JP4188120B2 - 内燃機関のトルク変動補正制御装置 - Google Patents
内燃機関のトルク変動補正制御装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のトルク変動を補正する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、触媒浄化率向上の目的から、内燃機関の冷間始動時の暖気過程において空燃比（Ａ／Ｆ）を間欠的にリーン／リッチの間で切り替え、触媒において燃焼を発生させて触媒を昇温させることが行なわれている。このようなリーン／リッチの切り替えにより、切替周期と同期したトルク変動が発生する。
【０００３】
また、空燃比の切替の有無に関わらず、経年劣化等の原因により各気筒のトルクにばらつきが生じると、エンジン回転数に一定周期の振動が発生する。
【０００４】
これらの変動はドライバビリティの面から好ましくないので、空燃比の値に応じて点火時期の遅角量を変化させることによって、トルク変動を相殺する技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２８６７７４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、トルク変動の大きさは運転条件や内燃機関の個体差によっても変化し、また空燃比の切替に依存しないトルク変動も存在することから、従来の手法ではトルク変動を抑制できない場合がある。
【０００７】
従って、トルク変動が過大の状態を高精度に検出する手法が必要とされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関の回転数に基づいて過大なトルク変動を検出し、そのトルク変動を抑制する制御を実行する内燃機関の制御装置を提供する。
【０００９】
本発明の一形態（請求項１）は、内燃機関の回転数を検出する検出手段と、内燃機関のトルクが過大であるときの該内燃機関の回転数の変動パターンを記憶している記憶手段と、検出手段により検出された回転数に基づいてその変動成分を算出し、変動成分と前記記憶手段から読み出された変動パターンとの相関を演算し、この相関に基づいて内燃機関のトルク変動状態を判定する制御手段と、を備える内燃機関の制御装置である。
【００１０】
この形態によると、内燃機関の回転数の変動と、所定周期でトルク変動が過大である場合の典型例として予め記憶されている変動パターンとの相関をとることにより、トルク変動の過不足をリアルタイムで検出することができる。
【００１１】
トルク変動状態の判定結果に基づいて内燃機関の点火時期を補正する補正手段をさらに備える（請求項２）ことで、検出されたトルク変動を抑制することができる。代替的に、トルク変動状態の判定結果に基づいて内燃機関の吸入空気量を補正する補正手段を備えても良い（請求項３）。
【００１２】
前記変動成分は、回転数と回転数の平均値との差分により求められる（請求項４）。回転数は正規化したものを使用することが好ましい（請求項５）。これによって、回転数の値によらず、同一の変動パターンを常に用いることが可能となり、異なる変動パターンを準備する必要がない。正規化は、具体的には回転数と回転数の平均値の差分の分散値と所定周期の積の平方根で、前記差分を除算することで行われる（請求項６）。
【００１３】
相関の演算は、回転数の変動成分と変動パターンとの内積演算により行われる。そして、内積演算により求められた相関値が予め定められた上限値より大きい場合は内燃機関のトルク変動が過大と判定し、相関値が予め定められた下限値より小さい場合は内燃機関のトルク変動が過小と判定する（請求項７）。内積演算によって回転数の変動成分と変動パターンの相関度を数値化できるので、トルク変動の大小を容易に判定することができる。
【００１４】
さらに、本発明の制御装置は、内燃機関のトルク変動が過大と判定されたときは内燃機関の点火時期を遅角し、内燃機関のトルク変動が過小と判定されたときは内燃機関の点火時期を進角させる補正手段をさらに備えることができる（請求項８）。これによって、内燃機関の個体差、運転条件、または気筒間の差等に関わらず、検出されたトルク変動を低減することができる。
【００１５】
代替的に、内燃機関のトルク変動が過大と判定されたとき内燃機関の吸入空気量を減少させ、内燃機関のトルク変動が過小と判定されたとき内燃機関の吸入空気量を増大させる補正手段を備えても良い（請求項９）。
【００１６】
トルク変動状態の判定は、空燃比がリーンとリッチの間で間欠的に切り替えられたときに実行されることが好ましい（請求項１０）。より好ましくは、トルク変動状態の判定は、内燃機関の下流側に設置された触媒の昇温制御時に実行される（請求項１１）。これによって、空燃比切替に由来するトルク変動をリアルタイムで検出してこれを吸収することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態であるトルク変動制御装置を備えた内燃機関の概略構成図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ１ａ及びピストン１ｂを備えた４気筒４サイクルタイプのエンジン（図１には、一気筒のみを示す）であり、ピストンとシリンダヘッドの間には燃焼室１ｃが形成されている。燃焼室１ｃには点火プラグ１８が取り付けられている。エンジン１の吸気管２には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）５の制御の下で燃料を噴射する。燃料噴射弁６から燃料が噴射されると、エンジン１の各気筒の燃焼室１ｃに混合気が供給され、燃焼室１ｃ内で燃焼が行われ、排気管１４に排気が排出される。
