JPH1030475A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】始動後、暖機中における燃料と空気の混合状態
を代表する温度変数を求め、これに応じて燃料噴射量を
補正し、暖機中の燃料供給量を過不足なく適正に制御す
る。 【解決手段】機関回転数と負荷に応じて基本燃料噴射量
を制御する内燃機関において、機関温度を検出する手段
と、回転数と負荷から求めた運転条件と検出した機関温
度に基づいて吸気系における燃料と空気の混合状態を代
表する温度変数を演算する手段と、この温度変数に応じ
て基本燃料噴射量に対する燃料増量補正量を演算する手
段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のとくに始
動および始動直後における燃料噴射制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の始動時及び始動直後における
燃料噴射量の制御装置として、従来、例えば特開昭５８
−２５５４６号公報、特開昭５９−１６８２３１号公
報、特開昭６０−２０６９５５号公報、特開昭６１−２
０５３５７号公報（第１〜第４の従来例）によって提案
されているものがある。

【０００３】これらはいずれも、スタートスイッチ等に
より始動時を判定する手段と、始動からの経過時間を計
測するタイマと、エンジン回転数や負荷に応じて基本燃
料噴射パルス幅を演算する手段と、機関温度として例え
ば冷却水温を検出する手段と、始動後時間や検出された
冷却水温に応じて基本燃料噴射パルス幅を補正する手段
などを備え、内燃機関の始動直後における主として暖機
中の燃料噴射量を要求に応じて適正に制御するようにし
ている。

【０００４】具体的には第１の従来例では、現在の冷却
水温と始動時の冷却水温との差に基づいて暖機加速中の
燃料噴射の増量値を決定している。第２の従来例はエン
ジン始動時または始動直後のエンジン温度に応じて求め
られる非同期燃料噴射量を制御している。第３の従来例
ではエンジン加速時の補正係数として用いられる加速増
量係数を、エンジン始動後の経過時間に応じて変化させ
ている。さらに第４の従来例では、始動直後の加速時の
非同期噴射量を大きくし、始動後の経過時間と共に徐々
に小さくし、所定時間経過後は通常の加速時の非同期噴
射量と同一に戻すようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】機関始動直後の燃料増
量率の設定は、始動直後の機関安定性や加速性などの条
件により適合されることが多いが、同時にこれらは始動
直後における燃料と空気の混合不良を補うために必要な
増量でもある。

【０００６】したがって、この燃料増量率は、吸気ポー
ト壁温、吸気バルブ表面温度、シリンダ壁温などとも大
きな相関関係があるが、機関暖機後の平衡状態に達する
までの間は、これらの温度が指数関数的に変化するこ
と、及びその時定数がエンジン条件により異なることな
どから、上記のように、始動後の経過時間、冷却水温の
変化などに応じて単純に増量率を減じるような制御で
は、要求特性に対しての過不足が発生し、必ずしも適正
な燃料噴射量には制御しきれない。

【０００７】また、これらのことから燃料の不足分を補
い、安定性を確保するため、過剰に補正をかける傾向が
あり、機関始動直後の低温時の燃費や排気エミッション
の低減にとって障害となっていた。

【０００８】本発明はこのような問題を解決するため
に、始動後、暖機中における燃料と空気の混合状態を代
表する温度変数を求め、これに応じて燃料噴射量を補正
することにより、燃料供給量を過不足なく適正に制御す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、機関回転
数を検出する手段と、機関負荷を検出する手段と、これ
ら回転数と負荷に応じて基本燃料噴射量を制御する内燃
機関において、機関温度を検出する手段と、回転数と負
荷から求めた運転条件と検出した機関温度に基づいて吸
気系における燃料と空気の混合状態を代表する温度変数
を演算する手段と、この温度変数に応じて基本燃料噴射
量に対する燃料増量補正量を演算する手段とを備える。

【００１０】第２の発明は、第１の発明において、前記
温度変数に応じた燃料増量補正は、混合状態が吸気系の
温度平衡状態に達するまでの間実行される。

【００１１】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記温度変数の演算手段が、冷却水温の検出値に
基づいて始動時の混合状態を代表する温度を演算する手
段と、機関回転数と負荷に基づく運転条件から混合状態
代表温度の変化時定数を演算する手段と、現在の機関温
度と前記始動時代表温度と同じく変化時定数から混合状
態代表温度を演算する手段と、この混合状態代表温度と
現在の機関温度から混合状態の非平衡率を演算する手段
とを備える。

