JPH05187305A - 内燃機関の空気量演算装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 独立吸気型内燃機関でスピードデンシティ方
式による空気量演算原理を適用するため平均圧力を検出
すると、大気圧の影響を受けて真の吸気圧との差が大と
なり、高地と低地で空気量が一致しなくなり、適正な空
気量演算値が得られない。 【構成】 本発明では、独立吸気型で検出した平均圧力
（１０１）と大気圧（１０２）との差圧を求め（１０
４）、該差圧によって定義される空気量特性を基準に演
算（１０６）している。差圧で定義される空気量特性
は、差圧零の点より始まる特性群となり、これらの基準
特性の１つより選択した空気量を大気圧で補正すること
で、大気圧にかかわらず運転状況に応じた適正な空気量
を演算することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集合吸気方式内燃機関
で適用されるスピードデンシティ方式の吸入空気量演算
の考えを、独立吸気方式内燃機関へも適用可能にした内
燃機関の空気量演算装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多気筒内燃機関の吸入空気量（以下、単
に空気量と呼ぶ）は、全気筒の平均値として圧力センサ
上がりの検出吸気管圧力と内燃機関検出回転数とから算
出したり（スピードデンシティ方式）、又はエアフロメ
ータにより直接に検出する（マスフロー方式）のが一般
的である。これらの方式は、図９に示すような集合吸気
型の内燃機関に適している。なお、図９は圧力センサを
使用するスピードデンシティ方式を説明する概略図であ
る。

【０００３】ところが、最近、２輪車等では、独立吸気
方式と称して、図１０に示すように、気筒毎の吸気管に
スロットル弁を設けた独立吸気型内燃機関が提唱され、
その制御技術が研究されている。独立吸気型内燃機関に
おいては、各気筒毎の吸気管圧力は脈動が大きく、位相
も異なり、スピードデンシティ方式の空気量演算原理を
そのまま採用するには問題が多い。そこで、特開昭６１
−１５７７４０号公報には、図１０に点線にて示したよ
うに、特定の気筒のスロットル弁下流に圧力センサを取
りつけ、その気筒の吸気行程に対応するクランク角で上
記圧力センサをサンプリングし、得られた検出圧力をそ
の時のスロットル開度又はスロットル開度と内燃機関回
転数（以下、単に回転数と呼ぶ）で補正したものを、内
燃機関の吸気管圧力とすることを提唱している。

【０００４】なお、スピードデンシティ方式による空気
量Ｇの算出原理は、吸気行程中のシリンダ内充填圧力Ｐ
ｉ，シリンダ容積Ｖｃ，ガス定数Ｒ，吸気温度Ｔ，体積
効率ηｖ（＝ｆ（Ｎｅ））を用いて、気体の状態方程式 より求めることができる。ここに、Ｎｅは回転数であ
る。また、上式より検出圧力Ｐｍ′を横軸にとった所定
回転数での空気量及び燃料量の特性は、図１１及び図１
２に示すように、大気圧にかかわらずほぼ直線特性とな
る。ここで（１）式は、以下、簡単のため Ｇ＝ｆ（Ｐｉ，Ｎｅ） …………（２） にて表す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報の検出装置は、クランク角情報を参照し特定のクラ
ンク角のときに割り込み処理により吸気管圧力を検出す
るため、演算負荷が高くなる。特定気筒が吸気行程で
あることを指標する信号が必要となる。スロットルセ
ンサが必要となる。特定気筒の圧力を検出しており、
気筒間圧力のばらつきが大きいと、算出した燃料噴射量
等による内燃機関制御性に影響がある。高地で適正な
吸気管圧力を検出できるか否か不明であり、内燃機関制
御性に問題がある。といった不都合がある。

【０００６】本発明は、独立吸気型内燃機関において、
スピードデンシティ方式による離散的なサンプリングで
吸気管圧力を検出できる内燃機関の空気量演算装置の提
供を目的とする。

【０００７】また、本発明は、気筒間圧力のばらつきに
起因する内燃機関制御性への影響が少ない内燃機関の空
気量演算装置の提供を目的とする。更に、本発明は、大
気圧の影響にかかわらず適正な空気量を算出する内燃機
関の空気量演算装置の提供を目的とする

