JP5125896B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、吸入空気量を調整する吸気量調整弁の開度と点火時期とによって動作を制御される内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関のトルクの制御方法として、要求トルクに基づいてスロットル開度と点火時期とを協調制御するいわゆるトルクデマンド制御が知られている。特開２００６−１３８３００号公報に開示されている技術もそのようなトルクデマンド制御に関するものである。この公報に開示された技術では、要求トルクとは別にトルクリザーブのためのトルク余裕値が入力され、要求トルクとトルク余裕値とに基づいてスロットル開度と点火時期とを算出している。詳しくは、要求トルクにトルク余裕値を加算した値からスロットル開度を算出している。また、要求トルクと、要求トルクにトルク余裕値を加算した値との比から点火時期の遅角量を算出している。
特開２００６−１３８３００号公報 特開２００３−３０１７６６号公報

特開２００６−１３８３００号公報に開示された技術では、要求トルクとトルク余裕値とは個々に独立して設定されているが、要求トルクとトルク余裕値との関係によっては、内燃機関におけるそれらの実現が不可能な場合もある。入力された要求トルクとトルク余裕値とから算出されたスロットル開度及び点火時期によって内燃機関を制御したときに、筒内の燃焼条件が燃焼限界を超えてしまった場合である。筒内の燃焼条件が燃焼限界を超えることで、燃焼変動や失火といった問題が発生してしまう。

このような問題への対応策としては、独立して設定された各機関要求（要求トルクとトルク余裕値）を相互の関係に基づいて修正することが考えられる。しかし、燃焼限界を超えないための安全代を大きくとりすぎると、要求の修正が大きくなってしまい要求の実現精度は低下してしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃焼限界を超えての運転の防止と要求トルク等の機関要求の実現とを両立させることが可能な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、吸入空気量を調整する吸気量調整弁の開度と点火時期とによって動作を制御される内燃機関の制御装置において、
前記内燃機関の動作を決定する複数の所定物理量に関する要求（以下、機関要求）を取得する要求取得手段と、
取得した各機関要求と前記内燃機関の現在の運転状態とに基づいて、取得した各機関要求が前記内燃機関で実現されるための目標弁開度及び目標点火時期を算出する目標値算出手段と、
目標弁開度及び目標点火時期によって決まる筒内の燃焼条件が燃焼限界内に収まるように、各機関要求から目標弁開度或いは目標点火時期が算出される過程で用いられる所定の中間変数の値に制限を設けるガード手段と、
少なくも１つの機関要求についてその時間変化量を計算し、算出した時間変化量の大きさに応じて前記ガード手段による制限を緩和させるガード緩和手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記ガード手段は、前記所定中間変数の値を制限するためのガード値として厳しいガード値と緩いガード値とを有しており、
前記ガード緩和手段は、算出した時間変化量が基準量を越えるときには、前記ガード手段に対して厳しいガード値から緩いガード値への切り替えを指示することを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記ガード緩和手段は、緩いガード値への切り替えから所定時間が経過した後は、前記ガード手段に対して再び厳しいガード値への切り替えを指示することを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記要求取得手段は、機関要求として要求トルクと要求効率とを取得し、
前記目標値算出手段は、取得した要求トルクと要求効率とから目標弁開度を算出するとともに、要求トルクと現在の弁開度から推定されるトルクとの比であるトルク効率に基づいて目標点火時期を算出し、
前記ガード手段は、目標弁開度の算出に使用する要求効率を前記所定中間変数としてその値に制限を設けていて、
前記ガード緩和手段は、前記要求取得手段によって取得された要求トルク或いは要求効率の時間変化量の大きさに応じて前記ガード手段による制限を緩和させることを特徴としている。

第５の発明は、第４の発明において、
前記ガード手段は、目標弁開度の算出に使用する要求効率と、目標点火時期の算出に使用するトルク効率とをそれぞれ前記所定中間変数としてそれら各値に制限を設けていて、
前記ガード緩和手段は、要求効率のガード値が緩いガード値から厳しいガード値へ切り替えられてから所定時間が経過した後、前記ガード手段に対してトルク効率のガード値を緩いガード値から厳しいガード値へ切り替えるよう指示することを特徴としている。

第１の発明によれば、目標弁開度或いは目標点火時期の算出過程で用いられる所定中間変数の値に制限を設けることで、各機関要求がどのような値であっても筒内の燃焼条件は燃焼限界内に収めることができる。また、所定中間変数に対する制限は機関要求の時間変化量の大きさに応じて自動的に緩和されるので、内燃機関の動作を決定する所定物理量を速く或いは大きく変化させたいという要求がある場合には、その要求通りの時間変化或いは要求に可能な限り近い時間変化を実現することができる。

