JP2005155412A - 内燃機関の出力トルク制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、加速性能と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることのできる内燃機関の出力トルク制御装置を提供すること。
【解決手段】 本発明は、車両に搭載された内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置であり、アクセルペダルの踏み込み速度を検出するアクセル踏込速度検出手段と、スロットル開度及び／又は点火時期を変更して内燃機関の出力トルクを制御するトルク制御手段とを備えており、トルク制御手段は、アクセル踏込速度検出手段によって検出されたアクセルペダルの踏み込み速度が大きいときは、小さいときに比べて、車両の前後加速度の変化量が大きくなるように内燃機関の出力トルクを制御することを特徴としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置に関する。

内燃機関（エンジン）を動力源とする車両において、運転者によってアクセルペダルが踏み込まれたときにエンジントルクを急激に立ち上げると、駆動系（特にドライブシャフト）のねじり振動が励起され、車体に前後振動が発生する。このため、［特許文献１］に記載の発明などでは、燃料噴射量などの機関パラメータを調整して、エンジンの出力トルクを滑らかに立ち上げ、車体前後振動を抑制している。
特開２００１−１４０６７９号公報

しかし、エンジントルクを滑らかに立ち上げることで、車体前後振動を防止することができるが、車両運動性能上加速が迅速に行えなくなるなどの弊害がある。従って、本発明の目的は、加速と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることのできる内燃機関の出力トルク制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、車両に搭載された内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置であり、アクセルペダルの踏み込み速度を検出するアクセル踏込速度検出手段と、スロットル開度及び／又は点火時期を変更して内燃機関の出力トルクを制御するトルク制御手段とを備えており、トルク制御手段は、アクセル踏込速度検出手段によって検出されたアクセルペダルの踏み込み速度が大きいときは、小さいときに比べて、車両の前後加速度の変化量が大きくなるように内燃機関の出力トルクを制御することを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、車両に搭載された内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置であり、アクセルペダルの操作状態を検出するアクセル操作状態検出手段と、アクセル操作状態検出手段の検出結果に基づいて、下記式（Ｉ）で表される評価関数Ｅの値が最小となる出力トルクカーブを算出するトルク算出手段と、トルク算出手段によって算出された出力トルクカーブとなるように、スロットル開度及び／又は点火時期を変更して内燃機関の出力トルクを制御するトルク制御手段とを備えており、トルク算出手段が、下記（Ｉ）で表される評価関数Ｅにおけるρをアクセル操作状態検出手段によって検出されるアクセルペダルの踏み込み速度に応じて可変設定することを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明は、車両に搭載された内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置であり、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度検出手段と、アクセル開度検出手段の検出結果に基づいてアクセルペダルの踏み込み速度を算出するアクセル踏込速度算出手段と、アクセル開度検出手段の検出結果に基づいて内燃機関の目標出力トルクを算出する目標トルク算出手段と、スロットル開度及び／又は点火時期を変更して内燃機関の出力トルクを制御するトルク制御手段とを備えており、トルク制御手段は、アクセル踏込速度算出手段によって算出されたアクセルペダルの踏み込み速度が所定値を超えた場合には、目標トルク算出手段によって算出された目標出力トルクが同一であっても、アクセル踏込速度検出手段によって検出されたアクセルペダルの踏み込み速度が大きいほど出力トルク増加率を大きくすることを特徴としている。

請求項１に記載の内燃機関の出力トルク制御装置においては、アクセルペダルの踏み込み速度（アクセル踏込速度検出手段によって検出）が大きいときは、踏み込み速度が小さいときに比べて、車両の前後加速度の変化量が大きくなるようにトルク制御手段によって内燃機関の出力トルクが制御される。トルクを急峻に立ち上げると、十分な加速が得られるが車両前後加速度の変化量（車両前後振動）は大きくなる。本発明では、アクセルペダルの踏み込み速度が高いときはトルクを急峻に立ち上げ、踏み込み速度が低いときはトルクを穏やかに立ち上げることで、加速と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることができる。

請求項２に記載の内燃機関の出力トルク制御装置においては、トルク算出手段が、アクセルペダルの踏み込み速度（アクセル踏込速度検出手段によって検出）に応じて上記（Ｉ）中のρを可変設定する。踏み込み速度に応じてρを可変設定することで、アクセルペダルの踏み込み速度が高いときは車両前後振動をある程度許容しつつトルクを急峻に立ち上げるトルクカーブでトルクを制御し、踏み込み速度が低いときは車両前後振動を抑制するためにトルクを穏やかに立ち上げるトルクカーブでトルクを制御することが可能となる。即ち、踏み込み速度に応じてρを可変設定することで、加速と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることができる。

