JP2006242027A - エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リーンリミット以上のスロットル開度域においても簡単な操作で希薄燃焼型エンジンの出力を十分に引き出すことができる制御装置を提供する。
【解決手段】 スロットル弁３は、空気流量が最大になる全開開度θＴｈｆｕｌより大きくて、空気流量に実質的変化がない過全開開度θＴｈｅｘまで回動可能に構成する。ＥＣＵ１５はスロットルセンサ２の出力をもとにスロットル開度が全開開度θＴｈｆｕｌを超えたことを検出すると、スロットル開度θＴｈに応じて混合気の濃化を開始する。高負荷に従いスロットル弁３が全開開度θＴｈｆｕｌ以上に操作される領域では、パワーレバー１の操作によるスロットル開度の操作のみで混合気の濃化を図り、高出力を引き出す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの燃料噴射制御装置に係り、特に、広い運転条件の範囲で希薄燃焼による低燃費性能等の諸性能を引き出しつつ、併せて操作性の向上を図るのに好適なエンジンの燃料噴射制御装置に関する。

エンジンの定常運転時や緩加速時に混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きくして制御する希薄燃焼制御が知られている。例えば、航空機用レシプロエンジンでは、スロットル開度を変化させるパワーレバーとは別に設けられたミクスチャーコントロールレバーを操作することにより空燃比を希薄側にシフトさせていく。空燃比を希薄側にシフトしていくに従って燃費性能が向上するが、空燃比が所定値以上になるとエンジンが失火し始める。このときの空燃比はリーンリミットと呼ばれ、その値はエンジンが希薄燃焼型であるか否かによって大きく異なる。

図１２は、希薄燃焼型エンジンとそれ以外の通常エンジンとの空燃比（スロットル開度に対応）と燃料消費率との関係の一例を示した図である。通常エンジンでは空燃比「１７」近傍にリーンリミットがある。希薄燃焼型エンジンでは、さらに希薄側にリーンリミットがあり、スロットル弁を全開にしてこれ以上空気を増やせないところまで希薄化してもなおかつ低燃料消費率が維持される特性を有する。

通常エンジンでは、一般にリーンリミットにおけるスロットル開度は中間開度近傍に設定されており、スロットル弁をさらに開いて吸入空気量を増やすときは、パワーレバーとともにミクスチャーコントロールレバーを手動操作して、出力に応じて混合気の濃化を図ることによりエンジンの出力特性を確保している。

このような航空機用レシプロエンジンの制御装置に関しては、例えば特開平６−２４７３９２号公報に開示されている。
特開平６−２４７３９２号公報

上記従来技術では、通常エンジンにおいて、リーンリミット以降に燃料噴射量を増やす場合には、操縦者がパワーレバーとは別にミクスチャーコントロールレバーを操作して燃料噴射量を調整しなければならなかった。すなわち、操縦者はパワーレバーおよびミクスチャーコントロールレバーの双方を操作しなければならなかった。

さらに、従来技術ではリーンリミット近傍またはそれより希薄側の範囲でも、エンジンの点火時期がエンジン回転数のみに基づいて設定されていたため、希薄燃焼制御によって空燃比が希薄側へ移行すると、最適なタイミングでエンジンを点火させることが困難であった。

本発明は、広い運転条件の範囲で希薄燃焼による低燃費性能等の諸性能を引き出しつつ、併せて操作性の向上を図るのに好適なエンジンの燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明は、マニホルド圧力センサと、マニホルド圧力センサの出力に応じて燃料噴射量を算出する手段と、スロットル開度センサと、スロットル開度に応じて前記燃料噴射量を補正する手段とを有するエンジン制御装置において、エンジンに流入する空気流量が飽和する全開開度よりも開度が大きくて空気流量が飽和量に維持される過全開開度までスロットル弁を回動可能に構成されたスロットルボディと、前記スロットル弁が全閉から全開開度に至るまでの間は燃料噴射量を混合気の希薄側に補正し、かつスロットル弁が全開開度を超えてから過全開開度に至るまでの間では、スロットル開度の増大に応じて燃料噴射量を混合気の濃化側へ補正する補正手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、エンジン回転数に基づいて決定された基準点火時期を、前記希薄側または濃化側へ補正された混合気の濃度に応じて進角補正する手段を有する点火時期設定手段をさらに具備した点に第２の特徴がある。

