JP2018031308A - 内燃機関制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関制御装置において、内燃機関への吸入空気量の大きさを検出する吸気センサからのセンサ値が吸気脈動の影響を受けてしまうことを抑制する。【解決手段】エンジンＥＣＵは、取り込んだセンサ値の平均値に基づいてエンジンの動作を制御する際に、センサ値と所定区間のセンサ値平均値との差分よりもセンサ変換値とセンサ値平均値との差分の方が小さくなるようなセンサ変換値を算出し、そのセンサ変換値により所定区間のセンサ値平均値を算出する。これにより、吸気脈動の影響を抑制することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関制御装置に関する。

車両に搭載された吸気圧センサやエアフロメータなどの吸気センサにより計測されたセンサ値は、エンジンの吸気脈動の影響により、エンジンのクランク回転角に同期した振動成分を含んだ値となってしまう。このようなセンサ値をそのままエンジンＥＣＵが制御に使用すると、制御が安定しないことから、使用することはできない。

特開平４−２５２８４２号公報

そこで従来では、クランク回転角に同期した脈動成分の周期性に着目し、所定のクランク回転角が進む間にサンプリングしたセンサ値の平均値を制御に使用することで、脈動成分による制御への影響を低減させていた。なお、サンプリング自体は時間単位で行っている。

また、平均値を用いたことで過渡時の制御応答が遅れてしまうのを回避するために、平均値の単位時間あたりの変化量に応じて平均値を先取り補正する技術がある（例えば、特許文献１）。

しかしながら、特許文献１のものは、エンジンの燃焼現象自体のばらつきや量子化誤差の影響により、定常時であってもセンサ平均値が振動してしまい、制御が安定しないという課題がある。この課題は特に高回転領域になるほど顕著となる。なぜなら、高回転領域では、一定回転角が進む間に取得できるサンプル数が相対的に減るため、脈動成分による影響を除去しきれず、平均値がより大きく振動するからである。

上記課題は、サンプリング間隔を短くし、一定回転角が進む間に取得できるサンプル数を増やすことで解決できると考えられるが、処理性能が高く、かつそういった高速サンプリング機能を有するようなマイクロコンピュータでしか実現不可能である。

また、平均値の算出に使用するサンプリング数を増やすことでも解決できると考えられるが、過渡時の制御応答性を悪化させてしまうトレードオフがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、内燃機関への吸入空気量の大きさを検出する吸気センサから取得したセンサ値が吸気脈動の影響を受けてしまうことを抑制できる内燃機関制御装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、取込部（３１ａ）がセンサ値を取り込むと、平均値算出部（３１ｂ）が所定区間においてセンサ値の平均値であるセンサ値平均値を算出する。このとき、センサ変換値算出部（３１ｃ）がセンサ値とセンサ値平均値との差分よりもセンサ変換値とセンサ値平均値の差分の方が小さくなるようなセンサ変換値を算出し、なおかつ平均値算出部（３１ｂ）は、センサ値に代えてセンサ変換値を用いてセンサ値平均値を算出する。これにより、センサ値平均値が吸気脈動の影響を受けてしまうことを抑制できる。

第１実施形態における全体構成を示す概略図 吸気脈動の影響を受けたセンサ値とその平均値を示す図 第１実施形態におけるセンサ変換値とその平均値を示す図 センサ値平均値を算出するフローチャート（従来技術相当） センサ値平均値を算出するフローチャート センサ変換値算出処理を示すフローチャート 第２実施形態におけるセンサ変換値とその平均値を示す図 第２実施形態におけるセンサ値平均値を算出するフローチャート 第２実施形態における定常・過渡判定処理を示すフローチャート 第２実施形態におけるセンサ変換値算出処理を示すフローチャート 第３実施形態における定常・過渡判定処理を示すフローチャート 第４実施形態における定常・過渡判定処理を示すフローチャート

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図５を参照して説明する。
図１に示すように、エンジン１（内燃機関に相当）は４ストロークの４気筒エンジンであり、説明の便宜上、１つのシリンダ（気筒）のみを図示している。このエンジン１は４ストロークであることから、１個のシリンダについて、吸入・圧縮・燃焼・排気の４行程による１燃焼サイクルが７２０°ＣＡ（クランク角）周期で実行されている。この場合、吸入行程は１８０°ＣＡであることから、４気筒エンジンでは、いずれかの気筒で常に吸入行程が行われていることになる。

