JP2010168992A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のトルクを吸気量調整弁の弁開度と点火時期とによって制御することができる内燃機関の制御装置に関し、燃焼限界を超えての運転の防止と要求トルク等の機関要求の実現とを高い次元で両立させる。
【解決手段】要求トルクと要求効率とを用いて目標スロットル開度を算出する内燃機関の制御装置において、筒内の燃焼条件が燃焼限界内に収まるように、要求効率に制限を設ける修正部２０を備える。修正部２０は、吸入空気量と機関回転数とに基づいて、燃焼限界に対応する点火時期を算出するマップ２０６と、当該点火時期で実現されるトルク（ガードトルク）を算出するマップ２０８と、ガードトルクと現在のスロットル開度から推定されるトルクとの比で表されるトルク効率に基づいて、要求効率に制限を設けるガード部２１２とを備える。好ましくは、マップ２０６には、目標吸入空気量が読み込まれる。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、内燃機関のトルクを吸気量調整弁の弁開度と点火時期とによって制御することができる内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関のトルクの制御方法として、要求トルクに基づいてスロットル開度と点火時期とを協調制御するいわゆるトルクデマンド制御が知られている。特開２００６−１３８３００号公報に開示されている技術も、そのようなトルクデマンド制御に関するものである。この公報に開示された技術では、要求トルクとは別にトルクリザーブのためのトルク余裕値が入力され、要求トルクとトルク余裕値とに基づいて、スロットル開度と点火時期とを算出している。より詳しくは、要求トルクにトルク余裕値を加算した値からスロットル開度を算出している。また、要求トルクと、要求トルクにトルク余裕値を加算した値との比から点火時期の遅角量を算出している。

特開２００６−１３８３００号公報

上記従来の技術では、要求トルクとトルク余裕値とは個々に独立して設定されているが、要求トルクとトルク余裕値との関係によっては、内燃機関におけるそれらの実現が不可能な場合もある。入力された要求トルクとトルク余裕値とから算出されたスロットル開度および点火時期によって内燃機関を制御したときに、筒内の燃焼条件が燃焼限界を超えてしまった場合である。筒内の燃焼条件が燃焼限界を超えることで、燃焼変動や失火といった問題が発生してしまう。

このような問題への対応策としては、独立して設定された各機関要求（要求トルクとトルク余裕値）を相互の関係に基づいて修正することが考えられる。しかしながら、燃焼限界を超えないための安全代を大きくとりすぎると、要求の修正が大きくなってしまい要求の実現精度は低下してしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼限界を超えての運転の防止と要求トルク等の機関要求の実現とを高い次元で両立させることが可能な内燃機関の制御装置を提供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、内燃機関の制御装置であって、
吸入空気量を調整する吸気量調整弁の開度と点火時期とによって動作を制御される内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の動作を決定する複数の制御量に関する要求として、少なくとも要求トルクと要求効率とを取得する機関要求取得手段と、
取得した要求トルクと要求効率とから目標弁開度を算出する目標弁開度算出手段と、
筒内の燃焼条件が燃焼限界内に収まるように、前記目標弁開度の算出に使用する要求効率を修正する修正手段と、を備え、
前記修正手段は、
前記内燃機関の吸入空気量と機関回転数とに基づいて、燃焼限界に対応する点火時期を算出する点火時期算出手段と、
前記点火時期算出手段で算出された点火時期に基づいて、前記内燃機関で実現されるトルクを算出するトルク算出手段と、
前記トルク算出手段で算出されたトルクと現在の弁開度から推定されるトルクとの比で表されるトルク効率に基づいて、目標弁開度の算出に使用する要求効率に制限を設けるガード手段と、
を含むことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記点火時期算出手段は、取得した要求トルクと要求効率とが前記内燃機関で実現されるための目標吸入空気量を取得する目標吸入空気量取得手段を更に含み、前記目標吸入空気量と機関回転数とに基づいて、燃焼限界に対応する点火時期を算出することを特徴とする。

