JP5293967B2 - 内燃機関の吸入空気量制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の要求吸入空気量に基づいて目標スロットル開度を算出する機能を備えた内燃機関の吸入空気量制御装置に関する発明である。

内燃機関の吸入空気量（筒内に吸入される空気量）の制御において吸気系の応答遅れ（例えばスロットルバルブの応答遅れや吸気通路の容積による応答遅れ）を補償する技術として、例えば、特許文献１（特開２００６−７０７０１号公報）に記載されているように、内燃機関の目標吸入空気量を規範モデルによって実現可能な目標吸入空気量に変換し、吸気系の応答遅れを考慮したモデルの逆モデルを用いて規範モデルの出力と実吸入空気量（又は推定吸入空気量）とが一致するように目標スロットル開度を算出するようにしたものがある。

また、特許文献２（特許第３８７３６０８号公報）に記載されているように、内燃機関の目標吸入空気量から算出した目標吸気管圧力に基づいて、スロットルバルブの動作前後の開口面積比を算出し、そのスロットルバルブの動作前後の開口面積比とスロットルバルブの動作前の開口面積とに基づいて、スロットルバルブの動作後の目標スロットル開度を算出するようにしたものもある。

特開２００６−７０７０１号公報（第２頁等） 特許第３８７３６０８号公報（第１頁等）

本発明者は、図６に示すように、内燃機関の要求吸入空気量を所定の規範モデル（例えば一次遅れモデル等）によってモデル後要求吸入空気量（実現可能な要求吸入空気量）に変換し、応答遅れ補償手段で、吸気系の応答遅れを考慮した吸気系モデルの逆モデル等を用いてモデル後要求吸入空気量を実現するための目標スロットル開度を算出するシステムを研究しているが、その研究過程で次ような新たな課題が判明した。

図７に示すように、要求吸入空気量が変化すると、それに伴ってモデル後要求吸入空気量が変化して、目標スロットル開度が変化するが、吸入空気量制御の応答性（要求吸入空気量に対する実吸入空気量の応答性）を高めるために、規範モデルの時定数を小さくしてモデル後要求吸入空気量の応答性を高くすると、目標スロットル開度の応答性が高くなり過ぎて、実吸入空気量が要求吸入空気量を越えてオーバーシュートしてしまう可能性がある。このため、要求吸入空気量に対する実吸入空気量のオーバーシュートを抑制できる程度まで規範モデルの時定数を大きくしてモデル後要求吸入空気量の応答性を低下させる必要があるが、このモデル後要求吸入空気量を忠実に実現するように目標スロットル開度が算出されるため、図７に示すように、目標スロットル開度が収束開度（実吸入空気量が要求吸入空気量に収束するスロットル開度）へ向かって制御される過程で、目標スロットル開度が収束開度から離れる方向（実吸入空気量の変化が遅くなる方向）へ戻ることがあり、これが原因で吸入空気量制御の応答性（要求吸入空気量に対する実吸入空気量の応答性）が低下するという問題がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、吸入空気量制御の応答性を確保しながら、要求吸入空気量に対する実吸入空気量のオーバーシュートを抑制することができる内燃機関の吸入空気量制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の要求吸入空気量を所定の規範モデルによって実現可能な要求吸入空気量（以下「モデル後要求吸入空気量」という）に変換し、吸気系の応答遅れを補償する手段を用いてモデル後要求吸入空気量を実現するためのスロットル開度（以下「吸気量実現要求開度」という）を算出する機能を備えた内燃機関の吸入空気量制御装置において、内燃機関の実吸入空気量が要求吸入空気量に収束するスロットル開度（以下「収束開度」という）を算出する収束開度算出手段と、吸気量実現要求開度が収束開度よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度であるか否かを判定し、吸気量実現要求開度が低応答開度ではないと判定したときには吸気量実現要求開度を目標スロットル開度として選択し、吸気量実現要求開度が低応答開度であると判定したときには収束開度を目標スロットル開度として選択する高応答開度選択手段とを備えた構成としたものである。

