JP2000097077A - エンジンの始動時における燃料噴射モードの制御方法 - Google Patents

エンジンの始動時における燃料噴射モードの制御方法

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fuel injection
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Akihiro Ando
彰浩 安藤
Hitoshi Shibata
仁 柴田
Tatsuhisa Yokoi
辰久 横井
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Soken Inc
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Nippon Soken Inc
Toyota Motor Corp
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧縮着火式エンジンの始動時において、クラ
ンキング開始時に多段噴射モードによって始動を容易に
すると共に、暖機が完了した時に通常のパイロット噴射
モードへ遅滞なく移行させる制御方法の提供。 【解決手段】 冷却水温度を検出して移行の時期を判断
すると、冷却水の大きな熱容量のために応答性が悪いの
で、フリクショントルクの減少を検出して移行の時期を
判定する。制御装置を備えている通常の圧縮着火式エン
ジンにおいては、アイドル時にエンジン回転数Ｎｅを目
標アイドル回転数Ｎｅtaに近づけようとするフィードバ
ック制御が必ず行われるが、フリクショントルクが減少
すると燃料の噴射量Ｑが減少することに着目して、クラ
ンキング開始と同時に着火性の良い多段噴射モードＭＭ
とし、噴射量Ｑが第１の基準値Ｑ1 を下回った時点Ａに
おいて暖機が完了したと判定して通常のパイロット噴射
モードＰＭへ移行する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンのような圧縮着火式エンジンの、主として始動時にお
ける燃料噴射モードの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディーゼルエンジンのような圧縮着火式
エンジンの始動時における燃料噴射モードの制御におい
ては、噴射モード或いは噴射パターンとして、１サイク
ル当たり１回のメイン噴射の前に、それとは分離して１
回だけ比較的少量のパイロット噴射を行う所謂「パイロ
ット噴射モード」が一般的に行われている。このパイロ
ット噴射モードに対して、１サイクル分の噴射量を一度
に噴射するメイン噴射だけの噴射モードは、最近の自動
車用ディーゼルエンジンでは暖機完了後の特に高負荷の
運転状態において使用されることがあるものの、それ以
外ではあまり使用されなくなって来た。従って、少なく
とも始動時において通常の噴射モードと言えば１回だけ
のパイロット噴射を伴うパイロット噴射モードのことを
指すと言うことができる。
【０００３】このパイロット噴射モードを更に改良した
ものとして、通常のパイロット噴射モードにおいてはメ
イン噴射に先立って唯１回だけ行われるパイロット噴射
の代わりに、パイロット噴射を細かく２回以上の多段に
分割して行う所謂「多段噴射モード」も知られている。
一般に多段噴射モードによると、燃料噴霧の着火性がパ
イロット噴射モードよりも良くなるので、多段噴射モー
ドを始動時に用いることによって始動性を向上させるこ
とができるため、始動時においては多段噴射モードはき
わめて有効な噴射モードである。
【０００４】しかし、暖機が終わってからも多段噴射モ
ードの燃料噴射を続けていると、多段噴射モードでは２
回以上のパイロット噴射によって生じた既燃ガスの中へ
メイン噴射の燃料を噴射することになるため、メイン噴
射の噴射量が増大している運転状態では、メイン噴射に
よる比較的多量の燃料を、パイロット噴射によって酸素
が減少している空気の中で燃焼させることになる結果、
通常のパイロット噴射モードの場合よりも燃焼状態が悪
化する。従って、多段噴射モードは暖機が完了した時点
で直ちに終了させて、それ以後は通常のパイロット噴射
モードに移行することが望ましい。
【０００５】但し、多段噴射モードから通常のパイロッ
ト噴射モードへの移行があまりにも早すぎた場合にはや
はり問題が生じる。即ち、暖機が未だ完了していない状
態で多段噴射モードから通常のパイロット噴射モードへ
切り換えると、シリンダ内の温度が低いために安定した
燃焼状態が得られないことから、最悪の場合はエンジン
が停止してしまうことがある。従って、多段噴射モード
から通常のパイロット噴射モードへ、或いは、必要に応
じてその反対の方向への切り換えを行う時は、最適の移
