JP2006070828A - エンジンの吸入空気量測定装置及び燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒毎、かつサイクル毎の吸入空気量測定を可能とし、エンジンの燃料消費量及び排気性能を向上させる。
【解決手段】筒内圧力Ｐｃ_nを検出し、検出した筒内圧力Ｐｃ_nに基づいてポンプロス値（図５の斜線部）Ｐｌｏｓｓを算出し、算出したポンプロス値Ｐｌｏｓｓに基づいて吸入空気量Ｑａを算出する。算出した吸入空気量Ｑａをもとに、エンジンに対する燃料噴射量Ｑｆを算出する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、エンジンの吸入空気量測定装置及びこれを含んで構成されるエンジンの燃料噴射制御装置に関する。詳細には、気筒毎、かつサイクル毎の吸入空気量測定を可能として、特にエンジンの過渡時における燃料消費量及び排気性能を向上させるための技術に関する。

従来、エンジンの燃料噴射制御として、次のものが一般的に行われている。すなわち、吸気通路の集合部分にエアフローメータ又はブーストセンサを設置し、このエアフローメータ等により吸入空気量又はその相関パラメータ（ブーストセンサによる場合は、吸気管内圧力）の値を検出し、検出した吸入空気量等（以下、吸入空気量で代表して記載する。）をもとに、エンジンに対する燃料噴射量を算出する（特許文献１）。
実公昭６０−０３２３７６号公報（第３欄第１９〜３３行）

しかしながら、エアフローメータ等（以下、エアフローメータで代表して記載する。）を採用した上記の燃料噴射制御には、次のような問題がある。すなわち、このもので検出される吸入空気量は、全気筒を代表する平均値として検出されるものであり、検出された吸入空気量に基づいて算出される燃料噴射量は、気筒毎に適合させたものではない。このため、吸入空気に対する気筒毎の通気抵抗の相違や、気筒間での相互作用から、エアフローメータにより検出された吸入空気量と各気筒に対する実際の吸入空気量との間に、気筒毎又はサイクル毎の誤差が生じる。エンジンの過渡時には、この誤差（特にサイクル毎のもの）が拡大し、燃料消費量及び排気性能に顕著な悪化を来す原因となる。

また、エアフローメータは、吸気通路において、シリンダから離れた位置に設置されるため、これにより検出される吸入空気量は、筒内に吸入される空気の量を示すものとはならない。このため、筒内における吸入空気量を正確に把握するには、エアフローメータの位置からの吸入空気の輸送遅れを補償するなどの特別な処理を行うことが必要となる。
本発明は、気筒毎、かつサイクル毎の吸入空気量測定を可能とし、エンジンの運転領域全体を通して燃料消費量及び排気性能を向上させることを目的とする。

本発明は、エンジンの吸入空気量測定装置及び燃料噴射制御装置に関する。本発明に係る吸入空気量測定装置は、エンジンの筒内圧力を検出するとともに、検出した筒内圧力をもとに、このエンジンのポンプロスの大きさをポンプロス値として算出し、算出したポンプロス値をもとに、このエンジンの吸入空気量を算出する。また、本発明に係る燃料噴射制御装置は、この吸入空気量測定装置を含んで構成され、測定した吸入空気量をもとに、エンジンに対する燃料噴射量を算出する。

本発明によれば、エンジンのポンプロス値に基づいて吸入空気量を算出することとしたので、吸入空気量を気筒毎、かつサイクル毎に測定することができる。また、測定した吸入空気量をもとに、気筒毎、かつサイクル毎に適合させた燃料噴射量を算出することができるので、エンジンの運転領域全体を通して燃料消費量及び排気性能を向上させ、特に過度時における燃料消費量及び排気性能の悪化を防止することができる。ポンプロス値に基づいて算出される吸入空気量は、筒内におけるものであるため、輸送遅れを補償するなどの特別な処理を行うことなく、的確な燃料噴射量を算出することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン１の構成を示している。本実施形態では、エンジン１として、燃料が筒内に直接噴射される直噴型のものが採用されている。
このエンジン１において、吸気通路１０１には、導入部に図示しないエアフィルタが取り付けられており、このエアフィルタを介して大気中の空気がエンジン１に吸入される。吸気通路１０１には、ポート部１０１ａにポペット型の吸気弁１０２が設置されている。この吸気弁１０２は、図示しないカムにより上下に駆動され、この吸気弁１０２の往復動作に伴いポート部１０１ａが開閉される。吸入空気は、吸気弁１０２の開期間に燃焼室２０１に導入される。

