JP2004019478A

JP2004019478A - 内燃機関の回転数制御方法

Info

Publication number: JP2004019478A
Application number: JP2002172105A
Authority: JP
Inventors: Shinji Niwa; 丹羽　伸二; Masao Takeda; 竹田　正朗
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】負荷によるエンジン回転の変化を補正する場合、負荷毎に補正量を記憶しているものでは、運転環境に適合したものとならない場合が生じた。
【解決手段】内燃機関の吸入空気量を検出し、検出した吸入空気量に基づいて内燃機関に対応する数学モデルにより推定した内部トルクと、その内部トルクに応じて数学モデルにより推定した機関回転数とに基づいて外部トルクを推定し、推定した外部トルクを打ち消すように内部トルクを制御する制御値を数学モデルにより演算し、演算した制御値により内燃機関の吸入空気量を制御してアイドル回転数を制御する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアイドル運転時に目標回転数となるように機関回転数を制御する内燃機関の回転数制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関、例えば自動車等の車両に搭載されるエンジンは、アイドル運転時において、スロットルバルブあるいはスロットルバルブを迂回するバイパス通路に設けられた流量制御バルブであるＩＳＣバルブの開度を調整して、設定された目標回転数になるようにエンジン回転数が制御されるものである。このようなアイドル運転時に、例えばエアコンディショナ（以下、エアコンと称する）が作動すると、エンジンに対してこのエアコンが外部負荷となる。したがって、その外部負荷のために、エンジン回転数が変動するので、アイドル運転時の目標回転数にエンジン回転数を維持しようとすると、吸入空気量を増加する必要がある。
【０００３】
この場合、次のような手順でエンジン回転数を制御する。まず、エアコンの作動をエアコンのスイッチがオンになったことにより判断して、外部負荷の入力を検出する。次に、スロットルバルブあるいはＩＳＣバルブの開度の補正量を設定したエンジン回転数補正用のテーブルを参照して、入力された外部負荷に対応する補正量を決定する。そして、決定した補正量によりスロットルバルブあるいはＩＳＣバルブの開度を補正して、エンジン回転数が目標回転数となるようにエンジン回転数をフィードバック制御するものである。
【０００４】
このようなアイドル回転数制御にあっては、負荷毎に補正量を設定しているため、同一の負荷に対しては、運転環境のいかんにかかわらず一定の補正量となる。しかしながら、例えばエアコンのように、外気温等の影響を受けて実質的な負荷の大きさが変化するものでは、エアコンのスイッチが入ったことにより、一律に外部負荷としてエアコンを判定するので、あらかじめ設定されたエアコンに対する補正量で補正を行うことになる。その結果、運転環境によっては、補正量が過少であったり、あるいは逆に過多であったりすることがある。
【０００５】
このような不具合を解消するために、例えば特開平７−１９７８２８号公報のもののように、スロットルバルブの開度とエンジン回転数とからエンジンの出力トルクを推定するとともに、外部負荷を駆動するために必要な負荷トルクをあらかじめ記憶しておき、推定した出力トルクと記憶した負荷トルクとから目標出力トルクを算出し、エンジン回転数と算出した目標出力トルクとから目標とするスロットルバルブの開度つまり目標スロットル開度を設定して、フィードバック制御の代えてスロットルバルブの開度が目標スロットル開度となるように制御するものが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような構成のものであると、エンジン回転数とスロットルバルブの開度とから出力トルクを推定するものの、外部負荷については記憶された負荷トルクを用いているため、依然としてエンジンの運転環境の変化に対して補正量を対応させることが困難であった。つまり、記憶された負荷トルクは、外部負荷が作動した際のエンジンの運転環境を必ずしも反映した値ではない。したがって、運転環境によっては、負荷トルクが記憶されたものより大きい場合やその逆の場合があり、補正量がその時の運転環境に適合したものとならない場合があった。この結果、エンジン回転数が変動し、目標回転数に収束させるまでに長時間を費やすことになった。
