(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関の運転状態に応じて制御出力の目標値を変化させる場合に、制御出力の目標値から決定される制御入力が操作可能範囲を超えることを抑制する。【解決手段】内燃機関１の制御装置は、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように、可変ノズル、ＥＧＲ弁及びスロットル弁の開度を決定するフィードバックコントローラ９６と、内燃機関の所定のパラメータに基づいて、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の修正前目標値を算出する修正前目標値算出部９１と、可変ノズル、ＥＧＲ弁及びスロットル弁の開度が予め定められた操作可能範囲を超えないように修正前目標値を修正して目標値を導出するリファレンスガバナ９２とを備える。【選択図】図２
2020020295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変ノズルが設けられたターボチャージャと、ＥＧＲ弁を含むＥＧＲシステムと、スロットル弁とを備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、
過給圧、排気圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように、前記可変ノズル、前記ＥＧＲ弁及び前記スロットル弁の開度を決定するフィードバックコントローラと、
前記内燃機関の所定のパラメータに基づいて、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の修正前目標値を算出する修正前目標値算出部と、
前記可変ノズル、前記ＥＧＲ弁及び前記スロットル弁の開度が予め定められた操作可能範囲を超えないように前記修正前目標値を修正して前記目標値を導出するリファレンスガバナと
を備える、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する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変ノズルが設けられたターボチャージャと、ＥＧＲ弁を含むＥＧＲシステムとを備えた内燃機関が知られている。特許文献１に記載の内燃機関の制御装置では、ＥＧＲ率制御と過給圧制御との相互干渉を抑制すべく、可変ノズルの開度変化を考慮してＥＧＲ弁の操作量が導出され、ＥＧＲ弁の開度変化を考慮して可変ノズルの操作量が導出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５３４５１４号公報
【特許文献２】特開２０１７−２０３５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、斯かる制御では、可変ノズル及びＥＧＲ弁の操作可能範囲が一切考慮されていない。このため、導出された操作量が実現されず、ＥＧＲ率制御と過給圧制御との相互干渉を適切に抑制できない場合がある。
【０００５】
そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、内燃機関の運転状態に応じて制御出力の目標値を変化させる場合に、制御出力の目標値から決定される制御入力が操作可能範囲を超えることを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では、可変ノズルが設けられたターボチャージャと、ＥＧＲ弁を含むＥＧＲシステムと、スロットル弁とを備えた内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように、前記可変ノズル、前記ＥＧＲ弁及び前記スロットル弁の開度を決定するフィードバックコントローラと、前記内燃機関の所定のパラメータに基づいて、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の修正前目標値を算出する修正前目標値算出部と、前記可変ノズル、前記ＥＧＲ弁及び前記スロットル弁の開度が予め定められた操作可能範囲を超えないように前記修正前目標値を修正して前記目標値を導出するリファレンスガバナとを備える、内燃機関の制御装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、内燃機関の運転状態に応じて制御出力の目標値を変化させる場合に、制御出力の目標値から決定される制御入力が操作可能範囲を超えることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。
【図３】図３は、リファレンスガバナのアルゴリズムを説明するための図である。
【図４】図４は、本実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】図５は、容積部分に対するガスの入出力を示す図である。
【図６】図６は、吸気マニホルドに対するガスの入出力を示す図である。
【図７】図７は、有効開口面積を可変とする絞りにおけるガスの入出力を示す図である。
