JP2011132950A - 気体燃料エンジンの燃料噴射システム及び燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気体燃料エンジンにおいて、低温時における気体燃料噴射装置の作動確実性を高めることによりエンジンの始動性を向上させる。
【解決手段】本発明は、気体噴射装置の燃料噴射タイミングの制御方法に関する。一例では、燃料噴射装置は、飽和燃料噴射装置で構成されていて、所定のクランク角で開口される。一例では、この所定のクランク角は、エンジンのクランキング中にバッテリ電圧が増加する期間に対応している。
【選択図】図２Ａ

Description

本願は、自動燃料制御システム及び制御方法に関する技術分野に属する。

内燃機関における気体燃料の使用は、燃料消費量の低減と内燃機関のエミッションの低減との両立を図る一つの方法である。

気体燃料を使用した内燃機関は、液体燃料（例えばガソリン又はアルコール）を使用した内燃機関に勝る幾つかの利点を有している。例えば、気体燃料は低温で良く気化する。さらに、気体燃料は、燃焼前にエンジン内で凝縮（液化）されないので完全燃焼し易い。したがって、気体燃料を使用することにより、幾つかの状況において望まれないエミッションを低減することができる。

しかし、本発明の発明者は、気体燃料エンジンでは低温下での始動が困難であることに気付いた。何故なら、燃料噴射装置は低温下においても動作させる必要があるが、低温下では、車両電圧が燃料噴射装置の作動が困難なレベルまで低下してしまうからである。特に、エンジンのクランキングトルクが増加するにしたがって、エンジン速度及びバッテリ電圧は低下する。例えば、エンジンをクランキングしている間、スタータは、エンジンのクランクシャフトを回転させる。クランクシャフトが回転している間、エンジンシリンダは、燃焼用の空気を燃料と結合して燃焼可能に混合するために吸気及び排気を行う。クランクシャフトの回転に伴って、空気は、吸気工程でシリンダ内に流入するとともに圧縮工程で圧縮される。シリンダ位置が圧縮工程における上死点に近づくに連れて、エンジン始動トルクは増加する。何故なら、シリンダ内の空気を圧縮するための仕事が必要になるからである。そして、モータトルクはモータ電流に正比例するため、始動トルクが増加するに連れて、バッテリからモータへの供給電流は増加し、この電流の増加に伴って、バッテリ電圧は低下する。バッテリ電圧が、気体燃料噴射装置のための最小作動電圧を下回った場合には、燃料噴射装置が作動しないため、エンジンが始動しない可能性がある。

加えて、幾つかのタイプの燃料噴射装置（例えば、ピークホールド燃料噴射装置（高電圧で作動して低電圧では開いた状態に維持される燃料噴射装置））は、低温では燃料噴射装置の開弁力がさらに必要になるにも拘わらず、このタイプの燃料噴射装置では高価な電子駆動技術が必要となる点に留意するべきである。したがって、ピークホールド燃料噴射装置は好ましくない。さらに、ピークホールド燃料噴射装置は、より低い作動電圧を有する飽和燃料噴射装置（saturating fuel injector)が開発されているためその使用頻度は低い。しかしながら、低温下で生じる最小作動電圧であっても、作動性を確保することができる飽和燃料噴射器は未だ開発されていない。

そこで、発明者らは、エンジンに燃料を噴射する方法を開発した。この方法は、第１モードにおけるエンジンの始動中に、異なるクランク角期間において、気体燃料の少なくとも一部をエンジンのシリンダに供給するように気体燃料噴射装置の噴射タイミングを調整し、そして、気体燃料噴射装置への供給電圧が閾電圧を超えるクランク角において上記気体燃料噴射装置が開口するようにその燃料噴射タイミングを調整するものである。

気体燃料エンジンにおけるエンジンの冷間始動は、燃料の噴射開始タイミング（例えば、シリンダサイクル中において、燃料噴射装置に対してエンジンへの燃料供給を開始するよう要求があったクランク角）を、燃料噴射装置への供給電圧が高電圧になる時間帯に一致させるように調整することによって改善される。燃料噴射装置への供給電圧が高いときに、燃料噴射を一度に開始することによって、燃料噴射装置の作動確実性及び噴射燃料量を増加させることができる。例えば、単気筒エンジンにおいて、スタータ（始動装置）がシリンダの膨張工程中にクランクシャフトと共に連動する間、バッテリ電圧が増加する。膨張工程中においては、クランクシャフトを加速するために圧縮されたシリンダガスが膨張するとともに、低電流がスタータにより引き込まれる。それ故、燃料噴射装置への供給電圧が高くなるクランク角期間又はシリンダの膨張工程中において、気体燃料噴射装置を作動させることが好ましい。このような方法によれば、バッテリ電圧が低い場合であっても、低価格の飽和燃料噴射装置を作動させて気体燃料をエンジン内に供給することができる。多気筒エンジンの場合には、全てのシリンダのガス・トルクは、重畳されてネット・ガストルクとして出力される。ガス・トルクが最も小さい領域は、最も速いクランク速度、最も低いスタータ（始動）電流、及び最も高いバッテリ電圧を生じさせる。

４サイクルの４気筒エンジンでは、ファイヤリングエンジンであっても、クランキングサイクル中における高バッテリ電圧及び低バッテリ電圧が１８０°ＣＡ置きに繰り返される。したがって、バッテリ電圧が、燃料噴射装置の最小作動電圧を超えるクランク角領域又はクランク角期間も１８０°ＣＡ置きに計測される。

