JP5482600B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、燃料増量率の設定に関する。

特許文献１には、排気エネルギーを利用して過給を行う過給機を備えた内燃機関において、第１燃料増量率と、機関回転速度と吸入空気量に基づいて求められる第２燃料増量率のうち、大きい方を燃料増量率として設定している。第１燃料増量率は、アクセル開度が所定の基準値以下の非加速状態では１、つまり０％の増量率とされ、アクセル開度が基準値を超える加速運転状態である場合には過給圧に応じて設定され、つまり過給圧が所定の基準値以上であれば、パワー空燃比に応じた最大値である１６％の増量とされる。一方、過給圧が基準値未満の場合には、第１燃料増量率が変速比に応じて設定され、機関出力の向上と燃費改善のために最大値よりも小さな値（６％〜１６％の増量）とされる。

特開２００８−１４４７３６号公報

近年、排気エミッション規制が厳しくなるなか、例えばターボ過給機を備えた内燃機関であっても、燃費や排気エミッションの低減化を図るために、一部の高回転高負荷域を除き、過給域を含む大半の機関運転領域で、燃料増量を行わず、燃料増量率を１（０％の増量）、つまり理論空燃比で運転を行うことが検討されている。このような内燃機関では過給域でのエミッションを考慮して燃料噴射制御を行うために吸入空気量を噴射制御のパラメータとしている。

しかしながら、ドライバの加速要求によって内燃機関が加速運転状態にある場合には、燃料増量率が吸入空気量に見合った１（０％の増量）のままでは十分な加速性能が得られず、燃料増量を行う必要がある。

一方、加速運転を判定した際に単に出力混合比となるように燃料増量率を設定したとしても、高負荷時であれば排気系の部品保護のために設定された増量率（出力混合比のための増量率より大きい）が反映されず、加速運転時に排気系部品の保護が不十分となってしまう可能性がある。

そこで、本発明では、燃費や排気エミッションの低減化を図るために、高負荷域の一部を除き、過給域を含む大半の機関運転領域で、燃料増量を行わないエンジンにおいて、過給領域でもエミッションを満足し、更に、ドライバが加速要求を行った場合でも、加速満足しつつ、排気系部品の保護等も十分に行える内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、
吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
機関回転速度を検出する回転速度検出手段と、
上記吸入空気量検出手段により検出された現在の吸入空気量に見合った第１燃料増量率を算出する第１燃料増量率算出手段と、
上記回転速度検出手段により検出された機関回転速度に基づいて、出力要求に対応する第２燃料増量率を算出する第２燃料増量率算出手段と、
アクセル開度の急激な増加により内燃機関が加速運転状態であるか否かを判定する加速判定手段と、
内燃機関の排気エネルギーにより過給を行うターボ過給機と、を有し、
上記第１燃料増量率算出手段は、高回転高負荷域を除いた過給域を含む大半の運転領域で、上記第１燃料増量率を０％の増量となる燃料増量率とし、上記高回転高負荷域では、上記第１燃料増量率を上記０％の増量よりも燃料増量が高い燃料増量率とし、
上記第２燃料増量率算出手段は、所定回転速度以下の低回転域では、上記第２燃料増量率を０％の燃料増量となる燃料増量率とし、上記所定回転速度を超える大半の運転領域で、上記第２燃料増量率を、上記０％の増量より高く、かつ上記高回転高負荷域での上記第１燃料増量率の燃料増量よりも低い燃料増量率とし、
かつ、上記加速判定手段により加速運転状態でないと判定された場合には、上記第１燃料増量率を燃料増量率として設定する一方、
上記加速判定手段により加速運転状態であると判定されると、過給遅れを解消するように、上記第２燃料増量率を燃料増量率として設定し、上記第１燃料増量率が第２燃料増量率よりも大きくなると、排気温度の過度な上昇を抑制するように、上記燃料増量率を第１燃料増量率に切り換え、
設定された燃料増量率に基づいて燃料噴射制御を行う燃料増量率設定手段と、
を有することを特徴としている。

非加速運転状態のときには、現在の機関回転速度と吸入空気量に見合った第１燃料増量率が燃料噴射制御に用いられる燃料増量率として設定されるために、例えば大半の運転領域で第１燃料増量率を理論空燃比に対応する１（０％の増量）とすることで、燃費や排気エミッションの低減化を図ることができる。

