JP5540761B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸入空気量と点火時期とによってトルクを制御可能な内燃機関の制御装置に関し、特に、点火時期の遅角によるトルクの低下を吸入空気量の増加によって補償することのできる内燃機関の制御装置に関する。

火花点火式の内燃機関では、その点火時期がＭＢＴであるときに最大トルクを得ることができ、また、最良の燃費性能を得ることができる。したがって、基本的には点火時期はＭＢＴに設定されることが望ましいが、排気ガス温度を高めて触媒を暖機したいときや、ノックが検出されたとき等、場合によっては点火時期がＭＢＴよりも遅角される場合がある。

しかし、点火時期を遅角することには、内燃機関から出力されるトルクを低下させるという問題が有る。この問題に関し、特開２００９−０６８４３０号公報に開示された技術では、点火時期が遅角される場合には、それに合わせて吸入空気量を増加させるようスロットルが操作されている。つまり、点火時期の遅角に伴うトルクの低下を吸入空気量の増加によって補償するようにしている。

特開２００９−０６８４３０号公報

点火時期に対するトルクの応答感度は高いため、点火時期の遅角に伴うトルクの低下を出来る限り抑えたいのであれば、吸入空気量は急増させる必要がある。しかし、スロットルの操作に対する吸入空気量の応答感度、すなわち、トルクの応答感度は、点火時期に対するトルクの応答感度のようには高くはない。

そこで、従来提案されているのが、いわゆるスロットルのオーバーシュート制御である。オーバーシュート制御では、スロットルを一旦オーバーシュートさせてから定常での目標開度に収束させることが行われる。これによれば、最初から定常開度に向けてスロットルを開く場合に比較して吸入空気量を急増させることが可能であり、点火時期の遅角に伴うトルクの低下を最小限に抑えることができる。

ところが、点火時期の遅角がノックを防止するための遅角である場合には、吸入空気量を急増させることによって負荷が急増し、却ってノックの発生が助長されてしまうおそれがある。

本発明は上述のような課題に鑑みなされたもので、ノックの発生時、ノックを防止すべく点火時期を遅角するとともに、点火時期の遅角に伴うトルクの低下を吸入空気量の増加によって補償しつつ、吸入空気量を増加させることがノックの発生を助長してしまうのを防止することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の内燃機関の制御装置は、
吸入空気量と点火時期とによってトルクを制御可能な内燃機関の制御装置において、
所定の遅角条件が満たされた場合、点火時期を遅角する点火時期遅角手段と、
点火時期の遅角に伴うトルクの低下を吸入空気量の増加によって補償するように、点火時期の変化に連動して目標空気量を変化させる目標空気量設定手段と、
目標空気量に従ってスロットルを操作する手段であって、目標空気量が急増した場合、前記スロットルを一旦オーバーシュートさせてから目標空気量に対応する定常開度に収束させるスロットル操作手段と、
前記点火時期遅角手段による点火時期の遅角がノックを防止するための遅角である場合、前記スロットル操作手段によるスロットルのオーバーシュート操作を禁止するオーバーシュート操作禁止手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明の内燃機関の制御装置によれば、点火時期の遅角がノックを防止するための遅角である場合には、スロットルのオーバーシュート操作は禁止されるので、吸入空気量の急増によってノックの発生が助長されることは防止される。ノックの防止以外の目的で点火時期が遅角される場合には、スロットルのオーバーシュート操作によって吸入空気量を急増させることが可能であり、点火時期の遅角に伴うトルクの低下を最小限に抑えることができる。

本発明の実施の形態の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の制御装置におけるスロットル操作のための一連の処理の流れをフローチャートで示す図である。 本発明の実施の形態の制御装置によるエンジン制御の効果について説明するための図である。

本発明の実施の形態について図１乃至図３の各図を参照して説明する。

本発明の実施の形態おいて制御対象とされる内燃機関（以下、エンジン）は、ガソリンを燃料とする火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。制御装置は、エンジンに備えられるアクチュエータを操作することでエンジンの運転を制御する。制御装置が操作可能なアクチュエータには、点火装置、スロットル、燃料噴射装置、可変バルブタイミング機構、ＥＧＲ装置等が含まれる。ただし、本実施の形態において制御装置が操作するのはスロットルと点火装置であり、制御装置はこれら２つのアクチュエータを操作してエンジンが出力するトルクを制御する。制御装置によるスロットルの操作量はスロットル開度であり、点火装置の操作量は点火時期である。

本実施の形態の制御装置は、エンジンの制御量に関する要求として、要求トルクと要求効率とを取得する。車両の制御系統において、制御装置の上位にはパワートレインマネージャが配置されており、要求トルク及び要求効率はそのパワートレインマネージャから制御装置に入力される。要求トルクは、エンジンに出力させるトルク、より厳密には図示トルクの要求値である。効率はエンジンが出力しうる潜在トルクに対する実際に出力されるトルクの割合であり、要求効率はその要求値である。効率の最大値は１であり、そのときにはエンジンが出力しうる潜在トルクがそのまま実際に出力されることになる。効率が１よりも小さい場合には、実際に出力されるトルクはエンジンが出力しうる潜在トルクよりも小さく、その余裕分は主に熱となってエンジンから出力されることになる。

