JP2009121419A - 吸入空気量検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エアフローセンサの出力特性のずれを適切に補償でき、それにより、吸入空気量の検出精度を向上させることができる吸入空気量検出装置を提供する。
【解決手段】内燃機関3の燃焼室3dに吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置1であって、吸気系4に設けられ、吸入空気量を検出するエアフローセンサ23と、燃料噴射弁6から噴射され、燃焼室3dに供給される燃料噴射量QINJを設定する燃料噴射量設定手段2と、燃焼室3dに供給された空気と燃料との混合気の空燃比を検出する空燃比センサ24と、検出された空燃比AFが理論空燃比よりもリッチ側のときに、空燃比AFおよび設定された燃料噴射量に基づいて、吸入空気量を推定する吸入空気量推定手段2と、検出された吸入空気量QAを、推定された吸入空気量QAESTとの比較結果に基づいて補正する吸入空気量補正手段2と、を備える。
【選択図】図5

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置に関する。
従来の吸入空気量検出装置として、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。この吸入空気量検出装置は、吸気管に設けられ、吸入空気量を検出するエアフローセンサで構成されている。また、内燃機関には、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁や、混合気の空燃比を検出する空燃比センサなどが設けられている。この吸入空気量検出装置では、エアフローセンサの異常判定が次のようにして行われる。まず、空燃比センサで検出された空燃比に、燃料噴射弁から噴射された燃料噴射量を乗算することによって、吸入空気量を推定する。そして、エアフローセンサで検出した吸入空気量と推定した吸入空気量との差の絶対値が、所定のしきい値よりも大きいときに、エアフローセンサに異常が生じていると判定する。
しかし、この従来の吸入空気量検出装置では、2つのセンサの検出値などに応じてエアフローセンサの異常判定を行うにすぎない。このため、エアフローセンサの個体差や経時劣化などによって、その出力特性がずれている場合には、実際の吸入空気量を適切に求めることができない。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、エアフローセンサの出力特性のずれを適切に補償でき、それにより、吸入空気量の検出精度を向上させることができる吸入空気量検出装置を提供することを目的とする。
特開2006−57523号公報
上記の目的を達成するため、請求項1に係る発明は、内燃機関3の吸気系(実施形態における(以下、本項において同じ)吸気管4)を介して燃焼室3dに吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置1であって、吸気系に設けられ、吸入空気量を検出するエアフローセンサ23と、燃料噴射弁6から噴射され、燃焼室3dに供給される燃料噴射量QINJを設定する燃料噴射量設定手段(ECU2)と、燃焼室3dに供給された空気と燃料との混合気の空燃比を検出する空燃比センサ(LAFセンサ24)と、検出された空燃比AFが理論空燃比よりもリッチ側のときに、空燃比AFおよび設定された燃料噴射量に基づいて、吸入空気量を推定する吸入空気量推定手段(ECU2、図5のステップ24)と、検出された吸入空気量(吸気量QA)を、推定された吸入空気量(推定吸気量QAEST)との比較結果に基づいて補正する吸入空気量補正手段(ECU2、図5のステップ25〜27)と、を備えることを特徴とする。
この吸入空気量検出装置によれば、燃焼室に吸入される吸入空気量がエアフローセンサで検出され、燃焼室に供給された空気と燃料との混合気の空燃比が空燃比センサで検出される。空燃比センサとして例えば、酸素濃度を検出するタイプのものを用いた場合、そのような空燃比センサは一般に、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側のときには、リーン側のときよりもその分解能が高いことで、高い検出精度が得られるという特性を有する。このため、混合気の空燃比がリッチのときには、検出された空燃比と設定された燃料噴射量に基づいて推定された吸入空気量は、精度が高く、信頼性の高いものとなる。
