JP2000073823A

JP2000073823A - 筒内直接噴射式内燃機関の始動時燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP2000073823A
Application number: JP10240382A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Umasaki; 政俊馬▲崎▼; Tokio Kohama; 時男小浜; Kimitaka Saito; 公孝斎藤; Masao Kano; 政雄加納; Genki Otani; 元希大谷
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2000-03-07

Abstract

(57)【要約】【課題】筒内へ直接にガソリンのような燃料を噴射す
る内燃機関の始動時において、噴射燃料の気化を促進し
て始動性を向上させる。【解決手段】始動時に要求燃料量を複数回に分割して
噴射する始動時燃料噴射制御装置であって、センサ類の
出力信号によって始動時の機関の状態を把握する（ステ
ップ１２）と共に、それに基づいてクランキング回転数
を予測する予測手段（ステップ１３）と、噴射可能期間
を算出する算出手段（ステップ１４）と、予測されたク
ランキング回転数及び噴射可能期間に基づいて要求燃料
量（ステップ１２ａ〜１４ａ）の分割回数を設定し、そ
れによって要求燃料量を分割して噴射する制御手段（ス
テップ１５）とを備えており、吸気行程と圧縮行程の一
部の噴射可能期間において、要求燃料量を均等、又は大
小の差を付けて複数回に分割し、隣接するものが重なら
ないように間欠的に噴射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガソリンのような
燃料を筒内へ直接に噴射して燃焼させる内燃機関（以
下、これを直噴エンジンという）の始動時燃料噴射制御
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】直噴エンジンにおいては、始動直後に、
クランク軸によって回転駆動されることにより噴射する
燃料を高圧まで加圧するポンプの回転数が低くて、その
吐出圧力が未だ十分に上昇していないために噴射圧力が
低い時期や、冷間、低温状態における始動時には、噴射
燃料の微粒化や気化の促進が悪くなるため筒内に良好な
混合気を形成することが困難になる。このような噴射圧
力が低い、冷間、低温時の始動では、噴射燃料が局所的
な筒内ウェットとなりやすく、混合気形成の悪化はもち
ろんのこと、点火プラグへの燃料付着による所謂「くす
ぶり」や「かぶり」による始動性の悪化が、直噴エンジ
ンの一つの問題となっている。

【０００３】このような直噴エンジンの問題に鑑み、冷
間、低温の始動条件下では、早い時期に燃料噴射（吸気
行程初期）を行って、点火までになるべく長い気化時間
を確保することにより混合気形成を行い、始動性の向上
を図っているが、現状は未だ十分とはいえない状況にあ
る。

【０００４】そこで、特開平４−１８３９４８号公報に
記載されている燃料噴射制御装置では、直噴エンジンに
おいて、機関始動時に要求燃料量を複数回に分けて間欠
的に噴射することにより噴射燃料の気化促進を図り、始
動性を向上することが提案されている。より具体的に、
この燃料噴射制御によれば、吸気行程噴射量と圧縮行程
噴射量とをそれぞれ求めて、吸気行程噴射量を所定の噴
射量によって除算することによって算出された回数だ
け、吸気行程において分割噴射が行われると共に、圧縮
行程噴射量を所定の噴射量によって除算することによっ
て算出された回数だけ、圧縮行程において分割噴射が行
われる。

【０００５】しかしながら、実際には機関の状態によっ
て始動におけるクランキング回転数が大きく変化するの
で、それに応じて燃料噴射の可能な時間が変化するが、
燃料噴射可能時間が短いときに要求燃料量を確保しよう
とする場合には、この従来技術によれば燃料噴射の分割
回数が制限される結果、分割噴射の効果を十分に得るこ
とができないという問題があった。

【０００６】また、噴射された燃料の挙動は噴射時期に
よって大きく異なるので、噴射時期の違いによって混合
気形成の様相に大きな差異を生じるが、この従来技術に
おいては吸気行程の噴射量と圧縮行程の噴射量がそれぞ
れ別に設定されるものの、吸気行程噴射量の分割比率は
一定とされているため、十分に良好な混合気形成を得る
ことができないという問題があった。図９はこの従来技
術における分割噴射を示すもので、上段の（ａ）は燃圧
と水温に応じて噴射モードを選択するためのマップ、下
段の（ｂ）は分割噴射を示すタイムチャートであって、
分割噴射が均等に、等間隔で行われる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける前述のような問題に対処して、始動時にエンジン
の状態に応じて燃料噴射の最適な分割数、噴射時期、噴
射比率を選択し、場合によっては、それらを可変とする
ことによって始動性の向上を図ることができるような、
改良された筒内直接噴射式内燃機関の始動時燃料噴射制
御装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された筒内直接噴射式内燃機関の始動時燃料噴射
制御装置を提供する。