上記特徴を有する本発明によれば、全閉から全開開度に至るまでの広範囲で希薄化燃焼による低燃費運転が可能である。また、全開開度から過全開開度までの間では、スロットル開度に応じて混合気の濃化を図って高出力を引き出すことができる。そして、この希薄燃焼から出力に応じた混合気による高出力運転までの範囲での制御をスロットル開度の調節のみで行えるので、混合気の濃化を図るためにミクスチャーレバーを操作することは不要である。したがって、本発明のエンジン制御装置を搭載した航空機等の操縦者の負担を軽減することができる。

第２の特徴によれば、混合気の濃度に応じて適正な点火時期を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態であるエンジン制御装置の主要部のブロック図であり、ここでは、本発明の理解に必要な構成のみを図示している。

航空機用レシプロエンジンの吸気管に設けられるスロットルボディ１０はスロットル弁３を備えている。スロットル弁３は、リンク機構（プッシュプルワイヤを含む）４を介してパワーレバー１と連結され、このパワーレバー１の操作に応答して回動する。スロットル弁３の開度θＴｈはスロットル弁３の軸（スロットル軸）３ａに連結されたスロットルセンサ２により検知される。

回転数センサ１１はエンジン回転数Ｎｅを検知する。吸気圧センサ１２は吸気管内圧力Ｐｍを検知する。吸気温度センサ１３は吸気管内空気の温度ＴＡを検知する。エンジン温度センサ１４は、冷却水温度に基づいてエンジン温度ＴＷを検知する。

ＥＣＵ１５は、前記各センサにより検知されたプロセス値に基づいてインジェクタ（燃料噴射弁）の開弁時間Ｔｏｕｔおよびエンジン点火時期θＩＧを求め、燃料噴射ユニット１６および点火ユニット１７に入力する。燃料噴射ユニット１６および点火ユニット１７は、入力された開弁時間Ｔｏｕｔおよびエンジン点火時期θＩＧに従って、それぞれインジェクタを駆動し、点火プラグに高圧を印加する。

図２は、スロットルボディ１０の拡大断面図である。スロットル弁３は、全閉位置から微小角度開いたアイドル開度θＴｈｉｄｌから最高出力の空気流量を確保できる全開開度θＴｈｆｕｌまでの動作角度を有する。全開開度は９０°またはそれよりわずかに小さい角度に設定される。

ところで、スロットル弁３をスロットルボディ１０に対して回動自在に支持させるスロットル軸３ａは、スロットルボディ１０内で空気流を阻害する。したがって、スロットルボディ１０を横断する方向におけるスロットル軸３ａの直径の範囲内でスロットル開度を全開開度θＴｈｆｕｌからさらに大きくしても、空気流はすでにスロットル軸３ａによって遮られているので流量は増大しない。

つまり、全開開度θＴｈｆｕｌを超えた開度であって、全開開度θＴｈｆｕｌ時と空気流量が違わないスロットル開度θＴｈ、換言すれば空気流量が全開開度θＴｈｆｕｌ時から減少し始めるまでのスロットル開度θＴｈが存在する。このスロットル開度θＴｈを過全開開度θＴｈｅｘと呼ぶ。

本実施形態では、全開開度θＴｈｆｕｌから過全開開度θＴｈｅｘの範囲（空気流量が変化しない領域つまり不感域）までスロットル弁３の動作を可能にし、このスロットル弁３の動作を利用してエンジンの出力性能を十分に発揮できるようにする。

図３は、通常エンジンと希薄燃焼型エンジンとにおけるスロットル開度と空燃比並びに燃費および出力との関係を示す特性図である。図３において、通常エンジンおよび希薄燃焼型エンジンはいずれもスロットル開度θＴｈがある程度大きくなると、空燃比が低下する。つまりスロットル開度θＴｈが大きい領域では、希薄燃焼運転ができなくなり、スロットル開度θＴｈに応じた出力を得るために燃料噴射量を増やして混合気の濃化を図っている。通常エンジンでは、スロットル開度θＴｈが８０％を超えると混合気を濃化している。一方、希薄燃焼型エンジンでは、スロットル開度θＴｈが１００％つまり全開開度θＴｈｆｕｌまで、高い空燃比での希薄燃焼運転が可能である。

