JP2009270482A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク制御用の物理モデルを用いて内燃機関のクランク軸トルクを要求トルクに応じて制御するトルク制御を実行するシステムにおいて、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティを比較的簡単な構成で向上させる。
【解決手段】エアフローメータ１４として、応答遅れ時間（時定数）がトルク制御の処理周期以下となる高応答型のエアフローメータを用いる。スロットル通過空気量が変化する過渡時においても、定常時と同様に、エアフローメータ１４で検出したスロットル通過空気量を用いてトルク制御用の物理モデルのモデル化誤差を補償してトルク制御を実行する。これにより、過渡時のトルク制御の制御精度を向上できて、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティを、エアフローメータ１４のみの比較的簡単な構成で向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エアフローメータで検出したスロットル通過空気量（吸入空気量）を用いて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置に関する発明である。

従来より、スロットル通過空気量（吸入空気量）を検出するエアフローメータの出力特性には応答遅れがあることが知られている。そこで、特許文献１（特許第２６４３３９４号公報）に記載されているように、エアフローメータの応答遅れの時定数から補正係数を求めて、この補正係数とエアフローメータの出力変化量とを用いてエアフローメータの出力を補正してエアフローメータの応答遅れを補償するようにしたものがある。
しかし、吸入空気量が様々に変化する過渡時には、応答遅れの時定数を精度良く算出することは困難であり、応答遅れの補償精度が悪化する。

また、特許文献２（特開昭６２−２９１４４４号公報）に記載されているように、定常時には、エアフローメータの出力から筒内充填空気量を算出し、過渡時には、スロットル開度とエンジン回転速度を用いて筒内充填空気量を推定したり、或は、特許文献３（特開２００３−３１４３４７号公報）の段落［０００４］に記載されているように、エアフローメータと吸気管圧力センサの両方を搭載して、定常時には、エアフローメータの出力から筒内充填空気量を算出し、過渡時には、吸気管圧力センサで検出した吸気管圧力とエンジン回転速度を用いて筒内充填空気量を推定するようにしたものがある。
特許第２６４３３９４号公報（第１頁〜第２頁等参照） 特開昭６２−２９１４４４号公報（第１頁等参照） 特開２００３−３１４３４７号公報（段落［０００４］等参照）

しかし、上記特許文献２，３のように、過渡時に、スロットル開度又は吸気管圧力を用いて筒内充填空気量を推定する方法では、筒内充填空気量を推定するモデルの誤差分だけ推定筒内充填空気量がずれてしまい、さらに、吸気管圧力を用いる場合には、吸気密度分の誤差を原理上含んでいるため、その分、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティが悪化することは避けられない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティを比較的簡単な構成で向上できる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、スロットル通過空気量を検出するエアフローメータを備え、物理モデルを用いて内燃機関のクランク軸トルクを要求クランク軸トルクに応じて制御するトルク制御を実行する内燃機関の制御装置において、前記エアフローメータの応答遅れ時間が前記トルク制御の処理周期以下となるように構成され、前記エアフローメータで検出したスロットル通過空気量を用いて前記物理モデルのモデル化誤差を補償するモデル化誤差補償手段と、前記スロットル通過空気量が変化する過渡時においても定常時と同様に前記モデル化誤差補償手段で前記物理モデルのモデル化誤差を補償して前記トルク制御を実行するトルク制御手段とを備えた構成としたものである。この構成では、エアフローメータの応答遅れ時間がトルク制御の処理周期以下となるように構成されているため、過渡時でも、トルク制御の処理周期毎にエアフローメータの出力からスロットル通過空気量を精度良く検出することができる。これにより、エアフローメータで検出したスロットル通過空気量を用いて物理モデルのモデル化誤差を精度良く補償することが可能となり、過渡時のトルク制御の制御精度を向上できて、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティを、エアフローメータのみの比較的簡単な構成で向上することができる。

