JPS6238853A - 空燃比制御方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はエンジン制御装置に係り、特に空燃比及び点火
時期を好適に閉ループ制御するエンジン制御装置に関す
る。

〔発明の背景〕

従来のこの種の装置は、特開昭５５−１３４７３２号に
記載のように、点火時期、空燃比等の制御変数をメモリ
にマツプ化して記憶しておき、特定の運転域で上記制御
変数を所定値だけ変化させ、この変化によるエンジンの
運転状態変化を検出して、燃費率を向上させる方向にあ
れば前記所定値だけ変化させた制御変数を前記記憶のも
のと入れ変え最適制御するというような方法がある。

また、特開昭５６−１１０５３９号に記載のように、点
火時期はノックセンサで、空燃比は排気管中の酸素濃度
センサによって閉ループ制御し、設定値に対する補正値
をエンジン定常状態で遂次更新して運転状態ごとに記憶
させる方法がある。　　　　゛しかしこの種の方法の場
合、前者では制御手法が複雑化し易く、またその燃費率
向上の有無を検知するセンサに難点がある。また、後者
では、ノックの発生する領域は全体の一部であり、全運
転領域の点火時期閉ループ制御できない。また、空燃比
は最終的には酸素濃度センサ出力に対応した設定値のマ
ツプによって決定されており、この設定値マツプがエン
ジンの真の要求値からずれてきた場合には修正すること
ができない等の難点を有している。

〔発明の目的〕

本発明の目的とするところは、予め概略設定した目標空
燃比、目標点火時期に対応した制御値を記憶したマツプ
に対し、エンジンの燃焼圧力、火花放電から燃焼開始ま
での時間の変動等によりエンジンの最適制御値を求め、
この値を前記マツプの記憶値として記憶更新することに
より、全運転域のファインマツプ化を制御装置自身で自
動的に行い、製品開発におけるマツチングの簡略化、経
時変化補償の自動化を図ったエンジン制御装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、空燃比については、リー
ン領域と始動暖機領域においてエンジンのラブネスを燃
焼圧力センサあるいは燃焼火炎光センサにより検出し、
所定のラフネス領内に入るように空燃比を制御し、その
制御値をマツプに更新させ、また、点火時期については
、全運転域上記センサにより真の燃焼開始の点火時期を
検出し、これが予め設定した真の点火時期とずれている
場合、その偏差を零とすべく火花放電開始時期（通常こ
れを点火時期と称している）を制御し、その最適制御値
をマツプに更新させるようにしたエンジン制御装置であ
る。したがって、空燃比及び点火時期の制御マツプは当
初概略的な数値を記憶させておくだけで、その後エンジ
ンの燃焼状態を上記センサで検出して最適な状態になる
まで閉ループ制御し、その制御値をマツプに更新し、こ
れを各運転状態において行うことにより制御対象領域全
てを微細に更新し、最適値をマツプ化できる。

この微細修正マツプ化制御ループは、システム開発当初
、また、マツプに設定した値と制御された値とが任意の
値以−ヒに大きくずれた場合に行い、通常は、空燃比に
ついては酸素センサによる閉ル−プ制御、点火時期につ
いては上記マツプによる開ループ制御で良い。

ただし、マイクロコンピュータの処理能力が充分確保さ
れるならば常時上記制御ループの制御を加味しても良い
。

〔発明の実施例〕

以下、実施例により本発明を更に詳述する。

第１図は本発明の一実施例を示した全体構成図である。

ここでは多気筒エンジンのうち１つのエンジンの断面を
示しである。第１図において、エンジン１０１のピスト
ン１０２の上下動はクランク軸１０３の回転運動に変え
られて動力として出される。

一方、ピストン１０２の動きに応じて吸気弁１０４およ
び排気弁１０５は開閉し、吸気管１０７内の空気がシリ
ンダ１０８内に吸引され、同時に噴射弁１０９より吸気
弁１０４をめがけて燃料が噴射され、この燃料が空気と
混合されてシリンダ１０８内に充満し、ピストン１０２
で圧縮後、点火プラグ１０６により着火される。燃焼に
よる排気は排気弁１０５の開弁によって排気管１１０内
に吐出される。排気管１１０には排気中の余剰酸素濃度
からエンジンに吸引され空気、燃料の比をリッチ域から
リーン域まで検出するλ（ラムダ）センサ１２４が集合
部（第２図参照）に設置されている。

