JP5634107B2 - 燃料噴射制御補正方法及び燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御における補正方法及びその装置に係り、特に、ディーゼルエンジンの始動特性の改善等を図ったものに関する。

ディーゼルエンジンにおいては、極低温下での始動は、筒内温度が低く、燃料が着火し難いために失火が生じ、クランキング開始からアイドリング回転に至るまでの始動時間が長くなってしまうという問題があることは従来から良く知られているところである。
かかる問題に対する対処策としては、例えば、エンジン冷却水の水温によりエンジンが極低温状態であるか否かを判定し、極低温状態であると判定された場合に、燃料噴射量や噴射タイミング、また、燃料噴射圧力等の燃料噴射制御の補正を行うことで始動時間の適切化を図るのが一般的である。
このようなエンジン冷却水の水温に基づいた噴射制御としては、例えば、特許文献１等に開示されたように、エンジン冷却水の水温を筒内温度として代用し、燃料噴射時期の補正制御を行うようにした装置が開示されている。

特開平１１−２９４２２８号公報（第３−５頁、図１−図８）

しかしながら、エンジン冷却水の水温は、必ずしも筒内温度を的確に反映したものとは言い難く、そのため、特に、雰囲気温度が低温の場合には、エンジン冷却水の水温と筒内温度の乖離が顕著となるため、上述のような噴射制御における補正が不十分となり、満足した始動特性の確保ができないという問題があった。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、ディーゼルエンジンが極低温状態にあっても始動特性を良好に保持できる燃料噴射制御補正方法及び燃料噴射制御装置を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る燃料噴射制御補正方法は、
内燃機関の運転状態に応じて前記内燃機関へ対する燃料噴射動作が制御されるよう構成されてなる燃料噴射制御装置において、前記内燃機関の運転状態に基づいて演算算出された燃料噴射動作の制御に用いられる基本制御量を、補正パラメータにより補正する燃料噴射制御補正方法であって、
前記内燃機関の始動時における筒内温度予測値を前記補正パラメータとし、
前記筒内温度予測値は、前記内燃機関の始動時における回転数の変化に応じて定められる所定の筒内温度変化量を、直近に算出された筒内温度予測値に加算することを、前記内燃機関の始動時において繰り返して順次更新算出され、
前記所定の筒内温度変化量は、予め設定された、内燃機関の種々の回転数上昇率に対する筒内温度変化量のマップにより、算出時の内燃機関の回転数上昇率を基に求められるよう構成されてなるものである。
また、上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る燃料噴射制御装置は、
電子制御ユニットにより、内燃機関の運転状態に基づいて演算算出された燃料噴射動作の制御に用いられる基本制御量が、補正パラメータにより補正されて、前記内燃機関へ対する燃料噴射動作が制御されるよう構成されてなる燃料噴射制御装置であって、
前記電子制御ユニットは、
前記内燃機関の始動時における筒内温度予測値を前記補正パラメータとし、
前記筒内温度予測値は、前記内燃機関の始動時における回転数の変化に応じて定められる所定の筒内温度変化量を、直近に算出された筒内温度予測値に加算することを、前記内燃機関の始動時において繰り返して順次更新算出されるよう構成されてなると共に、
前記所定の筒内温度変化量を、予め設定された、内燃機関の種々の回転数上昇率に対する筒内温度変化量のマップにより、算出時の内燃機関の回転数上昇率を基に算出するよう構成されてなるものである。

本発明によれば、筒内温度の予測値を補正パラメータとして用いるようにしたので、特に、低温時におけるエンジン始動の際の燃料噴射制御に、実際の筒内温度により近似した値を反映でき、そのため、従来と異なり、低温時におけるエンジン始動時のエンジン回転を円滑、かつ、迅速に行うことができ、始動時間の短縮、始動時間のばらつきの軽減が図られるという効果を奏するものである。
さらに、始動時間の短縮、適切化による白煙発生の低減や、エミッション軽減を図ることができるという効果を奏するものである。

