JP2017002773A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば触媒暖機などにおける点火時期リタード制御によってトルク不足が生じた場合に適切な範囲でそのトルクを制御することのできる内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】エンジンの目標点火時期と最適点火時期から演算される要求点火効率とエンジンの目標トルクとスロットル全開時のトルクである最大トルクとから要求トルク比を演算し、触媒暖機要求による点火時期リタード時の要求トルク比もしくはその要求トルク比に基づき算出されるスロットル開度が所定値以上となった状態が所定時間持続した場合に、要求トルク比もしくはスロットル開度を減少させるように目標点火時期を変更するための目標点火時期補正量を演算する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、例えば触媒暖機などにおける点火時期リタード制御によってトルク不足が生じた場合に適切な範囲でそのトルクを制御する内燃機関の制御装置に関する。

従来のエンジン制御では、エンジントルクを適切にコントロールするため、スロットル開度制御と点火時期制御が協調して行われる。例えば、触媒暖機のためにアイドル状態において点火時期をリタード（遅角）する制御（点火時期リタード制御）においては、点火時期リタードによるトルク低下を補うため、点火時期リタードによるトルク低下分を点火効率もしくはトルク効率として変換し、その効率に見合った分だけスロットル開度を制御し、内燃機関への吸入空気量を増加させることで同等のトルクを実現する制御が採用されている。

触媒暖機のためのアイドル状態における前記した点火時期リタード制御は、低地、高地を問わず行なわれるほか、エアコン等の補機負荷が入った場合でも行う必要がある。

高地（空気が薄い地域）では平地に比べて同じ目標トルクを発生させるための要求スロットル開度が大きくなることが知られており、スロットルが全開状態でも目標トルクを満たすことができず、回転低下が発生する場合がある。特に、エンジンの触媒レイアウトによっては点火時期リタード量を大きく設定せざるを得ない場合があり、その場合には前記トルク不足による回転低下が顕著になることとなる。

上記のようなエンジン制御に関する従来技術として、例えば特許文献１に開示されている内燃機関の制御装置では、触媒暖機などの点火時期リタード要求等を調停した目標効率と、運転者（ドライバー）やISC（Idle speed Control）制御の空気要求等の要求トルクを調停した目標トルクとから演算される吸入空気量に応じてスロットル開度を制御し、スロットル開度から推測される推定トルクと前記目標トルクとの比較から演算されるトルク効率に基づいて点火時期を制御するようになっている。

特開２００９−１６７９１６号公報

触媒暖機のための点火時期リタード量が大きい場合において高地で点火時期リタード制御を実施した場合、前記目標トルクと前記目標効率、及びトルクへの影響因子などから演算されるスロットル開度はほぼ全開付近まで大きくなると予想されると共に、前記スロットル開度とトルクへの影響因子などから演算される前記推定トルクも前記目標トルクに満たないと予想される。このような状況では、点火時期が進角方向に制御されるが、特許文献１に開示されている従来の内燃機関の制御装置では、スロットル開度の制御後に点火時期を制御する方式であるため、必然的に点火時期が遅れて制御され、その間、エンジン回転数は目標回転数を維持できずに回転数が低い状態が所定時間継続してしまうといった問題がある。

更に、点火時期が進角側に制御され、エンジン回転数の低下が解消したとしても、スロットル開度が全開付近において成立する点火時期に制御されている状態であるため、例えば、その状態からエアコンがONからOFFに切替えられる、もしくは、触媒暖機要求が終了して点火時期リタード要求がキャンセルされた場合には、スロットル開度が大きいことによる吸入空気量の過多のために、急激な回転吹け上がりが発生するといった問題もある。

上記したような従来のエンジン制御の問題点を、図５に基づきより具体的に説明する。なお、図５に示す状況の環境状態としては、当該エンジンを搭載した車両が高地にある状態かつエンジン冷機状態であって、エアコンをONしてからの始動後アイドル放置状態とする。

図５に示すように、エンジン始動後、触媒暖機要求条件が成立して触媒暖機要求フラグがONとなる（図中、ポイントａ）と、そこから低地と同じ量の点火時期のリタードが開始される。

点火時期リタード制御により、要求点火効率が1.0より大きくなり、点火時期リタード制御によるトルク低下を補うため、要求トルク比が大きくなる。要求トルク比が大きくなることでスロットル開度は開き方向に動くが、高地ということや補機負荷によるフリクション増加の影響によって、要求トルク比が低地のレベルより更に大きいレベルになり、スロットルは全開張り付き状態となる（図中、ポイントｂ）。なお、要求点火効率や要求トルク比については後述する。

