JP4447523B2 - 筒内直噴内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両等に搭載される筒内直噴内燃機関の制御装置に関し、さらに詳しくは、内燃機関を極低温で始動する際に燃焼室内の混合気への点火を停止する点火カットを制御する筒内直噴内燃機関の制御装置に関する。
筒内直噴内燃機関(以下、筒内直噴エンジンともいう)は、各気筒に燃料噴射弁(インジェクタ)を配置し、その燃料噴射弁からガソリン等の燃料を燃焼室内に直接噴射して、吸気ポートから燃焼室内に導入される吸入空気と混合して混合気を形成し、この混合気を点火プラグにより点火する方式のエンジンである。筒内直噴エンジンは、低燃費・低排気エミッション・高出力などの点で優れていることから、需要が急増している。
しかし、筒内直噴エンジンは、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射エンジンに比べて、燃料が噴射されてから点火位置に到達するまでの時間が短いため、極低温(例えば−25℃以下)の始動時には、筒内に噴射した燃料の霧化が不十分となり、良好な着火が得られず、始動性が悪くなるという問題がある。
このような極低温始動時の問題を解消する方法として、極低温始動時のクランキングの際に少なくとも1サイクルの間は点火を禁止する点火カットを実施する方法(例えば、特許文献1参照)や、始動初期の所定期間(点火カット期間)に点火プラグの点火をカットして燃料噴射のみを行い、点火カット期間経過後に燃料噴射を実行しながら点火を開始する手法がある(例えば、特許文献2参照)。そして、このような点火カットを実施することにより、気筒内に燃焼(点火)に寄与できる燃料を蓄えることが可能となる。
特開2000−97071号公報 特開平11−270387号公報
しかしながら、筒内直噴エンジンにおいて、極低温始動時に点火をカットして燃料を単に投入するだけでは、点火プラグの燃料かぶり(以下、プラグかぶりともいう)が発生して始動性が悪くなることがある。特に、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンや、フリクションの大きい筒内直噴エンジンは、発生トルクが弱くて始動し難いエンジンであるため、極低温下において始動不能に陥りやすい。
このような極低温始動時のプラグかぶりの問題は、上記した特許文献1及び2には何ら考慮されておらず、これら特許文献に記載されている手法、つまり、クランキングの際に少なくとも1サイクルの間は点火を禁止する手法や、始動初期の所定期間に点火をカットして燃料噴射のみを行う手法では解消することはできない。
本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、極低温始動の際に筒内直内燃機関の点火カットを制御する始動制御において、極低温下での点火プラグの燃料かぶりを回避することができ、極低温時の始動性を向上させることが可能な筒内直噴内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、燃料噴射弁から各気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射し、この燃料噴射で形成された混合気を点火プラグにより点火して燃焼させる筒内直噴内燃機関に適用され、前記内燃機関を極低温で始動する際に前記点火プラグによる点火を停止する点火カットを制御する筒内直噴内燃機関の制御装置であって、内燃機関の極低温始動に際し、機関冷却水温に基づいて点火カット中に必要な燃料の要求噴射量を算出する噴射量算出手段と、前記点火プラグの燃料かぶりが発生し難い噴射開始時期及び噴射終了時期を設定する噴射時期設定手段と、その設定された噴射開始時期及び噴射終了時期と前記要求噴射量の算出値に基づいて点火カット回数を算出する点火カット回数算出手段と、前記点火カット回数の算出値に基づいて極低温始動時の点火カットを実行する始動制御手段とを備えていることを特徴としている。
