JP2008045424A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの低回転域から高回転域にわたり、空燃比の制御を高精度に行うことができるようにする。
【解決手段】エアフローセンサ２２の検出値に基づいて燃焼室に流入する空気量を算出する空気量演算手段５２と、少なくとも吸気圧力センサ２４および回転数センサ４１の各検出値に基づいて燃焼室内に流入する空気中の酸素量を推定する酸素量推定手段５１と、空燃比がエンジンの運転状態に応じた目標空燃比となるように燃料噴射量を設定する燃料噴射制御手段５５とを備えている。上記燃料噴射制御手段５５は、エンジン回転数が所定回転数以下の低回転時には空気量演算手段５２により算出された空気量に基づいて燃料噴射量を設定し、エンジン回転数が所定回転数より高い高回転時には上記酸素量推定手段５１により推定された酸素量に基づいて燃料噴射量を設定するようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、空燃比がエンジンの運転状態に応じた目標空燃比となるように、燃焼室に流入する空気量または酸素量に基づいて燃料噴射量を設定するエンジンの空燃比制御装置に関するものである。

従来から、自動車等のエンジンにおいては、予め運転状態に応じた目標空燃比を設定しておくとともに、吸気通路中に設けたエアフローセンサにより検出される空気流量に基づいて燃焼室に流入する空気量を算出し、この空気量に基づき、上記目標空燃比となるように燃料噴射量を設定して、インジェクタからの燃料噴射を制御するようにした空燃比制御装置は一般に知られている。

ところが、このようにエアフローセンサにより検出される空気流量に基づいて燃焼室に流入する空気量を算出するようにすると、燃焼室に流入する空気量が変化する過渡時などに、エアフローセンサの検出値に基づいて算出される空気量と実際に燃焼室に流入する空気量との間に誤差が生じ易くなる。

そこで、特許文献１に示されるように、ノンスロットル状態（吸気通路中のスロットル弁が大きく開かれている状態）での定常運転時にはエアフローセンサの検出値に基づいて上記空気量を求めるが、スロットリング状態（スロットル弁によって吸入空気量を調整している運転状態）や過渡状態ではエアフローセンサの検出値によらずに他のパラメータを用いて上記空気量を推定し、例えばスロットリング状態では吸気圧力（負圧）等に基づいて空気量を推定するようにしたものが提案されている。
特開２００５−３０２９５号公報

吸気圧力等に基づいて燃焼室に流入する空気量（もしくは空気中の酸素量）を推定するようにすれば、過渡時等に誤差が生じることが避けられて、種々の運転状態で、エアフローセンサの検出値に基づいて空気量を求める場合よりも精度良く空燃比の制御を行うことが可能となる。

しかし、エンジンのアイドル時等の低回転時には、運転状態の変化に対して吸気圧力の応答性が低下するため、吸気圧力等に基づいた空気量もしくは酸素量の推定とそれに応じた燃料噴射量の設定による空燃比の制御の精度が低下するという問題が残されていた。

本発明は上記の事情に鑑み、エンジンの低回転域から高回転域にわたる広い運転領域で、空燃比の制御を高精度に行うことができるエンジンの空燃比制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、エンジンの吸気通路中の空気流量を検出するエアフローセンサと、このエアフローセンサの検出値に基づいて燃焼室に流入する空気量を算出する空気量演算手段と、エンジンの吸気圧力を検出する吸気圧力センサと、エンジンの回転数を検出する回転数センサと、少なくとも上記吸気圧力センサおよび回転数センサの各検出値に基づいて燃焼室内に流入する空気中の酸素量を推定する酸素量推定手段と、空燃比がエンジンの運転状態に応じた目標空燃比となるように燃料噴射量を設定する燃料噴射制御手段とを備え、上記燃料噴射制御手段は、エンジン回転数が所定回転数以下の低回転時には上記空気量演算手段により算出された空気量に基づいて燃料噴射量を設定し、エンジン回転数が所定回転数より高い高回転時には上記酸素量推定手段により推定された酸素量に基づいて燃料噴射量を設定するようにしたものである。

