(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装置が適用された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。
ここで、図示のような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が圧縮行程であれば、3番気筒2C、4番気筒2D、2番気筒2Bは、それぞれ、吸気行程、排気行程、膨張行程となる。
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。
具体的に、上記クランクプレート25の外周部には、一定ピッチで並ぶ多数の歯25aが突設されており、その外周部における特定の基準位置には、歯25aが複数枚省略された歯欠け部25bが形成されている。そして、このように基準位置に歯欠け部25bを有したクランクプレート25が回転し、それに基づくパルス信号(歯25aの有無によるON/OFF信号)が上記クランク角センサSW2から出力されることにより、クランクシャフト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。
図2は、エンジンの運転中にクランク角センサSW2から出力されるパルス信号を示している。本図に示すように、クランク角センサSW2からのパルス信号の中には、上述したクランクプレート25の歯欠け部25bに対応して、360°CAごとに生成される無信号部Pが含まれる。つまり、上記歯欠け部25bにおいて省略された歯の数の分だけパルス信号が発生しないために、所定期間にわたって信号のない無信号部Pが生じる。歯欠け部25bにおける歯の省略数は、5もしくはそれ以上になるのが一般的であるから、例えば歯25aのピッチ角度(隣接する歯25aどうしの角度間隔)が6度であるとすれば、少なくともクランク角にして30度以上は無信号部Pが生じることになる。
上記無信号部Pは、2サイクルに1回の頻度で生成される。例えば、1番気筒2A、4番気筒2Dの場合では、当該気筒が圧縮行程または排気行程になったときにのみ、無信号部Pが生成される。なお、当実施形態では、気筒2A,2Dにおける圧縮行程または排気行程の前半のいずれかの時期(図2の区間Sの間)に上記無信号部Pが形成されるようになっている。
図1に示すように、上記シリンダヘッド4には、動弁用のカムシャフト(図示省略)の角度を検出するためのカム角センサSW3が設けられている。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、気筒判別用のパルス信号を出力する。
すなわち、エンジンの運転中に上記クランク角センサSW2から出力されるパルス信号の中には、上述した歯欠け部25bに対応して、360°CAごとに無信号部(図2のP部)が生成されるが、その情報だけでは、クランク角を知ることはできても、どの気筒が何行程にあるのか(気筒判別)を認識することができない。そこで、720°CAごとに1回転するカムシャフトの回転に基づきカム角センサSW3からパルス信号を出力させ、その信号が出力されるタイミングと、上記クランク角センサSW2の無信号部Pのタイミング(歯欠け部25bの通過タイミング)とに基づいて、気筒判別を行うようにしている。
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であり、本発明にかかる制御手段として機能するものである。
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〜SW8)からの情報も入力される。すなわち、車両には、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SW5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SW6と、車両の走行速度(車速)を検出するための車速センサ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とが設けられている。ECU50は、これら各センサSW5〜SW8からの入力信号に基づいて、アクセル開度、ブレーキの有無、車速、バッテリの残容量といった情報を取得する。
