以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図1および図2は本発明に係るエンジンの始動装置を有する4サイクル火花点火式エンジンの概略構成を示している。このエンジンには、シリンダヘッド10およびシリンダブロック11を有するエンジン本体1と、エンジン制御用のECU2とを備えている。エンジン本体1には、複数の気筒、例えば4つの気筒12A〜12Dが設けられるとともに、各気筒12A〜12Dの内部には、クランク軸3に連結されたピストン13が嵌挿され、その上方に燃焼室14が形成されている。
上記各気筒12A〜12Dの燃焼室14の頂部には、プラグ先端が燃焼室14内に臨むように点火プラグ15が設置され、点火プラグ15は点火装置27に接続されている。また、上記燃焼室14の側方には、燃焼室14内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁16が設けられている。この燃料噴射弁16は、図外のニードル弁およびソレノイドを内蔵し、上記ECU2から入力されたパルス信号のパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を上記点火プラグ15の電極付近に向けて噴射するように構成されている。
また、上記各気筒12A〜12Dの燃焼室14の上部には、燃焼室14に向かって開口する吸気ポート17および排気ポート18が設けられるとともに、これらのポート17,18に、吸気弁19および排気弁20がそれぞれ装備されている。これら吸気弁19および排気弁20は、図示を省略したカムシャフト等を有する動弁機構によって駆動されることにより、各気筒12A〜12Dが所定の位相差をもって燃焼サイクルを行うように各気筒12A〜12Dの吸・排気ポート17,18を開閉する。
上記吸気ポート17および排気ポート18には、吸気通路21および排気通路22が接続されている。吸気通路21の下流側の吸気マニホールド50は、サージタンク51と、その下流の気筒別に独立した分岐吸気通路53とを有している。また、サージタンク50よりも上流側には共通吸気通路21aが設けられるとともに、この共通吸気通路21aに、アクチュエータ24により駆動されるスロットル弁23が配設されている。このスロットル弁23の上流側および下流側には、それぞれ吸気流量を検出するエアフローセンサ25と、吸気圧(負圧)を検出する吸気圧センサ26とが配設されている。
上記吸気マニホールド50には、スロットル弁23より下流の吸気通路容積を変更可能にする吸気通路容積可変手段が設けられており、この吸気通路容積可変手段は、例えば図2および図3に示すように構成されている。
すなわち、吸気通路容積可変手段は、比較的大容量のサージタンク51と、このサージタンク51と一体に形成されたサージタンク上流側通路52と、低速用通路53aおよび高速用通路53bを有する気筒別の分岐通路53と、切替弁54と、シャッター弁55とを有している。上記サージタンク上流側通路52は、連通部51aを介してサージタンク51に連通するとともに、上流側端部がスロットルボディ58に接続されている。この、スロットルボディ58は共通吸気通路21a(図1参照)の一部をなし、このスロットルボディ58にスロットル弁23が内蔵されている。
上記低速用通路53aはサージタンク51に通じてサージタンク51の周囲を通る比較的長い通路で構成され、高速用通路53bはサージタンク上流側通路52に通じる短い通路で構成されて、低速用通路53aの下流側に合流しており、これらの通路53a,53bの合流部53cより下流の分岐通路53はエンジン本体側に延びて、吸気ポート17に接続されている。
上記切替弁54は、サージタンク51とサージタンク上流側通路52との間の連通部51aを開くとともに高速用通路53bを閉じる第1の状態(図2に示す状態)と、上記連通部51aを遮蔽するとともにサージタンク上流側通路52に対して高速用通路53bを開く第2の状態(図2(A)の二点鎖線および図3に示す状態)とに切替可能となっている。
また、シャッター弁55は、合流部53cの直上流の低速用通路53aに位置し、この位置で低速用通路53aを開く状態(図2に示す状態)と閉じる状態(図3に示す状態)とに切替可能となっている。
上記切替弁54およびシャッター弁55は、それぞれモータ等のアクチュエータ56,57により駆動されるようになっている。
また、図1に戻って、上記エンジン本体1には、タイミングベルト等によりクランク軸3に連結されたオルタネータ(発電機)28が付設されている。このオルタネータ28は、図示を省略したフィールドコイルの電流を制御して出力電圧を調節することにより目標発電電流を調整するレギュレータ回路28aを内蔵し、このレギュレータ回路28aに入力される上記ECU2からの制御信号に基づき、通常時に車両の電気負荷および車載バッテリーの電圧等に対応した目標発電電流の制御が実行されるように構成されている。
