JP4501834B2 - エンジンの燃料制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンの吸入空気量に基づき燃料噴射制御を行う燃料制御装置、詳しくは、吸気圧センサを用いて検出した吸入空気量とエアフローセンサを用いて検出した吸入空気量とに基づき燃料噴射制御を行うエンジンの燃料制御装置に関する。
エンジンへの燃料噴射制御を行う燃料制御装置では、エンジンの全運転域で変化する吸入空気量を順次検出し、この吸入空気量に基づき燃料噴射量を目標空燃比を考慮して演算し、演算された燃料噴射量相当の噴射駆動出力により各気筒の吸気系に設けられた燃料噴射弁を駆動し、燃料噴射制御を行っている。
このようなエンジンの吸入空気量の検出には吸気路途中に設けたエアフローセンサが使用される。ここで、エアフローセンサは、図7に示すように、吸入空気量の変化域のうち、低流量変化域においては、検出値がバラつきを示しやすく、適正な吸入空気量相当の出力を得ることができない。一方、吸気圧センサは吸入空気量の変化域のうち、低流量変化域における検出値のずれが比較的少ないという特性を有するが、あくまで空気量は間接的に計測しているため、計量精度は一般的にエアフローセンサより劣る。
ところで、エアフローセンサを用いた場合に低流量側の検出特性を上昇すべく、低流量型のエアフローセンサを使用するとすると、今度は、高流量域の計測能力に限界がある点が問題になる。
特に、ターボチャージャーエンジンの場合、その吸入空気量変化域が比較的広いことから、エアフローセンサを使用すると、低流量域での検出値がバラつきを示しやすく、適正な燃料噴射制御を行うのに問題を生じやすいし、低燃費化のためのアイドル回転数低回転化を推進する上で障害の一つにもなっている。
ところで、特開2003−193888号公報(特許文献1)に開示されるエンジンの制御装置では、吸気圧センサとエアフローセンサの両方が併用されており、エンジン始動後の所定期間までは吸入空気量を吸気圧センサで検出し、所定期間経過後にはエアフローセンサで検出し、これらに基づき燃料噴射制御を行っている。
特開2003−193888号公報
しかし、特許文献1のエンジンの制御装置では、エンジン始動後の所定期間までは吸入空気量を吸気圧センサで検出し、所定期間経過後にはエンジンの吸入空気量が低流量域から高流量域まで全てエアフローセンサで検出している。このため、始動後所定期間が経過した後は、エンジンの吸入空気量が低流量域であってもエアフローセンサで吸入空気量が検出されることになり、検出値がバラつきを生じやすく、低流量域で適正な吸入空気量相当の出力を得ることができず、燃料噴射量制御の精度を確保できず、低流量域での排ガス低減、燃焼の安定化を確保できない。
本発明は以上のような課題に基づきなされたもので、目的とするところは、エンジンの全運転域での吸入空気量の的確な検出、および、可変バルブタイミング機構の位相変化に伴う空気流量誤差を防ぐことにより、燃料噴射制御を精度よく行えるエンジンの燃料制御装置を提供することにある。
この発明の請求項1に係るエンジンの燃料制御装置は、エンジンの吸気管内の空気の流量を検出するエアフローセンサと、上記吸気管内の圧力を検出する吸気圧センサと、上記エンジンの排気中の空燃比を検出する空燃比センサと、通常時は上記エアフローセンサの検出値から演算される吸入空気量に基づき燃料噴射量を制御すると共に、上記空燃比センサの検出出力に基づき上記排気中の空燃比が所定の空燃比になるよう燃料噴射量をフィードバック補正する空燃比フィードバック制御中に所定の低吸入空気量域の運転域にあるとき、上記吸気圧センサの検出値から演算される吸入空気量に切換えて燃料噴射量を制御する制御手段と、上記エンジンの吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の位相を可変制御する可変タイミング機構と、を備え、上記制御手段は上記フィードバック制御中で上記所定の低吸入空気量域の運転域にあり、且つ、上記可変タイミング機構の位相が所定値に固定されていると上記吸気圧センサの検出値から演算される吸入空気量に基いて燃料噴射量を制御することを特徴とする。