第２の発明によれば、所定中間変数の制限とのその制限の緩和を簡素なロジックで実現することができる。また、厳しいガード値から緩いガード値への切り替えは、機関要求の時間変化量と基準量との比較に基づいて行なわれるので、外部から切り替えのための指示情報を供給する必要がないという利点もある。

第３の発明によれば、緩いガード値への切り替えから所定時間が経過したら再び厳しいガード値への切り替えが行なわれるので、緩いガード値が選択されている間に筒内の燃焼条件が一時的に燃焼限界を超えたとしても、それによって内燃機関に無理が生じることを防止することができる。

第４の発明によれば、目標弁開度の算出に使用する要求効率にのみ制限を設けることで、ガード値の切り替えのための複雑なロジックは必要としない。また、目標点火時期の算出に使用するトルク効率には制限を設けないことで、点火時期の設定可能範囲を広く取ることができ、要求トルクの変化に対する高いトルク応答性を実現することができる。

第５の発明によれば、目標点火時期の算出に使用するトルク効率にも制限が設けられ、要求効率のガード値が緩いガード値から厳しいガード値へ切り替えられてから所定時間が経過したら、トルク効率のガード値も緩いガード値から厳しいガード値へ切り替えられる。これにより、トルク効率のガード値が緩められている間に筒内の燃焼条件が一時的に燃焼限界を超えたとしても、それによって内燃機関に無理が生じることを防止することができる。

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。

本実施の形態にかかる内燃機関は、火花点火式の内燃機関であって、その動作を制御するためのアクチュエータとしてスロットル弁、点火装置及び燃料噴射装置を備えている。本実施の形態の制御装置は、いわゆるトルクデマンド制御によって内燃機関を制御するものであり、要求トルクを含む種々の機関要求に基づいて各アクチュエータの制御に用いる目標値、すなわち、目標スロットル開度、目標点火時期及び目標Ａ／Ｆを算出する。なお、ここでいう機関要求とは、内燃機関の動作を決定する物理量の要求値である。内燃機関の動作はトルク、効率及びＡ／Ｆ（空燃比）の３つの物理量によって決定することができることから、機関要求としては要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆが入力される。

本実施の形態の制御装置は、図１のブロック図にて示すように構成されている。図１では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達（主なもの）を矢印で示している。以下、図１を参照して本実施の形態の制御装置の全体の構成と、その特徴について説明する。

本実施の形態の制御装置は、内燃機関に要求されるトルクを取得する要求トルク取得部２と、内燃機関に要求される効率を取得する要求効率取得部４と、内燃機関に要求されるＡ／Ｆを取得する要求Ａ／Ｆ取得部６とを備えている。各要求は車両の駆動系全体を制御する上位の制御装置から発せられている。

本実施の形態の制御装置は、入力された各機関要求（要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆ）と、内燃機関の現在の運転状態に関する機関情報とに基づいて目標スロットル開度、目標点火時期及び目標Ａ／Ｆを算出する。その計算を行うのがトルク実現部１０である。トルク実現部１０は内燃機関の逆モデルにあたり、マップや関数で表された複数の統計モデルや物理モデルで構成されている。内燃機関の逆モデルの構成は、制御装置による内燃機関の制御特性を特徴付けるが、本実施の形態では要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのうち、要求トルクを最優先して実現するような構成とされている。

トルク実現部１０に入力される要求トルクと要求効率とは、直接には目標スロットル開度の計算に用いられる信号となる。また、トルク実現部１０に入力される要求Ａ／Ｆは、直接には目標Ａ／Ｆの計算に用いられる信号となる。内燃機関の動作を制御するためには、これらの信号に加えて目標点火時期の計算に用いる信号が必要であり、トルク実現部１０にはその信号を生成する機能も備えられている。

本実施の形態の制御装置において目標点火時期の計算に用いられる信号はトルク効率である。トルク効率は、内燃機関の推定トルクに対する要求トルクの比として定義される。トルク実現部１０は、トルク効率の算出ための要素として、推定トルク算出部１１２及びトルク効率算出部１１４を備えている。

推定トルク算出部１１２は、現在のスロットル開度から内燃機関のトルクを推定計算する。より詳しくは、現在のスロットル開度で実現できる吸入空気量を吸気系の物理モデルであるエアモデルを用いて計算する。次に、エアモデルで計算した見込みの吸入空気量をトルクマップに照合してトルクに変換する。トルクマップは、トルクと吸入空気量との関係を示す統計モデルであり、吸入空気量を含む複数のパラメータを軸とする多次元マップになっている。各パラメータには現在の機関情報から得られる値が入力される。ただし、点火時期は最適点火時期（ＭＢＴとトレースノック点火時期のうちより遅角側の点火時期）とされている。推定トルク算出部１１２は、見込みの吸入空気量から変換されたトルクを内燃機関の最適点火時期における推定トルクとして算出する。

