JP2550972B2

JP2550972B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2550972B2
Application number: JP62051717A
Authority: JP
Inventors: 直人櫛; 博志岡野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-03-06
Filing date: 1987-03-06
Publication date: 1996-11-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JPS63219860A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は内燃機関の制御装置に係り、特にアナログ値
で検出された吸気管圧力をデイジタル値に変換し、変換
されたデイジタル値に基づいて内燃機関を制御する内燃
機関の制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より、吸気管圧力と機関回転速度とに基づいて燃
料噴射量や点火時期を制御する内燃機関の制御装置が知
られている。この制御装置においては、スロツトル弁の
下流側に圧力センサを取り付けて吸気管絶対圧力をアナ
ログ値で検出すると共に、アナログ−デイジタル（A/
D）変換器を用いてアナログ値を所定周期でデイジタル
値に変換し、このデイジタル値と回転速度センサによっ
て検出された機関回転速度とに基づいて燃料噴射時間や
点火進角を演算して燃料噴射弁やイグナイタを制御する
ことにより燃料噴射量や点火時期を制御している。上記
A/D変換器としては、積分型A/D変換器より高速処理が可
能な逐次比較型A/D変換器の使用も試みられているが、A
/D変換周期についてはもっぱらプログラムの演算処理等
のソフト負荷により決定して機関を制御している。

このような吸気管圧力のデイジタル値に基づいて機関
を制御する従来技術としては、吸気管圧力を1msec毎にA
/D変換して求めたデイジタル値の複数個の単純平均値ま
たはデイジタルフイルタで平均化した値を用いて機関を
制御する技術（特開昭60−1357号公報）や圧力センサ出
力をローパスフィルタで処理した後、5msec毎にA/D変換
して求めたデイジタル値の複数個の移動平均値を用いて
機関を制御する技術（特開昭59−32632号公報）があ
る。また、吸気管圧力に基づいて燃料噴射量を制御する
技術としては、圧力センサ出力をローパスフイルタで処
理した後A/D変換し、変換後の信号と前回求めた加重平
均値とを用いて吸気管圧力の加重平均値を求めて燃料噴
射量を制御する技術（特開昭60−156946号公報）があ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ここで、圧力センサ出力の機関脈動に帰因する周波数
特性と周期T_PMでA/D変換したデイジタル値から見た脈動
周波数特性とを比較すると、４サイクル４気筒エンジン
の場合は、機関回転速度NEに応じて第２図（１）〜
（３）に示すように変化する。第２図（１）〜（３）は
各々機関回転速度NEが低速回転、中速回転、高速回転の
場合の周波数特性を示すものである。第２図（１）〜
（３）から理解されるように、A/D変換周期T_PMが一定で
あるのに対して機関回転速度が高速になるに従って機関
が１回転するのに要する時間が短くなるため、機関１回
転当りのA/D変換回数が８、４、３と少なくなってい
る。

ここで、脈動（リツプル）周期を考えると４サイクル
ｎ気筒機関の場合720/n（゜CA）（゜CA＝クランク角）
に要する時間であるので、機関回転速度をNE（rpm）と
すれば、となる。第２図で示した様に、第２図の（２）の状態よ
りも機関回転速度が大きいと、A/D変換したデイジタル
値の周波数が実際の脈動周波数より小さくなってしま
う。即ち第２図（２）の脈動周期とA/D変換周期の関係
から明らかな様に、であれば、デイジタル値の周波数が実際の脈動周波数よ
り小さくなることはない。

ところが、今仮に４気筒４サイクル機関におけるA/D
変換周期を4msecとすれば（２）式を満足するNEは、より、NE＜3750（rpm）となり、機関の常用回転域内（3
750＜NE＜6000rpm）で、（２）式を満足できない状況が
多発する。

仮にNEが3750（rpm）で定常運転されA/D変換のタイミ
ングが丁度脈動の山と谷をA/D変換するタイミングとな
ると、圧力センサ出力波形の山と谷とでA/D変換する状
態が長時間発生し、このような状態ではA/D変換された
デイジタル値が圧力センサ出力波形の振幅分だけ変動す
るため、この変動によって機関の制御量が変動するとい
う問題が発生する。

