(57)【要約】【課題】絞り弁開度のフィードフォワード項の精度を向上させることにより、絞り弁によるガス流量の制御精度を向上させる。【解決手段】絞り弁がモデル化されたノズル式を用いて、絞り弁の上流側の圧力の計測値、絞り弁の下流側の圧力の計測値、絞り弁の上流側の温度の計測値、及び絞り弁を通過する或いは通過したガスの流量の計測値から、絞り弁の有効開口面積を算出する。そして、絞り弁開度の制御値と有効開口面積の計算値とに基づき、絞り弁の開度と有効開口面積との相関を学習する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の絞り弁の開度の制御値である絞り弁開度制御値を取得する手段と、
前記絞り弁の上流側の圧力の計測値である絞り弁上流圧力計測値を取得する手段と、
前記絞り弁の下流側の圧力の計測値である絞り弁下流圧力計測値を取得する手段と、
前記絞り弁の上流側の温度の計測値である絞り弁上流温度計測値を取得する手段と、
前記絞り弁を通過する或いは通過したガスの流量の計測値である絞り弁通過ガス流量計測値を取得する手段と、
前記絞り弁がモデル化されたノズル式を用いて、前記絞り弁上流圧力計測値、絞り弁下流圧力計測値、絞り弁上流温度計測値、及び絞り弁通過ガス流量計測値から、前記絞り弁の有効開口面積の計算値である有効開口面積計算値を算出する手段と、
前記絞り弁開度制御値と前記有効開口面積計算値とに基づき、前記絞り弁の開度と有効開口面積との相関を学習する学習手段と、
を備えることを特徴とする絞り弁開度学習装置。
【請求項２】
前記学習手段は、前記絞り弁の開度が第１の開度域にあるときに取得した前記絞り弁開度制御値と前記有効開口面積計算値との第１の相関データと、前記絞り弁の開度が前記第１の開度域とは異なる第２の開度域にあるときに取得した前記絞り弁開度制御値と前記有効開口面積計算値との第２の相関データとに基づき、前記絞り弁の開度と有効開口面積との相関を表す一次式の傾きと切片を算出し、前記傾き及び切片を学習値として記憶することを特徴とする請求項１に記載の絞り弁開度学習装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の絞り弁の開度のフィードフォワード制御に用いて好適な絞り弁開度学習装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献には、内燃機関の吸気通路に備えられるスロットルの開度と吸入空気量との相関を学習する学習装置に関する発明が開示されている。この発明によれば、内燃機関のアイドル運転時に、内燃機関の点火時期を補正すると共に、目標アイドル回転速度を維持すべく点火時期の補正によるトルク変化を相殺するようにスロットルの開度を変化させることが行われる。そして、変化させた各開度において開度と吸入空気量との相関データを取得し、得られた複数の相関データに基づいてスロットルの開度と吸入空気量との相関を学習することが行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−０９２７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献に開示された発明によれば、アイドル運転でのスロットル開度と吸入空気量との相関を学習することができる。しかし、アイドル運転は内燃機関の運転条件の１つにすぎない。例えば、圧縮点火式内燃機関の運転条件を回転数と噴射量で表す場合、図７のグラフに示すように多数の運転条件が存在する。
【０００５】
アイドル条件を含む各運転条件におけるスロットルの閉度と吸入空気量との相関データを取得し、それらをスロットル閉度と吸入空気量とを軸とするグラフにプロットしたものが図８である。なお、圧縮点火式内燃機関では、スロットルは基本は全開であり、全開を基準にして閉じ側に制御される。このため、スロットルの開き具合を測る指標として、開度ではなく、閉度が用いられる場合がある。ただし、スロットルの開度と閉度とは一対一の関係にあるので、スロットルの閉度を決定することは、開度を決定することと実質的に同義である。
【０００６】
