JP2007198157A - エンジンの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボエンジンのように過渡時に複雑なトルク軌道を描くエンジンにも適用可能なエンジントルク推定ロジックによるエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジントルク制御時における実発生エンジントルクを推定する演算手段を備え、エンジントルク推定値を用いてエンジンのトルク操作を行う制御装置であり、エンジンの吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルを作成し、物理モデルを基に推定トルクを演算する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）の制御装置および制御方法に係り、特に、トルクベース（トルクデマンド）型エンジン制御を行うエンジン制御装置および制御方法に関する。

電子制御スロットル（電制スロットル）を有するエンジンの制御方式の一つとして、アクセル開度とエンジン回転数を基に目標エンジントルクを演算し、目標エンジントルクと目標空燃比の双方を実現するように、スロットル制御、燃料制御、点火制御等を行うトルクベース（トルクデマンド）型エンジン制御が実用化されている。

トルクベース型エンジン制御は、目標エンジントルクを演算するロジックに、外部要求トルク用のインタフェースを追加することで、トラクションコントロールやオートクルーズ、オートマチックトランスミッション等の外部デバイスから要求されるエンジントルクをスムーズに処理できる他、成層リーン燃焼システムについては、均質燃焼と成層燃焼の切替時のトルク段差を低減できる利点を有している。

トルクベース型エンジン制御におけるトルク制御は、電制スロットル操作に代表される吸入空気量操作による低応答トルク制御と、点火リタードや燃料カットに代表される吸入空気量操作を介さないで行う高応答トルク制御の２種類があり、それぞれのトルク制御方法に対し低応答目標トルク、高応答目標トルクの２種類の目標トルクを設定している。

トルク制御の基本となるのは、前者の電制スロットルによるトルク制御（低応答トルク制御）であり、この場合、実現すべき目標トルクは低応答目標トルクとして設定される。

しかし、トラクションコントロール実行時等、目標トルクが高速で複雑に変化する場合には、吸気の応答遅れに起因して電制スロットルのみの操作では、目標トルク通りにエンジントルクを発生させることが困難である。

そこで、このような状況では、図１５に示されているように、実現すべき目標トルクを高応答目標トルクとして設定すると共に、低応答目標トルクを高応答目標トルクと同等、もしくは高い値に設定することが行われる。

本設定により、低応答トルク制御（電制スロットルによるトルク制御）単独では、目標トルクを上回るエンジントルクが発生することになるが、この過剰な実発生トルクを減少方向に調整し、高応答制御用目標トルクに一致するように、点火リタードや燃料カット等の高応答トルク制御を併用して実施することが行われる。即ち、実現すべき目標トルクに対して電制スロットルを大きめに開き、目標トルクを上回るエンジントルクを発生させると同時に、目標トルクと実発生トルクの差分をなくすように、点火リタードや燃料カットを実施する。

現状、エンジントルクを直接計測する手段がないため、このような低応答＋高応答トルク制御を実施するには、低応答トルク制御実施時の発生トルクを推定する必要があり、トルク推定精度が過渡時のトルク制御精度を左右する。

低応答＋高応答トルク制御に適用する推定トルク算出には、下記の課題を解決する必要がある。

例えば、図１６に示されているように、何らかの原因で、過渡時のみならず定常時にも目標トルクと推定トルクとの間にトルク偏差が生じた場合、そのトルク偏差に応じて常時点火リタードが実施される。

しかし、常時点火リタードが実施されると、燃費悪化・排気温度上昇を招くため、この様な定常時のトルク偏差をなくす対策が必要となる。

推定トルク演算に関する従来技術として、吸入空気量（空気充填量）と、発生するエンジントルクとは、非常に相関が高いことに着目して、図１７に示す様に、エアフロセンサで計測した実空気充填量Ｍａｆとエンジン回転数Ｎｅを基に、変換マップ等でエンジントルクに変換し、これを推定エンジントルクＴｂａｓｅとして算出するものがある（例えば、特許文献１）。

推定トルク演算に関するもう一つの従来技術として、図２０に示されているように、目標トルク（低応答目標トルク）ｃＴＩＮをベースとして、目標トルクｃＴＩＮに無駄時間＋一次遅れ処理（１／Ｔｅｓ＋１）Ｌ−Ｌｅ・Ｓを実施して、推定エンジントルクＴＥ−ＥＳＴ＝（１／Ｔｅ・ｓ＋１）Ｌ−Ｌｅ・Ｓ・ｃＴＩＮを算出するものがある（例えば、特許文献２）。

特開２００２−２２１０６８号公報 特開２００４−２２２４４２号公報

しかしながら、特許文献１に示されているような技術を、先に示した低応答＋高応答トルク制御に適用すると、以下のような問題が生じる。

エンジントルク変換マップを理想的に適合した直後においては、目標トルクＴｉｎｄと推定トルクＴｂａｓｅとの関係は、図１８に示されているように、定常時に目標トルクＴｉｎｄと推定トルクＴｂａｓｅとの間に偏差が生じることがなく、所望のトルク制御が実現できる。

しかしながら、実際には、エンジントルク変換マップの適合エラーやエンジン制御システムの固体ばらつき、環境変化等により、目標トルクＴｉｎｄと推定トルクＴｂａｓｅとの関係が、図１９に示されているように、変化することがある。このような場合、定常時においても目標トルクＴｉｎｄと推定トルクＴｂａｓｅとの間に偏差が生じ、それに伴い常時点火リタードや燃料カットが実施される可能性が生じ、燃費悪化や排気温度上昇、トルク変動などの不具合を招く。

