JP4269424B2

JP4269424B2 - 筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP4269424B2
Application number: JP24997099A
Authority: JP
Inventors: 篤石田; 千詞加藤; 登高木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2019-09-03
Also published as: JP2001073854A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する主燃料噴射弁と、吸気通路内に燃料を噴射する補助燃料噴射弁とを備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば特開平１０−１７６５７４号公報や特開平１０−１８８８４号公報に記載されるように、燃焼室内に燃料を直接噴射するようにした筒内噴射式の内燃機関では、筒内噴射用の主燃料噴射弁とは別に、吸気通路内に燃料を噴射する補助燃料噴射弁を備え、機関始動時には主燃料噴射弁に加えてこの補助燃料噴射弁からも燃料を噴射するようにしている。吸気通路に噴射される燃料は燃焼室内に直接噴射される燃料と比較してその気化が促進されるため、こうした補助燃料噴射弁による燃料噴射を行うことにより、筒内噴射式の内燃機関であっても良好な機関始動性を確保することができるようになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特に低温の機関始動時においては、初爆、即ち燃焼室での混合気の最初の燃焼が行われるまでは、主燃料噴射弁から噴射された燃料は燃焼室の内壁や機関ピストンに付着したまま気化しない割合が多く、従ってこの初爆に供される燃料は、その大部分が補助燃料噴射弁から噴射された燃料である、ことが本発明者らによって確認されている。
【０００４】
従って、従来にあっては、初爆に至るまでの間に主燃料噴射弁から噴射された燃料が液状のまま燃焼室内に蓄積され、その後に未燃成分（燃料成分そのものや不完全燃焼により生じる燃焼中間生成物）として燃焼室から排出されてしまうこととなり、また、こうした未燃成分の排出による無駄な燃費消費も避けきれないものとなっていた。
【０００５】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、機関始動時における未燃成分の排出量を減少させ、無駄な燃料消費を抑制することのできる筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための構成及びその作用効果について以下に記載する。
請求項１に記載した発明では、燃焼室内に燃料を直接噴射する主燃料噴射弁と、吸気通路内に燃料を噴射する補助燃料噴射弁とを備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、機関始動開始時に前記補助燃料噴射弁の燃料噴射を開始する補助燃料噴射弁制御手段と、前記機関始動開始時から初爆に至るまでの期間のうち、前記機関始動開始時から前記補助燃料噴射弁の燃料噴射によって前記燃焼室内に形成される混合気の濃度が所定濃度以上になるまでの期間、前記主燃料噴射弁の燃料噴射を禁止するとともに、同期間の経過後に前記主燃料噴射弁の燃料噴射を開始する主燃料噴射弁制御手段とを備えるようにしている。
【０００７】
上記構成によれば、初爆に至るまでの機関始動時において、補助燃料噴射弁の噴射燃料によって燃焼室内に形成される混合気の濃度が所定濃度以上になるのを待って主燃料噴射弁の燃料噴射が開始されるため、この主燃料噴射弁の燃料噴射が開始されてから初爆に至るまでの期間が短縮されるようになる。その結果、機関温度の低い機関始動時であっても、主燃料噴射弁から噴射される燃料の気化が促進されずに燃焼室内に液状のまま蓄積されてしまうのを極力抑制することができるようになる。従って、機関始動時における未燃成分の排出量を減少させ、無駄な燃料消費を抑制することができるようになる。
【０００９】
また、機関始動の開始時から初爆に至るまでの期間に主燃料噴射弁から噴射された燃料は、その大部分が燃焼に寄与することなく燃焼室内に蓄積されるのに対し、初爆以後は燃焼室内の温度が急速に上昇するため、主燃料噴射弁から噴射される燃料の気化が促進されるようになり、同燃焼室内での燃料の蓄積も抑制されるようになる。
【００１０】
これに対して上記請求項１に記載の構成では、主燃料噴射弁の燃料噴射を禁止する期間を機関始動開始時から初爆に至るまでの期間の範囲で設定するようにしている。そのため、初爆以後には主燃料噴射弁の燃料噴射が実行されるようになり、燃焼室内での燃料の蓄積を抑制しつつ、機関始動時の燃焼に寄与する燃料量をより多く確保して機関始動を早期に完了することができるようになる。
