JP2012251520A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】要求吸入空気量を実現するための目標スロットル開度をエア逆モデルを用いて決定する内燃機関の制御装置において、内燃機関の減速性能を加速性能とともに十分に引き出せるようにする。
【解決手段】スロットル開度に上限を設けるためのスロットル開度ガード値を機関回転数に応じて決定する。そして、エア逆モデルを用いて算出された目標スロットル開度をスロットル開度ガード値によって制限する。ただし、内燃機関の加速時にはスロットル開度ガード値による目標スロットル開度の制限を解除する。スロットル開度ガード値は、スロットル開度ガード値によってスロットルの動作が制限される領域に、スロットル開度の変化に対するスロットル通過流量の変化の応答性が低い不感帯が含まれるように決定する。
【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、要求吸入空気量を実現するための目標スロットル開度をエア逆モデルを用いて決定する内燃機関の制御装置に関する。

特開２００９−２９９６６６号公報に開示されているように、目標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が知られている。エアモデルは、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ものであって、例えば、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流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、スロットル通過流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。エア逆モデルは、このようなエアモデルを逆方向に計算するものであるので、エア逆モデルを用いれば要求吸入空気量を実現するのに必要な目標スロットル開度を正確に計算することができる。

特開２００９−２９９６６６号公報

ところで、スロットルが大きく開くほどスロットル通過流量は増大していくが、スロットル開度がある程度大きくなると、スロットル開度の変化に対してスロットル通過流量はあまり変化しなくなる。スロットル開度がこのような不感帯の領域内にある場合、エア逆モデルにおいて算出されるスロットル開度のスロットル通過流量に対する感度は非常に高くなる。このため、微小な要求吸入空気量の変化に対して目標スロットル開度は大きく変化することになる。

ところが、スロットルの動作速度には限界があるため、目標スロットル開度の変化量が大きい場合には、その分、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に到達するまでに時間を要することになる。このため、要求吸入空気量が大きく減少させられる機関減速時には、スロットル開度が不感帯を抜け出すまでに時間がかかり、要求吸入空気量に対する実吸入空気量の応答遅れが発生してしまう。このような吸入空気量の応答遅れは内燃機関の減速性能を損なう方向に作用する。一方、加速性能に関して言えば、従来の目標スロットル開度の算出方法であっても加速性能は十分に引き出すことができていた。加速時には機関回転数の上昇に伴ってスロットルを通過する空気の流量が増大するため、スロットル開度の不感帯はなくなり、減速時のような不感帯に伴う吸入空気量の応答遅れは発生しないためである。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、要求吸入空気量を実現するための目標スロットル開度をエア逆モデルを用いて決定する内燃機関の制御装置において、内燃機関の減速性能を加速性能とともに十分に引き出せるよう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、目標スロットル開度に従ってスロットルを制御する内燃機関の制御装置において、要求吸入空気量を実現するための目標スロットル開度をエア逆モデルを用いて計算する目標スロットル開度計算手段と、スロットル開度に上限を設けるためのスロットル開度ガード値を機関回転数に応じて決定するガード値決定手段と、前記目標スロットル開度計算手段で算出された目標スロットル開度を前記スロットル開度ガード値によって制限するガード手段と、前記内燃機関の加速時には前記スロットル開度ガード値による目標スロットル開度の制限を解除するガード解除手段とを備えることを特徴としている。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記ガード値決定手段は、前記スロットル開度ガード値によって前記スロットルの動作が制限される領域に、スロットル開度の変化に対するスロットル通過流量の変化の応答性が低い不感帯が含まれるように、前記スロットル開度ガード値を決定することを特徴としている。

本発明によれば、目標スロットル開度がスロットル開度ガード値によって制限されることにより、スロットル開度の変化に対して一定以上の吸入空気量の変化が得られる領域でスロットルが操作される。このため、減速要求によって要求吸入空気量が減少する場合には、吸入空気量を速やかに減少させるようスロットルを動かすことができる。一方、不感帯領域が減少する内燃機関の加速時には、スロットル開度ガード値による目標スロットル開度の制限は解除されるので、吸入空気量を大きく増大させるようスロットルを大きく開くことができる。このように、本発明によれば、内燃機関の減速性能を加速性能とともに十分に引き出すことができる。

本発明の実施の形態の制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 定常時のスロットル開度とスロットル通過空気量との関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の制御装置が備えるスロットル開度ガードの動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置により制御される内燃機関の定常・加減速時の動作イメージを示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

