JP4150152B2 - 筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車等に搭載される筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、詳しくは燃料噴射の開始時期や終了時期の不適切による不具合を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される燃料噴射火花点火式内燃機関では、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、旧来の吸気管噴射型に代えて燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射型のもの（以下、筒内噴射ガソリンエンジン）が種々提案されている。
【０００３】
筒内噴射ガソリンエンジンは、例えば、点火プラグの周囲やピストンに設けたキャビティ内に局所的に理論空燃比に近い空燃比の混合気を供給することにより、全体として希薄な空燃比でも着火が可能となり、ＣＯやＨＣの排出量が減少すると共に、アイドル運転時や定常走行時の燃費を大幅に向上させることができるという長所を有している。更に、燃料噴射量を増減させる際に、吸気管による移送遅れがないため、加減速レスポンスも非常によくなるという利点を有している。ところが、高負荷時には燃料噴射量の増大に伴って点火プラグの近傍の空燃比が過濃となり、平均空燃比に近づくと失火が生じ、安定した作動領域が狭いという欠点がある。これは、燃料噴射弁の単位時間あたりの噴射量や噴射方向を可変にすることが難しいために、点火プラグ近傍の局所的空燃比をエンジンの全作動領域に亘って最適値に保つことが困難であること等に起因する。
【０００４】
このような欠点を解消するために、負荷に応じて適切なタイミングで燃料噴射を行うと共に、燃焼室の形状をこれに合わせて設計したもの、より詳しくは、負荷に応じて、圧縮行程時に燃料を噴射させる後期噴射モードと、吸気行程時に燃料を噴射させる前期噴射モードとを切り換えるものが、例えば、特開平５−７９３７０号公報で提案されている。このエンジンでは、低中負荷運転時には、圧縮行程末期や吸気行程の初期にキャビティ内に燃料を噴射し、点火プラグの周囲やキャビティ内に理論空燃比に近い空燃比（空気と燃料との重量比）の混合気を形成させる。これにより、全体としてリーンな空燃比（例えば、20〜30）でも着火が可能となり、ＣＯやＨＣの排出量が減少すると共に、アイドル運転時や定常走行時の燃費が大幅に向上する。また、高負荷運転時には、吸気行程中にキャビティ外に燃料を噴射し、燃焼室内に均一な空燃比の混合気を形成させる。これにより、吸気管噴射型のものと同等量の燃料を燃焼させることが可能となり、発進・加速時に要求される出力が確保される。
【０００５】
通常、筒内噴射ガソリンエンジンの燃料噴射時期は、燃圧と燃料噴射量とから燃料噴射弁の開弁時間を設定した後、例えば吸気行程や圧縮行程中に燃料の噴射が終了するようにその終了時期が決定され、開始時期は終了時点から開弁時間を減ずることにより決定される。また、筒内噴射に要求される高い燃圧は、エンジンにより駆動される機械式燃料ポンプにより発生するため、エンジン回転速度がごく低い始動時等には、電動燃料ポンプが発生する低い燃圧を用いるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した筒内噴射ガソリンエンジンには、加減速レスポンスがよい反面で、始動時には燃料噴射を開始不能となるという固有の不具合があった。
即ち、燃料噴射の開始時期は、上述したように終了時点と開弁時間とから決定され、燃料噴射制御装置内のタイマーにセットされる。ところが、始動時でエンジン回転速度がごく低い場合等には、開始時期がタイマーの容量を超えてしまい、燃料噴射を開始することができなくなるという不具合があった。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みなされたもので、燃料噴射の開始時期を適切に設定し、以て燃料噴射の開始不能に陥る事態を未然に防止することができる筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の請求項１では、吸入行程で燃料噴射を行う前期噴射モードと、圧縮行程で燃料噴射を行う後期噴射モードとに基づき、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、当該内燃機関のクランク位置を検出するクランク位置検出手段と、当該内燃機関の始動時において上記前期噴射モードを実行すべく、当該内燃機関の運転状態に応じて上記燃料噴射弁の開弁時間を設定すると共に、圧縮行程の開始以前に燃料噴射を終了可能な燃料噴射の終了時期を設定し、該開弁時間及び終了時期から燃料噴射の開始時期を設定する燃料噴射時期設定手段と、上記クランク位置検出手段により所定クランク位置が検出された時点からの時間の経過を計測する計時手段と、上記始動時において、上記燃料噴射時期設定手段で設定された燃料噴射の開始時期と上記計時手段の計時可能な上限値とを比較し、上記開始時期が上限値以下のときには、該開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で上記燃料噴射を開始させる一方、上記開始時期が上限値より大であるときには、上記開始時期を上限値で置き換え、該置き換え後の開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で強制的に燃料噴射を開始させる燃料噴射開始手段とを備えたものを提案する。
【０００９】
【作用】
請求項１の燃料噴射制御装置では、始動時において、上記開始時期が上限値以下のときには、該開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で上記燃料噴射を開始させる一方、上記開始時期が上限値より大であるときには、上記開始時期を上限値で置き換え、該置き換え後の開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で強制的に燃料噴射を開始させる。
【００１０】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の一実施例を詳細に説明する。
図１は本発明を適用したエンジン制御システムの一実施例を示す概略構成図であり、図２は実施例に係る筒内噴射ガソリンエンジンの縦断面図である。これらの図において、１は自動車用の筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（以下、単にエンジンと記す）であり、燃焼室を始め吸気装置やＥＧＲ装置等が筒内噴射専用に設計されている。
【００１１】
本実施例の場合、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３と共に電磁式の燃料噴射弁４も取り付けられており、燃焼室５内に直接燃料が噴射されるようになっている。また、シリンダ６に上下摺動自在に保持されたピストン７の頂面には、上死点近傍で燃料噴射弁４からの燃料噴霧が到達する位置に、半球状のキャビティ８が形成されている。また、このエンジン１の理論圧縮比は、吸気管噴射型のものに比べ、高く（本実施例では、１２程度）設定されている。動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されており、シリンダヘッド２の上部には、吸排気弁９，１０をそれぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気側カムシャフト１２とが回転自在に保持されている。
【００１２】
シリンダヘッド２には、両カムシャフト１１，１２の間を抜けるようにして、略直立方向に吸気ポート１３が形成されており、この吸気ポート１３を通過した吸気流が燃焼室５内で後述する逆タンブル流を発生させるようになっている。一方、排気ポート１４については、通常のエンジンと同様に略水平方向に形成されているが、斜めに大径のＥＧＲポート１５（図２には図示せず）が分岐している。図中、１６は冷却水温ＴWを検出する水温センサであり、１７は各気筒の所定のクランク位置（本実施例では、５°BTDCおよび75°BTDC）でクランク角信号ＳＧＴを出力するベーン型のクランク角センサであり、１９は点火プラグ３に高電圧を出力する点火コイルである。尚、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト等には、気筒判別信号ＳＧＣを出力する気筒判別センサ（図示せず）が取り付けられ、クランク角信号ＳＧＴがどの気筒のものか判別される。
【００１３】
図２に示したように、吸気ポート１３には、サージタンク２０を有する吸気マニホールド２１を介して、エアクリーナ２２，スロットルボディ２３，ステッパモータ式のＩＳＣＶ（アイドルスピードコントロールバルブ）２４を具えた吸気管２５が接続している。更に、吸気管２５には、スロットルボディ２３を迂回して吸気マニホールド２１に吸入気を導入する、大径のエアバイパスパイプ２６が併設されており、その管路にはステッパモータ式で大型のＡＢＶ（エアバイパスバルブ）２７が設けられている。尚、エアバイパスパイプ２６は、吸気管２５に準ずる流路面積を有しており、ＡＢＶ２７の全開時にはエンジン１の低中速域で要求される量の吸入気が流通可能となっている。尚、スロットルボディ２３には、流路を開閉するバタフライ式のスロットルバルブ２８と共に、スロットルバルブ２８の開度θTHを検出するスロットルセンサ２９と、全閉状態を検出するアイドルスイッチ３０とが備えられている。図中、３１は吸気管圧力Ｐbを検出するブースト圧（ＭＡＰ：Manifold Absolute Pressure）センサであり、サージタンク２０に接続している。