更に、スロットル開度全開状態においてもエンジンが要求トルクを発生することができず、エンジン回転数が目標回転数より低い状態が継続すると、ISC（Idle Speed Control）制御の回転フィードバック補正制御ではエンジン回転数を上げようと増加方向にその補正値（ISCフィードバック補正値）を演算し続け、最終的にその回転フィードバック補正制御における上限リミッタの補正値まで増加することになる（図中、ポイントｃ）。

その状態が所定時間継続された状態から触媒暖機要求が終了して触媒暖機要求フラグがOFFとなる（図中、ポイントｄ）と、点火時期はリタード状態から徐々に進角方向へ移行するため、トルク低下量が減り、それに伴ってISCフィードバック補正値も上限リミッタ張り付き状態から空気減量方向へ低下するが、それでもISCフィードバック補正値は高い状態である。そのため、要求トルク比としては高い状態が継続し、スロットル開度も全開開度を保持した状態が継続してしまう（図中、ポイントｄからポイントｅ）。その結果、点火時期が進角しているにも関わらず、スロットルが全開となるため、エンジン回転数が急激に吹け上がる現象が発生するといった問題が生じる。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、例えば触媒暖機などにおける点火時期リタード制御によってトルク不足が生じた場合に適切な範囲でそのトルクを制御することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、本発明に係る内燃機関の制御装置は、車両に搭載された内燃機関の目標点火時期と最適点火時期と目標トルクと最大トルクとに基づき演算される要求トルク比に基づいてスロットル開度を制御すると共に、前記目標点火時期と前記最適点火時期と前記目標トルクとに基づいて点火時期を制御する内燃機関の制御装置であって、前記要求トルク比もしくは前記要求トルク比に基づき算出される前記スロットル開度が所定の上限閾値以上となった場合に、前記要求トルク比もしくは前記スロットル開度を減少させるように前記目標点火時期を変更する目標点火時期補正部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、例えば当該エンジンを搭載した車両が高地にある状態やエアコン等の補機負荷が入った状態においても、トルクコントロールが可能な範囲で触媒暖機等のための点火時期リタードとスロットル開度の協調制御が実現可能となり、エンジン回転数の低下や、エアコン等の補機停止や触媒暖機終了に伴う急激な回転吹け上がりを確実に防止することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態の内部構成を示すブロック図。 図１に示す内燃機関の制御装置による目標点火時期補正制御の動作の一例を時系列で説明したタイミングチャート。 目標点火時期補正量の各例を説明した概略図。 図１に示す内燃機関の制御装置による目標点火時期補正制御の動作の他例を時系列で説明したタイミングチャート。 従来のエンジン制御の問題点を説明したタイミングチャート。

以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置の一実施形態であって、点火時期制御及びスロットル開度制御を行う内燃機関の制御装置の内部構成を示すブロック図である。

図示する内燃機関（エンジン）の制御装置100におけるドライバー要求軸トルク算出部101は、アクセル開度とエンジン回転数を基にドライバー要求軸トルクを算出する。

最大軸トルク算出部102は、エンジン回転数を基にエンジンの最大軸トルクを算出する。

アイドル回転数保持空気量算出部103は、予め定めた目標回転数と実際のエンジン回転数が一致するように、ISC制御の回転数フィードバック補正制御を行い、アイドル回転数保持空気量を算出する。

最大トルク算出部104は、エンジン回転数に基づき算出される基本最大トルクに対し、大気圧と吸気温度による空気密度補正を行い、現状の環境下における最大トルクを算出する。

要求スロットル開口面積算出部105は、前述のドライバー要求軸トルクと最大軸トルクの比率を算出し、変換マップを用いてスロットル開口面積に置き換え、また、前述のアイドル回転数保持空気量も同様にスロットル開口面積に変換し、それらを合わせたものを要求スロットル開口面積とする。

目標トルク算出部106は、前述した要求スロットル開口面積から再度トルク比に変換し、そのトルク比と前述した最大トルクから目標トルクを算出する。

要求点火効率算出部107は、最適点火時期であるMBTと基準点火時期の偏差から基準点火時期の点火効率を算出し、前記MBTと後述する目標点火時期の偏差から目標点火時期の点火効率を算出する。ここでの点火効率は1.0が基準であり、MBTよりリタードすると1.0より小さい値が算出されることとなる。そして、要求点火効率算出部107は、前述した２つの点火効率の比率を要求点火効率として算出する。

