JP5556907B2 - 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、吸気通路に設けられたスロットルと、動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響する複数のアクチュエータとを有する内燃機関の制御装置に関する。

車両用の内燃機関には多数のアクチュエータが設けられている。内燃機関の制御装置は、それらアクチュエータを協調操作することによって内燃機関を制御している。複数のアクチュエータが関係する制御の一つには、吸入空気量の制御が含まれている。吸入空気量の制御は主として吸気通路に設けられたスロットルによって行われる。しかし、吸気バルブに可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ）が設けられている場合には、スロットルの開度のみならずＶＶＴの動作状態も吸入空気量に影響する。このため、従来の内燃機関の制御装置では、例えば特開２００４−２４５０８２号公報に記載されているように、ＶＶＴとスロットルの各動作可能範囲を求めて、その範囲内において目標吸入空気量を実現するための最良のアクチュエータ動作量を決定することが行われていた。

しかし、吸入空気量の制御において考慮に入れるべきスロットル以外のアクチュエータはＶＶＴだけではない。スロットルによる吸入空気量の制御を正確に行うためには、動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響する全てのアクチュエータを考慮に入れるべきである。そのようなアクチュエータには、ウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）や、吸気バルブのリフト量を変更する可変リフト量機構などが含まれている。上述の特許文献では、これらのアクチュエータへの適用については言及されていない。

なお、スロットルを含めた全てのアクチュエータについて、吸入空気量やエンジン回転数を含む運転条件ごとに指令値の適合を行い、指令値をマップ化することが考えられる。しかし、吸入空気量の制御を正確に行うためには、アクチュエータ指令値に関する適合は定常状態だけでは足りず、過渡状態についても行う必要がある。過渡状態での適合は困難であり、それに要する工数は多大なものとなる。よって、全てのアクチュエータについてその指令値をマップ化することは現実的とは言い難い。

特開２００４−２４５０８２号公報 特開２００９−０６８４０２号公報 特開２０１０−０５３７０５号公報 特開２００８−００８１５５号公報 特開２００３−１８４５８７号公報 特開２００１−１５９３４１号公報

本発明は、動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響するアクチュエータを複数備える場合であっても、スロットルによって吸入空気量を精度良く制御できるようにすることを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のような内燃機関の制御装置を提供する。

本発明が提供する内燃機関の制御装置は、まず、所定の時間ステップ（以下、Δt）後の目標吸入空気量を決定する。次に、本制御装置は、スロットルを最大速度で開き側に動かすことで得られるΔt後の吸気管圧の最大上昇量と、スロットルを最大速度で閉じ側に動かすことで得られるΔt後の吸気管圧の最大低下量とを計算する。吸気管圧の最大上昇量及び最大低下量は、スロットルを通過する空気の流量（以下、スロットル流量）と吸気弁を通過する空気の流量（以下、吸気弁流量）と吸気管圧の変化量との間に成り立つ関係式と、スロットルの開度とスロットル流量との間に成り立つ関係式とに基づいて現在の吸気管圧及び吸気弁流量を用いて計算することができる。そして、本制御装置は、吸気管圧と吸気弁流量と複数のアクチュエータの動作状態との間に成り立つ関係式、及び、吸気弁流量と吸入空気量との間に成り立つ関係式に基づいて、目標吸入空気量を満たすために必要なΔｔ後の吸気管圧の変化量がその最大低下量から最大上昇量までの範囲内に収まるように複数のアクチュエータのそれぞれに対する指令値を決定する。そして、本制御装置は、決定したアクチュエータ指令値のもとで目標吸入空気量を満たすためのスロットルの目標開度を計算する。これによれば、スロットル以外のアクチュエータの過剰な動作を制限し、目標吸入空気量の実現に必要な吸気管圧の変化量をスロットルの動作可能な範囲内に収めることができるので、スロットルによる吸入空気量の制御を精度良く行なうことができる。

