JPS639659A - 内燃機関の負荷検出装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車等エンジンの負荷を検出する装置に関
する。

（従来の技術） 近時、エンジンに、より高い燃料経済性、運転性が要求
される傾向にあり、かかる観点からマイクロコンピュー
タ等を応用して燃料供給量をより精密に制御することが
行われる。

このような制御ではエンジンの運転状態をより正確に検
出することが制御精度の向上につながることがある。エ
ンジン負荷も運転状態を示すものとして重要なデータの
１つである。

このようなエンジン負荷を用いた従来の空燃比制御装置
としては、例えば、特開昭５９−５１１４７号公報に記
載のものがある。この装置では、排気管に設けた酸素セ
ンサにより空燃比を検出し、その検出結果および運転状
態に基づき燃料噴射量を操作して空燃比を目標値となる
ようにフィードバック制御している。この場合、エンジ
ン負荷を代表するものとして１行程光りシリンダに吸い
込まれる空気量（吸入空気量）を用いている。すなわち
、吸入空気量がエンジン負荷を表すためには、機関の発
生トルクと相関を有する燃料がその吸入空気量に応じた
量だけ供給されているという前提が必要である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の負荷検出装置にあって
は、発生トルクと相関する燃料がその吸入空気量に応じ
た量だけ常に正確に供給されるという前提に立って、上
記のように吸入空気量をエンジン負荷として検出すると
いう構成になっていたため、空燃比が変化し、これに伴
って吸入空気量に対する燃料の量が変わったような場合
でも、空燃比の変化による燃料の量の補正は考慮されな
い。したがって、このような場合には同一吸入空気量で
も空燃比により発生トルクが異なるので、吸入空気量が
正確な負荷を表わすとは限らなかった。

例えば、理論空燃比（λ＝１）よりもリーン側で運転し
ている場合、同一の吸入空気量でも燃焼に関与する燃料
の量が少ないので、発生トルクが小さくなる。したがっ
て、理論空燃比のときの吸入空気量を基準とした負荷よ
りも実際の値は小さいものとなる。その結果、正確なエ
ンジン負荷が検出できないことになり、この負荷の検出
結果を使用する制御、例えば空燃比制御および点火時期
制御等の制御精度に悪影響を及ぼすことがある。

このように、エンジン負荷検出に吸入空気量を用い、こ
の吸入空気量に伴う燃料の量が常に変わらないという前
提で負荷検出を行うと、制御の精度の点で若干の不具合
が生じる。すなわち、より正確なエンジン負荷の検出を
目指そうとすれば、吸入空気量に対する燃料の量の差異
を考慮に容れることが望ましい。

このような理由から、エンジン負荷の値を正確に検出で
きる装置の実現が望まれるが、現状では空燃比制御等に
好適な負荷を検出する装置は実現されていない。

（発明の目的） そこで本発明は、エンジンのシリンダ空気量を検出し、
この検出値に目標燃空比（空気過剰率の逆数）を乗する
ことにより、空燃比が変化しても常に正確なエンジン負
荷を検出できる負荷検出装置を提供することを目的とし
ている。

（問題点を解決するための手段） 本発明による内燃機関の負荷検出装置は上記目的達成の
ため、その基本概念図を第１図に示すように、エンジン
の吸入空気量を検出する空気量検出手段ａと、エンジン
の運転状態を検出する運転状態検出手段すと、運転状態
に応じて目標空燃比を設定する目標設定手段Ｃと、目標
空燃比に基づいてそのときの空気過剰率を求め、この空
気過剰率と吸入空気量から発生トルクに相関するエンジ
ン負荷を求める負荷検出手段ｄと、を備えている。

（作用） 本発明では、エンジンの吸入空気量が検出され、その検
出結果が空気過剰率の逆数（すなわち、リーン度合）を
示す値、目標燃空比により適切に補正される。したがっ
て、空燃比の変化に拘らずエンジン負荷の値が精度よく
検出される。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜９図は本発明の一実施例を示す図であり、本発明
をＳ　Ｐ　ｉ　　（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｏ１ｎｔ　Ｉｎｊ
ｅｃｔｉｏｎ）方式のエンジンに適用した例である。