さらに、上記エンジンには、クランク軸3の回転角を検出する2つのクランク角センサ30,31が設けられ、一方のクランク角センサ30から出力される検出信号に基づいてエンジンの回転速度が検出されるとともに、後述するように上記両クランク角センサ30,31から出力される位相のずれた検出信号に基づいてクランク軸3の回転方向および回
転角度が検出されるようになっている。
さらにエンジン本体1には、自動変速機(以下ATとも略称する)40が連結されている。AT40は、車両の走行状態や運転者の操作に応じて、エンジン出力を最適な回転速度および駆動トルクに自動的に変換して車軸に伝達する機構である。AT40は、車輪側への駆動力の伝達が切り離されたニュートラル状態と、車輪側への駆動力の伝達が可能なドライブ状態とに切換え可能に構成されている。
なお、AT40のドライブ状態またはニュートラル状態とは、その動力伝達形態を指すものであり、必ずしも運転者が操作するシフトレバー等のポジションと一致するものではない。例えば、シフトレバーのポジションが「D」レンジであっても、AT40内部の動力伝達系(油圧クラッチ等)を解放することにより、AT40をニュートラル状態とすることができる。
上記ECU2は、エンジンの運転を統括的に制御するコントロールユニットである。このECU2には、上記エアフローセンサ25、上記吸気圧センサ26、上記クランク角センサ30,31、カムシャフトに設けられた気筒識別用の特定回転位置を検出するカム角センサ32と、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ33と、運転者のアクセル操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセルセンサ34と、運転者がブレーキ操作を行ったことを検出するブレーキセンサ35からそれぞれ出力される各検出信号が入力されるようになっている。
そして、ECU2は、上記各センサ25,26,30〜35からの検出信号を受け、燃料噴射弁16に対して燃料の噴射量および噴射時期を制御するための制御信号を出力するとともに、点火プラグ15に付設された点火装置27に対して点火時期を制御するため制御信号を出力し、かつ上記スロットル弁23のアクチュエータ24に対してスロットル開度を制御するための制御信号を出力し、さらに、吸気通路容積可変手段の切替弁54およびシャッター弁55の各アクチュエータ56,57に対してもこれらの弁を制御する信号を出力する。また、AT40に対して制御信号を入出力し、エンジンとAT40との総合的な制御を行う。
上記ECU2は、自動停止制御手段を機能的に含んでおり、エンジンの自動停止条件が成立したときに、燃料供給を停止してエンジンを自動的に停止させる制御を行い、その自動停止条件成立後の自動停止動作期間中に、スロットル弁下流の吸気通路容積が減少する状態に吸気通路容積可変手段の切替弁54およびシャッター弁55を制御する。また、自動停止後に、運転者によるアクセル操作が行われる等により再始動条件が成立したときにエンジンを自動的に再始動させる制御を行うようになっている。
具体的には、エンジンの自動停止時に圧縮行程の途中でピストン13が停止した気筒(停止時圧縮行程気筒)で初回の燃焼を行わせることにより、そのピストン13を押し下げてクランク軸3を少しだけ逆転させる。これによってエンジンの自動停止時に膨張行程の途中でピストン13が停止した気筒(停止時膨張行程気筒)のピストン13を一旦上昇させ、その気筒内の混合気を圧縮した状態で、この混合気に点火して燃焼させることにより、クランク軸3に正転方向の駆動トルクを与えてエンジンを再始動させるように構成されている。
上記のようにして原則的に再始動モータ等を使用することなく、特定の気筒に噴射された燃料に点火するだけでエンジンを適正に再始動させるためには、停止時膨張行程気筒の混合気を燃焼させることにより得られる燃焼エネルギーを充分に確保し、これに続いて圧縮上死点を迎える気筒がその圧縮反力に打ち勝って圧縮上死点を超えるようにしなければならない。したがって、停止時膨張行程気筒内に充分な空気量を確保しておく必要がある。
すなわち、図4(a),(b)に示すように、停止時膨張行程気筒および停止時圧縮行程気筒では、それぞれ位相が180°CAだけずれているため、各ピストン13が互いに逆方向に作動し、停止時膨張行程気筒のピストン13が行程中央よりも下死点側に位置していれば、その気筒の空気量が多くなって充分な燃焼エネルギーが得られる。しかし、停止時膨張行程気筒のピストン13が極端に下死点側に位置した状態となると、停止時圧縮行程気筒内の空気量が少なくなり過ぎてクランク軸3を逆転させるための燃焼エネルギーが充分に得られなくなる。
これに対して停止時膨張行程気筒の行程中央、つまり圧縮上死点後のクランク角が90°CAとなる位置よりもやや下死点側の所定範囲R、例えば圧縮上死点後のクランク角が100°〜120°CAとなる適正範囲内にピストン13を停止させることができれば、停止時圧縮行程気筒内に所定量の空気が確保されて上記初回の燃焼によりクランク軸3を少しだけ逆転させ得る程度の燃焼エネルギーが得られることになる。しかも、膨張行程気筒内に多くの空気量を確保することにより、クランク軸3を正転させるための燃焼エネルギーを充分に発生させてエンジンを確実に再始動させることが可能となる。