図８より、複数の運転条件のもとではスロットル閉度と吸入空気量との相関が低いことが分かる。これは、運転条件によってスロットルの前後の圧力や温度が変化し、それによりスロットル閉度と吸入空気量との関係にばらつきが生じることが原因である。スロットルによる吸入空気量制御では、制御レスポンスを向上させる上で、スロットル開度のフィードフォワード項を正確に算出することが重要である。フィードフォーワード項の正確な計算のためには、スロットルの実際の流量特性に合致したモデルを必要とする。しかし、スロットル開度と吸入空気量との間には、アイドル条件以外の運転条件では高い相関はない。このため、スロットル開度と吸入空気量との関係からは精度の良いフィードフォワード項を得ることはできない。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、目標とする空気量を達成するためのスロットル開度の計算において、精度の良いフィードフォワード項を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を達成するために、本発明に係る絞り弁開度学習装置は、以下の動作を行うように構成される。
【０００９】
本発明によれば、絞り弁開度学習装置は、絞り弁の開度の制御値（以下、絞り弁開度制御値）と、絞り弁の上流側の圧力の計測値（以下、絞り弁上流圧力計測値）と、絞り弁の下流側の圧力の計測値（以下、絞り弁下流圧力計測値）と、絞り弁の上流側の温度の計測値（以下、絞り弁上流温度計測値）と、絞り弁を通過する或いは通過したガスの流量の計測値（以下、絞り弁通過ガス流量計測値）とを取得する。そして、絞り弁がモデル化されたノズル式を用いて、絞り弁上流圧力計測値、絞り弁下流圧力計測値、絞り弁上流温度計測値、及び絞り弁通過ガス流量計測値から、絞り弁の有効開口面積の計算値（以下、有効開口面積計算値）を算出し、絞り弁開度制御値と有効開口面積計算値とに基づき、絞り弁の開度と有効開口面積との相関を学習する。
【００１０】
絞り弁の開度と有効開口面積との相関を学習する方法の好ましい形態によれば、まず、絞り弁の開度が第１の開度域にあるときに絞り弁開度制御値と有効開口面積計算値との第１の相関データを取得し、次に、絞り弁の開度が第１の開度域とは異なる第２の開度域にあるときに絞り弁開度制御値と有効開口面積計算値との第２の相関データを取得する。そして、第１の相関データと第２の相関データとに基づいて、絞り弁の開度と有効開口面積との相関を表す一次式の傾きと切片を算出し、それらを学習値として記憶する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、絞り弁の開度と有効開口面積との相関を学習することができる。絞り弁の開度と有効開口面積との間には高い相関があり、それは運転条件によって左右されない。よって、ノズルの式を用いて目標とする流量から有効開口面積の目標値を算出し、学習した絞り弁の開度と有効開口面積との相関に基づき、有効開口面積の目標値から絞り弁の開度を決定することによって、精度の良いフィードフォワード項を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態で実行されるスロットル閉度指令値の算出フローを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態で実行されるスロットル閉度指令値のＦ／Ｆ項の算出フローを示す図である。
【図４】スロットル閉度と有効開口面積との相関を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態で実行されるスロットル閉度と有効開口面積との相関の学習フローを示す図である。
【図６】スロットル閉度と有効開口面積との相関の学習方法を説明する図である。
【図７】回転数と噴射量とで定義される運転条件例を示す図である。
【図８】スロットル閉度と吸入空気量との相関を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態としてのエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態の内燃機関は、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）である。エンジンの本体２には４つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとにインジェクタ８が設けられている。エンジン本体２には吸気マニホールド４と排気マニホールド６が取り付けられている。吸気マニホールド４にはエアクリーナ２０から取り込まれた新気が流れる吸気通路１０が接続されている。吸気通路１０にはターボ過給機のコンプレッサ１４が取り付けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４の下流には絞り弁であるスロットル２４が設けられている。吸気通路１０においてコンプレッサ１４とスロットル２４との間にはインタークーラ２２が備えられている。排気マニホールド６にはエンジン本体２から出た排気ガスを大気中に放出するための排気通路１２が接続されている。排気通路１２にはターボ過給機のタービン１６が取り付けられている。排気通路１２においてタービン１６の下流には排気ガスを浄化するための触媒装置２６が設けられている。