なお、アクチュエータ指令値を決定する方法には好ましい態様が存在する。その１つの好ましい態様によれば、本制御装置は、内燃機関の運転条件ごとに複数の指令値候補を予め用意しておき、複数の指令値候補の中から決定すべきアクチュエータ指令値を選択する。別の好ましい態様によれば、本制御装置は、内燃機関の運転条件ごとに最適指令値を予め用意しておき、最適指令値によって実現される吸気管圧の変化量がその最大低下量から最大上昇量までの範囲内に収まる場合には、最適指令値をアクチュエータ指令値として決定する。一方、最適指令値によって実現される吸気管圧の変化量が最大低下量を超える場合には、最大低下量により特定される値をアクチュエータ指令値として決定する。また、最適指令値によって実現される吸気管圧の変化量が最大上昇量を超える場合には、最大上昇量により特定される値をアクチュエータ指令値として決定する。

本発明の実施の形態１において制御装置により実施される吸入空気量制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１におけるΔPmの算出イメージを示す図である。 本発明の実施の形態１におけるアクチュエータ条件の選択方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるアクチュエータ条件の選択方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるアクチュエータ条件の選択方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において制御装置により実施される吸入空気量制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２におけるアクチュエータ条件の選択方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるアクチュエータ条件の選択方法を説明するための図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

本実施の形態の内燃機関の制御装置は、スロットルの操作による吸入空気量の制御によってトルクの制御が可能な内燃機関を制御対象とする。また、本制御装置が制御対象とする内燃機関はターボ過給器付きの内燃機関であり、動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響するアクチュエータであるＶＶＴとＷＧＶを備えている。

本制御装置は、ドライバのアクセル操作量から内燃機関に要求される負荷を判断し、その要求負荷を実現するための目標吸入空気量を決定する。目標吸入空気量の決定は、所定の時間ステップΔtごとに行われる。そして、決定した目標吸入空気量を実現するために必要なスロットルの開度をＶＶＴとＷＧＶの各指令値とともに決定する。つまり、本制御装置は、スロットルをＶＶＴ及びＷＧＶとは独立して操作するのではなく、吸入空気量に関係する全てのアクチュエータを協調操作する。以下、図１のフローチャートを用いて本制御装置により実施される吸入空気量制御の手順について説明する。

最初のステップＳ１０１では、本制御装置は、内燃機関に要求される負荷に応じてΔt後の目標吸入空気量を決定する。

次のステップＳ１０２では、本制御装置は、目標吸入空気量の実現に必要な吸気管圧の変化量をアクチュエータ条件ごとに算出する。アクチュエータ条件とは、ＶＶＴの動作状態とＷＧＶの動作状態とによって決まる条件である。本制御装置には、内燃機関の運転条件ごとにＶＶＴの指令値候補とＷＧＶの指令値候補の組み合わせが複数用意されている。ＶＶＴの指令値候補とＷＧＶの指令値候補の各組み合わせがアクチュエータ条件に相当する。各アクチュエータ条件には、燃費性能や排気ガス性能やドライバビリティといった観点からランクが付けられている。

吸気管圧の変化量の計算には、吸気管圧と吸気弁流量とアクチュエータ条件との間に成り立つ次の関係式１が用いられる。式１において、“mc”は吸気弁流量、“Pm”は吸気管圧である。また、“a”と“b”は係数であり、それぞれエンジン回転数“ne”とＶＶＴの指令値“VVT”とＷＧＶの指令値“WGV”の関数として表すことができる。
mc=a(ne,VVT,WGV)*Pm-b(ne,VVT,WGV) …式１

また、吸気弁流量“mc”は、以下の関係式２に示すように吸入空気量“KL”の関数として表すことができる。
mc=mc(KL) …式２

したがって、目標吸入空気量“KLref”が与えられた場合、Δt後の目標吸気管圧“Pmref(t+Δt)”は次の式３によって算出することができる。
Pmref(t+Δt)=(mc(KLref)+ b(ne,VVT,WGV))/a(ne,VVT,WGV) …式３

吸気管圧の変化量“ΔPm”は、目標吸気管圧“Pmref(t+Δt)”と現在の吸気管圧“Pm(t)”との差分であるから、以下の式４によって算出することができる。
ΔPm=(mc(KLref)+ b(ne,VVT,WGV))/a(ne,VVT,WGV)-Pm(t) …式４

