JP2007138908A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱線式流量センサの応答遅れをより適切に補償し、気体流量が変化する過渡状態においても正確な検出値を得ることができるようにした内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】 エアフローセンサ１１の出力電圧ＶＡＦＭから熱線の消費電力ＷＡＦＭを算出し（Ｓ１３）、消費電力の今回値ＷＡＦＭ(k)及び前回値ＷＡＦＭ(k-1)を用いて、遅れ補償電力の今回値ＷＡＭＦＨ(k)を算出する（Ｓ１５）。算出された遅れ補償電力ＷＡＭＦＨに応じてスロットル弁通過空気流量Ｇairthが算出される（Ｓ１６）
【選択図】 図３

Description

本発明は、気体の流量を検出する熱線式流量センサを備える内燃機関の制御装置に関する。

熱線式流量センサは、流量の変化に対して検出値の応答が遅れるため、特許文献１には、その応答遅れを補償して内燃機関の吸入空気流量を算出し、算出された吸入空気流量を制御に適用するようにした内燃機関の制御装置が示されている。この制御装置によれば、熱線式流量センサを一次遅れ系とみなして、入力と出力（検出値）との関係を示す伝達関数の逆伝達関数が予め求められ、検出値を逆伝達関数に適用してセンサ入力、すなわち遅れ補償された流量が算出される。

特開昭５９−１７６４５０号公報

上記従来の手法では、センサ出力から算出される気体流量に対して遅れ補償を行っているため、流量変化が急激である場合には、逆伝達関数を使って求めた流量が実際の流量から大きくずれることがあった。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、熱線式流量センサの応答遅れをより適切に補償し、気体流量が変化する過渡状態においても正確な検出値を得ることができるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、気体の流量を検出する熱線式流量センサ（１１）を備えた内燃機関の制御装置であって、前記流量センサ（１１）の熱線（２１）の温度が一定となるように前記熱線（２１）に供給する電圧または電力を制御する熱線制御手段と、前記熱線に供給される電力を示す電気パラメータ（ＶＡＦＭ，ＷＡＦＭ）を所定の周期でサンプリングするサンプリング手段と、該サンプリング手段がサンプリングした電気パラメータの今回値（ＶＡＦＭ(k)，ＷＡＦＭ(k)）及び前回値（ＶＡＦＭ(k-1)，ＷＡＦＭ(k-1)）に応じて、遅れ補償された電気パラメータ（ＶＡＦＭＨ(k)，ＷＡＦＭＨ(k)）を算出する遅れ補償手段と、該遅れ補償手段により算出された電気パラメータ（ＶＡＦＭＨ(k)，ＷＡＦＭＨ(k)）に基づいて前記気体の質量流量（Ｇairth）を算出する流量算出手段とを備えることを特徴とする制御装置を提供する。
前記熱線制御手段により、前記熱線に加わる電流は、前記熱線の抵抗値が一定となるように制御されるため、前記電気パラメータは前記熱線に加えられる電圧または電流から求められる。すなわち、前記電気パラメータは、電圧と電流の上位概念に相当する。

請求項１に記載の発明によれば、流量センサの熱線の温度が一定となるように熱線に供給する電圧または電力が制御され、熱線に供給される電力を示す電気パラメータが所定の周期でサンプリングされる。サンプリングより得られる電気パラメータの今回値及び前回値に応じて、遅れ補償された電気パラメータが算出され、該遅れ補償された電気パラメータに基づいて気体の質量流量が算出される。検出すべき質量流量は、サンプリングされる電圧の４乗にほぼ比例し、サンプリングされる電力の２乗にほぼ比例するため、従来の手法のように検出流量に対して遅れ補償を行うと、電圧または電力の変化遅れの影響が４乗または２乗で効いてくる。そのため、従来手法では遅れ補償の誤差が非常に大きなものとなることがあるが、本願発明では電気パラメータ、すなわち電圧または電力（電流）の段階で遅れ補償を行うため、より誤差の少ない遅れ補償を行い、正確な質量流量を得ることができる。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気管２を有し、吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３には、スロットル弁３の開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が設けられており、その検出信号が電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。

