(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室または排気管に設けられた燃焼状態検出手段、燃焼室内での燃焼を制御する燃焼状態制御手段、前記燃焼状態検出手段の出力を入力として平均化処理または物理量変換を行い実燃焼状態としてデータ出力するデータ処理手段、内燃機関の運転状態を検知して運転状態に応じた燃焼状態目標値を指示する燃焼状態指示手段、前記データ処理手段の出力する実燃焼状態と燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差に基づき、フィードバックゲインを切り替えて燃焼状態が目標値に収束するように前記燃焼状態制御手段を制御する演算制御手段を備え、前記データ処理手段の出力する実燃焼状態と前記燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差が所定値以下に収束したとき、前記燃焼状態制御手段が一時的に制御を中断することを特徴とする内燃機関の燃料制御装置。
【請求項２】
燃焼状態検出手段は、排気ガスセンサ、筒内圧センサ、イオン電流計測装置及び回転変動検出装置の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料制御装置。
【請求項３】
燃焼状態制御手段は、燃料を供給する燃料噴射装置、点火時期を制御する点火装置及び排気ガス環流装置の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関の燃料制御装置。
【請求項４】
排気ガスセンサは、空燃比、酸素濃度、一酸化炭素濃度、炭化水素濃度及び窒素酸化物濃度のいずれかを検出するものであることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃料制御装置。
【請求項５】
多気筒内燃機関の複数気筒の燃焼状態を検出し、各気筒の燃焼状態を均一化する手段を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記載の内燃機関の燃料制御装置。
【請求項６】
データ処理手段の出力する実燃焼状態と燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差が所定値以下に収束したとき、フィードバックゲインを前記偏差に応じて連続的に変化させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記載の内燃機関の燃料制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の燃焼状態を検出し、検出値に基づき燃料噴射量を制御して、特に始動直後並びに冷態時における未燃焼ガスを低減させる内燃機関の燃料制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用内燃機関では機関の始動性と始動直後の回転の安定性とを向上させるために、一般的には始動時と始動直後の機関の冷態時とにおいては燃料を余剰供給し、冷却水の温度などを計測して暖機化と共に余剰供給を低減させるように制御されている。この制御は内燃機関の燃焼状態とは無関係にオープンループで制御されているために余剰燃料の低減までには長時間を要し、このために始動直後においてはかなりの長時間に亘って排気ガス中のＨＣやＣＯが増加する結果となっている。従って総合的な排気ガスの浄化のためには始動直後にオープン制御ではなく、燃焼状態を検出しながらドライバビリティを悪化させない範囲で燃料供給量を制御するクローズドループの制御が必要となってくる。
【０００３】
従来内燃機関の燃焼状態を検出して必要な量の燃料を供給し、排気ガス中の有害成分を抑制する技術としては、例えば特開平７ー２９３３０６号公報にその一例が開示されている。この技術は、各気筒毎の燃焼室内の燃焼時のイオン電流を計測し、その最大値と積分値とを基準値と比較して各気筒毎のトルクが一定になるように制御しながら燃料供給量と点火時期とを補正するものであり、これによりエンジン回転の収束性の悪化を防止するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、燃焼室内の燃焼状態を検出して燃料供給と点火時期とを制御することにより、排出ガス中の有害成分を抑制しながら安定した燃焼を得ることが知られているが、このような制御に従来のＰＩ制御など線形制御理論を適用した場合には、内燃機関の径年変化（劣化）や機差（バラツキ）や運転条件の変化などには充分な対応ができず、制御応答制が変化するので、これらの条件により制御定数をマッチングさせて制御する必要があったり、ある程度の経年劣化は黙認せざるを得ないものであった。
