JP4661325B2

JP4661325B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4661325B2
Application number: JP2005129595A
Authority: JP
Inventors: 聡田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006307697A

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

スロットル弁下流の吸気通路を吸気管と称し、吸気管内の圧力を吸気管圧力と称すると、吸気管についての質量保存則及びエネルギ保存則に基づいて得られる数式を離散化して吸気管圧力を逐次算出するようにした内燃機関が公知である（特許文献１参照）。

特開２００１−４１０９５号公報特開２００２−１４７２７９号公報

このように数式を離散化して吸気管圧力を算出する場合、離散間隔を小さくすると計算負荷が増大するので、離散間隔を小さくするには一定の限界がある。ところが、離散間隔を大きくするといわゆる離散誤差が大きくなる。詳しくは後述するが、例えば機関加速運転時には、算出された吸気管圧力が実際の吸気管圧力よりも大きくなる。

そこで本発明は、計算負荷を増大させることなく吸気管圧力を正確に算出することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために１番目の発明によれば、吸気管圧力を逐次算出する圧力算出手段と、該算出された吸気管圧力に基づいて機関制御を行う制御手段とを具備し、該圧力算出手段は、スロットル弁通過空気量を含む数式を離散化して吸気管圧力を算出し、該スロットル弁通過空気量が吸気管圧力の関数である圧力関数項を用いて表されており、機関過渡運転時に、現在の吸気管圧力において該圧力関数項を表す曲線に接する接線を決定し、現在から微小時間経過後の吸気管圧力と圧力関数項との関係が該接線で表されると仮定して現在から微小時間経過後の吸気管圧力を算出する。

また、２番目の発明によれば前記課題を解決するために、現在のスロットル弁通過空気量に基づいて現在から微小時間経過後の吸気管圧力を逐次算出する圧力算出手段と、該算出された吸気管圧力に基づいて機関制御を行う制御手段とを具備し、該スロットル弁通過空気量が吸気管圧力の関数である圧力関数項を用いて表される、内燃機関の制御装置において、前記圧力算出手段は、機関加速運転時には現在のスロットル弁通過空気量を減量補正し、機関減速運転時には現在のスロットル弁通過空気量を増量補正し、補正された現在のスロットル弁通過空気量に基づいて現在から微小時間経過後の吸気管圧力を逐次算出する。

計算負荷を増大させることなく吸気管圧力を正確に算出することができる。

図１は本発明を火花点火式内燃機関に適用した場合を示している。しかしながら、本発明を圧縮着火式内燃機関に適用することもできる。

図１を参照すると、１は例えば四つの気筒を備えた機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポート、１０は点火栓をそれぞれ示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、サージタンク１２は吸気ダクト１３を介してエアクリーナ１４が取り付けられる。各吸気枝管１１内には燃料噴射弁１５が配置され、吸気ダクト１３内にはステップモータ１６により駆動されるスロットル弁１７が配置される。なお、本明細書では、スロットル弁１７下流の吸気ダクト１３、サージタンク１２、吸気枝管１１、及び吸気ポート７を吸気管ＩＭと称している。

一方、排気ポート９は排気マニホルド１８及び排気管１９を介して触媒コンバータ２０に連結され、この触媒コンバータ２０は図示しないマフラを介して大気に連通される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。スロットル弁１７にはスロットル開度θｔを検出するためのスロットル開度センサ４０が取り付けられ、吸気ダクト１３には、大気圧Ｐａ（ｋＰａ）及び大気温度Ｔａ（Ｋ）をそれぞれ検出するための大気センサ４１が取り付けられる。また、アクセルペダル４２にはアクセルペダル４２の踏み込み量ＡＣＣを検出するための負荷センサ４３が接続される。アクセルペダル４２の踏み込み量ＡＣＣは要求負荷を表している。これらセンサ４０，４１，４３の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４４が接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角センサ４４の出力パルスに基づいて機関回転数ＮＥが算出される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓１０、燃料噴射弁１５、及びステップモータ１６にそれぞれ接続され、これらは電子制御ユニット３０からの出力信号に基づいて制御される。

なお、スロットル弁１７を通過する空気流量をスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓｅｃ）と称し、吸気管ＩＭ内の圧力を吸気管圧力Ｐｍ（ｋＰａ）と称すると、図１に示される例ではスロットル弁通過空気流量ｍｔ及び吸気管圧力Ｐｍをそれぞれ検出するためのエアフローメータ及び圧力センサが設けられていない。

