JP6197289B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、筒内直接噴射およびポート噴射の２系統の燃料噴射ノズルを有し、始動時にこれらを使い分ける燃料噴射制御を行なうエンジンに関する。

筒内噴射用燃料噴射弁と吸気ポート噴射用燃料噴射弁とを備える内燃機関がある。運転状態に応じてこれら２種類の噴射弁を使い分けることで、燃費の向上を図っている。内燃機関の始動時には、機関温度が低い、いわゆる「冷態」であることもあり、燃料の気化が進まないため燃焼状態が安定しない。筒内噴射用燃料噴射弁から噴射させる燃料の圧力を高圧にすることによって燃料の気化が促進されることを期待するが、内燃機関が冷態である場合は、残圧が無いことが多く、燃料の噴射圧力を十分に高くするためにはしばらく時間を要する。

特許文献１に記載された内燃機関は、気筒内に燃料を直接噴射供給するメインインジェクタ、および吸気通路内に燃料を噴射供給するサブインジェクタを有する。この内燃機関の燃料噴射制御装置は、圧力センサで測られた燃料噴射圧力が所定圧力よりも低い場合、および、温度センサによって測られたエンジン冷却水の温度が所定温度よりも低い場合、少なくともサブインジェクタから吸気行程において燃料噴射を実行する。そして、噴射された燃料の圧力が低く粒径が大きくても気筒内に燃料が供給されるまでに気化して空気と混合されることが、記載されている。

特許文献２に記載された内燃機関は、気筒内に燃料を噴射するための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吸気通路噴射用インジェクタとを備える。この内燃機関の制御装置は、内燃機関を始動させる際、内燃機関が温間である場合は筒内噴射用インジェクタのみから燃料を噴射し、内燃機関が冷間である場合は吸気通路噴射用インジェクタのみから燃料を噴射させる。筒内噴射用インジェクタによる燃料噴射は、圧縮行程で行われ、吸気通路噴射用インジェクタによる燃料噴射は、吸気行程で行われる。冷間であっても燃料を吸気通路に噴射することで、燃料の気化が促進されることが特許文献１と同様に記載されている。

特許文献３に記載された内燃機関は、各気筒の吸気通路に配置されたポート噴射弁と、少なくとも２つの気筒に配置された筒内噴射弁とを備える。筒内噴射弁は、任意の１つの気筒、及びこの気筒が圧縮行程以外または膨張行程以外となるときに圧縮行程または膨張行程となるように配置された気筒にそれぞれ設置されている。この内燃機関の制御装置は、機関を始動させる始動要求があった場合、吸気行程および排気行程の気筒にポート噴射弁で燃料を噴射するとともに圧縮行程または膨張行程の気筒に筒内噴射弁で燃料を噴射する。このように構成されていることで、クランクシャフトがどの角度で停止していてもエンジン始動の初回のサイクルで筒内噴射弁によって燃料が噴射された気筒から速やかに初爆を得ることで機関を素早く始動することが記載されている。

この特許文献３には、直列４気筒の内燃機関においてすべての気筒に筒内噴射弁とポート噴射弁とを備えることも記載されている。この内燃機関では、機関を始動させる始動要求があった時点で、クランクシャフトの回転角度によらずに２つの気筒が必ず圧縮行程および膨張行程にあることで、より強力な初爆を得ている。また、同じ技術をＶ型６気筒エンジンに適用した例も記載されている。ある１つの気筒及び、この気筒に対してクランク角において３６０°位相がずれている気筒のそれぞれに筒内噴射弁を配置することで、初回のサイクルで確実に初爆を得ることが記載されている。

特開平１０−１７６５７４号公報 特開２００６−２５８０１７号公報 特開２０１２−６７６３９号公報

特許文献１及び特許文献２では、エンジンが冷めた冷態において始動させる場合、吸気通路噴射用インジェクタ（サブインジェクタ）から燃料噴射している。また、特許文献３では、アイドリングストップ後の再始動、すなわちエンジンが暖まった温態における始動を対象としており、始動のための燃料は筒内噴射弁から供給される。

