JP6349608B2 - エンジン制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、エンジン制御システムに関する。
近年では、車両の燃費性能及び環境保護性能を向上させる技術として、ガソリン等の液体燃料と圧縮天然ガス(CNG)等の気体燃料とを選択的に切替えて単一エンジンの運転制御を行うバイフューエルエンジンシステムの導入が進んでいる。一般に、エンジンの運転制御において、実空燃比が目標空燃比(理論空燃比)となるように燃料噴射量を制御する空燃比フィードバック制御が行われるが、バイフューエルエンジンシステムの場合には、ガソリン運転時とガス運転時とのそれぞれで空燃比フィードバック制御を行う必要がある。
例えば、特許文献1には、バイフューエルエンジンシステムにおけるガソリン運転時とガス運転時のそれぞれについて、空燃比フィードバック制御に用いる補正係数を個別に学習し、ガソリン運転とガス運転を切り替える場合に個別に記憶した補正係数を用いて燃料噴射量を制御する技術について記載がある。
また、特許文献1には、ベーパと呼ばれる液体燃料が蒸発してできた蒸発燃料の影響を除去するために、補正係数の学習中は、ベーパをエンジンへパージすることを禁止する制御についても記載がある。
特開2011−220253号公報
ところで、気体燃料のガスの組成は、地域によって異なる場合がある。そのような場合、ある地域で補給したガス燃料を元に学習した補正係数は、他の地域で補給したガス燃料の運転時には適切な値ではない可能性がある為、そのときに使用しているガス燃料に適した値となるよう学習し直す必要がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、気体燃料の組成が変化した場合でも、適切に燃料噴射量を制御できるエンジン制御システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、燃料噴射システムに係る第1の解決手段として、第1、第2燃料を選択的に切り替えて単一エンジンの運転制御を行うエンジン制御システムであって、エンジンから排出される排出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、前記センサの出力信号に基づいて空燃比が目標空燃比となるように空燃比フィードバック制御を行う制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記第2燃料による運転時における空燃比フィードバック制御の補正係数を算出し、更に前記第2燃料の組成の変化によって生じる、前記算出した補正係数と目標とする補正係数とのずれを補正する補正装置と、所定の範囲の値である燃料組成補正係数を記憶する記憶装置と、前記燃料組成補正係数を記憶する際の変更幅に制限を設ける制限装置を備える、という手段を採用する。
また、本発明では、燃料噴射システムに係る第2の解決手段として、前記制御装置は、前記空燃比フィードバック制御が動作中で且つ、パージ制御の停止中に前記燃料組成補正係数を算出する、という手段を採用する。
また、本発明では、燃料噴射システムに係る第3の解決手段として、前記燃料組成補正係数の取り得る値は、所定の運転状態を所定の期間続ける間に、前記第2燃料の組成の変化を補正できるような範囲に設定されている、という手段を採用する。
また、本発明では、燃料噴射システムに係る第4の解決手段として、前記制御装置は、エンジンの負荷又はエンジンの回転数が高い状態では、前記燃料組成補正係数を記憶しない、という手段を採用する。
本発明によれば、気体燃料の組成が変化した場合でも、適切に燃料噴射量を制御することができる。
本実施形態におけるエンジン制御システムの構成概要図である。 燃料組成学習の値が一定の範囲内に制限されることによる効果を示す図である 燃料組成のずれを学習するタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、本発明に係るエンジン制御システムとして、ガソリン等の液体燃料(第1燃料)と圧縮天然ガス(CNG)等の気体燃料(第2燃料)とを選択的に切替えて単一エンジンの運転制御を行うバイフューエルエンジンシステムを例示して説明する。
図1は、本実施形態におけるエンジン制御システムの構成概略図である。この図1に示すように、本実施形態におけるエンジン制御システムは、空燃比センサ1、燃料圧力センサ2、燃料温度センサ3、点火コイル4、燃料ポンプ5、パージ制御弁6、液体燃料噴射弁7、気体燃料噴射弁8、遮断弁9、燃料切替スイッチ10、1st−ECU(Electronic Control Unit)11及び2nd−ECU12から構成されている。
