KR20110099300A

KR20110099300A - 내연 기관의 제어 장치

Info

Publication number: KR20110099300A
Application number: KR1020117015603A
Authority: KR
Inventors: 하야토 나카다
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2011-09-07
Also published as: JP5152400B2; WO2010095209A1; EP2400132B1; EP2400132A4; US20110307162A1; CN102317603B; JPWO2010095209A1; CN102317603A; EP2400132A1; US8660773B2; KR101294572B1

Abstract

스로틀의 조작을 지연시켜 장래의 통내 공기량을 예측하는 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 내연 기관의 응답성과 통내 공기량의 예측 정밀도를 양립시킨다. 요구 KL 이 입력되고 나서 지시 TA 가 출력될 때까지의 연산 과정에 지연 시간 (td) 을 형성한다. 연료 분사량의 연산 타이밍이 도래하면, 현재보다 지연 시간 (td) 만큼 장래에 달성되는 실제 KL 을, 공기 응답 모델을 사용하여 예측한다. 그리고, 현재부터 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍까지의 예상 시간 (tfwd) 이 지연 시간 (td) 을 넘기는 경우에는, 지연 시간 (td) 의 경과 시점부터 예상 시간 (tfwd) 이 경과할 때까지 발생하는 실제 KL 의 변화량을, td 후의 예측 KL 과 목표 KL 의 편차를 스텝 입력값으로 하는 공기 응답 모델을 사용하여 예측한다.

Description

내연 기관의 제어 장치{INTERNAL COMBUSTION ENGINE CONTROL DEVICE}

본 발명은 내연 기관의 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 전자 제어식 스로틀을 구비한 내연 기관의 제어 장치에 관한 것이다.

전자 제어식 스로틀을 구비한 내연 기관에서는, 드라이버의 액셀 조작량 등 에 기초하여 스로틀 개도를 설정하고, 설정한 스로틀 개도에 따라 스로틀을 조작하는 것이 행해지고 있다. 이 때, 스로틀 개도를 설정하고 나서 스로틀을 조작할 때까지 지연 시간이 형성되어 있으면, 실제 스로틀 개도는 설정한 스로틀 개도보다 지연 시간분만큼 늦게 변화하게 된다. 따라서, 스로틀의 지연 제어를 실시하면, 그 지연 시간분만큼 장래의 스로틀 개도를 지연 처리 전의 스로틀 개도로부터 예측할 수 있게 된다.

스로틀의 지연 제어는, 공연비의 제어 정밀도를 높이기 위해 사용된다. 요컨대, 일본 공개특허공보 2002-201998호에 기재되어 있는 바와 같이, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍에 있어서의 스로틀 개도를 예측하고, 그 예측 스로틀 개도로부터 구해지는 통내 공기량에 기초하여 연료 분사량이 계산된다. 통내 공기량은 흡기 밸브의 폐쇄 시점에서 확정하기 때문에, 스로틀의 지연 제어에 의해 그 시점에서의 스로틀 개도를 예측함으로써, 통내 공기량을 양호한 정밀도로 예측할 수 있게 된다.

이와 같이, 스로틀의 지연 제어를 실시하는 것에는, 공연비의 제어 정밀도 면에서 이익이 있다. 그러나, 스로틀의 동작을 의도적으로 지연시키는 것이기 때문에, 지연 시간을 길게 취해 버리면 내연 기관의 응답성을 저하시키고 만다. 이 때문에, 내연 기관의 응답성의 관점에서는 지연 시간은 가능한 한 짧은 것이 바람직하지만, 지연 시간을 단순히 짧게 하는 것은 공연비의 제어 정밀도의 관점에서는 바람직하지 않다. 통내 공기량의 정확한 예측에 기초하여 연료 분사량을 계산하기 위해서는, 적어도 연료 분사량의 연산 타이밍에서부터 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍까지의 시간이 예측 시간 (예상 시간이라고도 한다) 으로서 필요하기 때문이다.

