JPH03210032A - 内燃機関の回転数制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ この発明は、自動車に搭載される電子制御燃料噴射装置
またはディーゼル機関などの中の回転数制御装置に関す
るものである。

［従来の技術］ 近年、自動車には種々の要望からさまざまな補機装置が
装着されるようになり、それらの装置の中にはエンジン
回転によって駆動されるものがあり、その動作によりエ
ンジン回転速度、特にアイドリング時のそれを変動させ
る大きな負荷が多くある。

例えば、エアーコンディショナあるいはパワーステアリ
ング、さらには多量の電流を消費する装置（デフオガー
等）は、その作動により発電機（オルタネータ）のエン
ジンに対する負荷トルクを増大させ、回転数を大幅に低
下させたり、エンジンストップを発生させる欠点を有し
ていた。

これに関する従来例として、とくにガソリン機閏を例に
とり、図面に基づき説明する。第５図は従来のエンジン
回転数制御系のブロック図を示している。同図において
、（１）は所望の目標回転数に応じた電圧の設定信号を
出力する設定回路であり、この設定信号と回転数検出回
路（５）から出力される実際のエンジン回転数に応じた
電圧で与えられる検出信号とが減算器（１１）に加えら
れるようになっている。減算器（１１）は設定信号と検
出信号との差をとり、コントローラ（２）に出力するよ
うにしている。このコントローラ（２）はしばしば比例
積分制御器で構成され、偏差信号を増幅する回路と、こ
の偏差信号を積分する回路の並列接続からなるものであ
る。

このコントローラ（２）の電圧による出力に応じて、ア
クチュエータ（３）はエンジン（４）の点火時期または
吸入空気流量を調整するようにしている。

なお、この第５図において、アクチュエータ（３）の入
力端からエンジン（４）、回転数検出回路（５）の出力
端までの伝達関数を（３４５）としてまとめて一つの伝
達関数として、回転数制御系を表示すると、第６図の様
になる。

次に、第５図により従来のエンジン回転数制御系の動作
について説明する。先ず設定回路がある目標回転数（一
般に、エンジンの動作点によって変化するが、アイドル
でエアコンが入った場合だと８００〜９００ｒｐｍであ
る）に応じた目標電圧信号を出力したとする。次に、こ
の目標電圧信号は、回転数検出回路（５）から出力され
る実際のエンジン回転数に応じた電圧信号との差が減算
器（１１）でとられ偏差信号となる。次に、この偏差信
号を比例積分制御器（２）で比例増幅及び積分増幅し、
この電圧信号を操作量としてアクチュエータ（３）に送
る。

アクチュエータ（３）はこの電圧信号に応じて、エンジ
ン（４）の点火時期または吸入空気流量を制御する。エ
ンジン（４）はアクチュエータ（３）で指令される点火
時期または吸入空気流量に見合う実際回転数を発生し、
回転数検出回路（５）はこの実際回転数に応じた電圧信
号を発生する。そして、この実際回転数に応じた電圧信
号は減算器（１１）側に帰還される。

この様なフィードバック制御系が、定常状態では偏差信
号が０になるところで落着くのは言うまでもない、この
時、目標回転数に応じた電圧信号と実際回転数に応じた
電圧信号とが等しくなり、エンジン回転数は目標回転数
に等しくなる。つまり、定常状態ではエンジン回転数が
常に目標回転数に等しくなるように制御される。

次に、過渡状態での動作を説明する。過渡状態の代表的
な場合として、アイドル時に負荷（例えば、エアコン）
が急に印加された場合を例にとり説明する。

いま、第５図で表される制御系が、ある定常状態にあっ
たところに、急に負荷がエンジンに加わり、エンジン回
転数が急激に低下したとする。このとき、回転数検出回
路（５）が出力する電圧信号は低下するので、偏差信号
は正の電圧信号となり、比例積分制御器（２）、アクチ
ュエータ（３）を通して、制御系はエンジン（４）の回
転数を上昇させる様に動作し、エンジン回転数はもとの
目標回転数に回復していく。

この過程の中で、出来るだけ速くもとの目標回転数にエ
ンジン回転数を戻すためには偏差信号を受ける比例積分
制御器（２）における比例ゲインや積分ゲインを大きく
し、同一偏差信号に対して大きな電圧信号をアクチュエ
ータ（３）に与えるのが望ましい事は明らかである。す
なわち、制御系の感度を上げることによって、低下した
エンジン回転数を速くもとの目標回転数に戻すことがで
きる。

