JPH0571397A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】リーン燃焼機関でサージ発生を抑止しつつ、最
大限にリーン化させ、燃費及び排ガス性能を向上させ
る。 【構成】車速の変動割合ΔＶＳＰ、又は、機関回転速度
Ｎｅの爆発行程に伴う脈動幅の変動割合Δｘと、サージ
の許容限界に相当する所定値とを比較し（Ｓ４）、サー
ジが許容限界以下である場合には設定空燃比Ａ／Ｆを更
にリーン化させ（Ｓ６）、サージが許容限界を越えてい
る場合には設定空燃比Ａ／Ｆをリッチ側に修正する（Ｓ
５）ことによって燃焼を安定させサージの発生を回避す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の空燃比制御装
置に関し、詳しくは、機関吸入混合気の空燃比を環境条
件等に応じて最大限にリーン化し得る装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃費の向上を目的として、理論空
燃比（14.7）よりも極めて高い空燃比（例えば20〜25）
で燃焼を行わせるようにしたリーン燃焼機関が提案され
ている。かかるリーン燃焼機関では、例えば低回転・低
負荷時で運転しているときに前記リーン空燃比で燃焼さ
せることで燃費の向上を図り、加速時や高負荷時にはト
ルク性能を重視して理論空燃比よりもややリッチ側の空
燃比（例えば13程度）として、燃費の向上と出力トルク
の確保とを両立させている（特開平１−１８７３３８号
公報等参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
に燃費向上を目的としてリーン空燃比で燃焼させる場合
には、極力リーン化させることが燃費性能を向上させる
ことになる。しかしながら、機関の基本性能（燃焼室形
状や燃料の霧化性能等）によって機関固有のリーン失火
限界が存在し、このリーン失火限界以上にリーン化させ
ることはできず、また、前記リーン失火限界よりもリッ
チな空燃比領域であっても、燃料性状や吸気温度などの
機関運転の環境条件によって定まるリーン空燃比による
燃焼不安定領域が存在する。このため、従来では、図７
に示すように、前記機関固有のリーン失火限界及び燃焼
不安定領域とを加味し、前記燃焼不安定領域が環境条件
によって変化しても、該燃焼不安定領域に含まれるリー
ン空燃比で燃焼が行われないように、充分な余裕を見込
んだリーン空燃比を燃料制御における空燃比に設定して
いる。

【０００４】従って、環境条件によっては、燃焼を不安
定化させることなく更にリーン化が可能な状態であって
も、初期設定されたリーン空燃比を基に燃料制御が行わ
れることになり、リーン空燃比で燃焼させることによる
燃費向上の効果を充分に発揮させることができないとい
う問題があった。更に、図７に示すように、リーン化を
進めることによってＮＯｘ濃度は低下するから、上記の
ように環境条件によって変化する燃焼不安定領域を、余
裕をもって避けてリーン空燃比を設定することは、ＮＯ
ｘの低減上で不利となってしまうという問題もあった。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、空燃比のリーン化を限界付近まで進めることがで
きるようにして、環境条件等に影響されずに最大限にリ
ーン化させた空燃比で燃焼させ、燃費及び排ガス性能を
向上させることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのため本発明にかかる
内燃機関の空燃比制御装置は、図１に示すように構成さ
れる。図１において、サージ検出手段は、内燃機関のサ
ージレベルを検出する。そして、リーン燃焼限界検知手
段は、前記サージ検出手段で検出されたサージレベルと
該サージレベルの許容限界値とを比較し、サージレベル
の検出値が前記許容限界値を越えたときにリーン燃焼限
界を検知する。

【０００７】ここで、空燃比リーン化制御手段は、リー
ン燃焼限界検知手段でリーン燃焼限界が検知されない範
囲で、機関吸入混合気の空燃比を最大限にリーン化させ
る。

【０００８】

【作用】かかる構成によると、検出されたサージレベル
が許容限界値を越えているときには、リーン燃焼の限界
を越えて空燃比がリーン化されて燃焼が不安定になった
ものと見做し、前記許容限界を越えない範囲で空燃比を
リーン化させる。これにより、サージレベルを許容レベ
ルに抑止しつつ、空燃比は極力リーン化されることにな
り、リーン限界が変化した場合にはこれに追従してリー
ン化レベルが変化することになる。

【０００９】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。一実施例
を示す図２において、内燃機関１にはエアクリーナ２か
ら吸気ダクト３，スロットル弁４及び吸気マニホールド
５を介して空気が吸入される。吸気マニホールド５の各
ブランチ部には、各気筒別に燃料噴射弁６が設けられて
いる。この燃料噴射弁６は、ソレノイドに通電されて開
弁し、通電停止されて閉弁する電磁式燃料噴射弁であっ
て、後述するコントロールユニット12からの駆動パルス
信号により通電制御されて開弁し、図示しない燃料ポン
プから圧送されてプレッシャレギュレータにより所定の
圧力に調整された燃料を、機関１に間欠的に噴射供給す
る。