【００１２】第４の発明は、第３の発明において、前記
燃料増量補正手段が、混合状態の非平衡率から温度非平
衡時補正率を演算する手段と、現在の機関温度から平衡
時補正率を演算する手段と、これら補正率に基づいて非
平衡状態における燃料増量補正率を演算する手段を備え
る。

【００１３】第５の発明は、第４の発明において、前記
燃料増量補正率演算手段は、運転条件から定常時の補正
率を演算する手段と、同じく過渡時の補正率を演算する
手段とを備える。

【００１４】第６の発明は、第１〜第５の発明におい
て、前記機関温度が機関冷却水温である。

【００１５】

【作用・効果】第１の発明において、吸気ポートに噴射
された燃料と空気の混合状態は、ポート壁温、吸気バル
ブ表面温度、シリンダ壁温等に依存して変化する。機関
の暖機後にはこれらの温度は十分に上昇しており、燃料
と空気の混合状態も良好となるが、始動直後の低温時に
は温度が低いために燃料の気化が進まず、空気との混合
状態は悪い。

【００１６】この混合状態は暖機後の平衡時には機関温
度、例えば冷却水温で代表できるが、暖機が十分に進ん
でいない始動直後の運転状態では、冷却水温に対する、
ポート壁温、吸気バルブ表面温度、シリンダ壁温等の関
係は平衡状態になく、しかも平衡時に比較してこれらの
温度は低い。このため、このような非平衡時には空気と
燃料との混合状態を単純に冷却水温で代表することはで
きない。

【００１７】しかし、この発明では、始動時の機関温度
と機関運転条件とによって低温始動直後における燃料空
気混合状態を代表する温度変数を求め、この温度変数を
用いて低温時の燃料増量を補正するので、冷却水温だけ
では代表することのできない非平衡時における燃料と空
気の混合状態に適切に対応した過不足のない燃料供給量
に設定でき、これらの結果、空燃比の制御精度が高ま
り、安定した燃焼が確保され、燃費や排気エミッション
の向上が図れる。

【００１８】第２の発明では、非平衡時の燃料増量は平
衡状態に達するまでの間だけ実行され、平衡状態に達し
た後は、機関温度等に基づいての燃料噴射量の補正にな
り、単純な制御に切換わる。

【００１９】第３の発明では、始動時の温度条件に応じ
て変化する混合状態の代表温度と、運転条件に応じて変
化する時定数とに基づいて、非平衡状態での混合状態代
表温度を求め、これらから非平衡率を算出するので、例
えば始動時の温度が著しく低く、その後の運転条件も低
速、低負荷が継続するようなとき、つまり燃料と空気の
混合状態が良くないときは、これに応じて非平衡率が算
出され、燃料増量も相対的に大きくなり、燃焼安定性が
確保される。これに対して始動時の機関温度が高く、か
つ運転条件も比較的高い回転数、負荷が続くようなとき
は、始動後短期間のうちに混合状態が改善されるが、こ
のような場合には非平衡率が小さくなり、不要な燃料増
量を抑制して、燃費や排気エミッションを向上させられ
る。

【００２０】第４の発明では、例えば、温度非平衡時の
補正率は平衡状態に近づくに伴い限りなく「１」に向け
て減少し、また平衡時の補正率は機関温度の上昇に伴い
「１」に近づくように減少させることで、これら両補正
率を用いることにより、燃料増量の補正率は機関始動
後、時間の経過により平衡状態に近づくほど減少してい
き、始動直後の不安定な時期に燃焼の安定性を高め、暖
機が進むのにしたがって燃料増量を減じ、安定性を損な
うことなく燃費や排気エミッションの改善が図れる。

【００２１】第５の発明では、定常時の補正率と、過渡
時の補正率とを求め、運転条件に応じて補正率を選択
し、それぞれにおいて適切な燃料増量を実行し、したが
って、加速時など燃料増量が相対的に大きくなり、十分
な加速性を確保する一方で、定常時には不必要に増量す
ることなく、燃費、排気エミッションを良好にする。