請求項３に記載の内燃機関の出力トルク制御装置においては、アクセルペダルの踏み込み速度（アクセル踏込速度算出手段によって算出）が所定値を超えた場合には、目標出力トルク（アクセル開度に基づいて目標トルク算出手段によって算出）が同一であっても、アクセルペダルの踏み込み速度が大きいほど出力トルク増加率を大きくするようにトルク制御手段によって内燃機関の出力トルクが制御される。アクセルペダルの踏み込み速度が所定値を超えて速やかな加速が求められていると判断できるときには、目標トルクが同じであっても、アクセルペダルの踏み込み速度が大きいほど出力トルク増加率を大きくする（即ち、踏み込み速度が小さいほど出力トルクの増加率を小さくする）ことで、加速と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることができる。

本発明の制御装置の一実施形態について以下に説明する。本実施形態の制御装置を有するエンジン１を図１に示す。本実施形態で説明するエンジン（内燃機関）１は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみが断面図として図１に示されている。エンジン１においては、吸気通路２を通して取り込んだ外気（吸入空気）とインジェクタ３から噴射された燃料とを混合して混合気とし、この混合気をシリンダ４内でピストン５によって圧縮した後に点火プラグ６で着火して燃焼させる。燃焼によるシリンダ４内の圧力上昇をピストン５及びコネクティングロッドを介して出力として取り出している。シリンダ４内と吸気通路２との間は吸気バルブ７によって、シリンダ４内と排気通路８との間は排気バルブ９によって開閉される。

吸気通路２上には、上流側からエアクリーナ１０、エアフロメータ１１、スロットルバルブ１２などが配置されている。エアクリーナ１０は、吸入空気中のゴミや塵などを取り除くフィルタである。本実施形態のエアフロメータ１１は、ホットワイヤ式のものであり、吸入空気量を質量流量として検出するものである。本実施形態のスロットルバルブ１２は、いわゆる電子制御式スロットルバルブである。アクセルペダル１３の操作量がアクセルポジションセンサ１４で検出され、この検出結果と他の情報量とに基づいて電子式コントロールユニット（ＥＣＵ）１５がスロットルバルブ１２の開度を決定する。スロットルバルブ１２は、これに付随して配設されたスロットルモータ１６によって開閉される。また、スロットルバルブ１２に付随して、その開度を検出するスロットルポジショニングセンサ１７も配設されている。

ＥＣＵ１５は、上述したスロットルバルブ１２の開度や、インジェクタ３から噴射する燃料噴射量、点火プラグ６による混合気への点火時期などを調節して、エンジン１の出力トルクを調節する。即ち、ＥＣＵ１５は、トルク制御手段として機能している。なお、出力トルクの調節は、上述したパラメータを複合して行う場合もあれば、何れか一つだけによって行うことも可能である。また、アクセルポジションセンサ１４は、アクセルペダル１３の操作状態、即ち、踏み込み量を検出するアクセル操作状態検出手段やアクセル開度検出手段として機能している。

さらに、ＥＣＵ１５は、アクセルポジションセンサ１４によって検出されたアクセル開度の時間微分から、アクセルペダル１３の踏み込み速度を算出する。即ち、アクセルポジションセンサ１４やＥＣＵ１５がアクセル踏込速度検出手段あるいはアクセル踏込速度算出手段として機能している。なお、アクセル踏込速度を直接検出するようなセンサを設け、これをアクセル踏込速度検出手段として利用しても良い。

一方、排気通路８上には、排気浄化触媒１８が配設されている。排気浄化触媒１８にはその温度を検出する温度センサ１９が取り付けられている。また、排気浄化触媒１８の上流側には酸素センサ２０も取り付けられている。酸素センサ２０によって、排気浄化触媒１８に流入する排気ガス中の酸素濃度を検出する。排気ガス中の酸素濃度を検出することで空燃比を検出する。温度センサ１９や酸素センサ２０は、上述したＥＣＵ１５に接続されている。なお、ＥＣＵ１５は、エンジン制御全般を統括するもので、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる。また、エンジン１のクランクシャフト近傍にはエンジン回転数やピストン位置を検出するためのクランクポジションセンサ２１が取り付けられており、車両にはその前後振動を検出する加速度センサ２２も取り付けられている。これらのクランクポジションセンサ２１や加速度センサ２２もＥＣＵ１５に接続されている。