【００１５】
本実施の形態のエンジンは、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、吸気通路１０におけるスロットル２４の下流の位置と排気マニホールド６とをＥＧＲ通路３０によって接続している。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲ弁３２が設けられている。ＥＧＲ通路３０においてＥＧＲ弁３２の排気側にはＥＧＲクーラ３４が備えられている。ＥＧＲ通路３０にはＥＧＲクーラ３４をバイパスするバイパス通路３６が設けられている。ＥＧＲ通路３０とバイパス通路３６が合流する箇所には、排気ガスが流れる方向を切り替えるバイパス弁３８が設けられている。
【００１６】
本実施の形態のエンジンシステムはＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備える。ＥＣＵ５０は、エンジンシステム全体を総合制御する制御装置である。ＥＣＵ５０は、エンジンシステムが備えるセンサの信号を取り込み処理する。センサはエンジンシステムの各所に取り付けられている。吸気通路１０には、エアクリーナ２０の下流に、吸気通路１０に取り込まれた新気の流量を計測するためのエアフローメータ５８が取り付けられている。インタークーラ２２とスロットル２４の間には、スロットル２４の上流における吸気通路１０内の圧力を計測するための圧力センサ（以下、スロットル上流圧力センサ）５６と、スロットル２４の上流における吸気通路１０内の温度を計測するための温度センサ（以下、スロットル上流温度センサ）６０が取り付けられている。スロットル２４の下流には、スロットル２４の下流における吸気通路１０内の圧力を計測するための圧力センサ（以下、スロットル下流圧力センサ）５４が取り付けられている。また、スロットル２４には、その閉度の制御値に応じた信号を出力するセンサが一体化されている。さらに、クランク軸の回転を検出する回転数センサ５２や、アクセルペダルの開度に応じた信号を出力するアクセル開度センサ６２なども設けられている。ＥＣＵ５０は、取り込んだ各センサの信号を処理して所定の制御プログラムにしたがってスロットル２４を含む各種アクチュエータを操作する。なお、ＥＣＵ５０に接続されるアクチュエータやセンサは図中に示す以外にも多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。
【００１７】
ＥＣＵ５０により実行されるエンジン制御には、スロットル２４による新気量制御が含まれる。新気量制御は吸入空気量制御の１つであって、吸入空気中の新気の量に関する制御を意味する。新気量制御には、スロットル２４による新気量制御とＥＧＲ弁３２による新気量制御が含まれる。このうち本発明に関係するのはスロットル２４による新気量制御であるので、以下、これについて説明する。なお、スロットル２４による新気量制御が行われている間、ＥＧＲ弁３２は全開あるいは所定値に開かれている。
【００１８】
図２は、本実施の形態で実行されるスロットル２４による新気量制御の概要を示す図である。スロットル２４による新気量制御は、フィードフォワード制御とフィードバック制御とからなる。フィードフォワード制御では、スロットル２４の流量特性をモデル化したスロットルモデルを用いて、目標とする新気量からスロットル閉度のフィードフォワード項（図ではＦ／Ｆ項と表記）が算出される。なお、目標とする新気量は、エンジンの回転数と噴射量とから決定される。フィードバック制御では、目標新気量とエアフローメータ５８により計測された実新気量との偏差から、比例積分制御によってフィードバック項（図ではＦ／Ｂ項と表記）が算出される。そして、フィードフォワード項とフィードバック項との和が、スロットル閉度の指令値としてスロットル２４に対して出力される。
【００１９】
本実施の形態のフィードフォワード制御の概要は図３に示される。本実施の形態では、フィードフォワード制御に係るスロットルモデルとして、以下の式（１）乃至式（４）からなるノズルの式が用いられる。以下の式において、μＡは有効開口面積[cm2]、gaは新気量[kg/sec]、ethiaはスロットル上流温度[K]、epimはスロットル下流圧力[Pa]、P3はスロットル上流圧力[Pa]、Rは気体定数（287J/K*kg）、κは比熱比（1.4）である。
【数１】
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【００２０】
