JP2000205017A - 内燃機関の吸気計量装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エアフローメータ等による計測に適さない始
動時においても、正確に吸入空気量を計測できる内燃機
関の吸気計量装置を提供する。 【解決手段】 吸気計量装置は、エンジン１の回転数を
検出するためのクランク角センサ８及びそのセンサ信号
を処理するＥＣＵ６を有し、ＥＣＵ６ではそのセンサ信
号から回転数の周期的な高低変動差、つまり、回転変動
が算出される。ＥＣＵ６は回転数及び回転変動に基づい
て、予め用意した回転変動と体積効率の関係を示すマッ
プから吸入空気量を求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸入空気量を正確
に計測するための内燃機関の吸気計量装置に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】内燃機関における吸入空気量の計
測に関しては、エアフローメータを用いたマスフロー方
式や、圧力センサを用いたスピードデンシティ方式、ま
た、スロットル開度センサを用いたスピードスロットル
方式等がある。これら各方式は吸気通路内に形成される
空気流の特性からシリンダ内への吸入空気量を計測する
ものであり、主に燃料供給量の制御を目的として行われ
ている。それ故、内燃機関の運転時には、計測した吸入
空気量に対して設定空燃比となる量の燃料を正確に調量
して供給することができる。

【０００３】一方、内燃機関の始動時には、クランキン
グによる回転数が比較的に低く、その吸い込み能力が低
いため、通常、その体積効率はスロットル全開時の値に
近い。このため、始動時には上述した吸入空気量の計測
に基づく調量は行われておらず、予め定められた燃料供
給量に対して単に冷却水温等の条件に基づく補正を行う
だけで燃料供給量が決定されることが多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】内燃機関の始動時にも
正確な吸入空気量の計測が可能となれば、より適切な燃
料供給量の設定が可能であると考えられる。例えばハイ
ブリッド車に搭載される内燃機関にあっては、始動完爆
時の静粛性や燃焼安定性の観点から、そのクランキング
による回転数を比較的高回転域にまで引き上げてから燃
料供給及び点火が開始されることが望ましい。この場
合、始動時の供給燃料を適切に調量するためには、クラ
ンキング中の吸入空気量を正確に計測する必要がある。

【０００５】しかしながら、吸気マニホールドやサージ
タンク等を含む吸気通路の容積はシリンダ容積に比べて
非常に大きく、また、始動時のクランキングによる吸い
込み量は少ないため、クランキング時には吸気通路の既
存空気の消費が支配的であり、空気流量計を通る空気と
筒内吸入空気との間に不整合が生じる。このため、クラ
ンキング中には上述した各方式により吸入空気量を正確
に計測することは難しい。

【０００６】本発明は上述の事情に基づいてなされたも
ので、その目的とするところは、内燃機関の始動時にあ
っても、その吸入空気量の正確な計測を可能とする内燃
機関の吸気計量装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関の吸気
計量装置（請求項１）は、内燃機関の回転数を検出しな
がら回転変動を算出し、これら回転数及び回転変動に基
づいて吸入空気量を求めるものとしている。本発明の吸
気計量装置による吸入空気量の算出原理は、クランキン
グ中の圧縮仕事による回転数の低下、つまり、回転変動
が、体積効率に依存する特性に基づいている。具体的に
は、所定回転数でクランキングを行う場合、圧縮行程毎
の回転変動は体積効率の高い領域で極端に大きく、体積
効率の低下とともに非線形的に減少する特性を有してい
る。従って、クランキング中の回転数及び回転変動に基
づいて上述の関係から体積効率が明らかとなれば、この
体積効率から吸入空気量を算出可能である。

【０００８】なお、上述した回転変動の特性はその内燃
機関のシリンダレイアウトや行程容積等の仕様により種
々に異なる。従って、本発明の吸気計量装置における吸
気量算出手段は、その内燃機関についての回転変動特性
の情報を予め有している。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１を参照すると、内燃機関の一
例として自動車用のエンジン１が概略的に示されてい
る。このエンジン１は筒内噴射型のガソリンエンジンか
らなり、それ故、燃焼室２内に直接燃料を噴射可能な燃
料噴射弁４を有している。また、エンジン１は例えば、
直列４気筒型のシリンダレイアウトを有しており、燃料
噴射弁４は各気筒毎に設けられている。

