JP4989377B2

JP4989377B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP4989377B2
Application number: JP2007228111A
Authority: JP
Inventors: 真也佐藤; 邦彦鈴木; 守根本
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2027-09-03
Also published as: JP2009057945A

Description

本発明は、車両に搭載されるエンジンの制御装置に関する。

自動車用エンジン制御において、エンジントルクを変化させる意図がない状況下にもかかわらず、燃費向上や排気低減の要求により、エンジントルクに影響を及ぼす制御パラメータ(点火時期、バルブタイミング等)を操作せざるを得ない場合がある。その際、トルク変動が生じないように、トルクを操作できる他の制御パラメータ(電制スロットル等)を調整して、トルクを一定に保つ制御が知られている。(このような制御を、以下、「トルク一定制御」という。)

トルク一定制御の一例として、ファストアイドル時の点火リタード(図７参照)による早期触媒昇温制御が挙げられる。図８に示すように、点火リタード実施により、排気温度が上昇するので、触媒の早期昇温と早期活性化が図れるが、その反面、エンジントルクが低下し、ファストアイドル時の回転数が低下する不具合が発生する。

特許文献１は、内燃機関のトルク制御装置に関するものであるが、上記の不具合を防止するため、点火リタードによるトルク変化率を演算し、要求空気量を前記トルク変化率で除算して、トルク低下分を補償するようにスロットル開度を増加する技術を開示している。

トルク一定制御の他の例として、可変バルブタイミング機構を用いた低燃費制御がある。この制御は、図９に示すように、バルブ位相角を調整してバルブオーバーラップ量を拡大し、ポンプ損失低減効果により燃費向上（図１０参照）を図るものである。特許文献２は、内燃機関の電子スロットル制御装置に関するものであるが、オーバーラップ量増加に起因するトルク変化率を演算し、前記トルク変化率にて要求空気量ひいてはスロットル開度を補正することにより、エンジントルクを一定に制御する技術を開示している。

特開２００３−２７８５９１公報特開２００２−３０３１７７公報

点火リタードやバルブ位相角を変化した際のトルク発生効率は、一般的にエンジンの運転領域(吸気量・エンジン回転数)に依存する。したがって、スロットル開度の補正前後において運転領域が大幅に変化する場合には、スロットル開度補正前のトルク発生効率η１と、スロットル開度補正後のトルク発生効率η2が大きく異なるケースが起り得る。そのような場合には、従来技術では、前記η1を基に設定したスロットル開度補正量が、移行先の運転領域における前記η2と整合せず、トルク一定制御の精度が大きく損なわれるという課題があった。

本発明は、以上の課題を解決しようとしてなされたもので、エンジントルクに関連する制御パラメータのトルク発生効率が、運転領域によって大きく変化する場合においても、トルク一定制御を高精度に実施するエンジントルク制御手段を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のエンジンの制御装置は、エンジンの制御において、エンジントルクに関連する制御パラメータを変化させた場合の目標トルクを算出し、該目標トルクを基にしてエンジントルクに関連する他の制御パラメータを調整することによりエンジントルクを補償するエンジンの制御装置において、前記他の制御パラメータの調整を実行する前に、前記他の制御パラメータを調整したと仮定した際の運転状態を予測し、該予測された運転状態下における予測発生トルクを演算して、前記目標トルクと前記予測発生トルクの偏差が所定値以上の場合、前記制御パラメータの変化量を変更して前記目標トルクと前記予測発生トルクの演算を再計算することを特徴とする。

また、本発明のエンジンの制御装置は、前記目標トルクと前記予測発生トルクの偏差が所定値以下の場合、最終的なトルク発生効率を基にして前記目標トルクを補正した補正後目標トルクを用いてエンジントルクを補償することを特徴とする。

また、本発明のエンジンの制御装置は、前記再計算は、所定の回数以下に制限されると共に、前記所定の回数を超過した場合には、前記偏差が最小となる前記目標トルクとトルク発生効率を基にして、前記目標トルクを補正した補正後目標トルクを用いてエンジントルクを補償することを特徴とする。

また、本発明のエンジンの制御装置は、前記再計算は、逐次探索法又は2分探索法を用いて実行することを特徴とする。

また、本発明のエンジンの制御装置は、エンジントルクに関する前記制御パラメータが、スロットル開度、燃料噴射量、点火時期、バルブタイミング、ＥＧＲバルブ開度、スワールコントロールバルブ開度、可変吸気管実効長、ターボチャージャーのウエストゲートバルブ開度の何れかのものであることを特徴とする。

