JP2745799B2 - アイドリング回転数制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関のアイドリング回転数制御装置に係
わり、とくに操作量を操作してから回転数が変化するま
でのムダ時間を補償することによって、アイドリング回
転数の制御精度を向上することが可能なアイドリング回
転数制御装置に関する。

［従来の技術］ 内燃機関のアイドリング回転数を制御する装置として
は、内燃機関の回転数を検出し、目標アイドリング回転
数との偏差に周知のPID演算を施し、この演算結果によ
り吸入空気量を制御するものが良く知られている。

しかしながらこの装置にあっては、内燃機関をブラッ
クボックスとして捉えているため、アイドリング回転数
の制御精度が十分でないという課題があった。

この課題を解決するために、回転数を操作可能な操作
量を入力、回転数を出力とする伝達関数から内燃機関の
動的挙動を表すモデルを構築し、このモデルを使用して
設計された最適レギュレータによりアイドリング回転数
を制御するものが提案されている（特開昭59−4635
3）。

しかしながら、実際の内燃機関においては操作入力が
操作されてから内燃機関の回転数が変化するまでの間に
は空気および燃料の移送遅れに起因するムダ時間が存在
するが、伝達関数から構築されたモデルにはこのムダ時
間が考慮されていないため、最適レギュレータのゲイン
が大きくなると、回転数がハンチングするという課題が
あった。

この課題を解決するために、操作入力中に存在するム
ダ時間を考慮に入れたモデルを使用して設計された最適
レギュレータによりアイドリング回転数を制御するもの
も提案されている（特開昭64−8336）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このものにおいては内燃機関の動的挙
動を表すモデルに回転数に大きな影響を与える吸気管圧
力が考慮されていないため、モデル化誤差が大きく、ア
イドリング回転数を精度良く制御することが困難であっ
た。

したがって本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
って、内燃機関の回転数と少なくとも吸気管圧力を含む
内燃機関の状態量を計測し、これら計測値に基づいて、
少なくともアイドリング回転数制御弁（以下ISC弁と記
す）を含む１つ以上の操作入力を選択することによりア
イドリング回転数を精度良く一定に維持することによっ
てアイドリング回転数の変動を小さいものとする内燃機
関のアイドリング回転数制御装置を提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る内燃機関のアイドリング制御装置の基本
構成を第１図に示す。

即ち本発明に係る内燃機関のアイドリング制御装置
は、内燃機関の回転数を一定サンプリング時間間隔毎に
読み込む回転数読み込み手段Ａと、内燃機関の回転数以
外の少なくとも１つの内燃機関の状態量を回転数の読み
込みと同期して読み込み過去所定のサンプリング回数の
少なくとも１つの内燃機関の状態量の読み込み値を記憶
する内燃機関状態量記憶手段B1、B2、・・・BLと、内燃
機関の回転数を変更可能な少なくとも１つの操作量を回
転数の読み込みと同期して読み込み過去所定のサンプリ
ング回数の少なくとも１つの操作量の読み込み値を記憶
する操作量記憶手段C1、C2、・・・CMと、内燃機関状態
量記憶手段B1、B2・・・BLに記憶された過去所定サンプ
リング回数の少なくとも１つの内燃機関状態量の線形結
合値と操作量記憶手段C1、C2、・・・CMに記憶された過
去所定サンプリング回数の少なくとも１つの操作量の線
形結合値との和から少なくとも１つの内燃機関状態量に
対してムダ時間補償された内燃機関状態量を記憶するム
ダ時間補償内燃機関状態量記憶手段D1、D2・・・DLと、
回転数読み込み手段Ａにより読み込まれた回転数と内燃
機関状態量記憶手段B1、B2、・・・BLに記憶された過去
所定サンプリング回数の少なくとも１つの内燃機関状態
量の線形結合値とムダ時間補償内燃機関状態量記憶手段
D1、D2・・・DLに記憶されたムダ時間補償された少なく
とも１つの内燃機関状態量の線形結合値との和からムダ
時間補償された内燃機関の回転数を記憶するムダ時間補
償回転数記憶手段Ｅと、目標アイドリング回転数を設定
する目標アイドリング回転数設定手段Ｆと、ムダ時間補
償回転数記憶手段Ｅに記憶されたムダ時間補償された回
転数と目標アイドリング回転数設定手段Ｆで設定された
目標アイドリング回転数との偏差を演算するムダ時間補
償回転数偏差演算手段Ｇと、ムダ時間補償回転数偏差演
算手段Ｇの演算結果を積算するムダ時間補償回転数偏差
積算手段Ｈと、回転数読み込み手段Ａにより読み込まれ
た回転数とアイドリング回転数設定手段Ｆで設定された
目標アイドリング回転数との偏差を演算する回転数偏差
演算手段Ｉと、回転数偏差演算手段Ｉの演算結果を積算
する回転数偏差積算手段Ｊと、単位論理値を設定する単
位論理値設定手段Ｋと、単位論理値設定手段Ｋで設定さ
れた単位論理値と回転数偏差積算手段Ｊにおける積算結
果とムダ時間補償回転数偏差積算手段Ｈにおける積算結
果とムダ時間補償回転数記憶手段Ｅに記憶されたムダ時
間補償回転数の線形結合値とムダ時間補償内燃機関状態
量記憶手段D1、D2・・・DLに記憶された少なくとも１つ
のムダ時間補償内燃機関状態量の線形結合値との線形結
合として回転数を変更できる少なくとも１つの操作量を
演算する線形結合演算手段Ｌと、から構成される。