燃料噴射弁６は図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

吸気管２のスロットル弁３の上流側には、吸入空気流量を検出するエアフローセンサ１１が設けられ、スロットル弁３の下流側には吸気管内絶対圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ７及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ８が設けられている。またエンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサ９が装着されている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

またＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１０が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１０は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（例えば４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５は、各種センサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁６の開弁時間の制御等を行う。その際、以下に説明するようにエアフローセンサ１１の出力電圧ＶＡＦＭの遅れ補償処理を含む、吸入空気流量の演算処理を行う。

図２は、エアフローセンサ１１の構成を示す回路図であり、エアフローセンサ１１は、ホイートストンブリッジ回路を構成する抵抗２１〜２３と、補償器２５とを備えている。抵抗２１が吸気管２内に露出される熱線に相当し、補償器２５は、抵抗２１の抵抗値Ｒが一定となるように出力電圧ＶＡＦＭを調整する。具体的には、接点ｂｄ間の電圧が「０」となるように、出力電圧（接点ａｃ間の電圧）ＶＡＦＭを調整する。抵抗値Ｒは、抵抗２１の温度によって変化するので、抵抗値Ｒが一定となるように制御することにより、抵抗２１の温度が一定に制御される。抵抗２１を流れる電流をＩとすると、下記式（１）の関係が成立することが知られている。
Ｉ²×Ｒ＝Ａ＋Ｂ×Ｕ^0.5 （１）
ここで、Ｕは抵抗２１近傍を流れる気体の質量流量であり、Ａ，Ｂは定数である。
電流Ｉは、出力電圧ＶＡＦＭを用いて下記式（２）で表される。
Ｉ＝ＶＡＦＭ／（Ｒ＋ｒ） （２）

式（１）及び（２）から下記式（３）が得られ、式（３）を変形することにより、流量Ｕは下記式（４）で与えられる。また式（１）の左辺は、抵抗２１で消費される電力ＷＡＦＭであるから、電力ＷＡＦＭを用いると、流量Ｕは下記式（５）で与えられる。

上記式（４）、（５）を参照すれば明らかなように、流量Ｕは、概ね出力電圧ＶＡＦＭの４乗に比例し、電力ＷＡＦＭの２乗に比例する。したがって、センサの遅れ補償の演算は、流量Ｕについて行うより、電力ＷＡＦＭまたは出力電圧ＶＡＦＭについて行う方が、誤差の少ない正確な補償演算を行うことができる。本実施形態では、以下に説明するように電力ＷＡＦＭについて遅れ補償演算を行い、吸入空気流量を算出するようにしている。

図３は、エアフローセンサ１１の出力電圧ＶＡＦＭに応じて、エンジン１の気筒に流入する単位時間当たりの空気量Ｇaircyl_T(k)を算出する処理のフローチャートである。この処理は所定時間（例えば１ミリ秒）毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。本処理で使用されるパラメータｋは、本処理の実行周期で離散化された離散化時刻である。

ステップＳ１１では、出力電圧ＶＡＦＭを読み込み、ステップＳ１２では、吸気圧センサ７の出力電圧ＶＰＢＡを読み込む。ステップＳ１３では、出力電圧ＶＡＦＭから抵抗２１（熱線）の消費電力ＷＡＦＭを算出し、ステップＳ１４では、電圧ＶＰＢＡを吸気管内絶対圧ＰＢＡに変換する。

ステップＳ１５では、ステップＳ１３で算出される消費電力の今回値ＷＡＦＭ(k)及び前回値ＷＡＦＭ(k-1)を下記式（６）に適用し、遅れ補償電力の今回値ＷＡＦＭＨ(k)を算出する。
ＷＡＦＭＨ(k)＝（ＷＡＦＭ(k)−（１−ｂ）×ＷＡＦＭ(k-1)）／ｂ
（６）
ここでｂは、サンプリング周期に基づいて決定される遅れ補償パラメータである。具体的には、サンプリング周期（秒）の１００倍を遅れ補償パラメータｂとして設定する。例えばサンプリング周期が１ｍｓｅｃの場合、ｂ＝０．１である。

