WO2013005303A1 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

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target
internal combustion
combustion engine
throttle
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聡 吉嵜
清徳 高橋
正史 柴山
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine with a supercharger having a throttle, and more particularly, to a control device for an internal combustion engine with a supercharger that calculates a target throttle opening using an air inverse model based on a target air amount.
  • the air inverse model is an inverse model of an air model, that is, a model of a response of the intake air amount to the operation of the throttle, which is expressed by a mathematical expression.
  • the calculation of the target throttle opening using the air inverse model can be applied not only to a naturally aspirated internal combustion engine but also to a control of an internal combustion engine with a supercharger. However, in that case, the following problem peculiar to the internal combustion engine with a supercharger occurs.
  • the target throttle opening is calculated so that the current air amount reaches the target air amount at the fastest speed. For this reason, in a situation where the actual torque is insufficient with respect to the required torque, the throttle is opened to the maximum opening so as to increase the air amount quickly.
  • the required torque includes the torque requested by the driver through the accelerator pedal operation and the torque requested by the vehicle control device such as ECT (Electronic Controlled Transmission) and TRC (Traction Control System) for vehicle control. It is. For this reason, the temporary decrease in the required torque during acceleration may be caused not only by a temporary return operation of the accelerator pedal but also by a torque down request from the vehicle control device. However, when the difference between the required torque and the current torque is large, the target throttle opening calculated by the air inverse model remains at the maximum opening, and the torque down request from the vehicle control device is not reflected in the throttle opening. there is a possibility.
  • the present invention is in a situation where the required torque and the current torque are different due to the supercharging delay of the supercharger. It is an object to improve the controllability of torque. And in order to achieve such a subject, this invention provides the control apparatus of the internal combustion engine with a supercharger as follows.
  • the control device receives a requested torque requested by the driver or the vehicle control device to the internal combustion engine, and determines a target torque to be output to the internal combustion engine with reference to the requested torque. Then, a target air amount is calculated from the target torque, and a target throttle opening is calculated using an air inverse model based on the target air amount.
  • the control device determines the required torque as the target torque except for a specific situation described later, that is, in a normal situation. This is for calculating a target throttle opening for realizing the required torque at the highest speed.
  • the controller will decide. In this case, the present control device determines a value lower than the current torque as the target torque.
  • the required torque is used as the target torque as it is, the decrease in the required torque in a region higher than the current torque is not reflected in the throttle opening. .
  • the target torque is determined as described above, the torque output from the internal combustion engine can be reduced in accordance with the reduction in the required torque. For this reason, when the decrease in the required torque is due to the driver's accelerator pedal operation, an expected deceleration feeling can be given to the driver. Further, when the decrease in the required torque is due to a torque down request from the vehicle control device, the required vehicle control can be accurately executed.
  • the target torque is preferably determined by the following method.
  • a target torque decrease amount is determined according to the decrease amount of the request torque.
  • a specific calculation method of the target torque reduction amount for example, a ratio between the current torque and the required torque before the reduction is calculated, and a value obtained by correcting the reduction amount of the required torque using the ratio as a correction coefficient is a target torque reduction. It can be an amount. A value obtained by subtracting the target torque reduction amount from the current torque is determined as the target torque.
  • the actual reduction amount of the torque output from the internal combustion engine is adjusted according to the reduction amount of the required torque. For this reason, when the decrease in the required torque is due to the driver's accelerator pedal operation, the vehicle can generate a deceleration that matches the driver's expectation. Further, when the decrease in the required torque is due to a torque down request from the vehicle control device, the required vehicle control can be executed more accurately.
  • an internal combustion engine with a supercharger is provided with one or more actuators related to the air amount in addition to the throttle.
  • actuators related to the air amount in addition to the throttle.
  • a variable valve timing device that changes the valve timing
  • wastegate valve or a variable nozzle that changes the supercharging pressure
  • actuators cooperate with the throttle to adjust the amount of air.
  • these actuators are characterized by low air volume responsiveness to their operation when compared to a throttle.
  • the present control device determines a target actuator value based on the required torque, and operates the actuator according to the target actuator value.
  • the operation based on the target torque determined as described above is performed only for the throttle, and for other actuators that adjust the air amount in cooperation with the throttle, the target torque is not based on the target torque but the target torque itself. Determine the value.
  • the actuator According to the operation of the actuator based on the required torque, in a situation where the required torque and the current torque are deviated due to the supercharging delay, the actuator continues to operate in the direction of increasing the air amount even if the required torque is slightly reduced. . According to this, it is possible to prevent a delay in the response of the air amount when the required torque that has once decreased starts to increase again.
  • the throttle is more responsive to the amount of air than other actuators, operating the throttle based on the target torque determined as described above allows the amount of air to be quickly adjusted as the required torque decreases. Can be reduced. Furthermore, when the required torque starts to increase again, the amount of air can be quickly increased.
  • the present control device determines a target actuator value based on a torque obtained by subtracting the torque required by the vehicle control device from the required torque, and operates the actuator according to the target actuator value.
  • the actuator since the torque-down request by the vehicle control device is not reflected in the operation of the actuator, the actuator continues to operate in the direction of increasing the air amount during acceleration. For this reason, as in the case of the first method, it is possible to prevent a delay in the response of the air amount when the required torque once decreased starts increasing again.
  • the torque reduction request by the vehicle control device is reflected in the operation of the throttle. Since the throttle has a high responsiveness of the air amount to the operation, the air amount can be quickly reduced according to the torque down request. Furthermore, the amount of air can be quickly increased in accordance with the torque increase request after the torque reduction request.
  • the control device is provided with a function of adjusting the torque output from the internal combustion engine to the target torque by retarding the ignition timing from the optimal ignition timing.
  • the control device determines a target torque to be output to the internal combustion engine with reference to an operation amount of the accelerator pedal by the driver. Then, a target air amount is calculated from the target torque, and a target throttle opening is calculated using an air inverse model based on the target air amount.
  • This control apparatus is based on determining the target torque according to the amount of operation of the accelerator pedal by the driver. That is, in a normal situation excluding a specific situation described later, the target torque is determined according to the operation amount of the accelerator pedal. This is because the target throttle opening for realizing the acceleration request by the driver at the highest speed is calculated.
  • the present control device determines the target torque by a method different from usual. In this case, the present control device determines a value lower than the current torque as the target torque.
  • the torque output from the internal combustion engine can be reduced in accordance with the accelerator pedal return operation by the driver.
  • the driver can achieve a torque reduction required for the internal combustion engine through the operation of the accelerator pedal, and can give the driver a sense of deceleration that is expected.
  • a target torque decrease amount is determined according to the return amount of the accelerator pedal, and a value obtained by subtracting the target torque decrease amount from the current torque is determined as the target torque.
  • the actual reduction amount of the torque output from the internal combustion engine is adjusted according to the reduction amount of the required torque, so that it is possible to cause the vehicle to generate a deceleration that matches the driver's expectation.
  • Embodiment 1 FIG.
  • Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the internal combustion engine to which the control device of the present embodiment is applied is an internal combustion engine with a supercharger for automobiles, more specifically, a spark ignition type 4-cycle reciprocating engine equipped with a turbocharger. More specifically, an electronically controlled throttle (hereinafter simply referred to as throttle), a variable valve timing device (hereinafter referred to as IN-VVT) that changes the valve timing of the intake valve, and a wastegate valve (hereinafter referred to as WGV).
  • This control device is realized as one function of an ECU (Electronic control unit) provided in the internal combustion engine. Specifically, the ECU functions as a control device when a program stored in the memory is executed by the CPU. When the ECU functions as a control device, the ECU controls the operation of each actuator including the throttle according to a programmed actuator control logic.
  • FIG. 1 is a functional block showing the configuration of a control device realized by the ECU functioning according to the actuator control logic.
  • the control device acquires the required torque, and determines the target torque with reference to the required torque.
  • the required torque includes a driver required torque calculated from an operation amount of an accelerator pedal by the driver and a device required torque generated from a vehicle control device such as ECT or TRC.
  • a method for determining the target torque from the required torque will be described in detail later.
  • the present control device calculates the target actuator values of the throttle 2, WGV4, IN-VVT6 and ignition device 8 based on the target torque.
  • a method for calculating the target actuator value of each actuator by the control apparatus will be described.
  • the actuator value of the throttle 2 is the throttle opening.
  • This control device calculates a target throttle opening (denoted as a target TA in the figure) from the target torque using the air amount conversion map 10 and the air inverse model 12.
  • the air amount conversion map 10 is based on the various engine state quantities including the engine speed, ignition timing, and air-fuel ratio based on the torque and the in-cylinder intake air amount (or the non-dimensional charging efficiency or load factor). Are associated maps.
  • the in-cylinder intake air amount necessary for realizing the target torque based on the current engine state amount is calculated as the target air amount (denoted as target KL in the drawing).
  • the air reverse model 12 includes an intake valve reverse model M1, an intake pipe reverse model M2, a throttle reverse model M3, a throttle operation reverse model M4, a throttle operation model M5, a throttle model M6, an intake pipe model M7, and an intake valve model M8. It is configured by combining.
