JP5115665B2 - 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、特に、トルクと空燃比とを制御量とする内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の制御方法の１つとして、トルクを制御量として各アクチュエータの操作量を決定するトルクデマンド制御が知られている。特開２００９−２９９６６７号公報には、トルクデマンド制御を行う制御装置の一例が記載されている。この公報に記載された制御装置（以下、従来制御装置）は、スロットルによる空気量の制御、点火装置による点火時期の制御、及び、燃料供給装置による燃料噴射量の制御によってトルク制御を行う制御装置である。

ところで、内燃機関が発生させるトルクには、筒内に吸入される空気量に加えて空燃比も密接に関連する。このため、従来制御装置では、要求トルクを空気量の目標値に変換する過程において、現在の運転状態情報から得られる空燃比が参照されている。この場合の空燃比は、空燃比センサにより計測される排気ガスの空燃比ではなく、筒内の混合気の空燃比、すなわち要求空燃比を意味する。

要求空燃比は必ずしも一定ではなく、エミッション性能の観点から積極的に変化させられることもある。そのような場合、従来制御装置によれば、要求空燃比の変化に応じて目標空気量も変化し、それに合わせてスロットル開度が制御されるようになる。このときのスロットルの動きは、空燃比の変化に伴うトルクの変動を空気量の増減によって打ち消すような動きとなる。すなわち、空燃比がリッチ側に変化したときには、それによるトルクの増大を空気量の減少により相殺するように、スロットルは閉じ側に動く。逆に空燃比がリーン側に変化したときには、それによるトルクの減少を空気量の増大により相殺するように、スロットルは開き側に動く。

しかしながら、スロットルの動きに対する空気量の応答には遅れがあり、実際の空気量は目標空気量の変化に対して遅れて変化する。その遅れは、目標空気量の変化速度が大きいほどより顕著になる。このため、従来制御装置では、要求空燃比に急激な変化があった場合には、空燃比の急激な変化に空気量の変化が追いつかないおそれがある。その場合、内燃機関が発生させるトルクと要求トルクとの間にずれが生じることになって、精度の良いトルク制御が実現できないばかりか、結果的に意図しない空燃比の変動によってエミッション性能の悪化を招くこともあり得る。

以上のことから分かるように、従来制御装置は、要求空燃比が変化しうる状況での要求トルクの実現精度の点においてさらなる改良の余地があると言える。

特開２００９−２９９６６７号公報 特開２００９−４７１０２号公報 特開２００５−１４００１１号公報

上述の問題の解決策として、要求空燃比の変化速度を緩和させたものを目標空気量の計算に用いることが考えられる。要求空燃比の変化速度を緩和させる手段としては、例えば、一次遅れフィルタなどのローパスフィルタ、加重平均などのなまし処理、或いは変化率に対するガード処理を挙げることができる。要求空燃比の変化速度を緩和させることで、空燃比の変化に対する空気量の変化の遅れを無くすことが可能となる。もしくは、空燃比の変化に対する空気量の変化の遅れを完全には無くせないとしても、トルク変動が生じない程度に十分に軽減することが可能となる。

ただし、要求空燃比の変化速度を例外なく一律に緩和することは、エミッション性能の観点からは必ずしも好ましくはない。具体的には、燃料カットからの復帰に伴い要求空燃比がリッチ化されている状況では、以下の理由により要求空燃比の変化速度を緩和するべきではない。

内燃機関の排気通路には、排気ガスを浄化するための触媒装置が設けられている。この触媒装置内には、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属が触媒として担持されている。このうちのロジウムはＮＯｘを還元し窒素として無害化する機能を有している。燃料カットが実施された場合、触媒装置内がリーンなガスに曝されることでロジウムは酸化状態となり、ロジウムが有しているＮＯｘを還元する機能は大きく低下する。このため、燃料カットからの復帰時には、酸化状態にあるロジウムを早急に還元しその機能を回復させるべく、要求空燃比をリッチ化させることが望ましい。ところが、このような状況で要求空燃比の変化速度を緩和してしまうと、ロジウムの機能の回復を遅らせることになり、結果的に多量のＮＯｘが浄化されないまま触媒装置から放出されることになる。つまり、エミッション性能の低下を招くことになる。

本発明は、空燃比を積極的に変化させることでエミッション性能を向上させながら、要求トルクの実現精度を向上させることを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のような内燃機関の制御装置を提供する。

