JP4703170B2

JP4703170B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP4703170B2
Application number: JP2004331713A
Authority: JP
Inventors: 晴文武藤; 雄一郎井戸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-16
Also published as: EP1657421A3; US7051726B1; EP1657421A2; JP2006144565A; US20060102144A1; EP1657421B1

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

目標吸入空気量を算出し、スロットル弁下流の吸気通路内の圧力である吸気管圧力をスロットル開度に基づいて推定し、実際の吸入空気量を目標吸入空気量にするのに必要な目標スロットル開度を推定された吸気管圧力に基づいて算出し、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁をアクチュエータにより駆動する内燃機関の制御装置が公知である（特許文献１参照）。

特開平５−６５８４５号公報特開２００１−４１０９５号公報

例えば機関急加速運転が行われると目標スロットル開度が大幅に増大する。しかしながら、アクチュエータによるスロットル開度の変更速度ないし変更幅には限界があるので、目標スロットル開度がアクチュエータにより実現可能でない場合もありうる。この場合、実際のスロットル開度はもはや目標スロットル開度に一致しない。にもかかわらず、上述の内燃機関では実際のスロットル開度が目標スロットル開度に一致されたと考え、この目標スロットル開度に基づいて吸気管圧力が推定される。その結果、吸気管圧力を正確に推定することができず、斯くして目標スロットル開度を正確に算出することができない場合があるという問題点がある。

そこで本発明は、目標スロットル開度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本発明によれば、スロットル弁下流の吸気通路内の圧力である吸気管圧力を繰り返し推定する推定手段と、目標吸入空気量を繰り返し算出する目標吸入空気量算出手段と、実際の吸入空気量を目標吸入空気量にするのに必要な目標スロットル開度を該推定された吸気管圧力に基づいて繰り返し算出する目標スロットル開度算出手段と、スロットル弁を繰り返し駆動する駆動手段と、前記目標スロットル開度が前記駆動手段により実現可能な最大のスロットル開度よりも大きいか否か又は前記駆動手段により実現可能な最小のスロットル開度よりも小さいか否かを繰り返し判断する判断手段と、前記目標スロットル開度が前記駆動手段により実現可能な最大のスロットル開度よりも大きいと判断されたとき又は前記駆動手段により実現可能な最小のスロットル開度よりも小さいと判断されたときには、前記駆動手段により実現可能な最大又は最小のスロットル開度を最終的な目標スロットル開度に設定し、前記目標スロットル開度が前記駆動手段により実現可能な最小のスロットル開度よりも大きくかつ前記駆動手段により実現可能な最大のスロットル開度よりも小さいと判断されたときには、前記目標スロットル開度算出手段により算出された目標スロットル開度を最終的な目標スロットル開度に設定する設定手段と、を具備し、前記駆動手段は、実際のスロットル開度が該最終的な目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁を繰り返し駆動し、前記推定手段は、該最終的な目標スロットル開度に基づいて吸気管圧力を繰り返し推定する。

目標スロットル開度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に連結される。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が取り付けられる。また、スロットル弁１７上流の吸気ダクト１３には機関吸気通路内を流通する吸入空気流量を検出するためのエアフローメータ４１が取り付けられる。このエアフローメータ４１には大気温センサが内蔵されている。更に、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。

図２を参照すると、本発明による実施例では、まず吸入空気量を表す機関負荷率ＫＬ（％）の目標値、即ち目標機関負荷率ＫＬＴが算出される。次いで、実際の機関負荷率ＫＬを目標機関負荷率ＫＬＴにするのに必要な目標スロットル開度θｔＴが、目標機関負荷率ＫＬＴと、吸気管ＩＭ内の圧力である吸気管圧力Ｐｍ（ｋＰａ）とから、吸気逆モデル（後述する）を用いて算出される。次いで、スロットル弁動作制限処理（後述する）を用いて最終的な目標スロットル開度θｔＴｆが算出される。次いで、実際のスロットル開度θｔが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに一致するようにスロットル弁１７が駆動される。

一方、この最終的な目標スロットル開度θｔＴｆから吸気順モデル（後述する）を用いて、実際のスロットル開度θｔが目標スロットル開度θｔＴｆとされたときに達成される吸気管圧力Ｐｍが算出される。目標機関負荷率ＫＬＴ、目標スロットル開度θｔＴ、及び最終的な目標スロットル開度θｔＴｆは繰り返し算出されるようになっており、この算出された吸気管圧力Ｐｍから次の処理サイクルにおける目標スロットル開度θｔＴが算出される。

