JP4198011B2 - 内燃機関の始動時圧縮自着火防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、始動時の圧縮自着火（プレイグニッション）を防止する機能を備えた筒内噴射式の内燃機関の始動時圧縮自着火防止装置に関するものである。

筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射式の内燃機関は、燃料噴射系の燃料圧力が高圧に設定されているため、内燃機関の停止期間中に燃料噴射弁から筒内に燃料が漏れ出る“油密漏れ”が吸気ポート噴射式の内燃機関よりも多く生じる。この油密漏れにより、筒内に燃料が漏れ出ると、筒内の空気に燃料が混合された状態となるため、この状態で内燃機関を始動すると、始動初期に圧縮行程の筒内ガスが圧縮されて高温になることで自己着火する“圧縮自着火”が発生する可能性がある。この圧縮自着火（プレイグニッション）が発生すると、ノッキング音が発生して運転者に不快感を与えてしまう。

圧縮自着火（プレイグニッション）を防止する公知技術としては、特許文献１（特開２０００−９７０６１号公報）に記載された可変動弁エンジンのプレイグニッション防止装置がある。このものは、エンジン運転中に、プレイグニッションを計測し、プレイグニッションの計測レベルが大きくなったときに、吸排気バルブのオーバーラップ量を縮小して、圧縮上死点付近の筒内ガス温度を低下させることで、エンジン運転中のプレイグニッションを防止するようにしている。
特開２０００−９７０６１号公報（第３頁等）

しかしながら、上記特許文献１のプレイグニッション防止技術は、エンジン運転中（走行中）に連続的に発生するプレイグニッションを防止する技術であり、始動初期に単発的に発生するプレイグニッション（始動時圧縮自着火）を防止することはできない。

そこで、本発明の目的は、始動初期に単発的に発生する圧縮自着火（始動時圧縮自着火）を防止する機能を備えた内燃機関の始動時圧縮自着火防止装置を提供することにある。

本発明は、内燃機関の停止中の燃料噴射系の燃料圧力が低くなるほど、始動時圧縮自着火の発生原因となる燃料噴射弁の油密漏れ燃料量が減少するという特性に着目して、内燃機関を停止させるときに始動時圧縮自着火の生じにくい気筒に燃料を噴射して燃料噴射系の燃料圧力を低下させるようにしたものである。このようにすれば、始動時圧縮自着火の可能性がある気筒の燃料噴射弁の油密漏れ燃料量を減少させて、当該気筒の空燃比が始動時圧縮自着火しやすい空燃比になることを回避することができ、始動時圧縮自着火を防止することができる。

《実施形態（１）》
以下、本発明の実施形態（１）を図１及び図２に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。筒内噴射式の内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出する熱式のエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４には、吸気温を検出する吸気温センサ１０が内蔵されている。このエアフローメータ１４の下流側には、ＤＣモータ等のモータ１５によって駆動されるスロットルバルブ１６が設けられ、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）がスロットル開度センサ１７によって検出される。

また、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に、筒内の気流強度（スワール流強度やタンブル流強度）を制御する気流制御弁３１が設けられている。

エンジン１１の各気筒の上部には、それぞれ燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

エンジン１１のシリンダブロックには、ノッキングを検出するノックセンサ３２と、冷却水温を検出する冷却水温センサ２３と、エンジン１１のクランク角を検出するクランク角センサ２４が取り付けられている。このクランク角センサ２４は、エンジン１１のクランク軸に嵌着されたシグナルロータ３７の外周に対向するように配置され、該シグナルロータ３７の外周には、所定クランク角毎に歯３７ａが形成され、該シグナルロータ３７の外周の特定のクランク角位置には、１〜３個分の歯３７ａが欠けた欠歯部が形成されている。これにより、エンジン１１の回転に伴って欠歯部以外のクランク角領域では、所定クランク角毎にクランク角センサ２４から等間隔のクランク角パルス信号が出力され、欠歯部（クランク角基準位置）では、パルス間隔の長くなる不等間隔のクランク角パルス信号が出力される。

一方、エンジン１１の排気管２５には、排出ガスを浄化する上流側触媒２６と下流側触媒２７が設けられ、上流側触媒２６の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２８（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。また、排気管２５のうちの上流側触媒２６の下流側と吸気管１２のうちのスロットルバルブ１６の下流側のサージタンク１８との間に、排出ガスの一部を吸気側に還流させるためのＥＧＲ配管３３が接続され、このＥＧＲ配管３３の途中に排出ガス還流量（ＥＧＲ量）を制御するＥＧＲ弁３４が設けられている。

