JPWO2015156013A1 - 内燃機関の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

熱線式のエアフロメータ（１４）は、検出した空気量を周波数信号に変換する信号処理部（１４ａ）を有する。エンジンコントローラ（１０）は、周波数信号を空気量に変換する変換テーブル（１０ａ）を有する。信号処理部（１４ａ）および変換テーブル（１０ａ）は、正の空気量が大であるほど高い周波数となり、負の空気量の絶対値が大であるほど低い周波数となる特性を有する。変換テーブル（１０ａ）では、所定の閾値（Ｆｒｓｈ）よりも低い周波数に対して、ダミー出力として所定の正の空気量の値（Ｑａ１）が割り当てられている。正常時は、最小値（Ｆｒｍｉｎ）よりも低周波側は使用されない。断線ないし短絡があると、周波数が０Ｈｚ付近に低下するので、ダミー出力（Ｑａ１）が出力され、失火限界以上の噴射量が確保される。

Description

この発明は、エアフロメータが検出した吸入空気量に応じて燃料噴射量を制御する内燃機関の制御装置および制御方法に関する。

内燃機関の燃料噴射量は、一般に、吸気通路に配設したエアフロメータによって単位時間当たりの吸入空気量を検出し、この単位時間当たりの吸入空気量と機関回転速度とから算出される１サイクル当たりの吸入空気量に対して適当な空燃比（例えば理論空燃比）となるように、制御される。例えばエアクリーナの直後に設けられるエアフロメータは、燃料噴射量の演算処理を行うエンジンコントローラから離れて位置しており、ハーネスを介してエンジンコントローラに接続されている。

特許文献１には、吸気脈動や瞬間的な逆流も検出可能な高応答型のエアフロメータを吸気通路に配設することが開示されている。

上記のようにエアフロメータはハーネスを介してエンジンコントローラに接続されているので、信号経路の断線の虞がある。このようなエアフロメータの断線による吸入空気量信号の喪失に対しては、何らかのフェールセーフモードが設けられるのが一般的であり、例えば、スロットル弁開度と機関回転速度とから燃料噴射量を簡易的に求めたり、スロットル弁開度を所定開度に固定し、機関回転速度に応じて吸入空気量を推定する、などのエアフロメータに依存しないフェールセーフモードに移行することになる。

しかしながら、ノイズなどでフェールセーフモードへ誤って移行しないように、診断に要する時間を含め、フェールセーフモードへの移行には、エアフロメータが断線してからある程度の遅れ期間が必要である。従って、この遅れ期間の間、エアフロメータから、吸入空気量があたかも０（あるいは負の流れ）であるかのような信号が出力されるため、燃料噴射量が極端に少なくなり、フェールセーフモードに移行する前に失火に至る可能性があった。

特開２００９−２７０４８３号公報

この発明は、吸気通路に設けられたエアフロメータと、このエアフロメータが検出した吸入空気量に応じて内燃機関の燃料噴射量を制御するエンジンコントローラと、を備えてなる内燃機関の制御装置において、
上記エアフロメータは、順方向に流れる正の空気量と逆方向に流れる負の空気量とを、正の空気量が大であるほど高い周波数で、かつ負の空気量の絶対値が大であるほど低い周波数となる、所定の特性の周波数信号として出力するように構成され、
上記エンジンコントローラは、上記周波数信号を空気量に変換するテーブルを有し、このテーブルは、負の空気量に対応する所定の周波数よりも低い周波数領域では、ダミー出力として正の空気量が割り付けられている。

上記の構成では、エアフロメータが正常である間は、吸気通路を流れる空気量に応じた周波数の信号がエアフロメータからエンジンコントローラへ送られ、エンジンコントローラ側では、テーブルを用いて空気量に変換した上で、燃料噴射量の制御に用いる。

一方、エアフロメータとエンジンコントローラとの間で断線が生じると、エンジンコントローラが受ける信号の周波数は０近傍となる。本発明では、このような０近傍の周波数領域では、テーブルを介した変換により適宜な正の空気量がダミー出力として出力される。

従って、エアフロメータの断線時にも燃料噴射量が極端に少なくならない。

この発明によれば、エアフロメータの断線時に、適宜な正の空気量がダミー出力として出力されるので、燃料噴射量の減少による失火を回避することができる。特に、実質的にテーブルの設定のみで適用が可能であり、断線の診断が不要であるので、本質的に遅れを伴うことがなく、エアフロメータの断線に直ちに対応することができる。

