(57)【要約】【課題】冷間始動性を向上させることができる始動制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関１０を始動するための始動制御装置１において、前記内燃機関１０の吸気弁２を任意のタイミングで開弁可能な可変動弁機構３と、前記内燃機関１０の吸気通路４内の温度を検出する吸気温度検出手段５と、前記内燃機関１０を始動する際に前記吸気温度検出手段５により検出された温度が所定の閾値以下の間は、前記内燃機関１０をクランキングすると共に、そのクランキング中の圧縮行程後半および膨張行程前半のいずれか一方または両方で前記可変動弁機構３により前記吸気弁２を開弁させる制御手段６とを備えたものである。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関を始動するための始動制御装置において、
前記内燃機関の吸気弁を任意のタイミングで開弁可能な可変動弁機構と、
前記内燃機関の吸気通路内の温度を検出する吸気温度検出手段と、
前記内燃機関を始動する際に前記吸気温度検出手段により検出された温度が所定の閾値以下の間は、前記内燃機関をクランキングすると共に、そのクランキング中の圧縮行程後半および膨張行程前半のいずれか一方または両方で前記可変動弁機構により前記吸気弁を開弁させる制御手段とを備えたことを特徴とする始動制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記吸気弁を圧縮上死点で開弁させる請求項１記載の始動制御装置。
【請求項３】
前記内燃機関が複数の気筒を有すると共に、前記吸気通路が前記複数の気筒に各々接続された吸気マニホールドを有し、
前記クランキング中に前記複数の気筒のうちのいずれかの気筒が開弁した際に、該気筒から上記吸気マニホールドに戻された空気が、該吸気マニホールドを通り他の気筒に吸入される請求項１または２記載の始動制御装置。
【請求項４】
前記吸気温度検出手段が、前記吸気マニホールドに設けられ該吸気マニホールド内の吸気温度を検出する吸気温度センサからなる請求項３記載の始動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の冷間始動性を向上させるための始動制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼル機関において寒冷地での冷間始動性を向上させるためにグロープラグを用いることが行われている（例えば、特許文献１参照）。グロープラグを用いる場合、ディーゼル機関の燃焼室内にグロープラグを配置しておき、冷間始動時に燃焼室に噴射された燃料をグロープラグで暖めることによって、燃料を燃焼し易くし冷間始動性を向上させるようにしている。
【０００３】
また、冷間始動性を向上するためにインテークヒータを用いるケースもある（例えば、特許文献２参照）。インテークヒータを用いる場合、吸気通路に電気ヒータなどからなるインテークヒータを配置し、冷間始動時に、インテークヒータによって吸入空気（吸気）を加熱して燃料の霧化を促進することで、冷間始動性を向上させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１３８３３号公報
【特許文献２】特開２００１−９９０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したグロープラグやインテークヒータには以下のような問題があった。
【０００６】
上述したグロープラグは、燃料の噴霧を局所的に加熱し蒸発を促進するに過ぎず、十分な効果が得られているとは言いがたい。
【０００７】
