JP4127139B2 - 筒内直噴内燃機関の始動制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内直噴内燃機関に好適な始動制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、始動時のクランキング開始からエンジン回転速度が立ち上がるまでの期間においては吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼を行い、暖機後の通常走行時においては、低負荷域で燃費のよい成層燃焼、中高負荷域で高出力の均質燃焼というように、負荷やエンジン回転速度に応じて、均質燃焼と成層燃焼とを切り替えている。
【０００３】
また、特許文献１では、始動時に内燃機関の温度（水温、油温）がある一定温度以下のときには、空燃比をリーン化したうえで成層運転することで、排気温度を上昇させて触媒の活性化を促進し、燃費改善及びハイドロカーボン低減を図ることが提案されている。
【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】
図２は、成層燃焼運転時の空燃比と筒内圧力バラツキとの関係を示す図である。筒内圧力バラツキがある基準以下のときに成層燃焼が成立する。暖機運転が終了しエンジンが十分に暖まった状態（ＨＯＴ）では、比較的広い空燃比範囲で成層燃焼が成立する。しかし、暖機運転中であってエンジンが十分に暖まっていない状態（ＣＯＬＤ）では、空燃比の成立範囲が極めて狭い。したがって、エンジンが十分に暖まっていない始動時に成層燃焼を成立させることは困難である。なお、ＣＯＬＤ時の成立範囲はＨＯＴ時に比べて空燃比がリッチ側にある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、エンジンが十分に暖まっていないＣＯＬＤ状態であっても空燃比を高精度に制御することで、成層燃焼運転で始動可能な筒内直噴内燃機関の始動制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
本発明は、筒内直噴内燃機関の始動制御装置であって、機関水温を検出する水温検出手段（ステップＳ２）と、検出した機関水温に基づいて冷機時の始動における燃料噴射量に関する学習値の有無を判定する学習判定手段（ステップＳ５）と、前記冷機時の始動における燃料噴射量に関する学習値がないときは、吸気行程で燃料を噴射する均質燃焼運転で始動してその学習値を算出する学習値算出手段（ステップＳ１４）と、前記冷機時の始動における燃料噴射量に関する学習値があるときは、その学習値に基づいて燃料噴射量を制御して、圧縮行程で燃料を噴射する成層燃焼運転で冷機時始動する成層運転手段（ステップＳ１０）とを備えることを特徴とする。
【０００９】
【作用・効果】
排気エミッションを改善するために成層始動を行うに際して、燃料噴射量に関する学習値がなければ成層運転を成立することができない。そこで、本発明では、本来であれば成層始動するところを均質始動し、同じ始動条件での均質運転で燃料噴射量を学習し、その学習値を成層始動に反映するようにすることで、成層運転を成立したのである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。（第１実施形態）
図１は、本発明による筒内直噴内燃機関の始動制御装置の第１実施形態を示す図である。
【００１１】
吸気は、エアフィルタ２１、エアフロメータ５１、スロットルチャンバ７１を経由してシリンダ１１に吸入される。スロットルチャンバ７１の開度はスロットル開度センサ５２で検出する。また、フューエルポンプから送られた燃料がフューエルインジェクタ７６から筒内（シリンダ１１）へ直接噴射される。フューエルインジェクタ７６の燃圧はフューエルプレッシャセンサ５３で検出する。そして点火プラグ７７で筒内の混合ガスを着火して燃焼する。燃焼ガスは、排気管の途中に設けられた三元触媒３１、３２で浄化され、マフラ３３から排気される。三元触媒３１、３２の入口及び出口には、Ｏ２センサ５４，５５が取り付けられている。排気の一部はＥＧＲ通路７８から吸気系に還流される。その還流量はＥＧＲバルブ７２で調整される。ＥＧＲガスの温度は、ＥＧＲ温度センサ５６で検出する。エンジンの運転状態は、水温センサ５７、フェーズセンサ５８、ノックセンサ５９、ＰＯＳセンサ６０で検出する。また、７３はイグニッションコイル、７４はＶＴＣソレノイドバルブ、７５はアクチュエータである。
