JP4085902B2 - 筒内噴射式内燃機関の始動制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の始動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射型内燃機関の冷間始動時に吸気行程噴射による均質燃焼をさせた場合に、三元触媒が活性化していないことにより、ＨＣが還元されないままで排出されることを防止するため、内燃機関の温度を検出し、検出した温度が所定温度を下回る場合には圧縮行程において理論空燃比より多少リーン側に空燃比を調整して燃料を噴射することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これにより、冷間始動時において、吸気行程噴射による均質燃焼に対して、燃料がシリンダ壁面に付着するのを低減することができ、成層燃焼により、クエンチゾーンヘの混合気の流入を低減できる。加えて、排気温が上昇するので、膨張行程においてＨＣ酸化反応を促進させることもでき、総合的にＨＣ低減が可能となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４５５１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように、圧縮行程噴射により機関を始動させるものにあっては、点火プラグ周りに安定した着火が得られる空燃比の混合気塊（リッチ）が形成され、且つ燃焼室内全体としての平均空燃比はストイキよりも若干リーンとなる成層燃焼許容空燃比となるよう燃料噴射量および噴射時期を調整する必要がある。しかしながら、冷機時における成層燃焼許容空燃比の許容範囲は、燃料の気化率が低下することによりリッチ側にずれつつ狭くなり、しかも燃料性状が重質になるにつれてより一層狭くなる。このため、重質度の高い燃料が供給された場合には、予め設定した空燃比範囲から外れて燃焼が不安定になり、始動不良になる可能性がある。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、機関冷間始動時における排気エミッションの悪化を抑制しつつ低温始動性を向上させる筒内噴射式内燃機関の始動制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料噴射弁に供給される燃料の燃料性状を燃料性状判定手段により判定し、始動制御手段により前記燃料性状判定手段の判定結果が軽質であるときには圧縮行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させ、前記判定結果が重質であるときには吸気行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させるよう構成した。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、燃料噴射弁に供給される燃料の燃料性状を判定し、この判定結果が軽質であるときには圧縮行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させ、前記判定結果が重質であるときには吸気行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させるため、圧縮行程噴射による成層始動により燃焼室内で混合気を成層化させて燃焼室内壁流やピストントップランドに入り込む未燃燃料量を低減して機関より排出されるＨＣの量を低減しつつ始動させ、成層始動が成立する空燃比の許容範囲が一層狭い重質度の燃料と判断された場合には吸気行程噴射による均質始動に切換えて始動することができ、重質度の高い燃料が使用されても燃焼が不安定になり始動性不良になることを回避できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置を一実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる始動制御装置および同装置が適用されるエンジン１の概略構成を示している。図１に示されるように、エンジン１は、シリンダヘッド２と複数のシリンダ４（図１ではその一つのみを図示）が形成されたシリンダブロック３とを備えている。各シリンダ４内にはピストン５が往復動可能に設けられている。このピストン５と、シリンダ４の内壁およびシリンダヘッド２とによって燃焼室６が形成されている。また、ピストン頂部には、噴射した燃料および吸気が圧縮行程時にタンブル流を生じさせて成層燃焼させるピストンキャビティ５Ａを形成している。燃焼室６には、吸気弁７および排気弁８を介して吸気ポート９および排気ポート１０が接続されている。
【００１１】
吸気ポート９は、その上流部分に接続してインテークマニホールド１１およびコレクタ１２が接続され、さらにその上流にはエンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ１３、吸入空気量を測定するエアフローメータ１４、およびエアクリーナ１５が設けられている。このスロットルバルブ１３の開度は、アクセルペダル１６の踏込操作に応じてスロットル用モータ１７を駆動することによって調節される。即ち、アクセルペダル１６の踏込操作に応じて変化するアクセル踏込量がアクセルポジションセンサ１８によって検出され、この検出されるアクセル踏込量に応じてスロットル用モータ１７が制御されることによりスロットルバルブ１３の開度が調節される。このスロットルバルブ１３の開度は図示しないスロットルポジションセンサによって検出される。また、排気ポート１０の下流には、エギゾーストマニホールド１９を介して排気ガスを浄化するための触媒装置２０が設けられ、排気管２１に接続されている。
【００１２】
シリンダヘッド２には、この燃焼室６内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２３と、燃焼室６内の混合気に点火する点火プラグ２４とが、各気筒に対応してそれぞれ設けられている。燃料噴射弁２３は供給通路２５を介してデリバリパイプ２６に接続されており、同パイプ２６から燃料が供給される。また、このデリバリパイプ２６には高圧燃料ポンプ２７を通じて燃料タンク２８の燃料が供給される。デリバリパイプ２６には同パイプ２６内の燃料圧力を検出するための図示しない燃料圧センサおよび燃料の性状を検出する燃料性状センサ２９が設けられている。燃料性状センサ２９は、例えば、燃料の濃度（比重・重質度）に応じてレーザ光の屈折率が変化することを利用した光学式燃料センサや燃料中の一対の電極間の抵抗値が燃料の濃度（比重・重質度）に応じて変化することを利用した静電容量センサ等が用いられる。
