JP2010144581A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標吸入空気量或いは目標吸気管圧に基づいてスロットルを操作する内燃機関の制御装置において、スロットル開度の計算のための演算負荷を大きく増大させることなく、スロットルによる吸入空気量や吸気管圧の制御性を高める。
【解決手段】エア逆モデル５０，５２を用いて目標Ｐ_ｍを実現するための目標ＴＡを算出する。その際、Ｐ_ｍの可変範囲の最大値或いは最小値を目標Ｐ_ｍの上限値或いは下限値として算出する。そして、目標Ｐ_ｍの値が上限値としてのＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を超える或いは下限値としてのＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を下回る場合には、エア逆モデル５０，５２に入力する目標Ｐ_ｍの値をＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によって制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、吸気系モデルの逆モデルを用いて目標吸入空気量或いは目標吸気管圧を実現するためのスロットル開度を計算する制御装置に関する。

スロットルの動作に対する吸入空気量の応答をモデル化し、それを数式で表した吸気系モデル（エアモデルという）が知られている。エアモデルは、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルから構成することができる。スロットルモデルは、スロットル開度とスロットル通過空気量との関係を数式で表した計算モデルである。吸気管モデルは、スロットル通過空気量及び吸入空気量と吸気管圧との関係を数式で表した計算モデルである。そして、吸気弁モデルは、吸気管圧と吸入空気量との関係を数式で表した計算モデルである。このようなエアモデルを用いることで、スロットルを操作することで実現できる吸入空気量を正確に推定することができる。

また、実際の吸入空気量を目標吸入空気量にするのに必要なスロットル開度をエアモデルの逆モデル（エア逆モデルという）を用いて算出する方法も知られている。エア逆モデルは、エアモデルを逆方向に計算するものである。エア逆モデルを用いたスロットル開度の計算では、まず、吸気弁モデルの逆モデルによって目標吸入空気量が目標吸気管圧に変換される。次に、吸気管モデルの逆モデルによって目標吸気管圧からスロットル通過空気量の目標値が計算される。そして最後に、目標スロットル通過空気量を実現するのに必要なスロットル開度がスロットルモデルの逆モデルを用いて計算される。

エア逆モデルを数式で表した場合、そこには微分要素が含まれる。詳しくは、目標吸気管圧から目標スロットル通過空気量を算出する過程において、目標吸気管圧の微分値が必要となる。このような計算をコンピュータ（内燃機関の制御装置）にて実施する場合、簡単には、目標吸気管圧の微分値を単位時間当たりの目標吸気管圧の変化量にて近似すればよい。より具体的には、今回ステップにおける目標吸気管圧の値と前回ステップにおける目標吸気管圧の値との差分によって近似すればよい。

ところで、上述のようなエア逆モデルを用いてスロットル開度を計算する場合、目標吸入空気量が急激に変化したときにはスロットル開度の算出値（目標スロットル開度）も大幅に変化することになる。しかし、目標スロットル開度の入力に対するスロットルの応答速度には限界があるため、実際のスロットル開度は目標スロットル開度の急激な変化には追いつかず、実際の吸入空気量も目標吸入空気量の変化には追いつかなくなる。ところが、エア逆モデルによる計算は、スロットルが目標スロットル開度に従って動作し、それにより目標吸入空気量が実現されているとの前提で続行される。このため、次の計算タイミングでは、吸入空気量が目標吸入空気量になったときの定常のスロットル開度が目標スロットル開度として算出されることになる。つまり、目標吸入空気量と実際の吸入空気量との間に大きな差が残っていても、その差に応じてスロットルを大きく動かすことはできない。結果、吸入空気量を大きく変化させることができず、目標吸入空気量の達成が大きく遅れることになる。

このような問題の解決策としては、例えば特開２００６−１４４５６５号公報にも開示されているように、実際の吸入空気量や吸気管圧を推定してその推定値をエア逆モデルによる計算に反映させることが考えられる。具体的には、図１０に示すように、目標スロットル開度（目標ＴＡ）に従いスロットルを操作したときの実際の吸気管圧（推定Ｐ_ｍ）や吸入空気量（推定ＫＬ）をエアモデルの順モデルによって推定し、それら推定値をエア逆モデルに入力する。そして、エア逆モデルでは、目標吸入空気量（目標ＫＬ）から変換した目標吸気管圧（目標Ｐ_ｍ）とエアモデルで計算した推定Ｐ_ｍとの差分（ΔＰ_ｍ）を計算し、ΔＰ_ｍとエアモデルで計算した推定ＫＬとに基づいて目標ＴＡを計算する。この方法によれば、スロットルの応答速度の限界により実際の吸気管圧が目標吸気管圧の変化に追いつかなかった場合、その遅れに応じてスロットルが大きく動かされることになる。結果、この方法によれば、目標吸入空気量の急激な変化に応じて実際の吸入空気量も速やかに大きく変化させることが可能であり、目標吸入空気量を速やかに達成することができる。
特開２００６−１４４５６５号公報 特開２００６−１３２４９８号公報

