JP2011241771A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標スロットル開度の計算に逆吸気弁モデルを含む逆エアモデルを用いる制御装置に関し、ＳＣＶやＡＣＩＳ等のアクチュエータを有する内燃機関においてもスロットル開度の滑らかな制御を可能にする。
【解決手段】要求負荷の変化がアクチュエータの動作状態の切り替えを伴わない場合は、アクチュエータの現在の動作状態と機関回転数とに応じて逆吸気弁モデルの２つの定数ｋ１，ｋ２の値を決定する。しかし、要求負荷の変化がアクチュエータの動作状態の切り替えを伴うのであれば、切り替わった後のアクチュエータの動作状態に基づいて最終目標吸入空気量ｍｃｔａに対応する最終目標吸気管圧Ｐｍｔａを算出する。そして、現時点での目標吸気管圧Ｐｍｏから最終目標吸気管圧Ｐｍｔａまで、目標吸入空気量ｍｃＴの変化に応じて目標吸気管ＰｍＴが一定の割合で連続的に変化するように２つの定数ｋ１，ｋ２の値を決定する。
【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、逆吸気弁モデルを含む逆エアモデルを用いて目標スロットル開度を算出し、目標スロットル開度に従ってスロットルの開度を制御する制御装置に関する。

例えば、特開２００６−１４４５６５号公報に開示されているように、内燃機関におけるスロットル開度の制御に関し、エアモデルの逆モデルを用いて目標スロットル開度を計算する方法が知られている。逆エアモデルを用いたスロットル開度の計算では、まず、アクセル開度から決まる要求負荷から目標吸入空気量が決定される。そして、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。

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。吸入空気流量をｍｃ、吸気管圧をＰｍとすると、両者の関係は次の式１によって表される。逆吸気弁モデルでは、式１に基づいて、目標吸入空気量から目標吸気管圧が計算される。

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。

特開２００６−１４４５６５号公報 特開平１１−２６４３３０号公報 特開２００８−０７５６６３号公報

上記のモデル計算式におけるｋ１，ｋ２は定数である。特開２００６−１４４５６５号公報によれば、ｋ１，ｋ２は機関回転数に応じて定まる定数とされている。定数ｋ１，ｋ２の値は、機関回転数の変化に応じて連続的に変化する。

しかし、内燃機関の仕様によっては、定数ｋ１，ｋ２の値は機関回転数以外のパラメータによっても左右される。例えば、動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響するアクチュエータを備える内燃機関の場合、そのアクチュエータの動作状態によって定数ｋ１，ｋ２の値は変化する。しかも、その際の定数ｋ１，ｋ２の値の変化は連続的ではなく、アクチュエータの動作状態が切り替わる前後において離散的に変化する。そのようなアクチュエータには、例えば、ＳＣＶ（Swirl Control Valve）やＡＣＩＳ(Acoustic Control Induction System)が含まれる。また、吸気弁の作用角やリフト量或いはバルブタイミングを変更可能な可変動弁機構や、燃料噴射の態様をポート噴射と筒内噴射との間で切り替え可能な燃料噴射装置も、そのようなアクチュエータの１つに含まれる。

定数ｋ１，ｋ２の値の離散的な変化は、式１から計算される目標吸気管圧の離散的な変化を生じさせる。図４は、従来の逆吸気弁モデルによる目標吸気管圧の計算方法とその課題について説明するための図である。ここでは、ある時点における吸入空気流量ｍｃと吸気管圧Ｐｍとの関係が直線Ａに示す関係にあったとする。直線Ａの傾きが定数ｋ１に相当し、直線ＡのＹ切片が定数ｋ２のマイナス値に相当している。アクセルペダルが踏み込まれて吸入空気流量ｍｃが増大すると、吸入空気流量ｍｃと吸気管圧Ｐｍとの関係は直線Ａに沿って変化する。しかし、吸入空気流量ｍｃがある値ｍｃ１に達したタイミングで、アクチュエータの動作状態が切り替わる。その瞬間、吸入空気流量ｍｃと吸気管圧Ｐｍとの関係は直線Ｂに示す関係に切り替わり、ｍｃ１に対応する吸気管圧Ｐｍの値は、直線Ａ上のＰｍ１から直線Ｂ上のＰｍ２へと急激に変化する。その結果、目標吸気管圧をもとに計算される目標スロットル開度にも急激な変化が生じることになる。

