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JP6209982B2 - 内燃機関の制御システム - Google Patents
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Description

本発明は、圧縮天然ガス(CNG:Compressed Natural Gas)を含む複数種の燃料を使用可能な内燃機関の制御システムに関する。
近年、CNGを燃料として運転される内燃機関が知られている。このような内燃機関において、CNGの補給後に内燃機関が初めて運転されるときに、空燃比フィードバック制御の補正量が閾値より大きければ、CNGの性状が変化したと判定し、CNGの性状を学習する技術が提案されている(たとえば、特許文献1を参照)。
国際公開第2013/076811号 特開2000−291471号公報
ところで、CNGと他の燃料(たとえば、ガソリンや軽油等)との複数種の燃料を使用可能な内燃機関においては、CNGの性状を学習している途中で他の燃料への切り替え要求が発生する場合がある。そのような場合に、CNGから他の燃料への切り替えが許容されると、他の燃料から再びCNGへ切り替えられたときに混合気の空燃比がCNGの性状に適した空燃比から懸け離れる可能性がある。その結果、ドライバビリティが悪化したり、排気エミッションが悪化したりする可能性がある。
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、CNGを含む複数種の燃料を使用可能な内燃機関の制御システムにおいて、CNGの性状変化に起因したドライバビリティの悪化や排気エミッションの悪化を可能な限り抑制することにある。
本発明は、上記した課題を解決するために、圧縮天然ガスを含む複数種の燃料を使用可能な内燃機関の制御システムにおいて、内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから圧縮天然ガスの性状を学習する処理が終了するまでの期間は、圧縮天然ガスから他の燃料への切り替えを禁止するようにした。
詳細には、本発明は、圧縮天然ガスを含む複数種の燃料を使用可能な内燃機関の制御システムにおいて、
圧縮天然ガスの性状を学習する必要があるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定された場合に、圧縮天然ガスの性状を学習するための学習処理を行う学習手段と、
内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから前記判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定するまでの期間、又は内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから前記判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定した後であって前記学習処理が完了するまでの期間は、圧縮天然ガスから他の燃料への切り替えを禁止する禁止手段と、
を備えるようにした。
圧縮天然ガス(CNG)の性状は、必ずしも一様ではなく、CNGの補給場所(給油場所)によって異なる可能性がある。燃料タンクにCNGが補給(充填)されると、燃料タンク内に残っているCNG(以下、「残留CNG」と称する)と充填されたCNG(以下、「充填CNG」と称する)とが混合する。充填CNGと残留CNGとの性状が相異する場合は、充填燃料の充填後に燃料タンクから内燃機関へ供給されるCNG(充填CNGと残留CNGとが混合したCNG(以下、「混合CNG」と称する))の性状は、残留CNGの性状と相異する。
ここで、CNGの性状変化が内燃機関の運転状態に及ぼす影響としては、理論空燃比の変化やウォッペ指数(CNGの総発熱量をCNGの比重の2乗根で除算した値)の変化等が挙げられる。たとえば、気体燃料に含まれる不活性ガスの濃度(たとえば、二酸化炭素(CO)や窒素(N))が変化すると、混合気中のCNGと酸素とが過不足なく反応する空燃比(理論空燃比)が変化するとともにウォッペ指数が変化する。
よって、内燃機関が混合CNGによって運転されるときに、残留CNGの性状に基づいて内燃機関が運転されると、混合気の空燃比が所望の空燃比とならず、ドライバビリティが悪化したり、排気エミッションが悪化したりする可能性がある。よって、CNGの性状が変化した場合は、混合CNGの性状に基づいて内燃機関を運転させる必要がある。
CNGの性状変化は、CNGが補給されたときに起こり得る。そして、CNGの補給は、内燃機関の始動前(運転停止中)に行われる。よって、内燃機関の始動後に初めてCNGが使用されるときは、CNGの性状が変化している可能性がある。
これに対し、本発明の内燃機関の制御システムは、内燃機関の始動後に初めてCNGが使用されるときに、CNGの性状を学習する必要があるか否かを判定する。言い換えると、本発明の内燃機関の制御システムは、内燃機関の始動後に初めてCNGが使用されるときに、CNGの性状が変化しているか否かを判別する。
CNGの性状を学習する必要があるときは、CNGの性状を学習する処理(学習処理)が実行される。ここでいう「学習処理」は、たとえば、混合気の空燃比にかかわる制御パラメータ(たとえば、燃料噴射量、吸入空気量、EGRガス量等)をCNGの性状に適した値に補正するための補正値や学習値を求める処理である。
ところで、CNGの性状を学習する必要があるか否かの判定が終了する前、又はCNGの性状を学習する学習処理が終了する前に、CNGから他の燃料への切り替え要求が発生する可能性がある。そのよう場合に、CNGから他の燃料への切り替えが許容されると、他の燃料から再びCNGへ切り替えられたときに、混合気の空燃比が所望の空燃比にならず、ドライバビリティの悪化や排気エミッションの悪化を招く。
