JP4507155B2 - 直噴式内燃機関の始動を制御する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、供給燃料を加圧する手段によって供給燃料が供給される直噴式内燃機関の始動を制御する方法に関する。
【０００２】
添付した図面の図１には、直噴式内燃機関に燃料を供給する装置が示されている。この装置は、燃料タンク１と電気ポンプ２とを有する公知のタイプのものであり、電気ポンプ２は、燃料タンク１によって燃料供給され、かつフィルタ４を介して第２のポンプに燃料供給する圧力レギュレータ３と接続されており、ポンプ２によって送出される燃料は、大気圧より高い第１の圧力レベルまで昇圧されているが、それでも圧力は比較的低く、そのためポンプ２には「低圧ポンプ」という名称が与えられている。内燃機関によって機械的に駆動される第２のポンプ５は、燃料の圧力をさらに第２のレベルまで上昇させる。この第２のレベルは、第１のレベルよりも高く、噴射ライン７上に設けられた燃料インジェクタ６_１、６_２、６_３、６_４への燃料供給に適している。なお、噴射ライン７は、直噴式内燃機関（図示せず）のシリンダに燃料を供給するためのものである。
【０００３】
「高圧ポンプ」として知られるポンプ５によって送出される燃料の圧力は、例えばコンピュータ９により制御される電気作動弁のような電気機械式レギュレータ８によって固定される。この後者のケースでは、センサ１０はライン７に含まれている燃料の圧力Ｐを表す信号をコンピュータ９に供給する。これにより、コンピュータは、このライン内の燃圧を５０〜１００ｂａｒのオーダーの要求された所定レベルに調整することができる。コンピュータ９は一般にエンジン管理コンピュータから成っており、エンジン管理コンピュータは、とりわけインジェクタ６_ｉ（図示の例では、ｉは１〜４までに亘る）を、特にインジェクタ６_ｉが開いている時間を制御する。
【０００４】
インジェクタ６_ｉによって送出されない燃料は、大気圧に置かれたパイプ１１，１２によってタンクに戻される。
【０００５】
図１に図示された装置によって燃料供給される直噴式内燃機関を始動させる公知の方法によれば、この始動は、エンジンのインジェクタ６_ｉに比較的低圧（４〜５ｂａｒ）で供給される燃料を用いて行われる。この場合、この低い圧力は低圧ポンプによって急速に達成される。電気作動式の低圧ポンプは、エンジンが回転する以前に、車両（点火）がスイッチオンされるとすぐに給電される。
【０００６】
しかし、直噴式内燃機関の場合、低燃圧での始動は、濃度が理論混合気よりも１０倍のオーダーで著しく高い空気／燃料混合気に頼ることになる。点火プラグのシリンダへの配置は、このタイプのエンジンにおいて最適ではないが、従来通り点火のためにエンジンのシリンダに配置された点火プラグでのこの混合気の配合は、通常５０ｂａｒを超える高圧燃料が供給されるように構成されている。その結果、特に低い温度または非常に低い温度の環境において、始動の時間が過度に長くなり、エンジンが始動する間のエンジン排気ガス内の未燃焼炭化水素の量が多くなる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の欠点を持たず、特に低い温度及び非常に低い温度の下でエンジン始動時間を短縮することができ、同時に未燃焼炭化水素の発生を抑えることができる、直噴式内燃機関の始動を制御する方法を提供することである。
【０００８】
