JP2021127734A - 回転出力装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のＥＣＵを１つの演算装置に集約したとしても、駆動系のデバイスを応答性良く制御する。【解決手段】中央演算装置１０から制御信号を受信しかつ受信した制御信号に基づいてアクチュエータＡを動作させる集積回路１１０を備える。中央演算装置１０は、アクチュエータＡの動作パターンを示すモデルが格納されたメモリ１０２を有し、制御信号は、モデルに基づくアクチュエータＡの所望の動作パターン及び該動作パターンの所望の動作開始時期を含む信号であり、集積回路１００は、所望の動作開始時期に所望の動作パターンでアクチュエータＡを作動制御するとともに、所望の動作パターンの終了後又は所望の動作パターンの実行中に、次の動作パターン及び動作開始時期を示す制御信号を受信する。【選択図】図８

Description

ここに開示された技術は、回転出力装置の制御装置に関する技術分野に属する。

近年では、国家的に自動運転システムの開発が進められており、車両に備えられたアクチュエータのほぼ全てが電子制御されるようになっている。

例えば特許文献１には、車両の各ドアにサブＥＣＵ（Electronic Control Unit）をそれぞれ設け、各ＥＣＵを管理するメインＥＣＵを設け、メインＥＣＵはサブＥＣＵに要求信号を出力し、サブＥＣＵは各アクチュエータ（モータ等）に制御信号を出力する多重通信装置が開示されている。

特開２０１６−１７４２４５号公報

しかしながら、このように車両のデバイス毎にＥＣＵをそれぞれ設ける構成では、専用のＥＣＵの数が膨大な数となり、車両一台あたりのＥＣＵの数は、多い車種では数百にも上っている。このため、各ＥＣＵ同士及び各ＥＣＵとセンサ類とを接続する配線やコネクタの数も増大する。この結果、車両の通信システムの構成が複雑になるとともに、コストが増大することになってしまう。

そこで、各アクチュエータに対する制御信号を生成するＥＣＵを１つの演算装置に集約することが検討されている。しかしながら、内燃機関やモータなどの回転動力を生成する回転出力装置を構成するアクチュエータには微細な制御が求められる。このため、単に各ＥＣＵを１つに集約しただけでは、アクチュエータと演算装置との間の通信に時間がかかり、応答性の悪化を招いてしまう。

ここに開示された技術は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこは、複数のＥＣＵを１つの演算装置に集約したとしても、回転出力装置を構成するアクチュエータを応答性良く制御することにある。

前記課題を解決するために、ここに開示された技術では、回転軸を有する回転出力装置の制御装置を対象として、中央演算装置から通信経路を介して制御信号を受信しかつ受信した該制御信号に基づいて前記回転出力装置の有するアクチュエータを動作させる集積回路を備え、前記中央演算装置は、前記デバイスの動作パターンを示すモデルが格納された記憶部を有し、前記制御信号は、前記モデルに基づく前記アクチュエータの所望の動作パターン及び該動作パターンの所望の動作開始時期を含む信号であり、前記集積回路は、前記所望の動作開始時期に前記所望の動作パターンで前記アクチュエータを作動制御するとともに、前記所望の動作パターンの終了後又は前記所望の動作パターンの実行中に、次の前記動作パターン及び前記動作開始時期を示す制御信号を受信する、という構成とした。

この構成によると、回転出力装置を構成するアクチュエータを作動制御する集積回路には、中央演算装置が有するモデルを用いて生成された制御信号が予め入力される。集積回路は、制御信号に含まれる所望の動作開始時期にアクチュエータを制御開始すればよい。このため、中央演算装置がアクチュエータに対してフルタイム通信して制御する必要がない。これにより、中央演算装置がアクチュエータの制御に用いる演算リソース及び通信容量が削減される。この結果、中央演算装置はアクチュエータを応答性良く制御することができるようになる。

前記回転出力装置の制御装置において前記アクチュエータは複数あり、前記回転軸の位相角を検出する位相角検出部をさらに備え、前記制御信号の前記動作開始時期は、前記回転軸の位相角により設定されており、前記集積回路は、前記回転軸の位相角が、各制御信号における前記動作開始時期を示す位相角になったときに、前記各アクチュエータを対応する動作パターンでそれぞれ作動制御する、という構成でもよい。

この構成によると、回転出力装置の回転軸の位相角をトリガーにして、各アクチュエータを制御することができる。これにより、中央演算装置は、動作開始時期に関する情報としては、回転軸の位相角に関する情報を生成するだけでよくなる。このため、中央演算装置の演算リソースをさらに削減することができる。

前記回転出力装置の制御装置の一実施形態では、前記回転出力装置は、ピストンの往復運動により前記回転軸としてのクランクシャフトを回転させる内燃機関であり、前記所望の動作開始時期は、前記ピストンの上死点又は下死点にそれぞれ設定されている。

