JPWO2013084342A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、スロットルによる空気量の制御によって内燃機関が発生させるトルクを制御する内燃機関の制御装置において、過渡運転時の要求トルクの実現精度を向上させることである。このため、本制御装置は、目標空気量を実現するための目標吸気管圧を算出し、目標吸気管圧から予測ポンプ損失を算出する。そして、内燃機関に対する要求トルクに予測ポンプ損失を加算することで圧縮・膨張行程で実現すべき３６０°図示要求トルクを算出する。そして、３６０°図示要求トルクを実現するための空気量を目標空気量として算出し、目標空気量に基づいてスロットルの開度を決定する。

Description

本発明は、スロットルによる空気量の制御によって内燃機関が発生させるトルクを制御する内燃機関の制御装置に関する。

従来提案されている自動車用の内燃機関、詳しくはガソリンエンジンのトルクデマンド制御では、ドライバによるアクセル操作量から内燃機関に対する要求トルクが決定される。そして、要求トルクを実現するための空気量が目標空気量として決定され、目標空気量に従ってスロットル開度が決定される。

ところで、スロットルによって制御される空気量は、圧縮行程から膨張行程にかけて燃料が燃焼することで発生するトルクの大きさを左右する。しかし、内燃機関が発生させるトルクは、正確には燃料の燃焼で発生するトルクのみで決まるものではない。燃料の燃焼で発生したトルクからポンプ損失を差し引いて得られる値が、内燃機関が発生させるトルク、つまり、内燃機関の図示トルクとなる。よって、要求トルクの実現に必要な目標空気量を正確に計算するためには、排気行程から吸気行程にかけて発生するポンプ損失を考慮に入れることが望ましい。

トルクデマンド制御において目標空気量の計算にポンプ損失を用いる技術は、例えば特開２００６−２９１８０３号公報に開示されている。この公報に開示された技術によれば、大気圧と吸気管との圧力差とエンジン回転数とに基づいてポンプ損失が算出される。そして、要求トルクにポンプ損失を加算することによって要求図示トルクが算出され、要求図示トルクから目標空気量が算出される。

しかし、上記公報に開示された技術には問題がある。上記公報に開示された技術は、吸気管圧センサによる吸気管圧の実測値からポンプ損失の実際値を計算し、それを目標空気量の計算に用いている。吸気管圧はスロットルの動きに応じて変化するため、スロットルが動いている過渡運転時には吸気管圧の変化によってポンプ損失にも変化が生じることになる。つまり、スロットルが動作することにより、目標空気量の計算に使用しているポンプ損失の値が変化することになる。このため、上記公報に開示された技術では、過渡運転時にはスロットルの動作にハンチングが生じることとなって、要求トルクを実現できる空気量に速やかに制御することができないおそれがある。

特開２００６−２９１８０３号公報 特開２０１１−０９４５９５号公報 特開２００７−１２７０３５号公報 特開２０１１−１４９４０５号公報

本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、スロットルによる空気量の制御によって内燃機関が発生させるトルクを制御する内燃機関の制御装置において、過渡運転時の要求トルクの実現精度を向上させることを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のように動作するように構成された内燃機関の制御装置を提供する。

本発明が提供する制御装置は、例えば空気量と吸気管圧との間に成り立つ関係をモデル化したものを用いて、目標空気量を実現するための目標吸気管圧を算出する。そして、目標吸気管圧から予測ポンプ損失、つまり、目標吸気管圧が達成された場合に予測される吸気管圧を算出する。本制御装置は、内燃機関に対する要求トルクに予測ポンプ損失を加算することで３６０°図示要求トルクを算出する。３６０°図示要求トルクとは、燃料の燃焼によって圧縮及び膨張行程で実現すべきトルクを意味する。本制御装置は、３６０°図示要求トルクを実現するための空気量を目標空気量として算出し、目標空気量に基づいてスロットルの開度を決定する。

上述のように、本制御装置は、実際の吸気管圧ではなく目標空気量を実現するための目標吸気管圧から計算した予測ポンプ損失を目標空気量の計算に使用する。この場合、目標空気量が変化すれば、目標吸気管圧の変化によって目標空気量の計算に用いている予測ポンプ損失の値も変化することになる。しかし、これらの処理は全て制御装置内の演算で行われスロットルの動作の影響を受けることがない。また、その演算の速度はスロットルの動作に対する空気の応答速度よりも十分に速い。よって、本制御装置によれば、過渡運転時であってもスロットルの動作にハンチングが起きることがなく、要求トルクを実現できる空気量に速やかに制御することができる。