なお、1st−ECU11及び2nd−ECU12は、本発明における制御装置に相当する構成要素である。
ここで、1st−ECU11には、エンジン運転状態を示す各種センサ信号が入力される。具体的には、クランク角度センサ、吸気圧センサ、吸気温センサ、スロットル開度センサ、冷却水温センサ等から出力されるセンサ信号が入力される。
空燃比センサ1は、例えばガス検知物質としてジルコニアを用いた酸素センサであって、ガス接触部が排気流路に露出するようにエンジンの排気管に設置されており、排出ガスの酸素濃度に応じた電圧信号を1st−ECU11に出力する。燃料圧力センサ2は、気体燃料タンクから気体燃料噴射弁8へ至る気体燃料供給経路におけるレギュレータ下流側の気体燃料の圧力を検出し、その検出結果を表す燃料圧力信号を2nd−ECU12に出力する。燃料温度センサ3は、上記レギュレータ下流側の気体燃料の温度を検出し、その検出結果を表す燃料温度信号を2nd−ECU12に出力する。
点火コイル4は、1次巻線と2次巻線からなるトランスであり、1st−ECU11から1次巻線に供給される点火用電圧信号を昇圧して2次巻線からエンジンの点火プラグに供給する。燃料ポンプ5は、1st−ECU11から供給されるポンプ駆動信号に応じて、液体燃料タンク内の液体燃料を汲み出して液体燃料噴射弁7の燃料入口に圧送する。パージ制御弁6は、1st−ECU11から供給されるパージ制御信号に基づいて、液体燃料が蒸発してできた蒸発燃料(ベーパ)をエンジンにパージするために設けられる。
液体燃料噴射弁7は、吸気流路に噴射口が露出するように吸気管に設置された電磁弁であり、2nd−ECU12から供給される燃料噴射弁駆動信号に応じて、液体燃料タンクから供給される液体燃料(ガソリン等)を噴射口から噴射する。尚、液体燃料噴射弁7に供給される燃料噴射弁駆動信号は、1st−ECU11で生成されて2nd−ECU12に出力されたものである。
気体燃料噴射弁8は、吸気流路に設置された電磁弁であり、2nd−ECU12から供給される燃料噴射弁駆動信号に応じて、気体燃料タンクから供給される気体燃料(CNG等)を噴射口から噴射する。遮断弁9は、気体燃料タンクからレギュレータに至る気体燃料供給経路に介挿された電磁弁であり、2nd−ECU12から供給される遮断弁駆動信号に応じて開弁動作及び閉弁動作を行うことで、気体燃料タンクから気体燃料噴射弁8への気体燃料の供給開始と停止を切替える役割を担っている。
燃料切替スイッチ10は、手動操作による燃料の切替えを可能とするスイッチであり、そのスイッチの状態、つまりエンジンで使用する燃料として液体燃料が選択されているのか、気体燃料が選択されているのかを示す燃料選択信号を2nd−ECU12に出力する。
1st−ECU11は、液体燃料によるエンジン運転制御を行うものであり、パージ制御回路11a、電気的に書き換え可能なROM(Read Only Memory)11b、RAM(Random Access Memory)11c、通信回路11d及びCPU(Central Processing Unit)11eを備えている。パージ制御回路11aは、CPU11eから出力される制御信号に基づいて、パージ制御弁6を駆動するためのパージ制御信号を生成する。
ROM11bは、CPU11eの各種機能を実現するためのエンジン制御プログラムや各種設定データを予め記憶している不揮発性メモリである。RAM11cは、CPU11eがエンジン制御プログラムを実行して各種動作を行う際に、データの一時保存先に用いられる揮発性のワーキングメモリである。通信回路11dは、CPU11eによる制御の下、1st−ECU11と2nd−ECU12とのデジタル通信(例えばCAN通信)を実現する通信インターフェイスであり、通信ケーブルを介して2nd−ECU12と接続されている。
CPU11eは、ROM11bに記憶されているエンジン制御プログラムに従って、クランクパルス信号(エンジンのクランクシャフトが一定角度回転する毎に出力される信号)、エンジン回転数、吸気圧値、吸気温値、スロットル開度値、冷却水温値及び空燃比センサ出力電圧値と、通信回路11dを介して2nd−ECU12から得られる各種情報とに基づいて液体燃料によるエンジン運転制御を行う。
また、このCPU11eは、通信回路11dを介して2nd−ECU12から受信した燃料切替信号を基に、現在選択中の燃料が液体燃料であると判断した場合、燃料ポンプ5を制御すると共に、ピストンが燃料噴射時期に対応する位置に到達した時点で、液体燃料噴射弁7による液体燃料の噴射を実施する。ここで、CPU11eは、液体燃料噴射弁7の通電時間(つまり、2nd−ECU12を介して液体燃料噴射弁7に供給される燃料噴射弁駆動信号のパルス幅)を算出し、制御することで液体燃料の噴射量を制御する。
