JP4363331B2

JP4363331B2 - 燃料噴射システム

Info

Publication number: JP4363331B2
Application number: JP2005008878A
Authority: JP
Inventors: 尚史曲田; 嘉紀太長根
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2025-01-17
Also published as: JP2006194214A; EP1681450A3; EP1681450A2; EP1681450B1; DE602006006728D1; ES2323798T3

Description

本発明は、自動停止自動始動制御が行われるコモンレール式のディーゼルエンジンおける燃料噴射システムに関する。

従来、車載内燃機関においては、車両停止時に内燃機関を自動停止することにより燃費を改善するアイドルストップ機構が採用されているものがある。このアイドルストップ機構は、燃費改善等を目的とし、車両が交差点等で走行停止状態となった時に内燃機関を自動停止するとともに、発進操作時にスタータを回転させて内燃機関を自動始動し、車両を発進可能な状態とする自動停止自動始動制御装置である。このような内燃機関の自動停止自動始動制御装置として、特許文献１や、特許文献２の提案がある。

このような内燃機関の自動停止自動始動制御装置は、ディーゼルエンジンと組み合わされて車両に搭載されることもある。

特開２０００−３３７１８８号公報特開２００３−４１９６７号公報

しかしながら、前記のような自動停止自動始動制御装置をディーゼルエンジン、特にコモンレール式のディーゼルエンジンと組み合わせた場合には、以下のような不都合が生じるおそれがある。

すなわち、コモンレール式のディーゼルエンジンは、筒状の弁本体内部にコモンレールによる高圧燃料が充填されるとともにその弁本体内部にアクチュエータにより駆動されるニードル弁を有する燃料噴射弁を備えているが、このニードル弁の応答遅れに起因してディーゼルエンジンの再始動時までに時間が掛かるという不都合が生じうる。

このような不都合が生じうる原因としては、まず、アクチュエータを駆動するためのＥＤＵが充電不足状態に陥ることが挙げられる。これは、自動停止自動始動制御装置によりディーゼルエンジンが停止状態となると発電及びＥＤＵへの充電が行われず、ディーゼルエンジンの停止中に、それまでにＥＤＵに蓄えられた電荷が放出されるためである。充電不足状態のＥＤＵは、エンジン再始動時に噴射指令がされても的確にニードル弁を駆動することができず、適切な噴射動作を行うことができない。

また、他の原因としては、燃料噴射弁のニードル弁を内装する筒状の弁本体に高圧のコモンレール圧で押しつけられた前記ニードル弁が弾性変形することが挙げられる。これは、高圧のコモンレール圧で弁本体に押しつけられるニードル弁が、自動停止自動始動装置によるディーゼルエンジンの停止中に弾性変形するに至るものである。ニードル弁は通常の噴射動作をしているときは大きく弾性変形する間もなく再び弁本体から離れるが、ディーゼルエンジンの停止中は高圧のコモンレール圧を受け続けることにより弾性変形する。すなわち、自動停止自動始動装置によりディーゼルエンジンを停止させ再始動させる場合のディーゼルエンジンの停止から再始動までのインターバルは、通常時に運転者がイグニッションをＯＦＦにし再びイグニッションをＯＮにしてディーゼルエンジンを再始動させる場合のディーゼルエンジンの停止から再始動までのインターバルと比較して短時間である。このため、自動停止自動始動装置によるディーゼルエンジンの再始動時に、燃料噴射弁の弁本体内には高圧のコモンレール圧が残存しており、ディーゼルエンジン再始動時のコモンレール圧によるニードル弁の弾性変形という課題が顕著となる。このように弾性変形したニードル弁は、エンジン再始動時にアクチュエータによって駆動されたときに弾性変形した分の復帰にかかる時間分だけ燃料噴射弁の開弁が遅れる。

以上のような原因により燃料噴射弁からの燃料の噴射が遅れ、エンジン再始動時の第一回目のサイクル（第一回目の圧縮行程）における着火が適切に行われないと、当該燃料噴射弁が装着されたシリンダにおける次回の圧縮行程まで待たなければ着火されず、エンジン再始動が遅れる結果となる。このようなエンジン再始動の遅れは、車両の発進の遅れにもつながり問題である。

そこで、本発明は、エンジン再始動時の第一回目のサイクルから確実に点火させることができ、迅速、安定したエンジン再始動を実現することのできる燃料噴射システムを提供することを課題とする。

