JP7449219B2 - 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。

自動車などの車両に搭載された内燃機関を制御する場合、故障診断など所定時間ごとに実行する時間同期処理（定常処理）に加えて、特開２０１３－１４２３０６号公報（特許文献１）に記載されるように、エンジン回転数に比例するパルス信号に同期して燃料噴射制御や点火制御などの回転同期処理を実行する必要がある。

特開２０１３－１４２３０６号公報

ところで、内燃機関の制御では、例えば、応答性やドライバビリティなどを担保するため、所定の制御周期（制御サイクル）内に時間同期処理及び回転同期処理が完了しなければならない。しかしながら、回転同期処理の実行回数はエンジン回転数に比例して増加するため、エンジン回転数が高回転の領域では回転同期処理を実行する演算負荷が増加してしまう。エンジン回転数が高回転の領域において、制御周期内に想定され得る時間同期処理及び回転同期処理が完了するように制御周期を設定すると、エンジン回転数が低回転の領域において、時間同期処理を実行する時間間隔が長くなって所要の機能を発揮できなくなる可能性がある。

そこで、本発明は、時間同期処理及び回転同期処理を実行する演算負荷を低減することができる、内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

内燃機関の制御装置は、第１の揮発性メモリ、これよりアクセス速度が高速な第２の揮発性メモリを備え、時間に同期した時間同期処理、及び内燃機関の回転に同期した回転同期処理を夫々実行する。そして、回転同期処理において使用されるデータの少なくとも一部が、第２の揮発性メモリに静的に割り当てられている。

本発明によれば、内燃機関の制御装置において、時間同期処理及び回転同期処理を実行する演算負荷を低減することができる。

車両用エンジンシステムの一例を示す概要図である。 可変バルブタイミング機構の詳細を示す斜視図である。 電子制御装置の一例を示す概要図である。 エンジン回転数と演算負荷との関連性の説明図である。 エンジン回転数と演算負荷との関係を示す図である。 アクセス速度が低速な不揮発性メモリにデータを割り当てた場合の演算負荷の説明図である。 アクセス速度が高速な不揮発性メモリにデータを割り当てた場合の演算負荷の説明図である。 アクセス速度が高速な不揮発性メモリにデータを割り当てた場合のエンジン回転数と演算負荷との関係を示す図である。 ビット長の短いデータをアクセス速度が低速な不揮発性メモリに優先して割り当て、ビット長の長いデータをアクセス速度が高速な不揮発性メモリに優先した割り当てた場合の演算負荷の説明図である。 ビット長の短いデータをアクセス速度が高速な不揮発性メモリに優先して割り当て、ビット長の長いデータをアクセス速度が低速な不揮発性メモリに優先した割り当てた場合の演算負荷の説明図である。 アクセス速度が高速な不揮発性メモリに優先してデータを割り当てた効果の説明図である。

以下、添付された図面を参照し、本発明を実施するための実施形態について詳述する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用され得る、乗用車、トラック、バス及び建設機械などの車両用エンジンのシステム構成を示している。

エンジン１００（内燃機関）は、例えば、直列４気筒のガソリンエンジンであって、各気筒の燃焼室１１０に吸気（吸入空気）を導入する吸気ポート１２０には、燃焼室１１０を臨む先端開口を開閉する吸気弁１３０が配設されている。また、エンジン１００の上部の所定箇所には、燃焼室１１０に燃料を直接噴射する筒内噴射式の燃料噴射弁１４０、及び燃焼室１１０に存在する燃料と吸気との混合気を着火燃焼させる点火プラグ１５０が夫々取り付けられている。

燃料噴射弁１４０は、電磁コイルへの通電によって磁気吸引力が発生すると、スプリングによって閉弁方向に付勢されている弁体がリフトして開弁し、先端のノズル噴孔から燃料を燃焼室１１０内に噴射供給する。燃料噴射弁１４０には、弁体の開弁時間に比例した燃料が噴射されるように、所定圧力に調圧された燃料が供給されている。なお、燃料噴射弁１４０としては、筒内噴射式の燃料噴射弁に限らず、吸気ポート１２０に燃料を噴射するポート噴射式の燃料噴射弁であってもよい。

燃料噴射弁１４０から燃焼室１１０内に噴射された燃料は、エンジン１００の上部に取り付けられた点火プラグ１５０の周囲に濃度の濃い層を形成し、点火プラグ１５０の火花点火によって着火燃焼される。そして、この燃焼圧力がピストン１６０をクランクシャフト（図示せず）に向けて押し下げることで、クランクシャフトを回転駆動させる。

