JP5716562B2 - 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、特に、気筒ごとに異なる空燃比で運転可能であって各気筒に吸入される空気量を１つのスロットルで制御するように構成された内燃機関に用いて好適な制御装置に関する。

特開２００５−０１６３９２号公報には、気筒ごとにスロットルを備えた内燃機関において、内燃機関の要求トルクを気筒ごとに決定し、要求トルクに対応して気筒ごとに空気量を算出するとともに空気量に対応する燃料噴射量を気筒ごとに個別に算出する装置が開示されている。

特開２００５−０１６３９２号公報 特開２０１０−０５３７０５号公報

ところで、内燃機関に対して近年益々求められているエミッション性能の観点から、気筒ごとに或いは気筒群ごとに空燃比を制御することが望まれている。このような要望に関し、上記公報に記載の装置によれば、空気量や燃料噴射量を気筒ごとに個別に制御できることから、空燃比についても気筒ごとに制御することが可能のように思われる。しかし、上記公報に記載のようなシステム、つまり、気筒ごとにスロットルを設けて気筒単位で空気量を制御するシステムでは、ハード面においてもソフト面においても費用が高くついてしまう。

そこで検討されるのが、１つのスロットルで複数の気筒の空気量を制御するシステムにおいて、気筒ごとに或いは気筒群ごとに空燃比を制御できるようにすることである。ただし、トルクは空燃比によって変化することから、気筒ごとに異なる空燃比で運転する場合には実際の発生トルクと要求トルクとの間に誤差が生じてしまう可能性がある。したがって、この場合には、実際の発生トルクを精度よく推定することが併せて必要とされる。

図４は、内燃機関の推定トルクを計算するための計算ロジックの一例を示している。図４に示す計算ロジックは、４つの気筒を有する内燃機関に適用される計算ロジックである。この計算ロジックによれば、空気量、空燃比、点火時期及びエンジン回転数に基づいた推定トルクの計算が気筒ごとに行われる。そして、第１気筒から第４気筒までの各推定トルクが加算されて、内燃機関全体での推定トルクとして算出される。このような計算ロジックによれば、内燃機関が気筒ごとに異なる空燃比で運転される場合であっても、内燃機関の推定トルクを精度良く算出することができる。しかし、この計算ロジックには一つの問題がある。推定トルクの演算を気筒ごとに行うために制御装置の演算負荷が大きく、内燃機関の制御に必要な他の演算に影響が及ぶ可能性や、より演算能力の高い高コストな制御装置を用いる必要性が生じてしまう。

本発明は上述のような課題に鑑みなされたもので、複数の気筒に対して１つのスロットルが設けられている内燃機関において、内燃機関が気筒ごとに異なる空燃比で運転される場合に、内燃機関の推定トルクを精度良く且つ少ない演算負荷で算出できるよう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、複数の気筒に対して１つのスロットルが設けられている内燃機関の制御装置において、前記内燃機関に対する要求トルクを取得する要求トルク取得手段と、前記複数の気筒、或いは、前記複数の気筒がグループ分けされてなる複数の気筒群のそれぞれに対する要求空燃比を取得する要求空燃比取得手段と、各気筒或いは各気筒群に対する要求空燃比に基づいて参照用空燃比を決定する参照用空燃比決定手段と、前記参照用空燃比のもとで前記要求トルクを実現するための目標空気量を算出する目標空気量算出手段と、前記目標空気量に従って前記スロットルの開度を制御するスロットル開度制御手段と、各気筒に対する要求空燃比に従って各気筒の燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、各気筒の空気量から全気筒の平均空気量を算出する平均空気量算出手段と、各気筒の燃料噴射量と前記平均空気量とを用いて気筒ごとの空燃比を算出する空燃比算出手段と、各気筒の空燃比から全気筒の平均空燃比を算出する平均空燃比算出手段と、各気筒の空燃比から気筒間の空燃比のばらつきを示す値を算出する空燃比ばらつき値算出手段と、前記平均空燃比と前記平均空気量とを用いて前記内燃機関の推定トルクを算出する推定トルク算出手段と、前記空燃比ばらつき値に基づいて前記推定トルクを補正する推定トルク補正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、前記参照用空燃比決定手段が各気筒或いは各気筒群に対する要求空燃比のうち最もリーンな空燃比を前記参照用空燃比として選択す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又は第２の発明の内燃機関の制御装置において、各気筒の空気量から気筒間の空気量のばらつきを示す値を算出する空気量ばらつき値算出手段をさらに備え、前記推定トルク補正手段は、さらに前記空気量ばらつき値に基づいて前記推定トルクを補正するように構成されていることを特徴としている。