しかしながら、エア逆モデルによる計算に加えてエアモデルによる計算も行う場合、内燃機関の制御装置にかかる演算負荷は多大なものになってしまう。制御装置では、吸入空気量の制御のみならず内燃機関の運転に係る様々な制御を同時に行っているので、一つの制御に係る演算負荷はできる限り低く抑えたい。

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、目標吸入空気量或いは目標吸気管圧に基づいてスロットルを操作する内燃機関の制御装置において、スロットル開度の計算のための演算負荷を大きく増大させることなく、スロットルによる吸入空気量や吸気管圧の制御性を高め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、吸入空気量或いは吸気管圧を制御量とし、目標制御量に基づいてスロットルを操作する内燃機関の制御装置において、
前記スロットルの動作に対する前記制御量の応答をモデル化した吸気系モデルの逆モデルを具備し、前記逆モデルを用いて前記目標制御量を実現するためのスロットル開度を算出するスロットル開度算出手段と、
前記スロットル開度算出手段で算出されたスロットル開度を前記スロットルに操作量として出力する操作量出力手段と、
前記スロットルの操作による前記制御量の可変範囲の最大値或いは最小値を、前記目標制御量の上限値或いは下限値として算出する限界値算出手段と、
取得した目標制御量の値が前記上限値を超える或いは前記下限値を下回る場合には、前記スロットル開度の算出に使用される目標制御量の値を前記上限値或いは前記下限値によって制限する目標制御量制限手段と、
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、
前記限界値算出手段は、前記逆モデルによる計算で用いられた前記目標制御量の前回値と、前記操作量の前回値から予測される前記操作量の最大今回値或いは最小今回値とに基づいて前記上限値或いは下限値を算出することを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記限界値算出手段は、前記スロットルの操作に対する実際のスロットル開度の応答をモデル化したスロットル応答モデルを具備し、前記操作量の前回値を前記スロットル応答モデルに入力して得られる実際スロットル開度の推定値から前記操作量の最大今回値或いは最小今回値を予測することを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記目標制御量制限手段は、前記スロットルの全開時に得られる前記制御量の値と前記上限値との差が所定値以下の場合には、前記上限値による目標制御量の制限を解除若しくは緩和することを特徴としている。

第５の発明は、第４の発明において、
前記目標制御量制限手段は、前記内燃機関が加速状態にあることを条件にして前記上限値による目標制御量の制限の解除若しくは緩和を行うことを特徴としている。

第１の発明によれば、取得した目標制御量がそのまま逆モデルに入力されるのではなく、スロットルの操作によって達成可能な範囲の限界値に目標制御量が制限され、制限された目標制御量に基づいて逆モデルによるスロットル開度の計算が行われる。このようにして計算されたスロットル開度に従いスロットルを操作することで、実際の制御量の変化に応じたスロットルの操作が可能となり、スロットルによる吸入空気量や吸気管圧の制御性は向上する。また、この発明によれば、実際に実現されている吸入空気量や吸気管圧を推定する必要は無いので、エアモデルを用いた計算は不要であり、制御装置の演算負荷を抑えることができる。

第２の発明によれば、逆モデルによる計算で用いられた或いは得られた既存の情報を用いることで、スロットルの操作による制御量の可変範囲の限界値を少ない演算負荷で算出することができる。

第３の発明によれば、スロットルの操作に対する実際のスロットル開度の応答遅れを考慮することで、制御量の可変範囲の限界値を高い精度で算出することができる。そして、その高い精度の限界値を用いて目標制御量を制限することにより、スロットルによる吸入空気量や吸気管圧の制御性をより向上させることができる。

第４の発明によれば、限界値算出手段で算出される上限値がスロットルの全開時に得られる制御量の値に近くなったときには、目標制御量の制限を解除若しくは緩和することによって、スロットルが全開まで開かない状況を防止することができる。

第５の発明によれば、加速時におけるスロットル全開制御の実行を確実ならしめることができる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図１乃至図４を参照して説明する。

まずは、本実施の形態の制御装置によって制御される内燃機関について説明する。図１は本実施の形態にかかる内燃機関の構成を示す概略図である。本実施の形態にかかる内燃機関は火花点火式の４ストロークエンジンである。内燃機関はピストン２とシリンダ壁面とによって区画された燃焼室１４を備えている。燃焼室１４の頂部には、燃焼室１４内の燃料混合気に点火するための点火プラグ８が取り付けられている。また、燃焼室１４には吸気通路１６と排気通路１８とが連通している。吸気通路１６と燃焼室１４との接続部には、吸気通路１６と燃焼室１４との連通状態を制御する吸気弁４が設けられている。排気通路１８と燃焼室１４との接続部には、排気通路１８と燃焼室１４との連通状態を制御する排気弁６が設けられている。また、本実施の形態にかかる内燃機関は多気筒機関であって、燃焼室１４は気筒毎に存在する。吸気通路１６は、各気筒につながる吸気マニホールド２２と、吸気マニホールド２２と吸気口とを接続する吸気ダクト２０とによって形成されている。吸気ダクト２０の中には電子制御式のスロットル１２が配置されている。吸気マニホールド２２の各吸気枝管には燃料噴射弁１０が取り付けられている。

