JP5126075B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関を停止する際の発電機の発電制御に関する。

車両が信号待ちなどで停止しエンジンがアイドリング状態などになったとき、エンジンの作動を停止させて、燃費を向上させたり排気ガスの排出量を低減させることが知られている。その後、運転者が変速機を操作したり、ブレーキ解除など発進につながる動作を行うと、直ちにエンジンを始動させる。従来かかる場合、始動用電動機（セルモータ）の作動によりエンジンのクランク軸を回転させて行なっていた。

ところで近年、気筒内にて混合気を着火燃焼させ、その燃焼エネルギーを用いてクランク軸に回転力を付与してエンジンを始動させる、いわゆる直接始動方式が考えられている。この内燃機関を直接始動させる方式は、始動用電動機を作動させる方式に比べ、蓄電池の電力消費がほとんど無く、また始動用電動機にかかる負担が小さく、かつエンジンが円滑に作動されるなどの特徴を有している。

一方気筒内で混合気を燃焼させて始動を行なわせるには、予めエンジンを、気筒燃焼により始動できる状態で停止させる必要がある。すなわち、クランク軸が回転を停止したとき、仮に１番の気筒が、膨張行程途中になると判断されたとする。すると１番の気筒を起動気筒とし、クランク軸が回転を停止する直近の起動気筒の吸気工程で燃料噴射装置から燃料を吸気通路内に噴射する。そして起動気筒に混合気を導入し、クランク軸の惰性回転で圧縮工程の上死点を越えさせる。そして膨張行程までピストンを移行させる一方、排気工程まで移行させることなくエンジンの作動を停止させる。

エンジンを始動させる場合には、起動気筒に点火プラグから火花放電を行なわせ、起動気筒内にある混合気を着火燃焼させ、その燃焼エネルギーでピストンを押し下げクランク軸に回転力を付与して、エンジンを起動させる。（特許文献１参照。）
特開２００６−３３６５７２号公報

しかしながらエンジンのクランク軸には、エアコンディショナ用のコンプレッサ、発電機、冷却水用ポンプ等の補機類がベルトを介して連結されている。クランク軸は、燃料噴射や点火プラグによる点火が停止されると、慣性力で回転するのみである。一方クランク軸に連結されている補機類は、作動している条件により負荷が変動する。そのためクランク軸は、補機類からの負荷によって、停止する位置が異なってしまう。

そこで各補機の作動量を最大にし、補機類からクランク軸に最大の負荷が付与されるように設定して、クランク軸を迅速に、かつ所定の位置に停止させることを試みた。ところが、エアコンディショナを最大に作動させるように設定しても室内温度が低ければ、電磁クラッチはコンプレッサへの接続を遮断して圧縮動作を停止させてしまう。また発電機を最大に作動させるように操作しても、車両の消費電力が小さい状態では、レギュレータの作用により発電量が低減され、クランク軸に付与される負荷が減少してしまう。このように補機類の作動量を最大にしても、クランク軸にかかる負荷が途中で減少し、クランク軸の停止位置を正確に制御することができなかった。

一方、各補機の作動量を最小にし、ほぼクランク軸の慣性質量のみで回転させることを考えた。ところが、車両での電力消費量が多い場合には、蓄電池の電圧が低下し発電機が発電を自動的に再開してしまう。これにより、発電機からクランク軸に新たな負荷を発生させることとなり、この場合にもクランク軸の停止位置を正確に制御することができなかった。

このように補機類、特に発電機は、発電量を最大にした場合も、最小にした場合のいずれの場合も作動状態を一定に保持することができず、クランク軸に加えられる負荷に変動をもたらし、クランク軸の停止位置を正確に制御することができなかった。

本発明は上記課題を解決し、発電量低下に伴う発電機の急激な負荷変動を抑制し、クランク軸を推定どおりの位置で停止させることを可能した内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため内燃機関の制御装置を次のように構成した。