制御対象となる内燃機関は、スロットルと協働して空気量を変化させる１又は複数のアクチュエータを有していてもよい。そのようなアクチュエータには、可変バルブタイミング機構、ＥＧＲ装置、ウエストゲートバルブ付きのターボ過給機等が含まれる。この場合、本発明が提供する制御装置には、目標空気量に基づいてそれらアクチュエータの目標アクチュエータ値を算出し、目標アクチュエータ値に応じて目標吸気管圧を補正する機能を備えることができる。目標吸気管圧の補正の方法としては、例えば吸気管圧と空気量と各アクチュエータ値との間に成り立つ関係をモデル化したものを用いて、目標空気量と目標アクチュエータ値とから目標吸気管圧を算出する方法を採ることもできる。

また、本発明が提供する制御装置では、スロットル等による空気量の制御と協働して点火時期の制御を行うようにすることもできる。その点火時期制御においては、本制御装置は、例えば吸気管圧センサによって計測できる実吸気管圧から実ポンプ損失を算出する。そして、要求トルクに実ポンプ損失を加算することで第２の３６０°図示要求トルクを算出するとともに、スロットルの実開度に基づいて最適点火時期のもとで実現される推定トルクを算出する。本制御装置は、推定トルクに対する第２の３６０°図示要求トルクの比を目標効率とし、目標効率に従って点火時期を制御する。

上述のように、本制御装置は、点火時期制御においては目標吸気管圧ではなく実際の吸気管圧から計算した実ポンプ損失を計算に使用する。点火時期は吸気管圧に影響を与えることがないため、実ポンプ損失を用いたとしても空気量制御の場合のようなハンチングが起こることがない。一方、点火時期によるトルク制御は空気量によるトルク制御に比較してトルクの応答性が格段に優れていることから、実ポンプ損失を用いることには意義がある。つまり、実ポンプ損失を点火時期制御に用いることで、現時点におけるポンプ損失のもと内燃機関が発生させるトルクが要求トルクになるように点火時期を的確に制御することが可能になる。

本発明の実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本発明の実施の形態において制御対象とされる内燃機関（以下、エンジン）は、火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。制御装置は、エンジンに備えられるアクチュエータを操作することでエンジンの運転を制御する。本実施の形態の制御装置が操作可能なアクチュエータには、スロットル、点火装置、可変バルブタイミング機構、ＥＧＲ装置、及びターボ過給機のウエストゲートバルブが含まれる。本制御装置はこれらのアクチュエータを操作してエンジンの運転を制御する。

図１のブロック図は、本実施の形態の制御装置の構成を示している。図１において制御装置１００を構成している各要素は、制御装置１００が有する種々の機能的な要素のうち、トルク制御のための空気量制御と点火時期制御とに関する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、制御装置１００がこれらの要素のみで構成されていることを意味するものではない。なお、制御装置１００は自動車用のコンピュータであり、各要素はメモリに記憶された専用のソフトウェアがＣＰＵで実行されたときに仮想的に実現される。

以下、図１に示す各要素の機能を中心に制御装置１００の構成について説明する。

制御装置１００は、要求トルクの演算に関係する要素として、演算ユニット１０，１２，１４及び調停ユニット１６を備えている。演算ユニット１０は、フリクション分のトルクと、エアコンの駆動用のトルクと、オルタネータの駆動用のトルクとをＰＴＭ要求トルクに加算し、それらの合計値を出力する。ＰＴＭ要求トルクとは、車両の駆動システムの全体を総合制御しているパワートレインマネージャから出される要求トルクである。ＰＴＭ要求トルクは、運転者によるアクセルペダルの操作量や、ＶＳＣやＥＣＴ等の車両の制御デバイスからの信号に基づいて決定されている。なお、演算ユニット１０で演算されるトルクの値は、１サイクル、つまり、クランク角７２０°当たりの図示トルクの要求値である。