エンジン本体において、シリンダヘッドＨには、一側に燃料噴射弁２０２が設置されている。この燃料噴射弁２０２は、噴孔が燃焼室２０１内に配置されており、燃焼室２０１に燃料を直接噴射する。また、燃焼室２０１の上部中央に臨ませて点火プラグ２０３が設置されている。燃料噴射弁２０２及び点火プラグ２０３の動作は、エンジンコントローラ４０１により制御される。

燃焼後の排気ガスは、排気通路３０１に排出される。この排気通路３０１には、ポート部３０１ａにポペット型の排気弁３０２が設置されており、この排気弁３０２が図示しないカムにより上下に駆動されることによりポート部３０１ａが開閉される。排気ガスは、排気弁３０２の開期間に排出され、触媒コンバータ等の図示しない排気浄化装置を介して大気中に放出される。

エンジンコントローラ（以下「ＥＣＵ」という。）４０１は、電子制御ユニットとして構成されている。ＥＣＵ４０１には、エンジン１の運転状態を示す信号として、筒内圧力Ｐｃを検出する圧力センサ４５１からの信号、エンジン冷却水の温度Ｔｗを検出する温度センサ４５２からの信号、単位クランク角又は基準クランク角を検出するクランク角センサ４５３からの信号（ＥＣＵ４０１は、この信号に基づいてエンジン回転数Ｎｅを算出する。）、及び排気ガスの空燃比ＡＦを検出する空燃比センサ４５４からの信号を入力する。ＥＣＵ４０１は、入力した各種の信号をもとに、燃料噴射弁２０２による燃料噴射量Ｑｆ及び点火プラグ２０３による点火時期を算出し、算出した燃料噴射量Ｑｆ等により燃料噴射弁２０２等を制御する。ＥＣＵ４０１は、燃料噴射量算出の基礎として、エンジン１の負荷を示す吸入空気量Ｑａを採用する。ＥＣＵ３０１は、吸入空気量Ｑａを、以下のように圧力センサ４５１により検出された筒内圧力Ｐｃに基づいて算出する。なお、本実施形態では、圧力センサ４５１として、座金型のものが採用され、点火プラグ２０３のガスケット部に装着されている。また、空燃比センサ４５４として、理論空燃比近傍で出力が急変するタイプのものが採用されている。

次に、ＥＣＵ４０１の動作をフローチャートにより説明する。
図２は、吸入空気量測定ルーチンのフローチャートを示している。このルーチンは、イグニッションスイッチが入ることにより起動され、各気筒についてサイクル毎に実行される。
図２に示すフローチャートにおいて、Ｓ１０１では、所定のクランク角θ_nにおける筒内圧力Ｐｃ_nを検出するとともに、検出した筒内圧力Ｐｃ_nを対応するクランク角θ_nと関連させて記憶する。本実施形態において、この所定のクランク角θ_n（ｎ＝１〜３６０／δθ）は、排気下死点から圧縮下死点までの間で所定の単位クランク角δθ毎に設定されている。

Ｓ１０２では、各クランク角θ_nにおけるシリンダ容積Ｖｃ_nを算出する。シリンダ容積Ｖｃ_nは、シリンダヘッドＨとピストンとの間に形成される空間のクランクシャフトの位置に応じた容積であり、その算出には、コンロッド長Ｌ、クランクアーム長ｌ、クランクオフセット量ｓ１、ピストンオフセット量ｓ２、１気筒当たりの排気量Ｖ１及び圧縮比ρが採用される。

Ｓ１０３では、エンジン１による単位クランク角δθ当たりの仕事量Ａ_nを次式により算出する。
Ａ_n＝（Ｖ_n−Ｖ_n-1）×Ｐ_n ・・・（１）
Ｓ１０４では、算出した各仕事量Ａ_nをもとに、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓを次式により算出する。なお、エンジン１の総排気量をＶ（＝Ｖ１×気筒数）とする。

