JP4269825B2 - 筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置、特に始動時制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置として、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は吸気行程噴射による均質燃焼を行い、その後に圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えるものがある（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−１０３１１７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、冷間始動時には早期に圧縮行程噴射を開始して理論空燃比に近い空燃比で成層燃焼を行わせたほうが、ＨＣの排出量を低減できる。圧縮行程噴射による成層燃焼は、吸気行程噴射による均質燃焼の場合よりも後燃えを生じさせることができ、これにより未燃燃料であるＨＣの燃焼を促進できるためである。
【０００５】
ここで、圧縮行程噴射による成層燃焼と吸気行程噴射による均質燃焼とを比べると、同じ燃料量を噴射するのであっても吸気行程噴射による均質燃焼のほうが発生トルクが大きい分だけエンジンの回転力が強く、従って始動からのエンジン回転速度の立ち上がりが圧縮行程噴射による成層燃焼の場合より良好である。
【０００６】
そこで本発明は、初爆サイクルで吸気行程噴射により均質燃焼させ、始動時のエンジン回転速度を上昇させた後、早期に圧縮行程噴射による成層燃焼に入らせることにより、冷間始動時のＨＣ排出量の一層の低減を図ることを目的とする。
【０００７】
なお、上記従来装置では、吸気行程噴射による均質燃焼から圧縮行程噴射による成層燃焼への切換を、エンジン回転速度がクランキング回転速度以上でかつアイドル回転速度よりも低い設定回転速度を超えたときとしている。始動時の回転速度は大きく変化し、かつ比較的低回転速度側で回転速度のムラが大きいため、現在の回転速度を正確に捕捉することが難しい。従って、従来装置の構成では吸気行程噴射による均質燃焼から圧縮行程噴射による成層燃焼への切換タイミングを可及的に早めることが難しい。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料噴射弁から燃料を燃焼室に直接噴射するようにした筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置において、始動時の全気筒について初回の燃料噴射が終了するまでの期間である初爆サイクルで吸気行程噴射による均質燃焼を行い、２回目以降のサイクルでは圧縮行程噴射による成層燃焼を許可するように構成した。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジン始動時にまず吸気行程噴射による均質燃焼を実現するので、エンジン回転速度を速やかに上昇させることができ、エンジン回転速度が上昇した後には圧縮行程噴射による成層燃焼を行わせてシリンダ壁面への燃料付着を抑制し、これによりＨＣ排出量を低減することができるほか、吸気行程噴射による均質燃焼から圧縮行程噴射による成層燃焼への切換を初爆サイクルを終了したときとしているので、燃焼を切換えたいタイミングで適切に切換えることができ、かつクランク角に応じた制御であるため制御が簡易である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施形態の筒内直接噴射式火花点火エンジンの概略構成図を示している。図１において、１はエンジン本体で、電子スロットル装置の吸気絞り弁３により調量された空気は吸気通路４を介して吸気マニホールドのコレクタ部５に一旦蓄えられ、このコレクタ部５より分岐して各気筒への空気分配を行う分岐管６を経て各気筒の燃焼室７に流入する。
【００１２】
図示しない燃料タンクからの燃料は低圧電動ポンプにより高圧燃料ポンプ１５に供給される。高圧燃料ポンプ１５はエンジンにより駆動される単筒プランジャポンプで、供給される低圧燃料をさらに燃圧を高めて高圧燃料供給通路に吐出し、この高圧燃料が蓄圧室としての燃料ギャラリー１６に蓄えられ、燃料ギャラリー１６からの高圧燃料が燃料噴射弁８に分配供給される。
【００１３】
上記の燃料噴射弁８は気筒毎にエンジンの燃焼室７に臨んで設けられ、エンジンコントローラ２１からの信号を受けて所定の時期に開かれ、その開弁時間と燃料噴射弁８に作用する燃料ギャラリー１６内の燃圧とに比例した燃料を燃焼室７内に直接的に噴射供給する。
【００１４】