演算ユニット１２は、フリクション分のトルク、エアコンの駆動用のトルク、オルタネータの駆動用のトルク、及び、自動変速機で消費されるトルクを合算し、それらの合計値を出力する。演算ユニット１２による演算値は、アイドル回転数を維持するために必要なトルクの値を示している。演算ユニット１４では、演算ユニット１２から出力される演算値に対し、環境条件等に応じた各種の補正が施される。演算ユニット１２，１４で演算されるトルクの値は、演算ユニット１０による演算値と同様、クランク角７２０°当たりの図示トルクの要求値である。

演算ユニット１０による演算と演算ユニット１２，１４による演算はどちらも常時行われている。制御装置１００は、これらによる２つの演算値を調停ユニット１６に入力する。調停ユニット１６は、エンジンがアイドル状態かどうかを判定し、その判定結果に応じて２つの演算値の何れか一方を選択する。制御装置１００では、調停ユニット１６で選択された演算値がエンジンに対する要求トルクとして用いられる。調停ユニット１６から出力される要求トルクはクランク角７２０°当たりの図示トルクの要求値であるので、以下、これを７２０°図示要求トルクと呼ぶ。

制御装置１００は、調停ユニット１６から出力される７２０°図示要求トルクを演算ユニット１８に入力する。演算ユニット１８では、７２０°図示要求トルクに予測ポンプ損失が加算される。予測ポンプ損失は吸気行程から排気行程にかけて発生するポンプ損失の予測値である。１サイクル分の要求トルクである７２０°図示要求トルクに予測ポンプ損失が加算されることで、燃料の燃焼によって圧縮行程から膨張行程にかけて発生する図示トルクの要求値が算出される。以下、これを３６０°図示要求トルクと呼ぶ。また、演算ユニット１８で算出される３６０°図示要求トルクは空気量の制御用に用いられることから、後述する点火時期の制御用と区別するために空気量制御用３６０°図示要求トルクとも呼ぶ。

制御装置１００は、予測ポンプ損失を演算ユニット３０で計算する。演算ユニット３０はクランク角センサの信号から計算されたエンジンの実回転数（実ＮＥ）と目標吸気管圧（目標ＰＭ）とから予測ポンプ損失、つまり、目標吸気管圧が達成された場合に予測される吸気管圧を算出する。予測ポンプ損失の計算には、エンジン回転数を含む１又は複数のパラメータをキーにして吸気管圧とポンプ損失とが関連付けられたマップが用いられる。

制御装置１００は、目標吸気管圧を演算ユニット３２で計算する。目標吸気管圧は目標空気量の実現に必要な吸気管圧であって、その値はバルブタイミング、ＥＧＲ率及び過給圧によって変化する。演算ユニット３２は、目標空気量、目標バルブタイミング、目標ＥＧＲ率及び目標過給圧から目標吸気管圧を算出する。目標吸気管圧の計算には逆吸気弁モデルが用いられる。逆吸気弁モデルでは、空気量と吸気管圧との関係が一次関数で表され、その一次関数に含まれる各係数はバルブタイミング、ＥＧＲ率及び過給圧を軸とするマップから決定される。

演算ユニット１８で算出された３６０°図示要求トルクは、演算ユニット２０に入力される。演算ユニット２０では、３６０°図示要求トルクが要求効率によって除算されることによって嵩上げされる。要求効率は点火時期制御用のパラメータであって１以下の値に設定される。要求効率を１にすることで点火時期は最適点火時期に制御され、要求効率を１より小さい値にすることで点火時期は最適点火時期より遅角される。

演算ユニット２０で計算に用いられる要求効率は調停ユニット２６から送られる。調停ユニット２６には、触媒暖機のための要求効率と触媒の劣化の抑制のための要求効率とが入力されている。それぞれの要求効率の値は異なる値に設定されている。調停ユニット２６は、何れか一方のみが入力されている場合には、その入力されている要求効率の値を演算ユニット２０へ出力する。両方が入力されている場合には、調停ユニット２６は予め定められた規則に従って何れか一方を選択し、選択した要求効率の値を演算ユニット２０へ出力する。そして、どちらも入力されていない場合には、調停ユニット２６は要求効率の値として最大値である１を演算ユニット２０へ出力する。