行時期を制御装置によって判定することが重要になる。
【０００６】従来から行われている燃料噴射モード或い
は噴射パターンの切り換え時期の判定方法としては、例
えば特開平５−８６９３２号公報に記載されているよう
に、冷却水温センサを用いてエンジンの冷却水の温度を
検出すると共に、その検出値が所定値を越えたか否かを
制御装置によって判定することにより、移行の時期を決
定するという方法が一般的に用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来から行われている
冷却水温度を用いた判定方法においては、冷却水の熱容
量が大きいために、冷却水の温度変化が燃焼室の温度変
化に追従するものの、それから大きく遅れる結果、冷却
水温度によって燃料の噴射モードを切り換える時期が遅
れがちとなる。それによって、制御の応答性が低くなっ
て最適の切り換え時期を逸することになり、不適当な燃
料噴射モードによってエンジンを運転する期間が長くな
るという問題がある。従って、切り換えが遅れた期間に
おいては、前述のような燃焼状態の悪化を招くことにな
る。
【０００８】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、圧縮着火式エンジンの主として始動時
において、パイロット噴射を細かく２回以上に分けて行
う多段噴射モードと、唯１回だけのパイロット噴射を行
う通常のパイロット噴射モードとの間の切り換え時期を
的確に判定することができる、改良された燃料噴射モー
ドの制御方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】従来技術のように冷却水
温度の変化による切り換え時期の判定では応答性が低く
なることが避けられないので、本発明者らは、暖機の進
行を直ちに示す指標としてエンジンのフリクショントル
ク（摩擦抵抗トルク）の変化に注目した。暖機が始まる
と、冷却水温度が上昇するのに先立って、燃焼室に近い
シリンダとピストンの間にあるエンジンオイルの油膜の
温度がいち早く上昇して粘度が低下すると共にフリクシ
ョントルクの減少が始まる。従って、もしフリクション
トルクの変化を簡単な方法で検出することが可能であれ
ば、それによって暖機状態を的確に推定することができ
る。
【００１０】フリクショントルクが減少すると、燃料噴
射量が一定でもエンジンの回転数が上昇するから、目標
アイドル回転数のような一定の回転数を維持するように
電子式制御装置によって燃料噴射量のフィードバック制
御が行われている一般的な圧縮着火式エンジンにおいて
は、回転数を一定に維持するのに必要な燃料の噴射量が
減少することになる。噴射量を算出することはどのエン
ジンでも行われていることであるから、その噴射量の値
を適当な基準値と比較して、噴射量が基準値よりも小さ
くなったときはフリクショントルクが減少したことを示
しているので、その差の大きさによってフリクショント
ルクの減少の程度、従って、暖機の進行状態を知ること
ができ、それによって噴射モードの切り換え時期を決定
すると、応答性の良い移行が可能になる。
【００１１】以上のような知見の上に立って、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エンジンの始動時におけ
る燃料噴射モードの制御方法を提供する。
【００１２】請求項１の制御方法によれば、通常、どの
エンジンにおいても行われているように、アイドル時に
は制御装置によって目標アイドル回転数を維持するよう
に燃料噴射量を自動的に増減させるので、その燃料噴射
量をフリクショントルクの指標として採用し、燃料噴射
量が基準値を下回った時に暖機が完了したものと判定し
て、直ちに多段噴射モードから通常のパイロット噴射モ
ードへの切り換えを実行する。従って、噴射モードの切
り換えが遅滞なく行われて、不適当な噴射モードによっ
てエンジンが運転される期間が短くなる。
【００１３】請求項２の制御方法によれば、多段噴射モ
ードから通常のパイロット噴射モードへの切り換えが早
すぎて、エンジンの暖機が十分に完了していないとき
に、目標アイドル回転数を維持しようとして変化する燃
料噴射量が第２の基準値を上回った時に、再び通常のパ
イロット噴射モードから多段噴射モードへ戻す切り換え
を行う。それによって、最初の切り換えが早すぎた場合
に生じる問題を回避することができるので、可及的に早
く多段噴射モードから通常のパイロット噴射モードへの
切り換えを達成することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の制御方法が適用される圧
縮着火式エンジンのシステム構成のハードウエアは、図
２に略示するように、電子式制御装置（ＥＣＵ）を備え
