エンジンの空燃比制御装置
【目的】 エレキスロットル弁を備えたリーンバーンエンジンに対して、ゾーン切り替え時のトルクショックの発生を有効に防止することができる手段を提供する。
【構成】 エンジンＣＥにおいては、コントロールユニットＣによって、リッチ／リーンのゾーン切り替えが行われるようになっている。ここで、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えは、吸気負圧が所定の境界吸気負圧以上となったときに行われ、リーンゾーンが可及的に広げられて燃費性能とエミッション性能とが高められ、かつ吸気充填効率が飽和する領域近傍でゾーン切り替えが行われるのが防止され、ゾーン切り替え時のトルクショックが防止される。リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えは図示平均有効圧に基づいて行われ、切り替え時のサイクリングが防止される。
【構成】 エンジンＣＥにおいては、コントロールユニットＣによって、リッチ／リーンのゾーン切り替えが行われるようになっている。ここで、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えは、吸気負圧が所定の境界吸気負圧以上となったときに行われ、リーンゾーンが可及的に広げられて燃費性能とエミッション性能とが高められ、かつ吸気充填効率が飽和する領域近傍でゾーン切り替えが行われるのが防止され、ゾーン切り替え時のトルクショックが防止される。リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えは図示平均有効圧に基づいて行われ、切り替え時のサイクリングが防止される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、自動車用の普通の火花点火式エンジンにおいては、燃料(例えば、ガソリン)と空気とからなる混合気が燃焼室内でピストンによって圧縮された後、点火プラグによって着火・燃焼させられるようになっている。そして、かかるエンジンにおいては、基本的には、混合気の空燃比(空気と燃料の比Ａ／Ｆ)を可燃範囲内で任意に設定することができる。
【０００３】そして、混合気の空燃比を変えた場合、混合気がリッチなときにはエンジン出力は高くなるものの燃費性能は悪くなる。他方、混合気がリーンなときにはエンジン出力は低くなるものの燃費性能は良くなる。そこで、従来より、空燃比を比較的リッチ(例えば、理論空燃比Ａ／Ｆ＝１４.７)に設定するリッチゾーンと、空燃比を比較的リーン(例えば、Ａ／Ｆ＝１９〜２４)に設定するリーンゾーンとを設定し、高出力が要求される運転領域ではリッチゾーンを用い、さほど高出力が要求されない運転領域ではリーンゾーンを用いるようにして、エンジン出力の向上と燃費性能の向上とを両立させるようにしたエンジン、いわゆるリーンバーンエンジンが多用されている(例えば、特開昭６０−２３０５３２号公報参照)。なお、特開昭６０−２３０５３２号公報に開示されたリーンバーンエンジンでは、吸気負圧に基づいて目標空燃比を設定するようにしている。
【０００４】また、一般にエンジンにおいては、ＣＯ及びＨＣの発生率は混合気がリーンになれば（Ａ／Ｆで２０付近に近づくほど）低くなるので、この観点からはリーンバーンエンジンではエミッション性能も高められることになる。しかしながら、ＮＯx発生率は、ＣＯあるいはＨＣとは異なり、理論空燃比よりはややリーン域(Ａ／Ｆで１６付近)でピークとなるといった特性をもつ。
【０００５】したがって、例えばリッチゾーンの空燃比を理論空燃比(Ａ／Ｆ＝１４.７)に設定する一方、リーンゾーンの空燃比(Ａ／Ｆ)を１９〜２４に設定したリーンバーンエンジンにおいて、ゾーンの切り替え時に空燃比を連続的にに変化させたのでは、ゾーン切り替えのたびにＮＯx発生率がピークとなる空燃比域を経由することになるので、ＮＯxについてのエミッション性能が悪くなる。そこで、一般に、リーンバーンエンジンでは、リッチ／リーンのゾーン切り替えを一気に(不連続に)行うようにしている(例えば、特開昭６０−１３９５３号公報参照)。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このようにゾーンを一気に(不連続に)切り替えると、リッチゾーンとリーンゾーンとではエンジンの出力特性が異なるので、ゾーン切り替え時にトルクショックが生じるといった問題がある。そこで、例えば特開昭６０−１３９５３号公報に開示された従来のリーンバーンエンジンでは、リッチ／リーンのゾーン切り替え時に点火タイミングを調整することによってエンジントルクを調整してトルクショックを抑制するようにしている。しかしながら、点火タイミングの調整により変えることができるエンジントルクの範囲には自ずから限界があるので、ゾーン切り替え時のトルクショックを十分には抑制することができないといった問題がある。
【０００７】ところで、近年、コントロールユニットからの信号に従ってサーボモータ等の電気式アクチュエータによって開閉されるエレキスロットル弁を設ける一方、コントロールユニットにより運転状態(例えば、アクセル開度、エンジン回転数、車速、ブレーキングの有無等)に応じて目標エンジントルク(目標図示平均有効圧)を設定し、該目標エンジントルクが得られるような目標スロットル開度を求め、該目標スロットル開度に追従するようエレキスロットル弁を開閉してエンジントルクを制御するようにしたスロットル弁制御装置が提案されている。
【０００８】そこで、かかるスロットル弁制御装置を備えたリーンバーンエンジンにおいて、リッチ／リーンのゾーン切り替え時にエレキスロットル弁を制御することによってエンジントルクを調整し、ゾーン切り替え時のトルクショックを防止するようにしたものが提案されている。そして、このようなリーンバーンエンジンにおいては、通常、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいて設定される目標図示平均有効圧が所定値(ゾーン切替値)を超えるか否かでゾーンを切り替えるようにしている。
【０００９】しかしながら、ゾーン切替値(目標図示平均有効圧)が適切でない場合には、次のような不具合が生じる。すなわち、ゾーン切替値が小さすぎると、リーンゾーンが狭くなり、リーンバーンエンジンの最大の利点である燃費改善効果が十分に発揮されなくなるといった問題が生じる。他方、ゾーン切替値が大きすぎると、リーンゾーン内の高負荷側の部分では、アクセル開度を増やしてもエンジントルクが増加しなくなり、かかる状態でリーンゾーンからリッチゾーンへのゾーン切り替えが行われると、エンジントルクが不連続に増加してトルクショックが発生するといった問題が生じる。
【００１０】本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、エレキスロットル弁を備え、かつ運転状態に応じてリッチ／リーンのゾーン切り替えが不連続に行われるようになったリーンバーンエンジンに対して、ゾーン切り替え時のトルクショックの発生を有効に防止することができる手段を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達するため、第１の発明は、ＮＯx排出割合が最も多くなる空燃比域よりも所定量以上リッチ側の空燃比が設定されるリッチゾーンと、上記空燃比域よりも所定量以上リーン側の空燃比が設定されるリーンゾーンとが設定され、エンジンの運転状態に応じて上記ゾーンを切り替えることにより空燃比を切り替える空燃比切替手段aが設けられたエンジンの空燃比制御装置において、リーンゾーンではリッチゾーンよりも、アクセル開度に対するスロットル開度が大きくなるようなスロットル開度特性を設定するスロットル開度特性設定手段bと、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気充填効率を設定する境界吸気充填効率設定手段cとが設けられ、上記空燃比切替手段aが、吸気充填効率が境界吸気充填効率以上となったときにリーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１２】第２の発明は、第１の発明にかかるエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段cが、吸気負圧でもって吸気充填効率を把握するようになっていて、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気負圧を境界吸気充填効率として用いるようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１３】第３の発明は、第１又は第２の発明にかかるエンジンの空燃比制御装置において、空燃比切替手段aが、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを吸気充填効率に基づいて行う一方、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１４】第４の発明は、第２又は第３の発明にかかるエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段cによって設定された境界吸気負圧を、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率特性の経時変化に応じて更新する境界吸気負圧更新手段dが設けられていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。図２に示すように、ガソリンエンジンＣＥの各気筒(１つのみ図示)においては、基本的には、第１,第２吸気弁１,２が開かれたときに、第１,第２吸気ポート３,４を介して第１,第２独立吸気通路５,６から燃焼室７内に混合気を吸入し、この混合気をピストン８で圧縮して点火プラグ９で着火・燃焼させ、第１,第２排気弁１０,１１が開かれたときに、燃焼ガスを第１,第２排気ポート１２,１３を介して第１,第２独立排気通路１４,１５に排出するといったプロセスが繰り返されるようになっている。なお、エンジンＣＥは、空燃比Ａ／Ｆがほぼ理論空燃比(Ａ／Ｆ＝１４.７すなわち空気過剰率λ＝１)に設定されるリッチゾーンと、空燃比がリーン(Ａ／Ｆ＝１９〜２４)に設定されるリーンゾーンとが設定され、運転状態に応じてリッチ／リーンのゾーン切り替えが不連続に行われるようになったリーンバーンエンジンである。
