JP2004324451A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】必要な量の燃料を適切なタイミングで噴射させ、燃焼させることができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置７は、スロットルバルブ１２の下流に配設したエアフローメータ１４の出力電流から、エンジン２に吸引される空気量を演算し、これに対する燃料の噴射量を求める。噴射量の演算には、吸引された空気量の立ち上がりからピークまでの空気量の積算値を２倍した値を用い、この値をその吸気工程の総積算吸気量とし、これを所定の空燃比で除算して燃料の噴射量を得る。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に供給する燃料の噴射量などを制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車両などの内燃機関の燃焼を制御する手法としては、外気から吸引する空気の量に合わせて燃料の噴霧量を制御し、クランク軸の回転角度に応じて空気と燃料との混合物に点火し、燃焼させることが知られている（例えば、引用文献１参照）。
【０００３】
ここで、引用文献１には、燃料噴射を制御する技術が開示されている。具体的には、多気筒エンジンへの燃料噴射を制御するために用いられ、空気の吸気通路上でスロットルバルブと電磁噴射弁との間に空気の流量センサを設けた構成を有する。制御回路が、流量センサから検出される吸入空気の流量の平均値から燃料の基本噴射量を所定のタイミングで演算し、この基本噴射量に基づいて燃料噴射を行わせる。エンジンが１サイクルする間に吸気を行う気筒が順次切り替わるが、この際に生じる吸入空気の流量の変動を吸入空気の流量の平均値からの偏差分としてとらえ、この偏差分に相当する偏差信号を電磁噴射弁の電圧回路に直接入力し、偏差信号が大きいときには燃料を多く噴射させ、偏差分が少ないときは少なく噴射させる。なお、基本噴射量の演算には、吸引空気の温度を検出する吸気温センサと、エンジンの冷却水の温度を検出する冷却水温センサとを用いた補正を行う。
【０００４】
【特許文献１】
特公平４−１５３８８号公報（第２頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃焼効率や応答性を向上させるためには、実際に内燃機関に吸引される空気量をその都度測定し、これに最適な燃料の噴射量を決定することが望ましい。また、燃料の噴射は、吸気バルブが開いていて空気の流れがある間に行うことが望ましい。しかしながら、吸気バルブが閉じてから最終的な燃料の噴射量が定まることになるので、吸気が終了するまで空気量を計算してから燃料の噴射量を決定すると、吸気バルブが開いている間に燃料の噴射させることができなくなる。吸気バルブが閉じた後もその吸気工程に対する燃料噴射が継続すると、その吸気工程によりエンジン内に供給される混合気体の燃料の量が減るので空燃比がずれてしまう。また、吸気マニホールド内に燃料が残留してしまうために次の吸気工程でエンジン内に供給される混合気体の燃料の量が増えて空燃比がずれてしまう。
【０００６】
よって、本発明は、このような課題を解決することを目的としてなされたものであって、簡単な構成で、必要な量の燃料を適切なタイミングで噴射させることができる内燃機関の制御装置を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供している。
請求項１に係る発明は、内燃機関（例えば、実施形態のエンジン２）の吸気通路（例えば、実施形態の吸気通路４）の絞り弁（例えば、実施形態のスロットルバルブ１２）よりも下流側に配設されたセンサ（例えば、実施形態のエアフローメータ１４）を用いて前記内燃機関に吸気される空気量を検出し、この空気量に応じて燃料の噴射量を演算し、前記噴射量の燃料を噴射するようにインジェクタ（例えば、実施形態のインジェクタ５）に信号を出力する内燃機関の制御装置（例えば、実施形態の制御装置７）において、前記内燃機関の吸気工程に伴い増加する空気量を吸気の開始からピーク値まで積算した積算値に所定の定数を乗じた値をその吸気工程の空気量の総積算値として前記噴射量を演算するように構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【０００８】
