WO1990008889A1

WO1990008889A1 - Output controller of internal combustion engine

Info

Publication number: WO1990008889A1
Application number: PCT/JP1990/000063
Authority: WO
Inventors: Kazuhide Togai; Yoshiaki Danno; Masato Yoshida; Makoto Shimada; Karsunori Ueda
Original assignee: Mitsubishi Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1990-01-19
Publication date: 1990-08-09
Also published as: DE69007902T2; EP0413031A4; DE69007902D1; EP0413031A1; US5069181A; EP0413031B1; KR900011977A; KR930007606B1

Description

明細書

内燃機関の出力制御装置

技術分野

この発明は、内燃機関に於いて、例えばスロットル弁の開度を調整することにより、内燃機関の出力を制御するための装置に関する。

背景技術

例えば、自動車に搭載されている内燃機関に関し、このエンジンのスロットル弁は、アクセルペダルに機械的に連結されており、これにより、アクセルペダルの踏み込み量、つまり、その踏み込みストロークに応じて駆動されるようになつている。従って、この種のエンジンでは、ドライバがアクセルペダルを介して、スロットル弁の開度を調整することにより、エンジンの出力、即ち、自動車の駆動軸に伝達すべきトルクを制御することができる。

ところで、最近、自動車用のエンジンに於いては、従来のようにァクセルペダルとス口ットル弁とを機械的に連結するのではなく、これらアクセルペダルとスロットル弁とを電気的に接続することにより、スロットル弁の開度を調整し、そして、エンジンの出力を制御しようとする試みがなされている。このような試みでは、先ず、ァクセルペダルが踏み込まれると、この踏み込みスト口ークはセンサにより検出され、このセンサからの信号に基づきエンジンの目標出力、即ち、自動車に於ける駆動軸の目標トルクが決定されるようになっている。一方、スロットル弁の弁軸には、電動モータが連結されており、この電動モータは、スロットル弁の開度が上述した目標トルクに対応した開度となるように、スロットル弁を駆動することになる。

上述したようにして、エンジンの出力を電気的に制御する場合にあっては、アクセルペダルの踏み込みスト口 —クにより駆動軸の目標トルクが一義的に決定されるので、この目標トルクに対し、駆動軸の実トルクが直ちに追従して変化されるのが好ましい。しかしながら、ァセルペダルに於ける踏み込みストロークが実際に変化されてから、即ち、駆動軸の目標トルクが変化されてから、この変化に応じて、駆動軸の実トルクが目標トルクに達するまでには必ず遅れが生じる。ここで、この遅れについて考えてみると、この遅れには、空気がスロットル弁を通過した時点から、この空気がサージタンクを介してエンジンのシリンダ室に吸入される吸気行程、そして、シリンダ室内での混合気の圧縮行程及び爆発行程を経るまでの遅れが含まれ、そして、自動車がオート卜ランスミツションを備えた自動車である場合には、エンジンの出力軸から駆動軸までの力の伝達経路でみて、この伝達経路中にあるトルクコンバー夕のトルク比に起因したパヮ一の伝達遅れがある。上述したようにスロットル弁の開度が変化されてから、この変化が上述したパワーの発生過程及び伝達過程を経て、駆動軸の実際のトルクの変化として現れるのに遅れが生じると、アクセルペダルの踏み込みストローク、つまり、スロットル弁の開度に応じて、自動車の走行を良好に制御することができない。

この発明は、上述した事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、自動車に於ける駆動軸の目標トルクが決定されてから、駆動軸の実際のトルクが目標トルクに達する迄の応答時間を短縮して、自動車の走行を良好になすことができる内燃機関の出力制御装置を提供することにある。

発明の開示

この発明の内燃機関の出力制御装置は、エンジンの出力を操作量に応じて可変するための調整手段と、自動車に於ける駆動軸の目標トルクを決定するための手段と、駆動軸の実トルクを検出するための手段と、これら手段により得られた目標トルクと実トルクとの間の偏差を求めるための手段と、エンジンを含む自動車の全体が定常運転状態にあると仮定して、目標トルクを駆動軸に与えるのに要するエンジンの定常出力トルクを求めるための手段と、エンジンに定常出力トルクを発生させるように、調整手段の基準操作量を求めるための手段と、前記偏差に基づくフィ一ドバック量により、基準操作量を補正して調整手段の目標操作量を求める手段と、目標操作量に調整手段の実操作量を一致させるベく調整する手段とを備えている。

上述した内燃機の出力制御装置によれば、駆動軸の目標トルクに基づいて、エンジンの定常出力トルクが求められるとともに、ェンジンが定常出力トルクを発生するのに要する調整手段の基準操作量が求められる。そして、この基準操作量は、目標トルクと実トルクとの間の偏差に基づくフィ一ドバック量で捕正されて、調整手段の目標操作量が求められることになる。このようにして調整手段の目標操作量がエンジンの定常出力トルク及び上記偏差に基づいて決定されると、パワーの発生過程及び伝達過程での遅れを解消することでき、しかも、駆動軸での目標トルクに対し、その実トルクを高精度に制御することができる。

図面の簡単な説明

第 1図は、この発明に係わる出力制御装置をプロック図で示すとともに、この出力制御装置が適用される自動車の一部を概略的に示す図、第 2図は、駆動軸に於ける目標トルクの決定条件を示す図、第 3図は、駆動軸に於ける実トルクを算出するのに使用されるトルクコンバ一夕の特性図、第 4図は、吸気量とエンジンの出力トルクとの関係を示す図、第 5図は、第 1図に於ける吸気量制御セクションの詳細を示す図、第 6図は、吸気量とスロットル開度との関係を示す図、第 7図は、この発明の第 1実施例の出力制御装置の作動を説明するためのフローチャート、第 8図は、第 1実施例に於いて、駆動軸のトルクを制御した結果を示す図、第 9図は、アクセルぺダルとス口ットル弁とが機械的に連結されている自動車に於いて、駆動軸のトルクを制御した結果を示す図、第 10 図は、第 2実施例に於いて適用される数学モデルを示したプロック線図、第 1 1図は、第 2実施例に於いて、フィ一ドバック制御系の伝達関数及び自動車の伝達関数と規範応答システムとの関係を示す図、第 1 2図は、規範応答システムの一例を示す図、第 1 3図及び第 1 4図は、第 2実施例に於いて、ゲインを算出を説明するための図、第 1 5図は、第 2実施例の作動を説明するためのフローナヤ一卜でめる。