１、内燃機関のクランク軸に連結された発電機と、内燃機関を停止させる停止処理手段と、発電機の発電量を制御する発電制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、発電制御手段は、停止処理手段が内燃機関の停止処理を決定した後、停止処理手段が停止処理を行う前に発電機の発電率を所定値に低下させ、停止処理手段は、発電制御手段により発電機の発電率が所定値に低下され、内燃機関の回転数が安定した後に内燃機関の停止処理を開始させ、更に、発電制御手段は、停止処理手段が内燃機関の停止処理を開始させた後、停止処理手段の停止処理により内燃機関の回転数が低下した際、内燃機関の回転数の低下に対応させて発電機の発電率を上昇させ、発電機に所定量の発電を行わせることとする。

この構成によれば、内燃機関の停止処理を行う前に、発電制御手段が発電機の発電率を低下させ発電機による発電量を下げるので、仮に、車両での電力消費量が多く発電機の発電率が上昇されることが発生しても、発電機は、発電制御手段により予め発電率を低下させられているため、発電機による発電量が所定の発電量に収まり、発電機による負荷変動を抑制し、クランク軸を所定の位置に停止できる。

２、１に記載の内燃機関の制御装置において、停止処理手段による内燃機関の停止処理前に、発電制御手段が低下させる発電機の発電率の所定値は、車両の電気的負荷にかかわらず内燃機関の吸気通路内の吸気の圧力値が所定の値に設定される値とする。

この構成によれば、停止処理を開始する時点では、吸気通路内の圧力が、車両の電力使用量にかかわらず一定となるので、停止処理をより正確に実施でき、クランク軸を所定の位置に停止できる。

３、１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、発電制御手段による、前記内燃機関の回転数の低下に対応させて行う発電率の上昇は、下限値を、蓄電池への充電を前記発電機が開始しない電圧を生じさせる発電率とし、上限値を、前記発電機の発電量に制限が行なわれない電圧を生じさせる発電率とした。

この構成によれば、蓄電池への充電のための発電機の作動や過充電防止のための発電機の作動抑制等の不用意な負荷変動が生じることを抑制でき、クランク軸を所定の位置に停止できる。

本発明にかかる内燃機関の制御装置は、次の効果を有している。
内燃機関の停止処理が行われると、内燃機関の回転数の低下に伴い発電機の発電率を上昇させることにより、内燃機関の回転数低下による発電量の低下を発電機の発電率で補うことで、発電量低下に伴う発電機の急激な負荷変動を抑制でき、クランク軸を推定どおりの位置で停止させることができる。

本発明にかかる内燃機関の制御装置の一実施形態について、図を参照して説明する。図１に、エンジン１０の燃焼室部分を示す。エンジン１０は、ガソリンを主な燃料とし、吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射装置を具えた吸気通路内燃料噴射型火花点火式内燃機関である。尚エンジン１０は、自然吸気式エンジンであるが、ターボチャージャーや他の過給器を備えた過給式エンジンであってもよい。また燃料噴射方式でなく、キャブレター式でもよい。

エンジン１０の燃焼室部分は、図１に示すようにシリンダヘッド１２、ピストン１４、シリンダブロック１６などから構成されている。シリンダブロック１６は、内側にシリンダ１８を有している。シリンダブロック１６に形成されたシリンダ１８の数は、特に問わない。シリンダ１８の内部には、ピストン１４が往復動自在に設けられている。

ピストン１４は、クランク軸３６にコネクティングロッド３８を介して連結されている。シリンダブロック１６の上面には、シリンダヘッド１２がボルト（図示せず。）により固定されている。

シリンダヘッド１２は、下面に燃焼室用の凹み２０を具えている。凹み２０は、断面が三角形状で、凹み２０と、ピストン１４の頂面２２と、シリンダ１８の内面で区画された空間でエンジン１０の燃焼室２６を形成している。また、かかる区画域内を気筒ともいう。