そこで、上記ECU2に含まれる自動停止制御手段により、図5に示すような制御が行われる。すなわち、先ずエンジンの自動停止条件が成立した時点t0で、エンジンの目標回転速度を、エンジンを自動停止させないときの通常のアイドル回転速度よりも高い値に設定して安定させる制御を実行する。例えば、通常のアイドル回転速度が650rpmに設定されたエンジンでは、上記目標回転速度(自動停止条件成立時のアイドル回転速度)を860rpm程度に設定し、かつ、目標吸気圧を所定負圧(例えば−400mmHg)に設定して、このような目標回転数および目標吸気圧となるようにする制御を実行し、吸気圧が目標吸気圧で安定し、さらにエンジンの回転速度Neが目標回転速度で安定した時点t2で燃料噴射を停止させる。また、この燃料噴射の停止より前の時点t1でスロットル弁を開くように制御し、つまり吸気流量が多くなるように上記スロットル弁23の開度Kを設定して吸気絞り量を小さくすることにより、エンジンの気筒12A〜12Dに吸入される吸気流量を、充分に確保して、掃気性を高めるようにしている。
また、自動停止動作期間中に、スロットル弁下流の吸気通路容積が減少する状態に吸気通路容積可変手段を制御し、つまり切替弁54を第2状態とするとともにシャッター弁55を閉弁する(図3の状態)。このような吸気通路容積が減少する状態への切替弁54およびシャッター弁55の作動は、エンジン停止前の3番目のピストン上死点付近の時期までの期間に行うこととし、好ましくは自動停止動作の初期段階である燃料噴射の停止時点t2付近で行う。
上記の時点t2で燃焼噴射を停止することにより、エンジンの回転速度Neが、予め設定された基準速度(例えば760rpm)以下に低下したことが確認された時点t3で、オルタネータ28の目標発電電流Geを一時的に増大させ、かつ後述するようにエンジンの上死点回転速度neが所定範囲内となった時点t4で、オルタネータ28の目標発電電流Geをエンジン回転速度Neの低下状態に対応した値に低下させることにより、予め行った実験結果等に基づいて設定された基準ラインに沿ってエンジンの回転速度Neを低下させる制御を実行する。
上記のようにエンジンを自動停止させる際に、燃料噴射の停止時点t1から、クランク軸3やフライホイール等が有する運動エネルギーが摩擦抵抗による機械的な損失や、各気筒12A〜12Dのポンプ仕事によって消費されることにより、エンジンのクランク軸3は惰性で数回転し、具体的には、図4および図5に示すように、上記各気筒12A〜12Dが圧縮上死点を迎える度にエンジンの回転速度Neが一時的に落ち込んだ後に、圧縮上死点を超えた時点で再び上昇するというアップダウンを繰り返しながらエンジン回転速度Neが次第に低下する。
そして、エンジンの停止前に最後の上死点を超えた時点t6の後に圧縮行程を迎える気筒12Cでは、慣性力によるピストン13の上昇に伴って空気圧が高まり、その圧縮反力によりピストン13が押し返されてクランク軸3が逆転する。このクランク軸3の逆転によって停止時膨張行程気筒12Aの空気圧が上昇するため、その圧縮反力に応じて停止時膨張行程気筒12Aのピストン13が下死点側に押し返されてクランク軸3が再び正転し始め、このクランク軸3の逆転と正転とが数回繰り返されてピストン13が往復作動した後に停止することになる。
エンジンが停止時膨張行程気筒12Aのピストン13を再始動に適した上記適正範囲R内に停止させるためには、まず停止時膨張行程気筒12Aおよび停止時圧縮行程程気筒12Cの圧縮反力がそれぞれ充分に大きくなり、かつ停止時膨張行程気筒12Aの圧縮反力が停止時圧縮行程気筒12Cの圧縮反力よりも所定値以上大きくなるように、両気筒12A,12Cに対する吸気流量を調節する必要がある。このために、当実施形態では、燃料噴射の停止前の時点t1でスロットル弁23の開度Kを大きな値に設定することにより、上記膨張行程気筒12Aおよび圧縮行程気筒12Cの両方に所定量の空気を吸入させた後、所定時間が経過した時点で上記スロットル弁23を閉じてその開度Kを低減することにより上記吸入空気量を調節するようにしている。
また、このスロットル弁23が閉時期より前に吸気通路容積が減少する状態への切替弁54およびシャッター弁55の作動を行わせるようにしている。
なお、自動変速機40は、自動停止条件成立時にドライブ状態にあった場合、自動停止動作期間中、ドライブ状態を保つようにしている。このようにしておくと、自動停止動作期間中に再加速要求(アクセルオン)があった場合、エンジンの燃焼を復帰させるだけで円滑かつ速やかに車両を再加速させることができる。
