JP2010038074A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空燃比制御に係る制御パラメータ値を将来の所定時点における予測スロットル開度に基づいて求める内燃機関の制御装置において、スロットル開度の予測精度を犠牲にすることなくスロットルの遅延制御における遅延時間を短縮可能にする。
【解決手段】燃料噴射量計算タイミングにおいて、遅延前の目標開度ＴＡに基づいて現在から遅延時間ＴＤが経過した時点での予測開度ＴＡ１を算出する。そして、燃料噴射量計算タイミングでの遅延前の目標開度ＴＴＡを吸気弁の閉弁時点での目標開度と仮定し、遅延前の目標開度ＴＴＡと予測開度ＴＡ１とに基づいて遅延時間ＴＤの経過時点から吸気弁の閉弁時点までの予測開度変化量ΔＴＡを算出する。予測開度ＴＡ１に予測開度変化量ΔＴＡを加算したスロットル開度が吸気弁の閉弁時点での予測開度ＴＡ２となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、電子制御式のスロットルを備えた内燃機関の制御装置に関する。

電子制御式のスロットルを備えた内燃機関では、ドライバのアクセル操作量等に基づいてスロットルの目標開度を設定し、設定した目標開度に従ってスロットルに出力する開度指令値を決定している。このとき、目標開度の設定から開度指令値の出力タイミングまでに遅延時間が設けられていると、実際のスロットル開度は目標開度に対して遅延時間分だけ遅れて変化することになる。以下、開度指令値の出力タイミングを遅延させる制御のことをスロットルの遅延制御という。スロットルの遅延制御を行うことで、その遅延時間分だけ将来のスロットル開度を目標開度（遅延前の開度指令値）から予測することが可能になる。

予測した将来のスロットル開度は内燃機関の空燃比制御に係る制御パラメータ値に反映させることができる。例えば、特開２００２−２０１９９８号公報には、吸気バルブの閉タイミングにおけるスロットル開度を予測し、その予測スロットル開度から求められる筒内充填空気量に基づいて燃料噴射量を演算する技術が開示されている。吸気バルブの閉タイミングのスロットル開度を精度良く予測することができれば、筒内充填空気量を精度良く予測することが可能となり、過渡時の空燃比制御精度を向上させることができる。上記公報に開示された技術では、遅延前の開度指令値に基づいて電子スロットルモデルによりスロットル開度の予測変化量を演算し、予測変化量を現在のスロットル開度に加算して、吸気バルブの閉タイミングにおけるスロットル開度を予測している。
特開２００２−２０１９９８号公報

上述のように開度指令値の出力タイミングに遅延時間を設ける遅延制御を行うことで、将来のスロットル開度を目標開度から予測することができるようになる。しかし、その一方で、運転者からのトルク要求に対する内燃機関のトルク応答に時間遅れが発生することにもなる。したがって、ドライバビリティの観点からは、上記の遅延時間は可能なかぎり短いことが望ましい。また、トルク制御は種々の車両制御においても用いられているが、それら車両制御における不都合を防止するためにも上記の遅延時間は可能なかぎり短いことが望ましい。