目標スロットル開度の急激な変化は、スロットルを動かしているスロットルモータに大きな負荷を与えることになるため好ましくない。また、スロットルの急激な動きによって吸入空気量が過剰に変化し、結果、トルクショックが生じてしまう可能性もある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、目標スロットル開度の計算に逆吸気弁モデルを含む逆エアモデルを用いる制御装置に関し、ＳＣＶやＡＣＩＳ等のアクチュエータを有する内燃機関においてもスロットル開度の滑らかな制御を可能にすることを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、
吸気通路に設けられたスロットルと、動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響するアクチュエータとを有する内燃機関の制御装置において、
要求負荷に基づいて目標吸入空気量ｍｃＴを決定する目標吸入空気量決定手段と、
逆吸気弁モデル、逆吸気管モデル及び逆スロットルモデルを用いて前記目標吸入空気量ｍｃＴから目標スロットル開度θｔＴ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θｔＴに従って前記スロットルの開度を制御する制御手段と、
前記要求負荷に変化が生じた場合に、変化後の要求負荷に応じた最終目標吸入空気量ｍｃｔａを算出する最終目標吸入空気量算出手段と、
前記要求負荷に変化が生じた場合に、その変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴う変化であるかどうか判定する判定手段と、
前記要求負荷の変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴う場合、切り替わった後の前記アクチュエータの動作状態に基づいて前記最終目標吸入空気量ｍｃｔａに対応する目標吸気管圧（以下、最終目標吸気管圧）Ｐｍｔａを算出する最終吸気管圧算出手段と、
前記逆吸気弁モデルにおいて吸気管圧Ｐｍと吸入空気量ｍｃとの関係を規定する一次関数（ｍｃ＝ｋ１＊Ｐｍ−ｋ２）の２つの定数ｋ１，ｋ２の値を決定する定数決定手段と、を備え、
前記定数決定手段は、
前記要求負荷の変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴わない場合、前記アクチュエータの現在の動作状態と機関回転数とに応じて前記２つの定数ｋ１，ｋ２の値を決定する手段と、
前記要求負荷の変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴う場合、現時点での吸気管圧Ｐｍｏから前記最終目標吸気管圧Ｐｍｔａまで、目標吸入空気量ｍｃＴの変化に応じて目標吸気管圧ＰｍＴを一定の割合で連続的に変化させるように前記２つの定数ｋ１，ｋ２の値を決定する手段と、
を含むことを特徴としている。

本発明によれば、要求負荷の変化がアクチュエータの動作状態の切り替えを伴う場合には、現時点での吸気管圧Ｐｍｏから最終目標吸気管圧Ｐｍｔａまで、目標吸入空気量ｍｃＴの変化に応じて目標吸気管ＰｍＴが一定の割合で連続的に変化するように逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２の値が設定されるので、アクチュエータの動作状態の切り替えに伴う目標吸気管ＰｍＴの急変によって目標スロットル開度θｔＴが急激に変化することは避けられる。したがって、本発明によれば、アクチュエータの動作状態の影響を受けること無く、スロットル開度の滑らかな制御が可能となる。

本発明の実施の形態の制御装置が使用する逆エアモデルを説明するための図である。 本発明の実施の形態で採られる逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２の決定方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態の制御装置が実行する目標スロットル開度の算出処理の流れを示すフローチャートである。 従来の逆吸気弁モデルによる目標吸気管圧の計算方法とその課題について説明するための図である。

本発明の実施の形態について図１乃至図３の各図を参照して説明する。

本実施の形態の内燃機関の制御装置は、スロットルの操作による吸入空気量の制御によってトルクの制御が可能な内燃機関を制御対象とする。また、本制御装置が制御対象とする内燃機関は、ＳＣＶ、ＡＣＩＳ、吸気弁の作用角やリフト量或いはバルブタイミングを変更可能な可変動弁機構、若しくは、燃料噴射の態様をポート噴射と筒内噴射との間で切り替え可能な燃料噴射装置等、その動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響するアクチュエータ（以下、特定アクチュエータという）を備えている。

本制御装置は、ドライバのアクセル操作量から内燃機関に要求される負荷を判断し、その要求負荷を実現するための目標スロットル開度を計算する。目標スロットル開度の計算には、逆エアモデルが用いられる。図１は、本制御装置が使用する逆エアモデルの構成を示す図である。この図に示すように、逆エアモデルは、逆吸気弁モデル、逆吸気管モデル及び逆スロットルモデルから構成されている。以下、各モデルの内容とそのモデル計算式について説明する。

逆吸気弁モデルは、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。式２は、その具体的なモデル計算式である。式２におけるＰｍＴは目標吸気管圧を意味し、ｍｃＴは目標吸入空気量を意味している。目標吸入空気量ｍｃＴは、アクセル開度から計算される要求負荷に基づいて決定される。また、ｋ１及びｋ２は、内燃機関の運転状態から決まる定数である。定数ｋ１，ｋ２の決定方法の詳細については後述する。本制御装置は、式２で表される逆吸気弁モデルを用いて目標吸気管圧ＰｍＴを算出する。