前述した各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や燃料噴射時期、点火プラグ２２の点火時期等を制御する。

このＥＣＵ３０は、クランク角センサ２４から出力されるクランク角パルス信号のパルス間隔が等間隔か不等間隔かを判別して、不等間隔のクランク角パルス信号が発生する位置（欠歯部）をクランク角基準位置として検出し、該クランク角基準位置から等間隔のクランク角パルス信号をカウントしてそのカウント数によりクランク角位置を検出して気筒判別し、更に、等間隔のクランク角パルス信号の発生周波数からエンジン回転速度を検出する。

また、ＥＣＵ３０は、エンジン停止位置を検出する機能も備えている。このエンジン停止位置の検出方法は、例えば、特許第３１８６５２４号公報、特開２００２−３９０３８号公報、特開昭６０−２４０８７５号公報、特開平１１−１０７８２３号公報等に記載された停止位置検出技術を用いて行えば良い。具体的には、例えば、次のいずれかの方法でエンジン停止位置を検出すれば良い。

［停止位置検出方法(1)］
イグニッションスイッチ（図示せず）がオフ操作されて点火や燃料噴射が停止された後も、暫くエンジン１１のクランク軸が惰性で回転するため、イグニッションスイッチのオフ後も、エンジン回転が完全に停止するまで、ＥＣＵ３０のメイン電源リレー（図示せず）をオン状態に維持してクランク角位置の検出を継続し、メイン電源リレー（図示せず）をオフする直前に、その時点のクランク角位置をエンジン停止位置としてＥＣＵ３０のバックアップＲＡＭ（図示せず）に記憶させておく。そして、次の始動時に、特定気筒（クランク角基準位置）の判別を完了するまで、バックアップＲＡＭに記憶されているエンジン停止位置を基準にして気筒判別やクランク角の検出を行い、燃料噴射制御や点火制御を行う。

［停止位置検出方法(2)］
イグニッションスイッチがオフされた瞬間のエンジン運転状態（吸気管圧力、エンジン回転速度）に基づいて、クランク軸が慣性により回転して停止するまでの回転量（ＴＤＣ数）を演算し、イグニッションスイッチがオフされる直前に燃料が噴射された気筒と、前記停止するまでの回転量（ＴＤＣ数）とから、エンジン停止位置を推定して、その推定結果をＥＣＵ３０のバックアップＲＡＭ（図示せず）に記憶させておく。

また、ＥＣＵ３０は、後述する図２の始動制御プログラムを実行することで、イグニッションスイッチの始動操作により始動要求が発生したときに、エンジン１１が高温状態で始動時圧縮自着火が発生する可能性があれば、始動時圧縮自着火の可能性のある気筒に燃料を噴射してからエンジン１１を始動する。ここで、始動時圧縮自着火の可能性のある気筒は、例えば始動開始時（エンジン停止時）に吸気行程となっている気筒である。

図２の始動制御プログラムは、ＥＣＵ３０の電源投入後に起動される。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、始動要求が発生しているか否かを判定し、まだ始動要求が発生していなければ、始動要求が発生するまで待機する。

その後、始動要求が発生した時点で、ステップ１０２に進み、始動時圧縮自着火が発生する可能性のある高温始動であるか否かを、冷却水温センサ２３の出力（冷却水温）や吸気温センサ１０の出力（吸気温）に基づいて判定する。その結果、高温始動でないと判定された場合、つまり始動時圧縮自着火が発生しにくい冷間始動と判定された場合は、ステップ１０４に進み、通常の始動処理でエンジン１１を始動する。

これに対して、上記ステップ１０２で、始動時圧縮自着火が発生する可能性のある高温始動であると判定された場合には、ステップ１０３に進み、ＥＣＵ３０のバックアップＲＡＭに記憶されているエンジン停止位置の情報に基づいて始動時圧縮自着火の可能性のある気筒（例えば吸気行程の気筒）を判別し、その気筒に燃料を所定量噴射してから、ステップ１０４に進み、通常の始動処理でエンジン１１を始動する。

