JP4437983B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、特に、内燃機関の始動時に安定した気化状態を得ることができる内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
内燃機関における燃料噴射制御装置は、その通常運転中において、気筒別にそれぞれの吸気行程タイミングに合わせて燃料を噴射するシーケンシャル噴射を行っている。しかし、内燃機関の始動時は、クランキング開始から内燃機関の行程が判別するまでは、吸気行程タイミングが不明であるためシーケンシャル噴射を行うことができない。そこで、シーケンシャル噴射の代わりに、全気筒に対して同時に燃料を噴射する斉時噴射によって燃料を供給する方法が知られている。
特許文献1には、スタートスイッチをオンにしてクランキングが開始されてから前記スタートスイッチがオンの間はクランク1回転毎に斉時噴射を行い、次にスタートスイッチがオフにされて行程判別が確定した後に、複数気筒で形成されるいくつかのグループ毎に噴射するグループ噴射を1回行い、その後、シーケンシャル噴射に移行するようにした内燃機関の電子制御燃料噴射装置が開示されている。この装置によれば、スタートスイッチがオフになると即座に斉時噴射からシーケンシャル噴射に移行する方法に比べて、特定の気筒が燃料不足および燃料過多状態となる度合を低減することができるようになる。
特開平1−280654号公報
しかしながら、特許文献1の技術でも、行程判別が確定するまでの斉時噴射期間では、圧縮上死点に対する噴射タイミングが各気筒で異なっている。このため、行程判別が確定するまでは燃料の気化状態が各気筒で異なってしまうという課題があった。
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、内燃機関の始動時に、各気筒それぞれに対し、より安定した気化状態を得ることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
前記した目的を達成するために、本発明は、複数の気筒を備える内燃機関のクランクシャフトの位相を検出するクランク角検出手段と、前記複数の気筒の行程を判別する行程判別手段と、前記複数の気筒に設けられる燃料噴射弁とを備える燃料噴射制御装置において、内燃機関の始動時から前記クランク角検出手段によってクランクの基準位置が確定するまでの期間に行われる斉時噴射と、クランクの基準位置が確定してから前記行程判別手段によって行程判別が完了するまでの期間に行われるグループ噴射と、前記行程判別が完了した後に行われるシーケンシャル噴射とを選択的に切り替える噴射切替手段を具備するようにした点に第1の特徴がある。
また、前記斉時噴射が行われた後の所定期間は燃料の噴射を行わないようにする噴射禁止手段を具備するようにした点に第2の特徴がある。
また、前記噴射禁止手段は、前記行程判別手段からの信号に基づいて前記所定期間を設定する噴射禁止期間設定部と、前記設定された所定期間に基づいて燃料噴射装置の駆動を制限する噴射禁止指令手段とから構成され点に第3の特徴がある。
さらに、前記所定期間は、前記斉時噴射で噴射された燃料が前記複数の気筒すべてに吸入されるまでの最大期間に設定するようにした点に第4の特徴がある。
請求項1の発明によれば、行程判別が完了する前にグループ噴射を行うので、最初の斉時噴射から行程判別が完了するまで斉時噴射が繰り返される場合に比して、内燃機関の燃料噴射時期の精度を向上させ、各気筒毎にバラツキが少ない気化状態を得ることができるようになる。
請求項2の発明によれば、クランク基準位置が確定した直後にグループ噴射が開始されると発生する2度噴き現象を防止することができるようになる。
請求項3の発明によれば、行程判別手段からの信号に基づいて燃料の噴射を禁止する期間を設定することができるため、エンジン始動時のクランクシャフトの回転角が何度であっても、適切な噴射禁止期間を得ることができるようになる。
