JP6729114B2

JP6729114B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP6729114B2
Application number: JP2016139367A
Authority: JP
Inventors: 竜延服部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2020-07-22
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: JP2018009519A

Description

本発明は、センサの検出値を入力とし、内燃機関の制御量を制御すべくアクチュエータを操作する内燃機関の制御装置に関する。

たとえば特許文献１には、クランク角センサに異常が生じた場合に、カム角センサの出力信号に基づき、クランク角を算出する装置が記載されている。

特開２０１５−９０１１９号公報

ところで、内燃機関の制御装置にあっては、その信頼性を向上させる上で、内燃機関の制御量を制御するためにアクチュエータを操作する処理の異常の有無を監視する技術が搭載されることが望ましい。こうした技術としては、たとえばアクセル操作量に基づき推定される内燃機関の要求トルクと、アクセルセンサ以外のセンサの検出値やアクチュエータの操作量に基づき算出される推定トルクとを比較する処理を実行するものが提案されている。ここで、要求トルクの推定処理や推定トルクの算出処理には、内燃機関の回転速度の情報が用いられる。

この回転速度の情報を、クランク角センサの出力信号から算出される回転速度とする場合、クランク角センサの出力信号に異常が生じる場合には、上記推定処理や上記算出処理を実行することができない。また、クランク角センサに異常が生じる場合には、上記装置におけるカム角センサの出力信号に基づき算出されたクランク角に基づき回転速度を算出することが考えられる。しかしその場合、カム角センサの出力信号に基づく回転速度に異常が生じる場合にその異常を検知できないため、推定処理や算出処理が妥当な回転速度に基づき実行されているか否かを把握できない。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アクチュエータを操作する処理の異常の有無をカム角センサの出力信号に基づく回転速度を用いて監視する場合において同回転速度の異常の有無を監視することができるようにした内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく、内燃機関の制御装置は、アクセルセンサを含むセンサの検出値を入力とし、内燃機関の制御量を制御すべくアクチュエータを操作する制御処理部と、前記アクセルセンサの検出値に基づき推定した前記内燃機関の要求トルクと、前記制御処理部による前記アクチュエータの操作量および前記アクセルセンサ以外のセンサの検出値の少なくとも一方に基づく推定トルクとの比較に基づき、前記制御処理部の異常の有無を監視する出力監視処理部と、カム角センサの出力信号に基づき前記内燃機関の回転速度を算出する第１速度算出処理部と、を備え、前記制御処理部は、前記内燃機関の回転速度の算出に用いられるクランク角センサの出力信号に異常があることを条件に、前記第１速度算出処理部により算出された回転速度に基づき前記アクチュエータを操作するものであり、前記出力監視処理部は、前記要求トルクの推定処理および前記推定トルクの算出処理の少なくとも一方の処理に前記内燃機関の回転速度の情報を用いるものであって、前記カム角センサの出力信号に基づき前記内燃機関の回転速度を算出する第２速度算出処理部を備え、前記内燃機関の回転速度の算出に用いられる前記クランク角センサの出力信号に異常が生じる場合、前記少なくとも一方の処理に前記第１速度算出処理部によって算出された回転速度を利用するとともに、前記第１速度算出処理部によって算出された回転速度と前記第２速度算出処理部によって算出された回転速度との比較に基づき、前記第１速度算出処理部によって算出された回転速度の異常の有無を監視する。

上記構成では、回転速度の算出に用いられるクランク角センサの出力信号に異常がある場合、第１速度算出処理部によって算出された回転速度に基づき、制御処理部が制御量を制御し、出力監視処理部が制御処理部による制御の異常の有無を監視する。この際、第１速度算出処理部によって算出された回転速度と第２速度算出処理部によって算出された回転速度とが比較され、これにより、出力監視処理部により要求トルクの推定処理および推定トルクの算出処理の少なくとも一方の処理に利用される回転速度に異常があるか否かが監視される。このため、アクチュエータを操作する処理の異常の有無をカム角センサの出力信号に基づく回転速度を用いて監視する場合において同回転速度の異常の有無を監視することができる。

