JP6261326B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両等に搭載された内燃機関の制御装置に関する。
信号待ち等、車両の一時停車時に内燃機関のアイドル回転を停止させて燃費の向上を図るアイドリングストップシステムが周知である。
アイドリングストップシステムでは、車速が所定以下で、ブレーキペダルが踏み込まれており、冷却水温及びバッテリ電圧が十分高い、といった諸条件が成立したときに、内燃機関を自動的に停止させる。そして、アイドルストップの後、運転者がブレーキペダルから足を離す、またはアクセルペダルを踏み込む等の再始動要求があったときに、スタータモータのピニオンギアをフライホイール(MT車の場合)またはドライブプレート(AT車の場合)外周のリングギアに噛合させ、クランキングを行い機関を再始動する。
内燃機関の停止後の再始動において、内燃機関の始動をより確実なものとするために、スタータには比較的高い電圧が供給されている。一例として下記特許文献1には、内燃機関の停止後に電気負荷に供給される電流及び電圧に応じて、次回の再始動時に高い電圧をスタータに供給することが開示されている。
特開2012−255361号公報
ところで、上記特許文献1に記載の発明では以下のような状況は考慮されていない。すなわち、車両の停車中には、車両後方から強い風が吹き込む等して、排気通路に滞留していた排気ガスが上流側へと逆流することがある。内燃機関の停止中は、何れかの気筒で吸気バルブ及び排気バルブがともに開弁していることがあり、この場合には、逆流する排気ガスが吸気通路に達してしまう。すると、内燃機関の次回の始動の際、気筒の燃焼室内に逆流した排気を含む吸気が流入する。そのため、始動開始時の燃焼が不安定になり、内燃機関の始動に時間がかかってしまうという不具合が生じる。
本発明は、以上の点に着目し、機関の停止中に吸気通路まで排気が逆流することにより内燃機関の再始動性が悪化するという問題を抑制ないし回避することを所期の目的としている。
本発明は、以上のような課題を解決するために、次のような構成を採用したものである。すなわち、本発明では、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流して吸気通路内に滞留した排気ガスの濃度、及び、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量または濃度を推定するための代用値のうち少なくとも一つの値の多寡に応じて、内燃機関の再始動時にクランクシャフトを回転させる電動機に印加する電圧または電流の大きさを調整するものであって、前記値が閾値よりも大きい場合に、当該値と閾値との差が大きいほど内燃機関の再始動時に前記電動機に印加する電圧または電流を大きくし、当該値が一定以上であるときには内燃機関の再始動時に前記電動機に印加する電圧または電流を一定の最大量とする内燃機関の制御装置を構成した。
前記代用値の一例としては、内燃機関の停止から再始動までの経過時間が挙げられる。
本発明によれば、機関の停止中に吸気通路まで排気が逆流することにより内燃機関の再始動性が悪化するという問題を抑制ないし回避できる。
本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の制御装置がDC−DCコンバータに出力するスタータの供給電圧と排気濃度との関係を示すグラフ。 同実施形態の制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。 本発明の変形例にかかる制御装置がプログラムに従い実行する処理の手順例を示すフロー図。
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図1に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。
本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒1(図1には、そのうち一つを図示している)を具備している。各気筒1の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ11を設けている。また、各気筒1の燃焼室の天井部に、点火プラグ12を取り付けてある。点火プラグ12は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
吸気を供給するための吸気通路3は、外部から空気を取り入れて各気筒1の吸気ポートへと導く。吸気通路3上には、エアクリーナ31、電子スロットルバルブ32、サージタンク33、吸気マニホルド34を、上流からこの順序に配置している。また、吸気ポート中には、吸気バルブを配している。この吸気バルブは、バルブスプリングにより閉弁側に付勢されている。また、サージタンク33には、当該サージタンク33内の排気濃度を検出するための濃度センサ35が配されている。