これに対し、本発明に係わる内燃機関の制御システムは、内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定するまでの期間、又は内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定した後であって学習処理が完了するまでの期間は、圧縮天然ガスから他の燃料への切り替えを禁止するようにした。
このような構成によれば、CNGの性状を学習する必要がないと判定された後、又はCNGの性状を学習する学習処理が終了した後に、CNGから他の燃料への切り替えが行われることになる。その結果、CNGから他の燃料へ切り替えられ、その後に他の燃料から再びCNGへ切り替えられたときに、混合気の空燃比を所望の空燃比にすることが可能になる。その結果、CNGの性状変化に起因したドライバビリティの悪化や排気エミッショ
ンの悪化を抑制することができる。
本発明の内燃機関の制御システムは、内燃機関から排出される排気の空燃比を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された空燃比と目標空燃比との差に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する制御手段と、を更に備えるようにしてもよい。
その場合、判定手段は、内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときに、前記フィードバック制御による燃料噴射量の補正量が閾値以下であれば圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定し、前記補正量が閾値より大きければ圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定すればよい。
CNGの性状変化、言い換えればCNGの不活性ガス濃度の変化は、フィードバック制御による燃料噴射量の補正量に反映される。詳細には、CNGの性状変化により理論空燃比が変化すると、それに伴って排気の空燃比(酸素濃度)が変化する。そのため、CNGの補給によってCNGの性状(不活性ガス濃度)が変化すると、検出手段により検出される排気の空燃比が変化するため、フィードバック制御による補正量も変化する。
たとえば、残留CNGに比して不活性ガス濃度の高い充填CNGが補給されると、混合CNGの不活性ガス濃度が残留CNGの不活性ガス濃度より高くなる。その場合、混合CNGの理論空燃比は、残留CNGの理論空燃比より低く(リッチに)なる。その結果、検出手段により検出される排気の空燃比は、目標空燃比よりリーン側にずれることになる。よって、フィードバック制御による補正量は、燃料噴射量を増量させる値になるとともに、その大きさはCNGの性状が一定であるときに該補正量が取り得る最大値より大きくなる。
残留CNGに比して不活性ガス濃度の低い充填CNGが補給されると、混合CNGの不活性ガス濃度が残留CNGの不活性ガス濃度より低くなる。その場合、混合CNGの理論空燃比は、残留CNGの理論空燃比より高く(リーンに)なる。その結果、検出手段により検出される排気の空燃比は、目標空燃比よりリッチ側にずれることになる。よって、フィードバック制御による補正量は、燃料噴射量を減量させる値になるとともに、その大きさはCNGの性状が一定であるときに該補正量が取り得る最大値より大きくなる。
したがって、フィードバック制御による補正量が閾値より大きい場合は、CNGの性状が変化したと判定することができる。なお、ここでいう「閾値」は、たとえば、CNGの性状が一定となる条件下において、フィードバック制御による補正量が取り得る最大値にマージンを加算した値である。
本発明の内燃機関の制御システムにおいて、判定手段は、内燃機関の始動前に圧縮天然ガスが補給されたか否かを判定する処理を更に実行するようにしてもよい。そして、判定手段は、内燃機関の始動前に圧縮天然ガスが補給されたと判定した場合は、前記フィードバック制御による燃料噴射量の補正量に基づいて圧縮天然ガスの性状を学習する必要があるか否かを判定し、内燃機関の始動前に圧縮天然ガスが補給されていないと判定した場合は、圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定するようにしてもよい。
前述したように、CNGの性状変化は、CNGが補給されたときに起こり得る。よって、内燃機関の始動前(運転停止中)にCNGの補給が行われていなければ、CNGの性状は変化しないことになる。そのため、内燃機関の始動前にCNGの補給が行われていなければ、フィードバック制御による補正量に基づいて圧縮天然ガスの性状を学習する必要があるか否かを判定する処理、及びCNGの性状を学習する学習処理を行う必要がない。その結果、CNGから他の燃料の切り替えを禁止する必要もなくなる。よって、CNGから
他の燃料への切り替えは、所望の時期に行うことができる。
本発明は、運転者が使用燃料の切り替え要求を入力したときに、使用燃料の切り替えを行う内燃機関に適用することもできる。たとえば、内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定するまでの期間、又は内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定した後であって学習処理が完了するまでの期間の途中で、使用燃料の切り替え要求が入力された場合に、禁止手段は、前記した2つの期間の何れか一方の期間が終了するまでは燃料の切り替えを行わないようにすればよい。
本発明は、内燃機関の運転領域がCNG使用領域と他の燃料の使用領域とに分けられており、それらの使用領域に応じて燃料が切り替えられる内燃機関に適用することもできる。たとえば、内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定するまでの期間、又は内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定した後であって学習処理が完了するまでの期間の途中で、内燃機関の運転状態がCNG使用領域から他の燃料の使用領域へ移行した場合に、禁止手段は、前記した2つの期間の何れか一方の期間が終了するまでは燃料の切り替えを行わないようにすればよい。