本発明が提供する制御装置は、内燃機関に対する要求トルクを取得するとともに要求空燃比を取得し、取得した要求空燃比の変化速度を緩和することによって目標空燃比を生成する。ただし、燃料カットからの復帰に伴って要求空燃比がリッチ化されている状況では、要求空燃比の変化速度を緩和することを停止し、要求空燃比をそのまま目標空燃比として出力する。本制御装置は、目標空燃比のもとで要求トルクを実現するための目標空気量を算出する。目標空気量の計算には、内燃機関が発生させるトルクと筒内に吸入される空気量との関係を空燃比に関連付けて定めたデータを用いることができる。本制御装置は、目標空気量に従って空気量制御用のアクチュエータを操作するとともに、目標空燃比に従って燃料噴射量制御用のアクチュエータを操作する。

以上のように構成される制御装置によれば、要求空燃比の変化速度を緩和させたものが目標空気量の計算に用いられるので、目標空気量に対する実際の空気量の応答遅れを無くすか十分に軽減することができる。結果、本制御装置によれば、空燃比の変化に対する空気量の変化の遅れを無くすか十分に軽減することが可能となり、高いトルクの実現精度を維持することができる。

一方、燃料カットからの復帰に伴って要求空燃比がリッチ化されている状況では、要求空燃比がそのまま目標空気量の計算に用いられるので、リッチ化された排気ガスを排気浄化装置に供給してロジウムの機能を早期に回復させることができる。これによりＮＯｘが浄化されないまま大気中に放出されることは防止され、エミッション性能は高い状態に維持される。なお、要求空燃比の変化速度を緩和することが停止されることで、内燃機関が発生させるトルクは要求トルクよりも一時的に高くはなる。しかし、そもそも燃料カットからの復帰時にはある程度のトルク変動が生じることから、復帰時のトルクが要求トルクより一時的に高くなったとしてもそれがドライバビリティに与える影響は軽微である。

本発明の実施の形態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の制御装置で行われる処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態によるエンジン制御の内容とその制御結果とを説明するための図である。 比較例としてのエンジン制御の内容とその制御結果とを説明するための図である。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本発明の実施の形態おいて制御対象とされる内燃機関（以下、エンジン）は、火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。エンジンの排気通路には、プラチナ、パラジウム、ロジウムなどの貴金属を触媒とする触媒装置が設けられている。制御装置は、エンジンに備えられるアクチュエータを操作することでエンジンの運転を制御する。制御装置が操作可能なアクチュエータには、点火装置、スロットル、燃料噴射装置、可変バルブタイミング機構、ＥＧＲ装置等が含まれる。ただし、本実施の形態において制御装置が操作するのはスロットル、点火装置及び燃料噴射装置であり、制御装置はこれら３つのアクチュエータを操作してエンジンの運転を制御する。

本実施の形態の制御装置は、エンジンの制御量としてトルク、空燃比及び効率を使用する。ここでいうトルクはより厳密には図示トルクを意味し、空燃比は燃焼に供される混合気の空燃比を意味する。本明細書における効率はエンジンが出力しうる潜在トルクに対する実際に出力されるトルクの割合を意味する。効率の最大値は１であり、そのときにはエンジンが出力しうる潜在トルクがそのまま実際に出力されることになる。効率が１よりも小さい場合には、実際に出力されるトルクはエンジンが出力しうる潜在トルクよりも小さく、その余裕分は主に熱となってエンジンから出力されることになる。

図１のブロック図に示す制御装置２は、本実施の形態の制御装置の構成を示している。制御装置２は、それが有する機能別に、燃焼保障ガード部１０、空気量制御用トルク算出部１２、目標空気量算出部１４、スロットル開度算出部１６、推定空気量算出部１８、推定トルク算出部２０、点火時期制御用効率算出部２２、燃焼保障ガード部２４、点火時期算出部２６、目標空燃比生成部２８、及び燃焼保障ガード部３０に分けることができる。ただし、これらの要素１０−３０は、制御装置２が有する種々の機能的な要素のうち、３つのアクチュエータ、すなわち、スロットル４、点火装置６及び燃料噴射装置（ＩＮＪ）８の操作によるトルク制御と空燃比制御とに関する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、制御装置２がこれらの要素のみで構成されていることを意味するものではない。なお、各要素は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。以下、各要素１０−３０の機能を中心に制御装置２の構成について説明する。

