JP2008248740A - 内燃機関の始動時気筒判別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気行程において点火を実行したとしても、燃焼が生じることがほぼなく、したがって、バックファイアの発生を回避して、内燃機関が損傷することを防ぐ。
【解決手段】少なくとも３気筒を直列に配置し吸気ポートに燃料を噴射する４ストローク方式で、各気筒において圧縮上死点の点火タイミングに一致する信号をカム軸の回転により時間的に等間隔に出力する信号発生手段を備えてなる内燃機関において、二回の噴射量を合計した量が一回の燃焼可能な量とほぼなるように信号発生手段が信号を出力する毎に燃料を噴射することと、燃料を噴射した後に信号発生手段が信号を出力するタイミングで所定の気筒に対して点火することとを交互に実行し、信号発生手段が出力する信号の間隔時間が変化することにより、所定気筒の燃焼行程を特定し、特定した所定気筒の燃焼行程に基づいて各気筒の行程を判別する。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも３気筒を直列に配置し吸気ポートに燃料を噴射する４ストローク方式の内燃機関の始動時気筒判別方法に関するものである。

従来、例えば４気筒などの多気筒エンジンにおいて、所定の気筒にのみ燃焼を発生させて、その後の回転変動を検出することにより気筒を判別し、エンジンを始動するものが知られている（例えば、特許文献１）。具体的には、特許文献１に記載のものは、カム角度を検出するカム角検出部から出力される信号が異常である場合に、所定の気筒に対して、クランク角検出部から出力される信号を基準とした所定のタイミングで所定量の燃料を噴射し、所定のタイミングで点火し、クランク角検出部から出力される不等間隔部の検出周期が所定値より小さく（速く）なったとき、点火を実行した所定の気筒の膨張行程を判別する構成である。
特開２００６−２２００９７号公報

ところが、このような構成のものであると、所定のタイミングで燃料を噴射し、所定のタイミングで点火を実行すると、吸気弁より上流の吸気ポート側に火炎が吹き返す現象、いわゆるバックファイアを生ずる可能性がある。すなわち、点火のタイミングが、吸気行程に重なった場合、吸気弁が開弁している状態で、燃焼が開始されることになる。したがって、燃焼室内で燃焼が始まり、火炎が気筒内に拡散する過程において、吸気弁が開弁していることにより吸気弁より上流の吸気ポート側に火炎が吹き返すこととなる。この結果、異常な燃焼のために、通常の燃焼とは異なる燃焼音が騒音となったり、エンジンを構成する部品を破損したりすることが生じた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関の始動時気筒判別方法は、少なくとも３気筒を直列に配置し吸気ポートに燃料を噴射する４ストローク方式で、その三気筒においてはそれぞれの圧縮上死点が時間的に等間隔に出現するように設定してあり、クランク軸の回転を１／２に減衰させてカム軸を駆動し、カム軸の回転により吸気弁と排気弁との少なくとも一方を駆動し、カム軸の回転により各気筒において圧縮上死点の点火タイミングに一致する信号を時間的に等間隔に出力する信号発生手段を備えてなる内燃機関において、二回の噴射量を合計した量が一回の燃焼可能な量とほぼなるように信号発生手段が信号を出力する毎に燃料を噴射することと、燃料を噴射した後に信号発生手段が信号を出力するタイミングで所定の気筒に対して点火することとを交互に実行し、信号発生手段が出力する信号の間隔時間が変化することにより、所定気筒の燃焼行程を特定し、特定した所定気筒の燃焼行程に基づいて各気筒の行程を判別することを特徴とする。

このような構成によれば、一回の燃焼可能な量の燃料を、二回に分けて噴射することにより、吸気行程において点火を実行したとしても、燃焼が生じることは、ほぼ抑制される。つまり、一度の噴射において噴射する燃料量が燃焼不可能な量、言い換えれば空燃比が可燃空燃比よりもリーンであるため、点火を実行しても混合気に着火することはない。したがって、バックファイアの発生を回避して、内燃機関が損傷することを防ぐことが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、一回の燃焼可能な量の燃料を、二回に分けて噴射することにより、吸気行程において点火を実行したとしても、燃焼が生じることがほぼなく、したがって、バックファイアの発生を回避して、内燃機関が損傷することを防ぐことができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に概略的に示したエンジン１００は、自動車用の火花点火式４サイクル直列３気筒のものである。エンジン１００の吸気系１には、図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。サージタンク３に連通する一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁５が設けてあり、その燃料噴射弁５を、電子制御装置６により制御するようにしている。この実施形態のエンジン１００は、燃料噴射弁５が吸気ポート３４近傍に燃料を噴射するように構成されている。