【００１６】このようなプロセスの連続した繰り返しによって、ピストン８がシリンダボア内でその軸線方向に往復運動をし、このピストン８の往復運動が、コンロッド１６とクランクピン１７とクランクアーム１８とを介して回転運動に変換されてクランク軸１９に伝達されるようになっている。点火プラグ９へは、ダイレクトイグニッションコイル２０から所定のタイミングで高電圧が印加され、この高電圧によって点火プラグ９の電極部に火花放電が起こるようになっている。第１,第２独立排気通路１４,１５は下流で１つの共通排気通路４１に集合され、この共通排気通路４１には排気ガスを浄化する触媒コンバータ４２が介設されている。共通排気通路４１には、排気ガス中のＯ2濃度(すなわち空燃比)を検出するＯ2センサ６３と、排気ガス温度を検出する第１,第２排気温度センサ６４,６５とが臨設されている。また、エンジン本体には冷却水温度(エンジン温度)を検出する水温センサ６６が設けられている。
【００１７】各気筒の燃焼室７に空気を供給するために、上流端が大気に開放された単一の共通吸気通路２１が設けられ、この共通吸気通路２１には、空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダストを除去するエアクリーナ２２と、吸入空気量を検出するエアフローセンサ２３と、コントロールユニットＣから印加される信号に従ってサーボモータ２４によって開閉駆動されるエレキスロットル弁２５とが介設されている。そして、共通吸気通路２１の下流端は、吸入空気の流れを安定化させるサージタンク２６に接続され、このサージタンク２６に前記した各気筒の第１,第２独立吸気通路５,６の上流端が接続されている。なお、この吸気系には、サージタンク２６内の吸気負圧を検出するブーストセンサ６１と、吸入空気温度を検出する吸気温度センサ６２と、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ６７とが設けられている。
【００１８】共通吸気通路２１に対して、エレキスロットル弁２５をバイパスさせて空気を通すバイパス吸気通路２７が設けられ、このバイパス吸気通路２７には、該バイパス吸気通路２７内を流れる空気の流量を調節することによってアイドル回転数を制御するＩＳＣバルブ２８が介設されている。
【００１９】第１独立吸気通路５に対して、該第１独立吸気通路５内の空気中に燃料(ガソリン)を噴射して混合気を形成する燃料噴射弁３１が設けられている。燃料噴射弁３１の燃料噴射量は、混合気の空燃比Ａ／Ｆが、空燃比マップを用いて運転状態(エンジン回転数等)に応じて設定される目標空燃比afwに追従するようコントロールユニットＣによって制御されるようになっている。
【００２０】また、第２独立吸気通路６には開閉弁３２が介設され、この開閉弁３２は負圧応動式のダイヤフラム装置からなるアクチュエータ３３によって開閉されるようになっている。具体的には、三方弁３５によって、アクチュエータ３３の圧力室に負圧通路３４を通してサージタンク２６内の負圧を導入するか、それとも大気圧を導入するかが切り替えられ、該圧力室に負圧が導入されたときにはアクチュエータ３３によって開閉弁３２が閉じられ、圧力室に大気圧が導入されたときには開閉弁３２が開かれるようになっている。この開閉弁３２は低負荷領域等では閉じられ、このとき空気が第１吸気ポート３からのみ燃焼室７に供給され、燃焼室７内にスワールが生成され、燃焼室７内で混合気が成層化され、これによって混合気の着火性・燃焼性が高められるようになっている。開閉弁３２は高負荷領域等では開かれ、このとき空気が両吸気ポート３,４から燃焼室７内に供給され、吸気充填効率が高められるようになっている。
【００２１】なお、エンジン内(クランク室内)で発生するブローバイガスをサージタンク２６に導入するために、ＰＣＶバルブ３６を備えたブローバイガス通路３７が設けられている。また、ブローバイガスの排出を促進するために、共通吸気通路２１内の空気の一部をエンジン内に供給する新気導入通路３８が設けられている。
【００２２】以下、燃料噴射弁３１に燃料(ガソリン)を供給する燃料供給系統を説明する。この燃料供給系統においては、燃料タンク４５内の燃料が、燃料フィルタ４６を通して燃料ポンプ４７に吸い込まれた後、該燃料ポンプ４７から所定の吐出圧で吐出され、フィルタ４９が介設された燃料供給通路４８を通して燃料噴射弁３１に供給されるようになっている。燃料噴射弁３１で噴射されない余剰の燃料は、燃料圧を制御するプレッシャレギュレータ５２が介設された燃料戻し通路５１を通して燃料タンク４５に戻されるようになっている、なお、プレッシャレギュレータ５２には、吸気負圧の影響をなくすために、サージタンク２６内の吸気負圧が負圧導入通路５３を通して導入されるようになっている。
【００２３】燃料タンク４５内のガソリンベーパを含む空気は、ガソリンベーパの大気中への拡散を防止するために、タンク内空気リリース通路５４を通してサージタンク２６にリリースされるようになっている。そして、このタンク内空気リリース通路５４には、空気の流れ方向にみて上流側から順に、リリースされる空気中のガソリンミストを分離するセパレータ５５と、２ウエイバルブ５６と、リリースされる空気中のガソリンベーパを吸着するキャニスタ５７と、オリフィス５８と、デューティソレノイドバルブ５９とが介設されている。
【００２４】ところで、エンジンＣＥにおいては、マイクロコンピュータを備えたコントロールユニットＣによって、エアフローセンサ２３によって検出される吸気量、ブーストセンサ６１によって検出される吸気負圧、吸気温度センサ６２によって検出される吸気温度、Ｏ2センサ６３によって検出されるＯ2濃度(空燃比)、第１,第２排気温度センサ６４,６５によって検出される排気ガス温度、水温センサ６６によって検出される冷却水温度(エンジン温度)、スロットル開度センサ６７によって検出されるスロットル開度、回転数センサ(図示せず)によって検出されるエンジン回転数、アクセル開度センサ(図示せず)によって検出されるアクセル開度等を制御情報として、種々の制御が行われるようになっている。しかしながら、エンジンＣＥの一般的な制御は本発明の要旨とするところではないのでその説明を省略し、以下では図３及び図４に示すフローチャートに従って、適宜図２R>２を参照しつつ、本発明の要旨にかかる、空燃比制御とスロットル弁制御(エンジントルク制御)とについてのみ説明する。なお、コントロールユニットＣは、特許請求の範囲に記載された「空燃比切替手段」と「スロットル開度特性設定手段」と「境界吸気充填効率設定手段」と「境界吸気負圧更新手段」とを含む総合的な制御装置である。
【００２５】図３は空燃比制御とスロットル弁制御とを含むメインルーチンのフローチャートであり、図４はメインルーチンによって呼び出されるスロットル弁制御サブルーチン(エンジントルク制御サブルーチン)である。メインルーチンでは、まずステップ＃１でスロットル弁制御サブルーチンが呼び出され、スロットル弁制御サブルーチンによってエンジントルク制御(トルクコントロール)が行われる。
【００２６】以下、ステップ＃１で呼び出されたスロットル弁制御サブルーチンについて説明する。サブルーチンが呼び出されると、まずステップ＃２０で、スロットル開度Ｔvoとエンジン回転数Ｎeとアクセル開度Ａcとが読み込まれる。ステップ＃２１では、目標図示平均有効圧マップの検索により、アクセル開度Ａc及びエンジン回転数Ｎeに対応する目標図示平均有効圧Ｐitが演算される。目標図示平均有効圧マップは、目標図示有効圧Ｐitをアクセル開度Ａc及びエンジン回転数Ｎeに対してあらわしたマップ、すなわちアクセル開度Ａcとエンジン回転数Ｎeとによって表現される時々刻々の運転状態に最も適した目標図示平均有効圧Ｐit(すなわちエンジントルク)を読み取れるようにしたマップであって、その特性は、例えば図８のように設定されている。
