JP3672210B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関し、さらに詳細には、過給機付内燃機関の過給が行われている場合における付着燃料補正量を演算する付着燃料補正量演算手段を備え、付着燃料補正手段に応じて空燃比を調整する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、内燃機関への燃料供給は、内燃機関の燃焼室へ流入する吸入空気流量をエアフローメータにより計測し、その吸入空気流量に応じて内燃機関に必要な燃料量を演算し、燃料タンク内の燃料を燃料噴射弁により吸気管に供給する電子制御燃料噴射システムが実施されている。
ここで、燃料噴射弁から噴射された燃料は、一旦吸気管の内壁面に付着した後蒸発して、燃焼室に送り込まれる。内燃機関が定常状態であれば、燃料の壁面付着量は一定であり、問題とならないが、加速時においては、付着量が増加するため、実際に内燃機関の燃焼室に供給される混合ガスの空燃比が、設定空燃比よりリーンになり、また、減速時においては、付着していた燃料が剥離するため、設定空燃比よりリッチとなり、各々燃焼が不完全となる問題がある。
【0003】
従来より、この問題を解決するため、内燃機関の空燃比制御装置においては、内燃機関の冷却水温を計測し、その冷却水温に応じて加減速時における壁面付着量の補正制御を行っている。
例えば、特開昭63−215848号公報、特開平4−342844号公報等においては、壁面付着量の変化量を冷却水温で補正する場合に、即時補正項とテーリング補正項とを用いて、冷却水温による異なる補正係数で補正している。
【0004】
すなわち、スロットルバルブ開閉により発生した燃料の壁面付着量efmW(単位mSec)は、式1のようになる。
【数1】
Figure 0003672210
【0005】
ここで、edlqmW*ekmW1が即時補正項であり、eqtrn0*ekmW2がテーリング補正項であり、t_kthWxが燃料噴射量に反映する時の補正係数(以下、反映時補正係数という。)である。ここで、加速側の反映時補正係数はt_kthWaで表し、減速側の反映時補正係数はt_kthWdで表している。また、efmWstが内燃機関スタート時の燃料補正項である。
そして、edlqmWが、各気筒吸気行程間の壁面付着変化量(単位mSec)であり、ekmW1が、即時補正係数であり、eqtrn0が、即時補正分からの残余蓄積量であり、ekmW2がeqtrn0の減衰係数である。
【0006】
次に、具体例で上記補正を説明する。前提条件として、冷却水温−10℃、ベースA/F=13.0と仮定する。また、供給空気量が所定値未満では、ベースTAU=2.0mS、テーリング=0.01mSとし、供給空気量が所定値以上では、TAU=10.0mS、テーリング=0.30mSと仮定する。
従来、加速側の反映時補正係数であるt_kthWaは、図5の表に示すように、冷却水温thWから一義的に決められていた。この表によれば、水温−10℃のとき、反映時補正係数t_kthWa=13.7である。
従って、加速が開始されてしばらく時間経過した時のテーリング噴射量は、0.01mS*13.7=0.137mSである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の内燃機関の空燃比制御装置には、次のような問題点があった。
従来行われていた補正は、スロットルバルブの開閉による過渡時の吸気管壁面への燃料の付着、及び蒸発により発生する空燃比の荒れを防止することを目的としたものであった。従来は、この過渡を判定するために、スロットルバルブの開度の変化や吸入空気量の変化を用いているが、過給機付内燃機関の場合、本来補正を実施したい状態が終了した後でも、過給により吸入空気が増加し続ける場合がある。この場合に、本来過渡時ではないのに、過渡時と誤判定して、過度に補正してしまう問題があった。
【0008】
具体的には、従来技術において、加速状態が継続されたときテーリング噴射量は、0.30mS*13.7=4.11mSとなる。これは、ベース噴射量10mSに対して、4.11mSを加算することを意味する。従って、補正されたA/Fは、ベースA/F=13に対して、13*10/(10+4.11)=9.2となる。
一方、過給機による過給が行われる領域においては、排気温度上昇防止対策、耐ノック向上対策として、空燃比をリッチ側に設定することが行われている。これは、空燃比をリッチとすることで燃焼効率を低下させるためである。
例えば、自然吸気内燃機関のA/F=約12に対し、過給内燃機関のA/F=約9.5とされている。