【０００７】
本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の内燃機関の回転数制御方法は、内燃機関の吸入空気量を検出し、検出した吸入空気量に基づいて内燃機関に対応する数学モデルにより推定した内部トルクと、その内部トルクに応じて数学モデルにより推定した機関回転数とに基づいて外部トルクを推定し、推定した外部トルクを打ち消すように内部トルクを制御する制御値を数学モデルにより演算し、演算した制御値により内燃機関の吸入空気量を制御してアイドル回転数を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明における数学モデルとは、内燃機関を制御するにあたって、内燃機関に関する知識を制御理論に対応する一定の形式により表したものを指す。このような数学モデルを作成するためには、同定実験を行い、観測データと整合のとれた同定モデルを作成して、その同定モデルを数学モデルとするものである。
【００１０】
数学モデルとしては、アイドル運転状態における吸入空気が燃焼室に達した後燃焼により内部トルクが発生するまでをモデリングした駆動力発生系と、駆動力発生系にて発生した内部トルクにより内燃機関が回転された際の機関回転数の変化をモデリングした回転系とを備えるものが挙げられる。このような構成のものであれば、伝達関数を簡素化することができ、外部トルクを容易に推定することが可能になる。
【００１１】
このような構成によれば、内燃機関に対応した数学モデルを用いて、内燃機関にとっての外部の負荷に対応する外部トルクを推定し、その推定した外部トルクを打ち消すように内部トルクの制御値を演算するので、外部負荷に応じて吸入空気量の補正量を適合させる場合に比べて、アイドル回転数を正確に制御することが可能になる。また、適合により吸入空気量の補正量を設定する場合に、様々な環境条件や運転条件によりその最適値を決定しなければならないために、開発に長時間を要することで生じる開発効率の低下を改善することが可能になる。
【００１２】
上記の構成において、外部トルクの推定は、数学モデルにおいてオブザーバ理論に基づいて行うことが好ましい。このような構成とすることにより、外部負荷の変動に対応して変動する外部トルクの推定を正確、かつ迅速におこなうことが可能になる。
【００１３】
また、このような内燃機関の回転制御数方法を適用する内燃機関としては、スロットルバルブを迂回する迂回路を備え、その迂回路に流量制御バルブを設けてなるものが好適で、吸入空気量の検出を、流量制御バルブの開度に基づいて行うものであってよく、アイドル運転時の吸入空気量の調整をスロットルバルブとは独立に調整して、アイドル運転時の機関回転数を精密に制御することが可能になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１に概略的に示したエンジン１００は自動車用のもので、その吸気系１には図示しないアクセルペダルに応動して開閉するスロットルバルブ２が配設され、その下流側にはサージタンク３が設けられている。また、吸気系１には、スロットルバルブ２を迂回するバイパス通路４が設けてあり、そのバイパス通路４にはアイドル運転時の吸入空気量を制御するための流量制御弁であるアイドルスピード制御バルブ（以下、ＩＳＣバルブと称する）５が取り付けてある。ＩＳＣバルブ５は、大流量ＶＳＶと略称される電子開閉式のもので、駆動電圧のデューティ比を制御することにより、その開度が制御されるものである。
