JP2007198308A

JP2007198308A - 内燃機関の始動制御装置

Info

Publication number: JP2007198308A
Application number: JP2006019365A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fukui; 裕幸福井; Katsunori Kawatake; 勝則川竹; Koichi Nakada; 浩一中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】機関始動時にアルコール混合燃料を安定に燃焼させるとともに内燃機関を速やかに始動可能な内燃機関の始動制御装置を提供する。
【解決手段】アルコールを含有するアルコール混合燃料を使用可能な内燃機関１に適用される始動制御装置において、内燃機関１の吸気弁１１の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構２０と、アルコール混合燃料のアルコール濃度を取得するアルコール濃度センサ３２と、を備え、ＥＣＵ５０は、アルコール濃度センサ３２により取得されたアルコール濃度が高いほど可変動弁機構２０の動作を制御して内燃機関１の始動時における吸気弁１１の閉弁時期を吸気弁１１が設けられた気筒２の吸気下死点ＢＤＣに近付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルコールを含有するアルコール混合燃料を使用可能な内燃機関の始動制御装置に関する。

アルコールが含有されたアルコール混合燃料を使用する内燃機関に適用される燃料加熱装置において、機関始動時などにおける燃料の燃焼性を向上させるべくアルコール混合燃料のアルコール濃度に応じてこのアルコール混合燃料の予備加熱を行う燃料加熱装置が知られている（特許文献１参照）。

特開平５−２０９５７９号公報

このようにヒータなどによって燃料を加熱する場合、燃料を事前加熱するための時間が必要であるため、始動時間が増加して始動性が悪化する。

そこで、本発明は、機関始動時にアルコール混合燃料を確実に燃焼させるとともに内燃機関を速やかに始動可能な内燃機関の始動制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の始動制御装置は、アルコールを含有するアルコール混合燃料を使用可能な内燃機関に適用される始動制御装置において、前記内燃機関の吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構と、前記アルコール混合燃料のアルコール濃度を取得するアルコール濃度取得手段と、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度が高いほど前記可変動弁機構の動作を制御して前記内燃機関の始動時における前記吸気弁の閉弁時期を前記吸気弁が設けられた気筒の吸気下死点に近付ける動作制御手段と、を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近付けるほど圧縮比が増加するため、圧縮行程末期の筒内温度いわゆる圧縮端における筒内温度を上昇させることができる。本発明の始動制御装置によれば、アルコール混合燃料のアルコール濃度が高いほど内燃機関の始動時における吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近付けるので、圧縮端における筒内温度を上昇させて気筒内におけるアルコール混合燃料の気化を促進させることができる。そのため、機関始動時にアルコール混合燃料を確実に燃焼させて内燃機関を確実に始動することができる。また、アルコール混合燃料の事前加熱の時間を短縮したり、無くすことができるので、内燃機関を速やかに始動することができる。

本発明の一形態においては、前記内燃機関の吸気温度を取得する吸気温度取得手段と、前記吸気温度取得手段により取得された吸気温度が低いほど前記内燃機関の始動時における前記吸気弁の閉弁時期が前記吸気下死点に近付くように前記吸気弁の閉弁時期を補正する閉弁時期補正手段と、をさらに備えていてもよい（請求項２）。吸気温度が低いほど圧縮端における筒内温度が低下するため、このように吸気弁の閉弁時期を補正することによって圧縮端における筒内温度をアルコール混合燃料の気化が促進される温度に適切に調整できる。そのため、機関始動時にアルコール混合燃料をさらに確実に燃焼させることができる。

本発明の一形態においては、前記内燃機関の燃料供給系統に設けられ、前記アルコール混合燃料を加熱するとともに前記アルコール混合燃料に供給する熱量を変更可能な加熱手段をさらに備え、前記動作制御手段は、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度が高いほど前記内燃機関の始動時に前記アルコール混合燃料に供給される熱量が増加するように前記加熱手段の動作を制御してもよい（請求項３）。この場合、加熱手段によって気筒に供給する前の燃料を加熱できるので、気筒内においてアルコール混合燃料を速やかに気化させることができる。そのため、さらに速やかに内燃機関を始動することができる。

以上に説明したように、本発明によれば、アルコール混合燃料のアルコール濃度が高いほど吸気弁の閉弁時期を吸気下死点に近付けて圧縮端における筒内温度を上昇させるので、気筒内においてアルコール混合燃料を確実に気化させることができる。そのため、機関始動時にアルコール混合燃料を確実に燃焼させることができる。また、アルコール混合燃料を予め加熱する必要がないので、内燃機関を速やかに始動することができる。

