JP5382240B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給機付き内燃機関の制御装置であって、吸気通路内を流れる空気の挙動を表す物理モデルを用いた計算によって目標吸入空気量を実現するための目標スロットル開度を計算する制御装置に関する。

一般に、内燃機関の吸入空気量は吸気管圧力で調整することができる。吸気管圧力はスロットルを通過する空気の流量によって決まる。そして、スロットル通過流量は、スロットルの上流圧力と下流圧力との差圧と、スロットルの開度（すなわち、開口面積）とによって決まる。このような関係から導き出された物理モデルが下記の式（１）である。式（１）は、スロットル通過流量ｍ_ｔと、スロットル開度ＴＡ、スロットル上流圧力Ｐ_ａｃ及びスロットル下流圧力Ｐ_ｍとの関係を示す絞りの式である。式（１）におけるＫは流量係数を含む係数、Ｂはスロットル開度がＴＡの時の開口面積、Φは圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの関数（圧力比項）である。

上記の絞りの式を変形することで下記の式（２）を得ることができる。この式（２）によれば、スロットル通過流量ｍ_ｔと圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃとから目標とするスロットル開度ＴＡを算出することができる。このような物理モデルを用いた計算によって目標スロットル開度を算出する手法は、例えば、特開２００７−２０５１９４号公報に記載されているように、従来広く知られた手法である。

式（２）を用いた目標スロットル開度の計算方法は、過給機付きの内燃機関にも適用することができる。その場合、パラメータの一つである圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃは、コンプレッサの回転数によって決まるスロットル上流圧力Ｐ_ａｃ、すなわち過給圧によって左右されることになる。過給圧の設定方法にはいくつかの方法があるが、燃費を最優先と考えるのであれば、スロットルはなるべく全開近くまで開き、過給圧とスロットル下流圧力すなわち吸気管圧力とがほぼ等しくなるよう設定するのが好ましい。

ところが、スロットルの上流圧力と下流圧力との差が小さい状況では、過給機による過給状態が変化した場合にスロットルがハンチングしてしまうことがある。これは、式（２）の圧力比項Φと圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃとの間には図４に示すような関係が成り立つためである。この図に示すように、スロットルの上流圧力と下流圧力との差圧が小さい領域、すなわち、圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの値が１に近い領域では、圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの微小変化に対して圧力比項Φの値が大きく変化する。その結果、スロットル開度の計算値が振動的に変化することになって、スロットルのハンチングが発生してしまうのである。このようなスロットルのハンチングは、スロットルを全開近くまで開いていない場合にも生じうる。過給圧の変化にはラグがあるため、過渡的にスロットルの上流圧力と下流圧力とが等しくなる場合があるためである。

特許文献１：特開２００７−２０５１９４号公報
特許文献２：特開２００６−２７４９９３号公報
特許文献３：特開２００５−１８８３３５号公報

本発明は、過給機付き内燃機関において、スロットル上流圧力とスロットル下流圧力とが略等しくなる領域でのスロットルのハンチングを防止することを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のような過給機付き内燃機関の制御装置を提供する。

本発明が提供する内燃機関の制御装置は、目標吸入空気量の実現に必要なスロットル通過流量を計算し、そして、スロットル通過流量の実現に必要なスロットル開度を絞りの式を用いて計算する。その計算のために、コンプレッサからスロットルまでの吸気通路内の空気の圧力であるスロットル上流圧力と、スロットルから吸気弁までの吸気通路内の空気の圧力であるスロットル下流圧力とがそれぞれ取得される。本制御装置は、取得したスロットル上流圧力とスロットル下流圧力との比をパラメータとして、絞りの式によるスロットル開度の計算を実行する。

