある）するにあたり、電動機（スタータモータ（セルモータ）やモータジェネレータ。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（または、モータリング）を行いながら、燃料噴射及び火花点火を遂行する。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、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、内燃機関が完爆したものと見なして終了する。通常、完爆判定値は、始動時の内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定する。

内燃機関の運転を終了するとき、何れかの気筒１の吸気バルブ及び排気バルブがともに開いているバルブオーバラップ状態でクランクシャフトの回転が停止することがある。内燃機関の停止中に、一つの気筒１の吸気バルブ及び排気バルブの両方が開いていると、排気通路４における熱対流により、当該気筒１の燃焼室内で気化した未燃燃料や排気ガスが同気筒１から吸気通路３に逆流入することがあり得る。さすれば、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の酸素濃度が低下する。にもかかわらず、内燃機関の始動時のスロットルバルブ３２の開度や燃料噴射量を平常通りに設定すると、気筒１の燃焼室に供給される酸素の量が不足して、燃料の燃焼の不安定化または失火を招き、クランキング中にエンジン回転が十分に加速せず、始動遅延または始動不良に陥るおそれがある。

そこで、図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、気筒１に連なる吸気通路３内の酸素量または酸素濃度が低減するような所定の事象を感知している場合（ステップＳ１）、そうでない場合と比較して、内燃機関の始動のためのクランキングの開始後燃料を噴射し始めるタイミングをより遅らせる（ステップＳ２）、クランキング中の燃料噴射量をより減量する（ステップＳ３）、または、クランキング中のスロットルバルブ３２の開度をより拡大する（ステップＳ４）ことのうちの少なくとも一つを実施する。

ステップＳ１では、例えば、内燃機関が停止するときのクランクシャフト及びカムシャフトの角度を、クランク角センサ（ＭＲＥ（ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｅｆｆｅｃｔ）センサであることが好ましい）の出力信号ｂを参照して知得し、何れかの気筒１の吸気バルブ及び排気バルブがともに開いているバルブオーバラップ状態でクランクシャフトの回転が停止したか否かを判定する。何れかの気筒１がバルブオーバラップ状態で停止したことは、その停止中に気筒１に連なる吸気通路３内の酸素量または酸素濃度が低減すること、つまりステップＳ１の条件が成立していることを意味する。

あるいは、内燃機関のクランキングを開始するときに、気筒１に連なる吸気通路３内の酸素量または酸素濃度を、酸素濃度センサの出力信号ｅを参照して知得し、その酸素量または酸素濃度が閾値よりも低いことを以て、ステップＳ１の条件が成立していると判断してもよい。

上記に加えて、内燃機関の始動前の停止時間が所定値よりも長いことを、ステップＳ１の成立の条件に加えてもよい。

ステップＳ１の条件が成立している場合には、既に述べた通り、始動のためのクランキングを開始した後初回の燃料噴射を行うタイミングを平常よりも遅らせたり（ステップＳ２）、クランキング中の燃料噴射量を平常よりも減量したり（ステップＳ３）、スロットルバルブ３２の開度を平常よりも拡大したり（ステップＳ４）する。燃料噴射の開始を遅らせれば、インジェクタ１１から噴射される燃料を含んでいない空気を吸気通路３から気筒１及び排気通路４に流入させて、直近の内燃機関の停止時に残存していた未燃燃料や排気ガスを掃気することができる。燃料噴射量を減量すれば、気筒１に充填される混合気の空燃比の過剰なリッチ化を抑制できる。スロットルバルブ３２の開度を拡大すれば、その下流の吸気圧が大気圧により近づき、気筒１の燃焼室により多くの量の酸素を供給できるようになり、やはり空燃比の過リッチを回避できる。これらは何れも、クランキング中の燃焼の安定化に寄与する。ステップＳ２ないしＳ４は、その全てを実施してもよく、一部のみを実施してもよい。

ステップＳ２ないしＳ４の制御は、エンジン回転数が所定値以上に上昇したときに終了し（ステップＳ５）、その後は平常の制御へと移行する（ステップＳ６）。

図３に、ＥＣＵ０が内燃機関の始動のためのクランキング中及びクランキング終了（始動完了）直後の時期に実施する制御の内容を例示している。なお、図３中、ステップＳ１の条件が成立していない、即ち直近の内燃機関の停止時に何れの気筒１もバルブオーバラップ状態となっていなかった場合の平常の制御を破線で描画し、ステップＳ１の条件が成立している、即ち直近の内燃機関の停止時に何れかの気筒１がバルブオーバラップ状態となっていた場合の制御を実線で描画している。

クランキングを開始する時点ｔ₀前、スロットルバルブ３２は全閉でない所定のオープナ開度となっている。オープナ開度は、電子スロットルバルブ３２のバタフライ弁体を駆動する電動機に電力を印加せず、電動機から弁体に駆動力を付与していない状態で、弁体を弾性付勢するばねにより弁体の姿勢が維持されているときの開度である。

