JP2010025046A - 内燃機関の制御システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入空気量を調整する調整機構の耐久性を悪化させることなく内燃機関を円滑に制御する。
【解決手段】ＥＣＵは、アクセル開度と、車両状態に応じた車両制御からの要求とに応じて、要求出力トルクＴｒｑを算出する（Ｓ１００）。さらに、ＥＣＵは、現在のスロットル開度に基づいて、次のトルク制御タイミング、すなわち所定期間経過後における、実現可能なロットル開度の上限値Ｔａｍｘおよび下限値Ｔａｍｎを予測し（Ｓ１２０）、かつ、これらの開度上下限値に対応させて、実現可能な吸入空気量の上下限値Ｋｌｍｘ，Ｋｌｍｎおよび実現可能なエンジン出力トルク範囲Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎを順次推定する（Ｓ１３０〜Ｓ１４０）。さらに、ＥＣＵは、要求出力トルクを出力トルク範囲にガードするようにして目標出力トルクＴｑｒｆを算出し（Ｓ１５０）、さらに、目標出力トルクＴｑｒｆに従って目標スロットル開度を算出する（Ｓ１６０）。
【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の制御システムおよび制御方法に関し、より特定的には、要求出力トルクに従って制御される内燃機関の制御技術に関する。

運転者のアクセルペダル操作とは独立にエンジン出力トルクを制御することが可能な構成の車両において、運転者のアクセルペダル操作量や車両の運転条件に基づいて算出された正負の車両駆動力をベースに、これを実現するためのエンジンへの要求出力トルクを算出し、この要求出力トルクを基準値としたエンジン制御を実行する、いわゆるトルクディマンド方式のエンジン制御が知られている。トルクディマンド方式のエンジン制御では、このように設定された要求出力トルクに応じて、燃料噴射量や吸入空気量等の調整機構が制御される。

このようなトルクディマンド方式の車両制御装置について、特開２００７−２５５４０２号公報（特許文献１）では、車軸トルクの制御において、車軸トルクを上下限ガード値の範囲内でその要求値に制御するとともに、要求値と上下限ガード値とが一致するときには、実際の車軸トルクに基づいて上下限ガード値を補正することが記載されている。また、上下限ガード値は、スロットル開度の全開値（最大値）および全閉値（最小値）に対応させて求めた最大／最小エンジントルクから算出することが記載されている。

さらに、特開２００３−２２７３７１号公報（特許文献２）には、加減速時のトルクショックの発生を軽減してドライバの意思に沿ったエンジン出力を得るために、ドライバ要求トルクに基づいて目標要求トルクを設定する際に、トルク変化量に上限値を設定するように構成された電子スロットル制御装置制御構成が記載されている。

また、特開２００１−２４８４８７号公報（特許文献３）には、運転者が操作したアクセル開度に基づいて要求出力トルクを設定する際に、アクセル開度が所定開度以上の領域では、アクセル開度とエンジン回転速度に応じて設定した基準要求トルクを要求トルク補正量で増量補正して最終的な要求トルクを求めることが記載されている。この結果、アクセル開度が所定開度以上の領域では、要求トルクを現在の回転速度における設計上の最大トルクよりも大きく設定することとなるため、製造ばらつきや経時変化、環境変化等があってもそのエンジンの出力性能を最大限に引き出すことが可能となる。

一方、吸入空気量を調整するためのスロットル開度の制限に着目したものとして、特開２００５−２４８７２８号公報（特許文献４）には、パワーオフアップシフト時に出力要求がなされた場合に、変速進行度とアクセル操作量に対応する目標スロットル指令値とに応じてスロットル指令値を求め、当該指令値に従って電子スロット弁を制御する変速制御が記載されている。これによると、エンジン回転速度が急上昇したり、自動変速機の摩擦係合装置の熱負荷が過大になったり、エンジントルクの増大によって変速ショックが悪化したりすることを抑制しつつ、出力要求に応じた所定の出力軸トルクを速やかに得ることができる。

また、特開２００５−３３７０８３号公報（特許文献５）には、アクセルオフからアクセルオンへの切換時には、アクセルオンからの所定期間において、アクセル操作量にかかわらずスロットル開度を上限スロットル開度以下に制限するとともに、該所定期間の経過後には、制限されていたトルクに基づいて、ドライバ要求トルクを増量補正する制御構成が記載されている。これにより、車両のアクセルオン時の前後振動が抑制される。
特開２００７−２５５４０２号公報 特開２００３−２２７３７１号公報 特開２００１−２４８４８７号公報 特開２００５−２４８７２８号公報 特開２００５−３３７０８３号公報