また、燃焼室１１０から排気を導出する排気ポート１７０には、燃焼室１１０を臨む先端開口を開閉する排気弁１８０が配設されている。そして、排気弁１８０が開弁すると、排気ポート１７０と排気弁１８０との間の隙間を通って、排気が燃焼室１１０から排出される。燃焼室１１０から排出された排気に含まれる有害物質（一酸化炭素ＣＯ，炭化水素ＨＣ及び窒素酸化物ＮＯｘ）は、図示しない三元触媒によって無害成分に浄化された後、大気中に放出される。

吸気弁１３０を開閉駆動する吸気カムシャフト１９０の端部には、出力向上、燃費向上及び排気抑制などを目的として、エンジン運転状態に応じてクランクシャフトに対する吸気カムシャフト１９０の回転位相を変化させることで、吸気弁１３０のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）２００が取り付けられている。

ＶＴＣ２００は、図２に示すように、クランクシャフトの回転駆動力を伝達するカムチェーンが巻き回されるカムスプロケット２０２と一体化され、減速機が内蔵された電動モータなどのアクチュエータ２０４により、カムスプロケット２０２に対して吸気カムシャフト１９０を相対回転させることで、バルブタイミングを進角又は遅角させる。ここで、図２において符号２０６で示す部材は、アクチュエータ２０４に駆動信号を供給するハーネスを接続するためのコネクタである。

なお、ＶＴＣ２００としては、図２に示す構成に限らず、電動モータ、油圧モータなどの各種アクチュエータによりバルブタイミングを変更可能であれば、如何なる構成をなしていてもよい。また、ＶＴＣ２００は、吸気カムシャフト１９０に限らず、排気弁１８０を開閉駆動する排気カムシャフト２１０、又は吸気カムシャフト１９０及び排気カムシャフト２１０の両方に備え付けられていてもよい。

エンジン１００の制御系として、エンジン１００の所定箇所には、クランクシャフトの基準位置（例えば、上死点位置）からの回転角度を表すパルス信号を含んだクランク角信号を出力するクランク角センサ２２０、並びに各気筒を判別するパルス信号を含んだカム角信号を出力するカム角センサ２３０が夫々取り付けられている。ここで、クランク角センサ２２０は、クランクシャフトと一体的に回転するプレートＰＴの突起（上死点位置では欠歯している）を検知して、所定回転角度ごとにパルス信号を出力する。

そして、クランク角センサ２２０のクランク角信号、及びカム角センサ２３０のカム角信号は、エンジン１００を制御する電子制御装置２４０に夫々入力されている。なお、クランク角センサ２２０及びカム角センサ２３０が、回転センサの一例として挙げられ、電子制御装置２４０が、内燃機関の制御装置の一例として挙げられる。

電子制御装置２４０は、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２４０Ａと、ＲＯＭ（Read Only Memory）２４０Ｂと、グローバルＲＡＭ（Random Access Memory）２４０Ｃと、入出力回路２４０Ｄと、通信回路２４０Ｅと、これらを相互通信可能に接続する内部バス２４０Ｆと、を備えている。また、電子制御装置２４０は、ＣＰＵ２４０Ａに対してチャネル２４０Ｇにより直接接続されるローカルＲＡＭ２４０Ｈを更に備えている。なお、グローバルＲＡＭ２４０Ｃが、第１の揮発性メモリの一例として挙げられ、ローカルＲＡＭ２４０Ｈが、第２の揮発性メモリの一例として挙げられる。

ＣＰＵ２４０Ａは、アプリケーションプログラムに記述された命令セット（データの転送、演算、加工、制御、管理など）を実行するハードウエアであって、演算装置、命令やデータを格納するレジスタ、周辺回路などから構成されている。ＲＯＭ２４０Ｂは、例えば、電源供給を遮断してもデータを保持可能なフラッシュＲＯＭやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）などの不揮発性メモリからなり、本実施形態を実装するアプリケーションプログラム（コンピュータプログラム）、学習値、故障情報などを保持する。グローバルＲＡＭ２４０Ｃは、例えば、電源供給を遮断するとデータが消失するダイナミックＲＡＭなどの揮発性メモリからなり、ＣＰＵ２４０Ａ、入出力回路２４０Ｄ及び通信回路２４０Ｅがアクセス可能な記憶領域を提供する。

入出力回路２４０Ｄは、例えば、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、Ｄ／Ｄコンバータなどからなり、各種のセンサ、スイッチ及びアクチュエータなどに対するアナログ信号及びデジタル信号の入出力機能を提供する。通信回路２４０Ｅは、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）トランシーバなどからなり、ＣＡＮなどの車載ネットワーク（図示せず）に接続する機能を提供する。内部バス２４０Ｆは、各デバイス間でデータを交換するための経路であって、アドレスを転送するアドレスバス、データを転送するデータバス、アドレスバスやデータバスで実際に入出力を行うタイミングや制御情報を遣り取りするコントロールバスを含んでいる。

