JP2005240559A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
エンジン始動時から適切な空燃比で運転することを課題とする。
【解決手段】
エンジン始動をあらかじめ検出する手段，インテークマニホールド内の空気量に応じた燃料量を演算する手段，燃料を加熱して気化を促進する手段，燃料と空気を燃焼室に送る手段，エンジンの運転状態に応じて上記各手段を制御するエンジン制御手段から構成され、吸気管内の空燃比をエンジン始動時から適切な値としてし、ヒータによる燃料の気化促進を図る。
【効果】
本発明により、インテークマニホールド内の混合気を適切な空燃比とすることができるので、エンジン始動時から排気レベルを低減することができる。また、エンジン始動後の燃料増量を減らすことができるので、燃費を改善できる効果がある。
【選択図】図３

Description

本発明はエンジンの燃料制御に関し、特にエンジン始動時の空燃比制御方法に関する。

近年の環境負荷低減のために、エンジンからの排気ガスレベルを低減することが求められており、燃焼室内の空燃比を適正な範囲に制御することが要求される。

従来、エンジン始動時の燃料量はエンジンの水温に応じた値を噴射しているため、空燃比を制御していない。

しかしながら、排気ガスレベルを低減するには、エンジン始動時の排気ガス成分を低減するためには、エンジン始動時の排気ガス成分を低減する必要がある。

さらに、エンジン始動時にはインテークマニホールドの温度が低いため、燃料は全部が気化せず、蒸発率に依存した燃料量が燃焼室に入り、燃焼室内の空燃比を的確に制御することが困難である。また、排気ガスセンサが活性化するには時間がかかってしまい、始動時には排気ガスセンサに応じた空燃比制御ができない。蒸発率を向上するために、インテークマニホールドに供給する燃料を加熱・気化させる装置を付加した例があり、例えば、特開２００３−２０６８３３号に記載の燃料気化促進装置がある。

特開２００３−２０６８３３号公報

そこで、本発明ではエンジン始動時に的確な空燃比に合わせた燃料と空気を燃焼室に送り込むことで、始動性を確保すると共に排気ガス成分の低減を図ることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明ではエンジン始動時の水温や吸入空気温度に依存せず、燃料と空気を燃焼室に送り込む手段を設ける。

まず、インテークマニホールドの空気量に応じた燃料量を噴射する手段を用意して、燃料気化を促進して可能な限り１００％燃焼室に送るための燃料加熱手段を用意する。

さらに、エンジンを始動の当初より燃料と空気を用意するために、エンジンを始動するタイミングを検出する手段を組み合わせる。

本発明により、インテークマニホールド内の混合気を適切な空燃比とすることができるので、エンジン始動時から排気レベルを低減することができる。また、エンジン始動後の燃料増量を減らすことができるので、燃費を改善できる効果がある。図１６に本発明の実験結果データを示す。従来のエンジン始動（ＭＰＩ）では、エンジン始動時にエンジンアウトＨＣ成分が多量に排出されるが、本発明による始動性向上によって、ＨＣ成分を低減できることを確認した。

エンジンの再始動を繰り返しても、余分な燃料がインテークマニホールド内に残ることがないので、再始動時の燃料量がオーバーリッチとなることがない。よって、再始動が容易になることがある。

図１に本発明に関する内燃機関の構成を示す。

内燃機関１００には、燃料噴射弁１０１，点火プラグ１０２，点火コイル１０３，スロットル１０４，水温センサ１１０，クランク角センサ１１１，カム角センサ１１２，スロットルポジションセンサ１１３，吸気管圧力センサ１１４、または吸入空気流量計１１５，リニア空燃比センサ１１６，触媒１１８、触媒後にリアＯ₂ センサが取り付けられ、エンジン制御装置１２０に接続されている。

燃料は燃料タンク１２５から燃料ポンプ１１７により輸送され、圧力レギュレータ119によって一定の燃料圧力としている。

また、エンジンの制御パラメータとして、吸気温度センサ１２１，排気温度センサ122が取り付けられている。

インテークマニホールドにはヒータと副燃料噴射弁を用意している。

図２にエンジン制御装置の概要を示す。

エンジン制御装置内には、数値・論理演算を行うＣＰＵ４０１，ＣＰＵが実行するプログラム、及びデータを格納したＲＯＭ４０２，データを一時的に記憶するＲＡＭ４０３，センサからのアナログ電圧を取り込むＡ／Ｄ変換器４０４，運転状態を示すスイッチを取り込むデジタル入力回路４０５，パルス信号の時間間隔または、所定時間内のパルス数を計数をパルス入力回路４０６、さらに、ＣＰＵの演算結果に基づきアクチュエータ（図示せず）のオン・オフを行う、デジタル出力回路４０７，タイマ設定出力回路４０８、そして、通信回路４０９により、エンジン制御装置１２０内のデータを外部に出力、または、外部からの通信コマンドによって内部状態を変更できる。