【００２２】第６の発明では、機関温度として冷却水温
を用いるので、温度検出が容易でかつ正確性も高い。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１において、１は機関本体、２
は吸気通路、３は排気通路、４は吸気バルブ、５は排気
バルブ、６は点火プラグである。吸気通路２にはスロッ
トル弁８の下流において燃料を噴射するインジェクタ７
が設けられる。９は吸入空気量を測定するエアフローメ
ータ、また１０はスロットル弁８の全閉を検出するスロ
ットルスイッチ、１１は機関温度を代表するものとし
て、機関冷却水温を検出する水温センサ、１２は排気中
の酸素濃度を検出するための空燃比センサ、１３は機関
回転数を検出する回転数センサ、１４は機関を始動させ
るためのスタートスイッチである。

【００２４】そして、前記各センサ等からの検出信号を
受け、これらに基づいてインジェクタ７からの燃料噴射
量、あるいは点火プラグ６の点火時期などを制御するた
めのコントローラ１５が備えられる。

【００２５】なお、排気通路３には図示しないが、排気
三元触媒が設置され、排気中のＨＣＣＯの酸化とＮＯｘ
の還元を行う。

【００２６】次にコントローラ１５において実行される
本発明の要点である始動時及び暖機中の燃料増量制御に
ついて、図２を参照しながら説明する。

【００２７】２１は水温センサ１１の出力から機関温度
としての冷却水温を読み込む冷却水温検出手段であり、
この冷却水温に基づいて２３の演算手段において、始動
時の吸気ポートにおける燃料と空気の混合状態を代表す
る温度を演算する。

【００２８】一方、２２の演算手段において、機関回転
数センサ１３からの回転数信号と、エアフローメータ９
からの負荷信号に応じて、前記した混合状態代表温度の
変化時定数を演算する。演算手段２４では、現在の冷却
水温と、前記のように求めた始動時代表温度と、同じく
変化時定数とに基づいて燃料と空気の混合状態代表温度
を演算する。そして演算手段２５において、この混合状
態代表温度と現在の水温とから混合状態の非平衡率を演
算し、この非平衡率に基づいて、演算手段２６では機関
の定常運転での燃料の補正率、つまり始動直後定常補正
率を演算し、また演算手段２７においては同じく過渡運
転での燃料の補正率を演算する。そして、２８の演算手
段において、機関回転数と負荷に応じて求めた基本燃料
噴射パルス幅を、これら各補正率に応じて補正すること
により、インジェクタ７から噴射される燃料の噴射パル
ス幅を算出する。

【００２９】図３は燃料空気混合状態の代表温度とこれ
を基にした温度非平衡率を算出するための演算動作のフ
ローチャートで、機関始動時から時間同期で実行され
る。

【００３０】まず、ステップ１において、冷却水温ＴＷ
Ｋを読み込み、ステップ２ではスタートスイッチがオン
かどうかにより始動を判断し、始動時にはステップ６に
進み、始動時以外はステップ３に進む。

【００３１】ステップ６では始動時における混合状態代
表温度の初期値ＴＷＦｓｔをテーブルルックアップによ
り求める。図４にこの一例を示すが、始動時の冷却水温
ＴＷＫに応じて代表温度初期値ＴＷＦｓｔが設定され
る。

【００３２】ステップ３では機関回転数、負荷に応じて
の運転条件を検出し、この運転条件からステップ４で混
合状態代表温度の変化時定数τを求める。この時定数τ
は図５に示すように、機関回転数と負荷に応じてテーブ
ルに設定される。

【００３３】混合状態代表温度はポート壁温、バルブ表
面温度等によって決まるため、機関が高回転、高負荷に
なるほど温度上昇は早くなり、時定数τは高回転、高負
荷ほど小さくなる特性をもつ。

【００３４】次にステップ５では混合状態の代表温度Ｔ
ＷＦを演算する。このＴＷＦは初期値ＴＷＦｓｔから現
水温ＴＷＫに向けて一定の時定数τの一時遅れで変化す
るもので、次式により表せる。

【００３５】 ＴＷＦ＝ＴＷＦｓｔ＋（ＴＷＫ−ＴＷＳｔ）×（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）） …（１） なお、ｔは始動からの経過時間である。そして、ステッ
プ７では温度非平衡率ＤＴＷＦを求める。この温度非平
衡率ＤＴＷＦは現水温ＴＷＫに対して混合状態代表温度
ＴＷＫがどれだけ低いかを表すもので、次式のように求
められる。