請求項4の発明によれば、前記2度噴きに加えて、必要な時に燃料が噴射されない未噴射の発生も防止できるので、斉時噴射より燃料噴射時期の精度を向上させ、各気筒毎にバラツキが少ない気化状態を得られるというグループ噴射の利点のみを享受することができるようになる。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置を使用して好適な4サイクル4気筒エンジンの概略説明図である。エンジン1の第1〜4番気筒である♯1〜♯4には、吸気ポートに連なる吸気管11a〜11dに、それぞれ別個の細管12a〜12dの一端が連通するように構成されている。前記吸気管11a〜11dには、各気筒への燃料噴射を制御する燃料噴射弁601〜604が設けられている。また、Pb(吸気圧)センサ4は、第1〜3番細管12a〜12cの他端を合流させて、第1〜3番の吸気管11a〜11cに発生する吸気圧P1,P2,P3を合成した合成吸気圧Pbが検出されるように構成されている。こうして計測される合成吸気圧Pbの波形は、クランクシャフトの1回転目と2回転目とで明らかに異なる形状を示すので、この波形を解析することで、前記エンジン1の行程判別を行うことができる。また、4番気筒の細管12dの端部に、吸気管11dの吸気圧P4を計測する第2Pbセンサ13が接続されているが、前記合成吸気圧Pbを基に行程判別が実行されれば、前記第2Pbセンサ13は省略されてもよい。
図2は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の一実施形態のブロック図である。前記エンジン1のクランクシャフト1aには、その1回転ごとに歯抜け部を含む13個のクランクパルスを出力する一対のクランクパルサーロータ2およびパルス発生器3が設けられている。前記13個の突起は22.5度間隔で配置され、歯抜け部の角度は90度とされている。前記クランクパルスおよびPbセンサ4の出力信号は、他のセンサ信号等と共にECU5へ入力される。
ECU5は、クランクパルスに基づいてクランクシャフト1aの位相を検出するクランク角検出手段としての位相検出部501と、クランクシャフト1回転をクランクパルスの出力タイミングで13分割し、クランクシャフトの各位相(ステージ)に「0#」〜「12#」のステージ番号を割り当てるステージカウント割当部502と、前記Pbセンサ4により検知された合成吸気圧Pbの変動パターンを記録するPbパターン記録部504と、Pbパターンマップ506に格納されたデータと照合してPbパターンを認識するPbパターン認識部505と、前記ステージカウントの割当結果と前記Pbパターンの認識結果とに基づいて、エンジン1の行程を判別する行程判別手段としての行程判別部503とを含む。また、燃料噴射装置制御部507は、クランキング開始検知手段510および行程判別部503からの信号に基づいて、所定のタイミングで燃料噴射装置6の燃料噴射弁601〜604の開閉制御を行う。
図3Aに、本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によって実行される燃料噴射制御の概要を示す。図中の記号♯1〜4は、前記エンジン1の第1〜4番気筒を示す。前記エンジン1のクランキングが開始されると、前記燃料噴射装置制御部507(図2参照)は、♯1〜4に対して斉時噴射を行う。この斉時噴射の後、グループαおよびグループβに対するグループ噴射が開始される。ここで、2つのグループを形成するのは、それぞれの吸気行程がクランク回転角で360度ずれている♯2と♯3、および♯1と♯4である。同一のグループに対する噴射はクランク回転角で720度に1回とされており、このグループ噴射を繰り返すうちに行程判別が完了すると、各気筒の吸気行程タイミングに合わせて燃料を噴射するシーケンシャル噴射に順次移行する。4気筒すべてがシーケンシャル噴射に移行した時点で、本発明に係る燃料噴射制御は終了する。
図3Bに、本実施形態に係る燃料噴射制御部507(図2参照)の詳細を示す。燃料噴射装置制御部507には、前記燃料噴射装置6の噴射形態を切り替える噴射切替手段508が含まれる。この噴射切替手段508は、前記クランキング開始検知手段510および行程判別部503からの信号に基づいて、燃料噴射装置6の噴射形態を、全気筒に対して同時に噴射する斉時噴射、複数気筒で形成されるいくつかのグループ毎に噴射するグループ噴射、気筒別にそれぞれの吸気行程タイミングに合わせて噴射するシーケンシャル噴射に随時切り替える噴射指令を発するように構成されている。
