JP2013113101A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加速または減速の過渡期における吸気量の算出の精度の向上を図る。
【解決手段】気筒１に充填される吸気量を表す値をセンサを介して反復的に知得するとともに、スロットルバルブ３３の開度及びその開度の変化量の多寡に基づいてなまし量を決定し、吸気量の時系列になまし量に応じたなまし処理を加えることを通じて気筒に充填される吸気量の算定を行う。なまし量は、スロットルバルブの開度が小さいほど小さく設定し、またスロットルバルブの開度の変化量が大きいほど小さく設定することとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、気筒に充填される吸気量の算出を行う内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の気筒における燃料噴射量を適切に決定するためには、気筒に充填される吸気の量を知得することが必須である。単位時間あたりの吸気量は、吸気管内の吸気圧力を検出する圧力センサ、または吸気管内の吸気流量を検出するエアフローセンサ（エアフローメータ）を介してセンシングすることが可能である。

しかしながら、特に少数気筒の内燃機関では、吸気管を流通する吸気に少なからず脈動が生じる。それ故、上掲のセンサが出力する信号をサンプリングした計測値をそのまま用いることはなく、計測値の時系列になまし処理を加えた上で吸気量の値とすることが一般的である（例えば、下記特許文献を参照）。典型的ななまし処理は、移動平均をとることである。

スロットルバルブの開度が拡大または縮小する過渡期においては、気筒に充填される吸気量も大きく変動する。ところが、現状、定常運転であるか過渡（加速または減速）運転であるかを問わず、一定の方法で吸気量の計測値をなまし処理していることから、スロットル開度の変化に伴う吸気量の増減を即時に感知することができず、過渡期における内燃機関の制御の精度が低下するきらいがあった。

特開平０９−１７７５９０号公報 特開平０９−１７７５８５号公報

上記の問題に初めて着目してなされた本発明は、加速または減速の過渡期における吸気量の算出の精度の向上を図ることを所期の目的としている。

本発明では、気筒に充填される吸気量を表す値をセンサを介して反復的に知得するとともに、スロットルバルブの開度及びその開度の変化量の多寡に基づいてなまし量を決定し、前記センサを介して知得した値の時系列に前記なまし量に応じたなまし処理を加えることを通じて吸気量の算定を行うものであって、スロットルバルブの開度が小さいほど前記なまし量を小さく設定し、またスロットルバルブの開度の変化量が大きいほど前記なまし量を小さく設定することを特徴とする内燃機関の制御装置を構成した。

本発明によれば、加速または減速の過渡期における吸気量の算出の精度の向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態の制御装置によるなまし処理のなまし量を決定するマップを例示する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。この内燃機関は、筒内直接噴射式のものであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ装置２とを具備している。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットルバルブ３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパスバルブであるウェイストゲートバルブ４４を設けてある。ウェイストゲートバルブ４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲートバルブであり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲバルブ２２を設けてある。

内燃機関の運転制御を司る制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるエンジン回転信号ｂ、スロットルバルブ３３の開度を検出するアクセル開度センサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｄ、吸気通路３内の吸気圧（または、過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｅ、内燃機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力される排気カム信号ｇ等が入力される。エンジン回転センサは、１０°ＣＡ毎にパルス信号ｂを発する。アクセル開度センサは、アクセルペダルの踏込量を参照して間接的にスロットルバルブ３３の開度を検出することがある。カム角センサは、７２０°ＣＡを気筒数で割った角度、三気筒エンジンであれば２４０°ＣＡ毎にパルス信号ｇを発する。

出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲバルブ２２に対して開度操作信号ｊ、スロットルバルブ３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲートバルブ４４に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、メモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量を基に、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）といった各種運転パラメータを決定する。しかして、ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

ＥＣＵ０は、圧力センサから受信した吸気圧信号ｅのサンプリング値及びそのときのエンジン回転数、吸気温等から、気筒１に向かって流れる吸気の単位時間あたりの流量ＡＦＭ（Ａｉｒ Ｆｌｏｗ Ｍａｓｓ）_nを演算して知得する。ｎは、サンプリング及び演算の機会を指示する添字である。ＡＦＭ_nの算出方法自体は、既知のものと同様であるので説明を割愛する。

但し、吸気脈動の存在により、吸気圧信号ｅのサンプリングに基づく吸気流量ＡＦＭ_nの値は頻々に変動するため、ＡＦＭ_nをそのまま参照して燃料噴射量等の運転パラメータを決定することは必ずしも適切ではない。そこで、ＥＣＵ０は、運転パラメータの決定にあたり、ＡＦＭ_nの時系列になまし処理を加えたものを単位時間あたりの吸気流量と見なす。

なまし処理として、一次のローパスフィルタを採用する場合、なまし処理を加えた吸気流量ＡＦＭ_n’は、周波数領域で、
ＡＦＭ_n’＝ＡＦＭ_n／（αｓ＋１）
と表現することができる。αは、一次遅れ系の伝達関数の時定数であって、ローパスフィルタによるなまし量、換言すればなまし処理の程度の強さを表している。なまし量αが大きいほど、ＡＦＭ_nがなまされて、ＡＴＭ_n’の変化がゆっくりになる。