また、インテークヒータは、ヒータそのものの昇温に時間を要することに加え、熱交換効率も高くないことから、インテークヒータも十分な効果が得られているとは言いがたい。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、冷間始動性を向上させることができる始動制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、内燃機関を始動するための始動制御装置において、前記内燃機関の吸気弁を任意のタイミングで開弁可能な可変動弁機構と、前記内燃機関の吸気通路内の温度を検出する吸気温度検出手段と、前記内燃機関を始動する際に前記吸気温度検出手段により検出された温度が所定の閾値以下の間は、前記内燃機関をクランキングすると共に、そのクランキング中の圧縮行程後半および膨張行程前半のいずれか一方または両方で前記可変動弁機構により前記吸気弁を開弁させる制御手段とを備えたものである。
【００１０】
好ましくは、前記制御手段は、前記吸気弁を圧縮上死点で開弁させるものである。
【００１１】
好ましくは、前記内燃機関が複数の気筒を有すると共に、前記吸気通路が前記複数の気筒に各々接続された吸気マニホールドを有し、前記クランキング中に前記複数の気筒のうちのいずれかの気筒が開弁した際に、該気筒から上記吸気マニホールドに戻された空気が、該吸気マニホールドを通り他の気筒に吸入されるものである。
【００１２】
好ましくは、前記吸気温度検出手段が、前記吸気マニホールドに設けられ該吸気マニホールド内の吸気温度を検出する吸気温度センサからなるものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、冷間始動性を向上させることができるという優れた効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係る一実施形態による始動制御装置の概略構造図である。
【図２】図２は、圧縮圧力開放による温度上昇を説明するための図であり、バルブリフトパターンを示したものである。
【図３】図３は、圧縮圧力開放による温度上昇を説明するための図であり、ガス温度を示したものである。
【図４】図４は、本実施形態の始動制御装置による動作例を説明するための図である。
【図５】図５は、初期温度と圧縮端温度との関係を説明するための図である。
【図６】図６は、本実施形態の始動制御装置による制御ロジックの一例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１６】
本実施形態の始動制御装置は、例えば、車両に搭載されたディーゼル機関に適用される。
【００１７】
図１に基づき本実施形態の始動制御装置の概略構造を説明する。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の始動制御装置１は、内燃機関１０の吸気弁２を任意のタイミングで開弁可能な可変動弁機構３と、内燃機関１０の吸気通路４内の温度を検出する吸気温度検出手段をなす吸気温度センサ５と、内燃機関１０の始動時に吸気温度センサ５により検出された温度に基づいて可変動弁機構３を制御する制御手段をなす電子制御ユニット６とを備える。
【００１９】
より具体的には、内燃機関１０は、複数（図例では６つ）の気筒１１−１６を有する機関本体１７と、その機関本体１７に吸気を供給する吸気通路４と、機関本体１７からの排気を排出する排気通路７とを備える。
【００２０】
機関本体１７は、４サイクルの直列６気筒機関であり、＃１気筒１１から＃６気筒１６までの気筒１１−１６が直列に並べて配置される。以下の説明において、図１の左側から順に＃１気筒１１−＃６気筒１６という。なお、これら＃１気筒１１−＃６気筒１６は同様の構造を有することから、後述する吸気弁２、可変動弁機構３、インジェクタ１７１、吸気ポート１７２、排気ポート１７３、排気弁１７４については＃１気筒１１のみ符号を付し他のものは省略する。
【００２１】
機関本体１７は、その着火順序（作動順序）が、＃１気筒１１、＃５気筒１５、＃３気筒１３、＃６気筒１６、＃２気筒１２、＃４気筒１４の順に設定されている。すなわち、機関本体１７の着火順序は、複数の気筒１１−１６のうちのいずれかの気筒（例えば＃１気筒１１）が圧縮上死点近傍にあるときに、他の気筒（＃３気筒１３）が吸気行程となるように設定されている。
