JP4844757B2 - 筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、特に始動時における燃焼制御技術に関する。

燃料噴射弁から筒内へ直接燃料噴射する筒内噴射型内燃機関において、吸気行程に燃料噴射する吸気行程噴射と圧縮行程に燃料噴射する圧縮行程噴射とを実施可能にする燃焼制御装置が知られている。
吸気行程噴射では、燃料噴射終了から点火までの間に燃料が十分に拡散されて筒内で空燃比が均一化するので、筒内への燃料噴射量を多くすることができ、出力トルクを大きく確保することができる。一方、圧縮行程噴射では、点火時に筒内での燃料の拡散が比較的少なく成層燃焼が可能となるので、筒内全体の空燃比を抑えて燃費の低減を図ることができる。

このような吸気行程噴射及び圧縮行程噴射を実施可能な内燃機関において、始動時におけるＨＣ（未燃燃料）の排出を低減させるために、始動時に圧縮行程で燃料噴射するものがある。更に、始動時に機関回転速度が低下したときに同一サイクル中の燃料噴射回数を増加させることで、始動性を向上させる技術も知られている（特許文献１）。
特開２００７−１３２２８６号公報

ところで、内燃機関の筒内への燃料噴射量は、通常、燃料噴射弁への駆動信号の出力時間であるパルス幅の大小によって制御される。そして、始動時におけるパルス幅は、機関温度による始動性の影響を考慮して、例えば水温に応じて補正するものがある。
内燃機関の始動性に影響する条件としては、機関温度の他に筒内の圧縮圧が考えられる。筒内の圧縮圧は機関回転速度に、特にクランキング時にはクランキング回転速度に関連する。始動時（クランキング時）に吸気行程噴射が採用される場合には、クランキング回転速度が低く圧縮圧が低下したとしても、クランキング回転速度の低下に伴って燃料の気化時間が増加するので、始動性に与える影響が相殺されるため、圧縮圧を考慮して始動時におけるパルス幅を補正しなくとも特に問題は生じない。

しかしながら、上記のように始動時に圧縮行程噴射が行われる場合には、成層燃焼を確保するため気化時間の増加が制限されることから、始動時に機関温度のみでパルス幅を補正するのでは、圧縮圧の低下による影響を相殺できずに始動性が低下するとともに、始動時の不安定な運転により排気性能が悪化する虞がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、始動時に圧縮行程噴射を行う筒内噴射型内燃機関において、始動性を向上させるとともに、始動時における排気性能を向上可能な燃焼制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、圧縮行程で燃料噴射して始動する圧縮噴射始動が可能な筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置において、機関温度を検出する機関温度検出手段と、機関温度検出手段により検出された機関温度に基づいて、始動時における基準クランキング回転速度を推定する基準クランキング回転速度推定手段と、実クランキング回転速度を検出する実クランキング回転速度検出手段と、圧縮噴射始動時に、実クランキング回転速度検出手段により検出された実クランキング回転速度が基準クランキング回転速度推定手段により推定された基準クランキング回転速度より低下した場合には、点火時期での筒内圧が増加するように点火時期を遅角する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の発明では、請求項１において、制御手段は、圧縮噴射始動時に、更に、実クランキング回転速度と基準クランキング回転速度との差に基づいて、筒内への燃料噴射量を増減補正することを特徴とする。
また、請求項３の発明では、請求項２において、制御手段は、筒内への燃料噴射量の増減補正として、圧縮噴射始動時に実クランキング回転速度が基準クランキング回転速度より低下した場合には、筒内への燃料噴射量を増加することを特徴とする。

また、請求項４の発明では、請求項２または３において、制御手段は、燃料噴射開始時期を変更して燃料噴射時間を増減することで、燃料噴射量を増減補正することを特徴とする。

また、請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれかにおいて、制御手段は、更に、点火時期の遅角に応じて燃料噴射終了時期を遅角することを特徴とする。

本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置によれば、圧縮噴射始動時に、実クランキング回転速度が基準クランキング回転速度より低下した場合には、点火時期での筒内圧が増加するように点火時期を遅角させるので、クランキング回転速度の低下によって圧縮圧が低下しても、点火時期を遅角することにより、圧縮圧が十分に確保された時点で点火させることができる。したがって、圧縮噴射始動時における始動性を向上させるとともに、安定した始動により排気性能を向上させることができる。特に、基準クランキング回転速度は、機関温度に基づいて推定されるので、機関温度の変動にも対応した適正な燃焼制御を可能にすることができる。