上記ECU2の自動停止制御手段によりエンジンを自動停止させる際の制御動作を、図6〜図8に示すフローチャートに基づいて説明する。この制御動作がスタートすると、エンジンの自動停止制御を実行することが可能な運転状態にあるか否かを判定する自動停止許可フラグFがONであるか否かを判定する(ステップS1)。この自動停止許可フラグFは、車速が所定値(例えば10km/h)以上、操舵角が所定値以下、バッテリー電圧が基準値以上、かつエアコンがOFF状態にある等の条件が満たされている場合に、エンジンの自動停止が可能な状態にあると判断してON状態となるように設定されている。
上記ステップS1でYESと判定された場合には、アクセルセンサ34がOFF状態であり、かつブレーキセンサ35がON状態であるか否かを判定し(ステップS2)、YESと判定されて車両が減速状態にあることが確認された場合には、エンジン回転速度Neが、予め1100rpm程度に設定された減速時燃料カット用の判断基準値F/C・ONよりも大きいか否かを判定し(ステップS3)、NOと判定された場合には、下記ステップS7に移行する。
上記ステップS3でYESと判定されてエンジン回転速度Neが上記減速時燃料カット用の判断基準値F/C・ONよりも大きいことが確認された場合には、減速時の燃料カット(FC)を実行する(ステップS4)。次いで、エンジン回転速度Neが、予め900rpm程度に設定された燃料復帰用の判断基準値F/C・OFF以下に低下したか否かを判定し(ステップS5)、YESと判定された時点で、上記減速時の燃料カット(FC)を終了して通常の燃料噴射状態に復帰する(ステップS6)。
次いで、エンジンの目標回転速度を、通常のアイドル回転速度(650rpm程度)よりも所定量だけ高い値、例えば800rpm程度に設定する(ステップS8)。
そして、アクセルセンサ34がON状態となり、あるいはブレーキセンサ35がOFF状態となったか否か、つまり減速状態が解除されたか否かを判定し(ステップS10)、YESと判定された場合には、上記ステップS1にリターンして上記制御動作を繰り返す。また、上記ステップS10でNOと判定されて減速状態が解除されていないことが確認された場合には、車速が0か否か、つまり停車状態となって自動停止条件が成立したか否かを判定する(ステップS11)。
上記ステップS11でYESと判定されて停車状態となったことが確認された場合には、エンジンの目標回転速度N1を、通常のアイドル回転速度(650rpm)よりも所定量だけ高い値、例えば860rpm程度に設定するとともに(ステップS15)、スロットル弁23を開弁方向に操作してブースト圧Btが例えば−400mmHg程度に設定された目標圧P1となるようにスロットル弁23の開度Kをフィードバック制御する。
続いて、ブースト圧Btが目標圧(−400mmHg)で安定するまで待ち(ステップS17)、それからスロットル弁23を開弁して、その開度Kを例えば30%程度に設定する(ステップS22)。
次に、燃料噴射の停止条件(FC条件)が成立したか否か、具体的にはブースト圧Btが上記目標圧P1となり、かつ、エンジン回転速度Neが目標回転速度N1となった状態で安定したか否かを判定する(ステップS19)。なお、上記判定動作中にアクセルセンサ34がOFF状態となり、あるいはブレーキセンサ35がON状態となった場合には、燃料噴射を停止させることなく、リターンする。これにより、車速が0となった直後に、走行状態に移行するような場合に、不適切なエンジンの自動停止が行われるのを防止することができる。
そして、上記ステップS19でYESと判定され、エンジン回転速度Neおよびブースト圧Btが安定した状態となったことが確認された時点(図5の時点t2)で、燃料噴射を停止させる(ステップS20)とともに、吸気通路容積可変機構における切替弁54を第2状態とし(ステップS21)、かつ、シャッター弁55を閉弁する(ステップS22)。
その後、上記ステップS20で燃料噴射が停止された時点t1から所定時間が経過したか否か、つまり燃料噴射の停止後に複数回の圧縮上死点を迎えてその前に噴射された燃料の燃焼が終了したか否かを判定し(ステップS23)、YESと判定された時点で上記点火装置27による点火を停止させる(ステップS24)。次いで、エンジンの回転速度Neが予め760rpm程度に設定された基準速度以下となったか否かを判定することにより(ステップS25)、図4に示す燃料噴射の停止時点t2の後に、エンジンの回転速度Neが低下し始めたか否かを判定し、YESと判定された時点t3で、オルタネータ28の目標発電電流Geを予め60A程度に設定された初期値に設定してオルタネータ28を作動させる発電制御を開始する(ステップS26)。
次いで、エンジンの上死点回転速度neが第1所定範囲内にあるか否かを判定する(ステップS27)。この第1所定範囲は、予め設定された基準ラインに沿ってエンジンの回転速度Neが低下している過程で、例えばエンジンが停止状態となる前の4番目の圧縮上死点を通過する時点t4における上死点回転速度neに基づいて設定された値であり、具体的には480rpm〜540rpmの範囲内に設定されている。
