JP4120344B2

JP4120344B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4120344B2
Application number: JP2002292493A
Authority: JP
Inventors: 直秀不破
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: EP1405997A2; CN1497152A; US20050155572A1; EP1405997A3; JP2004124880A; US7004143B2; US20040065299A1; DE60310003T2; DE60310003D1; CN1307365C; US6895927B2; EP1405997B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室に吸入される空気の量（吸気量）を制御するための電子スロットル弁の作動を制御するための制御装置が、特許文献１に開示されている。当該文献の制御装置では、電子スロットル弁の開度はアクセルペダルの踏込量（アクセル踏込量）に応じて制御される。例えば、アクセル踏込量が大きくなり、したがって、要求トルクが大きくなると、電子スロットル弁の開度を大きくすることによって吸気量を多くし、これに伴って、燃料噴射弁から噴射する燃料の量（燃料噴射量）も多くする。これにより、内燃機関から要求トルクを出力させるようにしている。
【０００３】
ところで、燃料は吸気弁が閉弁してから比較的短い期間に燃料噴射弁から噴射されることから、吸気弁が閉弁するずっと以前、例えば、吸気弁が開弁し始める前に、そのときの電子スロットル弁の開度から吸気量を推定し、この吸気量に基づいて空燃比が所望の空燃比となるように燃料噴射量を決定しておかなければならない。したがって、この場合、燃料噴射量は、吸気量が確定する前に決定されることになる。
【０００４】
ところが、例えば、要求トルクが増大し続け、電子スロットルの開度が大きくされ続けているときには、この手順に従って燃料噴射量を決定すると、実際の吸気量が燃料噴射量を決定したときに推定されていた吸気量からずれてしまうので、空燃比が所望の空燃比とならない。
【０００５】
そこで、特許文献１では、アクセル踏込量が大きくなったとしても、電子スロットル弁の開度を即座には大きくせず、一定の遅延時間が経過してから大きくするようにしている。ここで、吸気弁が閉弁するときの電子スロットル弁の開度が燃料噴射量を決定したときのアクセル踏込量に対応する電子スロットル弁の開度となるように、上記遅延時間を設定している。そして、アクセル踏込量に対応する電子スロットル弁の開度に基づいて燃料噴射量を決定している。これによれば、吸気弁が閉弁したときの電子スロットル弁の開度に基づいて燃料噴射量を決定したことになり、したがって、空燃比が所望の空燃比となる。
【０００６】
このように吸気量が変化し続けているときに、空燃比を所望の空燃比とするためには、吸気量を正確に推定して燃料噴射量を決定する必要がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−８９１４０号
【特許文献２】
特開２０００−８７７６６号公報
【特許文献３】
特開２００１−１５９３２４号公報
【特許文献４】
