JP7822671B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力源として車両等に搭載される内燃機関を制御する制御装置に関する。

周知の通り、停止している内燃機関を始動するにあたっては、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトを電動機により回転駆動するモータリング（または、クランキング）を実行しつつ、インジェクタから燃料を噴射してこれを気筒において燃焼させ、クランクシャフトの回転を加速させる。この始動のためのモータリングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、クランクシャフトの回転速度即ちエンジン回転数が内燃機関の冷却水の温度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（例えば、下記特許文献を参照）。

特開２０２０－１３３５９２号公報

内燃機関の運転を終了し停止させるとき、何れかの気筒の吸気バルブおよび排気バルブがともに開いているバルブオーバラップ状態でクランクシャフトの回転が静止することがある。バルブオーバラップ状態での停止は、直列三気筒内燃機関で比較的生起しやすい。

内燃機関の停止中に、ある気筒の吸排気バルブの両方が開いていると、内燃機関の停止時に排気通路に残留していた排気即ち燃焼ガスが、当該気筒を経由して排気通路側から吸気通路側に逆流することがある。このガスは、通常の空気（外気）よりも酸素濃度が低い。それにより、気筒に連なる吸気通路内の酸素濃度の低下が起こる。換言すれば、内燃機関の始動時における吸気通路内の酸素濃度が一定化しない。

その後、内燃機関を再び始動しようとしても、気筒の燃焼室に供給される酸素量が不足して燃料の燃焼の不安定化または失火を招来し、ひいては始動遅延または始動不良を招く懸念が生じる。

本発明は、停止した内燃機関を始動するときの始動遅延または始動不良の要因となる酸素不足に対して適切に対処し、始動性を向上させることを所期の目的としている。

本発明では、ファイアリングして運転している内燃機関を停止させるに際して、燃料噴射及び燃焼を停止して電動機により内燃機関をモータリングするとともに、当該モータリング中にスロットルバルブの開度をオープナ開度よりも大きく開き、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを最も遅角したタイミングに復帰させて吸気バルブと排気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間の長さを最小にし、前記モータリング中に吸気通路から気筒を介して排気通路に流れた空気量を、少なくともエンジン回転数、モータリング時間、気筒に連なる吸気通路内の吸気温及び吸気圧に基づき推算し、前記空気量が、それまでファイアリング運転していた内燃機関を停止させたときに通常の空気よりも酸素濃度の低い排気が滞留し得る領域の容積である前記気筒及び前記排気通路の容積に対応する閾値を上回るか否かを判定し、前記空気量が前記閾値を上回ったことを条件として、前記モータリングを終了し内燃機関の回転を停止させる内燃機関の制御装置を構成した。

本発明に係る内燃機関の制御方法では、ファイアリングして運転している内燃機関を停止させるに際して、燃料噴射及び燃焼を停止して電動機により内燃機関をモータリングするとともに、当該モータリング中にスロットルバルブの開度をオープナ開度よりも大きく開き、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを最も遅角したタイミングに復帰させて吸気バルブと排気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間の長さを最小にするステップと、前記モータリング中に吸気通路から気筒を介して排気通路に流れた空気量を、少なくともエンジン回転数、モータリング時間、気筒に連なる吸気通路内の吸気温及び吸気圧に基づき推算するステップと、前記空気量が、それまでファイアリング運転していた内燃機関を停止させたときに通常の空気よりも酸素濃度の低い排気が滞留し得る領域の容積である前記気筒及び前記排気通路の容積に対応する閾値を上回るか否かを判定するステップと、前記空気量が前記閾値を上回ったことを条件として、前記モータリングを終了し内燃機関の回転を停止させるステップとを実施する。

本発明によれば、停止した内燃機関を始動するときの始動遅延または始動不良の要因となる酸素不足に対して適切に対処し、始動性を向上させることができる。

本発明の一実施形態の車両用内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関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。本内燃機関は、燃料としてガソリン等を使用する火花点火式の４ストロークレシプロエンジンであり、複数の気筒１（例えば、直列三気筒エンジン。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。吸気通路３における各気筒１の吸気ポート近傍には、吸気ポートに向けて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。