【００１１】
請求項２に記載した発明では、請求項１に記載した筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、前記主燃料噴射弁制御手段は、前記機関始動開始時から前記補助燃料噴射弁の燃料噴射によって前記燃焼室内に形成される混合気の濃度が所定濃度以上になるまでの期間を機関温度に基づいて推定し、前記主燃料噴射弁の燃料噴射を禁止する期間を機関温度に基づいて可変設定するものであるとしている。
【００１２】
補助燃料噴射弁から吸気通路内に噴射された燃料のうち一部は、吸気通路の内壁等に一旦付着した後、徐々に気化して吸入空気とともに燃焼室に導入されるようになる。ここで、この付着燃料の量やその後の気化速度は、機関温度に応じて変化し、同温度が低くなるほど、付着量は多くなり、気化速度は小さくなる。このため、機関温度が低くなるほど、燃焼室内に形成される混合気の濃度は機関始動開始後において緩やかに上昇するようになり、また機関始動開始時から初爆に至るまでの期間も長くなる。
【００１３】
請求項２に記載した発明の構成によれば、このように機関始動開始時から初爆に至るまでの期間が機関温度に応じて変化するのに合わせて、主燃料噴射弁の燃料噴射を禁止する期間を設定することができるため、請求項１に記載した発明の作用効果を更に適切に奏することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図５を参照して説明する。
図１は本実施形態にかかる燃料噴射制御装置及び同装置が適用されるエンジン１０の概略構成を示している。尚、本実施形態では、上記エンジン１０として６気筒のエンジンを想定している。
【００１５】
同図１に示されるように、エンジン１０はシリンダヘッド１１と、複数のシリンダ１２（図１ではその一つのみを図示）が形成されたシリンダブロック１３とを備えている。各シリンダ１２内にはピストン１４が往復動可能に設けられており、このピストン１４と、シリンダ１２の内壁及びシリンダヘッド１１とによって燃焼室１５が区画形成されている。
【００１６】
シリンダヘッド１１には、この燃焼室１５内に燃料を直接噴射する主燃料噴射弁２０と、燃焼室１５内の混合気に点火する点火プラグ２２とが、各気筒に対応してそれぞれ設けられている。また、吸気通路１６の一部を構成するサージタンク１７には、エンジン１０の始動時においてその内部に燃料を噴射する各気筒共通の補助燃料噴射弁２１が設けられている。
【００１７】
エンジン１０には、機関運転状態を検出するための各種センサが設けられている。クランクシャフトと同クランクシャフトと連動して回転するカムシャフト（いずれも図示略）の近傍には、クランクシャフトの回転速度（機関回転数）とその回転位相（クランク角ＣＡ）を検出するためのクランク角センサ３０及びカム角センサ３１がそれぞれ設けられている。また、シリンダブロック１３には、エンジン１０の冷却水の温度（冷却水温ＴＨＷ）を検出する水温センサ３２が設けられている。
【００１８】
これら各センサ３０〜３２から出力される検出信号はいずれも、エンジン１０の電子制御装置４０に入力される。この電子制御装置４０は、これら各センサ３０〜３２を含む各種センサからの検出信号に基づいて各燃料噴射弁２０，２１等を駆動することにより、燃料噴射に係る制御を実行する。また、電子制御装置４０は、こうした燃料噴射制御を実行するためのプログラムや演算用マップ、制御の実行に際して算出されるデータ等を記憶保持するメモリ４１を備えている。
【００１９】
次に、こうした構成を備えた本実施形態の装置による機関始動時の燃料噴射制御について説明する。
図２は、この燃料噴射制御における処理手順を示すフローチャートである。電子制御装置４０は、このフローチャートに示される処理を所定のクランク角周期の割込処理として実行する。
【００２０】
この処理では、機関始動時において双方の燃料噴射弁２０，２１による燃料噴射を行う場合に、補助燃料噴射弁２１の燃料噴射を開始する一方、主燃料噴射弁２０による燃料噴射を禁止し、補助燃料噴射弁２１の燃料噴射により燃焼室１５内における混合気の濃度が十分に高められるのを待って主燃料噴射弁２０の燃料噴射を実行するようにしている。
【００２１】
以下、図２のフローチャートを参照して更に詳細に説明すると、この処理に際してはまず、エンジン１０が始動中であるか否か、即ちクランクシャフトが図示しないスタータにより回転駆動されているか否かが判断される（ステップ１００）。
【００２２】