この問題に対し、特許文献１に示されているような技術では、定常時に目標トルクと推定トルクに偏差が生じないよう、推定トルクを補正しなくしてならない。しかし、その達成する推定トルク補正量の設定は容易ではなく、必ずしも所望の推定トルク補正が実現できないといった課題がある。

また、特許文献２に示されているような技術では、演算方式から自明なように、定常時には目標トルクと推定トルクが必ず一致するため（図２１参照）、前記のような燃費悪化や排気温度上昇などの不具合を防止できる。

しかしながら、複雑な吸気系システムを有するエンジンの場合、本技術では推定トルク精度が不足する場合がある。最も顕著な例としては、ターボエンジンがあり、ターボエンジンの場合には、ターボラグに起因して、過渡時のトルク軌道（トルク変化）は非常に複雑である。

従って、目標トルクに対して、単純に、無駄時間＋一次遅れ処理を実施する従来方式をターボエンジンに適用すると、図２２に示されているように、過渡時における推定トルクＴＥ−ＥＳＴが実発生トルクＴＥに対して大きく異なったものになり、推定トルクＴＥ−ＥＳＴの精度が大幅に低下する虞れがある。

本発明は、前記解決しようとする課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、トルクベース型エンジン制御において、定常時に目標トルクと推定トルクに偏差が生じる事に起因する燃費悪化や排気温度上昇、トルク変動等の不具合を生じることがなく、ターボエンジンのように過渡時に複雑なトルク軌道を描くエンジンにも適用可能なエンジントルク推定ロジックによるエンジンの制御装置および制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明によるエンジンの制御装置は、エンジントルク制御時における実発生のエンジントルクを推定する推定トルク演算手段を備え、前記トルク推定手段によって推定されたエンジントルク推定値を用いてエンジンのトルク操作を行うエンジンの制御装置であって、前記推定トルク演算手段は、エンジンの吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルを有し、前記過渡応答物理モデルを用いてエンジントルク推定値を算出する。

本発明によるエンジンの制御装置は、好ましくは、前記推定トルク演算手段は、前記過渡応答物理モデルによって演算された吸気管圧情報を基にエンジントルク推定値への変換を実施する。

本発明によるエンジンの制御装置は、好ましくは、前記推定トルク演算手段は、前記過渡応答物理モデルによって演算された吸気管圧情報を基にエンジントルク推定値への変換を実施し、当該トルク推定値が定常時に１となるように正規化処理を行い、正規化されたエンジントルク推定値と、前記目標エンジントルクとの積算を行って最終的なエンジントルク推定値を算出する。

本発明によるエンジンの制御装置は、好ましくは、前記推定トルク演算手段は、目標エンジントルクをベースに無駄時間＋一次遅れ処理を行ってエンジントルク推定値を算出し、前記無駄時間および一次遅れ処理に用いる時定数は、前記過渡応答物理モデルによって演算された前記吸排気系部品の状態を示すパラメータを基に可変設定する。

本発明によるエンジンの制御装置は、好ましくは、前記無駄時間および一次遅れ処理に用いる定数は、１回の加速あるいは減速期間中に、少なくとも２回切り替える。

本発明によるエンジンの制御装置における前記吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルは、ターボチャージャを対象とした物理モデル、機械式スーパチャージャを対象とした物理モデル、あるいは可変バルブシステムを対象とした物理モデルであってよい。

また、前記目的を達成するために、本発明によるエンジンの制御装置は、エンジントルク制御時における実発生のエンジントルクを推定する推定トルク演算手段を備え、前記トルク推定手段によって推定されたエンジントルク推定値を用いてエンジンのトルク操作を行うエンジンの制御装置であって、記推定トルク演算手段は、目標エンジントルクをベースに無駄時間＋一次遅れ処理を行ってエンジントルク推定値を算出し、前記無駄時間および一次遅れ処理に用いる時定数を１回の加速あるいは減速期間中に、少なくとも２回切り換える。

前記目的を達成するために、本発明によるエンジンの制御方法は、エンジンの吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルを用いてエンジントルク制御時における実発生のエンジントルクを推定し、当該推定によるエンジントルク推定値を用いてエンジンのトルク操作を行う。

本発明によるエンジンの制御装置は、渡応答物理モデルを用いてエンジントルク推定値を算出するから、定常時に目標トルクと推定トルクに偏差が生じることに起因する燃費悪化や排気温度上昇、トルク変動等の不具合を生じることがなく、ターボエンジンのように過渡時に複雑なトルク軌道を描いても、エンジントルク推定値がトルク軌道に適合したものになり、ターボエンジンでも適切なトルクベース型エンジン制御が可能になる。

本発明によるエンジンの制御装置の実施形態を、図を参照して説明する。
図１は、本発明による制御装置が適用されるターボエンジン対応トルクベースエンジンシステムのハード構成を示している。

エンジン１０はターボチャージャ１１６を有するターボチャージャ付きエンジンである。エンジン１０の吸気系にはターボチャージャ１１６の一部品であるコンプレッサ１１７が設けられている。コンプレッサ１１７によって圧縮された吸気は、吸気管１１１を通り、電制スロットル１０７の入口側に導入される。

電制スロットル１０７は、アクセルペダル１０１の開度情報等を基に、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１０２が演算した信号によってスロットル開度を決定され、その開度に応じてインテークマニホールド１０９内に導入される吸気量を計量調整する。

その過程において、インテークマニホールド１０９に設けられた吸気圧センサ１０８によってインテークマニホールド１０９内の吸気圧が測定され、その計測信号がＥＣＵ１０２に送信される。

ＥＣＵ１０２は、コンピュータ式のものであり、吸気圧センサ１０８によって計測された吸気圧と、クランク角センサ（図示省略）の出力信号より求められたエンジン回転数を基に、吸気量を演算し、目標空燃比を実現するために適量な燃料噴射量と燃料噴射時期を演算する。

