(57)【要約】  筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置に関し、運転条件の変化しうる状況においても燃焼状態を最適に制御することを容易にする。  クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる所定の燃焼関連パラメータを制御値とし、内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従い、前記制御値に基づいて点火時期を演算する。前記制御値は、所定の演算規則に従い、内燃機関のトルクに関係する所定物理量の目標値に基づいて演算したものをベース値とし、筒内圧センサの出力値をフィードバックすることによって補正する。
2010082332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置において、
クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる所定の燃焼関連パラメータを制御値とし、前記内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従い、前記制御値に基づいて点火時期を演算する第１の演算手段と、
所定の演算規則に従い、前記内燃機関のトルクに関係する所定物理量の目標値に基づいて前記制御値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段によって算出された点火時期に従って前記内燃機関の点火装置を操作する操作手段と、
前記筒内圧センサの出力値をフィードバックして前記制御値を補正するフィードバック補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記第１の演算手段は、
前記燃焼関連パラメータと点火時期とを、前記内燃機関の運転条件をキーにして関連付ける第１のマップと、
前記第１のマップを用いて現在の或いは目標とする運転条件と前記制御値とから点火時期を決定する手段と、
を備えることを特徴とする請求の範囲１記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記第２の演算手段は、
前記物理量に前記燃焼関連パラメータを関連付ける第２のマップと、
前記第２のマップを用いて前記物理量の目標値を前記燃焼関連パラメータの値に変換する手段と、
を備えることを特徴とする請求の範囲１又は２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記フィードバック補正手段は、
前記筒内圧センサの出力値から前記燃焼関連パラメータの実際値を算出する手段と、
前記物理量の目標値を前記燃焼関連パラメータに変換した値と前記燃焼関連パラメータの実際値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、
前記フィードバック補正値によって前記制御値を補正する手段と、
を備えることを特徴とする請求の範囲１乃至３の何れか１つの項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記フィードバック補正値算出手段は、前記物理量の前回の目標値を前記燃焼関連パラメータに変換した値と前記燃焼関連パラメータの今回の実際値との差分からフィードバック補正値を算出することを特徴とする請求の範囲４記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記フィードバック補正手段は、
前記筒内圧センサの出力値から前記物理量或いはトルクの実際値を算出する手段と、
前記物理量或いはトルクの目標値と実際値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、
前記フィードバック補正値によって前記制御値を補正する手段と、
を備えることを特徴とする請求の範囲１乃至３の何れか１つの項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記フィードバック補正値算出手段は、スロットルの操作に対する吸入空気量の応答遅れに応じて前記物理量或いはトルクの目標値を遅延処理する手段を含み、遅延処理後の目標値を用いて前記フィードバック補正値を算出することを特徴とする請求の範囲６記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記フィードバック補正手段は、
前記筒内圧センサの出力値から前記物理量の実際値を算出する手段と、
前記第２のマップを用いて前記物理量の実際値を前記燃焼関連パラメータの値に変換する手段と、
前記物理量の目標値を前記燃焼関連パラメータに変換した値と、前記物理量の実際値を前記燃焼関連パラメータに変換した値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、
前記フィードバック補正値によって前記制御値を補正する手段と、
を備えることを特徴とする請求の範囲３記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記燃焼関連パラメータは５０％燃焼点の遅れ量であることを特徴とする請求の範囲１乃至８の何れか１つの項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記運転条件は少なくとも機関回転数を含むことを特徴とする請求の範囲１乃至９の何れか１つの項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
前記物理量は前記内燃機関の発生トルクと点火時期がＭＢＴならば実現される推定トルクとの比で表されるトルク効率であって、前記物理量の目標値とは、前記内燃機関に要求されている要求トルクと前記推定トルクとの比で表される目標トルク効率であることを特徴とする請求の範囲１乃至１０の何れか１つの項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置において、
クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる所定の燃焼関連パラメータを制御値とし、前記内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従い、前記制御値に基づいて点火時期を演算する演算手段と、
前記演算手段によって算出された点火時期に従って前記内燃機関の点火装置を操作する操作手段と、
前記燃焼関連パラメータの目標値を設定する目標値設定手段と、
前記筒内圧センサの出力値から前記燃焼関連パラメータの実際値を算出する実際値算出
手段と、
前記燃焼関連パラメータの目標値と実際値との差分に基づいて前記制御値を補正する制御値補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１３】
前記演算手段は、
前記燃焼関連パラメータと点火時期とを、前記内燃機関の運転条件をキーにして関連付けるマップと、
前記マップを用いて現在の或いは目標とする運転条件と前記制御値とから点火時期を決定する手段と、
を備えることを特徴とする請求の範囲１２記載の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、筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内圧センサを用いた点火時期の調整方法として、特開２００６−１７０１８３号公報に開示される方法が知られている。この文献に開示されている方法によれば、筒内圧センサの出力値に基づいて所定のタイミングにおける燃焼割合が算出され、その算出値が目標値と一致するように燃焼室における燃焼開始時期、つまりは点火時期が調整される。具体的には、クランク角が上死点後８°のときの燃焼割合が５０％になるように、点火時期の調整が行われる。点火時期がＭＢＴになっているとき、上死点後１０°付近において燃焼割合が５０％になることが知られている。前記文献に開示された方法は、筒内圧センサの出力値のフィードバックによってＭＢＴでの点火を実現するための方法である。フィードバックの具体的な方法としては、筒内圧センサの出力値から算出した燃焼割合とその目標値との偏差を計算し、算出した偏差を比例積分回路に入力することによって点火時期を算出する方法が開示されている。【０００３】
ところで、筒内の燃焼状態は、点火時期が同じであっても、内燃機関の運転条件、特に回転数の変化に応じて変動する。このため、ある点火時期において燃焼割合が目標値に一致したとしても、運転条件が変化した場合には、燃焼状態の変化によって筒内圧センサの出力値から算出される燃焼割合も変化し、目標値との間に偏差が発生する。前記文献に開示された方法によれば、その偏差をなくすように比例積分回路によって点火時期が修正されるのであるが、運転条件が変化してから点火時期が再び最適化されるまでの間、燃焼状態は最適な状態から外れることになる。つまり、前記文献に開示された方法には、燃焼状態の制御性、詳しくは、運転条件が変化しうる状況での制御性において改善の余地が有った。
【発明の開示】
【０００４】
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、運転条件の変化しうる状況においても燃焼状態を最適に制御することが容易な内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明にかかる制御装置は筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置である。本発明の１つ目の態様によれば、本発明にかかる制御装置は、点火時期のフィードフォワード制御のための２つの演算手段、それらの演算手段によって算出された点火時期に従って内燃機関の点火装置を操作する手段、そして、点火時期のフィードバック制御のための手段を備える。
【０００６】
２つの演算手段は、所定の燃焼関連パラメータを制御値として点火時期を演算する第１の演算手段と、その制御値をトルクに関する目標値から演算する第２の演算手段とからなる。第１の演算手段で用いる燃焼関連パラメータとは、クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる燃焼関連パラメータである。所定クランク角（例えば上死点後１０°）に対する５０％燃焼点の遅れ量は、そのような燃焼関連パラメータとして好適である。第１の演算手段はそのような燃焼関連パラメータを制御値とし、内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従って点火時期を演算する。演算規則にはマップの使用も含まれる。例えば、燃焼関連パラメータと点火時期とを、内燃機関の運転条件をキーにして関連付けるマップを備え、そのマップを用いて現在の或いは目標とする運転条件と制御値とから点火時期を決定することができる。なお、本発明にかかる運転条件とは、詳しくは、燃焼関連パラメータと点火時期との関係に影響する運転条件であって、例えば内燃機関の機関回転数等がそれに含まれる。
【０００７】
第２の演算手段は、所定の演算規則に従って制御値の演算を行う。制御値の演算に用いる目標値には、内燃機関のトルクに関係する所定物理量の目標値が用いられる。演算規則にはマップの使用も含まれる。例えば、前記の所定物理量に燃焼関連パラメータを関連付けるマップを備え、そのマップを用いて所定物理量の目標値を燃焼関連パラメータの値に変換することができる。所定物理量とは点火時期によって制御可能な物理量であって、好ましいのは、燃焼関連パラメータのとの関係において前述の運転条件の影響を受けない物理量である。例えば、内燃機関の発生トルクと点火時期がＭＢＴならば実現される推定トルクとの比で表されるトルク効率を所定物理量とすることができる。その場合、内燃機関に要求されている要求トルクと推定トルクとの比で表される目標トルク効率が制御値の演算に用いる目標値となる。
【０００８】
