JP4068342B2 - 内燃機関の吸入空気量制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料を燃焼室内へ直接噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関における、始動時及び始動後の吸入空気量の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の筒内噴射式火花点火内燃機関（以下、筒内噴射式エンジンと称する）にあっては、吸気ポートに燃料を噴射する通常のポート噴射式エンジンに比較して、燃料を高い圧力、例えばポート噴射式エンジンにおける燃料圧力の約３０倍の燃料圧力で燃料を噴射するものである。このような燃料圧力で燃料を噴射するために、筒内噴射式エンジンでは、電動式の１次ポンプと筒内噴射式エンジンの駆動力で駆動される機械式の２次ポンプとを使用している。このようなポンプ形式にあっては、始動時には筒内噴射式エンジンが回転していないために２次ポンプが作動せず、低い燃料圧力しか発揮できない１次ポンプによる燃料の圧送となるため、噴射される燃料の絶対量が制限される。
【０００３】
一方、エンジン温度例えば冷却水温が低い場合にあっては、筒内噴射式エンジンのメカニカルロスも通常大きくなるため、筒内噴射式エンジンの要求する空気量は増加するが、燃料圧力が低下する場合には供給可能な燃料の絶対量は、ポンプ性能により限定されており、混合気を燃焼可能とするために必要な吸入空気量も制限される。つまり、このような冷間始動時において、要求空気量を吸入すると、噴射できる燃料の絶対量が少ないために、空燃比がリーンになり始動性が低下する。このため、このような始動時にはスロットルバルブやアイドル回転数制御のための制御弁を閉成して、供給する空気量を少なくする制御を行っている（例えば特開平１１−２００９０７号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した構成のものにあっては、始動時において吸入空気量を少なくするように制御するものの、始動を判定した後は、上記スロットルバルブや制御弁を迅速に通常の制御に戻している。この場合に、始動はしたものの、筒内噴射式エンジンの冷却水温は低く、したがって要求空気量が多いために、スロットルバルブや制御弁は閉じた状態から急激に開成されることになる。したがって、吸入空気量が急激に増加することになる。しかしながら、始動直後は、２次ポンプが筒内噴射式エンジンにより駆動されるものの、２次ポンプによる燃料圧力の上昇が緩慢なため、吸入空気量の増加に追従しにくい状態にある。このため、空燃比が変動し、エンジン回転数が不安定になり、始動性が低下し、排気ガス中の大気汚染物質が増加したり、筒内噴射式エンジンが停止したりする事態が生じる可能性があった。
【０００５】
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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。すなわち、本発明に係る内燃機関の吸入空気量制御方法は、燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関がその駆動力により駆動されて燃料を供給するポンプを備えてなり、前記内燃機関の始動時において燃料圧力が低い場合には前記内燃機関の始動時の冷却水温に基づいて、冷却水温が低いほど減量量が多くなるように設定される補正量を減じて吸入空気量を減量し、前記内燃機関が始動したことを判定した場合には前記ポンプによる燃料圧力の上昇により補正量を減量して前記吸入空気量を徐々に増量することを特徴とする。
【０００７】
このような構成のものであれば、内燃機関の機関温度が低く、始動時におけるメカニカルロスが大きい場合、具体的には例えば燃料圧力が低い場合、噴射される燃料量が少ないために吸入空気量が過多になる可能性があるが、冷却水温が低いほど減量量が多くなるように設定される補正量を減じて吸入空気量を減量することにより吸入空気量が過多の状態を回避し、可燃混合気を形成して始動性を確保している。そして、この後、内燃機関が始動したことを判定した場合には、内燃機関の機関回転数の上昇に応じてポンプにより高くなる燃料圧力の上昇により燃料噴射量が増加する。したがって、この燃料噴射量の増加に対して、吸入空気量を徐々に増量することにより、空燃比が急激に変化することを防止することが可能になり、始動性を向上させることが可能になる。
【０００８】
