JP5564543B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃費ベストトルクに基づいて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置に関する。
従来のこの種の内燃機関の制御装置として、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。この制御装置では、ハイブリッド車両に搭載された内燃機関を対象とし、内燃機関の回転数に対して燃料消費率が最小になるトルク(燃費ベストトルク)を表す動作線に基づいて、内燃機関を制御するとともに、この動作線を学習・更新する制御が行われる。具体的には、内燃機関のトルク及び回転数を座標軸とする座標平面上に、外気温、大気圧や湿度などの環境条件ごとに動作線をあらかじめ設定し、所定の複数の動作線として記憶する。また、内燃機関の運転中、検出された内燃機関のトルクと内燃機関の回転数及び燃料噴射量に基づいて、燃料消費率を算出する。そして、算出した燃料消費率が動作線上の燃料消費率よりも小さいときに、そのときの環境条件に対応する動作線が、算出した燃料消費率を用いて更新される。
特開2006−193137号公報
上述したように、この従来の制御装置では、所定の動作線をベースとして、内燃機関が制御される。このため、動作線が環境条件ごとに設定される場合には特に、多数の動作線をあらかじめ設定することが必要であり、その工数が増大することで、制御装置のコスト増加を招く。また、環境条件が合致しない限り、その環境条件に対応する動作線は学習されないので、学習が行われていない動作線に基づき、最適値からずれた状態の燃費ベストトルクを用いて内燃機関が制御されることがあり、その場合には燃費が低下してしまう。
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、燃費ベストトルクを表す動作線をあらかじめ設定又は学習することなく、内燃機関の運転状態に応じて、燃費ベストトルクを直接かつ適切に算出でき、それにより、コストの削減と燃費の向上を図ることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
この目的を達成するために、請求項1に係る発明は、燃料消費率が最小になる燃費ベストトルクTRQBSFCBを算出するとともに、算出された燃費ベストトルクTRQBSFCBに基づいて内燃機関3を制御する内燃機関の制御装置であって、燃焼室3dで燃焼する混合気の空燃比を所定の目標空燃比AFCMDに制御する空燃比制御手段(実施形態における(以下、本項において同じ)ECU2、図3のステップ1)と、所定の1つの基準回転数NEREFで内燃機関3を運転したときの燃費ベストトルクTRQBSFCBを算出する燃費ベストトルク算出手段(ECU2、図3のステップ2)と、を備え、燃費ベストトルク算出手段は、内燃機関3の運転状態(目標吸気カム位相CAINCMD、エンジン回転数NE)に基づいて、燃焼室3dに吸入可能な最大の吸気量を、最大吸気量GAIRMAXとして算出する最大吸気量算出手段(図4のステップ14)と、値0から算出された最大吸気量GAIRMAXまでの吸気量の範囲内で、互いに異なる複数の仮吸気量GAIRPRViを設定する仮吸気量設定手段(図4のステップ15)と、内燃機関3の運転状態(エンジン回転数NE、エンジン水温TW、吸気温TA、ノッキングの発生状態)に基づいて、設定された複数の仮吸気量GAIRPRViの吸気がそれぞれ燃焼室3dに吸入されたと仮定したときに内燃機関3から出力されると推定されるトルクを、複数の推定トルクTRQESTiとして算出する推定トルク算出手段(図4のステップ17、図5)と、複数の仮吸気量GAIRPRViと算出された複数の推定トルクTRQESTiとの関係である仮吸気量−推定トルク関係を設定する仮吸気量−推定トルク関係設定手段(図5、図9)と、設定された仮吸気量−推定トルク関係に基づいて、複数の推定トルクTRQESTiに対応する複数の燃料消費率(燃料消費率パラメータPRMBSFCi)をそれぞれ算出する燃料消費率算出手段(図4のステップ18)と、を有し、算出された複数の燃料消費率のうちの最小の燃料消費率(PRMBSFCMIN)に対応する推定トルクTRQESTを、基準回転数NEREFにおける燃費ベストトルクTRQBSFCBとして算出すること(図4のステップ19、図10)を特徴とする。
この内燃機関の制御装置によれば、混合気の空燃比が所定の目標空燃比に制御されるとともに、所定の1つの基準回転数で内燃機関を運転したときの燃費ベストトルク(燃料消費率が最小になる内燃機関のトルク)が、燃費ベストトルク算出手段により、内燃機関の運転状態に基づき、次のようにして算出される。まず、内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室に吸入可能な最大吸気量を算出するとともに、この最大吸気量の範囲内で複数の仮吸気量を設定する。次に、そのときの内燃機関の運転状態に基づいて、複数の仮吸気量の各々による吸気が燃焼室に吸入されたと仮定したときに内燃機関から出力されると推定される複数の推定トルクをそれぞれ算出し、算出されたこれらの複数の仮吸気量と複数の推定トルクとの関係である仮吸気量−推定トルク関係を設定する。そして、設定された仮吸気量−推定トルク関係に基づき、複数の推定トルクに対応する複数の燃料消費率をそれぞれ算出するとともに、算出された複数の燃料消費率のうちの最小の燃料消費率に対応する推定トルクを、基準回転数における燃費ベストトルクとして算出する。
以上のように、複数の仮吸気量とそれらに対応する内燃機関の複数の推定トルクとの関係を、内燃機関の運転状態に基づいて、仮吸気量−推定トルク関係として設定する。また、本発明では、混合気の空燃比が所定の目標空燃比に制御されること、すなわち吸気量と燃料量との比率が一定であることが前提になっているので、上記のように設定された仮吸気量−推定トルク関係は、燃料量と内燃機関のトルクとの関係を直接的に表す。
したがって、仮吸気量−推定トルク関係に基づいて、複数の推定トルクに対応する複数の燃料消費率を適切に算出できる。また、算出されたこれらの燃料消費率のうちの最小の燃料消費率に対応する推定トルクを燃費ベストトルクとして算出することによって、そのときの内燃機関の運転状態を直接的に反映させながら、基準回転数における燃費ベストトルクを、従来のような学習遅れを伴うことなく、適切に算出できる。その結果、適正な燃費ベストトルクに基づいて内燃機関を制御することによって、燃費を向上させることができる。また、従来の制御装置と異なり、燃費ベストトルクを表す動作線の設定や更新をあらかじめ行う必要がないので、その分、制御装置のコストを削減することができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の内燃機関の制御装置において、燃費ベストトルク算出手段は、1つの基準回転数を含む所定の複数の基準回転数NEREFjで内燃機関3を運転したときの複数の燃費ベストトルクTRQBSFCBjをそれぞれ算出し(図4のステップ19〜21)、内燃機関3の回転数NE及びトルクTRQを座標軸とする座標平面上に、複数の基準回転数NEREFjとそれに対応する複数の燃費ベストトルクTRQBSFCBjとの組み合わせである複数の動作点を結んだ動作線(図11)を設定する動作線設定手段(図4のステップ22)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、複数の基準回転数に対する複数の燃費ベストトルクがそれぞれ算出されるとともに、それらの基準回転数と燃費ベストトルクとの組み合わせである複数の動作点を結んだ動作線が、内燃機関の回転数及びトルクを座標軸とする座標平面上に設定される。したがって、この動作線から、燃費ベストトルクが得られる、内燃機関の制御に適した内燃機関の回転数とトルクとの組み合わせを容易に選択することができる。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載の内燃機関の制御装置において、内燃機関3の目標出力PWRCMDを設定する目標出力設定手段(ECU2、図12のステップ51)と、動作線に基づいて、設定された目標出力PWRCMDを満たす内燃機関3のトルクTRQと回転数NEとの組み合わせを選択し、それぞれ目標トルクTRQCMD及び目標回転数NECMDとして設定する目標トルク設定手段(ECU2、図12のステップ52〜54、図13)と、をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、前述したように設定された動作線に基づき、内燃機関の目標出力を満たす内燃機関のトルクと回転数との組み合わせを容易に選択し、目標トルク及び目標回転数として適切に設定することができる。
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の内燃機関の制御装置において、目標回転数NECMDに対応する基準回転数NEREFに対して設定された仮吸気量−推定トルク関係から、推定トルクTRQESTが目標トルクTRQCMDに一致又は近似する最小の仮吸気量GAIRPRViを選択し、目標吸気量GAIRCMDとして設定する目標吸気量設定手段(ECU2、図3のステップ4、図18)をさらに備えることを特徴とする。
