JP5265903B2

JP5265903B2 - エンジンの空燃比制御方法及びその空燃比制御装置

Info

Publication number: JP5265903B2
Application number: JP2007292706A
Authority: JP
Inventors: ウメルジャン・サウット; 武相瀧川; トフティハイレット
Original assignee: Nikki Co Ltd
Current assignee: Nikki Co Ltd
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2027-11-12
Also published as: US7761218B2; US20090138177A1; JP2009121240A

Description

本発明は、エンジンの空燃比制御方法及びその空燃比制御装置に関し、殊に、流量計による吸入空気流量のデータを用いることなく、目標空燃比を実現するための燃料噴射時間を算出してインジェクタに駆動信号を出力する、エンジンの空燃比制御方法及びこれを実行する空燃比制御装置に関する。

エンジンの空燃比制御において、吸入空気流量（Q_α[kg/h]）は燃料基本噴射量を決定するための重要なデータであり、例えば特開昭５７−７０９３４号公報に記載されているように、検知したエンジン回転数及び吸気管圧力値を入力変数として１サイクル当たりの吸入空気流量をマップから算出するとともに、エンジンの排ガス成分から空燃比（Ａ／Ｆ）を検出して、エンジンに供給する燃料噴射量（燃料噴射時間）をフィードバック制御する空燃比制御方法が知られている。

しかしながら、これら検出値間には一定の相関性がないために各パラメータに対する補正量をマップとしてメモリに記憶しておく必要があり、また、エンジンシステムには非線形要素が多数存在することから、マップを使用して正確な吸入空気流量を求め的確な空燃比制御を実行することは実際には困難である。

これに対し、本願発明者・出願人らは、先に特開２００５−１４００６３号公報において、エンジン回転数（N）と吸気管圧力（P[kPa]）の値に基づいて所定の計算式によりマップを用いることなく吸入空気流量（Q_α[kg/h]）を推定し、その吸入空気流量に基づいて燃料噴射時間（T_i）を決定することにより燃料噴射を実施する空燃比制御方法を提案している。また、これらのデータに加え、吸入空気温度（T_α[℃]）の値を使用して、さらに精密な吸入空気流量を推定する手法も知られている。

このように、エンジン回転数と吸気管圧力との物理的関係について実験的検証から所定の数式を導出することにより、逐次吸入空気流量を推定しながら空燃比制御を的確に実施することを可能にしている。しかしながら、このときの吸入空気流量・エンジン回転数の制御は、通常スロットルバルブを開閉制御する電子ガバナで行われているところ、そのスロットルバルブ下流側に吸入空気が送られることで発生した負圧（吸気管圧力）と目標エンジン回転数とで燃料噴射時間（T_i）を求めている関係で、燃料噴射による空燃比制御が電子ガバナによる制御に遅れることになる。また、汎用エンジン等、コストの低廉さや構成の簡易さが要求されるエンジンにおいてはＡ／Ｆセンサを用いずに空燃比制御を行っている場合が多い。

そのため、目標エンジン回転数が急激に変化するようなエンジン運転の過渡時においては、吸入空気と燃料の比である空燃比が目標空燃比に一致しなくなる場合があり、短時間で変動する目標エンジン回転数に対する過渡応答性や排気性能にも悪影響を与え、目標エンジン回転数に収束するための時間が遅延したりハンチングしたりして、エンジン運転性を良好に維持することが困難な状況に陥りやすい。
特開昭５７−７０９３４号公報特開２００５−１４００６３号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、エンジンの空燃比制御について、過渡運転時においても応答遅れを最小限に抑えながら目標空燃比を実現するものとして、良好なエンジン運転性を確保できるようにすることを課題とする。

吸気管圧力値及びエンジン回転数を用いて推定された吸入空気流量と前記エンジン
回転数とを用いることにより燃料噴射時間を決定してインジェクタに燃料噴射信号を
出力することにより供給燃料の空燃比を制御する空燃比制御手段を用いるエンジンの
空燃比制御方法において、前記エンジン回転数と目標エンジン回転数との偏差に基づ
いてエンジン回転数制御手段でスロットルバルブを開閉操作することでエンジン回転
数を制御するとともに、前記空燃比制御手段が、所定の実験モデルによる吸入空気流
量、燃料噴射時間、エンジン回転数、及びそのときの空燃比についての総ての運転条
件に応じて実験的に得られた複数組のデータ群から導出され各データ間の関係を表す
所定の数式に、少なくとも前記エンジン回転数及び前記吸入空気流量のデータをあて
はめることにより、過渡運転時においても応答遅れを最少にしながら目標空燃比を実
現させるための燃料噴射時間を算出することを特徴とする。