上記ステップ１０３で、始動前に噴射する燃料噴射量（所定量）は、噴射気筒の空燃比を始動時圧縮自着火の生じにくいリッチな空燃比に変化させるのに必要な燃料噴射量に設定されている。上記ステップ１０１〜１０３の処理が特許請求の範囲でいう圧縮自着火防止手段としての役割を果たす。

以上説明した本実施形態（１）によれば、始動要求が発生したときに、エンジン１１が高温状態で始動時圧縮自着火が発生する可能性があれば、始動時圧縮自着火の可能性のある気筒に燃料を噴射してからエンジン１１を始動するようにしたので、始動前の最適な噴射時期である始動直前に、始動時圧縮自着火の可能性のある気筒に燃料を噴射して当該気筒の空燃比を始動時圧縮自着火の生じにくい空燃比に変化させ、且つ、噴射燃料の蒸発潜熱により筒内ガス温度を低下させて始動時圧縮自着火の生じにくい温度状態にしてから始動することが可能となり、始動時圧縮自着火を確実に防止することができる。しかも、冷間始動時で本来的に始動時圧縮自着火が発生しにくいときには、始動前に燃料を筒内に噴射せずに済み、その分、エミッションや燃費を向上させることができる。

《実施形態（２）》
上記実施形態（１）では、始動直前に、始動時圧縮自着火の可能性のある気筒を判別するために、エンジン停止位置を検出する機能を必要とするが、このエンジン停止位置検出機能を持たないシステムに本発明を適用する場合は、始動前に全気筒に燃料を噴射するようにすれば良い。

これを具体化した本発明の実施形態（２）では、図３に示す始動制御プログラムを実行する。本プログラムでは、イグニッションスイッチの始動操作により始動要求が発生したときに、エンジン１１が高温状態で始動時圧縮自着火が発生する可能性があれば、ステップ１０１→１０２→１０３ａへと進み、全気筒に燃料を所定量噴射してから、ステップ１０４に進み、通常の始動処理でエンジン１１を始動する。その他の処理は、前記実施形態（１）で説明した図２の始動制御プログラムの処理と同じである。

本実施形態（２）でも、始動直前に、各気筒の空燃比を始動時圧縮自着火の生じにくい空燃比に変化させたり、或は、全気筒のガス温度を噴射燃料の蒸発潜熱により低下させて始動時圧縮自着火の生じにくい温度とすることが可能となり、始動時圧縮自着火を防止することができる。

尚、上記実施形態（１），（２）では、始動直前に燃料を噴射するようにしたので、噴射燃料の蒸発潜熱により始動開始時の筒内ガス温度を最も効果的に低下させることができて、始動時圧縮自着火防止効果を高めることができる利点がある（燃料噴射から始動までの時間が長くなるほど、噴射燃料の蒸発潜熱による始動開始時の筒内ガス温度の低下効果が少なくなる）。

しかしながら、始動前に燃料を噴射するタイミングは、始動直前に限定されず、例えば、エンジン停止直後であっても良く、要は、エンジン１１を停止させてから始動するまでの間に、始動時圧縮自着火の可能性がある気筒又は全気筒に燃料を噴射するようにすれば良い。

《実施形態（３）》
ところで、始動時圧縮自着火の発生原因は、エンジン停止中の燃料噴射弁２１の油密漏れの燃料であるため、油密漏れ燃料量が少なくなれば、始動時圧縮自着火が発生する可能性が少なくなる。燃料噴射弁２１の油密漏れは、燃料噴射系の燃料圧力が高くなるほど多くなるため、エンジン停止中の油密漏れ燃料量を少なくするためには、エンジン停止中の燃料噴射系の燃料圧力を低下させれば良い。 そこで、本発明の実施形態（３）では、後述する図４の油密漏れ低減プログラムを実行することで、エンジン停止直後に始動時圧縮自着火の生じにくい気筒に燃料を噴射して燃料噴射系の燃料圧力を低下させることで、始動時圧縮自着火の可能性がある気筒の燃料噴射弁２１の油密漏れ燃料量を減少させるようにしている。ここで、始動時圧縮自着火の生じにくい気筒は、例えば始動開始時（エンジン停止時）に膨張行程又は排気行程となっている気筒である。

図４の油密漏れ低減プログラムは、ＥＣＵ３０のメイン電源リレー（図示せず）のオン期間中に周期的に実行され、特許請求の範囲でいう圧縮自着火防止手段としての役割を果たす。本プログラムが起動されると、まずステップ２０１で、エンジン停止直後であるか否かを判定し、エンジン停止直後でなければ、以降の処理を行うことなく、本プログラムを終了する。