스로틀의 지연 제어에 있어서 내연 기관의 응답성과 공연비의 제어 정밀도의 양립을 도모하는 것으로는, 예를 들어 일본 공개특허공보 2003-120404호에 기재된 제어 장치가 있다. 이 공보에 기재된 제어 장치는, 크랭크 샤프트가 270 도 회전하는 데에 필요로 하는 시간을 지연 시간으로 함으로써, 내연 기관의 회전수에 따라 지연 시간을 변화시키고 있다. 이것에 의하면, 전술한 예상 시간을 지연 시간으로서 확실하게 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 고회전역에서는 지연 시간을 짧게 하여 내연 기관의 응답성을 양호하게 할 수 있다.

그러나, 일본 공개특허공보 2003-120404호에 기재된 제어 장치에서는, 지연 시간이 기관 회전수에 의존하기 때문에, 저회전역에서의 내연 기관의 응답성은 아무래도 낮아지고 만다. 고회전역뿐만 아니라 저회전역에서도 내연 기관의 응답성을 양호하게 하고자 한다면, 역시 지연 시간의 절대적인 단축이 필요할 것으로 생각된다. 단, 전술한 예상 시간은 기관 회전수에 따라 변화하기 때문에, 지연 시간을 절대적으로 짧게 하는 경우에는, 필요한 예상 시간보다 지연 시간이 짧아지고 마는 상황이 저회전역에서 발생하게 된다. 내연 기관의 응답성과 공연비의 제어 정밀도를 전체 운전역에서 양립시키기 위해서는, 필요한 예상 시간이 지연 시간을 초과하는 경우에 있어서, 통내 공기량을 어떻게 양호한 정밀도로 예측할 수 있을지가 중요해진다.

본 발명의 목적은, 스로틀의 조작을 지연시켜 장래의 통내 공기량을 예측하는 내연 기관의 제어 장치에 있어서, 내연 기관의 응답성과 통내 공기량의 예측 정밀도를 양립시키는 것에 있다.

본 발명에 관련된 제어 장치는, 통내 공기량 혹은 통내 공기량에 상관하는 물리량을 제어량으로 하여 스로틀을 조작하는 제어 장치이다. 통내 공기량에 상관하는 물리량에는, 예를 들어 흡기관압이 포함된다. 또, 통내 공기량을 무차원화한 충전 효율도 그러한 물리량 중 하나이다. 본 발명에 관련된 제어 장치는, 이들 물리량을 제어량으로 하여, 그 요구값을 달성하도록 스로틀을 조작한다.

스로틀을 조작하기 위해, 본 발명에 관련된 제어 장치는, 입력된 요구 제어량에 기초하여 스로틀에 출력하는 개도 지령값을 연산한다. 그 때, 지연 수단에 의해, 요구 제어량이 입력되고 나서 개도 지령값이 출력될 때까지의 연산 과정에 지연 시간을 형성한다. 지연 시간을 형성할 수 있는 연산 단계로는, 요구 제어량이 입력되고 나서 개도 지령값의 연산을 개시할 때까지, 개도 지령값의 연산 도중, 개도 지령값이 산출되고 나서 스로틀에 출력될 때까지 등 복수의 단계가 존재한다. 본 발명에 있어서는, 이들 연산 단계 중 어느 단계에 지연 시간을 형성해도 된다. 또, 지연 시간은 고정값이어도 되고, 내연 기관의 운전 상태, 예를 들어 기관 회전수에 따라 바뀌는 변수여도 된다.

또, 본 발명에 관련된 제어 장치는, 소정의 예측 타이밍에 있어서, 장래의 소정의 피예측 타이밍에서 달성되는 실제 제어량을 예측하고, 피예측 타이밍에서의 실제 제어량의 예측값에 기초하여 연료 분사량을 연산한다. 제어량은 통내 공기량 혹은 통내 공기량에 상관하는 물리량이기 때문에, 그 예측값으로부터는, 피예측 타이밍에 있어서의 실제 통내 공기량의 예측값을 얻을 수 있다. 피예측 타이밍은, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍에 일치시키거나 혹은 그 근방으로 설정하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명에 관련된 제어 장치의 하나의 특징이, 피예측 타이밍에서 달성되는 실제 제어량의 예측 수단에 있다. 그 예측 수단은, 다음의 제 1 예측 수단과 제 2 예측 수단을 포함한다.

