説明

内燃機関の制御装置

【課題】内燃機関において、周波数信号を出力するエアフローセンサを採用する場合、燃料噴射演算の間の流量も検出する方法として、燃料噴射演算の間エアフローセンサの出力である複数個のパルスの平均周期を算出し、平均流量を求める方法が公知である。しかしながら、上記の方法では、平均周期を算出する際に、燃料噴射演算の間の時間における、各パルスの時間的な割合が考慮されておらず、精度の良い平均流量を算出することができない。
【解決手段】複数のパルス列の周期から、まず各パルスの出力時間において空気流量検出装置を通過した空気の質量を算出し、前記空気質量の和を複数のパルスを計測した時間で除算し、複数のパルス列を計測した時間中の平均流量を算出することで上記の課題を解決する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は空気流量計測装置を備えた内燃機関の制御装置に係り、特に、正確な空気流量を測定する空気流量検出技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から内燃機関の制御装置では、内燃機関の吸入空気流量を検出するため、内燃機関の吸気管に空気流量検出装置を配置し、空気流量検出装置によって検出された吸入空気流量を用いて燃料噴射量を制御している。
【0003】
近年では、内燃機関の排気エミッションを低減させることが重要な課題となっており、各センサの出力をデジタル値に変換し、デジタル演算装置によって燃料噴射量の制御を行うことが一般的になっている。したがって、空気流量検出装置の出力信号を用いた、デジタル演算装置にて演算される吸入空気流量の精度を上げることが内燃機関の排気を低減させるための重要な技術である。
【0004】
空気流量検出装置の出力信号としては、流量に応じて電圧値を変える電圧信号や、特許文献1や特許文献2で開示されている流量に応じて出力パルスの周期を変える周波数信号が使われることが多い。
【0005】
周波数信号を、高流量でも低流量でも高精度に吸入空気量を計測する方法として、検出した複数個のパルス列の時間幅を計測し、1パルスの平均周期を算出し、上記の平均周期に基づいて吸入空気量を算出する方法が公知である(特許文献3)。
【0006】
また、上記特許文献3に記載の方法を用いると、通常、空気流量検出装置の出力周波数よりも低い周波数(遅い周期)で実施される燃料噴射量の演算の際、燃料噴射量演算周期間の平均流量を算出し、燃料噴射量演算に使用することができる。
【0007】
上記のように燃料噴射量演算周期間の平均流量を精度良く算出すると、特に吸気脈動時のような、短い時間に大きな流量変化がある際にも、燃料噴射量演算周期の間の時間における流量変化も検出することができ、精度のよい吸気計量が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特許第3808038号公報
【特許文献2】特開平3−269218号公報
【特許文献3】特開平2−129522号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
内燃機関の燃料噴射制御に用いる吸入空気量の演算値としては、所定時間内に空気流量検出装置設置部を通過した空気の総流量を検出することが望ましい。
【0010】
特許文献3のように、複数個のパルス列の時間幅を計測し、1パルスの平均周期を算出した場合、平均周期を算出するパルス列の総時間に対し、1パルスが占める時間の割合がパルス列の周期の長さに応じて異なる。
【0011】
よって、パルス列の個数に対して平均の周期を算出することになるが、パルスを計測した時間に対して平均の周期とはならない。
【0012】
上記の誤差は、特に吸入空気流量の変化が大きく、パルス列の周期が短い時間で大きく変わる際に特に大きくなる。
【0013】
したがって、上記従来の方法による平均周期に基づいて算出した吸入空気量は、所定時間内に空気流量検出装置設置部を通過した空気の総流量に対し誤差が発生するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【0014】
複数のパルス列の周期から、まず各パルスの出力時間において空気流量検出装置を通過した空気の質量を算出し、前記空気質量の和を複数のパルスを計測した時間で除算し、複数のパルス列を計測した時間中の平均流量を算出することで上記の課題を解決する。
