JP4453584B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、より特定的には、筒内に向けて燃料を噴射する第１の燃料噴射手段（筒内噴射用インジェクタ）と吸気通路および／または吸気ポート内に向けて燃料噴射する第２の燃料噴射手段（吸気通路噴射用インジェクタ）とを備えた内燃機関における始動時の燃料噴射制御に関する。

燃焼室内に直接燃料噴射する筒内噴射用インジェクタと各気筒の吸気ポートに燃料噴射する吸気ポート噴射用インジェクタとを有する構成の内燃機関では、吸気ポート噴射用インジェクタからの燃料噴射のみで燃焼を行なうと、筒内噴射用インジェクタが常に高温の燃焼ガスにさらされるとともに、噴射燃料の気化による冷却もなされないため、その先端部が高温に維持されて、噴孔部にデポジットが堆積されやすくなってしまう。

このため、均質燃焼運転時には、吸気ポート噴射用インジェクタを開弁駆動して吸気ポートに燃料を噴射することに加えて、筒内噴射用インジェクタを開弁駆動して燃焼室で燃料噴射を併せて行なうことにより、筒内噴射用インジェクタの先端部が高温に維持されることを抑制する制御装置が提案されている（たとえば特許文献１）。すなわち、機関温間時における均質燃焼運転では、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射を確保することが好ましい。

一方、低温時には気筒内における燃料の霧化が促進され難いために、筒内噴射用インジェクタから燃料を噴射すれば、噴射燃料が機関ピストンの頂面（ピストン頂面）や気筒内周面（シリンダ内周面（ボア））に多量に付着してしまう傾向がある。ピストン頂面への付着燃料は、その後の機関燃焼時に徐々に霧化されて不完全燃焼されることにより、黒煙の発生や未燃成分の増大等、排気性状の悪化を招くこととなる。また、シリンダ内周面への付着燃料は、機関ピストンの潤滑のために同気筒内周面に付着している潤滑油と混合されて潤滑油の希釈を発生させて、潤滑性能の低下を招く可能性がある。したがって、機関冷間時における均質燃焼運転では、筒内噴射用インジェクタからの燃料噴射はできるだけ避けることが好ましい。
特開２００２−３６４４０９号公報

筒内噴射用インジェクタおよび吸気通路噴射用インジェクタを併用する内燃機関では、両インジェクタ間での燃料噴射分担比率をエンジン条件（温度・回転数・負荷等）に応じて設定する必要がある。特に、エンジン始動時には、エンジン出力条件は一様であるため、エンジン温度に応じて燃料噴射分担比率を適正に設定する必要がある。

エンジン始動時における燃料噴射分担比率の設定、すなわち燃料噴射分担比率初期設定は、一般的には制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）の電源投入時に始動シーケンスの一環として実行される。しかしながら、このような設定手法では、ＥＣＵへの電源投入から、実際のエンジン始動までに時間遅れがある場合には、必ずしも好ましい初期設定がされるとは限らず、エンジンの燃焼状態が不良となって円滑な始動が妨げられる可能性を否定できない。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、筒内に向けて燃料を噴射する第１の燃料噴射手段（筒内噴射用インジェクタ）と吸気通路および／または吸気ポート内に向けて燃料を噴射する第２の燃料噴射手段（吸気通路噴射用インジェクタ）とを備えた内燃機関において、始動時における燃料噴射分担比率を適切に設定して、内燃機関を円滑に始動させることである。

本発明による内燃機関の制御装置は、筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段（筒内噴射用インジェクタ）と、吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段（吸気通路噴射用インジェクタ）とを備える内燃機関の制御装置であって、電源投入検知手段と、始動要求検知手段と、分担比率初期設定手段とを備える。電源投入検知手段は、制御装置への電源投入を検知する。始動要求検知手段は、電源投入から所定時間経過後に内燃機関の始動要求があったことを検知する。分担比率初期設定手段は、内燃機関の始動時における、全燃料噴射量に対する第１の燃料噴射手段および第２の燃料噴射手段の間での燃料噴射量の分担比率（ＤＩ比率）を設定する。特に、分担比率初期設定手段は、電源投入検知手段による電源投入の検知時および始動要求検知手段による始動要求の検知時の各々に、その時点での内燃機関の条件に応じて分担比率を設定する。