本発明の上記目的、及び以下の説明を読むことで明らかとなる他の目的は、直噴式内燃機関の始動を制御する方法によって達成される。ここで、前記直噴式内燃機関では、供給燃料はこの燃料を加圧する手段によって前記エンジンに供給される。この方法は、前記始動期間中に、ａ）前記内燃機関の温度（Ｔ）と前記加圧手段によって送出された燃料の圧力（Ｐ）を監視し、ｂ）Ｔが所定の温度閾値（Ｔ_ｓ）よりも低い場合は、内燃機関の始動モードを確立し、該始動モードにおいて、前記圧力（Ｐ）が所定の圧力閾値（Ｐ_ｓ１）よりも高くなるとすぐに高圧燃料を用いて前記内燃機関を始動し、ｃ）Ｔ＞Ｔ_ｓならば、内燃機関の始動モードを確立し、該始動モードにおいて、低圧の燃料を用いて前記内燃機関を始動する点で特徴的である。
【０００９】
後で分かるように、従来のような低圧ではなく高圧の燃料を用いて、通常このようにしてエンジンを始動することによって、上記目的は達成される。
【００１０】
本発明による方法の他の特徴によれば、燃圧が前記閾値Ｐ_ｓ１より低い所定の閾値Ｐ_ｓ２よりも高い値を保持するならば、直噴式内燃機関に高圧で燃料を供給するのに適した低い濃度の空気／燃料混合気に相応する、前記内燃機関の各シリンダに噴射すべき燃料量を計算し、ここから該当するインジェクタが開いている時間の長さ、及び前記インジェクタの開弁時点を導出し、これによって、シリンダの吸気弁が閉じた状態で、前記内燃機関のクランクシャフトが空気／燃料混合気が点火される時点よりも所定の角度の分だけ進角側にある角度位置に達したときに、前記インジェクタを閉じるようにする。
【００１１】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の説明を読み、添付した図面を参照することで明らかになる。添付した図面のうち、
図１は、発明の説明の冒頭で述べた直噴式内燃機関のための燃料供給装置の図であり、
図２及び３は、それぞれ高圧と低圧の供給燃料を使用したエンジン始動モードを示す一連のグラフである。
【００１２】
添付した図面の図２には、本発明に従ってエンジンが高圧燃料で始動される状況下での、エンジン始動フェーズにおける、エンジン速度Ｎの変化、エンジンに供給される燃圧Ｐの変化、噴射される燃料量Ｑの変化、及び燃料噴射終了の位相合せφの変化が図示されている。
【００１３】
エンジン管理コンピュータ９は、本発明によるエンジン始動戦略の実行を任されている。従来の通り、エンジン管理コンピュータはエンジン管理に必要な種々の信号、特に、燃圧センサ１０（図１参照）によって供給される信号、エンジン速度を表す信号Ｎ、及び通常はこのエンジンを冷却するのに使用される冷却水の温度をセンシングするセンサ（図示せず）によって供給される信号Ｔを受け取る。コンピュータ９はまたインジェクタ６_ｉが開閉する時点を決定し、そうすることで、エンジンのシリンダに噴射される燃料量を調整し、このようにしてこれら燃料噴射の位相合せ、特に噴射終了の位相合せφを調整する。
【００１４】
コンピュータ９は、本発明によるエンジン始動戦略を実行するように適宜にプログラムされている。これは、以下において、図２及び３の順次するグラフと組み合わせて説明される。
【００１５】
図２に示されているように、エンジンが時点ｔ_０に始動されると、エンジン速度Ｎは非零の値まで上昇し、燃圧Ｐが上昇し始める。なお、エンジンの始動は、従来のように電気式の始動電動機によって行われる。
【００１６】
本発明の１つの重要な特徴によれば、エンジンの温度Ｔが、エンジンが「コールドスタート」をしていることを示す所定の温度閾値、例えばＴ_ｓ＝４０°Ｃを下回る場合は、コンピュータ９は、「高」燃圧モードとして知られるモードでエンジンを始動するための戦略を実行する。
【００１７】
この戦略によれば、時点ｔ_１において燃圧Ｐが例えばＰ_ｓ１＝３０ｂａｒである所定の閾値Ｐ_ｓ１を越すとすぐに、エンジンへの燃料噴射が始まる。閾値Ｐ_ｓ１は、インジェクタ６_ｉへの燃料の良好な噴霧化を保証するものであり、噴射される量は、（Ｔ＝２０°Ｃでの理論混合気濃度の５倍のオーダーの、すなわち低い圧力の下で必要な濃度の半分の）比較的低い濃度の空気／燃料混合気に相応するレベルＱ_１に固定されている。レベルＱ_１は、直噴式内燃機関に高圧（通常は５０ｂａｒまたはそれより高い）燃料を供給するのに適している。