【0015】
また、検出した複数個のパルス列の時間幅から、平均周期を算出する際に、個数に対する平均周期ではなく、時間に対する平均周期を算出し、前記平均周期を流量に変換して平均流量を算出することで上記の課題を解決する。
【0016】
また、複数のパルス列の周期から、まず各パルスの出力時間において空気流量検出装置を通過した空気の質量を算出し、前記空気の質量を燃料噴射量の演算に用いることで上記の課題を解決する。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、周波数信号を出力する空気流量検出装置を採用した内燃機関の制御装置において、吸入空気流量の変化速度によらず、所定時間中の空気流量検出装置の出力である複数個の出力パルスから、所定時間中の平均空気流量を精度良く演算することが可能である。
【0018】
また、所定時間中の平均空気流量を燃料噴射演算に使用することで、精度の良い燃料噴射演算が可能となる。
【0019】
さらには、本発明によれば、周波数信号を出力する空気流量検出装置を採用した内燃機関の制御装置において、空気流量検出装置の出力信号パルスを検出する度に、前記パルスが出力されている間の、空気流量検出装置の設置部を通過する空気の質量を精度良く検出することができるため、前記空気の質量を燃料噴射演算に使用することで、精度の良い燃料噴射演算が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】エンジン全体のシステム図。
【図2】コントロールユニット説明図。
【図3】エアフローセンサ内部構成概要図。
【図4】エアフローセンサ出力信号の時刻歴波形。
【図5】エアフローセンサ出力周波数と検出流量の関係図。
【図6】エアフローセンサ出力周期と検出流量の関係図。
【図7】吸気脈動時流量計測誤差発生原因の説明図。
【図8】燃料噴射量演算の概要ブロック図。
【図9】従来の周期・流量変換演算の概要ブロック図。
【図10】空気流量と周期・流量変換演算のタイムチャート。
【図11】本発明による周期・流量変換演算の概要ブロック図1。
【図12】エアフローセンサ出力周波数と1パルスあたりの空気流量の関係図。
【図13】本発明による周期・流量変換演算の概要ブロック図2。
【図14】本発明による周期・流量変換演算の概要ブロック図3。
【発明を実施するための形態】
【0021】
まず、本発明実施において前提となる、内燃機関の動作の概要について説明する。
【0022】
図1は、いわゆるMPI(多気筒燃料噴射)方式の4気筒内燃機関である。以下では本発明の実施例として、MPI方式の4気筒内燃機関にについて説明するが、本発明の実施形態は必ずしもMPI方式の4気筒内燃機関に限定されるべきものではなく、出力値として周波数信号を用いた空気流量計を備える全ての内燃機関を含むものである。
【0023】
内燃機関の吸入空気流量は、エアクリーナ1の出口部に設けられたエアフローセンサ2によって計測される。吸入空気は、エアクリーナ1に接続された吸気管3,吸入空気流量を調節する絞り弁4を有するスロットルボディ5を通り、コレクタ6に入る。その後、空気は吸気管3の一部をなす、吸気分岐管7に分配され、吸気弁8を通り、シリンダ9内に吸入される。
【0024】
また、燃料は、燃料タンク10から燃料ポンプ11で吸引,加圧され、プレッシャレギュレータ12により一定圧力に調圧され、吸気管3に設けられたインジェクタ13から、前記吸気分岐管7内に噴射される。
【0025】
シリンダ9内では、点火プラグ14により、前記吸気分岐管7において空気と燃料の混合した気体に点火し、燃料を燃焼する。各気筒のシリンダ9内で燃焼した後の排気ガスは、排気管16を通過し、触媒17によって浄化され、その後内燃機関外へ排出される。
【0026】
図2に示すように、コントロールユニット18は、電源IC40と、RESET信号41と、LSI42とから構成されており、LSI42のRESET端子には、電源IC40で制御されるRESET信号41が接続されている。
【0027】
コントロールユニット18では、内燃機関に設置された各センサの出力値や、内燃機関が設置された車両の運転手の操作情報を検出するセンサの出力値を、LSI42に内蔵されるA/D変換器や、周期信号の周期を検出するタイマにより、デジタル値に変換して演算を行い、演算した結果を制御信号として出力することにより、各アクチュエータを制御する。