【０００９】請求項１に記載された手段によれば、クラ
ンキング回転数を予測し、燃料噴射の可能期間を算出す
ることにより、噴射可能期間が短い条件においても、分
割された噴射期間が相互に重ならないように、噴射可能
期間に応じた最適の分割回数で要求燃料量を分割噴射す
ることができるため、噴射された燃料が筒内のピストン
等に付着しても気化しやすくなり、厚いウエットとして
残らないから、直噴エンジンの始動性が向上する。

【００１０】請求項２に記載された手段においては、要
求燃料量に対応する噴射期間を、吸気行程から圧縮行程
にわたって均等に分割する。しかし、要求燃料量が大き
い場合には分割された個々の噴射期間が隣接のものと重
なる恐れがあるため、そのような場合には噴射可能期間
内の吸気行程において噴射の開始時期を進角させて早め
るので、要求燃料量が大きくても分割された個々の噴射
期間が重なることが避けられ、このような場合でも分割
噴射の効果が十分に得られる。

【００１１】請求項３に記載された手段によれば、要求
燃料量を均等に分割噴射しないで、クランク角に応じ
て、分割された個々の噴射量に増減変化をつけて、気化
が良くなる時期の噴射量を増加させるので、要求燃料量
が大きい反面、噴射可能期間が短い場合でも、十分に分
割噴射の効果を奏することができる。その場合、請求項
４に記載されるように、分割された個々の燃料噴射量の
比率が、吸気行程の中期から後期において最大となるよ
うに変化させるのが好適である。また、請求項５に記載
されるように、分割された個々の燃料噴射量の比率を、
筒内へ流入する吸気の流速が高い時期に噴射量が増加す
るように、流速に比例して変化させると、気化が促進さ
れて始動性が向上する。

【００１２】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の実施形態として
の内燃機関（直噴エンジン）１のシステム全体の構成図
である。直噴エンジン１の主体部分はシリンダ（気筒）
２、シリンダヘッド３、ピストン４、クランク軸５、吸
気弁６、排気弁７、点火プラグ８等からなり、燃料タン
ク９内の燃料（ガソリン）は高圧ポンプ１０によって高
圧まで加圧されてインジェクタ２７へ供給され、筒内２
８へ直接に噴射される。

【００１３】始動時に直噴エンジン１の状態を把握する
ために、実施形態の直噴エンジン１には冷却水温を検出
するための水温センサ２９、油温を検出するための油温
センサ２３が設けられており、更に、高圧の噴射圧を発
生させる高圧ポンプ１０と、筒内２８への燃料噴射を行
うためのインジェクタ２７との間には、噴射圧力を検出
するための燃圧センサ２６が設けられて、それらの出力
信号が電子式制御装置（ＥＣＵ）２４に入力されてい
る。また、クランキング時の回転数を予測するためにバ
ッテリ２２からの電圧もＥＣＵ２４に入力されている。

【００１４】これらのセンサ類の出力信号により、ＥＣ
Ｕ２４において、始動時のエンジン１の状態に適合した
噴射量、噴射時期、噴射の分割数が演算され、インジェ
クタ２７への駆動信号が出力されることになる。本発明
の燃料噴射に関する制御のプログラムは、図２及び後に
説明する図３に示されたＥＣＵ２４の中に組み込まれて
いる。

【００１５】図３に、ＥＣＵ２４の構成例を示す。図示
例のＥＣＵ２４はマイクロコンピュータシステムを中心
にして構成されており、Ａ／Ｄコンバータ３１、入出力
インターフェース３２、ＣＰＵ３３、ＲＯＭ３４、ＲＡ
Ｍ３５、バックアップＲＡＭ３６、クロックパルス発生
器３７等を備えている。油温センサ２３、水温センサ２
９、燃圧センサ２６、バッテリ２２の電圧等の検出信号
は、Ａ／Ｄ変換された後にバスライン３８を介してＣＰ
Ｕ３３に入力される。また、クランク軸５の付近に設け
られたクランク角センサ２５のパルス信号等は、入出力
インターフェース３２を通り、バスライン３８を介して
ＣＰＵ３３に入力される。