しかし、特開２００２−２０１９９８号公報に開示された技術では、筒内充填空気量の正確な予測に基づいた燃料噴射量の演算のためには、少なくとも燃料噴射量の演算タイミングから吸気バルブの閉タイミングまでの時間は遅延時間として確保する必要が有る。特開２００２−２０１９９８号公報に開示された技術は、遅延前の開度指令値を吸気バルブの閉タイミングにおける開度指令値としてスロットル開度の予測変化量を演算しているからである。遅延時間を燃料噴射量の演算タイミングから吸気バルブの閉タイミングまでの時間よりも短くしてしまうと、吸気バルブの閉タイミングにおける開度指令値が不明（未知）になるため、吸気バルブ閉タイミングでのスロットル開度を予測することができなくなってしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、空燃比制御に係る制御パラメータ値を将来の所定時点における予測スロットル開度に基づいて求める内燃機関の制御装置において、スロットル開度の予測精度を犠牲にすることなくスロットルの遅延制御における遅延時間を短縮可能にすることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、将来の所定時点におけるスロットルの開度を予測し、予測したスロットル開度に基づいて空燃比制御に係る所定の制御パラメータ値を演算する内燃機関の制御装置において
前記スロットルの目標開度を設定する目標開度設定手段と、
設定された目標開度を遅延させて前記スロットルへ出力し、遅延させた目標開度に従って前記スロットルを動作させるスロットル遅延制御手段と、
遅延前の目標開度に基づいて現在から遅延時間が経過した時点でのスロットル開度を予測する第１の予測手段と、
前記所定時点が到来する前の所定タイミングにおいて、同タイミングでの遅延前の目標開度を前記所定時点での目標開度と仮定し、前記遅延前の目標開度と同タイミングから遅延時間が経過した時点でのスロットル開度の予測値とに基づいて前記遅延時間の経過時点から前記所定時点までのスロットル開度の変化量を予測する第２の予測手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記第２の予測手段は、ある時点での目標開度と実際のスロットル開度との偏差に対する前記スロットルの応答特性をモデル化したスロットルモデルを備え、前記スロットルモデルを用いて前記遅延前の目標開度と前記遅延時間の経過時点でのスロットル開度の予測値との差分を前記遅延時間の経過時点から前記所定時点までのスロットル開度の変化量に変換することを特徴としている。

第１の発明では、スロットルの目標開度を遅延させてスロットルへ出力することにより、現在よりも遅延時間だけ将来のスロットル開度を目標開度（遅延前の目標開度）に基づいて予測することができる。しかし、遅延時間が短いと、遅延時間が経過してから所定時点が到来するまでの間にスロットル開度はさらに変化する可能性がある。この点に関して第１の発明では、遅延前の目標開度を未知の所定時点での目標開度と仮定して、遅延前の目標開度と遅延時間の経過時点でのスロットル開度の予測値とに基づいて遅延時間の経過時点から所定時点までのスロットル開度の変化量を予測している。これによれば、スロットル開度の予測精度を犠牲にすることなく遅延制御における遅延時間を短縮することができる。

第２の発明によれば、スロットルの応答特性をモデル化したスロットルモデルを用いることで、遅延時間の経過時点から所定時点までのスロットル開度の変化量を精度良く予測することができる。

本発明の実施の形態について図１乃至図４を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、内燃機関のアクチュエータであるスロットル１０及び燃料噴射装置２０の動作を制御する制御装置として構成されている。以下、図１を用いて本実施の形態の制御装置の構成について説明する。

まずはスロットル１０の動作を制御するための制御装置の構成について説明する。本実施の形態にかかるスロットル１０は電子制御式であり、スロットルモータによって動作している。スロットル１０の動作の制御は直接的にはスロットル遅延制御部８により行われる。スロットル遅延制御部８は、上流の計算要素からスロットル１０の目標開度を受信し、目標開度を所定の遅延時間ＴＤだけ遅らせたものを開度指令値としてスロットル１０に出力する。スロットル１０は開度指令値に従って動作するので、スロットル１０によって実際に実現されるスロットル開度は目標開度に対して遅延時間ＴＤだけ遅れて変化することになる。なお、遅延時間ＴＤは任意に設定することができるが、内燃機関のトルク応答性を考慮すると可能な限りに短い時間にしたい。本実施の形態では、目標開度の演算周期（例えば８msec）の４周期分（32msec）が遅延時間ＴＤとして設定されている。

スロットル１０の目標開度は目標開度設定部６で設定される。目標開度設定部６は、上流の目標空気量設定部４で設定された目標空気量に基づいて目標開度を設定する。目標空気量の目標開度への変換にはエアモデルの逆モデルが用いられる。エアモデルは、スロットル１０の動作に対する空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化し、それを数式で表したものである。エアモデルの逆モデルに空気量を入力することで、その空気量を実現するためのスロットル開度が算出される。目標開度設定部６は、目標空気量から変換されたスロットル開度をスロットル１０の目標開度として設定し、それをスロットル遅延制御部８に出力する。

目標空気量設定部４は、内燃機関の目標トルクを取得し、目標トルクの実現に必要な空気量を計算する。この計算には目標トルクを空気量に変換するための空気量マップが使用される。空気量マップには点火時期、機関回転数、Ａ／Ｆ、バルブタイミング等、トルクと空気量との関係に影響する各種の運転条件がパラメータとして用いられている。目標空気量設定部４は、目標トルクから変換された空気量を目標空気量とし、それを目標開度設定部６に出力する。