本実施の形態の制御装置は、内燃機関に備えられる種々のアクチュエータを操作することで、内燃機関の運転を制御している。制御装置によって操作されるアクチュエータの１つが図１に示すスロットル１２である。制御装置は、スロットル１２の開度によって燃焼室１４内に吸入される空気量を制御している。以下、図２を用いてスロットル開度によって吸入空気量を制御するための制御装置の構成について説明する。

図２は、スロットル１２の操作に着目したとき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、（Ａ）加速時と（Ｂ）減速時とで異なる構成を取る。なお、図２に示す構成は、制御装置のメモリに格納されたプログラムに従い制御装置のＣＰＵが動作することで仮想的に実現される構成である。図２において、ＫＬは燃焼室１４に吸入される空気量（より正確にはそれを無次元化した充填効率）を意味している。Ｐ_ｍは吸気マニホールド圧（すなわち吸気管圧）を意味している。また、ＴＡはスロットル開度を意味している。

図２において（Ａ）加速時と（Ｂ）減速時とで共通する制御装置の要素は、目標ＫＬを目標Ｐｍに変換する計算要素５４と、目標Ｐ_ｍと前回目標Ｐ_ｍとの差であるΔＰ_ｍを計算する計算要素５２と、ΔＰ_ｍ及び前回目標ＫＬに基づいて目標ＴＡを算出する計算要素５０である。ＫＬとＰ_ｍは何れも内燃機関の制御量であって、後述するようにそれらには相関関係がある。したがって、目標ＫＬと目標Ｐ_ｍの何れも内燃機関の目標制御量として扱うことができる。ただし、本実施の形態では、目標Ｐ_ｍを内燃機関の目標制御量として扱うものとする。また、本実施の形態では、計算要素５０，５２によって構成される計算モデルをエア逆モデル（吸気系モデルの逆モデル）として扱うものとする。

各計算要素５０，５２，５４によって行われる計算の内容について説明する。計算要素５４は、次の式１及び式２によって目標ＫＬを目標Ｐｍに変換する。なお、目標ＫＬは内燃機関に要求されるトルクに基づいて決定される。要求トルクは、例えば、アクセルペダルの踏み込み量から算出される。

式１において、ｍ_ｃは吸気マニホールド２２から燃焼室１４内に吸入される空気の流量（ｇ／ｓｅｃ）を意味している。ａは機関回転数に応じて定まる係数である。式２において、ｂ，ｃはそれぞれ機関回転数に応じて定まる係数である。制御装置には、各係数ａ，ｂ，ｃの値と機関回転数とを関連付けるマップが記憶されている。

計算要素５２は、次の式３に示すように今回の目標Ｐ_ｍ（ｋ）と前回の目標Ｐ_ｍ（ｋ−１）とからΔＰ_ｍを計算する。ｋは現時点におけるステップ数を示している・

そして、計算要素５０は、次の式４及び式５によってスロットル１２の操作量としての目標ＴＡを計算する。

式４において、ｍ_ｔはスロットル１２を通過して吸気マニホールド２２に流れ込む空気の流量（ｇ／ｓｅｃ）を意味している。Ｔａは大気温度を、Ｖｍは吸気マニホールド２２の容積を、Δｔは計算時間間隔を、κは比熱比を、Ｒは気体定数を、Ｔｍは吸気マニホールド２２の温度をそれぞれ示している。また、ｍ_ｃｏは前回の目標ＫＬ（ｋ−１）から算出される筒内吸入空気流量である。式５において、μＡ^−１はμＡの逆関数を意味している。μＡは流量係数μｔとスロットル１２の開口面積Ａｔとをひとまとめにして表したものであって、スロットル開度ＴＡの関数である。Φは次の式６によって表されるＰ_ｍｏ／Ｐ_ａの関数である。Ｐ_ｍｏは前回の目標Ｐ_ｍ（ｋ−１）を、Ｐ_ａは大気圧をそれぞれ示している。

以上の計算要素５０，５２，５４によって順次計算を行うことによって、目標ＫＬからスロットル１２の操作量である目標ＴＡを算出することができる。しかし、背景技術でも述べたように、これらの計算要素５０，５２，５４のみを用いて算出した目標ＴＡでは、目標ＫＬが急激に変化したときに実際のＫＬを目標ＫＬの変化に速やかに追従させることができない。