本発明の請求項２の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置によれば、圧縮噴射始動時にクランキング回転速度の変動に対応した筒内への燃料噴射量の増減補正により、始動性を容易に制御することができる。
本発明の請求項３の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置によれば、圧縮噴射始動時にクランキング回転速度が低下しても燃料噴射量が増加するので、始動性を向上させることができる。

本発明の請求項４の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置によれば、燃料噴射開始時期の変更による燃料噴射時間を増減することで燃料噴射量の増減を行うので、燃料噴射量が増減しても点火時期における点火プラグの電極近傍での空燃比の変動が抑制され、空燃比制御の煩雑化を防止することができる。

本発明の請求項５の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置によれば、点火時期が遅角制御されてもこれに応じて燃料噴射終了時期も遅角されるので、燃料噴射終了時期と点火時期との間の時間を適正に維持することができ、圧縮噴射始動における成層燃焼を維持することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るエンジン（筒内噴射型内燃機関）１の概略構成図である。
図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各気筒毎に点火プラグ４とともに電磁式の燃料噴射弁６が取り付けられており、これにより、燃焼室８内に燃料を直接噴射可能とされている。

燃料噴射弁６には、燃料パイプを介して燃料タンクを備えた燃料供給装置（図示せず）が接続されている。詳しくは、燃料供給装置は、燃料ポンプを備えており、この燃料ポンプにより、燃料タンク内の燃料を加圧して燃料噴射弁６に供給する。
シリンダヘッド２には、各気筒毎に略直立方向に吸気ポートが形成されており、各吸気ポートと連通するようにして吸気マニホールド１０の一端がそれぞれ接続されている。そして、吸気マニホールド１０の他端にはスロットル弁１１が接続されており、該スロットル弁１１にはスロットル開度を検出するスロットルセンサ１１ａが設けられている。

また、シリンダヘッド２には、各気筒毎に略水平方向に排気ポートが形成されており、各排気ポートと連通するようにして排気マニホールド１２の一端がそれぞれ接続されている。排気マニホールド１２の他端には、排気管２０が接続されており、この排気管２０には排気浄化触媒３０を介してマフラー（図示せず）が接続されている。
排気浄化触媒３０は、排ガス中のＮＯxをＨＣ存在下で選択的に浄化する選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒という）３０ａと三元触媒３０ｂとの２つの触媒を備えて構成されており、三元触媒３０ｂがＮＯｘ触媒３０ａよりも下流側に配設されている。

エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ１３及びエンジン冷却水の水温を検出する水温センサ１４が設けられている。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。
ＥＣＵ４０の入力側には、上述したスロットルセンサ１１ａ、クランク角センサ１３及び水温センサ１４の他に、図示しない空燃比センサ等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、燃料噴射弁６や点火コイル９を介して点火プラグ４等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ４０は、スロットルセンサ１１ａ等の各種センサ類からの検出情報に基づき、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等を例えばマップから読み出すことで演算して、各種出力デバイスを制御する。特に、燃料噴射量は、燃料噴射弁６の駆動信号である燃料噴射信号におけるパルス幅の長さにより制御する。

また、ＥＣＵ４０は、燃料噴射時期を制御することで、燃料噴射モードとして、吸気行程で燃料噴射を行う吸気行程噴射モードと圧縮行程で燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードとを選択的に実施可能となっている。
吸気行程噴射モードでは、燃料噴射終了から点火までの時間が比較的長く、均一予混合燃焼が可能となるので、筒内全体での空燃比を高くしてエンジントルクを大きく確保することができる。一方、圧縮行程噴射モードでは、燃料噴射終了から点火までの時間が比較的短く、成層燃焼が可能となるので、筒内全体での空燃比を抑制して燃費を低減することができる。ＥＣＵ４０は、低回転低負荷時には圧縮行程噴射モードを、高回転または高負荷時には吸気行程噴射モードを選択する。また、ＥＣＵ４０は、始動時に機関温度として水温センサ１４から冷却水温を入力して、冷態状態であるか否かを判別し、冷態状態、即ち冷態始動時には、排気浄化触媒３０の浄化効率が低下していることからＨＣが過剰に供給されないように圧縮行程噴射モードを選択して、圧縮噴射始動を実行させる。