第４の発明の内燃機関の制御装置は、第１乃至第３の何れか１つの発明の内燃機関の制御装置において、各気筒の点火時期から全気筒の平均点火時期を算出する平均点火時期算出手段と、各気筒の点火時期から気筒間の点火時期のばらつきを示す値を算出する点火時期ばらつき値算出手段とをさらに備え、前記推定トルク算出手段は、さらに前記平均点火時期も用いて前記推定トルクを算出するように構成され、前記推定トルク補正手段は、さらに前記点火時期ばらつき値に基づいて前記推定トルクを補正するように構成されていることを特徴としている。

第１の発明の制御装置によれば、要求空燃比に基づいて決定された参照用空燃比が目標空気量の計算に用いられ、その目標空気量に従ってスロットルの開度が制御されるので、スロットルの動作が安定して各気筒の空気量も安定する。それに加えて、各気筒の燃料噴射量は各気筒或いは各気筒群に対する要求空燃比に従って制御されることから、気筒ごと或いは気筒群ごとの要求空燃比は高い精度で実現される。したがって、第１の発明の制御装置によれば、安定した空気量と精度の高い空燃比とを用いた計算により、推定トルクを精度良く算出することができる。しかも、内燃機関全体としての推定トルクを平均空燃比を用いて計算し、それを気筒間の空燃比のばらつきに基づいて補正する方法を採用したことによって、気筒ごとに推定トルクの計算を行う場合に比較して演算負荷は大きく低減される。

第２の発明の制御装置によれば、各気筒或いは各気筒群に対する要求空燃比のうち最もリーンな空燃比を参照用空燃比とすることにより、要求トルクに対して実トルクが不足することを防ぐことができる。なお、要求トルクの実現精度を高めたいのであれば、要求トルクに対する実トルクの過剰分に応じて点火時期を遅角すればよい。点火時期とトルクとの関係には空燃比が関係することから、要求トルクの実現精度をさらに高めたいのであれば、好ましくは、気筒ごとの空燃比に基づいて気筒ごとに点火時期を制御することがより好ましい。

第３の発明の制御装置によれば、気筒ごとの空燃比のばらつきに加えて気筒ごとの空気量のばらつきにも基づいて推定トルクの補正が行われるので、気筒ごとに異なる空気量で運転され得る内燃機関において精度の高い推定トルクを得ることができる。

第４の発明の制御装置によれば、気筒ごとの空燃比のばらつきに加えて気筒ごとの点火時期のばらつきにも基づいて推定トルクの補正が行われるので、気筒ごとに異なる点火時期で運転され得る内燃機関において精度の高い推定トルクを得ることができる。

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３の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 内燃機関の推定トルクを計算するための計算ロジックの一例を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図１を参照して説明する。

本発明の実施の形態１において制御対象とされる内燃機関は、４つの気筒を有する４気筒エンジンであり、且つ、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。本実施の形態において制御装置が操作するのは主としてスロットルと燃料噴射装置である。スロットルは吸気通路に一つだけ設けられていて、この一つのスロットルで４つの気筒の空気量が制御されている。燃料噴射装置は気筒ごとに燃料を噴射するためのインジェクタを備えている。

図１は本実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。図１において制御装置を構成している各要素は、制御装置が有する種々の機能的な要素のうち、スロットル４０及びインジェクタ４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄの操作による空気量制御及び空燃比制御に関する要素と推定トルクの計算に関する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、制御装置がこれらの要素のみで構成されていることを意味するものではない。なお、各要素は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。以下、図１に示す各要素の機能を中心に制御装置の構成について説明する。

本制御装置には、エンジンに対する要求トルクと各気筒に対する要求空燃比（要求Ａ／Ｆ）とが入力される。これらの要求は、本制御装置の上位に位置するパワートレインマネージャから供給される。各気筒に対する要求空燃比は参照用空燃比決定部２に入力される。参照用空燃比決定部２は、各気筒に対する要求空燃比のうち最もリーンな空燃比を選択して、それを参照用空燃比として決定する。参照用空燃比は要求トルクとともに目標空気量算出部４に入力される。