従って、テーリング補正がかかっている時に、同時に過給が行われている領域での補正がかけられた場合には、A/Fは、よりリッチ側となるため、オーバリッチ状態となる。そして、A/Fがオーバーリッチ状態になると、燃費が悪化する問題、未燃焼の燃料によりプラグがくすぶる問題、さらには、失火に至る問題がある。
【0009】
本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、過給が行われる領域における壁面付着補正により、A/Fがオーバーリッチにならなくするための内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の内燃機関の空燃比制御装置は、次のような構成を採っている。
(1)内燃機関の燃焼室内に流入する空気量相当値に応じて、吸気管の燃料の壁面付着量を演算する付着量演算手段と、今回演算された前記付着燃料量と前回演算された付着燃料量との差分に基づいて、付着燃料補正量を演算する付着燃料補正量演算手段と、付着燃料補正量に応じて前記内燃機関の空燃比を調整する空燃比調整手段とを有する内燃機関の空燃比制御装置であって、内燃機関の冷却水温を計測する冷却水温計測手段と、吸気管における吸気圧力を計測する吸気圧計測手段とを有し、前記付着燃料補正量演算手段が、前記吸気圧計測手段が計測した吸気圧力と、前記冷却水温計測手段が計測した冷却水温との2つのパラメータにより、前記付着燃料補正量を算出することを特徴とする。
【0011】
(2)(1)に記載する内燃機関の空燃比制御装置において、前記冷却水温と前記吸気圧力との2つのパラメータによる2次元的マップにより前記付着燃料補正量を算出することを特徴とする。
【0012】
次に、上記構成を有する内燃機関の空燃比制御装置の作用を説明する。
過給機が過給を行っていることは、吸気管における圧力を計測することにより、認知することができる。すなわち、過給を行わずに大気圧(100KPa)をそのまま導入している場合には、内燃機関が燃焼すると、吸気管の圧力は、98KPa程度の負圧となるのが通常である。それが、過給機による過給が行われると、110KPa等の正圧が検出されるからである。
従って、冷却水温について20℃毎の反映時補正係数を横軸に採り、吸気圧計測手段が計測した吸気管の吸気圧力について10KPa毎の反映時補正係数を縦軸に採ることにより、冷却水温と吸気管圧力との2次元的マップから反映時補正係数を読み出すことができる。2次元的マップを用いて反映時補正係数を記憶していることにより、複雑な演算による無駄な時間をなくし、制御を迅速に行うことができる。
さらに、冷却水温及び吸気圧力が中間値を取る場合には、各々直線補完を行うことにより、精確な補正を行うことができる。
【0013】
過給が行われている場合には、吸気管圧力が、例えば110KPaと高くなるが、本発明の2次元マップにおいては、吸気管圧力が高い場合の反映時補正係数を、吸気管圧力が低い場合の反映時補正係数よりも、低い値として定めているので、過給による制御により別に空燃比がリッチに設定されても、トータルとして、従来より空燃比を薄くすることができる。
内燃機関冷却水温と、吸気管内圧による2次元マップを用いることにより、通常のスロットルバルブの開閉による過渡状態では発生することのない、吸気管内が正圧になる領域においては、付着燃料補正量を少なくして過度の補正を防止しているのである。
【0014】
すなわち、具体的には、吸入空気量が例えば、小から大へ変化した時には平衡状態に移行すべく燃料噴射量の内の所定量が壁面に付着する。この平衡状態になるまでの付着量は、今回の処理周期における付着燃料量と前回の処理周期における付着燃料量との差から算出することができる。しかし、付着燃料補正分が一挙に付着されるわけではなく少しずつ平衡状態に移行する。そのため、今回の処理周期で付着される燃料補正分の割合を用いて今回の処理周期で付着される燃料補正分を求めている。さらに、前回付着しようとしてまだ付着していない分を求める。上記2つの燃料補正分を加算することにより、今回の処理周期で燃料補正する量を求められる。
そして、この燃料補正を行うことにより、低温時燃費の悪化を防止し、プラグのくすぶりを防止することができる。さらには、失火の発生を防止することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態である内燃機関の空燃比制御装置について図面に基づいて詳細に説明する。図2に制御装置を含む内燃機関の構成を示す。
ガソリンエンジン10は、シリンダ内を摺動するピストン12、ピストン12上に形成された燃焼室11、燃焼室に燃料と空気の混合ガスを供給するための吸気弁13、燃焼後の排気を排出するための排気弁19を有している。シリンダを冷却するための冷却水の通路である冷却水路29には、冷却水の温度を計測するための水温センサ14が取り付けられている。
