JP5192902B2

JP5192902B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP5192902B2
Application number: JP2008131281A
Authority: JP
Inventors: 博志秋山
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP2009281157A

Description

本発明は、エンジンの目標トルクから目標吸入空気量を算出し、該目標吸入空気量と該目標吸入空気量に対応する燃料噴射量とに基づいてエンジンの出力トルクを制御するエンジンの制御装置に関する。

一般に、スロットル弁をアクチュエータによって開閉駆動する電子制御スロットル装置を備えるエンジンでは、アクセルペダルの踏込み等、運転者の操作意図に応じて目標エンジントルクが決定され、この目標エンジントルクを出力するように目標となる吸入空気量が決定される。そして、この目標吸入空気量と、目標吸入空気量に対応する燃料噴射量とに基づいてエンジンの出力トルクが制御される。

このようなエンジンでは、空気量を精度高く制御する必要があり、例えば、特許文献１や特許文献２には、スロットル通過空気流量目標値をスロットルバルブ前後の差圧と空気通過面積と流量係数とを基本とするオリフィスの流量式に適用することで、スロットルバルブの目標開口面積を求め、スロットルバルブを駆動するアクチュエータの操作指示値を設定する技術が開示されている。
特開平１１−２２９９３５特開２０００−５４８６３

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示されているような従来の技術では、燃料量や点火時期等の制御量を算出する際に、実際の吸入空気量に関連したパラメータ（例えば、エアフローメータ出力、吸入管圧力、電子制御スロットル又はアイドルスピード制御バルブ等の吸入空気量制御用アクチェータの動作量等）を利用しているため、理論的には失火限界となる空気量がエンジン出力の低負荷側の制御限界となっている。ところが、実際には燃料噴射弁にも燃料計量の分解能の限界があり、この燃料計量限界から設定される空気量、あるいはスロットル弁の空気量制御の分解能、特に、大出力が可能なエンジンでは、スロットル弁の径が必然的に大きくなることから、一般的なバタフライ型のスロットル弁を使用する限り、少量の空気量の制御が難しいといった問題がある。

このスロットル弁や燃料噴射装置の分解能不足の対策として、例えば少量の空気量制御だけを目的とする分解能の高い制御弁や空気量調整機構等の空気量制御用部品を追加することが考えられるが、部品点数、コスト、重量の増加を招いてしまう。更に、分解能が高い空気量制御用部品を設けたとしても、その空気量制御用部品自体の制御限界がエンジンの低負荷側の制御限界とは成り得ず、失火限界となる空気量以下の出力の制御ができないと言う問題の解決には至らない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、少量の空気量を制御するための部品を要することなくエンジンの小出力側の制御を行うことを可能とし、更に、低負荷側にエンジンの制御域を拡大することのできるエンジンの制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるエンジンの制御装置は、エンジンの目標トルクから目標吸入空気量を算出し、該目標吸入空気量と該目標吸入空気量に対応する燃料噴射量とに基づいてエンジンの出力トルクを制御するエンジンの制御装置において、上記目標吸入空気量を、空気量の制御限界値に相当する設定値と、上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値との何れか大きい方と比較し、上記目標吸入空気量が上記空気量の制御限界値に相当する設定値と上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値とのうちの大きい方の設定値未満のとき、上記目標吸入空気量が低負荷方向の制御限界から外れていると判断する制御限界判断部と、上記目標吸入空気量が低負荷方向の制御限界から外れていると判断されたとき、上記目標吸入空気量を上記空気量の制御限界値に相当する設定値と上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値とのうちの大きい方の設定値に固定する吸入空気量固定部と、上記目標吸入空気量が上記空気量の制御限界値に相当する設定値と上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値とのうちの大きい方の設定値に固定されたとき、上記目標トルクに基づいて低負荷時の点火時期を決定する低負荷時点火時期決定部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、少量の空気量や少量の燃料噴射量を制御するための部品を要することなくエンジンの小出力側の制御を行うことが可能となり、加えて、低負荷側にエンジンの制御域を拡大することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図３は本発明の実施の一形態に係り、図１はエンジン系の概略構成図、図２は低負荷域制御を含むエンジン制御の機能ブロック図、図３はエンジン制御ルーチンのフローチャートである。