【００１０】機関１の各燃焼室には点火栓７が設けられ
ていて、これにより火花点火して混合気を着火燃焼させ
る。そして、機関１からは、排気マニホールド８，排気
ダクト９，触媒10及びマフラー11を介して排気が排出さ
れる。コントロールユニット12は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，Ｒ
ＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイス等を含ん
で構成されるマイクロコンピュータを備え、各種のセン
サからの入力信号を受け、後述の如く演算処理して、燃
料噴射弁６の作動を制御する。

【００１１】前記各種のセンサとしては、吸気ダクト３
中にエアフローメータ13が設けられていて、機関１の吸
入空気流量Ｑに応じた信号を出力する。また、クランク
角センサ14が設けられていて、基準角度位置毎（例えば
ＴＤＣ毎）の基準角度信号ＲＥＦと、１°又は２°毎の
単位角度信号ＰＯＳとを出力する。ここで、前記基準角
度信号ＲＥＦの周期、或いは、所定時間内における前記
単位角度信号ＰＯＳの発生数を計測することにより、機
関回転速度Ｎｅを算出できる。

【００１２】また、機関１のウォータジャケットの冷却
水温度Ｔｗを検出する水温センサ15が設けられている。
更に、機関１と組み合わされる図示しない変速機の出力
軸から回転信号を得る車速センサ16が設けられている。
ここにおいて、コントロールユニット12に内蔵されたマ
イクロコンピュータのＣＰＵは、図３〜図５のフローチ
ャートに示すＲＯＭ上のプログラムに従って演算処理を
行い、機関１への燃料噴射を制御する。

【００１３】尚、本実施例において、サージ検出手段，
リーン燃焼限界検知手段，空燃比リーン化制御手段とし
ての機能は、前記図３〜図５のフローチャートに示すよ
うにコントロールユニット12がソフトウェア的に備えて
いる。図３のフローチャートに示すプログラムは、燃料
噴射弁６に出力する駆動パルス信号のパルス幅に相当す
る燃料噴射量Ｔｉを演算するためのプログラムであり、
例えば所定微小時間毎に実行される。

【００１４】まず、ステップ１（図中ではＳ１としてあ
る。以下同様）では、理論空燃比よりも大きくリーン化
させた設定空燃比（例えば20〜25）に基づいて燃料供給
量Ｔｉを演算させるリーン運転条件が成立しているか否
かを判別する。本実施例では、リーン空燃比（空燃比＝
20〜25）で燃焼させるリーン領域と、理論空燃比（＝1
4.7）又は理論空燃比よりも僅かにリッチな空燃比（例
えば13程度）で燃焼させるリッチ領域（通常空燃比領
域）との２つ領域に大きく分けられており、例えば機関
回転速度Ｎｅと機関負荷を代表する基本燃料噴射量Ｔｐ
とに基づいて判別される所定の低負荷・低回転領域をリ
ーン領域として、かかるリーン領域では理論空燃比より
も大きくリーン化させた設定空燃比に基づいて燃料噴射
量Ｔｉを演算させ、燃費の向上を図るようにしてあり、
前記リーン領域を除く高負荷・高回転領域であるリッチ
領域では、理論空燃比又は理論空燃比よりも僅かにリッ
チな空燃比で燃焼させて、トルク性能を確保できるよう
にしてある。

【００１５】但し、本実施例では、後述するように、リ
ーン領域，リッチ領域内において運転条件によって設定
空燃比を細かく変化させて、運転条件毎に適正空燃比で
燃焼させることができるようにしてある。ステップ１で
リーン運転条件が成立していると判別されたときには、
ステップ２へ進み、予めリーン領域内の設定空燃比（例
えば20〜25）を機関回転速度Ｎｅと基本燃料噴射量Ｔｐ
とに対応させて記憶させてあるリーン領域マップ（リー
ンＡ／Ｆ割付マップ）を参照し、現在の運転条件に見合
ったリーン空燃比を検索して求める。

【００１６】一方、ステップ１でリーン運転条件が成立
していないと判別されたときには、ステップ３へ進み、
予めリッチ領域内の設定空燃比（例えば13〜14.7）を機
関回転速度Ｎｅと基本燃料噴射量Ｔｐとに対応させて記
憶させてあるリッチ領域マップ（通常Ａ／Ｆ割付マッ
プ）を参照し、現在の運転条件に見合ったリッチ空燃比
を検索して求める。