本発明の方法によれば、エンジンの始動性及びエミッションを改善することができる。さらに、この方法では、システムコストを低減することができる。何故なら、気体燃料噴射装置を作動させるためにピークホールド回路を必要としないからである。さらに、この車両電力システムでは、冷間時に燃料噴射装置を作動させるための性能アップを必要としない。

上記利点及び他の利点は、以下の説明を読み進めるだけで（又は添付の図面を参照しながら以下の説明を読み進めることで）速やかに理解することができる。

上述した概要は、以下に説明する実施例によって具現化される概念を抜粋して簡単化した形で紹介するべく記載されたものである。すなわち、請求項における重要な特徴又は不可欠な特徴を意味するものではなく、発明の範囲は、以下の詳細な説明の後に続く請求項によって一意的に特定される。さらに、クレームされた発明特定事項は、本明細書に開示された、上述の不利益を解決する如何なる実施例の構成又はその一部の構成にも限定されない。

実施例に係る直噴ガソリンエンジンを示す概略図である。 エンジンの冷間始動時において、第１エンジン速度にあるときの燃料噴射装置電圧を示す模式図である。 エンジンの冷間始動時において、第２エンジン速度にあるときの燃料噴射装置電圧を示す模式図である。 冷間始動時における直噴４気筒エンジンのポート燃料噴射タイミング信号を示す模式図である。 冷間始動時における直噴４気筒エンジンの直接燃料噴射タイミング信号を示す模式図である。 冷間始動時におけるＶ型６気筒エンジンのポート燃料噴射タイミング信号を示す模式図である。 冷間始動時におけるＶ型６気筒エンジンの直接燃料噴射タイミング信号を示す模式図である。 冷間始動時における燃料噴射タイミングの制御ルーチンを示すフローチャートである。

図１は、ガソリン直噴エンジン・システム（符号１０）の実施例を示す。具体的には、内燃機関１０は、複数のシリンダを有しており、図１ではそのうちの一つのシリンダを示している。エンジン１０は、電子式エンジン・コントローラ１２によって制御される。エンジン１０は、燃焼室３０とシリンダ壁３２とそこに配設され且つクランクシャフト４０に接続されたピストン３６とを有している。燃焼室３０は、吸気マニホルド４４及び排気マニホルド４８にそれぞれ吸気バルブ５２及び排気バルブ５４を介して連通している。吸気バルブ５２は、可変カム５１によって駆動される。排気バルブ５４は、可変カム５３によって駆動される。吸気カム５１の位置は、カムセンサ５５によって検出される。排気カム５３の位置はカムセンサ５７によって検出される。

吸気マニホルド４４は、スロットルプレート６４を介してスロットル本体６２に接続されている。一実施例において、電子制御スロットルを使用することができる。一実施例において、スロットルは、マニホールド４４内が指定された真空レベルになるように、周期的に又は連続的に電子制御される。或いは、スロットルボディ６２及びスロットルプレート６４は、省略することができる。

燃焼室３０は、コントローラ１２からの信号（ｆｐｗ）のパルス幅に応じた燃料を供給するための燃焼噴射装置６６を備えて示されている。燃料は、燃料タンク及び燃料レール（図示省略）を有する従来の気体燃料システム（図示省略）によって飽和燃料噴射装置６６へと供給される。直噴エンジンにおいては、図１に示すように、燃料圧力を増大するために燃料圧力増大装置を設けることができる。別の実施例では、気体燃料は、各シリンダにポート噴射されるものであってもよいし、また、中心燃料噴射装置は、全てのシリンダに燃料を供給するものであってもよい。燃料噴射装置６６は、ドライバ回路６８によって供給される電流により駆動される。

点火プラグ９２は、燃料室３０の点火源を燃焼室３０の内部に提供する。スパークを発生させるためのエネルギーは、点火システム８８によって提供される。コントローラ１２は、点火プラグ９２に電圧を供給するイグニションコイルへの供電を調整する。

実施例において、コントローラ１２は、従来のマイクロコンピュータであって、マイクロプロセッサ・ユニット１０２、入出力ポート１０４、読出し専用メモリ１０６、ランダム・アクセス・メモリ１０８、及びＫＡＭ（キープ・アライブメモリ）１１０を有している。マイクロプロセッサ１０２は、電子的にプログラミング可能に構成されていて、本願明細書に記載されたルーチンを実行可能になっている。

コントローラ１２は、エンジン１０に連結された様々なセンサからの信号を受信する。具体的には、エアフローセンサ１２０からの吸入空気の測定質量信号（ＭＡＦ）、冷却ジャケット１１４に連結された温度センサ１１２からのエンジンの冷却水温度信号（ＥＣＴ）、吸気マニホールド４４に連結されたマニホールド圧センサ１２２からの測定マニホールド圧信号（ＭＡＰ）、スロットルプレート６４に連結されたスロットル位置センサ５８からの測定スロットル位置信号（ＴＰ）、そして、エンジン速度を示す、クランクシャフト２０に連結されたホール効果センサ１１８（又は可変抵抗）からのプロファイル点火ピックアップ信号（ＰＩＰ）を含むが、これらに限定はされない。