このように、吸気管圧力を左右するエンジン回転数制御手段が吸気管圧力をフィードバック制御するのではなく実エンジン回転数と目標エンジン回転数との偏差を用いてスロットルバルブを操作するものとして、総ての運転条件をカバーするように実験的に得た吸入空気流量、燃料噴射時間、エンジン回転数、及びそのときの空燃比のデータから燃料噴射時間を決定するための数式（関係式）を導出して設定しておき、所定の手順で求めた吸入空気流量とエンジン回転数を数式にあてはめて燃料噴射時間を算出するようにしたことで、過渡運転時においても応答遅れを最少にしながら目標空燃比を実現しやすくなる。

また、この空燃比制御方法において、その燃料噴射時間を算出するための数式が、

（但し、T_i(t)は最終燃料噴射時間、T_af(t)は数式モデルによるＡ／Ｆ補正量、T_u(t)は過渡補正噴射時間、T_s(t)は無効燃料噴射時間、N(t)はエンジン回転数、Q_α(t)は吸入空気流量、A/Fは目標空燃比、b₁とb₂は定数）であることを特徴とする燃料噴射制御方法とすれば、吸気管圧力データを要さずに比較的簡易な手順で的確な燃料噴射時間を算出可能として、過渡運転時での対応遅れを少ないものとしながら目標空燃比が実現しやすいものとなる。

この場合、その数式に使用するＡ／Ｆ補正量を算出するための数式が、

（但し、T_af(t)は数式モデルによるＡ／Ｆ補正量、e(t)は目標エンジン回転数に対する誤差、k_pとk_iはＡ／Ｆ制御パラメータ）により算出され、且つ、前記目標エンジン回転数に対する誤差を算出するための数式が、

（但し、T_i(t-1)はサンプリング前の最終燃料噴射時間、N(t)はエンジン回転数、e(t)は目標エンジン回転数に対する誤差、Q_αは吸入空気流量、c₁とc_２はＡ／Ｆ制御パラメータ）であることを特徴とする空燃比制御方法とすれば、より的確に目標空燃比を実現することができる。

さらに、空燃比制御方法実行用プログラムが記憶手段に記憶されており、エンジン回転数検出手段による出力信号及び吸気管圧力検出手段による出力信号が入力され、燃料噴射信号を生成してインジェクタに出力することにより上述した空燃比制御方法を実行する、ことを特徴とする空燃比制御装置とすれば、これをエンジンの燃料供給システムに配設するだけで目標空燃比を実現させるシステムを容易に構築することができる。

さらにまた、この空燃比制御装置は、検知しているエンジン回転数に基づいて目標エンジン回転数に一致するようにフィードバック式にスロットルバルブの開閉を行なうことにより、吸入空気流量及びエンジン回転数を制御するエンジン回転数制御手段を兼ねていることを特徴とするものとすれば、エンジン回転数を同時に制御可能としたことで一層迅速で安定した空燃比制御を実現できる。

実験による複数のデータ群から導出した数式モデルを使用して燃料噴射時間を決定するものとした本発明によると、過渡運転時においても応答遅れを最小限に抑えながら目標空燃比を実現するものとして、良好なエンジン運転性を確保することができる。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本実施の形態の空燃比制御方法を実行する空燃比制御装置としての電子制御ユニット４０を配設したエンジンシステムの配置図を示している。エンジン１の吸気管路２途中には、スロットルバルブ４３及びその開閉を行う図示しないアクチュエータ、インジェクタ４６、吸気管圧力検出手段としての吸気管圧力センサ４１、吸気温度センサ４２、プレッシャーレギュレータ４４、及び電子制御ユニット４０を備えて１つのパッケージとされた電子ガバナ４が配設されている。

