JPH1047114A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

内燃機関の制御装置

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JPH1047114A
JPH1047114A JP8200424A JP20042496A JPH1047114A JP H1047114 A JPH1047114 A JP H1047114A JP 8200424 A JP8200424 A JP 8200424A JP 20042496 A JP20042496 A JP 20042496A JP H1047114 A JPH1047114 A JP H1047114A
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air amount
fuel ratio
intake
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Nobutaka Takahashi
伸孝 高橋
Keisuke Suzuki
敬介 鈴木
Takeaki Obata
武昭 小幡
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  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関のリーン燃焼領域を拡大して、燃費，
排気浄化性能を向上する。 【解決手段】要求トルクに対応する基本燃料噴射量を算
出し、所定の低回転かつ低負荷側にある第１の運転状態
と判断したときは、リーン限界空燃比となるように吸入
空気量を制御し (ステップ110 〜140,第１の制御) 、そ
れより高回転，高負荷側にあってリッチ限界空燃比での
燃焼が可能な第２の運転状態と判断したときは、吸入空
気量を最大限大きくする制御を行い (ステップ150 〜17
0,第２の制御) 、それより高回転，高負荷側にある第３
の運転状態と判断したときは、運転状態に基づいて設定
した空燃比となるように制御する (ステップ180,第３の
制御) 。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、吸入空気量をスロ
ットル弁開度を電子制御することなどによって目標値に
制御可能で、かつ、稀薄空燃比での燃焼が可能な内燃機
関における吸入空気量及び燃料供給量の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の制御を行う際に重要なパラメ
ータとして吸入空気量，燃料供給量，混合気の空燃比が
挙げられる。この３つのパラメータのうち、２つが定ま
れば、他のパラメータは自動的に決定される。従来の一
般的なガソリンを燃料とする内燃機関では、図17に示す
ように、ドライバのアクセル操作に機械的に連動して開
度が変化するスロットル弁により、内燃機関の吸入空気
量が制御され、その供給空気量は、エアフローメータや
吸気管圧力センサなどにより計測あるいは推定され、そ
の供給空気量に対して所望の設定空燃比となるように燃
料噴射量を定め、これを噴射するものである。つまり、
吸入空気量が操作され、該操作された吸入空気量に対し
て、別途設定された空燃比に対応する燃料噴射量が自動
的に決定されるという、いわば空気主導制御を行ってい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記空気主導
制御方式で空燃比も広範囲に制御する機関では、制御部
で設定された空燃比が変化すると、空気量一定のまま燃
料量を変化させる制御が行われるが、機関の発生トルク
はシリンダに吸入される燃料量に概略比例するため、ド
ライバの認識のないまま発生トルクが変化してしまい、
違和感を伴うことがあった。
【０００４】また、吸入空気量をアクセル操作に対応さ
せているため、同じ発生トルクを得るための内燃機関の
運転状態のうち、必ずしも効率の良い点を使えるわけで
はなく、燃費改善の余地がある。また、量産されている
内燃機関では殆ど例がないが、特開昭５６−１０７９２
５号公報に開示されるようなシステムもある (図18参
照) 。
【０００５】これは、ドライバのアクセル操作量に対応
して燃料噴射量を求め、これと設定空燃比とから目標吸
入空気量を求め、この目標吸入空気量が実現されるよう
にアクチュエータ、例えば電気的に開度制御できる電子
スロットル弁を制御するものである。しかし、この方式
においても、設定空燃比を極リーン空燃比に設定してい
る場合、燃料噴射量との積で得られたシリンダ吸入空気
量を実現するように吸入空気量を制御しようとしても、
吸入空気量を制御する例えば前記スロットル弁での最大
流量以上は吸入空気量を増やすことができず、極リーン
空燃比を実現できないことになる。
【０００６】その場合、特に極リーン燃焼を行っている
成層燃焼状態では、アクセル操作量の増大に応じて単純
に燃料噴射量を増量していくと、燃焼室内の平均空燃比
はともかく、点火プラグ周りの空燃比がリッチ化しすぎ
て、安定燃焼が行えなくなったり、ＮＯｘ排出量が増大
してしまうことがある。本発明は、このような従来の問
題点に鑑みなされたもので、運転状態毎に適切に吸入空
気量及び燃料供給量を制御することにより、運転性能を
確保しつつ燃費や排気浄化性能を十分に向上させること
ができるようにした内燃機関の制御装置を提供すること
を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明は、吸入空気量及び燃料供給量を、それぞれの目
標値に制御可能な内燃機関の制御装置において、所定の
低回転かつ低負荷側にある第１の運転状態では、安定燃
焼可能なリーン限界空燃比付近となるように吸入空気量
及び燃料供給量を制御し、前記第１の運転状態より高回
転側又は高負荷側にある第２の運転状態では、吸入空気
量を最大限大きくなるように制御しつつ、空燃比が所定
の範囲内にあるように燃料供給量を制御することを特徴
とする。
【０００８】(作用・効果)第１の運転状態では、所定の
低回転かつ低負荷側にあるので、要求トルクを満たす燃
料供給量に対して、吸入空気量を安定燃焼可能なリーン