まず、構成を説明する。第２図において、１はエンジン
であり、吸入空気はエアクリーナ２からスロットルチャ
ンバ３を経て、ヒータ制御信号Ｓ８によりＯＮ１０　Ｆ
　ＦするＰＴＣヒータ４で加熱された後、インテークマ
ニホールド５の各ブランチより各気筒に供給され、燃料
は噴射信号Ｓｔｔに基づきスロットル弁６の上流側に設
けられた単一のインジェクタフにより噴射される。

各気筒には点火プラグ１０が装着されており、点火プラ
グ１０にはディストリビュータ１１を介して点火コイル
１２からの高圧パルスＰＵＬＳＥが供給される。これら
の点火プラグ１０、ディストリビュータ１１および点火
コイル１２は混合気に点火する点火手段１３を構成して
おり、点火手段１３は点火信号５ＩＧＮに基づいて高圧
パルスＰＵＬＳＥを発生し放電させる。そして、気筒内
の混合気は高圧パルスＰＵＬＳＥの放電によって着火、
爆発し、排気となって排気管１４を通して触媒コンバー
タ１５で排気中の有害成分（Ｃｏ、ＨＣ，Ｎ０ｘ）を三
元触媒により清浄化されてマフラ１６から排出される。

ここで、吸入空気の流れはアクセルペダルに連動するス
ロットルチャンバ３内のスロットル弁６により制御され
、アイドリング時にはスロットル弁６はほとんど閉じて
いる。アイドリング時の空気の流れはバイパス通路２０
を通り、開度信号５ＩＳＣに基づいてＩＳＯバルブ（Ｉ
ｄｌｅ　５ｐｅｅｄ　ＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ　　：
アイドル制御弁）２１により適宜必要な空気が確保され
る。

また、各気筒の吸気ボート近傍にはスワールコントロー
ル弁２２が配設されており、スワールコントロール弁２
２はロッド２３を介してサーボダイヤフラム２４に連結
される。サーボダイヤフラム２４には電磁弁２５から所
定の制御負圧が導かれており、電磁弁２５はデユーティ
値Ｄ　ＳＣＶを有するスワール制御信号Ｓ　ｓｃｖに基
づいてインテークマニホールド５から供給される負圧を
大気に漏らす（リークする）ことによってサーボダイヤ
フラム２４に導入する制御負圧を連続的に変える。サー
ボダイヤフラム２４は制御負圧に応動し、ロッド２３を
介してスワールコントロール弁２２の開度を調整する。

上記スワールコントロール弁２２、ロッド２３、サーボ
ダイヤフラム２４および電磁弁２５は全体としてスワー
ル操作手段２６を構成す為。

スロットル弁６の開度αはスロットルセンサ３０により
検出され、冷却水の温度ＴＷは水温センサ３１により検
出される。また、エンジンのクランク角Ｃａはディスト
リビュータ１１に内蔵されたクランク角センサ３２によ
り検出され、クランク角Ｃａを表すパルスを計数するこ
とによりエンジン回転数Ｎを知ることができる。

排気管１４には酸素センサ３３が取り付けられており、
酸素センサ３３は空燃比検出回路３４に接続される。空
燃比検出回路３４は酸素センサ３３にポンプ電流Ｉｐを
供給し、このポンプ電流１ｐの値から排気中の酸素濃度
がリッチからり−ンまで広範囲に亘って検出される。酸
素センサ３３および空燃比検出回路３４は空燃比検出手
段３５を構成する。

変速機の操作位置は位置センサ３６により検出され、車
両の速度Ｓ　ｖｓｐは車速センサ３７により検出される
。また、エアコンの作動はエアコンスイッチ３８により
検出され、パワステの作動はパワステ検出スイッチ３９
により検出される。

上記各センサ３０．３１．３２．３４．３６．３７．３
８．３９からの信号はコントロールユニット５０に入力
されており、コントロールユニット５０はこれらのセン
サ情報に基づいてエンジンの燃焼制御（点火時期制御、
燃料噴射制御等）を行う。