シリンダヘッド１２には、吸気通路２４及び排気通路２８が設けられている。吸気通路２４は、上流側にエアクリーナ（図示せず。）が連結され、燃焼室２６に臨ませた開口部（図示せず。）に吸気弁４２が設けられている。また吸気通路２４内には、燃料噴射装置３４が設けられている。

燃料噴射装置３４は、先端に噴射孔を具え、内部に弁機構（いずれも図示せず。）を有する吸気通路内燃料噴射装置で、燃料タンク５２からの燃料パイプ５６と制御装置５８からの信号線６０が接続されている。燃料タンク５２は、燃料ポンプ６２を具え、燃料ポンプ６２を介して燃料タンク５２内の燃料を燃料パイプ５６内に所定の圧力で圧送する。

燃料噴射装置３４は、噴射孔を吸気通路２４内に臨ませて取り付けられており、信号線６０を介して送られてくる信号に従い弁機構が作動すると燃料タンク５２から送られてきた燃料を吸気通路２４内に所定の圧力で噴射する。尚、燃料噴射装置３４で燃料を加圧し、吸気通路２４内に燃料を噴射するようにしてもよい。噴射とは、基本的に燃料を霧状に放射させることを指すものとするが、液柱状で噴射してもよい。また、燃料噴射装置３４の取付位置、および噴射方向等は、特に限定しない。

排気通路２８は、排気弁４４を介して燃焼室２６に連通し、排気通路２８の下流側には、酸化触媒２９とパティキュレート・フィルタ３１が連結されている。尚、酸化触媒２９とパティキュレート・フィルタ３１は、なくともよい。

吸気弁４２および排気弁４４は、それぞれシリンダヘッド１２に摺動自在に取り付けられ、吸気弁４２には吸気側動弁機構４６が、排気弁４４には排気側動弁機構４８が設けられている。吸気側動弁機構４６および排気側動弁機構４８は、それぞれクランク軸３６の回転に連動して作動し、吸気弁４２と排気弁４４を軸方向に駆動させる。これにより、吸気通路２４および排気通路２８は、エンジン１０の駆動に伴い燃焼室２６に対して所定の時期に開閉される。

又シリンダヘッド１２には、点火プラグ３０が取り付けられている。点火プラグ３０は、先端に電極部分を具え、燃焼室２６の上部の略中心に、電極部分を燃焼室２６に臨ませてシリンダヘッド１２に取り付けられている。点火プラグ３０は、点火機構４０に接続されており、点火機構４０の作用により適宜の点火時期に放電を行なう。尚、点火プラグ３０は、燃焼室２６の中央でなく、他の位置に取り付けられていてもよい。

クランク軸３６は軸端がエンジン１０から露出し、軸端に取り付けられたプーリに、駆動ベルト（いずれも図示せず。）を介して、コンプレッサ、冷却水ポンプ（いずれも図示せず。）、発電機３７が連結されている。またシリンダブロック１６には、クランク角センサ７２が設けられている。クランク角センサ７２は、クランク軸３６のクランク角を計測し、その結果を信号線７０を介して制御装置５８に送出する。

コンプレッサは、エアコンディショナの冷媒圧縮機であり、電磁クラッチを介してクランク軸３６のプーリと連結され、電磁クラッチの作用により適宜クランク軸３６との連結が遮断可能となっている。冷却水ポンプは、エンジン冷却用の冷却水をエンジン１０内に送水させるポンプであり、クランク軸３６のプーリと直接連結されている。冷却水ポンプが生じさせる負荷は、クランク軸３６の全回転域において既知となっている。尚、冷却水ポンプに電動機を連結させ、冷却水ポンプを電動駆動としてもよい。

発電機３７はオルタネータと呼ばれる、通常の車両用発電機であり、レギュレータ３９と整流器（図示せず。）を具えている。発電機３７は、クランク軸３６のプーリと駆動ベルトを介して直接連結されている。発電機３７は、レギュレータ３９の作用により使用電力量や蓄電池（図示せず。）の充電量等に応じて発電量が調整される。