【００１６】更に、ＥＣＵ２４には、インジェクタ２７
の駆動を制御するためのダウンカウンタ３９、フリップ
フロップ４０及びインジェクタ駆動回路４１が設けられ
ている。すなわち、後述する燃料噴射量制御ルーチンに
おいて燃料噴射量が演算されると、その演算結果がダウ
ンカウンタ３９に設定されるのと同時にフリップフロッ
プ４０もセット状態とされる。この結果、インジェクタ
駆動回路４１によりインジェクタ２７へ通電が行われて
燃料噴射が開始される。また、ダウンカウンタ３９がク
ロックパルス（図示しない）の計数を開始し、ダウンカ
ウンタ３９の値が「０」になるとフリップフロップ４０
がリセットされる。そして、インジェクタ駆動回路４１
によりインジェクタ２７への通電が遮断されると、燃料
噴射が停止される。すなわち、ＥＣＵ２４によって演算
された期間だけインジェクタ２７が通電され、演算結果
に応じた量の燃料がエンジン１の各気筒２の筒内２８へ
噴射される。

【００１７】図１に本発明の制御装置による制御作動の
第１実施例をフローチャートとして示す。前述の図２に
示した直噴エンジン１において、ドライバ（運転者）が
イグニッションスイッチ（ＩＧ）２１をＯＮにする（ス
テップ１１）と、ＥＣＵ２４は油温、燃圧の残圧、バッ
テリ電圧を前述の各センサ類から読み込み、クランキン
グ開始前にエンジン１が停止している状態を把握する
（ステップ１２）。これらのセンサ類からの出力信号を
もとにして、その状態においてクランキング回転数が何
回転になるかを予測（ステップ１３）し、その後、ステ
ップ１４ないしステップ１５において燃料噴射の可能な
時期、噴射期間、噴射の分割数が演算される。

【００１８】ここで、クランキング回転数を予測するの
は、エンジン１の状態によって始動時のクランキング回
転数が大きく変化し、それに応じて噴射可能期間（燃料
噴射の可能な時間）が大きく変化するためである。直噴
エンジンにおける噴射可能期間は、例えば、燃圧の残圧
が０MPa のときは噴射圧が低いため、吸気行程から圧縮
行程初期にかけての筒内圧が低い期間である。また、そ
れと並行して、ステップ１２ａにおいて水温センサ２
９、燃圧センサ２６から読み込んだ水温と残圧に基づい
てステップ１４ａにおいて総噴射量の演算をも行う。

【００１９】ステップ１４ないしステップ１５の処理に
関連して、燃料の噴射開始位置（時期）は、例えば、図
４に示すように、制御対象のエンジン１に用いられてい
る回転数センサが発生するＮＥ信号や、クランク角カウ
ンタの出力信号のように、クランク角を把握することが
できる信号に同期させることによって設定することがで
き、何度毎に噴射を行うかということも、図４に示すよ
うに１０°CA毎、或いは３０°CA毎のように設定するこ
とが可能となる。

【００２０】噴射量の増減については、例えば図５の
に示すように、ある一定の期間内に噴射を行う場合にお
いて、噴射量を増加させる場合には、に示すようにそ
れぞれの噴射期間τを増加させる。また、噴射量が更に
増加すると、それぞれの噴射期間τが隣接の期間と重っ
てしまうため、図５の，のように噴射開始時期を早
めて、噴射する期間を広げることにより、噴射量の増減
を設定することができる。前述の燃料噴射に関する演算
はドライバ（運転者）がクランキングを開始する前に終
了する必要があり、短時間内に処理しなければならな
い。そこで、運転状態の把握から噴射に関する設定を学
習制御させることにより、これらの処理の負荷が低減
し、短時間内に演算処理を行うことが可能になる。

【００２１】再び図１のフローチャートに戻って、ドラ
イバがクランキングを開始（ステップ１６）すると、気
筒判別が完了した後に各気筒２に対して燃料噴射が開始
される。ＥＣＵ２４においてはエンジン回転数ＮＥが検
出され（ステップ１７）、所定の回転数（完爆回転数：
例えば、図１のステップ１８に示す場合は４００rpm）
に達するまで前述の噴射の制御が繰り返して行われる。
クランキング前に演算された噴射量の制御には始動時増
量が含まれているため、回転数ＮＥが所定値を超えると
燃料噴射は通常のアイドルの噴射モードへ切り換わる
（ステップ１９）。以上のような噴射に関する制御を行
うことにより、クランキング前にエンジン１が置かれて
いた状態に応じた始動時の分割噴射を行うことが可能に
なる。