この構成によれば、目標回転数に対応する基準回転数に対して設定された仮吸気量−推定トルク関係の中から、推定トルクが目標トルクに一致又は近似する最小の仮吸気量を選択し、目標吸気量として設定する。したがって、1つの目標トルクに対し、それを達成する吸気量の複数の解が存在する場合においても、そのうちの最小の吸気量を、ハンチングを生じることなく確実に選択することができる。そして、選択された最小の吸気量を目標吸気量として設定することによって、燃費を向上させることができる。また、燃費ベストトルクの算出のためにすでに設定されている吸気量−推定トルク関係を利用するので、目標吸気量の設定を小さな演算負荷で容易に行うことができる。
請求項5に係る発明は、請求項4に記載の内燃機関の制御装置において、目標吸気量設定手段は、仮吸気量−推定トルク関係に基づき、仮吸気量GAIRPRVの小さい側から順に、推定トルクTRQESTが目標トルクTRQCMDに一致又は近似する仮吸気量GAIRPRVの検索を行う(図18のステップ61〜63)とともに、推定トルクTRQESTが目標トルクTRQCMDに一致又は近似する仮吸気量GAIRPRVが求められた時点で、仮吸気量の検索を終了する(図18のステップ62、64)とともに、求めた仮吸気量GAIRPRVを目標吸気量TRQCMDとして設定すること(図18のステップ64)を特徴とする。
この構成によれば、推定トルクが目標トルクに一致又は近似する仮吸気量の検索を、仮吸気量の小さい側から順に実施し、そのような仮吸気量が求められた時点で、その仮吸気量を目標吸気量として設定するので、1つの目標トルクを達成する最小の吸気量を確実に選択することができる。また、仮吸気量が求められた時点でその検索を終了し、それ以上の検索処理は行わないので、演算負荷を軽減することができる。
請求項6に係る発明は、請求項3に記載の内燃機関の制御装置において、目標回転数に対応する基準回転数に対して設定された仮吸気量−推定トルク関係に基づき、複数の仮吸気量GAIRPRViに対する複数の推定トルクTRQESTiの特性を表す推定トルク特性線を設定する推定トルク特性線設定手段(ECU2、図5、図14〜図17)と、設定された推定トルク特性線上に、仮吸気量GAIRPRVが増加しても推定トルクTRQESTが増加しなくなる非増加点(極大点PMAX、非増加点PNINC)が存在するか否かを判定するトルク非増加判定手段(ECU2、図20のステップ82)と、非増加点が存在すると判定されたときに、非増加点に相当する推定トルクTRQESTiを制限トルクTRQLMTとして設定する制限トルク設定手段(ECU2、図20のステップ86)と、目標トルクTRQCMDが制限トルクTRQLMTよりも大きいときに、非増加点に相当する仮吸気量GAIRPRViを目標吸気量GAIRCMDとして設定する目標吸気量設定手段(ECU2、図20のステップ87、図21のステップ108、109)と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、目標回転数に対応する基準回転数に対して設定された仮吸気量−推定トルク関係に基づき、複数の仮吸気量に対する複数の推定トルクの特性を表す推定トルク特性線を設定する。また、設定された推定トルク特性線上に、非増加点(仮吸気量が増加しても推定トルクが増加しなくなる推定トルク特性線上の点)が存在するか否かを判定する。この非増加点には、仮吸気量が増加するにつれて、推定トルクが増加から減少に明確に切り替わる場合の極大値に相当する極大点や、推定トルクが増加せず、ほぼ一定の状態になる区間を有する場合のその区間の起点が含まれる。そして、推定トルクの非増加点が存在すると判定されたときには、非増加点に相当する推定トルクを制限トルクとして設定するとともに、この制限トルクよりも目標トルクが大きいときには、非増加点に相当する仮吸気量を目標吸気量として設定する。
以上のように、推定トルク特性線上に推定トルクの非増加点が存在する場合において、この非増加点に相当する制限トルクを上回る目標トルクが設定されたときには、目標吸気量は、非増加点に相当する仮吸気量に制限される。これにより、目標吸気量が非増加点を超えて設定されることがなくなり、内燃機関のトルクの増加に寄与しない余分な燃料の消費を有効に回避できるので、燃費を向上させることができる。また、推定トルクの非増加点が極大点の場合には、吸気量が極大点を超えると、燃料が無駄に消費されるだけでなく、内燃機関のトルクが低下するので、上述した目標吸気量の制限によって、内燃機関のトルクの低下を有効に回避でき、ドライバビリティを向上させることができる。
請求項7に係る発明は、請求項6に記載の内燃機関の制御装置において、推定トルク特性線上の非増加点よりも大きな仮吸気量GAIRPRVの範囲において、推定トルクTRQESTが再度、増加し、制限トルクTRQLMT以上になる再増加点PRINCが存在するか否かを判定するトルク再増加判定手段(ECU2、図20のステップ90)をさらに備え、目標吸気量設定手段は、再増加点PRINCが存在すると判定された場合において、目標トルクTRQCMDが制限トルクTRQLMTよりも大きいときには、非増加点に相当する仮吸気量GAIRPRViに代えて、再増加点PRINCよりも大きな仮吸気量GAIRPRVを、目標吸気量GAIRCMDとして設定すること(図21のステップ116、118)を特徴とする。
この構成によれば、推定トルク特性線上の非増加点よりも大きな仮吸気量の範囲において、推定トルクが再度、増加し、制限トルク以上になる再増加点が存在するか否かを判定する。そして、再増加点が存在すると判定された場合において、目標トルクが制限トルクよりも大きいときには、非増加点に相当する仮吸気量に代えて、再増加点よりも大きな仮吸気量を、目標吸気量として設定する。これにより、車両の運転者の要求に可能な限り応えて、内燃機関からより大きなトルクを出力させることができ、ドライバビリティをさらに向上させることができる。
請求項8に係る発明は、請求項4ないし7のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、吸気量を調整するスロットル弁10aの開度(スロットル開度θTH)の仮の目標値である仮目標スロットル開度θTHCMDPRVを、目標吸気量GAIRCMDに応じて算出する仮目標スロットル開度算出手段(ECU2、図22のステップ124)と、算出された仮目標スロットル開度θTHCMDPRVが、スロットル弁10aの開度がそれ以上増加しても内燃機関3のトルクがほとんど増加しなくなる開度であるスロットル弁の有効開度θTHEFF以下のときに、スロットル弁10aの開度の最終的な目標値である目標スロットル開度θTHCMDを仮目標スロットル開度θTHCMDPRVに設定し、仮目標スロットル開度θTHCMDPRVが有効開度θTHEFFよりも大きいときに、目標スロットル開度θTHCMDを有効開度θTHEFFに制限して設定する目標スロットル開度設定手段(ECU2、図22のステップ126〜128)と、をさらに備えることを特徴とする。
スロットル弁の特性として、上述したような有効開度を有する場合、スロットル弁の開度が有効開度以上に増加しても、内燃機関のトルクはほとんど増加しなくなる。このため、有効開度を超えた範囲で、目標トルクに応じてスロットル弁の開度を制御すると、目標トルクに対してスロットル弁の開度の制御量(変化量)が非常に大きくなるハンチングが生じやすいとともに、そのようなハンチングにより、スロットル弁やその駆動装置の寿命も短くなる。この構成によれば、目標吸気量に応じて算出された仮目標スロットル開度が有効開度を上回ったときに、目標スロットル開度を有効開度に制限して設定するので、有効開度を超えた範囲でのスロットル弁の開度のハンチングを防止できるとともに、スロットル弁及びその駆動装置の寿命を延ばすことができる。
請求項9に係る発明は、請求項8に記載の内燃機関の制御装置において、内燃機関3は車両に動力源として搭載されており、車両のアクセルペダルの開度(アクセル開度AP)を検出するアクセル開度検出手段(アクセル開度センサ21)をさらに備え、目標スロットル開度設定手段は、検出されたアクセルペダルの開度が全開状態にあり、かつ目標空燃比AFCMDが理論空燃比よりもリッチ側に設定されているときには、目標スロットル開度θTHCMDを所定の全開開度θTHWOに設定すること(図22のステップ121〜123)を特徴とする。
この構成によれば、アクセル開度が全開状態にあるときに、運転者の加速要求に応え、内燃機関から最大のトルクを出力させることによって、ドライバビリティを向上させることができる。この場合、目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に設定されることが条件になっていることで、増量された燃料の気化熱による燃焼室内の冷却効果により、ノッキングに対する余裕度が高くなるので、目標スロットル開度を全開開度に設定しても、顕著なノッキングが発生するおそれはない。
