JP2006274993A

JP2006274993A - 内燃機関の出力制御装置

Info

Publication number: JP2006274993A
Application number: JP2005098185A
Authority: JP
Inventors: Kazuhide Togai; 一英栂井
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP4539846B2

Abstract

【課題】過渡時における応答性の向上を図り、時系列のトルク波形を正確に実現することの可能な内燃機関の出力制御装置を提供する。
【解決手段】目標スロットル開度算出手段(56)は、吸気管圧力検出手段により検出されたスロットルの下流側の吸気管圧力Ｐmとスロットルの上流側の大気圧Ｐaとの間の圧力比Ｐrに応じて定まるスロットルの通過空気量Ｑtと内燃機関の燃焼室への吸入空気量Ｑcとの流量比φを考慮して目標スロットル開度θtを算出する。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の出力制御装置に係り、詳しくは車両のアクセル操作時における振動（加減速ショック）を低減する技術に関する。

一般に、車両のアクセル踏み込み時や戻し操作時（特に、急激なアクセルの踏み込み時）には振動（加減速ショック）が生じる。このような、加減速ショックは、急激なアクセルの踏み込みや戻し操作によりエンジントルクが急変し、その結果駆動系に捩り振動が発生することに起因している。そして、当該駆動系の捩り振動が車体前後方向の振動現象として現れる。

このようなアクセル操作に伴って発生する駆動系の振動を抑制するには、スロットルをゆっくり開く手法が広く知られているが、かかる手法では加速感を損なう。
このようなことから、本出願の出願人より、電子スロットルバルブ（ＥＴＶ）の制御入力上流に補償器を介装し、発生トルクが吸入空気量に大きく支配されることに鑑み、エンジントルクをスロットル開度の時系列のプロフィールとして制御して駆動系の振動を抑制する手法が提案されている（特許文献１等）。
特開２００４−６８７０２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の技術においては、通常走行時のようにスロットル開度が低開度の領域では良好な補償効果が得られる一方、急加速時における過渡時のように高開度となるような領域では十分な補償効果が得られず、応答性が悪くトルク波形が乱れるという現象が確認された。
これは、過渡時においては、吸気管圧力がスロットル開度とエンジン回転速度によって決定されるような定常状態ではなく、吸気管圧力が低い状態からスロットルを大きく開くために突入的な量の空気がスロットルを通過して吸気管圧力が急速に高まり、スロットル通過空気量とシリンダ吸入空気量との関係が変化するためと考えられる。

即ち、スロットルを大きく開いても、スロットル開度に基づく目標通りの吸入空気量がシリンダ内に吸入されないためであると考えられる。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、過渡時における応答性の向上を図り、時系列のトルク波形を正確に実現することの可能な内燃機関の出力制御装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の内燃機関の出力制御装置では、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、前記アクセル開度検出手段により検出されたアクセル開度に基づき目標トルクを設定し、該目標トルクから目標吸入空気量を求めるとともに該目標吸入空気量に基づき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、前記目標スロットル開度算出手段により算出された目標スロットル開度に基づき前記スロットルの開度を調整するスロットル開度調整手段とを備え、前記目標スロットル開度算出手段は、前記スロットルの下流側の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段を有し、該吸気管圧力検出手段により検出された吸気管圧力と前記スロットルの上流側の大気圧との間の圧力比に応じて定まる前記スロットルの通過空気量と内燃機関の燃焼室への吸入空気量との流量比を考慮して前記目標スロットル開度を算出することを特徴とする。

即ち、アクセル開度に基づいて目標トルクが設定され、該目標トルクから目標吸入空気量が求められて目標スロットル開度が算出されるが、この際、目標スロットル開度は、吸気管圧力検出手段により検出された吸気管圧力とスロットルの上流側の大気圧との間の圧力比に応じて定まるスロットルの通過空気量と内燃機関の燃焼室への吸入空気量との流量比を考慮し、現実に即して適正に算出される。

請求項２の内燃機関の出力制御装置では、請求項１において、前記流量比は、前記圧力比が所定の臨界圧力比以下のときには一定であり、該所定の臨界圧力比より大きくなるに従い前記スロットルの通過空気量に対して内燃機関の燃焼室への吸入空気量が少なくなるよう変化するものであって、前記目標スロットル開度算出手段は、前記目標吸入空気量を前記流量比で除すようにして前記目標スロットル開度を算出することを特徴とする。

