JP2011196263A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の制御装置に関し、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化し、吸気バルブが閉じられるまでに遅延時間が経過してスロットルが制御される場合であっても、空燃比制御の精度を高く維持することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】アクセル開度に応じた目標スロットル開度が算出された後、所定の遅延時間の経過を待ってスロットルを該目標スロットル開度に制御する。前記遅延時間の経過時期が吸気バルブ閉弁時期よりも前の場合であって、燃料噴射量の算出時がアクセル開度の変化前後の所定期間内である場合には、前記遅延時間を延長する。
【選択図】図５

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、車両に搭載される内燃機関の空燃比制御を実行するのに好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、吸入空気量を先に決定し、燃料噴射量をこれに追従させて空燃比を制御する空気量先行・燃料噴射量追従制御方式を採用した内燃機関の制御装置が知られている。また、特許文献１には、アクセル開度から算出した目標スロットル開度を所定の遅延時間だけ遅延させて電子制御式のスロットルを目標スロットル開度に制御することで、吸気バルブ閉弁時のスロットル開度を予測することが開示されている。加えて、特許文献１には、予測したスロットル開度等から推定される吸入空気量と目標空燃比とから燃料噴射量を算出し、空燃比を目標空燃比に制御することが開示されている。そして、特許文献１では、所定時間遅延後のスロットル制御時と、燃料噴射気筒の吸気バルブ閉弁時との前後関係に応じて、吸気バルブ閉弁時のスロットル開度予測手法を切り換えることで吸気バルブ閉弁時の吸入空気量を精度良く推定することとしている。

特許第３７３３６６９号 特開平１１−１１７７９３号公報 特開平１０−２０５３７０号公報

しかしながら、上記従来の内燃機関の制御装置では、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化する場合について考慮されていない。燃料噴射量の算出時には、将来のアクセル開度の変化を予測することができないため、燃料噴射量の算出後にアクセル開度の変化し、吸気バルブが閉じられるまでに遅延時間が経過してスロットルが制御され、スロットル開度が変化する場合がある。このような場合には、上記従来の制御装置では、燃料噴射量の算出時にスロットル開度等から推定した吸入空気量と、吸気バルブ閉弁時における現実の吸入空気量とが大きく異なることとなる。そのため、吸入空気量の推定精度が著しく悪化し、空燃比制御の精度も悪化することとなる。

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、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化し、吸気バルブが閉じられるまでに遅延時間が経過してスロットルが制御される場合であっても、空燃比制御の精度を高く維持することのできる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、
スロットル開度に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
アクセル開度に応じた目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度算出手段と、
前記目標スロットル開度算出手段によって目標スロットル開度が算出された後、所定の遅延時間の経過を待って、スロットルを該目標スロットル開度に制御するスロットル制御手段と、
前記遅延時間の経過時期が吸気バルブ閉弁時期よりも前の場合であって、前記燃料噴射量の算出時がアクセル開度の変化前後の所定期間内である場合には、前記遅延時間を延長する遅延時間延長手段と、を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、遅延時間の経過時期が吸気バルブ閉弁時期よりも前の場合であって、燃料噴射量の算出時がアクセル開度の変化前後の所定期間内である場合には、遅延時間を延長することができる。遅延時間を延長することで、吸気バルブが閉じられるまでのスロットル開度の変化量を低減することができる。その結果、燃料噴射量算出時における吸入空気量と、吸気バルブ閉弁時期における吸入空気量とのズレを低減することができる。このため、本発明によれば、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化し、吸気バルブが閉じられるまでに遅延時間が経過してスロットルが制御される場合であっても、空燃比制御の精度を高く維持することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化し、吸気バルブが閉じられるまでに目標スロットル開度の遅延時間ｔｄｌｙが経過し、スロットルバルブ３２が目標スロットル開度に制御される状況について説明するための図である。 図２の状況において生じる吸入空気量の推定誤差に関する実験結果を示す図である。 本発明の実施の形態１における特徴的制御及び効果について説明するための図である。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１において、ＥＣＵ５０に記憶されている所定期間７０について説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。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。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両の動力源として用いられる内燃機関（以下、単に「エンジン」という。）１０を備えている。エンジン１０には、吸気通路１２および排気通路１４が接続されている。

エンジン１０は、例えば直列４気筒エンジンである。図１には、そのうちの一つの気筒の断面が示されている。各気筒には、吸気通路１２に連通する吸気ポートと、排気通路１４に連通する排気ポートとが設けられている。吸気ポートには、その内部に燃料を噴射するためのインジェクタ１６が配置されている。なお、エンジン１０は、図示の構成に限らず、燃料を筒内に直接噴射する方式のものでもよい。