【００１２】
コントローラ８０は、各センサ５１〜６０の信号に基づいて、スロットルチャンバ７１、ＥＧＲバルブ７２、イグニッションコイル７３、ＶＴＣソレノイドバルブ７４、アクチュエータ７５及びフューエルインジェクタ７６を制御する。
【００１３】
このコントローラ８０の制御の概要を説明すると以下である。すなわち、排気エミッションの改善のために円滑な成層燃焼を行うには筒内圧力バラツキをある基準値以下に抑える必要がある（図２参照）。特に、エンジンが十分に暖まっていないＣＯＬＤ状態のときに成層燃焼で始動するには空燃比を極めて狭い範囲に精密に制御しなければならない。そのようにするには、空燃比を学習し、その学習値を使用して制御するとよい。
【００１４】
そこで、ＨＯＴ時の成層燃焼時の空燃比を学習し、その学習値に基づいてＣＯＬＤ時の始動を成層燃焼で行うことも考えられる。しかし、ＣＯＬＤ時とＨＯＴ時とでは成層燃焼の成立する空燃比域が異なり（図２参照）、また燃料の噴射形成に大きな影響を及ぼす筒内の温度条件が全く異なるので、ＨＯＴ時の学習値を使用してＣＯＬＤ時の始動を成層燃焼で行おうとしても、誤差が大きすぎ、成層始動することが困難である。
【００１５】
ところで、発明者らは、このＣＯＬＤ時の成層燃焼成立域は、理論空燃比付近（若干リーン）であり、これは均質燃焼の運転域とほぼ同じであるので、均質燃焼域で空燃比及び空気量の学習を行い、その学習値に基づいて始動時から成層燃焼することが可能であることを見いだした。
【００１６】
本発明は、発明者らの上記知見に基づき、均質燃焼域で空燃比及び空気量の学習を行い、その学習値に基づいて始動時から成層燃焼しようとするものである。以下、コントローラ８０の具体的な制御について説明する。
【００１７】
図３は、本発明による筒内直噴内燃機関の燃焼始動制御のフローチャートである。
【００１８】
本制御はキーオンによって開始し、一定の微少時間（例えば１０ｍｓｅｃ）ごとに繰り返し実行する。
【００１９】
ステップＳ１において、始動時であるか否かを判定する。具体的には、後述の始動運転終了フラグが１（初期値は０）であったら通常運転であり始動時ではない。始動時はステップＳ２以降に進む。
【００２０】
ステップＳ２において、水温Ｔｗを検出する。
【００２１】
ステップＳ３において、ファーストアイドルフラグが１であるか否かを判定する。このファーストアイドルフラグの初期値は０であり、そのときはステップＳ４以降へ進む。ファーストアイドルフラグが１のときはステップＳ１４へ進んで均質始動処理を行う。なお、この均質始動処理については後述する。
【００２２】
ステップＳ４において、水温ＴＷを始動前水温ＴＷＳＴＲＴとする。
【００２３】
ステップＳ５において、始動前水温ＴＷＳＴＲＴでの冷機時学習（空燃比及び空気量の学習）が済んでいるか否かを判定し、空燃比及び空気量の両方の学習が済んでいればステップＳ６以降へ進み、いずれか一方でも済んでいなければステップＳ１４へ進んで均質始動処理を行う。なお図４は、その処理を説明する図である。各水温ＴＷＳＴＲＴに対して、空燃比及び空気量の両方の学習値があれば成層始動を許可し、いずれか一方でもなければ成層始動を許可しない。一番最初の処理時は冷機時学習が済んでいないのでステップＳ１４へ進む。ここで、図５を参照しながらステップＳ１４について説明する。
【００２４】
ステップＳ１４１において、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼によって始動運転を行う。
【００２５】
