JPWO2010084611A1 - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関が発生するトルクを用いて車両の運転状態を制御する車両の制御装置に関し、内燃機関の点火時期が遅角されることによる燃費の悪化を抑制できるようにする。車両の制御装置は、車両の駆動系を総合制御する駆動系制御部と、駆動系制御部からの要求トルクに基づいて内燃機関を制御するエンジン制御部とによって構成される。エンジン制御部は、要求トルクに基づいて吸入空気量を調整し、吸入空気量の調整によって達成可能なトルクと要求トルクとのずれを補償するように点火時期を調整する。駆動系制御部は、運転者によるアクセル操作量又は車両に装備された種々のセンサの信号に基づいて、目標とする車両の運転状態の達成のために内燃機関に出力させたい希望トルクを算出する。そして、駆動系制御部は、希望トルクの変化率を内燃機関のトルク調整能力から決まる所定のガード値で制限し、制限後の希望トルクを要求トルクとしてエンジン制御部に出力する。前記のガード値は、内燃機関における吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの変化率の範囲を基準にして設定されている。

Description

本発明は、内燃機関が発生するトルクを用いて車両の運転状態を制御する車両の制御装置に関する。

従来、火花点火式の内燃機関では、そのトルクを制御するための手段として空気量の調整と合わせて点火時期の調整が用いられている。例えば、特開２００５−１１３８７７号公報に記載された技術では、ベース点火時期とＭＢＴとの差に応じて決まる点火時期効率によって要求トルクが補正され、その効率補正された要求トルクに基づいて要求スロットル開度が算出されている。また、実際の空気量とエンジン回転数とから推定されたＭＢＴにおける推定トルクが求められ、推定トルクと補正前の要求トルクとの比に基づいてＭＢＴに対する点火遅角量が算出されている。

上記公報に記載の技術によれば、要求トルクの変化に応じてスロットル開度が変化し、スロットル開度の変化に応じて空気量が変化する。そして、空気量の変化に応じて推定トルクが変化する。つまり、推定トルクは要求トルクに追従して変化する。要求トルクが推定トルクに反映されるまでの過程には、制御装置内部での演算処理及び信号伝達の遅れ、スロットルの動作遅れ、或いはセンサの出力遅れ等の各種応答遅れが発生する。このため、推定トルクと要求トルクとの間には常に時間的なずれが存在している。

上記の時間的なずれは要求トルクが過渡的に変化しているとき、特に、要求トルクが減少しているときにある問題を生じさせる。例えば、要求トルクが振動的に変化している場合、推定トルクもそれに追従して振動的に変化する。このとき、上述の各種応答遅れに伴う時間的なずれは、推定トルクと要求トルクとの間の位相のずれとして現れる。この結果、推定トルクが要求トルクよりも大きくなっている期間が周期的に生じることになる。

上記公報に記載の技術によれば、推定トルクと要求トルクとの比に応じて点火遅角量が決定されるため、推定トルクが要求トルクよりも大きくなっている期間は点火時期がＭＢＴよりも遅角されることになる。そして、このような点火遅角は点火時期効率が最大効率に設定されているとき、すなわち、ＭＢＴでの運転が要求されているときでも自動的に行われてしまう。つまり、上記公報に記載の技術は、点火時期の意図しない遅角によって燃費を不必要に悪化させてしまうおそれがある。

上記の問題に関し、出願人は、特願２００８−１７８９６３号においてその解決策となる発明を提案した。この出願に係る発明によれば、スロットルの動作によって要求トルクの変化率を達成可能なときには、点火時期の設定の基礎とされるトルク効率は最大効率の１に固定される。このため、推定トルクと要求トルクとの間の時間的なずれによって推定トルクが要求トルクよりも大きくなったとしても、トルク効率が最大効率に固定されることにより不要な点火遅角は防止される。