請求項10に係る発明は、請求項1ないし9のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、内燃機関3のノッキングの発生状態を検出するノッキング検出手段(ノックセンサ25)と、検出されたノッキングの発生状態に応じて、点火時期IGの推定リタード量IGRTDESTiを算出する推定リタード量算出手段(ECU2、図5のステップ34、図6)と、をさらに備え、推定トルク算出手段は、算出された点火時期IGの推定リタード量IGRTDESTiに応じて、推定トルクTRQESTiを算出すること(図5のステップ35、36)を特徴とする。
点火時期をリタードすると、ノッキングが抑制される一方で、内燃機関の燃焼効率及びトルクが低下し、その低下度合はリタード量に応じて変化する。このため、点火時期のリタード量は、仮吸気量と推定トルクとの関係に大きな影響を及ぼし、推定トルク特性線上の非増加点の有無にも大きく関与する。この構成によれば、算出された点火時期の推定リタード量に応じて推定トルクを算出するので、リタード量に応じた内燃機関のトルクの低下度合を反映させながら、仮吸気量−推定トルク関係や推定トルク特性線をより精度良く設定できるとともに、推定トルク特性線上の非増加点の有無をより適切に判定でき、それらの結果に応じた内燃機関の制御をより精度良く行うことができる。
本発明を適用した内燃機関を概略的に示す図である。 エンジンの制御装置を示すブロック図である。 エンジンの制御処理のメインフローを示すフローチャートである。 燃費ベストトルクの算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 推定トルクの算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 推定リタード量の算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 図5の算出処理で用いられる、推定吸気圧を算出するためのマップである。 図5の算出処理で用いられる、推定トルクダウン率を算出するためのマップである。 仮吸気量−推定トルク関係の一例を示す図である。 燃費ベストトルクの算出方法を示す図である。 エンジンの回転数−トルクの座標平面上に設定された動作線を示す図である。 目標トルクの設定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 動作線に基づいて設定された、基準回転数と燃費ベスト出力との関係を示す図である。 第1パターンの特性を有する推定トルク特性線の一例を示す図である。 第2パターンの特性を有する推定トルク特性線の一例を示す図である。 第3パターンの特性を有する推定トルク特性線の一例を示す図である。 第4パターンの特性を有する推定トルク特性線の一例を示す図である。 第1実施形態による目標吸気量の設定処理を示すフローチャートである。 第2実施形態による目標吸気量の設定処理のメインフローである。 特性パターンの判定処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 目標吸気量の算出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。 目標スロットル開度の設定処理を示すフローチャートである。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図1は、本発明を適用した内燃機関(以下「エンジン」という)3を示す。このエンジン3は、車両(図示せず)に搭載された、例えば4気筒のガソリンエンジンである。各気筒3a(1つのみ図示)のピストン3bとシリンダヘッド3cとの間には、燃焼室3dが形成されている。
各気筒3aには、吸気コレクタ部6aを有する吸気マニホルド6bを介して、吸気通路6が接続されるとともに、排気コレクタ部7aを有する排気マニホルド7bを介して、排気通路7が接続されている。吸気マニホルド6bには燃料噴射弁4(図2参照)が、シリンダヘッド3cには点火プラグ5(図2参照)が、それぞれ気筒3aごとに設けられている。燃料噴射弁4による燃料の噴射量・噴射時期、及び点火プラグ5の点火時期IGは、後述するECU2からの制御信号によって制御される。
また、各気筒3aには、吸気弁8及び排気弁9が設けられている。吸気弁8を駆動する吸気カムシャフト(図示せず)の一端部には、吸気カム位相可変機構15が設けられている。この吸気カム位相可変機構15は、エンジン3のクランクシャフト(図示せず)に対する吸気カムシャフトの相対的な位相(以下「吸気カム位相」という)CAINを無段階に変更するものであり、それにより、吸気弁8の開閉タイミングがクランクシャフトに対して無段階に変更(シフト)される。なお、吸気カム位相CAINは、吸気カム位相可変機構15のコントロールシャフト(図示せず)をVTCアクチュエータ15a(図2参照)で駆動することによって制御され、VTCアクチュエータ15aの動作は、ECU2からの制御信号によって制御される。
吸気通路6の吸気コレクタ部6aよりも上流側には、スロットル弁機構10が設けられている。このスロットル弁機構10は、吸気通路6内に配置されたバタフライ式のスロットル弁10aと、スロットル弁10aを駆動するTHアクチュエータ10bを有する。スロットル弁10aの開度(以下「スロットル開度」という)θTHは、THアクチュエータ10bに供給される電流をECU2で制御することによって制御され、それにより、燃焼室3dに吸入される吸気量(新気量)GAIRが調整される。
また、エンジン3には、燃焼室3dから排気通路7に排出された排ガスの一部を、EGRガスとして、吸気通路6に還流させるためのEGR装置11が設けられている。EGR装置11は、EGR通路12と、EGR通路12の途中に設けられたEGR弁機構13及びEGRクーラ14などで構成されている。EGR通路12は、排気通路7の排気コレクタ部7aと吸気通路6の吸気コレクタ部6aに接続されている。
EGR弁機構13は、EGR通路12内に配置されたポペット式のEGR弁13aと、EGR弁13aを駆動するEGRアクチュエータ13bを有する。EGR弁13aのリフト量(以下「EGR弁開度」という)LEGRは、EGRアクチュエータ13bに供給される電流をECU2で制御することによって制御され、それにより、吸気通路6に還流するEGR量GEGRが調整される。EGRクーラ14は、EGR弁13aの上流側に配置されており、エンジン3の冷却水を利用し、高温のEGRガスを冷却する。
エンジン3のクランクシャフトには、クランク角センサ20が設けられている(図2参照)。クランク角センサ20は、クランクシャフトの回転に伴い、所定クランク角(例えば30°)ごとに、パルス信号であるCRK信号をECU2に出力する。ECU2は、このCRK信号に基づき、エンジン3の回転数(以下「エンジン回転数」という)NEを算出する。また、ECU2には、アクセル開度センサ21(図2参照)から、車両のアクセルペダル(図示せず)の操作量(以下「アクセル開度」という)APを表す検出信号が入力される。
また、吸気通路6のスロットル弁10aよりも上流側には、大気圧センサ22及び吸気温センサ23が設けられている。大気圧センサ22は大気圧PAを検出し、吸気温センサ23は吸気通路6を流れる吸気の温度(以下「吸気温」という)TAを検出し、それらの検出信号はECU2に出力される。
さらに、エンジン3のシリンダブロック3eには、エンジン3の冷却水の温度(以下「エンジン水温」という)TWを検出する水温センサ24と、ノッキングの発生状態を検出するノックセンサ25が設けられており、それらの検出信号はECU2に出力される。
ECU2は、CPU、RAM、ROM及びI/Oインターフェース(いずれも図示せず)などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ECU2は、前述した各種のセンサ20〜25の検出信号などに応じて、エンジン3の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態に応じて、エンジン3の燃料噴射及び点火時期IGや吸気量GAIR及びEGR量GEGRの制御を含む制御処理を実行する。
本実施形態では、ECU2が、空燃比制御手段、燃費ベストトルク算出手段、最大吸気量算出手段、仮吸気量設定手段、推定トルク算出手段、仮吸気量−推定トルク関係設定手段、燃料消費率算出手段、動作線設定手段、目標出力設定手段、目標トルク設定手段、目標吸気量設定手段、推定トルク特性線設定手段、トルク非増加判定手段、制限トルク設定手段、トルク再増加判定手段、仮目標スロットル開度算出手段、目標スロットル開度設定手段、及び推定リタード量算出手段に相当する。
図3は、ECU2で実行される、エンジン3の制御処理のメインフローを示す。本処理は、所定時間ごとに繰り返し実行される。
本処理ではまず、ステップ1(「S1」と図示。以下同じ)において、燃焼室3dで燃焼する混合気の空燃比の目標値である目標空燃比AFCMDを設定する。この場合、目標空燃比AFCMDは、エンジン3の通常の運転状態では、理論空燃比に設定され、ストイキ燃焼が行われるとともに、加速運転時には、理論空燃比よりもリッチ側に設定される。
