JP5151910B2 - 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、電子制御式のスロットルを備えた内燃機関の制御装置に関する。

電子制御式のスロットルを備えた内燃機関では、ドライバのアクセル操作量等に基づいてスロットル開度を設定し、設定したスロットル開度に従ってスロットルを操作することが行われている。このとき、スロットル開度を設定してからスロットルを操作するまでに遅延時間が設けられていると、実際のスロットル開度は設定したスロットル開度よりも遅延時間分だけ遅れて変化することになる。このようなスロットルの遅延制御を行うことで、その遅延時間分だけ将来のスロットル開度を遅延処理前のスロットル開度から予測することが可能になる。スロットルの遅延制御は、空燃比の制御性を高めて排気ガス性能の向上を図るうえで効果的である。筒内の吸入空気量は吸気バルブの閉時点において確定するが、スロットルの遅延制御によればその時点でのスロットル開度を高い精度で予測し、その予測スロットル開度から求められる筒内吸入空気量に基づいて燃料噴射量を計算することができるからである。

しかし、その一方で、運転者からのトルク要求に対する内燃機関のトルク応答に時間遅れが発生することにもなる。図４は、スロットルの動作に対するトルクの応答を一次遅れ特性で表したときの応答時間（例えば６３％応答時間）と機関回転数との関係を表した図である。図４に実線で示すのが要求応答時間と機関回転数との関係であり、破線で示すのが遅延制御を行った場合に実現される応答時間と機関回転数との関係である。ここでいう要求応答時間とは、アクセル操作量からスロットル開度を設定し、遅延制御することなくスロットルを動作させたときの応答時間である。ドライバビリティの観点からは前記の応答時間は可能なかぎり短いことが望ましい。また、トルク制御はＶＳＣ（Vehicle Stability Control system）、ＴＲＣ（Traction Control System）、ＥＣＴ（Electronic Controlled Transmission）等の種々の車両の制御システムにおいても用いられている。これらの制御システムによるトルク制御を有効にするためにも応答時間は可能なかぎり短いことが望ましい。

以上のように、スロットルの遅延制御に関しては、空燃比の制御性とトルクの応答性とのバランスという課題がある。この課題に着目した特許文献としては、例えば、特開２００４−１５０２７５号公報が挙げられる。この特許公報には、ＶＳＣ制御やＴＲＣ制御において緊急の閉弁要求が発生した場合には、スロットルの遅延制御を中断して直ちに目標開度に向けてスロットルを駆動するという技術が開示されている。
特開２００４−１５０２７５号公報

しかしながら、上記特許文献の技術には、空燃比の制御性とトルクの応答性とのバランスにおいて未だ改善の余地がある。図４を用いて説明すると、上記特許文献の技術によれば、緊急の閉弁要求が発生した場合には遅延制御の中断によって要求応答時間を実現することができる。しかし、そのような要求が発生していない通常の運転状態においては、遅延制御の実施によって遅延時間の分だけ応答時間は要求応答時間よりも長くなる。つまり、上記特許文献の技術は、緊急の閉弁要求に対しては高いトルク応答性を得られるが、運転者からのトルク要求に対するトルク応答性に関しては十分ではなかった。

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、スロットルの遅延制御を行う内燃機関の制御装置において、空燃比の制御性とトルクの応答性とをバランスさせることを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、将来の所定時点におけるスロットルの開度を予測し、予測したスロットル開度に基づいて空燃比制御に係る所定のパラメータ値を演算する内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関に要求されるトルクに基づいて要求空気量を算出する要求空気量算出手段と、
前記スロットルの動作に対する筒内吸入空気量の応答をモデル化した吸気系モデルの逆モデルを具備し、前記逆モデルを用いて前記要求空気量を実現するためのスロットル開度を算出するスロットル開度算出手段と、
前記スロットル開度算出手段で算出されたスロットル開度を遅延処理する遅延処理手段と、
前記遅延処理手段から出力されるスロットル開度を前記スロットルに操作量として出力する操作量出力手段と、
前記遅延処理手段による遅延処理前のスロットル開度に基づいて前記所定時点におけるスロットル開度を予測する将来開度予測手段と、
機関回転数が所定回転数を越える高回転域において所定のトルク要求発生源から緊急のトルク要求が発せられた場合には、前記遅延処理手段によるスロットル開度の遅延処理を中断する遅延処理中断手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明では、トルク要求に基づいて要求空気量を設定し、吸気系モデルの逆モデルを用いて要求空気量からスロットル開度を算出する。これによれば、アクセル操作量からスロットル開度を設定する場合に比較して、高いトルク応答性を実現できるようなスロットル開度の設定が可能となるので、トルク応答性を損なうことなくスロットルの遅延制御を行うことができる。ただし、前記の逆モデルを用いることによるトルク応答性の向上効果は、機関回転数が高くなるにつれて薄まってくる。そこで、第１の発明では、機関回転数が所定回転数を越える高回転域において所定のトルク要求発生源から緊急のトルク要求が発せられた場合には、スロットル開度の遅延処理を中断する。そうすることで、緊急のトルク要求に関しては高回転域でのトルク応答性の低下を抑えることができる。また、トルク応答性自体は機関回転数の上昇につれて向上していくので、高回転域では遅延処理がドライバビリティに与える影響は相対的に低くなる。緊急のトルク要求が発せられていないときには遅延処理を行うことで、ドライバビリティに関して十分なトルク応答性を確保しながら空燃比の制御性を担保することが可能となる。