上記内燃機関の制御装置によれば、制御装置への電源投入から長時間が経過した時点での内燃機関始動時にも、その時点での条件に応じた分担比率（ＤＩ比率）設定が可能となる。これにより、エンジン始動時の燃焼状態を良好なものとして、エンジンを円滑に始動することができる。

好ましくは、本発明による内燃機関の制御装置では、分担比率初期設定手段は、内燃機関の条件として、少なくとも内燃機関の温度を用いる。

上記内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の温度に応じて分担比率（ＤＩ比率）の初期設定を行なうことにより、機関冷間時における筒内燃料付着および、機関温間時における第１の燃料噴射手段（筒内噴射用インジェクタ）の詰まり発生を防止して、エンジンを円滑に始動することができる。

さらに好ましくは、始動要求は、少なくとも内燃機関のスタータの動作指令生成時に発生される。

上記内燃機関の制御装置によれば、実際のエンジン始動時点を簡易かつ正確に検知することができる。

本発明による内燃機関の制御装置によれば、筒内に向けて燃料を噴射する第１の燃料噴射手段（筒内噴射インジェクタ）と吸気通路および／または吸気ポート内に向けて燃料を噴射する第２の燃料噴射手段（吸気通路噴射インジェクタ）とを備えた内燃機関において、始動時における燃料噴射分担比率を適切に設定して、内燃機関を円滑に始動させることができる。

以下において、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中における同一または相当する部分には同一符号を付してその詳細な説明は原則的に繰返さないものとする。

図１に、本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置であるエンジンＥＣＵで制御されるエンジンシステムの概略構成図を示す。なお、図１には、エンジンとして直列４気筒ガソリンエンジンを示すが、本発明はこのようなエンジンに限定されるものではない。

図１に示すように、エンジン（内燃機関）１０は、４つの気筒１１２を備え、各気筒１１２はそれぞれ対応するインテークマニホールド２０を介して共通のサージタンク３０に接続されている。サージタンク３０は、吸気ダクト４０を介してエアクリーナ５０に接続され、吸気ダクト４０内にはエアフローメータ４２が配置されるとともに、電動モータ６０によって駆動されるスロットルバルブ７０が配置されている。このスロットルバルブ７０は、アクセルペダル１００とは独立してエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいてその開度が制御される。一方、各気筒１１２は共通のエキゾーストマニホールド８０に連結され、このエキゾーストマニホールド８０は三元触媒コンバータ９０に連結されている。

各気筒１１２に対しては、筒内に向けて燃料を噴射するための筒内噴射用インジェクタ１１０と、吸気ポートまたは／および吸気通路内に向けて燃料を噴射するための吸気通路噴射用インジェクタ１２０とがそれぞれ設けられている。これらインジェクタ１１０、１２０はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいてそれぞれ制御される。

なお、本実施の形態においては、２つのインジェクタが別個に設けられた内燃機関について説明するが、本発明はこのような内燃機関に限定されない。たとえば、筒内噴射機能と吸気通路噴射機能とを併せ持つような１個のインジェクタを有する内燃機関であってもよい。

図１に示すように、各筒内噴射用インジェクタ１１０は共通の燃料分配管１３０に接続されている。この燃料分配管１３０は、燃料分配管１３０に向けて流通可能な逆止弁１４０を介して、機関駆動式の高圧燃料ポンプ１５０に接続されている。高圧燃料ポンプ１５０の吐出側は電磁スピル弁１５２を介して高圧燃料ポンプ１５０の吸入側に連結されており、この電磁スピル弁１５２の開度が小さいときほど、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０内に供給される燃料量が増大され、電磁スピル弁１５２が全開にされると、高圧燃料ポンプ１５０から燃料分配管１３０への燃料供給が停止されるように構成されている。なお、電磁スピル弁１５２はエンジンＥＣＵ３００の出力信号に基づいて制御される。

一方、各吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、共通する低圧側の燃料分配管１６０に接続されており、燃料分配管１６０および高圧燃料ポンプ１５０は共通の燃料圧レギュレータ１７０を介して、電動モータ駆動式の低圧燃料ポンプ１８０に接続されている。さらに、低圧燃料ポンプ１８０は燃料フィルタ１９０を介して燃料タンク２００に接続されている。燃料圧レギュレータ１７０は低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の燃料圧が予め定められた設定燃料圧よりも高くなると、低圧燃料ポンプ１８０から吐出された燃料の一部を燃料タンク２００に戻すように構成されている。したがって吸気通路噴射用インジェクタ１２０に供給されている燃料圧および高圧燃料ポンプ１５０に供給されている燃料圧が上記設定燃料圧よりも高くなるのを阻止している。