上述のようなトルクディマンド方式のエンジン制御では、アクセル開度のみによらず、車両状態に応じて、エンジンへの要求出力トルクが増減される場面が存在する。たとえば、車両の速度制御を一定速度に制御するクルーズ制御や、車輪の駆動輪の空転を抑制するトラクション制御、車両の走行時の横滑りを抑制するスタビリティ制御等、各種の車両制御からの要求で、エンジン要求トルクが増減される可能性がある。

このように、車両状態に応じてエンジンへの要求出力トルクが急激に変化すると、当該トルクを実現するために、エンジン制御によるアクチュエータへの動作要求が過大なものとなるおそれがある。たとえば、吸入空気量の調整機構に対して、その操作量を大幅に変化させるようなアクチュエータへの動作指令値が生成されると、代表的には、モータをアクチュエータとする電子スロットルバルブにおいて、その動作が必要以上に大きくなり、モータの過熱やギヤ機構の磨耗等によって、機器の耐久性が悪化する可能性がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、吸入空気量を調整する調整機構の機器耐久性を悪化させることなく、トルクディマンド型の内燃機関を円滑に制御することである。

この発明による内燃機関の制御システムは、調整機構と、検出器と、トルク範囲推定部と、制御目標設定部とを備える。調整機構は、アクチュエータによって制御される操作量に応じて内燃機関の吸入空気量を調整するように構成される。検出器は、調整機構の操作量を検出するように構成される。トルク範囲推定部は、検出器による検出値に基づいて、所定期間経過後における操作量の変化可能範囲に対応させて、所定期間経過後において実現可能な内燃機関の出力トルク範囲を推定するように構成される。要求トルク算出部は、車両状態および運転者要求に基づいて、内燃機関への要求出力トルクを算出するように構成される。目標トルク設定部は、要求トルク算出部およびトルク範囲算出部の算出結果の比較に基づいて、実現可能な出力トルク範囲に限定して要求出力トルクに従って内燃機関の目標出力トルクを設定するように構成される。制御目標設定部は、目標出力トルクに従ってアクチュエータによる目標操作量を設定する。

この発明による内燃機関の制御方法は、アクチュエータによって制御される操作量に応じて内燃機関の吸入空気量を調整する調整機構と、操作量を検出する検出器とを備えた内燃機関の制御方法であって、検出器による検出値に基づいて、所定期間経過後における操作量の変化可能範囲に対応させて、所定期間経過後において実現可能な前記内燃機関の出力トルク範囲を推定するステップと、車両状態および運転者要求に基づいて、内燃機関への要求出力トルクを算出するステップと、算出された実現可能な出力トルク範囲に限定して、要求出力トルクに従って内燃機関の目標出力トルクを設定するステップと、目標出力トルクに従ってアクチュエータによる目標操作量を設定するステップとを備える。

好ましくは、調整機構は、目標操作量に従って開度を制御されるスロットルバルブにより構成される。あるいは、調整機構は、目標操作量に従ってバルブリフト量を制御される吸気バルブにより構成される。

上記内燃機関の制御システムおよび制御方法によれば、車両状態および運転者要求に基づいた内燃機関への要求出力トルクに従って、上下限ガードのための出力トルク範囲内で内燃機関の目標出力トルクを設定する際に、当該出力トルク範囲を、吸入空気量を調整する調整機構（たとえば、スロットルバルブやバルブリフト量を可変制御可能な吸気バルブ）の所定期間内における作動可能範囲に対応させて設定することができる。この結果、調整機構の動作が急激かつ過大とならないように制限しつつ、内燃機関の目標出力トルクを設定することができる。この結果、調整機構の機器耐久性を悪化させることなく、トルクディマンド方式のエンジン制御を円滑に実行できる。

また好ましくは、上記所定期間は、内燃機関のトルク制御周期に相当する。
このようにすると、エンジントルクの制御周期に合致させて、調整機構が実現可能な操作量の範囲を超えないように上下限ガード値（出力トルク範囲）を算出することができる。この結果、上下限ガードのための出力トルク範囲を適正に設定できる。

さらに好ましくは、トルク範囲算出部は、作動可能範囲予測部と、空気量範囲推定部と、上下限トルク推定部とを含む。作動可能範囲予測部は、検出器により検出された現在の操作量に基づいて、所定期間経過後における操作量の上限値および下限値を推定する。空気量範囲推定部は、予測された上限値および下限値にそれぞれ対応した、調整機構による上限吸入空気量および下限吸入空気量を推定する。上下限トルク推定部は、上限吸入空気量および下限吸入空気量にそれぞれ対応した、内燃機関の上限出力トルクおよび下限出力トルクを推定する。そして、目標トルク設定部は、要求出力トルクが上限出力トルクより高いときに、上限出力トルクを目標出力トルクに設定し、要求出力トルクが下限出力トルクより低いときに、上限出力トルクを目標出力トルクに設定する一方で、要求出力トルクが下限出力トルクから上限出力トルクまでの範囲内であるときに、要求出力トルクに設定する。