燃焼室３０を形成するシリンダヘッド３１には、吸気弁３２及び排気弁３３が配設されるとともに、火花を発生するスパークプラグ１８が取り付けてある。また排気系２０には、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ２１が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された触媒装置である三元触媒２２の上流の位置に取り付けられている。

このエンジン１００は、三気筒においてそれぞれの圧縮上死点が時間的に等間隔に出現するように設定してあり、クランク軸の回転を１／２に減衰させてカム軸を駆動し、カム軸の回転により吸気弁３２と排気弁３３との少なくとも一方を駆動するものである。又、吸気弁３２と排気弁３３との両方を駆動するものであってもよい。あるいは、吸気弁３２用のカム軸と排気弁３３用のカム軸とを備えるものであってもよい。

なお、図１にあっては、エンジン１００の１気筒の構成を代表して図示している。また、車両すなわち自動車の構成については、この分野でよく知られたものを適用できるので、図示しない。

電子制御装置６は、中央演算処理装置７と、記憶装置８と、入力インターフェース９と、出力インターフェース１１と、Ａ／Ｄコンバータ１０とを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース９には、サージタンク３内の圧力すなわち吸気管圧力を検出するための吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、ピストンの上死点を認識するためのクランク角センサ１４から出力されるＮ信号ｂ、圧縮上死点と吸気上死点とを区別するための信号発生手段であるカム角センサ１５から出力されるＧ信号ｃ、スロットルバルブ２の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１６から出力されるＩＤＬ信号ｄ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１７から出力される水温信号ｅ、上記したＯ₂ センサ２１から出力される電流信号ｈ等が入力される。一方、出力インターフェース１１からは、燃料噴射弁５に対して燃料噴射信号ｆが、またスパークプラグ１８に対してイグニションパルスｇが出力されるようになっている。

クランク角センサ１４は、例えば１０°ＣＡ間隔でＮ信号ｂを出力するもので、１７番目、１８番目、２０番目、２１番目、３５番目及び３６番目のタイミングにおいて、無信号出力となるように構成されている。また、カム角センサ１５は、２４０°ＣＡ（クランク角度基準）の間隔をあけてＧ信号ｃを出力する。具体的には、カム角センサ１５は、カム軸に同期して回転するように構成される回転体と、その信号部の通過を検知して信号を出力するセンサ部を備える構成である。回転体は、２４０°ＣＡ毎に等間隔に配置される信号部を備えている。そして、カム角センサ１５は、センサ部の近傍を信号部が通過することにより、センサ部が各気筒において圧縮上死点の点火タイミングに一致する信号を時間的に等間隔に出力する構成である。

電子制御装置６には、吸気圧とエンジン回転数とに基づいて基本噴射時間（基本噴射量）を設定し、その基本噴射時間をエンジン１００の運転状態に応じて決まる各種の補正係数で補正して燃料噴射弁開成時間すなわちインジェクタ最終通電時間Ｔを決定し、その決定された通電時間により燃料噴射弁５を制御して、エンジン負荷に応じた燃料を吸気系１に噴射させるためのプログラムが内蔵してある。また、電子制御装置６には、二回の噴射量を合計した量が一回の燃焼可能な量となるようにカム角センサ１５がＧ信号を出力する毎に燃料を噴射することと、燃料を噴射した後にカム角センサ１５がＧ信号を出力するタイミングで所定の気筒に対して点火することとを交互に実行し、カム角センサ１５が出力するＧ信号の間隔時間が変化することにより、所定気筒の燃焼行程を特定し、特定した所定気筒の燃焼行程に基づいて各気筒の行程を判別する始動時気筒判別プログラムが格納してある。

この始動時気筒判別プログラムは、イグニッションスイッチをオンした後、スタータを起動させる場合に実行されるものである。以下に、図２を交えて、始動時気筒判別プログラムを説明する。

まず、ステップＳ１において、スタータを作動させて、エンジン１００をクランキングさせる。エンジン１００をクランキングさせることにより、クランク角センサ１４とカム角センサ１５とが駆動される。ステップＳ２では、Ｎ信号が正常か否かを判定する。すなわち、クランク角センサ１４がクランキングにより駆動されると、正常であるならばＮ信号が出力されるが、異常であるならばＮ信号が出力されない。したがって、Ｎ信号の状態を判定することによりクランク角センサ１４の異常を検出するものである。そして、Ｎ信号が正常であると判定した場合は、ステップＳ３において気筒判別すなわち第一気筒であることを判定するものである。