ここで、燃料ギャラリー１６内の要求燃圧は運転条件（負荷と回転速度）に応じて定められ、負荷一定であればエンジン回転速度が大きくなるほど高くなり、また回転速度一定であれば負荷が大きくなるほど高くなる値である。要求燃圧の最小値は例えば０．５ＭＰａ程度、要求燃圧の最大値は例えば１１ＭＰａ程度であり、その圧力範囲は広い。要求燃圧を全ての運転条件で一定としたときには、大きく変化する要求燃料量に対応させて燃料噴射弁８の開弁時間を長くしたり短くしたりしなければならず、燃料噴射弁８に対する仕様（ダイナミックレンジの拡大）が厳しくなることも考え得るのであるが、このように、回転速度一定であれば高負荷ほど要求燃圧を高めることで、燃料噴射弁８の開弁時間を長くしなくても要求燃料量を供給できることになり、燃料噴射弁８に対する仕様が厳しくならないようにすることができる。
【００１５】
高圧燃料ポンプ１５の内部には吐出燃料を燃料タンクに連通するリターン通路へと逃す通路にデューティ制御可能な制御弁を備えており、この制御弁へのＯＮデューティ値（制御量）を大きくするほどリターン通路に逃される吐出燃料が多くなる。エンジンコントローラ２１では燃圧センサ２２により検出される燃料ギャラリー１６内の実際の燃圧がそのときの運転条件に応じた要求燃圧と一致するように制御弁に与えるＯＮデューティ値をフィードバック制御する。
【００１６】
ＰＯＳセンサ（ポジションセンサ）２３、ＰＨＡＳＥセンサ（フェーズセンサ）２４からの信号、エアフローメータ２５からの吸入空気流量の信号、水温センサ２６からのエンジン冷却水温の信号等が、イグニッションスイッチからの信号と共に入力されるエンジンコントローラ２１では、これらの信号に基づいて始動時であるか否かを判定し、始動時にはほぼ理論空燃比に近い空燃比となるなるように燃料噴射パルス幅を算出し、基本的には各気筒の圧縮行程でこの算出した燃料噴射パルス幅の期間だけ燃料噴射弁７を開く圧縮行程噴射を実行して成層燃焼を行わせる。
【００１７】
分岐管６の途中にはタンブルコントロールバルブ１７を備える。このタンブルコントロールバルブ１７を閉じると、燃焼室８内にタンブル流（縦渦流）が生成される。この燃焼室７内に生成されるガス流動とピストン冠面に穿設されているキャビティとを利用して燃料噴射弁８より燃焼室７内に直接噴射された燃料の噴霧をまとめつつ、燃焼室天井のほぼ中央に位置する点火プラグ９近傍へと導き、この過程で混合気の塊となったものに対して着火する。燃料噴射弁８により噴射された燃料を混合気の塊状態にして点火プラグ９に誘導する方法は、エアガイド式といわれている。
【００１８】
点火プラグ９により燃焼したガスは、排気マニホールド１０へと排出される。排気マニホールド１０下流で１つにまとめられ、その合流部の下流に三元触媒機能を有するＮＯｘトラップ触媒１１が設けられている。
【００１９】
こうした筒内直接噴射式火花点火エンジンエンジンを前提として、本発明ではエンジンの始動時に初爆サイクルで吸気行程噴射による均質燃焼を行い、この初爆により始動時のエンジン回転速度の上昇にはずみをつけた後、２回目のサイクルからは圧縮行程噴射による成層燃焼に切換える。
【００２０】
ここで、初爆サイクルとは、例えば点火順序が＃１−＃３−＃４−＃２の順である４気筒エンジンにおいて、初回判別気筒が＃１気筒であったとして、＃１気筒の燃料噴射より＃２気筒までの全気筒について初回の燃料噴射が終了するまでの期間である。
【００２１】
これについてさらに図２を参照して説明すると、図２は始動からのスタータスイッチ、燃料ギャラリー１６内の燃圧Ｐｆ、エンジン回転速度Ｎｅの各変化をを示している。
【００２２】
ｔ１でスタータスイッチをＯＦＦからＯＮに切換えエンジンがクランキングされることで、エンジン回転速度Ｎｅが上昇してゆく。また、エンジン回転の上昇により高圧燃料ポンプ１５が働き、燃料ギャラリー１６内の燃圧Ｐｆが上昇してゆく。この間、ＰＯＳ信号とＰＨＡＳＥ信号とがエンジンコントローラ２１に入力しており、エンジンコントローラ２１によりｔ２で初回の気筒判別時であると判別される。
【００２３】
この初回の気筒判別時より１サイクル目である初爆サイクルで吸気行程噴射による均質燃焼を行い、１サイクル目の燃料噴射を終了した後に、エンジン回転速度Ｎｅが所定値Ｂ以上となり、かつ燃料ギャラリー１６内の燃圧Ｐｆが、圧縮行程噴射を許可する燃圧である所定値Ｃ以上となったとき圧縮行程噴射を許可し、圧縮行程噴射による成層燃焼へと切換える。
【００２４】
エンジンコントローラ２１により行われるこの始動時の燃料噴射制御の内容を図３、図４のフローチャートを参照しながら詳述する。
【００２５】
まず、図３は圧縮行程噴射フラグを設定するためのもので、所定のクランク角毎に実行する。
【００２６】
ステップ１ではＰＯＳ信号、ＰＨＡＳＥ信号に基づいて初回気筒判別時であるか否かをみる。
【００２７】