通常のエンジンにおいて、燃料噴射の適切なタイミングは、吸気行程手前の所定の位置に存在する。しかしながら、クランク1回転毎に行われる斉時噴射によって、特定の気筒に適切なタイミングで噴射される確率は低い(通常、多気筒エンジンでも適切なタイミングとなるのは1気筒のみ)。したがって、前記した従来技術のように、行程判別が確定するまで斉時噴射を行う方法では、気化状態にバラツキが発生する期間が長くなってしまう。本実施形態では、行程判別の完了前にグループ噴射を行うことで、この課題の解決を図っている。
前記グループ噴射は、前記エンジン1が180度クランクの並列4気筒であれば、例えば、グループαの♯3とグループβの♯1とを適切な噴射タイミングに設定することができる。したがって、♯2と♯4は適切なタイミングからクランク回転角で360度ずれて噴射されるものの、全気筒の半分が適切なタイミングで噴射されることになるので、行程判別が行われるまでのエンジン全体における燃料の気化状態を確実に向上させることができるという利点を有する。
しかしながら、本実施形態では、クランキング開始のタイミングによって、過剰な燃料供給で気化状態を不安定にさせる2度噴きという現象を発生する可能性がある。その場合の例を、図9を用いて説明する。
図9は、前記グループ噴射によって2度噴きが発生する場合を示したタイミングチャートである。図中のステージカウントは、前記クランクパルスの計測によって判明するクランクシャフトの位相を示す数である。この図の例では、ステージカウントが7の開始点にクランキングが開始され、ステージカウント9で斉時噴射が行われる。この斉時噴射後、クランク基準位置が確定するまでは、グループ噴射に適切なタイミングも不明であるため噴射は行われない。そして、クランクの基準位置が確定すると、次のステージカウント9に到達した時点でグループαの第1回目のグループ噴射が行われることになる。この時、♯3で示す第3番気筒には、吸気バルブの裏側および吸気ポートに斉時噴射時の燃料が残ったままであり、グループ噴射による2度噴きによって、計2回分の燃料が溜まってしまうことになる。これに配慮した実施形態を、以下に説明する。
図4Aに、本発明の第2実施形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置による燃料噴射制御の概略図を示す。前記と同一の符号は、同一または同等部分を示している。本実施形態では、前記燃料噴射装置制御部507によって♯1〜4に斉時噴射が行われた後、いずれの気筒に対しても噴射を行わない噴射禁止期間tが設定されることに特徴がある。この噴射禁止期間tは、斉時噴射からクランク基準位置が確定するまでの期間t1と、クランク基準位置が確定してからグループ噴射を開始するまでの期間t2とからなり、この噴射禁止期間t2が経過した後にグループαおよびグループβに対するグループ噴射が開始される。なお、行程判別が完了すると順次グループ噴射からシーケンシャル噴射に移行する点は、前記実施形態と同様である。
図4Bに、本実施形態に係る前記燃料噴射装置制御部507(図2参照)の詳細を示す。前記と同一の符号は、同一または同等部分を示している。この燃料噴射装置制御部507には、前記燃料噴射装置6の噴射形態を切り替える噴射切替手段508と、噴射禁止期間設定部511および噴射禁止指令手段512とからなる噴射禁止手段とが含まれる。前記噴射切替手段508は、前記クランキング開始検知手段510および行程判別部503からの信号に基づいて、燃料噴射装置6の噴射形態を、斉時噴射、グループ噴射、シーケンシャル噴射に随時切り替える噴射指令を発するように構成されている。また、噴射禁止期間設定部511は、前記行程判別部503からの信号に基づいて噴射禁止期間tを設定して、噴射禁止指令手段512に伝達する。そして、該噴射禁止指令手段512は、前記設定された噴射禁止期間tに基づいて、燃料噴射装置6の駆動を制限するように構成されている。
