(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路に設けられたスロットルと、その上流に配置されたエアフローメータと、吸気ポート或いは燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路に設けられた空燃比センサとを有する内燃機関に用いられ、目標トルク及び目標空燃比をそれぞれ実現するように前記スロットル及び前記インジェクタを操作する制御装置において、
前記目標トルクを目標筒内吸入空気量に変換する目標筒内吸入空気量決定手段と、
スロットル開度の変化と筒内吸入空気量の変化との関係を逆モデルによってモデル化したエア逆モデルを具備し、前記エア逆モデルを用いて前記目標筒内吸入空気量を実現するための目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度算出手段と、
前記目標スロットル開度に従って前記スロットルを操作するスロットル操作手段と、
スロットル開度の変化と筒内吸入空気量の変化との関係を順モデルによってモデル化したエアモデルを具備し、前記エアモデルを用いて前記スロットルの操作によって実現される筒内吸入空気量を予測する筒内吸入空気量予測手段と、
前記エアフローメータにより実測された吸入空気量を用いて前記エアモデルの較正係数を逐次調整して更新するエアモデル較正手段と、
前記目標筒内吸入空気量と前記予測筒内吸入空気量とを比較した比較結果に基づいて前記エア逆モデルの係数を補正するエア逆モデル係数補正手段と、
前記予測筒内吸入空気量と前記空燃比センサによって実測された実空燃比とに基づいて前記目標空燃比を実現するための目標燃料噴射量を算出する目標燃料噴射量算出手段と、
前記目標燃料噴射量に従って前記インジェクタを操作するインジェクタ操作手段と、
前記目標空燃比と前記実空燃比との差の大きさが所定の閾値以上の場合に、前記エア逆モデルの係数の補正後、その補正結果を前記エアモデルの係数に反映させるエアモデル係数補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、目標スロットル開度の決定にエア逆モデルを使用し、また、筒内吸入空気量の予測にエアモデルを使用してトルク制御及び空燃比制御を行う制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の運転は、スロットル、点火装置、燃料噴射装置等の複数のアクチュエータの操作を介して制御される。内燃機関の運転を的確に制御するためには、所望の結果を得るための操作量を正確に計算できることが必要であり、また、アクチュエータの操作によって生じる結果を正確に予測できることも必要である。前者の目的のために用いられるのが内燃機関の動的特性をモデル化した動的モデルの逆モデルであり、前者の目的のために用いられるのがその順モデルである。例えば、特開２００４−１０８２１６号公報に開示されている燃料噴射装置の発明では、動的モデルとその逆モデルとが共に用いられている。この発明では、燃料圧力を目標値にするための調整弁の圧送タイミングの計算に動的モデルの逆モデルが用いられ、計算した圧送タイミングによって実現される燃料圧力の予測に動的モデルが用いられている。
【０００３】
内燃機関の動的モデルとしては、例えば特開２００７−２３９４８４号公報に開示されているエアモデルも公知である。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モデル化したものであって、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルから構成することができる。スロットルモデルは、スロットル開度とスロットル通過空気量との関係を数式で表した計算モデルである。吸気管モデルは、スロットル通過空気量及び筒内吸入空気量と吸気管圧との関係を数式で表した計算モデルである。そして、吸気弁モデルは、吸気管圧と筒内吸入空気量との関係を数式で表した計算モデルである。このようなエアモデルを用いれば、スロットルを操作することで実現できる筒内吸入空気量を正確に予測することができる。筒内吸入空気量を予測できれば、目標空燃比の実現に必要な燃料噴射量を正確に計算できることから、上述のようなエアモデルを用いることで、空燃比制御の制御精度を高めることが可能となる。
