JP2013155654A

JP2013155654A - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP2013155654A
Application number: JP2012016461A
Authority: JP
Inventors: Koji Fujii; 孝治藤井
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-08-15
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP5911316B2

Abstract

【課題】バッテリの充電量が低下している状況や、極低温下の状況等においても、内燃機関を始動できるようにする。
【解決手段】内燃機関の始動時にバッテリの電圧値が閾値を下回る場合には、バッテリ電圧が極大値をとるタイミングでインジェクタから燃料を噴射するようにする。これにより、燃料噴射の瞬間に燃料ポンプに印可されている電圧が高くなるため、インジェクタに燃料を供給する電動の燃料ポンプの吐出圧及び吐出量が確保される。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関を制御する制御装置に関する。

内燃機関の始動時には、スタータモータ（セルモータ）により機関を回転させるクランキングを行う（例えば、下記特許文献を参照）。その際、バッテリの充電量が低下していたり、極低温の環境下にあったりすると、スタータモータへの電力供給に起因してバッテリの出力電圧が大きく落ち込む。

燃料タンクに蓄えている燃料を吸い込みインジェクタに向けて圧送する燃料ポンプは電動であり、この燃料ポンプもまたバッテリから電力の供給を受けている。従って、バッテリ電圧が顕著に低下すると、燃料ポンプによる燃料吐出圧力が所要の圧力（レギュレータ圧）を下回り、インジェクタによる燃料噴射量が不足して、内燃機関が始動不良に陥るおそれがあった。

特開２０１１−２０２６４３号公報

本発明は、バッテリの充電量が低下している状況や、極低温下の状況等において、内燃機関を始動できるようにすることを所期の目的としている。

本発明では、始動時にクランキングを行うスタータモータ、及び燃料タンクに蓄えている燃料を吸い込んで吐出する燃料ポンプに対し、バッテリから電力を供給する態様の内燃機関を制御する制御装置において、内燃機関の始動時にバッテリの電圧値が閾値を下回る場合には、そうでない場合とは異なるタイミングで燃料を噴射させるものとし、その燃料噴射のタイミングをバッテリの電圧値が所定以上となるときに設定することとした。

本発明によれば、バッテリの充電量が低下している状況や、極低温下の状況等においても、内燃機関を始動することが可能となる。

本発明の一実施形態における内燃機関の概略構成を示す図。同実施形態の制御装置による、バッテリ電圧が閾値を下回らない場合における燃料噴射タイミングを示すタイミング図。同実施形態の制御装置による、バッテリ電圧が閾値を下回る場合における燃料噴射タイミングを示すタイミング図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンである。図示例の内燃機関は、筒内直接噴射式のもので、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１０と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

気筒１の燃焼室の天井部には、点火プラグ１３を取り付けてある。点火プラグ１３は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）０からの点火信号ｉをイグナイタが受けると、まずイグナイタが点弧して点火コイルの一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタが消弧してこの電流が遮断される。すると、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１３の中心電極に印加され、中心電極と接地電極との間で火花放電する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させることで発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

ＥＣＵ０の入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角及びエンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３３の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温及び吸気圧（または、過給圧）を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、車載バッテリの電圧を検出するセンサから出力されるバッテリ電圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｇ、燃焼室内での混合気の燃焼に伴って生じるイオン電流を検出する回路から出力されるイオン電流信号ｈ等が入力される。クランク角信号ｂは、クランクシャフトが所定角度（例えば、１０°ＣＡ）回転する毎に発せられるパルスを要素とする。また、カム角信号ｇは、カムシャフトが一回転を気筒数で割った角度（三気筒エンジンであれば１２０°。クランク角度に換算すると２４０°ＣＡ）回転する毎に発せられるパルスを要素とする。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、イグナイタに対して点火信号ｉ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｍ、インジェクタ１０に対して燃料噴射信号ｎ、スタータモータに対してこれを駆動制御する制御信号ｏ等を出力する。スタータモータは、車載バッテリから電力の供給を受けて回転する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、吸気圧及びエンジン回転数を知得するとともに、気筒１に充填される吸気量を推算し、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）及びＥＧＲバルブ２２の開度といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｋ、ｌ、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、内燃機関の始動（冷間始動であることもあれば、アイドリングストップからの復帰であることもある）時において、スタータモータに制御信号ｏを入力し、スタータモータのピニオンギアをフライホイール（ＭＴ車）またはドライブプレート（ＡＴ車）外周のリングギアに噛合させて機関を回転させるクランキングを行う。クランキングは、初爆から連爆へと至り、エンジン回転数が冷却水温等に応じて定まる閾値を超えたときに（完爆したものと見なして）終了する。

