JP4425816B2

JP4425816B2 - 電子制御スロットル装置

Info

Publication number: JP4425816B2
Application number: JP2005058016A
Authority: JP
Inventors: 賢二土方
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: JP2006242081A

Description

本発明は、スロットル弁下流の吸入管圧力のオーバシュートを抑制する電子制御スロットル装置に関する。

最近の電子制御化が進んだ自動車などの車両では、運転者のアクセルペダル操作に即応した応答性の良いドライバビリティを実現するために、アクセルペダルの踏込み量などに基づいて要求トルクを設定し、この要求トルクに基づきスロットル弁下流の吸入管圧力の目標値（目標吸入管圧力）を設定し、スロットル弁下流の実際の吸入管圧力（実吸入管圧力）が目標吸入管圧力となるようにスロットル弁の開度を制御し、運転者の要求出力に適応するトルクを発生させる電子制御スロットル装置が広く採用されている。

ところで、ターボ過給機付エンジンでは、エンジンからの排気ガスにより回転するタービンによってコンプレッサを駆動して、燃焼室へ供給する吸入空気を過給するようにしており、この過給圧（吸入管圧力）は、タービンに供給する排気ガス流量を調整する排気制御弁の開度により制御される。

例えば特許文献１（特開平１１−３５１０１０号公報）には、ターボ過給機付エンジンに電子制御スロットル装置を装備した技術が開示されている。この文献に開示されている技術では、先ず、エンジン回転数とアクセル開度とに基づきスロットル弁下流の目標過給圧を設定し、排気制御弁の開度を制御して、実際の過給圧が目標過給圧に収束するように調整する。一方、エンジン回転数とアクセル開度とに基づいて目標スロットル開度を設定し、この目標スロットル開度を、目標過給圧と実際の過給圧との比較値に応じ、実際の過給圧が目標過給圧を越えているときは、スロットル弁を閉じるようにスロットル開度を補正して、実際のスロットル開度が目標スロットル開度に収束するように制御する。

この文献によれば、実際の過給圧が目標過給圧を超えたときは、スロットル開度を小さくすることで吸入空気量を減少させるようにしたので、過給圧のオーバシュートを抑制することができる。
特開平１１−３５１０１０号公報

しかし、上述した文献に開示されている技術では、目標過給圧が、スロットル弁上流の過給圧よりも高い値に設定されている場合、スロットル弁下流の実際の過給圧は目標過給圧を超えることができないので、フィードバック制御系では、スロットル弁下流の過給圧を実際の過給圧に近づけるためにスロットル弁を開く方向へ制御することになる。

一方、その際、過給圧制御系では、排気制御弁の開度を制御して、実際の過給圧が目標過給圧に収束するようにフィードバック制御を行うが、実際の過給圧が目標過給圧に到達するまでには、制御系の遅れや、排気制御弁の作動遅れなどによって、過給圧の上昇にある遅れが生じる。

その結果、実際の過給圧が目標過給圧に到達した場合であっても、スロットル弁は大きく開いているため、このスロットル弁の開度が小さくなる方向へ補正されまでの間は、実際の過給圧が目標過給圧以上となり、過給圧のオーバシュートによりドライバビリティが悪化してしまう。

又、電子制御スロットル装置にも応答遅れがあるため、過給圧が目標過給圧に到達することでスロットル弁が急閉し、その結果、エンジントルクが急変してハンチングを引き起こす問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、スロットル弁下流の吸入管圧力のオーバシュート、及びその後のハンチングを抑制して、良好なドライバビリティを得ることのできる電子制御スロットル装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、エンジン運転状態に応じてスロットル弁下流の目標吸入管圧力を設定し、該スロットル弁下流の吸入管圧力が上記目標吸入管圧力に収束するように上記スロットル弁の開度を制御する電子制御スロットル装置において、エンジン制御手段に、上記目標吸入管圧力と上記スロットル弁上流のスロットル上流圧力とを比較し、該目標吸入管圧力が該スロットル上流圧力よりも高いときは、該スロットル上流圧力を該目標吸入管圧力として設定する目標吸入管圧力設定手段と、上記目標吸入管圧力と上記スロットル弁下流の実際の吸入管圧力との差分に基づいて目標スロットル開度を設定する目標スロットル開度設定手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、目標吸入管圧力の上限値をスロットル上流圧力で制限したので、この目標吸入管圧力と実際の吸入管圧力との差分に基づいて設定される目標スロットル開度が必要以上に開弁されることがなく、従って、スロットル弁などの応答遅れによるスロットル弁下流の吸入管圧力のオーバシュート、及びハンチングが抑制されて、良好なドライバビリティを得ることができるなど、優れた効果が奏される。