上記ステップS27でYESと判定され、エンジンの上死点回転速度neが上記所定範囲(480rpm〜540rpm)内にあることが確認された場合には、その時点t4の上死点回転速度neに対応したオルタネータ28の目標発電電流Geを設定する(ステップS28)。この場合、エンジンの上死点回転速度neが高い程、目標発電電流Geが大きな値に設定されたマップから上死点回転速度neに対応した目標発電電流Geを読み出し、この値に基づいてオルタネータ28の目標発電電流Geを低下させる制御を実行する。
さらに、スロットル弁23を弁閉(K=0%)とする(ステップS28)。
次いで、エンジンの上死点回転速度neが、エンジン停止前の2番目の圧縮上死点を通過する時点t5における上死点回転速度neに基づいて設定された第2所定範囲内、例えば260rpm〜400rpmの範囲内にあるか否かを判定する(ステップS30)。このステップS30でYESと判定され、エンジン停止前の2番目の圧縮上死点を通過したことが確認された時点t5で、エンジンの上死点回転速度neが高い程、燃料噴射量が大きな値に設定された図外のマップから、エンジンの停止時に圧縮行程となる気筒12Cに対する燃料噴射量を設定し、この気筒12Cの圧縮行程後半で燃料噴射を行う(ステップS31)。この気筒12Cに噴射された燃料が気化することによって気筒内温度が低下し、その内部圧力の上昇が抑制されることになる。
そして、エンジンの上死点回転速度neが所定値以下であるか否かを判定する(ステップS32)。この所定値は、予め設定された基準ラインに沿ってエンジンの回転速度Neが低下している過程で最後の圧縮上死点を超える際の上死点回転速度neに対応した値であり、例えば260rpm程度に設定されている。また、各気筒12A〜12Cが順次圧縮上死点を通過する各時点のブースト圧Btが検知され、記憶される。
上記ステップS32でYESと判定されてエンジンの上死点回転速度neが上記所定値以下になったこと、つまりエンジンが最後の圧縮上死点を通過したことが確認された場合には、この時点t6で、その1回前の圧縮上死点を通過する際のブースト圧Btを読み出し、この値をエンジン停止前の2番目の圧縮上死点(TDC)におけるブースト圧Bt2として設定する(ステップS33)。
そして、エンジンが最後の圧縮上死点を迎える時点t6における上死点回転速度ne(以下、最終上死点回転速度ne1という)と、エンジン停止前の2番目の圧縮上死点におけるブースト圧Bt2とに基づき、ピストン13が各行程の後期寄り位置(膨張行程気筒12Aでは下死点寄りの位置)で停止する傾向があるか否かを判定する(ステップS34)。具体的には、最終上死点回転速度ne1が所定回転速度N4(例えばN4=200rpm)以上であり、かつ上記ブースト圧Bt2が所定圧力P2(例えばP2=−200mmHg)以下であるとき(真空側であるとき)に、上記行程の後期寄りの位置で停止する傾向が大きい、つまり停止時膨張行程気筒12Aにおけるピストン停止位置が、圧縮上死点後100°〜120°CAとなる適正範囲Rに対して120°CAに近い位置で停止する傾向が大きいため、上記ステップS34でYESと判定される。
上記ステップS34でNOと判定された場合には、エンジンが上記のように行程の後期寄りの位置で停止する傾向が顕著ではなく、行程の比較的に前期寄りの位置、つまり停止時膨張行程気筒12Aにおけるピストン停止位置が、圧縮上死点後100°〜120°CAとなる適正範囲Rに対して100°CAに近い位置または100°CA以下で停止する可能性がある。そこで、ピストン13を上記適正範囲R内により確実に停止させるために、スロットル弁23を開放操作する。例えばスロットル弁23の開度Kを、全開の40%程度に設定された第1開度K1とするようにスロットル弁23を開弁し(ステップS35)、吸気流量を増加させることにより、吸気行程気筒12Dの吸気抵抗を減少させる。この結果、エンジンが行程の後期寄りの位置で停止し易くなり、結果的に停止時膨張行程気筒12Aにおけるピストン13の停止位置が適正範囲R内の下限(100°CA)を超えることが防止されることになる。
一方、上記ステップS34でYESと判定された場合には、エンジンの回転慣性が大きいとともに、停止時圧縮行程気筒12Cへの最終吸気行程における吸気流量が少なく、その圧縮反力が小さい状態にあって、ピストン13が行程の後期寄りの位置で停止し易い条件が既に揃っている。そこで、スロットル弁23の開度Kを、例えば5%程度に設定された第2開度K2とするようにスロットル弁23を操作する(ステップS36)。上記第2開度K2は、エンジンの特性等に応じ、さらに小開度、あるいは閉止状態としてもよい。このようにして停止時吸気行程気筒12Dに適度の吸気抵抗が生じ、ピストン13の停止位置が上記適正範囲Rを超えてさらに後期側となるという事態の発生が効果的に防止される。
次いで、エンジンが停止状態になったか否かを判定し(ステップS37)、YESと判定された時点で、自動停止許可フラグFをOFFとした後に(ステップS38)、制御動作を終了する。
