JP5273295B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気量と点火時期とによってトルクを制御可能な内燃機関、より詳しくは、吸気バルブのバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構とスロットルとを有する火花点火式の内燃機関の制御装置に関する。

従来、自動車用の内燃機関の制御に関し、要求トルクの実現に向けてスロットルや点火装置等のアクチュエータの動作を制御するトルクデマンド制御が知られている。例えば、特開２００６−２００４６６号公報や特開２００９−０４７１０１号公報には、そのようなトルクデマンド制御に関する発明が記載されている。

内燃機関のトルクデマンド制御では、内燃機関の運転に関わる各アクチュエータの統合制御が行われる。スロットルを有する火花点火式の内燃機関の場合であれば、スロットルと点火装置との統合制御によってトルクを制御することができる。ただし、その統合制御の過程では、他のアクチュエータの動作状態も考慮に入れる必要がある。具体的には、吸気バルブのバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構（以下、ＩＮ−ＶＶＴと表記する）を有する内燃機関の場合には、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態を考慮に入れてスロットルや点火装置の各操作量を決定する必要がある。吸気バルブのバルブタイミングは内部ＥＧＲを左右し、内部ＥＧＲは内燃機関のトルクに影響するからである。

ＩＮ−ＶＶＴの動作状態がトルクに与える影響について具体的に説明する。ＩＮ−ＶＶＴが最遅角位置にある場合、吸気バルブと排気バルブのバルブオーバーラップはなくなり、内部ＥＧＲは最小になる。このため、点火時期が一定であるならば、ＩＮ−ＶＶＴが最遅角位置にあるときにトルクは最大となる。そして、吸気バルブのバルブタイミングが進角するにつれて内部ＥＧＲの影響が大きくなり、トルクは最大トルクよりも低くなる。この様子を圧力−クランク角線図で示したのが図６である。図６には、星印で示す点火時期以降の筒内圧力の変化が、吸気バルブのバルブタイミングが最遅角の場合と、最遅角からクランク角度で２０度進角された場合とで比較して示されている。ここでは、ＩＮ−ＶＶＴが最遅角位置にあるときを基準とし、このときの吸気バルブのバルブタイミング（ＩＮＶＴ）を０度としている。図６に示すように、吸気バルブのバルブタイミングの進角によって燃焼重心に遅れが生じ、結果、筒内圧力の最大値は低下することになる。燃焼重心の遅れは、ＥＧＲ率の増大によって燃焼速度が低下したことによる。トルクは筒内圧力の最大値に相関していることから、吸気バルブのバルブタイミングの進角により燃焼重心が遅れることでトルクの低下が生じることになる。

しかしながら、現時点において公知となっている文献の範囲においては、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態を考慮に入れた統合制御に関する記載は見当たらない。そこで、本発明の創案過程において検討された統合制御の一つの方法について紹介する。

検討した方法は、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態、すなわち、吸気バルブのバルブタイミングを点火時期制御に反映させる方法である。この方法では、要求トルクから目標空気量を算出する過程では吸気バルブのバルブタイミングは考慮しない。実際の吸気バルブのバルブタイミングに関係なく、吸気バルブのバルブタイミングが最遅角されているという前提で要求トルクの実現に必要な空気量を算出し、算出した空気量を目標空気量としてスロットルを制御する。そして、吸気バルブのバルブタイミングの進角によるトルクの低下を補償するように、実際の吸気バルブのバルブタイミングに応じて点火時期を進角補正する。このような方法でスロットルと点火装置とを統合制御することで、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態の影響を受けることなく要求トルクを実現できるものと期待されていた。

ところが、実際には、点火時期の補正のみでは要求通りのトルクを実現することは困難であった。前記の方法による点火時期の補正結果を圧力−クランク角線図で示したのが図７である。図７に示すように、吸気バルブのバルブタイミングを進角（図７ではＶＴ＝２０）した状態で点火時期を進角補正した場合、筒内圧力の最大値は要求トルクの実現に十分な筒内圧力を超えてしまうことになった。つまり、トルクが要求トルクを超えて出過ぎてしまうことになった。これは、吸気バルブのバルブタイミングの進角による内部ＥＧＲの増大が、ポンピングロスの低減、圧縮端圧力の増加、或いは冷却損失の低減といったトルクを増大させる種々の要因につながったためであると考えられる。