インテークマニホールド１０９にはインジェクタ１０３が設けられている。インジェクタ１０３はＥＣＵ１０２が出力する燃料噴射指令に従って燃料噴射を行う。インジェクタ１０３より噴射された燃料と吸気とにより、インテークマニホールド１０９内に、燃料と空気との混合気が形成される。混合気は、エンジン１０のピストン１１０が下降し、吸気バルブ１０４が開いた瞬間から燃焼室１００内に導入される。

その後、吸気バルブ１０４が閉じ、ピストン１１０の上昇の過程で圧縮された混合気は、圧縮上死点直前付近において点火プラグ１０６により着火し、急速に膨張してピストン１１０を押し下げ、エンジントルクを発生させる。

その後、ピストン１１０が上昇し、排気バルブ１０５が開いた瞬間から排気行程が始まり、燃焼室１００の排気ガスが排気管１１２へ排出される。

排気管１１２にはターボチャージャ１１６の一部品であるタービン１１８が取り付けられている。タービン１１８は、排気管１１２を流れる排気ガスのエネルギによって回転駆動され、同軸のコンプレッサ１１７を同期回転させる。

本システムは、排気ガスのエネルギを利用してターボチャージャ１１６のタービン１１８、コンプレッサ１１７を回転させ、過給効果を得るシステムであり、過給効果は排ガス量に依存する。

なお、タービン１１８が過剰に回転すると、吸気圧が設定値を超え、過剰な負荷によってエンジン１０が破損する虞れがある。これを防ぐため、吸気圧が設定値を越えた場合には、ウエストゲートバルブコントロールユニット１１５によってウエストゲートバルブ１１４の開閉デューティ比を制御し、排気ガスの一部をウエストゲート１１３の方向にバイパスさせてタービン回転を調整し、吸気圧が設定値を超えないように制御している。

ウエストゲートバルブコントロールユニット１１５は、コンピュータ式のものであり、ＥＣＵ１０２と双方向に通信可能になっている。

次に、上述の構成によるターボエンジン対応トルクベースエンジンシステムの制御系を、図２を参照して説明する。
ＥＣＵ１０２は、ソフトウエア処理により、最大トルク設定値演算手段２００と、アイドル要求トルク演算手段２０１と、ドライバ要求トルク演算手段２０２と、目標トルク演算手段２０３と、空気用トルク制御部２２０と、点火・燃料用トルク制御部２３０を具現化する。

最大トルク設定値演算手段２００は、エンジン回転数信号を入力し、その時々のエンジン回転数における最大トルク設定値を算出する。アイドル要求トルク演算手段２０１は、エンジン回転数信号を入力し、目標アイドル回転数を維持するのに必要なトルクを算出する。

ドライバ要求トルク演算手段２０２は、アクセル開度信号を入力し、アクセル開度と、最大トルク設定値演算手段２００によって演算された最大トルク設定値と、アイドル要求トルク演算手段２０１によって演算されたアイドル要求トルクを基に、ドライバが要求するエンジントルクを算出する。

目標トルク演算手段（目標トルク選択手段）２０３は、最終的な目標エンジントルクを算出するものであり、ドライバ要求トルク演算手段２０２によって演算されたドライバ要求トルクの他、変速機要求トルク、ＴＲＣ（トラクションコントロール）要求トルク、オートクルーズ要求トルク等、外部システムからの要求トルクを取り込み、それぞれの優先順位を考慮して最終的な目標エンジントルクを決定する。

目標トルク演算手段２０３によって算出された目標エンジントルクは、電制スロットル１０７およびターボチャージャ１１６を用いてトルク制御を行う低応答トルク制御パス（空気用トルク制御パス）と、燃料や点火の操作によってトルク制御をアシストする高応答トルク制御パス（点火・燃料用トルク制御パス）に分離され低応答目標トルクＴｉｎｄＬ、高応答目標トルクＴｉｎｄＨとして、それぞれ、低応答トルク制御パスをなす空気用トルク制御部２２０と、高応答トルク制御パスをなす点火・燃料用トルク制御部２３０に送信される。

空気用トルク制御部２２０は、目標吸気圧演算手段２０８と、目標スロットル開度演算手段２０９とを有する。

目標吸気圧演算手段２０８は、低応答目標トルクＴｉｎｄＬを実現するのに必要な目標吸気圧を算出する。目標スロットル開度演算手段２０９は、目標吸気圧演算手段２０８によって算出された目標吸気圧を実現するのに必要な目標スロットル開度を演算し、電制スロットル１０７へ演算結果を送信する。

空気用トルク制御部２２０は、更に、目標過給圧演算手段２０５と、目標ウエストゲートデュティ演算手段２０６とを有する。

目標過給圧演算手段２０５は、最大トルク設定値演算手段２２０によって算出された最大トルク設定値に対応する目標過給圧を算出する。目標ウエストゲートデュティ演算手段２０６は、目標過給圧演算手段２０５によって算出された目標過給圧を実現するのに必要な目標ウエストゲートデュティを演算し、ウエストゲートバルブコントロールユニット１１５へ演算結果を送信する。

次に、トラクションコントロール等の外部デバイスから、高速に変化するトルク軌道が要求された際に用いられる高応答（点火・燃料制御用）トルク制御パスについて説明する。

高応答トルク制御パスをなす点火・燃料用トルク制御部２３０は、推定トルク演算手段２１０と、点火・燃料操作用トルク補正率演算手段２１２と、トルク操作方法選択手段２１３と、トルク操作量振分け手段２１４と、点火時期補正量演算手段２１５と、燃料カット気筒数演算手段２１６とを有する。

