JP2005273591A - 内燃機関用制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】将来の空気量を精度良く予測することができる内燃機関用制御装置を提供する。
【解決手段】８ｍｓ処理では、エンジンの所定クランク角度先の空気量が繰り返し予測されて予測空気量が算出される。このとき、予測空気量は、予測周期の１周期分先行されながら算出される。また、各気筒のＴＤＣ毎にＴＤＣ処理が起動される。このＴＤＣ処理では、ＴＤＣの前後の予測空気量を用いて内挿的に筒内充填空気量が算出される。そして、この筒内充填空気量を用いて燃料噴射量が演算され、燃料噴射量に基づいて燃料噴射が実施される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関に吸入される将来の空気量を好適に予測するための内燃機関用制御装置に関するものである。

例えば、内燃機関の気筒内に充填される筒内充填空気量を事前に予測し、その予測結果に基づいて燃料噴射量を演算して燃料噴射制御を実施する技術がある。この場合、空気量予測手段として、過去の２点の空気量から筒内充填空気量を予測するものが知られている。具体的には、センサ等の検出結果から一定の時間周期で吸入空気量を算出し、筒内充填空気量の予測演算時においてその直前２つの吸入空気量を用い外挿（補外）的に筒内充填空気量を算出する。

しかしながら、上記予測手段では、将来においてスロットル開度の変化等により空気量変化の傾きが大きく変化するような場合は筒内充填空気量を正確に予測することができない。例えば、将来において空気量が増加から減少に転じる場合には、その変化にかかわらず筒内充填空気量が過大に予測されてしまう。これにより、筒内充填空気量に基づいて燃料噴射量を制御する場合において燃料噴射量にも誤差が生じ、排気エミッションに悪影響が及ぶ等の問題が生じる。

吸入空気量の算出周期を短くすれば、筒内充填空気量の予測結果に誤差が少なくなり予測精度がある程度は確保できるが、マイクロコンピュータ等の処理負荷軽減を図るべく吸入空気量の算出周期を長くすると、予測結果に誤差が生じてしまう。

また、吸入空気量予測装置として例えば特許文献１が知られている。この特許文献１では、吸入空気量を一定の周期で繰り返し予測する構成にあって、前回の予測における吸入空気量に対応した物理量及び前回の予測における吸気弁閉弁時と今回の予測における吸気弁閉弁時との差に基づいて、今回の予測における吸入空気量に対応した物理量が演算され、その物理量に基づいて今回の予測時間における吸入空気量が演算される。しかしながら、特許文献１の技術でも、やはり将来において空気量変化の傾きが大きく変化するような場合は筒内充填空気量を正確に予測することができないという問題が生じる。
特開２００２−１３００４１号公報

本発明は、将来の空気量を精度良く予測することができる内燃機関用制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、内燃機関に吸入される空気量が所定周期で予測されて第１の予測空気量が算出される。また、前記第１の予測空気量の予測周期に同期しないタイミングでその前後の第１の予測空気量に基づいて一定期間先の第２の予測空気量が算出される。この場合、第２の予測空気量は、その算出時点よりも先の第１の予測空気量と後の第１の予測空気量とを用いて内挿的に算出されるため、将来において空気量変化の傾きが変わったとしてもその将来の空気量変化を反映して空気量を予測することが可能となる。その結果、将来の空気量を精度良く予測することができるようになる。

請求項２に記載の発明では、前記一定期間先の空気量を前記予測周期の少なくとも１周期分先行させて予測することで第１の予測空気量が算出される。これにより、前記第２の予測空気量の算出時において、それより先の第１の予測空気量を知り得ることができる。

請求項３に記載の発明では、燃料噴射量の演算時に吸気バルブが閉じるまでの所定クランク角度先の空気量が前記第２の予測空気量として算出され、該第２の予測空気量に基づいて燃料噴射量が演算される。かかる構成において、前記所定クランク角度先の空気量を前記予測周期の少なくとも１周期分先行させて予測することで第１の予測空気量が算出される。これにより、前記第２の予測空気量の算出時において、それより先の第１の予測空気量を知り得ることができる。特に本構成では、吸気バルブが閉じるタイミングでの空気量（気筒内への充填空気量）が精度良く予測できるため、燃料噴射量が適正に算出でき、燃料噴射制御の好適な実施が可能となる。