本発明にかかるフィードバック制御では、筒内圧センサの出力値をフィードバックして、点火時期を直接補正するのではなく、前記の制御値を補正することが行われる。前述の第１の演算手段では、運転条件に応じて決まる演算規則に従って制御値に応じた点火時期が演算される。したがって、運転条件が変化した場合には、それに応じたフィードフォワード制御によって点火時期も変更されるので、運転条件が変化してから点火時期が再び最適化されるまでに時間遅れが生じることはない。さらに、運転条件が点火時期に与える影響は第１の演算手段にかかる演算処理において考慮されるので、フィードバック補正値の算出にあたって運転条件を考慮する必要がなくなるという利点がある。このようなことから、本発明にかかる制御装置によれば、運転条件が一定の場合に限らず、運転条件が変化しうる状況においても燃焼状態を最適に制御することが容易である。
【０００９】
筒内圧センサの出力値を制御値にフィードバックする手段としては、次のような好ましい形態がある。その好ましい形態の一つは、筒内圧センサの出力値から燃焼関連パラメータの実際値を算出する手段と、前記物理量の目標値を燃焼関連パラメータに変換した値と燃焼関連パラメータの実際値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、そのフィードバック補正値によって制御値を補正する手段とを備えることである。この形態においては、物理量の前回の目標値を燃焼関連パラメータに変換した値と、燃焼関連パラメータの今回の実際値との差分からフィードバック補正値が算出されるような構成とするのがより好ましい。
【００１０】
また、別の好ましい形態は、筒内圧センサの出力値から前記物理量或いはトルクの実際値を算出する手段と、前記物理量或いはトルクの目標値と実際値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、そのフィードバック補正値によって制御値を補正する手段とを備えることである。この形態においては、スロットルの操作に対する吸入空気量の応答遅れに応じて前記物理量或いはトルクの目標値を遅延処理し、遅延処理後の目標値を用いてフィードバック補正値が算出されるような構成とするのがより好ましい。
【００１１】
さらに別の好ましい形態は、筒内圧センサの出力値から前記物理量の実際値を算出する手段と、前記物理量に燃焼関連パラメータを関連付けるマップを用いて前記物理量の実際値を燃焼関連パラメータの値に変換する手段と、前記物理量の目標値を燃焼関連パラメータに変換した値と前記物理量の実際値を燃焼関連パラメータに変換した値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、そのフィードバック補正値によって制御値を補正する手段とを備えることである。
【００１２】
また、本発明の２つ目の態様によれば、本発明にかかる制御装置は、点火時期のフィードフォワード制御のための演算手段と、演算手段によって算出された点火時期に従って内燃機関の点火装置を操作する手段とを備える。演算手段は所定の燃焼関連パラメータを制御値として点火時期を演算する。演算手段で用いる燃焼関連パラメータとは、クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる燃焼関連パラメータである。演算手段はそのような燃焼関連パラメータを制御値とし、内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従って点火時期を演算する。演算規則にはマップの使用も含まれる。例えば、燃焼関連パラメータと点火時期とを、内燃機関の運転条件をキーにして関連付けるマップを備え、そのマップを用いて現在の或いは目標とする運転条件と制御値とから点火時期を決定することができる。さらに、本発明の２つ目の態様によれば、制御装置は点火時期のフィードバック制御のための手段を備える。その手段は、筒内圧センサの出力値から燃焼関連パラメータの実際値を算出する手段と、燃焼関連パラメータの目標値と実際値との差分に基づいて制御値を補正する手段とからなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】クランク角に対する筒内圧力の変化とそれに対応する熱発生率の変化とを併せて示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２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。
【図４】本発明の実施の形態３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。
【図５】本発明の実施の形態４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。
【図６】本発明の実施の形態５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。
【符号の説明】
【００１４】
２  内燃機関
４  筒内圧センサ
２４  効率マップを用いる演算部
２６  メインマップを用いる演算部
３２  フィードバックコントローラ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態1．
本発明の実施の形態１について図１及び図２を参照して説明する。【００１６】
図１は、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。本実施の形態の制御装置は、火花点火式の内燃機関に適用され、火花点火式内燃機関のアクチュエータであるスロットルと点火装置の各動作を制御する制御装置として構成されている。【００１７】
本実施の形態の制御装置は、制御系統の上位に設けられたパワートレインマネージャ（図示略）から要求トルクと要求効率とを取得し、それらの要求を実現するように内燃機関の制御、詳しくは、吸入空気量の制御と点火時期の制御とを行う。ここでいう効率とは、内燃機関から取り出すことができる仕事に対する全仕事の比率であり、要求効率とは、取り出すことができる仕事に対する取り出したい仕事の比率を意味する。したがって、要求効率の最大値は１である。【００１８】