推定トルク演算手段２１０は、エンジントルク制御時における実発生のエンジントルクを推定するものであり、点火・燃料によるトルク操作を行う際の指標となる推定トルク（エンジントルク推定値）ＥｓｔＴｑｅを算出する。具体的には、スロットルとターボチャージャによる低応答トルク制御を実施したことを仮定した場合の、発生トルクを推定し、推定トルクＥｓｔＴｑｅを演算する。

点火・燃料操作用トルク補正率演算手段２１２は、点火・燃料によるトルク操作の際の指標となる点火・燃料操作用トルク補正率を算出するため、推定トルク演算手段２１０によって演算された推定トルクＥｓｔＴｑｅと目標トルク演算手段２０３よりの高応答目標トルクＴｉｎｄＨとの比を演算する。

トルク操作方法選択手段２１３は、点火・燃料操作用トルク補正率演算手段２１２によって演算された点火・燃料操作用トルク補正率および運転状態等を基に、適当なトルク操作方法を選択する。トルク操作方法には、点火時期補正や燃料カットがあり、それぞれが単独、あるいは組み合わせで選択される。

トルク操作量振分け手段２１４は、点火・燃料操作用トルク補正率演算手段２１２によって演算された点火・燃料操作用トルク補正率と、トルク操作方法選択手段２１３で選択されたトルク操作方法を基に、点火時期補正量演算手段２１５と燃料カット気筒数演算手段２１６にトルク操作量を振り分ける。

点火時期補正量演算手段２１５と燃料カット気筒数演算手段２１６は、それぞれ振分けられたトルク補正率を基に、点火時期補正量、燃料カット気筒数を演算し、点火制御系および燃料制御系へ演算結果を反映させることにより、過渡時においても所望のエンジントルクを実現する。

次に、推定トルク演算手段２１０の実施形態１を、図３を用いて説明する。
推定トルク演算手段２１０はターボ過渡応答物理モデル３００を有している。ターボ過渡応答物理モデル３００は、図４に示されているターボエンジン対応トルクベースエンジンシステムの各部位のパラメータ（圧力、ガス温度、ガス流量、回転数、仕事量、効率）を個別に演算するルーチンを有しており、図５に示されているように、初期値入力ルーチン５１０、各部圧力演算ルーチン５２０、各部ガス流量演算ルーチン５３０、各部ガス温度演算ルーチン５４０、ターボ効率演算ルーチン５５０、ターボ仕事量演算ルーチン５６０、タービン回転数演算ルーチン５７０、推定トルク演算ルーチン５８０を順番に実行する。

なお、各ルーチンにおける演算に用いる各種マップ類（コンプレッサ前後圧力比マップ、コンプレッサ効率マップ等）は、全運転領域を対象とした実機試験データや、図６に示されているようなターボチャージャ１１６の特性マップを基に適合される。

次に、ターボ過渡応答物理モデル３００で演算される各演算式について説明する。
ターボ過渡応答物理モデルの中心となるのはタービン回転数演算式であり、タービン回転数Ｎｔは、下式（１）によって与えられる。

ここで、Ｎｔ：タービン回転数［ｒ／ｍｉｎ］、Ｊｔ：タービンの回転モーメント［ｋｇ・ｍ２］、Ｌｔ：タービン仕事［Ｗ］、Ｌｃ：コンプレッサ仕事［Ｗ］、Ｌｍ：タービン軸受摩擦損失［Ｗ］である。

タービン仕事Ｌｔは、下式（２）によって与えられる。

ここで、κｔ：排ガスの比熱比、Ｒｔ：排ガスのガス定数［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、Ｔｔ１：タービン上流排ガス温度［Ｋ］、Ｐｔ１：タービン上流圧［Ｐａ］、Ｐｔ２：タービン下流圧［Ｐａ］、ηｔ：タービン効率、Ｇｔ１：タービン上流排ガス流量［ｋｇ／ｓ］である。

コンプレッサ仕事Ｌｃは、下式（３）によって与えられる。

ここで、κｃ：吸気（空気）の比熱比、Ｒｃ：吸気（空気）のガス定数［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、Ｔｃ１：コンプレッサ上流排ガス温度［Ｋ］、Ｐｃ１：コンプレッサ上流圧［Ｐａ］、Ｐｃｔ２：コンプレッサ下流圧［Ｐａ］、ηｃ：コンプレッサ効率、Ｇｃ１：コンプレッサ上流吸気流量［ｋｇ／ｓ］である。

タービン軸受摩擦損失Ｌｍは、タービン軸受摩擦損失テーブル（引数：タービン回転数Ｎｔ）を用い、下記演算式（４）によって算出する。
Ｌｍ＝タービン軸受摩擦損失テーブル（Ｎｔ）検索値 …（４）

上記演算式におけるパラメータのうち、排ガスの比熱比κｔ、吸気（空気）の比熱比κｃ、排ガスのガス定数Ｒｔ、吸気（空気）のガス定数Ｒｃは、定数として扱う、あるいは温度と空燃比の関数として演算してもよい。また、タービンの回転モーメントＪｔ、α、βは定数として扱う。

次に、上記圧力に関するパラメータ（Ｐｃ１、Ｐｃ２、Ｐｔ１、Ｐｔ２）の演算方法について説明する。

コンプレッサ上流圧Ｐｃ１は大気圧に等しいと見なし、下記演算式（５）によって算出する。
Ｐｃ１＝Ｐａ（大気圧） …（５）

コンプレッサ下流圧Ｐｃ２は、コンプレッサ圧力比マップ（引数：ガス流量Ｇｃ１、タービン回転数Ｎｔ）を用いて、下記演算式（６）によって算出する。
Ｐｃ２＝Ｐｃ１×コンプレッサ圧力比マップ（Ｇｃ１、Ｎｔ）検索値 …（６）

