JP2734202B2

JP2734202B2 - 過給機付内燃機関の空燃比制御装置

Info

Publication number: JP2734202B2
Application number: JP2405047A
Authority: JP
Inventors: 武史小谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1998-03-30
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: JPH07139389A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は過給手段が過給作動を
行う運転時に空燃比を希薄に設定する内燃機関における
空燃比制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特願平1-156685号では過給機が過給作動
を行う高回転、高負荷運転域において空燃比を理論空燃
比より希薄側に設定する内燃機関を提案している。即
ち、この内燃機関では過給圧力は通常の値より高く設定
され、過給により空気密度を高め、高回転、高負荷運転
域において安定な希薄燃焼を可能とし、燃料消費率の大
幅な向上を狙っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】希薄燃焼させた場合、
同一点火時期で、ノッキングは起き難くなる。ところ
が、長い上り坂を運転する場合により高回転、高負荷運
転を継続すると燃焼温度が上がるため希薄燃焼でもノッ
キングが起こるようになる。ノッキングの対策として空
燃比を理論空燃比よりリッチ側の値にすることがある
が、超希薄領域から理論空燃比を通過して、理論空燃比
よりリッチにするという制御はノッキングの回避が時間
を要し、迅速なノッキング制御という見地からは好まし
くない。ノッキング回避のもう一つの対策として希薄空
燃比領域ではより空燃比を希薄化すればよいことは知ら
れているが、希薄化の程度が過大となると機関トルクの
変動が大きくなり、運転性の不良が著しくなる。

【０００４】この発明は過給機による過給作動域で空燃
比を希薄に設定する内燃機関において、ノッキングの防
止と、運転性の確保との相矛盾する要求を調和させるこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の過給機付内燃
機関の空燃比制御装置は、図１において、内燃機関の吸
気系に配置された過給手段Ａと、過給手段Ａが過給作動
を行う運転時に内燃機関に導入される混合気の空燃比を
理論空燃比より希薄側の値を持つように設定する空燃比
設定手段Ｂと、内燃機関のノッキングを検出する手段Ｃ
と、複数の燃焼サイクル間での内燃機関が発生するトル
クの変動を検出する手段Ｄと、ノッキングの検出時にト
ルクの前記サイクル間変動が出ない限りにおいて空燃比
設定手段Ｂにより設定される希薄側空燃比をより希薄側
の空燃比の修正する手段Ｅとからなる。

【０００６】

【作用】過給手段Ａは過給を行う。希薄空燃比設定手段
Ｂは過給手段Ａが過給を行う運転域において、空燃比を
理論空燃比より希薄側に設定する。ノッキング検出手段
Ｃは内燃機関のノッキングを検出し、トルク変動検出手
段Ｄは内燃機関の複数のサイクル間のトルク変動を検出
する。

【０００７】希薄空燃比修正手段Ｅは、ノッキングの検
出時に複数のサイクル間のトルク変動が出ない限りにお
いて空燃比設定手段Ｂにより設定される希薄側空燃比を
より希薄側の空燃比の修正する。

【実施例】図２において、10は多気筒（例えば４気筒）
内燃機関のシリンダブロック、12はシリンダボア、14は
吸気弁、16は吸気ポートである。吸気ポート16は最も通
常のストレートポートとして構成することができ、吸気
弁14が開けられる吸気行程においてシリンダボア12内に
均質な所謂ホモジェニアスな混合気を形成するものであ
る。18は排気弁、20は排気ポートである。吸気ポート16
は吸気管22に接続され、排気ポート20は排気管24に接続
される。25は触媒コンバータである。23はディストリビ
ュータである。