機関回転数を円滑に上昇させるためには、吸入空気量を徐々に増量する場合に、少なくとも燃料圧力に基づいて燃料噴射量を算出し、算出された燃料噴射量に基づいて可燃混合気を形成するに要する必要空気量を算出し、始動後の吸入空気量が前記必要空気量を超えないように吸入空気量を制御するものが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１に１気筒の構成を概略的に示した筒内噴射式エンジン（以下、エンジンと称する）は、例えば自動車用の３気筒のもので、シリンダヘッド１に燃料噴射弁２が取り付けられて、燃料であるガソリンが燃焼室３内に直接噴射される形式である。燃料噴射弁２には、燃料タンクＦＴ内に配設された燃料を圧送するための電動式の１次ポンプＰ１、及びエンジンの駆動力により回転駆動される２次ポンプＰ２を介して燃料が供給される。また、シリンダヘッド１には、吸気弁４、排気弁５、及びスパークプラグ６が取り付けられる。さらに、エンジンの吸気系７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８が配設されるとともに、そのスロットルバルブ８を迂回するバイパス通路９には、主としてエンジンのアイドル回転制御（以下、ＩＳＣと称する）の際の吸入空気量を調整するための流量制御弁たるＩＳＣバルブ１０が配設してある。加えて、エンジンには、エンジンの冷却水温を検出するための水温センサ１１、エンジン回転数を検出するための回転数センサ１２、吸入空気圧力を検出する吸気圧センサ１３、燃料圧力を検出するための燃圧センサ１４等が取り付けてある。そして、それぞれのセンサから出力される信号が、電子制御装置１５に入力される。なお、図示しないが、排気系１６には、燃焼室３から排気弁５を介して排出された排気ガス中の酸素濃度を測定するためのＯ₂ センサ、及び排気ガスを浄化するための三元触媒が取り付けられている。
【００１１】
電子制御装置１５は、中央演算処理装置１５ａと、記憶装置１５ｂと、入力インターフェース１５ｃと、出力インターフェース１５ｄ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。入力インタフェース１５ｃには、吸気圧センサ１３から出力される吸気圧信号ａ、回転数センサ１２から出力されるエンジン回転数信号ｂ、スロットルバルブ８の開閉状態を検出するためのアイドルスイッチ１７から出力されるＩＤＬ信号ｃ、水温センサ１１から出力される水温信号ｄ、燃圧センサ１４から出力される燃圧信号ｅ、Ｏ₂ センサから出力される空燃比信号等が入力される。一方、出力インターフェースからは、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６に対してイグニッションパルスｇが出力されるようになっている。
【００１２】
電子制御装置１５は、それぞれのセンサから出力される信号に基づいてエンジンの運転状態を制御するもので、記憶装置１５ｂにはエンジンの各種の制御のための制御プログラムが格納してある。すなわち、電子制御装置１５は、始動時にあっては、後述する始動制御プログラムにより吸入空気量及び燃料噴射量を制御してエンジンの運転状態を制御するとともに、暖機後のフィードバック制御時にあっては、エンジン回転数と吸入空気圧とに基づいて燃料噴射弁２を開弁するための燃料噴射時間を設定し、空燃比が理論空燃比近傍となるように燃料噴射量を制御する。フィードバック制御のためのプログラムは、当該分野で広く知られたものを使用することができる。
【００１３】
始動制御プログラムの構成を、図２〜３に示すフローチャートにより説明する。この始動制御プログラムは、ＩＳＣバルブ１０を制御して、バイパス通路９を介して吸入される吸入空気量を制御するもので、その間はオープンループ制御における予め設定された燃料噴射時間により燃料噴射弁２に通電されて燃料が噴射されるものである。
【００１４】
ＩＳＣバルブ１０は、主には、エンジンがアイドル運転状態にある場合に、エンジン回転数を設定されたアイドル目標回転数となるように吸入空気量を調整するもので、開成時間と閉成時間との比率を示す信号である演算デューティ比ＤＩＳＣにより制御される。この演算デューティ比ＤＩＳＣは、運転状態に応じて設定される、始動時補正量ＤＳＴＡ、水温補正量ＤＡＡＶ、学習補正量ＤＬＲＮ、電気負荷補正量ＤＳＥＴ等の各補正項目を合算して演算されるものである。
【００１５】
そして、例えば冷却水温が低く、メカニカルロス等の要因で燃料圧力が低い言い換えれば燃料圧力が十分な値にまでは上昇せず、したがって吸入空気量に対して燃料噴射量が少なくなり可燃混合気が形成し難い運転状態にある始動の際には、演算デューティ比ＤＩＳＣから始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを減じて、ＩＳＣバルブ１０の開度を小さくつまり閉じ側に制御して、吸入空気量を減量するものである。始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣは、エンジンの冷却水温に基づいて、冷却水温が低いほど多くなるように、例えばマップにより設定してある。