第１の発明によれば、要求効率が燃焼限界に対応するトルク効率でガードされる。このため、本発明によれば、要求効率がどのような値であっても、筒内の燃焼条件を燃焼限界内に収めることができる。

第２の発明によれば、要求効率に制限を加えるガード値を算出する際に、目標吸入空気量が使用される。目標吸入空気量が変化すると実際の吸入空気量は遅れて変化する。つまり、実際の吸入空気量は、目標吸入空気量に対して応答遅れを有している。このため、本発明によれば、ガード値の算出に目標吸入空気量を使用することで、吸入空気量がハンチングする事態を効果的に抑制し、要求トルクの実現精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１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。 本発明の実施の形態２にかかるガードトルク算出部の要部を示すブロック図である。 実際の吸入空気量の目標吸入空気量に対する応答遅れの様子を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について、図１を参照して説明する。尚、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本実施の形態にかかる内燃機関は、火花点火式の内燃機関であって、その動作を制御するためのアクチュエータとして、スロットル弁、点火装置、および燃料噴射装置を備えている。本実施の形態の制御装置は、いわゆるトルクデマンド制御によって内燃機関を制御するものであり、要求トルクを含む種々の機関要求に基づいて各アクチュエータの制御に用いる目標値、すなわち、目標スロットル開度、目標点火時期、および目標Ａ／Ｆを算出する。尚、ここでいう機関要求とは、内燃機関の動作を決定する物理量の要求値である。内燃機関の動作は、トルク、効率、およびＡ／Ｆ（空燃比）の３つの物理量によって決定することができることから、機関要求としては、要求トルク、要求効率、および要求Ａ／Ｆが入力される。

本実施の形態の制御装置は、図１に示すブロック図のように構成されている。図１では、制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達（主なもの）を矢印で示している。以下、図１を参照して本実施の形態の全体の構成と、その特徴について説明する。

本実施の形態の制御装置は、内燃機関に要求されるトルクを取得する要求トルク取得部２と、内燃機関に要求される効率を取得する要求効率取得部４と、内燃機関に要求されるＡ／Ｆを取得するＡ／Ｆ取得部６とを備えている。各要求は、車両の駆動系全体を制御する上位の制御装置から発せられている。

本実施の形態の制御装置は、入力された各機関要求（要求トルク、要求効率、および要求Ａ／Ｆ）と、内燃機関の現在の運転状態に関する機関情報とに基づいて、目標スロットル開度、目標点火時期、および目標Ａ／Ｆを算出する。その計算を行うのがトルク実現部１０である。トルク実現部１０は、内燃機関の逆モデルにあたり、マップや関数で表された複数の統計モデルや物理モデルで構成されている。内燃機関の逆モデルの構成は、制御装置による内燃機関の制御特性を特徴付けるが、本実施の形態では、要求トルク、要求効率および要求Ａ／Ｆのうち、要求トルクを最優先して実現するような構成とされている。

トルク実現部１０に入力される要求トルクと要求効率とは、直接には目標スロットル開度の計算に用いられる信号となる。また、トルク実現部１０に入力される要求Ａ／Ｆは、直接には目標Ａ／Ｆの計算に用いられる信号となる。内燃機関の動作を制御するためには、これらの信号に加えて目標点火時期の計算に用いる信号が必要であり、トルク実現部１０にはその信号を生成する機能も備えられている。

本実施の形態の制御装置において、目標点火時期の計算に用いられる信号はトルク効率である。トルク効率は、内燃機関の推定トルクに対する要求トルクの比として定義される。トルク実現部１０は、トルク効率の算出のための要素として、推定トルク算出部１１２、およびトルク効率算出部１１４を備えている。