シリンダブロック２にはシリンダ３が図示上下方向を指向して形成されている。シリンダ３内にはピストン４が収容されており、そのピストン４が往復動することによりエンジン１の出力軸であるクランク軸５が回転する。

シリンダブロック２の上端面にはシリンダヘッド６が固定されており、シリンダ３、シリンダヘッド６及びピストン４の上面によって燃焼室７が形成されている。シリンダヘッド６には吸気口８と排気口９とが形成されており、それらに吸気バルブ１０と排気バルブ１１とが設けられている。これらの吸気バルブ１０と排気バルブ１１は、クランク軸５に連動する図示しないカム軸に取り付けられたカム１２によって駆動されることで吸気口８及び排気口９をそれぞれ開閉する。吸気口８には各燃焼室７に外気を吸入するための吸気通路１３が接続され、排気口９には各燃焼室７からの燃焼ガスを排出するための排気通路１４が接続されている。

吸気通路１３の最上流部にはエアクリーナ１５が設けられており、その下流側に、ＤＣモータ等のアクチュエータ１７によって開度調節される電子制御式のスロットルバルブ１８と、このスロットルバルブの開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１９とが設けられている。スロットルバルブ１８の下流側には、吸気脈動や吸気干渉を防ぐ等の目的で吸気通路１３の通路面積が拡大されたサージタンク２０が設けられている。

サージタンク２０には、サージタンク２０内の吸気圧を計測する吸気圧センサ２１（吸気センサに相当）が設けられており、この吸気圧センサ２１によるセンサ値に基づいて燃焼室７に吸入される吸入空気量が算出される。なお、吸入空気量の算出は、吸気圧センサではなく、エアフロメータ（図示せず）によるセンサ値に基づいて算出しても良い。

エンジン１の燃料噴射供給方式は吸気ポート噴射式であり、吸気通路１３には、各気筒の吸気ポート近傍にて燃料を噴射供給する電磁駆動式やピエゾ駆動式等の燃料噴射弁２２が各気筒に対応して取り付けられている。エンジン１では、これら気筒毎に設けられた各燃料噴射弁２２により各燃焼室７に吸入される吸入空気に対して燃料が噴射供給され、その燃料と吸入空気とが燃焼室７内で混合して圧縮された混合気に対して点火プラグ２３により点火する。これにより、混合気が爆発的に燃焼してピストン４が下降することで、クランク軸５に対して回転力が付与される。

排気通路１４には、排出ガスの空燃比またリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。

シリンダブロック２には、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。
クランク軸５にはシグナルロータ２８が取り付けられており、そのシグナルロータ２８の外周側に対向して、クランク軸５が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられている。このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

上記した各種センサの出力は、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０（内燃機関制御装置に相当）に入力される。このエンジンＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏを有する制御部３１（マイクロコンピュータに相当）により構成されている。制御部３１は、非遷移的実体的記録媒体に格納されているコンピュータプログラムを実行することで、コンピュータプログラムに対応する処理を実施し、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度やエンジン負荷等）に応じて、スロットルバルブ１８や燃料噴射弁２２、点火プラグ２３等の作動を制御することによりエンジン１の運転状態を制御する。

例えば、エンジン回転速度及びアクセルペダルの操作量に基づき要求トルクを算出し、要求トルクに基づき算出した吸入空気量となるようスロットルバルブ１８の開度を制御する。また、吸気圧センサ２１の出力信号に基づき算出した吸入空気量及びエンジン回転速度等に基づき燃料噴射量、噴射時期及び点火時期の目標値を算出し、これらの目標値となるよう燃料噴射弁２２及び点火プラグ２３の作動を制御する。

また、エンジンＥＣＵ３０は、図示しないカム角センサの出力に基づき、カム軸が１回転（つまりクランク軸５が２回転）する毎のパルス列よりなるカム角信号を生成し、カム角信号及びクランク角信号に基づき、１燃焼サイクルと関連付けられたクランク角を算出する。例えば、ピストン４が圧縮行程上死点に位置する時のクランク角を基準（０°ＣＡ）とした場合に、１燃焼サイクルが終了するまでのクランク角０〜７２０°ＣＡに対し所定クランク角度間隔で現時点でのクランク角を取得する。

以上のように、エンジンＥＣＵ３０は、吸気圧センサ２１の値を取り込み、制御量を演算し、それに応じてスロットルバルブ１８や燃料噴射弁２２を操作することでエンジン１を制御する。

