JP4952686B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、目標空気量や目標充填効率等の目標値に基づくフィードフォワード制御によって目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置に関する。

いわゆるトルクデマンド制御では、目標空気量（或いはそれに相当する物理量、例えば、充填効率、負荷率等）を入力値とするフィードフォワード制御によって目標スロットル開度が決定される。しかし、目標スロットル開度に従ってスロットル弁を動作させたとき、実際に実現された空気量と目標空気量とは必ずしも一致しない。目標空気量と実空気量との間にずれがある場合には、所望のトルクを得ることができない。また、複数のトルク調整要素を協調制御するトルクデマンド制御の場合には、目標空気量と実空気量とのずれによるトルク差を補償するように、点火時期の調整等、他のトルク調整要素が自動的に調整されることになる。この場合には所望のトルクは得られるものの燃費悪化等の副作用が生じてしまう可能性がある。

以上のことからトルクデマンド制御における１つの課題は目標空気量の実現精度の向上にあると言えるが、その解決策となる技術の一例が特開２００２−３０９９９０号公報に開示されている。この公報に開示された技術（以下、従来技術という）は、目標空気量と実空気量との偏差に基づいて目標スロットル開度に対するフィードバック補正量を算出し、算出したフィードバック補正量によって目標スロットル開度を補正するというものである。
特開２００２−３０９９９０号公報

しかしながら、上記の従来技術には改善すべき点がある。上記の従来技術によれば、目標スロットル開度をフィードバック補正量によって直接補正するようにしているが、そのためにはフィードバック補正量はスロットル開度と同次元で表現されていなければならない。目標空気量と実空気量との偏差を単にＰＩＤ制御するだけではフィードバック補正量を得ることはできず、空気量をスロットル開度に変換するための複雑な演算が同時に必要とされる。つまり、上記の従来技術では、フィードバック系の設計が複雑になるとともに、制御装置に掛かる計算負荷が高くなってしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構造でありながら目標とする吸入空気量或いはそれに相当する所定物理量を高い精度で実現できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、第１の発明は、吸気通路に設けられた電子制御式のスロットル弁とその上流に配置された空気流量センサとを有する内燃機関の制御装置において、
吸入空気量或いはそれに相当する所定物理量の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記スロットル弁の動作に対する所定物理量の応答を表した吸気系の物理モデルの逆モデルを具備し、前記目標値を前記逆モデルに入力することで前記逆モデルから出力されるスロットル開度を前記スロットル弁の目標開度として算出する目標開度算出手段と、
前記目標開度に従って前記スロットル弁を駆動する駆動手段と、
前記物理モデルの順モデルを具備し、前記空気流量センサの出力信号を前記順モデルの内部変数を補正する補正データとして前記順モデルに引用しつつ、実際のスロットル開度を前記順モデルに入力することで前記順モデルから出力される前記所定物理量の値を前記スロットル弁の動作による実現値として算出する実現値算出手段と、
前記順モデルの内部変数の補正に用いられた補正データを前記目標値と同じ物理量に変換し、変換した補正データによって前記逆モデルに入力される目標値を補正する目標値補正手段と、
を備えることを特徴としている。

また、上記の目的を達成するため、第２の発明は、吸気通路に設けられた電子制御式のスロットル弁とその上流に配置された空気流量センサとを有する内燃機関の制御装置において、
吸入空気量或いはそれに相当する所定物理量の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記スロットル弁の動作に対する所定物理量の応答を表した吸気系の物理モデルの逆モデルを具備し、前記目標値を前記逆モデルに入力することで前記逆モデルから出力されるスロットル開度を前記スロットル弁の目標開度として算出する目標開度算出手段と、
前記目標開度に従って前記スロットル弁を駆動する駆動手段と、
前記物理モデルの順モデルを具備し、前記空気流量センサの出力信号を前記順モデルの内部変数を補正する補正データとして前記順モデルに引用しつつ、実際のスロットル開度を前記順モデルに入力することで前記順モデルから出力される前記所定物理量の値を前記スロットル弁の動作による実現値として算出する実現値算出手段と、
前記目標値と前記実現値との偏差に基づいて前記目標値に対するフィードバック補正量を算出し、算出したフィードバック補正量によって前記逆モデルに入力される目標値を補正する目標値補正手段と、
を備えることを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記目標値補正手段においてフィードバック補正量の算出に用いられる目標値を遅延処理する遅延処理手段をさらに備えることを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記目標値補正手段においてフィードバック補正量の算出に用いられる目標値を動的化する動的化手段をさらに備えることを特徴としている。