請求項2に係る発明は、請求項1記載のエンジンの燃料制御装置において、上記制御手段は上記空燃比フィードバック制御中で上記低吸入空気量域以外の運転域にあると、上記エアフローセンサの検出値から演算される吸入空気量に対する上記吸気圧センサの出力から演算される吸入空気量の偏差を低減させる補正値を演算しておき、同補正値により上記低吸入空気量域の運転域に切換えられた際の吸気圧センサの出力から演算される吸入空気量を補正することを特徴とする。
この発明の請求項1によれば、空燃比フィードバック制御中、すなわち、比較的安定した運転条件下で低吸入空気量運転域にある場合は吸気圧センサによる吸気管圧力から求めた吸入空気量に基づき燃料噴射量を制御するので、低吸入空気量域でも的確な燃料噴射量制御を行うことができ、運転条件に応じてエアフローセンサの検出値に基く吸入空気量と吸気圧センサの検出値に基く吸入空気量を適切に使い分けるので、エンジンの全運転域において的確な吸入空気量に基づく燃料噴射制御を行うことができる。特に、可変バルブタイミング機構の位相変化に伴う吸気管内の圧力の変化が空気流量計測に誤差を生じさせることを防ぐため、吸気圧センサの検出値に基く吸入空気量を使用する条件として可変バルブタイミング機構の位相が所定値に固定されていることを加えることで、同誤差を排除でき、可変バルブタイミング機構装着のエンジンにおいて、低吸入空気量運転域での燃料噴射量制御の精度を確保でき、排ガス低減、燃焼の安定化を確保できる。
この発明の請求項2によれば、空燃比フィードバック制御中で低吸入空気量域以外の運転域にある際に、エアフローセンサより検出される吸入空気量と吸気管圧力から演算される吸入空気量の比較から補正値を演算しておき、この補正値によって、低吸入空気量域の運転域に切換えられた際の吸気圧センサ出力から演算される吸入空気量を適正量に補正できるので、低流量域での燃料噴射量制御の精度をより向上でき、排ガス低減、燃焼の安定化をより高次元で実現できる。
図1にはこの発明の一実施形態としてのエンジンの燃料制御装置を適用した内燃機関としてのDOHC式4気筒エンジン(以後単にエンジン1と記す)の全体構成を示す。本装置において、エンジン1はその燃焼室2に通じる吸気通路3および排気通路4を有しており、吸気通路3と燃焼室2とは吸気弁5によって、排気通路4と燃焼室2とは排気弁6によってそれぞれ連通制御されるようになっている。
吸気通路3には、上流側からエアクリーナ7、エアフローセンサ8、過給機9のコンプレッサ11、インタークーラ12、スロットルバルブ13、吸気多岐管14、電磁式燃料噴射弁(インジェクター)15が設けられており、排気通路4には、その上流側から排気多岐管16、排気管17、過給機9のタービン18、排ガス浄化用の触媒コンバータ(三元触媒)19および図示しないマフラー(消音器)が設けられている。
エンジン1は吸気管噴射型(MPI)エンジン1として構成されており、その動弁機構としてはDOHC式が採用されている。シリンダヘッド101上の吸気カム軸21及び排気カム軸22の前端にはタイミングプーリ23、24が取付けられ、これらのタイミングプーリはタイミングベルト25を介してクランク軸26に連結されている。クランク軸26の回転に伴ってタイミングプーリ23、24と共にカム軸21、22が回転駆動され、これらカム軸により吸気弁5及び排気弁6が開閉駆動される。
各カム軸21、22とタイミングプーリ23、24との間には、ベーン式の吸排可変バルブタイミング機構(吸排VVT)61の図示しないアクチュエータがそれぞれ設けられている。吸排VVT61の構成は、例えば特開2000−27609号公報等で公知のため詳細は説明しないが、タイミングプーリ23、24に設けた吸排ハウジング231、241内にベーンロータを回動可能に設け、そのベーンロータに吸排カム軸21、22を連結して構成されている。吸排VVT61には吸排オイルコントロールバルブ(以下、OCVi、OCVeという)63、64が接続され、エンジン1のオイルポンプ50から供給される作動油を利用して、OCVi63、OCVe64の各切換に応じてベーンロータに油圧を作用させ、その結果、タイミングプーリ23、24に対するカム軸21、22の位相、即ち、図4に示すように吸気弁(IVと記す)5、排気弁(EVと記す)6の開閉タイミングをそれぞれ独立して調整できるようになっており、これに伴い、オーバラップOR(=δivon−δevcn)も調整されるようになっている。