図１は、本発明に始動制御装置が組み込まれた内燃機関の一形態を示している。内燃機関（以降、エンジンと称することもある。）１は車両に走行用動力源として搭載される４サイクルエンジンであり、複数（図１では１つのみを示す。）の気筒２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に取り付けられるシリンダヘッド４とを備えている。各気筒２にはピストン５が往復動可能にそれぞれ挿入され、このピストン５と気筒２の壁面とシリンダヘッド４とによって各気筒２に燃焼室６がそれぞれ形成される。ピストン５は、コンロッド７を介してクランク軸８と連結されている。各気筒２には吸気通路９及び排気通路１０がそれぞれ接続されるとともに、吸気通路９及び排気通路１０を燃焼室６に対して開閉するための吸気弁１１及び排気弁１２、燃焼室６内の燃料混合気に点火するための点火プラグ１３がそれぞれ設けられている。吸気通路９には、吸気濾過用のエアクリーナ１４、吸入空気量を制御するためのスロットルバルブ１５、及び吸気の温度に対応した信号を出力する吸気温度取得手段としての吸気温センサ１６が設けられ、排気通路１０には、排気浄化触媒１７が設けられている。

また、エンジン１は可変動弁機構２０と、燃料供給系統としての燃料供給装置３０と、始動モータ４０とを備えている。始動モータ４０は、クランク軸８を駆動してエンジン１を始動する周知の始動モータと同様でよいため、詳細な説明は省略する。可変動弁機構２０は、吸気弁１１を開閉駆動するための吸気弁開閉駆動用アクチュエータ２１と排気弁１２を開閉駆動するための排気弁開閉駆動用アクチュエータ２２とを備えており、吸気弁１１及び排気弁１２の開弁時期、閉弁時期、作用角、及びリフト量などの動弁特性をそれぞれ変更することができる。

燃料供給装置３０は、アルコールを含有するアルコール混合燃料（以下、混合燃料と略称する。）が貯留される燃料タンク３１と、アルコール混合燃料のアルコール濃度に対応した信号を出力するアルコール濃度取得手段としてのアルコール濃度センサ３２と、気筒２毎にそれぞれ設けられるインジェクタ３３とを備えている。すなわち、エンジン１は、混合燃料を使用して運転することが可能である。本形態においては、混合燃料としてエタノールとガソリンとを混合した燃料が使用される。そのため、以降はアルコール濃度をエタノール濃度と呼ぶこともある。なお、混合燃料中のエタノール濃度は０％すなわちガソリンのみから、１００％すなわちエタノールのみの範囲内で変動する。燃料タンク３１に貯留されている混合燃料は、不図示の燃料ポンプによって燃料供給ライン３４を介して各インジェクタ３３に送られ、その後各インジェクタ３３から噴射されて各気筒２に供給される。図１に示したように燃料供給ライン３４には加熱手段としての電気ヒータ３５が設けられている。この電気ヒータ３５は、不図示の電源からの通電時間及び出力が調整可能であり、これらのパラメータを変更することによって燃料供給ライン３４を流れる混合燃料に供給する熱量を変更できる。アルコール濃度センサ３２としては、例えばガソリンの電気抵抗値とエタノールの電気抵抗値とが異なることを利用してエタノール濃度を検出する周知のセンサが使用される。

可変動弁機構２０及び電気ヒータ３５の動作は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）５０によってそれぞれ制御される。ＥＣＵ５０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、点火プラグ１３、インジェクタ３３及び始動モータ４０などの動作を制御してエンジン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。ＥＣＵ５０には吸気温センサ１６、アルコール濃度センサ３２、及びエンジン１の冷却水の温度に対応した信号を出力する冷却水温センサ５１など複数のセンサが接続されており、ＥＣＵ５０はこれらのセンサの出力信号を参照してエンジンの運転状態を制御する。

周知のようにエタノールなどのアルコールはガソリンよりも気化し難い。そこで、ＥＣＵ５０はエンジン１の始動時に混合燃料を気筒２内で適切に燃焼させるべく混合燃料中のアルコール濃度に応じて可変動弁機構２０及び電気ヒータ３５の動作を制御する。図２は、ＥＣＵ５０がエンジン１の始動時に可変動弁機構２０及び電気ヒータ３５の動作を制御するとともに始動モータ４０の動作を制御してエンジン１を始動するために実行する始動制御ルーチンを示している。図２の制御ルーチンはＥＣＵ５０の起動時に実行されるとともに、ＥＣＵ５０の起動後は所定の終了条件が満たされるまで所定の周期で繰り返し実行される。