【０００８】26は過給機としてのターボチャージャであ
り、ターボチャージャ26は吸気管22に接続されるコンプ
レッサハウジング28と、コンプレッサハウジング28に収
納されるコンプレッサホイール30と、排気管24に接続さ
れるタービンハウジング32と、タービンハウジング32に
収納されるタービンホイール34とから構成される。この
ターボチャージャ26は理論空燃比で運転される通常のタ
ーボチャージャよりその過給能力が大きなものに選定さ
れる。すなわち、特願平1-156685号で説明したように理
論空燃比で運転される通常のターボチャージャがその過
給能力が大気圧に対してせいぜい300m-450mmHg位（過給
圧力比＝ターボチャージャ下流の圧力／ターボチャージ
ャ上流の圧力で1.5 位) の過給圧を得ることができる程
度のものであるのと比較して、この発明のターボチャー
ジャはその過給能力が700-1000mmHg程度（過給圧力比で
1.5 以上、好ましくは2-2.5)の強力なものが必要であ
る。すなわち、通常のエンジンでは排気温度やノッキン
グ等により過給圧をあまり高くできないが、この発明で
は高負荷側で混合気を希薄側に設定することにより、排
気系の過熱を防止し過給圧を従来より高めることにより
安定な燃焼を可能としている。ターボチャージャ26のコ
ンプレッサホイール30の下流にインタークーラ35が配置
される。

【０００９】36は燃料インジェクタであり、吸気ポート
16の付近の吸気管22に配置される。尚、この発明の思想
は気化器式の内燃機関でも実現することができる。スロ
ットル弁38はケーブル40を介してアクセルペダル42に連
結される。ターボチャージャ26のタービン34を迂回して
バイパス通路44が設けられ、バイパス通路44にウエイス
トゲート弁46が配置される。ウエイストゲート弁46はダ
イヤフラム機構48に連結される。ダイヤフラム機構48は
ダイヤフラム48a と、スプリング48b と、ダイヤフラム
48a の一側の過給圧室48c と、ダイヤフラム48a の他側
の大気室48d とを具備する。過給圧室48c は過給圧通路
50を介してコンプレッサ30の下流の吸気管における過給
圧取り出しポート52に接続される。過給圧取り出し通路
50に接続される通路54に電磁開閉弁である過給圧制御弁
56が設けられる。過給圧制御弁56がONである場合、オリ
フィス58の寸法で決まる量の空気が通路50にブリードさ
れ、過給圧室48c の圧力はコンプレッサ30の下流の過給
圧取り出しポート52の圧力より小さくなる。そのため、
過給圧取り出しポート52の圧力がスプリングのセット力
に相当する圧力に到達した段階ではウエイストゲート弁
46は開弁されない。過給圧室48c の圧力がスプリング48
b のセット力に相当する圧力まで過給圧取り出しポート
52の圧力が増大したときウエイストゲート弁46は開弁に
到り、このときの過給圧取り出しポート52の圧力がター
ボチャージャの設定過給圧であり、前述のように通常の
過給機のそれより大幅に大きくなっており、この状態が
この過給システムにおける常態での過給圧の設定であ
る。

【００１０】過給圧制御弁56をOFF すると、通路50への
大気のブリードが停止され、ウエイストゲート弁46が開
弁するときの過給圧室48c の圧力と、過給圧取り出しポ
ート52の圧力とは等しく、スプリング48b のセット力に
よって決まる。即ち、過給圧制御弁56をOFF することに
より、設定過給圧は小さくなる。後述のように、通常は
過給圧制御弁56はOFF され、設定過給圧は大きくなる
が、ノッキングが発生した場合において、トルク変動が
大きくなった場合は過給圧制御弁56はOFF され、小さい
側の設定過給圧に切り換えられ、トルク変動が大きくな
った場合におけるノッキングの発生を抑制するようにし
ている。

【００１１】制御回路60はこの発明に従って燃料噴射制
御を行うものでマイクロコンピュータシステムとして構
成される。制御回路60には各センサが接続され、エンジ
ンの運転条件信号が入力している。そのようなセンサと
して、まずディストリビュータ23にクランク角度センサ
62,64 が設けられる。第１のクランク角度センサ62は基
準信号用で、例えば、エンジンの１回転(720°CA）毎に
パルス信号を発生するものである。第２のクランク角度
センサ62はタイミング計測及び回転数計測用で、例え
ば、クランク角度で５°毎にパルス信号を発生するもの
である。66は吸気管圧力センサであり、内燃機関の負荷
因子である吸気管の絶対圧力PMに応じた信号を発生す
る。吸気管圧力センサ66の代わりに吸入空気量を計測し
てもよいことはいうまでもない。燃焼圧力センサ68が燃
焼室に開口するように設けられ、燃焼圧力PCを知り、燃
焼圧力PCより周知のようにエンジンが発生するトルク代
用値を算出することができ、この算出されたトルクの変
動よりエンジンの燃焼変動を知ることができる。この発
明ではノッキングがあった場合のリーン側への空燃比の
制御の限界をトルク変動により把握している。ノックセ
ンサ70はエンジン本体の機械的な振動よりノッキングを
知るものである。この発明では、希薄燃焼領域において
ノッキングがあった場合に空燃比をより希薄側の制御し
てノッキングを回避することを原理としている。制御回
路60は各センサからのエンジン運転条件信号をもとに必
要な演算を実行し、燃料噴射量制御を行うことになる。

