JP2754896B2 - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はエンジンの空燃比制御装置、特に運転状態
に応じてバルブリフト特性を変えうる装置を備えるもの
に関する。

（従来の技術） いわゆるMPI方式の電子制御燃料噴射システムがある
（たとえば（株）大河出版発行「カーエレクトロニク
ス」林田洋一著第47頁ないし第56頁参照）。

各種センサからの入力信号によりマイクロコンピュー
タはそのメモリに記憶されたプログラムにしたがって最
適な燃料噴射量を求め、この噴射量に対応してインジェ
クタのソレノイドコイルへの通電時間を決定することに
より、最適噴射量を吸気ポートに向けて噴射する。この
場合、通常の噴射タイミングは、エンジンの１回転に１
回であり、クランク角センサからの基準位置信号（６気
筒エンジンでは120゜信号）に基づいて行なわれる。つ
まり、６気筒エンジンでは120゜信号の３回ごとの入力
に対し１回の等間隔でインジェクタに駆動パルスを出力
する。

燃料噴射量の構成は“基本噴射量＋各種増量補正量”
である。この場合に、インジェクタに作用する燃料圧力
を一定に保持させると、噴射量がインジェクタの開弁パ
ルス幅に対応するので、通常時の噴射パルス幅Tiは次式
による。

Ti×Tp×Co×α＋Ts 同式において、基本噴射パルス幅Tpはエアフローメー
タ（スロットバルブ上流の吸気通路に設けられる）によ
り検出される吸入空気量Qaとエンジン回転数Neとから決
定される値（基本噴射量相当）、Coはエアフローメータ
以外のセンサから入力される各種の運転条件に応じて基
本噴射パルス幅Tpを増量補正するための補正係数、αは
空燃比のフィードバック補正係数、Tsはバッテリ電圧に
基づく無効パルス幅である。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このような装置では、エアフローメータか
らシリンダまでのあいだに所定の吸気管容積（中でもコ
レクタ容積が大きい）を持つので、たとえば加速時にエ
アフローメータ位置での空気量Qaがステップ的に増加し
ても、シリンダ流入空気量（シリンダに流入する空気
量）Qcはほぼ一次遅れでしか増加することができない。

過渡時のこうした吸入空気量の挙動（吸気管容積効果
という）を考慮して、過渡時空燃比をフラットに保たせ
るためには、シリンダ流入空気量Qcに生ずる一次遅れの
時定数と同じ時定数で燃料噴射量を計算させることであ
る。この場合に、その時定数τはコレクタ容積や充填効
率などから一義的に定まるので、あらかじめ求めておく
ことができ、そのあらかじめ求めておいた時定数を用い
て、ステップ変化する基本噴射量に対して追従する過渡
時噴射量を計算させると、空燃比を過渡の前後でフラッ
トに保つことができる。

一方、異なるバルブリフト特性を有する、いわゆる可
変動弁装置を備えるエンジンにあっては、バルブリフト
特性を切換えると、充填効率が相違してくるので、上記
の時定数τをそのときのバルブリフト特性に適合して変
更しなければならない。

しかしながら、各バルブリフト特性に合わせて上記時
定数τの値を変更するものは提案されておらず、したが
って、過渡時の空燃比が変動して、失火やエミッション
の増大を招いていた。

そこでこの発明は、異なるバルブリフト特性のそれぞ
れに合わせて吸気管容積効果の時定数を変更することに
より、可変動弁装置を備えたエンジンにあっても、過渡
時空燃比のフラット化をはかる装置を提供することを目
的とする。

（課題を解決するための手段） この発明は、第１図で示すように、バルブリフト特性
を異ならせる少なくとも２つのカムと、これらのカムを
切換えうる機構とからなる可変動弁装置62と、エンジン
の負荷相当量（たとえばアクセルベダル操作量）を検出
するセンサ63と、このセンサ検出値に基づいて定まる運
転条件に応じたカムを選択する手段64と、この選択によ
り前回選択したカムと相違する場合には今回選択したカ
ムに切換えられるように前記可変動弁装置62に切換信号
を出力する手段65と、スロットルバルブ上流の吸入空気
量Qaを検出するセンサ66と、エンジンの回転数Neを検出
するセンサ67と、これらの検出値に基づいて基本噴射量
Tpを計算する手段68と、前記各カムに適合する充填効率
をあらかじめ格納する手段69と、過渡時であるかどうか
を判定する手段70と、過渡時が判定されたときに現に使
用しているのはどのカムであるのかを判定する手段71
と、この判定されたカムに適合する充填効率を前記格納
手段69に格納されている中から選択する手段72と、この
選択された充填効率ηｒを用いて吸気管容積効果の時定
数τを計算する手段73と、この時定数τを用い、前記基
本噴射量Tpのステップ的変化に対して追従する過渡時噴
射量を計算する手段74と、この過渡時噴射量をシリンダ
近くに設けた燃料噴射装置76に出力する手段75とを設け
た。