図２の制御ルーチンにおいてＥＣＵ５０は、まずステップＳ１１においてエンジン１の始動要求が有ったか否か判定する。エンジン１の始動要求は、例えばイグニッションスイッチがオンの状態に切り替えられるなど所定の始動条件が満たされた場合に有ったと判断される。また、エンジン１の運転中に所定の機関停止条件が満たされた場合にエンジン１を停止させる、いわゆるエコラン車両では、この所定の機関停止条件が満たされてエンジン１を停止させているときに運転者によってアクセルペダル又はシフトギアが操作された場合にもエンジン１の始動が要求されたと判断する。エンジン１の始動要求が無かったと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。一方、エンジン１の始動要求が有ったと判断した場合はステップＳ１２に進み、ＥＣＵ５０は吸気温センサ１６、アルコール濃度センサ３２、及び冷却水温センサ５１の各出力信号を参照してエタノール濃度、冷却水温、及び吸気温度をそれぞれ取得する。

次のステップＳ１３においてＥＣＵ５０は、エタノール濃度が所定濃度以上か否か判定する。混合燃料中のエタノール濃度が低い場合は、ガソリンのみの場合と同じ条件でエンジン１を始動することができる。そこで、所定濃度としては、ガソリンのみの場合と同じ条件でエンジン１を始動することが可能なエタノール濃度が設定される。エタノール濃度が所定濃度未満であると判断した場合はステップＳ１４に進み、ＥＣＵ５０は吸気弁１１の閉弁時期を基準閉弁時期θｂに設定する。また、この処理においてＥＣＵ５０は、電気ヒータ３５の動作を禁止する。すなわち、電気ヒータ３５が動作していた場合は電気ヒータ３５を停止（ＯＦＦ）させ、電気ヒータ３５が停止していた場合はその停止（ＯＦＦ）状態を維持する。さらに、この処理では、点火時期及び燃料噴射時期などの設定値が、ガソリンのみをエンジン１に供給してエンジン１を始動するときの値（ガソリン始動時設定値）に設定される。その後、ステップＳ１５〜Ｓ２０をスキップしてステップＳ２１に進む。

図３を参照してエンジン１の始動時における吸気弁１１の閉弁時期について説明する。図３は、エンジン１の始動時における吸気弁１１のリフトカーブＬ１の一例を示している。一般にエンジン１を始動するときの吸気弁１１の閉弁時期は、圧縮行程における筒内圧力を低下させて始動モータ４０への負荷を軽減し、電力消費量を低減するために、図３に示したように圧縮行程の上死点（ＴＤＣ）寄りに設定される。本発明では、この位置を通常閉弁時期θｂと呼ぶ。

一方、エタノール濃度が所定濃度以上と判断した場合はステップＳ１５に進み、ＥＣＵ５０はエンジン１の冷却水温が所定温度以下か否か判定する。エンジン１の温度が高い場合は、エンジン１の熱によって混合燃料を気化させることができる。そこで、エンジン１の温度と相関している冷却水温を参照して混合燃料の気化を促進させる処理の実行の要否を判定する。所定温度には、エンジン１の熱によってエタノールを十分に気化させることが可能な温度が設定される。このような温度として所定温度には、例えば２０°Ｃが設定される。エンジン１の冷却水温が所定温度よりも高いと判断した場合はステップＳ１６に進み、ＥＣＵ５０は吸気弁１１の閉弁時期を基準閉弁時期θｂに設定するとともともに電気ヒータ３５を停止（ＯＦＦ）させる。また、この処理では、点火時期及び燃料噴射時期などの設定値がエタノールのみをエンジン１に供給してエンジン１を始動するときの値（エタノール始動時設定値）に設定される。その後、ステップＳ１７〜Ｓ２０をスキップしてステップＳ２１に進む。