したがって、検出された吸入空気量を、空燃比がリッチのときに推定された吸入空気量と比較するとともに、その比較結果に基づいて補正することによって、エアフローセンサの出力特性のずれを適切に補償でき、それにより、吸入吸気量の検出精度を向上させることができる。その結果、検出された吸入空気量に基づいて、空燃比などを適切に制御できるので、エミッションや燃費などを良好に維持することができる。また、空燃比センサは内燃機関に通常、設けられるものであるので、そのような既存の構成部品を利用しながら、コスト増を伴うことなく、上記の作用を得ることができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の吸入空気量検出装置1において、燃料噴射弁6の動作特性のずれを表す動作特性パラメータ(圧力比R)を算出する動作特性パラメータ算出手段(ECU2、図3のステップ15)と、算出された動作特性パラメータに応じて、燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段(ECU2、図3のステップ16〜18)と、をさらに備え、吸入空気量推定手段は、燃料噴射量補正手段による燃料噴射量の補正が終了しているときに吸入空気量の推定を実行することを特徴とする。
燃料噴射弁の動作特性がずれると、燃料噴射弁から実際に供給される燃料噴射量が、設定された燃料噴射量と異なってしまうため、設定された燃料噴射量を用いて推定された吸入空気量の推定精度は低くなる。この構成によれば、燃料噴射弁の動作特性のずれを表す動作特性パラメータを算出するとともに、この動作特性パラメータに応じて補正された燃料噴射量を用いて吸入空気量を推定するので、その推定精度が高められ、その結果、吸入空気量の検出精度をより向上させることができる。
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の吸入空気量検出装置1において、内燃機関3から排出された排ガスを吸気系に還流させるEGR装置8と、吸入空気量推定手段によって吸入空気量を推定するときに、EGR装置8による排ガスの還流を禁止する還流禁止手段(ECU2、図5のステップ23)と、をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、吸入空気量を推定するときには、EGR装置による吸気系への排ガスの還流を禁止する。このため、EGR装置の作動に伴う排ガスの還流遅れなどにより吸入空気量が安定していない状態で、吸入空気量が推定されるのを回避でき、それにより、吸入空気量の検出精度をさらに向上させることができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態による吸入空気量検出装置1、およびこれを適用した内燃機関(以下「エンジン」という)3の概略構成を示している。エンジン3は、例えば4つの気筒3a(1つのみ図示)を有するディーゼルエンジンであり、車両(図示せず)に搭載されている。各気筒3aのピストン3bとシリンダヘッド3cとの間には、燃焼室3dが形成されている。
シリンダヘッド3cには、吸気管4および排気管5が接続されるとともに、燃料噴射弁(以下「インジェクタ」という)6が燃焼室3dに臨むように取り付けられている。インジェクタ6から燃焼室3dに噴射された燃料は、吸気管4を介して吸入された空気と混合され、それによって生成された混合気が燃焼室3d内で燃焼される。インジェクタ6の開弁時間および開弁タイミングは、後述するECU2からの駆動信号によって制御され、それにより、燃料噴射量および燃料噴射時期が制御される。
また、シリンダヘッド3cには、気筒3aごとに筒内圧センサ21が設けられている。筒内圧センサ21は、圧電素子で構成されており、エンジン3の気筒3a内の圧力の変化量(以下「筒内圧変化量」という)DPを検出し、その検出信号をECU2に出力する。ECU2は、筒内圧変化量DPに基づいて、筒内圧Pを算出する。
エンジン3のクランクシャフト3eには、クランク角センサ22が設けられている。クランク角センサ22は、クランクシャフト3eの回転に伴い、いずれもパルス信号であるCRK信号およびTDC信号をECU2に出力する。
CRK信号は、所定のクランク角(例えば1°)ごとに出力される。ECU2は、このCRK信号に基づき、エンジン3の回転数(以下「エンジン回転数」という)NEを算出する。また、TDC信号は、各気筒3aのピストン3bが吸気行程のTDC位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、4気筒である本例ではクランク角180°ごとに出力される。
吸気管4には、エアフローセンサ23が設けられている。エアフローセンサ23は、燃焼室3dに吸入される吸入空気量を検出し、検出した吸入空気量(以下「吸気量」という)QAを表す信号をECU2に出力する。
