JP6884469B2 - 内燃機関の吸入空気量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量検出装置に関する。

車両のエンジンの制御では、エンジンの吸入空気量が検出されて、たとえば、その吸入空気量に基づいて燃料噴射量が決定される。

吸入空気量を検出する手法の代表的なものに、エンジンの吸気管における吸入空気流量を検出するエアフロセンサ（エアフロメータ）を用いる手法と、吸気管内の圧力（吸気圧）を検出する吸気圧センサを用いる手法とがある。エアフロセンサを用いる手法では、車両の定常走行時に高い精度で吸入空気量を検出できるが、吸気脈動が大きい状況下では検出誤差が大きくなる。そのため、３気筒エンジンの制御では、エアフロセンサの使用が避けられている。

特開２００４−１３２２７４号公報

エアフロセンサを用いる手法において、吸気脈動に起因する検出誤差を小さくするため、たとえば、所定タイミング毎にエアフロセンサの出力をＡ／Ｄ変換し、そのＡ／Ｄ変換により得られる値を長期間で平均化することが考えられるが、平均化する期間が長いと、制御の応答性が低下する。とくに、３気筒エンジンは、４気筒エンジンよりも吸気脈動が大きいため、エアフロセンサの出力値をより長期間で平均しなければならず、制御の応答性がさらに低下する。

本発明の目的は、内燃機関の制御に適した吸入空気量を検出できる、吸入空気量検出装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係る内燃機関の吸入空気量検出装置は、内燃機関の吸入空気量に応じた信号を出力する吸入空気量センサと、吸入空気量センサの出力信号をクランク角３０°（３０°ＣＡ）ごとに数値化する数値化手段と、クランク角３０°ごとに、数値化手段による数値化で得られる数値のクランク角７２０°（７２０°ＣＡ）分を平均化して平均値を取得する平均化手段とを含む。

この構成によれば、３０°ＣＡごとに、吸入空気量センサの出力信号が数値化される。そして、その３０°ＣＡごとの数値化で得られる数値の７２０°ＣＡ分の平均化が３０°ＣＡごとに行われる。

吸入空気量センサの出力信号が一定のクランク角ごとに数値化されることにより、内燃機関の回転数にかかわらずサンプリング数が一定となる。そのため、内燃機関の回転数にかかわらず、７２０°ＣＡ分の平均化により得られる平均値（データ）の質を同じにすることができる。そして、７２０°ＣＡが内燃機関の動作周期の１周期に相当し、吸気脈動が内燃機関のサイクルに同期するので、３０°ＣＡごとの数値化で得られる数値を７２０°ＣＡ分で平均化することにより、吸気脈動に同期した平均値を得ることができる。内燃機関の制御は、内燃機関の動作サイクルごとの物理挙動に即して行われるので、かかる手法により取得された平均値は、内燃機関の制御に適している。

よって、内燃機関の制御に適した吸入空気量を検出することができる。

また、本発明の一の局面に係る内燃機関の吸入空気量検出装置は、内燃機関の吸入空気量に応じた信号を出力する吸入空気量センサと、吸入空気量センサの出力信号をクランク角３０°ごとに数値化する数値化手段と、内燃機関の各行程の周期に応じたクランク角ごとごとに、数値化手段により得られる数値のピーク値を取得するピーク値取得手段とを含む。

この構成によれば、３０°ＣＡごとに、吸入空気量センサの出力信号が数値化される。そして、内燃機関の各行程の周期に応じたクランク角ごと（たとえば、３気筒の内燃機関であれば２４０°ＣＡごと、４気筒の内燃機関であれば１８０°ＣＡごと）に、３０°ＣＡごとの数値化で得られる数値のピーク値が取得される。

ピーク値の変化から過渡的な吸入空気量の変化を推定することができる。したがって、内燃機関の吸入空気量が大きく変化する過渡的な状況、たとえば、スロットル開度が大きく変化する状況では、ピーク値の変化を考慮することにより、応答性に優れた内燃機関の制御が可能となる。その結果、低エミッション化および低燃費化を図ることができる。

本発明によれば、内燃機関の制御に適した吸入空気量を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る吸入空気量検出装置が用いられるエンジンおよびその給排気系を示す図である。 エンジンの吸入空気量を検出するための回路構成を示すブロック図である。 平均化の手法について説明するための図である。 ピーク値およびボトム値の時間変化の一例を示す図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜エンジンの給排気系＞
図１は、本発明の一実施形態に係る吸入空気量検出装置が用いられるエンジン１１およびその給排気系を示す図である。

エンジン１１は、たとえば、３気筒４ストロークエンジンである。エンジン１１の各気筒の吸気ポートには、インテークマニホールド１２が接続されている。インテークマニホールド１２には、外気がエアクリーナ１３、吸気管１４およびスロットルバルブ１５をこの順に通過して取り込まれる。