エンジンＥＣＵ３００は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス３１０を介して相互に接続されたＲＯＭ（Read Only Memory）３２０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３３０、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３４０、入力ポート３５０および出力ポート３６０を備えている。

エアフローメータ４２は吸入空気量に比例した出力電圧を発生し、このエアフローメータ４２の出力電圧はＡ／Ｄ変換器３７０を介して入力ポート３５０に入力される。エンジン１０には機関冷却水温に比例した出力電圧を発生する水温センサ３８０が取付けられ、この水温センサ３８０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器３９０を介して入力ポート３５０に入力される。

燃料分配管１３０には燃料分配管１３０内の燃料圧に比例した出力電圧を発生する燃料圧センサ４００が取付けられ、この燃料圧センサ４００の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４１０を介して入力ポート３５０に入力される。三元触媒コンバータ９０上流のエキゾーストマニホールド８０には、排気ガス中の酸素濃度に比例した出力電圧を発生する空燃比センサ４２０が取付けられ、この空燃比センサ４２０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４３０を介して入力ポート３５０に入力される。

本実施の形態に係るエンジンシステムにおける空燃比センサ４２０は、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比に比例した出力電圧を発生する全域空燃比センサ（リニア空燃比センサ）である。なお、空燃比センサ４２０としては、エンジン１０で燃焼された混合気の空燃比が理論空燃比に対してリッチであるかリーンであるかをオン−オフ的に検出するＯ₂センサを用いてもよい。

アクセルペダル１００は、アクセルペダル１００の踏込み量に比例した出力電圧を発生するアクセル開度センサ４４０に接続され、アクセル開度センサ４４０の出力電圧は、Ａ／Ｄ変換器４５０を介して入力ポート３５０に入力される。また、入力ポート３５０には、機関回転数を表わす出力パルスを発生する回転数センサ４６０が接続されている。エンジンＥＣＵ３００のＲＯＭ３２０には、上述のアクセル開度センサ４４０および回転数センサ４６０により得られる機関負荷率および機関回転数に基づき、運転状態に対応させて設定されている燃料噴射量の値や機関冷却水温に基づく補正値などが予めマップ化されて記憶されている。

エンジンＥＣＵ３００は、所定プログラムの実行により各センサからの信号に基づいて、エンジンシステムの全体動作を制御するための各種制御信号を生成する。これらの制御信号は、出力ポート３６０および駆動回路４７０を介して、エンジンシステムを構成する機器・回路群へ送出される。

本発明の実施の形態に係るエンジン１０では、各気筒１１２に筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０の両方が設けられているため、上記のように算出された必要な全燃料噴射量について、筒内噴射用インジェクタ１１０および吸気通路噴射用インジェクタ１２０の間での燃料噴射分担制御を行なう必要がある。

以下では、両インジェクタ間での燃料噴射分担比率を、全燃料噴射量に対する筒内噴射用インジェクタ１１０からの燃料噴射量の比率である、ＤＩ比率ｒで示すこととする。すなわち、「ＤＩ比率ｒ＝１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０からのみ燃料噴射が行なわれることを意味し、「ＤＩ比率ｒ＝０％」とは、吸気通路噴射用インジェクタ１２０からのみ燃料噴射が行なわれることを意味する。「ＤＩ比率ｒ≠０％」、「ＤＩ比率ｒ≠１００％」および「０％＜ＤＩ比率ｒ＜１００％」とは、筒内噴射用インジェクタ１１０と吸気通路噴射用インジェクタ１２０とで燃料噴射が分担して行なわれることを意味する。なお、なお、筒内噴射用インジェクタ１１０は、気化潜熱効果による耐ノッキング性能の向上により、出力性能の上昇に寄与できる。また、吸気通路噴射用インジェクタ１２０は、混合気の均質性向上効果による回転（トルク）変動抑制により、出力性能の上昇に寄与できる。