この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸引される空気量をセンサの検出値から演算すると共に、吸気の開始からピーク値までの積算値を演算する。ここで、吸気工程時の空気量の変化のプロファイルはほぼ一定なので、積算値に所定の定数を乗じた値をその吸気工程の吸気量とみなして燃料の噴射量を演算し、インジェクタに対して必要な制御を行う。なお、吸気の開始の判定には、例えば、空気量の大きさを用い、ピークの判定には、例えば、空気量の変化量を用いると良い。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記所定の定数は２であることを特徴とする。
この発明に係る内燃機関の制御装置は、吸気の開始からピーク値までの積算値を演算したら、その積算値を２倍した値をその吸気工程の吸気量とみなして燃料の噴射量を演算し、インジェクタに対して必要な制御を行う。
【００１０】
請求項３に係る発明は、内燃機関の吸気通路の絞り弁よりも下流側に配設されたセンサを用いて前記内燃機関に吸気される空気量を検出し、この空気量に応じて燃料の噴射量を演算し、前記噴射量の燃料を噴射するようにインジェクタに信号を出力する内燃機関の制御装置において、前記内燃機関の吸気工程に伴い増加する空気量の積算値を吸気が終了するまで演算すると共に、吸気の開始から終了までの間で、所定時間ごとに前記積算値から燃料の噴射量を決定し、前記噴射量が吸気開始からの累積値になるように前記インジェクタに信号を出力する構成を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【００１１】
この発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸引される空気量をセンサの検出値から演算すると共に、その積算値を所定時間ごとに演算する。この積算値からはその時点で必要な燃料の噴射量を求めることができる。このようにして求めた燃料の噴射量が、既に噴射した燃料の噴射量よりも多い場合には、インジェクタに燃料の噴射を指示する信号を出力する。つまり、所定時間ごとに必要な噴射量を演算し、追加の噴射が必要であれば、燃料を噴射するように制御する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本実施形態における内燃機関の制御装置を備えるエンジン制御システムを示す概略図である。
図１に示す本実施形態のエンジン制御システム１は、内燃機関であるエンジン２の吸気マニホールド３に連結された吸気通路４から空気を吸引し、この空気と、吸気マニホールド３に配設されたインジェクタ５から噴出する燃料とを混合させた後にエンジン２の燃焼室２ａ内で燃焼させ、燃焼後の燃焼ガスを排気マニホールド６から排出するに際し、制御装置７が、エンジン２が吸引する空気量（吸気量）に応じて噴射する燃料の噴射量および噴射タイミングを制御することを特徴とする。
【００１３】
吸気通路４は、エアクリーナ１１と、エアクリーナ１１よりも下流で空気量の調整を行う絞り弁であるスロットルバルブ１２を備えるスロットルボディ１３とを有する。この吸気通路４を通ってエンジン２に吸引される空気の量は、スロットルバルブ１２よりも下流側に位置するように配設されたセンサであるエアフローメータ１４において質量流量として検出される。エアフローメータ１４がスロットルバルブ１２よりも下流側にあることで、スロットルバルブ１２を通って供給される空気のうち、スロットルバルブ１２から吸気バルブ２ｂまでの間に供給される空気量を差し引いて、実際にエンジン２の燃焼室２ａに吸引される空気量を正確に検出することができる。なお、エアフローメータ１４をスロットルボディ１３に取り付けると、セッティングの工数を削減することができる。
【００１４】
本実施形態に好適なエアフローメータ１４としては、シリコン基板にプラチナ薄膜を蒸着し、プラチナ薄膜の温度を一定に保つように通電するセンサがあげられる。プラチナ薄膜の周囲を通流する空気の質量が増えると、空気を介してプラチナ薄膜から散逸する熱量が増大し、これに比例してプラチナ薄膜の温度が低下する。このとき、エアフローメータ１４は、温度を一定に保つようにプラチナ薄膜に通電する電流を増加させる。一方、空気の通流量が減少すると、熱の散逸が減少してプラチナ薄膜の温度が上がるので、エアフローメータ１４はプラチナ薄膜に通電する電流を減少させる。プラチナ薄膜の周囲を通流する空気の質量の増減に比例して電流値が増減するので、この電流値をモニタすると空気量を測定することができる。なお、このようなエアフローメータ１４は、プラチナ製のワイヤを用いる場合に比べて、ヒートマスを減少させることができるので、高い応答性と、高い測定精度とを実現している。
【００１５】
インジェクタ５は、吸気マニホールド３内を通流する空気内に、電磁噴射弁の開閉動作により燃料を噴出するもので、燃料タンク１５内の燃料ポンプ１６から汲み出され、レギュレータ１７で調圧された燃料が供給される。
【００１６】
燃焼室２ａへの混合気体の供給および燃焼後の排出は、図示しないバルブタイミング機構により駆動される吸気バルブ２ｂおよび排気バルブ２ｃで行う。
