JPWO2013076811A1 - 内燃機関の制御システム - Google Patents

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Abstract

本発明は、ＣＮＧを使用する内燃機関の制御システムにおいて、ＣＮＧの性状が変化した場合であっても、内燃機関を適正に運転させることができる技術の提供を課題とする。本発明は、前記課題を解決するために、圧縮天然ガスを使用する内燃機関の制御システムにおいて、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比が目標空燃比と同等になるように燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御が実行されたときに、該空燃比フィードバック制御による補正値の大きさに基づいて、混合気の燃焼状態に係わる制御パラメータを補正するようにした。

Description

本発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を燃料とする内燃機関の制御システムに関する。
従来、ＣＮＧを燃料とする内燃機関において、気筒内の圧力を測定する筒内圧センサを備え、該筒内圧センサの測定値に基づいて燃料性状を特定し、特定された燃料性状に応じて燃料噴射量を補正しようとする技術が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。
特開２００４−３４６９１１号公報
ところで、気筒内の圧力はＣＮＧの性状以外の種々の要因によって変化するため、筒内圧センサの測定値から燃料性状を正確に特定することは容易ではない。よって、燃料性状が変化した場合に、内燃機関を適正に運転させることが困難になる可能性がある。
本発明は、前記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＣＮＧを使用する内燃機関の制御システムにおいて、ＣＮＧの性状が変化した場合であっても、内燃機関を適正に運転させることができる技術の提供にある。
本発明は、前記した課題を解決するために、圧縮天然ガスを使用する内燃機関の制御システムにおいて、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比が目標空燃比と同等になるように燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御が実行されたときに、該空燃比フィードバック制御による補正値の大きさに基づいて、混合気の燃焼状態に係わる制御パラメータを補正するようにした。
詳細には、本発明は、圧縮天然ガスを使用する内燃機関の制御システムにおいて、
内燃機関で燃焼された混合気の空燃比と目標空燃比の偏差に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック制御を実施する制御手段と、
前記空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値以上であるときに、混合気の燃焼状態に係わる制御パラメータを補正する補正手段と、
を備えるようにした。
圧縮天然ガス（ＣＮＧ）の性状は、必ずしも一様ではなく、ＣＮＧの補給場所（充填場所）毎に異なる場合がある。燃料タンクにＣＮＧが補給（充填）されると、燃料タンク内に残っているＣＮＧ（以下、「残留ＣＮＧ」と称する）と充填されたＣＮＧ（以下、「充填ＣＮＧ」と称する）が混合する。充填ＣＮＧと残留ＣＮＧの性状が相異する場合は、充填燃料の充填後に燃料タンクから内燃機関へ供給されるＣＮＧ（充填ＣＮＧと残留ＣＮＧが混合したＣＮＧ（以下、「混合ＣＮＧ」と称する））の性状は、残留ＣＮＧの性状と相異する。
ＣＮＧの性状変化が内燃機関の運転状態に及ぼす影響としては、理論空燃比の変化やウォッペ指数（ＣＮＧの総発熱量をＣＮＧの比重の２乗根で除算した値）の変化が挙げられる。特に、気体燃料に含まれる不活性ガスの濃度（たとえば、二酸化炭素（ＣＯ２）や窒素（Ｎ２））が変化すると、混合気中のＣＮＧと酸素が過不足なく反応する空燃比（理論空燃比）が変化するとともにウォッペ指数が変化する。
ここで、本願発明者が実験及び検証を行った結果、ＣＮＧの不活性ガス濃度は理論空燃比と反比例するとともに、ウォッペ指数とも反比例するという知見を得た。詳細には、ＣＮＧの不活性ガス濃度が高くなるほど、理論空燃比が低くなるとともにウォッペ指数が小さくなることが解った。これは、混合気の燃焼状態に係わる制御パラメータがＣＮＧの理論空燃比に適した値に設定されると、設定後の制御パラメータの値がＣＮＧのウォッペ指数にも適した値になることを意味する。よって、混合気の燃焼状態に係わる制御パラメータは、ＣＮＧの理論空燃比又はウォッペ指数の何れか一方に適した値に設定されればよい。
ＣＮＧの性状変化、言い換えればＣＮＧの不活性ガス濃度の変化は、空燃比フィードバック制御に用いられる補正値に反映される。詳細には、ＣＮＧの性状変化により理論空燃比が変化すると、それに伴って排気の酸素濃度が変化する。酸素濃度センサや空燃比センサの測定値に基づいて空燃比フィードバック制御が実行される内燃機関においては、ＣＮＧの補給によってＣＮＧの性状（不活性ガス濃度）が変化すると、酸素濃度センサや空燃比センサの測定値が変化するため、空燃比フィードバック制御による補正値も変化することになる。
たとえば、残留ＣＮＧに比して不活性ガス濃度の高い充填ＣＮＧが補給されると、混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より高くなる。その場合、混合ＣＮＧの理論空燃比は、残留ＣＮＧの理論空燃比より低くなる。その結果、酸素濃度センサや空燃比センサの測定値に基づいて特定される空燃比は、目標空燃比よりリーン側にずれることになる。よって、空燃比フィードバック制御による補正値は、燃料噴射量を増量させる値（正値）になるとともに、その絶対値の大きさはＣＮＧの性状が一定であるときに該補正値の絶対値が取り得る最大値より大きくなる。
残留ＣＮＧに比して不活性ガス濃度の低い充填ＣＮＧが補給されると、混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より低くなる。その場合、混合ＣＮＧの理論空燃比は、残留ＣＮＧの理論空燃比より高くなる。その結果、酸素濃度センサや空燃比センサの測定値に基づいて特定される空燃比は、目標空燃比よりリッチ側にずれることになる。よって、空燃比フィードバック制御による補正値は、燃料噴射量を減量させる値（負値）になるとともに、その絶対値の大きさはＣＮＧの性状が一定であるときに該補正値の絶対値が取り得る最大値より大きくなる。