【００２２】
機関本体１７は、各気筒１１−１６内に燃料を噴射、供給するインジェクタ１７１と、各気筒１１−１６の吸気ポート１７２を開閉するための吸気弁２と、各気筒１１−１６の排気ポート１７３を開閉するための排気弁１７４と、機関本体１７をクランキングするためのスタータ１７５とを備える。
【００２３】
インジェクタ１７１は、図示しないコモンレールなどの燃料供給装置に接続され、そのコモンレール内に貯留された高圧燃料が供給される。インジェクタ１７１は、電子制御ユニット６からの制御信号により燃料噴射時期や燃料噴射量が制御される。スタータ１７５は、機関本体１７の図示しないフライホイールを介してクランク軸を回転駆動するためのものであり、電子制御ユニット６により作動、非作動が切替制御される。
【００２４】
また、機関本体１７の図示しないクランク軸にはクランク角度を検出するためのクランク角センサ１８が設けられる。そのクランク角センサ１８は、検出したクランク角度を電子制御ユニット６に送信し、その電子制御ユニット６は、送信されたクランク角度を基に各気筒の行程や機関回転数を求める。
【００２５】
吸気通路４は、各気筒１１−１６の吸気ポート１７２に各々接続された吸気マニホールド４１を有し、その吸気マニホールド４１に吸気温度センサ５が取り付けられる。吸気温度センサ５は、吸気マニホールド４１内の吸気（ガス）の温度を検出するためのものであり、検出した温度を電子制御ユニット６に送信する。排気通路７は、各気筒１１−１６の排気ポート１７３に各々接続された排気マニホールド７１を有する。
【００２６】
可変動弁機構３は、吸気弁２を開閉駆動すると共に、その開閉タイミング（およびバルブリフト量）を任意に調整するためのものであり、各気筒１１−１６ごとに各々設けられる。それら可変動弁機構３は電子制御ユニット６により制御される。
【００２７】
可変動弁機構３としては、カムレスの可変動弁機構であって、バルブスプリングにより閉弁方向に付勢される吸気弁２を作動流体（例えばコモンレールからの高圧燃料など）の圧力により開弁するものなどが考えられる。例えば、可変動弁機構３は、吸気弁２に連結されたバルブピストン（図示せず）と、そのバルブピストンを収容すると共にバルブピストンを介して吸気弁２を開弁側に押圧する作動流体が供給される圧力室（図示せず）と、その圧力室への作動流体の供給、供給停止を切り換えるための供給バルブ（図示せず）と、圧力室からの作動流体の排出、排出停止を切り換えるための排出バルブ（図示せず）とを有し、それら供給バルブと排出バルブとが電子制御ユニット６により制御されるものが考えられる。
【００２８】
排気弁１７４側にも排気弁１７４を開閉駆動するための可変動弁機構３が設けられ、その排気弁１７４側の可変動弁機構３が電子制御ユニット６により制御される。排気弁１７４側の可変動弁機構３は吸気弁２側ものと同様の構造を有しているので説明を省略する。
【００２９】
電子制御ユニット６には、上述の吸気温度センサ５、クランク角センサ１８などの各種センサ類と、インジェクタ１７１、スタータ１７５、可変動弁機構３などのアクチュエータ類とが接続される。
【００３０】
電子制御ユニット６は、基本的には、可変動弁機構３を、クランク軸の回転に同期して吸気弁２および排気弁１７４を開閉する所謂カム作動の動弁機構と同様に作動させる（通常バルブ動作という）。その通常バルブ動作では、図２のライン１０１に示すように、吸気弁２は、排気行程（ＥＸＨＡＵＳＴ）の後半から開弁が開始され下死点にて最大開度（例えば全開）となった後、閉弁が開始され圧縮行程（ＣＯＭＰＲＥＳＳＩＯＮ）の前半にて全閉となる。排気弁１７４は、図２のライン１０２に示すように、膨張行程（ＥＸＰＡＮＳＩＯＮ）の後半から開弁が開始され上死点の近傍にて最大開度（例えば全開）となった後、閉弁が開始されて吸気行程（ＩＮＴＡＫＥ）の前半で全閉となる。
【００３１】