混合気体への点火は、点火プラグ８で行われる。点火プラグ８は、点火回路９に蓄積させた高エネルギを利用して放電を行う。
【００１７】
このエンジン制御システム１における制御を司る制御装置７は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）とも呼ばれ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などを有し、バッテリ１０からの電力供給を受けて作動する。この制御装置７は、エアフローメータ１４の出力電流を入力データとし、所定の処理を行って、燃料ポンプ１５からインジェクタ５に供給する燃料の量と、インジェクタ５の噴射量およびその噴射タイミングと、点火回路９への充電開始のタイミングと、点火タイミングとを決定し、各部に指令信号を出力する。
【００１８】
ここで、制御装置７で処理されるデータおよび処理について、図１および図２を用いて説明する。なお、図２はエンジンの稼動に伴い変化する空気量の変化を示す図であり、横軸は時間の経過を示し、縦軸は吸気量を示す。
【００１９】
図２において時間の経過と共に変動する空気量は、エアフローメータ１４からの出力電流に所定の係数を乗じた値である。得られた空気量は、所定の閾値（基準値）よりも多いときを順流、それ以下の場合を逆流として取り扱う。なお、順流とは、エンジン２に吸引される方向に空気が流動することをいうものとする。逆流とは、逆方向、つまりスロットルバルブ１２のある方向に空気が流動することをいうものとし、エンジン２の吸気バルブ２ｂが閉じたときに、堰き止められた空気が逆方向に流動することに起因して発生する。このような順流と逆流とが交互に発生している状態を脈流とする。
【００２０】
また、スロットルバルブ１２がわずかに開いている状態でエンジン２の吸気バルブ２ｂが開くことがあるが、このような場合に吸気通路４内には負圧が発生する。この負圧は、吸気バルブ２ｂを閉じても残るので、スロットルバルブ１２を通じて流入する空気のわずかな流れが発生することがある。このような条件下で発生する空気の流れを過小流とする。
そして、脈流および過小流の範囲を越えて空気量が増加している領域は、エンジン２に空気が吸引されている領域で、エンジン２の吸気工程に相当する。吸気の開始（吸気の立ち上がり）は、空気量が脈流および過小流の大きさを越えたときに、そのような空気量の立ち上がりの始点とする。この始点は、エンジン２の吸気バルブ２ｂが開くタイミング（クランク軸２ｄが所定の角度）により決まるので、このポイントを基準点として燃料噴射のタイミングや点火タイミングを制御することができる。
また、吸気の終了（吸気の立ち下がり）は、ピーク値を越えて減少する空気量がゼロに落ち込んだときとする。ピーク位置は、所定の時間内の空気量の変化量がゼロに近いところとする。
【００２１】
吸気の開始から終了までの間にエンジン２に吸引される空気量（吸気量）の積算値である積算吸気量は、吸気の開始と共に増加し、吸気の終了により最大値を迎える。以降、この最大値を総積算吸気量とする。ここで、総積算吸気量の１／２に相当する積算吸気量は、吸気量のピーク位置にほぼ等しくなっている
【００２２】
本実施形態の制御装置７は、総積算吸気量の１／２に相当する積算吸気量が、吸気量のピーク位置までに得られることに着目し、吸気量のピーク位置までの吸気積算値を２倍した値を総積算吸気量とみなし、これに所定の係数を乗じて燃料の噴射量を決定している。ピーク位置を用いて総積算吸気量の推定を行うのは、ピーク位置の前後における空気量の変動が少ないので、燃料の噴射量を精度良く算出することができるからである。また、ピーク位置を用いて総積算吸気量の推定を行うために、所定の定数は２倍としたが、エンジン２の吸気バルブ２ｂの特性などによっては、例えば１．８から２．２までの値を用いても良い。この所定の定数は、前もってエンジン２の特性を調べて決定され、制御装置７に登録される。
【００２３】
以上のことから、制御装置７は、エアフローメータ１４の出力電流に所定の係数を乗じて空気量を演算する空気量演算手段と、吸気工程時の吸気量の積算値を演算する積算吸気量演算手段と、ピーク位置を判定する判定手段と、ピーク位置までの吸気量の積算値を２倍した値に応じて燃料の噴射量を演算すると共に、インジェクタ５などの制御をする噴射量制御手段を有するといえる。
【００２４】
また、制御装置７は、所定のタイミングで点火プラグ８を放電させて空気と燃料との混合気体を燃焼させるように制御するので、吸気量および燃料量に応じて点火回路９の充電時間を演算し、制御する点火制御手段も有するといえる。なお、制御装置７は、点火の制御を行わない構成であっても良い。この場合には点火制御手段として機能する他の制御装置が設けられる。
