JP4207718B2

JP4207718B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4207718B2
Application number: JP2003301356A
Authority: JP
Inventors: 晴文武藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: EP1510677A3; JP2005069134A; US6986337B2; EP1510677B1; EP1510677A2; US20050081823A1

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の制御装置として、アクセル開度等に基づいて要求トルクを判断し、その要求トルクを実現するように燃料噴射弁の作動やスロットル弁の開度を制御するようにしたものが公知である。一般に、このような内燃機関の制御装置では、まず上記要求トルクに基づいて目標燃料噴射量と目標筒内充填空気量（または筒内充填空気量の相当値（すなわち、例えば筒内吸入空気流量や筒内空気充填率）の目標値）とが設定され、次いで実際の燃料噴射量及び筒内充填空気量（またはその相当値）が上記目標燃料噴射量及び目標筒内充填空気量（または筒内充填空気量の相当値の目標値）と一致するように上記燃料噴射弁の作動及びスロットル弁の開度が制御される。

上記筒内充填空気量（またはその相当値）については、より詳細には、上記スロットル弁の開度（以下、「スロットル開度」と称す）を上記目標筒内充填空気量（または筒内充填空気量の相当値の目標値）に応じて設定される目標開度に制御することによって調整されるのであるが、スロットル開度を上記目標開度としても、実際の筒内充填空気量（またはその相当値）が上記目標筒内充填空気量（または筒内充填空気量の相当値の目標値）になるまでには一定の時間を要する。つまり、筒内充填空気量（またはその相当値）の変化はスロットル開度の変化に対して遅れを有している。

このような遅れは内燃機関の制御に影響を与えるため、その程度を把握することが重要であり、このような遅れの程度を表す指標としては筒内充填空気量（またはその相当値）の応答時定数（６３％応答時間）τが知られている。そしてこのような応答時定数τは、従来、マップを用いて求めるものとされていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３３２８８４特開２００２−２０１９９８特開２００１−４１０９５

ところが、実際に上記応答時定数τのマップを作成するためには、多大な時間が必要となる。すなわち、マップを作成するためには上記応答時定数τを、機関回転数や吸排気弁の開閉タイミング等の各引数を順に変化させつつ求める必要があり、その作業は膨大なものとなる。また、必要なマップ数や引数が増大することでマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう懸念もある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、上記筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数τをより簡便な方法によって求めるようにした内燃機関の制御装置を提供することである。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関の制御装置を提供する。

請求項１に記載の発明は、スロットル弁の開度が目標開度に変更される場合において該目標開度までのスロットル弁の開度変更全体における筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数を算出する内燃機関の制御装置であって、上記目標開度を設定する手段と、スロットル弁の開度を上記目標開度に維持した場合にスロットル弁下流側の吸気管内圧力が収束する値である目標吸気管内圧力を求める手段と、スロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁下流側の吸気管内圧力である現吸気管内圧力を求める手段と、スロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁通過空気流量を求める手段と、スロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時の筒内吸入空気流量を求める手段と、を有し、上記目標吸気管内圧力と、上記現吸気管内圧力と、上記スロットル弁通過空気流量と、上記筒内吸入空気流量とに基づいて、上記応答時定数を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置を提供する。

上記スロットル弁の開度が上記目標開度に変更される場合の筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数は、従来はマップを用いて求められていたが、マップ作成作業の工数が多大であり、またマップ検索時の制御負荷も大きいという問題があった。

これに対し、請求項１に記載の発明では、上記目標吸気管内圧力と、上記現吸気管内圧力と、上記スロットル弁通過空気流量と、上記筒内吸入空気流量とに基づいて、上記の筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数が計算によって求められる。そのため、請求項１に記載の発明によれば、上記の筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数をより簡単に求めることが可能である。

請求項２に記載の発明では請求項１に記載の発明において、上記応答時定数は、τを上記応答時定数、Ｐｍｔａを上記目標吸気管内圧力、Ｐｍ０を上記現吸気管内圧力、ｍｔ０をスロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁通過空気流量、ｍｃ０をスロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時の筒内吸入空気流量、Ｖｍをスロットル弁から吸気弁までの吸気管部分の容積、Ｔｍ０をスロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁下流側の吸気管内温度、Ｒを気体定数とすると、下記数１を用いて算出される。

請求項２に記載の発明によれば、上記の筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数を簡単な計算により求めることができる。

請求項３に記載の発明では請求項１または２に記載の発明において、スロットル弁の目標開度を設定する上記手段は、要求トルクに対応した筒内充填空気量またはその相当値を求めると共にそれを実現するスロットル弁下流側の吸気管内圧力である要求吸気管内圧力を求める手段を有していて、該要求吸気管内圧力が予め定めた所定圧力より大きい場合には、上記所定圧力を実現するスロットル弁の開度を修正目標開度として求め、該修正目標開度を上記目標開度として設定する。