ステップＳ１６では、ステップＳ１５で算出される遅れ補償電力ＷＡＦＭＨを前記式（５）に適用し、スロットル弁通過空気流量Ｇairth（式（５）のＵがＧairthに相当、単位［ｇ／ｓｅｃ］）を算出する。

ステップＳ１７では、吸気管内絶対圧ＰＢＡの今回値及び前回値、並びに吸気温ＴＡ（絶対温度換算値）を下記式（７）に適用し、単位時間当たりの吸気管充填空気量ΔＧＢ［ｇ／ｓｅｃ］を算出する。
ΔＧＢ＝（ＰＢＡ(k)−ＰＢＡ(k-1)）×ＶＯＬＩＮ／（ＲＧ×ＴＡ） （７）
ここで、ＶＯＬＩＮは、吸気管の容積（スロットル弁３の下流側部分）であり、ＲＧは気体定数である。

ステップＳ１８では、スロットル弁通過空気流量Ｇairth及び吸気管充填空気量ΔＧＢを下記式（８）に適用し、単位時間当たりのシリンダ流入空気量Ｇaircyl_T(k)［ｇ／ｓｅｃ］を算出する。
Ｇaircyl_T(k)＝Ｇairth−ΔＧＢ （８）

図４は、図３の処理で算出されるシリンダ流入空気量Ｇaircyl_T(k)を、１ＴＤＣ期間（ＴＤＣパルスの発生周期）あたりのシリンダ流入空気量Ｇaircyl_sumに変換する演算を行う処理のフローチャートである。この処理はＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。

ステップＳ２１では、シリンダ流入空気量Ｇaircyl_T(k)を下記式（９）に適用し、ＴＤＣ周期のシリンダ流入空気量Ｇaircyl_sumを算出する。式（９）のΔＴは、図３の処理の実行周期、すなわちシリンダ流入空気量Ｇaircyl_T(k)の演算周期である。

ステップＳ２２では、離散化時刻ｋを「０」に戻す。

以上のように図３の処理では、エアフローセンサ１１の熱線（抵抗２１）で消費される電力ＷＡＦＭについて遅れ補償演算を実行することにより、遅れ補償電力ＷＡＦＭＨを算出し、遅れ補償電力ＷＡＦＭＨからスロットル弁通過空気流量Ｇairthを算出するようにしたので、従来の手法のように検出流量について遅れ補償を行う場合に比べて、より誤差の少ない遅れ補償を行い、正確なシリンダ流入空気量Ｇaircyl_sumを得ることができる。そして、算出されるシリンダ流入空気量Ｇaircyl_sumに応じて燃料噴射時間を算出することにより、正確な空燃比制御を行うことができる。

図５は、本実施形態における遅れ補償の効果を説明するためのタイムチャートである。実線Ｌ１は、本実施形態の手法により遅れ補償されたスロットル弁通過空気流量を示し、破線Ｌ２は、従来手法により遅れ補償されたスロットル弁通過空気流量を示し、一点鎖線Ｌ３は、遅れ補償を行っていないスロットル弁通過空気流量を示す。従来手法では、空気流量が急激に減少する過程で過補償となってアンダーフローが発生している（図５のＡ部）が、本実施形態の手法では、このようなアンダーフローを防止することができる。

本実施形態では、エアフローセンサ１１が熱線式流量センサに相当し、補償器２５が熱線制御手段に相当する。またＥＣＵ５がサンプリング手段、遅れ補償手段、及び流量算出手段を構成する。具体的には、図３のステップＳ１１がサンプリング手段に相当し、ステップＳ１５が遅れ補償手段に相当し、ステップＳ１６が流量算出手段に相当する。