【００２７】ステップ＃２２では、目標図示平均有効圧Ｐitと目標空燃比afwとが読み込まれる。ここで、目標空燃比afwは、図示していない別の制御ルーチンで、ゾーン判定結果(リッチゾーン／リーンゾーン)に基づいて、空燃比マップの検索により、吸入空気量及びエンジン回転数Ｎeに応じて設定されている。
【００２８】ステップ＃２３では、次の式１により、目標図示平均有効圧Ｐitと目標空燃比afwとに基づいて、目標充填効率Ｃetが演算される。
【数１】
Ｃet＝KITPCE・Ｐit・(afw／１４.７)・fipol(afw,tw)………………式１Ｃet…………目標充填効率KITPCE………変換係数(定数)Ｐit…………目標図示平均有効圧afw …………目標空燃比tw……………エンジン温度(冷却水温度)fipol(afw,tw)…燃費率向上係数式１において、fipol(afw,tw)は、燃費率の目標空燃比に対する特性を示す燃費率向上係数であって、目標空燃比afw及びエンジン温度tw(冷却水温度)の関数である。
【００２９】一般に、目標充填効率Ｃetは、(Ｃet＝KITPCE・Ｐit・afw／１４.７)といった式で算出される。しかしながら、かかる従来の算出方法では、目標空燃比afwがリーンなときには目標充填効率Ｃetが過大となり、エンジントルクが適正値よりも過大となる。また、熱効率はエンジン温度twによっても左右される。そこで、本実施例では、式１に示すように、目標空燃比afw及びエンジン温度twの関数である燃費率向上係数fipol(afw,tw)を導入して、目標空燃比afwあるいはエンジン温度twにかかわりなく適正な目標充填効率Ｃetを得ることができるようにしている。
【００３０】ステップ＃２４では、目標充填効率Ｃetとエンジン回転数Ｎeとが読み込まれる。ステップ＃２５では、目標スロットル開度マップの検索により、目標充填効率Ｃet及びエンジン回転数Ｎeに対応する目標スロットル開度Ｔvotが演算される。目標スロットル開度マップは、目標スロットル開度Ｔvotを目標充填効率Ｃet及びエンジン回転数Ｎeに対してあらわしたマップ、すなわち目標充填効率Ｃetとエンジン回転数Ｎeとによって表現される時々刻々の運転状態に最も適していて、実際の図示平均有効圧(エンジントルク)を確実に目標図示平均有効圧Ｐit(目標エンジントルク)に一致させることができるような目標スロットル開度Ｔvotを読み取れるようにしたマップであって、その特性は、例えば図９のように設定されている。
【００３１】実際の図示平均有効圧Ｐi及びスロットル開度Ｔvoのアクセル開度Ａcに対する特性は、夫々図５中のグラフＧ1、グラフＧ3のとおりである。また、マップを切り替えない従来の制御手法における、図示平均有効圧Ｐi及びスロットル開度Ｔvoのアクセル開度Ａcに対する特性は、夫々図５中のグラフＧ2、グラフＧ4のとおりである。なお、図５においては、アクセル開度Ａcがαのときにゾーン切り替えが行われている。図５から明らかなとおり、本案ではゾーン切り替えが行われた場合でも図示平均有効圧Ｐiすなわちエンジントルクにギャップないし段差が生じない。したがって、本案によれば、ゾーン切り替え時にトルクショックが生じない。
【００３２】なお、ステップ＃２５で演算された目標スロットル開度Ｔvotは、図示していない別の制御ルーチンに送られ、この別の制御ルーチンでは実際のスロットル開度Ｔvoが該目標スロットル開度Ｔvotに追従するよう、サーボモータ２４を介してエレキスロットル弁２５が開閉駆動され、これによって目標図示平均有効圧Ｐitすなわち目標エンジントルクが実現されるようになっている。ステップ＃２５が実行された後、今回のスロットル弁制御サブルーチンは終了し、メインルーチンのステップ＃２に復帰する。
【００３３】以下、メインルーチンのステップ＃２以下のルーチンを説明する。ステップ＃２では、リーンゾーンで運転されている(リーンバーンである)か否かの比較・判定(ゾーン判定)が行われる。本実施例では、所定の高出力領域がリッチゾーン(Ａ／Ｆ＝１４．７すなわちλ＝１)とされ、これ以外の運転領域すなわち低出力領域がリーンゾーン(Ａ／Ｆ＝１９〜２４)とされている。したがって、空燃比がリッチとされる高出力領域ではエンジン出力が十分に高められる一方、空燃比がリーンとされる低出力領域では燃費性能とエミッション性能とが十分に高められる。なお、リッチゾーンの空燃比とリーンゾーンの空燃比とは所定のギャップをもって設定されているので、ゾーン切り替え時にはＮＯx発生率がピークとなる空燃比域を経由せず、ＮＯxについてのエミッション性能が極めて良好となる。
【００３４】ステップ＃２でリーンゾーンで運転されていると判定された場合は(ＹＥＳ)、ステップ＃３〜ステップ＃１１のリーンゾーン用ルーチンが実行される。このリーンゾーン用ルーチンでは、基本的には、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値(境界吸気充填効率)まで低下したときに、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを行うようにしている。ここで、境界吸気充填効率は、従来のような一定値ではなく、エンジンＣＥの時々刻々の運転状態に応じて設定される。
【００３５】図６に示すように、リーンゾーンにおいてスロットル開度Ｔvoを大きくしてゆくと、最初はこれに伴って吸気充填効率Ｃeが増加するが、スロットル開度Ｔvoがある程度以上になると吸気充填効率Ｃeの増加が飽和してしまう。そして、このように吸気充填効率Ｃeの増加が飽和点に近付くとアクセルペダルを踏み込んでも吸気充填効率Ｃeがなかなか増加せず、このままではアクセルぺダルでエンジントルクを調節することができなくなる。そこで、スロットル開度Ｔvoに対する吸気充填効率Ｃeの変化率が所定値(すなわち境界吸気充填効率)まで低下したときにはリッチゾーンに切り替えて、十分なエンジン出力を得られるようにしている。このように、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを、運転状態に応じて設定される吸気充填効率に基づいて行うようにしているので、トルク制御の制御精度が高められる。なお、エンジン特性の経時変化等に対応するため、境界吸気充填効率は経時的に更新されるようになっている。なお、図６中でグラフＧ5は低回転時の状態を示し、グラフＧ6は高回転時の状態を示している。
【００３６】しかしながら、吸気充填効率を直接検出することはできないので、本実施例では吸気負圧で吸気充填効率を把握するようにしている。例えば、境界吸気充填効率は吸気負圧であらわされて境界吸気負圧とされる。ここで、吸気負圧は吸気充填効率と正確に対応するので、かかる空燃比制御の制御精度が高められる。
【００３７】図７に、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを、図示平均有効圧が一定値(ゾーン切替値)を超えるか否かによって行うようにした場合の、図示平均有効圧Ｐi及びスロットル開度Ｔvoの、アクセル開度Ａcに対する特性を示す。ゾーン切替値が比較的小さい値β1に設定された場合は(グラフＧ7,Ｇ9)、ゾーン切り替え時に吸気充填効率Ｃeが飽和点から離れているので、図示平均有効圧Ｐi(エンジントルク)にギャップないし段差が生じない。なお、この場合、ゾーン切替値を小さくしすぎるとリーンゾーンが狭くなるので燃費性能の低下を招くことになるのはもちろんである。他方、ゾーン切替値が比較的大きい値β2に設定された場合(グラフＧ8,Ｇ10)は、ゾーン切り替え時に吸気充填効率Ｃeが飽和点に達しているので、図示平均有効圧Ｐiにギャップないし段差が生じてしまい、トルクショックが生じることになる。
【００３８】具体的には、まずステップ＃３でエンジン回転数Ｎeと吸気負圧aboostとが読み込まれ、続いてステップ＃４で、境界吸気負圧テーブルから境界吸気負圧Ｂoostが読み取られる。境界吸気負圧Ｂoostは、ゾーン判定用吸気負圧であって、吸気負圧aboostが該境界吸気負圧Ｂoost以上となったとき(充填効率が高くなったとき、すなわちスロットル開度が大きくなったとき)にリーンゾーンからリッチゾーンへ切り替えが行われるようになっている。
【００３９】ここで、境界吸気負圧Ｂoostは、基本的には、スロットル開度Ｔvoに対する吸気負圧aboostの変化率が所定値まで低下する点、すなわちスロットル開度Ｔvoに対する吸気充填効率Ｃeの変化率が所定値まで低下する点に設定される。したがって、吸気充填効率Ｃeを飽和に近付けることなく可及的にリーンゾーンを広げることができる。つまり、エンジンＣＥの運転状態に応じた最も適切な時点で、燃費性能の低下を招くことなく、かつトルクショックを生じさせることなく、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えが行われることになる。