吸気弁13は、吸気管15と連通している。吸気管15には、燃料噴射弁16が設けられている。また、吸気管15は、サージタンク27に連通している。サージタンク27には、吸気圧力を計測するための吸気圧計測手段である圧力センサ20が取り付けられている。
【0016】
サージタンク27の上流の配管経路には、吸気空気量を調整するためのスロットルバルブ21が取り付けられている。スロットルバルブ21の上流には、インタークーラ22が取り付けられている。インタークーラ22の上流には、過給機であるターボチャージャ23が取り付けられている。ターボチャージャ23の上流の配管路26には、空気量を計測するためのエアフローメータ25が取り付けられている。
一方、排気弁19は、排気管18と連通している。排気管18には、ターボチャージャ23の駆動部である排気回転部24が取り付けられている。
【0017】
一方、圧力センサ20、水温センサ14、エアフローメータ25等が、内燃機関の空燃比制御装置を含む制御装置28に接続されている。制御装置28は、一般的なCPU、ROM、RAM、I/O等で構成されているので詳細な構成は説明を省略する。ROMの中に本発明の特徴部分である制御プログラム・FMW演算ルーチンが記憶されており、CPUにより制御が実行される。
【0018】
内燃機関の空燃比制御装置の制御プログラムであるFMW演算ルーチンを図1に示す。このプログラムの目的は、加速時または減速時の付着燃料補正量(単位mSec)であるekfmWa、ekfmWdを演算により求めることである。その具体的手法は、S11からS17に記載している。
すなわち、冷却水温計測手段である水温センサ14より水温thWを読み込み、回転検出器によりガソリンエンジン10の回転数eneを読み込み、ターボ過給圧として、吸気圧計測手段である圧力センサ20よりサージタンク27の吸気圧力pmsmを読み込む(S11)。
【0019】
次に、反映時補正係数t_kthWxを水温thW及び吸気圧力pmsmより算出する(S12)。ここで、加速側の反映時補正係数はt_kthWaで表し、減速側の反映時補正係数はt_kthWdで表している。
具体的には、例えば、加速側の反映時補正係数t_kthWaは、図3に示すように、冷却水温については、摂氏−30℃から80℃まで、20℃毎の反映時補正係数を横軸に採り、吸気圧計測手段が計測した吸気管の吸気圧力については、大気圧である100KPaを中心に上下10KPaの反映時補正係数を縦軸に採っている。これにより、冷却水温と吸気管圧力との2次元的マップから反映時補正係数を読み出すことができる。2次元的マップを用いて反映時補正係数を記憶していることにより、複雑な演算による無駄な時間をなくし、制御を迅速に行うことができる。
【0020】
さらに、冷却水温及び吸気圧力が中間値を取る場合には、各々直線補完を行うことにより、精確な補正を行うことができる。
本実施の形態では、吸気圧力pmsmの最大値として110KPaを採っており、吸気圧力pmsmが110KPaを越える場合には、pmsm=110KPaとして処理している。過給が行われる場合でも、pmsm=110KPaで処理すれば、過給が行われてもオーバーリッチとならない範囲となし得るからである。
【0021】
そして、加速側の反映時補正係数t_kthWaまたは減速側の反映時補正係数t_kthWdが1.0を越える場合には(S13,YES)、回転数eneを補正するために、t_kneを算出する。回転数補正の手法は、従来技術であるので詳細な説明を省略する。
次に、加速側の反映時補正係数t_kthWaまたは減速側の反映時補正係数t_kthWdとして、S12で求めたものにt_kneを乗算したものを採用する(S15)。そして、冷間始動後流出燃料補正項ekthWstを算出する(S16)。
一方、加速側の反映時補正係数t_kthWaまたは減速側の反映時補正係数t_kthWdが1.0を越えない場合には(S13,NO)、S16へ進む。
加速側の反映時補正係数t_kthWaまたは減速側の反映時補正係数t_kthWdが1.0を越えない場合に、回転数補正を行わないのは、付着燃料補正量自体が小さいため、複雑な処理を行わなくても値が大きく変化しないからである。
【0022】
次に、補正した反映時補正係数t_kthWxにより、従来技術で説明した式1を用いて壁面付着量efmWを算出する(S17)。ここで、加速側の反映時補正係数はt_kthWaで表し、減速側の反映時補正係数はt_kthWdで表している。
S17の式について説明する。吸入空気量が例えば、小から大へ変化した時には平衡状態に移行すべく燃料噴射量の内の所定量が壁面に付着する。この平衡状態になるまでの付着量は、今回の処理周期における付着燃料量と前回の処理周期における付着燃料量との差であるedlqmWから算出することができる。しかし、付着燃料補正分edlqmWが一挙に付着されるわけではなく少しずつ平衡状態に移行する。そのため、今回の処理周期で付着される燃料補正分の即時補正係数ekmW1(これは回転数と冷却水温に応じて予め決められている)を用いて今回の処理周期で付着される燃料補正分edlqmW*ekmW1を求める。
