(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、点火栓が略中央に位置するキャビティ燃焼室を冠面に凹設したピストンと、エンジン始動時の最初の燃料供給を圧縮行程中の燃料噴射だけで行うよう前記燃料噴射弁を制御する始動時燃料噴射制御手段とを備えた筒内直噴エンジンの始動制御装置において、
前記始動時燃料噴射制御手段は、２回目以降の所定回数の燃料供給を圧縮行程中の燃料噴射だけで行うよう前記燃料噴射弁を制御すると共に、この所定回数をエンジン冷却温度に応じて可変設定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。
【請求項２】
前記始動時燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力が所定圧力以下であるとき燃料噴射を行わないことを特徴とする請求項１記載の筒内直噴エンジンの始動制御装置。
【請求項３】
燃料タンク内の燃料を前記燃料噴射弁へ圧送する燃料ポンプを備え、この燃料ポンプによる燃料昇圧動作をエンジン始動時のクランキング開始前から開始することを特徴とする請求項１記載の筒内直噴エンジンの始動制御装置。
【請求項４】
圧縮行程中の燃料噴射回数を冷却水温が低いほど多くすることを特徴とする請求項１記載の筒内直噴エンジンの始動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に搭載される筒内直噴エンジンの始動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内直噴エンジンでは、吸気行程よりも前に燃料を噴射することができず、エンジン冷間時に十分な燃料気化時間を確保できないので、特に燃焼室壁温が低い始動時に、濃い混合気を点火栓近傍に形成することが困難となり、着火不良を引き起こしてエンジンの始動性を悪化させるという問題がある。
このような問題に対し、特開平８−１９３５３６号公報に開示された燃料噴射制御装置では、燃料を吸気行捏と圧縮行程とに分けて噴射することでエンジンの始動性を改善しようとしている。すなわち、吸気行程では火炎の伝播が可能となる程度の混合気を形成するのに要する燃料を噴射し、圧縮行程では点火栓近傍に良好な着火が得られる混合気を形成するのに要する燃料を噴射するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、吸気行程で噴射された燃料の一部はそのまま燃焼室内に浮遊し、他はピストン冠面等に付着した後に空気流動によって拡散されて混合気を形成する。
しかしながら、エンジン始動時の極初期段階、すなわちクランキング開始直後の段階では、エンジン回転数が低いため燃焼室内の空気流動が非常に弱く、またこのような段階ではもともとコレクタ内に存在していた空気を吸入している状態であるため吸気行程中の燃焼室内にあまり負圧が発達せず、吸気行程噴射燃料の拡散・気化状態は極めて悪いものと推測される。よって上記の従来技術では、エンジン始動時の極初期段階において圧縮行程噴射燃料は良好に着火するものの吸気行程噴射燃料へその着火火炎が良好に伝播することがなく、吸気行程噴射燃料の大部分が未燃のまま排出されることになる。
本発明は、上記問題点に着目してなされたものであって、クランキング開始直後の段階における未燃燃料の排出量抑制を図ることを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明では、燃焼室へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃焼室の略中央に配設した点火栓と、この点火栓が略中央に位置するキャビティ燃焼室を冠面に凹設したピストンと、エンジン始動時の最初の燃料供給を圧縮行程中の燃料噴射だけで行うよう前記燃料噴射弁を制御する始動時燃料噴射制御手段とを備え、前記始動時燃料噴射制御手段は、２回目以降の所定回数の燃料供給を圧縮行程中の燃料噴射だけで行うよう前記燃料噴射弁を制御すると共に、この所定回数をエンジン冷却温度に応じて可変設定する構成とした。すなわち、最初の燃料を供給する時点では、燃焼室壁が全く燃焼の熱を受け取っていないために壁温が特に低く、かつ、燃焼室内の空気流動、負圧とも非常に弱い状態なので、未燃燃料の排出量を大幅に増加させる吸気行程噴射は行わず、圧縮行程噴射だけを行うようにする。なお、このときの圧縮行程噴射の燃料量は、エンジンが自立回転するのに要する量とするのが好ましいが、使用する燃料噴射弁の特性や燃焼室形状によってはリッチ失火する場合もあるので、そのような場合は良好な燃焼が得られる範囲の量とすればよい。１回あるいは数回の燃焼が得られれば、その後は吸気行程噴射を行っても未燃燃料排出量が大幅増加することはない。