次に、燃費ベストトルクTRGBSFCBの算出処理を実行する(ステップ2)。この燃費ベストトルクTRQBSFCSは、後述する基準回転数NEREFでエンジン3を運転したと仮定したときに、燃料消費率BSFCが最小になる(燃焼効率が最大になる)エンジン3のトルクに相当する。この算出処理では、複数の基準回転数NEREFjに対してそれぞれ複数の燃費ベストトルクTRGBSFCBjを算出するとともに、それらの組み合わせである複数の動作点を結んだ動作線が設定される。
次に、エンジン3の目標トルクTRQCMDの設定処理を実行する(ステップ3)。この設定処理は、上記ステップ2で算出された動作線に基づいて、エンジン3の目標出力PWRCMDを満たす目標トルクTRQCMD及び目標回転数NECMDを設定する処理である。
次に、目標吸気量GAIRCMDの設定処理を実行する(ステップ4)。この設定処理は、上記ステップ3で設定された目標トルクTRQCMDに応じて、吸気量GAIRの目標値である目標吸気量GAIRCMDと、EGR量GEGRの目標値である目標EGR量GEGRCMDを設定する処理である。
次に、目標スロットル開度θTHCMDの設定処理を実行し(ステップ5)、図3の処理を終了する。この設定処理は、上記ステップ4で設定された目標吸気量GAIRCMDなどに応じて、スロットル開度θTHの目標値である目標スロットル開度θTHCMDを設定する処理である。
図4は、図3のステップ2で実行される燃費ベストトルクTRQBSFCBの算出処理のサブルーチンを示す。本処理では、まずステップ11において、基準回転数NEREFを指示するインデックス番号j(j=1〜n)を「1」にセットする。次に、次式(1)によって、エンジン3の基準回転数NEREFjを算出する(ステップ12)。
NEREFj=(NEMAX/n)×j ・・・(1)
ここで、NEMAXは、エンジン3がとり得る最大回転数(例えば6000rpm)であり、インデックス番号jは、後述するように、最大値nまでインクリメントされる。したがって、基準回転数NEREFjは、最大回転数NEMAXを等間隔で分割したn個の回転数NEによって構成される。
次に、検出されたアクセル開度APと基準回転数NEREFjに応じ、所定のCAINCMDマップ(図示せず)を検索することによって、目標吸気カム位相CAINCMDjを算出する(ステップ13)。このCAINCMDマップでは、目標吸気カム位相CAINCMDは、アクセル開度APが大きいほど、より進角側に設定されている。
次に、算出された目標吸気カム位相CAINCMDjと基準回転数NEREFjに応じ、所定のGAIRMAXマップを検索することによって、最大吸気量GAIRMAXjを算出する(ステップ14)。この最大吸気量GAIRMAXは、基準回転数NEREFjでエンジン3を運転したときに燃焼室3dに吸入することが可能な最大の吸気量に相当する。
次に、算出された最大吸気量GAIRMAXjを用い、次式(2)によって複数の仮吸気量GAIRPRVi(i=1〜m)を算出する(ステップ15)。
GAIRPRVi=(GAIRMAXj/m)×i ・・・(2)
この式(2)から明らかなように、仮吸気量GAIRPRViは、最大吸気量GAIRMAXjを等間隔で分割したm個の吸気量によって構成されている。算出された複数の仮吸気量GAIRPRViは、ECU2のRAMの所定の記憶領域に記憶される。
次に、複数の仮吸気量GAIRPRViの各々、目標吸気カム位相CAINCMDj及び基準回転数NEREFjに応じ、所定のGEGRPRVマップ(図示せず)を検索することによって、複数の仮EGR量GEGRPRViをそれぞれ算出する(ステップ16)。このGEGRPRVマップは、仮吸気量GAIRPRV、目標吸気カム位相CAINCMD及び基準回転数NEREFjに対して最適な燃費が得られるEGR量を、仮EGR量GEGRPRVとして設定したものである。
なお、車両が高地条件にあるなどの理由から、EGR弁13aの上流側との差圧を確保するために吸気圧が制限される場合には、仮EGR量GEGRPRViは適宜、減少側に補正される。算出された複数の仮EGR量GEGRPRViは、仮吸気量GAIRPRViに対応させて、RAMの所定の記憶領域に記憶される。
次に、複数の仮吸気量GAIRPRViに対応する複数の推定トルクTRQESTiを算出する(ステップ17)。これらの推定トルクTRQESTiは、これまでに設定されたエンジン3の運転条件において、仮吸気量GAIRPRViの吸気がそれぞれ燃焼室3dに吸入されたと仮定したときにエンジン3から出力されると推定されるトルクであり、仮吸気量GAIRPRViごとに算出される。
図5は、その算出処理のサブルーチンである。本処理では、まずステップ31において、仮吸気量GAIRPRViを指示するインデックス番号iを「1」にセットする。次に、図4のステップ15及び16でそれぞれ算出された仮吸気量GAIRPRViと仮EGR量GEGRPRViとの和を、仮総ガス量GGASPRViとして算出する(ステップ32)。
次に、算出された仮総ガス量GGASPRViと基準回転数NEREFjに応じ、図7に示すPBAESTマップを検索することによって、推定吸気圧PBAESTiを算出する(ステップ33)。図7のPBAESTマップは、1つの基準回転数NEREFにおける、仮総ガス量GGASPRVと推定吸気圧PBAESTとの関係を示しており、推定吸気圧PBAESTは、仮総ガス量GGASPRVに比例するように設定されている。
次に、点火時期IGのMBT(Minimum Spark Advance for Best Torque)からの推定リタード量IGRTDESTiを算出する(ステップ34)。図6は、その算出処理のサブルーチンである。本処理では、まずステップ41において、上記ステップ33で算出された推定吸気圧PBAESTiと基準回転数NEREFjに応じ、所定のIGRTDBASEマップ(図示せず)を検索することによって、推定リタード量の基本値IGRTDBASEiを算出する。このIGRTDBASEマップでは、基本値IGRTDBASEは、推定吸気圧PBAESTが高いほど、ノッキングが発生しやすくなるため、より大きな値に、すなわちより遅角側に設定されている。
次に、検出されたエンジン水温TWに応じて、点火時期IGの水温補正量IGTWを算出する(ステップ42)とともに、検出された吸気温TAに応じて、点火時期IGの吸気温補正量IGTAを算出する(ステップ43)。また、ノックセンサ25で検出されたノッキングの発生状態に応じて、点火時期IGのノック補正量IGKNOCKを算出する(ステップ44)。そして、ステップ41で算出された推定リタード量の基本値IGRTDBASEiに、上記の3つの補正量IGTW、IGTA及びIGKNOCKを加算することによって、点火時期IGの推定リタード量IGRTDESTiを算出し(ステップ45)、本処理を終了する。
図5に戻り、前記ステップ34に続くステップ35では、算出された推定リタード量IGRTDESTi及び基準回転数NEREFjに応じ、図8に示すKTRQDNマップを検索することによって、MBT燃焼時を基準とする推定トルクダウン率KTRQDNiを算出する。図8のPBAESTマップは、1つの基準回転数NEREFにおける、推定リタード量IGRTDESTと推定トルクダウン率KTRQDNとの関係を示しており、推定トルクダウン率KTRQDNは、推定リタード量IGRTDESTが大きいほど、エンジン3の燃焼効率が低下し、出力トルクが低下するため、より小さな値に設定されている。
次に、仮吸気量GAIRPRVi及び上記の推定トルクダウン率KTRQDNiなどを用い、次式(3)によって、推定トルクTRQESTiを算出する(ステップ36)。
TRQESTi=GAIRPRVi×KTRQDNi×KGATRQ−TRQFR ・・・(3)
ここで、右辺のKGATRQは、ストイキ・MBT燃焼時における、吸気量GAIRをエンジン3の出力トルクに換算するための所定の換算係数であり、TRQFRは、エンジン3でのトルク損失となる所定のフリクションである。
次に、算出された推定トルクTRQESTiを、仮吸気量GAIRPRViに対応させて、RAMの所定の記憶領域に記憶する(ステップ37)。また、今回のインデックス番号iが仮吸気量GAIRPRViのサンプル数mに等しいか否かを判別する(ステップ38)。この答がNOのときには、ステップ39においてインデックス番号iをインクリメントした後、前記ステップ32に戻り、ステップ32〜37による推定トルクTRQESTiの算出処理を繰り返す。そして、すべての仮吸気量GAIRPRViに対して推定トルクTRQESTiの算出が完了すると、ステップ38の答がYESになるのに応じて、本処理を終了する。
以上の算出処理により、すべての仮吸気量GAIRPRViに対し、基準回転数NEREFjを含むエンジン3の運転状態に応じて推定された推定リタード量IGRTDESTiなどを反映した推定トルクTRQESTiが、それぞれ算出され、仮吸気量GAIRPRViに対応して記憶される。これにより、図9に例示するような、m個の仮吸気量GAIRPRVと推定トルクTRQESTとの組み合わせから成る、仮吸気量GAIRPRViと推定トルクTRQESTiとの関係(以下「仮吸気量−推定トルク関係」という)が設定される。
図4に戻り、前記ステップ17に続くステップ18では、上述したように設定された仮吸気量−推定トルク関係に基づき、次式(4)によって、燃料消費率パラメータPRMBSFCiを算出する。
PRMBSFCi=GAIRPRVi/(TRQESTi×NEREFj) ・・・(4)