一方、運転者がアクセルを急に踏み込んだ急加速時などでは、加速運転状態であると判定され、この場合、出力空燃比に対応した第２燃料増量率が第１燃料増量率を上回ることとなり、この第２燃料増量率が燃料増量率として設定されることで、速やかに燃料増量が行われ、加速性能を向上することができる。特に、ターボ過給機を備えた内燃機関の場合には、燃料増量により排気ボリュームが増加することになり、過給の立ち上がりを早めることができる。

更に、部品保護の点から燃料増量を必要とする高回転高負荷域では、機関回転速度と吸入空気量（負荷）に応じて設定される第１燃料増量率が高い値となり、この第１燃料増量率が燃料噴射制御に用いる燃料増量率として設定されることで、燃料増量により排気温度を適切に低下させることができる。

本発明によれば、加速運転状態における加速性能を確保した上で、燃費や排気エミッションの低減化を図ることができ、排気性能と加速性能とを両立することができる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の制御装置を簡略的に示すシステム構成図。 本実施例に係る燃料増量率の設定処理を示すフローチャート。 図２の加速判定処理のサブルーチンを示すフローチャート。 本実施例に係る第１燃料増量率の設定マップを示す図。 本実施例に係る第２燃料増量率の設定マップを示す図。 本実施例に係る加速前後の燃料増量率等の変化を示すタイミングチャート。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明の一実施例として、ターボ過給機を備えた火花点火式のガソリン内燃機関を簡略的に示している。内燃機関のシリンダブロック１には複数（この例では４つ）のシリンダ２が直列に配置されており、各シリンダ２内にピストンが摺動可能に嵌合している。シリンダ２へ空気を供給する吸気通路３には、吸気量を調整する電制のスロットル（弁）４が配置され、その上流側には、ターボ過給機９、具体的にはそのコンプレッサ９ａが介装されている。スロットル４は、運転者によるアクセルペダル１７の操作とは独立して開度を調整可能な電制のものである。コンプレッサ９ａを駆動する排気タービン９ｂは排気通路５に介装されている。また、吸気通路３のスロットル４の下流側に、スロットル下流の吸気圧すなわち過給圧Ｐｂを検出する過給圧センサ１２が配設されている。排気タービン９ｂよりも下流側の排気通路５には周知の三元触媒２１が介装されている。

過給圧を調整する手段として、この実施例では排気タービン９ｂの出口側と入口側とが排気バイパス通路１０により接続されており、このバイパス通路１０に電制のウエイストゲートバルブ１１が介装されている。このウエイストゲートバルブ１１は、過給圧を所定の特性に保つように機関高速側で開かれるものである。

制御部としてのコントロールユニット１３には、運転者により操作されるアクセルペダル１７の開度を検出するアクセル開度センサ１８によるアクセル開度ＡＰＯ、回転速度センサ１５により検出される機関回転速度、吸入空気量検出手段としてのエアフロメータ１６により検出される吸入空気量、上記過給圧センサ１２により検出される過給圧の他、冷却水温や油圧等の検出信号が入力される。そして、コントロールユニット１３は、これらの機関運転状態を表す各種検出信号に基づいて、燃料噴射弁や点火装置へインジェクタ信号１９や点火信号２０を出力して、燃料噴射時期、燃料噴射量及び点火時期などを制御するとともに、スロットル４へ制御信号を出力してスロットル開度などを制御する。

図２は、本実施例に係る制御処理の流れを示すフローチャートであり、本ルーチンは上記コントロールユニット１３により例えば１０ｍｓ毎に繰り返し実行される。このルーチンで設定された燃料増量率Ｆ０に基づいて、燃料噴射弁による燃料噴射制御が行われることとなる。

ステップＳ１１では、機関回転速度と吸入空気量とに基づいて図４に示す予め設定された制御マップを参照して、現在の吸入空気量に対応した燃料増量率である第１燃料増量率Ｆ１を算出する。機関回転速度は上記の回転速度センサ１５により検出される。吸入空気量は、下記の［１］〜［４］のいずれか一つを用いて求められる。なお、図示していないが、スロットル開度センサはスロットル４の開度を検出するものであり、吸気温度センサは吸気温度を検出するものであり、大気圧センサは大気圧を検出するものである。
［１］エアフロメータ１６
［２］過給圧センサ（コレクタ圧力センサ）１２
［３］スロットル開度センサと吸気温度センサと大気圧センサ
［４］スロットル開度センサと吸気温度センサと過給圧センサ(スロットル上流部圧力センサ)
図４に示すように、この実施例では、排気通路５に設けられた三元触媒２１（図１参照）が有効に機能して排気エミッションを低減するように、ターボ過給機９による過給が行われる過給域を含め、高回転高負荷域を除く大半の機関運転領域で、空燃比が理論空燃比となるように、第１燃料増量率Ｆ１を１に設定している。そして、高回転高負荷側では、排気温度の過度な上昇を抑制するために、第１燃料増量率Ｆ１を１より高くして、空燃比をリッチ側としている。

