JP5640639B2 - 内燃エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンの過回転を防止するための技術に関する。

エンジン過回転を防止する対策として、エンジン回転速度が所定の上限回転速度以上になった場合にエンジンへの燃料供給を一時中断する、という燃料供給カットによる回転速度制限方法が主流であった。しかし、燃料供給カットによる回転速度制限方法は、燃料供給の中断時および燃料供給再開時に車両前後方向の加速度変化が生じ、乗員に不快感を与えるものであった。

上記乗員に不快感を与えることを防止する技術として、電動アクチュエータを介してスロットルバルブの開度を制御する、いわゆる電制スロットルを用い、エンジン供給空気量を調節することによって、エンジン過回転を防止するものが特許文献１に開示されている。

具体的には、目標回転速度とエンジン回転速度との偏差に応じて設定されるＰＩＤ制御用のＰ分トルクとＩ分トルクとを用いて、エンジンの過回転を防止するためのリミッタ要求トルクを算出し、このリミッタ要求トルクに基づいてトルク制御する。これにより、エンジン回転速度は、オーバーシュートが抑制されつつ上限回転速度に収束し、過回転が防止される。

特開２００４−２４５１９１号公報

ところで、例えば内燃エンジンとモータジェネレータの間、及びモータジェネレータと駆動輪の間にクラッチを備えるハイブリッド車両のようにトルクコンバータを備えない車両では、過回転防止のための制御を実行する際に、内燃エンジンから駆動輪までのトルク伝達経路が直結状態となっている。このため、過回転防止用のトルク制御を行った場合のエンジン回転速度の変動が、トルクコンバータを備える場合に比べて大きくなる。

したがって、特許文献１のように、リミッタ要求トルクを算出するためのゲインが目標エンジン回転速度と実エンジン回転速度の大小に関わらず一律に設定されていると、実エンジン回転速度を目標エンジン回転速度に収束させることが難しくなる。

そこで、本発明ではトルク伝達経路が直結状態となる車両について、内燃エンジンの過回転を防止し、かつ実エンジン回転速度を精度よく目標エンジン回転速度に制御する制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃エンジンの制御装置は、目標エンジン回転速度を設定する手段と、実エンジン回転速度を検出する手段と、目標エンジン回転速度と実エンジン回転速度の偏差に応じて内燃エンジンのトルクを補正する過回転防止制御手段と、を備える。そして、過回転防止制御手段は、実エンジン回転速度が目標エンジン回転速度より低い場合には、実エンジン回転速度が目標エンジン回転速度より高い場合よりトルクの補正量を小さく設定する。

本発明によれば、実エンジン回転速度が目標エンジン回転速度より低いときは、高いときよりトルクの補正量が小さくなる。つまり、実エンジン回転速度が目標エンジン回転速度を上回ったときには、エンジン回転速度を速やかに低下させ、実エンジン回転速度が目標エンジン回転速度を下回ったときには、エンジン回転速度を徐々に上昇させることができる。これにより、オーバーシュートを防止して、実エンジン回転速度を目標エンジン回転速度に制御することができる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド車両のパワートレインの一例の概略構成図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッドシステムの構成図である。 本発明を適用するエンジンの構成図である。 実施形態によるスロットル制御を示すブロック図である。 ドライバ要求トルクを設定するための特性マップである。 実施形態によるスロットル制御の詳細を示すフローチャートである。 実施形態によるゲイン切り替え制御の詳細を示すフローチャートである。 実施形態による過回転防止動作を示すタイムチャートである。 ハイブリッド車両のパワートレインの他の例を示す概略構成図である。 ハイブリッド車両のパワートレインのさらに他の例を示す概略構成図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態のハイブリッド車両のパワートレインの一例の概略構成図を示している。なお、図９、図１０に示したようにハイブリッド車両のパワートレインの構成、特に第２クラッチ５の位置は図１に示すものに限定されない。