【００１０】個々の燃料噴射弁４はその作動を電子制御
ユニット（ＥＣＵ）６に制御されており、具体的には、
ＥＣＵ６から出力される作動信号の時間的なパルス幅Ｐ
ｗに基づいて燃料噴射量を調節することができる。エン
ジン１には、クランク角センサ８が取り付けられてお
り、このクランク角センサ８からのセンサ信号はＥＣＵ
６に供給されている。またＥＣＵ６は、このセンサ信号
に基づいて所定の点火時期に個々の点火栓１０への通電
を行うことができる。

【００１１】エンジン１の吸気系は、その上流側に吸気
管１２を有し、この吸気管１２の入口にはエアクリーナ
１４が配設されている。また、吸気管１２には、例えば
カルマン渦式のエアフローメータ１６が取り付けられて
おり、そのセンサ信号もまたＥＣＵ６に供給される。吸
気マニホールド１８はその始端部にサージタンク２０が
形成されており、このサージタンク２０の入口にスロッ
トルバルブ２２が取り付けられている。スロットルバル
ブ２２の開度はスロットル開度センサ２４により検出さ
れ、そのセンサ信号はＥＣＵ６に供給される。

【００１２】また、エンジン１はその動弁系に可変動弁
機構２６を装備しており、この可変動弁機構２６の作動
もまたＥＣＵ６により制御されている。上述のエンジン
１は、例えばハイブリッド車に搭載することができ、以
下、本発明の吸気計量装置をハイブリッド車に搭載の内
燃機関に適用した場合の実施例について説明する。

【００１３】図２は、エンジン１を搭載したハイブリッ
ド車の駆動系を概略的に示しており、エンジン１の出力
軸３０は、クラッチ３２を介して走行用モータ３４の出
力軸３６に接続可能となっている。なお、出力軸３６は
ディファレンシャルギヤを含むトランスミッション３８
に連結されており、トランスミッション３８は出力軸３
６の回転を減速して駆動輪Ｗに伝達する。

【００１４】公知のようにハイブリッド車にあっては、
例えばエンジン１を停止させた状態でクラッチ３２を切
り離し、走行用モータ３４のみの駆動により走行するこ
とができる。このような定常走行中に例えば、運転者に
よる加速要求がなされたり、バッテリへの充電要求、或
いは電装機器の使用による発電要求がある場合、ハイブ
リッド車においては図示しない制御装置の働きによりエ
ンジン１が自動的に始動される。

【００１５】ハイブリッド車の制御装置は、上述したＥ
ＣＵ６やモータコントローラ、また、クラッチ３２を断
接させる油圧駆動回路のコントローラ（何れも図示され
ていない）等を含むハイブリッド車の制御システムを総
括的に管理しており、制御装置はこの制御システムを有
機的に働かせてエンジン１を自動的に始動させることが
できる。

【００１６】このときＥＣＵ６は、上述の制御装置によ
る管理の下でエンジン１の始動制御プログラムを実行
し、燃料噴射弁４及び点火栓１０の作動を制御する。本
実施例の吸気計量装置はこの始動制御プログラムにおい
て機能することができ、具体的には、吸気計量装置によ
り求められた吸入空気量のデータは、始動制御プログラ
ム中にて燃料噴射弁４に対する作動信号の形成に利用さ
れる。

【００１７】図３を参照すると、上述の始動制御プログ
ラムとしてＥＣＵ６が実行するエンジン始動ルーチンの
例が示されており、以下、図３のフローチャートに沿っ
て実施例の吸気計量装置の作動を説明する。始めのステ
ップＳ１０では、上述の制御装置からのシステム管理信
号に基づいてエンジン始動モードにあるか否かが判別さ
れ、その結果が真（Ｙｅｓ）である場合は次にステップ
Ｓ１２に進む。

【００１８】また、制御装置によるエンジン始動モード
の信号は上述のモータコントローラ及び油圧駆動回路の
コントローラにも出力される。この場合、モータコント
ローラでは走行用モータ３４の出力増加制御がなされ、
また、油圧駆動回路のコントローラではクラッチ３２の
接続制御がなされる結果、自動的にエンジン１のクラン
キングが開始される。