以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図１に過給機付エンジンの制御系を中心とする概略構成図を示す。

同図の符号１は過給機付エンジン（以下単に「エンジン」と称する）で、このエンジン１の吸気側に吸気通路２が連通され、排気側に排気通路３が連通されている。又、吸気通路２の中途に電子制御スロットル４が配設されている。電子制御スロットル４は、吸気通路２に介装されているスロットル弁４ａを有し、このスロットル弁４ａが、エンジン制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１によって駆動制御されるスロットルアクチュエータ４ｂに連設されている。

又、吸気通路２のスロットル弁４ａの更に上流側に、過給機の一例であるターボ過給機５を構成するコンプレッサ５ａが介装されている。又、吸気通路２の最上流側にエアークリーナ６が配設されている。

一方、排気通路３の中途に、ターボ過給機５のタービン５ｂが介装され、更に、その下流にマフラ（図示せず）が介装されている。又、排気通路３には、タービン５ｂ上流から分岐して、タービン５ｂ下流に合流する排気バイパス通路７が設けられている。この排気バイパス通路７に、排気バイパス通路７を流れる排気流を制御して、タービン５ｂへ供給する排気流量を調整する排気制御弁８が介装されている。排気制御弁８は、この排気制御弁８に連設するデューティソレノイド、又はステッピングモータ等の過給圧制御アクチュエータ９にて動作される。

又、電子制御スロットル４には、このスロットル弁４ａの開度（スロットル開度）αを検出する、ポテンショメータ等で構成されたスロットル開度センサ４ｃが配設されている。更に、吸気通路２のスロットル弁４ａ下流にエアーチャンバ２ａが形成されており、このエアーチャンバ２ａに、スロットル弁４ａ下流の圧力（吸入管圧力）Ｐｍを絶対圧で検出する下流側圧力センサ１１が連通されている。更に、吸気通路２のエアークリーナ６の直下流に、吸入空気量Ｑを検出する吸入空気量センサ１２が配設されており、この吸入空気量センサ１２に吸入空気温Ｔｔを検出する吸気温センサ１３が一体に設けられている。更に、吸気通路２のスロットル弁４ａとコンプレッサ５ａとの間に、主にターボ過給機５の過給圧であるスロットル上流圧力Ｐｔを絶対圧で検出する上流側圧力センサ１４が連通されている。

この各センサ４ｃ，１１〜１４は、主にエンジン１の運転状態を制御する電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）２１の入力側に接続されている。このエンジンＥＣＵ２１の入力側には、上述した各センサ４ｃ，１１〜１４以外に、図示しないアクセルペダルの踏込み量であるアクセル開度βを検出するアクセル開度センサ１６、エンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ１７等、エンジン１の運転状態を検出するセンサ類が接続されている。

エンジンＥＣＵ２１は、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ及びＣＰＵを有するマイクロコンピュータ等のコンピュータを主体に構成されており、入力された各センサ類の信号に基づき空燃比制御、点火時期制御等の通常のエンジン制御を実行する。更に、エンジンＥＣＵ２１は、電子制御スロットル４に設けられているスロットルアクチュエータ４ｂ、及び過給圧制御アクチュエータ９に駆動信号を各々出力して、スロットル弁４ａの開度（スロットル開度）α、及び排気制御弁８の開度を調整して、各気筒に供給する吸入空気量Ｑ、及びターボ過給機５の過給圧を制御する。

エンジンＥＣＵ２１で実行される過給圧制御では、先ず、エンジン回転数センサ１７で検出したエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度センサ１６で検出したアクセル開度β[deg]とに基づき、目標吸入管圧力ＴＰｍ[Pa]を設定する。そして、エアーチャンバ２ａに連通されている下流側圧力センサ１１で検出した実際の吸入管圧力Ｐｍ[Pa]が、目標吸入管圧力ＴＰｍに収束するように、排気制御弁８を駆動する過給圧制御アクチュエータ９に対して駆動信号を出力し、過給圧を制御する。

一方、エンジンＥＣＵ２１で処理されるスロットル開度制御は、図２に示すスロットル開度制御ルーチンに従って実行される。

このルーチンでは、先ず、ステップＳ１で過給圧制御において設定した目標吸入管圧力ＴＰｍと、上流側圧力センサ１４で検出したスロットル上流圧力Ｐｔ[Pa]とを読込み、ステップＳ３で、両圧力ＴＰｍ，Ｐｔを比較する。