Ｐｌｏｓｓ＝ΣＡ_n／Ｖ ・・・（２）
（１）及び（２）式から明らかなように、本実施形態において、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓは、排気時におけるエネルギー損失と吸気時におけるエネルギー損失との和（図５のＰ−Ｖ線図に示す斜線部）として算出される。
Ｓ１０５では、エンジン回転数Ｎｅを読み込む。本実施形態において、エンジン回転数Ｎｅは、ＥＣＵ４０１により基準クランク角信号の入力周期に基づいて算出される。

Ｓ１０６では、算出したポンプロス値Ｐｌｏｓｓをもとに、図６に示すマップＭＰ１により吸入空気量Ｑａを算出する。このマップ（以下「吸入空気量検索マップ」という。）ＭＰ１は、エンジン１の定常状態下でエンジン回転数毎に設定され、ＥＣＵ４０１に予め記憶されている。この吸入空気量検索マップＭＰ１において、吸入空気量Ｑａは、大きなポンプロス値Ｐｌｏｓｓに対応するものほど、大きな値として設定されている。

図３は、燃料噴射量設定ルーチンのフローチャートを示している。このルーチンは、吸入空気量Ｑａの測定終了に伴い気筒毎、かつサイクル毎に実行される。
図３に示すフローチャートにおいて、Ｓ２０１では、測定した吸入空気量Ｑａをもとに、次式により基本燃料噴射量Ｑｆを算出する。なお、目標空燃比をｔＡＦとする。
Ｑｆ＝Ｑａ／ｔＡＦ ・・・（３）
Ｓ２０２では、算出した基本燃料噴射量Ｑｆをもとに、燃料噴射弁２０２に対する駆動信号のパルス幅（以下「駆動パルス幅」という。）Ｔｆを次式により算出する。なお、燃料噴射量を駆動パルス幅に換算するための係数をｋとし、燃料の圧力及び温度に関する補正量をαとする。また、空燃比フィードバック補正量をＦＢとし、この補正量ＦＢは、後述する空燃比フィードバック制御により設定される。

Ｔｆ＝Ｑｆ×ＦＢ×ｋ＋α ・・・（４）
Ｓ２０３では、算出した駆動パルス幅Ｔｆにより燃料噴射弁２０２を作動させ、圧縮行程で燃料を噴射させる。
図４は、空燃比フィードバック制御ルーチンのフローチャートを示している。このルーチンは、エンジン１の運転状態が所定の空燃比フィードバック制御域にあるときに所定の時間毎に実行される。本実施形態では、空燃比フィードバック制御域として、エンジン１の定常時が採用される。また、吸入空気量補正のための処理がこのルーチンに組み込まれている。このルーチンにおいて、吸入空気量検索マップＭＰ１が修正され、この修正は、エンジン回転数毎に行われる。

図４に示すフローチャートにおいて、Ｓ３０１では、エンジン１の運転状態が空燃比フィードバック制御域にあるか否かを判定する。空燃比フィードバック制御域にあるときは、Ｓ３０２へ進み、この領域にないときは、このルーチンを終了する。
Ｓ３０２では、空燃比ＡＦを読み込む。
Ｓ３０３では、読み込んだ空燃比ＡＦをもとに、空燃比フィードバック補正量ＦＢを算出する。空燃比フィードバック補正量ＦＢは、比例積分制御等を採用した一般的な方法により算出することができる。たとえば、所定の比例値Ｐｒ，Ｐｌ及び積分値Ｉｒ，Ｉｌを設定し、空燃比センサ４５４の出力ＡＦが目標空燃比ｔＡＦ（ここでは、理論空燃比）をリッチ側からリーン側に過ぎった時点で補正量ＦＢに比例値Ｐｒを加算するとともに、その後の演算実行毎に積分値Ｉｒを加算していく一方、この操作により出力ＡＦがリーン側からリッチ側に反転したときに補正量ＦＢから比例値Ｐｌを減算するとともに、その後の演算実行毎に積分値Ｉｌを減算していく方法である。

