JP2016211504A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のトルクを制御する場合において、制御精度及び制御性をいずれも向上させることができ、高い商品性を確保することができる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】内燃機関３の制御装置１は、ＥＣＵ２を備える。ＥＣＵ２は、筒内圧Ｐｃｙｌに基づいて、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを算出し、目標トルクＴＲＱｔｇｔを算出し、、入力トルクＴＲＱｉｎと出力軸トルクＴＲＱａｃｔと４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４との関係を定義した制御対象モデル［式（１０）〜（１２）］に基づくスライディングモード制御アルゴリズム［式（１）〜（９）］を用いて、出力軸トルクＴＲＱａｃｔが目標トルクＴＲＱｔｇｔになるように、入力トルクＴＲＱｉｎを算出し、この入力トルクＴＲＱｉｎを用いて、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関のトルクを制御する内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関の制御装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この制御装置は、点火時期を制御するものであり、その図５に示す例では、以下に述べる制御アルゴリズムによって、点火時期が制御される。まず、要求トルクを、スロットル弁の開度に基づいて算出した推定トルクで除算することにより、トルク効率を算出し、これを空気量の効率ＫＬに変換するとともに、この効率ＫＬに応じて、マップを検索することにより、５０％燃焼点の遅れ量のフィードフォワード制御項が算出される。

また、筒内圧センサの検出信号に基づき、内燃機関が実際に発生しているトルク（以下「発生トルク」という）を算出し、要求トルクと発生トルクとの偏差が値０に収束するように、ＰＩＤ制御アルゴリズムにより、フィードバック制御項が算出される。そして、フィードフォワード制御項にフィードバック制御項を加算することにより、５０％燃焼点の遅れ量を算出し、これとエンジン回転数ＮＥに応じて、マップを検索することにより、点火時期を算出し、内燃機関の実際の点火時期がこの算出値になるように制御される。

特許第４９３０６３４号公報

上記従来の内燃機関の制御装置によれば、フィードバック制御項とフィードフォワード制御項との和を用いて、点火時期を制御している関係上、発生トルクが要求トルクになるまでに時間を要してしまい、その制御性が低いという問題がある。また、点火時期は、内燃機関の発生トルクを決定するパラメータの１つにしか過ぎない関係上、内燃機関のトルクを制御するという観点からは制御精度が低いという問題もある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、内燃機関のトルクを制御する場合において、制御精度及び制御性をいずれも向上させることができ、高い商品性を確保することが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。