冒頭で述べたように、ステップモータ１６によるスロットル開度の変更速度ないし変更幅には限界があり、このため実際のスロットル開度θｔを目標スロットル開度θｔＴに一致させることができない場合がある。

そこで本発明による実施例では、次のようなスロットル弁動作制限処理を用いて最終的な目標スロットル開度θｔＴｆを算出するようにしている。即ち、本発明による実施例のスロットル弁動作制限処理では、目標スロットル開度θｔＴがステップモータ１６により実現可能であるか否かが判断され、実現可能でないと判断されたときにはステップモータ１６により実現可能な最大又は最小のスロットル開度が最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定される。具体的には、ステップモータ１６により実現可能な最大及び最小のスロットル開度をそれぞれ可能最大スロットル開度θｔＭ及び可能最小スロットル開度θｔｍと称すると、これらθｔＭ及びθｔｍはそれぞれ次式から算出される。

θｔＭ＝θｔＴｆｏ＋ＬＭＴ
θｔｍ＝θｔＴｆｏ−ＬＭＴ
ここで、θｔＴｆｏは前回の処理サイクルにおける最終的な目標スロットル開度θｔＴｆ、即ち現在のスロットル開度を、ＬＭＴはステップモータ１６により実現可能なスロットル開度の最大変更幅を、それぞれ表している。機関加速運転時に目標スロットル開度θｔＴが可能最大スロットル開度θｔＭよりも大きいときには、最終的な目標スロットル開度θｔＴｆが可能最大スロットル開度θｔＭに設定され、機関減速運転時に目標スロットル開度θｔＴが可能最小スロットル開度θｔｍよりも小さいときには、最終的な目標スロットル開度θｔＴｆが可能最小スロットル開度θｔｍに設定される。これに対し、実現可能であると判断されたときには、目標スロットル開度θｔＴが最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに設定される。

この場合、吸気管圧力Ｐｍが目標スロットル開度θｔＴではなく最終的な目標スロットル開度θｔＴｆに基づいて算出される。このようにすると、吸気管圧力Ｐｍを正確に算出することができる。

上述した機関負荷率ＫＬは例えば次式（１）により定義される。

この式（１）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。

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は吸気行程１回に要する時間ｔｉｖ（ｓｅｃ）を用いて次式（２）のように表される。

Ｍｃ＝ｍｃ・ｔｉｖ（２）
従って、各係数をひとまとめにしてｋｋで表すと、機関負荷率ＫＬは次式（３）のようにも表される。

ＫＬ＝ｋｋ・ｍｃ（３）
目標機関負荷率ＫＬＴは例えばアクセルペダル４２の踏み込み量ＡＣＣに基づいて算出される。この場合の目標機関負荷率ＫＬＴは図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、上述した吸気逆モデル及び吸気順モデルはそれぞれ、吸気流れをモデル化した計算モデルである。次に、まず吸気順モデルについて説明する。

本発明による実施例では、吸気順モデルが図４（Ａ）に示されるように、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルから構成される。

まずスロットルモデルについて説明する。このスロットルモデルはスロットル弁１７を通過する吸気流れをモデル化した計算モデルである。なお、吸気管ＩＭ内の空気の温度を吸気管温度Ｔｍ（Ｋ）と称する。

図５（Ａ）に示されるように、スロットル弁１７上流の圧力及び温度が大気圧Ｐａ及び大気温度Ｔａであり、スロットル弁１７下流の圧力及び温度が吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍであると考えると、スロットル弁１７を通過する空気の流量であるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓｅｃ）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（４）のように表される。

ｍｔ＝μｔ・Ａｔ・ｖｔ・ρｍ（４）
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。なお、流量係数μｔ及び開口面積Ａｔはそれぞれ、スロットル開度θｔの関数である。

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（５）で表される。

ｖ^２／２＋Ｃｐ・Ｔｍ＝Ｃｐ・Ｔａ（５）
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（６）で表される。

ρｍ・ｖ^２＝Ｐａ−Ｐｍ（６）
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（４），（５），（６）とから、スロットル弁通過空気流量ｍｔは次式（７）により表される。

ここで、μＡ（θｔ）は流量係数μｔ及び開口面積Ａｔをひとまとめにして表したものであって、スロットル開度θｔの関数として実験により予め求められて図６のマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

