JP5305041B2 - 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係り、スロットルバルブの制御技術に関する。

例えば車両に搭載された内燃機関（エンジン）では、ドライバ（操作者）がステップ状のアクセル操作をした場合、吸入空気圧（例えば、インテークマニフォールド圧）と大気圧との圧力比（吸入空気圧／大気圧）が所定値（例えば、０．５２８３）以下の吸入空気の流速が音速となる所謂臨界域において吸気流量が一次遅れの挙動を示すことが知られている。これは、吸気流量を制御するスロットルバルブと燃焼室との間にインテークマニフォールドがあり、この間の吸気通路のボリュームに起因している。

そして、スロットルバルブと同様にインテークマニフォールドの上流に配置されたエアフローセンサにより検出した吸気流量を一次遅れ処理して筒内に流入する吸気流量を演算し、この一次遅れ処理した値に基づいて内燃機関の制御を行う技術が開発されている（特許文献１参照）。

特許第４１２０５２４号公報

更に、アクセルペダルの操作情報等により演算されたエンジンの要求出力に応じてスロットルバルブを制御する技術が開発されている。スロットルバルブの制御値である目標スロットル開度は、筒内への目標吸気流量から一次遅れ処理の逆処理である一次進み処理をして求められる。このように一次進み処理により目標スロットル開度を求めスロットルバルブを制御することで、要求出力の変動時に迅速に追従できるようにスロットルバルブの制御を行なうことが可能となる。

しかしながら、このように一次進み処理を用いた制御では、入力値の変化に対して出力値が大きく変化するので、定常運転時にノイズや外乱の影響により入力値である筒内への目標吸気流量が変動してしまうと、出力値である目標スロットル開度が大きく変動してドライバビリティーや耐久性が低下する虞がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、目標スロットル開度の演算時における一次進み処理において、入力値の変化に対する追従性を確保しつつ、定常運転時にノイズや外乱の影響による出力値の変動を抑制可能な内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の内燃機関の制御装置は、内燃機関の吸気系に配置された空気量検出手段で検出される検出空気量が入力され、内燃機関の筒内へと導入される筒内空気量が出力される空気量演算モデルに基づいて、吸気系に配置されたスロットルバルブを制御する制御装置であって、ドライバのアクセル操作度合に基づき内燃機関の目標トルクの制御指標を演算する目標トルク演算手段と、目標トルク制御指標に基づく操作により内燃機関から出力されると推定される推定目標トルクの制御指標を演算する推定目標トルク演算手段と、推定目標トルクの制御指標と目標トルクの制御指標との差であるトルク制御指標差と、推定目標トルクの制御指標との比に基づいて、空気量演算逆モデルでのゲインを補正するゲイン補正手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の制御装置では、請求項１において、空気量演算逆モデルは、検出空気量を一次遅れ処理することで筒内空気量を出力する前記空気量演算モデルの逆モデルであることを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の出力制御装置によれば、トルク制御指標差と推定目標トルクの制御指標との比に基づいて、スロットルバルブを制御するための空気量演算逆モデルにおけるゲインが変更するので、例えばトルク制御指標差と推定目標トルクの制御指標との比が増加するにしたがってゲインを増加させるように制御し、トルク制御指標差と推定目標トルクの制御指標との比が減少するにしたがってゲインを減少させるように制御すれば、アクセル操作や外部要求に応じた入力値の変動に対してより迅速に追従可能とした上で、アクセル操作や外部要求の変動のない定常運転時にノイズや外乱等により目標吸気流量が変動してもスロットルバルブの開度を安定させることができる。

本発明の請求項２の内燃機関の出力制御装置によれば、空気量演算逆モデルが検出空気量を一次遅れ処理することで筒内空気量を出力する空気量演算モデルの逆モデルであるので、一次進み処理により筒内空気量から吸気遅れを考慮してスロットルバルブを正確に制御することができる。

本発明に係る内燃機関の出力制御装置を示す概略構成図である。 一次遅れ処理での入力信号及び出力信号の推移の一例を示すグラフである。 一次進み処理での入力信号及び出力信号の推移の一例を示すグラフである。