本制御装置は、各アクチュエータ条件について式４を用いて吸気管圧の変化量を計算する。図２には、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の４つのアクチュエータ条件を例示し、各アクチュエータ条件における吸気管圧と吸入空気量との関係をグラフで表している。また、（ｂ）条件において算出されるPmref及びΔPmと、（ｄ）条件において算出されるPmref及びΔPmとを比較して示している。この図からも分かるように、目標吸入空気量を満たすために必要な吸気管圧の変化量は、アクチュエータ条件によって異なった値となる。

次のステップＳ１０３では、本制御装置は、スロットルを最大速度で開き側に動かすことで得られるΔt後の吸気管圧の最大上昇量を計算する。また、スロットルを最大速度で閉じ側に動かすことで得られるΔt後の吸気管圧の最大低下量を計算する。これらの計算は、スロットル流量と吸気弁流量と吸気管圧の変化量との間に成り立つ次の関係式５を用いて行われる。式５において、“κ”は比熱比、“R”は気体定数、“T”はスロットル上流温度、“Vm”は吸気管容積、“mt”はスロットル流量、“mc”吸気弁流量である。スロットル流量“mt”は、式中に示すように、スロットル開度“TA”と吸気管圧“Pm”とスロットル上流圧“P”の関数で表すことができる。
ΔPm=κ*R*T*Δt/Vm*(mt(TA(t+Δt),Pm(t),P)-mc(t)) …式５

上記の式５を用いれば、吸気管圧の最大上昇量“ΔPmmax”は次の式６によって計算することができる。式６において、ΔTAはΔtあたりのスロットル開度の最大変化量である。
ΔPmmax=κ*R*T*Δt/Vm*(mt(TA(t)+ΔTA,Pm(t),P)-mc(t)) …式６

同様に、吸気管圧の最大低下量“ΔPmmin”は次の式７によって計算することができる。
ΔPmmin=κ*R*T*Δt/Vm*(mt(TA(t)-ΔTA,Pm(t),P)-mc(t)) …式７

吸気管圧の最大上昇量“ΔPmmax”はスロットルの動作可能範囲内で採りうる吸気管圧の変化量の上限値であり、最大低下量“ΔPmmin”は吸気管圧の変化量の下限値である。したがって、ステップＳ１０２で計算した各アクチュエータ条件における吸気管圧の変化量“ΔPm”のうち、あるアクチュエータ条件における吸気管圧の変化量“ΔPm”が最大低下量“ΔPmmin”から最大上昇量“ΔPmmax”までの範囲に入っているならば、そのアクチュエータ条件のもとでは目標吸入空気量を実現することが可能であると判断することができる。

そこで、次のステップＳ１０４では、本制御装置は、各アクチュエータ条件における吸気管圧の変化量“ΔPm”について、ΔPmmin<ΔPm<ΔPmmaxを満たすかどうか判定し、この条件を満たすアクチュエータ条件を抽出する。そして、次のステップＳ１０５では、本制御装置は、ステップＳ１０４で抽出したアクチュエータ条件のなかから最もランクの高いアクチュエータ条件を選択する。

ここで、本制御装置によるアクチュエータ条件の選択方法について図を用いて説明する。図３、図４及び図５に示す各グラフは、縦軸にＷＧＶの指令値をとり横軸にＶＶＴの指令値をとった場合のΔPmの等高線図である。各グラフとも、加速時におけるΔPmの等高線が描かれている。また、グラフ内に示す複数の白丸は、各アクチュエータ条件に対応する動作点である。加速時には目標空気量が増大することから、吸気管圧の変化量であるΔPmは正の値をとる。このため、問題となるのは上限値であるΔPmmaxのラインと各動作点との関係である。図中のΔPm極小のラインは、ΔPmの極小値を結んだラインであって、下限値であるΔPmminのラインを意味するものではない。

