JP5573226B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、スロットルの開度によってトルクを制御可能な内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、目標トルクに基づいて目標スロットル開度を算出してから、目標スロットル開度をスロットルへ出力するまでの間に、所定の遅延時間を設けている内燃機関の制御装置に関する。

電子制御式のスロットルを備えた内燃機関では、目標トルクに基づいて目標スロットル開度を算出し、その目標スロットル開度に従ってスロットルを操作することが行われている。目標トルクから目標スロットル開度を算出する方法としては、例えば特開２００６−２００４６６号公報に開示されているように、吸気系の応答モデルの逆モデルを用いることが公知である。この公報に記載された技術では、目標トルクが目標空気量に換算され、目標空気量を前記の逆モデルに入力することによって、目標トルクを実現するための目標スロットル開度が算出されている。目標スロットル開度の計算に吸気系応答モデルの逆モデルを用いることは、トルクの制御精度を高める上で有用である。

また、目標スロットル開度の算出時点からスロットルへの出力時点までの間に意図的に遅延時間を設ける、いわゆるスロットルディレイ制御が公知である。その具体的な内容は、例えば特開平１０−１６９４６９号公報に記載されている。スロットルディレイ制御によれば、実際のスロットル開度を目標スロットル開度よりも遅延時間分だけ遅れて変化させることができるので、その遅延時間分だけ将来のスロットル開度を遅延前の目標スロットル開度から予測することが可能になる。

スロットルディレイ制御は、空燃比の制御精度を高める上で有用である。特開平１０−１６９４６９号公報に記載された技術では、吸気バルブの閉タイミングにおけるスロットル開度を予測し、その予測スロットル開度から求められる空気量に基づいて燃料噴射量を計算している。空気量は吸気バルブの閉時点において確定するので、スロットルの遅延制御によってその時点でのスロットル開度を予測することによって、空気量を精度良く予測することが可能となる。

特開２００６−２００４６６号公報

特開平１０−１６９４６９号公報

内燃機関のトルク制御及び空燃比制御の方法として、前述の２つの公知技術を組み合わせることが考えられる。しかし、その場合において問題となるのが、機関回転数の変化の影響である。

スロットルディレイ制御による遅延時間の間に機関回転数が変化した場合、目標スロットル開度に従ってスロットルを操作したとしても目標トルクを精度良く実現することはできない。なぜなら、スロットル開度と空気量との関係は機関回転数に依存するためである。特開平１０−１６９４６９号公報に記載の技術では、現在の機関回転数をパラメータとして目標空気量から目標スロットル開度が算出されている。このため、遅延時間の間に機関回転数が変化してしまうと、目標スロットル開度に従ってスロットルを操作することで実現される空気量と目標空気量との間には差が生じてしまう。

さらに言えば、トルクと空気量との関係も機関回転数に依存する。このため、遅延時間の間に機関回転数が変化した場合には、仮に目標空気量を実現できたとしても、それにより実現されるトルクと目標トルクとの間には差が生じることになる。

本発明は上述のような課題に鑑みなされたもので、目標スロットル開度の算出時点からスロットルへの出力時点までの間に遅延時間が設けられる場合に、機関回転数が変化している状況であっても精度良く空気量を制御して目標トルクを実現できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の内燃機関の制御装置は、
目標トルクに基づく目標スロットル開度の算出時点と、前記目標スロットル開度のスロットルへの出力時点との間に所定の遅延時間を設けている内燃機関の制御装置において、
前記目標トルクを設定する目標トルク設定手段と、
現在よりも前記遅延時間だけ将来の機関回転数を予測する機関回転数予測手段と、
予測した機関回転数のもとで前記目標トルクを実現するために必要な空気量を目標空気量として算出する目標空気量算出手段と、
予測した機関回転数のもとで前記目標空気量を実現するために必要なスロットル開度を前記目標スロットル開度として算出する目標スロットル開度算出手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、現在よりも遅延時間だけ将来の予測機関回転数、すなわち、目標スロットル開度がスロットルへ出力されるタイミングでの予測機関回転数に基づいて目標空気量の計算が行われ、さらに同予測機関回転数に基づいて目標スロットル開度の計算が行われるので、機関回転数が変化している状況であっても精度良く空気量を制御して目標トルクを実現することができる。