目標トルクは目標トルク設定部２で設定される。目標トルク設定部２は、内燃機関に対する各種のトルク要求を集約して１つの値に調停し、その調停したトルク値を目標トルクとして出力する。調停されるトルク要求には、ドライバが要求するトルクの他、種々の車両制御に必要なトルクも含まれる。

以上のように、本実施の形態の制御装置は、目標トルクに基づいてスロットル１０の目標開度を設定し、設定した目標開度を遅延時間ＴＤだけ遅延させたものに従ってスロットル１０を動作させる構造になっている。

次に燃料噴射装置２０の動作を制御するための制御装置の構成について説明する。燃料噴射装置２０の動作の制御は直接的には燃料噴射制御部１８により行なわれる。燃料噴射制御部１８は、上流の計算要素から燃料噴射量を受信し、燃料噴射量に基づいて燃料噴射装置２０の駆動時間と駆動開始タイミング又は終了タイミングとを計算する。そして、計算した駆動時間と駆動開始タイミング又は終了タイミングとに従って燃料噴射装置２０を動作させる。なお、燃料噴射装置２０は吸気ポートに燃料を噴くものでも気筒内に直接燃料を噴くものでもよい。或いは、必要な量の燃料の一部を吸気ポートに噴射して残りの燃料を気筒内に直接噴射するものであってもよい。

燃料噴射装置２０による燃料噴射量は燃料噴射量計算部１６で計算される。燃料噴射量計算部１６は、上流の空気量計算部１４で計算された空気量（筒内に吸入された空気量）と、燃料噴射により実現される筒内空燃比の目標値（目標空燃比）とに基づいて燃料噴射量を計算する。排気ガスの空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御が行われている場合には、そのフィードバック補正係数も燃料噴射量の計算に反映されるようになっている。

空気量の計算は空気量計算部１４にて行われる。空気量計算部１４は、吸気弁の閉タイミング、すなわち、空気量の確定タイミングにおけるスロットル開度を取得し、そのスロットル開度で達成される空気量をエアモデルによって計算する。このエアモデルでは、機関回転数、大気圧、空気温度、エアフローメータで計測される空気流量等、スロットル開度と空気量との関係に影響する運転条件をパラメータして設定することができるようになっている。

空気量の計算に使用されるスロットル開度は、予測開度計算部１２にて計算される。空気量の正確な計算のためには、上述のように、吸気弁の閉弁時点でのスロットル開度が情報として求められる。しかし、適正なタイミングで燃料噴射を実行するためには、燃料噴射量の演算は吸気弁が閉弁する前には完了していなければならない。このため、燃料噴射の演算タイミングでは、将来値である吸気弁の閉弁時点での実際のスロットル開度を取得することはできない。そこで、予測開度計算部１２は、現時点、すなわち、燃料噴射量の計算タイミングから吸気弁の閉弁時点までの時間（以下、先読み時間と言う）ＴＦＷＤだけ将来のスロットル開度を予測し、予測したスロットル開度を吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度として出力する。

図２は予測開度計算部１２の構成を示すブロック図である。予測開度計算部１２は、開度指令値の入力履歴に対するスロットル１０の応答特性をモデル化し、それを数式で表したスロットルモデルＡを備えている。前述のように、スロットル１０の制御は遅延時間ＴＤだけ遅延された目標開度に基づいて行われている。したがって、遅延前の目標開度をスロットルモデルＡに入力すれば、現在から遅延時間ＴＤだけ将来のスロットル開度が予測できることになる。スロットルモデルＡには目標開度設定部６から１演算周期ごとに遅延前の目標開度が入力され、スロットルモデルＡではその入力履歴に基づいて現在から遅延時間ＴＤだけ将来のスロットル開度が算出されている。

予測開度、すなわち、吸気弁の閉弁時点でのスロットル開度の算出にあたっては、燃料噴射量計算タイミングでの目標開度ＴＴＡに対応する予測開度ＴＡ１がスロットルモデルＡを用いて算出される。このＴＡ１は、燃料噴射量計算タイミングから遅延時間ＴＤが経過した時点でのスロットル開度の予測値である。