本発明によれば、CNGを含む複数種の燃料を使用可能な内燃機関の制御システムにおいて、CNGの性状変化に起因したドライバビリティの悪化や排気エミッションの悪化を可能な限り抑制することができる。
本発明を適用する車輌の概略構成を示す図である。 CNGに含まれる不活性ガスの濃度と理論空燃比との関係を示す図である。 学習処理が終了する前にCNGから他の燃料への切り替えが行われた場合の空燃比(A/F)の経時変化を示すタイミングチャートである。 学習処理が終了するまでCNGから他の燃料への切り替えが禁止された場合の空燃比(A/F)の経時変化を示すタイミングチャートである。 内燃機関の始動時にECUによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 内燃機関の運転領域がCNG使用領域と液体燃料使用領域に分けられる例を示す図である。
以下、本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。本実施例に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、CNGと液体燃料(ガソリンやアルコール燃料等)とを使用可能な火花点火式の内燃機関である。なお、内燃機関1は、CNGと軽油とを使用可能な圧縮着火式の内燃機関であってもよい。
内燃機関1には、吸気通路3と排気通路4が接続されている。吸気通路3は、大気中から取り込まれた新気(空気)を各気筒2へ導くための通路である。吸気通路3の途中には
、エアクリーナ30が取り付けられている。エアクリーナ30は、空気中に含まれる塵や埃などを捕集するものである。エアクリーナ30より下流の吸気通路3には、エアフローメータ31が取り付けられている。エアフローメータ31は、吸気通路3を流れる空気の量(質量)に相関する電気信号を出力するものである。エアフローメータ31より下流の吸気通路3には、スロットル弁32が取り付けられている。スロットル弁32は、吸気通路3の通路断面積を変更することにより、内燃機関1へ供給される空気量を変更するものである。
なお、スロットル弁32より下流の吸気通路3は、4つの枝管に分岐され、各枝管が各気筒2に接続されている。吸気通路3の各枝管には、該枝管内にCNGを噴射する第一燃料噴射弁5と、該枝管内に液体燃料を噴射する第二燃料噴射弁6が取り付けられている。
第一燃料噴射弁5は、第一デリバリパイプ50に接続されている。第一デリバリパイプ50は、第一燃料通路51を介して、第一燃料タンク52に接続されている。第一燃料タンク52は、車両の車体に取り付けられた充填口53とインレットパイプ54を介して接続されている。充填口53は、ガスステーションなどに配置された充填ノズルが差し込まれたときに開口し、充填ノズルから供給されるCNGをインレットパイプ54へ導入する。充填口53からインレットパイプ54へ導入されたCNGは、第一燃料タンク52に貯蔵される。
第一燃料タンク52に貯蔵されたCNGは、第一燃料通路51を介して第一デリバリパイプ50へ供給され、次いで第一デリバリパイプ50から4つの第一燃料噴射弁5に分配される。なお、第一燃料通路51の途中には、遮断弁55が配置される。遮断弁55は、第一燃料通路51の導通と遮断を切り替えるものであり、内燃機関1の運転停止中(たとえば、イグニッションスイッチがオフの期間)は閉弁し、内燃機関1の運転中(たとえば、イグニッションスイッチがオンの期間)は開弁する。遮断弁55としては、たとえば、駆動電力が印加されたときに開弁し、駆動電力が印加されないときは閉弁する電磁式の弁装置を用いることができる。
遮断弁55より下流の第一燃料通路51には、レギュレータ56が配置される。レギュレータ56は、第一燃料タンク52から供給されるCNGの圧力を予め設定された圧力(設定圧力)に減圧するものである。言い換えると、レギュレータ56は、該レギュレータ56より下流の第一燃料通路51における燃料圧力、言い換えれば第一燃料噴射弁5及び第一デリバリパイプ50に印加される燃料圧力(以下、「燃料噴射圧力」と称する)が設定圧力と等しくなるように、第一燃料通路51の通路断面積を調整する弁装置である。レギュレータ56としては、たとえば、ダイヤフラムとスプリングを組み合わせた機械式の弁装置を用いることができる。また、第一燃料タンク52には、圧力センサ57が取り付けられている。圧力センサ57は、第一燃料タンク52内の圧力に相関した電気信号を出力する。
第二燃料噴射弁6は、第二デリバリパイプ60に接続されている。第二デリバリパイプ60は、第二燃料通路61を介して、第二燃料タンク62に接続されている。第二燃料タンク62は、液体燃料を貯蔵するタンクである。第二燃料通路61の途中には、第二燃料タンク62に貯蔵されている液体燃料を汲み上げるための燃料ポンプ63が取り付けられている。燃料ポンプ63は、たとえば、電動モータにより駆動されるタービン式のポンプである。燃料ポンプ63により汲み上げられた液体燃料は、第二燃料通路61を介して第二デリバリパイプ60へ供給され、次いで第二デリバリパイプ60から4つの第二燃料噴射弁6に分配される。
排気通路4は、各気筒2から排出される既燃ガス(排気)を排気浄化装置40や消音器
などの経由後に大気中へ排出するための通路である。排気通路4の途中には、空燃比に相関する電気信号を出力するA/Fセンサ41が取り付けられている。