まず、本実施の形態にて行われる吸入空気量の制御について説明する。制御装置は、取得した要求トルクと要求効率とを除算器８にかけ、要求トルクを要求効率で除算した値を算出する。要求効率は１以下の値であるので、除算器８から算出されるトルクの値は要求トルクよりも嵩上げされた値となる。【００１９】
次に制御装置は、空気量変換部１０において、除算器８で算出した嵩上げトルクを空気量（ＫＬ）に変換する。この変換処理で得られる空気量が内燃機関の目標空気量となる。なお、ここでいう空気量とは１サイクル当たりの筒内吸入空気量であり、それを無次元化した充填効率（負荷率）に代えてもよい。変換処理にはトルクと空気量とを関連付けたマップが用いられる。このマップでは、機関回転数や空燃比等、トルクと空気量との関係に影響する各種の運転条件がキーとされている。ただし、点火時期に関してはＭＢＴであることが前提とされている。【００２０】
次に制御装置は、スロットル開度設定部１２において、目標空気量からスロットル開度を算出する。スロットル開度の計算にはエアモデルの逆モデルが用いられる。エアモデルは吸気系の物理モデルであり、スロットルの動作に対する空気量の応答を流体力学等に基づいてモデル化されている。制御装置は、目標空気量から変換されたスロットル開度をスロットル６の操作量として設定し、設定したスロットル開度に従ってスロットル６を操作する。【００２１】
次に、点火時期の制御について説明する。本実施の形態において点火時期の制御に用いられる目標値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。トルク効率の計算に使用される推定トルクはスロットル開度に基づいて算出される。【００２２】
推定トルクの算出にあたっては、制御装置は、まず、スロットル開度センサの出力値やスロットルモータの回転量等からスロットル６の実開度を取得する。そして、推定空気量算出部１４において、取得したスロットル開度にて実現できると推定される空気量を算出する。推定空気量の計算には前述のエアモデルの順モデルが用いられる。【００２３】
次に制御装置は、トルク変換部１６において、スロットル開度から推定した空気量をトルクに変換する。この変換処理で得られるトルクが前述の推定トルクである。変換処理には空気量とトルクとを関連付けたマップが用いられる。このマップでは、機関回転数や空燃比等、トルクと空気量との関係に影響する各種の運転条件がキーとされている。ただし、点火時期に関してはＭＢＴであることが前提とされている。したがって、推定トルクは、点火時期がＭＢＴであれば実現されるトルク、すなわち、現在の吸入空気量で実現可能な最大トルクを意味している。【００２４】
制御装置は、取得した要求トルクと推定トルクとを除算器２０にかけ、要求トルクを推定トルクで除算した値を算出する。こうして算出された値がトルク効率である。制御装置は、効率変換部２２においてトルク効率をＫＬ効率に変換する。変換処理には変換式若しくはマップが用いられる。ＫＬ効率は、現在のスロットル開度にて実現される推定空気量に対する要求トルクの実現のために要求される空気量の比率である。本実施の形態では、このＫＬ効率が点火時期制御に用いられる。【００２５】
制御装置は、前記のＫＬ効率を実現するように点火時期の制御を行う。本実施の形態にて行われる点火時期の制御方法は、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせたものとして説明することできる。【００２６】
フィードフォワード制御では、ＫＬ効率の目標値に基づいて所定の燃焼関連パラメータの値が決定され、その燃焼関連パラメータの値を制御値として点火時期が設定される。本実施の形態で用いる燃焼関連パラメータは、上死点後１０度のクランク角（以下、ＡＴＤＣ１０°）に対する５０％燃焼点の遅れ量である。５０％燃焼点とは熱発生率（燃焼率）が５０％になるクランク角である。図２には、あるタイミングにて点火した場合のクランク角に対する筒内圧力の変化と、それに対応する熱発生率の変化とが併せて示されている。各クランク角における熱発生率と筒内圧力の波形との間には相関があり、各クランク角における熱発生率は筒内圧力の波形から計算することができる。内燃機関のトルクが最大になるのはＡＴＤＣ１０°の付近に５０％燃焼点が存在するときであり、そのときの点火時期がいわゆるＭＢＴである。５０％燃焼点がＡＴＤＣ１０°にあるときに内燃機関の効率は最大値の１になり、ＡＴＤＣ１０°に対する５０％燃焼点の遅れ量（以下、単に、５０％燃焼点遅れ量という）が大きいほど内燃機関の効率は低くなる。５０％燃焼点遅れ量と内燃機関の効率とは一対一の関係にあり、その関係は機関回転数等の運転条件の影響を受けることがない。したがって、５０％燃焼点遅れ量を制御値として点火時期制御を行うことで、内燃機関の燃焼状態を所望の状態に制御することができる。【００２７】
制御装置は、演算部２４においてＫＬ効率の目標値に対応する５０％燃焼点遅れ量を演算する。演算部２４には、ＫＬ効率と５０％燃焼点遅れ量とを関連付けるマップが具備されている。このマップは、実験によって得られた統計データに基づいて作成されたものである。以下、このマップを効率マップという。演算部２４は、この効率マップを用いてＫＬ効率の目標値を５０％燃焼点の遅れ量に変換する。この変換処理によって得られた５０％燃焼点の遅れ量の値は、５０％燃焼点の遅れ量の目標値であると同時に、点火時期を決定する制御値のベース値になる。【００２８】
制御装置は、さらに、演算部２６において制御値としての５０％燃焼点遅れ量から点火時期を決定する。演算部２６には、５０％燃焼点遅れ量と点火時期とを関連付けるマップが具備されている。以下、このマップをメインマップという。メインマップの特徴は、５０％燃焼点遅れ量と点火時期とが内燃機関の運転条件をキーにして関連付けられていることである。キーとされる運転条件には、少なくとも機関回転数（ＮＥ）が含まれている。目標空燃比が可変である場合には、目標空燃比も運転条件に含まれる。また、バルブタイミングが可変である場合には、バルブタイミングも運転条件に含まれる。これらの運転条件が変われば、点火時期が同じであってもクランク角に対する筒内圧力の波形は異なったものとなり、結果、５０％燃焼点遅れ量も異なったものとなる。メインマップは、キーとなる運転条件を色々と変えて実験を行い、それにより得られた統計データに基づいて作成されている。ここでは説明を簡単にするため、メインマップで考慮される運転条件は機関回転数のみとする。演算部２６は、このメインマップを用いて現在の機関回転数と制御値とから点火時期を決定する。制御装置は、演算部２６で算出された点火時期にて内燃機関２の点火装置を操作する。【００２９】
