JP5854131B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電子制御スロットルに与える目標スロットル開度を空気モデルの逆モデルを用いて計算する過給機付き内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、目標スロットル開度が妥当範囲から外れていないか監視する機能を備えた制御装置に関する。
電子制御スロットルに与える目標スロットル開度を計算する方法として、空気モデルの逆モデルを用いる方法が知られている。空気モデルとは、スロットル開度と吸入空気量との間に成り立つ動的な関係を表す動的モデルである。空気モデルの逆モデル、すなわち、逆空気モデルを用いれば、目標吸入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。
逆空気モデルを用いた目標スロットル開度の計算方法は、過給機付き内燃機関にも応用することができる。ただし、過給機付き内燃機関では、スロットルの上流に作用する圧力は過給機の過給状態に応じて変化する。スロットル上流圧力は逆空気モデルにおいて目標スロットル開度の計算に用いられる重要なパラメータである。このため、過給機付き内燃機関を対象とする逆空気モデルの計算では、過給圧センサによって計測された過給圧或いは物理モデルによって推定された過給圧がスロットル上流圧力として用いられる。
逆空気モデルを用いて目標スロットル開度を計算する方法によれば、目標吸入空気量が変化している場合でもその達成に必要なスロットル開度を精度良く算出することができる。しかし、動的モデルである逆空気モデルを用いた計算では、入力値の変化に対して出力値である目標スロットル開度は大きく変化する。このため、入力値の条件によっては電子制御スロットルに与える目標スロットル開度が予め設定された妥当範囲から外れてしまう可能性が有る。特に、過給機付き内燃機関の逆空気モデルの場合は、入力される過給圧に何らかの問題が生じるおそれが有る。例えば、過給圧が過給圧センサによって計測されている場合は、過給圧センサの問題（例えば断線やセンサ素子の劣化等）によって過給圧の計測値が不正確になる可能性がある。
電子制御スロットルに与える目標スロットル開度が予め設定された妥当範囲から外れることは内燃機関の制御性能上は好ましくない。よって、内燃機関の制御装置、特に、過給機付き内燃機関の制御装置には、目標スロットル開度が妥当範囲から外れていないか常に監視することが求められる。
特開２００８−０９５５９６号公報 特開２０１０−１０６７６２号公報 特開２００６−３４８７７８号公報
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、過給機付き内燃機関の制御装置において、電子制御スロットルに与える目標スロットル開度が妥当範囲から外れていないか監視できるようにすることを目的とする。
本発明に係る制御装置は、監視装置により、基準スロットル開度を基準にして電子制御スロットルに与える目標スロットル開度の妥当性を確認する。目標スロットル開度の計算は第１の演算装置が行う。第１の演算装置は、過給圧とスロットル開度と吸入空気量との間に成り立つ動的な関係を表す空気モデルの逆モデルを用いて、目標吸入空気量と過給圧の計測値或いは推定値と基づいて目標スロットル開度を計算する。基準スロットル開度の計算は第２の演算装置が行う。第２の演算装置は、定常において吸入空気量と吸気管圧との間に成り立つ関係式と、定常においてスロットル上流圧と吸気管圧とスロットル流量との間に成り立つ関係式とを用いて、目標吸入空気量と大気圧の計測値或いは推定値と基づいて基準スロットル開度を計算する。
本発明に係る制御装置によれば、目標スロットル開度の妥当性を確認するために用いる基準スロットル開度の計算には、過給圧ではなくて大気圧が用いられる。過給圧は大気圧よりも高いため、過給圧に基づき計算される目標スロットル開度は、大気圧に基づき計算される基準スロットル開度よりも小さいはずである。よって、基準スロットル開度を基準にして目標スロットル開度の大きさを評価することにより、第１の演算装置により計算された目標スロットル開度の妥当性を確認することができる。また、大気圧を用いることにより、過給圧の計測値や推定値にずれが生じた場合でも、基準スロットル開度は正しく計算することができる。さらに、本発明に係る制御装置によれば、空気モデルの逆モデルのような動的モデルはなく、定常で連立する２つの関係式を用いて基準スロットル開度が計算される。これによれば、動的モデルを用いる場合に比較して演算負荷を低減することができる。