このように構成された内燃機関1には、ECU7が搭載されている。ECU7は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAMなどから構成される電子制御ユニットである。ECU7には、前述したエアフローメータ31、A/Fセンサ41、及び圧力センサ57に加え、アクセルポジションセンサ8、クランクポジションセンサ9、切り替えボタン10等の各種センサが電気的に接続されている。なお、アクセルポジションセンサ8は、アクセルペダルの操作量(アクセル開度)に相関する電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ9は、内燃機関1のクランクシャフトの回転位置に相関する電気信号を出力するセンサである。切り替えボタン10は、車両の室内に設けられ、運転者が使用燃料の切り替え要求を入力するための装置である。
ECU7には、第一燃料噴射弁5、第二燃料噴射弁6、スロットル弁32、遮断弁55、燃料ポンプ63などの各種機器が電気的に接続されている。ECU7は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、前記各種機器を制御する。
たとえば、ECU7は、前記した各種センサの出力信号に基づいて内燃機関1の運転条件(たとえば、機関負荷や機関回転速度等)を演算し、その運転条件に基づいて混合気の燃焼状態にかかわる制御パラメータ(たとえば、燃料噴射量、吸入空気量、点火時期等)を求める。そして、ECU7は、前記制御パラメータに従って、前記各種機器を制御する。また、ECU7は、運転者により切り替えボタン10が操作されたとき(切り替え要求が入力されたとき)に、使用燃料の切り替えを行う。
ところで、第一燃料タンク52に貯蔵されるCNGの性状は、必ずしも一様ではなく、CNGの補給場所(充填場所)等によって異なる場合がある。混合気中のCNGと酸素が過不足なく反応する際の空燃比(理論空燃比)は、CNGの性状によって異なる。特に、CNGに含まれる不活性ガス(二酸化炭素(CO)及び窒素(N))の濃度が異なると、理論空燃比も相異する。
ここで、CNGに含まれる不活性ガスの濃度と理論空燃比との関係を図2に示す。図2において、CNGの理論空燃比は、CNGの不活性ガス濃度が低いときより高いときの方が低くなる。そのため、第一燃料タンク52内に残留しているCNG(残留CNG)と性状の異なるCNG(充填CNG)が充填された場合に、充填後の制御パラメータが残留CNGの理論空燃比に従って制御されると、実際の空燃比が所望の目標空燃比と相異したり、内燃機関1の発生トルクが目標トルクと相異したりする可能性がある。
たとえば、残留CNGより不活性ガス濃度の高い充填CNGが充填されたときは、充填後のCNG(残留CNGと充填CNGとが混合したCNG(混合CNG))の理論空燃比は、残留CNGの理論空燃比より低く(リッチに)なる。そのため、充填CNGの充填後における制御パラメータが残留CNGの理論空燃比に従って制御されると、実際の空燃比が目標空燃比より高く(リーンに)なる。
一方、残留CNGより不活性ガス濃度の低い充填CNGが充填されたときは、混合CNGの理論空燃比は、残留CNGの理論空燃比より高く(リーンに)なる。そのため、充填CNGの充填後における制御パラメータが残留CNGの理論空燃比に従って制御されると、実際の空燃比が目標空燃比より低く(リッチに)なる。
したがって、CNGの性状(不活性ガス濃度)が変化した場合は、理論空燃比の変化を補償するために、CNGの性状を学習する必要がある。詳細には、混合気の空燃比にかか
わる制御パラメータをCNGの性状に適した値に補正する必要がある。以下では、燃料噴射量を補正する例について述べる。
先ず、本実施例では、内燃機関1がCNGを使用して運転されるときに、以下の式(1)を利用して、CNGの燃料噴射量(燃料噴射時間)etauを演算する。
etau=etp*ekaf*ekin*k・・・(1)
前記式(1)中のetpは、吸入空気量や機関回転数等を引数とするマップから導き出される基本噴射量である。ここでいうマップは、予め実験などを利用した適合処理によって求められ、ECU7のROMに記憶されている。
前記式(1)中のekafは、目標空燃比と実際の空燃比(A/Fセンサ41により検出される空燃比)との乖離を解消するための補正係数(空燃比フィードバック補正係数)である。このekafは、たとえば、以下の式(2)に従って演算される。
ekaf=(efaf+efgaf+100)/100・・・(2)
前記式(2)中のefafは、目標空燃比と実際の空燃比との差に基づいて決定される補正値(空燃比フィードバック補正値)である。前記式(2)中のefgafは、目標空燃比と実際の空燃比との恒常的な乖離(第一燃料噴射弁5の噴射特性の経時変化などに起因した乖離)を補償するための空燃比学習値である。
前記式(1)におけるkは、冷却水温度やアクセル開度に応じて決定される増量補正係数である。また、前記式(1)中のekinは、CNGの性状変化(不活性ガス濃度の変化)に伴う理論空燃比の変化を補償するための補正係数(不活性ガス濃度学習補正係数)である。
前記不活性ガス濃度学習補正数ekinは、以下の式(3)に基づいて演算される。
ekin=(eknco2+100)/100・・・(3)
前記式(3)中のeknco2は、CNGの不活性ガス濃度に起因した目標空燃比と実際の空燃比の恒常的な乖離を補償するための学習値(不活性ガス濃度学習値)である。以下では、不活性ガス濃度学習値eknco2の決定方法について述べる。
CNGの性状変化は、第一燃料タンク52にCNGが補給されたときに発生する。たとえば、残留CNGより不活性ガス濃度の高い充填CNGが補給されると、混合CNGの不活性ガス濃度が残留CNGの不活性ガス濃度より高くなる。また、残留CNGより不活性ガス濃度の低い充填CNGが補給されると、混合CNGの不活性ガス濃度が残留CNGの不活性ガス濃度より低くなる。
混合CNGの性状変化は、充填CNGの充填後に初めてCNGが使用されるときの空燃比フィードバック補正値efafに反映される。たとえば、残留CNGより不活性ガス濃度の高い充填CNGが補給された場合は、混合CNGの理論空燃比は、残留CNGの理論空燃比より低く(リッチに)なる。そのため、A/Fセンサ41により検出される空燃比は、目標空燃比よりリーン側にずれる。その場合、空燃比フィードバック補正値efafは、燃料噴射量を増量させる値(正値)になるとともに、その大きさはCNGの性状が一定であるときに該補正値が取り得る最大値より大きくなる。