［作用］ このように構成された内燃機関のアイドリング制御装
置にあっては、操作入力が有するムダ時間が補償され、
この補償値を入力とする最適レギュレータにより操作入
力が決定されるためアイドリング回転数の変動は最小限
に抑制される。

［実施例］ 第２図は本発明に係る内燃機関のアイドリング回転数
制御装置の１つの実施例の構成図であって、内燃機関状
態量としては内燃機関回転数および吸気管圧力の２つを
考慮し、操作入力としてはアイドリング回転数制御弁
（以下ISC弁と記す）開度により調整される空気流量を
用いる。

（１）実施例の構成 第２図において内燃機関はシリンダブロック１、シリ
ンダヘッド２およびピストン３から構成され、燃焼室４
はこれらにかこまれて画成される。

シリンダヘッド２には吸気を燃焼室４に導くための吸
気ポート５と、燃焼ガスを排気するための排気ポート６
とが形成され、それぞれには吸気弁７および排気弁８が
設置されている。

吸気ポート５にはエアクリーナ９から吸入される空気
を導くための吸気管10が接続され、吸気管10の中間には
アクセルペダル11を踏み込むことによって駆動されるス
ロットル弁12および吸気管10内での吸気のサージングを
抑制するためのサージタンク13が設置されている。

さらに吸気圧力を測定するための吸気圧力センサ21が
スロットル弁12の上流側に設置されており、その出力は
制御回路100のA/Dコンバータ101に供給される。

またシリンダヘッド２には点火プラグ14が取り付けら
れており、ディストリビュータ15からの点火指令に基づ
き点火され、燃焼室４内の混合気を爆発させる。

ディストリビュータ15には、クランク角に換算して例
えば720゜毎にパルスを出力するクランク角センサ16お
よび30゜毎にパルスを出力するクランク角センサ17が取
り付けられている。

クランク角センサ16、17の出力は内燃機関の回転数信
号として制御回路100の入出力インターフェイス102に供
給される。

さらに吸気ポート５の近傍には燃料を制御回路100の
指令に基づいて各燃焼室４に供給するためのインジェク
タ18が設置されている。

またスロットル弁12の上流と下流の吸気管10を接続す
るバイパス通路19が設けられ、バイパス通路19の中間に
は制御回路100から出力されるパルス信号により、その
開度が制御されるISC弁20が設置される。

制御回路100は、例えばマイクロコンピュータシステ
ムで構成され、A/Dコンバータ101、入出力インターフェ
イス102、CPU103、ROM104、RAM105、バックアップメモ
リ106、クロック発生回路107等から構成される。

（２）アイドリング回転数制御装置の設計 制御性能のよいアイドリング回転数制御装置を構成す
るために、考慮するべき点は以下の点である。

即ち吸気管圧力が変化してから回転数が変化するまで
およびISC弁開度を操作してから回転数が変化するまで
に、それぞれ５から６演算周期のムダ時間が存在する。
このムダ時間を無視して制御を実行すれば、アイドリン
グ回転数はハンチングを起こし安定しない。

以上の点を満足するアイドリング回転数制御装置を実
現するために、現代制御理論を適用して制御装置を設計
する。即ち １）操作入力を適切に操作するための制御則を決定する
ために、最適レギュレータを使用する。