排気を排出するための排気通路4は、気筒1内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒1の排気ポートから外部へと導く。この排気通路4上には、排気マニホルド42及び排気浄化用の三元触媒41を配置している。また、排気ポート中には、排気バルブを配している。この排気バルブは、バルブスプリングにより閉弁側に付勢されている。また、排気通路4上の触媒41の下流側には、上流側へ向かって逆流する排気ガスの流量を検出する流量センサ(圧力センサ)43が配されている。
例えば、三気筒の4ストロークエンジンでは、何れかの気筒が圧縮上死点となる時点で、残りの二つの気筒における吸気バルブまたは排気バルブが大きく開いており、当該バルブから吸気カムまたは排気カムが強い反作用力を受ける状態となっている。故に、内燃機関の停止後、各気筒1の圧縮上死点近傍のタイミングで吸気バルブ及び排気バルブが静止することは少ない。
逆に、各バルブから吸気カムまたは排気カムが受ける反作用力が一番小さいタイミングで吸気バルブ及び排気バルブが静止することとなる。具体的には、ある気筒の圧縮上死点と次に圧縮行程を迎える気筒の圧縮上死点との間の時点、すなわち、何れかの気筒が排気上死点となる時点で、残りの二つの気筒における吸気バルブ及び排気バルブは閉じており、当該バルブから吸気カム及び排気カムが受ける反作用力が最も小さくなっている。そして、排気上死点にある気筒では、吸気バルブと排気バルブとが両方開いている状態、すなわちバルブオーバラップとなっている。
内燃機関の制御装置たるECU0は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号a、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号(N信号)b、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ32の開度をアクセル開度として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号c、車載のバッテリの電圧(または、バッテリ電流)を検出するセンサから出力されるバッテリ電圧信号d、吸気通路3(特に、サージタンク33)内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号e、内燃機関の冷却液(または、冷却水)の温度を検出する液温センサから出力される冷却液温信号f、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号(G信号)g、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ(または、シフトポジションスイッチ)から出力されるシフトレンジ信号h、触媒41の下流側において上流側へ向かって逆流する排気ガスの流量を検出する流量センサ43から出力される信号p、吸気通路3(特に、サージタンク33)内の排気濃度を検出する濃度センサ35から出力される信号q等が入力される。アクセル開度は、いわば要求負荷である。内燃機関の冷却液温は、内燃機関の温度を示唆する。
出力インタフェースからは、点火プラグ12のイグナイタに対して点火信号i、インジェクタ11に対して燃料噴射信号j、スロットルバルブ32に対して開度操作信号k等を出力する。
ECU0のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ECU0は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報a、b、c、d、e、f、g、h、p、qを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒1に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング(一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む)、燃料噴射圧、点火タイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ECU0は、運転パラメータに対応した各種制御信号i、j、kを出力インタフェースを介して印加する。
また、ECU0は、内燃機関の始動(冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある)時において、電動機(スタータモータまたはモータジェネレータ)に制御信号sを入力し、電動機によりクランクシャフトを回転させるクランキングを行う。クランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数すなわちクランクシャフトの回転速度が冷却水温等に応じて定まる判定値を超えたときに(完爆したものと見なして)終了する。
内燃機関を始動する際にクランキングするスタータ(セルモータ)は、バッテリから電力供給を受ける。スタータは、DC−DCコンバータ(昇圧装置)を介してバッテリの正極端子に接続している。一方、バッテリの負極端子は、アイドルストップ車両の筐体に接続している。DC−DCコンバータは、内燃機関の始動時において、ECU0から出力された制御信号uを受信して、バッテリ電圧をスタータに印加する電圧まで、すなわち、図2に示すような吸気通路3側へ逆流した排気ガスの濃度に応じた電圧まで昇圧する。