この電子ガバナ４のインジェクタ４６には、燃料タンク３から延設されて途中に燃料ポンプ７が配設された燃料供給配管が接続されている。一方、エンジン１のフライホイール外周側にはエンジン回転数検出手段としてのクランク角センサ１１が配設されて電子制御ユニット４０にエンジン回転信号を出力するようになっている。

この電子ガバナ４は、スロットルバルブ４３を開閉制御して吸入空気流量及びエンジン回転数を制御するエンジン回転数制御手段を構成するものであり、検知した吸気管圧力、エンジン回転数、吸気温度を基に流量計を用いることなく所定の算出方法でエンジン１の吸入空気流量を推定して制御に使用している。また、この電子制御ユニット４０は、エンジン１に供給する燃料の空燃比を制御するための空燃比制御装置を兼ねている点に特徴がある。

この空燃比制御装置としての電子制御ユニット４０が実行する空燃比制御方法において、エンジンのあらゆる運転状態を想定した実験モデルによる、少なくとも吸入空気流量、燃料噴射時間、エンジン回転数、及びそのときの空燃比を含む複数組のデータ群から導出され各データ間の関係を表すものとして予め設定しておいた数式（関係式）に、少なくともエンジン回転数及び吸入空気流量のデータを各々あてはめることにより、目標空燃比を実現するための燃料噴射時間を算出するようにした点を特徴としている。

即ち、この燃料噴射時間を算出するための数式は上述した数式１，２，３からなる関係式であり、推定したエンジン吸入空気流量と検知しているエンジン回転数、及び他の補正要素等を用いて、最終燃料噴射時間（最終燃料噴射パルス）を求めるようになっている。

次に、本実施の形態の空燃比制御方法による制御手順を説明する。例えば、コストの低廉さ、構成の簡易さが要求される汎用エンジン等を想定している図１に示すエンジンシステムにおいて、本実施の形態ではエンジン１のエンジン回転数制御システムに対し、エンジン１の総ての運転条件に応じてエンジン回転数が目標エンジン回転数になるように制御を実行するとともに、空燃比も一定の目標空燃比になるように制御を実行するものであり、数式モデルに基づいて推定したＡ／Ｆ値を用いて、センサレス方式で空燃比制御を行う点も特徴である。

再度、図１を参照して、このエンジンシステムにおける本実施の形態の空燃比制御装置による制御目的は、エンジン１の吸入空気流量及び燃料噴射量に応じてエンジン回転数を制御するとともに、総ての運転条件において空燃比が目標空燃比になるようにするところにある。

エンジン１が始動したとき、吸気管圧力（吸気マニホルド負圧）、エンジン回転数及び吸入空気温度に比例して、吸気管圧力センサ４１、クランク角センサ１１、吸気温度センサ４２が検出データを各々電子制御ユニット４０に連続的に出力する。

エンジン１の吸入空気流量Q_α(t)は、入力された吸気管圧力、エンジン回転数、吸入空気温度のデータを用いて所定の算定方式で推定され、予め設定したＡ／Ｆセンサモデルの計算式によりエンジン１の総ての運転条件において空燃比（Ａ／Ｆ）が目標空燃比になるような最適な最終燃料噴射時間（燃料噴射パルス）T_i(t)を、電子制御ユニット４０が計算する。

このとき、燃料噴射時間の計算手順に吸気管圧力データは不要であり、また、エンジン回転数制御手段によるスロットルバルブ４３の開閉制御は、実エンジン回転数が目標エンジン回転数になるようにフィードバック式に行われるため、電子ガバナ４の制御や状況の変化に対し大きく遅れることなく空燃比制御を実行できることから、極めて応答の速い制御を実現可能としている。

また、クランク角センサ１１からの入力信号をフィードバックし、エンジン回転数が目標エンジン回転数になるような制御演算を行い、電子制御ユニット４０はこれらの結果を出力してインジェクタ４６及び電子ガバナ４を制御する。従って、過渡運転時のように目標エンジン回転数が急激に変動しても実エンジン回転数が指定された目標エンジン回転数に対して定常誤差がないように制御すると同時に、空燃比が目標空燃比になるように制御することができる。