しかしながら、要求トルク自体がスロットルの動作のみでは達成できない速さで変化している場合には、結果的に点火遅角が働いてしまうことになる。例えば、車両のピッチングを抑える等の目的のために、要求トルクに周期的に増減する成分が加えられた場合である。点火遅角が働くことで要求トルクの変化率を達成することができるものの、燃費は悪化してしまうことになる。車両に求められる性能のなかでも燃費は特に強く求められる性能であるので、燃費の向上を第一に考える場合、点火時期の遅角は可能な限り抑えたい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の点火時期が遅角されることによる燃費の悪化を抑制できるようにした車両の制御装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる車両の制御装置は駆動系制御部とエンジン制御部とを備える。駆動系制御部はエンジン制御部に対して制御系統の上位に位置し、車両の駆動系を総合制御する。一方、エンジン制御部は駆動系制御部から発せられる要求トルクに基づいて内燃機関を制御する。内燃機関は車両の動力装置であって、駆動系制御部は内燃機関が発生するトルクを用いて車両の運転状態を制御する。

詳しくは、エンジン制御部は、要求トルクに基づいて吸入空気量を調整するとともに、吸入空気量の調整によって達成可能なトルクと要求トルクとのずれを補償するように点火時期を調整する。駆動系制御部は、目標とする車両の運転状態の達成のために内燃機関に出力を希望するトルクを算出し、その希望トルクをエンジン制御部に出力する要求トルクの基礎とする。希望トルクの算出は、運転者によるアクセル操作量又は車両に装備された種々のセンサの信号に基づいて行われる。駆動系制御部は、このようにして算出された希望トルクの変化率を内燃機関のトルク調整能力から決まる所定のガード値で制限し、制限後の希望トルクを要求トルクとして算出する。このガード値は、内燃機関における吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの変化率の範囲を基準にして設定されている。

本発明にかかる制御装置によれば、駆動系制御部による要求トルクの生成段階において、吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの変化率の範囲が考慮される形となる。吸入空気量の調整によって達成可能なトルクよりも要求トルクが小さいほど、エンジン制御部による点火時期の遅角が働くことになるが、要求トルクに前記の範囲が予め考慮されていることで点火時期の遅角は防止されるか若しくは許容範囲に抑えられ、点火時期が遅角されることによる燃費の悪化は抑制される。

本発明のより好ましい態様では、前記のガード値は、内燃機関における吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの変化率の範囲の限界値とされる。このような設定によれば、吸入空気量の調整のみによって要求トルクを達成することが可能となるので、燃費の悪化を伴う点火時期の遅角を確実に防止することができる。

本発明のさらに好ましい態様では、前記のガード値は、エンジン制御部において現在又は目標とする内燃機関の運転状態に基づいて算出され、エンジン制御部から駆動系制御部へ出力される。内燃機関を直接制御しているエンジン制御部においてガード値の算出を行うことで、吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの変化率の範囲をより正確にガード値に反映させることができる。

本発明のさらに好ましい態様では、駆動系制御部は、目標とする車両の運転状態に応じてガード値による希望トルクの制限を許可又は禁止する。例えば、燃費が優先される運転状態であるならば、ガード値による希望トルクの制限を許可し、燃費よりもトルク精度が優先される運転状態であるならば、ガード値による希望トルクの制限を禁止する。

本発明の実施の形態としての車両の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態にかかる車両制御装置のエンジン制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る勾配ガードの動作を説明するための図である。 車両制御装置の駆動系制御部の構成の変形例を示すブロック図である。

符号の説明

２ 車両制御装置
４ 駆動系制御部
６ エンジン制御部
１０ 勾配ガード

本発明の実施の形態について図１乃至図３の各図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態としての車両の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の車両制御装置２は、制御系統の上位と下位の関係にある２つのパートを含んでいる。その上位に位置するのが駆動系制御部４であって、下位に位置するのがエンジン（内燃機関）を制御するエンジン制御部６である。これらの他にも車両制御装置２には自動変速機を制御する変速機制御部等が含まれるが、本実施の形態には関係しないのでそれらの図示及び説明は省略する。

