JP5263185B2 - 空燃比推定システム - Google Patents

Description

この発明は、空燃比推定システムに関する。

従来、例えば特許文献１には、筒内圧センサを用い、所定クランク角間において筒内圧Ｐを検出し、検出した筒内圧Ｐと、その検出時における筒内容積ＶとからＰＶ^κ（κは比熱比）の差を算出し、算出したＰＶ^κの差と、燃焼室内における発熱量Ｑとの相関を利用して、空燃比を推定する方法が開示されている。

上記方法では、空燃比の算出に必要な吸入空気及び供給燃料の質量の代わりに、吸入空気の熱量Ｑ_ａｉｒ、供給燃料の燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌを用いている。熱量Ｑ_ａｉｒ、発熱量Ｑ_ｆｕｅｌは、所定のクランク角間に対する発熱量Ｑの変化パターンと、クランク角に対するＰＶ^κの変化パターンとが概ね一致（相似）するという知見に基づき、ＰＶ^κに基づき推定される。具体的に、熱量Ｑ_ａｉｒは、吸気弁開放時のクランク角と、閉塞時のクランク角間におけるＰＶ^κの差から推定される。同様に、発熱量Ｑ_ｆｕｅｌは、点火時または着火時のクランク角と、燃焼の実質的終了時のクランク角間におけるＰＶ^κの差から推定される。

特開２００６−１４４６４３号公報 特開２００８−２７４８１１号公報

しかしながら、実際の燃焼においては、点火時期や着火時期の違いが燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌに影響を及ぼしてしまう。図１は、クランク角θに対するＰＶ［ｋＪ］の変化を示した図である。図１に示す実線（ａ）〜（ｃ）は、点火時期及び空燃比の組み合わせの異なる３つの場合について、クランク角θに対するＰＶの変化をそれぞれ示したものである。具体的に、実線（ａ）は点火時期ＭＢＴ、空燃比を１４．６に制御した場合に、（ｂ）は点火時期ＭＢＴ−１０°（遅角）、空燃比を１４．６に制御した場合に、（ｃ）は点火時期ＭＢＴ、空燃比を１９に制御した場合に、それぞれ対応する。なお、ＰＶは、実測した筒内圧Ｐに基づき算出したものである。また、クランク角θ＝０°は圧縮上死点に対応し、クランク角θが０°よりもマイナスの値を示す領域は圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）に、０°よりもプラスの値を示す領域は圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）に対応する。

図１の実線（ｂ）に示すように、ＭＢＴ−１０°で点火すると、点火時期が遅角された分、実線（ａ）よりもＰＶのピーク到達タイミングが遅れる。加えて、ＰＶのピーク値そのものも、実線（ａ）に比べて大きくなる。ＰＶのピーク値が大きくなれば、ＰＶの変化パターンに相似する発熱量Ｑ_ｆｕｅｌも大きくなる。このことから、点火時期を変更すると、発熱量Ｑ_ｆｕｅｌが変化してしまうことが分かる。

一方、図１の実線（ｃ）に示すように、空燃比を１９で制御する場合、空燃比を１４で制御する実線（ａ）の場合とほぼ同時にＰＶのピークに到達する。しかしながら、実線（ｂ）のＰＶは、実線（ａ）のＰＶよりもピーク値が大きくなる。空燃比を１９で制御する場合には、空燃比１４．６で制御する場合に比べて吸入空気量が多くなるので、吸入空気は高圧となるからである（燃焼噴射量は一定と仮定する）。このことから、吸入空気の圧縮比が高くなると、ＰＶのピーク値が大きくなることが分かる。

以上のことから、燃焼による発熱量Ｑ_ｆｕｅｌは、点火時期の進角・遅角制御や、エンジン負荷によって変化してしまう。このため、供給した燃料の燃焼による発熱量を用いて空燃比を推定する方法では、高精度に空燃比が推定できないという問題があり、依然として改良の余地があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、空燃比を高精度に推定可能な空燃比推定システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、空燃比推定システムであって、
気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記気筒の筒内温度を検出する筒内温度検出手段と、
内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
排気弁開時における筒内圧及び筒内温度の値を用い、気体の状態方程式に従って、前記気筒内の燃焼ガスの組成に関するパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
内燃機関の１サイクル毎に、前記吸入空気量と前記パラメータとの関係に基づいて空燃比を推定する空燃比推定手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記空燃比推定手段は、燃焼ガスの組成に関するパラメータと、空燃比との関係を吸入空気量毎に示したマップを予め記憶しており、算出した前記パラメータ及び検出した吸入空気量を前記マップと照合することにより、空燃比を推定することを特徴とする。