Ｓ３０４では、今回の空燃比フィードバック制御の開始後、吸入空気量検索マップＭＰ１が修正されたか否かを判定する。修正されたときは、このルーチンを終了し、修正されていないときは、Ｓ３０５以降において、マップＭＰ１を修正する。すなわち、本実施形態では、吸入空気量検索マップＭＰ１は、エンジン１の運転状態が空燃比フィードバック制御域に入るたびに１回ずつ、該当するエンジン回転数に関して修正される。

Ｓ３０５では、空燃比フィードバック補正量ＦＢの平均値（以下「補正量平均値」という。）ＦＢａｖｅを算出する。補正量平均値ＦＢａｖｅは、空燃比フィードバック補正量ＦＢの所定の期間内での平均値であり、簡単のため、この所定の期間における補正量ＦＢの最大値ＦＢｍａｘと最小値ＦＢｍｉｎとの平均値（＝（ＦＢｍａｘ＋ＦＢｍｉｎ）／２）を採用する。

Ｓ３０６では、算出した補正量平均値ＦＢａｖｅをもとに、吸入空気量検索マップＭＰ１を修正する。この修正は、補正量平均値ＦＢａｖｅの基準値（ここでは、１）からのズレに応じた分だけ行われ、本実施形態では、このズレに応じて吸入空気量検索マップＭＰ１の特性線（すなわち、図６のＰｌｏｓｓ−Ｑａ線）の傾きを修正することにより行う。たとえば、吸入空気量Ｑａが実際のものよりも少なく見積られて測定された場合（実線Ａの特性による。）は、その分、燃料が少なく噴射されるため、検出される空燃比ＡＦは、目標空燃比ｔＡＦよりもリーン側の値を示すことになる。空燃比フィードバック制御によれば、この目標空燃比ｔＡＦからのズレを補償するため、空燃比フィードバック補正量ＦＢが１よりも大きな値を中心として変動することとなり、燃料噴射量の増量が図られる。従って、補正量平均値ＦＢａｖｅが１よりも大きい場合は、吸入空気量Ｑａが実際のものよりも少ない量として測定されていることから、Ｐｌｏｓｓ−Ｑａ線の傾きを増大させ、次回以降に測定される吸入空気量Ｑａにおける不足分を解消する。すなわち、補正量平均値ＦＢａｖｅが基準値（＝１）に対してｘ％大きいときは、Ｐｌｏｓｓ−Ｑａ線の傾きをこのｘ％に相当する分だけ増大させる（二点鎖線Ｂの特性とする。）。

本実施形態に関し、圧力センサ４５１及び図２に示すフローチャートのＳ１０１の処理が筒内圧力検出手段を、同フローチャートのＳ１０２〜１０４の処理がポンプロス値算出手段を、同フローチャートのＳ１０５及び１０６の処理が吸入空気量算出手段を、空燃比センサ４５４が空燃比検出手段を、図４に示すフローチャートのＳ３０２，３０４〜３０６の処理が吸入空気量補正手段を、図３に示すフローチャート全体の処理が燃料噴射量算出手段を構成する。

本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、本実施形態では、エンジン１のポンプロス値Ｐｌｏｓｓを算出し、これに基づいて吸入空気量Ｑａを算出することとした。ポンプロス値Ｐｌｏｓｓは、気筒毎、かつサイクル毎のものとして算出することが可能である。このため、吸入空気量Ｑａを気筒毎、かつサイクル毎に測定し、測定した吸入空気量Ｑａをもとに、エンジン１に対して気筒毎、かつサイクル毎に適合させた量の燃料を噴射することができるので、エンジン１の運転領域全体を通して燃料消費量及び排気性能を向上させるとともに、特に過度時では、吸入空気量の気筒毎又はサイクル毎の測定誤差を解消して、燃料消費量及び排気性能の悪化を防止することができる。

また、本実施形態では、補正量平均値ＦＢａｖｅの基準値からのズレに応じて吸入空気量検索マップＭＰ１を修正し、測定される吸入空気量Ｑａの実際のものに対する誤差を補償することとした。このため、エンジン間の固体差や、筒内圧力センサの劣化等に対応し、吸入空気量Ｑａを正確に測定することができる。
なお、本実施形態では、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓの算出に、排気行程で検出された筒内圧力Ｐｃ_nを採用することとした。このため、筒内圧力センサ４５１の温度ドリフト等の影響を排し、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓを正確に算出することができる。