タービン上流圧Ｐｔ１は、タービン圧力比マップ（引数：ガス流量Ｇｔ１、タービン回転数Ｎｔ）を用いて、下記演算式（７）によって算出する。
Ｐｔ１＝Ｐｔ２×タービン圧力比マップ（Ｇｔ１、Ｎｔ）検索値 …（７）

タービン下流圧Ｐｔ２は、タービン下流圧マップ（引数：エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧Ｐｅｉ）を用いて、下記演算式（８）によって算出する。
Ｐｔ２＝タービン下流圧マップ（Ｎｅ、Ｐｅｉ）検索値 …（８）

吸気圧Ｐｅｉは、スロットル前後圧力比マップ（引数：エンジン回転数Ｎｅ、スロットル開度ＴＶＯ）を用いて、下記演算式（９）、（１０）によって算出する。
Ｐｅｂ＿ａｓｅ＝Ｐｃ２×スロットル前後圧力比マップ（Ｎｅ、ＴＶＯ）検索値
…（９）
Ｐｅｉ＝Ｐｅｉ＿ｂａｓｅに対し（無駄時間＋一次遅れ）処理 …（１０）

次に、上記ガス流量に関するパラメータ（Ｇｃ１、Ｇｃ２、Ｇｔ１、Ｇｔ２）の演算方法について説明する。
コンプレッサ上流排ガス流量Ｇｃ１およびコンプレッサ下流排ガス流量Ｇｃ２は、シリンダ流入空気量Ｇｅｉに等しいと見なし、下記演算式（１１）によって算出する。
Ｇｃ１＝Ｇｃ２＝Ｇｅｉ …（１１）

シリンダ流入空気量Ｇｅｉについては、シリンダ流入空気量マップ（引数：エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧Ｐｅｉ）を用いて、下記演算式（１２）によって算出する。
Ｇｅｉ＝シリンダ流入空気量マップ（Ｎｅ、Ｐｅｉ）検索値 …（１２）

タービン上流排ガス流量Ｇｔ１およびタービン下流排ガス流量Ｇｔｃ２については、下記演算式（１３）、（１４）によって算出する。
Ｇｔ１＝Ｇｔ２＝Ｇｔ０（排ガス全量）−Ｇｗｇ（ウエストゲート流入ガス量）
…（１３）
Ｇｔ０＝Ｇｅｉ×（１＋１／（Ａ／Ｆ）） …（１４）

ここで、Ａ／Ｆ：空燃比であり、本システムではＡ／Ｆ≒１４．７である。
ウエストゲート流入ガス量Ｇｗｇについては、ウエストゲート流入ガス量マップ（引数：エンジン回転数Ｎｅ、［目標吸気圧ＴｇＰｅｉ−吸気圧Ｐｅｉ］）を用いて、下記演算式（１５）によって算出する。
Ｇｗｇ＝ウエストゲート流入ガス量マップ（Ｎｅ、［ＴｇＰｅｉ−Ｐｅｉ］）検索値 …（１５）

次に、上記ガス温度に関するパラメータ（Ｔｃ１、Ｔｃ２、Ｔｔ１、Ｔｔ２）の演算方法について説明する。
コンプレッサ上流吸気温度Ｔｃ１は、大気温度に等しいと見なし、下記演算式（１６）によって算出する。
Ｔｃ１＝Ｔａ（大気温度） …（１６）

コンプレッサ下流吸気温度Ｔｃ２については、下記演算式（１７）によって算出する。

タービン上流排ガス温度Ｔｔ１およびタービン下流排ガス温度Ｔｔ２については、それぞれタービン上流排ガス温度マップ（引数：エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧Ｐｅｉ）、タービン下流排ガス温度マップ（引数：エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧Ｐｅｉ）を用い、下記演算式（１８）、（１９）によって算出する。
Ｔｔ１＝タービン上流排ガス温度マップ（Ｎｅ、Ｐｅｉ）検索値 …（１８）
Ｔｔ２＝タービン下流排ガス温度マップ（Ｎｅ、Ｐｅｉ）検索値 …（１９）

次に、上記ターボチャージャの効率に関するパラメータ（ηｃ、ηｔ）の演算方法について説明する。
コンプレッサ効率ηｃおよびタービン効率ηｔは、それぞれコンプレッサ効率マップ（引数：ガス流量Ｇｃ１、タービン回転数Ｎｔ）、タービン効率マップ（引数：ガス流量Ｇ ｔ１、タービン回転数Ｎｔ）を用い、下記演算式（２０）、（２１）によって算出する。
ηｃ＝コンプレッサ効率マップ（Ｇｃ１、Ｎｔ）検索値 …（２０）
ηｔ＝タービン効率マップ（（Ｇｔ１、Ｎｔ）検索値 …（２１）

最後に、推定エンジントルクＥｓｔＴｑｅについては、推定トルクマップ（引数：エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧Ｐｅｉ）を用いて、下記演算式（２２）によって算出する。
ＥｓｔＴｑｅ＝推定トルクマップ（Ｎｅ、Ｐｅｉ）検索値 …（２２）

上記（１）〜（２２）の演算式を、図５に示すようなフローチャートに従い演算することにより、最終的に推定エンジントルクＥｓｔＴｑｅを算出することができる。
なお、演算過程において入力すべき変数が未計算の場合は、前回計算値あるいは初期値を用いる。