また、本発明に係る制御装置は、より好ましくは、逆一次遅れモデルからなる補正器を第２の演算装置に備える。第２の演算装置は、計算した基準スロットル開度を逆一次遅れモデルを用いて補正し、その補正後の基準スロットル開度を出力する。逆一次遅れモデルによる補正により、基準スロットル開度の波形は動的モデルを用いて計算される目標スロットル開度の波形により近い形状となる。よって、補正後の基準スロットル開度を基準にして電子制御スロットルに与える目標スロットル開度の妥当性を確認することにより、誤判定を防いで監視の精度をより高めることができる。
本発明の実施の形態に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 図１に示す制御装置の第１の演算装置が使用する逆空気モデルの詳細を示す機能ブロック図である。 図１に示す制御装置の第２の演算装置による基準スロットル開度の計算方法について説明するための図である。
本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
本実施の形態に係る制御装置の適用対象となる内燃機関は、ターボチャージャや機械式スーパーチャージャ等の過給機を備え、且つ、電子制御スロットル（以下、単にスロットルと省略する）による空気量の調整によってトルクを制御することのできる４サイクルレシプロエンジンである。本実施の形態に係る制御装置は、内燃機関に備えられるＥＣＵの一機能として実現される。詳しくは、メモリに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで、ＥＣＵは制御装置として機能する。ＥＣＵが制御装置として機能する場合、ＥＣＵは、プログラムされているスロットル制御ロジックに従ってスロットルの動作を制御する。
図１は、スロットル制御ロジックに従いＥＣＵが機能することで実現される制御装置の構成を示す機能ブロックである。この図に示すように、本実施の形態に係る制御装置１０は、過給圧センサ４と大気圧センサ６の各出力値を取得し、スロットル２に対して目標スロットル開度(TAt)を与える。過給圧センサ４は吸気通路においてコンプレッサの下流で且つスロットルの上流に取り付けられている。大気圧センサ６は吸気通路の入口に取り付けられている。過給圧センサ４の出力値からはスロットル２の上流に作用する過給圧(Pic)を計測することができ、大気圧センサ６の出力値からは吸気通路の入口に作用する大気圧(Pa)を計測することができる。
本実施の形態に係る制御装置１０は、第１の演算装置１２、第２の演算装置１４及び監視装置２０から構成されている。これらの装置１２，１４，２０は、制御装置１０のＣＰＵでスロットル制御ロジックが実行されることによりソフトウェア上で実現される装置である。もちろん、これらの装置１２，１４，２０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。
第１の演算装置１２は、目標吸入空気量(KLt)とその他のエンジン情報に基づいてスロットル２に与える目標スロットル開度(TAt)を計算する。その他のエンジン情報にはエンジン回転数(NE)、吸気弁バルブタイミング(In-VVT)、排気弁バルブタイミング(Ex-VVT)、ウエストゲートバルブ開度(WGV)、及び過給圧センサ４により計測される過給圧(Pic)が含まれている。第１の演算装置１２は目標スロットル開度(TAt)の計算に逆空気モデルを使用する。逆空気モデルを用いた目標スロットル開度(TAt)の計算方法の詳細については後述する。
第２の演算装置１４は、目標吸入空気量(KLt)とその他のエンジン情報に基づいて基準スロットル開度(TAr)を計算する。基準スロットル開度(TAr)は、後述する監視装置２０において目標スロットル開度(TAt)の妥当性の確認のために用いられる。基準スロットル開度(TAr)の計算に用いられるエンジン情報は、第１の演算装置１２で用いられるエンジン情報と共通している。ただし、第２の演算装置１４では、過給圧センサ４により計測される過給圧(Pic)に代えて、大気圧センサ６により計測される大気圧(Pa)がエンジン情報として用いられる。