限界空燃比を超えるほど大きくすることが可能であり、
該リーン限界空燃比付近となるように吸入空気量及び燃
料供給量を制御することで、要求トルクを満たしつつ排
気浄化性能，燃費を最大限高めることができる。
【０００９】また、第２の運転状態では、吸入空気量を
最大限大きく制御してポンピングロスを最小限に抑えつ
つ、空燃比が所定の範囲内に維持されるように燃料供給
量を制御することで、可能な限り広い領域にわたって燃
費が良く、ＮＯｘ等の排出量も低減できる運転を行え
る。また、請求項２に係る発明は、前記第２の運転状態
よりさらに高負荷又は高回転側の第３の運転状態では、
機関運転状態に応じて設定された空燃比となるように、
吸入空気量及び燃料供給量を制御することを特徴とす
る。
【００１０】(作用・効果)最も高負荷又は高回転側にあ
る第３の運転状態では、吸入空気量を最大限大きく制御
しても、前記所定の空燃比範囲内となるように燃料供給
量を制御することが困難となる。そこで、このような領
域では、機関の運転状態に応じて可能な限り燃費や排気
浄化性能を高められるように空燃比を設定し、該空燃比
となるように吸入空気量及び燃料供給量を制御する。
【００１１】また、請求項３に係る発明は、図１に実線
で示すように、目標の吸入空気量を機関に供給する吸入
空気量操作手段と、目標の燃料供給量を機関に供給する
燃料供給手段と、を備えた内燃機関の制御装置におい
て、機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、機
関の運転状態に基づいて、機関に供給される基本燃料供
給量を算出する基本燃料供給量算出手段と、機関の運転
状態に応じて安定燃焼可能なリーン限界空燃比を算出す
るリーン限界空燃比算出手段と、前記基本燃料供給量と
リーン限界空燃比を満たすのに必要な目標吸入空気量を
算出する目標吸入空気量算出手段と、所定の低回転かつ
低負荷側にある第１の運転状態では、前記目標吸入空気
量を供給するように前記吸入空気量操作手段を制御しつ
つ、前記リーン限界空燃比となる燃料供給量を供給する
ように前記燃料供給手段を制御する第１の制御手段と、
前記第１の運転状態より高回転又は高負荷側にある第２
の運転状態では、吸入空気量が最大限大きくなるように
前記吸入空気量操作手段を制御しつつ、前記燃料供給手
段を制御して空燃比が所定の範囲内にあるように燃料供
給量を制御する第２の制御手段と、を含んで構成したこ
とを特徴とする。
【００１２】(作用・効果)機関の運転状態に基づいて、
所望のトルクが得られるような基本燃料供給量、及び運
転状態によって異なる安定燃焼可能なリーン限界空燃比
が算出され、更に、これら基本燃料供給量とリーン限界
空燃比とを満たすのに必要な目標吸入空気量が算出され
る。
【００１３】そして、前記第１の運転状態では、吸入空
気量操作手段及び燃料供給手段を制御して、前記リーン
限界空燃比付近となるように吸入空気量と燃料供給量が
制御される。このようにリーン限界空燃比付近で燃焼が
行われることにより、要求トルクを満たしつつ排気浄化
性能，燃費を最大限高めることができる。
【００１４】また、前記第２の運転状態では、第１の制
御手段が、吸入空気量操作手段により吸入空気量を最大
限大きく制御してポンピングロスを最小限に抑えつつ、
燃料供給手段により空燃比が所定の範囲内に維持される
ように燃料供給量を制御することで、可能な限り広い領
域にわたって燃費が良く、ＮＯｘ等の排出量も低減でき
る運転を行える。
【００１５】また、請求項４に係る発明は、前記第２の
運転状態で制御される空燃比の所定の範囲は、安定燃焼
可能で、排気汚染物質の排出量が基準値を下回るように
設定されることを特徴とする。 (作用・効果)これにより、前記第２の運転状態で、安定
燃焼可能で、排気汚染物質の排出量が基準値を下回るよ
うに燃料供給量が制御される。
【００１６】また、請求項５に係る発明は、図１に一点
鎖線で示すように、前記第２の運転状態よりさらに高負
荷又は高回転側の第３の運転状態で、機関運転状態に応
じた空燃比を設定する空燃比設定手段と、前記第３の運
転状態では、前記設定された空燃比となるように前記吸
入空気量操作手段及び燃料供給手段を制御して吸入空気
量及び燃料供給量を制御する第３の制御手段と、を含ん
で構成したことを特徴とする。
【００１７】(作用・効果)最も高負荷又は高回転側にあ
る第３の運転状態では、第２の制御手段による制御が困
難となる。そこで、このような領域では、空燃比設定手
段により機関の運転状態に応じて可能な限り燃費や排気
浄化性能を高められるように空燃比を設定し、第３の制
御手段により該空燃比となるように吸入空気量及び燃料
供給量を制御する。
【００１８】また、請求項６に係る発明は、前記内燃機
関は、燃焼室内に混合気層と空気層との成層化状態を形
成して燃焼を行う成層混合気燃焼が可能であり、前記第
１の運転状態及び第２の運転状態においては、成層混合
気燃焼を行わせることを特徴とする。
【００１９】(作用・効果)燃焼室内に混合気層と空気層
との成層化状態を形成して燃焼を行う成層混合気では、
燃焼可能な混合気が存在する混合気層と空気層とを合わ
せた燃焼室内の平均空燃比を、極限までリーン化させた
状態を実現できるので、前記第１の運転状態及び第２の
運転状態でこの成層混合気燃焼を行わせつつ制御を行う
ことにより、燃費，排気浄化性能を最大限に高めること
ができ、さらに、該第１及び第２の運転状態での制御領
域を十分拡げることができる。
【００２０】また、請求項７に係る発明は、前記第３の
運転状態では、燃焼室内に均質な混合気を形成して均質
混合気燃焼を行わせることを特徴とする。 (作用・効果)前記成層混合気燃焼で十分リーンな空燃比
で燃焼させる方式では、前記第２の運転状態より高回転
又は高負荷側にある第３の運転状態では、要求トルクが
満たすことができなくなる。
【００２１】そこで、前記第３の運転状態では、空気と
燃料とを均質に混合させた均質混合気を形成して燃焼行
わせることにより、要求トルクを満たしつつ、設定空燃
比とする第３の制御が可能となる。また、請求項８に係
る発明は、機関の吸気系に介装されたスロットル弁の開
度を目標値に制御することによって目標の吸入空気量を
供給することを特徴とする。