一方、Ｎ信号が異常であると判定した場合は、ステップＳ４において、Ｇ信号が出力されているか否かを判定する。そして、Ｇ信号が出力される場合は、所定の気筒、例えば第一気筒に対して、通常の燃料噴射量、すなわち例えば始動時の理想空燃比になるような燃料噴射量に分割噴射係数ｋＴＡＵＮＦを乗じた燃料噴射量により燃料噴射を実行する。分割噴射係数ｋＴＡＵＮＦは、一回の燃料噴射では燃焼し得ない量に燃料噴射量がなるように、しかも例えば二回の燃料噴射量を合計した場合にはほぼ通常の燃料噴射量になるような値に設定するもので、１／２である。なお、分割噴射係数ｋＴＡＵＮＦは、二回の合計燃料噴射量が通常の燃料噴射量より若干多い、つまり始動時の理想空燃比より空燃比がリッチよりになるように設定するものであってよい。

ステップＳ６では、燃料噴射を実行した後に、Ｇ信号が出力されたか否かを判定する。そして、Ｇ信号が出力された場合は、ステップＳ７においてその出力されたタイミングで第一気筒に対して点火を実行する。この場合に、点火時間はＧ信号の出力間隔から分周（演算）して設定する。この点火は、第一気筒のみで、他の気筒に対しては実行しない。

さらに、ステップＳ８では、点火を実行した後に、Ｇ信号が出力されたか否かを判定する。そして、Ｇ信号が出力された場合は、ステップＳ９において燃焼が生じたか否かを判定する。燃焼発生の判定は、Ｇ信号が出力される間隔の時間であるＧ信号間隔時間Ｔ２４０が、膨張有無判定時間を下回るか否かにより行う。これは、燃焼が生じることで、エンジン１００の回転が一時的にクランキングの回転より早くなるために、Ｇ信号間隔時間Ｔ２４０が短くなることを検出して、燃焼の有無を判定するものである。燃焼が生じたと判定した場合は、ステップＳ３を実行し、燃焼が生じていないと判定した場合はステップＳ５に移行する。

このような構成において、図３を交えて、第一気筒の運転状態の変化に合わせて、気筒判別の作動を説明する。同図中、吸入、圧縮、膨張及び排気の表記はそれぞれ、その期間が吸入行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程であることを示している。白抜き矢印９１は、Ｇ信号が出力されるタイミングであるとともに、燃料が噴射されるタイミングを示しており、矢印９１は、Ｇ信号が出力されるタイミングであるとともに、点火が実行されるタイミングを示すものである。説明の便宜上、第一気筒の運転は、吸入行程後の圧縮行程から始まるものとする。

まず、エンジン１００を始動してクランキングさせると、Ｎ信号が正常に出力されている場合は、気筒判別をそのＮ信号により実施する（ステップＳ３）。

一方、Ｎ信号が正常に出力されていない場合、Ｇ信号が出力される毎に第一気筒において燃料の噴射と点火とを交互に実行するものである（ステップＳ４〜ステップＳ７）。そしてこの後にＧ信号間隔時間Ｔ２４０の長さにより、燃焼の有無を判定する（ステップＳ８、ステップＳ９）。この実施形態において、まず、圧縮行程においてピストンが上死点に達したタイミング、つまりＧ信号が出力されるタイミングで、白抜き矢印９１で示すタイミングで燃料噴射を実行する（ステップＳ５）。この場合、噴射された燃料は、吸気弁３２が閉じていることから、吸気ポート３４に残留して燃焼室３０には入らない。この後、Ｇ信号の出力を確認すると（ステップＳ６）、排気行程において矢印９２で示すタイミングで点火を実行する。排気行程であるので、排気弁３３は開いている。そして、さらにＧ信号が出力されると（ステップＳ８）、燃焼が生じたか否かを判定し（ステップＳ９）、燃焼が生じてない場合は再度燃料噴射を実行する。

この実施形態にあっては、図３に示すように、二度目の燃料噴射は、第一気筒の吸入行程のタイミングであるので、吸気弁３１が開いており、今回噴射された燃料は、吸気ポート３４に残留していた燃料とともに燃焼室３０に流入する。したがって、燃焼室３０に流入する燃料量は、一回の燃焼にほぼ必要な量となる。そして、吸入行程が終了して、吸気弁３１及び排気弁３２が閉じた状態で圧縮行程が開始され、気筒内の混合気が圧縮される。この後、Ｇ信号の出力を判定すると、点火を実行する。この点火の実行のタイミングは、圧縮行程におけるピストンが上死点に至るタイミングであるので、混合気に正常に着火し、膨張行程が開始される。したがって、スタータにより駆動されてクランキングしている状態から、燃焼圧力によりピストンが押し下げられるので、つまり回転速度が急激に早くなるので、Ｇ信号が出力する間隔つまりＧ信号間隔時間Ｔ２４０が短くなり、ステップＳ９における条件が満たされ、正常に点火ができたことを判定するものである。

