JP4600932B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、スロットルバルブをアクチュエータで駆動制御する電子スロットルシステムを備えた内燃機関の制御装置に関する発明である。

近年の電子制御化された自動車のエンジン制御においては、運転者のアクセル操作に即応した応答性の良いドライバビリティを実現するために、特許文献１（特開平１１−２２５１５号公報）に記載されているように、運転者が操作したアクセル開度等から運転者の要求するトルク（目標トルク）を算出し、この目標トルクから目標スロットル開度を算出して、実スロットル開度を目標スロットル開度に制御するようにしたものがある。更に、この特許文献１のスロットル制御技術では、電子スロットルシステムの無駄時間とスロットル駆動中の応答遅れ及び吸気管内の吸入空気の流動遅れを考慮して目標トルクを補正し、この補正後の目標トルクに基づいて目標スロットル開度を算出するようにしている。

この特許文献１の電子スロットルシステムでは、システムの無駄時間・応答遅れと吸入空気の流動遅れを考慮して目標トルクを補正して目標スロットル開度を設定するようにしているが、最近の電子スロットルシステムでは、エミッション等の観点から、スロットルバルブの駆動制御に動作制限が働くようになっている。このため、目標トルク（目標筒内充填空気量）の変化がステップ変化のように急激な変化である場合には、スロットルバルブの動作制限によって実スロットル開度（実際に筒内に充填される空気量）が制限されて目標値から遅れてしまい、スロットル制御の応答性が遅くなるという問題があった。

また、特許文献２（特開２００２−２０１９９８号公報）に記載されているように、過渡時の空燃比制御精度を向上させることを目的として、目標スロットル開度をディレイさせると共に、ディレイ前の目標スロットル開度と電子スロットルシステムの応答遅れ特性とに基づいて将来の吸気弁閉タイミングのスロットル開度を予測し、その予測スロットル開度に基づいて筒内充填空気量を予測して燃料噴射量を演算するようにしたシステムが提案されている。
特開平１１−２２５１５号公報（第２頁等） 特開２００２−２０１９９８号公報（第４頁等）

しかし、上記特許文献２の技術では、目標値と実測値との偏差を小さくするように補償すると、前記ディレイ分まで含めて補償することになり、補償ゲインが過大となって、オーバーシュートが発生し、スロットル制御の安定性が損なわれる可能性がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、スロットル制御の応答性及び安定性を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、吸気管圧力の目標値を目標値演算手段により演算すると共に、目標スロットル開度を目標スロットル開度演算手段により演算する。また、演算された目標スロットル開度により実現できる筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を推定値演算手段により推定する。この際、推定値演算手段は、スロットルバルブの駆動制御における所定の動作制限で制限された現在の目標スロットル開度に基づいて吸気系の応答遅れを考慮して筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を演算し、前記目標スロットル開度演算手段は、前記吸気管圧力の目標値と前記吸気管圧力の推定値との偏差を演算する手段と、当該偏差を前記吸気系の応答遅れ分だけ進み補償する手段と、進み補償した偏差と前記筒内充填空気量の推定値とに基づいてスロットル通過空気量を演算する手段と、演算したスロットル通過空気量に基づいてこれを実現するスロットル開度を演算する手段と、演算したスロットル開度を前記所定の動作制限で制限して新たな目標スロットル開度を求める手段とを備えている。このようにすれば、前記特許文献２のようにスロットル開度をディレイさせなくても、実際のスロットルバルブの駆動制御により実現できる筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を精度良く演算することができ、スロットル制御の応答性及び安定性を向上させることができる。しかも、スロットルバルブを通過して筒内に吸入される空気量を演算する吸気系モデルの逆モデルを用いて筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を演算できるため、吸気系モデルのパラメータ（充填効率η等）をそのまま流用して推定演算することができ、パラメータの適合工数を低減することができる利点もある。

本発明では、前記推定値演算手段は、スロットルバルブの駆動制御における所定の動作制限で制限された現在の目標スロットル開度に基づいて筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を演算するようにしている。このようにすれば、エミッション等の観点から、スロットルバルブの駆動制御に動作制限が働くことを考慮して、実際のスロットルバルブの駆動制御により実現できる筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を精度良く演算することができる。