推定トルク算出部１１２は、現在のスロットル開度から内燃機関のトルクを推定計算する。より詳しくは、現在のスロットル開度で実現できる吸入空気量を吸気系の物理モデルであるエアモデルを用いて計算する。次に、エアモデルで計算した見込みの吸入空気量をトルクマップに照合してトルクに変換する。トルクマップは、トルクと吸入空気量との関係を示す統計モデルであり、吸入空気量を含む複数のパラメータを軸とする多次元マップになっている。各パラメータには、現在の機関情報から得られる値が入力される。但し、点火時期は最適点火時期（ＭＢＴとトレースノック点火時期のうちより遅角側の点火時期）とされている。推定トルク算出部１１２は、見込みの吸入空気量から変換されたトルクを内燃機関の最適点火時期における推定トルクとして算出する。

トルク効率算出部１１４は、トルク実現部１０に導入された要求トルクと、推定トルク算出部１１２で算出された推定トルクとの比をトルク効率として算出する。後述するが、スロットル開度は、要求トルクを要求効率で除算して嵩上げした補正要求トルクを実現するように制御される。これは、要求効率の分だけ低下するトルクを吸入空気量の増量によって補うためである。但し、スロットル開度の変化に対する実際の吸入空気量の応答には遅れがあるため、実際に出力可能なトルク（推定トルク）は要求効率の変化に対して応答遅れを有している。推定トルクと要求トルクとの比であるトルク効率は、要求効率と実際の吸入空気量の変化とを共に目標点火時期の計算に反映させるためのパラメータになっている。少なくとも吸入空気量が一定となった定常状態では、理論的には推定トルクは補正要求トルクに一致し、トルク効率は要求効率に一致するようになる。

ところで、車両駆動系の上位制御装置から内燃機関に発せられる要求トルク、要求効率、および要求Ａ／Ｆは、各々が独立して生成されるものであって、他機関要求との関係で実現可能な値かどうかは考慮されていない。このため、各機関要求の大きさの関係によっては、筒内の燃焼条件が燃焼限界を超えてしまう可能性がある。そこで、トルク実現部１０には、内燃機関の適正運転が可能になるように、内燃機関の各制御に用いられる信号の大きさを修正する修正部２０が設けられている。修正部２０の構成とその機能に関しては、追って詳細に説明する。

トルク実現部１０は、目標スロットル開度の計算のため、要求トルク補正部１０２、吸入空気量算出部１０４、およびスロットル開度算出部１０６を備えている。要求トルクと修正後の要求効率とは、要求トルク補正部１０２に入力される。要求トルク補正部１０２は、要求トルクを要求効率で除算して補正し、効率補正後の要求トルクを目標空気量算出部１０４に出力する。修正後の要求効率の値が１よりも小さければ、要求効率による除算によって要求トルクは嵩上げされ、嵩上げされた要求トルクが吸入空気量算出部１０４に供給される。

吸入空気量算出部１０４は、効率補正された要求トルクを吸入空気量に変換する。要求トルクの吸入空気量への変換には空気量マップが用いられる。空気量マップは、トルクと吸入空気量との関係を示す統計モデルであり、トルクを含む複数のパラメータを軸とする多次元マップになっている。各パラメータには、現在の機関情報から得られる値が入力される。但し、点火時期は最適点火時期とされている。吸入空気量算出部１０４は、効率補正された要求トルクから変換された吸入空気量を目標吸入空気量として算出する。

スロットル開度算出部１０６は、目標吸入空気量を実現するためのスロットル開度を算出する。その計算にはエアモデルの逆モデル（以下、「エア逆モデル」と称する）が用いられる。エアモデルによる計算には、機関回転数やバルブタイミング等の吸入空気量に影響する各種の運転状態に関する機関情報が用いられる。スロットル開度算出部１０６は、目標吸入空気量から変換されたスロットル開度を目標スロットル開度として出力する。

トルク実現部１０は、トルク効率から目標点火時期を計算するための点火時期算出部１１６を備えている。点火時期算出部１１６は、トルク効率から最適点火時期に対する遅角量を計算する。遅角量の計算には、マップ等の統計モデルが用いられる。トルク効率が小さいほど、点火遅角量は大きい値に設定される。また、点火時期算出部１１６は、内燃機関の運転状態に基づいて、最適点火時期を計算する。点火時期算出部１１６は、点火時期算出部１１６は、点火遅角量を最適点火時期に加算し、得られた最終的な点火時期を目標点火時期として出力する。