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。

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ガスを各気筒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。

排気通路４における触媒４１の上流及び下流には、排気通路４を流通するガスの空燃比を検出するための空燃比センサ４３、４４を設置する。空燃比センサ４３、４４はそれぞれ、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センサであってもよく、排気ガスの空燃比に比例した出力特性を有するリニアＡ／Ｆセンサであってもよい。

排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、排気通路４と吸気通路３とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における触媒４１の下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所（特に、サージタンク３３または吸気マニホルド３４）に接続している。

内燃機関には、各気筒１の吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを可変制御できるＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構５が付帯することがある。ＶＶＴ機構５は、例えば、各気筒１の吸排気バルブを開閉駆動する吸気カムシャフト及び／または排気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を液圧（潤滑油圧）によって変化させるベーン式のものや、電動機によって変化させる電動式のもの（モータドライブＶＶＴ）である。カムシャフトは、クランクシャフトから回転トルクの供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、回転トルクを伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを変更する。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０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。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラがＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の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、内燃機関の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クランク角センサから出力されるクランク角信号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（いわば、内燃機関に要求されるエンジントルクまたはエンジン負荷率）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、気筒１に連なる吸気通路３（スロットルバルブ３２の下流、特にサージタンク３３または吸気マニホルド３４）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ｄ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、触媒４１の上流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４３から出力される信号ｆ、触媒４１の下流側における排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４４から出力される信号ｇ、内燃機関の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ｈ等が入力される。

ＥＣＵ０の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のソレノイド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、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構５に対してバルブタイミングの制御信号ｍ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に吸入される空気（新気）量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸入空気量等に基づき、要求燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一つの気筒１の一度の膨脹行程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（一つの気筒１の一度の膨脹行程に対する火花点火の回数を含む）、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、バルブタイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの再始動であることもある）するとき、内燃機関に付随する電動機（スタータ（セルモータ）またはモータジェネレータ等）に制御信号ｏを入力し、当該電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するモータリング（クランキング）を行いながら、インジェクタ１１から燃料を噴射し、点火プラグ１２により火花点火して燃料を燃焼させる。始動のためのモータリングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が加速、上昇して完爆判定値を超えたときに終了する。完爆判定値は、内燃機関の温度等に応じて上下し得る。基本的には、始動時の内燃機関の冷却水温が低いほど、完爆判定値を高く引き上げる。

翻って、内燃機関をファイアリング、つまり気筒１に対して燃料を供給しこれを燃焼させて運転しているときに、車両の運転者がイグニッションスイッチ（または、イグニッションキー、パワースイッチ）をＯＮからＯＦＦに操作する等した場合には、内燃機関の運転を停止することになる。

図２に示すように、本実施形態のＥＣＵ０は、それまで運転していた内燃機関を停止させる際（ステップＳ１）、インジェクタ１１からの燃料噴射及び点火プラグ１２による点火燃焼を停止する（ステップＳ２）。その上で、電動機により内燃機関のクランクシャフトを回転駆動するモータリングを実行する（ステップＳ３）。

ステップＳ３のモータリングは、燃料噴射及び燃焼を伴わずにエンジン回転を維持することで、燃料成分を含まない空気を吸気通路３から気筒１を介して排気通路４へと送り込み、気筒１及び排気通路４内に残留する排気を掃気して排出させるための処置である。

ステップＳ３のモータリング中は、吸気通路３上のスロットルバルブ３２の開度をいわゆるオープナ開度よりも大きく拡開し、空気の流通を促進することが好ましい。因みに、オープナ開度とは、電子スロットルバルブ３２のバタフライ弁体を駆動するスロットルモータに電力を供給せず、スロットルモータから弁体に力を付与していないときのスロットルバルブ３２の開度を言い、吸気通路３を通じた吸気の流通をほぼ完全に遮断する全閉であることもあれば、少しく吸気の流通を許容するよう僅かながら開いた開度であることがある。

