JP3627334B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、詳しくは、例えば希薄（リーン）燃焼エンジン等の適正空燃比制御による運転性向上技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両に搭載されるエンジンとして、理論空燃比よりも希薄（リーン）な空燃比で燃焼させる所謂希薄燃焼機関（以下、リーンバーンエンジン）が知られている。
かかるリーンバーンエンジンにおいて、本出願人は、エンジン負荷としての機関に吸入される質量空気量相当の燃料噴射量Ｔｐ，回転速度Ｎｅ，水温Ｔｗ，スロットルバルブ開度ＴＶＯにより総合的にリーン領域を設定し、これらＴｐ，Ｎｅ，Ｔｗ，ＴＶＯに基づいてリーン領域を判定することを提案している。
【０００３】
即ち、図５（Ａ）〜（Ｃ）の全てを満足した場合にリーン領域であると判定する。
そして、リーン領域と判定された場合には、図５（Ａ）に示すマップから、ＴｐとＮｅとにより目標空燃比を決定するようにしており、又、同図（Ａ）に示す如く、エンジン負荷（Ｔｐ）が高くなるにつれて、目標空燃比をリッチにして、リーン運転とストイキ運転との切換時のトルクショックを軽減するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなリーンバーンエンジンの空燃比制御技術にあっては、低地では良好な運転性が得られるが、高地では空気密度が薄いため、良好な運転性が得られないという問題点があり、改善の余地があった。
即ち、低地の場合は、図５（Ａ）に示すようなリーンマップにおいて、燃料噴射量Ｔｐ若しくは回転速度Ｎｅの上昇にしたがって、空燃比は２４→２３→２２→２１と徐々に変化するため、トルクショックは小さい。
【０００５】
一方、高地ではスロットルバルブ開度大となっても質量空気量が上がらないため、スロットルバルブ開度が図６（Ａ）に示すようにａだけ異なり、従って、質量空気量相当のＴｐも上がらないことから、図５（Ａ）のマップからリーン領域を判定するが、図５（Ｃ）のマップにおける判定はリーン領域から外れてしまう。
【０００６】
このため、スロットルバルブ開度大をトリガして、例えば空燃比が２４から１５へと切り換わり、大きなトルクショックが発生する。
即ち、図６（Ｂ）に示すスロットルバルブ開度ＴＶＯと目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬのマップ上では、一点鎖線で示されるＤＭＬ変化となるが、実際には、スロットルバルブ開度ＴＶＯ大によるリーン・ストイキの切り換えが起こるため、この切換時の目標空燃比の段差が同図（Ｂ）に示すｂ´（低地ではｂ）と大きくなり、トルクショックが大となる。
【０００７】
尚、大気圧センサを設けて、高地判断を行えば、上記の問題点を解決できるが、大気圧センサは高価であり、これの使用は避けたいところである。
又、大気圧センサを設けずに、大気圧を推定する技術もあるが、この推定では誤差が大きく、推定に時間がかかると言う問題点があり、好ましいものとは言えない。
【０００８】
そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、例えばリーン・ストイキの切り換え時の目標空燃比の段差を小さく抑える制御を行って、切換時のトルクショックの軽減を図ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、図１に示すように、内燃機関の吸気通路に介装されたスロットルバルブのスロットルバルブ開度、機関回転速度及び機関に吸入される質量空気量相当の基本燃料供給量を含む機関運転条件を検出する機関運転条件検出手段と、前記機関運転条件検出手段により検出された機関運転条件に基づいて、第１の濃度の空燃比で燃焼させる領域であるか該第１の濃度の空燃比領域よりも濃い第２の濃度の空燃比で燃焼させる領域であるかを判定する燃焼領域判定手段と、前記燃焼領域判定手段で判定された燃焼領域毎に、少なくとも機関に吸入される質量空気量に基づいて決定される目標空燃比を得るための空燃比補正係数を前記機関回転速度及び前記基本燃料供給量により演算する空燃比補正係数演算手段と、検出されたスロットルバルブ開度に対応する空燃比補正係数下限値を演算する空燃比補正係数下限値演算手段と、前記空燃比補正係数を前記空燃比補正係数下限値に制限する空燃比補正係数制限手段と、前記制限手段により制限された空燃比補正係数で補正して得た目標空燃比となるように燃料供給量を演算する燃料供給量演算手段と、前記燃料供給量演算手段により演算された燃料供給量となるように燃料供給手段を制御する制御手段と、を含んで構成した。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記第１の濃度の空燃比で燃焼させる領域を、理論空燃比より希薄なリーン燃焼領域とし、第２の濃度の空燃比で燃焼させる領域を、理論空燃比のストイキ燃焼領域又は理論空燃比より過濃なリッチ燃焼領域とした。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記機関運転条件検出手段として、機関温度を検出する機関温度検出手段を設けるようにした。