【００１８】
コンピュータ９は、引き続き時点ｔ_０以降の燃圧Ｐの変化を監視する。時点ｔ_１以降に適用される戦略は、この圧力が再び、実線によって示されているように、閾値Ｐ_ｓ１を下回っても、別の閾値Ｐ_ｓ２（グラフの点線によって示されている部分）を下回らない限りは不変である。閾値Ｐ_ｓ２は、例えば１０ｂａｒに固定される。
【００１９】
閾値Ｐ_ｓ２を越すと、コンピュータは上述した高燃圧始動戦略を放棄する。使用されている加圧手段によって、当該始動フェーズの間必要とされる高圧力を達成するのは不可能だからである。このような状況は、例えば高圧ポンプのプライミング時の困難、または高圧ポンプによる供給を超える量のガソリンを噴射することから生じる。
【００２０】
つぎに、コンピュータ９は低燃圧での始動戦略に戻る。低燃圧ということは、空気／燃料混合気の濃縮を含意し、したがって噴射燃料量ＱがＱ_１からＱ_２に増加することを含意する（グラフの点線部分を参照）。
【００２１】
上記戦略は、持続時間（ｔ_２−ｔ_０）を有するエンジン始動フェーズに特有のものである。時点ｔ_２以降、噴射燃料量及びこれら燃料量の噴射の位相合せは、従来の「マップ」によって順次調整及び制御される。前記「マップ」の入力パラメータは、例えば、エンジン吸気圧及びエンジン速度である。
【００２２】
始動フェーズ（ｔ_０，ｔ_２）の間、燃料噴射の位相合せは次のようにして決定される。コンピュータが、噴射するべきガソリンの量Ｑ_１、及び相応するインジェクタが開いている時間ｔ_ｉを決定する。つぎに、コンピュータは、空気／燃料混合気を点火する点火プラグが励磁される前に噴射フェーズが終了するように、インジェクタの開閉時点を決定する。
【００２３】
周知のように、この点火の瞬間は、（４気筒エンジンの場合）エンジンに結び付けられたクランクシャフトの７２０°回転に相応するエンジンサイクルにおいて、従来的には点火進角αによって識別される。点火進角は、相応するシリンダ内での圧縮行程の終了時に上死点を通過するピストンに対して測定される。この角度基準系では、噴射開始時点ｔ_１は、インジェクタの開弁時間の長さＴ_１の関数として決定されるので、このインジェクタの閉弁時点は、クランクシャフトが上死点から角度α＋φだけ進角側の位置に達したときである。
【００２４】
直噴式内燃機関では、吸気及び圧縮行程の間に、空気／燃料混合気が取り込まれ、相応するシリンダ内で圧縮されるが、噴射は吸気の間及びことによると圧縮行程の間に行われる。したがって、本発明による高燃圧での始動では、噴射は混合気圧縮フェーズ（φ＝φ_１）においてカットされる。そのとき、シリンダの吸入弁は閉じており、さらに燃圧がシリンダ内の圧力増大の下でシリンダ内への噴射に十分な高さである間、閉じている。すなわち、シリンダの吸入弁は、噴射される燃料の圧力が例えば１０ｂａｒよりも高い間は閉じている。
【００２５】
この圧力の下で、本発明によるシステムは、ｔ’_１以降、低圧力での燃料供給に適した作動モードに戻る。このことは、図２のグラフの破線で示されている。燃料噴射は、空気／燃料混合気の吸気行程の早期に（φ＝_φ２）ストップする。このとき、空気／燃料混合気は、弁が開いているのでほぼ大気圧のレベルに留まる。
【００２６】
図２に示されているように、位相φ_１から位相φ_２への切り替わりは中間レベルを経て生じる。これらの中間レベルは、エンジンのクランクシャフトが例えば５０°の順次ステップを経て回転する際に規則的に実現される。これは燃圧の低下の拡大を避けるためである。
【００２７】
