(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の一実施形態に係る始動制御方法が適用されるディーゼルエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるディーゼルエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される4サイクルのディーゼルエンジンである。このエンジンのエンジン本体1は、いわゆる直列4気筒型のものであり、紙面に直交する方向に列状に並ぶ4つの気筒2A〜2D(後述する図2も参照)を有するシリンダブロック3と、シリンダブロック3の上面に設けられたシリンダヘッド4と、各気筒2A〜2Dにそれぞれ往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。
上記ピストン5の上方には燃焼室6が形成されており、この燃焼室6には、燃料としての軽油が、後述する燃料噴射弁15からの噴射によって供給される。そして、噴射された燃料(軽油)が、ピストン5の圧縮作用により高温・高圧化した燃焼室6で自着火し(圧縮自己着火)、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン5が上下方向に往復運動するようになっている。
上記ピストン5は図外のコネクティングロッドを介してクランク軸7と連結されており、上記ピストン5の往復運動(上下運動)に応じて上記クランク軸7が中心軸回りに回転するようになっている。
図2は、上記エンジン本体1を含むパワートレイン系を簡易的に示す図である。この図2に示すように、エンジン本体1のクランク軸7は、トルクコンバータ102を介して自動変速機101と連結されている。つまり、当実施形態のディーゼルエンジンが搭載される車両は、変速操作が自動的に行われるAT車である。
上記トルクコンバータ102は、エンジン本体1のクランク軸7と一体に回転するポンプインペラと、ポンプインペラと対向配置されたタービンランナと、これらポンプインペラおよびタービンランナの間に配置されたステータとを内蔵した従来周知の構造を有している。上記ポンプインペラの回転は、トルクコンバータ102内の作動流体(ATFオイル)を介してタービンランナに伝達され、最終的に自動変速機101の入力軸103の回転として取り出される。上記自動変速機101は、流星歯車機構と摩擦締結要素(クラッチやブレーキ)とを内蔵した従来周知のものであり、上記摩擦締結要素の断続が油圧制御されることにより、車両の速度等に応じた所望の変速段(例えば前進6段、後退1段のいずれか)が実現されるようになっている。
再び図1に戻って、当実施形態のディーゼルエンジンの構成について説明する。当実施形態のような4サイクル4気筒のディーゼルエンジンでは、各気筒2A〜2Dに設けられたピストン5が、クランク角で180°(180°CA)の位相差をもって上下運動する。このため、各気筒2A〜2Dでの燃焼(そのための燃料噴射)のタイミングは、180°CAずつ位相をずらしたタイミングに設定される。具体的には、気筒2A,2B,2C,2Dの気筒番号をそれぞれ1番、2番、3番、4番とすると、1番気筒2A→3番気筒2C→4番気筒2D→2番気筒2Bの順に燃焼が行われる。このため、例えば1番気筒2Aが膨張行程であれば、3番気筒2C、4番気筒2D、2番気筒2Bは、それぞれ、圧縮行程、吸気行程、排気行程となる。
上記シリンダヘッド4には、各気筒2A〜2Dの燃焼室6に開口する吸気ポート9および排気ポート10と、各ポート9,10を開閉する吸気弁11および排気弁12とが設けられている。なお、吸気弁11および排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構13,14により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
また、上記シリンダヘッド4には、燃料噴射弁15が各気筒2A〜2Dにつき1つずつ設けられている。各燃料噴射弁15は、蓄圧室としてのコモンレール20に分岐管21を介してそれぞれ接続されている。コモンレール20には、燃料供給ポンプ23から燃料供給管22を通じて供給された燃料(軽油)が高圧状態で蓄えられており、このコモンレール20内で高圧化された燃料が分岐管21を通じて各燃料噴射弁15にそれぞれ供給されるようになっている。
上記燃料噴射弁15は、先端部に複数(例えば8〜12個)の噴孔を有した多噴孔型のものであり、その内部に、上記各噴孔に通じる燃料通路と、この燃料通路を開閉するために電磁的に駆動されるニードル状の弁体とを有している(いずれも図示省略)。そして、通電による電磁力で上記弁体が開方向に駆動されることにより、コモンレール20から供給された燃料が上記各噴孔から燃焼室6に向けて直接噴射されるようになっている。
上記燃料噴射弁15と対向するピストン5の冠面(上面)の中央部には、他の部分(冠面の周縁部)よりも下方に凹んだキャビティ5aが形成されている。このため、ピストン5が上死点の近くにある状態で上記燃料噴射弁15から燃料が噴射された場合、この燃料は、まずキャビティ5aの内部に侵入することになる。
ここで、当実施形態のエンジン本体1は、その幾何学的圧縮比(ピストン5が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン5が上死点にあるときの燃焼室容積との比)が14に設定されている。すなわち、一般的な車載用のディーゼルエンジンの幾何学的圧縮比が18もしくはそれ以上に設定されることが多いのに対し、当実施形態では、幾何学的圧縮比が14というかなり低い値に設定されている。
上記シリンダブロック3やシリンダヘッド4の内部には、冷却水が流通する図外のウォータジャケットが設けられており、このウォータジャケット内の冷却水の温度を検出するための水温センサSW1が、上記シリンダブロック3に設けられている。
また、上記シリンダブロック3には、クランク軸7の回転角度および回転速度を検出するためのクランク角センサSW2が設けられている。このクランク角センサSW2は、クランク軸7と一体に回転するクランクプレート25の回転に応じてパルス信号を出力するものであり、このパルス信号に基づいて、クランク軸7の回転角度(クランク角)および回転速度(エンジン回転速度)が検出されるようになっている。
一方、上記シリンダヘッド4には、気筒判別情報を出力するためのカム角センサSW3が設けられている。すなわち、カム角センサSW3は、カムシャフトと一体に回転するシグナルプレートの歯の通過に応じてパルス信号を出力するものであり、この信号と、クランク角センサSW2からのパルス信号とに基づいて、どの気筒が何行程にあるのかが判別されるようになっている。
上記吸気ポート9および排気ポート10には、吸気通路28および排気通路29がそれぞれ接続されている。すなわち、外部からの吸入空気(新気)が上記吸気通路28を通じて燃焼室6に供給されるとともに、燃焼室6で生成された排気ガス(燃焼ガス)が上記排気通路29を通じて外部に排出されるようになっている。
上記吸気通路28のうち、エンジン本体1から所定距離上流側までの範囲は、気筒2A〜2Dごとに分岐した分岐通路部28aとされており、各分岐通路部28aの上流端がそれぞれサージタンク28bに接続されている。このサージタンク28bよりも上流側には、単一の通路からなる共通通路部28cが設けられている。