さらに、CPU11eは、エンジンが所定の運転状態にある場合、空燃比センサ出力電圧値に基づいて、実空燃比が目標空燃比(理論空燃比)となるように燃料噴射量を制御する(空燃比フィードバック制御)。詳細には、CPU11eは、実空燃比が目標空燃比に対して「リッチ」であれば、燃料噴射量が減少するように、また、実空燃比が目標空燃比に対して「リーン」であれば、燃料噴射量が増加するような空燃比補正係数を算出し、この空燃比補正係数を用いて燃料噴射量を制御する。
また、CPU11eは、空燃比センサ出力電圧値に基づいて通電時間の補正に用いられる空燃比補正係数を算出すると共に、その時のエンジン運転状態を示す情報(例えばエンジン回転数及びスロットル開度値)と共に電源が切られても消去されないよう当該算出した空燃比補正係数を学習値としてROM11bに記憶させる、いわゆる学習機能を備えている。
なお、CPU11eは、気体燃料によるエンジン運転時において、算出した通電時間や空燃比補正係数を、通信回路11dを介して2nd−ECU12へ送信する機能も有する。
一方、2nd−ECU12は、気体燃料によるエンジン運転制御を行うものであり、通信回路12a、ROM12b、RAM12c及びCPU12dを備えている。
通信回路12aは、CPU12dによる制御の下、1st−ECU11と2nd−ECU12とのデジタル通信(例えばCAN通信)を実現する通信インターフェイスであり、通信ケーブルを介して1st−ECU11(詳細には通信回路11d)と接続されている。
ROM12bは、CPU12dの各種機能を実現するためのエンジン制御プログラムや各種設定データを予め記憶している電気的に書き換え可能な不揮発性メモリである。RAM12cは、CPU12dがエンジン制御プログラムを実行して各種動作を行う際に、データの一時保存先に用いられる揮発性のワーキングメモリである。
CPU12dは、ROM12bに記憶されているエンジン制御プログラムに従って、燃料切替スイッチ10から入力される燃料選択信号、エンジン回転数、燃料圧力センサ2から得られる燃料圧力値、及び燃料温度センサ3から得られる燃料温度値、及び通信回路12aを介して1st−ECU11から得られる各種情報に基づいて気体燃料によるエンジン運転制御を行う。
具体的には、CPU12dは、燃料切替スイッチ10から入力される燃料指定信号を基に現在選択中の燃料が気体燃料であると判断した場合、その判断結果を示す燃料切替信号を通信回路12aを介して1st−ECU11に送信する一方、遮断弁9を開放させると共に、ピストンが燃料噴射時期に対応する位置に到達した時点で、気体燃料噴射弁8による気体燃料の噴射を実施する。
ここで、CPU12dは、通信回路12aを介して1st−ECU11から通電時間及び空燃比補正係数を受信して、現在の空燃比補正係数を取得する。CPU12dは、この空燃比補正係数を用いて燃料組成学習を算出する。CPU12dは、燃料圧力値から算出した燃料圧力補正係数、及び燃料温度値から算出した燃料温度補正係数を用いて補正することで最終通電時間を算出し、その最終通電時間に相当するパルス幅を有する燃料噴射弁駆動信号が気体燃料噴射弁8に供給されるよう、気体燃料噴射弁8による気体燃料の噴射量を制御する。
燃料組成学習とは、気体燃料を構成する燃料ガスの組成や密度にばらつきがあり、そのばらつきによる燃料噴射量のずれを補正する為の係数である。例えば、ある機会に補給したガス燃料の密度が、これまで使用していた気体燃料に比べて高い場合、新たに補給した気体燃料における理論空燃比への空燃比補正係数は少なくなる。燃料組成学習は、このような気体燃料の組成や密度による理論空燃比への空燃比補正係数の違いを補正するための係数である。
CPU12dは、空燃比補正係数の値が「1」となるような燃料組成学習を算出する。また、このCPU12dは、算出した燃料組成学習を、電源が切られても消去されないよう学習値としてROM12bに記憶させる、いわゆる学習機能を備えている。つまり、CPU12dは、燃料組成学習等を用いて算出した最終通電時間に基づいて気体燃料の噴射を実施し、その結果の排出ガスについて、空燃比センサ1の検出した値に基づいてCPU11eが算出した空燃比補正係数が「1」となるような燃料組成学習値をROM12bに記憶させる。空燃比補正係数が「1」となるように制御するとは、つまり、安定した運転状態においては、空燃比フィードバック制御の結果、空燃比補正係数が「1」となるはずなので、気体燃料によって運転する場合にも、その状態を維持できるように制御することを意味する。
