JP4315221B2

JP4315221B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4315221B2
Application number: JP2007215035A
Authority: JP
Inventors: 宏幸田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2027-08-21
Also published as: WO2009025097A1; US8219301B2; DE112008002516T5; CN101680393A; JP2009047100A; US20100059019A1

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の制御においては、エミッション性能、燃費性能、アイドル安定性等の種々の性能を満足することが求められる。このため、従来、それらの性能を満足させるための各々の制御ロジックから、スロットル弁、点火装置、燃料噴射装置などの内燃機関の各アクチュエータに対する要求が別々に出されている。このため、各アクチュエータに対する指示値を決定するには、各制御ロジックから出される要求を各アクチュエータ毎に調停する必要があり、制御が複雑化している。

また、制御ロジックの変更時には、すべてのアクチュエータに対する依存関係を検証しなければならない。逆に、アクチュエータの変更時には、そのアクチュエータに対して要求を出しているすべての制御ロジックを見直す必要がある。このため、内燃機関の制御装置の開発に多大な時間と手間がかかっている。

特表２０００−５１２７１３号公報には、内燃機関の制御装置において、アクセル開度に基づく運転者からの要求トルクのほかに、駆動滑り制御や変速機制御、走行動特性制御などからのトルク要求に基づいてスロットル開度や点火時期、燃料噴射量などの制御値を設定する場合に、吸入空気量と点火時期とをトルク値に基づいて設定するとともに、点火時期を点火角効率を考慮して設定する技術が開示されている。

特表２０００−５１２７１３号公報

上述したように、上記従来の技術では、点火角効率なる概念が提案されている。これは、最適点火時期に対する効率のことであり、アクチュエータ量（点火時期）の表現を変更したに過ぎない。つまり、点火装置以外のアクチュエータを考慮することができない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、制御の単純化が図れるとともに、複数の要求を適切に調停して高機能な制御を行うことのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
内燃機関に対し、個々の目的に基づいてそれぞれ要求を出力する複数の要求出力手段と、
前記複数の要求出力手段からの要求を調停する調停手段と、
前記調停手段による調停の結果に基づいて、前記内燃機関に設けられた複数のアクチュエータに対する指示値を決定するアクチュエータ指示値決定手段と、
を備え、
前記要求は、前記複数のアクチュエータの動作点を最適にした場合に得られる基準トルクに対する要求トルクの割合を示すトルク効率に関する要求であることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記複数の要求出力手段には、燃費低減を目的として要求を出力する燃費制御手段と、エミッション低減を目的として要求を出力するエミッション制御手段と、アイドル安定性向上を目的として要求を出力するアイドル安定性制御手段との少なくとも一つが含まれることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記複数のアクチュエータには、点火時期を可変とする点火装置と、吸気弁および／または排気弁の開弁特性を可変とする可変動弁装置との少なくとも一方が含まれることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記調停手段は、前記各要求出力手段から出力される要求の履歴を積分した値に基づいて、調停を行うことを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記複数の要求出力手段には、トルク効率の平均的な許容低下量に関する値を出力するものと、トルク効率の要求低下量に関する値を出力するものとが含まれ、
前記調停手段は、
前記許容低下量より前記要求低下量が小さい場合には、前記要求低下量をそのままトルク効率の調停結果に反映させる第１の調停手段と、
前記許容低下量より前記要求低下量が大きい場合には、調停結果のトルク効率低下量の履歴を積分した値が、前記許容低下量の履歴を積分した値を上回らない範囲内において、前記要求低下量をトルク効率の調停結果に反映させる第２の調停手段と、
を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、複数の要求出力手段から出力されたトルク効率に関する要求を調停し、その調停結果に基づいて、内燃機関の複数のアクチュエータに対する指示値を決定することができる。このため、複数の要求出力手段からの要求を各アクチュエータ毎に調停する必要はなく、トルク効率に関する要求の調停として一括して行うことができる。このため、制御を単純化することができ、開発期間短縮、開発コスト低減が図れる。更に、内燃機関の性能目標（燃費性能、エミッション性能等の目標）を変更する場合でも、調停手段による調停結果までの検証で済み、アクチュエータ指示値まで検証する必要はない。また、何れかのアクチュエータがスペックの異なるものに変更された場合でも、各要求出力手段の要求の内容を見直す必要はなく、アクチュエータ指示値決定手段等を見直すだけで対応可能である。また、トルク効率を制御することによって排気エネルギーを制御することができるので、エミッション性能については、排気エネルギーによって制御することが可能となる。このため、物理モデルをベースとした制御の適用が容易となり、高機能な制御を行うことができる。

