JP2010084601A

JP2010084601A - ディーゼルエンジンの始動制御方法

Info

Publication number: JP2010084601A
Application number: JP2008253788A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Minamiyoshi; 康利南吉
Original assignee: Caterpillar Japan Ltd
Current assignee: Caterpillar Japan Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15

Abstract

【課題】低温時の始動性と燃料噴射量の制御可能性とを満足できるコモンレール圧指令値を得て許容時間内に確実に着火できるディーゼルエンジンの始動制御方法を提供する。
【解決手段】燃料供給ポンプからコモンレールを介して複数の燃料噴射弁にコモンレール圧の燃料を供給するコモンレール式ディーゼルエンジンの始動制御方法である。ディーゼルエンジンのクランキング状態時にコモンレール圧指令値Ｘを低圧域の初期値から段階的に上昇させながら、着火を認識するまで各コモンレール圧指令値Ｘで燃料を噴射する。現在クランキング時のエンジン回転速度Ｎeから前回クランキング時のエンジン回転速度Ｎ(-1)を差引くことにより、現在と前回のエンジン回転速度差△Ｎeを演算し、このエンジン回転速度差△Ｎeが設定値より大きい場合に着火を認識する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コモンレールを備えたディーゼルエンジンの始動制御方法に関する。

低温時の始動性を向上させるため、低圧縮比のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）に対しては始動時のコモンレールの圧力（以下、コモンレール圧という）を４０ＭＰa以上の高圧にすることにより、噴霧した燃料の微粒化促進を図るものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、一３０℃以下の極低温の場合、コモンレール圧を高くすると、かえって始動性が悪くなることがある。

これは、空気および燃料の温度が低いため燃料が発火し難い状態になっているので、コモンレール圧を高くすると噴霧した燃料の微粒化には有利ではあるが、噴霧の流速が早くなるため燃焼が始まる前に温度の低い燃焼室の壁に当たってしまうからである（例えば非特許文献１参照）。
特開２００４−２４５１０３号公報（第４頁、図３−４）社団法人自動車技術会「技術者たちの叡智とロマン」Vol.４、第４頁、２００７年３月１日発行

極低温の場合にはコモンレール圧を下げて噴霧の勢いを弱くした方がよい。一方、インジェクタの燃料噴射精度には一定以上のコモンレール圧、通常３０ＭＰaが必要であり、それ以下では燃料噴射指令値に対する実際の燃料噴射のバラツキが許容限度を超えて、燃料噴射指令値どおりに正確な燃料噴射量をコントロールできなくなるため、低いコモンレール圧を一律に使用することはできない。特に、パイロット分割燃料噴射においては燃料噴射量を高精度に制御しなければならない。

着火ができない状態でクランキングを継続すると、始動モータを駆動するバッテリが消耗してしまい、始動不能に陥ってしまうので、バッテリの電力が維持できる時間内たとえば３０秒以内で着火させる必要がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、極低温に対応できる低いコモンレール圧指令値であっても許容時間内に確実に着火できるディーゼルエンジンの始動制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、燃料供給ポンプからコモンレールを介して複数の燃料噴射弁にコモンレール圧の燃料を供給するコモンレール式ディーゼルエンジンの始動制御方法であって、ディーゼルエンジンのクランキング状態時にコモンレール圧指令値を低圧域の初期値から段階的に上昇させながら、着火を認識するまで各コモンレール圧指令値で燃料を噴射するディーゼルエンジンの始動制御方法である。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載のディーゼルエンジンの始動制御方法において、現在クランキング時のエンジン回転速度から前回クランキング時のエンジン回転速度を差引くことにより、現在と前回のエンジン回転速度差を演算し、このエンジン回転速度差が設定値より大きい場合に着火を認識するディーゼルエンジンの始動制御方法である。

請求項３に記載された発明は、請求項１または２記載のディーゼルエンジンの始動制御方法において、エンジン始動を認識したときのコモンレール圧指令値とエンジン冷却水温との関係から学習制御マップを作成し、この学習制御マップおよび現在のエンジン冷却水温よりクランキング開始時のコモンレール圧指令値を決定するディーゼルエンジンの始動制御方法である。

請求項１に記載された発明によれば、始動時のクランキング中にコモンレール圧指令値を低圧域の初期値から段階的に上昇させながら、着火を認識するまで各コモンレール圧指令値で燃料を噴射することで、極低温に対応できる低いコモンレール圧指令値であっても着火可能なコモンレール圧指令値を効率よく探り出して、クランキング許容時間内に確実に着火できる。

