JP5326998B2 - 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、内燃機関に出力させるトルクの要求値（以下、要求トルク）を取得し、要求トルクに従って複数のアクチュエータを協調操作する内燃機関の制御装置に関する。

車両用の内燃機関のトルクの制御方法として、要求トルクに従って複数のアクチュエータを協調操作するいわゆるトルクデマンド制御が知られている。特開２００９−１７４３２８号公報（特許文献１）、特開２００９−１６７９１６号公報（特許文献２）或いは特開２００９−０６８４３０号公報（特許文献３）には、そのようなトルクデマンド制御の一例が記載されている。

上記の各特許文献に記載されている制御装置（以下、従来の制御装置）は、スロットルの開度と点火時期とによって内燃機関のトルクを制御している。詳しくは、従来の制御装置は、要求トルクに基づいてスロットルへの指令開度を決定している。そして、指令開度に従ってスロットルを操作した場合の推定ＭＢＴトルク（点火時期をＭＢＴと仮定した場の推定トルク）を計算し、要求トルクの推定ＭＢＴトルクに対する割合をトルク効率として算出している。推定ＭＢＴトルクは、指令開度のもとで内燃機関が潜在的に出力可能な最大トルクであり、トルク効率は、内燃機関が潜在的に出力可能なトルクに対して実際に出力することが要求されているトルクの割合を意味する。したがって、トルク効率の最大値は１であり、トルク効率が１よりも小さいほどトルクを低下させるためのアクチュエータ操作が必要となる。従来の制御装置は、トルク効率に基づいて点火時期のＭＢＴからの遅角量を決定することで、内燃機関から出力されるトルクを要求通りに制御している。

特開２００９−１７４３２８号公報 特開２００９−１６７９１６号公報 特開２００９−０６８４３０号公報

ところで、内燃機関が出力するトルクはマイナス値になる場合もありうる。図６は４サイクル内燃機関のＰＶ線図である。この図に示すように、内燃機関は圧縮〜膨張行程では燃焼によってトルクを発生するが、排気〜吸気行程ではポンプ損によってトルクを消費している。内燃機関の図示トルクは、プラスの発生トルクとマイナスのポンプ損トルクとの和であるため、燃焼による発生トルクがポンプ損トルクよりも小さければ内燃機関が出力するトルクはマイナス値になる。

図７には、内燃機関において点火時期の遅角によって制御可能なトルクの範囲を示している。ただし、ここでは失火の可能性は考慮していない。この図に示すように、ポンプ損トルクを利用するならば、ゼロよりも小さい値のトルクが要求された場合であっても、各アクチュエータを適宜に操作することでその要求トルクを実現することは可能である。要求トルクをマイナス値まで下げることができれば、燃焼により発生するトルクを限りなく小さくすることができるので、例えば、それを減速フューエルカットの前に実施した場合にはフューエルカットに伴うトルクショックを最小限に抑えることができる。

しかしながら、内燃機関のトルク制御においてゼロ以下のトルク範囲を利用する場合には次のような問題がある。

要求トルクを下げていくと、それに追従してスロットルも閉じられていく。その結果、要求トルクがゼロ以下の値まで低下した場合には、スロットルへの指令開度に基づいて計算される推定ＭＢＴトルクも要求トルクに追従してゼロ以下の値になる可能性がある。その際、トルク効率は推定ＭＢＴトルクに対する要求トルクの割合であることから、推定ＭＢＴトルクの値がゼロになったときトルク効率の計算においてゼロ割エラーが起きてしまう。さらに、何らかの方法でゼロ割を回避したとしても、分母がプラス値からマイナス値に変化することで、トルク効率の値に連続性がなくなってしまう。

このような問題が生じるのは、従来のトルク効率の計算方法は、あくまでも要求トルクはゼロよりも大きく、トルク効率はゼロから１までの範囲にあるという前提に立っていたためである。このため、従来の制御装置においてゼロよりも小さい値のトルクが要求されたとしても、トルク効率と点火時期の遅角量との対応関係が崩れているため、要求トルクの実現に必要な遅角量をトルク効率に基づいて決定することはできない。