【図８】図８は、筒内へのガスの流れを示す図である。
【図９】図９は、開度と有効開口面積との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１０】
＜内燃機関全体の説明＞
図１は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置が適用される内燃機関を概略的に示す図である。図１に示される内燃機関１は、圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、車両に搭載される。
【００１１】
図１を参照すると、内燃機関１は、機関本体１００と、各気筒の燃焼室２と、燃焼室２内に燃料を噴射する電子制御式の燃料噴射弁３と、吸気マニホルド４と、排気マニホルド５と、ターボチャージャ７と、スロットル弁９とを備える。吸気マニホルド４は吸気管６を介してターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結される。コンプレッサ７ａの入口は吸気管６を介してエアクリーナ８に連結される。
【００１２】
スロットル弁９は、吸気管６内に配置され、吸気管６の開口面積を変更する。スロットル弁９はＤＣモータのようなスロットル弁駆動アクチュエータによって駆動される。スロットル弁９の開度が変更されると、新気量が変化する。スロットル弁９とコンプレッサ７ａとの間の吸気管６周りには、吸気管６内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１３が配置される。吸気マニホルド４及び吸気管６は、空気を燃焼室２に導く吸気通路を形成する。
【００１３】
一方、排気マニホルド５は排気管２７を介してターボチャージャ７のタービン７ｂの入口に連結される。タービン７ｂの出口は、排気管２７を介して、排気浄化触媒２８を内蔵したケーシング２９に連結される。排気マニホルド５及び排気管２７は、燃焼室２における混合気の燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路を形成する。排気浄化触媒２８は、例えば、排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する選択還元型ＮＯｘ低減触媒（ＳＣＲ触媒）又はＮＯｘ吸蔵還元触媒である。また、排気通路には、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を低減するために、酸化触媒、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されてもよい。
【００１４】
また、内燃機関１は、排気通路を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路に流入させる排気ガス再循環（以下、「ＥＧＲ」という）システムを備える。ＥＧＲシステムは、ＥＧＲ通路１４、ＥＧＲクーラ２０及びＥＧＲ弁１５を含む。ＥＧＲ通路１４は排気マニホルド５と吸気マニホルド４とを互いに接続する。
【００１５】
電子制御式のＥＧＲ弁１５は、ＥＧＲ通路１４内に配置され、ＥＧＲ通路１４の開口面積を変更する。ＥＧＲ弁１５の開度が変更されると、吸気通路に流入するＥＧＲガスの量が変化する。ＥＧＲクーラ２０は、ＥＧＲ通路１４周りに配置され、ＥＧＲ通路１４内を流れるＥＧＲガスを冷却する。本実施形態におけるＥＧＲシステムはいわゆる高圧ループ方式（ＨＰＬ方式）のＥＧＲシステムである。
【００１６】
燃料は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１９によって燃料タンク３３から燃料配管３４を介してコモンレール１８内に供給される。コモンレール１８内に供給された燃料は各燃料供給管１７を介して各燃料噴射弁３に供給される。
【００１７】
ターボチャージャ７のタービン７ｂには、可変ノズル７ｃが設けられている。ターボチャージャ７はいわゆる可変ノズルターボチャージャである。可変ノズル７ｃの開度が変更されると、タービン７ｂのタービンブレードに供給される排気ガスの流速が変化し、ひいてはタービン７ｂの回転数が変化する。
【００１８】
内燃機関１の各種制御は電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０によって実行される。ＥＣＵ８０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス８１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）８２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）８３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）８４、入力ポート８５及び出力ポート８６を備える。吸気圧センサ１０、排気圧センサ１１、ポジションセンサ１０１及びエアフロメータ１０２の出力が、対応するＡＤ変換器８７を介して入力ポート８５に入力される。一方、出力ポート８６は、対応する駆動回路８８を介して、燃料噴射弁３、スロットル弁駆動アクチュエータ、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及び燃料ポンプ１９に接続されている。
