JP4779979B2 - 車両制御装置および車両制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えばターボ過給機付の内燃機関を備えた車両を制御する、車両制御装置および車両制御方法に関する。

この種の車両制御装置によって制御される車両の排気量は固定されているので、所定空燃比において、シリンダー内に送り込まれる吸入空気量に対して燃焼可能な燃料量も概ね固定される。ここで、送り込まれる吸入空気量を圧縮（すなわち、「過給」）できれば、それに応じて燃焼可能な燃料量も増量でき、当該車両の出力能力を向上可能である。

このような過給の要請に応えるため、例えば以下の特許文献１に開示されているように、吸入空気を過給する技術が提案されている。具体的には、コンプレッサとタービンとからなるターボ過給機を備えるエンジンが提案されている（特許文献１参照）。

特開平６−３３０７６０号公報

しかしながら、例えば前述の特許文献１に開示されている技術には、以下のような問題が生じ得る。先ず、一般に、吸入空気量と燃料噴射量との比率が空燃比を決定するので、吸入空気量を正確に推定することが、空燃比制御上極めて重要なポイントであるといえる。ところが、特許文献１に開示された技術では、エンジンの急加速時のように過渡期的な状況下では、吸入空気量がタービンの影響を大きく受けるため、吸入空気量の推定が困難な可能性がある。

本発明は、例えば上述した問題点に鑑みてなされたものであり、例えばターボ過給機付の内燃機関を備えた車両を制御する際に、過給と吸入空気量の推定とを両立可能な、言い換えれば、当該車両の出力能力および空燃比制御の精度を共に向上可能な車両制御装置および車両制御方法を提供することを課題とする。

本発明に係る車両制御装置は上記課題を解決するため、電気的に回転する電動機を回転させることで、燃焼室へと吸入される吸入空気を圧縮する電動ターボ手段と、前記電動機が回転する際の角速度を特定する特定手段と、前記吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出手段と、前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記角速度を特定してから所定期間が経過した際における吸入空気量を推定する吸入空気量推定手段とを備え、前記吸入空気量推定手段は、前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記電動機が回転する際の加速トルクを算出し、前記算出される加速トルクを前記電動機に固有の慣性モーメントで除することで前記電動機が回転する際の角加速度を算出し、前記算出される角加速度に前記所定期間を乗ずることで、前記角速度を特定してから前記所定期間経過するまでの前記角速度に係る変位を算出し、前記特定される角速度に、前記算出される変位を加えることで、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記電動機に係る角速度を推定し、前記推定される角速度に対応する吸入空気量として、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記吸入空気量を推定する。

本発明に係る車両制御装置によると、内燃機関の燃焼時に、例えば、電動機、直流電源、インバータ、コンプレッサ、タービンなどを有する、電動ターボ手段によって、吸入空気が圧縮される。この際、電動機の回転は、電動機に供給される駆動用の電力を増減させることで、内燃機関の排気量によらずに所望の程度で圧縮可能である。ここで、例えば、電動機に備わる回転センサ、角速度算出回路などの特定手段によって、電動機の角速度が特定される。ここに「特定」或いは「特定する」とは、例えば電動機の回転シャフトの角速度を直接測定するセンサなどのセンサ出力を用いて、直接的に検出或いは測定することと、例えばかかる角速度と所定関数関係を持つ他のパラメータを検出し該検出されたパラメータを用いて、算出或いは換算すること、即ち間接的に検出することとの両者を含む意味である。このように角速度を特定してから所定期間が経過した際における吸入空気量（例えば、Ｇａ＋ΔＧａ）が、例えばエンジンECU（Engine Control Unit：ECU）である、吸入量推定手段によって、特定手段により特定された角速度に少なくとも基づいて推定される。ここに「所定期間」とは、例えば制御周期など、角速度を特定してから、例えば燃料噴射などの燃焼及び過給に関連する所定種類の動作をするまでの期間を意味する。この値は、個々の電動ターボ手段及び内燃機関の属性に応じて予め設定可能な期間であり、例えば、加速時のような吸入空気量が変動する過渡時に、角速度を特定後に安定して推定することが可能となるまでの時間を、実験的、経験的、理論的に又はシミュレーションにより求め、これに適当なマージンを加えることにより設定すればよい。また「角速度に少なくとも基づいて」とは、角速度に基づいて推定すると共に、他の吸入空気量と関連する例えば温度などのパラメータにも基づいて推定してよい趣旨である。このように所定期間を経過した際における吸入空気量を推定するので、特に加速時のような吸入空気量が変動する過渡時であっても、吸入空気量を精度良く推定可能となる。