제 1 예측 수단은, 예측 타이밍보다 지연 시간만큼 장래에 달성되는 실제 제어량을, 요구 제어량에 대한 실제 제어량의 응답 특성을 정의한 계산 모델을 사용하여 예측한다. 이 계산 모델은, 공기의 동적 특성을 수식으로 나타낸 물리 모델이어도 되지만, 단순한 지연 요소 모델로 할 수도 있다. 지연 요소 모델은 고차의 지연 요소를 포함해도 되지만, 보다 연산 부하가 작은 1 차 지연 요소를 사용할 수도 있다. 또, 지연 요소 모델은 허비 시간을 포함하는 모델이어도 된다.

예측 타이밍은 임의이지만, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍보다 진각(進角)측에 설정된 소정의 크랭크 각도의 도달 시점으로 할 수 있다. 이 경우, 피예측 타이밍이 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍이면, 예측 타이밍에서부터 피예측 타이밍까지의 시간은 기관 회전수에 따라 변화하고, 저회전일수록 상기 시간은 길어진다. 이 때문에, 내연 기관의 응답성을 양호하게 하기 위해 지연 시간을 짧게 했을 때에는, 피예측 타이밍이 지연 시간을 넘긴 더욱 이전이 되는 경우가 있다. 이 경우, 피예측 타이밍에서의 실제 제어량의 예측값에 기초한 연료 분사량의 연산을 가능하게 하기 위해서는, 지연 시간을 넘긴 이전까지 실제 제어량의 변화를 예측할 필요가 있다.

제 2 예측 수단은, 예측 타이밍에서부터 피예측 타이밍까지의 시간이 지연 시간을 초과하는 경우에, 지연 시간의 경과 시점에서부터 피예측 타이밍까지 발생하는 실제 제어량의 변화량을 예측하는 수단이다. 지연 시간의 경과 시점까지의 실제 제어량의 변화는, 요구 제어량에 대한 실제 제어량의 응답 특성을 고려함으로써, 입력되는 요구 제어량으로부터 양호한 정밀도로 예측할 수 있다. 그러나, 지연 시간을 초과하는 장래의 실제 제어량의 변화에 관해서는 어떠한 가정이 필요해진다. 그래서, 제 2 예측 수단은, 지연 시간의 경과 시점에서의 실제 제어량의 예측값과 목표값 사이에 차이가 있는 경우에는, 그 차이를 메우도록 실제 제어량이 변화하는 것으로 가정하고, 그 가정에 기초하여 피예측 타이밍에 있어서의 실제 제어량을 예측한다. 지연 시간의 경과 시점에서의 실제 제어량의 목표값이란, 예측 타이밍에 있어서의 요구 제어량이다.

구체적으로는, 제 2 예측 수단은, 제 1 예측 수단에 의해 예측된 실제 제어량을 초기값으로 하고, 예측 타이밍에 있어서의 요구 제어량을 목표값으로 하여, 지연 시간의 경과 시점에서부터 피예측 타이밍까지 발생하는 실제 제어량의 변화량을 예측한다. 그 예측에는 요구 제어량에 대한 실제 제어량의 응답 특성을 정의한 계산 모델을 이용한다. 이 계산 모델로는 지연 요소 모델, 보다 상세하게는 1 차 지연이나 2 차 지연 등의 지연 요소를 사용한 스텝 응답 모델을 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 목표값과 초기값의 편차, 즉 예측 타이밍에 있어서의 요구 제어량과 피예측 타이밍에 있어서의 실제 제어량의 예측값의 편차가 스텝 입력값이 된다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에서 실시되는 스로틀의 지연 제어에 대하여 설명하기 위한 설명도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태에서 실시되는 통내 공기량의 예상 방법을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3 은 본 발명의 실시형태로서의 내연 기관의 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4 는 도 3 에 나타내는 제어 장치에 있어서, 지연 시간 (td) 의 경과 후의 통내 공기 충전 효율 (KL) 의 예측에 사용하는 공기 응답 모델의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5 는 도 3 에 나타내는 제어 장치에 있어서, 지연 시간 (td) 이 경과하고 나서 예상 시간 (tfwd) 이 경과할 때까지의 통내 공기 충전 효율 (KL) 의 변화량의 예측에 사용하는 공기 응답 모델의 일례를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시형태에 대하여 도 1 내지 도 5 의 각 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 본 실시형태에서 실시되는 스로틀의 지연 제어에 대하여 도 1 을 이용하여 설명한다. 도 1 에서는 스로틀을 조작하기 위한 제어량의 변화가 통내 공기량의 변화가 되어 나타날 때까지 실시되는 각 처리를 시계열로 나타냄과 함께, 각 처리 전후에서의 신호의 변화에 대해서도 아울러 나타내고 있다.