この場合、請求項２のように、内燃機関を自動停止・自動再始動するアイドルストップ手段を備え、前記アイドルストップ手段は、車両が停止する前であっても所定の自動停止条件が成立したときに自動停止処理を開始し、その自動停止処理により内燃機関回転速度が急低下する途中で所定の自動再始動条件が成立したときに燃料噴射を再開して内燃機関を自動再始動し、前記トルク制御手段は、前記アイドルストップ手段による自動再始動時においても前記モデル化誤差補償手段で前記物理モデルのモデル化誤差を補償して前記トルク制御を実行するようにしても良い。このようにすれば、車両が停止する前から燃料カット領域拡大等のために自動停止処理を開始するアイドルストップ手段を搭載した車両において、自動停止処理開始後の内燃機関回転速度が急低下する急過渡時に自動再始動する場合でも、精度の良いトルク制御を実行して、自動再始動時のトルクショックを防止することができ、スムーズな自動再始動を行うことができる。

また、請求項３のように、スロットル通過空気量を検出するエアフローメータを備え、内燃機関の筒内充填空気量を目標筒内充填空気量に制御するために、スロットル通過空気量を制御する内燃機関の制御装置において、前記エアフローメータの応答遅れ時間が前記スロットル通過空気量制御の処理周期以下となるように構成され、前記スロットル通過空気量が変化する過渡時においても定常時と同様に前記エアフローメータで検出したスロットル通過空気量を用いて前記スロットル通過空気量制御を実行するスロットル通過空気量制御手段を備えた構成としても良い。この構成では、エアフローメータの応答遅れ時間がスロットル通過空気量制御の処理周期以下となるように構成されているため、過渡時でも、スロットル通過空気量制御の処理周期毎にエアフローメータの出力からスロットル通過空気量を精度良く検出することができる。これにより、過渡時のスロットル通過空気量制御の制御精度を向上できて、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティをエアフローメータのみの比較的簡単な構成で向上することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、スロットル通過空気量（吸入空気量）を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４は、スロットル通過空気量の変化に応じて出力が応答良く変化する高応答型のエアフローメータである。

このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。

また、エンジン１１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２６が取り付けられている。また、エンジン１１のクランク軸２７の外周側には、クランク軸２７が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２８が取り付けられ、このクランク角センサ２８の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された後述する図３のトルク制御ルーチンを実行することで、物理モデルを用いてエンジン１１のクランク軸トルクを要求クランク軸トルクに応じて制御するトルク制御を実行する。その際、ＥＣＵ３０は、スロットル通過空気量が変化する過渡時においても、定常時と同様に、エアフローメータ１４で検出したスロットル通過空気量を用いて前記物理モデルのモデル化誤差を補償してトルク制御を実行するようにしている。

前述したように、エアフローメータ１４は、スロットル通過空気量の変化に応じて出力が応答良く変化する高応答型のエアフローメータであり、エアフローメータ１４の応答遅れ時間がトルク制御の処理周期以下となるように構成されている。ここで、エアフローメータ１４の応答遅れ時間は、スロットル通過空気量の変化に対してエアフローメータ１４の出力が最終的な収束値の６３．２％を越えるまでの時間であり、一般に時定数と呼ばれている。

このエアフローメータ１４で検出したスロットル通過空気量に基づいて物理モデルのモデル化誤差を補償する方法を、図２を用いて説明する。図２に示す機能は、ＥＣＵ３０が実行する図３のトルク制御ルーチンに組み込まれ、特許請求の範囲でいうモデル化誤差補償手段としての役割を果たす。

まず、ベンチュリの原理に基づいてスロットル通過空気量を演算する物理モデルｆ(u) を使用し、計測したスロットル開度、吸気温、大気圧、吸気管圧力を物理モデルｆ(u) に入力して、推定スロットル通過空気量を算出し、この推定スロットル通過空気量とエアフローメータ１４の検出値との差分であるモデル化誤差に定数Ｋを乗算した値を、推定スロットル通過空気量に加算することで、モデル化誤差を補償したスロットル通過空気量を求める。このスロットル通過空気量を使用して、クランク軸トルクの推定等が行われる。また、上記モデル化誤差に定数γを乗算した値を、目標スロットル通過空気量から減算した値（モデル化誤差を補償した目標スロットル通過空気量）を、上記物理モデルの逆モデルｆ^-1(u) に入力して目標スロットル開度を演算する。逆モデルには、モデル化誤差を補償した目標スロットル通過空気量に実スロットル通過空気量を制御するＦ／Ｂコントローラによる補償を含んでも良い。