【００４０】ステップ＃５では、吸気負圧aboostが境界吸気負圧Ｂoostより小さいか否かが比較・判定され、aboost≧Ｂoostであれば(ＮＯ)、ステップ＃１０でリッチゾーン(λ＝１)ヘの切り替えが行われる。続いて、ステップ＃１１でリッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを行う際の基準となる境界図示平均有効圧Ｐiの更新が行われる。具体的には、今回の目標図示平均有効圧Ｐitからヒステリシス分Ｐihを差し引いた値が、新たに境界図示平均有効圧Ｐiとされる。このように境界図示平均有効圧Ｐiが運転状態に応じて更新されるので、エンジン特性の経時変化に対応することが可能となる。また、ヒステリシス分Ｐihを差し引くようにしているので、ゾーン切り替え時にサイクリングが起こらない。この後、ステップ＃１に復帰する。
【００４１】他方、ステップ＃５で、aboost＜Ｂoostであると判定された場合は(ＹＥＳ)、ステップ＃６で現行のリーンゾーンが維持され、ゾーン切り替えは行われない。この後、ステップ＃７で今回のスロットル開度Ｔvo(t)が前回のスロットル開度Ｔvo(t−１)より大きいか否か、すなわちスロットル開度Ｔvoが増加したか否かが比較・判定され、続いてステップ＃８で今回の吸気負圧aboost(t)が前回の吸気負圧aboost(t−１)よりも大きいか否か、すなわち吸気負圧aboostが変化したか否かが比較・判定される。
【００４２】ここで、スロットル開度Ｔvoが増加しているのにもかかわらず吸気負圧aboostが変化していないときには(ステップ＃７がＹＥＳで、ステップ＃８がＮＯ)、ステップ＃９で今回の吸気負圧aboostが新たに境界吸気負圧Ｂoostとされた後、ステップ＃１に復帰する。すなわち運転状態に応じて境界吸気負圧Ｂoostが更新される。これによって、エンジン特性の経時変化に応じて常に適切な境界吸気負圧Ｂoostを得ることができ、トルク制御の精度が高められる。なお、これ以外の場合は、ステップ＃８,＃９をスキップしてステップ＃１に復帰する。
【００４３】ところで、前記のステップ＃２で、リーンゾーンではないと判定された場合(ＮＯ)、すなわちリッチゾーンで運転されている場合は、ステップ＃１２で目標図示平均有効圧Ｐitが境界図示平均有効圧Ｐiより小さいか否かが比較・判定される。本実施例では、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えは図示平均有効圧に基づいて行うようにしている。
【００４４】すなわち、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替え時(加速時)には制御精度を高めるために、吸気負圧に基づいてゾーン切り替えを行うようにしている。しかしながら、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替え時(減速時)には、空燃比がリッチな状態からリーンな状態に移行する関係上、ゾーン切り替えに伴って吸気充填量が増加する。このため、吸気負圧が大きくなる(充填効率が増加する)ことになり、この吸気負圧の変化によって再びリーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えが行われてしまう可能性がある。このような現象が生じるとゾーン切り替えのサイクリングが起こるので、本実施例ではかかる不具合の発生を防止するため、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようにしている。
【００４５】ステップ＃１２で、Ｐit＜Ｐiであると判定された場合は(ＹＥＳ)、ステップ＃１３でリーンゾーンに切り替えられ、他方Ｐit≧Ｐiであると判定された場合は(ＮＯ)、ステップ＃１４で現行のリッチゾーンが維持され、ゾーン切り替えは行われない。この後、ステップ＃１に復帰する。
【００４６】以上、かかる空燃比制御及びスロットル弁制御によれば、リーンゾーンが可及的に広げられて燃費性能とエミッション性能とが高められ、かつ吸気充填効率が飽和する領域近傍でゾーン切り替えが行われるのが防止され、ゾーン切り替え時のトルクショックが防止される。また、吸気負圧で充填効率を把握するようにしているので、吸気充填効率が正確に把握され、空燃比制御の制御精度が高められる。さらに、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようにしているので、ゾーン切り替え時にサイクリングが起こらない。かつ、境界吸気負圧がエンジン特性変化に応じて更新されるので、エンジン特性の経時変化に対応することができ、トルク制御の制御精度が一層高められる。
【００４７】
【発明の作用・効果】第１の発明によれば、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えが、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値まで低下した時点で行われるので、リーンゾーンが可及的に広げられて燃費性能とエミッション性能とが高められ、かつ吸気充填効率が飽和する領域近傍でゾーン切り替えが行われるのが防止されてゾーン切り替え時のトルクショックが防止される。
【００４８】第２の発明によれば、基本的には第１の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、吸気負圧で充填効率を把握するようにしているので、吸気充填効率が正確に把握され、空燃比制御の制御精度が高められる。
【００４９】第３の発明によれば、基本的には第１又は第２の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようにしているので、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替え時にサイクリングが起こらない。
【００５０】第４の発明によれば、基本的には第２又は第３の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、境界吸気負圧がエンジンの特性変化に応じて更新されるので、エンジン特性の経時変化に対応することができ、トルク制御の制御精度が一層高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１〜請求項４に対応する第１〜第４の発明の構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明にかかる空燃比制御装置を備えたエンジンのシステム構成図である。
【図３】 空燃比制御及びスロットル弁制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】 スロットル弁制御サブルーチンのフローチャートである。
【図５】 図示平均有効圧及びスロットル開度の、アクセル開度に対する特性を示す図である。
【図６】 充填効率のアクセル開度に対する特性を示す図である。
【図７】 ゾーン切り替えを一定値で行うようにいた場合の図５と同様の図である。
【図８】 目標図示平均有効圧マップの特性を示す図である。
【図９】 目標スロットル開度マップの特性を示す図である。
【符号の説明】
ＣＥ…エンジン
Ｃ…コントロールユニット
２４…サーボモータ
２５…エレキスロットル弁
３１…燃料噴射弁
６１…ブーストセンサ
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、自動車用の普通の火花点火式エンジンにおいては、燃料(例えば、ガソリン)と空気とからなる混合気が燃焼室内でピストンによって圧縮された後、点火プラグによって着火・燃焼させられるようになっている。そして、かかるエンジンにおいては、基本的には、混合気の空燃比(空気と燃料の比Ａ／Ｆ)を可燃範囲内で任意に設定することができる。
【０００３】そして、混合気の空燃比を変えた場合、混合気がリッチなときにはエンジン出力は高くなるものの燃費性能は悪くなる。他方、混合気がリーンなときにはエンジン出力は低くなるものの燃費性能は良くなる。そこで、従来より、空燃比を比較的リッチ(例えば、理論空燃比Ａ／Ｆ＝１４.７)に設定するリッチゾーンと、空燃比を比較的リーン(例えば、Ａ／Ｆ＝１９〜２４)に設定するリーンゾーンとを設定し、高出力が要求される運転領域ではリッチゾーンを用い、さほど高出力が要求されない運転領域ではリーンゾーンを用いるようにして、エンジン出力の向上と燃費性能の向上とを両立させるようにしたエンジン、いわゆるリーンバーンエンジンが多用されている(例えば、特開昭６０−２３０５３２号公報参照)。なお、特開昭６０−２３０５３２号公報に開示されたリーンバーンエンジンでは、吸気負圧に基づいて目標空燃比を設定するようにしている。
【０００４】また、一般にエンジンにおいては、ＣＯ及びＨＣの発生率は混合気がリーンになれば（Ａ／Ｆで２０付近に近づくほど）低くなるので、この観点からはリーンバーンエンジンではエミッション性能も高められることになる。しかしながら、ＮＯx発生率は、ＣＯあるいはＨＣとは異なり、理論空燃比よりはややリーン域(Ａ／Ｆで１６付近)でピークとなるといった特性をもつ。