（作用） たとえば可変動弁装置62に燃費重視カムと動力重視カ
ムとの２つのカムが備えられ、切換信号出力手段65によ
り燃費重視から動力重視のカムへと切換えられる場合で
みると、この切換に合わせて、選択手段72では現在使用
されているカム（つまり動力重視のカム）に合った最適
な充填効率ηｒが選択される。

こうして選択した充填効率ηｒを用いて計算手段73に
より吸気管容積効果の時定数τが計算され、計算手段74
ではこの計算された時定数τを用い、ステップ変化する
基本噴射量Tpに対して追従する過渡時噴射量Tp,nが求め
られる。

こうして求められた過渡時噴射量Tp,nは、そのときの
バルブリフト特性によるシリンダ流入空気量Qcとのあい
だで加速中や減速中一定の比を有する。つまり、過渡時
空燃比を一定に保つことができる。

（実施例） 第２図と第３図で示した可変動弁装置はいわゆるエン
ドピボット式のもので、その構成自体はすでに提案され
ている。

21は燃費重視の第１カム、22と23は動力重視の第2,第
３カム、24は吸気バルブ（または排気バルブ）、25はカ
ムフォロア部をローラ26とし、このローラ26が第１カム
21と接する、いわゆるローラロッカーアーム（後述する
サブロッカーアームに対してはメインロッカーアームと
なる）、27はロッカーシャフトである。

メインロッカーアーム25には、シャフト30を介して２
つのサブロッカーアーム28,29が揺動自在に支持され、
一方のサブロッカーアーム28には第２カム22が、他方の
サブロッカーアーム29には第３カム23がそれぞれ摺接さ
れる。ただし、サブロッカーアーム29（28についても）
はバルブ24と接する部位を持たず、第３図のように、ロ
ストモーションスプリング31の弾性力によりカムから離
れないようにされている。

一方のサブロッカーアーム28の揺動部位には円柱状の
ピン32が、またメインロッカーアーム25にもピン32と軸
心を同じくしかつ同径のピン34がそれぞれロッカーシャ
フト方向に摺動自在に設けられ、リターンスプリング36
により常時は第２図において下方に付勢され、図示状態
にある。この状態では、一体に形成されたカム21〜23が
回転すると、第１カム21にしたがってメインロッカーア
ーム25が揺動し、吸気バルブ24が開閉される。

この状態からピン34の収まる油圧室38に油通路40を介
して作動油が導かれると、カムのベースサークル域でリ
ターンスプリング36に抗し２つのピン34,32がともに第
２図において押し上げられ、サブロッカーアーム28がメ
インロッカーアーム25に対してくし刺し状態となる。こ
のくし刺し状態では、メインとサブの両ロッカーアーム
28,25が一体的に動作するので、バルブリフト特性は第
２カム22にしたがう。つまり、バルブリフト特性が動力
重視に切換えられ、発生するトルクが増やされる。第５
図に各カム21〜23の全開性能を示す。

他方のサブロッカーアーム29についてもその構成は一
方のサブロッカーアーム28と同様である。

なお、カム21〜23はそれぞれ部分負荷時、低速高負荷
時、高速高負荷時においてそれぞれ要求されるバルブリ
フト特性を満足するように異なるプロフィールを持ち
（第４図参照）、共通のカムシャフトに一体に形成され
ている。

上記油圧室38,39への油圧の切換は、第６図に示した
２つのソレノイドバルブ45,46により行なわれる。各ソ
レノイドバルブ45,46はいずれも常閉のタイプで、コン
トロールユニット51からのON信号により図示のように一
方のソレノイドバルブ45が開かれると、第２カム22を働
かせるための油圧室38へとオイルポンプからの作動油が
導かれ、また一方のバルブ45を閉じ他方のバルブ46を開
くことにより、今度は第３カム23を働かせるための油圧
室39に作動油が導かれる。

第６図において、マイクロコンピュータからなるコン
トロールユニット51には、エンジン回転数Neを検出する
センサ（たとえばクランク角センサ）52、アクセルペダ
ル操作量αを検出するセンサ53、スロットル開度TVOを
検出するセンサ54からの信号が入力され、コントロール
ユニット51では、２つのソレノイドバルブ45,46にON,OF
F信号を出力することによりカム21〜23の切換を行うと
ともに、カムの切換に応じて目標スロットル開度を求
め、これをサーボ駆動回路55に目標タイミングで出力し
てスロットル制御を行う。