【０００５】
【発明の効果】
本発明の筒内直噴エンジンの始動制御装置は、上述の通り構成されているので、エンジン始動時の極初期段階、すなわちクランキング開始直後の段階における未燃燃料排出量を低減でき、エンジンの始動性向上を図ることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る筒内直噴エンジンの全体構成図である。
エアフィルタ１を介して吸入された空気は、電制スロットルチャンバ２で調量された後、コレクタ３、各気筒毎の分岐通路４、吸気ポート５、吸気弁６を介してエンジン筒内に導入される。シリンダヘッド７の吸気ポート５下方には、筒内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁８が配設されており、この燃料噴射弁８には、高圧燃料ポンプ９によって所定の噴射圧力まで昇圧された燃料が供給されている。筒内に導入された空気と燃料噴射弁８から噴射された燃料は混合気を形成し、点火栓１０によって点火燃焼せしめられる。燃焼後のガスは排気弁１１、排気ポート１２を介して排気通路１３へ排出され、触媒１４で浄化された後に大気中へ排出される。
【０００７】
このエンジンの燃焼室について詳述すると、シリンダヘッド７にはペントルーフ形の凹部１５が形成されており、これと対応するようにピストン１６の冠面には部分円筒形の凹部１７（キャビティ燃焼室）が形成されている。このキャビティ燃焼室１７は吸気側と排気側とで略対称な形状となっており、点火栓１０がシリンダ１８の略中央に配設されているので、キャビティ燃焼室１７に対しても略中央に点火栓１０が位置するようになっている。
【０００８】
このエンジンの曖機完了後の燃焼形態について説明すると、負荷や回転が比較的高いときは吸気行程中に燃料噴射を行い、燃焼室内に形成した均質な混合気を燃焼させる均質燃焼を行う一方、部分負荷運転時には圧縮行程中に燃料噴射を行い、燃焼室内のタンブル流れＴによって噴射燃料を点火栓１０の方向へ導き、点火栓１０の近傍だけに混合気を偏在化させて燃焼させる成層燃焼を行う。なお、このような成層燃焼形態は本出願人が特願平１１−１５９２１４号、特願平１１−２４２４８４号、および特願平１１−２８１２４９号等で既に提案しているものであり、ピストン頂面の吸気側にボウル状のキャビティ燃焼室を設け、このボウル状燃焼室内に混合気を偏在化させて成層燃焼を行う筒内直噴エンジンと比較して成層燃焼運転領域を比較的高負荷側に広げることができるという利点を持っている。なお、ピストン頂面の吸気側にボウル状燃焼室を設けると、ボウル状燃焼室の周辺位置、すなわち、ボウル状燃焼室の側壁近傍に点火栓が位置することになる。このようなボウル状燃焼室は、その形状自体で燃料噴霧を点火栓近傍へ集める働きがあり、吸気行程噴射でエンジンを始動させても、リーン失火が発生し難い。また、圧縮行程噴射でエンジンを始動させようとした場合、噴射燃料量が多いと反対にリッチ失火が発生する可能性が高くなる。
【０００９】
次に、このエンジンの制御系の構成を説明すると、吸入空気量Ｑａを検出するエアフロメータ２０、運転者のアクセル踏込み量（アクセル開度）ＡＰＳを検出するアクセル開度センサ２１、クランフシャフトが所定角度回転する毎に信号を出力するクランク角センサ２２、エンジン冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ２３、燃料配管中の燃料圧力Ｐｆを検出する燃圧センサ２４が設けられており、これらのセンサ出力はＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）２５へ送られ、ＥＣＭ２５ではこれらのセンサ出力に基づいて燃料噴射制御信号、点火制御信号、吸入空気量制御信号が作成され、これらの制御信号はそれぞれ燃料噴射弁８、点火栓１０、電制スロットルチャンバ２へ送られる。
【００１０】