また、第３の発明は、上記の目的を達成するため、空燃比推定システムであって、
気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記気筒の筒内温度を検出する筒内温度検出手段と、
内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路を通って前記吸気通路に還流させる排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
排気弁開時における筒内圧及び筒内温度の値を用い、気体の状態方程式に従って、前記気筒内の燃焼ガスの組成に関するパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
内燃機関の１サイクル毎に、前記吸入空気量及び前記排気ガス量と、前記パラメータとの関係に基づいて空燃比を推定する空燃比推定手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記空燃比推定手段は、燃焼ガスの組成に関するパラメータと、空燃比との関係を吸入空気量毎に示したマップを予め記憶しており、算出した前記パラメータ、検出した吸入空気量及び取得した前記排気ガス量を前記マップと照合することにより、空燃比を推定することを特徴とする。

第１、第２の発明によれば、排気弁開時おいて燃焼室内で成立する気体の状態方程式に、筒内圧及び筒内温度を代入することで、燃焼ガスの組成に関するパラメータを算出できる。このパラメータは、空燃比と相関がある。従って、空燃比を高精度に推定できる。

吸気通路に排気ガスを還流させる場合には、その排気ガスの分だけ排気弁開時期における燃焼ガスの組成に関するパラメータの値が変化する。第３、第４の発明によれば、排気ガス分の補正が可能となる。従って、排気ガスを還流させる場合であっても空燃比を高精度に推定できる。

クランク角θに対するＰＶ［ｋＪ］の変化を示した図である。 実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 吸入空気量を一定とした場合の、排気弁開時期におけるｎ・Ｒと、空燃比との関係について示した図である。 実施の形態１において、演算処理装置５０によって実行される処理の流れを示す図である。 外部ＥＧＲがある場合における、排気弁開時期におけるｎ・Ｒと、空燃比との関係について示した図である。 実施の形態２において、演算処理装置５０によって実行される処理の流れを示す図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図２乃至図４の各図を参照して説明する。

［システム構成の説明］
図２は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図２に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関（以下、単に「エンジン」と称す。）１０を備えている。エンジン１０は、スパークプラグ１２を備えた火花点火式の４ストロークレシプロエンジンである。また、筒内に燃料を直接噴射する燃料直噴式のインジェクタ１４を備えた筒内直噴エンジンでもある。図２では１つの気筒のみが描かれているが、一般的な車両用のエンジンは複数の気筒から構成されている。

エンジン１０には、クランク軸が所定回転角だけ回転する度に信号ＣＡを出力するクランク角度センサ１６が取り付けられている。クランク角度センサ１６の信号ＣＡからは、クランク角θ（クランク軸の回転位置）、エンジン回転数ＮＥや、クランク角θによって幾何学的に定まる筒内容積Ｖ等を計算することができる。

更に、エンジン１０の少なくとも１つの気筒には、筒内圧Ｐを測定するための筒内圧センサ１８が取り付けられている。気筒に接続された吸気通路の入口には、吸気通路を流れる吸入空気量Ｇａを検出するエアフロメータ２０が設けられている。エアフロメータ２０の下流には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットル２２が設けられている。

エンジン１０のシリンダヘッドには、吸気弁２４及び排気弁２６が設けられている。吸気弁２４や排気弁２６は、可変動弁機構（図示せず）によって開弁特性を変更可能に構成されている。また、排気弁２６近傍の排気ポートには、排気ガスの温度を測定するための排気温度センサ２８が取り付けられている。

また、本実施形態のシステムは、演算処理装置５０を備えている。演算処理装置５０は、クランク角度センサ１６、筒内圧センサ１８、エアフロメータ２０、排気温度センサ２８等からの信号を処理し、その処理結果をスパークプラグ１２、インジェクタ１４、スロットル２２や可変動弁機構等のアクチュエータの操作に反映させている。