車両制御装置２は、駆動系制御部４によって車両の駆動系を総合制御する。駆動系制御部４は、エンジン制御部６を介してエンジンに所望のトルクを発生させ、エンジンが出力するトルクを用いて車両の運転状態を制御する。駆動系制御部４には、運転者のアクセル操作量の他、車両に装備された種々のセンサ（例えば、車輪速センサ、ヨーレートセンサ、加速度センサ等）からの信号（車両情報）が入力されている。駆動系制御部４は、アクセル操作量に基づいて運転者が車両に対して要求しているトルクを算出するとともに、センサによって得られる車両情報に基づいて車両制御に必要な種々のトルク（例えば、スタビリティコントロール用トルク、トラクションコントロール用トルク、変速ショック防止用トルク、ピッチング抑制用トルク等）を計算する。これらのトルクを調停して得られるのがエンジンに対して出力を希望する希望トルクであって、調停を含む希望トルクの演算は演算部８にて行われる。なお、ここでいう調停とは、予め定められた計算規則に従って複数の数値から１つの数値を得る動作である。計算規則には例えば最大値選択、最小値選択、平均、或いは足し合わせ等が含まれる。それら複数の計算規則を適宜に組み合わせたものとしてもよい。

駆動系制御部４には、上記の演算部８の他に勾配ガード１０が含まれる。勾配ガード１０は希望トルクの勾配、すなわち、変化率にガードをかけるための手段である。駆動系制御部４は演算部８で算出された希望トルクをそのままエンジンに要求するのではなく、勾配ガード１０で処理したものを要求トルクとして出力する。このような勾配ガード１０を有することは車両制御装置２が有する重要な特徴の一つであるので、勾配ガード１０の内容については追って詳細に説明する。

エンジン制御部６は、駆動系制御部４から供給される要求トルクに基づいてエンジンを制御する。本発明が適用される車両においては、エンジンとは吸入空気量と点火時期とによってトルクを制御できる火花点火式のエンジンを意味する。本実施の形態にかかるエンジンは、吸入空気量を調整するためのアクチュエータとしてスロットルを備え、点火時期を調整するためのアクチュエータとして点火装置を備えている。エンジン制御部６は、これらのアクチュエータを操作することによってエンジンが発生するトルクを制御する。

図２は、エンジン制御部６の構成を示すブロック図である。エンジン制御部６は、まず、内包する演算部１２において、取得した要求トルクを空気量（ＫＬ）に変換する。この変換処理で得られる空気量がエンジンの目標空気量となる。なお、ここでいう空気量とは１サイクル当たりの筒内吸入空気量であり、それを無次元化した充填効率（負荷率）に代えてもよい。変換処理にはトルクと空気量とを関連付けたマップが用いられる。このマップでは、エンジン回転数や空燃比等、トルクと空気量との関係に影響する各種の運転条件がキーとされている。ただし、点火時期に関してはＭＢＴであることが前提とされている。

次にエンジン制御部６は、内包する演算部１４において、目標空気量からスロットル開度を算出する。スロットル開度の計算にはエアモデルの逆モデルが用いられる。エアモデルは吸気系の物理モデルであり、スロットルの動作に対する空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化されている。エンジン制御部６は、目標空気量から変換されたスロットル開度をスロットルの操作量として設定し、設定したスロットル開度に従ってスロットルを操作する。

また、エンジン制御部６は、エンジンの推定トルクに対する要求トルクの比（以下、トルク効率という）を算出し、そのトルク効率に基づいて点火時期を算出する。トルク効率の算出は演算部１８で行われる。ここでいう推定トルクとは、現在のスロットル開度において点火時期をＭＢＴに設定したならば得られるトルク、すなわち、現在の吸入空気量において達成可能な最大トルクを意味する。推定トルクの算出にあたっては、まず、前述のエアモデルを用いて現在のスロットル開度にて実現できると推定される空気量が算出される。次に、ＭＢＴにおけるトルクと空気量との関係を表すマップを用いて、推定空気量がトルクに変換される。こうして算出されたトルクが推定トルクであり、これらの計算はエンジン制御部６に内包される演算部１６にて行われる。