より具体的には、吸入空気量推定手段は、特定される角速度および検出される温度に基づいて、電動機が回転する際の加速トルクを（例えば、マップを利用して）算出し、算出される加速トルクを電動機に固有の慣性モーメントで除することで電動機が回転する際の角加速度を算出し、算出される角加速度に所定期間を乗ずることで、角速度を特定してから所定期間（具体的に例えば、ＥＣＵの制御周期）経過するまでの角速度に係る変位を算出し、特定される角速度に、算出される変位を加えることで、角速度を特定してから所定期間が経過した際における電動機に係る角速度を推定し、推定される角速度に（例えば、マップ上で）対応する吸入空気量として、角速度を特定してから所定期間が経過した際における吸入空気量を推定する。
以上のように本発明によれば、過給と吸入空気量の推定とを両立可能となる。言い換え
れば、当該車両の出力能力及び空燃比制御の精度を共に向上可能となる。

本発明に係る内燃機関の制御装置の一態様では、上記課題を解決するため、前記推定
される吸入空気量を目標空燃比で除することによって、前記角速度を特定してから前記所
定期間が経過した際に噴射すべき燃料噴射量を推定する噴射量推定手段を更に備える。

この態様によれば、上述のように所定期間経過時の吸入空気量が精度良く推定されるので、この吸入空気量に基づいて、噴射量推定手段も精度良く推定可能である。特に加速時のような吸入空気量が変動する過渡的においては、燃料を無駄に噴射することも回避できるとともに、排気ガスもクリーン化でき、実践上大変有効である。

本発明に係る車両制御方法は上記課題を解決するため、電気的に回転する電動機を回転させることで、燃焼室へと吸入される吸入空気を圧縮する電動ターボ工程と、前記電動機が回転する際の角速度を特定する特定工程と、前記吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出工程と、前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記角速度を特定してから所定期間が経過した際における吸入空気量を推定する吸入空気量推定工程とを備え、前記吸入空気量推定工程では、前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記電動機が回転する際の加速トルクが算出され、前記算出される加速トルクを前記電動機に固有の慣性モーメントで除することで前記電動機が回転する際の角加速度が算出され、前記算出される角加速度に前記所定期間を乗ずることで、前記角速度を特定してから前記所定期間経過するまでの前記角速度に係る変位が算出され、前記特定される角速度に、前記算出される変位を加えることで、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記電動機に係る角速度が推定され、前記推定される角速度に対応する吸入空気量として、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記吸入空気量が推定される。

本発明に係る車両制御方法は、上述した本発明に係る車両制御装置が享受することができる各種効果と同様の効果を享受することができる。

尚、上述した本発明に係る車両制御装置における各種態様に対応して、本発明に係る車両制御方法に係る実施形態も各種態様をとることができる。

以上説明したように、本発明に係る車両制御装置によれば、電動ターボ手段と、特定手段と、吸入空気量推定手段とを備え、本発明に係る車両制御方法によれば、電動ターボ工程と、特定工程と、吸入空気量推定工程とを備えるので、加速時のような吸入空気量が変動する過渡時であっても吸入空気量を精度良く推定可能となる。従って、過給と吸入空気量の推定とを両立可能となり、実践上非常に有効である。

本発明の作用及び他の利得は、次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。

以下、発明を実施するための最良の形態として本発明の一実施形態を、図面に基いて詳細に説明する。

（１）構成
先ず、本実施形態に係る車両制御装置を備える車両の構成について、図１を参照して説明する。ここに、図１は、本発明の実施形態に係る車両制御装置を備える車両の基本的な構成を示す模式図である。

図１において、実施形態に係る車両１は、エンジン２００、吸気管２０６、排気管２１０、電動機５４を備えるターボ過給機、電動機制御器５４３、エンジンECU１００を備える。これらは夫々、以下のように構成されている。

エンジン２００は、車両１の動力源であり、噴射される燃料と吸入される空気から形成される混合気をシリンダ（不図示）の内部において燃焼させる。この時の爆発力に応じたピストン（不図示）の往復運動が回転運動に変換され、この回転運動によって車両１が駆動される。

吸気管２０６は、当該車両１の外部からエンジン２００へと吸入される空気の通路である。吸気管２０６の管路には、吸入空気の質量流量（即ち、吸入空気量）を検出するエアフローメータ２１２、吸入空気の温度Ｄｃを検出する吸気温センサ２１３、及び後述するターボ過給機の一部であるコンプレッサ５１等が備わる。吸気管２０６の管路には、そのほか、コンプレッサ５１の下流側には、コンプレッサ５１による過給で圧力上昇に伴って上昇した吸入空気の温度を下げて充填効率を向上させる空冷式インタークーラー（不図示）、吸入空気量を調節するスロットルバルブ（不図示）が配されている。