본 실시형태에서는, 스로틀을 조작하기 위한 제어량으로서, 통내 공기 충전 효율 (이하, KL 이라고 표기한다) 이 사용된다. 제어 장치는, 그 요구값인 요구 KL 을 취득하여, 요구 KL 을 달성하도록 스로틀을 조작한다. 도 1 에서는, 요구 KL 이 스텝적으로 증대되었을 경우의 각 신호의 변화에 대하여 나타내고 있다. 요구 KL 은, 예를 들어 내연 기관에 출력이 요구되고 있는 토크로부터 계산된다. 또한, 본 실시형태에 관련된 스로틀은 전자 제어식이며, 스로틀 모터에 의해 구동된다.

제어 장치는, 요구 KL 을 소정의 지연 시간만큼 늦춘 것을 목표 KL 로서 설정한다. 목표 KL 은 실제로 내연 기관에 달성시키는 KL 의 목표값이다. 요컨대, 제어 장치는, 요구되고 있는 KL 과 스로틀의 조작에 의해 실제로 달성시키는 KL 사이에 지연 시간만큼의 시간차를 의도적으로 형성한다. 이와 같은 시간차를 형성하는 것이 스로틀의 지연 제어의 특징이며, 형성한 시간차는 후술하는 바와 같이 장래의 KL 의 예측에 사용된다. 시간차인 지연 시간의 설정이 길수록 장래의 KL 의 예측 정밀도는 양호해지는 반면, 내연 기관의 응답성은 저하되게 된다. 본 실시형태에서는, 지연 시간은 고정으로 하고, 연산 주기 (예를 들어, 8 msec) 의 4 주기분을 지연 시간으로서 설정한다.

제어 장치는, 목표 KL 을 스로틀 개도 (이하, TA 라고 표기한다) 로 변환한다. 그 변환에는, 예를 들어 에어 모델의 역모델을 사용할 수 있다. 에어 모델은, 스로틀의 동작에 대한 흡입 공기량의 응답을 유체 역학 등에 기초하여 모델화하고, 그것을 수식으로 나타낸 것이다. 에어 모델의 역모델에 목표 KL 을 입력함으로써, 목표 KL 을 실현시키기 위한 TA 가 산출된다. 제어 장치는, 이렇게 하여 산출한 TA 를 지시 TA 로서 스로틀에 출력한다. 또한, 도 1 에 나타내는 신호로부터는, 목표 KL 의 달성에 필요 충분한 TA 에 대해 지시 TA 를 일단 오버슈트시키고 있는 것이 판독된다. 이것은 KL 의 조속한 변화를 촉진시키기 위한 동작으로서, 이와 같은 동작을 실시함으로써 목표 KL 의 변화에 대한 실(實) KL 의 응답 지연을 어느 정도 보상할 수 있게 된다.

도 1 에는, 지시 TA 에 따라 스로틀을 동작시켰을 때의 실제 TA 의 변화와, 실 TA 의 변화에 의해 달성되는 실 KL 의 변화를 아울러 나타내고 있다. 지시 TA 의 변화에 대해 실 TA 의 변화에는 응답 지연이 있고, 실 TA 의 변화에 대해 실 KL 의 변화에는 더욱 응답 지연이 있다. 따라서, 지시 TA 를 오버슈트적으로 동작시킨 경우라 하더라도, 목표 KL 과 실 KL 사이에 응답 지연이 발생하는 것은 피할 수 없다. 이 경우의 목표 KL 과 실 KL 의 관계는, 공기의 동적 특성을 유체 역학 등의 물리식에 의해 모델화한 공기 응답 모델을 사용하여 나타낼 수 있다. 그러나, 그러한 복잡한 모델을 사용하지 않더라도, 보다 간단한 1 차 지연+허비 시간 모델로 나타낼 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 본 실시형태에서는, 공기의 동적 특성을 1 차 지연+허비 시간 모델로 근사시켜, 이 간이한 공기 응답 모델을 장래의 KL 의 예측에 사용한다.