そして、ＴＰｍ≦Ｐｔのときは、目標吸入管圧力ＴＰｍよりもスロットル上流圧力Ｐｔが高いため、ステップＳ４へジャンプする。一方、ＴＰｍ＞Ｐｔのときは、目標吸入管圧力ＴＰｍがスロットル上流圧力Ｐｔよりも高いため、例えばスロットル弁４ａを全開としても、吸入管圧力Ｐｍが目標吸入管圧力ＴＰｍに達することはないので、ステップＳ３へ進み、目標吸入管圧力ＴＰｍを、上限値であるスロットル上流圧力Ｐｔに設定して（ＴＰｍ←Ｐｔ）、ステップＳ４へ進む。

ステップＳ４では、下流側圧力センサ１１で検出した吸入管圧力Ｐｍを読込み、ステップＳ５へ進み、吸入管圧力Ｐｍと目標吸入管圧力ＴＰｍとに基づき、スロットル弁４ａを通過する空気量（スロットル通過空気量）Ｑｔ[Kg/sec]を設定する。

スロットル通過空気量Ｑｔは、例えば周知の吸気系のモデル式から求めることができる。すなわち、図３に示すように、エアーチャンバ２ａの容積Ｖｍは一定であるため、このエアーチャンバ２ａ内の吸入空気に質量保存則を適用すると、
ｄＰｍ／ｄｔ＝（Ｒ・Ｔｍ／Ｖｍ）（Ｑｔ−Ｑｃ） …（１）
となる。ここで、Ｒは気体定数、Ｔｍはチャンバ内吸気温[deg]、Ｑｃはシリンダ吸入空気量[Kg/sec]である。尚、チャンバ内容積Ｖｍはスロットル弁４ａから吸気弁までの容積とする。又、本形態では、チャンバ内吸気温Ｔｍを吸気温センサ１３で検出した吸気温度で代用しているが、チャンバ内吸気温Ｔｍを一定値としてもよい。

（１）式のｄＰｍを目標吸入管圧力ＴＰｍと吸入管圧力Ｐｍとの差分（ＴＰｍ−Ｐｍ）とした場合、目標吸入管圧力ＴＰｍを実現するスロットル通過空気量Ｑｔは、
Ｑｔ＝（Ｖｍ／Ｒ・Ｔｍ）［（ＴＰｍ−Ｐｍ）／ｄｔ］＋Ｑｃ …（２）
となる。（２）式からも明らかなように、目標吸入管圧力ＴＰｍと吸入管圧力Ｐｍとの差が大きいほど、目標吸入管圧力ＴＰｍを実現するスロットル通過空気量Ｑｔも大きくなる。尚、図３のＡはスロットル開口面積[m²]である。

そして、ステップＳ６へ進み、ステップＳ３で求めたスロットル通過空気量Ｑｔに基づき、図４に示す目標スロットル開度テーブルを補間計算付で参照して、目標スロットル開度Ｔαを設定する。

この目標スロットル開度Ｔαは、スロットル通過空気量Ｑｔに基づいて設定されるため、スロットル通過空気量Ｑｔが増加すれば目標スロットル開度Ｔαも増加される。しかし、目標吸入管圧力ＴＰｍの上限値がスロットル上流圧力Ｐｔで制限されているため、目標スロットル開度Ｔαが、スロットル上流圧力Ｐｔ以上の吸入管圧力を取り込もうとして必要以上に開弁することはない。

その後、ステップＳ７で、目標スロットル開度Ｔαとスロットル開度センサ４ｃで検出した実際のスロットル開度αとの差分Δαを算出し、続くステップＳ８で、Δαに基づき、目標スロットル開度Ｔαを補正する補正係数Ｋを、ＰＩＤ（比例積分微分）制御やＰＩ（比例積分）制御等により設定する。

その後、ステップＳ９へ進み、目標スロットル開度Ｔαを補正係数Ｋで補正して、スロットル開度出力値αｉを設定し（αｉ←Ｔα・Ｋ）、ステップＳ１０へ進み、スロットル開度出力値αｉに対応する駆動信号をスロットルアクチュエータ４ｂへ出力して、ルーチンを抜ける。

このように、本形態では、目標吸入管圧力ＴＰｍを設定するに際し、この目標吸入管圧力ＴＰｍがスロットル上流圧力Ｐｔよりも高いときは、目標吸入管圧力ＴＰｍをスロットル上流圧力Ｐｔで制限するようにしたので（ＴＰｍ←Ｐｔ）、この目標吸入管圧力ＴＰｍと吸入管圧力Ｐｍとの差圧に基づいて設定する目標スロットル開度Ｔαが、スロットル上流圧力Ｐｔ以上の吸入管圧力Ｐｍを取り入れようとして不用意に開弁されることがない。従って、その後の過給圧制御において、スロットル上流圧力Ｐｔが上昇した場合であっても、スロットル弁４ａが必要以上に開弁されていないため、吸入管圧力Ｐｍのオーバシュートを抑制することができ、更に、その後のハンチングも抑制することができる。