排気システムに存在する酸素濃度は、酸素センサ１２６によって評価される。さらに、付加的な酸素センサ（図示省略）を、触媒７０の後方に配設することもできる。酸素センサ１２６は、酸素センサ部間においてエンジン供給ガスの酸素濃度を検出する。酸素センサ１２６は、線形化された出力を有するワイドレンジのセンサ、又は、ストイキ状態の近傍で高いゲイン信号を指し示すセンサであってもよい。さらに、ドライバ・ペダル１３０が、ドライバの足１３２に沿って示されている。ペダル位置センサ１３４は、ドライバ駆動ペダルの角度位置を測定する。

エンジン１０は一例として示されたものである。そして、本明細書において記載されているシステム及び方法は、適切な構成機器及び／又は機器配置を有する他のエンジンに対しても適用することができる。

上述したように、エンジン始動中における燃料噴射装置への供給電圧は、エンジンのクランクシャフトが回転するに連れて変化する。さらに、燃料噴射装置電圧は、バッテリ濃度、バルブタイミング、及びバッテリ負荷に応じて変化させることもできる。冷間始動時における燃料噴射装置の作動確実性を向上させるために、燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧よりも高くなるクランクシャフト角を検出することは有益である。

仮に、エンジン燃料噴射装置を、その供給電圧が最小作動電圧よりも高くなるランクシャフト角度で作動させた場合には、エンジンの始動性は改善される。

図２Ａには、冷間始動時において、第１エンジン速度における単気筒エンジンの燃料噴射装置への供給電圧を模擬したグラフを示す。Ｙ軸は、燃料噴射装置の供給電圧を表し、グラフの下側から上側に向かって、燃料噴射装置の供給電圧が増加することを意味する。Ｘ軸は時間を表し、グラフの左側から右側に向かって経過時間が増加することを意味する。燃料噴射装置の供給電圧２００は、時間と共に変化して、本実施例ではクランク角で見て７２０°の周期で変化する。特に、クランキング中にエンジンが回転するにしたがって、エンジンシリンダは、吸気、圧縮、膨張、及び排気の工程を行う。

グラフは、シリンダのストローク（各工程サイクル）に対する燃料噴射装置への供給電圧を示している。垂直線は、シリンダストロークの開始時期と終了時期とを示している。この例では、吸気工程を「吸気」、圧縮工程を「圧縮」、膨張行程を「膨張」、排気工程を「排気」として簡略化して表示している。図では、膨張工程中において、燃料噴射装置への供給電圧はエンジンサイクル中で最大に達することがわかる。さらに、吸気工程中において、燃料噴射装置への供給電圧は低く、そして、シリンダのストロークと共に部分的に増加する。仮に、燃料噴射装置への供給電圧が、吸気工程中に燃料噴射装置の最小作動電圧を超える場合には、燃料噴射装置への供給電圧が該最小作動電圧を上回るクランク角期間において燃料噴射装置を作動させることが好ましい。エンジンが二つ以上のシリンダを有する場合には、上記電圧はシリンダの数分だけ区画された７２０°ＣＡの周期を繰り返す。図２Ａはまた、シリンダ・サイクルに対応するエンジンサイクルを示している。エンジンサイクル中において、燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧を上回る期間又はクランク角が存在する場合がある。以下、このクランク角は、噴射クランク角と呼ぶ。噴射クランク角は、燃料噴射装置が利用することができる燃料噴射装置供給電圧及び燃料噴射装置の最小作動電圧に依存して変化する。図２Ａは、シリンダサイクルに対応する噴射クランク角を示している。

図２Ａと同様に図２Ｂには、冷間始動時において第２エンジン速度における、単気筒エンジンの燃料噴射装置供給電圧を模擬したグラフを示す。また、Ｙ軸は、燃料噴射装置の供給電圧を表し、グラフの下側から上側に向かって、燃料噴射装置の供給電圧が増加することを意味する。Ｘ軸は時間を表し、グラフの左側から右側に向かって経過時間が増加する。燃料噴射装置の供給電圧２０２は、時間と共に変化することが図示されている。図２Ｂは、図２Ａと同様の表示や印を使用する。図２Ｂでは、シリンダサイクル中において、分解能が増加した燃料噴射装置を使用したときの供給電圧を示している。さらに、図２Ｂは、特定のシリンダサイクルの膨張行程中に生じる最大電圧を示していて、この最大電圧は「最大Ｖ」として示されている。

図３は、直列４気筒エンジンの冷間始動時における、燃料のポート噴射タイミングの信号を模式的に示した図である。垂直標識３００は、冷間始動時におけるエンジン回転の開始時期を示している。エンジンは、垂直標識３００の左側では停止していて、該標識３００の右側では、シリンダがストロークする。左端の番号は、シリンダ番号を示していて、図では、ＮＯ１シリンダの後に、ＮＯ３、ＮＯ４、及びＮＯ２シリンダが続くことを意味している。各垂直線分は、それぞれのシリンダにおける上死点及び下支点のピストン位置を表している。

ボックス３０２は、ＮＯ１シリンダが膨張行程にあるときの燃料噴射装置の噴射クランク角に対応している。このボックス内の二つの数字は、ＮＯ１シリンダの膨張工程中において燃料噴射を開始するべきシリンダ番号を示している。この例では、ＮＯ２及びＮＯ４シリンダが、燃料噴射装置が作動するシリンダとして示される。ＮＯ１シリンダが膨張工程にある間、ＮＯ２シリンダが排気工程にあり、ＮＯ４シリンダが吸気工程にあることがわかる。気体燃料は、噴射クランク角３０２において、ＮＯ２又はＮＯ４シリンダに噴射される。気体燃料が、ＮＯ２シリンダに噴射される場合、若干のガスが、ＮＯ２シリンダに流入する前に吸気マニホールドに導入される。気体燃料が、ＮＯ４シリンダに噴射される場合、燃料がＮＯ２シリンダに噴射される場合と比較して、大量の燃料がＮＯ４シリンダに噴射される。同様の噴射タイミングは、ＮＯ１シリンダの後続のサイクルとして示されている。