図１は本実施の形態の制御装置２の構成を示すブロック図である。制御装置２は、それが有する機能別に、空気制御用目標トルク算出部４、目標空気量算出部６、目標開度算出部８、トルク効率算出部１０、目標点火時期算出部１２、要求効率上限ガード部１４、トルク効率上限ガード部１６及びノック制御部１８に分けることができる。これらの要素４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。

まずは、制御装置２を構成する複数の要素４，６，８，１０，１２，１４，１６，１８のうち、エンジンのトルク制御に関係する要素４，６，８，１０，１２，１４，１６の機能について説明する。

制御装置２が取得した要求トルクと要求効率は、空気制御用目標トルク算出部４に入力される。空気制御用目標トルク算出部４は、要求トルクを要求効率で除算することによって空気制御用目標トルクを算出する。要求効率が１よりも小さい場合には、空気制御用目標トルクは要求トルクよりも嵩上げされることになる。これは要求トルクよりも大きなトルクを潜在的に出力可能にしておくことがスロットルに要求されていることを意味する。

ただし、要求効率に関しては、要求効率上限ガード部１４を通ったものが空気制御用目標トルク算出部４に入力される。要求効率上限ガード部１４は、空気制御用目標トルク算出部４に入力される要求効率の最大値を上限ガード効率によって制限する。上限ガード効率の値は可変であって、そのデフォルトは１に設定されている。

空気制御用目標トルクは目標空気量算出部６に入力される。目標空気量算出部６は、空気量マップを用いて空気制御用目標トルクを空気量の値に変換する。このマップは、点火時期がＭＢＴであることを前提にして、トルクと吸入空気量とがエンジン回転数等の種々のエンジン情報をキーにして関連付けられたマップである。目標空気量算出部６では、空気制御用目標トルクの実現に必要な吸入空気量がエンジンの目標空気量として算出される。

目標空気量は目標開度算出部８に入力される。目標開度算出部８は、エアモデルの逆モデル（エア逆モデル）を用いて目標空気量をスロットルの目標開度に変換する。エアモデルはスロットルの動作に対する筒内吸入空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化した物理モデルであるので、その逆モデルを用いることで目標空気量の達成に必要なスロットル開度を逆算することができる。また、エア逆モデルによれば、モデルのパラメータを適宜に設定することによって、目標空気量に対する実際の吸入空気量の応答感度を自在に調整することができる。ここでのエア逆モデルのパラメータの設定は可変であり、目標空気量の急増に対してスロットルをオーバーシュートさせるような設定がデフォルトとされている。

制御装置２は、目標開度算出部８で算出された目標開度に従ってスロットルの操作を行う。

制御装置２は、上記の処理と並行して、実際のスロットル開度に基づいた推定ＭＢＴトルクの計算を実施する。推定ＭＢＴトルクとは、現在のスロットル開度の元で点火時期をＭＢＴにセットした場合に出力できるトルク、すなわち、エンジンが潜在的に出力しうるトルクの推定値である。この推定ＭＢＴトルクは複製された要求トルクとともにトルク効率算出部１０に入力される。トルク効率算出部１０では、要求トルクの推定ＭＢＴトルクに対する比率がトルク効率として算出される。トルク効率は、現在のスロットル開度のもとで要求トルクを達成するように点火時期を操作した場合の推定効率であり、定常状態においては要求効率に一致する。

トルク効率算出部１０で計算されたトルク効率は、トルク効率上限ガード部１６を通ってから目標点火時期算出部１２に指示効率として入力される。トルク効率上限ガード部１６は、目標点火時期算出部１２に入力される指示効率の最大値を上限ガード効率によって制限する。上限ガード効率の値は可変であって、そのデフォルトは１に設定されている。

目標点火時期算出部１２は、エンジン回転数や空気量等のエンジン情報からＭＢＴを計算するとともに、入力された指示効率からＭＢＴに対する遅角量を計算し、それらを足しあわせたものを目標点火時期として算出する。遅角量の計算においては、指示効率が１であれば遅角量はゼロとされ、指示効率が１よりも小さいほど遅角量は大きくされる。

制御装置２は、目標点火時期算出部１２で算出された目標点火時期に従って点火装置の操作を行う。

以上がエンジンのトルク制御に関係する要素４，６，８，１０，１２，１４，１６の機能についての説明である。次に、エンジンのノック制御に関係する要素１８、１４，１６，６の機能について説明する。