  • the throttle model M6, the intake pipe model M7, and the intake valve model M8 constitute a simple air model.
  • the intake valve reverse model M1 is an experiment-based model created by examining the relationship between the in-cylinder intake air amount and the intake pipe pressure. According to empirical rules obtained through experiments, in the intake valve inverse model M1, the relationship between the in-cylinder intake air amount and the intake pipe pressure is approximated by a straight line or a broken line. By inputting the target air amount into the intake valve inverse model M1, a target intake pipe pressure (denoted as target Pm in the drawing) for realizing the target air amount is calculated.
  • the intake pipe inverse model M2 is a physical model constructed based on a conservation law regarding air in the intake pipe, specifically, an energy conservation law and a flow rate conservation law.
  • the intake pipe inverse model M2 includes a pressure difference (denoted as ⁇ Pm in the figure) between the target intake pipe pressure and the current virtual intake pipe pressure (denoted as virtual Pm in the figure), and the current virtual air amount (indicated as ⁇ Pm in the figure).
  • ⁇ Pm in the figure the current virtual intake pipe pressure
  • the intake pipe inverse model M2 calculates a target throttle passage flow rate (denoted as target mt in the figure) for realizing the target intake pipe pressure based on the input information.
  • the throttle inverse model M3 is a model that expresses the relationship between the throttle passage flow rate and the throttle opening by a mathematical expression. Specifically, the throttle model equation expresses the throttle flow rate as a function of the flow path area determined by the throttle opening and the pressure ratio before and after the throttle, and the equation is transformed into the throttle opening equation. It is an equation of an inverse throttle model. The pressure ratio used in this equation may be a measured value or a calculated value by a model. By inputting the target throttle passage flow rate into the throttle inverse model M3, the throttle opening for realizing the target throttle passage flow rate is calculated.
  • the throttle operation inverse model M4 is a model that approximates the relationship between the operation of the throttle 2 and the input signal that causes the operation with mathematical formulas or the like. By inputting the throttle opening calculated by the throttle inverse model M3 into the throttle operation inverse model M4, an input signal for realizing it, that is, the target throttle opening is calculated.
  • the throttle operation model M5, the throttle model M6, the intake pipe model M7 and the intake valve model M8 are provided for calculating the virtual intake pipe pressure and the virtual air amount used in the above calculation process.
  • the throttle operation model M5 is a forward model corresponding to the throttle operation inverse model M4 described above. By inputting the target throttle opening to the throttle operation model M5, the virtual actual throttle opening at the present time is calculated.
  • the throttle model M6 is a forward model corresponding to the throttle inverse model M3 described above, and calculates the current virtual throttle passage flow rate (denoted as virtual mt in the figure) by inputting the virtual throttle opening.
  • the intake pipe model M7 is a forward model corresponding to the above-described intake pipe inverse model M2, and calculates a virtual intake pipe pressure by inputting a virtual throttle passage flow rate.
  • the intake valve model M8 is a forward model corresponding to the above-described intake valve inverse model M1, and calculates a virtual air amount by inputting a virtual intake pipe pressure.
  • the virtual intake pipe pressure is used to calculate the pressure difference ( ⁇ Pm), and the virtual air amount is input to the intake pipe inverse model M2 together with the pressure difference.
  • This control device operates the throttle 2 according to the target throttle opening calculated by the air inverse model 12 described above.
  • the opening of the throttle 2 actually realized by the operation is measured by a throttle opening sensor (not shown).
  • the actuator value of WGV4 is the duty of the solenoid that opens and closes WGV4.
  • the present control device calculates a target duty of WGV 4 (represented as a target WGV duty in the figure) from the target intake pipe pressure using the boost pressure calculation map 14 and the duty calculation map 16.
  • the supercharging pressure calculation map 14 is a map in which the intake pipe pressure and the supercharging pressure necessary to realize the supercharging pressure are associated with various engine state quantities as keys.
  • the present control device calculates the target boost pressure using the boost pressure calculation map 14 based on the target intake pipe pressure.
  • the duty calculation map 16 is a map in which a supercharging pressure and a duty necessary for realizing the supercharging pressure are associated with various engine state quantities as keys.
  • the present control device calculates the target WGV duty using the duty calculation map 16 based on the target boost pressure, and operates the WGV 4 according to the target WGV duty.
  • the actuator value of IN-VVT6 is the displacement angle of IN-VVT6.
  • This control device calculates a target displacement angle of IN-VVT 6 (indicated as a target VVT displacement angle in the drawing) from the target air amount using the VVT inverse model 18.
  • the VVT inverse model 18 is an inverse model of the VVT model in which the response characteristic of the air amount with respect to the displacement angle of the IN-VVT 6 is modeled. According to the VVT inverse model 18, the displacement angle for realizing the target air amount at the highest speed is calculated as the target displacement angle.
  • the present control device operates the IN-VVT 6 according to the target displacement angle calculated using the VVT inverse model 18.
  • the actuator value of the ignition device 8 is a retard amount with respect to the ignition timing, specifically, the optimum ignition timing (ignition timing on the more retarded side of the MBT and the trace knock ignition timing) determined from the engine state.
  • This control device controls the torque by using both the air amount control by the cooperation of the throttle 2, the WGV 4 and the IN-VVT 6 and the ignition timing control by the ignition device 8.
  • torque control based on the air amount is the main control, and torque control based on the ignition timing is performed for the purpose of interpolating the torque control based on the air amount.
  • the ignition timing is basically set to the optimum ignition timing, and the ignition timing is retarded only when the actual torque is excessive with respect to the target torque by only the torque control based on the air amount.
  • the control device calculates the target ignition timing using the ignition timing calculation unit 20.
  • an engine state quantity indicating the current engine state is input to the ignition timing calculation unit 20.
  • the ignition timing calculation unit 20 calculates an estimated torque obtained if the ignition timing is set to the optimal ignition timing based on these engine state quantities.
  • the ignition timing calculation unit 20 calculates the optimal ignition timing as the target ignition timing.
  • the ignition timing calculation unit 20 determines the retard amount of the ignition timing necessary for realizing the target torque based on the difference or ratio between the estimated torque and the target torque. Then, the ignition timing retarded by the retard amount from the optimal ignition timing is calculated as the target ignition timing.
  • the present control device operates the ignition device 8 in accordance with the target ignition timing calculated by the ignition timing calculation unit 20.
  • the present control device uses the target torque, not the required torque, as the base information for calculating the target actuator value of each actuator.
  • the target torque is determined with reference to the required torque as described above.
  • the present control device includes a target torque determination unit 24 and a current torque calculation unit 26 as elements for determining the target torque from the required torque.
  • the current torque calculation unit 26 is an element that calculates the current torque output from the internal combustion engine.
  • the current torque calculation unit 26 receives engine state quantities indicating the current engine state such as the engine speed, the current air amount (current KL), and the target air-fuel ratio (target A / F). These engine state quantities may be measured values by sensors or calculated values.
  • the current torque calculation unit 26 calculates the current torque output from the internal combustion engine using these engine state quantities.
  • the target torque determination unit 24 receives the requested torque and the current torque calculated by the current torque calculation unit 26. Calculation of the required torque is performed by a powertrain manager (not shown).
  • the powertrain manager is a control device that performs integrated control of the entire vehicle, and is implemented as a function of the ECU, similar to the control device.
  • the calculation of the required torque by the powertrain manager and the calculation of the current torque by the present control device are performed at a certain time step corresponding to the calculation cycle of the ECU.
  • the target torque determination unit 24 determines a target torque based on the input requested torque and the current torque.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a target torque determination method by the target torque determination unit 24.
  • the function of the target torque determination unit 24 will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • the target torque determination unit 24 first performs the determination in step S1.
  • the target torque determination unit 24 calculates the difference between the required torque and the current torque, and determines whether the difference is greater than a predetermined threshold value.
  • the throttle 2 is an actuator that has a higher response of the air amount to the operation than the WGV 4 or the like, but a slight response delay occurs between the target air amount and the actual air amount. For this reason, the temporary difference between the required torque and the current torque is a phenomenon that occurs not only in a supercharged internal combustion engine but also in a naturally aspirated internal combustion engine.
  • the threshold value used in the determination in step S1 is set to a level at which a deviation between the required torque and the current torque accompanying supercharging delay can be detected.
  • the target torque determination unit 24 When the difference between the required torque and the current torque exceeds the threshold value, the target torque determination unit 24 next performs the determination in step S2.
  • the target torque determination unit 24 determines whether or not the decrease amount of the required torque, specifically, the decrease amount of the current value with respect to the previous value of the request torque is greater than a predetermined threshold value.
  • the threshold value used in the determination in step S2 is set to a level at which a torque down request from a driver or the like and a noise component included in the required torque can be distinguished.
  • the target torque determination unit 24 executes the process of step S4 as the process for determining the target torque when the determination result of step S1 is negative. Moreover, although the determination result of step S1 is affirmative, the process of step S4 is also performed when the determination result of step S2 is negative.
