JPH05501751A - オットーディーゼル絞りを組み合わせた、最高効率達成用の閉ループ制御を備えた可変空燃比エンジンシステム - Google Patents

オットーディーゼル絞りを組み合わせた、最高効率達成用の閉ループ制御を備えた可変空燃比エンジンシステム

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JPH05501751A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 オツトーディーゼル絞りを組み合わせた、最高効率達成用の閉ループ制御を備え た可変空燃比エンジンシステム発明の背景 この発明は、オントープイーゼル絞りと組み合わせた可変空燃比エンジン制御シ ステムに関する。
自動車のエンジニアは、多年にわたり、自動車用内燃機関の効率の改善を試みて きた。昨今のエンジンは初期のものより確かに非常に効率的である。しかしなが らこれまでは、それが複雑過ぎるとか、また高価過ぎるとか思われていたので、 最高効率達成用の閉ループ計算機制御の応用はあえて行なわれなかった。総合機 関効率を最適化する1つの方法は、供給された燃料対軸トルクを計算し、その後 、最小の正味比燃料消費(B S F C)のポイントを見つけることである。
BSFCの測定は、研究所規模においては何年も行なわれてきたが、実車上での 閉ループ系の中で使用されたことはない。測定は、動力計でトルクを計測するこ とができる研究所ではうまく作動するが、実車上でのトルク実時間測定は高価で ある。よりよい代替方法は気筒内圧を測定する方法であり、それによれば多くの 情報が得られる。
計測された気筒内圧から、図示平均有効圧(IMEP)を引出すことができる。
このパラメータはトルクを生成するためにピストンに作用する内筒圧力の測定値 の平均であり、内部摩擦のためのトルク損失を除いたトルク値を正確に示すもの である。IMEPを用いて、図示燃料消費率(ISFC)を計算することが可能 である。l5FCを測定することによってエンジンを常にその最高効率レベルに 非常に接近して作動させることが可能である。回転数と負荷の関数として摩擦を 定義することによりIMEPからの正味平均有効圧(BMEP)を推測すること が更に可能である。この方法は、最高効率を達成する正味比燃料消費(B S  F c)近傍で常時機関を制御することを可能にする。
上記の方法は、これまでのところガス規制法のために開発が中断されている。
三元触媒が排ガス規制法を満たす実現可能な唯一の方法であるということは一般 に了解されている。しかしながら、三元触媒は、排ガスを還元するのに必要な化 学反応を達成するために理論空燃背比混合気を要求する。したがって、稀薄燃焼 はほとんど考慮されなかった。したがって、内燃機関の最高効率が、速度および 負荷条件の大部分において稀薄空燃比で生じることが認識されているにもかかわ らず、稀薄燃焼方式は三元触媒による制限によって開発されていないのが実情で ある。下記に明らかになるように、要素を正しく組み合わせ、これらの要素を正 確にコントロールすることによって、現在の排ガス規制法に合うように稀薄燃焼 エンジンを設計することができる。
本発明を実施する要素のうちのいくつかは短時日存在した。確実な稀薄燃焼を達 成するのに必要な空燃比および点火時期の中の大幅な変化を制御する能力を持ち 、かつBSFCのISFCを実時間で計算できるマイクロプロセッサが今日利用 可能である。よい燃料噴霧装置がしばらくの間存在したが、これは、概ね特定の 流量域でだけうまく作動するものであった。ハイパワ一点火器はさらに長い間知 られていたが、非常に非能率的だった。下に議論されるように、燃焼効率を最大 限にするという課題は現行の排ガス規準を満たしつつ、触媒の必要を無くするよ うに、トータル排ガスを最少化するという課題と結びつけて考えることができる 。
過去においては、稀薄燃焼コントロールは主に、開ループ系によって行なわれた 。システムがオーブンループなので、50,000マイルあるいは、それ以上走 行に耐えるようにセットアツプされたエンジンがまだ新しい状態にあるときには ピーク効率で作動させることができない。米国特許第4,608.956号はそ のようなシステムを開示するがこれはターゲット空燃比からはずれた空燃比を修 正するために、排気センサーに関連して制御ループを閉じるようになっているも のである。このシステムは、適切なターゲット空燃比を変更する要因となるエン ジン摩耗を考慮することができない。米国特許第4,825,838号は、排気 センサによって検知された振動をフィードバックして失火限界を検出し、これを 用いてループを閉じる方法を開示している。失火限界が最高効率を与える空燃比 よりも更に稀薄側にあるので、このシステムでは効率を最適化し得ない。米国特 許第4,887.575号は、空気/燃料混合比を、エンジンシリンダの最大の 内圧から推測し、これに基づいて内燃機関に供給される混合比を決定し制御する だめのシステムを開示する。575特許のシステムは、混合気を常時実質的に理 論空燃比に維持することを試みるもので、単にこの理論空燃比が生じるところを 正確に推量する方法である。
発明の要約 本発明は、作動条件の全域にわたって燃料効率を最大限にするように火花点火機 関を制御するためのシステムに関するもので、エンジンに供給される燃料の量を 制御するための装置とエンジンの少なくとも1つのシリンダに内筒圧力を測定す るための装置とを含んでいる。エンジンに流入する空気量を推算する装置が設け られ、更に、エンジン効率を、供給された燃料の量、内聞圧力および推算された 空気量をもとにして計算する装置が設けられる。1つの実施例では、効率が、近 似の図示燃料消費率の計算によって測定される。エンジンの作動の条件の全範囲 にわたりて図示燃料消費率を最小限にするように、エンジンに供給される燃料の 量を変える装置が設けられる。推奨実施例においては、スロットル全開位置を越 える所望のエンジン出力に応答する装置とスロットル全開位置を越えて最少図示 燃料消費点で燃料を供給する装置とが設けられる。エンジンに供給される燃料の 量を制御するための装置は噴霧装置を含む燃料噴射装置であるのが望ましい。
エンジンに供給される燃料の量を更に外部から制御可能なキャブレタによって制 御するようにしてもよい。
