JP5042105B2 - 多種燃料エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、多種燃料エンジンの燃料噴射制御装置に係り、特に、エンジンの運転状態ごとに燃料の噴射量を定めた基本噴射マップをアルコール濃度ごとに用意することなく、唯一の基本噴射マップのみで、アルコール濃度に関わらず最適な燃料噴射量を設定できる多種燃料エンジンの燃料噴射制御装置に関する。
近年、環境保護の観点から、石化燃料に対する代替燃料の１つとしてアルコール燃料が有望視されており、ガソリンの他にアルコールとガソリンとを混合したアルコール混合燃料でも走行可能な車両（FFT：Flexible Fuel Vehicle）が開発されている。
アルコール混合燃料とガソリン１００％の燃料とは発熱量や気化特性が異なると共に、ガソリンに対する混合割合を示すアルコール濃度によっても両者の特性は異なる。したがって、ガソリン１００％の燃料の使用を前提とするエンジンにアルコール混合燃料を使用すると、制御空燃比が理論空燃比から外れてしまい、その結果、排気成分が変化したり、運転性が変化したりすることがある。このような技術課題に対して、特許文献１には、略中庸となる濃度付近に補正されたアルコール濃度に応じて燃料噴射量を増量補正する技術が開示されている。
特開２００４−２９３４９１号公報
上記した従来技術では、アルコール濃度の実際の変化に対応することが困難であるのみならず、エンジンの運転状態と燃料噴射量との対応関係を定めた燃料噴射マップを設ける場合でも、これを燃料のアルコール濃度ごとに設けなければならないので、エンジンの仕様が変更されるごとに全ての燃料噴射マップを更新しなければならなかった。
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、一つの基本噴射マップのみで、燃料のアルコール濃度にかかわらず燃料噴射量を適正化できる多種燃料エンジンの燃料噴射制御装置を提供することにある。
上記した目的を達成するために、本発明は、エンジンへのアルコール混合燃料の噴射量を、排気ガス中の酸素濃度に基づいて制御する燃料噴射制御装置において、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
(1)排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサと、酸素濃度の計測値に基づいて燃料のアルコール濃度を判定するする判定手段と、エンジンの運転状態ごとに燃料の基本噴射量を定めた基本噴射マップと、燃料の基本噴射量およびアルコール濃度の組み合わせごとにアルコール濃度係数を定めたアルコール濃度係数テーブルと、エンジンの運転状態に応じた基本噴射量を前記基本噴射マップから抽出する手段と、前記燃料のアルコール濃度および基本噴射量に応じたアルコール濃度係数を前記アルコール濃度係数テーブルから抽出する手段と、前記基本噴射量およびアルコール濃度係数に基づいて燃料噴射量を算出する手段とを含むことを特徴とする。
(2)アルコール濃度係数は、基本噴射量が少なくなるほど高くなることを特徴とする。
(3)アルコール濃度係数は、基本噴射量が所定の噴射量以上の範囲では略一定であることを特徴とする。
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)請求項１の発明によれば、燃料の基本噴射マップをアルコール濃度ごとに設けることなく、唯一の基本噴射マップと、アルコール濃度ごとに設定できる基本噴射量をパラメータとしたアルコール濃度係数のみで、燃料のアルコール濃度に関わらず燃料噴射量を最適化できるようになる。したがって、エンジンの仕様変更等により燃料噴射量を見直す必要が生じた場合でも、基本噴射マップの見直し工数が大幅に減ぜられる。
(2)請求項２の発明によれば、エンジンの低回転域では基本噴射時間に対するスロットル開度−エンジン回転数の変動の割合が増加するものの、アルコール濃度係数の増加割合を大きくすることで安定した制御が可能になる。