目標点火時期算出部108は、水温、エンジン回転数、車速などの情報を基に設けられたマップから目標点火時期を算出する。特に、排気ガス浄化の目的で、触媒昇温するための点火時期リタード制御では、この目標点火時期を前述した基準点火時期よりリタード（遅角）側になるように設定する。これにより、基準点火時期の点火効率に対し、目標点火時期の点火効率が小さくなるため、その比率で演算される前記要求点火効率は1.0以上の大きい値となる。

なお、この目標点火時期算出部108では、所定の条件が成立した状況下、具体的には触媒暖気要求などの目標点火時期を最適点火時期に対してリタード側へ制御する要求がある状況下で、後述する目標点火時期補正部114の目標点火時期補正量算出部113にて演算される目標点火時期補正量を基に前述した目標点火時期が補正されることとなる。

要求トルク比算出部109は、最初に前述の目標トルクと最大トルクから基本となる要求トルク比（目標トルク/最大トルク）を算出し、それに前述した要求点火効率を乗算して、最終的な要求トルク比を算出する。前述したように触媒温度を上昇させるために目標点火時期を前述した基準点火時期より遅角側に設定した場合、要求点火効率が1.0以上に増加するため、この要求トルク比算出部109にて算出される要求トルク比も増加するようになる。これにより、後述する要求スロットル開度が大きくなり、その結果、吸入空気量も増加するため、点火時期リタード制御によるトルク低下を補うことができる。

要求スロットル開度算出部110は、前述の要求トルク比とエンジン回転数から変換マップを用いてスロットル開口面積に置き換え後に、要求スロットル開度を算出する。そして、ここで算出された要求スロットル開度がスロットル開度制御に利用されることとなる。

トルクリダクション率算出部111は、前述の目標トルクに前述の要求点火効率を乗算して演算されるトルクに対するFastトルク要求値の比率をトルクリダクション率として算出する。ここで、Fastトルク要求値とは、車両の加速ショック低減など、運転性改善のための要求トルクを意味する。例えば、触媒暖機のための点火時期リタード制御を実施した時には、前述のFastトルク要求はないため、前述の目標トルクと同じ要求値となる。一方で、前述の要求点火効率は基本的には1.0より大きい値となるため、目標トルクと要求点火効率から算出されるトルクは、前述のFastトルク要求値より大きくなり、その比率は1.0より小さくなり、その結果、前述のトルクリダクション率も1.0より小さい値となる。

最終点火時期算出部112は、前述したトルクリダクション率を点火時期変化量相当に変換し、MBTから前述の点火時期変化量分だけ差し引いて最終点火時期を算出する。前述のようにトルクリダクション率が1.0より小さいと、点火時期変化量も大きくなるため、MBTから設定される最終点火時期もリタードすることになる。そして、ここで算出された最終点火時期が点火時期制御に利用されることとなる。

このように、本実施形態の制御装置100は、点火時期制御とスロットル開度制御を行うが、その制御の中で、目標点火時期補正部114が、要求トルク比算出部109にて演算された要求トルク比に応じて、目標点火時期算出部108にて演算される目標点火時期を変更（補正）する。詳細には、前記目標点火時期補正部114は、前記要求トルク比が所定の上限閾値以上となった場合に、目標点火時期補正量算出部113にて演算される目標点火時期補正量を用いて、その要求トルク比を減少させるように前記目標点火時期を変更する。

図２を用いて、図１に示す内燃機関の制御装置100の目標点火時期補正部114による目標点火時期補正制御の動作を具体的に説明する。図２に示す状況の環境状態としては、図５と同様、当該エンジンを搭載した車両が高地にある状態かつエンジン冷機始動後のアイドル状態とする。

始動後、触媒暖機要求の成立（すなわち、触媒暖機要求フラグのON）により、目標点火時期がリタードする（図中、ポイントＡ１）と、これまでに説明したように、要求点火効率が1.0より大きくなり、目標トルクと最大トルクの比率（目標トルク/最大トルク）に要求点火効率を乗算して求められる要求トルク比が大きくなる。また、前記要求トルク比とエンジン回転数から変換マップを用いてスロットル開口面積に置き換え後に、要求スロットル開度を算出しているため、その要求スロットル開度も大きくなっていく。なお、要求トルク比が1.0である時は、スロットル開度全開でのトルクを要求していることになるため、この状態では、要求トルク比が1.0に向かって増加し、それに伴ってスロットルも全開に向かって開くことになる。

