JPH0158331B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は内燃機関の燃料制御を改良するための
方法に関する。更に詳しくは、速度−密度型内燃
機関燃料制御システムにおける燃料の調量の仕方
を改良するための方法に関する。 内燃機関に送る燃料量を電気的に制御するシス
テムとして二型式ある。一つは空気重量流量方式
と呼ばれ、エンジンに流入する空気の体積又は質
量が実際に測定され、これに従つて燃料が調量さ
れる方式である。他方のシステムは、速度−密度
方式と呼ばれ、エンジン速度とエンジン吸気マニ
ホルド絶対圧力とを用いてエンジンに流入する空
気量を間接的に決定する方式である。どちらの電
子燃料制御システムにおいても、適当な燃料制御
装置によつて適量の燃料が調整される。すなわち
燃料制御装置は、複数の電磁的燃料インゼクタを
有し、これを間欠的に動作させて吸気弁の上流の
吸気マニホルドに燃料を供給するようになつてい
る。 ムーン（Moon）等の米国特許第4086884号に
は、速度−密度燃料制御システムについて記載さ
れているが、この燃料制御システムではデジタル
コンピユータを用いてエンジンの所要燃料量を計
算している。供給されるべき燃料が十分な頻度で
制御されるようにこの計算は繰返し行われ、燃料
制御が十分正確にリアルタイムで行なわれる。コ
ンピユータは、好ましくは、燃料を対話型式で、
即ち燃料供給、点火時期及び排気ガスの再循環な
どの全てを相互に依存する出力変数として同時に
制御している。モイヤー（Moyer）等の米国特
許第3969614号は対話型式のエンジン制御システ
ムを開示している。そのようなデジタルコンピユ
ータエンジン制御システムに於いて、点火時期の
ような出力変数は例えば間欠型燃料噴射装置に於
ける噴射の時期及び持続時間などの他の出力変数
を決定する際に考慮に入れられる。（当然ながら
噴射が連続的であれば、エンジンサイクルにおい
て通常噴射開始点を決定する必要はない。）米国
特許第4086884号に開示の速度−密度燃料噴射シ
ステムでは、エンジンに供給されるべき燃料量の
算出に、エンジンの容積効率を直接的又は間接的
に用いている。あいにく、容積効率はエンジン速
度及びエンジン負荷を含むいくつかのパラメータ
の関数である。エンジンの燃焼室に実際に導入さ
れる吸気混合気中の酸素量に合わせるように、エ
ンジン供給用の被調量燃料量の計算に以上の変動
フアクタを考慮する必要がある。いずれの時点に
おいてもオープンあるいはクローズループの双方
のエンジン動作モードでのエンジン動作に要求さ
れる濃空燃比混合気、理論空燃比混合気あるいは
希薄空燃比混合気のいずれかを与えるように、目
的とする燃料を随時選択してもよい。 「速度−密度」型のシステムとは、より詳しく
は、空気流量を算出するために、エンジン速度、
吸気密度、及び容積効率値用の所定値を測定する
ようなシステムをいう。 例えば、特定の５エンジンに対する動的性能
測定データに基づき、 全質量流量AMPEM（空気質量流量＋EGR質量流
量） ＝0.11346×MAP×RPM／MCT×VEFF が求められる。ここで、 MAP：MAP感知器からのマニホルド絶対圧力。 RPM：エンジン速度（CP感知器から）。 MCT：密度補正のために用いられるMCT感知器
からのマニホルド給気温度。 VEFF：ECUに格納された表から得られるエン
ジンの容積効率。VEFF値はRPM及びMAPに
依存する。 前記の結果から空気質量流量を得るためには、
排ガスEGR質量流量を差し引かねばならない。
効率VEFFが１であり、一般に比例定数がＫであ
る理想的なエンジンでは、全質量流量は、 （全質量流量）＝（Ｋ）（MAP）（RPM）／
MCT で表わされる。 これは、速度−密度方式で空気質量流量を算出
する場合の単純な表現である。すなわち、速度は
エンジンRPMに関係しており、空気密度は圧力
（MAP）及び温度（MCT）に関係している。比
例定数Ｋは、エンジンの容積、１回転当り満たさ
れるシリンダ数、算出の単位等によつて定められ
る。 本発明の改良された方法では、速度−密度型電
子燃料制御システムを有するエンジンの容積効率
が、変動するエンジン動作条件下で、従来のシス
テムの場合に比べてかなり正確に決定される。そ