このように、一般に、フィードバック制御系に於いて比
例積分制御器の比例ゲインや積分ゲインを大きくして制
御系の感度を上げることは、（Ａ）外乱の影響を速やか
に除去する、（Ｂ）制御対象の特性変化や、バラツキに
無関係に所定のＩＩＩ御成績を得る上で極めて重要なこ
ととなっている。しかし、実際のエンジン回転数制御系
においては、制御系の感度を上げる事は、通常、非常に
難しいこととなっている。この理由は制御系の感度を上
げるとハンチングするからである。一般に、エンジンの
場合、例えば、アクチュエータ（３）が吸入空気流星を
操作する場合を例にとると、吸入空気流量からエンジン
回転数までの間の伝達特性に、（Ａ＞位相が１８０度遅
れる二次遅れ要素がある、アクチュエータの遅れもいれ
ると三次遅れとなり２７０度の位相遅れがある、（Ｂ）
行程遅れによる無駄時間要素などがあるために、制御系
の感度を上げる（高ゲインにする）と制御系自体が不安
定になり、ハンチング現象が発生ずるのである。

比例、積分ゲインを大きくするとハンチング現象を生じ
ることは、経験的には十分知られていることではあるが
、これを理論的に捕らえ、一般的な現象であることを確
認したい。

この点に関して、第６図を例にとり式を用いて詳しく説
明する。第６図に於いて、比ｇ４ａ分制御器（２）及び
伝達間数（３４５）の伝達関数をおＳＬ のおのＧｃ　（Ｓ　）　、　０３４５　　（Ｓ　）　ｅ
　　　　とし、設定回路（１）の電圧信号をｒ、伝達関
数（３４５）の出力（電圧信号）をｙとすると、ｒから
ｙへの閏ループ伝達閏数ｙ／ｒは次式で与えられる。

・・・（２） 従って、制御系の安定性を支配する特性方程式は次式で
与えられる。

ＳＬ １　＋Ｇｃ　（Ｓ）　Ｇ３４ｓ　　（Ｓ）　ｅ　　　　
＝０・・・（３） ここに、Ｇｃ（Ｓ）は比例積分制御器（２）の伝達関数
である。

良く知られた様に、式（３）を用いた安定性解析はナイ
キスト線図を書くことによって実行できる。以下に、実
際にナイキスト線図を書いて、制御系の安定性を解析し
てみよう。

先ず、Ｇｃ　（Ｓ）は比例積分だから、比例ゲインをＫ
、積分ゲイン（積分時間）をＴｉとすれば、で与えられ
る。一方、アクチュエータからエンジンまでの伝達関数
Ｇ３４５　　（Ｓ）は、アクチュエータの応答が極めて
早い場合、 なる二次遅れで精度良く近似できる。ここに、′ｒは時
定数でエンジン回転数、フライホイール慣性モーメント
、サージタンクの容積等に依存するが、エンジン平衡回
転数Ｎｏ＝７５０ｒｐｍで０．３秒程度である。また無
駄時間りは４行程分とすると、エンジン平衡回転数Ｎｏ
＝７５０ｒｐｍで４ｘ６０／　（２ｘＮｏ）＝０．１６
秒となる。Ｓｊωを式（４）（５）に代入して、ωＫＴ
ｉ−ωＴｘ　（ＫＴｉ／Ｔ）＋ωＴｉ−ωＴＸ　（Ｔ　
ｉ　／Ｔ）、ωＬ−ωＴＸ（Ｌ／Ｔ）の様に変形し、Ｋ
、Ｔｉをパラメータにとりナイキスト線図を書くと、例
えば、第７図が得られる。図中実線は、Ｋ＝Ｏ１Ｔ　ｎ
　＝Ｔ　ｉ　／Ｔ＝　１のときくすなわち、コントロー
ラが積分器のみ）のものである（なお、Ｌｎ＝Ｌ／Ｔ＝
０．５としている）０図から明らかな様に、周波数ｆ＝
０．３７Ｈｚで位相が１８０度、絶対値は０．９６であ
り、制御系は安定限界であることがわかる（実際には、
この様なところでは支えない）。Ｋ、Ｔｉをパラメータ
にとった各ナイキスト線図から制御系が不安定になる周
波数を求めると、０．３７Ｈｚ〜０．７Ｈｚの範囲にあ
る。一方、実験によると、アイドル回転数制御系が不安
定になり、ハンチングする時の実際の周波数はほとんど
０．３〜０．７Ｈｚの間にあり、上記の解析は実験と極
めて良く一致していることがわかる。この解析から制御
系が安定になるに、Ｔｉの範囲を求めるとに＝１〜２、
Ｔ　ｉ　／　Ｔは１以上となる。この結果も実験と一致
している。これらの事から、（Ａ）アイドル回転数制御
系の比例ゲインにはせいぜい２以下で、積分時間Ｔｉは
０３秒より大きく（従って、積分ゲインは小さく）しな
いと、制御系が不安定になる（すなわち、比例、積分ゲ
インとも大きくすることは出来ない）、（Ｂ）従って、
制御系の感度を上げる（高ゲインにする）ことができず
、外乱に対する応答（追従性）が悪くなり、大きな負荷
が急に印加されるとエンジンストップを生じることがわ
かる。

現状のアイドル回転数制御系の外乱に対する応答（追従
性）が悪く、大きな負荷が急に印加されるとエンジンス
トップを生じ得るもう−っの原因に、オルタネータの動
特性を正確に把握しないで、負荷に対して合理的で有効
な対策を施さず、吸入空気流量だけを制御していること
があげられる。