上記のように要求トルク比が大きくなり、その要求トルク比が所定の上限閾値H以上となり（図中、ポイントＢ１）、その状態（すなわち、要求トルク比≧所定の上限閾値Hの状態）が所定時間（図中、ポイントＢ１〜Ｃ１の時間）継続すると、目標点火時期補正部114の目標点火時期補正量算出部113は、トルク低下分を補えないと判断し、目標点火時期を変更するための目標点火時期補正量の演算を開始する（図中、ポイントＣ１）。なお、前記上限閾値Hは、スロットル開度を大きくしてもこれ以上空気量の増加が見込めないポイントを目安に設定するのが好ましい。

本実施形態では、前記目標点火時期補正量算出部113は、所定のインターバルINT毎に所定の補正量を積算して前記目標点火時期補正量を演算するようになっており、演算された目標点火時期補正量は、目標点火時期算出部108にて目標点火時期ベース値に対して加算されて、目標点火時期が前記目標点火時期補正量に従って変更（補正）される。すなわち、目標点火時期をADV2、目標点火時期ベース値をADV2B、目標点火時期補正量算出部113で演算される目標点火時期補正量をADV2HOSとすると、前記目標点火時期は以下の式（１）により算出される。

(数１)
ADV2＝ADV2B+ADV2HOS …（１）

なお、目標点火時期補正量を算出するための前記補正値は、予め設定された一定の値を用いてもよいし、大気圧、目標トルク比、スロットル開度等のトルク感度に影響があるパラメータを用いてよい。例えば、図３に示すように、高地の場合に前記補正値を大きな値に設定したり、低地の場合に前記補正値を小さな値に設定したり、目標トルク比やスロットル開度が大きくなるに従って前記補正値を大きな値に変更して、前記目標点火時期補正量を算出してもよい。

前記した目標点火時期補正量に応じて目標点火時期が次第に（段階的に）進角していき、それに伴って、要求トルク比も上限閾値H以上の状態から低下し始め、更に所定の下限閾値L以下となり（図中、ポイントＤ１）、その状態（すなわち、要求トルク比が所定の下限閾値L以下の状態）が所定時間（図中、ポイントＤ１〜Ｅ１の時間）継続すると、目標点火時期補正部114の目標点火時期補正量算出部113は、目標点火時期補正量の演算条件が不成立であると判断し、その時点での目標点火時期補正値を保持する。なお、前記下限閾値Lは、スロットル開度に対してリニアに空気量の増減が見込めるポイントを目安に設定することが好ましい。

そして、触媒暖機要求が終了する（すなわち、触媒暖機要求フラグがOFFとなる）と、前記目標点火時期補正量算出部113は、そのタイミングで目標点火時期補正量をリセットする（図中、ポイントＦ１）。

なお、上記のように目標点火時期補正値を保持した後、前記要求トルク比が再び所定の上限閾値H以上となった状態が所定時間持続した場合には、前記目標点火時期補正量算出部113は、前記目標点火時期補正量の演算を再開する。

このような構成により、例えば当該エンジンを搭載した車両が高地にある状態やエアコン等の補機負荷が入った状態においても、触媒暖機のための点火時期リタード量を適切な値に維持でき、トルクコントロールが可能な範囲にスロットル開度を維持できるため、エンジン回転数の低下や、エアコン等の補機停止や触媒暖機終了に伴う急激な回転吹け上がりを確実に抑制することができる。

なお、本実施形態では、要求トルク比に応じて目標点火時期補正量を演算して目標点火時期を変更しているが、例えば目標点火時期のベース設定マップを複数用意し、要求トルク比やスロットル開度に応じて前記ベース設定マップを切り替え、要求トルク比に基づき算出される要求スロットル開度に応じて目標点火時期を変更してもよいことは勿論である。

次に、図４を用いて、図１に示す内燃機関の制御装置100の目標点火時期補正部114による目標点火時期補正制御の動作の他例を具体的に説明する。図４に示す例では、冷機始動後、触媒暖機要求が終了する前に走行を行った場合を想定している。

図２の場合と同様に、始動後、触媒暖機要求が成立し、目標点火時期リタード制御が実施され（図中、ポイントＡ２）、要求トルク比が所定の上限閾値H以上となった状態が所定時間（図中、ポイントＢ２〜Ｃ２の時間）持続すると、目標点火時期補正部114の目標点火時期補正量算出部113は、前記目標点火時期補正量の演算を開始する（図中、ポイントＣ２）。