本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものである。そして、その目的は、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態の影響を受けること無く、要求通りのトルクを実現することのできる内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明の１つの態様によれば、制御装置は、ＭＢＴにおける空気量とトルクとの関係をＩＮ−ＶＶＴの動作状態に関連付けて定めたデータを記憶していて、このデータに基づいて要求トルクを実現するための目標空気量を算出する。そして、目標空気量を実現するようにスロットルを制御する。なお、ＩＮ−ＶＶＴの制御は内燃機関の運転状態に応じて成り行きで行なわれる。また、この制御装置は、ＩＮ−ＶＶＴが最遅角位置にある場合の空気量とＭＢＴとの関係を定めたデータを記憶していて、このデータに基づいて、スロットルの動作によって実際に実現される実空気量から基本点火時期を算出する。さらに、この制御装置は、基本点火時期にて実現されるトルクと要求トルクとの差を補償するための点火時期の進角補正量をＩＮ−ＶＶＴの動作状態から決定し、基本点火時期と進角補正量とから最終的な点火時期を決定する。点火時期の進角補正量を決定する方法としては、点火時期の進角補正量をＩＮ−ＶＶＴの最遅角位置からの進角量に関連付けて定めたデータを予め制御装置に記憶しておき、そのデータを用いて決定することが好ましい。

上述の態様によれば、目標空気量の算出過程と点火時期の算出過程の双方においてＩＮ−ＶＶＴの動作状態が考慮される。このため、緻密なトルク制御が可能であり、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態の影響を受けること無く、要求通りのトルクを実現することができる。

本発明の実施の形態の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 吸気バルブのバルブタイミングが５０％燃焼遅れ量とトルクとの関係に与える影響について調べた実験結果を示す図である。 吸気バルブのバルブタイミングが５０％燃焼遅れ量とトルク感度との関係に与える影響について調べた実験結果を示す図である。 本発明の実施の形態で採られているトルク制御の方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態で採られているトルク制御の方法を説明するための図である。 吸気バルブのバルブタイミングがトルクに与える影響について説明するための図である。 本発明の創案過程で検討された統合制御の問題点について説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図５の各図を参照して説明する。

本実施の形態において制御対象とされる内燃機関は、内燃機関の運転に関わるアクチュエータとして、スロットルと点火装置に加えてＩＮ−ＶＶＴ（吸気側可変バルブタイミング機構）を有する火花点火式の内燃機関である。本実施の形態の制御装置は、内燃機関の運転状態（例えばエンジン転速度及び負荷）に応じた最適なバルブタイミングになるようにＩＮ−ＶＶＴを制御する。また、本実施の形態の制御装置は、スロットルと点火装置との統合制御によって内燃機関のトルク制御を行う。そして、その統合制御の過程において、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態、すなわち、吸気バルブのバルブタイミングを１つのパラメータとして使用する。

図１は本発明の実施の形態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に示すように、本実施の形態の制御装置２は、それが有する機能別に、目標空気量算出部４、目標スロットル開度算出部６、スロットル制御部８、実空気量算出部１０、基本点火時期算出部１２、ＶＶＴ進角補正量算出部１４及び最終点火時期算出部１６に分けることができる。これらの要素４，６，８，１０，１２，１４，１６は、制御装置２が有する種々の機能的な要素のうち、トルク制御のためのスロットル及び点火装置の操作に関係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、制御装置がこれらの要素４，６，８，１０，１２，１４，１６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４，６，８，１０，１２，１４，１６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。