トルク効率算出部１１４は、トルク実現部１０に入力された要求トルクと、推定トルク算出部１１２で算出された推定トルクとの比をトルク効率として算出する。後述するが、スロットル開度は要求トルクを要求効率で除算して嵩上げした補正要求トルクを実現するように制御される。これは要求効率の分だけ低下するトルクを吸入空気量の増量によって補うためである。ただし、スロットル開度の変化に対する実際の吸入空気量の応答には遅れがあるため、実際に出力可能なトルク（推定トルク）は要求効率の変化に対して応答遅れを有している。推定トルクと要求トルクとの比であるトルク効率は、要求効率と実際の吸入空気量の変化とを共に目標点火時期の計算に反映させるためのパラメータになっている。少なくとも吸入空気量が一定となった定常状態では、理論的には推定トルクは補正要求トルクに一致し、トルク効率は要求効率に一致するようになる。

ところで、車両駆動系の上位制御装置から内燃機関に発せられる要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆは、各々が独立して生成されるものであって他機関要求との関係で実現可能な値かどうかは考慮されていない。このため、各機関要求の大きさの関係によっては筒内の燃焼条件が燃焼限界を超えてしまう可能性がある。そこで、トルク実現部１０には、内燃機関の適正運転が可能になるように、内燃機関の各制御に用いられる信号の大きさを修正する修正部２０が設けられている。修正部２０の構成とその機能に関しては追って詳細に説明する。

修正部２０による処理の結果、アクチュエータを制御するための各目標値の計算に使用される主信号は、修正後の要求トルク、要求効率、要求Ａ／Ｆ及びトルク効率となる。トルク実現部１０は、修正後の要求トルク及び要求効率に基づいて目標スロットル開度を算出する。また。トルク実現部１０は、修正後のトルク効率に基づいて目標点火時期を算出する。また、トルク実現部１０は、修正後の要求Ａ／Ｆを目標Ａ／Ｆとして算出する。

トルク実現部１０は、目標スロットル開度の計算のため、要求トルク補正部１０２、吸入空気量算出部１０４及びスロットル開度算出部１０６を備えている。修正後の要求トルクと要求効率とは、要求トルク補正部１０２に入力される。要求トルク補正部１０２は要求トルクを要求効率で除算して補正し、効率補正後の要求トルクを目標空気量算出部１０４に出力する。修正後の要求効率の値が１よりも小さければ、要求効率による除算によって要求トルクは嵩上げされ、嵩上げされた要求トルクが吸入空気量算出部１０４に供給される。

吸入空気量算出部１０４は、効率補正された要求トルクを吸入空気量に変換する。要求トルクの吸入空気量への変換には空気量マップが用いられる。空気量マップは、トルクと吸入空気量との関係を示す統計モデルであり、トルクを含む複数のパラメータを軸とする多次元マップになっている。各パラメータには現在の機関情報から得られる値が入力される。ただし、点火時期は最適点火時期とされている。吸入空気量算出部１０４は、効率補正された要求トルクから変換された吸入空気量を目標吸入空気量として算出する。

スロットル開度算出部１０６は、目標吸入空気量を実現するためのスロットル開度を算出する。その計算にはエアモデルの逆モデル（以下、エア逆モデル）が用いられる。エアモデルによる計算には、機関回転数やバルブタイミング等の吸入空気量に影響する各種の運転状態に関する機関情報が用いられる。スロットル開度算出部１０６は、目標吸入空気量から変換されたスロットル開度を目標スロットル開度として出力する。

トルク実現部１０は、修正後のトルク効率から目標点火時期を計算するため、点火時期算出部１１６を備えている。点火時期算出部１１６は、修正後のトルク効率から最適点火時期に対する遅角量を計算する。遅角量の計算にはマップ等の統計モデルが用いられる。トルク効率が小さいほど点火遅角量は大きい値に設定される。また、点火時期算出部１１６は、内燃機関の運転状態に基づいて最適点火時期を計算する。点火時期算出部１１６は、点火遅角量を最適点火時期に加算し、得られた最終的な点火時期を目標点火時期として出力する。

以上がトルク実現部１０の基本的な構成に関する説明である。次に、本実施の形態の制御装置にとっての要部である修正部２０の構成とその機能について説明する。

修正部２０は、要求トルク、要求効率、要求Ａ／Ｆ及びトルク効率のそれぞれについて、その値を所定範囲に制限するためのガード部２０２，２１２，２３２，２１４を備えている。要求トルク、要求効率、要求Ａ／Ｆ及びトルク効率は、何れもトルク実現部１０の内部で使用される中間変数である点で共通している。各ガード部２０２，２１２，２３２，２１４に設定されているガード値は可変であり、内燃運転状態に応じて適宜の値がセットされる。