詳しくは後述するが、電子制御ユニット６は、内燃機関１０を始動する際に吸気温度センサ５により検出された温度が所定の閾値以下の間は、内燃機関１０をクランキングすると共に、そのクランキング中の圧縮行程後半および膨張行程前半のいずれか一方または両方で可変動弁機構３により吸気弁２を開弁させる。本実施形態では、吸気弁２を圧縮上死点で開閉弁動作させる。
【００３２】
次に、図２から図６に基づき本実施形態の始動制御装置１の作用を説明する。
【００３３】
本実施形態では、可変動弁機構３を用い、冷間始動の際の初回圧縮時において、圧縮上死点で吸気弁２を開弁することで、昇温された空気（吸気）を吸気マニホールド４１側に戻す。この昇温された空気を他の気筒が吸入することで圧縮端におけ筒内温度が上昇し、確実な着火・燃焼が可能となることから、冷間時における始動性が飛躍的に向上する。
【００３４】
まず、図２および図３に基づき、気筒から吸気を戻す際の吸気温度の上昇について説明する。
【００３５】
図２と図３とに、内燃機関１０を外部動力により回転駆動するモータリング状態で、圧縮上死点にて吸気弁２を開弁した場合の排出温度のシミュレーション結果を示す。
【００３６】
シミュレーションでは、圧縮圧開放による吸気温度の上昇を検証するために、膨張行程と排気行程との間の下死点で吸気弁２を開弁した場合（条件１）と、圧縮上死点で吸気弁２を開弁した場合（条件２）とでガス温度を比較した。
【００３７】
図２は、シミュレーションにおける計算条件（バルブリフトパターン）を示したものであり、縦軸がバルブリフト量（ＬＩＦＴ）、横軸がクランク角度（ＣＲＡＮＫ  ＡＮＧＬＥ）である。ライン１０１は、通常のバルブ動作による吸気バルブリフト（吸気弁２の揚程）、ライン１０２は通常のバルブ動作による排気バルブリフト（排気弁１７４の揚程）である。ライン１０３とライン１０４とは、圧縮圧力開放用バルブリフトであり、ライン１０３が条件１に対応し、ライン１０４が条件２に対応する。
【００３８】
図３は、シミュレーションの計算結果（ガス温度）を示したものであり、縦軸がガス温度である。図３のバー１０５が条件１に対応し、バー１０６が条件２に対応する。図３に示すように、条件２では、条件１に比べてガス温度が約３００℃高くなる。
【００３９】
この結果から、ピストンの圧縮により高圧となった気筒内のガスが、圧縮上死点で開放されることで、エネルギが熱へと変換され、非常に高温のガスとして排出（吸気側に還流）していることがわかる。
【００４０】
次に、図４に基づき、本実施形態に係る直列６気筒機関での動作例を説明する。
【００４１】
図４は、＃１気筒１１−＃６気筒１６のバルブリフトパターンであり、＃１気筒１１−＃６気筒１６を上段から着火順序（＃１気筒１１、＃５気筒１５、＃３気筒１３、＃６気筒１６、＃２気筒１２、＃４気筒１４）に並べて示したものである。図４の左側の縦軸が筒内圧力（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）、右側の縦軸がバルブリフト量（Ｖａｌｖｅ  Ｌｉｆｔ）、横軸がクランク角度（Ｃｒａｎｋ  Ａｎｇｌｅ）である。
【００４２】
図４のライン１１０が本実施形態による圧縮上死点での吸気弁２のバルブリフトを示す。また、ライン１０７が吸気弁２のバルブリフトを示し、ライン１０８が排気弁１７４のバルブリフトを示し、ライン１０９（点線）が筒内圧力を示す。
【００４３】
ここで、本実施形態では、＃１気筒１１−＃６気筒１６を、＃１気筒１１−＃３気筒１３の組と＃４−＃６気筒１６の組とに分けて制御する。まず、＃１気筒１１−＃３気筒１３の動作から説明する。
【００４４】
イグニッションスイッチなどにより内燃機関１０の始動が電子制御ユニット６に指示されると、その電子制御ユニット６はスタータ１７５により機関本体１７のクランキングを開始する。図例ではクランク角度が３６０°にてクランキングが開始される。そのクランキングの開始と同時に、電子制御ユニット６は、吸気温度センサ５の検出温度を基に冷間始動か否かを判断する。
【００４５】