特開２００１−１５９３２５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電子スロットル弁の他に吸気量を制御するための装置を具備する内燃機関が知られている。こうした内燃機関においても、吸気量が変化し続けているときに、空燃比を所望の空燃比とするためには、吸気量を正確に推定する必要がある。また、空燃比を所望の空燃比とするため以外にも、内燃機関の運転を正確に制御するためには、吸気量を正確に推定することは重要である。そこで、本発明の目的は、吸気量を制御するための複数の手段を具備する内燃機関において、吸気量を正確に推定することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、アクセルペダルの踏込量に対応して燃焼室に吸入される空気の量を制御するための吸気量制御手段を複数個具備する内燃機関において、アクセルペダルの踏込量の変化に対する各吸気量制御手段の応答にそれぞれ遅延時間を持たせ、各吸気量制御手段の前記遅延時間を、各吸気量制御手段が燃焼室に吸入される空気の量に影響を与えるタイミングが一致するように設定するとともに、実際の吸気弁閉弁時より前に、実際の吸気弁閉弁時から前記遅延時間だけ前の時点におけるアクセルペダル踏込量に基づいて吸気弁閉弁時における各吸気量制御手段の作動状態を予測し、該予測した前記各吸気量制御手段の作動状態に基づいて燃料噴射量を決定することを特徴とする。
２番目の発明では、１番目の発明において、上記遅延時間は吸気量制御手段に対する制御保留時間と吸気量制御手段の応答遅れ時間との和であり、各吸気量制御手段が燃焼室に吸入される空気の量に影響を与えるタイミングが一致するように、各吸気量制御手段に対する制御保留時間がそれぞれ設定されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の１つの実施形態の内燃機関を示している。図１において、１は機関本体、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はピストン、５は燃焼室、６は燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は吸気管、１０は排気弁、１１は排気ポート、１２は排気管を示している。図１に示した内燃機関は、図示していない点火栓によって燃料に点火する火花点火式の４気筒内燃機関である。内燃機関は電子制御装置（ＥＣＵ）１３を具備し、このＥＣＵ１３には、アクセルペダル１４の踏込量を検出するための踏込量センサ１５が接続されている。
【００１１】
吸気管９には、サージタンク１６が形成されている。また、吸気管９内には、その流路を絞るための電子制御式のスロットル弁１７が配置されている。スロットル弁１７の開度が大きくされると、燃焼室５に吸入される空気の量（吸気量）が多くなる。スロットル弁１７には、ステップモータ１８が接続されており、スロットル弁１７はこのステップモータ１８によって駆動される。このステップモータ１８はＥＣＵ１３に接続されており、ステップモータ１８の作動はＥＣＵ１３によって制御される。
【００１２】
また、吸気ポート８内には、燃焼室５内に流入する空気の流れを制御するための吸気制御弁１９が配置されている。図２に示したように、吸気ポート８は２つの吸気ポート枝管８ａ、８ｂに分岐しており、吸気制御弁１９は一方の吸気ポート枝管８ｂ内に配置されている。吸気制御弁１９はその開度が全開と全閉とのいずれか一方に制御可能であり、吸気制御弁１９の開度が全閉とされると、空気は一方の吸気ポート枝管８ａを介してのみ燃焼室５内に流入するので、燃焼室５内に流入した空気流はスワール流となる。もちろん、吸気制御弁１９が全開とされたときの吸気量は吸気制御弁１９が全閉とされたときの吸気量よりも多い。吸気制御弁１９にも、ステップモータ２０が接続されており、吸気制御弁１９はこのステップモータ２０によって駆動される。このステップモータ２０はＥＣＵ１３に接続されており、ステップモータ２０の作動はＥＣＵ１３によって制御される。
【００１３】
また、吸気弁７には、それをリフトするための動弁装置２１が接続されている。この動弁装置２１は吸気弁７の最大リフト量および作用角を変更可能である。すなわち、動弁装置２１は、例えば、図３に示した曲線ＩＮａ、ＩＮｂ、ＩＮｃなどの異なるリフト曲線に沿って吸気弁７をリフトさせることができる。すなわち、本発明の動弁装置２１は、吸気弁７の最大リフト量および作用角を最大とするリフト曲線ＩＮａとこれら最大リフト量および作用角を零とするリフト曲線との間で、リフト曲線を連続的に変更可能とされている。吸気弁７の最大リフト量および作用角が大きくなると、燃焼室５内に吸入される空気の量（吸気量）が多くなる。