第１の発明によれば、吸気系物理モデルの順モデルで用いられた内部変数の補正データが目標値と同じ物理量に変換され、逆モデルに入力される目標値は変換された補正データによって補正される。変換された補正データには現在のスロットル開度で得られるはずの所定物理量の見込み値と実現値とのずれが反映されている。したがって、前記の補正データによって逆モデルに入力される目標値を補正することで、見込み値と実現値とのずれを補償するようにスロットル開度を修正することができる。見込み値と目標値とは概ね一致していることから、本発明によれば、目標値と実現値とを概ね一致させることができる。また、本発明はフィードバック系を必要としないので、極めて簡易な構造にすることができる。

第２の発明によれば、吸入空気量或いはそれに相当する所定物理量の目標値と実現値との偏差に基づいて目標値に対するフィードバック補正量が算出され、算出されたフィードバック補正量によって逆モデルに入力される目標値が補正される。これによれば、目標値と実現値とのずれを補償するようにスロットル開度を修正することができるので、高い精度で目標値に実現値に一致させることができる。また、目標値と実現値との偏差が反映されるのは逆モデルに入力される目標値であるので、フィードバック系を簡素に構成することができる。

第３の発明によれば、フィードバック補正量の算出に用いられる目標値を遅延処理することで、目標値から目標スロットル開度が算出され、目標スロットル開度に従ってスロットル弁が動作し、実際のスロットル開度から実現値が算出されるまでの間の時間的なずれを補償することができる。これによれば、フィードバック補正量の算出に用いる目標値と実現値との位相を合わせることができ、より高い精度で目標値に実現値を一致させることが可能になる。

第４の発明によれば、フィードバック補正量の算出に用いられる目標値を動的化することで、目標値に対する実現値のずれをより正しく評価することができるようになる。これによれば、フィードバック補正量をより正確に算出することができ、より高い精度で目標値に実現値に一致させることが可能になる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図１及び図２を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態１としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。図１では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達（主なもの）を矢印で示している。以下、図１を参照して本実施の形態の制御装置の構成と、その特徴について説明する。

本実施の形態の制御装置は、電子制御式のスロットル弁８を操作して吸入空気量を制御する。本実施の形態にかかるスロットル弁８の制御は吸入空気量の目標値に基づいたフィードフォワード制御である。吸入空気量の目標値の設定は目標ＫＬ設定部２において行なわれる。目標ＫＬ設定部２は、内燃機関に対する要求トルクや要求効率に基づいて吸入空気量の目標値を設定する。なお、本実施の形態では目標値として吸入空気量を設定することとしているが、それを無次元化した充填効率や負荷率といった吸入空気に相当する物理量の目標値を設定するのでもよい。ここでは、吸入空気量をＫＬと表記し、その目標値を目標ＫＬと表記する。

目標ＫＬ設定部２で設定された目標ＫＬは、目標開度算出部４に入力される。目標開度算出部４にはエア逆モデルが具備されている。スロットル弁の動作に対する空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化した吸気系の物理モデルをエアモデルといい、エア逆モデルはその逆モデルである。エア逆モデルは、単一のユニットからなるモデルでもよいし、複数のユニットからなるモデルでもよい。例えば、後者の場合であれば、吸気バルブの逆モデル、吸気管の逆モデル及びスロットル弁の逆モデルを連結することによってエア逆モデル４を構成することができる。目標ＫＬをエア逆モデルに入力することで、エア逆モデルからは目標ＫＬを実現するためのスロットル弁８の目標開度が算出される。

目標開度算出部４で算出された目標開度はディレイ制御部６に入力される。ディレイ制御部６は、目標開度算出部４から入力された目標開度を所定のディレイ時間だけ遅らせ、遅延させた目標開度をスロットル弁８に出力する。目標開度を算出してからスロットル弁８に出力するまでにディレイ時間（例えば３２ｍｓｅｃ）を設けることで、そのディレイ時間分だけ将来のスロットル開度を目標開度から予測することが可能になる。予測した将来のスロットル開度は、燃料噴射量等、内燃機関の空燃比制御に係る制御パラメータ値に反映させることができる。

スロットル弁８はディレイ制御部６から入力される目標開度に従って動作する。スロットル弁８が動作することで内燃機関の実際のＫＬにも変化が生じる。本実施の形態の制御装置は、実際のＫＬを算出するための要素としてＫＬ算出部１０を備えている。ＫＬ算出部１０にはエアモデルが具備されている。スロットル開度センサ等によりスロットル弁８の実際の開度を計測し、それをエアモデルに入力することによって、エアモデルからはそのスロットル開度で実現できるＫＬが出力される。

ＫＬ算出部１０で算出されるＫＬには次の２種類がある。１つは現在のスロットル開度にて得られることが見込まれるＫＬ（以下、見込ＫＬと表記する）である。見込ＫＬは、エア逆モデルによるフィードフォワード制御とディレイ制御とによって得られるはずのＫＬであり、目標ＫＬをディレイ時間及びスロットル弁８の動作無駄時間だけ遅延させたものに相当する。もう１つは現在のスロットル開度にて実際に得られたＫＬ（以下、実ＫＬと表記する）である。