機関始動中である旨判断されると（ステップ１００：ＹＥＳ）、次に冷却水温ＴＨＷが所定温度α℃未満であるか否かが判断される（ステップ１１０）。ここで冷却水温ＴＨＷが所定温度α℃未満である場合には（ステップ１１０：ＹＥＳ）、補助燃料噴射２１による燃料噴射が実行される（ステップ１２０）。因みに、この補助燃料噴射弁２１の燃料噴射時間（噴射量）は、機関始動を開始した時の冷却水温ＴＨＷ（以下、「始動時水温ＴＨＷＳＴ」と称する）に基づいて設定され、同水温ＴＨＷＳＴが低くなるほど長い時間に設定されている。
【００２３】
次に、主燃料噴射弁２０の燃料噴射を開始するか否かを判断する際に用いる禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが設定される（ステップ１３０）。この禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦは、機関始動が開始された時から、燃焼室１５内の混合気の濃度が補助燃料噴射弁２１の燃料噴射によって初爆の生じない範囲で設定される濃度（以下、「所定濃度Ｄ１」という）に上昇するまでの期間として設定されており、ここではクランク角ＣＡをその単位として上記始動時水温ＴＨＷＳＴに基づき設定されている。
【００２４】
図３は、この禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦの設定に際して用いられる演算用マップを示している。
同図に示されるように、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦは、始動時水温ＴＨＷＳＴが所定温度β℃（≦α℃、例えば「０℃」）未満となる範囲では、同始動時水温ＴＨＷＳＴが低くなるほど長い期間に設定される。これは以下の理由に基づいている。
【００２５】
即ち、始動時水温ＴＨＷＳＴが低くなるほど、補助燃料噴射弁２１から吸気通路１６内に噴射された燃料のうち、吸気通路１６の内壁等（特に、サージタンク１７の内壁）に付着する量が多くなり、また、その付着した燃料が再び気化する際の気化速度（単位面積部分から時間当りに気化する量）が小さくなる。
【００２６】
このため、図４のタイミングチャートに示されるように、始動時水温ＴＨＷＳＴが低いとき（同図（ｂ）の一点鎖線参照）には、高いとき（実線参照）と比較して、機関始動開始後において燃焼室１５内の混合気の濃度が緩やかに上昇するようになり、同濃度が上記所定濃度Ｄ１に達するまでの期間（タイミングｔ０〜ｔ２）も長くなるからである。
【００２７】
また、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦは、始動時水温ＴＨＷＳＴが所定温度β℃以上となる範囲においては、一律「０」に設定される。即ち、この場合には、主燃料噴射弁２０の燃料噴射は禁止されることなく始動開始時から実行されることとなる。このように禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦを設定しているのは以下の理由に基づいている。
【００２８】
即ち、始動時水温ＴＨＷＳＴが所定温度β℃以上となる場合には、吸気通路１６の内壁等に付着する燃料の量が少なくなり、また付着しても速やかに気化するようになる。
【００２９】
従って、補助燃料噴射弁２１の燃料噴射が開始されると、燃焼室１５内の混合気の濃度は直ぐに上記所定濃度Ｄ１に達するようになり（図４（ｂ）の二点鎖線参照）、補助燃料噴射弁２１の燃料噴射と同時に主燃料噴射弁２０の燃料噴射を行うようにしても、その噴射燃料が燃焼に寄与することなく燃焼室１５内に蓄積されてしまうことは殆どないからである。
【００３０】
尚、先の図３のマップに示されるような禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦと始動時水温ＴＨＷＳＴとの関係は、予め実験等により求められ、関数データとして電子制御装置４０のメモリ４１に記憶されている。
【００３１】
こうして禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが設定された後、始動開始時からこの禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが経過したか否か（始動開始時からのクランク角ＣＡの変化量が禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦより大きいか否か）が判断される（ステップ１４０）。ここで、未だ禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが経過してない旨判断された場合には（ステップ１４０：ＮＯ）、主燃料噴射弁２０の燃料噴射が禁止される（ステップ１６０）。一方、始動開始時から禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが経過している旨判断された場合には（ステップ１４０：ＹＥＳ）には、主燃料噴射弁２０の燃料噴射が実行（許可）される（ステップ１５０）。