目標空気量算出部４は、空気量マップを用いて要求トルクを目標空気量に変換する。空気量マップは、点火時期がＭＢＴ（或いはトレースノック点火時期）であることを前提にして、トルクと空気量とがエンジン回転数及び空燃比を含む種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。空気量マップはエンジンを試験して得られたデータに基づいて作成されている。空気量マップの検索にはエンジン状態量の実際値や目標値が用いられる。ただし、空燃比に関しては、参照用空燃比がマップ検索に用いられる。したがって、目標空気量算出部４では、参照用空燃比のもとで要求トルクの実現に必要な空気量がエンジンの目標空気量として算出される。目標空気量はスロットル開度算出部６に入力される。

スロットル開度算出部６は、エアモデルの逆モデルを用いて目標空気量をスロットル開度に変換する。エアモデルはスロットル４０の動作に対する空気量の応答特性をモデル化した物理モデルであるので、その逆モデルを用いることで目標空気量の達成に必要なスロットル開度を逆算することができる。制御装置は、スロットル開度算出部６で算出されたスロットル開度に従ってスロットル４０の操作を行う。

上記のスロットル４０の操作のための処理と並行して、制御装置は、燃料噴射量算出部８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄにおいて気筒ごとの燃料噴射量を算出する。燃料噴射量の計算には、各気筒に対する要求空燃比とスロットル開度に基づいて算出される各気筒の吸気弁閉じタイミングでの予測空気量が用いられる。制御装置は、燃料噴射量算出部８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄで算出された各気筒の燃料噴射量を実現するように各気筒のインジェクタ４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄを操作する。

以上述べたようにスロットル４０及び各気筒のインジェクタ４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄを操作することによって、要求トルクを実現するための空気量制御と、各気筒の要求空燃比を実現するための空燃比制御とが行われる。本実施の形態によれば、要求空燃比に基づいて決定された参照用空燃比が目標空気量の計算に用いられ、その目標空気量に従ってスロットル４０の開度が制御されるので、スロットルの動作が安定して各気筒の空気量も安定する。それに加えて、各気筒の燃料噴射量は各気筒に対する要求空燃比に従って制御されることから、気筒ごと或の要求空燃比は高い精度で実現される。さらに、各気筒に対する要求空燃比のうち最もリーンな空燃比が参照用空燃比として選択されるので、目標空気量は大きめに設定されることとなって、要求トルクに対する実トルクの不足は防止される。

制御装置では、これらの制御と並行して、エンジンの実際に出力しているトルクの推定値、すなわち、推定トルクを計算するための処理が行われている。推定トルクの計算には、エンジン状態量に基づいて推定トルクのベース値を算出する工程と、補正係数によってベース値を補正する工程とが含まれている。推定トルクのベース値の計算は、推定トルク算出部１６で行われる。推定トルク算出部１６は、エンジンの各種状態量とトルクとを関連付けたマップを用いて推定トルクのベース値を算出する。このマップの引数として用いられるエンジン状態量には、空気量、点火時期、エンジン回転数及び空燃比が含まれる。推定トルク計算用の空気量としては、エアフローメータの出力値から得られる空気量や、スロットル開度に基づいてエアモデルによって計算された空気量を用いることができる。推定トルク計算用の空燃比としては、全気筒の平均空燃比が用いられる。

本実施の形態では空燃比は気筒ごとに制御される。このため、気筒ごとに空燃比に違いが生じている場合がある。各気筒の空燃比は空燃比算出部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄにおいて計算される。各空燃比算出部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄは、インジェクタ４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄから噴射される燃料噴射量と空気量とを用いて空燃比を算出する。算出された各気筒の空燃比は平均空燃比算出部１２に入力され、それらを用いて全気筒の平均空燃比が算出される。

推定トルクのベース値を補正するための補正係数は、空燃比のばらつきがトルクに与える影響を推定トルクの計算値に反映させるための補正係数であって、補正係数決定部１８で決定される。補正係数決定部１８は、空燃比のばらつき値と補正係数とが空気量及びエンジン回転数をキーにして関連付けられたマップを記憶している。このマップはエンジンを試験して得られたデータに基づいて作成されている。マップの引数として用いられる空燃比のばらつき値は、空燃比ばらつき値算出部１４で計算される。空燃比ばらつき値算出部１４は、各空燃比算出部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄで算出された各気筒の空燃比を受け取り、それらの統計的ばらつきを示す値を空燃比ばらつき値として算出する。空燃比ばらつき値としては、例えば、各気筒の空燃比の平均絶対偏差、平均差、分散或いは標準偏差などを用いることができる。