ＫＬ算出部１０に具備されたエアモデルは３つの変換要素からなる。第１の変換要素１０２はスロットル弁の物理モデルと吸気管の物理モデルとからなる要素である。これらの物理モデルによれば、スロットル弁８の動作によって生じる吸気管圧の変化を推定計算することができる。ＫＬ算出部１０に入力されたスロットル弁８の実開度は、まず、この第１の変換要素１０２に入力される。第１の変換要素１０２からは、その実開度で得られることが見込まれる吸気管圧（以下、見込ＰＭと表記する）が算出される。

第２の変換要素１０４は吸気バルブの物理モデルからなる要素である。筒内に吸入される空気量（ＫＬ）は、バルブタイミングやリフト量といった吸気バルブの動作と吸気管圧（ＰＭ）とによって決まる。第２の変換要素１０４に見込ＰＭが入力されることで、第２の変換要素１０４からは見込ＫＬが算出される。

第３の変換要素１０８は、第２の変換要素１０４と同一の吸気バルブの物理モデルからなる要素である。第３の変換要素１０８にも見込ＰＭが入力される。ただし、第３の変換要素１０８の上流には見込ＰＭを補正する見込ＰＭ補正部１０６が設けられている。第３の変換要素１０８には補正された見込ＰＭが入力される。

見込ＰＭ補正部１０６では、吸気管圧の補正量（ΔＰＭとも表記する）が見込ＰＭに加算される。ここで加算されるΔＰＭは、エアフローメータ（ＡＦＭとも表記する）１２の出力信号に基づいて算出された補正量である。エアフローメータ１２は吸気通路においてスロットル弁８の上流に配置された空気流量センサである。吸気管圧（ＰＭ）は吸気管に吸入される空気の流量、すなわち、エアフローメータ１２の出力信号に影響する。したがって、エアフローメータ１２の出力信号を見ることで、実際のＰＭと見込ＰＭとのずれを求めることができる。ΔＰＭ算出部１１０は、実際のＰＭと見込ＰＭとのずれをエアフローメータ１２の出力信号から計算し、その計算結果であるΔＰＭを見込ＰＭ補正部１０６に出力している。

ΔＰＭによって補正された見込ＰＭは実際のＰＭに相当している。したがって、第３の変換要素１０８にΔＰＭによる補正後の見込ＰＭが入力されることで、第３の変換要素１０８からは実ＫＬが算出される。

ところで、目標開度算出部４のエア逆モデルによるフィードフォワード制御には、少なからず誤差が含まれている。このため、上述の構成のみでは必ずしも実ＫＬと目標ＫＬとは一致しない。本実施の形態の制御装置の特徴は、実ＫＬと目標ＫＬとのずれを縮小できるようにしたことにあり、それは以下に説明する構成によって実現される。

本実施の形態の制御装置は、目標ＫＬを補正する目標ＫＬ補正部１６を備えている。目標開度算出部４のエア逆モデルには補正された目標ＫＬが入力される。

目標ＫＬ補正部１６では、目標ＫＬの補正量（ΔＫＬとも表記する）が目標ＫＬに加算される。ここで加算されるΔＫＬは、エアフローメータ１２の出力信号に基づいて算出された前述のΔＰＭを空気量に変換したものに相当する。ΔＰＭは実際のＰＭと見込ＰＭとのずれであり、そのずれによって実ＫＬと見込ＫＬとの間にずれが生じている。見込ＫＬは理論的には目標ＫＬに一致するものであることから、ΔＰＭを空気量に変換して得られたΔＫＬは実ＫＬと目標ＫＬとの誤差に相当している。ΔＰＭからΔＫＬへの変換処理はΔＫＬ算出部１４において行われる。

図２は本実施の形態の制御装置による効果を説明するための図である。図２の左側にはΔＫＬによる目標ＫＬの補正を行っていないときの目標ＫＬ、見込ＫＬ及び実ＫＬの間の誤差を例示している。見込ＫＬと実ＫＬとの間にはフィードバック制御の精度等に起因して誤差ΔＫＬ１が生じる。目標ＫＬと見込ＫＬとの間に生じている誤差ΔＫＬ２は、エア逆モデル及びエアモデル内での変換誤差であり、ΔＫＬ１に比較すれば微小な誤差である。この場合、目標ＫＬと実ＫＬとの間に生じる誤差は、ΔＫＬ１−ΔＫＬ２となる。