すなわち、コントロールユニット５０は目標設定手段、
負荷検出手段としての機能を有し、ＣＰＵ５１、　ＲＯ
Ｍ５２、ＲＡＭ５３およびＩ１０ポート５４ニより構成
される。

ＣＰ　Ｕ５１はＲＯＭ５２に書き込まれているプログラ
ムに従ってＩ１０ボート５４より必要とする外部データ
を取り込んだり、またＲＡＭ５３との間でデータの授受
を行ったりしながらエンジンの燃焼制御に必要な処理値
を演算し、必要に応じて処理したデータをｒ／○ボート
５４へ出力する。Ｉ１０ボート５４には上記各センサ３
０．３１．３２．３４．３６．３７．３８．３９からの
信号が入力されるとともに、Ｉ１０ポート５４からは前
記各信号ＳＴｉ、５ＩＧＮ　％　Ｓ＋ｓｃ、５ｓｃｖ　
％　Ｓ）１が出力される。ＲＯＭ５２はＣＰ　Ｕ５１に
おける演算プログラムを格納しており、ＲＡＭ５３は演
算に使用するデータをマツプ等の形で記憶している。な
お、ＲＡＭ５３の一部は不揮発性メモリからなり、エン
ジン１停止後もその記憶内容を保持する。

次に、作用を説明するが、最初に空気流量の算出システ
ムについて説明する。

本実施例では空気流量の検出に際して従来のようなエア
フローメータ等を設けておらず、スロットル開度αおよ
びエンジン回転数Ｎをパラメータとしてインジェクタ部
７を通過する空気Ｉ　Ｑ　Ａ　ｉ　ｎ　ｊ以下、インジ
ェクタ部空気量という）を算出するという方式（以下、
単にα−Ｎシステムという）を採っている。

このようなα−Ｎシステムによってインジェクタ部通過
空気量Ｑ　ＡＬ　ｎ　ｊを算出しているのは、次のよう
な理由による。

すなわち、上記従来のセンサによると、（イ）吸気脈動
によるセンサ出力の変動が大きく、これは燃料の噴射量
の変動を引き起こし、トルク変動を生じさせる。

（ロ）センサの応答性の面で過渡時に検出誤差が大きく
なる。

（ハ）上記センサはコストが比較的高い。

という面があるためで、本実施例ではかかる観点から低
コストで応答性、検出精度に優れたα−Ｎシステムを採
用している。また、特にＳＰｉ方式のエンジンにあって
は、かかるα−Ｎシステムを採用することで、空燃比の
制御精度が格段と高められる。

以下に、本システムによるインジェクタ部通過空気Ｎ　
Ｑ　Ａｉ　ｎ　ｊの算出を説明する。

第３図はシリンダ空気Ｉ　Ｑ　Ａｃ　ｙ　Ｌの算出プロ
グラムを示すフローチャートである。まず、Ｐｌで前回
のＱＡｅｙ、をオールド値Ｑ　Ａｃｙｔ　’としてメモ
リに格納する。ここで、ＱＡｃｙＬはシリンダ部を通過
する吸入空気量であり、従来の装置（例えば、ＥＧｉ方
式の機関）での吸入空気量Ｑａ　（エンジン負荷Ｔ、）
に相当するもので、後述する第８図に示すプログラムに
よってインジェクタ部における空気量Ｑ　Ａ　ｉ　ｎ　
ｊを演算するときの基礎データとなる。

次いで、Ｐ２で必要なデータ、すなわちスロットル開度
α、ＩＳＯバルブ２１への開度信号Ｓ１５．のデユーテ
ィ　（以下、ＩＳＣデユーティという）ＤＩｓ（、エン
ジン回転数Ｎを読み込む。

Ｐ：ｌではスロットル開度αに基づいてスロットル弁６
が装着されている部分における流路面積（以下、スロッ
トル弁流路面積という）Ａｃを算出する。これは、例え
ば第４図に示すテーブルマツプから８亥当するＡｃの（
直をルックアップして求める。Ｐ４では同様に［ＳＣデ
ユーティＤＩＳＣに基づき第５図のテーブルマツプから
バイパス路面積Ａ８を算出し、Ｐ５で次式〇に従って聡
流路面積Ａを求める。

