JP5594332B2

JP5594332B2 - 内燃機関の始動制御装置

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Publication number: JP5594332B2
Application number: JP2012170998A
Authority: JP
Inventors: 功高木; 光宏野村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: JP2014031727A; WO2014020404A1

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の始動制御装置に関し、特に吸気弁や排気弁の動作時期を変更可能な可変動弁機構の始動時の制御に関する。

従来より、車両等に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）においては、吸気弁の開閉時期を可変とするために可変動弁機構（Variable Valve Timing：以下、ＶＶＴともいう）の採用が拡大している。また、気筒の膨張行程を圧縮行程よりも長くした、いわゆるアトキンソン・サイクルやミラー・サイクルの実用化も進んでいる。膨張行程を長くすれば、燃焼ガスの圧力を効率よくクランクシャフトの回転に変換することができ、機関効率が向上する。

例えば特許文献１に記載されているミラー・サイクルのエンジンでは、気筒の幾何学的な圧縮比を１３以上と高くする一方で、常用される部分負荷の運転領域においてはＶＶＴにより吸気弁の閉時期を圧縮行程の半ば以降まで遅角させ、ポンピング・ロスを低減するとともに、有効圧縮比の低下によってノッキングを抑制するようにしている。

また、前記のエンジンでは所定の状態で自動停止するアイドルストップ制御が行われ、この自動停止の際は、直ちに再始動することが予想されるので、ＶＶＴにより吸気弁の閉時期を最大限に遅角させるようにしている。こうすると有効圧縮比が非常に低くなるので、再始動時に吸気系から気筒内へ高温の吸気が流入しても、混合気の自着火（プレイグニッション）は発生し難い。

一方、アイドルストップのような自動停止ではなく、運転者のイグニッション操作などに従ってエンジンが停止する通常停止の場合は、ＶＶＴにより吸気弁の閉時期を最大限に進角させるようにしている。これは、寒冷地でのエンジンの始動性を考慮して、気筒の有効圧縮比を高くするためである。

なお、そのようなエンジンの通常停止後であっても、運転者が直ぐにエンジンを再始動させることはあり得るが、通常の始動時には所定回数のクランキングによって高温の空気を掃気した後に、燃料を供給するようにしているので、プレイグニッションは抑制できる、と特許文献１に記載されている。

特開２０１０−０８４５８７号公報

しかしながら前記のように通常の停止直後に運転者がエンジンを再始動させた場合には、所定回数のクランキングの間、燃料の供給を停止していてもプレイグニッションの起きる可能性があり、改善の余地が残されている。すなわち、クランキングによって気筒内に吸入される高温の空気と、吸気ポート壁面に付着していた燃料やインジェクタからリークした燃料とが混ざり合って混合気が形成され、これがクランキング中に自着火することがあるからである。

このような不具合が起きるのは、前記従来例（特許文献１）の技術が、エンジン停止の際に通常停止か自動停止かによって一律に始動時の温度状態を想定し、これに応じてＶＶＴを制御しているため、始動時の実際の温度状態に即した好適なＶＶＴの制御が実現できていないことによる、と考えられる。

そこで、本発明の目的は、内燃機関の良好な始動性を確保しつつ、始動時のプレイグニッションを従来より確実に抑制することにある。

前記のような課題に対して本発明は、内燃機関の停止時ではなく始動時にその温度状態を判定し、これに応じて吸気弁の閉時期を変更するようにしたものである。具体的には、内燃機関をクランキングして始動する始動制御装置を対象として、吸気弁の少なくとも閉時期を変更可能な可変動弁機構と、始動時の温度状態を判定し、所定の高温状態であればクランキングを開始するよりも先に、前記可変動弁機構により吸気弁の閉時期を遅角側に変更する制御手段と、を備えるとともに、この制御手段を、始動時の温度状態が高いほどクランキングの開始を遅延させて、吸気弁の閉時期をより遅角側に変更するものとする。

本発明によれば、始動時において内燃機関の高温状態が高く、プレイグニッションの発生が懸念されるときには、クランキングの開始に先だって可変動弁機構により吸気弁の閉時期が遅角側に変更される。すなわち、始動時の実際の機関温度状態に基づき、必要に応じて気筒の有効圧縮比を低下させることができるので、良好な始動性を確保しながら、プレイグニッションをより確実に抑制できる。

また、前記制御手段は、始動時の温度状態が高いほどクランキングの開始を遅延させて、吸気弁の閉時期をより遅角側に変更するものであるから、比較的温度状態の低いときには、吸気弁の閉時期があまり遅角されず、有効圧縮比もあまり低くならないので、始動性の向上に有利になる。そして、温度が高くなるほどプレイグニッションの発生する可能性が高くなるが、これに応じて吸気弁の閉時期が遅角され、有効圧縮比が低くなるので、プレイグニッションをより確実に抑制することができる。

そのように機関始動時に吸気弁の閉時期を変更するのであれば、前記可変動弁機構は、電動モータによって駆動されるものとするのが好ましい。油圧駆動式の可変動弁機構は、機関始動直後の油圧が低い間は動作がかなり緩慢になるが、電動の可変動弁機構は機関始動直後は勿論、始動前でも動作するので、クランキングをあまり遅延させなくても済むからである。