【００１６】
具体的には、まず、ステップＳ１において、エンジンが始動時であるか否かを判定する。始動時の判定は、例えばイグニッションキーがオンされ、その後クランキングが始まり、エンジン回転数が始動判定回転数を上回ったか否かにより行う。この実施の形態では、イグニッションキーがオンされると、１次ポンプＰ１に通電が開始され、徐々に燃料圧力が上昇するように構成されている。エンジン回転数が始動判定回転数を下回る始動時と判定すると、始動判定フラグがセット（＝１）されるとともに、ステップ２において、吸入空気量の減量補正量である始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣの減算を指示する減算フラグＸＳＴＡＤＥＣをリセット（＝０）する。
【００１７】
一方、始動時でない場合、つまりクランキングが完了してエンジン回転数が始動判定回転数を上回った場合は、始動判定フラグがリセット（＝０）され、ステップＳ３において、設定された所定時間ＤＴＡＤＬＹが経過したか否かを判定する。そして、始動判定から所定時間ＤＴＡＤＬＹが経過すると、ステップＳ４において、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを減算するように、減算フラグＸＳＴＡＤＥＣをセット（＝１）する。なお、ステップＳ１〜３に代えて、エンジン回転数が所定の回転数以上になったか否かを判定するようにしてもよい。この場合、所定の回転数は、正常な始動において、上記した所定時間ＤＴＡＤＬＹが経過した際に到達するエンジン回転数に設定すればよい。
【００１８】
始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣの減算プログラムを、図３に示すフローチャートにより説明する。
【００１９】
まず、ステップＳ１１では、減算フラグＸＳＴＡＤＥＣがセットされているか否かを判定する。減算フラグＸＳＴＡＤＥＣがセットされていない、つまり始動時である場合は、ステップＳ１２において、水温信号ｄにより検出したこの時点の冷却水温に基づいてマップにより始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを算出する。マップにこの時点の冷却水温に対応する始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣが設定されていない場合は、補間計算をして算出する。
【００２０】
一方、減算フラグＸＳＴＡＤＥＣがセットされている場合に、つまり始動後の運転状態にある場合は、ステップＳ１３において、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣから減量量ＤＳＴＡＤＤを減算して、その結果を新たに始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣに設定する。減量量ＤＳＴＡＤＤは、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを減算することにより増加する吸入空気量の増加傾向が、燃料圧力の増加傾向に追従するような値に設定すればよい。
【００２１】
次に、ステップＳ１４では、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣが０以上であるか否かを判定し、０未満つまり負の値となっていると判定した場合には、ステップＳ１５において、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを０に設定する。したがって、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣが０になるまでは、エンジンが始動された際に一旦減量された演算デューティ比ＤＩＳＣが増加されて、吸入空気量を増量する。しかも、ステップＳ１５において、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを０に設定するため、始動の際に演算された演算デューティ比ＤＩＳＣより、演算デューティ比ＤＩＳＣが大きくなることを制限するものである。
【００２２】