【００１９】
吸気管２の途中には吸気管内を流れる空気の流量を調節する吸気絞り弁３が取り付けられ、開度θＴＨを制御するためのアクチュエータ（図示せず）に連結されている。アクチュエータはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号によって吸気絞り弁開度θＴＨ、すなわち吸気量を変化させる。吸気管２の吸気絞り弁３より下流側には、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９が取り付けられており、それぞれ吸気管内の圧力ＰＢ及び温度ＴＡを検出して、その信号をＥＣＵ５に送る。
【００２０】
エンジン１のクランクシャフト（図示せず）にはクランク角センサが取り付けられている。クランク角センサは、クランクシャフトの回転に伴って、例えば３０°毎にＣＲ信号を出力する。エンジン回転数ＮＥは、クランク角センサの出力するＣＲ信号のパルス周期に基づいて回転数センサ１３により検出され、その信号をＥＣＵ５に送る。また、ＴＤＣセンサもクランクシャフト若しくはカムシャフト等に設けられ、各シリンダにおけるピストン上死点近傍にて、例えば９０°毎にＴＤＣ信号を出力する。ＴＤＣ信号は、各シリンダにおけるピストンの吸気行程開始時の上死点位置付近の所定タイミングで発生するパルス信号であり、クランクシャフトが１８０°回転する毎に１パルスが出力される。エンジン１の本体には水温センサ１０が取り付けられており、エンジンの冷却水温ＴＷを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。
【００２１】
排気管１４を通過した排気は、排気浄化装置１５に流入する。排気浄化装置１５にはＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）等が備えられる。排気浄化装置１５の上流側には、排気の広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１６が設けられ、その出力はＥＣＵ５に送られる。
【００２２】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ａ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ｂ、実行時に必要なプログラムおよびデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭやプログラムおよびデータを格納するＲＯＭからなるメモリ５ｃ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。上記の各センサの信号は、それぞれ入力インタフェース５ａでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵ５ｂに入力される。
【００２３】
エンジン１への燃料供給量は、ＥＣＵ５からの駆動信号により燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを制御することによって決定される。また、ＥＣＵ５からの駆動信号により点火プラグ１８が放電することによって、燃焼室内で混合気の燃焼が行われる。この点火のタイミングは、エンジン回転数ＮＥや吸入空気量ＰＢ等に基づいてマップ検索により求められる基本点火時期ＩＧＬＯＧＰに対し、後述する点火時期補正量を加算することで補正される。この補正により、エンジンの点火時期は一定の角度範囲内で遅角または進角されることになる。
【００２４】
続いて、触媒昇温制御について説明する。内燃機関の冷間始動時には排気浄化装置１５は低温である。そこで、触媒浄化率向上の目的から、暖気過程において所定周期で空燃比を間欠的にリーン／リッチの間で切り替え、リーン燃焼において酸素を供給し、リッチ燃焼において燃料を供給して、排気浄化装置内で燃焼を発生させることによって触媒を昇温させる触媒昇温制御が実行される。
【００２５】
しかし、この制御を行なうと、リーン／リッチの切替周期に同期してエンジントルクが変動し、ドライバビリティが悪化する等の問題が生ずるので、特にトルク変動が過大である場合は、トルク変動を抑制する必要がある。
【００２６】
本発明の一実施形態では、トルクを直接演算することによる代わりに、正規化したエンジン回転数変動成分と所定周期でトルクが過大の場合のエンジン回転数変動パターンとの内積演算を行うことにより、空燃比の切替によるトルク変動が過大の状態を検出する。以下、その原理を説明する。
【００２７】
一般に信号Ａ、Ｂによる内積演算は以下のように表される。