【００２５】
次に、エンジン２の始動後に一定周期ごとに割り込み処理として行われる制御装置７の制御について説明する。
まず、制御装置７は、エアフローメータ１４の出力電流から空気量を演算する。演算した空気量が脈流または過小流の大きさを越えたときには、吸気が開始されたとみなして、このときの空気量を吸気量とする。また、これと共に制御装置７は、吸気量の積算値を算出する。積算値は、前回までの吸気量の総和に、新たに算出した吸気量を加算して得られる。
【００２６】
さらに、吸気量の増減の変化量を調べ、吸気量がピークに達したと判定したら、吸気開始からピーク位置に相当する吸気量までの積算値を２倍し、得られた値をその吸気工程の総積算吸気量とみなし、これに所定の係数を乗じて燃料の噴射量を演算する。そして、この噴射量に相当する燃料が噴射されるようにインジェクタ５に対して指令信号を出力する。
【００２７】
このようにして、総積算吸気量を見積もって、実際に吸気が終了する前に燃料の噴射量を決定することで、吸気バルブ２ｂが開いている間に燃料を噴射し終わることが可能になる。その際に、空気量の変化の少ないピーク位置に着目して総積算吸気量を見積もることで、燃料の噴射量を精度良く演算することができる。
【００２８】
なお、吸気量がピーク位置に達した時点で既にインジェクタ５が燃料噴射を開始している場合には、制御装置７は、燃料の不足分を噴射するようにインジェクタ７を制御する。一方、ピーク位置に達した時点でインジェクタ５が燃料噴射をしていないときは、吸気バルブ２ｂが閉じるまでに必要な量の燃料が噴射されるようにインジェクタ５を開閉する。
【００２９】
次に、本発明の第二実施形態について図１および図３を参照しながら詳細に説明する。なお、前記の実施形態と重複する説明は省略する。図３はエンジンの稼動に伴い変化する空気量の変化および燃料の噴射量の変化と、インジェクタ５の電磁噴射弁を開閉させる指令信号とを示す図である。
【００３０】
本実施形態における制御装置７は、ＣＰＵやＲＯＭなどを有し、エアフローメータ１４の出力電流から吸気通路４を流れる空気量を演算し、吸気時にエンジン２に吸引される空気量の積算量に応じて燃料の噴射量を逐次決定し、必要に応じてインジェクタ５から燃料噴射を行わせることでエンジン２の吸気バルブ２ｂが閉じる前に燃料噴射を終了させることを特徴とする。
【００３１】
制御装置７が行うインジェクタ５の電磁噴射弁の開閉制御の一例について図３を用いて説明する。なお、図３において横軸は時間の経過を示している。また、インジェクタ５への指令信号は、Ｈｉｇｈレベルのときには電磁噴射弁が閉じ、Ｌｏｗレベルのときには電磁噴射弁を開くようになっている。
【００３２】
吸気工程の開始により増加する吸気量は、ピークを迎えた後に減少し、吸気の終了と共にゼロに落ち込む。この間の総積算吸気量は、吸気の開始から徐々に増加し、吸気が終了したときに最大値を迎える。このように変化する吸気量に対応して噴射される燃料の噴射量は、吸気の開始から吸気が終了する前までに段階的に増加する。
【００３３】
制御装置７は、空気量が脈流または過小流を越えて増加するときは吸気開始とみなして、吸気の立ち上がりからの吸気量の演算と、積算吸気量の演算とをすると共に、積算吸気量を空燃比で除算してその積算吸気量に対する燃料の噴射量を演算する。
【００３４】
その一方で、インジェクタ５に指令信号を出力して電磁噴射弁を開かせて燃料を吸気通路４中に噴射させる（図３に示す第一の噴射工程）。これにより燃料の噴射量は、ゼロから立ち上がって増加する。制御装置７が、燃料を噴射させながら、実際に噴射させた燃料の噴射量をインジェクタ５の単位時間あたりの噴射量および噴射時間から求める。
【００３５】
ここで、この間にも吸気が継続しているので、積算吸気量は増加し、必要な燃料の噴射量も増加するので、時間の経過と共に増加する必要な燃料の噴射量と、実際に噴射した燃料の噴射量とを所定のサンプリングタイムごとに算出し、両者が一致したらインジェクタ５の噴射を停止するように指令信号を出力する。
【００３６】
さらに、その後も積算吸気量が増加する場合には、所定時間経過時に、制御装置７が、そのときの積算吸気量に所定の空燃比を乗じて得られる燃料の噴射量から、既に噴射した燃料の噴射量を差し引いた差を演算する。この差が正の値であれば、積算吸気量が増加して燃料の噴射量が不足したことを示すので、制御装置７は再びインジェクタ５に指令信号を出力して燃料噴射を再開させる（第二の噴射工程）。ここでも実際の燃料の噴射量を算出することができるので、吸気の開始からの累積噴射量を求め、この累積噴射量と、積算吸気量から求まる必要な噴射量とを比較し、両者が一致するまでインジェクタ５から燃料を噴射させる。
【００３７】