エンジン１の冷却水温が所定温度以下と判断した場合はステップＳ１７に進み、ＥＣＵ５０は吸気弁１１の閉弁時期θを算出する。吸気弁１１の閉弁時期θは、基準閉弁時期θｂから第１進角量θ１及び第２進角量θ２を引くことによって算出される。閉弁時期を吸気下死点ＢＤＣ側に進角させたときの吸気弁１１のリフトカーブの一例を図３に線Ｌ２で示した。図４は、混合燃料のエタノール濃度と第１進角量θ１との関係の一例を示している。吸気弁１１の閉弁時期を進角させて図３に示した吸気下死点ＢＤＣに近付けることにより、圧縮行程時に圧縮される空気量を増加させて圧縮端における気筒２内の温度を上昇させ、気筒２内における混合燃料の気化を促進させることができる。一方、混合燃料はエタノール濃度が高いほど気化し難くなる。そこで、図４に示したように、エタノール濃度が高いほど吸気弁１１の閉弁時期を吸気下死点ＢＤＣに近付けて圧縮端の気筒２内の温度を上昇させるべく第１進角量θ１が大きく設定される。図５は、吸気温度と第２進角量θ２との関係の一例を示している。吸気温度が低いほど圧縮端における気筒２内の温度が低下するので、圧縮端の気筒２内の温度を上昇させる必要がある。そこで、吸気温度が低いほど第２進角量θ２が大きく設定される。続くステップＳ１８においてＥＣＵ５０は、吸気弁１１の閉弁時期を算出した閉弁時期θに変更する。

次のステップＳ１９においてＥＣＵ５０は、電気ヒータ３５から混合燃料に供給すべき供給熱量Ｑを算出する。供給熱量Ｑは、混合燃料のエタノール濃度に基づいて設定される第１加熱量Ｑ１及びエンジン１の冷却水温に基づいて設定される第２加熱量Ｑ２を加算することによって算出される。図６は、混合燃料のエタノール濃度と第１加熱量Ｑ１との関係の一例を示している。上述したように混合燃料はエタノール濃度が高いほど気化し難いため、エタノール濃度が高いほど第１加熱量Ｑ１が大きく設定される。図７は、エンジン１の冷却水温と第２加熱量Ｑ２との関係の一例を示している。エンジン１の温度が高い場合はエンジン１の熱によって混合燃料を気化させることができるので、エンジン１の冷却水温が高いほど第２加熱量Ｑ２が小さく設定される。続くステップＳ２０においてＥＣＵ５０は、電気ヒータ３５を起動（ＯＮ）して混合燃料を加熱するとともに算出した供給熱量Ｑの熱が電気ヒータ３５から混合燃料に供給されるように電気ヒータ３５の出力及び通電時間を制御する。

次のステップＳ２１においてＥＣＵ５０は、始動モータ５０を起動してエンジン１のクランキングを開始する。また、ＥＣＵ５０は、このクランキング時に吸気弁１１がステップＳ１４、Ｓ１６又はＳ１８において設定した閉弁時期に閉弁されるように吸気弁開閉駆動用アクチュエータ２１の動作を制御する。続くステップＳ２２においてＥＣＵ５０は、エンジン１が始動したか否か判定する。エンジン１が始動したか否かは、例えばエンジン１の回転数に基づいて判定され、エンジン１の回転数がエンジン１が継続して燃焼を続けられる完爆状態を得られたときの回転数以上の場合にエンジン１が始動したと判断する。エンジン１が始動していないと判断した場合はこの処理を繰り返し実行する。一方、エンジン１が始動したと判断した場合は、今回の制御ルーチンを終了する。

図２の制御ルーチンでは、エタノール濃度が高いほどエンジン１の始動時における吸気弁１１の閉弁時期が吸気下死点ＢＤＣに近付けられるので、圧縮端における気筒２内の温度を上昇させて気筒２内における混合燃料の気化を促進させることができる。そのため、始動時に気筒２内において混合燃料を安定に燃焼させて内燃機関を確実に始動することができる。また、このように筒内温度を上昇させ、気筒２内において混合燃料の気化を促進させることにより、燃料供給装置３０において混合燃料を加熱する時間を短縮したり、無くすことができるので、エンジン１を速やかに始動することができ、かつエネルギの節約による燃費向上を実現することができる。さらに、アルコール濃度が高いほど電気ヒータ３５から混合燃料に供給する熱量を増加させるので、アルコール濃度が高くても速やかに気筒２内において混合燃料を気化させることができる。

なお、図２のステップＳ１７及びＳ１８の処理を実行して吸気弁１１の閉弁時期を変更することにより、ＥＣＵ５０は本発明の動作制御手段、及び閉弁時期補正手段として機能する。