ステップＳ１４２において、冷機時学習（低水温時の空燃比学習及び空気量学習）を行う。なお、このように空燃比及び空気量の両方を学習するのは、例えば、エンジンの目標出力に対して必要な燃料量及び空気量の両方を制御するためである。そのため、空燃比だけではなく空気量の学習も行う。また、このような学習結果をマップとしてコントローラで記憶しておくのであるが、ＡＴ車の場合は、負荷違い、すなわちＮレンジとＤレンジとの２つのマップを保有するようにしておく。また、ＭＴ車の場合は１つのマップを保有するようにしておく（図４参照）。
【００２６】
ステップＳ１４３において、アイドル運転条件が成立しているか否かを判定し、成立しアイドル運転中であればステップＳ１４４へ進む。
【００２７】
ステップＳ１４４において、暖機運転中であるか否か、具体的には水温ＴＷが基準温度以下であるか否かを判定し、水温ＴＷが基準温度以下であって暖機運転が終了していなければ、ファーストアイドルフラグを１にする（ステップＳ１４５）。なお、このファーストアイドルフラグの初期値は０である。
【００２８】
アイドル運転条件が成立しない通常運転のときや（ステップＳ１４３でＮ）、水温ＴＷが基準温度を上回って暖機運転が終了したら（ステップＳ１４４においてＹ）、ファーストアイドルフラグを０にするとともに（ステップＳ１４６）、始動運転終了フラグを１にする（ステップＳ１４７）。
【００２９】
再び図３のフローチャートに戻る。
【００３０】
上述の通り、一旦、均質運転で始動したらファーストアイドルフラグを１にするので、水温ＴＷが基準温度を上回るまで、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ１４を繰り返し実行して均質運転で暖機する。
【００３１】
次回の始動時は、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４と進んだ後、ステップＳ５において、始動前水温ＴＷＳＴＲＴでの冷機時学習が済んでいればステップＳ６以降へ進む。
【００３２】
ステップＳ６において、成層始動許可条件が成立しているか否かを判定する。具体的には、吸気温度センサ及び大気圧センサ（いずれもエアフロメータに設けられている）に基づいて行う。また、それらのセンサ類やＡＦＭ、エアモーションデバイス等の故障診断（断線の有無、前回走行時の故障判定情報）に基づいて行う。すなわち、基本的には成層始動許可条件が成立するが、水温が極低温のときや故障診断で故障を判定したときは成層始動許可条件が成立しないと判定する。
【００３３】
ステップＳ７おいて、イグニッションスイッチがＯＮになっているか否かを判定し、ＯＮであればステップＳ８おいてクランキングを行う。
【００３４】
ステップＳ９おいて、燃圧が十分であるか否かを判定する。すなわち、成層運転時は燃料を圧縮行程で噴射するので、燃圧が低ければ噴射できない。そこで、このステップＳ９においては、燃圧が燃料を噴射可能な圧力になっているか否かを判定する。燃圧が不足するときはステップＳ１４へ進んで均質始動処理を行い、十分であればステップＳ１０へ進む。
【００３５】
ステップＳ１０おいて、ステップＳ１４２で学習した空燃比学習値及び空気量学習値を用いて低水温成層運転を行う。
【００３６】
ステップＳ１１おいて、成層始動開始後、一定期間クランキングし続けているとき（すなわち、このときはエンジンの回転速度は未だ完爆回転速度に達せず、火がつかず燃焼開始していない状態である）は、ステップＳ１４へ進んで均質始動処理を行う。
【００３７】
ステップＳ１２おいて、完爆回転速度を超えたか否かを判定し、超えなければ、ステップＳ１→ステップＳ２→ステップＳ３→ステップＳ４→ステップＳ５→ステップＳ６→ステップＳ７→ステップＳ８→ステップＳ９→ステップＳ１０→ステップＳ１１→ステップＳ１２を繰り返し実行する。
【００３８】
完爆回転速度を超えたら（ステップＳ１２でＹ）、ステップＳ１３に進んで始動運転終了フラグを１にする。
【００３９】
そして、その後は、始動運転終了フラグが１になっているので、ステップＳ１からステップＳ１５へ進んで、各運転条件に対する燃焼制御、すなわち上述したいように低負荷域では、圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼して燃費の向上を図り、中高負荷域では吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼による出力向上を図る。