第２の発明によれば、燃費性能、エミッション性能、アイドル安定性等の各種の性能に対する要求を満足させることのできる高機能な制御を行うことができる。

第３の発明によれば、点火時期や、吸気弁あるいは排気弁の開弁特性によって変化するトルク効率を基礎として、高機能な制御を行うことができる。

第４の発明によれば、各要求出力手段から出力される要求の履歴を積分した値に基づいて調停を行うことにより、より適切な調停結果を算出することができる。

第５の発明によれば、トルク効率の平均的な許容低下量に関する値を出力する要求出力手段（例えば、燃費制御部等）と、トルク効率の要求低下量に関する値を出力する要求出力手段（例えば、エミッション制御部、アイドル安定性制御部等）がある場合に、トルク効率低下量の時間平均値が許容低下量を満足する範囲内において、要求低下量を満足させることができる。このため、例えばエミッション性能やアイドル安定性を改善しつつ、目標とする燃費性能を確実に実現することができ、より高機能な制御を実行することができる。

実施の形態１．
[システム構成の説明]
図１は、本発明の実施の形態１の内燃機関システムの構成を説明するための図である。図１に示す構成は、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の気筒数および気筒配置は特に限定されるものではない。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。各気筒には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６には、スロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルポジションセンサ２２が設けられている。また、排気通路１８には、排気ガスを浄化するための触媒２６が配置されている。

内燃機関１０の各気筒には、吸気ポート内に燃料を噴射する燃料インジェクタ２８と、燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグ３０とが設けられている。なお、本発明は、図示のようなポート噴射式機関に限らず、筒内直接噴射式機関や、ポート噴射と筒内直接噴射とを併用する機関にも適用可能である。

内燃機関１０は、吸気弁３２の開弁特性を可変とする吸気可変動弁装置３４と、排気弁３６の開弁特性を可変とする排気可変動弁装置３８とを更に備えている。吸気可変動弁装置３４および排気可変動弁装置３８の具体的な機構は特に限定されず、公知の各種の機構を用いることができる。

内燃機関１０のクランク軸２４の近傍には、クランク軸２４の回転角度（クランク角）を検出するためのクランク角センサ４２が設けられている。また、アクセルペダルの近傍には、アクセル開度を検出するアクセルポジションセンサ４４が設置されている。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述したスロットルポジションセンサ２２、クランク角センサ４２、アクセルポジションセンサ４４等の各種センサや、上述したスロットルバルブ２０、燃料インジェクタ２８、点火プラグ３０、吸気可変動弁装置３４、排気可変動弁装置３８等の機器がそれぞれ電気的に接続されている。

［実施の形態１の特徴］
図２は、ＥＣＵ５０の一部の機能を示すブロック図である。図２に示すように、ＥＣＵ５０は、エミッション制御部５２と、燃費制御部５４と、アイドル安定性制御部５６とを有している。エミッション制御部５２、燃費制御部５４、アイドル安定性制御部５６は、それぞれ、内燃機関１０の運転状態等に応じて、トルク効率に関する要求を出力する。

ここで、本明細書における「トルク効率」とは、内燃機関１０に設けられた複数のアクチュエータ（点火プラグ３０を含む点火装置、吸気可変動弁装置３４、排気可変動弁装置３８等）の動作点を最適にした場合に得られる基準トルク（基準エンジントルク）に対する、要求トルクの割合として定義される値であり、１以下の値である。