以下、図面に基づき本発明の参考形態及び一実施形態について説明する。
本発明の参考形態に係る内燃機関の出力制御装置は、車両に搭載されたエンジン（内燃機関）の出力制御装置であって、エンジンとして例えばガソリンエンジンが採用され、出力制御装置として例えばドライブ・バイ・ワイヤと呼ばれる吸気システムを備えて構成されている。

このＤＢＷと呼ばれる吸気システムは、アクセルペダルの操作情報等に応じて電子コントロールユニットによりスロットルバルブの開度を独立して制御するように構成されている。
図１は、電子コントロールユニット（ＥＣＵ）１０において実行される本発明に係る内燃機関の出力制御装置の全体構成を示す制御ブロック図である。

同図に示すように、ＥＣＵ１０の入力側には車両のドライバによるアクセルペダルの操作度合いを検出するアクセルポジションセンサ２０、スロットルバルブ７０の開度を検出するスロットルポジションセンサ３０、吸気流量を検出するエアフローセンサ（空気量検出手段）４０、エンジンのクランク角ひいてはエンジン回転速度Ｎeを検出するクランク角センサ５０（実回転速度検出手段）等のセンサ類の他、例えば無断変速機や車両姿勢制御システム等のエンジンに対する各種の外部負荷要素６０の信号線が電気的に接続されており、出力側にはスロットルバルブ７０が電気的に接続されている。

そして、同図に示すように、ＥＣＵ１０には、アクセルポジションセンサ２０からのアクセル要求やクランク角センサ５０により検出されたエンジン回転速度Ｎeに基づき要求トルクの指標としての図示平均有効圧Ｐi（アクセル要求Ｐia）を算出するアクセル要求Ｐi算出ブロックＢ１０、外部負荷要素６０からの外部負荷要求に基づき図示平均有効圧Ｐi（外部要求Ｐio）を算出する外部要求Ｐi算出ブロックＢ１２、アクセル要求Ｐiと外部要求Ｐiとに基づき目標トルクの制御指標としての図示平均有効圧Ｐiの目標値（目標Ｐi）を算出する目標Ｐi算出ブロックＢ１４(目標トルク演算手段)、目標Ｐiに基づき充填効率の目標値（目標Ｅc）を算出する目標Ｅc算出ブロックＢ１６、目標Ｅcに基づきスロットルバルブ７０を通過する吸気流量の目標値（目標吸気流量Ｑt）を算出する目標吸気流量Ｑt算出ブロックＢ１８、目標吸気流量Ｑtに基づきスロットルバルブ７０の開度の目標値（目標スロットルバルブ開度）を算出しスロットルバルブ７０に出力信号を供給する目標スロットルバルブ開度算出ブロックＢ２０、スロットルポジションセンサ３０からのスロットルバルブ７０の開度情報に基づきスロットルバルブ７０の開度を調整するスロットルバルブ開度調整ブロックＢ２２、エアフローセンサ４０からの情報に基づき上記調整したスロットルバルブ７０の開度で実際に筒内に流入する吸気流量（実吸気流量Ｑr）を算出する実吸気流量Ｑr算出ブロックＢ２４、実吸気流量Ｑrに基づき実際の充填効率（実Ｅc）を算出する実Ｅc算出ブロックＢ２６、実Ｅcに基づき実際の図示平均有効圧Ｐi（実Ｐi）を逆算する実Ｐi算出ブロックＢ２８、及び、実Ｐiが目標Ｐiとなるようスロットルバルブ７０のフィードバック制御（Ｆ／Ｂ）を行うＦ／Ｂ制御ブロックＢ３０が展開され、同制御ブロック図に従って制御プログラムが構成されている。

なお、Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ３０では、エンジンがアイドル運転状態にあるときには実Ｐiに基づきクランク角センサ５０により検出されたエンジン回転速度Ｎeが目標アイドル回転速度となるようにエンジン回転速度フィードバック制御（Ｎe−Ｆ／Ｂ）を併せて行いながらスロットルバルブ７０のフィードバック制御を行い、一方エンジンがアイドル運転状態以外（オフアイドル状態）のときには直接に実Ｐiが目標Ｐiとなるようスロットルバルブ７０のフィードバック制御を行う。