【００１３】
エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサが設けられている。クランクシャフト３１の近傍には、クランクシャフト３１の回転速度（エンジン回転速度＝スタータ回転速度）とその回転位相（クランク角ＣＡ）を検出するためのクランク角センサ３２が設けられている。また、シリンダブロック３には、エンジン１の冷却水の温度（冷却水温ＴＨＷ）を検出する水温センサ３３が設けられている。また、スタータモータの電源であるバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧センサ３４が設けられている。また、キースイッチ３５のオン信号、スタータ信号も入力されている。これら各センサ２９，３２〜３５から出力される検出信号はいずれも、エンジン１のエンジン制御装置３０に入力される。このエンジン制御装置３０はこれら各センサ２９，３２〜３５を含む各種センサからの検出信号に基づいて各燃料噴射弁２３を駆動することにより燃料噴射に係る制御を実行するとともに、所定の点火制御を実行する。また、エンジン制御装置３０は、こうした燃料噴射制御及び点火制御を実行するためのプログラムや演算用マップ、制御の実行に際して算出されるデータ等を記憶保持するメモリを備えている。
【００１４】
エンジン制御装置３０はエンジン１の運転状態に応じて、吸気行程において燃料噴射を実行する吸気行程噴射モードと、圧縮行程において燃料噴射を実行する圧縮行程噴射モードとを切換えるよう機能する。
【００１５】
また、エンジン制御装置３０はエンジン１のキースイッチ３５がオフからオンに切換えられてクランキングを開始するに際に、その時点で燃料性状センサ２９により測定されたデリバリパイプ２６内の燃料の重質度（比重）により、燃料噴射弁２３に供給される燃料が軽質燃料か重質燃料かを判定するようにしている。
【００１６】
また、エンジン制御装置３０はキースイッチ３５によるイグニッションスイッチをオンしてのエンジン始動時に、燃料性状判定結果に応じて、軽質燃料である場合には圧縮行程噴射モードによる成層始動を設定し、重質燃料である場合には吸気行程噴射モードによる均質始動を設定し、図示しないスタータモータによるクランキングを開始するようにしている。
【００１７】
これは、クランキング開始直後の段階における未燃焼燃料（ＨＣ）の排出を抑えるために行う圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲が、図４に示すように、軽質燃料では比較的広い範囲において燃焼安定度の許容範囲内となり（Ａ線参照）、成層始動が比較的容易であるのに対し、重質燃料では、比較的狭い範囲しか燃焼安定度の許容範囲内とならず（Ｂ線参照）、成層始動が成立しにくいことによる。重質燃料に対しては、吸気行程噴射モードによる均質始動を設定することで、図４のＣ線で示すように、重質燃料であっても低温始動時に燃焼安定度が許容範囲に納まる許容空燃比範囲が比較的広くとれるため、燃焼室６内に噴射された燃料が気化するための時間が確保され、その結果、安定して着火燃焼が行われてエンジン１が確実に始動させることができる。なお、暖機後は、燃焼安定度が許容範囲に納まる圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲は、重質燃料であっても軽質燃料と同様の比較的大きい範囲で許容され（Ｄ線およびＥ線参照）、燃焼安定度が許容範囲に納まる吸気行程噴射モードでの均質始動時の許容空燃比範囲は、それよりもさらに大きい範囲で許容される（Ｆ線参照）。
【００１８】
上記した燃焼安定度の許容範囲内となる圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲は燃料気化率に比例し、図５に示すように、暖機完了後の燃料気化率を１００％とした場合に、冷却水温が低下するに連れて軽質燃料および重質燃料の燃料気化率が低下することで許容空燃比範囲も小さくなるが、軽質燃料の燃料気化率の低下に対して重質燃料の燃料気化率の低下が大きいことから、重質燃料の燃焼安定度の許容範囲内となる圧縮行程噴射モードでの許容空燃比範囲が狭いものとなる。なお、圧縮行程噴射モードでの成層始動時では、点火プラグ２４周りに比較的リッチで安定した着火性が得られる混合気塊が形成され、燃焼室内全体の空燃比はストイキよりも弱リーンである。
【００１９】
また、エンジン制御装置３０はエンジン１の始動時（クランキング時）において、エンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔより大きくなった場合には、着火燃焼が行われてエンジン１が確実に始動したと判断でき、暖機運転のための吸気行程噴射モードを設定して、燃料噴射弁２３により吸気行程噴射を行わせ均質燃焼させるようにしている。
【００２０】
即ち、着火燃焼が行われてエンジン１が確実に始動されると、エンジン制御装置３０は始動時の燃料噴射モードが圧縮行程噴射モードである場合には暖機運転のために吸気行程噴射モードに変更し、始動時に吸気行程噴射モードである場合には暖機運転のためにそれを維持するようにしている。暖機運転での吸気行程噴射モードでは、燃焼室内の空燃比はストイキ近傍であり、安定した燃焼か維持されるとともにエミッション、特にＮＯｘの排出特性が改善される。
【００２１】
なお、エンジン１の始動後の暖機運転において、エンジン制御装置３０は冷却水温Ｔｗが暖機終了温度Ｔｗ−ｓｔを超えた場合には、エンジン制御装置３０は暖機完了として、運転条件に応じて吸気行程において燃料噴射を実行する吸気行程噴射モードと、圧縮行程において燃料噴射を実行する圧縮行程噴射モードとを切換え可能としている。
【００２２】