【０００５】したがって、例えばリッチゾーンの空燃比を理論空燃比(Ａ／Ｆ＝１４.７)に設定する一方、リーンゾーンの空燃比(Ａ／Ｆ)を１９〜２４に設定したリーンバーンエンジンにおいて、ゾーンの切り替え時に空燃比を連続的にに変化させたのでは、ゾーン切り替えのたびにＮＯx発生率がピークとなる空燃比域を経由することになるので、ＮＯxについてのエミッション性能が悪くなる。そこで、一般に、リーンバーンエンジンでは、リッチ／リーンのゾーン切り替えを一気に(不連続に)行うようにしている(例えば、特開昭６０−１３９５３号公報参照)。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このようにゾーンを一気に(不連続に)切り替えると、リッチゾーンとリーンゾーンとではエンジンの出力特性が異なるので、ゾーン切り替え時にトルクショックが生じるといった問題がある。そこで、例えば特開昭６０−１３９５３号公報に開示された従来のリーンバーンエンジンでは、リッチ／リーンのゾーン切り替え時に点火タイミングを調整することによってエンジントルクを調整してトルクショックを抑制するようにしている。しかしながら、点火タイミングの調整により変えることができるエンジントルクの範囲には自ずから限界があるので、ゾーン切り替え時のトルクショックを十分には抑制することができないといった問題がある。
【０００７】ところで、近年、コントロールユニットからの信号に従ってサーボモータ等の電気式アクチュエータによって開閉されるエレキスロットル弁を設ける一方、コントロールユニットにより運転状態(例えば、アクセル開度、エンジン回転数、車速、ブレーキングの有無等)に応じて目標エンジントルク(目標図示平均有効圧)を設定し、該目標エンジントルクが得られるような目標スロットル開度を求め、該目標スロットル開度に追従するようエレキスロットル弁を開閉してエンジントルクを制御するようにしたスロットル弁制御装置が提案されている。
【０００８】そこで、かかるスロットル弁制御装置を備えたリーンバーンエンジンにおいて、リッチ／リーンのゾーン切り替え時にエレキスロットル弁を制御することによってエンジントルクを調整し、ゾーン切り替え時のトルクショックを防止するようにしたものが提案されている。そして、このようなリーンバーンエンジンにおいては、通常、アクセル開度とエンジン回転数とに基づいて設定される目標図示平均有効圧が所定値(ゾーン切替値)を超えるか否かでゾーンを切り替えるようにしている。
【０００９】しかしながら、ゾーン切替値(目標図示平均有効圧)が適切でない場合には、次のような不具合が生じる。すなわち、ゾーン切替値が小さすぎると、リーンゾーンが狭くなり、リーンバーンエンジンの最大の利点である燃費改善効果が十分に発揮されなくなるといった問題が生じる。他方、ゾーン切替値が大きすぎると、リーンゾーン内の高負荷側の部分では、アクセル開度を増やしてもエンジントルクが増加しなくなり、かかる状態でリーンゾーンからリッチゾーンへのゾーン切り替えが行われると、エンジントルクが不連続に増加してトルクショックが発生するといった問題が生じる。
【００１０】本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、エレキスロットル弁を備え、かつ運転状態に応じてリッチ／リーンのゾーン切り替えが不連続に行われるようになったリーンバーンエンジンに対して、ゾーン切り替え時のトルクショックの発生を有効に防止することができる手段を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達するため、第１の発明は、ＮＯx排出割合が最も多くなる空燃比域よりも所定量以上リッチ側の空燃比が設定されるリッチゾーンと、上記空燃比域よりも所定量以上リーン側の空燃比が設定されるリーンゾーンとが設定され、エンジンの運転状態に応じて上記ゾーンを切り替えることにより空燃比を切り替える空燃比切替手段aが設けられたエンジンの空燃比制御装置において、リーンゾーンではリッチゾーンよりも、アクセル開度に対するスロットル開度が大きくなるようなスロットル開度特性を設定するスロットル開度特性設定手段bと、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気充填効率を設定する境界吸気充填効率設定手段cとが設けられ、上記空燃比切替手段aが、吸気充填効率が境界吸気充填効率以上となったときにリーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１２】第２の発明は、第１の発明にかかるエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段cが、吸気負圧でもって吸気充填効率を把握するようになっていて、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気負圧を境界吸気充填効率として用いるようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１３】第３の発明は、第１又は第２の発明にかかるエンジンの空燃比制御装置において、空燃比切替手段aが、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを吸気充填効率に基づいて行う一方、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１４】第４の発明は、第２又は第３の発明にかかるエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段cによって設定された境界吸気負圧を、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率特性の経時変化に応じて更新する境界吸気負圧更新手段dが設けられていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置を提供する。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。図２に示すように、ガソリンエンジンＣＥの各気筒(１つのみ図示)においては、基本的には、第１,第２吸気弁１,２が開かれたときに、第１,第２吸気ポート３,４を介して第１,第２独立吸気通路５,６から燃焼室７内に混合気を吸入し、この混合気をピストン８で圧縮して点火プラグ９で着火・燃焼させ、第１,第２排気弁１０,１１が開かれたときに、燃焼ガスを第１,第２排気ポート１２,１３を介して第１,第２独立排気通路１４,１５に排出するといったプロセスが繰り返されるようになっている。なお、エンジンＣＥは、空燃比Ａ／Ｆがほぼ理論空燃比(Ａ／Ｆ＝１４.７すなわち空気過剰率λ＝１)に設定されるリッチゾーンと、空燃比がリーン(Ａ／Ｆ＝１９〜２４)に設定されるリーンゾーンとが設定され、運転状態に応じてリッチ／リーンのゾーン切り替えが不連続に行われるようになったリーンバーンエンジンである。
【００１６】このようなプロセスの連続した繰り返しによって、ピストン８がシリンダボア内でその軸線方向に往復運動をし、このピストン８の往復運動が、コンロッド１６とクランクピン１７とクランクアーム１８とを介して回転運動に変換されてクランク軸１９に伝達されるようになっている。点火プラグ９へは、ダイレクトイグニッションコイル２０から所定のタイミングで高電圧が印加され、この高電圧によって点火プラグ９の電極部に火花放電が起こるようになっている。第１,第２独立排気通路１４,１５は下流で１つの共通排気通路４１に集合され、この共通排気通路４１には排気ガスを浄化する触媒コンバータ４２が介設されている。共通排気通路４１には、排気ガス中のＯ2濃度(すなわち空燃比)を検出するＯ2センサ６３と、排気ガス温度を検出する第１,第２排気温度センサ６４,６５とが臨設されている。また、エンジン本体には冷却水温度(エンジン温度)を検出する水温センサ６６が設けられている。
【００１７】各気筒の燃焼室７に空気を供給するために、上流端が大気に開放された単一の共通吸気通路２１が設けられ、この共通吸気通路２１には、空気の流れ方向にみて上流側から順に、吸入空気中のダストを除去するエアクリーナ２２と、吸入空気量を検出するエアフローセンサ２３と、コントロールユニットＣから印加される信号に従ってサーボモータ２４によって開閉駆動されるエレキスロットル弁２５とが介設されている。そして、共通吸気通路２１の下流端は、吸入空気の流れを安定化させるサージタンク２６に接続され、このサージタンク２６に前記した各気筒の第１,第２独立吸気通路５,６の上流端が接続されている。なお、この吸気系には、サージタンク２６内の吸気負圧を検出するブーストセンサ６１と、吸入空気温度を検出する吸気温度センサ６２と、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ６７とが設けられている。
【００１８】共通吸気通路２１に対して、エレキスロットル弁２５をバイパスさせて空気を通すバイパス吸気通路２７が設けられ、このバイパス吸気通路２７には、該バイパス吸気通路２７内を流れる空気の流量を調節することによってアイドル回転数を制御するＩＳＣバルブ２８が介設されている。