演算ユニット２０で処理された３６０°図示要求トルクは演算ユニット２２に入力される。演算ユニット２２は、空気量マップを用いて３６０°図示要求トルクを目標空気量に変換する。ここでいう空気量とは、筒内に吸入される空気量を意味する（それを無次元化した充填効率或いは負荷率を代わりに用いることもできる）。空気量マップは、点火時期が最適点火時期（ＭＢＴとトレースノック点火時期のうち、より遅角側の点火時期）であることを前提にして、トルクと空気量とがエンジン回転数及び空燃比を含む種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。

演算ユニット２２で算出された目標空気量は演算ユニット２４に入力される。演算ユニット２４は、エアモデルの逆モデルを用いて目標空気量をスロットル開度に変換する。エアモデルはスロットル２の動作に対する空気量の応答特性をモデル化した物理モデルであるので、その逆モデルを用いることで目標空気量の達成に必要なスロットル開度を逆算することができる。制御装置１００は、演算ユニット２４で算出されたスロットル開度（ＴＡ）に従ってスロットル２の操作を行う。

また、演算ユニット２４に入力されるのと並行して、目標空気量は演算ユニット３４，３６，３８にも入力される。演算ユニット３４は、試験により適合されたマップを用いて目標空気量から目標過給圧を算出する。目標過給圧はウエストゲートバルブの目標アクチュエータ値である。演算ユニット３６は、試験により適合されたマップを用いて目標空気量から目標ＥＧＲ率を算出する。目標ＥＧＲ率はＥＧＲ装置の目標アクチュエータ値である。そして、演算ユニット３６は、試験により適合されたマップを用いて目標空気量から目標バルブタイミングを算出する。目標バルブタイミングは可変バルブタイミング機構の目標アクチュエータ値である。制御装置１００は、これらの演算ユニット３４，３６，３８で算出された目標アクチュエータ値に従って各アクチュエータの操作を行うとともに、前述の演算ユニット３２に目標アクチュエータ値を入力する。

制御装置１００は、上述した空気量制御のための処理と並行して、以下に説明する点火時期制御のための処理を実行する。

点火時期制御のための処理では、実ポンプ損失が演算ユニット４０で計算される。演算ユニット４０はクランク角センサの信号から計算されたエンジンの実回転数（実ＮＥ）と吸気管圧センサの信号から計算された実吸気管圧（実ＰＭ）とから実ポンプ損失、つまり、現時点で発生しているポンプ損失を算出する。実ポンプ損失の計算には、予測ポンプ損失の計算に用いたのと同じマップが用いられる。

制御装置１００は、演算ユニット４０で計算された実ポンプ損失を演算ユニット４２に入力する。演算ユニット４２では、７２０°図示要求トルクに実ポンプ損失が加算される。演算ユニット４２に入力される７２０°図示要求トルクは、演算ユニット１８に入力されるものと同値である。７２０°図示要求トルクに実ポンプ損失が加算されることで、燃料の燃焼によって圧縮行程から膨張行程にかけて発生する図示トルクの要求値が算出される。以下、演算ユニット４２で計算される第２の３６０°図示要求トルクを点火時期制御用３６０°図示要求トルクと呼ぶ。点火時期制御用３６０°図示要求トルクは、定常運転時には前述の空気量制御用３６０°図示要求トルクと一致する。しかし、過渡運転時には、目標吸気管圧に対する実吸気管圧の応答遅れの分だけ２つの３６０°図示要求トルクの間には差が生じる。

制御装置１００は、演算ユニット４２で計算された点火時期制御用３６０°図示要求トルクを演算ユニット４６に入力する。演算ユニット４６では、点火時期制御用３６０°図示要求トルクと推定トルクとの比を算出する。推定トルクは、現在のスロットル開度のもと点火時期を最適点火時期に制御した場合に実現されるトルクである。演算ユニット４６で算出されたトルク比は、点火時期を決定するための目標効率として使用される。

演算ユニット４６で計算に用いられる推定トルクは演算ユニット４４から送られる。演算ユニット４４は、スロットル開度センサにより計測された実スロットル開度を前述のエアモデルの順モデルを用いて推定空気量に変換する。次に、トルクマップを用いて推定空気量を推定トルクに変換する。トルクマップは、前述の空気量マップの逆マップであって、点火時期が最適点火時期であることを前提にして、空気量とトルクとが種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。

