JP4075080B2 - 自動車用制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はエンジンの制御システムに係り、特にシリンダ内に直接ガソリン系の燃料を噴射して火花点火し、エンジントルクを制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気管に取り付けた絞り弁でエンジントルクを制御する方法は公知である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絞り弁によって吸入空気量を制御しても、吸気管内の容積があるのでエンジンの出力を応答良く制御することができない。また、絞り弁があるので、吸入空気の流動損失，エンジンのポンピング損失が大きくなり、燃費低減が困難である。
【０００４】
本発明の目的は、ポンピング損失を増大することなく、エンジントルクを制御し、運転性，燃費，排気浄化性を向上することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明における自動車用制御装置は、内燃機関に供給される燃料を制御する燃料噴射弁と、内燃機関に供給される空気を制御する絞り弁と、内燃機関と接続された変速機とを有する自動車に用いられる自動車用制御装置であって、要求トルクが所定のトルクより小さい場合は、前記絞り弁の開閉による空気及び前記燃料噴射弁による燃料によって内燃機関に供給される混合気を所定の空燃比に制御し、要求トルクが前記所定のトルクより大きい場合は、前記絞り弁の開度をほぼ一定に維持すると共に、前記変速機で所定の駆動力を得るべく前記変速機の変速比を調整する時に発生する駆動力の変動を抑制する方向に前記燃料供給手段から供給される燃料を調整するものである。
また、本発明における自動車用制御装置は、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射手段と、内燃機関に供給される空気量を制御する空気量制御手段と、内燃機関と接続された変速機とを有する自動車に用いられる自動車用制御装置であって、要求トルクが所定のトルクより小さい場合は、前記空気量制御手段による空気量及び前記燃料噴射手段による燃料量によって内燃機関に供給される混合気を所定の空燃比に制御し、要求トルクが前記所定のトルクより大きい場合は、内燃機関へ供給される空気量を前記空気量制御手段によってほぼ一定に維持すると共に前記変速機で所定の駆動力を得るべく前記変速機の変速比を調整するときに発生する駆動力の変動を抑制する方向に前記燃料噴射手段から供給される燃料を調整するものである。
また、本発明における自動車用制御装置は、要求トルクが所定のトルクより小さい場合は、内燃機関に供給される混合気の空燃比を所定の空燃比になるように内燃機関への空気量及び燃料量を設定して空気制御手段及び燃料制御手段に出力する第１の制御手段と、要求トルクが前記所定のトルクより大きい場合は、内燃機関へ供給される空気量を前記空気制御手段によってほぼ一定に維持すると共に、前記変速機で所定の駆動力を得るように前記変速機の変速比を調整するときに発生する駆動力の変動を抑制する方向に前記燃料量を設定して前記燃料供給手段に出力する第 2 の制御手段とを有するものである。
さらに、本発明における自動車用制御装置は前記変速機の変速比を調整する時の空燃比は、前記所定の空燃比と前記所定の空燃比より小さい空燃比との間の区間に設定されているものである。
さらに、本発明における自動車用制御装置は、前記所定のトルクが所定値以上であり、前記所定の空燃比より小さい空燃比とこの空燃比より小さい空燃比との間の区間では、当該区間をスキップするように燃料量を一定に保ちつつ空気量を制御するものである。
【０００６】
【作用】
駆動トルクに応じて変速機のギア比を選定し、さらに駆動トルクが必要な場合には変速機のギア比を大きくする。ギア比を切り替えるときに、駆動トルクが変動しないように燃料噴射量を制御する。エンジンの燃焼室に開口部をもつ燃料噴射弁によって燃料を噴射するので、吸気管などへの付着がなく、燃料の流入速度が大きく、燃料量によってエンジントルクを高応答で制御できる。空燃比を大きく設定できるので、絞り弁開度を大きくでき、ポンピング損失を少なくできるので燃費を向上できる。また空燃比を大きくできるので、排気中のＣＯ，ＨＣを少なくできる。