【００２８】
【数１】
但し、Ａ、Ｂはそれぞれｎ個の要素からなる時系列ベクトルである。
【００２９】
【数２】
【００３０】
｜Ａ｜＝｜Ｂ｜＝１であれば、Ａ・Ｂ＝ｃｏｓθとなり、絶対値１の信号の内積が単純に両信号ベクトル間の余弦となるので、この値を用いることで両信号の相関を数値で評価することが可能となる。
【００３１】
図２は、上記手法によるトルク変動検出の概要を説明する図である。まず、正規化フィルタにより、エンジン回転数（ＮＥ）からＮＥの移動平均値を差し引き、さらに差し引いた値の分散値と所定周期の積の平方根で割ることにより、絶対値１のＮＥ変動成分を演算する。一方、所定周期のトルクが過大である場合のエンジン回転数ＮＥの変動パターンを予め記憶しておき、この両信号の内積演算を行うことで相互相関関数ＣＯＲＡＶを算出する。
【００３２】
ＣＯＲＡＶが正の閾値ＣＯＲＨ以上のときは、所定周期のトルクが過大であると判定し、内燃機関の点火時期を遅角する。逆にＣＯＲＡＶが負の閾値ＣＯＲＬ以下のときは、内燃機関のトルクが過小と判定し、所定周期の点火時期を進角する。これによって、トルク変動を抑制することができる。
【００３３】
続いて、トルク変動の検出手順の一実施例について説明する。
【００３４】
図３は、トルク変動検出ロジックのメインルーチンである。トルク変動の検出は、エンジン回転数の正規化フィルタ処理（Ｓ３０）と、内積演算／点火時期補正処理（Ｓ３２）の２段階で実行される。これらの処理について順に説明する。
【００３５】
図４は、エンジン回転数の正規化処理のルーチンである。このルーチンでは、内積演算を行う前にエンジン回転数ＮＥの振動成分を絶対値１のベクトルに正規化する処理を行う。
【００３６】
まず、空燃比切替制御を実行しているか否かを判別する（Ｓ４０）。空燃比切替制御を実行していないときは計算を行わず終了し、実行しているときは以降の演算を行う。
【００３７】
エンジン回転数ＮＥの１サイクル間の移動平均を計算するため、エンジン回転数ＮＥを気筒数ＮＯＦＣＹＬと同数のバッファＮＥＯＲＧ[ｉ]（ｉ＝０〜ＮＯＦＣＹＬ−１）に格納する（Ｓ４２）。次に、これらの和を気筒数ＮＯＦＣＹＬで除算し、移動平均値ＮＥＯＲＧＡＶを計算する（Ｓ４４）。そして、エンジン回転数ＮＥＯＲＧから平均値ＮＥＯＲＧＡＶを減算して、気筒毎のＮＥのトレンド除去値ＮＥＤＴ[ｉ]を算出する（Ｓ４６）。これを式で表すと以下のようになる。
【００３８】
【数３】
【００３９】
内積に用いるＮＥ変動成分ベクトルの次数は、トルク変動検出を行う周期と等しい。例えば、８ＴＤＣ毎に空燃比切替を実行する場合は、ＮＥ変動成分ベクトルの次数は８となる。このベクトルを正規化するためには、ＮＥ変動成分ベクトルをその絶対値で割る必要がある。本実施例では、まずＮＥＤＴの１サイクル間の分散値ＮＥＶＡＲを次式により計算する（Ｓ４８）。
【００４０】
【数４】
【００４１】
そして、ＮＥＶＡＲに空燃比切替周期ＦＲＱＲＩＣＨを乗じてｎｅｓｑを求め（Ｓ５０）、その値の平方根ｎｅｎｏｒｍを予め準備されたマップ検索により求めて、ＮＥ変動ベクトルとする（Ｓ５２）。さらに、ＮＥＤＴをｎｅｎｏｒｍにより除算して、正規化ＮＥ変動成分ＮＥＯＴＨを求める（Ｓ５４）。これを所定周期の間繰り返すことで時系列ベクトルとなる。ＮＥＯＴＨの例を図５の（ａ）に示す。
【００４２】
また、予め定められている、トルクが過大であるときのＮＥ変動パターンＮＥＮＭＮＬについても、所定周期分のベクトルとして取得する。具体的には、図５の（ｂ）に示すような変動パターンＮＥＮＭＮＬに対し、所定周期のスタート時からの経過時間を表し所定周期毎に０にリセットされるカウンタＣＳＷＴ（図５（ｃ））を、対応する要素数で等分した時間間隔毎に増分して、そのときの値ＮＥＮＭＮＬを順に時間要素とすることで、変動パターンベクトルとする（Ｓ５６）。
【００４３】
図６は、内積演算及び点火時期補正ルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、正規化ＮＥ変動成分ベクトルＮＥＯＴＨと変動パターンベクトルＮＥＮＭＮＬの内積演算により両者の相関値ＣＯＲＡＶを算出し、点火時期補正に反映させる処理を行う。
【００４４】
まず、内積成分ＮＥＯＴＨ×ＮＥＮＭＮＬを計算し、所定周期間のバッファＮＥＩＮＰ[ｂ]（ｂ＝０〜ＦＲＥＱＲＩＣＨ−１）に格納する（Ｓ６０）。
【００４５】
【数５】
そして、ＮＥＩＮＰ[０]からＮＥＩＮＰ[ＦＲＥＱＲＩＣＨ−１]の和を求め、これを基本相関値ＣＯＲＮＥとする。
【００４６】
【数６】
【００４７】
次に、所定周期分の集計が終了したかを確認するために、カウンタＣＳＷＴが０であるかを判別する（Ｓ６４）。０でなければ所定周期が完了していないので、以降の計算を行わずに終了する。０であれば、判定に必要な分の集計が完了したので、以降の計算に進む。
【００４８】
次に、カウンタＣＳＷＴを用いて、ＣＯＲＮＥの間引き処理（実施例では、８ＴＤＣ）を行ない、ＣＯＲＤＳに格納する。そして、ＣＯＲＤＳの任意の期間ＣＯＲＴＡＰにおける移動平均値を求め、相関値ＣＯＲＡＶとする（Ｓ６６）。
【００４９】
【数７】
【００５０】