図１に示される内燃機関では、燃料噴射量ＱＦは例えば次式（１）に基づいて算出される。
ＱＦ＝ｋＡＦ・ＫＬ（１）

ここで、ｋＡＦは空燃比設定係数を、ＫＬは機関負荷率（％）をそれぞれ示している。

空燃比設定係数ｋＡＦは目標空燃比を表す係数であり、目標空燃比が大きくなると即ちリーンになると小さくなり、目標空燃比が小さくなると即ちリッチになると大きくなる。この空燃比設定係数ｋＡＦは機関運転状態例えば要求負荷及び機関回転数の関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

機関負荷率ＫＬは各気筒の筒内に充填された空気の量を表すものであり、例えば次式（２）により定義される。

この式（２）において、Ｍｃは吸気行程完了時において各気筒の筒内に充填されている空気の量である筒内充填空気量（ｇ）を、ＤＳＰは機関の排気量（リットル）を、ＮＣＹＬは気筒数を、ρａｓｔｄは標準状態（１気圧、２５℃）における空気の密度（約１．２ｇ／リットル）を、それぞれ示している。

更に、吸気管ＩＭから筒内に吸入される空気の流量を筒内吸入空気流量ｍｃ（ｇ／ｓｅｃ）と称すると、筒内充填空気量Ｍｃは次式（３）のように表される。
Ｍｃ＝ｍｃ・ｔｉｖ（３）

ここで、ｔｉｖは各気筒において吸気行程１回に要する時間（ｓｅｃ）を表している。

一方、筒内吸入空気流量ｍｃと吸気管圧力Ｐｍとの間に直線関係があることが理論的及び経験的に確かめられており、筒内吸入空気流量ｍｃは次式（４）のように表される。

ここで、Ｔｍは吸気管ＩＭ内のガス温度である吸気管温度（Ｋ）を、ｋａ，ｋｂは機関運転状態例えば機関回転数に応じて定まる係数をそれぞれ表している。係数ｋａ，ｋｂは予め求められてＲＯＭ３２内に記憶されている。

そこで本発明による実施例では、吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍを求め、これら吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍから筒内吸入空気流量ｍｃを求めるようにしている。更に、この筒内吸入空気流量ｍｃから筒内吸入空気流量Ｍｃを求め、筒内吸入空気流量Ｍｃから機関負荷率ＫＬを求め、機関負荷率ＫＬから燃料噴射量ＱＦを求めるようにしている。

次に、図２を参照しながら本発明による実施例の吸気管圧力Ｐｍの算出方法を説明する。

本発明による実施例では、吸気管ＩＭについての質量保存則及びエネルギ保存則に着目している。即ち、図２（Ａ）に示されるように、吸気管ＩＭ内に流入する空気の流量はスロットル弁通過空気流量ｍｔであり、吸気管ＩＭから流出して筒内ＣＹＬに流入する空気の流量は筒内吸入空気流量ｍｃであるから、吸気管ＩＭについての質量保存則及びエネルギ保存則は次式（５），（６）でそれぞれ表される。

ここで、Ｍｍは吸気管ＩＭ内に存在する空気の質量（ｇ）を、ｔは時間を、Ｖｍは吸気管ＩＭの容積（ｍ^３）を、Ｒは気体定数を、それぞれ表している。更に、Ｃｖは空気の定容比熱を、Ｃｐは空気の定圧比熱をそれぞれ表している。

状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍｍ・Ｒ・Ｔｍ）、マイヤーの関係式（Ｃｐ＝Ｃｖ＋Ｒ）、比熱比κ（＝Ｃｐ／Ｃｖ）、及び圧力温度比ＰＢＹＴ（＝Ｐｍ／Ｔｍ）を用いると、上述の式（５），（６）はそれぞれ次式（７），（８）のように書き換えられる。

このように式（７），（８）にはスロットル弁通過空気量ｍｔが含まれている。次に、スロットル弁通過空気流量ｍｔについて説明する。

図２（Ｂ）に示されるように、スロットル弁１７上流の圧力及び温度を大気圧Ｐａ及び大気温度Ｔａと考え、スロットル弁１７下流の圧力及び温度を吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍと考えると、スロットル弁通過空気流量ｍｔはスロットル弁１７を通過する空気の線速度ｖｔ（ｍ／ｓｅｃ）を用いて次式（９）のように表される。
ｍｔ＝μｔ・Ａｔ・ｖｔ・ρｍ（９）

ここで、μｔはスロットル弁１７における流量係数を、Ａｔはスロットル弁１７の開口面積（ｍ^２）を、ρｍはスロットル弁１７下流即ち吸気管ＩＭ内における空気密度（ｋｇ／ｍ^３）を、それぞれ表している。