  • the target torque determination unit 24 determines the current value of the required torque (denoted as TRQrq (k) in the drawing) as the current value of the target torque (denoted as TRQtg (k) in the drawing). .
  • the target torque determination unit 24 performs the process of step S5. In step S5, the current value of the required torque is stored as the previous value.
  • step S3 the target torque determination unit 24 determines a target torque decrease amount according to the decrease amount of the required torque, and determines a value lower than the current torque by the target torque decrease amount as the target torque.
  • the target torque is determined as follows. First, the target torque determination unit 24 calculates a decrease amount of the current value with respect to the previous value of the required torque (denoted as ⁇ TRQ in the drawing).
  • a ratio between the previous value of the current torque (denoted as TRQcr (k-1) in the figure) and the previous value of the required torque (denoted as TRQrq (k-1) in the figure) is calculated.
  • the target torque reduction amount is calculated by correcting the reduction amount of the required torque using the ratio as a correction coefficient.
  • the target torque determination unit 24 determines a value obtained by subtracting the target torque decrease amount from the previous value of the required torque as the current value of the target torque (denoted as TRQtg (k) in the drawing). After the target torque is determined, the target torque determination unit 24 performs the process of step S5.
  • the required torque is determined as it is as the target torque so that the target throttle opening for realizing the required torque at the highest speed is calculated.
  • the necessary torque reduction amount can be obtained.
  • a target torque is calculated based on the current torque.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific example of target torque calculation by the above method.
  • the required torque of the last time is 100 Nm
  • the current torque is 80 Nm.
  • the required torque has increased to 110 Nm at the time of the previous calculation, and the current torque has increased to 88 Nm. Then, in this situation where the required torque and the current torque are both increasing while deviating from each other, the required torque has been reduced to 95 Nm this time.
  • the target torque is determined by the normal method according to the processing of step S4 until the previous calculation time. That is, the previous target torque is determined to be 100 Nm, and the previous target torque is determined to be 110 Nm. However, for the current time when the required torque has decreased, the target torque is calculated according to the processing of step S3. According to the calculation formula used in step S3, the reduction amount of the required torque is 15 Nm, and the ratio between the previous value of the current torque and the previous value of the required torque is 0.8. Is 12 Nm obtained by multiplying 15 Nm by the correction coefficient of 0.8. Then, 76Nm obtained by subtracting 12Nm of the target torque reduction amount from 88Nm, which is the previous value of the current torque, is determined as the current value of the target torque.
  • the current torque at the time of acceleration is the maximum torque that the internal combustion engine can generate at the present time
  • the required torque is used as the target torque as it is, the decrease in the required torque in a region higher than the current torque is not reflected in the throttle opening.
  • the current value of the target torque is determined based on the previous value of the current torque as described above, the torque output from the internal combustion engine can be reduced in accordance with the reduction of the required torque.
  • the current torque can be reduced from the previous value of 88 Nm to the current value of 76 Nm.
  • the current torque decreases as the required torque decreases.
  • the target torque is calculated so that the amount of decrease also increases.
  • FIG. 4 is a time chart showing an operation image at the time of acceleration of the internal combustion engine with a supercharger controlled by the present control device compared with an operation image according to a comparative example.
  • a device that uses the required torque as it is as the target torque that is, a device that excludes the target torque determination unit 24 and the current torque calculation unit 26 from the configuration shown in FIG. 1 is used.
  • FIG. 4 shows the control result when the accelerator pedal is temporarily returned to a small extent after the accelerator pedal is fully depressed.
  • the time change of the opening degree of the accelerator pedal is shown.
  • the change over time of the target torque by the present control device is shown by a solid line
  • the change over time of the target torque by the comparative example that is, the required torque is shown by a dotted line.
  • the time change of the actual torque by the present control device is indicated by a solid line
  • the time change of the actual torque by the comparative example is indicated by a dotted line.
  • the time change of the throttle opening by the present control device is shown by a solid line
  • the time change of the throttle opening by the comparative example is shown by a dotted line.
  • the time variation of the in-cylinder intake air amount by the present control device is indicated by a solid line
  • the time change of the in-cylinder intake air amount by the comparative example is indicated by a dotted line.
  • the time change of the throttle upstream pressure by the present control device is indicated by a solid line
  • the time change of the throttle upstream pressure by the comparative example is indicated by a dotted line.
  • the required torque calculated from the opening of the accelerator pedal is used as the target torque as it is, and the throttle is operated according to the target torque that is the required torque itself.
  • the accelerator pedal is depressed, the air amount rises rapidly for a moment by opening the throttle to the maximum opening.
  • the increase rate of the air amount becomes slow due to the supercharging delay, that is, the increase in the throttle upstream pressure.
  • the maximum throttle opening is calculated as the target throttle opening so that the current torque reaches the target torque at the maximum speed.
  • the target torque which is the required torque itself, decreases by an amount corresponding to the return amount of the accelerator pedal.
  • the amount of air continues to increase monotonically without decreasing, and the torque output by the internal combustion engine continues to increase monotonously accordingly. That is, according to the comparative example, the accelerator pedal return operation by the driver is not reflected in the throttle operation, and as a result, is not reflected in the torque output from the internal combustion engine.
  • the required torque calculated from the accelerator pedal opening is set as the target torque as it is, and the throttle is operated according to the target torque.
  • the current torque that is, the maximum torque that the internal combustion engine can output at the current time
  • the target torque is determined based on the above.
  • the target torque determined here is set to a value lower than the current torque by the target torque reduction amount determined according to the reduction amount of the required torque.
  • the target throttle opening is changed from the maximum opening to the opening corresponding to the target torque so as to lower the current torque to a lower target torque. It is made smaller.
  • the throttle is temporarily operated to the closing side, whereby the amount of air temporarily decreases, so that the torque output from the internal combustion engine also temporarily decreases. That is, according to this control apparatus, the return operation of the accelerator pedal by the driver can be reflected in the operation of the throttle, and in turn can be reflected in the torque output from the internal combustion engine.
  • the reason why the rise of the throttle upstream pressure is slightly slower in the present control device than in the comparative example is that the throttle is temporarily closed as described above.
  • the air amount is once reduced in this control device, the state where the target torque and the current torque deviate from each other lasts slightly longer than in the comparative example, and accordingly, the throttle opening sticks to the maximum opening. The time spent is getting longer.
  • Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 5 is a functional block diagram showing the configuration of the control device according to the second embodiment of the present invention.
  • the present control device corresponds to a partly modified configuration of the control device of the first embodiment.
  • elements that are common in function to the control apparatus of the first embodiment are denoted by the same reference numerals in the drawing.
  • description of functions common to the first embodiment will be omitted or simplified, and the configuration of the present control device will be described focusing on functions different from the first embodiment.
  • the difference of the present control device from the control device of the first embodiment is in the torque values used for determining the target actuator values of WGV4 and IN-VVT6.
  • the present control device determines the target actuator values of WGV4 and IN-VVT6 based on the required torque, not the target torque determined by the target torque determination unit 24.
  • the target throttle opening is determined based on the target torque determined by the target torque determination unit 24 as in the control device of the first embodiment.
  • the present control device is provided with an air amount conversion map 30 for converting the required torque into the air amount separately from the air amount conversion map 10.
  • the air amount conversion map 30 the in-cylinder intake air amount necessary for realizing the required torque under the current engine state amount is calculated as the target air amount (denoted as target KL2 in the drawing).
  • the target air amount converted from the required torque is input to the VVT inverse model 18, and the target displacement angle of IN-VVT 6 is calculated based on the target air amount.
  • the present control device further includes an intake valve reverse model 32 having the same contents as the intake valve reverse model M1 of the air reverse model 12.
  • the target air amount converted from the required torque by the air amount conversion map 30 is input to the intake valve inverse model 32.
  • the target intake pipe pressure (denoted as target Pm2 in the figure) calculated by the intake valve inverse model 32 is converted into the target boost pressure using the boost pressure calculation map 14, and further the duty calculation map 16 is used. Is converted into the target WGV duty of WGV4.
  • FIG. 6 is a time chart showing an operation image during acceleration of the internal combustion engine with a supercharger controlled by the present control device.
  • the time chart of FIG. 6 corresponds to the time chart of FIG. 4 in which a chart showing the change over time of the displacement angle of the IN-VVT 6 and the chart showing the change over time of the opening of the WGV 4 by this control apparatus are added.
  • WGV4 and IN-VVT6 are actuators that adjust the air volume in cooperation with the throttle 2. However, these are less responsive to the amount of air in operation than the throttle 2. For this reason, when the WGV4 or IN-VVT6 is operated to reduce the air amount in response to a torque reduction request during acceleration, the response to the air amount is slightly increased when the reduced required torque once again increases. Will be delayed. However, according to the present control device, in a situation where the required torque and the current torque are different due to the supercharging delay, it is assumed that the required torque is reduced by the torque down request as shown in the respective charts of WGV4 and IN-VVT6. However, WGV4 and IN-VVT6 continue to operate in the direction of increasing the air amount.