この構成では、吸気量実現要求開度が低応答開度ではない（つまり吸気量実現要求開度が収束開度よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度である）と判定したときには、高応答開度である吸気量実現要求開度を目標スロットル開度として選択することができ、一方、吸気量実現要求開度が低応答開度である（つまり収束開度が吸気量実現要求開度よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度である）と判定したときには、高応答開度である収束開度を目標スロットル開度として選択することができる。このように、吸気量実現要求開度と収束開度のうちの高応答開度となる方を目標スロットル開度として選択することができるため、要求吸入空気量に対する実吸入空気量のオーバーシュートを抑制できる程度まで規範モデルの時定数を大きくしてモデル後要求吸入空気量の応答性を低下させても、吸入空気量制御の応答性（要求吸入空気量に対する実吸入空気量の応答性）を確保することが可能となり、吸入空気量制御の応答性を確保しながら、要求吸入空気量に対する実吸入空気量のオーバーシュートを抑制することができる。

この場合、請求項２のように、目標スロットル開度に基づいて実吸入空気量の推定値である仮想吸入空気量を算出する仮想吸入空気量算出手段を備え、高応答開度選択手段は、要求吸入空気量が仮想吸入空気量よりも大きいときには吸気量実現要求開度が収束開度よりも小さい場合に吸気量実現要求開度が低応答開度であると判定し、要求吸入空気量が仮想吸入空気量よりも小さいときには吸気量実現要求開度が収束開度よりも大きい場合に吸気量実現要求開度が低応答開度であると判定するようにすると良い。

つまり、要求吸入空気量が仮想吸入空気量（実吸入空気量の推定値）よりも大きいときには、吸入空気量の増加要求時であるため、吸気量実現要求開度が収束開度よりも小さい場合に、吸気量実現要求開度が収束開度よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度であると判定することができる。一方、要求吸入空気量が仮想吸入空気量よりも小さいときには、吸入空気量の減少要求時であるため、吸気量実現要求開度が収束開度よりも大きい場合に、吸気量実現要求開度が収束開度よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度であると判定することができる。

図１は本発明の一実施例におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。 図２は本実施例における吸入空気量制御の機能を説明するブロック図である。 図３は本実施例における収束開度算出手段の機能を説明するブロック図である。 図４は本実施例における高応答開度選択ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。 図５は本実施例における吸入空気量制御の実行例を説明するタイムチャートである。 図６は比較例における吸入空気量制御の機能を説明するブロック図である。 図７は比較例における吸入空気量制御の実行例を説明するタイムチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ１５によって開度調節されるスロットルバルブ１６と、このスロットルバルブ１６の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１７とが設けられている。

更に、スロットルバルブ１６の下流側には、サージタンク１８が設けられ、このサージタンク１８に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１９が設けられている。また、サージタンク１８には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド２０が設けられ、各気筒の吸気マニホールド２０の吸気ポート近傍に、それぞれ吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２１が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２２が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２２の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

また、エンジン１１には、吸気バルブ３７のバルブタイミング（開閉タイミング）を変化させる吸気側可変バルブタイミング装置３８と、排気バルブ３９のバルブタイミング（開閉タイミング）を変化させる排気側可変バルブタイミング装置４０とが設けられている。

一方、エンジン１１の排気管２３には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２４（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２５が設けられている。

また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２６や、ノッキングを検出するノックセンサ２７が取り付けられている。また、クランク軸２８の外周側には、クランク軸２８が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ２９が取り付けられ、このクランク角センサ２９の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２１の燃料噴射量や点火プラグ２２の点火時期を制御すると共に、スロットル開度センサ１７で検出した実スロットル開度を目標スロットル開度に一致させるようにモータ１５を制御して吸入空気量（筒内に吸入される空気量）を制御する。

その際、ＥＣＵ３０は、エンジン運転条件（例えば、アクセル開度や要求トルク等）に基づいて要求吸入空気量を算出し、その要求吸入空気量に基づいて目標スロットル開度を次のようにして算出する。