ここでの吸排オイルコントロールバルブOCVi、OCVe63、64は後述するECU27に接続されている。
エンジン1の燃焼室2内の混合気は点火プラグ35により点火され、燃焼した後の排ガスは排気弁6の開弁時にピストン10の上昇に伴って排気ポート16pから排気通路4に流下し、触媒コンバータ(三元触媒)19及び図示しない消音器を経て外部に排出される。
エンジン1は直列4気筒エンジンであり、各気筒の点火プラグ35はイグナイタ37を介し点火ドライバー36に接続される。これによって、後述のECU27からの点火信号を受けたイグナイタ37の働きで各点火プラグ35に順次点火用2次電圧を供給して混合気の着火を行っている。
エンジン1は気筒数だけ分岐した吸気多岐管14を備え、そこに吸気ポートを夫々設け、それぞれにインジェクター15が設けられ(ここでは1つのみ示した)、各インジェクター15は燃料噴射ドライバー151に接続され、いわゆるマルチポイント燃料噴射(MPI)方式の多気筒エンジンを成している。また、スロットル弁(ETV)13はETVモータ32、ETVドライバー321に接続され、アクセルペダルの踏込み量θaに応じて開閉駆動されるほか、アイドリング時にアクセルペダルを踏まなくても、開度を変えることができるようになっている。
このような構成により、スロットル弁(ETV)13の開度に応じて吸入された空気と吸気多岐管14でインジェクター15から噴射された燃料とが適宜の空燃比の混合気となって燃焼室2内で適宜のタイミングで点火プラグ35によって点火され、燃焼されて、エンジントルクを発生させる。燃焼室2内の排ガスは排気通路4へ排出され、触媒コンバータ19で有害成分を浄化され、マフラーで消音されて大気側へ放出されるようになっている。なお、排気管17には排気路4の排ガスの空燃比A/F情報を出力する空燃比センサ(Oセンサ)65が装着されている。
さらに、エンジン1の吸気通路3側には、エアクリーナ7の配設部分に吸入空気量(体積流量)Qaをカルマン渦情報から検出するエアフローセンサ8、吸入空気温度Taを検出する吸気温センサ30が設けられており、スロットル弁(ETV)13の配設部分にスロットル開度θsを検出するスロットルセンサ33が、吸気多岐管14の分岐部上流部には吸気圧Piを検出するマニ圧センサ(吸気圧センサ)68が設けられている。また、エンジン1には水温Twを出力する水温センサ34や、クランク角度θbを検出するクランク角センサ38(このクランク角センサはエンジン回転数Neを検出する回転数センサの機能を兼ねている)が設けられ、これらは、後述の電子制御ユニット(ECU)27に入力される。
過給機9は吸気通路3と排気通路4との間に配され、タービン18とコンプレッサ11の各インペラーが回転軸28の両端にそれぞれ一体的に取付けられ、排気エネルギーをタービン18で回収し、その回転力で吸気通路3のコンプレッサ11を駆動して吸気を過給し、これにより燃焼室2での体積効率を上昇させ、出力向上を図ることができる。ウエストゲートバルブ29はタービン18上流の排ガスをタービン18の下流側に迂回して流下させるバイパス路brを開閉し、過給効率を制御するようにしている。ウエストゲートバルブ29は不図示の電磁アクチュエータを介して電子制御ユニット(ECU)27により開閉操作される。
このような過給機9のコンプレッサ11の下流側には、吸入空気の温度を下げる空冷式のインタークーラ12が配されており、これによって吸入空気の温度を下げ、エンジン1の体積効率を向上させている。