次に、本発明のトルク制御装置による制御について説明する。上述したように、運転者によってアクセルペダル１３が踏み込まれたときにエンジントルクを急激に立ち上げると、駆動系（特にドライブシャフト）のねじり振動が励起され、車体に前後振動が発生する。この車体前後振動は、エンジントルクを滑らかに立ち上げることで回避できるが、加速は迅速に行えなくなる。本実施形態のトルク制御装置による制御では、できるだけ車体前後振動を抑制しつつも、運転者が加速が必要としている場合にはある程度の車体前後振動を許容して加速を行うものである。言い換えれば、加速と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させるトルク制御を行う。

図２に、本実施形態におけるトルク制御のフローチャートを示す。まず、アクセルポジションセンサ１４によって、アクセルペダル１３の開度（踏み込み量）θを検出する（ステップ２００）。さらに、ＥＣＵ１５によって検出されたアクセル開度θが時間積分されてアクセル踏み込み速度ｄθ／ｄｔが算出され、このアクセル踏み込み速度ｄθ／ｄｔが所定値α０を超えているか否かが判定される（ステップ２０５）。この所定値α０は、加速性能と車体前後振動抑制とをバランスさせつつエンジン１のトルク制御を行う必要があるか否かを判定する閾値として設定されているものである。運転者が、迅速な加速（追い越しなど）を要求していない場合は、通常通り、車体前後振動を発生させない、緩やかなトルク立ち上がりとなるのトルク制御を行う。

即ち、ステップ２０５が否定される場合は、スロットルバルブ１２の開度θｔｈと点火時期ＳＡとをパラメータとしてエンジン１の出力トルクを調節する通常のトルク制御が行われる（ステップ２１０）。一方、ステップ２０５が肯定される場合は、加速性能と車体前後振動抑制とをバランスさせつつエンジン１のトルク制御を行うべく、まず、クランクポジションセンサ２１によってエンジン回転数Ｎｅを検出する（ステップ２１５）。次いで、ステップ２００で検出したアクセル開度θとステップ２１５で検出したエンジン回転数Ｎｅとに基づいて、ＥＣＵ１５がマップよりエンジン１の目標出力トルクＴ０を算出する（ステップ２２０）。この目標トルクＴ０は、エンジン１に出力させることになるトルクである。即ち、ここでは、ＥＣＵ１５が目標トルク算出手段として機能している。ここで用いるマップを図３に示す。図３に示されるように、アクセル開度θ毎に複数の目標トルク曲線があり、これとエンジン回転数Ｎｅとの交点に対応する縦軸の値が目標トルクＴ０となる。

また、目標トルクＴ０、車重、ギア比に基づいて、ＥＣＵ１５がマップより目標トルクＴ０に対応する車両前後加速度ａ０を算出する（ステップ２２５）。なお、ここで、荷物や乗車人員を固定的に設定し、車重をパラメータ的に固定してしまっても良い。ここで、目標トルクがＴ０である場合であっても、図４中の実線で示されるように急峻にトルクを目標トルクＴ０にまで立ち上げる（トルク増加率を大きくする）と、車体に発生する前後振動は大きくなる。このときの車体前後加速度ａの時間変化を図５中に実線で示す。なお、車体前後加速度ａの値は、最終的には目標トルクＴ０に対応するａ０に収束する。

一方、目標トルクがＴ０である場合であっても、図４中の点線で示されるように、上述した実線の場合よりはある程度穏やかにトルクを目標トルクＴ０にまで立ち上げると、車体に前後振動をほとんど発生させないことが可能となる。このときの車体前後加速度ａの時間変化も図５中に点線で示されている。このように、加速が要求される場合でも、エンジン１のトルクの立ち上げ方によって加速性能と車体前後振動とのバランスを変えることができる。ステップ２２５移行は、このバランスをどのように設定するかの制御ステップとなる。

ステップ２２５の後、上述した評価関数Ｅ［式（Ｉ）］中の重み付け係数ρを、アクセル踏み込み速度ｄθ／ｄｔに基づいてマップより算出する（ステップ２３０）。このマップを図６に示す。図６に示されるように、アクセル踏み込み速度ｄθ／ｄｔが大きいほど、重み付け係数ρは大きくなる。なお、ここでは、アクセル踏み込み速度ｄθ／ｄｔに対して重み付け係数ρが一次関数的に増加するが、べき乗関数や指数関数的に増加するようであっても良い。そして、決定された重み付け係数ρに基づいて、評価関数Ｅ［式（Ｉ）］の値が最小となるようなトルク特性（出力トルクカーブＴ）を求める（ステップ２３５）。ここでは、様々なトルクカーブについてＥの値が算出され、その中でＥの値を最初とするトルクカーブＴ、即ちエンジン１によるトルクの出し方が決定される。なお、評価関数Ｅ［式（Ｉ）］における積分区間［０〜ｔ］は、予測開始時から所定の予測期間を示す。