  • Embodiment 3 FIG. Next, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • FIG. 7 is a functional block diagram showing the configuration of the control device according to the third embodiment of the present invention.
  • This control device corresponds to a partly modified configuration of the control device of the second embodiment.
  • elements that are common in function to the control apparatus of the second embodiment are denoted by the same reference numerals in the drawing.
  • description of functions common to the second embodiment will be omitted or simplified, and the configuration of the present control device will be described focusing on functions different from the second embodiment.
  • the difference of the present control device from the control device in the second embodiment is in the torque values used for determining the target actuator values of WGV4 and IN-VVT6.
  • the present control device determines the target actuator values of WGV4 and IN-VVT6 not based on the required torque but only on the driver required torque included in the required torque, that is, the required torque calculated from the accelerator pedal opening.
  • the target torque is determined by the target torque determination unit 24 with reference to the request torque including not only the driver request torque but also the request torque of the vehicle control device such as ECT, A target throttle opening is determined based on the target torque.
  • the driver required torque is converted into a target air amount (indicated as target KL2 in the figure) by the air amount conversion map 30. Then, the target air amount converted from the driver request torque is input to the VVT inverse model 18, and the target displacement angle of IN-VVT 6 is calculated based on the target air amount.
  • the target air amount converted from the driver request torque by the air amount conversion map 30 is input to the intake valve inverse model 32. Then, the target intake pipe pressure (denoted as target Pm2 in the figure) calculated by the intake valve inverse model 32 is converted into the target boost pressure using the boost pressure calculation map 14, and further the duty calculation map 16 is used. Is converted into the target WGV duty of WGV4.
  • the torque reduction request by the vehicle control device such as ECT is not reflected in the operation of the WGV4 or IN-VVT6, and the torque reduction by the vehicle control device is performed.
  • the request is reflected only in the operation of the throttle 2.
  • the WGV 4 and the IN-VVT 6 are not operated unnecessarily, and it is possible to prevent a delay in the response of the air amount when the requested torque once decreased due to the torque reduction request is increased again. it can.
  • WGV and IN-VVT are not essential for the first embodiment.
  • the control device of the first embodiment can also be applied to an internal combustion engine with a supercharger that does not have WGV or IN-VVT but has only a throttle.
  • WGV and IN-VVT are exemplified as actuators that adjust the air amount in cooperation with the throttle.
  • a variable valve timing device for a turbocharger with a variable nozzle or an exhaust valve is used. May be considered to be included in such an actuator.

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Abstract

 本発明は、エア逆モデルを用いた目標スロットル開度の計算を過給付き内燃機関に適用する場合において、過給機の過給遅れによって要求トルクと現在トルクとが乖離している状況でのトルクの制御性を向上させることを課題とする。このため、本発明が提供する制御装置は、通常は要求トルクを目標トルクとして決定するが、要求トルクと現在トルクとが乖離している状況で要求トルクに減少方向の変化が生じた場合は、現在トルクよりも低い値を目標トルクとして決定する。好ましくは、要求トルクの減少量に応じて目標とするトルク減少量を決定し、現在トルクから目標トルク減少量を差し引いた値を目標トルクとして決定する。そして、このように決定される目標トルクから目標空気量を計算し、目標空気量に基づきエア逆モデルを用いて目標スロットル開度を計算する。

Description

過給機付き内燃機関の制御装置
 本発明は、スロットルを有する過給機付き内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、目標空気量に基づきエア逆モデルを用いて目標スロットル開度を計算する過給機付き内燃機関の制御装置に関する。
 特開2010-053705号公報に開示されているように、エア逆モデルを用いた計算によって目標スロットル開度を決定する方法が知られている。エア逆モデルは、エアモデル、すなわち、スロットルの動作に対する吸入空気量の応答をモデル化し、それを数式で表したものの逆モデルである。要求トルクから目標空気量を算出し、それをエア逆モデルに入力することによって、要求トルクを実現するのに必要なスロットル開度が算出される。
 エア逆モデルを用いた目標スロットル開度の計算は、自然吸気型の内燃機関だけでなく、過給機付き内燃機関の制御にも適用することができる。ただし、その場合、過給機付き内燃機関に特有の次のような問題が生じる。
 過給機付き内燃機関の場合、過給機による空気量の応答遅れにより、加速開始から暫くの間は要求トルクと現在トルクとが大きく乖離した状況が続くことになる。エア逆モデルでは、現在の空気量を目標空気量に最速で到達させるように目標スロットル開度の計算が行われる。このため、実トルクが要求トルクに対して不足している状況では、空気量を速やかに増大させるようにスロットルは最大開度まで開かれるようになる。
 このような状況でドライバによりアクセルペダルの一時的な戻し操作が行われたとする。その操作は要求トルクに反映され、要求トルクは一時的に減少する。しかし、要求トルクと現在トルクとが大きく乖離している状況では、要求トルクが多少減少したとしても依然として現在トルクは要求トルクに対して不足している。このため、エア逆モデルにより算出される目標スロットル開度は最大開度のままとなり、現在トルクは要求トルクに向けて単調に増加し続ける。その結果、ドライバは期待する減速感を得ることができず、違和感を覚えることになる。