排気管２１０は、エンジン２００と外気とを連通しており、シリンダ（不図示）内部で燃焼した混合気は排気ガスを排気可能に構成されている。排気管２１０の管路には、不図示の空燃比センサ、触媒、及び後述するターボ過給機の一部であるタービン５２等が備わる。

ターボ過給機は、吸入空気を過給することで希薄燃焼範囲を高負荷側へ拡大可能である。このターボ過給機は、排気管２１０の管路に備わるタービン５２、吸気管２０６の管路に備わるコンプレッサ５１、両者を機械的に繋ぐ回転軸である動力伝達部５３、および動力伝達部５３を出力軸とする電動機５４を含んで構成される。

ここで電動機５４は、電気的に過給をアシストする機構である。電動機５４は、直流電源５４１によって供給される直流電力を交流電力へと変換するインバータ５４２、および電動機制御器５４３に電気的に接続されている。

電動機制御器５４３は、目標過給圧が得られるようにインバータ５４２に対して通電パターンを出力する。この通電パターンに従って電動機５４は作動する。なお、目標過給圧は、具体的にはエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度ＴＡに基づいて、実験などによって予め作成されたマップより求められるとよい。

角速度算出回路５４４は、電動機５４に備わる回転数センサ５４５の出力値に基づいて電動機５４の角速度ωを算出する。

エンジンECU１００は、電子制御ユニット、中央処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）、制御プログラムを格納した読み出し専用メモリ（Read Only Memory：ＲＯＭ）及び各種データや各種マップを格納する随時書き込み読み出しメモリ（Random Access Memory：ＲＡＭ）等を中心とした論理演算回路として構成されている。エアフローメータ２１２、吸気温センサ２１３、角速度算出回路５４４からの出力を受けて、後述するように、燃料噴射量Iを制御周期T毎に算出すると共に、燃料噴射量Iを噴射するようにエンジン２００に対して指示する（図５参照）。

（２）動作
上述の如く構成された本実施形態に係る車両制御装置の動作処理について、図１に加えて、図２から図５を用いて説明する。ここに、図２は、実施形態に係る電動機５４の角速度ω［rad/s］とモータ負荷トルクＴload［Ｎ・ｍ］（あるいは吸入空気量Ｇa［kg/s］）との関係を温度Ｄｃ［℃］別に示すマップである。図３は、実施形態に係る電動機５４の角速度ω［rad/s］とモータトルクＴmot［Ｎ・ｍ］との関係を示すマップである。図４は、実施形態に係る電動機５４の角速度ω［rad/s］と加速トルクＴａ［Ｎ・ｍ］との関係を温度Ｄｃ［℃］別に示すマップである。図５は、実施形態に係る車両制御装置の動作処理を示すフローチャートである。

以下、図５に示すフローチャートに沿って、図２から図３を適宜参照しながら、実施形態に係る車両制御装置の動作処理について説明をする。

図５において、エンジンECU１００は、各センサの出力値を取り込む（ステップＳ１０１）。ここでは、少なくとも角速度算出回路５４４によって算出されるω、および吸気温センサ２１３によって検出されるDcが取り込まれる。

続いて、図２のマップを利用して、エンジンECU１００はTloadおよびGaを特定する（ステップＳ１０２）。より詳しくは、図２のマップに示すように、TloadおよびGaは、上述のωおよびDcに依存するので、この関係を実験またはシミュレーションにより予め求めておき、エンジンECU１００がマップとして記憶しておけば、このマップ上におけるωおよびDcの値に基づいて、TloadおよびGaを特定できる。

他方で、図３のマップに従って、エンジンECU１００は、上述のωに対応するTmotを読み込む（ステップＳ１０３）。図３のマップに示すように、Tmotはωに依存するよう仕様によって予め決められている。図３のマップも、エンジンECU１００によって記憶されている。

続いて、これらTloadおよびTmotに基づいて、加速トルクTaが、Ta＝Tmot−Tload、として算出される（ステップＳ１０４）。図４は、この関係を広範にわたって示す。なお、エンジンECU１００は、図４のマップをおくことで、ステップＳ１０２からステップＳ１０４の処理に代えて、TmotおよびTloadを介さずに直接Taを特定してもよい。