請求項４に係る発明は、前記空燃比補正係数下限値を、演算された空燃比補正係数の値をスロットルバルブ開度の全開付近で乗り越える値に設定するようにした。
【００１２】
請求項５に係る発明は、前記空燃比補正係数下限値を、前記第１の濃度の空燃比で燃焼させる領域から前記第２の濃度の空燃比で燃焼させる領域へと徐々に変化させるようにした。
【００１３】
【発明の効果】
以上の請求項１及び５に係る発明によれば、スロットルバルブ開度に対応する空燃比補正係数下限値を演算し、空燃比補正係数を前記空燃比補正係数下限値に制限することにより、例えば、リーン・ストイキの切り換え時に空燃比補正係数が徐々に変化するようにして、目標空燃比の段差を小さく抑えることが可能となり、トルクショックの軽減を図ることができ、低地、高地共に良好な運転性を確保することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明によれば、理論空燃比よりも希薄（リーン）な空燃比で燃焼させる希薄燃焼機関において、低地、高地共に良好な運転性を確保することができる。
請求項３に係る発明によれば、機関回転速度、質量空気量相当の基本燃料供給量更には機関温度に基づいて総合的に空燃比領域を設定でき、これらの要素からリーン領域を的確に判定できる。
【００１５】
請求項４に係る発明によれば、第１の濃度の空燃比で燃焼させる領域（希薄燃焼機関ではリーン領域）を最大限に活かすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図２は、本発明の内燃機関の一実施形態としての、リーンバーンエンジンのシステム構成図であり、エンジン１には、エアフローメータ２で計量された空気が吸引され、かかる空気と燃料供給手段としての燃料噴射弁３から噴射される燃料とによって所定空燃比の混合気が形成される。
【００１７】
エンジン１からの排気は、排気通路４途中に設けられた触媒装置５で浄化されて排出される。
前記燃料噴射弁３による燃料噴射量は、コントロールユニット６から出力される噴射パルス信号のパルス幅に応じて制御される。
前記コントロールユニット６には、機関運転条件検出手段として、前記エアフローメータ２からの吸入空気量（質量空気量）信号Ｑａ、クランク軸又はカム軸からの回転信号を取り出す回転センサ７からの機関回転速度信号Ｎｅ、触媒装置５の上流側の排気通路４に設けられて排気中の酸素濃度を検出する酸素センサ（空燃比検出手段）８からの酸素濃度信号、スロットルバルブ９のバルブ開度の検出手段としてのスロットルセンサ１０からのスロットルバルブ開度信号ＴＶＯ、機関温度としてのエンジン冷却水温度を検出する水温センサ１１からの水温信号Ｔｗ等が入力される。
【００１８】
尚、酸素センサ８は、例えば、基準酸素濃度は排気中の酸素濃度との比に応じた起電力を発生する酸素濃淡電池であり、理論空燃比を境に酸素濃度が急変することに対応して、理論空燃比によりもリッチ側では出力が高くなり、リーン側では出力が低くなることで理論空燃比を検出できるセンサである。
ここで、本実施形態のエンジン１は、空燃比＝２２程度のリーン空燃比で燃焼を行わせるリーンバーンエンジンであり、リーン空燃比燃焼での運転と、理論空燃比付近でのストイキ燃焼運転と、理論空燃比より濃いリッチ空燃比燃焼での運転と、を運転条件（例えば、回転速度Ｎｅ，基本噴射パルス幅Ｔｐ）に応じて切り換えるようになっている。
【００１９】
従って、コントロールユニット１１は、リーン制御とリーン制御以外のストイキ制御及びリッチ制御とを適宜選択する機能を装備しており、目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬは、図３のフローチャートの如く演算され、図４のフローチャートの如く燃料噴射制御が実行される。
即ち、本発明の実施形態においては、回転速度Ｎｅ，基本噴射パルス幅Ｔｐ、スロットルバルブ開度ＴＶＯ、水温Ｔｗに基づいて、第１の濃度の空燃比としての前記リーン空燃比で燃焼させるリーン領域であるか該第１の濃度の空燃比領域よりも濃い第２の濃度の空燃比としての前記ストイキ空燃比又はリッチ空燃比で燃焼させるストイキ領域又はリッチ領域であるかを判定する燃焼領域判定手段と、この燃焼領域判定手段で判定された燃焼領域毎に、少なくとも機関に吸入される質量空気量に基づいて決定される目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬを前記回転速度Ｎｅ及び基本噴射パルス幅Ｔｐにより演算する空燃比補正係数演算手段と、スロットルセンサにより検出されたスロットルバルブ開度ＴＶＯに対応する空燃比補正係数下限値ＤＬＭＮを演算する空燃比補正係数下限値演算手段と、前記空燃比補正係数ＤＭＬを前記下限値ＤＬＭＮに制限する空燃比補正係数制限手段と、この制限手段により制限された空燃比補正係数ＤＭＬで補正して得た目標空燃比となるように燃料噴射量Ｔｉを演算する燃料供給量演算手段と、この燃料供給量演算手段により演算された燃料供給量となるように燃料噴射弁３を制御する制御手段と、を含んで構成され，、これらの各手段の機能は、コントロールユニット６にソフトウェア的に装備されている。