【００１６】
サージタンク３に連通する吸気系１の吸気マニホルドの一方の端部近傍には、さらに燃料噴射弁６が設けてあり、この燃料噴射弁６を、電子制御装置７により制御するようにしている。また排気系８には、排気ガス中の酸素濃度を測定するための空燃比センサであるＯ_２センサ９が、図示しないマフラに至るまでの管路に配設された三元触媒１０の上流の位置に取り付けられている。このＯ_２センサ９からは、酸素濃度に対応して電圧信号Ｓｇが出力される。
【００１７】
電子制御装置７は、中央演算処理装置７ａと、記憶装置７ｂと、入力インターフェース７ｃと、出力インターフェース７ｄとを具備してなるマイクロコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェース７ｃには、サージタンク３に連通し、吸入空気圧を吸気圧センサ１１から出力される吸気圧信号Ｓａ、エンジン回転数ＮＥ、気筒判別、及びクランク角度基準位置を検出するためのカムポジションセンサ１２から出力される回転数信号Ｎｅ、気筒判別信号Ｇ１、及びクランク角度基準位置信号Ｇ２、車速を検出するための車速センサ１３から出力される車速信号Ｓｃ、スロットルバルブ２の開度を検出するためのスロットルセンサ１４から出力されるスロットル開度信号Ｓｄ、ＩＳＣバルブの開度（以下、ＩＳＣ開度と称する）を検出するためのＩＳＣ開度検出手段であるＩＳＣ開度センサ１５から出力されるＩＳＣ開度信号Ｓｅ、エンジン１００の冷却水温を検出するための水温センサ１６から出力される水温信号Ｓｆ、上記したＯ_２センサ９から出力される電圧信号Ｓｇ等が入力される。一方、出力インターフェース７ｄからは、燃料噴射弁６に対して燃料噴射信号Ｓｈが、またスパークプラグ１７に対してイグニッションパルスＳｋが出力されるようになっている。
【００１８】
電子制御装置７には、スロットルセンサ１４から出力されるスロットル開度信号Ｓｄとカムポジションセンサ１２から出力される回転数信号Ｎｅとを主な情報として基本燃料噴射時間ＴＰ（基本燃料噴射量）を決定し、定常時ではＯ_２センサ９からの電圧信号Ｓｇに基づいてその基本燃料噴射時間ＴＰを空燃比フィードバック補正係数ＦＡＦを含む各種の補正係数により補正して有効噴射時間ＴＡＵ（燃料噴射量）を決定し、決定した有効噴射時間ＴＡＵに基づいて燃料をエンジン回転に同期して噴射するようにプログラムしてある。
【００１９】
また、電子制御装置７は、外乱となる外部負荷により発生する外部トルクである負荷トルクを、エンジン１００に対応する数学モデルにより推定して、推定した負荷トルクを相殺するための、ＩＳＣバルブ５を駆動する駆動電圧のデューティ比Ｄｕｔｙを前記数学モデルにより演算するもので、図２に示す機能ブロックを具現するものである。機能ブロックＦＢは、負荷トルク推定部Ｆ１、負荷トルク相殺補正量算出部Ｆ２、目標エンジン回転数設定部Ｆ３、フィードバック補正量算出部Ｆ４及びＩＳＣ開度決定部Ｆ５からなる。
【００２０】
具体的には、負荷トルク推定部Ｆ１は、ＩＳＣ開度センサ１５からのＩＳＣ開度信号Ｓｅにより検出されたＩＳＣ開度とカムポジションセンサ１２からのエンジン回転数信号Ｎｅにより検出されたエンジン回転数ＮＥとから、エンジン１００に対して負荷トルクをオブザーバ理論に基づいて推定する。負荷トルクの推定については、後述する。
【００２１】
負荷トルク相殺補正量算出部Ｆ２は、推定された負荷トルクを相殺するのに必要な吸入空気量の補正量つまり負荷トルク相殺補正量を算出する。この負荷トルク相殺補正量については、数学モデルによりエンジン１００の伝達関数の逆伝達関数により演算するものである。
【００２２】
目標エンジン回転数設定部Ｆ３は、アイドル運転状態における目標エンジン回転数を、例えばエンジン１００の冷却水温に基づいて設定する。フィードバック補正量算出部Ｆ４は、目標エンジン回転数と検出されたエンジン回転数ＮＥとの差に基づいてエンジン回転数ＮＥを目標エンジン回転数に収束させるのに必要な吸入空気量の補正量を、ＰＩ制御により演算する。