直噴式内燃機関の高燃圧での始動は、高圧燃料によって点火プラグ付近で得られる空気／燃料混合気の配合のおかげで、高品質の燃焼を保証することができる。この高品質の燃焼によって、低い温度及び非常に低い温度での始動時間を、例えば１〜２秒まで短縮することが可能である。またこれにより、排気ガスに含有されている未燃焼炭化水素の量の低減が可能であり、したがってこれらのガスが環境を汚染する程度も低下する。
【００２８】
出願人は、コールドスタートの間、高圧ポンプ５がエンジンの最初の数回転から十分に高圧の燃料を供給し、適切にエンジンシリンダ内へ燃料を噴霧することができることを観察した。上記の利点はこれによって得られる。
【００２９】
これに対して、ホットスタート（Ｔ＞Ｔ_ｓ）の間は、本明細書の要求は、始動時間に関して遙かに厳しく、一般的には始動が０．５秒未満で行われることが要求される。このケースでは、適度な高圧燃料を供給するのに必要な最初の数回転は、許可された長さの時間を超える。さらに、高圧ポンプの吸込口で燃料蒸気が発生する危険性が、始動をさらに遅延させる可能性がある。
【００３０】
所定量の燃料を上流から同時に各シリンダに噴射する間接噴射で従来用いられている解決策は、直噴式エンジンの場合には不向きであることが判明している。燃料は適切な分配を行う吸気弁のバリアの恩恵なしに直接シリンダ内に噴射されるので、動力行程または排気行程におけるシリンダは、この燃料を排気ガス内に放出し、このようにして未燃焼炭化水素による汚染が発生する。
【００３１】
本発明によれば、低圧力での始動戦略はつぎのように行われる。すなわち、車両（点火）がスイッチオンされるとすぐに、電気機械式のレギュレータ８（図１）と低圧ポンプ２が作動し、フューエルサプライ内に、ポンプ２及び圧力レギュレータ３によって許容される最大圧力での燃料循環が確立される。有利には、図１の供給装置の代替的実施形態では、噴射レールからリターンライン１１がレギュレータ３に前置接続されており、この代替的実施形態では、電気機械式レギュレータ８が大きく開弁されるよう命令するだけでよい。この命令は、図３のグラフＰの破線によって表されている。
【００３２】
同時に、またエンジンが回転し始めるとすぐに、時点ｔ_０において、コンピュータ９は、噴射するべき燃料量Ｑ_３と、インジェクタが開いている時間Ｔ_ｉを決定する。同時に、エンジンの角度位置を識別する信号、すなわち従来のように、ターゲットの固有の特徴を識別する、クランクシャフトに連結されたセンサからの信号、及びカムシャフトの角度位置を供給するセンサの信号が観察される。これらの信号のいずれかで特徴が観察されるとすぐに、吸気フェーズに入る次のシリンダと、相応の吸気弁が開く時点とを算定することができる。これは、構造的に、クランクシャフト及び／またはカムシャフトと弁との間に機械的関係が存在するからである。そして、シリンダ内への噴射は、弁の開弁から時間Ｔ_ｉの間、命令される。燃料は、吸気弁の開弁によって、考察中の基準点に対してプログラム可能な角位相シフトで少なくとも１エンジンサイクルの間、後続のシリンダ内に順次噴射される。この方法によれば、「カムシャフト」または「クランクシャフト」信号の第１の発生を観察することによって、従来の同期化方法に比べて、平均して１／２エンジン回転（４気筒エンジンの場合）分だけ早く第１の噴射を行うことができ、したがって、始動フェーズの持続時間を約１／２秒だけ減ずることが可能である。
【００３３】
また、このような低燃圧でのホットスタートは高圧ホットスタートよりも迅速である。というのも、低圧ホットスタートは高圧ポンプ内にあるすべての燃料蒸気を除去するからであり、さもないと燃料蒸気はこのポンプの動作を妨害しかねない。
【００３４】