Ａ＝Ａα＋Ａ、　・・・・・・■ 次いで、Ｐ６で定常空気量Ｑ、を算出する。この算出は
、まず総流路面積Ａをエンジン回転数Ｎで除してＡ／Ｎ
を求め、このＡ／Ｎとエンジン回転数Ｎをパラメータと
する第６図に示すようなテーブルマツプから該当する定
常空気量Ｑ、の値をルックアップして行う。

次いで、Ｐ７でＡとＮとをパラメータとして第７図に示
すテーブルマツプからインテークマニホールド５の容積
を考慮した遅れ係数に２をルックアップし、Ｐ８で次式
■に従ってシリンダ空気量Ｑ　Ａ　ｃ　ｙ　Ｌを算出し
てルーチンを終了する。

ＱＡｃｙｒ＝ＱＡｃｙｔ　’　Ｘ　（１−Ｋ　２）　＋
Ｑ）Ｉ　ＸＫ　２・・・・・・■ 但し、ＱＡｃｙＬ′：Ｐｌで格納した値このようにして
求めたシリンダ空気量ＱＡｃ、、は本実施例のようなＳ
Ｐｉ方式でなく、例えば吸気ポート近傍に燃料を噴射す
るＥＧｉ方式の機関にはそのまま適用することができる
。しかし、本実施例はＳＰｉ方式であるから、インジェ
クタ部空気量Ｑ　Ａ　ｉ　Ｉ’ｌ　ｊを求める必要があ
り、この算出を第８図に示すプログラムで行っている。

同プログラムでは、まず、Ｐｌ＋で次式■に従って吸気
管内空気変化量ΔＣＭを求める。この６０Ｍはシリンダ
空気量ＱＡｃ、、に対して過渡時にスロットルチャンバ
３内の空気を圧力変化させるための空気量を意味してい
る。

ΔＣＭ＝　ＫＭＸ　（ＱＡｅｙｔ　　Ｑａｃｙｔ　’　
）　／　ｔ’Ｌ・・−■■式において、Ｋ、はインテー
クマニホールド５の容積に応じて決定される定数であり
、エンジン１の機種等に応じて最適値が選定される。次
いで、ｐ＋ｚで次式■に従ってインジェクタ部空気量Ｑ
Ａ、□を算出する。

Ｑ　Ａｉｎｊ　＝　ＱＡｃｙＬ＋ΔＣＭ　・・・・・・
■このようにして求めたＱ　Ａ　ｉ　ｎ　ｊはスロット
ル弁開度αを情報パラメータの一つとしていることから
応答性が極めて高く、また実験データに基づくテーブル
マツプによって算出しているので、実際の値と正確に相
関し検出精度が高い（分解能が高い）。さらに、既設の
センサ情報を利用し、マイクロコンピュータによるソフ
トの対応のみでよいから低コストなものとなる。特に、
ＳＰｉ方式のようにスロットルチャンバ３の上流側で燃
料を噴射するタイプに適用して極めて好都合である。

次に、本論の作用を説明する。

第９図はエンジン負荷検出のプログラムを示すフローチ
ャートである。

まず、ＰＺＩでエンジン負荷を示すパラメータ（ＱＡｃ
ｍＸＴＦＢＹＡ）が所定の範囲内にあるか否かを判別す
る。ここに、Ｑ　Ａ　ｃ　ｙ　ｔは前述の第３図におけ
るプログラムにより算出したもので、１行程当たりで吸
い込まれる空気量を示す。また、ＴＦＢＹＡは目標燃空
比で空気過剰率λの逆数であり、そのときの空気量に対
する燃料の割合を示す。

