JP6060868B2 - 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する。

スロットルバルブは、デポジットが堆積するなどの経時変化によって、その特性が変化する。すなわち等しい開度であってもデポジットが堆積するほど開口面積が狭くなり、吸入空気量が少なくなる。

特許文献１には、こうしたスロットルバルブの特性の経時変化に対応する学習の方法として、スロットルバルブの開度に関連付けて補正値を学習する方法が開示されている。なお、この補正値は、エアフロメータによって検出された吸入空気量の検出値と実際の吸入空気量とのずれを解消するためのものであり、このずれは、スロットルバルブの開度が大きいときほど大きくなる傾向を有している。そのため、特許文献１に記載の内燃機関の制御装置では、こうしたずれの大きさの傾向にあわせて、スロットルバルブの開度が大きいほど補正値が大きくなる傾向が保持されるように補正値を学習するようにしている。

特開２００７‐２３１８８４号公報

ところで、特許文献１に記載の制御装置では、スロットルバルブの開度が大きいほど補正値が大きくなる傾向が保持されるように学習を行っているが、こうした傾向が保持されていたとしても、一部の開度における補正値が他の開度における補正値と大きく乖離したものになる可能性がある。例えば、一部の開度における学習の頻度が低い場合や、一部の開度における学習が正確な学習を行うには不利な状況で行われた場合などには、一部の補正値が他の開度における補正値と大きく乖離したものになる可能性がある。

スロットルバルブの開度が大きいほど補正値が大きくなる傾向は保持されているものの、一部の開度における補正値が他の開度における補正値と大きく乖離している場合には、スロットルバルブの開度がその一部の開度を経て増減するときに開度の変化に伴う補正値の増減幅が過剰に変化し、吸入空気量の制御性が低下するおそれがある。

なお、こうした課題は、上記のようにスロットルバルブの開度と関連付けて補正値を学習する場合に限ったものではない。例えば、検出した吸入空気量とスロットルバルブの開度から推定される基準値とのずれを示す指標値を、検出値が検出されたときのスロットルバルブの開度に関連付けて学習値として記憶するなどしてスロットルバルブの特性を学習し、学習したスロットルバルブの特性を吸入空気量の制御に反映させる場合にも共通して生じ得るものである。

本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御性の低下を抑制しつつ、スロットルバルブの特性の経時変化に対応させた吸入空気量の制御を実現することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための内燃機関の制御装置は、エアフロメータで検出した吸入空気
量の検出値とスロットルバルブの開度から推定される基準値とのずれを示す指標値を、検出値が検出されたときのスロットルバルブの開度と関連付けて学習値として記憶することにより、スロットルバルブの特性を学習し、吸入空気量の制御に反映させる。そして、学習されたスロットルバルブの特性がスロットルバルブの開度が大きくなるほど吸入空気量が多くなる傾向を保持し、且つ、学習値が記憶されたスロットルバルブの開度間における開度の差に対する吸入空気量の変化率がスロットルバルブの全ての開度において所定値以上になるようにスロットルバルブの特性を更新する。この所定値は、内燃機関の運転状態を維持することが可能な最大量のデポジットがスロットルバルブに堆積した場合を想定したときのスロットルバルブの特性として予め定められた最低特性における前記開度間における開度の差に対する吸入空気量の変化率として設定されている。

スロットルバルブの開度が大きくなるほど、吸入空気量は多くなる。上記構成によれば、こうしたスロットルバルブの特性の傾向にあわせて同特性の学習を行うことができる。
また、学習値が記憶されたスロットルバルブの開度間における開度の差に対する吸入空気量の変化率が所定値未満になることが抑制される。したがって、一部の開度における学習値が他の開度における学習値と大きく乖離している場合であってもその影響が抑制されるようになる。その結果、学習値を反映させたスロットルバルブの特性では、開度の変化に対する吸入空気量の変化のリニアリティーが損なわれてしまうことを抑制することもできる。

すなわち、上記構成によれば、制御性の低下を抑制しつつ、スロットルバルブの特性の経時変化に対応させた吸入空気量の制御を実現することができるようになる。

内燃機関の制御装置とその制御対象である内燃機関との関係を示す模式図。 内燃機関の制御装置に記憶されているスロットルバルブの初期特性と学習後の特性とを示すグラフ。 内燃機関の制御装置において実行されるスロットルバルブの特性の更新について模式的に示すグラフ。