内筒内圧力の測定は、エンジンのスパークプラグとシリンダヘッドの間の空間で スパークプラグのまわりにマウントされた、リングタイプ圧力センサによって測 定されるのが望ましい。エンジンに流入する空気量を、吸入多岐管圧力、吸気温 度および回転数から推算してもよい。エンジンに流入する空気量は、更に、吸込 流れにおける重量流量センサによって推算してもよい。ピーク圧力をほぼ上死点 後15°に置くか、あるいはTMEPを最大限にするように、気筒内圧力の関数 として点火時期を調節するようになった装置をシステム中に設けることを含むこ とが更に望ましい。
図面の簡単な説明 第1図は異なるスロットル開度における燃料/空気比対図示平均有効圧を示すグ ラフである: 第2図は異なるスロットル開度における燃料/空気比対図示燃料消費率を示すグ ラフである: 第3図は異なるスロットル開度における燃料/空気比対正味平均有効圧を示すグ ラフである。
第1図は異なるスロットル開度における燃料/空気比対正味比燃料消費を示すグ ラフである; 第5図は異なるスロットル開度における燃料/空気比対正味平均有効圧を示すグ ラフであり、延長部はハイパワ一点火装置によって可能となった改善された動作 範囲を表わす図である; 第6図は異なるスロットル開度における燃料/空気比対正味比燃料消費を示すグ ラフであり、延長部はハイパワ一点火装置によって可能となった、改善された動 作範囲を表しており、最小燃費がより稀薄空燃比で生じることを示す図である: 第7図は異なる点火時期進角値における圧力/体積線図である;第8図は本発明 の制御システムが特定エンジンにおいて追従すべき均等空燃比を示す燃料/空気 比対正味平均有効圧のグラフである;第9図は本発明の制御システムが最高効率 を得るために追従すべき均等空燃比を示す燃料/空気比対正味比燃料消責のグラ フである;第10図は最高効率近傍でコントロールを行なうための本発明による 基本システムのブロック図である; 第11図はマイクロプロセッサが最適化するために使用する制御フローチャート であり、図示燃料消費率または正味比燃料消費を最小限にするように空燃比を最 適化するためのフローを示す図である;第12図は、デュアル・モード操作のた めに本発明のコントローラに入力信号を与える絞り板およびペダルポジションセ ンサの横断面図である;第13図は最高効率近傍においてより正確な制御を行な うための発明によるエンジン制御システム全体のブロック図である;第14図は ハイパワ一点火装置によって可能となった、改善された動作範囲を示す空燃比対 排ガスのグラフである; 第15図は、ノックを検知する2つのタイプの圧力ドランスジューサの時間対圧 力のグラフを含む図である。
推奨実施例の記述 本発明はエンジンがピーク能力を犠牲にせずに、効率の中の実質的な改良を達成 することを可能にする火花点火機関のための制御システムである。燃料噴射およ び点火時期を制御するために電子工学を使用して、すべての速度条件および負荷 条件においてピーク効率で常にエンジンを作動させることが可能である。システ ムは、気筒内圧センサからのフィードバックを得て効率を最高効率近傍に置くよ うに制御ループを閉じる。
システムは、図示燃料消費率(ISFC)あるいは正味比燃料消費(B S F  C)の近似値の計算により作動し、すべての速度および負荷条件においてそれ を最小限にする。システムは、いかなる空燃比が最高効率を与えるか学習し、各 速度およびロードポイントにおいてこれらの比率をターゲット空燃比として使用 する。
適切なコントロールを行なうことにより、スロットルワイドオーブンまでの低負 荷領域においては、エンジンは稀薄燃料によって作動し得る。その後、負荷の増 加につれて、理論空燃比が達成されるまで混合気の濃化が行なわれる。本制御シ ステムは、ハイパワ一点火装置およびよい燃料微粒化と組み合わせられて、最小 のl5FCあるいはBSFCが生じる空燃比の値を増大させるだろう。
本発明の理解を助けるために、最初にエンジン理論について簡単に説明する。
平均有効圧力は、膨張行程中にピストンに作用したときに、全サイクルの仕寧量 を行ない得るものとして想定される一定の圧力である。図示平均有効圧(IME P)はこの気筒内圧からめることができる。[MEPは圧力体積線図の曲線を積 分することによって計算することができる。この線図は、排気容積が既知とされ るので、エンジンの回転シリンダおよび内圧力を測定することによって決定され る。TMEPは機関内部摩擦のためのトルク損失の量を除いた正確なトル値を示 す。第1図は空燃比が変えられる場合異なるスロットル開度におけるIMEP曲 線を示す。IMEPを用いて、図示燃料消費率(ISFC)を計算することは可 能である。l5FCはエンジンの内部摩擦を考慮しないが、曲線の最小値を与え る空燃比のポイントはBSFCを最少にする空燃比に接近している。与えられた 速度および負荷のための最小のl5FCは、稀薄空燃比で典型的に生じる。第2 図は、空燃比が変えられる場合の異なるスロットル開度におけるISFC曲線を 示す。l5FCを計算することによって、エンジンを常時その最高効率レベルに 非常に接近して作動させることが可能である。エンジンの作動中、本発明の制御 システムは、すべての速度および負荷条件において最少のl5FCが決定される までエンジンに噴射された燃料の量を調節する。システムは、いかなる空燃比値 が最高効率を達成するか学習し、それを各速度および負荷点においてターゲット 空燃比として使用するだろう。
第3図は、空燃比が変えられる場合の異なるスロットル開度におけるBME P 曲線を示す。この図は、BMEPがほぼIMEPからの直接の減算結果であり、 速度と負荷の関数として摩擦レベルを知ることによって、IMEPからめること ができることを示す。エンジン効率は、正味比燃料消費(B S F C)に典 型的に測定される。総合機関効率を最適化する方法は、供給された燃料対軸トル クを比較し、最小のBSFCのポイントを見つけることである。動力計でトルク を計ることができる研究所においてはこの方法を用いることができるが、実時間 車では、トルク測定が高価であり、気筒内圧が与えるような有用な情報を与えな い。
