JP4529935B2

JP4529935B2 - 筒内直噴エンジンの始動制御装置

Info

Publication number: JP4529935B2
Application number: JP2006103442A
Authority: JP
Inventors: 素成鎗野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: JP2007278129A

Description

本発明は、筒内直噴エンジン、特に高沸点燃料を用いる筒内直噴エンジンの始動制御装置に関する。

近年、原油価格の高騰やそれらの枯渇の問題からエンジンにおける燃料の多角化が検討されている。そこで、石油燃料に対する代替燃料の１つとしてエタノール等のアルコール燃料が有望視されており、ガソリンとアルコールとを混合した、いわゆるアルコール混合燃料として一部では実用化されている例もある。ところが、このアルコール混合燃料はガソリン１００％の燃料に比べ高沸点であり、その発熱量や気化特性が異なると共に、ガソリンに対する混合割合を示すそのアルコール濃度によっても特性が異なるので、ガソリン１００％の燃料の使用を前提とするエンジンにそのままアルコール混合燃料を使用すると、制御空燃比が理論空燃比から外れ、排気成分が変化したり、運転性が悪化することになる。特に、低温下のエンジン冷機時における始動性が問題となる。

そこで、例えば、特許文献１には、メイン燃料タンクと加熱手段を備えたサブ燃料タンクとを設け、アルコール濃度をパラメータとして設定した始動可能判定温度と冷却水温とを比較して始動不能と判定されたときに、サブ燃料タンク内の加熱された燃料を圧送して燃料を循環させ、そして、エンジンをクランキングさせて、インジェクタから加熱された燃料を噴射させることにより、アルコール濃度に応じて燃料を効率よく加熱してエンジンに供給し、始動性を向上させるようにした技術が開示されている。

特開平５−１４９２２３号公報

ところで、特許文献１に開示の技術では、燃料自体を加熱することでその微粒化ないしは気化促進を図り始動性の向上を狙っている。このような燃料の加熱により始動性は向上する。しかしながら、この燃料の加熱は、インジェクタへのデポジットの堆積を助長するという弊害をもたらす。また、加熱手段を備えたサブ燃料タンクを追加して設けることによるシステムの複雑化やコスト上昇が避けられないという問題があった。

そこで、本発明の目的は、上述の問題を解消し、簡単な構成で高沸点燃料が用いられた場合にも短時間で確実な始動性能を得ることができる筒内直噴エンジンの始動制御装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の一形態に係る筒内直噴エンジンの始動制御装置は、燃焼室に臨んで設けられた直噴インジェクタおよび点火プラグを備えた筒内直噴エンジンにおいて、クランキング開始後の始動初期に、膨張行程にある気筒に新気を導入すると共に前記直噴インジェクタから所定量の燃料を噴射し、前記点火プラグによる複数回点火が実行されるように始動初期制御することを特徴とする。

ここで、前記始動初期制御は、エンジンの回転数が所定の完爆回転数に達するまで継続されることが好ましい。

また、燃料種別判定手段をさらに備え、該燃料種別判定手段により所定の高沸点燃料と判定されたとき、前記始動初期制御が実行されるようにしてもよい。

さらに、エンジン温度計測手段を備え、該エンジン温度計測手段により所定の温度以下と判定されたとき、前記始動初期制御が実行されるようにしてもよい。

本発明の一形態に係る筒内直噴エンジンの始動制御装置によれば、クランキング開始後の始動初期には、膨張行程にある気筒に新気が導入されると共に直噴インジェクタから所定量の燃料が噴射され、点火プラグによる複数回点火が実行される。これにより、爆発にまでは至らなくとも燃料に着火させる程度の燃焼が得られるので、筒内の温度が早期に上昇する。従って、次サイクル以降に直噴インジェクタから噴射される燃料の霧化ないしは気化が促進され早期に正常燃焼が得られることにより、始動性が向上する。

ここで、前記始動初期制御が、エンジンの回転数が所定の完爆回転数に達するまで継続される形態によれば、筒内温度が上昇されるので極低温時においても短時間でエンジンを始動することができる。