(3)請求項３の発明によれば、エンジンの高回転域でも、制御を複雑化することなく空燃比を適正に制御できるようになる。
初めに、本発明の基本的な考え方について説明する。本発明では、一枚の基本噴射マップのみで、燃料のアルコール濃度にかかわらず燃料噴射量を最適化するために、一枚の基本噴射マップから求まる燃料噴射量に、燃料のアルコール濃度別および基本噴射量をパラメータとしたアルコール濃度係数（以下、E濃度係数）を乗じることで、燃料のアルコール濃度に応じた燃料噴射量が求められる。
ここで、燃料噴射量はエンジンが要求する吸入吸気量に依存し、従来から、燃料噴射量はエンジン回転数Neおよびスロットル開度TH（または、吸気負圧Pb）をパラメータとする基本噴射マップとして管理されている。この基本噴射マップでは、図５に一例を示したように、NeおよびTHの組み合わせ（マップ上での格子点）ごとに燃料噴射量が設定されている。したがって、各格子点についてアルコール濃度ごとにE濃度係数を設定すれば、一枚の基本噴射マップのみで、燃料のアルコール濃度にかかわらず燃料噴射量を最適化できる。しかしながら、このような方式では各格子点についてアルコール濃度ごとにE濃度係数を登録しなければならないのでE濃度係数の個数が膨大になる。
一方、図５の基本噴射マップを参照すれば、図中の格子点A，B，Cのように、燃料噴射量が同一または同等の格子点が多数存在する。また、発明者等の実験結果によれば、基準となるアルコール濃度において燃料噴射量が同一または同等となる格子点については、他のアルコール濃度においても、アルコール濃度ごとに絶対量は変化するものの、同一アルコール濃度における各格子点の燃料噴射量は相互に同一または同等となることが確認されている。
図６では、アルコール濃度が十分に低い第１レベル(E1)の各格子点の燃料噴射量Timapを横軸にとり、アルコール濃度が高い第３レベル(E3)の同一格子点の燃料噴射量をE1の同一格子点の燃料噴射量で除したE濃度係数(Ke3)を縦軸にとっている。この図から、E1の燃料噴射量TimapとE濃度係数Ke3とは高い相関を示しており、E1の燃料噴射量TimapにE濃度係数Ke3を乗じれば、格子点とは無関係にE3の燃料噴射量を最適化できることが判る。
同様に、図７では、基準となるE1の各格子点の燃料噴射量Timapを横軸にとり、アルコール濃度が十分に高い第４レベル(E4)の同一格子点の燃料噴射量をE1の同一格子点の燃料噴射量で除したE濃度係数(Ke4)を縦軸にとっている。ここでも、E1の燃料噴射量TimapとE濃度係数Ke4とは高い相関を示しており、基準となるE1の燃料噴射量TimapにE濃度係数Ke4を乗じれば、格子点とは無関係にE4の燃料噴射量を最適化できることが判る。
さらに、図８は、以上の実験結果に基づいて、基準となるE1の燃料噴射量Timapと各アルコール濃度におけるE濃度係数Ke3，Ke4との関係を示した図であり、アルコール濃度ごとに求まるE濃度係数の間には規則性があることが判る。すなわち、前記E濃度係数は、基本噴射量が少なくなるほど高くなる一方、基本噴射量が所定の噴射量以上の範囲では略一定となることが判る。
本発明では、以上の考察結果に基づいて、あるアルコール濃度に関する唯一の基本噴射マップと、この基本噴射マップを基準にして一部のアルコール濃度について設定される複数のE濃度係数とに基づいて、他のあらゆるアルコール濃度の燃料噴射量を最適化するようにした。
次いで、図面を参照して本発明の最良の実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の燃料噴射制御装置が適用される内燃機関およびその燃料噴射制御系統の全体構成を示した図である。
エンジン１には吸気管２および排気管７が連結され、吸気管２の上流側にはエアクリーナ３が設けられている。エンジン１への吸入空気量は、吸気管２の内部に配置されたスロットル弁４により調節される。スロットル弁４の開度はスロットル開度センサ（以下、THセンサと表現する）１１により検知される。