第２の演算装置１４は、より詳しくは、基本演算装置１６と補正器１８とから構成されている。基本演算装置１６は基準スロットル開度(TAr)の基本値(TAr0)を計算する要素であり、補正器１８は基本演算装置１６が算出した基本値(TAr0)を補正する要素である。第２の演算装置１４は、補正器１８によって補正された基本値(TAr0)を基準スロットル開度(TAr)として出力する。なお、基本演算装置１６は基準スロットル開度の基本値(TAr0)を定常で連立する２つの関係式を用いて計算する。補正器１８は基本値(TAr0)の補正に逆一次遅れモデルを使用する。第２の演算装置１４による基準スロットル開度(TAr)の計算方法の詳細については後述する。
監視装置２０は、第２の演算装置１４で算出された基準スロットル開度(TAr)を基準にして、第１の演算装置１２で算出された目標スロットル開度(TAt)の妥当性を確認する。具体的には、監視装置２０は、基準スロットル開度(TAr)よりも所定値だけ小さい値を妥当範囲の下限値として設定し、基準スロットル開度(TAr)よりも所定値だけ大きい値を妥当範囲の上限値として設定する。この下限値と上限値とで定まる妥当範囲内に目標スロットル開度(TAt)が収まっていれば、監視装置２０は目標スロットル開度(TAt)の値は妥当であると判断する。逆に、目標スロットル開度(TAt)が妥当範囲から外れていれば、監視装置２０は、目標スロットル開度(TAt)は妥当ではないと判断し、所定のフラグ(FLG)の値を０から１に切り替える（つまり、フラグをオンにする）。このフラグがオンになった場合、ＥＣＵはそのフラグに対応するコードをメモリに記録する。記録されたコードは車両の点検時に診断器によって読み出すことができる。
次に、第１の演算装置１２で用いられる逆空気モデルの詳細について図２を用いて説明する。逆空気モデルは、スロットル開度と吸入空気量との間に成り立つ動的な関係を表す空気モデルの逆モデルである。本実施の形態に係る制御装置１０は過給機付き内燃機関を制御対象としているので、目標吸入空気量(KLt)に加えて過給圧(Pic)が逆空気モデルの１つの入力値として用いられる。
図２に示すように、本実施の形態に係る逆空気モデルは複数の要素モデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６を組み合わせて構成されている。詳しくは、逆吸気弁モデルＭ１，逆吸気管モデルＭ２，逆スロットルモデルＭ３，スロットルモデルＭ４，吸気管モデルＭ５及び吸気弁モデルＭ６から逆空気モデルが構成されている。以下、各要素モデルの内容について説明する。
逆吸気弁モデルＭ１は、吸入空気量と吸気管圧との関係について調べた実験結果に基づくモデルである。逆吸気弁モデルＭ１においては吸入空気量と吸気管圧との関係が下記の式１で近似されている。式１において、ａ，ｂはそれぞれエンジン回転数(NE)、吸気弁バルブタイミング(In-VVT)、排気弁バルブタイミング(Ex-VVT)及びウエストゲートバルブ開度(WGV)に応じて定まる係数である。ＥＣＵにはそれらエンジン情報と各係数ａ，ｂの値とを関連付けるマップが記憶されている。目標吸入空気量(KLt)を逆吸気弁モデルＭ１に入力することによって、目標吸入空気量(KLt)を達成するための目標吸気管圧(Pmt)が算出される。
Figure 0005854131
逆吸気管モデルＭ２は、吸気管内の空気に関する保存則、具体的には、エネルギー保存則と流量保存則とに基づいて構築された物理モデルである。逆吸気管モデルＭ２には、下記の式２により計算される圧力偏差（ΔＰｍ）と、後述する吸気弁モデルＭ６で算出される推定吸気弁流量(mce)が入力される。式２において、Pmeは後述する吸気管モデルＭ５で算出される推定吸気管圧である。逆吸気管モデルＭ２は、これらの入力情報に基づき、下記の式３によって目標吸気管圧(Pmt)を達成するための目標スロットル流量(mtt)を算出する。なお、式３において、Ticはスロットル上流温度、Vmは吸気管容積、Δｔは計算時間間隔、κは比熱比、Ｒは気体定数、Tmは吸気管温度である。
Figure 0005854131
Figure 0005854131
逆スロットルモデルＭ３は、スロットル流量とスロットル開度との関係を表す物理モデルである。過給機付き内燃機関の場合、スロットル開度が同じであっても過給圧が変わればスロットル流量も変化する。よって、逆スロットルモデルＭ３では、過給圧センサ４によって計測された過給圧(Pic)が１つのパラメータとして用いられる。逆スロットルモデルＭ３は、具体的には絞りの式である下記の式４によって表される。式４における関数B-1及び関数Φはそれぞれ公知であるので、ここではその説明は省略する。目標スロットル流量(mtt)及び過給圧(Pic)を逆スロットルモデルＭ３に入力することによって、目標スロットル流量(mtt)を達成するための目標スロットル開度(TAt)が算出される。