具体例を挙げて説明すると、ステップｋ−２からステップｋ−１にかけて目標ＫＬが離散的に急増したとする。この場合、目標Ｐ_ｍ（ｋ−１）と目標Ｐ_ｍ（ｋ−２）との間には差が生じるので、式３、式４、式５から理解されるように、目標ＴＡ（ｋ−１）は目標ＴＡ（ｋ−２）に対して大きく開くことになる。次のステップｋ−１からステップｋにかけては目標ＫＬに変化はないので、目標Ｐ_ｍ（ｋ）と目標Ｐ_ｍ（ｋ−１）との差はゼロとして算出されることになる。ところが、目標ＴＡの入力に対するスロットル１２の応答速度には限界があるため、実際のＴＡは目標ＴＡの急激な変化には追いつかず、実際のＰ_ｍは目標Ｐ_ｍの変化には追いついていない。つまり、ステップｋ−１における実際のＰ_ｍは目標Ｐ_ｍ（ｋ−１）ほどには上昇していない。実際のＰ_ｍを目標Ｐ_ｍに追従させて大きく上昇させるにはスロットル１２をさらに大きく開く必要があるが、目標Ｐ_ｍ（ｋ）と目標Ｐ_ｍ（ｋ−１）との間に差が無いために目標ＴＡ（ｋ）は目標ＴＡ（ｋ−１）の開度に維持されることになる。

上述の問題に関し、特開２００６−１４４５６５号公報に代表される従来技術では、図１０に示すように、前回の目標Ｐ_ｍの代わりに、エアモデル（順モデル）によって算出した推定Ｐ_ｍを用いている。つまり、目標Ｐ_ｍと推定Ｐ_ｍとの差（ΔＰ_ｍ）に基づいて目標ＴＡを計算している。これによれば、実際の吸気管圧の変化を目標ＴＡの計算に反映させることができるので、目標ＫＬの急激な変化に応じて実際のＫＬも速やかに大きく変化させることが可能となる。しかし、エア逆モデルによる計算に加えてエアモデルによる計算も行う場合、制御装置には多大な演算負荷がかかることになる。

そこで、本実施の形態の制御装置では、エアモデルを用いることなく、図２に示す計算要素６０，６２，６４或いは計算要素７０，７２，７４を用いることで上述の問題に対応することにした。

まず、（Ａ）加速時に用いる計算要素６０，６２，６４について説明する。計算要素６０は、目標ＴＡの前回値に１ステップでの最大変位量を加算することで、次回ステップでとりうる最大開度ＴＡ_ｍａｘを算出する。１ステップでの最大変位量はスロットル１２を駆動するモータの能力によって決まる値であって、実験によって得られた値が制御装置に記憶されている。

計算要素６２は、ＴＡ_ｍａｘで得られるスロットル通過空気流量を次の式７によって計算する。式７により算出されるｍ_ｔｍａｘは、スロットル１２の操作により次回ステップで実現可能なｍ_ｔの範囲の最大値である。式７におけるＰ_ｍｏは前回の目標Ｐ_ｍである。

さらに、計算要素６２は、式７で算出したｍ_ｔｍａｘを用いて次の式８によって目標Ｐ_ｍのガード値Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}を計算する。式８により算出されるＰ_{ｍｇｕａｒｄ}は、スロットル１２の操作によって次回ステップで実現可能なＰ_ｍの範囲の最大値である。本実施の形態では、この最大値を目標Ｐ_ｍの上限値として設定する。式８におけるｍ_ｃｏは前回の目標ＫＬから算出される筒内吸入空気流量である。

計算要素６４は、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}と目標Ｐ_ｍとを比較してより小さい値を最終的な目標Ｐ_ｍとして選択する。したがって、内燃機関の加速時において目標Ｐ_ｍがＰ_{ｍｇｕａｒｄ}以下であれば、計算要素５４で算出された目標Ｐ_ｍがそのまま計算要素５２へ入力される。一方、目標Ｐ_ｍがＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を超えている場合には、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}が目標Ｐ_ｍとして計算要素５２へ入力されることになる。

次に、（Ｂ）減速時に用いる計算要素７０，７２，７４について説明する。計算要素７０は、目標ＴＡの前回値から１ステップでの最大変位量を減算することで、次回ステップでとりうる最小開度ＴＡ_ｍｉｎを算出する。

計算要素７２は、ＴＡ_ｍｉｎで得られるスロットル通過空気流量を次の式９によって計算する。式９により算出されるｍ_ｔｍｉｎは、スロットル１２の操作により次回ステップで実現可能なｍ_ｔの範囲の最小値である。式９におけるＰ_ｍｏは前回の目標Ｐ_ｍである。

さらに、計算要素７２は、式９で算出したｍ_ｔｍｉｎを用いて次の式１０によって目標Ｐ_ｍのガード値Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}を計算する。式１０により算出されるＰ_{ｍｇｕａｒｄ}は、スロットル１２の操作によって次回ステップで実現可能なＰ_ｍの範囲の最小値である。本実施の形態では、この最小値を目標Ｐ_ｍの下限値として設定する。式１０におけるｍ_ｃｏは前回の目標ＫＬから算出される筒内吸入空気流量である。