さらに、エンジン１０に対しては、始動装置５００が設けられる。一般的に、始動装置５００は、エンジンＥＣＵ３００からの動作指令に応答して通電される電動機によって構成される。エンジンＥＣＵ３００から動作指令が発せられたときには、始動装置５００によってエンジン１０のフライホイール５１０が回転駆動されて、エンジン１０が始動される。

一般的に、運転者による始動時操作は複数段階に分割される。たとえば、一般的な車両では、キーオフ状態から、オーディオ等の補機電源を投入するＡＣＣオン状態、エンジンＥＣＵ３００を含む車両駆動系の電源を投入するイグニッションオン状態を経て、イグニッションオン状態のキー位置から所定の抵抗力に逆らったさらなるキー操作（スタータオン）に応答してエンジンが始動される。さらに、スタータオン位置から運転者がキーを離すと、キーは自動的にイグニッションオン状態に復帰する。

このため、エンジンＥＣＵ３００の電源投入と、始動装置５００の動作指令生成とは同時期に発生するとは限らない。また、イグニッションオンおよびスタータオンが連続的に発生した後、エンジンの始動が不調であったとき、あるいは何らかの原因で一旦始動したエンジンが停止した場合（いわゆるエンスト等）には、運転者により再度スタータオン位置へのキー操作が行なわれる。エンジンＥＣＵ３００は、運転者のキー操作によるスタータオン指令に応答して、始動装置５００の動作指令を生成する。

図２は、本発明の実施の形態に従う燃料噴射分担比率（ＤＩ比率）の初期設定制御を説明するフローチャートである。

図２を参照して、ＤＩ比率の初期設定は、基本的にはエンジンＥＣＵ３００の電源投入時に実行される。すなわち、エンジンＥＣＵ３００の電源がオフからオンに遷移したかどうかを判定し（ステップＳ１００）、エンジンＥＣＵ３００の電源投入時（ステップＳ１００におけるＹＥＳ判定）に、図３に示すようなＤＩ比率初期設定が実行される（ステップＳ１２０）。

図３を参照して、エンジン温度（代表的には、水温センサ３８０によって測定されるエンジン冷却水温）と所定の判定温度Ｔｔｈとの比較により、判定温度Ｔｔｈよりもエンジン温度が低いときに「機関冷間時」、エンジン温度が判定温度Ｔｔｈ以上であるときに「機関温間時」とする。機関冷間時には、筒内噴射を避けるためにＤＩ比率ｒ＝０％に設定する一方で、機関温間時には、筒内噴射用インジェクタでの詰まり発生を防止するために、ＤＩ比率ｒ＝１００％に設定する。

なお、ステップＳ１２０におけるＤＩ比率初期設定は、図３に示す例に限定されず、エンジン１０の円滑な始動を考慮して、エンジン温度領域をさらに細分化してＤＩ比率設定を３以上の段階に分割しても良い。あるいは、エンジン温度の他のパラメータをさらに加えて、あるいは他のパラメータに基づいて、ＤＩ比率初期設定を行なうことも可能である。また、冷間および温間を問わず、低負荷領域において筒内噴射用インジェクタ１１０を用いるように、すなわち、冷間時および温間時にいずれにおいてもＤＩ比率ｒ＞０％と設定してもよい。

しかしながら、ステップＳ１００およびＳ１２０のみによるＤＩ比率初期設定制御では、エンジンＥＣＵ３００の電源投入からエンジンが始動されるまでに長時間が経過した場合、あるいは一旦始動したエンジンがエンスト等で停止して、エンジンの再始動が必要となった場合に、実際のエンジン始動時点におけるエンジン条件（本実施の形態では代表的にエンジン温度）に基づいて初期設定を行なうことができない。

このため、本発明によるＤＩ比率初期設定制御では、エンジンＥＣＵの電源投入時以外（ステップＳ１００におけるＮＯ判定）においても、異常の発生等により、電源投入から所定時間経過後にエンジン始動要求があったことを検知するステップＳ１４０を設け、このようなエンジン始動要求が検知された場合に（ステップＳ１４０でのＹＥＳ判定時）、再びステップＳ１２０を実行する。これにより、ＤＩ比率初期設定は、電源投入時のエンジン条件に応じた値から、実際のエンジン始動の時点でのエンジン条件に応じた値に更新される。