したがって、空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値以上になると、ＣＮＧの性状が変化したと判定することができる。なお、ここでいう「閾値」は、たとえば、ＣＮＧの性状が一定となる条件下において、空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が取り得る最大値にマージンを加算した値である。
ＣＮＧの性状が変化したと判定された場合に、混合気の燃焼に係わる制御パラメータの値が補正手段によって変更されると、ＣＮＧの性状変化によって混合気の燃焼状態が変化することを抑制することができる。
したがって、本発明に係わる内燃機関の制御システムによれば、ＣＮＧの性状が変化した場合であっても、内燃機関を適正に運転させることが可能になる。
補正手段により変更される制御パラメータとしては、燃料噴射量を用いることができる。その場合、制御手段は、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比（たとえば、酸素濃度センサや空燃比センサの測定値に基づいて特定される空燃比）と目標空燃比の偏差に応じて決定される第１補正値と、ＣＮＧの性状に応じて決定される第２補正値と、を用いて空燃比フィードバック制御を実行するようにしてもよい。斯様な構成においては、補正手段は、第１補正値の絶対値が閾値以上であるときに、第２補正値を変更することにより、燃料噴射量を補正すればよい。
従来のように、ＣＮＧの性状を考慮しない空燃比フィードバック制御（たとえば、第２補正値を利用せずに、第１補正値のみを利用する空燃比フィードバック制御）においては、混合気の空燃比が目標空燃比に対してオーバーシュートしたり、或いはアンダーシュートしたりする現象（ハンチング）を抑制するために、第１補正値の大きさを所定範囲内に制限する方法が採られている。ところで、燃料性状の変化により混合気の空燃比と目標空燃比との偏差が大きくなったときに第１補正値の大きさが所定範囲内に制限されると、混合気の空燃比が目標空燃比に収束するまでの時間が長くなる可能性がある。これに対し、所定範囲を拡大する方法が考えられる。しかしながら、燃料性状が変化していないときに所定範囲が拡大されると、空燃比フィードバック制御が発散する可能性があった。
そこで、上記したように、第１補正値と第２補正値を用いて空燃比フィードバック制御が実施されると、ＣＮＧの性状が変化した場合に、ハンチングや発散を抑制しつつ、混合気の空燃比を速やかに目標空燃比に収束させることが可能になる。
ここで、補正手段は、ＣＮＧの不活性ガス濃度が高いときは低いときに比して理論空燃比が低くなると同時にウォッペ指数が小さくなる関係に基づいて、第２補正値を変更するようにしてもよい。
具体的には、補正手段は、残留ＣＮＧに比して不活性ガス濃度の高い充填ＣＮＧが補給された場合（混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より高くなった場合）は、燃料噴射量が多くなるように、第２補正値を決定すればよい。一方、残留ＣＮＧに比して不活性ガス濃度の低い充填ＣＮＧが補給された場合（混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より低くなった場合）は、補正手段は、燃料噴射量が少なくなるように、第２補正値を決定すればよい。その結果、燃料噴射量は、混合ＣＮＧの理論空燃比及びウォッペ指数に適した量になる。
ところで、前記第１補正値は、ＣＮＧの性状変化による燃料噴射量の補正分を含むことになる。そのため、前記第１補正値と前記第２補正値を用いて空燃比フィードバック制御が行われる場合は、補正手段が第２補正値を変更したときに、第２補正値の変更分を第１補正値から減算するようにしてもよい。その場合、ＣＮＧの性状変化に基づく補正が重複して実施されることを防止することができる。
ここで、内燃機関の吸気系の部品、燃料噴射系の部品、及び各種センサは、初期公差を含んでいる場合がある。また、各種センサ（たとえば、空燃比センサや酸素濃度センサ）の検出特性や燃料噴射弁の噴射特性などは、経時変化する場合がある。そのため、混合気の実際の空燃比と目標空燃比との間に恒常的なずれが生じる場合がある。これに対し、従来の空燃比フィードバック制御では、実際の空燃比と目標空燃比の恒常的な差を学習値として求めるための学習制御を実施し、その学習値を用いて空燃比フィードバック制御の補正値を決定している。
ここで、ＣＮＧの補給後において、補正手段がＣＮＧの性状変化に基づく補正値を求める前に前記学習制御が実施されると、補正手段が適正な補正値を求めることができなくなる可能性がある。これに対し、前記補正手段による燃料噴射量の補正は、前記空燃比フィードバック制御による補正値の学習制御に優先して実行されるようにしてもよい。言い換えると、本発明の内燃機関の制御システムは、空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値以上であるときは、前記学習制御に比して補正手段による燃料噴射量の補正を優先させるようにしてもよい。このような構成によれば、ＣＮＧの性状が変化した場合に、補正手段は、変化後の性状に適した補正値を求めることができる。
次に、本発明は、圧縮天然ガスを使用する内燃機関の制御システムにおいて、
内燃機関で燃焼される混合気の空燃比と目標空燃比の偏差に応じて燃料噴射量を補正するめの空燃比フィードバック制御を実行する制御手段と、
前記空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値未満であるときに、前記空燃比フィードバック制御による補正値の学習制御を実行する学習手段と、
前記空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値以上であるときに、前記空燃比フィードバック制御により求められる燃料噴射量を補正する補正手段と、
を備えるようにしてもよい。