すなわち、内燃機関の回転制御には、特に多くのアクチュエータが用いられるとともに、微細な制御が必要となる。このため、前述のようなモデル制御を実行すれば、中央演算装置の演算リソースが大幅に削減される。これにより、中央演算装置によりアクチュエータを応答性良く制御するという効果をより適切に発揮することができるようになる。

前記回転出力装置の制御装置において、前記集積回路は、前記中央演算装置から受信した信号に基づいて、前記所望の動作パターンを示す電気信号を生成して、前記アクチュエータに出力する、という構成でもよい。

この構成によると、集積回路は制御信号を適切な電気信号に修正する機能さえ有していればよく、汎用性の高いものを利用することができる。これにより、制御装置のコストパフォーマンスを向上させることができる。

以上説明したように、ここに開示された技術によると、複数のＥＣＵを１つの演算装置に集約したとしても、回転出力装置を構成するアクチュエータを応答性良く制御することができる。

例示的な実施形態に係る制御装置を有する車両の通信経路を示す概略図である。 制御装置により制御されるエンジンの概略構成図である。 エンジンの燃焼室の断面図である。 エンジンの制御系を示すブロック図である。 中央演算装置によるモデル予測制御を示す概略図である。 点火プラグＩＣの機能を概略的に示す図である。 インジェクタＩＣの機能を概略的に示す図である。 点火プラグＩＣ及びインジェクタＩＣの動作を示すタイムチャートである。

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（通信経路の構成）
図１は、本実施形態に係る制御装置を有する車両１の通信経路を示す。図１に示すアクチュエータＡは、車両ＡＭに設けられるアクチュエータの一部であり、車両１の全アクチュエータを示すものではない。また、図１で示す通信線ＣＬも、車両ＡＭの全通信線の一部のみを表す。

図１に示す車両ＡＭは、運転者の操作により走行するマニュアル運転の他に、運転者の操作をアシストして走行するアシスト運転、及び運転者の操作なしに走行する自動運転が可能な自動車である。この車両ＡＭは、駆動制御、制動制御、及び操舵制御において、電気的に制御を行うバイワイヤ方式が採用されている。すなわち、車両ＡＭでは、アクセルペダルの操作、ブレーキペダルの操作、及びステアリングホイールの操作がセンサにより検知される。そして、センサの出力に基づいて中央演算装置１０で生成された制御信号により各制御を担うアクチュエータＡが制御される。

アクチュエータＡは、例えば、エンジン１に設けられたインジェクタ６、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、点火プラグ２５、スロットル弁４３、過給機４４の電磁クラッチ４５、ＥＧＲ弁５４等を含む。アクチュエータＡは、各ホイールに設けられたブレーキ装置、ステアリング操作をアシストするパワーステアリング装置、各ドアに設けられたパワーウィンドウ装置、車両ＡＭの前側部分及び後側部分にそれぞれ設けられたランプ等を含む。エンジン１に設けられたアクチュエータＡについての詳細は後述する。

各アクチュエータＡは、通信線ＣＬを介して中央演算装置１０と電気的に接続されている。本実施形態では、中央演算装置１０と各アクチュエータＡは、他のＥＣＵ（Electrical Control Unit）を介すことなく接続されている。つまり、各アクチュエータＡを制御するための制御信号は、全て中央演算装置１０で生成されるようになっている。中央演算装置１０には、車両ＡＭに設けられた複数のセンサ（一部を図３に示す）から情報が入力されるようになっている。各センサは、中央演算装置１０と通信線ＣＬにより電気的に接続されている。通信線ＣＬは、１Ｇｂｐｓ以上の通信速度を有する通信線である。

尚、図１では、中央演算装置１０は車両ＡＭに後部に配置されているが、中央演算装置１０の配置はこれに限定されない。中央演算装置１０は、車両ＡＭの前部や前後方向の中央部に配置することも可能である。

各アクチュエータＡは、中央演算装置１０から通信線ＣＬを介して制御信号を受信しかつ受信した該制御信号に基づいて該各アクチュエータＡを動作させる集積回路１１０とそれぞれ接続されている。詳しくは後述するが、各集積回路１１０は、中央演算装置１０から受信した制御信号を基に、対応するアクチュエータＡを実際に作動させるための電気信号を出力する。

（エンジンの構成）
図２は、エンジンを例示する図である。図３は、エンジンの燃焼室を例示する図である。尚、図２における吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。図３における吸気側は紙面右側であり、排気側は紙面左側である。

エンジン１は、燃焼室１７を有している。燃焼室１７は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返す。エンジン１は、４ストロークエンジンである。エンジン１が運転することによって車両ＡＭが走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であればよい。燃料としてのガソリンは、レギュラー燃料でもハイオク燃料であってもよい。燃料は、例えばバイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。

