JPS5965535A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

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】 本発明は、内燃機関の空燃比（すなわち空気と燃料の混
合比）制御装置に関し、より詳細には、機関の燃焼の安
定を確保する範囲内で空燃比を可能な限り希薄にして燃
費の向上を図った、内燃機関の空燃比制御装置に関する
。

従来の内燃機関の空燃比制御装置としては、例えば第１
図の燃料系統、第２図の空気系統および電子制御系統を
組み合わせたものが知られている。

第１図の燃料系統においては、燃料はツユエルタンクｌ
よりツユエルポンプ２で吸入され、加圧されて圧送され
る。次にツユエルダンパ３によりツユエルポンプ２で生
ずる燃料の脈動が減衰され、さらにツユエルフィルタ４
で塵埃や水−１７）が取り除かれた後、プレッシャレギ
ュレータ５で一定の燃料圧力に調整された燃料が、機関
６の各シリンダ７の吸気弁８近傍においてインテークマ
ニホールド９に取りイ１りられたインジェクタ（燃料噴
射弁）１０から、所定の時期に後述するようにコントロ
ールユニットＩｆで演算された所定の噴射量１゛（噴射
時間）だけ、噴射される。

尚、余剰燃料はプレ・７シヤレギユレータ５からツユエ
ルタンク１に戻される。１２は冷却水温度を検出する水
温センサ、】３は冷却水温度が低温の時に機関を始動す
る際に開いて燃料供給量を増量するためのコールドスタ
ートバルブである。

空気系統は第２図に示すように、空気はエアクリーナ１
４から吸い込まれて除塵され、エアフロメータ１５によ
り吸入空気ｉ１Ｑが計量されると共に、スロットルチャ
ンバ１６においてスロットルバルブ１７により吸入空気
ｉ１Ｑが加減され、インテークマニホールド９において
、上述したインジェクタ１０から噴射される燃料と混合
された後混合気が各シリンダ７に供給される。スロット
ルチャンバ＼１６にはスロットルバルブ１７が開の時に
オフ（ロー）信号、閉の時にオン（ハイ）信号を出すス
ロットルスイッチ１８が取り付けられている。１９はス
ロットルバルブ１７が閉（すなわち、アイドリング）の
時の吸入空気のバイパス通路、２０はそのバイパス通路
１９の空気流量を調整するアイドルアジャストスクリュ
ー、２１はエアレギュレータで始動及びその後の暖機運
転中に補助空気弁として空気の増量を行うものである。

次に電子制御系統はコントロールユニット１１において
、エアフロメータ１５からの吸入空気量Ｑ信号と機関６
のクランク軸に取り付りられたクランク角センサ２２か
らの機関回転数Ｎ信号とを受りて基本噴射量Ｔｐ Ｔｐ＝Ｋ（Ｑ、／Ｎ＞（但し、Ｋは定数）・・・・・・
（１）を演算する。さらに機関や車両各部位の状態を検
出した各種情報を入力して、噴射量の補正を演算して、
実際の燃料噴射量Ｔを求め、この１゛によりインジェク
タ１０を各シリンダ同時に機関１回転につき、１回駆動
する。

各種補正を詳述すると、インジェクタ１０の駆動電圧の
変動による補正としてのバッテリ電圧補正Ｔ　ｓは、第
３図に示すように、バッテリ電圧ＶＢに応じて、 Ｔｓ＝ａ→−ｂ　（１４−Ｖ　Ｂ）　・−・・・・＋２
１（但しａ、ｂは定数）で与えられる。

機関が充分暖機されていない時の水温増量補正Ｆｔは、
水温に応して第４図に示す特性図から求める。

円滑な始動性を得るため、及び始動からアイドリングへ
のつなぎを１１行行に行うための始動後増屋補正Ｋ　Ａ
　ｓは、スタータ秀−夕がオンにな、た時の初期値Ｋ　
Ａ　ｓｏが、その時の水温に応して第５図に示す特性図
から求められ、以後、時間の経過と共に０に減少してい
く。。