このように、燃料消費率パラメータPRMBSFCは、各仮吸気量GAIRPRVを対応する推定トルクTRQESTと各基準回転数NEREFjとの積で除したものであり、したがって、単位出力を発生させるのに必要な吸気量を表す。また、前述したように、混合気の目標空燃比AFCMDは、エンジン3の通常の運転状態では理論空燃比に設定される。したがって、そのように目標空燃比AFCMDが一定値に制御される限り、燃料消費率パラメータPRMBSFCは、単位出力を発生させるのに必要な燃料消費量、すなわち燃料消費率BSFCに比例する。
次に、算出された燃料消費率パラメータPRMBSFCi及び推定トルクTRQESTiに基づいて、今回の基準回転数NEREFjにおける燃費ベストトルクTRQBSFCBjを算出する(ステップ19)。具体的には、図10に示すように、m個の燃料消費率パラメータPRMBSFCiのうちの最小の燃料消費率PRMBSFCMINに対応する推定トルクTRQESTを、燃費ベストトルクTRQBSFCBjとして算出する。上述したように、燃料消費率パラメータPRMBSFCは燃料消費率BSFCに比例するので、この手法によって、燃費ベストトルクTRQBSFCBjを適切に算出することができる。
次に、基準回転数NEREFの今回のインデックス番号jがそのサンプル数nに等しいか否かを判別する(ステップ20)。この答がNOのときには、ステップ21においてインデックス番号jをインクリメントした後、前記ステップ13に戻り、ステップ13〜20による各基準回転数NEREFに対する仮吸気量−推定トルク関係の設定処理を繰り返す。
そして、ステップ20の答がYESになったとき、すなわち、すべての基準回転数NEREFjに対する仮吸気量−推定トルク関係の設定が完了したときには、ステップ23において動作線を設定し、本処理を終了する。
図11に示すように、この動作線は、エンジン回転数NE及エンジン3のトルクTRQを座標軸とする座標平面上に、複数の基準回転数NEREFjと、それに対応して算出された複数の燃費ベストトルクTRQBSFCBjとの組み合わせである複数の動作点(NEREFj,TRQBSFCBj)をプロットし、結んだものである。次に述べるように、この動作線に基づいて、目標トルクTRQCMDが算出される。
図12は、図3のステップ3で実行される目標トルクTRQCMDBSFCBの設定処理のサブルーチンを示す。本処理では、まずステップ51において、検出されたアクセル開度AP及びエンジン回転数NEに応じ、所定のPWRCMDマップ(図示せず)を検索することによって、エンジン3の目標出力PWRCMDを算出する。このPWRCMDマップでは、目標出力PWRCMDは、アクセル開度APにほぼ比例するように設定されている。
次に、上述した動作線に基づき、次式(5)によって、エンジン3の燃費ベスト出力PWRBSFCBjを算出する(ステップ52)。
PWRBSFCBj=TRQBSFCBj×NEREFj ・・・(5)
この燃費ベスト出力PWRBSFCBjは、各基準回転数NEREFにおける燃費ベストトルクTRQBSFCBをエンジン3の出力に換算したものである。これにより、図13に示すような、複数の基準回転数NEREFjと複数の燃費ベスト出力PWRBSFCBjとの組み合わせ(NEREFj,PWRBSFCBj)が得られる。
次に、算出された複数の燃費ベスト出力PWRBSFCBjに基づき、目標回転数NECMDを算出する。具体的には、図13に示すように、ステップ51で設定された目標出力PWRCMDに合致する燃費ベスト出力PWRBSFCBを検索するとともに、それに対応する基準回転数NEREFを目標回転数NECMDとして設定する。
次に、目標出力PWRCMDを目標回転数NECMDで除することによって、目標トルクTRQCMDを算出し(ステップ54)、本処理を終了する。
以上のように、本実施形態によれば、混合気の空燃比を所定の目標空燃比AFCMDに制御するとともに、基準回転数NEREFでエンジン3を運転したときの、複数の仮吸気量GAIRCMDiと複数の推定トルクTRQESTiとの関係を、エンジン3の運転状態に基づいて設定する(図4のステップ17、図9)。また、この仮吸気量−推定トルク関係に基づき、複数の推定トルクTRQESTiに対応する複数の燃料消費率パラメータPRMBSFCiを算出するとともに、それらのうちの最小の燃料消費率PRMBSFCMINに対応する推定トルクTRQESTを、その基準回転数NEREFにおける燃費ベストトルクTRQBSFCBとして算出する(図4のステップ18、19、図10)。
また、上記のような燃費ベストトルクTRQBSFCBjの算出を、複数の基準回転数NEREFjに対してそれぞれ行うとともに、それらの基準回転数NEREFjと燃費ベストトルクTRQBSFCBjとの組み合わせである複数の動作点を結んだ動作線を、エンジン回転数NE及びトルクTRQを座標軸とする座標平面上に設定する(図4のステップ22、図11)。したがって、そのときのエンジン3の運転状態を直接的に反映させながら、従来のような学習遅れを伴うことなく、各基準回転数NEREFjにおける燃費ベストトルクTRQBSFCBjを適切に算出できるとともに、これらの燃費ベストトルクTRQBSFCBjに基づいて、動作線を適切に設定することができる。
その結果、適正な燃費ベストトルクに基づいてエンジン3を制御することによって、燃費を向上させることができる。また、従来の制御装置と異なり、燃費ベストトルクを表す動作線の設定や更新をあらかじめ行う必要がないので、その分、制御装置のコストを削減することができる。
また、設定された動作線に基づいて、各基準回転数NEREFjにおける燃費ベストトルクTRQBSFCBjをエンジン3の出力に換算する(図12のステップ52)とともに、設定された目標出力PWRCMDに合致する燃費ベスト出力PWRBSFCBに対応する基準回転数NEREF及び燃費ベストトルクTRQBSFCBを、目標回転数NECMD及び目標トルクTRQCMDとして設定する(図12のステップ53、54、図13)。これにより、動作線から、エンジン3の目標出力PWRCMDを満たす目標トルクTRQCMD及び目標回転数NECMDを容易に選択し、適切に設定することができる。
次に、図14〜図19を参照しながら、図3のステップ4で実行される目標吸気量GAIRCMDの設定処理について説明する。この設定処理は、図3の処理で設定された目標トルクTRQCMDに応じ、図4のステップ17ですでに設定された仮吸気量−推定トルク関係を利用し、目標吸気量GAIRCMDを設定するものである。この場合、仮吸気量−推定トルク関係として、目標回転数NECMDとして採用された基準回転数NEREFに対応する仮吸気量−推定トルク関係が用いられる。
また、仮吸気量−推定トルク関係の特性は、点火時期IGの推定リタード量IGRTDESTを代表とする、推定されるエンジン3の運転状態に応じて変化する。図14〜図17はそれぞれ、仮吸気量−推定トルク関係をプロットした推定トルク特性線を表しており、互いに異なる4つの特性パターンを示す。
図14に示す第1パターンは、図9に例示したのと同じものであり、仮吸気量GAIRPRVが増加するにつれて、推定トルクTRQESTが単純に増加する通常のパターン(単調増加パターン)である。
図15に示す第2パターンは、仮吸気量GAIRPRVが増加するにつれて、推定トルクTRQESTが極大値まで増加する一方、この極大点PMAXを過ぎた後には、ノッキングの抑制のために推定リタード量IGRTDESTが増大することなどに起因して、推定トルクTRQESTが低下する(落ち込む)パターン(2次曲線パターン)である。
図16に示す第3パターンは、第2パターンの変形パターンというべきものであり、第2パターンのような推定トルクTRQESTの明確な極大点が現れず、推定トルクTRQESTが、仮吸気量GAIRPRVの増加に伴って非増加点PNINCまで増加した後、仮吸気量GAIRPRVが増加しても、増加せずにほぼ一定の状態になり、その後に低下するパターンである。
また、図17に示す第4パターンは、上記第2パターンと同様に推定トルクTRQESTが極大点PMAXを境として低下した後、推定リタード量IGRTDESTが燃焼を良好に維持するために制限されることなどに起因して、推定トルクTRQESTが再度、増加に転じ、極大点PMAXに等しい再増加点PRINCを超えて増加するパターン(3次曲線パターン)である。
図18に示す、第1実施形態による設定処理は、上述した推定トルク特性線の特性パターンを判別することなく、目標吸気量GAIRCMDを設定するものである。
本処理では、まず仮吸気量GAIRPRVのインデックス番号iを「1」にセットする(ステップ61)とともに、インデックス番号iに対応する推定トルクTRQESTi、すなわちこの場合には推定トルクTRQEST1が、目標トルクTRQCMD以上であるか否かを判別する(ステップ62)。この答がNOのときには、インデックス番号iをインクリメントする(ステップ63)とともに、上記ステップ62の判別を繰り返す。このように、ステップ62における推定トルクTRQESTiの判別は、インデックス番号iの小さい側から、すなわち仮吸気量GAIRPRViの小さい側から順に実行される。