の結果、正確な燃料制御ができ、且つ所望の燃料
経済性及び排出物制御性の向上もある場合には実
現可能である。 本発明の方法は、エンジンの容積効率の現在値
をコンピユータ計算することによつて内燃機関の
燃料制御を改良する。容積効率は、エンジン負
荷、エンジン速度など、その他もろもろのエンジ
ン動作パラメータの関数として変動する。特に、
本発明の改良方法は、エンジン吸気マニホルド内
の圧力とエンジンの燃焼室より導かれる流路の燃
焼生成物の絶対圧力との比を決定する段階を含
む。すなわちこの比は、吸気混合気及び排気ガス
の絶対圧力の比である。この比あるいはこの逆比
は、場合によつてはエンジン速度に関係し、吸気
混合気が燃焼室へ流れるとき該吸気混合気に働く
力を意味する第２のフアクタと数学的に組合わさ
れる。上記比と第二フアクタとの組合わせエンジ
ン燃焼室へのガス流に対して容積効率を決定する
ために使われる。この実時間乃至実際の容積効率
は、エンジンに送られる次の燃料量を決定するた
めに使用することができる。 本発明の方法はエンジンの容積効率の現在値
（すなわち各時点での容積効率値）を単純且つ正
確に決められるので従来技術に比し価値がある。
吸気混合気及び排気ガスの圧力比は、速度−密度
型燃料制御システムを設けたエンジンで通常使用
されている感知装置を利用することによつて簡単
に決められる。又、エンジン速度も、電子式エン
ジン制御システムで連続的にかつ容易に使用し得
る変数である。これに対して、従来技術の速度−
密度型システムでは、エンジン特性及び設計的事
項の近似値に基づいて、デジタルあるいはアナロ
グあるいはその両方で、時間のかかる多くの計算
を行なう必要があつた。上述のムーン等の特許第
4086884号に開示のシステムでは、これを避けて
おり、容積効率は、エンジンに送られるべき燃料
の量、即ちインジエクタ・パルス幅が計算されて
いる時の吸気マニホルド内の温度及び圧力条件の
関数として扱われた。 本発明の非常に大きな特徴は、エンジンの運転
乃至動作特性に対する高度変化の影響を考慮して
容積効率がリアルタイムに決定されていることで
ある。 速度−密度型燃料制御システムを用いてエンジ
ンに供給すべき燃料の量の従来の計算は、アナロ
グ電子回路で行なわれようと、デジタルコンピユ
ータ及び関連ソフトウエアで行なわれようと、こ
れらの組合せで行なわれようと、計算が行なわれ
る時点でのエンジン速度及び吸気マニホルド圧力
に主に基づいている。以上の如き火花点火内機関
用の従来の制御システムでは、エンジン動作の他
のパラメータは実質的にあまり重要でないと見做
されている。他のパラメータは、一般に、重要度
が低く、従つて精度向上及び較正の場合に考慮す
べき環境条件として取扱われ得る。例えば始動時
のエンジンクランク運動、冷えたエンジンの暖機
運転及びスロツトルの広開等の際に生じるような
より極端なエンジン動作能様は、通常個別の制御
準備を要する場合として取扱われている。三方向
型の触媒が今や自動車エンジンに広く使われてお
り、且つ排気ガスの再循環のために吸気混合気中
の酸素量がエンジン動作条件下で予測しがたくな
つている故、吸気混合気の密度を考慮するかしな
いかにかかわらず、エンジンに供給されるべき燃
料の量を決定するのにエンジン速度と吸気マニホ
ルド圧力だけを用いたのでは不十分である。 ムーン等の米国特許第4086884号に開示された
システムは排気ガスの再循環がエンジンで必要な
燃料量に及ぼす影響を考慮して速度−密度型の燃
料制御システムを改良しようとしたものである。
この改良システムは、容積効率のようなゆつくり
変わるエンジン動作パラメータが吸気マニホルド
圧力や再循環排気ガスの量のようなより早く変わ
るパラメータより少ない頻度で更新されるように
設計された。本発明の方法は、エンジンの容積効
率がリアルタイムで監視されうる有効な方法を与
えることによつて電子式燃料調整システムの開発
を一歩前進させている。 エンジンの容積効率は、エンジンに供給される
混合気の空燃比（空気燃料比）の正確な制御を行
なう必要がある場合非常に重要であり得る。もし
燃料経済性、エンジン性能及び排出物に関心があ
るなら、混合気は、濃空燃比、理論空燃比及び希
空燃比の範囲にわたつて正確に制御されなければ