上述したように、供給した燃料の燃焼による発熱量は、点火時期の進角・遅角制御や、エンジン負荷によって変化してしまう。このため、本実施の形態１では、筒内圧センサ１８及び排気温度センサ２８の出力値を用い、気体の状態方程式に従って空燃比推定を行うこととしている。即ち、本実施の形態１によれば、供給した燃料の燃焼による発熱量を用いることなく空燃比を求めることができる。また、空燃比センサを用いることなく空燃比を求めることができる。加えて、筒内圧センサや温度センサの応答性は、空燃比センサの応答性に比べて高いので、始動直後から緻密な空燃比制御が可能となる。従って、本実施の形態１によれば、排気エミッションの向上が期待できる。

気体の状態方程式は、次式（１）で表される。
Ｐ・Ｖ＝ｎ・Ｒ・Ｔ ・・・（１）
燃焼後の燃焼室内の気体（排気ガス）が上式（１）に従うものとすると、排気弁開時期（ＥＶＯ）においては、次式（２）が成立する。
Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ＝ｎ・Ｒ・Ｔｅｘ（Ｒは定数）
⇔ｎ・Ｒ＝Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／Ｔｅｘ ・・・（２）

従って、式（２）の右辺に、排気弁開時期における筒内圧Ｐ_ＥＶＯ、筒内容積Ｖ_ＥＶＯ及び筒内温度Ｔｅｘを適用すれば、排気弁開時期のｎ・Ｒが得られる。上述したように、筒内容積Ｖ_ＥＶＯは、クランク角θによって幾何学的に定まる。よって、筒内圧Ｐ_ＥＶＯ及び筒内温度Ｔｅｘを適用すれば、排気弁開時期のｎ・Ｒが得られる。

ここで、排気ガスは、燃焼室内における燃焼ガスであるので、排気弁開時期におけるｎ・Ｒについて、次式（３）が成立する。
ｎ・Ｒ＝ｎ_Ｏ２・Ｒ_Ｏ２＋ｎ_ＣＯ２・Ｒ_ＣＯ２＋・・・ ・・・（３）
式（３）から、ｎ・Ｒは、排気弁開時期における排気ガスの組成によって変化する値であることが分かる。更に言えば、ｎ・Ｒは、吸入空気や供給燃料によって変化する値であることが分かる。従って、ｎ・Ｒは、空燃比と相関があることが分かる。以上のことから、筒内圧Ｐ_ＥＶＯ及び筒内温度Ｔｅｘを適用すれば、空燃比が算出できることになる。

ところで、ｎ・Ｒは、エンジン負荷によって変化する。図３は、吸入空気量を一定とした場合の、排気弁開時期におけるｎ・Ｒと、空燃比との関係について示した図である。図３に示すように、負荷率ＫＬが２０％から３０％となると、排気弁開時期におけるｎ・Ｒの値が上昇する。ここで負荷率ＫＬは、１サイクル当たりに筒内に実際に吸入される空気量と相関するので、負荷率ＫＬは、圧縮比とも相関することになる。そして排気弁開時期におけるｎ・Ｒの値が変化すれば、ｎ・Ｒを算出したとしても正確な空燃比を求めることができないことになる。

そこで、本実施の形態１においては、気体の状態方程式から導出したｎ・Ｒに対して圧縮比分の補正を施す。そして、この補正値と、空燃比との関係に基づいて、空燃比を算出することとした。

圧縮比補正分を考慮したｎ・Ｒと空燃比との間には、次式（４）の関係が成立する。
Ａ／Ｆ＝［｛（Ａ＋Ｆ）／Ａ｝−１］^−１∝［｛Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／（Ｔｅｘ・Ｍａｉｒ）−１｝］^−１ ・・・（４）
式（４）において、Ｍａｉｒはエアフロメータ２０で検出した新気の質量である。Ｍａｉｒは、公知の手法（例えば筒内ＤＪ法）により算出した値を用いてもよい。圧縮比補正分を考慮したｎ・Ｒと、空燃比との関係については、予め実験、シミュレーション等によりマップとして作成され、演算処理装置５０内に予め格納されているものとする。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、演算処理装置５０によって実行される空燃比算出の手順について、図４のフローチャートを用いて説明する。

図４に示すルーチンでは、先ず、排気弁開時において、筒内圧Ｐ_ＥＶＯが検出される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、筒内圧センサ１８により、排気弁開時における筒内圧Ｐ_ＥＶＯが検出される。筒内圧Ｐ_ＥＶＯは、クランク角θ＝θ_ＥＶＯとなるタイミングで取得される。後述するが、筒内圧Ｐ_ＥＶＯは、排気温度センサ２８の応答性を考慮して、５サイクル程度の平均値を用いることが望ましい。