ここで、評価関数Ｅ［式（Ｉ）］の値を最小とするトルクカーブＴを決定することの意味について説明する。評価関数Ｅの式（Ｉ）の第一項に相当する積分値は、図５のグラフにおいて加速度曲線と加速度ａ０とで囲まれる面積に比例する。一方、評価関数Ｅの式（Ｉ）の第二項から重み付け係数ρを除いた積分値は、図４のグラフにおいてトルク曲線と目標トルクＴ０とで囲まれる面積に比例する。重み付け係数ρは、後者に対して重み付けをしており、重み付け係数ρが大きくなるほど、トルクが重視されることとなる。

ここで、評価関数Ｅ［式（Ｉ）］の値を最小とするトルクカーブを選ぶと言うことは、トルクに関してはより早く目標トルクＴ０までトルクを素早く立ち上げる傾向を示し、車体前後加速度に関しては前後振動を抑制する傾向を示す。ここで、重み付け係数ρは両者のバランスをどちらに偏らせるかを決定するものとして設定されている。具体的には、重み付け係数ρを大きく設定すると（即ち、図６から分かるようにアクセルペダル１３の踏み込み速度が大きい場合）、図４及び図５における実線に近いトルクカーブを選択することとなる。この場合は、多少の車体前後振動を許容しつつ、十分な加速性能を得ることを選択することとなる。

一方、重み付け係数ρを小さく設定すると（即ち、図６から分かるようにアクセルペダル１３の踏み込み速度が小さい場合）、図４及び図５における点線に近いトルクカーブを選択することとなる。この場合は、車体前後振動をより積極的に抑制することを選択することとなる。このように、アクセル踏み込み速度ｄθ／ｄｔに対して、評価関数Ｅ［式（Ｉ）］の重み付け係数ρを可変設定することで、加速性能と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることができる。なお、ここでは、ＥＣＵ１５が、トルク算出手段として機能している。

ステップ２３５において、評価関数Ｅ［式（Ｉ）］の値を最小とするトルク出力特性（トルクカーブＴ）を求めるには、図７に示されるような車両モデルを用いる。図７の車両モデルは、エンジン１の出力トルクＴ（Ｎ・ｍ）を入力として車両前後加速度ａ（ｍ／ｓ²）を出力するもので、フライホイールの回転慣性Ｉ（ｋｇ・ｍ²）、ドライブシャフト剛性ｋ（Ｎ・ｍ／ｒａｄ）、タイヤ減衰係数ｃ（Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ）、車両重量ｍ（ｋｇ）、タイヤ半径Ｒ（ｍ）、ギヤ比Ｎ、クランク回転角θ１（ｒａｄ）、車輪回転角θ２（ｒａｄ）を用いて次式（ＩＩ）の方程式を解くことにより求められる。

ステップ２３５において、評価関数Ｅ［式（Ｉ）］の値を最小とするトルク出力特性（トルクカーブＴ）が決定されたら、これを実現するスロットル開度θｔｈ及び点火時期ＳＡとが算出・決定される（ステップ２４０）。そして、決定されたスロットル開度θｔｈ及び点火時期ＳＡに基づいてトルク制御が実行される（ステップ２４５）。ステップ２４５の後、加速度センサ２２によって車体前後加速度ａを検出し、これが上述した加速度ａ０に収束したか否かを判定する（ステップ２５０）。収束していれば、目標トルクＴ０に達していると判断できるため、図２のフローチャートを終える。

一方、ステップ２５０が否定され、車体前後加速度ａが加速度ａ０に収束していないと判定される場合は、まず、アクセルポジションセンサ１４によってアクセルペダル１３の開度（踏み込み量）θを再検出する（ステップ２５５）。そして、再検出したアクセル開度θの時間微分（踏み込み速度）ｄθ／ｄｔを求め、これがゼロであるか否かを判定する（ステップ２６０）。ｄθ／ｄｔ＝０であると言うことは、アクセルペダル１３は操作されておらず、さらなる加速要求は生じていないと判断される。この場合、即ち、ステップ２６０が肯定される場合はステップ２４５に戻り、上述したトルク制御が継続して行われる。

一方、ステップ２６０が否定される場合は、さらなるアクセルペダル１３の踏み込みが行われており、さらなる加速要求があると判断できる。この場合は、ステップ２１５に戻り、トルク制御のためのスロットル開度θｔｈと点火時期ＳＡを再算出する。このように、アクセルペダル１３の踏み込み速度が大きいときは、小さいときに比べて車両前後加速度ａの変化量が大きくなるように（図５における実線の波形を参照）トルク制御を行うことで加速性能と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることができる。