また、スロットル弁１７の前後における空気についてのエネルギ保存則は次式（１０）で表される。
ｖｔ^２／２＋Ｃｐ・Ｔｍ＝Ｃｐ・Ｔａ（１０）

更に、スロットル弁１７の無限遠上流では吸気管断面積が無限大でありかつ空気流速がゼロであることを考えると、スロットル弁１７前後における空気についての運動量保存則は次式（１１）で表される。
ρｍ・ｖｔ^２＝Ｐａ−Ｐｍ（１１）

従って、スロットル弁１７上流における状態方程式（Ｐａ＝ρａ・Ｒ・Ｔａ、ここでρａはスロットル弁１７上流即ち大気における空気密度（ｋｇ／ｍ^３））、及びスロットル弁１７下流における状態方程式（Ｐｍ＝ρｍ・Ｒ・Ｔｍ）と、上述の式（９）（１０）（１１）とから、スロットル弁通過空気流量ｍｔは次式（１２）により表される。

ここで、ｋｔｈは次式（１３）により表されるスロットル係数、Φ（Ｐｍ）は次式（１４）により表される圧力関数項をそれぞれ表している。

スロットル弁１７の流量係数μｔ及び開口面積Ａｔはスロットル開度θｔの関数であるので、スロットル係数ｋｔｈはスロットル開度θｔ及び大気温度Ｔａの関数になる。本発明による実施例では、スロットル係数ｋｔｈはスロットル開度θｔ及び大気温度Ｔａの関数として例えば図３に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

一方、圧力関数項Φ（Ｐｍ）は吸気管圧力Ｐｍの関数として例えば図４に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

従って、筒内吸入空気流量ｍｃ及びスロットル弁通過空気流量ｍｔをそれぞれ式（４），（１２）により表して式（７），（８）を離散化して解くことにより、吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍ（＝Ｐｍ／ＰＢＹＴ）を逐次算出することができる。

ところで、式（７），（８）は例えば次式（１５），（１６）のように離散化することができる。

ここで、Ｐｍ（ｔ），ｍｃ（ｔ），Ｔｍ（ｔ）は現在時刻ｔにおける吸気管圧力Ｐｍ、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、及び吸気管温度を、Ｐｍ（ｔ＋ｄｔ）は現在時刻ｔから離散間隔ないし微小時間ｄｔだけ経過した後の吸気管圧力Ｐｍを、それぞれ表している。

この場合、式（１５），（１６）の右辺には現在時刻ｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）が含まれているので、ｍｔ（ｔ）に基づき、現在時刻から微小時間経過後（ｔ＋ｄｔ）における吸気管圧力Ｐｍ（ｔ＋ｄｔ）を算出していると見ることができる。

ところが、離散化した場合には微小時間ｄｔが経過する毎に吸気管圧力Ｐｍが算出されるということを考えると、式（１５），（１６）では、現在時刻ｔから時刻（ｔ＋ｄｔ）までスロットル弁通過空気流量ｍｔをｍｔ（ｔ）に維持した上で吸気管圧力Ｐｍ（ｔ＋ｄｔ）を算出しているということになる。しかしながら、機関過渡運転時には、実際のスロットル弁通過空気流量は変動しており、その結果大きな計算誤差が生ずることになる。

即ち、図５（Ｂ）に示される機関加速運転時の例では、実際のスロットル弁通過空気流量ｍｔＡは破線で示されるようにｍｔＡ（ｔ）からｍｔＡ（ｔ＋ｄｔ）まで変化する。しかしながら、計算上のスロットル弁通過空気流量ｍｔは実線で示されるようにｍｔ（ｔ）に維持され、吸気管圧力Ｐｍは直線ｍｔ＝ｍｔ（ｔ）に沿って変化し、従って大きな誤差ＥＲＲが生ずることになる。

なお、図５（Ｂ）はスロットル開度θｔがステップ状に増大されて保持された機関加速運転時の場合を示しており、この場合スロットル弁通過空気流量ｍｔは式（１２）からわかるように圧力関数項Φ（Ｐｍ）のみに依存し、従って圧力関数項Φ（Ｐｍ）と同様の曲線を描くことになる。

この誤差ＥＲＲを小さくするためには、機関加速運転時には現在のスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）を減量補正し、機関減速運転時には現在のスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）を増量補正し、補正された現在のスロットル弁通過空気量に基づいて現在から微小時間経過後の吸気管圧力を算出すればよい。これが本発明の基本的な考え方である。

本発明による実施例では、現在の吸気管圧力Ｐｍ（ｔ）において圧力関数項Φ（Ｐｍ）を表す曲線に接する接線を決定し、現在から微小時間経過後の吸気管圧力Ｐｍ（ｔ＋ｄｔ）と圧力関数項Φ（Ｐｍ）との関係がこの接線で表されると仮定して現在から微小時間経過後の吸気管圧力Ｐｍ（ｔ＋ｄｔ）を算出するようにしている。