上記共通通路部28cには、各気筒2A〜2Dに流入する空気量(吸気流量)を調節するための吸気絞り弁30が設けられている。吸気絞り弁30は、エンジンの運転中は基本的に全開もしくはこれに近い高開度に維持されており、エンジンの停止時等の必要時にのみ閉弁されて吸気通路28を遮断するように構成されている。
また、上記吸気絞り弁30とサージタンク28bとの間の共通通路部28cには、吸気流量を検出するためのエアフローセンサSW4が設けられている。
上記クランク軸7には、ベルト等を介してオルタネータ32が連結されている。このオルタネータ32は、図外のフィールドコイルの電流を制御して発電量を調節するレギュレータ回路を内蔵しており、車両の電気負荷やバッテリの残容量等から定められる発電量の目標値(目標発電電流)に基づき、クランク軸7から駆動力を得て発電を行うように構成されている。
上記シリンダブロック3には、エンジンを始動するためのスタータモータ34が設けられている。このスタータモータ34は、モータ本体34aと、モータ本体34aにより回転駆動されるピニオンギア34bとを有している。上記ピニオンギア34bは、クランク軸7の一端部に連結されたリングギア35と離接可能に噛合している。そして、上記スタータモータ34を用いてエンジンを始動する際には、ピニオンギア34bが所定の噛合位置に移動して上記リングギア35と噛合し、ピニオンギア34bの回転力がリングギア35に伝達されることにより、クランク軸7が回転駆動されるようになっている。
(2)制御系
以上のように構成されたエンジンは、その各部がECU(エンジン制御ユニット)50により統括的に制御される。ECU50は、周知のとおり、CPU、ROM、RAM等から構成されるマイクロプロセッサからなり、本発明にかかる制御手段に相当するものである。
上記ECU50には、各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ECU50は、エンジンの各部に設けられた上記水温センサSW1、クランク角センサSW2、カム角センサSW3、およびエアフローセンサSW4と電気的に接続されており、これら各センサSW1〜SW4からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、回転速度、気筒判別情報、吸気流量等の種々の情報を取得する。
また、ECU50には、車両に設けられた各種センサ(SW5〜SW9)からの情報も入力される。すなわち、車両には、車両の走行速度(車速)を検出するための車速センサSW5と、運転者により踏み込み操作されるアクセルペダル36の開度を検出するためのアクセル開度センサSW6と、ブレーキペダル37のON/OFF(ブレーキの有無)を検出するためのブレーキセンサSW7と、バッテリ(図示省略)の残容量を検出するためのバッテリセンサSW8と、車室内の温度を検出するための室温センサSW9とが設けられている。ECU50は、これら各センサSW5〜SW9からの入力信号に基づいて、車速、アクセル開度、ブレーキの有無、バッテリの残容量、車室内温度といった情報を取得する。
上記ECU50は、上記各センサSW1〜SW9からの入力信号に基づいて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ECU50は、上記燃料噴射弁15、吸気絞り弁30、オルタネータ32、およびスタータモータ34と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。
上記ECU50が有するより具体的な機能について説明する。ECU50は、例えばエンジンの通常運転時に、運転条件に基づき定められる所要量の燃料を燃料噴射弁15から噴射させたり、車両の電気負荷やバッテリの残容量等に基づき定められる所要発電量をオルタネータ32に発電させる等の基本的な機能を有する他、いわゆるアイドルストップ機能として、予め定められた特定の条件下でエンジンを自動的に停止させ、または始動させる機能をも有している。このため、ECU50は、エンジンの自動停止または自動始動に関する機能的要素として、自動停止制御部51および自動始動制御部52を有している。
すなわち、上記自動停止制御部51は、エンジンの運転中に、予め定められたエンジンの自動停止条件が成立したか否かを判定し、成立した場合に、エンジンを自動停止させる制御を実行するものである。
また、上記自動始動制御部52は、エンジンが自動停止した後、予め定められた再始動条件が成立したか否かを判定し、成立した場合に、エンジンを自動始動させる制御を実行するものである。
(3)自動停止制御
次に、上記ECU50の自動停止制御部51により実行されるエンジンの自動停止制御の内容を、図3のフローチャートを用いて説明する。図3のフローチャートに示す処理がスタートすると、自動停止制御部51は、各種センサ値を読み込む制御を実行する(ステップS1)。具体的には、水温センサSW1、クランク角センサSW2、カム角センサSW3、エアフローセンサSW4、車速センサSW5、アクセル開度センサSW6、ブレーキセンサSW7、バッテリセンサSW8、および室温センサSW9からそれぞれの検出信号を読み込み、これらの信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、回転速度、気筒判別情報、吸気流量、車速、アクセル開度、ブレーキの有無、バッテリの残容量、車室内温度等の各種情報を取得する。
次いで、自動停止制御部51は、上記ステップS1で取得された情報に基づいて、エンジンの自動停止条件が成立しているか否かを判定する(ステップS2)。例えば、車両が停止状態にあること、アクセルペダル36の開度がゼロであること(アクセルOFF)、ブレーキペダル37が所定の踏力以上で踏み込まれていること(ブレーキON)、エンジンの冷却水温が所定値以上であること(つまり暖機がある程度進んでいること)、バッテリの残容量が所定値以上であること、エアコンの負荷(車室内温度とエアコンの設定温度との差)が比較的少ないこと、等の複数の要件が全て揃ったときに、自動停止条件が成立したと判定する。なお、車両が停止状態にあるという要件については、必ずしも完全停止(車速=0km/h)を必須とする必要はなく、所定の低車速以下(例えば3km/以下)になったときに車両が停止状態にあると判定してもよい。
上記ステップS2でYESと判定されて自動停止条件が成立したことが確認された場合、自動停止制御部51は、吸気絞り弁30の開度を、アイドル運転時に設定される通常時の開度(例えば80%)から、全閉(0%)まで低下させる制御を実行する(ステップS3)。
次いで、自動停止制御部51は、燃料噴射弁15からの燃料の供給を停止する燃料カットを実行する(ステップS4)。すなわち、吸気絞り弁30が全閉(0%)になった時点で、各気筒2A〜2Dの燃料噴射弁15から噴射すべき燃料の量である目標噴射量をゼロに設定し、全ての燃料噴射弁15からの燃料噴射を停止することにより、燃料カットを実行する。