特に、内燃機関が車両に搭載される場合、前記制御手段は、車両の乗員によってクランキングの開始操作が行われる前に、該乗員による所定の操作に応じて前記可変動弁機構を動作させ、吸気弁の閉時期を遅角側に変更するものとしてもよい。こうすれば、クランキングの遅延を極小化でき、実質的に遅延しないようにすることも可能になる。

また、好ましくは、内燃機関の冷却液および吸気の少なくとも一方の温度を検出するためのセンサを備え、前記制御手段は、そのセンサからの信号により機関始動時の温度状態を判定するものとしてもよい。こうすれば、始動時の内燃機関の実際の温度状態を精度よく判定でき、前記した発明の実効を担保することができる。

より好ましい制御手段の構成は、前記冷却液温度や吸気温度だけでなく、前回の機関停止からの経過時間と、この機関停止までの運転履歴との少なくとも一方を加味して、機関始動時の温度状態を判定するものとすることである。こうすれば、始動時の機関温度状態をさらに精度よく判定でき、発明の効果をより高めることが可能になる。

さらに、前記制御手段は、内燃機関の停止時には前記可変動弁機構により吸気弁の閉時期を、寒冷地でも冷間始動の可能な有効圧縮比となるよう所定時期に制御するものとしてもよい。こうすれば、万が一の故障によって可変動弁機構が動作しなくなったとしても、内燃機関の寒冷地での始動性を確保することができる。

本発明によれば、内燃機関の停止時ではなく始動の際にその温度状態を判定して、高温状態であればクランキングの開始よりも先に可変動弁機構を動作させるようにしたので、内燃機関の吸気弁の閉時期を、始動時の実際の温度状態に即して好適に制御することが可能になり、これにより内燃機関の良好な始動性を確保しつつ、プレイグニッションをより確実に抑制することができる。

本発明を適用する内燃機関（エンジン）の一例を示す概略構成図である。ＶＶＴの構成を示す断面図である。図２のIII-III線における断面図である。エンジンの制御系の構成を示すブロック図である。ＥＣＵが実行するエンジン始動制御の一例を示すフローチャートであり、ＶＶＴの制御ルーチンを示す。同エンジン始動制御におけるスタータモータの制御ルーチンを示すフローチャートである。始動制御に用いるマップの説明図であって、(a)はＶＶＴの遅角量を設定したものを、(b)はクランキングの遅延時間を設定したものを、それぞれ示す。高温判定時のクランキングの遅延、ＶＶＴの遅角動作等、始動制御の一例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−内燃機関の全体構成−
まず、図１を参照して、本発明を適用する内燃機関（以下、エンジンともいう）について説明する。この例のエンジン１は、車両に搭載される４気筒ガソリンエンジンであって、シリンダブロック１ａ内に形成された４つの気筒（図１には１気筒のみを示す）それぞれに、上下に往復動するようにピストン１ｃが収容されている。それら４つの気筒を取り囲むようにシリンダブロック１ａにはウォータジャケットが形成され、エンジン冷却水（冷却液）の温度を検出するように水温センサ３２が配置されている。

前記４つの気筒におけるピストン１ｃの往復運動はそれぞれ、コネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５の回転運動に変換される。クランクシャフト１５は、トルクコンバータ（またはクラッチ）等を介して変速機（図示せず）に連結されており、エンジン１の出力を変速機を介して車両の駆動輪に伝達することができる。この変速機は、一例としてクラッチおよびブレーキ等の摩擦係合要素と遊星歯車機構とを用いた多段式の自動変速機であってもよいし、ベルト式無段変速機などであってもよい。

また、クランクシャフト１５には、エンジン１の始動時に起動されるスタータモータ１０が連結可能になっており、このスタータモータ１０によってクランクシャフト１５を強制的に回転させる（クランキング）ことができる。クランクシャフト１５にはシグナルロータ１７が取り付けられており、その外周面には複数の歯（突起）１７ａが等角度毎に設けられるとともに、その歯１７ａの２枚分が欠落した欠歯部１７ｂも設けられている。

前記シグナルロータ１７の側方近傍には、クランク角を検出するクランクポジションセンサ３１が配置されている。クランクポジションセンサ３１は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の歯１７ａに対応するパルス状の信号を発生する。このクランクポジションセンサ３１の出力信号からエンジン回転数ｎｅを算出することができる。

さらに、クランクシャフト１５を覆うようにシリンダブロック１ａの下部には、潤滑油（エンジンオイル）を貯留するオイルパン１８が設けられている。オイルパン１８に貯留された潤滑油は、エンジン１の運転時にオイルポンプ（図示せず）によって汲み上げられ、ピストン１ｃ、クランクシャフト１５、コネクティングロッド１６などエンジン各部に供給されて、その各部の潤滑・冷却等に使用される。