暖機が充分に行われていない時の発進を円滑にするため
のアイドル後増量補正ＫＡｉは、スロットルスイッチ１
８がオフとなった時の初期値Ｋ　Ａ　ｉ。

がその時の水温に応じて第６図に示す特性図から求めら
れ、以後、時間の経過と共にＯに減少していく。

その他に、（１１気センザによる補正等を行う場合もあ
る。

また、機関の始動時には次のような制御を行う。

Ｔ１＝ＴｐＸ　　（１４−ＫＡｓ）Ｘｌ、３＋Ｔｓ・・
・（３）Ｔ２＝ＴＳ”「ＸＫＮ’Ｓ、、、ＴＸＫ１’、
ＳＴ・・・・・・・・・・・・（４）の２つの値を棉算
し、大きい方を始動時の燃料噴射量とする。

但し、（４）式中のＴＳｉ’、ＫＮＳＴ、ＫＴＳ′Ｖば
それぞれ、水温１機関回転数、始動後経過時間に応じて
、それぞれ第７図、第８図、第９図の特性から求められ
る。

しかしながら、このコうな１７Ｌ来の内燃機関の空燃比
制御装置にあっては、機関に与える空燃比を理論空燃比
の近くで制御する１ｖりでは、燃焼状態の良好な安定し
た制御を行うごとができるが、その場合には燃費の向上
に限界がある。Ｐ費を更に向上させるためには空燃比を
希薄にして燃焼を行うとよいが、第１０図に示すように
、空燃比を薄くする程、燃焼のバラツキ度合が大きくな
り、燃焼の安定性が悪くなるので、この安定性が許容範
囲内にあるように空燃比を設定する必要がある。しかし
、１Ｊｔ来の空燃比制御装置では、実質的に機関回転数
Ｎと吸入空気１ｉＱだけに基づい°ζ空燃比を設定して
いるので機関やエアフローメーク等の製造上のオ゛＾度
や誤差を考慮すると、機関安定領域の限界近傍まで空燃
比を可能な限り薄く設定することができないという問題
点があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた
もので、機関の安定性と相関の深い気筒内圧力が最大と
なるクランク角位置θｐｍａｘを検出し、所定時ＪＩＪ
Ｉ毎（所定時間又は機関の所定回転数毎）にこのクラン
ク角位置θｐｍａｘが予め定めた設定位置以ｆｌｉＪと
なった気筒の数及び各気筒毎の回数を演算して、これら
の演算結果にＬｃ＋シて燃料供給量を調整することによ
り、十記問題点を解消することを目的としている。

以Ｆ本発明を図面に基づいて説明する。

まず、本発明の具体的な構成を説明する簡に機関の安定
１１と筒内圧力との関係について述べる。

第１Ｉ図は同一運転条件（エンジン回転とトルクが同し
）でかつ点火時期が最適の状態で空炉比を変えた場合の
筒内圧力の違いを示したものである（ただしＡ／Ｆ空燃
比−１５以」二）点火時期が最適状態の時の筒内圧が最
大となるクランク角位置θｐｍａ×は理論上運転条件と
関係なくほぼ一定値０Ｌ（１６°〜２０°ＡＴＤＣ）で
ある。ところが、空炉λ比が小さい（燃料が濃い）場合
は、θｐｍａ×の値は理論値近傍の狭い範囲に集中して
いるが、空燃比が大きくなるほど理論値からずれる割合
が多くなりθｐｍａｘのとる範囲が広くなっていく。そ
して、ある程度以上人きくなると失火のひん度が多くな
り燃焼による筒内圧の上昇が圧縮・爆発行程のピストン
の動きムこよる圧力上昇より小さくなるためθｐｍａｘ
の値が極端に小さい値となる場合が発生するようになる
。、二の様子を第１２図に示す。

このようにθｐｍａｘの値が極端に小さくなる燃焼のび
ん度が増加すると機関は不安定となる。

τ〔３１３図は１０’　ＡＴｌつＣ以下のθρｍａχ発
什びん度の空Ｊり月ヒ乙こよる変化を示したものである
。このようなことから安定限昇としであるクランク角位
置Ｖ）　Ｆｉ７　ｔ、＝　＃　ｂノるθρｍａｙ発律ひ
ん度を定めるごとにより、機関の安定度を一定に保つこ
とができ、この安定度を保つように空燃比を制（ａｌｌ
ずれば可能な限り空燃比を薄くすることができる。