次に、ＥＣＵ３０によって実行される図３のトルク制御ルーチンの処理内容を説明する。図３のトルク制御ルーチンは、エンジン運転中に所定周期（例えば８ｍｓ周期）で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうトルク制御手段としての役割を果たす。本ルーチンの処理周期は、高応答型のエアフローメータ１４の応答遅れ時間（時定数）よりも長く、かつクランク軸トルクを好適に制御できる周期に設定されている。また、本ルーチンは、スロットル通過空気量が変化する過渡時においても、定常時と同様に処理される。

本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、アクセル開度、エンジン回転速度、車速等に基づいて要求クランク軸トルクを算出し、次のステップ１０２で、要求クランク軸トルクとエンジン回転速度に基づいて要求筒内充填空気量を算出する。

この後、ステップ１０３に進み、要求筒内充填空気量に基づいて目標吸気管圧力を要求筒内充填空気量演算モデルの逆モデルにより算出する。この要求筒内充填空気量演算モデルの逆モデル（多項式近似）は次式で表される。

この後、ステップ１０４に進み、筒内のエンジンオイルの吸い上げを防止するための下限吸気管圧力と、空気量不足による燃焼状態の悪化を防止するための下限筒内充填空気量とを、エンジン運転条件に応じてマップ等により算出する。

そして、次のステップ１０５で、目標吸気管圧力、下限吸気管圧力、下限筒内充填空気量から目標筒内充填空気量を算出する。具体的には、目標吸気管圧力と下限吸気管圧力とを比較し、目標吸気管圧力≧下限吸気管圧力の場合は、目標吸気管圧力に基づいて目標筒内充填空気量を算出し、この目標筒内充填空気量を下限筒内充填空気量でガード処理する（例えば目標筒内充填空気量＜下限筒内充填空気量の場合は、目標筒内充填空気量＝下限筒内充填空気量とする）。一方、目標吸気管圧力＜下限吸気管圧力の場合は、下限吸気管圧力を目標吸気管圧力とみなして（目標吸気管圧力＝下限吸気管圧力にセットして）、下限吸気管圧力に基づいて目標筒内充填空気量を算出し、この目標筒内充填空気量を下限筒内充填空気量でガード処理する。

この後、ステップ１０６に進み、充填効率を考慮した物理モデルである筒内充填空気量演算モデルの逆モデルを用いて、目標筒内充填空気量に基づいて目標スロットル通過空気量を算出する。この筒内充填空気量演算モデルの逆モデルは、次式で表される。

この後、ステップ１０７に進み、吸気マニホールドモデルの逆モデルを用いて目標スロットル通過空気量から要求吸気管圧力を算出する。吸気マニホールドモデルの逆モデルは、次式で表される。

この後、ステップ１０８に進み、エアフローメータ１４で検出したスロットル通過空気量を用いて、図２の方法でモデル化誤差を補償した目標スロットル通過空気量を算出し、次のステップ１０９で、この目標スロットル通過空気量を目標スロットル開度に換算する。これらステップ１０８、１０９の処理は、次式で表される物理モデルであるスロットルモデルの逆モデルにより行われる。

その後、ステップ１１０に進み、実スロットル開度を目標スロットル開度に一致させるようにスロットルバルブ１６をモータ１５により駆動する。以上の処理により、エンジン１１のクランク軸トルクを要求クランク軸トルクに応じて制御するトルク制御を実行する。

以上説明した本実施例では、エアフローメータ１４として、応答遅れ時間（時定数）がトルク制御の処理周期以下となる高応答型のエアフローメータを用いるようにしているため、過渡時でも、トルク制御の処理周期毎にエアフローメータ１４の出力からスロットル通過空気量を精度良く検出することができる。その結果、エアフローメータ１４で検出したスロットル通過空気量に基づいてスロットルモデルの逆モデルのモデル化誤差を精度良く補償することが可能となり、過渡時のトルク制御の制御精度を向上できて、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティを、エアフローメータ１４のみの比較的簡単な構成で向上できる。