前記したように、本実施形態では、斉時噴射の後に所定の噴射禁止期間tが設けられる点に特徴がある。そして、この所定の噴射禁止期間tのうち、斉時噴射からクランク基準位置が確定するまでの期間t1は元々噴射をしない期間であるが、この噴射禁止期間tをクランク基準位置確定後の所定期間t2まで延長することによって、前記した2度噴きを防止することができるようになる。一方、前記噴射禁止期間tは、斉時噴射時からクランク回転角で720度を超えると、今度は逆に、必要な時に燃料が噴射されない未噴射の状態を生むことになるので、適切な長さを考慮しなければならない。この噴射禁止期間tの詳細については後述とする。
次いで、前記噴射期間tの詳細を説明する前に、図5〜7の連続したタイミングチャートを参照して、前記Pbパターン認識による行程判別の方法を説明する。
図5において、クランキングが開始されると、前記位相検出部501(図2参照)によりクランクパルスの検出が開始される。本実施形態では、クランクパルスを14個検出した時点でクランク基準位置が確定し、ステージカウントの計測が可能となる。これは、クランクパルスが14個検出される間に、回転位置の基準となる前記クランクパルスロータ2の歯抜け部が必ず通過するためである。なお、該図においては、説明のために斉時噴射時からクランク基準位置確定までのステージカウントも表記している。
本実施形態における行程判別は、前記第1〜3番気筒の合成吸気圧Pbの波形を、前記Pbパターン認識部505によってパターン認識することによって行われる。本実施形態では、ステージカウント5から10の間、すなわちA〜B区間(1回転目)およびC〜D区間(2回転目)で行うように設定されており、Pbパターン認識処理は、合成吸気圧Pbの波形を「上昇」または、変曲点Eを有する「上向きピーク」の2パターンに識別することで行われる。
本実施形態では、ステージカウント部のA〜B区間におけるPbパターンが「上昇」と認識され、クランク1回転後のC〜D区間のPbパターンが「上向きピーク」と認識されている。その後に続くPbパターンは、前記エンジン1が通常に運転されている限り、「上昇」と「上向きピーク」とが交互に繰り返され、Pbパターンの連続認識回数が規定回数以上に達すると、行程判別部503(図2参照)によってエンジンの行程が判別される。本実施形態では、前記規定回数は5回に設定されており、クランキング開始から2137.5度回転した時点で行程判別が完了する(図6参照)。これによって、図5〜7のタイムチャート上方に♯記号で示した第1〜4番気筒の圧縮上死点は、行程が確定する以前は、上下2段に記載した♯記号のうちのどちらが正しい、換言すれば、どちらがクランクシャフトの位相を360度表裏認識しているのかが不明であったが、行程判別によって括弧内(下段)が表、括弧なし(上段)が裏であったことが判明する。
以下に、図5〜7のタイミングチャートおよび図8のフローチャートを参照して、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置による燃料噴射制御の詳細を説明する。図5〜7に示すタイミングチャートの「燃料噴射タイミングおよびI.V.O.期間」の表において、帯中の斜線部は、I.V.O(インレット・バルブ・オープン)すなわち、吸気バルブが開いている期間を示す。本実施形態では、I.V.O.期間は202.5度に設定されており、噴射された燃料がシリンダーに吸い込まれるのは、I.V.O.期間の開始時から、バルブリフト量のピークを境とするI.V.O.期間の前半部までの期間に燃料噴射が開始された場合とされる。また、黒丸印は噴射タイミングであり、この黒丸印に続く右方向の矢印は、噴射された燃料がシリンダー内に吸い込まれないで吸気バルブの裏側および吸気ポートに留まっている期間を示している。
前記エンジン1を始動するためにクランキングが開始されると、図8のフローチャートに示す「燃料噴射制御処理」が起動される。この燃料噴射制御処理は、後述するシーケンシャル噴射が行われるまで、所定の周期で繰り返し実行される。ステップS10では、前記位相検出部501によってクランクパルスが検出されたか否かが判定され、検出されたと判定されるとステップS11に進む。該ステップS11では、斉時噴射が行われたか否かが判定され、斉時噴射が行われていないと判定されると、ステップS12に進んで斉時噴射が行われる。本実施形態では、クランキング開始後に2個目のパルスが検出されると斉時噴射が行われるように設定されている。なお、斉時噴射された燃料は、図5のタイムチャートが示すように、クランクの回転に伴って、♯3、♯1、♯2、♯4の順で各気筒のシリンダーに吸い込まれる。この時、♯3は、斉時噴射タイミングがI.V.O.期間の前半部にあるので、燃料は噴射されると同時にシリンダー内に吸い込まれることなる。