図２に示すように、まず、要求吸入空気量Ｍt を所定の規範モデル３１によってモデル後要求吸入空気量Ｍtsm （全運転領域で実現可能な応答の要求吸入空気量）に変換する。この規範モデル３１は、モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old と要求吸入空気量の今回値Ｍt とを用いてモデル後要求吸入空気量の今回値Ｍtsm を次式（一次遅れモデル）により算出するように設定されている。
Ｍtsm ＝（Ｃ×Ｍtsm.old ＋Ｔ1 ×Ｍt ）／（Ｃ＋Ｔ1 ）
ここで、Ｃは一次遅れフィルタ時定数であり、Ｔ1 は演算周期である。

この後、応答遅れ補償手段３２で、吸気系の応答遅れ（例えばスロットルバルブ１６の応答遅れや吸気通路の容積による応答遅れ）を考慮した吸気系モデルの逆モデル又は位相進み補償等を用いてモデル後要求吸入空気量Ｍtsm から吸気量実現要求開度θk （モデル後要求吸入空気量Ｍtsm を実現するためのスロットル開度）を算出すると共に、モデル後要求吸入空気量Ｍtsm と仮想吸入空気量Ｍvt（前回の最終目標スロットル開度θttから推定した実吸入空気量）との偏差を小さくするように吸気量実現要求開度θk を補正する。

具体的には、モデル後要求吸入空気量Ｍtsm を実現するために必要な吸気管圧力Ｐm を算出した後、この吸気管圧力Ｐm を実現するために必要なスロットル通過空気量Ｍi を算出する。更に、このスロットル通過空気量Ｍi を実現するために必要なスロットル開口面積Ａt を算出した後、このスロットル開口面積Ａt を実現するために必要なスロットル開度を吸気量実現要求開度θk として算出する。

更に、モデル後要求吸入空気量Ｍtsm と仮想吸入空気量Ｍvt（前回の最終目標スロットル開度θttから推定した実吸入空気量）との偏差を小さくするようにフィードバック補正量θfbをＰＩ制御等により算出し、このフィードバック補正量θfbを用いて吸気量実現要求開度θk を次式により補正する。
θk ＝θk ＋θfb

一方、収束開度算出手段３３で、要求吸入空気量Ｍt から収束開度θs （実吸入空気量が要求吸入空気量Ｍt に収束するスロットル開度）を算出する。具体的には、図３に示すように、まず、要求吸入空気量Ｍt とエンジン回転速度とバルブタイミング（吸気バルブ３７のバルブタイミング進角量と排気バルブ３８のバルブタイミング遅角量のうちの一方又は両方）等に基づいて、エンジン１１の定常状態において要求吸入空気量Ｍt となる要求吸気管圧力をマップ又は数式等により算出した後、この要求吸気管圧力とエンジン回転速度に基づいて、エンジン１１の定常状態において要求吸気管圧力となるスロットル開度である収束開度θs をマップ又は数式等により算出する。

以上のようにして吸気量実現要求開度θk （モデル後要求吸入空気量Ｍtsm を実現するためのスロットル開度）と収束開度θs （実吸入空気量が要求吸入空気量Ｍt に収束するスロットル開度）を算出した後、図２に示すように、高応答開度選択手段３４で、吸気量実現要求開度θk と収束開度θs のうちの実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度となる方を目標スロットル開度θt として選択する。

具体的には、まず、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度であるか否かを判定する。
この場合、要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvt（実吸入空気量の推定値）よりも大きいときには、吸入空気量の増加要求時であるため、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも小さい場合に、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度であると判定する。

一方、要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvtよりも小さいときには、吸入空気量の減少要求時であるため、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも大きい場合に、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度であると判定する。

その結果、吸気量実現要求開度θk が低応答開度ではない（つまり吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度である）と判定したときには、高応答開度である吸気量実現要求開度θk を目標スロットル開度θt として選択する。
目標スロットル開度θt ＝吸気量実現要求開度θk