燃料噴射装置開口タイミングボックス３０４は、ＮＯ３シリンダが膨張工程にあるときの燃料噴射装置の噴射クランク角に対応している。該ボックス内の二つの数字は、ＮＯ１シリンダの膨張行程中に噴射開始することが適切なシリンダ番号を示す。また、燃料噴射装置開口タイミングボックス内の二つの数字は、ＮＯ３シリンダの膨張行程中に噴射を開始することが適切なシリンダ番号を示す。ＮＯ１及びＮＯ２シリンダは、作動させるべきシリンダ燃料噴射装置を示している。ＮＯ２シリンダは、排気工程になる。そして、ＮＯ４シリンダは、この期間中は吸気工程になる。これにより、上述した同じ基準に基づくいずれかの燃料噴射装置による噴射が可能となる。同様に、燃料噴射装置開口タイミングボックス３０６及び３０８は、ＮＯ１及びＮＯ３シリンダのための燃料噴射タイミングを示す。

図３〜図６に示す噴射タイミングは一例である。

噴射クランク角は、燃料噴射装置供給電圧が、噴射装置最小作動電圧又は閾電圧よりも大きい如何なるクランク角期間であってもよい。図４では、冷間始動時における直列４気筒エンジンための直接燃料噴射タイミング信号を模式的に示している。垂直標識４００は、冷間始動時におけるエンジン回転の開始時期を示している。

図３と同様に、エンジンは、垂直標識３００の左側では停止していて、該標識３００の右側では、シリンダがストロークする。図３と図４とでは、燃料噴射装置開口タイミングボックスを除いて共通の表示や印を使用している。

直噴エンジンのための燃料噴射装置の開口タイミングは、ポート燃料噴射エンジンと比較すると、直噴エンジンでは、シリンダサイクル中において吸気バルブが開いているとき又はシリンダが圧縮工程にあるときに、燃料をシリンダに注入することができる点で異なっている。他方では、特定のシリンダサイクルにおいて燃料をシリンダに注入するために、ポート燃料噴射装置は、シリンダの吸気バルブが開く前又は吸気バルブが開く間に燃料を噴射する。そして、シリンダの吸気バルブが閉じられているときに、気体燃料がシリンダに噴射された場合には、噴射された燃料の一部が吸気マニホールドに入って他のシリンダに導入される。このように燃料噴射タイミングは、ポート燃料噴射システムと直接燃料噴射システムとでは異なっている。

燃料噴射装置開口タイミングボックス４０２では、ＮＯ１シリンダは膨張ストロークにある。燃料噴射装置供給電圧はこの時点で高電圧であるため、ＮＯ３及びＮＯ４シリンダに燃料を注入することが適切である。ＮＯ１シリンダの膨張工程中において、ＮＯ４シリンダは吸気工程にある。そして、ＮＯ３シリンダは圧縮工程にある点に留意すべきである。燃料が４０２に示すタイミングでＮＯ３シリンダ又はＮＯ４シリンダに噴射される場合には、噴射される燃料の大半が吸気マニホールド及び他のシリンダへと流れることによりむしろ各シリンダ（ＮＯ３，ＮＯ４シリンダ）に入り易くなる。このように、ＮＯ１シリンダが膨張工程にあるときには、ＮＯ４シリンダ又はＮＯ３シリンダに燃料を噴射することが望ましい。

燃料噴射装置開口タイミングボックス４０４では、ＮＯ３シリンダが膨張工程にある。ＮＯ２シリンダは吸気工程にあり、ＮＯ４シリンダは圧縮工程にあるため、ＮＯ２及びＮＯ４シリンダの一方又は両方に対して、燃料噴射装置開弁タイミング４０４により示されるタイミングで燃料を噴射することが適切である。同様に、４０６では、ＮＯ１シリンダが吸気工程にあり、ＮＯ２シリンダが圧縮工程にある一方、ＮＯ４シリンダは膨張工程にある。したがって、燃料噴射装置開口タイミングボックス４０６では、ＮＯ１及びＮＯ２シリンダの一方又は双方に燃料を注入することが好ましい。同様に、燃料噴射装置開口タイミングボックス４０８では、ＮＯ３シリンダが吸気工程にありＮＯ１シリンダが圧縮工程にある一方、ＮＯ２シリンダは膨張工程にある。したがって、燃料噴射装置開口タイミングボックス４０８では、ＮＯ１及びＮＯ３シリンダの一方又は双方に燃料を噴射することが好ましい。エンジンが回転するに連れて、エンジン位置はグラフの右側へと移動し、さらなる燃料噴射装置開弁ボックスが示される。さらに、エンジンが一旦始動して燃料噴射装置の電圧が燃料噴射弁の最小作動電圧を超えると、各シリンダにおける燃料噴射弁器の開口タイミングは、エンジン速度及びエンジン負荷に基づく基準燃料噴射タイミングに切り替わる。