即ち、スロットルの通過空気量と内燃機関の燃焼室への吸入空気量との流量比は、圧力比が所定の臨界圧力比以下のときには一定で、該所定の臨界圧力比より大きくなるに従いスロットルの通過空気量に対して内燃機関の燃焼室への吸入空気量が少なくなるという一定の特性を有しており、これより、目標吸入空気量を当該流量比で除して逆算することで、容易にして目標スロットル開度が適正に算出される。

請求項１の内燃機関の出力制御装置によれば、吸気管圧力と大気圧との圧力比に応じて定まるスロットルの通過空気量と内燃機関の燃焼室への吸入空気量との流量比を考慮して目標スロットル開度を算出するので、目標スロットル開度を現実に即して適正に算出することができ、急加速時のような過渡時における応答性の向上を図ることができ、時系列のトルク波形を正確に実現できる。

請求項２の内燃機関の出力制御装置によれば、スロットルの通過空気量と内燃機関の燃焼室への吸入空気量との流量比は、圧力比が所定の臨界圧力比以下のときには一定で、該所定の臨界圧力比より大きくなるに従いスロットルの通過空気量に対して内燃機関の燃焼室への吸入空気量が少なくなるという一定の特性を有しており、目標吸入空気量を当該特性から求まる流量比で除して逆算することにより、容易にして目標スロットル開度を適正に算出することができる。

以下、図面を参照しながら本発明に係る内燃機関の出力制御装置の一実施形態について説明する。
図１を参照すると、本発明に係る内燃機関（吸気管噴射型ガソリンエンジンであって、以下エンジンという）１の吸気系の構成が模式的に示されており、同図に示すように、吸気管２には、アクセルペダルとスロットルバルブとが電気的に接続された所謂電子式のスロットルバルブ（スロットル開度調整手段）３が配設されている。スロットルバルブ３はスロットル開度センサ（ＴＰＳ）を有し、スロットルバルブ３の吸気下流側の吸気マニフォールド４には、吸気マニフォールド圧、即ち吸気管圧力Ｐmを検出するマニフォールド圧センサ（吸気管圧力検出手段）５が設けられている。図中Ｑtはスロットルバルブ３を通過する通過空気量を、Ｑcはエンジン１のシリンダ（燃焼室）への吸入空気量を示し、Ｐaはスロットルバルブ３上流側の大気圧を示す。なお、エンジン１のその他の構成、例えば吸気バルブ６、排気バルブ７、インジェクタ８、点火プラグ９、シリンダ１ａ等については公知であり、ここでは説明を省略する。

図２を参照すると、本発明に係る出力制御装置を含む系の制御モデルがブロック図で示されている。
同ブロック図によれば、当該制御モデルでは、アクセルペダルの操作量、即ちアクセル開度を検出するアクセル開度センサ（ＡＰＳ、アクセル開度検出手段）１０からのアクセル開度信号がＥＣＵ（電子コントロールユニット）の一部である制御器２０に入力する。制御器２０では、アクセル開度信号がスロットル開度信号に変換され、制御器２０からスロットル開度信号がエンジンモデル３０に入力する。エンジンモデル３０では、スロットル開度信号がトルク信号に変換され、エンジンモデル３０からトルク信号が車両モデル４０に入力し、当該トルク信号に基づき車両モデル４０が出力制御される。

図３を参照すると、制御器２０のブロック線図が示されており、以下同図に基づき制御器２０の制御内容について説明する。
制御器２０にアクセル開度信号が入力すると、目標アクセル開度信号に基づき目標トルク設定部５０において目標トルクが設定される。目標トルク信号は、トルク空気量変換部５２において予め設定されたエンジン回転速度Ｎeをパラメータとするトルク−空気量マップに基づいて目標吸入空気量に変換される。そして、目標吸入空気量信号は、前置補償器５４に入力する。

前置補償器５４では、吸気管の時定数が補正される。ここでは、伝達関数は（１＋Ｔｓ）／（１＋Ｔ₁ｓ）で代表されるが、振動抑制型の伝達関数として（ｓ²＋２ξω_nｓ＋ω_n ²）／（ｓ²＋２ξ’ω_nｓ＋ω_n ²）を用いるようにしてもよい。ここに、ｓはラプラス演算子、ω_n、ξ及びξ’は、それぞれ系の共振周波数、減衰係数を示す。
なお、吸気管容積とエンジン回転速度Ｎeで一次遅れの時定数が決まることから、これを補正するようにしてもよい。