また、ステップＳ３のモータリング中は、ＶＶＴ機構５が具現する吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを初期位置、即ち、内燃機関の停止中若しくは始動時、またはアイドル運転若しくはアイドル運転に近い低負荷運転時のバルブタイミングに戻す。例えば、気筒１の吸気バルブの開閉タイミングを最も遅角したタイミングに復帰させ、吸気バルブと排気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間の長さを最小にする。

しかして、ＥＣＵ０は、ステップＳ３のモータリング中に吸気通路３から気筒１を介して排気通路４に流れた空気の量を推算し（ステップＳ４）、その空気量を閾値と比較する（ステップＳ５）。

ステップＳ４にて、ＥＣＵ０は、現在のエンジン回転数、及びステップＳ３のモータリングの実行時間の長さを基に、例えば下式に則り、モータリング中に吸気通路３から排気通路４に流入した空気の量を演算する；
流入空気量［ｃｃ］＝エンジン回転数［ｒｐｍ］÷６０［ｓｅｃ／ｍｉｎ］÷２×排気量スペック値［ｃｃ］×吸気補正係数×モータリング実行時間［ｓｅｃ］
上式に関し、「排気量スペック値」は、吸気バルブ及び／または排気バルブの開閉タイミングを初期位置に戻した状態で、一サイクル（気筒１の吸気行程－圧縮工程－膨脹行程－排気行程の一連を一サイクルとする）にて吸気通路３から吸引し排気通路４に吐出できる実際的な空気量を意味する。この排気量スペック値は、内燃機関が内包する全気筒１分の合算（三気筒エンジンであれば、三気筒分の合算）値であり、実験的に求め、または設段段階の適合により設定した定数である。排気量スペック値は、幾何的な気筒１の内容積、つまり気筒１内でピストンが下死点にあるときの燃焼室内容積と上死点にあるときの燃焼室内容積との差分よりも少なくなることがある
並びに、「吸気補正係数」は、ステップＳ３のモータリング中の吸気通路３内の吸気温や吸気圧（のとり得る範囲）を予め想定した上で、実験的に求め、または設段段階の適合により設定した定数である。

尤も、ステップＳ３のモータリング中の吸気通路３内の吸気温及び吸気圧をセンサの出力信号ｄを参照して実測し、それを用いてモータリング中に吸気通路３から気筒１を介して排気通路４に流れた空気の量を推算してもよい。その場合、ステップＳ４おいて、下式に則り流入空気量を演算する；
流入空気量［ｃｃ］＝エンジン回転数［ｒｐｍ］÷６０［ｓｅｃ／ｍｉｎ］÷２×排気量スペック値［ｃｃ］×（標準状態温度［Ｋ］×実測吸気圧［ｋＰａ］）÷（標準状態大気圧［ｋＰａ］×（標準状態温度［Ｋ］＋実測吸気温［℃］））×モータリング実行時間［ｓｅｃ］
「標準状態温度」及び「標準状態大気圧」は、何れも定数である。「標準状態温度」は、例えば２７３．１５とし、「標準状態大気圧」は、例えば１０１．３とする。

ステップＳ５にいう、ステップＳ４にて求めた空気量と比較するべき閾値とは、それまでファイアリング運転していた内燃機関を停止させたときに、通常の空気よりも酸素濃度の低い排気が滞留し得る領域の容積である。即ち；
閾値［ｃｃ］＝気筒の内容積［ｃｃ］＋排気通路の内容積［ｃｃ］
である。

「気筒の内容積」は、内燃機関が内包する全気筒１分の合算値であり、実験的に求め、または設段段階の適合により設定した定数である。「排気通路の内容積」は、排気マニホルド４２や触媒４１、さらにはその下流のマフラを含む、排気ポートから外部に連通する末端までの排気通路４の内容積全体に相当する値であり、実験的に求め、または設段段階の適合により設定した定数である。