この式（７）から求められるｍｔは、吸気管圧力がＰｍのときにスロットル開度がθｔに変更されると達成されるスロットル弁通過空気流量を表している。

次に、吸気管モデルについて説明する。この吸気管モデルは吸気管ＩＭにおける吸気流れをモデル化した計算モデルである。

本発明による実施例の吸気管モデルでは、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５（Ｂ）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（８），（９）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、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）、及び比熱比κ（＝Ｃｐ／Ｃｖ）を用い、圧力温度比（＝Ｐｍ／Ｔｍ）をＰＢＹＴで表すものとすると、上述の式（８），（９）はそれぞれ次式（１０），（１１）のように書き換えられる。

これら式（１０），（１１）は実際の計算では計算時間間隔Δｔ及び計算回数を表すパラメータｉを用いて次式（１２），（１３）のように表される。また、吸気管温度Ｔｍは次式（１４）から算出される。

式（１３）から求められるＰｍ（ｉ）は、吸気管圧力がＰｍ（ｉ−１）でありかつ吸気管温度がＴｍ（ｉ−１）のときに吸気管ＩＭ内に空気がｍｔ（ｉ−１）だけ流入しかつ吸気管ＩＭから空気がｍｃ（ｉ−１）だけ流出すると達成される吸気管圧力を表している。

次に、吸気弁モデルについて説明する。この吸気弁モデルは吸気弁６を通過する吸気流れをモデル化した計算モデルである。

筒内吸入空気流量ｍｃが吸気管圧力Ｐｍ、より正確には吸気弁６の閉弁時における吸気管圧力Ｐｍの一次式で表されうるということが理論的及び経験的に確かめられており、本発明による実施例の吸気弁モデルではこのことに着目している。従って、筒内吸入空気流量ｍｃは次式（１５）のように表される。

ｍｃ＝ｋ１・Ｐｍ−ｋ２（１５）
ここで、ｋ１，ｋ２は機関運転状態、例えば機関回転数ＮＥに応じて定まる係数であり、例えば図７（Ａ），（Ｂ）に示されるマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

式（１５）から求められるｍｃは吸気管圧力がＰｍのときに達成される筒内吸入空気流量ｍｃを表している。

従って、（θｔ，Ｐｍ）を（θｔＴｆ，Ｐｍｏ）として式（７）から算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔと、式（１５）から算出された筒内吸入空気流量ｍｃと、式（１２），（１４）から算出された吸気管温度Ｔｍとを用いて式（１３）からＰｍを算出すれば、このＰｍは実際のスロットル開度θｔが目標スロットル開度θｔＴｆとされたときに達成される吸気管圧力を表しているということになる。ここで、Ｐｍｏは前回の処理サイクルにおける吸気管圧力Ｐｍを表している。

次に、吸気逆モデルについて説明する。本発明による実施例では、吸気逆モデルが図４（Ｂ）に示されるように、逆スロットルモデル、逆吸気管モデル、及び逆吸気弁モデルから構成される。これら逆スロットルモデル、逆吸気管モデル、及び逆吸気弁モデルはそれぞれ、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルを逆方向に計算するものである。

まず、逆吸気弁モデルについて説明する。筒内吸入空気流量がｍｃであるときの吸気管圧力Ｐｍは上述の式（１５）から次式（１６）のように表される。

Ｐｍ＝（ｍｃ＋ｋ２）／ｋ１（１６）
次に、逆吸気管モデルについて説明する。吸気管圧力がＰｍｏでありかつ吸気管温度がＴｍｏのときに吸気管ＩＭ内にｍｔだけ空気が流入しかつ吸気管ＩＭから空気がｍｃだけ流出して達成される吸気管圧力がＰｍであるとすると、このときのスロットル弁通過空気流量ｍｔは式（１３）から次式（１７）のように表される。

次に、逆スロットルモデルについて説明する。スロットル弁通過空気流量がｍｔであるときのスロットル開度θｔは式（７）から次式（１８）のように表される。

ここで、μＡ^−１はμＡの逆関数を表している。

従って、目標機関負荷率ＫＬＴに相当する筒内吸入空気流量ｍｃの目標値ｍｃＴを算出し、ｍｃをこの目標筒内吸入空気流量ｍｃＴとして式（１６）からＰｍを算出すれば、このＰｍは吸気管圧力の目標値ＰｍＴを表しているということになる。また、Ｐｍを目標吸気管圧力ＰｍＴとして式（１７）からｍｔを算出すれば、このｍｔはスロットル弁通過空気流量の目標値ｍｔＴを表しているということになる。更に、ｍｔを目標スロットル弁通過空気流量ｍｔＴとして式（１８）からθｔを算出すれば、このθｔは実際の機関負荷率ＫＬを目標機関負荷率ＫＬＴに一致させるのに必要な目標スロットル開度θｔＴを表しているということになる。