相関値ＣＯＲＡＶは、正規化ＮＥ変動信号ＮＥＯＴＨとＮＥ変動パターンＮＥＮＭＮＬとの相関を表している。相関値ＣＯＲＡＶが予め定められた上限値ＣＯＲＨ（例えば、０．５）より大きいとき（Ｓ６８）は、所定周期におけるトルク変動が大であると判定し、カウンタＣＩＧＣＯＲをインクリメントする（Ｓ７０）。相関値ＣＯＲＡＶが予め定められた下限値ＣＯＲＬ（例えば、−０．５）より小さいとき（Ｓ７２）は、所定周期でのトルク変動が小であると判定し、カウンタＣＩＧＣＯＲをデクリメントする（Ｓ７４）。当然、閾値として他の値を用いても良い。
【００５１】
そして、カウンタＣＩＧＣＯＲの値に応じて、図７に示すテーブルにより点火時期補正量ＤＩＧＣＯＲを求める（Ｓ７６）。図７のテーブルは、カウンタＣＩＧＣＯＲが増加するほど遅角量が増加し、ＣＩＧＣＯＲが減少するほど、進角量が増加するようになっている。すなわち、このカウンタＣＩＧＣＯＲによって、所定周期におけるトルク変動が過大であると判定されたときは遅角補正が、トルク変動が過小であると判定されたときは進角補正が実行されるのである。
【００５２】
図７のテーブルは、トルクの増減を相殺できる程度の遅角量となるよう、予め行なった実験等に基づいて定められる。求められた点火時期補正量ＤＩＧＣＯＲは所定周期で基本点火時期ＩＧＬＯＧＰに加算され、これに従ってエンジン１の点火プラグ１８が作動される。
【００５３】
図８は、（ａ）上記実施例を適用した場合の相関値ＣＯＲＡＶ、（ｂ）所定周期の点火時期補正量、および（ｃ）そのときのエンジン回転数ＮＥの振動の分散値の変化の様子を示す。図８（ａ）に丸印で示すようにＣＯＲＡＶが下限値ＣＯＲＬ以下となり、所定周期のトルクが過小と判別されると、（ｂ）に矢印で示すように点火時期が進角される。これによって、空燃比切替に起因するトルク変動が抑制され、（ｃ）に矢印で示すようにエンジン回転数ＮＥの振動が低減される。
【００５４】
さらに、従来の技術ではトルク変動をマップ検索のみから行なっていたのに対し、本発明では実際の回転変動を検出して算出した相関値に基づいて点火時期を実行するので、本発明により、経年変化等も考慮してトルク変動を抑制することができるようになる。
【００５５】
上記実施形態ではトルク変動の発生原因を空燃比の切替周期（特に、触媒昇温制御時）によるものとして説明したが、本発明は、変動パターンを変更することで、一般的なトルク変動を検出するためにも適用することができる。また、複数の変動パターンを持ち替えるようにしても良い。
【００５６】
別の実施形態では、点火時期を補正する代わりに、吸気絞り弁等の空気調整デバイスを調整することで、トルク変動を抑制することもできる。
【００５７】
また、本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンの制御にも適用が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、空燃比切り替え時の回転変動と予め準備された変動パターンの相関をとることによってトルク変動の大小を判定するので、エンジンのトルク変動をリアルタイムに抑制できるとともに、エンジンの経年劣化による回転変動も検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置が適用される内燃機関の概念図である。
【図２】内積演算によるトルク変動検出の概要を説明するための図である。
【図３】トルク変動検出のメインルーチンを示す図である。
【図４】エンジン回転数の正規化演算を実行するルーチンを示す図である。
【図５】（ａ）は、図４のルーチンによる処理後の正規化ＮＥ変動成分ＮＥＯＴＨの一例を示し、（ｂ）は変動パターンＮＥＮＭＮＬの一例を示し、（ｃ）はカウンタＣＳＷＴのカウント値を示す図である。
【図６】内積演算及び点火時期補正を実行するルーチンを示す図である。
【図７】点火時期補正量を決定するためのテーブルを示す図である。
【図８】（ａ）はエンジン回転数の相関値ＣＯＲＡＶを示し、（ｂ）は点火時期補正量を示し、（ｃ）はエンジン回転数の振動の分散値の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関（エンジン）
２ 吸気管
３ 吸気絞り弁
５ 電子制御装置（ＥＣＵ）
６ 燃料噴射弁
１８ 点火プラグ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のトルク変動を補正する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、触媒浄化率向上の目的から、内燃機関の冷間始動時の暖気過程において空燃比（Ａ／Ｆ）を間欠的にリーン／リッチの間で切り替え、触媒において燃焼を発生させて触媒を昇温させることが行なわれている。このようなリーン／リッチの切り替えにより、切替周期と同期したトルク変動が発生する。
【０００３】
また、空燃比の切替の有無に関わらず、経年劣化等の原因により各気筒のトルクにばらつきが生じると、エンジン回転数に一定周期の振動が発生する。
【０００４】