制御部３１は、上述した動作に加えて、本発明に関連した動作を実施するために、取込部３１ａ、平均値算出部３１ｂ、センサ変換値算出部３１ｃ、判定部３１ｄを備えている。

ところで、上述したように吸気脈動の影響を抑制するためにサージタンク２０が設けられているものの、エンジンＥＣＵ３０が吸気圧センサ２１から実際に取り込むセンサ値は、図２に示すように、依然として吸気脈動の影響を受けて変動していることからセンサ値の平均値を採用している。なお、図２中の縦軸はセンサ値、横軸は時間を表している。また、図２では、センサ値を例えば３０°ＣＡで周期的に取り込んでいるが、３０°ＣＡ中に複数のセンサ値を取り込む場合は、それらのセンサ値の平均値がセンサ値としてみなされる。

エンジンＥＣＵ３０は、図４に示すように、センサ値を取り込み（Ｓ１０１）、所定区間のセンサ値の平均値であるセンサ値平均値を算出し（Ｓ１０２）、そのセンサ値平均値を制御に使用する（Ｓ１０３）。このような制御は、従来から行われている制御である。所定区間としては、例えば４気筒エンジンの場合は７２０°ＣＡとし、この所定区間において取り込んだセンサ値の平均値を算出する。

このように所定区間において取り込んだセンサ値の平均値を算出するにしても、図２に示すように、センサ値平均値が吸気脈動の影響を受けることは避けられず、エンジン１の制御に用いるには吸気脈動による影響が依然として大きいのが実情である。

このような事情から、センサ変換値と呼ぶ新たなパラメータを導入するようにした。
エンジンＥＣＵ３０は、図５に示すように、まず、図４に示す一般的な方法と同様に、吸気圧センサ２１からセンサ値を取り込み（Ｓ２０１）、センサ変換値と呼ぶ新たなパラメータを算出するセンサ変換値算出処理を実施する（Ｓ２０３）。そして、そのセンサ変換値を用いて所定区間のセンサ値平均値を算出し（Ｓ２０４）、そのセンサ値平均値を制御に用いる（Ｓ２０５）。

センサ変換値算出処理の具体例としては、図６に示すように、センサ値と、所定区間のセンサ値平均値とから両者の差分を算出する（Ｓ３０１）。次に、その差分に対して所定の減衰比を乗算した値と、所定区間のセンサ値平均値とを加算し、その値をセンサ変換値とする（Ｓ３０２）。

以上のような処理により、センサ変換値は、図３に示すように、センサ値に比べて吸気脈動の影響による振動が抑制されることから、所定区間のセンサ値平均値の振動が減少する。これにより、所定区間のセンサ値平均値を用いて算出されるパラメータの１つである推定吸入空気量の値の振動も減少し、その結果として、推定吸入空気量を目標吸入空気量に近づけるように働くフィードバック制御を安定させることができる。

このような実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
エンジンＥＣＵ３０は、取り込んだセンサ値の平均値に基づいてエンジン１の動作を制御する際に、センサ値と所定区間のセンサ値平均値との差分よりもセンサ変換値とセンサ値平均値との差分の方が小さくなるようなセンサ変換値を算出し、そのセンサ変換値により所定区間のセンサ値平均値を算出するようにしたことで、吸気脈動の影響を抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について図７から図１０を参照して説明する。
吸気脈動の影響は定常状態と過度状態とでは異なり、定常状態では吸気脈動の影響が大きい。なお、定常状態とは、吸気脈動の影響を除外すると吸入空気量が一定とみなせる状態、つまりエンジン１の回転数が安定している状態である。また、過渡状態とは、吸入空気量の大きさが大きく変動している状態、つまりエンジン１の回転数が大きく変動している状態である。過渡状態でも吸気脈動の影響を受けるものの、吸入空気量が急激に増大したり、或いは急激に減少したりすることから、それらの変動により吸気脈動の影響が比較的小さい状態である。

ここで、所定区間のセンサ値平均値は、所定区間におけるセンサ変換値の平均値であり、平均値算出は周期的に実行して値を更新するので、従来の一般的技術と比べ、所定区間のセンサ値平均値は、その変動が減少した値となる。このことは、所定区間のセンサ値平均値は、定常状態ではセンサ値との乖離が少ないが、過渡状態ではセンサ値との乖離が大きくなり制御の応答性が悪化することを意味する。

