JP3926763B2

JP3926763B2 - 内燃機関の制御システム

Info

Publication number: JP3926763B2
Application number: JP2003116814A
Authority: JP
Inventors: 昌吾服部
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: CN1777744A; WO2004094799A1; US20060180126A1; EP1637716A1; US7188612B2; CN100406700C; JP2004324450A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に供給する燃料の噴射量などを制御する制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車両などの内燃機関の燃焼を制御する手法としては、外気から吸引する空気の量に合わせて燃料の噴霧量を制御し、クランク軸の回転角度に応じて空気と燃料との混合物に点火し、燃焼させることが知られている（例えば、引用文献１参照）。
【０００３】
ここで、引用文献１には、燃料噴射を制御する技術が開示されている。具体的には、多気筒エンジンへの燃料噴射を制御するために用いられ、空気の吸気通路上でスロットルバルブと電磁噴射弁との間に空気の流量センサが設けられている。制御回路が、流量センサから検出される吸入空気の流量の平均値から燃料の基本噴射量を所定のタイミングで演算し、この基本噴射量に基づいて燃料噴射が行われる。エンジンが１サイクルする間に吸気を行う気筒が順次切り替わるが、この際に生じる吸入空気の流量の変動を吸入空気の流量の平均値からの偏差分としてとらえ、この偏差分に相当する偏差信号を電磁噴射弁の電圧回路に直接入力し、偏差信号が大きいときには燃料を多く噴射させ、偏差分が少ないときは少なく噴射させる。なお、基本噴射量の演算には、吸引空気の温度を検出する吸気温センサと、エンジンの冷却水の温度を検出する冷却水温センサと用いた補正を行っている。
【０００４】
【特許文献１】
特公平４−１５３８８号公報（第２頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃焼効率や応答性を向上させるためには、実際に内燃機関に吸引される空気量をその都度測定し、これに最適な燃料の量を決定することが望ましいが、スロットルバルブの近くで空気の流量を測定すると、開閉するスロットルバルブの影響で気流が乱れるために空気の流量を正確に測定することができない。
これに対してスロットルバルブから離れた位置で空気の流量を測定すると、流量の変化が少なくなり、吸気工程に起因する流量変化を検出することが困難になる。この場合には、他のクランク軸の回転角度を検出するセンサや、カムの回転角度を検出するセンサなどを併用して吸気の開始や終了を確認する必要が生じるが、燃料の噴射制御に要するセンサの数が増えると、その分だけ処理が複雑になり、制御回路の負担が増えるという問題が生じる。
【０００６】
よって、本発明は、このような課題を解決することを目的としてなされたもので、簡単な構成で、必要な量の燃料を適切なタイミングで噴射させることができる内燃機関の制御システムを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供している。
請求項１に係る発明は、内燃機関（例えば、実施形態のエンジン２）の吸気通路（例えば、実施形態の吸気通路４）の絞り弁（例えば、実施形態のスロットルバルブ１２）よりも下流側に設置されたセンサで前記内燃機関に吸気される空気量を検出し、制御装置で前記空気量から燃料の噴射量を演算すると共に、燃料噴射用のインジェクタから燃料を噴射させる内燃機関の制御システムにおいて、前記吸気通路の直径が２２ｍｍ、前記内燃機関の回転数が毎分１５００回のときに、前記内燃機関への吸気開始に伴う前記空気量の変化を所定値以上で検出可能なように、前記絞り弁の設置位置と前記センサの設置位置との距離を前記吸気通路の径の２倍から４倍に設定したことを特徴とする内燃機関の制御システムとした。