これらの変動はドライバビリティの面から好ましくないので、空燃比の値に応じて点火時期の遅角量を変化させることによって、トルク変動を相殺する技術が知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２８６７７４７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、トルク変動の大きさは運転条件や内燃機関の個体差によっても変化し、また空燃比の切替に依存しないトルク変動も存在することから、従来の手法ではトルク変動を抑制できない場合がある。
【０００７】
従って、トルク変動が過大の状態を高精度に検出する手法が必要とされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関の回転数に基づいて過大なトルク変動を検出し、そのトルク変動を抑制する制御を実行する内燃機関の制御装置を提供する。
【０００９】
本発明の一形態（請求項１）は、内燃機関の回転数を検出する検出手段と、内燃機関のトルクが過大であるときの該内燃機関の回転数の変動パターンを記憶している記憶手段と、検出手段により検出された回転数に基づいてその変動成分を算出し、変動成分と前記記憶手段から読み出された変動パターンとの相関を演算し、この相関に基づいて内燃機関のトルク変動状態を判定する制御手段と、を備える内燃機関の制御装置である。
【００１０】
この形態によると、内燃機関の回転数の変動と、所定周期でトルク変動が過大である場合の典型例として予め記憶されている変動パターンとの相関をとることにより、トルク変動の過不足をリアルタイムで検出することができる。
【００１１】
トルク変動状態の判定結果に基づいて内燃機関の点火時期を補正する補正手段をさらに備える（請求項２）ことで、検出されたトルク変動を抑制することができる。代替的に、トルク変動状態の判定結果に基づいて内燃機関の吸入空気量を補正する補正手段を備えても良い（請求項３）。
【００１２】
前記変動成分は、回転数と回転数の平均値との差分により求められる（請求項４）。回転数は正規化したものを使用することが好ましい（請求項５）。これによって、回転数の値によらず、同一の変動パターンを常に用いることが可能となり、異なる変動パターンを準備する必要がない。正規化は、具体的には回転数と回転数の平均値の差分の分散値と所定周期の積の平方根で、前記差分を除算することで行われる（請求項６）。
【００１３】
相関の演算は、回転数の変動成分と変動パターンとの内積演算により行われる。そして、内積演算により求められた相関値が予め定められた上限値より大きい場合は内燃機関のトルク変動が過大と判定し、相関値が予め定められた下限値より小さい場合は内燃機関のトルク変動が過小と判定する（請求項７）。内積演算によって回転数の変動成分と変動パターンの相関度を数値化できるので、トルク変動の大小を容易に判定することができる。
【００１４】
さらに、本発明の制御装置は、内燃機関のトルク変動が過大と判定されたときは内燃機関の点火時期を遅角し、内燃機関のトルク変動が過小と判定されたときは内燃機関の点火時期を進角させる補正手段をさらに備えることができる（請求項８）。これによって、内燃機関の個体差、運転条件、または気筒間の差等に関わらず、検出されたトルク変動を低減することができる。
【００１５】
代替的に、内燃機関のトルク変動が過大と判定されたとき内燃機関の吸入空気量を減少させ、内燃機関のトルク変動が過小と判定されたとき内燃機関の吸入空気量を増大させる補正手段を備えても良い（請求項９）。
【００１６】
トルク変動状態の判定は、空燃比がリーンとリッチの間で間欠的に切り替えられたときに実行されることが好ましい（請求項１０）。より好ましくは、トルク変動状態の判定は、内燃機関の下流側に設置された触媒の昇温制御時に実行される（請求項１１）。これによって、空燃比切替に由来するトルク変動をリアルタイムで検出してこれを吸収することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施形態であるトルク変動制御装置を備えた内燃機関の概略構成図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ１ａ及びピストン１ｂを備えた４気筒４サイクルタイプのエンジン（図１には、一気筒のみを示す）であり、ピストンとシリンダヘッドの間には燃焼室１ｃが形成されている。燃焼室１ｃには点火プラグ１８が取り付けられている。エンジン１の吸気管２には各気筒毎に燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は燃料供給ポンプ（図示せず）に接続されており、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）５の制御の下で燃料を噴射する。燃料噴射弁６から燃料が噴射されると、エンジン１の各気筒の燃焼室１ｃに混合気が供給され、燃焼室１ｃ内で燃焼が行われ、排気管１４に排気が排出される。
【００１９】