しかして、本実施形態のECU0は、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路4から吸気通路3に逆流して吸気通路3内に滞留した排気ガスの濃度の多寡に応じて、内燃機関の再始動時に電動機であるスタータに印加する電圧及び/または電流の大きさを調整する制御を行う。より具体的には、内燃機関の停止から再始動までの間に逆流する排気ガスの濃度Dが閾値T1よりも大きい場合に、排気通路4上にある排気ガスが上流側へ流れる逆流状態が発生していると判定し、前記排気濃度Dと閾値T1との差が大きいほど、内燃機関の再始動時にスタータに供給する電圧の値を大きくする制御を行う。
図3に、アイドルストップに際してECU0がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。
ECU0は、アイドルストップ条件が成立したときに(ステップS1)、気筒1におけるインジェクタ11からの燃料噴射及び点火プラグ12による点火を停止するアイドルストップを開始する(ステップS2)。ステップS1では、車両の車速が所定値(例えば、9km/hないし13km/hの値)以下であり、シフトポジションが走行レンジであり(AT車の場合)、ブレーキペダルが踏み込まれておりマスタシリンダ圧が所定値(例えば、0.7MPa)以上であり、加えて、車載バッテリの電圧が所定以上であり、内燃機関の冷却水温が所定以上高い等の諸条件がおしなべて成立したことを以て、アイドルストップ条件が成立したものと判断する。
アイドルストップ中に、ECU0は、少なくとも一つの気筒1で吸気バルブ及び排気バルブが同時に開いている状態が生じ、かつ、排気ガスが逆流しているか否かを判断する。具体的には、吸気通路3側まで逆流する排気ガスの濃度Dが、閾値T1よりも大きいか否かを判断する(ステップS3)。排気通路4から吸気通路3へ排気ガスが逆流してくると、吸気通路3(特に、サージタンク33)内の酸素量が極端に少なくなる。すなわち、排気通路4側からの排気逆流による酸素量の低減に伴い、サージタンク33に設けられた濃度センサ35の排気検出量が極端に多くなる。しかして、ステップS3においてECU0は、吸気通路3に設けられた濃度センサ35が検出する排気濃度Dが閾値T1よりも大きいか否かを判断する。
ステップS3で排気濃度Dが閾値T1よりも大きい場合には、少なくとも一つの気筒1で吸気バルブ及び排気バルブが同時に開いている状態が生じ、ECU0は排気ガスが吸気通路3側へ逆流していると判断する(ステップS4)。
その後、ECU0は、濃度センサ35から入力される信号qに基づいてスタータに供給する電圧を算出する(ステップS5)。具体的には、図2に示すようなグラフを基に、濃度センサ35にて検出された一時点での排気濃度Dに基づいて、スタータへ供給する電圧を決定する。
ステップS5の後、ECU0は、アイドルストップ終了条件が成立したか否かを判断する(ステップS6)。ステップS6では、具体的には、シフトポジションが非走行レンジに変更された(AT車の場合)、ブレーキペダルの踏み込みが緩められてマスタシリンダ圧が再始動用の低位判定値(例えば、0.1MPa)以下に低下した、あるいは逆にブレーキペダルの踏込量が強められてマスタシリンダ圧が再始動用の高位判定値以上に上昇した、アクセルペダルが踏まれた、内燃機関の停止から所定時間(例えば、3分)が経過した、等のうちの何れかを以て、アイドルストップ終了条件が成立したものと判断する。
アイドルストップ終了条件が成立した暁には、ステップS5で算出された供給電圧をスタータに印加するための信号uをDC−DCコンバータに入力して(ステップS7)、アイドルストップを終了する。具体的には、排気濃度Dが小さいほど(排気濃度Dと閾値T1との差が小さいほど)DC−DCコンバータで変換されるスタータへの供給電圧を小さく設定し、排気濃度Dが大きいほど(排気濃度Dと閾値T1との差が大きいほど)DC−DCコンバータで変換されるスタータへの供給電圧を大きく設定してある。なお、本実施形態では、スタータへの供給電圧は、スタータ等の許容電圧または消費許容電力等の上限を有しており、排気濃度Dが一定以上の場合には、DC−DCコンバータで変換し得る最大電圧となるように設定されている。
アイドルストップを終了する際には、具体的には、スタータモータのピニオンギアをフライホイール(MT車の場合)またはドライブプレート(AT車の場合)外周のリングギアに噛合させて内燃機関のクランキングを行い、かつインジェクタ11からの燃料噴射(及び点火)を再開して内燃機関を再始動する。なお、ステップS6でアイドルストップ条件が成立していない場合には、ステップS5へと戻る。しかして、内燃機関が再始動する直前のサージタンク33内の排気濃度Dを検出し、これに対応した供給電圧をスタータに印加するようにしている。
本実施形態では、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路4から吸気通路3に逆流して吸気通路3内に滞留した排気ガスの濃度の多寡に応じて、内燃機関の再始動時にスタータに印加する電圧の大きさを調整する内燃機関の制御装置0を構成した。
このようなものであれば、アイドルストップ開始から再始動までの間に吸気通路3まで逆流する排気ガスの濃度Dに応じてスタータへの供給電圧を変えるので、従来のように一律でスタータへの供給電圧を高く設定したものに比べて無駄な電力使用を抑えることができる。