エンジン１は、シリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３とを備えている。シリンダヘッド１３は、シリンダブロック１２の上に載置される。

シリンダブロック１２に、複数のシリンダ１１が形成されている。エンジン１は、多気筒エンジンである。図２及び図３では、一つのシリンダ１１のみを示す。

各シリンダ１１は、ピストン３が内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介して、回転軸としてのクランクシャフト１５に連結されている。ピストン３は、シリンダ１１の内部を往復動する。ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３は、燃焼室１７を形成する。尚、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する。

シリンダヘッド１３の下面は、燃焼室１７の天井部を構成する。天井部は、図２の下図に示すように、二つの傾斜面によって構成されている。燃焼室１７は、いわゆるペントルーフ型である。

ピストン３は、上面から下側に向かって凹んだキャビティ３１を有する。キャビティ３１は、この構成例では、浅皿形状を有している。キャビティ３１の中心は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側にずれている。

エンジン１の幾何学的圧縮比は、１５〜１８に設定されている。後述するようにエンジン１は、一部の運転領域において、ＳＩ（Spark Ignition）燃焼とＣＩ（Compression Ignition）燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼による発熱及び／又は圧力上昇によって、ＣＩ燃焼をコントロールする。エンジン１は、圧縮着火式エンジンである。このエンジン１は、ピストン３が圧縮上死点に至った時の燃焼室１７の温度を高める必要がない。

吸気ポート１８には、吸気弁２１が配設されている。吸気弁２１は、吸気ポート１８を開閉する。動弁機構は、吸気弁２１を所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構としてもよい。図４に示すように、動弁機構は、吸気電動Ｓ−ＶＴ（Sequential-Valve Timing）２３を有している。吸気電動Ｓ−ＶＴ２３は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。吸気弁２１の開弁角は変化しない。吸気弁２１の開弁角は、例えば２４０°ＣＡである。尚、動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて、油圧式のＳ−ＶＴを有してもよい。

排気ポート１９には、排気弁２２が配設されている。排気弁２２は、排気ポート１９を開閉する。動弁機構は、排気弁２２を所定のタイミングで開閉する。動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構としてもよい。図４に示すように、動弁機構は、排気電動Ｓ−ＶＴ２４を有している。排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更する。排気弁２２の開弁角は変化しない。排気弁２２の開弁角は、例えば２４０°ＣＡである。尚、動弁機構は、電動Ｓ−ＶＴに代えて、油圧式のＳ−ＶＴを有してもよい。

吸気電動Ｓ−ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４は、吸気弁２１と排気弁２２との両方が開弁するオーバーラップ期間の長さを調節する。オーバーラップ期間の長さを調節することによって、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスが燃焼室１７の中に導入される。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射する。インジェクタ６は、燃焼室１７の天井部の中心部に配設されている。より詳細に、インジェクタ６はペントルーフの谷部に配設されている。図３に示すように、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に位置している。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、中心軸Ｘ１に平行である。インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２とキャビティ３１の中心とは一致している。インジェクタ６は、キャビティ３１に対向している。尚、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１と一致してもよい。その構成の場合において、インジェクタ６の噴射軸心Ｘ２と、キャビティ３１の中心とは一致してもよい。インジェクタ６は、アクチュエータの一例である。

インジェクタ６は、複数の噴孔を有する多噴孔型である。インジェクタ６は、図３に二点鎖線で示すように、燃焼室１７の天井部の中央部から放射状にかつ、斜め下向きに、燃料を噴射する。インジェクタ６は、この構成例においては、十個の噴孔を有している。十個の噴孔は、周方向に等角度間隔に配置されている。

インジェクタ６には、燃料供給システム６１が接続されている。燃料供給システム６１は、燃料を貯留する燃料タンク６３と、燃料供給路６２とを備えている。燃料供給路６２は、燃料タンク６３とインジェクタ６とを互いにつないでいる。燃料供給路６２には、燃料ポンプ６５とコモンレール６４とが介設している。燃料ポンプ６５は、コモンレール６４に燃料を送る。燃料ポンプ６５は、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレール６４は、燃料ポンプ６５から送られた燃料を蓄える。コモンレール６４の中は高圧である。インジェクタ６は、コモンレール６４につながっている。インジェクタ６が開弁すると、コモンレール６４の中の高圧の燃料が、インジェクタ６の噴孔から燃焼室１７の中に噴射される。この構成例の燃料供給システム６１は、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ６に供給できる。燃料供給システム６１の最高圧力は、例えば２００ＭＰａとしてもよい。燃料供給システム６１は、燃料の圧力を、エンジン１の運転状態に応じて変えてもよい。尚、燃料供給システム６１の構成は、前記の構成に限定されない。