【００１７】ステップ３でリッチ領域内における空燃比
を設定すると、ステップ７へ進み、空燃比Ａ／Ｆ＝１と
して演算された基本燃料噴射量Ｔｐ（＝Ｑ／Ｎｅ×Ｋ；
Ｋは燃料噴射弁６の特性による定数）に、マップから検
索して求めた空燃比Ａ／Ｆの逆数を乗算して、前記空燃
比Ａ／Ｆに相当する燃料噴射量Ｔｐに換算し、更に、バ
ッテリ電圧変化による燃料噴射弁６の有効開弁時間の変
化を補正するための電圧補正分Ｔｓを加算して、最終的
な燃料噴射量Ｔｉを演算する。

【００１８】尚、燃料噴射量Ｔｉの演算においては、こ
の他、水温センサ15で検出される冷却水温度Ｔｗに基づ
く補正係数や始動後増量などを加味しても良く、上記の
燃料噴射量Ｔｉの演算は最も簡便な例を示したものであ
る。コントロールユニット12は所定の噴射タイミングに
なると最新に演算された燃料噴射量Ｔｉに相当するパル
ス幅の駆動信号を燃料噴射弁６に与えて、燃料噴射を制
御する。

【００１９】一方、ステップ２でリーン領域内における
空燃比を設定した場合には、ステップ７に進む前に、ス
テップ４〜ステップ６におけるリーン空燃比の補正処理
を実行する。まず、ステップ４では、図４又は図５のフ
ローチャートに示すプログラムによって演算される機関
のサージレベルを表すパラメータΔＶＳＰ又はΔｘが所
定値以上であるか否かを判別する。

【００２０】前記所定値は、サージレベルの許容限界値
に相当するものであり、サージレベルを表すパラメータ
ΔＶＳＰ又はΔｘがこの所定値を越える場合には、サー
ジが許容限界を越えて発生していると判断される。従っ
て、パラメータΔＶＳＰ又はΔｘがこの所定値を越えて
いる場合には、燃焼状態を安定させてサージレベルを低
下させるべく、ステップ５へ進み、マップから検索して
求めたリーン空燃比Ａ／Ｆから所定値αを減算して設定
空燃比をリッチ側に修正する。そして、かかる修正と共
に、マップの該当格子位置における設定空燃比Ａ／Ｆを
前記修正された空燃比Ａ／Ｆに書き換える。

【００２１】一方、パラメータΔＶＳＰ又はΔｘが前記
所定値未満である場合には、サージレベルが許容限界を
越えない範囲であり、更にリーン化させることができる
可能性があるので、ステップ７へ進み、マップから検索
されたリーン空燃比Ａ／Ｆに所定値βを加算して設定空
燃比をリーン側に修正する。ここでも、修正された設定
空燃比に基づいて、マップの該当格子位置における記憶
データを書き換える。

【００２２】即ち、前記ステップ２で参照するリーン領
域に対応する設定空燃比のマップの初期値は、予め運転
条件毎にサージレベルが許容限界よりも小さくなるよう
に設定されたものであり、燃料の性状や吸気温度などの
リーン燃焼時におけるサージ発生に関与する環境条件が
変化しても、サージレベルが許容限界を越えないように
充分な余裕を見込んで限界ぎりぎりよりもリッチ側に設
定されている。

【００２３】従って、前記環境条件によっては、サージ
発生を抑止しつつ更にリーン化を進めることが可能にな
るので、サージレベルを表すパラメータΔＶＳＰ又はΔ
ｘと該サージレベルの許容限界に相当する所定値とを比
較することによってリーン燃焼限界を検知し、サージレ
ベルが許容限界を越えるぎりぎりまでリーン化を進める
ようにしたものである。これにより、環境条件が変化し
てリーン化の限界が変化しても、これに追従して最大限
にリーン化を進めることができ、以て、燃費の向上を図
れると共に、ＮＯｘの排出量を減少させることができ
る。

【００２４】次に、前記サージレベルの検知に用いたパ
ラメータΔＶＳＰ又はΔｘの演算を、図４及び図５のフ
ローチャートに従って説明する。図４のフローチャート
は、車速ＶＳＰの変化割合を示すパラメータΔＶＳＰを
演算するためのプログラムを示すものであり、車速セン
サ16からのパルス信号が入力される毎に実行されるよう
になっている。尚、前記車速センサ16は、変速機の出力
軸１回転当たり一定のパルス数を発生するセンサであ
り、このパルス信号の周期を計測して車速ＶＳＰを得る
ことができる。

【００２５】まず、ステップ11では、前回の本プログラ
ム実行時における最新車速ＶＳＰが設定されたＶＳＰを
前回値としてＭＶＳＰにセットする。次にステップ12で
は、最新の車速、即ち、最新のパルス周期計測結果から
求められた車速をＶＳＰにセットする。そして、次のス
テップ13では、前回の車速ＭＶＳＰと最新の車速ＶＳＰ
との偏差の絶対値を演算し、これをΔＶＳＰとする。