とくに電気負荷外乱の場合を例にとり、このことを第８
図により、詳しく説明する。

第８図において、（ｌｌａ）〜（ｌｉｄ）は減算器、（
１００）は吸気マニホールドの一次遅れ特性、（１０１
）はエンジンの燃焼によって発生するトルクに関する特
性、（１０２）は回転部分に関する一次遅れ、（１０３
）はレギュレータのフィードバックゲイン、（１０４）
は界磁回路の一次遅れ特性、（１０５）はトルク変換係
数、（１０６）はレギュレータへの設定電圧である。

破線より上部は機関の動特性であり、下部はオルタネー
タの動特性を示している。オルタネータの動特性は、界
磁電流Ｉｆ、負荷電流Ｉａ、励起電圧Ｅａなどの間に成
立する関係式から、平衡状態からの変動分に対して定式
化することによって得られる。ここで、複雑な定式化を
いちいち述べることは現象の定性的な理解をかえって妨
げるので、ブロック図に基づき、簡単に説明する０図に
おいて、オルタネータに装着される電圧レギュレータの
作用はフィードバックゲインＫｆを含むフィードバック
ループで表されている。励起電圧Ｅａはオルタネータの
ロータ回転数（機関回転数×１−リー比）と界磁電流Ｉ
ｆとの積に比例し、機関に対して要求されるトルクＴは
負荷電流Ｉａとオルタネータのロータ回転数（機関回転
数×プーリー比）と界磁電流Ｉｆとの積に比例する。そ
れゆえ、これら諸量の平衡状態での値からの変動分（Δ
をつけて表示）に関して定式化すると、オルタネータの
動特性は第８図の破線下部で与えられる。なお、ここで
ＴＯは平衡状態においてエンジンに要求するトルクに変
換する変換係数である。また、変動分はトルクを除いて
、全て平衡状態での値で正規化されている（＊で表示）
。

同図を用いてオルタネータの特性が機関の回転数の安定
性にいかに深く関わっているかを次に示す。同図におい
て、今、電気負荷の増大によって負荷電流がΔＩａ　　
だけ増加し、トルクが１”０・ΔＩａ　　だけ増加した
とする。通常、吸入空気流量増大の影響がトルクに反映
されるのには遅れがあるため、このトルク増大の影響に
より、機関回転数がΔＮ　だけ低下する。この回転数低
下によリオルタネータの励起電圧は低下し、電圧レギュ
レータは界磁電流をΔＩｆ　　だけ増加するように作用
する。これにより、機関に対する要求トルクはＴｏ（Δ
Ｉａ　　＋ΔＩｆ　　）とさらに増加する。

すなわち、オルタネータは機関回転数が低下すればする
ほど、機関に対する要求トルクを増大させ、より機関回
転数を低下させる方向に動作する。言い換えれば、オル
タネータは機関回転数の安定性を損なう方向に作用する
のである。この事から、オルタネータのこういった特性
を考慮せず、単に吸入空気流量だけを＠御する従来の回
転数制御方式は、負荷外乱に対する回転数変動除去能力
が少ないのはいうまでもないであろう。

こういった現状を少しでも改善するため種々の工夫が考
えられている。例えば、空調機などのスイッチ信号をコ
ンピュータに取込み、実際に空調機の負荷が機関に印加
される前に、空調機が稼働するということをコンピュー
タが知り、実際に負荷が入る前にあらかじめアクチュエ
ータ（３）を駆動する方法（一種のフィードフォワード
）がしばしば採用されている。しかしながら、この方法
では、スイッチ信号と実際に空調機の負荷が機関に印加
される時期に大幅なずれがあるときには、−旦、回転数
が吹き上がった後、下がることがあり、運転者に不愉快
な印象を与えることが多かつた。

改善のもうひとつの例として、特公昭６１−４３５３５
号公報によれば第９図に示すフィードバック制御系が提
案されている。すなわち、この図において、（６）はエ
ンジン回転数の減少に応じた電圧なる検出信号を出力す
る検出回路である。

この検出回路（６）から出力される検出信号と回転数検
出回路（５）から出力される検出信号は加算器（１２）
で加算して、その加算結果を減算器（１１）に出力する
ようにしている。

次に、この第９図の動作について説明する。前述と同様
にこの制御系がある定常状態にあるときに急に負荷外乱
が加わり、エンジン回転数が２速に減少したとする。こ
の場合、設定回路（１）から回転数検出回路（５）まで
は第５図と全く同様に動作するが、第９図では、回転数
の減速度に比例した電圧による出力信号を出力する検出
回路（６）によって回転数の減速度に比例した電圧が余
分にフィードバックされ、第５図の動作に比べて偏差信
号は大きくなり、第５図に比べてより速くもとの目標回
転数に復帰する。

このような一種のフィードフォワードによって。

確かにエンジン回転数は第５図の場合に比べて速くもと
の目標回転数に復帰するが、こういったフィードフォワ
ード補償が初期の目的を達成するためには回転数が変動
しなければならず、それだけ動作としては遅れが発生し
、回転数変動を完全に除去することは難しい。