そして、ステップ62の答がYESで、推定トルクTRQESTi≧目標トルクTRQCMDの関係が成立したときには、このときの推定トルクTRQESTiに対応する仮吸気量GAIRPRViを選択し、目標吸気量GAIRCMDとして設定する(ステップ64)。また、この仮吸気量GAIRPRViに対応して記憶された仮EGR量GEGRPRViを、目標EGR量GEGRCMDとして設定し(ステップ65)、本処理を終了する。
以上のように算出された目標吸気量GAIRCMD及び目標EGR量GEGRCMDにそれぞれ基づいて、スロットル開度θTH及びEGR弁開度LEGRの目標値が設定され、さらにそれらに基づいてスロットル弁10a及びEGR弁13aが駆動されることで、吸気量GAIRが目標吸気量GAIRCMDになるように制御され、EGR量GEGRが目標EGR量GEGRCMDになるように制御される。
以上のように、本実施形態によれば、目標回転数NECMDとして採用された基準回転数NEREFに対応する既定の仮吸気量−推定トルク関係に基づき、仮吸気量GAIRPRViの小さい側から順に、推定トルクTRQESTiが目標トルクTRQCMD以上になる仮吸気量GAIRPRViを検索し、目標吸気量QAIRCMDとして設定する(ステップ61〜64)。
したがって、1つの目標トルクTRQCMDに対して、それを達成する吸気量の複数の解が存在する場合、例えば推定トルク特性線の特性パターンが図15〜図17に示す第2〜第4パターンの場合においても、推定トルクTRQESTが目標トルクTRQCMDに一致又は近似する最小の仮吸気量GAIRPRVを、ハンチングを生じることなく確実に選択することができる。そして、選択された最小の仮吸気量GAIRPRVを目標吸気量GAIRCMDとして設定するので、燃費を向上させることができる。
また、そのような最小の仮吸気量GAIRPRVが求められた時点で、仮吸気量GAIRPRViの検索を終了し、それ以上の検索処理は行わないので、演算負荷を軽減することができる。また、燃費ベストトルクTRQBSFCBの算出のためにすでに設定されている吸気量−推定トルク関係を利用するので、目標吸気量GAIRCMDの設定を小さな演算負荷で容易に行うことができる。
次に、図19〜図21を参照しながら、第2実施形態による目標吸気量GAIRCMDの設定処理について説明する。この設定処理は、推定トルク特性線の特性パターンを判別しながら、目標吸気量GAIRCMDを設定するものである。
図19は、そのメインフローを示す。本処理では、推定トルク特性線の特性パターンが、前述した第1〜第4パターンのいずれに該当するかを判定する判定処理を実行し(ステップ71)、次に、判定された特性パターンに基づいて、目標吸気量GAIRCMDを算出する算出処理を実行する(ステップ72)。
図20は、上記ステップ71で実行される特性パターンの判定処理のサブルーチンを示す。本処理では、まずインデックス番号iを「1」にセットする(ステップ81)とともに、このインデックス番号iに対応する推定トルクTRQESTiよりも、その次位の推定トルクTRQESTi+1が大きいか否かを判別する(ステップ82)。この答がYESのときには、今回のインデックス番号iがサンプル数mから1を減じた値(m−1)に等しいか否かを判別する(ステップ83)。この答がNOのときには、インデックス番号iをインクリメントした(ステップ84)後、前記ステップ82に戻り、上記の判別を繰り返す。
そして、ステップ82の答がYESのまま、前記ステップ83の答がYES(i=m−1)になったとき、すなわち、隣り合ういずれの2つの仮吸気量GAIRPRVi、GAIRPRVi+1の間においても、推定トルクTRQESTi+1>推定トルクTRQESTiの関係が成立しているときには、推定トルク特性線の特性パターンが図14に示す第1パターンであると判定し、そのことを表すために、特性パターンフラグF_TRQPTを「1」にセットし(ステップ85)、本処理を終了する。
一方、前記ステップ82の答がNOで、推定トルクTRQESTi+1≦推定トルクTRQESTiが成立したときには、このときの推定トルクTRQESTiが、仮吸気量GAIRPRVが増加しても推定トルクTRQESTが増加しなくなる非増加点(第2パターンにおける極大点PMAX、又は第3パターンにおける非増加点PNINC)に相当するとして、このときの推定トルクTRQESTiを制限トルクTRQLMTとして設定する(ステップ86)。また、対応する仮吸気量GAIRPRViを制限吸気量GAIRLMTとして、対応する仮EGR量GEGRPRViを制限EGR量GEGRLMTとして、それぞれ設定する(ステップ87、88)。
次に、インデックス番号iをインクリメントした(ステップ89)後、推定トルクTRQESTiが、上記ステップ86で設定された制限トルクTRQLMTよりも大きいか否かを判別する(ステップ90)。この答がNOのときには、インデックス番号iがサンプル数mに等しいか否かを判別する(ステップ91)。この答がNOのときには、ステップ89に戻り、インデックス番号iをインクリメントした後、上記ステップ90の判別を繰り返す。
そして、ステップ90の答がNOのまま、前記ステップ91の答がYES(i=m)になったとき、すなわち、非増加点よりも大きな仮吸気量GAIRPRVの範囲に、制限トルクTRQLMTを上回る推定トルクTRQESTが存在しないときには、推定トルク特性線の特性パターンが図15又は図16に示す第2又は第3パターンであると判定し、特性パターンフラグF_TRQPTを「2」にセットし(ステップ92)、本処理を終了する。
一方、前記ステップ90の答がYESで、推定トルクTRQESTi>制限トルクTRQLMTが成立したときには、推定トルク特性線上に再増加点PRINCが存在し、特性パターンが図17に示す第4パターンであると判定して、このときのインデックス番号iを再増加点番号Nとして記憶する(ステップ93)とともに、特性パターンフラグF_TRQPTを「3」にセットし(ステップ94)、本処理を終了する。
図21は、図19のステップ72で実行される、目標吸気量GAIRCMDの算出処理のサブルーチンを示す。本処理では、まずステップ101において、特性パターンフラグF_TRQPTが「1」であるか否かを判別する。この答がYESで、判定された推定トルク特性線の特性パターンが第1パターンのときには、第1実施形態における図18のステップ61〜65とまったく同じ処理をステップ102〜106において実行することによって、目標吸気量GAIRCMDなどを設定し、本処理を終了する。
すなわち、インデックス番号iを「1」にセットした(ステップ102)後、推定トルクTRQESTiが目標トルクTRQCMD以上であるか否かを判別する(ステップ103)。この答がNOのときには、インデックス番号iをインクリメントする(ステップ104)とともに、ステップ103の判別を繰り返す。そして、その答がYESで、推定トルクTRQESTi≧目標トルクTRQCMDが成立したときに、そのときの仮吸気量GAIRPRViを目標吸気量GAIRCMDとして設定する(ステップ105)とともに、対応する仮EGR量GEGRPRViを目標EGR量GEGRCMDとして設定する(ステップ106)。これにより、第1実施形態と同様、仮吸気量GAIRPRViの検索を、その小さい側から順に行うことによって、目標トルクTRQCMDを達成する最小の仮吸気量GAIRPRViを容易かつ確実に選択し、目標吸気量QAIRCMDとして設定することができる。
前記ステップ101の答がNOのときには、特性パターンフラグF_TRQPTが「2」であるか否かを判別する(ステップ107)。この答がYESで、特性パターンが第2又は第3パターンのときには、目標トルクTRQCMDが制限トルクTRQLMTよりも大きいか否かを判別する(ステップ108)。この答がNOで、目標トルクTRQCMD≦制限トルクTRQLMTのときには、前記ステップ102以降に進み、第1パターンの場合と同様、仮吸気量GAIRPRViの検索をその小さい側から順に行い、推定トルクTRQESTi≧目標トルクTRQCMDが成立したときの仮吸気量GAIRPRViを選択し、目標吸気量GAIRCMDとして設定する。
一方、前記ステップ108の答がYESで、目標トルクTRQCMD>制限トルクTRQLMTのときには、目標吸気量GAIRCMDを、図20のステップ87で設定された制限吸気量GAIRLMTに設定する(ステップ109)とともに、目標EGR量GEGRCMDを、ステップ88で設定された制限EGR量GEGRLMTに設定し(ステップ110)、本処理を終了する。
以上のように、特性パターンが第2又は第3パターンの場合において、推定トルクTRQESTの極大点PMAX又は非増加点PNINCに相当する制限トルクTRQLMTを上回る目標トルクTRQCMDが設定されたときには、目標吸気量GAIRCMDは、制限トルクTRQLMTに対応する制限吸気量GAIRLMTに制限される(図15及び図16のかっこ書き)。これにより、目標吸気量GAIRCMDが極大点PMAX又は非増加点PNINCを超えて設定されることがなくなり、エンジン3のトルクの増加に寄与しない余分な燃料の消費を有効に回避できるので、燃費を向上させることができる。
また、特性パターンが極大点PMAXを有する第2パターンの場合には、極大点PMAXを超えて吸気量GAIRを増加させると、燃料が無駄に消費されるだけでなく、エンジン3のトルクが低下するので、上述した制限吸気量GAIRLMTによる目標吸気量GAIRCDの制限によって、エンジン3のトルクの低下を有効に回避でき、ドライバビリティを向上させることができる。