以上の構成を備えた本実施形態の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置による始動制御について説明する。図２は、この始動制御における処理手順を示すフローチャートである。エンジン制御装置３０は、機関始動時において、このフローチャートに示される処理を定期的に割込処理として実行する。図３は、図２の処理手順による制御結果の時間的変化を示すタイムチャートであり、併せて説明する。
【００２３】
この処理に際して、まず、ステップＳ１において、キースイッチ３５がオフからオンへ変化したか否かを判断する。キースイッチ３５がオフの状態では、本フローチャートは処理を開始されない。キースイッチ３５がオフからオンへ変化したことにより、エンジン１の始動操作が開始されたと判断する（図３の時点ｔ１参照）。
【００２４】
ステップＳ２では、その時点での冷却水温Ｔｗが、エンジン１が暖機完了状態かどうかを判定するために予め設定した所定温度Ｔｗ−Ｈ以下か否かを判定し、所定温度Ｔｗ−Ｈ以下の場合にステップＳ３へ進み、所定温度Ｔｗ−Ｈを超える場合にはステップＳ６へ進む。この所定温度Ｔｗ−Ｈは、例えば、５０℃〜７０℃の間で任意に設定できる。冷間始動時にはステップＳ３へ進む。
【００２５】
ステップＳ３では、燃料性状センサ２９により検出したデリバリパイプ２６内の燃料の屈折率が軽質燃料の屈折率であるか重質燃料の屈折率であるかにより燃料の種類（軽質燃料か、または重質燃料か）を判定してステップＳ４へ進む。エンジン制御装置３０は上記判定のために、屈折率データに対する重質度マップおよび重質度の程度から軽量燃料とするか重質燃料とするかの基準値が記憶されている。
【００２６】
ステップＳ４では、キースイッチ３４のイグニッションスイッチがオンされたか否かを判定し、イグニッションスイッチがオンされるとステップＳ５へ進み、エンジン１は図示しないスタータモータによりクランキングが開始される（図３の時点ｔ２参照）。
【００２７】
ステップＳ５では、ステップＳ３での判定が、軽質燃料である場合にはステップＳ６へ進み、重質燃料である場合にはステップＳ７へ進む。
【００２８】
ステップＳ６では、圧縮行程噴射モードによる成層始動を設定して燃料噴射弁２３から燃焼室６内に圧縮行程時に燃料を噴射する。噴射された軽質燃料は燃焼室６内でピストン５の頂部のキャビティ５Ａとシリンダヘッド２とで囲まれた空間内でタンブル流（キャビティ５Ａに一方から流れ込み、キャビティ５Ａ壁面に沿って流れ、キャビティ５Ａの他方から流れ出て点火プラグ２４に達し、点火プラグ２４を経由して再びキャビティ５Ａの一方に流れ込む旋回気流）を生じている吸入空気と混合して点火プラグ２４により着火され、成層燃焼する。
【００２９】
圧縮行程噴射モードでの成層始動では、図３（Ａ）〜（Ｃ）に実線で示す状態、即ち、図３（Ｃ）に実線で示すように、燃焼室６に弱リーン状態の空燃比で噴霧され、燃料噴射のタイミングは、図３（Ａ）の実線図示のように、エンジン回転数Ｎｅが上昇されるに連れて噴射時期が進角側に進められ、噴射した燃料が確実に点火プラグ２４回りに達するタイミングの調整がなされ、確実に成層燃焼させる（図３中の時点ｔ２〜時点ｔ３）。また、空燃比が弱リーン領域に設定されるため、燃料がクエンチゾーンへ流入したりシリンダ４壁面に付着したりすることが低減され、成層燃焼が促進される。この場合、膨張行程において未燃焼燃料の酸化反応が促進され、排気温が上昇するので燃料の燃え残りやその外部への排出が抑制でき、且つ触媒２０の迅速な活性化が可能となる（図３中の時点ｔ２〜時点ｔ３参照）。
【００３０】
ステップＳ７では、吸気行程噴射モードによる均質始動を設定して燃料噴射弁２３から燃焼室６内に吸気行程時に燃料を噴射する。噴射された重質燃料は燃焼室６内で吸気行程から圧縮行程に亘り均質に吸入空気と混合され、充分気化した段階で点火プラグ２４により着火され、均質燃焼する。
【００３１】
吸気行程噴射モードでの均質始動では、図３（Ａ）〜（Ｃ）に破線で示す状態、即ち、図３（Ａ）の破線で示すように、吸気行程で燃料が燃焼室６内に噴射され、図３（Ｃ）の破線で示すように、空燃比が理論空燃比より若干リッチとなるように、吸入空気量に対して噴射が行われ、図３（Ｃ）に示すように点火時期が若干遅角させる。吸気行程噴射モードでは、燃焼室６内に噴射された燃料が気化するための時間が確保されるため、安定して着火燃焼させることができる（図３の時点ｔ２〜ｔ３参照）。
【００３２】
ステップＳ８では、クランキング中のエンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔより大きいか否かを判断し、完爆回転数Ｎｅ−ｓｔを超えている場合には、ステップＳ１０へ進み、完爆回転数Ｎｅ−ｓｔに達していない場合にはステップＳ９へ進み、軽質燃料の場合にはステップＳ６の処理を継続させ、重質燃料の場合にはステップＳ７の処理を継続させることで、燃焼を促進させ、クランキング回転数（エンジン回転数Ｎｅ）を上昇させてゆく。
【００３３】
クランキング中のエンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔを超えると、ステップＳ８においてエンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔを超えていると判断されてステップＳ１０へ進み、ステップＳ１０で、暖機運転のための吸気行程噴射モードに設定され、ステップＳ１１へ進み、暖機完了であるか否かが判断され、暖気完了となるまで、吸気行程噴射による暖機運転が継続される。図３（Ａ）の実線で示すように、時点ｔ３で暖機運転のための吸気行程噴射に切換り、図３（Ｃ）の実線で示すように、時点ｔ３で空燃比が理論空燃比となるように、すなわち、吸入空気量に対してストイキ噴射が行われるようにその燃料噴射量を設定する。
【００３４】
暖機運転は、吸気行程噴射モードのアイドリング運転の継続により、冷却水温Ｔｗが暖機終了温度Ｔｗ−ｓｔを超えて上昇すると、ステップＳ１１の判断時に冷却水温Ｔｗ＞暖機終了温度Ｔｗ−ｓｔの条件を満足して（暖機完了）ステップＳ１２へ進み、圧縮行程噴射による成層リーン運転を許可し（図３の時点ｔ４参照）、処理が終了される。
【００３５】
図６に示す燃料噴射制御における処理手順を示すフローチャートでは、燃料性状の判定結果が出せない場合にも対応できるようにした第２実施例であり、第１実施例である図２のフローチャートに対し、ステップＳ１３をステップＳ４およびＳ５間に追加している。