【００１９】また、ステップＳ１２ではエンジン回転数
Ｎｅの読み込み、つまり、クランク角センサ８からのセ
ンサ信号に基づきクランキング中のエンジン回転数Ｎｅ
が検出される（検出手段）。次にステップＳ１４では、
読み込んだ回転数Ｎｅから回転変動Δωが計測される。
具体的には、ＥＣＵ６はクランク角センサ８から供給さ
れるセンサ信号に基づいて回転数Ｎｅの周期的な高低変
動から、その変動周期毎の最大値及び最小値を示す２つ
のピーク値の差を回転変動Δωとして算出する（回転変
動算出手段）。

【００２０】図４を参照すると、クランキング開始に伴
う各種観測データの時間的な変化を表すタイムチャート
が示されている。図示のように、ある時刻ｔ₁からクラ
ンキングが開始された場合、エンジン回転数Ｎｅは周期
的な高低変動を伴いながら次第に上昇する。このエンジ
ン１（直列４気筒）の場合、クランク角でみて１８０゜
毎に圧縮行程が実行されるため、１／２回転の周期で回
転変動が算出される。例えば時刻ｔ ₄〜ｔ₅の周期におけ
る回転変動Δωは、この間の最大値Ｎｐ₁と最小値Ｎｐ₂
との差（Δω＝Ｎｐ₁−Ｎｐ₂）として算出される。

【００２１】なお、図４からも明らかなように、時刻ｔ
₁以後もスロットル開度は略全閉に保持されているにも
拘わらず、サージタンク２０内に多量の空気が存在する
ため、吸気マニホールド内圧は大気圧Ｐ₀から僅かに低
下するだけであり、それ故、シリンダ内には略スロット
ル全開相当の空気量が吸入される。また、エアフローメ
ータ１６からのセンサ出力は略０のまま、つまり、出力
されないことから、クランキング中には吸気管１２内に
吸入空気の定常的な流れが未だ形成されないことが理解
される。

【００２２】次にステップＳ１６では、検出した回転数
Ｎｅ及び算出した回転変動Δωから吸入空気量ＡIが算
出される。ここで、図５を参照すると、所定のクランキ
ング回転数（例えば1000rpm）におけるブースト圧と回
転変動との関係を表す観測データが示されている。図５
中、同一のシンボルを共有する個々の曲線は、スロット
ルバルブ２２を閉じたときの吸気絞りに対する回転変動
の低減特性を示しており、一方、曲線相互間では可変動
弁機構２６による吸気弁閉時期制御（リタード）に対す
る回転変動の低減特性を示している。

【００２３】図５から明らかなように、クランキング中
の回転変動は、吸気絞りによるブースト圧の増大（負
側）により、また、吸気弁閉時期リタードにより何れの
場合も低減される特性を有している。本発明の発明者
は、上述した回転変動の低減特性に着目するとともに、
図５の関係を体積効率と回転変動との関係に改めてプロ
ットしたとき、その特性はブースト圧の増大及び吸気弁
閉時期リタードの何れの場合であっても、体積効率に依
存することを確認している。

【００２４】図６は、発明者による観測データからプロ
ットされた体積効率と回転変動との関係を示しており、
上述した図５の関係は全て同一の曲線Ｑにて近似できる
ことが理解される。この曲線Ｑから明らかなように、回
転変動の特性は体積効率の高い領域で極端に大きく、体
積効率の低下とともに非線形的に減少する。また、発明
者はクランキング回転数を変更して同様の観測を複数回
行い、一定の回転数域（例えば400rpm〜1200rpm）にて
体積効率と回転変動の関係を表す図６の３次元マップを
得ており、このマップはＥＣＵ６に記憶されている。従
って、例えばクランキング中の回転数Ｎｅ₁とその回転
変動Δω₁とに基づいて、図６のマップから体積効率η₁
が明らかとなれば、この体積効率η₁から吸入空気量ＡI
を算出可能である（吸気量算出手段）。