【0028】
このコントロールユニット18に入力する信号として、熱式のエアフローセンサ2,クランク角センサ19,空燃比センサ20(O2センサ)、絞り弁4の開度センサ,イグニッションスイッチ21、及びスタータスイッチ22を介したバッテリ23からの電力,アクセル開度センサ45からの信号、等がある。
【0029】
また、コントロールユニット18から出力する制御信号は、インジェクタ13,燃料ポンプ11、及び、点火プラグ14の点火スイッチであるパワートランジスタ24に出力される。
【0030】
次に、エアフローセンサ2の動作原理について説明する。
【0031】
熱式エアフローセンサは、図3に示すように、測定対象である空気流の中に配置された発熱抵抗体60,固定抵抗61,バッファ回路62,電圧周波数変換回路60を備える。
【0032】
吸入空気量が多い時に発熱抵抗体60に流れる電流が増え逆に、吸入空気量が少ない時には、発熱抵抗体60に流れる電流が減るようにブリッジ回路が構成されている。
【0033】
発熱抵抗体60を流れる発熱抵抗電流より空気流量電圧信号Viが取り出される。空気流量電圧信号Viは、バッファ回路61を介して電圧周波数変換回路62に供給される。
【0034】
電圧周波数変換回路62は、内部に積分コンデンサを備える。前記積分コンデンサは、内部スイッチを介して空気流量電圧信号Viと接続されており、積分コンデンサの電位が上限閾値よりも大きくなると前記スイッチをOFFとし、積分コンデンサの電位が下限閾値よりも小さくなると前記スイッチをONとする動作を繰り返すことで空気流量電圧信号Viに応じて周期の変化する周期的な信号を作り出し、センサの出力とする。
【0035】
上記の作用により、図4に示すように、エアフローセンサ2から、吸入空気流量に応じて出力信号電圧の周期71が変化する周波数信号70が出力される。
【0036】
エアフローセンサ2が検出する吸入空気流量と、エアフローセンサ2の出力信号の周波数との関係を図5に示す。前記吸入空気流量が小さいと、出力する信号の周波数は低く、前記吸入空気流量が大きいと、出力する信号の周波数は高くなる。また、上記2つは非線形関係にある。
【0037】
尚、周波数と周期は逆数の関係にあるため、エアフローセンサ2が検出する吸入空気流量と、エアフローセンサ2から出力する信号の周期との関係は、図6に示すように、図5の特性と逆の特性になる。
【0038】
また、上記のように、吸入空気流量と、エアフローセンサ2から出力される信号の周波数が非線形な関係であることから、次のような課題がある。
【0039】
シリンダ内へ吸入される空気流量が一定値となる定常状態において、上述の内燃機関では、図1に示すピストン35の上下運動の周期で発生する空気圧力の振動と、吸気管3の固有振動数による振動の共鳴により、吸気脈動が発生することがある。吸気脈動発生時には、エアフローセンサにて検出される空気流量は周期的な振動波形となる。このとき、図7に示すように、空気流量検出装置の出力周波数と、空気流量の非線形関係により、複数個のパルスの周期平均値をとった後、周期平均を流量換算すると、実際の空気流量の平均値に対し、誤差が生じる。
【0040】
よって、精度良く吸入空気量を算出するためには、周期の平均ではなく、周期を流量に変換した値を平均する方が望ましい。
【0041】
次に、LSI42内部における、エアフローセンサ2の出力である周波数信号70を用いた、燃料噴射量演算58の例を、図8を用いて説明する。
【0042】
前記エアフローセンサ2の出力周波数信号70は、コントロールユニット18内部のLSI42に入力される。LSI42に内蔵されるタイマ110では、前記周波数信号70の周期を検出して、デジタル値Cyc115に変換する。
【0043】
その後、周期・流量演算51にて、エアフロー部の通過流量に相当する流量Q52を演算する。さらに、位相遅れ演算56にて、コレクタ6における圧力変化により発生する、エアフローセンサ設置部の通過流量とシリンダに吸入される空気流量の位相の補正を行い、Qc57を算出する。
【0044】
燃料噴射パルス幅演算54では、前記Qc57を別途クランク角センサ19の信号から演算したエンジンの回転数NE53で割り、各気筒のインジェクタ13にて燃料を噴射する時間である、燃料噴射パルス幅TP55を演算する。
