(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。
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が突設されており、その外周部における所定範囲には、基準位置を特定するための歯欠け部25a(歯の存在しない部分)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25a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、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、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25aに対応して360°CAごとに生成される無信号部分が含まれるが、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の無信号部分のタイミング(歯欠け部25a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2のフローチャートを用いて説明する。図2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、大気圧、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のように、自動停止条件の成立判定では、車速やアクセル/ブレーキ操作だけでなく、バッテリやエアコン、エンジンの冷却水温(暖機の程度)についても考慮されるが、これは、エンジンを自動停止した後の再始動性等を考慮してのものである。例えば、エンジンが冷間状態にあったり、バッテリの残容量が極端に少ないときなどは、エンジンを自動停止させた後、エンジンを再始動させることが困難になるおそれがある。また、エアコンの負荷(つまり車室内の温度とエアコンの設定温度との差)が大きい場合も、エンジンを停止させることは適当ではない。このようなシステム上の制約から、上記自動停止条件には、バッテリやエアコン等の要件が含まれている。
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3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、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)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4のフローチャートを用いて説明する。なお、ここでの説明から明らかとなるように、当実施形態では、上記ECU50の再始動制御部52が、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5の位置を判定する判定手段としての機能と、エンジン再始動時に燃料を噴射する噴射制御手段としての機能とを兼務している。
図4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のように、再始動条件の成立判定では、アクセルペダル36またはブレーキペダル37に対する操作(つまり運転者が車両を発進させようとする操作)だけでなく、バッテリやエアコン、エンジンの冷却水温、停止時間についても考慮される。例えば、バッテリの残容量が極端に少なくなったり、エンジンの停止時間が長時間に及ぶなどしてエンジンが冷えてしまうと、エンジンを再始動させることが困難になるため、そうなる前にエンジンを再始動させる必要がある。また、車室内の温度とエアコンの設定温度との差が大きくなると、快適性が損なわれるため、エアコンを作動させるためにエンジンを再始動させる必要がある。このようなシステム上の制約から、上記再始動条件には、バッテリやエアコン等の要件が含まれている。
エンジンの再始動条件が上記のように設定されているため、再始動条件は、運転者によるアクセル/ブレーキ操作が行われた場合だけでなく、当該操作がない場合でも成立し得る。このため、再始動条件は、運転者からの発進要求に基づくものと、発進要求に基づかないものとの2種類に分類することができる。前者(発進要求に基づく再始動条件)は、運転者によるアクセル/ブレーキ操作によって成立するものであり、後者(発進要求に基づかない再始動条件)は、バッテリやエアコンの状態、もしくはエンジンの上限停止時間や冷却の程度といったシステム上の制約によって成立するものである。
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気筒、つまり図3に示した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およびカム角センサSW3に基づき特定し、その特定したピストン停止位置が、予め設定された基準停止位置Xよりも下死点側の特定範囲Rxにあるか否かを判定する(ステップS12)。
上記ステップS12でNOと判定されて停止時圧縮行程気筒2C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62は、吸気行程で停止していた停止時吸気行程気筒2D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S16)。すなわち、停止時圧縮行程気筒2C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2D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2D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、再始動制御部52は、上記ステップS11で成立した再始動条件が、運転者からの発進要求に基づき成立したものであるか否かを判定する(ステップS13)。すなわち、運転者がアクセルペダル36を踏み込むかまたはブレーキペダル37をリリースしたことによって再始動条件が成立した場合には、運転者からの発進要求に基づくものであると判定し、その他の要件(バッテリやエアコン、エンジンの上限停止時間等のシステム上の制約)によって再始動条件が成立した場合には、運転者からの発進要求に基づかないものであると判定する。