【００２２】(作用・効果)スロットル弁を目標吸入空気
量に見合った目標開度に制御することによって、容易に
目標の吸入空気量を供給することができる。また、請求
項９に係る発明は、機関の運転状態に基づいて、機関の
要求トルクを算出する要求トルク算出手段を含んで構成
され、前記基本燃料供給量算出手段は、前記要求トルク
に対応して基本燃料供給量を算出することを特徴とす
る。
【００２３】(作用・効果)機関の目標トルクを算出し、
該目標トルクが得られるように基本燃料供給量を算出す
ることで、ドライバの要求を高精度に満たすことができ
る。また、請求項10に係る発明は、前記運転状態検出手
段は、吸入空気量の検出機能を含み、前記第１の制御手
段，第２の制御手段又は第３の制御手段は、前記検出さ
れた吸入空気量に対してリーン限界空燃比又は設定空燃
比を満たすように燃料供給量を制御することを特徴とす
る。
【００２４】(作用・効果)過渡的に、あるいは何らかの
外乱的要因によって、実際の吸入空気量が算出された目
標吸入空気量とずれていることがあるので、燃料供給量
は該実際の吸入空気量の検出値を用いて、前記リーン限
界空燃比や設定空燃比を満たすように新たに算出された
燃料供給量に制御することにより、空燃比を高精度に制
御できる。
【００２５】また、請求項11に係る発明は、機関の運転
状態に基づいて、供給可能な最大吸入空気量を算出する
最大吸入空気量算出手段を含み、前記第１の運転状態
は、前記算出された最大吸入空気量あるいは該最大吸入
空気量より所定量少ない空気量に対して、前記算出され
た目標吸入空気量が下回った状態であることを特徴とす
る。
【００２６】(作用・効果)このようにすれば、第１の運
転状態の指標が明らかである。つまり、吸入空気量の最
大限度付近までは、第１の制御が行われ、これにより、
燃費，排気浄化性能を向上できる運転領域を極力大きく
することができる。また、請求項12に係る発明は、機関
の運転状態に基づいて、供給可能な最大吸入空気量を算
出する最大吸入空気量算出手段を含み、前記第２の運転
状態は、前記算出された最大吸入空気量あるいは該最大
吸入空気量より所定量少ない空気量と、前記算出された
基本燃料供給量とから算出される空燃比が、所定範囲内
である状態であることを特徴とする。
【００２７】(作用・効果)このようにすれば、第２の運
転状態の指標が明らかである。つまり、吸入空気量を最
大としてポンピングロスを低減し、効率の良い状態を維
持することが可能な第２の制御を実現できる運転領域を
極力大きくすることができる。また、請求項13に係る発
明は、所定の運転状態で吸気通路の一部を遮断して吸気
に所望の流動状態を与える吸気流動制御手段を含み、前
記最大吸入空気量算出手段は、前記吸気流動制御手段が
作動する前記所定の運転状態では、前記供給可能な最大
空気量を修正して算出し、前記第１の制御手段は、前記
吸気流動制御手段が作動する前記所定の運転状態では、
前記目標吸入空気量に対応する吸入空気量操作手段の操
作量を修正することを特徴とする。
【００２８】(作用・効果)吸気通路の一部を遮断してス
ワールなどの吸気流動を強化するスワール制御弁等の吸
気流動制御手段を備えた機関がある。このような機関で
は、吸入空気量操作手段によってスロットル弁等の操作
量を最大としたときに得られる最大吸入空気量や、操作
量に対する吸入空気量の特性が前記吸気流動制御手段の
作動時と非作動時とでは、無視できないほど変化する。
【００２９】したがって、前記吸気流動制御手段の作動
時は、最大吸入空気量を修正して正しく算出することに
より、第２の運転状態の領域を要求とおりに設定するこ
とができ、また、吸入空気量操作手段の操作量を修正し
て目標吸入空気量を精度良く実現することができる。ま
た、請求項14に係る発明は、吸気密度を検出する吸気密
度検出手段を含み、前記目標吸入空気量算出手段は、前
記検出された吸気密度に応じて目標吸入空気量を補正し
て算出し、前記最大吸入空気量算出手段は、前記検出さ
れた吸気密度に応じて最大吸入空気量を修正して算出
し、前記第１の制御手段は、前記検出された吸気密度に
応じて前記目標吸入空気量に対応する吸入空気量操作手
段の操作量を修正することを特徴とする。
【００３０】(作用・効果)大気圧や大気温度が変化した
場合、吸入空気の密度が変化する。これにより、高度の
高い所においては、吸入空気量操作手段によって得られ
る最大吸入空気量や、該吸入空気量操作手段の操作量に
対する吸入空気量の特性が前記吸気流動制御手段の作動
時と非作動時とでは、無視できないほど変化する。
【００３１】したがって、前記大気密度を検出し、その
検出値に応じて最大吸入空気量を修正して正しく算出す
ることにより、第２の運転状態の領域を要求とおりに設
定することができ、また、吸入空気量操作手段の操作量
を修正して目標吸入空気量を精度良く実現することがで
きる。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図に
基づいて説明する。図２は、一実施形態のシステム構成
を示す。図において、内燃機関１の吸気通路２には、吸
入空気流量Ｑを検出するエアフローメータ３が設けら
れ、また、該吸入空気流量Ｑを制御するためスロットル
アクチュエータ21によって駆動されるスロットル弁４、
該スロットル弁４をバイパスする補助空気通路５、該補
助空気通路５を流れる補助空気流量を制御する補助空気
量制御弁６が設けられている。
【００３３】また、機関１のシリンダ部には、燃焼室７
内に燃料を噴射する燃料噴射弁８、燃焼室７内で火花点
火を行う点火プラグ９が設けられる。このように、燃焼
室７内に直接燃料噴射することにより、燃焼室７内に混
合気層と空気層との成層化状態を形成して燃焼を行う成
層混合気燃焼が可能であり、本実施形態では、低負荷時
に該成層混合気燃焼を行う。さらに、機関１の排気通路
10には、排気中の酸素濃度等から混合気の空燃比を検出
する空燃比センサ11が設けられている。
【００３４】この他、機関のクランク角位置や機関回転
速度Ｎｅを検出するためのクランク角センサ12、機関冷
却水温度を検出する図示しない水温センサ等が設けられ
る。前記機関運転状態を検出する各種センサ類の信号
は、コントロールユニット (ＥＣＵ) 20に入力され、該