【００１９】第１独立吸気通路５に対して、該第１独立吸気通路５内の空気中に燃料(ガソリン)を噴射して混合気を形成する燃料噴射弁３１が設けられている。燃料噴射弁３１の燃料噴射量は、混合気の空燃比Ａ／Ｆが、空燃比マップを用いて運転状態(エンジン回転数等)に応じて設定される目標空燃比afwに追従するようコントロールユニットＣによって制御されるようになっている。
【００２０】また、第２独立吸気通路６には開閉弁３２が介設され、この開閉弁３２は負圧応動式のダイヤフラム装置からなるアクチュエータ３３によって開閉されるようになっている。具体的には、三方弁３５によって、アクチュエータ３３の圧力室に負圧通路３４を通してサージタンク２６内の負圧を導入するか、それとも大気圧を導入するかが切り替えられ、該圧力室に負圧が導入されたときにはアクチュエータ３３によって開閉弁３２が閉じられ、圧力室に大気圧が導入されたときには開閉弁３２が開かれるようになっている。この開閉弁３２は低負荷領域等では閉じられ、このとき空気が第１吸気ポート３からのみ燃焼室７に供給され、燃焼室７内にスワールが生成され、燃焼室７内で混合気が成層化され、これによって混合気の着火性・燃焼性が高められるようになっている。開閉弁３２は高負荷領域等では開かれ、このとき空気が両吸気ポート３,４から燃焼室７内に供給され、吸気充填効率が高められるようになっている。
【００２１】なお、エンジン内(クランク室内)で発生するブローバイガスをサージタンク２６に導入するために、ＰＣＶバルブ３６を備えたブローバイガス通路３７が設けられている。また、ブローバイガスの排出を促進するために、共通吸気通路２１内の空気の一部をエンジン内に供給する新気導入通路３８が設けられている。
【００２２】以下、燃料噴射弁３１に燃料(ガソリン)を供給する燃料供給系統を説明する。この燃料供給系統においては、燃料タンク４５内の燃料が、燃料フィルタ４６を通して燃料ポンプ４７に吸い込まれた後、該燃料ポンプ４７から所定の吐出圧で吐出され、フィルタ４９が介設された燃料供給通路４８を通して燃料噴射弁３１に供給されるようになっている。燃料噴射弁３１で噴射されない余剰の燃料は、燃料圧を制御するプレッシャレギュレータ５２が介設された燃料戻し通路５１を通して燃料タンク４５に戻されるようになっている、なお、プレッシャレギュレータ５２には、吸気負圧の影響をなくすために、サージタンク２６内の吸気負圧が負圧導入通路５３を通して導入されるようになっている。
【００２３】燃料タンク４５内のガソリンベーパを含む空気は、ガソリンベーパの大気中への拡散を防止するために、タンク内空気リリース通路５４を通してサージタンク２６にリリースされるようになっている。そして、このタンク内空気リリース通路５４には、空気の流れ方向にみて上流側から順に、リリースされる空気中のガソリンミストを分離するセパレータ５５と、２ウエイバルブ５６と、リリースされる空気中のガソリンベーパを吸着するキャニスタ５７と、オリフィス５８と、デューティソレノイドバルブ５９とが介設されている。
【００２４】ところで、エンジンＣＥにおいては、マイクロコンピュータを備えたコントロールユニットＣによって、エアフローセンサ２３によって検出される吸気量、ブーストセンサ６１によって検出される吸気負圧、吸気温度センサ６２によって検出される吸気温度、Ｏ2センサ６３によって検出されるＯ2濃度(空燃比)、第１,第２排気温度センサ６４,６５によって検出される排気ガス温度、水温センサ６６によって検出される冷却水温度(エンジン温度)、スロットル開度センサ６７によって検出されるスロットル開度、回転数センサ(図示せず)によって検出されるエンジン回転数、アクセル開度センサ(図示せず)によって検出されるアクセル開度等を制御情報として、種々の制御が行われるようになっている。しかしながら、エンジンＣＥの一般的な制御は本発明の要旨とするところではないのでその説明を省略し、以下では図３及び図４に示すフローチャートに従って、適宜図２R>２を参照しつつ、本発明の要旨にかかる、空燃比制御とスロットル弁制御(エンジントルク制御)とについてのみ説明する。なお、コントロールユニットＣは、特許請求の範囲に記載された「空燃比切替手段」と「スロットル開度特性設定手段」と「境界吸気充填効率設定手段」と「境界吸気負圧更新手段」とを含む総合的な制御装置である。
【００２５】図３は空燃比制御とスロットル弁制御とを含むメインルーチンのフローチャートであり、図４はメインルーチンによって呼び出されるスロットル弁制御サブルーチン(エンジントルク制御サブルーチン)である。メインルーチンでは、まずステップ＃１でスロットル弁制御サブルーチンが呼び出され、スロットル弁制御サブルーチンによってエンジントルク制御(トルクコントロール)が行われる。
【００２６】以下、ステップ＃１で呼び出されたスロットル弁制御サブルーチンについて説明する。サブルーチンが呼び出されると、まずステップ＃２０で、スロットル開度Ｔvoとエンジン回転数Ｎeとアクセル開度Ａcとが読み込まれる。ステップ＃２１では、目標図示平均有効圧マップの検索により、アクセル開度Ａc及びエンジン回転数Ｎeに対応する目標図示平均有効圧Ｐitが演算される。目標図示平均有効圧マップは、目標図示有効圧Ｐitをアクセル開度Ａc及びエンジン回転数Ｎeに対してあらわしたマップ、すなわちアクセル開度Ａcとエンジン回転数Ｎeとによって表現される時々刻々の運転状態に最も適した目標図示平均有効圧Ｐit(すなわちエンジントルク)を読み取れるようにしたマップであって、その特性は、例えば図８のように設定されている。
【００２７】ステップ＃２２では、目標図示平均有効圧Ｐitと目標空燃比afwとが読み込まれる。ここで、目標空燃比afwは、図示していない別の制御ルーチンで、ゾーン判定結果(リッチゾーン／リーンゾーン)に基づいて、空燃比マップの検索により、吸入空気量及びエンジン回転数Ｎeに応じて設定されている。
【００２８】ステップ＃２３では、次の式１により、目標図示平均有効圧Ｐitと目標空燃比afwとに基づいて、目標充填効率Ｃetが演算される。
【数１】
Ｃet＝KITPCE・Ｐit・(afw／１４.７)・fipol(afw,tw)………………式１Ｃet…………目標充填効率KITPCE………変換係数(定数)Ｐit…………目標図示平均有効圧afw …………目標空燃比tw……………エンジン温度(冷却水温度)fipol(afw,tw)…燃費率向上係数式１において、fipol(afw,tw)は、燃費率の目標空燃比に対する特性を示す燃費率向上係数であって、目標空燃比afw及びエンジン温度tw(冷却水温度)の関数である。
【００２９】一般に、目標充填効率Ｃetは、(Ｃet＝KITPCE・Ｐit・afw／１４.７)といった式で算出される。しかしながら、かかる従来の算出方法では、目標空燃比afwがリーンなときには目標充填効率Ｃetが過大となり、エンジントルクが適正値よりも過大となる。また、熱効率はエンジン温度twによっても左右される。そこで、本実施例では、式１に示すように、目標空燃比afw及びエンジン温度twの関数である燃費率向上係数fipol(afw,tw)を導入して、目標空燃比afwあるいはエンジン温度twにかかわりなく適正な目標充填効率Ｃetを得ることができるようにしている。
【００３０】ステップ＃２４では、目標充填効率Ｃetとエンジン回転数Ｎeとが読み込まれる。ステップ＃２５では、目標スロットル開度マップの検索により、目標充填効率Ｃet及びエンジン回転数Ｎeに対応する目標スロットル開度Ｔvotが演算される。目標スロットル開度マップは、目標スロットル開度Ｔvotを目標充填効率Ｃet及びエンジン回転数Ｎeに対してあらわしたマップ、すなわち目標充填効率Ｃetとエンジン回転数Ｎeとによって表現される時々刻々の運転状態に最も適していて、実際の図示平均有効圧(エンジントルク)を確実に目標図示平均有効圧Ｐit(目標エンジントルク)に一致させることができるような目標スロットル開度Ｔvotを読み取れるようにしたマップであって、その特性は、例えば図９のように設定されている。
【００３１】実際の図示平均有効圧Ｐi及びスロットル開度Ｔvoのアクセル開度Ａcに対する特性は、夫々図５中のグラフＧ1、グラフＧ3のとおりである。また、マップを切り替えない従来の制御手法における、図示平均有効圧Ｐi及びスロットル開度Ｔvoのアクセル開度Ａcに対する特性は、夫々図５中のグラフＧ2、グラフＧ4のとおりである。なお、図５においては、アクセル開度Ａcがαのときにゾーン切り替えが行われている。図５から明らかなとおり、本案ではゾーン切り替えが行われた場合でも図示平均有効圧Ｐiすなわちエンジントルクにギャップないし段差が生じない。したがって、本案によれば、ゾーン切り替え時にトルクショックが生じない。
【００３２】なお、ステップ＃２５で演算された目標スロットル開度Ｔvotは、図示していない別の制御ルーチンに送られ、この別の制御ルーチンでは実際のスロットル開度Ｔvoが該目標スロットル開度Ｔvotに追従するよう、サーボモータ２４を介してエレキスロットル弁２５が開閉駆動され、これによって目標図示平均有効圧Ｐitすなわち目標エンジントルクが実現されるようになっている。ステップ＃２５が実行された後、今回のスロットル弁制御サブルーチンは終了し、メインルーチンのステップ＃２に復帰する。