まず、本制御装置には、エンジンの制御量に対する要求として要求トルク、要求効率、及び要求空燃比（要求Ａ／Ｆ）が入力される。これらの要求は、本制御装置の上位に位置するパワートレインマネージャから供給される。要求トルクは、エンジンの運転条件や運転状態に応じて、具体的には、運転者によるアクセルペダルの操作量や、ＶＳＣ、ＴＲＣ等の車両の制御システムからの信号に基づいて設定される。要求効率は、排気ガスの温度を上げたい場合や、リザーブトルクを作りたい場合に１よりも小さい値に設定される。ただし、本実施の形態では、要求効率は最大値である１に設定されているものとする。要求空燃比は、通常はストイキに設定されているが、エミッション性能の観点から必要がある場合には変化させられる。具体的には、触媒の浄化性能を向上させるためにストイキを中心にして要求空燃比を周期的に変化させることや、空燃比フィードバック制御によって要求空燃比を変化させることが行われる。また、燃料カットからの復帰時には、触媒に含まれるロジウムを早急に還元してその機能を回復させるべく、所定の期間、要求空燃比をストイキよりも大きくリッチ化することが行われる。

制御装置２が受け取った要求トルクと要求効率は、空気量制御用トルク算出部１２に入力される。空気量制御用トルク算出部１２は、要求トルクを要求効率で除算することによって空気量制御用トルクを算出する。要求効率が１よりも小さい場合には、空気量制御用トルクは要求トルクよりも嵩上げされることになる。これは要求トルクよりも大きなトルクを潜在的に出力可能にしておくことがスロットルに要求されていることを意味する。ただし、要求効率に関しては、燃焼保障ガード部１０を通ったものが空気量制御用トルク算出部１２に入力される。燃焼保障ガード部１０は、空気量制御用トルクの計算に使用される要求効率の最小値を適切な燃焼を保障するためのガード値によって制限する。本実施の形態では要求効率は１であるので、要求トルクがそのまま空気量制御用トルクとして算出される。

空気量制御用トルクは目標空気量算出部１４に入力される。目標空気量算出部１４は、空気量マップを用いて空気量制御用トルク（ＴＲＱ）を目標空気量（ＫＬ）に変換する。ここでいう空気量とは、筒内に吸入される空気量を意味する（それを無次元化した充填効率或いは負荷率を代わりに用いることもできる）。空気量マップは、点火時期が最適点火時期（ＭＢＴとトレースノック点火時期のうち、より遅角側の点火時期）であることを前提にして、トルクと空気量とがエンジン回転数及び空燃比を含む種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。空気量マップの検索には、エンジン状態量の実際値や目標値が用いられる。空燃比に関しては後述する目標空燃比がマップ検索に用いられる。したがって、目標空気量算出部１４では、後述する目標空燃比のもとで空気量制御用トルクの実現に必要な空気量がエンジンの目標空気量として算出される。

目標空気量はスロットル開度算出部１６に入力される。スロットル開度算出部１６は、エアモデルの逆モデルを用いて目標空気量（ＫＬ）をスロットル開度（ＴＡ）に変換する。エアモデルはスロットル４の動作に対する空気量の応答特性をモデル化した物理モデルであるので、その逆モデルを用いることで目標空気量の達成に必要なスロットル開度を逆算することができる。

制御装置２は、スロットル開度算出部１６で算出されたスロットル開度に従ってスロットル４の操作を行う。なお、ディレイ制御が実施されている場合には、スロットル開度算出部１６で算出されるスロットル開度（目標スロットル開度）と、スロットル４の動作によって実現される実際のスロットル開度との間には、ディレイ時間分のずれが生じる。

制御装置２は、上記の処理と並行して、実際のスロットル開度に基づいた推定空気量の計算を推定空気量算出部１８にて実施する。推定空気量算出部１８は、前述のエアモデルの順モデルを用いてスロットル開度（ＴＡ）を空気量（ＫＬ）に変換する。推定空気量は、制御装置２によるスロットル４の操作によって実現されることが推定される空気量である。

推定空気量は、推定トルク算出部２０による推定トルクの計算に用いられる。本明細書における推定トルクとは、現在のスロットル開度の元で点火時期を最適点火時期にセットした場合に出力できるトルク、すなわち、エンジンが潜在的に出力しうるトルクの推定値である。推定トルク算出部２０は、トルクマップを用いて推定空気量を推定トルクに変換する。トルクマップは、前述の空気量マップの逆マップであって、点火時期が最適点火時期であることを前提にして、空気量とトルクと種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。このトルクマップの検索では、後述する目標空燃比がマップの検索に用いられる。したがって、推定トルク算出部２０では、後述する目標空燃比のもとで推定空気量によって実現されることが推定されるトルクが算出される。

推定トルクは複製された目標トルクとともに点火時期制御用効率算出部２２に入力される。点火時期制御用効率算出部２２は、目標トルクの推定トルクに対する比率を点火時期制御用効率として算出する。算出された点火時期制御用効率は、燃焼保障ガード部２４を通ってから点火時期算出部２６に入力される。燃焼保障ガード部２４は、燃焼を保障するガード値によって点火時期制御用効率の最小値を制限する。

