JP2023027700A - 船舶用エンジンの燃料噴射制御装置、船舶用エンジン、船舶用推進機および船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】船舶用エンジンの燃焼状態の改善に有利な燃料噴射制御装置を提供する。【解決手段】エンジンＥＣＵ１０５は、燃料噴射制御装置としての機能を有する。エンジンＥＣＵ１０５は、スロットル開度に基づいてスロットル弁の有効開口面積を演算する有効開口面積演算器７２と、有効開口面積の一次遅れフィルタ値を求めるフィルタ値演算器７３と、一次遅れフィルタ値に対する有効開口面積の比を補正値として求める補正値演算器７５と、エンジンの吸気路で検出される吸気圧の平均値に前記補正値を乗じて予測吸気圧を求める予測吸気圧演算器７６と、求められた予測吸気圧に基づいて、燃料噴射量を演算する燃料噴射量演算器７９と、演算された燃料噴射量に基づいて、燃料噴射器１０７を駆動する燃料噴射駆動器８３と、を含む。予測吸気圧演算器７６は、補正値と閾値との比較結果に応じて、補正値による補正の有効／無効を切り換えてもよい。【選択図】図３

Description

この発明は、船舶用エンジンの燃料噴射制御装置、船舶用エンジン、船舶用推進機および船舶に関する。

特許文献１に開示された先行技術は、過渡運転状態を含むあらゆる運転状態において最適な燃料噴射量を決定できる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的としている。この装置は、機関回転数および吸気圧力によりマップを検索して燃料噴射量Ｔimapを求める。燃料噴射量Ｔimapは、定常運転状態において目標空燃比（Ａ／Ｆ）を達成するように設定されている。一方、スロットル開度の一次遅れ値を求め、これを用いることによって、スロットルの有効開口面積の一次遅れ値が求められる。この一次遅れ値に対する有効開口面積（現在値）の比を燃料噴射量Ｔimapに乗じることにより、スロットル通過空気量に対応する燃料噴射量ＴTHが演算される。さらにこの燃料噴射量ＴTHに対して、チャンバ充填空気量に対応する補正噴射量ΔＴｉによる補正を施して、出力燃料噴射量Ｔoutが求められる。

特許第３３３０２３４号公報（段落００５８－００７１）

目標とする空燃比が燃焼時に達成されることによって、効率的な燃焼を実現できる。しかし、とりわけ吸気圧の検出から燃料噴射量の演算完了までには無視できない演算時間が存在するから、過渡運転状態（とくに加速運転状態）において目標空燃比を達成することは容易ではない。
特許文献１の先行技術は、吸気圧および機関回転数に基づいてマップ検索することによって燃料噴射量Ｔimapを求めている。しかし、過渡運転状態においては、吸気圧検出から吸気弁が閉じるまでの間に無視できない吸気圧変化が生じるから、燃料噴射量Ｔimapは、目標空燃比を達成できる適値とはならない。燃料噴射量Ｔimapを補正して得られる出力燃料噴射量Ｔoutは、燃料噴射量Ｔimapよりも適値に近い値となると期待されるけれども、さらに改善の余地がある。

この発明の一実施形態は、船舶用エンジンの燃焼状態の改善に有利な燃料噴射制御装置を提供する。また、この発明の一実施形態は、燃焼状態の改善に有利な燃料噴射制御装置を備えた船舶用エンジン、それを備えた船舶用推進機、およびそれを備えた船舶を提供する。

この発明の一実施形態は、船舶に備えられる推進機を駆動する船舶用エンジンのための燃料噴射制御装置を提供する。この燃料噴射制御装置は、前記船舶用エンジンのスロットル開度に基づいて当該船舶用エンジンのスロットル弁の有効開口面積を演算する有効開口面積演算器と、前記有効開口面積演算器によって求められた有効開口面積の一次遅れフィルタ値を求めるフィルタ値演算器と、前記一次遅れフィルタ値に対する前記有効開口面積の比を補正値として求める補正値演算器と、前記船舶用エンジンの吸気路（好ましくは、スロットル弁の後の吸気路部分）で検出される吸気圧の平均値に前記補正値演算器によって求められる前記補正値を乗じて予測吸気圧を求める予測吸気圧演算器と、前記予測吸気圧演算器によって求められた予測吸気圧に基づいて、燃料噴射量を演算する燃料噴射量演算器と、前記燃料噴射量演算器によって演算された燃料噴射量に基づいて、前記船舶用エンジンの燃料噴射器を駆動する燃料噴射駆動器と、の機能を実行するようにプログラムされている。

有効開口面積とその一次遅れフィルタ値との比は、有効開口面積の変化の度合いを表し、エンジンの過渡運転状態（とくに加速運転状態）を表す指標となる。そこで、この比の値が、現在の吸気圧を補正して未来の吸気圧（予測吸気圧）を求めるための補正値として用いられる。具体的には、エンジンの吸気路で検出される吸気圧の平均値に補正値（前記の比の値）を乗じて、予測吸気圧が求められる。この予測吸気圧に基づいて燃料噴射量が演算されるので、演算される燃料噴射量は、適値に近似した値（具体的には、目標空燃比を精度よく達成できる燃料噴射量の値）となる。それによって、燃焼状態を改善することができる。

もしも、補正をしない吸気圧を用いて燃料噴射量を求め、その燃料噴射量を過渡運転状態に応じて補正するならば、その補正は、前述のような補正値を乗じる簡単な演算では足りず、より複雑な演算を行わなければ、補正後の燃料噴射量は適値とはならない。たとえば、吸気圧に対する燃料噴射量の関係が実質的に線形でない場合には、燃料噴射時点での吸気圧に対して適切な燃料噴射量を得ることができない。それに対して、この実施形態では、予測吸気圧に基づいて燃料噴射量が求められるので、その燃料噴射量は予測吸気圧に対する適値である。そして、予測吸気圧は、有効開口面積およびそのフィルタ値の比による補正を経て得られる妥当な値である。それにより、適値に近似した燃料噴射量を求めることができるので、良好な燃焼状態を実現できる。