【００１４】
なお、図３において、曲線ＥＸは排気弁１０のリフト曲線である。また、本発明では、リフト曲線が変わると、吸気弁７が開弁するタイミング、および、吸気弁７が閉弁するタイミングも変わる。また、動弁装置２１はＥＣＵ１３に接続されており、動弁装置２１の作動はＥＣＵ１３によって制御される。また、動弁装置２１は、最大リフト量および作用角のいずれか一方のみを変更可能であってもよい。したがって、以下の説明では、吸気弁７の最大リフト量、または、作用角、または、これら両方をまとめて、吸気弁７の開弁量と称す。
【００１５】
第１実施形態では、スロットル弁１７の開度、吸気制御弁１９の作動位置、および、吸気弁７の開弁量（以下、これらをまとめて、吸気量制御手段の作動状態とも称す）は、アクセルペダル１４の踏込量（以下、アクセル踏込量と称す）に対応して制御される。詳細には、アクセル踏込量が大きくなり、したがって、要求トルクが大きくなると、吸気量が多くなるように、吸気量制御手段の作動状態が制御される。
【００１６】
ところで、第１実施形態では、吸気弁７が閉弁されたときの吸気量（以下、吸気終了時の吸気量と称す）に基づいて、燃焼室５内の混合気の空燃比が目標空燃比となるように、燃料噴射弁６から噴射する燃料の量（燃料噴射量）を決定する。ここで、吸気行程が終了してから実際に燃料が噴射されるまでの時間は非常に短いことから、吸気終了時の吸気量を検出してから燃料噴射量を決定したのでは、燃料を噴射するまでに燃料噴射量を決定することができない。
【００１７】
そこで、第１実施形態では、吸気弁７が閉弁されるずっと以前に、燃料噴射量を決定する。そして、燃料噴射量を決定するときには、その時点で、吸気終了時の吸気量を推定した上で、燃料噴射量を決定する。ここで、推定された吸気量が実際の吸気量に正確に一致していれば、燃焼室５内の混合気の空燃比は目標空燃比となる。
【００１８】
ところで、上述したように、第１実施形態では、燃料噴射量を決定するときに吸気終了時の吸気量を推定する。したがって、吸気終了時の吸気量を正確に推定する必要がある。ここで、アクセル踏込量の変化に対応して即座に各吸気量制御手段の作動状態を変化させていると、燃料噴射量の決定時（以下、単に、噴射量決定時と称す）に吸気終了時の各吸気量制御手段の作動状態を正確に予測することができず、したがって、吸気終了時の吸気量を正確に推定することができない。
【００１９】
そこで、第１実施形態では、アクセル踏込量が変化したときには、一定の遅延時間が経過したときに各吸気量制御手段の作動状態を変更する。ここで、第１実施形態では、吸気終了時の各吸気量制御手段の作動状態が噴射量決定時より前のアクセル踏込量に対応した作動状態となるように、遅延時間が設定される。すなわち、ここでの遅延時間は、噴射量決定時からその直後に到来する吸気終了時までの時間よりも長く設定される。これによれば、噴射量決定時において、そのときのアクセル踏込量に基づいて、吸気終了時における吸気量を正確に推定することができる。
【００２０】
次に、第１実施形態について図４を参照して説明する。図４において、Ｇｆは燃料噴射量の算出（決定）期間、ＩＮは吸気弁７の開弁期間、ｔｇｆは噴射量決定時、ｔｉは吸気終了時、Ｄｔｈはスロットル弁１７の開度、Ｓｉは吸気制御弁１９の作動状態、Ａｉは吸気弁７の開弁量を示している。
【００２１】
図４に示した例では、時刻ｔ０において、アクセル踏込量が増大する。すると、図４で鎖線ＴＤ、ＴＳ、ＴＡで示したように、スロットル弁１７の目標開度および吸気弁７の目標開弁量が増大せしめられ、一定時間後に吸気制御弁１９の目標作動状態が全閉状態から全開状態に切り換えられる。そして、第１実施形態では、遅延時間ＤＰが経過した時刻ｔ１において、実際に、スロットル弁１７の開度を増大する指令が発せられ、吸気制御弁１９の作動状態を全閉状態から全開状態に切り換える指令が発せられ、吸気弁７の開弁量を増大する指令が発せられる。