しかしながら、冷態から始動させる場合、エンジンの熱が無いため、噴射された燃料は、気化し難い。したがって、吸気通路噴射用インジェクタから噴射される燃料は、吸気ポートの内面に付着してしまい、供給された量よりもダイリューション（希釈）されてしまう。そのため、本来必要な濃度の噴射燃料を得るためには、より多くの燃料を噴射しなければならない。一般にポート噴射を行うエンジンにおいて冷態始動させる場合、まず全気筒に非同期で燃料噴射をしてから各気筒に順番に燃料噴射を行う。このように、ポート噴射によってエンジンを冷態始動させる場合、燃焼に寄与する以上に多くの燃料を消費してしまう。

また、始動開始と同時に筒内噴射弁で燃料を噴射させる場合、燃料の圧力を十分に高くすることができないため、燃料の粒径が小さくならない、つまり霧化し難い。その結果、排気ガス中のスモークが増えてしまう。また、燃料の圧力が低いと、噴射された燃料が拡散され難く、燃料の密度分布にもばらつきが生じやすい。

そこで、本発明は、吸気ポート及び筒内へ燃料を噴射するノズルを各気筒に有しているエンジンを始動する際に、消費される燃料を低減するエンジンを提供する。

本発明に係るエンジンは、４つの気筒と、各気筒にそれぞれ設置されて筒内へ直接燃料を噴射する第１のノズルと、各気筒の吸気ポートにそれぞれ設置されて吸気ポートへ燃料を噴射する第２のノズルと、各気筒における燃料噴射を制御する制御装置と、クランク角度がどの位置であるか検知する角度センサと、を備える。そして、制御装置は、角度センサによって検出されるクランク角度を基に各気筒がどの行程にあるかを識別し、エンジンの始動制御における各気筒の最初の燃料噴射を、始動開始の時に排気行程および圧縮行程に位置した気筒に対して始動開始と同時にそれぞれ第２のノズルのみから実施し、始動開始の時に膨張行程に位置した気筒に対して最初に訪れる圧縮行程で第１のノズルのみから実施し、始動開始の時に吸気行程に位置した気筒に対して二度目に訪れる圧縮行程で第１のノズルのみから実施する。

またこのエンジンにおいて、制御装置は、すべての気筒の初爆が完了した後、このエンジンの冷却水の温度が一定値以上となるまですべての気筒に対して第１のノズルのみから燃料を噴射する。また、制御装置は、このエンジンの冷却水の温度が一定値以上となった後、すべての気筒に対して第２のノズルのみから燃料を噴射する。

本発明に係るエンジンによれば、燃焼されずに排気される燃料が無くなり、始動に必要な燃料の量が低減される。したがって、始動時に十分に気化されずに燃焼温度が低くなることで排ガス中に多く含まれるようになるＨＣ（炭化水素）の量は、減る。また、始動開始の時に膨張行程であった気筒および始動開始の時に吸気行程であった気筒のそれぞれ圧縮行程は、連続していない、すなわち、これらの気筒において第１のノズルで燃料が噴射されるタイミングは、連続しないので、第１のノズルから噴射される燃料の圧力は、充分な圧力に達している。第１のノズルから噴射される燃料の圧力が確保されることによって燃料が適正に霧化されるだけでなく、筒内噴射することによって余分な燃料を噴射することなく、エンジンを始動させることができる。さらに、吸気ポートに燃料が噴射された気筒と筒内に直接燃料が噴射された気筒が交互に点火されることになるので、筒内噴射するための燃料の圧力の変動も少なく、高い圧力を得やすい。

制御装置が始動開始の時に排気行程および圧縮行程に位置した気筒に対して始動開始と同時にそれぞれ第２のノズルから燃料を噴射する発明のエンジンによれば、吸気ポートに対する燃料噴射を始動と同時に行うので、気筒に供給されるまでの時間が十分に確保され、燃料の気化が促進する。またこのとき第２のノズルから行われる噴射は同時であるので、燃料の圧力変動を抑えることができる。

また、すべての気筒の初爆が完了したのち、一定の運転条件が満足されるまで、制御装置がすべての気筒に対して第１のノズルから燃料を噴射する発明のエンジンによれば、各気筒の２回目以降の燃料噴射を第１ノズルによる筒内噴射にすることで、始動直後の燃焼安定性を高めることができる。早い段階でエンジン回転数が目標回転数に達するので、エンジンの始動時に要する燃料が軽減される。第１のノズルから燃料が噴射される場合、圧縮行程で行われるので、燃料が霧化しやすく、燃焼状態が改善される。余分な燃料消費も抑えられるため、排ガス中のＨＣ（炭化水素（スモーク））の発生量も軽減される。