また、各気筒には、吸気ポートと燃焼室との間を開閉する吸気バルブ１８と、排気ポートと燃焼室との間を開閉する排気バルブ２０と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ２２が設けられている。

各気筒のピストンの往復運動は、クランク機構を介して、クランク軸２６の回転運動に変換される。クランク軸２６の近傍には、クランク軸２６の回転角ＣＡを検出するためのクランク角センサ２８が取り付けられている。クランク角センサ２８の出力によれば、エンジン回転数ＮＥを検出することもできる。

吸気通路１２には、エアフローメータ３０が配置されている。エアフローメータ３０の下流には、スロットルバルブ３２が配置されている。スロットルバルブ３２は、後述するＥＣＵ５０からの指令に従い、スロットルモータ３４によって開閉駆動される電子制御式のスロットルバルブである。スロットルバルブ３２の近傍には、スロットル開度を検出するスロットルポジションセンサ３６が配置されている。

また、排気通路１４には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ３７が設けられている。空燃比センサ３７の下流には、排気ガスを浄化するための触媒３８が設置されている。触媒３８としては、例えば、三元触媒、ＮＯｘ触媒等が用いられる。

本実施形態のシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、上述のクランク角センサ２８、エアフローメータ３０、スロットルポジションセンサ３６、空燃比センサ３７の他、車両の運転席に設けられたアクセルペダルの操作位置（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ４８等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、前述のインジェクタ１６、点火プラグ２２、スロットルモータ３４の他等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサからの入力情報に基づいて所定のプログラムを実行し、各種アクチュエータを作動させることにより、エンジン１０の運転状態を制御する。なお、目標空燃比は理論空燃比（ストイキ）に設定されているものとする。

［実施の形態１における特徴的制御］
本実施形態のシステムでは、吸入空気量を先に決定し、燃料噴射量をこれに追従させて空燃比を制御する空気量先行・燃料噴射量追従制御方式を採用した制御が実施される。ここで、吸入空気量はスロットル開度やエンジン回転数ＮＥ等から推定することができる。スロットル開度等から吸入空気量を推定するモデルについては、例えば、特許第３７３３６６９号に開示されている。そのため、本明細書では当該モデルについての説明は省略する。また、燃料噴射量は、推定された吸入空気量と目標空燃比とに基づいて算出することができる。

また、本実施形態のシステムでは、アクセル開度をドライバ要求として、これに応じて電子制御式のスロットルバルブ３２のスロットル開度を制御する。具体的に説明する。まず、ＥＣＵ５０は、運転者による現在のアクセルペダルの操作位置（アクセル開度）に応じた電子制御式のスロットルバルブ３２の目標スロットル開度を算出し一時的に記憶する。そして、ＥＣＵ５０は、目標スロットル開度に応じた制御信号を所定の遅延時間だけ保留して、遅延時間経過後にスロットルモータ３４に出力する。

従って、現在のアクセルペダルの操作位置は、僅かな遅延時間だけ意図的に遅延されてスロットルモータ３４に伝えられる。スロットルバルブ３２は、この遅延時間だけ遅れてアクセルペダルの操作位置に追従することとなる。なお、この遅延時間は、エンジン１０で多用される所定のエンジン回転数ＮＥ（例えば、中回転とする。）において、燃料噴射気筒の吸気バルブ１８が閉弁する時刻までの時間よりも長くなるように設定されている。

ところで、吸気バルブ１８が閉弁するまでの時間は主にエンジン回転数ＮＥに依存する。表１は、直列４気筒（Ｌ４）エンジンにおける燃料噴射間隔とエンジン回転数ＮＥとの関係を示す表である。表１に示す通り低回転であるほど燃料噴射間隔は長く、１回の吸気行程に要する時間も長くなり、吸気行程における吸気バルブ１８の閉弁時期も遅くなる。よって、低回転時においては、上述の遅延時間の経過時期が吸気バルブ１８の閉弁時期よりも前になる場合がある。その結果、低回転時においては、吸気バルブ１８が閉じられるまでに上述の遅延時間が経過し、スロットルバルブ３２が目標スロットル開度に制御される場合がある。

次に、遅延時間の経過時期が吸気バルブ１８の閉弁時期よりも前になる場合であって、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化する状況において生じる吸入空気量の推定精度の悪化について図２、図３を用いて説明する。このような状況は、発進時（低回転からの加速時）などに生じうる。

図２は、本発明の実施の形態１において、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化し、吸気バルブが閉じられるまでに目標スロットル開度の遅延時間ｔｄｌｙが経過し、スロットルバルブ３２が目標スロットル開度に制御される状況について説明するための図である。図３は、図２の状況において生じる吸入空気量の推定誤差に関する実験結果を示す図である。