上記ECU50は、上記各センサSW1〜SW8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。具体的に、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、または再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再始動制御に関する機能的要素として、自動停止制御部51および再始動制御部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、上記再始動制御部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、エンジンを再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のフローチャートおよび図4のタイム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、アクセル開度センサSW5、ブレーキセンサSW6、車速センサSW7、およびバッテリセンサSW8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、アクセル開度、ブレーキの有無、車速、バッテリの残容量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)。なお、図4のタイムチャートでは、自動停止条件が成立した時点をt1、その後吸気絞り弁30の開度を低下させ始める時点をt2としている。
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を全閉(0%)にした後、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。なお、図4のタイムチャートでは、吸気絞り弁30が全閉になった時点をわずかに過ぎた時点t3で、燃料カットが実行されている。
上記燃料カットを実行した後は、図4の時点t3以降におけるエンジン回転速度の波形に示すように、エンジンは一時的に惰性で回転する。具体的に、エンジン回転速度は、4つの気筒2A〜2Dのいずれかが圧縮上死点(圧縮行程と膨張行程の間の上死点)を迎える度に一時的に落ち込み、圧縮上死点を越えた後に再び上昇するというアップダウンを繰り返しながら徐々に低下していく。
図4の時点t4は、エンジンがその停止動作中に最後に迎える上死点である最終TDCのタイミングを示している。この最終TDCを超えた後、エンジンは、一度も上死点を超えることなく(一時的にはピストンの揺れ戻しにより逆回転もしながら)、時点t5において最終的に完全停止に至る。なお、図4において、エンジン停止時の各気筒2A〜2Dのサイクル(最終TDCの時点t4以降の気筒サイクル)は、1番気筒2Aが圧縮行程、3番気筒2Cが吸気行程、4番気筒2Dが排気行程、2番気筒2Bが膨張行程となっている。
上記ステップS4で燃料カットを実行した後、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、つまりエンジンが完全停止したか否かを判定する(ステップS5)。そして、ここでYESと判定されてエンジンが完全停止していることが確認された場合に、自動停止制御部51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。
図5は、図4のタイムチャートにおけるエンジン回転速度およびクランク角の波形を部分的に拡大して示すとともに、圧縮行程となる気筒の番号(圧縮行程気筒No.)の変化を示す図である。なお、図4では、最終的に圧縮行程で停止する気筒が1番気筒2Aであったので、図5において、最終TDCを迎える時点t4以降の圧縮行程気筒No.は、「1」(1番気筒2A)となる。また、最終TDC(時点t4)以前の圧縮行程気筒No.については、最終TDCの1つ前の上死点から最終TDCまでが「2」(2番気筒2B)、最終TDCの2つ前から1つ前の上死点までが「4」(4番気筒2D)、最終TDCの3つ前から2つ前の上死点までが「3」(3番気筒2C)となる。
図5に示すように、1番気筒2Aが圧縮行程となる時点t4以降のクランク角の波形(つまりクランク角センサSW2による検出角度)には、破線で丸く囲って示すように、クランク角が大きくジャンプする部分が生じる。また、時点t4より前に遡ると、同様の現象は、1サイクル飛ばして遡るごとに(つまり2サイクルに1回)見られることが分かる。これは、クランクプレート25の歯欠け部25bに対応したものである。
すなわち、先に図2を用いて説明したように、クランク角センサSW2からのパルス信号の中には、クランクプレート25の歯欠け部25bに対応して、360°CAごとに無信号部Pが生じる。この無信号部Pは、1番気筒2Aまたは4番気筒2Dが圧縮行程にあるときに生成されるので、これに対応して、図5においては、時点t4以降の最後のサイクルと、そのサイクルの2つ前、4つ前‥‥の各サイクルに、クランク角のジャンプ現象(破線で丸く囲んだ部分)が見られる。なお、このジャンプ現象を示す部分以外の細かな段差は、クランクプレート25に形成された歯25aのピッチ角度(隣接する歯25aどうしの角度間隔)に起因するものである。つまり、歯25aのピッチ角度がαであるとすれば、クランク角センサSW2からはこのピッチ角度αごとにパルス信号が出力されるため(図2参照)、クランク角センサSW2による検出角度も、上記ピッチ角度αごとに段階的に認識されることになる。