前記した目標点火時期補正量に応じて目標点火時期が進角していき、それに伴って、要求トルク比も上限閾値H以上の状態から低下し始めるが、当該要求トルク比が所定の下限閾値L以下となる前に走行が開始されると（図中、ポイントＤ２）、その走行により、アイドル状態での点火時期リタードが中止になるため、目標点火時期補正量の演算条件が不成立になり、前記目標点火時期補正量算出部113は、その時点の目標点火時期補正量を保持する。なお、車両が走行状態に入ったか否かは、例えば、車速が所定の車速以上となったか否かで判断できる。

そして、前記走行により、前記演算条件不成立の状態が所定時間（図中、ポイントＤ２〜Ｅ２の時間）継続した場合には、前記目標点火時期補正量算出部113は、前記目標点火時期補正量をリセットする（図中、ポイントＥ２）。なお、この場合の所定時間は、例えばエンジンのフリクションとの兼ね合いで決定される。

このような制御の目的は、例えば、始動後の冷機状態では、エンジンのフリクション等が大きく、触媒暖機のための点火時期リタード時の要求トルク（要求吸気量）は大きいが、始動後に走行等を行って再度アイドル状態に戻した場合には、エンジンのフリクションが軽減されているため、点火時期リタードを行った場合の要求トルク（要求吸気量）は、最初の冷機始動後に対して再び小さくなっている。そのため、所定時間の走行等によりエンジンのフリクションが軽減された場合には、目標点火時期補正量をリセットし、要求トルク比による目標点火時期補正量を再演算させる仕組みとしている。これにより、常にエンジン要求トルクに見合った最適な点火時期リタード量を実現できる。

前述の走行状態から再度アイドル状態に戻ると（図中、ポイントＦ２）、触媒暖機要求が終了していないため、再度点火時期リタード制御が実施される。前述したように、ここでは目標点火時期補正量がリセットされているため、低地の時と同量の点火時期リタード制御が実施されるようになり、その時の要求トルク比の値に応じて再度目標点火時期補正量の演算が開始される。なお、前記走行によりエンジンのフリクションが十分に軽減されていれば、図示例のように、要求トルク比は前述の上限閾値Hまでは上昇しない（図中、ポイントＧ２）。

なお、アイドル状態に戻って再度点火時期リタード制御が実施された際に、要求トルク比が上限閾値H以上になると、前記目標点火時期補正量算出部113は、前記目標点火時期補正量の演算を開始し、そのタイミングで触媒暖機要求が終了すると、図２に基づき説明したようにその目標点火時期補正量をリセットするようになる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

100 内燃機関の制御装置
104 最大トルク算出部
106 目標トルク算出部
107 要求点火効率算出部
108 目標点火時期算出部
109 要求トルク比算出部
110 要求スロットル開度算出部
111 トルクリダクション率算出部
112 最終点火時期算出部

Claims (5)

1. 車両に搭載された内燃機関の目標点火時期と最適点火時期と目標トルクと最大トルクとに基づき演算される要求トルク比に基づいてスロットル開度を制御すると共に、前記目標点火時期と前記最適点火時期と前記目標トルクとに基づいて点火時期を制御する内燃機関の制御装置であって、
   前記要求トルク比もしくは前記要求トルク比に基づき算出される前記スロットル開度が所定の上限閾値以上となった場合に、前記要求トルク比もしくは前記スロットル開度を減少させるように前記目標点火時期を変更する目標点火時期補正部を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記目標点火時期補正部は、前記要求トルク比もしくは前記スロットル開度が所定の上限閾値以上となった状態が所定時間持続した場合に、大気圧、前記要求トルク比、及び前記スロットル開度のうちの少なくとも一つに基づいて前記目標点火時期を変更するための目標点火時期補正量を演算する目標点火時期補正量算出部を有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. 前記目標点火時期補正量算出部は、前記要求トルク比もしくは前記スロットル開度が所定の下限閾値以下となった状態が所定時間持続した時にその時点の目標点火時期補正量を保持すると共に、その保持状態から、前記要求トルク比もしくは前記スロットル開度が再び所定の上限閾値以上となった状態が所定時間持続した場合に前記目標点火時期補正量の演算を再開することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記目標点火時期補正量算出部は、車速が所定の車速以上となった時にその時点の目標点火時期補正量を保持すると共に、その状態が所定時間継続した場合に前記目標点火時期補正量をリセットすることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記目標点火時期補正量算出部は、前記目標点火時期を最適点火時期に対してリタード側へ制御する要求がある状況下で前記目標点火時期補正量を演算することを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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