一般にスロットル弁の開度変化の筒内充填空気量やスロットル弁下流側吸気管内圧力に与える影響は、スロットル弁開度が大きい領域、すなわちスロットル弁下流側吸気管内圧力が大きい領域では非常に小さくなる。このため、スロットル弁開度が大きい領域、すなわちスロットル弁下流側吸気管内圧力が大きい領域においては、上記要求トルクが僅かに変化し、それに対応した筒内充填空気量またはその相当値が僅かに変化しただけでも、それに応じた上記要求吸気管内圧力の変化を実現するために上記スロットル弁の開度を大きく変動させることとなり、スロットル弁の開度がハンチングする場合がある。

これに対し、請求項３に記載の発明では、上記要求吸気管内圧力が予め定めた所定圧力より大きい場合には、上記所定圧力を実現するスロットル弁の開度を修正目標開度として求め、該修正目標開度を上記目標開度として設定するので、上記所定圧力を適切に設定することで、上記のようなスロットル弁開度のハンチングを抑制することができる。

請求項４に記載の発明では請求項１または２に記載の発明において、スロットル弁の目標開度を設定する上記手段は、要求トルクに対応した筒内充填空気量またはその相当値を求めると共にそれを実現するスロットル弁下流側の吸気管内圧力である要求吸気管内圧力を求める手段を有していて、該要求吸気管内圧力が予め定めた所定圧力より大きい場合には、上記所定圧力を実現するスロットル弁の開度を修正目標開度として求め、該修正目標開度に少なくとも機関回転数に基づいて定められる補正値を加えた開度を上記目標開度として設定する。

請求項４に記載の発明によれば、上記補正値を、例えばスロットル開度センサの公差やスロットル弁に付着したデポジットに対応させて適切に設定することによって、上記目標開度を過度に小さく設定することを防止できる。

請求項５に記載の発明では請求項３または４に記載の発明において、上記要求吸気管内圧力が予め定めた所定圧力より大きい場合において、該要求吸気管内圧力を実現するスロットル弁の開度を上記目標開度として設定するという要求があった場合には、上記要求吸気管内圧力を実現するスロットル弁の開度を上記目標開度として設定する。

請求項５に記載の発明によれば、必要に応じて、ハンチングの抑制よりも、より要求に合致した運転をすることを優先した制御を実施することができる。

各請求項に記載の発明によれば、筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数τをより簡便な方法によって求めるようにした内燃機関の制御装置が提供される。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において、同一または類似の構成要素には共通の参照番号を付す。

図１は本発明の内燃機関の制御装置を筒内噴射型火花点火式内燃機関に適用した場合の一例を示す概略図である。なお、本発明は別の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関に適用してもよい。

図１に示したように、機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。吸気弁６と排気弁８には、それぞれ弁の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構２３、２４が設けられている。更に、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。

各気筒の吸気ポート７は下流側の吸気管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は上流側の吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。上記吸気管１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気管１９に連結され、この排気管１９は排気浄化装置２０に連結される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。上記吸気管１３には、スロットル弁１８よりも下流側の吸気管内の圧力を検出するための吸気管内圧力センサ４０が設けられており、吸気管内圧力センサ４０は吸気管内圧力に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、スロットル弁１８の開度を検出するためのスロットル開度センサ４３と、内燃機関の周囲の大気の圧力、または吸気管１５に吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための大気圧センサ４４と、内燃機関の周囲の大気の温度、または吸気管１５に吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための大気温センサ４５とが設けられ、これらセンサの出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、アクセルペダル４６にはアクセルペダル４６の踏込み量（以下、「アクセル踏込み量」と称す）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４７が接続され、負荷センサ４７の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４８は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４８の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びステップモータ１７等に接続される。また、可変バルブタイミング機構２３、２４もＥＣＵ３１によって制御される。

ところで、近年、内燃機関の吸気系を流体力学等に基づいてモデル化し、そのモデルを用いて算出した制御パラメータに基づいて内燃機関の制御を行う内燃機関の制御装置が検討されている。すなわち例えば、内燃機関の吸気系について、スロットルモデル、吸気管モデル、吸気弁モデル等を構築し、これら各モデルを用いることにより各種の制御に必要なパラメータを算出して、これらに基づいて内燃機関の制御を行うようにする。

そして、本実施形態においても、図１に示したような構成において、モデルを用いた内燃機関の制御が行われる。本実施形態においては、その吸気系がスロットルモデルＭ２１、吸気管モデルＭ２２、吸気弁モデルＭ２３の各モデルにモデル化され、内燃機関の制御装置が以下で説明するような各モデルを示す式を備えている。

以下、上記の各モデルＭ２１からＭ２３について説明する。
まずスロットルモデルＭ２１について説明する。スロットルモデルＭ２１はスロットル弁をモデル化したものであり、これによるとスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓ）が下記数２によって表される。ここで、Ｐａ（ｋＰａ）は大気圧、Ｔａ（Ｋ）は大気温度、Ｐｍ（ｋＰａ）はスロットル弁より下流側の吸気管内の圧力（以下、「下流側吸気管内圧力」と称す）、Ｒは気体定数である。また、μはスロットル弁における流量係数で、スロットル弁開度θｔの関数であり、図２に示したようなマップから定まる。また、Ａｔ（ｍ²）はスロットル弁の開口断面積（以下、「スロットル開口面積」と称す）を示し、スロットル弁開度θｔの関数である。なお、これら流量係数μ及びスロットル開口面積Ａｔをまとめたμ・Ａｔをスロットル弁開度θｔだけを変数とする関数Ｆ（θｔ）とすると、数２は数３のように書き換えることができる。

Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記数４に示した関数であり、この数４におけるκは比熱比（κ＝Ｃｐ（等圧比熱）／Ｃｖ（等容比熱）であり、一定値とする）である。この関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は図３に示したようなグラフに表すことができるので、このようなグラフをマップとしてＥＣＵのＲＯＭに保存し、実際には数４を用いて計算するのではなくマップからΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の値を求めるようにしてもよい。

これらスロットルモデルＭ２１の数２から数４は、スロットル弁１８上流の気体の圧力を大気圧Ｐａ、スロットル弁１８上流の気体の温度を大気温度Ｔａ、スロットル弁１８を通過する気体の圧力を下流側吸気管内圧力Ｐｍとして、図４に示したようなスロットル弁１８のモデルに対して、質量保存則、エネルギ保存則及び運動量保存則を適用し、更に気体の状態方程式、比熱比の定義式、及びマイヤーの関係式を利用することによって得られる。

次に吸気管モデルＭ２２について説明する。吸気管モデルＭ２２は、スロットル弁から吸気弁までの吸気管等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）１３´をモデル化したものであり、これによると下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｋＰａ）及び下流側吸気管内温度Ｔｍ（Ｋ）について下記数５及び数６のように表すことができる。ここで、ｍｃ（ｇ／ｓ）は筒内吸入空気流量であり、Ｖｍ（ｍ³）は上記吸気管部分１３´の容積に等しい定数である。

ここで、吸気管モデルＭ２２について図５を参照して説明する。吸気管部分１３´の総気体量をＭとすると、総気体量Ｍの時間的変化は、吸気管部分１３´に流入する気体の流量、すなわちスロットル弁通過空気流量ｍｔと、吸気管部分１３´から流出する気体の流量、すなわち筒内吸入空気流量ｍｃとの差に等しいため、質量保存則により下記数７が得られ、この数７及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、数５が得られる。

また、吸気管部分１３´の気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間的変化量は、吸気管部分１３´に流入する気体のエネルギと吸気管部分１３´から流出する気体のエネルギとの差に等しい。このため、吸気管部分１３´に流入する気体の温度を大気温度Ｔａ、吸気管部分１３´から流出する気体の温度を下流側吸気管内温度Ｔｍとすると、エネルギ保存則により下記数８が得られ、この数８及び上記気体の状態方程式より、数６が得られる。

最後に吸気弁モデルＭ２３について説明する。吸気弁モデルＭ２３は吸気弁をモデル化したものであり、これによると筒内吸入空気流量ｍｃが下記数９のように表される。数９におけるａ、ｂは、少なくとも機関回転数ＮＥに基づいて定められる適合パラメータであり、予めマップを作成しておき、必要に応じてマップを検索して求めるようにする。なお、本実施形態においては吸排気弁に可変バルブタイミング機構２３、２４が設けられており、吸排気弁の開閉タイミングを変更できるので、上記適合パラメータａ、ｂは、吸排気弁の開閉タイミングを表す位相角にも基づいて定められる。

上述した吸気弁モデルＭ２３について図６を参照して説明する。一般に、吸気弁６が閉じた時に燃焼室５内に充填されている空気の量である筒内充填空気量Ｍｃは、吸気弁６が閉弁する時（吸気弁閉弁時）に確定し、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力に比例する。また、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力は吸気弁上流の気体の圧力、すなわち下流側吸気管内圧力Ｐｍと等しいとみなすことができる。したがって、筒内充填空気量Ｍｃは、下流側吸気管内圧力Ｐｍに比例すると近似することができる。

ここで、単位時間当たりに吸気管部分１３´から流出する全空気の量を平均化したもの、または単位時間当たりに吸気管部分１３´から全ての燃焼室５に吸入される空気の量を一つの気筒の吸気行程に亘って平均化したものを筒内吸入空気流量ｍｃ（以下で詳述する）とすると、筒内充填空気量Ｍｃが下流側吸気管内圧力Ｐｍに比例することから、筒内吸入空気流量ｍｃも下流側吸気管内圧力Ｐｍに比例すると考えられる。このことから、理論及び経験則に基づいて、上記数９が得られる。なお、数９における適合パラメータａは比例係数であり、適合パラメータｂは排気弁閉弁時において燃焼室５内に残存している既燃ガス量に関連する値（以下で説明する）である。

なお、適合パラメータａ、ｂについて、機関回転数等が同じであっても下流側吸気管内圧力Ｐｍが大きい場合と小さい場合とでそれぞれ異なる二つの値（例えば、ａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２）をとるようにすることによって、すなわち、筒内吸入空気流量ｍｃを二つの上記数９のような式（つまり、下流側吸気管内圧力Ｐｍの一次式）で示すようにすることによって、筒内吸入空気流量ｍｃをより正確に求めることが可能な場合があることがわかっている。これは、特に吸気弁６と排気弁７とが共に開いている期間（すなわち、バルブオーバーラップ）がある場合等において既燃ガスが吸気ポート７に逆流することに関連するものと考えられる。すなわち、バルブオーバーラップがある場合において、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力以上である時には、下流側吸気管内圧力Ｐｍが高いほど既燃ガスの逆流が顕著に減少するために、上記所定圧力以下である時に比較して、ａの値は大きくされると共にｂの値は小さくされる。