一方、シリンダブロック１ａの上端にはシリンダヘッド１ｂが締結されており、このシリンダヘッド１ｂによって上端を閉じられた各気筒毎に、ピストン１ｃの往復運動によって容積の変化する燃焼室１ｄが形成されている。この燃焼室１ｄに臨んでシリンダヘッド１ｂには各気筒毎に点火プラグ３が配置されており、これによる点火のタイミングはイグナイタ４によって調整される。イグナイタ４はＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００によって制御される。

前記燃焼室１ｄには吸気通路１１と排気通路１２とがそれぞれ連通し、新気の吸入と燃焼ガスの排気とを行うようになっている。吸気通路１１の下流側（吸気流れの下流側）は吸気ポート１１ａおよびインテークマニホールド１１ｂによって構成され、その上流側にはサージタンク１１ｃが配設されている。また、吸気通路１１には、吸気を濾過するエアクリーナ７、熱線式のエアフロメータ３３、吸気温センサ３４（一例としてエアフロメータ３３に内蔵）、エンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ５などが配置されている。

一例としてスロットルバルブ５は、サージタンク１１ｃの上流側に設けられており、スロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットル開度センサ３５によって検出され、エンジン１の運転状態に応じた最適な吸入空気量となるようにＥＣＵ２００によってフィードバック制御される。

また、各気筒毎に吸気ポート１１ａにはインジェクタ（燃料噴射弁）２が配置されている。これらのインジェクタ２は共通のデリバリパイプ１０１に接続され、燃料供給系１００から燃料が供給される。一例として燃料供給系１００は、デリバリパイプ１０１に接続された燃料供給管１０２、燃料ポンプ１０３および燃料タンク１０４などを備えている。

インジェクタ２はＥＣＵ２００によって制御され、各気筒毎に所定のタイミングで燃料噴射が行われる。そして、インジェクタ２から吸気ポート１１ａ内に噴射された燃料は吸入空気と混合され、吸気バルブ１３の開弁に伴い各気筒内の燃焼室１ｄに導入される。この混合気は、気筒の圧縮行程の終盤に点火プラグ３によって点火されて燃焼・爆発し、高温高圧の燃焼ガスがピストン１ｃを押し下げた後に、排気バルブ１４の開弁に伴い排気通路１２に排出される。

この排気通路１２の上流側（排気流れの上流側）は排気ポート１２ａおよびエキゾーストマニホールド１２ｂによって構成され、その下流側には三元触媒８が配置されている。三元触媒８は、排気通路１２に排気された排気ガス中のＣＯ、ＨＣの酸化およびＮＯｘの還元を行い、それらを無害なＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂とすることで排気ガスを浄化する。

三元触媒８の上流側の排気通路１２には、例えば空燃比に対してリニアな特性を示すフロント空燃比センサ３７が配置されており、下流側の排気通路１２には、例えばラムダセンサからなるリアＯ₂センサ３８が配置されている。これらフロント空燃比センサ３７およびリアＯ₂センサ３８の出力信号はＥＣＵ２００にフィードバックされて、空燃比の制御に供される。

前記のような燃焼室１ｄの吸気および排気は、吸気バルブ１３および排気バルブ１４の開閉動作によって行われる。すなわち、吸気ポート１１ａと燃焼室１ｄとの間には吸気バルブ１３が設けられ、排気ポート１２ａと燃焼室１ｄとの間には排気バルブ１４が設けられている。そして、タイミングチェーン等を介してクランクシャフト１５により回転される吸気および排気の各カムシャフト２１，２２によって、吸気バルブ１３および排気バルブ１４がそれぞれ所定のタイミングで開閉される。

より具体的には、吸気および排気の各カムシャフト２１，２２はそれぞれ、クランクシャフト１５の１／２の回転速度で回転し、ピストン１ｃが２往復する間に１回転する。言い換えると、クランクシャフト１５が２回転（７２０°回転）して、ピストン１ｃが吸気、圧縮、膨張および排気の各行程を行う間に、各カムカムシャフト２１，２２が１回転し、それぞれの気筒の吸気行程で吸気バルブ１３を開き、排気行程で排気バルブ１４を開くようになっている。

こうして回転する吸気カムシャフト２１の近傍には、特定の気筒（例えば第１気筒）のピストン１ｃが圧縮上死点（ＴＤＣ）に達したときにパルス状の信号を発生するように、カムポジションセンサ３９が設けられている。カムポジションセンサ３９は、前記のクランクポジションセンサ３１と同様に電磁ピックアップからなり、吸気カムシャフト２１のロータ外周の１個の歯（図示せず）が通過する際にパルス状の信号を出力する。

また、本実施形態では吸気カムシャフト２１に、以下に説明する電動式の可変動弁機構（以下、ＶＶＴ４０と略称する）が取り付けられている。これにより、クランクシャフト１５の回転を基準とする吸気カムシャフト２１の回転位相を連続的に変化させて、吸気バルブ１３の開閉するタイミングを進角側、遅角側に連続的に変更することができる。