吸気管絶対圧センサ（以下、PBAセンサと表現する）１２は吸気管絶対圧PBAを計測する。吸気温センサ（以下、TAセンサと表現する）１６は吸気管２の内部における吸気温TAを計測する。水温センサ（以下、TWセンサと表現する）１３は、エンジン１の冷却水温TWを計測する。クランク角センサ（以下、CRKセンサと表現する）１４は、エンジン１のクランク位置を代表するクランク角CRKを計測する。
排気管７の下流側には三元触媒８が設けられており、排気管７のエンジン１と三元触媒８との間には、排気管７内の排気ガスの酸素濃度を計測する酸素濃度センサ（以下、O2センサと表現する）１５が設けられている。エンジン制御装置(ECU：Electronic Control Unit)１０は、上記した各センサが出力する計測値に基づいて、燃料噴射制御を含む各種のエンジン制御を実行する。インジェクタ５は、ECU１０から出力される噴射制御信号に応答して開弁し、ガソリンまたはガソリンとアルコールとの混合燃料を噴射する。
図２は、前記ECU１０の主要部の構成を示した機能ブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。ここでは、本発明の説明に不用な構成は図示が省略されている。
ECU１０は、CPU２１と、このCPU２１にワークエリアを提供するRAM２２と、CPU２１により実行されるプログラムや噴射制御用の情報（後述する燃料の基本噴射マップ、E濃度係数テーブル、各種の補正係数テーブルなど）が不揮発に記憶されるROM２３と、各種の制御パラメータが書換可能かつ不揮発に記憶されるEEP-ROM２４とを主要な構成とし、CPU２１と各記憶素子２２，２３，２４とは内部バスにより相互に接続されている。
図３は、本発明の燃料噴射制御装置の構成を機能的に表現したブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
E濃度判定部１００は、O2センサ１５の計測値（電圧）VO2に基づいてアルコール濃度（本実施形態では、エタノール濃度）を判定する。燃料の基本噴射マップ１０１には、アルコール濃度が第１レベル(E1)の場合に最適な基本噴射量Timapが、エンジン回転数Neおよびスロットル開度THをパラメータとするマップ形式で記憶されている。E濃度係数テーブル１０２には、基本噴射量Timapに乗じてアルコール濃度に応じた噴射量Tiを算出するためのE濃度係数が、燃料のアルコール濃度ごとにテーブル形式で記憶されている。
補正係数テーブル分１０３には、TAセンサ１６の計測結果から得られる吸気温TAに対応する吸気温補正係数KTAを求めるため補正係数テーブルをはじめとして、THセンサ１１、PBAセンサ１２、TWセンサ１３、CRKセンサ１５などの各種センサの計測値に基づいて、水温補正係数KTW、加速補正係数TACC、環境補正係数などを求める各種の補正係数テーブルが記憶されている。
基本噴射量抽出部１０４は、エンジンパラメータとして、例えばエンジン回転数Neおよびスロットル開度THに対応した基本噴射量Timapを基本噴射マップ１０１から抽出する。E濃度係数抽出部１０５は、E濃度判定部１００によるアルコール濃度の判定結果および前記基本噴射量Timapに対応したE濃度係数を前記E濃度係数テーブル１０２から抽出する。燃料噴射量算出部１０６は、前記基本噴射量TimapにE濃度係数を乗じると共に、補正係数テーブル群１０３に登録されている各種の補正係数をさらに加算または乗じて、インジェクタ５から噴射する燃料噴射量Tioutを算出する。
図４は、本実施形態の動作を示したフローチャートであり、エンジンの運転中に所定の周期で繰り返し実行される。
ステップＳ１では、前記E濃度判定部１００において、前記酸素濃度センサ１５の計測値（電圧）VO2に基づいてアルコール濃度が判定される。ここでは、アルコール濃度が第３レベル(E3)と判定されたものとして説明を続ける。ステップＳ２では、エンジンの運転状態を代表するパラメータとして、エンジン回転数Neおよびスロットル開度THが取り込まれる。ステップＳ３では、前記基本噴射量抽出部１０４において、前記エンジン回転数Neおよびスロットル開度THをパラメータとして基本噴射マップ１０１が検索され、現在のエンジン運転状態に応じた基本噴射量Timapが抽出される。