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ２５は、図３に示すように、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも吸気側に配設されている。点火プラグ２５は、２つの吸気ポート１８の間に位置している。点火プラグ２５の電極は、燃焼室１７の中に臨んでいる。尚、点火プラグ２５は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１よりも排気側に配置してもよい。また、点火プラグ２５は、シリンダ１１の中心軸Ｘ１上に配置してもよい。

エンジン１の一側面には吸気通路４０が接続されている。吸気通路４０は、各シリンダ１１の吸気ポート１８に連通している。燃焼室１７に導入する吸気のガスは、吸気通路４０の中を流れる。吸気通路４０の上流端部には、エアクリーナー４１が配設されている。吸気通路４０の下流端の近くには、サージタンク４２が配設されている。サージタンク４２よりも下流の吸気通路４０は、シリンダ１１毎に分岐している。

吸気通路４０におけるエアクリーナー４１とサージタンク４２との間には、スロットル弁４３が配設されている。スロットル弁４３は、弁の開度が変わることによって、燃焼室１７の中への新気の導入量を調節する。

吸気通路４０にはまた、スロットル弁４３の下流に、過給機４４が配設されている。過給機４４は、燃焼室１７に導入する吸気のガスの圧力を高める。この構成例において、過給機４４は、エンジン１によって駆動される。過給機４４は、ルーツ式、リショルム式、ベーン式、又は遠心式である。過給機４４は、過給システムの一部を構成する。

過給機４４とエンジン１との間には、電磁クラッチ４５が介設している。電磁クラッチ４５は、エンジン１から過給機４４へ駆動力を伝達する状態と、駆動力の伝達を遮断する状態とを切り替える。後述する中央演算装置１０により電磁クラッチ４５に制御信号が出力されることによって、過給機４４はオン又はオフになる。電磁クラッチ４５は、過給システムの一部を構成する。

吸気通路４０における過給機４４の下流には、インタークーラー４６が配設されている。インタークーラー４６は、過給機４４が圧縮した吸気のガスを冷却する。インタークーラー４６は、水冷式又は油冷式である。インタークーラー４６は、過給システムの一部を構成する。

吸気通路４０には、バイパス通路４７が接続されている。バイパス通路４７は、吸気通路４０における過給機４４の上流部とインタークーラー４６の下流部とを互いに接続する。バイパス通路４７は、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスする。バイパス通路４７には、エアバイパス弁４８が配設されている。エアバイパス弁４８は、バイパス通路４７を流れるガスの流量を調節する。

中央演算装置１０は、過給機４４がオフの場合に、エアバイパス弁４８を全開にする。吸気通路４０を流れる吸気のガスは、過給機４４及びインタークーラー４６をバイパスして、エンジン１の燃焼室１７に至る。エンジン１は、非過給、つまり自然吸気の状態で運転する。

過給機４４がオンの場合、エンジン１は過給状態で運転する。中央演算装置１０は、過給機４４がオンの場合に、エアバイパス弁４８の開度を調節する。過給機４４及びインタークーラー４６を通過した吸気のガスの一部は、バイパス通路４７を通って過給機４４の上流に戻る。中央演算装置１０がエアバイパス弁４８の開度を調節すると、燃焼室１７に導入する吸気のガスの圧力が変わる。尚、「過給」とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧を超える状態をいい、「非過給」とは、サージタンク４２内の圧力が大気圧以下になる状態をいう、と定義してもよい。

エンジン１の他側面には、排気通路５０が接続されている。排気通路５０は、各シリンダ１１の排気ポート１９に連通している。燃焼室１７から排出された排気ガスは、排気通路５０の中を流れる。排気通路５０の上流部分は、詳細な図示は省略するが、シリンダ１１毎に分岐している。

排気通路５０には、複数の触媒コンバーターを有する排気ガス浄化システムが配設されている。これらの触媒コンバーターは、図示は省略するが、エンジンルーム内に配設されている。上流の触媒コンバーターは、三元触媒５１１と、ＧＰＦ（Gasoline Particulate Filter）５１２とを有している。下流の触媒コンバーターは、三元触媒５１３を有している。尚、排気ガス浄化システムは、図例の構成に限定されない。例えば、ＧＰＦは省略してもよい。また、触媒コンバーターは、三元触媒を有するものに限定されない。さらに、三元触媒及びＧＰＦの並び順は、適宜変更してもよい。

吸気通路４０と排気通路５０との間には、ＥＧＲ通路５２が接続されている。ＥＧＲ通路５２は、排気ガスの一部を吸気通路４０に還流させる通路である。ＥＧＲ通路５２の上流端は、排気通路５０における二つの触媒コンバーターの間に接続されている。ＥＧＲ通路５２の下流端は、吸気通路４０における過給機４４の上流部に接続されている。

ＥＧＲ通路５２には、水冷式のＥＧＲクーラー５３が配設されている。ＥＧＲクーラー５３は、排気ガスを冷却する。ＥＧＲ通路５２にはまた、ＥＧＲ弁５４が配設されている。ＥＧＲ弁５４は、ＥＧＲ通路５２を流れる排気ガスの流量を調節する。ＥＧＲ弁５４は、外部ＥＧＲガスの還流量を調節する。