そして、本実施形態のエンジン１は、各気筒の幾何学的な圧縮比（ピストン１ｃが上死点にあるときと下死点にあるときとの燃焼室１ｃの容積比）を１２〜１４と高く設定し、使用頻度の高い部分負荷の運転領域ではＶＶＴ４０により吸気バルブ１３の閉時期を圧縮行程の半ば以降にまで遅角させることで、いわゆるアトキンソン・サイクル（ミラー・サイクル）での運転を行うようになっている。

−ＶＶＴ−
図２、３に示すように本実施形態では、吸気カムシャフト２１の端部にＶＶＴ４０（図１には示さず）が配設されている。なお、図２はＶＶＴ４０の内部の構造を示す断面図であり、図３は図２のIII-III線における断面図である。排気カムシャフト２２にも同様の可変動弁機構を配設してもよい。

図の例ではＶＶＴ４０は、ＥＣＵ２００により制御される電動モータ４２（以下、単にモータという）によって駆動されるものであり、図２に示すように電動モータ４２は、モータ軸４４、軸受４６、回転数センサ４７、ステータ５０等から構成される三相モータである。モータ軸４４は二つの軸受４６，４６により支持されて軸線Ｏ周りに回転可能となっている。このモータ軸４４には、径方向外側に突出する円形板状のロータ部４５が固定され、このロータ部４５の外周壁に複数の磁石４５ａが埋設されている。

一方、ステータ５０はモータ軸４４の外周側に配設され、モータ軸４４の軸線Ｏ周りに等間隔に並ぶ複数のコイルを備えている。コイルはコア５１に巻線５２を巻回してなり、駆動回路１０８からの供給を受けて電流が流れると、モータ軸４４の外周側に回転磁界を形成して、回転トルクを発生させる。回転数センサ４７はロータ部４５の近傍に配設され、各磁石４５ａによる形成磁界の強さを感知することによりモータ軸４４の回転数（以下、モータ回転数という）を検出する。

また、前記図２の他、図３にも示すようにＶＶＴ４０は、位相変化機構６０を備えている。この位相変化機構６０は、スプロケット６２、リングギア６３、偏心軸６４、遊星歯車６５、出力軸６６等を備えている。前記スプロケット６２は出力軸６６の外周側に同軸上に配設されており、出力軸６６に対してモータ軸４４と同じ軸線Ｏ周りに相対回転可能である。

そして、クランクシャフト１５の回転がチェーンなどによってスプロケット６２に伝えられると、このスプロケット６２がクランクシャフト１５に対する回転位相を保ちつつ、軸線Ｏを中心として図３の時計回り方向に回転する。リングギア６３は内歯車で構成されてスプロケット６２の内周壁に同軸上に固定されており、スプロケット６２と一体に回転する。

偏心軸６４は、モータ軸４４に連結固定されることにより軸線Ｏに対し偏心して配設されており、モータ軸４４と一体に回転する。遊星歯車６５は外歯車であり、リングギア６３と噛み合うようにしてその内周側に遊星運動可能に配設されている。偏心軸６４の外周壁に同軸上に支持されている遊星歯車６５は、偏心軸６４に対して偏心軸線Ｐ周りに相対回転可能になっている。

また、出力軸６６は吸気カムシャフト２１に同軸にボルト固定されており、モータ軸４４と同じ軸線Ｏを中心として吸気カムシャフト２１と一体に回転する。出力軸６６には、軸線Ｏを中心とする円環板状の係合部６７が形成されていて、この係合部６７には軸線Ｏ周りに等間隔に複数の係合孔６８が設けられている。これらの係合孔６８と向き合うように遊星歯車６５には、偏心軸線Ｐの周りに等間隔をあけて複数の係合突起６９が設けられており、それぞれが軸６６側に突出して対応する係合孔６８に突入している。

このような構造のＶＶＴ４０は、モータ軸４４がスプロケット６２に対して相対回転しないときには、クランクシャフト１５の回転に伴い遊星歯車６５が、リングギア６３との噛合位置を保ちつつスプロケット６２と一体に図３の時計回り方向に回転する。このとき、係合突起６９が係合孔６８の内周壁を回転方向に押圧するため、出力軸６６はスプロケット６２に対して相対回転することなく図３の時計回り方向に回転する。これにより、クランクシャフト１５に対する吸気カムシャフト２１の回転位相が保たれる。

一方、モータ軸４４がスプロケット６２に対して図３の反時計回り方向に相対回転すると、遊星歯車６５がその遊星運動により、偏心軸６４に対して図３の時計回り方向へ相対回転しつつリングギア６３との噛合位置を変化させる。このとき、係合突起６９が係合孔６８を回転方向に押圧する力が増大するため、出力軸６６はスプロケット６２に対して進角する。これにより、吸気カムシャフト２１の回転位相が進角側に変化する。

反対にモータ軸４４がスプロケット６２に対して図３の時計回り方向に相対回転すると、遊星歯車６５がその遊星運動により、偏心軸６４に対して図３の反時計回り方向へ相対回転しつつリングギア６３との噛合位置を変化させる。このとき、係合突起６９が係合孔６８を反回転方向に押圧するようになるため、出力軸６６はスプロケット６２に対して遅角する。これにより、吸気カムシャフト２１の回転位相が遅角側に変化する。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ２００は、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２０３およびバックアップＲＡＭ２０４などを備えている。