即ち、本発明に係る内燃機関の出力制御装置では、ＥＣＵ１０はエンジンの出力トルクを基調とする所謂トルクベース制御を行い、要求トルクの指標から目標トルクの指標を求め、この目標トルクの指標に基づいてスロットルバルブ７０を適正な開度に調節し、エンジンにおいて所望の出力トルクを得るように図っている。これにより、スロットルバルブ７０の制御を目標トルクの指標に基づいて的確に制御でき、エンジンにおいて所望の出力トルクを確実に得ることが可能である。

特に、本参考形態では、ＥＣＵ１０において、空気量演算モデルに基づいてスロットルバルブ７０を制御する。詳しくは、実吸気流量Ｑr算出ブロックＢ２４において、空気量演算モデルとして、エアフローセンサ４０により検出される吸気流量である検出吸気流量Ｑa（検出空気量）を入力し、一次遅れ処理をして、エンジンの筒内へ実際に導入される吸気流量である実吸気流量Ｑrを出力する。

一次遅れ処理は、次式(１)を用いて行なわれる。
Ｘ(n)＝ｋ×Ｘ(n-1)＋（１−ｋ）×Ｘ(r)...（１）
Ｘ(r)：入力値（Ｑa）
Ｘ(n)：出力値（Ｑr）
Ｘ(n-1)：前回の出力値
ｋ：係数
図２は、一次遅れ処理での入力信号及び出力信号の推移の一例を示すグラフである。図中、実線は入力値である検出吸気流量Ｑa、破線は出力値である実吸気流量Ｑrの推移を示している。

図２に示すように、上記一次遅れ処理では、例えば入力値がステップ状に増加しても、出力値はなめらかに増加する。したがって、スロットルバルブ７０の開度がステップ状に増加しても、実Ｅcはなめらかに増加する。
このように、一次遅れ処理を行うことで、特に過渡運転時に筒内への実吸気流量Ｑrが正確に演算され、実Ｅcが正確に求められる。

また、目標吸気流量Ｑt算出ブロックＢ１８では、上記空気量演算モデルの逆モデルである空気量演算逆モデルに基づき、スロットルバルブ７０を通過する目標吸気流量Ｑtを演算する。詳しくは、目標吸気流量Ｑt算出ブロックＢ１８では、目標Ｅcに対応した筒内への目標吸気流量Ｑbを求め、この筒内への目標吸気流量Ｑbに、一次遅れ処理とは逆処理である一次進み処理を行なって、スロットルバルブ７０を通過する目標吸気流量Ｑtを演算する。

一次進み処理は次式（２）を用いて行なわれる。
Ｘ(r)＝（Ｘ（n）−ｋ×Ｘ(n-1)）／（１−ｋ）...（２）
Ｘ(r)：出力値（Ｑt）
Ｘ(n)：入力値（Ｑb）
Ｘ(n-1)：前回の入力値
ｋ：係数(ゲイン)
図３は、一次進み処理での入力信号及び出力信号の推移の一例を示すグラフである。図３中、実線は入力値である筒内への目標吸気流量Ｑb、破線は出力値である目標吸気流量Ｑtの推移を示している。

図２に示すように、上記一次進み処理では、例えば入力値がなめらかに増加しても、出力値は急激に増加する。したがって、目標Ｅｃをなめらかに増加させる必要がある場合でも、スロットルバルブ７０は例えばステップ状のように大きく開閉制御される。
このように、一次進み処理を行うことで、特に過渡運転時においてスロットルバルブ７０を通過する吸気流量の目標値である目標吸気流量Ｑtが、吸気の遅れを考慮して正確に演算され、目標スロットルバルブ開度が正確に求められる。

更に、本参考形態では、目標吸気流量Ｑt算出ブロックＢ１８において行なわれる一次進み処理の係数ｋを補正する補正係数を演算する係数補正手段Ｂ４０を備えている。
本参考形態では、係数補正手段Ｂ４０は、目標Ｐｉ算出ブロックｂ１４において演算した目標Ｐｉ（目標トルクの制御指標：Ａ）を一次遅れ処理して補正目標Ｐｉ（推定目標トルクの制御指標：Ｂ）を求め（推定目標トルク演算手段）、当該補正目標Ｐｉと目標Ｐｉとの遍差（トルク制御指標差：Ａ−Ｂ）に基づいて、係数ｋを補正する補正係数を演算する。この補正係数は、係数ｋに乗算され、よって係数ｋを補正することになる。一次進み処理は、上記（２）式を用いて、入力値を目標Ｐiとして演算すればよい。