本発明の実施の形態について図１乃至図３を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態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、内燃機関への要求トルクに基づいて内燃機関のアクチュエータであるスロットル及び燃料噴射装置を操作する制御装置として構成されている。以下、図１を用いて本実施の形態の制御装置の構成について説明する。

まずはスロットルを操作するための制御装置の構成について説明する。本実施の形態にかかるスロットルは電子制御式であり、スロットルモータによって動作している。スロットルの操作量であるスロットル開度は、要求トルクに基づいて算出される。内燃機関に供給される要求トルクには、運転者が要求するトルク、すなわち、アクセル操作量から算出される要求トルクの他、ＶＳＣ、ＴＲＣ、ＥＣＴ等の車両の制御システムによって要求されるトルクも含まれる。これらの制御システムは、適切な車両の挙動を実現するために運転者とは独立してトルクを要求する。これらの制御システムから発せられるトルク要求は速やかに実現すべき緊急のトルク要求であるので、スロットル開度の算出過程においても運転者によるトルク要求とは区別して扱われる。

制御装置は、要求トルクを取得して要求トルクの実現に必要な空気量を計算する。この計算は要求空気量算出部２にて行われる。要求空気量算出部２は、空気量マップを用いて要求トルクを要求空気量に変換する。空気量マップには点火時期、機関回転数、空燃比、バルブタイミング等、トルクと空気量との関係に影響する各種の運転条件がパラメータとして用いられている。要求空気量算出部２は、要求トルクから変換された空気量を要求空気量として算出する。

次に制御装置は、要求空気量を実現するためのスロットル開度を計算する。この計算はスロットル開度算出部４にて行われる。スロットル開度算出部４にはエア逆モデルが具備されている。スロットルの動作に対する筒内吸入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、スロットル開度とスロットル通過空気量との関係を数式で表した物理モデル、スロットル通過空気量と吸気管圧との関係を数式で表した物理モデル、そして、吸気管圧と吸入空気量との関係を数式で表した物理モデルを連結することによってエアモデルを構成することができる。このエアモデルの逆モデルに要求空気量を入力することで、要求空気量を実現するための要求吸気管圧が算出され、要求吸気管圧を実現するための要求スロットル通過空気量が算出され、そして、要求スロットル通過空気量を実現するためのスロットル開度が算出される。エア逆モデルによれば、モデルのパラメータを適宜に設定することによって、要求空気量に対する実際の筒内吸入空気量の応答速度を自在に調整することができる。本実施の形態では、実際の筒内吸入空気量が要求空気量に対して最速で応答するようにエア逆モデルのパラメータの設定が行われている。

次に制御装置は、算出したスロットル開度を出力切替部８に入力する。スロットル開度算出部４から出力切替部８への信号の入力ラインには２つの系統Ａ，Ｂが設けられている。入力ラインＡは、遅延処理部６を経て信号を入力するラインである。遅延処理部６は、入力された信号を所定の遅延時間だけ遅らせて出力する。遅延時間は任意に設定することができる。本実施の形態では、遅延時間は固定であってスロットル開度の演算周期（例えば８msec）の４周期分（32msec）に設定されている。入力ラインＢは、スロットル開度算出部４から出力切替部８へ直接信号を入力するラインである。

出力切替部８は、２つの入力ラインから入力される信号の何れか一方を選択してスロットルドライバ１２に出力する。スロットルの操作は直接的にはスロットルドライバ１２により行われる。スロットルドライバ１２は、出力切替部８からスロットル開度を受信し、それを開度指令値としてスロットルに出力する。