また上記（２）式が満足されない状態では、A/D変換
の回数が少なくなって吸気管圧力が急変する過渡状態で
は機関を精度良く制御することができなくなる、という
問題が発生する。従って、従来技術で説明した5msec毎
にA/D変換した場合、上記（２）式を満足できない領域
はNE＞3000［rpm］となり、通常の運転域で多発するこ
とになる。

上記問題点を解決するためには、従来技術で説明した
ように1msec毎の高速A/D変換処理を行なえば解消できる
が、A/D変換周期が必要以上に短くなるためA/D変換の動
作回数が多くなり、マイクロコンピュータの演算負荷が
増大してメインルーチンの処理等の他の処理に悪影響を
及ぼす、という問題が発生する。

また、上記のローパスフイルタは遮断周波数（カツト
オフ周波数）f_cを超える入力周波数の信号を減衰させて
出力しかつ遮断周波数f_c未満の入力周波数の信号を通過
させるため、この遮断周波数を低周波数側に設定するこ
とにより圧力センサ出力から完全に機関脈動成分を除去
してA/D変換するようにすれば、デイジタル値の変動を
防止することができるが、遮断周波数f_cはf_c＝1/（２π
Ｔ）（Ｔは時定数、πは円周率）によって定まるため時
定数を大きくする必要があり、このように時定数を大き
くすると応答性が悪くなり過渡時の機関の制御の応答性
が悪化するという問題が発生する。また、上記の加重平
均値によるソフト処理はローパスフイルタと略同様であ
り、重み付け係数をｎとすると時定数ＴはＴ≒nT_PMと表
わされる。この加重平均値を演算するための重み付け係
数ｎを大きくすることによりA/D変換されたデイジタル
値の変動を緩和して機関制御量の変動を防止することが
できるが、重み付け係数ｎを大きくする結果時定数Ｔが
大きくなり、その結果遮断周波数f_cが低周波数側に移動
して、上記と同様の問題が発生する。また、高回転にお
いて加重平均値によるソフト処理を行なう場合には、A/
D変換の周期が圧力センサ出力波形の周期に対して長く
なるため、加重平均値演算手段への入力周波数がみかけ
上低下し、第３図から理解されるように圧力センサ出力
の機関脈動に帰因する周波数がデイジタル値から見た脈
動周波数の1/2以上となる領域であっても逆にゲインが
大きくなり（第３図の破線）定常運転状態での脈動成分
の除去ができなくなって定常運転状態での加重平均値に
変動を生じこの結果空燃比及び点火時期等も変動し、エ
ミツシヨンドライバビリテイが悪化するという問題が発
生する。

なお、上記の問題を解決するために、NE＞3750［rp
m］の領域でゲインの悪化が発生しても十分脈動成分が
吸収できるソフト処理を施すことも考えられるが、必然
的に遮断周波数が低周波数側に移動するかまたは同一周
波数での位相遅れが増大するため、過渡運転領域への応
答性を著しく低下させる。また、ハード回路によりNE＞
3750［rpm］の領域のゲインを低下させる方法もある
が、ソフト処理における場合と同様に過渡応答性を著し
く低下させる。このため位相進み要素（例えば、微分回
路）を併用したフイルタも用いられているが、全ての過
渡運転状態においてゲインがオーバシユートするため適
切なゲイン、過渡応答性を確保することができないとい
う問題が発生する。

本発明は上記問題点を解決すべく成されたもので、過
渡応答性を悪化させることなくかつ定常運転状態でも安
定した機関制御が可能な内燃機関の制御装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、スロツトル弁下
流側の吸気管圧力をアナログ値で検出する圧力センサ
と、機関の最大許容回転速度と気筒数との積の逆数に基
づいて定まる一定周期で前記アナログ値をデイジタル値
に変換するアナログ−デイジタル変換器と、前記デイジ
タル値に基づいて制御量を決定して機関を制御する制御
手段と、を含んで構成したものである。

〔作用〕

次に本発明の原理について説明する。機関の気筒数を
Ｎ、機関回転速度をNE（rpm）とすると、４サイクル火
花点火機関では１気筒あたり機関２回転に１回吸気行程
が行なわれるため、単位時間（以下の説明では１分）当
りの吸気行程数は次のようになる。