更に、本発明では、前記推定値演算手段は、前記所定の動作制限が施された現在の目標スロットル開度に基づいて吸気系の応答遅れを考慮して筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を演算し、前記目標スロットル開度演算手段は、前記吸気管圧力の目標値と前記吸気管圧力の推定値との偏差を演算する手段と、当該偏差を前記吸気系の応答遅れ分だけ進み補償する手段と、進み補償した偏差と前記筒内充填空気量の推定値とに基づいてスロットル通過空気量を演算する手段と、演算したスロットル通過空気量に基づいてこれを実現するスロットル開度を演算する手段と、演算したスロットル開度を前記所定の動作制限で制限して新たな目標スロットル開度を求める手段とを備えた構成としている。このようにすれば、スロットルバルブの駆動制御の動作制限と吸気系の応答遅れの両方が存在する条件下で、スロットル制御の応答性及び安定性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関である筒内噴射式のエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、電子スロットルシステムのモータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６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１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８には、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０に、筒内の気流強度（スワール流強度やタンブル流強度）を制御する気流制御弁３１が設けられている。

エンジン１１の各気筒の上部には、それぞれ燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。また、エンジン１１の吸気バルブ３７と排気バルブ３８には、それぞれ開閉タイミングを可変する可変バルブタイミング装置３９，４０が設けられている。

エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２３が取り付けられている。また、クランク軸（図示せず）の外周側には、クランク軸が所定クランク角回転する毎にクランク角信号（パルス信号）を出力するクランク角センサ２４が取り付けられている。このクランク角センサ２４の出力パルス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。

一方、エンジン１１の排気管２５には、排出ガスを浄化する上流側触媒２６と下流側触媒２７が設けられ、上流側触媒２６の上流側に、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーンを検出する排出ガスセンサ２８（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられている。また、アクセルペダル３５の踏込量（アクセル開度）がアクセルセンサ３６によって検出されるようになっている。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された後述の各ルーチンを実行することで、エンジン１１の出力トルクを目標トルク（要求トルク）と一致させるように目標スロットル開度を設定して吸入空気量（筒内充填空気量）を制御する。

本実施例では、図２に示すように、アイドルスピードコントロール（ＩＳＣ）、クルーズコントロール、トラクションコントロール、自動変速機制御装置（ＡＴ−ＥＣＵ）、アンチロックブレーキシステム制御装置（ＡＢＳ−ＥＣＵ）等によって設定された各目標トルクの中から、アプリケーション選択手段４１によって最終目標トルクを選択し、この最終目標トルクに応じたアクチュエータ指令値（目標スロットル開度）を出力制御手段４２により演算してエンジン１１に出力し、エンジン１１の出力トルクを目標トルクと一致させるように吸入空気量を制御する。

図３に示すように、出力制御手段４２は、最終目標トルクを目標筒内充填空気量Ｍt に換算する目標値演算手段４３と、この目標筒内充填空気量Ｍt から目標スロットル開度を演算する目標スロットル開度演算手段４４と、エミッションや電子スロットルシステムのモータ１５の駆動性能等の観点から目標スロットル開度θt を上下限のガード処理とスロットルバルブ１６の駆動速度・加速度のガード処理で制限する動作制限手段４５と、動作制限（ガード処理）された目標スロットル開度θt により実現できる筒内充填空気量と吸気管圧力の推定値（Ｐmest，Ｍtest）を演算する推定値演算手段４６とを備えている。

図４に示すように、目標スロットル開度演算手段４４は、まず吸気管圧力Ｐm と筒内充填空気量とがほぼ直線関係にあることに着目して、目標筒内充填空気量Ｍt を実現するために必要な目標吸気管圧力Ｐmtを、目標筒内充填空気量Ｍt をパラメータとするマップ（図７参照）により算出する。ここで、吸気管圧力Ｐm と筒内充填空気量との関係は、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件によって変化するため、目標筒内充填空気量Ｍt を目標吸気管圧力Ｐmtに変換するマップは、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件もパラメータとするマップとなっている。

そして、このマップにより算出した目標吸気管圧力Ｐmtと推定値演算手段４６で演算した推定吸気管圧力Ｐmestとの偏差ｄＰm （＝Ｐmt−Ｐmest）を、スロットルバルブ１６からサージタンク１８までの吸入空気の遅れ分（サージタンク充填遅れ分）だけ進み補償ゲインによって進み補償するためのサージタンク充填遅れ補償値を次式により演算する。