本発明によれば、エンジントルクに関連する制御パラメータのトルク発生効率ηが、運転領域によって大きく変化する場合においても、トルクを一定に保つトルク一定制御を高精度かつ安定的に実現するという顕著な効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて説明する。

［実施例１］
図１は、制御対象である可変バルブ機構付き自動車用ガソリンエンジンのハード構成を示す。エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）118は、ドライバーが操作したアクセルペダルの踏み込み量に応じて目標バルブ開度を決定し、電子制御スロットルバルブ(電制スロットル)103に開度指令値を送信する。前記指令値に従って、電制スロットル103が目標バルブ開度を実現すると、吸気管負圧が発生して、吸気管内に空気が取り込まれる。

吸気管入口より取り込まれた空気は、エアクリーナー100を通過し、吸気管101の途中に設けられたエアフロセンサ102によって吸入空気量が計測された後に、電制スロットル103の入口へ導入される。エアフロセンサ102の計測値は、ＥＣＵ118へ送信される。ＥＣＵでは、エアフロセンサの計測値に基づいて、空燃比が理論空燃比となるようなインジェクタ105の燃料噴射パルス幅が演算される。

電制スロットル103を通過した吸入空気は、コレクタ104を通過した後に、インテークマニホールド内に導入され、前記燃料噴射パルス幅の信号に従って、インジェクタ105より噴射されたガソリン噴霧と混合して混合気となり、吸気バルブ107の開閉に同期してシリンダ1内の燃焼室111に導入される。その後、吸気バルブ107が閉じ、ピストン112の上昇の過程で圧縮された混合気は、圧縮上死点直前付近において、ＥＣＵ118で指令された点火時期にしたがって、点火プラグ108により着火されると、急速に膨張してピストン112を押し下げ、エンジントルクを発生させる。

その後、ピストン112が上昇し、排気バルブ110が開いた瞬間から排気行程が始まり、排気ガスは排気マニホールド113へ排出される。排気マニホールド113の下流には排気を浄化するための三元触媒115が設けられ、排ガスが三元触媒115を通過する際に、ハイドロカーボン（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx）の排気成分は、水（Ｈ_２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）へと変換される。なお、三元触媒の入口と出口には、それぞれ広域空燃比センサ114と、O₂センサ116が設置されており、これらのセンサにより計測されたそれぞれの空燃比情報は、ＥＣＵ118へ送信される。ＥＣＵでは、それらの情報を基にして空燃比が理論空燃比近傍となるように、燃料噴射量調整による空燃比フィードバック制御を実施する。

電制スロットルのバルブ開度の指令値は、ＥＣＵ118内で演算される目標エンジントルクに基づいて設定される。点火時期については、通常は最も効率良くトルクを発生できる点火時期(MBT：Minimum advance for the Best Torque)近辺に設定されるが、トルク要求や排気低減要求に応じて遅延側に設定される場合がある。(この設定を、以下、「点火リタード」という。)

吸気バルブ107と排気バルブ110の開閉タイミングは、それぞれ吸気カムシャフトと排気カムシャフトのカム位相により決定される。実施例１では、吸気カムシャフト106と排気カムシャフト109に油圧で駆動するカム位相角変更アクチュエータが備えられており、ＥＣＵは、運転条件に応じて指令値を演算し、その指令値に基づいてカム位相角変更アクチュエータを作動させて、カム位相を変更している。カム位相角適正化の一例としては、低〜中回転または低〜中負荷域において、吸気カムを基準位相角に対して進角、排気カムを基準位相角に対して遅角することにより、バルブオーバーラップを通常よりも大きく設定する。これにより、ポンプ損失低減による燃費向上効果や、内部ＥＧＲ増加による燃焼温度低下に起因するＮＯ_Ｘ低減を実現することができる。

図２は、本発明を、図１に示したエンジン構成に対応したトルクベース(トルクデマンド)型エンジン制御に適用した実施例１の制御ブロックを示す。目標エンジントルク演算手段204では、アクセル開度201、アイドル要求トルク202、外部要求トルク203(変速機要求トルク、トラクションコントロール要求トルク等)などの入力情報を基にして、トルク制御の基本パラメータとなる空気相当目標トルク208を演算する。