また、機関の停止中に吸気通路3まで排気が逆流した際の再始動性の低下を抑制することができる。換言すれば、内燃機関の再始動に要する時間が不当に長くなることなく、迅速に再始動できるため、バッテリの消費電力を節約することができる。
特に、本実施形態のようなアイドルストップシステムを搭載したものでは、再始動を速やかに行うことによって、信号待ちからの発進時等に再始動が遅れて後続車両に追突される等の危険性を防止でき、安全性を向上させることができる。
なお、本実施形態のようにサージタンク33に濃度センサ35を備えたものであれば、排気バルブ及び吸気バルブの開閉状態についてクランク角信号(N信号)bやカム角信号(G信号)gを考慮することなしに、吸気通路3への逆流状態を判定できる。
また、上述した三気筒エンジンでは、何れかの気筒1が排気上死点となる時点で吸気バルブ及び排気バルブが静止することが多いため、内燃機関の停止期間中に、吸気バルブ及び排気バルブが同時に開いている状況が生じやすい。そのため、上述した制御は特に有効である。なお、本発明は、気筒数が三気筒以外の内燃機関に対しても適用することができるのはもちろんである。
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、アイドルストップ中、吸気通路内に滞留した排気ガスの濃度を閾値と比較することで内燃機関の再始動時に電動機に印加する電圧または電流の大きさを調整するようにしていたが、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量を閾値と比較するようなものであってもよい。以下、上述した実施形態と同一またはこれに準じた部分には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図4に、アイドルストップに際してECU0がプログラムに従い実行する処理の手順例を示す。
ECU0は、アイドルストップ条件が成立したときに(ステップS11)、アイドルストップを開始し(ステップS12)、アイドルストップ中に、ECU0は、排気ガスが逆流しているか否かを判断する。具体的には、排気通路4内を逆流する排気ガスの流量Fが、閾値T2よりも大きいか否かを判断する(ステップS13)。排気通路4内を逆流する排気ガスの流量Fは、触媒41の下流側に設けられた流量センサ43によって検出される。
ステップS13で排気通路4内を逆流する排気ガスの流量Fが閾値T2よりも大きく、排気通路4内を排気ガスが逆流していると判断されたときに、吸気バルブ及び排気バルブが同時に開いている状態が、何れかの気筒1で生じていれば(ステップS14)、逆流した排気ガスが、吸気通路3にまで達し得る状態であると判断する(ステップS15)。ステップS14では、ECU0は、クランク角信号(N信号)b及びカム角信号(G信号)gの双方を参照して、内燃機関の停止中に、何れかの気筒1で吸気バルブ及び排気バルブが同時に開弁しているバルブオーバラップとなっているか否かを知得する。
その後、ECU0は、流量センサ43から入力される信号pに基づいてスタータに供給する電圧を算出する(ステップS16)。具体的には、流量センサ43にて検出された一時点での排気の流量に基づいて、スタータへ供給する電圧を決定する。
ステップS16の後、ECU0は、アイドルストップ終了条件が成立したか否かを判断する(ステップS17)。アイドルストップ終了条件が成立した暁には、ステップS16で算出された供給電圧をスタータに印加するための信号uをDC−DCコンバータに入力して(ステップS18)、アイドルストップを終了する。具体的には、排気流量Fが小さいほど(排気流量Fと閾値T2との差が小さいほど)DC−DCコンバータで変換されるスタータへの供給電圧を小さく設定し、排気流量Fが大きいほど(排気流量Fと閾値T2との差が大きいほど)DC−DCコンバータで変換されるスタータへの供給電圧を大きく設定してある。なお、本変形例では、排気流量Fが一定以上の場合には、DC−DCコンバータで変換し得る最大電圧となるように設定されている。
このようなものであれば、上述した実施形態と同一またはこれに準じた効果が得られる。なお、上述した変形例では、ステップS13における排気ガスが排気通路4上で逆流していることの判断(閾値T2との比較)の際、及び、ステップS16におけるスタータへ供給する電圧を決定する際に、単位面積当たりの瞬間的な量である流量を用いていたが、これに代えて、実際の排気ガスの量の総量である流量の積分値を用いてもよい。また、ステップS14でECU0がクランク角信号(N信号)b及びカム角信号(G信号)gの双方を直接参照してバルブオーバラップ状態を知得するようにしたが、内燃機関の停止前のクランク角信号(N信号)b及びカム角信号(G信号)gからアイドルストップ中の吸気バルブ及び排気バルブの状態を推定するものであってもよい。
さらに、排気通路を逆流する排気ガス流量を測定するための流量センサを設ける位置は、排気通路上であればどの位置であってもよく、触媒の上流側であってもよい。また、吸気通路側まで逆流する排気ガス濃度を測定するための排気濃度センサを設ける位置は、吸気通路上であればどの位置であってもよく、サージタンクの下流側であってもよい。