本制御装置は、絞りの式を用いて計算されたスロットル開度に基づいて目標スロットル開度を決定し、目標スロットル開度に従ってスロットルの動作を制御する。しかし、所定の緩和条件が全て満たされた場合には、絞りの式を用いて計算されたスロットル開度の信号を処理してその変化速度を緩和させ、変化速度を緩和されたスロットル開度を目標スロットル開度として決定する。その緩和条件には、取得したスロットル上流圧力とスロットル下流圧力との比の値が１に近いこと、詳しくは、圧力比の値の“１”に対する偏差の大きさが所定値以下であることが含まれている。つまり、本制御装置は、圧力比の微小変化に対して絞りの式の圧力比項の値が大きく変化する領域では、スロットル開度の変化を意図的に抑えるようにする。これにより、スロットル上流圧力とスロットル下流圧力とが略等しくなる領域でのスロットルのハンチングは未然に防止される。一方、緩和条件が満たされていない場合には、絞りの式を用いて計算されたスロットル開度がそのまま目標スロットル開度として決定される。つまり、スロットルのハンチングが生じ難い領域では、スロットル開度の変化を意図的に抑えることは行わない。これにより、スロットル開度の的確な制御によって目標吸入空気量の実現精度を高く保つことが可能となる。

前述の緩和条件には、さらに、目標吸入空気量の所定時間あたりの変化量が所定値以下であることが含まれていてもよい。つまり、前述の圧力比の値が１に近い場合であっても、目標吸入空気量が大きく変化しているのであれば、絞りの式を用いて計算されたスロットル開度をそのまま目標スロットル開度として決定してもよい。目標吸入空気量が大きく変化しているのであれば、それに合わせて目標スロットル開度も一方向に大きく変化することになる。したがって、この場合は、スロットル開度の変化速度を緩和しなくともスロットルのハンチングは生じ難い。また、スロットル開度の変化速度を緩和しないことで、大きく変化している目標吸入空気量を精度良く実現することが可能となる。

スロットル開度の変化速度を緩和する手段としては、ローパスフィルタを用いることができる。絞りの式を用いて算出されたスロットル開度の信号をローパスフィルタによって処理することによって、スロットル開度の変化速度を緩和させることができる。また、ローパスフィルタの時定数を調整することによって、スロットル開度の変化速度の緩和の程度を変えることができる。したがって、スロットルのハンチングの防止と目標吸入空気量の実現精度との両立を目指すならば、目標吸入空気量の所定時間あたりの変化量が大きいほどローパスフィルタの時定数を小さくすればよい。

本発明の実施の形態の制御装置で用いられているスロットル開度計算モデルを示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態のスロットル開度計算モデルにおけるローパスフィルタの時定数の決め方を説明するための図である。 本発明の実施の形態の制御装置による効果を説明するための図である。 絞りの式の圧力比項Φと圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃとの間に成り立つ関係について示す図である。

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本実施の形態の制御装置は、過給機付き内燃機関に適用される。本制御装置の適用対象となる内燃機関は、スロットルによる空気量の調整によってトルクを制御することのできる４サイクルレシプロエンジンである。本実施の形態において内燃機関に設けられる過給機は、吸気通路に配置されたコンプレッサを排気通路に配置されたタービンの回転によって駆動するターボ式の過給機である。

本制御装置は、内燃機関に備えられるＥＣＵの一機能として実現される。詳しくは、メモリに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで、ＥＣＵは制御装置として機能する。ＥＣＵが制御装置として機能する場合、ＥＣＵは、プログラムされている計算モデルを用いて目標吸入空気量を実現するための目標スロットル開度を計算し、目標スロットル開度に従ってスロットルの動作を制御する。

図１は、本実施の形態で用いられるスロットル開度の計算モデルを示す機能ブロック図である。このスロットル開度計算モデルは、サブモデルである吸気弁逆モデルＭ１、吸気管逆モデルＭ２、スロットル逆モデルＭ３及び吸気系モデルＭ４を含んでいる。また、このスロットル開度計算モデルは、ローパスフィルタＬＰＦとスイッチＳＷを含んでいる。以下、本実施の形態のスロットル開度計算モデルに含まれる各要素の内容について説明する。なお、各要素のうちサブモデルＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４の内容については公知であるので、ここではその概略についてのみ示すものとする。