ＲＯＭ２０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ２０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３およびバックアップＲＡＭ２０４は、バス２０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース２０５および出力インターフェース２０６と接続されている。

入力インターフェース２０５には、クランクポジションセンサ３１、水温センサ３２、エアフロメータ３３、吸気温センサ３４、スロットル開度センサ３５、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ３６、フロント空燃比センサ３７、リアＯ₂センサ３８、および、カムポジションセンサ３９などの各種センサ類が接続されている。

また、入力インターフェース２０５には、車両のメイン電源をオンオフするためのイグニッションスイッチ４８と、車両の乗員によってエンジン１の始動に係る操作が行われるスタータスイッチ４９とが接続されている。イグニッションスイッチ４８がオン操作されると、ＥＣＵ２００によるエンジン１の制御が開始され、スタータスイッチ４９がオン操作されると、スタータモータ１０によるエンジン１のクランキングが開始される。

一方、出力インターフェース２０６には、一例として各気筒毎のインジェクタ２、同じく各気筒毎の点火プラグ３のイグナイタ４、スロットルバルブ５のスロットルモータ６、スタータモータ１０、および、吸気カムシャフト２１のＶＶＴ４０、などが接続されている。

そして、ＥＣＵ２００は、前記した各種センサおよびスイッチからの信号に基づいて、インジェクタ２の駆動制御（燃料の噴射量および噴射時期の制御）、点火プラグ３による点火時期の制御、スロットルモータ６の駆動制御（スロットル開度の制御）、ＶＶＴ４０の動作制御（吸気バルブ１３の位相制御）などを含むエンジン１の各種制御を実行し、さらに、下記のエンジン始動制御を実行する。

つまり、ＥＣＵ２００により実行される以下のエンジン始動制御に係るプログラムによって、本発明の内燃機関の始動制御装置が実現されるのである。

−エンジン始動制御−
まず、本実施形態のエンジン１では、運転を停止する直前にインジェクタ２から噴射された燃料が吸気ポート１１ａの壁面（吸気バルブ１３の裏面も含む）に付着するとともに、エンジン１の停止後にインジェクタ２から燃料がリークすることもある。このため、再始動時には燃料噴射を行わなくても、クランキングによって気筒内に吸入される高温の空気と前記の壁面付着燃料やリーク燃料とが混ざり合って混合気が形成され、自着火する（つまり、プレイグニッションが発生する）可能性がある。

そこで、始動の際にエンジン１の温度状態を判定し、所定の高温状態であればクランキングを開始するよりも先に、ＶＶＴ４０により吸気バルブ１３の閉時期を遅角側に変更するようにした。こうすることで気筒の有効圧縮比を低下させ、プレイグニッションを防止することができる。以下、このようなエンジン始動制御の一例を図５、６のフローチャートを参照して説明する。

まず、図５に示す始動時ＶＶＴ制御のルーチンは、イグニッションスイッチ４８がオン操作された時点（ＩＧ−ＳＷオン）で開始される（スタート）。そして、ステップＳＴ１０１において、水温センサ３２および吸気温センサ３４の各出力信号からエンジン水温および吸気温を検出し、主にこれらの検出結果に基づいて、エンジン１が始動時にプレイグニッションの発生しやすい所定の高温状態であるか否か判定する。

一例としてステップＳＴ１０１では、以下の４つの条件からなるプレイグ発生条件の成立を判定し、肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳＴ１０２に進む一方、否定判定（ＮＯ）であれば後述するステップ１０６に進む。プレイグ発生条件は、１）エンジン水温が所定の水温判定値以上であること、２）エンジン１の吸気温が所定の吸気温判定値以上であること、３）前回のエンジン１の停止からの経過時間が所定の判定時間未満であること、４）前回のエンジン始動から停止までの間に所定以上の高負荷状態になったこと、などである。

この４つの条件については、エンジン水温が高いほど気筒内の燃焼室１ｄの温度も高くなり、この燃焼室１ｄに充填された吸気の温度が高くなって、圧縮行程でプレイグニッションが発生しやすい。吸気そのものの温度が高いときには勿論、プレイグニッションが発生しやすい。また、エンジン停止からの経過時間が短いほど燃焼室１ｄの温度は高くなるし、前回のエンジン停止までに所定以上の高負荷状態になっていると、燃焼室１ｄに特に高温の部位（ヒートスポット）が存在する可能性がある。

そこで、４つの条件が例えば全て成立しているときに、始動時にプレイグニッションが発生しやすいと判定することができる。なお、４つの条件のうちいずれか１つ、または２つなど種々の組み合わせによって、プレイグ発生条件の成立を判定してもよいし、それ以外の条件を加えてもよい。また、水温判定値、吸気温判定値および判定時間については、それぞれプレイグニッションの発生する可能性が高い始動時のエンジン水温、吸気温と、前回のエンジン停止からの経過時間とを実験・シミュレーション等によって取得しておき、これらの値を基に適合した値の組み合わせを水温判定値、吸気温判定値および判定時間として設定すればよい。