この構成によると、上記高回転時には、少なくともエンジンの吸気圧力とエンジン回転数とに基づき、燃焼室内に流入する空気中の酸素量が推定され、この酸素量に基づいて目標空燃比となるように燃料噴射量が設定される。これにより、過渡状態等に誤差が生じることが避けられ、精度良く燃料噴射量が制御される。

一方、このように吸気圧力等に基づいて上記酸素量を推定する手法では吸気圧力の応答性が悪くなることに起因して精度が低下する可能性がある低回転時には、エアフローセンサの検出値に基づいて算出された空気量が用いられ、この空気量に基づいて燃料噴射量が設定されるため、低回転時に燃料噴射量の制御の精度が著しく低下することがない。

こうして、低回転時と高回転時とにわたり、空燃比の制御が精度良く行われる。

本発明のエンジンの空燃比制御装置において、上記燃料噴射制御手段は、エンジン負荷が所定値以下で、かつ、エンジン回転数が所定回転数以下である低負荷低回転時のみ、上記空気量演算手段により算出された空気量に基づいて燃料噴射量を設定するようになっていることが好ましい。

このようにすると、エンジンの運転状態がアイドル域やその近傍の低回転、低負荷の領域にあるときに、燃料噴射量の制御の精度が著しく低下することが避けられる。

また、上記酸素量推定手段は、上記吸気圧力センサおよび回転数センサの各検出値を含む入力と燃焼室に流入する空気中の酸素濃度との関係につき、予め行われた計測のデータに基づいて作成された酸素濃度モデルを有し、この酸素濃度モデルに基づいて燃焼室内に流入する空気中の酸素量を推定するようになっていることが好ましい。

このようにすると、酸素量推定手段により酸素量が推定されるとき、予め行われた計測のデータに基づいて作成された酸素濃度モデルが用いられることにより、酸素量が精度良く求められる。

本発明の空燃比制御装置によると、エンジンの低回転時には、エアフローセンサの検出値に基づいて算出された空気量に基づき燃料噴射量が設定され、高負荷時には、吸気圧力センサおよびエンジン回転数に基づいて酸素量推定手段により推定された酸素量に基づき料噴射量が設定されるため、低回転時と高回転時とにわたり、空燃比の制御を精度良く行うことができる。

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はエンジンの全体構成を示している。この図に示すエンジンは、自動車等の車両に搭載されたロータリーエンジンであって、燃料として水素を使用している。

このロータリーエンジンのエンジン本体１は、トロコイド状の内周面を有するロータハウジングとその両側に位置するサイドハウジングとで形成されたロータ収容室（以下、気筒という）１１に概略三角形状のロータ１２が収容されて構成されており、ロータ１２の外周側に３つの作動室（燃焼室）が区画されている。このロータリーエンジンは、図示を省略するが、２つのロータハウジングを３つのサイドハウジングの間に挟みこむようにして一体化し、その間に形成される２つの気筒１１（図１ではそのうちの１つの気筒のみを図示）にそれぞれロータ１２を収容した２ロータタイプのものである。

上記各ロータ１２は、その３つの頂部にそれぞれ配設されたシール部が各々ロータハウジングのトロコイド状内周面に当接した状態で、エキセントリックシャフト１３の回りを自転しながら公転するようになっている。そして、ロータ１２が１回転する間に、ロータ１２の各頂部間にそれぞれ形成された作動室が、周方向に移動しながら、吸気、圧縮、膨張（燃焼）および排気の各行程を行い、これにより発生する回転力がロータ１２を介してエキセントリックシャフト１３から出力されるようになっている。

上記エンジン本体１には、各気筒の吸気行程にある作動室に連通するように吸気通路２が接続されるとともに、各気筒の排気行程にある作動室に連通するように排気通路３が接続されている。上記吸気通路２は、上流側では１つであるが、下流側では２つに分岐してそれぞれ各気筒１１の作動室に連通している。また、上記排気通路３は、上流側では各気筒１１の作動室にそれぞれ連通して２つ設けられているが、下流側では合流されている。