排気管5には、上流側から順に、LAFセンサ24およびNOx触媒7が設けられている。LAFセンサ24は、理論空燃比よりもリッチなリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比の領域において、排気管5内を流れる排ガス中の酸素濃度を連続的に検出し、その検出信号をECU2に出力する。ECU2は、LAFセンサ24からの検出信号に基づいて、燃焼室3dで燃焼された混合気の空燃比AFを算出する。また、LAFセンサ24は、空燃比が理論空燃比よりもリッチ側のときには、リーン側のときよりもその分解能が高いことで、高い検出精度が得られるという特性を有する。
NOx触媒7は、排ガス中のNOxを吸着するとともに、吸着したNOxを還元することによって、排ガスを浄化する。このNOx触媒7は、混合気の空燃比がリーンのときには、排ガス中のNOxを吸着することによって浄化するとともに、空燃比がリッチのときには、吸着したNOxを還元するという特性を有する。
また、エンジン3には、EGR装置8が設けられている。このEGR装置8は、エンジン3から排気管5に排出された排ガスの一部を吸気管4に還流するものであり、吸気管4と排気管5の間に接続されたEGR通路8aと、このEGR通路8aを開閉するEGR制御弁8bなどで構成されている。EGR通路8aの一端は、排気管5のLAFセンサ24よりも上流側の部分に開口し、他端は、吸気管4のエアフローセンサ23よりも下流側の部分に開口している。
EGR制御弁8bは、そのリフト量がリニアに変化する常閉式のリニア電磁弁で構成されている。このEGR制御弁8bのリフト量を、ECU2からの駆動信号で制御し、EGR通路8aの開度を変化させることによって、排ガスの還流量が制御される。
さらに、ECU2には、アクセル開度センサ25からアクセルペダル(図示せず)の操作量(以下「アクセル開度」という)APを表す検出信号が、車速センサ26から車両の速度(車速)VPを表す検出信号が、それぞれ出力される。
ECU2は、I/Oインターフェース、CPU、RAMおよびROM(いずれも図示せず)などから成るマイクロコンピュータで構成されている。前述した各種のセンサ21〜26の検出信号はそれぞれ、I/OインターフェースでA/D変換や成形がなされた後、CPUに入力される。
CPUは、これらの入力信号に応じ、ROMに記憶された制御プログラムなどに従って、混合気の空燃比制御などのエンジン3の制御を実行する。具体的には、エンジン3の通常運転時には、空燃比を理論空燃比よりもリーン側に制御し、NOx触媒7に吸着されたNOxを還元するときには、空燃比を理論空燃比よりも一時的にリッチ側に制御するリッチ運転を実行する。この空燃比制御は、吸入空気量および燃料噴射量QINJを制御することによって行われ、燃料噴射量QINJは、エンジン回転数NEとアクセル開度APなどに基づいて設定される。また、CPUは、燃料噴射量QINJおよび吸気量QAの補正処理を実行する。
なお、本実施形態では、ECU2が、燃料噴射量設定手段、吸入空気量推定手段、吸入空気量補正手段、動作特性パラメータ算出手段、燃料噴射量補正手段および還流禁止手段に相当する。
図2は、上述した補正処理のメインフローを示す。本処理は、TDC信号の発生に同期して実行される。本処理では、まず、ステップ1(「S1」と図示。以下同じ)において、エンジン3がリッチ運転中であるか否かを判別する。この判別結果がNOのときには、燃料噴射量QINJの補正処理を実行する(ステップ2)一方、YESのときには、吸気量QAの補正処理を実行し(ステップ3)、本処理を終了する。
図3は、燃料噴射量QINJの補正処理のフローチャートである。まず、ステップ11において、アクセル開度センサ25で検出されたアクセル開度APの前回値と今回値との差の絶対値|ΔAP|が所定値APREF以下であり、かつ車速センサ26で検出された車速VPの前回値と今回値との差の絶対値|ΔVP|が所定値VPREF以下であるか否かを判別する。この判別結果がNOのときには、エンジン3の運転状態が安定していないとして、燃料噴射量QINJの補正は行わず、そのまま本処理を終了する。
一方、ステップ11の判別結果がYESのときには、検出された筒内圧Pに応じて、図示平均有効圧力IMEPを算出する(ステップ12)。
次に、エンジン回転数NEおよびアクセル開度APに応じ、マップ(図示せず)を検索することによって、要求トルクPMCMDを算出する(ステップ13)。次いで、この要求トルクPMCMDに基づき、図4に示すテーブルを検索することによって、図示平均有効圧力の推定値(以下「推定圧力」という)IMEPESTを算出する(ステップ14)。このテーブルでは、推定圧力IMEPESTは、要求トルクPMCMDが大きいほど、得られるべき図示平均有効圧力が大きいため、より大きな値に設定されている。