【０００４】
また、内燃機関のトルク制御に関し、エアモデルの逆モデルをスロットル開度の計算に用いることも知られている。エア逆モデルは、エアモデルを逆方向に計算するものである。エア逆モデルを用いたスロットル開度の計算では、まず、目標トルクから目標筒内吸入空気量が決定される。そして、吸気弁モデルの逆モデルによって目標筒内吸入空気量が目標吸気管圧に変換される。次に、吸気管モデルの逆モデルによって目標吸気管圧からスロットル通過空気量の目標値が計算される。そして最後に、目標スロットル通過空気量を実現するのに必要なスロットル開度がスロットルモデルの逆モデルを用いて計算される。このようなエア逆モデルを用いれば、目標トルクを実現するのに必要なスロットル開度を正確に計算することができる。つまり、スロットル開度の計算にエア逆モデルを用いることで、トルク制御の制御精度を高めることが可能となる。
【０００５】
以上のような内燃機関の動的モデルやその逆モデルでは、内燃機関における実際の現象との間のモデル誤差を如何に小さくするかが課題である。このため、特開２００４−１０８２１６号公報に開示された発明では、燃料圧力の実測値と動的モデルによる予測燃料圧力との差を計算し、その予実差が小さくなるように、動的モデル及び逆モデルの各モデル式のパラメータ（係数）を逐次調整して更新することが行われている。
【０００６】
また、特開２００７−２３９４８４号公報に開示された発明では、エアフローメータの出力値の関数として定義された係数（以下、較正係数という）によって、スロットルモデルの流量係数の修正が行われる。較正係数は、スロットルモデルにより算出されるスロットル通過空気量を実際のスロットル通過空気量に一致させるための係数であって、その更新はエアフローメータの出力値を用いて逐次行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１０８２１６号公報
【特許文献２】特開２００７−２３９４８４号公報
【特許文献３】特開２００２−２２７６８２号公報
【特許文献４】特開平１０−２７４０８２号公報
【特許文献５】特開２００９−１７４３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
エア逆モデルを用いたトルク制御は、エアモデルを用いた空燃比制御とともに１つの制御装置において実施することができる。その場合、エア逆モデルの出力値がエアモデルの入力値になることから、本来ならばエアモデルの出力値はエア逆モデルの入力値に一致するはずである。しかし、上述のように、エアモデルに関してはエアフローメータの出力値による較正が行われるため、エアモデルの出力値（予測筒内吸入空気量）とエア逆モデルの入力値（目標筒内吸入空気量）とは必ずしも一致しない。エアモデルの較正はエアモデルに含まれるモデル誤差を修正するように行われることから、予測筒内吸入空気量と目標筒内吸入空気量との間にすれが生じているのであれば、それはエア逆モデル及びエアモデルにモデル誤差が含まれていることを意味している。
【０００９】
内燃機関のトルク制御及び空燃比制御の制御精度を高めるためには、目標筒内吸入空気量に予測筒内吸入空気量が一致するように、エア逆モデル及びエアモデルに含まれるモデル誤差を解消する必要がある。そのための方法としては、例えば、前述の特開２００４−１０８２１６号公報に開示されている方法の応用が考えられる。つまり、目標筒内吸入空気量と予測筒内吸入空気量との差を計算し、その差に基づいてエア逆モデル及びエアモデルの各モデル式を補正する方法である。
【００１０】
しかしながら、エアモデルに関してはエアフローメータの出力値による較正が並行して行われている。このため、目標筒内吸入空気量と予測筒内吸入空気量との差に基づく補正の効果とエアフローメータの出力値による較正の効果とが互いに打ち消し合うことになって、目標筒内吸入空気量と予測筒内吸入空気量との差がなかなか小さくならないといった事態が起こりうる。したがって、特開２００４−１０８２１６号公報に開示されている方法は、エアモデルとエア逆モデルとを含む制御系においては、そのモデル誤差を解消するための方法として必ずしも適当であるとは言えない。