このような事情から、本実施形態では、定常状態と過渡状態とで制御を次のように切り替えるようにした。
エンジンＥＣＵ３０は、図８に示すように、まず、図４の一般的技術と同様に、吸気圧センサ２１の値を取り込み（Ｓ４０１）、取り込んだセンサ値を用いて、定常・過渡判定処理を新たに実施する（Ｓ４０２）。そして、定常・過渡処理の判定結果と、取り込んだセンサ値を用いてセンサ変換値の算出処理を実施する（Ｓ４０３）。その後、そのセンサ変換値を用いて、所定区間のセンサ値平均値演算を実施し（Ｓ４０４）、そのセンサ値平均値を制御に用いる（Ｓ４０５）。

以下、定常・過渡判定処理について説明する。
定常・過渡判定処理については、図９に示すように、まず、所定区間のセンサ値平均値に対して、所定値を加算し、その値を閾値Ｈとする（Ｓ６０１）。閾値Ｈは、定常・過渡判定に使用する閾値（上側）である。次に、所定区間のセンサ値平均値に対して、所定値を減算し、その値を閾値Ｌとする（Ｓ６０２）。閾値Ｌは、定常・過渡判定に使用する閾値（下側）である。次に、取り込んだセンサ値と閾値Ｈを比較し、取り込んだセンサ値の方がより大きいか、または、取り込んだセンサ値と閾値Ｌを比較し、取り込んだセンサ値の方がより小さいかを判定をする（Ｓ６０３）。判定結果が真であった場合（Ｓ６０３：ＹＥＳ）、定常・過渡判定については、過渡と判定する（Ｓ６０４）。一方、判定結果が偽であった場合（Ｓ６０３：ＮＯ）、定常・過渡判定については、定常と判定する（Ｓ６０５）。つまり、センサ値が閾値Ｈより大きい場合に過渡と判定し、センサ値が閾値Ｌより小さい場合にも過渡と判定する。また、所定区間のセンサ値平均値が閾値Ｈ以下かつ閾値Ｌ以上であり、過渡と判定されなかった場合には、定常・過渡判定は定常と判定する。

エンジンＥＣＵ３０は、上述のように定常・過渡判定処理を実施した場合は、その判定結果に応じてセンサ変換値算出処理を実施する。
即ち、エンジンＥＣＵ３０は、図１０に示すように、まず、定常・過渡判定の結果が定常であるかを判定する（Ｓ７０１）。判定結果が真であった場合（Ｓ７０１：ＹＥＳ）、取り込んだセンサ値と、所定区間のセンサ値平均値から両者の差分を算出する（Ｓ７０２）。次に、その差分に対して所定の減衰比を乗算した値と、所定区間のセンサ値平均値を加算し、その値をセンサ変換値とする（Ｓ７０３）。一方、判定結果が偽であった場合（Ｓ７０１：ＮＯ）、取り込んだセンサ値をセンサ変換値とする（Ｓ７０４）。つまり、過渡時では所定の減衰比を用いた演算は実施しない。

このような実施形態によれば、図７に示すように、吸気脈動の影響が大きい定常状態と、吸気脈動の影響が小さい過渡状態とを判定し、定常状態と判定した期間はセンサ変換値により所定区間のセンサ値平均値を算出し、過渡期間と判定した期間はセンサ値により所定区間のセンサ値平均値を算出するので、定常時にフィードバック制御を安定させることと、過渡時に状況変化に応じて制御を素早く応答させることを両立させることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態における定常・過渡判定処理について図１１を参照して説明する。
エンジンＥＣＵ３０は、図１１に示すように、まず、所定区間のセンサ値平均値に対して所定値Ａを乗算し、その値を閾値Ｈとする（Ｓ８０１）。次に、所定区間のセンサ値平均値に対して所定値Ｂを乗算し、その値を閾値Ｌとする（Ｓ８０２）。そして、取り込んだ値と閾値Ｈを比較し、取り込んだ値の方がより大きいか、または、取り込んだ値と閾値Ｌを比較し、取り込んだ値の方がより小さいかを判定をする（Ｓ８０３）。判定結果が真であった場合（Ｓ８０３：ＹＥＳ）、定常・過渡判定については、過渡と判定する（Ｓ８０４）。一方、判定結果が偽であった場合（Ｓ８０３：ＮＯ）、定常・過渡判定については、定常と判定する（Ｓ８０５）。