【００１２】以下制御回路60の作動をフローチャートに
よって説明すると、図３は燃料噴射ルーチンであり、こ
のルーチンは各気筒の燃料噴射毎（例えば４気筒エンジ
ンでは180 °CA毎）に実行される。ステップ100 ではエ
ンジン回転数NEが入力され、ステップ102 では吸気管圧
力PMが入力され、ステップ104 ではエンジン回転数NE及
び吸気管圧力PMより基本噴射量TPが算出される。周知の
ように基本噴射時間TPはその回転数NE及び吸気管圧力PM
で理論空燃比を得ることができる燃料噴射量に応じてい
る。ステップ106 ではリーン補正係数KLEAN が算出され
る。リーン補正係数KLEAN は機関回転数及び吸気管圧力
によって決まる希薄側の空燃比が得られるようにステッ
プ104 で算出される基本噴射時間TPに補正を加えるもの
である。図６は回転数と吸気管圧力に対する空燃比の設
定を一例を示す。即ち、この発明では過給機が過給作動
を行う高回転、高負荷域では空燃比は理論空燃比よりリ
ーン側に設定され、スロットル弁がある程度開かれたｍ
のラインからスロットル弁の全開までの回転数NE及び吸
気管圧力PMの領域において空燃比は希薄設定される。即
ち、この希薄空燃比領域においてリーン補正係数KLEAN
は所期の空燃比を得るための値（＜1.0)を持っている。
ｍのラインより内側の斜線領域（低回転数、低負荷域）
では過給機が過給能力を発揮することができず、希薄燃
焼を安定に行うことができないため、空燃比は理論空燃
比（≒14.5) に設定される。即ち、KLEAN=1.0 である。
ステップ108 ではKLEAN<1.0 か否か判別される。KLEAN<
1.0 でないとき、即ち、KLEAN=1.0 に設定される理論空
燃比燃焼領域ではステップ110に進みノッキングの有無
の判別が行われる。ノッキングの検出については後で説
明する。ノッキングがないと判定した場合は、ステップ
112 に進み、ノッキング補正係数KNK=1.0 とされる。従
って、理論空燃比が得られる。ノッキング有りの判定の
ときはステップ110 よりステップ114 に進み、ノッキン
グ補正係数KNK は1.0 にノッキングレベルに応じて決ま
る量ｆを加算したものとなる。即ち、理論空燃比作動域
においてノッキングがあった場合に空燃比は理論空燃比
よりリッチ側となるように補正されている。図７の太実
線は空燃比と点火時期に対するノッキング限界を示して
おり、その内側の斜線領域がノッキング発生領域であ
る。理論空燃比で運転した場合にノッキング限界は点火
時期の最小進み量において得られ、空燃比を理論空燃比
よりリッチ側にしたときは空燃比をリッチにすればする
ほど、同一点火時期に対してノッキング限界に対し余裕
が出てくる。従って、理論空燃比よりリッチ側では空燃
比をリッチ側に修正することでノッキングを押さえるこ
とができる。図８はノッキング量に対する補正係数量ｆ
の変化の一例を示す。

【００１３】ステップ108 でKLEAN<1.0 、即ち希薄燃焼
域と判断したときはステップ116 に進み、ノッキング有
りか否か判別される。ノッキング無しと判断されると
き、即ちステップ106 で設定される希薄空燃比に制御す
べきときはステップ118 に進み、過給圧制御弁56を開放
する。その結果、通路50への大気圧のブリードが行わ
れ、設定過給圧は通常の大きな値をもつことになる。ス
テップ120 ではノッキング補正係数KNK=1.0 とされ、空
燃比はステップ106 のリーン補正係数の値で決まる本来
の希薄空燃比となる。