逆吸気管モデルは、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。次の式３は、その具体的なモデル計算式である。式３においてｍｔＴは目標スロットル通過空気量を意味し、ｍｃｍは現在吸入空気量と目標吸入空気量ｍｃＴとの中間値を意味している。また、Ｐｍｏは現在吸気管圧、Ｔｍｏは吸気管温度、Ｔａは大気温度、Ｖｍは吸気管容積、Δｔは計算時間間隔、κは比熱比、Ｒは気体定数をそれぞれ意味している。本制御装置は、式３で表される逆吸気管モデルを用いて目標スロットル通過空気量ｍｔＴを算出する。

逆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。次の式４は、その具体的なモデル計算式である。式４におけるθｔＴは目標スロットル開度を意味している。また、μＡは流量係数を含む所定の関数であり、μＡ^−１はその逆関数である。Ｐａは大気圧を意味している。本制御装置は、式４で表される逆スロットルモデルを用いて目標スロットル開度θｔＴを算出する。

以上の逆エアモデルを用いた計算の過程において、本制御装置は、逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２を次のような方法で決定する。

本制御装置は、定数ｋ１，ｋ２の値と、機関回転数及び各特定アクチュエータのアクチュエータ制御量とを関連付ける定数マップを記憶している。定数マップは、実験で得られたデータをもとに作成されたマップである。定数マップでは、定数ｋ１，ｋ２の各値は機関回転数の変化に応じて連続的に変化するような設定とされている。一方、アクチュエータ制御量との関係においては、定数ｋ１，ｋ２の各値はアクチュエータ制御量の変化の前後において離散的に変化するような設定とされている。

本制御装置は、今後の特定アクチュエータの動作状況を予測し、予測した特定アクチュエータの動作状況によって定数ｋ１，ｋ２の決定方法を切り替える。具体的には、まず、アクセル開度から内燃機関に要求されている負荷を算出する。次に、その要求負荷の実現のためにスロットルを操作した場合に、最終的に行き着くことになる定常吸入空気量を最終目標吸入空気量として算出する。そして、吸入空気量が現在の吸入空気量から最終目標吸入空気量に至る過程において、特定アクチュエータの動作状態に切り替えが発生するかどうか、特定アクチュエータのアクチュエータ制御量を決定するマップを参照して判定する。

判定の結果、特定アクチュエータの動作状態に切り替えが生じないと判断できる場合には、本制御装置は、定数マップから読み出した定数ｋ１，ｋ２の値をそのまま逆吸気弁モデルのモデル計算式（式２）に使用する。この場合、定数ｋ１，ｋ２の各値は機関回転数の変化に応じて変化するものの、その変化は連続的であることから、目標吸気管圧ＰｍＴの値に急激な変化、より具体的には、離散的な変化が生じることはない。

一方、上述の判定の結果、特定アクチュエータの動作状態に切り替えが生じると判断できる場合には、本制御装置は、以下の式５で表されるｋ１′と、以下の式６で表されるｋ２′とをそれぞれ計算する。式５及び式６において、ｍｃｔａは最終目標吸入空気量を意味し、Ｐｍｔａは最終目標吸気管圧を意味している。また、ｍｃｏは現在吸入空気量、より正確には、特定アクチュエータの動作状態に切り替えが生じると判断された時点での吸入空気量を意味している。Ｐｍｏは現在吸気管圧、より正確には、特定アクチュエータの動作状態に切り替えが生じると判断された時点での吸気管圧を意味している。

式５及び式６における最終目標吸入空気量ｍｃｔａは、変化後の要求負荷から算出することができる。最終目標吸気管圧Ｐｍｔａは、最終目標吸入空気量ｍｃｔａに対応する吸気管圧であって、その値は次の式７によって算出することができる。式７における定数ｋ１，ｋ２の値は、特定アクチュエータの動作状態に切り替えが生じた後の定数ｋ１，ｋ２の値であって、それぞれ定数マップから読み出される。

本制御装置は、式５により算出されたｋ１′を逆吸気弁モデルのモデル計算式の定数ｋ１として設定する。また、式６により算出されたｋ２′を逆吸気弁モデルのモデル計算式の定数ｋ２として設定する。そして、吸入空気量が最終目標吸入空気量に達するまでの間、定数ｋ１の値をｋ１′に固定し、定数ｋ２の値をｋ２′に固定する。