１８０°ＣＡごとに燃料イベントを有する４気筒エンジンとは異なり、６気筒エンジンは、１２０°ＣＡごとに燃料イベントを有する。それ故、４気筒エンジンと比較して、６気筒エンジンのシリンダの各工程間においては異なるオーバラップが生じる。さらに、一つのシリンダにおけるストロークのタイミングは、他の二つのシリンダのストロークタイミングに対応する。例えば、６気筒エンジンにおける、ＮＯ１シリンダの膨張ストローク中においては、ＮＯ５、ＮＯ３、ＮＯ２、及びＮＯ４は、他の二つの工程（例えば、圧縮及び膨張工程）と同期してストロークする。他方、４気筒エンジンにおいては、一のシリンダの工程は、他の一つのシリンダの工程に一致する。例えば、ＮＯ１シリンダの膨張工程は、ＮＯ３シリンダの圧縮工程のタイミングに同期する。したがって、燃料噴射装置供給電圧が高くなるクランク角期間における６気筒エンジンへの噴射タイミングは、４気筒エンジンとは異なる。

図５を参照して、Ｖ６エンジンの冷間始動時におけるポート燃料噴射タイミング信号の模式図を示す。垂直標識５００は、冷間始動時におけるエンジン回転の始まりを示す。エンジンは、垂直標識５００の左側では停止していて、該標識５００の右側では、シリンダがストロークする。左側の添え字は、ＮＯ１シリンダの後に、ＮＯ５、ＮＯ３、ＮＯ６、ＮＯ２、及びＮＯ４シリンダが続くことを意味する。垂直線分は、各シリンダにおけるピストンの上死点位置及び下死点位置を表している。

燃料噴射装置開口タイミングボックス５０２は、ＮＯ１シリンダが膨張工程にあるときの燃料噴射装置の開口クランク角期間に対応している。該ボックス内の三つの数字は、ＮＯ１シリンダの膨張行程中に噴射を開始することが適切なシリンダ番号を示す。この例では、シリンダＮＯ３、ＮＯ６及びＮＯ２が、燃料噴射装置が作動されるシリンダとして示されている。ＮＯ１シリンダが膨張工程にあるときに、ＮＯ３シリンダが吸気工程の終端にあり、ＮＯ６シリンダが吸気工程にあり、ＮＯ４シリンダが、丁度、吸気工程前の排気工程にある。気体燃料がＮＯ２シリンダに噴射される場合、若干のガスは、ＮＯ２シリンダに導入される前に吸気マニホールドに流入する。気体燃料がＮＯ３又はＮＯ６シリンダに噴射される場合、燃料がＮＯ２シリンダに噴射される場合と比較して、大量の燃料がＮＯ３及びＮＯ６シリンダに流入可能となる。

燃料噴射装置開口タイミングボックス５０４、５０６、５０８、５１０、及び５１２は、ＮＯ１シリンダと同様のタイミングを示すことがわかる。しかしながら、シリンダの各工程間のオーバラップは各シリンダごとに異なるため、燃料噴射装置開口タイミングボックスに表示された数字はシリンダごとに異なる。そして、図３及び図４に示す様に、エンジンが回転するにしたがって、エンジン位置は、グラフの右側へと移動して、さらなる燃料噴射装置開口タイミングボックスが示される。さらに、前述したように、エンジンが一旦始動して燃料噴射装置の電圧が燃料噴射弁の最小作動電圧を超えると、各シリンダにおける燃料噴射弁器の開口タイミングは、エンジン速度及びエンジン負荷に基づく基準燃料噴射タイミングに切り替わる点に留意すべきである。

前述したように、直噴エンジンのための燃料噴射装置の開口タイミングは、ポート燃料噴射エンジンと比較すると、直噴エンジンでは、シリンダサイクル中において吸気バルブが開いているとき又はシリンダが圧縮工程にあるときに、燃料をシリンダに注入することができる点で異なっている。また、上述したように、シリンダの各工程間のオーバラップは、４気筒エンジンと６気筒エンジンとで異なっている。図６には、６気筒直噴エンジンにおける燃料噴射タイミングの一例を示す模式図である。

垂直標識６００は、冷間始動時におけるエンジン回転の開始時期を示している。エンジンは、垂直標識６００の左側では停止していて、該標識６００の右側では、シリンダがストロークする。左端の番号は、シリンダ番号を示していて、図では、ＮＯ１シリンダの後に、ＮＯ５、ＮＯ３、ＮＯ６、ＮＯ２、及びＮＯ４シリンダが続くことを示している。各垂直線分は、それぞれのシリンダの上死点及び下支点のピストン位置を表す。

燃料噴射装置開口タイミングボックス６０２は、ＮＯ１シリンダが膨張行程にあるときの燃料噴射装置の開口クランク角期間に対応している。該ボックスの三つの数字は、ＮＯ１シリンダの膨張行程中に噴射を開始することが適切なシリンダ番号を示す。この例では、ＮＯ５、ＮＯ３、及びＮＯ６が、燃料噴射装置が作動されるシリンダとして示されている。ＮＯ１シリンダが膨張工程にある間、ＮＯ５シリンダは圧縮工程にあり、ＮＯ３シリンダは吸気及び圧縮工程にあり、ＮＯ６シリンダは吸気工程にあることがわかる。気体燃料がＮＯ５、ＮＯ３、又はＮＯ６シリンダに直接噴射される場合、大部分の燃料がそれが噴射されたシリンダ内に止まる。何故なら、シリンダは吸気工程にあるか又はシリンダの吸気バルブが閉じられた状態にあるからである。