【００３２】
また、エンジン１０の運転を停止した直後に再び運転を開始する場合のように、冷却水温ＴＨＷが既に所定温度α℃以上にまで上昇している場合には（ステップ１１０：ＮＯ）、主燃料噴射弁２０の噴射燃料が燃焼室１５内において十分に気化するものとして、補助燃料噴射弁２１による燃料噴射は行われず、主燃料噴射弁２０の燃料噴射のみが実行されるようになる（ステップ１５０）。
【００３３】
上記各ステップ１５０，１６０のいずれかの処理が実行された後、或いはステップ１００において機関始動中ではない旨判断された場合（ステップ１００：ＮＯ）にはいずれも、この一連の処理が一旦終了される。
【００３４】
次に、こうした燃料噴射制御による制御態様の一例について、図５に示すタイミングチャートを参照して説明する。尚、同図（ｂ）において、「＃ｎ（ｎ＝１〜６）」は第ｎ気筒に設けられた主燃料噴射弁２０による燃料噴射態様を示している。
【００３５】
まず、機関始動が開始されると（タイミングｔ０）、その時から所定期間の間（タイミングｔ０〜ｔ１）、補助燃料噴射弁２１による燃料噴射が行われる。また、始動開始時から禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが経過するまでの間（タイミングｔ０〜ｔ２）は、主燃料噴射弁２０の燃料噴射が禁止されるため、燃料噴射時期が到来しても、同主燃料噴射弁２０による燃料噴射が実行されることはない。従って、初爆に至る前に主燃料噴射弁２０から噴射された燃料が燃焼室１５内に液状のまま蓄積されてしまうのが極力抑制されるようになる。
【００３６】
また、この禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦの間に、補助燃料噴射弁２１から噴射された燃料が気化して燃焼室１５に到達し、同燃焼室１５内における混合気の濃度が十分に高められるようになる。このため、主燃料噴射弁２０の燃料噴射が開始されてから初爆に至るまでの期間が短縮されるようになる。
【００３７】
そして、始動開始時から禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが経過すると、その後は燃料噴射時期（例えばタイミングｔ３）が到来するのに合わせて主燃料噴射弁２０から燃料が噴射されるようになる。また、補助燃料噴射弁２１の噴射燃料によって燃焼室１５内の混合気の濃度が十分に高められているため、主燃料噴射弁２０の燃料噴射が開始されて間もなく初爆が生じるようになる（例えばタイミングｔ４、同図では第４気筒において初爆が発生する例を示している）。従って、主燃料噴射弁２０から噴射された燃料は、補助燃料噴射弁２１から噴射された燃料とともに燃焼に供されるようになる。
【００３８】
以上説明した態様をもって機関始動時の燃料噴射制御を実行する本実施形態の燃料噴射制御装置によれば、
（１）機関始動時において、補助燃料噴射弁２１の噴射燃料によって燃焼室１５内に形成される混合気の濃度が所定濃度Ｄ１以上になるのを待って主燃料噴射弁２０の燃料噴射を開始するようにしているため、その燃料噴射の開始から初爆に至るまでの期間が短縮されるようになる。その結果、低温始動時であっても、主燃料噴射弁２０から噴射される燃料の気化が促進されずに燃焼室１５内に液状のまま蓄積されてしまうのを極力抑制することができるようになる。従って、機関始動時における未燃成分の排出量を減少させ、無駄な燃料消費を抑制することができるようになる。
【００３９】
（２）また、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦを始動開始時から燃焼室１５内の混合気の濃度が初爆の生じない範囲で設定される所定濃度Ｄ１に上昇するまでの期間として設定することにより、同期間ＴＩＮＪＯＦＦを始動開始時から初爆に至るまでの期間よりも短く設定するようにしているため、初爆以後においては主燃料噴射弁２０の燃料噴射が実行されるようになる。従って、機関始動時の燃焼に寄与する燃料量をより多く確保して機関始動を早期に完了することができるようになる。
【００４０】
（３）更に、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦを機関温度と相関を有して変化する冷却水温ＴＨＷ（始動時水温ＴＨＷＳＴ）に基づいて可変設定するようにしているため、始動開始時から初爆に至るまでの期間が機関温度に応じて変化するのに合わせて、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦを設定することができ、上記（１）及び（２）に記載した作用効果を更に適切に奏することができるようになる。