本発明の実施の形態の制御装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置によるトルク制御上の効果について説明するための図である。

本発明の実施の形態について図１及び図２を参照して説明する。

本発明の実施の形態としての制御装置は、電子制御式のスロットルを有し、そのスロットル開度によってトルクを制御可能な内燃機関（以下、エンジン）に適用される。そのようなエンジンの具体例としては、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンを挙げることができる。

図１は、本実施の形態の制御装置２の構成を示すブロック図である。図１に示すように、制御装置２は、それが有する機能別に、目標トルク設定部４、目標空気量算出部６、目標スロットル開度算出部８、ディレイ制御部１０及びエンジン回転数予測部１２に分けることができる。これらの要素４，６，８，１０，１２は、制御装置２が有する種々の機能的な要素のうち、トルク制御のためのスロットル２０の操作に関係する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、制御装置２がこれらの要素４，６，８，１０，１２のみで構成されていることを意味するものではない。なお、各要素４，６，８，１０，１２は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。

制御装置２は、目標トルク設定部４においてエンジンに出力させるべき目標トルクを設定する。目標トルク設定部４は、運転者によるアクセルペダルの操作量や、ＶＳＣ、ＴＲＣ、ＥＣＴ等の車両の制御システムからの信号に基づいて目標トルクを設定する。

制御装置２は、目標トルクを目標空気量算出部６に入力する。目標空気量算出部６には空気量マップが具備されている。空気量マップは、トルクと空気量とがエンジン回転数を含む種々のエンジン情報をキーにして関連付けられたマップである。目標空気量算出部６は、この空気量マップを用いて目標トルクを空気量の値に変換する。空気量マップの検索には現時点におけるエンジン情報が用いられる。ただし、エンジン回転数に関しては、現時点におけるエンジン回転数ではなく、後述するエンジン回転数予測部１２による予測エンジン回転数を用いた空気量マップの検索が行われる。

次に制御装置２は、目標空気量を目標スロットル開度算出部８に入力する。目標スロットル開度算出部８にはエア逆モデルが具備されている。スロットルの動作に対する空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化した吸気系の物理モデルがエアモデルであって、エア逆モデルはその逆モデルである。エア逆モデルに目標空気量を入力することで、それを実現するための目標スロットル開度が算出される。エア逆モデルを表すモデル計算式には、複数の係数が含まれている。それらのうちの少なくとも一部は変数であり、その値の決定にはエンジン情報が用いられる。用いられるエンジン情報は基本的には現時点でのエンジン情報である。ただし、エンジン回転数に関しては、現時点におけるエンジン回転数ではなく、後述するエンジン回転数予測部１２による予測エンジン回転数が用いられる。

制御装置２は、目標スロットル開度をディレイ制御部１０に入力する。ディレイ制御部１０は、入力された目標スロットル開度を所定の遅延時間だけ遅延させる。遅延時間は任意に設定することができる。制御装置２は、ディレイ制御部１０による遅延後の目標スロットル開度を開度指令値としてスロットル２０に出力する。これにより、実際のスロットル開度は目標スロットル開度よりも遅延時間分だけ遅れて変化することになるので、その遅延時間分だけ将来のスロットル開度を遅延前の目標スロットル開度から予測することが可能となる。

制御装置２によるエンジン制御には、トルク制御だけでなく空燃比制御も含まれる。その空燃比制御において、制御装置２は、遅延前の目標スロットル開度から吸気バルブの閉タイミングにおけるスロットル開度を予測する。そして、その予測スロットル開度から算出される空気量に基づいて目標空燃比を実現するための燃料噴射量を計算する。つまり、ディレイ制御部１０による目標スロットル開度の出力の遅延は、空燃比の制御精度を高める目的において行われている。