計算要素７４は、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}と目標Ｐ_ｍとを比較してより大きい値を最終的な目標Ｐ_ｍとして選択する。したがって、内燃機関の減速時において目標Ｐ_ｍがＰ_{ｍｇｕａｒｄ}以上であれば、計算要素５４で算出された目標Ｐ_ｍがそのまま計算要素５２へ入力される。一方、目標Ｐ_ｍがＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を下回っている場合には、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}が目標Ｐ_ｍとして計算要素５２へ入力されることになる。

以上のように、本実施の形態では、加速時には計算要素６０，６２，６４による計算を目標ＴＡの計算に加え、また、減速時には計算要素７０，７２，７４による計算を目標ＴＡの計算に加えることにした。図３には、本実施の形態における目標ＴＡの計算手順がフローチャートで示されている。最初のステップＳ２では、制御装置は従来方法と同様に目標ＫＬから目標Ｐ_ｍを算出する。しかし、制御装置は目標Ｐ_ｍをそのままエア逆モデルに入力することはしない。次のステップＳ４では、制御装置は内燃機関の加速／減速状況に応じてＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を算出する。加速時にはスロットル１２の操作によって達成可能なＰ_ｍの範囲の最大値がＰ_{ｍｇｕａｒｄ}として算出され、減速時には前記範囲の最小値がＰ_{ｍｇｕａｒｄ}として算出される。次のステップＳ６では、制御装置はＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によって目標Ｐ_ｍを制限（ガード処理）する。そして、ステップＳ８では、制御装置は制限された目標Ｐ_ｍとその前回値との差であるΔＰ_ｍを計算し、このΔＰ_ｍから目標ＴＡを算出する。

このようにして計算された目標ＴＡを操作量とすることで、実際のＫＬやＰ_ｍの変化に応じてスロットル１２を操作することができ、結果、目標ＫＬが急激に変化したときにはそれに応じて実際のＫＬも速やかに大きく変化させることが可能となる。この点に関して図４を用いて説明する。図４には、エア逆モデルに入力される目標Ｐ_ｍの変化を加速時における目標ＫＬの変化と対応させて示している。図４において実線で示す目標Ｐ_ｍの変化はＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によるガード処理を施した場合の変化であり、破線で示す目標Ｐ_ｍの変化はＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によるガード処理が無い場合の変化である。加速時、ステップｋ−２からステップｋ−１にかけて目標ＫＬがステップ的に急増した場合、ガード処理が無い場合には目標Ｐ_ｍもそれに合わせてステップ的に増加する。結果、次のステップｋ−１からステップｋにかけて目標Ｐ_ｍには変化が生じないことになって、目標ＴＡ（ｋ）は目標ＴＡ（ｋ−１）の開度に維持されてしまう。これに対して、本実施の形態のようなガード処理を行う場合には、目標Ｐ_ｍの変化はスロットル１２の操作によって実現可能な変化を示すようになる。結果、次のステップｋ−１からステップｋにかけて目標Ｐ_ｍは増大し、それに応じて目標ＴＡ（ｋ）は目標ＴＡ（ｋ−１）の開度からさらに開かれることになる。

以上説明したように、本実施の形態の制御装置によれば、スロットル１２による吸入空気量や吸気管圧の制御性において優れた効果を得ることができる。また、本実施の形態の制御装置によれば、実際の吸入空気量や吸気管圧を推定する必要は無いので、エアモデルを用いた計算を不要にすることができる。また、計算要素６０，６２，６４や計算要素７０，７２，７４による計算では、μＡ（ＴＡ_ｍａｘ）やμＡ（ＴＡ_ｍｉｎ）を新たに計算する以外は、エア逆モデルによる計算で用いられた、或いはエア逆モデルで得られた既存の情報（例えば、Ｐ_ｍｏやｍ_ｃｏ）を用いることができる。したがって、本実施の形態の制御装置によれば、エアモデルによる計算を行う場合に比較して、制御装置にかかる演算負荷を非常に低く抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態１としての制御装置について説明した。実施の形態１と本発明との対応関係は次の通りである。実施の形態１では、吸気管圧の目標値が目標制御量となっている。そして、図２に示す計算要素５０，５２によって第１の発明の「スロットル開度算出手段」が構成されている。また、計算要素６０，６２或いは計算要素７０，７２によって第１及び第２の発明の「限界値算出手段」が構成されている。そして、計算要素６４或いは計算要素７４が第１の発明の「目標制御量制限手段」に相当している。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について図５及び図６を参照して説明する。

本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置との違いは、スロットル１２の操作に着目したときの加速時の構成にある。図５は、本実施の形態の制御装置がとる加速時の構成を示すブロック図である。減速時の構成は実施の形態１と同様であって、図２の（Ｂ）に示す構成がとられる。図５に示す構成において、図２の（Ａ）に示すものと共通する要素については同一の符号を付している。