要求トルクガード部２０２にセットされるガード値は、トルク限界値マップ２０４から読み込まれる。トルク限界値マップ２０４には、燃焼限界に対応するトルクの値が機関回転数等に関連付けて記憶されている。また、要求Ａ／Ｆガード部２３２にセットされるガード値は、Ａ／Ｆ限界値マップ２３４から読み込まれる。Ａ／Ｆ限界値マップ２３２には、燃焼限界に対応するＡ／Ｆの値が機関回転、要求トルク、要求効率等に関連付けて記憶されている。

要求効率ガード部２１２とトルク効率ガード部２１４とには、同一のガード値がセットされる。修正部２０は、これらのガード部２１２，２１４のために、ガード値の設定に用いる効率限界値マップを２種類用意している。２つの効率限界値マップ２１８，２２０は、効率のガード値が機関回転数等に関連付けて記憶されている点では共通するが、２つの効率限界値マップ２１８，２２０の間にはガード値の設定に差が設けられている。

図２は２つの効率限界値マップ２１８，２２０を比較して示す図である。図２では効率のガード値（下限値）と機関回転数との関係について示している。図２において、同一の機関回転数で比較した場合、より高いガード値、すなわち、より厳しいガード値をとるのが第１の効率限界値マップ２１８である。第１の効率限界値マップ２１８では、ドラビリ限界に対応する効率の値がガード値として設定されている。ドラビリ限界とは効率の値がそれ以上であれば良好なドライバビリティを維持することが可能であって、長時間使用しても内燃機関の耐久性に影響を与えることがない限界値である。ドラビリ限界は理論上の燃焼限界に対応している。以下、ドラビリ限界を長時間限界という。

これに対して、同一の機関回転数で比較した場合、より低いガード値、すなわち、より緩いガード値をとるのが第２の効率限界値マップ２２０である。この効率限界値マップ２２０では、理論上の燃焼限界を超えたＯＴ限界に対応する効率の値がガード値として設定されている。ＯＴ限界とは、長時間使用すると過熱によって内燃機関の耐久性に支障をきたしてしまうものの、短時間（例えば５００ｍｓｅｃ程度）であるならば使用が可能な限界値である。以下、ＯＴ限界を短時間限界という。

修正部２０は、使用する効率限界値マップ２１８，２２０を選択するための選択部２１６と、選択部２１６に対して選択の切り替えを指示する切り替え指示部２２２とを備えている。選択部２１６は、切り替え指示部２２２からの指示に従って２つの効率限界値マップ２１８，２２０の何れか一方を選択する。要求効率ガード部２１２及びトルク効率ガード部２１４には、選択部２１６によって選択されたマップから読み込まれたガード値がセットされる。

切り替え指示部２２２は、次のような切り替え規則にしたがって選択の切り替えを指示する。まず、選択部２１６による基本の選択は、第１の効率限界値マップ２１８とされている。つまり、基本的には、長時間限界に対応する厳しいガード値によって、要求効率及びトルク効率の各制限が行なわれるようになっている。

第１の効率限界値マップ２１８から第２の効率限界値マップ２２０への選択の切り替えは、次のいずれかの切替条件が成立した場合にのみ行なわれる。
（１）要求トルクの所定時間あたりの変化量が所定の切替基準量を超えていること。
（２）要求効率の所定時間あたりの変化量が所定の切替基準量を超えていること。
つまり、トルクや効率を速く或いは大きく変化させたいという要求がある場合に、長時間限界に対応する厳しいガード値から短時間限界に対応する緩いガード値への切り替えが行なわれる。この場合、切り替えの判定に必要な情報は要求トルクと要求効率のみであるので、トルク実現部１０の外部から切り替えのための指示情報を供給する必要はない。

そして、第２の効率限界値マップ２２０への切り替え後、所定時間が経過した時点で、再び第１の効率限界値マップ２１８への切り替えが行なわれる。前記の所定時間は、短時間限界に対応するガード値を連続使用することが可能な時間である。緩いガード値が選択されているときには、その間に筒内の燃焼条件が一時的に燃焼限界を超えてしまう可能性があるが、連続使用可能時間を越える前に再び厳しいガード値に切り替えられることで、内燃機関に無理が生じることを防止することができる。また、この場合も、トルク実現部１０の外部から切り替えのための指示情報を供給する必要はない。

以上のような切り替え規則に従って切り替え指示部２２２が動作した結果の一例を図３に示す。図３には、その最上段から順に、要求トルク、要求効率、トルク効率、効率ガード値、スロットル開度、点火時期の各時間変化を示している。また、図３には（Ａ）と（Ｂ）の二例を示している。