ここで、クランク角センサ（２２、２３）について具体的に述べると、ＰＯＳセンサ２３用シグナルプレートには基本的にクランク角１０°毎に歯を形成しているのであるが、各気筒の所定クランク角［°ＡＴＤＣ］と所定クランク角＋１０［°ＡＴＤＣ］の歯を欠いており、従ってクランクシャフト１回転（３６０°）で３２個のＰＯＳ信号が生成される。
【００２８】
ＰＨＡＳＥセンサ２４用シグナルプレートは、吸気カムシャフトの後端に取り付けられ、そのシグナルプレート周囲に所定数の凹部が設けられている。ＰＨＡＳＥ信号はＰＯＳ信号に比べればまばらな信号であり、気筒判別を行わせる必要があるため所定のタイミングで生成されるようにしている。
【００２９】
これらＰＯＳ信号とＰＨＡＳＥ信号とが入力されるエンジンコントローラ２１では、各気筒の５０°ＢＴＤＣを基準点として、その直前に読みとったＰＨＡＳＥ信号数の組み合わせにより次の気筒を判別するようにロジックが組まれている。このため、ＰＯＳセンサ２２用シグナルプレートの歯欠けの位置により５０°ＢＴＤＣで基準ＲＥＦ信号の判定が開始され、３０°ＡＴＤＣで初回気筒が判別される。また、１１０°ＢＴＤＣで制御ＲＥＦ信号の判定が開始され、その後は各気筒の１１０°ＢＴＤＣ毎に気筒判別値が切換わってゆく。
【００３０】
図３に戻り、初回気筒判別時であるときにはステップ２に進み圧縮行程噴射フラグ＝０とする。圧縮行程噴射フラグは圧縮行程噴射フラグ＝０のとき吸気行程噴射を、圧縮行程噴射フラグ＝１のとき圧縮行程噴射を指示するフラグである。
【００３１】
初回気筒判別時でない、つまり初回気筒判別後になるとステップ１よりステップ３に進んで１サイクル目の吸気行程噴射が終了したか否かをみる。これはＰＯＳ信号、ＰＨＡＳＥ信号に基づいて判定することができる。１サイクル目の吸気行程噴射が終了していなければステップ２の操作を実行する。
【００３２】
１サイクル目の吸気行程噴射が終了したときにはステップ４に進んで水温センサ２６により検出される冷却水温Ｔｗ、燃圧センサ２２により検出される燃料ギャラリー内の燃圧Ｐｆ、エンジン回転速度Ｎｅを読み込み、このうちステップ５では冷却水温Ｔｗと下限値ａを比較する。冷却水温Ｔｗが下限値ａ（例えば−２０℃〜−３０℃）より低いときには極低温時にある、従ってエンジンフリクショントルクが大きく圧縮行程噴射を行ったのでは始動に必要なエンジントルクが得られないと判断し、ステップ９に進んで圧縮行程噴射フラグ＝０とする。
【００３３】
これに対して冷却水温Ｔｗが下限値ａ以上あるときには圧縮行程噴射により始動に必要なエンジントルクが得られるので、ステップ６に進む。
【００３４】
ステップ５ではまた冷却水温Ｔｗと上限値Ａとを比較している。これは、ホットリスタート時には圧縮行程噴射を行わせないためである。すなわち、冷却水温Ｔｗが上限値Ａ（ホットリスタート時の温度）を超えている時にはホットリスタート時にあると判断し、ステップ９に進んで圧縮行程噴射フラグ＝０とする。
【００３５】
ステップ６ではエンジン回転速度Ｎｅと所定値Ｂとを比較する。エンジン回転速度Ｎｅと所定値Ｂとを比較するのは、始動よりエンジン回転が上昇しているか否かを判定するためである。エンジン回転速度Ｎｅが所定値Ｂに達していなければ、ステップ９に進んで圧縮行程噴射フラグ＝０とする。
【００３６】
エンジン回転速度Ｎｅが所定値Ｂ以上になるとステップ７に進んで、燃圧Ｐｆと所定値Ｃとを比較する。燃圧Ｐｆと所定値Ｃとを比較するのは燃圧Ｐｆが圧縮行程噴射を許可する燃圧（つまり所定値Ｃ）に達したか否かを判定するためである。燃圧Ｐｆが所定値Ｃに達していないときにはステップ９に進んで圧縮行程噴射フラグ＝０とする。
【００３７】
燃圧Ｐｆが所定値Ｃ以上になると圧縮行程噴射を許可するためステップ８に進み圧縮行程噴射フラグ＝１とする。
【００３８】
図４は燃料噴射制御を行うためのもので、図３に続けて所定のクランク角毎に実行する。ステップ１１では圧縮行程噴射フラグをみる。圧縮行程噴射フラグ＝０のときにはステップ１２に進んで吸気行程噴射を行い、圧縮行程噴射フラグ＝１のときにはステップ１３に進んで圧縮行程噴射を行う。この場合に、吸気行程噴射時には均質燃焼が、また圧縮行程噴射時にはエアガイド式の成層燃焼が行われる。
【００３９】
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【００４０】
本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、エンジン始動時にまず吸気行程噴射による均質燃焼を行うので、エンジン回転速度を速やかに上昇させることができ、次いで圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えてシリンダ壁面への燃料付着を抑制し、これによりＨＣ排出量を低減することができるほか、吸気行程噴射による均質燃焼から圧縮行程噴射による成層燃焼への切換を始動時の１サイクル目である初爆サイクルを終了したときとしているので、従来装置と比べてエンジン回転速度の演算が不要となり、かつクランク角に応じた制御であるため制御が簡易である。