またエアクリーナ１２１の下流には吸気温度を検出する
吸気温センサ１２０（熱電対、測温抵抗体等）、吸入空
気量を瞬時に検出するエアフローセンサ１１９、絞り弁
１１６の開度を検出する開度センサ１１８、エンジン１
０１の冷却水温または壁温を検出する水温センサ１２３
及びクランク軸１０３の回転角度を検出するクランク角
センサ１１１が配置され、これらのセンサで検出した信
号は全てマイクロコンピュータを内蔵した制御回路１１
２に人力され、ここでの記憶、演算動作によって噴射弁
］０９及び点火プラグ１０６に対する開弁時間、点火時
期の駆動信号が発生される。

エンジンに吸引された空気量Ｑａは前述のエアフローセ
ンサ１１９の出力信号より算出できるが、第１図に示し
たごとく、吸気管１０７の途」二に設置した圧力センサ
１１５の出力信号とエンジン回転数すなわちクランク角
センサ１１１の出力信号から算出することもできる。

エアフロメータ１１９と絞り弁１１６と一体の吸気管１
０７は可どう性弾性体で形成された合成梗脂管１１７で
連結される。燃料はタンク１２５からポンプ１２７およ
びレギュレータ１２８で所定の圧力に制御されて噴射弁
１０９に圧送されている。

なお、１２２はバッテリであり、１３０はディストリビ
ュータである。

ここで点火プラグ１０６には第２図に示したような燃焼
圧力センサが設置され、その検出信号もアンプ１３１を
介してコントローラ１１２に導びかれている。

第２図（ａ）に示したように、燃焼圧力センサ１３２は
点火プラグ１０６の座余部にワッシャ型の圧電素子２０
１を一定トルクで締めっけ、燃焼圧力の大きさによって
変化する圧電素子の厚み間の加圧力変化を信号線２０２
で電気的に検出し、アンプ１３１で増幅、信号処理を行
いコントローラ１１２に送られる。第２図（ｂ）はこの
ワッシャ型圧電素子の上面図であり、第２図（ｃ）は断
面図である。素子は２枚でモールド２０３を介して接合
しており、素子の両極間に生ずる電位差を信号ｍ２０２
で取り出す構造となっている。

しかし、燃焼圧力センサはこの実施例のものに限定され
る訳でなく、いずれの方式でも良いことは云うまでもな
い。

また、燃焼圧力センサの代りに、第３図に示したごとき
火炎光検出器を点火プラグ１０６に内蔵しても良い。点
火プラグ１０６内部に石英ガラスファイバ２３１を埋設
し、可どう性のある光フアイバケーブル２３２で信号変
換器（第１図の１３１がこの場合該当する）に導びき、
燃焼火炎光信号を電気信号に変換し、コントローラ１１
２に導びく。この場合、火炎光検出器は第３図の構造に
限定されることなく、石英ガラスファイバを中心電極部
２３３に埋設しても良く、また、点火プラグと別体の形
で独自の検出器として設置しても良い。

次に制御系について説明する。

コントローラ１１２、回転センサ１１１、エアフローセ
ンサ１１９、噴射弁１０９、点火時期制御回路１３１、
バッテリ１２２は、第４図のように構成されている６マ
イクロプロセツサであるＣＰＵ３００にはそのバス３２
２を介してタイマー３１１．割り込み制御部３０２、回
転数カウンタ３０１、ディジタル入力ポート３０３、ア
ナログ入力ポート３０４、ＲＡＭ３０７．ＲＯＭ３０８
゜出力回路３１０，３０９が接続されている。エアフロ
センサ１１９．λセンサ１２４の信号は、アナログ入力
ポート３０４から取り込まれる。イグニッションスイッ
チ３２１をオンすると、バッテリ１２２からコントロー
ラ１１２に動作用の電力が供給される。なお、ＲＡＭ３
０７には常時電力が供給されている。