本実施の形態の制御装置の適用対象となる内燃機関は、スロットルによる空気量の調整によってトルクを制御することのできる４サイクルレシプロエンジンである。本制御装置は、内燃機関に備えられるＥＣＵの一機能として実現される。詳しくは、メモリに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで、ＥＣＵは制御装置として機能する。ＥＣＵが制御装置として機能する場合、ＥＣＵは、プログラムされているスロットル開度算出ロジックに従って目標スロットル開度を計算し、目標スロットル開度に従ってスロットルの動作を制御する。

図１は、本実施の形態で用いられるスロットル開度算出ロジックの内容を複数の機能ブロックで表現した図である。この図に示すように、本スロットル開度算出ロジックは、要求トルク変換マップ４、要求空気量変換マップ６、エア逆モデル１０、スロットル開度ガード２２及びスロットル開度ガード値算出マップ２４を含んでいる。以下、本実施の形態のスロットル開度算出ロジックに含まれる各要素の内容について説明する。

要求トルク変換マップ４は、アクセルペダルの開度を要求トルクに変換するためのマップである。要求トルク変換マップ４にて得られる要求トルクは、ドライバがアクセルペダルの操作を介して内燃機関に要求するドライバ要求トルクである。本スロットル開度算出ロジックにて扱われる要求トルクには、このドライバ要求トルクに加えて、ＴＲＣ等の車両の制御デバイスが要求するデバイス要求トルクが含まれる。ただし、デバイス要求トルク及びその発生源については図示を省略している。

要求空気量変換マップ６は、トルクと吸入空気量（或いは、それを無次元化した充填効率又は負荷率）とがエンジン回転数、点火時期及び空燃比を含む種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。要求空気量変換マップ６では、現在のエンジン状態量のもとで要求トルクの実現のために要求される吸入空気量（以下、要求ＫＬと表記する）が算出される。

エア逆モデル１０は、詳しくは、吸気弁逆モデル１２、吸気管逆モデル１４、スロットル逆モデル１６、スロットル動作モデル２０及び簡易エアモデル３０を組み合わせて構成されている。このうちの吸気弁逆モデル１２は、吸入空気量と吸気管圧力との関係について調べた実験ベースのモデルである。実験で得られた経験則により、吸気弁逆モデル１２においては吸入空気量と吸気管圧力との関係が直線で近似されている。吸気弁逆モデル１２に要求ＫＬを入力することによって、要求ＫＬの実現のために要求される吸気管圧（以下、要求Ｐｍと表記する）が算出される。

吸気管逆モデル１４は、吸気管内の空気に関する保存則、具体的には、エネルギー保存則と流量保存則とに基づいて構築された物理モデルである。吸気管逆モデル１４では、スロットルを通過する空気の流量と吸気管圧との関係が数式で表されている。要求ＫＬと現在の仮想吸気管圧（以下、仮想Ｐｍと表記する）との差圧（以下、ΔＰｍと表記する）と、現在の仮想吸入空気量（以下、仮想ＫＬと表記する）と、１ステップ前の要求ＫＬとを吸気管逆モデル１４に入力することによって、要求Ｐｍの実現のために要求されるスロットル通過流量（以下、要求ｍｔと表記する）が算出される。

スロットル逆モデル１６は、スロットル通過流量とスロットル開度との関係を数式で表したモデルである。スロットル通過流量は、スロットル開度により決まる流路面積とスロットルの前後の圧力比とを用いて算出することができる。スロットル通過流量の計算に用いる圧力比は実測値でもよいしモデルによる計算値でもよい。スロットル逆モデル１６に要求ｍｔを入力することによって、要求ｍｔの実現のための目標スロットル開度（以下、目標ＴＡ）が算出される。

スロットル動作モデル２０及び簡易エアモデル３０は、上述の計算過程で用いられる仮想Ｐｍ及び仮想ＫＬを実際のスロットル開度（以下、実ＴＡと表記する）から算出するために設けられている。スロットル動作モデル２０は、スロットル２の動作とその動作を生じさせる入力信号との関係を数式等で近似したモデルである。スロットル動作モデル２０に実ＴＡを入力することによって、実ＴＡに対応する入力信号、すなわち、目標ＴＡの仮想値が算出される。

簡易エアモデル３０は、スロットルモデル３２、吸気管モデル３４及び吸気弁モデル３６によって構成されている。このうちのスロットルモデル３２は、前述のスロットル逆モデル１６に対応する順モデルである。スロットルモデル３２に目標ＴＡの仮想値を入力することによって、現在の仮想スロットル通過流量（以下、仮想ｍｔと表記する）が算出される。吸気管モデル３４は前述の吸気管逆モデル１４に対応する順モデルであって、仮想ｍｔの入力により仮想Ｐｍを算出する。吸気弁モデル３６は前述の吸気弁逆モデル１２に対応する順モデルであって、仮想Ｐｍの入力によって仮想ＫＬを算出する。前述のように、仮想ＰｍはΔＰｍの計算に用いられ、仮想ＫＬはΔＰｍとともに吸気管逆モデル１４に入力される。