かかる課題を達成するための、本発明の燃料噴射システムは、自動停止自動始動制御が行われるコモンレール式のディーゼルエンジンにおける燃料噴射システムであって、前記ディーゼルエンジンの自動停止から自動再始動までの時間と、再始動時のコモンレール圧とに基づいており、かつ前記燃料噴射弁から燃料が噴射されない範囲内にある噴射指令時間を算出し、前記ディーゼルエンジンの自動再始動時の第一回目燃料噴射以前に、前記噴射指令時間を擬似噴射時間とする擬似噴射指令を生成して前記燃料噴射弁を制御する制御部を有することを特徴とする。ここで、「第一回目燃料噴射」とは、スタータ駆動により自動再始動するディーゼルエンジンのピストンが最初に着火可能位置に来た際に行われる燃料噴射動作を指す。

このように擬似噴射指令を行うことにより、ニードル弁に生じていた弾性変形を解消することができる。また、ニードル弁を駆動するのに十分な程度にまでＥＤＵを充電しておくことができる。

このような擬似噴射指令はＥＤＵ毎に行い当該ＥＤＵ毎の充電を行う構成とすることができる。例えば、４気筒のディーゼルエンジンで２気筒毎にＥＤＵを備えている場合には２個のＥＤＵを備えることとなり、この２個のＥＤＵ毎に擬似噴射指令を行う。

また、他の燃料噴射システムは、自動停止自動始動制御が行われるコモンレール式のディーゼルエンジンにおける燃料噴射システムであって、前記ディーゼルエンジンの自動停止から自動再始動までの時間と、再始動時のコモンレール圧とに基づいており、かつ前記燃料噴射弁から燃料が噴射されない範囲内にある余剰無効噴射期間を算出し、前記ディーゼルエンジンの自動再始動時の第一回目燃料噴射の噴射指令時間を、第二回目燃料噴射以降の噴射指令時間より前記余剰無効噴射期間分長い噴射指令時間とする噴射指令を生成して前記燃料噴射弁を制御する制御部を有することを特徴とする。このように噴射時間を長くすれば、ニードル弁の反応遅れを補うことができる。ここで、「第一回目燃料噴射」とは、前記と同様に、スタータ駆動により自動再始動するディーゼルエンジンのピストンが最初に着火可能位置に来た際に行われる燃料噴射動作を指す。また、「第二回目燃料噴射」は、前記第一回目燃料噴射以後に行われるものであって、すなわち、エンジン始動後の正規の噴射プログラム（インターバル、噴射時間）に基づいて行われる燃料噴射である。

また、このように第一回目燃料噴射の噴射時間を第二回目燃料噴射以降の噴射時間より長くした構成とする場合に、前記第一回目燃料噴射の噴射時期を余剰無効噴射期間分だけ進角した構成とすることができる。ここで、本明細書における「余剰無効噴射期間」とは、停止状態にあるディーゼルエンジンにおいてコモンレール圧により弾性変形が生じているニードル弁に噴射指令がされてからニードル弁が動き始め弁本体の噴口から実際に燃料が吹き出し始めるまでの期間から、正規の燃料噴射における無効噴射期間を差し引いた期間をいう。すなわち、ほぼ弾性変形が復帰する時間に相当する期間となる。この余剰無効噴射期間は、例えば、ディーゼルエンジンが停止していた時間や、コモンレール圧等から弾性変形量、さらには弾性変形の復帰にかかる時間を予測することによって求める。このように余剰無効噴射期間分だけ進角させれば、第一回目燃料噴射で噴射遅れが生じることがなく、確実な始動性を確保することができる。
なお、ディーゼルエンジン停止時のピストン位置等の条件によっては遅角側に制御することも可能である。

本発明によれば、ディーゼルエンジンの自動再始動時の第一回目燃料噴射における噴射遅れの解消を目的とした噴射促進制御を行う制御部を有する構成としたので、自動停止自動始動制御によるディーゼルエンジンの再始動時における早期着火を実現し、ディーゼルエンジンの確実な始動性を確保することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明の燃料噴射システムを搭載したディーゼルエンジン（以下、「エンジン」という）１の主要部分の概略構成図である。エンジン１は、本発明における制御部に相当するＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２によって種々の制御を行う。このＥＣＵ２には、ブレーキペダル３ａと連動したブレーキスイッチ３ｂ、車速センサ４、スタータ５、第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂが接続されている。また、ＥＣＵ２はマイクロコンピュータを中心として構成されており、内部のＲＯＭ２ａには、エンジン１の自動停止自動始動制御のためのエンジン自動停止プログラム、エンジン自動始動プログラムが格納されている。また、このエンジン自動始動プログラムに基づいてエンジン１が自動再始動する際の第一回目燃料噴射における噴射遅れの解消を目的とした噴射促進制御プログラムも格納されている。