【００１４】ステップ116 でノッキング有りと判断され
るときはステップ116 よりステップ122 に進み、燃焼変
動SV≦所定値Ｋか否か判別される。後述のように、燃焼
変動SVは燃焼圧力から算出されるトルク代用値の分散値
である。ステップ122 でSV≦Ｋ、即ち、燃焼変動がない
と判断されるときはステップ124 に進み、ノッキング補
正係数KNK は1.0 にノッキングレベルに応じて決まる量
ｇを引き算したものとなる。即ち、希薄空燃比作動域に
おいてノッキングがあった場合に空燃比は、ステップ10
6 で設定される本来の希薄空燃比より、空燃比をリーン
にすればするほど、同一点火時期に対してノッキング限
界に対し余裕が出てくる（図７参照）。従って、希薄燃
焼領域では空燃比をリーン側に修正することでノッキン
グを押さえることができる。図８にノッキング量に対す
る補正係数量ｇの変化の一例を示す。

【００１５】ステップ122 でSV＞Ｋ、即ち、燃焼変動が
許容できないと判断されるときはステップ126 に進み、
過給圧制御弁56を閉鎖する。その結果、通路50への大気
圧のブリードは停止され、設定過給圧は制御弁56が開放
時の通常の値より下げられる。即ち、燃焼変動があると
きは空燃比を希薄にすることによりノッキングを抑制す
る代わりに、過給圧を下げることによりノッキングを抑
制しようとするものである。

【００１６】ステップ112,114,120,124,126 よりステッ
プ128 に進み、最終燃料噴射量TAUが TAU=TP×KLEAN ×KNK によって算出される。ステップ130 ではステップ128 で
算出された量の燃料噴射が行われるように燃料インジェ
クタ36への燃料噴射信号が形成される。

【００１７】図４は燃焼変動の算出を示す。図９は圧縮
上死点付近における燃焼圧特性を示しており、圧縮上死
点後の複数のクランク角度における燃焼圧力の値P1,P2,
P3,P4 より算術計算によりトルクを知ることができる。
そのトルク値を複数の燃焼工程に渡って算出し、分散よ
り燃焼変動を算出している。図４のルーチンはクランク
角センサ64からの５°CA毎のクランク角度信号の到来に
よって実行されるものとする。ステップ200 では図９の
CA1 のクランク角度か否か判別され、CA1 のクランク角
度と判定されるときはステップ202 に進み、燃焼圧力セ
ンサ68の検出信号PCがP1に入れられる。ステップ204 で
は図９のCA2 のクランク角度か否か判別され、CA2 のク
ランク角度と判定されるときはステップ206 に進み、燃
焼圧力センサ68の検出信号PCがP2に入れられる。ステッ
プ208 では図９のCA3 のクランク角度か否か判別され、
CA3 のクランク角度と判定されるときはステップ210 に
進み、燃焼圧力センサ68の検出信号PCがP3に入れられ
る。ステップ212 では図９のCA4 のクランク角度か否か
判別され、CA4 のクランク角度と判定されるときはステ
ップ214 に進み、燃焼圧力センサ68の検出信号PCがP4に
入れられる。ステップ216 ではエンジンのトルクＴが、Ｔ＝k₁×(P₁-P₀)+k₂×(P₂-P₀)+k₃×(P₃-P₀)+k₄×(P₄-
P₀) によって算出される。ここに、k₁,k₂,k₃,k₄は定数であ
る。

【００１８】ステップ218 ではＴがTjに入れられ、ステ
ップ220 では繰り返し回数j が所定値Ｘに達したか否か
判別される。未到達と判定されるときはステップ222 に
進み、Ｊがインクリメントされる。J=X のときはステッ
プ224 に進み、分散SVが算出される。ここに、SVは、