吸気管２の途中には吸気管内を流れる空気の流量を調節する吸気絞り弁３が取り付けられ、開度θＴＨを制御するためのアクチュエータ（図示せず）に連結されている。アクチュエータはＥＣＵ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５からの信号によって吸気絞り弁開度θＴＨ、すなわち吸気量を変化させる。吸気管２の吸気絞り弁３より下流側には、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９が取り付けられており、それぞれ吸気管内の圧力ＰＢ及び温度ＴＡを検出して、その信号をＥＣＵ５に送る。
【００２０】
エンジン１のクランクシャフト（図示せず）にはクランク角センサが取り付けられている。クランク角センサは、クランクシャフトの回転に伴って、例えば３０°毎にＣＲ信号を出力する。エンジン回転数ＮＥは、クランク角センサの出力するＣＲ信号のパルス周期に基づいて回転数センサ１３により検出され、その信号をＥＣＵ５に送る。また、ＴＤＣセンサもクランクシャフト若しくはカムシャフト等に設けられ、各シリンダにおけるピストン上死点近傍にて、例えば９０°毎にＴＤＣ信号を出力する。ＴＤＣ信号は、各シリンダにおけるピストンの吸気行程開始時の上死点位置付近の所定タイミングで発生するパルス信号であり、クランクシャフトが１８０°回転する毎に１パルスが出力される。エンジン１の本体には水温センサ１０が取り付けられており、エンジンの冷却水温ＴＷを検出してその信号をＥＣＵ５に送る。
【００２１】
排気管１４を通過した排気は、排気浄化装置１５に流入する。排気浄化装置１５にはＮＯｘ吸着触媒（ＬＮＣ）等が備えられる。排気浄化装置１５の上流側には、排気の広範囲の空燃比に渡ってそれに比例したレベルの出力を生成する空燃比センサ（以下、「ＬＡＦセンサ」という）１６が設けられ、その出力はＥＣＵ５に送られる。
【００２２】
ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号を処理する入力インターフェース５ａ、各種制御プログラムを実行するＣＰＵ５ｂ、実行時に必要なプログラムおよびデータを一時記憶して演算作業領域を提供するＲＡＭやプログラムおよびデータを格納するＲＯＭからなるメモリ５ｃ、及び各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。上記の各センサの信号は、それぞれ入力インタフェース５ａでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵ５ｂに入力される。
【００２３】
エンジン１への燃料供給量は、ＥＣＵ５からの駆動信号により燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを制御することによって決定される。また、ＥＣＵ５からの駆動信号により点火プラグ１８が放電することによって、燃焼室内で混合気の燃焼が行われる。この点火のタイミングは、エンジン回転数ＮＥや吸入空気量ＰＢ等に基づいてマップ検索により求められる基本点火時期ＩＧＬＯＧＰに対し、後述する点火時期補正量を加算することで補正される。この補正により、エンジンの点火時期は一定の角度範囲内で遅角または進角されることになる。
【００２４】
続いて、触媒昇温制御について説明する。内燃機関の冷間始動時には排気浄化装置１５は低温である。そこで、触媒浄化率向上の目的から、暖気過程において所定周期で空燃比を間欠的にリーン／リッチの間で切り替え、リーン燃焼において酸素を供給し、リッチ燃焼において燃料を供給して、排気浄化装置内で燃焼を発生させることによって触媒を昇温させる触媒昇温制御が実行される。
【００２５】
しかし、この制御を行なうと、リーン／リッチの切替周期に同期してエンジントルクが変動し、ドライバビリティが悪化する等の問題が生ずるので、特にトルク変動が過大である場合は、トルク変動を抑制する必要がある。
【００２６】
本発明の一実施形態では、トルクを直接演算することによる代わりに、正規化したエンジン回転数変動成分と所定周期でトルクが過大の場合のエンジン回転数変動パターンとの内積演算を行うことにより、空燃比の切替によるトルク変動が過大の状態を検出する。以下、その原理を説明する。
【００２７】
一般に信号Ａ、Ｂによる内積演算は以下のように表される。
【００２８】
【数１】
【００２９】
【数２】
｜Ａ｜＝｜Ｂ｜＝１であれば、Ａ・Ｂ＝ｃｏｓθとなり、絶対値１の信号の内積が単純に両信号ベクトル間の余弦となるので、この値を用いることで両信号の相関を数値で評価することが可能となる。
【００３１】
図２は、上記手法によるトルク変動検出の概要を説明する図である。まず、正規化フィルタにより、エンジン回転数（ＮＥ）からＮＥの移動平均値を差し引き、さらに差し引いた値の分散値と所定周期の積の平方根で割ることにより、絶対値１のＮＥ変動成分を演算する。一方、所定周期のトルクが過大である場合のエンジン回転数ＮＥの変動パターンを予め記憶しておき、この両信号の内積演算を行うことで相互相関関数ＣＯＲＡＶを算出する。
【００３２】
ＣＯＲＡＶが正の閾値ＣＯＲＨ以上のときは、所定周期のトルクが過大であると判定し、内燃機関の点火時期を遅角する。逆にＣＯＲＡＶが負の閾値ＣＯＲＬ以下のときは、内燃機関のトルクが過小と判定し、所定周期の点火時期を進角する。これによって、トルク変動を抑制することができる。
【００３３】