この発明が適用された内燃機関のシステム構成を示す構成説明図。 エアフロメータにおける空気量と出力信号との関係を示す特性図。 エンジンコントローラにおける変換テーブルの特性を示す特性図。 断線したときの（ａ）入力変化と（ｂ）検出空気量とを対比して示したタイムチャート。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明が適用された自動車用内燃機関１のシステム構成を示している。この内燃機関１は、例えばポート噴射型火花点火式内燃機関であって、各気筒毎に、吸気ポート２へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。また各気筒の燃焼室は、吸気弁６と排気弁７とを具備しているとともに、中央部に点火プラグ４を備えている。点火プラグ４は、各気筒毎に設けられた点火ユニット５に個々に接続されている。上記燃料噴射弁３および点火ユニット５は、エンジンコントローラ１０によって制御されている。

上記吸気ポート２に連なる吸気通路１１の吸気コレクタ１２よりも上流側には、エンジンコントローラ１０からの制御信号によって開度が制御される電子制御型スロットル弁１３が介装されており、さらにその上流側に、吸入空気量を検出するエアフロメータ１４が配設されている。

また、排気通路１５には、三元触媒からなる触媒装置１６が介装されており、その上流側に、排気空燃比を検出する空燃比センサ１７が配置されている。

上記エンジンコントローラ１０には、上記のエアフロメータ１４、空燃比センサ１７のほか、機関回転速度を検出するためのクランク角センサ１８、冷却水温を検出する水温センサ１９、運転者により操作されるアクセルペダルの踏込量を検出するアクセル開度センサ２０、等のセンサ類の検出信号が入力されている。エンジンコントローラ１０は、これらの検出信号に基づき、燃料噴射弁３による燃料噴射量および噴射時期、点火プラグ４による点火時期、スロットル弁１３の開度、等を最適に制御している。

燃料噴射量は、一部の運転領域を除き、理論空燃比となるようにフィードバック制御される。具体的には、エアフロメータ１４により検出された吸入空気量Ｑａと、クランク角センサ１８により検出された機関回転速度Ｎとを用いて、基本燃料噴射量Ｔｐを、Ｔｐ＝Ｑａ×Ｋ／Ｎとして求める（但しＫは定数）。そして、燃料噴射弁３に与える実際の噴射パルス幅Ｔｉを、空燃比センサ１７の検出信号に基づくフィードバック補正係数αを用いて、Ｔｉ＝Ｔｐ×（１＋ＣＯＥＦ）×αとして求める。なお、ＣＯＥＦは、水温等に基づく各種増量補正係数である。このような燃料噴射量の演算処理は、エンジンコントローラ１０において実行される。

吸入空気量を検出するエアフロメータ１４は、例えば高応答性の熱線式質量流量計からなり、その検出部が吸気通路１１の流路内に配設されている。また、このエアフロメータ１４は、検出部によって得られる電流値信号を所定の特性の周波数信号に変換して出力する信号処理部１４ａを内蔵しており、ハーネスを介してエアフロメータ１４が接続されるエンジンコントローラ１０には、空気量を示す信号として周波数信号が入力される。エンジンコントローラ１０は、周波数信号を空気量に変換する変換テーブル１０ａを具備し、この変換テーブル１０ａを介して空気量に変換した値を、例えばサンプリング周期毎に読み込む。このように、互いに離れて位置するエアフロメータ１４とエンジンコントローラ１０との間で周波数信号に変換してセンサ信号の授受を行うことで、ノイズに対するロバスト性が高くなる。

図２は、吸気通路１１を流れる空気量と信号処理部１４ａを通して出力される周波数信号の周波数との関係を示した特性図であり、縦軸が空気量（換言すれば、検出部により得られる電流値）を示し、横軸が周波数信号の周波数を示す。エアフロメータ１４は、吸気通路１１を順方向（吸気通路１１の先端開口から燃焼室へ向かう方向）に流れる空気量（これを正の空気量とする）を高い応答で検出できるほか、吸気脈動などにより瞬間的に逆方向に流れる空気量を負の空気量として検出することができるものであり、正の空気量から負の空気量に亘る所定の空気量検出範囲（図２に最大値Ｑａｍａｘから最小値Ｑａｍｉｎまでの範囲ＲＱａとして示す）に対し、所望の分解能を有するように所定の周波数範囲（図２に最大値Ｆｒｍａｘから最小値Ｆｒｍｉｎまでの範囲ＲＦｒとして示す）が割り当てられている。具体的には、正の空気量が大であるほど高い周波数となり、負の空気量の絶対値が大であるほど低い周波数となる特性を有している。また、空気量が０であるときに、中間のある周波数Ｆｒ１となる。空気量検出範囲ＲＱａは、吸気系として生じ得る空気量の全範囲を包含しており、最大値Ｑａｍａｘよりも大きな順方向の流れや最小値Ｑａｍｉｎよりも絶対値の大きな逆方向の流れは、基本的に、生じることがない。