このように構成された内燃機関の制御システムによれば、ＣＮＧの補給後において、空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値以上であるときは、フィードバック制御による補正値の学習制御が行われる前に、ＣＮＧの性状変化に基づく燃料噴射量の補正を行うことができる。
ここで、本発明に係わる制御パラメータは、燃料噴射量に限られず、点火タイミング、吸気バルブの開弁特性、排気バルブの開弁特性、或いはＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）弁の開度などであってもよい。
たとえば、ＣＮＧの不活性ガス濃度が高いときは低いときに比べ、混合気の燃焼速度が遅くなる可能性がある。よって、ＣＮＧの補給により混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より高くなった場合は、点火タイミングが進角されてもよい。その場合、混合気の燃焼終了時期が過剰に遅くなる事態を回避することができる。ＣＮＧの補給により混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より高くなった場合は、気筒内に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）が減少するように、吸気バルブおよびまたは排気バルブの開閉タイミングが変更されてもよい。その場合、混合気の燃焼速度や燃焼温度が不要に低下する事態を回避することができる。ＣＮＧの補給により混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より高くなった場合は、気筒内へ導入されるＥＧＲガス量が減少するように、ＥＧＲ弁が制御されてもよい。その場合、混合気の燃焼速度や燃焼温度が不要に低下する事態を回避することができる。また、ＣＮＧの補給により混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より高くなった場合は、吸気の流速が速くなるように吸気バルブの開弁特性を変更してもよい。その場合、混合気の燃焼速度が不要に低下する事態を回避することができる。
本発明によれば、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を使用する内燃機関の制御システムにおいて、ＣＮＧの性状が変化した場合であっても、内燃機関を適正に運転させることができる。
本発明を適用する車輌の概略構成を示す図である。 ＣＮＧに含まれる不活性ガスの濃度と理論空燃比との関係を示す図である。 ＣＮＧに含まれる不活性ガスの濃度とウォッペ指数との関係を示す図である。 燃料噴射量（燃料噴射時間）を決定する際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 ＣＮＧに含まれる不活性ガスの濃度と不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２との関係を示す図である。 不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２と点火タイミングとの関係を示す図である。 不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２とＥＧＲガス量との関係を示す図である。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１乃至図４に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する車輌の概略構成を示す図である。図１に示す車両は、ＣＮＧを使用する内燃機関が搭載された車両である。
図１において、車両１００には、内燃機関１と燃料タンク２が搭載されている。内燃機関１は、複数の気筒３と、各気筒３内に燃料を噴射する燃料噴射弁４と、を備えている。また、内燃機関１には、吸気通路５と排気通路６が接続されている。
吸気通路５は、大気中から取り込まれた新気（空気）を内燃機関１の気筒３へ導くための通路である。吸気通路５の途中には、該吸気通路５の通路断面積を変更するための吸気絞り弁７と、新気（空気）の温度（外気温度）を測定する吸気温度センサ８が取り付けられている。
排気通路６は、気筒３から排出される既燃ガス（排気）を排気浄化用触媒や消音器などの経由後に大気中へ排出するための通路である。排気通路６の途中には、空燃比に相関する電気信号を出力するＡ／Ｆセンサ９が取り付けられている。
燃料タンク２は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を貯蔵するタンクである。燃料タンク２には、該燃料タンク２内の圧力を測定するための圧力センサ１０が取り付けられている。また、燃料タンク２は、燃料供給管１１を介して内燃機関１の燃料噴射弁４と連通している。燃料供給管１１は、燃料タンク２内のＣＮＧを燃料噴射弁４へ導くための通路である。燃料タンク２は、車両１００の車体に取り付けられた充填口１２とインレットパイプ１３を介して接続されている。充填口１２は、ガスステーションなどに配置された充填ノズルが差し込まれたときに開口し、充填ノズルから供給されるＣＮＧをインレットパイプ１３へ導入する。
このように構成された車両１００には、ＥＣＵ１４が搭載されている。ＥＣＵ１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ１４には、吸気温度センサ８、Ａ／Ｆセンサ９、圧力センサ１０などの各種センサが電気的に接続されている。また、ＥＣＵ１４には、燃料噴射弁４や吸気絞り弁７などの各種機器が電気的に接続されている。ＥＣＵ１４は、前記各種センサから入力される信号に基づいて、前記各種機器を制御する。
たとえば、ＥＣＵ１４は、内燃機関１の負荷や回転速度に応じて燃料噴射量を演算し、算出された燃料噴射量に従って燃料噴射弁４を制御する。詳細には、ＥＣＵ１４は、以下の式（１）に従って燃料噴射量（燃料噴射弁４の開弁時間）ｅｔａｕを演算する。
ｅｔａｕ＝ｅｔｐ＊ｅｋａｆ＊ｋ・・・（１）
前記式（１）において、ｅｔｐは、吸入空気量や機関回転数等を引数とするマップから導き出される基本噴射量である。ここでいうマップは、予め実験などを利用した適合処理によって求められ、ＥＣＵ１４のＲＯＭに記憶されている。
