JP2006152848A

JP2006152848A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2006152848A
Application number: JP2004341631A
Authority: JP
Inventors: Harufumi Muto; 晴文武藤; Yuichiro Ido; 雄一郎井戸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: KR20060059182A; KR100685159B1; EP1662119A3; DE602005012777D1; CN1800615A; US7051709B1; JP4380509B2; EP1662119B1; US20060112929A1; EP1662119A2; CN100526627C

Abstract

【課題】機関定常運転時にスロットル開度にハンチングが生ずるのを阻止し、スロットル弁及びスロットル弁駆動手段の耐久性が低下するのを阻止する。
【解決手段】目標機関負荷率ＫＬＴを算出する。実際の機関負荷率ＫＬを目標機関負荷率ＫＬＴにするのに必要な目標スロットル開度θｔＴを、スロットル弁下流の吸気通路内の圧力である吸気管圧力に基づいて算出する。目標機関負荷率ＫＬＴがこの算出されたＫＬＴに保持されたと仮定したときに収束するスロットル開度である収束スロットル開度θｔＣＶを算出する。機関過渡運転時には、目標スロットル開度θｔＴを最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定し、機関定常運転時には収束スロットル開度θｔＣＶを最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定する。次いで、実際のスロットル開度θｔが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに一致するようにスロットル弁を駆動する。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

目標吸入空気量を算出し、実際の吸入空気量を目標吸入空気量にするのに必要な目標スロットル開度を算出し、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁をアクチュエータにより駆動する内燃機関の制御装置が公知である（特許文献１参照）。

特開平５−６５８４５号公報特開２００１−４１０９５号公報

例えば機関加速運転が行われて目標吸入空気量がステップ状に増大したときに実際の吸入空気量を速やかに目標吸入空気量に一致させようとすると、目標スロットル開度、従って実際のスロットル開度は急激に増大し、次いで急激に低下した後にある一定値に収束する。即ち、スロットル開度が大幅に増減する。

ところで、機関過渡運転時には目標吸入空気量が増大し続け又は減少し続けるのに対し、機関定常運転時には目標吸入空気量が増減する。上述したスロットル開度の大幅な増減は目標吸入空気量の変動量が小さくても生じうる。このため、機関定常運転時にはスロットル開度が大きな振幅でもって振動するいわゆるハンチングが生じるおそれがある。また、スロットル弁又はアクチュエータの耐久性が低下するおそれもある。

そこで本発明は、機関定常運転時にスロットル開度にハンチングが生ずるのを阻止し、スロットル弁及びスロットル弁駆動手段の耐久性が低下するのを阻止することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明によれば、目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段と、実際の吸入空気量を該目標吸入空気量に一致させるのに必要なスロットル開度である目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度算出手段と、実際のスロットル開度が該目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁を駆動するスロットル弁駆動手段と、を具備した内燃機関の制御装置において、機関定常運転時には、目標吸入空気量が該算出された目標吸入空気量に保持されたと仮定したときに収束するスロットル開度である収束スロットル開度を算出して該収束スロットル開度を最終的な目標スロットル開度に設定する手段を具備し、前記スロットル弁駆動手段は、実際のスロットル開度が該最終的な目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁を駆動する。

機関定常運転時にスロットル開度にハンチングが生ずるのを阻止し、スロットル弁及びスロットル弁駆動手段の耐久性が低下するのを阻止することができる。

図１は本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を圧縮着火式内燃機関に適用することもできる。

図１を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４に連結される。各吸気枝管１１内には燃料噴射弁１５が配置され、吸気ダクト１４内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置される。なお、本明細書では、スロットル弁１７下流の吸気ダクト１４、サージタンク１３、吸気枝管１２、及び吸気ポート７を吸気管ＩＭと称している。

一方、排気ポート１１は排気マニホルド１８及び排気管１９を介して触媒コンバータ２０に連結され、この触媒コンバータ２０は図示しないマフラを介して大気に連通される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。スロットル弁１７にはスロットル開度θｔを検出するためのスロットル開度センサ４０が取り付けられる。また、スロットル弁１７上流の吸気ダクト１３には機関吸気通路内を流通する吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ４１が取り付けられる。このエアフローメータ４１には大気温センサが内蔵されている。更に、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏み込み量ＡＣＣを検出するための負荷センサ４３が接続される。アクセルペダル４２の踏み込み量ＡＣＣは要求負荷を表している。これらセンサ４０，４１，４３の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４４が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４４の出力パルスに基づいて機関回転数ＮＥが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、燃料噴射弁１５、及びステップモータ１６にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいて制御される。