第4図は、空燃比が変えられる場合の異なるスロットル開度におけるBSFC曲 線を示す。BSFC曲線の最小のポイントが、ISFC曲線の最小のポイントと してほとんど同じ空燃比を持つことが注目される。2つの図、第1図および第2 図の中の曲線は、第3図および第4図に示す曲線と相関しており、制御ループを l5FCに従って閉じることによって、BSFCによってループを閉じる場合と 同等の結果が得られることを示している。また速度および負荷の関数としての摩 擦レベルを知ることによりIMEPから減算することによってBMEPを概算す ることができる。気箇内圧力、燃料重量流量および空気量の関数としてBSFC を計算することが既知のエンジンについては可能である。これらのグラフは従来 の点火装置を用いた場合のものである。ハイパワ一点火を行なえば、エンジンが 失火のために減少することなしに、第3図の曲線は下へより稀薄側に延長するだ ろう。第5図に示されるように、延長ラインは、I\イパワ一点火装置によって 可能となる、追加動作範囲を表す。第6図は対応する延長BSFC曲線を示す。
この曲線においても最小点が更に稀薄側に移動している。第5.6図の延長され たグラフ上において、類似のBMEPのポイントを比較することによって、より 稀薄側で高効率が得られることがわかる。
第5図に関して、BMEPが4分の1スロットル理論空燃比対2分の1スロツト ル稀薄燃焼に対して等しいことが注目される。BMEPが等しいので、出力もま た同じである。第6図の対応するポイントまでこれらのポイントを関連づけて、 稀薄燃焼から得られる効率を計算することは可能である。計算は、特にその負荷 で稀薄空燃比を動くためのほぼ33パーセントの利害を示す。この効率の増加が 大きければ大きいほど、4分の1と2分の1スロットル曲線でのように、第6図 の2分の1スロットル曲線と4分の3スロットル曲線の間の効率でより大きなギ ャップに見られるように、負荷はより小さくなる。効率的により稀薄燃焼をさせ ればさせるほど、中間負荷操作に照らして燃料経済性における利得がより大きく なることをこれらのグラフは示している。
第7図は正確なスパーク点火時期進角の重要性を例証する圧力体積線図である。
点火時期進角には出力電力と効率に対する劇的な影響がありうる。圧力曲線に基 づいた点火時期進角のセットはトルク測定器よりむしろ圧力センサの方を持つた めの重要な1つの理由である。したがって、制御システムは、すべての速度、負 荷および空燃比に対する適切なスパーク点火時期をセットすることができる。燃 焼時間が空燃比で著しく変るので、適切なスパーク点火時期は可変空燃比エンジ ンにとって重要である。ピーク圧力の位置あるいは最大のIMEPのポイントの いずれかに基づいてスパーク点火時期をセットすることは可能である。上死点( TDC)後約15°まで開度ピーク圧力をセットすることは最高効率を可能にす ると書かれている。しかし、本発明のシステムでは非常に稀薄燃焼が行なわれる ので、ピークIMEP点火時期を使用してもよい。
本発明のシステムでは、第8図に示されるように2つの部分からなる制御モード が使用される。オツトーサイクル絞りを低い位置から中間負荷まで使用すること により、システムは、絞り板が広く開放されるまでIFSCまたはBSFCが最 小になる稀薄範囲における空燃比を維持することになる。
このモードは線10によって示されている。広く開いたスロットルポイントの上 部で、エンジンが全負荷に達するまでディーゼルエンジンスロットルが混合気を 濃化するにつれて、空燃比は変えられる。この操作モードは線12行によって示 される。このデュアル・モード操作は、出力を犠牲にせずに高い燃料効率を達成 し、更に、スロットルが常時、理論比率で作動するエンジンにおけるよりもスロ ットルが常時広く開いているのでポンプ損失を少なくするという利点がある。
エンジンのタイプにより特定の比率までガソリンを効率的に点火することができ るだけなので、本発明の空燃比コントロールは必要である。最高効率のポイント 以上に稀薄燃焼を行なうことは有益ではない。本発明による制御システムは、よ り稀薄な混合気に点火する、より濃い混合気の小さな体積を作り出す層状給気エ ンジン上で使用することができる。層状給気エンジンは、基本的な定容サイクル 機関の重要な再設計を要求する。この発明の制御システムの意図はそのピーク効 率でいつでも作動するように、任意の火花点火機関を制御することである。稀薄 燃焼を行なうことから得られる効率上の利得が明らかである一方、本発明に関し てユニークな点は最適の空燃比で常時作動することによって、システムが燃料経 済性を最大限にすることである。これをデュアル・モード絞りシステムと結びつ けることにより、エンジンは、ピークパワーの損失を被らなくなる。もしエンジ ンが稀薄燃焼モードで常時作動するならば、それは、出力を30から50パーセ ント減少させることが可能になるであろう。この稀薄燃焼パワーの限界は曲線1 0のトップで第8図に示される。もしエンジンのサイズを大きくすることにより 、そのピークパワー損失を補うことができるならば、より小さな排気容量エンジ ンにより、等しい出カポインドで得られるポンプ損失を減少させるという利点を 得ないだろう。平均運転サイクル以上に、本発明によって制御されるデュアル・ モードエンジンは、10パーセントの利得を得ることができるかもしれない等し いピークパワーの稀薄燃焼エンジンと比較して、既存のエンジンに対して燃料経 済性において20パーセントあるいはそれ以上の利得を得ることができる。
第9図は、制御システムがモード1の最高効率を達成するために追従するBSF Cのバス14を示す。モード2は曲線16によって示される。燃料効率利得はも ちろん、エンジンおよびその稀薄燃焼眼界に対する平均負荷に依存する。エンジ ンがより稀薄燃焼を行なうことができればできるほど低から中間負荷での効率利 得が大きくなる。同様に、エンジンに対する平均負荷が低くなればなるほど、効 率利得はより高くなる。スロットル開放を最大にすることによって、定容サイク ル機関中の消費されたエネルギーの大幅な百分率を説明することができるポンプ 損失を最小限にする。効率の更なる増加は、燃焼に利用可能なより高いレベルの 酸素に由来する。更に、冷却システムまで損失を減少させるピーク温度に帰着す る熱入力の減少がある。
