JP3533890B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機関の目標トルク
を実現するために機関へ供給する空気量及び燃料噴射量
を制御する内燃機関の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内燃機関の制御装置としては、例
えば特開昭６２−１１０５３６号公報に開示されたもの
がある。このものでは、空気量制御のための目標スロッ
トル開度を目標トルクと機関回転数とから直接検索する
構成となっているが、これは、所定の空燃比（例えば理
論空燃比）で運転することを前提として設定されている
ためであり、空燃比を運転状態に応じて可変制御する機
関にはそのままでは適用できない。

【０００３】機関運転性能（トルク及び回転数）を同一
に維持しつつ空燃比を変化させるには、空気量（スロッ
トル開度）及び燃料噴射量を共に変更する必要があるか
らである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の技術に鑑
み、いわゆるトルクデマンド制御として、次のような制
御が提案されている（特願平８−３６９０２号参照）。
このトルクデマンド制御では、機関の目標トルクに基づ
いて必要基本燃料量を算出し、必要基本燃料量と機関運
転条件による目標空燃比とから目標空気量を算出し、目
標空気量に基づいて機関へ供給する空気量を制御する。
また、実際に機関に供給される実空気量を検出し、実空
気量と目標空燃比とから目標燃料噴射量を算出し、目標
燃料噴射量に基づいて機関への燃料噴射量を制御する。

【０００５】しかしながら、このトルクデマンド制御に
あっては、出力向上のために、目標空燃比を理論空燃比
よりリッチ化する領域、すなわち、スロットル弁全開付
近の高負荷領域で、空気量が絞られ、全開出力が得られ
ないことがあり、この点での改善が求められていた。本
発明は、このような実状に鑑み、出力向上のために、目
標空燃比を理論空燃比よりリッチ化する領域において、
十分な全開出力が得られるようにすることを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明では、図１に示すような手段を設けて、内燃機関
の制御装置を構成する。図１を参照し、機関運転条件に
基づいて第１の目標空燃比相当値を設定する目標空燃比
相当値設定手段と、機関運転条件に基づいて機関の必要
基本燃料量を算出する必要基本燃料量算出手段と、第１
の目標空燃比相当値を、所定値よりリッチ側にならない
ように制限して第２の目標空燃比相当値とする目標空燃
比相当値制限手段と、必要基本燃料量と第２の目標空燃
比相当値とから目標空気量を算出する目標空気量算出手
段と、目標空気量に基づいて機関へ供給する空気量を制
御する空気量制御手段と、実際に機関に供給される実空
気量を検出する実空気量検出手段と、実空気量と第１の
目標空燃比相当値とから目標燃料噴射量を算出する目標
燃料噴射量算出手段と、目標燃料噴射量に基づいて機関
への燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、を設
ける。尚、目標空燃比相当値とは、目標空燃比そのも
の、又は、これに対応する目標当量比（＝理論空燃比／
目標空燃比）あるいは空気過剰率を含む概念である。

【０００７】従って、必要基本燃料量と目標空燃比相当
値とから目標空気量を算出する際は、目標空燃比相当値
として、所定値よりリッチ側にならないように制限され
た値（第２の目標空燃比相当値）を用いることで、目標
空燃比を理論空燃比よりリッチ化する領域で、十分な全
開出力を得るべく、目標空気量を多めにする。

【０００８】その一方、実空気量と目標空燃比相当値と
から目標燃料噴射量を算出する際は、目標空燃比相当値
として、制限前の値（第１の目標空燃比相当値）を用い
ることで、本来の目標空燃比を達成する。請求項２に係
る発明では、前記所定値は、理論空燃比相当値であるこ
とを特徴とする。