ている通常の圧縮着火式エンジンのそれと大差のないも
のである。即ち、図２において、１はディーゼルエンジ
ンによって代表される圧縮着火式エンジンであって、そ
の燃料の噴射量及び噴射時期等は、エンジン１に付設さ
れたＥＣＵ２によって計算されて図示しない駆動回路へ
出力され、更にその駆動回路が出力する噴射制御信号３
によってエンジン１の図示しない燃料噴射ポンプ、或い
は各気筒毎のインジェクタが制御される。
【００１５】そのために、エンジン１の図示しないクラ
ンクシャフトに対向して回転数センサ４が設けられてい
て、回転数センサ４が検出する回転数（Ｎｅ）の信号４
ａがＥＣＵ２に入力されている。そして、図示例のエン
ジン１においては、アイドル運転時のエンジン回転数Ｎ
ｅが予め設定された目標アイドル回転数Ｎｅtaを維持す
るように、ＥＣＵ２は、回転数センサ４の出力する回転
数信号４ａによって常に回転数Ｎｅを測定しており、回
転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｅtaよりも低くなれ
ば、噴射制御信号３を変更して燃料の噴射量Ｑを増量す
るが、反対に回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｅtaよ
りも高くなれば、噴射制御信号３を変更して燃料の噴射
量Ｑを減量するというように作動する。
【００１６】また、エンジン１がアイドル運転の状態に
なったことを検出するアイドル判定スイッチ５が、運転
者の操作するアクセルペダル６の回転軸等に取り付けら
れていて、その出力信号であるアイドル信号５ａがＥＣ
Ｕ２に入力されている。アイドル判定スイッチ５は、運
転者がアクセルペダル６を踏んでいない状態、即ち運転
者の足がアクセルペダル６から離れている時にＯＮとな
ってアイドル信号５ａを発生するように設定されている
ので、アイドル信号５ａが発生したときに、ＥＣＵ２が
前述のようにエンジン回転数Ｎｅと目標アイドル回転数
Ｎｅtaとを比較して、それらの差が零となるように噴射
量Ｑのフィードバック制御を行う。
【００１７】本発明の制御方法に従って、エンジン１の
始動時には、クランキング開始と同時に図４の（ｂ）に
示すような噴射パターンをとる多段噴射モードによる噴
射量制御を開始し、フリクショントルクが減少して燃料
の噴射量Ｑが所定値を下回った時に、図４の（ｃ）に示
すような噴射パターンをとる通常のパイロット噴射モー
ドに切り換えることになるが、図示実施形態において
は、更に図３に示すように、必要な場合には通常のモー
ドから再び多段噴射モードへ戻すこともできるように２
段階の基準値を設定している。即ち、多段噴射モードか
ら通常のモードへ切り換えるための閾値となる噴射量の
第１の基準値Ｑ1 と、反対に通常のモードから多段噴射
モードへ切り換えるための閾値となる噴射量の第２の基
準値Ｑ2 が設定される。
【００１８】なお、図４の（ｂ）にパターンを例示した
多段噴射モードは、メイン噴射に先立ってパイロット噴
射を２回行うものであるが、本発明における多段噴射モ
ードのパイロット噴射の回数は２回以上であれば更に多
数回行ってもよいことは言うまでもない。これに対して
通常のパイロット噴射モードは、図４の（ｃ）に示すよ
うに、メイン噴射に先立って唯１回だけパイロット噴射
が行われものに限定される。いずれの場合にも、大まか
な傾向として、筒内圧力の変化は図４の（ａ）に示した
ような形で生じる。
【００１９】再び図３に示したタイムチャートに戻っ
て、図示実施形態の場合の制御方法について概説する。
図３（ａ）の上段に示したように、クランキング開始時
はＥＣＵ２によって一律に多段噴射モードＭＭが採用さ
れる。それによって、エンジン回転数Ｎｅは図３（ｂ）
に示すように上昇し、目標アイドル回転数Ｎｅtaを越え
たところで、回転数Ｎｅを目標アイドル回転数Ｎｅtaに
合わせてそれを維持するために、ＥＣＵ２は、通常の制
御として噴射制御信号３を変化させて燃料の噴射量Ｑを
減少させる。以上の制御方法は従来のものと同じであ
る。
【００２０】図３に示す実施形態においては、噴射量Ｑ
が第１の基準値Ｑ1 まで減少したことをＥＣＵ２が検知
した時点Ａにおいて、ＥＣＵ２が直ちに噴射制御信号３
を変更して、多段噴射モードＭＭから通常のパイロット
噴射モードＰＭへ噴射パターンを切り換える点に、本発
明としての基本的な特徴がある。
【００２１】通常の噴射モードＰＭに切り換えられる
と、エンジン１の暖機の程度によっては燃焼効率が低下
することがあるので、同じ目標アイドル回転数Ｎｅtaを
維持するために必要な噴射量Ｑが増大する場合があり得
る。図示実施形態はそのような場合にも対応することが
できるようにしたもので、図３の（ｂ）に示すように、
時点Ａにおいて通常の噴射モードＰＭに切り換えられた