【００１１】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、エアモデル及びエア逆モデルを用いて行うトルク制御及び空燃比制御の制御精度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の目的を達成するため、
吸気通路に設けられたスロットルと、その上流に配置されたエアフローメータと、吸気ポート或いは燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、排気通路に設けられた空燃比センサとを有する内燃機関に用いられ、目標トルク及び目標空燃比をそれぞれ実現するように前記スロットル及び前記インジェクタを操作する制御装置において、
前記目標トルクを目標筒内吸入空気量に変換する目標筒内吸入空気量決定手段と、
スロットル開度の変化と筒内吸入空気量の変化との関係を逆モデルによってモデル化したエア逆モデルを具備し、前記エア逆モデルを用いて前記目標筒内吸入空気量を実現するための目標スロットル開度を算出する目標スロットル開度算出手段と、
前記目標スロットル開度に従って前記スロットルを操作するスロットル操作手段と、
スロットル開度の変化と筒内吸入空気量の変化との関係を順モデルによってモデル化したエアモデルを具備し、前記エアモデルを用いて前記スロットルの操作によって実現される筒内吸入空気量を予測する筒内吸入空気量予測手段と、
前記エアフローメータの出力値を用いて前記エアモデルの較正係数を逐次調整して更新するエアモデル較正手段と、
前記目標筒内吸入空気量と前記予測筒内吸入空気量とを比較した比較結果に基づいて前記エア逆モデルの係数を補正するエア逆モデル係数補正手段と、
前記予測筒内吸入空気量と前記空燃比センサによって実測された実空燃比とに基づいて前記目標空燃比を実現するための目標燃料噴射量を算出する目標燃料噴射量算出手段と、
前記目標燃料噴射量に従って前記インジェクタを操作するインジェクタ操作手段と、
前記目標空燃比と前記実空燃比との差の大きさが所定の閾値以上の場合に、前記エア逆モデルの係数の補正後、その補正結果を前記エアモデルの係数に反映させるエアモデル係数補正手段と、
を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エアフローメータの出力値を用いてエアモデルの較正係数を逐次調整して更新する一方で、目標筒内吸入空気量とエアモデルによる予測筒内吸入空気量とを比較した比較結果に基づいてエア逆モデルの係数の補正を行うことができる。そして、目標空燃比と前記実空燃比との差の大きさが所定の閾値以上の場合には、エア逆モデルの係数の補正後、その補正結果をエアモデルの係数に反映させることができる。これにより、ア逆モデル及びエアモデルのモデル誤差が縮小されて、トルク制御の精度と空燃比制御の精度とがともに高められることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の構成を示す概略図である。
【図２】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。
【図３】本発明の実施の形態のエア逆モデル及びエアモデルの補正手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
まずは、本実施の形態の制御装置によって制御される内燃機関について説明する。図１は本実施の形態の内燃機関の構成を示す概略図である。本実施の形態の内燃機関１は火花点火式の４ストロークエンジンである。内燃機関１はピストン２とシリンダ壁面とによって区画された燃焼室１４を備えている。燃焼室１４の頂部には、燃焼室１４内の燃料混合気に点火するための点火プラグ８が取り付けられている。また、燃焼室１４には吸気通路１６と排気通路１８とが連通している。吸気通路１６と燃焼室１４との接続部には、吸気通路１６と燃焼室１４との連通状態を制御する吸気弁４が設けられている。排気通路１８と燃焼室１４との接続部には、排気通路１８と燃焼室１４との連通状態を制御する排気弁６が設けられている。また、本実施の形態の内燃機関１は多気筒機関であって、燃焼室１４は気筒毎に存在する。吸気通路１６は、各気筒につながる吸気マニホールド２２と、吸気マニホールド２２と吸気口とを接続する吸気ダクト２０とによって形成されている。吸気ダクト２０の中には電子制御式のスロットル１２が配置され、その上流にはエアフローメータ２４が取り付けられている。吸気マニホールド２２の各吸気枝管にはインジェクタ１０が取り付けられている。排気通路１８には触媒２６が配置され、その上流には空燃比センサ２８が取り付けられている。