本発明では、図３に示すように、エンジン始動をあらかじめ検出する手段，インテークマニホールド内の空気量に応じた燃料量を演算する手段，燃料を加熱して気化を促進する手段，燃料と空気を燃焼室に送る手段，エンジンの運転状態に応じて上記各手段を制御するエンジン制御手段から構成される。

まず、エンジン制御手段では、図４に示すように、エンジンの水温，吸入空気温度，吸入空気量，エンジン始動後時間，エンジン回転数に応じて、制御状態を分ける。例えば、エンジンの水温または吸入空気温度が所定値より低いときに、以下の制御を行う。また、以下の制御を停止して、通常のエンジン制御を移行する条件として、所定のエンジン回転数または始動後の経過時間をしきい値として、その後通常のエンジン制御に移行する。

また、エンジン始動を検出して、トリガを発生する手段として、例えば始動専用スイッチやドア開閉スイッチ，運転席の荷重スイッチ，ブレーキスイッチ，アクセルペダルスイッチ，クラッチスイッチ等を取り込み、これらのスイッチがオンからオフ、またはオフからオンに変化したことをトリガとして、制御を開始する。

第１の制御状態は燃料噴射弁付近に設置したヒータに通電して、ヒータを加熱する。

第２の制御状態はインテークマニホールド内の空気量に応じた燃料量をヒータに向けて噴射する。

第３の制御状態は燃料の気化を促進するための空気流を作る。

その後、所定のエンジン回転数または始動後時間経過後、通常のエンジン制御に切り替わる。

気化を促進する例として、第１の実施例では、ヒータに向けて燃料を噴射して、ヒータの発熱で気化を促進する。例えば図５に示すヒータと燃料噴射弁を一体化した装置を利用すると、ヒータ加熱が容易にできる。ヒータとしてＰＴＣ（Positive Temperature
Coefficient ）を用いると、ヒータ通電を１００％としても温度上昇が所定の温度で止まるので、ＰＴＣの表面温度が気化温度以上であれば、ヒータの通電はリレーによる切り替えでも可能である。

図５に示す様に、ヒータ表面温度が低いとき、発熱量が多く、表面温度が高くなるにつれて、発熱量が低下する。電気的には、ヒータ表面温度が高くなると、ヒータ抵抗が上昇して、発熱量が放熱量とバランスするまで、温度上昇する。ヒータ抵抗が高くなると発熱量が減るので、所定の温度以上には達しない特性となっている。

第２の実施例ではさらにインテークマニホールド内に混合気形成用ポンプを用意して、インテークマニホールド内の燃料と空気を混合させる。例えば図６に示す様に気化燃料用サブ通路を用意して、ポンプで循環させる。循環ではなく、外部から空気を導入する方式でも良い。

第３の実施例では、燃料噴射弁内部にヒータを用意して、ヒータ室を設け、ヒータ室で加熱された燃料が噴射される燃料噴射弁を使用する。例えば図７に示す様に、ヒータ室で加熱され、気化されると共に、一部は気化された燃料が気泡となってヒータ室内の圧力が高まり、気泡圧力で噴射することも可能である。

第１の実施例では、エンジン水温または吸入空気温度に応じて、ヒータに印加する平均電圧を設定してヒータ温度を燃料の気化温度に上昇させる。前記、ＰＴＣを用いる場合は、ヒータ通電を１００％としても、温度上昇が所定の温度で止まるので、平均電圧設定を行う必要がない。

前記第１の制御状態でヒータ温度が気化温度以上に上がると同時に、燃料ポンプを起動して燃料圧力を所定値に上げる。

逆に、燃料ポンプを先に起動しておいて、燃料をヒータに噴射しておき、その後、ヒータを加熱することで燃料を気化させることも可能である。この場合、ヒータは燃料を直接加熱することになるので、ヒータ電力は若干増えるが、気化が促進されるため、通電時間を比較的短くできる。