そうして判定した結果、プレイグ発生条件が成立している（ＹＥＳ）と判定してステップＳＴ１０２に進めば、プレイグフラグＦの値を１とし（Ｆ←１）、続くステップＳＴ１０３においてＶＶＴ４０を遅角側に動作させて、吸気バルブ１３の閉時期を遅角側に変更する。ＶＶＴ４０の遅角側への動作量（ＶＶＴ遅角量）は、一例として図７(a)に示すＶＶＴ遅角量マップを参照して、エンジン水温（始動時水温）および吸気温に応じて決定する。

図に例示するマップは、エンジン水温が高いほど、また吸気温が高いほどＶＶＴ遅角量が大きくなっており、吸気バルブ１３の遅閉じによって気筒の有効圧縮比を低下させることにより、ＴＤＣにおいても気筒内温度が混合気の自着火温度に達しないようにするものである。そのために、実験・計算等によりエンジン水温および吸気温に対応づけてＶＶＴ４０の遅角量を適合し、その適合値をマップ化してＥＣＵ２００のＲＯＭ２０２内に記憶している。

なお、気筒内温度が混合気の自着火温度に達しないような有効圧縮比とは、エンジン始動時の吸気温度、気筒への充填量、燃料の蒸発による潜熱、混合気の比熱比等の影響も考慮して、圧縮行程での気筒壁からの受熱や圧縮による温度上昇によって自着火温度に到達しないような有効圧縮比であり、所定のマージンを加えて決定するのが好ましい。また、前記のようなマップに限らずＶＶＴ遅角量は、エンジン水温または吸気温のいずれかのみに応じて決定してもよいし、一定値としてもよい。

図５のフローに戻ってステップＳＴ１０４では、クランクポジションセンサ３１の出力信号から算出されるエンジン回転数ｎｅが所定の始動完了判定値Ｔｈｎｅ（例えば、５００ｒｐｍ：図８参照）に到達したか否か判定し、否定判定（ＮＯ）であれば待機する一方、エンジン回転数ｎｅが判定値Ｔｈｎｅに達して肯定判定（ＹＥＳ）になれば、ステップＳＴ１０５においてフラグＦの値を０とし（Ｆ←０）、始動時ＶＶＴ制御ルーチンを終了する。

また、前記のステップＳＴ１０１においてプレイグ発生条件が成立していない（ＮＯ）と判定してステップＳＴ１０６に進んだときは、ＶＶＴ４０は動作させず、前回エンジン停止時のＶＶＴ位置として、即ち吸気バルブ１３の閉時期を前回のエンジン停止時の状態に保って、始動時ＶＶＴ制御ルーチンを終了する（エンド）。ここで本実施形態では、エンジン１の停止時には通常、ＶＶＴ４０の制御により吸気バルブ１３の閉時期を、冷間始動の可能な有効圧縮比となるよう所定時期（例えばＡＴＤＣ６０〜７０°ＣＡくらい）に制御している。

次に、図６を参照して始動時スタータ制御ルーチンについて説明する。このルーチンも前記の始動時ＶＶＴ制御ルーチンと同じくイグニッションスイッチ４８がオン操作されると（ＩＧ−ＳＷオン）開始され（スタート）、最初にステップＳＴ２０１において、スタータスイッチ４９がオン操作されたか否か判定する（スタータＳＷオン？）。そして、否定判定（ＮＯ）であれば待機する一方、肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳＴ２０２に進む。

ステップＳＴ２０２では、前記のプレイグフラグＦの値が０であるか否か判定し（Ｆ＝０？）、肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳＴ２０３に進んでスタータリレーをオンにして、クランキングを開始する。一方、否定判定（ＮＯ）であればステップＳＴ２０４に進んで、クランキングの遅延時間が経過したか否か判定する。

すなわち、イグニッションスイッチ４８がオン操作されるのと同時にＥＣＵ２００ではカウンタ（イグニッションＯＮカウンタ）が動作しており、このカウンタの値が設定値に達するまでは遅延時間が経過していない（ＮＯ）と判定して待機する。一方、カウンタ値が前記の設定値に達すれば、遅延時間が経過した（ＹＥＳ）と判定し、前記のステップＳＴ２０３に進んでスタータリレーをオンにする。

つまり、プレイグフラグＦの値が１になっていて、エンジン１の始動時にプレイグニッションの発生しやすい高温状態であれば、イグニッションスイッチ４８がオン操作されても所定時間はスタータモータ１０の動作、即ちクランキングの開始を遅延させる。この遅延時間は、前記の始動時ＶＶＴ制御ルーチンによるＶＶＴ４０の動作の終了時間に対応づけて、例えば図７(b)に示すクランキング遅延時間のマップに予め設定されている。

図７(b)に例示するマップはＥＣＵ２００のＲＯＭ２０２内に記憶されており、上述のＶＶＴ遅角量のマップと同じくエンジン水温が高いほど、また吸気温が高いほどクランキングの遅延時間が長くなっている。これは例えば、目標とするＶＶＴ遅角量になるまでのＶＶＴ４０の動作時間を実験・計算等により適合して、マップ化している。なお、マップを用いず、ＶＶＴ４０の実際の動作状態をフィードバックしてクランキングを開始することも可能である。