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、各気筒の吸気
管ごとにスロットル弁を有した内燃機関の空気量演算装
置であって、各吸気管ごとの圧力を平均化した圧力を得
る平均圧力検出手段と、該検出手段からの検出平均圧力
と大気圧との差圧を求める差圧検出手段と、該差圧検出
手段で検出した差圧及び内燃機関回転数とから決まる吸
気管への吸入空気量又は該吸入空気量から決まる燃料量
を基準大気圧のもとで算出した各運転状況下での結果を
基準特性として格納するメモリと、該基準特性より運転
状況に応じて選択した空気量又は燃料量を大気圧で補正
して最終の出力演算値を求める補正手段とを、具備して
いる。

【０００９】

【作用】集合吸気型内燃機関では、スロットル弁より下
流で各気筒が連結しており、また、大容量のサージタン
クを持っている。この連結した配管位置に圧力センサを
取付けて、吸気管圧力を検出している。このため上記圧
力センサで検出される吸気管圧力Ｐｍは、図４に示すよ
うに、運転条件が決まればシリンダ内充填圧力Ｐｉとほ
ぼ一致した一定の値をとる。つまり、検出圧力Ｐｍにて
燃焼室に空気が充填される。このことは、吸気行程に合
わせることなく離散的なサンプリングによる検出圧力Ｐ
ｍで、（２）式のＰｉとして適正な値を与えることにな
る。従って、回転数Ｎｅを用いて、 Ｇ∝ｆ（Ｐｍ，Ｎｅ） …………（３） より空気量Ｇを算出できる。

【００１０】一方、本発明を適用しようとする独立吸気
型内燃機関では、各気筒の圧力は、図５に示すように、
吸気行程に伴って低下し、また大気圧に戻るという波形
に変化する。従って、離散的サンプリングによって得ら
れる瞬時の圧力Ｐで空気量を演算しようとしても、適正
な空気量を求めることにはならない。（２）式のＰｉ
は、吸気弁が閉じる瞬間のシリンダ内充填圧力を示すも
のでなければならないからである。

【００１１】そこで、本発明では、離散的なサンプリン
グができるように、吸気管圧力を平均化している。この
ような方法としては、多気筒吸気管を連通させ平均化
された圧力として検出する手法、又は、サンプリング
した各気筒の圧力Ｐを、過去のサンプリング圧力等によ
り平均化する手法等がある。

【００１２】ところが、ここで求めた圧力Ｐａｖは、大
気圧Ｐａとシリンダ充填圧力Ｐｉとの平均圧力となって
いるため、Ｐｉが小さくなる低負荷時程、ＰｉとＰａｖ
との差が大きくなり、図１１及び図１２に示した所定回
転数での空気量及び燃料量特性が下側に凸となる高次特
性となる。従って、（１）式の原理を適用できなくな
る。すなわち、Ｐａｖは大気圧Ｐａとシリンダ充填圧力
Ｐｉとの平均値となっているため、Ｐｉが同じでも大気
圧Ｐａが変わるとＰａｖは別の値をとることになる。こ
れは、代表的に低地と高地に分けると、低地と高地とで
空気量及び燃料量特性も違ってくることを意味する。

【００１３】図６は所定回転数でのＰａｖ対燃料量特性
を示し、図７は同回転数でのＰａｖ対空気量特性を示し
ている。このように低負荷時では、大気圧によって燃料
量及び空気量特性を異にし、例えば低地の空気量特性Ｂ
を基にした空気量では、高地の空気量特性Ａに対し△Ｇ
１分少なくなり、これを基に燃料調量した場合、高地に
おいて△Ｇ１分のオーバーリーン（燃料不足）を生じ走
行不能となる。

【００１４】このため、本発明では、大気圧Ｐａと平均
圧力Ｐａｖとの差圧（Ｐａ−Ｐａｖ）で定義される基準
空気量Ｇｏを求めている。 Ｇｏ＝ｆ（Ｐａ−Ｐａｖ，Ｎｅ） …………（４） この差圧で定義される基準空気量特性は、図８に示すよ
うに、大気圧の違いにかかわらず、差圧０の点から特性
が始まることになる。その代表特性である低地ではＢ′
となり、高地ではＢ′より低いＡ′となる。そして、こ
の差圧で定義される低地の特性Ｂ′から、高地で空気量
を求めても、実際の空気量はＡ′であるため△Ｇ２分リ
ッチ化してしまう。