吸気弁逆モデルＭ１は、吸入空気量と吸気管圧力との関係について調べた実験ベースのモデルである。実験で得られた経験則により、吸気弁逆モデルＭ１においては吸入空気量と吸気管圧力との関係が直線で近似されている。吸気弁逆モデルＭ１に目標吸入空気量ＫＬＴを入力することによって、それを実現するための吸気管圧Ｐ_ｍｔＴが算出される。

吸気管逆モデルＭ２は、吸気管内の空気に関する保存則、具体的には、エネルギー保存則と流量保存則とに基づいて構築された物理モデルである。吸気管逆モデルＭ２では、スロットルを通過する空気の流量と吸気管圧との関係が数式で表されている。吸気管逆モデルＭ２に目標とする吸気管圧Ｐ_ｍｔＴと現在の推定吸気管圧Ｐ_ｍＡとの差圧ΔＰ_ｍＴを入力することによって、それを実現するためのスロットル通過流量ｍ_ｔＴが算出される。

スロットル逆モデルＭ３は、スロットル通過流量とスロットル開度との関係を数式で表した計算モデルである。具体的には前述の式（２）、すなわち、絞りの式がスロットル逆モデルＭ３として用いられる。式（２）のパラメータの一つである圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃは、スロットル上流圧力である過給圧Ｐ_ａｃとスロットル下流圧力である吸気管圧Ｐ_ｍとの比である。この圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの計算に用いる過給圧Ｐ_ａｃ及び吸気管圧Ｐ_ｍは、それぞれ実測値でもよいしモデルを用いた計算値でもよい。スロットル逆モデルＭ３に目標とするスロットル通過流量ｍ_ｔＴを入力し、かつ、パラメータである圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの値を入力することによって、目標スロットル通過流量ｍ_ｔＴを実現するためのスロットル開度ＴＡが算出される。

吸気系モデルＭ４は、前述の吸気管逆モデルＭ２及びスロットル逆モデルＭ３の各順モデルを統合して得られる計算モデルである。吸気系モデルＭ４に目標とするスロットル開度ＴＡＴを入力することによって、それにより実現される吸気管圧Ｐ_ｍＡの推定値が算出される。吸気系モデルＭ４で算出された推定吸気管圧Ｐ_ｍＡは、吸気弁逆モデルＭ１によって算出された吸気管圧Ｐ_ｍｔＴとの差圧ΔＰ_ｍＴの計算に用いられる。

ローパスフィルタＬＰＦ及びスイッチＳＷは、目標スロットル開度ＴＡＴの決定のために用いられる。スロットル逆モデルＭ３から出力されるスロットル開度ＴＡの信号は２つに複製され、一方のスロットル開度ＴＡの信号はローパスフィルタＬＰＦを通されてからスイッチＳＷに入力される。もう一方のスロットル開度ＴＡの信号はそのままスイッチＳＷに入力される。ローパスフィルタＬＰＦは、例えば一次遅れフィルタであって、スロットル開度ＴＡの変化速度を緩和するために設けられている。スイッチＳＷは、入力されるスロットル開度ＴＡの信号の何れか一方、すなわち、変化速度を緩和されたスロットル開度ＴＡとオリジナルのスロットル開度ＴＡのどちらか一方を選択する。そして、スイッチＳＷによって選択されたスロットル開度ＴＡが最終的な目標スロットル開度ＴＡＴとして決定される。