上記目的を達成するために、請求項１に係る内燃機関３の制御装置１は、内燃機関３の気筒３ａ内の圧力である筒内圧Ｐｃｙｌを検出する筒内圧検出手段（筒内圧センサ２０）と、検出された筒内圧Ｐｃｙｌに基づいて、内燃機関３の出力軸（クランクシャフト３ｃ）のトルクである出力軸トルクＴＲＱａｃｔを算出する出力軸トルク算出手段（ＥＣＵ２）と、内燃機関３の出力軸トルクＴＲＱａｃｔの目標となる目標トルクＴＲＱｔｇｔを算出する目標トルク算出手段（ＥＣＵ２、目標トルク算出部３０）と、入力トルクを表す入力トルクパラメータ（入力トルクＴＲＱｉｎ）を入力とし出力軸トルクＴＲＱａｃｔを出力とする制御対象４０をモデリングした制御対象モデル［式（１０）〜（１２）］に基づく所定のフィードバック制御アルゴリズム［式（１）〜（９）］を用いて、検出された出力軸トルクＴＲＱａｃｔが算出された目標トルクＴＲＱｔｇｔになるように、入力トルクパラメータ（入力トルクＴＲＱｉｎ）を算出する入力トルクパラメータ算出手段（ＥＣＵ２、スライディングモードコントローラ３１）と、算出された入力トルクパラメータ（入力トルクＴＲＱｉｎ）を用いて、内燃機関３の出力軸トルクＴＲＱａｃｔを制御する制御手段（ＥＣＵ２）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、内燃機関の気筒内の圧力である筒内圧が検出され、検出された筒内圧に基づいて、内燃機関の出力軸のトルクである出力軸トルクが算出されるとともに、出力軸トルクの目標となる目標トルクが算出される。そして、入力トルクを表す入力トルクパラメータを入力とし出力軸トルクを出力とする制御対象をモデリングした制御対象モデルに基づく所定のフィードバック制御アルゴリズムを用いて、検出された出力軸トルクが算出された目標トルクになるように、入力トルクパラメータが算出され、そのように算出された入力トルクパラメータを用いて、内燃機関の出力軸トルクが制御される。以上のように、フィードバック制御項のみを用いて算出した入力トルクパラメータを用いて、出力軸トルクが制御されるので、フィードバック制御項とフィードフォワード制御項との和を用いる特許文献１の制御装置と比べて、出力軸トルクの制御精度を向上させることができる。さらに、入力トルクパラメータを用いて出力軸トルクが制御されるので、内燃機関の発生トルクを決定するパラメータの１つにしか過ぎない点火時期を制御する特許文献１の制御装置と比べて、出力軸トルクの制御精度をさらに向上させることができる。その結果、高い商品性を確保することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の制御装置１において、制御対象４０は、入力トルクパラメータ（入力トルクＴＲＱｉｎ）と、内燃機関３の回転数ＮＥと、ｎ（ｎは１以上の整数）個の外乱推定値ｅ１〜ｅ４と、内燃機関３の吸入空気量を表す吸入空気量パラメータ（目標開度ＴＨｃｍｄ）との関係を線形化した複数の応答曲面モデル［式（２２），（２３）］を含む制御系であり、制御手段は、入力トルクパラメータ（入力トルクＴＲＱｉｎ）及び目標トルクＴＲＱｔｇｔの一方に応じて、複数の応答曲面モデル［式（２２），（２３）］の１つを選択し、選択した応答曲面モデルを用いて吸入空気量パラメータ（目標開度ＴＨｃｍｄ）を算出するとともに、算出された吸入空気量パラメータ（目標開度ＴＨｃｍｄ）を用いて、内燃機関３の出力軸トルクＴＲＱａｃｔを制御することを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、制御対象が、入力トルクパラメータと、内燃機関の回転数と、ｎ（ｎは１以上の整数）個の外乱推定値と、内燃機関の吸入空気量を表す吸入空気量パラメータとの関係を線形化した複数の応答曲面モデルを含む制御系であり、入力トルクパラメータ及び目標トルクの一方に応じて、複数の応答曲面モデルの１つが選択されるので、入力トルクパラメータ又は目標トルクに対して最適な応答曲面モデルを選択することができる。さらに、そのように選択された応答曲面モデルを用いて、吸入空気量パラメータが算出されるので、この吸入空気量パラメータを、ｎ個の外乱推定値に対応するｎ種類の外乱の影響を補償しながら、入力トルクパラメータ又は目標トルクに応じて精度よく算出することができる。これに加えて、そのように算出された吸入空気量パラメータを用いて、内燃機関の出力軸トルクが制御されるので、出力軸トルクの制御精度を向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の制御装置１において、制御対象モデルは、入力トルクパラメータ（入力トルクＴＲＱｉｎ）と出力軸トルクＴＲＱａｃｔとｍ（ｍは３以上の整数）個の外乱推定値ｅ１〜ｅ４との関係を定義したモデル［式（１０）〜（１２）］であり、所定のフィードバック制御アルゴリズムは、ｍ個の外乱推定値ｅ１〜ｅ４を含むように構成された等価制御入力Ｕｅｑを含むスライディングモード制御アルゴリズム［式（１）〜（９）］であることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、制御対象モデルが、入力トルクパラメータと出力軸トルクとｍ（ｍは３以上の整数）個の外乱推定値との関係を定義したモデルであり、所定のフィードバック制御アルゴリズムは、ｍ個の外乱推定値を含むように構成された等価制御入力を含むスライディングモード制御アルゴリズムであるので、そのようにｍ個の外乱推定値を含む等価制御入力を用いて算出した入力トルクパラメータによって、ｍ個の外乱推定値に対応するｍ種類の外乱の影響を補償しながら、出力軸トルクを目標トルクに精度よく収束させることができ、制御精度をさらに向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の内燃機関３の制御装置１において、制御対象モデルのモデルパラメータａ１，ｂ１及びｍ個の外乱推定値ｅ１〜ｅ４をオンボードで同定するオンボード同定手段（ＥＣＵ２、オンボード同定器３２）をさらに備え、入力トルクパラメータ算出手段は、所定のフィードバック制御アルゴリズムに加えて、オンボードで同定されたモデルパラメータａ１，ｂ１及びｍ個の外乱推定値ｅ１〜ｅ４を用いて、入力トルクパラメータ（入力トルクＴＲＱｉｎ）を算出することを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、制御対象モデルのモデルパラメータ及びｍ個の外乱推定値がオンボードで同定され、所定のフィードバック制御アルゴリズムに加えて、オンボードで同定されたモデルパラメータ及びｍ個の外乱推定値を用いて、入力トルクパラメータが算出されるので、ｍ個の外乱推定値に対応するｍ種類の外乱の影響を補償できることに加えて、内燃機関の個体差や経時変化などに起因して、制御対象モデルが実際の制御対象の状態から乖離し、モデル化誤差が増大したときでも、それを補償しながら、入力トルクパラメータを算出することができる。それにより、制御のロバスト性を向上させることができ、商品性をさらに向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関３の制御装置１において、内燃機関３は、気筒３ａ内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁７を備えており、筒内圧検出手段（筒内圧センサ２０）は、燃料噴射弁７の先端部に設けられたリング状の検出部２０ａを備えていることを特徴とする。