チャネル２４０Ｇは、内部バス２４０Ｆとは異なるデータ伝送路であって、２つのデバイス間で高速に任意のデータを送受信可能にする。ローカルＲＡＭ２４０Ｈは、例えば、電源供給を遮断するとデータが消失するダイナミックＲＡＭなどの揮発性メモリからなり、ＣＰＵ２４０Ａのみがアクセス可能な記憶領域を提供する。ここで、ローカルＲＡＭ２４０Ｈは、グローバルＲＡＭ２４０Ｃよりもアクセス速度が高速である反面、グローバルＲＡＭ２４０Ｃよりも小容量であるという特性を有している。

電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａには、入出力回路２４０Ｄを介して、クランク角センサ２２０のクランク角信号、及びカム角センサ２３０のカム角信号に加えて、図示しない各種センサから吸気流量、冷却水温度及びバッテリ電圧などが夫々入力されている。また、電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａは、クランク角信号からエンジン回転数を算出するとともに、クランク角信号及びカム角信号から単位角度ごとにパルス信号が現れるエンジン回転信号を生成する。

そして、電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａは、ＲＯＭ２４０Ｂに格納されたアプリケーションプログラムに従って、以下で説明するように、燃料噴射弁１４０、点火プラグ１５０及びＶＴＣ２００を夫々制御する。ここで、燃料噴射弁１４０による燃料噴射制御においては、例えば、各気筒の圧縮行程に合わせて個別の燃料噴射を行う、いわゆる「シーケンシャル噴射制御」が行われる。なお、ＶＴＣ２００の制御は、電子制御装置２４０とは異なる別体の電子制御装置で行うようにしてもよい。

電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａは、吸気流量及びエンジン回転数に基づいて、エンジン運転状態に応じた基本燃料噴射量、燃料噴射タイミング及び点火タイミングを夫々算出する。また、電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａは、冷却水温度及びバッテリ電圧に基づいて、基本燃料噴射量を補正した燃料噴射量を算出する。そして、電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａは、エンジン回転信号（単位角度ごとのパルス信号）に同期して、燃料噴射タイミング又は点火タイミングになったか否かを判定し、その判定結果に応じて燃料噴射弁１４０に噴射信号を出力するか、又は点火プラグ１５０に点火信号を出力する。このように、電子制御装置２４０のプロセッサ２４０Ａは、エンジン１００の回転に同期した燃料噴射制御及び点火制御などの回転同期処理を実行する。

さらに、電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａは、所定時間（制御周期）ごとに、吸気流量及びエンジン回転速度に基づいて、エンジン運転状態に応じたＶＴＣ２００の目標角度を算出する。そして、電子制御装置２４０のＣＰＵ２４０Ａは、クランクシャフトに対する吸気カムシャフト１９０の実角度が目標角度に近づくように、ＶＴＣ２００のアクチュエータ２０４をフィードバック制御する。なお、ＶＴＣ２００の制御が、時間に同期して実行される時間同期処理の一例として挙げられる。

ここで、エンジン回転数と演算負荷との関連性について説明する。
電子制御装置２４０においては、例えば、応答性やドライバビリティなどを担保するため、図４に示すように、所定の制御周期内に時間同期処理及び回転同期処理を完了しなければならない。時間同期処理は、例えば、制御周期の始期において実行される。エンジン１００の回転によりエンジン回転信号のパルスが出力されると、実行中の時間同期処理が中断されて退避され、割り込みによって回転同期処理が実行される。そして、回転同期処理の実行が完了すると、退避されていた時間同期処理が復帰して再開される。

エンジン回転数が上昇すると、これに比例して制御周期内に出力されるエンジン回転信号のパルスが増加する。このため、エンジン回転信号のパルスが出力されたことを契機として実行される時間同期処理の実行回数が増加し、時間同期処理において使用されるデータのＲＡＭに対する読み書き回数が増加する。この結果、プロセッサ２４０Ａにおける算術演算及び論理演算と比較して時間がかかるＲＡＭへのアクセス回数が増加し、制御周期に占める時間同期処理及び回転同期処理の実行時間が長くなって演算負荷が増加してしまう。このような理由によって、図５に示すように、エンジン回転数の上昇に伴って演算負荷が略線形に増加してしまう。