図２及び図３に示しているように、スタータモータによるクランキング中、スタータモータに電力を供給するバッテリの電圧ｅは周期的に増減変動する。バッテリ電圧ｅは、何れかの気筒１が圧縮上死点近傍にある時期に最も低下する。内燃機関が三気筒エンジンであれば、ある気筒１が圧縮上死点にあるとき、他の二つの気筒１がそれぞれ吸気行程の後半、排気行程の前半にあることから、クランキング中のスタータモータに対する機械的負荷が最も大きくなり、故にバッテリ電圧ｅが降下して極小値をとる。

要するに、バッテリ電圧ｅが極小値をとるタイミングと、何れかの気筒１が圧縮上死点を迎えるタイミングとが合致している。このことは、気筒数の異なる内燃機関、例えば四気筒エンジン等においても当てはまる。

内燃機関の始動時における点火タイミングは、圧縮上死点の近傍とすることが通例である。クランク角信号ｂ及びカム角信号ｇを参照すれば、各気筒１が現在どの行程にあるのかを知得でき、適正な点火タイミングを決定することができる。

また、仮に、ＥＣＵ０がクランク角信号ｂ及び／またはカム角信号ｇを受信できないとしても、バッテリ電圧ｅの推移に基づいて、点火タイミングを決定することが可能である。即ち、バッテリ電圧ｅが極小値となった、極小値に近い所定の値まで減少した、または極小値が訪れた後に極小値に近い所定の値まで増加したタイミングが、何れかの気筒１の圧縮上死点ないしその近傍に対応している。このことから、当該タイミングを点火タイミングとし、圧縮上死点近傍にある気筒１（または、全ての気筒１）のイグナイタに点火信号ｉを入力して、点火を行えばよい。

内燃機関の始動時における燃料噴射のタイミングは、平常は点火の直後に設定する。図２に示しているように、例えば、第二気筒１のインジェクタ１０から燃料を噴射するタイミングは、第一気筒１における点火の直後とする。これは、点火プラグ１３による点火とインジェクタ１０による燃料噴射とが同時に発生しないようにし、なおかつ気筒１に充填される吸気と燃料とが十分によく混ざり合う時間を確保する意図である。第一気筒１の点火の直後に第二気筒１に燃料を噴射することで、第二気筒１における吸気行程の後半及び圧縮行程の略全般に亘って燃料の霧化または気化が促進され、吸気と燃料との混合にとって望ましい状態となる。第三気筒１の燃料噴射タイミングは第二気筒１の点火の直後とし、第一気筒１の燃料噴射タイミングは第三気筒１の点火の直後とすることは言うまでもない。

しかしながら、各気筒１のインジェクタに向けて燃料を圧送する燃料ポンプは電動であり、スタータモータと同じく、バッテリから電力供給を受けている。既に述べた通り、バッテリの出力電圧ｅはクランキング中に上下を繰り返し、各気筒１の点火タイミングである圧縮上死点近傍で極小となる。それ故、バッテリの蓄電量が少なくなっていたり、または極低温の環境下にあったりすると、インジェクタ１０から燃料を噴射する際に燃料ポンプに印可される電圧が著しく低下してしまい、燃料ポンプが必要な圧力及び流量の燃料を吐出することができなくなる。さすれば、インジェクタ１０による燃料の噴射量が不足し、気筒１において機関を始動するのに十分な燃焼を惹起できない。

そこで、本実施形態では、内燃機関の始動時にあって、平常の燃料噴射タイミングにおけるバッテリ電圧値ｅ、換言すればバッテリ電圧ｅの極小値または極小に近い所定値が閾値を下回っているならば、平常とは異なるタイミングでインジェクタ１０から燃料を噴射させることとし、燃料噴射量を確保して機関の始動性の良化を図っている。

図３に示すように、バッテリ電圧ｅの極小値が閾値を下回っている場合には、燃料噴射タイミングを、バッテリ電圧ｅが所定以上となるときに設定する。例えば、三気筒エンジンにおいて、バッテリ電圧ｅが極大値となった、極大値に近い所定の値まで増加した、または極大値が訪れた後に極大値に近い所定の値まで増加したタイミングは、ある気筒１の排気上死点ないしその近傍に対応するとともに、別の気筒１の圧縮行程の前半に対応している。第一気筒１の圧縮上死点の後にバッテリ電圧ｅが極大に近づいたときには、第三気筒１が排気上死点近傍にあるとともに、第二気筒１が圧縮行程の前半にある。当該タイミングを燃焼噴射タイミングとすれば、燃料噴射の瞬間に燃料ポンプに印可されている電圧が高くなるので、燃料ポンプからインジェクタ１０に供給される燃料の圧力及び流量が必要十分に確保され得る。