本制御装置による逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２の決定手順は、図２を用いることでより分かりやすく説明することができる。図２に示す例では、吸入空気流量ｍｃと吸気管圧Ｐｍとの関係が直線Ａに示す関係にあるときに要求負荷に変化が生じ、その結果、吸入空気流量ｍｃと吸気管圧Ｐｍとの関係が直線Ｂに示す関係に変化した場合を示している。

この場合、本制御装置は、まず、要求負荷から最終目標吸入空気量ｍｃｔａを求め、直線Ｂに示す関係に基づいて最終目標吸気管圧Ｐｍｔａを算出する。次に、本制御装置は、現在吸入空気量ｍｃｏ及び現在吸気管圧Ｐｍｏから定まる点ｐｏと、最終目標吸入空気量ｍｃｔａ及び最終目標吸気管圧Ｐｍｔａから定まる点ｐｔａとを直線Ｃで結び、直線Ｃの傾き（＝ｋ１′）とＹ切片（＝−ｋ２′）とをそれぞれ算出する。そして、算出したｋ１′を逆吸気弁モデルの定数ｋ１として設定し、ｋ２′を逆吸気弁モデルの定数ｋ２として設定する。

以上のようにして逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２が決定された結果、吸入空気量が最終目標吸入空気量ｍｃｔａに達するまでの間、逆吸気弁モデルにおける目標吸入空気流量ｍｃＴと目標吸気管圧ＰｍＴとの関係は直線Ｃに沿って変化するようになる。すなわち、目標吸気管圧ＰｍＴは、従来のように離散的に変化することなく、目標吸入空気量ｍｃＴの変化に応じて一定の割合で連続的に変化するようになる。

以上の説明から理解されるように、本制御装置によれば、ＳＣＶ等の特定アクチュエータの動作状態が切り替わったとしても、それに伴い目標吸気管ＰｍＴが急変することはない。したがって、目標吸気管ＰｍＴの急変によって目標スロットル開度θｔＴが急激に変化することは避けられる。つまり、本制御装置によれば、内燃機関にＳＣＶ等の特定アクチュエータが備えられる場合であっても、その特定アクチュエータの動作状態の影響を受けること無く、スロットル開度を滑らかに制御することができる。

最後に、本制御装置により実行される、逆エアモデルを用いた目標スロットル開度の算出処理の一連の手順について、図３のフローチャートを用いて説明する。

フローチャートにおける最初のステップＳ２では、要求負荷から最終目標吸入空気量ｍｃｔａが算出される。次のステップＳ４では、特定アクチュエータの動作状態が切り替わる切替点での吸入空気量（切替点ｍｃ）が読み込まれる。そして、ステップＳ６では、切替点ｍｃが現在吸入空気量ｍｃｏと最終目標吸入空気量ｍｃｔａとの間にあるかどうか判定される。すなわち、要求負荷の実現過程において、特定アクチュエータの動作状態の切り替えが発生するかどうか判定される。

ステップＳ６の判定結果が否定の場合、すなわち、特定アクチュエータの動作状態の切り替えが発生しない場合には、ステップＳ１４及びＳ１６の処理によって、逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２が決定される。

ステップＳ１４では、各特定アクチュエータのアクチュエータ制御量がマップから読み出される。ここでは、２種類の特定アクチュエータが存在しているものとし、それぞれのアクチュエータ制御量をａｃｔ１，ａｃｔ２と表記する。アクチュエータ制御量ａｃｔ１は、マップＭＡＰａｃｔ１において、少なくとも要求負荷ＫＬＴ及び機関回転数ＮＥを含む各種の機関状態量に関連付けられている。同様に、アクチュエータ制御量ａｃｔ２は、マップＭＡＰａｃｔ２において、少なくとも要求負荷ＫＬＴ及び機関回転数ＮＥを含む各種の機関状態量に関連付けられている。

ステップＳ１６では、逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２が定数マップＭＡＰｋ１ｋ２から読み出される。定数マップＭＡＰｋ１ｋ２では、各アクチュエータ制御量ａｃｔ１，ａｃｔ２と機関回転数ＮＥを含む各種の機関状態量とに各定数ｋ１，ｋ２の値が関連付けられている。

一方、ステップＳ６の判定結果が肯定の場合、すなわち、特定アクチュエータの動作状態の切り替えが発生する場合には、ステップＳ８、Ｓ１０及びＳ１２の処理によって、逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２が決定される。

ステップＳ８では、現在吸入空気量ｍｃｏ、現在吸気管圧Ｐｍｏ、最終目標吸入空気量ｍｃｔａ及び最終目標吸気管圧Ｐｍｔａから前述の式５に示すｋ１′が算出される。また、ステップＳ１０では、前述の式６に示すｋ２′が算出される。