上記燃料カットの後、エンジンは一時的に惰性で回転するが、最終的には完全停止に至る。そのことを確認するため、自動停止制御部51は、エンジンの回転速度が0rpmであるか否かを判定する(ステップS5)。そして、ここでYESとなってエンジンが完全停止していることが確認されると、自動停止制御部61は、吸気絞り弁30の開度を通常時の開度(例えば80%)に戻した上で(ステップS6)、自動停止制御を終了する。
以上のような自動停止制御が終了した後のエンジンの各気筒2A〜2Dの状態を、図4に例示する。本図の例では、1番気筒2Aが膨張行程で停止し、2番気筒2Bが排気行程で停止し、3番気筒2Cが圧縮行程で停止し、4番気筒2Dが吸気行程で停止している。なお、以下では、自動停止制御によって○○行程で停止した気筒のことを、「停止時○○行程気筒」ということがある。例えば、膨張行程で停止した気筒2Aのことを「停止時膨張行程気筒2A」といい、排気行程で停止した気筒2Bのことを「停止時排気行程気筒2B」といい、圧縮行程で停止した気筒2Cのことを「停止時圧縮行程気筒2C」といい、吸気行程で停止した停止した気筒2Dのことを「停止時吸気行程気筒2D」という。
(4)自動始動制御
次に、上記ECU50の自動始動制御部52により実行されるエンジンの自動始動制御の具体的内容について、図5、図6のフローチャートを用いて説明する。
(4−1)完爆に至るまでの制御
まず、エンジンの再始動条件の成立後、エンジンが完爆に至るまでの間に実行される制御について、図5を用いて説明する。図5のフローチャートに示す処理がスタートすると、自動始動制御部52は、各種センサ値に基づいて、エンジンの再始動条件が成立しているか否かを判定する(ステップS11)。例えば、ブレーキペダル37がリリースされたこと、アクセルペダル36が踏み込まれたこと、エンジンの冷却水温が所定値未満になったこと、バッテリの残容量の低下量が許容値を超えたこと、エンジンの停止時間(自動停止後の経過時間)が上限時間を越えたこと、エアコン作動の必要性が生じたこと(つまり車室内温度とエアコンの設定温度との差が許容値を超えたこと)等の要件の少なくとも1つが成立したときに、再始動条件が成立したと判定する。
上記ステップS11でYESと判定されて再始動条件が成立したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上述したエンジンの自動停止制御に伴い圧縮行程で停止した気筒(図4の停止時圧縮行程気筒2C)のピストン停止位置を、クランク角センサSW2等に基づき特定し、その特定したピストン停止位置が、図4に示す基準停止位置Xよりも下死点側に設定された特定範囲Rxにあるか否かを判定する(ステップS12)。なお、当実施形態において、上記基準停止位置Xは、上死点と下死点との間の中間位置付近、例えばBTDC(上死点前)90〜75°CAのいずれかの位置に設定される。
上記ステップS12でYESと判定されて停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置が特定範囲Rxにあることが確認された場合、自動始動制御部52は、上記停止時圧縮行程気筒2Cが圧縮上死点を迎える1圧縮目から燃焼を再開する1圧縮始動によりエンジンを始動させる制御を実行する。
上記1圧縮始動の具体的な手順は次のとおりである。まず、自動始動制御部52は、スタータモータ34を駆動する制御を実行する(ステップS13)。これにより、エンジンが強制的に回転させられ、上記停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が圧縮上死点に向けて移動を開始する。そして、この停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が、上死点付近に予め設定された所定位置まで到達したか否かに基づいて、1圧縮目の燃焼噴射タイミングが到来したか否かを判定する(ステップS14)。
上記ステップS14でYESと判定されて1圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記停止時圧縮行程気筒2Cの燃料噴射弁15から当該気筒2Cに燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS15)。この1圧縮目の燃料噴射における噴射量は、筒内の当量比φが0.75になるような値に設定される。
ここで、上記1圧縮目の燃料噴射を行う際の目標当量比φは、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置に応じた理論上の筒内の空気量と、燃料噴射弁15から噴射される燃料の量とに基づき算出される値である。なお、停止時圧縮行程気筒2Cの内部空気は、エンジンが完全停止した直後から、ピストン5とシリンダー壁面との隙間を通じて外部に漏れ出ていくため、ある程度の時間が過ぎれば、筒内の圧力が大気圧になるまで空気量が減少する。そこで、1圧縮目の理論上の空気量は、ピストン停止位置が上死点にあるほど少ないものとみなされる。言い換えると、上記1圧縮目の当量比φは、停止時圧縮行程気筒2Cの内部圧力が大気圧まで減少したときの空気量(ピストン5の停止位置に比例して定まる)と、燃料噴射弁15からの燃料噴射量とから求まる当量比である。なお、周知のとおり、当量比φは、筒内の空気量に対し理論上過不足のない燃料が供給されたときの値が1となり、それに満たない量の燃料が供給されたときの値が1未満となる(逆に、燃料過多のときの当量比φは1を超える)。
上記のようにして停止時圧縮行程気筒2Cへの1圧縮目の燃料噴射が終了すると、自動始動制御部52は、上記停止時圧縮行程気筒2Cの次に圧縮上死点を迎える停止時吸気行程気筒2Dのピストン位置に基づいて、2圧縮目の燃焼噴射タイミング(当該気筒2Dのピストン5が圧縮上死点付近に至るタイミング)が到来したか否かを判定する(ステップS16)。
上記ステップS16でYESと判定されて2圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記停止時吸気行程気筒2Dに対し、筒内の当量比φが0.85になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS17)。
ここで、2圧縮目の燃料噴射量を行う際の目標当量比φは、停止時吸気行程気筒2Dに最大限空気が充填されたと仮定した場合の理論上の空気量、つまり吸気弁11の閉タイミングに対応する位置(下死点の近傍)にピストン5がある状態で大気圧の空気が筒内に充填されたと仮定した場合の空気量と、燃料噴射弁15から噴射される燃料の量とに基づき算出される値である。なお、このことは、後述する3圧縮目の当量比φ、および、2圧縮始動時の2〜4圧縮目の当量比φでも同様である。
上記のようにして停止時吸気行程気筒2Dへの2圧縮目の燃料噴射が終了すると、自動始動制御部52は、上記停止時吸気行程気筒2Dの次に圧縮上死点を迎える停止時排気行程気筒2Bのピストン位置に基づいて、3圧縮目の燃焼噴射タイミング(当該気筒2Bのピストン5が圧縮上死点付近に至るタイミング)が到来したか否かを判定する(ステップS18)。
上記ステップS18でYESと判定されて3圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記停止時排気行程気筒2Bに対し、筒内の当量比φが0.9になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS19)。