また、特公昭６１−５３５４４号公報によれば、第５図
のアクチュエータ（３）によって点火時期を制御するこ
とが提案されている。一般に、エンジン回転数を制御す
る際、吸入空気流量か点火時期のどちらかを制御するこ
とが考えられるが、点火時期の方が応答が速いため、点
火時期を制御することによって外乱による回転数の低下
の影響をある程度速く取除くことができる。しかし、点
火時期によって制御できる回転数の幅は限られており、
この幅を越えるような負荷が加わった場合にはあまり効
果がない。

［発明が解決しようとする課題］ 以上、第５図や第９図で説明したように、従来のエンジ
ン回転数制御装置は、エンジンに加わった負荷外乱の影
響をある程度速く取除き、元の目標回転数に復帰する効
果をもつが、オルタネータの動特性をまったく考慮せず
、単に吸入空気流量または点火時期の制御だけを行って
いたため、その効果は限られるものであった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、オルタネータの動特性を考慮して、吸入空気流量だ
けでなく、オルタネータが機関に対して要求するトルク
を合理的に、総合的に制御できるようにし、負荷外乱の
影響を速やかに取除き、元の目標回転数に速やかに復帰
できるエンジン回転数制御装置を得ることを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る内燃機関の回転数制御装置は、外乱である
トルク変動を検出し、このトルク変動に応じて吸入空気
流量（または燃料噴射量）とオルタネータの発電量とを
有機的に関連付けて制御し、吸入空気（または燃料噴射
）量の増量が間に合わない間だけ上記オルタネータの発
電量を下げて機関回転数を安定化させるように構成した
ものである。

また、本発明の別の発明に係る内燃機関の回転数制御装
置は、外乱であるトルク変動を検出する手段を有し、上
記トルク変動に応じて上記オルタネータの発電量と吸入
空気流量（または燃料噴射量）と点火時期とを有機的に
関連付けて制御し、吸入空気（または燃料噴射）量の増
量が間に合わない間だけ上記オルタネータの発電量を下
げると共に上記点火時期を進めて機関回転数を安定化さ
せるように構成したものである。

［作用コ 本発明における内燃機関の回転数制御装置は、外乱を直
接検出し、外乱の大きさに応じて吸入空気流量（または
燃料噴射量）とオルタネータの発電量を総合的に制御す
る。つまり、外乱の大きさに応じて、オルタネータに装
着される電圧レギュレータの目標電圧（設定電圧）や、
レギュレータのフィードバックゲインを総合的に制御す
る事により、界磁電流（したがってオルタネータが機関
に要求するトルク）を制御し、外乱によって生ずる機関
の回転数変動を速やかに整定させる。

さらに、本発明の別の発明における内燃機関の回転数制
御装置は、上記オルタネータ制御に加えて点火時期も制
御するので、外乱によって生ずる機関の回転数変動をよ
り速やかに整定させる。

［実施例］ 以下、この発明のエンジン回転数制御装置の実施例を図
について説明する。第１図はこの発明の一実施例による
エンジン回転数制御装置の概念を示す構成図である。

図において、（３）は空気流量を操作するアクチュエー
タ（ＩＳＣバルブ）、（４）はエンジン、（５）はクラ
ンク角度空計測される回転数検出回路（本図では、クラ
ンク角度を用いた場合を示しているが、これに拘る必要
はまったく無い）、（７）は吸気管、（λ）はコントロ
ーラ、（２１）はオルタネータ（２０）の負荷電流を検
出する電流センサ、（２２）はバッテリ、（２３）はヘ
ッドラン１やパワウィンドウなどの電気負荷を代表的に
抵抗で示している。

さて、例えば、ヘッドランプのスイッチがＯＮされ、代
表的な負荷外乱としてオルタネータ（２０）の負荷電流
がΔＩａ　　だけ増大しなとしよう。

この負荷電流増分はエンジンに対してトルク増分を印加
するのは第８図で説明した通りである。このトルク増分
に対して、同じ大きさの発生トルク増分をエンジンが出
すことができれば回転数に変化が生じないこともまた明
らかである。この発生トルク増分を吸入空気だけで賄お
うとすると、吸気管（７）の遅れ特性（後述するように
、この特性は一次遅れで表される）を除去するために、
吸入空気を吸気管（７）の遅れ分だけ早く流し込んでや
らないと間に合わないのは明らかであろう。

これには、非常に応答の早いアクチュエータ（ＩＳＣバ
ルブ）　〈３）が必要となる。すなわち、吸気管（７）
の遅れ特性を吸入空気だけで補償しようとすると非常に
応答の早いアクチュエータ（３）が要求されるのである
。ところで、今の説明は、オルタネータ（２０）につい
ては、なんの制御もしていないことが分かる。つまり、
オルタネータ（２０）の発電電圧を一定にするためのレ
ギュレータを懸命に働かせた状態でのもとての話である
。