一方、残留CNGに比して不活性ガス濃度の低い充填CNGが補給された場合は、混合CNGの理論空燃比は、残留CNGの理論空燃比より高く(リーンに)なる。そのため、A/Fセンサ41により検出される空燃比は、目標空燃比よりリッチ側にずれる。その場
合、空燃比フィードバック補正値efafは、燃料噴射量を減量させる値(負値)になるとともに、その大きさはCNGの性状が一定であるときに該補正値が取り得る最大値より大きくなる。
なお、CNGの充填は、内燃機関1の始動前(運転停止中)に行われる。よって、内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用されたときに、空燃比フィードバック補正値efafの大きさが閾値以上であれば、残留CNGと異なる性状の充填CNGが第一燃料タンク52に充填されたとみなすことができる。なお、ここでいう「閾値」は、たとえば、CNGの性状が一定となる条件下において、空燃比フィードバック補正値efafの絶対値が取り得る最大値にマージンを加算した値である。
そこで、ECU7は、内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用されたときに、空燃比フィードバック補正値efafの大きさが閾値以上であれば、CNGの性状を学習するための処理(学習処理)を実行する。ここでいう学習処理は、不活性ガス濃度学習値eknco2の値をCNGの性状に適した値に更新する処理である。
詳細には、ECU7は、不活性ガス濃度学習値eknco2に所定値aを加算する。所定値aは、空燃比フィードバック補正値efafが正値である場合は正の値に設定され、空燃比フィードバック補正値efafが負値である場合は負の値に設定される。なお、所定値aの大きさは、空燃比フィードバック補正値efafの大きさ(若しくは、空燃比フィードバック補正値efafの絶対値と前記閾値との差)に応じて決定される可変値であってもよく、又は予め実験などを利用した適合処理によって決定される固定値であってもよい。
ECU7は、不活性ガス濃度学習値eknco2を更新した場合に、空燃比フィードバック補正値efafから不活性ガス濃度学習値eknco2の更新分(所定値a)を差し引くものとする。これは、CNGの性状変化に伴う補正分は、不活性ガス濃度学習値eknco2と空燃比フィードバック補正値efafの双方に含まれるためである。
なお、不活性ガス濃度学習値eknco2の学習処理は、空燃比学習値efgafの学習処理より優先して実行されるものとする。これは、充填CNGの補給後において、不活性ガス濃度学習値eknco2の学習処理より先に空燃比学習値efgafの学習処理が実施されると、CNGの性状が変化している場合であっても空燃比フィードバック補正値efafの絶対値が閾値未満になってしまうからである。
また、充填CNGの不活性ガス濃度と残留CNGの不活性ガス濃度との差が小さい場合、又は残留CNGの量に対して充填CNGの量が少ない場合は、混合CNGと残留CNGとの性状の差が小さくなる可能性がある。また、空燃比学習値efgafの値は、負荷の大きさなどによって区分けされた複数の運転領域のそれぞれに設定される。そのため、運転領域によってはCNGの性状変化が空燃比フィードバック補正値efafの大きさに表れにくい場合もある。
そこで、ECU7は、空燃比フィードバック補正値efafの絶対値が閾値を超えない場合であっても、全運転領域における空燃比学習値efgafの平均値efgafaveの絶対値が閾値を超える場合は、CNGの性状が変化したとみなして不活性ガス濃度学習値eknco2を更新するようにしてもよい。具体的には、ECU7は、前記平均値efgafaveの絶対値が閾値以上であるときに、不活性ガス濃度学習値eknco2に所定値bを加算すればよい。所定値bは、前記平均値efgafaveが正値である場合は正の値に設定され、前記平均値efgafaveが負値である場合は負の値に設定される。所定値bの絶対値の大きさは、前記平均値efgafaveの絶対値の大きさに応じて
決定される可変値であってもよく、又は予め実験などを利用した適合処理によって決定される固定値であってもよい。ただし、所定値bの絶対値の大きさは、前記所定値aの絶対値より小さい値に設定されるものとする。
また、前記平均値efgafaveと比較される閾値は、CNGの性状が一定である場合に前記平均値efgafaveの絶対値が取り得る最大値にマージンを加算した値である。以下では、空燃比フィードバック補正値efafの絶対値と比較される閾値を第一閾値と称し、空燃比学習値efgafの平均値efgafaveの絶対値と比較される閾値を第二閾値と称するものとする。
前記平均値efgafaveの絶対値が第二閾値以上であることを条件として、不活性ガス濃度学習値eknco2が更新された場合は、ECU7は、空燃比学習値efgafから不活性ガス濃度学習値eknco2の更新分(所定値b)を減算するものとする。その際、ECU7は、全運転領域の空燃比学習値efgafから不活性ガス濃度学習値eknco2の更新分を減算する。
以上述べた方法により不活性ガス濃度学習値eknco2の学習処理が行われると、前記式(1)に従って演算される燃料噴射量(燃料噴射時間)etauは、CNGの性状変化に伴う理論空燃比の変化及びウェッペ指数の変化を補償可能な値になる。その結果、CNGの性状が変化した場合に、混合気の空燃比を速やかに目標空燃比に収束させることができるとともに、混合気が燃焼した際に発生する熱エネルギの量を所望の量に一致させることができる。
ところで、内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用された場合において、CNGの性状が変化したか否かの判定が終了する前、又は学習処理が終了する前に、運転者が切り替えボタン10を操作(CNGから他の燃料への切り替え要求を入力)する可能性がある。