ここで、筒内吸入空気流量ｍｃについて、図７を参照して内燃機関が４気筒である場合について説明する。なお、図７は横軸がクランクシャフトの回転角度、縦軸が単位時間当たりに吸気管部分１３´から燃焼室５に実際に流入する空気の量である。図７に示したように、４気筒の内燃機関では、吸気弁６が例えば１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に開弁し、各気筒に対応する吸気弁６の開弁量に応じて吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内へ空気が流入する。吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内に流入する空気の流量の変位は図７に破線で示した通りであり、これらを総合した吸気管部分１３´から全気筒の燃焼室５に流入する空気の流量は図７に実線で示した通りである。また、例えば１番気筒への筒内充填空気量Ｍｃは図７に斜線で示した部分に相当する。

これに対して、実線で示した吸気管部分１３´から全ての気筒の燃焼室５に流入する空気の量を平均化したものが筒内吸入空気流量ｍｃであり、図中に一点鎖線で示されている。そして、この一点鎖線で示した筒内吸入空気流量ｍｃに、４気筒の場合にはクランクシャフトが１８０°（すなわち、４ストローク式内燃機関において１サイクル中にクランクシャフトが回転する角度７２０°を気筒数で割った角度）回転するのにかかる時間ΔＴ_180°を乗算したものが筒内充填空気量Ｍｃとなる。したがって、吸気弁モデルＭ２３で算出された筒内吸入空気流量ｍｃにΔＴ_180°を乗算することで、筒内充填空気量Ｍｃを算出することができる（Ｍｃ＝ｍｃ・ΔＴ_180°）。更に、この筒内充填空気量Ｍｃを、１気圧、２５℃の状態において一気筒当たりの排気量に相当する容積を占める空気の質量で除算することによって筒内空気充填率Ｋｌを算出することができる。このように筒内充填空気量Ｍｃ、筒内吸入空気流量ｍｃ、筒内空気充填率Ｋｌは互いに比例関係にあり、何れか一つの値を求めれば他の値を求めることができる。この意味で筒内吸入空気流量ｍｃ及び筒内空気充填率Ｋｌは筒内充填空気量Ｍｃの相当値であると言える。なお、以上の説明からも明らかなように、数９における値ｂにΔＴ_180°を乗算すると、排気弁８閉弁時において燃焼室５内に残存している既燃ガス量が得られると考えられる。

ところで、本実施形態においては、通常、以下のように内燃機関の制御が実施される。すなわち、まずアクセル踏込み量、機関回転数、シフト位置等の運転状態に基づいて要求トルクＴＱｒが求められる。ここで上記要求トルクＴＱｒは、例えば要求トルクＴＱｒを各運転状態に対応させたマップ（すなわち、例えばアクセル踏込み量、機関回転数、シフト位置等を引数としたマップ）を予め作成しておき、それに基づいて求めるようにする。

次いで、上記要求トルクＴＱｒに基づいて、要求筒内充填空気量Ｍｃｒが求められる。そして、上記要求筒内充填空気量Ｍｃｒは要求筒内吸入空気流量ｍｃｒに変換され、上記数９を用いて要求筒内吸入空気流量ｍｃｒを実現するスロットル弁下流側の吸気管内圧力である要求吸気管内圧力Ｐｍｒが求められる。すなわち、要求吸気管内圧力Ｐｍｒは下記数１０のように表すことができる。

次いで、上記数２または数３を用いて、上記要求吸気管内圧力Ｐｍｒを実現するスロットル弁の開度である要求スロットル開度θｔｒが求められる。すなわち、定常運転時には、スロットル弁通過空気流量と筒内吸入空気量とが一致することから、下記数１１が成立する。そして、この数１１を満たすスロットル開度を求めることで、要求スロットル開度θｔｒを求めることができる。なお、以上の説明からも明らかなように、上記要求吸気管内圧力Ｐｍｒはスロットル開度を上記要求スロットル開度θｔｒに維持した場合にスロットル弁下流側の吸気管内圧力が収束する値である。

そして本実施形態においては、上記要求スロットル開度θｔｒがそのまま目標開度θｔｔａとして設定される（したがって、本実施形態においては上記要求吸気管内圧力Ｐｍｒ、要求筒内吸入空気流量ｍｃｒ、要求筒内充填空気量Ｍｃｒもそれぞれ、そのまま目標吸気管内圧力Ｐｍｔａ、目標筒内吸入空気流量ｍｃｔａ、目標筒内充填空気量Ｍｃｔａになる）。そして、実際のスロットル開度が上記目標開度θｔｔａになるようにスロットル弁１８（すなわち、ステップモータ１７）が制御され、上記要求筒内充填空気量Ｍｃｒ（すなわち、目標筒内充填空気量Ｍｃｔａ）を実現するようにされる。