負荷電流に増大があったとき、レギュレータの設定電圧
を０にして、発電量を０にしてやればオルタネータ（２
０）はエンジンに対して負荷を与えないことは明らかで
あろう（このとき、負荷への電流供給はバッテリが行う
）。言い換えれば、負荷電流の増分があったとき、アク
チュエータ（３）の動きが遅く吸入空気による発生トル
クの増大が間に合わない間だけはレギュレータの設定電
圧を低くして、発電量を軽減してやりエンジンにかかる
オルタネータ（２０）からの負荷を軽減し、アクチュエ
ータ（３）の動きが間に合うようになれば、レギュレー
タの設定電圧を次第に大きくし、最終的に通常の設定電
圧まで戻すようにすれば、エンジン回転数は変動しない
ことが分かる。これが本発明の本質である。

本発明は、上記のレギュレータの設定電圧に応動して吸
入空気量を変える、または、吸入空気量に応動してレギ
ュレータの設定電圧を制御するどい−っな吸入空気量と
レギュレータの設定電圧とを有機的に結合させ、エンジ
ン回転数を制御することに関する具体的な方法を開示す
るものである。

以下に、この方法についてブロック図を例にとり詳細に
説明する。第２図はエンジン、アクチュエータ、電圧レ
ギュレータの作用を含めたオルタネータなどの動特性と
、コントローラを示したものである。

図において、（３）は空気流量を操作するアクチュエー
タの動特性を表す一次遅れ、（１００）は吸気管（吸気
マニホールド）の動特性を表す一次遅れ、（１０１）は
機関のトルク発生を表す動特性、（１０２＞は機関の回
転部分の動特性を表す一次遅れ、減算器（ｌｌａ）は機
関が本来持っている機械的なフィードバック特性を表し
ている。

（３）から（１０２）はエンジンが持つ特性をブロック
図で表したものである。一方、第２図の下側に示される
ブロック図はオルタネータの動特性を表すブロック図（
第８図に述べたもの）である。

すなわち、（１０３）は実効フィードバックゲインで、
（１０４）は抵抗とコイルとインダクタンスの直列接続
で表される界磁回路の一次遅れである。減算器（ｌｌｂ
＞と（１０３）、（１０４）、からなるブロック図でオ
ルタネータに装着される電圧レギュレータの制御作用が
表される。（１０５）は、オルタネータの界磁電流と負
荷電流がエンジンに要求するトルクに変換する変換係数
（パラメータ）である。

次に動作について詳しく説明する。アクチュエタ（３）
の動特性は、例えば、アクチュエータ（ＩＳＣバルブと
も呼ばれる）の操作人力ΔＶａ１を急激に変えても空気
は遅れて流れる事を表している。−次遅れ特性（１００
）は、空気が吸気管（７）に流れ込んでから吸気圧力に
変換される特性を表している。（１０１）はエンジンの
燃焼によって発生するトルクに関する特性を表したもの
で、エンジンに吸い込まれた空気（−次遅れ特性（１０
０）の出力である吸気圧力ｐｂに比例）が燃焼してトル
クに変換される変換係数がＫｐでＳＬ 燃焼するまでの時間遅れが無駄時間ｅ　　　で表されて
いる。（１０２＞の−次遅れ特性は、回転数の微分がト
ルクであるというオイラの方程式から得られる。減算器
（ｌｌａ＞は次のようなエンジン′力（本来持っている
機械的なフィードバック特性を表すものである。すなわ
ち、一般に、アイドル時（または、吸気圧力が非常に低
い時）は、スロットルバルブで臨界流れの状態が実現さ
れ、スロットルバルブを通過して流れる空気流量は一定
となる。エンジンがこの様な状態にあるとき、エンジン
に何等かの外乱（例えば、ヘッドライトのスイッチＯＮ
よって電流増加があることによるトルク外乱）が加わる
ことによって、エンジン回転数が低下したとき吸気圧力
は増大する。なぜなら、エンジンに吸入される空気流量
は、吸気圧力ｐｂ、エンジン回転数Ｎ＝Ｃを定係数とし
てＣＸＰｂＸＮで表されるから、ＣＸＰｂＸＮ＝一定で
、Ｎが小さくなれば、ｐｂは増大しなければならないか
らである（ｆ！単のため、ｐｂ増大の位相遅れは無視す
る）。吸気圧力ｐｂが増大すれば、当然、エンジンの発
生トルクは増大するから、結局、エンジン回転数は増大
する方向にいく。すなわち、エンジン回転数が減少する
と逆に増大する方向に復元力が働くことになる。この効
果はまさに負帰還であり、減算器（ｌｌａ）のネガティ
ブ・フィードバックで表されるのである。

次に、オルタネータ動特性（第２図の下部）を説明する
。良く知られたように、オルタネータ〈２０）には発生
電圧を一定（一般には、１４Ｖ程度）にするための電圧
調整器（ボルテージレギュレータ）が装着されている。