一定の運転条件が満たされた後、すべての気筒に対して制御装置が第２のノズルから燃料を噴射させる発明のエンジンによれば、ポート噴射の方が筒内噴射する場合よりもエンジンの微小な出力調整が可能であるので、一定条件を満たした後は、すべての気筒に対して第２のノズルから燃料を噴射することによって、エンジンの出力を安定させ易い。特に、微小なパルス幅の制御が求められるアイドル運転におけるエンジンの出力制御に有効である。

一定の運転条件に、エンジンの冷却水の温度が一定値以上であることと、エンジンの回転数が目標回転数以上であることを含む発明のエンジンによれば、これらの条件のどちらかを満たしていれば、第２のノズルで吸気ポートに噴射した燃料が霧化しやすく、また、第１のノズルで筒内噴射したことによって伴うスモークの発生を確実に抑制することができる。

本発明に係る一実施形態のエンジンを模式的に示す図。 図１のエンジンの始動制御において各気筒の行程、燃料噴射および点火のタイミングを示す図。 図１のエンジンの始動制御において各気筒の行程、燃料噴射および点火のタイミングを示す図。 図１のエンジンの始動制御を示すフローチャート。

本発明に係る一実施形態のエンジン１について、図１から図４を参照して説明する。このエンジン１は、車両に搭載されて冷態始動されるエンジン、特にアイドリングストップ運転が可能である車両やハイブリッド車両に搭載されて冷態始動されるエンジンとして採用される。図１に示すエンジン１は、直列４気筒エンジンであって、以下に説明する。エンジン１は、４つの気筒＃１〜＃４と、各気筒＃１〜＃４の筒内Ａ１〜Ａ４へ直接燃料を噴射する第１のノズルＤｉ１〜Ｄｉ４と、各気筒＃１〜＃４の吸気ポートＢ１〜Ｂ４へ燃料を噴射する第２のノズルＰｉ１〜Ｐｉ４と、各気筒＃１〜＃４における燃料噴射を制御する制御装置２とを備える。本明細書及び各図中において、第１のノズルＤｉ１〜Ｄｉ４から燃料を噴射させることをＤｉ噴射、第２のノズルＰｉ１〜Ｐｉ４から燃料を噴射させることをＰｉ噴射と称することもある。

燃料噴射制御を実行する制御装置（電子制御装置（ＥＣＵ））２は、車両が停車していることを検知するためのセンサ２１、アイドリングストップ制御が働いていることを検出するアイドルスイッチ（ID_SW）２２、エンジン１の冷却水の温度を計測する温度センサ２３、クランク角度がどの位置であるか検知する角度センサ２４などと接続されている。車両が停車していることを検出するためのセンサ２１として、パーキングブレーキ、フットブレーキ、車速センサ、変速機がニュートラルであるかを検出するセンサ、アクセルペダルポジションセンサなどを単独で又は複合的に採用することができる。

本実施形態の場合、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を有した直列４気筒の４サイクルエンジンであり、振動及びトルクバランスなどを考慮して、各気筒が＃１→＃３→＃４→＃２の順にそれぞれ圧縮行程で点火されるように、各気筒の行程と点火順序が決められている。つまり、図２及び図３において、圧縮行程と膨張行程の間に印された星印は、そのタイミングで点火が行われることを意味している。

この制御装置２は、エンジン１の始動制御における各気筒＃１〜＃４の最初の燃料噴射を、始動開始の時に排気行程および圧縮行程に位置した気筒に対して第２のノズルから実施し、始動開始の時に膨張行程および吸気行程に位置した気筒に対してそれぞれの圧縮行程で第１のノズルから実施する。

具体的に例をあげると、図２及び図３に示すように、始動開始の時に排気行程に位置している気筒＃１および圧縮行程に位置している気筒＃４に対して、第２のノズルＰｉ１，Ｐｉ４から燃料噴射を行ない、始動開始の時に膨張行程に位置している気筒＃３および吸気行程に位置している気筒＃２に対して、それぞれの圧縮行程で第１のノズルＤｉ３，Ｄｉ２から燃料噴射を行なう。