本発明によれば、極低温始動時の点火カット中に必要な燃料の要求噴射量を算出し、燃料の噴射開始時期及び噴射終了時期をプラグかぶりが発生し難い時期に制限した上で、それら噴射開始時期及び噴射終了時期と要求噴射量に基づいて点火カット回数を算出しているので、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンや、フリクションの大きい筒内直噴エンジンであっても、その各エンジンの特性に応じて、極低温始動時の噴射開始時期及び噴射終了時期を制限することで、点火プラグの燃料かぶりを回避することができる。これによって極低温始動時において確実な初爆を得ることができ、良好な始動性を実現することができる。
本発明において、点火カット時に最初に燃料を噴射した初噴射気筒を判別し、その初噴射気筒に気筒単位での要求噴射量の燃料が投入された後、当該初噴射気筒に次の燃料噴射があったときに点火を開始するように構成してもよい。このような構成を採用すれば、初噴射気筒に要求噴射量よりも多くの燃料が投入されることがなくなる。さらに、初噴射気筒から点火を開始することにより、初噴射気筒以降に燃料が噴射される気筒についても、要求噴射量よりも多くの燃料が投入されることがなくなるので、点火後の点火プラグのくすぶりを回避することができる。
本発明において、点火カット時に最初に燃料を噴射した初噴射気筒を判別し、その初噴射気筒の燃料噴射から気筒全体の点火カット回数の算出値に対応した回数の燃料噴射が終了した後、次の燃料噴射があったときに点火を開始するように構成してもよい。
ここで、点火プラグの燃料かぶりが発生し難い噴射開始時期及び噴射終了時期について説明する。
まず、始動時の発生トルクが良好な筒内直噴エンジンでは、燃料の噴射時期を最大限に広く(例えば噴射開始時期:BTDC390°、噴射終了時期:BTDC60°)して、上死点(TDC)側で燃料を噴射しても、ある程度燃焼したときにトルクが発生し回転が上昇するので始動可能である。これに対し、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンや、フリクションの大きい筒内直噴エンジンは、発生トルクが弱くて始動し難いエンジンであるため、上死点側で燃料を噴射すると、ピストン頂面等に衝突して跳ね返った液状燃料が点火プラグを直撃してプラグかぶりが発生し、良好な初爆が得られずに始動不能となることがある。このような点を考慮して、本発明では、噴射開始時期及び噴射終了時期の双方を上死点付近を除く時期(図5参照)に制限してプラグかぶりを回避する。なお、噴射開始時期及び噴射終了時期を制限し過ぎると、点火カット回数が多くなってしまうので、上記したプラグかぶりの回避と点火カット回数との兼ね合い等を考慮して噴射開始時期及び噴射終了時期を設定すればよい。
本発明によれば、極低温始動時の点火カット中に必要な燃料の要求噴射量を算出し、燃料の噴射開始時期及び噴射終了時期をプラグかぶりが発生し難い時期に制限した上で、それら噴射開始時期及び噴射終了時期と要求噴射量に基づいて点火カット回数を算出しているので、極低温下での点火プラグの燃料かぶりを回避することができ、極低温時の始動性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、本発明を適用するエンジン(内燃機関)について説明する。
−エンジン−
図1は本発明を適用するエンジンの概略構成を示す図である。なお、図1にはエンジンの1気筒の構成のみを示している。
エンジン1は、6つの気筒(気筒#1〜気筒#6)を有する筒内直噴6気筒ガソリンエンジンであって、燃焼室1aを形成するピストン10及び出力軸であるクランクシャフト15を備えている。ピストン10はコネクティングロッド16を介してクランクシャフト15に連結されており、ピストン10の往復運動がコネクティングロッド16によってクランクシャフト15の回転へと変換される。
クランクシャフト15にはリングギヤ17が設けられている。リングギヤ17には、エンジン1の始動時に起動するスタータモータ7のピニオンギヤ18が噛み合わされており、スタータモータ7の起動に伴うリングギヤ17の回転によりエンジン1のクランキングが行われる。
クランクシャフト15には、外周面に複数の突起(歯)19a・・19aを有するシグナルロータ19が取り付けられている。シグナルロータ19の側方近傍にはクランクポジションセンサ35が配置されている。クランクポジションセンサ35は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト15が回転する際にシグナルロータ19の突起19aに対応するパルス状の信号(出力パルス)を発生する。