スロットル開度ガード２２は、本スロットル開度算出ロジックにおいて、エア逆モデル１０のスロットル逆モデル１６からスロットル２に向かう信号ラインに設けられている。スロットル開度ガード２２は、後述するスロットル開度ガード値を上限として目標ＴＡを制限する手段である。具体的には、スロットル逆モデル１６から入力される目標ＴＡがスロットル開度ガード値以下であれば、目標ＴＡをそのままスロットル２へ出力する。一方、スロットル逆モデル１６から入力される目標ＴＡがスロットル開度ガード値を超えていれば、上限値であるスロットル開度ガード値を修正目標ＴＡとしてスロットル２へ出力する。

スロットル開度ガード２２で用いられるスロットル開度ガード値は、スロットル開度ガード値算出マップ２４によって決定される。スロットル開度ガード値算出マップ２４では、スロットル開度の不感帯の境界値に合わせてスロットル開度ガード値が設定されている。スロットル開度の不感帯とは、スロットル開度の変化に対するスロットル通過流量の変化の応答性が低い領域であり、より具体的には、スロットル開度が所定角度だけ変化したときのスロットル通過流量の変化量が所定の基準値以下となる領域を意味する。この不感帯の大きさは、図２に示すように、機関回転数によって変化する。図２には、定常時における内燃機関の１サイクルあたりのスロットル通過空気量とスロットル開度との関係がグラフで表されている。このグラフに示すように、機関回転数が大きいほどスロットル通過空気量が最大値に達するスロットル開度は大きくなる。つまり、不感帯は機関回転数が小さいほうが大きく、機関回転数が大きくなるに従って小さくなっていく。このような機関回転数と不感帯との関係に基づき、スロットル開度ガード値算出マップ２４では、複数域に分けられた回転数域ごとにスロットル開度ガード値が設定されている。

スロットル開度ガード２２には、スロットル開度ガード値及び目標ＴＡに加えて、吸気管逆モデル１４に入力されるΔＰｍが並行して入力されている。ΔＰｍはスロットル開度ガード２２の動作を制御するための情報として用いられる。また、目標ＴＡは、スロットル開度ガード２２によるガードの対象であると同時に、スロットル開度ガード２２の動作を制御するための情報としても用いられる。以下、図３のフローチャートに基づいてスロットル開度ガード２２の動作について説明する。

まず、スロットル開度ガード２２は、現在の機関回転数に応じたスロットル開度ガード値をスロットル開度ガード値算出マップ２４から取得する（ステップＳ１）。

次に、スロットル開度ガード２２は、エア逆モデル１０から入力された目標ＴＡが所定値以上かどうか判定する（ステップＳ２）。そして、目標ＴＡが所定値よりも小さければ、スロットル開度ガード値による目標ＴＡの制限は実施しない。この判定で用いられる所定値は、不感帯の境界値よりも低い値に設定されている。

目標ＴＡが所定値以上の場合は、スロットル開度ガード２２は、ΔＰｍが閾値以下かどうか判定する（ステップＳ３）。そして、ΔＰｍが閾値以下であるならば、スロットル開度ガード２２は、ステップＳ１で取得したスロットル開度ガード値による目標ＴＡの制限を実施する（ステップＳ４）。一方、ΔＰｍが閾値を越えているのであれば、スロットル開度ガード２２は、スロットル開度ガード値による目標ＴＡの制限を解除する。この判定では、内燃機関の加速状態を表す数値としてΔＰｍが用いられている。内燃機関の加速時には、要求Ｐｍと吸気管圧の現在値に相当する仮想Ｐｍとが乖離することによりΔＰｍが拡大するからである。この判定で用いられる閾値は、定常運転状態において発生するΔＰｍの微小振動を誤って検出してしまわない大きさに設定されている。

以上のようにスロットル開度ガード２２が動作することで、本制御装置によれば、図４にチャートで示すような制御結果を得ることができる。図４は、本制御装置により制御される内燃機関の定常・加減速時の動作イメージを比較例による動作イメージと比較して示すタイムチャートである。ここでは、比較例として図１に示す構成からスロットル開度ガード２２を除去した装置を用いている。図４の上段のチャートには、アクセルペダルの開度の時間変化が示されている。中段のチャートには、本制御装置によるスロットル開度の時間変化が実線で示され、比較例によるスロットル開度の時間変化が点線で示されている。そして、下段のチャートには、本制御装置による１サイクル当たりのスロットル通過空気量の時間変化が実線で示され、比較例によるスロットル通過空気量の時間変化が点線で示されている。