【００１９】
吸気圧センサ１０は、吸気通路においてスロットル弁９よりも下流側に配置され、吸気圧（過給圧）を検出する。排気圧センサ１１は、排気通路においてタービン７ｂよりも上流側に配置され、排気圧を検出する。
【００２０】
ポジションセンサ１０１は、アクセルペダル１２０の踏込み量に比例した出力電圧を発生させ、アクセル開度を検出する。エアフロメータ１０２は、吸気通路においてエアクリーナ８とコンプレッサ７ａとの間に配置され、吸気管６内を流れる吸入空気量を検出する。さらに、入力ポート８５にクランク角センサ１０８が接続されている。クランク角センサ１０８は、クランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生させ、機関回転数を検出する。
【００２１】
＜内燃機関の制御装置＞
内燃機関の制御装置（以下、単に「制御装置」という）は、内燃機関１のようなターボチャージャ７、ＥＧＲシステム及びスロットル弁９を備えた内燃機関を制御する。本実施形態では、制御装置は、内燃機関１の運転状態に応じて過給圧、排気圧及びＥＧＲ率を制御する。なお、ＥＧＲ率とは、気筒内に供給される全ガス量（新気量とＥＧＲガス量との合計）に対するＥＧＲガス量の割合である。
【００２２】
図２は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置の目標値追従制御構造を示す図である。本実施形態では、ＥＣＵ８０が制御装置に相当する。制御装置は、修正前目標値算出部９１、リファレンスガバナ９２、過給圧比較部９３、排気圧比較部９４、ＥＧＲ率比較部９５及びフィードバックコントローラ９６を備える。
【００２３】
制御装置は、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度を変更することによって過給圧、排気圧及びＥＧＲ率を制御する。過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値が設定されると、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値と現在値との差に基づいて、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度が算出される。したがって、本実施形態では、制御出力が過給圧、排気圧及びＥＧＲ率であり、制御出力を制御するための制御入力が可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度である。
【００２４】
ところで、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度は全開と全閉との間でのみ変更可能である。すなわち、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度は操作可能範囲を有する。しかしながら、単純に内燃機関１の所定のパラメータに基づいて過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値を設定すると、算出された可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度が操作可能範囲を越える場合がある。この場合、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率が制御不能となり、過渡状態における失火、排気エミッションの悪化等が生じるおそれがある。
【００２５】
そこで、本実施形態では、修正前目標値算出部９１及びリファレンスガバナ９２を用いて過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値を算出する。修正前目標値算出部９１は、内燃機関１の所定のパラメータに基づいて過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の修正前目標値（修正前目標過給圧、修正前目標排気圧及び修正前目標ＥＧＲ率）を算出し、修正前目標値をリファレンスガバナ９２に出力する。
【００２６】
具体的には、修正前目標値算出部９１は、マップ又は計算式を用いて、内燃機関１の所定のパラメータに基づいて、修正前目標過給圧、修正前目標排気圧及び修正前目標ＥＧＲ率をそれぞれ算出する。内燃機関１の所定のパラメータは例えば機関回転数及びアクセル開度である。機関回転数はクランク角センサ１０８によって検出され、アクセル開度はポジションセンサ１０１によって検出される。なお、内燃機関１の所定のパラメータとして、アクセル開度の代わりに燃料噴射量が用いられてもよい。
【００２７】