最適レギュレータを設計するためには、内燃機関の状
態変数表示による動特性モデルが必要となるが、このモ
デルとして内燃機関の動特性を表す物理モデルを使用す
る。

２）操作入力にはムダ時間が存在するため、最適レギュ
レータによっては過去の操作入力に対する最適制御則が
決定され、現時点の操作入力は決定されない。

この点を解決するために、状態変数推定手段によりム
ダ時間補償を行う。

以下制御装置の設計方法を段階をおって説明する。

１）ムダ時間および外乱を考慮した物理モデルの構築 内燃機関の吸気管内の変化を断熱変化とすれば、次式
が成立する。

κ・P/ρ＝C² （１） ここでκ＝比熱比 Ｐ＝吸気管圧力 Ｃ＝音速 ここで吸気管内に存在する空気の質量をｍ、吸気管の
容積をViとすれば ρ＝m/Vi （２） （２）式を（１）式に代入して Ｐ＝Ｃ′ｍ （３） ここでＣ′＝C²/（κ・Vi） （３）式の両辺を時間で微分して dP/dt＝Ｃ′・dm/dt （４） （４）式を離散化すれば Ｐ（ｋ）−Ｐ（ｋ−１） ＝Ｃ′・（ｍ（ｋ）−ｍ（ｋ−１）） （５） アイドリング運転状態にあっては、スロットル弁は全
閉であり空気はISC弁によってのみ供給されるから次式
が成立する。

ｍ（ｋ−１） ＝γ１・uc（ｋ−１−dc）・ΔTc （６） ここでγ１＝比例定数 uc＝ISC弁開度 dc＝ISC弁を操作してから空気流量が変化
するまでの離散系で表した時間 ΔTc＝吸気工程時間 内燃機関の回転数をＮとすれば、 ΔTc＝30/N （７） が成立する。

従って（６）式および（７）式から ｍ（ｋ−１） γ１・uc（ｋ−１−dc）・30/N （８） を得る。

さらに、 ｍ（ｋ）＝γ２・Ｐ（ｋ）＋γ３ （９） が成立する。

（８）式および（９）式を（５）式に代入し回転数を
ほぼ一定値と考えれば、次式を得る。

Ｐ（ｋ）＝α１・Ｐ（ｋ−１） ＋α２・uc（ｋ−１−dc）＋α３ （10） ここでα１、α２、α３＝定数 また内燃機関の回転系については、次式が成り立つ。

Ｉ・dN/dt＝Ti−To （11） ここでＩ＝回転系の慣性モーメント Ti＝内燃機関発生トルク To＝アイドリング時負荷トルク 内燃機関の発生トルクは吸気圧力Ｐ（ｋ）に比例する
と考えることができるから、 Ti＝γ４・Ｐ（ｋ−１−dp） （12） ただしγ４＝定数 dp＝吸気管圧力が変化してからトルクが変化す
るまでの離散系で表したムダ時間 またアイドリング運転状態においては、負荷トルクは
一定と考えることができるため、（12）式を（11）式に
代入して離散化すると、次式を得る。

Ｎ（ｋ） ＝β１・Ｎ（ｋ−１） ＋β２・Ｐ（ｋ−１−dp）＋β３ （13） （10）式および（13）式を状態変数表示すると、 なお、ｋはサンプルタイミングを表わすインデックス
であるが、サンプリングは所定時間毎に行ってもよい
し、所定クランク角度毎に行ってもよい。

２）制御系の設計 （14）式および（15）式において Ｎ（ｋ）＝Nr（一定値） （16） が存在するものとして、最適レギュレータを利用したサ
ーボ系を設定すれば、 ただし、f1、f2、f3は定数 従って ３）ムダ時間の補償 ここで（18）式のＰ（ｋ＋dc）、Ｎ（ｋ＋dc＋dp）は
将来の値であるため、ムダ時間を補償する必要がある。

（５）式から となる。

これを順次代入すると、 ただしAp＝α1^dc Aui＝（α1ⁱ）・α２ なお、操作入力 uc（ｋ−dc）・・・uc（ｋ−１） は、操作入力記憶部に記憶されているものとする。