【０００８】
この発明に係る内燃機関の制御システムは、吸気通路を流れる空気の量を絞り弁から所定の距離だけ下流で測定する。この距離は、吸気通路の径の２倍から４倍の間の距離とする。この範囲は、吸気通路内で空気が安定して通流する領域であるので、この範囲内に配置されたセンサは吸気に伴って吸気通路を通流する空気の流量の増加を正しく検出する。センサが検出した結果は、制御装置において燃料の噴射量の演算に用いられ、噴射量の演算結果に応じてインジェクタから燃料が噴射される。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記絞り弁の設置位置と前記センサの設置位置との距離は、４４ｍｍから６６ｍｍまでの間であることとした。
【００１０】
この発明に係る内燃機関の制御システムは、吸気通路を流れる空気の量を絞り弁から下流に４４ｍｍから６６ｍｍだけ離れた位置に設けたセンサで検出する。吸気時に、大きな空気量の変化を検出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本実施形態における内燃機関の制御システムを示す概略図である。図２はエアフローメータの設置位置を説明する図である。
図１に示す本実施形態のエンジン制御システム１は、内燃機関であるエンジン２の吸気マニホールド３に連結された吸気通路４から空気を吸引し、この空気と、吸気マニホールド３に配設されたインジェクタ５から噴出する燃料とを混合させた後にエンジン２の燃焼室２ａ内で燃焼させ、燃焼後の燃焼ガスを排気マニホールド６から排出するに際し、吸気通路４の所定位置に取り付けられたセンサであるエアフローメータ１４で検出する空気量に応じて制御装置７が、燃料の噴射量を制御することを特徴とする。
【００１２】
吸気通路４は、エアクリーナ１１と、エアクリーナ１１よりも下流で空気量の調整を行う絞り弁であるスロットルバルブ１２を備えるスロットルボディ１３とを有する。スロットルボディ１３には、吸気通路４を通ってエンジン２に吸引される空気の量を質量流量として検出するエアフローメータ１４が取り付けられている。図２に示すようにエアフローメータ１４は、スロットルバルブ１２の回動軸１２ａよりも設置距離Ｌだけ下流側に位置しており、吸気通路４に露出させた検出部１４ａで実際にエンジン２の燃焼室２ａに吸引される空気量を検出できるようになっている。なお、エアフローメータ１４をスロットルボディ１３に取り付けると、セッティングの工数を削減することができる。
【００１３】
本実施形態に好適なエアフローメータ１４としては、シリコン基板にプラチナ薄膜を蒸着した検出部１４ａを有し、プラチナ薄膜の温度を一定に保つように通電するセンサがあげられる。プラチナ薄膜の周囲を通流する空気の質量が増えると、空気を介してプラチナ薄膜から散逸する熱量が増大し、これに比例してプラチナ薄膜の温度が低下する。このとき、エアフローメータ１４は、温度を一定に保つようにプラチナ薄膜に通電する電流を増加させる。一方、空気の通流量が減少すると、熱の散逸が減少してプラチナ薄膜の温度が上がるので、エアフローメータ１４はプラチナ薄膜に通電する電流を減少させる。プラチナ薄膜の周囲を通流する空気の質量の増減に比例して電流値が増減するので、この電流値をモニタすると空気量を測定することができる。なお、このようなエアフローメータ１４は、プラチナ製のワイヤを用いる場合に比べて、ヒートマスを減少させることができるので、高い応答性と、高い測定精度とを実現する。
【００１４】
図１に示すインジェクタ５は、吸気マニホールド３内を通流する空気内に、電磁噴射弁の開閉動作により燃料を噴出するもので、燃料タンク１５内の燃料ポンプ１６から汲み出され、レギュレータ１７で調圧された燃料が供給される。
【００１５】
燃焼室２ａへの混合気体の供給および燃焼後の排出は、図示しないバルブタイミング機構により駆動される吸気バルブ２ｂおよび排気バルブ２ｃで行う。
混合気体への点火は、点火プラグ８で行われる。点火プラグ８は、点火回路９に蓄積させた高エネルギを利用して放電を行う。
【００１６】
