(57)【要約】【課題】モータ等の内燃機関以外の動力を用いて内燃機関を始動させる内燃機関始動装置において、冷間時等、モータの出力が低下する環境でも安定して内燃機関を始動させる。【解決手段】内燃機関のクランキング中に、吸気バルブが弁座に着座する前を含む所定の範囲でクランキングトルクを増加する。これにより吸気バルブが着座する速度を加速することが出来、それによって吸気バルブから逆流する空気量を減少させることが出来る。ひいては気筒内の空気量を確保することが出来、冷間時等、バッテリやモータの出力が低下している環境でも安定して内燃機関を始動できるようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが吸入行程の下死点と圧縮行程の上死点の間の所定の閉止位置に達した時点で吸気バルブを閉止することでアトキンソンサイクルによる燃焼を行う4ストローク内燃機関において、
前記内燃機関のクランキング中に、前記吸気バルブが弁座に着座する前を含む所定の範囲でクランキングトルクを増加することを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の始動制御装置において、モータを備えるハイブリッド自動車に搭載されることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置において、
前記クランキング中に前記吸気バルブが弁座に着座する前を含む所定の範囲でクランキングトルクを増加する制御は、外気温が所定の温度以下であるときのみ実行されることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の始動時に吸気バルブのクランキングトルクを制御する内燃機関の始動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より内燃機関の始動時、スタータモータや、モータジェネレータ等の外的駆動手段を用いてクランキング中に所定のタイミングでクランキングトルクを上げて始動性を向上する技術が開示されている。始動性とはエンジン始動要求時からエンジンが自立運転可能になるまでの時間で評価される指標のことであり、ここでいう自立運転とは、内燃機関が該内燃機関以外の外的駆動力を使用せず、吸入→圧縮→膨張→排気のサイクルを継続的に行うことの出来る内燃機関の運転状態を指す。例えば特許文献１では外的駆動手段としてモータジェネレータを用いて圧縮行程の上死点近傍でクランク軸の回転数を一瞬過渡的に増加させ、見かけの回転数を上げることにより自立運転を促進する始動制御装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−４４４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら冷間時等、バッテリやモータの出力が低下して空気量が足りず燃焼が成立しない状態では、上記の構成では自立運転を促進する効果がなく、始動性を改善出来ない。
【０００５】
またハイブリッド自動車ではアトキンソンサイクルによる燃焼を行うものが多くある。これは圧縮比に対して高膨張比を得る燃焼方法であり、高い熱効率を得ることができる。既存のハイブリッド自動車ではアトキンソンサイクルを実現するために吸気弁を閉じるタイミングを吸入行程の下死点以降に設定している。これは吸気弁を下死点以降も開けておくことによって、一旦シリンダ内へ吸入された空気の一部を吸気ポート内へ押し返し、実質的な圧縮開始を遅らせることでアトキンソンサイクルを実現するものである。
【０００６】
しかしながら、アトキンソンサイクルによる燃焼を行う内燃機関においては冷間始動時等、バッテリ出力が制限される環境ではモータによる回転数が十分に上がらず、自立運転するための吸入空気量が確保出来ないことがある。そのため冷間時等は始動性が悪化する可能性がある。
【０００７】