一方、図２の右側にはΔＫＬによって目標ＫＬを補正したときの誤差、つまり、本実施の形態の制御装置における目標ＫＬ、見込ＫＬ及び実ＫＬの間の誤差を例示している。エアフローメータ１２の出力信号に基づいて算出されたΔＫＬは、実ＫＬと見込ＫＬとの間の誤差、すなわち、ΔＫ１に相当している。したがって、目標開度算出部４のエア逆モデルに入力する目標ＫＬをΔＫＬによって補正することで（図２の例では目標ＫＬにΔＫＬを加算することで）、スロットル開度を増大させて実ＫＬをΔＫＬだけ増加させることができる。その結果、目標ＫＬと実ＫＬとの間に生じる誤差はΔＫＬ２まで縮小されることになる。つまり、本実施の形態の制御装置によれば、目標ＫＬと実ＫＬとを概ね一致させることができる。

以上、本発明の実施の形態１について説明した。実施の形態１には、本発明のうち第１の発明が具現化されている。詳しくは、図１に示す構成において、目標ＫＬ設定部２は第１の発明の「目標値設定手段」に相当する。目標開度算出部４は第１の発明の「目標開度算出手段」に相当する。ディレイ制御部６は第１の発明の「駆動手段」に相当する。また、ＫＬ算出部１０の第１の変換要素１０２、第３の変換要素１０８、見込ＰＭ補正部１０６及びΔＰＭ算出部１１０によって第１の発明の「実現値算出手段」が構成されている。さらに、目標ＫＬ補正部１６及びΔＫＬ算出部１４によって第１の発明の「目標値補正手段」が構成され、見込ＰＭは「順モデルの内部変数」に相当し、ΔＰＭは「内部変数の補正に用いられた補正データ」に相当し、ΔＫＬは「変換した補正データ」に相当する。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図３を参照して説明する。

図３は、本発明の実施の形態２としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。図３では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達（主なもの）を矢印で示している。以下、図３を参照して本実施の形態の制御装置の構成と、その特徴について説明する。

本実施の形態の制御装置は、電子制御式のスロットル弁８を操作して吸入空気量を制御する。本実施の形態にかかるスロットル弁８の制御は吸入空気量の目標値に基づいたフィードフォワード制御である。吸入空気量の目標値の設定は目標ＫＬ設定部２において行なわれる。目標ＫＬ設定部２は、内燃機関に対する要求トルクや要求効率に基づいて吸入空気量の目標値を設定する。なお、本実施の形態では目標値として吸入空気量を設定することとしているが、それを無次元化した充填効率や負荷率といった吸入空気に相当する物理量の目標値を設定するのでもよい。ここでは、吸入空気量をＫＬと表記し、その目標値を目標ＫＬと表記する。

目標ＫＬ設定部２で設定された目標ＫＬは、目標開度算出部４に入力される。目標開度算出部４にはエア逆モデルが具備されている。スロットル弁の動作に対する空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化した吸気系の物理モデルをエアモデルといい、エア逆モデルはその逆モデルである。エア逆モデルは、単一のユニットからなるモデルでもよいし、複数のユニットからなるモデルでもよい。例えば、後者の場合であれば、吸気バルブの逆モデル、吸気管の逆モデル及びスロットル弁の逆モデルを連結することによってエア逆モデル４を構成することができる。目標ＫＬをエア逆モデルに入力することで、エア逆モデルからは目標ＫＬを実現するためのスロットル弁８の目標開度が算出される。

目標開度算出部４で算出された目標開度はディレイ制御部６に入力される。ディレイ制御部６は、目標開度算出部４から入力された目標開度を所定のディレイ時間だけ遅らせ、遅延させた目標開度をスロットル弁８に出力する。目標開度を算出してからスロットル弁８に出力するまでにディレイ時間（例えば３２ｍｓｅｃ）を設けることで、そのディレイ時間分だけ将来のスロットル開度を目標開度から予測することが可能になる。予測した将来のスロットル開度は、燃料噴射量等、内燃機関の空燃比制御に係る制御パラメータ値に反映させることができる。

スロットル弁８はディレイ制御部６から入力される目標開度に従って動作する。スロットル弁８が動作することで内燃機関の実際のＫＬにも変化が生じる。本実施の形態の制御装置は、実際のＫＬを算出するための要素としてＫＬ算出部２０を備えている。ＫＬ算出部２０には、スロットル開度センサ等により計測されたスロットル弁８の実際の開度が入力される。

ＫＬ算出部２０にはエアモデルが具備されている。このエアモデルは、スロットル弁の物理モデル、吸気管の物理モデル及び吸気バルブの物理モデルが連結された構成になっている。ＫＬ算出部２０に入力されたスロットル弁８の実開度はスロットル弁及び吸気管の各物理モデルによって吸気管圧に変換され、吸気管圧は吸気バルブの物理モデルによって吸入空気量（ＫＬ）に変換される。