あるいは上記出力トルク範囲を算出するステップは、検出器により検出された現在の操作量に基づいて、所定期間経過後における操作量の上限値および下限値を予測するステップと、予測された上限値および下限値にそれぞれ対応した、調整機構による上限吸入空気量および下限吸入空気量を推定するステップと、推定された上限吸入空気量および下限吸入空気量にそれぞれ対応した、内燃機関の上限出力トルクおよび下限出力トルクを算出するステップとを含む。そして、上記目標出力トルクを設定するステップは、要求出力トルクが上限出力トルクより高いときに、上限出力トルクを目標出力トルクに設定し、要求出力トルクが下限出力トルクより低いときに、上限出力トルクを目標出力トルクに設定する一方で、要求出力トルクが下限出力トルクから上限出力トルクまでの範囲内であるときに、要求出力トルクに設定する。

このようにすると、調整機構の現在の操作量に基づいて、所定期間経過後に実現可能な操作量の上限値および下限値を予測することに基づいて、所定期間経過後における吸入空気量上下限値およびそれに対応した出力トルクの上下限値を順次推定することができる。これにより、上下限ガードのための出力トルク範囲を適正に設定できる。

このように、本発明による内燃機関の制御システムおよび制御方法によれば、吸入空気量を調整する調整機構の機器耐久性を悪化させることなく、トルクディマンド型の内燃機関を円滑に制御することができる。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態による内燃機関の制御システムまたは制御方法によって制御されるエンジンシステムの構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、本実施の形態に係る制御システムまたは制御方法は、たとえば図１に示すＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０００の動作、代表的には、ＲＯＭ（Read Only Memory）４００２に記憶されたプログラムを実行するソフトウェア的動作により実現される。なお、ＥＣＵ４０００は複数のＥＣＵに分割するようにしてもよい。また、ＥＣＵ４０００により実行されるプログラムをＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に記録して市場に流通させてもよい。

エンジン１０００は、車両に駆動源として搭載される。エンジン１０００は、「Ａ」バンク１０１０と「Ｂ」バンク１０１２とに、それぞれ４つの気筒（シリンダ）からなる気筒群が設けられたＶ型８気筒エンジンである。なお、Ｖ型８気筒以外の形式のエンジンを用いるようにしてもよい。

エンジン１０００には、エアクリーナ１０２０から空気が吸入される。吸入空気量は、スロットルバルブ１０３０の開度により調整される。スロットルバルブ１０３０はモータ１０２５により駆動される電子スロットルバルブである。本実施の形態では、代表的に、スロットルバルブ１０３０が、吸入空気量を調整する「調整機構」に対応し、スロットル開度が「操作量」に対応する。

空気は、吸気管１０３２を通ってシリンダ１０４０に導入される。空気は、シリンダ１０４０（燃焼室）において燃料と混合される。シリンダ１０４０には、インジェクタ１０５０から燃料が直接噴射される。すなわち、インジェクタ１０５０の噴射孔はシリンダ１０４０内に設けられている。

燃料は吸気行程において噴射される。なお、燃料が噴射される時期は、吸気行程に限らない。また、本実施の形態においては、インジェクタ１０５０の噴射孔がシリンダ１０４０内に設けられた直噴エンジンとしてエンジン１０００を説明するが、直噴用のインジェクタ１０５０に加えて、ポート噴射用のインジェクタを設けてもよい。さらに、ポート噴
射用のインジェクタのみを設けるようにしてもよい。

シリンダ１０４０内の混合気は、点火プラグ１０６０により着火され、燃焼する。燃焼後の混合気、すなわち排気ガスは、三元触媒１０７０により浄化された後、車外に排出される。混合気の燃焼によりピストン１０８０押し下げられ、クランクシャフト１０９０が回転する。

シリンダ１０４０の頭頂部には、インテークバルブ１１００およびエキゾーストバルブ１１１０が設けられる。インテークバルブ１１００はインテークカムシャフト１１２０により駆動される。エキゾーストバルブ１１１０はエキゾーストカムシャフト１１３０により駆動される。インテークカムシャフト１１２０とエキゾーストカムシャフト１１３０とは、チェーンやギヤ等により連結され、同じ回転速度で回転する。