以上がフィードフォワード制御による点火時期の制御であるが、内燃機関２の個体差やメインマップの適合精度の影響によって、フィードフォワード制御のみでは必ずしも内燃機関の燃焼状態を所望の状態に制御することはできない。そこで組み合わせられるのが以下に説明するフィードドック制御である。【００３０】
フィードバック制御では、筒内圧センサ（ＣＰＳ）４の出力値が用いられる。筒内圧センサ４は内燃機関の一部の気筒或いは全部の気筒に取り付けられている。制御装置は、演算部２８において筒内圧センサ４の出力値から５０％燃焼点遅れ量の実際値を算出する。５０％燃焼点遅れ量は、クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる燃焼関連パラメータである。したがって、所定の計算規則に則って筒内圧センサ４の出力値を処理することによって、５０％燃焼点遅れ量の値は一意に算出される。なお、各気筒に筒内圧センサ４が取り付けられている場合には、気筒毎に５０％燃焼点遅れ量が算出される。一つの気筒にのみ筒内圧センサ４が取り付けられている場合には、その気筒について計算される５０％燃焼点遅れ量によって他の気筒の５０％燃焼点遅れ量が代表される。【００３１】
制御装置は、演算部２４で算出される５０％燃焼点遅れ量（目標値）と、演算部２６で算出される５０％燃焼点遅れ量（実際値）とを引算器３０にかけ、両者の偏差を算出する。そして、制御装置は、５０％燃焼点遅れ量の偏差をＦＢコントローラ３２にかけることによってＦＢ補正値を算出する。ここで算出されるＦＢ補正値の次元は５０％燃焼点遅れ量の次元と一致している。なお、図ではＦＢコントローラ３としてＰＩＤ回路が用いられているが、その他のコントローラが用いられることも可能である。【００３２】
次に、制御装置は、ＦＢコントローラ３２で算出されたＦＢ補正値と５０％燃焼点遅れ量の制御値とを足算器３４にかけ、両者を足し算することで５０％燃焼点遅れ量の制御値を補正する。次回のステップでは、ＦＢ補正値によって補正された５０％燃焼点遅れ量の制御値に基づいて演算部２６による演算が行われる。ＦＢコントローラ３２のゲインは、ＦＢコントローラ３２で算出されるＦＢ補正値が、５０％燃焼点遅れ量の目標値と実際値との偏差を減らす方向に働くように設定されている。【００３３】
本実施の形態では以上のようなフィードバック制御がフィードフォワード制御に組み合わせられる。本実施の形態において実施されるフィードバック制御は、上述の通り、５０％燃焼点遅れ量を制御値として、その制御値に筒内圧センサ４の出力値をフィードバックすることに一つの特徴がある。つまり、点火時期の設定値に直接フィードバックするようにはされていない。これは、メインマップの構成からも分かるように、点火時期と５０％燃焼点遅れ量との関係、より広く捉えるならば、点火時期と筒内圧センサ４の出力値との関係は機関回転数を含む運転条件によって変化するからである。点火時期の設定値に筒内圧センサ４の出力値が直接フィードバックされている場合には、機関回転数の変化に応じて５０％燃焼点遅れ量にずれが発生し、燃焼状態は最適な状態から外れてしまう。これに対して本実施の形態によれば、メインマップにおいて現在の機関回転数をキーにして５０％燃焼点遅れ量の制御値に応じた点火時期が決定される。したがって、機関回転数が変化した場合には、それに応じたフィードフォワード制御によって点火時期も変更されるので、運転条件が変化してから点火時期が再び最適化されるまでに時間遅れが生じることはない。さらに、機関回転数等の運転条件が点火時期に与える影響はメインマップにおいて考慮されるので、ＦＢ補正値の算出にあたって機関回転数等の運転条件を考慮する必要はない。したがって、本実施の形態の制御装置によれば、運転条件が一定の場合に限らず、運転条件が変化しうる状況においても燃焼状態を最適に制御することが容易となる。【００３４】
以上、本発明の実施の形態としての制御装置について説明した。本実施の形態と本発明との対応関係は次の通りである。図１に示す構成において、演算部２６は本発明の「第１の演算手段」に相当し、それが備えるメインマップが本発明の「第１のマップ」に相当する。また、演算部２４は本発明の「第２の演算手段」に相当し、それが備える効率マップが本発明の「第２のマップ」に相当する。そして、演算部２８、引算器３０、ＦＢコントローラ３２及び足算器３４によって本発明の「フィードバック補正手段」が構成されている。【００３５】
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図３を参照して説明する。【００３６】
図３は、本発明の実施の形態２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。図３において実施の形態１と共通する要素には同一の符号を付している。以下では、実施の形態１と共通の構成及び機能についての説明は省略或いは簡略し、実施の形態１とは異なる構成及び機能について重点的に説明するものとする。【００３７】
実施の形態１と比較した場合の本実施の形態の特徴は、演算部２４から引算器３０への信号の伝達経路に遅延器３６を備えたことにある。遅延器３６は、演算部２４で算出される５０％燃焼点遅れ量の目標値を１サンプル時間だけ遅延させて引算器３０へ入力する。１サンプル時間は気筒毎の点火の周期に合わせられているので、引算器３０へ入力される５０％燃焼点遅れ量の目標値は、前回ステップにおいて点火時期の設定に用いられた目標値となる。【００３８】
演算器２８では筒内圧センサ４の出力値から５０％燃焼点遅れ量の実際値が算出されるが、その計算に使用される筒内圧は前回ステップでの燃焼によって生じた筒内圧である。したがって、演算器２８で算出された５０％燃焼点遅れ量は、前回ステップでの５０％燃焼点遅れ量の実際値を意味している。本実施の形態の制御装置によれば、前回ステップにおいて設定された５０％燃焼点遅れ量の目標値と、その目標値に基づいて実現された５０％燃焼点遅れ量の実際値とを対照させることができるので、より精度の高いフィードバック制御が可能となる。【００３９】