以上のような構成において、始動を判定するまでの始動時にあっては、１次ポンプＰ１による燃料圧送が主であるので、燃料圧力は低く徐々に上昇する。この始動時つまりステップＳ２において減算フラグＸＳＴＡＤＥＣがリセットされている間にあっては、ステップＳ１及びステップＳ２を繰り返し実行して、その時点の冷却水温に基づいて算出された始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを減量した演算デューティ比ＤＩＳＣによりＩＳＣバルブ１０を制御する。したがって、吸入空気量がその時点の運転状態に基づいて演算された演算デューティ比ＤＩＳＣによる吸入空気量より減量された状態に維持される。これにより、燃料圧力が低くて燃料噴射量が少ない運転状態であっても、吸入空気量を減量することにより空燃比がリッチになり、図４に示すように、エンジン回転の落ち込みを防止することができる。
【００２３】
そして、その後、始動後を判定すると、２次ポンプＰ２がエンジンにより駆動されて回転するので、燃料圧力は急速に高くなる。このため、所定時間ＤＴＡＤＬＹが経過してから、ステップＳ１１、ステップＳ１３及びステップ１４を順に実行して、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを減量量ＤＳＴＡＤＤにより減量し、減量された始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣにより演算デューティ比ＤＩＳＣを補正してＩＳＣバルブ１０を徐々に開成する。このようにＩＳＣバルブ１０を徐々に開成して吸入空気量を増加させても、燃料噴射時間が同じであれば燃料圧力が高くなった分だけ燃料噴射量が多くなるので、始動時から始動後に切り換わった際、及びその後に空燃比が急激にリーンになることはない。したがって、エンジン回転数は、落ち込むことなく円滑に上昇し、運転間隔を低下させることなく始動性を向上させることができる。
【００２４】
次に他の実施の形態について、図５〜６により説明する。この実施の形態にあっては、概略的には、始動を判定するまでは上記実施の形態と同じく吸入空気量を所定量だけ減量し、始動後に吸入空気量を増量する場合に、燃料圧力、エンジン回転数、さらには吸入空気圧力をパラメータとして設定した限界値の範囲内で、吸入空気量を増量するものである。
【００２５】
具体的には、始動を判定するまでは、上記実施の形態と同じに、ＩＳＣバルブ１０を閉じ側に制御して吸入空気量を減量する。その後、エンジン回転数が始動判定回転数を上回って始動を判定すると、まず、ステップＳ２１において、燃圧信号ｅに基づいてその時点の燃料圧力ＰＦＵＥＬを読み込む（検出する）。始動時及び始動後にあっては、オープンループ制御を行っているので、燃料制御弁２の通電時間言い換えれば燃料噴射時間は、燃料圧力ＰＦＵＥＬに対して噴射時間マップにより設定されている。したがって、燃料圧力ＰＦＵＥＬを読み込むことにより、その燃料圧力ＰＦＵＥＬと燃料噴射時間とにより燃料噴射量を演算する。演算して得られた燃料噴射量に対して、燃焼可能とするために必要な吸入空気量を演算する。
【００２６】
ステップＳ２２では、燃料圧力ＰＦＵＥＬが始動判定後に判定圧力ＰＲＥＦを下回っているか否かを判定する。すなわち、この判定圧力は、エンジンが安定して回転する状態になったか否かを判定するもので、２次ポンプＰ２により燃料圧力ＰＦＵＥＬが上昇した場合の圧力に応じて設定するもので、最大燃料圧力の約１／２程度の圧力に設定するものでよい。そして、燃料圧力ＰＦＵＥＬが判定圧力ＰＲＥＦに達していない場合つまり未だ始動後の運転状態が完全には安定してない場合は、ステップＳ２３において、エンジン回転数信号ｂに基づいてエンジン回転数を読み込む（検出する）。ステップＳ２４では、ＩＳＣバルブ１０による増量する吸入空気量を制限するための上限値ＤＩＳＣＭＡＸを、読み込んだ燃料圧力ＰＦＵＥＬ及びエンジン回転数とに基づいて燃圧ガードマップより算出する。上限値ＤＩＳＣＭＡＸは、燃料圧力ＰＦＵＥＬが高くなるほど、かつエンジン回転数が高くなるほど大きな値となるように設定してある。一方、始動後の運転状態にあって、燃料圧力ＰＦＵＥＬが判定圧力ＰＲＥＦ以上となって安定してエンジンが回転している状態となっている場合は、ステップＳ２５において、上限値ＤＩＳＣＭＡＸを１００％に設定する。つまり、上限値ＤＩＳＣＭＡＸをその最大値に設定することにより、実質的に吸入空気量の増量に対する制限をなくすものである。
【００２７】