上述したように、吸気系の過渡応答物理モデルとして、ターボ過渡応答物理モデル３００を作成し、本物理モデルを基に推定エンジントルクＥｓｔＴｑｅを演算するから、ターボエンジンの過渡時に複雑なトルク軌道を描いても、推定エンジントルクＥｓｔＴｑｅがトルク軌道に適合したものになり、ターボエンジンにおいても、適切なトルクベース型エンジン制御が可能になる。

トラクションコントロール実施時において、本手法にて演算した目標トルクと推定トルクとの関係を図７に示す。図７に示されているように、定常時において、目標トルクと推定トルクとが一致する。これにより、定常時における不要な点火時期操作が防止でき、ルクベース型エンジン制御において、理想的な低応答＋高応答トルク制御が実施できる。

上記のような特性を有するターボ過渡応答物理モデル３００を作成するためには、各パラメータの演算に用いる各種定数を精密にマッチングする必要がある。例えば、推定トルクを導き出す演算過程においては、大気圧Ｐａ→コンプレッサ上流圧Ｐｃ１→コンプレッサ下流圧Ｐｃ２→吸気圧Ｐｅｉ→推定エンジントルクＥｓｔＴｑｅの様なパラメータ変換を重ねており、上記変換過程には、コンプレッサ圧力比マップ（Ｇｃ１、Ｎｔ）、スロットル前後圧力比マップ（Ｎｅ、ＴＶＯ）、推定トルクマップ（Ｎｅ、Ｐｅｉ）等が用いられている。これらのマップ類が、目標トルク演算部の演算内容と正確に整合が取れていない場合には、図８に示すようにに、目標トルクと推定トルクにずれが生じることになる。

次に、推定トルク演算手段２１０の実施形態２を、図９を用いて説明する。
実施形態２では、上述のマップ類を初めとする、定数の適合が困難であるといった実施形態１における欠点を解消すべく、トルクベース制御骨格部と推定トルク演算部のインターフェースを一部変更している。実施形態２では、過渡応答物理モデル（ターボ過渡応答物理モデル３００）により算出された推定トルク演算値を直接は用いず、正規化処理を行って位相情報のみを取り出して使用する。

実施形態２の推定トルク演算手段２１０は、実施形態１と同等のターボ過渡応答物理モデル３００に加えて、モデル演算推定トルク定常値演算部３０２と、正規化処理部３０３と、推定トルク演算部３０４とを有する。

モデル演算推定トルク定常値演算部３０２は、モデル演算推定トルクの定常値を、想定される全ての運転領域を対象に演算したものを、運転領域毎に格納しているモデル演算推定トルク定常値マップを用いて、モデル演算推定トルク定常値を演算する。

具体的には、全運転領域から適当に動作点（一般にエンジン回転数、エンジン負荷で規定される）を選び、各動作点にて過渡応答物理モデルを用いて推定トルクを演算し、これをモデル演算推定トルクの定常値として、モデル演算推定トルク定常値演算部３０２のモデル演算推定トルク定常値マップに格納する。

過渡応答物理モデルを用いたモデル演算推定トルクの定常値の演算は、図１０に示されているように、演算時間を十分に取り、推定トルク値が一定値に収束するまで演算を継続する。モデル演算推定トルク定常値はモデル演算推定トルク収束値であり、この収束した推定トルク演算結果については、動作点毎にモデル演算推定トルク定常値マップに格納する。

モデル演算推定トルク定常値演算部３０２は、モデル演算推定トルク定常値マップを用いて、モデル演算推定トルク定常値を下記演算式（２３）によって算出する。
モデル演算推定トルク定常値＝モデル演算推定トルク定常値マップ（エンジン回転数、エンジン負荷）検索値 …（２３）

正規化処理部３０３は、ターボ過渡応答物理モデル３００が出力するモデル演算推定トルクの絶対値情報を排除し、位相情報のみ取り出す処理を行うものであり、下記演算式（２４）によってモデル演算推定トルク位相係数を算出する。
モデル演算推定トルク位相係数＝モデル演算推定トルク÷モデル演算推定トルク定常値 …（２４）

本処理によって、定常時には、モデル演算推定トルク位相係数は１となる。
推定トルク演算部３０４は、下記演算式（２５）によって推定トルクを算出する。これにより、目標エンジントルクとの整合が取れた所望の推定トルクが得られる。
推定トルク＝低応答目標トルク×モデル演算推定トルク位相係数 …（２５）

本実施形態の場合には、実施形態第１と異なり、各種マップを厳密に適合しなくとも、定常時におけるトルク偏差を防止できる利点がある。但し、あまりにもラフな適合を行うと、推定トルク精度が低下することは言うまでもない。

次に、推定トルク演算手段２１０の実施形態３を、図１１を用いて説明する。
実施形態３では、ターボ過渡応答物理モデル３００から出力される推定トルク値は用いず、実施形態１では、ターボ過渡応答物理モデル３００の中間パラメータ（ターボチャージャ１１６の状態を示すパラメータ）として扱ったタービン回転数Ｎｔを使用する。

推定トルク演算手段２１０は、無駄時間処理部４００と、一次遅れ処理部４０１と、過給領域判手段４０２を有する。

無駄時間処理部４００は、タービン回転数Ｎｔを引数とする無駄時間のデータテーブルを有し、タービン回転数Ｎｔに対応する無駄時間を設定する。具体的には、図１２（ａ）に示されているように、タービン回転数Ｎｔが低い場合には、無駄時間は大きく、タービン回転数Ｎｔが高い場合には、無駄時間は小さく設定される。また、無駄時間のデータテーブルは、過給領域用と非過給領域用とを有する。