본 실시형태에서 실시되는 장래 KL 의 예측 방법은, 목표 KL 혹은 요구 KL 로부터 직접 장래 KL 을 예측하는 것에 하나의 특징이 있다. 즉, 종래와 같이, 장래의 스로틀 개도를 예측하고 나서 장래 KL 의 예측값을 산출하는 것과 같은 방법은 채용되지 않는다. 이것은, 스로틀 개도의 예측값으로부터 KL 의 예측값을 산출하는 데에 필요한 연산 공수를 삭감함과 함께, 이하의 설명에 의해 명백해지도록 장래 KL 의 예측 오차를 더욱 저감시킬 수 있도록 하기 위해서이다.

본 실시형태에서 실시되는 장래 KL 의 예측 방법은, 도 2 를 이용하여 설명할 수 있다. 도 2 에는 요구 KL 의 시간 변화와 목표 KL 의 시간 변화를 아울러 나타내고 있다. 전술한 바와 같이, 요구 KL 을 지연 시간 (도면 중에 "td" 로 나타내는 시간) 만큼 지연시킨 것이 목표 KL 이다. 도 2 에 나타내는 각 선 중 굵은 실선으로 나타내는 것이 현재까지 알려져 있는 정보이며, 가는 2 점 쇄선으로 나타내는 것이 현재는 미지인 정보이다.

또, 도 2 중에는, 목표 KL 에 따라 스로틀을 조작했을 때의 실제 KL 의 시간 변화 (목표 KL 에 대한 실 KL 응답) 와, 만일 요구 KL 에 따라 스로틀을 조작했다면 달성되는 실제 KL 의 시간 변화 (요구 KL 에 대한 실 KL 응답) 를 아울러 나타내고 있다. 목표 KL 에 대한 실 KL 응답은, 전술한 간이한 공기 응답 모델 (1 차 지연+허비 시간 모델) 을 사용함으로써, 목표 KL 의 시간 변화로부터 산출할 수 있다. 요구 KL 에 대한 실 KL 응답은, 동일한 공기 응답 모델을 사용함으로써 요구 KL 의 시간 변화로부터 산출할 수 있다.

도 2 에 있어서의 현재는 예측 타이밍으로서, 구체적으로는 연료 분사량의 연산 타이밍이다. 여기에서는, 크랭크 샤프트의 회전 각도가 소정 각도에 도달한 시점에서 연료 분사량이 연산되는 것으로 한다. 그리고, 현재로부터 도면 중에 "tfwd" 로 나타내는 시간이 경과한 시점이 피예측 타이밍으로서, 구체적으로는 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍이다. 연료 분사량의 정확한 계산을 위해서는, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍에서 확정하는 통내 공기량 (여기에서는, KL) 을 예측할 필요가 있다. tfwd 는 연료 분사량의 정확한 계산을 위해 필요한 KL 의 예상 시간이다.

도 2 에서는 설정한 지연 시간 (td) 이 필요한 예상 시간 (tfwd) 보다 짧은 경우를 나타내고 있다. 연료 분사량의 연산 타이밍도 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍도 크랭크 각도에 관련지어져 있기 때문에, 예상 시간 (tfwd) 은 기관 회전수에 따라 변화한다. 이 때문에, 저회전역에서는, 도 2 에 나타내는 바와 같이 지연 시간 (td) 이 필요한 예상 시간 (tfwd) 보다 짧아지는 상황이 발생한다. 이 경우, 이미 알려진 정보는 현재부터 지연 시간 (td) 의 경과 후까지이기 때문에, 지연 시간 (td) 의 경과 후부터 추가로 예상 시간 (tfwd) 이 경과할 때까지의 실 KL 의 변화를 예측하는 것이 필요해진다.

지연 시간 (td) 을 초과하는 장래의 실제 KL 의 변화를 예측하기 위해서는, 어떠한 가정이 필요해진다. 본 실시형태에서는, 지연 시간 (td) 의 경과 시점에서의 목표 KL 의 값 (현재의 요구 KL 의 값과 동일하다) 이 지연 시간 (td) 의 경과 후에도 그대로 목표값으로서 사용되며, 그에 따라 스로틀이 조작되는 것으로 가정한다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 실제로는 목표 KL 은 더욱 변화할 가능성은 있지만, 지연 시간 (td) 의 경과 시점에서의 목표 KL 에 예측을 고정시킴으로써, 평균적으로는 목표 KL 의 예측값과 실제값의 차이를 최소한으로 억제할 수 있다.