出力切替部８による入力ラインの選択の切り替えは、切替判定部１０からの切替指示に従って行われる。出力切替部８で入力ラインＡが選択されている場合には、遅延処理されたスロットル開度がスロットルへ出力されることになる。この場合、要求トルクとスロットルの動作によって実現される実トルクとの間には、遅延時間の分だけの応答遅れが生じることになる。切替判定部１０は、入力ラインＡを基本の選択とし、所定の切替条件が成立したときのみ入力ラインＢへの切り替えを指示する。切替条件の内容については追って詳細に説明する。出力切替部８による選択が入力ラインＢに切り替えられた場合、スロットル開度算出部４で算出されたスロットル開度がそのままスロットルへ出力されることになる。この場合、スロットルの動作によって実現される実トルクは要求トルクに対して速やかに追従するようになる。

次に燃料噴射装置を操作するための制御装置の構成について説明する。燃料噴射装置の操作は直接的には燃料噴射装置ドライバ２０により行われる。燃料噴射装置ドライバ２０は、上流の計算要素から燃料噴射量を受信し、燃料噴射量に基づいて燃料噴射装置の駆動時間と駆動開始タイミング又は終了タイミングとを計算する。そして、計算した駆動時間と駆動開始タイミング又は終了タイミングとに従って燃料噴射装置を動作させる。なお、燃料噴射装置は吸気ポートに燃料を噴くものでも気筒内に直接燃料を噴くものでもよい。或いは、必要な量の燃料の一部を吸気ポートに噴射して残りの燃料を気筒内に直接噴射するものであってもよい。

燃料噴射量は燃料噴射量算出部１８で計算される。燃料噴射量算出部１８は、筒内吸入空気量の予測値と、燃料噴射により実現される筒内空燃比の目標値（目標空燃比）とに基づいて燃料噴射量を計算する。排気ガスの空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御が行われている場合には、そのフィードバック補正係数も燃料噴射量の計算に反映されるようになっている。

筒内吸入空気量の計算は空気量算出部１６にて行われる。空気量算出部１６は、吸気弁の閉タイミング、すなわち、筒内吸入空気量の確定タイミングにおけるスロットル開度を取得し、そのスロットル開度で達成される空気量を前述のエアモデルによって計算する。空気量算出部１６は、エアモデルで算出した筒内吸入空気量の予測値を燃料噴射量算出部１８に出力する。

筒内吸入空気量の計算に使用されるスロットル開度は、予測開度算出部１４にて計算される。筒内吸入空気量の正確な計算のためには、上述のように、吸気弁の閉弁時点でのスロットル開度が情報として求められる。しかし、適正なタイミングで燃料噴射を実行するためには、燃料噴射量の演算は吸気弁が閉弁する前には完了していなければならない。このため、燃料噴射の演算タイミングでは、将来値である吸気弁の閉弁時点での実際のスロットル開度を取得することはできない。そこで、予測開度算出部１４は、現時点、すなわち、燃料噴射量の計算タイミングから吸気弁の閉弁時点までの時間（以下、先読み時間という）だけ将来のスロットル開度を予測し、予測したスロットル開度を吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度として空気量算出部１６に出力する。

吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度の予測は、スロットル開度算出部４から予測開度算出部１４に１演算周期ごとに入力される遅延処理前のスロットル開度に基づいて行われる。その具体的な予測方法は、出力切替部８において入力ラインＡ，Ｂの何れが選択されているかによって異なった内容となる。

出力切替部８において入力ラインＡが選択されている場合、スロットルの操作は遅延処理されたスロットル開度に従って行われている。このため、スロットル開度算出部４から入力される遅延処理前のスロットル開度は、現在から遅延時間だけ将来のスロットル開度の予測値に相当する。したがって、遅延時間が先読み時間よりも長い場合には、スロットル開度算出部４からのスロットル開度の入力履歴を見ることで、吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度を予測することができる。なお、開度指令値に対するスロットルの応答遅れによって、スロットルドライバ１２から出力されるスロットル開度（開度指令値）と実際のスロットル開度との間にずれが生じる場合がある。そのような場合には、スロットルの応答特性をモデル化したスロットルモデルを用意しておき、スロットル開度算出部４から入力されるスロットル開度をスロットルモデルで処理することによって、現在から遅延時間だけ将来の実スロットル開度を得るようにしてもよい。