請求項４に記載の発明では、吸気通路に設置したスロットル開度の将来の予測開度をパラメータとして前記第１の予測空気量が算出される。この場合、スロットル開度に応じて空気量が変化するため、空気量予測が好適に実施できる。

請求項５に記載の発明では、前後２つの前記第１の予測空気量を用いた補間演算が実施されて前記第２の予測空気量が算出される。この場合、前記第１の予測空気量の予測周期に同期しないタイミングであっても、所望とする第２の予測空気量が好適に算出できる。

請求項６に記載の発明では、吸気バルブの閉弁タイミングよりも先の空気量が予測され、その予測結果を用いて筒内充填空気量が予測される。この場合、筒内充填空気量は、その予測時点よりも先の予測空気量を用いて予測されるため、将来において空気量変化の傾きが変わったとしてもその将来の空気量変化を反映して筒内充填空気量を精度良く予測することができるようになる。

請求項７に記載の発明では、吸気バルブの閉弁タイミングよりも先の空気量が、燃料噴射量の演算タイミングから吸気バルブが閉じるまでのクランク角度先の空気量を予測周期の少なくとも１周期分先行させて予測される。これにより、吸気バルブの閉弁タイミングよりも先の空気量が好適に予測できる。従って、筒内充填空気量が精度良く予測できるようになり、ひいては燃料噴射量が適正に算出でき、燃料噴射制御の好適な実施が可能となる。

請求項８に記載の発明では、内燃機関の所定クランク角度位置に同期するタイミングで筒内充填空気量が予測される構成としている。つまり、筒内充填空気量がクランク角度同期で予測される場合、当該予測のタイミングは機関回転数に依存して変更される。この場合、別途算出される予測空気量を用いて好適に筒内充填空気量を算出することができる。

請求項９に記載の発明では、所定周期で繰り返し予測された空気量のうち、吸気バルブの閉弁タイミングよりも先の空気量と同タイミングよりも後の空気量とを用いて筒内充填空気量が予測される。この場合、前後２つの予測空気量を用いて内挿的に筒内充填空気量を算出することができる。

請求項１０に記載の発明では、吸気バルブの閉弁タイミングの前後の予測空気量を用いた補間演算が実施されて前記筒内充填空気量が予測される。この場合、前後する空気量予測タイミングの間において任意のタイミングで筒内充填空気量が好適に算出できる。

請求項１１に記載したように、内燃機関に吸入される空気量に代えて、内燃機関の吸気通路内の吸入空気圧力を予測するものであっても良い。かかる場合にあっては、将来の吸入空気圧力を精度良く予測することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、内燃機関である車載多気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものとしており、当該制御システムにおいては電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いてエンジン制御システムの全体概略構成図を説明する。

図１に示すエンジン１０において、吸気管１１の最上流部にはエアクリーナ１２が設けられ、このエアクリーナ１２の下流側には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ１３が設けられている。エアフローメータ１３の下流側には、ＤＣモータ等のスロットルアクチュエータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ１４の開度（スロットル開度）は、スロットルアクチュエータ１５に内蔵されたスロットル開度センサにより検出されるようになっている。スロットルバルブ１４の下流側にはサージタンク１６が設けられ、このサージタンク１６には吸気管圧力を検出するための吸気管圧力センサ１７が設けられている。また、サージタンク１６には、エンジン１０の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１８が接続されており、吸気マニホールド１８において各気筒の吸気ポート近傍には燃料を噴射供給する電磁駆動式の燃料噴射弁１９が取り付けられている。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートにはそれぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられており、吸気バルブ２１の開動作により空気と燃料との混合気が燃焼室２３内に導入され、排気バルブ２２の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２４に排出される。エンジン１０のシリンダヘッドには各気筒毎に点火プラグ２７が取り付けられており、点火プラグ２７には、点火コイル等よりなる図示しない点火装置（イグナイタ）を通じて、所望とする点火時期において高電圧が印加される。この高電圧の印加により、各点火プラグ２７の対向電極間に火花放電が発生し、燃焼室２３内に導入した混合気が着火され燃焼に供される。

排気管２４には、排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化するための三元触媒等の触媒３１が設けられ、この触媒３１の上流側には排ガスを検出対象として混合気の空燃比を検出するための空燃比センサ３２（Ｏ2センサ、リニアＡ／Ｆセンサ等）が設けられている。また、エンジン１０のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ３３や、エンジン１０の所定クランク角毎に（例えば１０°ＣＡ周期で）矩形状のクランク角信号を出力するクランク角度センサ３４が取り付けられている。その他に、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ３５が設けられている。