そして、ステップＳ１２では、逆吸気弁モデルの定数ｋ１の値がステップＳ８で算出されたｋ１′に設定される。また、逆吸気弁モデルの定数ｋ２の値がステップＳ１０で算出されたｋ２′に設定される。ステップＳ１０及びＳ１０の処理は、それぞれ一度実行された後は、目標吸入空気量ｍｃＴが最終目標吸入空気量ｍｃｔａに到達するまでスキップされる。これにより、各定数ｋ１，ｋ２の値は、目標吸入空気量ｍｃＴが最終目標吸入空気量ｍｃｔａに到達するまで、ステップＳ１２で設定された値に固定される。

ステップＳ１６或いはステップＳ１２において逆吸気弁モデルの定数ｋ１，ｋ２が決定された後は、ステップＳ１８、Ｓ２０及びＳ２２の処理が行われる。

ステップＳ１８では、現在吸入空気量ｍｃｏと目標吸入空気量ｍｃＴとの中間値ｍｃｍが算出される。なお、このステップＳ１８と後述のステップＳ２０、Ｓ２２及びＳ２４で用いられる現在吸入空気量ｍｃｏ及び現在吸気管圧Ｐｍｏは、計算サイクル毎に更新される。詳しくは、前回サイクルにおける目標吸入空気量ｍｃＴが今回サイクルにおける現在吸入空気量ｍｃｏとされ、前回サイクルにおける目標吸気管圧ＰｍＴが今回サイクルにおける現在吸気管圧Ｐｍｏとされる。また、目標吸入空気量ｍｃＴは最終目標吸入空気量ｍｃｔａに向けて計算サイクル毎に更新されていく。

ステップＳ２０では、ステップＳ１２或いはステップＳ１６で設定された定数ｋ１，ｋ２を用いて、逆吸気弁モデルのモデル計算式（式２）により目標吸気管圧ＰｍＴが算出される。

ステップＳ２２では、ステップＳ２０で算出された目標吸気管圧ＰｍＴと、ステップＳ１８で算出された中間値ｍｃｍとを用いて、逆吸気管モデルのモデル計算式（式３）により目標スロットル通過空気量ｍｔＴが算出される。なお、この計算では、中間値ｍｃｍの代わりに目標吸入空気量ｍｃＴを用いることもできる。ただし、空気の応答遅れを考慮するならば、目標吸入空気量ｍｃＴよりも中間値ｍｃｍを用いる方が精度的には好ましいと考えられる。

そして、ステップＳ２４では、ステップＳ２２で算出された目標スロットル通過空気量ｍｔＴを用いて、逆スロットルモデルのモデル計算式（式４）により目標スロットル開度θｔＴが算出される。このようにして算出される目標スロットル開度θｔＴに従いスロットルが操作されることにより、特定アクチュエータの動作状態の影響を受けること無く、スロットル開度は滑らかに制御される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、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。

Claims (1)

1. 吸気通路に設けられたスロットルと、動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響するアクチュエータとを有する内燃機関の制御装置において、
   要求負荷に基づいて目標吸入空気量を決定する目標吸入空気量決定手段と、
   逆吸気弁モデル、逆吸気管モデル及び逆スロットルモデルを用いて前記目標吸入空気量から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に従って前記スロットルの開度を制御する制御手段と、
   前記要求負荷に変化が生じた場合に、変化後の要求負荷に応じた最終目標吸入空気量を算出する最終目標吸入空気量算出手段と、
   前記要求負荷に変化が生じた場合に、その変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴う変化であるかどうか判定する判定手段と、
   前記要求負荷の変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴う場合、切り替わった後の前記アクチュエータの動作状態に基づいて前記最終目標吸入空気量に対応する目標吸気管圧（以下、最終目標吸気管圧）を算出する最終吸気管圧算出手段と、
   前記逆吸気弁モデルにおいて吸気管圧と吸入空気量との関係を規定する一次関数の２つの定数の値を決定する定数決定手段と、を備え、
   前記定数決定手段は、
   前記要求負荷の変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴わない場合、前記アクチュエータの現在の動作状態と機関回転数とに応じて前記２つの定数の値を決定する手段と、
   前記要求負荷の変化が前記アクチュエータの動作状態の切り替えを伴う場合、現時点での吸気管圧から前記最終目標吸気管圧まで、目標吸入空気量の変化に応じて目標吸気管圧を一定の割合で連続的に変化させるように前記２つの定数の値を決定する手段と、
   を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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