ここで、κは吸気比熱比、Ｒは吸気気体定数、Ｔmpは吸気温度、Ｖはスロットルバルブ１６からサージタンク１８までの空気通路の容積である。
また、ｄＰm ／ｄｔは、目標吸気管圧力Ｐmtと推定吸気管圧力Ｐmestとの偏差ｄＰm （＝Ｐmt−Ｐmest）の時間微分値である。
更に、目標スロットル開度演算手段４４は、推定値演算手段４６で演算された推定筒内充填空気量Ｍtestと上記サージタンク充填遅れ補償値とを合算してスロットル通過空気量Ｍi を求める。

上式は、スロットルバルブ１６を通過した吸入空気の充填遅れを模擬した吸気系モデルの逆モデルを表している。
そして、このスロットル通過空気量Ｍi に基づいてこれを実現するために必要な目標スロットル開度を演算し、この目標スロットル開度を動作制限手段４５によって所定の動作制限（上下限のガード処理とスロットルバルブ１６の駆動速度・加速度のガード処理）で制限して最終的な目標スロットル開度θt を求め、この目標スロットル開度θt を電子スロットルシステムのモータ駆動回路（図示せず）に出力する。

一方、推定値演算手段４６は、動作制限手段４５で動作制限された目標スロットル開度θt により実現できるスロットル通過空気量Ｍiestを推定するスロットル通過空気量推定手段４７と、スロットルバルブ１６を通過した吸入空気の充填遅れを模擬した吸気系モデルを用いて推定スロットル通過空気量Ｍiestから推定筒内充填空気量Ｍtestと推定吸気管圧力Ｐmestを演算する空気充填遅れ演算手段４８とから構成されている。スロットル通過空気量推定手段４７は、推定スロットル通過空気量Ｍiestを次式により演算する。

ここで、μは流量適合係数、Ｐa は大気圧であり、φは、推定吸気管圧力Ｐmestと大気圧Ｐa との比（Ｐmest／Ｐa ）によって定まる流量係数である（図８参照）。Ａt は目標スロットル開度θt に対応するスロットル開口面積である。

一方、空気充填遅れ演算手段４８は、下記［数４］で表される吸気系モデルの式を用いて、推定スロットル通過空気量Ｍiestから推定吸気管圧力Ｐmestを演算する。

ここで、Ｐmestold は前回の推定吸気管圧力、Ｍtestold は前回の推定筒内充填空気量、ｄｔは演算周期である。
上式により、今回の推定吸気管圧力Ｐmestを演算した後、この推定吸気管圧力Ｐmestに応じた推定筒内充填空気量Ｍtestをマップ（図１０参照）により算出する。ここで、推定吸気管圧力Ｐmestと推定筒内充填空気量Ｍtestとの関係は、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件によって変化するため、推定吸気管圧力Ｐmestを推定筒内充填空気量Ｍtestに変換するマップは、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件もパラメータとするマップとなっている。

以上説明した本実施例のスロットル制御は、ＥＣＵ３０によって図５及び図６の各ルーチンに従って実行される。以下、これら各ルーチンの処理内容を説明する。

［目標スロットル開度演算ルーチン］
図５の目標スロットル開度演算ルーチンは、エンジン運転中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、アプリケーション選択手段４１によって選択された最終目標トルクを読み込み、次のステップ１０２で、現在のエンジン回転速度ＮＥと最終目標トルクに応じた目標筒内充填空気量Ｍt を２次元マップにより算出する。この後、ステップ１０３に進み、目標筒内充填空気量Ｍt を実現するために必要な目標吸気管圧力Ｐmtを、目標筒内充填空気量Ｍt をパラメータとするマップ（図７参照）により算出する。ここで、吸気管圧力Ｐm と筒内充填空気量との関係は、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件によって変化するため、目標筒内充填空気量Ｍt を目標吸気管圧力Ｐmtに変換するマップ（図７参照）は、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件もパラメータとするマップとなっている。

この後、ステップ１０４に進み、目標吸気管圧力Ｐmtが現在の大気圧条件下で実現可能な吸気管圧力の範囲内に収まるように目標吸気管圧力Ｐmtをガード処理する（又は大気圧補正する）。この後、ステップ１０５に進み、後述する図６の推定値（Ｐmest，Ｍtest）演算ルーチンで演算した推定吸気管圧力Ｐmestと推定筒内充填空気量Ｍtestを読み込んだ後、ステップ１０６に進み、目標吸気管圧力Ｐmtと推定吸気管圧力Ｐmestとの偏差ｄＰm （＝Ｐmt−Ｐmest）を算出する。