エンジン1の燃焼室1aには点火プラグ3が各気筒#1〜#6ごとに配置されている。点火プラグ3の点火タイミングはイグナイタ4によって調整される。エンジン1には、ウォータジャケット1bを循環する冷却水の温度(冷却水温)を検出する水温センサ31が配置されている。
エンジン1の燃焼室1aには吸気通路11と排気通路12が接続されている。吸気通路11と燃焼室1aとの間に吸気バルブ13が設けられており、この吸気バルブ13を開閉駆動することにより、吸気通路11と燃焼室1aとが連通または遮断される。また、排気通路12と燃焼室1aとの間に排気バルブ14が設けられており、この排気バルブ14を開閉駆動することにより、排気通路12と燃焼室1aとが連通または遮断される。これら吸気バルブ13及び排気バルブ14の開閉駆動は、クランクシャフト15の回転が伝達される吸気カムシャフト21及び排気カムシャフト22の各回転によって行われる。
吸気カムシャフト21の近傍には、気筒判別用のカムポジションセンサ36が配置されている。カムポジションセンサ36は、例えば電磁ピックアップであって、吸気カムシャフト21に一体的に設けられたロータ外周面の1個の突起(歯)に対向するように配置されており、吸気カムシャフト21が回転する際にパルス状の信号を出力する。なお、吸気カムシャフト21は、クランクシャフト15の1/2の回転速度で回転するので、クランクシャフト15が720°回転するごとにカムポジションセンサ36が1つのパルス状の信号(出力パルス)を発生する。
吸気通路11の上流部分にはエンジン1の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ5が配置されている。スロットルバルブ5はスロットルモータ6によって駆動される。スロットルバルブ5の開度はスロットルポジションセンサ34によって検出される。また、吸気通路11には、スロットルバルブ5の下流側に吸気通路11内の圧力(吸気圧)を検出するバキュームセンサ32が配置されている。エンジン1の排気通路12には三元触媒8が配置されている。
そして、エンジン1には、燃焼室1a内に燃料を直接噴射するインジェクタ(燃料噴射弁)2が各気筒#1〜#6ごとに設けられている。各気筒のインジェクタ2には高圧燃料が供給され、その各インジェクタ2から燃料を燃焼室1a内に直接噴射することにより、燃焼室1a内で空気と燃料とが混合された混合気が形成され、その混合気が点火プラグ3にて点火され燃焼室1a内で燃焼される。この混合気の燃焼室1a内での燃焼によりピストン10が往復運動してクランクシャフト15が回転する。
以上のエンジン1の運転状態は、ECU(電子制御ユニット)100によって制御される。
−ECU−
ECU100は、図2に示すように、CPU101、ROM102、RAM103、バックアップRAM104、及び、後述する点火カット時燃料噴射の回数などをカウントするカウンタ105を備えている。
ROM102は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。CPU101は、ROM102に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて演算処理を実行する。RAM103は、CPU101での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップRAM104は、エンジン1の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。これらROM102、CPU101、RAM103、バックアップRAM104、及び、カウンタ105はバス108を介して互いに接続されるとともに、外部入力回路106及び外部出力回路107と接続されている。
外部入力回路106には、水温センサ31、バキュームセンサ32、アクセルポジションセンサ33、スロットルポジションセンサ34、クランクポジションセンサ35、カムポジションセンサ36、及び、イグニッションスイッチ37などが接続されている。外部出力回路107には、インジェクタ2、点火プラグ3のイグナイタ4、スロットルバルブ5のスロットルモータ6、及び、スタータモータ7などが接続されている。