また、燃料種別判定手段をさらに備え、該燃料種別判定手段により所定の高沸点燃料と判定されたとき、前記始動初期制御が実行される形態によれば、無用な始動初期制御を行うことなく、所定の高沸点燃料での始動性の向上を図ることができる。

さらに、エンジン温度計測手段を備え、該エンジン温度計測手段により所定の温度以下と判定されたとき、前記始動初期制御が実行される形態によれば、エンジンが暖機状態にある再始動時等に無用な始動初期制御を行うことなく、低温時での始動性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しつつ説明する。

まず、図１を参照して、本発明が適用される筒内直噴エンジン１００の概要を説明する。１０１はエンジン本体、１０２はシリンダブロック、１０３はシリンダヘッド、１０４はピストン、１０５は燃焼室、１０６は吸気ポート、１０７は排気ポート、１０８は吸気弁、１０９は排気弁、１１０は燃焼室１０５内の頂部に配置された点火プラグをそれぞれ示している。本実施形態によるエンジン１００は、吸気弁１０８を任意のタイミングで開閉させることが可能な例えば電磁式の吸気弁駆動機構１０８Ｖを備えている。

ピストン１０４の下端部にはクランクシャフト１１１が連結されており、ピストン１０４が上下動することによりクランクシャフト１１１が回転される。さらに、クランクシャフト１１１の近傍には、クランクポジションセンサー１１２が配設されており、このクランクポジションセンサー１１２は、例えば、電磁ピックアップ式センサーであり、クランクシャフト１１１に連結されている磁性体ロータの例えば１０°毎のクランク回転信号を検出すると共に欠歯した箇所とにより、正確な上死点位置を含むクランク位置、すなわち、気筒判別可能であり、およびクランク角速度、すなわち、エンジン回転数を検出可能である。

吸気ポート１０６は不図示の吸気マニフォルドを介して不図示のサージタンクに接続され、サージタンクは吸気ダクトを介してエアクリーナに接続されている。吸気ダクト内にはスロットルモータにより駆動される不図示のスロットル弁が配置されている。一方、排気ポート１０７は不図示の排気マニフォルドおよび排気管を介して触媒コンバータに接続されている。また、１１３はエンジン冷却水温を検出するための水温センサーである。

図１のエンジン１００は、高沸点燃料の一例としてのアルコール混合燃料を用いる燃料供給系を備え、この燃料供給系は、筒内の燃焼室１０５に噴射口を介してアルコール混合燃料を噴射可能に配置された直噴インジェクタ１２０を具備している。そして、この直噴インジェクタ１２０は、デリバリパイプ１２１を含むアルコール混合燃料供給ライン１２２を介して車載された燃料タンク１２４に接続されている。なお、アルコール混合燃料供給ライン１２２内には、燃料ポンプ１２３が配置されている。さらに、本実施形態においては、燃料タンク１２４内に燃料種別判定手段としての燃料種別判定センサー１２５が配設されている。この燃料種別判定センサー１２５は、燃料タンク１２４に貯蔵されている燃料の種別を特定するに際し、特にその沸点の違いを検出可能なものであることが好ましい。

さらに、図１に示すように、上述の点火プラグ１１０は吸気ポート１０６と排気ポート１０７との間の燃焼室１０５の上部中央に配設されている。そして、直噴インジェクタ１２０が吸気ポート１０６側にその噴射口がシリンダ中心線に対し、所定の角度傾斜されて配設されている。さらに、ピストン１０４の上部には、直噴インジェクタ１２０からの噴射方向に適合されたピストンキャビティ１０４Ｃが、吸気ポート１０６側にオフセットされて形成されている。なお、このピストンキャビティ１０４Ｃは直噴インジェクタ１２０からの噴霧流が回り込んで点火プラグ１１０のギャップ付近に乱れを生起するように吸気ポート１０６側にオフセットされた舟底状に形成されている。また、直噴インジェクタ１２０のピストンキャビティ１０４Ｃに対する噴霧角および噴霧形状は、ピストンキャビティ１０４Ｃでアルコール混合燃料が成層燃焼可能なように設定されている。