一つの実施形態では、前記予測吸気圧演算器は、前記補正値演算器によって求められる補正値と所定の閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、前記吸気路で検出される吸気圧の平均値に前記補正値を乗じた値と、前記吸気圧の平均値とのいずれかを選択して、その選択された値を前記予測吸気圧とする。
所定の閾値を適切に設定することにより、補正値と閾値との比較結果に基づいて、吸気圧が短時間に大きく変動することのない定常状態と、吸気圧が短時間に大きく変化する過渡運転状態とを判別することができる。過渡運転状態では補正値によって吸気圧平均値を補正した値を予測吸気圧とすることが適切であり、定常状態では吸気圧平均値を予測吸気圧とすれば、妥当な吸気圧を得ることができる。それにより、定常状態および過渡運転状態のいずれにおいても良好な燃焼状態を実現できる。

一つの実施形態では、前記予測吸気圧演算器は、前記補正値演算器によって求められる補正値が第１閾値を超えると、前記吸気路で検出される吸気圧の平均値に前記補正値を乗じて予測吸気圧を求め、前記補正値が前記第１閾値以下の第２閾値未満になると、前記吸気圧の平均値を予測吸気圧とする。
第１閾値および第２閾値を適切に設定することにより、補正値が第２閾値未満の場合には吸気圧が短時間に大きく変動することのない定常状態であると見なすことができ、補正値が第１閾値超のときには、吸気圧が短時間に大きく変化する過渡運転状態であると見なすことができる。そこで、過渡運転状態では補正値によって吸気圧平均値を補正して予測吸気圧を求め、定常状態では吸気圧平均値を補正することなく予測吸気圧として用いる。こうして、状態に応じて補正の有無を切り換えることにより、妥当な予測吸気圧を得ることができ、定常状態および過渡運転状態のいずれにおいても良好な燃焼状態を実現できる。

前記第１閾値および第２閾値は等しくてもよい。また、前記第２閾値は前記第１閾値よりも小さくてもよい。第２閾値を第１閾値よりも小さくすることにより、補正が有効な状態と無効な状態との切り換わりにヒステリシスを与えることができるので、チャタリングを抑制できる。
一つの実施形態では、前記船舶用エンジンが、４ストロークエンジンである。前記燃料噴射駆動器は、所定の燃料噴射タイミングで燃料が噴射されるように前記燃料噴射器を駆動する。前記予測吸気圧演算器は、前記燃料噴射タイミングよりも前の演算タイミングにおいて、吸気行程の終わりでの予測吸気圧を演算する。

吸気行程の終わり（より具体的には吸気弁が閉じるタイミング）での吸気圧を知れば、燃焼室に導入される空気の量を正確に求めることができる。その空気の量に対して適切な燃料噴射量を設定することにより、目標空燃比（たとえば理想空燃比）を達成できる。吸気圧を検出してから燃料噴射量を演算し、その演算された量の燃料を噴射するまでの時間が必要であるので、この時間を考慮したうえで、予め燃料噴射量を演算しなければならない。そのためには、実際上、吸気行程の終わりよりも前に燃料噴射量の演算を実行する必要がある。そこで、吸気行程の終わりでの吸気圧が、それよりも前に検出される吸気圧に基づいて、一次遅れフィルタ値を用いて予測される。この予測された吸気圧を用いることにより、適切な燃料噴射量を予め演算することができ、それによって、燃焼状態を改善することができる。

一つの実施形態では、前記燃料噴射量演算器が、前記予測吸気圧演算器によって演算される予測吸気圧および前記船舶用エンジンの回転速度に基づいて体積効率を演算する体積効率演算器を含み、前記体積効率演算器によって演算される体積効率に基づいて燃料噴射量を演算する。
予測吸気圧を用いることによって体積効率を正確に求めることができ、それに応じて、適切な燃料噴射量を求めることができる。それにより、燃焼状態を向上できる。

一つの実施形態では、前記燃料噴射量演算器が、前記予測吸気圧演算器によって演算される予測吸気圧および前記船舶用エンジンの回転速度に基づいて、空燃比要求値を演算する空燃比要求値演算器を含み、前記空燃比要求値演算器によって演算される空燃比要求値に基づいて燃料噴射量を演算する。
予測吸気圧を用いることにより、適切な空燃比要求値を演算できるので、その適切な空燃比を達成できる妥当な燃料噴射量を求めることができる。それにより、燃焼状態を向上できる。

一つの実施形態では、前記予測吸気圧に対する前記燃料噴射量演算器によって演算される燃料噴射量の関係が非線形である。
吸気圧と燃料噴射量との関係が非線形である場合、検出された吸気圧に基づいて演算された燃料噴射量に対して、前述の補正値に基づく補正を施しても適値に近似した燃料噴射量を求めることができず、より複雑な演算が必要になる。この実施形態では、検出された吸気圧に対して補正を施して予測吸気圧を求め、その予測吸気圧に基づいて燃料噴射量が求められる。この構成であれば、吸気圧と燃料噴射量との関係が非線形であっても、妥当な燃料噴射量を複雑な演算を要することなく求めることができる。

この発明の一実施形態は、スロットル開度を検出するスロットル開度センサと、吸気路での吸気圧を検出する吸気圧センサと、燃料を噴射する燃料噴射器と、前述の燃料噴射制御装置と、を含む、船舶用エンジンを提供する。
この発明の一実施形態は、前述の船舶用エンジンと、前記船舶用エンジンによって駆動される推進部材と、を含む、船舶用推進機を提供する。

この発明の一実施形態は、船体と、前記船体に装備された前述の船舶用推進機と、を含む、船舶を提供する。

この発明によれば、燃焼状態の改善に有利な船舶用エンジンの燃料噴射制御装置を提供できる。また、この発明によれば、燃焼状態の改善に有利な燃料噴射制御装置を備えた船舶用エンジン、それを備えた船舶用推進機、およびそれを備えた船舶を提供できる。