【００２０】
次に、上述した図３のフローチャートに基づいて、目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬの演算の様子を説明する。
即ち、フローチャートにおいて、ステップ１（図ではＳ１、以下同様）では、回転速度Ｎｅと基本噴射パルス幅Ｔｐとに基づいて、リーン領域条件が成立しているか、ストイキ領域，リッチ領域条件が成立しているかを判定する。この場合、図５（Ａ）のマップを参照して、条件判定を行う。
【００２１】
ステップ２では、スロットルバルブ開度ＴＶＯに基づいて、リーン領域条件が成立しているか、ストイキ領域，リッチ領域条件が成立しているかを判定する。この場合、図５（Ｃ）のマップを参照して、条件判定を行う。
ステップ３では、エンジン水温Ｔｗに基づいて、リーン領域条件が成立しているか、ストイキ領域，リッチ領域条件が成立しているかを判定する。この場合、図５（Ｂ）のマップを参照して、条件判定を行う。
【００２２】
ステップ１〜３の全てにおいて、リーン領域条件が成立している判定されると、ステップ４に進み、ステップ１〜３のいずれかがストイキ領域，リッチ領域条件が成立していると判定されると、ステップ５に進む。
ステップ４においては、リーン領域運転を行う際の目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬを前記回転速度Ｎｅ及び基本噴射パルス幅Ｔｐにより演算する。
【００２３】
この場合、図５（Ａ）のマップから参照される目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬ（例えば空燃比２２相当値）を演算する。
ステップ５においては、ストイキ領域，リッチ領域運転を行う際の目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬを前記回転速度Ｎｅ及び基本噴射パルス幅Ｔｐにより演算する。
【００２４】
この場合、図５（Ａ）のマップから参照される目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬ（例えば空燃比１５相当値）を演算する。
ステップ６においては、スロットルセンサ１０により検出されたスロットルバルブ開度ＴＶＯに対応する空燃比補正係数下限値（リミッタ値）ＤＬＭＮを演算する。
【００２５】
このリミッタ値は、スロットルバルブ開度ＴＶＯにより図６（Ｃ）のマップの実線で示すように割り付けられ、実際のスロットルバルブ開度ＴＶＯから読み出される。
次のステップ７及びステップ８では、空燃比補正係数ＤＭＬを前記リミッタ値ＤＬＭＮに制限する。
【００２６】
即ち、ステップ７では、ＤＭＬとＤＬＭＮとを比較し、ＤＭＬ＞ＤＬＭＮであれば、そのときのＤＭＬを空燃比補正係数として設定し、ＤＭＬ≦ＤＬＭＮであれば、ステップ８に進んで、空燃比補正係数ＤＭＬをリミッタ値ＤＬＭＮに制限する（ＤＭＬ＝ＤＬＭＮ）。
次に、上述した図４のフローチャートに基づいて、燃料噴射制御の様子を説明する。
【００２７】
即ち、フローチャートにおいて、ステップ１１では、目標空燃比相当量ＴＦＢＹＡを（１）式に基づいて演算し、ステップ１２では、基本噴射パルス幅Ｔｐを（２）式に基づいて演算する。
ＴＦＢＹＡ＝ＤＭＬ＋ＫＡＳ＋ＫＴＷ＋ＫＨＯＴ─（１）
但し、ＤＭＬ：空燃比補正係数
ＫＡＳ：始動後増量補正係数
ＫＴＷ：水温増量補正係数
ＫＨＯＴ：暖機後増量補正係数
Ｔｐ＝（Ｑａ／Ｎｅ）×Ｋ─（２）
但し、Ｑａ：吸入空気量
Ｎｅ：エンジン回転速度
Ｋ：ベース空燃比を定める定数
ステップ１３では、燃料噴射弁に与える燃料噴射パルス幅Ｔｉを（３）式で求め、これをステップ１４で出力レジスターに転送する。
【００２８】
Ｔｉ＝Ｔｐ×ＴＦＢＹＡ×α×２＋Ｔｓ─（３）
但し、Ｔｐ：基本噴射パルス幅
ＴＦＢＹＡ：目標空燃比相当量
α：空燃比フィードバック補正係数
Ｔｓ：無効パルス幅
以上説明した本実施形態の制御内容によると、次のような効果を奏する。
【００２９】
即ち、従来技術の項で述べたように、高地では、図６（Ｂ）に示すスロットルバルブ開度ＴＶＯと目標空燃比を得るための空燃比補正係数ＤＭＬのマップ上では、一点鎖線で示されるＤＭＬ変化となるが、実際には、スロットルバルブ開度ＴＶＯ大をトリガして、リーン・ストイキの切り換えが行われてしまい、この切換時の目標空燃比の段差が図６（Ｂ）に示すｂ´と大きくなり、トルクショックが大となる。