この場合、目標筒内吸入空気流量ｍｃＴは式（３）から次式（１９）のように表される。

ｍｃＴ＝ＫＬＴ／ｋｋ（１９）
図８は本発明による実施例の最終的な目標スロットル開度θｔＴｆ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では図３のマップから目標機関負荷率ＫＬＴが算出される。続くステップ１０１では、吸気逆モデルを用いて目標スロットル開度θｔＴが算出される。続くステップ１０２では可能最大スロットル開度θｔＭ及び可能最小スロットル開度θｔｍがそれぞれ算出される（θｔＭ＝θｔＴｆｏ＋ＬＭＴ，θｔｍ＝θｔＴｆｏ−ＬＭＴ）。続くステップ１０３では目標スロットル開度θｔＴが可能最大スロットル開度θｔＭよりも大きいか否かが判別される。θｔＴ＞θｔＭのときには次いでステップ１０４に進み、最終的な目標スロットル開度θｔＴｆが可能最大スロットル開度θｔＭに設定される。次いでステップ１０８に進む。これに対し、θｔＴ≦θｔＭのときには次いでステップ１０５に進み、目標スロットル開度θｔＴが可能最小スロットル開度θｔｍよりも小さいか否かが判別される。θｔＴ＜θｔｍのときには次いでステップ１０６に進み、最終的な目標スロットル開度θｔＴｆが可能最小スロットル開度θｔｍに設定される。次いでステップ１０８に進む。これに対し、θｔＴ≧θｔＭのとき、即ちθｔｍ≦θｔＴ≦θｔＭのときには次いでステップ１０７に進み、最終的な目標スロットル開度θｔＴｆが目標スロットル開度θｔＴに設定される。次いでステップ１０８に進む。

ステップ１０８では、吸気順モデルを用いて吸気管圧力Ｐｍが算出される。続くステップ１０９では今回の処理サイクルで算出されたθｔＴｆ，Ｐｍ，ＴｍがそれぞれθｔＴｆｏ，Ｐｍｏ，Ｔｍｏとされる。

内燃機関の全体図である。本発明による実施例を説明するための図である。ＫＬＴを示すマップである。本発明による実施例の吸気順モデル及び吸気逆モデルを説明するための図である。各計算モデルを説明するための図である。 μＡ（θｔ）を示すマップである。ｋ１，ｋ２を示すマップである。本発明による実施例の最終的な目標スロットル開度θｔＴｆ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
１６ステップモータ
１７スロットル弁
ＩＭ吸気管
ＫＬＴ目標機関負荷率
Ｐｍ吸気管圧力
θｔＴ目標スロットル開度
θｔＴｆ最終的な目標スロットル開度

Claims

スロットル弁下流の吸気通路内の圧力である吸気管圧力を繰り返し推定する推定手段と、
目標吸入空気量を繰り返し算出する目標吸入空気量算出手段と、
実際の吸入空気量を目標吸入空気量にするのに必要な目標スロットル開度を該推定された吸気管圧力に基づいて繰り返し算出する目標スロットル開度算出手段と、
スロットル弁を繰り返し駆動する駆動手段と、
前記目標スロットル開度が前記駆動手段により実現可能な最大のスロットル開度よりも大きいか否か又は前記駆動手段により実現可能な最小のスロットル開度よりも小さいか否かを繰り返し判断する判断手段と、
前記目標スロットル開度が前記駆動手段により実現可能な最大のスロットル開度よりも大きいと判断されたとき又は前記駆動手段により実現可能な最小のスロットル開度よりも小さいと判断されたときには、前記駆動手段により実現可能な最大又は最小のスロットル開度を最終的な目標スロットル開度に設定し、前記目標スロットル開度が前記駆動手段により実現可能な最小のスロットル開度よりも大きくかつ前記駆動手段により実現可能な最大のスロットル開度よりも小さいと判断されたときには、前記目標スロットル開度算出手段により算出された目標スロットル開度を最終的な目標スロットル開度に設定する設定手段と、
を具備し、
前記駆動手段は、実際のスロットル開度が該最終的な目標スロットル開度に一致するようにスロットル弁を繰り返し駆動し、
前記推定手段は、該最終的な目標スロットル開度に基づいて吸気管圧力を繰り返し推定する
内燃機関の制御装置。