【００１９】

【数１】

【００２０】によって算出され、TMはトルクの平均値で
ある。ステップ226 ではｊに初期値０が入れられる。
尚、燃焼圧力によるトルク算出については特開昭63-611
29号公報に詳細が記載されている。図５はノッキング検
出ルーチンの一例を概略的に示している。ノッキング検
出はメインルーチンにおいて実行されるものとする。ス
テップ300 ではノッキング検出期間か否か判別される。
図10において(イ) はノックセンサ70の検出信号を示して
おり、圧縮上死点付近の燃料圧力が大きくなる図のＬの
期間においてノッキングを検出することになる。ノッキ
ング検出期間Ｌ以外のクランク角度領域ではステップ30
2 に進み、ノッキングカウンタKCがクリヤされる。ノッ
キング検出期間のときはステップ304 に進み、ノッキン
グ信号におけるピークか否かの判別が行われる。(ロ) は
ピークレベルPLの変化を模式的に示している。ピークと
判別したときはステップ306 に進み、そのピークのレベ
ルPLが所定値Ｚより大きいか否か判別される。PL>Lと判
断されるときはステップ308 に進み、カウンタKCをイン
クリメントする。このカウンタKCは一回の燃焼サイクル
におけるノッキング信号の回数（ノッキング頻度）を表
す。(ハ) はノッキングカウンタKCの値の変化を模式的に
説明する。ステップ310 ではノッキング頻度KCをノッキ
ングレベル（ノッキング強度）に変換する演算が行われ
る。このノッキング検出方式の詳細は例えば特開昭62-4
1969号に記載されている。

【００２１】実施例では燃焼圧力センサ68と機械振動を
電気振動に変換するタイプのノックセンサ70とを別個に
設けたが、独立のノックセンサを設けず、燃焼圧力セン
サ68の検出信号中におけるノッキングに応じた周波数成
分を取出し、ノッキングを知ることができる。この場合
と、燃焼圧力センサは各気筒に設ける必要がある。図２
の実施例では燃焼圧力センサ70は特定の一つの気筒に設
けるだけでもよい。

【００２２】

【発明の効果】この発明によれば、過給希薄燃焼内燃機
関において、希薄燃焼域においてノッキングがあった場
合に複数の燃焼サイクル間での燃焼変動の許容限界以下
で空燃比をより希薄とすることで、運転性を悪化させる
ことなくノッキングを防止することができる。また、ノ
ッキングがあった場合により希薄化されることで、燃料
消費率の一層の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の機能構成を示す図。

【図２】図２は実施例の全体構成を示す図。

【図３】図３は燃料噴射ルーチンのフローチャート。

【図４】図４は燃焼変動算出ルーチンのフローチャー
ト。

【図５】図５はノッキング検出ルーチンのフローチャー
ト。

【図６】図６はエンジン回転数と吸気管圧力とに対して
空燃比の設定を説明する図。

【図７】図７は空燃比と点火時期に対するノッキング発
生領域を説明する図。

【図８】図８はノッキング量に対する空燃比補正係数の
変化を説明する図。

【図９】図９はクランク角度に対する燃焼圧力の変化を
説明する図。

【図10】図10はクランク角度に対するノッキング信号
(イ) 、ピーク信号(ロ) 、ノッキングカウンタの変化を説
明する図。

【符号の説明】

10…エンジン本体 12…シリンダボア 25…触媒コンバータ 26…ターボチャージャ 36…ターボチャージャ 46…ウエイストゲート弁 56…過給圧制御弁 60…制御回路 66…吸気管圧力センサ 68…燃焼圧力センサ 70…ノックセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｄ 41/22 ３０５Ｆ０２Ｄ 41/22 ３０５Ｂ 45/00 ３０１ 45/00 ３０１Ｅ３０１Ｇ３６４３６４Ｂ３６８３６８Ｂ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の吸気系に配置された過給手段
と、過給手段が過給作動を行う運転時に内燃機関に導入
される混合気の空燃比を理論空燃比より希薄側の値を持
つように設定する空燃比設定手段と、内燃機関のノッキ
ングを検出する手段と、複数の燃焼サイクル間での内燃
機関が発生するトルクの変動を検出する手段と、ノッキ
ングの検出時に前記サイクル間トルク変動が出ない限り
において空燃比設定手段により設定される希薄側空燃比
をより希薄側の空燃比に修正する手段とからなる過給機
付内燃機関の空燃比制御装置。