本発明の実施の形態における燃料噴射制御装置の構成例を示す構成図である。 図１に示された燃料噴射制御装置を構成する電子制御ユニットにより実行される本発明の実施の形態における燃料噴射制御補正処理の概略手順を示すサブルーチンフローチャートである。 図２に示された補正パラメータ演算算出処理の具体的処理手順を示すサブルーチンフローチャートである。 図３に示された補正パラメータ演算算出処理を実行するために電子制御ユニットに必要とされる機能を機能ブロックを用いて示したブロック図である。 エンジン始動時におけるエンジン回転数の時間変化、筒内予測温度の時間変化、及び、水温センサの検出温度の時間変化のシュミレーションによる特性例を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図５を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における燃料噴射制御装置の構成例について、図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態における燃料噴射制御装置は、いわゆるコモンレール式燃料噴射制御装置である。

このコモンレール式燃料噴射制御装置は、ディーゼルエンジン１の気筒へ燃料を噴射供給する複数の燃料噴射弁２−１〜２−ｎと、燃料噴射弁２−１〜２−ｎへ供給する高圧燃料を蓄えるコモンレール３と、コモンレール３へ高圧燃料を圧送する高圧ポンプ４と、燃料タンク６から高圧ポンプ４へ燃料を供給するフィードポンプ５と、後述する噴射制御補正処理などを実行する電子制御ユニット１１とに大別されて構成されたものとなっている。かかる構成自体は、従来から良く知られているこの種の燃料噴射制御装置の基本的な構成と同一のものである。

かかる構成において、燃料タンク６の燃料は、フィードポンプ５で高圧ポンプ４へ汲み上げられ、汲み上げられた燃料は、高圧ポンプ４によってコモンレール３へ高圧燃料として圧送されるようになっている。なお、図示は省略してあるがコモンレール３の余剰燃料は、燃料タンク６へ戻されるよう配管が設けられている。
燃料噴射弁２−１〜２−ｎは、ディーゼルエンジン１の気筒毎に設けられており、それぞれコモンレール３から高圧燃料の供給を受け、電子制御ユニット１１により実行される燃料噴射制御処理によって、燃料噴射動作が制御されるようになっている。

電子制御ユニット１１は、例えば、公知・周知の構成を有してなるマイクロコンピュータ（図示せず）を中心に、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子（図示せず）を有すると共に、燃料噴射弁２−１〜２−ｎを駆動するための駆動回路（図示せず）を主たる構成要素として構成されたものとなっている。
かかる電子制御ユニット１１には、エンジン回転数を検出する回転センサ１２、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１３、外気温度を検出する外気温センサ１４、ディーゼルエンジン１の冷却水の温度を検出する水温センサ１５、燃料噴射弁２−１〜２−ｎに供給される燃料の温度を検出する燃料温度センサ１６などの各種センサの検出信号が、エンジン動作制御や噴射制御に供するために入力されるようになっている。

図２には、かかる電子制御ユニット１１によって実行される燃料噴射制御補正処理の概略手順がサブルーチンフローチャートに示されており、以下、同図を参照しつつその内容について説明する。
まず、処理が開始されると、補正パラメータの演算算出処理が行われる（図２のＳステップ１００参照）。補正パラメータは、次述する基本制御量を補正するための補正要素であり、如何なる補正パラメータを用いるか、また、如何なる数の補正パラメータとするかは任意である。
本発明の実施の形態においては、ディーゼルエンジン１の筒内温度予測値を補正パラメータの一つとしている。

次いで、基本制御量の演算算出が行われる（図２のステップＳ２００参照）。
基本制御量は、燃料噴射制御のために必要とされる複数の制御因子であり、例えば、燃料噴射量、噴射タイミング、コモンレール圧等である。
これらの基本制御量は、それぞれ従来から用いられている演算式やマップ等を用いて所定の手順によって演算算出されるものである。

次いで、先に求められた補正パラメータにより、基本制御量について、必要な補正が行われる（図２のステップＳ３００参照）。
補正パラメータを、いずれの基本制御量の補正に用いるか、また、その補正処理の具体的な手順は、任意に設定されるものである。
本発明の実施の形態においては、先に述べたように、筒内温度予測値が基本制御量の補正に用いられるようになっている。
なお、一連の処理がなされた後は、図示されないメインルーチンへ戻り、他の必要な処理を経た後、再び、上述の一連の処理が繰り返されることとなる。