筒内圧センサなどの筒内圧検出手段の場合、その検出部が座金状に形成され、点火プラグや燃料噴射弁などの機器を内燃機関のシリンダヘッドに取り付ける際、機器とシリンダヘッドとの間に配置されるものが一般的である。そのような筒内圧検出手段の場合、シリンダヘッドの振動の影響を受けやすいことで、筒内圧の検出精度が低下してしまうことになる。これに対して、この内燃機関の制御装置によれば、筒内圧検出手段が、燃料噴射弁の先端部に設けられたリング状の検出部を備えているので、シリンダヘッドの振動の影響を抑制しながら、筒内圧を検出することができる。その結果、筒内圧の検出精度が向上するのに伴って、内燃機関の出力軸トルクの制御精度をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る制御装置及びこれを適用した内燃機関の構成を模式的に示す図である。 燃料噴射弁及び筒内圧センサの外観を示す図である。 制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。 目標トルクの算出に用いるマップの一例を示す図である。 本発明の制御対象を説明するためのブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。図１に示すように、この制御装置１は、ＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２は、後述するように、内燃機関（以下「エンジン」という）３の運転状態に応じて、出力軸トルクＴＲＱａｃｔの制御処理などの各種の制御処理を実行する。

エンジン３は、複数組の気筒３ａ及びピストン３ｂ（１組のみ図示）を有する直列多気筒ガソリンエンジンであり、図示しない車両に動力源として搭載されている。また、エンジン３は、気筒３ａごとに設けられた吸気弁４、排気弁５、点火プラグ６及び燃料噴射弁７（いずれも１つのみ図示）と、などを備えている。

このエンジン３には、図示しないが、可変吸気動弁機構が設けられており、この可変吸気動弁機構によって、吸気弁４のバルブタイミングが自在に変更されるように構成されている。

また、点火プラグ６は、エンジン３のシリンダヘッドに取り付けられており、ＥＣＵ２に電気的に接続されているとともに、ＥＣＵ２によって、点火プラグ６の放電タイミングが制御される。すなわち、混合気の点火時期が制御される。

さらに、燃料噴射弁７は、各気筒３ａ内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッドに取り付けられている。燃料噴射弁７は、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２によって、燃料噴射弁７による燃料の噴射量及び噴射時期が制御される。

また、図２に示すように、燃料噴射弁７の先端部には、筒内圧センサ２０（筒内圧検出手段）が一体に設けられており、この筒内圧センサ２０の検出部２０ａは、リング状に形成されている。筒内圧センサ２０は、燃料噴射弁７がシリンダヘッドに取り付けられている状態で、気筒３ａ内の圧力（以下「筒内圧」という）Ｐｃｙｌを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。その場合、筒内圧センサ２０が燃料噴射弁７の先端部に設けられていることで、座金タイプの筒内圧センサと比べて、シリンダヘッドの振動の影響を抑制しながら、筒内圧Ｐｃｙｌを精度よく検出することができる。

ＥＣＵ２は、この筒内圧センサ２０の検出手段に基づき、筒内圧Ｐｃｙｌを算出し、この筒内圧Ｐｃｙｌに基づき、公知の算出手法によって、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを算出する。例えば、筒内圧Ｐｃｙｌに基づき、特開２００７−２９１９２４号の手法で図示平均有効圧Ｐｍｉを算出し、この図示平均有効圧Ｐｍｉとエンジン３の排気量から、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを算出する。この場合、出力軸トルクＴＲＱａｃｔは、エンジン３のクランクシャフト３ｃ（出力軸）から出力されるトルクに相当する。

一方、吸気通路８の途中には、スロットル弁機構１０が設けられており、このスロットル弁機構１０は、スロットル弁１０ａ及びこれを開閉駆動するＴＨアクチュエータ１０ｂなどを備えている。スロットル弁１０ａは、吸気通路８の途中に回動自在に設けられており、当該回動に伴う開度の変化によりスロットル弁１０ａを通過する空気の流量を変化させる。

ＴＨアクチュエータ１０ｂは、ＥＣＵ２に接続されたモータにギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２によって制御されることにより、スロットル弁１０ａの開度を変化させる。