本発明は上述のような課題に鑑みなされたもので、要求トルクがゼロ以下の値の場合であっても適切にアクチュエータを操作して要求トルクを要求通りに実現可能にすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、第１の発明の内燃機関の制御装置は、
トルクを制御するためのアクチュエータとして吸入空気量を調整する主アクチュエータと、吸入空気量以外の機関パラメータを調整する副アクチュエータとを有する内燃機関に適用され、前記内燃機関に出力させるトルクの要求値（以下、要求トルク）に従って前記主アクチュエータ及び副アクチュエータを操作する制御装置において、
前記要求トルクに基づいて前記主アクチュエータの操作量を決定する主アクチュエータ操作量決定手段と、
前記主アクチュエータの操作量に基づいて前記内燃機関の推定潜在トルクを計算する推定潜在トルク計算手段と、
前記要求トルクの値をゼロよりも小さい値に設定された基準トルクに対する相対値に補正する要求トルク補正手段と、
前記推定潜在トルクの値を前記基準トルクに対する相対値に補正する推定潜在トルク補正手段と、
補正後の推定潜在トルクに対する補正後の要求トルクの割合（以下、トルク効率）を計算するトルク効率計算手段と、
前記トルク効率に基づいて前記要求トルクの実現に必要な前記副アクチュエータの操作量を決定する副アクチュエータ操作量決定手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明の内燃機関の制御装置は、第１の発明の内燃機関の制御装置において、
前記基準トルクは、想定される最大のポンプ損トルクに合わせて設定されていることを特徴としている。

第３の発明の内燃機関の制御装置は、第１の発明の内燃機関の制御装置において、
前記基準トルクは、現在の運転条件のもとで発生するポンプ損トルクに対応するように前記内燃機関の運転条件に応じて変更され、
前記副アクチュエータ操作量決定手段は、前記基準トルクの変更に応じて前記トルク効率と前記副アクチュエータの操作量との対応関係を補正することを特徴としている。

第１の発明の内燃機関の制御装置によれば、トルク効率の算出に際し、要求トルクはその値を基準トルクの分だけ嵩上げされ、推定潜在トルクもその値を基準トルクの分だけ嵩上げされる。そして、嵩上げされた要求トルク及び推定潜在トルクを用いてトルク効率が計算される。このようにしてトルク効率を計算することで、要求トルクがゼロ以下の値の場合であってもトルク効率の値はゼロ以上に保つことができ、そして、要求トルクと推定潜在トルクとのずれに応じて最大値の１からゼロまでの範囲でリニアに変化するトルク効率を得ることができる。したがって、第１の発明の内燃機関の制御装置によれば、トルク効率の値と副アクチュエータの操作量とを対応させることが可能であり、要求トルクがゼロ以下の値の場合であっても適切に各アクチュエータを操作して要求トルクを要求通りに実現することができる。

第２の発明の内燃機関の制御装置によれば、想定される最大のポンプ損トルクに合わせて基準トルクが設定されているので、燃焼で発生するトルクがゼロになるまで、つまり、最小値まで要求トルクを下げることができる。また、トルク効率の分子及び分母の嵩上げ分を大きくすると、要求トルクと推定潜在トルクとのずれに関する情報としての価値は希釈されてしまうが、上記のように基準トルクを設定することで、トルク効率がゼロよりも小さくなる可能性を排除しつつ、トルク効率が有する上記情報としての価値も十分に担保することができる。

第３の発明の内燃機関の制御装置によれば、運転条件に応じて変化するポンプ損トルクに合わせて基準トルクを変更されるので、全運転領域でトルク効率が０よりも小さくなる可能性を排除しつつ最適な精度を確保することができる。また、基準トルクが変更された場合には、それに応じてトルク効率と副アクチュエータの操作量との対応関係も補正されるので、基準トルクが変更された場合でも適切に各アクチュエータを操作して要求トルクを要求通りに実現することができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１で実施されるトルク効率の計算方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２で実施されるトルク効率の計算方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２で実施されるトルク効率の計算の手順を示すフローチャートである。 ４サイクル内燃機関のＰＶ線図である。 従来のトルク効率の計算方法の問題点について説明するための図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図１及び図２を参照して説明する。