上述した各種センサの出力は、エンジン制御を司るＥＣＵ４０に入力される。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなる周知のマイクロコンピュータを主体として構成され、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射量制御、点火時期制御、空気量制御等を実施する。

また、ＥＣＵ４０は、燃料噴射量の演算時において、エンジン気筒内に充填される筒内充填空気量を予測し、その予測した筒内充填空気量に基づいて燃料噴射量を補正することとしている。これは、実際に吸気バルブ２１を閉じた時点で気筒内にどれだけの空気量が充填されるかを予測し、その充填空気量を反映して燃料噴射量制御を実施するものである。かかる制御の概要を、図２のタイムチャートを用いて説明する。図２では、６気筒エンジンの事例を示しており、便宜上その燃焼順序を＃１気筒→＃２気筒→＃３気筒→＃４気筒→＃５気筒→＃６気筒としている。また各気筒の圧縮ＴＤＣ位置を＃１ＴＤＣ，＃２ＴＤＣ，＃３ＴＤＣ等としている。図中二点鎖線は気筒内に充填される実際の空気量の変化を模擬的に示し、実線は所定のクランク角度だけ先行して予測した空気量の変化を模擬的に示している。以下、＃１気筒を例にして詳しく説明する。

本実施の形態では各気筒のＴＤＣで燃料噴射量の演算を実施することとしており、＃１気筒の場合、＃２ＴＤＣにて燃料噴射量の演算が実施され、それに伴い燃料噴射が開始される。また、次のＴＤＣ（＃３ＴＤＣ）では、再び燃料噴射量の演算が実施され、それに伴い残りの燃料噴射が実施される。このとき、＃３ＴＤＣで演算される燃料噴射量により燃料噴射の終了タイミングが制御されており、燃料噴射制御を高めるには、＃３ＴＤＣにおいて筒内充填空気量を正確に予測することが必須となる。そこで本実施の形態では、＃３ＴＤＣから吸気バルブ２１が閉じるクランク角度（図では＃５のＡＴＤＣ６０°ＣＡ）までが３００°ＣＡであることから、３００°ＣＡ将来の筒内充填空気量を予測し、その予測結果を用いて燃料噴射量の演算を実施する。この場合特に、８ｍｓ毎に空気量の予測処理を実施し、例えば＃３ＴＤＣではその前後の予測空気量（８ｍｓ毎の予測値）から筒内充填空気量を予測する。なお、空気量の予測処理は、角度同期で実施するとエンジン高回転時に演算の処理負荷が非常に高くなってしまうことから時間周期で行うこととしている。

図２では、白丸印のａ１，ａ２，ａ３等が８ｍｓ毎に予測される予測空気量を表し、黒丸印のｂ１，ｂ２，ｂ３がＴＤＣで予測される筒内充填空気量を表している。なお、前者が「第１の予測空気量」に該当し、後者が「第２の予測空気量」に該当する。

この場合、８ｍｓ毎に求められる予測空気量ａ１，ａ２，ａ３等は、３００°ＣＡ先の空気量を予測周期の１周期分先行させて予測することで算出されるようになっている。すなわち、例えば図２のタイミングｔ１では予測空気量として「ａ２」が算出され、タイミングｔ２では予測空気量として「ａ３」が算出される。また、＃３ＴＤＣでは、その前後の予測空気量ａ２，ａ３に基づいて筒内充填空気量として「ｂ３」が算出される。そして、同＃３ＴＤＣでは、筒内充填空気量ｂ３に基づいて燃料噴射が実施される。

次に、ＥＣＵ４０により実施される８ｍｓ処理とＴＤＣ処理について説明する。図３は８ｍｓ処理を示すフローチャートであり、本処理により、８ｍｓ周期で予測空気量が算出される。本実施の形態では、アクセル操作量等から将来のスロットル開度を予測し、その予測スロットル開度に基づいて将来の吸入空気量を予測することとしている。このスロットル開度の予測手法としては“Load Prediction”手法と称される技術を用いている。