상기 서술한 가정에 의하면, 지연 시간 (td) 의 경과 시점에서의 실제 KL 의 예측값과 목표값 사이에 차이가 있는 경우에는, 그 차이를 메우도록 실제 KL 은 변화하게 된다. 그래서, 본 실시형태에서는, 지연 시간 (td) 의 경과 시점에서의 실제 KL 의 예측값 (td 후의 예측 KL) 을 초기값으로 하고, 예측 타이밍인 현재의 요구 KL (td 후의 목표 KL) 을 목표값으로 하여, 지연 시간 (td) 의 경과 시점부터 예상 시간 (tfwd) 이 경과할 때까지 발생하는 실 KL 의 변화량을 예측한다. 그 예측에는 공기 응답 모델을 사용할 수 있다. 단, 여기에서 사용하는 공기 응답 모델은, 1 차 지연 요소와 허비 시간을 포함하는 스텝 응답 모델이다. 그 때, 시상수나 허비 시간에는, 전술한 1 차 지연+허비 시간 모델의 것을 유용할 수 있다. 이 스텝 응답 모델에, td 후의 목표 KL 과 예측 KL 의 편차를 스텝적으로 입력함으로써, 지연 시간 (td) 의 경과 시점부터 예상 시간 (tfwd) 이 경과할 때까지 발생하는 실 KL 의 변화량의 예측값이 산출된다.

도 2 중에 파선으로 나타내는 KL 의 시간 변화는, 상기 서술한 방법으로 예측된 장래의 실 KL 의 변화를 예시한 것이다. 도 2 로부터도 알 수 있는 바와 같이, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍에 있어서의 실 KL 의 예측값 (tfwd 후의 예상 KL) 과 실 KL 의 실제값 (예상 목표) 이 반드시 일치하지는 않을 가능성이 있다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이, 지연 시간 (td) 의 경과 시점에서의 목표 KL 을 목표값으로 하고, 공기의 응답성을 고려하여 실 KL 의 변화를 예측하고 있기 때문에, 예측 결과가 크게 벗어나 버리는 것은 피할 수 있다. 또, 지연 시간 (td) 의 경과 시점에서의 목표 KL 에 수속된다는 전제에서 실 KL 의 변화를 예측하고 있기 때문에, 실 KL 의 예측값이 오버슈트해 버리는 것도 피할 수 있다.

다음으로, 상기 서술한 장래 KL 의 예측 방법을 실시하기 위한 제어 장치의 구성에 대하여 설명한다. 도 3 은 본 실시형태의 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 이하, 도 3 을 이용하여 본 실시형태의 제어 장치의 구성에 대하여 설명한다.

제어 장치 (6) 는, 스로틀 (2) 의 조작에 관계하는 계산 요소로서, 지연 회로 (8) 와 에어 역모델 (10) 을 구비하고 있다. 요구 KL 을 지연 회로 (8) 에 의해 지연 처리한 신호가 목표 KL 이 된다. 그리고, 목표 KL 을 에어 역모델 (10) 에 의해 변환한 신호가 지시 TA 로서 스로틀 (2) 에 출력된다.

한편, 연료 분사 장치 (4) 의 조작에 관계하는 계산 요소로는, 제어 장치 (6) 는 공기 응답 모델 (12), 공기 응답 모델 (14) 및 연산 회로 (16) 를 구비하고 있다. 전술한 바와 같이, 장래 KL 의 예측에 공기 응답 모델을 사용하는 것은 본 실시형태의 특징의 하나이기도 하다. 도 4 는 제어 장치 (6) 에서 사용하는 공기 응답 모델 (12) 의 구성의 구체예를 나타내는 도면이고, 도 5 는 공기 응답 모델 (14) 의 구성의 구체예를 나타내는 도면이다.