ここで、上記無信号部Pに起因したクランク角のジャンプ現象が見られるクランク角の範囲を無信号角度範囲Hとし、その上限および下限の角度をそれぞれV2、V1とする。図5の例では、見かけ上は、停止時に圧縮行程にある1番気筒2Aのピストン5が、角度V1の位置で停止したことになっている。しかしながら、角度V1〜V2(無信号角度範囲H)ではクランク角センサSW2からのパルス信号が得られず、正確なクランク角を認識できない。このため、実際には、上記気筒2Aのピストン5は、角度V1に限らず、角度V1〜V2の間のいずれかの位置で停止している可能性がある(破線で示すWの波形参照)。なお、当実施形態において、無信号角度範囲Hは、圧縮行程の前半、つまり、下死点(BDC)から下死点後(ABDC)90°CAまでの範囲に含まれている。
圧縮行程で停止した気筒(以下、停止時圧縮行程気筒という)の正確なピストン停止位置が分からないという上記のような問題は、停止時圧縮行程気筒が4番気筒2Dであった場合にも、同様に発生する。これは、図2に示した無信号部Pが、1番気筒2Aだけでなく、4番気筒2Dが圧縮行程であるときにも生成されるからである。
一方、停止時圧縮行程気筒が2番気筒2Bまたは3番気筒2Cであれば、上記のような問題は生じない。これは、図2に示したように、2番気筒2Bまたは3番気筒2Cが圧縮行程であるときには、無信号部Pが生じないからである。
図6は、停止時圧縮行程気筒が3番気筒2Cであった場合の図5相当図である。本図において、3番気筒2Cのピストン停止位置(クランク角)は角度V1となっているが、このことは、実際のピストン停止位置も角度V1であることを意味する。つまり、停止時圧縮行程気筒が3番気筒2Cである場合は(2番気筒2Bでも同様)、クランク角センサSW2からのパルス信号が圧縮行程中の全角度範囲において得られるため、図5に示したような無信号角度範囲Hの影響はなく、正確なピストン停止位置を知ることができる。もちろん、より厳密には、クランクプレート25における歯25aのピッチ角度αの存在により段階的にしかクランク角を認識できないが、それでも、上記無信号角度範囲H(歯25aが複数枚省略された歯欠け部25bに対応する範囲)にわたってクランク角を認識できない図5のケースに比べれば、その影響は微小である。
以上のように、当実施形態において、1番気筒2Aまたは4番気筒2Dが圧縮行程で停止した場合には、クランク角の検出角度が大きくジャンプしてしまう上記無信号角度範囲Hの存在により、正確なピストン停止位置を認識できないという事態が生じ得る。つまり、1番気筒2Aまたは4番気筒2Dのピストン5が無信号角度範囲Hの中のいずれかの位置で停止したとしても、無信号角度範囲Hの境界である角度V1で停止したとしか認識できず、正確なピストン停止位置を認識することができない。
このような特定の気筒(1番気筒2Aまたは4番気筒2D)のピストン停止位置が正確に認識できない可能性があるという問題は、エンジンの再始動時に考慮する必要があるが、その対策の具体的内容は、次の「(4)再始動制御」の中で説明する。
(4)再始動制御
次に、上記ECU50の再始動制御部52により実行されるエンジンの再始動制御の具体的内容について、図7のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートに示す処理がスタートすると、再始動制御部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(つまり車室内の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、上記再始動制御部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停止時圧縮行程気筒(図4では1番気筒2A)のピストン停止位置を、クランク角センサSW2に基づき特定し、その特定したピストン停止位置が、図10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、図10の基準停止位置Xは、当実施形態では、上死点と下死点との間の中間位置の近傍であって、少なくとも上述した無信号角度範囲Hの上限角度V2と同一もしくはこれよりも上死点側に設定される。例えば、無信号角度範囲Hが圧縮行程の前半に設定されており、その上限角度V2がABDC90°CA以下である場合、上記基準停止位置Xとしては、ABDC90〜105°CAのいずれかの位置に設定することができる。