図１は、この発明の一実施形態に係る船舶の構成を説明するためのブロック図である。 図２は、前記船舶のエンジンに関連する構成例を図解的に示す。 図３は、エンジンＥＣＵの機能的な構成を説明するためのブロック図であり、燃料噴射制御のための構成を主として示す。 図４は、エンジンＥＣＵによる燃料噴射制御装置としての機能を説明するためのフローチャートである。 図５は、燃料噴射に関連する動作例を説明するためのタイムチャートである。 図６は、吸気弁が閉じるタイミングでの吸気圧と燃料噴射量との関係を示す吸気圧－噴射量特性の一例を示す。 図７は、過渡運転状態における吸気圧の補正による燃料噴射量演算への影響を説明するための図である。

以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る船舶の構成を説明するためのブロック図である。船舶１は、典型的には、プレジャーボートと呼ばれる小型船舶であってもよい。船舶１は、船体２と、操船システム３とを備えている。操船システム３は、推進機１０Ａ，１０Ｂ（総称するときには「推進機１０」という。）と、使用者によって操作される操作ユニット類３０，３２とを含む。

推進機１０は、船舶用推進機の一例であり、この実施形態では複数個（より具体的には２個）設けられている。むろん、推進機１０は１個であってもよく、３個以上であってもよい。推進機１０は、船尾に設けられる船外機であってもよい。推進機１０は、船舶用エンジンの一例であるエンジン１０１を駆動源とするエンジン推進機である。推進機１０は、エンジン１０１、シフト機構１０２、プロペラ１０３、転舵機構１０４などを備えている。エンジン１０１は、この実施形態では、４ストローク内燃機関である。エンジン１０１が発生する動力が、シフト機構１０２を介してプロペラ１０３に伝達される。プロペラ１０３は、推進部材の一例である。転舵機構１０４は、推進機１０が発生する推進力の方向を左右に変化させる機構であり、船外機の場合には、船外機を船体に対して左右に旋回させる。シフト機構１０２は、前進位置、後進位置およびニュートラル位置のシフト位置を選択可能に構成されている。前進位置のとき、エンジン１０１の回転が伝達されることによってプロペラ１０３が正転方向に回転する。後進位置のとき、エンジン１０１の回転が伝達されることによってプロペラ１０３が逆転方向に回転する。ニュートラル位置のとき、エンジン１０１とプロペラ１０３との間の動力伝達が遮断される。

推進機１０は、さらに、エンジンＥＣＵ１０５、スタータモータ１０６、燃料噴射器（インジェクタ）１０７、スロットルアクチュエータ１０８、点火装置１０９、シフトアクチュエータ１１０、転舵アクチュエータ１１１などを備えている。燃料噴射器１０７は、エンジン１０１に備えられた装置である。エンジンＥＣＵ１０５は、スタータモータ１０６、燃料噴射器１０７、スロットルアクチュエータ１０８、点火装置１０９、シフトアクチュエータ１１０、転舵アクチュエータ１１１の動作を制御する。スタータモータ１０６は、エンジン１０１を始動するための電動モータである。燃料噴射器１０７は、エンジン１０１内で燃焼される燃料を噴射する装置である。エンジンＥＣＵ１０５は、燃料噴射器１０７を制御する燃料噴射制御装置としての機能を有している。スロットルアクチュエータ１０８は、エンジン１０１のスロットル弁を作動させる電動アクチュエータ（典型的には電動モータを含む。）である。点火装置１０９は、エンジン１０１の燃焼室内の混合気に点火する装置であり、典型的には、点火プラグおよび点火コイルを含む。点火プラグは、エンジン１０１に備えられた装置である。シフトアクチュエータ１１０は、シフト機構１０２を作動させるためのアクチュエータである。転舵アクチュエータ１１１は、転舵機構１０４の駆動源であり、典型的には、電動モータを含む。転舵アクチュエータ１１１は、電動ポンプ式の油圧装置を含んでいてもよい。

操作ユニット類３０，３２は、この実施形態では、ステアリングホイール３０およびリモコンレバー３２を含む。これらにそれぞれ対応するようにステアリングＥＣＵ（電子制御ユニット）３１およびリモコンＥＣＵ３３が備えられている。ステアリングＥＣＵ３１およびリモコンＥＣＵ３３は、エンジンＥＣＵ１０５に通信可能に接続されている。
ステアリングホイール３０は、船舶１の進行方向を定めるための操作、すなわち、操舵を行うために使用者によって操作される操作部材である。この実施形態では、ステアリングホイール３０の操作に応じて推進機１０が発生する推進力の方向が左右に変化し、それによって、操舵が達成される。リモコンレバー３２は、推進機１０のシフト位置および推進機１０の出力、すなわち、推進機１０が発生する推進力の方向および大きさを設定／調整するための使用者によって操作される操作部材である。より具体的には、リモコンレバー３２は、エンジン１０１のスロットル開度を調整するために操作者によって操作される操作部材であり、アクセル操作子またはスロットル操作子と言い換えることもできる。この実施形態では、２つの推進機１０に対応するように２つのリモコンレバー３２が備えられている。

図２は、エンジン１０１に関連する構成例を図解的に示す。この例では、エンジン１０１は、４気筒の内燃機関である。４つの気筒４０を有するシリンダボディ４１に、吸気マニホールド４６および排気マニホールド４９が結合されている。シリンダボディ４１には、各気筒４０に対して、吸気弁４２、排気弁４３および点火プラグ４４が設けられている。吸気弁４２は、吸気マニホールド４６と気筒４０内の燃焼室との間の吸気ポート５２を開閉する。排気弁４３は、気筒４０内の燃焼室と排気マニホールド４９との間の排気ポート５３を開閉する。点火プラグ４４は、燃焼室内で火花放電して、燃焼室内の混合気に点火する。この例では、吸気マニホールド４６において吸気弁４２の近傍の位置に、燃料噴射器１０７が配置されている。この燃料噴射器１０７は、吸気弁４２の上流側の吸気経路内（より具体的には吸気ポート５２）に燃料を噴射（いわゆるポート噴射）する。もっとも、この配置は一例である。すなわち、燃料噴射器１０７は、気筒４０内に燃料を噴射（いわゆる直接噴射）するように配置されていてもよい。