図１において、符号１はエンジンである。本実施の形態においては、エンジン１は、自動車の走行動力源としてドライバのアクセルペダルの操作に応じて出力が可変される一般的な例について説明するが、電気モータとエンジンとを併用するハイブリッド車（特に、電気モータによって走行し、バッテリに充電する発電機をエンジンによって駆動するシリーズハイブリッド車）や、その他、各種機器の動力源として利用され、エンジン出力を可変する場合にも適用可能である。

エンジン１の上部にはシリンダヘッド２が設けられ、このシリンダヘッド２に、エンジン１の燃焼室１ａに連通する吸気ポート３と排気ポート４とが設けられている。また、シリンダヘッド２には、吸気ポート３を開閉する吸気弁５と排気ポート４を開閉する排気弁６とが配設され、更に、燃焼室１ａ内に先端の放電電極を露呈する点火プラグ７が取り付けられている。

また、吸気ポート３には、吸気マニホルド８が連通され、この吸気マニホルド８の吸気ポート２ａ直上流側に、インジェクタ９が燃料噴射口を吸気弁５の方向へ指向した状態で配設されている。吸気マニホルド８は吸気通路１０に連通され、この吸気通路１０の中途にスロットル弁１１が配設され、スロットル弁１１の上流側に、エアクリーナ１２が配設されている。一方、排気ポート４は、排気マニホルド１３を介して排気通路１４に連通され、この排気通路１４の中途に触媒１５が介装されている。

スロットル弁１１は、例えば周知のバタフライ型のバルブであり、スロットル弁１１に連設される駆動用モータ等のスロットルアクチュエータ２０によって開閉駆動される。このスロットルアクチュエータ２０は、エンジン１を電子的に制御する電子制御装置（ＥＣＵ）５０によって駆動制御される。

ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータを中心として、入出力インターフェースや周辺回路を備えて構成されており、運転状態を検出する各種スイッチ・センサ類が入力側に接続され、エンジン１に備えられた各種機器類が出力側に接続されている。

ＥＣＵ５０の入力側に接続されるスイッチ・センサ類としては、吸気通路１０のエアクリーナ１２直下流に設けられて吸入空気量を検出する吸入空気量センサ３０、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ３１、排気通路１４の触媒１５上流側に配設された空燃比センサ３２、クランク角を検出するクランク角センサ３３、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ３４等がある。また、ＥＣＵ５０の出力側に接続される機器類としては、上述のインジェクタ９、スロットルアクチュエータ２０、点火プラグ７に接続される点火コイル（図示せず）をＯＮ，ＯＦＦするイグナイタ２１、その他、各種制御弁等がある。

尚、ＥＣＵ５０は、更に、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク（図示せず）に接続され、この車内ネットワークに接続される他の複数のＥＣＵ、例えば変速機を制御するトランスミッションＥＣＵやブレーキを制御するブレーキＥＣＵ等の他の複数のＥＣＵと相互にデータを送受信し、各種情報の授受を行う。

ＥＣＵ５０は、エンジン運転状態を検出するセンサ・スイッチ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、各種制御量を演算し、エンジン制御を実行する。このＥＣＵ５０によるエンジン制御においては、アクセルペダルの踏込量からドライバの要求するエンジントルク（目標エンジントルク）を演算し、この目標エンジントルクに対応した吸入空気量の目標値（目標吸入空気量）と、目標吸入空気量に対応する燃料噴射量とを用いてエンジンの出力トルクを制御する。

この場合、目標吸入空気量への制御は、スロットルアクチュエータ２０を介してスロットル弁１１の開度を制御することで行われるが、アクセルペダルの踏込量が小さい低負荷領域では、目標吸入空気量が小さくなり、通常のバタフライ型のスロットル弁１１では少量の空気量を制御することが困難となる。

このため、ＥＣＵ５０には、図２に示すように、アクセルペダルの踏込量とエンジン回転数とから目標エンジントルクを演算する目標エンジントルク演算部５１、目標エンジントルクに対応する目標吸入空気量を演算する目標吸入空気量演算部５２、目標吸入空気量を得るためのスロットル開度を演算し、このスロットル開度を実現するスロットルアクチュエータ２０の制御量を決定するスロットル制御部５３、目標吸入空気量に対応する燃料噴射量を演算する燃料噴射量演算部５４、エンジン回転数、吸入空気量、冷却水温等のエンジン運転状態に基づいて点火時期を決定し、イグナイタ２１に対する点火信号を設定する点火時期演算部５５による通常の制御部に加え、低負荷域でのエンジン制御機能として、空気量制御限界判断部５６、吸入空気量固定部５７、低負荷時点火時期決定部５８を備えている。