上記ステップS12でNOと判定されて停止時圧縮行程気筒のピストン5が特定範囲Rxよりも上死点側で停止していたことが確認された場合、再始動制御部52は、吸気行程で停止していた停止時吸気行程気筒(図4では3番気筒2C)に最初の燃料を噴射する2圧縮始動によってエンジンを再始動させる制御を実行する(ステップS14)。すなわち、停止時圧縮行程気筒のピストン5が上死点を超えて、次に停止時吸気行程気筒が圧縮行程を迎えるまで、燃料を噴射することなく、スタータモータ34の駆動のみによってエンジンを強制的に回転させる。そして、その時点で燃料噴射弁15から停止時吸気行程気筒に燃料を噴射し、噴射した燃料を自着火させることにより、エンジン全体として2回目の圧縮上死点を迎えるときから燃焼を再開させ、エンジンを再始動させる。
一方、上記ステップS12でYESと判定されて停止時圧縮行程気筒のピストン停止位置が基準停止位置Xよりも下死点側(特定範囲Rx)にあることが確認された場合、再始動制御部52は、停止時圧縮行程気筒(図4では1番気筒2A)に最初の燃料を噴射する1圧縮始動によってエンジンを再始動させる制御を実行する(ステップS13)。すなわち、スタータモータ34を駆動してクランク軸7に回転力を付与しつつ、燃料噴射弁15から停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射して自着火させることにより、エンジン全体として最初の圧縮上死点を迎えるときから燃焼を再開させて、エンジンを再始動させる。このような1圧縮始動によるエンジン再始動では、エンジン全体として2つ目の圧縮上死点を迎えるまで燃焼が再開されない2圧縮始動(ステップS14)のときと比べて、エンジンの再始動に要する時間、つまり、スタータモータ34の駆動開始時点からエンジンの完爆(例えば回転速度が750rpmに達する状態)までの時間が短く済み、より迅速にエンジンを再始動することができる。
上記ステップS13で1圧縮始動を行う際には、基本的に、停止時圧縮行程気筒への最初の燃料噴射として、当該気筒に存在する空気量に見合った適宜の量の燃料が噴射される。このとき、停止時圧縮行程気筒への噴射燃料を1回で完了させることも考えられるが、当実施形態では、複数回に分けて燃料を噴射する。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。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、少なくとも1回以上実行される。
上記プレ噴射により噴射された燃料は、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再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10)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10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ABDC(下死点後)90〜105°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再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。
図11は、上記ステップS13で行われる1圧縮始動のときの燃料噴射の態様を示す図である。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、ABDC162〜170°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、プレ噴射よりも多くの(少なくともプレ噴射1回分よりは多くの)燃料を圧縮上死点(ABDC180°CA)で噴射している(下段の波形Im)。また、図11の上段に示す波形(Bp,Bm)は、こ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たものである。