図２を参照すると、本発明による実施例では、まず吸入空気量を表す機関負荷率ＫＬ（％）の目標値、即ち目標機関負荷率ＫＬＴが算出される。この目標機関負荷率ＫＬＴは例えばアクセルペダル４２の踏み込み量ＡＣＣに基づいて算出され、例えば図３に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。次いで、実際の機関負荷率ＫＬを目標機関負荷率ＫＬＴにするのに必要な目標スロットル開度θｔＴが、目標機関負荷率ＫＬＴから吸気逆モデル（後述する）を用いて算出される。また、目標機関負荷率ＫＬＴがこの算出されたＫＬＴに保持されたと仮定したときに収束するスロットル開度である収束スロットル開度θｔＣＶが、目標機関負荷率ＫＬＴから逆スロットルモデル（後述する）を用いて算出される。

次いで、機関過渡運転時であるか機関定常運転時であるかが判断される。例えば、アクセルペダル４２の踏み込み量ＡＣＣの変化量又は変化速度が予め定められた設定値よりも大きいときには機関定常運転時であると判断され、小さいときには機関定常運転時であると判断される。機関過渡運転時には目標スロットル開度θｔＴが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定され、機関定常運転時には収束スロットル開度θｔＣＶが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定される。次いで、実際のスロットル開度θｔが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに一致するようにスロットル弁１７がステップモータ１６により駆動される。

更に図２を参照すると、最終的な目標スロットル開度θｔＴｆから吸気順モデル（後述する）を用いて、吸気管ＩＭ内の圧力である吸気管圧力Ｐｍ（ｋＰａ）であって、実際のスロットル開度θｔが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆとされたときに達成される吸気管圧力Ｐｍが算出される。目標機関負荷率ＫＬＴ、目標スロットル開度θｔＴ、収束スロットル開度θｔＣＶ、及び最終的な目標スロットル開度θｔＴｆは繰り返し算出されるようになっており、この算出された吸気管圧力Ｐｍから次の処理サイクルにおける目標スロットル開度θｔＴ及び収束スロットル開度θｔＣＶが算出される。

次に、目標機関負荷率ＫＬＴが増大された後に保持される場合を例にとって図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照しながら本発明による実施例を更に説明する。

図４（Ａ）は機関過渡運転時の場合を示している。図４（Ａ）に矢印で示されるように目標機関負荷率ＫＬＴが例えば大幅に増大すると、この場合には目標スロットル開度θｔＴである最終的な目標スロットル開度θｔＴｆが急激に増大し、次いで急激に低下した後に収束する。これは、吸気逆モデルから算出される目標スロットル開度θｔＴが例えば一回のスロットル弁駆動で実際の機関負荷率ＫＬを目標機関負荷率ＫＬＴに一致させるためのスロットル開度だからである。その結果、実際の機関負荷率ＫＬは速やかに増大して目標機関負荷率ＫＬＴに一致し、保持される。

これに対し、図４（Ｂ）は機関定常運転時の場合を示している。図４（Ｂ）に矢印で示されるように目標機関負荷率ＫＬＴが例えばわずかに増大しても、目標スロットル開度θｔＴは急激に増大し、次いで急激に低下した後に収束スロットル開度θｔＣＶに収束する。このため、目標スロットル開度θｔＴを最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定して実際のスロットル開度θｔがこの目標スロットル開度θｔＴに一致するようにすると、スロットル開度θｔが好ましくなく大幅に変動することになる。

一方、実際のスロットル開度θｔを収束スロットル開度θｔＣＶに保持すれば、実際の機関負荷率ＫＬは比較的ゆっくりと増大して目標機関負荷率ＫＬＴに収束し、このときスロットル開度θｔは大幅に変動しない。

そこで本発明による実施例では、機関定常運転時には、収束スロットル開度θｔＣＶを最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定するようにしている。この場合、実際の機関負荷率ＫＬが目標機関負荷率ＫＬＴに一致するまでに比較的長い時間を要するけれども、機関定常運転時には目標機関負荷率ＫＬＴの変化はわずかであるので、問題とならない。