【００２６】即ち、前記ΔＶＳＰは、通常の加減速状態
における速度変化を検出するためのものではなく、サー
ジによる車速の微小変動を検知するためのものであり、
前記ΔＶＳＰが所定値以上である場合には、リーン燃焼
限界を越えて空燃比がリーン化されているために燃焼が
不安定となってサージが発生し、車速の変動が大きくな
っているものと見做すことができる。

【００２７】一方、図５のフローチャートは、機関出力
変動に相関のあるパラメータΔｘを機関回転速度Ｎｅに
基づいて演算させるためのプログラムであり、本実施例
の機関１を４気筒機関とした場合に、クランク角センサ
14からの信号に基づいてＴＤＣ及びＡＴＤＣ90°で実行
されるようになっている。４気筒機関において、例えば
点火順を＃１→＃３→＃４→＃２とすると、図６に示す
ように、各気筒の爆発行程による機関回転速度Ｎｅの増
大ピークがＴＤＣ間において発生し、いずれかの気筒に
おける圧縮上死点に相当するＴＤＣ位置においては機関
回転速度Ｎｅが比較的小さくなり、この各気筒の爆発行
程に伴う機関回転速度Ｎｅの脈動幅ｘは機関出力に相関
し、前記脈動幅ｘの変動割合Δｘは、機関出力の変動、
即ち、サージレベルを示すことになる。

【００２８】そこで、まず、ステップ21では、図６に示
す爆発行程に伴う機関回転速度Ｎｅの脈動の上側のピー
クレベルＮｅＨを検出すべく、爆発行程途中であるか否
かをＡＴＤＣ90°位置であるか否かによって判別する。
ＡＴＤＣ90°位置である場合には、ステップ22へ進み、
最新に演算された機関回転速度Ｎｅを上側のピークレベ
ルＮｅＨにセットする。

【００２９】また、ステップ23では、爆発行程に伴う機
関回転速度Ｎｅの脈動の下側のピークレベルＮｅＬが表
れる上死点位置（ＴＤＣ）であるか否かを判別し、上死
点である場合には、ステップ24へ進み、最新に演算され
た機関回転速度Ｎｅを下側のピークレベルＮｅＬにセッ
トする。ステップ25では、上記のようにして90°ＣＡ毎
にサンプリングされる機関回転速度Ｎｅの脈動の上下ピ
ークレベルＮｅＨ，ＮｅＬの偏差を求め、これをｘにセ
ットする。

【００３０】そして、ステップ26では、本プログラムの
前回実行時に求められた前記偏差ｘ _-1と今回新たに求め
られた偏差ｘとの差の絶対値を求め、これをΔｘにセッ
トする。次のステップ27では、今回求められた偏差ｘ
を、本プログラムの次回実行時における処理のために、
前回値ｘ_-1にセットする。

【００３１】前記偏差ｘは、機関の出力が大きくなると
大きくなるものであるが、機関出力が一定であれば略一
定に推移するものであり、90°ＣＡ毎に大きく変動する
場合には、サージの発生を示すことになる。従って、前
記図３のフローチャートのステップ４で前記変動割合Δ
ｘが所定値以上であると判別されたときには、リーン限
界を越えて燃焼が不安定となったためサージが発生して
いるものと判断できることになる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、環
境条件によって変化するリーン限界を検知して、サージ
を許容レベルに抑止しつつリーン化を進めることができ
るようになり、リーン燃焼による燃費向上及びＮＯｘ低
減の効果を最大限に得ることができるようになるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構成を示すブロック図。

【図２】本発明の一実施例を示すシステム概略図。

【図３】同上実施例における燃料制御を示すフローチャ
ート。

【図４】同上実施例において車速変動を検出するフロー
チャート。

【図５】同上実施例において機関回転速度の脈動幅の変
動を検出するフローチャート。

【図６】各気筒の爆発行程と機関回転速度Ｎｅの脈動の
様子を示すタイムチャート。

【図７】従来のリーン空燃比の設定の様子を説明するた
めの線図。

【符号の説明】

１ 機関 ６ 燃料噴射弁 12 コントロールユニット 13 エアフローメータ 14 クランク角センサ 16 車速センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関のサージレベルを検出するサージ
   検出手段と、 該サージ検出手段で検出されたサージレベルと該サージ
   レベルの許容限界値とを比較し、サージレベルの検出値
   が前記許容限界値を越えたときにリーン燃焼限界を検知
   するリーン燃焼限界検知手段と、 該リーン燃焼限界検知手段でリーン燃焼限界が検知され
   ない範囲で、機関吸入混合気の空燃比を最大限にリーン
   化させる空燃比リーン化制御手段と、 を含んで構成されたことを特徴とする内燃機関の空燃比
   制御装置。