インテークマニホールド１２から各気筒に吸入される空気は、たとえば、エンジン１１に配設されたインジェクタ（燃料噴射弁）から各気筒内に直接噴射された燃料と混合され、所定空燃比の混合気とされる。そして、エンジン１１の各気筒に設けられた点火プラグがスパークすることにより混合気が燃焼する。

燃焼後の排ガスは、各気筒からエキゾーストマニホールド１６に排出される。エキゾーストマニホールド１６には、排気管１７が接続されており、排ガスは、エキゾーストマニホールド１６および排気管１７を通過し、排気管１７の途中に設けられた三元触媒１８で有害成分であるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘが浄化されて大気中に排出される。

また、ＥＧＲシステム２１が付随して設けられている。ＥＧＲシステム２１は、ＥＧＲ通路２２およびＥＧＲバルブ２３を含む。ＥＧＲ通路２２は、たとえば、排気管１７に接続され、その他端がインテークマニホールド１２に接続されている。ＥＧＲバルブ２３は、ＥＧＲ通路２２の途中に介在されている。ＥＧＲバルブ２３が開かれると、エンジン１１から排出される排ガスの一部がＥＧＲ通路２２を流通し、ＥＧＲ通路２２からインテークマニホールド１２を介してエンジン１１に還流される。ＥＧＲ通路２２を流通する排ガスの流量は、ＥＧＲバルブ２３の開度により調整することができる。

吸気管１４には、エアフロセンサ３１が設けられている。エアフロセンサ３１は、たとえば、熱式エアフロメータであり、吸気管１４を流れる吸入空気量（吸気量）を検出し、また、吸気管１４内の吸入空気温度（吸気温）を検出する。

インテークマニホールド１２には、インテークマニホールド１２内の圧力（インマニ圧）を検出するインマニ圧センサ３２が設けられている。

また、大気圧を検出する大気圧センサ３３が設けられている。

エアフロセンサ３１、インマニ圧センサ３２および大気圧センサ３３の各検出信号は、マイコン（マイクロコントローラユニット）を含む構成のＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）４１に入力される。マイコンには、たとえば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ、データフラッシュ（フラッシュメモリ）などが内蔵されている。ＥＣＵ４１は、各種センサの検出信号から取得した情報などに基づいて、エンジン１１の始動、停止および出力調整などのため、エンジン１１に付随するインジェクタおよび点火プラグを制御し、また、スロットルバルブ１５およびＥＧＲバルブ２３の開度を制御する。

＜吸入空気量検出＞
図２は、エンジン１１の吸入空気量を検出するための回路構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ４１には、エンジン１１の吸入空気量を検出するため、ローパスフィルタ５１、ピークホールド回路５２、リセット回路５３、ボトムホールド回路５４、リセット回路５５およびＡ／Ｄ変換回路５６〜５８を備えている。

エアフロセンサ３１の出力信号は、ローパスフィルタ５１に入力される。エアフロセンサ３１の出力信号がローパスフィルタ５１を通過することにより、その出力信号から高周波成分が除去される。

ローパスフィルタ５１を通過した信号は、エンジン１１の３０°ＣＡ（クランク角３０°）ごとに、Ａ／Ｄ変換回路５６でＡ／Ｄ変換により量子化（数値化）されて、ＣＰＵに入力される。これにより、ＣＰＵは、３０°ＣＡごとに、エアフロセンサ３１の出力信号を数値化した数値（データ）を得ることができる。

ローパスフィルタ５１を通過した信号は、ピークホールド回路５２に入力される。ピークホールド回路５２は、リセット回路５３と対をなしている。すなわち、ピークホールド回路５２は、入力信号がピークホールド回路５２のホールドコンデンサの電圧よりも大きいときには、ホールドコンデンサが充電される。一方、入力信号がホールドコンデンサの電圧以下であるときには、ホールドコンデンサの電圧が保持（ホールド）される。ピークホールド回路５２からは、ホールドコンデンサの電圧がインピーダンス変換されて出力される。リセット回路５３は、ホールドコンデンサと並列に設けられるリセットスイッチをオン／オフする回路である。リセット回路にリセット信号が入力されると、リセット回路からリセットスイッチに信号が入力されて、リセットスイッチがオンになる。リセットスイッチのオンにより、ホールドコンデンサに蓄積された電荷が開放（放電）される。

エンジン１１が３気筒４ストロークエンジンである場合、２４０°ＣＡごとにエアフロセンサ３１の出力信号の脈動のピークが出現するので、その脈動のピーク（ボトム）が生じない領域（２４０°ＣＡ以内）ごとに、ＣＰＵからリセット回路５３にリセット信号が入力される。これにより、ピークホールド回路５２から２４０°ＣＡごとのピーク値が出力される。ピークホールド回路５２の出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路５７により数値化されて、ＣＰＵに入力される。