内燃エンジン１の出力軸とモータジェネレータ２の入力軸とが、トルク容量可変の第１クラッチ４を介して、モータジェネレータ２の出力軸と自動変速機３の入力軸とが連結されている。自動変速機３の出力軸にはディファレンシャルギア６を介してタイヤ７が連結されている。

自動変速機３内には、シフト状態に応じて異なる動力伝達を担っているトルク容量可変のクラッチを有するので、これらのクラッチのうちの１つを第２クラッチ５として用いる。これにより自動変速機３は、第１クラッチ４を介して入力される内燃エンジン１の動力と、モータジェネレータ２から入力される動力を合成してタイヤ７へ出力する。上記の第１クラッチ４とこの第２クラッチ５とには、例えば比例ソレノイドで油流量および油圧を連続的に制御できる湿式多版クラッチを用いればよい。

ハイブリッド車両のパワートレインには、第１クラッチ４の接続状態に応じて２つの運転モードを有している。まず、第１クラッチ４の切断状態では、モータジェネレータ２の動力のみで運転（走行）する電気運転モード（以下「ＥＶモード」という。）となる。第１クラッチ４の接続状態では、内燃エンジン１とモータジェネレータ２の双方の動力で運転（走行）するハイブリッド運転モード（以下「ＨＥＶモード」という。）となる。なお、第２クラッチ５は後述するようにエンジンの始動時に半クラッチとされるくらいで、車両運転中は常に接続状態にある。

図２は制御装置を含んだハイブリッドシステムの構成図を示している。

ハイブリッドシステムは、主にパワートレインの動作点を統合制御する統合コントローラ２０、内燃エンジン１を制御するエンジンコントローラ２１、モータジェネレータ２を制御するモータジェネレータコントローラ２２、モータジェネレータ２を駆動するインバータ８、電気エネルギを蓄えるバッテリ９からなっている。

統合コントローラ２０には、パワートレインの動作点を決定するために、エンジンの回転速度Ｎｅを検出するエンジン回転速度センサ１０からの信号と、モータジェネレータ２の回転速度Ｎｍを検出するモータジェネレータ回転速度センサ１１からの信号と、自動変速機３の入力軸回転速度Ｎｉを検出する自動変速機入力軸回転速度センサ１２からの信号と、自動変速機３の出力軸回転速度Ｎｏを検出する自動変速機出力軸回転速度センサ１３からの信号と、アクセル開度ＡＰＯ（＝実アクセル開度ｒＡＰＯ）を検出するアクセル開度センサ１７からの信号と、ブレーキ油圧ＢＰＳを検出するブレーキ油圧センサ２３からの信号と、バッテリ９の充電状態を検出するＳＯＣセンサ１６からの信号とが入力する。

統合コントローラ２０は、アクセル開度ＡＰＯとバッテリ充電状態ＳＯＣと、車速ＶＳＰ（自動変速機出力軸回転速度Ｎｏに比例）とに応じて、ドライバが望む駆動力を実現できる運転モードを選択する。また、統合コントローラ２０は、モータジェネレータコントローラ２２に目標モータジェネレータトルクもしくは目標モータジェネレータ回転速度を指令する。さらに、統合コントローラ２０は、エンジンコントローラ２１に目標エンジントルクを、第１クラッチ４の油圧を制御するソレノイドバルブ１４、第２クラッチ５の油圧を制御するソレノイドバルブ１５に駆動信号を指令する。

エンジンコントローラ２１は、エンジントルクが目標エンジントルクとなるように内燃エンジン１を制御し、モータジェネレータコントローラ２２はモータジェネレータ２のトルクが目標モータジェネレータトルクとなるよう（またはモータジェネレータの回転速度が目標モータジェネレータの回転速度となるよう）、バッテリ９及びインバータ８を介してモータジェネレータ２を制御する。