点火リタード量演算手段206では、エンジン始動直後における触媒早期活性化などに代表される排気低減要求を基にして、適切な点火リタード量207を演算する。トルク発生効率η演算手段210では、前記の点火リタード量207を基にしてＭＢＴを基準とするトルク発生効率η211を算出する。次に、前記空気相当目標トルク208を前記トルク発生効率η211で除算して、補正後空気相当目標トルク209を算出する。そして、目標スロットル開度演算手段212では、前記補正後空気相当目標トルクを基にして目標スロットル開度213を演算し、これを電制スロットルに対して出力する。

以上の構成により、例えば空気相当目標トルク208が、２０Ｎｍの状態でファストアイドルを実行している最中に、排気低減要求205により30度の点火リタード量207が決定された際には、トルク発生効率η演算手段210にて、前記リタード量に相当するトルク発生効率として、例えばη=０．５を算出する。次に空気相当目標トルク208をこの０．５で除算して、補正後空気相当目標トルクとして４０Ｎｍに補正すれば、４０Ｎｍ相当の空気量に対しトルク発生効率が０．５であるため、結果的に、
４０Ｎｍ×０．５＝２０Ｎｍ
となり、点火リタードを実施してもエンジントルクを一定に制御できる。しかし、上記アルゴリズムは、スロットル前後の動作点においてトルク発生効率η211が大きく変化しないことが前提である。そこで、前記条件を満たすトルク発生効率η211を算出することを目的とした、トルク発生効率η演算手段210について、以下、説明する。

図３は、トルク発生効率η演算手段210の全体ブロックを示す。図４は、その演算のフローチャートを示す。実施例１の演算手段は、前述の課題を解決するための方策として、トルク発生効率ηを即座に出力せず、トルク一定制御を実現する上で、妥当な値であるか否かを事前に検証するアルゴリズムを有している。

具体的には、以下のとおりである。
ａ）従来のアルゴリズムと同様に、現運転領域(動作点)におけるη1、及びη1に基づいたスロットル開度補正量を演算する。
ｂ）次に、予測されるスロットル開度補正後の運転領域(動作点)におけるη2、及びη2に基づいた発生トルクを予測する。
ｃ）次に、空気相当目標トルクと予測発生トルクの偏差を検証し、
偏差が所定値より小さい場合、η2をηの最終値として出力し、
偏差が所定値より大きい場合、空気相当目標トルクとの偏差が小となるまで前記η1とη2の再計算を実施し(イタレーション)、収束後にηを出力する。
ｄ）前記イタレーションに際して、最大演算回数Ｎmaxを設定し、Ｎmaxを中央で2分して、
・演算回数Ｎ≦Ｎmax/2の場合、初回計算のη(1)に対し、ηの補正量であるΔηを、一方方向に積算する方向でイタレーションを実施し、
・Ｎmax/2＜演算回数Ｎ≦Ｎmaxの場合、初回計算のη(1)に対し、Δηを、上記と逆の方向に積算する方向でイタレーションを実施し、
・演算回数Ｎ＞Ｎmaxの場合、Ｎmax回の計算の内、最もトルク偏差の少ないη(N)を選択し、出力する。

以下、トルク発生効率η演算手段の演算フローについて、図３及び図４を参照して説明する。
計算ステップ（１）
Ｎ(演算回数)＝１にセットする。
計算ステップ（２）
トルク発生効率現在値演算手段301にて、現在の動作点におけるトルク発生効率η1(Ｎ)を演算する。
計算ステップ（３）
N＞Ｎmax(最大演算回数)を判定し、
Yesの場合：計算ステップ（１４）へ進む。
Noの場合：計算ステップ（４）へ進む。
計算ステップ（４）
η1(Ｎ)を基にしてスロットル開度補正後の動作点(エンジン負荷)を予測する。
具体的には次の演算を実施する。
空気相当目標トルク予測値＝空気相当目標トルク÷η1(Ｎ)
計算ステップ（５）
空気相当目標トルク予測値を入力とし、トルク発生効率未来値演算手段303を用いて、予測動作点におけるトルク発生効率予測値η2(Ｎ)を演算する。
計算ステップ（６）
次の演算式により、予測発生トルクESTTRQ(Ｎ)を演算する。
ESTTRQ(N)=空気相当目標トルク÷η１(Ｎ)×η２(Ｎ)
計算ステップ（７）
予測発生トルク305と空気相当目標トルク208との差分であるトルク誤差TRQ_ER(Ｎ)を演算する。
TRQ_ER(N)=｜ESTTRQ(N)-TGTRQ｜