また、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）２００はデジタルコンピュータからなり、周知の如く、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）、入力ポート、および出力ポート等を具備している。

上述の各センサーからの信号はそれぞれＥＣＵ２００の入力ポートに入力される。さらに、入力ポートには、エンジン始動の際に用いられるエンジンスイッチ１１４が接続されている。一方、ＥＣＵ２００の出力ポートは、それぞれ、対応する駆動回路を介して、吸気弁駆動機構１０８Ｖ、点火プラグ１１０、スロットルモータ、直噴インジェクタ１２０、燃料ポンプ１２３およびスタータ等に接続されている。

なお、本実施の形態では、始動時に噴射供給される燃料量が、予め実験により求められて、燃料の沸点および／またはエンジン冷却水の温度に応じて設定され、上述のＲＯＭにマップ化されたデータとして格納されている。

ここで、本発明に係る筒内直噴エンジンの始動制御装置の実施形態における制御ルーチンの一例を図２のフローチャートを参照して説明する。この実施形態では、制御がスタートされると、まず、ステップＳ２０１においてエンジンスイッチ１１４が「ＯＮ」されたか否かが判定され、「ＯＮ」されたときのみステップＳ２０２に進む。そして、ステップＳ２０２においてスタータ出力信号が「ＯＮ」され、スタータによりクランキングが開始される。さらに、次のステップＳ２０３に進み、燃料種別判定センサー１２５からの検出信号に基づいて使用されている燃料が高沸点燃料か否かが判定される。また、次のステップＳ２０４では、水温センサー１１３からの検出信号に基づいてエンジン冷却水温が所定温度以下であるか否かが判定される。

これらのステップＳ２０３およびステップＳ２０４での判定の結果、いずれも「ＮＯ」のとき、すなわち、使用されている燃料が高沸点燃料でなく、且つ、エンジン冷却水温が所定温度を超えているとき、および使用されている燃料が高沸点燃料であっても、エンジン冷却水温が所定温度を超えているときは、始動性にさほどの支障がないとして、後述する始動初期制御を実行することなくステップＳ２０７に進む。

一方、上記ステップＳ２０３およびステップＳ２０４での判定において、使用されている燃料が高沸点燃料であり（ステップＳ２０３：「ＹＥＳ」）、且つ、エンジン冷却水温が所定温度以下である（ステップＳ２０４：「ＹＥＳ」）ときはステップＳ２０５に進み、始動初期制御が実行される。

この始動初期制御について、図３のクランク角（ＣＡ）を基準としたタイムチャートをも参照して説明する。この始動初期制御においてはまず、クランキング開始後に最初に膨張行程になる気筒が判別される。これは、クランクポジションセンサー１１２からの検出信号に基づき求められ、ピストン１０４が上死点付近にある気筒である。今、エンジン１００が４気筒エンジンであり、その点火順序が＃１−＃３−＃４−＃２であるとしたとき、図３のタイムチャートには、＃１気筒のピストン１０４が上死点（０°ＣＡ）から膨張行程を開始する例が示されている。

そこで、この膨張行程にある＃１気筒においては、吸気弁駆動機構１０８Ｖが駆動されて吸気弁１０８が開かれ新気が導入されると共に、直噴インジェクタ１２０から所定量の燃料が噴射される。なお、この所定量の燃料は、上述のようにＲＯＭに格納されているマップ化されたデータを読み出して設定される。そして、同じ膨張行程で点火プラグ１１０による点火が複数回実行される。かくて、＃１気筒において、爆発にまでは至らなくとも燃料に着火させる程度の燃焼が得られるので、筒内の温度が早期に上昇する。