図３には、上述の補正パラメータとしての筒内温度予測値の演算算出の手順を示すサブルーチンフローチャートが、また、図４には、図３に示された筒内温度予測値の演算算出処理を実行するために電子制御ユニット１１内に形成されるロジックの構成が模式的に、それぞれ示されており、以下、これらの図を参照しつつ、本発明の実施の形態における筒内温度予測値の演算算出処理の手順について説明する。

電子制御ユニット１により処理が開始されると、最初に、燃料噴射制御が始動モードか否かが判定されることとなる（図３のステップＳ１０２参照）。
噴射制御自体は、従来から行われているもので、その制御状態は、ディーゼルエンジン１の始動の確実、安定性の確保等を考慮して行われる始動モードと、正常に始動された後の通常制御モードの２つに区分されるようになっており、本発明の実施の形態における筒内温度予測値の演算算出処理は、特に、始動モードで実行されるに適したものであるので、噴射制御が始動モードにあるか否かが判定されることとなる。

なお、始動モードは、概ねクランキングが開始されてからディーセルエンジン１のエンジン回転数がアイドル回転数に至るまでの間に行われる噴射制御である。
また、筒内温度予測値は、特に、始動モードにおける燃料噴射制御において、先に述べたように基本制御量の補正に用いることを意図したものであり、そのため、図３に示された処理は、燃料噴射制御が起動モードにある場合に実行されるものとなっている。

しかして、ステップＳ１０２において、噴射制御は、始動モードであると判定された場合（ＹＥＳの場合）は、次述するステップＳ１０４の処理へ進む一方、始動モードではないと判定された場合（ＮＯの場合）には、一連の処理は実行されることなく、図示されないメインルーチンへ戻ることとなる。

ステップＳ１０４においては、エンジン冷却水の水温の初期値の認識が行われる。すなわち、筒内温度予測値の初期値として、水温センサ１５により、この時点で検出されたエンジン冷却水の水温が設定されることとなる。なお、筒内温度予測値の初期値には、エンジン冷却水の水温の他、例えば、エンジン潤滑油の温度が検出可能に構成された車両にあっては、エンジン潤滑油の温度を用いても好適である。
しかる後、クランキングが可能となり、クランキングが開始されることとなる（図３のステップＳ１０６参照）。
そして、エンジン回転数上昇率が演算算出されることとなる（図３のステップＳ１０８参照）。ここで、エンジン回転数上昇率は、微小時間ΔＴにおけるエンジン回転数の変化の割合であり、例えば、ある時刻ｔ１におけるエンジン回転数をＮe1、それから微小時間ΔＴ経過後におけるエンジン回転数をＮe2と仮定し、エンジン回転数上昇率をＮe(DIF)とすると、Ｎe(DIF)＝（Ｎe2−Ｎe1）／ΔＴと求められるものである。

図４には、電子制御ユニット１１により本発明の実施の形態における筒内温度予測値の演算算出処理が実行されるために電子制御ユニット１１に必要とされる機能、特に、上述のステップＳ１０８の処理以降を実行するに必要とされる機能を機能ブロックで示したブロック図が示されており、上述のエンジン回転数上昇率の演算算出のため、電子制御ユニット１１が有する機能について説明する。
図４において、エンジン回転数Ｎｅが入力される減算素子２１と、エンジン回転数Ｎｅを遅延させ、減算素子２１へ入力する第１の遅延素子２２と、減算素子２１により得られたエンジン回転数の差を微小時間ｄｔにより除する除算素子２３とから構成された部分が、電子制御ユニット１１においてエンジン回転数上昇率の演算算出が行われるために必要とされる機能を表した部分である。