演算ユニット４６で算出された目標効率は演算ユニット４８に入力される。演算ユニット４８は、入力された目標効率から点火時期を算出する。詳しくは、エンジン回転数、空気量、空燃比等のエンジン状態量に基づいて最適点火時期を算出するとともに、入力された目標効率から最適点火時期に対する遅角量を算出する。目標効率が１であれば遅角量はゼロとされ、目標効率が１よりも小さいほど遅角量は大きくされる。そして、最適点火時期に遅角量を足しあわせたものが最終的な点火時期として算出される。最適点火時期の計算には、例えば、最適点火時期と各種のエンジン状態量とを関連付けるマップを用いることができる。遅角量の計算には、例えば、遅角量と効率及び各種のエンジン状態量とを関連付けるマップを用いることができる。制御装置１００は、演算ユニット４８で算出された点火時期（ＳＡ）に従って点火装置４の操作を行う。

以上が本実施の形態の制御装置１００の構成についての説明である。本実施の形態によれば、制御装置１００は、実吸気管圧ではなく目標吸気管圧から計算した予測ポンプ損失を目標空気量の計算に使用する。目標吸気管圧は目標空気量から計算されるため、目標空気量が変化すれば、目標吸気管圧の変化によって目標空気量の計算に用いている予測ポンプ損失の値も変化することになる。しかし、これらの処理は全て制御装置１００内の演算で行われ、スロットル２の動作の影響を受けることがない。また、その演算は１制御周期（例えば8msec）で行われるためスロットル２の動作に対する空気の応答速度よりも十分に速い。よって、制御装置１００によれば、過渡運転時であってもスロットル２の動作にハンチングが起きることがなく、要求トルク（７２０°図示要求トルク）を実現できる空気量に速やかに制御することができる。

さらに、本実施の形態によれば、制御装置１００は、点火時期制御においては目標吸気管圧ではなく実吸気管圧から計算した実ポンプ損失を計算に使用する。点火時期は吸気管圧に影響を与えることがないため、実ポンプ損失を用いたとしても空気量制御の場合のようなハンチングが起こることがない。一方、点火時期によるトルク制御は空気量によるトルク制御に比較してトルクの応答性が格段に優れていることから、実ポンプ損失を点火時期制御に用いることで、現時点におけるポンプ損失のもとエンジンが発生させるトルクが要求トルク（７２０°図示要求トルク）になるように点火時期を的確に制御することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施してもよい。

２ スロットル
４ 点火装置
１８ 空気量制御用３６０°図示要求トルクの算出用の演算ユニット
２２ 目標空気量の算出用の演算ユニット
２４ スロットル開度の算出用の演算ユニット
３０ 予測ポンプ損失の算出用の演算ユニット
３２ 目標吸気管圧の算出用の演算ユニット
４０ 実ポンプ損失の算出用の演算ユニット
４２ 点火時期制御用３６０°図示要求トルクの算出用の演算ユニット
４８ 点火時期の算出用の演算ユニット
１００ 制御装置

Claims (3)

1. スロットルによる空気量の制御によって内燃機関が発生させるトルクを制御する内燃機関の制御装置において、
   目標空気量を実現するための目標吸気管圧を算出する手段と、
   前記目標吸気管圧から予測ポンプ損失を算出する手段と、
   前記内燃機関に対する要求トルクに前記予測ポンプ損失を加算することで、圧縮及び膨張行程で実現すべきトルクである３６０°図示要求トルクを算出する手段と、
   前記３６０°図示要求トルクを実現するための空気量を前記目標空気量として算出する手段と、
   前記目標空気量に基づいて前記スロットルの開度を決定する手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記内燃機関は前記スロットルと協働して空気量を変化させる１又は複数のアクチュエータを有し、
   前記制御装置は、
   前記目標空気量に基づいて前記１又は複数のアクチュエータの目標アクチュエータ値を算出する手段と、
   前記目標アクチュエータ値に応じて前記目標吸気管圧を補正する手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記制御装置は、
   実吸気管圧から実ポンプ損失を算出する手段と、
   前記要求トルクに前記実ポンプ損失を加算することで第２の３６０°図示要求トルクを算出する手段と、
   前記スロットルの実開度に基づいて最適点火時期のもとで実現される推定トルクを算出する手段と、
   前記推定トルクに対する前記第２の３６０°図示要求トルクの比を目標効率として点火時期を決定する手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。

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