すなわち、空気量制御限界判断部５６は、目標吸入空気量を、空気量の減少による点火プラグ７の失火限界やインジェクタ９の燃料量計量限界等から空気量の制御限界として定められた設定値と比較し、目標吸入空気量が設定値以上であれば、通常の運転状態であるとして通常のエンジン制御を指示し、目標吸入空気量が設定値未満のとき、空気量の制御限界から外れていると判断して、吸入空気量固定部５７及び低負荷時点火時期決定部５８による制御を指示する。

吸入空気量固定部５７は、空気量の制御限界を外れたとき、目標吸入空気量演算部５２で演算された目標吸入空気量を、空気量の制御限界値に相当する設定値に固定し、エンジンの吸入空気量（本形態においてはスロットル弁１１を通過する空気量）が設定値に固定されるようスロットル制御部５３に指示する。

低負荷時点火時期決定部５８は、目標吸入空気量が設定値に固定されたとき、点火時期演算部５５に代わって目標エンジントルクに基づいて低負荷時の点火時期を決定し、イグナイタ２１に対する点火信号を設定する。

この低負荷時点火時期決定部５８で決定される点火時期は、通常運転時の点火時期が例えば目標吸入空気量に対応してエンジンの最大トルクを引き出す最適点火時期（ＭＢＴ：Ｍinimum Ｓpark Ａdvance for Ｂest Ｔorque）に設定されるのに対して、吸入空気量が制限限界近傍で固定された条件下において、目標エンジントルクに対応する小出力のエンジントルクを安定的に発生させることのできる点火時期に設定される。

以上の低負荷域でのエンジン制御に係る処理は、具体的には、図３のフローチャートに示すエンジン制御ルーチンのプログラム処理によって実行される。以下、エンジン制御ルーチンについて、図３のフローチャートを用いて説明する。

このエンジン制御ルーチンは、所定時間毎に実行され、先ずステップＳ１において、クランク角センサ３３からの信号に基づいてエンジン回転数を算出する。次に、ステップＳ２でアクセル開度センサ３４からの信号に基づいてアクセルペダルの踏込量を検出し、ステップＳ３で吸入空気量センサ３０からの信号に基づいて吸入空気量を検出する。

次に、ステップＳ４へ進み、アクセルペダルの踏込量とエンジン回転数とに基づいて目標エンジントルクをマップ参照等により算出する。尚、この目標エンジントルクは、アクセルペダルの踏込量、エンジン回転数に加え、変速機の変速段を考慮して算出するようにしても良い。

続くステップＳ５では、目標エンジントルクを発生させるに必要な吸入空気量（目標吸入空気量）を算出する。この目標吸入空気量は、アクセルペダル踏込量が大きく且つエンジン回転数が高くなる程、増加する値としてマップ参照等により算出される。

その後、ステップＳ６へ進み、目標吸入空気量を空気量の制御限界値に相当する設定値と、インジェクタ９の燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値との何れか大きい方である設定値とを比較する。その結果、目標吸入空気量が設定値以上である場合には、空気量の制御限界内であると判断し、ステップＳ７，Ｓ１０，Ｓ１１で、それぞれ、点火時期、基本燃料噴射量、目標スロットル開度を算出して通常のエンジン制御を実行する。

この通常エンジン制御においては、スロットル弁１１を通過する実空気量が目標吸入空気量に一致するようスロットルアクチュエータ２０を介してスロットル弁１１の開度を制御すると共に、吸入空気量センサ３０で計測した実吸入空気量とエンジン回転数とから算出した行程当たりの基本燃料噴射量に、空燃比センサ３２からの信号に基づく空燃比フィードバック補正や水温センサ３１で検出したエンジン水温に基づく補正等の各種補正を加えた燃料噴射量をインジェクタ９から噴射する。そして、エンジン回転数に基づいて算出した点火時期で混合気に着火し、エンジン運転状態に応じた最適な燃焼状態への制御を実施することで、エンジンの出力トルクが目標エンジントルクとなるように制御する。

一方、ステップＳ６において、目標吸入空気量が設定値未満であるときには、低負荷方向への空気量の制御限界から外れていると判断し、ステップＳ８で目標エンジントルクから低負荷時の点火時期を算出し、ステップＳ９で目標吸入空気量を設定値に固定する。