図３に示すグラフには、加速時、目標空気量が比較的ゆっくりと変化している場合のΔPmの等高線が表されている。図においてΔPmmaxのラインよりも右側の領域はスロットルによる吸入空気量制御が不可能な領域（空気量制御不能領域）である。図中には、r1からr5までの５つの動作点が示されている。各動作点の数字はランクを表しており、r1の動作点が最もランクの高い動作点である。したがって、ＶＶＴとＷＧＶの各指示値が成り行きで決定されるならば、r1の動作点に対応するアクチュエータ条件が選択されることになる。ところが、図のケースでは、r1の動作点は空気量制御不能領域に入っている。つまり、r1の動作点では、ΔPmmin<ΔPm<ΔPmmaxの条件が満たされない。そこで、このケースでは、次にランクの高いr2の動作点に対応するアクチュエータ条件が選択されることになる。

図４に示すグラフには、加速時、目標空気量が大きく変化している場合のΔPmの等高線が表されている。この場合、ΔPmmaxのラインよりも右側の空気量制御不能領域は、図３に示すケースよりも大きくなる。図中には、r1からr5までの５つの動作点が示されている。このケースでも最もランクの高いr1の動作点は空気量制御不能領域に入っており、さらに、次にランクの高いr2の動作点も空気量制御不能領域に入っている。そこで、このケースでは、３番目にランクの高いr3の動作点に対応するアクチュエータ条件が選択されることになる。このように、本制御装置によれば、空気量制御不能領域が広がったとしても、空気量制御が可能な範囲にある最良のアクチュエータ条件を自動的に選択することができる。

図５に示すグラフには、エンジン回転数が低回転で空気量が増加している場合のΔPmの等高線が表されている。低回転時には気筒内の掃気が起きることから、空気量制御不能領域は図においてΔPmmaxのラインよりも左側の領域となる。図中には、r1からr3までの３つの動作点が示されていて、r1の動作点とr2の動作点が空気量制御不能領域に入っている。したがって、このケースでは、３番目にランクの高いr3の動作点に対応するアクチュエータ条件が選択されることになる。このように、本制御装置によれば、空気量制御不能領域がどのような傾向を示したとしても、空気量制御が可能な範囲にある最良のアクチュエータ条件を自動的に選択することができる。

次のステップＳ１０６では、本制御装置は、ステップＳ１０５で選択したアクチュエータ条件でのΔPmから目標スロットル開度を計算する。目標スロットル開度の計算には、前述の関係式５を用いることができる。関係式５によってΔPmからスロットル流量“mt”を算出することができ、スロットル流量“mt”からΔt後の目標スロットル開度“TA(t+Δt)”を算出することができる。

そして、本制御装置は、ステップＳ１０５で選択したアクチュエータ条件にしたがってＶＶＴとＷＧＶを操作する（ステップＳ１０７）。また、それと併行してステップＳ１０６で算出した目標スロットル開度にしたがってスロットルを操作する（ステップＳ１０８）。このような手順で吸入空気量制御を実施することにより、ＶＶＴとＷＧＶの過剰な動作を制限し、目標吸入空気量の実現に必要な吸気管圧の変化量をスロットルの動作可能な範囲内に収めることができる。よって、本制御装置によれば、スロットルによる吸入空気量の制御を精度良く行なうことができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

図６は、本実施の形態において制御装置により実施される吸入空気量制御の手順を示すフローチャートである。以下、図６のフローチャートを用いて、本制御装置による吸入空気量制御の手順について説明する。

最初のステップＳ２０１では、本制御装置は、内燃機関に要求される負荷に応じてΔt後の目標吸入空気量を決定する。

次のステップＳ２０２では、本制御装置は、最適アクチュエータ条件のもとで目標吸入空気量の実現に必要な吸気管圧の変化量“ΔPm”を算出する。最適アクチュエータ条件とは、燃費性能や排気ガス性能やドライバビリティといった観点から最も適しているＶＶＴの指令値とＷＧＶの指令値の組み合わせであって、実施の形態１における最高ランクのアクチュエータ条件に相当する。本制御装置は、内燃機関の運転条件ごとに最適アクチュエータ条件を用意している。吸気管圧の変化量“ΔPm”の計算は、実施の形態１の場合と同様、関係式１及び関係式２に基づいて行われる。