【００２３】
ＩＳＣ開度決定部Ｆ５は、負荷トルク相殺補正量算出部Ｆ２が算出した補正量とフィードバック補正量算出部Ｆ４が算出した補正量とに基づいてＩＳＣバルブ５の開度を決定して、ＩＳＣバルブ５を決定されたＩＳＣ開度に基づいて駆動信号すなわちデューティ信号Ｄｕｔｙのデューティ比を演算する。
【００２４】
この実施の形態において、負荷トルクの推定、負荷トルク相殺補正量の演算及びフィードバック補正量の演算は、以下のようにして行う。
【００２５】
外乱トルクを推定するためには、エンジン１００におけるアイドル回転制御系をモデル化した、つまりエンジン１００に関する知識を制御理論に対応する一定の形式により表した数学モデルが必要である。数学モデルを作成するために、同定実験を行う。この同定実験については、この実施の形態のようなアイドル運転における回転制御にあっては、スロットルバルブ２を迂回するバイパス通路４にＩＳＣバルブ５を設けてなるアイドル回転制御系を想定し、このＩＳＣバルブ５を様々な周波数成分からなる２値信号（Ｍ系列）からなるデューティ信号Ｄｕｔｙで駆動してエンジン回転数ＮＥを制御し、その時のエンジン回転数ＮＥをカムポジションセンサ１２にて観測し、これらの入出力信号を用いてその入出力データから数学モデルを作成する。
【００２６】
同定に先立って、アイドル回転制御系を線形化した制御対象のブロック線図を、図３に示す。同図において、ＩＳＣバルブ５が開いてからサージタンク３を経由しシリンダに吸気されるまでの吸気系１を一次遅れ、吸気後混合気が膨張してトルクを発生するまでの燃焼室を含むトルク発生系を無駄時間、トルク発生から回転までの変化を回転系としてこれを一次遅れとして表し、回転系の入力側に外乱が入力されるものである。吸気系とトルク発生系とが、アイドル運転状態における吸入空気が燃焼室に達した後、燃焼により内部トルクが発生するまでをモデリングした駆動力発生系を構成する。また、回転系は、この駆動力発生系において発生した内部トルクによりエンジン１００が回転された際のエンジン回転数ＮＥの変化をモデリングしたものである。なお、同図における、ΔＤｕｔｙはデューティ信号Ｄｕｔｙの変化分、ΔＰｍは吸気圧の変化分、ΔＴはトルクの変化分、ｄは外部負荷、ΔＮｅはエンジン回転数ＮＥの変化分である。
【００２７】
次に、このアイドル回転制御系に、外乱オブザーバ理論を含んでなる制御理論を適用したものを、図４に示す。この実施の形態のものにあっては、二自由度を有するコントローラとなっている。すなわち、この実施の形態のものは、目標エンジン回転数に対して最適応答とする純粋なフィードバック部ＦＢＤと、他方は外部負荷に対して最適応答とするための外乱相殺制御のためのフィードフォワード部ＦＦＤとを備えるものである。フィードバック部ＦＢＤは、上述の目標エンジン回転数設定部Ｆ３とＩＳＣ開度決定部Ｆ５とにより実現されるもので、フィードフォワード部ＦＦＤは負荷トルク推定部Ｆ１と負荷トルク相殺補正量算出部Ｆ４とＩＳＣ開度決定部Ｆ５とにより実現されるものである。
【００２８】
まず、フィードバック部ＦＢＤは、ハンチングを防止して応答性を高めるために、ＰＩ制御としている。ＰＩ制御における微分定数Ｋｐ及び積分定数Ｋｉの各ゲインは、逐次二次計画法により最適化を行っている。制御理論により、位相−１８０ｄｅｇの時のゲイン０ｄＢまでの余裕で示すゲイン余裕が１０〜２０ｄＢ、ゲイン０ｄＢの時の位相−１８０ｄｅｇまでの余裕を示す位相余裕が４０〜６０ｄｅｇ以上であれば安定であることがわかっているので、これらを満たすように、図５に示す周波数特性となるゲインに最適化を行った。そして、エンジン回転数ＮＥと目標エンジン回転数との差に応じて、エンジン回転数ＮＥが目標エンジン回転数となるよう、ＩＳＣ開度の補正量を演算するものである。
【００２９】
一方、フィードフォワード部ＦＦＤは、外乱オブザーバ部分と、外乱相殺部分とを有している。外乱オブザーバ部分は、以下の式（１）〜（４）により設計される。
【００３０】
回転系の伝達関数をＰｒ（ｓ）とした場合の状態方程式を示す。
【００３１】
【数１】