 また、要求トルクには、ドライバがアクセルペダル操作を介して要求するトルクと、ECT(Electronic Controlled Transmission)やTRC(Traction Control System)等の車両制御デバイスが車両制御のために要求するトルクとが含まれる。このため、加速中における要求トルクの一時的な減少は、アクセルペダルの一時的な戻し操作だけでなく、車両制御デバイスからのトルクダウン要求によってもたらされる場合がある。しかし、要求トルクと現在トルクとの乖離が大きい場合には、エア逆モデルにより算出される目標スロットル開度は最大開度のままとなり、車両制御デバイスからのトルクダウン要求がスロットル開度に反映されない可能性がある。
特開2010-053705号公報 特開2010-223046号公報
 本発明は、エア逆モデルを用いた目標スロットル開度の計算を過給付き内燃機関に適用する場合において、過給機の過給遅れによって要求トルクと現在トルクとが乖離している状況でのトルクの制御性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、次のような過給機付き内燃機関の制御装置を提供する。
 本発明の1つの形態によれば、本制御装置は、ドライバや車両制御デバイスが内燃機関に対して要求する要求トルクを受け取り、要求トルクを参照して内燃機関に出力させる目標トルクを決定する。そして、目標トルクから目標空気量を計算し、目標空気量に基づきエア逆モデルを用いて目標スロットル開度を計算する。本制御装置は、後述する特定の状況を除いては、つまり、通常の状況では、要求トルクを目標トルクとして決定する。要求トルクを最速で実現するための目標スロットル開度を算出するためである。ただし、加速時に発生する過給遅れによって要求トルクと現在トルクとが乖離している状況において要求トルクに減少方向の変化が生じた場合には、本制御装置は通常とは異なる方法で目標トルクを決定する。この場合、本制御装置は、現在トルクよりも低い値を目標トルクとして決定する。
 加速時における現在トルクは内燃機関が現時点において発生しうる最大トルクであるから、要求トルクをそのまま目標トルクとする場合、現在トルクよりも高い領域での要求トルクの減少はスロットル開度には反映されない。しかし、上記のように目標トルクを決定すれば、要求トルクの減少に合わせて内燃機関が出力するトルクを減少させることができる。このため、要求トルクの減少がドライバのアクセルペダル操作によるものである場合には、期待する減速感をドライバに与えることができる。また、要求トルクの減少が車両制御デバイスからのトルクダウン要求によるものである場合には、必要とされる車両制御を的確に実行することができる。
 現在トルクよりも低い値を目標トルクとして決定する際、好ましくは次のような方法で目標トルクを決定する。まず、要求トルクと現在トルクとが乖離している状況で要求トルクに減少方向の変化が生じた場合、要求トルクの減少量に応じて目標とするトルク減少量を決定する。目標トルク減少量の具体的な計算方法としては、例えば、現在トルクと減少前の要求トルクとの比を計算し、その比を補正係数にして要求トルクの減少量を補正した値を目標トルク減少量とすればよい。そして、現在トルクからこの目標トルク減少量を差し引いた値を目標トルクとして決定する。
 上記のような目標トルクの決定方法によれば、内燃機関が出力するトルクの実際の減少量は要求トルクの減少量に応じて調整される。このため、要求トルクの減少がドライバのアクセルペダル操作によるものである場合には、ドライバの期待により合致した減速度を車両に発生させることができる。また、要求トルクの減少が車両制御デバイスからのトルクダウン要求によるものである場合には、必要とされる車両制御をより的確に実行することができる。
 ところで、過給機付き内燃機関にはスロットルの他にも空気量に関する1又は複数のアクチュエータが設けられている場合がある。例えば、バルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング装置や、過給圧を変化させるウエストゲートバルブ或いは可変ノズル等である。これらのアクチュエータはスロットルと協働して空気量を調整する。ところが、これらのアクチュエータには、スロットルに比較した場合、その動作に対する空気量の応答性が低いという特徴がある。このようなアクチュエータを有する過給機付き内燃機関が制御対象である場合、本制御装置によるアクチュエータの操作には次のような好ましい方法がある。
 第1の好ましい方法によれば、本制御装置は、要求トルクに基づいて目標アクチュエータ値を決定し、その目標アクチュエータ値に従ってアクチュエータを操作する。つまり、上記のように決定される目標トルクに基づいた操作はスロットルについてのみ行い、スロットルと協働して空気量を調整する他のアクチュエータに関しては、目標トルクではなく要求トルクそのものに基づいてその目標値を決定する。要求トルクに基づいたアクチュエータの操作によれば、過給遅れによって要求トルクと現在トルクとが乖離している状況では、アクチュエータは要求トルクが多少減少したとしても空気量を増大させる方向に動作し続ける。これによれば、一旦減少した要求トルクが再び増大に転じた場合に空気量の応答に遅れが発生するのを防ぐことができる。また、スロットルは他のアクチュエータよりも動作に対する空気量の応答性が高いので、上記のように決定される目標トルクに基づいてスロットルを操作することで、要求トルクの減少に合わせて空気量を速やかに減少させることができる。さらには、再び要求トルクが増大に転じた場合には空気量を速やかに増大させることができる。
 第2の好ましい方法によれば、本制御装置は、要求トルクから車両制御デバイスが要求するトルクを除いたトルクに基づいて目標アクチュエータ値を決定し、その目標アクチュエータ値に従ってアクチュエータを操作する。本方法によれば、車両制御デバイスによるトルクダウン要求がアクチュエータの動作に反映されることはないので、加速時にはアクチュエータは空気量を増大させる方向に動作し続ける。このため、第1の方法の場合と同様、一旦減少した要求トルクが再び増大に転じた場合に空気量の応答に遅れが発生するのを防ぐことができる。また、本方法によれば、車両制御デバイスによるトルクダウン要求はスロットルの動作に反映される。スロットルは動作に対する空気量の応答性が高いので、トルクダウン要求に合わせて空気量を速やかに減少させることができる。さらには、トルクダウン要求後のトルクアップ要求に合わせて空気量を速やかに増大させることができる。
 なお、スロットルの動作に対する空気量の応答性は高いものの、要求トルク減少量に応じて設定される目標トルク減少量があまりに大きい場合には、目標トルク減少量を達成するのに必要な分だけ空気量を減らしきれない場合がある。つまり、スロットルを目標スロットル開度に従い操作することで得られる空気量が目標トルクの実現のために必要な空気量に対して過剰になる可能性がある。そのような場合は、スロットルによる空気量の制御に点火装置による点火時期の制御を組み合わせることで、目標トルクを確実に実現することが可能となる。よって、本発明のより好ましい形態によれば、点火時期を最適点火時期よりも遅角することによって内燃機関が出力するトルクを目標トルクに調整する機能が制御装置に備えられる。
 本発明の別の形態によれば、本制御装置は、ドライバによるアクセルペダルの操作量を参照して内燃機関に出力させる目標トルクを決定する。そして、目標トルクから目標空気量を計算し、目標空気量に基づきエア逆モデルを用いて目標スロットル開度を計算する。本制御装置は、ドライバによるアクセルペダルの操作量に応じて目標トルクを決定することを基本とする。つまり、後述する特定の状況を除く通常の状況では、アクセルペダルの操作量に応じて目標トルクを決定する。ドライバによる加速要求を最速で実現するための目標スロットル開度を算出するためである。ただし、ドライバによりアクセルペダルが踏み込まれ、それに伴う加速の途中でアクセルペダルが戻された場合には、本制御装置は通常とは異なる方法で目標トルクを決定する。この場合、本制御装置は、現在トルクよりも低い値を目標トルクとして決定する。
 上記のように目標トルクを決定すれば、ドライバによるアクセルペダルの戻し操作に合わせて内燃機関が出力するトルクを減少させることができる。これにより、ドライバがアクセルペダルの操作を介して内燃機関に要求するトルクダウンを達成し、期待する減速感をドライバに与えることができる。この場合、より好ましくは、アクセルペダルの戻し量に応じて目標とするトルク減少量を決定し、現在トルクからこの目標トルク減少量を差し引いた値を目標トルクとして決定する。これによれば、内燃機関が出力するトルクの実際の減少量は要求トルクの減少量に応じて調整されるので、ドライバの期待により合致した減速度を車両に発生させることができる。
本発明の実施の形態1の過給機付き内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 目標トルクの決定方法を示すフローチャートである。 目標トルクの具体的な計算例を示す図である。 図1に示す構成の制御装置により制御される過給機付き内燃機関の加速時の動作イメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態2の過給機付き内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 図5に示す構成の制御装置により制御される過給機付き内燃機関の加速時の動作イメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態3の過給機付き内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。
実施の形態1.
 以下、本発明の実施の形態1について図を用いて説明する。
 本実施の形態の制御装置の適用対象となる内燃機関は、自動車用の過給機付き内燃機関、詳しくは、ターボ過給機を備えた火花点火式の4サイクルレシプロエンジンである。より詳しくは、電子制御式スロットル(以下、単にスロットルと表記する)、吸気バルブのバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング装置(以下、IN-VVTと表記する)、及びウエストゲートバルブ(以下、WGVと表記する)を有する内燃機関である。本制御装置は、内燃機関に備えられるECU(Electronic control unit)の一機能として実現される。詳しくは、メモリに記憶されたプログラムがCPUによって実行されることで、ECUは制御装置として機能する。ECUが制御装置として機能する場合、ECUは、プログラムされているアクチュエータ制御ロジックに従ってスロットルを含む各アクチュエータの動作を制御する。