コントロールユニット20は、これらの信号に応じて、ス
ロットルアクチュエータ21、前記補助空気量制御弁６、
燃料噴射弁８、点火プラグ９等のアクチュエータ類に駆
動信号を出力して、機関の各種制御を行う。
【００３５】次に前記システムの作用を説明する。燃焼
室７内における混合気の空燃比がリーンになるに従い、
吸気のポンピングロスの低減などにより、一般に同一出
力トルクを得るために必要な燃料が減少し、したがっ
て、燃費は改善される。ここで、ガソリン等の燃料を吸
気ポート内に噴射して燃焼室内に均一な空燃比の混合気
を形成し、火花点火するタイプの通常の火花点火式機関
においては、ガソリンの場合空燃比が25辺りが安定的に
燃焼を行える限界となっている。これに対し、本実施形
態のように、燃焼室７内に燃料を直接噴射して点火プラ
グ９周りにのみ混合気を形成し、その他の領域には空気
を配するような成層混合気を形成して燃焼を行えば、点
火プラグ９周りでは燃焼可能な混合気が存在しながら、
実質的に燃焼室７内の平均空燃比としては、更にリーン
な状態を実現でき、更なる燃費の向上が図れる。
【００３６】また、成層混合気状態で機関の運転を行う
場合、最大限に吸気を増加させても燃料量は相対的に少
ないため、発生トルクは小さくなる。したがって、成層
混合気燃焼は、通常比較的小さい負荷状態において用い
られ、負荷が大きい場合は混合気を燃焼室７内全体に満
たした状態での均質混合気燃焼により運転を行うように
する。
【００３７】このような、システムにおいて、本発明で
は、必要とされる機関のトルクをなるべく効率良く発生
させ、かつ、きちんと安定的に燃焼できる空燃比に維持
するようにしたものである。以下に、本実施形態の制御
を、図３以降に示したフローチャートに従って説明す
る。
【００３８】図３は、全体の制御の流れを示すフローチ
ャートである。ステップ110 では、要求トルクに見合っ
た基本燃料噴射量を算出する。ステップ120 では、第１
の運転状態の判断基準量を算出する。ステップ130 で
は、算出された第１の運転状態の判断基準量に基づい
て、現在の運転状態が前記第１の運転状態に合致してい
るか否かを判断し、合致していれば、ステップ140 にお
いて第１の運転状態に適応した第１の制御を行い、合致
していなければ、ステップ150 において第２の運転状態
の判断基準量を算出する。
【００３９】ステップ160 では、算出された第２の運転
状態の判断基準量に基づいて、現在の運転条件が、前記
第２の運転状態に合致しているか否かを判断する。この
際、第２の運転状態は、第１の運転状態を包含するもの
であるが、ステップ130 により第１の運転状態を満たし
ておらず、かつ、第２の運転状態を満たした場合にの
み、ステップ170 へと移り、第２の運転状態に適応した
第２の制御を行う。
【００４０】ステップ160 で第２の運転状態にも合致し
ていないと判断された場合は、ステップ180 へ進んで、
第３の運転状態に適応した第３の制御を行う。次に、前
記メインルーチンの各ステップの詳細な動作を、それぞ
れのフローチャートに従って説明する。図４は、図３の
ステップ110 における基本燃料噴射量算出の詳細を示す
フローチャートである。この機能が、基本燃料供給量算
出手段を構成する。
【００４１】ステップ210 では、ドライバによるアクセ
ル操作量を読み取る。具体的には、アクセルに取り付け
られたポテンショメータ等のセンサによりアクセル操作
量を検出する。ステップ220 では、機関回転速度Ｎｅを
検出する。具体的には、前記クランク角センサ12から基
準のクランク角位置 (クランク角７２０°／ｎ間隔；ｎ
は気筒数) で出力される基準信号の出力周期を計測する
ことにより機関回転速度Ｎｅを計測する。なお、このス
テップ220 で直接機関回転速度Ｎｅの計測を行う必要は
なく、他の信号処理ルーチンで算出した機関回転速度Ｎ
ｅを読み出す処理でもよい。
【００４２】ステップ230 では、前記アクセル操作量
と、機関回転速度Ｎｅとに基づいて、ドライバが臨む目
標機関トルクに対応する基本燃料噴射量を、マップから
の検索等により算出する。一例を示すと、図５は、標準
的なあるいは望ましい通常の機関におけるアクセル操作
量と機関回転速度とに対応した、機関の単位時間当りの
吸入空気量 (質量) の特性を示したものである。この単
位時間当りの吸入空気を機関回転速度で除算したもの
が、吸気行程毎にシリンダに吸入される空気量 (質量)
となる。これに対応して理論空燃比を基準としたときの
吸気行程毎に供給される基本燃料噴射量は、前記シリン
ダ吸入空気質量の14.7 (理論空燃比) 分の１となる。以
上のことに基づいて、アクセル操作量と機関回転速度と
をパラメータとした基本燃料噴射量のマップを設定し、
該マップからの検索によって基本燃料噴射量を検索す
る。
【００４３】あるいは、アクセル操作量と機関回転速度
とをパラメータとした要求トルクのマップと、要求トル
クに対応する基本燃料噴射量のマップと、を用意し、ア
クセル操作量と機関回転速度とに基づいて前記要求トル
クのマップから要求トルクを検索した後、該要求トルク
に対応する基本燃料噴射量を前記基本燃料噴射量のマッ
プから検索するようにしてもよい。
【００４４】図６は、図３のステップ120 における第１
の運転状態の判断基準量算出の詳細を示すフローチャー
トである。ステップ310 では、機関回転速度Ｎｅを読み
出す。ステップ320 では、ステップ310 で読み出した現
在の機関回転速度Ｎｅにおいて供給可能な単位時間当り
の最大吸入空気量Ｑａ max を、図７に示したような特
性のマップからの検索等により求める。なお、図７に示
した特性は、当該機関における図５に示すような特性の
うちスロットル弁全開時の特性を切り出したものであ
る。この機能が、最大吸入空気量算出手段を構成する。
【００４５】ステップ330 では、前記図４のステップ23
0 で算出された基本燃料噴射量を読み出す。ステップ34
0 では、現在の機関回転速度Ｎｅにおいて、基本燃料噴
射量をパラメータとして、成層混合気燃焼を安定的に実
現できる空燃比のリーン限界を、マップからの参照等に
より求める。該マップの一例を、図８に示す。ここで
は、リーン限界空燃比を安定燃焼という評価で示してい