さらに、インテークカムシャフト１１２０およびエキゾーストカムシャフト１１３０のうちの少なくともいずれか一方は、クランクシャフト１０９０とチェーンやベルト等により連結される。インテークカムシャフト１１２０およびエキゾーストカムシャフト１１３０は、クランクシャフト１０９０の２分の１の回転速度で回転する。

インテークバルブ１１００は、インテークカムシャフト１１２０に設けられたインテーク用ＶＶＴ機構２０００により、位相（開閉タイミング）が制御される。エキゾーストバルブ１１１０は、エキゾーストカムシャフト１１３０に設けられたエキゾースト用ＶＶＴ機構３０００により、位相（開閉タイミング）が制御される。

たとえば、インテークカムシャフト１１２０およびエキゾーストカムシャフト１１３０がＶＶＴ機構２０００，３０００により回転されることにより、インテークバルブ１１００およびエキゾーストバルブ１１１０の位相が制御される。なお、位相を制御する方法はこれに限らない。

インテーク用ＶＶＴ機構２０００およびエキゾースト用ＶＶＴ機構３０００は、電動モータにより作動する。なお、インテーク用ＶＶＴ機構２０００もしくはエキゾースト用ＶＶＴ機構３０００を油圧により作動するようにしてもよい。また、ＶＶＴ機構には、公知の技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰返さない。さらに、インテークバルブ１１００およびエキゾーストバルブ１１１０のうちのいずれか一方のみの位相を変更するようにしてもよい。

ＥＣＵ４０００には、クランク角センサ５０００からクランクシャフト１０９０の回転速度およびクランク角を表す信号が入力される。また、ＥＣＵ４０００には、カムポジションセンサ５０１０からインテークカムシャフト１１２０およびエキゾーストカムシャフト１１３０の位相（回転方向におけるカムシャフトの位置）を表す信号が入力される。

さらに、ＥＣＵ４０００には、水温センサ５０２０からのエンジン１０００の水温（冷却水の温度）を表す信号、エアフローメータ５０３０からのエンジン１０００の吸入空気量（エンジン１０００に吸入される空気量）を表す信号、および、開度センサ５０４０からのスロットルバルブ１０３０の開度を表す信号が入力される。すなわち、ＥＣＵ４０００は開度センサ５０４０の出力値に基づいて、スロットルバルブ１０３０の現在の開度（すなわち、操作量）を把握することができる。

ＥＣＵ４０００は、これらのセンサから入力された信号、メモリ（図示せず）に記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１０００が所望の運転状態になるように、スロットル開度、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、バルブ位相（開閉タイミング）などを制御する。

図２は、本発明の実施の形態による内燃機関の制御システムの構成を説明する機能ブロック図である。なお、図２に示す各機能ブロックは、代表的には、図１に示したＥＣＵ４０００による所定プログラムの実行によってソフトウェア的により実現されるが、以下に説明する各機能を実現するためのハードウェア（電子回路）によって実現されてもよい。

図２を参照して、本実施の形態による内燃機関のエンジンシステムは、要求トルク算出部１００と、作動可能範囲推定部１１０と、空気量範囲推定部１２０と、トルク換算部１３０と、トルクガード部１４０と、アクチュエータ目標設定部１５０とを含む。

要求トルク算出部１００は、アクセルペダル（図示せず）に設けられたアクセル開度センサ（図示せず）の出力に基づいて、アクセル開度に応じて要求トルクを算出する。さらに、その他の車両制御として、ＶＤＭ（Vehicle Dynamics Management）系２００および、自動運転系３００を含む。ＶＤＭ系２００は、現在の車両の動的状態を把握して、要求トルクの修正値ΔＴ１を算出する。すなわちＶＤＭ系２００は、車輪センサの出力に基づいて、路面の揺れに基づくトルク変動を打消すための逆位相のトルク出力を要求する機能や、車両の駆動輪の空転を抑制するための要求トルクを算出するトラクション制御機能や、車両の走行時の横滑りを抑制するための要求トルクを算出する機能が含まれる。

一方、自動運転系３００は、車両を一定速度で継続運転するための要求トルクを算出する。すなわち、ＶＤＭ系２００および自動運転系３００からの要求トルクΔＴ１，ΔＴ２は、アクセル開度に基づく基本的な要求トルクに対する修正値として機能する。

このようにして、運転者要求に相当するアクセル開度と、各種センサ値によって把握される車両状態とに基づいて、適切な車両駆動力を出力すために必要とされる、エンジン１０００への要求出力トルクＴｒｑが算出される。