Ｎ・NE/2［回/min］ここで、圧力センサ出力の機関脈動に帰因する周波数
がデイジタル値から見た脈動周波数の1/2となるのは、
吸気行程１回当り２回A/D変換をする場合（第２図
（２）の状態）であるので、A/D変換回数は単位時間当
りＮ・NE［回/min］となる。従って、圧力センサ出力の
A/D変換周期を1/N・NE［min］（msecで表わすと60000/N
・NE）とすれば、機関回転速度NE未満の領域では、圧力
センサ出力の機関脈動に帰因する周波数はデイジタル値
から見た脈動周波数の1/2未満となりこれによって上記
の問題が解消される。従って、全ての運転領域において
圧力センサ出力の機関脈動に帰因する周波数をデイジタ
ル値から見た脈動周波数の1/2未満にするには、機関の
最大許容回転速度をNE_maxとすれば、A/D変換周期T_PM（m
sec）をT_PM＜6000/（Ｎ・NE_max）とすれば良い。このた
め本発明では、圧力センサによってスロツトル弁下流側
の吸気管圧力をアナログ値で検出し、機関の最大許容回
転速度と気筒数の積の逆数に基づいて定まる周期でアナ
ログ値をデイジタル値に変換し、このA/D変換されたデ
イジタル値に基づいて制御量を決定して機関を制御する
ようにしている。

ここで、４気筒４サイクルの内燃機関で最大許容回転
速度NE_maxが7000［rpm］の場合について考えると、T_PM
＜2.14msecとなるため、誤差等を考慮して圧力センサ出
力のA/D変換を2msec周期で行なえば良く、2msec以下の
短い周期で圧力センサ出力をA/D変換しても計算上のソ
フト負荷は増すことはあっても、精度上格別な効果は生
まれない。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、機関の最大許容
回転速度と気筒数とに基づいて最適なA/D変換周期を定
めているので、過渡時の応答性を悪化させることなく、
また、A/D変換の計算に要する負荷を軽減して定常運転
時の機関制御を安定して行なうことができる、という効
果が得られる。

〔態様の説明〕

本発明を実施するにあたっては以下の態様を取り得
る。第１の態様は、制御手段によって、デイジタル値の
過去の加重平均値の重みを重くしてデイジタル値の過去
の加重平均値と前記アナログ−デイジタル変換器で変換
された現在のデイジタル値とでデイジタル値の現在の加
重平均値を前記一定周期で演算し、デイジタル値の現在
の加重平均値に基づいて制御量を決定して機関を制御す
るようにしたものである。

すなわち、デイジタル値の過去の加重平均値をPMSM
_i-1、現在のデイジタル値をPMAD、デイジタル値の現在
の加重平均値をPMSM_i、重み付け係数をｎとしたとき以
下の式に従ってデイジタル値の現在の加重平均値PMSM_i
を演算し、この加重平均値PMSM_iに基づいて制御量を決
定して機関を制御するようにしたものである。

このように、加重平均値を演算することによりデイジ
タル値の変動が緩和されるため、圧力センサ出力自体ま
たは圧力センサ出力を機関脈動成分を除去できる程度の
フイルタで処理した出力（機関脈動成分が完全に除去さ
れていない信号）をA/D変換し、このデイジタル値の加
重平均値を演算することにより機関脈動成分を完全に除
去することができる。従って、フイルタを省略するかま
たは時定数の小さい安価なCRフイルタ等を用いることが
できるため、構造を簡単にして低コストで装置を製造す
ることができる。また、上記のデイジタル値は機関の変
動に速やかに追従するのでデイジタル値によって過渡時
の判断等を正確に行なうことができ、また加重平均値は
脈動成分を含んでいないので定常運転状態等の制御量を
安定化することができる。

また、第２の態様は、第１の態様と同一の方法で加重
平均値を演算して機関を制御する場合に、加重平均値を
演算するための重み付け係数ｎとアナログ値をデイジタ
ル値に変換するための一定周期T_PMとの積nT_PMが所定値
になるように重み付け係数ｎを決定するようにしたもの
である。