空燃比ばらつき値に基づいて決定された補正係数を推定トルクのベース値に乗じて得られる値が、本実施の形態における最終的な推定トルクとなる。前述のエンジン制御によれば安定した空気量と精度の高い空燃比とを得ることができるので、それらを用いて計算される推定トルクも精度の高いものとなる。しかも、本実施の形態では、推定トルクを算出する方法として、エンジン全体としての推定トルクを平均空燃比を用いて計算し、それを気筒間の空燃比のばらつきに基づいて補正する方法を採用している。このような方法によれば、図４を用いて説明した気筒ごとに推定トルクの計算を行う方法に比較して、制御装置の演算負荷を大きく低減することができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について図２を参照して説明する。

図２は本実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示す構成において、図１に示す実施の形態１の制御装置の要素と共通の機能を有する要素には、図１に示す要素と同一の符号を付している。なお、エンジンの推定トルクの計算方法については本実施の形態と実施の形態１とで違いが無いため、推定トルクの計算に用いる要素については図示を省略している。以下、実施の形態１の制御装置との違いを中心に本実施の形態の制御装置の構成について説明する。

本実施の形態の制御装置の実施の形態１の制御装置との違いは、空気量制御及び空燃比制御と協調させて点火時期制御を行う点にある。本実施の形態の制御装置は、点火時期算出部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄにおいて気筒ごとの点火時期を算出する。点火時期の計算には推定ＭＢＴトルクと要求トルクが用いられる。推定ＭＢＴトルクは、点火時期がＭＢＴであると仮定した場合の推定トルクであって、推定ＭＢＴトルク算出部２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄにおいて気筒ごとに計算される。気筒ごとの推定ＭＢＴトルクの計算には、空燃比算出部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄで算出された気筒ごとの空燃比が用いられる。

点火時期算出部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄは、推定ＭＢＴトルクと要求トルクとの差を解消するために必要な点火時期を算出する。気筒ごとの点火時期の計算には、空燃比算出部１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄで算出された気筒ごとの空燃比が用いられる。実施の形態１で述べたように、目標空気量の算出には各気筒の要求空燃比のうち最もリーンな空燃比が参照用空燃比として用いられているので、各気筒の推定ＭＢＴトルクは要求トルクと等しいかそれ以上の大きさとなる。このため、点火時期算出部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄで算出される各気筒の点火時期は、ＭＢＴ或いはそれよりも遅角された点火時期となる。制御装置は、点火時期算出部２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄで算出された各気筒の点火時期に従って各気筒の点火装置４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄを操作する。これによれば、どの気筒のトルクも要求トルクと一致するようになるので、各気筒の要求空燃比に加えて要求トルクについても高い精度で実現できるようになる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３について図３を参照して説明する。

図３は本実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。図３に示す構成において、図１に示す実施の形態１の制御装置の要素と共通の機能を有する要素には、図１に示す要素と同一の符号を付している。なお、空気量制御及び空燃比制御の各方法については本実施の形態と実施の形態１とで違いが無いため、空気量制御や空燃比制御に用いる要素については図示を省略している。以下、実施の形態１の制御装置との違いを中心に本実施の形態の制御装置の構成について説明する。

本実施の形態の制御装置の実施の形態１の制御装置との違いは、気筒間の空気量のばらつきや点火時期のばらつきがトルクに与える影響を推定トルクの計算値に反映させる点にある。本実施の形態の制御装置は、気筒間の空気量のばらつきに応じた補正係数を決定する補正係数決定部３２と、気筒間の点火時期のばらつきに応じた補正係数を決定する補正係数決定部３６とを備えている。

補正係数決定部３２は、空気量のばらつき値と補正係数とがエンジン回転数をキーにして関連付けられたマップを記憶している。マップの引数とされる空気量ばらつき値は、具体的には各気筒の空気量の平均絶対偏差、平均差、分散或いは標準偏差などであり、空気量ばらつき値算出部３０において算出される。補正係数決定部３２は、空気量ばらつき値に応じた補正係数をマップを用いて決定する。また、本実施の形態では、推定トルク計算用の空気量として全気筒の平均空気量が用いられる。

点火時期ばらつき補正係数決定部３６には、点火時期のばらつき値と補正係数とが空気量及びエンジン回転数をキーにして関連付けられたマップが記憶されている。マップの引数とされる点火時期ばらつき値は、具体的には各気筒の点火時期の平均絶対偏差、平均差、分散或いは標準偏差などであり、点火時期ばらつき値算出部３４において算出される。補正係数決定部３６は、点火時期ばらつき値に応じた補正係数をマップを用いて決定する。また、本実施の形態では、推定トルク計算用の点火時期として全気筒の平均点火時期が用いられる。