そこで本発明はアトキンソンサイクルによる燃焼を行う内燃機関において冷間時等、吸入空気量が足りなくなる時でも筒内空気量の減少を抑制し始動性を向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はピストンが吸入下死点と点火上死点の間の所定の閉止位置に達した時点で、吸気バルブを閉止してアトキンソンサイクルによる燃焼を行う内燃機関において、前記内燃機関のクランキング中に、前記吸気バルブが弁座に着座する前を含む所定の範囲でクランキングトルクを増加することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、アトキンソンサイクルによる燃焼を行う内燃機関において、シリンダ内空気量が減少するのを抑えて始動性を向上することが出来る。これは気体の性質上、所定の開口面積から単位時間当りに通過できる空気量には限界があるので、吸気バルブ移動速度を増加させることで吸気バルブが開口している時間が短くなり吸気バルブから排出される空気量が減少するためである。
また、空気の流速はピストン近傍ではピストン回転速度の上昇に合わせて増加するものの、吸気バルブ付近では慣性力により増加しないのに対して吸気バルブの移動速度は増加するため、吸気バルブが着座するまでに排出される空気量が減少するためでもある。本発明では弁座に着座する前後を含む所定の範囲で吸気バルブ移動速度を増加させることで、上昇中のピストンに押されて吸気バルブから排出される空気量を効率的に抑制する。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の始動制御装置において、モータを備えるハイブリッド自動車に搭載されることを特徴とする。
【００１１】
これによれば、既存のハイブリッド自動車のハード構成を変更することなく制御の変更のみで始動性を改善できる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置において、前記クランキング中に前記吸気バルブが弁座に着座する前を含む所定の範囲でクランキングトルクを増加する制御は、外気温が所定の温度以下であるときのみ実行されることを特徴とする。
【００１３】
これによれば、吸入空気量が不足することの多い冷間時でのみクランキングトルクを増加することで、無駄なクランキングトルク増加処理を避けることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の制御装置の一実施形態について、図面を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の制御装置は、ハイブリッド車に適用したものであり、その構成を図１に示す。エンジン１は、モータジェネレータ（主として電動機として機能）３２と共に車両に搭載される。この車両は、エンジン１の出力を受けて発電を行うモータジェネレータ（主として発電機として機能）３３も有している。
【００１５】
これらのエンジン１、モータジェネレータ３２及びモータジェネレータ３３は、動力分割機構３４によって接続されている。動力分割機構３４は、エンジン１の出力をモータジェネレータ３３と駆動輪３５とに振り分けている。また、動力分割機構３４は、モータジェネレータ３２からの出力を駆動輪３５に伝達させる役割や、減速機３７及び駆動軸３６を介して駆動輪３５に伝達される駆動力に関する変速機としての役割も備えている。本実施形態の動力分割機構３４は、プラネタリギアによって上述した機構を実現している。
【００１６】
モータジェネレータ３２は、交流同期電動機であり、交流電力によって駆動される。インバータ３９は、バッテリ３８に蓄えられた電力を直流から交流に変換して、モータジェネレータ３２に供給すると共に、モータジェネレータ３３によって発電される電力を交流から直流に変換して、バッテリ３８に蓄えるためのものである。モータジェネレータ３３も、基本的には上述したモータジェネレータ３２とほぼ等しい構成を有しており、交流同期電動機としての構成を有している。モータジェネレータ３２が主として駆動力を出力するのに対して、モータジェネレータ３３は、主としてエンジン１の出力を受けて発電する。
【００１７】
なお、エンジン１には各シリンダ２１７毎にインジェクタ１１が配設されており、各シリンダ２１７の吸気ポートに燃料を噴射するようになっている。インジェクタ２２１による燃料噴射はエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ：電子制御ユニット）１８によって制御される。エンジンＥＣＵ１８はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、エンジン１に設けられた各種センサの出力信号に基づいてエンジン１の運転状態を制御する周知のコンピュータユニットである。エンジンＥＣＵ１８はエンジン１の回転数及び負荷などに基づいて各シリンダ２１７に供給すべき燃料量を算出し、算出した燃料量の燃料が各シリンダ２１７に供給されるように各インジェクタ２２１の動作を制御する。エンジンＥＣＵ１８によって燃料噴射前であるか後であるか判定出来る。また、エンジンＥＣＵ１８にはエンジン１のクランクシャフトの回転位置を検出するクランクポジションセンサ１３も接続されている。