電子制御ユニット(ECU)27は、CPU271、ROM272、RAM273、不揮発性DRAM274、入出力インターフェース275、276で構成される。ECU27はエンジン回転数センサ(クランク角センサ)38よりエンジン回転数Neに関する信号、アクセル開度センサ31よりアクセルペダルの踏み込み深さに関する信号θa、水温センサ34からの水温信号wt、大気温センサ30より大気温Ta、空燃比センサ65からの空燃比A/F信号がそれぞれ入力される。更に、図には示されていない種々のその他のセンサやアクチュエータ等よりその他の信号を入力される。
これら各種の入力信号に基づいてECU27は制御演算を行うもので、運転情報に応じて、スロットル開度θs、燃料噴射量Tinj、点火時期θp等を制御する。
燃料噴射量の制御に関してECU27内では、エンジン回転数Neとスロットル開度θs、吸入空気量Qaに応じた基本燃料噴射量Tbを求め、これに水温wtの補正値Twt等を加えて燃料噴射量Tinj(=Tb+Twt+・・・)を導出する。その上で、演算された燃料噴射量Tinj相当の出力信号D1を燃料噴射ドライバー151に出力し、燃料噴射弁15を駆動して燃料噴射量制御を行っている。ここで吸入空気量に応じた基本燃料噴射量Tbはマニ圧センサ68の出力から演算される吸入空気量Qa1に基いて演算する方法とエアフローセンサ8の出力から演算される吸入空気量Qa2に基いて演算する方法とが所定の条件により使い分けられて求められる。
マニ圧センサ68の出力に基く吸入空気量を使用する場合、まず、マニ圧センサ(吸気圧センサ)68の出力Piにマニ圧変換係数γを乗算し、大気圧で除算して大気圧あたりの比率を求める。次いで、大気圧あたりの比率に行程容積Vnと空気密度(標準状態)η、体積効率補正値(内部)λを順次乗算して、ここでの吸入空気量Qa1{=Pi*γ/760*Vn*η*λ}を求める。その上で、その吸入空気量Qa1を燃料変換係数で除算して基本燃料噴射量Tbを求める。ここでの基本燃料噴射量Tbは下式(1)で演算される。ここでAFS補正係数:β、その他の補正係数:δとする。
Tinj=Pi*γ/760*Vn*η*λ/14.7*β*δ・・(1)
一方、エアフローセンサ8の出力に基く吸入空気量Qa2を使用する場合は、エアフローセンサ8の検出値AFS(g/sec)、空気量変換係数αから演算される吸入空気量Qa2{=AFS*α/(Ne/30)}に基づき基本燃料噴射量Tbを求める。ここでの基本燃料噴射量Tbは下式(2)で演算されている。ここでAFS補正係数:β、その他の補正係数:δとすると、
Tinj=AFS*α/(Ne/30)/14.7*β*δ・・・(2)
マニ圧センサ68の出力に基く吸入空気量Qa1とエアフローセンサ8の出力に基く吸入空気量Qa2との切換えは、図2に示すように、運転中に所定の低吸入空気量域(QaLより小さい領域)E1以外の中、高吸入空気量域E2であると、エアフローセンサの出力に基く吸入空気量Qa2が使用され、空燃比センサ65の出力に基き排気中の空燃比を理論空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御中で、所定の低吸入空気量域E1に達し、更に、図3に示すように、エンジン運転域が、低回転低負荷のVVT位相一定域j1にある場合、マニ圧センサ(吸気圧センサ)68の出力に基く吸入空気量Qa1が使用される。
次に、図1のエンジンの燃料制御装置の作動を不図示のメインルーチン及び図5、図6の各フローチャートに沿って行う制御機能と共に説明する。
ECU27は不図示のメインルーチンで、各データの取り込み、各種制御系機構の故障チェック処理等を実行し、その途中の所定クランク角での割り込み処理によって、図5、図6のエンジンの燃料制御ルーチンを順次実行する。
不図示のメインルーチンの途中で図5の吸入空気量演算ルーチンのステップs1〜s4に達するとする。
ここではエンジン回転速度Ne、負荷であるアクセル開度θa、その他のセンサからの最新情報を取り込む。次いで、エアフローセンサの出力AFSを取得し、吸入空気量Qa2{=AFS*α/(Ne/30)}を算出する。更に、マニ圧センサの出力Piに基づき吸入空気量Qa1{=Pi*γ/760*Vn*η*λ}を算出する。