ここで、空気量の最小値Ｑａｍｉｎに対応する周波数の最小値Ｆｒｍｉｎは、０（Ｈｚ）ではない。従って、周波数信号として、０（Ｈｚ）から最小値Ｆｒｍｉｎまでの低周波数領域は、信号処理の上では、空気量の最小値Ｑａｍｉｎに対応するものとみなされるが、エアフロメータ１４や信号処理部１４ａが正常に機能している限りは、最小値Ｆｒｍｉｎよりも低周波側の領域は使用されることがない。

上記のように周波数信号に変換されたエアフロメータ１４の出力信号は、ハーネスを介してエンジンコントローラ１０に入力され、該エンジンコントローラ１０において再び空気量に変換される。

図３は、エンジンコントローラ１０において周波数信号を空気量に変換するための変換テーブル１０ａの特性を示している。これは、基本的には、図２に示したエアフロメータ１４の信号処理部１４ａと同一の特性を有しており、最大値Ｆｒｍａｘから最小値Ｆｒｍｉｎまでの周波数範囲ＲＦｒのそれぞれの値に対し、最大値Ｑａｍａｘから最小値Ｑａｍｉｎまでの空気量範囲ＲＱａの空気量の値（正および負の値）がそれぞれ割り付けられている。従って、エアフロメータ１４が出力する周波数信号に基づき、エンジンコントローラ１０は、例えばサンプリング周期毎に空気量の読み込みを行うことができる。なお、負の空気量は、例えば脈動等による瞬間的な逆流成分を示しているので、一定期間（例えば１サイクルの間）の間における正の空気量の総和から負の空気量の総和を減算することで、真の空気量を求めることができる。

ここで、図３に示すように、本実施例においては、周波数の最小値Ｆｒｍｉｎよりも低周波側の領域の中で、所定の閾値Ｆｒｓｈよりも低い周波数に対して、ダミー出力として所定の正の空気量の値Ｑａ１が割り当てられている。この周波数閾値Ｆｒｓｈよりも低周波側の領域は、前述したように、正常時には使用されることがない領域である。

ダミー出力として出力される正の空気量Ｑａ１は、少なくともスロットル弁１３の開度がアイドル開度にあるときに失火限界以上の燃料噴射量が得られるように設定されている。なお、周波数の最小値Ｆｒｍｉｎと閾値Ｆｒｓｈとの間は、ノイズ等に対する余裕代に過ぎず、必ずしも必要ではないが、閾値Ｆｒｓｈは比較的低い周波数に設定すればよいので、図示例のように周波数の最小値Ｆｒｍｉｎと閾値Ｆｒｓｈとの間に適宜な余裕を与えることが望ましい。

上記実施例の構成によれば、エアフロメータ１４や信号処理部１４ａさらにはハーネスが正常であれば、空気量検出範囲ＲＱａに対応した周波数範囲ＲＦｒの中で周波数が変化し、空気量の検出が正しく行われる。

これに対し、エアフロメータ１４とエンジンコントローラ１０との間でハーネスが断線すると、エンジンコントローラ１０に入力される周波数信号の周波数がほぼ０Ｈｚとなる。従って、変換テーブル１０ａを介して読み込まれる空気量の値は、ダミー出力である正の空気量Ｑａ１となる。エンジンコントローラ１０では、この正の空気量Ｑａ１に基づいて前述したように基本燃料噴射量Ｔｐの演算を行う。そのため、少なくともアイドル時の失火限界よりも多い燃料噴射量が確保され、過度にリーンとなることによる失火が抑制される。

なお、エアフロメータ１４とエンジンコントローラ１０との間のハーネスが短絡した場合にも、周波数信号の周波数がほぼ０Ｈｚとなるので、同様に、ダミー出力である正の空気量Ｑａ１が読み込まれることとなる。

図４は、ハーネスの断線（あるいは短絡）時の信号変化を説明するためのタイムチャートであり、同図の（ａ）は、エアフロメータ１４の信号処理部１４ａからエンジンコントローラ１０に入力される周波数信号の周波数を示し、（ｂ）は、エンジンコントローラ１０側が変換テーブル１０ａを介して読み込む空気量を示している。