発明を実施するための最良の形態

第 1図を参照すると、自動車に適用された内燃機関の出力制御装置がブロック線図で示されている。この出力制御装置ついて説明する前に、上記内燃機関、及び、この内燃機関から自動車の駆動軸までの動力伝達経路に関して簡単に説明する。

内燃機関、即ち、ガソリンエンジン 1は、第 1図中 2 点鎖線のブロックで示されており、このエンジン 1の燃焼室 2は、図示しない吸気弁を介して吸気通路 3に接続されている。この吸気通路 3のエンジン 1から遠く離れた端部には、エアクリーナ 4が配置されており、このェァクリーナ 4は、フィルタ要素 5と、カルマン渦式のェアフロ一センサ 6 とを備えている。ェアフロ一センサ 6 は、フィルタ要素 5を通じて吸い込まれる空気の量、つまり、吸気量を検出し、この吸気量に対応した信号を出力する。このエアフローセンサ 6からの信号は、図示しない燃料噴射装置の作動を制御するための電子制御ュニット 1 7に供給され、そして、この電子制御ュニット 17 では、エンジン 1が吸気行程、圧縮行程、爆発行程及び排気行程の 1サイクルを実施する際、この 1サイクル当たりの実吸気量 A Z N rを計算し、そして、この実吸気量 A Z N rに基づき、エンジン 1 に供給されるべき撚料の量を求めるようになつている。そして、撚料噴射装置は、電子制御ュニット 1 7に於いて決定された燃料の量を、エンジン 1の撚焼室 2に所定のタイミングで噴射すしにな O ₀

吸気通路 3に於いて、エンジン 1に近接した部位は、サージタンク 7として形成されており、そして、このサ —ジタンク 7とエアクリーナ 4との間の吸気通路 3内には、スロットル弁 8が配置されている。このスロットル弁 8は、吸気通路 3内を流れる空気の量を調整するため- 吸気通路 3を殆ど閉じる全閉位置から全開位置まで円滑に回動自在となっている。

スロットル弁 8の弁軸は、吸気通路 3の外側に突出しそして、この突出端には、直流モータ 9の出力軸に連結されている。従って、スロットル弁 8の回動、即ち、ス口ットル弁 8の開度は、直流モータ 9により制御することができる。

また、スロットル弁 8 に於ける弁軸の突出端には、スロットル開度センサ 1 0が取付けられている。このスロットル開度センサ 1 0 は、ポテンショメータからなり、スロットル弁 8の実開度 0 r を電圧信号として出力する一方、エンジン 1のピストンにコネクティングロッドを介して連結されたクランク軸、即ち、エンジン 1 の出力軸 1 1 には、トルクコンバー夕 1 2のポンプが連結されており、このトルクコンバータ 1 2のタービンは、連結軸 1 3を介してトランスミッション 1 4に連結されている。そして、このトランスミッション 1 4は、駆動軸 1 5.に連結されており、この駆動軸 1 5には、駆動輪 16 が取付けられている。ここで、上述したトルクコンバ一タ 1 2、連結軸 1 3及びトランスミッション 1 4 は、ォ一トマチックトランスミツションを構成しているものでめる。

次に、上述したエンジン 1 に適用される出力制御装置について説明する。

この出力制御装置は、第 1図に示されているように、自動車のアクセルペダル 2 1の踏み込み量、つまり、その踏み込みストロ一クを検出するアクセルポジションセンサ 2 2を備えている。このアクセルポジションセンサ 2 2は、ァクセルペダル 2 1 の踏み込みストロークに対応した信号 A pを目標トルクの決定セクシヨン 2 2 に供給する。また、この決定セクシヨン 2 2には、車速センサ 1 8にて検出した車速信号 Vもまた供給される。ここで、車速センサ 1 8は、詳細には図示しないけれども、駆動軸 1 5の回転数から車速 Vを算出する。

決定セクシヨン 2 2では、上述した信号 A pと車速信号 Vつまり車速 Vとに基づき、第 2図に示されているグラフから駆動軸 1 5の目標トルク T wtを決定する。ここで、第 2図中の各特性線に与えられたパーセンテージは、ァクセルペダル 2 0の全ストロークに対する踏み込みストロークの割合を示している。従って、第 2図から明らかなように、車速 Vが低速領域にあるとき、この車速 V に拘らず、目標トルク T wtは、信号 A pの値のみによつて決定されることになる。このことは、車速 Vが発進時等の低速領域にあるときからァクセルペダル 2 0が更に踏み込まれたとき、自動車の加速感が得られるように、駆動軸 1 5の目標トルク T wtをアクセルペダル 2 0の踏み込みのみに応じて設定することを意味している。一方— 車速 Vが所定値以上にあるとき、目標トルク T wtは、ァクセルペダル 2 0の踏み込み量が同じであっても、車速 Vの增加に伴つて減少する値をとるようになっている。このことは、車速 Vが所定値以上であるときには、ァクセルペダル 2 0が更に踏み込まれても、車速 Vを維持するように、駆動軸 1 5の目標トルク T wtが決定されることを意味している。

目標トルクの決定セクシヨン 2 2で決定された駆動軸 1 5の目標トルク T wtは、減算点 2 3に供給される一方、目標吸気量を算出する算出セクシヨン 3 0に供給される。一方、上述した減算点 2 3には、実トルクの算出セクシヨン 2 4にて算出された駆動軸 1 5の実卜ルク T wmが供給されるが、この実施例の場合、実トルク T wmは、以下のようにして算出される。即ち、算出セクション 2 4 には、回転数センサ 1 9にて検出したエンジン 1 の回転数 N eが供給されるようになっており、算出セクション 2 4では、回転数 N eと、トルクコンバータ 1 2のトルク容量の係数 C及びトルク比てとから、次式に基づいて、駆動軸 1 5の実トルク T龍が算出される。