内燃機関の制御装置にかかる一実施形態の構成を示す図。同実施形態の比較例の構成を示す図。

以下、内燃機関の制御装置にかかる一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示す内燃機関のクランク軸１０には、凹部１２および凸部１４が複数形成されたクランクロータ１６が設けられている。そして、クランクロータ１６の付近には、クランク角センサ１８が設けられている。クランク角センサ１８は、クランクロータ１６の回転に伴ってクランクロータ１６のうちクランク角センサ１８に最も近くなる部分が凹部１２であるのか凸部１４であるのかに応じた信号を出力する。

一方、内燃機関のカム軸２０には、凹部２２および凸部２４が複数形成されたカムロータ２６が設けられている。そして、カムロータ２６の付近には、カム角センサ２８が設けられている。カム角センサ２８は、カムロータ２６のうちカム角センサ２８に最も近くなる部分が凹部２２であるのか凸部２４であるのかに応じた信号を出力する。なお、図１に示すように、カムロータ２６の凸部２４の数は、クランクロータ１６の凸部１４の数よりも少ない。

制御装置３０は、波形整形回路３２，３４と、中央処理装置（ＣＰＵ４０）と、ドライバ３６とを備えている。
波形整形回路３２は、クランク角センサ１８から出力される信号を波形整形する。波形整形回路３２によって波形整形された信号は、内燃機関の回転速度の算出に用いられるクランク角センサ１８の出力信号Ｓｃｒとして、ＣＰＵ４０に取り込まれる。一方、波形整形回路３４は、カム角センサ２８から出力される信号を波形整形する。波形整形回路３４によって波形整形された信号は、上記出力信号Ｓｃｒに異常が生じる場合、内燃機関の回転速度の算出に用いられるカム角センサ２８の出力信号Ｓｃａとして、ＣＰＵ４０に取り込まれる。

ＣＰＵ４０は、出力信号Ｓｃｒ，Ｓｃａに加えて、エアフローメータによって検出される吸入空気量Ｇａやアクセルセンサによって検出されるアクセル操作量ＡＣＣＰ等に基づき、内燃機関の制御量（トルク、排気成分等）を制御するために、内燃機関のアクチュエータの操作信号ＭＳを生成して出力する。ドライバ３６は、ＣＰＵ４０が出力する操作信号ＭＳの電圧値等を変換した後、アクチュエータに出力する。なお、本実施形態では、内燃機関として火花点火式の内燃機関を想定しており、アクチュエータとしては、燃料噴射弁に加えて、電子制御式のスロットルバルブや、点火装置を想定している。

図１には、ＣＰＵ４０が実行する処理の一部をブロック図にて示している。これらの処理は、制御装置３０内のメモリに記憶されたプログラムに従ってＣＰＵ４０が実行する処理である。

正常時速度算出処理部Ｍ１０は、出力信号Ｓｃｒに異常がある旨判定されていない場合、上記制御量の制御のために利用される回転速度ＮＥである正常時速度ｎｅｎを算出する。本実施形態において、正常時速度ｎｅｎは、出力信号Ｓｃｒに基づき、クランク軸１０が１８０°ＣＡ回転するのに要する時間を計測することによって算出される。異常判定処理部Ｍ１２は、出力信号Ｓｃｒの異常の有無を判定する。たとえば、内燃機関が稼働しているにもかかわらず、ＣＰＵ４０に入力される出力信号Ｓｃｒが特定の値に固定される状態が継続する場合などに、出力信号Ｓｃｒに異常がある旨の判定がなされる。

異常速度算出処理部Ｍ１４は、出力信号Ｓｃｒに異常が生じたと判定される場合に、内燃機関の制御量の制御に利用される回転速度ＮＥである異常時速度ｎｅｆを出力信号Ｓｃａに基づき算出する。本実施形態では、異常時速度ｎｅｆは、出力信号Ｓｃａに基づき、クランク軸１０が２４０°ＣＡ回転するのに要する時間を計測することによって算出される。

セレクタＭ１６は、異常判定処理部Ｍ１２によって異常がある旨判定されていない場合には、正常時速度ｎｅｎを、内燃機関の制御量の制御に利用される回転速度ＮＥとする一方、異常がある旨判定されている場合には、異常時速度ｎｅｆを内燃機関の制御量の制御に利用される回転速度ＮＥとする。