吸気通路２の上記分岐部よりも上流側においては、上流側から下流側に向かって順に、吸気通路２に吸入される空気を浄化するエアクリーナ２１、吸気通路２内に吸入される空気の流量を検出するエアフローセンサ２２、ステップモータ等のアクチュエータにより駆動されて吸気通路２の断面積を調節するスロットル弁２３、ブースト（吸気圧力）を検出するブーストセンサ（吸気圧力センサ）２４が配設されている。

一方、排気通路３の上記合流部より下流側には、排気ガスを浄化するための三元触媒３１が設けられるとともに、これより上流に、排気中の酸素濃度を検出することにより空燃比を検出するλセンサ３２が設けられている。

また、エンジン本体１の各気筒１１には、図示省略の水素タンクから供給される水素を作動室内に直接噴射する２つの直噴インジェクタ１４ａ，１４ｂがそれぞれ設けられている。これらの直噴インジェクタ１４ａ，１４ｂは、ロータハウジングの長軸近傍において、噴口が作動室内に臨むように配置されている。これらの直噴インジェクタ１４ａ，１４ｂが設けられた位置は、吸気行程から圧縮行程まで作動室に開口する位置となっている。また、各直噴インジェクタ１４ａ，１４ｂにはタイミング弁が内蔵されており、噴射する水素ガスの量を自由にコントロール可能となっている。

これら２つの直噴インジェクタのうち、一方のインジェクタ１４ａは吸気行程中に水素を噴射する吸気行程用直噴インジェクタであり、他方のインジェクタ１４ｂは圧縮行程中に水素を噴射する圧縮行程用直噴インジェクタである。

また、上記吸気通路２の分岐部より下流側には、水素タンクから供給された水素を吸気通路２内に噴射する通路内インジェクタ１５が配設されている。この通路内インジェクタ１５には、上記直噴インジェクタ１４ａ，１４ｂと同様にタイミング弁が内蔵されており、噴射する水素ガスの量を自由にコントロール可能となっている。そして、通路内インジェクタ１５は、吸気行程中に吸気通路２内に水素を噴射し、吸気通路２を介して作動室内に水素を供給するようになっている。

ここで、上記インジェクタ１４ａ，１４ｂ，１５による燃料供給方式について説明すると、吸気行程用直噴インジェクタ１４ａや通路内インジェクタ１５による吸気行程での燃料供給は、水素が作動室内に流入する空気と混ざり易くミキシングが良い反面、作動室に吸い込まれる空気が減少して体積効率が低い。なお、これら吸気行程での燃料供給を行うインジェクタのうち、吸気行程用直噴インジェクタ１４ａは通路内インジェクタ１５に比べて体積効率の点で優れ、通路内インジェクタ１５は吸気行程用直噴インジェクタ１４ａに比べてミキシングの点で優れている。また、圧縮行程用直噴インジェクタ１４ｂによる水素の噴射は、圧縮行程中に行われるため、体積効率が高い一方、点火までの時間が短く且つ混合気の流動が吸気行程ほど大きくないことにより、ミキシングが悪い。なお、ミキシングが悪くなると、燃焼室内で水素が塊状化して局所的に水素濃度が濃い部分が生じ、この部分でプリイグニッションが発生し易くなる。

また、上記エンジン本体１の各気筒１１には、それぞれ２つずつの点火プラグ１６が設けられており、この２つの点火プラグ１６はそれぞれ、ロータハウジングの短軸の近傍に配設されている。

さらにこのロータリーエンジンには、このエンジンの運転状態を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）５が設けられている。このＥＣＵ５には、前述のエアフローセンサ２２、ブーストセンサ２４、λセンサ３２からの各検出信号が入力されるとともに、エンジン回転数を検出する回転数センサ４１およびアクセル開度（アクセルペダル踏み込み量）を検出するアクセル開度センサ４２からの各検出信号も入力されている。そして、このＥＣＵ５は、少なくとも上記各インジェクタ１４ａ，１４ｂ，１５、スロットル弁２３および点火プラグ１６に制御信号を出力して、これらの作動を制御するようになっている。