【００２２】
これによって、吸気終了時ｔｉにおけるスロットル弁１７の開度Ｄｔｈ、吸気制御弁１９の作動状態Ｓｉ、および、吸気弁７の開弁量Ａｉは、それぞれ、噴射量決定時ｔｇｆよりも前におけるスロットル弁１７の目標開度、吸気制御弁１９の目標作動状態、および、吸気弁７の目標開弁量となっている。したがって、噴射量決定時ｔｇｆにおいて、スロットル弁１７の目標開度、吸気制御弁１９の目標作動状態、および、吸気弁７の目標開弁量に基づいて、吸気終了時ｔｉにおける吸気量を正確に推定することができる。
【００２３】
図５は、第１実施形態に従って燃料噴射弁からの燃量の噴射を実行するためのルーチンを示している。図５に示したルーチンでは、始めに、ステップ１０において、スロットル弁１７の目標開度ＴＤ、吸気制御弁１９の目標状態ＴＳ、および、吸気弁７の目標開弁量ＴＡが算出される。次いで、ステップ１１において、各吸気量制御手段の目標作動状態に基づいて、吸気終了時のスロットル弁１７の開度Ｄｔｈ、吸気終了時の吸気制御弁１９の状態ＴＳ、および、吸気終了時の吸気弁７の開弁量Ａｉが予測される。
【００２４】
次いで、ステップ１２において、吸気終了時の各吸気量制御手段の作動状態に基づいて、燃料噴射量が算出（決定）される。次いで、ステップ１３において、クランク角度ＣＡが燃料噴射タイミングＣＡｑである（ＣＡ＝ＣＡｑ）か否かが判別される。ステップ１３において、ＣＡ＝ＣＡｑではないと判別されたときには、ＣＡ＝ＣＡｑであると判別されるまで、ステップ１３が繰り返される。ステップ１３において、ＣＡ＝ＣＡｑであると判別されたときには、ルーチンはステップ１４に進んで、燃料噴射弁６からの燃量噴射が実行される。
【００２５】
図６は、第１実施形態に従って吸気量制御手段への指令を制御するためのルーチンを示している。図６に示したルーチンでは、始めに、ステップ２０において、スロットル弁１７の現在の目標開度ＴＤ（ｎ）、吸気制御弁１９の現在の目標状態ＴＳ（ｎ）、および、吸気弁７の目標開弁量ＴＡ（ｎ）が算出される。次いで、これら目標開度ＴＤ（ｎ）、目標状態ＴＳ（ｎ）、および、目標開弁量ＴＡ（ｎ）が、ステップ２１において、記憶装置（図示せず）に記憶される。
【００２６】
次いで、ステップ２２において、現在から所定時間ＤＰだけ前におけるスロットル弁１７の目標開度ＴＤ（ｎ−ＤＰ）、吸気制御弁１９の目標状態ＴＳ（ｎ）、および、吸気弁７の目標開弁量ＴＡ（ｎ）が読み込まれ、次いで、ステップ２３において、各吸気量制御手段の作動状態をステップ２２で読み込まれた目標作動状態ＴＤ（ｎ−ＤＰ）、ＴＳ（ｎ−ＤＰ）、ＴＡ（ｎ−ＤＰ）とするための指令が発せられる。
【００２７】
すなわち、このルーチンによれば、各吸気量制御手段の現在の目標作動状態が読み込まれつつ、各吸気量制御手段の作動状態が現在から所定時間ＤＰだけ前における目標作動状態とされる。言い換えれば、このルーチンによれば、各吸気量制御手段の作動状態は所定時間の遅延をもって目標作動状態に制御されることとなる。
【００２８】
次に、第２実施形態について説明する。吸気量制御手段（スロットル弁１７、吸気制御弁１９、および、動弁装置２１）は、その作動状態を変更する指令を受け取ってから実際にその作動状態を変更し始めるまでに、一定の時間がかかる。すなわち、各吸気量制御手段には、応答遅れがある。そして、この応答遅れの時間は、吸気量制御手段ごとに異なる。したがって、吸気終了時に各吸気量制御手段の作動状態を目標作動状態とするためには、こうした各吸気量制御手段の応答遅れを考慮して、各吸気量制御手段へその作動状態を変更する指令を発するまでの遅延時間を設定すべきである。
【００２９】