【００４０】
ステップＳ１６において、再学習条件が成立したか否かを判定し、成立したらステップＳ１７に進んで、すべての冷機時学習値をクリアする。このようにすることで、部品が経時劣化等して学習条件が変わっても、成層始動を行うことができるのである。なお、再学習条件としては、例えば、ＨＯＴ時の学習値のズレの検出、成層始動から均質始動に切り替えたときのトルク段差の発生、基準時間の経過、基準トリップ回数の経過、基準始動回数の経過などがある。
【００４１】
（本実施形態の効果）
円滑な成層燃焼を行うには、筒内圧力バラツキをある基準値以下に抑える必要がある。特に、エンジンが十分に暖まっていないＣＯＬＤ状態のときに成層燃焼で始動するには、空燃比を精密に制御する必要があり（図２参照）、そのようにするには、空燃比等を学習し、その学習値を使用して制御するとよい。
【００４２】
しかし、ＨＯＴ時の成層燃焼時の空燃比を学習し、その学習値に基づいてＣＯＬＤ時の始動を成層燃焼で行ったのでは誤差が大きすぎ、成層始動することが困難である。
【００４３】
ところで、ＣＯＬＤ時の成層燃焼成立域は、理論空燃比付近（若干リーン）であり、これは均質燃焼の運転域とほぼ同じであることから、本実施形態では、均質燃焼域で空燃比及び空気量の学習を行い、それらの学習値に基づいて空燃比を制御して成層燃焼するようにした。このようにすることで、始動時から成層燃焼することができるようになったのである。そして、このようにすることで、燃料の過剰な消費を防止でき燃費が改善した。また、始動時の余剰燃料によるハイドロカーボンの排出を低減することができ、排気エミッションを改善できたのである。
【００４４】
また、再学習条件が成立したら、すべての冷機時学習値をクリアするようにしたので、部品が経時劣化等して学習条件が変わっても、成層始動を行うことができるのである。
【００４５】
（第２実施形態）
図６は、本発明による筒内直噴内燃機関の始動制御装置の第２実施形態を示すフローチャートである。なお以下では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４６】
上記第１実施形態では、各温度に対して空燃比学習値及び空気量学習値を算出し（ステップＳ１４２）、始動前水温ＴＷＳＴＲＴごとに冷機時学習値の有無を判定したが（ステップＳ５）、この第２実施形態では、いくつかのＴＷＳＴＲＴに対する学習値に基づいて学習値（空燃比学習値及び空気量学習値）を導出する関数（補完式）を求め、その関数から、他のＴＷＳＴＲＴについても学習値（空燃比学習値及び空気量学習値）を算出する（ステップＳ５０）。
【００４７】
すなわち、図７に示すようにいくつかの（図７では１つ）ＴＷＳＴＲＴに対する学習値に基づいて補正関数を算出し、他のＴＷＳＴＲＴについてもその補正関数から学習値を求める。空燃比学習値及び空気量学習値の両方があったら学習終了フラグを立て、そのフラグがあるときは、図６のステップＳ５０において冷機時学習値が推定できる状態になる。
【００４８】
（本実施形態の効果）
本実施形態によれば、いくつかのＴＷＳＴＲＴに基づいて補正関数を求め、他のＴＷＳＴＲＴについてもその補正関数から学習値を算出するようにしたので、各水温に対するＴＷＳＴＲＴを求める必要はない。したがって、処理時間をかけることなく、成層始動を開始することができるのである。
【００４９】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による筒内直噴内燃機関の始動制御装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】成層燃焼運転時の空燃比と筒内圧力バラツキとの関係を示す図である。
【図３】本発明による筒内直噴内燃機関の燃焼始動制御のフローチャートである。
【図４】第１実施形態の学習処理を説明する図である。