同様にして（13）式から、 以上を順次代入して（20）式を用いると、 ここでBN＝β1^(dc+dp) Bp＝（β1^(dc+dp)）・β２・Ap Bui＝（β1ⁱ）・β２・Aui Bc＝Σβ1ⁱ 以上（20）式および（22）式を、（18）式に代入して
次式を得る。

uc（ｋ） ＝fp・Ｐ（ｋ）＋fN・Ｎ（ｋ） ＋Σfi・uc（ｋ−ｉ）＋fr・Nr＋fc ＋f3・｛Σ［Ｎ（ｉ）−Nr］｝ （23） （３）制御の実行 以上の説明に基づいて構成されたアイドリング回転数
の制御装置の機能図を第３図に示す。

この図はアイドリング回転数制御装置の機能構成を示
した図であり、実際の制御演算はマイクロプロセッサ10
3を中心とする制御回路100で実行される。

内燃機関１の回転数Ｎは、ディストリビュータ15に取
り付けられたクランク角度センサ16および17から出力さ
れるパルスをカウントすることにより得られる。

また吸気管圧力は吸気圧力センサ21によって測定さ
れ、A/Dコンバータ101を介してマイクロプロセッサ内に
読み込まれる。

内燃機関１の回転数Ｎを操作する操作入力である吸気
管13のバイパス通路19に設けられたISC弁20の開度uc
は、制御回路100中で演算された結果が、RAM中に設けら
れたシフトレジスタ301中に（dc＋dp＋１）サンプリン
グ分記憶される。

これらシフトレジスタ301中に記憶された値は、線型
結合演算部302で線型結合される。

目標アイドリング回転数設定部303で設定された目標
アイドリング回転数Nrと実際の回転数Ｎとが比較部304
において比較され、その偏差は積分部305で積分され
る。

基準値設定部306で設定された論理値“1"は基準値係
数部307において係数fcが乗算される。

目標アイドリング回転数設定部303で設定された目標
アイドリング回転数Nrはアイドリング回転数係数部308
において係数frが乗算され、第１の加算部309におい
て、基準値係数部307の演算結果と加算される。

積分部305の演算結果は積分係数部310で係数f3が乗算
され、第２の加算部311で第１の加算部309の演算結果と
加算される。

実際の回転数Ｎは回転数係数部312で係数fNが乗算さ
れ、第３の加算部313で第２の加算部311の演算結果と加
算される。

吸気管圧力Ｐは吸気管圧力係数部314で係数fpが乗算
され、第４の加算部315で第３の加算部313の演算結果と
加算される。

そして第５の加算部316において、線型結合演算部302
の演算結果と第４の加算部315の演算結果が加算されISC
弁の開度指令ucとなる。

このISC弁開度指令ucは入出力インターフェイス102を
介してパルスの形式で出力され、ISC弁20の開度を制御
する。

第４図は、上述した制御演算を実行するための制御演
算ルーチンを示す図であって例えば60゜クランク角毎に
実行される。

まずステップ401で内燃機関の回転数Ｎおよび吸気管
圧力Ｐが読み込まれる。

次にステップ402において回転数偏差ΔＮが実回転数
Ｎと目標アイドリング回転数Nrとの差として演算され、
ステップ403において、回転数偏差が積分される。

ステップ404において、Ｃが“0"に、ｉが“1"にリセ
ットされる。

ステップ405において操作入力uc（ｉ）に係数fiが乗
算されて順次加算される。

ステップ406でｉについてdc＋dp回演算したか否かが
判定され、否定判定された場合はステップ407において
ｉを“1"インクリメントしてステップ405に戻る。

一方ステップ406で肯定判定された場合はステップ408
に進み、（23）式に従って新たな操作入力ucを算出す
る。

そしてステップ409で演算された操作入力ucを出力し
てISC弁を制御する。

最後にステップ410でRAM中に設けられた操作入力ucの
値を記憶するシフトレジスタ301の値を１つシフトして
次回の演算に備える。

本実施例においては、内燃機関の回転数に対する操作
入力としてISC弁開度を使用したが、他の操作入力例え
ば点火時期あるいは燃料噴射量等を代わりにあるいは追
加することによりアイドリング回転数を制御することも
可能である。