【００１４】
一方、排気ポート１４には、Ｏ２センサ４０が取付けられた排気マニホールド４１を介して、三元触媒４２や図示しないマフラー等を具えた排気管４３が接続している。また、ＥＧＲポート１５は、大径のＥＧＲパイプ４４を介して、吸気マニホールド２１の上流に接続されており、その管路にはステッパモータ式のＥＧＲバルブ４５が設けられている。
【００１５】
燃料タンク５０は、図示しない車体後部に設置されている。そして、燃料タンク５０に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ５１に吸い上げられ、低圧フィードパイプ５２を介して、エンジン１側に送給される。低圧フィードパイプ５２内の燃圧は、リターンパイプ５３の管路に介装された第１燃圧レギュレータ５４により、比較的低圧（本実施例では、3.35kg/mm２…以下、低燃圧と記す）に調圧される。エンジン１側に送給された燃料は、シリンダヘッド２に取り付けられた高圧燃料ポンプ５５により、高圧フィードパイプ５６とデリバリパイプ５７とを介して、各燃料噴射弁４に送給される。本実施例の場合、高圧燃料ポンプ５５は斜板アキシャルピストン式であり、排気側カムシャフト１２により駆動され、エンジン１のアイドル運転時にも50kg/mm２以上の吐出圧を発生する。デリバリパイプ５７内の燃圧は、リターンパイプ５８の管路に介装された第２燃圧レギュレータ５９により、比較的高圧（本実施例では、50kg/mm２…以下、高燃圧と記す）に調圧される。図中、６０は第２燃圧レギュレータ５９に取付けられた電磁式の燃圧切換弁であり、オン状態で燃料をリリーフして、デリバリパイプ５７内の燃圧を所定値（例えば、3.35kg/mm２）に低下させる。また、６１は高圧燃料ポンプ５５の潤滑や冷却等を行った燃料を燃料タンク５０に還流させるリターンパイプである。
【００１６】
車室内には、図示しない入出力装置，制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等），中央処理装置（ＣＰＵ），タイマカウンタ等を具えた、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット）７０が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ７０の入力側には、上述した各種のセンサ類等からの検出情報が入力する。ＥＣＵ７０は、これらの検出情報に基づき、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして、点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４や点火コイル１９，ＥＧＲバルブ４５等を駆動制御する。尚、ＥＣＵ７０には、その入力側に図示しない多数のスイッチやセンサ類が接続する一方で、出力側にも各種警告灯や機器類等が接続している。
【００１７】
次に、エンジン制御の基本的な流れを簡単に説明する。
冷機時において、運転者がイグニッションキーをオン操作すると、ＥＣＵ７０は、低圧燃料ポンプ５１と燃圧切換弁６０をオンにして、燃料噴射弁４に低燃圧の燃料を供給する。これは、エンジン１の停止時やクランキング時には、高圧燃料ポンプ５５が全くあるいは不完全にしか作動しないため、低圧燃料ポンプ５１の吐出圧と燃料噴射弁４の開弁時間とに基づいて燃料噴射量を決定せざるを得ないためである。次に、運転者がイグニッションキーをスタート操作すると、図示しないセルモータによりエンジン１がクランキングされ、同時にＥＣＵ７０による燃料噴射制御が開始される。この時点では、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択し、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。これは、冷機時には燃料の気化率が低いため、後期噴射モード（すなわち、圧縮行程）で噴射を行った場合、失火や未燃燃料（ＨＣ）の排出が避けられないためである。また、ＥＣＵ７０は、始動時にはＡＢＶ２７を閉鎖するため、燃焼室５への吸入気はスロットルバルブ２８の隙間やＩＳＣＶ２４から供給される。尚、ＩＳＣＶ２４とＡＢＶ２７とは、ＥＣＵ７０により一元管理されており、スロットルバルブ２８を迂回する吸入気（バイパスエア）の必要導入量に応じてそれぞれの開弁量が決定される。
【００１８】
始動が完了してエンジン１がアイドル運転を開始すると、高圧燃料ポンプ５５が定格の吐出作動を始めるため、ＥＣＵ７０は、燃圧切換弁６０をオフにして燃料噴射弁４に高燃圧の燃料を供給する。この際には、当然のことながら、高燃圧と燃料噴射弁４の開弁時間とに基づいて燃料噴射量が決定される。そして、冷却水温ＴWが所定値に上昇するまでは、ＥＣＵ７０は、始動時と同様に前期噴射モードを選択して燃料を噴射すると共に、ＡＢＶ２７も継続して閉鎖する。また、エアコン等の補機類の負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、吸気管噴射型と同様にＩＳＣＶ２４によって行われる。更に、所定サイクルが経過してＯ２センサ４０が活性温度に達すると、ＥＣＵ７０は、Ｏ２センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を開始し、有害排出ガス成分を三元触媒４２により浄化させる。このように、冷機時においては、吸気管噴射型と略同様の燃料噴射制御が行われるが、吸気管１３の壁面への燃料滴の付着等がないため、制御の応答性や精度は高くなる。
【００１９】
エンジン１の暖機が終了すると、ＥＣＵ７０は、吸気管圧力Ｐbやスロットル開度θTH等から得た目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとに基づき、図３の燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域を検索し、燃料噴射モードと燃料噴射量とを決定して燃料噴射弁４を駆動する他、ＡＢＶ２７やＥＧＲバルブ４５の開閉制御等も行う。
【００２０】
例えば、アイドル運転時等の低負荷・低回転域は図３中の後期噴射リーン域となるため、ＥＣＵ７０は、後期噴射モードを選択すると共にＡＢＶ２７を開放し、リーンな空燃比（本実施例では、20〜40程度）となるように燃料を噴射する。この時点では燃料の気化率が上昇すると共に、図４に示したように吸気ポート１３から流入した吸気流が矢印で示す逆タンブル流８０を形成するため、燃料噴霧８１がピストン７のキャビティ８内に保存される。その結果、点火時点において点火プラグ３の周囲には理論空燃比近傍の混合気が形成されることになり、全体としてリーンな空燃比でも着火が可能となる。これにより、ＣＯやＨＣの排出が極く少量になると共に、ポンピングロスの低減も相俟って燃費が大幅に向上する。そして、負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、燃料噴射量を増減させることにより行うため、制御応答性も非常に高くなる。尚、平均空燃比が20以下になると部分的にオーバリッチな混合気が生成されて失火が生じる一方、40以上になると希薄限界を超えてやはり失火が生じる。また、ＥＣＵ７０は、この制御領域ではＥＧＲバルブ４５を開放し、燃焼室５内に大量（本実施例では、30％以上）のＥＧＲガスを導入することにより、ＮＯxも大幅に低減させる。
【００２１】
また、低中速走行時は、その負荷状態やエンジン回転速度Ｎeに応じて、図３中の前期噴射リーン域あるいはストイキオフィードバック域となるため、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択すると共に、所定の空燃比となるように燃料を噴射する。すなわち、前期噴射リーン域では、比較的リーンな空燃比（本実施例では、20〜23程度）となるようにＡＢＶ２７の開弁量と燃料噴射量とを制御し、ストイキオフィードバック域では、ＡＢＶ２７とＥＧＲバルブ４５とを開閉制御すると共に、Ｏ２センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を行う。この場合も、図５に示したように吸気ポート１３から流入した吸気流が逆タンブル流８０を形成するため、前期噴射リーン域においても、逆タンブル流８０による乱れの効果で、リーンな空燃比でも着火が可能となる。尚、ＥＣＵ７０は、この制御領域でもＥＧＲバルブ４５を開放し、燃焼室５内に適量のＥＧＲガスを導入することにより、リーンな空燃比において発生するＮＯxが大幅に低減する。また、ストイキオフィードバック域では、比較的高い圧縮比により大きな出力が得られると共に、有害排出ガス成分が三元触媒４２により浄化される。
【００２２】