そこで、第２実施形態では、各吸気量制御手段の応答遅れ時間を考慮してトータルの遅延時間が全ての吸気量制御手段について一致するように、各吸気量制御手段へその作動状態を変更する指令を発するのを保留（待機）する時間（制御保留時間）を設定しておく。そして、アクセル踏込量が変化したときには、斯くして設定した制御保留時間が経過したときに、各吸気量制御手段へその作動状態を変更する指令を発する。ここでの制御保留時間は、噴射量決定時からその直後に到来する吸気終了時までの時間よりも長く設定される。これによれば、吸気終了時の各吸気量制御手段の作動状態を正確に推定することができるので、吸気終了時における吸気量を正確に推定することができる。第２実施形態について、図７を参照して説明する。
【００３０】
図７において、Ｇfは燃料噴射量の算出（決定）期間、ＩＮは吸気弁７の開弁期間、ｔｇｆは噴射量決定時、ｔｉは吸気終了時、Ｃｄはスロットル弁１７に対する指令値、Ｄｔｈはスロットル弁１７の開度、Ｃｓは吸気制御弁１９に対する指令値、Ｓｉは吸気制御弁１９の作動状態、Ｃａは動弁装置２１に対する指令値、Ａｉは吸気弁７の開弁量を示している。
【００３１】
図７に示した例では、時刻ｔ０において、アクセル踏込量が増大する。すると、図７で鎖線ＴＤ、ＴＳ、ＴＡで示したように、スロットル弁１７の目標開度および吸気弁７の目標開弁量が増大せしめられ、一定時間後に吸気制御弁１９の目標作動状態が全閉状態から全開状態に切り換えられる。そして、第２実施形態では、制御保留時間ＤＰ１が経過した時刻ｔ２において、実際に、スロットル弁１７の開度を増大する指令が発せられる。さらに、制御保留時間ＤＰ２が経過した時刻ｔ２において、実際に、吸気制御弁１９の作動状態を全閉状態から全開状態に切り換える指令が発せられる。さらに、制御保留時間ＤＰ３が経過した時刻ｔ１において、実際に、吸気弁７の開弁量を増大する指令が発せられる。
【００３２】
これによって、吸気終了時ｔｉにおけるスロットル弁１７の開度Ｄｔｈ、吸気制御弁１９の作動状態Ｓｉ、および、吸気弁７の開弁量Ａｉは、それぞれ、噴射量決定時ｔgｆよりも前におけるスロットル弁１７の目標開度、吸気制御弁１９の目標作動状態、および、吸気弁７の目標開弁量となっている。したがって、噴射量決定時ｔｇｆにおいて、スロットル弁１７の目標開度、吸気制御弁１９の目標作動状態、および、吸気弁７の目標開弁量に基づいて、吸気終了時ｔｉにおける吸気量を正確に推定することができる。
【００３３】
図８は、第２実施形態に従って吸気量制御手段への指令を制御するためのルーチンを示している。図８において、（Ａ）はスロットル弁１７への指令を制御するためのルーチン、（Ｂ）は吸気制御弁１９への指令を制御するためのルーチン、（Ｃ）は動弁装置２１への指令を制御するためのルーチンを示している。
【００３４】
図８（Ａ）に示したルーチンでは、始めに、ステップ３０において、スロットル弁１７の現在の目標開度ＴＤ（ｎ）が算出される。次いで、この目標開度ＴＤ（ｎ）が、ステップ３１において、記憶装置（図示せず）に記憶される。次いで、ステップ３２において、現在から所定時間ＤＰ１だけ前におけるスロットル弁１７の目標開度ＴＤ（ｎ−ＤＰ１）が読み込まれ、次いで、ステップ３３において、スロットル弁１７の開度をステップ３２で読み込まれた目標開度ＴＤ（ｎ−ＤＰ１）とするための指令が発せられる。すなわち、このルーチンによれば、スロットル弁１７の開度は所定時間ＤＰ１にスロットル弁１７の応答遅れ時間が加えられた時間の遅延をもって目標開度に制御されることとなる。
【００３５】
図８（Ｂ）に示したルーチンでは、始めに、ステップ４０において、吸気制御弁１９の現在の目標作動状態ＴＳ（ｎ）が算出される。次いで、この目標作動状態ＴＳ（ｎ）が、ステップ４１において、記憶装置（図示せず）に記憶される。次いで、ステップ４２において、現在から所定時間ＤＰ２だけ前における吸気制御弁１９の目標作動状態ＴＳ（ｎ−ＤＰ２）が読み込まれ、次いで、ステップ４３において、吸気制御弁１９の作動状態をステップ４２で読み込まれた目標作動状態ＴＳ（ｎ−ＤＰ２）とするための指令が発せられる。すなわち、このルーチンによれば、吸気制御弁１９の作動状態は所定時間ＤＰ２に吸気制御弁１９の応答遅れ時間が加えられた時間の遅延をもって目標作動状態に制御されることとなる。