一方、吸気量実現要求開度θk が低応答開度である（つまり収束開度θs が吸気量実現要求開度θk よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度である）と判定したときには、高応答開度である収束開度θs を目標スロットル開度θt として選択する。
目標スロットル開度θt ＝収束開度θs
本実施例では、ＥＣＵ３０が後述する図４の高応答開度選択ルーチンを実行することで高応答開度選択手段３４として機能する。

この後、ガード手段３５で、目標スロットル開度θt を上限ガード値（例えば８４ｄｅｇ）及び下限ガード値（例えば０ｄｅｇ）で制限すると共に、目標スロットル開度θt の変化速度（所定時間当りの変化量）を上限速度ガード値（例えば＋６．８ｄｅｇ／８ｍｓ）及び下限速度ガード値（例えば−６．８ｄｅｇ／８ｍｓ）で制限するガード処理を行って、最終目標スロットル開度θtt（最終的な目標スロットル開度）を設定する。

更に、吸気系モデル３６で、最終目標スロットル開度θttから仮想吸入空気量Ｍvt（実吸入空気量の推定値）を算出する。具体的には、最終目標スロットル開度θttからスロットル開口面積Ａt を算出した後、このスロットル開口面積Ａt からスロットル通過空気量Ｍi を算出する。更に、このスロットル通過空気量Ｍi から吸気管圧力Ｐm を算出し、この吸気管圧力Ｐm から仮想吸入空気量Ｍvtを算出する。

以下、ＥＣＵ３０が実行する図４の高応答開度選択ルーチンの処理内容を説明する。
図４に示す高応答開度選択ルーチンは、ＥＣＵ３０の電源オン中に所定周期で繰り返し実行される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、要求吸入空気量Ｍt と仮想吸入空気量Ｍvt（前回の最終目標スロットル開度θttから推定した実吸入空気量）を読み込んだ後、ステップ１０２に進み、吸気量実現要求開度θk （モデル後要求吸入空気量Ｍtsm を実現するためのスロットル開度）と収束開度θs （実吸入空気量が要求吸入空気量Ｍt に収束するスロットル開度）を読み込む。

この後、ステップ１０３に進み、要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvtよりも大きいか否かを判定し、要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvtよりも大きいと判定された場合には、吸入空気量の増加要求時であると判断して、ステップ１０４に進み、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも小さいか否かを判定する。

上記ステップ１０３で要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvtよりも大きい（つまり吸入空気量の増加要求時である）と判定され、且つ、上記テップ１０４で吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも小さいと判定された場合には、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度である（つまり収束開度θs が吸気量実現要求開度θk よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度である）と判定して、ステップ１０５に進み、高応答開度である収束開度θs を目標スロットル開度θt として選択する。
目標スロットル開度θt ＝収束開度θs

これに対して、上記ステップ１０３で要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvtよりも大きい（つまり吸入空気量の増加要求時である）と判定され、且つ、上記テップ１０４で吸気量実現要求開度θk が収束開度θs 以上であると判定された場合には、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度であると判定して、ステップ１０６に進み、高応答開度である吸気量実現要求開度θk を目標スロットル開度θt として選択する。
目標スロットル開度θt ＝吸気量実現要求開度θk

一方、上記ステップ１０３で、要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvt以下であると判定された場合には、吸入空気量の減少要求時であると判断して、ステップ１０７に進み、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも大きいか否かを判定する。

上記ステップ１０３で要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvt以下である（つまり吸入空気量の減少要求時である）と判定され、且つ、上記ステップ１０７で吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも大きいと判定された場合には、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度である（つまり収束開度θs が吸気量実現要求開度θk よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度である）と判定して、ステップ１０８に進み、高応答開度である収束開度θs を目標スロットル開度θt として選択する。
目標スロットル開度θt ＝収束開度θs

これに対して、上記ステップ１０３で要求吸入空気量Ｍt が仮想吸入空気量Ｍvt以下である（つまり吸入空気量の減少要求時である）と判定され、且つ、上記ステップ１０７で吸気量実現要求開度θk が収束開度θs 以下であると判定された場合には、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度であると判定して、ステップ１０９に進み、高応答開度である吸気量実現要求開度θk を目標スロットル開度θt として選択する。
目標スロットル開度θt ＝吸気量実現要求開度θk

