JP5370672B2 - 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５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から目標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と仮想吸入空気量（前回の最終目標スロットル開度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目標スロットル開度を補正した後、ガード手段で、目標スロットル開度及びその変化速度（所定時間当りの変化量）をそれぞれ所定のガード値で制限して最終目標スロットル開度を設定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６に実線で示すように、要求吸入空気量がステップ的に急増加すると、それに伴ってモデル後要求吸入空気量が増加して目標スロットル開度が急増加するため、目標スロットル開度の変化速度がガード値でガードされて最終目標スロットル開度が設定される。これにより、モデル後要求吸入空気量と仮想吸入空気量（前回の最終目標スロットル開度から推定した実吸入空気量）との偏差が大きくなるため、その偏差を小さくするように目標スロットル開度が減少方向に補正されるが、目標スロットル開度の減少方向の変化速度もガード値でガードされるため、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。

この対策として、図６に破線で示すように、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ことで、目標スロットル開度の変化速度がガード値でガードされないようにして、実吸入空気量のオーバーシュートを抑制することが可能であるが、この場合、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（例えば、吸気系の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を実現するための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おいて、目標スロットル開度の変化速度を所定のガード値で制限して最終的な目標スロットル開度を設定するガード手段と、目標スロットル開度の変化速度がガード値でガードされたときに規範モデルにより要求吸入空気量をモデル後要求吸入空気量に変換する際に用いる内部変数を補正する補正手段と、前記最終的な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とを備え、前記規範モデルは、前記モデル後要求吸入空気量の前回値と前記要求吸入空気量の今回値とに基づいて前記モデル後要求吸入空気量の今回値を算出するように設定され、前記仮想吸入空気量算出手段は、前記最終目標スロットル開度の前回値から推定した実吸入空気量を前記仮想吸入空気量とし、前記補正手段は、補正対象となる前記内部変数を前記モデル後要求吸入空気量の前回値とし、前記モデル後要求吸入空気量の前回値を前記仮想吸入空気量に置き換えることで前記モデル後要求吸入空気量の前回値を補正することを特徴とするものである。

この構成では、要求吸入空気量の急変化に伴って目標スロットル開度が急変化して、目標スロットル開度の変化速度がガード値でガードされたときに、規範モデルにより要求吸入空気量をモデル後要求吸入空気量に変換する際に用いる内部変数を補正することで、モデル後要求吸入空気量の応答性を一時的に低下させて、目標スロットル開度の変化速度がガード値でガードされ難くすることができ、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。しかも、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といった必要がないため、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）を確保することができる。

この場合、本発明のように、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に基づいてモデル後要求吸入空気量の今回値を算出するように設定する場合には、補正対象となる内部変数をモデル後要求吸入空気量の前回値とし、モデル後要求吸入空気量の前回値を補正するようにすると良い。このようにすれば、モデル後要求吸入空気量の前回値を補正することで、モデル後要求吸入空気量の応答性を一時的に低下させることができる。

更に、本発明のように、最終的な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ている場合には、最終目標スロットル開度の前回値から推定した実吸入空気量を前記仮想吸入空気量とし、モデル後要求吸入空気量の前回値を仮想吸入空気量に置き換えることでモデル後要求吸入空気量の前回値を補正するようにしても良い。このようにすれば、モデル後要求吸入空気量の前回値を仮想吸入空気量（実吸入空気量の推定値）に置き換えるという簡単な方法で、モデル後要求吸入空気量の前回値を補正して、モデル後要求吸入空気量の応答性を一時的に低下させることができる。

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の（ａ）と（ｂ）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４は本実施例における規範モデル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６の（ａ）と（ｂ）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。

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（例えば３２ｍｓ）であり、Ｔ1 は演算周期（例えば８ｍｓ）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 から目標スロットル開度θt 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目標スロットル開度θt を補正することで、モデル後要求吸入空気量Ｍtsm を実現するための目標スロットル開度θt を求める。

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目標スロットル開度θt を算出する。

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を用いて目標スロットル開度θt を次式により補正する。
θt ＝θt ＋θfb

この後、ガード手段３３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３４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。

また、本実施例では、ＥＣＵ３０により後述する図４の規範モデルルーチンを実行することで、図３に実線で示すように、要求吸入空気量Ｍt の急変化に伴って目標スロットル開度θt が急変化して、目標スロットル開度θt の変化速度が上限速度ガード値又は下限速度ガード値でガードされたときに、規範モデル３１により要求吸入空気量Ｍt をモデル後要求吸入空気量Ｍtsm に変換する際に用いる内部変数（モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old ）を補正することで、モデル後要求吸入空気量Ｍt の応答性を一時的に低下させて、目標スロットル開度θt の変化速度がガード値でガードされ難くする。本実施例では、モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を仮想吸入空気量の今回値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）に置き換えることで、モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を補正する。