ならない。エンジンの容積効率は、エンジンの燃
焼室に入る気体（ガス状物質）の体積をエンジン
の燃焼室の排気量で割つたものである。ここで、
エンジンに入る気体の体積は、選択された温度及
び圧力を基準に定められ、実質的に質量流量（重
量流量）に相当する。この定義は、ここでは有用
で、排気量が一定のエンジンの場合、容積効率が
エンジンの燃焼室に入る気体の体積だけに依存す
ることを示している。この体積は排出気体の体積
と同じではない。それは付加的ガスが燃焼中に作
られるからである。 従来、エンジンの容積効率は、所与のデザイン
のエンジン及び排気系に対して蓄積されたエンジ
ンの動的性能測定データに基づいて、主として吸
気マニホルド絶対圧力及びエンジン速度から決定
されていた。吸気マニホルド圧力が変化すると容
積効率が変化する。ところで、吸気マニホルド圧
力は、マニホルド内の混合気体の密度のみなら
ず、エンジン速度及びエンジン負荷の両方の関数
である。 本発明者達は高度が広く変わる地理的位置での
エンジン運転に関係なく、容積効率が吸気マニホ
ルドでの絶対圧力と燃焼室のすぐ下流のエンジン
排気系での絶対圧力との比に関係していることを
発見した。この関係は殆んど双曲線的である。こ
の比を逆にすると、それは殆んど直線的である。
より詳細には、エンジンの排気導管での絶対圧力
に対する吸気マニホルドでの絶対圧力の比は、第
二フアクタと組合せて、容積効率の決定に使用さ
れ得る。この第二フアクタはエンジンの燃焼室に
入る吸気混合気の流れに抗する摩擦力及び慣性力
を表す。 エンジンの吸気系に入り且つエンジンの燃焼室
の方に流れる全ての混合気は、エンジンの吸気導
管乃至マニホルドを通り、各吸気弁を通つた後、
それぞれ燃焼室に入る。この流れに対して摩擦力
及び慣性力の形の抵抗がある。摩擦力は燃焼室に
入る流体と吸気導管及び吸気弁との相互作用によ
つて生じる。 エンジンの容積効率は燃焼室に導入されるガス
状物質の量の尺度である。容積効率を正確に決定
することにより燃焼室での空気又は酸素に関する
要求を満たすことのできる精度ある量の燃料を燃
焼室に送ることが可能となる。換言すれば、エン
ジンの全動作領域に渡りエンジンの容積効率を正
確に把握していれば、エンジンの各サイクルで燃
焼室に導入される酸素に対して適正量の燃料を算
出し出力することを可能にする。 エンジンの圧力比はコンピユータプログラムで
使用するのに適した記述変数によつて表すことが
できる。それはPIOPEと表してもよい。それは
吸気導管絶対圧力（Pressure Intake）割る
（Over）排気導管絶対圧力（Pressure Exhaust）
を意味する。 この圧力比は又他の方法で記述変数で表すこと
ができる。例えば、この圧力比は排気圧割る吸気
圧を意味するPEOPIと表してもよい。 PEOPIはPIOPE同様に圧力比である。容積効
率VEFFは、好ましくは、次式によつてPEOPI
と関連づけられている。 VEFF＝［（PEOPI）（K₁）＋（K₂］ （第二フアクタ） この式で、K₁及びK₂は定数である。第二フア
クタ（要因）は、吸気導管内において吸気弁及び
燃焼室の方へ移動する空気、又は空気及び排気ガ
ス、又は空気、排気ガス及び燃料の混合気に働く
摩擦力及び慣性力を表す。 容積効率又はこれに等価な量のデジタルコンピ
ユータ計算での記述変数的表現がどうあろうと、
重要なことは絶対圧力のPIOPE又はPEOPI比を
用いることである。これらの圧力は、比の形で求
められ且つ第二要因と組合されたとき、現在の乃
至実時間でのエンジン容積効率、即ち絶対圧力が
決定された時点での容積効率の直接的且つ正確な
指示値を与える。（ここで、勿論、吸気導管圧力
及び排気導管圧力は同時に又は実際上無視し得る
程度の時間差で測定乃至決定されると仮定してい
る）。上述の第二要因は、エンジンの吸気導管内
の混合気の流れに対して作用し且つ該流れを遅ら
せようとする摩擦力及び慣性力からなる動的力を
表わすものである。これらの力はエンジン速度に
比例し、またそれほど重要でないが他のエンジン
動作パラメータにも比例する。この第二要因、及
び上の定数K₁及びK₂は、特定のデザインのエン
ジンについてエンジンの動的性能測定装置で試験
して得たデータの多重回帰分析によつて決定され
得る。 第二要因を決定するこの方法は、典型的には、