リファレンスガバナ９２は、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度が予め定められた操作可能範囲を超えないように過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の修正前目標値を修正して過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値（目標過給圧、目標排気圧及び目標ＥＧＲ率）を導出する。このことによって、内燃機関１の運転状態に応じて制御出力の目標値を変化させる場合に、制御出力の目標値から決定される制御入力が操作可能範囲を超えることを抑制することができる。リファレンスガバナ９２は、目標過給圧を過給圧比較部９３に出力し、目標排気圧を排気圧比較部９４に出力し、目標ＥＧＲ率をＥＧＲ率比較部９５に出力する。リファレンスガバナ９２による目標値修正の詳細については後述する。
【００２８】
過給圧比較部９３は、内燃機関１から出力された実際の過給圧を目標過給圧から減算して過給圧偏差（目標過給圧−実際の過給圧）を算出し、過給圧偏差をフィードバックコントローラ９６に入力する。実際の過給圧は吸気圧センサ１０によって検出される。排気圧比較部９４は、内燃機関１から出力された実際の排気圧を目標排気圧から減算して排気圧偏差（目標排気圧−実際の排気圧）を算出し、排気圧偏差をフィードバックコントローラ９６に入力する。実際の排気圧は排気圧センサ１１によって検出される。ＥＧＲ率比較部９５は、内燃機関１から出力された実際のＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率から減算してＥＧＲ率偏差（目標ＥＧＲ率−実際のＥＧＲ率）を算出し、ＥＧＲ率偏差をフィードバックコントローラ９６に入力する。実際のＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁１５の開度等に基づいて公知の手法によって算出される。
【００２９】
フィードバックコントローラ９６は、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率が目標値に近付くように、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度を決定する。すなわち、フィードバックコントローラ９６は、過給圧偏差、排気圧偏差及びＥＧＲ率偏差がゼロに近付くように、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度を決定する。フィードバックコントローラ９６は、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度を内燃機関１に入力する。
【００３０】
＜リファレンスガバナによる目標値修正＞
図３を参照して、リファレンスガバナ９２による目標値修正について説明する。図３は、リファレンスガバナ９２のアルゴリズムを説明するための図である。リファレンスガバナ９２のアルゴリズムでは、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値を実現するために設定される可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度を予測する第１ステップと、開度の飽和判定を行う第２ステップと、修正目標値探索を行う第３ステップとが所定回数反復され、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の最終的な目標値が算出される。
【００３１】
第１ステップでは、開度の予測モデルを用いて、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値と現在値との差に基づいて、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度が算出される。初回の第１ステップでは、修正前目標値が目標値として用いられて開度が算出される。一方、２回目以降の第１ステップでは、第３ステップにおいて探索された修正目標値が目標値として用いられて開度が算出される。
【００３２】
第２ステップでは、第１ステップにおいて算出された可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度が操作可能範囲を超えているか否かを判定する。第３ステップでは、第２ステップにおける飽和判定の結果に応じて修正目標値を探索する。
【００３３】
＜目標値導出処理＞
以下、図４のフローチャートを参照して、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値を導出するための制御について詳細に説明する。図４は、本実施形態における目標値導出処理の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ８０によって所定の実行間隔で実行される。
【００３４】
最初に、ステップＳ１０１において、修正前目標値算出部９１は内燃機関１の所定のパラメータを取得する。内燃機関１の所定のパラメータは例えば機関回転数及びアクセル開度である。なお、内燃機関１の所定のパラメータは機関回転数及び燃料噴射量であってもよい。
【００３５】