【００１５】そこで次に、大気圧Ｐａと△Ｇ２の関係を
実験で求め、机上でのシミュレーションにより確認した
ところ、 とすることで、△Ｇ２＝０となることがわかった。つま
り低地（Ｐａ＝Ｐｏ、一般にＰｏ＝７６０ｍｍＨｇ）で
の差圧と回転数による基準空気量特性Ｂ′の群を基準特
性Ｇｏ（図３参照）としてメモリにプログラムしてお
き、運転状況（回転数）によって選択されたいずれかの
特性Ｂ′より現在の差圧（ＰａーＰａｖ）に対応した空
気量を選出し、該空気量に大気圧Ｐａの変化に応じてＰ
ａ／Ｐｏの傾斜特性（補正係数）を乗ずることで、例え
ば特性Ｂ′を特性Ａ′に一致するから、Ｐａが変化して
も、最終的な空気量Ｇが適正に得られるようにしたもの
である。

【００１６】

【実施例】第１図に本演算装置を適用した内燃機関の構
成を示す。同図は２輪車に適用した例である。フューエ
ルタンク１内の燃料は、フューエルポンプ２によって吐
出されフューエルフィルタ３を経てデリバリパイプ４へ
と至る。デリバリパイプ４には、気筒毎にスロットル弁
５が設けられた吸気管６内に燃料噴射を行うインジェク
タ７及び燃料圧力を一定に調整するプレッシャレギュレ
ータ８が取付けられている。また、各吸気管６にはエア
クリーナ９から空気が送り込まれるようになっている。
各吸気管６を連結した配管には、圧力センサ１０が取付
けられている。連結した配管は、各気管ともスロットル
弁下流に接続されている。

【００１７】ＥＣＵ（電子制御ユニット）１１は、大気
圧センサ１２，圧力センサ１０，回転角センサ１３，気
筒判別センサ１４（カム軸取付け）及びシリンダの冷却
水温度を検出する水温センサ１５、吸入空気の温度を検
出する吸気温センサ２０からの各種センサ信号並びにバ
ッテリ電圧を入力し、これら各入力情報を使って運転状
況を特定し、大気圧Ｐｏの基で決定した基準特性Ｇｏを
アクセスしている。また、ＥＣＵ１１は、選択した１つ
の基準空気量特性Ｂ′を現在大気圧Ｐａで補正し、最終
的な空気量ＦＧを求めている。この空気量ＦＧから燃料
噴射量、あるいは点火時期を決定し内燃機関制御を行っ
ている。すなわち、インジェクタ７は、ＥＣＵ１１から
の信号１１ａにより開弁され、燃料を噴射する。この場
合、インジェクタ７の開弁期間τが燃料噴射量に対応
し、信号１１ａは開弁期間τを指定する、例えば幅がコ
ントロールされるパルス信号である。点火コイル１６を
介した点火プラグ１７の点火時期の制御は、回転角セン
サ１３からのクランク角信号１３ａと本実施例による演
算で求めた空気量ＦＧを示す信号とをＥＣＵ１１で内部
処理し、それに基づく出力信号１１ｂを図示しないパワ
トランジスタを介して点火コイル１６に送出することに
よって行っている。また、信号１１ｃでフューエルポン
プリレー１８を駆動している。

【００１８】ここでは燃料噴射量の演算する場合につい
て、本実施例の動作を説明する。図２はＥＣＵ１１の行
う作業プログラムを示す。ＳＴＥＰ１０１〜１０３に
て、平均圧力Ｐａｖ，大気圧Ｐａ及び回転数Ｎｅの入力
を行っている。空気量ＦＧを求めるにあたり、先ず、圧
力センサ１０から出力される信号１０ａを用いる。ここ
で多気筒内燃機関の場合には、気筒毎の連結パイプ内の
圧力を測定するようにして、平均圧力Ｐａｖを求めてい
るが、単気筒内燃機関では、１つの吸気管６に取付けた
１つの圧力センサ１０からの信号１０ａを用いれば良
く、既述したように、信号１０ａを離散的サンプリング
により検出した圧力Ｐｍを、過去のサンプリング圧力等
を利用してなまし処理を行い平均圧力Ｐａｖを得ること
が出来る。