Figure 0005854131
スロットルモデルＭ４、吸気管モデルＭ５及び吸気弁モデルＭ６は、上述の計算過程で用いられる推定吸入空気量(Pme)及び推定吸気弁流量(mce)を算出するために設けられている。スロットルモデルＭ４は、前述の逆スロットルモデルＭ３に対応する順モデルである。スロットルモデルＭ４を用いた計算では、逆スロットルモデルＭ３の場合と同様、過給圧センサ４により計測された過給圧(Pic)がスロットルモデルＭ４のパラメータに代入される。このスロットルモデルＭ４に目標スロットル開度(TAt)を入力することによって、現在の推定スロットル流量(mte)が算出される。また、吸気管モデルＭ５は前述の逆吸気管モデルＭ２に対応する順モデルであって、推定スロットル流量(mte)の入力により推定吸気管圧(Pme)を算出する。吸気弁モデルＭ６は前述の逆吸気弁モデルＭ１に対応する順モデルであって、推定吸気管圧(Pme)の入力によって推定吸気弁流量(mce)を算出する。なお、吸気弁流量は吸入空気量に比例する。前述のように、推定吸気管圧(Pme)は圧力偏差（ΔＰｍ）の計算に用いられ、推定吸気弁流量(mce)は圧力偏差（ΔＰｍ）とともに逆吸気管モデルＭ２に入力される。
次に、第２の演算装置１４による基準スロットル開度(TAr)の計算方法について説明する。まず、基本演算装置１６による基準スロットル開度の基本値(TAr0)の計算方法から説明する。基本演算装置１６は２つの関係式を用いて基準スロットル開度の基本値(TAr0)を計算する。第１の関係式は、定常において吸入空気量と吸気管圧との間に成り立つ関係式であって、逆吸気弁モデルＭ１で用いている式１と同じ式が用いられる。第２の関係式は、定常においてスロットル上流圧と吸気管圧とスロットル流量とスロットル開度との間に成り立つ関係式であって、逆スロットルモデルＭ３と同じく絞りの式が用いられる。逆スロットルモデルＭ３で用いられる式４では、スロットル上流圧として過給圧(Pic)が代入されているが、基本演算装置１６が用いる第２の関係式では、スロットル上流圧として大気圧センサ６で計測される大気圧(Pa)が代入される。
基本演算装置１６は、第１の関係式と第２の関係式とからなる連立方程式を解くことによって基準スロットル開度の基本値(TAr0)を算出する。図３に示すグラフの横軸は吸気管圧(Pm)であり、縦軸は吸入空気量(KL)である。グラフ中には直線Ａと曲線Ｂが描かれている。直線Ａは第１の関係式を表し、曲線Ｂは第２の関係式を表している。直線Ａの傾き及び切片は式１の係数ａ，ｂに相当し、それらはエンジン回転数(NE)、吸気弁バルブタイミング(In-VVT)、排気弁バルブタイミング(Ex-VVT)及びウエストゲートバルブ開度(WGV)によって定まる。この直線Ａを表す第１の関係式に目標吸入空気量(KLt)を代入することによって、目標吸入空気量(KLt)に対応する基準吸気管圧(Pmr)が算出される。そして、目標吸入空気量(KLt)と基準吸気管圧(Pmr)とを大気圧(Pa)とともに曲線Ｂを表す第２の関係式に代入することによって、基準スロットル開度の基本値(TAr0)が算出される。
なお、目標吸入空気量(KLt)の大きさによっては、第１の関係式から算出される基準吸気管圧(Pmr)が大気圧(Pa)を超えてしまう場合がある。この場合、第２の関係式からは有効なスロットル開度を得ることができない。そこで、基準吸気管圧(Pmr)が大気圧(Pa)を超える場合には、基本演算装置１６は、基準スロットル開度の基本値(TAr0)として全開値を算出する。
このようにして計算された基準スロットル開度の基本値(TAr0)は、補正器１８により逆一次遅れモデル、すなわち、一次進みモデルを用いて補正される。逆一次遅れモデルによる補正は、目標吸入空気量(KLt)の急変時における目標スロットル開度(TAt)のオーバーシュート的な動き或いはアンダーシュート的な動きを基準スロットル開度(TAr)でも実現するための処理である。