また、ＫＬ算出部２０にはエアフローメータ１２の出力信号も入力されている。この信号はエアモデルの内部変数である吸気管圧（見込みの吸気管圧）を補正するための補正データとして用いられている。エアフローメータ１２の出力信号を見込みの吸気管圧に反映させることで、実際の吸気管圧を得ることができる。ＫＬ算出部２０からは、補正後の吸気管圧から変換されたＫＬが出力される。このＫＬは、現在のスロットル開度にて実際に得られたＫＬ（以下、実ＫＬと表記する）である。

ところで、目標開度算出部４のエア逆モデルによるフィードフォワード制御には、少なからず誤差が含まれている。このため、上述の構成のみでは必ずしも実ＫＬと目標ＫＬとは一致しない。本実施の形態の制御装置の特徴は、実ＫＬを目標ＫＬに一致させるようにしたことにあり、それは以下に説明する構成によって実現される。

本実施の形態の制御装置は、実ＫＬと目標ＫＬとの間の誤差を目標開度の設定にフィードバックするフィードバック系を有している。ただし、本実施の形態において特徴的なのは、目標開度算出部４で算出された目標開度に誤差が直接フィードバックされるのではなく、目標開度算出部４に入力される目標ＫＬに誤差がフィードバックされることである。

本実施の形態にかかるフィードバック系は、実ＫＬと目標ＫＬとの偏差を算出するＫＬ偏差算出部２２と、その偏差からフィードバック補正量を算出するフィードバック制御部２４と、フィードバック補正量によって目標ＫＬを補正する目標ＫＬ補正部２６とから構成されている。フィードバック制御部２４は、例えば偏差のＰＩＤ制御によってフィードバック補正量を算出する。目標ＫＬ補正部２６は、目標開度算出部４のエア逆モデルに入力される目標ＫＬにフィードバック補正量を加算する。

本実施の形態の制御装置の構成によれば、目標ＫＬと実ＫＬとのずれを補償するようにスロットル開度を修正することが可能になり、高い精度で目標ＫＬと実ＫＬに一致させることができる。また、本実施の形態の制御装置によれば、目標ＫＬに対する実ＫＬの誤差が反映されるのはエア逆モデルに入力される目標ＫＬであり、誤差とそのフィードバック先とは同一の物理量であるので、複雑な演算をすることなくフィードバック補正量を算出することができる。つまり、フィードバック制御部２４の演算構造を簡素にすることができる。

以上、本発明の実施の形態２について説明した。実施の形態２には、本発明のうち第２の発明が具現化されている。詳しくは、図３に示す構成において、目標ＫＬ設定部２は第２の発明の「目標値設定手段」に相当する。目標開度算出部４は第２の発明の「目標開度算出手段」に相当する。ディレイ制御部６は第２の発明の「駆動手段」に相当する。また、ＫＬ算出部２０は第２の発明の「実現値算出手段」が構成されている。さらに、ＫＬ偏差算出部２２、フィードバック制御部２４及び目標ＫＬ補正部２６によって第１の発明の「目標値補正手段」が構成されている。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図４を参照して説明する。

図４は、本発明の実施の形態３としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、実施の形態２の制御装置の構成をベースとしつつ、新たな要素を追加した構成になっている。したがって、図４において実施の形態２と共通する要素は同一の符号を付している。以下では、実施の形態２と共通する構成についてはその説明を省略或いは簡略し、実施の形態２とは異なる構成について重点的に説明するものとする。

本実施の形態の制御装置は、フィードバック制御のための実ＫＬとの比較の対象として、実ＫＬではなく見込ＫＬを用いることに特徴がある。見込ＫＬとは、現在のスロットル開度にて得られることが見込まれるＫＬであり、目標ＫＬをディレイ時間及びスロットル弁８の動作無駄時間だけ遅延させたものに相当する。目標ＫＬに代えて見込ＫＬをフィードバック補正量の算出に用いることで、目標ＫＬから目標開度が算出され、目標開度に従ってスロットル弁８が動作し、スロットル弁８の実開度から実ＫＬが算出されるまでの間の時間的なずれを補償することができる。

見込ＫＬは見込ＫＬ算出部３０で算出される。見込ＫＬ算出部３０は、エア逆モデル３２、ディレイ制御部３４、スロットルモデル３６及びエアモデル３８から構成されている。エア逆モデル３２は目標開度算出部４のエア逆モデルと同構成である。ディレイ制御部３４はディレイ制御部６と同じディレイ時間を有している。スロットルモデル３６はスロットル弁８の物理モデルであって目標開度を入力とし実開度を出力とする。エアモデル３８はＫＬ算出部２０のエアモデルと同構成であるが、エアフローメータ１２の出力信号は反映されない。