スイッチＳＷは、前述の圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの値に基づいて信号の切り替えを行うように構成されている。本実施の形態では、圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの値の“１”に対する偏差の大きさが所定値（例えば０．０５）以下かどうかによって、圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの微小変化に対して式（２）の圧力比項Φの値が大きく変化する領域か否かが判断される。圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの値の“１”に対する偏差の大きさが所定値以下である場合には、スイッチＳＷはローパスフィルタＬＰＦで処理されたスロットル開度ＴＡを選択し、それを最終的な目標スロットル開度ＴＡＴとして決定する。逆に、圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの値の“１”に対する偏差の大きさが所定値を超えている場合には、スイッチＳＷはスロットル逆モデルＭ３から出力されるオリジナルのスロットル開度ＴＡを選択し、それを最終的な目標スロットル開度ＴＡＴとして決定する。

ローパスフィルタＬＰＦは、その時定数を変更できるように構成されている。図２は、ローパスフィルタＬＰＦの時定数の決め方を説明するための図である。この図に示すように、時定数は目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間（たとえば、制御装置の時間ステップ）あたりの変化量に応じて変更される。詳しくは、目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間あたりの変化量が大きいほど、ローパスフィルタＬＰＦの時定数は小さくされる。スロットル開度ＴＡの信号はローパスフィルタＬＰＦを通ることでその変化速度を緩和されるが、その緩和の程度は時定数の大きさによって決まる。ローパスフィルタＬＰＦの時定数が大きければ、スロットル開度ＴＡの変化速度は大きく緩和されることになる。逆に、ローパスフィルタＬＰＦの時定数が小さければ、スロットル開度ＴＡの変化速度は僅かに緩和されるにとどまることになる。なお、図２には示されていないが、目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間あたりの変化量がある閾値を越える範囲では、時定数の値はゼロに固定される。つまり、目標吸入空気量ＫＬＴがある程度大きく変化しているのであれば、スロットル開度ＴＡの変化速度を緩和することは行われない。

以上のように構成される本実施の形態の制御装置によれば、図３にチャートで示すような制御結果を得ることができる。図３の最上段のチャートには、目標吸入空気量ＫＬＴと実際の吸入空気量ＫＬＡの各時間変化が示されている。２段目のチャートには、スロットル上流圧である過給圧Ｐ_ａｃの時間変化が示されている。３段目のチャートには、目標吸気管圧Ｐ_ｍｔＴと推定吸気管圧Ｐ_ｍＡの各時間変化が示されている。そして、最下段のチャートには、スロットル逆モデルＭ３で算出されたスロットル開度ＴＡと最終的な目標スロットル開度ＴＡＴの各時間変化が示されている。この図に示すように、スロットルが開いて過給圧Ｐ_ａｃが立ち上がると、スロットル逆モデルＭ３で算出されるスロットル開度ＴＡの値は振動的になる。センサノイズ等の影響による圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの微小変化に対して式（２）の圧力比項Φの値が大きく変化するためである。しかし、本実施の形態の制御装置によれば、そのような領域ではスイッチＳＷが切り替えられ、ローパスフィルタＬＰＦによって変化速度を緩和されたスロットル開度ＴＡが目標スロットル開度ＴＡＴとして用いられる。これによりスロットル開度の変化を意図的に抑えることができ、ハンチングの発生は未然に防止される。

一方、圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの微小変化に対する圧力比項Φの値の変化が大きくない領域では、ローパスフィルタＬＰＦで処理されていないオリジナルのスロットル開度ＴＡがそのまま目標スロットル開度ＴＡＴとして用いられる。つまり、スロットルのハンチングが生じ難い領域では、スロットル開度の変化を意図的に抑えることは行わない。これにより、スロットル開度の的確な制御によって目標吸入空気量ＫＬＴを精度良く実現することができる。