ステップＳ１０１では、アクセルセンサ３５により検出したアクセル開度等、スロットル開度演算に必要な演算パラメータを入力し、続くステップＳ１０２では、前記入力したアクセル開度等に基づいて目標スロットル開度を算出する。これにより、実際にスロットルバルブ１４をどの開度に制御すべきであるかが算出される。その後、ステップＳ１０３では、目標スロットル開度に応じて算出される開度指令信号を所定のクランク角度（本実施の形態では３００°ＣＡ）だけ遅らせてスロットル駆動回路に出力する。この場合、前記目標スロットル開度により、所定クランク角度だけ将来のスロットル開度が予測できる。ステップＳ１０４では、予測スロットル開度に基づいて予測空気量を算出する。

また、図４はＴＤＣ処理を示すフローチャートであり、本処理により、各気筒の所定のＴＤＣタイミングで燃料噴射量の演算が実施される。

図４において、ステップＳ２０１では、前記８ｍｓ処理で算出した予測空気量を用いて、今回のＴＤＣタイミングにて予測される筒内充填空気量を算出する。この場合、今回のＴＤＣタイミングの前後の予測空気量を用いて内挿的に筒内充填空気量を算出する。なお、筒内充填空気量の算出時には、例えば、その都度のエンジン回転数やＴＤＣ間のタイマ情報などに基づいて今回のＴＤＣタイミングを時間換算するか、或いは８ｍｓ処理のタイミングを角度換算することで補間演算が実施される。

その後、ステップＳ２０２では、今現在、燃料噴射中であるかか否かを判別し、続くステップＳ２０３では、燃料噴射を開始するタイミングであるか否かを判別する。具体的に説明すると、図２のタイムチャートにおいて、＃１気筒の場合、＃１ＴＤＣではステップＳ２０２，Ｓ２０３が共にＮＯとなるため、燃料噴射量演算は実施されない。また、＃２ＴＤＣではステップＳ２０３がＹＥＳ、＃３ＴＤＣではステップＳ２０２がＹＥＳとなるため、ステップＳ２０４で燃料噴射量演算が実施される。

ステップＳ２０４では、前記ステップＳ２０１で算出した筒内充填空気量をパラメータとして用い噴射燃料量を算出する。最後にステップＳ２０５では、前記算出した燃料噴射量に基づいて噴射期間タイマを設定する。これにより、噴射期間タイマの設定時間内において燃料噴射が実施される。図２のタイムチャートでは、＃２ＴＤＣ以後、＃３ＴＤＣを跨ぐようにして燃料噴射が実施されている。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

所定の時間周期で予測空気量を繰り返し算出する一方、各気筒のＴＤＣで筒内充填空気量を予測する構成において、ＴＤＣの前後の予測空気量を用いて内挿的に筒内充填空気量を予測するようにした。これにより、将来においてスロットル開度の変化等によりエンジン１０への吸入空気量変化の傾きが変わったとしてもその将来の空気量変化を反映して筒内充填空気量を予測することが可能となる。その結果、将来の筒内充填空気量を精度良く予測することができるようになる。故に、燃料噴射制御の精度が上がり、ひいては排気エミッションの改善等、有益な効果を得ることができる。

また、上記のとおり内挿的な演算手法を用いることで筒内充填空気量が精度良く予測できるため、予測空気量の予測周期を必要以上に短くしなくてもよく、ＥＣＵ４０の処理負荷増の抑制に貢献できる。

８ｍｓ処理において、所定クランク角度先（本実施の形態では３００°ＣＡ先）の空気量を予測周期の１周期分先行させて予測空気量を算出するようにしたため、筒内充填空気量の算出時において、それより先の予測空気量を知り得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、ＴＤＣの前後２つの予測空気量を用いて内挿的に筒内充填空気量を予測したが、これを変更し、ＴＤＣの前２つ以上又は後２つ以上の予測空気量を用いて内挿的に筒内充填空気量を予測するようにしても良い。

また、ＴＤＣ後だけの予測空気量を用いて筒内充填空気量を予測することも可能である。かかる場合にも、少なくとも将来の予測空気量が筒内充填空気量の予測に用いられるため、将来においてスロットル開度の変化等によりエンジン１０への吸入空気量変化の傾きが変わったとしてもその将来の空気量変化を反映して筒内充填空気量を予測することが可能となる。但しこの場合、予測空気量として使用するのはＴＤＣ後の予測空気量だけでよいが、その他筒内充填空気量の前回予測値やＴＤＣでのスロットル開度情報等を使用して筒内充填空気量の予測を実施すると良い。