エンジン制御部６には、上下限ガード２２が含まれる。上下限ガード２２はトルク効率の大きさ（低さ）にガードをかけるための手段である。エンジン制御部６は演算部１８で算出されたトルク効率をそのまま点火時期の算出に用いるのではなく、上下限ガード２２で処理したものに基づいて点火時期を算出する。上下限ガード２２はエンジン制御部６に内包される勾配判定部２４からの信号によって操作されている。上下限ガード２２及び勾配判定部２４の内容については追って詳細に説明する。

エンジン制御部６は、内包する演算部２０において、トルク効率を点火時期に変換する。この変換処理で得られる点火時期が点火装置の操作量とされる。変換処理にはトルク効率と点火時期とを関連付けたマップが用いられる。このマップでは、要求トルクやエンジン回転数や空燃比等、トルク効率と点火時期との関係に影響する各種の運転条件がキーとされている。そして、このマップによれば、トルク効率が最大値の１のときには点火時期はＭＢＴに設定され、トルク効率が１よりも小さいほど点火時期はＭＢＴに対して遅角側に設定される。

以上が車両制御装置２の基本的な構成に関する説明である。次に、車両制御装置２にとっての要部である勾配ガード１０とそれに関連する上下限ガード２２及び勾配判定部２４の各内容について説明する。

勾配ガード１０は、入力された希望トルクの勾配をエンジンのトルク調整能力から決まる所定のガード値で制限する。このガード値は、エンジンにおける吸入空気量の調整によって達成可能なトルク勾配の範囲を基準にして設定されている。より詳しくは、吸入空気量の調整によって達成可能なトルク勾配の上限値及び下限値が、それぞれ勾配ガード１０によるガード値とされている。吸入空気量の調整によって達成可能なトルク勾配の上限値はスロットルを全開にして得られるトルク勾配であり、下限値はスロットルを全閉にして得られるトルク勾配である。

図３は勾配ガード２０によるガード値とエンジン制御部６へ出力される要求トルクとの関係について示す図である。図３において、上限ガードラインはスロットル全開によって達成可能なトルク勾配に対応するラインであり、下限ガードラインはスロットル全閉によって達成可能なトルク勾配に対応するラインである。したがって、要求トルクの現在値を基準にして上限ガードラインと下限ガードラインとで挟まれる領域が吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの範囲であり、下限ガードラインよりも下側の領域は点火遅角が働く領域である。

現在から一定時間経過後（ここでは次ステップ）の希望トルクが上・下限ガードラインの間にあるならば、そのままの値が要求トルクとして出力される。しかし、次ステップの希望トルクが下限ガードラインを超える場合、勾配ガード２０は下限ガードラインによって希望トルクを制限し、その制限された希望トルク（図中の要求トルク下限値）を要求トルクとして出力する。また、次ステップの希望トルクが上限ガードラインを超える場合には、勾配ガード２０は上限ガードラインによって希望トルクを制限し、その制限された希望トルク（図中の要求トルク上限値）を要求トルクとして出力する。

つまり、勾配ガード２０は、駆動系制御部４による要求トルクの生成段階において、吸入空気量の調整によって達成可能な範囲に要求トルクの勾配を制限するものである。このように勾配を制限された要求トルクをエンジン制御部６に供給することで、要求トルクの達成のための点火遅角を予防することができる。

ただし、推定トルクと要求トルクとの間には、演算処理及び信号伝達の遅れ、スロットルの動作遅れ、或いはセンサの出力遅れ等の各種応答遅れに伴う時間的なずれ、つまり、位相のずれが存在する場合がある。そのような位相のずれが存在する場合、要求トルクが減少したときには、吸入空気量の調整によって達成可能な範囲であるにもかかわらず、過渡的に推定トルクが要求トルクよりも大きくなってトルク効率が１より小さくなってしまう。このような場合における不必要な点火遅角を防止するための手段が、上下限ガード２２及び勾配判定部２４である。