このエンジン制御システム１における制御を司る制御装置７は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）とも呼ばれ、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）やＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）などを有し、バッテリ１０からの電力供給を受けて作動する。この制御装置７は、エアフローメータ１４の出力電流を入力データとし、所定の処理を行って、燃料ポンプ１５からインジェクタ５に供給する燃料の量と、インジェクタ５の噴射量およびその噴射タイミングと、点火回路９への充電開始のタイミングと、点火タイミングとを決定し、各部に指令信号を出力する。
【００１７】
ここで、制御装置７は、エアフローメータ１４の出力電流に所定の係数を乗じて空気量を演算する空気量演算手段と、空気量の変化から吸気の立ち上がり、および吸気の立ち下がりを判定する判定手段と、吸気の開始からの空気量を積算する積算手段と、インジェクタ５などの制御をする噴射量制御手段を有するといえる。また、制御装置７は、所定のタイミングで点火プラグ８を放電させて空気と燃料との混合気体を燃焼させるように制御するので、吸気量および燃料量に応じて点火回路９の充電時間を演算し、制御する点火制御手段も有するといえる。なお、制御装置７は、点火の制御を行わない構成であっても良い。この場合には点火制御手段として機能する他の制御装置が設けられる。
【００１８】
制御装置７で処理されるデータおよびその処理について、図１および図３を用いて説明する。なお、図３はエンジンの稼動に伴い変化する空気量の変化を示す図であり、横軸は時間の経過を示し、縦軸は吸気量を示す。
【００１９】
図３において時間の経過と共に変動する空気量は、エアフローメータ１４からの出力電流に所定の係数を乗じた値である。得られた空気量は、所定の閾値（基準値）よりも多いときを順流、それ以下の場合を逆流として取り扱う。なお、順流とは、エンジン２に吸引される方向に空気が流動することをいうものとする。逆流とは、逆方向、つまりスロットルバルブ１２のある方向に空気が流動することをいうものとし、エンジン２の吸気バルブ２ｂが閉じたときに、堰き止められた空気が逆方向に流動することに起因して発生する。このような順流と逆流とが交互に発生している状態を脈流とする。
【００２０】
また、スロットルバルブ１２がわずかに開いている状態でエンジン２の吸気バルブ２ｂが開くことがあるが、このような場合に吸気通路４内には負圧が発生する。この負圧は、吸気バルブ２ｂを閉じても残るので、スロットルバルブ１２を通じて流入する空気のわずかな流れが発生することがある。このような条件下で発生する空気の流れを過小流とする。
そして、脈流および過小流の範囲を越えて空気量が増加している領域は、エンジン２に空気が吸引されている領域で、エンジン２の吸気工程に相当する。吸気の開始（吸気の立ち上がり）は、空気量が脈流および過小流の大きさを越えたときに、そのような空気量がゼロから立ち上がるときとする。吸気の開始は、エンジン２の回転数によらずに吸気バルブ２ｂが開くタイミング（クランク軸２ｄが所定の角度）により決まるので、このポイントを基準点として燃料噴射のタイミングや点火タイミングを制御することができる。
また、吸気の終了（吸気の立ち下がり）は、ピークを越えて減少する空気量がゼロに落ち込んだときとする。
【００２１】
エアフローメータ１４の取り付け位置と、吸気の立ち上がりの検出の可否との関係について図４および図５を用いて説明する。
【００２２】
図４および図５は、吸気通路４の直径２２ｍｍのスロットルボディ１３を用いてエンジン２の回転数を毎分１５００回としたときに、スロットルバルブ１２の回転軸１２ａからの設置距離Ｌ（図２参照）に対する空気量の変化を調べた結果であり、横軸が時間の経過を、縦軸がエアフローメータ１４で検出した空気量をそれぞれ示す。図４のラインＣＬ１は、設置距離Ｌが２２ｍｍのときの空気量の変化を示す。また、ラインＣＬ２は、設置距離Ｌが４４ｍｍのとき空気量の変化を示し、ラインＣＬ３は、設置距離Ｌが６６ｍｍのときの空気量の変化を示す。図５のラインＬ４は、設置距離Ｌが８８ｍｍのときの空気量の変化を示し、ラインＬ５は、設置距離Ｌが１１０ｍｍのときの空気量の変化を示す。なお、時刻ｔ１は、吸気バルブ２ｂが開いて吸気が開始するタイミングとする。