【０００５】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、燃焼状態の検出値とドライバビリティとの相関を明確化して制御することにより、条件の変化があっても安定した制御が可能で、特に始動直後における未燃焼ガスの排出抑制と安定した運転が可能な内燃機関の燃料制御装置を得ることを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる内燃機関の燃料制御装置は、内燃機関の燃焼室または排気管に設けられた燃焼状態検出手段、燃焼室内での燃焼を制御する燃焼状態制御手段、前記燃焼状態検出手段の出力を入力として平均化処理または物理量変換を行い実燃焼状態としてデータ出力するデータ処理手段、内燃機関の運転状態を検知して運転状態に応じた燃焼状態目標値を指示する燃焼状態指示手段、前記データ処理手段の出力する実燃焼状態と燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差に基づき、フィードバックゲインを切り替えて燃焼状態が目標値に収束するように前記燃焼状態制御手段を制御する演算制御手段を備え、前記データ処理手段の出力する実燃焼状態と前記燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差が所定値以下に収束したとき、前記燃焼状態制御手段が一時的に制御を中断することを特徴とするものである。
【０００７】
また、燃焼状態検出手段は、排気ガスセンサ、筒内圧センサ、イオン電流計測装置及び回転変動検出装置の少なくともいずれか一つであるように構成したものである。
さらに、燃焼状態制御手段は、燃料を供給する燃料噴射装置、点火時期を制御する点火装置及び排気ガス環流装置の少なくともいずれか一つであるように構成したものである。
さらにまた、排気ガスセンサは、空燃比、酸素濃度、一酸化炭素濃度、炭化水素濃度、窒素酸化物濃度のいずれかを検出するようにしたものである。
さらに、多気筒内燃機関の複数気筒の燃焼状態を検出し、各気筒の燃焼状態を均一化する手段を備えるようにしたものである。
【０００８】
また、データ処理手段の出力する実燃焼状態と燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差が所定値以下に収束したとき、フィードバックゲインをこの偏差に応じて連続的に変化させるようにしたものである。
さらに、データ処理手段の出力する実燃焼状態と燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差が所定値以下に収束したとき、燃焼状態制御手段が一時的に制御を中断するようにしたものである。
さらにまた、データ処理手段の出力する実燃焼状態と燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差が所定値以下に収束したとき、燃料状態制御手段の制御が比例積分制御に切り替わるようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１、ないし、図４は、この発明の実施の形態１の内燃機関の燃料制御装置の構成図とその動作説明図であり、図１は内燃機関の制御系統図、図２及び図３は動作を説明する特性図、図４は動作を説明するフローチャートである。図１において、１は多気筒内燃機関の内の一気筒を抜き出して示す内燃機関、２は吸気管の燃料噴射ポート３に装着された燃料噴射弁、４は点火プラグであり、点火プラグ４は燃焼状態検出用のイオン電流測定プラグを兼ねる。５は排気管６に設けられ排気ガス中の特定成分の濃度を検出する排気ガスセンサ、７は燃焼室８内の圧力を連続して計測し、内燃機関１のトルクやクランク軸の回転角毎の燃焼状態を検出する筒内圧センサ、８はクランク軸１０の回転角と回転速度とを計測する回転角センサ、１１は排気管６に設けられ排気ガス中のＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘを浄化する三元触媒である。