エンジン１の始動後、吸気弁１１の閉弁時期は、エンジン１の暖機状態に応じてアルコール混合燃料の燃焼が不安定にならないように適宜調整される。例えば、エンジン１の冷却水温の上昇率などに応じて進角させていた吸気弁１１の閉弁時期を徐々に遅角させる。エンジン１の温度が上昇し、ラジエターからの放熱が開始される完全暖機状態になった場合、吸気弁１１の閉弁時期は、例えばエンジン１の通常運転時における吸気弁１１の閉弁時期と混合燃料のアルコール濃度との関係を示したマップに基づいて適宜調整される。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、気筒内に直接燃料を噴射する、いわゆる直噴式内燃機関に本発明を適用してもよい。本発明を直噴式内燃機関に適用する場合は、クランキング時における燃料の噴射時期を圧縮行程の後半に設定してもよい。この場合、圧縮行程によって温度が上昇した空気中に混合燃料が供給されるので、混合燃料の気化をさらに促進させることができる。

また、本発明はハイブリッドシステムに組み込まれたエンジンに適用してもよい。このようなシステムではクランキング速度を変更できるので、クランキング時にクランキング速度を増加させてもよい。このようにクランキング速度を増加させることにより、気筒内に燃料を供給する前に筒内温度を上昇させることができるので、混合燃料の気化をさらに促進させることができる。

混合燃料のアルコール濃度を取得する手段はアルコール濃度センサに限定されない。燃料噴射量及びエンジンの出力は混合燃料のアルコール濃度に影響されるので、各アルコール濃度における燃料噴射量及びエンジン出力の関係をＥＣＵにマップとして記憶させておき、このマップを参照してエンジンで使用されている混合燃料のアルコール濃度を推定してもよい。また、排気ガスの空燃比は混合燃料のアルコール濃度に影響されるので、測定した排気ガスの空燃比に基づいて概略のアルコール濃度を算出してもよい。噴射する燃料を加熱可能なヒータを備えたインジェクタが混合燃料の加熱手段として設けられてもよい。本発明が適用される内燃機関の可変動弁機構は、少なくとも吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構であればよい。このような可変動弁機構としては、上述した形態に示した動弁機構の他、例えば電動モータによって吸気弁及び排気弁を開閉駆動する動弁機構、又は吸気弁及び排気弁を電磁石で開閉駆動する電磁駆動動弁機構などが設けられていてもよい。

本発明に始動制御装置が組み込まれた内燃機関の一形態を示す図。ＥＣＵが実行する始動制御ルーチンを示すフローチャート。エンジンの始動時における吸気弁のリフトカーブの一例を示す図。混合燃料のエタノール濃度と第１進角量との関係の一例を示す図。吸気温度と第２進角量との関係の一例を示す図。混合燃料のエタノール濃度と第１加熱量との関係の一例を示す図。エンジンの冷却水温と第２加熱量との関係の一例を示す図。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
１１吸気弁
１６吸気温センサ（吸気温度取得手段）
２０可変動弁機構
３０燃料供給装置（燃料供給系統）
３２アルコール濃度センサ（アルコール濃度取得手段）
３５電気ヒータ（加熱手段）
５０エンジンコントロールユニット（動作制御手段、閉弁時期補正手段）
ＢＤＣ吸気下死点

Claims

アルコールを含有するアルコール混合燃料を使用可能な内燃機関に適用される始動制御装置において、
前記内燃機関の吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構と、前記アルコール混合燃料のアルコール濃度を取得するアルコール濃度取得手段と、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度が高いほど前記可変動弁機構の動作を制御して前記内燃機関の始動時における前記吸気弁の閉弁時期を前記吸気弁が設けられた気筒の吸気下死点に近付ける動作制御手段と、を備えていることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
前記内燃機関の吸気温度を取得する吸気温度取得手段と、前記吸気温度取得手段により取得された吸気温度が低いほど前記内燃機関の始動時における前記吸気弁の閉弁時期が前記吸気下死点に近付くように前記吸気弁の閉弁時期を補正する閉弁時期補正手段と、をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置。
前記内燃機関の燃料供給系統に設けられ、前記アルコール混合燃料を加熱するとともに前記アルコール混合燃料に供給する熱量を変更可能な加熱手段をさらに備え、
前記動作制御手段は、前記アルコール濃度取得手段により取得されたアルコール濃度が高いほど前記内燃機関の始動時に前記アルコール混合燃料に供給される熱量が増加するように前記加熱手段の動作を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の始動制御装置。