図１に示した本実施例におけるエンジン１は、４気筒エンジンであり、このため、エンジン本体８には４本の燃料噴射弁（ＩＮＪ）９（第一燃料噴射弁９ａ、第二燃料噴射弁９ｂ、第三燃料噴射弁９ｃ、第四燃料噴射弁９ｄ）が装着されている。これらの第一燃料噴射弁９ａ、第二燃料噴射弁９ｂ、第三燃料噴射弁９ｃ、第四燃料噴射弁９ｄにはコモンレール１０が接続されており、高圧の燃料が充填されるようになっている。また、第一燃料噴射弁９ａ、第二燃料噴射弁９ｂには第一ＥＤＵ６ａが接続され、第三燃料噴射弁９ｃ、第四燃料噴射弁９ｄには第二ＥＤＵ６ｂが接続されている。

図２は、燃料噴射弁９の断面図である。燃料噴射弁９は、筒状の弁本体９ａの内部に複数のピエゾ素子を積層してなるピエゾアクチュエータ１１と、このピエゾアクチュエータ１１によって駆動されるニードル弁１２とが内蔵されている。また、弁本体９ａ内には制御室９ｂが形成されている。ピエゾアクチュエータ１１は、第一ＥＤＵ６ａ又は第二ＥＤＵ６ｂと接続され駆動電力を得る。弁本体９ａの内部には矢示１３で示すようにコモンレール１０から高圧の燃料が供給されるが、ピエゾアクチュエータ１１が作動し、弁本体９ａ内部の圧力バランスが変化すること等によりニードル弁１２が摺動し、燃料噴射弁９の開閉が行われる。
なお、このような燃料噴射弁９自体は従来用いられている燃料噴射弁と同様のものであり、ニードル弁１２を駆動するアクチュエータもピエゾアクチュエータ１１に限られず、他の形式のアクチュエータを備えた燃料噴射弁を用いることもできる。

次に、燃料噴射システムを搭載し、以上のように構成されるエンジン１の動作について説明する。なお、以下の説明ではエンジン１がオートマチックトランスミッションと共に搭載された車両における動作について説明する。

車両の運転者によりブレーキ３が踏まれてブレーキスイッチ３ｂがＯＮ状態となり、車速センサ４からＥＣＵ２に送られた情報により車両が停止したと判断されたときは、ＥＣＵ２は、ＥＣＵ２内のＲＯＭ２ａに格納されたエンジン自動停止プログラムに基づいて第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂに対する噴射指令、ひいては、燃料噴射弁９ａ〜９ｄからの燃料の噴射を停止してエンジン１を停止させる。

このようにエンジン１が停止状態にあるときも、燃料噴射弁９の制御室９ｂ内にはコモンレール圧がかかっており、これによりニードル弁１２の先端側は弁本体９ａの先端側に押しつけられている。エンジン１が停止している間中、高圧のコモンレール圧を受け続けるニードル弁１２は、徐々に弾性変形が進む。また、エンジン１が停止中は発電機能が働いていないことから、第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂはそれまでに蓄えていた電荷を放出し続け、徐々に充電不足の状態に陥る。

このようにエンジン１が停止した状態で、車両のブレーキペダル３を放し、ブレーキスイッチ３ｂがＯＦＦの状態となるとＲＯＭ２ａに格納されたエンジン自動始動プログラムに基づいてスタータ７が駆動され、エンジン１が再始動する。但し、同時並行的にＲＯＭ２ａに格納された噴射促進制御プログラムに基づく制御も開始され、この噴射促進制御プログラムにおけるスタータ駆動始動制御（図３におけるステップＳ１５）が行われることがスタータ７の駆動条件となる。以下、噴射促進制御プログラムに基づく制御を図３に示したフロー図に基づいて説明する。

まず、ＥＣＵ２は、ステップＳ１１でエンジン１の再始動指令、すなわち、車両のブレーキスイッチがＯＦＦとなったか否か判断する。ＥＣＵ２は、このステップＳ１１でＮＯと判断したときは、再び同一の判断を行い、再始動指令が発令されるまで監視を続ける。

ステップＳ１１でＥＣＵ２がＹＥＳと判断すると、ステップＳ１２に進み、ＥＣＵ２は、エンジン１の停止時間、コモンレール圧等からニードル弁１２の弾性変形量を推定する。なお、このステップＳ１２における処理は、このタイミングで行う必然性はなく、他のタイミングで行ってもよい。