インテークマニホールドの容積をＭとし、空燃比をλとすると、必要な燃料量Ｑｆは、Ｑｆ∝Ｍ／λであり、燃料量Ｑｆに比例して燃料噴射弁を駆動する。

その後、空気通路に空気を流してヒータ上に付着した燃料と混合する。

空気を流すために、インテークマニホールド内に設置した混合用空気ポンプを駆動する。

または、スタータ駆動が始まった数回転の間、排気弁を閉じ吸気弁を開き、吸入行程で、インテークマニホールドから吸気弁を通じて吸い込んだ混合気を、点火せずに再度、吸入空気弁からインテークマニホールドに戻す。

数回、混合促進を行った後、通常のエンジン始動を行う。

第２の実施例では、別の燃料噴射弁をバイパス通路にも追加して、副燃料噴射弁から始動時の燃料を噴射する。

この場合、副燃料噴射弁から噴射する燃料量はインテークマニホールドの容積ではなく、バイパス通路容積に比例する燃料量とする。さらに、気化促進するために、バイパス通路専用の圧縮空気注入器を使って空気を送ることも可能である。バイパス通路の制御弁を開いて、バイパス空気によって気化する場合、副燃料噴射弁からの燃料噴射量はバイパス通路の容積だけでなく、エンジン始動後も考慮した燃料量とする。

エンジン始動後は（主）燃料噴射弁と副燃料噴射弁とで、所定の空燃比となる燃料量を噴射する。

第３の実施例では、燃料噴射弁とヒータを一体化して、燃料を加熱して気化を促進する。ヒータは燃料噴射弁と燃料通路の間、または、燃料噴射弁からインテークマニホールドに噴射する間、等に設置される。

また、バイパス通路に設置した副燃料噴射弁に、燃料噴射弁とヒータが一体化された物を使う場合、燃料噴射弁内のニードル弁の代わりにヒータによる気泡発生で噴射する方法も可能である。この場合、燃料圧力はほぼゼロでも燃料を噴射できるので、エンジンの始動性を向上できる。

図８に第１の実施例のタイミングチャートを示す。

ドアの開閉や運転席への荷重の変化、さらに、ブレーキやクラッチの踏み込みを検出するスイッチ，ＡＴ車であればパーキング・ニュートラルスイッチが入っているときに、制御開始トリガをセットする（５０１）。

その後、ヒータリレーと燃料ポンプリレーをオンする（５０２）。

さらに、燃料噴射弁を所定時間駆動する（５０３）。必要があれば、燃料噴射を所定回数繰り返す。

空気混合用ポンプを駆動する（５０４）。

その後、スタータリレーをオンして、エンジン始動を開始する。

エンジン回転が検知された後は、空気混合用ポンプを停止する（５０５）。

その後、所定時間経過後または所定のエンジン回転数に達した後、ヒータをオフする。

各動作に移る間には所定のディレイ時間を設定する。

ヒータに通電してからヒータ温度が所定の温度に達するまで、ヒータ及びその周辺の熱容量分、時間がかかる。このため、吸気温度または水温に応じてディレイ時間を設定する。

図９に第１の実施例のフローチャートを示す。

以下の動作は例えば１０ｍｓ毎に起動されるタスクで制御される。

ドアの開閉や運転席への荷重の変化、さらに、ブレーキやクラッチの踏み込みを検出するスイッチ，ＡＴ車であればパーキング・ニュートラルスイッチが入っているときに、制御開始トリガをセットする（６０１）。

その後、ヒータリレーと燃料ポンプリレーをオンする（６０２）。

さらに、燃料噴射弁を所定時間駆動する（６０３）。必要があれば、燃料噴射を所定回数繰り返す。

空気混合用ポンプを駆動する（６０４）。

その後、スタータリレーをオンして、エンジン始動を開始する。

エンジン回転が検知された後は、空気混合用ポンプを停止する（６０５）。

その後、所定時間経過後または所定のエンジン回転数に達した後、ヒータをオフする。

各動作に移る間には所定のディレイ時間を設定する。

第１の実施例において、空気混合用ポンプを使用しないで混合を促進する場合、点火信号を停止して、吸気弁を開き放しとし、排気弁を閉じて、スタータリレーをオンする。その後、数回転エンジンが回転した後で、通常のタイミングで点火信号を印加して(５０５)、または（６０５）の状態から通常のエンジン制御に戻る。

図１０に第２の実施例のタイミングチャートを示す。

まず、インテークマニホールドのメインスロットルを閉じる。

次に、ドアの開閉や運転席への荷重の変化、さらに、ブレーキやクラッチの踏み込みを検出するスイッチ，ＡＴ車であればパーキング・ニュートラルスイッチが入っているときに、制御開始トリガをセットする（７０１）。