図11に示すように、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(ABDC180°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、圧縮上死点付近からメイン噴射(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11には、1圧縮始動を行うために停止時圧縮行程気筒に最初の燃料を噴射する際の噴射態様を示したが、上記停止時圧縮行程気筒よりも後に圧縮行程を迎える気筒についても、必要に応じて、図11と同様の、プレ噴射およびメイン噴射に基づく燃焼制御を実行してもよい。エンジン再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停止時圧縮行程気筒(図4では1番気筒2A)での燃焼であるが、少なくとも2回目や3回目の圧縮上死点を迎える後続気筒(図4では3番気筒2Cおよび4番気筒2D)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。そこで、失火を確実に防止する観点から、上記後続気筒にもプレ噴射およびメイン噴射に基づく燃焼制御を実行してもよい。
ここで、当実施形態において、停止時圧縮行程気筒が特定の気筒(1番気筒2Aまたは4番気筒2D)であった場合には、上述したとおり、その気筒のピストン停止位置を正確に把握できないケースが生じ得る。このため、1圧縮始動によってエンジンを再始動させる際には、停止時圧縮行程気筒が何番気筒であるかに応じて、最初に噴射する燃料の量の決定の仕方を変更する必要がある。この点について、1圧縮始動の具体的な制御手順を示した図8のフローチャートを用いて詳しく説明する。
図8のフローチャートに示す処理がスタートすると、再始動制御部52は、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(停止時圧縮行程気筒)が、1番気筒2Aおよび4番気筒2Dのいずれかであるのか、またはそれ以外の気筒であるのかを判定する(ステップS21)。そして、ここでYESと判定された場合(つまり1番気筒2Aまたは4番気筒2Dが停止時圧縮行程気筒である場合)、再始動制御部52は、クランク角センサSW2により検出される停止時圧縮行程気筒のピストン停止位置(クランク角)が、図5に示した角度V1であるか否かを判定する(ステップS22)。
上記ステップS21およびS22のいずれかでNOと判定された場合、つまり、停止時圧縮行程気筒が2番気筒2Bまたは3番気筒2Cであるか、もしくは、停止時圧縮行程気筒の検出クランク角が角度V1でない場合には、停止時圧縮行程気筒に噴射する最初の燃料の噴射量として、予め記憶された所定のマップから、ピストン停止位置に応じた噴射量を読み出す制御を実行する(ステップS24)。
図9は、停止時圧縮行程気筒への燃料噴射量を決定するために用いられるマップの一例を示している。本図に示すように、停止時圧縮行程気筒への噴射量(プレ噴射量およびメイン噴射量のトータルの噴射量)は、当該気筒のピストン停止位置が上死点(TDC)側にあるほど少なく設定される。なお、停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射する1圧縮始動は、当該気筒のピストン停止位置が基準停止位置Xよりも下死点側にあるときにしか実行されないので、図9に示す噴射量のデータは、下死点(BDC)から基準停止位置Xまでの間にしか設定されていない。そして、このようなマップデータに基づき、停止時圧縮行程気筒への噴射量は、基準停止位置Xに近づくほど少なく設定され、基準停止位置Xから下死点側に離れるほど多く設定されることになる。
上記のような態様で燃料の噴射量が設定されるのは、ピストン停止位置が上死点(もしくは基準停止位置X)に近いほど、停止時圧縮行程気筒の内部に存在する空気の量が少なくなるからである。すなわち、停止時圧縮行程気筒では、エンジンが完全停止した直後から、筒内の圧縮空気がピストン5とシリンダー壁面との隙間から外部に漏れ出ていくため、最終的には、筒内の圧力が大気圧になるまで筒内の空気が減少する可能性がある。そこで、このようなエンジン停止後の空気の漏れを見越して、ピストン停止位置が上死点にあるほど停止時圧縮行程気筒の空気量が少ないものとみなし、それに見合った燃料の噴射量を設定するようにしている。
また、図9では、噴射量が細かく段階的に設定されているが、これは、クランクプレート25の歯25aのピッチ角度に対応したものである。例えば、ピッチ角度が6度であるとすると、ピストン停止位置は6度刻みでしか認識できないため、これに対応して、噴射量も6度刻みで段階的に設定されている。
また、図9のマップでは、停止時圧縮行程気筒への噴射量(メイン噴射およびプレ噴射のトータルの噴射量)だけでなく、プレ噴射の回数についても、ピストン停止位置に応じて可変的に設定される。具体的に、プレ噴射の回数は、ピストン停止位置が上死点(もしくは基準停止位置X)に近いほど多く設定され、下死点に近いほど少なく設定される。例えば、最も上死点に近いケースで3回、最も下死点に近いケースで1回に設定される。