図４は、アクセルペダルが一旦戻された後に再び踏み込まれた場合、すなわち、一旦減速が行われた後に加速が行われた場合の制御結果を示している。スロットル開度ガード２２を備えない比較例による制御結果から説明する。比較例によれば、スロットル開度は常にエア逆モデル１０で算出された目標ＴＡに制御される。エア逆モデル１０で算出される目標ＴＡは要求吸入空気量を正確に実現するためのスロットル開度であるため、要求吸入空気量がある程度大きい場合、比較例によるスロットル開度は不感帯内に入るようになる。この状態でアクセルペダルを閉じる操作が行われた場合、スロットル２は不感帯を抜けて最終的な目標ＴＡまで閉じられる。ところが、スロットル２が不感帯内で動作している間は、スロットル開度の変化に対して吸入空気量の変化はほとんどない。このため、不感帯を抜け出すのにかかる時間の分だけ、スロットル２が閉じ始めてからスロットル通過空気量が減少し始めるまでに応答遅れが発生することになる。

これに対して、本制御装置によれば、次のような制御結果を得ることができる。まず、内燃機関が定常領域にある場合には、スロットル開度ガード２２によって目標ＴＡがガードされることにより、スロットルはスロットル開度ガード値を上限にして不感帯の外側で操作される。不感帯の外側では、スロットル開度の変化に対して一定以上の吸入空気量の変化を得ることができる。このため、本制御装置によれば、ドライバによってアクセルペダルを閉じる操作が行われ、その操作により要求吸入空気量が減少する場合には、吸入空気量を速やかに減少させるようスロットル２を動かすことができる。前述の比較例と比較すると、本制御装置によれば、スロットル２が閉じ始めてからスロットル通過空気量が減少し始めるまでの応答遅れを無くすことができるので、その分、内燃機関をより速やかに減速させることができる。

次に、ドライバによってアクセルペダルを踏み込む操作が行われると、内燃機関の運転領域が加速領域に移行することによってスロットル開度ガード２２による目標ＴＡのガードは解除される。内燃機関の加速過渡ではスロットル開度の不感帯はなくなるので、スロットル開度ガード値による目標ＴＡの制限を解除することに不都合は無い。逆に、比較例の場合と同様、スロットル２を全開まで開いて吸入空気量を最大まで増大させることができるようになる。その後、加速が終了して内燃機関の運転領域が再び定常領域に移行した場合には、再びスロットル開度ガード２２による目標ＴＡのガードが行われるので、スロットル開度が不感帯内にとどまることは防止される。

以上が本発明の実施の形態についての説明である。上述の実施の形態によれば、内燃機関の減速性能を加速性能とともに十分に引き出すことが可能である。ただし、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、上述の実施の形態では、ドライバのペダル操作によって減速が行われる場合を例にとって説明したが、本発明は車両の制御デバイスから発せられる減速要求にも応えることができる。

２ スロットル
４ 要求トルク変換マップ
６ 要求空気量変換マップ
１０ エア逆モデル
１２ 吸気弁逆モデル
１４ 吸気管逆モデル
１６ スロットル逆モデル
２０ スロットル動作モデル
２２ スロットル開度ガード
２４ スロットル開度ガード値算出マップ
３０ 簡易エアモデル
３２ スロットルモデル
３４ 吸気管モデル
３６ 吸気弁モデル

Claims (2)

1. 目標スロットル開度に従ってスロットルを制御する内燃機関の制御装置において、
   要求吸入空気量を実現するための目標スロットル開度をエア逆モデルを用いて計算する目標スロットル開度計算手段と、
   スロットル開度に上限を設けるためのスロットル開度ガード値を機関回転数に応じて決定するガード値決定手段と、
   前記目標スロットル開度計算手段で算出された目標スロットル開度を前記スロットル開度ガード値によって制限するガード手段と、
   前記内燃機関の加速時には前記スロットル開度ガード値による目標スロットル開度の制限を解除するガード解除手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ガード値決定手段は、前記スロットル開度ガード値によって前記スロットルの動作が制限される領域に、スロットル開度の変化に対するスロットル通過流量の変化の応答性が低い不感帯が含まれるように、前記スロットル開度ガード値を決定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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