続いて、トルク変動の検出手順の一実施例について説明する。
【００３４】
図３は、トルク変動検出ロジックのメインルーチンである。トルク変動の検出は、エンジン回転数の正規化フィルタ処理（Ｓ３０）と、内積演算／点火時期補正処理（Ｓ３２）の２段階で実行される。これらの処理について順に説明する。
【００３５】
図４は、エンジン回転数の正規化処理のルーチンである。このルーチンでは、内積演算を行う前にエンジン回転数ＮＥの振動成分を絶対値１のベクトルに正規化する処理を行う。
【００３６】
まず、空燃比切替制御を実行しているか否かを判別する（Ｓ４０）。空燃比切替制御を実行していないときは計算を行わず終了し、実行しているときは以降の演算を行う。
【００３７】
エンジン回転数ＮＥの１サイクル間の移動平均を計算するため、エンジン回転数ＮＥを気筒数ＮＯＦＣＹＬと同数のバッファＮＥＯＲＧ[ｉ]（ｉ＝０〜ＮＯＦＣＹＬ−１）に格納する（Ｓ４２）。次に、これらの和を気筒数ＮＯＦＣＹＬで除算し、移動平均値ＮＥＯＲＧＡＶを計算する（Ｓ４４）。そして、エンジン回転数ＮＥＯＲＧから平均値ＮＥＯＲＧＡＶを減算して、気筒毎のＮＥのトレンド除去値ＮＥＤＴ[ｉ]を算出する（Ｓ４６）。これを式で表すと以下のようになる。
【００３８】
【数３】
内積に用いるＮＥ変動成分ベクトルの次数は、トルク変動検出を行う周期と等しい。例えば、８ＴＤＣ毎に空燃比切替を実行する場合は、ＮＥ変動成分ベクトルの次数は８となる。このベクトルを正規化するためには、ＮＥ変動成分ベクトルをその絶対値で割る必要がある。本実施例では、まずＮＥＤＴの１サイクル間の分散値ＮＥＶＡＲを次式により計算する（Ｓ４８）。
【００４０】
【数４】
そして、ＮＥＶＡＲに空燃比切替周期ＦＲＱＲＩＣＨを乗じてｎｅｓｑを求め（Ｓ５０）、その値の平方根ｎｅｎｏｒｍを予め準備されたマップ検索により求めて、ＮＥ変動ベクトルとする（Ｓ５２）。さらに、ＮＥＤＴをｎｅｎｏｒｍにより除算して、正規化ＮＥ変動成分ＮＥＯＴＨを求める（Ｓ５４）。これを所定周期の間繰り返すことで時系列ベクトルとなる。ＮＥＯＴＨの例を図５の（ａ）に示す。
【００４２】
また、予め定められている、トルクが過大であるときのＮＥ変動パターンＮＥＮＭＮＬについても、所定周期分のベクトルとして取得する。具体的には、図５の（ｂ）に示すような変動パターンＮＥＮＭＮＬに対し、所定周期のスタート時からの経過時間を表し所定周期毎に０にリセットされるカウンタＣＳＷＴ（図５（ｃ））を、対応する要素数で等分した時間間隔毎に増分して、そのときの値ＮＥＮＭＮＬを順に時間要素とすることで、変動パターンベクトルとする（Ｓ５６）。
【００４３】
図６は、内積演算及び点火時期補正ルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、正規化ＮＥ変動成分ベクトルＮＥＯＴＨと変動パターンベクトルＮＥＮＭＮＬの内積演算により両者の相関値ＣＯＲＡＶを算出し、点火時期補正に反映させる処理を行う。
【００４４】
まず、内積成分ＮＥＯＴＨ×ＮＥＮＭＮＬを計算し、所定周期間のバッファＮＥＩＮＰ[ｂ]（ｂ＝０〜ＦＲＥＱＲＩＣＨ−１）に格納する（Ｓ６０）。
【００４５】
【数５】
【００４６】
【数６】
次に、所定周期分の集計が終了したかを確認するために、カウンタＣＳＷＴが０であるかを判別する（Ｓ６４）。０でなければ所定周期が完了していないので、以降の計算を行わずに終了する。０であれば、判定に必要な分の集計が完了したので、以降の計算に進む。
【００４８】
次に、カウンタＣＳＷＴを用いて、ＣＯＲＮＥの間引き処理（実施例では、８ＴＤＣ）を行ない、ＣＯＲＤＳに格納する。そして、ＣＯＲＤＳの任意の期間ＣＯＲＴＡＰにおける移動平均値を求め、相関値ＣＯＲＡＶとする（Ｓ６６）。
【００４９】
【数７】
相関値ＣＯＲＡＶは、正規化ＮＥ変動信号ＮＥＯＴＨとＮＥ変動パターンＮＥＮＭＮＬとの相関を表している。相関値ＣＯＲＡＶが予め定められた上限値ＣＯＲＨ（例えば、０．５）より大きいとき（Ｓ６８）は、所定周期におけるトルク変動が大であると判定し、カウンタＣＩＧＣＯＲをインクリメントする（Ｓ７０）。相関値ＣＯＲＡＶが予め定められた下限値ＣＯＲＬ（例えば、−０．５）より小さいとき（Ｓ７２）は、所定周期でのトルク変動が小であると判定し、カウンタＣＩＧＣＯＲをデクリメントする（Ｓ７４）。当然、閾値として他の値を用いても良い。
【００５１】
そして、カウンタＣＩＧＣＯＲの値に応じて、図７に示すテーブルにより点火時期補正量ＤＩＧＣＯＲを求める（Ｓ７６）。図７のテーブルは、カウンタＣＩＧＣＯＲが増加するほど遅角量が増加し、ＣＩＧＣＯＲが減少するほど、進角量が増加するようになっている。すなわち、このカウンタＣＩＧＣＯＲによって、所定周期におけるトルク変動が過大であると判定されたときは遅角補正が、トルク変動が過小であると判定されたときは進角補正が実行されるのである。
【００５２】
図７のテーブルは、トルクの増減を相殺できる程度の遅角量となるよう、予め行なった実験等に基づいて定められる。求められた点火時期補正量ＤＩＧＣＯＲは所定周期で基本点火時期ＩＧＬＯＧＰに加算され、これに従ってエンジン１の点火プラグ１８が作動される。
【００５３】