見込ＫＬ算出部３０には、目標ＫＬ補正部２６による補正前の目標ＫＬが入力される。見込ＫＬ算出部３０内において、目標ＫＬはエア逆モデル３２によって目標開度に変換される。得られた目標開度はディレイ制御部３４でディレイ処理されてスロットルモデル３６に入力される。スロットルモデル３６から出力された実開度はエアモデル３８によって見込ＫＬに変換される。

見込ＫＬ算出部３０の構成によれば、フィードバック補正量の算出に用いる見込ＫＬと実ＫＬとの位相を合わせることができる。また、図４中に波形を例示するように、矩形波で入力された目標ＫＬの動的化が可能であり、本来実現したい波形の見込ＫＬを得ることができる。これによれば、見込ＫＬと実ＫＬとのずれを正しく評価することができるので、フィードバック補正量を正確に算出して高い精度で目標ＫＬに実ＫＬに一致させることが可能になる。

以上、本発明の実施の形態３について説明した。実施の形態３には、本発明のうち第２乃至第４の各発明が具現化されている。詳しくは、図４に示す構成において、ディレイ制御部３４は第３の発明の「遅延処理手段」に相当する。また、エア逆モデル３２、スロットルモデル３６及びエアモデル３８によって第４の発明の「動的化手段」が構成されている。なお、実施の形態３の第２の発明との対応関係については実施の形態２のそれと同じである。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について図５を参照して説明する。

図５は、本発明の実施の形態４としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、実施の形態３の制御装置の変形例にあたる。したがって、図５において実施の形態３と共通する要素は同一の符号を付している。以下では、実施の形態３と共通する構成についてはその説明を省略或いは簡略し、実施の形態３とは異なる構成について重点的に説明するものとする。

本実施の形態の制御装置は、目標ＫＬを見込ＫＬに変換する見込ＫＬ算出部４０の構成に特徴がある。本実施の形態にかかる見込ＫＬ算出部４０は、ディレイ処理部４２と動的化処理部４４とから構成されている。ディレイ処理部４２は入力された目標ＫＬを所定時間だけ遅延させて出力する。所定時間は、ディレイ制御部６によるディレイ時間とスロットル弁８の動作無駄時間とを足した時間に設定されている。動的化処理部４４は、実施の形態３のような物理モデルではなく、一次遅れフィルタによるなまし処理によって目標ＫＬを動的化する。動的化処理部４４は動的化した目標ＫＬを見込ＫＬとして出力する。
複雑な物理モデルの代わりに簡単な一次遅れフィルタを用いることで、本実施の形態の制御装置によれば、演算負荷をかけることなく目標ＫＬを動的化することが可能になる。

以上、本発明の実施の形態４について説明した。実施の形態４には、本発明のうち第２乃至第４の各発明が具現化されている。詳しくは、図５に示す構成において、ディレイ処理部４２は第３の発明の「遅延処理手段」に相当する。また、動的化処理部４４は第４の発明の「動的化手段」に相当する。なお、実施の形態４の第２の発明との対応関係については実施の形態２のそれと同じである。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５について図６を参照して説明する。

図６は、本発明の実施の形態５としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の制御装置は、実施の形態４の制御装置の変形例にあたる。したがって、図６において実施の形態４と共通する要素は同一の符号を付している。以下では、実施の形態４と共通する構成についてはその説明を省略或いは簡略し、実施の形態４とは異なる構成について重点的に説明するものとする。

本実施の形態の制御装置と実施の形態４の制御装置とでは、目標ＫＬの動的化の手法に違いがある。本実施の形態では、図６中に波形を例示するように、目標ＫＬ設定部５０から出力される目標ＫＬに既に動的化処理が施されている。この動的化処理は、要求トルクを目標ＫＬに変換する段階で行なうことができる。動的化には一次遅れフィルタによるなまし処理を用いることができる。また、動的化処理は目標ＫＬを出力する段階で行なうこともできる。或いは、目標ＫＬ設定部５０に入力される要求トルクに動的化処理が施されていてもよい。

以上、本発明の実施の形態５について説明した。実施の形態５には、本発明のうち第２乃至第４の各発明が具現化されている。詳しくは、図６に示す構成において、ディレイ処理部４２は第３の発明の「遅延処理手段」に相当する。また、目標ＫＬを動的化する機能を備えた目標ＫＬ設定部５０が第４の発明の「動的化手段」に相当する。なお、実施の形態４の第２の発明との対応関係については実施の形態２のそれと同じである。

実施の形態６．
最後に、本発明の実施の形態６について図７を参照して説明する。

図７は、本発明の実施の形態７としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。図７では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達（主なもの）を矢印で示している。以下、図７を参照して本実施の形態の制御装置の構成と、その特徴について説明する。