図１は本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。本実施の形態において制御対象とされる内燃機関は、火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。制御装置は、内燃機関に備えられるアクチュエータを操作することで内燃機関の運転を制御する。制御装置が操作可能なアクチュエータには、点火装置、スロットル、燃料噴射装置、可変バルブタイミング機構、ＥＧＲ装置等が含まれる。ただし、本実施の形態において制御装置が操作するのはスロットルと点火装置であり、制御装置はこれら２つのアクチュエータを操作して内燃機関が出力するトルクを制御する。制御装置によるスロットルの操作量はスロットル開度（以下、ＴＡと表記する場合もある）であり、点火装置の操作量は点火時期（以下、ＳＡと表記する場合もある）である。制御装置は、内燃機関に対して各操作量の指令値、すなわち、指令開度（ＴＡ）と指令点火時期（ＳＡ）とを出力する。

図１に示すように、本実施の形態の制御装置は要求トルクと要求効率とを取得する。車両の制御系統において、本実施の形態の制御装置の上位にはパワートレインマネージャ（図示省略）が配置されており、要求トルク及び要求効率はそのパワートレインマネージャから制御装置に入力されるようになっている。要求トルクは、内燃機関に出力させるトルク、より厳密には図示トルクの要求値である。効率は内燃機関が出力しうる潜在トルクに対する実際に出力されるトルクの割合であり、要求効率はその要求値である。効率の最大値は１であり、そのときには内燃機関が出力しうる潜在トルクがそのまま実際に出力されることになる。効率が１よりも小さい場合には、実際に出力されるトルクは内燃機関が出力しうる潜在トルクよりも小さく、その余裕分は主に熱となって内燃機関から出力されることになる。したがって、例えば触媒暖機のように積極的に排気温度を上げたいような場合には、効率が１よりも小さくなるようなアクチュエータ操作を行えばよい。

本実施の形態の制御装置は、取得した要求トルクと要求効率を除算器２に入力し、要求効率によって要求トルクを除算する。要求トルクを要求効率で除算して得られた値は、スロットル開度計算用のトルクとして用いられる。要求効率が１よりも小さい場合には、スロットル開度計算用のトルクは要求トルクよりも嵩上げされることになる。これは要求トルクよりも大きなトルクを潜在的に出力可能にしておくことがスロットルに要求されていることを意味する。

スロットル開度計算部４は、入力されたスロットル開度計算用トルクの値を筒内空気量（或いは充填効率）の値に変換し、さらに、スロットルへの指示開度（ＴＡ）に変換する。スロットル開度計算用トルクの筒内空気量への変換には、トルク−空気量変換マップが用いられる。トルク−空気量変換マップでは、点火時期がＭＢＴであることを前提にして、トルクと空気量とが種々の機関情報をキーにして関連付けられている。筒内空気量の指示開度への変換には、エアモデルの逆モデルが用いられる。エアモデルはスロットルの動作に対する筒内空気量の応答をモデル化した吸気系の物理モデルである。その逆モデルによって算出されたスロットル開度は要求される筒内空気量の達成に必要なスロットル開度であり、制御装置はそれを指示開度としてスロットルに出力する。

本実施の形態の制御装置は、上記の処理と並行して、実際のスロットル開度に基づいた推定ＭＢＴトルクの計算を推定ＭＢＴトルク計算部６にて実施する。推定ＭＢＴトルクとは、現在のスロットル開度の元で点火時期をＭＢＴにセットした場合に出力できるトルク、すなわち、内燃機関が潜在的に出力しうるトルクの推定値である。この推定ＭＢＴトルクは要求トルクとともに除算器８に入力され、要求トルクの推定ＭＢＴトルクに対する割合がトルク効率として算出される。