該筒内圧Ｐ_ＥＶＯの検出と同時に、筒内温度Ｔｅｘが検出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的に、排気温度センサ２８により、排気弁開時における筒内温度Ｔｅｘが検出される。排気温度センサ２８は熱容量があるため、応答性を考慮して、５サイクル程度の平均値を用いることが望ましい。更に、空気質量Ｍａｉｒが算出される（ステップ１０４）。ここでは、具体的に、エアフロメータ２０により検出した吸入空気量Ｇａに基づいて算出されたＭａｉｒが読み出される。

続いて、Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／Ｔｅｘから空燃比が算出される（ステップ１０６）。ここでは、具体的に、ステップ１００〜１０４で検出ないし読み出された各種のデータが［｛Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／（Ｔｅｘ・Ｍａｉｒ）−１｝］^−１に代入される。そして、得られた値に対応する空燃比をキーとして、演算処理装置５０内に予め格納されているマップから検索する。これにより、空燃比を求めることができる。

以上説明したとおり、図４に示すルーチンによれば、点火時期や圧縮比の違いに由来する空燃比の誤差を補正することができる。従って、空燃比を高精度に推定することができる。

なお、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ１８が前記第１の発明における「筒内圧検出手段」に、排気温度センサ２８が前記第１の発明における「筒内温度取得手段」に、エアフロメータ２０が前記第１の発明における「吸入空気量検出手段」に、それぞれ相当している。また、演算処理装置５０が、上記ステップ１０６において、ステップ１００〜１０４で検出ないし読み出された各種のデータを［｛Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／（Ｔｅｘ・Ｍａｉｒ）−１｝］^−１に代入することにより前記第１の発明における「パラメータ算出手段」が、上記ステップ１０６において、得られた値に対応する空燃比をキーとして、演算処理装置５０内に予め格納されているマップから検索することにより前記第１の発明における「空燃比推定手段」が、それぞれ実現されている。

尚、本実施の形態１においては、排気温度センサ２８を排気ポートに設けたが、排気温度センサ２８を気筒内に直接設けてもよい。その他、排気弁開時期において、燃焼室内の温度を測定できる公知の手段は、排気温度センサ２８の代わりに用いることができる。また、本発明が適用されるエンジンは、上述の実施の形態１のような筒内直噴エンジンには限定されない。ポート噴射式のエンジンにも本発明の適用は可能である。また、火花点火式のエンジンに限らず、圧縮自着火式のエンジンにも本発明を適用することができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図５及び図６を参照して説明する。
本実施の形態２は、図２に示すシステムに外部ＥＧＲシステムを追加した構成を前提し、後述する図６のルーチンを実行させることをその特徴とする。なお、外部ＥＧＲシステム自体は公知のシステムであるため、その構成等の説明について省略する。

［外部ＥＧＲを考慮した場合の空燃比推定］
外部ＥＧＲシステムを搭載した場合には、吸入空気量はエアフロメータ２０を通過した新気のみを考慮すればよい。しかしながら、外部ＥＧＲがある場合には、燃料室内に排気ガスが流入して総ガス量が増えることになるので、外部ＥＧＲをも考慮する必要がある。

図５は、外部ＥＧＲがある場合の、排気弁開時期におけるｎ・Ｒと、空燃比との関係について示した図である。図５に示すように、外部ＥＧＲがある場合には、排気ガス分だけ排気弁開時期におけるｎ・Ｒの値が上昇する。排気弁開時期におけるｎ・Ｒの値が上昇すれば、ｎ・Ｒを算出したとしても正確な空燃比を求めることができないことになる。そこで、本実施の形態２においては、気体の状態方程式から導出したｎ・Ｒに対して外部ＥＧＲ分の補正を施す。そして、この補正値と、空燃比との関係に基づいて、空燃比を算出することとした。

外部ＥＧＲ分を考慮したｎ・Ｒと空燃比との間には、次式（５）の関係が成立する。
Ａ／Ｆ＝［｛（Ａ＋Ｆ）／Ａ｝−１］^−１∝［［｛（Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／Ｔｅｘ）−Ｋ×ＥＧＲ＋ＯＦＳ｝／Ｍａｉｒ］−１］^−１ ・・・（５）
式（５）において、Ｋ×ＥＧＲの項はＥＧＲ率に関する補正項であり、ＯＦＳは一次相関に関する項である。