上下限ガード２２は、入力されたトルク効率を上限ガード値及び下限ガード値でガード処理する。上限ガード値は最大値の１に固定されている。一方、下限ガード値は通常は無効な値に設定されており、勾配判定部２４のフラグ信号がオンの場合にのみ有効値である最大値の１に設定される。したがって、上下限ガード２２の下限ガード値が有効に機能するときには、推定トルクと要求トルクとの間の大小関係によらずトルク効率は１に固定されることになる。

勾配判定部２４は、駆動系制御部４からエンジン制御部６に入力された要求トルクの勾配、詳しくは、１制御周期当たりの要求トルクの変化量を算出する。そして、スロットルによる吸入空気量の調整のみで達成できるトルクの勾配と要求トルクの勾配とを比較する。吸入空気量の調整のみで達成できるトルク勾配とは、スロットルの全開又は全閉によって達成されるトルク勾配であって、ここではスロットルの全閉によって達成される減少方向のトルク勾配を意味する。

比較の結果、吸入空気量の調整のみで達成できるトルク勾配が要求トルクの勾配よりも大きい場合、すなわち、要求トルクの勾配を吸入空気量の調整のみで達成可能な場合には、勾配判定部２４はフラグ信号をオンにセットする。このフラグ信号を受けて上下限ガード２２は下限ガード値を１に設定する。これによれば、推定トルクと要求トルクとの間の時間的なずれによって、過渡的に推定トルクが要求トルクよりも大きくなったとしても、それに起因して点火遅角が不必要に遅角されてしまうことはない。したがって、不要な点火遅角による燃費の悪化を防止することができる。

なお、本実施の形態では、勾配ガード２０で設定される下限ガード値と、勾配判定部２４での判定に用いられるトルク勾配とは同じ値であって、ともにスロットルの全閉によって達成されるトルク勾配の値に設定されている。その計算には実測データに基づいて作成したマップや、前述のエアモデルのような物理モデルを利用することができる。同様に、スロットルの全開によって達成されるトルク勾配の値についても、マップや物理モデルを用いて計算することができる。本実施の形態においては、これらの計算はエンジン制御部６にて行われ、エンジン制御部６で算出された各ガード値が駆動系制御部４に供給されて勾配ガード２０にセットされる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態ものから種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態を次のように変形して実施してもよい。

１つ目の変形例では、目標とする車両の運転状態に応じて選択的に勾配ガード２０を作動させる。例えば、燃費が優先される運転状態が目標であるならば、上述の実施の形態のとおりに勾配ガード２０を作動させるようにする。一方、トルク精度が優先される運転状態が目標であるならば、勾配ガード２０を作動させないようにする。つまり、希望トルクをそのまま要求トルクとしてエンジン制御部６に供給する。トルク精度が優先される運転状態としては、例えば、スタビリティコントロール用トルク等の緊急のトルクが必要な場合が挙げられる。通常は勾配ガード２０の作動を許可するフラグを立てておき、緊急のトルクが必要になった場合にのみ勾配ガード２０の作動を禁止するフラグを立てるようにするのでもよい。勾配ガード２０の作動の許可／禁止の判定は、図４のブロック図に示すように、種々の車両情報が入力されている駆動系制御部４において行うのが好ましい。

別の変形例では、勾配ガード２０で設定されるガード値の計算を駆動系制御部４において行う。その計算には実測データに基づいて作成したマップや、エアモデルのような物理モデルを利用することができる。計算に必要なエンジン情報、例えば、スロットル開度やエンジン回転数等はエンジン制御部６からもらってもよいし、センサから直接取得するようにしてもよい。