図8に戻って、前記ステップS11で斉時噴射が行われたと判定されると、ステップS13に進んで、クランクの基準位置が確定したか否かが判定される。ここでクランクの基準位置が確定していないと判定されると、前記ステップS10でクランクパルスが検出されていないと判定された場合と同様に、ステップS18で燃料噴射が禁止される。一方、前記ステップS13でクランクの基準位置が確定したと判定されると、続くステップS14では、行程判別が行われたか否かが判定される。該ステップS14で行程判別が行われていないと判定されると、ステップS16に進んで噴射禁止期間tであるか否かが判定される。一方、行程判別が行われたと判定されると、ステップS15でシーケンシャル噴射に移行して燃料噴射制御処理を終了する。
前記したように、本実施形態では、斉時噴射が行われた後に、前記噴射禁止期間設定部511および噴射禁止指令手段509からなる燃料噴射禁止手段によって、所定の噴射禁止期間tが設けられている。図5のタイムチャートに示されるように、噴射禁止期間tは、斉時噴射が行われた後の最初のクランクパルスの入力点から、クランク回転角で450度経過するまでの期間とされている。この時、期間t1は247.5度、期間t2は202.5度である。この噴射禁止期間tは、斉時噴射時にI.V.O.期間の開始点までが最も遠かった♯4において、該I.V.O.期間の開始点に到達するまでの期間、すなわち、斉時噴射された燃料がすべてシリンダーに吸い込まれるまでの最大期間に設定されている。したがって、噴射禁止期間tは、クランキング開始時のクランク回転角度によって変動するものであり、本実施形態においては、斉時噴射がI.V.O.期間の中央(吸気バルブがリフトピークを迎えて燃料がシリンダーに吸い込まれなくなった瞬間)で行われる場合に最大となる。上記したように、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置による燃料噴射制御によれば、この噴射禁止期間tが設けられることによって、2度噴きや未噴射を発生させずにグループ噴射を行うことが可能となる。
図8のフローチャートに戻って、ステップS16で噴射禁止期間tであると判定されると、ステップS18に進んで燃料の噴射が禁止される。一方、噴射禁止期間tでないと判定されると、ステップS17に進んでグループ噴射が行われる。また、このどちらの処理が行われても、該フローチャートによる燃料噴射制御は、最終的に前記ステップS15によるシーケンシャル噴射が行われるまで繰り返し実行される。
図7のタイミングチャートを参照して、行程判別後にグループ噴射からシーケンシャル噴射へ移行する際の制御について説明する。本実施形態では、クランキング開始からクランク回転角で2137.5度に到達した時点で行程判別が完了し、これに伴って、行程が判明するまでステージを360度表裏認識していたことが明らかになる。この表裏認識の修正は、ステージカウントの上段の数を変換する(表裏を裏返す)ことによって行われる。すなわち、前記2137.5度の次に迎えるステージ数が、11ではなく24に変換される。その後、ステージ1で次のグループβのグループ噴射タイミングを迎えると、適切なタイミングの♯1ではそのまま噴射されるが、表裏認識されていた♯4はグループ噴射からシーケンシャル噴射へのモード切替が行われて噴射されない。次に、ステージ9を迎えると♯3のモード切替が行われてシーケンシャル噴射に移行する。続いて、ステージ14で♯1が、さらに、ステージ22で♯2のモード切替が行われると、全4気筒におけるシーケンシャル噴射への移行が完了する。
上記したように、本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、斉時噴射時の燃料がすべてシリンダーに吸入されるまでの最大期間を噴射禁止区間とするため、行程判別前にグループ噴射を行っても、燃料の2度噴きや未噴射を生じることがなくなる。これに伴って、グループ噴射の利点のみを享受することができ、行程判別前の燃料噴射時期の精度を向上させ、各気筒毎にバラツキが少ない気化状態を得ることができるようになる。