図２及び図３（Ａ）において、時刻ｔ０は、現在時刻であり、燃料噴射量を算出するタイミング（燃料噴射時期に相当する）である。破線６０は、燃料噴射量を算出する時刻ｔ０において本来予測したいスロットル開度を表している。時刻ｔ１は、燃料噴射後にアクセルペダルの操作が開始されるタイミングである。破線６２は、アクセル開度に応じて算出される目標スロットル開度を表している。時刻ｔ２は、アクセルペダルの操作が開始されてから遅延時間ｔｄｌｙ経過後にスロットルバルブ３２の制御が開始されるタイミングである。実線６４は、遅延時間ｔｄｌｙ経過後に目標スロットル開度に応じて制御されるスロットルバルブ３２の変化を表している。時刻ｔ３は、吸気バルブ１８の閉弁時期である。

図２には、時刻ｔ０で燃料噴射量が算出されたのち、時刻ｔ１でアクセルペダルが踏み込まれた状況が表されている。時刻ｔ０においては、将来、時刻ｔ１において運転者がアクセルペダルを操作するか否かを予測することはできない。将来のアクセルペダルの操作位置（アクセル開度）が不明であるため、アクセル開度に基づいて算出される目標スロットル開度を予測することもできない。そのため、時刻ｔ０においては、吸入空気量は、スロットル開度Ａを目標スロットル開度として上述したモデルから推定され、その吸入空気量に応じて燃料噴射量が算出されることとなる。

しかしながら、実際には、吸気バルブ１８の閉弁時（時刻ｔ３）までに目標スロットル開度の遅延時間ｔｄｌｙは経過しており、吸気バルブ１８の閉弁時におけるスロットル開度はＢまで変化することとなる。即ち、スロットル開度は、燃料噴射量の算出時にはＡであったにも関わらず、吸気バルブ１８の閉弁時にはＢまで大きくなる。そのため、実際の吸入空気量は、スロットル開度Ａに基づいて算出された燃料噴射量に対して過多となる。よって、空燃比制御は、目標空燃比よりもリーン側に外れることとなる。

このような燃料噴射量の算出時において推定する吸入空気量と、吸気バルブ１８の閉弁時における実際の吸入空気量との誤差は、図３（Ｂ）に示す通り、燃料噴射量の算出時が時刻ｔａから時刻ｔ１近傍までの間に設定された場合に大きくなるという実験結果が得られている。なお、時刻ｔａは、遅延時間ｔｄｌｙ経過後のスロットルバルブ３２の制御開始時と吸気バルブ１８の閉弁時（時刻ｔ２と時刻ｔ３）とが等しくなる燃料噴射時期である。

このように、燃料噴射量の算出後に（時刻ｔ０）アクセル開度が変化し（時刻ｔ１）、吸気バルブが閉じられるまでに（時刻ｔ３）遅延時間ｔｄｌｙが経過してスロットルバルブ３２の制御が開始される（時刻ｔ２）場合には、燃料噴射量の算出後に筒内に供給される空気量が変動するため、空燃比制御の精度が悪化することとなる。換言すれば、遅延時間ｔｄｌｙの経過時期が吸気バルブ１８の閉弁時期よりも前の場合であって、燃料噴射時期が、時刻ｔａから時刻ｔ１近傍までの期間（以下、空気量推定誤差発生期間という。）６８にある場合には、燃料噴射量の算出後に筒内に供給される空気量が変動するため、空燃比制御の精度が悪化することとなる。

そこで、本実施形態のシステムでは、このような課題を解決するために、遅延時間ｔｄｌｙの経過時期が吸気バルブ１８の閉弁時期よりも前の場合であって、燃料噴射量の算出時（燃料噴射時期）がアクセル開度の変化の前後所定の期間にある場合には、遅延時間ｔｄｌｙを一時的に延長する制御を実施することとした。

より具体的な制御の内容及びその効果について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態１における特徴的制御及び効果について説明するための図である。本実施形態における特徴的制御では、燃料噴射量の算出時（時刻ｔ０）がアクセル開度の変化（時刻ｔ１）前後の所定期間７０内にある場合に、遅延時間ｔｄｌｙを所定時間７２だけ延長する。遅延時間ｔｄｌｙが延長されることで、スロットルバルブ３２の制御開始時期が遅くなる（実線７４）。その結果、吸気バルブ１８の閉弁時期（時刻ｔ３）における目標スロットル開度はＣとなる。