燃料噴射装置開口タイミングボックス６０４，６０６，６０８，６１０，及び６１２は、ＮＯ１シリンダと同様のタイミングを示す。しかしながら、燃料噴射装置開口タイミングボックス内の数字は、シリンダ毎に変化する。何故なら、シリンダの各工程間のオーバラップはシリンダ毎に異なるからである。そして、図３、図４、図５の様に、エンジンが回転し、そして、エンジン位置が変化するにしたがって、グラフの右側へと移動して、さらなる燃料噴射装置開口タイミングボックスが示される。さらに、前述したように、エンジンが一旦始動して燃料噴射装置の電圧が燃料噴射弁の最小作動電圧を超えると、各シリンダにおける燃料噴射装置の開口タイミングは、エンジン速度及びエンジン負荷基づく基準燃料噴射タイミングに設定される点に留意すべきである。

図７には、シリンダ内に気体燃料を噴射するルーチンのフローチャートが示されている。図３〜６で例示される燃料噴射タイミングは、図７のルーチンに含まれる点に留意する必要がある。さらに、ルーチンは、プログラミング可能になっていて、図１のエンジンコントローラ１２によって実行される。

ルーチン７００のステップＳ７０２では、エンジンが冷間始動状態にあるか否かを判断する。一実施例において、ルーチン７００では、エンジンが冷間始動したか否かを決定するためのエンジン作動パラメータを検出（測定）する。例えば、エンジン冷却水温度が閾温度を下回り且つエンジン速度が閾速度を下回る場合には、エンジンが冷間始動状態にあると判断することができる。

ルーチン７００のステップＳ７０４では、基準燃料噴射タイミングから冷間始動噴射タイミングに移行（シフト）する。本実施例において、基準燃料噴射タイミングは、エンジン速度及びエンジン負荷に基づいて経験的に決定される。例えば、エンジン速度が低いときに、直接燃料噴射装置は、圧縮工程における上死点前１６０°ＣＡにおいて燃料を噴射し始める。より高いエンジン速度においては、直接燃料噴射装置は、吸気工程における下死点前２０°ＣＡにおいて燃料を噴射し始める。このように、気体燃料噴射装置の開口動作は、エンジン速度及びエンジン負荷に関連するクランク角に調整される。燃料噴射装置の開弁及び閉弁タイミングは、燃料噴射装置の性能、燃料タイプ、及びエンジンデザインに応じて変化する。燃料噴射タイミングの切替えは、エンジン停止後における最初の燃料噴射前に実行される。一実施例において、各シリンダに対する燃料噴射装置の開口タイミングは、シリンダに適切に燃料を噴射するクランク角期間において、燃料噴射装置供給電圧が最も高くなると予測されるクランク角期間に変更される。例えば、一つのシリンダ（エンジンの燃焼順序で見て膨張工程に対して先行する直前のシリンダ）に対する燃料噴射は、膨張工程に入ってから６０°クランク角が経過した時に実行される。燃料噴射装置開口タイミングは、燃料が噴射されるシリンダの排気工程、吸気工程、又は圧縮工程において遅れてもよい。さらに、噴射タイミングは、エンジン温度によって変化させるようにしてもよい。

このように、第１モードにおいては、エンジン始動時に、気体燃料の燃料噴射タイミングは、異なるクランク角期間において、少なくとも一部の燃料がシリンダに供給されるよう調整される。そして、第２モードにおいては、気体燃料の燃料噴射タイミングは、エンジン速度及びエンジン負荷に応じて調整される。

ルーチン７００におけるステップＳ７０６では、エンジンに燃料を噴射することなしにエンジンを回転させるべきか否かを判定する。一実施例において、燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧よりも大きくなるクランク角（例えば、エンジンサイクル中におけるピーク電圧又は最大電圧が検出されるクランク角）を決定するエンジンサイクル又はエンジンサイクルの少なくとも一部を経由してからエンジンを回転させることが望ましい。エンジンは、燃料を噴射することなく、一回転、半回転、又は若干、分数回転するものとしてもよい。エンジンを回転させるべきか否かについての判定は、エンジンコントローラに、燃料噴射装置供給電圧が高くなると予測されるクランク角が設定されているか否かに基づいて行うことができる。エンジンコントローラが、燃料噴射装置供給電圧が高電圧になると予測されるクランク角をメモリに記憶している場合には、ルーチン７００はステップ７０８に進んで、ステップ７０８では、エンジン回転させるとともにエンジンを始動させるために燃料を噴射する。

ステップ７１４では、ルーチン７００は、エンジンに燃料を噴射することなく、エンジンを一回転又は少なくとも分数回転させる。エンジンが回転している間、ルーチン７００は、燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧を超えるクランク角期間を記録する。実施例において、燃料噴射装置供給電圧は、各燃料噴射装置のそれぞれにおいてモニタされる。他の実施例において、電圧源と燃料噴射装置との間の電圧をモニタすることができる。

ルーチン７００におけるステップ７０８では、エンジンを始動させるべく、回転中のエンジンに対して燃料を噴射する。実施例において、エンジンコントローラは、燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧を超えると予測されるクランク角期間において燃料を噴射するようにプログラムされていて、このクランク角期間では、所定のシリンダに対して燃料噴射が行われる。例えば、燃料噴射装置供給電圧が、ＮＯ１シリンダの膨張工程における０〜６０°ＣＡのクランク角期間において高電圧になると予測される場合には、図４にて示されるタイミングにしたがって、この期間内に気体燃料をＮＯ３又はＮＯ４シリンダに噴射することが好ましい。このように、気体燃料噴射装置の開口動作は、エンジンの燃焼順序で見てシリンダの膨張工程に対して先行する直前のシリンダおいて実行される。換言すると、燃料は、一のシリンダが膨張工程にある間に又は燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧を超える期間中に他のシリンダに噴射される。