計算ステップ（８）
TRQ_ER(Ｎ)≦ER_SL(トルク誤差許容しきい値)を判定し、
Yesの場合：計算ステップ（９）へ進み、
Noの場合：計算ステップ（１０）へ進む。
計算ステップ（９）
η=η2(Ｎ)として、最終的なトルク発生効率であるηを外部へ出力し、演算ルーチンを終了する。
計算ステップ（１０）
Ｎ＝Ｎ＋１とし、演算回数の更新を行う。
計算ステップ（１１）
Ｎ≦Ｎmax／２(最大演算回数の半値)を判定し、
Yesの場合：計算ステップ（１２）へ進み、
Noの場合：計算ステップ（１３）へ進む。
計算ステップ（１２）
Δη演算手段308にてΔη(イタレーション用η補正値)を演算し、次の式により、η1(Ｎ)を演算する。
η1(Ｎ)=η2(Ｎ-1)＋Δη
上記演算後、計算ステップ（３）に戻り、計算ステップ（３）以降の演算を繰り返す。
計算ステップ（１３）
計算ステップ（１２）と同じように、Δηを用いて、次の式により、η1(Ｎ)を演算する。
Ｎ＝Ｎmax／２＋１の場合、η1(Ｎ)=η２(１)−Δη
上記以外の場合、η1(Ｎ)＝η２(Ｎ-1)−Δη
上記演算後、計算ステップ（３）に戻り、計算ステップ（３）以降の演算を繰り返す。
計算ステップ（１４）
(計算ステップ（２）における判定が、Yesであるとの結果を受けて)

これまでに演算したＮmax回のTRQ_ER(Ｎ)[Ｎ＝１〜Ｎmax]の中で、最小のTRQ_ER(Ｎ)を調査し、そのＮに対応したη2(Ｎ)を選択する。次にη＝η２(Ｎ)として、最終的なトルク発生効率であるηを外部へ出力し、演算ルーチンを終了する。

以上の計算ステップ（１）〜（１４）を実行することにより、スロットル前後の動作点における変化量が小さく、トルク一定制御に最適なトルク発生効率η211を算出できる。

図５は、上記の計算過程の例を示す。図５のＡは、１回の演算回数でトルク誤差が許容範囲に収まった例である。図５のＢは、Ｎ≦Ｎmax／２において収束した例を示す。図５のＣは、Ｎ≦Ｎmax／２ではトルク誤差が収束せず(むしろ発散し)、Ｎmax／２＜Ｎ≦Ｎmaxにて収束した例を示す。図５のＤは、Ｎ≦Ｎmaxではトルク誤差が収束しなかった例であり、この場合、最もトルク誤差が小さい値を示したη2(Ｎ)が出力される。

なお、トルク誤差を最小とする最適ηの計算方法は、上記の逐次探索法(最初から順次、目的とするデータであるかを調べていくデータ検索方法)に限るものではなく、トルク誤差がηに対して単調増加又は減少する領域においては、２分探索法(データ全体を半分に分割して目標とするデータがどちらの領域にあるか判定し、更に当該領域を半分に分割して検索作業を繰り返し、検索範囲を半分ずつ狭めていくデータ探索法)等のより高速な検索アルゴリズムを適用できる。

［実施例２］
図６は、本発明を可変バルブシステムに適用した実施例２の制御ブロック図を示す。実施例１との相違点は、トルク発生効率演算手段210への入力パラメータが、点火リタード量207からバルブ位相角503に変更されている点である。

目標バルブ位相角演算手段502は、燃費低減要求に応じて、バルブオーバーラップを考慮した最適バルブ位相角503を算出する。そして、以下、実施例１と同様のアルゴリズムを実施することにより、バルブ位相角に基づいて最適トルク発生効率η211を算出し、これで空気相当目標トルクを除して補正後空気相当目標トルク209を求めた後、目標スロットル開度を演算して電制スロットルへ出力することにより、空気流量を精確かつ的確に補正して、高精度のトルク一定制御を実現するのである。