さらに別の変形例では、勾配ガード２０で設定されるガード値を吸入空気量の調整のみで達成可能なトルク勾配の範囲よりも外側に設定する。具体的には、上述の実施の形態ではスロットル全閉によって達成可能なトルク勾配に下限ガード値を合わせていたが、それよりも低い値に下限ガード値を設定する。そうした場合、吸入空気量の調整のみで達成可能な範囲をこえて要求トルクを減少させることも可能になり、その場合には吸入空気量の調整では間に合わない分を補償するように点火遅角が働くことになる。下限ガード値をスロットル全閉時のトルク勾配に対してどれくらい下げるかは、燃費の観点から許容される点火遅角量に合わせて決めればよい。そうすることで、車両に求められる燃費に関する要求とトルク精度に関する要求の両者の折り合いをつけることができる。また、目標とする車両の運転状態に連動させて勾配ガード２０のガード値を変更することも可能である。

さらに別の変形例では、エンジン制御部６に備えられる上下限ガード２２及び勾配判定部２４を省略する。要求トルクに対する推定トルクの位相の遅れが無視できる程度であるならば、これらの演算要素を省略すすることができる。

さらに別の変形例では、エンジン制御部６をフィルタで構成する。要求トルクをフィルタに通し、吸入空気量の調整によって達成できる比較的低周波のトルク成分と、点火時期を調整することでなければ達成できない比較的高周波のトルク成分とに分けるようにする。このような構成によっても、要求トルクに基づいて吸入空気量を調整し、吸入空気量の調整によって達成可能なトルクと要求トルクとのずれを補償するように点火時期を調整することができる。つまり、エンジン制御部６の内部の構成に関しては、上述の実施の形態とは異なる構成をとることもできる。

さらに別の変形例では、エンジン制御部６はスロットル以外のアクチュエータによって吸入空気量を調整するエンジンを制御対象とする。例えば、リフト量又は作用角を連続的に変化させることができる可変式の吸気バルブを備えたエンジンを制御対象とすることもできる。

Claims (4)

1. 車両の駆動系を総合制御する駆動系制御部と、
   前記駆動系制御部から要求されるトルク（以下、要求トルク）に基づいて内燃機関を制御するエンジン制御部と、
   を備える車両の制御装置において、
   前記エンジン制御部は、
   前記要求トルクに基づいて吸入空気量を調整する吸入空気量調整手段と、
   吸入空気量の調整によって達成可能なトルクと前記要求トルクとのずれを補償するように点火時期を調整する点火時期調整手段と、
   を含み、
   前記駆動系制御部は、
   運転者によるアクセル操作量又は車両に装備された種々のセンサの信号に基づいて、目標とする車両の運転状態の達成のために内燃機関に出力させたいトルク（以下、希望トルク）を算出する希望トルク算出手段と、
   前記希望トルクの変化率を内燃機関のトルク調整能力から決まる所定のガード値で制限するガード手段と、
   前記ガード値による制限後の希望トルクを前記要求トルクとして前記エンジン制御部に出力する要求トルク出力手段と、
   を含み、
   前記ガード値は、内燃機関における吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの変化率の範囲を基準にして設定されていることを特徴とする車両の制御装置。
2. 前記ガード値は、内燃機関における吸入空気量の調整によって達成可能なトルクの変化率の範囲の限界値であることを特徴とする請求の範囲１記載の車両の制御装置。
3. 前記エンジン制御部は、
   現在又は目標とする内燃機関の運転状態に基づいて前記ガード値を算出するガード値算出手段と、
   算出したガード値を前記駆動系制御部へ出力するガード値出力手段と、
   を含むことを特徴とする請求の範囲１又は２記載の車両の制御装置。
4. 前記駆動系制御部は、
   目標とする車両の運転状態に応じて前記ガード手段による希望トルクの制限を許可又は禁止するガード判定手段、
   を含むことを特徴とする請求の範囲１乃至３の何れか１つの項に記載の車両の制御装置。

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