前記ステップ107の答がNOで、特性パターンが第4パターンのときには、前記ステップ108と同様、目標トルクTRQCMDが制限トルクTRQLMTよりも大きいか否かを判別する(ステップ111)。この答がNOで、目標トルクTRQCMD≦制限トルクTRQLMTのときには、前記ステップ102以降に進み、第1パターンの場合と同様、仮吸気量GAIRPRViの検索をその小さい側から順に行い、推定トルクTRQESTi≧目標トルクTRQCMDが成立したときの仮吸気量GAIRPRViを選択し、目標吸気量GAIRCMDとして設定する。
上記ステップ111の答がYESで、目標トルクTRQCMD>制限トルクTRQLMTのときには、インデックス番号iを図20のステップ93で記憶した再増加点番号Nにセットした(ステップ112)後、推定トルクTRQESTiが目標トルクTRQCMD以上であるか否かを判別する(ステップ113)。この答がNOのときには、インデックス番号iがサンプル数mに等しいか否かを判別し(ステップ114)、その答がNOのときには、インデックス番号iをインクリメントした(ステップ115)後、ステップ113の判別を繰り返す。
そして、ステップ113の答がYESで、推定トルクTRQESTi≧目標トルクTRQCMDが成立したときには、そのときの仮吸気量GAIRPRViを目標吸気量GAIRCMDとして設定する(ステップ116)とともに、対応する仮EGR量GEGRPRViを目標EGR量GEGRCMDとして設定し(ステップ117)、本処理を終了する。
一方、前記ステップ114の答がYES(i=m)になったとき、すなわち、再増加点PRINCよりも大きな仮吸気量GAIRPRVの範囲に、目標トルクTRQCMD以上の推定トルクTRQESTが存在しないときには、目標吸気量GAIRCMDを、最大吸気量GAIRMAXに相当する仮吸気量GAIRPRVmに設定する(ステップ118)とともに、目標EGR量GEGRCMDを仮EGR量GEGRPRVmに設定し(ステップ119)、本処理を終了する。
以上のように、特性パターンが第4パターンの場合において、制限トルクTRQLMTを上回る目標トルクTRQCMDが設定されるとともに、再増加点PRINCよりも大きな仮吸気量GAIRPRVの範囲に、目標トルクTRQCMD以上の推定トルクTRQESTが存在するときには、目標吸気量GAIRCMDは、そのときの推定トルクTRQESTiに対応する仮吸気量GAIRPRViに設定される(ステップ113、116)。これにより、目標トルクTRQCMDを達成する最小の仮吸気量GAIRPRViを適切に選択し、目標吸気量QAIRCMDとして設定することができる。
一方、上記の場合において、目標トルクTRQCMD以上の推定トルクTRQESTが存在しないときには、目標吸気量GAIRCMDを、最大吸気量GAIRMAXに相当する仮吸気量GAIRPRVmに設定する(ステップ113、118)。これにより、車両の運転者の要求に可能な限り応えて、エンジン3から最大限のトルクを出力させることができる。
次に、図22を参照しながら、図3のステップ5で実行される目標スロットル開度θTHCMDの設定処理について説明する。本処理は、これまでに説明した第1実施形態(図18)又は第2実施形態(図21)によって設定された目標吸気量GAIRCMDなどに応じて、目標スロットル開度θTHCMDを最終的に設定するものである。
本処理では、まずステップ121において、検出されたアクセル開度APが所定の全開開度APWOにほぼ等しいか否かを判別し、次いで、ステップ122において、目標空燃比AFCMDが理論空燃比よりもリッチ側に設定されているか否かを判別する。これらの答がいずれもYESのときには、目標スロットル開度θTHCMDを所定の全開開度θTHWOに設定し(ステップ123)、本処理を終了する。
これにより、アクセル開度APが全開状態にあるときに、運転者の加速要求に応え、エンジン3から最大のトルクを出力させることによって、ドライバビリティを向上させることができる。この場合、目標空燃比AFCMDが理論空燃比よりもリッチ側に設定されることが条件になっていることで、増量された燃料の気化熱による燃焼室内の冷却効果により、ノッキングに対する余裕度が高くなるので、目標スロットル開度θTHCMDを全開開度θTHWOに設定しても、顕著なノッキングが発生するおそれはない。
一方、前記ステップ121又は122の答がNOのときには、図18又は図21の処理で設定された目標吸気量GAIRCMDと目標回転数NECMDに応じ、所定のθTHCMDPRVマップ(図示せず)を検索することによって、スロットル開度θTHの仮の目標値である仮目標スロットル開度θTHCMDPRVを算出する(ステップ124)。
次に、目標回転数NECMDに応じ、所定のθTHEFFマップ(図示せず)を検索することによって、スロットル弁10aの有効開度θTHEFFを算出する(ステップ125)。この有効開度θTHEFFは、スロットル弁10aの開度がそれ以上増加しても、エンジン3のトルクがほとんど増加しなくなる開度であり、例えばスロットル弁10aの全開時のエンジン3のトルクに対して所定の数%だけ低いトルクに相当する開度として定義される。
次に、算出した仮目標スロットル開度θTHCMDPRVが有効開度θTHEFF以下であるか否かを判別する(ステップ126)。この答がYESで、θTHCMDPRV≦θTHEFFのときには、目標スロットル開度θTHCMDを仮目標スロットル開度θTHCMDPRVに設定し(ステップ127)、本処理を終了する。
一方、ステップ126の答がNOで、θTHCMDPRV>θTHEFFのときには、目標スロットル開度θTHCMDを有効開度θTHEFFに制限して設定し(ステップ128)、本処理を終了する。これにより、有効開度θTHEFFを超えた範囲でのスロットル開度θTHのハンチングを防止できるとともに、スロットル弁10a及びTHアクチュエータ10bの寿命を延ばすことができる。
なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、複数の推定トルクTRQESTに対する燃料消費率として、仮吸気量GAIRPRVを推定トルクで除した燃料消費率パラメータPRMBSFCを用いている。本発明は、これに限らず、燃料消費率を表す他の適当なパラメータを用いてもよく、あるいは、仮吸気量GAIRPRV及び目標空燃比AFCMDから仮の燃料消費量を求めるとともに、この燃料消費量と推定トルクTRQESTから、燃料消費率を直接、算出してもよい。
また、実施形態では、動作線に基づいて目標回転数NECMD及び目標トルクTRQCMDを設定する手法として、燃費ベストTRQBSFCBを一旦、燃費ベスト出力PWRBSFCBに換算し、目標出力PERCMDが合致する燃費ベスト出力PWRBSFCBを検索する手法を採用している。本発明は、これに限らず、例えば、動作線を表したエンジン3の回転数NE及びトルクTRQの座標平面上に、図11に点線で示すような目標出力PWRCMDが得られる等出力線を描き、この等出力線と動力線との交点に対応する回転数NE及びトルクTRQを、目標回転数NECMD及び目標トルクTRQCMDとして設定してもよい(同図のかっこ書き)。
さらに、目標トルクTRQCMDを達成する最小の仮吸気量GAIRPRVの検索を、仮吸気量GAIRPRViの小さい側から順に行っているが、これに限らず、仮吸気量−推定トルク関係の全体を先に検索し、それらの中から条件を満たす最小の仮吸気量GAIRPRViを選択してもよい。また、実施形態では、スロットル弁10aの有効開度θTHEFFを、エンジン回転数NEに応じて設定しているが、これに代えて、一定の所定値に設定してもよい。
さらに、実施形態における基準回転数NEREFjのサンプル数n(=12)及び仮吸気量GAIRPRViのサンプル数m(=10)は、あくまで例示であり、増減してもよいことはもちろんである。サンプル数n、mを増やした場合には、仮吸気量−推定トルク関係の設定、燃費ベストトルクTRQBSFCBの算出、動作線の設定や、目標トルクTRQCMD及び目標回転数NECMDの算出などを、よりきめ細かく行うことができ、燃費のさらなる向上を達成することができる。
また、実施形態に示した、最大吸気量GAIRMAX、推定リタード量IGRTDESTや推定トルクTRQESTなどの各算出手法は、あくまで例示であり、他の適当な手法を採用してもよいことはもちろんである。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。
さらに、実施形態は、本発明を車両用のガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、混合気の空燃比が、理論空燃比であるか否かにかかわらず、所定の目標空燃比に制御される限り、ガソリンエンジン以外のディーゼルエンジンなどの各種のエンジンに適用することができる。また、車両用以外のエンジン、例えば、クランクシャフトを鉛直に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。