T龍 = て（ e ) X C ( e ) x N e ²

ここで、 eは、エンジン 1 の出力軸 1 1 とトルクコンバ一タ 1 2に於けるタービンとの間の回転数の比を表しており、この比 eの値から、上述した係数 C及びトルク比てを第 3図に基づいて夫々得ることができ、この結果、上式から実トルク T wmを算出することができる。

尚、駆動軸 1 5の実トルク T wmは、必ずしも計算により求められなければならないものではなく、駆動軸 1 5 にトルクメータを取付けることにより、このトルクメ一タにて、駆動軸 1 5の実トルク Twmを直接に検出して求めることも可能である。

実トルクの算出セクシヨン 2 4にて算出された実トルク Twmは、前述したように減算点 2 3に供給され、この減算点 2 3では、目標トルク Twtから実トルク Twmが減算されることにより、これらトルク Twtと Twmとの間の偏差 Δ Τ\ν が求められることになる。

上述した目標吸気量の算出セクシヨン 3 0について詳述すると、この算出セクシヨン 3 0 は、更に 3つのセクシヨン 3 1， 3 2， 3 3に分けて考えることができる。先ず、定常出力トルクの算出セクション 3 1では、目標トルクの決定セクシヨン 2 2にて求められている駆動軸 1 5の目標トルク Twtを受け取り、そして、エンジン 1 が定常運転状態にあると仮定した場合の目標トルク Twt に対するエンジン 1の定常出力トルク Teoが次式に基づいて算出される。

Teo= Twt/ ( iO xて）

ここで、 /0は、トランスミッション 1 4のギア比を示している。

このようにして定常出力トルクの算出セクション 3 1 にて算出された定常出力トルク Teoは次に、定常吸気量の算出セクション 3 2に供給され、この算出セクション 3 2では、定常出力トルク Teoに対応する定常吸気量 A XNo が求められる。ここで、エンジン 1が定常運転伏態にあるときの吸気量 A/ Nに対するェンジン 1の出力トルク T eは、第 4図に示されているように予め求められており、従って、算出セクション 3 1にて定常出力トルク Teoが求められると、次の算出セクション 3 2に於いて、第 4図から定常出力トルク Teoに対応する定常吸気量 AZN oを求めることができる。尚、第 4図に於ける吸気量 A /Nとェンジン 1の出力トルク Tとの関係を関数として予め求めておけば、この関数から定常吸気量 AXNo を算出することもできる。

そして、調整セクシヨン 3 3は、減算点 2 3にて得られた偏差 ΔΤνν を受け取り、そして、この偏差 ΔΤνν からフィ一ドバック制御に於ける操作量 ΔΑΖΝが求められる。調整セクション 3 3に於いて操作量 Δ ΑΖΝを求めるには、 P I D動作、 Ρ Ι動作、 P D操作のいずれを利用してもよい。

そして、定常吸気量の算出セクション 3 2及び調整セクシヨン 3 3で求められた定常吸気量 ΑΖΝο 及び操作量厶 ΑΖΝの夫々は、加算点 3 4に供給され、この加算点 3 4に於いて加算されて、目標吸気量 AZNt が算出される。ここで、上述の説明から明らかなように、目標吸気量 AZNt は、目標トルク Twtから決定される定常吸気量 AZN oに、目標トルク Twtと実トルク T籠との間の偏差 ΔΤ\ に基づく補正量、即ち、操作量 ΔΑΖΝ を考慮して求められるものである。上述したようにして求められた目標吸気量 AZNt は、次に、吸気量の制御セクシヨン 4 0、即ち、第 5図に詳図されているように、制御セクシヨン 4 0内の目標スロットル開度の算出セクション 4 1に供給される。また、この算出セクシヨン 4 1には、前述したエンジン 1の回転数センサ 1 9からのエンジン回転数 N eが供給される。そして、算出セクシヨン 4 1では、エンジン回転数 N e と目標吸気量 AZNt とに基づき、第 6図からスロットル開度 0t が求められる。ここで、第 6図に示された目標吸気量 AZNt とエンジン回転数 N eとの関係を表す特性線は、エンジン回転数 N eが大きくなる程、第 6図中矢印で示した側に位置した特性線となる。

一方、目標吸気量 AZNt は、算出セクシヨン 4 1の他に減算点 4 2にも供給され、また、この減算点 4 2には、前述した電子制御ュニット I 7で求めた実吸気量 A /Nr が供給されるようになっている。減算点 4 2では、目標吸気量 AZNt から実吸気量 AZNr を減算して得られる偏差、即ち、目標吸気量 A/Nt と実吸気量 AZ Nr との間の偏差が求められ、この偏差は、 Ρ Ι動作に基づく調節セクシヨン 4 3を通過することにより、フィ一ドバック制御に於ける操作量 Δ となる。この操作量厶 0及び算出セクシヨン 4 1で得られたスロットル開度 Θ t は、加算点 4 4に於いて加算されることにより、最終的な目標スロットル開度 01 が算出されることになる。このようにして算出された目標スロットル開度 01 は、次に、直流モータ 9の駆動セクシヨン 2 5 に供給される一方、この駆動セクシヨン 2 5には、前述したスロットル開度センサ 1 0からの実開度 > r をも供給されている, 駆動セクシヨン 2 5では目標スロットル開度 1 と実開度 6> r とを比較し、そして、これらの差が 0 となるように直流モータ 9の作動を制御する。

次に、第 7図のフローチャートを参照しながら、上述した第 1実施例の出力制御装置の作動を纏めて説明する ( アクセルペダル 2 0が踏み込まれると、このアクセルペダル 2 0の踏み込みス卜ロークは、アクセルポジションセンサ 2 1 により検出される。そして、ステップ S 1 では、アクセルポジションセンサ 2 1からの信号と車速 Vとから第 2図に基づき、駆動軸 1 5の目標トルク Twt が決定される。

次のステップ S 2では、目標トルク Twtから定常出力トルク Teoが算出され、そして、ステップ S 3では、第 4図のマップから定常出力トルク Teoに基づき、定常吸気量 A_ NQ が求められる。