そのようにして吸気バルブ１３の閉時期を遅角させた上で、クランキングを開始するとともに、インジェクタ２による燃料の噴射および点火プラグ３による点火制御を行って、エンジン１を始動する。なお、燃料噴射量および点火時期についてはそれぞれ、例えば、エンジン始動時の諸条件（エンジン水温、吸気温など）に基づいて始動用の噴射量マップおよび点火時期マップにより決定する（図示せず）。

図６のフローのステップＳＴ２０５では、エンジン回転数ｎｅが判定値Ｔｈｎｅに到達したか否か判定し、否定判定（ＮＯ）であれば待機する。そして、エンジン回転数ｎｅが判定値Ｔｈｎｅに達して肯定判定（ＹＥＳ）になれば、ステップＳＴ２０６に進んでスタータリレーをオフし、スタータモータ１０によるクランキングを停止して、始動時スタータ制御ルーチンを終了する（エンド）。

−始動制御によるプレイグニッションの抑制−
図８には、前記の如く高温状態でクランキングを遅延させ、吸気バルブ１３の閉時期を遅角側に変更する場合のエンジン１の始動の様子（即ちエンジン回転数ｎｅの吹け上がりなど）を、吸気温およびエンジン水温の変化やイグニッションスイッチ４８のオン操作（イグニッションＯＮカウンタ）、スタータスイッチ４９のオン操作（始動要求フラグ）、スタータモータ１０の動作（スタータリレーＯＮフラグ）およびＶＶＴ４０の動作（ＶＶＴ遅角量）と関連づけて示す。

図の上段に示すように吸気温やエンジン水温が高い状態でイグニッションスイッチ４８がオン操作されると（時刻ｔ０）、図の下段に示すようにＥＣＵ２００のイグニッションＯＮカウンタが動作を開始するとともに、ＶＶＴ４０が遅角側に動作されて、ＶＶＴ遅角量が大きくなってゆく。つまり、吸気バルブ１３の開閉時期が遅閉じ側に変更される。

この場合には、続いてスタータスイッチ４９がオン操作されて、図の中段に示すように始動要求フラグが立ち上がっても（時刻ｔ１）、スタータリレーＯＮフラグは立ち上がらず、クランキングの開始が遅延される（エンジン回転数が上昇しない）。そして、ＶＶＴ遅角量が目標値に達するのとほぼ同時にイグニッションＯＮカウンタが設定値に達して（時刻ｔ２）、スタータリレーＯＮフラグが立ち上がる。

これによりスタータモータ１０が動作し、エンジン１のクランキングが開始されると、僅かに遅れて時刻ｔ３にはエンジン回転数ｎｅが所定回転数（例えば２００ｒｐｍくらい）に上昇する。また、図示はしないが４つの気筒に所定の順番で燃料の供給および点火が行われる。このときには前記したようにＶＶＴ４０の遅角によって、吸気バルブ１３の閉時期が十分に大きく遅角されており、気筒の有効圧縮比がかなり低くなっているので、プレイグニッションの発生は回避される。

しかも、前記のＶＶＴ遅角量が吸気温およびエンジン水温に基づいて過不足なく設定されているから、有効圧縮比が不必要に低下し過ぎることはなく、良好な始動性も担保されている。よって、概ね最初の点火気筒と２番目の点火気筒で混合気が燃焼すれば、これによりクランクシャフト１５の回転が加速され、エンジン回転数ｎｅが立ち上がって（時刻ｔ４）速やかに吹け上がる。

こうして吹け上がるエンジン回転数ｎｅが判定値Ｔｈｎｅに達すると（時刻ｔ５）、始動要求フラグおよびスタータリレーＯＮフラグがオフになって、始動制御は完了する。また、吸気通路１１への外気の流入によって吸気温が急低下するとともに、ウォータジャケット内での冷却水の流れによってエンジン水温も緩やかに低下する。その後、速やかにＶＶＴ４０の遅角制御も終了し、エンジン１の運転状態に応じた通常の制御に移行することになる。

したがって、本実施形態のエンジン１における始動制御装置によると、エンジン１の停止時には吸気のＶＶＴ４０を進角側に位置づけておき、その後の始動時に主に吸気温およびエンジン水温に基づいて高温状態と判定すれば、クランキングの開始前にＶＶＴ４０を動作させて、吸気バルブ１３の閉時期を遅角側に変更する。これにより、気筒の有効圧縮比を低下させ、プレイグニッションの発生を回避することができる。

つまり、エンジン１の始動の際の実際の温度状態に基づいて、必要に応じて気筒の有効圧縮比を低下させることができるので、良好な始動性を確保しながら、プレイグニッションをより確実に回避できる。比較的低温であれば吸気バルブ１３をあまり遅閉じにはせず、有効圧縮比を高くすることで、始動性を確保できる一方、温度が高いほど吸気バルブ１３の閉時期は遅くして有効圧縮比を低下させ、プレイグニッションをより確実に回避することができる。