ここで、学習処理が終了する前にCNGから他の燃料へ切り替えられ、その後に他の燃料からCNGへ切り替えられた場合において、CNGの性状、空燃比(A/F)、空燃比フィードバック補正値efaf、及び不活性ガス濃度学習値eknco2の経時変化を図3に示す。
内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用されたとき(CNG使用開始)から暫くの間(図3中のt1までの期間)は、第一燃料噴射弁5から噴射されるCNGの性状は、充填前の性状になる。これは、第一燃料タンク52から第一燃料噴射弁5までの経路(第一燃料通路51)に充填前のCNGが残留しているためである。
第一燃料通路51に残存している充填前のCNGが消費されると(図3中のt1)、第一燃料噴射弁5から噴射されるCNGの性状が変化し始める。その場合、第一燃料噴射弁5から噴射されるCNGの理論空燃比も変化し始めるが、空燃比フィードバック制御によって空燃比フィードバック補正値efafの値が変更されるため、空燃比(A/F)は目標A/Fに近似する。また、空燃比フィードバック補正値efafの大きさが第一閾値より大きくなるため、CNGの性状が変化したと判定(学習処理を行う必要があると判定)され、学習処理が開始される。
ところで、学習処理が終了する前にCNGから他の燃料へ切り替えられると(図3中のt2)、空燃比フィードバック補正値efafがリセットされるため、他の燃料から再びCNGへ切り替えられたとき(図3中のt3)に、空燃比(A/F)が目標A/Fから乖離する。そして、空燃比フィードバック補正値efafが第一閾値より大きくなると、不活性ガス濃度学習値eknco2の更新(学習処理)が開始される(図3中のt4)。そ
して、不活性ガス濃度学習値eknco2の値が充填後のCNGの性状に適した値になると(図3中のt5)、空燃比フィードバック補正値efafが第一閾値以下になるとともに、空燃比(A/F)が目標A/Fに収束する。そして、空燃比(A/F)が目標A/Fに近似した値で安定すると(図3中のt6)、学習完了フラグがオン(完了)にされる。
図3に示したように、他の燃料から再びCNGへ切り替えられたときに、空燃比(A/F)が目標A/Fから乖離すると、ドライバビリティや排気エミッションが悪化する。
これに対し、本実施例においては、内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用された場合は、CNGの性状が変化していないと判定されるまで、又は学習処理が終了するまでは、CNGから他の燃料への切り替えを禁止するようにした。たとえば、図4に示すように、内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用されたとき(CNG使用開始)から学習完了フラグがオン(完了)にされるまで(図4中のt10)の期間は、たとえ運転者が切り替えボタン10を操作しても、CNGから他の燃料への切り替えが禁止される。
なお、内燃機関1の始動前(運転停止中)にCNGが充填されていない場合、或いは充填CNGと残留CNGとの性状が略同等である場合は、空燃比フィードバック補正値efafの大きさが第一閾値以下となり、且つ空燃比学習値efgafの平均値efgafaveが第二閾値以下となる。その場合、学習処理を実行する必要がないため、空燃比フィードバック補正値efafが第一閾値以下であり、且つ前記平均値efgafaveが第二閾値以下であると判定された時点で、学習完了フラグがオンにされればよい。
また、内燃機関1の始動前にCNGの充填(補給)が行われていなければ、CNGの性状が変化しないため、内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用された時点で学習完了フラグがオンにされてもよい。その場合、CNGの使用開始直後から他の燃料への切り替えを行うことができる。なお、内燃機関1の始動前にCNGが充填されたか否かを判別する方法としては、前回の運転停止時(たとえば、イグニッションスイッチがオフにされたとき)における圧力センサ57の測定値と今回の始動時(たとえば、イグニッションスイッチがオンにされたとき)における圧力センサ57の測定値とを比較し、それらの差が所定値以下であればCNGの充填が行われていないと判定し、それらの差が所定値を超えていればCNGの充填が行われたと判定する方法を用いることができる。
以下、本実施例における学習処理の実行手順について図5に沿って説明する。図5は、内燃機関1の始動時(イグニッションスイッチがオンにされたとき)にECU7が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めECU7のROMに記憶されている。なお、内燃機関1の始動時は、CNG以外の燃料が使用されるものとする。
図5の処理ルーチンでは、ECU7は、先ずS101の処理において、内燃機関1の始動前にCNGが充填(補給)されたか否かを判別する。たとえば、ECU7は、前回の運転停止時における圧力センサ57の測定値と今回の始動時における圧力センサ57の測定値との差が所定値より大きければ、内燃機関1の始動前にCNGが充填されたと判定する。一方、前記した差が所定値以下であれば、ECU7は、内燃機関1の始動前にCNGが充填されていないと判定する。
内燃機関1の始動前にCNGが充填されていなければ、CNGの性状が変化しないため、CNGの性状を学習する必要がない。よって、前記S101において否定判定された場合は、ECU7は、S109の処理へ進み、禁止フラグをオフ(OFF)にする。禁止フラグは、CNGから他の燃料への切り替えが禁止されるときにオン(ON)にされ、CNGから他の燃料への切り替えが許容されるときにオフ(OFF)にされるフラグである。
つまり、禁止フラグがオン(ON)である間は、CNGから他の燃料への切り替え要求が発生(運転者が切り替えボタン10を操作)しても、CNGから他の燃料への切り替えが禁止される。