イグニッションスイッチ３２１がオンされると、ＲＯＭ
３０８にあらかじめ記憶されているプログラムに従って
第５図に示すメインルーチンが起動し、初期化処理後、
冷却水温Ｔｗ、吸気温Ｔａの測定処理が実行され（冷却
水温のみでも可能）、始動暖機の運転モードかどうか判
定し、ＹＥＳの場合は吸気圧力Ｐ（あるいは空気゛量／
回転数＝Ｇａ／Ｎ）と回転数Ｎを取り込み、マツプより
噴射弁からの基本燃料噴射量Ｔｐを求める。次にＴｗ　
、Ｔａより補正値Ｋｃ　を求め、」１記Ｔｐの補正増量
を行い、その噴射量Ｔをカウンタにセットし出力回路３
０９によって噴射弁を駆動する。また点火時期について
も、マツプより基本点火時期θｔを求め、修正値Ｋｃｓ
によりθｔを修正し、その修正したθをカウンタにセッ
トし出力回路３１０によりディストリビュータ１３０の
点火時期を制御する。以上によって制御された空燃比、
点火時期はそれぞれλセンサ１２４、燃焼圧力センサ１
３２によって検出され、前記補正値Ｋｃ　、　Ｋｃｓを
修正する。この詳細については後述する。

ここで前記判定モードがＮｏの場合、瞬機運転は完了し
たとして、割り込みモードに移行する。

割り込みモードへの移行は、割り込み制御部３０２が動
作すると第６図に示す処理ルーチンが実行される。運転
状態を示すＮ、Ｐの取り込みによって。

それぞれの基本制御値Ｔｐｙ　θｔがマツプより読み出
され、それぞれの補正値Ｋｐ　、Ｋｏによって修正され
、燃料噴射量制御値Ｔ、点火時期制御値θがカウンタに
セットされ、出力回路３０９゜３１０より出力される。

Ｋｐ、にθはそれぞれ閉ループ制御によって修正される
値であり、これにふいては後述する。

第５図のＴ、θの制御演算部２５０、第６図のＴ、θの
制御演算部２６０は下記のごとき内容を具体的には行っ
ている。始動暖機モードの場合、Ｔｐｇ　θｔの基本制
御量はＲＯＭ３０８にあらかじめ設定されているマツプ
（第７図、第８図）より読み出され、さらに、水温Ｔｗ
と吸気温Ｔａによるマツプ（第９図、第１０図）より補
正値Ｋｃ。

Ｋ　ｃ　ｓが読み出される。そして最終的は制御量Ｔ。

θは Ｔ　＝Ｔ　ｐ　”　Ｋ　ｃ　　−θ＝θｔ−Ｋｃｓより
決定される。そして、第１１図、第１２図に示したセン
シングマツプにより、λセンサで検出すべき目標空燃比
値（Ａ／Ｆ）Ｍと検出した空燃比式により修正Ｋｃ’　
を求めこれを第９図のＫｃ値として書き変える。これを
ＲＡＭに記憶させる。

同様に燃焼圧力センサで検出すべき目標点火時期（θ）
Ｍと検出した点火時期（０）ｓとより、Ｋ　ｃ　ｓ　’
れを第１０図のＫ　ｃ　ｓとして、ＲＡＭに書き変え記
憶させる。

また、割り込みモードの場合は、上記第７図。

第８図、第１１図、第１２図を用いて行う。このし、Ｔ
　”　Ｔ　ｐ　”　Ｋ　ｐ　、θ＝Ｏｔ’にθより最終
的な制御値を決定する。

したがって、Ｋｏ、ＫＰに関してもマツプ化しておき、
その更新した値をＲＡＭに記憶させておくことが有効で
ある。

以上において、検出信号（Ａ／Ｆ）ｓ、　　（θ）Ｓは
各サイクルの数回分の平均値を取り込んで行う。

以上の制御ルーチンにより、次回にその運転状態になっ
た場合には、その更新した制御値によってＴ、θが精度
良く制御されるので、従来の一般的な閉ループ制御のよ
うな、目標値までに収束するのに時間を浪費する必要が
なく、高レスポンス、高感度で安定した制御が行える。

次に、第９図、第１０図で示した目標空燃比（Ａ／Ｆｂ
＋目標点火時期（θ）Ｈの設定の自動化、すなわちイン
テリジェント化について説明する。

空燃比の場合、燃費、排気、出力を考慮すると第１３図
のごとき特性が必要となってくる。この場合、これをＮ
、Ｐを数分割して、これらの空燃比のいずれの所有する
面積が最も大きいかで概略的に第１４図のごとき目標空
燃比マツプを設定する。