【００３３】以下、メインルーチンのステップ＃２以下のルーチンを説明する。ステップ＃２では、リーンゾーンで運転されている(リーンバーンである)か否かの比較・判定(ゾーン判定)が行われる。本実施例では、所定の高出力領域がリッチゾーン(Ａ／Ｆ＝１４．７すなわちλ＝１)とされ、これ以外の運転領域すなわち低出力領域がリーンゾーン(Ａ／Ｆ＝１９〜２４)とされている。したがって、空燃比がリッチとされる高出力領域ではエンジン出力が十分に高められる一方、空燃比がリーンとされる低出力領域では燃費性能とエミッション性能とが十分に高められる。なお、リッチゾーンの空燃比とリーンゾーンの空燃比とは所定のギャップをもって設定されているので、ゾーン切り替え時にはＮＯx発生率がピークとなる空燃比域を経由せず、ＮＯxについてのエミッション性能が極めて良好となる。
【００３４】ステップ＃２でリーンゾーンで運転されていると判定された場合は(ＹＥＳ)、ステップ＃３〜ステップ＃１１のリーンゾーン用ルーチンが実行される。このリーンゾーン用ルーチンでは、基本的には、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値(境界吸気充填効率)まで低下したときに、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを行うようにしている。ここで、境界吸気充填効率は、従来のような一定値ではなく、エンジンＣＥの時々刻々の運転状態に応じて設定される。
【００３５】図６に示すように、リーンゾーンにおいてスロットル開度Ｔvoを大きくしてゆくと、最初はこれに伴って吸気充填効率Ｃeが増加するが、スロットル開度Ｔvoがある程度以上になると吸気充填効率Ｃeの増加が飽和してしまう。そして、このように吸気充填効率Ｃeの増加が飽和点に近付くとアクセルペダルを踏み込んでも吸気充填効率Ｃeがなかなか増加せず、このままではアクセルぺダルでエンジントルクを調節することができなくなる。そこで、スロットル開度Ｔvoに対する吸気充填効率Ｃeの変化率が所定値(すなわち境界吸気充填効率)まで低下したときにはリッチゾーンに切り替えて、十分なエンジン出力を得られるようにしている。このように、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを、運転状態に応じて設定される吸気充填効率に基づいて行うようにしているので、トルク制御の制御精度が高められる。なお、エンジン特性の経時変化等に対応するため、境界吸気充填効率は経時的に更新されるようになっている。なお、図６中でグラフＧ5は低回転時の状態を示し、グラフＧ6は高回転時の状態を示している。
【００３６】しかしながら、吸気充填効率を直接検出することはできないので、本実施例では吸気負圧で吸気充填効率を把握するようにしている。例えば、境界吸気充填効率は吸気負圧であらわされて境界吸気負圧とされる。ここで、吸気負圧は吸気充填効率と正確に対応するので、かかる空燃比制御の制御精度が高められる。
【００３７】図７に、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを、図示平均有効圧が一定値(ゾーン切替値)を超えるか否かによって行うようにした場合の、図示平均有効圧Ｐi及びスロットル開度Ｔvoの、アクセル開度Ａcに対する特性を示す。ゾーン切替値が比較的小さい値β1に設定された場合は(グラフＧ7,Ｇ9)、ゾーン切り替え時に吸気充填効率Ｃeが飽和点から離れているので、図示平均有効圧Ｐi(エンジントルク)にギャップないし段差が生じない。なお、この場合、ゾーン切替値を小さくしすぎるとリーンゾーンが狭くなるので燃費性能の低下を招くことになるのはもちろんである。他方、ゾーン切替値が比較的大きい値β2に設定された場合(グラフＧ8,Ｇ10)は、ゾーン切り替え時に吸気充填効率Ｃeが飽和点に達しているので、図示平均有効圧Ｐiにギャップないし段差が生じてしまい、トルクショックが生じることになる。
【００３８】具体的には、まずステップ＃３でエンジン回転数Ｎeと吸気負圧aboostとが読み込まれ、続いてステップ＃４で、境界吸気負圧テーブルから境界吸気負圧Ｂoostが読み取られる。境界吸気負圧Ｂoostは、ゾーン判定用吸気負圧であって、吸気負圧aboostが該境界吸気負圧Ｂoost以上となったとき(充填効率が高くなったとき、すなわちスロットル開度が大きくなったとき)にリーンゾーンからリッチゾーンへ切り替えが行われるようになっている。
【００３９】ここで、境界吸気負圧Ｂoostは、基本的には、スロットル開度Ｔvoに対する吸気負圧aboostの変化率が所定値まで低下する点、すなわちスロットル開度Ｔvoに対する吸気充填効率Ｃeの変化率が所定値まで低下する点に設定される。したがって、吸気充填効率Ｃeを飽和に近付けることなく可及的にリーンゾーンを広げることができる。つまり、エンジンＣＥの運転状態に応じた最も適切な時点で、燃費性能の低下を招くことなく、かつトルクショックを生じさせることなく、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えが行われることになる。
【００４０】ステップ＃５では、吸気負圧aboostが境界吸気負圧Ｂoostより小さいか否かが比較・判定され、aboost≧Ｂoostであれば(ＮＯ)、ステップ＃１０でリッチゾーン(λ＝１)ヘの切り替えが行われる。続いて、ステップ＃１１でリッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを行う際の基準となる境界図示平均有効圧Ｐiの更新が行われる。具体的には、今回の目標図示平均有効圧Ｐitからヒステリシス分Ｐihを差し引いた値が、新たに境界図示平均有効圧Ｐiとされる。このように境界図示平均有効圧Ｐiが運転状態に応じて更新されるので、エンジン特性の経時変化に対応することが可能となる。また、ヒステリシス分Ｐihを差し引くようにしているので、ゾーン切り替え時にサイクリングが起こらない。この後、ステップ＃１に復帰する。
【００４１】他方、ステップ＃５で、aboost＜Ｂoostであると判定された場合は(ＹＥＳ)、ステップ＃６で現行のリーンゾーンが維持され、ゾーン切り替えは行われない。この後、ステップ＃７で今回のスロットル開度Ｔvo(t)が前回のスロットル開度Ｔvo(t−１)より大きいか否か、すなわちスロットル開度Ｔvoが増加したか否かが比較・判定され、続いてステップ＃８で今回の吸気負圧aboost(t)が前回の吸気負圧aboost(t−１)よりも大きいか否か、すなわち吸気負圧aboostが変化したか否かが比較・判定される。
【００４２】ここで、スロットル開度Ｔvoが増加しているのにもかかわらず吸気負圧aboostが変化していないときには(ステップ＃７がＹＥＳで、ステップ＃８がＮＯ)、ステップ＃９で今回の吸気負圧aboostが新たに境界吸気負圧Ｂoostとされた後、ステップ＃１に復帰する。すなわち運転状態に応じて境界吸気負圧Ｂoostが更新される。これによって、エンジン特性の経時変化に応じて常に適切な境界吸気負圧Ｂoostを得ることができ、トルク制御の精度が高められる。なお、これ以外の場合は、ステップ＃８,＃９をスキップしてステップ＃１に復帰する。
【００４３】ところで、前記のステップ＃２で、リーンゾーンではないと判定された場合(ＮＯ)、すなわちリッチゾーンで運転されている場合は、ステップ＃１２で目標図示平均有効圧Ｐitが境界図示平均有効圧Ｐiより小さいか否かが比較・判定される。本実施例では、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えは図示平均有効圧に基づいて行うようにしている。
【００４４】すなわち、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替え時(加速時)には制御精度を高めるために、吸気負圧に基づいてゾーン切り替えを行うようにしている。しかしながら、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替え時(減速時)には、空燃比がリッチな状態からリーンな状態に移行する関係上、ゾーン切り替えに伴って吸気充填量が増加する。このため、吸気負圧が大きくなる(充填効率が増加する)ことになり、この吸気負圧の変化によって再びリーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えが行われてしまう可能性がある。このような現象が生じるとゾーン切り替えのサイクリングが起こるので、本実施例ではかかる不具合の発生を防止するため、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようにしている。
【００４５】ステップ＃１２で、Ｐit＜Ｐiであると判定された場合は(ＹＥＳ)、ステップ＃１３でリーンゾーンに切り替えられ、他方Ｐit≧Ｐiであると判定された場合は(ＮＯ)、ステップ＃１４で現行のリッチゾーンが維持され、ゾーン切り替えは行われない。この後、ステップ＃１に復帰する。