【００１０】
また、１２は、排気ガスセンサ５の出力する成分毎のガス濃度と、筒内圧センサ７の出力する燃焼室８内の圧力変化と、点火プラグ４が計測する燃焼時のイオン電流との内の一つ、あるいは、二つ以上のデータを入力して平均化処理、または、物理量変換を行い、実燃焼状態として出力するデータ処理手段、１３は、内燃機関の運転状態を、冷却水温度（Ｔｗ）と吸入空気量（Ｔａ）とクランク角センサ９の出力する回転数（Ｎｅ）とを入力して運転状態に応じた燃焼状態目標値を指示する燃焼状態指示手段、１４は、データ処理手段１２と燃焼状態指示手段１３とが出力する実燃焼状態と燃焼状態目標値とに基づき燃料噴射量や点火時期あるいは排気ガス環流量などを制御する演算制御手段である。
【００１１】
ここでは演算制御手段１４の制御内容を、排気ガスセンサ５の出力によりデータ処理手段１２が空燃比を実燃焼状態として出力し、燃料噴射弁２の燃料噴射量を燃焼状態の制御量として目標値に制御する場合を例として動作を説明する。
まず、空燃比Ａ／Ｆと排気ガス中のＨＣ成分と内燃機関の安定性との状態を示したのが図２である。空燃比を薄く設定するほどＨＣは低減するが、内燃機関の回転変動σＮｅが大となってドライバビリティが悪化するため、安定性を保ちながらＨＣを低減させるには空燃比を１５近辺に保つことが最良である。また、この実施の形態では演算制御手段１４はスライディングモードで制御を行うが、空燃比制御をスライディングモード制御するときのフィードバックゲインの設定領域を示したのが図３である。
【００１２】
図３は横軸を空燃比Ａ／Ｆとし、縦軸を燃料噴射信号に一次遅れ処理を施して実際の燃料噴射量を模擬したＲｉｎｊとして、スライディングモード制御時のフィードバックゲインの切替と制御内容とを説明するためのものであり、図において、内燃機関の始動直後における実空燃比は、図の原点３１に示す位置にあり、実空燃比はリッチな状態にある。演算制御手段１４が後段で説明する図４のフローチャートにより求める目標空燃比は、図３に示す収束点の位置である点３２であり、収束点３２はフィードバックゲイン切替線３３の線上にある。この切替線３３の傾斜は制御対象の特性により与えられるものであり、次式（１）を満たす範囲で設定される。
0004101355.tif 000002
ここで、Ｃ      直線３３の傾斜、
Ｔｓ    センサの応答時定数、
Ｔｃ    燃料搬送遅れ時定数、
Ｋｓｇ  燃料状態検出センサのゲイン、
【００１３】
また、後述の動作説明に使用するフィードバックゲイン切替線３３に対する動作点の偏差Ｓは
0004101355.tif 000003
ここで、Ｒｉｎｊ  実噴射量の模擬値
Ａ／Ｆｐ  実際の空燃比
Ａ／Ｆｉ  指示空燃比
として表され、後述するように、この偏差と制御上の空燃比偏差とから図３のようなフィードバックゲインαと−αとが設定される。なお、図３における空燃比制御は、始動直後の点３１から演算制御手段１４が図４のフローチャトに基づき制御することにより目標空燃比である収束点３２に移行するが、その移行経路は切替線３３上の点３４まで図の線上をフィードバックゲイン−αで制御されながら移行し、点３４から点３２までの間はフィードバックゲインがαと−αの領域を交互に振動しながら収束点３２に至るものである。
【００１４】
以下に図４のフローチャートにより動作内容を説明する。なお、図４のフローチャートのサイクルは内燃機関の一回転毎もしくは一定時間毎に繰り返され、内燃機関の始動と共に演算制御手段１４は図４に基づく動作を開始する。まず、ステップ１０１では燃焼状態指示手段１３が冷却水温Ｔｗと回転数Ｎｅと吸入空気量Ｔａとを読み込み、ステップ１０２において運転状態に対応する最適空燃比を計算又はマップ探索により求め、これを目標空燃比Ａ／Ｆｉとして演算制御手段１４に指示する。ステップ１０３では、データ処理手段１２から与えられる実空燃比Ａ／Ｆｐとこの目標空燃比Ａ／Ｆｉとの偏差ΔＡ／Ｆを
ΔＡ／Ｆ＝Ａ／Ｆｉ−Ａ／Ｆｐ                      ・・・（３）
として求め、続けてステップ１０４において指示偏差量積分値Ｉ（ｎ）を
Ｉ（ｎ）＝Ｉ（ｎ−１）＋ΔＡ／Ｆ×ｄｔ            ・・・（４）