図３は、エンジンコントローラ２１が制御する内燃エンジン１の構成を示す。

エアフローメータ３３は、内燃エンジン１への（単位時間当りの）吸入空気量を検出する。水温センサ３５は、エンジンの冷却水温度を検出する。空燃比センサ３６は、排気中の酸素成分等からエンジンに供給される混合気の空燃比を検出する。

内燃エンジン１には、燃料噴射信号によって駆動し、燃料を噴射供給する燃料噴射弁３７、燃焼室に装着されて点火を行う点火栓３８が設けられる。

また、内燃エンジン１の吸気通路３９には、スロットル弁４０が介装され、スロットル弁４０の開度をステップモータ等により電子制御するスロットル制御装置４１が備えられている。また、スロットル弁４０の開度を検出するスロットルセンサ４２が装着されている。

エンジンコントローラ２１は、前記センサ類からの信号に基づいて目標エンジントルクを設定し、目標エンジントルクが得られるようにスロットル制御装置４１を介してスロットル弁４０の開度を制御し吸入空気量を制御すると共に燃料噴射弁３７を駆動して燃料噴射量を制御し、点火時期を設定して該点火時期で点火栓３８を点火させる制御を行う。

ここで、本発明にかかる構成として、目標エンジントルクへのスロットル制御において、エンジンが過回転となるのを制限するように制御する。

図４は、かかる過回転防止機能を含むスロットル制御の制御ブロックを示す。

ドライバ要求トルク算出部Ａは、アクセル開度センサ１７によって検出されるアクセル開度と、エンジン回転速度センサ１０により検出されるエンジン回転速度とに基づいて、図５に示したようなマップからの検索等によってドライバの要求するエンジントルク（ドライバ要求トルク）を算出する。

高回転リミッタ制御部Ｂは、エンジンの過回転を防止するためのリミッタ要求トルクを算出する。

ＭＩＮ判定部Ｃは、これらドライバ要求トルクとリミッタ要求トルクとを入力し、これらのうち小さい方を選択し、トルク指令値としてスロットル開度制御部Ｄに出力する。

スロットル開度制御部Ｄは、トルク指令値に基づいて目標スロットル開度を算出し、該目標スロットル開度信号をスロットル制御装置４１に出力する。

スロットル制御装置４１はスロットルセンサ４２で検出された実スロットル開度と目標スロットル開度とに基づいてスロットル弁４０の開度を制御する。

上記スロットル制御の詳細なフローを図６に示す。以下、図６に従って説明する。

ステップＳ１では、ノイズ除去のため次式のように、エンジン回転速度センサ１０からの信号に基づいて検出される実エンジン回転速度Ｎｅを、一次遅れフィルタ処理（加重平均演算処理）を施して回転速度Ｎ（ｉ）を算出する。

Ｎ（ｉ）＝Ｆｇ×Ｎｅ（ｉ）＋（１−Ｆｇ）×Ｎ（ｉ−１）
ただし、Ｎ（ｉ）：フィルタ処理後エンジン回転速度（現在値）
Ｎ（ｉ−１）：フィルタ処理後エンジン回転速度（前回値）
Ｆｇ：エンジン回転速度フィルタゲイン

ステップＳ２では、次式のように、上限回転速度Ｎｍａｘと実エンジン回転速度（前回値）Ｎ（ｉ−１）との偏差に目標回転速度変化率ゲインＤｔｇを乗じることによって、目標回転速度変化率ＤＮｔ（ｉ）を算出する。

ＤＮｔ（ｉ）＝Ｄｔｇ×［Ｎｍａｘ−Ｎ（ｉ−１）］

ステップＳ３では、次式のように、実エンジン回転速度（前回値）Ｎ（ｉ−１）に、目標回転速度変化率ＤＮｔ（ｉ）を加えることによって、前回のエンジン回転速度から目標回転速度変化率でエンジン回転速度が変化した場合の現在のエンジン回転速度を算出し、この算出値を今回の目標回転速度Ｎｔ（ｉ）とする。