以上のようにして合計3回の燃料噴射に基づく燃焼が行われると、エンジン回転速度は充分に上昇し、例えば700〜800rpm程度に設定される完爆速度Nx(後述する図9参照)に到達する。自動始動制御部52は、この完爆速度Nx以上にエンジン回転速度が上昇したこと(エンジンの完爆)を確認した上で(ステップS30)、次の図6に示す制御(完爆後の制御)へと移行する。
次に、上記ステップS12でNOと判定された場合、つまり、エンジンの自動停止制御に伴い圧縮行程で停止した停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置が上記特定範囲Rx(図4)よりも上死点側に外れていた場合の制御について説明する。この場合、自動始動制御部52は、上記停止時圧縮行程気筒2Cが圧縮上死点を迎える1圧縮目からではなく、吸気行程で停止していた停止時吸気行程気筒2Dが圧縮上死点を迎える2圧縮目から燃焼を再開する2圧縮始動によりエンジンを始動させる制御を実行する。
上記2圧縮始動の具体的な手順は次のとおりである。まず、自動始動制御部52は、スタータモータ34を駆動してエンジンの強制回転を始めるとともに(ステップS21)、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が圧縮上死点を通過するまで、燃料噴射を行うことなく待機する(ステップS22)。そして、上記停止時圧縮行程気筒2Cの次に圧縮上死点を迎える停止時吸気行程気筒2Dのピストン位置に基づいて、2圧縮目の燃焼噴射タイミング(当該気筒2Dのピストン5が圧縮上死点付近に至るタイミング)が到来したか否かを判定する(ステップS23)。
上記ステップS23でYESと判定されて2圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記停止時吸気行程気筒2Dに対し、筒内の当量比φが0.75になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS24)。
次いで、自動始動制御部52は、上記停止時吸気行程気筒2Dの次に圧縮上死点を迎える停止時排気行程気筒2Bのピストン位置に基づいて、3圧縮目の燃焼噴射タイミング(当該気筒2Bのピストン5が圧縮上死点付近に至るタイミング)が到来したか否かを判定する(ステップS25)。
上記ステップS25でYESと判定されて3圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記停止時排気行程気筒2Bに対し、筒内の当量比φが0.85になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS26)。
次いで、自動始動制御部52は、上記停止時排気行程気筒2Bの次に圧縮上死点を迎える停止時膨張行程気筒2Aのピストン位置に基づいて、4圧縮目の燃焼噴射タイミング(当該気筒2Aのピストン5が圧縮上死点付近に至るタイミング)が到来したか否かを判定する(ステップS27)。
上記ステップS27でYESと判定されて4圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記停止時膨張行程気筒2Aに対し、筒内の当量比φが0.9になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS28)。
以上のようにして合計3回の燃料噴射に基づく燃焼が行われると、自動始動制御部52は、上述した1圧縮始動のときと同様、エンジンが完爆に至るのを待ってから(ステップS30)、次の図6に示す制御(完爆後の制御)へと移行する。
ここで、当実施形態におけるエンジンの自動始動制御では、図5に示したように、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置に応じて、1圧縮始動(S13〜)と2圧縮始動(S21〜)とが使い分けられるようになっているが、それは、次のような理由による。
1圧縮始動が可能な特定範囲Rx(図4)は、上述したように、予め定められた基準停止位置X(例えばBTDC90〜75°CA間のいずれかの位置)よりも下死点側に設定されている。停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5がこのような下死点寄りの特定範囲Rxに停止していれば、ピストン5による圧縮代(上死点までのストローク量)が比較的多いため、エンジン自動始動時のピストン5の上昇に伴い、上記気筒2C内の空気は充分に圧縮されて高温・高圧化する。このため、自動始動時の最初の燃料を停止時圧縮行程気筒2Cに噴射してやれば(1圧縮始動)、この燃料は、気筒2C内で比較的容易に自着火に至り、燃焼する。
これに対し、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が特定範囲Rxから上死点側に外れていれば、ピストン5による圧縮代が少なく、ピストン5が上死点まで上昇しても筒内の空気が充分に高温・高圧化しないため、停止時圧縮行程気筒2Cに燃料を噴射しても失火が起きるおそれがある。そこで、このような場合には、停止時圧縮行程気筒2Cではなく停止時吸気行程気筒2Dに燃料を噴射して自着火させることにより、エンジンを自動始動させる(2圧縮始動)。
上記2圧縮始動では、停止時吸気行程気筒2Dのピストン5が圧縮上死点付近に到達する2圧縮目までは、燃料噴射に基づく燃焼を行わせることができず、エンジンの自動始動に要する時間、つまり、スタータモータ34の駆動開始時点からエンジン完爆までの時間が長くなってしまう。したがって、エンジンを自動始動させる際には、できるだけ1圧縮始動によってエンジンを始動させることが好ましい。
そこで、当実施形態では、少なくとも1圧縮始動における1圧縮目の燃料噴射(停止時圧縮行程気筒2Cへの燃料噴射)の際に、複数回に分けて燃料を噴射するようにしている。具体的には、圧縮上死点付近もしくはそれ以降に噴射されるメイン噴射に加えて、このメイン噴射よりも前の予備的な噴射であるプレ噴射を行う。
上記プレ噴射による燃料は、メイン噴射に基づき主に圧縮上死点以降に生じる拡散燃焼(以下、この燃焼を「メイン燃焼」という)を確実に引き起こすために利用される。すなわち、メイン噴射よりも早い段階で、プレ噴射によって少量の燃料を噴射し、その噴射した燃料を所定の着火遅れの後に燃焼させることにより(以下、この燃焼を「プレ燃焼」という)、筒内温度・圧力を上昇させて、その後に続くメイン燃焼を促進する。