このような実施形態によれば、センサ値平均値に所定値を乗算することにより定常・過渡判定用の閾値を設定するようにしたので、第２実施形態と同様に、定常時にフィードバック制御を安定させることと、過渡時に状況変化に応じて制御を素早く応答させることを両立させることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態における定常・過渡判定処理について図１２を参照して説明する。
エンジンＥＣＵ３０は、図１２に示すように、まず、取り込んだセンサ値と、所定区間のセンサ値平均値から、両者の差分を算出する（Ｓ９０１）。次に、その差分についての絶対値を算出する（Ｓ９０２）。そして、差分の絶対値と所定の閾値値を比較し、差分の絶対値の方がより大きいかを判定をする（９０３）。判定結果が真であった場合（Ｓ９０３：ＹＥＳ）、定常・過渡判定については過渡と判定する（Ｓ９０４）。一方、判定結果が偽であった場合（Ｓ９０４：ＮＯ）、定常・過渡判定については定常と判定する（Ｓ９０５）。

このような実施形態によれば、吸気脈動の影響が大きい定常状態と、吸気脈動の影響が小さい過渡状態とを判定を差分の絶対値と所定の閾値との比較により行うようにしたので、第２実施形態と同様の効果を奏しながら、判定処理の簡単化を図ることができる。

また、図１２のステップＳ９０１と図１０のステップＳ７０２とを共通化することができるので、上記各実施形態と比較して省リソース、つまりプログラムコード数が少なくて済んだり、プログラムの実行時間が少なくて済んだりするので、全体の効率化を図ることができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、次のように変形または拡張できる。
所定区間は、直前の７２０°ＣＡに限定されるものではないし、７２０°ＣＡよりも短い区間や長い区間としても良い。

所定区間は、クランク角に応じた区間に限定されるものではなく、時間幅を採用するようにしても良い。
定常状態や過渡状態を判定する方法として、所定区間のセンサ値平均値が上昇度合いや下降度合いに基づいて判定するようにしても良い。

４気筒エンジン以外のエンジンに適用するようにしても良いし、直噴式タイプのエンジンに適用するようにしても良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はエンジン（内燃機関）、２１は吸気圧センサ（吸気センサ）、３０はエンジンＥＣＵ、３１は制御部、３１ａは取込部、３１ｂは平均値算出部、３１ｃはセンサ変換値算出部、３１ｄは判定部である。

Claims (6)

1. 内燃機関（１）への吸入空気量の大きさを検出する吸気センサ（２１）からのセンサ値の平均値を当該内燃機関の制御に用いる内燃機関制御装置において，
   前記センサ値を周期的に取り込む取込部（３１ａ）と、
   所定区間において前記センサ値の平均値であるセンサ値平均値を算出する平均値算出部（３１ｂ）と、
   前記センサ値と前記センサ値平均値との差分よりもセンサ変換値と前記センサ値平均値の差分の方が小さくなるようなセンサ変換値を算出するセンサ変換値算出部（３１ｃ）と、を備え、
   前記平均値算出部は、前記センサ値に代えて前記センサ変換値を用いて前記センサ値平均値を算出する内燃機関制御装置。
2. 前記センサ変換値算出部は、前記センサ値と前記センサ値平均値との差分に所定の減衰比を乗算した値を前記センサ値平均値に加算した値を前記センサ変換値とする請求項１に記載の内燃機関制御装置。
3. 前記センサ値と前記センサ値平均値との関係から脈動の影響が大きい定常状態か否かを判定する判定処理を行う判定部（３１ｄ）を備え、
   前記センサ値平均値算出部は、前記判定部が定常状態であると判定している期間は前記センサ変換値を用いて前記センサ値平均値を算出し、過渡状態であると判定している期間は前記センサ値を用いて前記センサ値平均値を算出する請求項１または２に記載の内燃機関制御装置。
4. 前記判定部は、前記センサ値平均値に対して所定値を加算及び減算して求めた閾値と、前記センサ変換値との比較により前記判定処理を行う請求項３に記載の内燃機関制御装置。
5. 前記判定部は、前記センサ値平均値に対して所定値を乗算して求めた閾値と、前記センサ変換値との比較により前記判定処理を行う請求項３に記載の内燃機関制御装置。
6. 前記判定部は、前記センサ値と前記センサ値平均値との差分の絶対値を算出し、当該絶対値と所定の閾値との比較により前記判定処理を行う請求項３に記載の内燃機関制御装置。

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