以下、ＥＣＵ３０が実行する図４の規範モデルルーチンの処理内容を説明する。
図４に示す規範モデルルーチンは、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、前回の目標スロットル開度θt の変化速度が上限速度ガード値又は下限速度ガード値でガードされたか否かを判定する。

このステップ１０１で、前回の目標スロットル開度θt の変化速度がガード値でガードされていないと判定された場合には、ステップ１０２に進み、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。
Ｍtsm ＝（Ｃ×Ｍtsm.old ＋Ｔ1 ×Ｍt ）／（Ｃ＋Ｔ1 ）
ここで、Ｃは一次遅れフィルタ時定数（例えば３２ｍｓ）であり、Ｔ1 は演算周期（例えば８ｍｓ）である。

一方、上記ステップ１０１で、前回の目標スロットル開度θt の変化速度がガード値でガードされたと判定された場合には、ステップ１０３に進み、モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を仮想吸入空気量の今回値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）に置き換えて、この仮想吸入空気量Ｍvt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。
Ｍtsm ＝（Ｃ×Ｍvt＋Ｔ1 ×Ｍt ）／（Ｃ＋Ｔ1 ）
このステップ１０３の処理が特許請求の範囲でいう補正手段としての役割を果たす。

以上説明した本実施例では、図３に実線で示すように、要求吸入空気量Ｍt の急変化に伴って目標スロットル開度θt が急変化して、目標スロットル開度θt の変化速度が上限速度ガード値又は下限速度ガード値でガードされたときに、規範モデルにより要求吸入空気量Ｍt をモデル後要求吸入空気量Ｍtsm に変換する際に用いるモデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を補正する（仮想吸入空気量Ｍvtに置き換える）ようにしたので、モデル後要求吸入空気量Ｍtsm の応答性を一時的に低下させて、目標スロットル開度θt の変化速度がガード値でガードされ難くすることができ、要求吸入空気量Ｍt 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。しかも、規範モデルの時定数Ｃを大きくしてモデル後要求吸入空気量Ｍtsm の応答性を低下させるといった必要がないため、吸入空気量制御の応答性（要求吸入空気量Ｍt に対する実吸入空気量の応答性）を確保することができる。

また、本実施例では、モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を仮想吸入空気量Ｍvtに置き換えることでモデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を補正するようにしたので、モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を仮想吸入空気量Ｍvtに置き換えるという簡単な方法で、モデル後要求吸入空気量の前回値Ｍtsm.old を補正して、モデル後要求吸入空気量Ｍtsm の応答性を一時的に低下させることができる。

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、これに限定されず、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。この場合、目標スロットル開度θt の変化速度が上限速度ガード値又は下限速度ガード値でガードされたときに、規範モデルにより要求吸入空気量をモデル後要求吸入空気量に変換する際に用いるモデル後要求吸入空気量の前回値及び前々回値を、それぞれ仮想吸入空気量の今回値及び前回値に置き換えるようにすれば良い。

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（補正手段）、３１…規範モデル、３２…応答遅れ補償手段、３３…ガード手段、３４…吸気系モデル

Claims (1)

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おいて、
   前記目標スロットル開度の変化速度を所定のガード値で制限して最終的な目標スロットル開度を設定するガード手段と、
   前記目標スロットル開度の変化速度が前記ガード値でガードされたときに前記規範モデルにより前記要求吸入空気量を前記モデル後要求吸入空気量に変換する際に用いる内部変数を補正する補正手段と、
   前記最終的な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と
   を備え、
   前記規範モデルは、前記モデル後要求吸入空気量の前回値と前記要求吸入空気量の今回値とに基づいて前記モデル後要求吸入空気量の今回値を算出するように設定され、
   前記仮想吸入空気量算出手段は、前記最終目標スロットル開度の前回値から推定した実吸入空気量を前記仮想吸入空気量とし、
   前記補正手段は、補正対象となる前記内部変数を前記モデル後要求吸入空気量の前回値とし、前記モデル後要求吸入空気量の前回値を前記仮想吸入空気量に置き換えることで前記モデル後要求吸入空気量の前回値を補正することを特徴とする内燃機関の吸入空気量制御装置。

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