具体的には、電子制御ユニット６は、吸気温度センサ５の検出温度が所定の閾値以下か否か判断し、検出温度が閾値以下の場合には、＃１気筒１１から＃３気筒１３のうち圧縮行程（または下死点近傍）にある気筒（図例では＃１気筒１１）を選択する。いずれの気筒も圧縮行程にない場合には、最も早く圧縮行程になる気筒を選択する。
【００４６】
次に、電子制御ユニット６は、選択した＃１気筒１１が圧縮上死点に達した時に、その＃１気筒１１の吸気弁２を開閉弁動作（圧縮圧開放動作ともいう）させる。すなわち、図例では圧縮上死点の近傍かつ圧縮上死点よりも前の圧縮行程後半から吸気弁２の開弁を開始し、圧縮上死点で吸気弁２を所定開度（全開よりも小さい開度）まで開弁した後、吸気弁２の閉弁を開始して圧縮上死点の近傍かつ圧縮上死点よりも後の膨張行程前半にて吸気弁２を全閉とする。なお、圧縮圧開放動作の開始は、圧縮行程後半に限定されず、圧縮上死点近傍であれば、圧縮上死点後の膨張行程前半でもよい。
【００４７】
例えば、クランキング開始時に＃１気筒１１が圧縮行程にあると仮定すると、＃１気筒１１の圧縮上死点で吸気弁２を開弁することで、上述の通り高温ガスが吸気マニホールド４１側へ還流する（図４の白抜き矢印１１１）。
【００４８】
この時、＃３気筒１３は丁度吸気行程にあるため、還流した高温のガスを＃３気筒１３に吸気することが可能となる。その＃３気筒１３に吸入されたガスは、＃３気筒１３が圧縮行程になると＃３気筒１３内で圧縮されて昇温される。その＃３気筒１３内のガス温度は、圧縮上死点で圧縮端温度ＴTDCに達する。
【００４９】
ここで、熱損失などを無視すれば圧縮端温度ＴTDCは次式で表される。
ＴTDC＝ＴIN×（ε＾（κ−１））
但し、ＴIN：初期温度、ε：圧縮比、κ：比熱比
【００５０】
この式を用い、標準的なディーゼル機関の圧縮比の場合でＴTDCを計算すると、図５のようになる。
【００５１】
したがって、図５に示されるように、吸気温度を６０℃上昇させることができれば、圧縮端温度は約１６５℃上昇することとなる。これにより、冷間時でありながら常温と同等の始動性を確保することが可能となる。
【００５２】
但し、実際には熱損失、および吸気マニホールド４１内の余剰空気の加熱などが生じるため、条件（吸気マニホールド４１の容積や外気温など）によっては１気筒だけの圧縮圧開放動作では十分に昇温しきれない場合が考えられる。
【００５３】
その場合には、図４の白抜き矢印１１２および白抜き矢印１１３に示す通り、順次＃３気筒１３の開放した高温ガスを＃２気筒１２で吸気し、次いで＃２気筒１２の開放した高温ガスを＃１気筒１１で吸気することで、ガスは非常に高温となり、所定の効果が得られることとなる。
【００５４】
すなわち、電子制御ユニット６は、＃１気筒１１の吸気弁２を開閉弁動作させた後、吸気温度センサ５の検出温度が閾値以下の場合には、残りの＃２気筒１２と＃３気筒１３のうちの最も早く圧縮行程になる気筒（図例では＃３気筒１３）を選択し、その選択した＃３気筒１３の吸気弁２を圧縮上死点で開閉弁動作させる。
【００５５】
さらに、吸気温度センサ５の検出温度が閾値を超えるまで、＃２気筒１２、＃１気筒１１、＃３気筒１３の順に循環して圧縮上死点での吸気弁２の開閉弁動作を行う。
【００５６】
吸気温度センサ５の検出温度が閾値を超えると、電子制御ユニット６は、圧縮圧開放動作（圧縮上死点での吸気弁２の開閉弁動作）を中止すると共に、インジェクタ１７１による燃料噴射を開始し、その後、クランキングを停止する。これにより、内燃機関１０は、回転数が上昇して始動が終了する。
【００５７】
ここで、上述の動作例から分かるように直列６気筒機関の丁度前半分の３気筒（＃１気筒１１から＃３気筒１３）でガスのやり取りが成立していることが分かる。後述するように、同様に後ろの３気筒（＃４気筒１４−＃６気筒１６）でも同様のサイクルとなる。
【００５８】
したがって、前側および後側のいずれの気筒１１−１６でも、開放された高温ガスは長い経路を経ることなく、比較的至近の気筒に吸気されることになり、余分な熱損失が生じない。
【００５９】