さらに、ＥＣＵ２には、クランク角センサ２１、アクセル開度センサ２２、スロットル弁開度センサ２３、ＬＡＦセンサ２４及び車速センサ２５が電気的に接続されている。このクランク角センサ２１は、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば１゜）ごとに１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。

また、アクセル開度センサ２２は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力し、スロットル弁開度センサ２４は、スロットル弁１０ａの開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨを検出して、それを表す検出信号を、ＥＣＵ２に出力する。

さらに、ＬＡＦセンサ２４は、理論空燃比よりもリッチなリッチ領域から極リーン領域までの広範囲な空燃比の領域において、排気通路９内を流れる排ガス中の酸素濃度をリニアに検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＬＡＦセンサ２４の検出信号の値に基づき、排ガス中の酸素濃度や空燃比などを算出する。

また、車速センサ２５は、車両の図示しない車軸に取り付けられており、車両の走行速度（以下「車速」という）ＶＰを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

一方、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、以上の各種のセンサ２０〜２５の検出信号などに基づいて、以下に述べるように、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを制御する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、出力軸トルク算出手段、目標トルク算出手段、入力トルクパラメータ算出手段、制御手段及びオンボード同定手段に相当する。

次に、図３を参照しながら、本実施形態の制御装置１の機能的な構成について説明する。同図に示すように、この制御装置１は、制御対象４０を制御するものであって、目標トルク算出部３０、スライディングモードコントローラ３１及びオンボード同定器３２を備えており、これらの要素３０〜３２は、具体的にはＥＣＵ２によって構成されている。また、制御対象４０の内容については後述する。

目標トルク算出部３０（目標トルク算出手段）は、前述した出力軸トルクＴＲＱａｃｔの目標となる目標トルクＴＲＱｔｇｔを算出するものであり、この目標トルクＴＲＱｔｇｔは、具体的には、アクセル開度ＡＰ及び車速ＶＰに応じて、図４に示すマップを検索することにより算出される。

また、スライディングモードコントローラ３１（入力トルクパラメータ算出手段）では、以下に述べるスライディングモード制御アルゴリズムによって、入力トルクＴＲＱｉｎ（入力トルクパラメータ）が算出される。なお、以上の算出式における記号（ｋ）付きの各離散データは、所定周期ΔＴ（例えば１０ｍｓｅｃ）に同期して算出（又はサンプリング）されたデータであることを示しており、記号ｋ（ｋは正の整数）は各離散データの算出（又はサンプリング）サイクルの順番を表している。例えば、記号ｋは今回の算出タイミングで算出された今回値であることを、記号ｋ−１は前回の算出タイミングで算出された前回値であることをそれぞれ示している。この点は、以下の離散データにおいても同様である。また、以下の説明では、各離散データにおける記号（ｋ）を適宜省略する。

まず、下式（１）により、追従誤差ｅｒｒを算出する。

次に、下式（２）により、切換関数σを算出する。この式（２）のＳは、切換関数設定パラメータであり、−１＜Ｓ＜０が成立する値に設定されている。

次いで、下式（３）により、等価制御入力Ｕｅｑを算出する。

この式（３）において、ａ１，ｂ１は、後述する式（１０）に示す制御対象モデルのモデルパラメータであり、Ｃは、後述する式（１１）に示すように定義される外乱ゲイン行列である。さらに、Ｅは、後述する式（１２）に示すように定義される外乱推定値ベクトルであり、ｎ１，ｎ２は、制御対象モデルにおける出力軸トルクＴＲＱａｃｔ及び入力トルクＴＲＱｉｎのむだ時間に相当する。

さらに、下式（４）〜（６）により、非線形入力Ｕｎｌを算出する。これらの式（４），（６）のＫｎｌは、所定の非線形ゲインである。

次に、下式（７）により、到達則入力Ｕｒｃｈを算出する。この式（７）のＫｒｃｈは、所定の到達則ゲインである。

次いで、下式（８）により、適応則入力Ｕａｄｐを算出する。この式（８）のＫａｄｐは、所定の適応則ゲインである。

そして、最終的に、下式（９）により、入力トルクＴＲＱｉｎが算出される。

以上の式（１）〜（９）に示す制御アルゴリズムは以下のように導出される。すなわち、本実施形態の制御対象４０を、入力トルクＴＲＱｉｎを入力とし、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを出力とし、第１〜第４外乱推定値ｅ１〜ｅ４が外乱として加えられる制御系と見なして定義するとともに、離散時間系モデルとしてモデル化すると、下式（１０）〜（１２）の制御対象モデルが得られる。なお、この制御対象モデルの場合、そのモデルパラメータをオンボード同定器３２で同定する関係上、モデルパラメータも離散データ化されている。