【００３０】
上記のように、スロットルバルブ開度に対応する空燃比補正係数下限値（リミッタ値）ＤＬＭＮを演算し、空燃比補正係数ＤＭＬを前記リミッタ値ＤＬＭＮに制限することにより、リーン・ストイキの切り換え時に空燃比補正係数ＤＭＬは、図６（Ｃ）の実線で示すリミッタ値ＤＬＭＮに沿って徐々に変化する結果、目標空燃比相当量ＴＦＢＹＡの段差を小さく抑えることが可能となり、トルクショックの軽減を図ることができる。
【００３１】
この結果、低地、高地共に良好な運転性を確保することができる。
尚、リーン領域運転の判定に際する条件として、エンジン回転速度Ｎｅ及び基本噴射パルス幅Ｔｐに加え、機関温度としての冷却水温Ｔｗを加えたことにより、より総合的にリーン領域判定が行える。
又、空燃比補正係数下限値は、図６（Ｃ）に示すように、スロットルバルブ開度の全開付近（Ａ点）で演算された空燃比補正係数ＤＭＬの値を乗り越える値に設定するのが好ましく、これにより、リーン領域を最大限に活かすことができる。
【００３２】
ところで、上記の実施形態においては、理論空燃比よりも希薄（リーン）な空燃比で燃焼させるリーンバーンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、理論空燃比で燃焼させる通常のエンジンにも本発明を適用できる。
この場合、図７に示すように、点線で示す如くストイキからリッチに切り換わる際の急激変化する空燃比補正係数を、同図の実線で示すようなリミッタ値による空燃比補正係数の制限によって、徐々に変化するように設定すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施形態のシステム図
【図３】空燃比補正係数ＤＭＬの演算ルーチンを示すフローチャート
【図４】燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャート
【図５】リーン領域判定条件を説明するマップ
【図６】従来技術の問題点と本発明の作用を説明する特性図
【図７】他の実施形態を説明する特性図
【符号の説明】
１ エンジン
２ エアフローメータ
３ 燃料噴射弁
６ コントロールユニット
７ 回転センサ
１０ スロットルセンサ
１１ 水温センサ

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気通路に介装されたスロットルバルブのスロットルバルブ開度、機関回転速度及び機関に吸入される質量空気量相当の基本燃料供給量を含む機関運転条件を検出する機関運転条件検出手段と、
   前記機関運転条件検出手段により検出された機関運転条件に基づいて、第１の濃度の空燃比で燃焼させる領域であるか該第１の濃度の空燃比領域よりも濃い第２の濃度の空燃比で燃焼させる領域であるかを判定する燃焼領域判定手段と、
   前記燃焼領域判定手段で判定された燃焼領域毎に、少なくとも機関に吸入される質量空気量に基づいて決定される目標空燃比を得るための空燃比補正係数を前記機関回転速度及び前記基本燃料供給量により演算する空燃比補正係数演算手段と、
   検出されたスロットルバルブ開度に対応する空燃比補正係数下限値を演算する空燃比補正係数下限値演算手段と、
   前記空燃比補正係数を前記空燃比補正係数下限値に制限する空燃比補正係数制限手段と、
   前記制限手段により制限された空燃比補正係数で補正して得た目標空燃比となるように燃料供給量を演算する燃料供給量演算手段と、
   前記燃料供給量演算手段により演算された燃料供給量となるように燃料供給手段を制御する制御手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記第１の濃度の空燃比で燃焼させる領域は、理論空燃比より希薄なリーン燃焼領域であり、第２の濃度の空燃比で燃焼させる領域は、理論空燃比のストイキ燃焼領域又は理論空燃比より過濃なリッチ燃焼領域である請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置。
3. 前記機関運転条件検出手段として、機関温度を検出する機関温度検出手段が設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
4. 前記空燃比補正係数下限値は、演算された空燃比補正係数の値をスロットルバルブ開度の全開付近で乗り越える値に設定されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 前記空燃比補正係数下限値を、前記第１の濃度の空燃比で燃焼させる領域から前記第２の濃度の空燃比で燃焼させる領域へと徐々に変化させるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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