［第２の実施形態］
上述した実施形態では、熱線の消費電力ＷＡＦＭについて遅れ補償演算を実行したが、図６に示すように出力電圧ＶＡＦＭについて遅れ補償演算を実行するようにしてもよい。以下に説明する点以外は、第１の実施形態と同一である。

図６の処理は、図３のステップＳ１３及びＳ１５を、それぞれステップＳ１３ａ及び１５ａに変更するとともに、ステップＳ１５ａをステップＳ１２とＳ１３ａの間に挿入するようにしたものである。

ステップＳ１５ａでは、出力電圧の今回値ＶＡＦＭ(k)及び前回値ＶＡＦＭ(k-1)を下記式（６ａ）に適用し、遅れ補償電圧の今回値ＶＡＦＭＨ(k)を算出する。
ＶＡＦＭＨ(k)＝（ＶＡＦＭ(k)−（１−ｂ’）×ＶＡＦＭ(k-1)）／ｂ’
（６ａ）
ここでｂ’は、サンプリング周期に基づいて決定される遅れ補償パラメータである。具体的には、サンプリング周期（秒）の１００倍を遅れ補償パラメータｂ’として設定する。例えばサンプリング周期が１ｍｓｅｃの場合、ｂ’＝０．１である。
ステップＳ１３ａでは、遅れ補償電圧ＶＡＦＭＨを用いて遅れ補償電力ＷＡＦＭＨを算出する。

本実施形態においても、図５に示した例と同様に、従来手法のようなアンダーフローを防止することができる。
本実施形態では、図６のステップＳ１５ａが遅れ補償手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した第２の実施形態においては、電気パラメータとして、エアフローセンサ１１の出力電圧ＶＡＦＭを用いたが、抵抗２１（熱線）に印加される電圧ＶＡＦＭ×Ｒ／（ｒ＋Ｒ）について遅れ補償を行い、補償後の電圧から遅れ補償電力ＷＡＦＭＨを算出するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、図３のステップＳ１３，Ｓ１４，及びＳ１６、あるいは図６のステップＳ１３ａの処理は、数式の演算によって行うようにしたが、予め演算した結果をテーブルとして記憶回路に記憶しておき、テーブル検索によって処理を行うようにしてもよい。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 エアフローセンサの構成を示す回路図である。 エアフローセンサ出力（ＶＡＦＭ）に応じて単位時間当たりのシリンダ流入空気量（Ｇaircyl_T(k)）を算出する処理（第１の実施形態）のフローチャートである。 図３の処理で算出される単位時間当たりのシリンダ流入空気量（Ｇaircyl_T(k)）を１ＴＤＣ期間当たりのシリンダ流入空気量（Ｇaircyl_sum）に変換する処理のフローチャートである。 本実施形態における遅れ補償の効果を説明するためのタイムチャートである。 エアフローセンサ出力（ＶＡＦＭ）に応じて単位時間当たりのシリンダ流入空気量（Ｇaircyl_T(k)）を算出する処理（第２の実施形態）のフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 吸気管
５ 電子制御ユニット（サンプリング手段、遅れ補償手段、流量算出手段）
１１ エアフローセンサ（熱線式流量センサ）
２１ 抵抗（熱線）
２５ 補償器（熱線制御手段）

Claims (1)

1. 気体の流量を検出する熱線式流量センサを備えた内燃機関の制御装置であって、
   前記流量センサの熱線の温度が一定となるように前記熱線に供給する電圧または電力を制御する熱線制御手段と、
   前記熱線に供給される電力を示す電気パラメータを所定の周期でサンプリングするサンプリング手段と、
   該サンプリング手段がサンプリングした電気パラメータの今回値及び前回値に応じて、遅れ補償された電気パラメータを算出する遅れ補償手段と、
   該遅れ補償手段により算出された電気パラメータに基づいて前記気体の質量流量を算出する流量算出手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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