制御装置２は、要求トルク及び要求Ａ／Ｆ（空燃比）を取得する。車両の制御系統において、制御装置２の上位にはパワートレインマネージャ（図示省略）が配置されている。要求トルク及び要求Ａ／Ｆはそのパワートレインマネージャから制御装置２に供給されるようになっている。

制御装置２は、取得した要求トルク及び要求Ａ／Ｆを現時点のエンジン回転数とともに目標空気量算出部４に入力する。目標空気量算出部４にはＭＢＴ空気量マップが具備されている。ＭＢＴ空気量マップは、ＭＢＴにおける空気量とトルクとの関係をエンジン回転数、Ａ／Ｆ、及びＩＮ−ＶＶＴの動作状態に関連付けて定めたマップであって、実験で得られたデータを元に作成されている。目標空気量算出部４は、入力された情報をキーにしてＭＢＴ空気量マップを検索することによって目標空気量を算出する。ＭＢＴ空気量マップから算出される目標空気量は、運転状態から決まる最適点にバルブタイミングが制御されている前提のもとで要求トルクを実現するのに必要な空気量である。したがって、成り行きで決まる吸気バルブのバルブタイミングの最適点が進角側であるほど、ＭＢＴ空気量マップから算出される目標空気量はより小さい値に補正されることになる。

次に制御装置２は、目標空気量をスロットル開度算出部６に入力する。目標スロットル開度算出部６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空気量の応答をモデル化した物理モデルがエアモデルであって、エア逆モデルはその逆モデルである。エア逆モデルに目標空気量を入力することで、それを実現するための目標スロットル開度が算出される。

制御装置２は、目標スロットル開度をスロットル制御部８に入力する。スロットル制御部８は、目標スロットル開度に従ってスロットルを制御する。その際、入力された目標スロットル開度を所定の遅延時間だけ遅延させ、遅延後の目標スロットル開度に従ってスロットルを制御する、いわゆるスロットルディレイ制御が行われてもよい。スロットル制御部８による制御を受けてスロットルの開度は時々刻々変化する。その開度の変化はスロットルに付設されたスロットル開度センサ（図示略）によって測定することができる。

制御装置２は、測定されたスロットル開度を実空気量算出部１０に入力する。実空気量算出部１０には前述のエアモデルの順モデルが具備されている。エアモデルにスロットル開度を入力することで、それにより実現される実空気量が算出される。

次に制御装置２は、算出した実空気量を現時点のエンジン回転数とともに基本点火時期算出部１２に入力する。基本点火時期算出部１２には点火時期マップが具備されている。点火時期マップは、ＩＮ−ＶＶＴが最遅角位置にある場合の空気量と点火時期との関係を定めたマップであって、実験で得られたデータを元に作成されている。基本点火時期算出部１２は、入力された情報をキーにして点火時期マップを検索することによって基本点火時期を算出する。

また、制御装置２は、基本点火時期算出部１２における基本点火時期の計算と並行して、ＶＶＴ進角補正量算出部１４における計算も実行する。ＶＶＴ進角補正量算出部１４は、後述する平行特性データに基づき、吸気バルブのバルブタイミングから点火時期の進角補正量（以下、ＶＶＴ進角補正量という）を決定する。

図２は、吸気バルブのバルブタイミング（図２ではＩＮＶＴと表記）が５０％燃焼点（燃焼重心）の遅れ量とトルクとの関係に与える影響について調べた実験結果を示す図である。この図からは、５０％燃焼点の遅れ量とトルクとの関係を示すトルクカーブはＩＮＶＴによって変化するものの、各ＩＮＶＴにおけるトルクカーブ間には平行特性があることが確認できる。また、図３は、図２に示す実験結果を用いて５０％燃焼遅れ量がゼロのときのトルクに対する各遅れ量でのトルクダウン量、すなわち、トルク感度を計算した結果を示す図である。この図からは、５０％燃焼遅れ量とトルク感度との関係を示すトルクカーブにも、ＩＮＶＴ間で平行特性が見られることが確認できる。