更に発電機３７には、発電量調整部４１が接続されている。発電量調整部４１は、信号線４３により制御装置５８に接続し、後述する停止処理において制御装置５８により発電率が制御される。その際の発電率を、図２に示す。図２は、横軸に時間、縦軸には上から（ａ）〜（ｄ）に従い目標発電率Ｅ、実際の発電率Ｆ、蓄電池の電圧、クランク軸３６の回転数を示している。Ａは、燃料噴射を停止した時点である。尚、発電機３７の発電率とは、発電機３７の最大発電量に対する発電量の割合であり、０％から１００％まで任意に設定できる。

停止処理における目標発電率Ｅは、図２の（ａ）に示すように、燃料噴射装置３４からの燃料噴射を停止した時間Ａにおいて、所定の値に低下し、そこからクランク軸３６の回転数が（ｄ）に示すように低下するに伴い、徐々に上昇するように設定されている。

尚図２（ａ）および（ｂ）の斜線部分２００は、この範囲に発電率を設定すると、蓄電池への充電が必要とされる電圧まで車両の電圧が低下する範囲であり、斜線部分２１０は、この範囲に発電率を設定すると、発電機３７による発電量を低下させる必要があるとされる電圧まで車両の電圧が上昇する範囲である。目標発電率Ｅは、上記斜線部分２００と斜線部分２１０の間の中間付近に設定されている。

つまり目標発電率Ｅに従い発電機３７を作動させると、発電機３７は、まず所定の値に発電率が低下し、その後クランク軸３６の回転数が低下していくに伴い上昇する発電率に従って発電を行なう。その結果発電機３７は、車両の電気的負荷や蓄電池の充電状態にかかわらず、予め定められた発電量を発電することとなる。そのためかかる発電状態での発電機３７からクランク軸３６へは、常に所定の、予め判明している負荷が加えられる。

制御装置５８は、車両の走行においてエンジン１０を通常に作動させる制御の他、主な機能として停止方法を含む直接始動機能を備えている。

次に、エンジン１０の直接始動機能、およびその際における停止方法について図２のタイムチャート、および図３のフローチャートを用いて説明する。尚エンジン１０を直接始動させるとは、気筒内に導入されている混合気を着火燃焼させ、その燃焼圧力を利用してクランク軸３６に回転力を付与し、エンジン１０を起動させることをいう。また直接始動機能は、主にエンジン１０を短時間作動停止させた後に始動させるときに用いるが、短時間の作動停止後でなく、夜間エンジンの作動を停止させ、翌朝エンジンを始動させる場合などに用いてもよい。

まず車両が通常に走行しており、冷却水温度が所定温度に達しエンジン１０が安定した作動状態であると、制御装置５８は、アイドルストップ制御を行なう。すなわち、信号待ちなどで車両が一時停止した場合には、エンジン１０の作動を停止させ、発進時に自動的にエンジン１０を始動させてエンジン１０により車両を発進させる。

具体的には、車両が停止し、運転者が変速機を中立状態（ニュートラル）とし、サイドブレーキをかけたり、フットブレーキを踏み続けると、制御装置５８は、車両が信号待ちなどで一時停止しており、しばらくした後発進すると判断し（ステップ１０１）、エンジン１０を直接始動可能な状態で停止させる（ステップ１０２）。

次に、直接始動可能な停止処理について説明する。制御装置５８は停止処理の開始を決定したなら（ステップ１０２）、コンプレッサの電磁クラッチを遮断し、コンプレッサとクランク軸３６との連結を解除する。また燃料噴射装置３４からの燃料噴射と点火プラグ３０による火花放電を停止する（ステップ１０３）。そして制御装置５８は、クランク角センサ７２から、クランク軸３６のクランク角信号を受け取り、クランク軸３６の回転角度等から、クランク軸３６が停止したとき、エンジン１０の各気筒が、吸気、圧縮、膨張（燃焼）、排気のいずれの工程になるかを判別する。