前置補償器５４を経て時定数が補正された目標吸入空気量信号ａnは、フィードフォワード制御器（ＦＦ制御器）５６に入力し、当該ＦＦ制御器５６において目標吸入空気量信号ａnに基づき目標スロットル開度θtが算出され、目標スロットル開度信号θtが出力される（目標スロットル開度算出手段）。
図４を参照すると、本発明に係るＦＦ制御器５６のブロック線図が示されており、以下同図に基づき本発明に係るＦＦ制御器５６の制御内容について説明する。

目標吸入空気量信号ａnは通常はエンジン１回転当たりの単位吸入空気量であるため、変換部７０において単位吸入空気量を時間当たりの吸入空気量に変換する。そして、当該時間当たりの吸入空気量にアイドル／ダッシュポット流量Ｑ0を加算し、時間当たりの目標吸入空気量Ｑを求める（Ｑ＝ａn・Ｎe／６０＋Ｑ0）。
ところで、図５を参照すると、マニフォールド圧センサ５により検出されるスロットルバルブ３下流側の吸気管圧力Ｐmとスロットルバルブ３上流側の大気圧Ｐaとの比、即ち吸気管圧力Ｐmを大気圧Ｐaで除した圧力比Ｐr（＝Ｐm／Ｐa）に応じて定まるスロットルバルブ３の通過空気量Ｑtとエンジン１のシリンダへの吸入空気量Ｑcとの流量比である流量係数φ、即ち吸気管圧力に応じた流量特性が示されている。同流量特性によれば、圧力比Ｐrが臨界圧力比（０．５３）以下（Ｐr≦０．５３）では流量係数φは値０．７近傍で一定である一方、臨界圧力比より大きい範囲（０．５３＜Ｐr≦１．０）では、圧力比Ｐrが大きいほど流量係数φが小さくなっている。

これより、図６を参照すると、スロットルバルブ３の通過空気量Ｑt（実線）とシリンダへの吸入空気量Ｑc（破線）との関係がスロットル開度が低開度の場合（Ｑt1、Ｑc1）と高開度の場合（Ｑt2、Ｑc2）とで比較してタイムチャートで示されているが、同図に示すように、スロットルバルブ３の開度、即ちスロットル開度θを高開度にしたまま保持すると、スロットルバルブ３の通過空気量Ｑt2が突入的に多くなるために吸気管圧力Ｐmが大気圧Ｐaに近づき、その後、圧力比Ｐrが臨界圧力比を超えると吸気管圧力Ｐmと大気圧Ｐaとの圧力差が徐々に小さくなり、シリンダへの吸入空気量Ｑc2が少なくなるという現象が発生する。

このようなことから、切換部７４において流量係数φが所定値εより大であってＹ側に切り換えられている場合には、目標吸入空気量信号Ｑは、変換部７２において形状に基づく係数１／Ｋが乗算された後、切換部７４を経て目標スロットル開度算出部７６に入力する。
そして、目標スロットル開度算出部７６では、当該目標吸入空気量Ｑに基づき、次式（1)及び(2)から目標スロットル開度θtを逆算により求める。

Ａ＝Ｑ／（Ｋ・φ）…(1)
θt＝ｃｏｓ^-1（１−Ａ／Ａ0）…(2)
ここに、Ａは求めるスロットル開口面積、Ａ0は全開スロットル開口面積である。
即ち、ここでは、上記図５に示すように吸気管圧力Ｐmとスロットルバルブ３上流側の大気圧Ｐaとの圧力比Ｐrに応じて変化する流量係数φを考慮して目標スロットル開度θtを求めるようにする。

切換部７４において流量係数φが所定値ε以下であってＮ側に切り換えられた場合には、目標スロットル開度θtを全開θwtとする。
このように目標スロットル開度θtが求められると、目標スロットル開度信号θtは、図３のスロットル制御器５８を経てスロットル機構６０、即ちスロットルバルブ３に入力する。これより、目標スロットル開度信号θtに基づいてスロットルバルブ３が適切に制御される。