【００２３】
図４のラインＣＬ１に示すように、設置距離Ｌが２２ｍｍの位置にエアフローメータ１４を取り付けた場合には、当初から大きな空気量が検出されており時刻ｔ１に吸気の立ち上がりを確認することはできない。一方、ラインＣＬ２に示す設置距離Ｌが４４ｍｍの位置では、始めに、脈流または過小流として検出される小さい空気量が時刻ｔ１付近で急峻に立ち上がり、その後も空気量は大きい状態を維持する。ラインＣＬ３に示す設置距離Ｌが６６ｍｍの位置では、時刻ｔ１付近で急峻に立ち上がり、その後脈流しながら緩やかに減少する。設置距離Ｌが４４ｍｍおよび６６ｍｍの位置での空気量の変化は、エンジン２の容量によっても異なるが、０．０００１５ｇ以上である。これは、脈流や、過小流と、吸気の立ち上がりとを判別するのに充分な空気量の変化である。
【００２４】
また、図５のラインＬ４に示す設置距離Ｌが８８ｍｍの位置でも時刻ｔ１付近で急峻に立ち上がっているのがわかる。ここでの空気量の変化も０．０００１５ｇ以上である。これに対して、ラインＣＬ５に示す設置距離Ｌが９３ｍｍの位置では、時間によらず大きな空気量が検出されており、時刻ｔ１付近の空気量の変化は脈流または過小流の域を出ない。
【００２５】
エアフローメータ１４の検出結果から吸気の開始を判定するためには、短時間の間に大きな空気量の変化（例えば、０．０００１ｇ以上）が必要である。したがって、本実施形態において吸気の立ち上がりを確認できる好適なエアフローメータ１４の設置位置は、スロットルバルブ１２の取り付け位置から４４ｍｍ以上８８ｍｍ以下の範囲内である。設置距離Ｌが４４ｍｍよりも短いと、スロットルバルブ１２で流路が絞られたときに乱れた気流の影響を受けるし、設置距離Ｌが８８ｍｍを越えると、気流の乱れなどから吸気の立ち上がりを判定できないためである。さらに好適なエアフローメータ１４の設置位置は、吸気の開始の前後で空気量が大きく変化する４４ｍｍから６６ｍｍの間である。
【００２６】
ここで、好適なエアフローメータ１４の設置位置Ｌをエアフローメータ１４が取り付けられる通気流路４の流路の直径φで表すと、Ｌ＝ｋ×φとなる。ここで、ｋは、所定の定数で２から４の間の値をとる。直径φは、スロットルバルブ１２からエアフローメータ１４までの間における吸気通路４の平均的な径とする。直径φは、前記したスロットルボディ１３の直径２２ｍｍだけでなく、エンジン２の使用される他の直径でも同様の傾向を示す。設定位置Ｌと直径φとが比例関係になるのは、直径φが大きいとスロットルバルブ１２の後段は気流が乱れやすいが、その後は安定した状態が長く続くからである。
【００２７】
次に、エンジン２の始動後に一定周期ごとに割り込み処理として行われる制御装置７の制御について説明する。なお、エアフローメータ１４の設置距離Ｌは、吸気通路４の径の２倍から４倍までの間とする。
【００２８】
まず、エアフローメータ１４は、スロットルバルブ１２の回動軸１２ａから設置距離Ｌだけ下流側で吸気通路４内を流れる空気の質量流量を検出し、制御装置７は、これに基づいて空気量を演算する。エンジン２の吸気バルブ２ｂが閉じている状態においては、空気量は小さい値で流動するので、制御装置７は、エンジン２が吸気工程でないと判定する。
【００２９】
一方、エンジン２の吸気工程が始まって吸気バルブ２ｂが開くと、吸気通路４内の空気が燃焼室２ａ内に吸引されるので、吸気通路４を流れる空気の量が急激に増大する。エアフローメータ１４は、増大する空気の質量流量を検出し、制御装置７に信号を出力する。制御装置７は、演算した空気量の変化を調べ、前もって定めておいた立ち上がりの変化量（例えば、所定時間の間に０．０００１５ｇの増加）の条件を満たしたら、その立ち上がりの始点をもって吸気が開始されたと判定し、この時点からの空気量の総和を吸気量として演算する。吸気量は、インジェクタ５から噴出させる燃料の噴射量の演算に用いられる。噴射量は、吸気量を所定の空燃比で除算して得られる。制御装置７は、演算した噴射量に応じた信号をインジェクタ５に出力し、必要な量の燃料の吸引される空気に対して噴射させる。