なお、上記した実施形態では、180度クランクを有する4サイクル並列4気筒エンジンへの適用に関して説明したが、無論、他の形態を有する各種の4サイクルエンジンに適用してもよい。また、行程判別の方法等も、上記した実施形態に限られないことは勿論である。
本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置を使用して好適な4サイクル4気筒エンジンの概略説明図である。 本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の一実施形態のブロック図である。 本発明の第1実施形態に係る燃料噴射制御の流れを示す概略図である。 本発明の第1実施形態に係る燃料噴射装置制御部の詳細図である。 本発明の第2実施形態に係る燃料噴射制御の流れを示す概略図である。 本発明の第2実施形態に係る燃料噴射装置制御部の詳細図である。 燃料噴射制御の手順を示したタイミングチャート(No.1)である。 燃料噴射制御の手順を示したタイミングチャート(No.2)である。 燃料噴射制御の手順を示したタイミングチャート(No.3)である。 燃料噴射制御の手順を示したフローチャートである。 2度噴きが発生する場合を示したタイミングチャートである。
符号の説明
1…エンジン、1a…クランクシャフト、2…カムパルサロータ、3…センサ歯、3…クランクパルス発生器、4…Pbセンサ、5…ECU、501…位相検出部、502…ステージカウント割当部、503…行程判別部、505…Pbパターン認識部、507…燃料噴射装置制御部、508…噴射切替手段、509…噴射禁止手段、6…燃料噴射装置、601〜604…燃料噴射弁

Claims (2)

  1. 複数の気筒を備える内燃機関のクランクシャフトの位相を検出するクランク角検出手段(501)と、
    前記クランクシャフト1回転を所定のステージに割り当てるステージカウント割当部(502)と、
    吸気圧センサ(4)により検知された内燃機関の吸気圧の変動パターンを記録する吸気圧パターン記録部(504)と、
    前記吸気圧パターン記録部(504)に記録された吸気圧パターンと予め設定された吸気圧パターンとを照合して吸気圧パターンの認識を行う吸気圧パターン認識部(505)と、
    前記ステージカウントの割り当て結果と前記吸気圧パターンの認識結果とに基づいて前記複数の気筒の行程を判別する行程判別手段(503)と、
    前記複数の気筒に設けられる燃料噴射弁(601〜604)とを備える燃料噴射制御装置において、
    内燃機関の始動時から前記クランク角検出手段(501)によってクランクの基準位置が確定するまでの期間に行われる斉時噴射と、クランクの基準位置が確定してから前記行程判別手段(503)によって行程判別が完了するまでの期間に行われるグループ噴射と、前記行程判別が完了した後に行われるシーケンシャル噴射とを選択的に切り替える噴射切替手段(508)と、
    前記斉時噴射が行われたときからクランク基準位置が確定するまでの第1の期間(t1)と、クランク基準位置が確定してから前記グループ噴射を実行するグループ噴射期間に移行するまでの第2の期間(t2)とからなる噴射禁止期間を設定する噴射禁止手段(511,512)とを具備することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
  2. 前記噴射禁止手段(511,512)は、前記噴射禁止期間を設定する噴射禁止期間設定部(511)と、前記設定された噴射禁止期間に基づいて燃料噴射装置(6)の駆動を制限する噴射禁止指令手段(512)とから構成されており、
    前記噴射禁止期間設定部(511)は、前記行程判別手段(503)からの信号に基づいて、前記斉時噴射後に最も遅れて到達するインレットバルブオープン(I.V.O)期間の開始点に対応するクランクシャフトの位相が検知されることにより、前記第2の期間(t2)の終了点を決定することを特徴とする請求項に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
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