Ｎｔ（ｉ）＝Ｎ（ｉ−１）＋ＤＮｔ（ｉ）

ステップＳ４では、ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）とリミッタ要求トルク（前回値）Ｔｒｅｖ（ｉ−１）との大小を比較する。

そして、ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）よりリミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ−１）の方が大きいときは、リミッタ（回転速度制限）を作動させる必要がなく、この場合は、ステップＳ５に進んでＩ分トルクＴｉ（ｉ）をドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）とする。

ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）がリミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ−１）以上になると、リミッタを開始するためステップＳ６に進み、前回ステップＳ５でセットされたドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ−１）を初期値として積分動作を開始する。具体的には、次式のように、ステップＳ３で設定した目標回転速度Ｎｔ（ｉ）とステップＳ１で求めた今回の実エンジン回転速度Ｎ（ｉ）との偏差にＩ分ゲインＩｇを乗じたものを、Ｉ分トルクの前回値Ｔｉ（ｉ−１）に加え、今回のＩ分トルクＴｉ（ｉ）とする。

Ｔｉ（ｉ）＝Ｔｉ（ｉ−１）＋Ｉｇ×［Ｎｔ（ｉ）−Ｎ（ｉ）］

ステップＳ７では、Ｐ分トルクＴｐ（ｉ）を算出する。具体的には次式のように、目標回転速度Ｎｔ（ｉ）と実エンジン回転速度Ｎ（ｉ）との偏差にＰ分ゲインＰｇを乗じて算出する。

Ｔｐ（ｉ）＝Ｐｇ×［Ｎｔ（ｉ）−Ｎ（ｉ）］

ステップＳ８では、次式のように、上記のように算出したＰ分トルクＴｐ（ｉ）とＩ分トルクＴｉ（ｉ）とを加算してリミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）とする。

Ｔｒｅｖ（ｉ）＝Ｔｐ（ｉ）＋Ｔｉ（ｉ）

ステップＳ９では、ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）と、リミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）とのうち、小さい方を選択してトルク指令値Ｔｃｏｍ（ｉ）とする。すなわち、ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）よりリミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）が小さくなった場合だけ、リミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）をトルク指令値Ｔｃｏｍ（ｉ）として設定することにより、エンジンの過回転を防止する。

ここで、ステップＳ６で用いるＩ分ゲインＩｇ、ステップＳ７で用いるＰ分ゲインＰｇについて説明する。

図１に示すようなハイブリッド車両では、第１クラッチ４又は第２クラッチ５の少なくとも一方が開放されている場合の方が、第１クラッチ４及び第２クラッチ５が締結されている場合に比べて、内燃エンジン１の負荷が軽くなる。このため、第１クラッチ４及び第２クラッチ５の締結・開放状態によらず同じＩ分ゲインＩｇとＰ分ゲインＰｇを用いると、第１クラッチ４又は第２クラッチ５の少なくとも一方が開放されている場合に、エンジン回転速度を目標回転速度で安定させることが困難となる。

そこで、エンジンコントローラ２１は、図６の制御ルーチンと並行して、Ｉ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇを、第１クラッチ４及び第２クラッチ５の状態に応じて切り替える制御を行う。

図７は、エンジンコントローラ２１が実行する、ゲイン切り替え制御ルーチンのフローチャートである。

ステップＳ１０１で、エンジンコントローラ２１は第１クラッチ４または第２クラッチ５の少なくとも一方が開放しているか否かを判定する。第１クラッチ４又は第２クラッチ５の少なくとも一方が開放しているときは、エンジンコントローラ２１はステップＳ１０２で開放時用のＩ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇを選択する。第１クラッチ４及び第２クラッチ５が締結しているときは、エンジンコントローラ２１はステップＳ１０３で締結時用のＩ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇを選択する。

開放時用のＩ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇと、締結時用のＩ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇとを比較すると、それぞれ開放時用の方が小さい。これは、開放時には締結時に比べて内燃エンジン１の負荷が小さいため、締結時と同様のゲインではエンジン回転速度制御の安定性が確保し難いためである。