吸気マニホールド４６は、集合吸気管４７に結合されている。吸気マニホールド４６および集合吸気管４７は、吸気路４５を形成している。集合吸気管４７には、スロットル弁５５が介装されている。スロットル弁５５に関連して、スロットル弁５５の開度を検出するスロットル開度センサ５６が設けられている。スロットル弁５５に対して吸気路４５（より具体的には集合吸気管４７）の下流側には、吸気圧を検出する吸気圧センサ５８が配置されている。吸気圧センサ５８は、スロットル弁５５と吸気弁４２との間で、吸気路４５内の気圧を検出する。

排気マニホールド４９は、集合排気管５０に結合されている。排気マニホールド４９および集合排気管５０は、排気路４８を形成している。図示は省略するが、排気路４８には、排気ガスを無害化するための触媒コンバータが配置されていてもよい。同じく図示は省略するが、排気路４８には、空燃比センサが配置されていてもよい。
シリンダボディ４１に関連して、クランク軸５９の回転に応じてクランクパルスを生成するクランク角センサ６０が配置されている。

スロットル開度センサ５６、吸気圧センサ５８およびクランク角センサ６０の出力信号は、エンジンＥＣＵ１０５に入力される。エンジンＥＣＵ１０５は、各気筒４０の燃料噴射器１０７および点火プラグ４４を制御および駆動する。エンジンＥＣＵ１０５は、前述のセンサ類からの入力信号に基づいて様々な演算を実行し、適切な燃料噴射タイミングで各気筒４０の燃料噴射器１０７を駆動して燃料を噴射させ、かつ適切な点火タイミングで各気筒４０の点火プラグ４４を火花放電させる。

エンジンＥＣＵ１０５は、プロセッサ１０５Ｐ（ＣＰＵ）、メモリ１０５Ｍ、駆動回路類１０５Ｄを含む。メモリ１０５Ｍは、プロセッサ１０５Ｐが実行するプログラムを記憶しており、さらに、演算および制御のためのデータを記憶できる。プロセッサ１０５Ｐがプログラムを実行することにより、エンジンＥＣＵ１０５は、複数の機能処理ユニットとしての機能を有することができる。換言すれば、エンジンＥＣＵ１０５は、複数の機能処理ユニットを実質的に含み、それらの複数の機能処理ユニットとしての機能を実行するようにプログラムされている。

図３は、エンジンＥＣＵ１０５の機能的な構成を説明するためのブロック図であり、燃料噴射制御のための構成を主として示す。すなわち、エンジンＥＣＵ１０５の燃料噴射制御装置としての機能が示されている。エンジンＥＣＵ１０５が実質的に有する複数の機能処理ユニットは、有効開口面積演算器７２、フィルタ値演算器７３、補正値演算器７５、予測吸気圧演算器７６、および燃料噴射量演算器７９を含む。前記複数の機能処理ユニットは、さらに、平均吸気圧演算器７１を含む。前記複数の機能処理ユニットは、さらに、エンジン回転速度演算器８４、クランク角演算器８５、および行程判別器８６を含む。また、前記複数の機能処理ユニットは、燃料噴射駆動器８３を含む。燃料噴射駆動器８３は、燃料噴射器１０７を駆動する駆動回路等のハードウェアを含んでいてもよい。

有効開口面積演算器７２は、スロットル開度センサ５６によって検出されるスロットル開度に基づいて、スロットル弁５５の有効開口面積を演算する。有効開口面積演算器７２は、スロットル開度に対応する有効開口面積を格納した開口面積マップを含んでいてもよい。
フィルタ値演算器７３は、有効開口面積演算器７２によって求められた一次遅れフィルタ値を求めるフィルタ処理を実行する。フィルタ処理のためのパラメータは、フィルタパラメータ生成器７４から与えられる。補正値演算器７５は、フィルタ値演算器７３によって求められる一時遅れフィルタ値に対する有効開口面積の比を補正値として求める。より具体的には、補正値演算器７５は、有効開口面積を一次遅れフィルタ値で除することによって、補正値を求める。

平均吸気圧演算器７１は、吸気圧センサ５８が検出する吸気圧値を平均化処理して吸気圧平均値を求める。具体的には、吸気圧センサ５８の出力信号は所定のサンプリング周期でサンプリングされてディジタル化される。平均吸気圧演算器７１は、最近の所定個数のサンプリング値の平均値を吸気圧平均値として求める。
予測吸気圧演算器７６は、補正値演算器７５によって演算される補正値を吸気圧平均値に乗じて予測吸気圧を演算する。より具体的には、予測吸気圧演算器７６は、吸気圧平均値に補正値を乗じる乗算器７７を含む。この実施形態では、予測吸気圧演算器７６は、さらに、選択ロジック７８を含む。選択ロジック７８は、補正値と閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、吸気圧平均値および乗算器７７の乗算結果のいずれかを選択し、その選択された値を予測吸気圧として出力する。より詳細には、選択ロジック７８は、補正値が第１閾値を超えると乗算器７７の出力値を選択し、補正値が第２閾値未満になると吸気圧平均値演算器の出力値を選択して、その選択した値を予測吸気圧として出力する。第２閾値は第１閾値以下に定められる。フィルタ値演算器７３および予測吸気圧演算器７６は、吸気行程の終わり（より具体的には吸気弁４２が閉じたタイミング）での吸気圧を予測吸気圧として生成するように設計されている。