本発明は、エンジン１１を自動停止・自動再始動するアイドルストップ手段を備え、車両が停止する前であっても所定の自動停止条件が成立したときに燃料カット、点火カット、吸排気バルブの閉塞等して自動停止処理を開始し、その自動停止処理により内燃機関回転速度が急低下する途中で所定の自動再始動条件が成立したときに燃料噴射を再開してエンジン１１を自動再始動する車両において、アイドルストップ手段による自動再始動時においても、上記実施例と同様の方法で物理モデル（スロットルモデルの逆モデル）のモデル化誤差を補償してトルク制御を実行するようにしても良い。このようにすれば、車両が停止する前から燃料カット領域拡大等のために自動停止処理を開始するアイドルストップ手段を搭載した車両において、自動停止処理開始後のエンジン回転速度が急低下する急過渡時に自動再始動する場合でも、精度の良いトルク制御を実行して、自動再始動時のトルクショックを防止することができ、スムーズな自動再始動を行うことができる。

また、本発明は、エンジン１１の筒内充填空気量を目標筒内充填空気量に制御するために、スロットル通過空気量を制御するシステムにおいて、エアフローメータ１４として、応答遅れ時間（時定数）がスロットル通過空気量制御の処理周期以下となる高応答型のエアフローメータを用い、スロットル通過空気量が変化する過渡時においても、定常時と同様に、エアフローメータ１４で検出したスロットル通過空気量を用いて、スロットル通過空気量（スロットル開度）を制御するようにしても良い。この構成では、エアフローメータ１４の応答遅れ時間がスロットル通過空気量制御の処理周期以下となるように構成されているため、過渡時でも、スロットル通過空気量制御の処理周期毎にエアフローメータ１４の出力からスロットル通過空気量を精度良く検出することができる。これにより、過渡時のスロットル通過空気量制御の制御精度を向上できて、過渡時の空燃比制御性やドライバビリティをエアフローメータ１４のみの比較的簡単な構成で向上できる。

尚、本発明は、図１に示すような吸気ポート噴射エンジンに限定されず、筒内噴射エンジンや、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射エンジンにも適用して実施できる。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 エアフローメータで検出したスロットル通過空気量に基づいて物理モデルのモデル化誤差を補償する機能を説明するブロック図である。 トルク制御ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１４…エアフローメータ、１６…スロットルバルブ、１７…スロットル開度センサ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、２４…排出ガスセンサ、２８…クランク角センサ、３０…ＥＣＵ（モデル化誤差補償手段，トルク制御手段）

Claims (3)

1. スロットル通過空気量を検出するエアフローメータを備え、物理モデルを用いて内燃機関のクランク軸トルクを要求クランク軸トルクに応じて制御するトルク制御を実行する内燃機関の制御装置において、
   前記エアフローメータの応答遅れ時間が前記トルク制御の処理周期以下となるように構成され、
   前記エアフローメータで検出したスロットル通過空気量を用いて前記物理モデルのモデル化誤差を補償するモデル化誤差補償手段と、
   前記スロットル通過空気量が変化する過渡時においても前記モデル化誤差補償手段で前記物理モデルのモデル化誤差を補償して前記トルク制御を実行するトルク制御手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 内燃機関を自動停止・自動再始動するアイドルストップ手段を備え、
   前記アイドルストップ手段は、車両が停止する前であっても所定の自動停止条件が成立したときに自動停止処理を開始し、その自動停止処理により内燃機関回転速度が急低下する途中で所定の自動再始動条件が成立したときに燃料噴射を再開して内燃機関を自動再始動し、
   前記トルク制御手段は、前記アイドルストップ手段による自動再始動時においても前記モデル化誤差補償手段で前記物理モデルのモデル化誤差を補償して前記トルク制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. スロットル通過空気量を検出するエアフローメータを備え、内燃機関の筒内充填空気量を目標筒内充填空気量に制御するために、スロットル通過空気量を制御する内燃機関の制御装置において、
   前記エアフローメータの応答遅れ時間が前記スロットル通過空気量制御の処理周期以下となるように構成され、
   前記スロットル通過空気量が変化する過渡時においても前記エアフローメータで検出したスロットル通過空気量を用いて前記スロットル通過空気量制御を実行するスロットル通過空気量制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

Images