ただし、本実施の形態では、トルク効率の計算に使用する要求トルクは要求トルク補正部１２で補正されたものとされる。同様に、トルク効率の計算に使用する推定ＭＢＴトルクは推定ＭＢＴトルク補正部１４で補正されたものとされる。図中に示すように、要求トルク補正部１２では、要求トルクに対して基準トルクがマイナスの符号を付けて加え合わされる。推定ＭＢＴトルク補正部１４では、推定ＭＢＴトルクに対して同基準トルクがマイナスの符号を付けて加え合わされる。これらの加え合わせにより、要求トルクと推定ＭＢＴトルクは、それぞれゼロに対する相対値から基準トルクに対する相対値へと補正される。

上記の基準トルクは、ゼロよりも小さい所定の固定値である。このため、トルク効率の算出に際し、要求トルクはその値を基準トルクの分だけ嵩上げされ、推定ＭＢＴトルクもその値を基準トルクの分だけ嵩上げされることになる。この点に関して図解したものが図２である。図２の軸は図示トルクであり、Ｔｔは図示トルクとしての要求トルクの大きさを示し、Ｔｅは図示トルクとしての推定ＭＢＴトルクの大きさを示している。Ｔｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}は補正後の要求トルクであり、矢印線の長さが補正後要求トルクの絶対値の大きさを示し、矢印線の向きはプラス値かマイナス値かを示している。Ｔｅ_{ｏｆｆｓｅｔ}は補正後の推定ＭＢＴトルクであり、矢印線の長さが補正後推定ＭＢＴトルクの絶対値の大きさを示し、矢印線の向きはプラス値かマイナス値かを示している。

図２から分かるように、要求トルク（Ｔｔ）がゼロ以下の値の場合であっても、基準トルクの方が要求トルク（Ｔｔ）よりも大きいマイナス値であれば、補正後要求トルク（Ｔｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}）はゼロ以上の値になる。同じく、補正後推定ＭＢＴトルク（Ｔｅ_{ｏｆｆｓｅｔ}）もゼロ以上の値になる。したがって、補正後推定ＭＢＴトルク（Ｔｅ_{ｏｆｆｓｅｔ}）に対する補正後要求トルク（Ｔｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}）の割合であるトルク効率の値はゼロ以上に保たれることになる。また、このようにしてトルク効率を計算することで、要求トルク（Ｔｔ）と推定ＭＢＴトルク（Ｔｅ）とのずれに応じて最大値の１からゼロまでの範囲でリニアに変化するトルク効率を得ることができる。

点火時期計算部１０は、除算器８で計算されたトルク効率に基づいて要求トルクの実現に必要な点火時期（ＳＡ）を決定する。点火時期の決定においては、トルク効率が１であれば点火時期のＭＢＴからの遅角量はゼロとされ、トルク効率が１よりも小さいほど点火時期のＭＢＴからの遅角量は大きくされる。本実施の形態の制御装置によれば、トルク効率は最大値の１からゼロまでの範囲内に保たれるので、トルク効率の値と点火時期の遅角量とを対応させることが可能であり、要求トルクがゼロ以下の値の場合であっても適切に点火時期を設定して要求トルクを要求通りに実現することができる。

なお、上記の基準トルクの値をあまり大きなマイナス値に設定してしまうと、点火時期の遅角によるトルク制御の精度を低下させてしまう可能性がある。なぜなら、トルク効率には、要求トルクと推定ＭＢＴトルクとのずれに関する情報という意味が有るが、トルク効率の分子及び分母に占める嵩上げ分（基準トルク）の割合が大きくなるほど、そのような情報としての価値は希釈されてしまうからである。

その一方で、基準トルクの値をゼロに近づけすぎてしまうと、要求トルクがゼロ以下の値になったときに、要求トルクが基準トルクよりも低い値になってしまう可能性がある。その場合には、トルク効率がゼロよりも小さい値になってしまう。また、分母の値がゼロになってゼロ割エラーが起きてしまう可能性もある。