そして、ECU100は、水温センサ31、バキュームセンサ32、アクセルポジションセンサ33、スロットルポジションセンサ34、クランクポジションセンサ35、及び、カムポジションセンサ36などの各種センサの出力に基づいて、インジェクタ2の開閉制御(燃料の噴射開始時期及び噴射終了時期の制御)を含むエンジン1の各種制御を実行する。さらに、ECU100は下記の極低温始動制御を実行する。
−極低温始動制御−
ECU100で実行する極低温始動制御の一例を図3に示すフローチャートを参照して説明する。なお、この例では、例えば、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンや、フリクションの大きい筒内直噴エンジンなど、始動時の発生トルクが低いエンジンを対象としている。
まず、ステップST1において、エンジン1の始動要求(イグニッションスイッチON)があったとき、水温センサ31の出力から冷却水温を読み込み、その冷却水温が所定値(例えば−25℃)以下であるときに「極低温始動要求有」と判断してステップST2に進む。ステップST1の判定結果が否定判定であるときには、このルーチンを終了する。
ステップST2では、点火カット中に必要な燃料の噴射量(以下、要求噴射量という)
を、冷却水温に基づいてマップから算出する。要求噴射量算出用のマップは、極低温時にピストンウェット等に奪われる燃料分などを考慮したマップであって、エンジン1の冷却水温をパラメータとして作成されており、ECU100のROM103内に記憶されている。
次に、ステップST3において、点火プラグ3に燃料かぶりが発生し難い噴射開始時期及び噴射終了時期を設定する。その設定噴射時期について以下に説明する。
上述したように、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンやフリクションの大きい筒内直噴エンジンは、発生トルクが弱くて始動し難いエンジンであるため、極低温始動時に上死点側で燃料を噴射すると、ピストン頂面等に衝突して跳ね返った液状燃料が点火プラグ3を直撃してプラグかぶりが発生する。このようなプラグかぶりを回避するため、この例では、噴射開始時期及び噴射終了時期の双方を上死点付近を除く時期、例えば、図5に示すように、噴射開始時期:BTDC300°、噴射終了時期:BTDC90°(または、噴射開始時期:BTDC270°、噴射終了時期:BTDC120°)に設定する。これらの噴射開始時期及び噴射終了時期は、予めECU100のROM103等に記憶しておき、極低温始動時に読み出してセットするという方法で設定する。
ステップST4では、ステップST2で算出した要求噴射量の算出値、ステップST3で設定した噴射開始時期及び噴射終了時期、及び、予め設定されたクランキング回転数に基づいて点火カット回数を算出する。
ここで、点火カット回数は、6気筒の場合、例えば、6回(1気筒に対し1回)、12回(1気筒に対し2回)、18回(1気筒に対し3回)等であり、この例では、点火カット回数の算出値が12回(燃料噴射2回(2順噴射))である場合について説明する。なお、点火カット回数が2サイクル以上(2順噴射以上)となる場合、点火カット中に排気行程が存在することになるが、点火カットによる投入燃料はピストンウェットを補うのに使われるため、排気行程で排出される燃料は少なくて済み、要求噴射量に対し大きな誤差とはならない。
以上の点火カット回数の算出処理が完了した後、クランキングを開始し(ステップST5)、点火をカットして燃料噴射のみを実施する(ステップST6)。この点火カット時の燃料の噴射時期は、上記したステップST3で設定した噴射開始時期及び噴射終了時期とする。また、点火カット回数はステップST4で算出した算出値(全気筒で12回、各気筒単位で2回)とする。
次に、ステップST7において、クランクポジションセンサ35及びカムポジションセンサ36の出力に基づいて、点火カット時に最初に燃料が噴射された気筒(以下、初噴射気筒という)を判別する。このとき、初噴射気筒が例えば気筒#3であるとすると、気筒#3→気筒#4→気筒#5→気筒#6→気筒#1→気筒#2の順で1順目の点火カット時燃料噴射が実施され、同様な順番で2順目の点火カット時燃料噴射が噴射が実施される。