本実施の形態の制御装置は、電子制御式のスロットル弁８を操作して吸入空気量を制御する。本実施の形態にかかるスロットル弁８の制御は吸入空気量の目標値に基づいたフィードフォワード制御である。吸入空気量の目標値の設定は目標ＫＬ設定部２において行なわれる。目標ＫＬ設定部２は、内燃機関に対する要求トルクや要求効率に基づいて吸入空気量の目標値を設定する。なお、本実施の形態では目標値として吸入空気量を設定することとしているが、それを無次元化した充填効率や負荷率といった吸入空気に相当する物理量の目標値を設定するのでもよい。ここでは、吸入空気量をＫＬと表記し、その目標値を目標ＫＬと表記する。

目標ＫＬ設定部２で設定された目標ＫＬは、目標開度算出部５に入力される。目標開度算出部５にはエア逆モデルが具備されている。スロットル弁の動作に対する空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化した吸気系の物理モデルをエアモデルといい、エア逆モデルはその逆モデルである。目標開度算出部５に具備されたエア逆モデルは２つの変換要素からなる。第１の変換要素５０２は吸気バルブの逆モデルと吸気管の逆モデルとからなる要素である。これらの物理モデルによれば、目標ＫＬの実現に必要なスロットル弁通過空気量の目標値（以下、目標Ｍｔと表記する）を推定計算することができる。第２の変換要素５０４はスロットル弁の逆モデルである。第２の変換要素５０４に目標Ｍｔを入力することで、目標Ｍｔの実現のために必要なスロットル開度が算出される。目標開度算出部５は、目標Ｍｔから変換されたスロットル開度をスロットル弁８の目標開度として出力する。

目標開度算出部５で算出された目標開度はディレイ制御部６に入力される。ディレイ制御部６は、目標開度算出部４から入力された目標開度を所定のディレイ時間だけ遅らせ、遅延させた目標開度をスロットル弁８に出力する。目標開度を算出してからスロットル弁８に出力するまでにディレイ時間（例えば３２ｍｓｅｃ）を設けることで、そのディレイ時間分だけ将来のスロットル開度を目標開度から予測することが可能になる。予測した将来のスロットル開度は、燃料噴射量等、内燃機関の空燃比制御に係る制御パラメータ値に反映させることができる。

スロットル弁８はディレイ制御部６から入力される目標開度に従って動作する。ところが、目標開度算出部５のエア逆モデルによるフィードフォワード制御には、少なからず誤差が含まれている。このため、上述の構成のみでは必ずしもスロットル弁８の動作にて実際に実現されたＫＬ（以下、実ＫＬと表記する）と目標ＫＬとは一致しない。本実施の形態の制御装置の特徴は、実ＫＬと目標ＫＬとのずれを縮小できるようにしたことにあり、それは以下に説明する構成によって実現される。

本実施の形態の制御装置は、エアフローメータ１２の出力信号から実際にスロットル弁８を通過した空気量（以下、実Ｍｔと表記する）を算出する実Ｍｔ算出部６０を有している。エアフローメータ１２は吸気通路においてスロットル弁８の上流に配置され、空気流量に応じた信号を出力している。実Ｍｔ算出部６０は、エアフローメータ１２の逆モデルを用いて出力信号を実Ｍｔに変換する。

本実施の形態の制御装置は、フィードフォワード系に加えてフィードバック系を有している。本実施の形態において特徴的なのは、実Ｍｔ算出部６０で算出される実Ｍｔと、目標開度算出部５の内部変数である目標Ｍｔとの間の誤差を目標開度の設定にフィードバックすることであり、しかも、目標開度算出部５で算出された目標開度に誤差が直接フィードバックされるのではなく、目標開度に変換される目標Ｍｔに誤差がフィードバックされることである。

また、本実施の形態には、目標開度算出部５のエア逆モデルから読み出された目標Ｍｔをそのままフィードバック制御に用いるのではなく、ディレイ処理部６６において目標Ｍｔを遅延処理するという特徴もある。ディレイ処理部６６では、目標開度が設定されてからエアフローメータ１２の出力信号が変化するまでの応答遅れ時間がディレイ時間として設定されている。これによれば、目標Ｍｔと実Ｍｔとの位相を合わせることができる。

本実施の形態にかかるフィードバック系は、実Ｍｔと目標Ｍｔとの偏差を算出するＭｔ偏差算出部６２と、その偏差からフィードバック補正量を算出するフィードバック制御部６４と、フィードバック補正量によって目標Ｍｔを補正する目標Ｍｔ補正部５０６とから構成されている。Ｍｔ偏差算出部６２では、実Ｍｔ算出部６０で算出された実Ｍｔと、ディレイ処理部６６で遅延処理された目標Ｍｔとの偏差が算出される。フィードバック制御部６４は、例えば偏差のＰＩＤ制御によってフィードバック補正量を算出する。目標Ｍｔ補正部５０６は目標開度算出部５に設けられ、第２の変換要素５０４に入力される目標Ｍｔにフィードバック補正量を加算する。