上記図9のマップに基づいて停止時圧縮行程気筒への燃料噴射量およびプレ噴射の回数が決定されると、再始動制御部52は、決定された噴射量およびプレ噴射の回数に則って、停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射する制御を実行する(ステップS25)。例えば、図9のマップから、噴射量(トータル噴射量)が25mm3でプレ噴射の回数が3回であると決定され、かつプレ噴射1回あたりの噴射量が2mm3であると予め決まっていた場合、上記ステップS25での制御では、1回あたり2mm3の量のプレ噴射が3回実行されるとともに、25−2×3=19mm3の量のメイン噴射が実行されることになる。
次に、上記ステップS22でYESと判定された場合、つまり、停止時圧縮行程気筒が1番気筒2Aまたは4番気筒2Dであり、かつ当該気筒の検出クランク角が角度V1である場合について説明する。この場合において、図9のマップをそのまま使用したとすると、停止時圧縮行程気筒(2Aまたは2D)への燃料噴射量は、角度V1に対応する噴射量Q1、より正確には角度V1〜(V1+α)の区間に対応する噴射量Q1に設定されることになる。しかしながら、検出クランク角が角度V1である場合は、図5において破線の波形Wで示したように、実際のピストン5の停止位置(クランク角)が、角度V1ではなく、角度V1〜V2(無信号角度範囲H)のうちのいずれかである可能性がある。このため、仮に噴射量をQ1に設定したとすると、実際のピストン停止位置が角度V1+αよりも上死点側であったときに、実際の空気量に対し過剰な燃料が供給されることとなり、混合気がオーバーリッチになるおそれがある。そうすると、燃焼により生じるHCの量が増大し、始動時のエミッション性を損なうことにつながる。
このような事態を回避するべく、次のステップS23では、上記角度V1ではなく、これよりも上死点寄りの角度(V2−α)〜V2の区間に対応する噴射量(したがって角度V1のときよりも少ない噴射量)が、停止時圧縮行程気筒への噴射量として設定される。すなわち、再始動制御部52は、図9に破線で示すように、無信号角度範囲Hの上限値(上死点側の限界値)である角度V2から当該角度よりもピッチ角度αだけ戻った区間、つまり角度(V2−α)〜V2の区間に対応する噴射量Q2を、上記停止時圧縮行程気筒への噴射量として読み出す。また、プレ噴射の回数についても、ピストン停止位置(クランク角)が上記区間(V2−α)〜V2であるときの回数を読み出す。そして、このようにして決定された噴射量およびプレ噴射の回数に則って、停止時圧縮行程気筒に燃料を噴射する制御を実行する(ステップS25)。
(5)作用効果等
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再始動させたりする、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。
エンジンの自動停止後、再始動条件が成立すると、ECU(エンジン制御ユニット)50の再始動制御部52は、圧縮行程で停止した停止時圧縮行程気筒のピストン5が所定の基準停止位置Xよりも下死点側(特定範囲Rx)にあるか否かを判定し、基準停止位置Xよりも下死点側にある場合には、燃料噴射弁15から停止時圧縮行程気筒に最初の燃料を噴射する1圧縮始動によってエンジンを再始動させる。この1圧縮始動の際に、停止時圧縮行程気筒に噴射される燃料の量は、基本的に、当該気筒のピストン5が上死点(もしくは基準停止位置X)に近い位置で停止しているほど少なく設定される。ただし、上記ピストン5が、クランクプレート25の歯欠け部25bに対応する無信号角度範囲H(図5の角度V1〜V2)で停止していると予想される場合、つまり、停止時圧縮行程気筒が1番気筒2Aまたは4番気筒2Dであり、かつ、クランク角センサSW2に基づくピストン5の検出位置が角度V1である場合には、図9に破線で示したように、上記停止時圧縮行程気筒(2Aまたは2D)への噴射量が、無信号角度範囲Hの中でも上死点寄りの位置に対応する噴射量Q2に設定される。
上記の構成によれば、停止時圧縮行程気筒のピストン5が基準停止位置Xよりも下死点側で停止したときには、再始動条件の成立後、停止時圧縮行程気筒に最初の燃料を噴射する1圧縮始動によって迅速にエンジンを再始動させることができる。このとき、停止時圧縮行程気筒への噴射量が、当該気筒のピストンが上死点に近いほど少なく設定されるので、筒内に残存している空気量に応じた適正量の燃料を供給することができ、再始動時の燃焼安定化、低エミッション化を図ることができる。