上記実施の形態では、各気筒のＴＤＣで燃料噴射量が演算される際、燃料噴射量の演算後には直ちに燃料噴射を開始する事例を説明したが、タイマ等を用いて燃料噴射の開始タイミングを設定する構成としても良い。すなわち、燃料噴射終了のタイミングだけでなく、燃料噴射開始のタイミングも制御する構成とする。

上記実施の形態では、図２のタイムチャートや図４のフローチャートで説明したように、＃１気筒の燃料噴射に際し、＃２ＴＤＣ，＃３ＴＤＣで各々燃料噴射量の演算を実施したが、これを変更する。例えば、＃２ＴＤＣ，＃３ＴＤＣのうち燃料噴射の終了タイミングにかかる＃３ＴＤＣにおいては、＃２ＴＤＣで演算した燃料噴射量を、今回予測した筒内充填空気量に応じて補正する構成としても良い。

上記実施の形態では、ＴＤＣ毎に筒内充填空気量を予測したが、所定クランク角度先（上記実施の形態では３００°ＣＡ先）が吸気バルブ２１の閉弁タイミングとなるＴＤＣでのみ、筒内充填空気量を予測する構成としても良い。前記図２で説明すれば、＃１気筒の場合、＃３ＴＤＣでのみ筒内充填空気量を予測する。

吸入空気量に代えて、吸入空気圧力を予測する構成としても良い。かかる場合にあっては、上述した予測手法を用いることにより将来の吸入空気圧力を精度良く予測することができる。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 エンジン運転時における予測空気量の変化を示すタイムチャートである。 ８ｍｓ処理を示すフローチャートである。 ＴＤＣ処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、１１…吸気管、２１…吸気バルブ、４０…ＥＣＵ。

Claims (11)

1. 内燃機関に吸入される空気量を所定周期で予測して第１の予測空気量を算出する手段と、
   前記第１の予測空気量の予測周期に同期しないタイミングでその前後の第１の予測空気量に基づいて一定期間先の第２の予測空気量を算出する手段とを備えたことを特徴とする内燃機関用制御装置。
2. 前記一定期間先の空気量を前記予測周期の少なくとも１周期分先行させて予測することで前記第１の予測空気量を算出する請求項１に記載の内燃機関用制御装置。
3. 燃料噴射量の演算時に吸気バルブが閉じるまでの所定クランク角度先の空気量を前記第２の予測空気量として算出し、該第２の予測空気量に基づいて燃料噴射量を演算する構成において、前記所定クランク角度先の空気量を前記予測周期の少なくとも１周期分先行させて予測することで前記第１の予測空気量を算出する請求項１に記載の内燃機関用制御装置。
4. 吸気通路に設置したスロットル開度の将来の予測開度をパラメータとして前記第１の予測空気量を算出する請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関用制御装置。
5. 前後２つの前記第１の予測空気量を用いた補間演算を実施して前記第２の予測空気量を算出する請求項１乃至４の何れかに記載の内燃機関用制御装置。
6. 吸気バルブが閉じた時に気筒内に充填される筒内充填空気量を予測する内燃機関用制御装置において、
   前記吸気バルブの閉弁タイミングよりも先の空気量を予測する手段と、その予測結果を用いて前記筒内充填空気量を予測する手段とを備えたことを特徴とする内燃機関用制御装置。
7. 内燃機関に吸入される空気量を所定の予測周期で予測する一方、前記筒内充填空気量に基づいて燃料噴射量を演算する構成において、燃料噴射量の演算タイミングから吸気バルブが閉じるまでのクランク角度先の空気量を前記予測周期の少なくとも１周期分先行させて予測することで、前記吸気バルブの閉弁タイミングよりも先の空気量を予測する請求項６に記載の内燃機関用制御装置。
8. 内燃機関の所定クランク角度位置に同期するタイミングで前記筒内充填空気量を予測する請求項６又は７に記載の内燃機関用制御装置。
9. 所定周期で繰り返し予測した空気量のうち、吸気バルブの閉弁タイミングよりも先の空気量と同タイミングよりも後の空気量とを用いて前記筒内充填空気量を予測する請求項６乃至８の何れかに記載の内燃機関用制御装置。
10. 前記吸気バルブの閉弁タイミングの前後の予測空気量を用いた補間演算を実施して前記筒内充填空気量を予測する請求項９に記載の内燃機関用制御装置。
11. 内燃機関に吸入される空気量に代えて、内燃機関の吸気通路内の吸入空気圧力を予測するものである請求項１乃至１０の何れかに記載の内燃機関用制御装置。