前記ｅｋａｆは、目標空燃比と実際の空燃比（Ａ／Ｆセンサ９により検出される空燃比）との乖離を解消するための補正係数（空燃比フィードバック補正係数）である。ｅｋａｆは、たとえば、以下の式（２）に従って演算される。
ｅｋａｆ＝（ｅｆａｆ＋ｅｆｇａｆ＋１００）／１００・・・（２）
前記式（２）において、ｅｆａｆは、目標空燃比と実際の空燃比との差に基づいて決定される補正値（空燃比フィードバック補正値）であり、本発明における「空燃比フィードバック制御による補正値」に相当する。ｅｆｇａｆは、目標空燃比と実際の空燃比との恒常的な乖離（燃料噴射弁４の噴射特性の経時変化などに起因した乖離）を補償するための空燃比学習値である。
なお、前記式（１）におけるｋは、冷却水温度やアクセル開度に応じて決定される増量補正係数である。
前記式（１）、（２）に従って燃料噴射量（燃料噴射時間）が決定されると、気筒３内で燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比に一致させることができる。その結果、内燃機関１の出力を運転者の要求出力に一致させたり、或いは排気の性状を排気浄化装置の浄化能力に適した性状にしたりすることができる。
ところで、燃料タンク２内に充填されるＣＮＧの性状は、必ずしも一様ではなく、ＣＮＧの補給場所（充填場所）毎に異なる場合がある。また、混合気中のＣＮＧと酸素が過不足なく反応する際の空燃比（理論空燃比）は、ＣＮＧの性状によって異なる。特に、ＣＮＧに含まれる不活性ガス（二酸化炭素（ＣＯ２）及び窒素（Ｎ２））の濃度が異なると、理論空燃比も相異する。
本願発明者が実験及び検証を行った結果、ＣＮＧに含まれる不活性ガスの濃度と理論空燃比との間には、図２に示すような関係が有ることが解った。すなわち、ＣＮＧの理論空燃比は、図２に示すように、ＣＮＧの不活性ガス濃度が低いときより高いときの方が低くなる。そのため、燃料タンク２内に残留しているＣＮＧ（残留ＣＮＧ）と性状の異なるＣＮＧ（充填ＣＮＧ）が充填された場合に、充填後の燃料噴射量や吸入空気量が残留ＣＮＧの理論空燃比に従って制御されると、実際の空燃比が所望の目標空燃比と相異する可能性がある。
たとえば、残留ＣＮＧより不活性ガス濃度の高い充填ＣＮＧが充填されたときは、充填後のＣＮＧ（混合ＣＮＧ）の理論空燃比は、残留ＣＮＧの理論空燃比より低くなる。そのため、充填ＣＮＧの充填後における燃料噴射量や吸入空気量が残留ＣＮＧの理論空燃比に従って制御されると、実際の空燃比が目標空燃比より高く（リーン）なる。その結果、排気エミッションの増加や機関出力の低下などを招く可能性がある。
残留ＣＮＧより不活性ガス濃度の低い充填ＣＮＧが充填されたときは、混合ＣＮＧの理論空燃比は、残留ＣＮＧの理論空燃比より高くなる。そのため、充填ＣＮＧの充填後における燃料噴射量や吸入空気量が残留ＣＮＧの理論空燃比に従って制御されると、実際の空燃比が目標空燃比より低く（リッチ）なる。その結果、排気エミッションの増加、機関出力の増加、失火などを招く可能性がある。
したがって、ＣＮＧの性状（不活性ガス濃度）が変化した場合は、理論空燃比の変化を補償するために、混合気の空燃比に係わる制御パラメータ（たとえば、燃料噴射量や吸入空気量）を補正する必要がある。
また、ＣＮＧの不活性ガス濃度が変化すると、ＣＮＧの燃焼性も変化する。そのため、理論空燃比の変化のみが補償されると、混合気が燃焼した際に発生する熱エネルギの量が所望の量にならない可能性もある。
これに対し、本願発明者が鋭意の実験及び検証を行った結果、ＣＮＧの不活性ガス濃度とウォッペ指数との間には、図３に示すような関係が有ることが解った。すなわち、ＣＮＧのウォッペ指数は、図３に示すように、不活性ガス濃度が低いときより高いときの方が小さくなる。これは、ＣＮＧの性状変化に伴う理論空燃比の変化が補償されれば、ウォッペ指数の変化も補償されることを意味する。よって、ＣＮＧの性状が変化した場合に、混合気の空燃比に係わる制御パラメータがＣＮＧの理論空燃比に適した値に補正されれば、補正後の制御パラメータは、ＣＮＧのウォッペ指数にも適した値になる。
以下では、ＣＮＧの性状が変化した場合に、混合気の空燃比に係わるパラメータとして、燃料噴射量を補正する例について述べる。
本実施例では、ＥＣＵ１４は、前記式（１）の代わりに以下の式（３）を利用して、燃料噴射量（燃料噴射時間）ｅｔａｕを演算するようにした。
ｅｔａｕ＝ｅｔｐ＊ｅｋａｆ＊ｅｋｉｎ＊ｋ・・・（３）
前記式（３）において、ｅｔｐ、ｅｋａｆ、及びｋは、前述した式（１）と同様である。前記式（３）において、ｅｋｉｎは、ＣＮＧの性状変化（不活性ガス濃度の変化）に伴う理論空燃比の変化を補償するための補正係数（不活性ガス濃度学習補正係数）である。
前記不活性ガス濃度学習補正数ｅｋｉｎは、以下の式（４）に基づいて演算される。
ｅｋｉｎ＝（ｅｋｎｃｏ２＋１００）／１００・・・（４）
前記式（４）において、ｅｋｎｃｏ２は、ＣＮＧの不活性ガス濃度に起因した目標空燃比と実際の空燃比の恒常的な乖離を補償するための学習値（不活性ガス濃度学習値）である。以下、本実施例における不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の決定方法について述べる。
ＣＮＧの性状変化は、燃料タンク２内にＣＮＧが補給されたときに発生する。たとえば、残留ＣＮＧより不活性ガス濃度の高い充填ＣＮＧが補給されると、混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より高くなる。また、残留ＣＮＧより不活性ガス濃度の低い充填ＣＮＧが補給されると、混合ＣＮＧの不活性ガス濃度が残留ＣＮＧの不活性ガス濃度より低くなる。
充填ＣＮＧの補給により混合ＣＮＧの性状が変化すると、充填ＣＮＧの補給後において空燃比フィードバック制御が開始されたときに、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆが変化する。
たとえば、残留ＣＮＧより不活性ガス濃度の高い充填ＣＮＧが補給された場合は、混合ＣＮＧの理論空燃比は、残留ＣＮＧの理論空燃比より低くなる。そのため、Ａ／Ｆセンサ９により検出される空燃比は、目標空燃比よりリーン側にずれる。その場合、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆは、燃料噴射量を増量させる値（正値）になるとともに、その絶対値の大きさはＣＮＧの性状が一定であるときに該補正値の絶対値が取り得る最大値より大きくなる。