図５（ａ）目標吸入管圧力ＴＰｍとスロットル上流圧力Ｐｔの変化を示す。同図に実線で示すように、本形態で設定する目標吸入管圧力ＴＰｍは、その上限値がスロットル上流圧力Ｐｔによって制限されるため、目標吸入管圧力ＴＰｍの上限値がスロットル上流圧力Ｐｔによって制限される制限区間では、同図に一点鎖線で示す従来のように、目標吸入管圧力ＴＰｍがスロットル上流圧力Ｐｔよりも高い値に設定されることはない。

従って、目標吸入管圧力ＴＰｍと吸入管圧力Ｐｍとの差分に基づいて設定される目標スロットル開度Ｔαは、その差分が大きいほど目標スロットル開度Ｔαも大きく設定されるが、本形態では、目標吸入管圧力ＴＰｍの上限がスロットル上流圧力Ｐｔで制限されるため、図５（ｂ）に一点鎖線で示す従来のように、制限区間においては、目標スロットル開度Ｔαが必要以上に大きく開弁することはない。

図６（ａ），（ｂ）は、図５（ａ），（ｂ）のスロットル上流圧力Ｐｔが目標吸入管圧力ＴＰｍよりも大きくなる時間Ｔ１付近を拡大したものである。同図に示すように、目標吸入管圧力ＴＰｍの上限をスロットル上流圧力Ｐｔで制限することで、スロットル上流圧力Ｐｔが大きくなった後（時間ｔ１）も目標スロットル開度Ｔαが小さくなり、その間の吸入管圧力Ｐｍが減少するので、スロットル上流圧力Ｐｔがターボ過給機５の過給動作によりある遅れを有して、目標吸入管圧力ＴＰｍよりも高くなった場合であっても、スロットル弁４ａが急閉することが無く、スロットル弁４ａの制御ハンチングを抑制することができ、更に、吸入管圧力Ｐｍのオーバシュートを抑制することができる。その結果、エンジントルクが急変せず、良好なドライバビリティを得ることができる。

尚、本発明は、上述した形態に限るものではなく、例えば適用するエンジンは、過給機付エンジン１に限らず、自然吸気式エンジンであっても良く、吸入管圧力は絶対圧で検出しているため負圧であっても正圧であっても良い。

過給機付エンジンの制御系を中心とする概略構成図スロットル開度制御ルーチンを示すフローチャート吸気系をモデル化した模式図目標スロットル開度テーブルの説明図（ａ）は目標吸入管圧力とスロットル上流圧力の変化を示す特性図、（ｂ）は目標スロットル開度の変化を示す特性図（ａ）は図５（ａ）の要部拡大図、（ｂ）は図５（ｂ）の要部拡大図

符号の説明

１…エンジン
２…吸気通路
３…排気通路
４…電子制御スロットル
４ａ…スロットル弁
４ｂ…スロットルアクチュエータ
４ｃ…スロットル開度センサ
５…ターボ過給機
７…排気バイパス通路
８…排気制御弁
９…過給圧制御アクチュエータ
１１…下流側圧力センサ
１２…吸入空気量センサ
１４…上流側圧力センサ
１６…アクセル開度センサ
１７…エンジン回転数センサ
２１…エンジンＥＣＵ
Ｋ…補正係数
Ｎｅ…エンジン回転数
Ｐｍ…吸入管圧力
Ｐｔ…スロットル上流圧力
Ｑ…吸入空気量
Ｑｔ…スロットル通過空気量
Ｔα…目標スロットル開度
ＴＰｍ…目標吸入管圧力
Ｖｍ…チャンバ内容積
α…スロットル開度
β…アクセル開度
Δα…差分

代理人弁理士伊藤進

Claims

エンジン運転状態に応じてスロットル弁下流の目標吸入管圧力を設定し、実際の吸入管圧力が上記目標吸入管圧力に収束するように上記スロットル弁の開度を制御する電子制御スロットル装置において、
エンジン制御手段に、
上記目標吸入管圧力と上記スロットル弁上流のスロットル上流圧力とを比較し、該目標吸入管圧力が該スロットル上流圧力よりも高いときは、該スロットル上流圧力を該目標吸入管圧力として設定する目標吸入管圧力設定手段と、
上記目標吸入管圧力と上記スロットル弁下流の実際の吸入管圧力との差分に基づいて目標スロットル開度を設定する目標スロットル開度設定手段と
を備えることを特徴とする電子制御スロットル装置。
エンジンは過給機付エンジンであり、上記エンジン制御手段は過給圧制御手段を有し、該過給圧制御手段は上記吸入管圧力が上記目標吸入管圧力に収束するように過給機の過給圧を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の電子制御スロットル装置。