【０００９】請求項３に係る発明では、前記第１及び第
２の目標空燃比相当値として、目標空燃比そのものであ
る第１及び第２の目標空燃比を用い、前記目標空燃比相
当値制限手段は、第１の目標空燃比をこれが所定空燃比
未満にならないように制限して第２の目標空燃比とする
ものであることを特徴とする。請求項４に係る発明で
は、前記第１及び第２の目標空燃比相当値として、理論
空燃比／目標空燃比で表される第１及び第２の目標当量
比を用い、前記目標空燃比相当値制限手段は、第１の目
標当量比を、これが所定当量比を超えないように制限し
て第２の目標当量比とするものであることを特徴とす
る。

【００１０】請求項５に係る発明では、前記第１及び第
２の目標空燃比相当値として、第１及び第２の空気過剰
率を用い、前記目標空燃比相当値制限手段は、第１の空
気過剰率を、これが所定空気過剰率未満にならないよう
に制限して第２の空気過剰率とするものであることを特
徴とする。請求項６に係る発明では、前記空気量制御手
段は、目標空気量に基づいて目標スロットル開度を算出
する目標スロットル開度算出手段を有して、目標スロッ
トル開度になるように電制スロットル弁を駆動するもの
であることを特徴とする。

【００１１】請求項７に係る発明では、前記燃料噴射量
制御手段は、目標燃料噴射量に基づいて直噴火花点火式
内燃機関の燃料噴射弁を駆動するものであることを特徴
とする。請求項８に係る発明では、機関運転条件に基づ
いて燃焼方式を均質燃焼又は成層燃焼に切換える燃焼方
式設定手段を備え、前記目標空燃比相当値設定手段は、
燃焼方式別に、機関運転条件に基づいて第１の目標空燃
比相当値を設定するものであることを特徴とする。

【００１２】請求項９に係る発明では、機関の目標トル
クを設定する目標トルク設定手段を備え、前記必要基本
燃料量算出手段は、目標トルクに基づいて必要基本燃料
量を算出するものであることを特徴とする（図１参
照）。

【００１３】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、必要基本
燃料量と目標空燃比相当値とから目標空気量を算出する
際は、目標空燃比相当値として、所定値よりリッチ側に
ならないように制限された値を用いることで、目標空燃
比を理論空燃比よりリッチ化する領域で、十分な全開出
力を得るべく、目標空気量を多めにすることができ、そ
の一方、実空気量と目標空燃比相当値とから目標燃料噴
射量を算出する際は、目標空燃比相当値として、制限前
の値を用いることで、本来の目標空燃比を達成すること
ができる。

【００１４】請求項２に係る発明によれば、前記所定値
を理論空燃比相当値に設定することにより、目標空燃比
を理論空燃比よりリッチ化する領域で、確実に、十分な
全開出力を得ることができる。請求項３に係る発明によ
れば、目標空燃比相当値として、目標空燃比をそのまま
用いて、制御することができる。

【００１５】請求項４に係る発明によれば、目標空燃比
相当値として、目標当量比を用いて、制御することがで
きる。請求項５に係る発明によれば、目標空燃比相当値
として、空気過剰率を用いて、制御することができる。
請求項６に係る発明によれば、空気量制御に電制スロッ
トル弁を用いて、高精度な空気量制御が可能となる。

【００１６】請求項７に係る発明によれば、直噴火花点
火式内燃機関に適用することで、高応答なトルク制御が
可能となる。請求項８に係る発明によれば、燃焼方式別
に機関運転条件に基づいて目標空燃比を設定すること
で、燃焼方式の切換制御に対応可能となる。請求項９に
係る発明によれば、機関の目標トルクを設定し、これを
実現することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て説明する。図２は実施の一形態を示す直噴火花点火式
内燃機関のシステム図である。先ず、これについて説明
する。車両に搭載される機関１の各気筒の燃焼室には、
エアクリーナ２から吸気通路３により、電制スロットル
弁４の制御を受けて、空気が吸入される。