さらに、本実施の形態の制御装置によれば、ローパスフィルタＬＰＦは、目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間あたりの変化量が大きいほど、その時定数を小さくされる。これにより、圧力比Ｐ_ｍ／Ｐ_ａｃの値が１に近い場合であっても、目標吸入空気量ＫＬＴが大きく変化しているのであれば、スロットル開度ＴＡの変化速度の緩和の程度は小さくされる。目標吸入空気量ＫＬＴが大きく変化しているのであれば、それに合わせてスロットル開度ＴＡも一方向に大きく変化する。よって、スロットル開度ＴＡの変化速度を緩和しなくともスロットルのハンチングは生じ難い。また、スロットル開度ＴＡの変化速度を緩和しないことで、大きく変化している目標吸入空気量ＫＬＴを精度良く実現することができるようになる。つまり、目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間あたりの変化量に応じてローパスフィルタＬＰＦの時定数を決定することで、スロットルのハンチングの防止と目標吸入空気量ＫＬＴの実現精度との両立が実現される。

以上が本発明の実施の形態についての説明である。ただし、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スロットル開度ＴＡの変化速度を緩和させる手段としてローパスフィルタを用いたが、いわゆるなまし処理を用いても良い。なまし処理の一例としては、加重平均を挙げることができる。

また、スロットル逆モデルＭ３で算出されたスロットル開度ＴＡの変化量に一定のゲインを掛けることで、スロットル開度ＴＡの変化速度を緩和させるようにしてもよい。その場合のゲインの大きさは、目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間あたりの変化量に応じて変化させることが好ましい。具体的には、目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間あたりの変化量が大きいほど、ゲインの値は１に近づけることが好ましい。また、目標吸入空気量ＫＬＴの所定時間あたりの変化量がある閾値を越える範囲では、ゲインの値は１に固定するようにしてもよい。

また、本発明の制御装置が適用される過給機付き内燃機関は、吸気通路に配置されたコンプレッサを内燃機関の出力軸から取り出した駆動力によって駆動する機械式の過給機を備えた内燃機関でもよい。

Ｍ１ 吸気弁逆モデル
Ｍ２ 吸気管逆モデル
Ｍ３ スロットル逆モデル
Ｍ４ 吸気系モデル
ＳＷ スイッチ
ＬＰＦ ローパスフィルタ

Claims (3)

1. 外部から取り込んだ空気を気筒内に導入する吸気通路と、前記吸気通路に配置されたコンプレッサと、前記コンプレッサの下流にて前記吸気通路内に配置されたスロットルと、前記吸気通路と前記気筒との接続部に配置された吸気弁と、を備える過給機付き内燃機関の制御装置において、
   目標吸入空気量の実現に必要なスロットル通過流量を計算するスロットル通過流量計算手段と、
   前記コンプレッサから前記スロットルまでの吸気通路内の空気の圧力であるスロットル上流圧力を取得するスロットル上流圧力取得手段と、
   前記スロットルから前記吸気弁までの吸気通路内の空気の圧力であるスロットル下流圧力を取得するスロットル下流圧力取得手段と、
   前記スロットル通過流量の実現に必要なスロットル開度を、前記スロットル上流圧力と前記スロットル下流圧力との比をパラメータとする絞りの式を用いて計算するスロットル開度計算手段と、
   前記スロットル開度計算手段で算出されたスロットル開度の信号を処理してその変化速度を緩和させる変化速度緩和手段と、
   所定の緩和条件が全て満たされた場合には、前記変化速度緩和手段により変化速度を緩和されたスロットル開度を目標スロットル開度として決定し、前記緩和条件が満たされていない場合には、前記スロットル開度計算手段で算出されたスロットル開度を目標スロットル開度として決定する目標スロットル開度決定手段と、
   前記目標スロットル開度に従って前記スロットルの動作を制御するスロットル制御手段と、を備え、
   前記緩和条件には、前記圧力比の値の１に対する偏差の大きさが所定値以下であることが含まれることを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記緩和条件には、さらに、前記目標吸入空気量の所定時間あたりの変化量が所定値以下であることが含まれることを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
3. 前記変化速度緩和手段は、前記スロットル開度計算手段で算出されたスロットル開度の信号をローパスフィルタによって処理し、前記目標吸入空気量の所定時間あたりの変化量が大きいほど前記ローパスフィルタの時定数を小さくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機付き内燃機関の制御装置。

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