第10図は、いかなる空燃比が最適の燃料効率を持つかを学習することにより、 最高効率近傍で制御を可能にする本発明の基本システムのブロック図である。こ のシステムは、燃料噴射器22によって注入される燃料の量を制御し、点火装置 24によって点火時期を制御するマイクロプロセッサ20を含んでいる。マイク ロプロセッサ20は、気筒内圧センサ26、吸入多岐管圧力センサ28、吸気温 度センサ30およびrpmセンサ32からの信号に応答する。マイクロプロセッ サ20は、現時点のrpmでの吸入多岐管圧力および吸気温度に基づいて、エン ジンに流入する空気量を計算する。その後、圧力データはピストン(IMEP) に対して働く実際の仕事の量を決定するために分析される。その後、マイクロプ ロセッサはl5FCあるいは近仰のBSFCを計算し、以前に格納された値とそ れを比較する。
マイクロプロセッサがオフセット空燃比を利用し、効率を得るための新しい値を 計算すると学習が行なわれる。新しい値が、ターゲットアレイ中の古い値と比較 され、BSFCがより低い場合、新しい空燃比は、ターゲットアレイの中の古い 比率と置き換えられる。新しい値が古い値より高い場合、古い値は残り、次回エ ンジンがこの範囲の中にある場合には、マイクロプロセンサは、もう一方の方向 にオフセントを試みるだろう。新しい値が古い値より低い場合、次回エンジンが この範囲にある場合、マイクロプロセッサはこの方向にオフセントを維持する。
最小値が見つかるまでこのプロセスは継続し、見つかった時点でコンピュータが 推移をより滑らかにし、すべてのポイントをその最小のBSFCにするのにかか る時間を減少させる。マイクロブ0セツサは、新しいオフセット値を試みて、エ ンジン温度、空気中の湿度および空気密度のような、エンジン摩耗やエンジン条 件の変化につれて、それらがすべてエンジン効率に対する影響を持つので、新し い数値を備えたターゲットアレイを更新し続ける。
本発明のシステムは、すべてのこれらの条件に適する最高効率ポイントに空燃比 を自動的に適合させる。センサが働かない場合、コンピュータは、センサが交換 されるまで、走行を接続するためにそれが生成したターゲットアレイが利用され ることになる。
本発明のシステムでは、気筒内圧センサ26からの圧力データが点火時期進角を 調節するために使用される。エンジンが注入された燃料の量を調節するにつれて 、上死点(T D C)後約15°にピーク圧力のポイントを維持するために、 点火時期が著しく変わる必要がある。コントローラがターゲットアレイからの値 をオフセットするにつれて、それは新しい燃料噴射時間をセットする。その後、 点火時期を調節し、新しいBSFCを計算し、エンジン操作の全体の範囲を通じ て、燃料噴射時間、および点火時期の両方を最適化するように、ターゲットアレ イに格納された値とそれを比較する。エンジンがあまりにも迅速に加速している ために完全な閉ループを操作することができていない場合でも、システムがすべ ての空燃比に対してピークトルクを維持するように、新しい点火時期進角が更に ターゲットアレイに格納される。
コントローラに非常に有用な情報を与えるので、気筒内圧センサ26は、稀薄燃 焼エンジンの操作にとって重要である。それはIMEPおよびl5FCを計算す るため、および点火時期を調節するために利用されるに使用されるが、また更に 、失火およびエンジンノッキングを検知することもできる。圧力センサを有する ことは、その存在がこれらの機能を備えた他のセンサを排除するので、非常にコ スト的に有効である。圧力センサ26によって最高効率のポイントを概算し制御 ループを閉じるために、検知した失火限界を利用することも更に可能である。
IMEPが、0以下に、あるいは圧力ドレースに不規則さを検知することによっ て落ちる場合、失火が決定される。失火限界が最高効率の空燃比以上に適切であ りうるので、この技術は効率を必ずしも最適化するとは限らない。制御システム が稀薄オフセントを試みた場合、エンジン操作が迅速に回復するように、失火に 気づいていることは、重要である。
吸入多岐管圧力、吸気温度およびrpmの知識でそれを計算することができるの で、空気の重量流量の直接の測定値は不必要である。この方法は、より高価でな いシステムだが同様により正確でないもののために作る。より低い精度は、メモ リに空気量を持っているマイクロプロセッサ20で補うことができる。そのよう なシステムは、単なる圧力あるいは絞り板ボンジョンの測定により、重量流量を 推測しようと努めることができた。しかし、これは、l5FCの計算の中のより 多くの不確かなことを引き起し、その最小のポイントを変えることができた。
理想気体のマスのための方程式はPV−nRTである。
4サイクル機関のためのm (1ツの)/rev= (Pi*Vd”M)/2* R*Tiは、空気の重量流量を推測することができる。この方程式では、パイが 吸入多岐管圧力と等しい。また、Vdは、エンジンの押しのけ容積と等しい。
また、Mは、空気の分子量と等しい。また、Rは一般ガス定数である。また、T 2は吸気の温度である。大気が理想気体であると、それが仮定するので、重量流 量を計算するこの方法は一貫して正確ではない。より多くの精度のために、空気 量フローセンサは使用することができる。燃料の重量流量は、m (f) =( インゼクタの重量流量) (時間の表面のインゼクタ)によって計算される。
IMEPは圧力体積線図の統合によって、計算される。圧力体積線図は、その変 位された体積が知られているので、エンジンの、シリンダおよび回転に圧力を測 定することによって、決定される。rsFcが計算される方程式はl5FC−( F/1+F) *(e *Di/IMEP)である。この方程式では、Fがm  (f ) /’m C1ツの)であり、evは体積効率であり、Diはm (1 ) /Vdに等しい吸気の密度である。FMEPの近似値が利用可能でない場合 、l5FCは制御システムに最小限にされる。BMEPのための方程式はBME  P= IMEP−FMEPである。FMEPは、速度と負荷に基づいた方程式 としてのメモリに格納される、実験的に引出された値である。BSFCを計算す るための方程式はBSFC= (F/1−i−F) *(e *Di/BMEP )であり、FMEPの近似値が利用可能な場合、BSFCは制御システムに最小 限にされる。