図４に示す例で説明すると、制御周期における時間同期処理の演算負荷を４０％、制御周期における１回の回転同期処理の演算負荷を１０％とすると、制御周期内に１回の回転同期処理が実行される場合、制御周期における演算負荷は、４０＋１０＝５０％になる。エンジン回転数が上昇して制御周期内に２回の回転同期処理が実行されるようになると、制御周期における演算負荷は、４０＋１０×２＝６０％になる。エンジン回転数が更に上昇して制御周期内に４回の同期処理が実行されるようになると、制御周期における演算負荷は、４０＋１０×４＝８０％になる。従って、この例からも、エンジン回転数の上昇に伴って演算負荷が略線形に増加してしまうことが理解できるであろう。

そこで、エンジン回転に同期して実行される回転同期処理において使用されるデータを、１データ当たりのアクセス速度が高速なローカルＲＡＭ２４０Ｈに静的に割り当てることで、ＲＡＭに対するアクセス時間を短縮し、制御周期における演算負荷を低減する。ローカルＲＡＭ２４０Ｈに静的に割り当てられるデータは、アプリケーションプログラムにおいて設定することができる。即ち、回転同期処理において使用されるデータは、アプリケーションプログラムの実行中に動的に割り当てられるのではなく、アプリケーションプログラムのコードを記述する際に、設計者や開発者などがローカルＲＡＭ２４０Ｈのアドレスを直接指定して静的に割り当てる。

回転同期処理において使用されるデータをアクセス速度が低速なグローバルＲＡＭ２４０Ｃに割り当てた場合、グローバルＲＡＭ２４０Ｃに対するアクセス時間が、図６において矢印の大きさで示す時間だけかかってしまう。しかしながら、回転同期処理において使用されるデータをアクセス速度が高速なローカルＲＡＭ２４０Ｈに割り当てると、図７において矢印の大きさで示すように、グローバルＲＡＭ２４０Ｃに割り当てた場合と比較して、ローカルＲＡＭ２４０Ｈに対するアクセス時間が短くなる。従って、制御周期に占める時間同期処理及び回転同期処理の実行時間が短くなり、図８に示すように、エンジン回転数の高回転領域における演算負荷を低減することができる。

回転同期処理において使用されるデータをローカルＲＡＭ２４０Ｈに割り当てた場合、時間同期処理において使用されるデータは、その大部分がアクセス速度の低速なグローバルＲＡＭ２４０Ｃに割り当てられることとなる。このため、エンジン回転数の低回転領域では、時間同期処理を実行するのに要する時間が増加し、図８に示すように、制御負荷が増加してしまう。しかしながら、エンジン回転数の低回転領域では時間同期処理を実行する回数が比較的少ないため、時間同期処理を実行する演算負荷が多少増加しても、制御周期内に時間同期処理及び回転同期処理を完了することができ、何ら問題が発生しない。

ところで、上述したように、回転同期処理において使用されるデータのすべてを、アクセス速度が高速なローカルＲＡＭ２４０Ｈに割り当てることが望ましい。しかしながら、ローカルＲＡＭ２４０Ｈの記憶領域はグローバルＲＡＭ２４０Ｃの記憶容量と比較して少ないため、すべてのデータをローカルＲＡＭ２４０Ｈに割り当てることは現実的ではない。そこで、ローカルＲＡＭ２４０Ｈの記憶容量などを考慮して、回転同期処理において使用されるデータの少なくとも一部をローカルＲＡＭ２４０Ｈに割り当てるようにすればよい。

この場合、回転同期処理において使用される複数のデータのうち、データ長の短いデータをローカルＲＡＭ２４０Ｈに優先して割り当てることが望ましい。また、時間同期処理において使用される複数のデータのうち、データ長の長いデータをグローバルＲＡＭ２４０Ｃに優先して静的に割り当てることが望ましい。このようにすれば、ローカルＲＡＭ２４０Ｈに割り当てられるデータの個数が増加する一方、グローバルＲＡＭ２４０Ｃに割り当てられるデータの個数が減少し、制御周期に占める時間同期処理及び回転同期処理の実行時間を短縮することができる。

制御周期に実行する時間同期処理及び回転同期処理において、１６個の１ビット長のデータ、２個の８ビット長のデータ、２個の１６ビット長のデータをアクセスする場合を想定する。また、この想定において、時間同期処理及び回転同期処理において使用可能なグローバルＲＡＭ２４０Ｃ及びローカルＲＡＭ２４０Ｈの記憶領域は、夫々、４バイト（３２ビット）であると仮定する。さらに、グローバルＲＡＭ２４０Ｃのアクセス速度が、動作クロック基準で１０サイクル、ローカルＲＡＭ２４０Ｈのアクセス速度が、動作クロック基準で１サイクルであると仮定する。