周知のように、点火時期には、トルクを最大にするような最適な点火時期、つまりＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）が存在する。同様に、吸気弁３２の開弁特性や、排気弁３６の開弁特性についても、トルクを最大にするような最適な動作点が存在する。上記基準トルクとは、そのようにして、各アクチュエータの動作点を最適にした場合のエンジントルクである。

トルク効率が１に近いほど、燃費性能は良好となる。このため、燃費制御部５４は、例えば、トルク効率がなるべく高く維持されるように、トルク効率に関する要求を出力する。

一方、トルク効率が１に近くなると、内燃機関１０の熱効率が高くなるので、排気エネルギーが小さくなる。エミッションを低減する観点からは、触媒２６が低温のとき、触媒２６を早期に暖機したい場合がある。このような場合には、排気エネルギーを増大させること、つまりトルク効率をある程度低下させることが好ましい。エミッション制御部５２は、このような観点から、トルク効率に関する要求を出力する。

内燃機関１０のアイドル運転時、オルタネーターやエアコンのコンプレッサーなどの補機類のオン・オフにより、補機駆動負荷が変動すると、エンジン回転数（アイドル回転数）が変動し、振動や騒音が生じ易い。アイドル安定性制御部５６は、アイドル回転数を一定に保つべく、トルク効率に関する要求を出力する。補機がオンしたとき、アイドル回転数を一定に保つには、例えば点火時期を進角するなどして、エンジントルクを瞬時に増大させる必要がある。しかしながら、トルク効率が１の状態では、それ以上エンジントルクを増大させることができない。そこで、アイドル安定性制御部５６は、例えば補機がオンすることが予想される状況では予めトルク効率を低下させておく、などのトルク効率に関する要求を出力する。

エミッション制御部５２、燃費制御部５４、アイドル安定性制御部５６からそれぞれ発せられたトルク効率に関する要求は、効率調停部５８に集約される。効率調停部５８は、それらの要求を所定の規則に従って調停することにより、トルク効率の目標値を算出する。

アクチュエータ指示値算出部６０は、効率調停部５８により算出されたトルク効率目標値に基づいて、各アクチュエータへの指示値（点火時期、吸気弁３２の開弁特性、排気弁３６の開弁特性等）を算出する。すなわち、アクチュエータ指示値算出部６０には、トルク効率と、それを実現する各アクチュエータ指示値との関係を示すマップが予め記憶されており、そのマップに従って各アクチュエータ指示値が算出される。

アクチュエータ制御部６２は、アクチュエータ指示値算出部６０により算出された各アクチュエータ指示値に従って、点火装置、吸気可変動弁装置３４、排気可変動弁装置３８等を駆動制御する。

以上説明したように、本実施形態のシステムによれば、各制御部５２，５４，５６から発せられたトルク効率に関する要求を調停してトルク効率の目標値を決定し、そのトルク効率目標値から各アクチュエータ指示値が算出される。このため、各アクチュエータ毎に要求を調停する必要はなく、トルク効率要求の調停として一括して行えばよい。このため、制御を単純化することができ、開発期間短縮、開発コスト低減が図れる。

更に、内燃機関１０の性能目標（燃費性能、エミッション性能等の目標）を変更する場合でも、効率調停部５８の調停結果（トルク効率目標値）までの検証で済み、アクチュエータ指示値まで検証する必要はない。

一方、何れかのアクチュエータがスペックの異なるものに変更された場合には、各制御部５２，５４，５６の要求の内容を見直す必要はなく、アクチュエータ指示値算出部６０あるいはアクチュエータ制御部６２を見直すだけで対応可能である。

また、トルク効率を制御することによって排気エネルギーを制御することができるので、エミッション性能については、排気エネルギーによって制御することが可能となる。このため、物理モデルをベースとした制御の適用が容易となり、高機能な制御を行うことができる。