重要な気筒内圧情報を利用可能にしておくことによって、1つは、任意の条件の 下の効率を最適化することができる。単純システムの使用によって、要求された 計算パワーは増加させられる。しかし、システムはよりコス[・的に有効になる 。
本発明の中で使用されるすべてのハードウェアサブシステムが今日存在するとい う点に喚起されたい。ソフトウェアに関して、当業者はこの発明のシステムをイ ンプリメントするために、ソフトウェアを容易に設計することができる。更に、 本発明の方法はタイプにかかわらず任意の火花点火機関に対して使用することが 可能である。システムは、エンジンのすべての負荷レベルに対して、適切な空燃 比および正確なスパーク点火時期をセットすることにより、効率を最適化する。
制御最適化は、第11図に示される流れ図によって実行される。第11図に示さ れるように、手続きは以下のとおりである・■ 噴射時および点火時期について はターゲットアレイに従う。正確さに関して信頼に値する十分に長いデータをと る。
2、点火時期が正確かどうかチェックする。それが正確な場合、次のステップ3 に進む。点火時期が正確でない場合、それが正確になるまで点火時期を変更する 。そして、ターゲットアレイに正確な点火時期を格納し、ステップ1に戻る。
3、l5FC(測定値)を計算する。
4、l5FC(ターゲット)とl5FC(、測定値)を比較する。それらが等し い場合、次のステップ5に進む。それらが等しくない場合、TSFC(ターゲッ ト)をターゲットアレイの中のl5FC(測定値)と置き換える。そして、ステ ップ1に戻る。
5、噴射オフセット値をチェックする。それが0である場合、−1にそれをセッ トする。
6、噴射時および点火時期のオフセット値を備えたターゲットアレイに従う。
正確さに関して信頼に値する十分に長いデータをとる。
7、点火時期が正確かどうかチェックする。点火時期が正確である場合、次のス テップ8に進む。点火時期が正確でない場合、正確になるまで、それを変更し、 オフセットアレイの正確な点火時期オフセット値を格納し、ステップ6に戻る。
8、データに基づいたl5FC(測定値)を計算する。
9、l5FC(測定値)がl5FCCターゲット)未満である場合、ターゲッド アレイ中の値にオフセット値を加え、新しい値で、噴射時間、点火時期およびl 5FCの古い値を交換し、ステップ1に戻る。未満でなければ、ステップ10に 進む。
10、l5FC(測定値)がl5FC(ターゲット)と等しく、オフセット噴射 時間が負だった場合、ターゲットアレイ中の値にオフセット値を加える。そして 、新しい値で、噴射時間、点火時期およびl5FCの古い値を交換する。その後 、ステ・・Iプ1に戻る。そうでなければ、ステップ11に行く。
II もしl5FC(測定値)がl5FC(ターゲット)に等しく、オフセット 噴射時間が正の場合には、0にオフセット値を変更し、ステップ1に戻る。そう でなければ、ステップ12に進む。
12、l5FC(IN+1定flI)がl5FC(ターゲット)より大きい場合 、オフセ。
ト値のサインを変更する。そして、ステップ1に戻る。
もしシステムが同じループにおいて10回スタックした場合、始めに戻るか、あ るいは、10回のサイクルを平均してこの平均値をそれ以後の決定に用いること によって処理を綺行する。
上記においては、次の定義が使用される オフセット 噴射時間オフセットはタ ーゲットアレイの中のそのポイン[の噴射時間の合計の百分率である。例として ]06の場合を説明してきたが、この値は、必要とされる正確度並びに特定の時 間におけるエンジ/の状態の変化の度合に応して決定し得る。点火時期オフセッ トは正確な点火時期を達成するために必要とされるターゲット点火時期からの点 火進角の変化の角麿量である。
正確な点火時期 これはビーク気筒内圧を上死点後約15″で生しるような、点 火進角である。
イコール イコールは制御パラメータにおいて有効な変化を与えるのに十分な近 似性を意味。またこれは、比較のために用いられる値の両側における偏差か特定 のパーセンテージ内にある状態をも示す。
データの中の確信 この表現はデータが少なくとも2つのエノジノサイクルの間 で得られたものであることを示す。このデータが有効であるためにはデータ値が 等しいか、あるいは、1−分なサイクル数以上にわたって平均されることを要す る。このアレイでは、コノピユータが、噴射時間、l5FCおよび点火時期を格 納する。
全出力を達成するために、スロットル入力装置は、広い開いたスロットルのポイ ントまでに絞り板ボジノヨンを測定するだろう。その後、それは、一層のペダル 入力がより多くのパワーのためのリクエストを示すことを可能にするだろう。
また、発明のコントローラは、理論マ燃比が到達されるまで供給された燃料を徐 々に増加させるだろう。
第12図は、デュアル・モート操作のためのコントローラに人力信号を設けるこ とができる装置を示す。スロットル入力装置!40は、そのシャフトの回転の関 数としての抵抗を変更する電位差計42を含んでいる。電位差計42のシャフト は、スロットルケーブル46によって回転させられる円板44で回転する。絞り 板シャフト48は、吸込マニホルド52に回転のための絞り板50を支援する。
シャフト48は、絞り板50がワイドオーブンになるまで、すなわち絞り彼50 が垂直になるまで、円板44とともに回転するようになった円板54に付けられ る。円板44が更に回転すると、円板44が電位差計42のシャフトを回転させ て続ける一方、絞り板50はそのワイドオープンボンンヨンに残る。スプリング 56は2つのタブをともにもぎ取って、円板44の表面のタブ58、および円板 54の表面のタブ60上で力を置くために、円板44と54の間に作動する。ス プリング62は、円板44と、円板44の表面のタブ66の表面の、および、絞 り板50が、スロットルケーブル46の力に対して閉じたと考えるベース64に マウントされたタブ68の表面の力を適用する装置40のベース64の間に作動 する。