【００２５】この後、ステップＳ１８では、例えば冷却
水温や吸気温、また、大気圧などの条件から適切な始動
時の空燃比が決定される。そして、ステップＳ２０で
は、上述の始動時空燃比、ステップＳ１６にて算出され
た吸入空気量ＡI及び所定のインジェクタゲインから上
述のパルス幅Ｐｗが決定される。

【００２６】次のステップＳ２２では、クランキング回
転数Ｎｅが所定の始動回転数ＮｅＡに達したか否かが判
別され、その判別結果が真のときはステップＳ２４に進
む。ステップＳ２４では、上述のパルス幅Ｐｗにて燃料
噴射弁４に対する作動信号が出力され、また、点火栓１
０に通電される結果、エンジン１が実際に始動される。

【００２７】なお、ステップＳ２６ではエンジン始動ル
ーチンの終了判定が行われており、この後、エンジン１
の始動が完了してその回転数Ｎｅが所定の運転回転数Ｎ
ｅＳに達すると、ステップＳ２６での判別結果が真とな
り、この場合、ＥＣＵ６はエンジン始動ルーチンを終了
する。本実施例の場合、吸気計量装置をハイブリッド車
のエンジン１に適用したことで、上述のようにエンジン
１を始動させる場合、エアフローメータ１６による正確
な吸入空気量の計測が困難な状況にあっても、回転数及
び回転変動に基づいて吸入空気量を正確に知ることがで
き、これにより、始動時における燃料噴射制御の確実性
が確保される。特にハイブリッド車にあっては、走行用
モータ３４の出力を利用することで高いトルクでのクラ
ンキングが可能であり、また始動時におけるエンジン１
の振動低減や燃焼安定性の観点から、より高い回転数で
の始動を行う必要があるため、本発明の吸気計量装置が
非常に好適している。

【００２８】また、本実施例のように可変動弁機構２６
を有したエンジン１であっても、そのバルブタイミング
調整に関わらず、常に回転変動と体積効率との関係から
容易に吸入空気量を算出することができるので、ＥＣＵ
６の演算処理負担が大幅に軽減される。更に、実施例の
吸気計量装置はエンジン１に既設のクランク角センサ８
を利用しているので、特別なセンサ類を付加することな
く容易に実現可能である。

【００２９】但し、本発明は上述した実施例に制約され
ものではなく、ハイブリッド車やエンジンを運転者のキ
ー操作とは別に始動する車両、または自動車以外に適用
される種々の内燃機関のための吸気計量装置として実施
可能であることはいうまでもない。上述の実施例では体
積効率と回転変動との関係から図６のマップを得ている
が、体積効率を充てん効率等の吸入空気量と相関性のあ
るデータに置き換えてマップをプロットしてもよい。

【００３０】なお、回転変動の検出方法は上述の実施例
に限定されるものではなく、回転変動を検出できるもの
であれば、どの様なシステムを用いてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の吸気計量
装置（請求項１）によれば、始動時の条件であっても容
易に吸入空気量を知ることができ、始動時の燃料を正確
に調量して高精度に燃料制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の吸気計量装置を適用したエンジン１の
概略図である。

【図２】ハイブリッド車の駆動系を概略的に示した図で
ある。

【図３】エンジン始動制御ルーチンのフローチャートで
ある。

【図４】エンジン始動時における各種観測データの時間
変化を示したタイムチャートである。

【図５】バルブタイミング毎のブースト圧と回転変動と
の関係を示した図である。

【図６】体積効率と回転変動との関係から得た３次元マ
ップの例である。

【符号の説明】

１ エンジン ６ ＥＣＵ ８ クランク角センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G084 AA00 CA01 DA04 EA08 FA09 FA34 FA36 FA38 3G301 HA00 HA01 JA20 KA01 MA01 MA11 NA08 NB02 NB05 NB11 NC02 NE17 NE19 PA05Z PA09Z PA10Z PE02Z PE03Z PE08Z PF16Z

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の回転数を検出する検出手段
   と、 前記内燃機関の回転変動を算出する回転変動算出手段
   と、 前記検出した回転数及び前記算出した回転変動に基づい
   て吸入空気量を求める吸気量算出手段とを具備したこと
   を特徴とする内燃機関の吸気計量装置。