そして、本実施形態では、スロットル弁３を過全開開度θＴｈｅｘ（図３の例では１２５％）まで動作可能にしているので、全開開度θＴｈｆｕｌから過全開開度θＴｈｅｘまでのスロットル開度θＴｈの変化に応じて混合気の濃化を図り、出力を増大させることができる。

上記スロットル開度θＴｈに基づくＥＣＵ１５でのエンジン制御を詳細に説明する。図４は、エンジン制御のメインフローであり、ＥＣＵ１５において周期的に実行される。

ステップＳ１では、インジェクタの開弁時間Ｔｏｕｔを算出する空燃比設定処理が実行される。空燃比設定処理は、図５を参照してさらに後述する。ステップＳ２では、点火時期つまり総進角量θＩＧを算出する点火時期設定処理が実行される。点火時期設定処理は図７を参照して後述する。

ステップＳ３では、インジェクタの開弁時間Ｔｏｕｔに基づいて燃料噴射ユニット１６が制御され、総進角量θＩＧに基づいて点火ユニット１７が制御される

空燃比設定処理をさらに説明する。図５において、ステップＳ１０１では基本燃料空気比ＦＡが設定される。本実施形態では、空燃比（Ａ／Ｆ）換算で「１２．５」相当の値が設定される。ステップＳ１０２では、吸気圧センサ１２により検知された吸気圧Ｐｍ、および吸気温度センサ１３により検知された吸気温度ＴＡが読み取られる。ステップＳ１０３では、バッテリ電圧の変化に応じてインジェクタの開弁時間を増減補償するためのバッテリ電圧補償定数Ｔｖが求められる。

ステップＳ１０４では、エンジン温度センサ１４により検知された冷却水温度ＴＷが第１基準温度ＴＷＨ１と比較される。この第１基準温度ＴＷＨ１は、エンジンが冷えているか否かを判定するための基準値であり、冷却水温度ＴＷが第１基準温度ＴＷＨ１を超えていればステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５では、検知された冷却水温度ＴＷが第２基準温度ＴＷＨ２と比較される。この第２基準温度ＴＷＨ２は、エンジンが十分に暖まっているか否かを判定するための基準値であり、冷却水温度ＴＷが第２基準温度ＴＷＨ２を超えていればステップＳ１０６へ進み、それ以外はステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０６では、温度補償係数Ｒに「１」がセットされる。ステップＳ１０７では、温度補償係数Ｒに値Ｒｘ（０＜Ｒｘ＜１）がセットされる。

ステップＳ１０８では、スロットルセンサ２の出力電圧値Ｖｔｈを読み込み、この電圧値Ｖｔｈに基づいてスロットル開度θＴｈ（％）を算出する。ステップＳ１０９では、希薄化係数ＫＨを算出する。希薄化係数ＫＨはスロットル開度θＴｈに対応づけて予めテーブルとして設定しておき、ステップＳ１０８で算出されたスロットル開度θＴｈに基づいてこのテーブルを参照して検索される。θＴｈ−ＫＨテーブルの例は後述する。

ステップＳ１１０では、図中の式を使用して、希薄化係数ＫＨを温度補正係数Ｒによって温度補償する。冷却水温度ＴＷが第１基準温度ＴＷＨ１未満であれば、スロットル開度θＴｈに拘わらず、ステップＳ１０４からステップＳ１１２に進んで希薄化係数ＫＨは「１」にセットされる。つまりエンジンが低温時には、混合気は希薄化されない。

ステップＳ１１１では、次式１を使用してインジェクタの開弁時間Ｔｏｕｔが算出される。Ｔｏｕｔ＝Ｋ×Ｐｍ／ＴＡ×ＦＡ×ＫＨ＋Ｔｖ …（式１）。この式１で、係数Ｋはインジェクタの噴射性能等で決まる定数である。