上記のようにして自動停止状態となったエンジンを再始動させる際の制御動作を図9〜図11に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、所定のエンジン再始動条件が成立したか否かを判定し(ステップS101)、YESと判定された場合、例えば、停車状態から発進のためのアクセル操作等が行われた場合、バッテリー電圧が低下した場合、あるいはエアコンが作動した場合等には、エンジン水温、自動停止からの経過時間、吸気温度等に基づいて筒内温度を推定する(ステップS102)。
そして、エンジンの自動停止時に検出されたピストン13の停止位置に基づき、停止時圧縮行程気筒12Cおよび停止時膨張行程気筒12A内の空気量を算出する(ステップS103)。つまり、上記ピストン13の停止位置から停止時圧縮行程気筒12Cおよび停止時膨張行程気筒12Aの燃焼室容積が求められ、その燃焼室容積から新気量が求められる。
次に、上記クランク角センサ30,31の出力信号に応じて検出されたピストン停止位置が、停止時圧縮行程気筒12Cにおける適正停止範囲R(上死点前BTDC60〜80°CA)のうち、下死点BDC寄りにあるか否かが判定される(ステップS104)。このステップS104でYESと判定され、停止時圧縮行程気筒12C内の空気量が比較的多いことが確認された場合には、上記ステップS103で算出された停止時圧縮行程気筒12Cの空気量に対し、λ(空気過剰率)>1なる空燃比(例えば空燃比=20程度)となるように1回目の燃料噴射を行う(ステップS105)。この空燃比は、ピストン13の停止位置に応じて予め設定された停止時圧縮行程気筒12Cの1回目用第1空燃比マップM1から求められ、λ>1というリーン空燃比に設定される。これにより、停止時圧縮行程気筒12C内の空気量が比較的多いときであっても、逆転のための燃焼エネルギーが過多となることが防止される。
一方、上記ステップS104でNOと判定され、停止時圧縮行程気筒12C内の空気量が比較的に少ないときは、上記ステップS103で算出された停止時圧縮行程気筒12Cの空気量に対してλ≦1なる空燃比となるように1回目の燃料噴射を行う(ステップS106)。この空燃比は、ピストン13の停止位置に応じて予め設定された停止時圧縮行程気筒12Cの1回目用第2空燃比マップM2から求められ、λ≦1(理論空燃比ないしはそれよりリッチ空燃比)に設定されることにより、停止時圧縮行程気筒12C内の空気量が少ないときであっても、逆転のための燃焼エネルギーが充分に得られるようになっている。
次に、停止時圧縮行程気筒12Cへの1回目燃料噴射から気化時間を考慮して設定した所定時間の経過後に、当該気筒12Cに対して点火を行う(ステップS107)。そして、点火後の一定時間内にクランク角センサ30,31のエッジ、つまりクランク角信号の立ち上がり又は立ち下がりが検出されたか否かにより、ピストン13が動いたか否かを判定し(ステップS108)、NOと判定されて失火によりピストン13が動かなかったことが確認された場合には、停止時圧縮行程気筒12Cに対して再点火を行う(ステップS109)。
上記ステップS108でYESと判定されてピストン13が動いたことが確認されると、ピストン停止位置および上記ステップS102で推定した筒内温度に基づいて、停止時膨張行程気筒12Aに対する分割燃料噴射の分割比(1回目の前段噴射と2回目の後段噴射との比率)を算出する(ステップS121)。上記後段の噴射比率は、停止時膨張行程気筒12Aにおけるピストン停止位置が下死点寄りであるほど、また筒内温度が高いほど大きな値に設定される。
次に、上記ステップS103で算出した停止時膨張行程気筒12Aの空気量に対して所定の空燃比(λ≦1)となるように燃料噴射量を算出する(ステップS122)。この際の空燃比は、ピストン13の停止位置に応じて予め設定された停止時膨張行程気筒12A用の空燃比マップM3から求められる。また、ステップS122で算出された停止時膨張行程気筒12Aへの燃料噴射量とステップS121で算出された分割比とによって、停止時膨張行程気筒12Aに対する前段(1回目)の燃料噴射量を算出し、噴射する(ステップS123)。
次に、上記ステップS102で推定された筒内温度に基づき、停止時膨張行程気筒12Aに対する後段(2回目)の燃料噴射時期を算出する(ステップS124)。この2回目の噴射時期は、ピストン13が上死点側への移動(エンジンの逆転)を開始した後に、気筒内の空気が圧縮されている時期であるとともに、噴射燃料の気化潜熱が圧縮圧力を効果的に減少させるように、つまりピストン13を上死点へ近付けるように設定され、かつこの2回目の噴射燃料が点火時期までに気化する時間が可及的に長くなるように設定される。
次に、ステップS122で算出された停止時膨張行程気筒12Aへの燃料噴射量とステップS121で算出された分割比とによって、停止時膨張行程気筒12Aに対する後段(2回目)の燃料噴射量を算出し(ステップS125)、上記ステップS124で算出された2回目の噴射時期に噴射する(ステップS126)。