まず、（Ａ）の例について説明すると、この例では、トルク実現部１０に入力される要求トルクが急激に低下したときの動作を示している。要求効率には変化は無い。要求トルクが急低下することで前述の切替条件が成立する。これにより、要求効率ガード部２１２及びトルク効率ガード部２１４にセットされる効率ガード値は、長時間限界に対応する厳しいガード値から短時間限界に対応する緩いガード値に切り替えられる。

また、要求トルクの変化を実現するようにスロットル開度が変化するが、吸入空気量はスロットル開度の変化に遅れて変化する。このため、吸入空気量から算出される推定トルクと要求トルクとの比であるトルク効率は、要求トルクの急低下に合わせて一時的に急低下することになる。

このとき、もし、トルク効率ガード部２１４の効率ガード値が長時間限界に対応する厳しいガード値になっていれば、トルク効率の急低下は効率ガード値によって制限されることになる。その場合には、点火時期の遅角量が不十分になって実際のトルクを要求トルクどおりに下げることができなくなる。

この点に関して本実施の形態では、前述のように、トルク効率ガード部２１４の効率ガード値は、要求トルクの急低下に合わせて短時間限界に対応する緩いガード値に切り替えられている。このため、トルク効率の値が効率ガード値によって制限されることはなく、要求トルクと推定トルクとのトルク差を補償するように点火時期を十分に遅角させることが可能になる。

その後、効率ガード値が短時間限界に対応する緩いガード値に切り替えられてから所定時間（ここでは５００ｍｓｅｃ）が経過した時点で、効率ガード値は再び長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替えられる。

次に、（Ｂ）の例について説明すると、この例では、トルク実現部１０に入力される要求トルクと要求効率とがともに一時的に急激に低下したときの動作を示している。要求トルクと要求効率とがともに急低下することで前述の切替条件が成立する。これにより、要求効率ガード部２１２及びトルク効率ガード部２１４にセットされる効率ガード値は、長時間限界に対応する厳しいガード値から短時間限界に対応する緩いガード値に切り替えられる。

ここでは、要求トルクの低下に合わせて要求効率も低下させることで、目標吸入空気量の算出の基礎となる効率補正後の要求トルクを一定に保っている。その結果、要求トルクの変化の前後において目標吸入空気量は一定となり、スロットル開度は一定に保たれることになる。また、この場合、スロットル開度から算出される推定トルクも一定になることから、推定トルクと要求トルクとの比であるトルク効率は、要求トルクの変化に合わせて変化することになる。

ここで、もし、要求効率ガード部２１２の効率ガード値が長時間限界に対応する厳しいガード値のままであると、要求効率の急低下は効率ガード値によって制限されることになる。その場合、要求効率による要求トルクの嵩上げが不十分になって、要求トルクの変化の前後において目標吸入空気量は一時的に減少し、それに応じてスロットル開度も一時的に閉じ側に変化することになる。スロットル開度が一時的に閉じ側に変化することで、それに基づき算出される推定トルクも一時的に減少することになる。その結果、推定トルクと要求トルクとの比であるトルク効率の減少側への変化は小さくなり、トルク効率に応じて算出される点火遅角量は小さくなる。つまり、実際の効率を要求通りに下げることができなくなる。

一方、トルク効率ガード部２１４の効率ガード値が長時間限界に対応する厳しいガード値のままであると、トルク効率の減少側への変化は効率ガード値によって制限されることになる。その場合には、点火時期の遅角量が不十分になって実際のトルクを要求トルクどおりに下げることができなくなってしまう。

これらの点に関して本実施の形態では、前述のように、要求効率ガード部２１２及びトルク効率ガード部２１４の効率ガード値は、要求トルク及び要求効率の一時的な低下に合わせて短時間限界に対応する緩いガード値に一時的に切り替えられる。このため、要求トルクとトルク効率の何れの値も効率ガード値によって制限されることはなく、要求通りのトルクと効率とを内燃機関に実現させることが可能になる。

この例でも、効率ガード値が短時間限界に対応する緩いガード値に切り替えられてから所定時間が経過した時点で、効率ガード値は再び長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替えられる。

上述のような構成及び機能を有する修正部２０によれば、要求トルク、要求効率、要求Ａ／Ｆ及びトルク効率のそれぞれに対してガード部２０２，２１２，２３２，２１４が設けられることで、入力される要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆの各値がどのようであっても、筒内の燃焼条件は燃焼限界内に収めることができる。また、要求効率及びトルク効率を制限するガード値は要求トルクや要求効率の時間変化量の大きさに応じて自動的に緩和されるので、トルクや効率を速く或いは大きく変化させたいという要求がある場合には、その要求通りの時間変化或いは要求に可能な限り近い時間変化を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態１について説明した。実施の形態１には、本発明のうち第１、第２及び第３の発明が具現化されている。詳しくは、図１に示す構成において、要求トルク取得部２、要求効率取得部４及び要求Ａ／Ｆ取得部６は第１の発明の「要求取得手段」に相当し、要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆは「機関要求」に該当する。トルク実現部１０は第１の発明の「目標値算出手段」に相当する。また、要求効率ガード部２１２及びトルク効率ガード部２１４と２つの効率限界マップ２１８，２２０とにより第１及び第２の発明の「ガード手段」が構成され、要求効率及びトルク効率は「所定の中間変数」に該当する。また、選択部２１６及び切り替え指示部２２２により第１，第２及び第３の発明の「ガード緩和手段」が構成されている。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図１、図４及び図５を用いて説明する。