再び図２を参照して、ステップＳ１２では、出力要求に対応した第２燃料増量率Ｆ２を算出する。この第２燃料増量率Ｆ２は、出力混合比に対応した燃料増量率であり、機関回転速度から図５に示すような予め設定された制御マップを参照して求められる。出力混合比は、発信時や加速時に用いられるもので、所定回転速度Ｎｅ０（１８００〜２８００ｒｐｍ）以下の低回転域を除く大半の運転域で、理論空燃比よりもリッチ側の値である。従って、図５に示すように、第２燃料増量率は、所定回転速度Ｎｅ０以下の領域では、理論空燃比に相当する１とされ、所定回転速度Ｎｅ０を超える大半の回転域で、出力混合比に対応した１より大きな値、例えば約３％の燃料増量に相当する約１．０３とされる。

図２のステップＳ１３では、後述する図３のサブルーチンにより、内燃機関が加速運転状態であるか否かが判定される。加速運転状態でないと判定されると、ステップＳ１７へ進み、上記の第１燃料増量率Ｆ１を、燃料噴射制御に用いる燃料増量率Ｆ０として設定する。

ステップＳ１４で加速運転状態であると判定されると、ステップＳ１５〜Ｓ１７において、第１燃料増量率Ｆ１と第２燃料増量率Ｆ２のうち、大きい値の方を、燃料噴射制御に用いる燃料増量率Ｆ０として設定する。具体的には、ステップＳ１５において、第２燃料増量率Ｆ２が第１燃料増量率Ｆ１より大きいかを判定する。第２燃料増量率Ｆ２が第１燃料増量率Ｆ１より大きければ、ステップＳ１６へ進み、大きい方の第２燃料増量率Ｆ２を燃料増量率Ｆ０として設定する。一方、第２燃料増量率Ｆ２が第１燃料増量率Ｆ１以下であれば、ステップＳ１７へ進み、大きい方の第１燃料増量率Ｆ１を燃料増量率Ｆ０として設定する。

図３は、図２のステップＳ１３における加速判定処理の詳細を示すサブルーチンである。このルーチンでは、スロットル開度による全開判定（ステップＳ２１）と、アクセル開度による急加速判定（ステップＳ２２，Ｓ２３）とのいずれかを満たす場合に、内燃機関が加速運転状態であると判定している。

具体的には、ステップＳ２１では、目標スロットル開度ＴＧＴＶＯが、スロットル全開に相当する所定の判定値ｓＴＧＴＶＯ以上であるかを判定する。目標スロットル開度ＴＧＴＶＯが判定値ｓＴＧＴＶＯ以上であれば、ステップＳ２４へ進み、内燃機関が加速運転状態であると判定する。

一方、目標スロットル開度ＴＧＴＶＯが判定値ｓＴＧＴＶＯ未満であれば、ステップＳ２２へ進み、アクセル開度ＡＰＯが所定の判定値ｓＡＰＯ以上であるかを判定する。ステップＳ２３では、アクセル開度の増加率ＤＡＰＯが、所定の判定値ｓＤＡＰＯ以上であるかを判定する。アクセル開度の増加率ＤＡＰＯは、例えば所定期間前のアクセル開度と現在のアクセル開度との差により求めることができる。アクセル開度ＡＰＯが所定の判定値ｓＡＰＯ以上であり、かつ、アクセル開度の増加率ＤＡＰＯが、所定の判定値ｓＤＡＰＯ以上である場合には、急加速時のように運転者による加速要求が大きいと判断して、ステップＳ２４へ進み、加速運転状態であると判定する。それ以外の場合には、ステップＳ２５へ進み、加速運転状態ではない、つまり非加速運転状態であると判定する。

図６は、本実施例に係る加速過渡期における燃料増量率等の変化を示すタイミングチャートである。時刻ｔ１以前の加速前の運転状態では、非加速状態であるために、第１燃料増量率Ｆ１が燃料増量率Ｆ０として設定される。過給域を含む大半の領域で第１燃料増量率Ｆ１は１（０％の増量）に設定されているために、燃費性能や排気性能の向上を図ることができる。