ただし、停止時圧縮行程気筒(2Aまたは2D)のピストン5が、クランクプレート25の歯欠け部25bに対応する位置(無信号角度範囲H)で停止していたとすると、ピストン5の停止位置をクランク角センサSW2によって正確に知ることができないため、図5において破線の波形Wで示したように、上記ピストン5の実際の停止位置が、クランク角センサSW2に基づく検出位置よりも上死点側にずれている可能性がある。そこで、上記実施形態において、停止時圧縮行程気筒(2Aまたは2D)のピストン5が上記無信号角度範囲Hで停止していると予想される場合には、当該気筒への噴射量を、無信号角度範囲Hの中でも上死点寄りの位置に対応する少なめの噴射量(噴射量Q2)に設定するようにした。これにより、筒内に残存している空気の量に対して過剰な燃料が供給される(つまり混合気がオーバーリッチになる)ことが防止されるため、燃焼により生じるHCの量を抑制でき、再始動時の低エミッション化をより確実に図ることができる。
より具体的に、上記実施形態では、図9に示すように、1圧縮始動のときに停止時圧縮行程気筒に噴射される燃料の量が、上記クランクプレート25の歯25aのピッチ角度αごとに段階的に設定される。特に、停止時圧縮行程のピストン5が上記無信号角度範囲Hで停止している場合には、停止時圧縮行程気筒への噴射量が、上記無信号角度範囲Hにおける最も上死点側の位置(角度V2)から当該位置よりも上記ピッチ角度αだけ下死点側にずれた位置(角度V2−α)までの区間に対応する噴射量Q2に一律に設定される。このようにすれば、停止時圧縮行程気筒のピストン停止位置に応じた燃料噴射量を、クランク角センサSW2による検出構造(ピッチ角度αごとに段階的にクランク角を検出する構造)に即して適正に決定できるとともに、上記無信号角度範囲Hの中でも最も上死点側の区間に対応する噴射量Q2を上記停止時圧縮行程気筒への噴射量として一律に設定することにより、噴射量を最小限に抑えて、混合気のオーバーリッチ化によるHC発生量の増大を確実に防止することができる。
また、上記実施形態では、例えば図11に示したように、1圧縮始動時の停止時圧縮行程気筒への燃料噴射として、圧縮上死点を過ぎてから熱発生率のピークを迎えるようなメイン燃焼(Bm)を起こさせるメイン噴射(Im)と、このメイン噴射の開始よりも前に熱発生率のピークを迎えるようなプレ燃焼(Bp)を起こさせるプレ噴射(Ip)とが実行される。このような構成によれば、1圧縮始動時の着火性をより改善して、エンジン始動の迅速化をさらに促進することができる。
すなわち、プレ噴射された少量の燃料は、所定の着火遅れの後に自着火により燃焼し(プレ燃焼)、停止時圧縮行程気筒の筒内温度・圧力を上昇させるため、それに引き続いてメイン噴射が実行されたときには、噴射された燃料がほどなく自着火により燃焼する(メイン燃焼)。このように、メイン噴射された燃料の着火性が、それ以前のプレ噴射(プレ燃焼)によって改善されるため、停止時圧縮行程気筒での圧縮代(上死点までのストローク量)がそれほど多くなくても、停止時圧縮行程気筒での燃焼は確実に行われる。この結果、1圧縮始動が可能なピストン停止位置範囲(特定範囲Rx)をより上死点側に拡大することができ、エンジン始動の迅速化を促進することができる。
また、上記実施形態では、図9に示したように、1圧縮始動のときに上記停止時圧縮行程気筒に対し行われるプレ噴射の回数が、当該気筒のピストン停止位置が上死点に近いほど多く設定される。このような構成によれば、停止時圧縮行程のピストン5が上死点に近いために圧縮上死点付近での筒内温度・圧力の上昇がそれほど期待できない状況でも、噴射した燃料を確実に燃焼させることができる。すなわち、ピストン停止位置が上死点に近いほどプレ噴射の回数が増やされることで、プレ噴射1回あたりの噴射量が少なくなり、噴霧のペネトレーションが抑制される。これにより、着火し易いリッチな混合気が筒内(キャビティ5aの内部)に形成されるため、着火性を効果的に改善することができ、1圧縮始動の機会をより増やすことができる。
なお、上記実施形態では、エンジンの自動停止条件または再始動条件の成立を、アクセルペダル36やブレーキペダル37の操作に関する要件を含めて判断するようにしたが、これは、主に自動変速機を搭載したAT車を念頭に入れたものである。一方、AT車でない場合、つまり、手動変速機を搭載したMT車である場合は、上記とは異なる要件を採用することができる。例えば、自動停止条件に関しては、アクセルOFFかつブレーキONという要件に代えて、手動変速機の変速段がニュートラルであり、かつクラッチペダルがリリースされていること、という要件を設定することができる。また、再始動条件に関しては、アクセルONまたはブレーキOFFという要件に代えて、クラッチペダルが踏み込まれていること、という要件を設定することができる。
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。エミッション性や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・再始動制御を好適に適用することができる。