本実施の形態の制御装置の全体の構成は、実施の形態１と同じく、図１のブロック図にて示される。ただし、本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置とは、制御装置を構成する一要素である修正部２０の構成に違いが有る。本実施の形態にかかる修正部２０の要部の構成を示したのが図４のブロック図である。つまり、本実施の形態の制御装置の構成は、図１に示す構成の一部を図４に示す構成に置き換えたものになっている。以下、図１とともに図４を参照して本実施の形態の特徴である修正部２０の構成について説明する。

本実施の形態にかかる修正部２０は、トルク効率の値を制限するためのガード部を備えていない。一方、要求効率の値を制限するための要求効率ガード部２１２は備えられている。切り替え指示部２２２からの指示に従って２つの効率限界値マップ２１８，２２０の何れか一方が選択部２１６によって選択され、選択されたマップから読み込まれた効率ガード値が要求効率ガード部２１２にセットされる。

図４に示す構成によれば、目標スロットル開度の算出に使用する要求効率にのみガード部２１２が設けられることで、ガード値の切り替えのための複雑なロジックが不要になるという利点がある。また、目標点火時期の算出に使用するトルク効率には制限を設けないことで、点火時期の設定可能範囲を広く取ることができ、要求トルクの変化に対する高いトルク応答性を実現することができるという利点もある。

図５は、本実施の形態にかかる修正部２０において、切り替え指示部２２２が動作した結果の一例を示した図である。なお、切り替え指示部２２２が従う切り替え規則は、実施の形態１で説明した通りである。図５には、その最上段から順に、推定トルク及び要求トルク、要求効率、要求効率ガード値、スロットル開度、点火時期の各時間変化を示している。

図５に示す例では、要求効率ガード部２１２の効率ガード値が短時間限界に対応する緩いガード値から長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替えられたときの動作を示している。ここでは、要求効率ガード部２１２に入力される要求効率の値ａ１は短時間限界に対応する効率ガード値よりも低くなっているとする。この場合、効率ガード値が切り替えられる以前は、短時間限界に対応する効率ガード値が要求効率ガード部２１２から出力される要求効率の値ａ２となる。そして、効率ガード値が切り替えられた後は、長時間限界に対応する効率ガード値が要求効率ガード部２１２から出力される要求効率の値ａ２となる。つまり、効率ガード値が切り替えられる前後において要求効率の値ａ２は急変する。要求効率の値ａ２の急変は、要求効率を用いて算出される目標スロットル開度に反映され、さらには、スロットル開度に基づいて算出される推定トルクの値に反映される。推定トルクが変化することで、推定トルクと要求トルクとの比であるトルク効率も変化することになる。

このとき、もし、要求効率に掛けられているのと同じ効率ガード値がトルク効率にも掛けられているならば、効率ガード値が長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替えられた時点で、トルク効率の値は急増することになる。トルク効率が急増すれば点火時期は急に進角されることになり、しかも点火時期はトルク応答性に優れているので、突然のトルクの増大によってトルク段差が発生してしまう。

この点に関して本実施の形態では、前述のように、効率ガード値によるトルク効率の値の制限は行なわれない。したがって、効率ガード値が切り替えられた前後においてトルク効率の値が急変することはない。この場合、トルク効率は推定トルクの低下に伴って増大し、点火時期は推定トルクと要求トルクとの差の縮小に合わせて進角側に戻されていく。

以上、本発明の実施の形態２について説明した。実施の形態２には、本発明のうち第１、第２、第３及び第４の発明が具現化されている。詳しくは、図１に示す構成において、要求トルク取得部２及び要求効率取得部４は第４の発明の「要求取得手段」に相当し、トルク実現部１０は第４の発明の「目標値算出手段」に相当する。また、図４に示す構成において、要求効率ガード部２１２と２つの効率限界マップ２１８，２２０とにより第４の発明の「ガード手段」が構成されている。また、選択部２１６及び切り替え指示部２２２により第４の発明の「ガード緩和手段」が構成されている。なお、実施の形態２の第１、第２及び第３の発明との対応関係については実施の形態１のそれと同じである。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図１、図６及び図７を用いて説明する。