【００４６】以上、かかる空燃比制御及びスロットル弁制御によれば、リーンゾーンが可及的に広げられて燃費性能とエミッション性能とが高められ、かつ吸気充填効率が飽和する領域近傍でゾーン切り替えが行われるのが防止され、ゾーン切り替え時のトルクショックが防止される。また、吸気負圧で充填効率を把握するようにしているので、吸気充填効率が正確に把握され、空燃比制御の制御精度が高められる。さらに、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようにしているので、ゾーン切り替え時にサイクリングが起こらない。かつ、境界吸気負圧がエンジン特性変化に応じて更新されるので、エンジン特性の経時変化に対応することができ、トルク制御の制御精度が一層高められる。
【００４７】
【発明の作用・効果】第１の発明によれば、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えが、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値まで低下した時点で行われるので、リーンゾーンが可及的に広げられて燃費性能とエミッション性能とが高められ、かつ吸気充填効率が飽和する領域近傍でゾーン切り替えが行われるのが防止されてゾーン切り替え時のトルクショックが防止される。
【００４８】第２の発明によれば、基本的には第１の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、吸気負圧で充填効率を把握するようにしているので、吸気充填効率が正確に把握され、空燃比制御の制御精度が高められる。
【００４９】第３の発明によれば、基本的には第１又は第２の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようにしているので、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替え時にサイクリングが起こらない。
【００５０】第４の発明によれば、基本的には第２又は第３の発明と同様の作用・効果が得られる。さらに、境界吸気負圧がエンジンの特性変化に応じて更新されるので、エンジン特性の経時変化に対応することができ、トルク制御の制御精度が一層高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１〜請求項４に対応する第１〜第４の発明の構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明にかかる空燃比制御装置を備えたエンジンのシステム構成図である。
【図３】 空燃比制御及びスロットル弁制御の制御方法を示すフローチャートである。
【図４】 スロットル弁制御サブルーチンのフローチャートである。
【図５】 図示平均有効圧及びスロットル開度の、アクセル開度に対する特性を示す図である。
【図６】 充填効率のアクセル開度に対する特性を示す図である。
【図７】 ゾーン切り替えを一定値で行うようにいた場合の図５と同様の図である。
【図８】 目標図示平均有効圧マップの特性を示す図である。
【図９】 目標スロットル開度マップの特性を示す図である。
【符号の説明】
ＣＥ…エンジン
Ｃ…コントロールユニット
２４…サーボモータ
２５…エレキスロットル弁
３１…燃料噴射弁
６１…ブーストセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ＮＯx排出割合が最も多くなる空燃比域よりも所定量以上リッチ側の空燃比が設定されるリッチゾーンと、上記空燃比域よりも所定量以上リーン側の空燃比が設定されるリーンゾーンとが設定され、エンジンの運転状態に応じて上記ゾーンを切り替えることにより空燃比を切り替える空燃比切替手段が設けられたエンジンの空燃比制御装置において、リーンゾーンではリッチゾーンよりも、アクセル開度に対するスロットル開度が大きくなるようなスロットル開度特性を設定するスロットル開度特性設定手段と、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気充填効率を設定する境界吸気充填効率設定手段とが設けられ、上記空燃比切替手段が、吸気充填効率が境界吸気充填効率以上となったときにリーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項２】 請求項１に記載されたエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段が、吸気負圧でもって吸気充填効率を把握するようになっていて、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気負圧を境界吸気充填効率として用いるようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載されたエンジンの空燃比制御装置において、空燃比切替手段が、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを吸気充填効率に基づいて行う一方、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項４】 請求項２又は請求項３に記載されたエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段によって設定された境界吸気負圧を、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率特性の経時変化に応じて更新する境界吸気負圧更新手段が設けられていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項１】 ＮＯx排出割合が最も多くなる空燃比域よりも所定量以上リッチ側の空燃比が設定されるリッチゾーンと、上記空燃比域よりも所定量以上リーン側の空燃比が設定されるリーンゾーンとが設定され、エンジンの運転状態に応じて上記ゾーンを切り替えることにより空燃比を切り替える空燃比切替手段が設けられたエンジンの空燃比制御装置において、リーンゾーンではリッチゾーンよりも、アクセル開度に対するスロットル開度が大きくなるようなスロットル開度特性を設定するスロットル開度特性設定手段と、スロットル開度に対する吸気充填効率の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気充填効率を設定する境界吸気充填効率設定手段とが設けられ、上記空燃比切替手段が、吸気充填効率が境界吸気充填効率以上となったときにリーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項２】 請求項１に記載されたエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段が、吸気負圧でもって吸気充填効率を把握するようになっていて、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率が所定値まで低下する点に対応する境界吸気負圧を境界吸気充填効率として用いるようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載されたエンジンの空燃比制御装置において、空燃比切替手段が、リーンゾーンからリッチゾーンへの切り替えを吸気充填効率に基づいて行う一方、リッチゾーンからリーンゾーンへの切り替えを図示平均有効圧に基づいて行うようになっていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【請求項４】 請求項２又は請求項３に記載されたエンジンの空燃比制御装置において、境界吸気充填効率設定手段によって設定された境界吸気負圧を、スロットル開度に対する吸気負圧の変化率特性の経時変化に応じて更新する境界吸気負圧更新手段が設けられていることを特徴とするエンジンの空燃比制御装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図７】
【図２】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図３】
【図４】
【図７】
【公開番号】特開平６−２４１０８０
【公開日】平成６年（１９９４）８月３０日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平５−２４０８２
【出願日】平成５年（１９９３）２月１２日
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【公開日】平成６年（１９９４）８月３０日
【国際特許分類】
【出願日】平成５年（１９９３）２月１２日
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
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