噴射時点Ｔ_ｉは従来と同じ種々のパラメータの関数である。すなわち、エンジン速度Ｎ、吸気圧、冷却水温度、燃圧、及び、本発明によれば、選択された始動モードの関数である。選択される始動モードは高圧または低圧であり、噴射すべき燃料量は有利には高圧始動の場合の方が少ない。
【００３５】
本発明によれば、時点ｔ_２（図２及び３参照）において、高圧始動または低圧始動に共通の手順によって始動フェーズから脱する。したがって、速度Ｎが閾値を越したとき、または所定の長さの時間の後に、このフェーズから脱する。
【００３６】
始動フェーズを脱した後、コンピュータ９は、従来のマップを用いて、噴射すべき燃料量と、インジェクタを開閉すべき時点とを決定する。これらのマップは、入力として例えばエンジン内に吸入される空気の圧力とエンジン速度Ｎを有している。このマッピングされた燃料量Ｑへの移行は、始動フェーズのために計算された量を漸次減らすことによって行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の説明の冒頭で述べた直噴式内燃機関のための燃料供給装置の図である。
【図２】高圧と低圧の供給燃料を使用したエンジン始動モードを示すグラフである。
【図３】高圧と低圧の供給燃料を使用したエンジン始動モードを示すグラフである。

Claims (3)

1. 直噴式内燃機関の始動を制御する方法であって、
   前記内燃機関は、供給燃料を加圧する手段（２，５）によって供給燃料を供給され、
   前記方法が、前記始動期間中に、
   ａ）前記内燃機関の温度（Ｔ）と前記加圧手段によって供給された燃料の圧力（Ｐ）を監視し、
   ｂ）Ｔが所定の温度閾値（Ｔ_ｓ）よりも低い場合は、内燃機関の始動モードを確立し、該始動モードにおいて、前記圧力（Ｐ）が所定の圧力閾値（Ｐ_ｓ１）よりも高くなるとすぐに、高圧燃料を用いて前記内燃機関を始動し、
   ｃ）Ｔ＞Ｔ_ｓならば、内燃機関の始動モードを確立し、該始動モードにおいて、低圧の燃料を用いて前記内燃機関を始動する形式の方法において、
   高燃圧での始動モードにおいて、燃圧が前記閾値（Ｐ_ｓ１）より低い所定の閾値（Ｐ_ｓ２）よりも高い値を保持するならば、直噴式内燃機関に高圧で燃料を供給するのに適した低い濃度の空気／燃料混合気に相応する、前記内燃機関の各シリンダに噴射すべき燃料量（Ｑ_１）を計算し、ただし、前記低い濃度は２０°Ｃでの理論混合気濃度の５倍のオーダーの濃度、すなわち低い圧力の下で必要な濃度の半分の濃度に相当し、前記燃料量（Ｑ _１ ）から該当するインジェクタが開いている時間（Ｔ_ｉ）の長さ、及び前記インジェクタ（６_ｉ）の開弁時点を導出し、これによって、シリンダの吸入弁が閉じた状態で、前記内燃機関のクランクシャフトが空気／燃料混合気が点火される時点よりも所定の角度（φ_１）の分だけ進角側にある角度位置に達したときに、前記インジェクタ（６_ｉ）を閉じるようにし、
   前記高燃圧での始動モードにおいて、燃圧（Ｐ）が前記閾値（Ｐ _ｓ１ ）より低い所定の閾値（Ｐ _ｓ２ ）を下回る場合は、低燃圧での内燃機関の始動に戻る、ことを特徴とする直噴式内燃機関の始動を制御する方法。
2. 低燃圧での内燃機関の始動に戻る際に、低圧力で噴射すべき燃料量（Ｑ_２）を計算し、
   つづいて前記燃料量（Ｑ_２）を前記内燃機関のシリンダ内に噴射し、
   シリンダの吸入弁が開いた状態で、前記内燃機関のクランクシャフトが空気／燃料混合気が点火される時点よりも所定の角度（φ_２）の分だけ進角側にある角度位置に達したときに、前記インジェクタを閉じる、請求項１記載の方法。
3. 前記ステップｃ）において、第１のシリンダの吸入弁の開弁と同時に、前記内燃機関のシリンダ内への燃料の順次噴射を指令する、請求項１記載の方法。

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