本実施の形態では、空燃比ばらつき値に応じた補正係数、空気量ばらつき値に応じた補正係数、及び点火時期ばらつき値に応じた補正係数を推定トルクのベース値に乗じて得られる値が最終的な推定トルクとなる。本実施の形態によれば、気筒ごとに異なる空気量や異なる点火時期で運転され得るエンジンにおいても精度の高い推定トルクを得ることができる。

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、本発明は、４気筒エンジンだけでなく６気筒エンジンや８気筒エンジンなどのより気筒数の多いエンジンや、２気筒エンジンや３気筒エンジンなどのより気筒数の少ないエンジンにも適用することができる。また、要求空燃比は気筒ごとに設定されるのではなく、気筒群ごとに、例えば、Ｖ型エンジンであれば左右のバンクごとに設定されるのでもよい。また、実施の形態１では空燃比のばらつきを推定トルクの計算値に反映させる構成を開示し、実施の形態３では空気量と点火時期のばらつきを推定トルクの計算値に反映させる構成を開示しているが、その他のトルクに寄与する状態量に対しても同様の構成を採ることができる。

２ 参照用空燃比決定部
４ 目標空気量算出部
６ スロットル開度算出部
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 燃料噴射量算出部
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 空燃比算出部
１２ 平均空燃比算出部
１４ 空燃比ばらつき値算出部
１６ 推定トルク算出部
１８ 空燃比ばらつき補正係数決定部
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ 推定ＭＢＴトルク算出部
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ 点火時期算出部
３０ 空気量ばらつき値算出部
３２ 空気量ばらつき補正係数決定部
３４ 点火時期ばらつき値算出部
３６ 点火時期ばらつき補正係数決定部
４０ スロットル
４２Ａ，４２Ｂ，４２Ｃ，４２Ｄ インジェクタ
４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ 点火装置

Claims (4)

1. 複数の気筒に対して１つのスロットルが設けられている内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関に対する要求トルクを取得する要求トルク取得手段と、
   前記複数の気筒、或いは、前記複数の気筒がグループ分けされてなる複数の気筒群のそれぞれに対する要求空燃比を取得する要求空燃比取得手段と、
   各気筒或いは各気筒群に対する要求空燃比に基づいて参照用空燃比を決定する参照用空燃比決定手段と、
   前記参照用空燃比のもとで前記要求トルクを実現するための目標空気量を算出する目標空気量算出手段と、
   前記目標空気量に従って前記スロットルの開度を制御するスロットル開度制御手段と、
   各気筒或いは各気筒群に対する要求空燃比に従って各気筒の燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
   各気筒の空気量から全気筒の平均空気量を算出する平均空気量算出手段と、
   各気筒の燃料噴射量と前記平均空気量とを用いて気筒ごとの空燃比を算出する空燃比算出手段と、
   各気筒の空燃比から全気筒の平均空燃比を算出する平均空燃比算出手段と、
   各気筒の空燃比から気筒間の空燃比のばらつきを示す値を算出する空燃比ばらつき値算出手段と、
   前記平均空燃比と前記平均空気量とを用いて前記内燃機関の推定トルクを算出する推定トルク算出手段と、
   前記空燃比ばらつき値に基づいて前記推定トルクを補正する推定トルク補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記参照用空燃比決定手段は、各気筒或いは各気筒群に対する要求空燃比のうち最もリーンな空燃比を前記参照用空燃比として選択す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. 前記制御装置は、
   各気筒の空気量から気筒間の空気量のばらつきを示す値を算出する空気量ばらつき値算出手段をさらに備え、
   前記推定トルク補正手段は、さらに前記空気量ばらつき値に基づいて前記推定トルクを補正するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記制御装置は、
   各気筒の点火時期から全気筒の平均点火時期を算出する平均点火時期算出手段と、
   各気筒の点火時期から気筒間の点火時期のばらつきを示す値を算出する点火時期ばらつき値算出手段と、をさらに備え、
   前記推定トルク算出手段は、さらに前記平均点火時期も用いて前記推定トルクを算出するように構成され、
   前記推定トルク補正手段は、さらに前記点火時期ばらつき値に基づいて前記推定トルクを補正するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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