上述した実施の形態１においては、エミッション制御部５２、燃費制御部５４およびアイドル安定性制御部５６が前記第１の発明における「複数の要求出力手段」に、効率調停部５８が前記第１の発明における「調停手段」に、アクチュエータ指示値算出部６０が前記第１の発明における「アクチュエータ指示値決定手段」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、図３および図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

本実施形態は、前述した実施の形態１と同様に、図１および図２に示すシステム構成を用いて実現することができる。

［実施の形態２の特徴］
図３は、本実施形態において、エミッション制御部５２、燃費制御部５４およびアイドル安定性制御部５６からそれぞれ出力されるトルク効率に関する要求を示す図である。図３中、「効率ダウン量」とは、トルク効率の最大値である１と比べたときのトルク効率の低下量を示す。

燃費制御部５４は、図３中の点線で示すように、効率ダウン量の時間的な平均の許容値を要求として出力する。すなわち、燃費制御部５４は、時間的に平均した効率ダウン量が、図３中の点線で示す高さ以下となることを要求する。

これに対し、エミッション制御部５２およびアイドル安定性制御部５６は、それぞれ、運転状態等に応じて逐次必要な効率ダウン量を要求として出力する。すなわち、エミッション制御部５２およびアイドル安定性制御部５６は、それぞれ、各時刻において、図３中の棒グラフの高さまで、効率ダウン量を要求する。

次に、図３に示すような要求がエミッション制御部５２、燃費制御部５４およびアイドル安定性制御部５６からそれぞれ出力された場合の、効率調停部５８での調停方法について説明する。図４は、図３に示す各要求を効率調停部５８が調停した調停結果を示す図である。

以下の説明では、エミッション制御部５２から出される効率ダウン量の要求値と、アイドル安定性制御部５６から出される効率ダウン量の要求値とのうちの大きい方を「要求効率ダウン量」と称する。また、燃費制御部５４から出力される、効率ダウン量の時間平均の許容値を「許容効率ダウン量」と称する。このとき、効率調停部５８は、下記の調停規則１および２に従って、調停結果を算出する。

（調停規則１）
許容効率ダウン量より要求効率ダウン量が小さい場合には、要求効率ダウン量をそのまま調停結果に反映させる。

（調停規則２）
許容効率ダウン量より要求効率ダウン量が大きい場合には、調停結果の効率ダウン量の履歴を積分（時間積分）した値が、許容効率ダウン量の履歴を積分（時間積分）した値を上回らない範囲内において、要求効率ダウン量を調停結果に反映させる。

図３中の時刻t0〜t1では、エミッション制御部５２から出力される効率ダウン量の要求値が、要求効率ダウン量となる。この要求効率ダウン量は、燃費制御部５４から出力される許容効率ダウン量より小さい。よって、図４に示すように、時刻t0〜t1では、調停規則１に従い、エミッション制御部５２から出力される効率ダウン量の要求値がそのまま調停結果に反映される。つまり、エミッション制御部５２から出力される効率ダウン量の要求値を１から減算した値がトルク効率の目標値とされる。

また、図３中の時刻t1〜t2では、アイドル安定性制御部５６から出力される効率ダウン量の要求値が、要求効率ダウン量となる。この要求効率ダウン量は、燃費制御部５４から出力される許容効率ダウン量より小さい。よって、図４に示すように、時刻t1〜t2では、調停規則１に従い、アイドル安定性制御部５６から出力される効率ダウン量の要求値がそのまま調停結果に反映される。つまり、アイドル安定性制御部５６から出力される効率ダウン量の要求値を１から減算した値がトルク効率の目標値とされる。

このように、時刻t0〜t2では、調停結果の効率ダウン量が、許容効率ダウン量より小さい。つまり、時刻t0〜t2では、調停結果は、燃費制御部５４から要求される燃費性能以上に良好となっており、余裕がある。その余裕分は、図４中の面積Ａで表すことができる。

一方、図３中の時刻t2〜t3においては、アイドル安定性制御部５６から出力される効率ダウン量の要求値が、要求効率ダウン量となる。しかしながら、この要求効率ダウン量は、燃費制御部５４から出力される許容効率ダウン量より大きい。よって、この場合には、次のように、調停規則２が適用される。