なお、燃料噴射量の制御については、上述のようにして実現が図られる目標筒内充填空気量Ｍｃｔａに応じて目標燃料噴射量ＦＵｔａが設定され、実際の燃料噴射量が目標燃料噴射量ＦＵｔａと一致するように燃料噴射弁１１の作動が制御される。

ところで、本実施形態における筒内充填空気量Ｍｃ（もしくはその相当値である上記ｍｃまたはＫｌ）の制御は、上述したように、スロットル開度θｔを制御することにより実施されるが、実際にはスロットル開度θｔを上記目標開度θｔｔａとしても、筒内充填空気量Ｍｃ（もしくはその相当値ｍｃまたはＫｌ）が上記目標筒内充填空気量Ｍｃｔａ（もしくは上記相当値ｍｃまたはＫｌの目標値である目標筒内吸入空気流量ｍｃｔａまたは目標筒内空気充填率Ｋｌｔａ）になるまでには一定の時間を要する。つまり、筒内充填空気量Ｍｃ（もしくはその相当値ｍｃまたはＫｌ）の変化はスロットル開度θｔの変化に対して遅れを有している。

このような遅れは内燃機関の制御に影響を与えるため、その程度を把握することが重要であり、このような遅れの程度を表す指標としては筒内充填空気量Ｍｃ（もしくはその相当値ｍｃまたはＫｌ）の応答時定数（６３％応答時間）τが知られている。図８は、このような応答時定数τについて、筒内充填空気量Ｍｃの変化を例にして示したものである。図８において、θｔｂは変更前のスロットル開度、θｔｔａは変更後のスロットル開度（すなわち、目標開度）、ｔ０はスロットル開度を変更した時刻を示す。また、Ｍｃ０はスロットル開度を変更した時の筒内充填空気量、Ｍｃｔａはスロットル開度を目標開度θｔｔａに変更した場合に収束する筒内充填空気量（すなわち、目標筒内充填空気量）を示している。

そしてこのような応答時定数τは、従来、マップを用いて求めるものとされていた。しかし、実際に上記応答時定数τのマップを作成するためには、多大な時間が必要となる。すなわち、マップを作成するためには上記応答時定数τを、機関回転数や吸排気弁の開閉タイミング等の各引数を順に変化させつつ求める必要があり、その作業は膨大なものとなる。また、必要なマップ数や引数が増大することでマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう懸念もある。

そこで、本実施形態の内燃機関の制御装置においては、上記応答時定数τを、以下で説明するような方法によって計算で求めるようにする。なお、上述したように筒内充填空気量Ｍｃ、筒内吸入空気流量ｍｃ、筒内空気充填率Ｋｌは互いに比例関係にあるので、何れの値についての応答時定数τも同じ値になり、以下の方法で求めることができる。
すなわち、本実施形態において上記吸気管部分１３´の総気体量Ｍの時間的変化を考えると上記数７並びに上記数３、数９等から下記数１２が得られる。

そして、この数１２及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、下記数１３が得られる。

ここで、上記下流側吸気管内圧力Ｐｍが筒内吸入空気量ｍｃと比例関係にあることを考慮すると、求めるべき応答時定数τは、下流側吸気管内圧力Ｐｍが、スロットル開度θｔを目標開度θｔｔａに変更した時の値（以下、「現吸気管内圧力」と称す）Ｐｍ０（始点）から目標吸気管内圧力Ｐｍｔａ（収束点）まで変化する際の応答時定数（６３％応答時間）τと等しいことになる。そしてこの値は、スロットル開度θｔを目標開度θｔｔａに変更した時（より厳密には、スロットル開度θｔを目標開度θｔｔａに変更し終えた時）の時刻をｔ０とすると、上記数１３から得られる下記数１４を満足する応答時定数τを求めることにより得ることができる。なお、ここでＰｍ０＝Ｐｍ（ｔ０）である。

そして、上記数１４を満足する応答時定数τを求めることは、上記数１３から離散時間をΔｔとして得られる下記数１５で算出した各離散時間Δｔ毎の圧力変化ΔＰｍの積算値が０．６３（Ｐｍｔａ−Ｐｍ０）となる時のｎΔｔを求めることと同義である。

すなわち、下記数１６を満たすｎを求め、それを離散時間Δｔに積算することによって、応答時定数τ（＝ｎΔｔ）を求めることができる。

図９は、数１５もしくは数１６による応答時定数τの算出の過程について、数１５中のｍｔ（ｔ）−ｍｃ（ｔ）の部分をΔＭ（ｔ）と置き換えて示した図である。縦軸はスロットル弁通過空気流量ｍｔ及び筒内吸入空気流量ｍｃを示し、横軸は下流側吸気管内圧力Ｐｍを示している。図中、ｍｔで示される曲線は上記数２または数３で表される曲線であり、ｍｃで表される直線は上記数９で表される直線である。

なお、上記の方法で応答時定数τを求めようとする場合、実際には、上記圧力変化ΔＰの積算値（すなわち、上記数１６の左辺の値）が０．６３（Ｐｍｔａ−Ｐｍ０）に一致しない場合もある。このため、より詳細には、上記圧力変化ΔＰの積算値が０．６３（Ｐｍｔａ−Ｐｍ０）以上となった時のｎが求められ、それを離散時間Δｔに積算した値を応答時定数τとして求めるようにする。また、上記の方法においては、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａを一定とする他、下流側吸気管内温度Ｔｍ（ｔ）を一定と仮定することにより、計算を容易化することができる。