【0023】
さらに、前回付着しようとしてまだ付着していない分をeqtrn0*ekmW2で求める。ここで、ekmW2は回転数に応じて予め決められている。上記2つの燃料補正分を加算することにより、今回の処理周期で燃料補正する量を求めている。
さらに、この燃料補正する量にS12で算出した吸気圧力と冷却水温による反映時補正係数t_kthWxを乗算することにより、冷間始動後でない場合における付着燃料補正量efmWが算出される。
【0024】
次に、付着燃料補正量efmWに基づいて、燃料噴射量を補正する方法について説明する。図6に燃料噴射量TAUの計算ルーチンをフローチャートで示す。
所定クランク角周期でTAU計算ルーチンが起動されると、CPUはガソリンエンジン10の回転数ene、吸気管圧力pmsm、及び図1のFMW演算ルーチンで算出した付着燃料補正量efmWを各々取り込んだ後(S21)、pmsmとeneから基本燃料噴射時間TPを算出する(S22)。
次に、基本燃料噴射時間TPに暖機増量、空燃比フィードバック補正係数他種々の補正係数βを乗算し、その乗算結果に付着燃料補正量efmWを加算して燃料噴射時間TAUを算出する(S24)。
次に、噴射タイミングか否かを判定し(S25)、噴射タイミングであれば上記燃料噴射時間TAUの持続時間を有する駆動パルスが制御装置28より燃料噴射弁16に供給され、TAUの時間燃料噴射弁16を開弁して燃料噴射を実行させる(S26)。
【0025】
次に、図1のフローチャートに基づいて具体的な例を、従来技術で説明した例と同じ条件で説明する。
前提条件として、冷却水温−10℃、ベースA/F=13.0と仮定する。また、供給空気量が所定値未満では、ベースTAU=2.0mS、テーリング=0.01mSとし、供給空気量が所定値以上では、TAU=10.0mS、テーリング=0.30mSと仮定する。
【0026】
加速が開始されてしばらく時間経過した時には、未だ過給が行われていないから、大気圧(100KPa)をそのまま導入され、内燃機関が燃焼すると、吸気管の圧力は、90KPa程度の負圧となっている。
従って、加速側の反映時補正係数であるt_kthWaは、図3の表に示すように、水温thW=−10℃、かつ吸気圧力pmsm=90KPaのとき、加速側の反映時補正係数t_kthWa=13.7である。
従って、加速が開始されてしばらく時間経過した時のテーリング噴射量は、0.01mS*13.7=0.137mSである。
【0027】
次に、加速状態が継続されたときテーリング噴射量について説明する。過給が行われると、吸気圧力が上昇する。ここでは、吸気圧力pmsm=110KPaになったと仮定する。すると、加速側の反映時補正係数であるt_kthWaは、図3の表に示すように、水温thW=−10℃、かつ吸気圧力pmsm=110KPaのとき、加速側の反映時補正係数t_kthWa=5.5である。
従って、過給が行われている時のテーリング噴射量は、0.30mS*5.5=1.65mSとなる。これは、ベース噴射量10mSに対して、1.65mSを加算することを意味する。従って、補正されたA/Fは、ベースA/F=13に対して、13*10/(10+1.65)=11.1となる。
【0028】
従来技術では、過給が行われたときでも、図5の表が用いられていたため、水温thW=−10℃のとき、加速側の反映時補正係数t_kthWa=13.7であり、過給が行われている時のテーリング噴射量は、0.30mS*13.7=4.11mSとなり、補正されたA/Fは、ベースA/F=13に対して、13*10/(10+4.11)=9.2となることは、前に説明した通りである。
【0029】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置による場合と従来技術との結果を、図4に比較して示す。(a)は、本発明の場合であり、(b)は従来技術の場合である。(a)において、Aは壁面付着量efmWを示し、BはA/Fを示している。同様に、(b)において、Cは壁面付着量efmWを示し、DはA/Fを示している。(d)は、アクセル開度を示し、(c)は吸気圧力を示している。
アイドル状態から、(d)に示すようにアクセルを踏み込むと、(c)に示すように、加速が開始される。
従来は、(b)のDに示すように、過給が行われている時に、A/Fが9.2まで小さくなって、オーバリッチの状態となっていたが、本発明の内燃機関の空燃比制御装置によれば、(a)のBに示すように、過給が行われている時でも、A/Fが11.1までしか小さくならず、オーバリッチの状態とならないことを示している。