上式（１１）の外乱ゲイン行列Ｃの要素Ｃ１〜Ｃ４は、第１〜第４外乱ゲインであり、要素Ｃ５は、制御対象モデルの定常偏差を補償するための拡張パラメータゲインである。これらの要素Ｃ１〜Ｃ５は、オンボード同定器３２で後述するように算出（同定）される。また、上式（１２）の第１〜第４外乱推定値ｅ１〜ｅ４は、具体的には、排ガスの酸素濃度の変動量及び吸気弁４のバルブタイミングの変動量などであり、ＥＣＵ２によって算出される。さらに、上式（１２）のｎ３〜ｎ６は、第１〜第４外乱推定値ｅ１〜ｅ４のむだ時間を表している。以上の式（１０）〜（１２）に示す制御対象モデルに対して、出力軸トルクＴＲＱａｃｔが目標トルクＴＲＱｔｇｔに収束するように、スライディングモード制御アルゴリズムを適用すると、前述した式（１）〜（９）が導出される。

このスライディングモードコントローラ３１の場合、以上の制御アルゴリズムによって、入力トルクＴＲＱｉｎが算出されるので、この入力トルクＴＲＱｉｎは、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを目標トルクＴＲＱｔｇｔに追従させる値として算出される。これに加えて、等価制御入力Ｕｅｑの算出式（３）には、外乱ゲイン行列と外乱推定値ベクトルの積Ｃ・Ｅが含まれているので、入力トルクＴＲＱｉｎは、４種類の外乱の影響及び制御対象モデルの定常偏差を補償できる値として算出されることになる。

次に、前述したオンボード同定器３２（オンボード同定手段）について説明する。このオンボード同定器３２では、以下の式（１３）〜（２１）に示すオンボード同定アルゴリズムによって、パラメータベクトルθが算出される。このオンボード同定アルゴリズムは、前述した式（１０）〜（１２）の制御対象モデルに対して、逐次型最小２乗法の同定アルゴリズムとδ修正法アルゴリズムを適用したものである。

まず、パラメータベクトルθは、下式（１３）のように定義されるベクトルであり、下式（１４）によって算出される。

この式（１４）におけるｄθは、下式（１５）のように定義される修正項ベクトルである。

この修正項ベクトルｄθの要素において、ｄａ１，ｄｂ１は修正項であり、ｄＣは、５つの修正項ｄＣ１〜ｄＣ５を要素とする１行５列の行列である。

また、式（１４）におけるθｂａｓｅは、下式（１６）のように定義される基準パラメータベクトルである。

この基準パラメータベクトルθｂａｓｅの要素において、ａ１ｂａｓｅ，ｂ１ｂａｓｅは、モデルパラメータ基準値であり、エンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、算出される。また、Ｃｂａｓｅは、５つの基準外乱推定値Ｃ１ｂａｓｅ〜Ｃ５ｂａｓｅを要素とする１行５列の行列であり、これらの要素Ｃ１ｂａｓｅ〜Ｃ５ｂａｓｅも、エンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、算出される。なお、以上の基準パラメータベクトルθｂａｓｅの要素を、エンジン回転数ＮＥと無関係に一定値に設定してもよい。

また、上述した修正項ベクトルｄθは、下式（１７）によって算出される。

この式（１７）において、λは、下式（１８）のように定義される忘却係数行列である。

この忘却係数行列λの要素において、λａ１，λｂ１は忘却係数であり、値０より大きくかつ値１未満の値に設定される。また、要素λＣは、５つの忘却係数λＣ１〜λＣ５を要素とする１行５列の行列であり、これらの５つの忘却係数λＣ１〜λＣ５も、値０より大きくかつ値１未満の値に設定される。

また、上式（１７）のＫは、下式（１９）〜（２１）によって算出されるゲイン行列である。

上式（１９）のＰは、式（２０）のように定義されるゲイン重み行列であり、この式（２０）のＰａ１，Ｐｂ１は、所定のゲイン重みである。また、式（２０）のＰＣは、５つの所定のゲイン重みＰＣ１〜ＰＣ５を要素とする１行５列のゲイン重み行列である。また、式（１９）のｚは、式（２１）のように定義されるベクトルである。

次に、図５を参照しながら、本実施形態の制御対象４０について説明する。この制御対象４０は、前述したように、入力トルクＴＲＱｉｎを入力とし、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを出力とする制御系として定義され、具体的には、図５に示すように、目標開度算出部４１、ＴＨコントローラ４２及びエンジン３などを含むように構成されている。なお、２つの要素４１，４２はいずれも、ＥＣＵ２により構成されている。