ここで、ｄｔ  制御サンプル時間
として計算する。
【００１５】
ステップ１０５においてはステップ１０４迄で求めた値から実燃焼状態として上記の実噴射量模擬値Ｒｉｎｊを計算し、さらに、ステップ１０６でフィードバックゲインを求めるための領域判別を次式により行う。
Ｓ（Ａ／Ｆｐ−Ａ／Ｆｉ）≦０                      ・・・（５）
結果がＹＥＳであれば状態が図３の斜線で示した領域にあると判別されてステップ１０７に進み、フィードバックゲインを次式により求める。
0004101355.tif 000004
ここで、Ｋｆ  空燃比変換ゲイン
この場合、フィードバックゲインＧは−αである。
【００１６】
ステップ１０６の結果がＮＯであれば図３の斜線の領域にないとしてステップ１０８に進み、
0004101355.tif 000005
としてフィードバックゲインＧが求められ、この場合のフィードバックゲインＧはαである。ステップ１０９では以上の結果により、燃料噴射量指示値Ｆｉｎｊを
Ｆｉｎｊ＝（Ｉ（ｎ）＋Ａ／Ｆｐ）×Ｇ              ・・・（８）
と算出して結果を燃料噴射弁に指示を与え、順次目標値である収束点３２に収束させる。ステップ１１０では積分値計算用のカウンタをインクリメントしてサブルーチンを終え、再びステップ１０１に戻る。なお、この制御系では積分型サーボ型を構成しており、ステップ１０９の（８）式には算式に偏差積分値Ｉ（ｎ）が加えられている。
【００１７】
以上に説明したスライディングモード制御では、フィードバックゲインを内燃機関の経年変化や運転状態変化によるシステムの定数変化を吸収できる範囲で設定することにより、定数変化に対応可能なフィードバック制御系を構成することができる。また、上記の制御ルーチンは冷却水温Ｔｗの値により内燃機関の暖機が完了したと判断されたとき、あるいは、三元触媒が活性化された後には停止され、通常の制御に移行する。なお、上記の説明は空燃比を検出する場合としたが、排気ガス中の成分としてＣＯやＯ２、あるいは、ＨＣやＮＯｘなどを検出する場合も同様の制御ができ、また、筒内圧信号や燃焼時のイオン電流、あるいは、回転変動値を検出して制御することができる。さらに制御は燃料噴射量により空燃比を制御する場合を説明したが、点火時期や排気ガスの環流量を制御することもできる。さらにまた、これらの複数の要素を検出したり、複数の制御要素を制御することも可能である。
【００１８】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２の内燃機関の燃料制御装置の説明図であり、この実施の形態は、実施の形態１で説明した例えば空燃比を検出しての燃焼状態の検出と、検出結果による燃料噴射量の制御を、複数気筒に対して行うようにしたものである。そのために、図１で示した排気ガスセンサ５であるとか圧力センサ７は制御に応じて対象気筒毎に設けられ、点火プラグ４によるイオン電流の検出も必要に応じて気筒毎に測定し、燃料噴射弁２も気筒毎に設けられて気筒毎に制御を行うものである。
【００１９】
図５はこのような気筒別制御を行った場合の動作と効果を説明するもので、ここでは６気筒の内燃機関について全気筒制御の場合を説明する。内燃機関の始動直後は冷却水温が低く、燃料噴射ポートの温度バラツキなどにより各気筒の空燃比は図のグラフ５１に示すように気筒毎の差が大きく現れる。この状態で内燃機関の回転の安定性を損なわない条件で空燃比をリーン側に移行させる場合、６気筒一括制御の時は図の左側のグラフ５４に示すようにＮｏ．４気筒の空燃比に制限されて他の気筒は最適空燃比にすることができないが、気筒別制御の場合には図の右側のように、全ての気筒を最適値である空燃比５２の線まで移行させることができ、排気ガス中の有害成分を抑制することができる。この効果は全気筒の制御でなくとも、制御対象の気筒数の増加と共に向上するものであり、制御対象の気筒の燃焼状態を均一に最良値に設定することができる。