ステップＳ１２でニードル弁１２の弾性変形量を推定したＥＣＵ２は、その推定弾性変形量からこの弾性変形を解消できる時間を算出し、その算出した時間を擬似噴射時間として設定する（ステップＳ１３）。ここで、擬似噴射時間は、燃料噴射弁から燃料が噴射されない範囲内での噴射指令時間である。

次いで、ＥＣＵ２は、第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂ、すなわち、各気筒（燃料噴射弁９ａ〜９ｄ）に対して擬似噴射指令を行う（ステップＳ１４）。この擬似噴射を行うことにより第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂの充電が行われると共に、ニードル弁１２の弾性変形が解消される。

以上のように擬似噴射が行われ、第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂの充電が行われ、ニードル弁１２の弾性変形が解消されると、ステップＳ１５におけるスタータ駆動指令制御が行われ、スタータ７の駆動、エンジン１の再始動が行われる（ＥＮＤ）。

以上、説明したように、本実施例は、スタータ７の駆動を行う前に第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂの充電、ニードル弁１２の弾性変形を解消しておく形態であるが、このような制御が行われることにより、スタータ７駆動後の第一回目燃料噴射における噴射遅れが解消され、第一回目のサイクルからエンジン１の迅速、確実な始動を実現することができる。エンジン１が迅速、確実に始動すれば、車両の運転者はストレスを感じることなく、以後、車両を発進させることができる。

次に、実施例２について図４、図５を参照しつつ説明する。実施例１では、前記のようにスタータ７の駆動を行う前に第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂの充電、ニードル弁１２の弾性変形を解消しておく形態であったのに対し、この実施例２では、スタータ７の駆動を開始した後に第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂの充電不足の解消、ニードル弁１２の弾性変形に対する措置を行っている。

なお、エンジン１の概略構成は、図１に示した実施例１の場合と同様であり、ＲＯＭ２ａに格納された噴射促進制御プログラムが異なっている。

エンジン１が停止状態となると、ＥＣＵ２は、ステップＳ２１において、実施例１におけるステップＳ１２と同様にエンジン１の停止時間、コモンレール圧等からニードル弁１２の弾性変形量を推定する。

次いで、ステップＳ２２に進み、実施例１のステップＳ１１と同様に、エンジン１の再始動指令、すなわち、車両のブレーキスイッチがＯＦＦとなったか否か判断する。ＥＣＵ２は、このステップＳ１１でＮＯと判断したときは、再びステップＳ２１に戻りニードル弁１２の弾性変形量の推定を繰り返す。このようにすれば、時間の経過と共に変わりうる弾性変形量をより正確に推定することができる。

ステップＳ２２でＹＥＳと判断したＥＣＵ２は、ステップＳ２３に進み、スタータ７の駆動指令を出すと共に、第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂに対して最小τ_αで駆動する指令を出す。ここで、最小τ_αとは第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂを充電完了状態とするために最低限必要となるパルス幅のことであり、この実施例では、５０μ秒としている。この最小τ_αの指令は図５に示すように、実際に燃料を噴射する以前に行われる。この処理が行われることにより、第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂは応答遅れを生じることなく各燃料噴射弁のピエゾアクチュエータ１１を駆動できるだけの電荷を蓄えることができ、充電不足が解消される。

次いで、ＥＣＵ２は、ステップＳ２４に進み、ステップＳ２１で推定したニードル弁１２の推定変形量から余剰無効噴射期間を算出する。このステップＳ２４で余剰無効噴射期間を算出したＥＣＵ２は、ステップＳ２５に進み、算出した余剰無効噴射期間に応じた進角補正量τ_０を算出する。

ステップＳ２５で進角補正量τ_０を算出した後は、ステップＳ２６に進み、通常の正規噴射指令期間τに進角補正量τ_０を加えた補正噴射期間τ_１を第一回目燃料噴射の噴射時間として燃料噴射を開始する。

このように進角補正量τ_０を加えた燃料噴射を行えば、噴射指令後、進角補正量τ_０内でニードル弁１２に生じていた弾性変形が復帰し、解消されるので、開弁時期が遅れることもなく、また、正規の燃料噴射の期間と比較比しても長時間の噴射指令となることから、一回の噴射で期待される燃料噴射量を確保することができる。