ところで、先読み時間は、機関回転数や吸気弁のバルブタイミングによって変化する。例えば機関回転数が高くなるほど先読み時間は短くなり、バルブタイミングの進角によって先読み時間は短くなる。このため、遅延時間が先読み時間よりも短くなる場合があるが、そのような場合には、スロットル開度算出部４からのスロットル開度の入力履歴からだけでは吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度を予測することができない。この場合、予測開度算出部１４は、現在から遅延時間が経過した時点でのスロットル開度の予測変化率を計算する。そして、その予測変化率を用いて、遅延時間が経過してから吸気弁が閉弁するまでの間のスロットル開度の予測変化量を計算する。現在から遅延時間が経過した時点での予測スロットル開度に前記の予測変化量を加えることで、吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度を予測することができる。

一方、出力切替部８において入力ラインＢが選択されている場合は、スロットルの操作は遅延処理されていないスロットル開度に従って行われている。このため、スロットル開度算出部４から予測開度算出部１４に入力されるスロットル開度と、スロットルドライバ１２からスロットルに出力されるスロットル開度との間には時間のずれはない。この場合、予測開度算出部１４は、スロットル開度算出部４から入力されたスロットル開度の変化率、すなわち、現時点での実際のスロットル開度の変化率を計算する。そして、その変化率を用いて、現時点から吸気弁が閉弁するまでの間のスロットル開度の予測変化量を計算する。現時点のスロットル開度に前記の予測変化量を加えることで、吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度を予測することができる。なお、スロットルドライバ１２から出力されるスロットル開度（開度指令値）と実際のスロットル開度との間にずれがある場合には、前述のスロットルモデルを用いて実際のスロットル開度やその変化率を計算するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態の制御装置では、出力切替部８における入力ラインＡ，Ｂの選択の切り替えに応じて、吸気弁の閉弁時点におけるスロットル開度の予測方法も変更されるようになっている。出力切替部８で入力ラインＡが選択されている場合と入力ラインＢが選択されている場合とを予測精度の観点で比較した場合、明らかに前者のほうが高い予測精度を得ることができる。この予測精度は筒内吸入空気量の計算精度につながることから、入力ラインＡが選択されているとき、すなわち、スロットルの遅延制御が行われているときのほうが優れた空燃比の制御性を得ることができる。しかし、その反面、遅延処理を行うと遅延時間の分だけ要求トルクに対するスロットルの応答は遅くなり、トルクの応答性は低下することになる。これらのことを考慮すると、出力切替部８によって入力ラインＡ，Ｂの選択を切り替える上では、空燃比の制御性とトルクの応答性とを如何にバランスさせるかが重要であるといえる。

以下では、切替判定部１０による入力ラインＡ，Ｂの選択の切り替えの判断について説明する。前述のように、切替判定部１０は所定の切替条件の成否によって切り替えを判断する。切替条件とは、具体的には次の二つの命題の論理積である。
１．機関回転数が所定回転数を超えていること
２．緊急のトルク要求が入力されていること

上記の切替条件によれば、機関回転数が所定回転数を超える高回転域で内燃機関が運転されていて、ＶＳＣ等から緊急のトルク要求が発せられた場合にのみ、入力ラインＢが選択されてスロットルの遅延制御が中断されることになる。そして、機関回転数が所定回転数以下の運転域では、緊急のトルク要求の有無にかかわらず、常に入力ラインＡが選択されてスロットルの遅延制御が行われることになる。

このように入力ラインＡ，Ｂの選択を切り替える場合、一見すると、機関回転数が所定回転数以下の運転域でのトルク応答性の確保について懸念されるかもしれない。しかし、本実施の形態の制御装置には、要求トルクに基づいて要求空気量を設定し、エア逆モデルを用いて要求空気量からスロットル開度を算出するという特徴がある。エア逆モデルを用いた計算によれば、エア逆モデルを用いない場合（例えば要求トルクの線形変換によってスロットル開度を得る場合）に比較して、高いトルク応答性を実現できるようなスロットル開度の設定が可能となる。図２は、要求トルクの変化に対するスロットル開度及び実トルクの変化を、エア逆モデルを用いない場合（ａ）と、エア逆モデルを用いた場合（ｂ）とで比較して示す図である。この図に示すように、エア逆モデルを用いる場合には、スロットル開度を一時的にオーバーシュートさせることができ、それにより実トルクの立ち上がり速度を向上させることができる。