【００１８】
また、エンジン１は吸気バルブ移動タイミングを吸入下死点以降の行程に設定している。これはピストン上昇中も吸気バルブを開けておくことでシリンダ２１７内から空気を押し出すためである。
【００１９】
モータジェネレータ３２の出力は、動力分割機構３４を介して駆動輪３５に伝達され、車両を走行させる駆動力となる。また、モータジェネレータ３２は、主として駆動力を発生させるが、駆動輪３５の回転を利用して発電（回生発電）することもでき、発電機としても機能し得る。このとき、駆動輪３５にはブレーキ（回生ブレーキ）がかかるので、これをフットブレーキ（オイルブレーキ）やエンジンブレーキと併用することにより、車両を制動させることができる。
【００２０】
一方、モータジェネレータ３３は、主としてエンジン１の出力を受けて発電をするが、インバータ３９を介してバッテリ３８の電力を受けて駆動する電動機としても機能し得る。即ち、モータジェネレータ３３は、いわゆるスタータモータとしても機能し得る。スタータモータとしてのモータジェネレータ３３は、エンジン１のクランクシャフトを回転させてシリンダ２１７内でピストンを往復運動させると共に、タイミングベルト（チェーン）を介してクランクシャフトと連動するカムシャフトを回転させて吸排気バルブの開閉動作を行わせることが出来る。即ち、モータジェネレータ３３は、クランクシャフトを通じてエンジン１を始動させることの出来る外的駆動手段として機能する。
【００２１】
また、クランクシャフトとカムシャフトが連動することから、クランクポジションセンサ１３の出力パルスと対応したカムシャフトの角度が測定出来、ひいては吸気バルブの開度が測定出来ることになる。クランクポジションセンサ１３の出力パルスと吸気バルブの開度の対応値はエンジンＥＣＵ１８に格納されており、エンジンＥＣＵ１８において吸気バルブの開度が測定出来る。
【００２２】
モータジェネレータ３２及びモータジェネレータ３３の各駆動軸には、それぞれの回転位置及び回転数を検出する回転センサ５０，５１が取り付けられている。回転センサ５０，５１は、それぞれモータＥＣＵ４２に接続されている。モータＥＣＵ４２は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、モータジェネレータ３２、及びモータジェネレータ３３の動作を制御する周知のコンピュータユニットである。回転センサ５１、インバータ３９及びモータＥＣＵ４２などによってモータジェネレータ３３の状況を検出することで、エンジン１の状態（出力トルク）を検出することができる。即ち、エンジン１が完爆しているか否かを検出することができる。完爆しているとは、エンジン１のシリンダ２１７内で生成された混合気が完全に燃焼することを言う。完爆していると、エンジン１が自立運転可能な状態になったとみなすことができる。
【００２３】
ハイブリッド車として特徴的な、エンジン１による駆動とモータジェネレータ３２及びモータジェネレータ３３による駆動とは、メインＥＣＵ４０によって総合的に制御される。メインＥＣＵ４０はマイクロプロセッサ、及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータとして構成され、メインＥＣＵ４０においてエンジン１の出力とモータジェネレータ３２（モータジェネレータ３３）による出力の配分が決定され、エンジン１、モータジェネレータ３２及びモータジェネレータ３３を制御すべく各制御指令がエンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２に出力される。
【００２４】