また、残留ＣＮＧに比して不活性ガス濃度の低い充填ＣＮＧが補給された場合は、混合ＣＮＧの理論空燃比は、残留ＣＮＧの理論空燃比より高くなる。そのため、Ａ／Ｆセンサ９により検出される空燃比は、目標空燃比よりリッチ側にずれる。その場合、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆは、燃料噴射量を減量させる値（負値）になるとともに、その絶対値の大きさはＣＮＧの性状が一定であるときに該補正値の絶対値が取り得る最大値より大きくなる。
したがって、充填ＣＮＧの補給後において空燃比フィードバック制御が開始されたときに、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値が閾値以上になると、ＣＮＧの性状が変化したとみなすことができる。なお、ここでいう「閾値」は、たとえば、ＣＮＧの性状が一定となる条件下において、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値が取り得る最大値にマージンを加算した値である。
そこで、ＥＣＵ１４は、内燃機関１の始動後において空燃比フィードバック制御が開始されたときに、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値が閾値以上であれば、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２を更新する。詳細には、ＥＣＵ１４は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２に所定値ａを加算する。所定値ａは、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆが正値である場合は正の値に設定され、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆが負値である場合は負の値に設定される。なお、所定値ａの絶対値の大きさは、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値の大きさ（若しくは、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値と前記閾値との差）に応じて決定される可変値であってもよく、又は予め実験などを利用した適合処理によって決定される固定値であってもよい。
ＥＣＵ１４は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２を更新した場合に、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆから不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の更新分（所定値ａ）を差し引くものとする。これは、ＣＮＧの性状変化に伴う補正分は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２と空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの双方に含まれるためである。
なお、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の学習処理は、空燃比学習値ｅｆｇａｆの学習処理より優先して実行されるものとする。これは、充填ＣＮＧの補給後において、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の学習処理より先に空燃比学習値ｅｆｇａｆの学習処理が実施されると、ＣＮＧの性状が変化している場合であっても空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値が閾値未満になってしまうからである。
また、充填ＣＮＧの不活性ガス濃度と残留ＣＮＧの不活性ガス濃度との差が小さい場合、又は残留ＣＮＧの量に対して充填ＣＮＧの量が少ない場合は、混合ＣＮＧと残留ＣＮＧとの性状の差が小さくなる可能性がある。また、空燃比学習値ｅｆｇａｆの値は、負荷の大きさなどによって区分けされた複数の運転領域のそれぞれに設定される。そのため、運転領域によってはＣＮＧの性状変化が空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの大きさに表れにくい場合もある。
そこで、ＥＣＵ１４は、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値が閾値を超えない場合であっても、全運転領域における空燃比学習値ｅｆｇａｆの平均値ｅｆｇａｆａｖｅの絶対値が閾値を超える場合は、ＣＮＧの性状が変化したとみなして不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２を更新するようにしてもよい。具体的には、ＥＣＵ１４は、前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅの絶対値が閾値以上であるときに、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２に所定値ｂを加算すればよい。所定値ｂは、前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅが正値である場合は正の値に設定され、前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅが負値である場合は負の値に設定される。所定値ｂの絶対値の大きさは、前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅの絶対値の大きさに応じて決定される可変値であってもよく、又は予め実験などを利用した適合処理によって決定される固定値であってもよい。ただし、所定値ｂの絶対値の大きさは、前記所定値ａの絶対値より小さい値に設定されるものとする。
また、前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅと比較される閾値は、ＣＮＧの性状が一定である場合に前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅの絶対値が取り得る最大値にマージンを加算した値である。以下では、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値と比較される閾値を第１閾値と称し、空燃比学習値ｅｆｇａｆの平均値の絶対値と比較される閾値を第２閾値と称するものとする。