 図1は、アクチュエータ制御ロジックに従いECUが機能することで実現される制御装置の構成を示す機能ブロックである。本制御装置は、要求トルクを取得し、要求トルクを参照して目標トルクを決定する。要求トルクには、ドライバによるアクセルペダルの操作量から算出されたドライバ要求トルクと、ECTやTRC等の車両制御デバイスから発せられるデバイス要求トルクとが含まれる。要求トルクから目標トルクを決定する方法については追って詳細に説明する。本制御装置は、目標トルクに基づいてスロットル2、WGV4、IN-VVT6及び点火装置8の各目標アクチュエータ値を算出する。以下、本制御装置による各アクチュエータの目標アクチュエータ値の算出方法について説明する。
 まず、本制御装置によるスロットル2の目標アクチュエータ値の算出方法について説明する。スロットル2のアクチュエータ値はスロットル開度である。本制御装置は、空気量変換マップ10とエア逆モデル12を用いて目標トルクから目標スロットル開度(図中では目標TAと表記する)を算出する。空気量変換マップ10は、トルクと筒内吸入空気量(或いは、それを無次元化した充填効率又は負荷率)とがエンジン回転数、点火時期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。空気量変換マップ10では、現在のエンジン状態量のもとで目標トルクの実現のために必要な筒内吸入空気量が目標空気量(図中では目標KLと表記する)として算出される。
 本制御装置は、目標空気量をエア逆モデル12に入力することによって目標スロットル開度を算出する。エア逆モデル12は、詳しくは、吸気弁逆モデルM1、吸気管逆モデルM2、スロットル逆モデルM3、スロットル動作逆モデルM4、スロットル動作モデルM5、スロットルモデルM6、吸気管モデルM7及び吸気弁モデルM8を組み合わせて構成されている。このうちスロットルモデルM6、吸気管モデルM7及び吸気弁モデルM8は簡易的なエアモデルを構成している。
 吸気弁逆モデルM1は、筒内吸入空気量と吸気管圧力との関係について調べて作成された実験ベースのモデルである。実験で得られた経験則により、吸気弁逆モデルM1においては筒内吸入空気量と吸気管圧力との関係が直線或いは折れ線で近似されている。目標空気量を吸気弁逆モデルM1に入力することによって、目標空気量を実現するための目標吸気管圧(図中では目標Pmと表記する)が算出される。
 吸気管逆モデルM2は、吸気管内の空気に関する保存則、具体的には、エネルギー保存則と流量保存則とに基づいて構築された物理モデルである。吸気管逆モデルM2では、スロットルを通過する空気の流量と吸気管圧との関係が数式で表されている。吸気管逆モデルM2には、目標吸気管圧と現在の仮想吸気管圧(図中では仮想Pmと表記する)との圧力差(図中ではΔPmと表記する)と、現在の仮想空気量(図中では仮想KLと表記する)とが主たる入力情報として入力される。吸気管逆モデルM2は、これらの入力情報に基づいて目標吸気管圧の実現のための目標スロットル通過流量(図中では目標mtと表記する)を算出する。
 スロットル逆モデルM3は、スロットル通過流量とスロットル開度との関係を数式で表したモデルである。詳しくは、スロットル開度により決まる流路面積とスロットルの前後の圧力比との関数でスロットル通過流量を表現したものがスロットルモデルの方程式であり、その方程式をスロットル開度の式に変形したものがスロットル逆モデルの方程式である。この方程式で用いる圧力比は実測値でもよいしモデルによる計算値でもよい。スロットル逆モデルM3に目標スロットル通過流量を入力することによって、目標スロットル通過流量の実現のためのスロットル開度が算出される。
 スロットル動作逆モデルM4は、スロットル2の動作とその動作を生じさせる入力信号との関係を数式等で近似したモデルである。スロットル逆モデルM3で算出されたスロットル開度をスロットル動作逆モデルM4に入力することによって、それを実現するための入力信号、すなわち、目標スロットル開度が算出される。
 スロットル動作モデルM5、スロットルモデルM6、吸気管モデルM7及び吸気弁モデルM8は、上述の計算過程で用いられる仮想吸気管圧及び仮想空気量を算出するために設けられている。スロットル動作モデルM5は、前述のスロットル動作逆モデルM4に対応する順モデルである。スロットル動作モデルM5に目標スロットル開度を入力することによって、現時点における仮想の実スロットル開度が算出される。また、スロットルモデルM6は前述のスロットル逆モデルM3に対応する順モデルであって、仮想スロットル開度の入力により現在の仮想スロットル通過流量(図中では仮想mtと表記する)を算出する。吸気管モデルM7は前述の吸気管逆モデルM2に対応する順モデルであって、仮想スロットル通過流量の入力により仮想吸気管圧を算出する。そして、吸気弁モデルM8は前述の吸気弁逆モデルM1に対応する順モデルであって、仮想吸気管圧の入力によって仮想空気量を算出する。前述のように、仮想吸気管圧は圧力差(ΔPm)の計算に用いられ、仮想空気量は圧力差とともに吸気管逆モデルM2に入力される。
 本制御装置は、上述のエア逆モデル12によって算出された目標スロットル開度に従ってスロットル2を操作する。その操作によって実際に実現されたスロットル2の開度は、図示しないスロットル開度センサによって計測される。
 次に、本制御装置によるWGV4の目標アクチュエータ値の算出方法について説明する。WGV4のアクチュエータ値は、WGV4を開閉動作させるソレノイドのデューティである。本制御装置は、過給圧算出マップ14とデューティ算出マップ16を用いて目標吸気管圧からWGV4の目標デューティ(図中では目標WGVデューティと表記する)を算出する。過給圧算出マップ14は、吸気管圧とその実現に必要な過給圧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。本制御装置は、目標吸気管圧に基づき過給圧算出マップ14を用いて目標過給圧を算出する。デューティ算出マップ16は、過給圧とその実現に必要なデューティ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。本制御装置は、目標過給圧に基づきデューティ算出マップ16を用いて目標WGVデューティを算出し、目標WGVデューティに従ってWGV4を操作する。
 次に、本制御装置によるIN-VVT6の目標アクチュエータ値の算出方法について説明する。IN-VVT6のアクチュエータ値は、IN-VVT6の変位角である。本制御装置は、VVT逆モデル18を用いて目標空気量からIN-VVT6の目標変位角(図中では目標VVT変位角と表記する)を算出する。VVT逆モデル18は、IN-VVT6の変位角に対する空気量の応答特性をモデル化したVVTモデルの逆モデルである。VVT逆モデル18によれば、目標空気量を最速で実現するための変位角が目標変位角として算出される。本制御装置は、VVT逆モデル18を用いて算出された目標変位角に従ってIN-VVT6を操作する。
 最後に、本制御装置による点火装置8の目標アクチュエータ値の算出方法について説明する。点火装置8のアクチュエータ値は点火時期、詳しくは、エンジン状態から決まる最適点火時期(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)に対する遅角量である。本制御装置は、前述のスロットル2、WGV4及びIN-VVT6の協働による空気量制御と点火装置8による点火時期制御との併用によってトルクを制御する。ただし、燃費の観点上、空気量によるトルク制御が主たる制御とされ、点火時期によるトルク制御は空気量によるトルク制御を補間する目的で行われる。具体的には、点火時期は基本的には最適点火時期に設定され、空気量によるトルク制御のみでは目標トルクに対して実トルクが過剰になる場合にのみ点火時期の遅角が行われる。
 本制御装置は、点火時期算出部20を用いて目標点火時期を算出する。点火時期算出部20には、スロットル開度センサによって計測されたスロットル開度(図中には実TAと表記する)の他、現在のエンジン状態を示すエンジン状態量が入力されている。点火時期算出部20は、それらエンジン状態量に基づいて点火時期を最適点火時期に設定したならば得られる推定トルクを算出する。推定トルクが目標トルク以下の場合は、点火時期算出部20からは最適点火時期が目標点火時期として算出される。しかし、推定トルクが目標トルクより大きい場合には、点火時期算出部20は、推定トルクと目標トルクとの差或いは比に基づいて目標トルクの実現に必要な点火時期の遅角量を決定する。そして、最適点火時期からその遅角量だけ遅角した点火時期を目標点火時期として算出する。本制御装置は、点火時期算出部20で算出された目標点火時期に従って点火装置8を操作する。
 以上述べたように、本制御装置は、各アクチュエータの目標アクチュエータ値を算出するためのベース情報として、要求トルクではなく目標トルクを使用する。目標トルクは先に触れたとおり要求トルクを参照して決定される。本制御装置は、要求トルクから目標トルクを決定するための要素として、目標トルク決定部24と現在トルク算出部26とを備えている。
 現在トルク算出部26は、内燃機関が出力している現在トルクを算出する要素である。現在トルク算出部26には、エンジン回転数、現在空気量(現在KL)及び目標空燃比(目標A/F)等の現在のエンジン状態を示すエンジン状態量が入力されている。これらのエンジン状態量はセンサによる計測値でもよいし計算値でもよい。現在トルク算出部26はそれらのエンジン状態量を用いて内燃機関が出力している現在トルクを算出する。
 目標トルク決定部24には、要求トルクと現在トルク算出部26で算出された現在トルクが入力される。要求トルクの計算は、図示しないパワートレインマネージャで行われている。パワートレインマネージャは車両全体を統合制御する制御装置であって、本制御装置と同様にECUの一機能として実現されている。パワートレインマネージャによる要求トルクの計算や本制御装置による現在トルクの計算は、ECUの演算周期に相当する一定の時間ステップで行われる。目標トルク決定部24は、入力された要求トルクと現在トルクとに基づいて目標トルクを決定する。目標トルク決定部24による目標トルクの決定方法をフローチャートで示したものが図2である。以下、図2のフローチャートを参照しながら目標トルク決定部24の機能について説明する。