【００３６】
即ち、ステップＳ１３においては、ステップ３での燃料性状の判定結果がある場合にはステップＳ５へ進み、燃料性状の判定結果がない場合にステップＳ７へ進むようにしている。このように燃料性状の判定結果がない状態で、圧縮行程噴射モードでの成層始動を設定した場合に、軽質燃料であれば成層始動可能であるが重質燃料では成層始動ができない状態となる。これに対して、吸気行程噴射モードによる均質始動を設定した場合には、軽質燃料であっても重質燃料であっても均質始動が可能であり、確実にエンジン１を始動させることができる。
【００３７】
なお、上記した実施形態では、冷却水温Ｔｗが極低温である場合にも燃料性状の軽質・重質に応じて成層始動・均質始動のいずれかを設定するようにしているが、図示しないが、例えば、キースイッチ３４のオン時の冷却水温Ｔｗが極低温Ｔｗ−Ｌ（例えば、摂氏１０℃〜１５℃）以下の場合には、クランキングの初期段階から燃料性状の軽質・重質に拘りなく吸気行程噴射モードによる均質始動を選定するようにしてもよい。このような極低温の場合には、軽質燃料であっても成層始動が成立しない場合があり、このような場合には、均質始動させることでエンジン始動が確実にできることとなる。図３（Ｄ）に破線で示す水温特性は、圧縮行程噴射モードによる成層始動が設定されない低温側（例えば、摂氏５℃ないし１０℃以下）において、エンジン１が吸気行程噴射モードによる均質始動で始動される場合の水温特性である。
【００３８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３９】
（ア）燃料噴射弁２３に供給される燃料の燃料性状を燃料性状判定手段２９により判定し、この判定結果に応じて始動制御手段（ステップＳ５〜Ｓ７）は機関冷間始動時の燃料噴射モードを圧縮行程噴射モード若しくは吸気行程噴射モードに設定するため、圧縮行程噴射により燃焼室６内で混合気を成層化させて燃焼室６内壁流やピストン５のトップランドに入り込む未燃燃料量を低減して機関１より排出されるＨＣの量を低減する成層始動を維持しつつ、成層燃焼が成立する空燃比の許容範囲が狭い重質度の燃料と判断された場合には吸気行程噴射始動に切換えて始動することができ、重質度の高い燃料が使用されても燃焼が不安定になり始動性不良になることを回避できる。
【００４０】
（イ）始動制御手段は、ステップＳ２において、機関始動時の冷却水温Ｔｗが、暖機状態としての予め設定した第１の所定温度Ｔｗ−Ｈを超える場合には、機関始動時の燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードとして成層始動するため、重質燃料であっても軽質燃料と同様の燃焼安定度が許容範囲に納まる圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲となり、圧縮行程噴射により燃焼室内で混合気を成層化させて燃焼室６内壁流やピストン５トップランドに入り込む未燃燃料量を低減して機関１より排出されるＨＣの量を低減する成層始動を実現することができる。
【００４１】
（ウ）始動制御手段は、機関始動時の冷却水温Ｔｗが、極低温として予め設定した第２の所定温度Ｔｗ−Ｌ（例えば、１５℃）を下回る冷間始動時には、燃料性状判定手段２９の判定結果に拘らず吸気行程噴射モードによる均質始動を設定するため、軽質燃料であっても成層始動が成立しない場合があり、このような場合には、均質始動させることでエンジン１の始動が確実にできる。
【００４２】
（エ）始動制御手段は、ステップＳ１３において、前記燃料性状判定手段２９の判定結果が不明な場合には、機関始動時の燃料噴射モードを吸気行程噴射モードによる均質始動とするため、軽質燃料であっても重質燃料であっても均質始動が可能であり、確実にエンジン１を始動させることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態において、エンジン１の暖機運転として、吸気行程噴射モードによる均質燃焼させるものについて説明したが、図示はしないが、圧縮行程噴射モードによる成層燃焼させるものであってもよく、また、冷却水温の上昇に連れて、圧縮行程噴射モードによる成層燃焼から吸気行程噴射モードによる均質燃焼へ移行させるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す筒内噴射式内燃機関の始動制御装置および同装置が適用されるエンジンの概略構成図。
【図２】同じく始動制御における処理手順を示すフローチャート。
【図３】同じく始動制御における処理結果を示すタイムチャート。
【図４】同じく燃料性状による空燃比と燃焼安定度との関係を示す特性図。
【図５】同じく冷却水温と燃料気化率との関係を示す特性図。
【図６】第２実施例の始動制御における処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン、機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ シリンダ
５ ピストン
６ 燃焼室
７ 吸気弁
８ 排気弁
２３ 燃料噴射弁
２４ 点火プラグ
２９ 燃圧センサ
３０ エンジン制御装置
３２ クランク角センサ
３３ 水温センサ
３４ バッテリ電圧センサ
３５ キースイッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射式内燃機関の始動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内噴射型内燃機関の冷間始動時に吸気行程噴射による均質燃焼をさせた場合に、三元触媒が活性化していないことにより、ＨＣが還元されないままで排出されることを防止するため、内燃機関の温度を検出し、検出した温度が所定温度を下回る場合には圧縮行程において理論空燃比より多少リーン側に空燃比を調整して燃料を噴射することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