【００３２】
また、外部負荷ｄの外乱推定値ｄ＾を求める外乱オブザーバ理論における状態方程式を示す。
【００３３】
【数２】

【００３４】
外乱相殺部分は、ＩＳＣバルブ１５を制御してから、回転系Ｐｒ（ｓ）に制御入力が入力されるまでに、吸気系１における遅れと燃焼の遅れとの伝達遅れＰａ（ｓ）が存在するので、この遅れを考慮して外乱推定値ｄ＾を相殺するように、以下の式（５）、（６）により設計するものである。すなわち、このようにして得た外乱推定値ｄ＾を相殺するためには、所望の応答を示す規範モデルを　Ｇｍ（ｓ）とすると、外乱推定値ｄ＾を相殺するための伝達関数Ｃｄ（ｓ）は、
【００３５】
【数３】

【００３６】
を満たす必要がある。
【００３７】
この式を展開して、
【００３８】
【数４】

【００３９】
を得る。そして、得られた外乱推定値ｄ＾を相殺するための伝達関数Ｃｄ（ｓ）より、負荷トルクを打ち消すためのＩＳＣ開度、したがって負荷トルクを相殺するのに必要な吸入空気量の補正量に対応するＩＳＣ開度を演算するものである。
【００４０】
負荷トルク相殺補正量は、図６に示す手順により実行される。
【００４１】
まず、ステップＳ１において、ＩＳＣ開度及びエンジン回転数ＮＥを検出する。ＩＳＣ開度は、ＩＳＣ開度センサ１５から出力されるＩＳＣ開度信号ｅから検出する。また、エンジン回転数ＮＥは、カムポジションセンサ１２から出力される回転数信号Ｎｅから検出する。ステップＳ２では、検出したＩＳＣ開度とエンジン回転数ＮＥとにより、上述した外乱オブザーバ理論に基づいて負荷、式（１）〜（４）によりトルクを推定する。ステップＳ３では、推定された負荷トルクを相殺するのに必要なＩＳＣ開度を、式（５）及び式（６）によりエンジン１００の伝達関数の逆伝達関数より算出する。
【００４２】
このような構成において、例えばヘッドライトが点灯されることにより、オルタネータがエンジン１００に対して外部負荷となる。外部負荷が入ると、エンジン回転数ＮＥが低下することになるが、検出したエンジン回転数ＮＥが目標エンジン回転数を下回っている場合は、エンジン回転数ＮＥが目標エンジン回転数設定部Ｆ３で設定した目標エンジン回転数となるように、フィードバック補正量算出部Ｆ４においてＰＩ制御を行ってフィードバック補正量を算出する。
【００４３】
また、ＩＳＣ開度センサ１５から出力されるこの時点のＩＳＣバルブ４のＩＳＣ開度信号と、カムポジションセンサ１２から出力されるこの時点の回転数信号とから負荷トルク推定部Ｆ１において上述の外乱オブザーバ理論に基づいて負荷トルクを推定し、負荷トルクを相殺するための負荷トルク相殺補正量を算出する。
【００４４】
そして、算出したフィードバック補正量と負荷トルク相殺補正量とにより、外部負荷に応じた最終的なＩＳＣバルブのＩＳＣ開度を決定して、両補正量に対応するデューティ比の電圧からなるデューティ信号Ｄｕｔｙを出力する。
【００４５】
このようにエンジン１００に対応した数学モデルを用いて、エンジン１００にとっての外部負荷に対応する負荷トルクを推定し、その推定した負荷トルクを打ち消すように負荷トルク相殺補正量を演算するので、外部負荷に応じて吸入空気量の補正量を適合させる場合に比べて、外部負荷の環境条件に応じて変わる要素で負荷トルクの評価が変わることがない。つまり、外乱オブザーバ理論により負荷トルクを推定することにより、外部負荷が環境条件や運転条件が変化した場合であっても、それらの影響を受けることなく刻々と変化する外部負荷を正確に推定することができる。加えて、適合により吸入空気量の補正量を設定する場合に、様々な環境条件や運転条件によりその最適値を決定しなければならないために生じる開発効率の低下を改善することができる。
【００４６】
また、負荷トルク相殺補正量とフィードバック補正量とにより、スロットルバルブ２とは独立にＩＳＣバルブ１５の開度を制御するので、アイドル回転数を精密に制御することができる。したがって、外部負荷の作動による回転変動を迅速に目標エンジン回転数に収束させることができる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
【００４８】
その他、各部の構成は図示したものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、内燃機関に対応した数学モデルにより外部トルクを推定して、その推定した外部トルクを打ち消すように内部トルクの制御値を演算するので、外部負荷に応じて吸入空気量の補正量を適合させる場合に比べて、アイドル回転数を正確に制御することができる。したがって、外部負荷の作動による回転変動を迅速に抑制することができる。
【００５０】
また、適合により吸入空気量の補正量を設定する場合に、様々な環境条件や運転条件によりその最適値を決定しなければならないために生じる開発効率の低下を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるエンジンの概略構成を示す構成説明図。
【図２】同実施の形態の機能ブロックを示すブロック図。
【図３】同実施の形態のアイドル回転制御系のブロック線図。
【図４】同実施の形態の制御理論を適用したアイドル回転制御系のブロック線図。
【図５】同実施の形態のフィードバック部のＰＩ制御特性を示すボード線図。
【図６】同実施の形態の概略制御手順を示すフローチャート。
【符号の説明】
２…スロットルバルブ
４…バイパス通路
５…アイドルスピード制御バルブ
７…電子制御装置
７ａ…中央演算処理装置
７ｂ…記憶装置
７ｃ…入力インターフェース
７ｄ…出力インターフェース

Claims

内燃機関の吸入空気量を検出し、
検出した吸入空気量に基づいて内燃機関に対応する数学モデルにより推定した内部トルクと、その内部トルクに応じて数学モデルにより推定した機関回転数とに基づいて外部トルクを推定し、
推定した外部トルクを打ち消すように内部トルクを制御する制御値を数学モデルにより演算し、
演算した制御値により内燃機関の吸入空気量を制御してアイドル回転数を制御することを特徴とする内燃機関の回転数制御方法。
数学モデルが、アイドル運転状態における吸入空気が燃焼室に達した後燃焼により内部トルクが発生するまでをモデリングした駆動力発生系と、駆動力発生系にて発生した内部トルクにより内燃機関が回転された際の機関回転数の変化をモデリングした回転系とを備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の回転数制御方法。
外部トルクの推定を、数学モデルにおいてオブザーバ理論に基づいて行うことを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の回転数制御方法。
内燃機関がスロットルバルブを迂回する迂回路を備え、その迂回路に流量制御バルブを設けてなるものであって、吸入空気量の検出を、流量制御バルブの開度に基づいて行うことを特徴とする請求項１、２又は３記載の内燃機関の回転数制御方法。