図２は上記ＥＣＵ５の機能的構成をブロック図で示しているこの図に示すように、ＥＣＵ５には、酸素量推定手段５１、空気量演算手段５２、切替手段５３、目標λ設定手段５４および燃料噴射制御手段５５を機能的に含んでいる。

上記酸素量推定手段５１は、少なくとも上記ブーストセンサ２４および回転数センサ４１の各検出値に基づき、酸素濃度モデル５１ａを用いて、作動室（燃焼室）内に流入する空気中の酸素量を推定するようになっており、当実施形態ではブーストセンサ２４、回転数センサ４１、エアフローセンサ２２の各検出値に基づいて酸素量を推定するようになっている。

上記酸素濃度モデル５１ａは、ブースト（吸気圧力）、エンジン回転数等の入力に基づいて燃焼室内に流入する空気中の酸素濃度を推定するために、予め計測されたデータに基づいて作成されたモデルであり、具体的にはＴＭＷ（The MathWork）社製のＭＢＣ（Model-Based Calibration）モデルが用いられている。このＭＢＣモデルは、ブースト、エンジン回転数等と上記酸素濃度との関係について、予め計測したデータに基づいて統計モデルを構築し、さらにこの統計モデルおよび計測データを使ってキャリブレーションを行うことにより、燃焼室内に流入する空気中の酸素濃度を精度良く求めることができるようにしたものである。なお、このモデルに対する入力としては図示のもののほかにも酸素濃度に影響するものを必要に応じて加えるようにしてもよく、例えば、図外のＥＧＲ通路に設けられるＥＧＲバルブの開度、エンジン水温、λセンサ３２の検出値等を入力に加えるようにしてもよい。

そして、酸素濃度モデル５１ａを用いて、１ストローク中に燃焼室内に流入する空気中の酸素量が求められるようになっている。

また、上記空気量演算手段５２は、エアフローセンサ２２の検出値に基づき、１ストローク中に燃焼室内に流入する空気量を求めるようになっている。

切替手段５３は、燃料噴射制御手段５５に対して酸素量推定手段５１による酸素量の推定値を出力するか空気量演算手段５２による空気量の演算値を出力するかを運転状態に応じて切り替えるものであり、エンジン回転数が所定回転数以下の低回転時には上記空気量の演算値を出力し、エンジン回転数が所定回転数より高い高回転時には上記酸素量の推定値を出力する。当実施形態では、エンジン回転数とエンジン負荷（アクセル開度）とに応じ、低回転且つ低負荷のときに上記空気量の演算値を出力し、それ以外のときは上記酸素量の推定値を出力するようになっている。

目標λ設定手段５４は、空燃比に相当する空気過剰率λの目標値（目標λ）を運転状態に応じて設定するものであり、例えば図３に示すように目標λが設定されている。

すなわち、エンジン回転数が所定の第１回転数ｎ１未満の領域（第１運転領域）のうちの高負荷側の領域Ｉでは、体積効率を高めにくい状況下でエンジン出力を確保するために目標λが１以下の燃料リッチに設定され、上記第１運転領域のうちの低負荷側の領域Ｉ´およびアイドル領域（ＩＤ）では、出力があまり必要でないので、空燃比をリーン化するように、目標λが１．８に設定される。

エンジン回転数が第１回転数ｎ１以上且つ第２回転数ｎ２（ｎ２＞ｎ１）未満の領域（第２運転領域）のうちの高負荷側の領域IIでは、第１運転領域よりも体積効率を高めることができて、第１運転領域ほど空燃比をリッチにしなくとも出力を稼ぐことができるので、目標λが１．１〜１．３とされ、上記第２運転領域のうちの低負荷側の領域II´では、高負荷側よりも空燃比をリーン化するように、目標λが１．５〜１．６に設定される。