そして、ステップST8において、初噴射気筒(例えば気筒#3)への燃料噴射が3順目の燃料噴射であるか否かを判定し、その判定結果が肯定判定であるときには、初噴射気筒(例えば気筒#3)に気筒単位での要求噴射量の燃料(2回の噴射燃料)が投入されていると判断して、初噴射気筒から点火(初爆)を開始して(ステップST9)、このルーチンを終了する。
この例の極低温始動制御によれば、極低温始動時の点火カット中に必要な燃料の要求噴射量を算出し、噴射開始時期及び噴射終了時期をプラグかぶりが発生し難い時期に制限した上で、それら噴射開始時期及び噴射終了時期と要求噴射量に基づいて点火カット回数を算出しているので、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンや、フリクションの大きい筒内直噴エンジンであっても、極低温始動時の点火プラグ3の燃料かぶりを回避することができる。これによって極低温始動時において確実な初爆を得ることができ、始動性が向上する。
また、点火カット時に初噴射気筒(例えば気筒#3)を判別し、その初噴射気筒に、気筒単位の要求噴射量が投入された後、3順目の燃料噴射が行われたときに点火を開始するので、初噴射気筒に要求噴射量よりも多くの燃料が投入されることがなくなる。さらに、初噴射気筒(例えば気筒#3)の以降に燃料が噴射される気筒(例えば気筒#4、気筒#5、気筒#6、気筒#1、気筒#2)についても、3順目の燃料噴射のときには点火が行われるので、これらの各気筒についても要求噴射量よりも多くの燃料が投入されることがなくなる。従って、このようにして点火カット中の気筒毎の投入噴射量を管理することにより、各気筒#1〜#6内の燃料が要求噴射量よりもリッチになることがないので、点火後の点火プラグ3のくすぶりを回避することができる。
ここで、極低温始動時の点火カット中にエンジン停止があった後に極低温再始動したときには、次のような問題がある。
例えば、点火カットを気筒#3から開始し、12回の点火カット回数のうち、9回の点火カットが終了した時点(つまり気筒#5の2順目の燃料噴射が終了した時点)でエンジン1を停止(クランキング停止)したときに、惰性によりクランクシャフト15が回転してクランク位置がずれることがあり、次に2順目の燃料噴射を開始すべき気筒#6に燃料噴射を行えない場合がある。このような状態で、次の再始動時に残りの点火カット回数つまり3回の点火カットを行うと、気筒#6を飛ばして気筒#1から燃料噴射が3回実行されるので、気筒#3に3回の燃料噴射が行われてしまい、気筒#3内の燃料がオーバーリッチとなって、プラグかぶりが生じて始動不能となることがある。
この点について、この例の極低温始動制御では、上記したように、初噴射気筒である気筒#3に気筒単位の要求噴射量が投入(2回の燃料噴射)された後、この気筒#3に3順目の燃料噴射が行われたときには点火を必ず開始するので、上記したクランク位置のずれがあっても、初噴射気筒である気筒#3内の燃料がオーバーリッチとなることはなく、良好な始動性を得ることができる。
−極低温始動制御の他の例−
ECU100で実行する極低温始動制御の他の例を図4に示すフローチャートを参照して説明する。この例においても、例えば、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンや、フリクションの大きい筒内直噴エンジンなど、始動時の発生トルクが低いエンジンを対象としている。なお、図4のフローチャートのステップST21〜ステップS25の各処理は、図3のステップST1〜ステップS5の各処理と同じであるので、その詳細な説明は省略する。
この例では、極低温始動要求があったときに、ステップST24において点火カット回数(12回)を算出し、ステップST25においてクランキングを開始した後、クランクポジションセンサ35及びカムポジションセンサ36の出力に基づいて、最初に燃料が噴射された初噴射気筒(例えば気筒#3)を判別する(ステップST26)。
そして、初噴射気筒からの噴射回数のカウントを開始し(ステップST27)、そのカウント噴射回数が12回噴射となるまで点火をカットし、13回目の噴射から点火(例えば初噴射気筒である気筒#3の点火(初爆))を開始して(ステップST28)、このルーチンを終了する。