応答時定数τは、上述したような方法によっても求めることができるが、次に説明するような方法を用いてより簡単に求めるようにしてもよい。この方法によれば、上記数１５の繰り返し計算を回避することができる。
すなわち、下流側吸気管内圧力Ｐｍの応答遅れを考慮すると、基準となる上記時刻ｔ０（現在）からΔｔ後の下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ０＋Δｔ）は、応答時定数τを用いて、下記数１７のように表すことができる。

ここで、Δｔ＜＜τとすると、上記数１７は下記数１８のように書き直すことができる。

そして、上記数１８より下記数１９が得られる。

そして、上記数１９を、上記数１３を用いて更に書き直すと、下記数２０のようになり、この数２０を用いることにより応答時定数τをより簡単に求めることができる。なお、下記数２０は、ｍｔ（ｔ０）＝ｍｔ０、ｍｃ（ｔ０）＝ｍｃ０、Ｔｍ（ｔ０）＝Ｔｍ０、θｔ（ｔ０）＝θｔｔａ、Ｐｍ（ｔ０）＝Ｐｍ０として書き換えると下記数２１のようになる。

また、この数２０及び数２１は、図９と同様の図である図１０に示された三角形、すなわち現吸気管内圧力Ｐｍ０の時のスロットル弁通過空気流量ｍｔ及び筒内吸入空気流量ｍｃを表す各点と、目標吸気管内圧力Ｐｍｔａとなった時にスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する点のそれぞれを結んでできる三角形で考えると、下記数２２のように書き表すことができる。ここで、三角形の底辺＝ｍｔ０−ｍｃ０であり、三角形の高さ＝Ｐｍｔａ−Ｐｍ０である。

なお、筒内吸入空気流量ｍｃについては、上述したように数９の適合パラメータａ、ｂが下流側吸気管内圧力Ｐｍが大きい場合と小さい場合とでそれぞれ異なる二つの値（例えば、ａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２）をとる場合（図１０に一点鎖線ｍｃ´で表示）があるが、このような場合であっても上記数２０または数２１によって近似的に応答時定数τを求めることができる。

ところで、上述した実施形態においては、スロットル弁の目標開度θｔｔａとして、要求トルクＴＱｒから直接的に導き出された要求スロットル開度θｔｒがそのまま用いられているが、このような場合には、上記目標開度θｔｔａが僅かな要求トルクＴＱｒの変化に対して大きく変動（ハンチング）し、その結果としてスロットル弁の動作頻度が増大してスロットル弁の耐久性に悪影響を及ぼすことがある。

すなわち、上記要求スロットル開度θｔｒは、筒内吸入空気流量ｍｃを要求トルクＴＱｒに対応して決定される要求筒内吸入空気流量ｍｃｒにすべく下流側吸気管内圧力Ｐｍを要求吸気管内圧力Ｐｍｒにするスロットル開度θｔとして求められるが、一般にスロットル弁の開度変化の下流側吸気管内圧力Ｐｍや筒内吸入空気流量ｍｃ等に与える影響は、スロットル開度θｔが大きい領域、すなわち下流側吸気管内圧力Ｐｍが大きい領域では非常に小さくなる（図１１参照）。このため、スロットル開度θｔが大きい領域、すなわち下流側吸気管内圧力Ｐｍが大きい領域においては、上記要求トルクＴＱｒが僅かに変化し、それに対応した要求筒内吸入空気流量ｍｃｒ等が僅かに変化しただけでも、それに応じた上記要求吸気管内圧力Ｐｍｒの変化を実現するために上記スロットル開度θｔを大きく変動させる必要が生じ、その結果としてスロットル開度がハンチングする場合がある。

そこで、以上のような弊害の発生を抑制するために、他の実施形態においては、以下で説明するような方法でスロットル弁の目標開度θｔｔａを設定するようにしてもよい。すなわち、この方法では、上記要求トルクＴＱｒから求められる上記要求吸気管内圧力Ｐｍｒが予め定めた所定圧力Ｐｍｇよりも大きい場合には、上記ハンチングを生じる可能性が高いと判断し、原則として上記要求トルクＴＱｒから直接的に導き出される要求スロットル開度θｔｒとは異なるスロットル開度を目標開度θｔｔａとして設定する。以下、この方法について図１２を参照しつつより詳細に説明する。

図１２は、上段が下流側吸気管内圧力Ｐｍと筒内吸入空気流量ｍｃとの関係を表し、下段が下流側吸気管内圧力Ｐｍとスロットル開度θｔとの関係を表している。図中、Ｐｍｍａｘは下流側吸気管内圧力Ｐｍの最大値であり、例えば、機関回転数に応じて定まるスロットル開度θｔを全開とした時の下流側吸気管内圧力Ｐｍである。あるいは、簡易的に大気圧Ｐａを用いてもよい。また、Ｐｍｇは、下流側吸気管内圧力Ｐｍがこの圧力Ｐｍｇを超える場合にはスロットル開度θｔのハンチングが起こり易くなるという圧力であって、予め実験等によって定められる圧力である。この所定圧力Ｐｍｇは、例えば０．９５Ｐｍｍａｘとされ得る。