以上では、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓの算出において、排気下死点から圧縮下死点までの筒内圧力Ｐｃ_nを所定のクランク角δθ毎に検出することとした。しかしながら、筒内圧力Ｐｃ_nの検出期間として、この設定に代え、排気弁開時期から吸気弁閉時期までの期間を採用することとしてもよい。また、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓの算出における演算負荷の軽減のため、排気行程中の１つのクランク角（図５の点Ａ）における筒内圧力と、吸気行程中の１つのクランク角（同図の点Ｂ）における筒内圧力とを検出し、この２つの筒内圧力のみをもとに、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓを算出することとしてもよい。この場合において、排気及び吸気の各行程における筒内圧力は、等しいシリンダ容積Ｖｃｓｅｔにおけるものであっても、異なるシリンダ容積におけるものであってもよい。また、温度ドリフト等の影響を無視し得る場合は、吸気行程における１又は複数の筒内圧力を検出する一方、排気行程における筒内圧力を大気圧で近似して、ポンプロス値Ｐｌｏｓｓを算出することとしてもよい。大気圧による近似に代え、吸気上死点における筒内圧力を検出し、これを基準としてポンプロス値Ｐｌｏｓｓを算出することとしてもよい。

また、以上では、空燃比センサとして、理論空燃比近傍で出力が急変するタイプのものを採用し、吸入空気量の補正（すなわち、吸入空気量検索マップＭＰ１の修正）を空燃比フィードバック制御中に組み込んだ場合を例に説明した。しかしながら、空燃比センサとして、出力が実際の空燃比の変化に対して直線的に変化する広域型のものを採用した場合は、この空燃比センサにより検出された空燃比の目標空燃比に対するズレをもとに、吸入空気量を直接的に補正することもできる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの構成 吸入空気量測定ルーチンのフローチャート 燃料噴射量設定ルーチンのフローチャート 吸入空気量補正ルーチンのフローチャート シリンダ容積−筒内圧力線図で示すポンプロス値 吸入空気量算出マップ

符号の説明

１…エンジン、１０１…吸気通路、１０２…吸気弁、２０１…燃焼室、２０２…燃料噴射弁、２０３…点火プラグ、３０１…排気通路、３０２…排気弁、４０１…エンジンコントローラ、４５１…筒内圧力センサ、４５２…冷却水温度センサ、４５３…クランク角センサ、４５４…空燃比センサ。

Claims (7)

1. エンジンの筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
   この手段により検出された筒内圧力をもとに、このエンジンのポンプロスの大きさをポンプロス値として算出するポンプロス値算出手段と、
   この手段により算出されたポンプロス値をもとに、このエンジンの吸入空気量を算出する吸入空気量算出手段と、を含んで構成されるエンジンの吸入空気量測定装置。
2. 前記吸入空気量算出手段は、このエンジンに関して回転速度毎に設定された、定常状態におけるポンプロス値と吸入空気量との関係から、吸入空気量を算出する請求項１に記載のエンジンの吸入空気量測定装置。
3. 燃焼混合気の実際の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   この手段により検出された空燃比をもとに、前記ポンプロス値と吸入空気量との関係を補正する吸入空気量補正手段と、を更に含んで構成される請求項２に記載のエンジンの吸入空気量測定装置。
4. 前記ポンプロス値算出手段は、前記筒内圧力検出手段により排気行程中に検出された少なくとも１つの筒内圧力と、この手段により吸気行程中に検出された少なくとも１つの筒内圧力とをもとに、ポンプロス値を算出する請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの吸入空気量測定装置。
5. 前記ポンプロス値算出手段は、前記筒内圧力検出手段により排気弁開時期から吸気弁閉時期までの間に検出された筒内圧力をもとに、ポンプロス値を算出する請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの吸入空気量測定装置。
6. 前記筒内圧力検出手段は、筒内圧力を気筒毎に検出する請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの吸入空気量測定装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの吸入空気量測定装置と、
   この装置により測定された吸入空気量をもとに、エンジンに対する燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、を含んで構成されるエンジンの燃料噴射制御装置。

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