請求項２に記載された発明によれば、現在クランキング時のエンジン回転速度から前回クランキング時のエンジン回転速度を差引くことにより演算したエンジン回転速度差が設定値より大きい場合に着火を認識するので、エンジンがセルモータの外力で駆動されている状態からエンジンのシリンダ内の燃焼により自力で加速を始めた時点で、着火を確実に認識できる。

請求項３に記載された発明によれば、エンジン始動を認識したときのコモンレール圧指令値とエンジン冷却水温との関係から作成した学習制御マップを用いて、現在のエンジン冷却水温よりクランキング開始時のコモンレール圧指令値を決定するので、クランキング開始から時間をかけずに、極低温に対応できる低いコモンレール圧指令値であっても着火可能な最適のコモンレール圧指令値を効率よく探り出すことができ、コモンレール圧指令値が常に一定の初期値から開始される場合よりもクランキング時間を短縮できる。

以下、本発明を、図１乃至図３に示された一実施の形態、図４および図５に示された他の実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図２に示されるように、建設機械などに搭載されたコモンレール式直噴ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）11の複数の気筒ごとに燃料噴射弁12が設けられ、これらの各燃料噴射弁12に設けられた電磁弁（図示せず）が電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）13により開閉制御されることで、燃料噴射量および燃料噴射時期などがエンジン11の運転状態に応じて制御される。図２は４気筒エンジンを例示しているが、６気筒エンジンなどでも良い。

各燃料噴射弁12にはコモンレール14に貯溜された所定圧力の燃料が常時供給され、このコモンレール14には燃料タンク15内の燃料が燃料供給ポンプ16により供給される。コモンレール14の燃料圧力すなわち各燃料噴射弁12の燃料噴射圧力をコモンレール圧という。

コモンレール14内のコモンレール圧はコモンレール圧センサ17により検出され、このコモンレール圧センサ17からのコモンレール圧検出値ＸrがＥＣＵ13に入力され、また、ＥＣＵ13からコモンレール圧指令値Ｘが電磁弁18に出力され、燃料供給ポンプ16から燃料タンク15への戻り通路中に設けられた電磁弁18の弁開度がデューティー制御される。

すなわち、電磁弁18が閉じられている時間に応じた分だけ、燃料供給ポンプ16からコモンレール14内に燃料が加圧供給され、運転条件に応じてあらかじめ目標値として設定されている所定の圧力になるようにコモンレール圧が昇圧制御される。コモンレール圧は、エンジン11の運転状態に応じてＥＣＵ13によりフィードバック制御される。

エンジン11の運転状態を検出する手段として、ラジエータ21のエンジン冷却水温Ｔwを検知する水温センサ22、エンジン回転速度を検知するエンジン回転速度センサ23があり、これらの水温センサ22およびエンジン回転速度センサ23がＥＣＵ13の信号入力部に接続されている。エンジン11内には、クランクを検出するクランクセンサ24が設けられ、このクランクセンサ24は、ＥＣＵ13内のエンジン回転カウンタに接続されている。

このような、燃料供給ポンプ16からコモンレール14を介して複数の燃料噴射弁12にコモンレール圧の燃料を供給するコモンレール式ディーゼルエンジンにおいて、エンジン11を始動する際のクランキング状態時にコモンレール圧指令値Ｘを低圧域の初期値（例えば２０ＭＰa）から段階的に上昇させながら、着火を認識するまで各コモンレール圧指令値Ｘで燃料を噴射するエンジン始動制御方法を採用する。

このとき、現在クランキング時のエンジン回転速度から前回クランキング時のエンジン回転速度を差引くことにより、現在と前回のエンジン回転速度差を演算し、このエンジン回転速度差が設定値より大きい場合に着火を認識する。

次に、図１は、ＥＣＵ13が、着火しやすいコモンレール圧指令値Ｘを探り出し、コモンレール圧を制御するフローチャートを示す。なお、図中の丸数字は、ステップ番号を示す。