るが、実際にはこれに加えＨＣなどの排気汚染成分の増
加を制限として、リーン限界空燃比を設定したマップと
する。この機能がリーン限界空燃比算出手段を構成す
る。
【００４６】ステップ350 では、１気筒当りに噴射した
い基本燃料噴射量Ｑfcylと、リーン限界空燃比ｔＡ／Ｆ
から要求空気量 (目標吸入空気量) ｔＱａを算出する。
具体的には、次式により算出する。 ｔＱａ＝Ｑfcyl×ｔＱＡ／Ｆ×機関回転速度Ｎｅ×ｋｌ ・・・(1) なお、上記のそれぞれの単位を、ｔＱａ(kg/sec), Ｑfc
yl(kg/cyl), Ｎｅ(rpm) とすると、４サイクル６気筒機
関の場合は、ｋｌは、ｋｌ＝６／２／60＝0.05となる。
【００４７】以上により、要求空気量ｔＱａが求められ
る。この機能が目標吸入空気量算出手段を構成する。ま
た、図３のステップ130 における第１の運転状態判断の
具体的な処理について説明すると、以上で求めたＱａ
max と、ｔＱａとを比較して、ｔＱａがＱａ max 以下の
場合は、その空気量が供給可能であると判断され、現在
の運転条件は、第１の運転状態であると判断する。
【００４８】ｔＱａがＱａ max より大きい場合は、そ
のようなｔＱａを供給することができないため、第１の
制御を実現することができないと判断される。つまり、
この比較により、現在の運転状態が第１の運転状態とな
っているか否かを判断することになる。また、機関ある
いはスロットル弁機構は、個体毎に吸入空気流量特性に
幾分バラツキを持ち、また、汚れの付着等によりスロッ
トル弁を通過する空気量は、経時的に変化する。このた
め、Ｑａ max は、代表的な機関の図６に示した特性に
対し幾分小さなものも存在することになる。したがっ
て、単純にＱａ max とｔＱａを比較して、ｔＱａが小
さくても実際にはその空気量の供給を実現できない可能
性もあるので、比較用の値はＱａ max より所定量小さ
いｋ２×Ｑａ max(ｋ２＜1.0 ：例えばｋ２＝0.8 ) と
ｔＱａを比較してステップ130 の判定を行う手法が考え
られる。
【００４９】更に、図８のＱａ max は、大気圧が１気
圧である場合の特性を示しており、高度の高い土地など
気圧の低い環境や吸気温度が高い状態においては、空気
密度が低下するため、必ずしもスロットル弁が全開であ
っても、この吸入空気量を実現できるわけではない。こ
のため、(1) 大気圧センサや吸気温度センサを持ち、そ
の出力によりＱａ max を補正したり、(2）スロットル
弁開度と機関回転速度と吸入空気流量の関係を逐次比較
して吸気密度の推定を行い、これにより、補正したり、
(3) 環境変化による特性変化も見込んで、前記ｋｌを定
める等の手法を採ることにより、これらの問題を回避す
る。
【００５０】ここで、(1) のように大気圧 (吸気圧) や
吸気温度を計測し、その吸気密度を推定する。推定方法
は、一般的な気体の状態方程式から推定する方法が考え
られる。これにより、スロットル弁で絞られた吸入空気
量としての体積流量を、推定した吸気密度と標準状態で
の吸気密度の比で補正するようにすればよい。なお、こ
の方式において、前記大気圧センサや吸気温度センサ
と、これら検出値から大気の密度を算出する機能が、大
気密度検出手段を構成する。
【００５１】また、ステップ120,130 の他の実現方法と
しては、次のようなものがある。前記ステップ330 〜ス
テップ350 と同様に要求空気量ｔＱａを算出する。この
ｔＱａを実現するために、必要なスロットル弁開度を算
出する (この算出方法についての詳細は、後述する) 。
また、スロットル弁開度と機関回転速度と吸入空気流量
との関係は、図９に示すような特性となる。この図は、
スロットル弁がある程度開くと、それ以上は開度が大き
くなっても、吸入空気量は余り増大しないことを示して
いる。したがって、各機関回転速度に対して吸入空気量
の最大値のやや下、例えば、90％の際のスロットル弁開
度を第１の運転状態判定のしきい値とし、前記の必要ス
ロットル弁開度が、このしきい値よりも小さい場合は、
第１の運転状態であると判断する。
【００５２】これにより、供給吸入空気量操作手段によ
る操作量を、その操作手段 (例えばスロットル弁) の操
作に対する吸入空気量の感度が大きい領域に第１の運転
状態を限定している。したがって、少なくともスロット
ル弁の操作に対してはスロットル弁通過吸気量を迅速に
変化させることができる。図10は、図３のステップ140
における第１の運転状態に適応した第１の制御の詳細の
フローチャートを示したものである。この機能が、前記
ステップ120,ステップ130 (図６のルーチン) で示した
第１の運転状態判断機能と共に、第１の制御手段を構成
する。
【００５３】ステップ410 では、図６で算出したｔＱａ
を読み出す。ステップ420 では、機関回転速度Ｎｅを読
み出す。ステップ430 では、前記要求空気量ｔＱａと機
関回転速度Ｎｅとから、要求空気量ｔＱａを得るために
必要な目標スロットル弁開度を、マップから読み出し、
スロットルアクチュエータ21を駆動して、スロットル弁
４を前記目標スロットル弁開度に制御する。これによ
り、吸入空気量が要求空気量ｔＱａに制御される。な
お、このステップ430 で使用するマップは、前記図９の
マップを用いることができる。
【００５４】また、浮動小数点を用いない処理を実施し
ようとする場合は、図９のままでは低い機関回転速度側
での精度が落ちるため、図11のように機関回転速度Ｎｅ
と、目標吸入空気量を機関回転速度Ｎｅで除算したシリ
ンダ吸入空気量をパラメータとしたマップにより、目標
スロットル弁開度を求める。また、前述のように、大気
圧や温度の影響により、図９，図11の特性は変化するた
め、前述のように大気の密度を推定し、標準状態での密
度との比により、これを補正する構成をとることによ
り、より吸気制御の精度は向上する。
【００５５】図12は、図３のステップ150 における第２
の運転状態判断基準量算出の詳細のフローチャートを示
したものである。ステップ510,520,530 では、図６のス
テップ310,320,330 と同様にして、機関回転速度Ｎｅの
読み出しと、最大吸入空気量Ｑａ max の算出と、基本
燃料噴射量Ｑfcylの読み出しを行う。