図４の例では、時間ｔ１においてハーネスの断線ないし短絡が生じ、エンジンコントローラ１０に入力される周波数信号の周波数は、直後の時間ｔ２においてほぼ０Ｈｚとなる。エンジンコントローラ１０では、このようなハーネスの断線ないし短絡を周波数信号の異常から診断し、時間ｔ３において、通常モードから所定のフェールセーフモードに移行する。フェールセーフモードは、例えば、スロットル弁１３の開度と機関回転速度Ｎとから燃料噴射量を簡易的に求めたり、スロットル弁１３の開度を所定開度に固定し、機関回転速度Ｎに応じて吸入空気量を推定する、などによりエアフロメータ１４に依存せずに運転を行うモードである。ノイズによる誤診断の回避などのために、時間ｔ２から時間ｔ３までの間には、例えば数百ｍｓ程度の遅れ時間が存在する。

一方、エンジンコントローラ１０が変換テーブル１０ａを介して読み込む空気量は、エンジンコントローラ１０に入力される信号の周波数が閾値Ｆｒｓｈ以下となることから、時間ｔ２以降はダミー出力である正の空気量Ｑａ１となる。そのため、フェールセーフモードに移行する時間ｔ３までの間、この空気量Ｑａ１に基づいて算出された量の燃料が燃料噴射弁３から噴射される。これにより、時間ｔ２から時間ｔ３までの間、失火が回避され、自立運転が継続される。

このように、上記実施例では、断線ないし短絡の診断を要さずに、断線ないし短絡により入力信号が閾値Ｆｒｓｈ以下となったときには、直ちにダミー出力である正の空気量Ｑａ１が出力される。従って、診断のための制御の複雑化を伴うことがなく、しかも、応答遅れの問題が本質的に存在しない。

ここで、仮にダミー出力の設定がない場合には、破線に示す比較例のように、入力信号の周波数の低下に伴ってあたかも空気量が負の値であるかのように読み込まれ、結果的に、燃料噴射量が極端に低下する。従って、フェールセーフモードの備えがあったとしても、実際にフェールセーフモードに移行する時間ｔ３までの間に、失火を生じる可能性がある。

なお、本発明においては、フェールセーフモードの有無は任意であり、フェールセーフモードを具備しない場合でも、本発明は適用が可能である。フェールセーフモードを具備しない場合は、例えば、警告灯の点灯とともにダミー出力による運転を継続することとなる。

Claims (7)

1. 吸気通路に設けられたエアフロメータと、このエアフロメータが検出した吸入空気量に応じて内燃機関の燃料噴射量を制御するエンジンコントローラと、を備えてなる内燃機関の制御装置において、
   上記エアフロメータは、順方向に流れる正の空気量と逆方向に流れる負の空気量とを、正の空気量が大であるほど高い周波数で、かつ負の空気量の絶対値が大であるほど低い周波数となる、所定の特性の周波数信号として出力するように構成され、
   上記エンジンコントローラは、上記周波数信号を空気量に変換するテーブルを有し、このテーブルは、負の空気量に対応する所定の周波数よりも低い周波数領域では、ダミー出力として正の空気量が割り付けられている、内燃機関の制御装置。
2. 上記のダミー出力となる正の空気量は、内燃機関のアイドル時における失火限界以上の燃料噴射量に対応するように設定されている、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 上記エアフロメータは、熱線式エアフロメータからなり、空気量を上記周波数信号として出力する信号処理部を一体に備えている、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 上記周波数領域は、正常時に使用される空気量検出範囲に対応する所定の周波数範囲よりも低い周波数に設定されている、請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 吸気通路に設けられたエアフロメータによって、順方向に流れる正の空気量と逆方向に流れる負の空気量との双方を検出し、
   検出した空気量を、正の空気量が大であるほど高い周波数で、かつ負の空気量の絶対値が大であるほど低い周波数となる、所定の特性の周波数信号に変換して出力し、
   この周波数信号をエンジンコントローラ側で空気量に変換し、ここで、負の空気量に対応する所定の周波数よりも低い周波数信号に対してはダミー出力として正の空気量を出力し、
   この空気量に基づいて燃料噴射量を制御する、
   内燃機関の制御方法。
6. 周波数信号から空気量への変換を所定のテーブルを用いて行い、このテーブルが、ダミー出力を含む特性を有する、請求項５に記載の内燃機関の制御方法。
7. 上記エアフロメータと上記エンジンコントローラとの間のハーネスが断線ないし短絡していると周波数の異常から診断したときに、上記エアフロメータに依存しないフェールセーフモードに移行する、請求項５または６に記載の内燃機関の制御方法。

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