加重平均値によるソフト処理の時定数Ｔは、上記で説
明したようにＴ≒nT_PMで表わされるから、上記のように
機関の最大許容回転速度と気筒数との積の逆数に基づい
てA/D変換周期T_PMを演算し、時定数Ｔが変化しないよう
に重み付け係数ｎを定めれば、ソフト処理の周波数特性
を変化させることなく機関脈動成分の吸収性を向上させ
ることができ、これによって過渡応答性を犠牲にするこ
となく定常運転状態の機関脈動成分の吸収性を改善する
ことができ、定常運転状態での空燃比及び点火時期の変
動を抑制して排気エミツシヨン及びドライバビリテイを
向上することができる。

ここで、上記のようにA/D変換周期T_PMを2msec、時定
数Ｔを16msecとした場合、重み付け係数ｎは８となる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。なお、以下で本発明に支障のない数値を用いて説明
するが、本発明はこれらの数値に限定されるものではな
い。第４図は本発明の制御装置を備えた４気筒４サイク
ル火花点火機関（エンジン）の概略を示すものである。
このエンジンの最大許容回転速度NE_maxは7000［rpm］で
ある。

このエンジンは、１チツプの８ビツトマイクロコンピ
ユータ44によって制御されるものであり、エアクリーナ
（図示せず）の下流側には、スロツトル弁８が配置さ
れ、スロツトル弁８の下流側にサージタンク12が設けら
れている。このサージタンク12には、ダイヤフラム式の
圧力センサ６が取付けられている。この圧力センサ６の
出力端は、吸気管圧力の脈動成分を取除くための時定数
が小さく（例えば、３〜5msec）かつ応答性の良いCRフ
イルタ等で構成されたフイルタ（第５図）に接続されて
いる。なお、このフイルタは圧力センサ内に内蔵させる
ようにしても良い。また、スロツトル弁８を迂回しかつ
スロツトル弁上流側とスロツトル弁下流側のサージタン
ク12とを連通するようにバイパス路14が設けられてい
る。このバイパス路14には４極の固定子を備えたパルス
モータ16Aによって開度が調節されるISC（アイドルスピ
ードコントロール）バルブ16Bが取付けられている。サ
ージタンク12は、インテークマニホールド18及び吸気ポ
ート22を介してエンジン20の燃焼室に連通されている。
そしてこのインテークマニホールド18内に突出するよう
各気筒毎に燃料噴射弁24が取付けられている。

エンジン20の燃焼室は、排気ポート26及びエキゾース
トマニホールド28を介して三元触媒を充填した触媒装置
（図示せず）に連通されている。このエキゾーストマニ
ホールド28には、理論空燃比を境に反転した信号を出力
するO₂センサ30が取付けられている。エンジンブロツク
32には、このエンジンブロツク32を貫通してウオータジ
ヤケツト内に突出するよう冷却水温センサ34が取付けら
れている。この冷却水温センサ34は、エンジン冷却水温
を検出して水温信号を出力し、水温信号で機関温度を代
表する。なお、機関オイル温を検出して機関温度を代表
させても良い。

エンジン20のシリンダヘツド36を貫通して燃焼室内に
突出するように各気筒毎に点火プラグ38が取付けられて
いる。この点火プラグ38は、デイストリビユータ40及び
イグナイタ42を介して、マイクロコンピユータ44に接続
されている。このデイストリビユータ40内には、デイス
トリビユータシヤフトに固定されたシグナルロータとデ
イストリビユータハウジングに固定されたピツクアツプ
とで各々構成された気筒判別センサ46及び回転角センサ
48が取付けられている。気筒判別センサ46は例えば720
゜CA毎に気筒判別信号を出力し、回転角センサ48は例え
ば30゜CA毎にエンジン回転数信号を出力する。