実施の形態３．
続いて、本発明の実施の形態３について図４を参照して説明する。【００４０】
図４は、本発明の実施の形態３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。図４において既述の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付している。以下では、既述の実施の形態と共通の構成及び機能についての説明は省略或いは簡略し、既述の実施の形態とは異なる構成及び機能について重点的に説明するものとする。【００４１】
既述の実施の形態では、５０％燃焼点の遅れ量を制御値としてフィードフォワード制御とフィードバック制御を行うことがその特徴の一つであった。ところが、内燃機関２におけるトルクや効率と５０％燃焼点の遅れ量との関係、点火時期と５０％燃焼点の遅れ量との関係、また、機関回転数等の運転条件と５０％燃焼点の遅れ量との関係はいずれも非線形である。このため、ＦＢコントローラ３２の設計によっては、運転条件や要求トルクが変化した場合において実際値の目標値に対する速い追従性を実現することが困難になる可能性がある。そこで、本実施の形態では、５０％燃焼点の遅れ量の非線形性が点時期の制御性に与える影響を軽減すべく、いかに説明するような制御装置の構成をとることにした。【００４２】
既述の実施の形態と比較した場合の本実施の形態の特徴は、筒内圧センサ４の出力値から内燃機関が実際に発生したトルクを算出し、その実際トルクに基づいて５０％燃焼点遅れ量の実際値を算出することにある。また、５０％燃焼点遅れ量の実際値を算出するための回路として、５０％燃焼点遅れ量の目標値を算出するための回路と同構成の回路を用いることも本実施の形態の一つの特徴である。【００４３】
本実施の形態の制御装置は、演算部４０において筒内圧センサ４の出力値から内燃機関の発生トルクを算出する。次に制御装置は、算出した実際トルクと推定トルクとを除算器４２にかけ、実際トルクを推定トルクで除算した値を算出する。推定トルクは実施の形態１で説明したとおり現在の吸入空気量で実現可能な最大トルクである。除算器２０によって算出される値がトルク効率の目標値であるのに対し、除算器４２によって算出される値は実際のトルク効率をあらわしている。【００４４】
次に制御装置は、効率変換部４４において実際トルク効率をＫＬ効率に変換する。変換処理には効率変換部２２で用いられているのと同じ変換式若しくはマップが用いられる。効率変換部２２によって算出される値がＫＬ効率の目標値であるのに対し、効率変換部４４によって算出される値は実際のＫＬ効率をあらわしている。【００４５】
制御装置は、演算部４６においてＫＬ効率の実際値に対応する５０％燃焼点遅れ量を演算する。演算部４６には、ＫＬ効率と５０％燃焼点遅れ量とを関連付けるマップが具備されている。このマップは、演算部２４が備える効率マップと同一のマップである。演算部４６は、この効率マップを用いてＫＬ効率の実際値を５０％燃焼点の遅れ量に変換し、５０％燃焼点の遅れ量の実際値を算出する。【００４６】
本実施の形態では、以上のようにして算出された５０％燃焼点遅れ量の実際値と、演算部２４で算出される５０％燃焼点遅れ量の目標値との偏差に基づいてフィードバック制御が行われる。これによれば、フィードフォワード制御だけでなくフィードバック制御でも５０％燃焼点遅れ量の非線形性を考慮することができるので、運転条件や要求トルクの変化に対する速応性やロバスト性を高めることができる。【００４７】
実施の形態４．
続いて、本発明の実施の形態４について図５を参照して説明する。【００４８】
図５は、本発明の実施の形態４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。図５において既述の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付している。以下では、既述の実施の形態と共通の構成及び機能についての説明は省略或いは簡略し、既述の実施の形態とは異なる構成及び機能について重点的に説明するものとする。【００４９】
既述の実施の形態と比較した場合の本実施の形態の特徴は、フィードフォワード制御における制御値として５０％燃焼点遅れ量を用いつつ、フィードバック制御における目標値としては要求トルクを用いることにある。フィードフォワード制御では、ＫＬ効率の目標値を５０％燃焼点遅れ量に変換する効率マップが用いられる。効率マップは実験で得られた統計データに基づき作成されるが、データの誤差の影響や内燃機関２の個体差の影響によって現実との間にずれがある可能性がある。このため、５０％燃焼点遅れ量の実際値を目標値に制御できたとしても、それにより得られた実際トルクと要求トルクとの間にはずれが生じてしまう可能性がある。そこで、本実施の形態では、実際トルクの要求トルクへの正確な制御を可能とすべく、以下に説明するような制御装置の構成をとることにした。【００５０】
本実施の形態の制御装置は、演算部４０において筒内圧センサ４の出力値から内燃機関の発生トルクを算出する。次に制御装置は、要求トルクと演算部４０で算出される実際トルクとを引算器５０にかけ、両者の偏差を算出する。そして、制御装置は、トルクの偏差をＦＢコントローラ５２にかけることによってＦＢ補正値を算出する。ＦＢコントローラ５２では、算出されるＦＢ補正値の次元が５０％燃焼点遅れ量の次元と一致するようにゲインの設定が行われている。また、ＦＢコントローラ５２のゲインは、ＦＢコントローラ５２で算出されるＦＢ補正値が、５０％燃焼点遅れ量の目標値と実際値との偏差を減らす方向に働くように設定されている。【００５１】
以上のように要求トルクと実際トルクの偏差を５０％燃焼点遅れ量の制御値にフィードバックすることで、実際トルクの要求トルクへの正確な制御が可能となる。また、図５に示す構成をとる場合には、ＦＢ補正値の算出にあたって機関回転数等の運転条件を考慮する必要はない。既述の実施の形態と同様に、機関回転数等の運転条件が点火時期に与える影響はメインマップにおいて考慮されるからである。したがって、本実施の形態の制御装置によれば、運転条件が一定の場合に限らず、運転条件が変化しうる状況においても、実際トルクが要求トルクになるように燃焼状態を最適に制御することが容易となる。【００５２】