ステップs5では水温Twが所定値である暖気判定値Twsを上回るとステップs8に、暖気前でステップs6に達すると、ここで空燃比フィードバック中か否かを判断し、空燃比フィードバック中でなければステップs8に、空燃比フィードバック中であればステップs7に進む。
ステップs7では可変バルブタイミング機構(VVT)61のVVT位相が固定されるか(固定される運転域にあるか)否か判断し、固定されてない間はステップs8に、固定処理されている場合はステップs9に進む。
ステップs5、6、7よりステップs8に達した場合、ここではエアフローセンサの出力AFSによる吸入空気量Qa2を用いることを決定し、メインルーチンにリターンする。これによりメインルーチン側の不図示の燃料噴射制御では、上述の式(2)を用い、吸入空気量Qa2を用いることで基本燃料噴射量Tb、燃料噴射量Tinjを算出し、同燃料噴射量Tinj相当の出力で燃料噴射ドライバー151を介してインジェクター35を噴射制御することとなる。
一方、VVT位相が固定されているとしてステップs9に達した場合、その時のエアフローセンサ8の出力AFSによる吸入空気量Qa2が低吸入空気量域E1の閾値QaLより低く、エアフローセンサの出力AFSが上下にばらつきを生じるばらつき域E1'(低吸入空気量域E1に含まれる)に入っているか否かのばらつき閾値QaL(低吸入空気量域E1の閾値QaLを代用できる)を下回るか否か判断する。ここで、ばらつき域E1’に入っていないと図6のステップs20以降のステップに進み、入っていると、ステップs10に進む。
ばらつき域E1’に入り、ステップs10に進むと、ここではマニ圧センサ(吸気圧センサ)68の出力Piによる吸入空気量Qa1を用いることを決定し、メインルーチンにリターンする。
次いで、ステップs11では吸入空気量Qa1に後述の吸気管圧補正値εを乗算し、補正後の吸入空気量Qa1を求め、メインルーチンにリターンする。これによりメインルーチン側の不図示の燃料噴射制御では、上述の式(2)を用い、補正後の吸入空気量Qa1を用いることで基本燃料噴射量Tb、燃料噴射量Tinjを算出し、同燃料噴射量Tinj相当の出力で燃料噴射ドライバー151を介してインジェクター35を噴射制御することとなる。
このようなステップs10、s11の処理で低流入領域E1における吸入空気量Qa1が信頼性のあるものとなる。この場合、アイドル運転域での回転制御が安定化する。
一方、ステップs9で吸入空気量Qa2が低吸入空気量域E1の閾値QaLを下回らず、ばらつき域E1'に入らないと判断される場合は、水温Twが所定値以上のフィードバック制御中でVVT位相も固定されていることから、吸入空気量Qa1,Qa2が比較的安定しているため、吸入空気量Qa1に対する補正値を学習するのに適している。
そこで、ばらつき域E1に入っていないとしてステップs20(図6に示す)に達すると、この時のエアフローセンサ8による吸入空気量であるQa2を求め、更に、吸気管圧力Piから演算される吸入空気量Qa1に後述の吸気管圧補正値εを乗算した値を求め、両者の偏差AIR−SAを求める。
ステップs21では偏差AIR−SAが所定値hより大きいか否か判断し、所定値hより小さいと、即ち、偏差が問題にならないと見做されるとここでの制御を終了しステップs8のエアフローセンサの出力AFSによる吸入空気量Qa2を用いる場合と同様の処理に進む。
一方、偏差AIR−SAが所定値hより大きい場合は、吸気管圧補正値εが適正でないとしてステップs21よりステップs22に進み、ここでは偏差AIR−SAが正か否か判断され、即ち、エアフローセンサによる吸入空気量Qa2が補正済の吸入空気量Qa1より大きいと、ステップs23に、小さいとステップs24に進む。
ステップs23では補正済の吸入空気量Qa1でもエアフローセンサによる吸入空気量Qa2に比べて小さすぎるので、吸気管圧補正値εを所定値iだけ増加修正してステップs8に進み、逆に、ステップs24では補正済の吸入空気量Qa1でもエアフローセンサによる吸入空気量Qa2に比べて大きすぎるので、吸気管圧補正値εを所定値iだけ減少修正してステップs8に進むという補正値学習処理を実行する。