【００１７】
本実施の形態の制御装置は、内燃機関１を制御する電子制御ユニット３０の機能の一部として実現される。制御装置としての電子制御ユニット３０には、内燃機関１の内外に設けられた各種のセンサから、内燃機関１の運転状態や運転条件に関する様々な情報が入力されてくる。電子制御ユニット３０は、それら情報に基づいて内燃機関１のアクチュエータを操作し、その操作によって内燃機関１の運転を制御する。電子制御ユニット３０に入力される情報には、エアフローメータ２４により計測される吸入空気量、空燃比センサ２８により計測される排気空燃比、エンジン回転数、大気圧、大気温度等が含まれる。電子制御ユニット３０が操作するアクチュエータには、インジェクタ１０やスロットル１２等が含まれる。
【００１８】
制御装置としての電子制御ユニット３０は、内燃機関１のトルク制御と空燃比制御とを実施する。内燃機関１のトルク制御は、主としてスロットル１２の操作による筒内吸入空気量の調整によって行われ、内燃機関１の空燃比制御は、主としてインジェクタ１０の操作による燃料噴射量の調整によって行われる。図２は、トルク制御及び空燃比制御に着目したときの電子制御ユニット３０の構成を示すブロック図である。図２によれば、電子制御ユニット３０はトルク−ＫＬ変換マップ３２、エア逆モデル３４、エアモデル３６及びモデル補正ユニット３８によって構成される。なお、図２に示す構成は、電子制御ユニット３０のメモリに格納されたプログラムに従いＣＰＵが動作することで仮想的に実現される構成である。
【００１９】
図２におけるトルク−ＫＬ変換マップ３２は、トルクと筒内吸入空気量とをエンジン回転数や点火時期等の機関情報をキーにして関連付けたマップである。ドライバからのトルク要求や車両制御デバイスからのトルク要求に基づいて設定された目標トルクは、トルク−ＫＬ変換マップ３２によって目標筒内吸入空気量（図２では目標ＫＬと表記する）に変換される。
【００２０】
エア逆モデル３４は、スロットル開度の変化と筒内吸入空気量の変化との関係を逆モデルによってモデル化したものである。電子制御ユニット３０は、エア逆モデル３４によって目標筒内吸入空気量をスロットル開度に変換する。エア逆モデル３４から出力されるスロットル開度は、目標筒内吸入空気量の達成に必要なスロットル開度である。電子制御ユニット３０は、エア逆モデル３４の出力値を目標スロットル開度（図２では目標ＴＡと表記する）としてスロットル１２を操作する。
【００２１】
エアモデル３６は、スロットル開度の変化と筒内吸入空気量の変化との関係を順モデルによってモデル化したものである。電子制御ユニット３０は、エア逆モデル３４から出力される目標スロットル開度をエアモデル３６によって筒内吸入空気量に変換する。エアモデル３６から出力される筒内吸入空気量は、目標スロットル開度によって実現が予測される筒内吸入空気量である。電子制御ユニット３０は、エアモデル３６による予測筒内吸入空気量（図２では予測実ＫＬと表記する）と、空燃比センサ２８によって実測された排気空燃比とに基づいて目標空燃比を実現するための目標燃料噴射量を計算し、目標燃料噴射量に従ってインジェクタ１０を操作する。
【００２２】
モデル補正ユニット３８は、エア逆モデル３４やエアモデル３６のモデル精度を高めるべく設けられている。モデル補正ユニット３８は、目標筒内吸入空気量と予測筒内吸入空気量とを比較し、その比較結果に基づいてエア逆モデル３４やエアモデル３６のモデル計算式の係数を補正する。以下では、具体的な補正の方法について明らかにするため、エア逆モデル３４やエアモデル３６を構成するモデル計算式について簡単に説明する。
【００２３】
本実施の形態のエアモデル３６は、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルから構成されているものとする。また、本実施の形態のエア逆モデル３４は、スロットルモデルの逆モデル、吸気管モデルの逆モデル、及び吸気弁モデルの逆モデルから構成されているものとする。