次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１４図は、４気筒内燃機関に適用した本発明の一実施
例を示ずブｒ−１ツク図である。同図において、機関の
各気筒にはそれぞれ筒内圧力Ｐを検出する圧力センナ２
３〜２Ｇを設ける。該圧力センサ２３〜２６は例えば各
気筒に取り（；Ｊけられる点火プラグの座金として圧電
素子を用いたもの又はンリンダヘッｌ−とシリンダブロ
ックの間に介装されるガスゲットに圧電素子を用いたも
のなどが使用される。２７はマルチプし・クザで、クラ
ンク角位置θに応じて４個の圧力センサ２３〜２６のい
ずれ力用つを選択し、選択した圧力センづのアナ１コク
検出信号を通過さ一υ−出力する。２８は△／　Ｉ）変
換器で、マルチプレク男２７により選ｔｌｉ！された圧
力センサの筒内圧力ＰのアナＬＩグ値をディジタル値Ｑ
こ変換ずろ。この変換操作はクランク角１°毎に行う。

２Ｃ〕はメモリ八で、Ａ／Ｄ変換器２８でディジタル値
に変換されたクランク角１′毎の筒内圧力Ｐを記１ｑす
る。３０はｌＪ１浣回路八でへ１サイクル分の筒内圧力
の検出を終えた時点でメモリＡ２９に記１意されている
筒内圧力Ｐのデータを読め出し、筒内圧力Ｐが最大とな
った時のクランク角位置θｐｍａｘを泪測し、所定値（
例えば１０’　△Ｔ　Ｄ　Ｃ）と比軸する。３１はメモ
リＢで各気筒別に割り当こられたカウンタになり−でお
り、ある気筒ル、二おりるθｐｍａＸが所定値を下まわ
った（１０’　Δ′ｒ　Ｉ）　Ｃ以前）場合、その気筒
のカラン１−数をｌ　７）増やず。各気筒のカウンタの
値をここではＵｌ、Ｕ２．ｔＪ３．Ｕａとする（４気筒
の場合）。

３２はＡ／１〕変換器で、ユアフ１１ノータ１５が出力
する吸入空気＠Ｑのアナログ値をディジタル値Ｇご変換
する。３４はクランク角センザ２２がらのクランク角信
号をカウントして機関回転数Ｎを出力するカウンタであ
る。

３５　ＬＪ演Ｗ　回１７３　Ｂで、先ずエアフロメーク
１５６．Ｚよる吸入空気量のとクランク角セン刃２２に
よる機関回転数Ｎとから、従来と同しく前述した（１）
式に従ゲで基本噴射Ｍ（燃料噴射パルス中）′Ｉ’ｐ＝
Ｋ（Ｑ／Ｎ）を演警−する。次に演算回路Ｂ３５は、上
述したメモリＢ３］に記１．資された各気筒毎のθｐｍ
ａＸ＜（または≦）１０°ΔＴＤＣとなった爆発数Ｕ１
〜Ｕ４の値のどれか−っ以上が所定旧？、ｌ１ｌＩ期間
中（例えば機関の２４回転）に所定の値（例えば３爆発
）となった場合、または、ＬＪＩ−ＵＡが１以十となる
ものの数、すなわち、θρｍａｘ＜　（または≦）１ｏ
゛Ａ　Ｔ　Ｄ　Ｃとなる爆発のあった気筒数Ｃが所定の
値（例えば２気筒）となった場合、機関の安定度は悪化
している（安定度限界に近付いている）として、補正係
数α（例えば初期値α−工）を空燃比を濃側に調整ずべ
くα＝α＋Ｋｒとする。一方０、前述のＵ１〜Ｕ４又は
Ｃが所定値より下まわっている場合は機関は安定である
とし、空燃比を更に希薄例に調整するためにα＝α−に
１とする。