【００４１】
図３においてステップ６、７の両方を設けているが、いずれか一方のステップを省略してもかまわない。
【００４２】
実施形態では、始動時に各気筒の初爆サイクルでそれぞれ吸気行程噴射による均質燃焼を行い、その後に圧縮行程噴射による成層燃焼に切換える場合で説明したが、これに限られるものでなく、初回気筒を判別したとき、その初回気筒のみに吸気行程噴射による均質燃焼を行い、次の気筒より圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えるようにしてもかまわない（請求項２に記載の発明）。このようにすれば、それだけ圧縮行程噴射による成層燃焼を行うことのできるタイミングが早まり、これによりＨＣ排出量を一段と低減できる。
【００４３】
実施形態ではクランク角位置検出手段がＰＯＳセンサとＰＨＡＳＥとで構成される場合で説明したが、これに限られるものでない。
【００４４】
請求項１に記載の燃料噴射制御手段の機能は図３のステップ１、２、３、８及び図４の６のステップ１１〜１３により果たされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の筒内直接噴射式火花点火エンジンの概略構成図。
【図２】一実施形態の始動時の波形図。
【図３】圧縮行程噴射フラグの設定を説明するためのフローチャート。
【図４】燃料噴射制御を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１ エンジン
８ 燃料噴射弁
９ 点火プラグ
２１ エンジンコントローラ

Claims (6)

1. 燃料噴射弁から燃料を燃焼室に直接噴射するようにした筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置において
   始動時の全気筒について初回の燃料噴射が終了するまでの期間である初爆サイクルで吸気行程噴射による均質燃焼を行い、２回目以降のサイクルでは圧縮行程噴射による成層燃焼を許可する燃料噴射制御手段を
   備えることを特徴とする筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置。
2. 燃料噴射弁から燃料を燃焼室に直接噴射するようにした筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置において
   気筒判別する手段を備え、
   始動時の初回気筒判別後、初めて吸気行程を迎える気筒のみに吸気行程噴射による均質燃焼を行い、その気筒の次に燃焼順序を迎える気筒からは圧縮行程噴射による成層燃焼を許可することを特徴とする筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置。
3. エンジン水温を検出するエンジン水温検出手段を備え、
   前記吸気行程噴射を行った後に前記エンジン水温が下限値未満であるときには圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えず吸気行程噴射による均質燃焼を維持することを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置。
4. エンジン水温を検出するエンジン水温検出手段を備え、
   前記吸気行程噴射を行った後に前記エンジン水温が上限値を超えているときには圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えず吸気行程噴射による均質燃焼を維持することを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置。
5. エンジン回転速度を検出するエンジン回転速度検出手段を備え、
   前記吸気行程噴射を行った後に前記エンジン回転速度が所定値未満であるときには圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えず吸気行程噴射による均質燃焼を維持することを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置。
6. 前記燃料噴射弁に作用する燃圧を検出する燃圧検出手段を備え、
   前記吸気行程噴射を行った後に前記燃圧が圧縮行程噴射を許可する燃圧未満であるときには圧縮行程噴射による成層燃焼に切換えず吸気行程噴射による均質燃焼を維持することを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直接噴射式エンジンの燃料噴射制御装置。

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