次いで、ステップＳ１０２において、修正前目標値算出部９１は、マップ又は計算式を用いて、内燃機関１の所定のパラメータに基づいて、修正前目標過給圧、修正前目標排気圧及び修正前目標ＥＧＲ率をそれぞれ算出する。次いで、ステップＳ１０３において、リファレンスガバナ９２は反復回数Ｃｏｕｎｔをゼロにリセットする。
【００３６】
次いで、ステップＳ１０４において、リファレンスガバナ９２は、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度を予測する。具体的には、リファレンスガバナ９２は、開度の予測モデルを用いて、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の目標値と現在値との差に基づいて、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度を算出する。過給圧の現在値は吸気圧センサ１０によって検出される。排気圧の現在値は排気圧センサ１１によって検出される。ＥＧＲ率の現在値は、ＥＧＲ弁１５の開度等に基づいて公知の手法によって算出される。
【００３７】
過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の挙動は例えば以下の非線形状態方程式によって表される。
【数１】
2020020295.tif 000003
ｙ＝ｘ…（２）
ここで、ｘは状態変数であり、ｕは制御入力（可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度）であり、ｙは制御出力（過給圧、排気圧及びＥＧＲ率）である。
【００３８】
フィードバックコントローラ９６は、目標値が入力されると、下記式（３）、（４）が満たされるように制御入力ｕを決定する。
【数２】
2020020295.tif 000004
【数３】
2020020295.tif 000005
ここで、ｐimtrg,kは目標過給圧であり、ｐimは過給圧の現在値であり、ｐemtrg,kは目標排気圧であり、ｐemは排気圧の現在値であり、Ｚimtrg,kは目標ＥＧＲ率であり、ＺimはＥＧＲ率の現在値である。
【００３９】
したがって、可変ノズル７ｃの開度Ａvgt,k、ＥＧＲ弁１５の開度Ａegr,k及びスロットル弁９の開度Ａth,kは下記式（５）によって算出される。
【数４】
2020020295.tif 000006
なお、添え字ｋは反復回数を示し、ｋ＝０の場合には目標過給圧、目標排気圧及び目標ＥＧＲ率として修正前目標値が用いられ、ｋ＝１以上の場合には目標過給圧、目標排気圧及び目標ＥＧＲ率として修正目標値が用いられる。
【００４０】
次いで、ステップＳ１０５において、リファレンスガバナ９２は、ステップＳ１０４において算出された可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度の少なくとも一つが操作可能範囲を超えているか否かを判定する。操作可能範囲は、全開と全閉との間であり、それぞれ予め定められる。
【００４１】
ステップＳ１０５において可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度の全てが操作可能範囲を超えていないと判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、リファレンスガバナ９２は、反復回数Ｃｏｕｎｔがゼロであるか否かを判定する。
【００４２】
ステップＳ１０６において反復回数Ｃｏｕｎｔがゼロであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、修正前目標値を用いて予測された開度の全てが操作可能範囲を超えていないため、修正前目標値が目標値に設定される。すなわち、修正前目標値が修正されない。
【００４３】
一方、ステップＳ１０５において可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度の少なくとも一つが操作可能範囲を超えていると判定された場合、又はステップＳ１０６において反復回数Ｃｏｕｎｔが１以上であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０７に進む。
【００４４】
ステップＳ１０７では、リファレンスガバナ９２は、反復回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎであるか否かを判定する。所定回数Ｎは、予め定められ、例えば５〜２００である。
【００４５】
ステップＳ１０７において反復回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎ未満であると判定された場合、本制御ルーチンはステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、リファレンスガバナ９２は修正目標値を探索する。
【００４６】