【００１８】電制スロットル弁４は、コントロールユニ
ット１０からの信号により作動するステップモータ等に
より開度制御される。そして、燃焼室内に燃料（ガソリ
ン）を直接噴射するように、電磁式の燃料噴射弁（イン
ジェクタ）５が設けられている。燃料噴射弁５は、コン
トロールユニット１０から機関回転に同期して吸気行程
又は圧縮行程にて出力される噴射パルス信号によりソレ
ノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料
を噴射するようになっている。そして、噴射された燃料
は、吸気行程噴射の場合は燃焼室内に拡散して均質な混
合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火栓６回り
に集中的に層状の混合気を形成し、コントロールユニッ
ト１０からの点火信号に基づき、点火栓６により点火さ
れて、燃焼（均質燃焼又は成層燃焼）する。

【００１９】機関１からの排気は排気通路７より排出さ
れ、排気通路７には排気浄化用の触媒８が介装されてい
る。コントロールユニット１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｒ
ＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含
んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種のセ
ンサから信号が入力されている。

【００２０】前記各種のセンサとしては、機関１のクラ
ンク軸回転又はカム軸回転を検出するクランク角センサ
１１，１２が設けられている。これらのクランク角セン
サ１１，１２は、気筒数をｎとすると、クランク角７２
０°／ｎ毎に、予め定めたクランク角位置で基準パルス
信号ＲＥＦを出力すると共に、１〜２°毎に単位パルス
信号ＰＯＳを出力するもので、基準パルス信号ＲＥＦの
周期などから機関回転数Ｎｅを算出可能である。

【００２１】この他、吸気通路３のスロットル弁４上流
で吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ１３、
アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）ＡＣＣを検
出するアクセルセンサ１４、スロットル弁４の開度ＴＶ
Ｏを検出するスロットルセンサ１５（スロットル弁４の
全閉位置でＯＮとなるアイドルスイッチを含む）、機関
１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ１６、排気通路
７にて排気空燃比のリッチ・リーンに応じた信号を出力
するＯ₂ センサ１７などが設けられている。

【００２２】ここにおいて、コントロールユニット１０
は、前記各種のセンサからの信号を入力しつつ、内蔵の
マイクロコンピュータにより、所定の演算処理を行っ
て、電制スロットル弁４によるスロットル開度、燃料噴
射弁５による燃料噴射量及び噴射時期、点火栓６による
点火時期を制御する。次に、図３の制御ブロック図に従
って、基本的な演算処理内容（トルクデマンド制御）に
ついて説明する。

【００２３】目標トルク設定手段１０１は、アクセル開
度ＡＣＣと機関回転数Ｎｅとから、これらに応じてドラ
イバ要求トルクを定めたマップを参照して、ドライバ要
求トルクを得、これに機関要求トルク（アイドル回転数
制御分等）を加算して、目標トルクｔＴｅを設定する。
燃焼方式設定手段１０２は、機関回転数Ｎｅと目標トル
クｔＴｅとを機関運転条件のパラメータとして燃焼方式
を定めたマップを水温Ｔｗ別に複数備えていて、選択さ
れたマップより、実際の機関運転条件に従って、均質燃
焼又は成層燃焼のいずれかに燃焼方式を設定する。

【００２４】燃焼方式の設定に従って、均質燃焼に切換
える場合は、燃料噴射時期を吸気行程に設定し、成層燃
焼に切換える場合は、燃料噴射時期を圧縮行程に設定す
る。目標空燃比相当値設定手段１０３は、燃焼方式別の
マップを参照し、機関回転数Ｎｅと目標トルクｔＴｅと
から、目標空燃比相当値として、目標空燃比ｔＡＦＲ、
目標当量比ｔφ、又は目標空気過剰率ｔλを設定する。

【００２５】尚、均質燃焼の場合、機関運転条件により
ストイキ領域、リーン領域、リッチ領域（全開付近の高
負荷領域）に分けられ、ストイキ領域での目標空燃比ｔ
ＡＦＲ＝理論空燃比（以下、「ストイキ」又は「ストイ
キ空燃比」といい、ここでは１４．６とする。）に対
し、リーン領域では目標空燃比ｔＡＦＲ＝２０〜３０程
度、リッチ領域では目標空燃比ｔＡＦＲ＝１２〜１４程
度である。成層燃焼の場合は、目標空燃比ｔＡＦＲ＝３
０〜４０程度である。