これにより、冷間始動時において、吸気行程噴射による均質燃焼に対して、燃料がシリンダ壁面に付着するのを低減することができ、成層燃焼により、クエンチゾーンヘの混合気の流入を低減できる。加えて、排気温が上昇するので、膨張行程においてＨＣ酸化反応を促進させることもでき、総合的にＨＣ低減が可能となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１４５５１０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように、圧縮行程噴射により機関を始動させるものにあっては、点火プラグ周りに安定した着火が得られる空燃比の混合気塊（リッチ）が形成され、且つ燃焼室内全体としての平均空燃比はストイキよりも若干リーンとなる成層燃焼許容空燃比となるよう燃料噴射量および噴射時期を調整する必要がある。しかしながら、冷機時における成層燃焼許容空燃比の許容範囲は、燃料の気化率が低下することによりリッチ側にずれつつ狭くなり、しかも燃料性状が重質になるにつれてより一層狭くなる。このため、重質度の高い燃料が供給された場合には、予め設定した空燃比範囲から外れて燃焼が不安定になり、始動不良になる可能性がある。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、機関冷間始動時における排気エミッションの悪化を抑制しつつ低温始動性を向上させる筒内噴射式内燃機関の始動制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料噴射弁に供給される燃料の燃料性状を燃料性状判定手段により判定し、始動制御手段により前記燃料性状判定手段の判定結果が軽質であるときには圧縮行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させ、前記判定結果が重質であるときには吸気行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させるよう構成した。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、燃料噴射弁に供給される燃料の燃料性状を判定し、この判定結果が軽質であるときには圧縮行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させ、前記判定結果が重質であるときには吸気行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させるため、圧縮行程噴射による成層始動により燃焼室内で混合気を成層化させて燃焼室内壁流やピストントップランドに入り込む未燃燃料量を低減して機関より排出されるＨＣの量を低減しつつ始動させ、成層始動が成立する空燃比の許容範囲が一層狭い重質度の燃料と判断された場合には吸気行程噴射による均質始動に切換えて始動することができ、重質度の高い燃料が使用されても燃焼が不安定になり始動性不良になることを回避できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置を一実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる始動制御装置および同装置が適用されるエンジン１の概略構成を示している。図１に示されるように、エンジン１は、シリンダヘッド２と複数のシリンダ４（図１ではその一つのみを図示）が形成されたシリンダブロック３とを備えている。各シリンダ４内にはピストン５が往復動可能に設けられている。このピストン５と、シリンダ４の内壁およびシリンダヘッド２とによって燃焼室６が形成されている。また、ピストン頂部には、噴射した燃料および吸気が圧縮行程時にタンブル流を生じさせて成層燃焼させるピストンキャビティ５Ａを形成している。燃焼室６には、吸気弁７および排気弁８を介して吸気ポート９および排気ポート１０が接続されている。
【００１１】
吸気ポート９は、その上流部分に接続してインテークマニホールド１１およびコレクタ１２が接続され、さらにその上流にはエンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ１３、吸入空気量を測定するエアフローメータ１４、およびエアクリーナ１５が設けられている。このスロットルバルブ１３の開度は、アクセルペダル１６の踏込操作に応じてスロットル用モータ１７を駆動することによって調節される。即ち、アクセルペダル１６の踏込操作に応じて変化するアクセル踏込量がアクセルポジションセンサ１８によって検出され、この検出されるアクセル踏込量に応じてスロットル用モータ１７が制御されることによりスロットルバルブ１３の開度が調節される。このスロットルバルブ１３の開度は図示しないスロットルポジションセンサによって検出される。また、排気ポート１０の下流には、エギゾーストマニホールド１９を介して排気ガスを浄化するための触媒装置２０が設けられ、排気管２１に接続されている。
【００１２】
シリンダヘッド２には、この燃焼室６内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２３と、燃焼室６内の混合気に点火する点火プラグ２４とが、各気筒に対応してそれぞれ設けられている。燃料噴射弁２３は供給通路２５を介してデリバリパイプ２６に接続されており、同パイプ２６から燃料が供給される。また、このデリバリパイプ２６には高圧燃料ポンプ２７を通じて燃料タンク２８の燃料が供給される。デリバリパイプ２６には同パイプ２６内の燃料圧力を検出するための図示しない燃料圧センサおよび燃料の性状を検出する燃料性状センサ２９が設けられている。燃料性状センサ２９は、例えば、燃料の濃度（比重・重質度）に応じてレーザ光の屈折率が変化することを利用した光学式燃料センサや燃料中の一対の電極間の抵抗値が燃料の濃度（比重・重質度）に応じて変化することを利用した静電容量センサ等が用いられる。
【００１３】
エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサが設けられている。クランクシャフト３１の近傍には、クランクシャフト３１の回転速度（エンジン回転速度＝スタータ回転速度）とその回転位相（クランク角ＣＡ）を検出するためのクランク角センサ３２が設けられている。また、シリンダブロック３には、エンジン１の冷却水の温度（冷却水温ＴＨＷ）を検出する水温センサ３３が設けられている。また、スタータモータの電源であるバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧センサ３４が設けられている。また、キースイッチ３５のオン信号、スタータ信号も入力されている。これら各センサ２９，３２〜３５から出力される検出信号はいずれも、エンジン１のエンジン制御装置３０に入力される。このエンジン制御装置３０はこれら各センサ２９，３２〜３５を含む各種センサからの検出信号に基づいて各燃料噴射弁２３を駆動することにより燃料噴射に係る制御を実行するとともに、所定の点火制御を実行する。また、エンジン制御装置３０は、こうした燃料噴射制御及び点火制御を実行するためのプログラムや演算用マップ、制御の実行に際して算出されるデータ等を記憶保持するメモリを備えている。
【００１４】
エンジン制御装置３０はエンジン１の運転状態に応じて、吸気行程において燃料噴射を実行する吸気行程噴射モードと、圧縮行程において燃料噴射を実行する圧縮行程噴射モードとを切換えるよう機能する。
【００１５】
また、エンジン制御装置３０はエンジン１のキースイッチ３５がオフからオンに切換えられてクランキングを開始するに際に、その時点で燃料性状センサ２９により測定されたデリバリパイプ２６内の燃料の重質度（比重）により、燃料噴射弁２３に供給される燃料が軽質燃料か重質燃料かを判定するようにしている。
【００１６】
また、エンジン制御装置３０はキースイッチ３５によるイグニッションスイッチをオンしてのエンジン始動時に、燃料性状判定結果に応じて、軽質燃料である場合には圧縮行程噴射モードによる成層始動を設定し、重質燃料である場合には吸気行程噴射モードによる均質始動を設定し、図示しないスタータモータによるクランキングを開始するようにしている。
【００１７】
これは、クランキング開始直後の段階における未燃焼燃料（ＨＣ）の排出を抑えるために行う圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲が、図４に示すように、軽質燃料では比較的広い範囲において燃焼安定度の許容範囲内となり（Ａ線参照）、成層始動が比較的容易であるのに対し、重質燃料では、比較的狭い範囲しか燃焼安定度の許容範囲内とならず（Ｂ線参照）、成層始動が成立しにくいことによる。重質燃料に対しては、吸気行程噴射モードによる均質始動を設定することで、図４のＣ線で示すように、重質燃料であっても低温始動時に燃焼安定度が許容範囲に納まる許容空燃比範囲が比較的広くとれるため、燃焼室６内に噴射された燃料が気化するための時間が確保され、その結果、安定して着火燃焼が行われてエンジン１が確実に始動させることができる。なお、暖機後は、燃焼安定度が許容範囲に納まる圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲は、重質燃料であっても軽質燃料と同様の比較的大きい範囲で許容され（Ｄ線およびＥ線参照）、燃焼安定度が許容範囲に納まる吸気行程噴射モードでの均質始動時の許容空燃比範囲は、それよりもさらに大きい範囲で許容される（Ｆ線参照）。
【００１８】
上記した燃焼安定度の許容範囲内となる圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲は燃料気化率に比例し、図５に示すように、暖機完了後の燃料気化率を１００％とした場合に、冷却水温が低下するに連れて軽質燃料および重質燃料の燃料気化率が低下することで許容空燃比範囲も小さくなるが、軽質燃料の燃料気化率の低下に対して重質燃料の燃料気化率の低下が大きいことから、重質燃料の燃焼安定度の許容範囲内となる圧縮行程噴射モードでの許容空燃比範囲が狭いものとなる。なお、圧縮行程噴射モードでの成層始動時では、点火プラグ２４周りに比較的リッチで安定した着火性が得られる混合気塊が形成され、燃焼室内全体の空燃比はストイキよりも弱リーンである。
【００１９】
また、エンジン制御装置３０はエンジン１の始動時（クランキング時）において、エンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔより大きくなった場合には、着火燃焼が行われてエンジン１が確実に始動したと判断でき、暖機運転のための吸気行程噴射モードを設定して、燃料噴射弁２３により吸気行程噴射を行わせ均質燃焼させるようにしている。
【００２０】
即ち、着火燃焼が行われてエンジン１が確実に始動されると、エンジン制御装置３０は始動時の燃料噴射モードが圧縮行程噴射モードである場合には暖機運転のために吸気行程噴射モードに変更し、始動時に吸気行程噴射モードである場合には暖機運転のためにそれを維持するようにしている。暖機運転での吸気行程噴射モードでは、燃焼室内の空燃比はストイキ近傍であり、安定した燃焼か維持されるとともにエミッション、特にＮＯｘの排出特性が改善される。
【００２１】
なお、エンジン１の始動後の暖機運転において、エンジン制御装置３０は冷却水温Ｔｗが暖機終了温度Ｔｗ−ｓｔを超えた場合には、エンジン制御装置３０は暖機完了として、運転条件に応じて吸気行程において燃料噴射を実行する吸気行程噴射モードと、圧縮行程において燃料噴射を実行する圧縮行程噴射モードとを切換え可能としている。
【００２２】
以上の構成を備えた本実施形態の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置による始動制御について説明する。図２は、この始動制御における処理手順を示すフローチャートである。エンジン制御装置３０は、機関始動時において、このフローチャートに示される処理を定期的に割込処理として実行する。図３は、図２の処理手順による制御結果の時間的変化を示すタイムチャートであり、併せて説明する。
【００２３】
この処理に際して、まず、ステップＳ１において、キースイッチ３５がオフからオンへ変化したか否かを判断する。キースイッチ３５がオフの状態では、本フローチャートは処理を開始されない。キースイッチ３５がオフからオンへ変化したことにより、エンジン１の始動操作が開始されたと判断する（図３の時点ｔ１参照）。
【００２４】
ステップＳ２では、その時点での冷却水温Ｔｗが、エンジン１が暖機完了状態かどうかを判定するために予め設定した所定温度Ｔｗ−Ｈ以下か否かを判定し、所定温度Ｔｗ−Ｈ以下の場合にステップＳ３へ進み、所定温度Ｔｗ−Ｈを超える場合にはステップＳ６へ進む。この所定温度Ｔｗ−Ｈは、例えば、５０℃〜７０℃の間で任意に設定できる。冷間始動時にはステップＳ３へ進む。