図２の（Ａ）に示す構成によれば、加速時には、目標Ｐ_ｍの上限がＰ_{ｍｇｕａｒｄ}で制限されることになる。Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}の値は次ステップＴＡ_ｍａｘや目標Ｐ_ｍの前回値を用いて計算されるので、加速時にはＰ_{ｍｇｕａｒｄ}の値は目標ＴＡの増加に応じて次第に増加していき、やがては大気圧のＰ_ａになる。Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}の値がＰ_ａになれば、それにより上限を制限されている目標Ｐ_ｍもＰ_ａに張り付くようになり、目標ＴＡとして全開開度が算出されるようになる。ところが、例えば計算要素６２での計算誤差の影響によって、加速状態にあるにもかかわらずＰ_{ｍｇｕａｒｄ}の最大値がＰ_ａより若干小さい値にとどまってしまう可能性がある。そのような場合、目標Ｐ_ｍの値もＰ_ａよりも小さい値にとどまってしまうため、目標ＴＡとして全開開度を算出できなくなってしまう。

図５に示す構成は、加速時、スロットル１２を確実に全開に開くことを可能にするための構成である。本実施の形態の制御装置は、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}の値を補正するための計算要素６６を備えている。計算要素６６は、目標ＴＡが全開に近くなってきたら、計算要素６２で算出されたＰ_{ｍｇｕａｒｄ}に所定値αを加算し、αを加算したＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を最終的なＰ_{ｍｇｕａｒｄ}として計算要素６４に供給する。目標ＴＡが全開に近くなったかどうかは、計算要素６２で算出されたＰ_{ｍｇｕａｒｄ}の値がＰ_ａに近づいたかどうかによって判断することができる。具体的には、Ｐ_ａとＰ_{ｍｇｕａｒｄ}との差が所定値以下になったかどうか、或いは、Ｐ_ａに対するＰ_{ｍｇｕａｒｄ}の比が１よりも若干小さい所定値になったかどうかによって判断する。Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}の値がＰ_ａに近づいたらＰ_{ｍｇｕａｒｄ}の値をαだけ大きくすることで、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}の値をＰ_ａを超える値に設定することができる。これにより、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}による目標Ｐ_ｍの制限は実質的に解除されることになるので、エア逆モデルに入力される目標Ｐ_ｍの値を確実にＰ_ａまで上昇させることができ、ひいては、目標ＴＡとして全開開度を算出することを確実ならしめることができるようになる。

図６には、本実施の形態における目標ＴＡの計算手順がフローチャートで示されている。最初のステップＳ２では、制御装置は従来方法と同様に目標ＫＬから目標Ｐ_ｍを算出する。次のステップＳ４では、制御装置は内燃機関の加速／減速状況に応じてＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を算出する。次のステップＳ１０では、制御装置は内燃機関が加速している状況においてＰ_{ｍｇｕａｒｄ}の値がＰ_ａに近づいているかどうかを判定する。その判定結果がＹｅｓであれば、制御装置はステップＳ１２の処理を行い、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}の値にαを加算する。そして、次のステップＳ６では、制御装置はαを加算したＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によって目標Ｐ_ｍを制限（ガード処理）する。一方、Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ}の値がＰ_ａから離れている場合や、内燃機関が減速している場合には、制御装置はＰ_{ｍｇｕａｒｄ}の値をそのまま用いて目標Ｐ_ｍを制限する。ステップＳ８では、制御装置はＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によって制限された目標Ｐ_ｍとその前回値との差であるΔＰ_ｍを計算し、このΔＰ_ｍから目標ＴＡを算出する。

以上、本発明の実施の形態２としての制御装置について説明した。実施の形態２では、図５に示す計算要素６４，６６によって第４及び第５の発明の「目標制御量制限手段」が構成されている。その他の本発明との対応関係については実施の形態１の場合と同様である。

なお、加速時に目標ＴＡとして全開開度を算出できないという問題は、特開２００６−１４４５６５号公報に代表される従来技術でも発生する。以下、これについて説明しておく。

図１０に示す従来技術の構成においても、エア逆モデルで算出される目標ＴＡはΔＰ_ｍに応じて決まる。詳しくは、ΔＰ_ｍからスロットル通過空気流量が決まり、スロットル通過空気流量から必要なスロットル開口面積が決まる。そして、必要なスロットル開口面積から目標ＴＡが決まるわけであるが、スロットル開口面積の最大値をＡとしたとき、スロットル開口面積はＡ・ｃｏｓ（ＴＡ）で表される。したがって、スロットル開度が９０度（全開）付近にあるときには、スロットル開口面積の微小な変化によって、より詳しくは、それを生じさせるΔＰ_ｍの微小な変化によってスロットル開度は大きく変化することになる。