【００３６】
図８（Ｃ）に示したルーチンでは、始めに、ステップ５０において、吸気弁７の現在の目標開弁量ＴＡ（ｎ）が算出される。次いで、この目標開弁量ＴＡ（ｎ）が、ステップ５１において、記憶装置（図示せず）に記憶される。次いで、ステップ５２において、現在から所定時間ＤＰ３だけ前における吸気弁７の目標開弁量ＴＡ（ｎ−ＤＰ３）が読み込まれ、次いで、ステップ５３において、吸気弁７の開弁量をステップ５２で読み込まれた目標開弁量ＴＡ（ｎ−ＤＰ３）とするための指令が発せられる。すなわち、このルーチンによれば、吸気弁７の開弁量は所定の時間ＤＰ３に動弁装置２１の応答遅れ時間が加えられた時間の遅延をもって目標開弁量に制御されることとなる。
【００３７】
なお、上述した実施形態では、吸気弁７の開弁量のみが考慮されているが、この代わりに、あるいは、これに加えて、吸気弁７のリフトタイミングを考慮してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、各吸気量制御手段の応答に遅延時間が持たされているので、各吸気量制御手段の作動状態が変化する前に、各吸気量制御手段の作動状態がどのように変化することを知ることができる。したがって、各吸気量制御手段の作動状態が実際にアクセルペダルの踏込量に応答して変化したときに燃焼室に吸入される空気の量を前もって推定することができる。すなわち、これによれば、燃焼室に吸入される空気の量が正確に推定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関を示した図である。
【図２】吸気ポートを示した図である。
【図３】吸気弁のリフト特性を示した図である。
【図４】第１実施形態に従った吸気量制御手段の制御を説明するためのタイムチャートを示した図である。
【図５】第１実施形態に従って燃料噴射を実行するためのルーチンを示した図である。
【図６】第１実施形態に従って各吸気量制御手段への指令を制御するためのルーチンを示した図である。
【図７】第２実施形態に従って吸気量制御手段の制御を説明するためのタイムチャートを示した図である。
【図８】第２実施形態に従って各吸気量制御手段への指令を制御するためのルーチンを示した図である。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
７…吸気弁
１０…排気弁
１５…アクセルペダル
１７…スロットル弁
１９…吸気制御弁
２１…動弁装置

Claims

アクセルペダルの踏込量に対応して燃焼室に吸入される空気の量を制御するための吸気量制御手段を複数個具備する内燃機関において、アクセルペダルの踏込量の変化に対する各吸気量制御手段の応答にそれぞれ遅延時間を持たせ、各吸気量制御手段の前記遅延時間を、各吸気量制御手段が燃焼室に吸入される空気の量に影響を与えるタイミングが一致するように設定するとともに、実際の吸気弁閉弁時より前に、実際の吸気弁閉弁時から前記遅延時間だけ前の時点におけるアクセルペダル踏込量に基づいて吸気弁閉弁時における各吸気量制御手段の作動状態を予測し、該予測した前記各吸気量制御手段の作動状態に基づいて燃料噴射量を決定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
上記遅延時間は吸気量制御手段に対する制御保留時間と吸気量制御手段の応答遅れ時間との和であり、各吸気量制御手段が燃焼室に吸入される空気の量に影響を与えるタイミングが一致するように、各吸気量制御手段に対する制御保留時間がそれぞれ設定され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。