以上がトルク実現部１０の基本的な構成に関する説明である。次に、本実施の形態の制御装置にとっての要部である修正部２０の構成とその機能について説明する。

修正部２０は、ガードトルク算出部２００を備えている。ガードトルク算出部２００は、内燃機関の機関情報に基づいて、燃焼限界に対応するトルクの値（以下、「ガードトルク」と称する）を算出する。より詳しくは、ガードトルク算出部２００は、吸入空気量取得部２０２、機関回転数取得部２０４、点火時期限界値マップ２０６、およびガードトルクマップ２０８を備えている。吸入空気量取得部２０２は、吸気系の物理モデルであるエアモデルを用いて、現在のスロットル開度から現在の吸入空気量を推定計算する。また、機関回転数取得部２０４は、クランク角センサの出力信号に基づいて、現在の機関回転数を計算する。

点火時期限界値マップ２０６は、燃焼限界に対応する点火時期を算出する。点火時期限界値マップ２０６には、燃焼限界に対応する点火時期の値が、吸入空気量や機関回転数等の機関情報に関連付けて記憶されている。ここでは、具体的には、吸入空気量取得部２０２で取得された現在の吸入空気量と機関回転数取得部２０４で取得された現在の機関回転数とを含む複数の機関情報を用いて、燃焼限界に対応する点火時期が特定される。特定された点火時期は、ガードトルクマップ２０８に読み込まれる。

ガードトルクマップ２０８は、ガードトルクと吸入空気量等の複数のパラメータとを軸とする多次元マップになっている。ここでは、具体的には、点火時期限界値マップ２０６で特定された燃焼限界に対応する点火時期、吸入空気量取得部２０２で取得された現在の吸入空気量、および機関回転数取得部２０４で取得された現在の機関回転数に対応するガードトルクが当該マップから算出される。

修正部２０は、トルク実現部１０へ導入された要求効率を、所定範囲に制限するためのガード部２１２を備えている。ガード部２１２のガード値には、燃焼限界に対応したトルク効率が用いられる。そのトルク効率の計算はトルク効率算出部２１０で行われる。トルク効率算出部２１０は、ガードトルク算出部２００で算出されたガードトルクと、推定トルク算出部１１２で算出された推定トルクとの比をトルク効率として算出する。ガード部２１２は、トルク効率算出部２１０で算出されたトルク効率をガード値として、トルク実現部１０へ導入された要求効率に制限を行う。

上述した構成によれば、修正部２０は、トルク実現部１０に導入される要求効率を、燃焼限界に対応するトルク効率でガードすることができる。このため、内燃機関が燃焼限界を超えて運転される事態を効果的に抑止することができる。これにより、要求トルクの実現精度を向上させることができる。

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。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、要求トルク取得部２、および要求効率取得部４が、前記第１の発明における「機関要求取得手段」に、スロットル開度算出部１０６が、前記第１の発明における「目標弁開度算出手段」に、修正部２０が、前記第１の発明における「修正手段」に、点火時期限界値マップ２０６が、前記第１の発明における「点火時期算出手段」に、ガードトルクマップ２０８が、前記第１の発明における「トルク算出手段」に、ガード部２１２が、前記第１の発明における「ガード手段」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について、図１乃至図３を参照して説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本実施の形態の制御装置の全体の構成は、実施の形態１と同じく、図１のブロック図にて示される。但し、本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置とは、制御装置を構成する一要素であるガードトルク算出部２００の構成に違いがある。本実施の形態にかかるガードトルク算出部２００の要部の構成を示したのが図２のブロック図である。つまり、本実施の形態の制御装置の構成は、図１に示す構成の一部を図２に示す構成に置き換えたものになっている。以下、図１とともに図２を参照して本実施の形態の特徴であるガードトルク算出部２００の構成について説明する。