始動後の吸入空気量の増量は、この時の運転状態に応じて演算する演算デューティ比ＤＩＳＣを増加することにより実行する。すなわち、演算デューティ比ＤＩＳＣは、始動時補正量ＤＳＴＡ、水温補正量ＤＡＡＶ、学習補正量ＤＬＲＮ、電気負荷補正量ＤＳＥＴ等を、始動時にあっては通常の値より小さく設定している。したがって、これらの補正量を個別に増量することにより演算デューティ比ＤＩＳＣを増加させるものである。始動後の吸入空気量の増量は、ステップＳ３１において、演算デューティ比ＤＩＳＣが上限値ＤＩＳＣＭＡＸ以上か否かを判定する。すなわち、始動時補正量ＤＳＴＡ、水温補正量ＤＡＡＶ、学習補正量ＤＬＲＮ、電気負荷補正量ＤＳＥＴ等を合計して得られた演算デューティ比ＤＩＳＣが、上限値ＤＩＳＣＭＡＸを下回っている場合は、その演算デューティ比ＤＩＳＣによりＩＳＣバルブ１０を制御することにより吸入空気量を増量する。
【００２８】
一方、演算デューティ比ＤＩＳＣが上限値ＤＩＳＣＭＡＸ以上である場合には、その上限値ＤＩＳＣＭＡＸを演算デューティ比ＤＩＳＣに設定するので、演算デューティ比ＤＩＳＣは制限されることになる。このため、ＩＳＣバルブ１０により制御される吸入空気量が極端に増加することはなく、よって可燃混合気を形成することができる。しかも始動後に２次ポンプＰ２の作動に応じて上昇する燃料圧力の大きさに応じた、最適な吸入空気量とすることができ、上記実施の形態同様に、空燃比が始動後に変動することを防止することができる。このように、空燃比の変動を防止することにより、始動性が向上し、エンジン回転数が滑らかに上昇して運転感覚を低下させることを防止することができる。
【００２９】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではない。
【００３０】
上記第１の実施の形態にあっては、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを減量することにより演算デューティ比ＤＩＳＣを増加して吸入空気量を増量したが、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを減量する代わりに、始動燃圧補正量ＤＳＴＡＤＥＣを設定した値に維持し、所定の演算周期毎に一定の増量量を加算して演算デューティ比ＤＩＳＣを増加するものであってもよい。
【００３１】
また、スロットルバルブを電磁アクチュエータにより開閉する構成を有し、バイパス通路及びＩＳＣバルブを備えない構成のエンジンにあっては、スロットルバルブの開度を制御をすることにより、始動後において吸入空気量を徐々に増量するものであってもよい。
【００３２】
その他、各部の構成は図示例に限定されるものではなく、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。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、始動時において減量していた吸入空気量を、始動判定をした後の始動後において燃料圧力の上昇に対応するように徐々に増量するので、吸入空気量を増量に切り換えた際に空燃比が急激に変化することを防止することができる。したがって、急激な機関回転数の変化等を防ぐことができ、始動性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す概略構成説明図。
【図２】同実施の形態の制御手順の概略を示すフローチャート。
【図３】同実施の形態の制御手順の概略を示すフローチャート。
【図４】同実施の形態の作用説明図。
【図５】本発明の他の実施の形態の制御手順の概略を示すフローチャート。
【図６】本発明の他の実施の形態の制御手順の概略を示すフローチャート。
【符号の説明】
３…燃焼室
１５…電子制御装置
１５ａ…中央演算処理装置
１５ｂ…記憶装置
１５ｃ…入力インターフェース
１５ｄ…出力インターフェース

Claims (2)

1. 燃料を燃焼室内に噴射する筒内噴射式火花点火内燃機関がその駆動力により駆動されて燃料を供給するポンプを備えてなり、前記内燃機関の始動時において燃料圧力が低い場合には前記内燃機関の始動時の冷却水温に基づいて、冷却水温が低いほど減量量が多くなるように設定される補正量を減じて吸入空気量を減量し、
   前記内燃機関が始動したことを判定した場合には前記ポンプによる燃料圧力の上昇により補正量を減量して前記吸入空気量を徐々に増量することを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御方法。
2. 吸入空気量を徐々に増量する場合に、少なくとも燃料圧力に基づいて燃料噴射量を算出し、
   算出された燃料噴射量に基づいて可燃混合気を形成するに要する必要空気量を算出し、
   始動後の吸入空気量が前記必要空気量を超えないように吸入空気量を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸入空気量制御方法。

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