【図５】均質燃焼処理サブルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明による筒内直噴内燃機関の始動制御装置の第２実施形態を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態の学習処理を説明する図である。
【符号の説明】
５２ スロットル開度センサ
５３ フューエルプレッシャセンサ
５４，５５ Ｏ２センサ
５７ 水温センサ
７１ スロットルチャンバ
７３ イグニッションコイル
７６ フューエルインジェクタ
８０ コントローラ
ステップＳ２ 水温検出手段
ステップＳ５、ステップＳ５０ 学習判定手段
ステップＳ６ 成層燃焼判定手段
ステップＳ９ 燃圧判定手段
ステップＳ１０ 成層運転手段
ステップＳ１１ クランキング判定手段
ステップＳ１４ 学習値算出手段
ステップＳ１６ 更新判定手段
ステップＳ１７ 更新手段

Claims (8)

1. 筒内直噴内燃機関の始動制御装置であって、
   機関水温を検出する水温検出手段と、
   検出した機関水温に基づいて冷機時の始動における燃料噴射量に関する学習値の有無を判定する学習判定手段と、
   前記冷機時の始動における燃料噴射量に関する学習値がないときは、吸気行程で燃料を噴射する均質燃焼運転で始動してその学習値を算出する学習値算出手段と、
   前記冷機時の始動における燃料噴射量に関する学習値があるときは、その学習値に基づいて燃料噴射量を制御して、圧縮行程で燃料を噴射する成層燃焼運転で冷機時始動する成層運転手段と、
   を備えることを特徴とする筒内直噴内燃機関の始動制御装置。
2. 前記学習値は、少なくとも空燃比学習値又は空気量学習値である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴内燃機関の始動制御装置。
3. 前記学習値の更新の必要性を運転履歴に基づいて判定する更新判定手段と、
   前記学習値の更新が必要なときは、学習値をクリアする更新手段と、
   を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の筒内直噴内燃機関の始動制御装置。
4. 前記学習判定手段は、前記学習値を補正関数に基づいて推定可能か否かを判定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の筒内直噴内燃機関の始動制御装置。
5. 成層燃焼始動許可条件が成立するか否かを判定し、成立しないときには均質燃焼運転で始動する成層燃焼判定手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の筒内直噴内燃機関の始動制御装置。
6. 圧縮行程で噴射するために必要な圧力に対して燃圧が不足するか否かを判定し、不足するときには均質燃焼運転で始動する燃圧判定手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の筒内直噴内燃機関の始動制御装置。
7. 成層燃焼始動開始後に所定期間以上クランキングしたか否かを判定し、所定期間以上クランキングしても機関回転速度が完爆回転速度に達しないときには均質燃焼運転で始動するクランキング判定手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の筒内直噴内燃機関の始動制御装置。
8. 筒内直噴内燃機関の始動制御装置であって、
   始動時の燃料噴射量に関する学習値の有無を判定する学習判定手段と、
   前記学習値がないときは、吸気行程で燃料を噴射する均質燃焼運転で始動して前記学習値を算出する学習値算出手段と、
   前記学習値があるときは、その学習値に基づいて燃料噴射量を制御して、圧縮行程で燃料を噴射する成層燃焼運転で始動する成層運転手段と、
   成層燃焼始動開始後に所定期間以上クランキングしたか否かを判定し、所定期間以上クランキングしても機関回転速度が完爆回転速度に達しないときには均質燃焼運転で始動するクランキング判定手段と、
   を有することを特徴とする筒内直噴内燃機関の始動制御装置。

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