一方、作動可能範囲推定部１１０は、開度センサ５０４０の検出値に基づいて、スロットルバルブ１０３０の現在の開度を把握するとともに、所定期間経過後に実現可能なスロットル開度の範囲を示す、開度上限値Ｔａｍｘおよび開度下限値Ｔａｍｎを算出する。空気量範囲推定部１２０は、作動可能範囲推定部１１０によって算出されたスロットルバルブ１０３０の開度上限値Ｔａｍｘおよび開度下限値Ｔａｍｎにそれぞれ対応する、空気量上限値Ｋｌｍｘおよび空気量下限値Ｋｌｍｎを算出する。すなわち、空気量上限値Ｋｌｍｘは、現在のエンジン状態の下でスロットルバルブ１０３０を開度上限値Ｔａｍｘとしたときの吸入空気量を示し、空気量下限値Ｋｌｍｎは、現在のエンジン状態の下でスロットルバルブ１０３０を開度下限値Ｔａｍｎとしたときの吸入空気量を示す。空気量範囲推定部１２０については、エンジン状態（回転速度等）およびスロットル開度に基づいて吸入空気量を算出するマップを予め作成するとともに、開度上限値Ｔａｍｘおよび開度下限値Ｔａｍｎを用いて当該マップを参照することによって実現できる。

さらに、トルク換算部１３０は、空気量範囲推定部１２０によって推定された空気量上限値Ｋｌｍｘおよび空気量下限値Ｋｌｍｎに対応する、エンジン出力トルクの上限値Ｔｑｍｘおよび下限値Ｔｑｍｎを算出する。トルク換算部１３０についても、エンジン状態（回転速度等）および吸入空気量に基づいてエンジン出力トルクを算出するマップを予め作成することによって実現することができる。

このようにして、現在のスロットル開度Ｔａに基づいて、所定期間経過後におけるスロットルバルブ１０３０の作動可能範囲（Ｔａｍｘ〜Ｔａｍｎ）に対応させて、実現可能な出力トルクの範囲Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎ（出力トルク範囲）が求められることになる。すなわち、作動可能範囲推定部１１０、空気量範囲推定部１２０、および、トルク換算部１３０によって、「トルク範囲推定部」が構成される。特に、トルク換算部１３０は、「上下限トルク推定部」に対応する。

図３は、本発明の実施の形態に従う出力トルク範囲の設定を説明する概念図である。
図３に示すように、作動可能範囲推定部１１０は、現在（時刻ｔ０）のスロットル開度Ｔａに基づき、所定期間ΔＴ経過後におけるスロットル開度１３０の実現可能な開度範囲を示す、開度上限値Ｔａｍｘおよび開度下限値Ｔａｍｎを設定する。開度上限値Ｔａｍｘおよび開度下限値Ｔａｍｎと現在のスロットル開度Ｔａとの差分（Ｔａｍｘ−ＴａおよびＴａ−Ｔａｍｎ）については、所定期間ΔＴと、アクチュエータであるモータ１０２５の定格等に従った単位時間毎の開度変化可能量との積に従って設定される。ここで、所定期間ΔＴは、予め定められたエンジントルクの制御周期、すなわち目標出力トルクＴｑｒｆの更新周期に対応する。すなわち、当該周期ΔＴが経過する毎に、図２の機能ブロックで示した一連の処理が実行されて、エンジン１０００の目標出力トルクが更新されることになる。

そして、時刻ｔ０の時点において、ΔＴ経過後（時刻ｔ０＋ΔＴ）における開度上限値（開側）Ｔａｍｘに基づいて、そのときの吸入空気量で空気量上限値Ｋｌｍｘおよびこれに対応する出力トルク上限値Ｔｑｍｘが推定される。さらに、所定期間ΔＴ経過後の開度下限値（閉側）Ｔａｍｎに基づいて、そのときの吸入空気量である空気量下限値Ｋｌｍｎおよびこれに対応する出力トルク下限値Ｔｑｍｎが推定される。以上のように、時刻ｔ０の時点において、ΔＴ経過後における実現可能な出力トルク範囲Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎを、現在のスロットル開度をベースにした実現可能な開度範囲、すなわちスロットルバルブ１０３０の作動可能範囲に対応させて推定することが可能となる。

再び図２を参照して、トルクガード部１４０は、要求トルク算出部１００によって算出された要求出力トルクＴｒｑと、トルク換算部１３０によって算出された出力トルク範囲（Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎ）に基づいて、エンジン１０００の目標出力トルクＴｑｒｆを設定する。具体的には、トルクガード部１４０は、要求出力トルクＴｒｑが出力トルク上限値Ｔｑｍｘより高い、あるいは、出力トルク下限値Ｔｑｍｎよりも低いときには、このトルク上下限値Ｔｑｍｘ，Ｔｑｍｎを目標出力トルクＴｑｒｆに設定する。一方、トルクガード部１４０は、要求トルク算出部１００からの要求出力トルクＴｒｑが出力トルク範囲Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎに収まっているときは、要求出力トルクＴｒｑをそのまま目標出力トルクＴｑｒｆに設定する。すなわち、トルクガード部１４０は、「目標トルク設定部」に対応する。