制御処理部Ｍ１８は、回転速度ＮＥや、吸入空気量Ｇａ、アクセル操作量ＡＣＣＰ等に基づき、内燃機関の制御量を制御するための操作信号ＭＳを算出してドライバ３６に出力する。ここでは、特に、アクセル操作量ＡＣＣＰに応じて内燃機関に対する要求トルクを把握し、内燃機関の軸トルクが要求トルクとなるように操作信号ＭＳを算出する。

監視用速度算出処理部Ｍ２０は、出力信号Ｓｃｒに異常がある旨判定されていない場合に、制御処理部Ｍ１８の処理を監視するために利用される回転速度である監視用速度ｎｅｗを算出する。本実施形態において、監視用速度ｎｅｗは、出力信号Ｓｃｒに基づき、クランク軸１０が３６０°ＣＡ回転するのに要する時間を計測することによって算出される。すなわち、監視用速度ｎｅｗは、正常時速度ｎｅｎと比較して、より長い期間における速度となっており、これにより監視用速度ｎｅｗの算出のための演算負荷は、正常時速度ｎｅｎの算出のための演算負荷よりも小さくなっている。これは、上記監視のために利用できる範囲でＣＰＵ４０の演算負荷を極力低減するための設定である。

出力監視処理部Ｍ３０は、制御処理部Ｍ１８による内燃機関の制御量の制御が正常であるか否かを監視する処理を実行する。詳しくは、出力監視処理部Ｍ３０は、セレクタＭ３２、トルクモニタ処理部Ｍ３４、比較用速度算出処理部Ｍ３６、および速度比較処理部Ｍ３８を備えている。

セレクタＭ３２は、異常判定処理部Ｍ１２によって異常がある旨判定されているか否かに応じて、上記監視する処理に回転速度ＮＥを利用するか監視用速度ｎｅｗを利用するかを切り替える。なお、以下では、セレクタＭ３２の出力する回転速度を回転速度ＮＥｗとする。

トルクモニタ処理部Ｍ３４は、要求トルク推定処理部Ｍ３４ａ、推定トルク算出処理部Ｍ３４ｂ、およびトルク比較処理部Ｍ３４ｃを備えている。
要求トルク推定処理部Ｍ３４ａは、アクセル操作量ＡＣＣＰに基づき内燃機関に対する要求軸トルクを推定し、補機要求に応じたトルクと、フリクショントルクとを要求軸トルクに加算することによって、要求図示トルク（要求トルクＴｒｑｄ）を推定する。ここで、フリクショントルクは、回転速度ＮＥｗに基づき算出され、回転速度ＮＥｗが大きい場合に小さい場合よりも大きい値とされる。

推定トルク算出処理部Ｍ３４ｂは、筒内充填新気量と、操作信号ＭＳに基づき把握される点火時期とに基づき、内燃機関のトルクを推定する（推定トルクＴｒｑｅを算出する）。具体的には、筒内充填空気量および点火時期に基づき、空燃比が所定の空燃比であることを前提とする推定トルクを算出する。ここで、筒内充填新気量は、アクセルセンサ以外のセンサの検出値としての吸入空気量Ｇａと、回転速度ＮＥｗとから算出される。

トルク比較処理部Ｍ３４ｃは、要求トルクＴｒｑｄと推定トルクＴｒｑｅとの比較に基づき、制御処理部Ｍ１８による制御の異常の有無を監視する。特に、本実施形態では、推定トルクＴｒｑｅが要求トルクＴｒｑｄよりも所定以上大きくなる場合、ユーザが意図したトルクよりも過度に大きなトルクが生成される異常な制御がなされていると判定する。そしてその場合、制御処理部Ｍ１８に、待避走行モードに移行するように指示するとともに、ドライバ３６のうちスロットルバルブの駆動回路部分の電源をオフとすることにより、待避走行モードに移行する。

比較用速度算出処理部Ｍ３６は、異常判定処理部Ｍ１２によって出力信号Ｓｃｒに異常が生じていると判定されている場合、回転速度ＮＥとして採用されている異常時速度ｎｅｆとの比較対象となる回転速度である比較用速度ｎｅｃを算出して出力する。本実施形態において、比較用速度ｎｅｃは、出力信号Ｓｃａに基づき、クランク軸１０が７２０°ＣＡ回転するのに要する時間を計測することによって算出される。すなわち、比較用速度ｎｅｃは、異常時速度ｎｅｆと比較して、より長い期間における速度となっており、これにより比較用速度ｎｅｃの算出のための演算負荷は、異常時速度ｎｅｆの算出のための演算負荷よりも小さくなっている。これは、ＣＰＵ４０の演算負荷を極力低減するための設定である。