図３は、スロットルの動作に対するトルクの応答を一次遅れ特性で表したときの応答時間（例えば６３％応答時間）と機関回転数との関係を表した図である。図３に細実線で示すのが要求応答時間と機関回転数との関係であり、二点鎖線で示すのがエア逆モデルを用いて得られる応答時間と機関回転数との関係である。そして、太線（実線及び破線）で示すのがスロットルの遅延制御を行った場合に実現される応答時間と機関回転数との関係である。この図からは、エア逆モデルを用いたスロットル開度の計算によれば、トルク応答性を損なうことなくスロットルを遅延制御できることが確認できる。

ただし、エア逆モデルを用いることによるトルク応答性の向上効果は、機関回転数が高くなるにつれて薄まっていく。そして、ある回転数以上の高回転域では、スロットルの遅延制御を行った場合の応答時間は要求応答時間を越えてしまう。そこで、上記の切替条件に示すように、機関回転数が所定回転数Nethを越える高回転域において緊急のトルク要求が発せられた場合には、スロットルの遅延制御を中断するようにしたのである。所定回転数Nethは、スロットルの遅延制御を行うときの応答時間と要求応答時間とが一致するときの機関回転数である。所定回転数Nethは固定値でもよいし、バルブタイミング等のトルク応答性に影響する他のパラメータの値に応じて変えてもよい。なお、図３において太い実線は、緊急のトルク要求の有無にかかわらず常にスロットルの遅延制御が行われることを意味し、太い破線は、緊急のトルク要求が有ったときにはスロットルの遅延制御が中断されることを意味している。

上記のように遅延制御の中断／継続を判断することで、緊急のトルク要求に関しては高回転域でのトルク応答性の低下を抑えることができる。また、トルク応答性自体は機関回転数の上昇につれて向上していくので、高回転域ではスロットルの遅延制御がドライバビリティに与える影響は相対的に低くなる。緊急のトルク要求が発せられていないときには遅延制御を継続することで、ドライバビリティに関して十分なトルク応答性を確保しながら、空燃比の制御性を担保することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態としての制御装置について説明した。本実施の形態と本発明との対応関係は次の通りである。図１に示す構成において、要求空気量算出部２は本発明の「要求空気量算出手段」に相当する。スロットル開度算出部４は本発明の「スロットル開度算出手段」に相当する。遅延処理部６は本発明の「遅延処理手段」に相当する。スロットルドライバ１２は本発明の「操作量出力手段」に相当する。予測開度算出部１４は本発明の「将来開度予測手段」に相当する。そして、出力切替部８及び切替判定部１０によって本発明の「遅延処理中断手段」が構成されている。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態ものから種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態を次のように変形して実施してもよい。

本発明の実施の形態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。 エア逆モデルを用いる場合と用いない場合とで、要求トルクに対するスロットル開度及び実トルクの応答を比較して示す図である。 本発明の実施の形態にかかるスロットル制御で得られるトルク応答特性について示す図である。 従来のスロットル制御で得られるトルク応答特性について示す図である。

符号の説明

２ 要求空気量算出部
４ スロットル開度算出部
６ 遅延処理部
８ 出力切替部
１０ 切替判定部
１２ スロットルドライバ
１４ 予測開度算出部
１６ 空気量算出部
１８ 燃料噴射量算出部
２０ 燃料噴射装置ドライバ

Claims (1)

1. 将来の所定時点におけるスロットルの開度を予測し、予測したスロットル開度に基づいて空燃比制御に係る所定のパラメータ値を演算する内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関に要求されるトルクに基づいて要求空気量を算出する要求空気量算出手段と、
   前記スロットルの動作に対する筒内吸入空気量の応答をモデル化した吸気系モデルの逆モデルを具備し、前記逆モデルを用いて前記要求空気量を実現するためのスロットル開度を算出するスロットル開度算出手段と、
   前記スロットル開度算出手段で算出されたスロットル開度を遅延処理する遅延処理手段と、
   前記遅延処理手段から出力されるスロットル開度を前記スロットルに操作量として出力する操作量出力手段と、
   前記遅延処理手段による遅延処理前のスロットル開度に基づいて前記所定時点におけるスロットル開度を予測する将来開度予測手段と、
   機関回転数が所定回転数を越える高回転域において所定のトルク要求発生源から緊急のトルク要求が発せられた場合には、前記遅延処理手段によるスロットル開度の遅延処理を中断する遅延処理中断手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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