第二要因が次式の如く既知の定数K₃、K₄及びK₅
を有する二次式で定義されることになる。 第二要因＝K₃＋（K₄）（エンジンRPM） ＋（K₅）（エンジンRPM²） 容積効率をリアルタイムで決定するのに特に適
した方法は、PIOPE及びエンジン速度の関数と
して表（例えば第表の如く）の形でコンピユー
タのメモリに記憶された値を用いることである。
このPIOPE及びエンジン速度はコンピユータの
メモリに保持された容積効率値にアクセスするた
めに使われる二進数で表されていてもよい。記憶
装置に蓄積された容積効率の値の間を補間するた
め良く知られた手法が使われるのが好ましい。即
ち、例えば、第表でPIOPEが0.52と0.68の間の
値でかつエンジン回転数が512RPMと768RPMの
間の値をとる場合この容積効率は、４点補間法を
使用すると最も正確である。アクセスされた容積
効率値は次に必要な燃料供給量を決定するために
コンピユータプログラムで利用され得る。速度−
密度型のシステムにおいて、エンジンの容積効率
を使つて燃料噴射パルス幅を計算するために利用
するに適した式の例はムーン等の米国特許第
4086884号に与えられている。エンジン周期乃至
速度及びPEOPI、又は圧力比及び第二要因の何
か他の適当な組合せは、共にエンジンの現在の運
転上の容積効率を反映しており、現在の容積効率
に応じて必要な量の燃料の供給制御を行なうため
に使用され得る。

【表】 絶対圧力比の決定に於いて、エンジンの排気導
管内の絶対圧力をこのためにわざわざ測定する必
要はない。吸気マニホルド絶対圧力は、火花点火
内燃機関用の既知の速度−密度型燃料噴射システ
ムで日常的に使用されており利用できる量であ
る。雰囲気圧力乃至大気圧も燃料噴射システムで
利用できる。エンジンの燃焼室排気量は、エンジ
ン流入気体ガスの現在の質量流量を前回のエンジ
ンサイクルで計算されたエンジンの容積効率で割
つた値に等しい定数である。（排気導管の背圧も
排気圧を与える排気直前におけるエンジン燃焼室
流入気体の質量流量に非常に密接に関係してい
る。これは次に続くエンジンサイクルの容積効率
を決定する際の要因となる。）従つて、前回のサ
イクルのエンジン流入気体の質量流量又は容積効
率から次のサイクルの容積効率を決定するために
用いてもよい。このために、エンジンの燃焼室の
排気量を最後に決定された容積効率で割り、１エ
ンジンサイクルが完了する間にエンジンを通つて
流れる実際のガス流量にほぼ等しい値を求めても
よい。次にこの数に単位時間当りのエンジンサイ
クル数（通常RPM／２）を掛ければ、単位時間
にエンジンを通つて流れるガス流量がわかる。こ
の流量は再循環された排気ガスを含むかもしれな
い。その場合、再循環排気ガスの前記ガス流量へ
の寄与分はムーン等の特許第4086884号の教示に
従つて差引いてもよい。排気導管ゲージ圧はエン
ジン空気質量流量の単純な二次関数である。即
ち、排気導管ゲージ圧は定数掛ける空気質量流量
の自乗に等しい。排気圧の絶対値は（ゲージ圧）
＋（既知の又は感知された大気圧）である。この
後に、PIOPE又はPEOPI比は吸気マニホルド絶
対圧の最新利用可能値及び計算された排気導管絶
対圧の計算値を用いて求められ得る。この比は次
に摩擦力及び慣性力を表す前述の第二要因と組合
され、新しいエンジン容積効率値を求めるために
利用される。この計算はエンジン運転の間間断な
く繰返される。 選択された容積効率表を変えることなく、デジ
タルコンピユータのプログラム及び記憶装置を二
つ以上のエンジン又は車輛系に利用したい場合、
エンジンの燃焼室への空気質量流量を排気系のゲ
ージ圧に関係ずける基本式の項及びスケーリング
因子を用いればよい。このため、排気系のゲージ
圧は、定数項と、それぞれが特定の当該エンジン
又は車輛系に応じて選択された係数と共に空気質
量流量を一つの因子として有する二つ以上の他の
項との和に等しい項と見做されてもよい。 次に、上記した燃料の供給制御手順の一例を以
下に記す。 (1) 吸気導管圧力（MAP）、エンジン速度
（RPM）、及びマニホルド給気温度（TMAN）
を測定。 (2) 理想的容積効率（Nv）が1.0であることを仮
定して、理想サイクル・ガス流量を算出。 BASEMD＝（K₁）（MAP）（RPM）／