ＥＣＭ２５が行う制御のうち、本発明に係る燃料噴射制御について、図２のフローチャートを用いて説明する。すなわち、本発明に係る始動時燃料噴射制御手段は、ＥＣＭ２５がソフトウェア的に備えている。
図２のフローチャートに示す処理ルーチンは、エンジンのイグニッションスイッチがＯＮである間、所定時間毎にＥＣＭ２５内で実行されるものであり、燃料噴射を吸気行程中に行うか圧縮行程中に行うかを設定する。
【００１１】
まず、Ｓ１０１では、スタータスイッチがＯＦＦからＯＮへ変化したか否かを判断する。スタータスイッチは、図１に図示されていないスタータモータを駆動してエンジンをクランキングするスイッチであり、このスイッチがＯＦＦからＯＮへ変化したか否かを判断することでエンジンの始動操作が開始されたか否かを判断するようにしている。
【００１２】
Ｓ１０１で始動操作の開始が判断された場合はＳ１０２へ進み、その時の冷却水温Ｔｗに基づいて圧縮行程噴射回数ＩＣ０を算出する。圧縮行程噴射回数ＩＣ０は、始動時の燃料噴射を何回目まで圧縮行程中に行うか設定する値であり、図３に示す制御テーブルからＴｗに対応する値をルックアップする。図３の制御テーブルは冷却水温Ｔｗが低いほど圧縮行程噴射回数ＩＣ０が多くなる特性となっており、燃焼室壁温（ピストン１６の冠面温度やシリンダ１８の内壁温度）が確実に上昇してから吸気行程噴射へ移行するようになっている。なお、圧縮行程噴射回数ＩＣ０の設定が４の倍数となっているのは４気筒エンジンに対する制御を例示しているからであり、各気筒の圧縮行程噴射回数を等しくするためであるが、必ずしも圧縮行程噴射回数ＩＣ０を気筒数の倍数として設定する必要はない。なお、始動時の水温Ｔｗが暖機完了温度Ｔｗｔｈ以上であるときは圧縮行程噴射回数ＩＣ０を０に設定している。すなわち、ホットリスタート時は始動時の圧縮行程噴射を行わない。
【００１３】
Ｓ１０３では、実際の噴射実行回数をカウントする噴射回数カウンタＩＣの初期値としてＳ１０２で算出した圧縮行程噴射回数ＩＣ０を設定する。噴射回数カウンタＩＣは、実際に噴射が実行される毎、すなわち、ＥＣＭ２５から燃料噴射弁８へ燃料噴射制御信号が出力される毎に１ずつダウンカウントされる。なお、燃料噴射弁８へ燃料噴射制御信号を出力する処理は本ルーチンと別の処理ルーチンで実行されるので、噴射回数カウンタＩＣのダウンカウントも本ルーチン内ではなく実際に燃料噴射制御信号を出力する処理ルーチン内で行われる。
【００１４】
Ｓ１０４では、燃料圧力Ｐｆが所定の噴射圧力Ｐｆｔｈより小さいか否かを判断する。高圧燃料ポンプ９をエンジンで直接駆動する場合、クランキング開始当初は必ず昇圧の途中であり、本ステップの判断がＹＥＳとなる可能性が高い。これに対し、高圧燃料ポンプ９をモータで駆動するようにし、イグニッションスイッチのＯＮと同時に昇圧動作を開始するようにしておくと、スタータスイッチがＯＮとされてクランキングが開始されるまでに燃料の昇圧を先行させておくことが可能となり、本ステップの判断がＹＥＳとなる可能性が低くなる。本ステップの判断がＹＥＳの場合は、Ｓ１０５へ進んでいかなる行程における燃料噴射も禁止する。
【００１５】
Ｓ１０４で燃料圧力Ｐｆが所定の噴射圧力Ｐｆｔｈ以上であると判断された場合はＳ１０６へ進み、噴射回数カウンタＩＣが０より大きいか否かを判断する。始動操作開始からの燃料噴射がＳ１０２の圧縮行程噴射回数ＩＣ０回実行されると噴射回数カウンタＩＣの値が０となって本ステップの判断がＮＯとなる。本ステップの判断がＹＥＳである間はＳ１０７へ進み、圧縮行程中だけで燃料噴射を行う圧縮行程噴射モードを選択する。
【００１６】
Ｓ１０６で噴射回数カウンタＩＣが０以下であると判断された場合はＳ１０８へ進み、冷却水温Ｔｗが暖気完了温度Ｔｗｔｈより低いか否かを判断する。本ステップの判断がＹＥＳである間はＳ１０９へ進み、吸気行程中だけで燃料噴射を行う吸気行程噴射モードを選択する。
【００１７】
Ｓ１０８で冷却水温Ｔｗが暖気完了温度Ｔｗｔｈ以上であると判断された場合はＳ１１０へ進み、運転条件に応じた噴射モードを選択する。具体的には、エンジン負荷に相当する目標トルクＴｅとエンジン回転数Ｎｅとから図４に示す運転領域判断を行い、各運転領域に設定された噴射モードを選択する。なお、エンジン回転数Ｎｅはクランク角センサ２２の出力信号に基づいて算出した値を使用し、目標トルクＴｅはエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度ＡＰＳとに基づいて算出した値を使用する。