ステップＳ１０４で、エンジンコントローラ２１は現在のエンジン回転速度（実エンジン回転速度）が目標エンジン回転速度以上か否かを判定し、目標エンジン回転速度以上の場合はルーチンを終了し、目標エンジン回転速度より低い場合はステップＳ１０５の処理を実行する。

ステップＳ１０５で、エンジンコントローラ２１はＩ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇをエンジントルク増加時用の値に切り替える。ここでは、エンジントルク低減時用のゲイン、つまりステップＳ１０２又はステップＳ１０３で選択したゲインを小さくするよう補正し、これをエンジントルク増加時用のゲインとする。

エンジントルク低減時用に比べて小さくするのは、上限回転速度を超えて上昇することを防止する場合には速やかにエンジントルクを低減させることが望ましいのに対し、エンジン回転速度を上昇させる場合にはオーバーシュートを防止するため徐々にトルクを増加させることが望ましいからである。

図８は、上記制御ルーチンを実行した結果を示すタイムチャートである。

現在のエンジン回転速度Ｎ（ｉ）が上限回転速度Ｎｍａｘ以下のときは、正の回転速度偏差［Ｎｍａｘ−Ｎ（ｉ−１）］にゲインＤｔｇ（＜１）を乗じた値を、前回のエンジン回転速度Ｎ（ｉ−１）に加えたものが今回の目標回転速度Ｎｔ（ｉ）として設定され、加速開始後しばらくは目標回転速度Ｎｔ（ｉ）が現在のエンジン回転速度Ｎ（ｉ）より大きく設定される。

このとき、リミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）は、ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）に等しいＩ分トルクＴｉ（ｉ）に正のＰ分トルクＴｐ（ｉ）を加えた値として算出されるため、ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）より大きくなり、したがって、リミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）より小さいドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）がトルク指令値Ｔｃｏｍ（ｉ）として選択される。つまり、まだ、リミッタによる回転速度制限は開始されずドライバ要求に見合ったトルクで加速され良好な加速性能を確保できる。

このようにしてドライバ要求トルクで制御されると、加速度の増大により実エンジン回転速度Ｎ（ｉ）が目標回転速度Ｎｔ（ｉ）に追いつき、追い越していく。これは、前回のエンジン回転速度Ｎ（ｉ−１）に加算される偏差［Ｎｍａｘ−Ｎ（ｉ−１）］にゲインＤｔｇを乗じた値より、加速度の方が上回るからである。

そして、実エンジン回転速度Ｎ（ｉ）が目標回転速度Ｎｔ（ｉ）より大きくなると、偏差［Ｎｍａｘ−Ｎ（ｉ−１）］が負の値となるので、Ｐ分トルクＴｐ（ｉ）は負の値となり、Ｉ分トルクＴｉ（ｉ）も負のトルク分Ｉｇ×［Ｎｔ（ｉ）−Ｎ（ｉ）］が加えられることで減少に転じる。したがって、ドライバ要求トルクＴａｃ（ｉ）よりリミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）の方が小さくなって、リミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）がトルク指令値Ｔｃｏｍ（ｉ）として選択され、リミッタによる回転速度制限が開始される。

そして、ＰＩ制御により徐々に減少して設定されるリミッタ要求トルクＴｒｅｖ（ｉ）により、回転速度上昇が速やかに抑制され、オーバーシュートを抑制しつつ上限回転速度Ｎｍａｘに速やかに収束維持される。

Ｐ分ゲインＰｇとＩ分ゲインＩｇを、第１クラッチ４及び第２クラッチ５が締結している場合と、少なくとも一方が開放している場合で切り替えるので、第１クラッチ４、第２クラッチ５の状態によらず上限回転速度Ｎｍａｘに速やかに収束維持させることができる。なお、図８では、ｔ１で第１クラッチ４または第２クラッチ５の少なくとも一方が開放していると判定されて、両クラッチ４、５が締結されている場合より小さい開放時用のゲインを選択している。