点火時期算出部２６は、入力された点火時期制御用効率（η_TRQ）から点火時期（ＳＡ）を算出する。詳しくは、エンジン回転数、要求トルク、目標空燃比等のエンジン状態量に基づいて最適点火時期を算出するとともに、入力された点火時期制御用効率から最適点火時期に対する遅角量を算出する。そして、最適点火時期に遅角量を足しあわせたものを最終的な点火時期として算出する。最適点火時期の計算には、例えば、最適点火時期と各種のエンジン状態量とを関連付けるマップを用いることができる。遅角量の計算には、例えば、遅角量と点火時期制御用効率及び各種のエンジン状態量とを関連付けるマップを用いることができる。点火時期制御用効率が１であれば遅角量はゼロとされ、点火時期制御用効率が１よりも小さいほど遅角量は大きくされる。

制御装置２は、点火時期算出部２６で算出された点火時期に従って点火装置６の操作を行う。

また、制御装置２は、上記の処理と並行して、要求空燃比からエンジンの目標空燃比を生成するための処理を目標空燃比生成部２８にて実施する。目標空燃比生成部２８には、ローパスフィルタ（例えば一次遅れフィルタ）が備えられる。目標空燃比生成部２８は、制御装置２に入力される要求空燃比の信号をローパスフィルタに通し、ローパスフィルタを通った信号を目標空燃比として出力する。つまり、目標空燃比生成部２８は、ローパスフィルタによって要求空燃比の変化速度を緩和することによって目標空燃比を生成する。ただし、燃料カット（Ｆ／Ｃ）からの復帰に伴って要求空燃比がリッチ化されている状況では、要求空燃比の変化速度を緩和することは行われない。その場合、目標空燃比生成部２８は、ローパスフィルタを通していない要求空燃比をそのまま目標空燃比として出力する。

図２は、目標空燃比生成部２８で行われる処理をフローチャートで表した図である。このフローチャートによれば、最初のステップＳ１にて燃料カットからの復帰後かどうかが判定される。ここでいう“燃料カットからの復帰後”とは、燃料噴射が再開されて要求空燃比のリッチ化が継続されている期間を意味する。ステップＳ１の判定結果が否定であれば、ローパスフィルタによって変化速度を緩和された要求空燃比が目標空燃比として出力される（ステップＳ２）。ステップＳ１の判定結果が肯定であれば、要求空燃比の変化速度を緩和することは停止され、要求空燃比がそのまま目標空燃比として出力される（ステップＳ３）。

目標空燃比生成部２８で生成された目標空燃比は、燃焼保障ガード部３０を通ってから目標空気量算出部１４、推定トルク算出部２０、点火時期算出部２６、及び燃料噴射装置８に供給される。燃焼保障ガード部３０は、目標空燃比の最大値及び最小値を適切な燃焼を保障するためのガード値によって制限する。

制御装置２は、目標空燃比に従って燃料噴射装置８の操作を行う。より詳しくは、目標空燃比と推定空気量とから燃料噴射量を算出し、その燃料噴射量を実現するように燃料噴射装置８を操作する。

図３は本実施の形態において制御装置２により実現されるエンジン制御の結果を示す図である。一方、図４は、比較例としてのエンジン制御を実施した結果を示す図である。比較例では、ローパスフィルタによって要求空燃比の変化速度を緩和する処理を常に実施している。以下、本実施の形態において得られるエンジン制御上の効果について、比較例と対比しながら説明する。

図３及び図４の各段のチャートには、燃料カットからの復帰前後における制御量や状態量の時間変化が示されている。最上段のチャートには、要求トルクの時間変化が点線で示され、実際にエンジンが発生させたトルクの時間変化が実線で示されている。２段目のチャートには、エンジンの目標回転数の時間変化が点線で示され、エンジンの実際の回転数の時間変化が実線で示されている。３段目のチャートには、要求空燃比の時間変化が点線で示され、目標空燃比の時間変化が破線で示され、実際の空燃比の時間変化が実線で示されている。４段目のチャートには、目標空燃比から計算される目標燃料噴射量の時間変化が点線で示され、実際の燃料噴射量の時間変化が実線で示されている。５段目のチャートには、目標空気量の時間変化が点線で示され、実際の筒内吸入空気量の時間変化が実線で示されている。６段目のチャートには、目標スロットル開度の時間変化が点線で示され、実際のスロットル開度の時間変化が実線で示されている。そして、最下段のチャートには、触媒装置から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度の時間変化が実線で示されている。