図６は、スロットル開度θＴｈと希薄化係数ＫＨとの関係を設定したテーブルの一例である。同図に示すように、スロットル開度θＴｈが小さい領域（１０％未満）では、空燃比がアイドル混合気になるように希薄化係数ＫＨを設定し、スロットル開度θＴＨが大きくなるにつれて希薄化係数ＫＨを小さくしている。つまり混合気は希薄化されている。スロットル開度θＴｈが１００％つまり全開開度θＴＨｆｕｌまでは、希薄化係数ＫＨを低く維持して希薄化が続けられる。そして、スロットル開度θＴｈが１００％になったところで希薄化係数ＫＨを増大させ、スロットル開度θＴｈが１１０％になったところで、希薄化係数ＫＨを「１」にする。つまり希薄化を停止する。その結果、スロットル開度θＴｈが１１０％を超えて過全開開度θＴＨｅｘ１２５％までの間は混合気の濃化が図られて出力は増大する。

点火時期設定処理をさらに説明する。図７において、ステップＳ２０１では、エンジン回転数Ｎｅに基づいて基準進角度θＩＧＮｅが求められる。本実施形態では、図８に示したように、エンジン回転数（Ｎｅ）と基準進角度（θＩＧＮｅ）との関係を定めたデータテーブルを予め用意しておき、エンジン回転数Ｎｅに基づいてデータテーブルを検索することにより基準進角度θＩＧＮｅを求める。

ステップＳ２０２では、エンジン負荷に応じた進角増分ΔθＩＧＰｍが求められる。本実施形態では、エンジン負荷を吸気圧Ｐｍで代表し、図９に示したように、吸気圧Ｐｍと進角増分ΔθＩＧＰｍとの関係を定めたデータテーブルを予め用意しておき、吸気圧Ｐｍに基づいてデータテーブルを検索することにより進角増分ΔθＩＧＰｍを求める。

ステップＳ２０３では、希薄化係数ＫＨが「１」よりも小さいか否かが判定され、小さければステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２０４では、目標燃料空気比ＦＡｔａｇが（式２）に基づいて、基本燃料空気比ＦＡと希薄化係数ＫＨとの積として求められる。ＦＡｔａｇ＝ＦＡ×Ｋｈ…（式２）。

ステップＳ２０５では、目標燃料空気比ＦＡｔａｇに基づいて進角増分ΔθＩＧＦＡが求められる。本実施形態では、図１０に示したように、目標燃料空気比ＦＡｔａｇと進角増分ΔθＩＧＦＡとの関係を定めたデータテーブルを予め用意しておき、前記目標燃料空気比ＦＡｔａｇに基づいてデータテーブルを検索することにより進角増分ΔθＩＧＦＡを求める。

なお、ステップＳ２０３において、希薄化係数ＫＨが「１」よりも小さくなければ、ステップＳ２０７において、前記進角増分ΔθＩＧＦＡに「０」がセットされる。ステップＳ２０６では総進角量θＩＧが、前記基準進角度θＩＧＮｅ、エンジン負荷に応じた進角増分ΔθＩＧＰｍ 、および目標燃料空気比ＦＡｔａｇに応じた進角増分ΔθＩＧＦＡの総和として求められる。

本実施形態では、スロットル開度θＴｈが全開開度θＴｈｆｕｌからさらに大きい過全開開度θＴｈｅｘまでの領域でスロットルセンサ２により検知されるスロットル開度θＴｈに応じて混合気を濃化することができるので、ミクスチャーコントロールレバーの操作を必要とすることなく、パワーレバー１の操作のみで広範囲にわたってエンジン出力を制御でき、高負荷運転の要求に応じることができる。したがって、操縦者の負担を軽減することができる。また、エンジン負荷や混合気の希薄化度合いに応じて点火時期が動的に制御されるので、燃料費の更なる節減が可能になる。

続いて、本発明の第２実施形態を説明する。スロットルボディの内径（スロットルボア径）は、エンジンの最大出力時に必要とされる空気流量を確保できる最小のサイズに設定される。このように最適のボア径を設定したスロットルボディを使用すれば、スロットル開度の増大に応じて空気流量の増大が図られるとともに、スロットル弁の全開開度θＴｈｆｕｌで最大出力を確保することができる。