実エンジン回転速度が目標エンジン回転速度を下回ったらエンジントルクを増大させる（図８ではｔ３〜ｔ４）。このとき、Ｉ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇをエンジントルク低減時より小さくする。これにより、オーバーシュートして再び上限回転速度を超えることを防止できる。なお、両クラッチ４、５が締結されている場合は、開放時用のゲインよりも大きい締結時用のゲインを選択するので、エンジントルク線の変化特性が開放時とは異なるものになる。これに伴ってエンジン回転速度の変化特性も異なるものとなるが、エンジン回転速度の変化の傾きが変わるだけで、基本的には図８と同様の変化特性である。

このように、本実施形態によれば、第１クラッチ４又は第２クラッチ５の少なくとも一方が開放されている場合は、両クラッチ４、５とも締結されている場合に比べて、目標エンジントルクの減少補正量を小さくするので、第１クラッチ４及び第２クラッチ５の締結状態によらず、エンジン回転速度を精度良く目標エンジン回転速度に制御できる。これにより、過回転防止制御実行時にドライバに違和感を与えることを防止できる。

また、実エンジン回転速度が目標エンジン回転速度を下回った後でエンジントルクを増大させるときには、Ｉ分ゲインＩｇ及びＰ分ゲインＰｇをエンジントルク低減時より小さくするので、オーバーシュートして再び上限回転速度を超えることを防止できる。

なお、アイドル回転速度制御と同様に、加速初期から逐次更新される目標回転速度と実エンジン回転速度との偏差に基づいてエンジントルクをフィードバック制御するようなことも可能である。この場合、実回転速度を目標回転速度に収束させるためのトルク変化率を、第１クラッチ４及び第２クラッチ５の締結、開放に応じて切り替えるようにすればよい。具体的には、第１クラッチ４又は第２クラッチ５の少なくとも一方が開放されている場合は、両クラッチ４、５とも締結されている場合より、トルク変化率を小さくすればよい。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。例えば、本発明を適用できる車両は上述したハイブリッド車両に限られない。一般的な手動変速機や、手動変速機と同様のクラッチ操作及び変速操作をアクチュエータで行う自動変速機を備える車両のように、トルクコンバータを備えず、内燃エンジンから駆動輪までのトルク伝達経路が直結状態になる車両であれば適用することができる。この場合には、図７のステップＳ１０１−Ｓ１０３の処理は不要で、エンジントルク低減時用のゲインを定めておけばよい。

１ エンジン
２ モータジェネレータ
４ 第１クラッチ
５ 第２クラッチ
２０ 統合コントローラ
２１ エンジンコントローラ
４１ スロットル制御部

Claims (2)

1. 目標エンジン回転速度を設定する手段と、
   実エンジン回転速度を検出する手段と、
   前記目標エンジン回転速度と前記実エンジン回転速度の偏差に応じて内燃エンジンのトルクを補正する過回転防止制御手段と、
   を備える内燃エンジンの制御装置において、
   前記過回転防止制御手段は、前記実エンジン回転速度が前記目標エンジン回転速度より低い場合には、前記実エンジン回転速度が前記目標エンジン回転速度より高い場合より前記トルクの補正量を小さく設定することを特徴とする内燃エンジンの制御装置。
2. 前記過回転防止制御手段は、前記内燃エンジンのトルクの減少補正量を、前記目標エンジン回転速度と前記実エンジン回転速度との偏差にゲインを乗じたＰ分トルクとＩ分トルクとにより算出し、
   前記実エンジン回転速度が前記目標エンジン回転速度より低い場合には、前記実エンジン回転速度が前記目標エンジン回転速度より高い場合より、前記Ｐ分トルク算出用のゲイン及び前記Ｉ分トルク算出用のゲインを小さくする請求項１に記載の内燃エンジンの制御装置。

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