 図2のフローチャートによれば、目標トルク決定部24は、まず、ステップS1の判定を行う。ステップS1では、目標トルク決定部24は要求トルクと現在トルクとの差を算出し、その差が所定の閾値よりも大きいかどうか判定する。スロットル2はその動作に対する空気量の応答性がWGV4等に比較して高いアクチュエータであるが、目標空気量と実際の空気量との間には若干の応答遅れが発生する。このため、要求トルクと現在トルクとの間に一時的な差が生じることは、過給機付き内燃機関のみならず自然吸気型の内燃機関でも生じる現象である。ところが、過給機付き内燃機関の場合は、加速中に発生する過給遅れによって要求トルクと現在トルクとが大きく乖離した状況が発生する。ステップS1の判定で用いられる閾値は、過給遅れに伴う要求トルクと現在トルクとの乖離を検出することができるレベルに設定されている。
 要求トルクと現在トルクとの差が閾値を越えている場合、目標トルク決定部24は、次に、ステップS2の判定を行う。ステップS2では、目標トルク決定部24は要求トルクの減少量、詳しくは、要求トルクの前回値に対する今回値の減少量が所定の閾値より大きいかどうか判定する。ドライバや車両制御デバイスからトルクダウン要求が発せられる場合、その要求は要求トルクの減少量の大きさとして数値化される。ステップS2の判定で用いられる閾値は、ドライバ等からのトルクダウン要求と要求トルクに含まれるノイズ成分とを区別することができるレベルに設定されている。
 目標トルク決定部24は、ステップS1の判定結果が否定であった場合には、目標トルクの決定のための処理としてステップS4の処理を実行する。また、ステップS1の判定結果が肯定であるが、ステップS2の判定結果が否定であった場合にも、ステップS4の処理を実行する。ステップS4では、目標トルク決定部24は、要求トルクの今回値(図中ではTRQrq(k)と表記する)をそのまま目標トルクの今回値(図中ではTRQtg(k)と表記する)として決定する。目標トルクの決定後、目標トルク決定部24はステップS5の処理を実施する。ステップS5では、要求トルクの今回値が前回値として記憶される。
 しかし、ステップS1の判定結果が肯定であり、さらに、ステップS2の判定結果も肯定であった場合には、目標トルク決定部24は目標トルクの決定のための処理としてステップS3の処理を実行する。ステップS3では、目標トルク決定部24は、要求トルクの減少量に応じて目標とするトルク減少量を決定し、現在トルクよりも目標トルク減少量だけ低い値を目標トルクとして決定する。詳しくは、次のように目標トルクを決定する。まず、目標トルク決定部24は、要求トルクの前回値に対する今回値の減少量(図中ではΔTRQと表記する)を算出する。また、現在トルクの前回値(図中ではTRQcr(k-1)と表記する)と要求トルクの前回値(図中ではTRQrq(k-1)と表記する)との比を算出する。そして、その比を補正係数として要求トルクの減少量を補正したものを目標トルク減少量として算出する。そして、目標トルク決定部24は、要求トルクの前回値から目標トルク減少量を減じて得られる値を目標トルクの今回値(図中ではTRQtg(k)と表記する)として決定する。目標トルクの決定後、目標トルク決定部24はステップS5の処理を実施する。
 以上の方法によれば、通常は、要求トルクを最速で実現するための目標スロットル開度が算出されるように要求トルクがそのまま目標トルクとして決定される。しかし、加速時の過給遅れにより要求トルクと現在トルクとが乖離している状況において、ドライバや車両制御デバイスからトルクダウン要求が発せられた場合には、必要なトルク減少量が得られるように現在トルクを基準にして目標トルクが算出される。以下、上記の方法にて目標トルクを決定することの技術的意義について具体的な計算例を用いて説明する。
 図3は、上記の方法による目標トルクの計算の具体例を示す図である。この図では、前々回の要求トルクは100Nmであり、現在トルクは80Nmになっている。そして、前回の演算時点において要求トルクは110Nmに増大し、現在トルクは88Nmに増大している。そして、このように要求トルクと現在トルクとが乖離しながらともに増大している状況において、今回、要求トルクは95Nmまで減少している。
 図のように要求トルク及び現在トルクが変化する場合、前回の演算時点まではステップS4の処理に従って通常の方法で目標トルクが決定されている。すなわち、前々回の目標トルクは100Nmに決定され、前回の目標トルクは110Nmに決定されている。しかし、要求トルクが減少した今回については、ステップS3の処理に従って目標トルクの計算が行われる。ステップS3で用いられる計算式によれば、要求トルクの減少量が15Nmであり、現在トルクの前回値と要求トルクの前回値との比が0.8であることから、目標とするトルク減少量は15Nmに補正係数の0.8を掛けて得られる12Nmとなる。そして、現在トルクの前回値である88Nmから目標トルク減少量の12Nmを減じて得られる76Nmが目標トルクの今回値として決定される。
 加速時における現在トルクは内燃機関が現時点において発生しうる最大トルクであるから、要求トルクをそのまま目標トルクとする場合、現在トルクよりも高い領域での要求トルクの減少はスロットル開度には反映されない。しかし、上記のように現在トルクの前回値を基準にして目標トルクの今回値を決定すれば、要求トルクの減少に合わせて内燃機関が出力するトルクを減少させることができる。図3の例によれば、現在トルクを前回値の88Nmから今回値の76Nmまで下げることができる、しかも、ステップS3で用いられる計算式によれば、要求トルクの減少量が大きいほど現在トルクの減少量も大きくなるように目標トルクが算出される。このため、要求トルクの減少がドライバのアクセルペダル操作によるものである場合には、期待する減速感をドライバに与えることができる。また、要求トルクの減少が車両制御デバイスからのトルクダウン要求によるものである場合には、必要とされる車両制御を的確に実行することができる。
 以上のように目標トルクの決定が行われることで、本制御装置によれば、図4にチャートで示すような制御結果を得ることができる。図4は、本制御装置により制御される過給機付き内燃機関の加速時の動作イメージを比較例による動作イメージと比較して示すタイムチャートである。ここでは、比較例として、要求トルクをそのまま目標トルクとする装置、つまり、図1に示す構成から目標トルク決定部24と現在トルク算出部26を除いた装置を用いている。
 図4は、アクセルペダルが全開まで踏み込まれた後、アクセルペダルが一時的に少し戻された場合の制御結果を示している。図4の最上段のチャートには、アクセルペダルの開度の時間変化が示されている。2段目のチャートには、本制御装置による目標トルクの時間変化が実線で示され、比較例による目標トルク、すなわち、要求トルクの時間変化が点線で示されている。3段目のチャートには、本制御装置による実トルクの時間変化が実線で示され、比較例による実トルクの時間変化が点線で示されている。4段目のチャートには、本制御装置によるスロットル開度の時間変化が実線で示され、比較例によるスロットル開度の時間変化が点線で示されている。5段目のチャートには、本制御装置による筒内吸入空気量の時間変化が実線で示され、比較例による筒内吸入空気量の時間変化が点線で示されている。そして、最下段のチャートには、本制御装置によるスロットル上流圧の時間変化が実線で示され、比較例によるスロットル上流圧の時間変化が点線で示されている。
 まず、比較例による制御結果から説明する。比較例によれば、アクセルペダルの開度から計算された要求トルクがそのまま目標トルクとされ、要求トルクそのものである目標トルクに従ってスロットルの操作が行われる。アクセルペダルが踏み込まれると、スロットルが最大開度まで開かれることによって空気量は一瞬急速に立ち上がる。しかし、過給機による過給が行われていないNA領域から過給が行われる過給領域に入ると、過給遅れ、つまり、スロットル上流圧の上昇遅れによって空気量の上昇速度は鈍くなる。その結果、目標トルクと内燃機関が出力する実際のトルクとは大きく乖離する状況が生まれる。この場合、前述のエア逆モデルによる目標スロットル開度の計算によれば、現在トルクを最大速度で目標トルクまで到達させるように、スロットルの最大開度が目標スロットル開度として算出される。この状況においてアクセルペダルが一時的に少し戻された場合、要求トルクそのものである目標トルクはアクセルペダルの戻し量に応じた量だけ減少する。しかし、目標トルクが多少減少したとしても目標トルクと現在トルクとが乖離している状況に変化はないため、スロットル開度は依然として最大開度に貼り付いたままとなる。その結果、空気量は減少することなく単調に増大し続け、それに応じて内燃機関が出力するトルクも単調に増大し続ける。つまり、比較例によれば、ドライバによるアクセルペダルの戻し操作はスロットルの動作に反映されず、結果として、内燃機関が出力するトルクにも反映されない。
 これに対して、本制御装置によれば、次のような制御結果を得ることができる。本制御装置によれば、通常は、比較例と同様にアクセルペダルの開度から計算された要求トルクがそのまま目標トルクとされ、その目標トルクに従ってスロットルの操作が行われる。しかし、目標トルクと内燃機関が出力しているトルクとが一定以上乖離している状況においてアクセルペダルの戻し操作が行われた場合は、現在トルク、すなわち、内燃機関が現時点において出力可能な最大トルクを基準にして目標トルクが決定される。ここで決定される目標トルクは、要求トルクの減少量に応じて決定される目標トルク減少量だけ現在トルクよりも低い値とされる。このため、前述のエア逆モデルによる目標スロットル開度の計算によれば、現在トルクをそれよりも低い目標トルクまで下げるように目標スロットル開度は最大開度から目標トルクに応じた開度へと小さくされる。その結果、スロットルは一時的に閉じ側に操作され、それにより空気量が一時的に減少することによって内燃機関が出力するトルクにも一時的な減少が生じる。つまり、本制御装置によれば、ドライバによるアクセルペダルの戻し操作をスロットルの動作に反映させることができ、ひいては、内燃機関が出力するトルクにも反映させることができる。なお、比較例に比べて本制御装置の方がスロットル上流圧の立ち上がりが若干遅くなるのは、上記のようにスロットルが一時的に閉じられるためである。また、本制御装置では空気量が一旦減少するため、比較例に比べて目標トルクと現在トルクが乖離した状態が若干長く続くことになり、その分、スロットル開度が最大開度に貼り付いている時間も長くなっている。
実施の形態2.