【００３６】 ＤＴＷＦ＝（ＴＷＫ−ＴＷＦ）／ＴＷＫ…（２） この温度非平衡率ＤＴＷＦは現水温ＴＷＫに対する相対
的な非平衡度合いを示すもので、始動時には最大で１か
ら徐々に減少していき、代表温度ＴＷＦが現水温ＴＷＫ
と等しくなったとき、即ち温度平衡状態となったときに
０となる。

【００３７】次にこのようにして求めた温度非平衡率Ｄ
ＴＷＦに基づいての燃料噴射量の補正率の演算動作を、
図６のフローチャートにしたがって説明する。

【００３８】これは、定常時の燃料噴射量補正率である
目標当量比ＴＦＢＹＡを演算するためのフローチャート
で、まずステップ１１では燃料と空気の混合状態の温度
平衡時の補正率ＫＴＷを演算する。これは図７にも示す
ように、冷却水温ＴＷＫに応じて決まり、混合不良や燃
焼安定性の要求から冷却水温が低いほど増量設定とな
り、水温が高くなるほど補正率は１に近づく。

【００３９】ステップ１２では温度非平衡時の補正率Ｋ
ＡＳを求める。これは図８にも示すように、温度非平衡
率ＤＴＷＦを基にしてテーブルに設定され、ＤＴＷＦが
大きくなるほど、つまり平衡状態からのずれが大きくな
るほど補正率ＫＡＳも大きくなり、逆に平衡状態に近づ
くほど１に向けて小さくなる。

【００４０】ステップ１３で定常補正率として目標当量
比ＴＦＢＹＡを次式のようにして求める。

【００４１】ＴＦＢＹＡ＝ＫＴＷ×ＫＡＳ…（３） したがってこの目標当量比（補正率）は、始動直後など
冷却水温の低いときに大きくなり、時間の経過に伴い減
少していき、また、始動後の時間経過により平衡状態に
近づくほど減少し、やがて１になり、実質的に補正を終
了する。

【００４２】このようにして、始動直後の温度非平衡時
にもそのときの状況に応じて最適な燃料補正率に設定す
ることが可能となる。

【００４３】図９に燃料噴射パルス幅の演算動作のフロ
ーチャートを示す。

【００４４】ステップ２１では吸入空気量と回転数とか
ら基本噴射パルス幅ＴＰを算出し、ステップ２では過渡
時の燃料応答遅れに伴うエラーを補正する過渡補正量Ｋ
ＡＴＨＯＳを演算する。ステップ３では機関の設定空燃
比を決める目標空燃比設定補正率（目標当量比）ＴＦＢ
ＹＡを演算し、ステップ４では三元触媒の転換効率を高
めるため理論空燃比となるように酸素センサの出力信号
に基づくフィードバック補正係数ＡＬＰＨＡを演算す
る。またステップ５ではこの空燃比フィードバック補正
係数ＡＬＰＨＡを基にして空燃比補正学習値ＫＢＬＲＣ
を演算する。ステップ６ではインジェクタの電圧低下に
伴う開弁遅れを補償するための無効噴射パルス幅ＴＳを
演算する。

【００４５】そして、ステップ７では前述した各値に基
づいて次式で示すようにして燃料噴射パルス幅ＴＩを演
算する。

【００４６】 ＴＩ＝（ＴＰ＋ＫＡＴＨＯＳ）×ＴＦＢＹＡ×（ＡＬＰＨＡ＋ＫＢＬＲＣ− １）＋ＴＳ…（４） 次に図１０を参照しながら、機関始動後における燃料噴
射制御を実行したときの制御特性を説明する。

【００４７】機関の始動直後は現在の冷却水温ＴＷＫに
比較して混合状態代表温度ＴＷＦが低く、これが時間の
経過と共に機関運転条件により決まる時定数でもって現
水温ＴＷＫに近づいていく。ＴＷＫとＴＷＦとの差が温
度非平衡率ＤＴＷＦとなり、時間と共に小さくなる。現
水温ＴＷＫにより温度平衡時補正率ＫＴＷが決まり、温
度非平衡率ＤＴＷＦにより温度非平衡時補正率ＫＡＳが
決まり、この補正率ＫＡＳは時間の経過によりやがて温
度平衡時補正率ＫＴＷと一致する。