一方、上述したステップ S 1が実施されると同時に、ステップ S 4 もまた実施され、このステップ S 4では、エンジン回転数 N e、実吸気量 AZNr 、車速 Vが夫々検出され、そして、これらの検出されたデータから、ステツプ S 5に於いて、駆動軸 1 5の実トルク Τ龍が算出される。

そして、次のステップ S 6では、ステップ S 1で既に求められている目標トルク Twtと実トルク Twmとの間の偏差 ATw が求められ、そして、ステプ S 7に於いては、偏差 Δ Τν に基づき、目標吸気量 AZNt をフィ一ドバック制御するための操作量 ΔΑΖΝが算出されることになる。従って、ステップ S 3及び S 7の後段に位置するステップ S 8に於いては、定常吸気量 AZNo を捕正して求めた目標吸気量 AZNt 、つまり、定常吸気量 A/No に操作量 ΔΑΖΝを加算することにより、目標吸気量 AZNt が算出して求められる。

そして、最後のステップ S 9に於いては、目標吸気量 AZNt が実吸気量 AZNr と一致するように、スロットル弁 8の開度が制御されることになるが、実際には、前述したように目標吸気量 AZNt に対応する目標スロットル開度 01 にスロットル弁 8の実開度 Θ r がー致するように、直流モータ 9の作動が制御されることになる。以上説明した第 1実施例の出力制御装置によれば、先ず、駆動軸 1 5の目標トルク Twtに対応した定常吸気量 A/No を求め、この定常吸気量 AZNo を目標トルク Twtと実トルク Twmとの間の偏差 ATw に基づく補正量、即ち、フィードバック制御の操作量 ΔΑ/Νで補正して- 目標吸気量 AZNo を算出するようにしたから、前述したようなパワーの発生及び伝達過程に於ける応答の遅れを解消することができる。

即ち、この発明によれば、目標トルク Twtが決定されると、この目標トルク Twtから、トラスミッション 1 4 のギア比 (0及びトルクコンバータ 1 2のトルク比てを考慮した上で、定常出力トルク Teo、即ち、定常吸気量 A ZNo が算出されるので、この定常吸気量 AZNo を基準として、実吸気量 AZNr が制御されると、エンジン 1 自体の出力トノレクは、直ちに、駆動軸 1 5に於ける目標トルク Twtの近傍の値をとることになる。この結果、パワーの発生及び伝達過程でみたとき、アクセルペダル

2 0の踏み込みにより目標トルク Twtが決定されてからと、この目標トルク Twtに対して駆動軸 1 5の実トルク Twmが達するまでの時間を大幅に短縮することができ、このエンジン 1に於ける出力トルクの応答性を向上することができる。

一方、上述した定常吸気量 AZNo は目標トルク Twt と実トルク Twmとの間の偏差 ΔΤ\ に基づいて決定される操作量 Δ ΑΖΝを加算して、目標吸気量 AZNt を求め、しかも、この目標吸気量 AZNt を求めるに当たり、上記実トルク Twmは、トルクコンバ一タ 1 2に於けるトルク容量の係数 C及びそのトルク比てを考慮して算出されているから、上記目標吸気量 AZNt に基づいて、実吸気量 AZNr が制御されることにより、エンジン 1から駆動軸 1 5までの経路に於けるパワーの伝達遅れを解消して、駆動軸 1 5の実トルク T龍を目標トルク T wtに高精度に制御できることになる。

第 8図を参照すれば、実際に自動車を走行させて、駆動軸 1 5の実トルク T o を測定して得た結果が示されている。この第 8図から明らかなように、目標トノレク T wt が決定されると、実トルク T o は、エンジン 1の出力トルク T e 及びエンジン回転数 N eが共に変化しながら、目標トルク T wtに速やかに達して、この目標トルク T wt に維持されることが分かる。

また、第 9図を参照すると、アクセルペダル 2 0とス口ットル弁 8とが機械的に連結されている自動車の例が参考として示されている。この第 9図の場合、アクセルペダル 2 0での踏み込みストロークが一定に維持されることにより、エンジン回転数 N e及びエンジン 1の出力トルク T e は共に安定しているが、しかしながら、駆動軸 1 5の実トルク T o は、時間の経過ととも減少されている。これは、エンジン 1から駆動軸 1 5までのパワー伝達経路に於いて、トルクコンバータ 1 2のトルク比等が非線形に変化することによるものと考えられる。このことから、この発明の出力制御装置の場合には、駆動軸 1 5の実トルク T o が目標トルク T wtに維持される際、エンジン回転数 N e及びエンジン 1の出力トルク T e は- パワー伝達経路中での非線形要素による悪影響を打ち消すように変化されると考えることができる。尚、第 8図及び第 9図中、符号 Fは、車体速度を示している。

この発明は、上述した第 1実施例に制約されるものではなく、以下に、第 2実施例について説明する。ここで、第 2実施例の出力制御装置は、第 1実施例の出力制御装置と基本的な構成は同じであるから、第 2実施例についても第 1図を参照して説明する。

第 2実施例の場合、第 1図から明らかなように、パラメータの算出セクション 5 0及びゲインの算出セクション 6 0が付加されている。

ここで、算出セクション 5 0， 6 0について概略的に説明すると、算出セクション 5 0には、自動車に於けるパワーの発生及び伝達過程を、エンジン 1が定常運転状態からずれた運転状態にあるとして、このエンジン 1 の運転状態を線形的に表す数学モデルが記憶されており、それ故、算出セクシヨン 5 0では、この数学モデルに於ける各パラメータが、算出セクション 5 0に供給される実吸気量 A Z N r 、エンジン回転数 N e及び車速 Vから逆算して求められる。算出セクション 5 0で求められた数学モデルのパラメータは、ゲインの算出セクション 60 に供給され、この算出セクシヨン 6 0では、調整セクシヨン 3 3を主体としたフィードバック制御回路を含む自動車の全体を 1つのシステムとして考えたとき、このシステムでのエンジン 1の吸気から駆動軸 1 5に実際にトルクが伝達されるまでの特性が規範応答システムの伝達特性と近似するように、上記パラメータに基づきフィードバック制御に於けるゲイン、この実施例の場合には、 P I D動作のための各ゲイン、即ち、比例ゲイン、微分ゲイン及び積分ゲインが算出される。従って、この第 2 実施例の場合、調整セクション 33では、次式に示される P I D動作に基づいて、目標トノレク Twtと実トルク Twm との間の偏差 ΔΤννからフィ一ドバック制御に於ける操作量 Δ ΑΖΝが算出されることになる。