フィードフォワード制御では、上記のノズルの式を用いて目標新気量からスロットル２４の目標有効開口面積が算出される。目標有効開口面積には、スロットル上流圧力センサ５６を用いて計測されたスロットル上流圧力の計測値、スロットル下流圧力センサ５４を用いて計測されたスロットル下流圧力の計測値、及び、スロットル上流温度センサ６０を用いて計測されたスロットル上流温度の計測値がパラメータとして用いられる。そして、目標有効開口面積からスロットル閉度のフィードフォワード項が決定される。
【００２１】
フィードフォワード項の決定には、スロットル２４の閉度と有効開口面積との関係（μＡ特性）に対応する計算式が用いられる。図４は、図７に示す各運転条件で採取したデータをスロットル閉度と有効開口面積とを軸とするグラフにプロットしたものである。このグラフからは、スロットル閉度と有効開口面積との間には運転条件によって左右されない高い相関が有り、その相関は一次式で近似することができることが分かる。ＥＣＵ５０には、スロットル閉度と有効開口面積との相関を表す一次式を特定するためのデータとして、一次式の傾きと切片が記憶されている。
【００２２】
なお、本実施の形態では、新気量制御でのスロットル２４の使用域は、下限値である閉度６０％から上限値である閉度９０％までの範囲に限定されている。スロットル閉度の上限値は、最小空気量に対応して決定されている。一方、スロットル閉度の下限値は、スロットル２４による新気量制御からＥＧＲ弁３２による新気量制御への切り換えの判断基準値になっている。目標有効開口面積がスロットル閉度の下限値に対応する有効開口面積より大きい場合、スロットル２４の閉度は下限値に固定され、ＥＧＲ弁３２による新気量制御が行われる。スロットル閉度が下限値よりも低い状況、つまり、スロットル２４がある程度開いている状況では、スロットル２４の動作に対する空気の応答は低い。このような状況では、ＥＧＲ弁３２の開度によってＥＧＲ量あるいはＥＧＲ率を制御し、それにより間接的に新気量を制御するほうが、より高い精度で新気量を制御することができる。
【００２３】
前述のμＡ特性は、スロットルごとの個体差によって異なるだけでなく、経時劣化によっても変化する。μＡ特性に誤差がある場合には、精度の良いフィードフォワード項を得ることができず、制御レスポンスの低下によって排気ガス性能や燃費の悪化を招いてしまうおそれがある。このため、本実施の形態では、スロットル閉度と有効開口面積との相関を学習し、ＥＣＵ５０のメモリに記憶されている一次式の傾きと切片の値をそれぞれ更新することが行われる。
【００２４】
図５は、本実施の形態でＥＣＵ５０により実行されるスロットル閉度と有効開口面積との相関の学習フローを示している。ＥＣＵ５０のメモリには、この学習フローに対応するプログラムが記憶されている。このプログラムがＥＣＵ５０のプロセッサにより実行されたときに、ＥＣＵ５０は本発明に係る絞り弁開度学習装置として機能する。
【００２５】
図５に示す学習フローによれば、ステップＳ１にてエンジン回転数の計測、ステップＳ２にてアクセル開度に基づく噴射量の決定、ステップＳ３にて回転数及び噴射量に基づく目標新気量の決定、そして、ステップＳ４にて実新気量の計測が行われる。ステップＳ５では、ＥＧＲ弁３２が全開か否か判定される。あるいは、ＥＧＲ弁３２が所定値以上の開度か否か判定される。ＥＧＲ弁３２が全開でない場合（あるいは所定値以上の開度でない場合）、新気量制御はＥＧＲ弁３２の開度によって行われている。この場合、ＥＧＲ弁３２が全開になるまで、ステップＳ１乃至Ｓ４の処理が繰り返し行われる。
【００２６】
ＥＧＲ弁３２が全開になった場合（あるいは所定値以上の開度になった場合）、ステップＳ６にてスロットル２４による新気量制御が実施される。ノズルの式を用いて目標新気量から目標有効開口面積が算出され、μＡ特性に基づいて目標有効開口面積からスロットル開度のフィードフォワード項が算出される。また、目標新気量と実新気量との偏差に基づいてフィードバック項が算出される。
【００２７】
ステップＳ７では、新気量制御で決定されたスロットル閉度が予め定義された制御使用域に入るか否か判定される。そして、スロットル閉度が制御使用域に入らない場合、つまり、スロットル閉度が下限値を下回る場合、ステップＳ１５の処理が行われる。ステップＳ１５では、スロットル閉度は下限値に固定されて、ＥＧＲ弁３２による新気量制御が実施される。ＥＧＲ弁３２による新気量制御は、ステップＳ５の判定にてＥＧＲ弁３２が再び全開になるまで（あるいは再び所定値以上の開度になるまで）継続される。
【００２８】