その後、ヒータリレーと燃料ポンプリレーをオンする（７０２）。

さらに、副燃料噴射弁を所定時間駆動する（７０３）。必要があれば、燃料噴射を所定回数繰り返す。

その後、圧縮空気注入器を駆動する（７０４）。

その後、スタータリレーをオンして、エンジン始動を開始する。

運転者がアクセルペダルを踏み込んでいるときは、踏み込み量に応じたスロットル開度となるように、スロットルを開く。

その後、所定時間経過後または所定のエンジン回転数に達した後、ヒータをオフする
（７０５）。

各動作に移る間には所定のディレイ時間を設定する。

図１１に第２の実施例のフローチャートを示す。

以下の動作は例えば１０ｍｓ毎に起動されるタスクで制御される。

まず、インテークマニホールドのメインスロットルを閉じる。

次に、ドアの開閉や運転席への荷重の変化、さらに、ブレーキやクラッチの踏み込みを検出するスイッチ，ＡＴ車であればパーキング・ニュートラルスイッチが入っているときに、制御開始トリガをセットする（８０１）。

その後、ヒータリレーと燃料ポンプリレーをオンする（８０２）。

さらに、副燃料噴射弁を所定時間駆動する（８０３）。必要があれば、燃料噴射を所定回数繰り返す。

その後、圧縮空気注入器を駆動する（８０４）。

その後、スタータリレーをオンして、エンジン始動を開始する。

運転者がアクセルペダルを踏み込んでいるときは、踏み込み量に応じたスロットル開度となるように、スロットルを開く。

その後、所定時間経過後または所定のエンジン回転数に達した後、ヒータをオフする
（８０５）。

各動作に移る間には所定のディレイ時間を設定する。

図１２に第３の実施例のタイミングチャートを示す。

まず、インテークマニホールドのメインスロットルを閉じる。

次に、ドアの開閉や運転席への荷重の変化、さらに、ブレーキやクラッチの踏み込みを検出するスイッチ，ＡＴ車であればパーキング・ニュートラルスイッチが入っているときに、制御開始トリガをセットする（９０１）。

その後、燃料ポンプリレーをオンする（９０２）。

さらに、副燃料噴射弁のヒータを所定時間駆動する（９０３）。必要があれば、ヒータへの電圧印加を所定回数繰り返す。

その後、スタータリレーをオンして、エンジン始動を開始する。

運転者がアクセルペダルを踏み込んでいるときは、踏み込み量に応じたスロットル開度となるように、スロットルを開く。

その後、所定時間経過後または所定のエンジン回転数に達した後、ヒータをオフする。

各動作に移る間には所定のディレイ時間を設定する。

図１３に第３の実施例のフローチャートを示す。

以下の動作は例えば１０ｍｓ毎に起動されるタスクで制御される。

まず、インテークマニホールドのメインスロットルを閉じる。

次に、ドアの開閉や運転席への荷重の変化、さらに、ブレーキやクラッチの踏み込みを検出するスイッチ，ＡＴ車であればパーキング・ニュートラルスイッチが入っているときに、制御開始トリガをセットする（１００１）。

その後、燃料ポンプリレーをオンする（１００２）。

さらに、副燃料噴射弁のヒータを所定時間駆動する（１００３）。必要があれば、ヒータへの電圧印加を所定回数繰り返す。

その後、スタータリレーをオンして、エンジン始動を開始する。

運転者がアクセルペダルを踏み込んでいるときは、踏み込み量に応じたスロットル開度となるように、スロットルを開く。

その後、所定時間経過後または所定のエンジン回転数に達した後、ヒータをオフする。

各動作に移る間には所定のディレイ時間を設定する。

第１から第３の実施例において、図１４に示す様に、気化燃料通路の出口は吸気弁近傍に用意して気化された燃料が燃焼室内に短時間で吸入される位置とすることで、エンジンを始動とするときから、所定の空燃比の混合気が燃焼室内に導入されるので、従来気化が不十分であった分を補う余分な燃料を噴射する必要がなく、始動性の向上と始動時の排気成分の低減が可能である。

次に、ヒータの自己診断について図１５で説明する。

ケース１は、ヒータ出力をオンしてもヒータ電流がゼロであり、ヒータ配線ドロップ電圧もゼロの場合で、ヒータまたはヒータ配線が断線の可能性があり、このときは、ヒータに印加される電圧はゼロなのでヒータが過熱となることはない。