このステップs20からs24の処理を繰り返すに応じて、エアフローセンサによる吸入空気量Qa2に対して、吸気管圧力Piから演算される吸入空気量Qa1が近似するように吸気管圧補正値εを調整できる。この吸気管圧補正値εをステップs11で用いることで、吸気管圧力Piから演算される吸入空気量Qa1の誤差が修正されるので、この吸入空気量Qa1を用いることで、低吸入空気量域での精度がより向上することとなる。しかも、吸入空気量の変動域の全域において、吸入空気量Qa1と吸入空気量Qa2を連続して使用するにあたり、ステップs20からs24の補正値学習処理を実行することで、両値の差が低減し、両値が切換え使用されても切換え時の違和感は確実に排除されることとなる。
上述のところにおいてエンジン1は過給機9付きとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、この場合も、図1の装置と同様の作用効果が得られる。また、エンジン1は吸排バルブタイミング可変機構(吸排VVT)61を備えるものとしたが、吸排VVT61のいずれか一つを備えるものであっても良く、場合により、吸排VVTを排除したエンジンであってもよく、この場合も、図1の装置と同様の作用効果が得られる。
本発明の一実施形態としてのエンジンの燃料制御装置を有するエンジン1の全体構成図である。 図1の燃料制御装置における吸入空気量検出特性を説明する線図である。 図1の燃料制御装置のVVT固定域を説明する線図である。 図1のエンジンの吸気、排気弁のリフトパターン図である。 図1の燃料制御装置で用いる吸入空気量演算ルーチンのフローチャートである。 図5の吸入空気量演算ルーチンの部分である、補正値学習処理のフローチャートである。 従来の燃料制御装置における吸入空気量検出特性を説明する線図である。
符号の説明
1 エンジン
3 吸気通路
4 排気通路
8 エアフローセンサ
13 スロットル弁(ETV)
27 電子制御ユニット(制御手段)
31 アクセル開度センサ
41 変速段センサ
50 車速センサ
65 空燃比センサ
68 マニ圧センサ(吸気圧センサ)
θa アクセル開度
Bs ブレーキ信号
E1 低吸入空気量域
E2 高吸入空気量域
Vc 車速信号
Pi 吸気管圧力
Qa1 吸入空気量
Qa2 吸入空気量
Tinj 燃料噴射量

Claims (2)

  1. エンジンの吸気管内の空気の流量を検出するエアフローセンサと、
    上記吸気管内の圧力を検出する吸気圧センサと、
    上記エンジンの排気中の空燃比を検出する空燃比センサと、
    通常時は上記エアフローセンサの検出値から演算される吸入空気量に基づき燃料噴射量を制御すると共に、上記空燃比センサの検出出力に基づき上記排気中の空燃比が所定の空燃比になるよう燃料噴射量をフィードバック補正する空燃比フィードバック制御中に所定の低吸入空気量域の運転域にあるとき、上記吸気圧センサの検出値から演算される吸入空気量に切換えて燃料噴射量を制御する制御手段と、上記エンジンの吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の位相を可変制御する可変タイミング機構と、を備え、
    上記制御手段は上記フィードバック制御中で上記所定の低吸入空気量域の運転域にあり、且つ、上記可変タイミング機構の位相が所定値に固定されていると上記吸気圧センサの検出値から演算される吸入空気量に基いて燃料噴射量を制御することを特徴とするエンジンの燃料制御装置。
  2. 請求項1記載のエンジンの燃料制御装置において、
    上記制御手段は上記空燃比フィードバック制御中で上記低吸入空気量域以外の運転域にあると、上記エアフローセンサの検出値から演算される吸入空気量に対する上記吸気圧センサの出力から演算される吸入空気量の偏差を低減させる補正値を演算しておき、同補正値により上記低吸入空気量域の運転域に切換えられた際の吸気圧センサの出力から演算される吸入空気量を補正することを特徴とするエンジンの燃料制御装置
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