（エンジンの制御系の構成）
前述したように、エンジン１を制御する制御信号は中央演算装置１０により生成される。中央演算装置１０は、例えば、１つまたは複数のチップで構成されたプロセッサである。中央演算装置１０は、演算回路１０１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）で構成されたメモリ１０２と、電気信号の入出力を行うＩ／Ｆ回路１０３とを有する。中央演算装置１０は、ＡＩ（Artificial Intelligence）機能を有している場合もある。

メモリ１０２は、エンジン１の各アクチュエータの動作パターンを示すモデルが格納されている。モデルについての詳細は後述する。

中央演算装置１０には、図２及び図４に示すように、各種のセンサＳＷ１〜ＳＷ１２が接続されている。センサＳＷ１〜ＳＷ１２は、信号を中央演算装置１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。

エアフローセンサＳＷ１は、吸気通路４０を流れる新気の流量を計測する。エアフローセンサＳＷ１は、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されている
第１吸気温度センサＳＷ２は、吸気通路４０を流れる新気の温度を計測する。第１吸気温度センサＳＷ２は、吸気通路４０におけるエアクリーナー４１の下流に配置されている
第２吸気温度センサＳＷ３は、燃焼室１７に導入される吸気のガスの温度を計測する。第２吸気温度センサＳＷ３は、サージタンク４２に取り付けられている
吸気圧センサＳＷ４は、燃焼室１７に導入される吸気のガスの圧力を計測する。吸気圧センサＳＷ４は、サージタンク４２に取り付けられている
筒内圧センサＳＷ５は、各燃焼室１７内の圧力を計測する。筒内圧センサＳＷ５は、シリンダ１１毎に、シリンダヘッド１３に取り付けられている
エンジン水温センサＳＷ６は、燃焼室１７を冷却する冷却水の温度を計測する。エンジン水温センサＳＷ６は、エンジン１のウォータジャケットに臨むように取り付けられている
クランク角センサＳＷ７（位相角検出部）は、クランクシャフト１５の回転角を計測する。クランク角センサＳＷ７は、エンジン１に取り付けられている
アクセル開度センサＳＷ８は、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測する。アクセル開度センサＳＷ８は、アクセルペダル機構に取り付けられている
吸気カム角センサＳＷ９は、吸気カムシャフトの回転角を計測する。吸気カム角センサＳＷ９は、エンジン１に取り付けられている
排気カム角センサＳＷ１０は、排気カムシャフトの回転角を計測する。排気カム角センサＳＷ１０は、エンジン１に取り付けられている
燃圧センサＳＷ１１は、インジェクタ６に供給する燃料の圧力を計測する。燃圧センサＳＷ１１は、燃料供給システム６１のコモンレール６４に取り付けられている
インタークーラー水温センサＳＷ１２は、インタークーラー４６に流通する冷却水の温度を計測する。インタークーラー水温センサＳＷ１２は、エンジン１に取り付けられている。

ＥＣＵ１０は、これらのセンサＳＷ１〜ＳＷ１２の信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断する。ＥＣＵ１０はまた、予め定められている制御ロジックに従って、各デバイスの制御量を演算する。制御ロジックは、メモリ１０２に記憶されている。

ＥＣＵ１０は、制御量に係る電気信号を、インジェクタ６、点火プラグ２５、吸気電動Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５等に出力する。

（モデル予測制御の概要）
中央演算装置１０は、一部の運転領域においてＳＰＣＣＩ燃焼が実現されるように、各種センサから取得した情報を基にメモリ１０２に格納されたモデルより各アクチュエータの制御信号を生成する。例えば、中央演算装置１０は、各センサから取得した情報から筒内状態推定モデル１０２ａにより筒内の状態を推定する。中央演算装置１０は、推定された筒内状態に基づいて、点火モデル１０２ｂにより点火プラグ２５の所望の動作パターン及び該動作パターンの所望の動作開始時期を含む制御信号を生成する。中央演算装置１０は、燃料供給モデル１０２ｃによりインジェクタ６の所望の動作パターン及び該動作パターンの所望の動作開始時期を含む制御信号を生成する。

図５は、中央演算装置１０が実行するモデル予測制御を概略的に示す。このモデル予測制御において、まず、中央演算装置１０は、エアフローセンサＳＷ１により検知された吸入空気量、第１吸気温度センサＳＷ２及び第２吸気温度センサＳＷ３により検知された吸気温度、吸気カム角センサＳＷ９及び排気カム角センサＳＷ１０により検知された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトのそれぞれの回転角などを取得する。中央演算装置１０は、これらセンサの検出結果に対応する吸入空気量等に基づき、実際の吸気ガス（新気）の状態量、例えば吸気ガスの温度や圧力を算出する。また、中央演算装置１０は、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの回転角に対応する吸気電動Ｓ―ＶＴ２３及び排気電動Ｓ−ＶＴ２４のそれぞれの位相角に基づいて、実際の内部ＥＧＲガスの状態量、例えば内部ＥＧＲガスの温度や圧力を算出する。