【００２２】次に、図１のフローチャートに示す制御
を、図６においてより概念的に示す。ドライバがエンジ
ン１をスタートさせようとすると、クランキング前の短
期間内において、油温検出手段やバッテリ電圧検出手段
等によって検出された信号に基づいてクランキング回転
数の予測を行い、燃料の噴射可能な期間を把握する。ま
た、一方ではどれだけの噴射量が必要であるかというこ
とが噴射量算出手段により把握される。次に、これらに
基づいて噴射時期、分割数演算手段により分割噴射に関
するパラメーターが算出される。このパラメーターは学
習制御手段により学習され、短時間での演算、ＣＰＵで
の処理の負荷を低減させる。クランキングが開始される
と燃料噴射手段により噴射が開始され、エンジン回転検
出手段により検出される回転数が所定値に到達するま
で、上記の噴射パラメーターによって噴射制御が継続さ
れることとなる。

【００２３】次に、本発明の制御装置による制御の第２
実施例について説明する。前述の制御の第１実施例にお
いては、図１のステップ１５における噴射時期、分割数
の演算を行う際に図４及び図５に示すように噴射量を等
分割するが、第２実施例の制御においては、等分割をす
るのではなく、混合気形成が容易となるクランク角では
１回当たりの噴射量を増加させると共に、混合気形成が
困難となるクランク角では噴射量を減量させるというよ
うに、分割された噴射期間の個々の噴射量の比率をクラ
ンク角に応じて変化させることを特徴としている。

【００２４】図７にこの制御の概要を示す。まず、噴射
時期と混合気形成状態との関係について説明する。吸気
行程でも早い時期（吸気行程初期３６０°CA付近から２
７０°CA付近：）に噴射を行うと、ピストン４が上死
点付近にあるため、噴射燃料がピストン４の頂面に付着
して所謂ピストンウェットを生じやすい。従って、この
時期に噴射量を増加させると、ピストン４に厚いウェッ
トが形成されるため、良好な混合気形成は困難である。

【００２５】一方、吸気行程でも中期から後期にかけて
の、クランク角２７０°CA付近から１８０°CA付近
（）の噴射は、ピストン４が下降しているため燃料が
ピストン４に衝突せず、且つ空気との接触時間が長くて
接触面積（或いは接触容積）も大きいため、燃料が気化
しやすくて良好な混合気形成が容易である。

【００２６】そして、噴射時期遅角側の圧縮行程噴射
（１８０°CA付近から筒内圧が燃圧より高くなるまでの
期間）を行うと、噴射された燃料は上昇してくるピス
トン４の頂面に衝突して点火プラグ８の方へ巻き上がっ
てくる。この巻き上がりにより点火プラグ８の近傍に濃
い混合気を形成することが可能となり、着火性が向上す
る。しかしながら、この時期の噴射量を過度に増加させ
ると、点火プラグ８を直撃する燃料が増加して、点火プ
ラグ８のくすぶりや、かぶり等の問題が懸念されること
になる。

【００２７】このように噴射燃料は、噴射時期によって
大きく挙動が異なるので、結果として混合気形成の状態
に差が出てくる。従って、上記、，の期間の噴射量
は少なくすると共に、期間における噴射量を増加させ
ることによって、良好な混合気形成を更に容易にするこ
とが可能になる。

【００２８】ここで、それぞれの分割された噴射期間の
噴射量の比率であるτを単純に、例えば期間：：
＝１：２：１とするだけでも大きな効果が得られる。ま
た、前述のことから明らかなように、期間，では噴
射量は少なめの一定量あればよいため、例えば、，
の期間の必要噴射量がそれぞれ１０mm³であるとすれ
ば、それぞれの噴射期間の噴射量を予め１０mm³と固定
しておき、期間において残りの噴射量を分割して噴射
すれば最大の効果を得ることができる。