これはネガティブ・フィードバックによって、発生電圧
を一定に制御するもので、これは、界磁回路に流す電流
のデユーティ制御で、発生電圧が高くなれば、デユーテ
ィ比を少なくして、逆に、発生電圧が低くなれば、デユ
ーティ比を大きくすることによって発生電圧を一定にす
る。このようなデユーティ制御の本質を書けば、電圧レ
ギュレータの制御ゲインＫｆ　（１０３）と、界磁コイ
ルのインダクタンスしｆと回路抵抗の直列接続からなる
一次遅れ特性（１０４）と、レギュレータの負帰還制御
を表す減算器（ｌｌｂ）によって表すことができる。さ
らにオルタネータ（２０）がその発電作用によってエン
ジンに要求するトルクは、負荷電流Ｉａと界磁電流Ｉｆ
との積に比例するので、比例係数をＴｏ（１０５）とす
れば線形化モデルに於いては第２図のように表わされる
。減算器（ｌｌｂ）への入力（１０６）はレギュレータ
への設定電圧を表しており、第２図のような平衡点回り
の線形化モデルでは、設定電圧を一定のままにする場合
は０と表すことができる。

減算器（１１）は電気的な回転数フィードバックを示し
ており、これへの左からの入力は制御されるべきエンジ
ン回転数の目標回転数を示す。ここでは目標値設定回路
（１）は図示していない。

破線の長方形で囲った部分はいわゆるコントローラ（２
）で、アクチュエータ（３）を操作する部分（３１）と
オルタネータの負荷電流を検出してレギュレータの設定
電圧を操作する部分（３２）とからなっている。

第１図で述べたように、この発明の本質は、アクチュエ
ータ（３）を操作する部分（３１）とオルタネータの負
荷電流（負荷外乱）を検出してレギュレータの設定電圧
を操作する部分（３２）とを有機的に関連付けて総合的
に操作することにより、任意の負荷外乱（電気負荷の場
合、オルタネータの負荷電流変化に相当）に対して、常
に、エンジン回転数を一定に保つことにある。

この総合的な制御の一動作例を電気負荷外乱の場合を例
にとり第３図（ａ）〜（ｄ）にしたがって説明する。今
、電気負荷外乱として、オルタネータの負荷電流がステ
ップ的に変化したとしよう（第３図（ａ））。このオル
タネータの負荷電流のステップ状変化に対して、電流に
応じてアクチュエータ（３）を第３図（ｂ）に示すよう
に操作したとき、吸入空気流量は第３図（ｃ）に示すよ
うに遅れて立ち上がる。これは、例えば、アクチュエ〜
り（３）の−次遅れ特性によるものである。

したがってこのままでは吸入空気流量が完全に立ち上が
るまではエンジンの発生トルクが不足してしまい、回転
数が低下してしまうことになる。そこで、この吸入空気
流量が立ち上がるまでの期間はレギュレータの設定電圧
を例えば第３図（ｄ）に示すごとくいったん低下させた
後次第に漸増させ、設定電圧までｆａｔ　Ｍさせるよう
にするのである。

この様にすることによって、吸入空気流量が完全に立ち
上がるまでのエンジンの発生トルクの不足分をオルタネ
ータが要求するトルクを押さえることにより（この間は
、バッテリが負荷に対して電力を供給することになる）
補い、回転数の変化を熊くすことができる。以上が本発
明の詳細な説明であるが、このままでは、ｒレギュレー
タの設定電圧を具体的にどの様に制御すれば良いか？１
が定量的には分からない。そこでオルタネータの負荷電
流がステップ的に変化した場合を例にとり定量的に説明
する。平衡点周りの各種物理呈の変化分についての線形
化モデルを示した第２図に於いて、アクチュエータ（３
）への入力ΔＶａ　　からエンジン回転数変化ΔＮ　へ
の伝達特性を求めると次式のようになる。

ΔＮ＊−（にｐΔＶａ　　−（１＋５ｒａＨ１＋Ｓｒｖ
＞×（ΔＶｒ　　＋２ΔＩａ　　）Ｔｏｌ／ｆ　（Ｓ）
　　　　　　　　　・・・（１）ここで、分母のｆ　（
Ｓ）は次式で与えられる。

ｆ　（Ｓ）＝　（１＋５ｒｖ）［Ｋｐ＋Ｋｄ−Ｔｏ＋Ｓ
　（ｒａ　（Ｋｄ−Ｔｏ）＋Ｋｄｒｄｌ＋５２Ｋｄ−ｒ
ａｒｄ］ ここで、τＶは空気流量アクチュエータの時定数、ｒａ
は吸気マニホールドの時定数（＝１２０／（ηＶＮｏ）
ｘ　（Ｖｍ／Ｖｈ））　、ｒｄは回転部分の時定数（−
Ｊ／ｃ）で慣性モーメントＪと抵抗係数の比、Ｋｐは吸
気圧力からトルクへの変換係数。

Ｋｄは回転部分の摩擦、Ｖｍは吸気マニホールド容積、
ｖｈはエンジン排気容量、ηＶは体積効率である。その
他の記号の意味については前述の通りである。なお、こ
こでは、無駄時間は無視している。