このとき、図２及び図３に示すように、始動開始の時に排気行程に位置した気筒＃１および圧縮行程に位置した気筒＃４に対して第２のノズルＰｉ１，Ｐｉ４から行われる燃料噴射は、開始と同時に行われる。

また図２及び図３に示すように、制御装置２は、すべての気筒＃１〜＃４の初爆が完了すると、一定の運転条件が満たされるまで、すべての気筒＃１〜＃４に対して第１のノズルＤｉ１〜Ｄｉ４から燃料を噴射させる。そして、一定の運転条件が満足されると、制御装置２は、すべての気筒＃１〜＃４に対して第２のノズルＰｉ１〜Ｐｉ４から燃料を噴射する。ここで、一定の運転条件は、エンジン１の冷却水の温度が一定値以上であること、または、エンジン１の回転数が目標回転数以上であることを含む。

以下にこの制御装置２が実行する始動制御について説明する。制御装置２は、始動制御が開始されると、図４に示すように、車両が停車中であるかセンサ２１の信号を基に判断（Ｓ１）する。停車中である場合、さらにアイドルスイッチ２２がＯＮであるか判断（Ｓ２）する。アイドルスイッチ２２がＯＮである場合、すなわちエンジン１が停止している場合、温度センサ２３で計測された温度が、所定値以下であるか判断（Ｓ３）する。この場合、温度センサ２３に設定される所定値は、例えば、約２０℃である。Ｓ１で停車中ではない場合、またはＳ２でアイドルスイッチ２２がＯＦＦである場合、またはＳ３で冷却水の温度が所定値以上である場合、いずれも通常の始動制御によって、エンジン１が始動（Ｓ４）される。

Ｓ３において冷却水の温度が所定値以下である場合、すなわちエンジン１が冷態である場合、始動においてクランキングを行い（Ｓ５）、角度センサ２４で検出されるクランク角度を基に各気筒＃１〜＃４がどの行程にあるかを識別（Ｓ６）する。

識別された各気筒＃１〜＃４の行程のうち、排気行程および圧縮行程にあると判定された気筒に対し始動制御を開始するのと同時にＰｉ噴射を実施する非同期噴射（Ｓ７）が行われる。例えば、図２及び図３に示すように始動開始の時に排気行程である気筒＃１及び圧縮行程である気筒＃４に対して、第２のノズルＰｉ１，Ｐｉ４で同時に吸気ポートＢ１，Ｂ４に燃料噴射を行う。圧縮行程、膨張行程、および排気行程において、吸気弁は、閉じられている。したがって、噴射された燃料は、吸気ポートＢ１，Ｂ４内で気化される。Ｐｉ噴射が実施される気筒＃１，＃４は、図２及び図３に示すように、点火順序が１番目及び３番目である。

また、図４のフローチャートに示されたように、非同期噴射された以外の気筒、すなわち気筒＃３，＃２は、それぞれ点火順序に合わせて第１のノズルＤｉ３，Ｄｉ２によって筒内Ａ３，Ａ２へ直接燃料が噴射（Ｓ８）される。図２及び図３において始動開始の時に膨張行程に位置した気筒、すなわち点火順序が２番目である気筒＃３は、最初に訪れる圧縮行程、すなわち始動開始から第３サイクルの圧縮行程でＤｉ噴射が行われる。また、図２及び図３において始動開始の時に吸気行程に位置した気筒、すなわち点火順序が４番目である気筒＃２は、二度目に訪れる圧縮行程、すなわち始動開始から第５サイクルの圧縮行程でＤｉ噴射が行われる。

図２及び図３に示すように、点火順序に従って気筒＃１の第２サイクルの終わりから点火が始まる。その結果、図２及び図３のいずれの場合も、Ｐｉ噴射された気筒（＃１、＃４）とＤｉ噴射された気筒（＃３、＃２）が交互に点火されることとなる。Ｐｉ噴射された気筒とＤｉ噴射された気筒が交互に点火される運転は、すべての気筒＃１〜＃４の点火が少なくとも一巡するまで継続される。