ために噴射量Ｑが増大した時は、噴射量Ｑが第２の基準
値Ｑ2 に達した時点Ｂにおいて、再び多段噴射モードＭ
Ｍに切り換える制御が行われる。この点が図示実施形態
における第２の特徴である。
【００２２】そして、暖機の進行によってフリクション
トルクが減少し、噴射量Ｑが再び減少して第１の基準値
Ｑ1 を下回った時点Ｃにおいて３たび噴射制御信号３を
変更して、通常の噴射モードＰＭに切り換える制御が行
われる。噴射モードを切り換える時期が早すぎた場合で
も、このような制御を反復することによって、暖機を最
短時間で完了させることができる。
【００２３】いずれにしても、通常のパイロット噴射モ
ードＰＭへ移行することによって噴射量Ｑが再び増大し
て第２の基準値Ｑ2 を越える前に、エンジン１が暖機状
態に達すると、噴射量Ｑの増加が頭打ちになって、通常
の噴射モードＰＭを継続しながら、やがて下降に向かう
ことになる。従って、このような制御が行われることに
より、多段噴射モードＭＭと通常のパイロット噴射モー
ドＰＭが最適の切り換え時期に遅滞なく切り換えられ
て、不適当な噴射モードによって運転される期間が短縮
される。また、図３の（ｂ）に示すように、エンジン回
転数Ｎｅは目標アイドル回転数Ｎｅtaを維持することが
できる。
【００２４】以上のように概括的に説明した図示実施形
態の噴射量制御の手順を、図１に示したフローチャート
によってより具体的に説明する。この場合も、アイドル
時に噴射量Ｑを制御するための基準噴射量として、前述
のように比較的低い第１の基準値Ｑ1 と、比較的高い第
２の基準値Ｑ2 とを設定しているものとする。なお、こ
のプログラムは、エンジン１の運転中は所定の短時間、
例えばクランクシャフトの１回転毎に繰り返して実行さ
れる。
【００２５】運転者によってキースイッチが投入された
時にプログラムがスタートすると、まず、ステップ１０
１においてスタータがＯＮとされたか否か、即ち、エン
ジン１のクランキングが開始されたか否かを確認する。
スタータがＯＮであればステップ１０２へ進み、アクセ
ルペダル６が踏まれていない状態においてＯＮとなるア
イドル判定スイッチ５の信号がＯＮとなっているか否か
が判定される。アクセルペダル６が踏みこまれてアイド
ル判定スイッチ５がＯＦＦとなっているときはアイドル
時ではないので、元に戻ってステップ１０２の判定を繰
り返す。
【００２６】ステップ１０２における判定結果がＹｅｓ
であってアイドル時であるときは、ステップ１０３へ進
んで、ＥＣＵ２はエンジン１の図示しない燃料噴射ポン
プ、又はインジェクタへ供給される噴射制御信号３を多
段噴射モードＭＭとする。それによってインジェクタは
図４の（ｂ）に示したような噴射パターンを実行するの
で、メイン噴射の前に２回以上のパイロット噴射が行わ
れることによって着火性が良くなるため、初爆から失火
することなくメイン噴射に着火し、図３（ｂ）に示すよ
うにエンジン回転数Ｎｅが急速に上昇して、やがて目標
アイドル回転数Ｎｅtaを越える大きさになる。
【００２７】その間にも、エンジンにおいて通常行われ
ているステップ１０４〜１０６に示すようなアイドル時
のための噴射量のフィードバック制御が作動しており、
エンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｅtaを維持
するように燃料量を減少或いは増加させる制御が自動的
に行われている。即ち、ステップ１０４においては、エ
ンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｅtaよりも大
きくなる時期を監視しており、大きくなれば（Ｙｅ
ｓ）、ステップ１０５において噴射量Ｑが所定の少量ず
つ減量されて、それ以上エンジン回転数Ｎｅが上昇する
のを抑える。逆に大きくなければ（Ｎｏ）、ステップ１
０６において噴射量Ｑが所定の少量ずつ増量されて、エ
ンジン回転数Ｎｅを目標アイドル回転数Ｎｅtaまで上昇
させる。
【００２８】このようにして、アイドル時には噴射量Ｑ
はエンジン回転数Ｎｅが目標アイドル回転数Ｎｅtaを維
持するように絶えず変化している。そこで、ステップ１
０７において、現在の噴射量Ｑが第１の基準値Ｑ1 より
も小さくなったか否かが判定される。判定結果がＱ＞Ｑ
1 であれば（Ｎｏ）、ステップ１０２へ戻って判定を繰
り返す。その間は多段噴射モードＭＭの噴射が継続され
る。ステップ１０７においてＱ≦Ｑ1 である（Ｙｅｓ）
と判定されると、ステップ１０８に進んで噴射制御信号
３を変更し、図４の（ｃ）に噴射パターンを示すような
通常のパイロット噴射モードＰＭの噴射に切り換える。
【００２９】そして、この場合も前述の場合と同様に、
ステップ１０９〜１１１に示すような、目標アイドル回
転数Ｎｅtaを維持しようとする通常のフィードバック制