Δ A/N= cO x (Δ Tw ) + c 1 x (ATw )

+ c 2 x d (Δ Tw ) Zd t ここで、 cO は積分ゲイン、 cl は比例ゲイン、 c2 は微分ゲインを夫々示している。

尚、数学モデルに於ける各パラメ一夕の値から各ゲインの値を予め算出しておぐことでマップを作成するとともに、このマップを算出セクション 6 0に記憶しておき、そして、算出セクシヨン 5 0から供給されたパラメータの値に基づき、各ゲインを求めるようにしてもよい。

第 1 0図を参照すると、算出セクション 5 0に記憶されている数学モデルが示されている。この数学モデルは、スロットル弁 8を通過して吸い込まれた空気がどのようにして自動車の挙動、即ち、駆動軸 1 5のトルクに反映されるかを線形にして示している。

第 1 0図中、参照符号 A rは、エンジン 1の出力トルクに相当する爆発行程での空気量を示しており、また、 a 21, a 22, a 23, a 32, a 33は、数学モデルのパラメ ―タを示している。

スロットル弁 8を通過した空気の量、即ち、実吸気量 Ai (A/Nr ) は、吸気遅れ要素〔 1'ノ ( 1 + T a X S) 〕を経て、空気量 A rに変換される。また、空気量 A rは、ノ、。ラメータ a 21を経ることで、エンジン 1の出力トルク T eに変換され、そして、この出力トルク T e は、エンジン 1の慣性要素 Uノ（ I e X S) 〕を経て、エンジン回転数 N eに変換される。

エンジン回転数 N eは、パラメータ a 22を経て、慣性要素〔 1 / U e X S) 〕の入力側に戻される一方、パラメ一タ a 32，ギア比の要素〔 1 ΖΡ〕及び車体の慣性要素〔 1 / ( I t X S) 〕を経て、車速 Vに変換される。そして、この車速 Vは、ギア比〔 ?〕を経て、トノレクコンバ一タ 1 2に於けるタービンの回転角速度 ω tに変換される。この回転角速度 ω tは、パラメータ a 23を経て、エンジン回転数 N eと同様に、慣性要素〔 1 Z ( I e x S) 〕の入力側に戻されるとともに、パラメータ a33を介して、要素〔 1 ΖΡ〕の入力側に戻される。

上述の説明に於いて、 T a， S, I e， I t，の夫々は、以下の値を示している。

T a ：吸気通路 3の容積及びェンジン 1に於けるシリンダの容積から決定される時定数

S ：伝達関数 I e ：エンジン 1 の慣性モーメント

I t ：車体の慣性モーメント

p ：トランスミッション 1 2のギア比

第 1 0図に示されているように、エンジン回転数 N e が車速 Vに変換されるとき、この変換には、路面の負荷が考慮されている。

上述したパラメータ a 21は、第 4図の吸気量 AZ Nとエンジン 1の出力トルク T eとの関係から求まる換算係数を示しており、ノ、。ラメ一タ a 22， a 23, a 32， a 33は、実トルク T龍を算出する際の使用した第 3図のトルクコンバ一タ 1 2の特性に対応したものである。

従って、空気量 A iから空気量 A rを算出し、そして、実際に計測したエンジン回転数 N e及び車速 Vの値から、各パラメ一夕を逆算して求めることができる。

次に、上述した数学モデルを作成するまでのプロセスについて説明する。

先ず、吸気通路 3に於いて、スロットル弁 8よりも下流の部位の吸気容積内にある空気の単位時間当たりの質量変化は、スロットル弁 8からの空気の流入量とェンジン 1のシリンダ室への流出量との差で表される。

G m = G in— G ex ·'·(1) ここで、 G m は、吸気容積内の空気質量、 G inは、スロットル弁 8を通過する単位時間当たりの空気量、 G ex は、シリンダ室に導入される単位時間当たりの空気量を示している。尚、これら Gm ， G in, Gexに対する理解を助けるため、これら Gm ， G in, Gexは、第 1図の吸気通路 3に図示されている。

Gexは、 Gm とエンジン回転数 N eに比例することからヽ Gexは、次式で表すことができる。

Gex二 Gm X N e /Ύ ο … ） Τ ο = (VI + V2 ) X 1 2 0 / ( V 1 x η ) ここで、 VI は吸気容積、 V2 はシリンダ室の容積、

Vは体積効率を示し、そして、 T oは、エンジン 1 に於ける 1回転当たりの時定数を示している。

(2)式を (1)式に代入すると、以下の (3)式が得られる。 Gm = G in- (Gm x N e ) /T o -(3)

(3)式から空気量が一次遅れの伝達特性を有することが分かる。

(3)式を (2)式に於ける Gexと Gm との関係を利用して書き直すと、（4)式が得られる。

Gex= (N e /T o ) (G in- Gex) … ）

(4)式の両辺をエンジン 1に於ける単位時間当たりの回転数で除算すれば、（4)式から吸気量に関する (5)式が得られ <3。

A 0 = (N e /T o ) (- A o + A i ) … ）ここで、 A oはシリンダ室に吸入される単位時間当たりの空気量、 A i はスロットル弁 8を通過した単位時間当たりの空気量を示している。空気量 A iがエンジン 1の出力トルクに反映されるには、この空気量 A iがシリンダ室に吸入され、そして、圧縮及び爆発行程を経過した後である。このような吸気行程から爆発行程までを実施する時間は、フィ一ドバック制御に於いては無駄時間として表され、この無駄時間は、エンジン 1の回転でみたとき、吸気行程の開始から数えて 1.5回転である。従って、無駄時間を（L oZNe) とすると、この無駄時間（L oZN e) は、（6)式で表される。