【００１９】大気圧センサ１２は、内燃機関雰囲気の大
気圧を測定し、信号１２ａとしてＥＣＵ１１に送る。Ｅ
ＣＵ１１は、平均圧力Ｐａｖ及び大気圧Ｐａを示す信号
１２ａとから差圧（ＰａーＰａｖ）を計算する。同時に
回転角センサ１３から送られてくる所定クランク毎の信
号１３ａを波形整形し、その信号間隔を測定すること
で、回転数Ｎｅを求める。

【００２０】ＳＴＥＰ１０４は、差圧（ＰａーＰａｖ）
と回転数Ｎｅとから、基準特性Ｇｏより、現在の運転状
況下で最適の基準空気量特性Ｂ′を抽出するともに、差
圧によって定まる空気量を選出する。このＢ′＝ｆ（Ｐ
ａ−Ｐａｖ，Ｎｅ）は、低負荷時に、大気圧が低くなる
高地での制御に適正な特性Ａ′と比べΔＧ２の誤差を呈
するので、ＳＴＥＰ１０５で求めた大気圧Ｐａの変化に
応じたＰａ／Ｐｏの補正係数を乗ずる。

【００２１】 これによって、最終的な演算値ＦＧが求まる（ＳＴＥＰ
１０６）。

【００２２】ここで求められたＦＧに対し、目標空燃費
となるように、ＦＧに応じて燃料噴射量（開弁期間τ）
を計算する。一般には最も排ガス有害成分（ＣＯ、Ｈ
Ｃ、ＮＯｘ）が少ない空燃費１４．７となるように計算
するから、 となる。さらに、内燃機関冷却水温を測定する水温セン
サ１５から暖気中補正係数を吸入空気の温度を測定する
吸気温センサ２０から吸気密度補正係数を、バッテリー
電圧ならインジェクタ応答遅れ時間等を求め、噴射時間
τＡを求めて、メモリに蓄える（ＳＴＥＰ１０７）。

【００２３】次に燃料噴射時期について説明する。ＥＣ
Ｕ１１は既述した所定クランク毎の信号１３ａを及び気
筒判別センサ信号１４ａにて、信号１３ａと１４ａの位
相関係より、信号１３ａが現在どの気筒に対応するか判
定する。この気筒判別結果に基づいて、それぞれの気筒
のうち一位相、例えば圧縮ＴＤＣにて、順次燃料噴射す
る。この場合の燃料噴期間はτＡである。

【００２４】このように本実施例は、機関の制御性に悪
影響することなく、独立吸気内燃機関にもスピードデン
シティ方式の空気量演算原理を適用することができる。
なお、実施例では、低地での基準特性Ｂ′を補正して高
地での特性Ａ′を求めるようにしたが、逆に高地での特
性Ａ′を補正して低地での特性Ｂ′を求めるようにして
も良い。つまりＰｏへ基準大気圧を代入するだけで適用
可能である。

【００２５】また、メモリに格納する基準特性として
は、空気量に限らず、燃料量すなわち、燃料噴射量でも
よい。本実施例の演算装置は、検出圧力をその時のスロ
ットル開度又はスロットル開度と回転数で補正する必要
がなく、そのためのスロットルセンサが不要となる利点
がある。

【００２６】他の実施例としては、集合吸気内燃機関の
スピードデンシティ方式においては、大気圧が低下する
と、燃焼室や行程容積内の残留ガス濃度が低下し、体積
効率が変化するため、例えば、大気圧５００ｍｍＨｇの
下で、±６％程度燃料を増減量補正している。そこで、
本システムにおいても同様に増減することも可能であ
り、Ｐａ／Ｐｏの補正係数に含ませることも、別の補正
項として設定することも可能である。