ケース２は、ヒータ出力をオンしてもヒータ電流がゼロであり、かつ、ヒータ配線ドロップ電圧がゼロでない場合は、ヒータ出力端子がグランドにショートしている可能性がある。この場合は、ヒータ制御をオフにする。

ケース３は、ヒータ出力をオフしてもヒータ電流がゼロにならない場合、出力トランジスタの故障が考えられる。

ケース４は、ヒータ出力をオンにしたとき、ヒータ電流が過大となる場合で、ヒータ出力がＶＢにショートしている場合であり、ヒータ制御をオフにする。

ケース５は、ヒータ出力をオンにしたとき、ヒータ電流がゼロではないが、過小の場合で、ヒータ抵抗値が増加していることになり、ヒータ自体の劣化と判定される。

ヒータがＰＴＣであれば、ヒータ抵抗値と温度が反比例の関係にあるので、ヒータに印加している電圧と電流をモニタして、ヒータ抵抗値を算出し、抵抗値が所定の範囲内であるかどうかを判定して、ヒータの診断を行うことも可能である。

ヒータが故障または劣化と判定されたときは、運転者に対して警告灯を点灯してヒータの修理を促すとともに、エンジン始動時のヒータ制御を停止する。

本発明の一実施例エンジン構成図。 エンジン制御装置ブロック図。 本発明の制御手段説明図。 本発明の入力・出力説明図。 ヒータと燃料噴射弁を一体化した装置。 インテークマニホールド内の混合気循環概略図。 ヒータを内蔵した燃料噴射弁概略図。 第１実施例のフローチャート。 第１実施例のタイミングチャート。 第２実施例のフローチャート。 第２実施例のタイミングチャート。 第３実施例のフローチャート。 第３実施例のタイミングチャート。 サブ通路の説明図。 ヒータの自己診断説明図。 本発明の効果説明図。

符号の説明

１００…内燃機関本体、１０１…燃料噴射弁、１０２…点火プラグ、１０３…点火コイル、１０４…スロットル、１０５…ＩＳＣバルブ、１０６…エアクリーナー、１０７…エンジンブロック、１０８…吸入吸気管、１０９…排気管、１１０…水温センサ、１１１…クランク角度センサ、１１２…カム角センサ、１１３…スロットルポジションセンサ、
１１４…吸気管圧力センサ、１１５…吸入空気量計、１１６…リニア空燃比センサ、117…燃料ポンプ・燃料ポンプリレー、１１９…圧力レギュレータ、１２０…エンジン制御装置、１２１…吸気温度センサ、１２２…排気温度センサ、１２３…触媒、１２４…二次空気ポンプ、１２５…燃料タンク、１２６…燃料バイパスバルブ。

Claims (11)

1. 内燃機関の吸気管に設けられた燃料噴射弁と、該燃料噴射弁近傍または前記燃料噴射弁近傍に設けたヒータとを有し、エンジン始動に関わる情報に基づいて、前記燃料噴射弁とヒータを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記エンジン始動に関わる情報は、エンジンを始動する準備段階の動作をトリガとして運転状態の検出を行うことを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、前記エンジン始動に関わる情報はドアの開閉，運転席の荷重の変化，エンジン始動に関わる情報は制御システムの起動専用スイッチの変化，クラッチ，ブレーキ，パーキング・ニュートラルスイッチの変化のいずれかとすることを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、前記ヒータに通電する電力量を水温または吸入空気温度に応じて設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の制御装置において、ヒータをＰＴＣとして、該ＰＴＣの表面温度が燃料の気化温度以上であることを特徴とする内燃機関の制御装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、エンジン始動時に所定の回転または所定時間の間、点火信号を停止することを特徴とする内燃機関の制御装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、エンジン始動時に所定の回転または所定時間の間、排気弁または吸気弁の開閉を停止することを特徴とする内燃機関の制御装置。
8. 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、インテークマニホールド内に空気を導入するポンプを備え、エンジン始動に関わる情報に応じて、前記燃料噴射弁と前記ヒータと前記空気導入ポンプを動作させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
9. 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、インテークマニホールド内の混合気を循環させるポンプを備え、エンジン始動に関わる情報に応じて、燃料噴射弁とヒータと前記混合気ポンプを動作させることを特徴とする内燃機関の制御装置。
10. 請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、インテークマニホールドのバイパス通路に副燃料噴射弁を設置して、エンジン始動時の燃料を副燃料噴射弁から噴射することを特徴とする内燃機関の制御装置。
11. 請求項１から１０にいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、ヒータ手段に印加される電圧または電流値に異常が検出されたとき、温度制御を停止することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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