スロットルによるスロソトルベダルポジノヨンの直接の関数である円板44の回 転の測定によるスロットル入力装置40工場は、スプリング62の力がスロット ルペダル(示されていない)に作用する。摩擦力をすべて克服するのに、十分で あると、仮定して、46を打電する。スロットルペダルが低下させられ、そのた めに、スロットルケーブル46を活性化するように、円板44は、スプリング5 6の力が絞り板50に作用する摩擦力すべておよび気圧をすべて克服するのに、 十分であると仮定する円板54で回転するだろう。円板54の表面のタブ70が 、吸込マニホルドセクション52の表面のタブ72て接触を作るまて、円板44 および54は七もに回転するだろう。絞り板50が垂直の場合、タブ70は広い 開いたスロットルでタブ52て接触を作る。その後、円板44は、電位差計42 を更に回転させ続ける両方のスプリング56および62の力に対して更に回転し 続けることができる。マイクロプロセッサ(第10図)はワイヤ14によってス ロットル入力装置1t40に接続される。また、マイクロプロセッサ20は、タ ブ70が、 ・その・時に絞りモートがモード2絞りに作動するために切替えら れるタブ72で接触するパルスで電位差計42の抵抗値を知るために、推定され る。
オ・!トープイーゼル絞りコントロールは、等価な出力の稀薄燃焼エンジンに関 する、等価な変位、および増加燃料経済性の稀薄燃焼エンジンを通じてエンジン の出力を増加させるだろう。スロソトルポンン3ンセンサは、更により正確な重 量流量計算を与えることを支援するだろうが、広い開いたスロットルを越えてよ り濃化空燃比のための復帰を許可するため、より重要である。
第13図は、完全なシステムおよび直接測定する空気量が、絞り板の制御により 、最高効率達成用のより正確なコントロールを達成する発明によって空気量フロ ーセンサ80によって流れることを示す。エンジンの表面の燃料効率を最適化す る、多くの方法がある。最も有効な方法は燃料噴射22のコントロール、ハイパ ワ一点火装[24による点火時期、および効率が最適化されるように情報を後ろ に供給する気筒内圧センサ26を絞り板モータ82による絞り板の中のtに置か れたマイクロプロセッサ20である。マイクロプロセッサ20は更にスロットル ペダル入力、エンジン温度、吸気圧、空気量フローおよびrpmをモニタするだ ろう。絞り板のコントロールで、マイクロプロセッサ20は運転性に任意の変化 を持たずに、エンジン効率を最適化することができる。スロットルペダル入力は 、コンピュータが達成するべきrpmターゲットあるいはrMEPレベルを単に 表すだろう。コントロールのこの方法はエンジンが低い負荷にある場合に激しい 加速および稀薄混合気の下で使用される、十分な濃厚ガスを伝えるために、燃料 噴射22を制御するために、マイクロプロセッサ20を許可するだろう。発明の システムは、更にコントロールアルゴリズムが超過排ガスを引き起すかもしれな いか、エンジンに対する破壊的な影響を持っているかもしれない、任意の空燃比 を回避することを可能にするだろう。
水制御システムは、l5FCまたはBSFCを最小限にすることにより、最も大 きな効率を達成するために自動的に最適化を行なう。エンジンの稀薄限界は、I MEPがO以下に落ちるポイントを感じる圧力セン41+26によってモニタさ れるたろう。この方法で、エンジンは失火の危険なしに稀薄燃焼領域で作動し得 る。
更に圧力センサ96をノックを検知しかつノックを妨げるために点火時期を調節 するために、使用することができる。圧縮比を高めることによって、効果を高め ることができる。なぜならば稀薄燃焼は緩徐に進行するので高い圧縮比でもノッ クが生しないからである。
第14図は、ハイパワ一点火によって得られた改善された作動範囲での排出カー ブを示す図で、稀薄燃焼域では排出物が減少するということを示している。ハイ パワ一点火システムとよりよい燃料微粒化を併用することによって、本制貢シス テムは、第14図の曲線によって示されるような排ガスの減少を達成する。稀薄 作動点を延長することの目的は、理論空燃比のすぐ上の稀薄領域において窒素酸 化物の排出のハンプを防ぐことにある。エンジンを理論空燃比で作動させた場合 には、最小BSFCあるいは最高効率点を過ぎるまではトータル排出量が少なく 押えられる。エンジンが最大効率空燃比で作動しているが故に燃料エネルギーの 機械エネルギーへの変換がほぼ完全に行なわれているからである。エンジンをこ の点よりも稀薄側で作動させると燃焼状態が悪化し往々にして失火を生じる。
本発明によれば、エンジンを最高効率領域で作動させながら排出物を最少化摺る ことができる。
第15図は、ノックを検知する2つのタイプの圧力ドランスジューサからの圧力 ドレースを示す。当業者によって認識されるように、点火時期のコントロールは エンジンデトネーシジンに応答する必要がある。そのようなコントロールは圧力 波の平滑のモニタによって、達成することができる。エンジンが打つ場合、圧力 波は、衝撃波デトネーションに応答して、上死点のまわりで大きく振れる。
ここに開示された制御システムにおいて、修正および変化をなし得ることは当業 者にとって明らかであろう。そのような修正形すべておよび変化はすべて添付の 請求の範囲に含まれるものである。
浄書(内容に変更なし) 浄書(内容に変更なし) 浄書(内容に薫なし) 浄書(内容に変更なし) 浄書(内容に変更なし) 浄書(内容に変更なし) 浄書(内容j二変更口し) FIG、 12 浄書(内容に変更なし) LBS/HP一時間 浄!(内容に変更なし) 浄書(内容に変更なし) 要 約 書 火花点火エンジンをその全作動条件範囲にわたって最高の燃料効率を達成するよ うに制御するためのシステム(第10図)は、エンジンに供給される燃料の量を 制御するための装置(20)と、エンジンの気筒のうちの少なくとも1個の気筒 の内圧を測定するための装置1(26)とを宵する。システムは更に、エンジン に流入する空気量を推算するための装置と、エンジンに供給される前記燃料の量 と、前記気筒内圧とエンジンに流入する前記空気量とから概略の効率値を算定す るための演算装置(20)とを有する。特定の実施例においては、効率が最大の ときに最小となる図示比燃料消費の概略値を計算することによって効率を測定す る。エンジンをその全作動条件範囲にわたって図示比燃料消賛を最小にするべく 前記エンジンに供給される燃料の量を変化させるための装置(20)が更に設け られている。この実施例においては、更に、スロットルワイドオーブン位置を超 える所望のエンジン出力に対して応答する装置と、最高効率を達成するためにス ロットルワイドオープン位置を超える量の燃料を供給する装置とが更に設けられ ている。