式（１）で回転数変動ΔＮ　　＝Ｏとするためには分子
をＯとすれば良いから、 ＫＰΔＶａ　　＝（１＋５ｒａ）（１＋５ｒｖ）Ｘ（Δ
Ｖｒ　　＋２ΔＩａ）Ｔ。

が成立する。　今、アクチュエータ（３）への入力ΔＶ
ａ　　をオルタネータの負荷電流の変化ΔＩａ＊に比例
して制御するものとしよう。比例係数を２　Ｔ　ｏ　／
　Ｋ　ｐとすればΔＶａ　　＝２Ｔｏ／ＫＰＸΔＩａ　
　だから上式より ２ΔＩａ　　＝（１＋５ｒａ）（１＋５ｒｖ）Ｘ（ΔＶ
ｒ＋２ΔＩａ　　） が成立する。この式をΔＶｒ　　について解けば、ＸΔ
Ｉａ”　　　　　　・・・（６） が得られる。

すなわち、アクチュエータ（３）への入力ΔＶａ　をオ
ルタネータの負荷電流の変化Δｒａ　　に比例して与え
た場合には、レギュレータへの設定電圧を上の式（６）
で与えられるように制御してやれば、任意のオルタネー
タの負荷電流の変化ΔＩａ　　に対してエンジン回転数
変動を常に０とすることができるのである。ΔＩａ　　
としてステップ状変化（−１／Ｓ）の場合についてΔＩ
ａ＊ΔＶａ　　、ΔＧａ　、ΔＶｒ　　の時間波形を示
せば先程の第３図が得られる。すなわち、ΔＩａ”ΔＶ
ａ　　はステップ状変化だから説明する必要は無いであ
ろう。次ぎに、ΔＶｒ　　の時間波形は次のように得ら
れる０式（６）に於いて、ΔＩａ”１／Ｓを代入すると
、 だから、これをラプラス逆変換すれば求めるレギュレー
タへの設定電圧の変化ΔＶｒ　　が得られる。

実行すると、 ΔＶｒ　　−［ｒａ−ｅ−ｔ／τａ−ｒｖ。

ｅ　　”１：ｖ］／（τＶ−τａ） ・・・（７） となる、第３図（ｄ）のΔｖｒ　は、ｒｖ＞ｒａとした
ときのΔＶｒ　　の時間波形を示したものである（ｒｖ
くｒａとしても同じ時間波形が得られる）。上の例では
ΔＩａ　　がステップ状変化の場合について示したが、
より一般的には、任意のΔＩａ　　に対して、アクチュ
エータ３への入力ΔＶａ　をΔＶａ　　＝２Ｔｏ／Ｋｐ
ＸΔＩａ　　に制御しつつ、ＳΔＶｒ　　を ΔＶｒ　　＝ ・・・（８） で与えられるΔＶｒ　　になるように制御してやれば任
意の電気負荷外乱Δｒａ　　に対してエンジン回転数変
動を０にすることができる。ここで、記号Ｌ　１［］は
［］内の関数のラプラス逆変換を表す。

式（８）に基づき、一般のΔＩａ　　（ｔ）の変動に対
して、ΔＶｒ　　（ｔ）を式で書けば、合成積分の定理
から次のように書ける。

ΔＶｒ　　（ｔ） ・・・（９） ここでΔｖｒ　　（Ｌ）は式（７）で与えられる関数で
ある。ΔＩａ　　（ｔ）がステップ変化で０〜Ｌで一定
である場合には、式（９）の微分積分はキャンセルされ
、式（９）のΔＶｒ　　が式（７）と一致することがわ
かる。

第４図（ａ）はこのように空気流星（第４図（Ｃ））と
レギュレータ設定電圧（第４図（ｂ））を制御した場合
のエンジン回転数の制御結果を示している。電気負荷外
乱第４図に（ｄ）よる回転数変動がほとんど分からない
ほど良好なり１９Ｉｌ結果が得られている。

なお、式（８）から明らかなように、ΔＶｒ＊にはパラ
メータτＶ、ｒａが入っているので、アクチュエータ（
３）の特性やエンジンの平衡回転数、体積効率、吸気マ
ニホールド容積、エンジンの排気容量、エンジン動作点
に応じてレギュレータの設定電圧の時間パターンを変え
てやる必要がある。　また、本発明の本質は、吸入空気
が間に合わない間だけオルタネータの発電量を制御して
エンジンに対する負荷を低減することにあるのだから、
発電量の制御に設定電圧だけでなく、レギュレータのフ
ィードバックゲインＫｆの制御も考えられる。なぜなら
、フィードバックゲインを小さくすれば、負荷が入った
過渡時にはオルタネータがエンジンに対して要求するト
ルクを低減することができるからである（上の定式化で
は、Ｋｆは十分に大きい場合について行ったのでＫｆが
式の上で陽には現れなかった）。