エンジン回転数予測部１２は、現時点よりも前記の遅延時間だけ将来のエンジン回転数、すなわち、算出された目標スロットル開度がスロットルへ出力されるタイミングでのエンジン回転数を予測する。その方法としては、例えば、現在までの所定期間における実際のエンジン回転数の変化速度を算出し、その変化速度を用いて遅延時間の経過後のエンジン回転数を算出する方法を採ることができる。また、現時点で設定された目標トルクは遅延時間後の出力トルクに反映されることから、遅延時間前から現在までの目標トルクの変化をこれからの出力トルクの変化と仮定して、運動方程式によって遅延時間の経過後のエンジン回転数の変化を計算してもよい。予測したエンジン回転数（現時点よりも遅延時間だけ将来のエンジン回転数）は、前述の通り、目標空気量算出部６において目標空気量の計算に用いられるとともに、目標スロットル開度算出部８において目標スロットル開度の計算に用いられる。

以上が本実施の形態の制御装置２を構成する各要素４，６，８，１０，１２の機能についての説明である。次に、これらの要素４，６，８，１０，１２の機能によって得られるトルク制御上の効果について図２を用いて説明する。

図２は、エンジン回転数が変化している状況において目標トルクが変化したときに、現時点ｔよりもΔｔだけ将来のエンジン回転数の予測がある場合に得られる制御結果（本実施の形態の制御装置２による制御結果）と、エンジン回転数の予測がない場合に得られる制御結果（現時点でのエンジン回転数を用いて目標空気量及び目標スロットル開度を計算する場合の制御結果）とを比較して示す図である。図２中のΔｔは、目標スロットル開度が算出されてからスロットル２０に出力されるまでの時間、すなわち、スロットルディレイ制御における遅延時間である。

図２の最上段には、目標トルクの時間変化と、エンジン回転数（ＮＥ）の予測がある場合の出力トルクの時間変化とを実線で示し、エンジン回転数の予測がない場合の出力トルクの時間変化を破線で示している。図２の二段目には、エンジン回転数がΔｔの間に低下している状況を示している。図２の三段目には、エンジン回転数の予測がある場合の目標空気量の時間変化と、実際の空気量の時間変化とを実線で示している。また、エンジン回転数の予測がない場合の目標空気量の時間変化を破線で示している。図２の最下段には、エンジン回転数の予測がある場合の目標スロットル開度の時間変化と、その目標スロットル開度を遅延して出力したときの実スロットル開度の時間変化とを実線で示している。また、エンジン回転数の予測がない場合の目標スロットル開度の時間変化を破線で示している。

図２の最上段において目標トルクと出力トルク（実線）とを比較して分かるように、Δｔだけ将来のエンジン回転数を予測することで、その間にエンジン回転数が変化したとしても目標トルクを実現することが可能となる。しかし、エンジン回転数の予測がない場合には、目標トルクと出力トルク（破線）とを比較して分かるように目標トルクを実現することはできない。これは、図２の三段目及び最下段に示すように、目標空気量（破線）の計算を精度よく行うことができないし、また、目標スロットル開度（破線）の計算も精度よく行うことができないからである。

以上述べたように、本実施の形態の制御装置２によれば、目標スロットル開度がスロットル２０へ出力されるタイミングでの予測エンジン回転数に基づいて目標空気量と目標スロットル開度の計算が行われるので、エンジン回転数が変化している状況であっても精度良く空気量を制御して目標トルクを実現することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

２ 制御装置
４ 目標トルク設定部
６ 目標空気量算出部
８ 目標スロットル開度算出部
１０ ディレイ制御部
１２ エンジン回転数予測部
２０ 電子制御式のスロットル

Claims (1)

1. 目標トルクに基づく目標スロットル開度の算出時点と、前記目標スロットル開度のスロットルへの出力時点との間に所定の遅延時間を設けている内燃機関の制御装置において、
   前記目標トルクを設定する目標トルク設定手段と、
   現在よりも前記遅延時間だけ将来の機関回転数を予測する機関回転数予測手段と、
   予測した機関回転数のもとで前記目標トルクを実現するために必要な空気量を目標空気量として算出する目標空気量算出手段と、
   予測した機関回転数のもとで前記目標空気量を実現するために必要なスロットル開度を前記目標スロットル開度として算出する目標スロットル開度算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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