また、エンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２は、エンジン１、モータジェネレータ３２及びモータジェネレータ３３の情報をメインＥＣＵ４０に伝えてもいる。メインＥＣＵ４０には、バッテリ３８を制御するバッテリＥＣＵ４３や、ブレーキを制御するブレーキＥＣＵ４４も接続されている。バッテリＥＣＵ４３は、バッテリ３８の充電状態を監視し、充電量が不足した場合は、メインＥＣＵ４０に対して、充電要求指令を出力する。充電要求を受けたメインＥＣＵ４０は、バッテリ３８に対して充電をすべく、モータジェネレータ３３を発電させる制御を行う。ブレーキＥＣＵ４４は、メインＥＣＵ４０と共にモータジェネレータ３２による回生ブレーキを制御する。
【００２５】
エンジン１の始動時には、メインＥＣＵ４０、エンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２が協調して、モータジェネレータ３３の出力でクランキングを行う。即ち、メインＥＣＵ４０、エンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２などが、始動処理を行う。また、メインＥＣＵ４０に接続されるセンサとして、外気温に対応する信号を出力する外気温センサ１９、等がある。その他にもメインＥＣＵ４０には各種センサが接続されるが、それらの図示は省略した。また、メインＥＣＵ４０には低温であるか判定する為の閾値が格納されており、外気温センサ１９からの出力が該閾値以下であるときは低温であると判定する。
【００２６】
次に図２を用いて、本実施形態の動作を説明する。
【００２７】
図２は、メインＥＣＵ４０及びエンジンＥＣＵ１８及びモータＥＣＵ４２がエンジン１を始動させるために実行する機関始動制御ルーチンを示している。
【００２８】
図２の制御ルーチンはエンジンの始動要求があるときに開始（ＳＴＡＲＴ）される。まず外気温センサ１９の出力からメインＥＣＵ４０によって低温中であるか判定される（ステップＳ１０１）。メインＥＣＵ４０には低温であると判定する閾値（例えば−２５℃）が設定されており、外気温センサの出力値が閾値を下回るときは低温であると判定する。この−２５℃という温度はバッテリ出力が低下してモータ出力が低下する温度であり、この温度以下になると自立運転するのに十分な空気量が確保出来なくなる可能性がある。
【００２９】
上記ステップＳ１０１の判定の結果、低温中であるとき（ステップＳ１０１―ＹＥＳ）には、メインＥＣＵ４０によりエンジン１がクランキング中であるかが判定される（ステップＳ１０３）。
【００３０】
上記ステップＳ１０３の判定の結果、エンジン１がクランキング中であるとき（ステップＳ１０３―ＹＥＳ）には、インジェクタ２２１により燃料噴射後であるかエンジンＥＣＵ１８により判定される（ステップＳ１０５）。
【００３１】
上記ステップＳ１０５の判定の結果、燃料噴射後であるとき（ステップＳ１０５―ＹＥＳ）には、クランクポジションセンサ１３の出力からエンジンＥＣＵ１８によって吸気バルブが所定の範囲の位置であるか判定される（ステップＳ１０７）。本実施例で言う、所定の範囲の位置とは吸気バルブが着座するクランク角度から±３０ＣＡの範囲にある位置である。
【００３２】
上記ステップＳ１０７の判定の結果、吸気バルブが所定の範囲の位置であるとき（ステップＳ１０７―ＹＥＳ）には、モータジェネレータ３３によって吸気バルブが所定の範囲の位置のクランク角度の範囲でクランキングトルクが直前に付加していたトルクよりも増加される（ステップＳ１０９）。このとき付加されるトルク量は予め実験により求められた適合値からクランク角度毎に最適な付加トルクを算出して用いる。適合値は、内燃機関が自立運転出来るエンジン回転数を出す為に必要なモータジェネレータ３３のトルクである。この適合値はクランク角度と付加トルクの２次元マップとしてメインＥＣＵ４０に格納されている。この適合値を用いてモータＥＣＵ４２がモータジェネレータ３３の出力を制御する。その後、制御ルーチンを終了（ＥＮＤ）する。
【００３３】
上記ステップＳ１０１〜Ｓ１０９において判定がＮＯであったときには、モータＥＣＵ４２によってエンジンが自立運転しているか判定する（ステップＳ１１０）。エンジンが自立運転していないとき（ステップＳ１１０―ＮＯ）にはステップＳ１０１に戻る。エンジンが自立運転しているとき（ステップＳ１１０―ＹＥＳ）には制御ルーチンを終了（ＥＮＤ）する。
【００３４】
本実施例の制御ルーチンはエンジン始動要求がある度に繰り返し実行される。
【００３５】