上記のようなプレ噴射を停止時圧縮行程気筒2Cに対し実行すれば、圧縮上死点付近での筒内温度・圧力を故意に高めることができるので、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置が少々上死点側に近づいても、確実に1圧縮始動によりエンジンを自動始動させることができるようになる。上記特定範囲Rxの境界である基準停止位置X(図4)は、このようなプレ噴射による着火性の改善を加味して設定されたものである。つまり、プレ噴射がなかった場合には、上記基準停止位置Xは、図4の例よりも下死点側に設定せざるを得ないが、プレ噴射によって着火性を改善することで、基準停止位置Xをより上死点側に設定することが可能になり、その結果、基準停止位置Xを、例えばBTDC90〜75°CAといった、下死点からかなり離れた位置に設定することが可能となる。これにより、特定範囲Rxが上死点側に拡大するので、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5がより高い頻度で上記特定範囲Rxに収まることとなり、1圧縮始動による迅速な自動始動を行える機会が増える。特に、当実施形態では、エンジン本体1の幾何学的圧縮比が14とかなり低く、燃料の着火性を確保しにくい状況にあるため、上記プレ噴射により始動時の着火性を改善することが、1圧縮始動の機会を増やす上で特に有効である。
より具体的に、当実施形態におけるプレ噴射は、圧縮上死点前よりも前であって、かつ噴射した燃料がピストン5冠面のキャビティ5aに収まるようなクランク角範囲内で、複数回(例えば2〜5回のいずれかの回数)実行される。これは、同じ量の燃料であれば、1回のプレ噴射で噴射し切るよりも、複数回のプレ噴射に分けて噴射した方が、キャビティ5a内にリッチな混合気を継続的に形成でき、着火遅れを短くできるからである。つまり、プレ噴射を複数回にすることで、1回あたりのプレ噴射の噴射量が減って噴霧のペネトレーション(貫徹力)が弱まるため、キャビティ5a内に留まる燃料の割合が増大する結果、キャビティ5a内の混合気がリッチになり、着火性を効果的に改善することができる。
図7は、1圧縮始動のときの1圧縮目の燃料噴射(ステップS15)の態様を例示する図である。ここでは、一例として、プレ噴射を3回実行している。具体的には、BTDC18〜10°CAの間に、プレ噴射として1回あたり2mm3の燃料を3回噴射し(下段の波形Ip)、その後、メイン噴射として、比較的多くの燃料を圧縮上死点(BTDC0°CA)で噴射している(下段の波形Im)。なお、図5のフローチャートで示したように、1圧縮目の噴射量(プレ噴射およびメイン噴射の合計の噴射量)は、筒内の当量比φが0.75になるような値に設定されるから、メイン噴射量は、このφ=0.75相当の噴射量から、プレ噴射の噴射量(2×3=6mm3)を差し引いた値として決定される。
図7の上段には、上記のような燃料噴射に伴い生じる燃焼の様子を熱発生率の変化として図示している。この図7の上段の波形から理解されるように、3回のプレ噴射(Ip)が実行されると、最後のプレ噴射の完了後、所定の着火遅れ時間が経過してから、プレ噴射された燃料の自着火によるプレ燃焼(Bp)が起きる。このプレ燃焼(Bp)は、圧縮上死点(BTDC0°CA)よりも前に生じ、その後熱発生率のピークを迎えてからいったん収束しかけるが、圧縮上死点からメイン噴射(Im)が開始されることで、そのメイン噴射された燃料の自着火によるメイン燃焼(Bm)が、引き続いて発生する。このメイン燃焼(Bm)は、プレ燃焼(Bp)によって筒内が高温・高圧化された状態で実行されるメイン噴射(Im)に基づき、ごく短い着火遅れの後に燃焼を開始する(拡散燃焼)。
なお、図7には、1圧縮始動のときに行われる1圧縮目の燃料噴射(停止時圧縮行程気筒2Cへの燃料噴射)の態様を示したが、停止時圧縮行程気筒2Cよりも後に圧縮行程を迎える気筒(停止時吸気行程2Dや停止時排気行程気筒2B)に対しても、1圧縮目と同様に、プレ噴射およびメイン噴射に基づく燃焼制御を実行することが望ましい。エンジンの自動始動時に最も着火性が厳しいのは、エンジン全体として最初の圧縮上死点を迎える1圧縮目であるが、少なくとも2圧縮目や3圧縮目についても、着火性の改善は充分ではないと考えられるからである。ただし、エンジン回転速度がある程度上昇している2圧縮目や3圧縮目においては、プレ噴射の回数を、1圧縮目のときよりも少なくすることができる。
また、上記のようなプレ噴射およびメイン噴射に基づく燃焼制御は、1圧縮目から燃料噴射による燃焼を再開する1圧縮始動のときだけでなく、2圧縮目から燃料噴射による燃焼を再開する2圧縮始動によってエンジンを始動する際にも、同様に行うことが望ましい。
(4−2)完爆後の制御
次に、図5の制御(1圧縮始動または2圧縮始動)によってエンジンが完爆に至った後に行われる制御について、図6を用いて説明する。エンジンが完爆に至った後、自動始動制御部52は、まず、アクセルペダル36が踏み込まれているか否か、つまり、車両を発進させる要求があるか否かを判定する(ステップS31)。
ここで、図5の最初のステップ(S11)で成立した再始動条件が、アクセルペダル36が踏み込まれることによって成立したものである場合、あるいは、図5の制御の途中でアクセルペダル36が踏み込まれた場合には、当然、上記ステップ31での判定はYESとなる。すると、自動始動制御部52は、通常運転へと移行し、アクセルペダル36の開度(アクセル開度)に応じた量の燃料を燃料噴射弁15から噴射する制御を実行する(ステップS41)。すなわち、アクセル開度が大きく加速要求が高いほど、燃料噴射弁15から筒内に多量の燃料を噴射してこれを燃焼させることにより、高いエンジントルクを発生させる。
一方、上記ステップS31でNOと判定されてアクセルOFFであること(車両の発進要求がないこと)が確認された場合、自動始動制御部52は、エンジン完爆後に最初に圧縮上死点を迎える気筒に燃料を噴射するタイミング、つまり、エンジン完爆後の1圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したか否かを判定する(ステップS32)。なお、当実施形態において、エンジン完爆までの燃焼回数は3回であるから、エンジン完爆後の1圧縮目とは、1圧縮始動の場合は自動始動の開始から数えて4圧縮目ということになり、2圧縮始動の場合は自動始動の開始から数えて5圧縮目ということになる。したがって、完爆後1圧縮目の燃焼を噴射する気筒は、1圧縮始動のときは停止時膨張行程気筒2Aとなり、2圧縮始動のときは停止時圧縮行程気筒2C(2順目)となる。
上記ステップS32でYESと判定されて完爆後1圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記気筒(1圧縮始動のときは停止時膨張行程気筒2A、2圧縮始動のときは停止時圧縮行程気筒2C)に対し、筒内の当量比φが0.4になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS33)。
ここで、エンジン完爆後に所定の気筒に燃料を噴射する際に設定される当量比φとは、エアフローセンサSW1によって検出される実際の吸気流量(吸気充填量)と、燃料噴射弁15からの燃料噴射量とから求まる当量比である。これに対し、図5に示した完爆前の制御では、エアフローセンサSW1による実測値によらず、筒内の理論上の空気量に基づき当量比φを求めたが、これは、エンジンの完爆前は回転速度が遅く、エアフローセンサSW1を用いても正確な空気量が分からないためである。
上記ステップS33で燃料噴射を実行した後、自動始動制御部52は、アクセルペダル36が踏み込まれているか否かを判定し(ステップS34)、その判定がYESであれば、アクセル開度に応じた燃料を噴射する通常運転に移行する(ステップS41)。