本実施の形態の制御装置の全体の構成は、実施の形態１と同じく、図１のブロック図にて示される。ただし、本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置とは、制御装置を構成する一要素である修正部２０の構成に違いが有る。本実施の形態にかかる修正部２０の要部の構成を示したのが図６のブロック図である。つまり、本実施の形態の制御装置の構成は、図１に示す構成の一部を図６に示す構成に置き換えたものになっている。以下、図１とともに図６を参照して本実施の形態の特徴である修正部２０の構成について説明する。

本実施の形態にかかる修正部２０は、要求効率の値を制限するための要求効率ガード部２１２と、トルク効率の値を制限するためのトルク効率ガード部２１４とを備えている点では実施の形態１と共通する。ただし、これらのガード部２１２，２１４にガード値を設定する選択部２１６の機能に違いがある。

本実施の形態にかかる選択部２１６は、要求効率ガード部２１２の効率ガード値を短時間限界に対応する緩いガード値から長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替えた後、所定時間が経過してから、トルク効率ガード部２１４の効率ガード値を短時間限界に対応する緩いガード値から長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替える。つまり、要求効率ガード部２１２とトルク効率ガード部２１４との間で、緩いガード値から厳しいガード値への切り替えに時間差を設けている。切り替えのための時間差は、要求トルクに対する推定トルクの応答遅れ時間に合わせて設定されている。

本実施の形態を実施の形態２と比較した場合、本実施の形態には次のような利点がある。実施の形態２によれば、目標点火時期の算出に使用するトルク効率には効率ガード値による制限を施さないことで、効率ガード値の切り替えにともなうトルク段差の発生を防止することができる。しかし、トルク効率の値が燃焼限界を超えた状態を許容することになるため、場合によっては内燃機関に無理が生じてしまう可能性がある。これに対して本実施の形態によれば、トルク効率にも効率ガード値による制限が施されることで、トルク効率の値が長時間にわたって燃焼限界を超えることは防止される。さらに、トルク効率ガード部２１４の効率ガード値が切り替えられるのは、要求効率ガード部２１２の効率ガード値が切り替えられた後であるので、その時間差内においてトルク効率は要求効率に追従して変化する。これにより、効率ガード値が切り替えられた時点においては、トルク効率の値と切り替え後の厳しいガード値との差は縮小されており、切り替えにともなうトルク段差の発生は抑えられる。

図７は、本実施の形態にかかる修正部２０において、切り替え指示部２２２が動作した結果の一例を示した図である。なお、切り替え指示部２２２が従う切り替え規則は、実施の形態１で説明した通りである。図７には、その最上段から順に、推定トルク及び要求トルク、要求効率、トルク効率、要求効率ガード値、トルク効率ガード値、スロットル開度、点火時期の各時間変化を示している。

図７に示す例では、要求効率ガード部２１２の効率ガード値ｃが短時間限界に対応する緩いガード値から長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替えられたときの動作を示している。ここでは、要求効率ガード部２１２に入力される要求効率の値ａ１は短時間限界に対応する効率ガード値ｃよりも低いとする。この場合、効率ガード値ｃが切り替えられる以前は、短時間限界に対応する効率ガード値が要求効率ガード部２１２から出力される要求効率の値ａ２となる。そして、効率ガード値が切り替えられた後は、長時間限界に対応する効率ガード値が要求効率ガード部２１２から出力される要求効率の値ａ２となる。つまり、効率ガード値ｃが切り替えられる前後において要求効率の値ａ２は急変する。

要求効率の値ａ２の急変は、要求効率を用いて算出される目標スロットル開度に反映され、さらには、スロットル開度に基づいて算出される推定トルクの値に反映される。推定トルクが変化することで、推定トルクと要求トルクとの比であるトルク効率ｂも変化することになる。トルク効率ｂは要求効率に追従して変化し、やがて、長時間限界に対応する効率ガード値に収束する。

要求効率ガード部２１２の効率ガード値ｃが切り替えられた後、所定時間が経過した時点で、トルク効率ガード部２１４の効率ガード値ｄが短時間限界に対応する緩いガード値から長時間限界に対応する厳しいガード値に切り替えられる。要求トルクに対する推定トルクの応答遅れ時間に合わせて切り替えの時間差が設けられているので、この時点でのトルク効率ｂは略長時間限界に対応する効率ガード値に収束している。したがって、効率ガード値ｄの切り替えによって発生するトルク段差は無いか、或いは極めて小さいものに抑えられている。