そして、急加速時や高速走行時は図３中のオープンループ制御域となるため、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択すると共にＡＢＶ２７を閉鎖し、スロットル開度θTHやエンジン回転速度Ｎe等に応じて、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。この際には、圧縮比が高いことや吸気流が逆タンブル流８０を形成することの他、吸気ポート１３が燃焼室５に対して略直立しているため、慣性効果によっても高い出力が得られる。
【００２３】
更に、中高速走行中の惰行運転時は図３中の燃料カット域となるため、ＥＣＵ７０は、燃料噴射を完全に停止する。これにより、燃費が向上すると同時に、有害排出ガス成分の排出量も低減される。尚、燃料カットは、エンジン回転速度Ｎeが復帰回転速度より低下した場合や、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ場合には即座に中止される。
【００２４】
以下、本実施例での燃料噴射制御の手順を図６〜図１３のフローチャートと図１４〜図１７のタイミングチャートに基づき説明する。
イグニッションキーがオンになってエンジン１が回転を始めると、ＥＣＵ７０は、所定のクランク角度（本実施例では、排気行程始期…545°BTDC）毎に、図６に示した噴射時期設定サブルーチンを繰り返し実行する。このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ２で各種の運転情報を読み込むと共に後述する各種フラグを０にリセットする。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４で目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとに基づき、図３の燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域を検索し、ステップＳ６で吸気管圧力Ｐbや充填効率Ｅv等に基づき燃料噴射量Ｑf、すなわち燃料噴射弁４の開弁時間Ｔinjを決定する。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ８で現在の燃料噴射モードが前期噴射モードであるか否かを判定する。
【００２５】
ステップＳ８の判定がＹes（肯定）となった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０で、圧縮行程に入る前に燃料噴射が終わるように燃料噴射の終了時期を設定すると共に、設定した終了時期と開弁時間Ｔinjとから燃料噴射の開始時期Ｔstを決定する。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１２で、開始時期Ｔstが所定の上限値Ｔα（本実施例では、262mmsec）より大きいか否かを判定し、この判定がＮｏ（否定）であれば、ステップＳ１４で内蔵する計時手段である開始タイマＴ1を起動させてサブルーチンを終了する。また、ステップＳ１２の判定がＹesであれば、ステップＳ１６で、開始時期Ｔstを上限値Ｔαで置き換えた後、ステップＳ１４で開始タイマＴ1を起動させてサブルーチンを終了する。ここで、図１４では、破線で開始時期Ｔstが上限値Ｔαを超えた状態を示し、実線で開始時期Ｔstを上限値Ｔαで置き換えた状態を示してある。本実施例の場合、開始タイマＴ1の容量は262mmsecであり、上限値Ｔαはこれと等しく設定されている。すなわち、開始時期Ｔstを上限値Ｔαでクリップすることにより、開始タイマＴ1による開始時期Ｔstの検出が可能となるのである。尚、開始時期Ｔstが上限値Ｔαより大きくなるのは、エンジン回転速度Ｎeが低い始動時のみである。
【００２６】
一方、燃料噴射モードが後期噴射モードでステップＳ８の判定がＮｏとなった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１８で開弁時間Ｔinjがエンジン回転速度Ｎeから決定される所定値Ｔβより大きいか否かを判定する。そして、この判定がＹesであれば、ステップＳ２０で燃料噴射の開始時期Ｔstを設定し、ステップＳ２２で圧縮前期噴射開始フラグＦC1を１にセットする。この場合、開始時期Ｔstは185°BTDCからカウントされる。また、ステップＳ１８の判定がＮｏであれば、ステップＳ２４で燃料噴射の開始時期Ｔstを設定し、ステップＳ２６で圧縮後期噴射開始フラグＦC2を１にセットする。この場合、開始時期Ｔstは75°BTDCからカウントされる。つまり、後期噴射モードでは、開弁時間Ｔinjによっては燃料噴射の開始時期Ｔstが75°BTDCより前になるため、185°BTDCからカウントせざるを得ないのである。
【００２７】
後期噴射モードにおける開始タイマＴ1のスタートは、図７，図８に示す第１，第２タイマ制御サブルーチンにより行われる。例えば、図７の第１タイマ制御サブルーチンは185°BTDCで起動され、ステップＳ３０で圧縮前期噴射開始フラグＦC1が１であれば、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３２で開始タイマＴ1を起動させる。また、図８の第２タイマ制御サブルーチンは75°BTDCで起動され、ステップＳ３４で圧縮後期噴射開始フラグＦC2が１であれば、ステップＳ３６で開始タイマＴ1を起動させる。
【００２８】
さて、ＥＣＵ７０は、開弁時間Ｔinjと開始時期Ｔstとの決定や開始タイマＴ1のカウントを行う一方、所定の制御インターバルで図９に示した噴射開始制御サブルーチンを繰り返し実行する。このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４０で開始セットフラグＦS1が１か否かを判定する。開始セットフラグＦS1は図６のステップＳ２で０にリセットされているため、当初はこの判定がＮｏとなり、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４２で開始タイマＴ1の値が開始時期Ｔstの値以上となったか否かを判定する。そして、ＥＣＵ７０は、この判定がＮｏである間は以降の処理を行わずにスタートに戻り、Ｙesとなった時点で、ステップＳ４４で燃料噴射弁４をオンにして燃料噴射を開始させる。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４６で開始セットフラグＦS1を１とした後、ステップＳ４８で終了タイマＴ2を起動させる。その後、噴射時期設定サブルーチンで開始セットフラグＦS1が０にリセットされるまでは、ステップＳ４０の判定がＹesとなるため、ＥＣＵ７０は、このサブルーチンでの実質的な処理を行わない。
【００２９】
一方、ＥＣＵ７０は、噴射開始制御サブルーチンと並行して、所定の制御インターバルで図１０に示した噴射終了制御サブルーチンを繰り返し実行する。このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、ステップＳ５０で終了セットフラグＦS2が１か否かを判定する。終了セットフラグＦS2は図６のステップＳ２で０にリセットされているため、当初はこの判定がＮｏとなり、ＥＣＵ７０は、ステップＳ５２で終了タイマＴ2の値が開弁時間Ｔinjの値以上となったか否かを判定する。そして、ＥＣＵ７０は、この判定がＮｏである間は以降の処理を行わずにスタートに戻り、Ｙesとなった時点で、ステップＳ５４で燃料噴射弁４をオフにして燃料噴射を終了させ、ステップＳ５６で終了セットフラグＦS2を１とする。その後、噴射時期設定サブルーチンで終了セットフラグＦS2が０にリセットされるまでは、ステップＳ５０の判定がＹesとなるため、ＥＣＵ７０は、このサブルーチンでの実質的な処理を行わない。
【００３０】
以上述べた燃料噴射制御は、通常の状態で燃料噴射が行われる場合であるが、始動時や急加速時等において、終了時期のずれ込みが生じた場合の燃料噴射停止制御を以下に述べる。
前述したように、始動時には燃料噴射弁４に低燃圧の燃料が供給され、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択して燃料を噴射する。この際、ＥＣＵ７０は、燃料噴射の終了時期を吸気行程内に設定するが、初爆後にエンジン回転速度Ｎeが急上昇すると、所定の開始時期から燃料を噴射し始めても終了時期が圧縮行程にずれ込む。そこで、ＥＣＵ７０は、吸気行程の終期（185°BTDC）で図１１と図１５とに示した前期噴射停止制御サブルーチンを実行する。
【００３１】
このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ６０で現在が低燃圧であるか否か、すなわち、燃圧切換弁６０がオンであるか否かを判定し、この判定がＮｏであればサブルーチンを終了する。これは、高燃圧であれば筒内圧が燃圧より高くならず、燃料噴射弁内にガスが逆流する虞がないためである。また、ステップＳ６０の判定がＹesの場合、ＥＣＵ７０は、次にステップＳ６２で燃料噴射弁４が現在オン状態であるか否かを判定し、この判定がＮｏ、すなわち燃料噴射が既に終了していた場合にもサブルーチンを終了する。そして、ステップＳ６２の判定もＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、低燃圧でありながら終了時期が圧縮行程にずれ込んだと判断し、ステップＳ６４で燃料噴射弁４をオフにして燃料噴射を強制的に停止させる。しかる後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ６６で終了セットフラグＦS2を１にセットし、前述した噴射終了制御サブルーチンが実行されないようにする。