続いて、このTaに基づいて、角加速度ｄω／ｄｔが、ｄω／ｄｔ＝Ta／ｍ、として算出される（ステップＳ１０５）。ここに、ｍは電動機５４に固有のイナーシャ（つまり、慣性モーメント）として予め実験・シミュレーションによって定められてエンジンECU１００に記憶される値である。

続いて、このｄω／ｄｔと、エンジンECU１００の制御周期Tに基づいて、角速度の補正量Δωが、Δω＝（ｄω／ｄｔ）×Tとして算出される（ステップＳ１０６）。これにより、Tが電動機５４の回転周期に比べてかなり長いことの影響が相殺される。言い換えれば、Tが経過する間におけるωの変化量Δωを加味して後述の処理を行うことができる。

続いて、このΔωに対応する吸入空気量の補正量ΔGaが、図２のマップに従って特定される（ステップＳ１０７）。

従って、燃料噴射量Ｆが、Ｆ＝（Ga＋ΔGa）／目標空燃比、として算出される（ステップＳ１０８）。

以上説明した実施形態によれば、Tが経過する間におけるωの変化量Δωを加味して燃料噴射量Ｆが算出できる。特に、加速時の吸入空気量をGa＋ΔGaとして特定するので、このような過渡時においても最適な燃料噴射量Ｆが算出できるので、無駄な燃料噴射を回避でき、排気も一段とクリーン化される。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う車両制御装置およびその方法も又、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明の実施形態に係る車両制御装置を備える車両の基本的な構成を示す模式図である。 実施形態に係る電動機５４の角速度ω［rad/s］とモータ負荷トルクＴload［Ｎ・ｍ］（あるいは吸入空気量Ｇa［kg/s］）との関係を温度Ｄｃ［℃］別に示すマップである。 実施形態に係る電動機５４の角速度ω［rad/s］とモータトルクＴmot［Ｎ・ｍ］との関係を示すマップである。 実施形態に係る電動機５４の角速度ω［rad/s］と加速トルクＴａ［Ｎ・ｍ］との関係を温度Ｄｃ［℃］別に示すマップである。 実施形態に係る車両制御装置の動作処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…車両、２００…エンジン、２０６…吸気管、２１０…排気管、５４…電動機、５４３…電動機制御器、１００…エンジンECU

Claims (3)

1. 電気的に回転する電動機を回転させることで、燃焼室へと吸入される吸入空気を圧縮する電動ターボ手段と、
   前記電動機が回転する際の角速度を特定する特定手段と、
   前記吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出手段と、
   前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記角速度を特定してから所定期間が経過した際における吸入空気量を推定する吸入空気量推定手段と
   を備え、
   前記吸入空気量推定手段は、
   前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記電動機が回転する際の加速トルクを算出し、
   前記算出される加速トルクを前記電動機に固有の慣性モーメントで除することで前記電動機が回転する際の角加速度を算出し、
   前記算出される角加速度に前記所定期間を乗ずることで、前記角速度を特定してから前記所定期間経過するまでの前記角速度に係る変位を算出し、
   前記特定される角速度に、前記算出される変位を加えることで、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記電動機に係る角速度を推定し、
   前記推定される角速度に対応する吸入空気量として、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記吸入空気量を推定する
   ことを特徴とする車両制御装置。
2. 前記推定される吸入空気量を目標空燃比で除することによって、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際に噴射すべき燃料噴射量を推定する噴射量推定手段を更に備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両制御装置。
3. 電気的に回転する電動機を回転させることで、燃焼室へと吸入される吸入空気を圧縮する電動ターボ工程と、
   前記電動機が回転する際の角速度を特定する特定工程と、
   前記吸入される吸入空気の温度を検出する温度検出工程と、
   前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記角速度を特定してから所定期間が経過した際における吸入空気量を推定する吸入空気量推定工程と
   を備え、
   前記吸入空気量推定工程では、
   前記特定される角速度および前記検出される温度に基づいて、前記電動機が回転する際の加速トルクが算出され、
   前記算出される加速トルクを前記電動機に固有の慣性モーメントで除することで前記電動機が回転する際の角加速度が算出され、
   前記算出される角加速度に前記所定期間を乗ずることで、前記角速度を特定してから前記所定期間経過するまでの前記角速度に係る変位が算出され、
   前記特定される角速度に、前記算出される変位を加えることで、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記電動機に係る角速度が推定され、
   前記推定される角速度に対応する吸入空気量として、前記角速度を特定してから前記所定期間が経過した際における前記吸入空気量が推定される
   ことを特徴とする車両制御方法。

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