一方、上記ステップS34でNOと判定されてアクセルOFFであること(車両の発進要求がないこと)が確認された場合、自動始動制御部52は、エンジン完爆後の2圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したか否かを判定する(ステップS35)。なお、当実施形態において、完爆後の2圧縮目とは、自動始動の開始から数えて5圧縮目(1圧縮始動の場合)、または6圧縮目(2圧縮始動の場合)であり、燃料噴射の対象となる気筒は、1圧縮始動のときが停止時圧縮行程気筒2C(2順目)となり、2圧始動のときが停止時吸気行程気筒2D(2順目)となる。
上記ステップS35でYESと判定されて完爆後2圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記気筒(2Cまたは2D)に対し、筒内の当量比φが0.3になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS36)。
次いで、自動始動制御部52は、アクセルペダル36が踏み込まれているか否かを判定し(ステップS37)、その判定がYESであれば、アクセル開度に応じた燃料を噴射する通常運転に移行する(ステップS41)。
一方、上記ステップS37でNOと判定されてアクセルOFFであること(車両の発進要求がないこと)が確認された場合、自動始動制御部52は、エンジン完爆後の3圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したか否かを判定する(ステップS38)。なお、当実施形態において、完爆後の3圧縮目とは、自動始動の開始から数えて6圧縮目(1圧縮始動の場合)、または7圧縮目(2圧縮始動の場合)であり、燃料噴射の対象となる気筒は、1圧縮始動のときが停止時吸気行程気筒2D(2順目)となり、2圧始動のときが停止時排気行程気筒2B(2順目)となる。
上記ステップS38でYESと判定されて完爆後3圧縮目の燃料噴射タイミングが到来したことが確認された場合、自動始動制御部52は、上記気筒(2Dまたは2B)に対し、筒内の当量比φが0.25になるような量の燃料を噴射し、その燃料を自着火により燃焼させる制御を実行する(ステップS39)。
次いで、自動始動制御部52は、アクセルペダル36が踏み込まれているか否かを判定し(ステップS40)、その判定がYESであれば、アクセル開度に応じた燃料を噴射する通常運転に移行する(ステップS41)。
一方、上記ステップS40でNOと判定されてアクセルOFFであること(車両の発進要求がないこと)が確認された場合、自動始動制御部52は、エンジンをアイドリング状態で運転する制御を実行する(ステップS42)。具体的には、当量比φが0.1〜0.2程度になるような少量の燃料を筒内に噴射することにより、エンジンの回転速度を所定のアイドリング速度に維持する。なお、アイドリング速度としては、例えば、800rpm付近の適宜の値に設定される。
図8は、以上のような図5、図6のフローチャートに基づき実行されたエンジンの自動始動制御において、各燃焼回で設定される筒内の当量比の変化を示す図である。なお、この図8では、アクセルON以外の要件(例えばブレーキOFFや、エンジン停止時間やエアコンに関する要件)でエンジンの再始動条件が成立し、エンジンの完爆後においてもしばらくの間はアクセルペダル36が踏み込まれなかった場合の当量比φの変化を示している。また、図8の横軸に示す「燃焼回」は、1圧縮始動、2圧縮始動にかかわらず、最初に行われる燃焼を1回目の燃焼とした場合のものである。したがって、燃焼回数=1,2,3‥‥は、1圧縮始動であれば1圧縮目、2圧縮目、3圧縮目‥‥の燃焼であり、2圧縮始動であれば2圧縮目、3圧縮目、4圧縮目‥‥の燃焼である。
図8に示すように、当実施形態では、1回目から3回目までの燃焼(つまり1圧縮始動のときの1〜3圧縮目の燃焼、または2圧縮始動のときの2〜4圧縮目の燃焼)の際に、当量比φが0.75→0.85→0.9と徐々に増やされており、この3回の燃焼によって完爆に至った後は、アクセルONによる車両の発進要求がない限り、当量比φが0.4→0.3→0.25と徐々に減らされ、7回目の燃焼からは、アイドリング運転用の当量比(φ=0.1〜0.2)に設定される。
図9は、上記図8の当量比の設定に基づき自動始動されたエンジンの挙動を示す図である。なお、この図9は、1圧縮目から燃料を噴射して燃焼させる1圧縮始動を例に挙げて、エンジンの回転速度の時間変化を図示している。
図9では、時点t0でスタータモータ34によるエンジンの回転駆動が始まっており、その後の時点t1、t2,t3で、1圧縮目、2圧縮目、3圧縮目の圧縮上死点(1TDC、2TDC、3TDC)を迎えている。図9のような1圧縮始動では、1圧縮目から燃料が噴射されて燃焼が再開され、エンジン回転速度が上昇している。具体的には、1圧縮目、2圧縮目、3圧縮目において、図8に示したようにφ=0.75〜0.9という比較的リッチな当量比での燃焼が行われることにより、エンジン回転速度が徐々に上昇し、3圧縮目での燃焼が行われた後の時点t4で完爆速度Nx(700〜800rpm)に到達している。以下では、このような1〜3圧縮目での燃焼制御のように、エンジンが完爆に至る前(時点t4より前)に比較的大きい当量比での燃焼によってエンジン回転速度を上昇させるプロセスのことを、「増速工程」と称する。
一方、エンジンが完爆速度Nxに至った時点t4よりも後では、4圧縮目、5圧縮目、6圧縮目(時点t4よりも後の波形における1〜3番目の谷の部分)の燃焼時において、図8に示したように当量比φが0.4〜0.25に減らされることにより、エンジン完爆後の回転速度の上昇が抑えられている。具体的に、エンジン完爆後(時点t4〜)の回転速度は、完爆速度Nxの近傍で上下に波打ちながら変化し、時点t5以降において、完爆速度Nxに近い値であるアイドリング速度(800rpm付近)へと収束している。この時点t5以降(7圧縮目以降の燃焼時)においては、当量比φが、アイドリング速度を維持するのに必要な最小限の値(φ=0.1〜0.2)に設定される。以下では、上記のようにエンジン完爆からアイドリング状態への移行までの間(時点t4〜t5)に当量比を減らしてエンジン回転速度の上昇を抑制するプロセスのことを、「安定化工程」と称する。
なお、図9では1圧縮始動によるエンジン自動始動を行ったときのエンジンの挙動を示したが、2圧縮始動のときは、1圧縮始動のときと異なり、最初の燃料噴射(燃焼)が2圧縮目になる。すなわち、2〜4圧縮目にφ=0.75〜0.9での燃焼が行われて回転速度が上昇し、それによってエンジンが完爆に至った後、5圧縮目以降のφ≦0.4での燃焼によって回転速度が安定化される。このため、2圧縮始動の場合は、4圧縮目までの燃焼制御が増速工程に該当し、5圧縮目から7圧縮目までの燃焼制御が安定化工程に該当することになる。
(5)強制始動時の制御
次に、エンジンを強制始動させるとき、つまり、車両に搭乗した乗員がエンジン始動のための所定の操作を行うことで開始されるエンジン始動について説明する。
エンジンの強制始動時には、一般に、スタータモータ34により1回転以上エンジンを強制的に回転させた後で、燃料リッチな環境での燃焼を行わせることでエンジンを始動させる。このように、最初の燃料噴射(燃焼)までに1回転以上の強制回転(スタータモータ34による回転)が必要なのは、エンジンの強制始動は、システムが一旦シャットダウンされて気筒判別情報が無効になった状態から行われるので、新たに気筒判別を行うために少なくとも1回転以上のエンジン回転が必要だからである。