【００３２】
一方、アイドル運転時には燃料噴射弁４に高燃圧の燃料が供給され、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択して燃料を噴射する。この際、ＥＣＵ７０は、燃料噴射の終了時期を圧縮行程内に設定するが、発進加速等によりエンジン回転速度Ｎeが急上昇すると、所定の開始時期から燃料を噴射し始めても終了時期が燃焼行程にずれ込む。そこで、ＥＣＵ７０は、圧縮行程の中期（75°BTDC）で図１２と図１６とに示した第１後期噴射停止制御サブルーチンを実行する。
【００３３】
このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ７０で燃料噴射弁４が現在オン状態であるか否かを判定し、この判定がＮｏ、すなわち燃料噴射が既に終了していた場合にはサブルーチンを終了する。また、ステップＳ７０の判定がＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ７２で、現在のエンジン回転速度Ｎeと開弁時間Ｔinjの残量とから、燃料噴射が停止するクランク角θSTが所定の噴射停止クランク角θlt（本実施例では、40°BTDC）以降にずれこむか否かを推定する。この判定がＮｏであった場合、ＥＣＵ７０は、圧縮行程内に燃料噴射が終了すると判断し、サブルーチンを終了する。そして、ステップＳ７２の判定がＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ７４で、燃料噴射が噴射停止クランク角θltで終了するように、開弁時間Ｔinjを更新する。これにより、上述した噴射終了制御サブルーチンで燃料噴射弁がオフになる時点が早まり、終了時期が燃焼行程にずれ込むことが防止されるのである。
【００３４】
さて、第１後期噴射停止制御サブルーチンでは、圧縮行程の中期（75°BTDC）で、ＥＣＵ７０は、噴射停止クランク角θltをエンジン回転速度Ｎeと開弁時間Ｔinjの残量とから推定した。ところが、その後にエンジン回転速度Ｎeが更に上昇すると、推定した噴射停止クランク角θltで燃料噴射が停止せず、やはり終了時期が燃焼行程にずれ込む虞がある。そこで、ＥＣＵ７０は、圧縮行程の終期（５°BTDC）で図１３と図１７とに示した第２後期噴射停止制御サブルーチンを実行する。
【００３５】
このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ８０で現在が低燃圧であるか否か、すなわち、燃圧切換弁６０がオンであるか否かを判定し、この判定がＹesであればサブルーチンを終了する。これは、後期噴射モードでの燃料噴射は高燃圧でしか行われないため、余分な制御を行うことによるＣＰＵ等の負担を避けるためである。ステップＳ８０の判定がＮｏの場合、ＥＣＵ７０は、次にステップＳ８２で燃料噴射弁４が現在オン状態であるか否かを判定し、この判定がＮｏ、すなわち燃料噴射が既に終了していた場合にもサブルーチンを終了する。そして、ステップＳ８２の判定がＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、低燃圧でありながら終了時期が燃焼行程にずれ込んだと判断し、ステップＳ８４で燃料噴射弁４をオフにして燃料噴射を強制的に停止させる。しかる後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ８６で終了セットフラグＦS2を１にセットし、前述した噴射終了制御サブルーチンが実行されないようにする。
【００３６】
本実施例では、このような制御を行うようにしたため、始動時や加速時等における燃料噴射の終了時期の圧縮行程や燃焼行程へのずれ込みがなくなり、燃料噴射弁の汚損やスモークの発生を完全に防止することができた。尚、前期噴射停止制御や後期噴射停止制御を行うことにより、開弁時間が実質的に短くなって燃料噴射量が減少するが、この際には空燃比が若干リーンになるだけで大きな問題は生じない。
【００３７】
以上で、具体的実施例の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施例に限るものではない。例えば、上記実施例は本発明を直列４気筒の筒内噴射ガソリンエンジンに適用したものであるが、単気筒エンジンやＶ型６気筒エンジン等、気筒数やその配列が異なる種々のエンジンに適用してもよいし、メタノール等のガソリン以外の燃料を使用するエンジンに適用してもよい。また、上記実施例では所定のクランク位置でクランク角信号を出力するベーン型のクランク角センサを用いたが、例えば１°毎にクランク角信号を出力するクランク角センサを用いるようにしてもよい。また、上記実施例では、燃料噴射制御を燃料噴射の開始時期と開弁時間とに基づき行うようにしたが、容量の大きなタイマを用いること等により、開始時期と終了時期とに基づいてこれを行うようにしてもよい。また、燃料噴射時期の設定や噴射停止制御におけるサブルーチンの起動タイミングについては、クランク角センサの仕様の他、エンジンの種類や仕様等に応じて適宜設定されることが望ましい。更に、制御システムの具体的構成や制御の手順については、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の請求項１によれば、吸入行程で燃料噴射を行う前期噴射モードと、圧縮行程で燃料噴射を行う後期噴射モードとに基づき、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、当該内燃機関のクランク位置を検出するクランク位置検出手段と、当該内燃機関の始動時において上記前期噴射モードを実行すべく、当該内燃機関の運転状態に応じて上記燃料噴射弁の開弁時間を設定すると共に、圧縮行程の開始以前に燃料噴射を終了可能な燃料噴射の終了時期を設定し、該 開弁時間及び終了時期から燃料噴射の開始時期を設定する燃料噴射時期設定手段と、上記クランク位置検出手段により所定クランク位置が検出された時点からの時間の経過を計測する計時手段と、上記始動時において、上記燃料噴射時期設定手段で設定された燃料噴射の開始時期と上記計時手段の計時可能な上限値とを比較し、上記開始時期が上限値以下のときには、該開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で上記燃料噴射を開始させる一方、上記開始時期が上限値より大であるときには、上記開始時期を上限値で置き換え、該置き換え後の開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で強制的に燃料噴射を開始させる燃料噴射開始手段とを備えるようにしたため、始動時において、設定された燃料噴射の開始時期が計時手段の上限値を超えていた場合にも、燃料噴射を開始させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るエンジン制御システムの一実施例を示す概略構成図である。
【図２】 実施例に係る筒内噴射ガソリンエンジンの縦断面図である。
【図３】 実施例に係る燃料噴射制御マップである。
【図４】 実施例における後期噴射モード時の燃料噴射形態を示す説明図である。
【図５】 実施例における前期噴射モード時の燃料噴射形態を示す説明図である。
【図６】 噴射時期設定サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図７】 第１タイマ制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図８】 第２タイマ制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図９】 噴射開始制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１０】 噴射終了制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１１】 前期噴射停止制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１２】 第１後期噴射停止制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１３】 第２後期噴射停止制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１４】 燃料噴射の開始時期を変更した状態を示すタイミングチャートである。
【図１５】 前期噴射停止制御を示すタイミングチャートである。
【図１６】 第１後期噴射停止制御を示すタイミングチャートである。
【図１７】 第２後期噴射停止制御を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
４ 燃料噴射弁
１３ 吸気ポート
１７ クランク角センサ
２１ 吸気マニホールド
２３ スロットルボディ
２４ ＩＳＣＶ
２５ 吸気管
２６ エアバイパスパイプ
２７ ＡＢＶ
３１ ブースト圧センサ
４０ Ｏ２センサ
４１ 排気マニホールド
４２ 三元触媒
４３ 排気管
５０ 燃料タンク
５１ 低圧燃料ポンプ
５５ 高圧燃料ポンプ
５７ デリバリパイプ
７０ ＥＣＵ