次のステップＳ２０３では、本制御装置は、スロットルを最大速度で開き側に動かすことで得られるΔt後の吸気管圧の最大上昇量“ΔPmmax”と、スロットルを最大速度で閉じ側に動かすことで得られるΔt後の吸気管圧の最大低下量“ΔPmmin”とを計算する。これらの計算は、実施の形態１の場合と同様、関係式５に基づいて行われる。

次のステップＳ２０４では、本制御装置は、最適アクチュエータ条件における吸気管圧の変化量“ΔPm”が下限値である最大低下量“ΔPmmin”よりも大きいかどうか判定する。吸気管圧の変化量“ΔPm”が最大低下量“ΔPmmin”よりも大きい場合は、次に、吸気管圧の変化量“ΔPm”が上限値である最大上昇量“ΔPmmax”よりも小さいかどうか判定する（ステップＳ２０５）。そして、吸気管圧の変化量“ΔPm”が、ΔPmmin<ΔPm<ΔPmmaxを満たすと判定された場合には、本制御装置は、最適アクチュエータ条件を最終的なアクチュエータ条件として選択する（ステップＳ２０６）。

一方、吸気管圧の変化量“ΔPm”が最大上昇量“ΔPmmax”以上になっている場合には、本制御装置は、最大上昇量“ΔPmmax”に対応するアクチュエータ条件を所定のロジックに基づいて算出し、それを最終的なアクチュエータ条件として選択する（ステップＳ２０７）。吸気管圧の変化量“ΔPm”が最大低下量“ΔPmmin”以下になっている場合には、本制御装置は、最大低下量“ΔPmmin”に対応するアクチュエータ条件を所定のロジックに基づいて算出し、それを最終的なアクチュエータ条件として選択する（ステップＳ２０８）。

ここで、本制御装置によるアクチュエータ条件の選択方法について図を用いて説明する。図７及び図８に示す各グラフは、縦軸にＷＧＶの指令値をとり横軸にＶＶＴの指令値をとった場合のΔPmの等高線図である。各グラフとも、加速時におけるΔPmの等高線が描かれている。また、グラフ内に示す複数の白丸は、各アクチュエータ条件に対応する動作点である。

図７に示すグラフにおいて、p0の動作点は最適アクチュエータ条件に対応する動作点を表している。このケースでは、p0の動作点は空気量制御不能領域には入っていない。したがって、p0の動作点に対応するアクチュエータ条件、すなわち、最適アクチュエータ条件が最終的なアクチュエータ条件として選択されることになる。

一方、図８に示すグラフでは、p0の動作点は空気量制御不能領域には入っている。したがって、このケースでは最適アクチュエータ条件を選択することができない。この場合、p0の動作点に最も距離が近いΔPmmaxのライン上の動作点が計算される。図中のp1の動作点がそれである。なお、ΔPmmaxのラインは、ＷＧＶの値を変化させながらΔPmmaxを与えるＶＶＴの値を決定していくことで特定することができる。本制御装置には、ΔPmmaxを与えるＷＧＶの値とＶＶＴの値との関係をマップ化したものが用意されていて、そのマップのデータを用いてΔPmmaxのライン上のp1の動作点が算出される。このケースでは、p1の動作点に対応するアクチュエータ条件が最終的なアクチュエータ条件として選択されることになる。ΔPmmaxに対応するアクチュエータ条件を選択することには、スロットルを動作の限界まで使い切ることができるという利点がある。

次のステップＳ２０９では、本制御装置は、ステップＳ２０６、Ｓ２０７、或いはＳ２０８の何れかで選択したアクチュエータ条件でのΔPmから目標スロットル開度を計算する。目標スロットル開度の計算には、前述の関係式５を用いることができる。関係式５によってΔPmからスロットル流量“mt”を算出することができ、スロットル流量“mt”からΔt後の目標スロットル開度“TA(t+Δt)”を算出することができる。