図１０に示す構成の従来技術の場合、ΔＰ_ｍは目標Ｐ_ｍと推定Ｐ_ｍとの差であり、推定Ｐ_ｍはエアモデルによって計算される。したがって、エアモデルによる推定Ｐ_ｍの計算に誤差が含まれている場合には、目標Ｐ_ｍが大気圧になっているにもかかわらず推定Ｐ_ｍは大気圧から僅かにずれた値となり、結果、ΔＰ_ｍに誤差が含まれることになる。大気圧付近でΔＰ_ｍに誤差が生じると、目標ＴＡとして全開開度からずれた値が算出されることになる。また、上述のようにスロットル開度が全開付近にあるときにはΔＰ_ｍに対するスロットル開度の感度は高いので、エアモデルによる推定Ｐ_ｍの計算誤差にスロットルが過敏に変化してハンチングが発生してしまう場合もある。

特開２００６−１４４５６５号公報には上記問題の解決策に関する記述はない。これに対し、本実施の形態によれば、加速時における制御装置の構成として図５に示す構成をとったことで、上述のような問題を解決することができた。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３について図７及び図８を参照して説明する。

本実施の形態の制御装置の一つの特徴は、実施の形態１の制御装置の構成において、スロットルの操作に対する実際のスロットル開度の応答をモデル化したスロットル応答モデルを新たに備えたことである。図７は、本実施の形態の制御装置がとる加速時の構成を示すブロック図である。図７に示す構成において、図２の（Ａ）に示すものと共通する要素については同一の符号を付している。減速時の構成については図示を省略するが、図７に示す加速時の構成と共通の概念で設計されている。

図７に示す構成において、新たに追加された計算要素８０がスロットル応答モデルである。スロットル応答モデルを数式で表すと次の式１１のようになる。式１１においてＴＡ_ａｃｔは実際のスロットル開度を、ＴＡ_ａｃｔｏは実際スロットル開度の前回値を、ＴＡ_ｒｅｆは目標スロットル開度を、Ｋは係数をそれぞれ示している。Ｋは１よりも小さい固定値である。

実施の形態１では、次回ステップでとりうる最大開度ＴＡ_ｍａｘを計算する場合に目標ＴＡの前回値を基準にしている。しかし、式１１からも明らかなように、過渡時においては実際のＴＡは目標ＴＡと一致しない。ＴＡ_ｍａｘをより正確に計算するためには、目標ＴＡの前回値ではなく、現時点における実際ＴＡを用いることが望ましい。

本実施の形態の制御装置は、図７に示すように、目標ＴＡをスロットル応答モデルである計算要素８０に入力して実際ＴＡの推定値（推定実ＴＡ）を算出する。そして、得られた推定実ＴＡを計算要素６０に入力し、推定実ＴＡに１ステップでの最大変位量を加算することでＴＡ_ｍａｘを算出する。図示はしないが、減速時には推定実ＴＡから１ステップでの最大変位量を減算することでＴＡ_ｍｉｎを算出する。このようにして算出されたＴＡ_ｍａｘやＴＡ_ｍｉｎを用いれば、目標Ｐ_ｍの限界値であるＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を高い精度で算出することが可能となる。本実施の形態の制御装置は、このような高精度のＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を用いて目標Ｐ_ｍを制限することで、スロットル１２による吸入空気量や吸気管圧の制御性においてより優れた効果を得ることができる。

図８には、本実施の形態における目標ＴＡの計算手順がフローチャートで示されている。最初のステップＳ２では、制御装置は従来方法と同様に目標ＫＬから目標Ｐ_ｍを算出する。次のステップＳ２０では、制御装置はスロットル応答モデルを用いて目標ＴＡの前回値から推定実ＴＡを算出する。次のステップＳ４では、制御装置は推定実ＴＡに基づいてＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を算出し、さらに次のステップＳ６では、制御装置はＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によって目標Ｐ_ｍを制限（ガード処理）する。そして、ステップＳ８では、制御装置はＰ_{ｍｇｕａｒｄ}によって制限された目標Ｐ_ｍとその前回値との差であるΔＰ_ｍを計算し、このΔＰ_ｍから目標ＴＡを算出する。

以上、本発明の実施の形態３としての制御装置について説明した。実施の形態３では、図７に示す計算要素６０，６２，８０によって第３の発明の「限界値算出手段」が構成されている。その他の本発明との対応関係については実施の形態１の場合と同様である。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４について図９を参照して説明する。

本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置との違いは、ガード対象を目標Ｐ_ｍではなく目標ＫＬとしたことにある。図９は、本実施の形態の制御装置がとる加速時の構成を示す図である。図９に示す構成において、図２の（Ａ）に示すものと共通する要素については同一の符号を付している。

本実施の形態と実施の形態１とで共通する制御装置の要素は、計算要素５０，５２，５４である。本実施の形態では、これらの計算要素５０，５２，５４によって構成される計算モデルをエア逆モデルとして扱うものとする。また。本実施の形態では、目標ＫＬを内燃機関の目標制御量として扱うものとする。