本実施の形態の空燃比制御方法による実験結果を示す図２，図３のグラフを参照して、図２上段のグラフにおいて破線は目標エンジン回転数、実線は実応答を示している。また、図２下段のグラフにおいて、実線は上述した数式モデルで計算された空燃比の推定値、破線はＡ／Ｆセンサによる出力値を示している。

一方、図３上段のグラフは本実施の形態による吸入空気量推定値、下段はインジェクタからの燃料噴射量を示している。これらの結果から、エンジンがどんな運転状態でもＡ／Ｆ値及び実エンジン回転数が常に指定された目標Ａ／Ｆ値及び目標エンジン回転数に収束しており、本実施の形態による空燃比制御方法が極めて有効であることが分かる。

以上、述べたように、エンジンの空燃比制御について、本発明により過渡運転時であっても応答遅れを最小限に抑えながら目標空燃比を実現可能なものとなり、良好なエンジン運転性を確保できるようになった。

本発明の実施の形態を示す配置図。図１の空燃比制御装置による制御結果を示すグラフ。図１の空燃比制御装置による制御結果を示すグラフ。

符号の説明

１エンジン、２吸気管路、４電子ガバナ、１１クランク角センサ、４０電子制御ユニット、４１吸気管圧力センサ、４２吸気温度センサ、４３スロットルバルブ、４６インジェクタ

Claims

吸気管圧力値及びエンジン回転数を用いて推定された吸入空気流量と前記エンジン回転数とを用いることにより燃料噴射時間を決定してインジェクタに燃料噴射信号を出力することにより供給燃料の空燃比を制御する空燃比制御手段を用いるエンジンの空燃比制御方法において、
前記エンジン回転数と目標エンジン回転数との偏差に基づいてエンジン回転数制御手段でスロットルバルブを開閉操作することでエンジン回転数を制御するとともに、前記空燃比制御手段が、所定の実験モデルによる吸入空気流量、燃料噴射時間、エンジン回転数、及びそのときの空燃比についての総ての運転条件に応じて実験的に得られた複数組のデータ群から導出され各データ間の関係を表す所定の数式に、少なくとも前記エンジン回転数及び前記吸入空気流量のデータをあてはめることにより、過渡運転時においても応答遅れを最少にしながら目標空燃比を実現させるための燃料噴射時間を算出することを特徴とするエンジンの空燃比制御方法。
前記燃料噴射時間を算出するための数式が、

（但し、Ti(t)は最終燃料噴射時間、Taf(t)は数式モデルによるＡ／Ｆ補正量、Tu(t)は過渡補正噴射時間、Ts(t)は無効燃料噴射時間、N(t)はエンジン回転数、Qα(t)は吸入空気流量、A/Fは目標空燃比、b1とb2は定数）であることを特徴とする請求項１に記載した燃料噴射制御方法。
前記数式に使用するＡ／Ｆ補正量を算出するための数式が、

（但し、Taf(t)は数式モデルによるＡ／Ｆ補正量、e(t)は目標エンジン回転数に対する誤差、kpとkiはＡ／Ｆ制御パラメータ）により算出され、且つ、前記目標エンジン回転数に対する誤差を算出するための数式が、

（但し、Ti(t-1)はサンプリング前の最終燃料噴射時間、N(t)はエンジン回転数、e(t)は目標エンジン回転数に対する誤差、Qαは吸入空気流量、c1とc2はＡ／Ｆ制御パラメータ）であることを特徴とする請求項２に記載した空燃比制御方法。
空燃比制御方法実行用プログラムが記憶手段に記憶されており、エンジン回転数検出手
段による出力信号及び吸気管圧力検出手段による出力信号が入力され、前記燃料噴射信号
を生成して前記インジェクタに出力することにより、請求項１，２または３に記載した空
燃比制御方法を実行することによりエンジンの燃料供給システムに配設するだけで目標空
燃比を実現させるシステムを構築することを特徴とする空燃比制御装置。
請求項４に記載した空燃比制御装置は、検知している前記エンジン回転数のデータに基
づいて前記目標エンジン回転数に一致するようにフィードバック式に前記スロットルバル
ブの開閉を行なうことにより、前記吸入空気流量及び前記エンジン回転数を制御する前記
エンジン回転数制御手段を兼ねていることによりエンジン回転数を同時に制御可能とした
ことを特徴とする空燃比制御装置。