マイクロコンピユータ44は第５図に示すようにマイク
ロプロセツシングユニツト（MPU）60、リード・オンリ
・メモリ（ROM）62、ランダム・アクセス・メモリ（RA
M）64、バツクアツプラム（BU−RAM）66、入出力ポート
68、入力ポート70、出力ポート72、74、76及びこれらを
接続するデータバスやコントロールバス等のバス75を含
んで構成されている。入出力ポート68には、A/D変換器7
8とマルチプレクサ80とが順に接続されている。マルチ
プレクサ80には、抵抗ＲとコンデンサＣとで構成された
フイルタ７及びバツフア82を介して圧力センサ６が接続
されると共にバツフア84を介して冷却水温センサ34が接
続されている。MPU60は、マルチプレクサ80及びA/D変換
器78を制御して、フイルタ７を介して入力される圧力セ
ンサ６出力及び冷却水温センサ34出力を順次デジタル信
号に変換してRAM64に記憶させる。従って、マルチプレ
クサ80、A/D変換器78及びMPU60等は、圧力センサ出力を
所定時間毎にサンプリングするサンプリング手段として
作用する。入力ポート70には、コンパレータ88及びバツ
フア86を介してO₂センサ30が接続されると共に波形整形
回路90を介して気筒判別センサ46及び回転角センサ48が
接続されている。出力ポート72は駆動回路92を介してイ
グナイタ42に接続され、出力ポート74はダウンカウンタ
を備えた駆動回路94を介して燃料噴射弁24に接続され、
そして出力ポート76は駆動回路96を介してISCバルブの
パルスモータ16Aに接続されている。なお、98はクロツ
ク、99は最下位ビツト（LSB）が４μsecでかつ８ビツト
のフリーランカウンタであり、このカウンタはオーバフ
ローする毎、すなわち1024μsec毎に割込み信号をMPU60
に出力する。上記ROM62には、以下で説明する制御ルー
チンのプログラム等が予め記憶されている。

次に、上記エンジンに第１の態様と第２の態様とを適
用した実施例の制御ルーチンについて説明する。なお、
上記エンジンの最大許容回転速度NE_maxは7000［rpm］で
あり、2msec毎にA/D変換すれば十分であるから、2.048m
sec（≒2msec）毎にA/D変換し、上記第２の態様よりA/D
変換周期T_PMを2msecとして加重平均値を演算するための
重み付け係数ｎを８とした。

第１図は、フリーランカウンタ99がオーバフローする
毎（1.024msec毎）に割込まれるタイム割込みルーチン
を示すもので、ステツプ100において割込み回数２回当
り１回圧力センサ出力をA/D変換し、かつ圧力センサ出
力のA/D変換を行なわない場合には他のアナログ値のA/D
変換を行なうように、すなわち圧力センサ出力と他のア
ナログ値とのA/D変換が交互に行なわれるようにA/D変換
のスケジユーリングを行ない、ステツプ102において入
出力ポート68からA/D変換器78にA/D変換開始信号を出力
してA/D変換器78を起動させる。このA/D変換器78でのA/
D変換が終了するとA/D変換が終了した時点でA/D変換器7
8からシリアルイン割込み信号が出力されてメインルー
チンへリターンされ、このときシリアルイン割込みルー
チンが実行される。

第６図は、シリアルイン割込みルーチンを示すもの
で、ステツプ104においてA/D変換器78で変換されたデイ
ジタルPMADをPAMまたはレジスタに記憶させ、A/D変換後
の後処理を行なうため、ステツプ106においてソフト割
込み信号を出力した後メインルーチンへリターンする。

第７図は、ソフト割込み信号が出力されたときに起動
されるソフト割込みルーチンを示すもので、ステツプ10
8において入力に応じたA/D変換後の後処理を行なうため
吸気管圧力PMの処理かその他の処理かを判断し、吸気管
圧力の処理であると判断された場合には、ステツプ110
において上記（１）式の重み付け係数ｎを８として過去
の加重平均値PMSM_I-1とステツプ104で記憶されたデイジ
タル値PMADとを用いて現在の加重平均値PMSM_iを演算し
てRAMに記憶する。