本実施の形態の制御装置は、計算要素９０，９２，９４をさらに備える。計算要素９０は、目標ＴＡの前回値に１ステップでの最大変位量を加算することで、次回ステップでとりうる最大開度ＴＡ_ｍａｘを算出する。

計算要素９２は、上記式７を用いてＴＡ_ｍａｘからｍ_ｔｍａｘを計算し、さらに、上記式８を用いてｍ_ｔｍａｘからＰ_{ｍｇｕａｒｄ}を計算する。そして、上記式１及び式２を用いてＰ_{ｍｇｕａｒｄ}をＫＬ_{ｇｕａｒｄ}に変換する。ＫＬ_{ｇｕａｒｄ}は、スロットル１２の操作によって次回ステップで実現可能なＫＬの範囲の最大値である。本実施の形態では、この最大値を目標ＫＬの上限値として設定する。

計算要素９４は、ＫＬ_{ｇｕａｒｄ}と目標ＫＬとを比較してより小さい値を最終的な目標ＫＬとして選択する。したがって、内燃機関の加速時において目標ＫＬがＫＬ_{ｇｕａｒｄ}以下であれば、目標ＫＬがそのまま計算要素５４へ入力される。一方、目標ＫＬがＫＬ_{ｇｕａｒｄ}を超えている場合には、ＫＬ_{ｇｕａｒｄ}が目標ＫＬとして計算要素５４へ入力されることになる。

なお、減速時の構成については図示を省略するが、図９に示す加速時の構成と共通の概念で設計されている。つまり、次回ステップで実現可能なＫＬの範囲の最小値としてＫＬ_{ｇｕａｒｄ}が算出され、目標ＫＬとＫＬ_{ｇｕａｒｄ}のうちより大きい値が最終的な目標ＫＬとして選択されるような構成とされている。

本実施の形態の制御装置によれば、実施の形態１と同様に、スロットル１２による吸入空気量や吸気管圧の制御性において優れた効果を得ることができる。なお、実施の形態２，３に係る各技術的特徴は、本実施の形態にも適用することができる。

以上、本発明の実施の形態４としての制御装置について説明した。実施の形態４と本発明との対応関係は次の通りである。実施の形態４では、吸入空気量の目標値が目標制御量となっている。そして、図９に示す計算要素５０，５２，５４によって第１の発明の「スロットル開度算出手段」が構成されている。また、計算要素９０，９２によって第１及び第２の発明の「限界値算出手段」が構成されている。そして、計算要素９４が第１の発明の「目標制御量制限手段」に相当している。

その他．
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。

本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における目標ＴＡの計算手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２における目標ＴＡの計算手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３における目標ＴＡの計算手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４の制御装置の構成を示すブロック図である。 従来の制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１２ スロットル
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
２２ 吸気マニホールド
Ｐ_ｍ 吸気管圧
Ｐ_{ｍｇｕａｒｄ} 吸気管圧の上限値或いは下限値
ＫＬ 吸入空気量
ＫＬ_{ｇｕａｒｄ} 吸入空気量の上限値或いは下限値
ＴＡ スロットル開度

Claims (5)

1. 吸入空気量或いは吸気管圧を制御量とし、目標制御量に基づいてスロットルを操作する内燃機関の制御装置において、
   前記スロットルの動作に対する前記制御量の応答をモデル化した吸気系モデルの逆モデルを具備し、前記逆モデルを用いて前記目標制御量を実現するためのスロットル開度を算出するスロットル開度算出手段と、
   前記スロットル開度算出手段で算出されたスロットル開度を前記スロットルに操作量として出力する操作量出力手段と、
   前記スロットルの操作による前記制御量の可変範囲の最大値或いは最小値を、前記目標制御量の上限値或いは下限値として算出する限界値算出手段と、
   取得した目標制御量の値が前記上限値を超える或いは前記下限値を下回る場合には、前記スロットル開度の算出に使用される目標制御量の値を前記上限値或いは前記下限値によって制限する目標制御量制限手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記限界値算出手段は、前記逆モデルによる計算で用いられた前記目標制御量の前回値と、前記操作量の前回値から予測される前記操作量の最大今回値或いは最小今回値とに基づいて前記上限値或いは下限値を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記限界値算出手段は、前記スロットルの操作に対する実際のスロットル開度の応答をモデル化したスロットル応答モデルを具備し、前記操作量の前回値を前記スロットル応答モデルに入力して得られる実際スロットル開度の推定値から前記操作量の最大今回値或いは最小今回値を予測することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記目標制御量制限手段は、前記スロットルの全開時に得られる前記制御量の値と前記上限値との差が所定値以下の場合には、前記上限値による目標制御量の制限を解除若しくは緩和することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記目標制御量制限手段は、前記内燃機関が加速状態にあることを条件にして前記上限値による目標制御量の制限の解除若しくは緩和を行うことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。

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