【００２４】
スロットルモデルは、スロットル開度とスロットル通過空気量との関係を数式で表した計算モデルである。スロットル通過空気量は、スロットル１２の前後の気体圧力と温度、及びスロットル１２の開口面積とによって定まる。次の式１はその具体的なモデル計算式である。
【００２５】
【数１】
0005381790.tif 000002
【００２６】
式１において、ｍｔはスロットル１２を通過して吸気マニホールド２２に流れ込む空気の流量（ｇ／ｓｅｃ）、すなわち、スロットル通過空気量を意味している。Ｔａは大気温度を、Ｐａは大気圧を、Ｐｍは吸気マニホールド圧（すなわち吸気管圧）をそれぞれ意味している。また、ＴＡはスロットル開度を意味している。Ｂは流量係数とスロットル１２の開口面積とをひとまとめにして表したものであって、スロットル開度ＴＡの関数である。ΦはＰｍ／Ｐａの関数である。
【００２７】
吸気管モデルは、スロットル通過空気量及び筒内吸入空気量と吸気管圧との関係を数式で表した計算モデルである。エネルギー保存則から導かれるモデル計算式が次の式２であり、質量保存則から導かれるモデル計算式が次の式３である。各式におけるｍｃは吸気マニホールド２２から燃焼室１４内に吸入される空気の流量（ｇ／ｓｅｃ）、すなわち、筒内吸入空気量を意味している。
【００２８】
【数２】
0005381790.tif 000003
【００２９】
【数３】
0005381790.tif 000004
【００３０】
吸気弁モデルは、吸気管圧と筒内吸入空気量との関係を数式で表した計算モデルである。次の式４はその具体的なモデル計算式である。式４におけるａ，ｂはエンジン回転数により決まる係数であって、その初期値は適合によって決定されている。
【００３１】
【数４】
0005381790.tif 000005
【００３２】
以上の４つのモデル計算式を順方向に計算するものがエアモデル３６であり、逆方向に計算するものがエア逆モデル３４である。つまり、エアモデル３６とエア逆モデル３４とでは、その基本となるモデル計算式は共通している。ただし、エアモデル３６には、エア逆モデル３４には無い機能が備えられている。その機能とは、エアフローメータ２４の出力値によって、スロットルモデルの流量係数を修正する機能である。この機能のため、エアモデル３６には、エアフローメータ２４の出力値（図２ではＡＦＭと表記する）が逐次入力されている。
【００３３】
エアモデル３６におけるスロットルモデルの流量係数の修正には、エアフローメータの出力値の関数として定義された較正係数が用いられる。較正係数は、スロットルモデルにより算出されるスロットル通過空気量を実際のスロットル通過空気量に一致させるための係数であって、流量係数に乗じられる。したがって、式１に含まれるＢは、式１がエア逆モデル３４のモデル計算式である場合は、流量係数とスロットル開口面積との積として表されるが、式１がエアモデル３６のモデル計算式である場合は、流量係数とスロットル開口面積と較正係数との積として表される。
【００３４】
モデル補正ユニット３８は、モデル計算式４に含まれる係数ａ或いは係数ｂ、もしくは、モデル計算式１に含まれる係数Ｂを補正することによって、目標筒内吸入空気量と予測筒内吸入空気量との差の解消を図る。補正対象である係数をどのように補正するかは、差の大きさや正負との関係において予め定められている。モデル補正ユニット３８は、その予め定められた規則に従って、エア逆モデル３４とエアモデル３６の補正を行う。
【００３５】
図３は、モデル補正ユニット３８によって行われるエア逆モデル３４及びエアモデル３６の補正の手順を示すフローチャートである。最初のステップＳ２では、目標筒内吸入空気量（目標ＫＬ）と予測筒内吸入空気量（予測実ＫＬ）との間に差があるかどうか判定される。差が生じていない場合には、モデル誤差による影響は生じていないものとして、後のステップの処理はスキップされる。
【００３６】