【００１８】
ＥＣＭ２５内では、上記のように燃料噴射モードの設定処理ルーチンが実行されるのと並行して、目標空燃比を設定する処理ルーチン、燃料噴射量と噴射時期を算出する処理ルーチン、燃料噴射制御信号を出力する処理ルーチン等が実行されている。各処理ルーチン内での処理内容を簡単に説明する。
【００１９】
目標空燃比を設定する処理ルーチンでは、目標トルクＴｅとエンジン回転数Ｎｅに応じて図４の制御マップから目標空燃比をルックアップする。ただし、エンジンの暖機が完了するまで（冷却水温Ｔｗが暖機完了温度Ｔｗｔｈより低い間）は、そのとき選択されている噴射モードに対応する制御テーブル（図５，６）から冷却水温Ｔｗに応じた目標空燃比をルックアップする。吸気行程噴射モード用制御テーブル（図５）と圧縮行程噴射モード用制御テーブル（図６）とを比較すると、圧縮行程噴射モード用制御テーブルの方がリーン側（リッチの程度が低い）の値に設定してある。
【００２０】
燃料噴射量と噴射時期を算出する処理ルーチンでは、吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅと目標空燃比とから燃料噴射量Ｔｉを算出すると共に、そのとき選択されている噴射モードと燃料噴射量Ｔｉとエンジン回転数Ｎｅとに応じて燃料噴射時期ＩＴが算出される。なお、目標トルクＴｅと目標空燃比とから目標吸入空気量を算出し、この目標吸入空気量が得られるように電制スロットルチャンバ２を制御する吸入空気量制御が行われているので、算出した量の燃料を算出した時期に噴射すれば、エンジンは目標トルクＴｅと等しいトルクを発生する。
【００２１】
燃料噴射制御信号を出力する処理ルーチンでは、クランク角センサ２２の出力信号に基づいて噴射実行気筒の判別を行い、何れかの気筒が燃料噴射時期ＩＴとなったとき、その気筒の燃料噴射弁８に燃料噴射量Ｔｉに対応する幅の燃料噴射パルス信号を出力する。
【００２２】
以上のような燃料噴射制御を実行することにより、エンジンの始動時には、図７に示す燃料噴射が実施される。なお図７はイグニッションスイッチがＯＮとされた後のタイムチャートを示しており、最初の燃料噴射が♯１気筒で実施され、かつ、圧縮行程噴射回数ＩＣ０が４の場合の図である。各気筒の最初の燃料噴射は圧縮行程噴射とされ、次に＃１気筒で行われる燃料噴射、すなわち５回目の燃料噴射からは吸気行程噴射とされる。始動操作開始時の冷却水温Ｔｗが低く圧縮行程噴射回数ＩＣ０が８，１２とされた場合、圧縮行程噴射から吸気行程噴射に切替えられるラインは一点鎖線、二点鎖線のように移動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における筒内直噴エンジンの始動制御装置の全体構成図である。
【図２】実施の形態における燃料噴射モード設定処理ルーチンを示すフローチャートである
【図３】冷却水温Ｔｗに応じて始動時の圧縮行程噴射回数ＩＣ０を記憶するテーブルを示す図である。
【図４】目標トルクＴｅとエンジン回転数Ｎｅとに応じて目標空燃比と燃料噴射モードとを記憶するマップを示す図である。
【図５】冷却水温Ｔｗに応じて目標空燃比を記憶する吸気行程噴射モード用のテーブルを示す図である。
【図６】冷却水温Ｔｗに応じて目標空燃比を記憶する圧縮行程噴射モード用のテーブルを示す図である。
【図７】実施の形態における始動時の燃料噴射制御を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１  エアフィルタ
２  電制スロットルチャンバ
３  コレクタ
４  分岐通路
５  吸気ポート
６  吸気弁
７  シリンダヘッド
８  燃料噴射弁
９  高圧燃料ポンプ
１０  点火栓
１１  排気弁
１２  吸気ポート
１３  排気通路
１４  触媒
１５  凹部
１６  ピストン
１７  キャビティ燃族室
１８  シリンダ
２０  エアフロメータ
２１  アクセル開度センサ
２２  クランク角センサ
２３  水温センサ
２４  燃圧センサ
２５  ＥＣＭ（始動時燃料噴射制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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