【００５６】ステップ540 では、前記Ｑａ max の空気
量を供給し、かつ、Ｑfcylの燃料を噴射した場合に、ど
のような空燃比になるのかを示す要求空燃比ｒＡ／Ｆを
算出する。ｒＡ／Ｆの具体的な演算式は、次式のようで
ある。 ｒＡ／Ｆ＝Ｑfcyl／ (Ｑａ max ／機関回転速度Ｎｅ／ｋｌ) ・・・(2） ここで、ｋｌは、前述の(1) 式で説明したものであり、
この式も、(1) 式を変形したものである。ステップ550
では、現在の運転条件におけるリッチ側の限界空燃比ｉ
Ａ／Ｆを算出する。これは、図８のリッチ側に対応する
もので、基本的には事前に実験的に求め、マップ化した
ものである。
【００５７】この空燃比を設定する基準の代表的なもの
としては、成層混合気燃焼のまま燃料噴射量を増加させ
ていくと、燃焼室内の平均空燃比は稀薄であるが、空気
層を除く混合気層の空燃比は過濃となり、燃焼が不安定
となってくる。その安定性に伴う限界空燃比をリッチ側
の限界空燃比マップとして設定する。次に、図３のステ
ップ160 においては、前記要求空燃比ｒＡ／Ｆとリッチ
限界空燃比ｉＡ／Ｆを比較し、ｒＡ／ＦがｉＡ／Ｆより
リーンであればステップ170へ移り、第２の運転状態に
適応した第２の制御を行い、そうでなければ、第３の運
転状態と判断してステップ180 へ進み、第３の制御を行
う。
【００５８】前記ステップ170 に対応する処理を示す
と、ここでは、単純にＱａ max と吸入空気量がなるよ
うに、目標スロットル弁開度を設定する。方法について
は、ｔＱａをＱａ max として、前述の図10と同様に処
理を行う。これにより、吸入空気量が、最大吸入空気量
Ｑａ max に制御される。このステップ170 の機能が、
前述のステップ150,ステップ160 (図12のルーチン) に
おける第２の運転状態判断機能と共に、第２の制御手段
を構成する。
【００５９】図13は、図３のステップ180 における第３
の制御の詳細のフローチャートを示したものである。な
お、この機能が第３の制御手段を構成する。ステップ61
0 では、基本燃料噴射量Ｑfcylを読み出す。ステップ62
0 では、現在の運転条件において設定された空燃比ｔＡ
／Ｆを読み出す。このためのマップは、通常の稀薄混合
気燃焼機関における設定空燃比マップと同じものを使用
すればよく、均質混合気燃焼を行いながら、燃焼安定度
やＮＯｘ排出量などの基準により設定されるものであ
る。なお、均質混合気の形成は、成層混合気の形成時よ
り燃料噴射時期を早める等により行う。
【００６０】ステップ630 では、要求空気量ｔＱＡを、
基本燃料噴射量Ｑfcylと設定空燃比ｔＡ／Ｆとから算出
する。演算式は、前記の(1) 式を用いる。ステップ640
では、前記要求空気量ｔＱＡが実現できるように、ステ
ップ430と同様に目標スロットル弁開度を読み出す。以
上のようにして求められた目標スロットル弁開度に対し
て、実際のスロットル弁開度が一致するように、スロッ
トルアクチュエータ21を制御する。
【００６１】また、以上においては要求空気量に対して
直接目標スロットル弁開度を算出したものを示した。し
かし、一般にスロットル弁の操作に対して、吸気系のダ
イナミクスによりシリンダに吸入される空気量は、遅れ
て変化する。この遅れを小さくする目標として吸気系の
遅れの位相補償を行った上で目標スロットル弁開度を設
定する方法もある。
【００６２】次に、別の実施形態について説明する。こ
のものは、図14に示すように、吸気ポートに、稀薄燃焼
や成層混合気燃焼を行う際に、例えばスワールやタンブ
ル流を生成するようにスワール制御弁22を設け、稀薄燃
焼や成層混合気燃焼を行う際に、これを作動させるもの
である。これにより、吸入空気量が少量のうちは、図９
や図11に示すような吸入空気量が得られるが、ある程度
スロットル弁４が開くと、スロットル弁４による吸気絞
りよりも、スワール制御弁22による吸気絞りの方が支配
的になる。以上の現象を前提として、このようなスワー
ル制御弁22がある場合のシステムについては、以下のよ
うな方法により、第１の運転状態の判断を行う。
【００６３】図15は、本実施形態における第１の運転状
態判断基準量算出のルーチンを示すフローチャートであ
る。ステップ710 〜ステップ740 までは、図13と同様に
して、目標スロットル弁開度を算出する。ステップ750
では、得られた目標スロットル弁開度からスロットル部
における吸気通路の開口面積を算出するものであり、具
体的には、事前に算出したスロットル弁開度と面積の関
係を設定したテーブルからの検索等により算出する。
【００６４】ステップ760 では、スロットル部以外の、
例えば各部の漏れ空気分の面積などを加えて総開口面積
を算出する。この値と、各気筒に設けられたスワール制
御弁22の各開口面積の和と、を比較し、総開口面積の方
が小さい場合、第１の運転状態であると判断する。ま
た、前述のように部品の加工誤差なども考慮し、総開口
面積は各スワール制御弁22の開口面積の和に、１より小
さい所定の補正係数を乗じたものと比較してもよい。
【００６５】また、更に精度を向上させたい場合は、ス
ワール制御弁22を開いた状態と閉じた状態とで個別に、
図９のスロットル弁開度と機関回転速度に対する吸入空
気量の特性マップを２種類持ち、それぞれの場合に対応
したマップから検索するようにするとよい。次に、さら
に別の実施形態について説明する。
【００６６】上記第１，第２，第３の制御においてはス
ロットル弁を操作して必要な吸入空気量を確保するわけ
であるが、そもそもスロットル弁は瞬時に目標開度に移
動できるわけではなく、機械的動特性やモータの動特性
で可能な速度でしか移動できない。また、前述したよう
に吸気系の動特性により、位相遅れなどの補償を行うに
しても、目標シリンダ吸入空気量に対し、実際のシリン
ダ吸入空気量が瞬時に到達できるわけでもない。したが
って、仮に基本燃料噴射量Ｑfcylでそのまま噴射した場
合、シリンダ吸入空気量が目標値とずれている分だけ、
空燃比が所望の空燃比とずれていることになる。このず
れた空燃比が例えばリーン限界空燃比よりもリーンとな
った場合は、当然燃焼安定性や排気浄化性能に影響を及
ぼし、失火に至る可能性もある。
【００６７】以上のことを背景に、本実施形態では、図