【００４８】これら補正率に基づいて混合状態に対応し
た低温時の燃料補正率（目標当量比）ＴＦＢＹＡが設定
され、これにより燃料噴射パルス幅を補正することで、
空燃比を機関の要求値に対して過不足なく適正に制御す
ることができる。図中の実線で示すものが本発明の制御
を実行した場合の空燃比特性、点線で示すものが、従来
の一般的な制御の場合の空燃比特性であり、本発明に比
較して空燃比が過剰にリッチ側にあることが分かる。こ
のため、本発明では機関始動後の暖機中、それだけ燃費
や排気エミッションが改善される。

【００４９】上記した説明においては、温度非平衡率Ｄ
ＴＷＦを求めるのに（図３のステップ７）、温度非平衡
率ＤＴＷＦを現水温ＴＷＫに対して代表温度ＴＷＦがど
れだけ低いかを表すものとして、前記した（２）式によ
り算出した。

【００５０】しかし、この温度非平衡率ＤＴＷＦは、現
水温ＴＷＫと代表温度ＴＷＦとの差から、図１１に示す
ような温度非平衡率テーブルを検索して求めることもで
きる。現水温ＴＷＫと代表温度ＴＷＦとの差が大きいほ
ど温度非平衡率ＤＴＷＦも大きくなり（ただし最大で
１）、始動後の時間の経過により、温度差が縮まるにし
たがって減少し、代表温度ＴＷＦが現水温ＴＷＫと一致
したとき、つまり温度平衡状態となったときに０とな
る。つまり、これにより非平衡状態での補正が実質的に
終了する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す概略構成図である。

【図２】同じく制御系のブロック図である。

【図３】温度非平衡率の演算動作を示すフローチャート
である。

【図４】混合状態代表温度の初期値の特性を示す説明図
である。

【図５】混合状態代表温度の変化の時定数を示す説明図
である。

【図６】定常補正率（目標当量比）の演算動作を示すフ
ローチャートである。

【図７】平衡時の補正率の特性を示す説明図である。

【図８】非平衡時の補正率の特性を示す説明図である。

【図９】燃料噴射パルス幅の演算動作を示すフローチャ
ートである。

【図１０】空燃比の制御特性を示す説明図である。

【図１１】温度非平衡率の特性を示す説明図である。

【符号の説明】

２ 吸気通路 ３ 排気通路 ４ 吸気バルブ ７ インジェクタ ９ エアフローメータ １１ 水温センサ １３ 回転数センサ １５ コントローラ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関回転数を検出する手段と、機関負荷を
   検出する手段と、これら回転数と負荷に応じて基本燃料
   噴射量を制御する内燃機関において、機関温度を検出す
   る手段と、回転数と負荷から求めた運転条件と検出した
   機関温度に基づいて吸気系における燃料と空気の混合状
   態を代表する温度変数を演算する手段と、この温度変数
   に応じて基本燃料噴射量に対する燃料増量補正量を演算
   する手段とを備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴
   射制御装置。
2. 【請求項２】前記温度変数に応じた燃料増量補正は、混
   合状態が吸気系の温度平衡状態に達するまでの間実行さ
   れる請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 【請求項３】前記温度変数の演算手段が、機関温度の検
   出値に基づいて始動時の混合状態を代表する温度を演算
   する手段と、機関回転数と負荷に基づく運転条件から混
   合状態代表温度の変化時定数を演算する手段と、現在の
   機関温度と前記始動時代表温度と同じく変化時定数から
   混合状態代表温度を演算する手段と、この混合状態代表
   温度と現在の機関温度から混合状態の非平衡率を演算す
   る手段とを備える請求項１または２に記載の内燃機関の
   燃料噴射制御装置。
4. 【請求項４】前記燃料増量補正手段が、混合状態の非平
   衡率から温度非平衡時補正率を演算する手段と、現在の
   機関温度から平衡時補正率を演算する手段と、これら補
   正率に基づいて非平衡状態における燃料増量補正率を演
   算する手段を備える請求項３に記載の内燃機関の燃料噴
   射制御装置。
5. 【請求項５】前記燃料増量補正率演算手段は、運転条件
   から定常時の補正率を演算する手段と、同じく過渡時の
   補正率を演算する手段とを備える請求項４に記載の内燃
   機関の燃料噴射制御装置。
6. 【請求項６】前記機関温度は機関の冷却水温である請求
   項１ないし５のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴
   射制御装置。