【００２０】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３の内燃機関の燃料制御装置の説明図であり、実施の形態１におけるフィードバックゲインが、切替線３３を境界にαと−αとに不連続に切り替わるものであるのに対し、この実施の形態は、実燃焼状態と燃焼状態目標値との偏差値が所定値以下の領域ではフィードバックゲインが連続的に変化するように設定したものである。図６において、Ｙ軸はゲインαをＸ軸は図３における切替線３３からの偏差Ｓを示すもので、実施の形態１で説明したαの切替が図６の点線６１にて示した特性であるのに対し、この実施の形態では実線６２にて示すように、偏差Ｓの巾６３の間にゲインが連続的に変化するように演算制御手段１４を構成する。このように構成することにより、図３における空燃比の制御時、収束点３２に空燃比が移行するときハンチングを起こすことがなくなり、より安定性を向上することができるものである。
【００２１】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４の内燃機関の燃料制御装置の制御を示すフローチャートであり、この実施の形態は、実施の形態１の制御に対し図７の制御を追加することにより、空燃比が目標値に達した状態にて制御を停止し、条件が変化するまでの間、空燃比を目標値に維持できるようにしたものである。図７において、実施の形態１の制御ルーチンのステップ１１０の完了後、この実施の形態ではステップ７０１に進み、実空燃比と目標空燃比との差であるΔＡ／Ｆを読み込み、ステップ７０２において予め設定された目標値ＳＲと比較して、空燃比偏差ΔＡ／Ｆが目標値以下であればステップ７０３にて制御を一次中断することにより実空燃比を最良点に維持する。このように制御内容を構成することにより、より安定性の高い制御ができるものである。
【００２２】
実施の形態５．
この実施の形態の内燃機関の燃料制御装置は、実施の形態４で示した制御内容に対し、図７のステップ７０３において、スライディングモード制御を通常の比例積分制御に切り換えるものである。制御値を目標値に収束させる過程ではスライディングモード制御は優れた制御法であるが、安定時には比例積分制御の方が安定した結果を示し、このように目標値に達した状態で制御法を切り換えることにより、より安定性の高い制御を行うことができるものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の内燃機関の燃料制御装置によれば、データ処理手段の出力する実燃焼状態と燃焼状態指示手段の出力する燃焼状態目標値との偏差が所定値以下に収束したとき、前記燃焼状態制御手段が一時的に制御を中断するようにしたので、安定した運転性能を維持しながら始動直後における排気ガス中の有害成分である未燃焼ガスの排出を低減することができ、また、内燃機関の経年変化による劣化やバラツキを吸収して性能の変化のない優れた内燃機関の燃料制御装置を得ることができると共に、より安定性の高い制御ができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の内燃機関の燃料制御装置の制御系統図である。
【図２】  この発明の実施の形態１の内燃機関の燃料制御装置の動作説明図である。
【図３】  この発明の実施の形態１の内燃機関の燃料制御装置の動作説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態１の内燃機関の燃料制御装置の動作を説明するフローチャトである。
【図５】  この発明の実施の形態２の内燃機関の燃料制御装置の動作説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態３の内燃機関の燃料制御装置の動作説明図である。
【図７】  この発明の実施の形態４の内燃機関の燃料制御装置の動作を説明するフローチャトである。
【符号の説明】
１  内燃機関、２  燃料噴射弁、３燃料噴射ポート、４  点火プラグ、
５  排気ガスセンサ、６排気管、７  筒内圧センサ、８  燃焼室、
９  回転角センサ、１０  クランク軸、１１  三元触媒、
１２  データ処理手段、１３  燃焼状態指示手段、１４  演算制御手段、
【図１】
0004101355.tif 000006
【図２】
0004101355.tif 000007
【図３】
0004101355.tif 000008
【図４】
0004101355.tif 000009
【図５】
0004101355.tif 000010
【図６】
0004101355.tif 000011
【図７】
0004101355.tif 000012