手続補正書 1成 4年11月73日圏

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.火花点火エンジンをその全作動条件範囲にわたって最高の燃料効率を達成す るように制御するためのシステムにおいて、エンジンに供給される燃料の量を制 御するための装置と、エンジンの気筒のうちの少なくとも1個の気筒の内圧を測 定するための装置と、エンジンに流入する空気量を推算するための装置と、エン ジンに供給される前記燃料の量と、前記気筒内圧とエンジンに流入する前記空気 量とから概略の効率値を算定するための装置と、エンジンをその全作動条件範囲 にわたって効率を最大にするべく前記エンジンに供給される燃料の量を変化させ るための手段とを有することを特徴とするシステム。
  2. 2.効率が最大のときに最小となる図示比燃料消費を用いて効率を測定すること を特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。
  3. 3.概略FMEPが既知であると仮定し、効率が最大のときに最小となる概略正 味比燃料消費(BSFC)を用いて効率を測定することを特徴とする請求の範囲 第1項に記載のシステム。
  4. 4.更に、スロットルワイドオーブン位置を超える所望のエンジン出力に対して 応答する装置と、最高効率を達成するためにスロットルワイドオーブン位置を超 える量の燃料を供給する装置とを有することを特徴とする請求の範囲第1項に記 載のシステム。
  5. 5.前記エンジンに供給される燃料の量を制御するための前記装置が燃料噴射シ ステムを含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。
  6. 6.前記燃料噴射システムが燃料噴霧装置を含むことを特徴とする請求の範囲第 4項に記載のシステム。
  7. 7.前記エンジンに供給される燃料の量を制御するための前記装置が外部から操 作可能な気化器を含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。
  8. 8.前記気筒内圧を測定するための装置が、スパークプラグとシリンダヘッドと の間でスパークプラグを取り囲むように設けられたリング型の圧力センサーを含 むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。
  9. 9.前記エンジンに流入する空気量を推算するための装置が、吸入多岐管内圧力 を測定する圧力センサーと、吸気温度センサーと、エンジン速度を検出するため の手段とを含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。
  10. 10.前記エンジンが4サンクルエンジンである場合、前記エンジンに流入する 空気量が、式 m(a)/rev=(Pi*Vd*M)/2*R*Tiによって計算されること を特徴とする請求の範囲第9項に記載のシステム。 但し、上記式において、Piは吸入多岐管内圧力、Vdはエンジンの排気量、M は空気の分子重量、Rはユニバーサル気体定数、Tiは吸気温度をそれぞれ示す 。
  11. 11.前記エンジンに流入する空気量の推算がマイクロプロセッサーで行なわれ ることを特徴とする請求の範囲第10項に記載のシステム。
  12. 12.前記エンジンに流入する空気量を推算するための装置が、吸気流路に設け られた空気量センサーを含むことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステ ム。
  13. 13.ピーク圧力点を上死点後約15°に置くかあるいはIMEPを最大にする べく、点火時期を気筒内圧の関数として変化させるための装置を更に有すること を特徴とする請求の範囲第1項に記載のシステム。
  14. 14.スロットルペダル位置をワイドオーブン位置まで、また更に、ワイドオー ブン位置を超える位置まで計測するポテンショメータを更に含んでおり、ポテン ショメータの出力が、最適量の燃料を供給するための装置への入力として用いら れることを特徴とする請求の範囲第4項に記載のシステム。
  15. 15.ハイパワー点火システムを更に含むことを特徴とする請求の範囲第1項ま たは第4項に記載のシステム。
  16. 16.スロットルペダル位置入力に応じてスロットル開度位置を制御するための マイクロプロセッサーを更に含むことを特徴とする請求の範囲第4項に記載のシ ステム。
  17. 17.前記図示比燃料消費が、下記の式によって演算されることを特徴とする請 求の範囲第2項に記載のシステム。 ISFC=(■)*(ev*Di/IMEP)但し、evはエンジンの容積効率 、F=ml/mnおよびDiは吸入空気密度をそれぞれ表わす。
  18. 18.前記正味比燃料消費が、下記の式によって演算されることを特徴とする請 求の範囲第3項に記載のシステム。 BSFC=F*evPi 但し、evはエンジンの容積効率、F=ml/mnおよびDiは吸入空気密度を それぞれ表わす。
  19. 19.燃料流量が、下記の式によって演算されることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のシステム。 mf=噴射装置の噴射期間
  20. 20.燃料流量wo更に有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のシス テム。