【0045】
次に、従来の方法による、周期・流量演算51におけるる流量の演算方法を、図9,図10を用いて説明する。
【0046】
図9に、周期・流量演算51の演算方法をあらわすブロック図を示す。
【0047】
LSI42に搭載されたタイマ110は、エアフローセンサの出力信号70の周期Cyc115を検出する。
【0048】
所定時間Aの間に検出されたCyc115は、バッファ112により、記憶される。
【0049】
所定時間Aは、燃料噴射量演算58の演算周期とする。
【0050】
また、所定時間Aの間、パルスを検出する毎にパルス検出数を表すn114を更新する。よって、所定時間Aの終了タイミングにおいて、n114は、所定時間Aの間に検出したパルスの数を表す。
【0051】
周波数平均演算120では、所定時間Aが終了するタイミングでバッファ112に保存された所定時間A中のCyc115の和をとり、さらにn114で除算することにより、平均周波数AveCyc122を算出する。その後、流量換算演算121にてAveCyc122を平均流量AveQ117に変換する。
【0052】
図10は、エアフローセンサによって検出する空気流量をコントロールユニット18の周期・流量演算51にて検出するまでの信号を示したタイムチャートである。
【0053】
図上部に示す空気流量が変化すると、エアフローセンサ2にて流量を検出し、検出した流量に応じて周期の変化する周波数信号70(図中部)を出力する。
【0054】
コントロールユニット18では、図8に示した周期・流量演算51により、所定時間Aである、t1 105とt2 106間の時間における、平均周期AveCyc122を演算した後、平均流量Ave117を算出する。
【0055】
前述したように、エアフローセンサ2では、発熱抵抗体60を用いて検出した空気流量電圧信号Viを、電圧周波数変換回路62内部の積分コンデンサにて積分して周波数信号70を出力している。
【0056】
したがって、図10中部に示す短いパルスa100が出力されている時間中の平均流量は高く、長いパルスb101が出力されている時間中の平均流量は低い。
【0057】
よって、所定時間Aの間の平均流量に対応した平均周波数を算出するためには、所定時間Aに対するta102の時間の割合でパルスa100の周期、所定時間Aに対するtb103の時間の割合でパルスb101の周期を加味し、平均周波数を算出する必要がある。
【0058】
しかしながら、上記従来の方法では、ta102やtb103といった、パルスが出力されている時間の割合を加味して平均周波数を算出していないため、ta102に対し、tb103が非常に大きい場合、本来、パルスb101の寄与率を大きくすべきところを同じ寄与率とすることになる。すなわち、周期が長く流量が低いことをあらわすパルスb101の寄与率が減るため、従来の方法で求めた平均周期から平均流量を算出すると、実際よりも高い流量を演算してしまい課題となる。
【実施例1】
【0059】
上記従来の方法の課題を解決するための、本発明の実施例のひとつを図11に示す。
【0060】
本実施例では、図9で説明した従来の方法とは異なり、所定時間Aのパルス検出数を表すn114を算出せず、代わりに所定時間A内に検出した複数個のパルスのうち、最初にパルスを検出してから最後のパルスの終了時間をΔt133として検出する。
【0061】
尚、所定時間A内に検出するパルスとして、所定時間Aの開始、もしくは終了タイミンをまたぐパルスを検出することにしても良い。
【0062】
また、タイマ110にて検出した周期115は、周期を検出する毎に流量換算演算130により1パルスあたりの空気質量Qp132に変換する。
【0063】
バッファ112では、所定時間Aの間に算出される、1パルスあたりの空気質量Qp132を全て記憶しておく。
【0064】
その後、所定時間Aが終了するタイミングにて、流量平均演算131にてバッファ112に記憶した全てのQp132の和をΔt133で除算し、平均流量AveQ117を算出する。
【0065】
上記流量換算130による周期(周波数)から1パルスあたりの空気質量への変換は、一般に用いられる、各周期(周波数)に対する単位時間あたりの空気質量に対し、当該周期を乗じた空気の質量である。図12左に、通常用いられる周期(周波数)と単位時間あたりの空気質量の関係を示す。これに対し、周期(周波数)と1パルスあたりの空気質量は、図12右に示すように、高周波数に対し、低周波数における流量が相対的に大きくなる関係となる。