スロットルバルブ３の実際のスロットル開度θは、上記図２のエンジンモデル３０にスロットル開度信号θとして入力し、エンジン１のシリンダへの吸入空気量Ｑcに変換された後、エンジントルクに変換される。なお、当該スロットル開度θはスロットル制御器５８にフィードバックされる。
さらに、目標スロットル開度θtは、エンジン１のシリンダへの吸入空気量Ｑcに基づいてフィードバック制御される。詳しくは、吸入空気量Ｑcは係数Ｋが乗算された後、フィードバック制御器（ＦＢ制御器）６２に入力し、ＦＢ制御器６２おいてフィードバック制御される。なお、当該フィードバック制御としてはＰＩＤ制御が採用されるが、定常目標追従であれば積分制御であってもよく、過渡追従を主とするならば微分制御であってもよい。

以上説明したように、本発明に係る内燃機関の出力制御装置によれば、スロットルバルブ３下流側の吸気管圧力Ｐmとスロットルバルブ３上流側の大気圧Ｐaとの比、即ち吸気管圧力Ｐmを大気圧Ｐaで除した圧力比Ｐrに応じて定まるスロットルバルブ３の通過空気量Ｑtとエンジン１のシリンダへの吸入空気量Ｑcとの流量係数（流量比）φ、即ち図５に示す吸気管圧力に応じた流量特性を考慮して目標スロットル開度θtを求めるようにしている。具体的には、目標吸入空気量Ｑを流量係数φで除して逆算することにより目標スロットル開度θtを求めるようにしている（上記式(1)、(2)参照）。

従って、当該出力制御装置によれば、容易にして目標スロットル開度θtを現実に即して適正に算出することができる。これにより、急加速時のような過渡時における応答性の向上を図ることができ、時系列のトルク波形を正確に実現することができる。
以上で本発明に係る内燃機関の出力制御装置の実施形態の説明を終えるが、実施形態は上記に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明に係る内燃機関の吸気系の構成を模式的に示す図である。本発明に係る出力制御装置を含む系の制御モデルを示すブロック図である。図２の制御器のブロック線図である。図３の本発明に係るＦＦ制御器のブロック線図である。吸気管圧力Ｐmと大気圧Ｐaとの圧力比Ｐr（＝Ｐm／Ｐa）に応じて定まるスロットルバルブの通過空気量Ｑtと吸入空気量Ｑcとの流量比である流量係数φ、即ち吸気管圧力に応じた流量特性を示す図である。スロットルバルブの通過空気量Ｑt（実線）と吸入空気量Ｑc（破線）との関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン
３スロットルバルブ（スロットル開度調整手段）
５マニフォールド圧センサ（吸気管圧力検出手段）
１０アクセル開度センサ（ＡＰＳ、アクセル開度検出手段）
２０制御器
３０エンジンモデル
４０車両モデル
５０目標トルク設定部（目標スロットル開度算出手段）
５２トルク空気量変換部（目標スロットル開度算出手段）
５４前置補償器（目標スロットル開度算出手段）
５６ＦＦ制御器（目標スロットル開度算出手段）
６２ＦＢ制御器
７６スロットル開度算出部

Claims

アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、
前記アクセル開度検出手段により検出されたアクセル開度に基づき目標トルクを設定し、該目標トルクから目標吸入空気量を求めるとともに該目標吸入空気量に基づき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、
前記目標スロットル開度算出手段により算出された目標スロットル開度に基づき前記スロットルの開度を調整するスロットル開度調整手段とを備え、
前記目標スロットル開度算出手段は、
前記スロットルの下流側の吸気管圧力を検出する吸気管圧力検出手段を有し、
該吸気管圧力検出手段により検出された吸気管圧力と前記スロットルの上流側の大気圧との間の圧力比に応じて定まる前記スロットルの通過空気量と内燃機関の燃焼室への吸入空気量との流量比を考慮して前記目標スロットル開度を算出することを特徴とする内燃機関の出力制御装置。
前記流量比は、前記圧力比が所定の臨界圧力比以下のときには一定であり、該所定の臨界圧力比より大きくなるに従い前記スロットルの通過空気量に対して内燃機関の燃焼室への吸入空気量が少なくなるよう変化するものであって、
前記目標スロットル開度算出手段は、前記目標吸入空気量を前記流量比で除すようにして前記目標スロットル開度を算出することを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の出力制御装置。