そのため、燃料噴射量の算出時（時刻ｔ０）において本来予測したいスロットル開度もＢからＣまで減少することとなる（破線７６）。本来予測したいスロットル開度がＢからＣまで減少するため、現実のスロットル開度Ａとのズレを少なくすることができる。その結果、スロットル開度から推定される吸入空気量の推定精度の低下を、ズレの減少分（矢印７８）に応じて抑制することができる。吸入空気量の推定精度の低下を抑制することで、空燃比制御の精度を高く維持することができる。

（制御ルーチン）
図５は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンは、遅延時間ｔｄｌｙの経過時期が吸気バルブ１８の閉弁時期よりも前の場合であってアクセル開度が変化した時に実行される。アクセル開度の変化は、アクセル開度センサ４８により検出される。本ルーチンでは、まず、ステップ１００において、上述の時刻ｔａから時刻ｔ２までの期間ｅｔｆｗｄが遅延時間ｔｄｌｙよりも大きいか否かが判定される。この判定条件が成立しない場合には、空気量推定誤差発生期間６８が生じないため、本ルーチンの処理は終了される。

一方、判定条件が成立する場合には、空気量推定誤差発生期間６８が生じるため、次にステップ１１０において、アクセル開度の変化前後の所定期間内に燃料噴射量を算出するタイミングがあるか否かが判定される。ＥＣＵ５０には、所定期間としてアクセル開度の変化（時刻ｔ１）前後の所定期間７０が記憶されている（図６）。所定期間７０として、吸入空気量の推定値と実値との誤差が所定値よりも大きくなる期間が、図３（Ｂ）に示す実験やシミュレーション結果に基づいて定められている。ステップ１１０の判定条件が成立しない場合には、本ルーチンの処理は終了される。

一方、ステップ１１０の判定条件が成立する場合には、ＥＣＵ５０は、電子制御式のスロットルバルブ３２を制御するまでの遅延時間ｔｄｌｙを延長する（ステップ１２０）。遅延時間ｔｄｌｙは、燃料噴射気筒の現在の吸気行程において一時的に延長される。その延長時間は、吸気バルブ１８の閉弁時を超えない範囲で設定される。

以上説明したように、図５に示すルーチンによれば、遅延時間ｔｄｌｙを延長することで、吸気バルブ１８が閉じられるまでのスロットル開度の変化を低減することができる。その結果、燃料噴射量の算出時にスロットル開度等から推定した吸入空気量と、吸気バルブ閉弁時における現実の吸入空気量とのズレを低減することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料噴射量の算出後にアクセル開度が変化し、吸気バルブ１８が閉じられるまでに遅延時間ｔｄｌｙが経過してスロットルが目標スロットル開度に制御される場合であっても、空燃比制御の精度を高く維持することができる。特に、図５に示す判定条件は、発進直後（空燃比センサ活性前、フィードバック制御開始前、低エンジン回転数）において成立しやすいため、発信直後における吸入空気量の推定精度の低下を抑制でき、好適な排気エミッションを実現することができる。

また、本実施形態のシステムによれば、空気量推定誤差発生期間６８外で燃料噴射量が算出される場合には、遅延時間ｔｄｌｙを延長しないため、運転者が感じるエンジン１０の応答性を極力悪化させずに運転制御を実施ことが可能となる。また、遅延時間ｔｄｌｙを変動の大きいエンジン回転数ＮＥに応じて変化させるような不正確な制御を実施しないため、好適なドライバビリティやエミッションを実現することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、アクセル開度の変化が加速の際に生じることとしているが、アクセル開度の変化はこれに限定されるものではない。例えば、減速時であっても、アクセル開度の変化により吸入空気量が変化するため上述の制御は好適に作用する。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１０〜ステップ１２０の処理を実行することにより前記第１の発明における「遅延時間延長手段」が実現されている。

１０ エンジン
１６ インジェクタ
１８ 吸気バルブ
２２ 点火プラグ
２８ クランク角センサ
３２ スロットルバルブ
３４ スロットルモータ
３８ 触媒
４８ アクセル開度センサ
５０ ＥＣＵ
６８ 空気量推定誤差発生期間
Ａ、Ｂ、Ｃ スロットル開度
ｔｄｌｙ 遅延時間

Claims (1)

1. スロットル開度に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
   アクセル開度に応じた目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度算出手段と、
   前記目標スロットル開度算出手段によって目標スロットル開度が算出された後、所定の遅延時間の経過を待って、スロットルを該目標スロットル開度に制御するスロットル制御手段と、
   前記遅延時間の経過時期が吸気バルブ閉弁時期よりも前の場合であって、前記燃料噴射量の算出時がアクセル開度の変化前後の所定期間内である場合には、前記遅延時間を延長する遅延時間延長手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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