この目標開度算出部４１では、以下に述べるように、スロットル弁開度ＴＨの目標となる目標開度ＴＨｃｍｄ（吸入空気量パラメータ）が、応答曲面モデルを用いて算出される。具体的には、入力トルクＴＲＱｉｎが所定の判定値ＴＲＱｒｅｆ以上のとき、すなわちエンジン３の中高負荷運転時には、下式（２２）に示す応答曲面モデルにより、目標開度ＴＨｃｍｄが算出される。

上式（２２）において、Ｏｆｆｓｅｔ＿Ｈは、所定のオフセット値（一定値）であり、Ｇ１〜Ｇ２７は、所定ゲイン（一定値）である。

一方、ＴＲＱｉｎ＜ＴＲＱｒｅｆが成立しているとき、すなわちエンジン３の低負荷運転時には、下式（２３）に示す応答曲面モデルにより、目標開度ＴＨｃｍｄが算出される。

上式（２２）において、Ｏｆｆｓｅｔ＿Ｌは、所定のオフセット値（一定値）であり、Ｇ４１〜Ｇ６７は、所定ゲイン（一定値）である。

この目標開度算出部４１の場合、以上の手法によって目標開度ＴＨｃｍｄが算出されるので、この目標開度ＴＨｃｍｄは、４種類の外乱の影響及び制御対象モデルの定常偏差を補償しながら、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを目標トルクＴＲＱｔｇｔに追従させるような値として算出される。

さらに、ＴＨコントローラ４２では、スロットル弁開度ＴＨが目標開度ＴＨｃｍｄになるように、所定のフィードバック制御アルゴリズム（例えば、スライディングモード制御アルゴリズム）により、ＴＨ制御入力Ｕｔｈが算出され、このＴＨ制御入力Ｕｔｈに対応する制御入力信号がＴＨアクチュエータ９ｂに供給される。その結果、出力軸トルクＴＲＱａｃｔが目標トルクＴＲＱｔｇｔに追従するように制御される。

以上のように、本実施形態の制御装置１によれば、筒内圧センサ２０の検出信号に基づいて筒内圧Ｐｃｙｌを算出し、これに基づいて、出力軸トルクＴＲＱａｃｔが算出されるとともに、アクセル開度ＡＰ及び車速ＶＰに応じて、目標トルクＴＲＱｔｇｔが算出される。そして、出力軸トルクＴＲＱａｃｔが目標トルクＴＲＱｔｇｔになるように、式（１）〜（９）に示すスライディングモード制御アルゴリズムを用いて、入力トルクＴＲＱｉｎが算出され、この入力トルクＴＲＱｉｎを用いて、出力軸トルクＴＲＱａｃｔが目標トルクＴＲＱｔｇｔになるように制御されるので、内燃機関３の発生トルクを決定するパラメータの１つにしか過ぎない点火時期を制御する特許文献１の制御装置と比べて、出力軸トルクＴＲＱａｃｔの制御精度を向上させることができる。その結果、高い商品性を確保することができる。

また、式（１）〜（９）のスライディングモード制御アルゴリズムは、式（１０）〜（１２）に示す、出力軸トルクＴＲＱａｃｔと入力トルクＴＲＱｉｎと４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４と拡張パラメータゲインＣ５との関係を定義した制御対象モデルに基づいて導出されるので、その等価制御入力Ｕｅｑが４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４及び拡張パラメータゲインＣ５を含むように定義されることになる。その結果、４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４に対応する４種類の外乱の影響と、制御対象モデルにおける定常偏差を補償しながら、出力軸トルクＴＲＱａｃｔを目標トルクＴＲＱｔｇｔに精度よく収束させることができ、制御精度をさらに向上させることができる。

これに加えて、オンボード同定器３２によって、４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４と、４つの外乱ゲインＣ１〜Ｃ４と、拡張パラメータゲインＣ５とがオンボードで同定され、そのようにオンボード同定された値を用いて入力トルクＴＲＱｉｎが算出されるので、４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４に対応する４種類の外乱の影響と、制御対象モデルにおける定常偏差とを補償できることに加えて、エンジン３の個体差や経時変化などに起因して、制御対象モデルが実際の制御対象の状態から乖離し、モデル化誤差が増大したときでも、それを補償しながら、入力トルクＴＲＱｉｎを算出することができる。それにより、制御のロバスト性を向上させることができ、商品性をさらに向上させることができる。