スロットル閉度が制御使用域に入る場合、まず、ステップＳ８にて、それが予め定義された閉度域Ａに入っているか否か判定される。スロットル閉度が閉度域Ａに入っていない場合には、次に、ステップＳ９にて、スロットル閉度が予め定義された閉度域Ｂに入っているか否か判定される。ここでは、閉度域Ａは、例えば、閉度６０％から７０％までの範囲と定義し、閉度域Ｂは、例えば閉度８０％から９０％までの範囲と定義することができる。つまり、閉度域Ａと閉度域Ｂは重なっていなければよい。なお、閉度域Ａは本発明における「第１の開度域」に対応し、閉度域Ｂは本発明における「第２の開度域」に対応している。
【００２９】
スロットル閉度が閉度域Ａに入っている場合、また、閉度域Ｂに入っている場合、それぞれにおいてステップＳ１０乃至ステップＳ１２の処理が行われる。ステップＳ１０では、現時点におけるスロットル閉度の制御値が取得されるともに、新気量、スロットル上流圧力、スロットル上流温度、及び、スロットル下流圧力のそれぞれの計測値が取得される。そして、ステップＳ１１では、ステップＳ１０で取得した新気量、スロットル上流圧力、スロットル上流温度、スロットル下流圧力のそれぞれの計測値をノズルの式に入力して有効開口面積を計算することが行われる。ここで計算された有効開口面積は、実際の新気量を実現している実際の有効開口面積の推定値に相当する。ステップＳ１２では、ステップＳ１１で計算された有効開口面積とステップＳ１０で取得したスロットル閉度の制御値とが関連付けられ、１つの相関データとしてメモリに記憶される。
【００３０】
ステップＳ１３では、閉度域Ａと閉度域Ｂの両方において相関データの記録が行われたかどうかの確認が行われる。両方の相関データが揃うまで、ステップＳ１３までの各処理が繰り返し行われる。
【００３１】
そして、閉度域Ａと閉度域Ｂの両方の相関データが揃ったとき、ステップＳ１４の処理が行われる。ステップＳ１４では、スロットル閉度と有効開口面積との相関を表す一次式が２つの相関データを用いて特定される。図６のグラフには、学習前の一次式が破線で描かれ、学習後の一次式が実線で描かれている。このグラフに示すように、スロットル閉度と有効開口面積とを軸とするグラフに２つの相関データをプロットし、それらを通る直線を求めることによって、現在のμＡ特性に合致した一次式を特定することができる。絞り弁開度学習装置としてのＥＣＵ５０は、特定した一次式の傾きと切片を算出し、メモリに記憶されている傾きと切片の学習値をそれぞれ更新する。次回のフィードフォワード項の計算には、更新された傾きと切片にて特定される学習後の一次式が使用される。
【００３２】
ところで、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、スロットル閉度と有効開口面積との相関を表す一次式の特定に用いる相関データは３個以上あってもよい。ただし、スロットルの使用域の上限に近い閉度域と、下限に近い閉度域とにおいて相関データを取得するのであれば、上述の実施の形態のように相関データの数は２つで十分と言える。上述の実施の形態によれば、スロットル閉度と有効開口面積との相関をごく短い時間で正確に学習することができる。
【００３３】
本発明に係る絞り弁開度学習装置は、圧縮点火式内燃機関のスロットルだけでなく火花点火式内燃機関のスロットルにも適用可能である。火花点火式内燃機関のスロットルに本発明を適用する場合には、スロットル閉度ではなく、スロットル開度と有効開口面積との相関を学習すればよい。さらに、本発明に係る絞り弁開度学習装置は、吸気通路に配置されるスロットルだけでなく、流量の制御に用いる絞り弁であれば広く適用可能である。例えば、ＥＧＲ弁がノズルの式でモデル化できる絞り弁であるならば、ＥＧＲ弁の開度の学習にも本発明は適用可能である。また、過給器のタービンの可変ノズルの開度の学習にも本発明は適用可能である。
【００３４】
本発明は、絞り弁の開度と有効開口面積との相関が一次式以外の関数にて表されるものにも適用可能である。絞り弁開度制御値と有効開口面積計算値との相関データを必要数取得することによって、相関を表す関数の係数を求めることができる。
【符号の説明】
【００３５】
２  エンジン本体
４  吸気マニホールド
６  排気マニホールド
１０  吸気通路
１２  排気通路
１４  コンプレッサ
１６  タービン
２４  スロットル
３０  ＥＧＲ通路
３２  ＥＧＲ弁
５０  ＥＣＵ
５２  回転数センサ
５４  スロットル下流圧力センサ
５６  スロットル上流圧力センサ
５８  エアフローメータ
６０  スロットル上流温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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