（TMAN） 尚上式において、BASEMDは基本ガス流
量、K₁は定数である。 (3) 前に算出した空気流（AM）を用いて排気ゲ
ージ圧力（PEXH）（すなわち、大気圧（雰囲
気圧力）を越える分の圧力）を、PEXE＝
（K₂）（AM²）の形で算出（ここで、K₂は定数
であり、最初の計算ではAM＝0.0が用いられ
る）。 (4) 感知器から雰囲気・絶対圧力値（BAP）を
決定。 (5) 吸気絶対圧力の排気絶対圧力に対する比
PIOPEを、 PIOPE＝MAP／（PEXH＋BAP） により算出。 (6) （前記の表を用いるか、前記の式を用いるこ
とによつて）PIOPE及びRPMの関数として容
積効率（Nv又はVEFF）を決定。 (7) 基本ガス流量BASEMD及び容積効率VEFF
を用いて、実際のガス流量AMPEMを、式 AMPEM＝BASEMD×VEFFにより算出。 (8) EGRピントル位置（EGR POS）からの排ガ
スEGR質量流量（EM）を、 EM＝（K₃）（EGR POS）−（K₄）（EGR
POS²）により算出（ここでK₃、K₄は定数）。 (9) 実際の空気流量AMを、 AM＝AMPEM−EM により算出。 (10) 次の計算ループでPEXHを算出するために、
最後に計算されたAMを使用。 (11) 最後に計算されたAMに比例する量に燃料を
供給制御。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 吸気導管及び排気導管を有する内燃機関の燃
   料制御方法であつて、 (a) エンジンの吸気導管圧力とその排気導管圧力
   との比又はその逆の比を決定すること、 (b) 決定された前記比を用いて、エンジンの少な
   くとも一つの燃焼室へのガスの流れに関するエ
   ンジンの容積効率を決定すること、及び (c) 決定された前記容積効率に基づいた量でエン
   ジンに燃料を規制して供給することの段階を含
   むことを特徴とする方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の方法に於い
   て、排気導管圧力が測定されることを特徴とする
   方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の方法に於い
   て、吸気導管圧力が測定されることを特徴とする
   方法。 ４ 特許請求の範囲第１項又は第３項記載の方法
   に於いて、排気導管圧力が計算されることを特徴
   とする方法。 ５ 特許請求の範囲第１、３又は４項記載の方法
   に於いて、排気導管圧力が吸気導管圧力を用いて
   計算されることを特徴とする方法。 ６ 特許請求の範囲第１、３、４又は５項記載の
   方法に於いて、排気導管圧力が吸気導管圧力と容
   積効率値との両方を用いて計算されることを特徴
   とする方法。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の方法に於いて、
   排気導管圧力を計算するために用いられるエンジ
   ンの容積効率が特許請求の範囲第１項の段階(b)に
   従つて予め計算された値であることを特徴とする
   方法。 ８ 特許請求の範囲第１項記載の方法に於いて、
   そこに記載の一連の段階が繰返され、且つ一連の
   段階中段階(b)で決定された容積効率が排気導管圧
   力に対する吸気導管圧力又はその逆の比を次に決
   定する際に用いられることを特徴とする方法。 ９ 特許請求の範囲第１項記載の方法に於いて、
   容積効率がデジタルコンピユータの記憶装置に蓄
   積されている表に含まれていることを特徴とする
   方法。 １０ 特許請求の範囲第１項又は第９項記載の方
   法に於いて、特許請求の範囲第１項の段階(b)に従
   つて決定される容積効率を得るため圧力比と第二
   要因とが組合されることを特徴とする方法。 １１ 特許請求の範囲第１項又は第９項記載の方
   法に於いて、前記圧力比がエンジンの吸気導管を
   通つて流れる混合気に対して働く摩擦力及び慣性
   力を表す第二要因と共に特許請求の範囲第１項の
   段階(b)に従つて決定される容積効率を得るために
   用いられることを特徴とする方法。