以上のような点を考慮すると、基準トルクの値は、想定される最大のポンプ損トルクに合わせた設定とするのが好ましい。そうすることで、燃焼で発生するトルクがゼロになるまで、つまり、最小値まで要求トルクを下げることができるし、また、トルク効率が０よりも小さくなったりゼロ割エラーが起きる可能性を排除しつつ、点火時期の遅角によるトルク制御の精度を十分に確保することができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態１について図３、図４及び図５を参照して説明する。

図３は本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。本実施の形態の制御装置の特徴の一つは、基準トルクを現在の運転条件のもとで発生するポンプ損トルクとしたことにある。ポンプ損トルクは、スロットル開度、エンジン回転数、バルブタイミング、ＥＧＲ率などの運転条件によって変化する。本実施の形態の制御装置は、内燃機関の運転条件とポンプ損トルクとを関連付けたマップを有し、そのマップを参照して運転条件に応じたポンプ損トルクを算出する。その計算は、ポンプ損トルク計算部１６において行なわれる。

要求トルク補正部１２では、要求トルクに対してポンプ損トルクがマイナスの符号を付けて加え合わされる。また、推定ＭＢＴトルク補正部１４では、推定ＭＢＴトルクに対してポンプ損トルクがマイナスの符号を付けて加え合わされる。そして、ポンプ損トルクの分だけ嵩上げされた要求トルク及び推定ＭＢＴトルクを用いてトルク効率は算出される。この点に関して図解したものが図４であり、一連の計算の手順をフローチャートで示したのが図５である。図４中のＴｔ、Ｔｅ、Ｔｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}及びＴｅ_{ｏｆｆｓｅｔ}の意味は図２の場合と同様である。Ｔｐはポンプ損トルクであり、矢印線の長さがポンプ損トルクの絶対値の大きさを示し、矢印線の向きはプラス値かマイナス値かを示している。

図５のフローチャートに示すように、本実施の形態の制御装置は、最初のステップＳ２にて要求トルク（Ｔｔ）を取得する。次のステップＳ４では、推定ＭＢＴトルク計算部６によって推定ＭＢＴトルク（Ｔｅ）を計算する。次に或いは並行して、ステップＳ６ではポンプ損トルク計算部１６によってポンプ損トルク（Ｔｐ）を計算する。次のステップＳ８では、各トルクをポンプ損トルク（Ｔｐ）だけオフセットしたもの、すなわち、補正後要求トルク（Ｔｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}）と補正後推定ＭＢＴトルク（Ｔｅ_{ｏｆｆｓｅｔ}）とを計算する。そして、最後のステップＳ１０で、補正後推定ＭＢＴトルク（Ｔｅ_{ｏｆｆｓｅｔ}）により補正後要求トルク（Ｔｔ_{ｏｆｆｓｅｔ}）を除算することでトルク効率を計算する。

以上のように、本実施の形態の制御装置では、内燃機関の運転条件に応じて変化するポンプ損トルク（Ｔｐ）に合わせて基準トルクが変更される。これによれば、内燃機関の全運転領域でトルク効率が０よりも小さくなったりゼロ割エラーが起きる可能性を排除しつつ、トルク効率の分子及び分母に占める嵩上げ分（基準トルク）の割合を最小限に止めることが可能となる。

点火時期計算部１０は、以上のような方法で計算されたトルク効率に基づいて要求トルクの実現に必要な点火時期（ＳＡ）を決定する。本実施の形態の制御装置は、点火時期計算部１０における点火時期の決定方法にも特徴がある。図３に示すように、本実施の形態では、ポンプ損トルク計算部１６で計算されたポンプ損トルクが点火時期計算部１０にも入力される。点火時期計算部１０は、入力されたポンプ損トルクに応じて、トルク効率と点火時期の遅角量との対応関係を補正する。これは、推定ＭＢＴトルクと要求トルクが共に一定であったとしても、ポンプ損トルクの値が運転条件に応じて変更された場合には、それに応じてトルク効率の値も変化してしまうからである。トルク効率から点火時期の補正量を決定する過程では一又は複数のマップが用いられるが、そのうちの１つのマップは、ポンプ損トルクを引数の１つとして作成されている。