以上、本発明の実施の形態３について説明した。実施の形態３には、本発明のうち第１、第２、第３、第４及び第５の発明が具現化されている。詳しくは、図６に示す構成において、要求効率ガード部２１２及びトルク効率ガード部２１４と２つの効率限界マップ２１８，２２０とにより第５の発明の「ガード手段」が構成されている。また、選択部２１６及び切り替え指示部２２２により第５の発明の「ガード緩和手段」が構成されている。なお、実施の形態３の第１、第２、第３及び第４の発明との対応関係については実施の形態１のそれと同じである。

その他．
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。例えば、上述の実施の形態では、吸入空気量を調整する吸気量調整弁としてスロットル弁を用いているが、可変動弁機構付の吸気弁を用いてもよい。その場合の吸気量調整弁の目標弁開度とは、吸気弁のリフト量或いは作用角の目標値である。

また、上述の実施の形態では効率限界値マップを２種類用意しているが、より多くのマップを用意して要求トルクや要求効率の時間変化量に応じて切り替えるようにしてもよい。或いは、要求トルクや要求効率の時間変化量に応じてガード値を連続的に変化させるようにしてもよい。

さらに、上述の実施の形態では要求効率とトルク効率の各ガード値を切り替えているが、それと併せて或いはそれに代えて、要求Ａ／Ｆのガード値を切り替えるようにしてもよい。また、要求効率やトルク効率或いは要求Ａ／Ｆ以外の中間変数にガードを設けて、そのガード値を機関要求値の時間変化量に応じて緩和させるようにしてもよい。

本発明の実施の形態１としての内燃機関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１にかかる２つの効率限界値マップを比較して示す図である。 本発明の実施の形態１にかかる修正部において、切り替え指示部が動作した結果の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる修正部の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる修正部において、切り替え指示部が動作した結果の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる修正部の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかる修正部において、切り替え指示部が動作した結果の一例を示す図である。

符号の説明

２ 要求トルク取得部
４ 要求効率取得部
６ 要求Ａ／Ｆ取得部
１０ トルク実現部
２０ 修正部
１０２ 要求トルク補正部
１０４ 吸入空気量算出部
１０６ スロットル開度算出部
１１２ 推定トルク算出部
１１４ トルク効率算出部
１１６ 点火時期算出部
２０２ 要求トルクガード部
２０４ トルク限界値マップ
２１２ 要求効率ガード部
２１４ トルク効率ガード部
２１６ 選択部
２１８ 効率限界値マップ（長時間限界）
２２０ 効率限界値マップ（短時間限界）
２２２ 切り替え指示部
２３２ 要求Ａ／Ｆガード部
２３４ Ａ／Ｆ限界値マップ

Claims (5)

1. 吸入空気量を調整する吸気量調整弁の開度と点火時期とによって動作を制御される内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の動作を決定する複数の所定物理量に関する要求（以下、機関要求）を取得する要求取得手段と、
   取得した各機関要求と前記内燃機関の現在の運転状態とに基づいて、取得した各機関要求が前記内燃機関で実現されるための目標弁開度及び目標点火時期を算出する目標値算出手段と、
   目標弁開度及び目標点火時期によって決まる筒内の燃焼条件が燃焼限界内に収まるように、各機関要求から目標弁開度或いは目標点火時期が算出される過程で用いられる所定の中間変数の値に制限を設けるガード手段と、
   少なくも１つの機関要求についてその時間変化量を計算し、算出した時間変化量の大きさに応じて前記ガード手段による制限を緩和させるガード緩和手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ガード手段は、前記所定中間変数の値を制限するためのガード値として厳しいガード値と緩いガード値とを有しており、
   前記ガード緩和手段は、算出した時間変化量が基準量を越えるときには、前記ガード手段に対して厳しいガード値から緩いガード値への切り替えを指示す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。
3. 前記ガード緩和手段は、緩いガード値への切り替えから所定時間が経過した後は、前記ガード手段に対して再び厳しいガード値への切り替えを指示することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記要求取得手段は、機関要求として要求トルクと要求効率とを取得し、
   前記目標値算出手段は、取得した要求トルクと要求効率とから目標弁開度を算出するとともに、要求トルクと現在の弁開度から推定されるトルクとの比であるトルク効率に基づいて目標点火時期を算出し、
   前記ガード手段は、目標弁開度の算出に使用する要求効率を前記所定中間変数としてその値に制限を設けていて、
   前記ガード緩和手段は、前記要求取得手段によって取得された要求トルク或いは要求効率の時間変化量の大きさに応じて前記ガード手段による制限を緩和させることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記ガード手段は、目標弁開度の算出に使用する要求効率と、目標点火時期の算出に使用するトルク効率とをそれぞれ前記所定中間変数としてそれら各値に制限を設けていて、
   前記ガード緩和手段は、要求効率のガード値が緩いガード値から厳しいガード値へ切り替えられてから所定時間が経過した後、前記ガード手段に対してトルク効率のガード値を緩いガード値から厳しいガード値へ切り替えるよう指示することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。

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