アクチュエータ目標設定部１５０は、トルクガード部１４０によって設定された目標出力トルクＴｑｒｆに従って、当該目標出力トルクに対応するスロットル開度を実現するための、モータ１０２５（すなわち、スロットルバルブ１０３０のアクチュエータ）の動作指令値Ａｒｅｆを設定する。そして、モータ１０２５が動作指令値Ａｒｅｆに従って制御されることにより、目標出力トルクＴｑｒｆに対応したスロットル開度が実現される。すなわち、アクチュエータ目標設定部１５０は、「制御目標設定部」に対応する。

図４には、図２に示す制御システムによって実現される、本発明の実施の形態による内燃機関の制御方法の処理手順を示すフローチャートが示される。図４に示すフローチャートは、ＥＣＵ４０００に格納された所定のプログラムを所定周期（ΔＴ）毎に実行することによって実現される。

図４を参照して、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１００では、アクセル開度、ならびに、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control）およびクルーズコントロール等の車両制御からの要求に応じて、要求出力トルクＴｒｑを算出する。すなわち、ステップＳ１００による処理は、図２における要求トルク算出部１００の機能に相当する。

そして、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１１０により、開度センサ５０４０の出力値に基づいて、現在のスロットル開度Ｔａを取得する。

さらに、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１２０により、次の制御タイミング、すなわち所定期間ΔＴ経過後における、スロットルバルブ１０３０の開度上限値Ｔａｍｘおよび開度下限値Ｔａｍｎを算出する。すなわち、ステップＳ１１０およびＳ１２０による処理は、図２に示した作動可能範囲推定部１１０の機能に相当する。

次に、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１３０により、ステップＳ１２０で算出した開度上限値Ｔａｍｘおよび開度下限値Ｔａｍｎに基づいて、吸入空気量の上限値Ｋｌｍｘおよび下限値Ｋｌｍｎを算出する。すなわちステップＳ１３０による処理は、図２の空気量範囲推定部１２０の処理に対応する。さらに、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１４０に処理を進めて、ステップＳ１３０で算出した空気量上限値Ｋｌｍｘおよび空気量下限値Ｋｌｍｎに基づき、実現可能なエンジン１０００の出力トルク範囲Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎを算出する。すなわちステップＳ１４０の処理は図２のトルク換算部１３０の機能に対応する。

さらに、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１５０に処理を進めて、ステップＳ１００で算出された要求出力トルクＴｒｑと、ステップＳ１４０で算出された出力トルク範囲Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎに基づいて、要求出力トルクＴｒｑを出力トルク範囲Ｔｑｍｘ〜Ｔｑｍｎでガードするようにして目標出力トルクＴｑｒｆを算出する。

なお、ステップＳ１１０〜Ｓ１４０による出力トルク範囲の推定処理と、ステップＳ１００による要求出力トルクの算出処理とは、実行順序を入れ換えても良く、また、並行に実行してもよい。

図５は、図４に示したステップＳ１５０（目標出力トルクを算出するステップ）の処理を詳細に説明するフローチャートである。

図５を参照して、図４に示したステップＳ１５０は、ステップＳ１５２〜Ｓ１５５から構成される。

ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１５２では、ステップＳ１００で算出された要求出力トルクＴｒｑと、ステップＳ１４０で算出された出力トルク上限値Ｔｑｍｘとを比較する。そして、ＥＣＵ４０００は、Ｔｒｑ＞Ｔｑｍｘのとき（Ｓ１５２のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１５４に処理を進めて、目標出力トルクＴｑｒｆが出力トルク範囲を外れないように、Ｔｑｒｆ＝Ｔｑｍｘに設定する。

一方、Ｔｒｑ≦Ｔｑｍｘのとき（Ｓ１５２のＮＯ判定時）には、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１５３をさらに実行して、要求出力トルクＴｒｑをステップＳ１４０で求めた出力トルク下限値Ｔｑｍｎとさらに比較する。そして、Ｔｒｑ＜Ｔｑｍｎのとき（Ｓ１５３のＹＥＳ判定時）には、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１５５により、目標出力トルクＴｑｒｆが出力トルク範囲を外れないように、目標出力トルクＴｑｒｆ＝Ｔｑｍｎに設定する。