【０００７】
【実施例】
本発明の実施例を図１を用いて説明する。吸入空気量は吸気管に取り付けたエアフローメータ１によって計量される。エンジン回転数はクランク角センサ９によって検出する。気筒内に吸入される空気量，エンジン回転数に応じて、燃料量を決め、燃料を気筒内に燃料噴射弁２より噴射する。空気量はアクセルワイヤに接続された絞り弁５１とモータによって絞り弁を制御する絞り弁５０で制御する。空気量は絞り弁５０のみで制御してもよいが、アクセルワイヤに接続された絞り弁５１を取り付けると絞り弁５０の異常動作時でも空気量が多くなり過ぎることがない。気筒内に燃料を直接噴射するので、吸気管１３，吸気弁４に燃料が付着せず燃料の吸入速度が大きい。また、燃料噴射時期を選ぶことによって、気筒内の燃料の分布を制御することができる。燃料を吸気工程，圧縮工程に噴射する。点火プラグによって気筒内の混合気に点火する。点火プラグ周りに濃混合気を形成することによって希薄混合気でも安定燃焼をすることができる。排気管１２にＣＯ，ＨＣを酸化し、酸化雰囲気でＮＯｘを還元できる機能をもった触媒６を配置する。このため、希薄燃焼のように排気に酸素があってもＮＯｘを還元できる。排気に取り付けた空燃比センサによって排気ガスの空燃比を検出し、目標空燃比になっているかを調べる。目標空燃比より希薄であれば、燃料量を増大する。さらに、酸化雰囲気でＮＯｘを還元するにはＨＣが必要であり、さらに触媒の浄化効率が最大となるように触媒温度を制御するので、触媒温度を温度センサー２８で検出し、目標触媒温度、ＨＣになるように燃料噴射量、点火時期を制御する。充電機１４は制御装置８によって充電動作を外部より制御できる。減速時に充電動作を行い、減速エネルギを回収する。さらに、エンジンの吸入空気量は過給機１１によって増大させることができる。触媒の動作は排気酸素濃度でも影響を受けるので、触媒入り口に空気導入通路３４を設け、制御弁３４で空気量を制御する。空気はエアポンプ３５で導入してもよい。空気量を多くすると空気によって触媒が冷却されるので触媒の温度制御のために使用してもよい。
【０００８】
図２に要求トルクＴｖとエンジントルクＴｅの関係を示す。変速機のギア比が５段階のものを例として説明する。絞り弁全開で燃料量を変化させた。要求トルクＴｖが小さいときにはギア比の小さい５速を選択する。要求トルクＴｖが大きくなると燃料量を多くして、エンジントルクＴｅを大きくする。この時燃料量は安定燃焼のための希薄限界以内でＮＯｘの少ない空燃比が３０から２０の間で変化させる。しかし、ＮＯｘ触媒の浄化率特性を考慮して空燃比の範囲を変えても良い。また、安定燃焼限界がもっと大きい空燃比まで可能であれば、３０以上にしても良い。大きな空燃比で運転するとポンピング損失が少なくなり、燃費が向上する。要求トルクＴｖがさらに大きくなるとギア比を大きくし、４速にする。このとき、空燃比が２０のままギアを切り替えると駆動トルクが大きくなり過ぎ、トルクの段差が生じ、運転性が悪化する。そこで燃料量を少なくし、エンジンの発生トルクを少なくして、駆動トルクの段差を防止する。同様に要求トルク増大に従い、順次ギアを切り替える。ここで、駆動トルクは次のように求めることができる。
【０００９】
（駆動トルク）＝（エンジントルク）×（ギア比）
すなわち、ギア比が大きくなるほど駆動トルクが大きくなる。空燃比の範囲を２０から３０のように固定として選ぶと、トルク段差がないようにギア比を選ぶ。１速で空燃比を２０となりそれ以上トルクが必要なときには空燃比をさらに小さくする。この時、空燃比を１６などにするとＮＯｘが増大するので、空燃比が１５までスキップさせる。要求トルクＴｖは例えばアクセル開度によって決める。アクセル開度が大きいときには要求トルクＴｖが大きいとする。
【００１０】