更に制御装置５８は、発電機３７の発電率を図２に示すように目標発電率Ｅに従って制御し（ステップ１０４）、クランク軸３６を停止させる。すなわち、発電機３７は、Ａ点にて燃料噴射が停止されると、まず所定の値に発電率が低下し、その後（ｄ）に示すようにクランク軸３６の回転数が低下していくに伴い上昇する（ステップ１０４）目標発電率Ｅに従って発電を行なう。

このような目標発電率Ｅにしたがって発電機３７が制御されることにより、車両の電圧が、図２（ｃ）に示すように蓄電池の充電必要値（１２Ｖ）以下とならず、かつ、過大な電圧（１４Ｖ以上）とならないので、発電機３７の発電量が増加されたり、発電機３７の発電量に制限が加えられること等が生じない。

図２（ｂ）に、実際の発電率Ｆを示す。図に示すように、燃料噴射停止前は、電気負荷の大小に応じてそれぞれ異なる発電率（実線、および一点鎖線で示す。）であるが、発電率の低下により一致され、そして停止処理中に発電機３７の発電量が増加されたり、発電機３７の発電量に制限が加えられること等が生じないことから、燃料噴射停止後は、目標発電率Ｅとほぼ等しい発電率となっている。

そのため発電機３７は、図２（ｂ）に示すように発電率に大きな変動を生じさせることなく、しかも車両の電気的負荷や蓄電池の充電状態にかかわらず、予め判明されている発電量で、かつ発電率が斜線部分２００、および２１０のいずれにも入ることなく発電を行なう。また、コンプレッサ等の補機類の接続が遮断されている。したがって発電機３７からクランク軸３６へ、常に定められた所定の負荷が加えられ、クランク軸３６は、停止動作を開始した時点から所定の減衰力を受けて回転が低下する。そのためクランク軸３６は、予め推定された位置に確実に停止、すなわち推定されたとおりの状態に各気筒のピストン１４が停止することとなる。

このように所定の状態でクランク軸３６が停止することから、制御装置５８は、推定されたクランク軸３６の停止状態に基づいて、燃料噴射装置３４から燃料噴射を行なわせ、クランク軸３６が停止する以前に起動気筒に所定の混合気を導入し、クランク軸３６を停止させる。これによりエンジン１０は、直接始動可能な状態で停止される（ステップ１０５）。

その後制御装置５８は、運転者が発進操作を行なったと判断したなら、エンジン１０を始動させる。運転者の発進操作とは、例えば、パーキングブレーキを戻し、ギアを一速に入れる、あるいはアクセルペダルを少し踏み込むなどの車両を発進させることに関連した所定の操作である。かかる操作が確認されたら、点火プラグ３０で起動気筒の混合気を着火燃焼させる。これにより、クランク軸３６が正回転方向に付勢され、クランク軸３６に作用した回転力を利用してエンジン１０が起動される。始動方法は従来と同様の方法である。

以上述べたように、直接始動機能付きの内燃機関であれば、発電機３７からクランク軸３６に加えられる負荷を、車両の電気使用状態や蓄電池の充電状態にかかわらず常に所定の値に保持できる。したがって、直接始動可能な停止処理を開始してクランク軸３６が回転を停止するまでの挙動を確実に把握できる。そのため、起動気筒に混合気を導入して、クランク軸３６を確実に停止させ、直接始動を可能とした停止を正確に行なうことができる。これにより、直接始動が適確に実施できることとなる。

次に、停止方法の他の例を説明する。この第２の例は、直接始動可能な停止処理が決定されたら、燃料噴射の停止や点火の停止を実行する以前に、発電機３７の発電率を所定値に低下する。

以下、第２の停止方法について図４のタイムチャート、および図５のフローチャートを用いて説明する。内燃機関の構成は上述したエンジン１０と同様である。図４のタイムチャートの示す内容は、上述した図２のタイムチャートと同様の内容である。また図中、Ａ点は燃料噴射を停止させる時間であり、Ｂ点は発電率を低下させる時間である。