【００３０】
そして、吸気工程の終了に伴い、吸気バルブ２ｂが閉じ始めると、吸気通路４を通流する空気の量も減少する。吸気通路４の径の２倍から４倍までの間に設置されたエアフローメータ１４は、空気量の減少に伴う質量流量の減少を検出できる。このため、制御装置７は、演算した空気量が前もって定めておいた所定値を下回ったら、吸気の終了と判定し、燃料の噴射を停止させる。吸気の開始から吸気が終了するまでの間に、吸引される空気中に燃料が噴射されるので、空気と燃料とを効率良く混合させることができる。
【００３１】
このように、スロットルバルブ１２から設置距離Ｌだけ下流にエアフローメータ１４を設置することで、エアフローメータ１４で検出した空気量の変化に基づいて吸気工程の開始と終了とを判定することが可能になる。単気筒のエンジン２の場合は、クランク軸２ｄやカムの回転角度を検出する他のセンサを有しなくても、吸気のタイミングを検出することができる。また、吸気の立ち上がりと立ち下がりとを判定することができるので、その吸気工程で吸引される空気量を精度良く計測することができる。一方、多気筒のエンジン２の場合は、クランク軸２ｄやカムの回転角度を検出する他のセンサと併用することで、気筒ごとに吸気のタイミングの検出や、吸引される空気量の検出が行える。
【００３２】
なお、吸気の立ち上がりは、燃料の噴射量の演算に用いる吸気量を計測する基準点とすると共に、燃料の噴射開始の基準点となるが、エンジン２内で点火タイミングの基準点とすることもできる。これは、点火のタイミングはクランク軸２ｄの回転角度として前もって定められているが、この回転角度は、吸気の開始からの経過時間で知ることができるからである。したがって、吸気の開始を検出した時点から所定時間経過後に燃焼室２ａ内の混合気体に点火をすれば良いことになる。また、制御装置７が吸気の立ち上がりの発生周期をカウントしてエンジン２の回転数を特定し、エンジン２の回転数に応じて吸気の開始から点火までの時間を調整しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１によれば、空気量の変化から吸気の開始を判定できるので、簡単な構成で内燃機関に吸引される空気量を正しく検出し、これに基づいて燃料の噴射量を演算決定することができる。また、燃料を噴射するタイミングを吸気の開始を基準として行うことで、吸気中の空気に燃料を噴射させることができる。
請求項２によれば、吸気の開始時に大きな空気量の変化を検出することができるので、吸気の開始の判定を制度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるエンジンの制御システムを示す概略図である。
【図２】エアフローメータの設置位置を説明する図である。
【図３】エンジンの稼動に伴い変化する空気量の変化を示す図である。
【図４】空気量の変化をエアフローメータの設置位置ごとに示す図である。
【図５】空気量の変化をエアフローメータの設置位置ごとに示す図である。
【符号の説明】
２エンジン（内燃機関）
４吸気通路
５インジェクタ
７制御装置
１２スロットルバルブ（絞り弁）
１４エアフローメータ（センサ）
φ 径

Claims

内燃機関の吸気通路の絞り弁よりも下流側に設置されたセンサで前記内燃機関に吸気される空気量を検出し、制御装置で前記空気量から燃料の噴射量を演算すると共に、燃料噴射用のインジェクタから燃料を噴射させる内燃機関の制御システムにおいて、
前記吸気通路の直径が２２ｍｍ、前記内燃機関の回転数が毎分１５００回のときに、
前記内燃機関への吸気開始に伴う前記空気量の変化を所定値以上で検出可能なように、前記絞り弁の設置位置と前記センサの設置位置との距離を前記吸気通路の径の２倍から４倍に設定したことを特徴とする内燃機関の制御システム。
前記絞り弁の設置位置と前記センサの設置位置との距離は、４４ｍｍから６６ｍｍまでの間であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御システム。