［実施の形態２の具体的処理］
次に、演算処理装置５０によって実行される空燃比算出の手順について、図６のフローチャートを用いて説明する。

図６に示すルーチンでは、実施の形態１の図４と同様に、先ず、排気弁開時において、筒内圧Ｐ_ＥＶＯが検出される（ステップ１００）。次に、該筒内圧Ｐ_ＥＶＯの検出と同時に、筒内温度Ｔｅｘが検出される（ステップ１０２）。更に、空気質量Ｍａｉｒが算出される（ステップ１０４）。

続いて、ＥＧＲ率が算出される（ステップ１０８）。ここでは、例えば、燃焼速度や比熱比、ＥＧＲバルブ開度マップにより算出される。続いて、Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／Ｔｅｘから空燃比が算出される（ステップ１１０）。ここでは、具体的に、ステップ１００〜１０４、１０８で検出ないし読み出された各種のデータが［［｛（Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／Ｔｅｘ）−Ｋ×ＥＧＲ＋ＯＦＳ｝／Ｍａｉｒ］−１］^−１に代入される。そして、得られた値に対応する空燃比をキーとして、演算処理装置５０内に予め格納されているマップから検索する。これにより、空燃比を求めることができる。

以上説明したとおり、図６に示すルーチンによれば、外部ＥＧＲの導入に由来する空燃比の誤差を補正することができる。従って、外部ＥＧＲシステムを適用した場合であっても、空燃比を高精度に推定することができる。

なお、上述した実施の形態２においては、筒内圧センサ１８が前記第３の発明における「筒内圧検出手段」に、排気温度センサ２８が前記第３の発明における「筒内温度取得手段」に、エアフロメータ２０が前記第３の発明における「吸入空気量検出手段」に、それぞれ相当している。また、演算処理装置５０が、上記ステップ１０６において、ステップ１００〜１０４で検出ないし読み出された各種のデータを［［｛（Ｐ_ＥＶＯ・Ｖ_ＥＶＯ／Ｔｅｘ）−Ｋ×ＥＧＲ＋ＯＦＳ｝／Ｍａｉｒ］−１］^−１に代入することにより前記第３の発明における「パラメータ算出手段」が、上記ステップ１１０において、得られた値に対応する空燃比をキーとして、演算処理装置５０内に予め格納されているマップから検索することにより前記第３の発明における「空燃比推定手段」が、それぞれ実現されている。

１０ エンジン
１８ 筒内圧センサ
２０ エアフロメータ
２８ 排気温度センサ
５０ 演算処理装置

Claims (4)

1. 気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記気筒の筒内温度を検出する筒内温度検出手段と、
   内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   排気弁開時における筒内圧及び筒内温度の値を用い、気体の状態方程式に従って、前記気筒内の燃焼ガスの組成に関するパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
   内燃機関の１サイクル毎に、前記吸入空気量と前記パラメータとの関係に基づいて空燃比を推定する空燃比推定手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比推定システム。
2. 前記空燃比推定手段は、燃焼ガスの組成に関するパラメータと、空燃比との関係を吸入空気量毎に示したマップを予め記憶しており、算出した前記パラメータ及び検出した吸入空気量を前記マップと照合することにより、空燃比を推定することを特徴とする請求項１の空燃比推定システム。
3. 気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   前記気筒の筒内温度を検出する筒内温度検出手段と、
   内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路を通って前記吸気通路に還流させる排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
   排気弁開時における筒内圧及び筒内温度の値を用い、気体の状態方程式に従って、前記気筒内の燃焼ガスの組成に関するパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
   内燃機関の１サイクル毎に、前記吸入空気量及び前記排気ガス量と、前記パラメータとの関係に基づいて空燃比を推定する空燃比推定手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比推定システム。
4. 前記空燃比推定手段は、燃焼ガスの組成に関するパラメータと、空燃比との関係を吸入空気量毎に示したマップを予め記憶しており、算出した前記パラメータ、検出した吸入空気量及び取得した前記排気ガス量を前記マップと照合することにより、空燃比を推定することを特徴とする請求項３の空燃比推定システム。

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