図３に絞り弁開度θと要求トルクＴｖの関係を示す。要求トルクＴｖが小さいときには絞り弁開度θを小さくして、エンジントルクを小さくする。それ以上のトルクでは絞り弁開度θを全開にして順次ギア比を切り替える。１速ではＮＯｘの発生量を考慮して、空燃比をスキップさせるのでトルク段差が生じるため、絞り弁開度を閉じる方向に制御して、トルク段差がないようにする。絞り弁開度はモータ等で制御する。閉じる方向の制御で良いのでエンジンのトルクが運転者の意図に反して大きくなることがない。絞り弁は全開にすることが望ましいがエンジンの性能上全開運転ができないときにはできる限り、絞り弁が開いた状態で運転する。
【００１１】
図４に要求駆動トルクＴｖと車速に対するギア位置Ｖの関係を示す。車速に応じてギア比を切り替える。車速が高いほどギア比を小さくする。ギア比を大きくすると駆動トルクを大きくすることができる。絞り弁開度を全開として低速から車速を大きくする場合を例にとり説明する。１速から２速の下限になると空燃比を３０から２０に切り替え、トルク段差がないようにする。要求トルクの減少に伴い、空燃比を２０から３０にする。車速がさらに大きくなると３速に切り替え、その時に空燃比を２０に変更し、トルク段差がないようにする。同様に５速まで繰り返す。１速で要求トルクを変化させる場合には絞り弁全開で空燃比３０とし、さらにトルクが必要なときには燃料量を多くして、空燃比を２０とする。トルクが少ないときには絞り弁開度を小さくし、空気量を少なくする。空燃比を一定としたとき、空気量が少なくなると燃料量が少なくするのでトルクが小さくなる。要求トルクが小さく、かつ５速の下限車速よりも大きいときには５速を選択する。５速の下限車速より車速を小さくすると、エンジン回転数が低くなり過ぎる。５速全開、空燃比２０よりもトルクが必要なときには、車速が４速の下限よりも大きければ４速を選定する。そのとき空燃比を３０としてトルクの段差が生じないようにする。４速で全開空燃比３０よりもトルクを小さくするときには絞り弁を閉じる。同様に、要求トルクを大きくするときには、３速に変更する。同様に１速までギアを変更しながら、トルク制御する。
【００１２】
図５に１速の下限車速以下における車速とトルクコンバータ出口のエンジントルクＴｅの関係を示す。下限車速以下では変速機と接続したままであるとエンジン回転数が低くなり過ぎ、極端にはエンストを生ずる。そのような領域では変速機とエンジンを直結するいわゆるロックアップを解除し、トルクコンバータを介して接続する。車速が小さくなるとトルクコンバータの入り口，出口の回転数に差を生ずるすべり領域となる。すべり領域ではトルクが増倍され、トルクコンバータ出口のエンジントルクが大きくなる。空燃比によってエンジントルクを変化できる。例えばエンジン回転数が８００rpm 以下ではロックアップを解除する。しかし、トルクコンバータによってすべりがあると、トルクコンバータでエネルギの伝達損失があり、燃費が悪化する。
【００１３】
図６に空燃比とＮＯｘ排出量の関係を示す。空燃比が１６程度でＮＯｘ排出量が増大する。空燃比１５では三元触媒が効果的であるが、空燃比が大きくなるとＮＯｘを還元できない。ＮＯｘ還元触媒を配置すればＮＯｘを除去できるが基本的にはエンジンから排出されるＮＯｘを少なくするのが望ましい。そのため、 ＮＯｘの排出の多くなる空燃比をスキップさせる。このとき、空燃比のスキップによりトルク段差を生ずるので、前述のように絞り弁で空気量を制御する。
【００１４】
図７に変速機およびエンジンの制御のフローチャート図を示す。アクセル開度、車速よりギア段数ｒ＝５の時のエンジン回転数を計算する。エンジン回転数が例えば８００rpm 以下ではギア段数を１速小さくし、エンジン回転数が８００ rpm 以下とならないようにギア段数を小さくする。フローチャートでは順次、ギア段数を小さくしていくが、最低許容エンジン回転数と車速よりギア段数を決めてもよい。ギア段数が１速より大きいときにはロックアップする。ギア段数が１速であるとエンジン回転数が最低許容エンジン回転数よりも低くてもそれ以上ギア段数を小さくできないのでロックアップを解除する。ギア段数を決めると運転者が要求する駆動トルクに対して、要求エンジントルク（要求トルク）を計算する。