さらに、制御対象４０が入力トルクＴＲＱｉｎを入力とし出力軸トルクＴＲＱａｃｔを出力とする制御系として定義され、目標開度算出部４１、ＴＨコントローラ４２及びエンジン３などで構成されている。この目標開度算出部４１では、入力トルクＴＲＱｉｎと所定の判定値ＴＲＱｒｅｆとの大小関係に基づき、式（２２），（２３）に示す応答曲面モデルの一方が選択されるので、入力トルクＴＲＱｉｎに対して最適な応答曲面モデルを選択することができる。また、式（２２），（２３）の応答曲面モデルは、入力トルクＴＲＱｉｎと、エンジン回転数ＮＥと、と、４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４と、目標開度ＴＨｃｍｄとの関係を線形化したものであるので、そのように選択した応答曲面モデルを用いることによって、４つの外乱推定値ｅ１〜ｅ４に対応する４種類の外乱の影響を補償しながら、目標開度ＴＨｃｍｄを精度よく算出することができる。その結果、出力軸トルクＴＲＱａｃｔの制御精度をより一層、向上させることができる。

以上に加えて、本実施形態の筒内圧センサ２０が、燃料噴射弁７の先端部に設けられたリング状の検出部２０ａを備えているので、一般的な筒内圧センサのように、その検出部が座金状に形成され、点火プラグや燃料噴射弁などの機器とシリンダヘッドとの間に配置される場合と比べて、シリンダヘッドの振動の影響を抑制しながら、筒内圧Ｐｃｙｌを精度よく検出することができる。その結果、筒内圧Ｐｃｙｌの検出精度が向上するのに伴って、出力軸トルクＴＲＱａｃｔの制御精度をさらに向上させることができる。

なお、実施形態は、筒内圧検出手段として、筒内圧センサ２０を用いた例であるが、本発明の筒内圧検出手段は、これに限らず、筒内圧を検出するものであればよい。例えば、筒内圧検出手段として、点火プラグなどをシリンダヘッドに取り付けるときに、両者の間に挟み込まれる座金タイプの筒内圧センサを用いてもよい。

また、実施形態は、制御対象モデルとして、式（１０）〜（１２）に示すモデルを用いた例であるが、本発明の制御対象モデルはこれに限らず、入力トルクパラメータを入力とし出力軸トルクを出力とする制御対象をモデリングしたものであればよい。例えば、制御対象モデルとして、式（１０）において、右辺の第３項Ｃ（ｋ）・Ｅ（ｋ）を省略したモデルを用いてもよい。また、制御対象モデルとして、式（１０）において、右辺の第３項Ｃ（ｋ）・Ｅ（ｋ）を１つの外乱推定値ｅ１（ｋ）、２個の外乱推定値ｅ１（ｋ），ｅ２（ｋ）、３個の外乱推定値ｅ１（ｋ）〜ｅ３（ｋ）、又は５個以上の外乱推定値に置き換えたモデルを用いてもよい。

さらに、実施形態は、応答曲面モデルとして、式（２２），（２３）を用いた例であるが、本発明の応答曲面モデルはこれらに限らず、入力トルクパラメータと、内燃機関の回転数と、ｎ（ｎは１以上の整数）個の外乱推定値と、内燃機関の吸入空気量を表す吸入空気量パラメータとの関係を線形化したものであればよい。

例えば、応答曲面モデルとして、式（２２），（２３）において、外乱推定値ｅ２（ｋ）〜ｅ４（ｋ）が含まれる項を削除したモデル、外乱推定値ｅ３（ｋ），ｅ４（ｋ）が含まれる項を削除したモデル、又は、外乱推定値ｅ４（ｋ）が含まれる項を削除したモデルを用いてもよい。その場合には、制御対象モデルとして、式（１０）において、右辺の第３項Ｃ（ｋ）・Ｅ（ｋ）を１つの外乱推定値ｅ１（ｋ）、２個の外乱推定値ｅ１（ｋ），ｅ２（ｋ）、又は３個の外乱推定値ｅ１（ｋ）〜ｅ３（ｋ）に置き換えたモデルを用いればよい。

また、実施形態は、複数の応答曲面モデルとして、式（２２），（２３）に示す２つの応答曲面モデルを用いた例であるが、これらの応答曲面モデルに代えて、３つ以上の応答曲面モデルを用いてもよい。

さらに、実施形態は、入力トルクＴＲＱｉｎに応じて、２つの応答曲面モデルの一方を選択した例であるが、これに代えて、目標トルクＴＲＱｔｇｔに応じて、２つの応答曲面モデルの一方を選択するように構成してもよい。

一方、実施形態は、入力トルクパラメータとして、入力トルクＴＲＱｉｎを用いた例であるが、本発明の入力トルクパラメータはこれに限らず、入力トルクを表す値であればよい。例えば、入力トルクパラメータとして、吸入空気量を用いてもよく、内燃機関がディーゼルエンジンの場合には、入力トルクパラメータとして、燃料噴射量を用いてもよい。