以上のように、本実施の形態の制御装置によれば、運転条件の変化によってポンプ損トルクの計算値が変化したとしても、それに応じてトルク効率と点火時期の遅角量との対応関係も補正される。これにより、内燃機関の全運転領域において適切に点火時期の遅角を行い要求トルクを要求通りに実現することが可能となる。

なお、要求トルク及び推定ＭＢＴトルクを補正してから点火時期計算部１０で点火時期が計算されるまでの間には１又は数クロックの遅れがあり、その間にポンプ損トルクの計算値が変化する場合がある。よって、点火時期計算部１０へのポンプ損トルクの入力は、その遅れの分だけ遅延させることが好ましい。そうすることで、マップの引数として用いるポンプ損トルクの値を、要求トルク及び推定ＭＢＴトルクの補正に用いた値と同値とすることができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、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。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上述の実施の形態では、要求トルクと要求効率とを取得して要求効率によって要求トルクを除算したものをスロットル開度計算用トルクとしている。しかし、要求効率は必ずしも必要ではない。例えば、効率が常に最大値の１になるような運転が求められている場合には、除算器２を削除して要求トルクをそのままスロットル開度計算用トルクとして用いればよい。

上述の実施の形態では、スロットルの開度と点火時期とを操作量としてトルクを制御しているが、操作量の組み合わせはこれに限定されるものではない。吸入空気量を調整するアクチュエータ（主アクチュエータ）に関する操作量と、吸入空気量以外のパラメータを調整するアクチュエータ（副アクチュエータ）に関する操作量との組み合わせであればよい。そして、副アクチュエータの操作量をトルク効率に基づいて決定すればよい。なお、副アクチュエータとしては、操作量の変化に対するトルクの応答性が主アクチュエータのそれよりも優れているものが好ましい。上述の実施の形態で用いている点火装置はそのような副アクチュエータの一例である。

２ 除算器（要求潜在トルク計算手段）
４ スロットル開度計算部（主アクチュエータ操作量決定手段）
６ 推定ＭＢＴトルク計算部（推定潜在トルク計算手段）
８ 除算器（トルク効率計算手段）
１０ 点火時期計算部（副アクチュエータ操作量決定手段）
１２ 要求トルク補正部（要求トルク補正手段）
１４ 推定ＭＢＴトルク補正部（推定潜在トルク補正手段）
１６ ポンプ損トルク計算部

Claims (3)

1. トルクを制御するためのアクチュエータとして吸入空気量を調整する主アクチュエータと、吸入空気量以外の機関パラメータを調整する副アクチュエータとを有する内燃機関に適用され、前記内燃機関に出力させるトルクの要求値（以下、要求トルク）に従って前記主アクチュエータ及び副アクチュエータを操作する制御装置において、
   前記要求トルクに基づいて前記主アクチュエータの操作量を決定する主アクチュエータ操作量決定手段と、
   前記主アクチュエータの操作量に基づいて前記内燃機関の推定潜在トルクを計算する推定潜在トルク計算手段と、
   前記要求トルクの値をゼロよりも小さい値に設定された基準トルクに対する相対値に補正する要求トルク補正手段と、
   前記推定潜在トルクの値を前記基準トルクに対する相対値に補正する推定潜在トルク補正手段と、
   補正後の推定潜在トルクに対する補正後の要求トルクの割合（以下、トルク効率）を計算するトルク効率計算手段と、
   前記トルク効率に基づいて前記要求トルクの実現に必要な前記副アクチュエータの操作量を決定する副アクチュエータ操作量決定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記基準トルクは、想定される最大のポンプ損トルクに合わせて設定されてい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。
3. 前記基準トルクは、現在の運転条件のもとで発生するポンプ損トルクに対応するように前記内燃機関の運転条件に応じて変更され、
   前記副アクチュエータ操作量決定手段は、前記基準トルクの変更に応じて前記トルク効率と前記副アクチュエータの操作量との対応関係を補正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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