一方で、Ｓ１５３のＮＯ判定時、すなわちＴｑｍｎ≦Ｔｒｑ≦Ｔｑｍｘのときには、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１５５に処理を進めて、出力トルク範囲内に収まっている要求出力トルクＴｒｑを、そのまま目標出力トルクＴｑｒｆに設定する（Ｔｑｒｆ＝Ｔｒｑ）。

このようにして、ステップＳ１４０で設定された出力トルク範囲内にガードするように、要求出力トルクＴｒｑに従って目標出力トルクＴｑｒｆが設定される。

再び図４を参照して、ＥＣＵ４０００は、ステップＳ１６０により、ステップＳ１５０で算出された目標出力トルクＴｑｒｆに従って目標スロットル開度を算出する。そして、ステップＳ１６０で算出された目標スロットル開度に従って、スロットルバルブ１０３０のアクチュエータであるモータ１０２５の動作指令値が算出される。モータ１０２５が、当該動作指令値に従って制御されることにより、目標出力トルクＴｑｒｆを実現するための目標スロットル開度が実現されることになる。

以上説明したように、本発明の実施の形態による内燃機関の制御システムおよび制御方法によれば、エンジン１０００の目標出力トルクＴｑｒｆの設定における上下限ガード値（すなわち、出力トルク範囲）を、吸入空気量の調整機構（スロットルバルブ）の作動可能範囲に対応させて設定することができる。この結果、当該調整機構の動作が急激かつ過大とならないように制限しつつ、目標出力トルクＴｑｒｆを設定することができるので、機器耐久性を悪化させることなく、トルクディマンド方式のエンジン制御を円滑に実行できる。

なお、本実施の形態では、エンジン１０００の吸入空気量の調整機構としてスロットルバルブ１０３０を例示したが、本発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。たとえば、インテーク用ＶＶＴ機構２０００およびエキゾースト用ＶＶＴ機構３０００によって、インテークバルブ１１００およびエキゾーストバルブ１１１０のバルブリフト量を可変制御することにように構成されたエンジンでは、吸入空気量の調整機構をインテークバルブ１１００によって構成することも可能である。

この場合には、インテークバルブ１１００のバルブリフト量を検出するためのセンサの出力に基づく、一定時間（トルク制御周期ΔＴ）経過後におけるバルブリフト量の実現可能範囲の予測および、これに対応する吸入空気量および出力トルクの推定によって、上記と同様に出力トルク範囲（Ｔｑｍｎ〜Ｔｑｍｘ）を推定することが可能である。なお、この際に、バルブリフト量の検出センサについては、アクチュエータ（代表的にはモータ）のセンサや、カムシャフトの位相検出センサ（カムポジションセンサ５０１０）、あるいはこれらのセンサ出力値を用いた演算モデルによって構成することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態による内燃機関の制御システムまたは制御方法によって制御されるエンジンシステムの構成を説明するブロック図である。 本発明の実施の形態による内燃機関の制御システムの構成を説明する機能ブロック図である。 本発明の実施の形態に従う出力トルク範囲の設定を説明する概念図である。 本発明の実施の形態による内燃機関の制御方法の処理手順を示すフローチャートが示される。 図４に示した目標出力トルクを算出するステップの処理を詳細に説明するフローチャートである。

符号の説明

１００ 要求トルク算出部、１１０ 作動可能範囲推定部、１２０ 空気量範囲推定部、１３０ トルク換算部、１４０ トルクガード部、１５０ アクチュエータ目標設定部、２００ ＶＤＭ系、３００ 自動運転系、１０００ エンジン、１０１０，１０１２ バンク、１０２０ エアクリーナ、１０２５ モータ、１０３０ スロットルバルブ、１０３２ 吸気管、１０４０ シリンダ、１０５０ インジェクタ、１０６０ 点火プラグ、１０７０ 三元触媒、１０８０ ピストン、１０９０ クランクシャフト、１１００ インテークバルブ、１１１０ エキゾーストバルブ、１１２０ インテークカムシャフト、１１３０ エキゾーストカムシャフト、２０００，３０００ ＶＶＴ機構、５０００ クランク角センサ、５０１０ カムポジションセンサ、５０２０ 水温センサ、５０３０ エアフローメータ、５０４０ 開度センサ、Ａｒｅｆ 動作指令値（アクチュエータ）、Ｋｌｍｎ 空気量下限値、Ｋｌｍｘ 空気量上限値、Ｔａ スロットル開度、Ｔａｍｎ 開度下限値、Ｔａｍｘ 開度上限値、Ｔｑｍｘ 出力トルク上限値、Ｔｑｍｎ 出力トルク下限値、Ｔｑｒｆ 目標出力、Ｔｒｑ 要求出力トルク、ΔＴ 所定期間（トルク制御周期）、ΔＴ１，ΔＴ２ 要求トルク（車両制御）。