  21. 21.火花点火エンジンをその全作動条件範囲にわたって最高の燃料効率を達成 するように制御するための方法において、1)噴射時間および点火時期について のターゲットアレイをフォローして、信頼し得る精度を得るために十分な長さの 時間にわたってデータを採取する段階、2)タイミングが正確であるか否かをチ ェックし、もし正確である場合には下記のステップ3)に進みまたもし正確でな い場合にはタイミングが正確になるまでタイミングを変化させこの正しいタイミ ングをターゲットアレイに格納して上記ステップ1)に戻る段階と、 3)データに基づいてISFC(測定されたもの)を演算する段階と、4)IS FC(測定されたもの)をターゲットISFCと比較し、両者が等しい場合には 下記のステップ5)に進みまたもし等しくない場合にはターゲットアレイにおい てターゲットISFCをISFC(測定されたもの)で置換し上記ステップ1) に戻る段階と、 5)噴射オフセット値をチェックし、これがゼロである場合にはこれをマイナス 1にセットする段階と、 6)噴射時間と点火時期とのオフセット値に応じてターゲットアレイをフォロー して信頼し得るに十分な長さにわたってデータを採取する段階と、7)タイミン グが正確であるか否かをチェックし、もし正確である場合には下記のステップ8 )に進みまたもし正確でない場合にはタイミングが正確になるまでタイミングを 変化させこの正しいタイミングのオフセット値をオフセットアレイに格納して上 記ステップ6)に戻る段階と、8)データに基づいてISFC(測定されたもの )を演算する段階と、9)もしISFC(測定されたもの)がターゲットISF Cよりも小さい場合にはターゲットアレイ中の値にオフセット値を加えることに よって噴射時間、点火時期およびISFCのそれぞれの古い値を新しい値に置き 換えてから上記ステップ1)に戻り、そうでない場合には下記のステップ10) に進む段階と、10)もしISFC(測定されたもの)がターゲットISFCと 等しくかつ噴射時間オフセット値が負である場合にはターゲットアレイ中の値に オフセット値を加えることによって噴射時間、点火時期およびISFCのそれぞ れの古い値を新しい値に置き換えてから上記ステップ1)に戻り、そうでない場 合には下記のステップ11)に進む段階と、 11)もしISFC(測定されたもの)がターゲットISFCと等しくかつ噴射 時間オフセット値が正である場合にはオフセット値をゼロに変化させてから上記 ステップ1)に戻り、そうでない場合には下記のステップ12)に進む段階と、 12)もしISFC(測定されたもの)がターゲットISFCより大きい場合に はオフセット値の正負の符号を変えた後上記ステップ1)に戻る段階とを有する ことを特徴とする方法。
  22. 22.火花点火エンジンをその全作動条件範囲にわたって最高の燃料効率を達成 するように制御するための方法において、1)噴射時間および点火時期について のターゲットアレイをフォローして、信頼し得る精度を得るために十分な長さの 時間にわたってデータを採取する段階、2)タイミングが正確であるか否かをチ ェックし、もし正確である場合には下記のステップ3)に進みまたもし正確でな い場合にはタイミングが正確になるまでタイミングを変化させこの正しいタイミ ングをターゲットアレイに格納して上記ステップ1)に戻る段階と、 3)データに基づいてBSFC(測定されたもの)を演算する段階と、4)BS FC(測定されたもの)をターゲットBSFCと比較し、両者が等しい場合には 下記のステップ5)に進みまたもし等しくない場合にはターゲットアレイにおい てターゲットBSFCをBSFC(測定されたもの)で置換し上記ステップ1) に戻る段階と、 5)噴射オフセット値をチェックし、これがゼロである場合にはこれをマイナス 1にセットする段階と、 6)噴射時期と点火時期とのオフセット値に応じてターゲットアレイをフォロー して信頼し得るに十分な長さにわたってデータを採取する段階と、7)タイミン グが正確であるか否かをチェックし、もし正確である場合には下記のステップ8 )に進みまたもし正確でない場合にはタイミングが正確になるまでタイミングを 変化させこの正しいタイミングのオフセット値をオフセットアレイに格納して上 記ステップ6)に戻る段階と、8)データに基づいてBSFC(測定されたもの )を演算する段階と、9)もしBSFC(測定されたもの)がターゲットBSF Cよりも小さい場合にはターゲットアレイ中の値にオフセット値を加えることに よって噴射時間、点火時期およびBSFCのそれぞれの古い値を新しい値に置き 換えてから上記ステップ1)に戻り、そうでない場合には下記のステップ10) に進む段階と、10)もしBSFC(測定されたもの)がターゲットBSFCと 等しくかつ噴射時間オフセット値が負である場合にはターゲットアレイ中の値に オフセット値を加えることによって噴射時間、点火時期およびBSFCのそれぞ れの古い値を新しい値に置き換えてから上記ステップ1)に戻り、そうでない場 合には下記のステップ11)に進む段階と、 11)もしBSFC(測定されたもの)がターゲットBSFCと等しくかつ噴射 時間オフセット値が正である場合にはオフセット値をゼロに変化させてから上記 ステップ1)に戻り、そうでない場合には下記のステップ12)に進む段階と、 12)もしBSFC(測定されたもの)がターゲットBSFCより大きい場合に はオフセット値の正負の符号を変えた後上記ステップ1)に戻る段階とを有する ことを特徴とする方法。
  23. 23.スロットルペダルケーブルに接続されかつポテンショメータの軸を回転さ せるようになった第1のディスクと、 スロットルプレートを閉位置からワイドオープン位置へ回転させるようになった 第2のディスクと、 スロットルプレートがワイドオープン位置に達するまでの間は前記第1のディス クと第2のディスクとが一緒に回転しないように規制するとともにスロットルプ レートがワイドオープン位置に達した後は前記第1のディスクのみが単独で回転 し続けることを許容するようになった装置とを含むことを特徴とするスロットル 入力装置。
  24. 24.前記第1のディスクと第2のディスクとを規制する装置がスプリングを含 むことを特徴とする請求の範囲第23項に記載のスロットル入力装置。
  25. 25.前記ポテンショメータがこのポテンショメータの軸を回転させるようにな った第1のディスクに接続され、前記第1のディスクが更に前記スロットルペダ ルケーブルにも接続され、スロットルプレートを閉位置からワイドオーブン位置 へ回転させるようになった第2のディスクが設けられ、更に、スロットルプレー トがワイドオープン位置に達するまでの間は前記第1のディスクと第2のディス クとが一緒に回転しないように規制するとともにスロットルプレートがワイドオ ーブン位置に達した後は前記第1のディスクのみが単独で回転し続けることを許 容するようになった装置が設けられていることを特徴とする請求の範囲第14項 に記載のシステム。
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