この後、ステップ１０７に進み、上記偏差ｄＰm を、スロットルバルブ１６からサージタンク１８までの吸入空気の遅れ分（サージタンク充填遅れ分）だけ進み補償するためのサージタンク充填遅れ補償値を前記［数１式］により算出した後、ステップ１０８に進み、推定筒内充填空気量Ｍtestと上記サージタンク充填遅れ補償値とを合算してスロットル通過空気量Ｍi を求める。

この後、ステップ１０９に進み、スロットル通過空気量Ｍi に基づいてこれを実現するために必要な目標スロットル開度θt を次のようにして演算する。まず、次式を用いて、スロットル通過空気量Ｍi を実現するために必要なスロットル開口面積Ａt を算出する。

ここで、流量係数φは、推定吸気管圧力Ｐmestと大気圧Ｐa との比（Ｐmest／Ｐa ）に応じて図８のマップ等により算出される。
そして、上式により算出したスロットル開口面積Ａt を図９に示すマップ等により目標スロットル開度θt に変換する。

この後、ステップ１１０に進み、この目標スロットル開度θt を所定の動作制限（上下限のガード処理とスロットルバルブ１６の駆動速度・加速度のガード処理）で制限して最終的な目標スロットル開度θt を求める。

［推定値（Ｐmest，Ｍtest）演算ルーチン］
図６の推定値（Ｐmest，Ｍtest）演算ルーチンは、エンジン運転中に所定周期で実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ２０１で、動作制限された現在の目標スロットル開度θt を読み込み、次のステップ２０２で、この目標スロットル開度θt により実現できるスロットル通過空気量Ｍiestを推定する。この際、図９と同様のマップを用いて、目標スロットル開度θt をスロットル開口面積Ａt に変換し、このスロットル開口面積Ａt を用いて前記［数３］式により推定スロットル通過空気量Ｍiestを算出する。

この後、ステップ２０３に進み、サージタンク充填遅れを模擬した式［数４］を用いて今回の推定スロットル通過空気量Ｍiestと前回の推定筒内充填空気量Ｍtestold との差分（Ｍiest−Ｍtestold ）から演算周期ｄｔ当たりの吸気管圧力変化量ｄＰmestを演算し、前回の推定吸気管圧力Ｐmestold に演算周期ｄｔ当たりの吸気管圧力変化量ｄＰmestを加算して今回の推定吸気管圧力Ｐmestを求める。

この後、ステップ２０３に進み、推定吸気管圧力Ｐmestに応じた推定筒内充填空気量Ｍtestをマップ（図１０参照）等により算出する。ここで、推定吸気管圧力Ｐmestと推定筒内充填空気量Ｍtestとの関係は、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件によって変化するため、推定吸気管圧力Ｐmestを推定筒内充填空気量Ｍtestに変換するマップ（図１０参照）は、エンジン回転速度や吸排気のバルブタイミング等のエンジン運転条件もパラメータとするマップとなっている。

次に、本実施例の作用効果を図１１及び図１２を用いて説明する。
図１１は、一般的な物理式を用いて目標スロットル開度を決定する場合の目標筒内充填空気量のステップ変化時の制御例を表すタイムチャートであり、図１２は、本実施例の制御方法で目標スロットル開度を決定する場合の目標筒内充填空気量のステップ変化時の制御例を表すタイムチャートである。

一般的な物理式を用いて目標スロットル開度を決定する場合、図１１に示すように、目標筒内充填空気量がステップ変化すると、物理式（吸気系モデルの逆モデル）から演算される目標スロットル開度（動作制限前の目標スロットル開度）が瞬間的に増加してからステップ変化後の定常状態の目標スロットル開度まで瞬時に減少するが、実際にはエミッションや電子スロットルシステムのモータ１５の駆動性能等の観点から目標スロットル開度が動作制限（ガード処理）されるため、目標筒内充填空気量がステップ変化しても、動作制限された目標スロットル開度は、瞬間的に増加せず、ステップ変化後の定常状態の目標スロットル開度へ向けて収束するように漸増する。このため、目標筒内充填空気量のステップ変化に対する実筒内充填空気量の応答遅れが大きくなる傾向がある。