一方、内燃機関1の始動前にCNGが充填されていれば、CNGの性状が変化する可能性があるため、学習処理を実行する必要があるか否か(CNGの性状が変化したか否か)を判定する必要がある。よって、前記S101において肯定判定された場合は、ECU7は、S102以降の処理を実行する。
S102の処理では、ECU7は、他の燃料からCNGへの切り替え要求が入力されたか否かを判別する。詳細には、ECU7は、切り替えボタン10が操作されたか否かを判別する。S102の処理で否定判定された場合は、ECU7は、該S102の処理を繰り返し実行する。一方、S102の処理で肯定判定された場合は、ECU7は、S103の処理へ進む。
S103の処理では、ECU7は、CNGの使用条件が成立しているか否かを判別する。たとえば、ECU7は、A/Fセンサ41や排気浄化装置40が活性しており、且つ冷却水温度が所定温度以上(たとえば、内燃機関1が暖機完了状態にあると判定される最低の冷却水温度)であれば、CNGを使用可能であると判定する。S103の処理において否定判定された場合は、ECU7は、S102の処理へ戻る。一方、S103の処理において肯定判定された場合は、ECU7は、S104の処理へ進む。
S104の処理では、ECU7は、内燃機関1の使用燃料を他の燃料からCNGへ切り替える。詳細には、ECU7は、第二燃料噴射弁6及び燃料ポンプ63を停止させる。さらに、ECU7は、遮断弁55を開弁させるとともに、第一燃料噴射弁5を作動させる。続いて、ECU7は、S105の処理へ進み、禁止フラグをオン(ON)にする。
S106の処理では、ECU7は、残留CNGから混合CNGへ切り替えが完了したか否かを判別する。すなわち、ECU7は、第一燃料通路51に残存していた残留CNGが総て消費されたか否かを判別する。具体的には、第一燃料噴射弁5から噴射されたCNGの積算量が前記第一燃料通路51に残存していた残留CNGの量より多くなったときに、第一燃料通路51に残存していた残留CNGが総て消費されたと判定する。なお、第一燃料通路51に残存していた残留CNGの量は、第一燃料通路51の容量に基づいて求めることができる。S106の処理において否定判定された場合は、ECU7は、該S106の処理を繰り返し実行する。一方、S106の処理において肯定判定された場合は、ECU7は、S107の処理へ進む。
S107の処理では、ECU7は、前述した方法により実行される空燃比フィードバック制御で求められた空燃比フィードバック補正値efafを読み込み、該空燃比フィードバック補正値efafの大きさ(絶対値)が第一閾値以下であるか否かを判別する。S107の処理において肯定判定された場合は、ECU7は、S108の処理へ進む。
S108の処理では、ECU7は、空燃比フィードバック制御により求められた空燃比学習値efgafの平均値efgafaveを求め、その平均値efgafaveの大きさ(絶対値)が第二閾値以下であるか否かを判別する。S108の処理において肯定判定された場合は、充填CNGの性状と残留CNGの性状とが略同等であるため、学習処理実行する必要がない。よって、ECU7は、S108の処理において肯定判定された場合は、S109の処理へ進み、禁止フラグをオフ(OFF)にする。
また、S107の処理で否定判定された場合、又はS108の処理で否定判定された場
合は、充填CNGの性状と残留CNGの性状とが相違するため、学習処理を実行する必要がある。よって、ECU7は、S110の処理へ進み、学習処理を実行する。具体的には、ECU7は、先ず空燃比フィードバック補正値efafの正負、及び該空燃比フィードバック補正値efafの絶対値の大きさに応じて所定値aを演算する。次いで、ECU7は、不活性ガス濃度学習値eknco2に前記所定値aを加算し、その演算結果(=eknco2+a)を新たな不活性ガス濃度学習値eknco2に設定する。また、ECU7は、前記空燃比フィードバック補正値efafから前記所定値aを減算する。なお、ECU7がS110の処理を実行することにより、本発明の学習手段が実現される。
S111の処理では、学習処理が終了したか否かを判別する。具体的には、ECU7は、空燃比フィードバック補正値efafが第一閾値以下に低下したときに、学習処理が終了したと判定する。S111の処理において否定判定された場合は、ECU7は、S110の処理へ戻る。すなわち、ECU7は、空燃比フィードバック補正値efafの絶対値が第一閾値以下となるまで、S110及びS111の処理を繰り返し実行する。そして、空燃比フィードバック補正値efafの絶対値が第一閾値以下になると、ECU7は、S111において肯定判定する。その場合、ECU7は、S109の処理へ進み、禁止フラグをオフ(OFF)にする。
上記した処理ルーチンに従って学習処理が実行されると、内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用されてから学習処理を実行する必要がないと判定されるまでの期間(S104の処理が実行されてからS108の処理で肯定判定されるまでの期間)、又は内燃機関1の始動後に初めてCNGが使用されてから学習処理が完了するするまでの期間(S104の処理が実行されてからS111の処理で肯定判定されるまでの期間)において、CNGから他の燃料への切り替えが禁止される。
その結果、学習処理が必要ないと判定された後、又は学習処理が完了した後に、CNGから他の燃料への切り替えが行われることになる。よって、CNGから他の燃料へ切り替えられ、その後に他の燃料から再びCNGへ切り替えられた場合において、混合気の空燃比がCNGの性状に適した空燃比から乖離することを抑制することができる。その結果、CNGの性状変化に起因したドライバビリティの悪化や排気エミッションの悪化を抑制することができる。
また、内燃機関1の始動前にCNGが充填されていないと判定された場合は、禁止フラグがオフ(OFF)にされるため、CNGの使用が開始された直後から他の燃料への切り替えが可能になる。そのため、運転者の要求に反して使用燃料の切り替えが制限される期間を短くすることができる。