このように、各気筒毎の点火カット回数(投入噴射量)を管理するのではなく、気筒全体の点火カット回数を用いても、点火カット後の点火開始を制御することができる。
この例の極低温始動制御においても、極低温始動時の点火カット中に必要な燃料の要求噴射量を算出し、噴射開始時期及び噴射終了時期をプラグかぶりが発生し難い時期に制限した上で、それら噴射開始時期及び噴射終了時期と要求噴射量に基づいて点火カット回数を算出しているので、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンやフリクションの大きい筒内直噴エンジンであっても、極低温始動時の点火プラグ3の燃料かぶりを回避することができる。これによって極低温始動時において確実な初爆を得ることができ、始動性が向上する。
なお、以上の例では、燃焼室の形状等によって燃焼が良くない筒内直噴エンジンやフリクションの大きい筒内直噴エンジンに本発明を適用した例を示しているが、本発明はこれに限られることなく、始動トルクが良くても、極低温時始動の際の点火カット時に点火プラグがかぶり易い他の筒内直噴エンジンにも適用することができる。
以上の例では、筒内直噴6気筒ガソリンエンジンに本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、例えば筒内直噴4気筒ガソリンエンジンなど、他の任意の気筒数の筒内直噴ガソリンエンジンにも適用可能である。
本発明を適用する筒内直噴エンジンの一例を示す概略構成図である。 ECU等の制御系の構成を示すブロック図である。 ECUが実行する極低温始動制御の処理内容の一例を示すフローチャートである。 ECUが実行する極低温始動制御の処理内容の他の例を示すフローチャートである。 プラグかぶりが発生し難い噴射開始時期及び噴射終了時期の説明図である。
符号の説明
1 エンジン
1a 燃焼室
15 クランクシャフト
17 リングギヤ
18 ピニオンギヤ
19 シグナルロータ
2 インジェクタ(燃料噴射弁)
3 点火プラグ
4 イグナイタ
7 スタータモータ
31 水温センサ
35 クランクポジションセンサ
37 イグニッションスイッチ
100 ECU

Claims (4)

  1. 燃料噴射弁から各気筒の燃焼室内に燃料を直接噴射し、この燃料噴射で形成された混合気を点火プラグにより点火して燃焼させる筒内直噴内燃機関に適用され、前記内燃機関を極低温で始動する際に前記点火プラグによる点火を停止する点火カットを制御する筒内直噴内燃機関の制御装置であって、
    内燃機関の極低温始動に際し、機関冷却水温に基づいて点火カット中に必要な燃料の要求噴射量を算出する噴射量算出手段と、前記点火プラグの燃料かぶりが発生し難い噴射開始時期及び噴射終了時期を設定する噴射時期設定手段と、その設定された噴射開始時期及び噴射終了時期と前記要求噴射量の算出値に基づいて点火カット回数を算出する点火カット回数算出手段と、前記点火カット回数の算出値に基づいて極低温始動時の点火カットを実行する始動制御手段とを備えていることを特徴とする筒内直噴内燃機関の制御装置。
  2. 請求項1記載の筒内直噴内燃機関の制御装置において、
    前記始動制御手段は、前記点火カット時に最初に燃料を噴射した初噴射気筒を判別し、その初噴射気筒に気筒単位での要求噴射量の燃料が投入された後、当該初噴射気筒に次の燃料噴射があったときに点火を開始することを特徴とする筒内直噴内燃機関の制御装置。
  3. 請求項1記載の筒内直噴内燃機関の制御装置において、
    前記始動制御手段は、前記点火カット時に最初に燃料を噴射した初噴射気筒を判別し、その初噴射気筒の燃料噴射から気筒全体の点火カット回数の算出値に対応した回数の燃料噴射が終了した後、次の燃料噴射があったときに点火を開始することを特徴とする筒内直噴内燃機関の制御装置。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の筒内直噴内燃機関の制御装置において、
    前記点火プラグの燃料かぶりが発生し難い噴射開始時期及び噴射終了時期は、内燃機関の上死点付近を除く時期であることを特徴とする筒内直噴内燃機関の制御装置。
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