各図の３段目のチャートに示すように、燃料カットからの復帰時には、要求空燃比はステップ信号の様相を示してリッチ側に変更される。図４に示す比較例では、このステップ信号がローパスフィルタによって処理されることで、リッチ側に緩やかに変化する目標空燃比の信号が生成される。この緩やかに変化する目標空燃比が目標空気量の計算に使用されることで、図４の５段目のチャートに示すように目標空気量の変化も緩やかなものとなって、目標空気量に対する実際の空気量の応答遅れは十分に軽減される。結果、空燃比の変化に対する空気量の変化の遅れも十分に軽減され、トルク、回転数ともに目標通りに制御することが可能となる。しかし、その一方で、図４の最下段のチャートに示すように、触媒装置から排出される排気ガス中のＮＯｘ濃度は一時的に増大する。燃料カットからの復帰時に十分にリッチ化されたガスを触媒装置に供給できず、ロジウムの機能の回復が遅れてしまったことによる。

これに対して、図３に示す本実施の形態では、要求空燃比のステップ信号がそのまま目標空燃比として出力される。これにより、目標空燃比から計算される目標空気量もステップ信号の様相を示して減少することとなり、目標空気量に対する実際の空気量の応答遅れは顕著になる。結果、空燃比の変化に対して空気量の変化に遅れが生じることになり、エンジンが発生させるトルクは、燃料カットからの復帰直後に一時的に要求トルクを上回るようになる。また、エンジン回転数も一時的に目標回転数を上回るようになる。しかし、燃料カットからの復帰はドライバ自身のアクセル操作によるものであり、そのアクセル操作によってトルクがステップ的に立ち上がることにドライバが違和感を覚えることはない。したがって、復帰時のトルクが要求トルクより一時的に高くなったとしてもそれがドライバビリティに与える影響は軽微である。一方、今日、種々のエンジン性能の中で最も優先されるエミッション性能に関して言えば、図３の最下段のチャートに示すように、燃料カットからの復帰直後におけるＮＯｘ濃度の増大は防止される。本実施の形態によれば、燃料カットからの復帰時に十分にリッチ化されたガスを触媒装置に供給し、酸化状態にあるロジウムを早急に還元してその機能を回復させることができるからである。

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。例えば、上述の実施の形態では空気量制御のためのアクチュエータとしてスロットルを用いているが、リフト量或いは作用角が可変の吸気弁を用いることもできる。

また、上述の実施の形態ではローパスフィルタによって要求トルクの変化速度を緩和しているが、いわゆるなまし処理を用いても良い。なまし処理の一例としては、加重平均を挙げることができる。或いは、要求トルクの変化率に対してガード処理を施すことによって、その変化速度を緩和することも可能である。

また、上述実施の形態ではトルク、空燃比及び効率をエンジンの制御量として用いているが、トルクと空燃比のみをエンジンの制御量としてもよい。つまり、効率は常に１に固定することもできる。その場合は、目標トルクがそのまま空気量制御用トルクとして算出されることになる。

２ 制御装置
４ スロットル
６ 点火装置
８ 燃料噴射装置
１０ 燃焼保障ガード部
１２ 空気量制御用トルク算出部
１４ 目標空気量算出部
１６ スロットル開度算出部
１８ 推定空気量算出部
２０ 推定トルク算出部
２２ 点火時期制御用効率算出部
２４ 燃焼保障ガード部
２６ 点火時期算出部
２８ 目標空燃比生成部
３０ 燃焼保障ガード部

Claims (1)

1. 内燃機関に対する要求トルク及び要求空燃比を取得する要求取得手段と、
   前記要求空燃比の変化速度を緩和することによって目標空燃比を生成する目標空燃比生成手段と、
   前記内燃機関が発生させるトルクと筒内に吸入される空気量との関係を空燃比に関連付けて定めたデータに基づいて、前記目標空燃比のもとで前記要求トルクを実現するための目標空気量を算出する目標空気量算出手段と、
   前記目標空気量に従って空気量制御用のアクチュエータを操作する空気量制御手段と、
   前記目標空燃比に従って燃料噴射量制御用のアクチュエータを操作する燃料噴射量制御手段とを備え、
   前記目標空燃比生成手段は、燃料カットからの復帰に伴って前記要求空燃比がリッチ化されている状況では、前記要求空燃比の変化速度を緩和することを停止し、前記要求空燃比をそのまま前記目標空燃比として出力することを特徴とする内燃機関の制御装置。

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