ステップＳ２において差が生じていると判断された場合、ステップＳ４の処理が行われる。ステップＳ４では、差の大きさやその正負に基づいて、エア逆モデル３４の係数が補正される。ただし、エアモデル３６については、このステップにおいてエア逆モデル３４と同時に補正されることはない。エアモデル３６に関しては、エアフローメータ２４の出力値によるモデル計算式の較正が並行して行われているためである。差に基づく補正はエア逆モデル３４に対してのみ行い、エアモデル３６についてはエアフローメータ２４の出力値による較正のみを行うことで、目標筒内吸入空気量と予測筒内吸入空気量との差がなかなか小さくならないといった事態を避けることができる。
【００３７】
次のステップＳ６では、目標空燃比と空燃比センサ２８により実測された実空燃比との差が計算され、その差の大きさが所定の閾値以上かどうか判定される。電子制御ユニット３０は、予測筒内吸入空気量と目標空燃比とに基づいて基本の燃料噴射量を決定するとともに、フィードバックされる実空燃比が目標空燃比に近づくように燃料噴射量を補正している。このため、エアモデル３６による予測筒内吸入空気量の計算が正確であるならば、目標空燃比と実空燃比との間の差は小さく抑えられる。しかし、その計算が正確でない場合には、目標空燃比と実空燃比との差はなかなか小さくならない。
【００３８】
ステップＳ６において目標空燃比と実空燃比との間に閾値以上の大きさの差が生じていると判断された場合、ステップＳ８の処理が行われる。ステップＳ８では、ステップＳ４で行われたエア逆モデル３４の係数の補正結果が、エアモデル３６の係数にも反映される。つまり、目標空燃比と実空燃比との差が小さくならない場合のみ、エア逆モデル３４の係数の補正後にエアモデル３６の係数の補正が行われる。例えば、エア逆モデル３４においてモデル計算式４の係数ａが補正された場合には、同様の補正がエアモデル３６におけるモデル計算式４の係数ａについても行われる。このような処理の結果、エアモデル３６に含まれるモデル誤差を小さくして、エアモデル３６による予測筒内吸入空気量の計算の精度を高めることが可能となる。
【００３９】
一方、目標空燃比と実空燃比との差の大きさが閾値よりも小さくなっているのであれば、ステップＳ８の処理はスキップされる。つまり、エア逆モデル３４の係数の補正結果を反映したエアモデル３６の係数の補正は行われない。エア逆モデル３４に続いてエアモデル３６の係数も補正した場合には、モデル誤差のさらなる縮小を期待できる。しかし、エアモデル３６の係数を補正することで、エアフローメータ２４の出力値による較正が働くまでの間、目標空燃比と実空燃比との差が一時的に拡大してしまう可能性がないとは限らない。本実施の形態では、狙いとする予測筒内吸入空気量の計算精度が既に確保されているのであれば、現状の維持を優先し、不要不急の処理であるエアモデル３６の係数の補正は行わないことにされている。
【００４０】
以上説明したように、本実施の形態の制御装置によれば、エアフローメータ２４の出力値を用いてエアモデル３６の較正係数を逐次調整して更新する一方で、目標筒内吸入空気量とエアモデル３６による予測筒内吸入空気量とを比較した比較結果に基づいてエア逆モデル３４の係数の補正を行うことができる。そして、目標空燃比と空燃比センサ２９により実測された実空燃比との差の大きさが所定の閾値を超える場合には、エア逆モデル３４の係数の補正後、その補正結果をエアモデル３６の係数に反映させることができる。これにより、エア逆モデル３４及びエアモデル３６のモデル誤差が縮小されて、トルク制御の精度と空燃比制御の精度とがともに高められることになる。
【００４１】
なお、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、エア逆モデル３４及びエアモデル３６のモデル計算式１，２，３，４は何れも採りうる式の一例であって、より厳密な式をモデル計算式として用いることもできるし、逆に、より簡略化した式をモデル計算式として用いることもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１  内燃機関
１０  インジェクタ
１２  スロットル
１４  燃焼室
１６  吸気通路
１８  排気通路
２４  エアフローメータ
２８  空燃比センサ
３０  電子制御ユニット
３２  トルク−ＫＬ変換マップ
３４  エア逆モデル
３６  エアモデル
３８  モデル補正ユニット
【図１】
0005381790.tif 000006
【図２】
0005381790.tif 000007
【図３】
0005381790.tif 000008