次に図３を用いて本実施例における一シリンダ内のクランク角度と吸気バルブの開度とモータジェネレータトルクの関係を示す。図３の横軸はクランク角度であり、（ａ）はシリンダ２１７内の圧力の変化を表しており、（ｂ）は吸気バルブ２０３の開いている期間を表しており、（ｃ）はモータジェネレータ３３によりクランクシャフトに付加されるトルク量の変化を表している。吸気バルブ２０３はクランク角度が排気上死点を過ぎてから開き、下死点を過ぎて圧縮上死点に到達する前に閉じる。モータによる付加トルクは吸気バルブ２０３が弁座に着座する付近で増加されてクランクシャフトの回転速度が増加し、バルブ閉じ速度が増加する。よって吸気バルブ２０３が着座する付近でトルクを増加しない場合に比べてシリンダ２１７内の空気量が増加する。引いてはシリンダ内圧が上昇することになり、混合気が完爆しやすくなって始動性が向上する。
【００３６】
特に、本実施形態のエンジン１は、アトキンソンサイクルの高膨張比エンジンである。吸気バルブ２０３を遅く閉じることで高膨張比を実現しており、熱効率向上によるエネルギー効率向上を実現している。しかし、高膨張比を得るために吸入空気量を減少させるため、燃焼に必要な空気量が足りず始動性が低下する可能性がある。そこで、モータジェネレータ３３を用いて吸気バルブが所定の範囲の位置でクランクシャフトを回転させる速度を増加させることは始動性向上のために有効である。
【実施例】
【００３７】
本実施例ではハイブリッド車におけるモータジェネレータを用いてクランキングシャフトを駆動させたが、ハイブリッド車ではない通常のエンジン車であれば、回転数制御を行えるスタータモータなどであってもよい。
【００３８】
また、本実施例では付加トルクを図２に示すように吸気バルブが弁座に着座する前を含む所定の範囲において、着座する瞬間を境にして対称的に増加させたが、図４−（ｉ）ように非対称的に、あるいは（ｉｉ）のように付加トルクを増加させてもよい。
【００３９】
さらに、本発明の始動制御装置はディーゼルエンジンにも適用することができる。また、単気筒内燃機関または多気筒内燃機関に適用出来る。
【００４０】
以上のように、本発明によれば、吸気バルブ移動速度を吸気バルブが所定の範囲の位置で増加させることで逆流する空気量を抑制することが出来る。よって冷間時にバッテリ出力が低下し、全域で自立運転するために必要なモータトルクが出せない時でも、十分な空気量を確保することが出来るため始動性を向上出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の始動制御装置の一実施形態を有する車両の駆動系構成図。
【図２】本発明の始動制御装置の一実施形態の動作を示すフローチャート。
【図３−（ａ）】本発明の始動制御装置の一実施形態のシリンダ２１７内のクランク位置とシリンダ内圧力の関係を示す図。
【図３−（ｂ）】本発明の始動制御装置の一実施形態のシリンダ２１７内のクランク位置と吸気バルブ２０３開期間の関係を示す図。
【図３−（ｃ）】本発明の始動制御装置の一実施形態のシリンダ２１７内のクランク位置とモータジェネレータ３３により付加されるトルク変化の関係を示す図。
【図４−（ｉ）】本発明の始動制御装置の一実施形態のシリンダ２１７内のクランク位置とモータジェネレータ３３により付加されるトルク変化の関係を示す図。
【図４−（ｉｉ）】本発明の始動制御装置の一実施形態のシリンダ２１７内のクランク位置とモータジェネレータ３３により付加されるトルク変化の関係を示す図。
【符号の説明】
【００４２】
１・・・エンジン（内燃機関）、１０・・・シリンダ、２２１・・・インジェクタ、２０３・・・吸気バルブ、１３・・・クランクポジションセンサ、１８・・・エンジンECU、１９・・・外気温センサ、３２・・・モータジェネレータ、３３・・・モータジェネレータ（外的駆動手段）、３４・・・動力分割機構、３５・・・駆動輪、３６・・・駆動軸、３７・・・減速機、３８・・・バッテリ、３９・・・インバータ、４０・・・メインECU、４２・・・モータECU（外的駆動手段）、４３・・・バッテリECU、４４・・・ブレーキECU、５０、５１・・・回転センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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