さらに基準値としてランプ点灯等による回転数変動量
を設定することにより、これら外乱を補償することも可
能である。

本発明に係るプログラムはムダ時間補償が簡単な線形
結合演算により実現されるため、制御回路に組み込むプ
ログラムサイズを小さくすることができ、経済的な効果
を得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、予測値算出手段
によりムダ時間が補償された補償値を入力とする最適レ
ギュレータにより操作入力が決定されるためアイドリン
グ回転数の変動は最小限に抑制され、いわゆる耐エンジ
ンストップ性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るアイドリング回転数制御装置の基
本構成を示すブロック図、 第２図は１つの実施例の構成図、 第３図は実施例の機能図、 第４図は制御ルーチンをしめすフローチャートである。 Ａ……回転数読み込み手段、 Ｂ……内燃機関状態量記憶手段、 Ｃ……操作量記憶手段、 Ｄ……ムダ時間補償内燃機関状態量記憶手段、 Ｅ……ムダ時間補償回転数記憶手段、 Ｆ……目標アイドリング回転数設定手段、 Ｇ……ムダ時間補償回転数偏差演算手段、 Ｈ……ムダ時間補償回転数偏差積算手段、 Ｉ……回転数偏差演算手段、 Ｊ……回転数偏差積分手段、 Ｋ……単位論理値設定手段、 Ｌ……線形結合演算手段。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の回転数を一定サンプリングタイ
   ミング毎に読み込む回転数読み込み手段（Ａ）と、 内燃機関の回転数以外の少なくとも１つの内燃機関の状
   態量を回転数の読み込みと同期して読み込み、過去所定
   のサンプリング回数の少なくとも１つの内燃機関の状態
   量の読み込み値を記憶する内燃機関状態量記憶手段（B
   1、B2・・・BL）と、 該内燃機関の回転数を変更可能な少なくとも１つの操作
   量を、回転数の読み込みと同期して読み込み、過去所定
   のサンプリング回数の少なくとも１つの操作量の読み込
   み値を記憶する操作量記憶手段（C1、C2・・・CM）と、 該内燃機関状態量記憶手段（B1、B2・・・BL）に記憶さ
   れた過去所定サンプリング回数の少なくとも１つの内燃
   機関状態量の線形結合値と、該操作量記憶手段（C1、C2
   ・・・CM）に記憶された過去所定サンプリング回数の少
   なくとも１つの操作量の線形結合値との和から少なくと
   も１つの内燃機関状態量に対してムダ時間補償された内
   燃機関状態量を記憶するムダ時間補償内燃機関状態量記
   憶手段（D1、D2・・・DL）と、 前記回転数読み込み手段（Ａ）により読み込まれた回転
   数と、前記内燃機関状態量記憶手段（B1、B2・・・BL）
   に記憶された過去所定サンプリング回数の少なくとも１
   つの内燃機関状態量の線形結合値と、該ムダ時間補償内
   燃機関状態量記憶手段（D1、D2・・・DL）に記憶された
   ムダ時間補償された少なくとも１つの内燃機関状態量の
   線形結合値との和から、ムダ時間補償された内燃機関の
   回転数を記憶するムダ時間補償回転数記憶手段（Ｅ）
   と、 目標アイドリング回転数を設定する目標アイドリング回
   転数設定手段（Ｆ）と、 前記ムダ時間補償回転数記憶手段（Ｅ）に記憶されたム
   ダ時間補償された回転数と該目標アイドリング回転数設
   定手段（Ｆ）で設定された目標アイドリング回転数との
   偏差を演算するムダ時間補償回転数偏差演算手段（Ｇ）
   と、 該ムダ時間補償回転数偏差演算手段（Ｇ）の演算結果を
   積算するムダ時間補償回転数偏差積算手段（Ｈ）と、 前記回転数読み込み手段（Ａ）により読み込まれた回転
   数と、前記アイドリング回転数設定手段（Ｆ）で設定さ
   れた目標アイドリング回転数との偏差を演算する回転数
   偏差演算手段（Ｉ）と、 該回転数偏差演算手段（Ｉ）の演算結果を積算する回転
   数偏差積算手段（Ｊ）と、 単位論理値を設定する単位論理値設定手段（Ｋ）と、 該単位論理値設定手段（Ｋ）で設定された単位論理値
   と、前記回転数偏差積算手段（Ｊ）における積算結果
   と、前記ムダ時間補償回転数偏差積算手段（Ｈ）におけ
   る積算結果と、前記ムダ時間補償回転数記憶手段（Ｅ）
   に記憶されたムダ時間補償回転数の線形結合値と、前記
   ムダ時間補償内燃機関状態量記憶手段（D1、D2・・・D
   L）に記憶された少なくとも１つのムダ時間補償内燃機
   関状態量の線形結合値との線形結合として回転数を変更
   できる少なくとも１つの操作量を演算する線形結合演算
   手段（Ｌ）と、からなる内燃機関のアイドリング回転数
   制御装置。