なお、機関定常運転時には、吸気管圧力Ｐｍが目標スロットル開度θｔＴではなく最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに基づいて算出される。このようにすると、吸気管圧力Ｐｍを正確に算出することができる。

上述した機関負荷率ＫＬは例えば次式（１）により定義される。

この式（１）において、Ｍｃは吸気行程完了時において各気筒の筒内に充填されている空気の量である筒内充填空気量（ｇ）を、ＤＳＰは機関の排気量（リットル）を、ＮＣＹＬは気筒数を、ρａｓｔｄは標準状態（１気圧、２５℃）における空気の密度（約１．２ｇ／リットル）を、それぞれ示している。

吸気管ＩＭから筒内に吸入される空気の流量を筒内吸入空気流量ｍｃ（ｇ／ｓｅｃ）と称すると、筒内充填空気量Ｍｃは吸気行程１回に要する時間ｔｉｖ（ｓｅｃ）を用いて次式（２）のように表される。

Ｍｃ＝ｍｃ・ｔｉｖ（２）
従って、各係数をひとまとめにしてｋｋで表すと、機関負荷率ＫＬは次式（３）のようにも表される。

ＫＬ＝ｋｋ・ｍｃ（３）
一方、上述した吸気逆モデル及び吸気順モデルは吸気流れをモデル化した計算モデルである。次に、まず吸気順モデルについて説明する。

本発明による実施例では、吸気順モデルが図５（Ａ）に示されるように、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルから構成される。

まずスロットルモデルについて説明する。このスロットルモデルはスロットル弁１７を通過する吸気流れをモデル化した計算モデルである。なお、吸気管ＩＭ内の空気の温度を吸気管温度Ｔｍ（Ｋ）と称する。

図６（Ａ）に示されるように、スロットル弁１７上流の圧力及び温度が大気圧Ｐａ及び大気温度Ｔａであり、スロットル弁１７下流の圧力及び温度が吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍであると考えると、スロットル弁１７を通過する空気の流量であるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓｅｃ）はスロットル弁１７を通過する空気の線速度ｖｔ（ｍ／ｓｅｃ）を用いて次式（４）のように表される。

ｍｔ＝μｔ・Ａｔ・ｖｔ・ρｍ（４）
ここで、μｔはスロットル弁１７における流量係数を、Ａｔはスロットル弁１７の開口面積（ｍ^２）を、ρｍはスロットル弁１７下流即ち吸気管ＩＭ内における空気密度（ｋｇ／ｍ^３）を、それぞれ表している。なお、流量係数μｔ及び開口面積Ａｔはそれぞれ、スロットル開度θｔの関数である。

また、スロットル弁１７の前後における空気についてのエネルギ保存則は次式（５）で表される。

ｖ^２／２＋Ｃｐ・Ｔｍ＝Ｃｐ・Ｔａ（５）
更に、スロットル弁１７の無限遠上流では吸気管断面積が無限大でありかつ空気流速がゼロであることを考えると、スロットル弁１７前後における空気についての運動量保存則は次式（６）で表される。

ρｍ・ｖ^２＝Ｐａ−Ｐｍ（６）
従って、スロットル弁１７上流における状態方程式（Ｐａ＝ρａ・Ｒ・Ｔａ、ここでρａはスロットル弁１７上流即ち大気における空気密度（ｋｇ／ｍ^３））及びスロットル弁１７下流における状態方程式（Ｐｍ＝ρｍ・Ｒ・Ｔｍ）と、上述の式（４），（５），（６）とから、スロットル弁通過空気流量ｍｔは次式（７）により表される。

ここで、μＡ（θｔ）は流量係数μｔ及び開口面積Ａｔをひとまとめにして表したものであって、スロットル開度θｔの関数として実験により予め求められて図７のマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

この式（７）から求められるｍｔは、吸気管圧力がＰｍのときにスロットル開度がθｔに変更されると達成されるスロットル弁通過空気流量を表している。

次に、吸気管モデルについて説明する。この吸気管モデルは吸気管ＩＭにおける吸気流れをモデル化した計算モデルである。

本発明による実施例の吸気管モデルでは、吸気管ＩＭについての質量保存則及びエネルギ保存則に着目している。即ち、図６（Ｂ）に示されるように、吸気管ＩＭ内に流入する空気の流量はスロットル弁通過空気流量ｍｔであり、吸気管ＩＭから流出して筒内ＣＹＬに流入する空気の流量は筒内吸入空気流量ｍｃであるから、吸気管ＩＭについての質量保存則及びエネルギ保存則は次式（８），（９）でそれぞれ表される。