以上説明した本実施例では、吸気量実現要求開度θk が収束開度θs よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度であると判定したときには、高応答開度である吸気量実現要求開度θk を目標スロットル開度θt として選択し、収束開度θs が吸気量実現要求開度θk よりも実吸入空気量の変化が速くなる高応答開度であると判定したときには、高応答開度である収束開度θs を目標スロットル開度θt として選択する。このように吸気量実現要求開度と収束開度のうちの高応答開度となる方を目標スロットル開度として選択するようにしたので、図５に示すように、要求吸入空気量の変化に伴ってモデル後要求吸入空気量が変化して目標スロットル開度が変化する際に、目標スロットル開度が収束開度から離れる方向（実吸入空気量の変化が遅くなる方向）へ戻ることが防止され、要求吸入空気量に対する実吸入空気量のオーバーシュートを抑制できる程度まで規範モデルの時定数を大きくしてモデル後要求吸入空気量の応答性を低下させても、吸入空気量制御の応答性（要求吸入空気量に対する実吸入空気量の応答性）を確保することが可能となり、吸入空気量制御の応答性を確保しながら、要求吸入空気量に対する実吸入空気量のオーバーシュートを抑制することができる。

尚、上記実施例では、規範モデルを、モデル後要求吸入空気量の前回値と要求吸入空気量の今回値とを用いてモデル後要求吸入空気量の今回値を算出する一次遅れモデルに設定するようにしたが、規範モデルは、これに限定されず、適宜変更しても良く、例えば、規範モデルを、モデル後要求吸入空気量の前回値及び前々回値と要求吸入空気量の今回値とを用いてモデル後要求吸入空気量の今回値を算出する二次遅れモデルに設定するようにしても良い。

その他、本発明は、図１に示すような吸気ポート噴射式エンジンに限定されず、筒内噴射式エンジンや、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射式のエンジンにも適用して実施できる。

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２１…燃料噴射弁、２２…点火プラグ、２３…排気管、３０…ＥＣＵ、３１…規範モデル、３２…応答遅れ補償手段、３３…収束開度算出手段、３４…高応答開度選択手段、３５…ガード手段、３６…吸気系モデル（仮想吸入空気量算出手段）

Claims (2)

1. 内燃機関の要求吸入空気量を所定の規範モデルによって実現可能な要求吸入空気量（以下「モデル後要求吸入空気量」という）に変換し、吸気系の応答遅れを補償する手段を用いて前記モデル後要求吸入空気量を実現するためのスロットル開度（以下「吸気量実現要求開度」という）を算出する機能を備えた内燃機関の吸入空気量制御装置において、
   内燃機関の実吸入空気量が前記要求吸入空気量に収束するスロットル開度（以下「収束開度」という）を算出する収束開度算出手段と、
   前記吸気量実現要求開度が前記収束開度よりも実吸入空気量の変化が遅くなる低応答開度であるか否かを判定し、前記吸気量実現要求開度が前記低応答開度ではないと判定したときには前記吸気量実現要求開度を目標スロットル開度として選択し、前記吸気量実現要求開度が前記低応答開度であると判定したときには前記収束開度を目標スロットル開度として選択する高応答開度選択手段と
   を備えていることを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。
2. 前記目標スロットル開度に基づいて実吸入空気量の推定値である仮想吸入空気量を算出する仮想吸入空気量算出手段を備え、
   前記高応答開度選択手段は、前記要求吸入空気量が前記仮想吸入空気量よりも大きいときには前記吸気量実現要求開度が前記収束開度よりも小さい場合に前記吸気量実現要求開度が前記低応答開度であると判定し、前記要求吸入空気量が前記仮想吸入空気量よりも小さいときには前記吸気量実現要求開度が前記収束開度よりも大きい場合に前記吸気量実現要求開度が前記低応答開度であると判定する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量制御装置。

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