以降は、同様にして所定時間ごとに燃料の不足を調べ、燃料噴射を指令する指令信号を出力する（例えば、第三の噴射工程）。吸気量から求めた必要な燃料の噴射量と、実際に噴射した累積噴射量とが一致したらインジェクタ５からの噴射を停止させる指令信号を出力する。そして、吸気量が立ち下がって、吸気の終了が確認されたら、制御装置７は、燃料の噴射を禁止し、次に吸気の開始が確認されるまでは燃料を噴射しないように設定する。
【００３８】
このように燃料噴射を制御することで、吸気が終了するまでの間に燃料の噴射を終了させることが可能になる。その際に、必要に応じて多数回に渡って燃料を噴射させることで、吸気量の変化に応じた最適な量の燃料を噴射させることが可能になる。なお、図３の例では、第三の噴射工程が終了した後にも積算吸気量は増加しているが、吸気が終了する段階であるために増加量は少なく、燃料と空気との空燃比を大きく変動させることはない。また、燃料の噴射中に吸気が終了した場合には、すみやかに燃料の噴射を停止させる。
【００３９】
ここで、２回目以降の燃料噴射は、燃料の不足を判定せずに、所定時間ごとに行うようにしても良い。また、インジェクタ５の単位時間当たりの噴射量は、各噴射工程において異ならせても良い。
さらに、第一の噴射工程において、吸気量から算出した必要な噴射量よりも多くの燃料の噴射させるようにすると、１つの吸気工程の間での噴射工程の数を減少できる。この場合には、前回の吸気工程における総積算吸気量を参照して、第一の吸気工程の噴射量を決定すると良い。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１によれば、絞り弁よりもエンジン側に配設したセンサで空気の吸気量を検出すると共に、燃機関の吸引される空気量の総和を、吸気の開始からピークまでの積算値から燃料の噴射量の演算を行うようにしたので、その吸気工程が終了する前に、その吸気工程において必要とされる燃料の噴射量を精度良く演算し、噴射させることが可能になる。
請求項２によれば、吸気の開始からピークまでの積算値の２倍の値をその吸気工程の吸気量とすることで、簡単な処理で精度良く燃料の噴射量を演算することができる。
請求項３によれば、吸引される空気量の積算値を所定時間ごとに求めて、必要に応じて燃料の噴射を行わせるようにしたので、その吸気工程が終了する前に、その吸気工程において必要とされる燃料の噴射量を精度良く噴射させることが可能になる。また、吸引される空気量の微妙な変動にも柔軟に対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における制御装置を含むエンジン制御システムを示す概略図である。
【図２】エンジンの稼動に伴い変化する空気の変化と、積算吸気量の変化の一例を示す図である。
【図３】エンジンの稼動に伴い変化する空気の変化と、積算吸気量の変化と、インジェクタへの指令信号の一例を示す図である。
【符号の説明】
２ エンジン（内燃機関）
４ 吸気通路
５ インジェクタ
７ 制御装置
１２ スロットルバルブ（絞り弁）
１４ エアフローメータ（センサ）

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路の絞り弁よりも下流側に配設されたセンサを用いて前記内燃機関に吸気される空気量を検出し、この空気量に応じて燃料の噴射量を演算し、前記噴射量の燃料を噴射するようにインジェクタに信号を出力する内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の吸気工程に伴い増加する空気量を吸気の開始からピーク値まで積算した積算値に所定の定数を乗じた値をその吸気工程の空気量の総積算値として前記噴射量を演算するように構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記所定の定数は２であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 内燃機関の吸気通路の絞り弁よりも下流側に配設されたセンサを用いて前記内燃機関に吸気される空気量を検出し、この空気量に応じて燃料の噴射量を演算し、前記噴射量の燃料を噴射するようにインジェクタに信号を出力する内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の吸気工程に伴い増加する空気量の積算値を吸気が終了するまで演算すると共に、吸気の開始から終了までの間で、所定時間ごとに前記積算値から燃料の噴射量を決定し、前記噴射量が吸気開始からの累積値になるように前記インジェクタに信号を出力するように構成したことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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