【００２６】また、目標当量比ｔφは、ストイキ空燃比
／目標空燃比で表され、ｔφ＝１４．６／ｔＡＦＲとな
る。目標空気過剰率ｔλは、目標当量比ｔφの逆数で、
ｔλ＝ｔＡＦＲ／１４．６となる。目標空燃比相当値制
限手段１０４は、目標空燃比相当値がストイキ空燃比相
当の所定値よりリッチ側にならないように、目標空燃比
相当値を制限（リミッタ処理）する。

【００２７】具体的には、目標空燃比相当値として、目
標空燃比ｔＡＦＲを用いる場合は、次式のごとく、目標
空燃比ｔＡＦＲとストイキ空燃比１４．６との大きい方
を、リミッタ処理後目標空燃比ｔＡＦＲ’とする。 ｔＡＦＲ’＝ＭＡＸ（ｔＡＦＲ，１４．６） ・・・（１−１）。 また、目標空燃比相当値として、目標当量比ｔφを用い
る場合は、次式のごとく、目標当量比ｔφとストイキ相
当当量比１との小さい方を、リミッタ処理後目標当量比
ｔφ’とする。

【００２８】 ｔφ’＝ＭＩＮ（ｔφ，１） ・・・（１−２）。 また、目標空燃比相当値として、目標空気過剰率ｔλを
用いる場合は、次式のごとく、目標空気過剰率ｔλとス
トイキ相当空気過剰率１との大きい方を、リミッタ処理
後目標空気過剰率ｔλ’とする。 ｔλ’＝ＭＡＸ（ｔλ，１） ・・・（１−３）。

【００２９】必要基本燃料量算出手段１０５は、目標ト
ルクｔＴｅ及び機関回転数Ｎｅから、これらに応じて必
要基本燃料量ｔＱｆを定めたマップを参照して、必要基
本燃料量ｔＱｆを算出する。また、均質燃焼と成層燃焼
などで燃焼効率が異なることから、これらに応じて、必
要基本燃料量ｔＱｆを補正する。目標空気量算出手段
（目標シリンダ空気量算出手段）１０６は、必要基本燃
料量ｔＱｆとリミッタ処理後目標空燃比相当値（目標空
燃比ｔＡＦＲ’、目標当量比ｔφ’又は目標空気過剰率
ｔλ’）とから、次式のいずれかにより、目標空気量
（ここでは目標シリンダ空気量という）ｔＱcyl を算出
する。ここで用いる目標空燃比相当値はリミッタ処理後
の値である。

【００３０】 ｔＱcyl ＝ｔＱｆ×ｔＡＦＲ’ ・・・（２−１） ｔＱcyl ＝ｔＱｆ×（１４．６／ｔφ’） ・・・（２−２） ｔＱcyl ＝ｔＱｆ×（１４．６×ｔλ’） ・・・（２−３）。 尚、２−２式は及び２−３式において、ｔＱｆ×１４．
６は、ストイキ時目標シリンダ空気量であり、２−２式
では、これを目標当量比ｔφ’で除算することにより、
目標シリンダ空気量ｔＱcyl を求めるのであり、２−３
式では、これに目標空気過剰率ｔλφ’を乗算すること
により、目標シリンダ空気量ｔＱcyl を求めるのであ
る。

【００３１】また、目標シリンダ空気量ｔＱcyl の算出
フローについて、目標空燃比相当値として目標空燃比ｔ
ＡＦＲを用いる場合を図４に、目標当量比ｔφを用いる
場合を図５に、目標空気過剰率ｔλを用いる場合を図６
に示してある。目標スロットル開度算出手段１０７は、
目標シリンダ空気量ｔＱcyl と機関回転数Ｎｅとから、
これらに応じて目標スロットル開度ｔＴＶＯを定めたマ
ップを参照して、目標スロットル開度ｔＴＶＯを算出す
る。