速度比較処理部Ｍ３８では、異常判定処理部Ｍ１２によって出力信号Ｓｃｒに異常が生じていると判定されている場合、回転速度ＮＥと比較用速度ｎｅｃとを比較することによって、異常時速度ｎｅｆと比較用速度ｎｅｃとを比較する。この処理は、トルクモニタ処理部Ｍ３４の入力となる回転速度ＮＥｗが正常であるか否かを監視するためのものである。そして、速度比較処理部Ｍ３８は、回転速度ＮＥと比較用速度ｎｅｃとの差の絶対値が所定値以上である場合、異常が生じているとして、制御処理部Ｍ１８に、待避走行モードに移行するように指示するとともに、ドライバ３６のうちスロットルバルブの駆動回路部分の電源をオフとすることにより、待避走行モードに移行する。

ここで、本実施形態の作用を説明する。
クランク角センサ１８に異常が生じたり波形整形回路３２に異常が生じたりして、回転速度ＮＥの算出に用いられる出力信号Ｓｃｒに異常が生じる場合、セレクタＭ１６により、回転速度ＮＥが異常時速度ｎｅｆとされる。これにより、制御処理部Ｍ１８は、異常時速度ｎｅｆを用いて、内燃機関の制御量を制御する処理を実行する。また、回転速度ＮＥの算出に用いられる出力信号Ｓｃｒに異常が生じる場合、セレクタＭ３２により、回転速度ＮＥｗが回転速度ＮＥとされる。これにより、トルクモニタ処理部Ｍ３４は、異常時速度ｎｅｆに基づき、要求トルクＴｒｑｄを推定するとともに、推定トルクＴｒｑｅを算出し、それらを比較する処理を実行する。すなわち、出力信号Ｓｃｒに異常が生じる場合、制御処理部Ｍ１８とトルクモニタ処理部Ｍ３４との双方の入力が、異常時速度ｎｅｆとなる。

一方、速度比較処理部Ｍ３８では、回転速度ＮＥと、比較用速度ｎｅｃとを比較することによって、異常時速度ｎｅｆの異常の有無を監視する。ここでは、たとえば、回転速度ＮＥと比較用速度ｎｅｃとの差の絶対値が所定値以上である場合に、異常時速度ｎｅｆに異常があるとすればよい。これにより、アクチュエータを操作する処理の異常の有無をカム角センサ２８の出力信号Ｓｃａに基づく回転速度である異常時速度ｎｅｆを用いて監視する場合において異常時速度ｎｅｆの異常の有無を監視することができる。

これに対し、図２に示す比較例においては、出力信号Ｓｃｒに異常が生じる場合、異常時速度ｎｅｆを用いることにより制御処理部Ｍ１８によって制御量の制御を継続することはできるものの、出力監視処理部Ｍ３０が制御処理部Ｍ１８の制御の異常の有無を監視することができない。なお、図２において、図１に示した部材や処理に対応するものについては、便宜上、同一の符号を付している。

以上説明した本実施形態によれば、さらに以下に記載する効果が得られる。
（１）監視用速度算出処理部Ｍ２０を備えた。これにより、通常時速度ｎｅｎに基づき制御処理部Ｍ１８が制御量の制御を実行しているときに通常時速度算出処理部Ｍ１０に異常が生じる場合であっても、トルクモニタ処理部Ｍ３４は、通常時速度算出処理部Ｍ１０の異常の影響を受けることなく、アクチュエータを操作する処理の異常の有無を監視することができる。

（２）出力信号Ｓｃｒに異常が生じる場合、トルクモニタ処理部Ｍ３４では、異常時速度ｎｅｆを用いて制御量の制御の異常の有無を監視した。このため、比較用速度算出処理部Ｍ３６では、トルクモニタ処理部Ｍ３４の入力として要求される精度の回転速度を算出する必要がなく、比較用速度算出処理部Ｍ３６の演算負荷を低減することができる。