ところで、先読み時間ＴＦＷＤは、機関回転数や吸気弁のバルブタイミングによって変化する。例えば機関回転数が高くなるほど先読み時間ＴＦＷＤは短くなり、バルブタイミングの進角によって先読み時間ＴＦＷＤは短くなる。しかし、遅延時間ＴＤとの比較では、トルク応答性を高めるために遅延時間ＴＤは極めて短い時間に設定されているので、先読み時間ＴＦＷＤは遅延時間ＴＤよりは長い時間になる。このため、遅延時間ＴＤが経過してから吸気弁が閉弁するまでの間に実際のスロットル開度は上記の予測開度ＴＡ１からさらに変化する可能性がある。

そこで、予測開度計算部１２は、遅延時間ＴＤの経過時点から吸気弁の閉弁時点までのスロットル開度の変化量ΔＴＡを予測する。この予測開度変化量ΔＴＡの計算にはスロットルモデルＢが用いられる。スロットルモデルＢはある時点での目標開度と実開度との偏差に対するスロットル１０の応答特性をモデル化したものである。予測開度計算部１２は、燃料噴射量計算タイミングでの遅延前の目標開度ＴＴＡを吸気弁の閉弁時点での目標開度と仮定して、ＴＴＡとＴＡ１との偏差をスロットルモデルＢに入力することによって予測開度変化量ΔＴＡを算出する。

図２では、スロットルモデルＢは一次遅れモデルとして表されている。このスロットルモデルＢにおける入出力関係を式で表すと次のようになる。
ΔＴＡ＝ｋｔａ×（ＴＴＡ−ＴＡ１） ・・・（１）
ｋｔａ＝１−ｅ^−ｕ ・・・（２）
−ｕ＝−（ＴＦＷＤ−ＴＤ＋無駄時間）／時定数 ・・・（３）

式（１）においてｋｔａはスロットル１０の応答係数であって、その値は式（２）によって計算される。式（２）における指数関数ｅ^−ｕの指数−ｕの値は式（３）によって計算される。式（３）において分子の無駄時間はスロットル１０の動作に含まれる無駄時間であり、分母の時定数はスロットル１０の応答特性を一次遅れで近似したときの時定数であって、それぞれ固定値である。

予測開度計算部１２は、スロットルモデルＡを用いて計算した燃料噴射量計算タイミングから遅延時間ＴＤが経過した時点での予測開度ＴＡ１と、スロットルモデルＢを用いて計算した遅延時間ＴＤの経過時点から吸気弁の閉弁時点までの予測開度変化量ΔＴＡとを合算し、その合算値を吸気弁の閉弁時点での予測開度ＴＡ２として算出する。前述の空気量計算部１４では、このようにして算出された予測開度ＴＡ２を用いて空気量の計算が行われる。

以上説明した予測開度計算部１２による処理をフローチャートで示したのが図３である。また、同処理をタイムチャートで示したものが図４である。図４において破線で示すのは、遅延される前の目標開度の時間変化と、遅延される前の目標開度から計算されるスロットル開度の予測値の時間変化である。また、図４において実線で示すのは、遅延された後の目標開度の時間変化と、実際のスロットル開度の時間変化である。以下、これらの図を参照して予測開度計算部１２による処理について確認する。

図３に示すように、最初のステップＳ２では、予測開度計算部１２は燃料噴射量計算タイミングが到来したかどうかを判定する。燃料噴射量計算タイミングが到来するまでは、予測開度計算部１２は以降の全ステップＳ４〜Ｓ１０の処理をスキップする。

燃料噴射量計算タイミングが到来したとき、予測開度計算部１２は、まず、遅延される前の目標開度ＴＴＡに基づいて遅延時間ＴＤが経過した時点での予測開度ＴＡ１を計算する（ステップＳ４）。この計算にはスロットルモデルＡが用いられる。

次に、予測開度計算部１２は、現時点、すなわち、燃料噴射量計算タイミングでの遅延前の目標開度ＴＴＡと遅延時間ＴＤが経過した時点での予測開度ＴＡ１との偏差を計算する（ステップＳ６）。