【0030】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の内燃機関の空燃比制御装置によれば、内燃機関の冷却水温を計測する水温センサ14と、吸気管における吸気圧力を計測する圧力センサ20とを有し、FMW演算ルーチンが、圧力センサ20が計測した吸気圧力と、水温センサ14が計測した冷却水温との2つのパラメータにより、付着燃料補正量を算出しているので、過給が行われたときでも、A/Fがあまり濃くならないため、オーバーリッチ状態となることがなく、燃費が悪化することがなく、未燃焼の燃料によりプラグがくすぶることがなく、さらには、失火が発生することもない。
【0031】
また、本実施の形態の内燃機関の空燃比制御装置によれば、図4に示すように、冷却水温と吸気圧力との2つのパラメータによる2次元的マップにより付着燃料補正量の反映時補正係数を記憶しているので、複雑な演算による無駄な時間をなくし、制御を迅速に行うことができる。
【0032】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。
例えば、本実施の形態では、過給が行われているか否かを計測した吸気圧力値に基づいて判断しているが、吸気圧力の代わりに充填効率や内燃機関の負荷率を用いて過給が行われているか否かを判断しても同じである。
【0033】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置によれば、内燃機関の冷却水温を計測する冷却水温計測手段と、吸気管における吸気圧力を計測する吸気圧計測手段とを有し、前記付着燃料補正量演算手段が、前記吸気圧計測手段が計測した吸気圧力と、前記冷却水温計測手段が計測した冷却水温との2つのパラメータにより、前記付着燃料補正量を算出しているので、通常のスロットルバルブの開閉による過渡状態では発生することのない、吸気管内が正圧になる領域においては、付着燃料補正量を少なくして過度の補正を防止でき、過給が行われたときでも空燃比があまり濃くならないため、オーバーリッチ状態となることがなく、燃費が悪化することがなく、未燃焼の燃料によりプラグがくすぶることがなく、さらには、失火が発生することもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の空燃比制御装置の制御プログラムの内容を示すフローチャートである。
【図2】内燃機関の全体構成を示す図である。
【図3】加速側の反映時補正係数t_kthWaを示す2次元的表図である。
【図4】ekfmWとA/Fとのデータ図である。
【図5】従来の加速側の反映時補正係数t_kthWaを示す表図である。
【図6】燃料噴射量TAUの計算ルーチンをフローチャートである。
【符号の説明】
11 燃焼室
14 水温センサ
15 吸気管
16 燃料噴射弁
20 圧力センサ
23 ターボチャージャ
27 サージタンク
28 制御装置

Claims (2)

  1. 過給機付内燃機関の燃焼室内に流入する空気量相当値に応じて、吸気管の燃料の壁面付着量を演算する付着量演算手段と、今回演算された前記付着燃料量と前回演算された付着燃料量との差分に基づいて、付着燃料補正量を演算する付着燃料補正量演算手段と、付着燃料補正量に応じて前記過給機付内燃機関の空燃比を調整する空燃比調整手段とを有する過給機付内燃機関の空燃比制御装置において、
    過給機付内燃機関の冷却水温を計測する冷却水温計測手段と、
    吸気管における吸気圧力を計測する吸気圧計測手段とを有し、
    前記付着燃料補正量演算手段が、前記吸気圧計測手段が計測した吸気圧力と、前記冷却水温計測手段が計測した冷却水温との2つのパラメータにより、前記付着燃料補正量を算出するものであって、
    前記吸気圧計測手段が計測した吸気圧力が、大気圧より小さい負圧である領域では、過給が行われていないと判断し、負圧用付着燃料補正量に基づいて前記空燃比を補正し、
    前記吸気圧計測手段が計測した吸気圧力が、大気圧より大きい正圧である領域では、過給が行われていると判断し、前記付着燃料補正量を前記負圧用付着燃料補正量より少なくして過度の補正を防止することを特徴とする過給機付内燃機関の空燃比制御装置。
  2. 請求項1に記載する内燃機関の空燃比制御装置において、
    前記冷却水温と前記吸気圧力との2つのパラメータによる2次元的マップにより前記付着燃料補正量を算出することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
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