図８は、（ａ）上記実施例を適用した場合の相関値ＣＯＲＡＶ、（ｂ）所定周期の点火時期補正量、および（ｃ）そのときのエンジン回転数ＮＥの振動の分散値の変化の様子を示す。図８（ａ）に丸印で示すようにＣＯＲＡＶが下限値ＣＯＲＬ以下となり、所定周期のトルクが過小と判別されると、（ｂ）に矢印で示すように点火時期が進角される。これによって、空燃比切替に起因するトルク変動が抑制され、（ｃ）に矢印で示すようにエンジン回転数ＮＥの振動が低減される。
【００５４】
さらに、従来の技術ではトルク変動をマップ検索のみから行なっていたのに対し、本発明では実際の回転変動を検出して算出した相関値に基づいて点火時期を実行するので、本発明により、経年変化等も考慮してトルク変動を抑制することができるようになる。
【００５５】
上記実施形態ではトルク変動の発生原因を空燃比の切替周期（特に、触媒昇温制御時）によるものとして説明したが、本発明は、変動パターンを変更することで、一般的なトルク変動を検出するためにも適用することができる。また、複数の変動パターンを持ち替えるようにしても良い。
【００５６】
別の実施形態では、点火時期を補正する代わりに、吸気絞り弁等の空気調整デバイスを調整することで、トルク変動を抑制することもできる。
【００５７】
また、本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンの制御にも適用が可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、空燃比切り替え時の回転変動と予め準備された変動パターンの相関をとることによってトルク変動の大小を判定するので、エンジンのトルク変動をリアルタイムに抑制できるとともに、エンジンの経年劣化による回転変動も検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置が適用される内燃機関の概念図である。
【図２】内積演算によるトルク変動検出の概要を説明するための図である。
【図３】トルク変動検出のメインルーチンを示す図である。
【図４】エンジン回転数の正規化演算を実行するルーチンを示す図である。
【図５】（ａ）は、図４のルーチンによる処理後の正規化ＮＥ変動成分ＮＥＯＴＨの一例を示し、（ｂ）は変動パターンＮＥＮＭＮＬの一例を示し、（ｃ）はカウンタＣＳＷＴのカウント値を示す図である。
【図６】内積演算及び点火時期補正を実行するルーチンを示す図である。
【図７】点火時期補正量を決定するためのテーブルを示す図である。
【図８】（ａ）はエンジン回転数の相関値ＣＯＲＡＶを示し、（ｂ）は点火時期補正量を示し、（ｃ）はエンジン回転数の振動の分散値の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関（エンジン）
２ 吸気管
３ 吸気絞り弁
５ 電子制御装置（ＥＣＵ）
６ 燃料噴射弁
１８ 点火プラグ
Claims (7)
- 内燃機関の回転数を検出する検出手段と、
前記内燃機関のトルクが過大であるときの該内燃機関の回転数の変動パターンベクトルを記憶している記憶手段と、
前記検出手段により検出された回転数に基づいて該回転数とその平均値との差分である変動成分ベクトルを算出し、
前記変動成分ベクトルと前記記憶手段から読み出された前記変動パターンベクトルとの内積演算により符号をもつ相関値を演算し、
前記相関値が予め定められた上限値より大きい場合は前記内燃機関のトルク変動が過大と判定し、前記相関値が予め定められた下限値より小さい場合は前記内燃機関のトルク変動が過小と判定する、制御手段と、
を備える内燃機関の制御装置。 - 前記トルク変動状態の判定結果に基づいて前記内燃機関の点火時期を補正する補正手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記トルク変動状態の判定結果に基づいて前記内燃機関の吸入空気量を補正する補正手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関のトルク変動が過大と判定されたとき、前記内燃機関の点火時期を遅角し、内燃機関のトルク変動が過小と判定されたとき、前記内燃機関の点火時期を進角させる補正手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関のトルク変動が過大と判定されたとき、前記内燃機関の吸入空気量を減少させ、内燃機関のトルク変動が過小と判定されたとき、前記内燃機関の吸入空気量を増大させる補正手段をさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記トルク変動状態の判定は、空燃比がリーンとリッチの間で間欠的に切り替えられたときに実行される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
- 前記トルク変動状態の判定は、前記内燃機関の下流側に設置された触媒の昇温制御時に実行される、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
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