また、エンジン回転数が第２回転数ｎ２以上且つ第３回転数ｎ３（ｎ３＞ｎ２）未満の領域（第３運転領域）IIIおよびエンジン回転数が第３回転数ｎ３以上の領域（第４運転領域）IVでは、目標λが１．４〜１．６に設定される。

なお、このような目標λの設定とともに、噴射するインジェクタが運転状態に応じて設定されている。例えば、上記第１運転領域（I，I´）では、体積効率の低下を抑えるため、圧縮行程用直噴インジェクタ１４ｂによって燃料噴射を行うように設定されている。第２運転領域（II，II´）では、ミキシングの悪化（それに伴うプリイグニッションの発生）の防止と体積効率向上との両立を図るため、通路内インジェクタ１５による吸気行程噴射と圧縮行程用直噴インジェクタ１４ｂによる圧縮行程噴射の両方を行うように設定されている。第３運転領域IIIでも第２運転領域と同様に通路内インジェクタ１５と圧縮行程用直噴インジェクタ１４ｂの両方による噴射を行うように設定されている。第４運転領域IVでは、通路内インジェクタ１５と吸気行程用直噴インジェクタ１４ａとによる吸気行程噴射を行うように設定されている。

また、上記燃料噴射制御手段５５は、空燃比が運転状態に応じた目標空燃比となるように燃料噴射量を設定し、それに応じた制御信号をインジェクタ１４ａ，１４ｂ，１５に出力して燃料噴射を制御するものである。この燃料噴射制御手段５５は、目標燃料噴射量演算手段５６、実燃料噴射量演算手段５７、Ｆ／Ｂ（フィードバック）補正量演算手段５８および最終燃料噴射量演算手段５９を含んでいる。

目標燃料噴射量演算手段５６は、上記切替手段５３を介して入力される上記酸素量の推定値又は上記空気量の演算値に基づき、目標λ設定手段５４により設定された目標λが得られるような目標燃料噴射量を演算する。

また、実燃料噴射量演算手段５７は、λセンサ３２により検出される実際の空気過剰率λと、上記切替手段５３を介して与えられる上記酸素量の推定値又は上記空気量の演算値とから、実燃料噴射量を演算する。そして、Ｆ／Ｂ補正量演算手段５８は、上記目標燃料噴射量と実燃料噴射量とを比較し、両者の偏差に応じた補正量を演算する。

最終燃料噴射量演算手段５９は、上記目標燃料噴射量と上記補正量とから最終燃料噴射量を演算するようになっている。

図４は上記ＥＣＵ５により行われる空燃比制御をフローチャートで示している。

このフローチャートの処理がスタートすると、ＥＣＵ５は先ずステップＳ１でエンジン回転数、ブースト、エアフローセンサ出力、アクセル開度等の各種センサ値を入力し、次いでステップＳ２で、アクセル開度が所定値（例えば全開の０．５％）以下の低負荷運転状態か否かを判定する。低負荷運転状態であれば、さらにステップＳ３で、エンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎａ（例えば８５０ｒｐｍ）以下の低回転か否かを判定する。

これらステップＳ２，Ｓ３の判定に応じ、低負荷且つ低回転の運転状態にあるとき（ステップＳ２，Ｓ３がともにＹＥＳの場合）は、ステップＳ４で、空気量演算手段５２によりエアフローセンサ２２の出力に基づいて１ストローク中の空気量を演算する。また、低負荷且つ低回転の運転状態以外のとき（ステップＳ２の判定がＮＯの場合や、Ｓ３の判定がＮＯの場合）は、ステップＳ５で、酸素量推定手段５１により酸素濃度モデル５１ａを用いて１ストローク中の酸素量を演算する。

ステップＳ４又はステップＳ５に続いて、ステップＳ６で、運転状態に応じて設定された目標λと上記酸素量または上記空気量とに基づき、目標燃料噴射量を演算する。さらにステップＳ７で、上記目標燃料噴射量とλセンサ３２の出力に基づいて求められる実燃料噴射量との偏差に応じ、Ｆ／Ｂ補正量を演算する。そして、ステップＳ８で、上記目標燃料噴射量と上記Ｆ／Ｂ補正量とに基づき、最終燃料噴射量を演算し、それに応じた制御信号を出力して、インジェクタ１４ａ，１４ｂ，１５からの燃料噴射を制御する。