本実施形態では、圧縮噴射始動におけるクランキング時において、スロットルセンサ１１ａ等の各種センサ類からの検出情報に基づいて演算された燃料噴射量、点火時期及び燃料噴射時期の基準値に対して補正制御する。
図２は、本発明の実施形態に係るＥＣＵ４０における燃料噴射量、点火時期及び燃料噴射時期の補正制御要領を示すフローチャートである。

本フローチャートは、圧縮噴射始動時に繰り返し実行される。
先ずステップＳ１０では、例えばキースイッチの操作信号を入力して、クランキング中であるか否かを判別する。クランキング中である場合は、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、クランク角センサ１３からクランク角を入力して、その推移から実クランキング回転速度ＲＮeを計測する（実クランキング回転速度検出手段）。詳しくは、クランキング開始後２行程目からクランク角の基本周期の経過に要する時間を計測して、単位時間当たりの回転数を算出する。基本周期は、爆発間隔に設定され、例えば４気筒では１８０度、６気筒では１２０度に設定される。そして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、機関温度に基づいて基準クランキング回転速度ＣＮeを推定する。詳しくは、機関温度として例えば水温センサ１４から水温を入力し、この水温に基づいて、あらかじめ確認して設定されたマップから基準クランキング回転速度ＣＮeを読み出す。そして、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、ステップＳ２０において計測された実クランキング回転速度ＲＮeから、ステップＳ３０において推定された基準クランキング回転速度ＣＮeを減算して、クランキング回転速度差ΔＲＣＮeを求める。そして、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、燃料噴射量（燃料噴射信号のパルス幅）、燃料噴射時期及び点火時期の各補正量（補正係数）を演算する。詳しくは、ステップＳ４０において演算されたクランキング回転速度差ΔＲＣＮeに応じて、図３に示すマップから燃料噴射量の補正係数を読み出すとともに、図４に示すマップから燃料噴射時期及び点火時期の補正量を読み出す。図３は、クランキング回転速度差ΔＲＣＮeと燃料噴射量の補正係数との関係を示すグラフであり、クランキング回転速度差ΔＲＣＮeが負の場合（実クランキング回転速度ＲＮeが基準クランキング回転速度ＣＮeより低下した場合）には、燃料噴射量（パルス幅）が増加するように設定されている。図４は、クランキング回転速度差ΔＲＣＮeと燃料噴射時期及び点火時期の補正量との関係を示すグラフであり、クランキング回転速度差ΔＲＣＮeが負の場合は燃料噴射時期及び点火時期を遅角させるように設定されている。そして、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０では、ステップＳ５０において演算された各補正量を用いて、燃料噴射量、燃料噴射時期及び点火時期等の各種制御量を補正する。詳しくは、前述したスロットルセンサ１１ａ等から演算した各基準値に対して、燃料噴射時期及び点火時期に対しては補正量を加算、燃料噴射量に対しては補正係数を乗算することで、各種制御量を補正する。そして、本ルーチンをリターンする。

一方、ステップＳ１０においてクランキング中でないと判定された場合には、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、通常制御を実施する。詳しくは、スロットルセンサ１１ａ等から演算した各基準値をそのまま用いて、燃料噴射量（燃料噴射信号のパルス幅）、燃料噴射時期及び点火時期を制御する。そして、本ルーチンを終了する。

以上の構成により、本実施形態では、圧縮噴射始動時においてクランキング回転速度が低下した場合には、燃料噴射量の増量、点火時期及び燃料噴射時期の遅角が行われる。
クランキング回転速度が低下すると、筒内圧（圧縮圧）が低下して燃焼性が低下する。しかしながら、上記のように本実施形態では、燃料噴射信号のパルス幅を増加させて燃料噴射量を増加させるので、燃焼性が向上し、始動性を安定させることができる。ここで、パルス幅を増加させるには、燃料噴射終了時期を変更せずに燃料噴射開始時期を進角させることで行うとよい。このようにすれば、パルス幅が増減したとしても、点火時期における点火プラグの端子近傍の空燃比の変動が抑制され、空燃比制御の煩雑化を防止できる。