さて、図１２ような下流側吸気管内圧力Ｐｍと筒内吸入空気流量ｍｃとの関係及び下流側吸気管内圧力Ｐｍとスロットル開度θｔとの関係を有している場合において、要求トルクＴＱｒから導き出される要求筒内吸入空気流量ｍｃｒに対応して求められるスロットル開度は、要求トルクＴＱｒから導き出される要求吸気管内圧力Ｐｍｒを実現する要求スロットル開度θｔｒであり、通常は、この要求スロットル開度θｔｒが目標開度θｔｔａとされる。

しかしながら、図１２に示された例では、上記要求吸気管内圧力Ｐｍｒが上記所定圧力Ｐｍｇよりも大きくなっており、このような場合に要求スロットル開度θｔｒをそのまま目標開度θｔｔａとしたのではスロットル開度θｔのハンチングが発生する可能性が高い。そこでこの方法では、上記のような場合においては、上記所定圧力Ｐｍｇに対応するスロットル開度θｔｓを修正目標開度として求め、これを目標開度θｔｔａとして設定するようにする。この場合、実現される筒内吸入空気流量ｍｃは図１２中のｍｃｓとなる。

あるいは、上記のようにして求めた修正目標開度θｔｓに補正値αを加えた開度θｔｅを目標開度θｔｔａとして設定するようにしてもよい。この補正値αはスロットル開度センサ４３の公差やスロットル弁に付着したデポジット等に対応して設定されるものであり、少なくとも機関回転数に基づいて定められる。この補正値αを適切に設定することによって、スロットル開度センサ４３の公差やスロットル弁に付着したデポジット等に起因して実際のスロットル開口面積が小さくなり、結果として上記目標開度θｔｔａが過度に小さく設定されることを防止できる。上記補正値αを加えた開度θｔｅを目標開度θｔｔａとして設定した場合、実現される筒内吸入空気流量ｍｃは図１２中のｍｃｅとなる。

なお、上記要求吸気管内圧力Ｐｍｒが上記所定圧力Ｐｍｇより大きくなった場合においても、一定の場合には、上記要求スロットル開度θｔｒをそのまま目標開度θｔｔａとして設定するようにしてもよい。すなわち例えば、ハンチングの抑制よりも大出力の発生が優先される場合等においては、上記要求スロットル開度θｔｒをそのまま目標開度θｔｔａとして設定するように要求し、要求筒内吸入空気流量ｍｃｒを実現するようにする。このようにすることで、必要に応じて、ハンチングの抑制よりも、より要求に合致した運転をすることを優先した制御を実施することができる。

また、この場合、上記のような要求スロットル開度θｔｒをそのまま目標開度θｔｔａとして設定するようにする要求の有無によって、実現される筒内吸入空気流量ｍｃに段差が生じることが懸念される。そのため、この場合には、上記要求の無い場合の目標開度θｔｔａとして、上記スロットル開度θｔｓではなく上記スロットル開度θｔｅ（すなわち、上記修正目標開度θｔｓに補正値αを加えた開度）を設定するようにすることが好ましい。これにより上記段差の発生を抑制することができる。

なお、以上の説明においては、スロットル弁１８の上流側の吸気管内圧力（以下、「上流側吸気管内圧力」と称す）を大気圧Ｐａとしてスロットル弁通過空気流量ｍｔ等を算出していたが、実際の上流側吸気管内圧力は、機関吸気系におけるスロットル弁上流側の圧力損失があるために、通常、機関運転中においては大気圧Ｐａより低い圧力となっている。特に図１に示した構成においては、機関吸気系の最上流部にエアクリーナ１６が設けられているので、より正確にスロットル弁通過空気流量ｍｔ等を算出するためには、少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮することが好ましい。

すなわち、上述の各式において上流側吸気管内圧力として大気圧Ｐａが用いられた部分に、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮して求められた上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いるようにすることによって、より正確にスロットル弁通過空気流量ｍｔ等を算出することができ、その結果としてより正確に上記応答時定数τを求めることが可能になる。

ところで、上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃは、スロットル弁１８の直上流に圧力センサを設けて検出するようにしてもよいが、圧力センサを使用しないで算出することも可能である。すなわち、大気圧Ｐａと上流側吸気管内圧力Ｐａｃとの差は、ベルヌーイの定理により、下記数２３のように表すことができる。

ここで、ρは大気密度であり、ｖはエアクリーナ１６を通過する空気の流速であり、Ｇａはエアクリーナ１６を通過する空気の流量であり、ｋはｖとＧａの比例係数である。標準大気密度ρ０と、標準大気密度ρ０を現在の大気密度ρへ変換するための圧力補正係数ｅｋｐａ及び温度補正係数ｅｋｔｈａとを使用すれば、数２３は下記数２４のように書き換えることができる。更に、数２４は、流量Ｇａだけを変数とする関数ｆ（Ｇａ）を使用して下記数２５のように書き換えることができる。