時刻t0〜t3において、調停結果の効率ダウン量の履歴を積分した値が、許容効率ダウン量の履歴を積分した値を上回らないためには、図４中の面積Ａと面積Ｂとが等しいことが必要である。よって、時刻t2〜t3においては、その面積Ａと面積Ｂとが等しくなるように、調停結果が定められる。このため、時刻t2〜t3においては、許容効率ダウン量より大きく、要求効率ダウン量より小さい値が、調停結果とされる。つまり、要求効率ダウン量の全部がそのまま満足されるのではなく、その一部が満足されることとなる。

換言すれば、本実施形態の調停方法は、要求効率ダウン量が許容効率ダウン量を超えている場合には、燃費制御部５４からの要求に対する、その時点までの余裕分（図４中の面積Ａ）の範囲内でのみ、許容効率ダウン量を超えてトルク効率を低下させることを許可するものである。

このような本実施形態の調停方法によれば、効率ダウン量の時間平均値が燃費制御部５４からの要求を満足する範囲内において、エミッション制御部５２やアイドル安定性制御部５６からの要求を満足させることができる。このため、エミッション性能やアイドル安定性を改善しつつ、目標とする燃費性能を確実に実現することができ、高機能な制御を実行することができる。

なお、上述した実施の形態２においては、許容効率ダウン量が前記第５の発明における「許容低下量」に、要求効率ダウン量が前記第５の発明における「要求低下量」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記調停規則１に従った処理を実行することにより前記第５の発明における「第１の調停手段」が、上記調停規則２に従った処理を実行することにより前記第５の発明における「第２の調停手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。ＥＣＵの一部の機能を示すブロック図である。本発明の実施の形態２において各制御部から出力されるトルク効率に関する要求を示す図である。図３に示す各要求を効率調停部が調停した調停結果を示す図である。

符号の説明

１０内燃機関
１２ピストン
１６吸気通路
１８排気通路
２６触媒
３２吸気弁
３４吸気可変動弁装置
３６排気弁
３８排気可変動弁装置
５０ＥＣＵ

Claims

内燃機関に対し、前記内燃機関に設けられた複数のアクチュエータの動作点を最適にした場合に得られる基準トルクに対する要求トルクの割合を示すトルク効率に関する要求を、個々の目的に基づいてそれぞれに出力する複数の要求出力手段と、
前記複数の要求出力手段からのトルク効率に関する要求を予め定められた調停規則に従って調停し、その調停結果からトルク効率の目標値を算出する調停手段と、
前記調停手段により算出されたトルク効率の目標値に基づいて、前記内燃機関に設けられた複数のアクチュエータに対する指示値を決定するアクチュエータ指示値決定手段と、
を備え、
前記複数の要求出力手段には、トルク効率の最大値に対するトルク効率の平均的な許容低下量を出力する手段と、トルク効率の最大値に対するトルク効率の要求低下量を逐次出力する手段とが含まれ、
前記調停手段は、前記許容低下量より前記要求低下量が小さい場合には、前記要求低下量を調停結果として算出し、前記許容低下量より前記要求低下量が大きい場合には、調停結果であるトルク効率低下量の履歴を積分した値が前記許容低下量の履歴を積分した値を上回らない範囲であって、且つ、前記要求低下量を超えない範囲のトルク効率低下量の最大値を調停結果として算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
トルク効率の最大値に対するトルク効率の平均的な許容低下量を出力する手段には、燃費低減を目的として要求を出力する燃費制御手段が含まれ、
トルク効率の最大値に対するトルク効率の要求低下量を逐次出力する手段には、エミッション低減を目的として要求を出力するエミッション制御手段と、アイドル安定性向上を目的として要求を出力するアイドル安定性制御手段との少なくとも一つが含まれることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
前記複数のアクチュエータには、点火時期を可変とする点火装置と、吸気弁および／または排気弁の開弁特性を可変とする可変動弁装置との少なくとも一方が含まれることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。