次に、中央演算装置１０は、算出した吸気ガスの状態量及び内部ＥＧＲガスの状態量から、筒内状態推定モデル１０２ａを用いて、吸気弁２１の閉じ時点（以下、ＩＶＣ時点という）における筒内温度を算出する。中央演算装置１０は、算出したＩＶＣ時点での筒内温度から、自己着火が生じるときの筒内温度を算出して、自己着火が発生する時期（つまり、ＣＩ燃焼の開始時期）を求める。自己着火の発生時期は、熱力学におけるポリトロープ過程を考慮することで算出することができる。具体的な算出方法は、既知の方法（例えば特開２０１８−８４１８１号公報に記載の方法）を採用できるため詳細な説明は省略する。

中央演算装置１０は、筒内温度以外にも、筒内の状態量として吸気充填量や筒内の酸素濃度等を算出する。尚、この筒内状態推定モデル１０２ａは、筒内状態推定モデル１０２ａに基づいて算出される筒内温度と、筒内圧センサＳＷ５の検知結果から算出される筒内温度とのずれに応じて適宜補正される。これにより、筒内状態推定モデル１０２ａは、実際の筒内状態をより精度良く推定できるモデルに更新される。

中央演算装置１０は、算出した自己着火の発生時期に基づいて、所定の点火モデル１０２ｂを用いて、目標の自己着火時期が実現されるように、点火プラグ２５の目標点火時期を算出する。そして、中央演算装置１０は、目標点火時期で点火するような点火パターンを示す制御信号（以下、点火制御信号という）を生成する。この点火制御信号は、点火パターンの動作開始時期、言い換えると、点火プラグ２５に対応する集積回路（以下、点火プラグＩＣ１１１という）が、点火プラグ２５に電気信号を出力する時期（後述するトリガーＴｒ１）を示す情報を含んでいる。

中央演算装置１０は、前記のように点火プラグ２５に対する制御信号を生成するのと並行して、算出した吸気充填量や筒内の酸素濃度に基づいて、インジェクタ６からの燃料噴射量を算出する。具体的には、中央演算装置１０は、所定の燃料供給モデル１０２ｃを用いて、燃焼後の排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまりλ＝１）になるような燃料噴射量を算出する。そして、中央演算装置１０は、所定の燃料供給モデル１０２ｃを用いて、インジェクタ６からの燃料の噴射パターンを示す制御信号（以下、噴射制御信号という）を生成する。この噴射制御信号は、噴射パターンの動作開始時期、言い換えると、インジェクタ６に対応する集積回路（以下、インジェクタＩＣ１１２という）が、インジェクタ６に電気信号を出力する時期（後述するトリガーＴｒ２）を示す情報を含んでいる。

中央演算装置１０から出力された点火制御信号は、点火プラグＩＣ１１１に入力される。図６に示すように、点火プラグＩＣ１１１は、入力された制御信号に基づいて、所望の点火パターンを示す電気信号を生成する。図６に示す点火パターンでは、トリガーＴｒ１に対応する時期になってから時期ｔ１になったときに、点火プラグ２５のイグナイター２５ａに電力を供給（つまり点火を開始）して、時期ｔ２になったときに電力の供給を遮断（つまり点火を終了）するような電気信号が生成される。つまり、点火パターンは、電力を供給しない時期も含んでいる。点火プラグＩＣ１１１は、トリガーＴｒ１に対応する時期になったときに電気信号をイグナイター２５ａに出力し始め、期間ｔ２の直後に電気信号の出力を停止する。尚、ここで示す点火パターンは一例であり、点火パターンはエンジン１の運転状態に応じて適宜変更される。

本実施形態では、トリガーＴｒ１は、例えば、圧縮行程においてピストン３が下死点に位置する時期（圧縮行程の開始時期）に設定されている。点火プラグＩＣ１１１は、クランク角センサＳＷ７の検知結果が入力されるようになっている。点火プラグＩＣ１１１は、クランク角センサＳＷ７からピストン３が圧縮行程の下死点になったという検知信号を受信したときに、イグナイター２５ａに電気信号を出力し始める。図８に示すように、時期ｔ１は、例えば、ピストン３が圧縮行程の上死点よりも１５°手前に位置する時期であり、時期ｔ２は、時期ｔ１からピストン３がクランク角で１０°進む時期である。尚、トリガーＴｒ１の時期は、ピストン３が圧縮行程の下死点に位置する時期に限定されず、任意に定めることができる。