そして、本制御装置は、ステップＳ２０６、Ｓ２０７、或いはＳ２０８の何れかで選択したアクチュエータ条件にしたがってＶＶＴとＷＧＶを操作する（ステップＳ２１０）。また、それと併行してステップＳ２０９で算出した目標スロットル開度にしたがってスロットルを操作する（ステップＳ２１１）。このような手順で吸入空気量制御を実施することにより、ＶＶＴとＷＧＶの過剰な動作を制限し、目標吸入空気量の実現に必要な吸気管圧の変化量をスロットルの動作可能な範囲内に収めることができる。また、本制御装置によれば、実施の形態１のように複数の候補が用意されていなくとも、最良なアクチュエータ条件を自動的に選択することができるという利点もある。

その他．
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、実施の形態２において、ΔPmmaxのライン上の動作点を決定するための拘束を追加することもできる。その場合、アクチュエータの動作の制限を拘束として用いることができる。例えば、吸入空気量の応答性を良くするために加速時にはＷＧＶを全開にし、減速時にはＷＧＶを全閉にするようにしてもよい。

また、上述の実施の形態ではＶＶＴとＷＧＶを有する内燃機関を例に挙げたが、本発明はそれ以外のアクチュエータを有する内燃機関にも適用可能である。動作状態が吸気管圧と吸入空気量との関係に影響するアクチュエータであれば、その種類や数には限定は無い。

Claims (3)

1. 吸気通路に設けられたスロットルと、吸気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構と、ウエストゲートバルブとを有するターボ過給機付き内燃機関の制御装置において、
   所定の時間ステップ後の目標吸入空気量を決定する目標吸入空気量決定手段と、
   前記スロットルを通過する空気の流量（以下、スロットル流量）と吸気弁を通過する空気の流量（以下、吸気弁流量）と吸気管圧の変化量との間に成り立つ関係式と、前記スロットルの開度とスロットル流量との間に成り立つ関係式とに基づき、前記スロットルを最大速度で開き側に動かすことで得られる前記時間ステップ後の吸気管圧の最大上昇量と、前記スロットルを最大速度で閉じ側に動かすことで得られる前記時間ステップ後の吸気管圧の最大低下量とを現在の吸気管圧及び吸気弁流量を用いて計算する吸気管圧限界変化量計算手段と、
   吸気管圧と吸気弁流量と前記可変バルブタイミング機構及びウエストゲートバルブの各動作状態との間に成り立つ関係式と、吸気弁流量と吸入空気量との間に成り立つ関係式とに基づき、前記目標吸入空気量を満たすために必要な前記時間ステップ後の吸気管圧の変化量が前記最大低下量から前記最大上昇量までの範囲内に収まるように前記可変バルブタイミング機構及びウエストゲートバルブのそれぞれに対する指令値を決定するアクチュエータ指令値決定手段と、
   決定したアクチュエータ指令値のもとで前記目標吸入空気量を満たすための前記スロットルの目標開度を計算する目標スロットル開度計算手段と、
   を備えることを特徴とするターボ過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記アクチュエータ指令値決定手段は、前記内燃機関の運転条件ごとに複数の指令値候補を予め用意しており、前記複数の指令値候補の中から決定すべきアクチュエータ指令値を選択することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付き内燃機関の制御装置。
3. 前記アクチュエータ指令値決定手段は、前記内燃機関の運転条件ごとに最適指令値を予め用意しており、前記最適指令値によって実現される吸気管圧の変化量が前記最大低下量から前記最大上昇量までの範囲内に収まる場合には、前記最適指令値をアクチュエータ指令値として決定し、前記最適指令値によって実現される吸気管圧の変化量が前記最大低下量を超える場合には、前記最大低下量により特定される値をアクチュエータ指令値として決定し、前記最適指令値によって実現される吸気管圧の変化量が前記最大上昇量を超える場合には、前記最大上昇量により特定される値をアクチュエータ指令値として決定することを特徴とする請求項１に記載のターボ過給機付き内燃機関の制御装置。

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