車両が一時停止していると判断され（ステップ１１０）、直接始動可能な停止処理が決定されたら（ステップ１１１）、図４（ａ）に示すようにＢ点から、発電機３７の発電率を所定値に低下させる（ステップ１１２）。Ｂ点で発電率が所定値に低下されることにより、Ｂ点以前では（ｂ）に示すように車両の電気使用量により異なっていた発電率（実線および一点鎖線で示す。）が、ほぼ同一の値に設定される。これにより、Ｂ点以前で異なっていた吸気通路２４内の吸気圧力（過給が無ければ、通常負圧である。）を同一の値に設定することができる。

クランク軸３６の回転数、すなわち吸気通路２４内の吸気圧力が安定したなら（ステップ１１３）、Ａ点で燃料噴射を停止させる（ステップ１１４）。そして、Ａ点から上述したと同様に停止処理を行わせる。ステップ１１５で発電率を徐々に増加させ、エンジン１０が停止したなら停止処理を終了する（ステップ１１６）。

Ａ点は、Ｂ点より時間的に後であるので、実際に停止処理を開始する時点では、吸気通路内の圧力が、車両の電力使用量にかかわらず一定となっているので、Ａ点から燃料噴射を停止させて開始した停止処理をより正確に実施でき、クランク軸３６を所定の位置に停止できる。したがって、直接始動可能な停止を確実に行なわせ、安定してエンジン１０を直接始動させることができる。

なお、上述した実施形態では内燃機関の停止時に起動気筒に混合気を導入する直接始動機能付きの内燃機関で説明を行ったが、クランク軸を所定の位置に停止させるために通常の内燃機関に適用することができる。

本発明にかかる可変動弁機構付き内燃機関の一実施形態を示す断面図である。 停止処理動作に関するタイムチャートである。 停止処理動作に関するフローチャートである。 他の例の停止処理動作に関するタイムチャートである。 他の例の停止処理動作に関するフローチャートである。

１０…エンジン
１４…ピストン
２４…吸気通路
２６…燃焼室
３０…点火プラグ
３４…燃料噴射装置
３６…クランク軸
３７…発電機
３９…レギュレータ
４０…点火機構
４１…発電量調整部
５８…制御装置
７２…クランク角センサ
２００…斜線部分
２１０…斜線部分

Claims (3)

1. 内燃機関のクランク軸に連結された発電機と、前記内燃機関を停止させる停止処理手段と、前記発電機の発電量を制御する発電制御手段とを備えた内燃機関の制御装置において、
   前記発電制御手段は、前記停止処理手段が前記内燃機関の停止処理を決定した後、前記停止処理手段が停止処理を行う前に前記発電機の発電率を所定値に低下させ、
   前記停止処理手段は、前記発電制御手段により前記発電機の発電率が前記所定値に低下され、前記内燃機関の回転数が安定した後に前記内燃機関の停止処理を開始させ、
   更に、前記発電制御手段は、前記停止処理手段が前記内燃機関の停止処理を開始させた後、前記停止処理手段の前記停止処理により前記内燃機関の回転数が低下した際、前記内燃機関の回転数の低下に対応させて前記発電機の発電率を上昇させ、前記発電機に所定量の発電を行わせることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記停止処理手段が前記内燃機関の停止処理を行う前に、前記発電制御手段が低下させる前記発電機の発電率の前記所定値は、車両の電気的負荷にかかわらず前記内燃機関の吸気通路内の吸気の圧力値が所定の値に設定される値であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記発電制御手段による、前記内燃機関の回転数の低下に対応させて行う前記発電率の上昇は、下限値を、蓄電池への充電を前記発電機が開始しない電圧を生じさせる発電率とし、上限値を、前記発電機の発電量に制限が行なわれない電圧を生じさせる発電率としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。

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