これに対して、本実施例では、所定の動作制限が施された目標スロットル開度θt に基づいて吸気系の応答遅れを考慮して筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値（Ｍtest，Ｐmest）を演算し、吸気管圧力の目標値Ｐmtと推定値Ｐmestとの偏差ｄＰm （＝Ｐmt−Ｐmest）を演算し、当該偏差ｄＰm を前記吸気系の応答遅れ分だけ進み補償してスロットル通過空気量Ｍi を演算し、演算したスロットル通過空気量Ｍi に基づいてこれを実現するスロットル開度を演算し、演算したスロットル開度をエミッション等の観点から動作制限して最終的な目標スロットル開度θt を求めるようにしたので、図１２に示すように、目標筒内充填空気量がステップ変化したときに、動作制限前の目標スロットル開度が瞬間的に増加してからステップ変化後の定常状態の目標スロットル開度まで瞬時に減少するのではなく、適度な傾きを持ってステップ変化後の定常状態の目標スロットル開度へ漸減するようになる。このため、目標筒内充填空気量がステップ変化したときに、動作制限された目標スロットル開度は、ステップ変化後の定常状態の目標スロットル開度を超えて適度にオーバーシュートするように変化する。これにより、目標筒内充填空気量のステップ変化に対する実筒内充填空気量の応答性が速くなる。

しかも、本実施例では、前記特許文献２のようにスロットル開度をディレイさせなくても、実際のスロットルバルブ１６の駆動制御により実現できる推定筒内充填空気量Ｍtestと推定吸気管圧力Ｐmestを精度良く演算することができ、スロットル制御の応答性と安定性（オーバーシュート防止）とを両立させることができる。更に、本実施例では、吸気系モデルの逆モデルを用いて推定筒内充填空気量Ｍtestと推定吸気管圧力Ｐmestを演算できるため、吸気系モデルのパラメータ（充填効率η等）をそのまま流用して推定演算することができ、パラメータの適合工数を低減することができる利点もある。

本発明の適用範囲は、筒内噴射エンジンに限定されず、吸気ポート噴射エンジンにも本発明を適用して実施できる等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 車両制御システムの概要を示すブロック線図である。 出力制御手段の機能を説明するブロック線図である。 目標スロットル開度演算手段の機能を説明するブロック線図である。 目標スロットル開度演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 推定値（Ｐmest，Ｍtest）演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 目標筒内充填空気量Ｍt を目標吸気管圧力Ｐmtに変換するマップを概念的に示す図である。 推定吸気管圧力Ｐmestと大気圧Ｐa との比（Ｐmest／Ｐa ）から流量係数φを算出するマップを概念的に示す図である。 スロットル開口面積Ａt を目標スロットル開度θt に変換するマップを概念的に示す図である。 推定吸気管圧力Ｐmestを推定筒内充填空気量Ｍtestに変換するマップを概念的に示す図である。 一般的な物理式を用いて目標スロットル開度を決定する場合の目標筒内充填空気量のステップ変化時の制御例を表すタイムチャートである。 本発明の実施例の制御方法で目標スロットル開度を決定する場合の目標筒内充填空気量のステップ変化時の制御例を表すタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…冷却水温センサ、２４…クランク角センサ、２５…排気管、３０…ＥＣＵ、３５…アクセルペダル、３６…アクセルセンサ、４２…出力制御手段、４３…目標値演算手段、４４…目標スロットル開度演算手段、４５…動作制限手段、４６…推定値演算手段、４７…スロットル通過空気量推定手段、４８…空気充填遅れ演算手段

Claims (1)

1. 目標スロットル開度に応じてスロットルバルブをアクチュエータで駆動制御する電子スロットルシステムを備えた内燃機関の制御装置において、
   吸気管圧力の目標値を演算する目標値演算手段と、
   目標スロットル開度を演算する目標スロットル開度演算手段と、
   演算された目標スロットル開度により実現できる筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を演算する推定値演算手段とを備え、
   前記推定値演算手段は、前記スロットルバルブの駆動制御における所定の動作制限で制限された現在の目標スロットル開度に基づいて吸気系の応答遅れを考慮して筒内充填空気量及び吸気管圧力の推定値を演算し、
   前記目標スロットル開度演算手段は、前記吸気管圧力の目標値と前記吸気管圧力の推定値との偏差を演算する手段と、当該偏差を前記吸気系の応答遅れ分だけ進み補償する手段と、進み補償した偏差と前記筒内充填空気量の推定値とに基づいてスロットル通過空気量を演算する手段と、演算したスロットル通過空気量に基づいてこれを実現するスロットル開度を演算する手段と、演算したスロットル開度を前記所定の動作制限で制限して新たな目標スロットル開度を求める手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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