図９に示すように、グローバルＲＡＭ２４０Ｃに対して１６個の１ビット長データ及び２個の８ビット長のデータを夫々割り当てるとともに、ローカルＲＡＭ２４０Ｈに対して２個の１６ビット長のデータを割り当てた場合を考える。この場合、グローバルＲＡＭ２４０Ｃに対するアクセス時間は、（１６＋２）×１０＝１８０［サイクル］となる。また、ローカルＲＡＭ２４０Ｈに対するアクセス時間は、２×１＝２［サイクル］となる。従って、ＲＡＭに対するアクセス時間は、１８０＋２＝１８２［サイクル］となる。

一方、図１０に示すように、グローバルＲＡＭ２４０Ｃに対して２個の１６ビット長のデータを割り当てるとともに、ローカルＲＡＭ２４０Ｈに対して１６個の１ビット長のデータ及び２個の８ビット長のデータを割り当てた場合を考える。この場合、グローバルＲＡＭ２４０Ｃに対するアクセス時間は、２×１０＝２０［サイクル］になる。また、ローカルＲＡＭ２４０Ｈに対するアクセス時間は、（１６＋２）×１＝１８［サイクル］になる。従って、ＲＡＭに対するアクセス時間は、２０＋１８＝３８［サイクル］になる。

このように、データ長の短いデータをアクセス速度が高速なローカルＲＡＭ２４０Ｈに優先して割り当て、データ長の長いデータをアクセス速度が低速なグローバルＲＡＭ２４０Ｃに優先して割り当てることで、図９及び図１０から理解できるように、ローカルＲＡＭ２４０Ｈに多くのデータを割り当てることができる。その結果、上述したように、ＲＡＭに対するアクセス時間が１８２［サイクル］から３８［サイクル］に低減し、制御周期に占める時間同期処理及び回転同期処理の実行時間が短くなる。

そして、回転同期処理において使用される複数のデータのうちビット長の短いデータを、アクセス速度が高速なローカルＲＡＭ２４０Ｈに優先して割り当てることで、図１１に示すように、演算負荷の上限を低減することができる。また、時間同期処理において使用される複数のデータのうちビット長の長いデータを、アクセス速度が低速なグローバルＲＡＭ２４０Ｃに優先して割り当てることで、図１１に示すように、演算負荷全体を低減することができる。

なお、当業者であれば、様々な上記実施形態の技術的思想について、その一部を省略したり、その一部を適宜組み合わせたり、その一部を周知技術に置換したり、周知技術を更に組み合わせることで、新たな実施形態を生み出せることを容易に理解できるであろう。

その一例を挙げると、エンジン１００は、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンであってもよい。また、データのビット長は、１ビット、８ビット及び１６ビットに限らず、任意のビット数であってもよい。さらに、時間同期処理としては、ＶＴＣ２００の制御に限らず、故障診断などの他の処理であってもよく、回転同期処理としては、燃料噴射処理及び点火制御処理に限らず、他の処理であってもよい。

１００ エンジン（内燃機関）
２２０ クランク角センサ（回転センサ）
２３０ カム角センサ（回転センサ）
２４０ 電子制御装置（制御装置）
２４０Ｃ グローバルＲＡＭ（第１の揮発性メモリ）
２４０Ｈ ローカルＲＡＭ（第２の揮発性メモリ）

Claims (6)

1. 第１の揮発性メモリ、当該第１の揮発性メモリよりアクセス速度が高速な第２の揮発性メモリを備え、時間に同期した時間同期処理、及び内燃機関の回転に同期した回転同期処理を夫々実行する、内燃機関の制御装置であって、
   前記回転同期処理において使用されるデータの少なくとも一部が、前記第２の揮発性メモリに静的に割り当てられた、
   内燃機関の制御装置。
2. 前記第２の揮発性メモリに静的に割り当てられるデータは、アプリケーションプログラムにおいて設定される、
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記回転同期処理において使用される複数のデータのうちデータ長の短いデータが、前記第２の揮発性メモリに優先して割り当てられる、
   請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記時間同期処理において使用される複数のデータのうちデータ長の長いデータが、前記第１の揮発性メモリに優先して静的に割り当てられる、
   請求項１～請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関の回転数に比例するパルス信号を出力する回転センサを更に備え、
   前記回転センサから出力されるパルス信号に応答して前記回転同期処理が実行される、
   請求項１～請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記回転同期処理は、燃料噴射処理及び点火制御処理の少なくとも一方である、
   請求項１～請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。