御が作動して噴射量Ｑが増減される。しかし、ステップ
１０８において通常のパイロット噴射モードＰＭに切り
換えられた時点、即ち、図２（ｂ）に示す時点Ａまでに
エンジン１の暖機が十分に進んでいなくて、未だフリク
ショントルクが高い場合には、エンジン回転数Ｎｅが目
標アイドル回転数Ｎｅtaを下回るため、目標アイドル回
転数Ｎｅtaを維持しようとするステップ１１１に示す通
常の制御によって噴射量Ｑが増量される。
【００３０】このように図示実施形態の場合は、時点Ａ
においてステップ１０８により通常のパイロット噴射モ
ードへの切り換えを行ったことによって、噴射量Ｑが増
量されて（行き過ぎたときは減量される）回転数Ｎｅが
目標アイドル回転数Ｎｅtaに接近すると共に、その間に
暖機も進んでフリクショントルクが低下する。それによ
って増量された噴射量Ｑがステップ１１２の判定におい
て第２の基準値Ｑ2 を越える（Ｙｅｓ）とステップ１０
２へ戻り、アイドル運転が継続していてアイドル時判定
スイッチ５がＯＮである限り、図２の（ｂ）に示す時点
Ｂにおいて、ＥＣＵ２は再び噴射モードを通常のパイロ
ット噴射モードＰＭから多段噴射モードＭＭの噴射パタ
ーンに切り換えることを指令する。
【００３１】以下、前述の手順が繰り返され、ステップ
１０７の判定において噴射量Ｑが第１の基準値Ｑ1 を下
回る、図２の（ｂ）に示す時点Ｃにおいて、再び多段噴
射モードＭＭから通常のパイロット噴射モードＰＭへの
切り換えが行われる。その後に、フリクショントルクの
低下によって噴射量Ｑが再び第２の基準値Ｑ2 を越える
ことがなくなる（Ｑ＜Ｑ2 ）と、ステップ１１２の判定
結果は常にＮｏとなるから、ステップ１０９へ戻って判
定と噴射量制御を繰り返すことになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御方法を例示する制御の手順のフロ
ーチャートである。
【図２】本発明の制御方法が適用されるエンジンのシス
テム構成を示す略図である。
【図３】本発明の制御方法を概説するためのタイムチャ
ートである。
【図４】多段噴射モードと通常のパイロット噴射モード
を説明するための線図である。
【符号の説明】
１…圧縮着火式エンジン ２…電子式制御装置（ＥＣＵ） ３…噴射制御信号 ４…回転数センサ ４ａ…回転数信号 ５…アイドル判定スイッチ ５ａ…アイドル信号 ６…アクセルペダル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴田 仁 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 横井 辰久 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） 3G060 CA02 CA03 CB01 CB02 CB03 DA01 FA07 GA01 GA04 GA19 3G301 HA02 JA21 KA01 KA05 KA07 MA18 MA23 MA26 NA08 ND02 PA14Z PB03Z PE00Z PE01A PF16Z

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アイドル時に目標アイドル回転数を維持
    するように燃料噴射量を自動的に増減させ得る制御装置
    を備えている圧縮着火式エンジンにおいて、前記エンジ
    ンの始動時に、燃料の噴射モードとして、１回のメイン
    噴射の前に２回以上のパイロット噴射を行う多段噴射モ
    ードを採用すると共に、暖機が完了した時に遅滞なく多
    段噴射モードから通常のパイロット噴射モードへ切り換
    えるために、前記制御装置の作動によって増減変化する
    前記燃料噴射量を所定の基準値と比較して、前記燃料噴
    射量が前記基準値を下回った時に暖機が完了したものと
    判定して、直ちに前記多段噴射モードから前記通常のパ
    イロット噴射モードへの切り換えを実行することを特徴
    とするエンジンの始動時における燃料噴射モードの制御
    方法。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記多段噴射モード
    から前記通常のパイロット噴射モードへの切り換えが行
    われた後に、前記燃料噴射量を所定の第２の基準値と比
    較して、前記燃料噴射量が前記第２の基準値を上回った
    時に、再び前記通常のパイロット噴射モードから前記多
    段噴射モードへの切り換えを実行することを特徴とする
    エンジンの始動時における燃料噴射モードの制御方法。
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