図10は、エンジンの強制始動時における当量比の設定例(燃焼回に応じた当量比の変化)を示す図であり、図11は、図10の当量比の設定に基づき強制始動されたエンジンの挙動を示す図である。これらの図に示される例では、時点t0でスタータモータ34の駆動が開始されて、1圧縮目、2圧縮目を超えるまではスタータモータ34の駆動力によってのみエンジンを回転させるクランキングが継続される。この間は、燃料噴射が行われず、燃焼が起きないので、エンジン回転速度はそれほど上昇しない。その後、時点t11で3圧縮目の圧縮上死点(3TDC)に至ったときに、初めて燃料噴射に基づく燃焼が開始されて、エンジン回転速度が実質的に上昇を始める。このときの燃料の噴射量は、理論空燃比(φ=1)もしくはその近傍に設定される。
3圧縮目での初回燃焼の後は、リッチ環境下での燃焼がさらに4回行われる。すなわち、図10および図11の例では、3圧縮目(時点t11)から7圧縮目(時点t12)まで、理論空燃比(φ=1)もしくはその近傍に相当する量の燃料を噴射して燃焼させる制御が5回繰り返される。これにより、エンジン回転速度は、エンジンの自動始動時における完爆速度Nx(700〜800rpm)を大幅に超えて、最終的に時点t13でのピーク速度(例えば1000〜1500rpm)まで上昇する。
上記のように、回転速度を必要以上に上昇させる目的は、エンジンが始動したことを乗員に確実に認識させるためであり、また、商品性上の演出のためでもある。なお、以下では、エンジンの強制始動時に理論当量比(φ=1)近傍での燃焼を多数回行って回転速度を大幅に上昇させる期間(時点t0〜t13)のことを、「吹き上がり期間」と称する。なお、この吹き上がり期間中に実行されるφ=1近傍での燃焼の回数は、強制始動前のエンジンの状態によっては5回にならないこともあり得るが、少なくともエンジンの自動始動時における増速工程での燃焼回数(当実施形態では3回)よりは多くされる。
上記吹き上がり期間が終了した後は、当量比φが大幅に減らされる。図10の例では、吹き上がり期間終了後の1回目の燃焼(初回の燃焼から数えて6回目の燃焼)時に、当量比φが0〜0.1(0以上0.1以下)に設定され、その後の燃焼においても、当量比φは0.1〜0.2程度の小さい値とされる。特に、吹き上がり期間終了後の1回目の燃焼で、当量比φが0〜0.1(φ=0は燃料の噴射を停止する燃料カットを意味する)という極端に小さい値に設定されるのは、エンジンの強制始動では、φ=1近傍での燃焼が多数回繰り返されて回転速度が一旦大幅に上昇するので、その期間(吹き上がり期間)の終了直後は燃料をほとんど噴射する必要がないからである。
(6)作用等
以上説明したように、当実施形態では、所定の条件下で自動的にエンジンを停止させたり始動させたりする、いわゆるアイドルストップ機能を有した車載用のディーゼルエンジンにおいて、次のような特徴的な構成を採用した。
エンジンが自動停止した後、所定の再始動条件が成立すると、ECU50の自動始動制御部52は、圧縮行程で停止していた停止時圧縮行程気筒2Cのピストン停止位置が相対的に下死点寄りの特定範囲Rx(図3)にあるか否かを判定し、その判定結果に応じて、上記停止時圧縮行程2Cが圧縮上死点を迎える1圧縮目から燃焼を再開する1圧縮始動、または、吸気行程で停止していた停止時吸気行程気筒2Dが圧縮上死点を迎える2圧縮目から燃焼を再開する2圧縮始動を行う。
上記停止時圧縮行程2Cまたは停止時吸気行程気筒2Dでの最初の燃焼の後は、いずれかの気筒が圧縮上死点を迎える度に燃焼が繰り返されるが、最初の燃焼を含めた合計3回分の燃焼は、当量比φ=0.75〜0.9という比較的リッチな環境下での燃焼とされ、それによってエンジン回転速度が所定の完爆速度Nx(700〜800rpm)まで上昇させられる(増速工程)。一方、この増速工程の後、車両の発進要求(アクセルON)がなかった場合には、当量比φが増速工程のときよりも小さくなるように設定された少量の燃料が噴射されることにより、エンジン回転速度の上昇が抑制され、回転速度は上記完爆速度Nxに近いレベルに維持される(安定化工程)。
上記増速工程で実行される燃焼の回数(3回)は、エンジンの強制始動時の初期段階において回転速度が上昇する期間である吹き上がり期間中に実行される燃焼回数(5回)よりも少なくされる。また、上記安定化工程に移行した後(エンジンの完爆後)の燃料噴射に基づく当量比φは、例えば完爆後の1回目、2回目、3回目の燃焼のときでφ=0.4、0.3、0.25であり、これらの値は、いずれも、上記増速工程中の当量比(φ=0.75〜0.9)に比べてかなり小さいものの、エンジンの強制始動時において吹き上がり期間が終了した後に実行される燃料噴射に基づく当量比(φ=0〜0.1)よりは大きく設定される。
以上のような上記実施形態の構成によれば、自動停止したエンジンを再始動させるエンジンの自動始動の際に、吹き上がりを抑制しつつ迅速かつスムーズにエンジンを始動させることができるという利点がある。
すなわち、上記実施形態では、エンジンの自動始動の際に、強制始動時の吹き上がり期間中に実行される燃焼回数よりも少ない回数(3回)だけ、当量比φ=0.75〜0.9という比較的リッチな環境下での燃焼を行わせるとともに(増速工程)、その後に車両の発進要求がない限り当量比φを小さくして燃焼エネルギーを低下させるようにしたため(安定化工程)、回転速度を迅速に上昇させてエンジンを完爆に至らせつつ、強制始動時の吹き上がり期間で起きるような回転速度の過上昇を抑制することができ、エンジンをアイドリング状態へとスムーズに移行させることができる。このため、エンジン自動始動時の騒音を低減できるとともに、増速工程の終了直後に車両の発進要求(アクセルON)があったような場合でも、車両が唐突に飛び出すことがなく、車両の安全性や乗り心地を効果的に向上させることができる。
また、エンジン完爆後の安定化工程で行われる燃焼時の当量比(φ=0.4〜0.25)が、エンジン強制始動時の吹き上がり期間の直後に設定される極小さな当量比φ(=0〜0.1)よりは大きく設定されるため、エンジンが完爆した直後に回転速度が過度に低下してしまうことが防止される。このため、エンジン回転速度が安定する前に激しく回転速度が波打つような事態を確実に回避することができ、よりスムーズなエンジンの自動始動を図ることができる。
また、上記実施形態では、自動始動時の増速工程に対応する1〜3回目の燃焼で、筒内の当量比φ(つまり1圧縮始動のときの1〜3圧縮目の当量比、または2圧縮始動のときの2〜4圧縮目の当量比)を0.75〜0.9に設定する一方、安定化工程に対応する4回目以降の燃焼時の当量比φを0.4未満に設定した。このような構成によれば、増速工程中に設定される比較的リッチな当量比での燃焼によってエンジンを迅速に完爆速度まで上昇させることができるとともに、完爆後の当量比を急減させることにより、回転速度が必要以上に上昇するエンジンの吹き上がりを確実に防止することができる。