図５は、始動時における燃料噴射信号、点火信号及び筒内圧の推移を示すタイムチャートであり、（Ａ）は実クランキング回転速度ＲＮeが基準クランキング回転速度ＣＮeより低下した場合、（Ｂ）は実クランキング回転速度ＲＮeが基準クランキング回転速度ＣＮeである場合を参考として示す。
図５（Ａ）に示すように、実クランキング回転速度ＲＮeが基準クランキング回転速度ＣＮeより低下した場合の筒内圧は、同図（Ｂ）に示す基準クランキング回転速度ＣＮeである場合の筒内圧より全体的に低下する。そこで、本実施形態では、その低下量に応じて点火時期を遅角する（図中破線から実線に変更する）。点火時期周辺では、時間経過に伴って筒内圧が増加するので、点火時期を遅角することで点火時期における筒内圧を基準クランキング回転速度ＣＮeである場合と同等に確保することができる。これにより、実クランキング回転速度ＲＮeが基準クランキング回転速度ＣＮeより低下したとしても燃焼性を維持することができる。

また、点火時期の遅角に伴い燃料噴射終了時期も遅角されるので、燃料噴射終了時期と点火時期との間の時間も維持される。したがって、圧縮行程噴射による成層燃焼が維持されて、燃費及び排気性能を確保することができる。
なお、本実施形態では、実クランキング回転速度ＲＮeの低下に応じて、燃料噴射量、点火時期及び燃料噴射終了時期の補正量を求めているが、本発明はこれらを全て補正する必要はなく、例えば燃料噴射量及び点火時期のみ補正してもよい。本実施形態では、実クランキング回転速度ＲＮeの低下に応じて、少なくとも点火時期を補正すれば圧縮噴射始動時の始動性を向上させることができる。

また、本実施形態では、図２に示すフローチャートのステップＳ５０において、クランキング回転速度差ΔＣＲＮeから燃料噴射時期、点火時期及び燃料噴射量の各補正量（補正係数）を直接求めているが、本発明はこれに限定するものではなく、クランキング回転速度差ΔＣＲＮeから圧縮圧差（筒内圧の差）を求め、そしてこの圧縮圧差から各補正量（補正係数）を求めるといったように段階的に行ってもよい。

本発明に係る筒内燃料噴射型エンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態に係るＥＣＵにおける燃料噴射量、点火時期及び燃料噴射時期の補正制御要領を示すフローチャートである。 クランキング回転速度差と燃料噴射時期及び点火時期の補正量との関係を示すグラフである。 クランキング回転速度差と燃料噴射量の補正係数との関係を示すグラフである。 始動時における燃料噴射信号、点火信号及び筒内圧の推移を示すタイムチャートであり、（Ａ）はクランキング回転速度が基準クランキング回転速度より低下した場合、（Ｂ）はクランキング回転速度が基準クランキング回転速度である場合を示す。

符号の説明

１ エンジン
４ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
１３ クランク角センサ
１４ 水温センサ
４０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 圧縮行程で燃料噴射して始動する圧縮噴射始動が可能な筒内噴射型内燃機関の燃焼制御制装置において、
   機関温度を検出する機関温度検出手段と、
   前記機関温度検出手段により検出された機関温度に基づいて、始動時における基準クランキング回転速度を推定する基準クランキング回転速度推定手段と、
   実クランキング回転速度を検出する実クランキング回転速度検出手段と、
   前記圧縮噴射始動時に、前記実クランキング回転速度検出手段により検出された前記実クランキング回転速度が前記基準クランキング回転速度推定手段により推定された基準クランキング回転速度より低下した場合には、点火時期での筒内圧が増加するように点火時期を遅角する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記制御手段は、前記圧縮噴射始動時に、更に、前記実クランキング回転速度と前記基準クランキング回転速度との差に基づいて、筒内への燃料噴射量を増減補正することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記制御手段は、前記筒内への燃料噴射量の増減補正として、前記圧縮噴射始動時に前記実クランキング回転速度が基準クランキング回転速度より低下した場合には、筒内への燃料噴射量を増加することを特徴とする請求項２に記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記制御手段は、燃料噴射開始時期を変更して燃料噴射時間を増減することで、前記燃料噴射量を増減補正することを特徴とする請求項２または３に記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記制御手段は、更に、点火時期の遅角に応じて燃料噴射終了時期を遅角することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼制御装置。

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