一次遅れ処理部４０１は、タービン回転数Ｎｔを引数とする一次遅れ時定数のデータテーブルを有し、タービン回転数Ｎｔに対応する一次遅れ時定数を設定する。具体的には、図１２（ｂ）に示されているように、タービン回転数Ｎｔが低い場合には、一次遅れ時定数は大きく、タービン回転数Ｎｔが高い場合には一次遅れ時定数は小さく設定される。また、一次遅れ時定数のデータテーブルも、過給領域用と非過給領域用とを有する。

目標吸気圧が大気圧よりも低い場合には、ターボチャージャ１１６が過給を行わずとも（タービン回転数が低くとも）、スロットル開度調整のみで比較的迅速に所望の吸気圧に到達するため、目標吸気圧と大気圧の大小関係を基に、実際に使用する無駄時間及び一次遅れ時定数のデータテーブルを、過給領域用のものと、非過給領域用のものとで、切り換える構成となっている。

このデータテーブルの切換は、目標吸気圧が大気圧より高いか否かを判別する過給領域判手段４０２が出力する信号により行われる。

本実施形態においても、計算式から自明のように、定常時には目標トルクと推定トルクが必ず一致するため、点火リタードや燃料カットが定常時にも継続して実行されるに伴う、燃費悪化や排気温度上昇、トルク変動等を未然に防止できる。

次に、推定トルク演算手段２１０の実施形態４を、図１３を用いて説明する。
実施形態４では、ターボ過渡応答物理モデル３００は用いておらず、より簡易なロジックとしてタイマ４１０を用いてターボラグに対応している。

具体的には、低応答目標トルクに対して無駄時間＋一次遅れ処理を実施するが、その際に１回の加速期間や減速期間を、例えば、加速（減速）初期・中期・終期のように、フェーズ毎に分割し、分割期間毎に、無駄時間や一次遅れ処理の時定数を適合する。

このように、加速（減速）期間をフェーズ毎に分割することにより、ターボエンジンのような複雑なトルク軌道を描くエンジンについても、無駄時間や一次遅れ処理の時定数の適合が可能となり、推定トルク誤差を低減できる。

フェーズ毎に定数を切り替える際の指標としては、加速（減速）判定と同時にカウントを開始するタイマ４１０を用いており、タイマ４１０の経過時間と共に無駄時間および一次遅れ処理の時定数を逐次更新する。

本実施形態では、無駄時間処理部４００は、タイマ４１０により計測される加速からの経過時間を引数とする無駄時間のデータテーブルを有し、加速からの経過時間に対応する無駄時間を設定する。具体的には、図１４（ａ）に示されているように、加速からの経過時間が短いほど、無駄時間は大きく、経過時間が長いほど、無駄時間は小さく設定される。また、この実施形態でも、無駄時間のデータテーブルは、過給領域用と非過給領域用とを有する。

一次遅れ処理部４０１は、タイマ４１０により計測される加速からの経過時間を引数とする一次遅れ時定数のデータテーブルを有し、加速からの経過時間に対応する一次遅れ時定数を設定する。具体的には、図１４（ｂ）に示されているように、加速からの経過時間が短いほど、一次遅れ時定数は大きく、経過時間が長いほど、一次遅れ時定数は小さく設定される。また、一次遅れ時定数のデータテーブルも、過給領域用と非過給領域用とを有する。

目標吸気圧が大気圧よりも低い場合には、ターボチャージャ１１６が過給を行わずとも（タービン回転数が低くとも）、スロットル開度調整のみで比較的迅速に所望の吸気圧に到達するため、目標吸気圧と大気圧の大小関係を基に、実際に使用する無駄時間及び一次遅れ時定数のデータテーブルを、過給領域用のものと、非過給領域用のものとで、切り換える構成となっている。

これらデータテーブルの切換は、実施形態３と同様に、目標吸気圧が大気圧より高いか否かを判別する過給領域判手段４０２が出力する信号により行われる。

ターボラグの発生要因は、実際には複雑であり、ターボラグの度合いは、加減速開始からの経過時間のみによってた単純に規定されるものではないため、本方式をターボエンジンに適用すると、推定トルク誤差が大きくなる可能性がある。しかし、機械式スーパチャージャエンジン等の様に、比較的素直な過給特性を有するエンジンには好適な手法である。

なお、実施形態１〜４では、シングルターボエンジンを対象とした推定トルク演算手法を示しているが、より複雑な構成を有するツインターボエンジン、シーケンシャルツインターボエンジン、また、機械式スーパチャージャエンジンや機械式スーパチャージャとターボチャージャの双方から構成されるツインチャージャエンジン等についても、ターボ過渡応答物理モデル３００を、対象とする過給システムに合わせて変更することにより、対応可能である。

また、近年においては、可変バルブタイミングや可変バルブリフト、可変バルブタイミング＆リフト等、様々な可変バルブシステムが実用化されている。これらのエンジンは、スロットル制御のみのエンジンと比較して吸気システムが複雑であるため、過給エンジン程ではないにせよ、過渡時の発生トルク軌道が複雑となり易く、推定トルク演算ロジックには工夫が必要である。よって、可変バルブシステムについても過給エンジンと同様に、吸排気系部品の挙動を考慮した過渡応答物理モデルを作成し、前記実施例の考え方を適用することにより、高精度なトルク推定ロジックを実現できる。