燃料噴射量演算器７９は、予測吸気圧演算器７６が生成する予測吸気圧に基づいて、燃料噴射量を演算する。燃料噴射量演算器７９は、体積効率演算器８０を含む。また、燃料噴射量演算器７９は、空燃比要求値演算器８１を含む。燃料噴射量演算器７９は、さらに、燃料噴射量マップ８２を含む。体積効率演算器８０は、予測吸気圧演算器７６によって演算される予測吸気圧と、エンジン回転速度演算器８４によって演算されるエンジン回転速度とに基づいて、気筒４０の体積効率を演算する。空燃比要求値演算器８１は、予測吸気圧演算器７６によって演算される予測吸気圧と、エンジン回転速度演算器８４によって演算されるエンジン回転速度とに基づいて、空燃比要求値を演算する。たとえば、予測吸気圧およびエンジン回転速度を用いて要求空燃比マップを検索することによって空燃比要求値が演算されてもよい。燃料噴射量マップ８２は、体積効率および空燃比要求値に対応する燃料噴射量を格納している。燃料噴射量演算器７９は、体積効率および空燃比要求値を用いて燃料噴射量マップ８２を検索することにより、燃料噴射量を演算する。こうして演算される燃料噴射量は、予測吸気圧およびエンジン回転速度に対して適切な燃料噴射量、換言すれば、エンジン１０１の運転状態に対して適切な燃料噴射量となる。

エンジン回転速度演算器８４は、クランク角センサ６０が生成するクランクパルスに基づいて、より具体的にはクランクパルスの時間間隔に基づいて、エンジン回転速度を演算する。また、クランク角演算器８５は、クランク角センサ６０が生成するクランクパルスに基づいて、より具体的にはクランクパルスを計数することにより、クランク角を演算する。行程判別器８６は、演算されたクランク角などに基づいて、エンジン１０１の行程を判別する。

燃料噴射駆動器８３は、燃料噴射量演算器７９によって演算された燃料噴射量に基づいて、燃料噴射器１０７を駆動する。より詳細には、燃料噴射駆動器８３は、クランク角演算器８５によって演算されるクランク角および行程判別器８６によって判別される行程に基づいて適切に定められる燃料噴射タイミングで、演算された燃料を噴射するように、燃料噴射器１０７を駆動する。

周知のとおり、４気筒エンジンにおいては、４つの気筒の点火タイミングの位相が１８０度ずつずれている。それに応じて、吸気弁４２および排気弁４３の動作の位相がずれており、したがって、行程の位相が気筒間でずれている。ゆえに、予測吸気圧の演算およびそれに基づく燃料噴射量の演算は、気筒ごとに実行する必要がある。図４には、予測吸気圧の演算および燃料噴射に関する１気筒分の構成のみが表されているが、実際には、４気筒分の演算および燃料噴射制御が実行される。

エンジンＥＣＵ１０５は、気筒４０ごとに適切なタイミングで、燃料噴射器１０７から燃料を噴射させる燃料噴射制御を実行し、かつ点火プラグ４４によって混合気に点火する点火制御を実行する。
図４は、エンジンＥＣＵ１０５による燃料噴射制御装置としての機能を説明するためのフローチャートであり、所定の演算周期毎に繰り返される処理の例が示されている。エンジンＥＣＵ１０５は、スロットル開度センサ５６によって検出されるスロットル開度および吸気圧センサ５８によって検出される吸気圧など、センサ類の値を読み込む（ステップＳ１）。エンジンＥＣＵ１０５は、吸気圧平均値Ｐaveを演算する（ステップＳ２）。また、エンジンＥＣＵ１０５は、スロットル開度に基づいて有効開口面積を演算し（ステップＳ３）、さらに、有効開口面積の一次遅れフィルタ値を演算する（ステップＳ４）。

有効開口面積ｂの一次遅れフィルタ値ａは、フィルタパラメータｃを用いて、次式で表される。ただし、ａ(n)（ｎは自然数）は一次遅れフィルタ値ａの今回値（今演算周期での値）を表し、ａ(n-1)は一次遅れフィルタ値ａの前回値（前演算周期での値）を表す。有効開口面積ｂは、今演算周期の値である。
ａ(n)＝ａ(n-1)×ｃ＋ｂ×（１－ｃ）
フィルタパラメータｃの物理的意味は次式のとおりである。

ｃ＝τ／（Ｔ＋τ） ただし、τは時定数、Ｔは演算周期。
フィルタパラメータｃは、フィルタパラメータ生成器７４によって生成される。フィルタパラメータｃは、シミュレーションまたは実験によって決定することができる。フィルタパラメータｃは、一定値であってもよいし、エンジン回転速度等に応じて変動する値であってもよい。フィルタパラメータｃは、一次遅れフィルタ値ａが、吸気行程の終わり（より具体的には吸気弁４２が閉じるタイミング）における有効開口面積を模擬するように、設定されることが好ましい。また、フィルタパラメータｃは、次に説明する補正値Ｃtaを吸気圧平均値Ｐaveに乗じた値が、吸気行程の終わり（より具体的には吸気弁４２が閉じるタイミング）における吸気圧を模擬するように、設定されることが好ましい。

エンジンＥＣＵ１０５は、有効開口面積ｂおよびフィルタ値ａを用いて補正値Ｃtaを次式に従って演算する（ステップＳ５）。
Ｃta＝ｂ／ａ(n)
そして、エンジンＥＣＵ１０５は、補正値Ｃtaを閾値と比較する（ステップＳ６）。具体的には、エンジンＥＣＵ１０５は、補正値Ｃtaが第１閾値（たとえば５％）を超えると、吸気圧平均値Ｐaveに補正値Ｃtaを乗じた値を予測吸気圧Ｐbとして用い（すなわち、Ｐb＝Ｃta×Ｐave）、補正値Ｃtaによる補正を有効にする（ステップＳ７）。一方、エンジンＥＣＵ１０５は、補正値Ｃtaが第２閾値（たとえば２％）未満になると、吸気圧平均値Ｐaveを予測吸気圧Ｐbとして用い（すなわち、Ｐb＝Ｐave）、補正値Ｃtaによる補正を無効にする（ステップＳ８）。補正値Ｃtaが第１閾値以上第２閾値以下である場合には、エンジンＥＣＵ１０５は、予測吸気圧Ｐbの演算方法を前演算周期のままに保持する。すなわち、補正値Ｃtaによる補正の有効／無効の状態を前演算周期と同じにする。