제어 장치 (6) 는, 취득한 요구 KL 을 공기 응답 모델 (12) 에 의해 처리하여, 처리 전의 요구 KL 과 처리 후의 요구 KL 의 편차를 산출한다. 요구 KL 은, 지연 시간 (td) 이 경과한 시점에서의 목표 KL 이기도 하다. 도 4 에 나타내는 바와 같이, 공기 응답 모델 (12) 은, 시상수 (T) 와 허비 시간 (L) 으로 정의되는 1 차 지연+허비 시간 모델이다. 시상수 (T) 및 허비 시간 (L) 은 각각 실험 데이터로부터의 적합에 의해 결정할 수 있다. 이와 같은 구성의 공기 응답 모델 (12) 에 의해 현재의 요구 KL (즉, td 후의 목표 KL) 을 처리함으로써, 지연 시간 (td) 이 경과한 시점에서의 실제 KL 의 예측값 (td 후의 예측 KL) 이 산출된다. 따라서, 전술한 편차는, 지연 시간 (td) 의 경과 후의 목표 KL 과 예측 KL 의 편차를 의미한다.

제어 장치 (6) 는, 다음으로, 지연 시간 (td) 의 경과 후의 목표 KL 과 예측 KL 의 편차를 공기 응답 모델 (14) 에 의해 처리하고, 처리 후의 신호를 지연 시간 (td) 의 경과 후의 예측 KL 에 가산한다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 공기 응답 모델 (14) 은 스텝 응답 모델로서, "1-e^-u" 에 의해 정의되는 공기 응답 계수를 계산하고, 이 공기 응답 계수를 스텝 입력값에 곱하여 얻어지는 신호를 출력한다. 여기에서 사용되는 스텝 입력값은, 연료 분사량의 연산 타이밍으로부터 지연 시간 (td) 의 경과 시점에서의 목표 KL 과 예측 KL 의 편차이다. 공기 응답 계수에 관련된 u 의 값은, 도 5 중에 나타내는 바와 같이, 지연 시간 (td) 의 경과 시점부터 예상 시간 (tfwd) 의 경과 시점까지의 소요 시간을 허비 시간 (L) 으로 보정한 예측 시간 (tfwd-L-td) 과 시상수 (T) 의 비이다. 시상수 (T) 및 허비 시간 (L) 은, 각각 실험 데이터로부터의 적합에 의해 결정할 수 있다. 이와 같은 구성의 공기 응답 모델 (14) 에 의해 전술한 편차를 처리함으로서, 지연 시간 (td) 의 경과 시점부터 예상 시간 (tfwd) 이 경과할 때까지 발생하는 실 KL 의 변화량의 예측값 (td 후부터 tfwd 후까지의 예측 KL 변화량) 이 산출된다. 따라서, 공기 응답 모델 (14) 에 의한 처리 후의 신호를 지연 시간 (td) 의 경과 후의 예측 KL 에 가산하여 얻어지는 신호는, 예상 시간 (tfwd) 의 경과 시점에서의 예측 KL, 즉 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍에 있어서의 실 KL 의 예측값을 의미한다.

제어 장치 (6) 는, 예측한 장래 KL, 즉 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍에 있어서의 예측 KL 을 연산 회로 (16) 로 처리하여, 원하는 공연비를 실현시키기 위한 연료 분사량을 산출한다. 그리고, 연산 회로 (16) 에 의해 산출된 연료 분사량이 지시 연료 분사량으로서 연료 분사 장치 (4) 에 출력된다.

또한, 앞서도 서술한 바와 같이, 도 3 에 나타내는 제어 장치 (6) 의 구성은, 예상 시간 (tfwd) 이 지연 시간 (td) 을 초과하는 경우의 장래 KL 의 예측 방법을 실현시키기 위한 구성이다. 예상 시간 (tfwd) 이 지연 시간 (td) 보다 짧은 경우에는, 공기 응답 모델 (12) 만을 사용하여 장래 KL 을 예측할 수 있다. 요컨대, 현재 (연료 분사량의 연산 타이밍) 를 기준으로 하여 지연 시간 (td) 과 예상 시간 (tfwd) 의 차분 (td-tfwd) 만큼 과거의 시점에 있어서의 요구 KL 을 공기 응답 모델 (12) 로 처리한 신호가, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍에 있어서의 실 KL 의 예측값이 된다. 또한, 예상 시간 (tfwd) 이 지연 시간 (td) 을 초과하는지 여부는, 기관 회전수가 소정 회전수보다 낮은지 여부로 판단할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 이하와 같이 변형하여 실시해도 된다.