時刻ｔ１において、アクセル開度の急激な増加から、加速運転状態であると判定されると（加速判定がＯＮ）、第１燃料増量率Ｆ１と第２燃料増量率Ｆ２のうち、大きい方が燃料増量率Ｆ０として設定される。本実施例においては、過給域を含む多くの領域で第１燃料増量率Ｆ１が１に設定されているために、加速直後の運転状態では、多くの場合、図６に示すように、出力混合比に対応した第２燃料増量率Ｆ２が燃料増量率Ｆ０として設定されることとなる。

このように、加速時に燃料増量が速やかに行われることで、加速性能を向上することができる。特に、本実施例のようにターボ過給機９を備えた内燃機関１の場合には、吸入空気量相当の増量では、過給遅れがあるために、吸入空気量に応じた燃料増量率が低く見積もられるために、実際の燃料増量が遅れてしまい、所期の加速要求を満足できない可能性があるものの、本実施例では、燃料増量により吸入空気量と燃料の合計の質量流量である排気ボリュームが増加することになり、過給の立ち上がりを早めることができる。

また、高地などの気圧が低い状況下では、吸入空気量が減少してしまい、吸入空気量相当の燃料増量率では、所期の加速要求を満足できない可能性があるものの、本実施例では、このような状況下であっても、出力空燃比に対応した第２燃料増量率Ｆ２を用いることで、吸入空気量の低下にかかわらず適切な燃料増量を行うことができる。

そして、機関負荷や回転速度の上昇に伴って第１燃料増量率Ｆ１が第２燃料増量率Ｆ２を超えた時点ｔ２で、再び第１燃料増量率Ｆ１が燃料増量率Ｆ０として設定される。つまり、第１燃料増量率Ｆ１が第２燃料増量率Ｆ２に達した時点ｔ２で燃料増量率Ｆ０が第２燃料増量率Ｆ２から第１燃料増量率Ｆ１に切り換えられるために、燃料増量率Ｆ０の急変を招くことがなく、機関負荷や回転速度の上昇に伴って第１燃料増量率Ｆ１（つまりは燃料増量率Ｆ０）が増加していくことから、適切な燃料増量により排気温度の過度な上昇を防止することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では所定回転速度Ｎｅ０以上のときの第２燃料増量率Ｆ２を一定の値（１．０３）としているが、機関回転速度が高くなるほど第２燃料増量率Ｆ２を段階的あるいは連続的に変化させるようにしても良い。また、本発明はターボ過給機を備える内燃機関に限らず、ターボ過給機を有さない自然吸気（ＮＡ）式の内燃機関に適用することもできる。

１…内燃機関
９…ターボ過給機
１３…コントロールユニット
１６…エアフロメータ（吸入空気量検出手段）

Claims (1)

1. 吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   機関回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   上記吸入空気量検出手段により検出された現在の吸入空気量に見合った第１燃料増量率を算出する第１燃料増量率算出手段と、
   上記回転速度検出手段により検出された機関回転速度に基づいて、出力要求に対応する第２燃料増量率を算出する第２燃料増量率算出手段と、
   アクセル開度の急激な増加により内燃機関が加速運転状態であるか否かを判定する加速判定手段と、
   内燃機関の排気エネルギーにより過給を行うターボ過給機と、を有し、
   上記第１燃料増量率算出手段は、高回転高負荷域を除いた過給域を含む大半の運転領域で、上記第１燃料増量率を０％の増量となる燃料増量率とし、上記高回転高負荷域では、上記第１燃料増量率を上記０％の増量よりも燃料増量が高い燃料増量率とし、
   上記第２燃料増量率算出手段は、所定回転速度以下の低回転域では、上記第２燃料増量率を０％の燃料増量となる燃料増量率とし、上記所定回転速度を超える大半の運転領域で、上記第２燃料増量率を、上記０％の増量より高く、かつ上記高回転高負荷域での上記第１燃料増量率の燃料増量よりも低い燃料増量率とし、
   かつ、上記加速判定手段により加速運転状態でないと判定された場合には、上記第１燃料増量率を燃料増量率として設定する一方、
   上記加速判定手段により加速運転状態であると判定されると、過給遅れを解消するように、上記第２燃料増量率を燃料増量率として設定し、上記第１燃料増量率が第２燃料増量率よりも大きくなると、排気温度の過度な上昇を抑制するように、上記燃料増量率を第１燃料増量率に切り換え、
   設定された燃料増量率に基づいて燃料噴射制御を行う燃料増量率設定手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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