【００２７】他の実施例として、図１３を基に説明す
る。図２に対してステップ１００，２０１〜２０３が追
加されている。これは、すでに図２で説明したＰａ−Ｐ
ａｖを算出するにあたり、圧力センサ１０と大気圧セン
サ１２との固体間出力ずれがある場合、このずれが噴射
量誤差を生ずることを防止する目的である。内燃機関停
止時には、理想的にはＰａ＝Ｐｍであるが、各センサ固
体間の出力ずれにより、Ｐａ−Ｐｍ＝ΔＰのずれを生す
る。そこで、ステップ１００で内燃機関の停止中である
と判断すると、ステップ２０１，２０２で圧力センサ１
０の初期圧力Ｐｍと大気圧センサ１２の初期大気圧Ｐａ
とを入力し、ステップ２０３でこれらの初期値に基づい
てＰａ−Ｐｍ＝ΔＰの計算をしてこの値を記憶してお
く。そして、機関運転中におけるステップ１０４での基
準特性Ｇｏの計算時、Ｐａ−Ｐａｖ−ΔＰとして、ΔＰ
のずれをキャンセルする方式とした。この方式により、
圧力センサ１０、大気圧センサ１２の出力にオフセット
が存在しても、常に精度良い燃料噴射量計算が可能であ
り、システムを構成するにあたり、圧力センサ１０、大
気圧センサ１２の特性選別などの必要性を無くすことが
可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、独立
吸気型内燃機関にもスピードデンシティ方式の考えを適
用し、離散的に吸気管圧力をサンプリングするだけで、
特別な割り込み処理を必要としない。また、上記適用に
よる気筒間圧力のばらつきに起因する内燃機関制御性へ
の悪影響を、大気圧にかかわらず空気量特性を一致させ
る補正を行うことで無くし、運転状況に応じた適正な空
気量を算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した内燃機関の構成図

【図２】 本発明によるＥＣＵの行うフローチャート

【図３】 本発明の基準空気量特性図

【図４】 集合気筒型内燃機関の検出圧力を説明する説
明図

【図５】 独立気筒型内燃機関の検出圧力を説明する説
明図

【図６】 集合気筒型内燃機関の検出圧力によって独立
気筒型内燃機関を制御した場合の空気量特性を示す特性
図、

【図７】 集合気筒型内燃機関の検出方式によって独立
気筒型内燃機関を制御した場合の燃料噴射特性を示す特
性図

【図８】 図６の特性を本発明による差圧を横軸にて示
した基準空気量特性図

【図９】 集合気筒型内燃機関の概略図

【図１０】 独立気筒型内燃機関の概略図

【図１１】 集合気筒型内燃機関の検出圧力によって制
御した場合の空気量特性を示す特性図

【図１２】 集合気筒型内燃機関の検出圧力によって制
御した場合の燃料噴射特性を示す特性図

【図１３】 本発明の他の実施例によるＥＣＵの行うフ
ローチャート

【符号の説明】

１…フューエルタンク、２…フューエルポンプ、３…フ
ューエルフィルタ、４…デリバリパイプ、５…スロット
ル弁、６…吸気管、７…インジェクタ、８…プレッシャ
レギュレータ、９…エアクリーナ、１０…圧力センサ、
１１…ＥＣＵ、１２…大気圧センサ、１３…回転角セン
サ１３、１４…気筒判別センサ、１５…水温センサ、１
６…点火コイル、１７…点火プラグ、１８…フューエル
ポンプリレー、２０…吸気温センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各気筒の吸気管ごとにスロットル弁を有
   した内燃機関の空気量演算装置であって、各吸気管ごと
   の圧力を平均化した圧力を得る平均圧力検出手段と、該
   平均圧力検出手段からの検出平均圧力と大気圧との差圧
   を求める差圧検出手段と、該差圧検出手段で検出した差
   圧及び内燃機関回転数とから決まる吸気管への吸入空気
   量又は該吸入空気量から決まる燃料量を基準大気圧のも
   とで算出した各運転状況下での結果を基準特性として格
   納するメモリと、該基準特性より運転状況に応じて選択
   した空気量又は燃料量を大気圧で補正して最終の出力演
   算値を求める補正手段とを、具備したことを特徴とする
   内燃機関の空気量演算装置。