このマツプを用いてまずエンジンを運転し、そのときの
エンジンのラフネス度を検出する。ただし、リッチゾー
ン、ストイックゾーンはこの場合除外し、リーンゾーン
とその境界ゾーンならびにここでは説明を省略するが、
始動暖機ゾーンのラフネスを検出する。このラフネス度
をＬｘ　とし、Ｌｘ＝ΔＰ□Ｘ　／　Ｐ　ｗａｘとして
表わすと　（ここで下７５は燃焼圧のピーク値ｐ　ｗａ
ｘの数サイクル分の平均値、ΔＰ　ｗａｘはＰｍａｘの
数サイクル間の変動値）、空燃比Ａ／Ｆに対して、第１
５図のように表わされる。これはエンジン暖機完了後の
通常運転域では、はぼ全運転域においてこの関係が成立
することを実験的に見い出しており、この関係を用いる
ことにより上記ゾーンのファイン設定が行える。

すなわち、例えば第１４図の破線の運転域で運転した場
合、ラフネス度Ｌｘが許容値Ｌ工０より大きいと検出し
た場合（■）、第１４図の破線部の目標空燃比（Ａ／Ｆ
）Ｈを徐々に小さくし、Ｌ８≦Ｌｘｏの条件を満たす空
燃比■までもっていき、このときの値を（Ａ／Ｆ）Ｈと
して第１４図の破線部に記憶更新させる。逆に上記した
制御対象ゾーンにおいて、ＬＸ　くＬｚｏのときは、（
Ａ　／　Ｆ　））Ｉを大きくしていき、Ｌｘｏの境界値
付近になるように制御する。このようにして各点の目標
空燃比（Ａ／Ｆ）Ｍを更新し設定記憶することにより、
上記対象ゾーンはすべて微細に最適値に制御される。ま
た、リッチゾーン、ストイックゾーンと上記制御対象リ
ーンゾーンとの境界部は面補間等により滑らかに接続す
るようにすることは云うまでもない。

゛ここで、燃焼圧センサによる圧力ピーク値Ｐ　ｌ１ａ
Ｘと火炎光センサによる光炎光強度ピーク値ＦＩｌａ、
ｌとは上記対象ゾーンでは第１６図に示したように良く
対応していることを実験的に見い出したので、Ｐ□８の
かわりにＦｌｌａＸで同様な処理を行っても（Ａ／Ｆ）
Ｈの微細設定は行える。

燃焼圧および火炎光強度とも第１７図（ａ）のごとき波
形で毎サイクルごとに変動している。したがってこれの
ピーク値を（ｂ）のごとくホールドし、任意のクランク
角度時に第４図に示したディジタル入力ボート３０３よ
り取り込み、これを数回分一時ＲＡＭ３０７に記憶し、
その後ＣＰＵで平均値演算して下７５、変動分へＰ＋＋
＋ａｘを求めてＬｘを最終的に求めるようにする。

次に、λセンサおよび燃焼圧センサによる空燃比、点火
時期の検出について次に述べる。λセンサとしては特開
昭５２−９６９０号に開示されているような拡散抵抗を
有するポーラログラフイ式空燃比センサ（第１８図（イ
）の特性）か、あるいは、このセンサの拡散抵抗の内部
に固体電解質を介して別途定量の酸素を送り込むことに
よって、リッチ域では送り込まれた酸素の一部が消費し
、排出酸素量が減少し、逆にリーン域ではその酸素と拡
散抵抗を通る酸素の和が排出するので増大するので第１
８図（ロ）のごとき特性を有するところの、いわゆるバ
イアス式の空燃比センサを用いる。

第１９図は燃焼圧、火炎光信号の出力波形の測定例を示
したものである。上死点信号に対して、点火プラグでの
火花放電開始はクランク角度で数十産前で行われるが、
実際に燃焼火炎光が生ずるのは第１９図に示したごとく
θＤだけ遅れ、それととも燃焼圧の立上りも急になる。