【００４１】
（４）また、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦを冷却水温ＴＨＷ（始動時水温ＴＨＷＳＴ）が所定温度β℃以上になるときには「０」に設定するようにしている。即ち、主燃料噴射弁２０から噴射される燃料の燃焼室１５内における気化が有る程度促進されるときには、主燃料噴射弁２０の燃料噴射の禁止を実質的に行わないようにし、始動開始時から同主燃料噴射弁２０による燃料噴射を実行するようにしている。従って、機関始動時の燃焼に寄与する燃料量をより多く確保して機関始動を早期に完了することができるようになる。
等々の優れた作用効果を奏することができるようになる。
【００４２】
以上説明した実施形態は以下のように構成を変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦをクランク角ＣＡにより定義される期間として設定し、始動開始時からこの禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦが経過するまで主燃料噴射弁２０の燃料噴射を禁止するようにしたが、例えば、始動開始時から主燃料噴射弁２０の燃料噴射タイミングが到来する度に所定のカウンタ値をカウントアップし、そのカウンタ値が所定回数を超えるまで同燃料噴射を禁止するようにしてもよい。またこの場合に、上記所定回数は禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦと同様、冷却水温ＴＨＷ（始動時水温ＴＨＷＳＴ）に応じて可変設定することができる。
【００４３】
・上記実施形態では、冷却水温ＴＨＷが所定温度α℃未満であることを条件に補助燃料噴射弁２１の燃料噴射を実行するようにしたが、始動時であるときには常に同補助燃料噴射弁２１の燃料噴射を実行するようにしてもよい。
【００４４】
・上記実施形態では、禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦを始動時水温ＴＨＷＳＴに応じて可変設定するようにしたが、同期間ＴＩＮＪＯＦＦを始動時水温ＴＨＷＳＴによらず一定に設定するようにしてもよい。また、この禁止期間ＴＩＮＪＯＦＦを機関温度と相関を有する冷却水温ＴＨＷ以外のパラメータ、例えば外気温や吸気温に応じて可変設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる燃料噴射制御装置及びエンジンの概略構成図。
【図２】機関始動時の燃料噴射制御における処理手順を示すフローチャート。
【図３】禁止期間と始動時の冷却水温との関係を示すマップ。
【図４】始動開始後の燃焼室内における混合気濃度の変化態様例を示すタイミングチャート。
【図５】機関始動時における各燃料噴射弁の制御態様例を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン、１１…シリンダヘッド、１２…シリンダ、１３…シリンダブロック、１４…ピストン、１５…燃焼室、１６…吸気通路、１７…サージタンク、２０…主燃料噴射弁、２１…補助燃料噴射弁、２２…点火プラグ、３０…クランク角センサ、３１…カム角センサ、３２…水温センサ、４０…電子制御装置、４１…メモリ。

Claims

燃焼室内に燃料を直接噴射する主燃料噴射弁と、吸気通路内に燃料を噴射する補助燃料噴射弁とを備えた筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
機関始動開始時に前記補助燃料噴射弁の燃料噴射を開始する補助燃料噴射弁制御手段と、
前記機関始動開始時から初爆に至るまで期間のうち、前記機関始動開始時から前記補助燃料噴射弁の燃料噴射によって前記燃焼室内に形成される混合気の濃度が所定濃度以上になるまでの期間、前記主燃料噴射弁の燃料噴射を禁止するとともに、同期間の経過後に前記主燃料噴射弁の燃料噴射を開始する主燃料噴射弁制御手段と
を備えることを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。
請求項１に記載した筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置において、
前記主燃料噴射弁制御手段は、前記機関始動開始時から前記補助燃料噴射弁の燃料噴射によって前記燃焼室内に形成される混合気の濃度が所定濃度以上になるまでの期間を機関温度に基づいて推定し、前記主燃料噴射弁の燃料噴射を禁止する期間を機関温度に基づいて可変設定するものである
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関の燃料噴射制御装置。