これに対し、上記ステップ２０１で、エンジン停止直後と判定されれば、ステップ２０２に進み、始動時圧縮自着火の生じにくい気筒（例えば膨張行程又は排気行程の気筒）に燃料を噴射して燃料噴射系の燃料圧力を低下させる。この後、ステップ２０３に進み、メイン電源リレーをオフする。

以上説明した本実施形態（３）では、エンジン停止直後に始動時圧縮自着火の生じにくい気筒（例えば膨張行程又は排気行程の気筒）に燃料を噴射して燃料噴射系の燃料圧力を低下させるようにしたので、始動時圧縮自着火の可能性がある気筒（例えば吸気行程の気筒）の燃料噴射弁２１の油密漏れ燃料量を減少させることができて、当該気筒の空燃比が始動時圧縮自着火しやすい空燃比になることを回避することができ、始動時圧縮自着火を防止することができる。

《実施形態（４）》
本発明の実施形態（４）では、後述する図５の始動制御プログラムを実行することで、イグニッションスイッチの始動操作により始動要求が発生したときに、エンジン１１が高温状態で始動時圧縮自着火が発生する可能性があれば、始動時圧縮自着火の可能性がある気筒（例えば吸気行程の気筒）における始動時の最初の点火時期を圧縮自着火のタイミングよりも前に進角させて、当該気筒についてのみ始動時圧縮自着火が起こる前に点火するようにしている。

図５の始動制御プログラムは、ＥＣＵ３０の電源投入後に起動される。本プログラムでは、イグニッションスイッチの始動操作により始動要求が発生したときに、エンジン１１が高温状態で始動時圧縮自着火が発生する可能性があれば、ステップ１０１→１０２→１０３ｂへと進み、ＥＣＵ３０のバックアップＲＡＭに記憶されているエンジン停止位置の情報に基づいて始動時圧縮自着火の可能性のある気筒（例えば吸気行程の気筒）を判別し、その気筒についてのみ始動時の最初の点火時期を圧縮自着火のタイミングよりも前に進角させた上で、ステップ１０４に進み、通常の始動処理でエンジン１１を始動する。その他の処理は、前記実施形態（１）で説明した図２の始動制御プログラムの処理と同じである。

以上説明した本実施形態（４）では、始動時圧縮自着火の可能性がある気筒における始動時の最初の点火時期を圧縮自着火のタイミングよりも前に進角させるようにしたので、始動時圧縮自着火の可能性がある気筒について、始動時圧縮自着火が起こる前に点火できる。これにより、始動時圧縮自着火を未然に防止でき、ノッキング音を防止することができる。

尚、上記各実施形態（１）〜（４）の制御は、エンジン自動停止・始動装置（いわゆるアイドリングストップ装置）を搭載したエンジンにも適用できる。この場合は、イグニッションスイッチの始動操作による始動要求（手動始動要求）の他に、エンジン自動停止・始動装置から始動要求（自動始動要求）が発生する。従って、エンジン自動停止・始動装置から自動始動要求が発生したときに、前記実施形態（１）、（２）、（４）の制御を行うようにしたり、或は、エンジン自動停止・始動装置から自動停止要求が発生したときに、前記実施形態（３）の制御を行うようにしても良い。このようにすれば、エンジン自動停止・始動装置によって自動始動する際にも、始動時圧縮自着火を防止することができる。

また、図２、図３、図５の各始動制御プログラムにおいて、ステップ１０２の処理（高温始動であるか否かの判定）を省略しても良い。

本発明の実施形態（１）におけるエンジン制御システム全体を示す図である。 実施形態（１）の始動制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態（２）の始動制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態（３）の油密漏れ低減プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態（４）の始動制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…吸気温センサ、１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…冷却水温センサ、２４…クランク角センサ、３０…ＥＣＵ（圧縮自着火防止手段）。

Claims (1)

1. 筒内に燃料を直接噴射して燃焼させる筒内噴射式の内燃機関において、
   内燃機関を停止させるときに始動時圧縮自着火の生じにくい気筒に燃料を噴射して燃料噴射系の燃料圧力を低下させる圧縮自着火防止手段を備えていることを特徴とする内燃機関の始動時圧縮自着火防止装置。

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