点火プラグＩＣ１１１は、イグナイター２５ａに電気信号を出力しない間に中央演算装置１０から次の点火パターンを示す制御信号を受信する。例えば、図８に示すように、点火プラグＩＣ１１１は、電気信号の出力を停止した後から次のトリガーＴｒ１までの間、すなわち、時期ｔ２の直後からピストン３が次の圧縮行程の下死点に位置するまでの間に、中央演算装置１０から次の点火パターンを示す制御信号を受信する。点火パターンが変更されたときには、点火プラグＩＣ１１１が中央制御装置１０から次の制御信号を受信する期間も変更される。

一方で、中央演算装置１０から出力された噴射制御信号は、インジェクタＩＣ１１２に入力される。図７に示すように、インジェクタＩＣ１１２は、入力された制御信号に基づいて、所望の噴射パターンを示す電気信号を生成する。図７に示す噴射パターンでは、トリガーＴｒ２に対応する時期になってから時期ｔ３になったときに、インジェクタ６のソレノイド６ａに電力を供給（つまり燃料噴射を開始）して、時期ｔ４になったときに電力の供給を一時的に遮断（つまり燃料噴射を終了）した後、時期ｔ５になったときに再びソレノイド６ａに電力を供給して、時期ｔ６になったときに電力の供給を遮断するような電気信号が生成される。つまり、噴射パターンは、電力を供給しない時期も含んでいる。インジェクタＩＣ１１２は、トリガーＴｒ２に対応する時期になったときに電気信号をソレノイド６ａに出力し始め、期間ｔ６の直後に電気信号の出力を停止する。尚、ここで示す噴射パターンは一例であり、噴射パターンはエンジン１の運転状態に応じて適宜変更される。

本実施形態では、トリガーＴｒ２は、例えば、圧縮行程においてピストン３が下死点に位置する時期（圧縮行程の開始時期）に設定されている。インジェクタＩＣ１１２は、クランク角センサＳＷ７の検知結果が入力されるようになっている。インジェクタＩＣ１１２は、クランク角センサＳＷ７からピストン３が圧縮行程の下死点になったという検知信号を受信したときに、ソレノイド６ａに電気信号を出力し始める。図８に示すように、時期ｔ３〜ｔ６は、例えば、いずれも圧縮行程の期間に含まれる。尚、トリガーＴｒ２の時期は、ピストン３が圧縮行程の下死点に位置する時期に限定されず、任意に定めることができる。例えば、吸気行程中に燃料を噴射する噴射パターンの場合には、トリガーＴｒ２の時期は、ピストン３が吸気行程の上死点に位置する時期（吸気行程の開始時期）に設定される。このため、エンジン１の運転領域毎に噴射パターンが異なる場合には、トリガーＴｒ２の時期を変更してもよい。また、トリガーＴｒ２の時期を、ピストン３が吸気行程の上死点に位置する時期に固定してもよい。

インジェクタＩＣ１１２は、ソレノイド６ａに電気信号を出力しない間に中央演算装置１０から次の点火パターンを示す制御信号を受信する。例えば、図８に示すように、インジェクタＩＣ１１２は、電気信号の出力を停止した後から次のトリガーＴｒ２までの間、すなわち、時期ｔ６の直後からピストン３が次の圧縮行程の下死点に位置するまでの間に、中央演算装置１０から次の噴射パターンを示す制御信号を受信する。噴射パターンが変更されたときには、インジェクタＩＣ１１２が中央制御装置１０から次の制御信号を受信する期間も変更される。

吸気電動Ｓ−ＶＴ２３、排気電動Ｓ−ＶＴ２４、スロットル弁４３、ＥＧＲ弁５４、過給機４４の電磁クラッチ４５等も同様に、モデル用いた制御が実行される。各アクチュエータＡに設けられた集積回路１１０は、アクチュエータＡが動作しない時期又は動作中に中央演算装置１０から次の制御信号を受信する。例えば、スロットル弁４３やＥＣＲ弁５４のように開度を連続的に変更させる弁等については、該弁の動作中に次の制御信号を受信する。

このように、各アクチュエータＡに対応する集積回路１１０は、所望の動作開始時期に所望の動作パターンで対応するアクチュエータＡを作動制御するとともに、所望の動作パターンの終了後に、次の動作パターン及び動作開始時期を示す制御信号を受信する。特に、本実施形態では、各集積回路１１０は、クランクシャフト１５の位相角が、各制御信号における動作開始時期を示す位相角になったときに、各アクチュエータを対応する動作パターンでそれぞれ作動制御する。前述の説明では、便宜上、点火プラグＩＣ１１１やインジェクタＩＣ１１２のように各集積回路１１０を区別しているが、実際には同一の構成の集積回路１１０を用いることができる。このため、制御系を構成するための部品のコストをかなり削減することができる。