ここで、Ｍｍは吸気管ＩＭ内に存在する空気の質量（ｇ）を、ｔは時間を、Ｖｍは吸気管ＩＭの容積（ｍ^３）を、Ｒは気体定数を、Ｃｖは空気の定容比熱を、Ｃｐは空気の定圧比熱をそれぞれ表している。

状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍｍ・Ｒ・Ｔｍ）、マイヤーの関係式（Ｃｐ＝Ｃｖ＋Ｒ）、及び比熱比κ（＝Ｃｐ／Ｃｖ）を用い、圧力温度比（＝Ｐｍ／Ｔｍ）をＰＢＹＴで表すものとすると、上述の式（８），（９）はそれぞれ次式（１０），（１１）のように書き換えられる。

これら式（１０），（１１）は実際の計算では計算時間間隔Δｔ及び計算回数を表すパラメータｉを用いて次式（１２），（１３）のように表される。また、吸気管温度Ｔｍは次式（１４）から算出される。

式（１３）から求められるＰｍ（ｉ）は、吸気管圧力がＰｍ（ｉ−１）でありかつ吸気管温度がＴｍ（ｉ−１）のときに吸気管ＩＭ内に空気がｍｔ（ｉ−１）だけ流入しかつ吸気管ＩＭから空気がｍｃ（ｉ−１）だけ流出すると達成される吸気管圧力を表している。

次に、吸気弁モデルについて説明する。この吸気弁モデルは吸気弁６を通過する吸気流れをモデル化した計算モデルである。

筒内吸入空気流量ｍｃが吸気管圧力Ｐｍ、より正確には吸気弁６の閉弁時における吸気管圧力Ｐｍの一次式で表されうるということが理論的及び経験的に確かめられており、本発明による実施例の吸気弁モデルではこのことに着目している。従って、筒内吸入空気流量ｍｃは次式（１５）のように表される。

ｍｃ＝ｋ１・Ｐｍ−ｋ２（１５）
ここで、ｋ１，ｋ２は機関運転状態、例えば機関回転数ＮＥに応じて定まる係数であり、例えば図８（Ａ），（Ｂ）に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

式（１５）から求められるｍｃは吸気管圧力がＰｍのときに達成される筒内吸入空気流量ｍｃを表している。

従って、前回の処理サイクルにおける吸気管圧力ＰｍをＰｍｏで表した上で、（θｔ，Ｐｍ）を（θｔＴｆ，Ｐｍｏ）として式（７）から算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔと、式（１５）から算出された筒内吸入空気流量ｍｃと、式（１２），（１４）から算出された吸気管温度Ｔｍとを用いて式（１３）からＰｍを算出すれば、このＰｍは実際のスロットル開度θｔが目標スロットル開度θｔＴｆとされたときに達成される吸気管圧力を表しているということになる。

次に、吸気逆モデルについて説明する。本発明による実施例では、吸気逆モデルが図５（Ｂ）に示されるように、逆スロットルモデル、逆吸気管モデル、及び逆吸気弁モデルから構成される。これら逆スロットルモデル、逆吸気管モデル、及び逆吸気弁モデルはそれぞれ、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルを逆方向に計算するものである。

まず、逆吸気弁モデルについて説明する。筒内吸入空気流量がｍｃであるときの吸気管圧力Ｐｍは上述の式（１５）から次式（１６）のように表される。

Ｐｍ＝（ｍｃ＋ｋ２）／ｋ１（１６）
次に、逆吸気管モデルについて説明する。吸気管圧力がＰｍｏでありかつ吸気管温度がＴｍｏのときに吸気管ＩＭ内にｍｔだけ空気が流入しかつ吸気管ＩＭから空気がｍｃだけ流出して達成される吸気管圧力がＰｍであるとすると、このときのスロットル弁通過空気流量ｍｔは式（１４）から次式（１７）のように表される。