すべての気筒＃１〜＃４に対する点火が少なくとも一巡すると、制御装置２は、一定の運転条件が満たされるまで、すべての気筒＃１〜＃４に対する燃料噴射を図３に示すようにＤｉ噴射に切り換える。そして、一定の運転条件が満たされた場合は、すべての気筒＃１〜＃４に対する燃料噴射を図２に示すようにＰｉ噴射に切り換える。本実施形態において、運転条件として監視されるのは、エンジン１の冷却水の温度およびエンジン回転数である。

そこで、制御装置２は、すべての気筒＃１〜＃４に対する点火が一巡すると、まず温度センサ２３の検出値を基にエンジン１の冷却水の温度が一定の値以上であるか判断（Ｓ９）する。冷却水の温度が一定の温度以上になっている場合、その時点でまだ排気行程を経ておらず、第２のノズル（Ｐｉ１〜Ｐｉ４）によって吸気ポート（Ｂ１〜Ｂ４）に燃料が噴射されていない気筒から順にＰｉ噴射制御（Ｐｉシーケンシャル噴射）（Ｓ１０）を開始し、アイドルモードに移行（Ｓ１１）する。

また、Ｓ９において冷却水温度が一定の値に達していなかった場合、制御装置２は、エンジン回転数が目標回転数よりも高くなったか判断（Ｓ１２）する。エンジン回転数が目標回転数よりも高くなった場合、その時点でまだ排気行程を経ておらず、第２のノズル（Ｐｉ１〜Ｐｉ４）によって吸気ポート（Ｂ１〜Ｂ４）に燃料が噴射されていない気筒から順にＰｉ噴射制御（Ｐｉシーケンシャル噴射）（Ｓ１０）を開始し、アイドルモードに移行（Ｓ１１）する。

図２は、エンジン１の始動制御において、すべての気筒の点火が一巡する前に、第３サイクルで一定の運転条件（冷却水の温度が一定の温度以上であるか、エンジン回転数が目標回転数に達した場合）を満たしていた場合を示す。点火が一巡する間に、一定の運転条件が満たされた場合、制御装置２は、それまでＤｉ噴射だった気筒＃３，＃２をＰｉ噴射に切り換える。また、気筒＃１にとって２巡目になる第６サイクルの終わりで行われる点火をＰｉ噴射によるものとするために、第４サイクルの排気行程でＰｉ噴射が実施される。気筒＃２は、第３サイクルの時点で燃料噴射がまだ一度も行われていないので、第５サイクルの圧縮行程でＤｉ噴射および点火が実施されてからＰｉ噴射に移行する。そして、気筒＃２は、第７サイクルの排気行程でＰｉ噴射に移行する。

図３は、エンジン１の始動制御においてすべての気筒＃１〜＃４に対する点火が一巡しても、一定の運転条件を満たしていない場合、すなわち冷却水の温度が一定値以下であり、かつ、エンジン回転数が目標回転数に満たない場合を示す。点火が一巡する間に、一定の運転条件が満たされない場合、制御装置２は、排気行程におけるＰｉ噴射を中止し、その後の圧縮行程でＤｉ噴射を実施する。つまり、図３において、第３サイクル及び第４サイクルで一定の運転条件に達していないと、気筒＃１の第４サイクルの排気行程および気筒＃３の第５サイクルの排気行程でＰｉ噴射を実施せずに、すべての気筒＃１〜＃４をＤｉ噴射（Ｓ１３）に切り換える。そして、冷却水の温度が一定値以上になるかエンジン回転数が目標回転数を上回るまで、Ｓ９及びＳ１２の判定を繰り返し、Ｄｉ噴射（Ｓ１３）が継続される。

Ｄｉ噴射が継続されたのち冷却水の温度が一定値以上になるかエンジン回転数が目標回転数に達すると、図４に示すようにＰｉ噴射制御（Ｓ１０）に切り換え、アイドルモードへ移行（Ｓ１１）する。全ての気筒に対してＤｉ噴射が実施されたのち、Ｐｉ噴射に切り換わる場合、一定の運転条件を満たした時点で排気行程を経ていない気筒について、順次Ｐｉ噴射に切り換える。図３おいて、第９サイクルで運転条件が一定の値以上に達した場合、その時点で排気行程を過ぎていた気筒は、気筒＃１の第１０サイクルおよび気筒＃３の第１１サイクルに示すように、直後の圧縮行程まではＤｉ噴射を実施する。そして一定の運転条件に達した時点で、排気行程に達していなかった気筒＃４，＃２は、それぞれ第１０サイクル及び第１１サイクルの排気行程からＰｉ噴射を開始する。