（ステップ１）
エンジン11のクランキング回転数をカウントするエンジン回転カウンタＩを初期値１に設定する。

（ステップ２）
コモンレール圧指令値Ｘを初期値２０ＭＰaに設定する。

（ステップ３）
クランキングが例えば５回転か否かを判断し、５回転未満の場合はステップ８に進む。

（ステップ４）
クランキングが５回転に達した場合は、エンジン回転カウンタＩを初期値１に戻す。

（ステップ５）
クランキングを例えば５回転するごとに、コモンレール圧指令値Ｘを例えば１ＭＰaずつ上昇させる。

（ステップ６）
ステップ５の操作でコモンレール圧指令値Ｘが３０ＭＰa以上となるか否かを判断し、３０ＭＰaに達しない場合はステップ８に進む。

（ステップ７）
ステップ５の操作でコモンレール圧指令値Ｘが３０ＭＰa以上となる場合は、コモンレール圧指令値Ｘを３０ＭＰaに抑える。

（ステップ８）
エンジン回転カウンタＩをカウントアップする。

（ステップ９）
エンジン回転速度センサ23により現在のエンジン回転速度Ｎeを検出し記憶する。

（ステップ１０）
現在クランキング時のエンジン回転速度Ｎeから前回クランキング時のエンジン回転速度Ｎ(-1)を差引くことにより、現在と前回のエンジン回転速度差△Ｎeを演算する。

（ステップ１１）
現在のエンジン回転速度Ｎeを、次回のエンジン回転速度差△Ｎeを演算するために記憶する。

（ステップ１２）
ステップ５またはステップ７で決定されたコモンレール圧指令値Ｘを電磁弁18に出力してクランキングを行なう。

（ステップ１３）
着火したか否かをエンジン回転速度差△Ｎeで識別判定し、前回と現在とのエンジン回転速度差△Ｎeが設定値を超えるか否か、例えばエンジン回転速度差△Ｎe＞１００ｒｐｍか否かを判断し、△Ｎe＞１００ｒｐｍでない場合は、ステップ３に戻り、△Ｎe＞１００ｒｐｍである場合は着火したと判定し、ステップ１４に進む。

（ステップ１４）
始動したか否かをエンジン回転速度Ｎeで識別判定するために、エンジン回転速度ＮeがＮe＞３００ｒｐｍか否かを判断する。Ｎe＞３００ｒｐｍでない場合は、着火はしているが連続燃焼が得られていないと判断して、ステップ１２に戻り、Ｎe＞３００ｒｐｍの場合は、連続燃焼によって所定のエンジン回転速度まで上昇できたと判断して、現在のコモンレール圧指令値Ｘを保持した状態で、始動制御を終了する。

図３は、以上の学習前の作動状態（２７ＭＰaで始動できた場合）を示す特性図であり、クランキングを例えば５回転するごとに、コモンレール圧指令値Ｘを最低値２０ＭＰaから最高値３０ＭＰaまで例えば１ＭＰaずつ段階的に上昇させる。

クランキングは概ね１００ｒｐｍで、５回転は約３秒、４気筒エンジンで１０（６気筒エンジンでは１５）燃焼サイクルずつ、コモンレール圧指令値Ｘを２０ＭＰaから３０ＭＰaに段階的に上昇させる。

着火したか否かをエンジン回転速度差△Ｎeで識別し、エンジン回転速度差が所定値以上のとき、例えば１回転前とのエンジン回転速度差△Ｎeが△Ｎe＞１００ｒｐｍのときは、そのコモンレール圧指令値Ｘを保持する。

そして、コモンレール圧が２０ＭＰaから３０ＭＰaの領域は、インジェクタ性能としては保証されていないが、始動時のクランキング中にコモンレール圧指令値Ｘを低圧域の初期値から段階的に上昇させながら、着火を認識するまで各コモンレール圧指令値で燃料を噴射することで、極低温に対応できる低いコモンレール圧指令値であっても着火可能なコモンレール圧指令値Ｘを効率よく探り出して、クランキング許容時間内に確実に着火できる。

さらに、エンジン回転速度センサ23からの検出信号によってＥＣＵ13が着火を確認する際は、現在クランキング時のエンジン回転速度Ｎeから前回クランキング時のエンジン回転速度Ｎ(-1)を差引くことにより演算したエンジン回転速度差△Ｎeが設定値（例えば１００ｒｐｍ）より大きい場合に着火を認識するので、エンジンがセルモータの外力で駆動されている状態からエンジンのシリンダ内の燃焼により自力で加速を始めた時点で、着火を確実に認識できる。

次に、図４および図５は他の実施の形態を示すフローチャートであり、ＥＣＵ13が、図１に示された方法で蓄積されたコモンレール圧学習値をＥＣＵ13のメモリにマッピングし、そのメモリのマップに基づいて、現在クランキング時のコモンレール圧指令値Ｘを効率良く決定するディーゼルエンジンの始動制御方法を説明する。