第一気筒１の圧縮上死点の後にバッテリ電圧ｅが極大値となった、極大値に近い所定の値まで増加した、または極大値が訪れた後に極大値に近い所定の値まで増加したタイミングでは、排気上死点近傍にある第三気筒１に付随するインジェクタ１０に燃料噴射信号ｎを入力するか、あるいは圧縮行程にある第二気筒１に付随するインジェクタ１０に燃料噴射信号ｎを入力して、燃料噴射を行う。とりわけ、排気上死点近傍にある第三気筒１に燃料を噴射するようにすれば、正に吸気バルブが開弁したばかりの気筒１に燃料を噴射することとなり、燃料と吸気とを混ぜ合わせて均質化するためにより有利となる。

同様に、第二気筒１の圧縮上死点の後にバッテリ電圧ｅが極大値となった、極大値に近い所定の値まで増加した、または極大値が訪れた後に極大値に近い所定の値まで増加したタイミングでは、排気上死点近傍にある第一気筒１に付随するインジェクタ１０に燃料噴射信号ｎを入力するか、圧縮行程にある第三気筒１に付随するインジェクタ１０に燃料噴射信号ｎを入力する。

並びに、第三気筒１の圧縮上死点の後にバッテリ電圧ｅが極大値となった、極大値に近い所定の値まで増加した、または極大値が訪れた後に極大値に近い所定の値まで増加したタイミングでは、排気上死点近傍にある第二気筒１に付随するインジェクタ１０に燃料噴射信号ｎを入力するか、圧縮行程にある第一気筒１に付随するインジェクタ１０に燃料噴射信号ｎを入力する。

内燃機関が始動（完爆）した後は、通常の始動後の燃料噴射タイミングに則り、燃料を噴射すればよい。何故ならば、スタータモータによるクランキングが終了して、バッテリ電圧ｅが回復する（バッテリ電圧ｅの落ち込みが緩和ないし解消される）からである。

本実施形態では、始動時にクランキングを行うスタータモータ、及び燃料タンクに蓄えている燃料を吸い込んで吐出する燃料ポンプに対し、バッテリから電力を供給する態様の内燃機関を制御する制御装置０において、内燃機関の始動時にバッテリの電圧値ｅが閾値を下回る場合には、そうでない場合とは異なるタイミングで燃料を噴射させるものとし、その燃料噴射のタイミングをバッテリの電圧値ｅが所定以上となるときに設定することとした。

本実施形態によれば、バッテリ電圧ｅが高いタイミングで燃料を噴射することとなるので、必要量の燃料を気筒１に供給することができ、内燃機関を確実に始動させることが可能となる。

また、燃料ポンプの性能を過剰に高く設定せずに済むことから、コストを低減でき、燃料ポンプを小形化することにもつながる。小形の燃料ポンプを採用すれば、燃料ポンプによる消費電力が小さくなり、実効的な燃費の向上にも寄与し得る。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。内燃機関の始動時に、バッテリ電圧ｅの推移を参照して、バッテリ電圧ｅが所定以上となるタイミングで燃料噴射を行う制御は、ＥＣＵ０がクランク角信号ｂまたはカム角信号ｇを受信できない場合におけるフェイルセーフとしても用いることができる。

即ち、通常はクランク角信号ｂ及びカム角信号ｇを参照して燃料噴射タイミングを決定するのであるが、両信号ｂ、ｇのうち少なくとも一方を受信できない場合、これら信号ｂ、ｇに依拠して燃料噴射タイミングを決定することはできない。このような場合に、たとえバッテリ電圧ｅが閾値を下回ることがなくとも、バッテリ電圧ｅの極大を基準として燃料噴射タイミングを決定するようにすれば、内燃機関の始動性を担保できる。

内燃機関の気筒数は、三気筒には限定されない。

その他各部の具体的構成は、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。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の始動時の制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１３…点火プラグ
ｅ…バッテリ電圧

Claims

始動時にクランキングを行うスタータモータ、及び燃料タンクに蓄えている燃料を吸い込んで吐出する燃料ポンプに対し、バッテリから電力を供給する態様の内燃機関を制御する制御装置において、
内燃機関の始動時にバッテリの電圧値が閾値を下回る場合には、そうでない場合とは異なるタイミングで燃料を噴射させるものとし、その燃料噴射のタイミングをバッテリの電圧値が所定以上となるときに設定する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。