本発明による制御装置が適用されるターボエンジン対応トルクベースエンジンシステムのハード構成を示す構成図。 ターボエンジン対応トルクベースエンジンシステムの制御系を示すブロック図。 本発明によるエンジンの制御装置に用いられる推定トルク演算手段の実施形態１を示すブロック図。 本発明によるエンジンの制御装置に用いられる推定トルク演算手段に組み込まれるターボ過渡応答物理モデルの演算パラメータを示す図。 実施形態１におけるターボ過渡応答物理モデルの演算ルーチンを示すフローチャート。 実施形態１におけるターボ過渡応答物理モデルに用いる演算マップの内容を示す説明図。 実施形態１における低応答＋高応答トルク制御時の各パラメータの演算内容を示すタイムチャート。 実施形態１における低応答＋高応答トルク制御時の各パラメータの演算内容を示すタイムチャート。 本発明によるエンジンの制御装置に用いられる推定トルク演算手段の実施形態２を示すブロック図。 実施形態２におけるモデル演算推定トルク定常値マップの内容を示す説明図。 本発明によるエンジンの制御装置に用いられる推定トルク演算手段の実施形態３を示すブロック図。 （ａ）、（ｂ）は実施形態３における推定トルク演算に用いるデータマップの内容を示す説明図。 本発明によるエンジンの制御装置に用いられる推定トルク演算手段の実施形態４を示すブロック図。 （ａ）、（ｂ）は実施形態４における推定トルク演算に用いるデータマップの内容を示す説明図。実施形態４における推定トルク演算に用いるマップの内容を示す図 従来例における低応答＋高応答トルク制御時の各パラメータの演算内容を示すタイムチャート。 従来例における低応答＋高応答トルク制御時の各パラメータの演算内容を示すタイムチャート。 従来の推定トルク演算方法を示すブロック図。 従来の推定トルク演算方法における目標トルクと推定トルクの関係を示すタイムチャート。 従来の推定トルク演算方法における目標トルクと推定トルクの関係を示すタイムチャート。 従来の推定トルク演算方法を示すブロック図。 従来の推定トルク演算方法における目標トルクと推定トルクの関係を示すタイムチャート。 従来の推定トルク演算方法における目標トルクと推定トルクの関係を示すタイムチャート。

符号の説明

１００ 燃焼室
１０１ アクセルペダル
１０２ エンジンコントロールユニット
１０３ インジェクタ
１０４ 吸気バルブ
１０５ 排気バルブ
１０６ 点火プラグ
１０７ 電制スロットル
１０８ 吸気圧センサ
１０９ インテークマニホールド
１１０ ピストン
１１１ 吸気管
１１２ 排気管
１１３ ウエストゲート
１１４ ウエストゲートバルブ
１１５ ウエストゲートバルブコントロールユニット
１１６ ターボチャージャ
１１７ コンプレッサ
１１８ タービン
２００ 最大トルク設定値演算手段
２０１ アイドル要求トルク演算手段
２０２ ドライバ要求トルク演算手段
２０３ 目標トルク演算手段
２０４ 最大トルク設定値
２０５ 目標過給圧演算手段
２０６ 目標ウエストゲートデュティ演算手段
２０７ 低応答目標トルク
２０８ 目標吸気圧演算手段
２０９ 目標スロットル開度演算手段
２１０ 推定トルク演算手段
２１２ 点火・燃料操作用トルク補正率演算手段
２１３ トルク操作方法選択手段
２１４ トルク操作量振分け手段
２１５ 点火時期補正量演算手段
２１６ 燃料カット気筒数演算手段
３００ ターボ過渡応答物理モデル
３０２ モデル演算推定トルク定常値演算部
３０３ 正規化処理部
３０４ 推定トルク演算部
４００ 無駄時間処理部
４０１ 一次遅れ処理部
４０２ 過給領域判定手段
４１０ タイマ

Claims (9)

1. エンジントルク制御時における実発生のエンジントルクを推定する推定トルク演算手段を備え、前記トルク推定手段によって推定されたエンジントルク推定値を用いてエンジンのトルク操作を行うエンジンの制御装置であって、
   前記推定トルク演算手段は、エンジンの吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルを有し、前記過渡応答物理モデルを用いてエンジントルク推定値を算出することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記推定トルク演算手段は、前記過渡応答物理モデルによって演算された吸気管圧情報を基にエンジントルク推定値への変換を実施することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記推定トルク演算手段は、前記過渡応答物理モデルによって演算された吸気管圧情報を基にエンジントルク推定値への変換を実施し、当該トルク推定値が定常時に１となるように正規化処理を行い、正規化されたエンジントルク推定値と、前記目標エンジントルクとの積算を行って最終的なエンジントルク推定値を算出することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記推定トルク演算手段は、目標エンジントルクをベースに無駄時間＋一次遅れ処理を行ってエンジントルク推定値を算出し、前記無駄時間および一次遅れ処理に用いる時定数は、前記過渡応答物理モデルによって演算された前記吸排気系部品の状態を示すパラメータを基に可変設定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルは、ターボチャージャを対象とした物理モデルであることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルは、機械式スーパチャージャを対象とした物理モデルであることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のエンジンの制御装置。
7. 前記エンジンの吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルは、可変バルブシステムを対象とした物理モデルであることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載のエンジンの制御装置。
8. エンジントルク制御時における実発生のエンジントルクを推定する推定トルク演算手段を備え、前記トルク推定手段によって推定されたエンジントルク推定値を用いてエンジンのトルク操作を行うエンジンの制御装置であって、
   前記推定トルク演算手段は、目標エンジントルクをベースに無駄時間＋一次遅れ処理を行ってエンジントルク推定値を算出し、前記無駄時間および一次遅れ処理に用いる時定数を１回の加速あるいは減速期間中に、少なくとも２回切り換えることを特徴とするエンジンの制御装置。
9. エンジンの吸排気系部品に関する過渡応答物理モデルを用いてエンジントルク制御時における実発生のエンジントルクを推定し、当該推定によるエンジントルク推定値を用いてエンジンのトルク操作を行うエンジンの制御方法。

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