【実施例2】
【0066】
本発明の別の実施例を図13に示す。
【0067】
上記従来の方法の課題を解決するための、本発明の別の実施例を図10に示す。
【0068】
本実施例では、図8で説明した従来の方法とは異なり、所定時間Aのパルス検出数を表すn114を算出せず、代わりに、所定時間A内に検出した複数個のパルスのうち、最初にパルスを検出してから最後のパルスの終了時間をΔt133として検出する。尚、所定時間A内に検出するパルスとして、所定時間Aの開始、もしくは終了タイミンをまたぐパルスを検出することにしても良い。
【0069】
また、タイマ110にて検出した周期115は、周期を検出する毎に流量換算演算111により単位時間あたりの空気質量Q116に変換する。
【0070】
その後、補正演算140では、周期を検出する毎に、Q116に検出周期Cyc115を乗じQcorr142を算出する。
【0071】
バッファ112では、所定時間Aの間に算出される、Qcorr142を全て記憶しておく。その後、所定時間Aが終了するタイミングにて、流量平均演算141において、バッファ112に記憶した全てのQcorr142の和をΔt133で除算し、平均流量AveQ117を算出する。
【実施例3】
【0072】
本発明の別の実施例を図14に示す。
【0073】
本実施例では、図8で説明した従来の方法とは異なり、所定時間Aのパルス検出数を表すn114を算出しない。
【0074】
従来の方法と同様に、所定時間Aの間に検出されたCyc115は、バッファ112により、記憶される。
【0075】
周波数平均演算150では、所定時間Aが終了するタイミングにおいて、バッファ112に保存されたCyc115の2乗の和をとり、さらにCyc115の和で除算することにより、平均周波数AveCyc122を算出する。
【0076】
その後、流量換算演算121にてAveCyc122を平均流量AveQ117に変換する。
【0077】
上記のように、従来の方法に対し、周波数平均演算150を改良することにより、課題を解決できる。
【産業上の利用可能性】
【0078】
出力信号として周波数を出力する熱式エアフローセンサを採用したエンジンにおいて、本発明は、非常に有効であり、利用される可能性が高い。
【符号の説明】
【0079】
1 エアクリーナ
2 エアフローセンサ
3 吸気管
4 絞り弁(スロットル)
5 スロットルボディ
6 コレクタ
7 吸気分岐管
8 吸気弁
9 シリンダ
10 燃料タンク
11 燃料ポンプ
12 プレッシャレギュレータ
14 点火プラグ
16 排気管
17 触媒
18 コントロールユニット
19 クランク角センサ
20 空燃比センサ
21 イグニッションスイッチ
22 スタータスイッチ
23 バッテリ
40 電源IC
70 エアフローセンサ出力周波数信号

【特許請求の範囲】
【請求項1】
内燃機関の吸入空気量を計測し、
計測した空気量に応じて周期の変化する周期的な信号を出力する空気流量計測装置と、
前記空気流量計測装置の出力する信号の周期(周波数)を検出する周期計測機能と、
検出した信号の周期(周波数)から空気流量を算出する空気流量検出機能と、
空気流量検出機能で演算した空気流量を基に、所定時間中の平均流量の演算を行う平均流量演算機能と
を備え
空気流量検出機能において、
あらかじめ空気流量計測装置における計測流量と出力周期もしくは出力周波数の関係と、出力信号の1周期の時間から、
出力周期若しくは出力周波数と、出力信号1周期間の空気量の関係を求めておき、
前記関係にて、周期検出機能にて検出した信号の周期(周波数)から、空気流量計測装置が出力する信号の1周期分の空気質量に換算し、
平均流量演算機能において、
所定時間内に空気流量検出機能にて換算した、複数個の前記空気質量と、
所定時間内に周期検出機能にて検出した、複数個の周期(周波数)信号分の経過時間から所定時間中における平均流量を算出する
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項2】
内燃機関の吸入空気量を計測し、
計測した空気量に応じて周期の変化する周期的な信号を出力する空気流量計測装置と、
