JP2015034517A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸気通路に設けられたエアフローメータを介して吸気通路を流れる吸気の流量を計測することにより気筒に充填される吸気量を求めるものにおいて、エアフローメータの出力信号から簡便に誤差成分を取り除く。
【解決手段】エアフローメータの出力信号から脈動を含む周波数成分の信号を抽出し、その抽出した信号から吸気通路を逆流する吸気の流量分を検出してこれを除去するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関を制御する制御装置に関し、特に、エアフローメータの出力信号を参照して気筒に充填される吸気量を推算する制御装置に関する。

内燃機関の吸気通路にエアフローメータを設置して吸気通路を流れる吸気の流量を直接計測し、気筒に充填される吸気量を推算して燃料噴射量を決定する燃料噴射制御システムが公知である。

エアフローメータの出力には、誤差が混入している。その誤差には、吸気脈動の影響の他、吸気通路を逆方向に流れる気流をエアフローメータが正方向の気流であると誤認する（エアフローメータは、気流の方向を必ずしも検知できない）ことによるものが含まれる。吸気量の推算が不正確であると、適正な燃料噴射量を定めることができず、混合気の空燃比が理論空燃比から逸脱して、排気中に含まれる有害物質の量が増大する懸念がある。

そこで、従来より、エンジン回転数、スロットルバルブ開度、吸気バルブの閉弁タイミング等に応じて補正量を決定し、当該補正量を以てエアフローメータの出力に基づく吸気量を補正することが行われている（例えば、下記特許文献を参照）。

しかしながら、様々なエンジン回転数、スロットルバルブ開度、吸気バルブタイミング等の条件に対して補正量を実験的に求め、マップデータ化する必要があり、そのマップデータの作成に多大な工数を要するという不利があった。

特開２００１−０５００９０号公報

本発明は、エアフローメータの出力信号から簡便に誤差成分を取り除くことを所期の目的としている。

本発明では、内燃機関の吸気通路に設けられたエアフローメータを介して吸気通路を流れる吸気の流量を計測することにより気筒に充填される吸気量を求めるものにおいて、エアフローメータの出力信号から脈動を含む周波数成分の信号を抽出し、その抽出した信号から吸気通路を逆流する吸気の流量分を検出してこれを除去することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

前記周波数成分の信号の極大値が比較的大きい値と比較的小さい値とを交互にとる場合には、当該信号に吸気通路を逆流する吸気の流量分が含まれていると判断する。そして、その小さい方の極大値を含む波形の部分を除去する。

本発明によれば、エアフローメータの出力信号から簡便に誤差成分を取り除くことができる。

本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。 エアフローメータの出力信号を例示する図。 エアフローメータの出力信号から抽出される、脈動を含む周波数成分の信号を例示する図。 エアフローメータの出力信号から抽出される、脈動を含む周波数成分の信号を例示する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を計測する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を計測するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として計測するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、気筒１を内包するシリンダブロックの振動の大きさを計測するノックセンサから出力されるノック信号ｄ、吸気通路３（特に、スロットルバルブ３２の上流側（エアクリーナ３１とスロットルバルブ３２との間）の部位）を流通する吸気の流量を計測するエアフローメータから出力される吸気流量信号ｅ、内燃機関の冷却水温を計測する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。

本実施形態のＥＣＵ０は、吸気通路３を流通する吸気の流量を計測するエアフローメータが出力する信号ｅをサンプリングし、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）処理して、当該出力信号ｅから吸気量の推算値の誤差をもたらす成分を取り除く。

図２に、エアフローメータの出力信号ｅの一例を示す。図２に示している通り、エアフローメータの出力信号ｅは脈動している。脈動の成分には、吸気通路３の形状、管路長、管径、エアクリーナ３１やスロットルバルブ３２の配置等に応じて定まる吸気通路３固有の周波数成分や、各気筒１で周期的に吸気行程が営まれることによる周波数成分等が含まれる。

とりわけ、気筒１における吸気下死点後に吸気バルブが開弁していることに伴う吸気の吹き戻し（吸気下死点から圧縮上死点へと向かうピストンによって一旦気筒１に流入した吸気が再び吸気マニホルド３４側に押し出される現象）や、吸気慣性により吸気バルブが閉弁した後に気筒１に向かって流れた空気（の疎密波）の反射等もまた、出力信号ｅの脈動の要因となる。エアフローメータは、正方向（エアクリーナ３１側からスロットルバルブ３２ひいては気筒１側に向かう方向）の空気の流れに対しても、逆方向（スロットルバルブ３２側からエアクリーナ３１側に向かう方向）の空気の流れに対しても、等しくその流速を検出する。換言すれば、エアフローメータは気流の方向を必ずしも検知できず、その出力信号ｅによって示される流量は正方向ではなく逆方向の流量であることがある。

そこで、ＥＣＵ０は、エアフローメータの出力信号ｅから脈動を含む周波数成分の信号を抽出し、その抽出した信号から吸気通路３を逆流する吸気の流量分を検出してこれを除去する処理を行う。本実施形態において、ＥＣＵ０は、出力信号ｅから
１）吸気通路３固有の周波数成分
２）各気筒１の吸気行程が周期的に訪れることによる周波数成分
をそれぞれ抽出し、抽出した各信号から、吸気が逆方向に流れたことに起因する信号波形を検出する。そして、当該信号波形を、エアフローメータの出力信号ｅから減算する。