なお、後に説明するようにCPU12dが算出する燃料組成学習値の取り得る値は、一定の範囲に制限されている。また、CPU12dは、ベーパの影響を回避できるタイミングに燃料組成学習値を算出する。
図2は、燃料組成学習の値が一定の範囲内に制限されることによる効果を示す図である。図2において、符号21は、CPU12dが算出した燃料組成学習の値を示している。符号22は、車速を示している。符号23は、気体燃料の組成の変化に対する燃料噴射量の補正目標値を示している。この図の場合、気体燃料の組成のうち燃料が占める割合が基準となる気体燃料よりも小さく(薄い燃料ガス)、その為、目標とする燃料噴射量は「1.2」となるものとする。ここで、もし車速が急に変化したときのように、過渡的に実空燃比と目標空燃比との間にずれが出るような場合も、そのずれを補正する補正量を燃料組成学習値として学習してしまうと、その過渡状態後の定常状態においては、その燃料組成学習値は不適切なものとなってしまう。符号24は、そのように過渡的な空燃比のずれに無制限に燃料組成学習の値を追従させたときの燃料噴射量の振る舞いを示している。このように過渡的な空燃比のずれに無制限に燃料組成学習の値を追従させると、燃料噴射量は、目標値(符号23)から乖離してしまう。
そこで、CPU12dは、実空燃比と目標空燃比のずれが大きく、空燃比補正係数を「1」とするための燃料組成学習の値がある範囲を超える場合、予め定められた燃料組成学習の上限値を燃料組成学習値に設定し、ROM12bに記録する。符号21は、このように制限を設けて算出した燃料組成学習の値を示している。符号25は、符号21が示す燃料組成学習による補正に制限を設けたときの燃料組成学習値の振る舞いを示している。この場合、燃料組成学習値を、目標値に収束することができることを示している。
図3は、CPU12dが燃料組成のずれを学習するタイミングの一例を示すタイミングチャートである。
この図において、燃料カット実施フラグは、フューエルカット(燃料カット)が生じたタイミングを示している。具体的には、「1」が示す期間において、フューエルカットが生じている。空燃比フィードバック実施フラグは、1st−ECU11で空燃比フィードバック制御が行われているタイミングを示している。具体的には、「0」、「3」、「4」が示す期間において、CPU11eは、空燃比フィードバック制御を行っている。燃料パージ実施フラグは、ベーパをパージする制御弁が動作している期間である。具体的には、「0」、「4」が示す期間において、CPU11eは、ベーパをエンジンに供給する制御(以下、パージ制御と称す)を行っている。
上述のとおり、燃料組成学習は、空燃比補正係数に基づいて算出する。空燃比補正係数を用いるためには、空燃比フィードバック制御が行われている必要がある。また、なるべく気体燃料(第2燃料)の組成の変化に対する燃料組成学習を算出するためには、燃料組成学習の算出時にベーパの影響を回避する必要がある。そこで、CPU12dは、空燃比フィードバック制御が行われていて、且つ、ベーパがエンジンに供給されない間のタイミングを用いて燃料組成学習値を算出する。本実施形態のエンジン制御システムでは、フューエルカット直後に空燃比フィードバック制御やパージ制御が停止する。また、フューエルカットから復帰後、まず、空燃比フィードバック制御が動作し、その後、パージ制御が動作する。そこで、CPU12dは、条件が成立する空燃比フィードバック制御開始後、パージ制御前の「3」が示す時間を利用して燃料組成学習値の算出を行う。つまり、CPU12dは、「3」が示す学習条件が成立する期間において所定の間隔で空燃比補正係数が「1」となるような燃料組成学習値を算出し、ROM12bに記録する。
このようにして燃料組成学習値を算出し記憶しておくことで、フューエルカットが生じた後に気体燃料で運転を行う場合や、液体燃料から気体燃料に切り替えた際に、記憶した値を燃料組成学習の初期値とすることができ、より実際に必要となる燃料噴射量に近い値を算出することができる。例えば、密度の濃い気体燃料を使用する場合、燃料噴射量を下げるような燃料組成学習値を予め記憶しておくことで、液体燃料から気体燃料に切り替えた際にも空燃比補正係数=1の状態を保つことができる。また、パージが停止した時間を見つけて燃料組成の学習を行うので、パージの制御に手を加えることなく、気体燃料の組成のずれに応じた燃料噴射量の補正を行うことができる。