また、排気濃度センサに代えて、吸気通路上の酸素濃度を検知するセンサを設けるものであってもよい。この場合には、酸素濃度を検知するセンサによって検出された酸素濃度と閾値を比較し、酸素濃度が閾値よりも低い場合には、吸気通路上まで排気ガスが逆流していると判断して、当該酸素濃度と閾値との差が大きいほど内燃機関の再始動時に電動機に印加する電圧の値を大きく制御すればよい。酸素濃度を検知するセンサとしては、排気ガスの空燃比に対して非線形な出力特性を有するO2センサや、排気ガスの空燃比に比例した信号を出力するリニアA/Fセンサ等の空燃比センサを用いることができる。なお、流量センサと排気濃度センサまたは酸素濃度センサは、少なくとも一方を備えていればよい。
さらに、上述した実施形態のステップS5や変形例のステップS16において、DC−DCコンバータで変換するスタータへの供給電圧の値は、上述したような排気ガスの濃度や排気ガスの流量のみに基づいて決められるものに限られず、
・内燃機関停止から再始動までの経過時間のみに基づいて(換言すれば、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量または濃度を推定するための代用値である内燃機関の停止から再始動までの経過時間の多寡に応じて)、
・排気ガスの流量や排気ガスの濃度と内燃機関停止から再始動までの経過時間との双方を参照して(換言すれば、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量、または、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流して吸気通路内に滞留した排気ガスの濃度、及び、前記代用値の多寡に応じて)、
・排気ガスの流量と排気ガスの濃度の双方を参照して(換言すれば、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量、及び、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流して吸気通路内に滞留した排気ガスの濃度の多寡に応じて)
決められるものであってもよい。
また、排気ガスの流量や排気ガスの濃度は、センサによって実測された値に限られず、推定された値であってもよい。具体的な一例としては、内燃機関の停止から再始動までの経過時間と、吸気バルブ及び排気バルブの状態を実測したもの/推定したものとの双方を参照して決められる値と、閾値とを比較して、当該値が閾値よりも大きい場合に、排気通路上にある排気ガスが上流側へ流れる逆流状態が発生していると判定し、前記値と閾値との差が大きいほど、内燃機関の再始動時に電動機に印加する電圧の値を大きくする制御を行うものが考えられる。
なお、このように推定された値を用いた場合であっても、上述した実測値を用いた場合の手順に準じて制御され、実測値を用いた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、本変形例のように推定された値を用いたものであれば、排気ガスの流量を測定するための流量センサやサージタンク内の排気濃度を測定するための濃度センサ等を別途設ける必要がない。すなわち、既存のセンサのみを用いて排気ガスの逆流を検出するようにしているため、上述した課題の解決を低コストで実現することができる。
さらに、上述した実施形態や変形例においては、排気ガスの流量や濃度等に基づいてスタータへの供給電圧を一意に決めるようにしていたが、これには限られず種々変更可能である。例えば、クランキングに時間を要する場合、すなわち、クランキング中にエンジン回転数が判定値を超えるまでの所要時間が、予め決められた所定時間を超える場合には、当該クランキング中にスタータへの供給電圧をさらに上げるようにDC−DCコンバータに信号を出力するようにしてもよい。
また、電動機はスタータには限られず種々変更可能であり、電動機に印加する電圧の大きさを調整するもの以外にも、電動機に印加する電流の大きさを調整するものであってもよいのはもちろんである。
その他、各部の具体的構成や具体的な処理の手順は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に利用することができる。
0…制御装置(ECU)
3…吸気通路
4…排気通路

Claims (1)

  1. 内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流して吸気通路内に滞留した排気ガスの濃度、及び、内燃機関の停止から再始動までの間に排気通路から吸気通路に逆流する排気ガスの流量または濃度を推定するための代用値のうち少なくとも一つの値の多寡に応じて、内燃機関の再始動時にクランクシャフトを回転させる電動機に印加する電圧または電流の大きさを調整するものであって、
    前記値が閾値よりも大きい場合に、当該値と閾値との差が大きいほど内燃機関の再始動時に前記電動機に印加する電圧または電流を大きくし、当該値が一定以上であるときには内燃機関の再始動時に前記電動機に印加する電圧または電流を一定の最大量とする内燃機関の制御装置。
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