以上のような当実施形態の制御装置によると、低負荷且つ低回転の運転状態以外のとき（高回転時等）には、酸素量推定手段５１により、ブースト（吸気圧力）およびエンジン回転数等に基づいて作動室（燃焼室）に流入する空気中の酸素量が推定され、その酸素量に基づいて燃料噴射量が設定されるため、過渡時等に大きな誤差を生じるようなことがなく、精度良く燃料噴射量が制御される。

とくに、上記酸素量推定手段５１は、前述のように計測データに基づくモデルの構築およびキャリブレーションが行われて高い精度が確保されるようにしたＭＢＣモデル等の酸素濃度モデル５１ａを備えているため、上記酸素量が精度良く求められる。

一方、低負荷且つ低回転の運転状態では、ブースト（吸気圧力）の応答性が悪くなることにより、酸素量推定手段５１による酸素量推定の精度が低下する傾向がある。このときには、上記空気量演算手段５２によりエアフローセンサ２２の検出値に基づいて作動室（燃焼室）に流入する空気量が演算され、その空気量に基づいて燃料噴射量が設定されるため、燃料噴射量の制御の精度が著しく低下することがない。

こうして、低回転時と高回転時とにわたり、空燃比の制御が精度良く行われることとなる。

なお、上記実施形態では、燃料に水素を用いたロータリエンジンに本発明を適用した場合を示しているが、これに限られるものではなく、レシプロエンジンに適用することもでき、また、燃料はガソリンであってもよい。

本発明の一実施形態による空燃比制御装置を備えたエンジンの全体構成を示す概略図である。 エンジンコントロールユニットの機能的構成を示すブロック図である。 運転状態に応じた目標空気過剰率を示すマップである。 空燃比制御の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン本体
２ 吸気通路
３ 排気通路
１４ａ，１４ｂ，１５ インジェクタ
２３ エアフローセンサ
２４ ブーストセンサ
３２ λセンサ
５１ 酸素量推定手段
５１ａ 酸素濃度モデル
５２ 空気量演算手段
５５ 燃料噴射制御手段

Claims (3)

1. エンジンの吸気通路中の空気流量を検出するエアフローセンサと、
   このエアフローセンサの検出値に基づいて燃焼室に流入する空気量を算出する空気量演算手段と、
   エンジンの吸気圧力を検出する吸気圧力センサと、
   エンジンの回転数を検出する回転数センサと、
   少なくとも上記吸気圧力センサおよび回転数センサの各検出値に基づいて燃焼室内に流入する空気中の酸素量を推定する酸素量推定手段と、
   空燃比がエンジンの運転状態に応じた目標空燃比となるように燃料噴射量を設定する燃料噴射制御手段とを備え、
   上記燃料噴射制御手段は、エンジン回転数が所定回転数以下の低回転時には上記空気量演算手段により算出された空気量に基づいて燃料噴射量を設定し、エンジン回転数が所定回転数より高い高回転時には上記酸素量推定手段により推定された酸素量に基づいて燃料噴射量を設定することを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
2. 上記燃料噴射制御手段は、エンジン負荷が所定値以下で、かつ、エンジン回転数が所定回転数以下である低負荷低回転時のみ、上記空気量演算手段により算出された空気量に基づいて燃料噴射量を設定することを特徴とする請求項１記載のエンジンの空燃比制御装置。
3. 上記酸素量推定手段は、上記吸気圧力センサおよび回転数センサの各検出値を含む入力と燃焼室に流入する空気中の酸素濃度との関係につき、予め行われた計測のデータに基づいて作成された酸素濃度モデルを有し、この酸素濃度モデルに基づいて燃焼室内に流入する空気中の酸素量を推定することを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの空燃比制御装置。

Images