ステップＳ４では、前記E濃度係数抽出部１０５において、前記アルコール濃度および基本噴射量Timapに基づいてE濃度係数テーブル１０２が検索され、現在の基本噴射量Timapに乗じられてアルコール濃度が第３レベル(E3)の場合に最適な噴射量を算出するためのE濃度係数Ke3が抽出される。このとき、アルコール濃度の判定結果に対応した中庸のE濃度係数がE濃度係数テーブル１０２に未登録であれば、アルコール濃度が近傍の２つのE濃度係数から補間処理または外挿処理によってE濃度係数が算出される。
ステップＳ５では、前記基本噴射量TimapにE濃度係数Ke3が乗じられ、さらに他の補正係数が適宜に加算または乗じられて燃料噴射量Tioutが算出される。
本発明の燃料噴射制御装置が適用される内燃機関およびその燃料噴射制御系統の全体構成を示した図である。 図１のECUの主要部の構成を示した機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態の動作を示したフローチャートである。 基本噴射マップの一例を示した図である。 アルコール濃度が第１レベル(E1)の場合の燃料噴射量と第３レベル(E3)の場合の燃料噴射量とを比較した図である。 アルコール濃度が第１レベル(E1)の場合の燃料噴射量と第４レベル(E4)の場合の燃料噴射量とを比較した図である。 アルコール濃度が第１レベルの場合のE濃度係数Ke1と、第３レベルの場合のE濃度係数Ke3と、第４レベルの場合のE濃度係数Ke4とを比較した図である。
符号の説明
１…エンジン，２…吸気管，３…エアクリーナ，４…スロットル弁，５…インジェクタ，７…排気管，８…三元触媒，１０…エンジン制御装置，１１…スロットル開度センサ，１２…吸気管絶対圧センサ，１３…水温センサ，１４…クランク角センサ，１５…，酸素濃度センサ，１６…吸気温センサ，２１…CPU，２２…RAM，２３…CPU，２４…EEP-ROM

Claims (2)

  1. エンジンへのアルコール混合燃料の噴射量を、排気ガス中の酸素濃度に基づいて制御する多種燃料エンジンの燃料噴射制御装置において、
    排気ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度センサと、
    前記酸素濃度の計測値に基づいて燃料のアルコール濃度を判定する手段と、
    エンジンの運転状態ごとに燃料の基本噴射量を定めた基本噴射マップと、
    燃料の基本噴射量およびアルコール濃度の組み合わせごとにアルコール濃度係数を定めたアルコール濃度係数テーブルと、
    エンジンの運転状態に応じた基本噴射量を前記基本噴射マップから抽出する手段と、
    前記燃料のアルコール濃度および基本噴射量に応じたアルコール濃度係数を前記アルコール濃度係数テーブルから抽出する手段と、
    前記基本噴射量およびアルコール濃度係数に基づいて燃料噴射量を算出する手段とを具備し、
    前記アルコール濃度係数テーブルには、アルコール濃度が十分に低い第１レベル、アルコール濃度が高い第３レベルおよびアルコール濃度が十分に高い第４レベルの３つのレベルが設定され、
    前記アルコール濃度係数は、前記第３および第４レベルでは基本噴射量が少なくなるほど高くなり、
    前記アルコール濃度係数は、前記アルコール濃度係数テーブルにおいて前記アルコール濃度の判定結果近傍の２つのアルコール濃度係数からの補完処理または外挿処理によって算出されることを特徴とする多種燃料エンジンの燃料噴射制御装置。
  2. 前記アルコール濃度係数は、基本噴射量が所定の噴射量以上の範囲では略一定であることを特徴とする請求項１に記載の多種燃料エンジンの燃料噴射制御装置。
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