また、＃１気筒の次の点火順序である＃３気筒、その次の＃４気筒、さらに＃２気筒においても同様に、クランキング開始後の最初のサイクルの膨張行程において、新気が導入されると共に所定量の燃料が噴射され、複数回点火が実行される。そして、次のサイクル以降においては、吸気行程における新気の導入、吸気行程および／または圧縮行程における燃料の噴射、圧縮行程後期での一回点火による通常の運転に加え、後述のように、エンジン回転数が所定の完爆回転数に至るまで、膨張行程における新気の導入、燃料の噴射および複数回点火の実行を含む始動初期制御が行なわれる。

従って、クランキング開始後の最初のサイクルの膨張行程における新気の導入、燃料の噴射および複数回点火の実行の結果、筒内の温度が早期に上昇されるので、次サイクル以降に直噴インジェクタ１２０から噴射される燃料の霧化ないしは気化が促進され早期に正常燃焼が得られることにより、始動性が向上することになる。

ここで、再度、図２のフローチャートに戻るに、ステップＳ２０５における上述の始動初期制御が実行されて、次のステップＳ２０６に進む。このステップＳ２０６および上述の始動初期制御が実行されないで通常の運転形態で始動される場合のステップＳ２０７においては、エンジン回転数が所定の完爆回転数以上になったか否かが判定される。いずれの場合も、エンジン回転数が所定の完爆回転数に至ったときのみ、エンジンが自立回転可能に完全に始動されたとして、次のステップＳ２０８に進み、スタータ出力信号が「ＯＦＦ」されスタータが停止される。すなわち、図４のタイムチャートに示すように、時刻ｔ０でスタータ出力信号が「ＯＮ」され、スタータにより所定のクランキング回転数で駆動された後、エンジン回転数が完爆回転数に至った時刻ｔｃにおいて、スタータ出力信号が「ＯＦＦ」されるのである。

なお、本発明は、直噴インジェクタにより高沸点燃料を噴射供給するようにした燃料エンジンとして、アルコール混合燃料を用いるエンジンにつき説明したが、この燃料としては、例示したアルコール混合燃料に限らず、低オクタンガソリン、軽油等を用いることができ、要するに、揮発性の低い燃料を筒内に噴射供給する形式のエンジンには全て適用可能である。

本発明が適用される直噴インジェクタを備えるエンジンを示す概略構成図である。本発明の実施形態における制御手順の一例を示すフローチャートである。本発明の実施形態における燃料噴射と点火時期との関係を示すクランク角（ＣＡ）基準のタイムチャートである。本発明の実施形態におけるエンジン回転数とスタータ出力信号との関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

１００筒内直噴エンジン
１０３シリンダヘッド
１０４ピストン
１０５燃焼室
１１０点火プラグ
１２０直噴インジェクタ
２００電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

燃焼室に臨んで設けられた直噴インジェクタおよび点火プラグを備え、高沸点燃料を用いる筒内直噴エンジンにおいて、
スタータによるクランキング開始後の始動初期に、最初のサイクルの膨張行程にある気筒に吸気弁を介して新気を導入すると共に前記直噴インジェクタから所定量の燃料を噴射し、前記点火プラグによる複数回点火が実行され、次のサイクル以降は、吸気行程における新気の導入、吸気行程および／または圧縮行程における燃料の噴射、圧縮行程後期での一回点火による通常の運転に加え、膨張行程における新気の導入、燃料の噴射および複数回点火が実行されるように始動初期制御することを特徴とする筒内直噴エンジンの始動制御装置。
前記始動初期制御は、エンジンの回転数が所定の完爆回転数に達するまで継続されることを特徴とする請求項１に記載の筒内直噴エンジンの始動制御装置。
さらに、燃料種別判定手段を備え、該燃料種別判定手段により所定の高沸点燃料でないと判定されたときは、前記始動初期制御が実行されないことを特徴とする請求項１または２に記載の筒内直噴エンジンの始動制御装置。
さらに、エンジン温度計測手段を備え、該エンジン温度計測手段により所定の温度を超えていると判定されたときは、前記始動初期制御が実行されないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の筒内直噴エンジンの始動制御装置。