他の実施例では、ルーチン７００は、エンジンの回転にしたがって、燃料噴射装置供給電圧をモニタする。燃料噴射装置供給電圧が、最小作動電圧を超えたときには、吸気又は圧縮工程にあるシリンダの燃料噴射装置が、該シリンダ内に燃料を供給するために開口される。

さらに他の実施例において、ルーチン７００がステップ７１４から開始する場合には、燃料は、燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧を超えるクランク角期間において噴射される。また、燃料は、燃料噴射装置供給電圧が燃料噴射装置の最小作動電圧を超えるときに、シリンダに噴射されることが好ましい。

さらに他の実施例では、気体燃料噴射装置が、異なるクランク角期間において、気体燃料の少なくとも一部をエンジンのシリンダに供給するように、燃料噴射タイミングを調整するようにしてもよい。この場合において、上記異なるクランク角期間は、バッテリ電圧がシリンダ内のガストルクに起因して周期的に変化したときの最大バッテリ電圧に対応する。

このように、ルーチン７００のステップ７０８では、燃料噴射装置供給電圧が、燃料噴射装置の最小作動電圧よりも大きくなるクランク角期間に一致するように燃料噴射装置の開口開始タイミングを調整。このような方法によれば、燃料噴射タイミングは、冷間時におけるエンジン始動のための燃料噴射の作動確実性が改善されるように、燃料噴射装置供給電圧に基づいて調整される。さらに、燃料噴射装置の開口タイミングは、燃料噴射装置供給電圧が閾値よりも大きくなるように調整されるが、燃料噴射装置の開口期間は、環境又はエンジン温度に応じて変化するようにしてもよい。例えば、より高密度の空気を捕獲するべく、冷間状態にあるエンジンに対して追加燃料を供給するようにしてもよい。

ルーチン７００におけるステップ７１０では、エンジンが始動したか否かを判定する。実施例において、ルーチンは、エンジン速度が、所定時間内に予め定められた閾速度を超えた場合には、エンジンが始動したと判断するエンジン速度が閾速度を越えなかった場合には、ルーチン７００は出口に向かう。

エンジン速度が閾速度を超えた場合には、ルーチン７００は７１２へと向かう。ステップ７１２では、ルーチン７００は、燃料噴射タイミングを、基準燃料噴射装置供給電圧に基づくタイミングに戻す。一実施例において、各シリンダの噴射装置の開口タイミングは、エンジン燃焼順序にしたがって連続的に変化する。燃料噴射タイミングの調整は、噴射タイミングの変更によって燃料噴射が中断されないように、燃料噴射が行われていないシリンダに対して実行される。燃料噴射タイミングを、燃料噴射装置供給電圧に基づくタイミングから基準燃料噴射タイミングに切り換えた後は、ルーチン７００はルーチン出口へと進む。

燃料噴射装置タイミングを、燃料噴射装置供給電圧に基づくタイミングから基準燃料噴射タイミングに切り換えることなくルーチン７００を抜けると、ルーチン７００は、エンジンが始動するか又はエンジン始動要求が取り下げられるまで繰り返し実行される点に注意すべきである。

本願明細書において開示される構成及びルーチンは、例示に過ぎず、これらの特徴的な例は、限定的に解釈されるべきではない。何故なら、多くの変形例が可能だからである。例えば、上述のアプローチは、Ｖ６、直４、直６、Ｖ１２、水平対向４気筒エンジン、及びその他のタイプのエンジンに対しても適用することができる。

本明細書の構成は、本明細書において開示された、新規性及び進歩性のある、様々なシステム、構成、特徴、機能、及び/又は特性の全て又は一部の組み合わせを含むものとすることができる。

以下の請求項は、新規性及び進歩性を有すると考えられる全て又は一部の組み合わせを示している。これらの請求項は、「一つ」の構成要件又は「第一」の構成要件、又はそれと等価な構成要件に言及している。このような請求項は、一つ以上の要件を含んでいるものと理解することができ、二つ以上の要件を含むことを排除するものではない。開示された特徴、機能、及び要素、及び/又は特性の全て又は一部の組み合わせが可能である。

本発明は、気体燃料エンジンの燃料噴射システム及び燃料噴射方法に有用である。

Claims (21)