なお、増速工程中の当量比(φ=0.75〜0.9)については、始動の迅速性のみを求めるのであれば、理論当量比(φ=1)に一律に設定するという考え方も当然あり得る。しかしながら、増速工程中は、エンジン回転速度が充分に上昇していないため、ピストン5が空気を圧縮している最中に当該空気がピストン5とシリンダー壁面との隙間から外部に漏れ出るという現象が起き易い。このため、増速工程中にピストン5が圧縮上死点まで到達した気筒においては、筒内の実際の空気量が理論上の空気量よりも減少していると考えられる。しかしながら、上記実施形態では、上記(4−1)で説明したとおり、増速工程中に燃料噴射量を決定する際に、目標とする当量比φを理論上の空気量(圧縮中の漏れを考慮しなかった場合の空気量)に基づいて算出しているので、仮に、理論当量比(φ=1)に相当する量の燃料を噴射したとすると、実際の空気量に対しては過剰な燃料が供給されてしまい、燃費やエミッション性の悪化を招くおそれがある。
そこで、上記実施形態では、増速工程中の当量比φを、理論上の空気量ベースで0.75〜0.9に設定するようにした。これにより、回転速度が充分に上昇していないために圧縮空気が外部に漏れ易い増速工程中において、空気漏れを考慮した適正な量の燃料が供給されるため、供給燃料が過剰になることによるHCやCOの増大を抑制できるとともに、燃費の悪化を効果的に防止することができる。
特に、上記実施形態では、増速工程中の当量比φを、燃焼回数が進むにつれて0.75→0.85→0.9と徐々に増やすようにしたため、エミッション性を悪化させない範囲で、エンジンの自動始動の迅速化を図ることができる。すなわち、エンジン回転速度が徐々に増大すると、それに伴い圧縮空気の外部への漏れ量が少なくなるため、燃料過多にならない上限の当量比φは、圧縮回数を重ねるほど(気筒順に燃焼が進むにつれて)大きくなるはずである。そこで、これに合わせて当量比φを徐々に増大させることにより、燃料過多によるエミッション性の悪化等を防止しつつ、エンジンの自動始動に要する時間(自動始動時間)を効果的に短縮することができる。
なお、上記実施形態では、エンジン自動始動時の増速工程において、1〜3回目の燃焼時に設定される理論上の当量比φ(1圧縮始動時の1〜3圧縮目の当量比、および2圧縮始動時の2〜4圧縮目の当量比)を、0.75→0.85→0.9と徐々に増大させるようにしたが、増速工程中の各回の当量比φは、0.7以上1.0未満であれば適宜変更可能である。また、上記実施形態では、エンジン完爆後の安定化工程での当量比φ(自動始動の開始から数えて4〜6回目の燃焼時の当量比)を、0.4→0.3→0.25と徐々に減少させるようにしたが、安定化工程中の各回の当量比は、0.1以上0.5未満であれば適宜変更可能である。例えば、自動始動時の回転速度の変化を実測値に基づき調べ、それを当量比の設定値に反映するフィードバック制御を行ったような場合には、上記各工程での当量比は、エンジン回転速度の実測値に対応してある程度の幅で変動し得る。ただし、いずれの場合でも、安定化工程中の当量比φが増速工程中の当量比φよりも小さくなることに変わりはない。
また、上記実施形態では、エンジン自動始動時の増速工程中に設定すべき当量比φを、圧縮中の空気漏れを考慮しない理論上の空気量に基づいて算出し、その理論上の当量比φが0.75〜0.9になるように噴射量を決定したが、例えば筒内の圧力を検出する筒内圧センサがエンジンに備わる等の事情により、増速工程中の筒内の空気量を正確に検出することが可能である場合には、その正確な空気量に基づき当量比φを算出してもよい。このようにして算出された当量比φは、実際の値とほとんど変わらないと考えられるので、増速工程中は、当量比φを必ずしも1.0(理論当量比)よりも小さくする必要はなく、1.0もしくはこれよりもやや大きい値に設定することも可能である。したがって、当量比φの求め方によっては、増速工程中の当量比φの上限値が1.0以上になることもあり得る。
また、上記実施形態では、エンジン自動始動時の安定化工程中に設定される当量比(φ=0.4,0.3,0.25)が、いずれも、エンジンの強制始動時に吹き上がり期間が終了してから1回目に噴射される燃料に基づく当量比(φ=0〜0.1)よりも大きかったが、少なくとも安定化工程に移行した後の1回目の当量比が、強制始動時の吹き上がり期間終了直後の当量比よりも大きければよく、安定化工程移行後の2回目以降の当量比については必ずしもこの限りではない。
また、上記実施形態では、エンジンの自動始動時に回転速度を完爆速度Nxまで上昇させるのに必要な燃焼回数(増速工程中に実行される燃焼回数)が3回であったが、完爆までの燃焼回数は、当量比φの設定の仕方やエンジンの緒元が異なれば当然変わり得る。ただし、過剰な回転速度の上昇(エンジンの吹き上がり)を抑制する観点からすれば、上記の燃焼回数(自動始動時の完爆までの燃焼回数)は、少なくとも、エンジン強制始動時の吹き上がり期間中の燃焼回数よりは少なく設定される。
また、上記実施形態では、エンジン本体1のクランク軸7がトルクコンバータ102を介して自動変速機101と連結されたAT車を例に挙げて本発明の好ましい形態を説明したが、本発明の構成は、AT車だけでなく、クランク軸7がクラッチを介して手動変速機に連結されたMT車にも適用することができる。たたし、MT車の場合には、比較的大きな質量をもったフライホイールがクランク軸7の一端に取り付けられるため、そのフライホイールの慣性の影響で、エンジン始動時に回転速度が上昇する速度は若干遅くなる。このため、自動始動時の増速工程において、回転速度を完爆速度Nxまで上昇させるのに必要な燃焼回数は、AT車を前提とした上記実施形態での燃焼回数(3回)と比べて多くなる。
図12は、ディーゼルエンジンが搭載される車両がMT車である場合に、エンジン自動始動時の当量比φがどのように設定されるかを例示する図である。本図に示すように、MT車の場合は、比較的大きな当量比(図例ではφ=0.75〜0.9)での燃焼によりエンジン回転速度を上昇させる増速工程での燃焼回数が5回に設定されており、その後の6回目の燃焼から、当量比φを0.5未満に減らす安定化工程に移行している。
このように、MT車の場合は、増速工程中の燃焼回数が、AT車の場合(3回)よりも多い5回に設定される。ただし、MT車では、エンジンの強制始動時の吹き上がり期間中の燃焼回数も、AT車の場合(5回)よりも多くされるので(例えば7回)、自動始動時の増速工程中の燃焼回数が強制始動時の吹き上がり期間中の燃焼回数よりも少なくなるという傾向は、AT車でもMT車でも同じである。
また、上記実施形態では、幾何学的圧縮比が14のエンジン本体1を備えたディーゼルエンジンを例に挙げて本発明の好ましい形態を説明したが、当然ながら、本発明の構成を適用可能なエンジンは、幾何学的圧縮比が14のものに限られない。エミッション性および着火性の確保等の観点からすれば、本発明を好適に適用可能なディーゼルエンジンは、幾何学的圧縮比が12以上16未満のディーゼルエンジンであり、より好ましくは、幾何学的圧縮比が13以上15以下のディーゼルエンジンである。
また、本発明は、圧縮自己着火式のエンジンであれば、上記実施形態のようなディーゼルエンジン(軽油を自着火により燃焼させるエンジン)に限らず適用可能である。例えば、最近では、ガソリンを含む燃料を高圧縮比で圧縮して自着火させるタイプのエンジンが研究、開発されているが、このような圧縮自己着火式のガソリンエンジンに対しても、本発明にかかる自動停止・始動制御を好適に適用することができる。