火炎光ピーク時期θＦと燃焼圧ピーク時期θＰとは第２
０図のごとく良く一致している。したがって、第２１図
に示したごとく、上死点信号（ａ）に対して、火炎光信
号（ｂ）を任意のスライスレベルＦｏで判定し、Ｆｏよ
り大きくなった点と上死点との時間差あるいはクランク
角度分θＣを演算により求めれば、これが真の点火時期
であり、これより火花放電開始時期すなわち、一般に云
う点火時期θＤ＋ｏｃも求めることができる。また、火
炎光および燃焼圧（第２１図（Ｃ））のピーク時期を上
死点とのずれθＰを求めることにより通常の点火時期を
θΩ＋θＣ−θＰとして求めることができる。すなわち
、両者のいずれかのセンサを用いることにより点火時期
は高精度に求めることができる。なお、上死点はクラン
ク角度センサから出力されるものを利用する。

次に目標点火時期（θ）Ｈの設定の自動化について説明
する。前記したθＦ、θＰは上死点後１２゜付近に設定
することが燃焼には最適であると云われており、実際に
実験してもそうである。したがって、このθＦ、θＰの
いずれかを検出し、上記数値となるように点火時期を制
御し、第１１図に示した目標点火時期マツプの値を順次
更新していくことにより微細設定が行える。その制御フ
ローは、空燃比の場合と、はぼ同様であるのでここでは
省略する。

〔発明の効果〕

本発明により空燃比、点火時期の全域におけるファイン
マツチングが自動的に行えるとともに、常時高精度な制
御が行え、燃費、排気、出力の王者を両立させたシステ
ムを構築することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はエンジン及び制御部説明図、第２図（ａ）は点
火プラグ縦断面図、第２図（ｂ）は座金部上面図、第２
図（ｃ）は座金部上面図、第３図は火炎光検出器内蔵点
火プラグ縦断面図、第４図はエンジン制御系図、第５図
はメインルーチン流れ図、第６図は割り込み処理流れ図
、第７図、第８図。 第９図、第１０図、第１１図、第１２図及び第１４図は
マツプ図、第１３図は空燃比特性図、第１５図はラフネ
ス度と空燃比との関係を示す図、第１６図は最大圧力値
と最大火炎光強度との関係　　。 を示す図、第１７図は燃焼圧、火炎光強度波形及びそれ
ぞれのピーク値によるホールド値を説明する図、第１８
図は空燃比と出力電圧との関係を示す図、第１９図は燃
焼圧、火炎光信号出力波形図、第２０図は火炎光ピーク
時期と燃焼圧ピーク時期との関係を示す図、第２１図は
上死点信号（８）、火炎光信号（ｂ）、燃焼圧との関係
を示す図である。 １０１・・・エンジン、１０２・・・ピストン、１０３
・・・−・。 □、々ランク軸、１０４・・・吸気弁、１０５・・・排
気弁、’１０６・・・点火プラグ、１０９・・・燃料噴
射弁、１１１・・・クランクセンサ、１１２・・・マイ
クロコンピュータ制御回路、１１５・・・圧力センサ、
１］−８・・・開度センサ、１１９・・・吸入空気量セ
ンサ、１２０・・・温度センサ、１２２・・・バッテリ
、１２３・・・水温センサ、１２４・・・空気／燃焼比
検出センサ、１２５・・・燃料タンク、１３０・・・デ
ィストリビュータ、１３１・・・アンプ、１３２・・・
圧力センサ、２０１・・・圧電素子、２０２・・・信号
線、２３１・・・石英ガラスファイバ、２３２・・・光
フアイバケーブル、３００・・・ＣＰＵ、３０１・・・
回転数カウンタ、３０２・・・割り込み制御部、３０３
・・・ディジタル入力ポート、３０４・・・アナログ入
力ボート、３０６・・・電源回路、３０７・・・ＲＡＭ
、３０８・・・ＲＯＭ、３０９・・・出力回路、３１０
・・・出力回路、３２１・・・イグニッションスイッチ
、３２２・・・バス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、エンジンの運転状態に応じて、エンジン制御対象の
   設定値に対する補正値を、エンジン運転状態との対応で
   記憶し、上記記憶値を制御要因センサによつて検知され
   るエンジン制御要因の状態に応じて更新するエンジン制
   御装置において、上記制御要因が空燃比の場合は空燃比
   センサにより、上記制御要因が点火時期の場合は、燃焼
   圧あるいは出炎光信号センサによりそれぞれ上記補正値
   の更新を行い、さらに上記設定値は、空燃比の場合には
   、エンジンラフネス度により、また点火時期の場合には
   真の最良点火時期値より自動的に更新できるようにした
   ことを特徴とするインテリジェントエンジン制御装置。