次に、要求トルクより燃料量を計算し、絞り弁全開としたときの空燃比を計算する。空燃比が３０以上では不安定な燃焼となるので、空燃比が３０となるように絞り弁開度を計算する。これによって、決定した燃料量，絞り弁開度，ギア段数となるように各アクチュエータ（燃料噴射弁，絞り弁，変速機）を制御する。一方、空燃比が２０以下の場合、ギア段数ｒ−１として、エンジン回転数を計算しなおす。このとき、駆動トルク段差がないように燃料量を制御する。また、ギア段数が１速ではそれ以上にギア段数を小さくできないので空燃比を１２から１５とする。このとき、ＮＯｘの排出量が少なくなるように空燃比をスキップさせているので、駆動トルクの段差がないように絞り弁開度を計算し、アクチュエータを制御する。
【００１５】
図８にアクセル開度と要求駆動トルクの関係を示す。アクセル開度が小さいほど、要求駆動トルクを小さくする。車速が大きくなるほど同じアクセル開度では要求駆動トルクを小さくする。要求駆動トルクが負になっているのはエンジンブレーキを意味する。車速が大きいほど同じアクセル開度ではエンジンブレーキのききが良い。
【００１６】
図９に示すようにアクセル開度と車速に対して要求駆動トルクを決める。これらの値はマップとして制御用のコンピュータのメモリに記憶させておく。例えばアクセル開度および車速を１６分割して、２５６個の要求駆動トルク値を記憶させる。
【００１７】
図１０にエンジン回転数とエンジントルクの関係を示す。同じエンジン回転数では絞り弁開度が大きいほどトルクが大きくなる。絞り弁開度を制御することによってエンジントルクを制御できる。また、空燃比によってエンジントルクが異なるので絞り弁開度，燃料量を変化させて、トルクを制御する。
【００１８】
図１１はエンジン回転数とエンジントルクの関係をマップの形にしたものの概念図である。エンジン回転数とエンジントルクの関係の値はマップとして制御用のコンピュータのメモリに記憶させておく。例えばエンジン回転数およびエンジントルクを１６分割して、２５６個の絞り弁開度を記憶させる。このようなマップから絞り弁開度を決める。
【００１９】
本発明の他の効果として、過給しない場合は過給した場合に比べて、吸入空気量が多くなり、エンジントルクが図１２に示すように増大する。過給手段として、排気ターボを用いると、運転者の意志とは無関係に過給しない場合（ａ）と過給した場合（ｂ）のトルク特性をとるので加速時に急にエンジンの出力が大きくなるなど違和感がある。
【００２０】
図１３はエンジントルクと絞り弁開度の時間変化を示すタイムチャート図である。アクセルを踏むと空気量が増えて燃料噴射量が大きくなる。過給した場合、空気量が急に大きくなるので、図１３（ｂ）に示すように運転者の意志とは無関係にトルクが大きくなり、違和感がある。過給しない場合、絞り弁開度に対するエンジントルクの変化が（ａ）に示すようになる。このため、過給の回転数が高くなるまでには慣性力によってある程度の時間を要するため、加速時の途中から過給されるようになる。
【００２１】
図１４に本発明の第二実施例の制御ブロック図を示す。車体の加速度を加速度センサで検出し、アクセルペダルに対して、所望の軸トルクであるかを比較し、所望の軸トルクでない場合にはエンジンの出力を修正する。エンジンの出力は、燃料噴射量または絞り弁開度によって空気量を制御する。エンジンの出力を修正する手段で所望の駆動トルクを得られない場合はエンジンの変速比を修正する。図１５に燃料量と車体加速度の時間変化を示す。アクセル開度に対して、目標加速度を図のように決めるため、燃料量を大きくして、エンジントルクを大きくする。筒内噴射では気筒内に直接燃料を噴射できるので吸気管などへの燃料の付着がなく対応良くトルクを制御できる。加速度を検出して目標加速度となるように燃料量を制御する。
【００２２】
図１６に吸入空気量，燃料量と車体加速度の時間変化を示す。アクセル開度に対して、目標加速度を図のように決めるため、燃料量，吸入空気量を大きくして、エンジントルクを大きくする。吸入空気量は絞り弁開度で制御するが、吸気管内の容積によって遅れが生じ、対応良くトルクを制御できない。このため、エンジントルクの大きな変化を空気量で制御し、変動の小さな制御を燃料量で行う。このような制御では空燃比の変化の範囲を狭くできるとともに、広い範囲でエンジントルクを制御することができる。