 次に、本発明の実施の形態2について図を用いて説明する。
 図5は、本発明の実施の形態2の制御装置の構成を示す機能ブロック図である。本制御装置は、実施の形態1の制御装置の構成を一部変形したものに相当する。このため、本制御装置を構成する要素のうち、実施の形態1の制御装置と機能において共通する要素については図中に同一の符号を付している。以下では、実施の形態1と共通する機能についてはその説明を省略或いは簡略し、実施の形態1と異なる機能を中心に本制御装置の構成について説明する。
 本制御装置の実施の形態1の制御装置との相違点は、WGV4及びIN-VVT6の各目標アクチュエータ値の決定に用いるトルク値にある。本制御装置は、目標トルク決定部24で決定される目標トルクではなく、要求トルクに基づいてWGV4及びIN-VVT6の各目標アクチュエータ値を決定する。スロットル2に関しては、実施の形態1の制御装置と同様、目標トルク決定部24で決定される目標トルクに基づいて目標スロットル開度が決定される。
 このため、本制御装置は、空気量変換マップ10とは別に、要求トルクを空気量に変換するための空気量変換マップ30を備えている。空気量変換マップ30では、現在のエンジン状態量のもとで要求トルクの実現のために必要な筒内吸入空気量が目標空気量(図中では目標KL2と表記する)として算出される。本制御装置では、要求トルクから変換された目標空気量がVVT逆モデル18に入力され、その目標空気量に基づいてIN-VVT6の目標変位角が算出される。また、本制御装置は、エア逆モデル12が有する吸気弁逆モデルM1と同内容の吸気弁逆モデル32を別に備えている。この吸気弁逆モデル32には、空気量変換マップ30によって要求トルクから変換された目標空気量が入力される。そして、吸気弁逆モデル32で算出された目標吸気管圧(図中では目標Pm2と表記する)が過給圧算出マップ14を用いて目標過給圧に変換され、さらにデューティ算出マップ16を用いてWGV4の目標WGVデューティに変換される。
 図6は、本制御装置により制御される過給機付き内燃機関の加速時の動作イメージを示すタイムチャートである。図6のタイムチャートは、本制御装置によるIN-VVT6の変位角の時間変化を示すチャートとWGV4の開度の時間変化を示すチャートを図4のタイムチャートに追加したものに相当する。
 WGV4やIN-VVT6はスロットル2と協働して空気量を調整するアクチュエータである。ところが、これらはスロットル2に比較すると動作に対する空気量の応答性が低い。このため、加速中のトルクダウン要求に応じて空気量を減らす側にWGV4やIN-VVT6を動作させた場合には、一旦減少した要求トルクが再び増大に転じた場合に空気量の応答に若干の遅れが発生することになる。しかし、本制御装置によれば、過給遅れによって要求トルクと現在トルクとが乖離している状況では、WGV4とIN-VVT6の各チャートに示すように、トルクダウン要求によって要求トルクが減少したとしてもWGV4及びIN-VVT6は空気量を増大させる方向に動作し続ける。これによれば、一旦減少した要求トルクが再び増大に転じた場合に空気量の応答に遅れが発生するのを防ぐことができる。また、スロットル2に関しては実施の形態1の場合と同様に目標トルクに基づいて操作されるので、要求トルクの減少に合わせて空気量を速やかに減少させることができるだけでなく、再び要求トルクが増大に転じた場合に空気量を速やかに増大させることができる。
実施の形態3.
 次に、本発明の実施の形態3について図を用いて説明する。
 図7は、本発明の実施の形態3の制御装置の構成を示す機能ブロック図である。本制御装置は、実施の形態2の制御装置の構成を一部変形したものに相当する。このため、本制御装置を構成する要素のうち、実施の形態2の制御装置と機能において共通する要素については図中に同一の符号を付している。以下では、実施の形態2と共通する機能についてはその説明を省略或いは簡略し、実施の形態2と異なる機能を中心に本制御装置の構成について説明する。
 本制御装置の実施の形態2の制御装置との相違点は、WGV4及びIN-VVT6の各目標アクチュエータ値の決定に用いるトルク値にある。本制御装置は、要求トルクではなく、要求トルクに含まれるドライバ要求トルク、すなわち、アクセルペダル開度から算出される要求トルクのみに基づいてWGV4及びIN-VVT6の各目標アクチュエータ値を決定する。スロットル2に関しては、実施の形態1の制御装置と同様、ドライバ要求トルクだけでなくECT等の車両制御デバイスの要求トルクも含む要求トルクを参照して目標トルク決定部24で目標トルクが決定され、その目標トルクに基づいて目標スロットル開度が決定される。
 本制御装置では、空気量変換マップ30によりドライバ要求トルクが目標空気量(図中では目標KL2と表記する)に変換される。そして、ドライバ要求トルクから変換された目標空気量がVVT逆モデル18に入力され、その目標空気量に基づいてIN-VVT6の目標変位角が算出される。また、本制御装置では、空気量変換マップ30によってドライバ要求トルクから変換された目標空気量が吸気弁逆モデル32に入力される。そして、吸気弁逆モデル32で算出された目標吸気管圧(図中では目標Pm2と表記する)が過給圧算出マップ14を用いて目標過給圧に変換され、さらにデューティ算出マップ16を用いてWGV4の目標WGVデューティに変換される。
 以上のように構成される本実施の形態の制御装置によれば、ECT等の車両制御デバイスによるトルクダウン要求がWGV4やIN-VVT6の動作に反映されることはなく、車両制御デバイスによるトルクダウン要求はスロットル2の動作のみに反映される。これにより、WGV4やIN-VVT6を無用に動作させてしまうことがなく、トルクダウン要求により一旦減少した要求トルクが再び増大に転じた場合に空気量の応答に遅れが発生するのを防ぐことができる。
その他.
 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く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態1に関してはWGVやIN-VVTは必須ではない。実施の形態1の制御装置は、WGVやIN-VVTを有さずスロットルのみを有する過給機付き内燃機関にも応用することができる。また、上述の実施の形態ではスロットルと協働して空気量を調整するアクチュエータとしてWGVとIN-VVTを例に挙げたが、可変ノズル付きのターボ過給機や排気バルブ用の可変バルブタイミング装置もそのようなアクチュエータに含まれると考えてよい。
2 スロットル
4 ウエストゲートバルブ
6 可変バルブタイミング装置
8 点火装置
10 空気量変換マップ
12 エア逆モデル
14 過給圧算出マップ
16 デューティ算出マップ
18 VVT逆モデル
20 点火時期算出部
24 目標トルク決定部
26 現在トルク算出部
M1 吸気弁逆モデル
M2 吸気管逆モデル
M3 スロットル逆モデル
M4 スロットル動作逆モデル
M5 スロットル動作モデル
M6 スロットルモデル
M7 吸気管モデル
M8 吸気弁モデル

Claims (8)

  1.  スロットルを有する過給機付き内燃機関の制御装置において、
     目標トルクから目標空気量を計算する手段と、
     前記目標空気量に基づきエア逆モデルを用いて目標スロットル開度を計算する手段と、
     前記目標スロットル開度に従って前記スロットルを操作する手段と、
     前記内燃機関に対する要求トルクを取得する手段と、
     前記内燃機関が出力している現在トルクを計算する手段と、
     前記要求トルクと前記現在トルクとが乖離していない場合は前記要求トルクを前記目標トルクとして決定するが、前記要求トルクと前記現在トルクとが乖離している状況で前記要求トルクに減少方向の変化が生じた場合は、前記現在トルクよりも低い値を前記目標トルクとして決定する目標トルク決定手段と、
    を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
  2.  前記目標トルク決定手段は、前記要求トルクと前記現在トルクとが乖離している状況で前記要求トルクに減少方向の変化が生じた場合、前記要求トルクの減少量に応じて目標とするトルク減少量を決定し、前記現在トルクから前記目標トルク減少量を差し引いた値を前記目標トルクとして決定することを特徴とする請求項1に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  3.  前記目標トルク決定手段は、前記要求トルクの減少量を前記現在トルクと減少前の前記要求トルクとの比によって補正した値を前記目標トルク減少量として決定することを特徴とする請求項2に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  4.  前記内燃機関は、前記スロットルと協働して空気量を調整するアクチュエータであって前記スロットルに比較して動作に対する空気量の応答性が低いアクチュエータを有し、
     前記制御装置は、
     前記要求トルクに基づいて目標アクチュエータ値を決定する手段と、
     前記目標アクチュエータ値に従って前記アクチュエータを操作する手段と、
    を備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  5.  前記内燃機関は、前記スロットルと協働して空気量を調整するアクチュエータであって前記スロットルに比較して動作に対する空気量の応答性が低いアクチュエータを有し、
     前記制御装置は、
     前記要求トルクから車両制御デバイスが要求するトルクを除いたトルクに基づいて目標アクチュエータ値を決定する手段と、
     前記目標アクチュエータ値に従って前記アクチュエータを操作する手段と、
    を備えることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  6.  前記スロットルを前記目標スロットル開度に従い操作することで得られる空気量が前記目標トルクの実現のために必要な空気量に対して過剰になる場合に、点火時期を最適点火時期よりも遅角することによって前記内燃機関が出力するトルクを前記目標トルクに調整する手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
  7.  スロットルを備える過給機付き内燃機関の制御装置において、
     目標トルクから目標空気量を計算する手段と、
     前記目標空気量に基づきエア逆モデルを用いて目標スロットル開度を計算する手段と、
     前記目標スロットル開度に従って前記スロットルを操作する手段と、
     ドライバによるアクセルペダルの操作量を取得する手段と、
     前記内燃機関が出力している現在トルクを計算する手段と、
     ドライバによる前記アクセルペダルの操作量に応じて前記目標トルクを決定することを基本とするが、ドライバにより前記アクセルペダルが踏み込まれ、それに伴う加速の途中で前記アクセルペダルが戻された場合は、前記現在トルクよりも低い値を前記目標トルクとして決定する目標トルク決定手段と、
    を備えることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
  8.  前記目標トルク決定手段は、ドライバにより前記アクセルペダルが踏み込まれ、それに伴う加速の途中で前記アクセルペダルが戻された場合、前記アクセルペダルの戻し量に応じて目標とするトルク減少量を決定し、前記現在トルクから前記目標トルク減少量を差し引いた値を前記目標トルクとして決定することを特徴とする請求項7に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
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JP2016098824A (ja) * 2014-11-18 2016-05-30 ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングRobert Bosch Gmbh 内燃機関の弁制御時間を調整する方法

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