特に、本発明は、一定の回転数で運転される内燃機関、例えば発電機や汎用エンジンとして用いられる内燃機関にも適用することができる。この場合には、内燃機関の運転回転数を唯一の基準回転数NEREFとして、説明した実施形態と同様に、仮吸気量−推定トルク関係を設定するとともに、算出された複数の推定トルクTRQESTiのうち、最小の燃料消費率が得られる推定トルクTRQESTを燃費ベストトルクTRQBSFCBとして算出する。そして、算出された燃費ベストトルクTRQBSFCBに基づいて内燃機関を制御することによって、燃費を優先した内燃機関の運転を行うことができる。
2 ECU(空燃比制御手段、燃費ベストトルク算出手段、最大吸気量算出手段、仮 吸気量設定手段、推定トルク算出手段、仮吸気量−推定トルク関係設定 手段、燃料消費率算出手段、動作線設定手段、目標出力設定手段、目標 トルク設定手段、目標吸気量設定手段、推定トルク特性線設定手段、ト ルク非増加判定手段、制限トルク設定手段、トルク再増加判定手段、仮 目標スロットル開度算出手段、目標スロットル開度設定手段、推定リタ ード量算出手段)
3 エンジン(内燃機関)
3d 燃焼室
10a スロットル弁
NE エンジン回転数(内燃機関の運転状態)
TA 吸気温(内燃機関の運転状態)
TW エンジン水温(内燃機関の運転状態)
TRQBSFCB 燃費ベストトルク
AFCMD 目標空燃比
NEREF 基準回転数
CAINCMD 目標吸気カム位相(内燃機関の運転状態)
GAIR 吸気量
GAIRMAX 最大吸気量
GAIRPRV 仮吸気量
TRQEST 推定トルク
PRMBSFC 燃料消費率パラメータ(燃料消費率)
TRQ 内燃機関のトルク
PWRCMD 目標出力
TRQCMD 目標トルク
NECMD 目標回転数
GAIRCMD 目標吸気量
PMAX 極大点(非増加点)
PNINC 非増加点
TRQLMT 制限トルク
PRINC 再増加点
θTH スロットル開度(スロットル弁の開度)
θTHCMDPRV 仮目標スロットル開度
θTHEFF 有効開度
θTHCMD 目標スロットル開度
AP アクセル開度(アクセルペダルの開度)
θTHWO 全開開度
IG 点火時期
IGRTDEST 推定リタード量

Claims (10)

  1. 燃料消費率が最小になる燃費ベストトルクを算出するとともに、当該算出された燃費ベストトルクに基づいて内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
    燃焼室で燃焼する混合気の空燃比を所定の目標空燃比に制御する空燃比制御手段と、
    所定の1つの基準回転数で前記内燃機関を運転したときの前記燃費ベストトルクを算出する燃費ベストトルク算出手段と、を備え、
    当該燃費ベストトルク算出手段は、
    前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記燃焼室に吸入可能な最大の吸気量を、最大吸気量として算出する最大吸気量算出手段と、
    値0から前記算出された最大吸気量までの吸気量の範囲内で、互いに異なる複数の仮吸気量を設定する仮吸気量設定手段と、
    前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記設定された複数の仮吸気量の吸気がそれぞれ前記燃焼室に吸入されたと仮定したときに前記内燃機関から出力されると推定されるトルクを、複数の推定トルクとして算出する推定トルク算出手段と、
    前記複数の仮吸気量と前記算出された複数の推定トルクとの関係である仮吸気量−推定トルク関係を設定する仮吸気量−推定トルク関係設定手段と、
    当該設定された仮吸気量−推定トルク関係に基づいて、前記複数の推定トルクに対応する複数の燃料消費率をそれぞれ算出する燃料消費率算出手段と、を有し、
    当該算出された複数の燃料消費率のうちの最小の燃料消費率に対応する前記推定トルクを、前記基準回転数における前記燃費ベストトルクとして算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 前記燃費ベストトルク算出手段は、前記1つの基準回転数を含む所定の複数の基準回転数で前記内燃機関を運転したときの複数の燃費ベストトルクをそれぞれ算出し、
    前記内燃機関の回転数及びトルクを座標軸とする座標平面上に、前記複数の基準回転数とそれに対応する前記複数の燃費ベストトルクとの組み合わせである複数の動作点を結んだ動作線を設定する動作線設定手段をさらに備え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。
  3. 前記内燃機関の目標出力を設定する目標出力設定手段と、
    前記動作線に基づいて、前記設定された目標出力を満たす前記内燃機関のトルクと回転数との組み合わせを選択し、それぞれ目標トルク及び目標回転数として設定する目標トルク設定手段と、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項2に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記目標回転数に対応する前記基準回転数に対して設定された前記仮吸気量−推定トルク関係から、前記推定トルクが前記目標トルクに一致又は近似する最小の仮吸気量を選択し、目標吸気量として設定する目標吸気量設定手段をさらに備えることを特徴とする、請求項3に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記目標吸気量設定手段は、前記仮吸気量−推定トルク関係に基づき、前記仮吸気量の小さい側から順に、前記推定トルクが前記目標トルクに一致又は近似する前記仮吸気量の検索を行うとともに、前記推定トルクが前記目標トルクに一致又は近似する仮吸気量が求められた時点で、当該仮吸気量の検索を終了するとともに、前記求めた仮吸気量を前記目標吸気量として設定することを特徴とする、請求項4に記載の内燃機関の制御装置。
  6. 前記目標回転数に対応する前記基準回転数に対して設定された前記仮吸気量−推定トルク関係に基づき、前記複数の仮吸気量に対する前記複数の推定トルクの特性を表す推定トルク特性線を設定する推定トルク特性線設定手段と、
    当該設定された推定トルク特性線上に、前記仮吸気量が増加しても前記推定トルクが増加しなくなる非増加点が存在するか否かを判定するトルク非増加判定手段と、
    前記非増加点が存在すると判定されたときに、当該非増加点に相当する前記推定トルクを制限トルクとして設定する制限トルク設定手段と、
    前記目標トルクが前記制限トルクよりも大きいときに、前記非増加点に相当する前記仮吸気量を前記目標吸気量として設定する目標吸気量設定手段と、をさらに備えることを特徴とする、請求項3に記載の内燃機関の制御装置。
  7. 前記推定トルク特性線上の前記非増加点よりも大きな前記仮吸気量の範囲において、前記推定トルクが再度、増加し、前記制限トルク以上になる再増加点が存在するか否かを判定するトルク再増加判定手段をさらに備え、
    前記目標吸気量設定手段は、前記再増加点が存在すると判定された場合において、前記目標トルクが前記制限トルクよりも大きいときには、前記非増加点に相当する前記仮吸気量に代えて、前記再増加点よりも大きな前記仮吸気量を、前記目標吸気量として設定することを特徴とする、請求項6に記載の内燃機関の制御装置。
  8. 吸気量を調整するスロットル弁の開度の仮の目標値である仮目標スロットル開度を、前記目標吸気量に応じて算出する仮目標スロットル開度算出手段と、
    当該算出された仮目標スロットル開度が、前記スロットル弁の開度がそれ以上増加しても前記内燃機関のトルクがほとんど増加しなくなる開度である前記スロットル弁の有効開度以下のときに、前記スロットル弁の開度の最終的な目標値である目標スロットル開度を前記仮目標スロットル開度に設定し、前記仮目標スロットル開度が前記有効開度よりも大きいときに、前記目標スロットル開度を前記有効開度に制限して設定する目標スロットル開度設定手段と、
    をさらに備えることを特徴とする、請求項4ないし7のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
  9. 前記内燃機関は車両に動力源として搭載されており、
    前記車両のアクセルペダルの開度を検出するアクセル開度検出手段をさらに備え、
    前記目標スロットル開度設定手段は、前記検出されたアクセルペダルの開度が全開状態にあり、かつ前記目標空燃比が理論空燃比よりもリッチ側に設定されているときには、前記目標スロットル開度を所定の全開開度に設定することを特徴とする、請求項8に記載の内燃機関の制御装置。
  10. 前記内燃機関のノッキングの発生状態を検出するノッキング検出手段と、
    当該検出されたノッキングの発生状態に応じて、点火時期の推定リタード量を算出する推定リタード量算出手段と、をさらに備え、
    前記推定トルク算出手段は、前記算出された点火時期の推定リタード量に応じて、前記推定トルクを算出することを特徴とする、請求項1ないし9のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
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