そして、このようにして求めた係数αを前述の基本噴射
量”Ｉ’　ｐに１（）け、実際の燃料噴射量（燃料噴射
パルス中）Ｔａを求めて、これを出力する。

３６は燃料噴射制御回路で、演算回路Ｂ３５で演算され
出力される補正された実際の燃料噴射パルス中Ｔａに応
して、各気筒に燃料を噴射・供給する。

第１５図は燃料噴射制御回路３６の詳細を示す。同図に
あって、３７はレジスタで、演算回路Ｂ３５から転送さ
れてくる燃料噴射パルス中Ｔａの値を一時格納する。３
日はクロックカウンタで、レジスタ３７に燃料噴射パル
ス中Ｔａのデータが格納されると同時にリセットされ（
Ｏになり）、クロックパルス発生器（図示しない）から
のクロックパルスを１数する。３９は比較器、４ｏはト
ランジス外４１〜４４は各気筒毎に装着されるインジェ
クタ（燃料噴射弁〉である。比較器３９は燃料噴射パル
ス巾Ｔａのデータがレジスタ３７に転送されクロソクヵ
ｉ〉ンタ３８がリセットされると、ｉ・ランジスタ４ｏ
のへ一スに出力しトランジスタ４ｏをオンにする。

これによりくインジェクタ４１〜４４へ通電され、当該
インジェクタ４１〜４４が開いて燃料噴射を開始し、レ
ジスタ３７の値（”Ｆａ）とクロックカウンタ３８の値
が等しくなった所で、比較器３９の出力が止まりトラン
ジスタ４ｏがオフとなってインジェクタ４１〜４４が閉
して燃料噴射が終了し、クロックカウンタ３８の計数が
止る。

次に動作を説明する。

クランク角セン＋２２からは、第１６図に示すような、
例えば１番気筒の圧縮上死点を示す基準パル、（（ａｌ
と、クランク角ビ毎のパルスｆｂｌが出力される。

第１７図のフローチャートにおに乙例えば１番気筒の圧
縮上死点をサイクルの基準（０°）として、ｌサイクル
（機関の２回転＝クランク角７２ｏ。

の回転）毎に、演算回路Ａ３０において、クランク角セ
ンサ２２の出力に基づきクランク角位置θが判別され（
ステップ５ｏ）、θ＝ｏ°〜６０’　の範囲では１番気
筒が選択され（ステップ５１）、１番気筒を選択したこ
とがメモリＡ２９に記１．りされる（ステップ５５）。

また、この演算回路Ａ３０の選択に基づいてマルチプレ
クサ２７が１番気筒の圧力センサ２３を選択し、１番気
筒の筒内圧力Ｐがクランク角１゜毎に検出され、Ａ／Ｄ
変換器２８でディジタル値に変換されそのディジタル値
がやはりメモリＡ２９に記憶される（ステップ５５）。

更に、演算回路Ａ３０はクランク角位置θが６１°に到
達したが否かを判別しくステップ５６）、θ＝６１°と
なるとθ＝ｏ’〜６０°の範囲における１番気筒の筒内
圧力Ｐの検出を終了し、１番気筒における気筒内圧力が
最大であったクランク角位置θｐｍａｘを計測しくステ
ップ５７）・　θｐｍａｘが１０°ＡＴＤＣ以前か否か
を判別しくステップ５８）、その値がＩＯ’ＡＴＤＣ以
前の場合はメモリＢ３１の１番気筒に割り合てられた場
所のカウンタを１つ増す（ステップ５９）。そして、θ
＝１８０°〜２４ｏ°テハ３番気筒がθ−３６０’　〜
４２０°では４番気筒がθ＝５４０”〜６００　’では
２番気筒がそれぞれ選択され（ステップ５２〜５４）、
同様の手順で、各気筒毎のそのサイクル（１爆発）分の
筒内圧力最大クランク角位置θｐｍａ×を計測してθｐ
ｌＴｌａ×が１０″Ａ　Ｔ　Ｄ　Ｃ以前になった数をメ
モリＢ３１に記憶する。