すなわち、図１に示されたフローチャートに基づく実施の形態では、始動の際に毎回無条件に最低の２０ＭＰaから開始するが、上記のように識別した着火しやすいコモンレール圧指令値Ｘが、ラジエータ21のエンジン冷却水温Ｔwに対するコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）としてメモリに記憶された学習制御マップがある場合は、始動時のエンジン冷却水温Ｔwの値に応じてメモリに格納されている既知のコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）を読出し、これに基づいてコモンレール圧指令値Ｘを決定してクランキングを開始する。

言換えると、エンジン始動を認識したときのコモンレール圧指令値とエンジン冷却水温との関係から学習制御マップを作成し、この学習制御マップおよび現在のエンジン冷却水温よりクランキング開始時のコモンレール圧指令値Ｘを決定する。

上記の学習制御マップは、ＥＣＵ13の電源が切れても記憶が消えないＥＣＵ13内の不揮発メモリに作成する。

図４に示されたフローチャートを説明する。

（ステップ２１）
エンジン11のクランキング回転数をカウントするエンジン回転カウンタＩを初期値１に設定する。

（ステップ２２）
ラジエータ21の現在のエンジン冷却水温Ｔwを水温センサ22により検出して読込む。

（ステップ２３）
ＥＣＵ13内の不揮発メモリにエンジン冷却水温Ｔwとの関係で作成されたコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）のマップから、エンジン冷却水温Ｔwに対する最適なコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）を検索する。学習制御マップは、エンジン冷却水温Ｔwの区間ごとに区切って、その区間ごとにコモンレール圧制御開始時のコモンレール圧指令値Ｘの初期値を決定するための圧力値を記憶する。

例えば、５℃の幅ごとに、Ｘｍ（−３５℃以下）、Ｘｍ（−３４℃〜−３０℃）、Ｘｍ（−２９℃〜−２５℃）、・・・・、Ｘｍ（−５〜０℃）、というように、コモンレール圧指令値の初期値を決定するためのコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）を不揮発メモリ上に割当てる。なお、メモリの初期状態では、学習制御によらないときの最低値（ここでは２０ＭＰa）を記憶させておく。

（ステップ２４）
コモンレール圧指令値Ｘを段階的に上昇させるときの初期値は、エンジン冷却水温Ｔwに対してメモリに記憶している始動成功時のコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）を基準に決定し、経時変化で最適のコモンレール圧指令値Ｘが前回値より低下している場合を想定して、メモリに記憶されている学習制御マップから検索したコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）より例えば２ＭＰa低い初期値から上昇を開始させる。

例えば、現在と同一のエンジン冷却水温Ｔwで前回始動に成功したコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）が２７ＭＰaであれば、現在のコモンレール圧指令値Ｘは、初期値２５ＭＰaから上昇を開始させる。もし前回成功値より低いコモンレール圧指令値に最適点がずれていても、始動できるようにするためである。

（ステップ２５）
コモンレール圧指令値Ｘの計算値が２０ＭＰaより低いか否かを判断する。

（ステップ２６）
コモンレール圧指令値Ｘの計算値が２０ＭＰa未満になるときは、２０ＭＰaを指令値とする。

（ステップ２７）
クランキングが例えば５回転か否かを判断し、５回転未満の場合はステップ３２に進む。

（ステップ２８）
クランキングが５回転に達した場合は、エンジン回転カウンタＩを初期値１に戻す。

（ステップ２９）
クランキングを例えば５回転するごとに、コモンレール圧指令値Ｘを例えば１ＭＰaずつ上昇させる。

（ステップ３０）
ステップ２９の操作でコモンレール圧指令値Ｘが３０ＭＰa以上になるか否かを判断し、３０ＭＰaに達しない場合はステップ３２に進む。

（ステップ３１）
ステップ２９の操作でコモンレール圧指令値Ｘが３０ＭＰa以上となっても始動が成功しない場合は、コモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）を最低の初期値（２０ＭＰa）に戻す。

すなわち、コモンレール圧指令値Ｘを３０ＭＰaまで上昇しても始動しないときは、学習制御マップの過去のレール圧が現在の適正値より高い方にずれてきた可能性があるので、ここでコモンレール圧指令値Ｘを最低の初期値に初期化する。

（ステップ３２）
エンジン回転カウンタＩをカウントアップする。

（ステップ３３）
エンジン回転速度センサ23により現在のエンジン回転速度Ｎeを検出し記憶する。

（ステップ３４）
現在クランキング時のエンジン回転速度Ｎeから前回クランキング時のエンジン回転速度Ｎ(-1)を差引くことにより、現在と前回のエンジン回転速度差△Ｎeを演算する。