【００２９】次に、第２実施例を一部変更した制御の第
３実施例について説明する。第３実施例の制御は、第２
実施例の制御において噴射量の比率を変える際に、筒内
２８への吸気流速（これは吸気流の乱れの程度を示す）
に比例して噴射量の比率を変えて、混合気形成を容易に
するものである。

【００３０】図８に吸気管２０から筒内２８へ空気が吸
入されるときの流速の変化と、そのときの噴射量の変化
を示す。吸気流速は、吸気弁６が開弁してからピストン
の移動速度が最も高くなる２７０°CA付近まで上昇して
行き、その後はピストン速度の低下に伴って吸気流速も
低下して行く。従って、吸気流速が最も高くなる２７０
°CA付近では筒内２８での気流の乱れが最も大きくなる
ので、噴射燃料が気化しやすい時期であるといえる。こ
のように、吸気流速の変化に応じて、噴射比率を図８の
下段に示したように変化させることによって、混合気形
成を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御装置による制御の第１実施例を示
すフローチャートである。

【図２】本発明の実施形態である直噴エンジンのシステ
ム構成を示す断面図である。

【図３】電子式制御装置（ＥＣＵ）の構成を示すブロッ
ク図である。

【図４】制御の第１実施例における噴射開始位置、分割
噴射の間隔、毎回の噴射量等を示すタイムチャートであ
る。

【図５】第１実施例において分割噴射の毎回の噴射量を
増加させる場合を説明するタイムチャートである。

【図６】図１に示すフローチャートの内容を概念的に示
すフローチャートである。

【図７】第２実施例の制御の概要を第１実施例のそれと
比較して示すタイムチャートである。

【図８】第３実施例の制御の要点を示すタイムチャート
である。

【図９】従来の分割噴射の技術を示すもので、（ａ）は
噴射モードを選択するために用いられるマップであり、
（ｂ）は分割噴射を示すタイムチャートである。

【符号の説明】

１…直噴エンジン２…シリンダ（気筒）４…ピストン５…クランク軸６…吸気弁８…点火プラグ９…燃料タンク１０…高圧ポンプ２１…イグニッションスイッチ２２…バッテリ２３…油温センサ２４…電子式制御装置（ＥＣＵ）２５…クランク角センサ２６…燃圧センサ２７…インジェクタ２８…筒内２９…水温センサ４１…インジェクタ駆動回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小浜時男愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者斎藤公孝愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者加納政雄愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者大谷元希愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3G301 HA01 HA04 HA06 JA03 KA01 LB04 MA11 MA19 MA23 MA26 MA27 NB02 NB06 NB11 ND21 PA01Z PC01Z PE01Z PE03Z PE05Z PE08Z PF16Z PG01Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒内へ直接に燃料を噴射する形式の内燃
機関に設けられて前記機関の始動時に前記機関の要求燃
料量を複数回に分割して噴射する始動時燃料噴射制御装
置において、前記機関の状態を検出するセンサ類の出力
信号によって始動時の前記機関の状態を把握すると共
に、前記機関の状態に基づいてクランキング回転数を予
測する予測手段と、予測されたクランキング回転数及び
機関の状態から噴射可能期間を算出する算出手段と、予
測されたクランキング回転数及び算出された噴射可能期
間に基づいて前記要求燃料量の分割回数を設定すると共
に、設定された分割回数によって前記要求燃料量を分割
して間欠的に燃料を噴射させる制御手段とを備えている
ことを特徴とする始動時燃料噴射制御装置。
【請求項２】請求項１において、前記制御手段が前記
要求燃料量を分割する際に、前記要求燃料量を、前記機
関の吸気行程から圧縮行程の一部にわたって分割された
個々の燃料噴射量の比率が均等になるように分割すると
共に、前記要求燃料量の大きさに応じて吸気行程におけ
る噴射の開始時期を変更することを特徴とする始動時燃
料噴射制御装置。
【請求項３】請求項１において、前記制御手段が前記
要求燃料量を分割する際に、前記機関の吸気行程におけ
る分割された個々の燃料噴射量の比率をクランク角に応
じて変化させることを特徴とする始動時燃料噴射制御装
置。
【請求項４】請求項３において、分割された個々の燃
料噴射量の比率が吸気行程の中期から後期において最大
となるように変化させることを特徴とする始動時燃料噴
射制御装置。
【請求項５】請求項３において、分割された個々の燃
料噴射量の比率を、筒内へ流入する吸気の流速に比例し
て変化させることを特徴とする始動時燃料噴射制御装
置。