前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅの絶対値が第２閾値以上であることを条件として、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２が更新された場合は、ＥＣＵ１４は、空燃比学習値ｅｆｇａｆから不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の更新分（所定値ｂ）を減算するものとする。その際、ＥＣＵ１４は、全運転領域の空燃比学習値ｅｆｇａｆから不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の更新分を減算する。
以上述べた方法により不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２が決定（更新）されると、前記式（３）に従って演算される燃料噴射量（燃料噴射時間）ｅｔａｕは、ＣＮＧの性状変化に伴う理論空燃比の変化及びウェッペ指数の変化を補償可能な値になる。その結果、ＣＮＧの性状が変化した場合に、混合気の空燃比を速やかに目標空燃比に収束させることができるとともに、混合気が燃焼した際に発生する熱エネルギの量を所望の量に一致させることができる。
以下、本実施例における燃料噴射量（燃料噴射時間）ｅｔａｕの決定手順について図４に沿って説明する。図４は、燃料噴射量演算ルーチンを示すフローチャートである。燃料噴射量演算ルーチンは、予めＥＣＵ１４のＲＯＭに記憶されており、内燃機関１の始動時（イグニッションスイッチがオンにされたとき）にＥＣＵ１４によって実行される。
燃料噴射量演算ルーチンでは、ＥＣＵ１４は、先ずＳ１０１において、イグニッションスイッチがオン（ＩＧ＝ＯＮ）にされたか否かを判別する。Ｓ１０１において否定判定された場合（ＩＧ＝ＯＦＦ）は、ＥＣＵ１４は、本ルーチンの実行を終了する。Ｓ１０１において肯定判定された場合（ＩＧ＝ＯＮ）は、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０２へ進む。
Ｓ１０２では、ＥＣＵ１４は、空燃比フィードバック制御の実行条件が成立しているか否かを判別する。空燃比フィードバック制御の実行条件は、Ａ／Ｆセンサ９が活性していることである。Ａ／Ｆセンサ９の活性は、Ａ／Ｆセンサ９の温度が活性温度以上であること、冷却水温度が所定温度（Ａ／Ｆセンサ９の温度が活性温度以上になるときの冷却水温度）以上であること、或いはＡ／Ｆセンサ９より下流の排気温度が所定温度（Ａ／Ｆセンサ９の温度が活性温度以上になるときの排気温度）以上であること等を条件として判定される。
前記Ｓ１０２において否定判定された場合は、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０２の処理を繰り返し実行する。一方、前記Ｓ１０２において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０３へ進む。
Ｓ１０３では、ＥＣＵ１４は、空燃比フィードバック制御の実行を開始する。その際、ＥＣＵ１４は、別途設定されるサブルーチンに従って空燃比フィードバック制御を実行する。前記サブルーチンでは、ＥＣＵ１４は、先ず、Ａ／Ｆセンサ９により検出される空燃比と目標空燃比との差に基づいて空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆを演算する。次いで、ＥＣＵ１４は、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆを前記式（２）に代入することにより、空燃比フィードバック補正係数ｅｋａｆを演算する。さらに、ＥＣＵ１４は、空燃比フィードバック補正係数ｅｋａｆを前記式（３）に代入することにより燃料噴射量（燃料噴射時間）ｅｔａｕを演算する。なお、前記サブルーチンは、空燃比フィードバック制御実行条件が成立する限り、ＥＣＵ１４によって繰り返し実行される。このようにＥＣＵ２０が空燃比フィードバック制御を実行することにより、本発明に係わる制御手段が実現される。
Ｓ１０４では、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０３において算出された空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値（｜ｅｆａｆ｜）が第１閾値ｔｈ１以上であるか否かを判別する。
空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値（｜ｅｆａｆ｜）が第１閾値ｔｈ１以上になる場合は、残留ＣＮＧと異なる性状のＣＮＧが充填されたことにより、燃料タンク内のＣＮＧ（混合ＣＮＧ）の性状が変化したことになる。そこで、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０４において肯定判定された場合（｜ｅｆａｆ｜≧ｔｈ１）は、Ｓ１０５へ進み、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の学習処理を実行する。詳細には、ＥＣＵ１４は、先ず、前記空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの正負、及び該空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値の大きさに応じて所定値ａを決定する。次いで、ＥＣＵ１４は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２に前記所定値ａを加算し、その演算結果（＝ｅｋｎｃｏ２＋ａ）を新たな不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２に設定する。
ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０５の処理を実行した後にＳ１０６へ進み、前記空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆから前記所定値ａを減算する。ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０６の処理を実行し終えると、前記Ｓ１０４へ戻る。すなわち、ＥＣＵ１４は、空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆの絶対値が第１閾値ｔｈ１未満になるまで、Ｓ１０５及びＳ１０６の処理を繰り返し実行する。
前記Ｓ１０５及び前記Ｓ１０６の処理を繰り返し実行することにより、前記空燃比フィードバック補正値ｅｆａｆが第１閾値ｔｈ１未満になると、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０４において否定判定（｜ｅｆａｆ｜＜ｔｈ１）することになる。Ｓ１０４において否定判定すると、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０７乃至Ｓ１１２において、空燃比学習値ｅｆｇａｆの学習処理を実行する。
Ｓ１０７では、ＥＣＵ１４は、空燃比学習値ｅｆｇａｆの学習条件（空燃比学習条件）が成立しているか否かを判別する。空燃比学習条件は、内燃機関１が暖機状態にある（冷却水温度が暖機判定温度以上である）こと、空燃比フィードバック補正係数ｅｋａｆの大きさが予め規定された範囲から逸脱する状態が一定期間継続していること等である。前記Ｓ１０７において否定判定された場合は、ＥＣＵ１４は、該Ｓ１０７の処理を繰り返し実行する。
前記Ｓ１０７において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１４は、Ｓ１０８へ進む。Ｓ１０８では、ＥＣＵ１４は、空燃比学習値ｅｆｇａｆの学習処理を開始する。その際、ＥＣＵ１４は、既知の方法により空燃比学習値ｅｆｇａｆの学習処理を実行する。
Ｓ１０９では、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０８で求められた空燃比学習値ｅｆｇａｆが零以外の値であるか否かを判別する。記Ｓ１０８で求められた空燃比学習値ｅｆｇａｆが零である場合（ｅｆｇａｆ＝０）は、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０７へ戻る。一方、記Ｓ１０８で求められた空燃比学習値ｅｆｇａｆが零以外の値である場合（ｅｆｇａｆ≠０）は、ＥＣＵ１４は、Ｓ１１０へ進む。
Ｓ１１０では、ＥＣＵ１４は、内燃機関１の全運転領域における空燃比学習値ｅｆｇａｆの平均値ｅｆｇａｆａｖｅを演算し、前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅの絶対値が第２閾値ｔｈ２以上であるか否かを判別する。前記Ｓ１１０において否定判定された場合（｜ｅｆｇａｆａｖ｜＜ｔｈ２）は、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０７へ戻る。一方、前記Ｓ１１０において肯定判定された場合（｜ｅｆｇａｆａｖ｜≧ｔｈ２）は、ＥＣＵ１４は、Ｓ１１１へ進む。
Ｓ１１１では、ＥＣＵ１４は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の学習処理を実行する。詳細には、ＥＣＵ１４は、先ず、前記平均値ｅｆｇａｆａｖｅの正負、及び該平均値ｅｆｇａｆａｖｅの絶対値の大きさに応じて所定値ｂを決定する。次いで、ＥＣＵ１４は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２に前記所定値ｂを加算し、その演算結果（＝ｅｋｎｃｏ２＋ｂ）を新たな不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２に設定する。
ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１１１の処理を実行した後にＳ１１２へ進み、空燃比学習値ｅｆｇａｆから前記所定値ｂを減算する。その際、ＥＣＵ１４は、内燃機関１の運転領域毎に設定された空燃比学習値ｅｆｇａｆの全てについて前記所定値ｂの減算処理を行う。
ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１１２の処理を実行し終えると、Ｓ１１３へ進み、イグニッションスイッチがオフ（ＩＧ＝ＯＦＦ）にされた否かを判別する。Ｓ１１３において否定判定された場合は、ＥＣＵ１４は、前記Ｓ１０７以降の処理（又は前記Ｓ１０４以降の処理）を再度実行する。一方、Ｓ１１３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１４は、本ルーチンの実行を終了する。
なお、ＥＣＵ１４が前記Ｓ１０５又は前記Ｓ１１１の処理を実行することにより、本発明に係わる補正手段が実現される。
以上述べたようにＥＣＵ１４が図４の処理ルーチンを実行すると、ＣＮＧの性状が変化した場合（ＣＮＧの不活性ガス濃度が変化した場合）に、燃料噴射量（燃料噴射時間）ｅｔａｕは、変化後の性状に適した燃料噴射量（燃料噴射時間）になる。つまり、燃料噴射量（燃料噴射時間）ｅｔａｕは、混合気の空燃比が目標空燃比に一致する燃料噴射量（燃料噴射時間）になるとともに、混合気の燃焼時に発生する熱エネルギの量が所望の量となる燃料噴射量（燃料噴射時間）になる。その結果、ＣＮＧの性状変化によって、混合気の空燃比が目標空燃比から乖離する事態や、混合気の燃焼時に発生する熱エネルギの量が所望の量から乖離する事態を回避することができる。
＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図５乃至図７に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。
前述した第１の実施例では、ＣＮＧの性状が変化した場合に燃料噴射量（燃料噴射時間）を補正する例について述べたが、本実施例では、ＣＮＧの性状が変化した場合に、点火タイミングを補正する例について述べる。
ＣＮＧの不活性ガス濃度が高いときは低いときに比べ、混合気の燃焼速度が遅くなる。混合気の燃焼速度が遅くなると、内燃機関１の出力が低下したり、排気の温度が不要に高くなったりする可能性がある。