以下、内燃機関の制御装置の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関の燃焼室１には、吸気通路２と排気通路３とがそれぞれ接続されている。吸気通路２には、スロットルバルブ４が設けられている。スロットルバルブ４はその開度によって燃焼室１に導入される吸入空気の量を調節するものであり、スロットルモータ５によって駆動される。スロットルモータ５には、スロットルバルブ４の開度を検出するためのスロットルセンサ６が内蔵されている。また、吸気通路２におけるスロットルバルブ４よりも吸気上流側の部分には、吸気通路２を流れる吸入空気量を検出するエアフロメータ７が配設されている。

内燃機関には、同内燃機関を総括的に制御する制御装置８が設けられている。制御装置８には、エアフロメータ７及びスロットルセンサ６を始めとして、内燃機関に設けられた各種のセンサ類から検出信号が入力される。制御装置８は、これらの検出信号に基づいて各種演算処理を実行し、内燃機関を制御する。例えば、エアフロメータ７によって検出された吸入空気量の検出値とスロットルバルブ４の開度から推定される基準値とのずれを示す指標値として流量損失率を算出し、検出値が検出されたときのスロットルバルブ４の開度と関連付けて学習値として記憶する学習制御を実行する。なお、流量損失率は初期値が予め設定されており、この初期値は、スロットルバルブ４のすべての開度において「１．０」に設定されている。なお、流量損失率は、エアフロメータ７によって実際に検出された吸入空気量の検出値が、スロットルバルブ４の開度から推定される基準値からどの程度ずれているのかを割合で示したものであり、検出値を基準値で割った商である。したがって検出値と基準値とにずれが生じていない場合には「１．０」となる。一方、スロットルバルブ４に経時変化が生じて同一開度における吸入空気量が少なくなると、検出値が低下して同検出値と基準値とのずれが大きくなるため、流量損失率は「１．０」よりも低い値となる。すなわち、流量変化率は、スロットルバルブ４の経時変化に伴い初期値から徐々に減少する傾向を有している。この流量損失率を、基準値に乗算することで、経時変化後のスロットルバルブ４の特性を算出することができる。

そして、こうしてスロットルバルブ４の経時変化後の特性を学習すると、この学習後のスロットルバルブ４の特性に基づいて燃焼室１に吸入される空気の量が制御される。
次に、図２及び図３を参照して、学習制御について説明する。

図２に示すように、制御装置８には、スロットルバルブ４が経時変化していない場合の初期特性がマップ値として記憶されている。すなわちデポジットが付着していないスロットルバルブ４を用いた実験により、エアフロメータ７で検出した吸入空気量の値と、その値が検出されたときのスロットルバルブ４の開度との関係が予め求められてマップ値として記憶されている。なお、初めて内燃機関が始動されたとき等は、この初期特性に基づいて吸入空気量制御が行われる。

また、制御装置８には、経時変化によってスロットルバルブ４の特性が最も低下した場合を想定した最低特性もマップ値として記憶されている。この最低特性は、内燃機関の運転状態を維持することが可能な最大量のデポジットがスロットルバルブ４に堆積した場合を想定し、こうした場合の吸入空気量の値と、その値が検出されたときのスロットルバルブ４の開度との関係を示している。なお、最低特性は、実験やシミュレーションなどによって予め求めることができる。また、同図２に示すように、上記各特性は、スロットルバルブ４の開度が大きいほど吸入空気量が多くなる傾向を有している。

そして、内燃機関の制御装置８は、機関運転の実行中に、スロットルバルブ４の開度が一定であり、且つ機関回転速度が安定している等、所定の学習条件が成立すると、エアフロメータ７で検出した吸入空気量の検出値とスロットルバルブ４の開度から推定される基準値とのずれを示す流量損失率を算出する。また、この流量損失率を検出値が検出されたときのスロットルバルブ４の開度と関連付けて学習値として記憶する。そして、この流量損失率に基づいてスロットルバルブの特性を学習する。なお、ここでは、上記の初期特性に基づいて各開度における基準値を推定するようにしている。

図２には、開度ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３，ＴＨ４，ＴＨ５において学習が行われたときの各開度におけるスロットルバルブ４の特性値をそれぞれ示している。そして、これら特性値同士を直線で結んだ特性が学習後のスロットルバルブの特性である。こうしてスロットルバルブ４の経時変化に対応した特性が学習されると、この学習後の特性に基づいて吸入空気量制御が行われる。