以上のように筒内Ａ１〜Ａ４に燃料を直接噴射する第１のノズルＤｉ１〜Ｄｉ４と気筒の吸気ポートＢ１〜Ｂ４に燃料を噴射する第２のノズルＰｉ１〜Ｐｉ４とを備えているエンジン１において、始動開始と同時に点火順序が１番目及び３番目の気筒（＃１，＃４）に対してＰｉ噴射（ポート噴射）による非同期噴射を実施し、その他の気筒（＃３，＃２）に対して圧縮行程でＤｉ噴射（直接噴射）を実施する。エンジン１を始動する際に、Ｐｉ噴射された気筒とＤｉ噴射された気筒が交互に点火されることになる。Ｄｉ噴射が含まれているので、冷態始動した場合でも、消費される始動燃料が低減され、かつＨＣ（炭化水素）が軽減されるなど排ガス成分が改善される。またＰｉ噴射を非同期噴射として始動開始の時に行い、その後、圧縮行程においてＤｉ噴射が行われるので、Ｄｉ噴射までの間にクランクシャフトは、少なくとも１回転する。その結果、Ｄｉ噴射に必要な燃料圧力を確保することができるので、第１のノズルＤｉによって噴射された燃料は、確実に霧化される。

なお、図２及び図３では、気筒＃１から点火が始まるように図示されているが、点火順序は、常に気筒＃１から始まらなければならないということはない。エンジン１が停止した状態のクランク角度に応じていずれの気筒＃１，＃２，＃３，＃４から点火を始めてもよい。ただし、各気筒＃１，＃２，＃３，＃４が直列に並んでいる場合、＃１→＃３→＃４→＃２→＃１のように、どこから始まってもその次に点火される気筒は決まっている。

本発明に係るエンジン１は、４気筒のこのエンジン１のみを搭載した車両においてエンジン１を冷態始動する場合の他に、エンジン１とともに駆動モータ及びバッテリを備えるハイブリッド車両においてエンジン１を冷態始動させる場合にも適用される。

１…エンジン、２…制御装置、＃１〜＃４…気筒、Ａ１〜Ａ４…筒内、Ｂ１〜Ｂ４…吸気ポート、Ｄｉ１〜Ｄｉ４…第１のノズル、Ｐｉ１〜Ｐｉ４…第２のノズル。

Claims (3)

1. ４つの気筒と、前記各気筒にそれぞれ設置されて筒内へ直接燃料を噴射する第１のノズルと、前記各気筒の吸気ポートにそれぞれ設置されて前記吸気ポートへ燃料を噴射する第２のノズルと、前記各気筒における燃料噴射を制御する制御装置と、クランク角度がどの位置であるか検知する角度センサと、を備えるエンジンであって、
   前記制御装置は、前記角度センサによって検出されるクランク角度を基に前記各気筒がどの行程にあるかを識別し、このエンジンの始動制御における各気筒の最初の燃料噴射を、始動開始の時に排気行程および圧縮行程に位置した気筒に対して前記始動開始と同時にそれぞれ前記第２のノズルのみから実施し、前記始動開始の時に膨張行程に位置した気筒に対して最初に訪れる圧縮行程で前記第１のノズルのみから実施し、前記始動開始の時に吸気行程に位置した気筒に対して二度目に訪れる圧縮行程で前記第１のノズルのみから実施する
   ことを特徴とするエンジン。
2. 前記制御装置は、すべての気筒の初爆が完了した後、このエンジンの冷却水の温度が一定値以上となるまですべての気筒に対して前記第１のノズルのみから燃料を噴射する
   ことを特徴とする請求項１に記載されたエンジン。
3. 前記制御装置は、このエンジンの冷却水の温度が一定値以上となった後、すべての気筒に対して前記第２のノズルのみから燃料を噴射する
   ことを特徴とする請求項２に記載されたエンジン。

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