第１閾値および第２閾値は等しい値であってもよいし、第２閾値が第１閾値よりも小さい値であってもよい。第２閾値を第１閾値よりも小さい値とすることにより、補正値Ｃtaによる補正の有効／無効の切り換えにヒステリシス特性を与えることができるので、チャタリングを抑制できる。
こうして予測吸気圧Ｐbが求まると、エンジンＥＣＵ１０５は、予測吸気圧およびエンジン回転速度を用いて体積効率マップを検索することによって、体積効率を求める（ステップＳ９）。さらに、エンジンＥＣＵ１０５は、予測吸気圧およびエンジン回転速度を用いて、空燃比要求値を求める（ステップＳ１０）。

エンジンＥＣＵ１０５は、求められた体積効率、空燃比要求値、大気密度などに基づいて、燃料噴射量を演算する（ステップＳ１１）。さらにエンジンＥＣＵ１０５は、求められた燃料噴射量およびインジェクタ特性係数（単位時間当たりの噴射量）により、噴射時間（＝燃料噴射量／インジェクタ特性係数）を演算する（ステップＳ１２）。
エンジンＥＣＵ１０５は、燃料噴射タイミングが到来すると、演算された噴射時間だけ燃料噴射器１０７から燃料を噴射させる（ステップＳ１３）。

図５は、燃料噴射に関連する動作例を説明するためのタイムチャートである。４ストローク内燃機関の１サイクルは、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程（膨張行程）および排気行程を含む。吸気弁４２は、吸気行程の間に開かれ、その他の期間には閉じられる。排気弁４３は排気行程の間に開かれ、その他の期間には閉じられる。ただし、排気行程から吸気行程に遷移する際に、吸気弁４２および排気弁４３の両方が開かれるオーバーラップ期間があってもよい。

燃料噴射器１０７による燃料噴射は、排気行程から圧縮行程の間で設定される燃料噴射タイミングで実行される。より具体的には、ポート噴射の場合には、吸気弁４２が開く前から吸気弁４２が開いている間のいずれかの時点に燃料噴射タイミングが設定される。また、直接噴射（気筒内噴射）の場合には、吸気弁４２が開いている間または吸気弁４２が閉じた後のいずれか時点に燃料噴射タイミングが設定される。

吸気行程の終わり、すなわち、吸気弁４２が閉じられるタイミングにおいて、気筒４０内の空気の量が確定するので、このタイミングでの吸気圧を知れば、気筒４０内に導入された空気の量を正確に見積もることができる。それにより、空燃比要求値を満足する燃料噴射量を精度よく求めることができる。一方、検出された吸気圧値に基づいて燃料噴射量を演算し、その量の燃料を噴射するまでには、相応の時間を要するから、燃料噴射タイミングよりも前に燃料噴射量の演算を開始しなければならない。燃料噴射タイミングが最も遅いケース、すなわち、燃料噴射タイミングを吸気弁４２が閉じた後に設定するケースであっても、燃料噴射量の演算を開始するタイミングが吸気行程の後となることは保証できない。現実的な演算時間および高速回転状態を想定するならば、燃料噴射量の演算開始タイミングを吸気弁４２が閉じた後のタイミングにすることができない。すると、燃料噴射量の演算には、必然的に、吸気弁４２が閉じるよりも前に検出された吸気圧の値を用いざるをえない。つまり、燃料噴射量の演算のために使用可能な吸気圧の検出タイミングと、燃料噴射量の演算のために必要な吸気圧の検出タイミング（吸気行程の終わり）との間には、タイムラグがある。

スロットル開度が実質的に変動しておらず、したがって、スロットル弁５５の有効開口面積が実質的に変動していない定常状態においては、燃料噴射量の演算タイミングと吸気弁４２が閉じるタイミングとで吸気圧の値に大きな差はないと考えられる。したがって、燃料噴射量の演算タイミングにおける吸気圧検出値を用いることにより、空燃比要求値を達成できる。その一方で、スロットル開度が実質的に変化しており、したがって、スロットル弁５５の有効開口面積が実質的に変動している過渡運転状態（とくにスロットル開度が急激に開かれる加速時）においては、事情が異なる。具体的には、燃料噴射量の演算タイミングから吸気弁４２が閉じるタイミングまでに吸気圧の値が大きく変動するおそれがある。したがって、検出された吸気圧検出値をそのまま用いると、空燃比要求値を達成することは難しい。具体的には、加速時には、空気量が過大なリーン状態になる。

そこで、この実施形態では、過渡運転状態においては、吸気行程の終わり（具体的には、吸気弁４２が閉じるタイミング）での吸気圧を予測して得られる値、すなわち、補正値Ｃtaによる補正によって得られた予測吸気圧Ｐbを用いる。この予測吸気圧Ｐbを用いて燃料噴射量を演算することにより、空燃比要求値を達成する。
別の解決策として、燃料噴射量の演算タイミングでの吸気圧平均値Ｐaveをそのまま用いて燃料噴射量を演算する一方で、加速動作中と判定されたときには追加の燃料噴射量を演算することが考えられる。この場合、加速動作判定のための判定値、および追加の燃料噴射量には、多大な労力および時間を要する適合工程が必要とされる。具体的な適合工程においては、船体に推進機を取り付けて船舶を実際に航走させ、大量の試験パターンでの運転実験を経て、性能目標を満足するようにパラメータを決定することになる。さらには、最悪条件で性能目標を満足するように適合を行えば、それ以外の条件では噴射量が過剰になるから、空燃比要求値よりもリッチ側の条件での運転時間が長くなるので、燃費が悪化する。前述の実施形態を採用すれば、これらの課題は生じない。

図６は、吸気弁４２が閉じるタイミングでの吸気圧と空燃比要求値を満たす燃料噴射量との関係（吸気圧－噴射量特性）の一例を示す。吸気圧－噴射量特性は、エンジンの設計等に依存するので、機種毎に異なる。一般的な傾向としては、吸気圧の増加に応じて吸気量が増加するので燃料噴射量もそれに応じて増加する。しかし、吸気圧の増加に対する燃料噴射量の増加は線形ではなく、非線形であり、かつ単調増加とも限らない。