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車等に搭載される筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、詳しくは燃料噴射の開始時期や終了時期の不適切による不具合を防止する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車等に搭載される燃料噴射火花点火式内燃機関では、有害排出ガス成分の低減や燃費の向上等を図るため、旧来の吸気管噴射型に代えて燃焼室に直接燃料を噴射する筒内噴射型のもの（以下、筒内噴射ガソリンエンジン）が種々提案されている。
【０００３】
筒内噴射ガソリンエンジンは、例えば、点火プラグの周囲やピストンに設けたキャビティ内に局所的に理論空燃比に近い空燃比の混合気を供給することにより、全体として希薄な空燃比でも着火が可能となり、ＣＯやＨＣの排出量が減少すると共に、アイドル運転時や定常走行時の燃費を大幅に向上させることができるという長所を有している。更に、燃料噴射量を増減させる際に、吸気管による移送遅れがないため、加減速レスポンスも非常によくなるという利点を有している。ところが、高負荷時には燃料噴射量の増大に伴って点火プラグの近傍の空燃比が過濃となり、平均空燃比に近づくと失火が生じ、安定した作動領域が狭いという欠点がある。これは、燃料噴射弁の単位時間あたりの噴射量や噴射方向を可変にすることが難しいために、点火プラグ近傍の局所的空燃比をエンジンの全作動領域に亘って最適値に保つことが困難であること等に起因する。
【０００４】
このような欠点を解消するために、負荷に応じて適切なタイミングで燃料噴射を行うと共に、燃焼室の形状をこれに合わせて設計したもの、より詳しくは、負荷に応じて、圧縮行程時に燃料を噴射させる後期噴射モードと、吸気行程時に燃料を噴射させる前期噴射モードとを切り換えるものが、例えば、特開平５−７９３７０号公報で提案されている。このエンジンでは、低中負荷運転時には、圧縮行程末期や吸気行程の初期にキャビティ内に燃料を噴射し、点火プラグの周囲やキャビティ内に理論空燃比に近い空燃比（空気と燃料との重量比）の混合気を形成させる。これにより、全体としてリーンな空燃比（例えば、20〜30）でも着火が可能となり、ＣＯやＨＣの排出量が減少すると共に、アイドル運転時や定常走行時の燃費が大幅に向上する。また、高負荷運転時には、吸気行程中にキャビティ外に燃料を噴射し、燃焼室内に均一な空燃比の混合気を形成させる。これにより、吸気管噴射型のものと同等量の燃料を燃焼させることが可能となり、発進・加速時に要求される出力が確保される。
【０００５】
通常、筒内噴射ガソリンエンジンの燃料噴射時期は、燃圧と燃料噴射量とから燃料噴射弁の開弁時間を設定した後、例えば吸気行程や圧縮行程中に燃料の噴射が終了するようにその終了時期が決定され、開始時期は終了時点から開弁時間を減ずることにより決定される。また、筒内噴射に要求される高い燃圧は、エンジンにより駆動される機械式燃料ポンプにより発生するため、エンジン回転速度がごく低い始動時等には、電動燃料ポンプが発生する低い燃圧を用いるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した筒内噴射ガソリンエンジンには、加減速レスポンスがよい反面で、始動時には燃料噴射を開始不能となるという固有の不具合があった。
即ち、燃料噴射の開始時期は、上述したように終了時点と開弁時間とから決定され、燃料噴射制御装置内のタイマーにセットされる。ところが、始動時でエンジン回転速度がごく低い場合等には、開始時期がタイマーの容量を超えてしまい、燃料噴射を開始することができなくなるという不具合があった。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みなされたもので、燃料噴射の開始時期を適切に設定し、以て燃料噴射の開始不能に陥る事態を未然に防止することができる筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の請求項１では、吸入行程で燃料噴射を行う前期噴射モードと、圧縮行程で燃料噴射を行う後期噴射モードとに基づき、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、当該内燃機関のクランク位置を検出するクランク位置検出手段と、当該内燃機関の始動時において上記前期噴射モードを実行すべく、当該内燃機関の運転状態に応じて上記燃料噴射弁の開弁時間を設定すると共に、圧縮行程の開始以前に燃料噴射を終了可能な燃料噴射の終了時期を設定し、該開弁時間及び終了時期から燃料噴射の開始時期を設定する燃料噴射時期設定手段と、上記クランク位置検出手段により所定クランク位置が検出された時点からの時間の経過を計測する計時手段と、上記始動時において、上記燃料噴射時期設定手段で設定された燃料噴射の開始時期と上記計時手段の計時可能な上限値とを比較し、上記開始時期が上限値以下のときには、該開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で上記燃料噴射を開始させる一方、上記開始時期が上限値より大であるときには、上記開始時期を上限値で置き換え、該置き換え後の開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で強制的に燃料噴射を開始させる燃料噴射開始手段とを備えたものを提案する。
【０００９】
【作用】
請求項１の燃料噴射制御装置では、始動時において、上記開始時期が上限値以下のときには、該開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で上記燃料噴射を開始させる一方、上記開始時期が上限値より大であるときには、上記開始時期を上限値で置き換え、該置き換え後の開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で強制的に燃料噴射を開始させる。
【００１０】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の一実施例を詳細に説明する。
図１は本発明を適用したエンジン制御システムの一実施例を示す概略構成図であり、図２は実施例に係る筒内噴射ガソリンエンジンの縦断面図である。これらの図において、１は自動車用の筒内噴射型直列４気筒ガソリンエンジン（以下、単にエンジンと記す）であり、燃焼室を始め吸気装置やＥＧＲ装置等が筒内噴射専用に設計されている。
【００１１】
本実施例の場合、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ３と共に電磁式の燃料噴射弁４も取り付けられており、燃焼室５内に直接燃料が噴射されるようになっている。また、シリンダ６に上下摺動自在に保持されたピストン７の頂面には、上死点近傍で燃料噴射弁４からの燃料噴霧が到達する位置に、半球状のキャビティ８が形成されている。また、このエンジン１の理論圧縮比は、吸気管噴射型のものに比べ、高く（本実施例では、１２程度）設定されている。動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されており、シリンダヘッド２の上部には、吸排気弁９，１０をそれぞれ駆動するべく、吸気側カムシャフト１１と排気側カムシャフト１２とが回転自在に保持されている。
【００１２】
シリンダヘッド２には、両カムシャフト１１，１２の間を抜けるようにして、略直立方向に吸気ポート１３が形成されており、この吸気ポート１３を通過した吸気流が燃焼室５内で後述する逆タンブル流を発生させるようになっている。一方、排気ポート１４については、通常のエンジンと同様に略水平方向に形成されているが、斜めに大径のＥＧＲポート１５（図２には図示せず）が分岐している。図中、１６は冷却水温ＴWを検出する水温センサであり、１７は各気筒の所定のクランク位置（本実施例では、５°BTDCおよび75°BTDC）でクランク角信号ＳＧＴを出力するベーン型のクランク角センサであり、１９は点火プラグ３に高電圧を出力する点火コイルである。尚、クランクシャフトの半分の回転数で回転するカムシャフト等には、気筒判別信号ＳＧＣを出力する気筒判別センサ（図示せず）が取り付けられ、クランク角信号ＳＧＴがどの気筒のものか判別される。
【００１３】
図２に示したように、吸気ポート１３には、サージタンク２０を有する吸気マニホールド２１を介して、エアクリーナ２２，スロットルボディ２３，ステッパモータ式のＩＳＣＶ（アイドルスピードコントロールバルブ）２４を具えた吸気管２５が接続している。更に、吸気管２５には、スロットルボディ２３を迂回して吸気マニホールド２１に吸入気を導入する、大径のエアバイパスパイプ２６が併設されており、その管路にはステッパモータ式で大型のＡＢＶ（エアバイパスバルブ）２７が設けられている。尚、エアバイパスパイプ２６は、吸気管２５に準ずる流路面積を有しており、ＡＢＶ２７の全開時にはエンジン１の低中速域で要求される量の吸入気が流通可能となっている。尚、スロットルボディ２３には、流路を開閉するバタフライ式のスロットルバルブ２８と共に、スロットルバルブ２８の開度θTHを検出するスロットルセンサ２９と、全閉状態を検出するアイドルスイッチ３０とが備えられている。図中、３１は吸気管圧力Ｐbを検出するブースト圧（ＭＡＰ：Manifold Absolute Pressure）センサであり、サージタンク２０に接続している。