そこで、本実施例では、ＥＣＵ１４は、ＣＮＧの性状が変化した場合に、ＣＮＧの不活性ガス濃度に応じて点火タイミングを補正するようにした。たとえば、ＥＣＵ１４は、ＣＮＧの不活性ガス濃度が高いときは低いときに比べ、点火タイミングが早く（進角）されるような補正を行う。
なお、ＣＮＧの不活性ガス濃度は、前述した不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２の大きさに比例する。たとえば、図５に示すように、ＣＮＧの不活性ガス濃度が高いときは低いときに比べ、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２が大きくなる。したがって、ＥＣＵ１４は、図６に示すように、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２が大きいときは小さいときに比べ、点火タイミングが早くなるように補正を行えばよい。
このように点火タイミングの補正が実施されると、ＣＮＧの性状が変化した場合であっても、混合気の燃焼終了時期を所望の時期にすることができる。その結果、内燃機関１の出力が低下したり、又は排気の温度が不要に高くなったりする事態を回避することができる。
なお、ＥＣＵ１４は、ＥＧＲシステムを備えた内燃機関においては、点火タイミングの代わりにＥＧＲガス量を補正してもよい。たとえば、ＥＣＵ１４は、図７に示すように、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２が大きいときは小さいときに比べ、ＥＧＲガス量が少なくなるようにＥＧＲ弁の開度を補正してもよい。また、吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方の開閉タイミングを変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関においては、ＥＣＵ１４は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２が大きいときは小さいときに比べ、気筒３内に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲガス）が少なくなるように可変動弁機構を制御してもよい。上記した種々の方法により、気筒３内のＥＧＲガス量が調整されると、ＣＮＧの不活性ガス濃度が変化した場合であっても、混合気に含まれる不活性ガスの濃度の変化を抑制することができる。その結果、ＣＮＧの不活性ガス濃度が変化した場合に、混合気の燃焼速度が変化することを抑制することができる。
また、可変動弁機構を備えた内燃機関においては、ＥＣＵ１４は、点火タイミングやＥＧＲガス量を補正する代わりに、吸気が気筒３内へ流入する際の速度を変更するように可変動弁機構を制御してもよい。たとえば、ＥＣＵ１４は、不活性ガス濃度学習値ｅｋｎｃｏ２が大きいときは小さいときに比べ、吸気の流速が速くなるように、可変動弁機構を制御してもよい。吸気の流速が速くなると、混合気が燃焼する際の火炎伝播速度を高めることができる。その結果、ＣＮＧの不活性ガス濃度が高くなった場合に、混合気の燃焼速度の低下を抑制することができる。
以上述べた第１及び第２の実施例では、ＣＮＧが気筒内に噴射される内燃機関に本発明を適用する例について述べたが、ＣＮＧが吸気通路（吸気ポート）に噴射される内燃機関に本発明を適用してもよいことは勿論である。また、第１及び第２の実施例では、ＣＮＧを燃料とする内燃機関に本発明を適用する例について述べたが、ＣＮＧと液体燃料（ガソリンやアルコール燃料など）を選択的に使用する内燃機関に本発明を適用することも可能である。
１ 内燃機関
２ 燃料タンク
３ 気筒
４ 燃料噴射弁
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ 吸気絞り弁
８ 吸気温度センサ
９ Ａ／Ｆセンサ
１０ 圧力センサ
１１ 燃料供給管
１２ 充填口
１３ インレットパイプ
１４ ＥＣＵ
１００ 車両

Claims (6)

  1. 圧縮天然ガスを使用する内燃機関の制御システムにおいて、
    内燃機関で燃焼された混合気の空燃比と目標空燃比の偏差に基づいて燃料噴射量を補正するための空燃比フィードバック制御を実施する制御手段と、
    前記空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値以上であるときに、混合気の燃焼状態に係わる制御パラメータを補正する補正手段と、
    を備える内燃機関の制御システム。
  2. 請求項１において、前記制御パラメータは、燃料噴射量であり、
    前記制御手段は、前記空燃比フィードバック制御を実行する際に、内燃機関で燃焼された混合気の空燃比と目標空燃比の偏差に応じて決定される補正項である第１補正値と、圧縮天然ガスの性状に応じて決定される補正項である第２補正値を用いて燃料噴射量を決定し、
    前記補正手段は、前記第１補正値の絶対値が前記閾値以上であるときに、前記第２補正値を変更することにより、燃料噴射量を補正する内燃機関の制御システム。
  3. 請求項２において、前記補正手段は、圧縮天然ガスに含まれる不活性ガス濃度が高いときは低いときに比べ、理論空燃比が低くなると同時にウォッペ指数が小さくなる関係に基づいて、前記第２補正値を変更する内燃機関の制御システム。
  4. 請求項２又は３において、前記制御手段は、前記補正手段により第２補正値が変更されたときに、第２補正値の変更分を前記第１補正値から減算する内燃機関の制御システム。
  5. 請求項２乃至４において、前記補正手段による燃料噴射量の補正は、前記空燃比フィードバック制御による補正値の学習制御に優先して実行される内燃機関の制御システム。
  6. 内燃機関で燃焼される混合気の空燃比と目標空燃比の偏差に応じて燃料噴射量を補正するめの空燃比フィードバック制御を実行する制御手段と、
    前記空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値未満であるときに、前記空燃比フィードバック制御による補正値の学習制御を実行する学習手段と、
    前記空燃比フィードバック制御による補正値の絶対値が閾値以上であるときに、前記空燃比フィードバック制御により求められた燃料噴射量を補正する補正手段と、
    を備える内燃機関の制御システム。
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