この後、ステップＳ３において気筒判別が正常であるとして、この制御からＧ信号に基づいて他の気筒に対して燃料噴射と点火とを、気筒毎の吸入行程及び点火時期にあわせて実行する。

以上の説明においては、ステップＳ９における正常点火の判断を一度したことにより、気筒判別を完了したが、判別精度を高くするために、正常点火を二度判断することにより気筒判別を完了するように構成することが望ましい。この場合、上述のステップＳ９の後に、正常点火が二度目か否かの判定を追加し、二度目と判定した場合に気筒判別を完了するように構成すればよい。図３においては、そのような、正常点火を二度判定する場合を、一度の場合に連続して示してある。

図３において、星印を付して示す吸入行程で点火を実行することになるが、その前の排気行程において一回目の燃料噴射を実行するのみであるので、燃焼室３０に流入する燃料量は、一回の燃焼に必要な燃料量の約１／２である。したがって、吸入行程のタイミングで点火を実行しても、燃焼は生じることがなく、バックファイアは発生しない。さらに、この吸入行程に連続する圧縮行程と膨張行程との間に燃料噴射を実行するが、この場合は、吸気弁３１が閉じられているので、噴射された燃料が燃焼室３０に流入しておらず、次の排気行程のタイミングで点火を実行しても、燃焼は始まらない。その結果、アフタファイアの発生はない。

そして、上述の星印の吸入行程に連続する圧縮行程と膨張行程との間に実行された燃料噴射よる燃料とその次に実行される吸入行程で噴射される燃料とにより、通常噴射に匹敵する燃料噴射量となり、続く圧縮行程後の点火の実行により正常に燃焼が生じるものである。

このように、クランク角センサ１４の異常によりＮ信号を活用できない状態になった場合において、カム角センサ１５から出力されるＧ信号のみで気筒判別を行うことができる。したがって、Ｇ信号のみを用いてエンジン１００を始動することができる。このため、このような異常が生じている場合に、退避走行することができる。

さらに、このような気筒判別を行うに際して、燃料噴射を二回に分け、一回の噴射の際の燃料量を通常噴射の約１／２に設定しているので、燃料の吸気タイミングで点火を実行してもバックファイアが発生することを確実に回避することができる。また、同様に、排気タイミングで点火を実行しても燃焼することがなく、アフタファイアの発生を防止することができる。

さらに、ポンプや発電機などに用いられる汎用のエンジンのように、単純な制御のみで運転が可能なエンジンに対しては、本発明を適用して、クランク角センサを使用することなく、カム角センサのみで始動することができる。そして始動後に気筒判別を実行し、カム角センサが出力するＧ信号のみにより通常運転を実施することができる。

なお、上述の実施形態においては、上述の実施形態においては、直列３気筒のものを説明したが、片バンクが３気筒で構成されるＶ型６気筒エンジンに対しても、本発明を適用することができる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態の概略構成を示す構成説明図。 同実施形態の制御手順を示すフローチャート。 同実施形態の作用説明図。

符号の説明

６…電子制御装置
１４…クランク角センサ
１５…カム角センサ
３２…吸気弁
３３…排気弁
３４…吸気ポート

Claims (1)

1. 少なくとも３気筒を直列に配置し吸気ポートに燃料を噴射する４ストローク方式で、その三気筒においてはそれぞれの圧縮上死点が時間的に等間隔に出現するように設定してあり、クランク軸の回転を１／２に減衰させてカム軸を駆動し、カム軸の回転により吸気弁と排気弁との少なくとも一方を駆動し、各気筒において圧縮上死点の点火タイミングに一致する信号をカム軸の回転により時間的に等間隔に出力する信号発生手段を備えてなる内燃機関において、
   二回の噴射量を合計した量が一回の燃焼可能な量とほぼなるように信号発生手段が信号を出力する毎に燃料を噴射することと、燃料を噴射した後に信号発生手段が信号を出力するタイミングで所定の気筒に対して点火することとを交互に実行し、
   信号発生手段が出力する信号の間隔時間が変化することにより、所定気筒の燃焼行程を特定し、
   特定した所定気筒の燃焼行程に基づいて各気筒の行程を判別する内燃機関の始動時気筒判別方法。

Images