実施の形態５．
最後に本発明の実施の形態５について図６を参照して説明する。【００５３】
図６は、本発明の実施の形態５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。図６において既述の実施の形態と共通する要素には同一の符号を付している。以下では、既述の実施の形態と共通の構成及び機能についての説明は省略或いは簡略し、既述の実施の形態とは異なる構成及び機能について重点的に説明するものとする。【００５４】
本実施の形態は実施の形態４のさらなる改良にあたる。実施の形態４は要求トルクと実際トルクとの偏差に基づいたフィードバック制御を行うものであるが、要求トルクと実際トルクとの間には時間軸上のずれがある。要求トルクが制御装置に入力されてから、それに基づいて内燃機関２が制御され、その制御結果が実際の発生トルクとなって現れるまでには少なからず時間遅れがある。このため、例えば要求トルクがステップ的に急増した場合には、要求トルクと実際トルクとの間に大きな偏差が生じ、その偏差に応じて点火時期が過剰に進角されてしまう可能性がある。【００５５】
本実施の形態の制御装置は、引算器３０への要求トルクの伝達経路に遅延器５４を備えている。遅延器５４は、要求トルクをスロットルの操作に対する吸入空気量の応答遅れの分だけ遅延させて引算器５０へ入力する。要求トルクと実際トルクとの間に生じる時間遅れの主たる原因が、スロットルの操作に対する吸入空気量の応答遅れだからである。遅延器５４は単純な１次遅れ要素であってもよいし、前述のエアモデルのような物理モデルであってもよい。【００５６】
要求トルクに対して遅延器５４による処理が行われることで、要求トルクと実際トルクとの間の時間軸上のずれは補正される。これにより要求トルクとその要求トルクに基づいて実現された実際トルクとを対照させることが可能となり、要求トルクの変化に対するフィードバック制御の精度を高めることができる。【００５７】
その他．
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い。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態ものから種々変形して実施することができる。例えば、上述の実施の形態を次のように変形して実施してもよい。【００５８】
上述の実施の形態では、５０％燃焼点遅れ量を用いて点火時期制御を行っているが、他の燃焼関連パラメータを用いることができる。例えば、筒内圧センサが出力する圧力波形から燃焼関連パラメータを得ることができる。具体的には、筒内圧力のピーク値、所定クランク角範囲の圧力波形或いはその面積、所定クランク角範囲の圧力傾き等である。また、熱発生率、熱発生量、燃焼割合、或いは発生熱の変化率といった筒内圧センサの出力値から計算される燃焼関連パラメータを用いてもよい。要するに、クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる燃焼関連パラメータであれば、５０％燃焼点遅れ量の代わりに用いることができる。【００５９】
上述の実施の形態ではマップによってＫＬ効率を５０％燃焼点遅れ量に変換しているが、内燃機関のトルクに関係するその他の物理量を目標値として５０％燃焼点遅れ量を得てもよい。例えば、トルク効率、トルクダウン率（量）、或いは要求トルク等を用いてもよい。ただし、マップで用いる物理量として好ましいのは、その値と５０％燃焼点遅れ量との関係に運転条件が関係しない無次元化された物理量である。【００６０】
また、上述の実施の形態で用いている効率マップは、ＫＬ効率或いはトルク効率と５０％燃焼点遅れ量との関係を近似した数式に置き換えることもできる。メインマップに関しても同様であって、機関回転数等の運転条件と点火時期と５０％燃焼点遅れ量との関係を近似した数式に置き換えることもできる。或いは、点火時期と５０％燃焼点遅れ量との関係を近似した数式を運転条件毎に用意するのでもよい。
【図１】
2010082332.tif 000003
【図２】
2010082332.tif 000004
【図３】
2010082332.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年8月31日(2011.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置において、
クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる所定の燃焼関連パラメータを制御値とし、前記内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従い、前記制御値に基づいて点火時期を演算する第１の演算手段と、
所定の演算規則に従い、前記内燃機関のトルクに関係する所定物理量の目標値に基づいて前記制御値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段によって算出された点火時期に従って前記内燃機関の点火装置を操作する操作手段と、
前記筒内圧センサの出力値をフィードバックして前記制御値を補正するフィードバック補正手段とを備え、
前記フィードバック補正手段は、
前記筒内圧センサの出力値から前記燃焼関連パラメータの実際値を算出する手段と、
前記物理量の目標値を前記燃焼関連パラメータに変換した値と前記燃焼関連パラメータの実際値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、
前記フィードバック補正値によって前記制御値を補正する手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記フィードバック補正値算出手段は、前記物理量の前回の目標値を前記燃焼関連パラメータに変換した値と前記燃焼関連パラメータの今回の実際値との差分からフィードバック補正値を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置において、
クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる所定の燃焼関連パラメータを制御値とし、前記内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従い、前記制御値に基づいて点火時期を演算する第１の演算手段と、
所定の演算規則に従い、前記内燃機関のトルクに関係する所定物理量の目標値に基づいて前記制御値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段によって算出された点火時期に従って前記内燃機関の点火装置を操作する操作手段と、
前記筒内圧センサの出力値をフィードバックして前記制御値を補正するフィードバック補正手段とを備え、
前記フィードバック補正手段は、
前記筒内圧センサの出力値から前記物理量或いはトルクの実際値を算出する手段と、
前記物理量或いはトルクの目標値と実際値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、
前記フィードバック補正値によって前記制御値を補正する手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記フィードバック補正値算出手段は、スロットルの操作に対する吸入空気量の応答遅れに応じて前記物理量或いはトルクの目標値を遅延処理する手段を含み、遅延処理後の目標値を用いて前記フィードバック補正値を算出することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記第２の演算手段は、
前記物理量に前記燃焼関連パラメータを関連付ける第２のマップと、
前記第２のマップを用いて前記物理量の目標値を前記燃焼関連パラメータの値に変換する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置において、
クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる所定の燃焼関連パラメータを制御値とし、前記内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従い、前記制御値に基づいて点火時期を演算する第１の演算手段と、
所定の演算規則に従い、前記内燃機関のトルクに関係する所定物理量の目標値に基づいて前記制御値を演算する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段によって算出された点火時期に従って前記内燃機関の点火装置を操作する操作手段と、
前記筒内圧センサの出力値をフィードバックして前記制御値を補正するフィードバック補正手段とを備え、
前記第２の演算手段は、
前記物理量に前記燃焼関連パラメータを関連付ける第２のマップと、
前記第２のマップを用いて前記物理量の目標値を前記燃焼関連パラメータの値に変換する手段とを備え、
前記フィードバック補正手段は、
前記筒内圧センサの出力値から前記物理量の実際値を算出する手段と、
前記第２のマップを用いて前記物理量の実際値を前記燃焼関連パラメータの値に変換する手段と、
前記物理量の目標値を前記燃焼関連パラメータに変換した値と、前記物理量の実際値を前記燃焼関連パラメータに変換した値との差分からフィードバック補正値を算出する手段と、
前記フィードバック補正値によって前記制御値を補正する手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記第１の演算手段は、
前記燃焼関連パラメータと点火時期とを、前記内燃機関の運転条件をキーにして関連付ける第１のマップと、
前記第１のマップを用いて現在の或いは目標とする運転条件と前記制御値とから点火時期を決定する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記燃焼関連パラメータは５０％燃焼点の遅れ量であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記運転条件は少なくとも機関回転数を含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記物理量は前記内燃機関の発生トルクと点火時期がＭＢＴならば実現される推定トルクとの比で表されるトルク効率であって、前記物理量の目標値とは、前記内燃機関に要求されている要求トルクと前記推定トルクとの比で表される目標トルク効率であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
筒内圧センサを備えた火花点火式の内燃機関の制御装置において、
クランク角に対する筒内圧力の変化の態様によって一意に値が定まる所定の燃焼関連パラメータの目標値を設定する目標値設定手段と、
前記目標値を制御値の初期値とし、前記内燃機関の現在の或いは目標とする運転条件に応じて決まる演算規則に従い、前記制御値に基づいて点火時期を演算する演算手段と、
前記演算手段によって算出された点火時期に従って前記内燃機関の点火装置を操作する操作手段と、
前記筒内圧センサの出力値から前記燃焼関連パラメータの実際値を算出する実際値算出
手段と、
前記燃焼関連パラメータの目標値と実際値との差分に基づいて前記制御値を補正する制御値補正手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１２】
前記演算手段は、
前記燃焼関連パラメータと点火時期とを、前記内燃機関の運転条件をキーにして関連付けるマップと、
前記マップを用いて現在の或いは目標とする運転条件と前記制御値とから点火時期を決定する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の制御装置。
【国際調査報告】
2010082332.tif 000009
2010082332.tif 000010
2010082332.tif 000011
2010082332.tif 000012