（ステップ３５）
現在のエンジン回転速度Ｎeを、次回のエンジン回転速度差△Ｎeを演算するために記憶する。

（ステップ３６）
ステップ２９またはステップ３１で決定されたコモンレール圧指令値Ｘを電磁弁18に出力してクランキングを行なう。

（ステップ３７）
着火したか否かをエンジン回転速度差△Ｎeで識別判定し、前回と現在とのエンジン回転速度差△Ｎeが設定値を超えるか否か、例えばエンジン回転速度差△Ｎe＞１００ｒｐｍか否かを判断し、△Ｎe＞１００ｒｐｍでない場合は、ステップ２７に戻り、△Ｎe＞１００ｒｐｍである場合は着火したと判定し、ステップ３８に進む。

（ステップ３８）
始動したか否かをエンジン回転速度Ｎeで識別判定するために、エンジン回転速度ＮeがＮe＞３００ｒｐｍか否かを判断する。Ｎe＞３００ｒｐｍでない場合は、始動が確認できないので、ステップ３６に戻り、Ｎe＞３００ｒｐｍの場合は、始動を確認できたとして、現在のコモンレール圧指令値Ｘを保持した状態で、始動制御を終了する。

（ステップ３９）
始動が成功した時点でのコモンレール圧指令値Ｘを、現在のエンジン冷却水温Ｔwの値との関係でコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）として、メモリの学習制御マップに記憶する。

図５は、図４に示された実施の形態の学習値があるときの作動状態（２７ＭＰaで始動できた場合）を示す特性図であり、着火しやすいコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）が、各エンジン冷却水温Ｔwに対する学習制御マップとしてメモリに記憶されている場合には、始動時のエンジン冷却水温値に応じてメモリに記憶されている既知のコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）を読み出し、この既知のコモンレール圧学習値Ｘｍ（Ｔw）に基づいてコモンレール圧指令値Ｘを決定し、出力してクランキングを行なう。

このように、エンジン始動を認識したときのコモンレール圧指令値Ｘとエンジン冷却水温Ｔwとの関係をメモリに記憶させて作成した学習制御マップを用いて、現在のエンジン冷却水温Ｔwよりクランキング開始時のコモンレール圧指令値Ｘを決定するので、クランキング開始から時間をかけずに、極低温に対応できる低いコモンレール圧指令値であっても着火可能な最適のコモンレール圧指令値Ｘを効率よく探り出すことができ、コモンレール圧指令値Ｘが常に一定の初期値（例えば２０ＭＰa）から開始される場合よりもクランキング時間を短縮することができる。

なお、各実施の形態において、例示した数値は一例を示すもので、本発明は、その数値に限定されるものではない。

本発明は、ディーゼルエンジンを使用する際に利用可能である。

本発明に係るディーゼルエンジンの始動制御方法の一実施の形態を示すフローチャートである。同上エンジンの制御系を示す回路図である。同上制御系の学習前の作動状態（２７ＭＰaで始動できた場合）を示す特性図である。同上エンジンの始動制御方法の他の実施の形態を示すフローチャートである。図４に示された実施の形態の学習値があるときの作動状態（２７ＭＰaで始動できた場合）を示す特性図である。

符号の説明

11 ディーゼルエンジン（エンジン）
12 燃料噴射弁
14 コモンレール
16 燃料供給ポンプ

Claims

燃料供給ポンプからコモンレールを介して複数の燃料噴射弁にコモンレール圧の燃料を供給するコモンレール式ディーゼルエンジンの始動制御方法であって、
ディーゼルエンジンのクランキング状態時にコモンレール圧指令値を低圧域の初期値から段階的に上昇させながら、着火を認識するまで各コモンレール圧指令値で燃料を噴射する
ことを特徴とするディーゼルエンジンの始動制御方法。
現在クランキング時のエンジン回転速度から前回クランキング時のエンジン回転速度を差引くことにより、現在と前回のエンジン回転速度差を演算し、
このエンジン回転速度差が設定値より大きい場合に着火を認識する
ことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの始動制御方法。
エンジン始動を認識したときのコモンレール圧指令値とエンジン冷却水温との関係から学習制御マップを作成し、
この学習制御マップおよび現在のエンジン冷却水温よりクランキング開始時のコモンレール圧指令値を決定する
ことを特徴とする請求項１または２記載のディーゼルエンジンの始動制御方法。