【００３２】目標スロットル開度ｔＴＶＯが算出される
と、これに応じた指令信号によりステップモータをステ
ップ駆動して、目標スロットル開度ｔＴＶＯになるよう
に電制スロットル弁４を制御する。前記目標スロットル
開度算出手段１０７が電制スロットル弁４と共に空気量
制御手段に相当する。一方、エアフローメータ１３によ
り、スロットル弁４により制御される実吸入空気流量Ｑ
ａが検出される。

【００３３】実空気量算出手段（実シリンダ空気量算出
手段）１０８は、エアフローメータ１３により検出され
る実吸入空気流量Ｑａを機関回転数Ｎｅで除算し、また
平滑化及び遅れ処理して、実空気量（ここでは実シリン
ダ空気量という）Ｑcyl を算出する。この実シリンダ空
気量算出手段１０８がエアフローメータ１３と共に実空
気量検出手段に相当する。

【００３４】目標燃料噴射量算出手段１０９は、実シリ
ンダ空気量Ｑcyl と目標空燃比相当値（目標空燃比ｔＡ
ＦＲ、目標当量比ｔφ又は目標空気過剰率ｔλ）とか
ら、次式のいずれかにより、目標燃料噴射量ｔＱｆｉを
算出する。ここで用いる目標空燃比相当値はリミッタ処
理前の値である。 ｔＱｆｉ＝Ｑcyl ／ｔＡＦＲ ・・・（３−１） ｔＱｆｉ＝Ｑcyl ×（ｔφ／１４．６） ・・・（３−２） ｔＱｆｉ＝Ｑcyl ／（ｔλ×１４．６） ・・・（３−３）。

【００３５】尚、３−２式は及び３−３式において、Ｑ
cyl ／１４．６は、ストイキ時目標燃料噴射量（基本燃
料噴射量Ｔｐ）であり、３−２式では、これに目標当量
比ｔφを乗算することにより、目標燃料噴射量ｔＱｆｉ
を求めるのであり、３−３式では、これを目標空気過剰
率ｔλφ’で除算することにより、目標燃料噴射量ｔＱ
ｆｉを求めるのである。

【００３６】燃料噴射量補正手段１１０は、目標燃料噴
射量ｔＱｆｉに対し各種の補正を行う。最終的な目標燃
料噴射量ｔＱｆｉが算出されると、燃料噴射時期におい
て、ｔＱｆｉに応じたパルス幅の噴射パルス信号により
燃料噴射弁５を駆動して、目標燃料噴射量ｔＱｆｉにな
るように燃料噴射弁５を制御する。この部分が燃料噴射
量制御手段に相当する。

【００３７】点火栓６による点火時期の制御について
は、燃焼方式別のマップを参照し、機関運転条件のパラ
メータに従って点火時期ＡＤＶを設定・制御する。次に
図７のタイミングチャートを参照して作用を説明する。
図７は目標空燃比ｔＡＦＲがリーン→ストイキ→リッチ
に変化した場合で、目標空燃比ｔＡＦＲのリッチ化後
も、リミッタ処理後目標空燃比ｔＡＦＲ’はストイキに
維持される。

【００３８】ここで、必要基本燃料量ｔＱｆに目標空燃
比を乗算して目標シリンダ空気量ｔＱcyl を算出する際
は、目標空燃比として、リッチ側にならないように制限
されたリミッタ処理後目標空燃比ｔＡＦＲ’を用いるこ
とで、リッチ化後は、通常（点線示）に比べ、目標シリ
ンダ空気量ｔＱcyl を増量でき、これによりスロットル
開度を制御することで、トルク増大を図ることができ
る。

【００３９】その一方、実シリンダ空気量Ｑcyl を目標
空燃比で除算して目標燃料噴射量ｔＱｆｉを算出する際
は、目標空燃比として、リミッタ処理前の目標空燃比ｔ
ＡＦＲを用いることで、本来の目標空燃比ｔＡＦＲを達
成するのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の構成を示す機能ブロック図