具体的には、偏差（Ａ−Ｂ）が増加するにしたがって係数ｋを大きく、偏差（Ａ−Ｂ）が減少するにしたがって係数ｋを小さくするように補正係数を設定すればよい。
このように制御すれば、偏差（Ａ−Ｂ）が大きい場合、即ち目標トルクＰｉ変動直後では、一次進み処理の係数ｋが増加してその効果を増大させる。よって、アクセル操作や外部要求に応じた入力値の変動に対して迅速に追従可能となり、特に過渡運転時において筒内への吸気流量が適正量になるようにスロットルバルブ７０を制御することができる。

また、偏差Ｂが小さい、例えばアクセル操作や外部要求の変動の少ない定常運転時では一次進み処理の係数ｋが減少してその効果を低減させる。よって、例えノイズや外乱等により入力値である筒内への目標吸気流量Ｑbが変動したとしても、出力値である目標吸気流量Ｑtの変動が抑えられる。これにより、目標スロットルバルブ開度の変動が抑えられ、スロットルバルブ７０の開度が安定し、ドライバビリティーを向上させるとともに、スロットルバルブ７０の不要な作動を抑制して耐久性を向上させることができる。

なお、上記参考形態では、一次進み処理における係数ｋを、偏差（Ａ−Ｂ）に基づいて決定しているが、本発明の実施形態では、偏差（Ａ−Ｂ）と目標Ｐi（Ａ）との比（（Ａ−Ｂ）／Ａ）に基づいて設定する。このような場合には、比（（Ａ−Ｂ）／Ａ）が増加するにしたがって係数ｋを大きく、減少するにしたがって係数ｋを小さくするように設定すればよい。
このように制御しても、アクセル操作や外部要求に応じた入力値の変動に対して迅速に追従可能とした上で、アクセル操作や外部要求の変動のない定常運転時にノイズや外乱等により目標吸気流量Ｑtが変動してもスロットルバルブ７０の開度を安定させることができる。特に、偏差（Ａ−Ｂ）と目標Ｐi（Ａ）との比（（Ａ−Ｂ）／Ａ）に基づいて設定することで、目標Ｐi（Ａ）に対する値差（Ａ−Ｂ）の値に応じて設定され、追従性をより向上させることができる。

また、本実施形態では、目標トルクの制御指標として図示平均有効圧Ｐiを用いて制御しているが、本願はこれに限定するものではなく、他のトルク制御の指標を用いて制御するものにも適応できる。また、アクセル操作や外部要求から直接に筒内への目標吸気流量Ｑbを求めるものでも適用可能である。

１０ ＥＣＵ
４０ エアフローセンサ
７０ スロットルバルブ
Ｂ１４ 目標Ｐi算出ブロック
Ｂ１８ 目標吸気流量Ｑt算出ブロック

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気系に配置された空気量検出手段で検出される検出空気量が入力され、前記内燃機関の筒内へと導入される筒内空気量が出力される空気量演算モデルに基づいて、前記吸気系に配置されたスロットルバルブを制御する制御装置であって、
   ドライバのアクセル操作度合に基づき前記内燃機関の目標トルクの制御指標を演算する目標トルク演算手段と、
   前記目標トルク制御指標に基づく操作により前記内燃機関から出力されると推定される推定目標トルクの制御指標を演算する推定目標トルク演算手段と、
   前記推定目標トルクの制御指標と前記目標トルクの制御指標との差であるトルク制御指標差と、前記推定目標トルクの制御指標との比に基づいて、空気量演算逆モデルでのゲインを補正するゲイン補正手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記空気量演算逆モデルは、前記検出空気量を一次遅れ処理することで前記筒内空気量を出力する前記空気量演算モデルの逆モデルであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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