本実施の形態にかかるガードトルク算出部２００は、図１における吸入空気量取得部２０２に替えて目標吸入空気量取得部２１４を備えている。目標吸入空気量取得部２１４は、吸入空気量算出部１０４において算出された目標吸入空気量を取得する。点火時期限界値マップ２０６は、目標吸入空気量取得部２１４で取得された目標吸入空気量と機関回転数取得部２０４で取得された現在の機関回転数とを用いて、燃焼限界に対応する点火時期を算出する。ガードトルクマップ２０８は、点火時期限界値マップ２０６で算出された燃焼限界に対応する点火時期、目標吸入空気量取得部２１４で取得された目標吸入空気量、および機関回転数取得部２０４で取得された現在の機関回転数に基づいて、燃焼限界に対応するトルクの値としてガードトルクを算出する。

ここで、現在の吸入空気量は、目標吸入空気量に対して応答遅れを有している。図３は、実際の吸入空気量の目標吸入空気量に対する応答遅れの様子を示す図である。この図に示すとおり、目標吸入空気量が急激に低下した場合、実際の吸入空気量は応答遅れを持って変化している。このため、ガードトルクの算出の際に現在の吸入空気量を用いることとすると、目標吸入空気量および実際の吸入空気量が共にハンチングしてしまうおそれがある。

そこで、本実施の形態２では、図２に示すとおり、ガードトルクの算出に目標吸入空気量が用いられる。これにより、吸入空気量の応答遅れを１演算分の時間に短縮することができるので、吸入空気量がハンチングする事態を効果的に抑制することができる。これにより、ガード値の遅れを小さくすることができるので、要求トルクの実現精度を向上させることができる。

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。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２に示す構成において、目標吸入空気量取得部２０２が、前記第２の発明における「目標吸入空気量取得手段」に、点火時期限界値マップ２０６が、前記第２の発明における「点火時期算出手段」に、それぞれ相当している。

２ 要求トルク取得部
４ 要求効率取得部
６ 要求Ａ／Ｆ取得部
１０ トルク実現部
２０ 修正部
３０ なまし処理部
１０２ 要求トルク補正部
１０４ 吸入空気量算出部
１０６ スロットル開度算出部
１０８ 全開判定部
１１２ 推定トルク算出部
１１４ トルク効率算出部
１１６ 点火時期算出部
２００ ガードトルク算出部
２０２ 吸入空気量取得部
２０４ 機関回転数取得部
２０６ 点火時期限界値マップ
２０８ ガードトルクマップ
２１０ トルク効率算出部
２１２ ガード部
２１４ 目標吸入空気量取得部

Claims (2)

1. 吸入空気量を調整する吸気量調整弁の開度と点火時期とによって動作を制御される内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の動作を決定する複数の制御量に関する要求として、少なくとも要求トルクと要求効率とを取得する機関要求取得手段と、
   取得した要求トルクと要求効率とから目標弁開度を算出する目標弁開度算出手段と、
   筒内の燃焼条件が燃焼限界内に収まるように、前記目標弁開度の算出に使用する要求効率を修正する修正手段と、を備え、
   前記修正手段は、
   前記内燃機関の吸入空気量と機関回転数とに基づいて、燃焼限界に対応する点火時期を算出する点火時期算出手段と、
   前記点火時期算出手段で算出された点火時期に基づいて、前記内燃機関で実現されるトルクを算出するトルク算出手段と、
   前記トルク算出手段で算出されたトルクと現在の弁開度から推定されるトルクとの比で表されるトルク効率に基づいて、目標弁開度の算出に使用する要求効率に制限を設けるガード手段と、
   を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記点火時期算出手段は、取得した要求トルクと要求効率とが前記内燃機関で実現されるための目標吸入空気量を取得する目標吸入空気量取得手段を更に含み、前記目標吸入空気量と機関回転数とに基づいて、燃焼限界に対応する点火時期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。

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