例えば、図１中に示すように目標吸入空気量(KLt)がステップ応答的に増大した場合、第１の演算装置１２で算出される目標スロットル開度(TAt)は、一旦オーバーシュート的に増大した後、増大後の目標吸入空気量(KLt)に応じた大きさになる。スロットル２の動きに対して応答遅れのある吸入空気量をできる限り早く増大させるためである。一方、基本演算装置１６で算出される基準スロットル開度の基本値(TAr0)は、目標吸入空気量(KLt)と同様にステップ応答的に増大する。しかし、この基本値(TAr0)を逆一次遅れモデルにかけることにより、目標スロットル開度(TAt)と同様にオーバーシュート的に変化する基準スロットル開度(TAr)を得ることができる。なお、逆一次遅れモデルには時定数があるが、その時定数は基準スロットル開度(TAr)の波形が目標スロットル開度(TAt)の波形と近似するように適合されている。
以上が本実施の形態に係る制御装置１０の構成についての説明である。この説明から分かるように、本実施の形態に係る制御装置１０は、目標スロットル開度(TAt)の妥当性を確認するために用いる基準スロットル開度(TAr)の計算には、スロットル上流圧として過給圧(Pic)ではなく大気圧(Pa)を用いている。過給圧センサ４が正常である限り大気圧(Pa)は過給圧(Pic)よりも低いため、大気圧(Pa)に基づき計算される基準スロットル開度(TAr)は、過給圧(Pic)に基づき計算される目標スロットル開度(TAt)よりも大きい値に設定される。よって、基準スロットル開度(TAr)を判断の基準としてとることにより、目標スロットル開度(TAt)が大きくなりすぎていないかどうか、その妥当性を正しく判断することができる。
また、基準スロットル開度(TAr)の計算に大気圧(Pa)を用いることには、過給圧センサ４に問題が生じた場合でも基準スロットル開度(TAr)は正しく計算することができるというメリットがある。基準スロットル開度(TAr)が正しく計算されていることで、目標スロットル開度(TAt)の妥当性に関して誤った判断をすることは避けられる。
さらに、本実施の形態に係る制御装置１０は、基準スロットル開度(TAr)の計算には、逆空気モデルのような動的モデルはなく、定常で連立する２つの関係式を用いている。これには、動的モデルを用いる場合に比較してＥＣＵの演算負荷を低減することができるというメリットがある。
なお、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、大気圧センサによって大気圧を計測するのではなく、他の情報から大気圧を推定してもよい。過給圧についても同様であり、過給圧センサによって過給圧を計測するのではなく、他の情報から過給圧を推定してもよい。それらの推定には物理モデルを用いることができる。
２ 電子制御スロットル
４ 過給圧センサ
６ 大気圧センサ
１０ 制御装置
１２ 第１の演算装置
１４ 第２の演算装置
１６ 基本演算装置
１８ 補正器
２０ 監視装置
Ｍ１ 逆吸気弁モデル
Ｍ２ 逆吸気管モデル
Ｍ３ 逆スロットルモデル
Ｍ４ スロットルモデル
Ｍ５ 吸気管モデル
Ｍ６ 吸気弁モデル

Claims (2)

  1. 電子制御スロットルを有する過給機付き内燃機関の制御装置において、
    過給圧とスロットル開度と吸入空気量との間に成り立つ動的な関係を表す空気モデルの逆モデルを用いて、目標吸入空気量と過給圧の計測値或いは推定値とに基づき前記電子制御スロットルに与える目標スロットル開度を計算する第１の演算装置と、
    定常において吸入空気量と吸気管圧との間に成り立つ関係式と、定常においてスロットル上流圧と吸気管圧とスロットル流量とスロットル開度との間に成り立つ関係式とを用いて、前記目標吸入空気量と大気圧の計測値或いは推定値とに基づき基準スロットル開度を計算する第２の演算装置と、
    前記第２の演算装置により算出された基準スロットル開度を基準にして前記第１の演算装置により算出された目標スロットル開度の妥当性を確認する監視装置と、
    を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
  2. 前記第２の演算装置は、計算した基準スロットル開度を逆一次遅れモデルを用いて補正する補正器を有し、同補正器による補正後の基準スロットル開度を出力することを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
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