以後は、ステップＳ２７に進み、第二回目燃料噴射以降を通常の正規噴射指令期間τとする通常始動制御を行う（ＥＮＤ）。

以上、説明したような制御を行うことによりエンジン１の迅速、確実な始動が実現される。

次に、実施例３について図６を参照しつつ説明する。この実施例３が実施例２と異なる点は、実施例３では、気筒毎の制御を加味している点で、より緻密な制御を行っている。

ステップＳ３１及びステップＳ３２は、それぞれ、図４に示した実施例２におけるステップＳ２１及びステップＳ２２と同一の処理なのでその詳細な説明は省略する。

ステップＳ３２においてＹＥＳと判断したＥＣＵ２は、ステップＳ３３に進んでスタータ７の駆動指令を行う。

次いで、ステップＳ３４に進み、気筒毎に現在第一回目燃料噴射を迎えているか否かの判断を行う。すなわち、４気筒であるエンジン１は順次点火時期を迎えることとなるが、それぞれの気筒における第一回目燃料噴射に向けて噴射促進制御を行い、ＥＤＵの充電不足の解消、ニードル弁１２の弾性変形の解消を完了しておく趣旨である。

ステップＳ３４において、ＥＣＵ２がＮＯと判断したとき、すなわち、当該気筒における第一回目燃料噴射ではないときは、ＥＣＵ２はステップＳ３９に進み、全気筒で噴射促進制御が完了したか否かの判断を行う。ステップＳ３９でＮＯと判断したときは再びステップＳ３４に戻って同様の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ３４でＹＥＳ、すなわち、当該気筒における第一回目燃料噴射であると判断されたときは、ステップＳ３５からステップＳ３８の処理を行う。これらの処理は、ステップＳ３５でスタータ７の駆動指令を発していない以外は実施例２におけるステップＳ２３からステップＳ２６までの処理と同様の処理である。すなわち、最小τ_αの指令（ステップＳ３５）により第一ＥＤＵ６ａ、第二ＥＤＵ６ｂの充電不足を解消しておき、進角補正量τ_０を加えた補正噴射期間τ_１を第一回目燃料噴射の噴射時間として燃料噴射を開始する。

ステップＳ３８を経てステップＳ３９に進むと、ＥＣＵ２は、全気筒で噴射促進制御が完了したか否かの判断を行い、ＹＥＳと判断したときはステップＳ４０に進み、以後、通常始動制御を行う。

以上、説明したような緻密な制御を行うことにより、エンジン１のより迅速、確実な始動が実現される。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、噴射促進制御プログラムは、第一回目燃料噴射における噴射遅れを解消できるものであれば、各処理の順序を入れ換えてもよい。

実施例におけるディーゼルエンジンの主要部分の概略構成図である。実施例に用いた燃料噴射弁の断面図である。実施例１における噴射促進制御プログラムのフロー図である。実施例２における噴射促進制御プログラムのフロー図である。実施例２における噴射指令の波形を示すチャートである。実施例３における噴射促進制御プログラムのフロー図である。

符号の説明

１エンジン
２ＥＣＵ
３ａブレーキペダル
３ｂブレーキスイッチ
４車速センサ
６ａ第一ＥＤＵ
６ｂ第二ＥＤＵ
７スタータ
８エンジン本体
９ａ第一燃料噴射弁
９ｂ第二燃料噴射弁
９ｃ第三燃料噴射弁
９ｄ第四燃料噴射弁
１０コモンレール

Claims

自動停止自動始動制御が行われるコモンレール式のディーゼルエンジンにおける燃料噴射システムであって、
前記ディーゼルエンジンの自動停止から自動再始動までの時間と、再始動時のコモンレール圧とに基づいており、かつ前記燃料噴射弁から燃料が噴射されない範囲内にある噴射指令時間を算出し、
前記ディーゼルエンジンの自動再始動時の第一回目燃料噴射以前に、前記噴射指令時間を擬似噴射時間とする擬似噴射指令を生成して前記燃料噴射弁を制御する制御部を有することを特徴とした燃料噴射システム。
自動停止自動始動制御が行われるコモンレール式のディーゼルエンジンにおける燃料噴射システムであって、
前記ディーゼルエンジンの自動停止から自動再始動までの時間と、再始動時のコモンレール圧とに基づいており、かつ前記燃料噴射弁から燃料が噴射されない範囲内にある余剰無効噴射期間を算出し、
前記ディーゼルエンジンの自動再始動時の第一回目燃料噴射の噴射指令時間を、第二回目燃料噴射以降の噴射指令時間より前記余剰無効噴射期間分長い噴射指令時間とする噴射指令を生成して前記燃料噴射弁を制御する制御部を有することを特徴とした燃料噴射システム。
請求項２記載の燃料噴射システムにおいて、
前記第一回目燃料噴射の噴射時期を余剰無効噴射期間分だけ進角したことを特徴とする燃料噴射システム。