ステップＳ５にて、流入空気量＞閾値の条件が成立したということは、ステップＳ３のモータリングにより排気通路４内に残留する排気が掃気されて空気に置き換わったことを意味する。ＥＣＵ０は、ステップＳ５の条件が成立したときに内燃機関のモータリングを終了し（ステップＳ６）、内燃機関の回転を停止させる。

本実施形態によれば、内燃機関の運転を停止する際、酸素濃度の低い排気が排気通路４内に残留する量を的確に見積もることができる。さらには、排気通路４内に残留する低い排気を確実に掃気して排出させることが可能である。従って、内燃機関の停止中に排気通路４側から吸気通路３側に排気が逆流して吸気通路３内の酸素濃度が低下する問題を有効に回避でき、再度内燃機関を始動するときの燃料の燃焼が安定し、始動遅延または始動不良が起こらない。

排気通路４の末端に空燃比センサ（Ｏ₂センサやリニアＡ／Ｆセンサ）を新設するようなことも不要であり、コストの高騰を招かずに済む。

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。各部の具体的な構成や処理の手順等は、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。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１１…インジェクタ
１２…点火プラグ
２…排気ガス再循環（ＥＧＲ）装置
２１…ＥＧＲ通路
２２…ＥＧＲクーラ
２３…ＥＧＲバルブ
３…吸気通路
３１…エアクリーナ
３２…スロットルバルブ
３３…サージタンク
３４…吸気マニホルド
４…排気通路
４１…触媒
４２…排気マニホルド
４３、４４…空燃比センサ
５…可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構
ａ…車速信号
ｂ…クランク角信号
ｃ…アクセル開度信号
ｄ…吸気温・吸気圧信号
ｅ…冷却水温信号
ｆ、ｇ…空燃比信号
ｈ…カム角信号
ｉ…点火信号
ｊ…燃料噴射信号
ｋ…スロットルバルブの開度操作信号
ｌ…ＥＧＲバルブの開度操作信号
ｍ…バルブタイミングの制御信号
ｏ…電動機の制御信号

Claims (2)

1. ファイアリングして運転している内燃機関を停止させるに際して、
   燃料噴射及び燃焼を停止して電動機により内燃機関をモータリングするとともに、当該モータリング中にスロットルバルブの開度をオープナ開度よりも大きく開き、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを最も遅角したタイミングに復帰させて吸気バルブと排気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間の長さを最小にし、
   前記モータリング中に吸気通路から気筒を介して排気通路に流れた空気量を、少なくともエンジン回転数、モータリング時間、気筒に連なる吸気通路内の吸気温及び吸気圧に基づき推算し、
   前記空気量が、それまでファイアリング運転していた内燃機関を停止させたときに通常の空気よりも酸素濃度の低い排気が滞留し得る領域の容積である前記気筒及び前記排気通路の容積に対応する閾値を上回るか否かを判定し、
   前記空気量が前記閾値を上回ったことを条件として、前記モータリングを終了し内燃機関の回転を停止させる内燃機関の制御装置。
2. ファイアリングして運転している内燃機関を停止させるに際して、
   燃料噴射及び燃焼を停止して電動機により内燃機関をモータリングするとともに、当該モータリング中にスロットルバルブの開度をオープナ開度よりも大きく開き、気筒の吸気バルブの開閉タイミングを最も遅角したタイミングに復帰させて吸気バルブと排気バルブとがともに開くバルブオーバラップ期間の長さを最小にするステップと、
   前記モータリング中に吸気通路から気筒を介して排気通路に流れた空気量を、少なくともエンジン回転数、モータリング時間、気筒に連なる吸気通路内の吸気温及び吸気圧に基づき推算するステップと、
   前記空気量が、それまでファイアリング運転していた内燃機関を停止させたときに通常の空気よりも酸素濃度の低い排気が滞留し得る領域の容積である前記気筒及び前記排気通路の容積に対応する閾値を上回るか否かを判定するステップと、
   前記空気量が前記閾値を上回ったことを条件として、前記モータリングを終了し内燃機関の回転を停止させるステップと
   を実施する内燃機関の制御方法。