【００２３】
本発明では、絞り弁全開領域を多く用いるので、減速時エンジンブレーキがききずらい。そこで、減速時には、充電機を動作させ、充電制御を行う。これによって、減速時のエンジンブレーキを行うことができ、かつ減速時のエネルギを回収することができる。これに減速状態は例えば噴射パルスＴｐが設定値Ｔｐｃ以下かつ絞り弁開度が所定値以下でかつエンジン回転数Ｎが設定値以上では減速と判断し、充電動作を行う。その他噴射パルスが設定値以上や設定値以下でもアクセル開度が設定値以上では充電動作を行う。充電動作中の場合には、充電目標電圧を高くし、充電負荷を大きくする。充電負荷として、燃料ヒータなど他の負荷を用いても良い。絞り弁を用いた場合には、減速時には絞り弁を閉じる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、エンジンのシリンダ内へ直接噴射する燃料の噴射量を制御できるので、ポンピング損失を増大することなく、応答良くエンジン出力を制御し、運転性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例を示す概念図。
【図２】要求トルクとエンジントルクとの相関図。
【図３】絞り弁開度と要求トルクとの相関図。
【図４】要求駆動トルクとギヤ位置との相関図。
【図５】車速とエンジントルクとの相関図。
【図６】空燃比とＮＯｘ排出量との相関図。
【図７】変速機及びエンジンの制御フローチャート図。
【図８】アクセル開度と要求駆動トルクとの相関図。
【図９】アクセル開度と車速との相関図。
【図１０】エンジン回転数とエンジントルクとの相関図。
【図１１】エンジン回転数とエンジントルクとの相関図。
【図１２】エンジン回転数とエンジントルクとの相関図。
【図１３】エンジントルクと絞り弁開度の時間変化を示すタイムチャート図。
【図１４】本発明の第二実施例の制御ブロック図。
【図１５】燃料量と車体加速度の時間変化を示すタイムチャート図。
【図１６】空気量，燃料量と車体加速度の時間変化を示すタイムチャート図。
【符号の説明】
１…エアフロメータ、２…燃料噴射弁、３…点火プラグ、４…吸気弁、５…排気弁、６…触媒、７…空燃比センサ、８…制御装置、１４…充電機。

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室に直接供給される燃料を制御する燃料噴射弁と、
   前記燃焼室に供給される空気量を制御する絞り弁と、
   前記内燃機関に接続された変速機とを有する自動車に用いられる制御装置であって、
   前記内燃機関を搭載する自動車からの駆動要求トルクが所定の範囲内にある場合には、
   前記内燃機関の前記絞り弁の開度を全開近傍に制御しながら、
   燃焼安定限界空燃比である第１の空燃比と空燃比２０近傍である第２の空燃比との間で、前記要求駆動トルクを満たすように燃料量を制御し、
   前記要求駆動トルクが前記第２の空燃比以下となる燃料量を要求される場合には、
   前記変速機の変速比を小さくすることで、前記第１の空燃比と前記第２の空燃比の間になるように燃料量を制御することを特徴とする制御装置。
2. 前記内燃機関を搭載する自動車からの駆動要求トルクが前記所定の範囲よりも小さい値をとる場合には、前記絞り弁の開度と燃料量とを制御することにより前記第１の空燃比に制御することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記内燃機関を搭載する自動車からの駆動要求トルクが前記所定値の範囲よりも大きい値をとる場合には、
   前記内燃機関における燃料と空気の比が理論空燃比となるように前記絞り弁開度と前記燃料量とを共に制御することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。

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