【図２】 本発明の実施の一形態を示す内燃機関のシス
テム図

【図３】 演算処理内容を示す制御ブロック図

【図４】 目標シリンダ空気量算出の第１実施例のフロ
ーチャート

【図５】 目標シリンダ空気量算出の第２実施例のフロ
ーチャート

【図６】 目標シリンダ空気量算出の第３実施例のフロ
ーチャート

【図７】 作用を示すタイミングチャート

【符号の説明】

１ 内燃機関 ４ 電制スロットル弁 ５ 燃料噴射弁 ６ 点火栓 10 コントロールユニット 11，12 クランク角センサ 13 エアフローメータ 14 アクセル開度センサ

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関運転条件に基づいて第１の目標空燃比
   相当値を設定する目標空燃比相当値設定手段と、 機関運転条件に基づいて機関の必要基本燃料量を算出す
   る必要基本燃料量算出手段と、 第１の目標空燃比相当値を、所定値よりリッチ側になら
   ないように制限して第２の目標空燃比相当値とする目標
   空燃比相当値制限手段と、 必要基本燃料量と第２の目標空燃比相当値とから目標空
   気量を算出する目標空気量算出手段と、 目標空気量に基づいて機関へ供給する空気量を制御する
   空気量制御手段と、 実際に機関に供給される実空気量を検出する実空気量検
   出手段と、 実空気量と第１の目標空燃比相当値とから目標燃料噴射
   量を算出する目標燃料噴射量算出手段と、 目標燃料噴射量に基づいて機関への燃料噴射量を制御す
   る燃料噴射量制御手段と、 を設けたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 【請求項２】前記所定値は、理論空燃比相当値であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 【請求項３】前記第１及び第２の目標空燃比相当値とし
   て、目標空燃比そのものである第１及び第２の目標空燃
   比を用い、前記目標空燃比相当値制限手段は、第１の目
   標空燃比をこれが所定空燃比未満にならないように制限
   して第２の目標空燃比とするものであることを特徴とす
   る請求項１又は請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 【請求項４】前記第１及び第２の目標空燃比相当値とし
   て、理論空燃比／目標空燃比で表される第１及び第２の
   目標当量比を用い、前記目標空燃比相当値制限手段は、
   第１の目標当量比を、これが所定当量比を超えないよう
   に制限して第２の目標当量比とするものであることを特
   徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の制御装
   置。
5. 【請求項５】前記第１及び第２の目標空燃比相当値とし
   て、第１及び第２の空気過剰率を用い、前記目標空燃比
   相当値制限手段は、第１の空気過剰率を、これが所定空
   気過剰率未満にならないように制限して第２の空気過剰
   率とするものであることを特徴とする請求項１又は請求
   項２記載の内燃機関の制御装置。
6. 【請求項６】前記空気量制御手段は、目標空気量に基づ
   いて目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度
   算出手段を有して、目標スロットル開度になるように電
   制スロットル弁を駆動するものであることを特徴とする
   請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の
   制御装置。
7. 【請求項７】前記燃料噴射量制御手段は、目標燃料噴射
   量に基づいて直噴火花点火式内燃機関の燃料噴射弁を駆
   動するものであることを特徴とする請求項１〜請求項６
   のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
8. 【請求項８】機関運転条件に基づいて燃焼方式を均質燃
   焼又は成層燃焼に切換える燃焼方式設定手段を備え、前
   記目標空燃比相当値設定手段は、燃焼方式別に、機関運
   転条件に基づいて第１の目標空燃比相当値を設定するも
   のであることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の制
   御装置。
9. 【請求項９】機関の目標トルクを設定する目標トルク設
   定手段を備え、前記必要基本燃料量算出手段は、目標ト
   ルクに基づいて必要基本燃料量を算出するものであるこ
   とを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記
   載の内燃機関の制御装置。