前記空気流量計測装置の出力する信号の周期(周波数)を検出する周期計測機能と、
検出した信号の周期(周波数)から空気流量を算出する空気流量検出機能と、
空気流量検出機能で演算した空気流量を基に、所定時間中の平均流量の演算を行う平均流量演算機能と
を備え
平均流量演算機能において、
空気流量検出機能にて算出した単位時間あたりの空気流量を、周期計測機能にて計測した周期(周波数)に応じて補正を行う
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項3】
内燃機関の吸入空気量を計測し、
計測した空気量に応じて周期の変化する周期的な信号を出力する空気流量計測装置と、
前記空気流量計測装置の出力する信号の周期(周波数)を検出する周期計測機能と、
検出した信号の周期(周波数)から空気流量を算出する空気流量検出機能と、
空気流量計測装置の出力周期(周波数)を基に、所定時間内の平均周期(周波数)を演算する平均周波数演算機能と
を備え
平均周波数演算機能において、
所定時間に周期計測機能にて検出された周期もしくは周波数に対し、
周期(周波数)に応じた補正を行い、
上記の補正を行った周波数を用いて所定時間内の平均周波数を演算すること
を特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項4】
内燃機関の吸入空気量を計測し、
計測した空気量に応じて周期の変化する周期的な信号を出力する空気流量計測装置と、
空気流量計測装置の出力信号の周期的な変化が発生したタイミングで周期を読み取る周期計測機能と、
平均周波数演算機能にて演算した平均周期(周波数)から空気流量を算出する
平均空気流量検出機能
を備え、
平均周波数演算機能において、
所定時間に周期計測機能にて検出された周期(周波数)に対し、
周期(周波数)に応じた補正を行い、
上記の補正を行った周期(周波数)を用いて所定時間内の平均周期(周波数)を演算すること
を特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項5】
内燃機関の吸入空気量を計測し、
計測した空気量に応じて周期の変化する周期的な信号を出力する空気流量計測装置と、
空気流量計測装置の出力信号の周期的な変化が発生したタイミングで周期を読み取る周期計測機能と、
検出した信号の周期(周波数)から空気流量を算出する空気流量検出機能と
を備え、
空気流量検出機能において、
周期計測機能にて検出した信号の周期(周波数)を、
単位時間あたりの空気流量を算出し、
さらに前記単位時間あたりの空気流量に対し検出した信号の周期(周波数)に応じた補正を行い、
空気流量計測装置が出力する信号の1周期分の空気質量に換算すること
を特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項6】
内燃機関の吸入空気量を計測し、
計測した空気量に応じて周期の変化する周期的な信号を出力する空気流量計測装置と、
空気流量計測装置の出力信号の周期的な変化が発生したタイミングで周期を読み取る周期計測機能と、
検出した信号の周期(周波数)から空気流量を算出する空気流量検出機能と
を備え、
空気流量検出機能において、
あらかじめ空気流量計測装置における計測流量と出力周期(周波数)の関係と、出力信号の1周期の時間から、
出力周期(周波数)と、出力信号1周期間の空気量の関係を求めておき、
周期計測機能にて検出した信号の周期(周波数)を、前記関係を用いて変換することで、
空気流量計測装置が出力する信号の1周期の間に空気流量計測装置設置部を通過した空気の総質量を算出すること
を特徴とする内燃機関の制御装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【公開番号】特開2011−52965(P2011−52965A)
【公開日】平成23年3月17日(2011.3.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−199186(P2009−199186)
【出願日】平成21年8月31日(2009.8.31)
【出願人】(509186579)日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Fターム(参考)】