数２５は、上流側吸気管内圧力Ｐａｃを表す下記数２６のように変形することができる。数２６において、流量Ｇａは、エアクリーナ１６の直下流側にエアフローメータが設けられている場合には、このエアフローメータにより検出することができる。また、圧力補正係数ｅｋｐａは、検出される大気圧Ｐａにより設定可能であり、温度補正係数ｅｋｔｈａは、検出される大気温度Ｔａにより設定可能である。

また、数２６において、エアクリーナ１６を通過する空気の流量Ｇａは、スロットル弁通過空気流量ｍｔと考えることができ、数２６は下記数２７のように変形することができる。

但し、厳密には、数２７に基づいて現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃを算出するためには現在のスロットル弁通過空気流量ｍｔが必要となる。また逆に数２または数３等を用いて現在のスロットル弁通過空気流量ｍｔを算出するためには現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃが必要となる。このため、数２７に基づいて現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃを算出するには、スロットル弁通過空気流量ｍｔとして前回のスロットル弁通過空気流量ｍｔ、すなわち１離散時間前のスロットル弁通過空気流量ｍｔを使用せざるを得ない。この点、繰り返し計算を行うことによって、算出される上流側吸気管内圧力Ｐａｃの精度を向上することも可能であるが、制御負荷の増大を避けるために、前回求めたスロットル弁通過空気流量ｍｔに基づいて求めた上流側吸気管内圧力Ｐａｃを現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃとして用いて、各式の計算を行うようにしてもよい。

図１は、本発明の内燃機関の制御装置を筒内噴射型火花点火式内燃機関に適用した場合の一例を示す概略図である。図２は、スロットル弁開度と流量係数との関係を示す図である。図３は、関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。図４は、スロットルモデルの基本概念を示す図である。図５は、吸気管モデルの基本概念を示す図である。図６は、吸気弁モデルの基本概念を示す図である。図７は、筒内充填空気量及び筒内吸入空気流量の定義に関する図である。図８は、応答時定数（６３％応答時間）τについて、スロットル開度θｔの変化に対する筒内充填空気量Ｍｃの変化を例にして説明するための図である。図９は、応答時定数τの算出方法について示した図である。図１０は、応答時定数τの別の算出方法について示した図である。図１１は、スロットル弁開度θｔと下流側吸気管内圧力Ｐｍまたは筒内吸入空気流量ｍｃとの関係を示した図である。図１２は、目標開度の設定方法について説明するための図である。

符号の説明

１…機関本体
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
９…排気ポート
１１…燃料噴射弁
１３…吸気管
１８…スロットル弁
２３、２４…可変バルブタイミング機構

Claims

スロットル弁の開度が目標開度に変更される場合において該目標開度までのスロットル弁の開度変更全体における筒内充填空気量またはその相当値の応答時定数を算出する内燃機関の制御装置であって、
上記目標開度を設定する手段と、
スロットル弁の開度を上記目標開度に維持した場合にスロットル弁下流側の吸気管内圧力が収束する値である目標吸気管内圧力を求める手段と、
スロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁下流側の吸気管内圧力である現吸気管内圧力を求める手段と、
スロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁通過空気流量を求める手段と、
スロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時の筒内吸入空気流量を求める手段と、を有し、
上記目標吸気管内圧力と、上記現吸気管内圧力と、上記スロットル弁通過空気流量と、上記筒内吸入空気流量とに基づいて、上記応答時定数を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
上記応答時定数は、
τを上記応答時定数、Ｐｍｔａを上記目標吸気管内圧力、Ｐｍ０を上記現吸気管内圧力、ｍｔ０をスロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁通過空気流量、ｍｃ０をスロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時の筒内吸入空気流量、Ｖｍをスロットル弁から吸気弁までの吸気管部分の容積、Ｔｍ０をスロットル弁の開度を上記目標開度に変更した時のスロットル弁下流側の吸気管内温度、Ｒを気体定数とすると、下記数１を用いて算出される請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
スロットル弁の目標開度を設定する上記手段は、
要求トルクに対応した筒内充填空気量またはその相当値を求めると共にそれを実現するスロットル弁下流側の吸気管内圧力である要求吸気管内圧力を求める手段を有していて、
該要求吸気管内圧力が予め定めた所定圧力より大きい場合には、上記所定圧力を実現するスロットル弁の開度を修正目標開度として求め、該修正目標開度を上記目標開度として設定する、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
スロットル弁の目標開度を設定する上記手段は、
要求トルクに対応した筒内充填空気量またはその相当値を求めると共にそれを実現するスロットル弁下流側の吸気管内圧力である要求吸気管内圧力を求める手段を有していて、
該要求吸気管内圧力が予め定めた所定圧力より大きい場合には、上記所定圧力を実現するスロットル弁の開度を修正目標開度として求め、該修正目標開度に少なくとも機関回転数に基づいて定められる補正値を加えた開度を上記目標開度として設定する、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
上記要求吸気管内圧力が予め定めた所定圧力より大きい場合において、該要求吸気管内圧力を実現するスロットル弁の開度を上記目標開度として設定するという要求があった場合には、上記要求吸気管内圧力を実現するスロットル弁の開度を上記目標開度として設定する請求項３または４に記載の内燃機関の制御装置。