(L 0 /N e ) = ( 6 0 X 1.5 ) /N e

= 9 0 /N e 〜(6) (6)式を使用して、空気量 A oと空気量 A rとの関係を時間 tの関数として表せば、（7)式となる。

A r -Ao x (t - (L o/N e) ) -(7) 一方、エンジン 1及び車体が定常の運転状態にあるとき、空気量 A iの変化 Δ A iに対して、空気量 A r、ェンジン 1の回転角速度 ω e、トルクコンバータ 1 2に於けるタービンの回転角速度 ω tが定常運転状態での値から夫々微小量 ΔΑ Γ、 Δω β、 Δω ΐだけ変化すると仮定する。この場合、空気量についてみれば、次式の関係が成立する。

A r + Δ A r = ( (a e +厶 co e) TL )

x (- A r - Δ A r ) + A i 4- Δ A i

-(8) (8)式を求めるに当たり、空気量 A iが空気量 A rに変換されるまでの伝達特性の時定数は、（w eZTL ) の 1次遅れとして近似されている。

ここで、エンジン 1が定常運転状態にあると、 A r二 A iであるから、（8)式は、（9)式として表すことができる, 厶 A r = (w eZTL ) x (一 ΔΑ Γ +厶 A i ) -(9) また、エンジン 1の回転角速度 ω eに関しては、次式が成立する。

I (6 e +厶 w e)

= T e ( ω e + Δ ω e , A r + Δ A r )

- T p (ω e + Δ ω e , ω e + Δ ω t ) -(10) ここで、 Tpは、トルクコンバータ 1 2の吸収トルクを示している。

そして、空気量 A rが Δ A rだけ変化したとき、ェンジン 1の出力トルク T e及び吸収トルク T pの夫々が △ T e、 ΔΤ ρだけ変化したとすると、

T e (ω e + Δ ω e , A r + Δ A r )

= T e (w e, A r) + Δ T e -(11) T e (o> e +厶 o e， ω t + Δ ω t )

= T e (ω e， ω t ) + Δ T p -(12) となる。

ここで、角速度 w e， ω t、及び空気量 A rに関しては、エンジン 1が定常運転状態にあることから、下式が得られる。 ω e = 0 -(13) T e (ω e , A r ) = T p (ω e , ω t ) -(14) エンジン 1に於ける回転角速度 ω eの微小変化分の方程式は、次式で示される。

I e · 厶 ώ e = Δ T e— Δ T p … (15)

Δ T e , ΔΤ ρは、 Δω β， Δ ω t , Δ A rを使用して、次式の線形微分方程式で表される。

Δ T e = ( 5 T e 5 ω e ) x厶 o e

+ ( 5 T e / a A r ) Χ Δ Α Γ -(16) Δ T p = id Ί v / d ω & ) X Αω e

+ (5 T p/5 A r ) χ Δω ΐ -(17) トルクコンバ一タ 1 2のタービンに関しても同様にして考えると、次の線形微分方程式が得られる。

Δ Α Γ =— T a X AA r +T a x AA i -(18) Δω β = (5 T e/5 A r) ( 1 I e ) x Δ A r

+ ( id T e / d ω e ― ( θ T p / 5 ω e ) ) x ( 1 / I e ) 厶 e + ( 5 T / δ ω t ) x ( 1 / I e ) x Δ ω t -(19) Δώ t = id T t / d ω e ( 1 / I t ) x Δ ω e

+ ( (5 T t /a ω t ) 一 (δ Tl /a ω t ) ) x ( 1 / I t ) x Δ ω t -(20) ここで、（19)式に於いて、（3 T eZ5 A r ) がパラメ一夕 a 21となり、

( ( δ T e / 5 ω e ) ― (d T p/d ω e) ) がパラメ一夕 a 22 Θ Ύ θ ω ί x ( 1 / 1 e ) がパラメ —夕 a 23となる。

また、（20)式に於いて、（ 3 T t / 3 ω e ) がパラメ一タ a 32となり、

( ( d Ύ t d ω t ) - ( 5 T 1 / d ω t ) がパラメ —夕 a 33となる。

尚、 T t は、トルクコンバータ 1 2の出力トルクを示し、 T 1 は、前述したように路面の負荷に相当するトルクを示している。

従って、前述したシステムとしては、下式のような状態空間表現形式となる。

ω = A ω + B u (21) y = C x ω 〜（22) でヽ

ω = [Δ A r , Δ ω e , Δ ω t ] ¹ の状態べクトル A [ a ij] のシステムマトリクス (18)， (19), (20)式での厶 A r Δ ω e , Δ ω tの係数

B = [T a 0 0 ] ¹ の入力係数べクトル

C =出力係数べクトル（例えば、タービンの回転数に対しては [ 0 0 1 ] となる）

u =入力

y =出力

上述の説明は、数学モデルを作成に至るプロセスの説明である。次に、ゲインの算出セクシヨン 6 0に於いて、各ゲインの算出の基準となる伝達関数に関して説明する。

(21), (22) 式に於いて、入力 uと出力 yとの間の伝達関数 G ( s ) は、伝達関数の定義から次式で表すことができる。

G (s ) =C x [s i -A] -^χχ Β 〜（23) ここで、 sは、微分作用の要素、 I は、単位マトリクスを示している。

(23)式から、吸気とエンジン 1の回転角速度 ω eとの間の伝達関数 G e (s) 、また、吸気とトルクコンパ一タ 1 2に於けるタービンの回転角速度 ω tとの間の伝達関数 G t (s) は、夫々次式で表される。

G e (s) = (bl x a2ix ( s - a 33))/H (s) ー（24)

G t ( s ) = (bl x a 21 x a 32) /H (s) し、

H ( s ) = ( s - 11) x ( s - a 22) x ( s - a 33)

- ( s - a 11) x a 23 x a 32 〜（26) であり、更に、 bl =Ta， all=— T aである。

そして、吸気と駆動軸 1 5のトルクとの間の伝達関数を、吸気とトルクコンバータ 1 2に於けるタービントルクとの間の伝達関数に置き換えて求めるに際し ΔΤ tに関する線形微分方程式は、次式で表される。厶 T t = { d Ί t / d ω e ) x Δ ω e