次に、図３を参照して、スロットルバルブ４の特性の更新態様について説明する。ここでは、新たに流量損失率が学習された場合に、学習後の特性における傾きが最低特性の傾き以上となるように同学習後の特性が更新される。なお、図３は、既に学習が完了している開度ＴＨ３における流量損失率が新たに学習されたときの特性の更新態様、すなわち既に学習が行われた開度における学習値が更新されたときの特性の更新態様を示しているが、学習が完了していない開度において初めて流量損失率が算出された場合であっても同様の処理が行われる。

図３に示すように、開度ＴＨ３において新たに流量損失率が算出されると、制御装置８は、まず新たに算出された流量損失率に基づいて求められた特性値Ｇｋ１と同開度ＴＨ３よりも大きな開度である開度ＴＨ４における特性値Ｇｋ２との間で、これらの開度の差（ＴＨ４−ＴＨ３）に対する特性値の変化率を算出する。また、最低特性においても、同開度の差（ＴＨ４−ＴＨ３）に対するその特性値の変化率を算出する。なお、最低特性の特性値は、所定開度毎に細かく設定されている。このため、開度ＴＨ３から開度ＴＨ４までには複数の特性値が含まれている。こうした場合には、開度ＴＨ３及び開度ＴＨ４の間を各特性値が関連付けられている開度毎に複数（本実施形態では３つ）の開度領域に分割し、分割した開度領域毎に学習後の特性における特性値の変化率及び最低特性における特性値の変化率を算出する。こうして分割された各開度領域毎に学習後の特性における特性値の変化率と最低特性における特性値の変化率とが算出されると、各開度領域における学習後の特性における特性値の変化率と最低特性における特性値の変化率とを比較する。ここでは、学習後の特性における特性値の変化率が最低特性における特性値の変化率以上であるため、制御装置８は学習後の特性値を更新して、開度ＴＨ３における特性値を特性値ＧＫ１にする。

次に、こうして開度ＴＨ３における特性値が新しい特性値Ｇｋ１に更新されると、次に、開度ＴＨ３における特性値Ｇｋ１と、開度ＴＨ３よりも小さな開度である開度ＴＨ２における特性値Ｇｋ３との間で、これらの開度の差（ＴＨ３−ＴＨ２）に対する特性値の変化率を算出する。また、最低特性においても、同開度の差（ＴＨ３−ＴＨ２）に対するその特性値の変化率を算出する。そして、学習後の特性における特性値の変化率と最低特性における特性値の変化率とを比較する。ここでは、学習後の特性における特性値の変化率が最低特性における特性値の変化率よりも低いため、このままでは学習後の特性における傾きが最低特性の傾き未満となる。そこで、制御装置８は、学習後の特性における特性値の変化率が最低特性における特性値の変化率と同じになるように特性値を更新する。これにより、開度ＴＨ２における特性値Ｇｋ３が新たな特性値Ｇｋ４に更新される。その結果、ＴＨ２における更新後の特性値Ｇｋ４とＴＨ３における特性値Ｇｋ１との変化率は最低特性における特性値の変化率と同じになり、更新後の特性における傾きが最低特性の傾き以上となる。なお、最低特性は、スロットルバルブ４の開度が大きいほど吸入空気量が多くなる傾向を保持しているため、開度ＴＨ２及びＴＨ３における特性も、スロットルバルブ４の開度が大きいほど吸入空気量が多くなる傾向を保持している。このように制御装置８は、最低特性における特性値の変化率を所定値とし、学習値が記憶されたスロットルバルブ４の開度間におけるスロットルバルブ４の特性の変化率がこの所定値以上になるように、特性値を更新する。

こうして開度ＴＨ２における特性値Ｇｋ３が特性値Ｇｋ４に更新されると、次に、開度ＴＨ２における更新後の特性値Ｇｋ４と、同開度よりも小さな開度である開度ＴＨ１における特性値Ｇｋ５との間で、これらの開度の差（ＴＨ２−ＴＨ１）に対する特性値の変化率を算出する。また、最低特性においても、同開度の差（ＴＨ２−ＴＨ１）に対するその特性値の変化率を算出する。そして、学習後の特性における特性値の変化率と最低特性における特性値の変化率とを比較する。ここでは、学習後の特性における特性値の変化率が最低特性における特性値の変化率以上であるため、開度ＴＨ１における学習値がそのままの値に保持される。そして、こうして更新後の特性における特性値の変化率が最低特性における特性値の変化率以上であると判断されると、更新された各特性値に基づいてスロットルバルブ４の特性を更新する。その結果、スロットルバルブ４の特性が、図３に一点鎖線で示す学習値の更新前の特性から図３に実線で示す学習値の更新後の特性に変更される。以降は、新たに流量損失率が算出されるまで、この特性に基づいて吸入空気量が制御される。