また、実施形態は、所定のフィードバック制御アルゴリズムとして、スライディングモード制御アルゴリズムを用いた例であるが、本発明の所定のフィードバック制御アルゴリズムはこれに限らず、出力軸トルクが目標トルクになるように、入力トルクパラメータを算出するものであればよい。例えば、所定のフィードバック制御アルゴリズムとして、バックステッピング制御アルゴリズムや、ＰＩＤ制御アルゴリズムなどを用いてもよい。

さらに、実施形態は、吸入空気量パラメータとして、目標開度ＴＨｃｍｄを用いた例であるが、本発明の吸入空気量パラメータはこれに限らず、内燃機関の吸入空気量を表すものであればよい。例えば、スロットル弁開度ＴＨを吸入空気量パラメータとして用いてもよく、可変吸気動弁機構のみによって内燃機関の吸入空気量を制御している場合には、可変吸気動弁機構の動作量を吸入空気量パラメータとして用いてもよい。

また、実施形態は、本発明の制御装置を車両用の内燃機関に適用した例であるが、本発明の制御装置は、これに限らず、船舶用の内燃機関や、他の産業機器用の内燃機関にも適用可能である。

さらに、実施形態は、内燃機関として、ガソリンエンジンを用いた例であるが、これに代えて、軽油、ＬＰＧ又は混合燃料（例えば、ガソリンとアルコールの混合燃料）などを燃料とする内燃機関を用いてもよい。

１ 制御装置
２ ＥＣＵ（出力軸トルク算出手段、目標トルク算出手段、入力トルクパラメータ算 出手段、制御手段、オンボード同定手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
３ｃ クランクシャフト（出力軸）
７ 燃料噴射弁
２０ 筒内圧センサ（筒内圧検出手段）
２０ａ 検出部
３０ 目標トルク算出部（目標トルク算出手段）
３１ スライディングモードコントローラ（入力トルクパラメータ算出手段）
３２ オンボード同定器（オンボード同定手段）
４０ 制御対象
Ｐｃｙｌ 筒内圧
ＴＲＱａｃｔ 出力軸トルク
ＴＲＱｔｇｔ 目標トルク
ＴＲＱｉｎ 入力トルク（入力トルクパラメータ）
ｅ１〜ｅ４ 第１〜第４外乱推定値
ＮＥ 内燃機関の回転数
ＴＨｃｍｄ 目標開度（吸入空気量パラメータ）
ａ１ モデルパラメータ
ｂ１ モデルパラメータ

Claims (5)

1. 内燃機関の気筒内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
   当該検出された筒内圧に基づいて、前記内燃機関の出力軸のトルクである出力軸トルクを算出する出力軸トルク算出手段と、
   前記内燃機関の前記出力軸トルクの目標となる目標トルクを算出する目標トルク算出手段と、
   入力トルクを表す入力トルクパラメータを入力とし前記出力軸トルクを出力とする制御対象をモデリングした制御対象モデルに基づく所定のフィードバック制御アルゴリズムを用いて、前記検出された出力軸トルクが前記算出された目標トルクになるように、前記入力トルクパラメータを算出する入力トルクパラメータ算出手段と、
   当該算出された入力トルクパラメータを用いて、前記内燃機関の前記出力軸トルクを制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記制御対象は、前記入力トルクパラメータと、前記内燃機関の回転数と、ｎ（ｎは１以上の整数）個の外乱推定値と、前記内燃機関の吸入空気量を表す吸入空気量パラメータとの関係を線形化した複数の応答曲面モデルを含む制御系であり、
   前記制御手段は、前記入力トルクパラメータ及び前記目標トルクの一方に応じて、前記複数の応答曲面モデルの１つを選択し、当該選択した応答曲面モデルを用いて前記吸入空気量パラメータを算出するとともに、当該算出された吸入空気量パラメータを用いて、前記内燃機関の前記出力軸トルクを制御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。
3. 前記制御対象モデルは、前記入力トルクパラメータと前記出力軸トルクとｍ（ｍは３以上の整数）個の外乱推定値との関係を定義したモデルであり、
   前記所定のフィードバック制御アルゴリズムは、前記ｍ個の外乱推定値を含むように構成された等価制御入力を含むスライディングモード制御アルゴリズムであ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。
4. 前記制御対象モデルのモデルパラメータ及び前記ｍ個の外乱推定値をオンボードで同定するオンボード同定手段をさらに備え、
   前記入力トルクパラメータ算出手段は、前記所定のフィードバック制御アルゴリズムに加えて、前記オンボードで同定されたモデルパラメータ及び前記ｍ個の外乱推定値を用いて、前記入力トルクパラメータを算出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関は、前記気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えており、
   前記筒内圧検出手段は、当該燃料噴射弁の先端部に設けられたリング状の検出部を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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