図７は、過渡運転状態における吸気圧の補正による燃料噴射量演算への影響を説明するための図であり、吸気圧－噴射量特性の一部を拡大して示す。補正値Ｃtaが１０％である場合、過渡運転状態であると判断され、燃料噴射量演算時点での吸気圧平均値Ｐaveに対して補正値Ｃta（＝１０％）を乗じて、予測吸気圧Ｐbが演算される。この予測吸気圧Ｐbに基づいて、参照符号Ａ１で示すように、吸気圧－噴射量特性線上の燃料噴射量が求められる。

もしも、燃料噴射量演算時点での吸気圧平均値Ｐaveに基づいて、参照符号Ａ２で示すように、吸気圧－噴射量特性線上の燃料噴射量を用いてそれを適用すれば、空燃比要求値に対して燃料が不足するリーン状態となる。また、参照符号Ａ３で示すように、その燃料噴射量に対して補正値Ｃta（＝１０％）を乗じて補正燃料噴射量を求めても、その燃料噴射量は適値にならず、適切な燃料噴射量とのずれΔＦが生じる。これが適値であり得るのは、吸気圧に対する燃料噴射量の変化が線形の場合だけである。

以上のように、この実施形態によれば、スロットル開度に基づいてスロットル弁５５の有効開口面積が演算され、その有効開口面積の一次遅れフィルタ値が求められる。そして、一次遅れフィルタ値に対する有効開口面積の比が補正値Ｃtaとして求められる。一方、吸気路４５（より具体的には、スロットル弁５５の後）で吸気圧センサ５８によって検出される吸気圧平均値Ｐaveに補正値Ｃtaを乗じることによって、予測吸気圧Ｐbが求められ、この予測吸気圧Ｐbに基づいて、燃料噴射量が演算される。その燃料噴射量に基づいて、燃料噴射器１０７が駆動される。

有効開口面積とその一次遅れフィルタ値との比は、有効開口面積の変化の度合いを表し、過渡運転状態を表す指標となる。そこで、この比の値が、現在の吸気圧を補正して未来の吸気圧（予測吸気圧）を求めるための補正値Ｃtaとして用いられる。この補正値Ｃtaを用いて求められる予測吸気圧Ｐbに基づいて燃料噴射量が演算されるので、演算される燃料噴射量は、精度よく空燃比要求値を充足できる適値となる。それによって、燃焼状態を改善することができる。

また、この実施形態では、補正値Ｃtaと閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、補正値Ｃtaによる吸気圧平均値Ｐaveの補正の有効／無効を切り換えている。より具体的には、補正値Ｃtaが第１閾値を超えると、吸気圧平均値Ｐaveに補正値Ｃtaを乗じた値を予測吸気圧Ｐbとする一方で、補正値Ｃtaが第２閾値未満になると、吸気圧平均値Ｐaveを補正することなく予測吸気圧Ｐbとして用いている。これにより、過渡運転状態では補正値Ｃtaによって吸気圧平均値Ｐaveを補正して予測吸気圧Ｐbを求め、定常状態では吸気圧平均値Ｐaveを補正することなく予測吸気圧Ｐbとして用いている。こうして、状態に応じて補正の有効／無効を切り換えることにより、妥当な予測吸気圧Ｐbを得ることができ、定常状態および過渡運転状態のいずれにおいても良好な燃焼状態を実現できる。

前述のとおり、第２閾値は第１閾値以下の値である。第２閾値を第１閾値よりも小さくすることにより、補正が有効な状態と無効な状態との切り換わりにヒステリシスを与えることができるので、チャタリングを抑制できる。
また、この実施形態では、エンジン１０１は、４ストロークエンジンであり、燃料噴射器１０７は、所定の燃料噴射タイミングで燃料を噴射する。そして、予測吸気圧演算器７６は、燃料噴射タイミングよりも前の演算タイミングにおいて、吸気行程の終わり（具体的には吸気弁４２が閉じるタイミング）での予測吸気圧Ｐbを演算する。吸気行程の終わりでの吸気圧を知れば、燃焼室（気筒４０）に導入される空気の量を正確に求めることができる。その空気の量に対して適切な燃料噴射量を設定することにより、要求空燃比を達成でき、それに応じて、燃焼状態を改善することができる。

また、この実施形態では、予測吸気圧演算器７６によって演算される予測吸気圧Ｐbおよびエンジン回転速度に基づいて体積効率が演算され、その体積効率に基づいて燃料噴射量が演算される。予測吸気圧Ｐbを用いることによって体積効率を正確に求めることができ、それに応じて、適切な燃料噴射量を求めることができる。それにより、燃焼状態を向上できる。

また、この実施形態では、予測吸気圧演算器７６によって演算される予測吸気圧Ｐbおよびエンジン回転速度に基づいて、空燃比要求値が演算され、その空燃比要求値に基づいて燃料噴射量が演算される。予測吸気圧Ｐbを用いることにより、適切な空燃比要求値を演算できるので、その適切な空燃比を達成できる妥当な燃料噴射量を求めることができる。それにより、燃焼状態を向上できる。

前述のように、予測吸気圧Ｐbに対する燃料噴射量の関係が非線形に定められていてもよい。吸気圧と燃料噴射量との関係が非線形である場合、燃料噴射量に対して前述の補正値Ｃtaに基づく補正を施しても適値に近似した燃料噴射量を求めることができず、より複雑な演算が必要になる（図７参照）。この実施形態では、吸気圧平均値Ｐaveに対して補正を施して予測吸気圧Ｐbを求め、その予測吸気圧Ｐbに基づいて燃料噴射量が求められる。この構成であれば、吸気圧と燃料噴射量との関係が非線形であっても、妥当な燃料噴射量を複雑な演算を要することなく求めることができる。

なお、陸上走行用の車両に用いられるエンジンのように陸上で使用されるエンジンには、吸気圧センサではなく、エアフローセンサが搭載されて、吸入空気量を直接的に検出する構成が採用される。しかし、エアフローセンサの検出部は、水分および／または塩分が入り込む使用環境に耐えることができない。したがって、船舶用エンジンにおいては、エアフローセンサを用いることは現実的ではなく、代わりに、吸気圧センサが適用される。