【００２５】
ステップＳ３では、燃料性状センサ２９により検出したデリバリパイプ２６内の燃料の屈折率が軽質燃料の屈折率であるか重質燃料の屈折率であるかにより燃料の種類（軽質燃料か、または重質燃料か）を判定してステップＳ４へ進む。エンジン制御装置３０は上記判定のために、屈折率データに対する重質度マップおよび重質度の程度から軽量燃料とするか重質燃料とするかの基準値が記憶されている。
【００２６】
ステップＳ４では、キースイッチ３４のイグニッションスイッチがオンされたか否かを判定し、イグニッションスイッチがオンされるとステップＳ５へ進み、エンジン１は図示しないスタータモータによりクランキングが開始される（図３の時点ｔ２参照）。
【００２７】
ステップＳ５では、ステップＳ３での判定が、軽質燃料である場合にはステップＳ６へ進み、重質燃料である場合にはステップＳ７へ進む。
【００２８】
ステップＳ６では、圧縮行程噴射モードによる成層始動を設定して燃料噴射弁２３から燃焼室６内に圧縮行程時に燃料を噴射する。噴射された軽質燃料は燃焼室６内でピストン５の頂部のキャビティ５Ａとシリンダヘッド２とで囲まれた空間内でタンブル流（キャビティ５Ａに一方から流れ込み、キャビティ５Ａ壁面に沿って流れ、キャビティ５Ａの他方から流れ出て点火プラグ２４に達し、点火プラグ２４を経由して再びキャビティ５Ａの一方に流れ込む旋回気流）を生じている吸入空気と混合して点火プラグ２４により着火され、成層燃焼する。
【００２９】
圧縮行程噴射モードでの成層始動では、図３（Ａ）〜（Ｃ）に実線で示す状態、即ち、図３（Ｃ）に実線で示すように、燃焼室６に弱リーン状態の空燃比で噴霧され、燃料噴射のタイミングは、図３（Ａ）の実線図示のように、エンジン回転数Ｎｅが上昇されるに連れて噴射時期が進角側に進められ、噴射した燃料が確実に点火プラグ２４回りに達するタイミングの調整がなされ、確実に成層燃焼させる（図３中の時点ｔ２〜時点ｔ３）。また、空燃比が弱リーン領域に設定されるため、燃料がクエンチゾーンへ流入したりシリンダ４壁面に付着したりすることが低減され、成層燃焼が促進される。この場合、膨張行程において未燃焼燃料の酸化反応が促進され、排気温が上昇するので燃料の燃え残りやその外部への排出が抑制でき、且つ触媒２０の迅速な活性化が可能となる（図３中の時点ｔ２〜時点ｔ３参照）。
【００３０】
ステップＳ７では、吸気行程噴射モードによる均質始動を設定して燃料噴射弁２３から燃焼室６内に吸気行程時に燃料を噴射する。噴射された重質燃料は燃焼室６内で吸気行程から圧縮行程に亘り均質に吸入空気と混合され、充分気化した段階で点火プラグ２４により着火され、均質燃焼する。
【００３１】
吸気行程噴射モードでの均質始動では、図３（Ａ）〜（Ｃ）に破線で示す状態、即ち、図３（Ａ）の破線で示すように、吸気行程で燃料が燃焼室６内に噴射され、図３（Ｃ）の破線で示すように、空燃比が理論空燃比より若干リッチとなるように、吸入空気量に対して噴射が行われ、図３（Ｃ）に示すように点火時期が若干遅角させる。吸気行程噴射モードでは、燃焼室６内に噴射された燃料が気化するための時間が確保されるため、安定して着火燃焼させることができる（図３の時点ｔ２〜ｔ３参照）。
【００３２】
ステップＳ８では、クランキング中のエンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔより大きいか否かを判断し、完爆回転数Ｎｅ−ｓｔを超えている場合には、ステップＳ１０へ進み、完爆回転数Ｎｅ−ｓｔに達していない場合にはステップＳ９へ進み、軽質燃料の場合にはステップＳ６の処理を継続させ、重質燃料の場合にはステップＳ７の処理を継続させることで、燃焼を促進させ、クランキング回転数（エンジン回転数Ｎｅ）を上昇させてゆく。
【００３３】
クランキング中のエンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔを超えると、ステップＳ８においてエンジン回転数Ｎｅが完爆回転数Ｎｅ−ｓｔを超えていると判断されてステップＳ１０へ進み、ステップＳ１０で、暖機運転のための吸気行程噴射モードに設定され、ステップＳ１１へ進み、暖機完了であるか否かが判断され、暖気完了となるまで、吸気行程噴射による暖機運転が継続される。図３（Ａ）の実線で示すように、時点ｔ３で暖機運転のための吸気行程噴射に切換り、図３（Ｃ）の実線で示すように、時点ｔ３で空燃比が理論空燃比となるように、すなわち、吸入空気量に対してストイキ噴射が行われるようにその燃料噴射量を設定する。
【００３４】
暖機運転は、吸気行程噴射モードのアイドリング運転の継続により、冷却水温Ｔｗが暖機終了温度Ｔｗ−ｓｔを超えて上昇すると、ステップＳ１１の判断時に冷却水温Ｔｗ＞暖機終了温度Ｔｗ−ｓｔの条件を満足して（暖機完了）ステップＳ１２へ進み、圧縮行程噴射による成層リーン運転を許可し（図３の時点ｔ４参照）、処理が終了される。
【００３５】
図６に示す燃料噴射制御における処理手順を示すフローチャートでは、燃料性状の判定結果が出せない場合にも対応できるようにした第２実施例であり、第１実施例である図２のフローチャートに対し、ステップＳ１３をステップＳ４およびＳ５間に追加している。
【００３６】
即ち、ステップＳ１３においては、ステップ３での燃料性状の判定結果がある場合にはステップＳ５へ進み、燃料性状の判定結果がない場合にステップＳ７へ進むようにしている。このように燃料性状の判定結果がない状態で、圧縮行程噴射モードでの成層始動を設定した場合に、軽質燃料であれば成層始動可能であるが重質燃料では成層始動ができない状態となる。これに対して、吸気行程噴射モードによる均質始動を設定した場合には、軽質燃料であっても重質燃料であっても均質始動が可能であり、確実にエンジン１を始動させることができる。
【００３７】