【００１４】
一方、排気ポート１４には、Ｏ２センサ４０が取付けられた排気マニホールド４１を介して、三元触媒４２や図示しないマフラー等を具えた排気管４３が接続している。また、ＥＧＲポート１５は、大径のＥＧＲパイプ４４を介して、吸気マニホールド２１の上流に接続されており、その管路にはステッパモータ式のＥＧＲバルブ４５が設けられている。
【００１５】
燃料タンク５０は、図示しない車体後部に設置されている。そして、燃料タンク５０に貯留された燃料は、電動式の低圧燃料ポンプ５１に吸い上げられ、低圧フィードパイプ５２を介して、エンジン１側に送給される。低圧フィードパイプ５２内の燃圧は、リターンパイプ５３の管路に介装された第１燃圧レギュレータ５４により、比較的低圧（本実施例では、3.35kg/mm２…以下、低燃圧と記す）に調圧される。エンジン１側に送給された燃料は、シリンダヘッド２に取り付けられた高圧燃料ポンプ５５により、高圧フィードパイプ５６とデリバリパイプ５７とを介して、各燃料噴射弁４に送給される。本実施例の場合、高圧燃料ポンプ５５は斜板アキシャルピストン式であり、排気側カムシャフト１２により駆動され、エンジン１のアイドル運転時にも50kg/mm２以上の吐出圧を発生する。デリバリパイプ５７内の燃圧は、リターンパイプ５８の管路に介装された第２燃圧レギュレータ５９により、比較的高圧（本実施例では、50kg/mm２…以下、高燃圧と記す）に調圧される。図中、６０は第２燃圧レギュレータ５９に取付けられた電磁式の燃圧切換弁であり、オン状態で燃料をリリーフして、デリバリパイプ５７内の燃圧を所定値（例えば、3.35kg/mm２）に低下させる。また、６１は高圧燃料ポンプ５５の潤滑や冷却等を行った燃料を燃料タンク５０に還流させるリターンパイプである。
【００１６】
車室内には、図示しない入出力装置，制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，ＢＵＲＡＭ等），中央処理装置（ＣＰＵ），タイマカウンタ等を具えた、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット）７０が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ７０の入力側には、上述した各種のセンサ類等からの検出情報が入力する。ＥＣＵ７０は、これらの検出情報に基づき、燃料噴射モードや燃料噴射量を始めとして、点火時期やＥＧＲガスの導入量等を決定し、燃料噴射弁４や点火コイル１９，ＥＧＲバルブ４５等を駆動制御する。尚、ＥＣＵ７０には、その入力側に図示しない多数のスイッチやセンサ類が接続する一方で、出力側にも各種警告灯や機器類等が接続している。
【００１７】
次に、エンジン制御の基本的な流れを簡単に説明する。
冷機時において、運転者がイグニッションキーをオン操作すると、ＥＣＵ７０は、低圧燃料ポンプ５１と燃圧切換弁６０をオンにして、燃料噴射弁４に低燃圧の燃料を供給する。これは、エンジン１の停止時やクランキング時には、高圧燃料ポンプ５５が全くあるいは不完全にしか作動しないため、低圧燃料ポンプ５１の吐出圧と燃料噴射弁４の開弁時間とに基づいて燃料噴射量を決定せざるを得ないためである。次に、運転者がイグニッションキーをスタート操作すると、図示しないセルモータによりエンジン１がクランキングされ、同時にＥＣＵ７０による燃料噴射制御が開始される。この時点では、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択し、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。これは、冷機時には燃料の気化率が低いため、後期噴射モード（すなわち、圧縮行程）で噴射を行った場合、失火や未燃燃料（ＨＣ）の排出が避けられないためである。また、ＥＣＵ７０は、始動時にはＡＢＶ２７を閉鎖するため、燃焼室５への吸入気はスロットルバルブ２８の隙間やＩＳＣＶ２４から供給される。尚、ＩＳＣＶ２４とＡＢＶ２７とは、ＥＣＵ７０により一元管理されており、スロットルバルブ２８を迂回する吸入気（バイパスエア）の必要導入量に応じてそれぞれの開弁量が決定される。
【００１８】
始動が完了してエンジン１がアイドル運転を開始すると、高圧燃料ポンプ５５が定格の吐出作動を始めるため、ＥＣＵ７０は、燃圧切換弁６０をオフにして燃料噴射弁４に高燃圧の燃料を供給する。この際には、当然のことながら、高燃圧と燃料噴射弁４の開弁時間とに基づいて燃料噴射量が決定される。そして、冷却水温ＴWが所定値に上昇するまでは、ＥＣＵ７０は、始動時と同様に前期噴射モードを選択して燃料を噴射すると共に、ＡＢＶ２７も継続して閉鎖する。また、エアコン等の補機類の負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、吸気管噴射型と同様にＩＳＣＶ２４によって行われる。更に、所定サイクルが経過してＯ２センサ４０が活性温度に達すると、ＥＣＵ７０は、Ｏ２センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を開始し、有害排出ガス成分を三元触媒４２により浄化させる。このように、冷機時においては、吸気管噴射型と略同様の燃料噴射制御が行われるが、吸気管１３の壁面への燃料滴の付着等がないため、制御の応答性や精度は高くなる。
【００１９】
エンジン１の暖機が終了すると、ＥＣＵ７０は、吸気管圧力Ｐbやスロットル開度θTH等から得た目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとに基づき、図３の燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域を検索し、燃料噴射モードと燃料噴射量とを決定して燃料噴射弁４を駆動する他、ＡＢＶ２７やＥＧＲバルブ４５の開閉制御等も行う。
【００２０】
例えば、アイドル運転時等の低負荷・低回転域は図３中の後期噴射リーン域となるため、ＥＣＵ７０は、後期噴射モードを選択すると共にＡＢＶ２７を開放し、リーンな空燃比（本実施例では、20〜40程度）となるように燃料を噴射する。この時点では燃料の気化率が上昇すると共に、図４に示したように吸気ポート１３から流入した吸気流が矢印で示す逆タンブル流８０を形成するため、燃料噴霧８１がピストン７のキャビティ８内に保存される。その結果、点火時点において点火プラグ３の周囲には理論空燃比近傍の混合気が形成されることになり、全体としてリーンな空燃比でも着火が可能となる。これにより、ＣＯやＨＣの排出が極く少量になると共に、ポンピングロスの低減も相俟って燃費が大幅に向上する。そして、負荷の増減に応じたアイドル回転数の制御は、燃料噴射量を増減させることにより行うため、制御応答性も非常に高くなる。尚、平均空燃比が20以下になると部分的にオーバリッチな混合気が生成されて失火が生じる一方、40以上になると希薄限界を超えてやはり失火が生じる。また、ＥＣＵ７０は、この制御領域ではＥＧＲバルブ４５を開放し、燃焼室５内に大量（本実施例では、30％以上）のＥＧＲガスを導入することにより、ＮＯxも大幅に低減させる。
【００２１】
また、低中速走行時は、その負荷状態やエンジン回転速度Ｎeに応じて、図３中の前期噴射リーン域あるいはストイキオフィードバック域となるため、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択すると共に、所定の空燃比となるように燃料を噴射する。すなわち、前期噴射リーン域では、比較的リーンな空燃比（本実施例では、20〜23程度）となるようにＡＢＶ２７の開弁量と燃料噴射量とを制御し、ストイキオフィードバック域では、ＡＢＶ２７とＥＧＲバルブ４５とを開閉制御すると共に、Ｏ２センサ４０の出力電圧に応じて空燃比フィードバック制御を行う。この場合も、図５に示したように吸気ポート１３から流入した吸気流が逆タンブル流８０を形成するため、前期噴射リーン域においても、逆タンブル流８０による乱れの効果で、リーンな空燃比でも着火が可能となる。尚、ＥＣＵ７０は、この制御領域でもＥＧＲバルブ４５を開放し、燃焼室５内に適量のＥＧＲガスを導入することにより、リーンな空燃比において発生するＮＯxが大幅に低減する。また、ストイキオフィードバック域では、比較的高い圧縮比により大きな出力が得られると共に、有害排出ガス成分が三元触媒４２により浄化される。
【００２２】
そして、急加速時や高速走行時は図３中のオープンループ制御域となるため、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択すると共にＡＢＶ２７を閉鎖し、スロットル開度θTHやエンジン回転速度Ｎe等に応じて、比較的リッチな空燃比となるように燃料を噴射する。この際には、圧縮比が高いことや吸気流が逆タンブル流８０を形成することの他、吸気ポート１３が燃焼室５に対して略直立しているため、慣性効果によっても高い出力が得られる。
【００２３】
更に、中高速走行中の惰行運転時は図３中の燃料カット域となるため、ＥＣＵ７０は、燃料噴射を完全に停止する。これにより、燃費が向上すると同時に、有害排出ガス成分の排出量も低減される。尚、燃料カットは、エンジン回転速度Ｎeが復帰回転速度より低下した場合や、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ場合には即座に中止される。