言い換えれば、上述したように重み付け係数ρをアクセルペダル１３の踏み込み速度に応じて可変設定しつつ、評価関数Ｅの値が最小となる出力トルクカーブを算出し、この出力トルクカーブとなるようにトルク制御を行うことで加速性能と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることができる。あるいは、次のように言い換えることも可能である。アクセルペダルの踏み込み速度が所定値を超えた場合に、（目標出力トルクが同一であっても）アクセルペダルの踏み込み速度が大きいほど出力トルク増加率を大きくする（図４における実線の波形を参照）ことで加速性能と車体前後振動抑制とをバランス良く両立させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した評価関数Ｅについては、車体の前後加速度の変化量だけでなく、加速度の時間微分値や車両速度の変化量を加味することも考えられる。また、上述した重み付け係数ρは、アクセルペダル１３の踏み込み速度ｄθ／ｄｔによってのみ決定されるのではなく、そのときの車両速度やギヤ位置（ギヤ比）、エンジン回転数Ｎｅなどの走行条件も決定要因として利用しても良い。

本発明のトルク制御装置の一実施形態を有する内燃機関（エンジン）の構成を示す構成図である。 本発明のトルク制御装置の一実施形態におけるトルク制御のフローチャートである。 目標トルクＴ０算出時に用いるマップである。 トルクカーブを示すグラフである。 車体前後加速度変化を示すグラフである。 重み付け係数ρ算出時に用いるマップである。 車両モデルを模式的に示す説明図である。

符号の説明

１…エンジン、３…インジェクタ、６…点火プラグ、１１…エアフロメータ、１２…スロットルバルブ、１３…アクセルペダル、１４…アクセルポジションセンサ（アクセル開度検出手段・アクセル踏込速度検出手段・アクセル操作状態検出手段）、１５…ＥＣＵ（トルク制御手段・トルク算出手段・目標トルク算出手段・アクセル踏込速度算出手段）、１６…スロットルモータ、１７…スロットルポジショニングセンサ、２１…クランクポジションセンサ、２２…加速度センサ。

Claims (3)

1. 車両に搭載された内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置において、
   アクセルペダルの踏み込み速度を検出するアクセル踏込速度検出手段と、スロットル開度及び／又は点火時期を変更して前記内燃機関の出力トルクを制御するトルク制御手段とを備えており、
   前記トルク制御手段は、前記アクセル踏込速度検出手段によって検出されたアクセルペダルの踏み込み速度が大きいときは、小さいときに比べて、前記車両の前後加速度の変化量が大きくなるように前記内燃機関の出力トルクを制御することを特徴とする内燃機関の出力トルク制御装置。
2. 車両に搭載された内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置において、
   アクセルペダルの操作状態を検出するアクセル操作状態検出手段と、
   前記アクセル操作状態検出手段の検出結果に基づいて、下記式（Ｉ）で表される評価関数Ｅの値が最小となる出力トルクカーブを算出するトルク算出手段と、
   前記トルク算出手段によって算出された出力トルクカーブとなるように、スロットル開度及び／又は点火時期を変更して前記内燃機関の出力トルクを制御するトルク制御手段とを備えており、
   前記トルク算出手段が、下記（Ｉ）で表される評価関数Ｅにおけるρを前記アクセル操作状態検出手段によって検出されるアクセルペダルの踏み込み速度に応じて可変設定することを特徴とする内燃機関の出力トルク制御装置。
   

   
3. 車両に搭載された内燃機関の出力トルクを制御する内燃機関の出力トルク制御装置において、
   アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度検出手段と、
   前記アクセル開度検出手段の検出結果に基づいてアクセルペダルの踏み込み速度を算出するアクセル踏込速度算出手段と、
   前記アクセル開度検出手段の検出結果に基づいて前記内燃機関の目標出力トルクを算出する目標トルク算出手段と、
   スロットル開度及び／又は点火時期を変更して前記内燃機関の出力トルクを制御するトルク制御手段とを備えており、
   前記トルク制御手段は、前記アクセル踏込速度算出手段によって算出されたアクセルペダルの踏み込み速度が所定値を超えた場合には、前記目標トルク算出手段によって算出された目標出力トルクが同一であっても、前記アクセル踏込速度検出手段によって検出されたアクセルペダルの踏み込み速度が大きいほど出力トルク増加率を大きくすることを特徴とする内燃機関の出力トルク制御装置。

Images