そのように始動の際に動作させることからＶＶＴ４０は電動式とし、しかも、スタータスイッチ４９がオン操作される前に、即ちクランキングの開始操作が行われる前に、イグニッションスイッチ４８の操作（所定の操作）に応じてＶＶＴ４０を動作させるようにしている。このため、スタータスイッチ４９のオン操作からクランキング開始までの遅延時間が僅かなものとなり、乗員が違和感を覚える心配は少ない。

一方、前記のようにエンジン１の停止時にはＶＶＴ４０を進角側に位置づけておくことは、寒冷地でのエンジン１の始動性確保に有効である。仮に停止時にＶＶＴ４０を遅角側に制御すると、その後のエンジン１の再始動が極冷間（例えばマイナス１０℃くらい）であった場合に、万が一の故障によってＶＶＴ４０が動作しないとすれば、エンジン１の始動性が著しく低下するおそれがあるからである。

−他の実施形態−
前記の実施形態では、エンジン１の始動の際にプレイグ発生条件が成立していれば、吸気温やエンジン水温に応じてＶＶＴ４０を遅角動作させ、高温側ほど遅角量が大きくなるように吸気バルブ１３の閉時期を遅角させているが、これに限らず、エンジン水温または吸気温のいずれか一方に応じてＶＶＴ遅角量を変化させるようにしてもよい。

また、前記の実施形態では、イグニッションスイッチ４８がオン操作されると、直ちにプレイグ発生条件について判定し、条件が成立していればスタータスイッチ４９がオン操作される前に、ＶＶＴ４０を遅角動作させるようにしているが、これにも限定されない。例えばスタータスイッチ４９の操作など所定の操作の行われたことを契機として、ＶＶＴ４０を動作させるようにしてもよい。

また、前記の実施形態ではエンジン１の停止時にＶＶＴ４０を進角側に制御して、寒冷地でも冷間始動の可能な有効圧縮比となるように吸気バルブ１３の閉時期を進角させているが、これにも限定されず、エンジン停止時にはＶＶＴ４０は最遅角位置以外に制御すればよい。

さらに、前記した実施形態では、ポート噴射式のエンジン１の始動制御に本発明を適用した例について説明したが、本発明はこれに限ることなく、筒内直噴式のエンジンの始動制御にも適用可能であるし、ポート噴射および筒内噴射の両方の燃料噴射弁を備えたエンジンの始動制御にも適用可能である。

また、前記の実施形態では、４気筒エンジンに本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られることなく、例えば６気筒エンジンなど、他の任意の気筒数のエンジンの始動制御にも適用可能である。また、直列多気筒エンジンのほか、Ｖ型多気筒エンジンの始動制御にも本発明を適用することができる。

本発明は、内燃機関（エンジン）の始動制御装置として適用可能であり、良好な始動性を確保しつつ、始動時のプレイグニッションを抑制できるので、乗用車等に搭載する場合に特に有効なものである。

１エンジン（内燃機関）
１０スタータモータ
１３吸気バルブ（吸気弁）
１５クランクシャフト
３２水温センサ（センサ）
３４吸気温センサ（センサ）
４０ＶＶＴ（可変動弁機構）
４８イグニッションスイッチ
４９スタータスイッチ
２００ＥＣＵ（制御手段）

Claims

内燃機関をクランキングして始動する始動制御装置であって、
吸気弁の少なくとも閉時期を変更可能な可変動弁機構と、
始動時の温度状態を判定し、所定の高温状態であればクランキングを開始するよりも先に、前記可変動弁機構により吸気弁の閉時期を遅角側に変更する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、始動時の温度状態が高いほどクランキングの開始を遅延させて、吸気弁の閉時期をより遅角側に変更するものであることを特徴とする内燃機関の始動制御装置。
請求項１に記載の内燃機関の始動制御装置において、
前記可変動弁機構が電動モータによって駆動される、内燃機関の始動制御装置。
請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の始動制御装置において、
内燃機関が車両に搭載されるものであり、
前記制御手段は、前記車両の乗員によってクランキングの開始操作が行われる前に、該乗員による所定の操作に応じて前記可変動弁機構を動作させ、吸気弁の閉時期を遅角側に変更する、内燃機関の始動制御装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の始動制御装置において、
内燃機関の冷却液および吸気の少なくとも一方の温度を検出するためのセンサを備え、
前記制御手段は、前記センサからの信号により機関始動時の温度状態を判定する、内燃機関の始動制御装置。
請求項４に記載の内燃機関の始動制御装置において、
前記制御手段は、機関始動時に前回の機関停止からの経過時間と、この機関停止までの運転履歴と、の少なくとも一方を加味して機関始動時の温度状態を判定する、内燃機関の始動制御装置。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の始動制御装置において、
前記制御手段は、内燃機関の停止時には前記可変動弁機構により吸気弁の閉時期を、寒冷地でも冷間始動の可能な有効圧縮比となるよう所定時期に制御する、内燃機関の始動制御装置。