上記ステップS13でNOと判定されて運転者からの発進要求に基づく再始動条件の成立で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2C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S14)。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2C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S16)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S14で1圧縮始動を行う際には、停止時圧縮行程気筒2Cへの最初の燃料噴射として、当該気筒2C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(通常モード)。このとき、停止時圧縮行程気筒2C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。
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3)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3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。
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5は、上記ステップS14で行われる通常モードによる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、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、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(BTDC0°CA)で噴射している(下段の波形Im)。また、図5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5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(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5には、1圧縮始動を行うために停止時圧縮行程気筒2C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2C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5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(以下、「1圧縮TDC」という)を迎える停止時圧縮行程気筒2C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(以下、「2圧縮TDC」、「3圧縮TDC」という)を迎える気筒2D、2B(図3参照)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、上記気筒2D,2B等(以下、「後続気筒」という)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。
ただし、上記後続気筒が圧縮上死点を迎える2圧縮TDC、3圧縮TDC‥‥では、停止時圧縮行程気筒2Cが圧縮上死点を迎える1圧縮TDCのときよりもエンジン回転速度が速いため、上記後続気筒へのプレ噴射の回数等は、停止時圧縮行程気筒2Cへのそれと必ずしも同一にする必要はない。例えば、停止時圧縮行程気筒2Cへのプレ噴射の回数が3回である場合、2圧縮TDC、3圧縮TDC‥‥と進むにつれて、後続気筒へのプレ噴射の回数を2回または1回に減らすとともに、それに伴って各プレ噴射のタイミングや噴射量を調整することが考えられる。
再び図4に戻って、上記ステップS13でYESと判定された場合、つまり、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に収まっている状態で再始動条件が成立したものの、その成立が運転者からの発進要求に基づかないもの(つまりバッテリやエアコン、エンジンの上限停止時間等のシステム上の制約による再始動条件の成立)である場合に行われる制御について説明する。この場合、再始動制御部52は、停止時圧縮行程気筒2Cに対する燃料噴射量を上記通常モード(ステップS14)のときよりも減らした少噴射モードによる1圧縮始動を実行する(ステップS15)。
図6は、少噴射モードによる1圧縮始動のときの燃料噴射(停止時圧縮行程気筒2Cへの最初の燃料噴射)の態様を例示する図である。本図に示すように、少噴射モードでは、停止時圧縮行程気筒2Cに燃料を噴射する際に、プレ噴射Ipの回数および噴射量が通常モードのとき(図5)と同一にされる一方、メイン噴射Imの噴射量が減らされることにより、トータルの燃料噴射量が減らされる。例えば、通常モードのときのメイン噴射Imの噴射量が4mm3であれば、少噴射モードのときのメイン噴射Imを、2mm3以下(0〜2mm3)に設定する。なお、図6には、比較のために、通常モードのときのメイン噴射による燃料噴射率の波形を破線で示している。
図6に示したように、停止時圧縮行程気筒2Cへの燃料噴射量を減らす少噴射モードでは、当該気筒2Cでの燃焼(1圧縮TDC時の燃焼)により生じるエネルギーが小さくなり、エンジンに付与されるトルクが小さくなる。このため、図5の通常モードのときと比べて、停止時圧縮行程気筒2Cでの燃焼後、停止時吸気行程気筒2Dのピストン5が圧縮上死点に至るまでの時間(1圧縮TDCから2圧縮TDCまでの時間)は、少し長くなる。しかしながら、2圧縮TDC以降は、通常量の燃料が噴射されることにより、エンジン回転に勢いがつき、そう遅くない時間にはエンジンの完爆に至る。
(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2Cのピストン5が所定の基準停止位置Xよりも下死点側に設定された特定範囲Rx(図3(b))にあるか否かを判定し、特定範囲Rxにある場合には、燃料噴射弁15から上記停止時圧縮行程気筒2Cに最初の燃料を噴射することで、エンジンを再始動させる(1圧縮始動)。ただし、1圧縮始動のときであっても、上記再始動条件の成立が、運転者からの発進要求に基づかないものである場合、つまりバッテリやエアコン、エンジンの上限停止時間等のシステム上の制約により再始動条件が成立した場合には、停止時圧縮行程気筒2Cに対し行われる最初の燃料噴射の噴射量が、運転者からの発進要求(アクセル/ブレーキ操作)に基づく再始動条件の成立時と比べて少なく設定される。