たとえば、ステップＳ１４０は、電源投入時からの所定時間経過を検知するタイマーからの出力と、エンジンＥＣＵ３００による始動装置５００の動作指令生成とに応じて、上記のようなエンジン始動要求を検知する。このエンジン始動要求は、運転者のキー操作によるエンジン始動時に加えて、エンジン１０に取付けられたクランク角度センサ（図示せず）からの出力信号異常等、エンジン制御を正常に実行できない状況となった場合にも自動的に生成される。また、マニュアルトランスミッション車（Ｍ／Ｔ車）では、スタータを再度オンすることなく、クラッチを繋ぐことによってもエンジンの再始動が可能であるが、この場合にも、ステップＳ１４０で検知される始動要求が生成されるものとする。

なお、上記のようなエンジン始動要求が検知されない場合（ステップＳ１４０でのＮＯ判定時）には、電源投入時に実行されたステップＳ１２０によるＤＩ比率初期設定値が維持される。

図２に示したフローチャートと本発明の構成との対応関係を説明すると、ステップＳ１００が本発明での「電源投入検知手段」に対応し、ステップＳ１２０が本発明での「分担比率初期設定手段」に対応し、ステップＳ１４０が本発明での「始動要求検知手段」に対応する。

このような構成とすることにより、エンジンＥＣＵ３００への電源投入から長時間が「経過したエンジン始動時にも、その時点でのエンジン条件に応じたＤＩ比率初期設定が可能となる。これにより、エンジン始動時の燃焼状態を良好なものとして、エンジンを円滑に始動することができる。

特に、エンジン温度に応じてＤＩ比率初期設定を行なうことにより、機関冷間時における筒内燃料付着および、機関温間時における筒内噴射用インジェクタの詰まり発生を防止して、エンジンを円滑に始動することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の制御装置により制御されるエンジンシステムの概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る燃料噴射分担比率初期設定制御を説明するフローチャートである。 エンジン温度に応じた燃料噴射分担比率の好ましい初期設定を説明する概念図である。

符号の説明

１０ エンジン、２０ インテークマニホールド、３０ サージタンク、４０ 吸気ダクト、４２ エアフローメータ、５０ エアクリーナ、６０ 電動モータ、７０ スロットルバルブ、８０ エキゾーストマニホールド、９０ 三元触媒コンバータ、１００ アクセルペダル、１１０ 筒内噴射用インジェクタ、１１２ 気筒、１２０ 吸気通路噴射用インジェクタ、１３０，１６０ 燃料分配管、１４０ 逆止弁、１５０ 高圧燃料ポンプ、１５２ 電磁スピル弁、１７０ 燃料圧レギュレータ、１８０ 低圧燃料ポンプ、１９０ 燃料フィルタ、２００ 燃料タンク、３００ エンジンＥＣＵ、３８０ 水温センサ、４００ 燃料圧センサ、４２０ 空燃比センサ、４４０ アクセル開度センサ、４６０ 回転数センサ、５００ 始動装置（スタータ）、５１０ フライホイール、ｒ ＤＩ比率、Ｔｔｈ 判定温度。

Claims (3)

1. 筒内に燃料を噴射するための第１の燃料噴射手段と、吸気通路内に燃料を噴射するための第２の燃料噴射手段とを備える内燃機関の制御装置であって、
   前記制御装置への電源投入を検知する電源投入検知手段と、
   前記電源投入から所定時間経過後に前記内燃機関の始動要求があったことを検知するための始動要求検知手段と、
   前記内燃機関の始動時における、全燃料噴射量に対する前記第１の燃料噴射手段および第２の燃料噴射手段の間での燃料噴射量の分担比率を設定するための分担比率初期設定手段とを備え、
   前記分担比率初期設定手段は、
   前記電源投入から前記所定時間が経過する前に前記内燃機関の始動要求があったときは、前記電源投入検知手段による前記電源投入の検知時における前記内燃機関の条件に応じて前記分担比率を設定し、かつ、前記電源投入から前記所定時間が経過した後に前記内燃機関の始動要求があったときは、前記始動要求検知手段による前記始動要求の検知時での前記内燃機関の条件に応じて前記分担比率を設定する、内燃機関の制御装置。
2. 前記分担比率初期設定手段は、前記内燃機関の条件として、少なくとも前記内燃機関の温度を用いる、請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記始動要求は、少なくとも前記内燃機関のスタータの動作指令生成時に発生される、請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。

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