16のフローチャートに示す処理を実行して上記の点に対
処する。ステップ810 では、エアフローメータ３によ
り、時間当りの吸入空気量を計測する。ステップ820 で
は、吸気系のダイナミクスを考慮し、位相遅れ補償を施
してシリンダ吸入空気量を算出する。以上の２つの操作
は、通常の機関制御において行われているもの、そのも
のである。
【００６８】ステップ830 では、前述と同様に基本燃料
噴射量Ｑfcylを読み出す。この際、稀薄混合気燃焼時に
は吸入空気量を増大させたことによりポンピングロスが
低減した分、要求トルクに対する必要燃料量が減少する
ので、その分を減量補正してもよい。ステップ840 で
は、(2）式と同様の式により、Ｑａ cyl とＱfcylと機
関回転速度Ｎｅとから燃焼室内における平均空燃比ｋＡ
／Ｆを算出する。
【００６９】ステップ850 では、その運転条件における
リーン限界空燃比ＡＦ１及びリッチ限界空燃比ＡＦ２を
算出する。これは、既述したステップ340 とステップ55
0 で示した処理で得られるものと同じものである。ステ
ップ860 では、前記平均空燃比ｋＡ／Ｆを、リーン限界
空燃比ＡＦ１と比較し、よりリーンである場合は、その
ままでは適正な燃焼が行われないことになり、そのとき
はステップ870 へ進む。
【００７０】ステップ870 では、シリンダ吸入空気量Ｑ
ａ cyl に対し、リーン限界空燃比となるようにＡＦ１
で除算することにより、燃料噴射量を算出する。ステッ
プ860 で、平均空燃比ｋＡ／Ｆがリーン限界空燃比ＡＦ
１よりリーンでないと判定された場合は、ステップ880
へ進む。ステップ880 では、平均空燃比ｋＡ／Ｆを、リ
ッチ限界空燃比ＡＦ２と比較し、よりリッチである場合
は、そのままでは適正な燃焼が行われないことになり、
そのときはステップ900 へ進む。
【００７１】ステップ900 では、シリンダ吸入空気量Ｑ
ａ cyl に対し、リッチ限界空燃比となるようにＡＦ２
で除算することにより、燃料噴射量を算出する。ステッ
プ880 で、平均空燃比ｋＡ／Ｆがリッチ限界空燃比ＡＦ
２よりリッチでないと判定された場合は、平均空燃比ｋ
Ａ／Ｆが許容空燃比範囲内にあることが確認されたこと
になるので、ステップ890 へ進んで燃料噴射量としてス
テップ830 で読み出した燃料噴射量Ｑfcylあるいはこれ
にポンピングロス分の減量補正を行った燃料噴射量を設
定する。
【００７２】また、第３の運転状態においては、要求ト
ルクに対する発生トルクの追従性よりも、排気浄化性能
を優先して目標空燃比に合わせた燃料噴射を行いたい場
合がある。この場合は、前記ステップ890 において、シ
リンダ吸入空気量Ｑａ cylに対し、設定空燃比となる
ように燃料噴射量を設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成・機能を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施形態のシステム構成図。
【図３】同上実施形態に係る制御のメインルーチンを示
すフローチャート。
【図４】基本燃料噴射量算出のルーチンを示すフローチ
ャート。
【図５】アクセル操作量と機関回転速度とをパラメータ
とする目標吸入空気量の特性を示した図。
【図６】第１の運転状態判断基準量算出のルーチンを示
すフローチャート。
【図７】機関回転速度に対する最大吸入空気量の特性を
示した図。
【図８】成層混合気燃焼を安定的に実現できる空燃比の
リーン限界を示す図。
【図９】スロットル弁開度と機関回転速度に対する吸入
空気量の特性を示す図。
【図10】第１の制御のルーチンを示すフローチャート。
【図11】吸気行程当りの吸入空気量の特性を示す図。
【図12】第２の運転状態判断基準量算出のルーチンを示
すフローチャート。
【図13】第３の制御のルーチンを示すフローチャート。
【図14】本発明の第２の実施形態のシステム構成図。
【図15】第２の実施形態に係る第１の運転状態判断基準
量算出のルーチンを示すフローチャート。
【図16】第３の実施形態に係る燃料噴射量算出のルーチ
ンを示すフローチャート。
【図17】第１の従来例の概略構成を示すブロック図。
【図18】第２の従来例の概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１ 内燃機関 ２ 吸気通路 ７ 燃焼室 ８ 燃料噴射弁 10 排気通路 11 空燃比センサ 20 コントロールユニット 21 スロットルアクチュエータ 22 スワール制御弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１ Ｆ０２Ｄ 43/00 ３０１Ｕ 45/00 ３６６ 45/00 ３６６Ｚ

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】吸入空気量及び燃料供給量を、それぞれの
    目標値に制御可能な内燃機関の制御装置において、 所定の低回転かつ低負荷側にある第１の運転状態では、
    安定燃焼可能なリーン限界空燃比付近となるように吸入
    空気量及び燃料供給量を制御し、前記第１の運転状態よ
    り高回転側又は高負荷側にある第２の運転状態では、吸
    入空気量を最大限大きくなるように制御しつつ、空燃比
    が所定の範囲内にあるように燃料供給量を制御すること
    を特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 【請求項２】前記第２の運転状態よりさらに高負荷又は
    高回転側の第３の運転状態では、機関運転状態に応じて
    設定された空燃比となるように、吸入空気量及び燃料供
    給量を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃
    機関の制御装置。
  3. 【請求項３】目標の吸入空気量を機関に供給する吸入空
    気量操作手段と、目標の燃料供給量を機関に供給する燃
    料供給手段と、を備えた内燃機関の制御装置において、 機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、 機関の運転状態に基づいて、機関に供給される基本燃料