再び、図３のサブルーチンフローチャートの説明に戻れば、上述のようにエンジン回転数上昇率が算出された後は、筒内温度変化量の算出が行われることとなる（図３のステップＳ１１０参照）。
筒内温度変化量は、エンジン回転数上昇率（図２のステップＳ１０８参照）に対する筒内温度の変化量である。本発明の実施の形態においては、種々のエンジン回転数上昇率に対する筒内温度の変化量を、試験やシミューレーション等により求めてマップ化したもの（以下、説明の便宜上「筒内温度変化量マップ」と称する）が、電子制御ユニット１１の適宜な記憶領域（図示せず）に予め記憶されたものとなっている。そして、ステップＳ１１０においては、先のステップＳ１０８で求められたエンジン回転数上昇率に対する筒内温度変化量が、筒内温度変化量マップ２４（図４参照）から読み出されるようにしてある。

次いで、筒内温度予測値の演算算出が行われる（図３のステップＳ１１２参照）。
すなわち、筒内温度予測値は、直近の筒内温度予測値に、新たな筒内温度予測値の算出時点における筒内温度変化量を加算して求められるものとなっており、順次、この演算を繰り返すことで、繰り返し周期毎に新たな筒内温度予測値が順次更新算出されるものとなっている。

図４においては、この筒内温度予測値の演算ロジックは、次述するように表されている。
すなわち、筒内温度変化量マップ２４から得られた筒内温度変化量と、直近の筒内温度予測値との加算を行う加算素子２５が設けられ、加算素子２５の加算結果は、ロジックスイッチ２６の一方の入力側に印加されるものとなっている。
ロジックスイッチ２６は、２つの入力のいずれか一方を出力するようになっているもので、本発明の実施の形態においては、上述した加算素子２５の加算結果と、筒内温度初期値（図３のステップＳ１０４参照）が、入力されるようになっている。そして、イグニッション（図示せず）がオンとされた際（図４においては「ＩＧ−ＯＮ」と表記）に、筒内温度初期値が選択されて出力される一方、それ以外の状態にあっては、加算素子２５の加算結果が選択されて出力されるものとなっている。

さらに、ロジックスイッチ２６の出力側と加算素子２５の間には、第２の遅延素子２７が設けられ、ロジックスイッチ２６の出力、すなわち、筒内温度予測値が次の新たな筒内温度予測値の算出のために、前回の（直近の）筒内予測値として、筒内温度変化量マップ２４により得られた筒内温度変化量に加算されるようになっている（図４参照）。

再び図３の説明に戻れば、上述のように筒内温度予測値が算出（図３のステップＳ１１２参照）された後は、エンジン回転数Ｎｅが、燃料噴射制御における始動モードを終了すべき所定のエンジン回転数、すなわち、始動カット回転数を超えたか否かが判定される（図３のステップＳ１１４参照）。
そして、ステップＳ１１４において、エンジン回転数Ｎｅが始動カット回転数を超えたと判定された場合（ＹＥＳの場合）には、一連の処理を継続するに適した状態ではないとして処理は終了され、メインルーチン、すなわち、本発明の実施の形態においては、先に図２に示されたルーチンへ戻ることとなる。
一方、ステップへＳ１１４において、エンジン回転数Ｎｅが始動カット回転数を未だ超えていないと判定された場合（ＮＯの場合）には、先のステップＳ１０８の処理へ戻り、それ以降の処理が繰り返されることとなる。

次に、上述のように求められた筒内温度予測値を燃料噴射制御における補正パラメータとして用いた場合の始動時におけるエンジン回転数の変化等について、図５に示されたシュミレーションによる特性例を参照しつつ説明する。
まず、図５において、シュミレーションにより求められた従来装置における始動時のエンジン回転数の変化特性例が、点線の特性線により示されている。
なお、図５において、横軸は、クランキング開始時からの経過時間を、右側の縦軸は、筒内温度予測値及びエンジン冷却水の水温を、左側縦軸は、エンジン回転数を、それぞれ示すものとなっている。

従来装置にあっては、エンジン冷却水の水温が燃料噴射制御の補正処理に用いられており、必ずしも筒内温度が補正処理に適切に反映されたものとはなっていない。そのため、図５に示された点線の特性線では、始動から約６秒後の初爆後、実際の筒内温度が上昇しているはずであるにもかかわらず、エンジン冷却水の水温の変化は微小であるため（図５の一点鎖線の特性線参照）、始動から約８乃至１１秒後の間、エンジン回転数がアイドル回転数以下で停滞してしまい、エンジン回転数の円滑な上昇が得られないものとなっている。