次に、逆スロットルモデルについて説明する。スロットル弁通過空気流量がｍｔであるときのスロットル開度θｔは式（７）から次式（１８）のように表される。

ここで、μＡ^−１はμＡの逆関数を表している。

従って、目標機関負荷率ＫＬＴに相当する筒内吸入空気流量ｍｃの目標値ｍｃＴを算出し、ｍｃをこの目標筒内吸入空気流量ｍｃＴとして式（１６）からＰｍを算出すれば、このＰｍは吸気管圧力の目標値ＰｍＴを表しているということになる。また、Ｐｍを目標吸気管圧力ＰｍＴとして式（１７）からｍｔを算出すれば、このｍｔはスロットル弁通過空気流量の目標値ｍｔＴを表しているということになる。更に、ｍｔを目標スロットル弁通過空気流量ｍｔＴとして式（１８）からθｔを算出すれば、このθｔは実際の機関負荷率ＫＬを目標機関負荷率ＫＬＴに一致させるのに必要な目標スロットル開度θｔＴを表しているということになる。

ここで、目標筒内吸入空気流量ｍｃＴは式（３）から次式（１９）のように表される。

ｍｃＴ＝ＫＬＴ／ｋｋ（１９）
一方、実際の機関負荷率ＫＬが目標機関負荷率ＫＬＴに収束して保持されたときには、スロットル弁通過空気流量ｍｔは筒内吸入空気流量ｍｃと等しくなっており、従って目標筒内吸入空気流量ｍｃＴと等しくなっている。また、このときの吸気管圧力Ｐｍを収束吸気管圧力ＰｍＣＶと称すれば、この収束吸気管圧力ＰｍＣＶはほぼ一定であって、次式（２０）で表される。

ＰｍＣＶ＝（ｍｃＴ＋ｋ２）／ｋ１（２０）
従って、（ｍｔ，Ｐｍｏ）を（ｍｃＴ，ＰｍＣＶ）として式（１８）からθｔを算出すれば、このθｔは収束スロットル開度θｔＣＶを表しているということになる。

図９は本発明による実施例の最終的な目標スロットル開度θｔＴｆの算出ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。

図９を参照すると、ステップ１００では図３のマップから目標機関負荷率ＫＬＴが算出される。続くステップ１０１では、吸気逆モデルを用いて目標スロットル開度θｔＴが算出される。続くステップ１０２では逆スロットルモデルを用いて収束スロットル開度θｔＣＶが算出される。続くステップ１０３では、機関定常運転が行われているか否かが判別される。機関定常運転時には次いでステップ１０４に進み、収束スロットル開度θｔＣＶが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定される。次いで処理サイクルを終了する。これに対し、機関過渡運転時には次いでステップ１０５に進み、目標スロットル開度θｔＴが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定される。次いで処理サイクルを終了する。

なお、収束スロットル開度θｔＣＶを機関定常運転時にのみ算出するようにしてもよい。

内燃機関の全体図である。本発明による実施例を説明するための図である。ＫＬＴを示すマップである。本発明による実施例を説明するためのタイムチャートである。本発明による実施例の吸気順モデル及び吸気逆モデルを説明するための図である。各計算モデルを説明するための図である。 μＡ（θｔ）を示すマップである。ｋ１，ｋ２を示すマップである。本発明による実施例の最終的な目標スロットル開度θｔＴｆの算出ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
１６ステップモータ
１７スロットル弁
ＩＭ吸気管
ＫＬＴ目標機関負荷率
Ｐｍ吸気管圧力
θｔＴ目標スロットル開度
θｔＴｆ最終的な目標スロットル開度
θｔＣＶ収束スロットル開度

Claims

目標吸入空気量を算出する目標吸入空気量算出手段と、実際の吸入空気量を該目標吸入空気量に一致させるのに必要なスロットル開度である目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度算出手段と、実際のスロットル開度が該目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁を駆動するスロットル弁駆動手段と、を具備した内燃機関の制御装置において、機関定常運転時には、目標吸入空気量が該算出された目標吸入空気量に保持されたと仮定したときに収束するスロットル開度である収束スロットル開度を算出して該収束スロットル開度を最終的な目標スロットル開度に設定する手段を具備し、前記スロットル弁駆動手段は、実際のスロットル開度が該最終的な目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁を駆動する内燃機関の制御装置。