次に、図示平均有効圧力IMEPと推定圧力IMEPESTとの圧力比R(=IMEP/IMEPEST)を算出し(ステップ15)、この圧力比Rが所定の下限値RLMTL(例えば0.95)以上で、かつ所定の上限値RLMTH(例えば1.05)以下であるか否かを判別する(ステップ16)。この判別結果がYESのときには、本処理を終了する。
一方、ステップ16の判別結果がNOのときには、推定圧力IMEPESTに対する図示平均有効圧力IMEPの乖離度合いが大きく、その原因がインジェクタ6の動作特性のずれによるものであるとして、燃料噴射量QINJを補正する。具体的には、圧力比Rの逆数(=1/R)を補正係数KQIとして設定し(ステップ17)、この補正係数KQIを燃料噴射量QINJに乗算することによって燃料噴射量を補正し、補正後燃料噴射量QINJCとして算出する(ステップ18)。このような燃料噴射量の補正が気筒3aごとに行われ、補正後燃料噴射量QINJCに基づき、インジェクタ6の開弁時間が制御されることによって、各気筒3aの燃焼室3dに、燃料噴射量QINJに相当する量の燃料が供給される。
次に、燃料噴射量QINJの補正が終了していることを表すために、補正終了フラグF_QINJCを「1」にセットし(ステップ19)、本処理を終了する。なお、この補正終了フラグF_QINJCは、エンジン3の始動時に「0」にリセットされる。
図5は、図2のステップ3で実行される吸気量QAの補正処理を示すフローチャートである。まず、ステップ21において、補正終了フラグF_QINJCが「1」であるか否かを判別する。この判別結果がNOのときには、本処理を終了する。
一方、ステップ21の判別結果がYESで、燃料噴射量QINJの補正がすでに終了しているときには、図3のステップ11と同様、アクセル開度APの前回値と今回値との差の絶対値|ΔAP|が所定値APREF以下で、かつ車速VPの前回値と今回値との差の絶対値|ΔVP|が所定値VPREF以下であるか否かを判別する(ステップ22)。この判別結果がNOのときには、本処理を終了する。一方、この判別結果がYESのときには、EGR制御弁8bへの駆動信号の出力を停止することによって、EGR動作を停止する(ステップ23)。これにより、吸気管4への排ガスの還流量を0にする。
次いで、LAFセンサ24で検出された空燃比AFに、燃料噴射量QINJを乗算することによって、吸入空気量の推定値(以下「推定吸気量」という)QAESTを算出する(ステップ24)。
次に、エアフローセンサ23で検出した吸気量QAと、推定吸気量QAESTとの偏差ΔQA(=QA−QAEST)の絶対値|ΔQA|が、所定値QAREF以上であるか否かを判別する(ステップ25)。この判別結果がNOのときには、本処理を終了する。
一方、ステップ25の判別結果がYESのときには、推定吸気量QAESTに対して吸気量QAが大きくずれており、エアフローセンサ23の出力特性がずれているとして、吸気量QAを補正するものとし、そのための補正係数KQAを算出する(ステップ26)。この補正係数KQAは、例えば、推定吸気量QAESTと吸気量QAとの吸気量比RQA(=QAEST/QA)を算出し、この吸気量比RQAに所定のなまし処理を施すことによって算出される。次に、算出した補正係数KQAに吸気量QAを乗算することによって吸気量QAを補正し、補正後吸気量QACとして設定した(ステップ27)後、本処理を終了する。
以上のように、本実施形態によれば、吸気量QAと、空燃比AFがリッチのときに算出された推定吸気量QAESTとの偏差ΔQAの絶対値|ΔQA|が所定値QAREF以上のときに吸気量QAを補正するので、エアフローセンサ23の出力特性のずれを適切に補償でき、それにより、吸入空気量の検出精度を向上させることができる。その結果、補正後吸気量QACに基づいて空燃比AFなどを適切に制御できるので、エミッションや燃費などを良好に維持することができる。また、LAFセンサ24は、エンジン3の制御のために通常、設けられるものであるので、そのような既存のLAFセンサ24を利用しながら、コスト増を伴うことなく、上記の作用を得ることができる。
また、図示平均有効圧力IMEPと推定圧力IMEPESTとの圧力比R(=IMEP/IMEPEST)が下限値RLMTLと上限値RLMTHとの間にないときには、インジェクタ6の動作特性がずれているとして、圧力比Rに基づいて燃料噴射量QINJを補正するとともに、それによって得られた補正後燃料噴射量QINJCに基づいて燃料を噴射するので、燃焼室3dに実際に噴射される燃料噴射量を、設定した燃料噴射量QINJと同じにすることができる。そして、そのような補正が終了した後に、燃料噴射量QINJを用いて推定吸気量QAESTを算出するので、その推定精度が高められ、その結果、吸入空気量の検出精度をより向上させることができる。