点火リタードに関するトルク発生効率ηと比較して、バルブ位相角に関するトルク発生効率ηは、運転領域依存性がより大きいので、可変バルブシステムに適用した実施例２は、実施例１と比較して、トルク一定制御の精度改善効果がより大きくなるという効果がある。

また、本発明のアルゴリズムは、点火時期、可変バルブシステムに限らず、他のエンジントルクに影響を及ぼすパラメータ(ＥＧＲバルブ開度、スワールコントロールバルブ開度、可変吸気管実効長、ターボチャージャーのウエストゲートバルブ開度等)とスロットルとの協調トルク制御にも有効である。

可変バルブ機構付き自動車用ガソリンエンジンのハード構成を示す図。実施例１の制御ブロックの一部を示す図。実施例１に係るトルク発生効率演算部の全体を示すブロック図。トルク発生効率演算のフローチャートを示す図。トルク発生効率演算の場合別の過程を示す図。実施例２の制御ブロックの一部を示す図。クランク角度に対する筒内圧力の関係を示す図。点火リタード量に対するエンジントルクと排気温度の関係を示す図。可変バルブシステムとバルブオーバーラップの内容を示す図。バルブオーバーラップ量に対するエンジントルクと燃費の関係を示す図。

符号の説明

1：自動車用ガソリンエンジン（シリンダ）、
100：エアクリーナー、
101：吸気管、
102：エアフロセンサ、
103：電制スロットル、
104：コレクタ、
105：インジェクタ、
106：吸気カム、
107：吸気バルブ、
108：点火プラグ、
109：排気カム、
110：排気バルブ、
111：燃焼室
112：ピストン、
113：排気マニホールド、
114：広域空燃比センサ、
115：三元触媒、
116：O₂センサ、
117：アクセルペダルセンサ、
118：エンジンコントロールユニット、
207：点火リタード量、
211：トルク発生効率η、
213：目標スロットル開度、
301：トルク発生効率現在値演算手段、
302：トルク発生効率現在値η1、
303：トルク発生効率未来値演算手段、
304：トルク発生効率未来値η2、
307：補正後η演算手段、
308：Δη演算手段、
503：目標バルブ位相角

Claims

エンジンの制御において、エンジントルクに関連する点火時期を変化させた場合の推定トルクを算出し、該推定トルクを基にしてエンジントルクに関連するスロットル開度を調整することによりエンジントルクを補償するエンジンの制御装置であって、
前記スロットル開度の調整を実行する前に、ＭＢＴに対する現在の動作点におけるトルク比であるトルク発生効率を演算した後、
前記トルク発生効率を基にしてスロットル開度補正後の予測動作点を予測し、ＭＢＴに対する該予測動作点におけるトルク比である予測トルク発生効率を演算し、該予測トルク発生効率から推定トルクを演算し、少なくともアクセル開度から決まる目標トルクと前記推定トルクの偏差を演算し、
該偏差が所定値を超える場合、前記予測トルク発生効率に所定の値を加算又は減算したものをトルク発生効率として、該トルク発生効率を基にしてスロットル開度補正後の予測動作点を予測し、該予測動作点における予測トルク発生効率を演算し、該予測トルク発生効率から推定トルクを演算し、少なくともアクセル開度から決まる目標トルクと前記推定トルクの偏差を演算することを繰り返した後、前記偏差が最小となった時の前記予測トルク発生効率から補正後目標トルクを演算して出力し、
前記偏差が所定値以下の場合には、その時点における前記予測トルク発生効率から補正後目標トルクを演算して出力することを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１に記載された制御装置において、
前記目標トルクと前記推定トルクの偏差が所定値以下の場合、前記繰り返し計算において該偏差が所定値以下に到達した時点における前記予測トルク発生効率から、補正後目標トルクを演算し、該補正後目標トルクを用いてエンジントルクを補償することを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１又は２に記載された制御装置において、
前記繰り返し計算は、所定の回数以下に制限し、該所定の回数内で、前記予測トルク発生効率に所定の値を加算したトルク発生効率を基にした演算と、前記予測トルク発生効率から所定の値を減算したトルク発生効率を基にした演算との両者を実行することを特徴とするエンジンの制御装置。
請求項１から３のいずれかの請求項に記載された制御装置において、
前記繰り返し計算は、逐次探索法又は２分探索法を用いて実行することを特徴とするエンジンの制御装置。