これに対して、エンジン冷却水の水温に代えて、本発明の実施の形態における筒内温度予測値を燃料噴射制御の補正処理に用いることにより、図５において、実線で示された特性線の如く、従来（点線の特性線参照）と異なり、始動から約８乃至１１秒後の間のエンジン回転数の停滞がなく、エンジン回転数の素早い上昇が得られるものとなっている。これは、筒内温度予測値が図５において二点鎖線の特性線で示された如く、従来のエンジン冷却水の水温の場合と異なり、エンジン始動後から適切な上昇特性が得られているためと考えられる。

なお、上述した本発明の実施の形態においては、特に、始動の際の燃料噴射制御において、基本制御量の補正の際に用いられているエンジン冷却水の水温に代えて筒内温度予測値を用いるようにしたものであるが、基本制御量として具体的な対象としては、例えば、燃料噴射量や噴射タイミング等が考えられるが、始動時におけるエンジンの回転特性が先に説明したように改善できれば良く、特定の基本制御量に限定される必要はないもので、いずれの基本制御量の補正に用いるは任意である。また、この場合、一つの基本制御量に用いる場合に限定される必要はなく、複数の基本制御量の補正において、エンジン冷却水の水温に代えて、又は、他の補正パラメータに代えて、筒内温度予測値を用いるようにしても勿論良いものである。

極低温時におけるディーゼルエンジンの始動特性の改善が図られるようにしたので、特に、コモンレール式燃料噴射制御装置に適する。

１…ディーゼルエンジン
２−１〜２−ｎ…燃料噴射弁
３…コモンレール
１１…電子制御ユニット
１２…回転センサ
１３…アクセル開度センサ
１４…外気温センサ
１５…水温センサ
１６…燃料温度センサ

Claims (4)

1. 内燃機関の運転状態に応じて前記内燃機関へ対する燃料噴射動作が制御されるよう構成されてなる燃料噴射制御装置において、前記内燃機関の運転状態に基づいて演算算出された燃料噴射動作の制御に用いられる基本制御量を、補正パラメータにより補正する燃料噴射制御補正方法であって、
   前記内燃機関の始動時における筒内温度予測値を前記補正パラメータとし、
   前記筒内温度予測値は、前記内燃機関の始動時における回転数の変化に応じて定められる所定の筒内温度変化量を、直近に算出された筒内温度予測値に加算することを、前記内燃機関の始動時において繰り返して順次更新算出され、
   前記所定の筒内温度変化量は、予め設定された、内燃機関の種々の回転数上昇率に対する筒内温度変化量のマップにより、算出時の内燃機関の回転数上昇率を基に求められるものであることを特徴とする燃料噴射制御補正方法。
2. 最初の筒内温度予測値は、所定の初期値に、所定の筒内温度変化量を加算して求められ、前記所定の初期値は、エンジン冷却水の水温であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射制御補正方法。
3. 電子制御ユニットにより、内燃機関の運転状態に基づいて演算算出された燃料噴射動作の制御に用いられる基本制御量が、補正パラメータにより補正されて、前記内燃機関へ対する燃料噴射動作が制御されるよう構成されてなる燃料噴射制御装置であって、
   前記電子制御ユニットは、
   前記内燃機関の始動時における筒内温度予測値を前記補正パラメータとし、
   前記筒内温度予測値は、前記内燃機関の始動時における回転数の変化に応じて定められる所定の筒内温度変化量を、直近に算出された筒内温度予測値に加算することを、前記内燃機関の始動時において繰り返して順次更新算出されるよう構成されてなると共に、
   前記所定の筒内温度変化量を、予め設定された、内燃機関の種々の回転数上昇率に対する筒内温度変化量のマップにより、算出時の内燃機関の回転数上昇率を基に算出するよう構成されてなることを特徴とする燃料噴射制御装置。
4. 電子制御ユニットは、最初の筒内温度予測値を、所定の初期値に、所定の筒内温度変化量を加算して算出する一方、前記所定の初期値として、エンジン冷却水の水温を用いるよう構成されてなることを特徴とする請求項３記載の燃料噴射制御装置。

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