なお、燃料組成学習を算出するタイミングは、上記に限定されない。他にもパージを停止しているタイミングがあればその期間に行ってもよい。また、フューエルカットが生じたタイミングやフューエルカットから復帰するタイミングについては、CPU11eが、例えばスロットル開度センサの検出した信号に基づいて判定することができる。また、CPU11eは、液体燃料、気体燃料のうちどちらの燃料で動作しているときも所定の条件となるとパージを行う機能を有しており、CPU11eは、パージ制御の開始タイミングを把握することができる。従って、CPU12dは、CPU11eから、フューエルカットからの復帰タイミング、空燃比フィードバック制御の開始タイミング、パージ制御の開始タイミングにおいてそれぞれ信号を受信することで、燃料組成学習の算出を行うタイミングを把握することができる。
また、燃料組成学習の値を制限する範囲を、運転状態に影響が出ないように誤学習を防ぎつつ、且つなるべく短時間で気体燃料の組成の変化による空燃比補正係数のずれを補正できるような範囲に設定してもよい。例えば、ユーザの一般的な走行状態及び1回の走行時間や、そのような走行を行ったときに、学習条件が成立する図3の「3」の期間が何回生じるかを想定する。そして、実際に生じ得る気体燃料の組成の最大の変化による空燃比補正係数のずれを、想定した回数で「1」にできるように燃料組成補正の値を制限する範囲を決定する。このように設定することで、例えば、ユーザによる1回の一般的な走行の間に、気体燃料の組成の変化による影響を補正することができるようになる。
また、エンジンの負荷や回転数が高い状態では、燃料組成補正の学習を行わず、エンジンの負荷や回転数が低い状態では、燃料組成補正の学習を行うといった制御を行ってもよい。
上記実施形態では、空燃比フィードバック制御を1st−ECU11で行い、燃料組成補正の学習を2nd−ECU12で行う場合を例に説明を行ったが、燃料組成補正の学習を1st−ECU11で行ってもよい。また、空燃比フィードバック制御及び燃料組成補正の学習を2nd−ECU12で行ってもよい。また、1st−ECU11と2nd−ECU12の機能を1つのECUに統合しても良い。この場合、CPU11eとCPU12dの機能を1つのCPUに統合し、ROM11bとROM12bの機能も1つのROMに統合しても良い。
なお、CPU11e、CPU12dは、第2燃料による運転時における空燃比フィードバック制御の補正係数を算出し、更に前記第2燃料の組成の変化によって生じる、算出した補正係数と目標とする補正係数とのずれを補正する補正装置の一例である。また、ROM12bは、所定の範囲の値である燃料組成補正係数を記憶する記憶装置の一例である。また、CPU12dは、燃料組成補正係数を記憶する際の変更幅に制限を設ける制限装置の一例である。
1…空燃比センサ、2…燃料圧力センサ、3…燃料温度センサ、4…点火コイル、5…燃料ポンプ、6…パージ制御弁、7…液体燃料噴射弁、8…気体燃料噴射弁、9…遮断弁、10…燃料切替スイッチ、11…1st−ECU、12…2nd−ECU

Claims (3)

  1. 第1、第2燃料を選択的に切り替えて単一エンジンの運転制御を行うエンジン制御システムであって、
    エンジンから排出される排出ガスの酸素濃度を検出するセンサと、
    前記センサの出力信号に基づいて空燃比が目標空燃比となるように空燃比フィードバック制御とパージ制御を行う1st−ECUと、前記1st−ECUから得られる各種情報に基づいて前記第1、第2燃料を選択的に切り替えて噴射制御を行なう2nd−ECUとからなる制御装置と、
    を備え、
    前記2nd−ECUは、
    前記第2燃料による運転時における前記空燃比フィードバック制御の補正係数を算出し、更に前記第2燃料の組成の変化によって生じる、前記算出した補正係数と目標とする補正係数とのずれを補正する補正装置と、
    所定の範囲の値である燃料組成補正係数を記憶する記憶装置と、前記燃料組成補正係数を記憶する際の変更幅に制限を設ける制限装置と、
    を備え、
    更に、前記第2燃料による運転時に前記1st−ECUから前記空燃比フィードバック制御の開始タイミング及びパージ制御の開始タイミングの信号を受信することにより、前記空燃比フィードバック制御が動作中で且つ前記パージ制御の停止中に前記燃料組成補正係数を算出する
    ことを特徴とするエンジン制御システム。
  2. 前記燃料組成補正係数の取り得る値は、所定の運転状態を所定の期間続ける間に、前記第2燃料の組成の変化を補正できるような範囲に設定されている
    ことを特徴とする請求項1に記載のエンジン制御システム。
  3. 前記制御装置は、エンジンの負荷又はエンジンの回転数が高い状態では、前記燃料組成補正係数を記憶しない
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエンジン制御システム。

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