本実施の形態の制御装置の構成によれば、目標Ｍｔと実Ｍｔとのずれを補償するようにスロットル開度を修正することが可能になり、高い精度で目標Ｍｔに実Ｍｔを一致させることができ、ひいては目標ＫＬと実ＫＬとを高い精度で一致させることができる。また、本実施の形態の制御装置によれば、目標Ｍｔに対する実Ｍｔの誤差が反映されるのは目標開度に変換される目標Ｍｔであり、誤差とそのフィードバック先とは同一の物理量であるので、複雑な演算をすることなくフィードバック補正量を算出することができる。つまり、フィードバック制御部６４の演算構造を簡素にすることができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の実施の形態１としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１としての内燃機関の制御装置による効果を説明するための図である。 本発明の実施の形態２としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態５としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態６としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２ 目標ＫＬ設定部
４ 目標開度算出部（エア逆モデル）
５ 目標開度算出部（エア逆モデル）
５０２ 第１の変換要素
５０４ 第２の変換要素
５０６ 目標Ｍｔ補正部
６ ディレイ制御部
８ 電子制御式のスロットル弁
１０ ＫＬ算出部（エアモデル）
１０２ 第１の変換要素
１０４ 第２の変換要素
１０６ 見込ＰＭ補正部
１０８ 第３の変換要素
１２ エアフローメータ
１４ ΔＫＬ算出部
１６ 目標ＫＬ補正部
２０ ＫＬ算出部（エアモデル）
２２ ＫＬ偏差算出部
２４ フィードバック制御部
２６ 目標ＫＬ補正部
３０ 見込ＫＬ算出部
３２ エア逆モデル
３４ ディレイ制御部
３６ スロットルモデル
３８ エアモデル
４０ 見込ＫＬ算出部
４２ ディレイ処理部
４４ 動的化処理部
５０ 目標ＫＬ設定部
６０ 実Ｍｔ算出部
６２ Ｍｔ偏差算出部
６４ フィードバック制御部
６６ ディレイ処理部

Claims (4)

1. 吸気通路に設けられた電子制御式のスロットル弁とその上流に配置された空気流量センサとを有する内燃機関の制御装置において、
   吸入空気量或いはそれに相当する所定物理量の目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記スロットル弁の動作に対する所定物理量の応答を表した吸気系の物理モデルの逆モデルを具備し、前記目標値を前記逆モデルに入力することで前記逆モデルから出力されるスロットル開度を前記スロットル弁の目標開度として算出する目標開度算出手段と、
   前記目標開度に従って前記スロットル弁を駆動する駆動手段と、
   前記物理モデルの順モデルを具備し、前記空気流量センサの出力信号を前記順モデルの内部変数を補正する補正データとして前記順モデルに引用しつつ、実際のスロットル開度を前記順モデルに入力することで前記順モデルから出力される前記所定物理量の値を前記スロットル弁の動作による実現値として算出する実現値算出手段と、
   前記順モデルの内部変数の補正に用いられた補正データを前記目標値と同じ物理量に変換し、変換した補正データによって前記逆モデルに入力される目標値を補正する目標値補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 吸気通路に設けられた電子制御式のスロットル弁とその上流に配置された空気流量センサとを有する内燃機関の制御装置において、
   吸入空気量或いはそれに相当する所定物理量の目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記スロットル弁の動作に対する所定物理量の応答を表した吸気系の物理モデルの逆モデルを具備し、前記目標値を前記逆モデルに入力することで前記逆モデルから出力されるスロットル開度を前記スロットル弁の目標開度として算出する目標開度算出手段と、
   前記目標開度に従って前記スロットル弁を駆動する駆動手段と、
   前記物理モデルの順モデルを具備し、前記空気流量センサの出力信号を前記順モデルの内部変数を補正する補正データとして前記順モデルに引用しつつ、実際のスロットル開度を前記順モデルに入力することで前記順モデルから出力される前記所定物理量の値を前記スロットル弁の動作による実現値として算出する実現値算出手段と、
   前記目標値と前記実現値との偏差に基づいて前記目標値に対するフィードバック補正量を算出し、算出したフィードバック補正量によって前記逆モデルに入力される目標値を補正する目標値補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 前記目標値補正手段においてフィードバック補正量の算出に用いられる目標値を遅延処理する遅延処理手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記目標値補正手段においてフィードバック補正量の算出に用いられる目標値を動的化する動的化手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。

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