さらに、推定吸気量QAESTの算出に先立ち、EGR動作を停止し、排ガスの還流量を0にするので、排ガスの還流遅れなどにより吸入空気量が安定していない状態で、推定吸気量QAESTが算出されるのを回避でき、それにより、吸入空気量の検出精度をさらに向上させることができる。
また、NOx触媒7の還元のために行われるリッチ運転時を利用して吸気量QAを補正するので、補正用の格別の空燃比制御を行うことなく、補正の実行機会を容易に確保することができる。
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、吸気量QAの補正を実行するか否かの決定を、吸気量QAと推定吸気量QAESTとの偏差ΔQAに基づいて、吸気量QAの補正を、両吸気量の比に基づいて行っているが、これらを相互に入れ替えてもよく、あるいは、補正の実行の決定および補正の両方を、偏差および比の一方で行ってもよい。また、実施形態では、インジェクタ6の動作特性のずれを表す動作特性パラメータとして、図示平均有効圧力IMEPと推定圧力IMEPESTとの圧力比Rを用いているが、これに限らず、例えば両者の偏差を用いてもよい。さらに、実施形態のエンジン3は、燃料を直接、気筒3a内に噴射する直噴タイプのものであるが、燃料を吸気管内に噴射するポート噴射タイプのものでもよい。
また、実施形態は、本発明を車両に搭載されたディーゼルエンジンに適用した例であるが、本発明はこれに限らず、ガソリンエンジンなどの各種のエンジンに適用してもよく、また、車両用以外のエンジン、例えば、クランク軸を鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
本発明の実施形態による吸入空気量検出装置、およびこれを適用した内燃機関の概略構成を示す図である。 燃料噴射量および吸気量の補正処理を示すメインフローである。 燃料噴射量の補正処理を示すフローチャートである。 図3の処理で用いられるテーブルの一例である。 吸入空気量の補正処理を示すフローチャートである。
符号の説明
1 吸入空気量検出装置
2 ECU(燃料噴射量設定手段、吸入空気量推定手段、吸入空気量補正手段、
動作特性パラメータ算出手段、燃料噴射量補正手段および還流禁止手段)
3 エンジン
3d 燃焼室
4 吸気管(吸気系)
6 インジェクタ
8 EGR装置
23 エアフローセンサ
24 LAFセンサ(空燃比センサ)
QINJ 燃料噴射量
AF 空燃比
QA 吸気量(検出された吸入空気量)
QAEST 推定吸気量(推定された吸入空気量)
R 圧力比(動作特性パラメータ)

Claims (3)

  1. 内燃機関の吸気系を介して燃焼室に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出装置であって、
    前記吸気系に設けられ、吸入空気量を検出するエアフローセンサと、
    燃料噴射弁から噴射され、前記燃焼室に供給される燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段と、
    前記燃焼室に供給された空気と燃料との混合気の空燃比を検出する空燃比センサと、
    当該検出された空燃比が理論空燃比よりもリッチ側のときに、当該空燃比および前記設定された燃料噴射量に基づいて、吸入空気量を推定する吸入空気量推定手段と、
    前記検出された吸入空気量を、前記推定された吸入空気量との比較結果に基づいて補正する吸入空気量補正手段と、
    を備えることを特徴とする吸入空気量検出装置。
  2. 前記燃料噴射弁の動作特性のずれを表す動作特性パラメータを算出する動作特性パラメータ算出手段と、
    当該算出された動作特性パラメータに応じて、前記燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段と、をさらに備え、
    前記吸入空気量推定手段は、前記燃料噴射量補正手段による前記燃料噴射量の補正が終了しているときに吸入空気量の推定を実行することを特徴とする、請求項1に記載の吸入空気量検出装置。
  3. 前記内燃機関から排出された排ガスを前記吸気系に還流させるEGR装置と、
    前記吸入空気量推定手段によって吸入空気量を推定するときに、前記EGR装置による排ガスの還流を禁止する還流禁止手段と、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の吸入空気量検出装置。
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