停止時膨張行程気筒12Aへの2回目の燃料噴射後に、所定のディレイ時間が経過した時点で点火する(ステップS127)。このディレイ時間は、ピストン13の停止位置に応じて予め設定された停止時膨張行程気筒12A用の点火マップM4から求められる。上記点火による停止時膨張行程気筒12Aでの初回燃焼により、エンジンは逆転から正転に転ずる。
次に、燃料の気化時間を考慮に入れ、停止時圧縮行程気筒12Cに2回目の燃料を噴射する(ステップS128)。この際の燃料噴射量は、1回目の噴射量とを合計した噴射量に基づく全体の空燃比が可燃空燃比(下限は7〜8)よりもさらにリッチ(例えば6程度)になるように、ピストン13の停止位置に応じて予め設定された停止時圧縮行程気筒12Cの2回目用空燃比マップM5から求められる。この停止時圧縮行程気筒12Cにおける2回目の噴射燃料による気化潜熱に応じて、停止時圧縮行程気筒12Cの圧縮上死点付近における圧縮圧力が低減されることにより、当該圧縮上死点を容易に越えることが可能となる。
なお、停止時圧縮行程気筒12Cへの2回目の燃料噴射は、専ら筒内の圧縮圧力を低減させるためになされるものであって、これに対する点火、燃焼は行われず、可燃空燃比よりもリッチなために自着火も起こらず、この不燃燃料は、その後に排気通路22の排気ガス浄化触媒に吸蔵されている酸素と反応して、無害化される。
次に、停止時吸気行程気筒12Dの空気量を算定した後(ステップS140)、上記ステップS102で推定した筒内温度に基づいて、自着火を防止するための空燃比補正値を算出する(ステップS141)。
次に、上記ステップS140で算定した停止時吸気行程気筒12Dの空気量と、上記ステップS141で算出した空燃比補正値を考慮した空燃比とに基づき、停止時吸気行程気筒12Dへの燃料噴射量を算出する(ステップS142)。そして、停止時吸気行程気筒12Dに対する燃料噴射を行うが、この燃料噴射は、その気化潜熱によって圧縮圧力が低減されるように、つまり圧縮上死点を越えるための必要エネルギーが低減されるように、圧縮行程の後期まで遅延され(ステップS143)、その遅延量は、エンジンの自動停止期間、吸気温度、エンジン水温等に基づいて算出される。
また、自着火による逆トルクの発生を抑制するため、点火時期を上死点以降に遅延して点火する(ステップS144)。以上の制御が実行されることにより、停止時吸気行程気筒12Dにおいて、圧縮上死点まではその圧縮圧力が小さくなって上死点を越え易くなり、上死点を過ぎた時点で燃焼エネルギーによる正転方向のトルクが発生することになる。
上記ステップS144の後、エンジン回転速度の吹上がり(エンジン回転速度の必要以上の急上昇)を抑制する制御として、まず、オルタネータ28の目標電流値を通常より高めに設定して発電を開始し(ステップS145)、このオルタネータ28の発電によってクランクシャフト3の回転抵抗(エンジンの外部負荷)を増大させる。次に、吸気圧センサ26によって検出された吸気圧力が、エンジンの自動停止を行わない場合の通常のアイドル時における吸気圧力より高いか否かを判定し(ステップS150)、YESと判定されると、エンジン回転速度の吹上がりが起こり易い状態となっているので、スロットル弁23の開度を通常のアイドル運転時におけるスロットル開度よりもさらに小さくする(ステップS151)。
そして、排気通路22に設けられた排気ガス浄化触媒の温度が活性温度以下であるか否かを判定し(ステップS152)、YESと判定された場合には、気筒内の目標空燃比をλ≦1なるリッチ空燃比に設定するとともに(ステップS153)、点火時期を上死点以降に遅延させる(ステップS154)。これにより、上記触媒の温度上昇が促進されるとともに、点火時期の遅延によって燃焼エネルギーの発生量が抑制される。
一方、上記ステップS152でNOと判定されて排気ガス浄化触媒の温度が活性温度よりも高いことが確認された場合には、気筒内の目標空燃比をλ>1のリーン空燃比に設定して成層リーンの燃焼状態とする(ステップS158)。このリーン燃焼によって燃料の消費が抑制されつつ、燃焼エネルギーの発生量が抑制されることになる。
上記ステップS154またはステップS158を経てステップS150に戻り、このステップS150でNOと判定されてエンジンの自動停止を行わない場合の通常のアイドル時によりも吸気圧力が低下したことが確認されるまで、上記制御動作が繰り返される。このステップS150でNOと判定されると、もはやエンジン回転速度の吹上がりが生じる虞がないので、オルタネータ28の発電電流も含めて通常の制御状態に移行する(ステップS160)。
この通常制御時に、吸気通路容積可変手段の切替弁54およびシャッター弁55は、エンジン負荷およびエンジン回転数に応じたマップに基づいて制御される。具体的には、少なくとも高負荷域において、エンジン回転速度が特定回転速度(例えば4500rpm)より低い低速域では、切替弁54が第1状態(図2(A)に実線で示す状態)、シャッター弁55が開状態とされ、特定回転速度より高い高速域では、切替弁54が第2状態(図2(A)に二点差線で示す状態)とされる。