すなわち、目標燃空比と空気過剰率とには第０式のよう
な関係がある。

■ 現在の空燃比 ・・・・・・■ したがって、シリンダ空気ｌＱＡ、、、に目標燃空比を
乗じたパラメータ（Ｑ　ＡｅｙＬ　Ｘ　Ｔ　Ｆ　Ｂ　Ｙ
　Ａ　）は空燃比の変化の影響を受けない正確なエンジ
ン負荷を表わしている。

なお、第０式に従って目標燃空比を求めるのに際して、
現在の空燃比は空燃比センサによって検出した前回の値
でも今回新たに検出したものでもよい。

このパラメータ利用方法としてたとえばパラメータが所
定の範囲内（Ｌ　’；ａ　Ｑ　Ａｃ　ｙｔ　Ｘ　Ｔ　Ｆ
　Ｂ　Ｙ　Ａ　＜Ｈ）でないときはリーン空燃比が適切
でないと判断し、Ｐ２□で５ｔｏｉｃｈ　（理論空燃比
λ＝１）を選択する。ここに、ＬおよびＨは所定の定数
であり、運転状態等によりその設定を可変としてもよい
。

また、パラメータが所定の範囲内にないときは、ＰＸ３
でその他のリーン判定を行う。その他のり−ン判定とは
、例えば機関の冷却水温や車速、エンジン回転数等の運
転状態を示す。これらの所定条件下にないときはリーン
空燃比でないと判断し、Ｐ、に進む。一方、所定条件を
満たしているときはＰ２４で目標空燃比にリーンを選択
する。

このように、本実施例ではシリンダ空気量に目標空燃比
を乗じた値をエンジン負荷として検出しているので、空
燃比が変化しても常に正確な負荷を検出することができ
、精密なリーン判定を行うことができる。

さらに、本実施例は特別なセンサや部材が不必要であり
、従来からの部品がそのまま流用できるので、装置のハ
ード面に手を加える必要がない。

すなわち、ソフトの対応のみで装置の提供を可能にする
から、装置の複雑化やコストアップを避けて行うことが
できる。

その結果、空燃比制御あるいは点火時期制御等のシステ
ムにマツチし、近時の高レベルな要求に沿う負荷検出装
置を提供することができる。

なお、本実施例では本発明を空燃比制御装置に適用した
態様を示したが、本発明の適用分野はこのような空燃比
制御だけには限定されず、例えばエンジン負荷等の運転
状態に基づいて点火時期を制御する、いわゆる点火時期
制御に通用することも勿論可能である。すなわち、エン
ジンの負荷を検出する装置であれば全ての装置に適用が
可能であり、本発明の負荷検出装置を用いれば負荷の検
出精度が極めて高いから、これらの装置の制御精度を高
めることができる。

（効果） 本発明によれば、エンジンのシリンダ空気量を検出し、
この検出値に目標燃空比（空気過剰率の逆数）を乗する
ことにより、空燃比の変化によらない正確なエンジン負
荷を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜９図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はそのシリンダ空気（Ｊ　ＱＡｃ、、の算出プログラ
ムを示すフローチャート、第４図はそのスロットル弁流
路面積Ａαのテーブルマツプ、第５図はそのバイパス路
面積ＡＩのテーブルマツプ、第６図は総流路面積Ａをエ
ンジン回転数Ｎで除したＡ　／　Ｎとエンジン回転数Ｎ
とをパラメータとする定常空気ｉＱ□のテーブルマツプ
、第７図はその遅れ係数に２のテーブルマツプ、第８図
はそのインジェクタ部空気量ＱＡｉ□の算出プログラム
を示すフローチャート、第９図はその負荷検出のプログ
ラムを示すフローチャートである。 １・・・・・・エンジン、 ３５・・・・・・空燃比検出手段、 ５０・・・・・・コントロールユニット（目標設定手段
、負荷検出手段）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）エンジンの吸入空気量を検出する空気量検出手段と
   、 ｂ）エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と
   、 ｃ）運転状態に応じて目標空燃比を設定する目標設定手
   段と、 ｄ）目標空燃比に基づいてそのときの空気過剰率を求め
   、この空気過剰率と吸入空気量から発生トルクに相関す
   るエンジン負荷を求める負荷検出手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の負荷検出装置。