即ち、図５（Ｂ）と同様の機関加速運転時を示す図５（Ａ）に示されるように、現在の吸気管圧力Ｐｍ（ｔ）においてスロットル弁通過空気流量ｍｔないし圧力関数項Φ（Ｐｍ）を表す曲線に接する接線ＴＬが決定される。その上で、スロットル弁通過空気流量ｍｔないし圧力関数項Φ（Ｐｍ）と吸気管圧力Ｐｍとがこの接線ＴＬに沿って変化すると仮定し、現在から微小時間経過後のスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ＋ｄｔ）ないし圧力関数項Φ（Ｐｍ）と吸気管圧力Ｐｍ（ｔ＋ｄｔ）とが算出される。

接線ＴＬは例えば次式（１７）のように表すことができる。
Φ（Ｐｍ）＝ｋｃ・Ｐｍ＋ｋｄ（１７）

ここで、ｋｃ，ｋｄは接線ＴＬを決定する係数であり、吸気管圧力Ｐｍの関数として例えば図６に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

即ち、本発明による実施例では次のようにして吸気管圧力Ｐｍが算出される。

Ｔａ／Ｔｍが微小時間ｄｔの間にほとんど変化しないと仮定すると、式（４），（１２），（１７）を用い，式（２０）から（２３）で表されるパラメータα_１１，β_１１，α_２１，β_２１を導入すると、式（７），（８）は次式（１８），（１９）のように表すことができる。

更に、式（２５），（２６）で表される行列α，βを導入すると、式（１８），（１９）は次式（２４）のように離散化することができ、式（２４）は式（２７）のように書き換えることができる。

本発明による実施例では式（２７）を解くことにより、吸気管圧力Ｐｍが逐次算出される。

図７には、本発明による実施例即ち式（２７）から算出された吸気管圧力Ｐｍが実線Ａでもって、好ましくない例即ち式（１５），（１６）から算出された吸気管圧力Ｐｍが一点鎖線Ｂでもって、実際の吸気管圧力Ｐｍが点線Ｃでもって、それぞれ示されている。図７からわかるように、本発明による実施例では計算誤差を極めて小さくすることができる。

図８は本発明による実施例の燃料噴射量ＱＦの算出ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。

図８を参照すると、ステップ１００では吸気管圧力Ｐｍが式（２７）から算出される。続くステップ１０１では式（４）から筒内吸入空気流量ｍｃが算出される。続くステップ１０２では式（２），（３）から機関負荷率ＫＬが算出される。続くステップ１０３では式（１）から燃料噴射量ＱＦが算出される。燃料噴射弁１５からは燃料噴射量ＱＦだけ燃料が噴射される。

内燃機関の全体図である。本発明による実施例の吸気管圧力算出方法で用いられるパラメータを説明するための図である。スロットル係数ｋｔｈを示す線図である。圧力関数項Φ（Ｐｍ）示す線図である。本発明による実施例の吸気管圧力算出方法を説明するための図である。係数ｋｃ，ｋｄを示す線図である。本発明による実施例の吸気管圧力算出結果の一例を示す図である。燃料噴射量ＱＦの算出ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
１７スロットル弁
ＩＭ吸気管

Claims

吸気管圧力を逐次算出する圧力算出手段と、該算出された吸気管圧力に基づいて機関制御を行う制御手段とを具備し、該圧力算出手段は、スロットル弁通過空気量を含む数式を離散化して吸気管圧力を算出し、該スロットル弁通過空気量が吸気管圧力の関数である圧力関数項を用いて表されており、機関過渡運転時に、現在の吸気管圧力において該圧力関数項を表す曲線に接する接線を決定し、現在から微小時間経過後の吸気管圧力と圧力関数項との関係が該接線で表されると仮定して現在から微小時間経過後の吸気管圧力を算出する、内燃機関の制御装置。
現在のスロットル弁通過空気量に基づいて現在から微小時間経過後の吸気管圧力を逐次算出する圧力算出手段と、該算出された吸気管圧力に基づいて機関制御を行う制御手段とを具備し、該スロットル弁通過空気量が吸気管圧力の関数である圧力関数項を用いて表される、内燃機関の制御装置において、前記圧力算出手段は、機関加速運転時には現在のスロットル弁通過空気量を減量補正し、機関減速運転時には現在のスロットル弁通過空気量を増量補正し、補正された現在のスロットル弁通過空気量に基づいて現在から微小時間経過後の吸気管圧力を逐次算出する、内燃機関の制御装置。