第８図は、メインルーチンの一部（燃料噴射時間を演
算する部分のみ示した）を示すもので、ステツプ112に
おいて現在の加重平均値PMSM_iと回転角センサ出力より
得られるエンジン回転速度NEとを取込み、ステツプ114
においてデイジタル値PMSM_iとエンジン回転速度NEとに
基づいて基本燃料噴射時間TPを演算する。そして、ステ
ツプ116において吸気温やエンジン冷却水温等で定まる
補正係数Ｋによって基本燃料噴射時間TPを補正すること
により燃料噴射時間TAUを演算する。そして、図示しな
い燃料噴射ルーチンにおいて所定クランク角で燃料噴射
時間TAUに相当する時間燃料噴射弁が開弁されることに
より燃料噴射が実行される。この燃料噴射は、エンジン
１回転当り２回噴射することができる。

第９図は、所定クランク角毎に割込まれて実行点火進
角θを演算する割込みルーチンを示すもので、ステツプ
118においてRAMに記憶されているデイジタル値の現在の
加重平均値PMSM_iとエンジン回転速度NEとを取込み、ス
テツプ120において加重平均値PMSM_iとエンジン回転速度
NEとに基づいて基本点火進角θ_BASEを演算し、ステツプ
122において基本点火進角θ_BASEをノツキングが発生し
たとき点火時期を遅角しかつノツキングが発生しないと
き点火時期を進角させる補正遅角量やエンジン冷却水温
等で定まる補正量を用いて補正することにより実行点火
進角θを演算する。そして、イグナイタをオンさせてお
いて実行点火進角θになったときにイグナイタをオフす
ることにより点火時期が制御される。

以上説明したように本実施例によれば、エンジンの脈
動の周波数特性を考慮して決定した周期で圧力センサ出
力をA/D変換して燃料噴射量及び点火時期を制御するよ
うにしているので過渡応答性を損なうことなく定常運転
状態での燃料噴射量及び点火時期の変動を防止して排気
エミツシヨンやドライバビリテイを良好にすることがで
きる、という効果が得られる。

また、コンピユータハードに構成された時間割込処理
の周期を用いてPMのA/D周期を決めて、本発明の主旨を
最適に実施できるA/D周期を与えており、不要なA/D周期
設定のロジツク等が不要であり、プログラムワード数も
大幅に削減できる。

また、このようにNE_maxに応じ必要以上に高速なA/D変
換を行なっていないため、ソフトウエア、CPU上の計算
負荷も低減でき、依って他の処理性能をより一層向上で
きる効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のタイム割込みルーチンを示
す流れ図、第２図は圧力センサ出力の機関脈動に帰因す
る周波数特性とデイジタル値から見た脈動周波数特性と
を比較して示す線図、第３図はフイルタによる出力周波
数とゲインとの関係を示す線図、第４図は本発明の一実
施例の制御装置を備えた内燃機関の概略図、第５図は第
４図のマイクロコンピユータの詳細を示すブロツク図、
第６図は上記実施例のシリアルイン割込みルーチンを示
す流れ図、第７図は上記実施例のソフト割込みルーチン
を示す流れ図、第８図は上記実施例のメインルーチンを
示す流れ図、第９図は上記実施例の実行点火進角を演算
するための割込みルーチンを示す流れ図である。６……圧力センサ、 24……燃料噴射弁、 44……マイクロコンピユータ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】スロツトル弁下流側の吸気管圧力をアナロ
グ値で検出する圧力センサと、機関の最大許容回転速度
と気筒数との積の逆数に基づいて定まる一定周期で前記
アナログ値をデイジタル値に変換するアナログ−デイジ
タル変換器と、前記デイジタル値に基づいて制御量を決
定して機関を制御する制御手段と、を含む内燃機関の制
御装置。
【請求項２】前記制御手段は、デイジタル値の過去の加
重平均値の重みを重くしてデイジタル値の過去の加重平
均値と前記アナログ−デイジタル変換器で変換された現
在のデイジタル値とでデイジタル値の現在の加重平均値
を前記一定周期で演算し、デイジタル値の現在の加重平
均値に基づいて制御量を決定して機関を制御する特許請
求の範囲第（１）項記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】前記加重平均値を演算するための重み付け
係数と前記アナログ値をデイジタル値に変換するための
一定周期との積が所定値になるように前記重み付け係数
を決定する特許請求の範囲第（２）項記載の内燃機関の
制御装置。