また、ローパスフィルタ５１を通過した信号は、ボトムホールド回路５４に入力される。ボトムホールド回路５４は、リセット回路５５と対をなしている。すなわち、ボトムホールド回路５４は、入力信号がボトムホールド回路５４のホールドコンデンサの電圧よりも大きいときには、ホールドコンデンサが充電される。一方、入力信号がホールドコンデンサの電圧以下であるときには、ホールドコンデンサの電圧が保持（ホールド）される。ボトムホールド回路５４からは、ホールドコンデンサの電圧がインピーダンス変換されて出力される。リセット回路５５は、ホールドコンデンサと並列に設けられるリセットスイッチをオン／オフする回路である。リセット回路にリセット信号が入力されると、リセット回路からリセットスイッチに信号が入力されて、リセットスイッチがオンになる。リセットスイッチのオンにより、ホールドコンデンサに蓄積された電荷が開放（放電）される。

エンジン１１が３気筒４ストロークエンジンである場合、２４０°ＣＡごとにエアフロセンサ３１の出力信号の脈動のボトムが出現するので、その脈動のピーク（ボトム）が生じない領域（２４０°ＣＡ以内）ごとに、ＣＰＵからリセット回路５５にリセット信号が入力される。これにより、ボトムホールド回路５４から２４０°ＣＡごとのボトム値が出力される。ボトムホールド回路５４の出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路５８により数値化されて、ＣＰＵに入力される。

ＥＣＵ４１のＣＰＵは、図３に示されるように、３０°ＣＡごとに、Ａ／Ｄ変換回路５６から入力される数値の７２０°ＣＡ分を平均化する。これにより、ＣＰＵでは、３０°ＣＡごとに、エアフロセンサ３１の出力信号を数値化した数値の７２０°ＣＡ分の平均値が得られる。

また、ＥＣＵ４１のＣＰＵでは、図４に示されるように、２４０°ＣＡごとに、エアフロセンサ３１の出力信号を数値化した数値のピーク値およびボトム値が得られる。このピーク値およびボトム値から、ＣＰＵでは、エンジン１１の吸入空気量の過渡的な変化が推定される。

そして、ＣＰＵでは、車両の加減速時など、スロットル開度の変化が大きいときには、たとえば、最新のピーク値と２４０°ＣＡ前に取得されたピーク値との差を求め、その差に所定の係数を乗じた値をエアフロセンサ３１の出力信号を数値化した数値の７２０°ＣＡ分の平均値に加算することにより、エンジン１１の吸入空気量を検出する。

なお、係数は、たとえば、スロットル開度の変化量およびエンジン回転数から求めることができ、スロットル開度の変化量、エンジン回転数および係数の関係を表すマップから取得することができる。

＜作用効果＞
以上のように、３０°ＣＡごとに、エアフロセンサ３１の出力信号が数値化される。そして、その３０°ＣＡごとの数値化で得られる数値の７２０°ＣＡ分の平均化が３０°ＣＡごとに行われる。

エアフロセンサ３１の出力信号が一定のクランク角ごとに数値化されることにより、エンジン１１の回転数にかかわらずサンプリング数が一定となる。そのため、エンジン１１の回転数にかかわらず、７２０°ＣＡ分の平均化により得られる平均値（データ）の質を同じにすることができる。そして、７２０°ＣＡがエンジン１１の動作周期の１周期に相当し、吸気脈動がエンジン１１のサイクルに同期するので、３０°ＣＡごとの数値化で得られる数値を７２０°ＣＡ分で平均化することにより、吸気脈動に同期した平均値を得ることができる。エンジン１１の制御は、エンジン１１の動作サイクルごとの物理挙動に即して行われるので、かかる手法により取得された平均値は、エンジン１１の制御に適している。

よって、エンジン１１の制御に適した吸入空気量を検出することができる。

また、３０°ＣＡごとに、エアフロセンサ３１の出力信号が数値化される。そして、２４０°ＣＡごとに、３０°ＣＡごとの数値化で得られる数値のピーク値およびボトム値が取得される。

ピーク値（ボトム値）の変化から過渡的な吸入空気量の変化を推定することができる。したがって、エンジン１１の吸入空気量が大きく変化する過渡的な状況、たとえば、スロットル開度が大きく変化する状況では、ピーク値（ボトム値）の変化を考慮することにより、応答性に優れたエンジン１１の制御が可能となる。その結果、低エミッション化および低燃費化を図ることができる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１１：エンジン（内燃機関）
３１：エアフロセンサ（吸入空気量センサ）
４１：ＥＣＵ（吸入量検出装置、平均化手段、ピーク値取得手段）

Claims (1)

1. 内燃機関の吸入空気量に応じた信号を出力する吸入空気量センサと、
   前記吸入空気量センサの出力信号をクランク角３０°ごとに数値化する数値化手段と、
   クランク角３０°ごとに、前記数値化手段による数値化で得られる数値のクランク角７２０°分を平均化して平均値を取得する平均化手段と、
   前記内燃機関の各行程の周期に応じたクランク角ごとに、前記吸入空気量センサの出力信号のピーク値を取得するピーク値取得手段と、
   前記ピーク値取得手段により取得された最新のピーク値と１つ前のピーク値との差を用いて、前記平均化手段により取得された前記平均値を補正する手段と、を含む、内燃機関の吸入空気量検出装置。

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