Claims (10)

1. アクチュエータによって制御される操作量に応じて内燃機関の吸入空気量を調整する調整機構と、
   前記操作量を検出する検出器と、
   前記検出器による検出値に基づいて、所定期間経過後における前記操作量の変化可能範囲に対応させて、前記所定期間経過後において実現可能な前記内燃機関の出力トルク範囲を推定するトルク範囲推定部と、
   車両状態および運転者要求に基づいて、前記内燃機関への要求出力トルクを算出する要求トルク算出部と、
   前記要求トルク算出部および前記トルク範囲算出部の算出結果の比較に基づいて、前記実現可能な出力トルク範囲に限定して前記要求出力トルクに従って前記内燃機関の目標出力トルクを設定する目標トルク設定部と、
   前記目標出力トルクに従って前記アクチュエータによる目標操作量を設定する制御目標設定部とを備える、内燃機関の制御システム。
2. 前記所定期間は、前記内燃機関のトルク制御周期に相当する、請求項１記載の内燃機関の制御システム。
3. 前記トルク範囲算出部は、
   前記検出器により検出された現在の前記操作量に基づいて、前記所定期間経過後における前記操作量の上限値および下限値を推定する作動可能範囲予測部と、
   予測された前記上限値および前記下限値にそれぞれ対応した、前記調整機構による上限吸入空気量および下限吸入空気量を推定する空気量範囲推定部と、
   前記上限吸入空気量および前記下限吸入空気量にそれぞれ対応した、前記内燃機関の上限出力トルクおよび下限出力トルクを推定する上下限トルク推定部とを含み、
   前記目標トルク設定部は、前記要求出力トルクが前記上限出力トルクより高いときに、前記上限出力トルクを目標出力トルクに設定し、前記要求出力トルクが前記下限出力トルクより低いときに、前記上限出力トルクを前記目標出力トルクに設定する一方で、前記要求出力トルクが前記下限出力トルクから前記上限出力トルクまでの範囲内であるときに、前記要求出力トルクに設定する、請求項１または２記載の内燃機関の制御システム。
4. 前記調整機構は、前記目標操作量に従って開度を制御されるスロットルバルブにより構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御システム。
5. 前記調整機構は、前記目標操作量に従ってバルブリフト量を制御される吸気バルブにより構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御システム。
6. アクチュエータによって制御される操作量に応じて内燃機関の吸入空気量を調整する調整機構と、前記操作量を検出する検出器とを備えた内燃機関の制御方法であって、
   前記検出器による検出値に基づいて、所定期間経過後における前記操作量の変化可能範囲に対応させて、前記所定期間経過後において実現可能な前記内燃機関の出力トルク範囲を推定するステップと、
   車両状態および運転者要求に基づいて、前記内燃機関への要求出力トルクを算出するステップと、
   算出された前記実現可能な出力トルク範囲に限定して、前記要求出力トルクに従って前記内燃機関の目標出力トルクを設定するステップと、
   前記目標出力トルクに従って前記アクチュエータによる目標操作量を設定するステップとを備える、内燃機関の制御方法。
7. 前記所定期間は、前記内燃機関のトルク制御周期に相当する、請求項６記載の内燃機関の制御方法。
8. 前記出力トルク範囲を算出するステップは、
   前記検出器により検出された現在の前記操作量に基づいて、前記所定期間経過後における前記操作量の上限値および下限値を予測するステップと、
   予測された前記上限値および前記下限値にそれぞれ対応した、前記調整機構による上限吸入空気量および下限吸入空気量を推定するステップと、
   推定された前記上限吸入空気量および前記下限吸入空気量にそれぞれ対応した、前記内燃機関の上限出力トルクおよび下限出力トルクを算出するステップとを含み、
   前記目標出力トルクを設定するステップは、前記要求出力トルクが前記上限出力トルクより高いときに、前記上限出力トルクを目標出力トルクに設定し、前記要求出力トルクが前記下限出力トルクより低いときに、前記上限出力トルクを前記目標出力トルクに設定する一方で、前記要求出力トルクが前記下限出力トルクから前記上限出力トルクまでの範囲内であるときに、前記要求出力トルクに設定する、請求項６または７記載の内燃機関の制御方法。
9. 前記調整機構は、前記目標操作量に従って開度を制御されるスロットルバルブにより構成される、請求項６〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法。
10. 前記調整機構は、前記目標操作量に従ってバルブリフト量を制御される吸気バルブにより構成される、請求項６〜８のいずれか１項に記載の内燃機関の制御方法。

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