例えば、リファレンスガバナ９２は二分探索法によって修正目標値を探索する。この場合、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の現在値（ｐim,ｐem,Ｚim）及び修正前目標値（ｐimtrg,ｐemtrg,Ｚimtrg）が探索の上下限値に設定される。反復回数Ｃｏｕｎｔがゼロであるときには、修正目標値は、（｜ｐimtrg−ｐim｜／２,｜ｐemtrg−ｐem｜／２,｜Ｚimtrg−Ｚim｜／２）となる。反復回数Ｃｏｕｎｔが１以上であるときには、修正目標値は、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度の少なくとも一つが操作可能範囲を超えている場合には現在値側に更新され、可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度の全てが操作可能範囲を超えていない場合には修正前目標値側に更新される。
【００４７】
次いで、ステップＳ１０９において、リファレンスガバナ９２は反復回数Ｃｏｕｎｔに１を加算する。次いで、本制御ルーチンはステップＳ１０４に戻り、ステップＳ１０４〜ステップＳ１０９が繰り返し実行される。
【００４８】
その後、ステップＳ１０７において反復回数Ｃｏｕｎｔが所定回数Ｎであると判定された場合、本制御ルーチンは終了する。この場合、最終的な修正目標値が目標値に設定される。なお、最終的な修正目標値を用いて予測された開度の少なくとも一つが操作可能範囲を超えていると判定された場合には、全ての開度が操作可能範囲を超えていないと判定されたときの過去の修正目標値が目標値に設定されてもよい。
【００４９】
また、ステップＳ１０８における修正目標値の探索は二分探索法以外の方法によって行われてもよい。例えば、各開度の操作可能範囲の超過量の合計が大きいほど大きくなる評価関数（例えば超過量の二乗和）を用いて、勾配法によって評価関数が最小となるように修正目標値を探索してもよい。また、ステップＳ１０４において、過給圧の現在値は、吸気圧センサ１０を用いることなく公知の手法によって算出されてもよい。同様に、ステップＳ１０４において、排気圧の現在値は、排気圧センサ１１を用いることなく公知の手法によって算出されてもよい。
【００５０】
＜開度の予測モデルの導出例＞
以下、開度の予測モデルとして用いられる上記式（１）の導出例について説明する。以下の説明では、第１ステップ（圧力変化（ｄｐ／ｄｔ）の導出）、第２ステップ（ＥＧＲ率変化（ｄＺim／ｄｔ）の導出、第３ステップ（質量流量（可変ノズル、ＥＧＲ弁及びスロットル弁）の導出）及び第４ステップ（状態空間での表現）に分けて説明する。
【００５１】
最初に、第１ステップとして、断熱変化を仮定した圧力変化（ｄｐ／ｄｔ）の導出について説明する。ここでは、図５に示されるような容積部分に対するガスの入出力を考える。
【００５２】
状態方程式ｐＶ＝ｍＲＴ（Ｒ：気体定数（Ｊ／ｋｇＫ））より、下記式（６）が導出される。
【数５】
2020020295.tif 000007
【００５３】
エネルギ保存則より、下記式（７）が導出される。
ｄＵ／ｄｔ＝Ｈin−Ｈout…（７）
ここで、内部エネルギＵは下記式（８）によって表され、流入エンタルピーＨinは下記式（９）によって表され、流出エンタルピーＨoutは下記式（１０）によって表される。
Ｕ＝ＣvｍＴ…（８）
Ｈin＝ＣpＴinＷin…（９）
Ｈout＝ＣpＴoutＷout…（１０）
ここで、Ｃvは定容比熱（Ｊ／ｋｇＫ）であり、Ｃpは定圧比熱（Ｊ／ｋｇＫ）である。
【００５４】
上記式（８）〜（１０）を上記式（７）に代入することによって下記式（１１）が導出され、下記式（１１）は下記式（１２）に変換される。
【数６】
2020020295.tif 000008
【数７】
2020020295.tif 000009
上記式（１２）を上記式（６）に代入することによって下記式（１３）が導出される。
【数８】
2020020295.tif 000010
ここで、κは比熱比である。
【００５５】
次いで、第２ステップとして、ＥＧＲ率変化（ｄＺim／ｄｔ）の導出について説明する。ここでは、図６に示されるような吸気マニホルドに対するガスの入出力を考える。
【００５６】
吸気マニホルド内のＥＧＲ質量はｍimＺimによって表される。ＥＧＲ質量の時間変化は下記式（１４）によって表され、下記式（１４）は下記式（１５）に変換され、下記式（１５）は下記式（１６）に変換される。
【数９】
2020020295.tif 000011
【数１０】
2020020295.tif 000012
【数１１】
2020020295.tif 000013
【００５７】
ここで、吸気マニホルド内ガス質量の時間変化は下記式（１７）によって表される。
【数１２】
2020020295.tif 000014
また、状態方程式より、下記式（１８）が導出される。
ｍim＝ｐimＶim／ＴimＲ…（１８）
【００５８】
上記式（１７）、（１８）を上記式（１６）に代入することによって下記式（１９）が導出され、下記式（１９）は下記式（２０）に変換され、下記式（２０）は下記式（２１）に変換される。
【数１３】
2020020295.tif 000015
【数１４】
2020020295.tif 000016
【数１５】
2020020295.tif 000017
【００５９】