さらに、上の例ではオルタネータの負荷電流を検出した
が、界磁電流を検出しても良い。なぜなら、界磁電流は
負荷電流よりも少し遅くなるものの負荷を代表すること
ができるからである。

また上記実施例では、電気的負荷外乱の場合について説
明したが、機械的な負荷外乱の場合は電流の代わりに、
機械的な負荷（トルク）を検出すれば電気的負荷外乱の
場合とまったく同様の効果を発揮する。

また、これまでは吸入空気とオルタネータの発電量を操
作する例に着いて説明したが、操作量として更に点火時
期を付は加えてももちろん同様の効果がある。すなわち
、吸入空気の増分によるトルク発生が間に合わない間、
オルタネータの発電量を下げてオルタネータの要求トル
クを減らすと共に、点火時期を進ませてＲ閏の発生トル
クを少しでも早く増大させるものである。

さらに、本発明はディーゼル機関にも適用できる。とい
うのは、吸入空気流量の代わりに燃料噴射量をとれば良
いからである。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、外乱であるトルク変動
を検出し、トルク変動に応じてオルタネタの発電量と吸
入空気流星（または燃料噴射量）とを有機的に関連付け
て制御し、吸入空気殿（または燃料噴射）の増量が間に
合わない間だけ上記オルタネータの発電量を下げて機関
回転数を安定化させるように構成したので、任意の負荷
外乱に対して、常に、機関回転数を一定に保つことがで
きるという効果がある。

また、本発明の別の発明によれば、外乱であるトルク変
動を検出し、トルク変動に応じてオルタネータの発電量
と吸入空気流量（または燃料噴射量）と点火時期とを有
機的に関連付けて制御し、吸入空気呈（または燃料噴射
）の増量が間に合わない間だけ上記オルタネータの発電
量を下げると共に上記点火時期を進めて機関回転数を安
定化させるように構成したので、上記発明と同様の効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による内燃機関の回転数制
御装置の概念を示す構成図、第２図は第１図のアクチュ
エ〜りおよびオルタネ〜りの動特性とコントローラの関
係を示すブロック図、第３図（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ
オルタネータの負荷電流の変化、アクチュエータの操作
、吸入空気流量の変化、およびレギュレータの設定電圧
を示すタイミングチャート図、第４図（ａ）〜（ｄ）は
それぞれエンジン回転数、レギュレータ設定電圧、吸入
空気流量、および負荷電流の実測値を示す特性図、第５
図は従来のエンジン回転数制御装置の一例を示すブロッ
ク図、第６図は第５図のブロックを、伝達関数で表現し
たブロック図、第７図は第６図のブロック図のナイキス
ト線図、第８図は機関とレギュレータを含むオルタネー
タのブロック図、第９図は従来のエンジン回転数制御装
置の他の例を示すブロック図である。 （１）・・・設定回路、（２）・・・コントローラ、（
３）・・・アクチュエータ、（４）・・・エンジン、（
５）・・・回転数検出回路、（１１）、（ｌｌａ＞、（
１１ｂ）、（ｌｌｃ）、（ｌｉｄ）・・・減算器、（３
４５）・・・伝達関数、（１２）・・・加算器、（２１
）・・・電流センサ、（２２）・・・バッテリ、（２３
）・・・電気負荷、（３１）・・・吸入空気を操作する
アクチュエータ、（３２）・・・レギュレータの設定電
圧を操作するアクチュエータ（または回路）、（１００
）・・・吸気マニホールドの一次遅れ特性、（１０１）
・・・エンジンの燃焼によって発生するトルクに関する
特性、（１０２）・・・回転部分に関する一次遅れ特性
、（１０３）・・・レギュレータのフィードバックゲイ
ン、（１０４）・・・界磁回路の一次遅れ特性、（１０
５）・・・トルク変換係数、（１０６）・・・レギュレ
ータへの設定電圧。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）オルタネータと吸入空気流量（または燃料噴射量
   ）とを制御するアクチュエータを備えるものにおいて、
   外乱であるトルク変動を検出する手段を有し、上記トル
   ク変動に応じて上記オルタネータの発電量と吸入空気流
   量（または燃料噴射量）とを有機的に関連付けて制御し
   、吸入空気（または燃料噴射）量の増量が間に合わない
   間だけ上記オルタネータの発電量を下げて機関回転数を
   安定化させるように構成したことを特徴とする内燃機関
   の回転数制御装置。
2. （２）オルタネータと、吸入空気流量（または燃料噴射
   量）を制御するアクチュエータと、点火時期を制御する
   アクチュエータとを備えるものにおいて、外乱であるト
   ルク変動を検出する手段を有し、上記トルク変動に応じ
   て上記オルタネータの発電量と吸入空気流量（または燃
   料噴射量）と点火時期とを有機的に関連付けて制御し、
   吸入空気（または燃料噴射）量の増量が間に合わない間
   だけ上記オルタネータの発電量を下げると共に上記点火
   時期を進めて機関回転数を安定化させるように構成した
   ことを特徴とする内燃機関の回転数制御装置。