以上のような当実施形態の装置によると、エンジンの自動停止条件が成立したときに、エンジンの運転を継続させる燃料噴射を停止してエンジンを自動的に停止させる制御が行われるが、この際に、燃料供給の停止より前にスロットル弁23が開かれることにより、掃気性が高められる。
また、自動停止期間中の適当な時期、例えば燃料供給停止と略同時期に、吸気通路容積可変手段の切替弁54が第2状態、シャッター弁55が閉弁状態に作動されることにより、サージタンク51および低速用通路53aが遮断されて、吸気マニホールド50の中で吸気ポート28に通じる部分の吸気通路容積(スロットル弁下流の吸気通路容積)が小さくされる。
その後において、停止時圧縮行程気筒12Cの最後の吸気行程に至るまでの所定時期にスロットル弁23が閉じられることにより、停止時膨張行程気筒12Aよりも停止時圧縮行程気筒12Cのほうが吸入空気量が少なくなり、つまり停止時膨張行程気筒12Aの圧縮反力が停止時圧縮行程気筒12Cの圧縮半力よりも大きくなることにより、停止時膨張行程気筒12Aのピストンが行程中央位置より少し下死点寄りの適正範囲R内に停止する。
このとき、既に上記のように吸気通路容積が小さくされていることにより、上記適正位置に停止する確率が高められる。
すなわち、吸気通路容積可変手段を有しない従来装置のようにスロットル弁下流の吸気通路容積が大きい場合は、図5中に二点鎖線で示すように、スロットル弁が閉じられてから吸気圧Btが次第に低下するがその低下は比較的緩慢であり、このため停止時膨張行程気筒12Aと停止時圧縮行程気筒12Cの吸入空気量の格差が小さくて、上記適正範囲R内に確実に停止させることが難しい。
これに対し、吸気通路容積が小さくなっていると、図5中に実線で示すように、スロットル弁が閉じられてからの吸気圧Btの低下の勾配が大きくなり、停止時膨張行程気筒12Aと停止時圧縮行程気筒12Cの吸入空気量に適度の格差を持たせることができるため、上記適正範囲R内に停止させる確率を高めることができる。
また、スロットル弁下流の吸気通路容積が大きい場合は、スロットル弁23が閉じられてからの吸気圧Btの低下が緩慢であることを見込んで、停止時圧縮行程気筒12Cの最後の吸気行程よりかなり早い時期にスロットル弁23を閉じる必要がある(図5中の二点鎖線)のに対し、吸気通路容積が小さくなっていると、スロットル弁23を閉じる時期を停止時圧縮行程気筒12Cの最後の吸気行程に近づけることができ、つまりスロットル弁23が開いている期間を長くすることができるため、掃気性も高めることができる。
とくに、当実施形態では、自動停止の動作期間中、自動変速機40がドライブ状態となっており、これによる回転抵抗により、エンジンが停止するまでの自動停止動作期間が比較的短くなるが、このような条件下でも、自動停止動作期間の中でスロットル弁23が開いている期間ができるだけ長く確保され、掃気性が向上される。
これらの作用により、エンジン再始動時における始動性が高められることとなる。
そして、エンジン再始動時の制御は図9〜図11に示すフローチャートに従って行われ、再始動が達成された後は通常制御に移行する。
また、通常制御中は上記吸気通路容積可変手段が運転状態に応じて制御されることにより、エンジン出力の向上等に寄与する。
すなわち、エンジン回転速度が特定回転速度(例えば4500rpm)より低い低速域では、切替弁54が第1状態(図2(A)に実線で示す状態)、シャッター弁55が開状態とされることにより、高速用通路53bが閉じられるとともに低速用通路53aが開かれ、サージタンク51から吸気ポート17まで吸気通路長が長くされる(吸気通路容積が増大される)ことにより、低速域で共鳴同調状態が得られる。一方、特定回転速度より高い高速域では、切替弁54が第2状態(図2(A)に二点差線で示す状態)とされることにより、高速用通路53bが開かれ、吸気集合部から吸気ポート17までの吸気通路長が短くされて、高速域で共鳴同調状態が得られる。こうして、図12に示すように、低速域および高速域でそれぞれ共鳴過給によりエンジントルクが高められる。
なお、上記実施形態におけるエンジンの始動装置では、自動停止状態にあるエンジンを再始動させる際に、停止時圧縮行程気筒12Cに第1回の燃焼を行わせることにより、最初にクランク軸3を少しだけ逆回転させて停止時膨張行程気筒12A内の混合気を圧縮した後に点火するようにしているが、本発明に係るエンジンの始動装置は、これに限るものではなく、停止時膨張行程気筒12Aに対して最初に点火を行うことによりエンジンを再始動させるように構成してもよい。
また、上記実施形態では省略しているが、エンジン再始動時において、所定の条件成立時、例えばピストン停止位置が適正停止範囲R内にない場合や、始動後の所定時期までにエンジン回転速度が所定値に達しない等に、スタータモータによるアシストを伴う制御を行うようにしてもよい。