前記サーボ駆動回路55は、スロットル開度センサ54に
より検出された実際のスロットル開度がCPUから出力さ
れる目標スロットル開度と一致するように両開度の偏差
に応じてスロットルバルブ57に連結されたサーボモータ
56を正逆転駆動する。

また、スロットルバルブ57よりも上流位置に設けたエ
アフローメータ58からの空気量信号もコントロールユニ
ット51に入力され、コントロールユニット51では、この
エアフローメータにて検出される吸入空気量Qaとエンジ
ン回転数Neから定まる噴射量を基準として過渡時の燃料
噴射量（後述する）を求め、これに応じた駆動パルス
を、各気筒の吸気ポートに設けたインジェクタ59に出力
する。

さて、加速時の吸入空気量の挙動を第10図に示す。同
図よりエアフローメータ位置での吸入空気量Qaがステッ
プ的に増えたとしても、吸気管には所定量のコレクタ容
積を有するので、シリンダ流入空気量Qcはほぼ１次遅れ
で増しくいく。

この加速中も加速の前と同じ空燃比を保たせるため、
シリンダ流入空気量Qcに対応してインジェクタ位置での
噴射量Tp,nを計算するには、シリンダ流入空気量Qcの１
次遅れを定める時定数と同じ時定数を用いて求めればよ
い。これを離散値系で表現すると、 Tp,n＝Tp・ｋ＋Tp,n_-1・（１−ｋ） …… で表される。

ただし、式においてTpは吸入空気量Qaとエンジン回
転数Neとから定まる基本噴射量（基本噴射パルス幅）で
ある。なお、離散値系であるため、Tp,nのｎが今回の
値、Tp,n_-1のｎ−１が前回のTp,nの値を意味させてい
る。

また、ｋは吸気管容積効果の時定数τから求められる
加重係数であって、次式 ｋ＝1/｛１＋Vc/（C₁A＋C₂ηrNe））t₀｝ …… で与えられる。

ただし、式においてVcはコレクタ容積、ηｒは充填
効率、t₀はTpの演算周期、C₁,C₂は定数である。

式より、加重係数ｋは充填効率ηｒに依存し、バル
ブリフト特性が異なれば、充填効率ηｒの値も相違して
くるのであるから、３つの異なるバルブリフト特性を有
するエンジンにおいては、各バルブリフト特性に最適な
充填効率を１つづつ用意し、これらの中から現在使用さ
れているカムに合った充填効率を選択しなければならな
い。

こうした充填効率の選択を行わせるため、第７図と第
８図のフローチャート（第７図はカムの切換制御、第８
図は燃料噴射量制御のためのルーチンで、所定の時間ご
とに実行される。）が作られている。

これらのフローチャートを用いて、この例の作用を説
明すると、そのときの運転条件により、３つあるカムの
うちいずれのカムを使うのかはマップにしてあらかじめ
定めてあり、このマップを第９図に示す。

このマップを参照するため、ステップ１でアクセルペ
ダル操作量αとエンジン回転数Neを読みこみ、これらか
ら定まる運転条件に対する最適なカムポジションを、第
９図のマップより求める（ステップ２）。

ステップ３では、前回求めたカムポジションと同じで
あるかどうかをみて、同じでなければカムを切換える場
合であると判断し、今回求めたカムポジションとなるよ
うに、カム切換信号を出力する（ステップ４）。

一方、第８図のルーチンは過渡時だけに実行されるも
のであり、まずエアフローメータにて検出される吸入空
気量Qaとエンジン回転数Neとから基本噴射量Tp（＝Ｋ・
Qa/Ne）を計算する（ステップ13）。

ステップ14では現在使用されているカムに合った最適
な充填効率ηｒを選択する。たとえば、燃費重視の第１
カムに対してηr₁、動力重視の第2,第３カムに対してそ
れぞれηr₂,ηr₃をあらかじめメモリに格納させてお
き、これらの中から現在使用しているカムに対するもの
を選択させるのである。

なお、現在どのカムを使用しているかは、ステップ２
でのカムポジションの選択結果とステップ４でのカム切
換の実行結果とから判断しても良いし、カムポジション
センサからの信号を用いることもできる。

こうして選択した充填効率ηｒを用いて上記の式よ
り加重係数ｋを計算し、この計算した加重係数ｋを用い
て、式よりステップ変化する基本噴射量Tpに対して追
従する過渡時の燃料噴射量Tp,nを求めていく（ステップ
15,16）。

たとえば、燃費重視の第１カムによればその充填効率
ηr₁が小さく、したがって加速時のシリンダ流入空気量
Qcが第10図の実線のように変化するとすれば、カムが動
力重視の第２カムに切換えられた後は、第２カムに対す
る充填効率ηr₂がηr₁よりも大きいため、この場合のQc
は破線のように変化する。