上記の構成によれば、停止時圧縮行程気筒2Cのピストン5が相対的に下死点寄りの特定範囲Rx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2C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。ただし、ピストン停止位置が特定範囲Rxにあっても、上記再始動条件の成立が運転者からの発進要求に基づかないものである場合には、車両が停止したままエンジンが再始動されることになるため、1圧縮始動の際に通常量の燃料を噴射してしまうと、再始動時の振動が乗員にはっきり感知されるおそれがある。そこで、1圧縮始動が行われる状況(ピストン停止位置が特定範囲Rxにある場合)であっても、再始動条件の成立が運転者からの発進要求に基づかないものである場合には、停止時圧縮行程気筒2Cへの噴射量を減らした特殊なモード(少噴射モード)による1圧縮始動を実行するようにした。これにより、エンジンに最初に生じる燃焼のエネルギーが減少するため、再始動時の振動が抑制され、NVH性能(ノイズ、バイブレーション、ハーシュネスの低減効果)を向上させることができる。
上記のように1圧縮始動時の燃料噴射量を減らすことが振動の抑制につながる理由について、より詳しく説明する。
本願発明者は、1圧縮始動または2圧縮始動によってエンジンを再始動させたときに生じる振動を理解するため、クランク軸7に加わるトルク変動を測定し、図7のような結果を得た。本図において、実線は1圧縮始動(燃料噴射量を減らさない通常モードによる1圧縮始動)のときのトルク変動、破線は2圧縮始動のときのトルク変動である。
1圧縮始動(実線)では、停止時圧縮行程気筒2Cが圧縮上死点を迎える1圧縮TDC(エンジン全体として1回目に迎える圧縮上死点)から燃焼が起こってトルクが発生する。燃焼は、2圧縮TDC、3圧縮TDC‥‥(エンジン全体として2回目、3回目‥‥に迎える圧縮上死点)でも起こり、その度にトルクが発生する。このとき、1圧縮TDCから2圧縮TDCまでのトルク変動による振動周波数は12.0Hz、2圧縮TDCから3圧縮TDCまでのトルク変動による振動周波数は19.4Hzであった。
一方、2圧縮TDC(破線)では、停止時圧縮行程2Cが圧縮上死点を迎える1圧縮TDCでは燃焼が行われず、停止時吸気行程気筒2Dが圧縮上死点を迎える2圧縮TDCから燃焼が行われるため、1圧縮TDCにおいてクランク軸7に作用するのはスタータモータ34からのトルクだけとなり、1圧縮始動のときと比べると小さなトルクとなる。その結果、1圧縮TDCから2圧縮TDCまでの時間は1圧縮始動のときよりも長くなり、1圧縮TDCから2圧縮TDCまでの振動周波数、および2圧縮TDCから3圧縮TDCまでの振動周波数は、それぞれ、5.6Hz、16.1Hzとなった。
ここで、本願発明者の知見によると、市販されている一般的な普通乗用車では、エンジン本体1と変速機とを含むパワートレイン系の共振周波数が、おおよそ11Hz前後になる。したがって、この共振周波数(約11Hz)に近い振動がエンジン再始動時のトルク変動によって生じると、パワートレイン系のロール共振が起こり、比較的大きな振動が車室に伝達されるおそれがある。
この知見に基づいて図7を参照すると、2圧縮始動(破線)の場合は、1〜2圧縮TDC間の振動周波数(5.6Hz)、2〜3圧縮TDC間の振動周波数(16.1Hz)のいずれについても、上記パワートレイン系の共振周波数(11Hz)から大きく離れているので、ロール共振が起こる可能性はまずないと考えられる。なお、3圧縮TDC以降は、トルク変動による振動周波数がさらに高周波になるので、もちろんロール共振の心配はない。
一方、1圧縮TDC(実線)の場合は、1〜2圧縮TDC間の振動周波数が12.0Hzになる。この値は、上記パワートレイン系の共振周波数(11Hz)に近いため、ロール共振が起きる可能性が高い。もちろん、ロール共振が起きたとしても、運転者の意図(アクセル操作等)に基づきエンジンが再始動し、再始動とともに車両が発進するような場合(つまり再始動条件の成立が発進要求に基づくものである場合)には、振動が特に意識されることはなく、NVH性能はほとんど損なわれない。
一方、運転者の意図とは無関係に、車両が停止したままエンジンが再始動する場合(つまり再始動条件の成立が発進要求に基づかないものである場合)には、わずかな振動でも感知(意識)され易いため、図7の実線と同じ通常モードによる1圧縮始動を行ってしまうと、特に1〜2圧縮TDC間の12.0Hzの振動が大きく感知され、NVH性能が損なわれてしまう。
このような問題を解決するための措置として、上記実施形態では、ピストン停止位置が特定範囲Rxにあるために1圧縮TDCが行われる状況であっても、運転者からの発進要求に基づかない再始動条件の成立である場合には、少噴射モードによる1圧縮始動を実行するようにしている。少噴射モードでは、停止時圧縮行程気筒2Cへの最初の燃料噴射が少ない量に設定され、1圧縮TDCで生じる燃焼によるトルクが減少するため、1圧縮TDCから2圧縮TDCに至るまでの時間を長くでき、当該期間の振動周波数を小さくすることができる。例えば、1〜2圧縮TDC間の振動周波数を、12.0Hzから9Hz未満まで小さくすれば、パワートレイン系の共振周波数である11Hzから遠ざかるので、ロール共振を確実に回避することができる。
また、上記実施形態では、例えば図5に示したように、1圧縮始動時の燃料噴射として、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2C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2C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2C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、再始動条件の成立が発進要求に基づかないものであるために少噴射モードによる1圧縮始動が行われる場合には、図6に示したように、プレ噴射の噴射量を同一としつつメイン噴射の噴射量を減らすようにした。このような構成によれば、比較的早期に行われるプレ噴射の噴射量を同一にすることによって失火を確実に防止しながら、その後に行われるメイン噴射の噴射量を減らすことにより、停止時圧縮行程気筒2Cで生じる最初の燃焼によるトルクを低下させ、再始動時の振動を効果的に抑制することができる。
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、少噴射モードによる1圧縮始動のときに、停止時圧縮行程気筒2Cへのメイン噴射Imの噴射量のみを減らしてプレ噴射Ipの噴射量を同一としたが、停止時圧縮行程気筒2Cへのトータルの噴射量を減らすことができ、かつ失火を回避できるのであれば、どのような噴射態様に変更してもよく、例えばプレ噴射Ipとメイン噴射Imの双方の噴射量を減らしてもよい。
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。