상기 서술한 실시형태에서는 KL, 즉 통내 공기의 충전 효율을 제어량으로 하여 스로틀을 조작하고 있는데, 통내 공기량 그 자체나 그것에 관계하는 물리량인 흡기관압을 제어량으로서 사용해도 된다.

지연 처리에 관련된 지연 시간 (td) 은 일정값이 아니어도 된다. 예를 들어, 기관 회전수에 따라 지연 시간 (td) 의 길이를 변화시켜도 된다. 또, 제어 장치 (6) 내의 신호 전달 경로 상에 있어서의 지연 회로 (8) 의 위치는 에어 역모델 (10) 의 상류측에는 한정되지 않는다. 에어 역모델 (10) 의 하류에 지연 회로 (8) 를 위치시켜도 되고, 에어 역모델 (10) 의 내부에 지연 회로 (8) 를 위치시켜도 된다. 요컨대, 요구 KL 이 입력되고 나서 지시 TA 가 출력될 때까지의 연산 과정 어딘가에 지연 시간 (td) 이 형성되어 있으면 된다.

또, 상기 서술한 실시형태에서는 예측 타이밍인 연료 분사량의 연산 타이밍을 크랭크 각도에 관련짓고 있는데, 임의의 타이밍으로 설정할 수도 있다.

또, 공기 응답 모델 (12) 은 허비 시간을 고려하지 않고 1 차 지연 요소만의 모델로 해도 되고, 2 차 지연 모델이나 2 차 지연+허비 시간 모델로 해도 된다. 나아가서는, 보다 엄밀한 물리식을 사용한 모델로 해도 된다. 각 공기 응답 모델 (12, 14) 에 의한 계산에서 지수 함수 등의 함수에 의한 연산의 실장이 곤란한 경우에는, 맵을 사용한 연산으로 대용할 수도 있다.

6 : 제어 장치
12 : 공기 응답 모델
14 : 공기 응답 모델
td : 지연 시간
tfwd : 예상 시간

Claims

통내 공기량 혹은 통내 공기량에 상관하는 물리량을 제어량으로 하여 스로틀을 조작하는 내연 기관의 제어 장치로서,
입력된 요구 제어량에 기초하여 스로틀에 출력하는 개도 지령값을 연산하는 개도 지령값 연산 수단과,
상기 요구 제어량이 입력되고 나서 상기 개도 지령값이 출력될 때까지의 연산 과정에 지연 시간을 형성하는 지연 수단과,
소정의 예측 타이밍에 있어서, 장래의 소정의 피예측 타이밍에 도달되는 실제 제어량을 예측하는 예측 수단과,
상기 예측 수단에 의한 상기 피예측 타이밍에서의 실제 제어량의 예측값에 기초하여 연료 분사량을 연산하는 연료 분사량 연산 수단을 구비하고,
상기 예측 수단은,
상기 예측 타이밍보다 상기 지연 시간만큼 장래에 달성되는 실제 제어량을, 요구 제어량에 대한 실제 제어량의 응답 특성을 정의한 계산 모델을 사용하여 예측하는 제 1 예측 수단과,
상기 예측 타이밍에서부터 상기 피예측 타이밍까지의 시간이 상기 지연 시간을 초과하는 경우에, 상기 지연 시간의 경과 시점에서부터 상기 피예측 타이밍까지 발생하는 실제 제어량의 변화량을, 상기 제 1 예측 수단에 의해 예측된 실제 제어량을 초기값으로 하고, 상기 예측 타이밍에 있어서의 요구 제어량을 목표값으로 하여, 요구 제어량에 대한 실제 제어량의 응답 특성을 정의한 계산 모델을 사용하여 예측하는 제 2 예측 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 예측 수단에서 사용되는 계산 모델은, 지연 요소 모델인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 예측 수단에서 사용되는 계산 모델은, 지연 요소 모델인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피예측 타이밍은, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 예측 타이밍은, 흡기 밸브의 폐쇄 타이밍보다 진각측에 설정된 소정의 크랭크 각도의 도달 시점이고,
상기 예측 수단은, 상기 예측 타이밍에서부터 상기 피예측 타이밍까지의 시간이 상기 지연 시간을 초과하는지 여부를 기관 회전수로부터 판단하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어량은 통내 공기의 충전 효율인 것을 특징으로 하는 내연 기관의 제어 장치.