各集積回路１１０が制御信号を受信するタイミングは任意に設定することができる。図８に示すように、受信のタイミングをずらしておくと、中央演算装置１０は時分割で制御信号を送ることができ、制御信号の混同を抑制することができる。中央演算装置１０が制御信号を同時に送るようなときには、各制御信号に識別番号を予め付与しておき、各集積回路１１０が該識別番号を認識して制御信号を受け取るようにすればよい。このような方法でも、各集積回路１１０のハードの構成は共通化できるため、コストへの影響はほとんどない。

ここで、エンジン１のような回転動力を生成する回転出力装置の各アクチュエータＡに対する制御信号の生成を１つの中央演算装置１０で生成すると、アクチュエータＡと中央演算装置１０との間の通信に時間がかかり、応答性の悪化を招くおそれがある。

しかしながら、本実施形態では、エンジン１を構成するアクチュエータＡを作動制御する集積回路１１０に、中央演算装置１０からの制御信号を予め入力することで、中央演算装置１０がアクチュエータＡに対してフルタイム通信する必要がなくなる。これにより、中央演算装置１０が各アクチュエータＡを制御するための演算リソース及び通信容量が削減される。この結果、中央演算装置１０は各アクチュエータＡを応答性良く制御することができるようになる。

また、本実施形態において、集積回路１１０は、中央演算装置１０から受信した信号に基づいて、所望の動作パターンを示す電気信号を生成して、各アクチュエータＡに出力する。このように、集積回路１１０は、制御信号を、アクチュエータＡを作動させる電気信号に修正する機能さえ有していればよく、汎用性の高いものを利用することができる。これにより、制御装置のコストパフォーマンスを向上させることができる。

ここに開示された技術は、前述の実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、前述の実施形態では、回転出力装置としてエンジン１を例示した。これに限らず、回転出力装置として、駆動モータやトランスミッションを対象としてもよい。

前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

ここに開示された技術は、回転軸を有する回転出力装置の制御装置として有用である。

１ エンジン（回転出力装置）
３ ピストン
６ インジェクタ（アクチュエータ）
１０ 中央演算装置
１５ クランクシャフト（回転軸）
２３ 吸気電動Ｓ−ＶＴ（アクチュエータ）
２４ 排気電動Ｓ−ＶＴ（アクチュエータ）
２５ 点火プラグ（アクチュエータ）
４３ スロットル弁（アクチュエータ）
４５ 電磁クラッチ（アクチュエータ）
５４ ＥＧＲ弁（アクチュエータ）
１０２ メモリ（記憶部）
１０２ａ 筒内状態推定モデル
１０２ｂ 点火モデル
１０２ｃ 燃料供給モデル
１１０ 集積回路
１１１ 点火プラグＩＣ
１１２ インジェクタＩＣ
Ａ アクチュエータ
ＣＬ 通信線（通信経路）
ＳＷ７ クランク角センサ（位相角検出部）

Claims (4)

1. 回転軸を有する回転出力装置の制御装置であって、
   中央演算装置から通信経路を介して制御信号を受信しかつ受信した該制御信号に基づいて前記回転出力装置の有するアクチュエータを動作させる集積回路を備え、
   前記中央演算装置は、前記アクチュエータの動作パターンを示すモデルが格納された記憶部を有し、
   前記制御信号は、前記モデルに基づく前記アクチュエータの所望の動作パターン及び該動作パターンの所望の動作開始時期を含む信号であり、
   前記集積回路は、前記所望の動作開始時期に前記所望の動作パターンで前記アクチュエータを作動制御するとともに、前記所望の動作パターンの終了後又は前記所望の動作パターンの実行中に、次の前記動作パターン及び前記動作開始時期を示す制御信号を受信することを特徴とする回転出力装置の制御装置。
2. 請求項１に記載の回転出力装置の制御装置であって、
   前記アクチュエータは複数あり、
   前記回転軸の位相角を検出する位相角検出部をさらに備え、
   前記制御信号の前記動作開始時期は、前記回転軸の位相角により設定されており、
   前記集積回路は、前記回転軸の位相角が、各制御信号における前記動作開始時期を示す位相角になったときに、前記各アクチュエータを対応する動作パターンでそれぞれ作動制御することを特徴とする回転出力装置の制御装置。
3. 請求項２に記載の回転出力装置の制御装置であって、
   前記回転出力装置は、ピストンの往復運動により前記回転軸としてのクランクシャフトを回転させる内燃機関であり、
   前記所望の動作開始時期は、前記ピストンの上死点又は下死点にそれぞれ設定されていることを特徴とする回転出力装置の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の回転出力装置の制御装置において、
   前記集積回路は、前記中央演算装置から受信した信号に基づいて、前記所望の動作パターンを示す電気信号を生成して、前記アクチュエータに出力することを特徴とする回転出力装置の制御装置。

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