1. エンジンに燃料を噴射する方法であって、
   第１モードにおいて、エンジンの始動に際して、異なるクランク角期間においてそれぞれ、気体燃料の少なくとも一部をエンジンのシリンダに供給するべく気体燃料噴射装置の噴射タイミングを調整する第１調整工程と、
   上記気体燃料噴射装置への供給電圧が閾電圧を超えるクランク角期間内に、上記気体燃料噴射装置が開口するように該開口動作を調整する第２調整工程とを備えいてることを特徴とする噴射方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   上記第１調整工程は、膨張行程にあるシリンダに対しエンジンの燃焼順序で見て先行する直前のシリンダにおいて、上記気体燃料噴射装置を開口させる工程であることを特徴とする噴射方法。
3. 請求項１記載の方法において、
   上記第１調整工程における上記異なるクランク角期間は、エンジン温度が変化するにしたがって変化するように予め設定された期間であることを特徴とする方法。
4. 請求項１記載の方法において、
   上記第２調整工程は、エンジンのクランキング中に上記気体燃料噴射装置への供給電圧を検出し、該検出した供給電圧が閾電圧を超えたときに上記気体燃料噴射装置を開口する工程であることを特徴とする方法。
5. 請求項１記載の方法において、
   気体燃料噴射装置は、飽和燃料噴射装置であることを特徴とする方法。
6. 請求項１記載の方法において、
   上記第２調整工程は、気体燃料噴射装置の開口動作を、上記シリンダの膨張工程における少なくとも一部の区間内において実行する工程であることを特徴とする方法。
7. 請求項６記載の方法において、
   所定のシリンダサイクルが実行された際の気体燃料噴射装置への供給電圧のピーク電圧は、上記シリンダの圧縮工程の上死点後６０°ＣＡ近傍、又は、燃焼順序で見てシリンダに対し先行する直前のシリンダの圧縮工程の上死点後６０°ＣＡ近傍おいて生じるものであることを特徴とする方法。
8. 請求項１記載の方法において、
   第２モードの始動に際しておいて、シリンダに対して、上記第１モードとは異なるタイミングで気体燃料が供給されるように、上記気体燃料噴射装置の噴射タイミングを調整する第３調整工程をさらに含むことを特徴とする方法。
9. 請求項１記載の方法において、
   第２調整工程は、気体燃料噴射装置を開口してシリンダ内に気体燃料を噴射する前に、上記エンジンのクランクシャフトを、少なくとも一回、回転させる工程であることを特徴とする方法。
10. 請求項９記載の方法において、
    第２調整工程は、エンジン停止状態から、クランクシャフトを少なくとも一回、回転させた後に続くエンジンサイクル中に気体燃料を噴射する工程であることを特徴とする方法。
11. 気体燃料エンジンを始動させる方法であって、
    エンジンの始動に際して、異なるクランク角期間においてそれぞれ、気体燃料の少なくとも一部をエンジンのシリンダに供給するべく、気体燃料噴射装置の燃料噴射タイミングを調整する第１調整工程と、
    上記気体燃料噴射装置の開口タイミングを、気体燃料噴射装置への供給電圧が閾電圧を超えるクランク角期間に調整する第２調整工程と、
    上記少なくとも一回のクランクシャフトの回転によって、供給電圧が上記閾電圧を超えた後は、上記気体燃料噴射装置の燃料噴射タイミングを、上記エンジン速度及びエンジン負荷に基づくクランク角期間に調整する第３調整工程とを備えていることを特徴とする方法。
12. 請求項１１記載の方法において、
    上記第２調整工程は、気体燃料噴射装置に対する供給電圧がエンジンサイクル中において最大となるクランク角期間に気体燃料噴射装置が開口するように、該開口動作を調整する工程であることを特徴とする方法。
13. 請求項１１記載の方法において、
    上記第２調整工程は、気体燃料エンジンのシリンダの膨張行程中に上記気体燃料噴射装置が開口するように該開口動作を調整する工程であることを特徴とする方法。
14. 請求項１１記載の方法において、
    気体燃料噴射装置は飽和燃料噴射装置であることを特徴とする方法。
15. 請求項１１記載の方法において、
    上記第２調整工程は、エンジン温度の変化に応じて、上記気体燃料噴射装置の開口時間を調整する工程であることを特徴とする方法。
16. シリンダを有するエンジンと、
    上記エンジンのシリンダに燃料を噴射する気体燃料噴射装置と、
    電子記憶媒体を有するコントローラと、を備え、
    上記電子記憶媒体は、
    第１モードにおいて、気体燃料噴射装置への供給電圧が閾電圧を超えるクランク角期間に上記気体燃料噴射装置を開口させる命令と、
    上記エンジン温度が閾温度以上になったときに第２モードに移行して、該第２モードにおいて、上記エンジンの速度及び負荷に基づくクランク角期間に、気体燃料噴射装置を開口させる命令と、を有していることを特徴とするシステム。
17. 請求項１６記載のシステムにおいて、
    上記第１モードでは、上記気体燃料噴射装置を開口する前に、上記エンジンのクランクシャフトを少なくとも一回、回転させることを特徴とするシステム。
18. 請求項１６記載のシステムにおいて、
    上記第１モードでは、バッテリ及びオルタネータのうちの少なくとも一方から気体燃料噴射装置に対して供給される電圧が最大となるクランク角において、上記気体燃料噴射装置を開口させることを特徴とするシステム。
19. 請求項１６記載のシステムにおいて、
    上記第１モードでは、上記エンジン温度に応じて、上記気体燃料噴射装置の開口タイミングを調整することを特徴とするシステム。
20. 請求項１６記載のシステムにおいて、
    第１モードは、第１の量の燃料を噴射するモードであり、
    第２モードは、第２の量の燃料を噴射するモードであり、
    上記第１の量は、上記第２の量よりも多いことを特徴とするシステム。
21. エンジンに燃料を噴射する方法であって、
    第１モードにおけるエンジンの始動に際して、異なるクランク角期間にてそれぞれ、気体燃料の少なくとも一部をエンジンのシリンダに供給するべく、気体燃料噴射装置の噴射タイミングを調整する工程を含み、
    上記異なるクランク角期間はそれぞれ、シリンダ内のガストルクに起因して周期的に変化するバッテリ電圧が最大となる期間に対応していることを特徴とする方法。

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