その上で、ステップＳ１の条件が成立している場合には、図３中に実線で表しているように、クランキングの開始時点ｔ₀以降、可及的速やかにスロットルバルブ３２を拡開する操作を行う（ステップＳ４）。このときのスロットルバルブ３２の開度は、オープナ開度よりも大きく、ステップＳ１の条件が成立していない場合の開度よりも大きい。このときの開度は、内燃機関の始動前の停止時間（ソーク時間）の長さや、始動時の吸気通路３内の酸素量または酸素濃度に応じて拡縮調整することができる。例えば、停止時間が長いほどスロットルバルブの開度３２を拡大し、及び／または、酸素濃度信号ｅが示す酸素濃度が低いほどスロットルバルブの開度３２を拡大する。

翻って、ステップＳ１の条件が成立していない場合には、図３中に実線で表しているように、クランキングの開始時点ｔ₀以降、可及的速やかにスロットルバルブ３２の開度をオープナ開度よりも縮小する。

また、ステップＳ１の条件が成立している場合には、ステップＳ１の条件が成立していない場合と比較して、インジェクタ１１からの燃料噴射量をより減量する（ステップＳ３）。このときの燃料噴射量は、内燃機関の始動前の停止時間の長さや、始動時の吸気通路３内の酸素量または酸素濃度に応じて増減調整することができる。例えば、停止時間が長いほど燃料噴射量を減量し、及び／または、酸素濃度信号ｅが示す酸素濃度が低いほど燃料噴射量を減量する。

さらに、ステップＳ１の条件が成立している場合、ステップＳ１の条件が成立していない場合と比較して、インジェクタ１１からの燃料噴射を開始するタイミングをより遅い時点ｔ₂に遅らせる（ステップＳ２）ようにしても構わない。クランキングの開始後の初回の燃料噴射のタイミングｔ₂もまた、内燃機関の始動前の停止時間の長さや、始動時の吸気通路３内の酸素量または酸素濃度に応じて調整することができる。例えば、停止時間が長いほど初回の燃料噴射を遅らせ、及び／または、酸素濃度信号ｅが示す酸素濃度が低いほど初回の燃料噴射を遅らせる。

エンジン回転数が所定値以上に加速した時点ｔ₁以降（ステップＳ５）は、ステップＳ１の条件の成否によらず、スロットルバルブ３２の開度や燃料噴射量を同等に制御する（ステップＳ６）ことになる。

本実施形態では、停止している内燃機関を始動するに際し、気筒１に連なる吸気通路３内の酸素量または酸素濃度が低減するような所定の事象を感知している場合、そうでない場合と比較して、内燃機関の始動のためのクランキングの開始後燃料を噴射し始めるタイミングをより遅らせる、クランキング中の燃料噴射量をより減量する、クランキング中の吸気絞り弁３２の開度をより拡大することのうち少なくとも一つを実施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、何れかの気筒１がバルブオーバラップ状態で停止した後、再び内燃機関を始動する際に、気筒１に供給される酸素量が不足し、または混合気の空燃比が過リッチとなって燃焼が不安定化する問題を有効に回避できる。ひいては、内燃機関を速やかにかつ確実に始動させることが可能となる。

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、内燃機関の吸気通路３に、スロットルバルブ３２とともに吸気絞り弁としてアイドルスピードコントロールバルブが設置されているならば、内燃機関の始動のためのクランキング中の制御のステップＳ４において、このアイドルスピードコントロールバルブの開度を拡大する操作を行うことで、吸気通路３から気筒１に向かって流れる吸入空気の流量を増加させ、気筒１に連なるサージタンク３３または吸気マニホルド３４内の吸気圧を大気圧に近づけることができる。周知の通り、アイドルスピードコントロールバルブは、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の上流側と下流側とを連通するバイパスを開閉する流量制御弁である。

その他、各部の具体的な構成や処理の手順等は、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
３…吸気通路
３２…スロットルバルブ（吸気絞り弁）
４…排気通路
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｄ…吸気温・吸気圧信号
ｅ…酸素濃度信号
ｆ…冷却水温信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…スロットルバルブの開度操作信号

Claims (1)

1. 停止している内燃機関を始動するに際し、気筒に連なる吸気通路内の酸素量または酸素濃度が低減するような所定の事象を感知している場合、そうでない場合と比較して、内燃機関の始動のためのクランキングの開始後燃料を噴射し始めるタイミングをより遅らせる、クランキング中の燃料噴射量をより減量する、及び、クランキング中の吸気絞り弁の開度をより拡大することのうち少なくとも一つを実施する内燃機関の制御装置。

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