以上のようなトルクカーブの平行特性に鑑みれば、ＩＮ−ＶＶＴが最遅角位置にある場合のトルクカーブに対して点火時期の進角補正を行なうことで、任意のバルブタイミングにおけるトルクの表現が可能であることが分かる。前述のＶＶＴ進角補正量を決定するための平行特性データは、このような知見に基づいて作成されている。

制御装置２は、ＶＶＴ進角補正量を基本点火時期とともに最終点火時期算出部１６に入力する。最終点火時期算出部１６は、基本点火時期にＶＶＴ進角補正量を加算したものを最終的な点火時期として決定する。制御装置２は、この最終点火時期に従って点火装置を制御する。

以上が本実施の形態の制御装置２を構成する各要素４，６，８，１０，１２，１４，１６の機能についての説明である。これらの要素４，６，８，１０，１２，１４，１６の機能によって、要求トルクを実現するためのトルク制御が実行されることになる。図４は、本実施の形態で採られているトルク制御の方法を、トルクとＩＮ−ＶＶＴの位相との関係によって表現した図である。また、図５は、本実施の形態で採られているトルク制御の方法を、圧力−クランク角線図で表現した図である。

図４に示すように、本実施の形態の方法によれば、最初のステップ（Ｓｔｅｐ１）として、要求トルクを実現するＩＮ−ＶＶＴ最適点での目標空気量（ＭＢＴ空気量）が算出される。次のステップ（Ｓｔｅｐ２）では、目標空気量を満たすＩＮ−ＶＶＴ最遅角での点火時期が基本点火時期として算出される。この基本点火時期によって実現可能なトルクを図４，図５では模擬トルクと表示している。模擬トルクは、ＩＮ−ＶＶＴが最遅角位置にあるときに実現可能なトルクである。

そして、最後のステップ（Ｓｔｅｐ３）では、前述の平行特性データに基づいて模擬トルクと要求トルクとの差分を補償するためのＶＶＴ進角補正量が算出される。このＶＶＴ進角補正量が基本点火時期に加算されることによって、要求トルクを実現するための最終点火時期が決定される。

以上述べたように、本実施の形態によれば、目標空気量の算出過程と点火時期の算出過程の双方においてＩＮ−ＶＶＴの動作状態が考慮される。このため、緻密なトルク制御が可能であり、ＩＮ−ＶＶＴの動作状態の影響を受けること無く、要求通りのトルクを実現することができる。

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。

２ 制御装置
４ 目標空気量算出部
６ 目標スロットル開度算出部
８ スロットル制御部
１０ 実空気量算出部
１２ 基本点火時期算出部
１４ ＶＶＴ進角補正量算出部
１６ 最終点火時期算出部

Claims (2)

1. 吸気バルブのバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構と、スロットルとを有する火花点火式の内燃機関の制御装置において、
   要求トルクを取得する要求トルク取得手段と、
   前記内燃機関の運転状態に応じて前記可変バルブタイミング機構を制御する可変バルブタイミング機構制御手段と、
   ＭＢＴにおける空気量とトルクとの関係を前記可変バルブタイミング機構の動作状態に関連付けて定めたデータに基づいて、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、
   前記目標空気量を実現するように前記スロットルを制御するスロットル制御手段と、
   前記スロットルの動作によって実現される実空気量を算出する実空気量算出手段と、
   前記可変バルブタイミング機構が最遅角位置にある場合の空気量と点火時期との関係を定めたデータに基づいて、前記実空気量から基本点火時期を算出する基本点火時期算出手段と、
   前記基本点火時期にて実現されるトルクと前記要求トルクとの差を補償するための点火時期の進角補正量を前記可変バルブタイミング機構の動作状態から決定する進角補正量決定手段と、
   前記基本点火時期と前記進角補正量とから最終的な点火時期を決定する最終点火時期決定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記進角補正量決定手段は、点火時期の進角補正量を前記可変バルブタイミング機構の最遅角位置からの進角量に関連付けて定めたデータに基づいて、前記進角補正量を決定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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