この場合に、第２カムに切換えられた後も、第１カム
用の充填効率ηr₁を用いて過渡時噴射量Tp,nを求めたの
では、実線のようにゆっくりとしかTp,nが立ち上がらな
いため、破線との間の面積に相当する燃料量が不足する
ことになり、その間で空燃比A/Fが実線のようにリーン
となってしまう。

これに対して、この例では、第２カムに切換えられた
後は、この第２カムに適合する充填効率ηr₂により、過
渡時噴射量Tp,nが破線のように計算され、したがってそ
の場合の空燃比A/Fは破線で示したようにフラットに保
たれる。なお、過渡時の空燃比がフラットになると、ト
ルクの応答性も向上する。

言い替えると、１つの充填効率しか持たないと、その
充填効率では合わなくなるカムに移った場合に、吸気管
容積効果の時定数が合わず、過渡時空燃比のずれにより
失火したりエミッションが増大したりするのであるが、
現在使用中のカムに適合する充填効率へと変更すること
で、吸気管容積効果の空燃比への影響を小さくすること
ができるのである。

実施例では、第１カムと第２カムで説明したが、第２
カムと第３カムの間でも同様である。また、実施例では
離散値系で構成したため、加重係数ｋを求めているが、
吸気管容積効果の時定数τを直接用いて、過渡時噴射量
を求めるようにすることもできる。過渡時に減速時を含
むことはいうまでもない。

なお、第１図との関係では、ステップ２がカム選択手
段64、ステップ3,4が切換信号出力手段65、ステップ11
が過渡時判定手段70、ステップ13が基本噴射量計算手段
68、ステップ14が充填効率選択手段72、ステップ15が時
定数計算手段73、ステップ16が過渡時噴射量計算手段7
4、ステップ17が出力手段75の機能を果たしている。

（発明の効果） この発明では、バルブリフト特性が切換えられると、
これに対応してそのバルブリフト特性に適合する充填効
率に変更し、その充填効率を用いて過渡時の燃料噴射量
を計算するようにしたため、過渡時の空燃比をフラット
に保って、排気特性と運転性をともに良くすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のクレーム対応図、第２図は一実施例
の可変動弁装置の平面図、第３図は第２図のＸ−Ｘ線断
面図、第４図と第５図はこの装置のバルブリフトと全開
トルクの各特性図、第６図は前記実施例の制御システム
図、第７図と第８図この実施例の制御動作を説明するた
めの流れ図、第９図はカムポジションのマップ特性図、
第10図は同じく加速時の作用を説明するための波形図で
ある。 21……第１カム、22……第２カム、23……第３カム、25
……メインロッカーアーム、28,29……サブロッカーア
ーム、32〜35……ピン、38,39……油圧室、45,46……ソ
レノイドバルブ、51……コントロールユニット、52……
クランク角センサ（エンジン回転数センサ）、53……ア
クセルペダル操作量センサ、54……スロットル開度セン
サ、55……サーボ駆動回路、56……サーボモータ、57…
…スロットルバルブ、58……エアフローメータ、59……
インジェクタ（燃料噴射装置）、62……可変動弁装置、
63……エンジン負荷センサ、64……カム選択手段、65…
…切換信号出力手段、66……空気量センサ、67……エン
ジン回転数センサ、68……基本噴射量計算手段、69……
充填効率格納手段、70……過渡時判定手段、71……現カ
ム判定手段、72……充填効率選択手段、73……時定数計
算手段、74……過渡時噴射量計算手段、75……出力手
段、76……燃料噴射装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バルブリフト特性を異ならせる少なくとも
   ２つのカムと、これらのカムを切換えうる機構とからな
   る可変動弁装置と、エンジンの負荷相当量を検出するセ
   ンサと、このセンサ検出値に基づいて定まる運転条件に
   応じたカムを選択する手段と、この選択により前回選択
   したカムと相違する場合には今回選択したカムに切換え
   られるように前記可変動弁装置に切換信号を出力する手
   段と、スロットバルブ上流の吸入空気量を検出するセン
   サと、エンジンの回転数を検出するセンサと、これらの
   検出値に基づいて基本噴射量を計算する手段と、前記各
   カムに適合する充填効率をあらかじめ格納する手段と、
   過渡時であるかどうかを判定する手段と、過渡時が判定
   されたそのときに現に使用しているのはどのカムである
   のかを判定する手段と、この判定されたカムに適合する
   充填効率を前記格納手段に格納されている中から選択す
   る手段と、この選択された充填効率を用いて吸気管容積
   効果の時定数を計算する手段と、この時定数を用い、前
   記基本噴射量のステップ的変化に対して追従する過渡的
   噴射量を計算する手段と、この過渡時噴射量をシリンダ
   近くに設けた燃料噴射装置に出力する手段とを設けたこ
   とを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。