目標エンジントルクから算出される低負荷時の点火時期は、吸入空気量が制御限界近傍の設定値に固定され、この固定された空気量に対応する燃料噴射量での制御下において、発生するエンジントルクと点火時期との関係を予め実験或いはシミュレーション等により求めてマップを作成しておき、このマップを用いて決定する。

この場合、点火時期のマップは、目標エンジントルクと点火時期との２次元マップ、或いは、エンジンが低負荷を利用する領域を考慮し、目標エンジントルクとエンジン回転数と点火時期との３次元マップとして作成する。このマップを参照して算出される点火時期には、水温等その他の補正を加え、低負荷時の目標エンジントルクを発生させる点火時期とする。

以上の低負荷時の点火時期を算出し、目標吸入空気量を設定値に固定した後は、ステップＳ１０へ進み、固定された吸入空気量に対応する基本燃料噴射量を算出し、ステップＳ１１で、同様に固定された吸入空気量に対応する目標スロットル開度を算出して低負荷時のエンジン制御を実行する。

この低負荷時のエンジン制御は、スロットル弁１１を通過する実吸入空気量が設定値に固定されるようスロットルアクチュエータ２０を介してスロットル弁１１の開度を制御すると共に、吸入空気量センサ３０で計測した実吸入空気量（固定された吸入空気量の計測値）とエンジン回転数とから算出した行程当たりの基本燃料噴射量に、空燃比センサ３２からの信号に基づく空燃比フィードバック補正や水温センサ３１で検出したエンジン水温に基づく補正等の補正を加えた燃料噴射量をインジェクタ９から噴射する。そして、目標エンジントルクに基づいて算出した点火時期で混合気に着火し、小出力のエンジントルクを安定的に出力する。

このように、本実施の形態においては、アクセルペダルの踏込量が小さく、目標エンジントルクに対応する目標吸入空気量が制御限界を外れるような運転状態においても、分解能の高い空気量制御部品を用いる必要がなく、部品点数の増加やコスト上昇を招くことなくエンジンの小出力側の制御を安定的に行うことができる。特に、大出力のエンジンにおいては、少量の空気量を制御する必要がないことから、効果的に低負荷側の制御領域を拡大することができる。

なお、本実施の形態においては、目標となるエンジントルクに基づいて目標空気量を決定し、燃料噴射量は空気量に基づき決定される、空気量主導型の制御に付いて説明したが、目標となるエンジントルクに基づいて目標燃料噴射量を決定し、吸入空気量を燃料噴射量に基づき決定する、燃料噴射量主導型の制御についても適用可能である。

エンジン系の概略構成図低負荷域制御を含むエンジン制御の機能ブロック図エンジン制御ルーチンのフローチャート

符号の説明

１エンジン
５０電子制御装置
５１目標エンジントルク演算部
５２目標吸入空気量演算部
５６空気量制御限界判断部
５７吸入空気量固定部
５８低負荷時点火時期決定部

Claims

エンジンの目標トルクから目標吸入空気量を算出し、該目標吸入空気量と該目標吸入空気量に対応する燃料噴射量とに基づいてエンジンの出力トルクを制御するエンジンの制御装置において、
上記目標吸入空気量を、空気量の制御限界値に相当する設定値と、上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値との何れか大きい方と比較し、上記目標吸入空気量が上記空気量の制御限界値に相当する設定値と上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値とのうちの大きい方の設定値未満のとき、上記目標吸入空気量が低負荷方向の制御限界から外れていると判断する制御限界判断部と、
上記目標吸入空気量が低負荷方向の制御限界から外れていると判断されたとき、上記目標吸入空気量を上記空気量の制御限界値に相当する設定値と上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値とのうちの大きい方の設定値に固定する吸入空気量固定部と、
上記目標吸入空気量が上記空気量の制御限界値に相当する設定値と上記燃料噴射量の制御限界値に対応する空気量に相当する設定値とのうちの大きい方の設定値に固定されたとき、上記目標トルクに基づいて低負荷時の点火時期を決定する低負荷時点火時期決定部と
を備えることを特徴とするエンジンの制御装置。
上記燃料噴射量を、上記目標吸入空気量への制御結果による実吸入空気量の計測値に基づいて算出することを特徴とする請求項１記載のエンジンの制御装置。
上記目標吸入空気量への制御を、スロットル弁を開閉駆動するアクチュエータを制御して行うことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンの制御装置。