+ ( 5 T t / 5 ω t ) x Δ ω t …（27) し、

( d T t / d ω e = a 32x l t …（28)

( d Ύ t / d ω t = ( a 33+ k) x I t -(29) である。

上式に（24)，（25) 式を代入して、吸気とタービントルクとの間の伝達関数を求めると、伝達関数 G f ( s ) は. 次式で表される。

G f ( s ) = ( I t x b lx a 2lx a 32x ( s + k ))/

H ( s ) —(30) ここで、 kは、負荷に基づいた係数であり、

k = d ΎΙ / (δ ω t X I t ) -(31) として計算される。しかしながら、 kの値は、殆ど 0であるので、従って、伝達関数 G f ( s ) は、

G f ( s ) = ( I t X b 1 x a 21 x a 32x s ) /

H ( s ) 〜（32) となる。ここで、 Tl は、路面の負荷に相当するトルクを示している。

(32)式の分子を sのみとするように、（32)式の分子及び分母を（ I t X b 1 x a 21 x a 32) で除算すると、

G f ( s ) = s /h ( s ) … ）となる。ここで、

h ( s ) 二 H ( s ) / ( I t x b 1 x a 21 x a 32) = hO + h 1 S + h 2 s ² + (34) である。

従って、（33)式は、制御対象である自動車の伝達関数を表している。

次に、 P I D動作に於ける各ゲインを求めるためのプ口セスを以下に説明する。

第 1 1図に示されているように、フィードバック制御系及び制御対象である自動車を 1つのシステムとみなし、そして、このシステムに於ける入力と出力との間の伝達特性と、目標とする規範応答システムの伝達特性とを対応させる。この規範応答システムとしては、例えば第 12 図に示されるようなステツプ応答波形が採用される。

フィードバック制御系の伝達関数は、次式で表すことができる。

c (s) Zs = ( c 0 + c 1 X s + c 2 X s ² +…

/ s （35) 一方、規範応答システムの伝達関数の分母は、次式で表すことができる。

r ( s ) = l + r 0+ r lX q s + r 2x q ²X s ² + - ー（36) ここで、 qは、応答時間を正規化するための要素である。

1 + r 0 , r l ， r 2 , …は、応答波形を決定するためのパラメータであり、これらの値は適宜に選択することができる。

フィードバック制御系及び自動車を含むシステムの開ループ伝達関数は、

G o (s ) = c ( s ) /h (s ) (37) として表され、これは、第 1 3図に示されている。

一方、システムの閉ループ伝達関数は、

G c (s) 二 l Z ( (h (s) Zc ( s ) ) + l )

… ）として表すことができる。これは、第 1 4図に示されている。

閉ループ伝達関数 G c (c) を規範応答システムの伝達関数 l Zr ( s ) に等しいとすると、次式の等式が成立する。

c (s ) = h (s ) / (r (s) - l ) —(39) (39)式の右辺を分母多項式に展開して、その各項の係数を低次のものから順に、 c 0 ， c 1 , c 2 とすると、これら c0 ， c l ， c 2 は、次式により夫々表される。

cO = h0 /r 0 〜（40) c 1 = (hO / r 0 )

x((hl /hO ) - q x (r 1 ZrO ) 〜（41) c2 = (h0 /^/r0 ) x( ( h2 /h0 )

- q (hl ZhO ) x (r l ZrO )

+ q ² X ( ( r IV r 0²) 一 ( r 2 / r 0 ) ) )

… ） c 3 (hO r 0 ) x ( ( h3 / 0 )

- q x (h2 ZhO ) x ( r 1 r 0 )

+ q ² X ( ( r IV r 0²) - ( r 2ゾ r 0 ) ) x (hi ZhO ) + q ³ x (- Cr l rO³) + ( 2 r 1 x r 2 ) r O²- ( r 3 / r 0 ) ) )

— (43) 前述した P I D動作に関して、 c (s) は、下式の 2 次式で表される。

c ( s ) = c 0 + c 1 s + c 2 s ² 〜（44) それ故、 c3 = 0として、（43)式を解く。

そして、（43)式の解のうち正の最小値を qとして、この <3を（41)式，（42)式に代入して、 cO ， c 1 , c2 を求めることができる。これら cO ， cl ， c2 は、前述したように、 P I D動作に於ける積分ゲイン、比例ゲイン、微分ゲインを示している。

次に、第 1 5図のフローチヤ一トを参照して、第 2実施例の出力制御装置の作動を説明する。

第 1 5図於いて、ステップ S 1乃至 S 6、ステップ S 8及びステツプ S 9に関しては、第 7図に示されている第 1実施例の場合と同様であるから、これらステップに関する説明は省略する。第 2実施例の場合、フィードバック制御のための操作量 ΔΑ/Νは、ステップ S 1 0乃至 S 1 2によって求められることになる。即ち、ステツプ S 1 0では、第 7図に示された数学モデルのパラメ一タ a 21， a 22, a 23, a 32， a 33が求められ、次のステップ S 1 1では、これらパラメータと規範応答システムの伝達関数とからフィ一ドバック制御のための積分ゲイン、比例ゲイン及び微分ゲインが夫々求められる。そして、ステップ S 1 2では、ステップ S 1 1で求められた各ゲインに基づいて操作量 Δ A が算出され、この後. 前述したステップ S 8， S 9が順次実施されて、スロットル弁 8の開度が制御されることになる。