なお、上記した実施形態では、冷却水温Ｔｗが極低温である場合にも燃料性状の軽質・重質に応じて成層始動・均質始動のいずれかを設定するようにしているが、図示しないが、例えば、キースイッチ３４のオン時の冷却水温Ｔｗが極低温Ｔｗ−Ｌ（例えば、摂氏１０℃〜１５℃）以下の場合には、クランキングの初期段階から燃料性状の軽質・重質に拘りなく吸気行程噴射モードによる均質始動を選定するようにしてもよい。このような極低温の場合には、軽質燃料であっても成層始動が成立しない場合があり、このような場合には、均質始動させることでエンジン始動が確実にできることとなる。図３（Ｄ）に破線で示す水温特性は、圧縮行程噴射モードによる成層始動が設定されない低温側（例えば、摂氏５℃ないし１０℃以下）において、エンジン１が吸気行程噴射モードによる均質始動で始動される場合の水温特性である。
【００３８】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３９】
（ア）燃料噴射弁２３に供給される燃料の燃料性状を燃料性状判定手段２９により判定し、この判定結果に応じて始動制御手段（ステップＳ５〜Ｓ７）は機関冷間始動時の燃料噴射モードを圧縮行程噴射モード若しくは吸気行程噴射モードに設定するため、圧縮行程噴射により燃焼室６内で混合気を成層化させて燃焼室６内壁流やピストン５のトップランドに入り込む未燃燃料量を低減して機関１より排出されるＨＣの量を低減する成層始動を維持しつつ、成層燃焼が成立する空燃比の許容範囲が狭い重質度の燃料と判断された場合には吸気行程噴射始動に切換えて始動することができ、重質度の高い燃料が使用されても燃焼が不安定になり始動性不良になることを回避できる。
【００４０】
（イ）始動制御手段は、ステップＳ２において、機関始動時の冷却水温Ｔｗが、暖機状態としての予め設定した第１の所定温度Ｔｗ−Ｈを超える場合には、機関始動時の燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードとして成層始動するため、重質燃料であっても軽質燃料と同様の燃焼安定度が許容範囲に納まる圧縮行程噴射モードでの成層始動時の許容空燃比範囲となり、圧縮行程噴射により燃焼室内で混合気を成層化させて燃焼室６内壁流やピストン５トップランドに入り込む未燃燃料量を低減して機関１より排出されるＨＣの量を低減する成層始動を実現することができる。
【００４１】
（ウ）始動制御手段は、機関始動時の冷却水温Ｔｗが、極低温として予め設定した第２の所定温度Ｔｗ−Ｌ（例えば、１５℃）を下回る冷間始動時には、燃料性状判定手段２９の判定結果に拘らず吸気行程噴射モードによる均質始動を設定するため、軽質燃料であっても成層始動が成立しない場合があり、このような場合には、均質始動させることでエンジン１の始動が確実にできる。
【００４２】
（エ）始動制御手段は、ステップＳ１３において、前記燃料性状判定手段２９の判定結果が不明な場合には、機関始動時の燃料噴射モードを吸気行程噴射モードによる均質始動とするため、軽質燃料であっても重質燃料であっても均質始動が可能であり、確実にエンジン１を始動させることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態において、エンジン１の暖機運転として、吸気行程噴射モードによる均質燃焼させるものについて説明したが、図示はしないが、圧縮行程噴射モードによる成層燃焼させるものであってもよく、また、冷却水温の上昇に連れて、圧縮行程噴射モードによる成層燃焼から吸気行程噴射モードによる均質燃焼へ移行させるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す筒内噴射式内燃機関の始動制御装置および同装置が適用されるエンジンの概略構成図。
【図２】同じく始動制御における処理手順を示すフローチャート。
【図３】同じく始動制御における処理結果を示すタイムチャート。
【図４】同じく燃料性状による空燃比と燃焼安定度との関係を示す特性図。
【図５】同じく冷却水温と燃料気化率との関係を示す特性図。
【図６】第２実施例の始動制御における処理手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン、機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ シリンダ
５ ピストン
６ 燃焼室
７ 吸気弁
８ 排気弁
２３ 燃料噴射弁
２４ 点火プラグ
２９ 燃圧センサ
３０ エンジン制御装置
３２ クランク角センサ
３３ 水温センサ
３４ バッテリ電圧センサ
３５ キースイッチ
Claims (5)
- 燃焼室内に圧縮行程噴射モード、若しくは吸気行程噴射モードにより燃料を直接噴射して点火プラグにより点火する筒内噴射式内燃機関の始動制御装置において、
燃料噴射弁に供給される燃料の燃料性状を判定する燃料性状判定手段と、
前記燃料性状判定手段の判定結果が軽質であるときには圧縮行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させ、前記判定結果が重質であるときには吸気行程噴射モードにより機関を完爆するまで始動させる始動制御手段と、を備えることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の始動制御装置。 - 前記始動制御手段は、機関始動時の冷却水温が予め設定した第１の所定温度を超える場合には、燃料性状判定手段の判定結果に係らず機関始動時の燃料噴射モードを圧縮行程噴射モードとすることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置。
- 前記始動制御手段は、機関始動時の冷却水温が予め設定した第２の所定温度を下回る冷間始動時には、燃料性状判定手段の判定結果に係らず機関始動時の燃料噴射モードを吸気行程噴射モードとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置。
- 前記始動制御手段は、前記燃料性状判定手段の判定結果が不明な場合には、機関始動時の燃料噴射モードを吸気行程噴射モードとすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置。
- 前記始動制御手段は、完爆後は機関の暖気運転のための吸気行程噴射モードに設定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の筒内噴射式内燃機関の始動制御装置。
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