一方、第１８図のフローチャートにおいて、演算回路Ｂ
３５は、エアフロメータ１５がらの吸入空気量Ｑとクラ
ンク角センサ２２がらの機関回転数Ｎに基づいて、＋１
１式に従って基本噴射ＭＴｐを演算する（ステップ６０
）。

次にメモリＢ３１から各気筒に割り当てられたカウンタ
の値Ｕ１〜Ｕａ（各気筒毎のθｐｍａｘが１０’Ａ　ｉ
’　Ｄ　Ｃ以下となった数）を読み出し、それぞれの値
が例えば１以上となっているカウンタの数即ち気筒数Ｃ
を数える（ステップ６１）。

次に気筒数Ｃが所定の数以上（例えば２）が否かを判定
しくステップ６２）、所定数より少ない場合は次にＵ　
ｌ−Ｕ　ａのいずれかの値が所定の値以上（例えば３）
か否かを判定する（ステップ６３）。

そして、ステップ６２．６３のどららかでＣ，Ｕ＋〜Ｕ
４の数が所定１ｉ！ｌｕ上となった場合には、機関不安
定と判断して燃料の補正係数αをα−α＋Ｋｒとし、空
燃比を濃側にしくステ・ノブ６４）、メモリＢ３１にあ
るカウンタの値をすべてＯとする（ステップ６５）。

一方、機関不安定と判断されなかった場合は、機関は安
定であるとし、空燃比を希薄側にするため係数α−α−
に１としさらに所定期間を１測するカウンタ（例えば回
転カウンタ）を１つふやす（ステップ６６）。つづいて
、前記回転カウンタの数が所定数（例えば２４回転）以
上になったか否かを判定しくステップ６７）、所定数以
上になった時には、メモリＢ３１にあるカウンタの値を
すべてＯとする（ステップ６５）。面、メモリＢ３１の
カウンタの値が０となった時に回転カウンタの数もＯと
なる。

このようにして、筒内圧力が最大となるクランク角位置
θｐｍａｘが所定の値以下となるびん度に応じて燃料供
給量の補正係数αを求め、このαを基本噴射量”ｒｐに
掛けて、実際の燃料噴射量’ｐ　ａを演算しくステップ
６Ｂ）、演算回路Ｂ３５よりこの燃料噴射量Ｔａのデー
タを燃料噴射制御回路３６のレジスタ３７へ転送する（
ステップ６９）。

燃料噴射制御回路３６の作用を第１９図のタイミングチ
ャートに従って説明すると、演算回路Ｂ３５の演算結果
に応じて、レジスタ３７に書き込まれる燃料噴射パルス
中１゛ａは、転送の都度変化しく第１９図（ａｌ）、ク
ロックカウンタ３８はレジスタ３７への燃料噴射パルス
＋１３７　ａの転送からクロ・ツクカウンタ３８の値と
レジスタ３７の値とが等しくなるまでクロックパルスを
カウントしく同図（ｔｌ＋）　、この間Ｉｔ　Ｍ器３９
からの出力によってトランジスタ４０がオンしておりイ
ンジェクタ４１〜４４はクロックカウンタ３８のカウン
ト期間申開弁する（同図（ｃｌ）−−かくして、θｐｍ
ａｘが所定値以下となるひん度に応して調整された燃料
量Ｔａが各気筒に与えられ、空燃比が制御されることに
なる。即ち、θｐｍａ×が１０°ＡＴＤＣ以下となるひ
ん度が少ない状態から、燃料供給量を徐々に少なくして
行き、機関の燃焼の安定限界におりる前記ひん度を保つ
ように制御しているので、機関を安定状態に保つことの
できる最低の燃料供給量に制御することができる。