上述した第 2実施例の場合には、自動車の挙動が変化するに伴い、つまり、爆発行程での空気量 A r 、ェンジン回転数 N e及び車速 Vが変化するに伴い、線形の数学モデルの各パラメータの値をも変化する。そして、これらパラメ一夕に基づいて積分ゲイン、比例ゲイン及び微分ゲインが夫々算出される際、自動車及びフィードバック制御系を 1つのシステムとして考え、このシステムに於ける吸気から駆動軸 1 5に実際にトルクが伝達されるまでの特性が規範応答システムの伝達特性に近似するように、積分ゲイン、比例ゲイン及び微分ゲインが算出される。従って、これらゲインから操作量 Δ Α Ζ Νを算出し、この操作量 Δ A Z Nを考慮して、スロットル弁 8の開度を制御することにより、駆動軸 1 5の実トルクを最適にして制御することが可能となる。即ち、この第 2実施例の場合には、自動車のパワーの発生及び伝達過程の特性を自動車の挙動変化に拘らず、常に線形化して捕らえ、そして、上記システムの伝達特性を規範応答システムの伝達特性に近似させるようにして、駆動軸 1 5の卜ルグを制御することができるので、吸気から駆動軸 1 5 にトルクが伝達されるまでの応答性を大幅に改善でき、駆動軸 1 5の実トルクを目標トルクに対し迅速且つ高精度に制御することが可能となる。この結果、この発明の出力制御装置を使用すれば、自動車のオートクルーズ制御システムやトラクションコントロールシステムを 1つの制御システムとして纏めることも可能となる。

また、この第 2実施例の場合、 P I D動作に於ける各ゲインは、数学モデルのパラメ一夕から求められるので、これらゲインを自動車の走行実験により求めなくても済む。

更に、算出セクション 5 0に数学モデルが予め記憶されていれば、この数学モデルを使用して、自動車の故障診断をも実施することができる。

第 1及び第 2実施例では、調整セクシヨン 3 3に於いて、 P動作、 P I動作、 P D動作及び P I D動作の何れかが実施されるとして説明したが、これら以外に、状態フィードバック制御を実施するようにしてもよい。

この場合、操作量 ΔΑ/Νは、次式に基づいて算出することができる。

厶 A/N=kl A/N r + k2 N e + k3 V

ここで、 kl ， k2 ， k3 はゲインを示している。この場合、算出セクション 6 0では、算出セクション 5 0で得られた数学モデルのパラメータを使用し、しかも、下式で表されるトルクの変動が最小となるように、ゲイン k l ， k 2 , k 3 が算出されることになる。

E = ( Δ T w² + A i ² ) d t

前述の実施例では、スロットル弁 8を直流モータ 9で駆動するようにしたが、この直流モータ 9の代わりにステツプモータを使用することもできる。この場合、ステップモータには、目標スロットル開度に対応するパルスが供給されることになる。更に、スロットル弁 8の駆動源としては、電動モータに限らず、液圧モータや空圧モ —タを使用することもできる。

更に、この発明の各実施例では、エンジンがガソリンエンジンであるとして、このエンジンの出力を吸気量で制御するようにしたが、ディ一ゼルェンジンの場合にあつては、吸気量の代わりに燃料噴射量が制御されることになる。

産業上の利用可能性

この発明の内燃機関の出力制御装置は、自動車のァクセルペダルが踏み込まれたとき、この踏み込みストロークに応じて、自動車に於ける駆動軸の目標トルクを決定し、そして、この目標トルクに対して駆動軸の実トルクを迅速且つ高精度に一致させるベく、内燃機関、即ち、ェンジンの出力を制御するためものであり、これにより、この発明の出力制御装置は、自動車に於けるオートクル —ズコントロールシステム又はトラクションコントロ一ルシステム、或いは、これらシステムを 1つに纏めた制御システムに適用することができる。

Claims

I 3 5 PCT/JP90/00063 請求の範囲

1. 自動車に搭載された内燃機関の出力を操作量に応じて可変するための調整手段と、自動車に於ける駆動軸の目標トルクを決定するための手段と、駆動軸の実トルクを

5 検出するための手段と、これら手段により得られた目標トルクと実トルクとの間の偏差を求めるための手段と、内燃機関を含む自動車の全体が定常運転状態にあると仮定して、目標トルクを駆動軸に与えるのに要する内燃機関の定常出力トルクを求めるための手段と、内燃機関に

10 定常出力トルクを発生させるように、調整手段の基準操作量を求めるための手段と、前記偏差に基づくフィードバック量により、基準操作量を補正して調整手段の目標操作量を求める手段と、目標操作量に調整手段の実操作量を一致させるベく調整する手段とを備えていることを

15 特徵とする内燃機関の出力制御装置。

2. 目標操作量を求めるための手段は、内燃機関を含む自動車の全体が定常運転状態にあるときを基準として、自動車に於いて内燃機関から駆動軸までのパワーの発生過程及び伝達過程を、定常運転状態からのずれとして、複

20 数のパラメータを用いて表す線形の数学モデルと、この数学モデルのパラメ一夕を自動車の挙動を示す変数から逆算して求めるための手段と、パラメータからフィードバック量を決定するゲインを求めるための手段とを備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃 i

WO 90/08889 3 6 PCT/JP90/00063 機関の出力制御装置。

3. ゲインを求めるための手段では、フィードバック量を決定する制御系を含む自動車の全体を 1つのシステムとして、このシステムの特性が規範応答システムの伝達特性に近似するように、ゲインが設定されることを特徵とする請求の範囲第 2項に記載の内燃機関の出力制御装置。

4. 調整手段は、内撚機関のスロットル弁を駆動して、操作量としての吸気量を調整するための電動モータを備えており、

10 目標トルクを決定するための手段は、自動車に於けるァクセルペダルの踏み込みストロークを検出するためのセンサと、この踏み込みストロークと目標トルクとの関係を予め設定しておくための手段とを備えていることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の出力制

15

5. 目標トルクを決定するための手段は、自動車の車速を検出するためのセンサを備えており、目標トルクは、踏み込みストロークの他に車速を考慮して決定されることを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の内燃機関の出力

20

6. 基準操作量は、吸気量と定常出力トルクとの関係を表した特性から求められることを特徵とする請求の範囲第 5項に記載の内燃機関の出力制御装置。

7. 数学モデルは、ォ一トマティックトランスミッションを備えた自動車を対象として設定されており、そして、数学モデルのパラメータは、自動車の挙動を示す変数として、車速、エンジン回転数及び内燃機関での爆発行程に供される空気量に基づき、逆算して求められることを特徴とする請求の範囲第 2項に記載の内燃機関の出力制御装置。

8. フィードバック量は、 P I D動作に基づいて決定されることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の内燃機関の出力制御装置。