次に、本実施形態における作用について説明する。
スロットルバルブ４の開度が大きくなるほど吸入空気量が多くなる傾向は保持されているものの、一部の開度における学習値が他の開度における学習値と大きく乖離している場合には、学習値に基づいて算出されたスロットルバルブ４の特性のリニアリティーが損なわれてしまう。このため、スロットルバルブ４の開度がその一部の開度を経て増減するときに吸入空気量の制御性が低下するおそれがある。

これに対して本実施形態によれば、学習されたスロットルバルブ４の特性がスロットルバルブ４の開度が大きくなるほど吸入空気量が多くなる傾向を保持するように更新される。また、学習値が記憶されたスロットルバルブ４の開度間におけるスロットルバルブ４の特性の変化率、すなわち開度の差に対する吸入空気量の変化率が最低特性の変化率以上になるように、スロットルバルブ４の特性が更新される。このため、スロットルバルブ４の開度が大きくなるほど、吸入空気量が多くなる傾向にあわせてスロットルバルブ４の特性の学習が行われるとともに、学習値が記憶されたスロットルバルブ４の開度間における特性値の変化率が機関運転時に想定される最低の変化率未満になることが抑制される。

以上説明した一実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）スロットルバルブ４の開度が大きくなるほど、吸入空気量が多くなる傾向にあわせてスロットルバルブ４の特性の学習が行われるとともに、一部の開度における学習値が他の開度における学習値と大きく乖離している場合であってもその影響が抑制され、開度の変化に対する吸入空気量の変化のリニアリティーが損なわれてしまうことが抑制される。そのため、制御性の低下を抑制しつつ、スロットルバルブ４の特性の経時変化に対応させた吸入空気量の制御を実現することができるようになる。

なお、上記一実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では、学習が行われた開度間において複数の特性値が設定されている場合には同開度間をその複数の特性値で区切った開度領域に分割し、各開度領域において学習後の特性における特性値の変化率と最低特性における特性値の変化率とを比較するようにした。しかし、各開度領域における変化率が一定であり、学習が行われた開度間では最低特性における特性値の変化率が変化しない場合には、同開度間を最低特性における特性値で区切った開度領域毎に分割せずに変化率を算出し、学習後の特性における特性値の変化率との比較を実施するようにしてもよい。

・上記各実施形態では、最低特性における特性値をマップ値として記憶し、この特性値に基づいて最低特性における変化率を算出するようにしたが、予め所定開度領域毎に最低特性における変化率を記憶しておき、この変化率を読み出すようにしてもよい。

・上記各実施形態では、最低特性における特性値の変化率、すなわち想定し得る最低の変化率を所定値として採用したが、例えばスロットルバルブの特性が最低特性ほど低下していない所定の特性における特性値の変化率を所定値として採用してもよい。

・上記各実施形態では、指標値として流量損失率を用いたが、例えば実際に検出された吸入空気量の検出値と基準値との差を用いる等、実際に検出された吸入空気量の検出値とスロットルバルブの開度から推定される基準値とのずれを示す値であれば指標値を適宜変更してもよい。

１…燃焼室、２…吸気通路、３…排気通路、４…スロットルバルブ、５…スロットルモータ、６…スロットルセンサ、７…エアフロメータ、８…制御装置。

Claims (1)

1. エアフロメータで検出した吸入空気量の検出値とスロットルバルブの開度から推定される基準値とのずれを示す指標値を、前記検出値が検出されたときのスロットルバルブの開度と関連付けて学習値として記憶することにより、スロットルバルブの特性を学習し、吸入空気量の制御に反映させる内燃機関の制御装置であり、
   学習されたスロットルバルブの特性が前記スロットルバルブの開度が大きくなるほど吸入空気量が多くなる傾向を保持し、且つ、前記学習値が記憶されたスロットルバルブの開度間における開度の差に対する吸入空気量の変化率がスロットルバルブの全ての開度において所定値以上になるように前記特性を更新し、
   前記所定値は、内燃機関の運転状態を維持することが可能な最大量のデポジットがスロットルバルブに堆積した場合を想定したときのスロットルバルブの特性として予め定められた最低特性における前記開度間における開度の差に対する吸入空気量の変化率として設定されている
   内燃機関の制御装置。