次に、＃４気筒１４−＃６気筒１６の動作を説明する。＃４気筒１４−＃６気筒１６の場合、クランキング開始時（クランク角度３６０°）にいずれの気筒１４−１６も圧縮行程（あるいは下死点近傍）にない。そこで、電子制御ユニット６は、＃４気筒１４−＃６気筒１６のうち最も早く圧縮行程になる気筒を選択する。図例では、＃５気筒１５を選択することになる。
【００６０】
電子制御ユニット６は、選択した＃５気筒１５の吸気弁２を圧縮上死点で開閉弁動作させる。これにより＃５気筒１５内で圧縮（および昇温）された吸気が、吸気マニホールド４１に還流すると共に還流する際に上述のように昇温される。その吸気マニホールド４１に還流したガスが、圧縮行程にある＃６気筒１６に吸入される。
【００６１】
この圧縮圧開放動作による昇温が、＃５気筒１５、＃６気筒１６、＃４気筒１４の順で循環して、吸気温度センサ５の検出温度が閾値を超えるまで行われる。
【００６２】
次に、本実施形態を実施する場合の制御ロジックの概念図を図６に示す。
【００６３】
図６の制御ロジックは、電子制御ユニット６により内燃機関１０の始動時に実行される。
【００６４】
ステップＳ１では、電子制御ユニット６は、吸気マニホールド４１内に設置された吸気温度センサ５の検出信号を基に、吸気マニホールド４１内のガスの温度がある閾値以下の場合は冷間始動モードを行う。
【００６５】
この場合には、先述の通り、可変動弁機構３にて吸気弁２を圧縮上死点で開弁する動作（圧縮圧開放動作）を行う（ステップＳ２）。なお、この時、燃料噴射は行わない（ステップＳ３）。
【００６６】
この圧縮圧開動作にて吸気マニホールド４１内のガスの温度が昇温するが、１回目の圧縮圧開動作を行ってもなお吸気マニホールド４１内のガスの温度が閾値以下の場合には順次別の気筒１１−１６でも同様の圧縮圧開放動作を実施する。すなわち、電子制御ユニット６は、ステップＳ２、Ｓ３の後、再びステップＳ１に戻り、吸気温度センサ５の検出温度が閾値以下の間はステップＳ１−Ｓ２、Ｓ３をループする。
【００６７】
他方、ステップＳ１で吸気マニホールド４１内ガス温度が閾値を超えたと判断された場合には、電子制御ユニット６は、吸気弁２の通常バルブ動作（通常動作モード）を実施する（ステップＳ４）と共に燃料噴射を実施する（ステップＳ５）。
【００６８】
このように、本実施形態によれば、寒冷地での冷間始動性（始動し易さや始動時間など）を飛躍的に向上させることができ、クランキング時間の低減、白煙・未燃成分の排出を大幅に抑制することが可能となる。つまり、始動時間の短縮と排ガス性能の向上とを図ることができる。
【００６９】
また、圧縮圧開放動作を行うか否か決定するために、吸気マニホールド４１に配置された吸気温度センサ５を使用しているので、例えば吸気マニホールド４１よりも上流の吸気管などに配置された温度センサを使用する場合に比べて応答性がよい。
【００７０】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【００７１】
例えば、内燃機関１０は、ディーゼル機関に限定されず、また直列６気筒機関にも限定されず、様々なものが可能である。
【００７２】
また、可変動弁機構３は、カムレスのものに限定されず、圧縮行程後半から膨張行程前半までの間の任意のタイミングで吸気弁２を開閉可能なものであれば、例えばクランク軸に連結されたカム軸のカムにより上述の通常バルブ動作を行うものでもよい。
【００７３】
また、圧縮圧開放動作における吸気弁２の開弁タイミングは、圧縮上死点に限定されず、気筒内に圧縮された吸気が存在する期間であれば任意のタイミングでよい。
【符号の説明】
【００７４】
１  始動制御装置
２  吸気弁
３  可変動弁機構
４  吸気通路
５  吸気温度センサ（吸気温度検出手段）
６  電子制御ユニット（制御手段）
１０  内燃機関
４１  吸気マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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