以上、この発明の一実施形態について説明してきたが、以下に例示するとおり、この発明は、さらに他の形態で実施することができ、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
前述の実施形態では、補正値Ｃtaを第１閾値および第２閾値と比較する構成を示したが、閾値は一つだけであってもよい。すなわち、補正値Ｃtaが当該閾値を超えるならば、補正値Ｃtaによって吸気圧平均値Ｐaveを補正した値を予測吸気圧Ｐbとし、補正値Ｃtaが当該閾値未満であれば、吸気圧平均値Ｐaveをそのまま予測吸気圧Ｐbとしてもよい。

また、補正値Ｃtaによる補正の有効／無効を切り換えず、すなわち、補正値Ｃtaに対する判定を省いて、運転状態によらずに、補正値Ｃtaによって吸気圧平均値Ｐaveを補正した値を予測吸気圧Ｐbとして用いてもよい。
前述の実施形態では、ステアリングホイール３０の操作に応じて、転舵アクチュエータ１１１によって転舵機構１０４によって舵取り動作が行われるステアバイワイヤの構成を示したが、ステアリングホイール３０の操作が機械的に転舵機構１０４に伝達されるようになっていてもよい。

前述の実施形態では、リモコンレバー３２の操作に応じて、スロットルアクチュエータ１０８がスロットル弁５５を作動させるドライブバイワイヤの構成を示したが、リモコンレバー３２の操作が機械的にスロットル弁５５に伝達されるようになっていてもよい。
前述の実施形態では、船外機の形態を有する推進機について主として説明したが、推進機は他の形態を有していてもよい。たとえば、推進機の形態は、船内機、船内外機、水ジェット推進機などであってもよい。

１ 船舶、２ 船体、３ 操船システム、１０，１０Ａ，１０Ｂ 推進機、３２ リモコンレバー、４０ 気筒、４１ シリンダボディ、４２ 吸気弁、４３ 排気弁、４４ 点火プラグ、４５ 吸気路、４８ 排気路、５２ 吸気ポート、５３ 排気ポート、５５ スロットル弁、５６ スロットル開度センサ、５８ 吸気圧センサ、６０ クランク角センサ、７１ 平均吸気圧演算器、７２ 有効開口面積演算器、７３ フィルタ値演算器、７４ フィルタパラメータ生成器、７５ 補正値演算器、７６ 予測吸気圧演算器、７７ 乗算器、７８ 選択ロジック、７９ 燃料噴射量演算器、８０ 体積効率演算器、８１ 空燃比要求値演算器、８２ 燃料噴射量マップ、８３ 燃料噴射駆動器、８４ エンジン回転速度演算器、１０１ エンジン、１０３ プロペラ、１０５ エンジンＥＣＵ、１０７ 燃料噴射器

Claims (10)

1. 船舶に備えられる推進機を駆動する船舶用エンジンのための燃料噴射制御装置であって、
   前記船舶用エンジンのスロットル開度に基づいて当該船舶用エンジンのスロットル弁の有効開口面積を演算する有効開口面積演算器と、
   前記有効開口面積演算器によって求められた有効開口面積の一次遅れフィルタ値を求めるフィルタ値演算器と、
   前記一次遅れフィルタ値に対する前記有効開口面積の比を補正値として求める補正値演算器と、
   前記船舶用エンジンの吸気路で検出される吸気圧の平均値に前記補正値演算器によって求められる前記補正値を乗じて予測吸気圧を求める予測吸気圧演算器と、
   前記予測吸気圧演算器によって求められた予測吸気圧に基づいて、燃料噴射量を演算する燃料噴射量演算器と、
   前記燃料噴射量演算器によって演算された燃料噴射量に基づいて、前記船舶用エンジンの燃料噴射器を駆動する燃料噴射駆動器と、
   の機能を実行するようにプログラムされた、燃料噴射制御装置。
2. 前記予測吸気圧演算器は、前記補正値演算器によって求められる補正値と所定の閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、前記吸気路で検出される吸気圧の平均値に前記補正値を乗じた値と、前記吸気圧の平均値とのいずれかを選択して、その選択された値を前記予測吸気圧とする、請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記予測吸気圧演算器は、前記補正値演算器によって求められる補正値が第１閾値を超えると、前記吸気路で検出される吸気圧の平均値に前記補正値を乗じて予測吸気圧を求め、前記補正値が前記第１閾値以下の第２閾値未満になると、前記吸気圧の平均値を予測吸気圧とする、請求項１に記載の燃料噴射制御装置。
4. 前記船舶用エンジンが、４ストロークエンジンであり、
   前記燃料噴射駆動器が、所定の燃料噴射タイミングで燃料が噴射されるように前記燃料噴射器を駆動し、
   前記予測吸気圧演算器が、前記燃料噴射タイミングよりも前の演算タイミングにおいて、吸気行程の終わりでの予測吸気圧を演算する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置。
5. 前記燃料噴射量演算器が、前記予測吸気圧演算器によって演算される予測吸気圧および前記船舶用エンジンの回転速度に基づいて体積効率を演算する体積効率演算器を含み、前記体積効率演算器によって演算される体積効率に基づいて燃料噴射量を演算する、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置。
6. 前記燃料噴射量演算器が、前記予測吸気圧演算器によって演算される予測吸気圧および前記船舶用エンジンの回転速度に基づいて、空燃比要求値を演算する空燃比要求値演算器を含み、前記空燃比要求値演算器によって演算される空燃比要求値に基づいて燃料噴射量を演算する、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置。
7. 前記予測吸気圧に対する前記燃料噴射量演算器によって演算される燃料噴射量の関係が非線形である、請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置。
8. スロットル開度を検出するスロットル開度センサと、
   吸気路での吸気圧を検出する吸気圧センサと、
   燃料を噴射する燃料噴射器と、
   請求項１～７のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置と、
   を含む、船舶用エンジン。
9. 請求項８に記載の船舶用エンジンと、
   前記船舶用エンジンによって駆動される推進部材と、
   を含む、船舶用推進機。
10. 船体と、
    前記船体に装備された請求項９に記載の船舶用推進機と、
    を含む、船舶。

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