なお、ECU7がS101、S107、又はS108の処理を実行することにより、本発明の判定手段が実現される。また、ECU7がS105及びS109の処理を実行することにより、本発明の禁止手段が実現される。
<他の実施例>
前述した実施例では、運転者の手動操作によって使用燃料が切り替えられる内燃機関に本発明を適用する例について説明したが、使用燃料が自動的に切り替えられる内燃機関に本発明を適用することも可能である。
CNGと液体燃料とを使用可能な内燃機関においては、たとえば、図6に示すように、CNG使用領域が低負荷・低回転運転領域に設定され、液体燃料使用領域が高負荷・高回転運転領域に設定される。このような構成においては、内燃機関の運転状態がCNG使用領域から液体燃料使用領域へ移行したとき、又は液体燃料使用領域からCNG使用領域へ
移行したときに、使用燃料が自動的に切り替えられる。
ところで、CNGの性状が変化したか否かの判定が終了する前、又は学習処理が終了する前に、内燃機関の運転状態がCNG使用領域から液体燃料の使用領域へ移行する可能性がある。そのような場合にCNGから液体燃料への切り替えが許容されると、運転者の手動操作によって使用燃料が切り替えられる内燃機関と同様の不具合が発生する。
よって、内燃機関の始動後に初めてCNGが使用されたときからCNGの性状が変化していない(学習処理を実行する必要がない)と判定されるまでの期間、又は内燃機関の始動後に初めてCNGが使用されたときから学習処理が終了するまでの期間においては、たとえ内燃機関の運転状態がCNG使用領域から液体燃料使用領域へ移行しても、CNGから液体燃料への切り替えを禁止すればよい。
1 内燃機関
2 気筒
3 吸気通路
4 排気通路
5 第一燃料噴射弁
6 第二燃料噴射弁
7 ECU
10 切り替えボタン
41 A/Fセンサ
50 第一デリバリパイプ
51 第一燃料通路
52 第一燃料タンク
53 充填口
54 インレットパイプ
55 遮断弁
56 レギュレータ
57 圧力センサ
60 第二デリバリパイプ
61 第二燃料通路
62 第二燃料タンク
63 燃料ポンプ

Claims (4)

  1. 圧縮天然ガスを含む複数種の燃料を使用可能な内燃機関の制御システムにおいて、
    圧縮天然ガスの性状を学習する必要があるか否かを判定する判定手段と、
    前記判定手段により圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定された場合に、圧縮天然ガスの性状を学習する処理である学習処理を行う学習手段と、
    内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから前記判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定するまでの期間、又は内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから前記判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定した後であって前記学習処理が完了するまでの期間の途中で、圧縮天然ガスから他の燃料への切り替え要求が入力された場合に、前記した2つの期間の何れか一方の期間が終了するまで燃料の切り替えを禁止する禁止手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御システム。
  2. 内燃機関から排出される排気の空燃比を検出する検出手段と、
    前記検出手段により検出された空燃比と目標空燃比との差に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する制御手段と、
    を更に備え、
    前記判定手段は、内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときに、前記フィードバック制御による燃料噴射量の補正量が閾値以下であれば圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定し、前記補正量が閾値より大きければ圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の制御システム。
  3. 前記判定手段は、内燃機関の始動前に圧縮天然ガスが補給されたか否かを判定する処理を更に実行し、
    内燃機関の始動前に圧縮天然ガスが補給されたと判定した場合は、前記フィードバック制御による燃料噴射量の補正量に基づいて圧縮天然ガスの性状を学習する必要があるか否かを判定し、
    内燃機関の始動前に圧縮天然ガスが補給されていないと判定した場合は、圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定すること特徴とする請求項2に記載の内燃機関の制御システム。
  4. 内燃機関が使用する燃料の切り替え要求を入力する入力装置を更に備え、
    前記禁止手段は、内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから前記判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要がないと判定するまでの期間、又は内燃機関の始動後に初めて圧縮天然ガスが使用されたときから前記判定手段が圧縮天然ガスの性状を学習する必要があると判定した後であって前記学習処理が完了するまでの期間の途中で、前記入力装置に燃料の切り替え要求が入力された場合に、前記した2つの期間の何れか一方の期間が終了するまで燃料の切り替えを禁止することを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の内燃機関の制御システム。
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