ここで、上記最適のボア径よりも大きいボア径を選択すると、全開開度θＴｈｆｕｌより小さい開度で必要な空気流量を確保できるとともに、それ以上のスロットル開度で空気流量が飽和する開度域が生じる。

図１１は、エンジン排気量とスロットルボア径との種々の組み合わせにおける出力とスロットル開度との関係を示す図である。線Ｃ１は、大きい排気量のエンジンＥ１とそのエンジンＥ１に適したスロットルボア径（ビッグボア径）との組み合わせにおける特性、線Ｃ２は、通常排気量（例えば、前記大きい排気量より２５％小さい）のエンジンＥ２とビッグボア径との組み合わせにおける特性、線Ｃ３は、通常排気量のエンジンＥ２とそのエンジンＥ２に適したスロットルボア径との組み合わせにおける特性を、それぞれ示す。出力と空気流量とはほぼ比例するので、通常排気量のエンジンＥ２にビッグボア径のスロットルボディを装着すると、線Ｃ２に示すように８０％以上のスロットル開度θＴｈで出力すなわち空気量が飽和していることがわかる。

図１１に示す特性に従い、エンジンＥ２にビッグボア径のスロットルボディを装着した場合、図２に関して示した全開開度θＴｈｆｕｌを第２実施形態における過全開開度θＴｈｅｘとし、全開開度θＴｈｆｕｌより小さい角度を第２実施形態における全開開度θＴｈｆｕｌとすることができる。

このように、全開開度θＴｈｆｕｌと過全開開度θＴｈｅｘとを、小さいスロットル開度側に設定すれば、スロットル弁３を広角度範囲に回動可能に構成した先の実施形態と同様の制御を行って同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態であるエンジン制御装置の主要部のブロック図である。 スロットル弁の全開開度と過全開開度との関係を示すスロットルボディの断面図である。 スロットル開度と空燃比並びに燃費および出力との関係を示す図である。 エンジン制御のメインフローチャートである。 空燃比設定処理の手順を示したフローチャートである。 スロットル開度と希薄化係数ＫＨとの関係を示した図である。 点火時期設定処理の手順を示したフローチャートである。 エンジン回転数Ｎｅと基準進角度θＩＧＮｅとの関係を示した図である。 吸気圧Ｐｍと進角増分ΔθＩＧＰｍとの関係を示した図である。 目標燃料空気比ＦＡｔａｇと進角増分ΔθＩＧＦＡとの関係を示した図である。 スロットルボア径の効果を示す出力とスロットル開度との関係を示す図である。 希薄燃焼型エンジンとそれ以外の通常エンジンとの空燃比（およびスロットル開度）と燃料消費率との関係を示した図である。

符号の説明

１…パワーレバー、 ２…スロットルセンサ、 ３…スロットル弁、 ３ａ…スロットル軸、 １０…スロットルボディ、 １５…ＥＣＵ、 １６…燃料噴射ユニット、 １７…点火ユニット

Claims (2)

1. マニホルド圧力センサと、マニホルド圧力センサの出力に応じて燃料噴射量を算出する手段と、スロットル開度センサと、スロットル開度に応じて前記燃料噴射量を補正する手段とを有するエンジンの燃料噴射制御装置において、
   エンジンに流入する空気流量が飽和する全開開度よりも開度が大きくて空気流量が飽和量に維持される過全開開度までスロットル弁を回動可能に構成されたスロットルボディと、
   前記スロットル弁が全閉から全開開度に至るまでの間は燃料噴射量を混合気の希薄側に補正し、かつスロットル弁が全開開度を超えてから過全開開度に至るまでの間では、スロットル開度の増大に応じて燃料噴射量を混合気の濃化側へ補正する補正手段とを具備したことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。
2. エンジン回転数に基づいて決定された基準点火時期を、前記希薄側または濃化側へ補正された混合気の濃度に応じて進角補正する手段を有する点火時期設定手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射制御装置。

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