ノック制御部１８は、ノックセンサ（図示省略）が発する信号を取得し、その信号からエンジンにノックが発生したかどうかを判定する。ノックが発生した場合、ノック制御部１８は、トルク効率上限ガード部１６の上限ガード効率として、１よりも小さい値のノック効率をセットする。これにより、目標点火時期算出部１２に入力される指示効率の値は１よりも小さい値に制限されることとなり、点火時期のＭＢＴに対する遅角が行われる。なお、ノック効率の値は、発生しているノックの強度（ノックレベル）が高いほど大きい値に設定される。

また、ノック制御部１８は、ノックが発生した場合には、上記のノック効率を要求効率上限ガード部１４の上限ガード効率にもセットする。これにより、空気制御用目標トルク算出部４に入力される要求効率の値は１よりも小さい値に制限されることとなり、空気制御用目標トルクは要求トルクよりも嵩上げされる。その嵩上げ量は、点火時期の遅角によるトルクの低下分に等しい。したがって、目標空気量算出部６で算出される目標空気量は、点火時期の遅角によるトルクの低下を補うように増大せしめられることになる。

さらに、ノック制御部１８は、ノックが発生した場合には、目標開度算出部８に対してスロットルのオーバーシュートの禁止を要求する。この禁止要求を受けて、目標開度算出部８は、デフォルトの設定から目標空気量の急増に対してスロットルをオーバーシュートさせない設定へと、エア逆モデルのパラメータの設定を変更する。これにより、目標開度に従いスロットルを操作したときに吸入空気量が急増することは回避され、吸入空気量の急増によってノックの発生が助長されることは防止される。

ここで、制御装置２におけるスロットル操作のための一連の処理の流れをフローチャートにまとめると、図２のようになる。

図２のフローチャートによれば、最初のステップＳ２において要求トルクが取得され、ステップＳ４において要求効率が取得される。そして、次のステップＳ６において要求トルクと要求効率とから空気制御用目標トルクが算出される。さらに次のステップＳ８において空気制御用目標トルクから目標空気量が算出される。

次に実施する処理は、ノックの防止のための点火時期の遅角（ノック遅角）の有無によって異なる。ノック遅角が無い場合には、ステップＳ１０の判定がＮｏとなり、そのままステップＳ１４において目標空気量から目標開度が算出される。

一方、ノック遅角が有る場合には、ステップＳ１０の判定がＹｅｓとなり、ステップＳ１２においてスロットルのオーバーシュートが禁止される。具体的には、エア逆モデルのパラメータの設定が、目標空気量の急増に対してスロットルをオーバーシュートさせない設定に変更される。そして、次のステップＳ１４において目標空気量から目標開度が算出される。

最後に、本実施の形態の制御装置２の機能によって得られるノック制御上の効果について図３を用いて説明する。

図３は、ノックが発生した場合の本実施の形態の制御装置２による制御結果と、従来の制御装置による制御結果とを比較して示している。図３において比較されている制御結果は、トルク、点火時期、ノックレベル、吸入空気量及びスロットル開度の各時間変化である。実線が本実施の形態の制御装置２による制御結果であり、破線が従来の制御装置による制御結果である。

まず、最下段のスロットル開度の比較から分かるように、従来の制御装置では目標空気量の急増に応じてスロットルのオーバーシュート操作が行われるのに対し、本実施の形態の制御装置２ではそのような操作は行われない。このため、吸入空気量の比較から分かるように、従来の制御装置では吸入空気量の急増を招いてしまうのに対し、本実施の形態の制御装置２では吸入空気量を徐々に増加させることができる。

その結果、ノックレベルの比較から分かるように、従来の制御装置ではノックの発生が助長されてしまうのに対し、本実施の形態の制御装置２ではノックの発生が助長されることはない。ノックの発生が助長されることで、従来の制御装置では点火時期の遅角が進むこととなり、結果、トルクの荒れによって要求トルクを実現できなくなってしまう可能性がある。一方、本実施の形態の制御装置２によれば、一時的なトルクの低下は生じたとしても、ノックを速やかに終息させることが可能であり、結果として要求トルクを高い満足度で実現することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

２ 制御装置
４ 空気制御用目標トルク算出部
６ 目標空気量算出部
８ 目標開度算出部
１０ トルク効率算出部
１２ 目標点火時期算出部
１４ 要求効率上限ガード部
１６ トルク効率上限ガード部
１８ ノック制御部

Claims (1)

1. 吸入空気量と点火時期とによってトルクを制御可能な内燃機関の制御装置において、
   所定の遅角条件が満たされた場合、点火時期を遅角する点火時期遅角手段と、
   点火時期の遅角に伴うトルクの低下を吸入空気量の増加によって補償するように、点火時期の変化に連動して目標空気量を変化させる目標空気量設定手段と、
   目標空気量に従ってスロットルを操作する手段であって、目標空気量が急増した場合、前記スロットルを一旦オーバーシュートさせてから目標空気量に対応する定常開度に収束させるスロットル操作手段と、
   前記点火時期遅角手段による点火時期の遅角がノックを防止するための遅角である場合、前記スロットル操作手段によるスロットルのオーバーシュート操作を禁止するオーバーシュート操作禁止手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。

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