そして、図４中に点線で示すように、予測開度計算部１２は、遅延時間ＴＤ後の予測開度ＴＡ１を基準にして、遅延時間ＴＤの経過時点から吸気弁が閉弁するまでの間のスロットル開度の変化量ΔＴＡを計算する（ステップＳ８）。この計算にはスロットルモデルＢが用いられる。

以上の予測の結果、遅延時間ＴＤの経過時点での予測開度ＴＡ１とその時点から吸気弁の閉弁時点までの予測開度変化量ΔＴＡの合算値として、吸気弁の閉弁時点での予測開度ＴＡ２が算出される（ステップＳ１０）。

上述のように、本実施の形態の制御装置によれば、遅延制御における遅延時間ＴＤを必要な先読み時間ＴＦＷＤよりも短縮することができるので、遅延制御によるトルク応答性の低下を抑えることができる。また、遅延時間ＴＤを先読み時間ＴＦＷＤよりも短縮した場合には、その反作用としてスロットル開度の予測精度の低下が懸念されるが、本実施の形態の制御装置によればそのような懸念は無用である。本実施の形態では、燃料噴射量計算タイミングでの遅延前の目標開度ＴＴＡを吸気弁の閉弁時点での目標開度と仮定し、実開度はその目標開度ＴＴＡに近づくとして遅延時間ＴＤの経過時点から吸気弁の閉弁時点までのスロットル開度の変化量ΔＴＡを予測している。これによれば、予測開度ＴＡ２は目標開度ＴＴＡに収束するように計算されるので、予測開度ＴＡ２の値がオーバーシュートしてしまうようなことはなく、予測開度ＴＡ２と実際のスロットル開度とのずれを抑えることができるからである。

以上、本発明の実施の形態としての制御装置について説明した。本実施の形態と本発明との対応関係は次の通りである。

図１に示す構成において、目標トルク設定部２，目標空気量設定部４及び目標開度設定部６により第１の発明の「目標開度設定手段」が構成されている。スロットル遅延制御部８は第１の発明の「スロットル遅延制御手段」に相当している。また、予測開度計算部１０を構成するスロットルモデルＡは第１の発明の「第１の予測手段」に相当し、予測開度計算部１０を構成するスロットルモデルＢは第１及び第２の各発明の「第２の予測手段」に相当する。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本実施の形態ではスロットルモデルＢを一次遅れモデルとしているが、二次遅れモデル等、より複雑な数式モデルを用いてもよい。また、数式ではなくマップによるモデルであってもよい。スロットルモデルＡについても同様である。

本発明の実施の形態としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 予測開度計算部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態で実行される予測開度の計算ルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態で採られているスロットル開度の予測方法を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

２ 目標トルク設定部
４ 目標空気量設定部
６ 目標開度設定部
８ スロットル遅延制御部
１０ スロットル
１２ 予測開度計算部
１４ 空気量計算部
１６ 燃料噴射量計算部
１８ 燃料噴射制御部
２０ 燃料噴射装置

Claims (2)

1. 将来の所定時点におけるスロットルの開度を予測し、予測したスロットル開度に基づいて空燃比制御に係る所定の制御パラメータ値を演算する内燃機関の制御装置において
   前記スロットルの目標開度を設定する目標開度設定手段と、
   設定された目標開度を遅延させて前記スロットルへ出力し、遅延させた目標開度に従って前記スロットルを動作させるスロットル遅延制御手段と、
   遅延前の目標開度に基づいて現在から遅延時間が経過した時点でのスロットル開度を予測する第１の予測手段と、
   前記所定時点が到来する前の所定タイミングにおいて、同タイミングでの遅延前の目標開度を前記所定時点での目標開度と仮定し、前記遅延前の目標開度と同タイミングから遅延時間が経過した時点でのスロットル開度の予測値とに基づいて前記遅延時間の経過時点から前記所定時点までのスロットル開度の変化量を予測する第２の予測手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第２の予測手段は、ある時点での目標開度と実際のスロットル開度との偏差に対する前記スロットルの応答特性をモデル化したスロットルモデルを備え、前記スロットルモデルを用いて前記遅延前の目標開度と前記遅延時間の経過時点でのスロットル開度の予測値との差分を前記遅延時間の経過時点から前記所定時点までのスロットル開度の変化量に変換することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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