以上説明したように、本発明によれば、筒内圧力が最大
となるクランク角位置θｐｍａｘを求め、このθｐｍａ
ｘが所定値以下となる爆発が所定時期毎（所定時間毎又
は機関が所定回転する毎）に発生ずるびん度を演算し、
このひん度に応じて燃料供給量を調整し、空燃比を制御
することとしたため、機関の燃焼を安定限界を保った状
態で行うことができ、可能な限り空燃比を薄くできるの
で燃費の良い運転を行うことができるとい・う幼果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関の空燃比制御装置の燃料系統の
構成図、第２図は従来装置の空気系統の構成図、第３図
はバッテリ電圧とハソテリ電圧補正値の関係を示す特性
図、第４図は水温と水温増量補正値の関係を示す特性図
、第５図は水温と始動後増量補正の初期値の関係を示す
特性図、第６図は水温とアイドル後増量補正の初期値の
関係を示す特性図、第７図は水温と補正値’Ｔ’　Ｓ　
Ｔの関係を示す特性図、第８図は機関回転数と補正値Ｋ
ＮＳＴの関係を示す特性図、第９図は始動後経過時間と
補正値Ｋ　Ｔ　Ｓ　Ｔの関係を示す特性図、第１０図は
空燃比と燃焼のバラツキ度合および安定性との関係を示
す特性図、第１１図及び第１２図は空燃比を変えた場合
においてそれぞれクランク角に対する筒内圧力の違い及
びθｐｔｎａｘ発生ひん度を示すグラフ、第１３図は１
０°ＡＴＤＣ以下のθｐｎ＋ｅｘ発生ひん度と空燃比の
関係図、第１４図は、本発明による内燃機関の空燃比制
御装置の一実施例のブロック図、第１５面は第１４図の
葉材噴射制御回路の詳細を示すブロック図、第１６図は
第１４図のクランク角センザにより得られる信号の波形
図、第１７図および第１８図は第１４図の装置における
それぞれ演算回路へと演算回路Ｂにおいて実行される動
作を説明するフローチャート、第１９図は第１５図の燃
料噴射制御回路の主要部のタイミングチャートである。 １５・・・エアフロメータ　　２２・・・クランク角セ
ンサ２３〜２６・・・圧力センサ　　２７・・・マルチ
プレクサ２９・・・メモリＡ　　　３０・・・演算回路
Ａ　　　３１・・・メモリＢ　　　３５・・・演算回路
８　　３Ｇ・・・燃料噴射制御回路３７・・・レジスタ
　　３８・・・クロックカウンタ３９・・・比較器　　
４０・・・トランジスタ　　４１〜４４・・・インジェ
クタ　　Ｎ・・・機関回転数　　Ｐ・・・筒内圧力Ｑ・
・・吸入空気Ｍ　　　Ｔｐ・・・基本噴射量　　Ｔａ・
・・実際の燃料噴射量　　α・・・補正係数　　θ・・
・クランク角位置　　θｐｍａｘ・・・気筒内圧力が最
大となったクランク角　　Ｃ・・・θｐｍａｘが設定位
置以前となった気筒数　　Ｕ＋−Ｕａ・・・各気筒のθ
ｐｍａｘが設定位置以前となった回数 特許出願人　　日産自動車株式会社 代理人　　弁理士　笹　島　冨二雄 第３図 Ｃ１５ｊ　５０ 水二Ｌ　　　（’Ｃ） 第４図 箱６図 才３Ｌ　　（０Ｃ） 第８図 第９図 妨勧◆経過日Ｙ前ＬＳＩ 第１０図 シだ・・　　　　　’ｊ；；：　％ｅ、’　ｔｈ　　　
　　　　　薄い第１１図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関の各筒内圧力に相関する値を検出する手段と、機関
   のクランク角位置を検出する手段と、これら検出手段の
   検出結果に基づいて筒内圧力が最大となった時のクラン
   ク角位置θｐｍａｘを計測する手段と、予め定めた所定
   時期毎に前記クランク角位置θｐｍａｘが予め定めた設
   定位置以前となった気筒の数を演算する手段と、前記所
   定時期毎に各気筒の前記クランク角位置θｐｍａｘが前
   記設定位置以前となった回数を演算する手段と、両演算
   手段の演算結果に応じて燃料供給量を補正制御する手段
   と、を設けて構成したことを特徴とする内燃機関の空燃
   比制御装置。