次いで、第３ステップとして、質量流量（可変ノズル、ＥＧＲ弁及びスロットル弁）の導出について説明する。ここでは、図７に示されるような操作量αによって有効開口面積Ａを可変とする絞りにおける質量流量を考える。なお、可変ノズルについても絞りとみなして質量流量を導出する。
【００６０】
圧縮性流体のベルヌーイの式より下記式（２２）が導出され、下記式（２２）から下記式（２３）が導出される。
【数１６】
2020020295.tif 000018
【数１７】
2020020295.tif 000019
【００６１】
また、状態方程式より下記式（２４）が導出され、等エントロピーの仮定を用いて下記式（２５）が導出される。
ｐus／ρus＝ＲＴus…（２４）
ρus／ρds＝（ｐus／ｐds）1/κ…（２５）
【００６２】
上記式（２４）、（２５）を上記式（２３）に代入することによって下記式（２６）が導出され、下記式（２６）は下記式（２７）に変換される。
【数１８】
2020020295.tif 000020
【数１９】
2020020295.tif 000021
【００６３】
Ｗ＝ρusｖＡのρusに上記式（２４）を代入し且つｖに上記式（２７）を代入することによって下記式（２８）が導出される。
【数２０】
2020020295.tif 000022
ここで、Ａは有効開口面積である。
【００６４】
次いで、図８に示されるような４ストロークの内燃機関における筒内への質量流量を考える。状態方程式より下記式（２９）が導出され、下記式（２９）は下記式（３０）に変換される。
【数２１】
2020020295.tif 000023
【数２２】
2020020295.tif 000024
【００６５】
筒内への燃料質量流量Ｗf（ｋｇ／ｓ）は下記式（３１）によって表される。
Ｗf＝ｑρfＮe／３０…（３１）
ここで、ｑは筒内燃料噴射量（ｍ3／ｓｔｒｏｋｅ）であり、ρfは燃料密度（ｋｇ／ｍ3）であり、Ｎeは機関回転数（ｒｐｍ）である。
【００６６】
最後に、第４ステップとして、状態空間での表現について説明する。第１ステップ〜第３ステップの結果を用いると、吸気圧、排気圧及びＥＧＲ率の時間微分は下記式（３２）によって表され、下記式（３２）は下記式（３３）に変換され、下記式（３３）は下記式（３４）に変換される。
【数２３】
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【数２４】
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【数２５】
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ここで、ｐaは大気圧（Ｐａ）であり、ｐthはスロットル上流圧（Ｐａ）であり、ｐemは排気圧（Ｐａ）であり、Ｔthはスロットル上流温度（Ｋ）であり、Ｔemは排気温度（Ｋ）であり、ＴegrはＥＧＲ温度（Ｋ）であり、Ｖemは排気マニホルド容積（ｍ3）であり、Ｗvgtは可変ノズル質量流量（ｋｇ／ｓ）であり、ＡegrはＥＧＲ有効開口面積（ｍ3）であり、Ａthはスロットル有効開口面積（ｍ3）であり、Ａvgtは可変ノズル有効開口面積（ｍ3）である。
【００６７】
図９は、開度と有効開口面積との関係を示すグラフである。図９から分かるように、開度と有効開口面積とは相関関係を有する。このため、ＥＧＲ有効開口面積ＡegrをＥＧＲ弁１５の開度とみなし、スロットル有効開口面積Ａthをスロットル弁９の開度とみなし、可変ノズル有効開口面積Ａvgtを可変ノズル７ｃの開度とみなすことができる。
【００６８】
上記に示されるように上記式（３４）は上記式（１）に対応しており、過給圧、排気圧及びＥＧＲ率の挙動が上記式（１）の非線形状態方程式によって表されることが分かる。上記式（５）を用いて可変ノズル７ｃ、ＥＧＲ弁１５及びスロットル弁９の開度が算出される場合、上記式（３４）に含まれる各パラメータは、予め定められ、センサによって検出され、又は公知の手法によって算出される。
【００６９】
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、内燃機関１は火花点火式内燃機関（例えば、ガソリンエンジン）であってもよい。また、内燃機関１は、ＨＰＬ方式のＥＧＲシステムの代わりに低圧ループ方式（ＬＰＬ方式）のＥＧＲシステムを備えてもよい。この場合、ＥＧＲ通路１４は排気浄化触媒２８よりも下流側の排気通路とコンプレッサ７ａよりも上流側の吸気通路とに接続される。
【符号の説明】
【００７０】
１    内燃機関
７    ターボチャージャ
７ｃ    可変ノズル
９    スロットル弁
１５    ＥＧＲ弁
８０    電子制御ユニット（ＥＣＵ）
９１    修正前目標値算出部
９２    リファレンスガバナ
９６    フィードバックコントローラ
【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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【図９】
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