【００２４】
以下、本実施例での燃料噴射制御の手順を図６〜図１３のフローチャートと図１４〜図１７のタイミングチャートに基づき説明する。
イグニッションキーがオンになってエンジン１が回転を始めると、ＥＣＵ７０は、所定のクランク角度（本実施例では、排気行程始期…545°BTDC）毎に、図６に示した噴射時期設定サブルーチンを繰り返し実行する。このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ２で各種の運転情報を読み込むと共に後述する各種フラグを０にリセットする。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４で目標平均有効圧Ｐeとエンジン回転速度Ｎeとに基づき、図３の燃料噴射制御マップから現在の燃料噴射制御領域を検索し、ステップＳ６で吸気管圧力Ｐbや充填効率Ｅv等に基づき燃料噴射量Ｑf、すなわち燃料噴射弁４の開弁時間Ｔinjを決定する。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ８で現在の燃料噴射モードが前期噴射モードであるか否かを判定する。
【００２５】
ステップＳ８の判定がＹes（肯定）となった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０で、圧縮行程に入る前に燃料噴射が終わるように燃料噴射の終了時期を設定すると共に、設定した終了時期と開弁時間Ｔinjとから燃料噴射の開始時期Ｔstを決定する。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１２で、開始時期Ｔstが所定の上限値Ｔα（本実施例では、262mmsec）より大きいか否かを判定し、この判定がＮｏ（否定）であれば、ステップＳ１４で内蔵する計時手段である開始タイマＴ1を起動させてサブルーチンを終了する。また、ステップＳ１２の判定がＹesであれば、ステップＳ１６で、開始時期Ｔstを上限値Ｔαで置き換えた後、ステップＳ１４で開始タイマＴ1を起動させてサブルーチンを終了する。ここで、図１４では、破線で開始時期Ｔstが上限値Ｔαを超えた状態を示し、実線で開始時期Ｔstを上限値Ｔαで置き換えた状態を示してある。本実施例の場合、開始タイマＴ1の容量は262mmsecであり、上限値Ｔαはこれと等しく設定されている。すなわち、開始時期Ｔstを上限値Ｔαでクリップすることにより、開始タイマＴ1による開始時期Ｔstの検出が可能となるのである。尚、開始時期Ｔstが上限値Ｔαより大きくなるのは、エンジン回転速度Ｎeが低い始動時のみである。
【００２６】
一方、燃料噴射モードが後期噴射モードでステップＳ８の判定がＮｏとなった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１８で開弁時間Ｔinjがエンジン回転速度Ｎeから決定される所定値Ｔβより大きいか否かを判定する。そして、この判定がＹesであれば、ステップＳ２０で燃料噴射の開始時期Ｔstを設定し、ステップＳ２２で圧縮前期噴射開始フラグＦC1を１にセットする。この場合、開始時期Ｔstは185°BTDCからカウントされる。また、ステップＳ１８の判定がＮｏであれば、ステップＳ２４で燃料噴射の開始時期Ｔstを設定し、ステップＳ２６で圧縮後期噴射開始フラグＦC2を１にセットする。この場合、開始時期Ｔstは75°BTDCからカウントされる。つまり、後期噴射モードでは、開弁時間Ｔinjによっては燃料噴射の開始時期Ｔstが75°BTDCより前になるため、185°BTDCからカウントせざるを得ないのである。
【００２７】
後期噴射モードにおける開始タイマＴ1のスタートは、図７，図８に示す第１，第２タイマ制御サブルーチンにより行われる。例えば、図７の第１タイマ制御サブルーチンは185°BTDCで起動され、ステップＳ３０で圧縮前期噴射開始フラグＦC1が１であれば、ＥＣＵ７０は、ステップＳ３２で開始タイマＴ1を起動させる。また、図８の第２タイマ制御サブルーチンは75°BTDCで起動され、ステップＳ３４で圧縮後期噴射開始フラグＦC2が１であれば、ステップＳ３６で開始タイマＴ1を起動させる。
【００２８】
さて、ＥＣＵ７０は、開弁時間Ｔinjと開始時期Ｔstとの決定や開始タイマＴ1のカウントを行う一方、所定の制御インターバルで図９に示した噴射開始制御サブルーチンを繰り返し実行する。このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４０で開始セットフラグＦS1が１か否かを判定する。開始セットフラグＦS1は図６のステップＳ２で０にリセットされているため、当初はこの判定がＮｏとなり、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４２で開始タイマＴ1の値が開始時期Ｔstの値以上となったか否かを判定する。そして、ＥＣＵ７０は、この判定がＮｏである間は以降の処理を行わずにスタートに戻り、Ｙesとなった時点で、ステップＳ４４で燃料噴射弁４をオンにして燃料噴射を開始させる。次に、ＥＣＵ７０は、ステップＳ４６で開始セットフラグＦS1を１とした後、ステップＳ４８で終了タイマＴ2を起動させる。その後、噴射時期設定サブルーチンで開始セットフラグＦS1が０にリセットされるまでは、ステップＳ４０の判定がＹesとなるため、ＥＣＵ７０は、このサブルーチンでの実質的な処理を行わない。
【００２９】
一方、ＥＣＵ７０は、噴射開始制御サブルーチンと並行して、所定の制御インターバルで図１０に示した噴射終了制御サブルーチンを繰り返し実行する。このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、ステップＳ５０で終了セットフラグＦS2が１か否かを判定する。終了セットフラグＦS2は図６のステップＳ２で０にリセットされているため、当初はこの判定がＮｏとなり、ＥＣＵ７０は、ステップＳ５２で終了タイマＴ2の値が開弁時間Ｔinjの値以上となったか否かを判定する。そして、ＥＣＵ７０は、この判定がＮｏである間は以降の処理を行わずにスタートに戻り、Ｙesとなった時点で、ステップＳ５４で燃料噴射弁４をオフにして燃料噴射を終了させ、ステップＳ５６で終了セットフラグＦS2を１とする。その後、噴射時期設定サブルーチンで終了セットフラグＦS2が０にリセットされるまでは、ステップＳ５０の判定がＹesとなるため、ＥＣＵ７０は、このサブルーチンでの実質的な処理を行わない。
【００３０】
以上述べた燃料噴射制御は、通常の状態で燃料噴射が行われる場合であるが、始動時や急加速時等において、終了時期のずれ込みが生じた場合の燃料噴射停止制御を以下に述べる。
前述したように、始動時には燃料噴射弁４に低燃圧の燃料が供給され、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択して燃料を噴射する。この際、ＥＣＵ７０は、燃料噴射の終了時期を吸気行程内に設定するが、初爆後にエンジン回転速度Ｎeが急上昇すると、所定の開始時期から燃料を噴射し始めても終了時期が圧縮行程にずれ込む。そこで、ＥＣＵ７０は、吸気行程の終期（185°BTDC）で図１１と図１５とに示した前期噴射停止制御サブルーチンを実行する。
【００３１】
このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ６０で現在が低燃圧であるか否か、すなわち、燃圧切換弁６０がオンであるか否かを判定し、この判定がＮｏであればサブルーチンを終了する。これは、高燃圧であれば筒内圧が燃圧より高くならず、燃料噴射弁内にガスが逆流する虞がないためである。また、ステップＳ６０の判定がＹesの場合、ＥＣＵ７０は、次にステップＳ６２で燃料噴射弁４が現在オン状態であるか否かを判定し、この判定がＮｏ、すなわち燃料噴射が既に終了していた場合にもサブルーチンを終了する。そして、ステップＳ６２の判定もＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、低燃圧でありながら終了時期が圧縮行程にずれ込んだと判断し、ステップＳ６４で燃料噴射弁４をオフにして燃料噴射を強制的に停止させる。しかる後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ６６で終了セットフラグＦS2を１にセットし、前述した噴射終了制御サブルーチンが実行されないようにする。
【００３２】
一方、アイドル運転時には燃料噴射弁４に高燃圧の燃料が供給され、ＥＣＵ７０は、前期噴射モードを選択して燃料を噴射する。この際、ＥＣＵ７０は、燃料噴射の終了時期を圧縮行程内に設定するが、発進加速等によりエンジン回転速度Ｎeが急上昇すると、所定の開始時期から燃料を噴射し始めても終了時期が燃焼行程にずれ込む。そこで、ＥＣＵ７０は、圧縮行程の中期（75°BTDC）で図１２と図１６とに示した第１後期噴射停止制御サブルーチンを実行する。
【００３３】
このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ７０で燃料噴射弁４が現在オン状態であるか否かを判定し、この判定がＮｏ、すなわち燃料噴射が既に終了していた場合にはサブルーチンを終了する。また、ステップＳ７０の判定がＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ７２で、現在のエンジン回転速度Ｎeと開弁時間Ｔinjの残量とから、燃料噴射が停止するクランク角θSTが所定の噴射停止クランク角θlt（本実施例では、40°BTDC）以降にずれこむか否かを推定する。この判定がＮｏであった場合、ＥＣＵ７０は、圧縮行程内に燃料噴射が終了すると判断し、サブルーチンを終了する。そして、ステップＳ７２の判定がＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、ステップＳ７４で、燃料噴射が噴射停止クランク角θltで終了するように、開弁時間Ｔinjを更新する。これにより、上述した噴射終了制御サブルーチンで燃料噴射弁がオフになる時点が早まり、終了時期が燃焼行程にずれ込むことが防止されるのである。
【００３４】
さて、第１後期噴射停止制御サブルーチンでは、圧縮行程の中期（75°BTDC）で、ＥＣＵ７０は、噴射停止クランク角θltをエンジン回転速度Ｎeと開弁時間Ｔinjの残量とから推定した。ところが、その後にエンジン回転速度Ｎeが更に上昇すると、推定した噴射停止クランク角θltで燃料噴射が停止せず、やはり終了時期が燃焼行程にずれ込む虞がある。そこで、ＥＣＵ７０は、圧縮行程の終期（５°BTDC）で図１３と図１７とに示した第２後期噴射停止制御サブルーチンを実行する。
【００３５】
このサブルーチンを開始すると、ＥＣＵ７０は、先ずステップＳ８０で現在が低燃圧であるか否か、すなわち、燃圧切換弁６０がオンであるか否かを判定し、この判定がＹesであればサブルーチンを終了する。これは、後期噴射モードでの燃料噴射は高燃圧でしか行われないため、余分な制御を行うことによるＣＰＵ等の負担を避けるためである。ステップＳ８０の判定がＮｏの場合、ＥＣＵ７０は、次にステップＳ８２で燃料噴射弁４が現在オン状態であるか否かを判定し、この判定がＮｏ、すなわち燃料噴射が既に終了していた場合にもサブルーチンを終了する。そして、ステップＳ８２の判定がＹesであった場合、ＥＣＵ７０は、低燃圧でありながら終了時期が燃焼行程にずれ込んだと判断し、ステップＳ８４で燃料噴射弁４をオフにして燃料噴射を強制的に停止させる。しかる後、ＥＣＵ７０は、ステップＳ８６で終了セットフラグＦS2を１にセットし、前述した噴射終了制御サブルーチンが実行されないようにする。
【００３６】
本実施例では、このような制御を行うようにしたため、始動時や加速時等における燃料噴射の終了時期の圧縮行程や燃焼行程へのずれ込みがなくなり、燃料噴射弁の汚損やスモークの発生を完全に防止することができた。尚、前期噴射停止制御や後期噴射停止制御を行うことにより、開弁時間が実質的に短くなって燃料噴射量が減少するが、この際には空燃比が若干リーンになるだけで大きな問題は生じない。
【００３７】
以上で、具体的実施例の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施例に限るものではない。例えば、上記実施例は本発明を直列４気筒の筒内噴射ガソリンエンジンに適用したものであるが、単気筒エンジンやＶ型６気筒エンジン等、気筒数やその配列が異なる種々のエンジンに適用してもよいし、メタノール等のガソリン以外の燃料を使用するエンジンに適用してもよい。また、上記実施例では所定のクランク位置でクランク角信号を出力するベーン型のクランク角センサを用いたが、例えば１°毎にクランク角信号を出力するクランク角センサを用いるようにしてもよい。また、上記実施例では、燃料噴射制御を燃料噴射の開始時期と開弁時間とに基づき行うようにしたが、容量の大きなタイマを用いること等により、開始時期と終了時期とに基づいてこれを行うようにしてもよい。また、燃料噴射時期の設定や噴射停止制御におけるサブルーチンの起動タイミングについては、クランク角センサの仕様の他、エンジンの種類や仕様等に応じて適宜設定されることが望ましい。更に、制御システムの具体的構成や制御の手順については、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の請求項１によれば、吸入行程で燃料噴射を行う前期噴射モードと、圧縮行程で燃料噴射を行う後期噴射モードとに基づき、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、当該内燃機関のクランク位置を検出するクランク位置検出手段と、当該内燃機関の始動時において上記前期噴射モードを実行すべく、当該内燃機関の運転状態に応じて上記燃料噴射弁の開弁時間を設定すると共に、圧縮行程の開始以前に燃料噴射を終了可能な燃料噴射の終了時期を設定し、該 開弁時間及び終了時期から燃料噴射の開始時期を設定する燃料噴射時期設定手段と、上記クランク位置検出手段により所定クランク位置が検出された時点からの時間の経過を計測する計時手段と、上記始動時において、上記燃料噴射時期設定手段で設定された燃料噴射の開始時期と上記計時手段の計時可能な上限値とを比較し、上記開始時期が上限値以下のときには、該開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で上記燃料噴射を開始させる一方、上記開始時期が上限値より大であるときには、上記開始時期を上限値で置き換え、該置き換え後の開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で強制的に燃料噴射を開始させる燃料噴射開始手段とを備えるようにしたため、始動時において、設定された燃料噴射の開始時期が計時手段の上限値を超えていた場合にも、燃料噴射を開始させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るエンジン制御システムの一実施例を示す概略構成図である。
【図２】 実施例に係る筒内噴射ガソリンエンジンの縦断面図である。
【図３】 実施例に係る燃料噴射制御マップである。
【図４】 実施例における後期噴射モード時の燃料噴射形態を示す説明図である。
【図５】 実施例における前期噴射モード時の燃料噴射形態を示す説明図である。
【図６】 噴射時期設定サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図７】 第１タイマ制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図８】 第２タイマ制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図９】 噴射開始制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１０】 噴射終了制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１１】 前期噴射停止制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１２】 第１後期噴射停止制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１３】 第２後期噴射停止制御サブルーチンの手順を示したフローチャートである。
【図１４】 燃料噴射の開始時期を変更した状態を示すタイミングチャートである。
【図１５】 前期噴射停止制御を示すタイミングチャートである。
【図１６】 第１後期噴射停止制御を示すタイミングチャートである。
【図１７】 第２後期噴射停止制御を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ エンジン
４ 燃料噴射弁
１３ 吸気ポート
１７ クランク角センサ
２１ 吸気マニホールド
２３ スロットルボディ
２４ ＩＳＣＶ
２５ 吸気管
２６ エアバイパスパイプ
２７ ＡＢＶ
３１ ブースト圧センサ
４０ Ｏ２センサ
４１ 排気マニホールド
４２ 三元触媒
４３ 排気管
５０ 燃料タンク
５１ 低圧燃料ポンプ
５５ 高圧燃料ポンプ
５７ デリバリパイプ
７０ ＥＣＵ
Claims (1)
- 吸入行程で燃料噴射を行う前期噴射モードと、圧縮行程で燃料噴射を行う後期噴射モードとに基づき、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
当該内燃機関のクランク位置を検出するクランク位置検出手段と、
当該内燃機関の始動時において上記前期噴射モードを実行すべく、当該内燃機関の運転状態に応じて上記燃料噴射弁の開弁時間を設定すると共に、圧縮行程の開始以前に燃料噴射を終了可能な燃料噴射の終了時期を設定し、該開弁時間及び終了時期から燃料噴射の開始時期を設定する燃料噴射時期設定手段と、
上記クランク位置検出手段により所定クランク位置が検出された時点からの時間の経過を計測する計時手段と、
上記始動時において、上記燃料噴射時期設定手段で設定された燃料噴射の開始時期と上記計時手段の計時可能な上限値とを比較し、上記開始時期が上限値以下のときには、該開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で上記燃料噴射を開始させる一方、上記開始時期が上限値より大であるときには、上記開始時期を上限値で置き換え、該置き換え後の開始時期の経過が上記計時手段により計測された時点で強制的に燃料噴射を開始させる燃料噴射開始手段と
を備えたことを特徴とする筒内噴射型火花点火式内燃機関の燃料噴射制御装置。
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