ＥＣＵ０は、吸気通路３の形状等に応じて定まる固有周波数を含む一定の周波数帯成分を通過させる（それ以外の周波数帯成分を減衰ないし遮断する）フィルタに出力信号ｅを入力することで、当該周波数帯の成分を抽出する。

図３に、ＥＣＵ０が出力信号ｅから抽出した、固有周波数を含む一定の周波数帯成分を例示する。抽出した信号は、比較的大きい（即ち、極大値Ｍ２よりも大きい）極大値Ｍ１と、比較的小さい（即ち、極大値Ｍ１よりも小さい）極大値Ｍ２とを交互にとるような波形を描く。そのうち、図３において破線で表している、比較的小さな極大値Ｍ２を含んだ波形の部分が、吸気通路３を逆流する気流に起因してエアフローメータから出力された脈動の成分であると推測される。そこで、ＥＣＵ０は、当該波形の部分（極大値Ｍ２の直前の極小値Ｍ３から直後の極小値Ｍ４までの部分）を、エアフローメータの出力信号ｅから減算して除去する。

並びに、ＥＣＵ０は、各気筒１の吸気行程の訪れる周期に対応した周波数を含む周波数帯成分を通過させるフィルタに出力信号ｅを入力することで、当該周波数帯の成分を抽出する。当該フィルタが通過させる（または、遮断する）周波数帯は、そのときのエンジン回転数によって変更する。例えば、四気筒エンジンにおいて、現在のエンジン回転数が１８００ｒｐｍである場合、一秒間に六十回の吸気行程が営まれるので、ｎ／６０Ｈｚ（ｎは自然数）を含む周波数帯を通過させる。

図４に、ＥＣＵ０が出力信号ｅから抽出した、吸気行程の訪れる周期に対応した周波数を含む周波数帯成分を例示する。抽出した信号は、比較的大きい（即ち、極大値Ｍ６よりも大きい）極大値Ｍ５と、比較的小さい（即ち、極大値Ｍ５よりも小さい）極大値Ｍ６とを交互にとるような波形を描く。そのうち、図４において破線で表している、比較的小さな極大値Ｍ６を含んだ波形の部分が、吸気通路３を逆流する気流に起因してエアフローメータから出力された脈動の成分であると推測される。そこで、ＥＣＵ０は、当該波形の部分（極大値Ｍ６の直前の極小値Ｍ７から直後の極小値Ｍ８までの部分）を、エアフローメータの出力信号ｅから減算して除去する。

総じて言えば、ＥＣＵ０は、エアフローメータの出力信号ｅから、上述した二つの波形の成分を除去した上で、その信号を参照して気筒１に充填される吸気量を推算する。

本実施形態では、内燃機関の吸気通路３に設けられたエアフローメータを介して吸気通路３を流れる吸気の流量を計測することにより気筒１に充填される吸気量を求めるものにおいて、エアフローメータの出力信号ｅから脈動を含む周波数成分（吸気通路３固有の周波数成分、各気筒１の吸気行程が周期的に訪れることによる周波数成分）の信号を抽出し、その抽出した信号から吸気通路３を逆流する吸気の流量分を検出してこれを除去することを特徴とする内燃機関の制御装置０を構成した。

特に、前記周波数成分の信号の極大値が比較的大きい値Ｍ１、Ｍ５と比較的小さい値Ｍ２、Ｍ６とを交互にとる場合に、当該信号に吸気通路３を逆流する吸気の流量分が含まれていると判断し、その小さい方の極大値Ｍ２、Ｍ６を含む波形の部分を除去することとした。

本実施形態によれば、エアフローメータの出力信号ｅから簡便に誤差成分を取り除くことが可能となり、気筒１に充填される吸気量の推算の精度が向上してエミッションが良化する、即ち排気中に含まれる有害物質量の増大を抑制することができる。従来の制御手法のように、エンジン回転数、スロットルバルブ３２の開度、吸気バルブタイミング等の諸条件に対応したエアフローメータ出力の補正量のマップデータを作成する工数を費やさずに済む。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の点火制御に適用することができる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
３…吸気通路
ｅ…エアフローメータの出力信号
Ｍ１、Ｍ５…比較的大きい極大値
Ｍ２、Ｍ６…比較的小さい極大値

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路に設けられたエアフローメータを介して吸気通路を流れる吸気の流量を計測することにより気筒に充填される吸気量を求めるものにおいて、
   エアフローメータの出力信号から脈動を含む周波数成分の信号を抽出し、その抽出した信号から吸気通路を逆流する吸気の流量分を検出してこれを除去する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記周波数成分の信号の極大値が比較的大きい値と比較的小さい値とを交互にとる場合に、当該信号に吸気通路を逆流する吸気の流量分が含まれていると判断する請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記周波数成分の信号の極大値が比較的大きい値と比較的小さい値とを交互にとる場合に、その小さい方の極大値を含む波形の部分を除去する請求項２記載の内燃機関の制御装置。

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