    供給量を算出する基本燃料供給量算出手段と、 機関の運転状態に応じて安定燃焼可能なリーン限界空燃
    比を算出するリーン限界空燃比算出手段と、 前記基本燃料供給量とリーン限界空燃比を満たすのに必
    要な目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段
    と、 所定の低回転かつ低負荷側にある第１の運転状態では、
    前記目標吸入空気量を供給するように前記吸入空気量操
    作手段を制御しつつ、前記リーン限界空燃比となる燃料
    供給量を供給するように前記燃料供給手段を制御する第
    １の制御手段と、 前記第１の運転状態より高回転又は高負荷側にある第２
    の運転状態では、吸入空気量が最大限大きくなるように
    前記吸入空気量操作手段を制御しつつ、前記燃料供給手
    段を制御して空燃比が所定の範囲内にあるように燃料供
    給量を制御する第２の制御手段と、 を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の制御装
    置。
  4. 【請求項４】前記第２の運転状態で制御される空燃比の
    所定の範囲は、安定燃焼可能で、排気汚染物質の排出量
    が基準値を下回るように設定されることを特徴とする請
    求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の制
    御装置。
  5. 【請求項５】前記第２の運転状態よりさらに高負荷又は
    高回転側の第３の運転状態で、機関運転状態に応じた空
    燃比を設定する空燃比設定手段と、 前記第３の運転状態では、前記設定された空燃比となる
    ように前記吸入空気量操作手段及び燃料供給手段を制御
    して吸入空気量及び燃料供給量を制御する第３の制御手
    段と、 を含んで構成したことを特徴とする請求項３又は請求項
    ４に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 【請求項６】前記内燃機関は、燃焼室内に混合気層と空
    気層との成層化状態を形成して燃焼を行う成層混合気燃
    焼が可能であり、 前記第１の運転状態及び第２の運転状態においては、成
    層混合気燃焼を行わせることを特徴とする請求項１〜請
    求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
  7. 【請求項７】前記第３の運転状態では、燃焼室内に均質
    な混合気を形成して均質混合気燃焼を行わせることを特
    徴とする請求項２又は請求項５に記載の内燃機関の制御
    装置。
  8. 【請求項８】機関の吸気系に介装されたスロットル弁の
    開度を目標値に制御することによって目標の吸入空気量
    を供給することを特徴とする請求項１〜請求項７のいず
    れか１つに記載の内燃機関の制御装置。
  9. 【請求項９】機関の運転状態に基づいて、機関の要求ト
    ルクを算出する要求トルク算出手段を含んで構成され、 前記基本燃料供給量算出手段は、前記要求トルクに対応
    して基本燃料供給量を算出することを特徴とする請求項
    ３〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装
    置。
  10. 【請求項10】前記運転状態検出手段は、吸入空気量の検
    出機能を含み、 前記第１の制御手段，第２の制御手段又は第３の制御手
    段は、前記検出された吸入空気量に対してリーン限界空
    燃比又は設定空燃比を満たすように燃料供給量を制御す
    ることを特徴とする請求項３〜請求項９のいずれか１つ
    に記載の内燃機関の制御装置。
  11. 【請求項11】機関の運転状態に基づいて、供給可能な最
    大吸入空気量を算出する最大吸入空気量算出手段を含
    み、 前記第１の運転状態は、前記算出された最大吸入空気量
    あるいは該最大吸入空気量より所定量少ない空気量に対
    して、前記算出された目標吸入空気量が下回った状態で
    あることを特徴とする請求項３〜請求項10のいずれか１
    つに記載の内燃機関の制御装置。
  12. 【請求項12】機関の運転状態に基づいて、供給可能な最
    大吸入空気量を算出する最大吸入空気量算出手段を含
    み、 前記第２の運転状態は、前記算出された最大吸入空気量
    あるいは該最大吸入空気量より所定量少ない空気量と、
    前記算出された基本燃料供給量とから算出される空燃比
    が、所定範囲内である状態であることを特徴とする請求
    項３〜請求項11のいずれか１つに記載の内燃機関の制御
    装置。
  13. 【請求項13】所定の運転状態で吸気通路の一部を遮断し
    て吸気に所望の流動状態を与える吸気流動制御手段を含
    み、 前記最大吸入空気量算出手段は、前記吸気流動制御手段
    が作動する前記所定の運転状態では、前記供給可能な最
    大空気量を修正して算出し、 前記第１の制御手段は、前記吸気流動制御手段が作動す
    る前記所定の運転状態では、前記目標吸入空気量に対応
    する吸入空気量操作手段の操作量を修正することを特徴
    とする請求項11又は請求項12に記載の内燃機関の制御装
    置。
  14. 【請求項14】吸気密度を検出する吸気密度検出手段を含
    み、 前記目標吸入空気量算出手段は、前記検出された吸気密
    度に応じて目標吸入空気量を補正して算出し、 前記最大吸入空気量算出手段は、前記検出された吸気密
    度に応じて最大吸入空気量を修正して算出し、 前記第１の制御手段は、前記検出された吸気密度に応じ
    て前記目標吸入空気量に対応する吸入空気量操作手段の
    操作量を修正することを特徴とする請求項３〜請求項13
    のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
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