本実施形態では、上記のなまし量αを恒常的に不変の定数とはせず、スロットルバルブ３３の開度、及びスロットルバルブ３３の開度の変化量の多寡に基づいて決定する。スロットルバルブ３３の開度、即ちアクセル開度センサから受信したアクセル開度信号ｃのサンプリング値をＴＡ_nとおくと、スロットルバルブ３３の開度の変化量ΔＴＡ_nは、周波数領域で、
ΔＴＡ_n＝ＴＡ_n−ＴＡ_n-1／（λｓ＋１）
と表現することができる。上式では、右辺の第二項ＴＡ_n-1にも一次のローパスフィルタによるなまし処理を加えている。ローパスフィルタの時定数λは、適合により一定の値に定めることが可能である。なお、ローパスフィルタによるなましを行わず、単純にΔＴＡ_n＝ＴＡ_n−ＴＡ_n-1とすることも考えられる（λが０または非常に小さいとも言える）。

ＥＣＵ０のメモリには予め、上記のなまし量αと、スロットルバルブ３３の開度ＴＡ_n及びその変化量ΔＴＡ_nとの関係を規定したマップデータが格納されている。図２に、そのマップを例示する。なまし量αは、スロットルバルブ３３の開度ΔＴＡ_nが小さいほど小さく設定し、またスロットルバルブ３３の開度の変化量ΔＴＡ_nが大きいほど小さく設定する。なまし量αのマップは、スロットルバルブ３３の開度の変化に対する吸気量の変化を実験的に評価して作成する。

ＥＣＵ０は、スロットルバルブ３３の開度ＴＡ_n及びその変化量ΔＴＡ_nをキーとしてマップを検索し、なまし量αを読み出す。そして、読み出したなまし量αを用いて、単位時間あたりの吸気量の時系列ＡＦＭ_nになまし処理を加え、吸気量ＡＦＭ_n’を算出する。吸気量ＡＦＭ_n’を吸気行程に亘って積算（または、時間積分）すれば、気筒１に充填される吸気量の総量を算出することができ、これに対応した燃料噴射量その他の運転パラメータを決定することができる。

本実施形態では、気筒１に充填される吸気量を表す値ＡＦＭ_nをセンサを介して反復的に知得するとともに、スロットルバルブ３３の開度ＴＡ_n及びその開度の変化量ΔＴＡ_nの多寡に基づいてなまし量αを決定し、前記センサを介して知得した値ＡＦＭ_nの時系列に前記なまし量αに応じたなまし処理を加えることを通じて吸気量ＡＦＭ_n’の算定を行う制御装置０において、スロットルバルブ３３の開度ＴＡ_nが小さいほど前記なまし量αを小さく設定し、またスロットルバルブ３３の開度の変化量ΔＴＡ_nが大きいほど前記なまし量αを小さく設定することとした。

本実施形態によれば、スロットルバルブ３３の開度が変化する加速または減速の過渡期に、なまし量αを適宜に設定変更し、加速に伴う吸気増大または減速に伴う吸気減少を適切に（速やかに）吸気量ＡＦＭ_n’に反映させることができ、気筒１に充填される吸気量の算定の精度が向上する。従って、加速中に燃料噴射量が不足して燃焼が不安定化したり、減速中に燃料噴射量が過剰となって燃費性能を損なったりすることが回避される。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。

上記実施形態では、なまし処理に一次のローパスフィルタを採用していたが、これ以外の手法に則ってなまし処理を実行することも当然に考えられる。例えば、吸気量を表す値ＡＦＭ_nの直近のｘ個のサンプリング値の時系列の移動平均をとることでＡＦＭ_nをなまし処理した値ＡＦＭ_n’を演算する場合には、サンプリング値の個数ｘがなまし量であるから、スロットルバルブ３３の開度ＴＡ_nが小さいほど前記なまし量ｘを小さく設定し、またスロットルバルブ３３の開度の変化量ΔＴＡ_nが大きいほど前記なまし量ｘを小さく設定する。

上記実施形態では、吸気圧信号ｅのサンプリング値から単位時間あたりの吸気流量ＡＦＭ_nを演算し、これになまし処理を加えることとしていたが、吸気圧と吸気量との間には密接な関係があるので、吸気圧信号ｅのサンプリング値自体を吸気量を表す値として扱い、吸気圧信号ｅのサンプリング値になまし処理を加えて吸気圧ひいては吸気量を算定するようにしてもよい。

上記実施形態では、吸気圧センサを介して吸気圧を検出し、間接的に吸気量を知得していたが、内燃機関の吸気通路３にエアフローセンサが実装されているならば、吸気流量を直接計測することができ、その計測値になまし処理を加えて運転パラメータ決定の基礎となる吸気量を算出することができる。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の制御に利用できる。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒

Claims (1)

1. 気筒に充填される吸気量を表す値をセンサを介して反復的に知得するとともに、
   スロットルバルブの開度及びその開度の変化量の多寡に基づいてなまし量を決定し、
   前記センサを介して知得した値の時系列に前記なまし量に応じたなまし処理を加えることを通じて吸気量の算定を行うものであって、
   スロットルバルブの開度が小さいほど前記なまし量を小さく設定し、またスロットルバルブの開度の変化量が大きいほど前記なまし量を小さく設定する
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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