＜対応関係＞
上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項と、実施形態における事項との対応関係は、次の通りである。第１速度算出処理部は、異常時速度算出処理部Ｍ１４に対応し、第２速度算出処理部は、比較用速度算出処理部Ｍ３６に対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、上記実施形態の各事項の少なくとも１つを、以下のように変更してもよい。
・推定トルクＴｒｑｅの算出処理としては、センサの検出値としての吸入空気量Ｇａおよび回転速度ＮＥと操作量としての点火時期とを入力とするものに限らない。たとえば、吸入空気量Ｇａおよび回転速度ＮＥのみとしてもよい。具体的には、たとえば吸入空気量Ｇａと回転速度ＮＥｗとから算出される筒内充填新気量に基づき、空燃比が所定の空燃比であって且つ点火時期が所定の点火時期であると仮定した場合の推定トルクを算出すればよい。またたとえば、操作量としての燃料噴射弁による燃料の噴射時間のみとしてもよい。具体的には、たとえば噴射時間から把握される噴射量に基づき、空燃比が所定の空燃比であって且つ点火時期が所定の点火時期であると仮定した場合の推定トルクを算出すればよい。

・出力信号Ｓｃｒに異常が生じていない場合のトルクモニタ処理部Ｍ３４の入力が、監視用速度ｎｅｗであることは必須ではない。たとえば、正常時速度ｎｅｎであってもよい。この場合、正常時速度ｎｅｎとの比較対象となる速度を算出する速度算出処理部を備え、それら一対の回転速度を比較することによって、トルクモニタ処理部Ｍ３４の入力となる回転速度の異常の有無を監視するようにしてもよい。

・上記実施形態では、推定トルクＴｒｑｅが要求トルクＴｒｑｄよりも大きいことを条件に、アクチュエータを操作する処理の異常であると判定したが、これに限らず、たとえば、推定トルクＴｒｑｅが要求トルクＴｒｑｄを所定割合以上下回る場合にも異常と判定してもよい。

・内燃機関としては、火花点火式の内燃機関に限らず、たとえば圧縮着火式の内燃機関であってもよい。この場合、推定トルクの算出処理は、燃料噴射弁による燃料の噴射時間から把握される燃料噴射量を入力として実行すればよい。また、異常が生じた場合の待避走行は、噴射量を制限する処理として実行すればよい。

１０…クランク軸、１２…凹部、１４…凸部、１６…クランクロータ、１８…クランク角センサ、２０…カム軸、２２…凹部、２４…凸部、２６…カムロータ、２８…カム角センサ、３０…制御装置、３２，３４…波形整形回路、３６…ドライバ、４０…ＣＰＵ。

Claims

アクセルセンサを含むセンサの検出値と、内燃機関の回転速度とを入力とし、前記内燃機関の制御量を制御すべくアクチュエータを操作する制御処理部と、
前記アクセルセンサの検出値に基づき推定した前記内燃機関の要求トルクと、前記制御処理部による前記アクチュエータの操作量および前記アクセルセンサ以外のセンサの検出値の少なくとも一方に基づく推定トルクとの比較に基づき、前記制御処理部の異常の有無を監視する出力監視処理部と、
カム角センサの出力信号に基づき前記内燃機関の回転速度を算出する第１速度算出処理部と、を備え、
前記制御処理部は、前記内燃機関の回転速度の算出に用いられるクランク角センサの出力信号に異常があることを条件に、前記クランク角センサの出力信号に基づく回転速度に代えて、前記第１速度算出処理部により算出された回転速度に基づき前記アクチュエータを操作するものであり、
前記出力監視処理部は、前記要求トルクの推定処理および前記推定トルクの算出処理の少なくとも一方の処理に前記内燃機関の回転速度の情報を用いるものであって、前記カム角センサの出力信号に基づき前記内燃機関の回転速度を算出する第２速度算出処理部を備え、前記内燃機関の回転速度の算出に用いられる前記クランク角センサの出力信号に異常が生じる場合、前記少なくとも一方の処理に前記第１速度算出処理部によって算出された回転速度を利用するとともに、前記第１速度算出処理部によって算出された回転速度と前記第２速度算出処理部によって算出された回転速度との比較に基づき、前記第１速度算出処理部によって算出された回転速度の異常の有無を監視する内燃機関の制御装置。
前記第２速度算出処理部によって算出される回転速度は、前記第１速度算出処理部によって算出される回転速度と比較してより長い期間における速度である請求項１記載の内燃機関の制御装置。