(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、該コンプレッサホイールと連結され、前記機関の排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイールとを有するターボチャージャと、前記タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流量を変化させる排気ガス流量可変手段と、排気ガスを前記機関の吸気管に還流する排気還流通路と、該排気還流通路に設けられた排気還流制御弁と、前記吸気管に設けられたスロットル弁とを備えた内燃機関の制御装置において、
前記機関の排気管内の圧力を検出する排気管内圧力検出手段と、
前記吸気管内のガスの状態を示す吸気管ガスパラメータの値を検出または推定する吸気管ガスパラメータ取得手段と、
前記排気管内圧力の目標値を算出する第１目標値算出手段と、
前記吸気管ガスパラメータの目標値を算出する第２目標値算出手段と、
前記検出される排気管内圧力値及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値と、前記排気管内圧力の目標値及び吸気管ガスパラメータの目標値とが入力され、前記検出される排気管内圧力値及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値が、それぞれ前記排気管内圧力の目標値及び吸気管ガスパラメータの目標値に一致するように、前記タービンホイールを通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値、前記スロットル弁を通過する新気流量の指令値である新気流量指令値、及び前記排気還流制御弁を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値を出力するモデル予測コントローラと、
前記タービンガス流量指令値、前記新気流量指令値、及び前記還流ガス流量指令値をそれぞれ前記排気ガス流量可変手段の制御量、前記排気還流制御弁の開度制御量、及び前記スロットル弁の開度制御量に変換する変換手段とを備え、
前記排気管内圧力は、前記排気管の前記タービンホイールより上流側における圧力であり、前記吸気管ガスパラメータは、前記吸気管の前記スロットル弁の下流側における新気分圧、還流排気ガス分圧、若しくは前記新気分圧と還流排気ガス分圧の和のいずれか２つ、または前記吸気管内の新気流量、還流排気ガス流量、若しくは前記新気流量と還流排気ガス流量の和のいずれか２つであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、該コンプレッサホイールと連結され、前記機関の排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイールとを有するターボチャージャと、前記タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流量を変化させる排気ガス流量可変手段と、排気ガスを前記機関の吸気管に還流する排気還流通路と、該排気還流通路に設けられた排気還流制御弁と、前記吸気管に設けられたスロットル弁とを備えた内燃機関の制御装置において、
前記機関の排気管内の圧力を検出する排気管内圧力検出手段と、
前記吸気管内のガスの状態を示す吸気管ガスパラメータの値を検出または推定する吸気管ガスパラメータ取得手段と、
前記排気管内圧力の目標値を算出する第１目標値算出手段と、
前記吸気管ガスパラメータの目標値を算出する第２目標値算出手段と、
前記検出される排気管内圧力値及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値と、前記排気管内圧力の目標値及び吸気管ガスパラメータの目標値とが入力され、前記検出される排気管内圧力値及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値が、それぞれ前記排気管内圧力の目標値及び吸気管ガスパラメータの目標値に一致するように、前記タービンホイールを通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値、前記スロットル弁を通過する新気流量の指令値である新気流量指令値、及び前記排気還流制御弁を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値を出力するモデル予測コントローラと、
前記タービンガス流量指令値、前記新気流量指令値、及び前記還流ガス流量指令値をそれぞれ前記排気ガス流量可変手段の制御量、前記排気還流制御弁の開度制御量、及び前記スロットル弁の開度制御量に変換する変換手段とを備え、
前記排気管内圧力は、前記排気管の前記タービンホイールより上流側における圧力であり、前記吸気管ガスパラメータは、前記吸気管の前記スロットル弁の下流側における酸素分圧、不活性ガス分圧、若しくは前記酸素分圧と不活性ガス分圧の和のいずれか２つ、または前記吸気管内の酸素流量、不活性ガス流量、若しくは前記酸素流量と不活性ガス流量の和のいずれか２つであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記吸気管内の過給圧を検出する過給圧検出手段と、前記吸気管内の新気流量を検出する吸入空気流量検出手段とを備え、
前記第１目標値算出手段は、前記機関の運転状態に応じて算出される目標過給圧及び目標新気流量に応じて前記コンプレッサホイールの仕事率目標値を算出する仕事率目標値算出手段と、検出される過給圧及び新気流量に応じて前記コンプレッサホイールの仕事率推定値を算出する仕事率推定値算出手段とを有し、前記仕事率推定値が前記仕事率目標値に一致するように前記排気管内圧力の目標値を算出することを特徴とする請求項１または２に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、特に過給機及び排気還流機構を備える内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイールと、該コンプレッサホイールと連結され、排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイールと、該タービンホイールに吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される可変ベーンとを有する可変容量型のターボチャージャは、広く知られている。
【０００３】
また排気ガスに含まれるＮＯｘを低減するために、排気ガスを吸気系に還流させる排気還流機構を備えた内燃機関も広く用いられている。排気還流機構は排気還流量を制御する排気還流制御弁を備えており、その排気還流制御弁の開度の変更は、タービンホイールに供給される排気ガスの圧力（タービンホイールの上流側の排気圧）及び過給圧に影響を及ぼす。
【０００４】
特許文献１には、内燃機関の燃焼モデルを用いて、排気還流制御弁及びターボチャージャの可変ベーンの開度を制御する制御装置が示されている。この制御装置によれば、排気還流制御弁の開度を制御する制御量に応じた吸入空気流量の変化が、過給圧制御部に入力され、排気還流量に応じた可変ベーン開度の調整が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００３−５２９７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に示された制御装置では、可変ベーンの開度は、基本的には要求トルク及び機関回転数に応じて設定され、さらに要求吸入空気量と実際の吸入空気量との偏差に基づいた補正が行われ、その補正制御において、排気還流量に応じた吸入空気流量の変化が加味される。すなわち、特許文献１に示された制御装置では、排気管内の排気の状態を示すパラメータ（排気圧あるいは排気流量）を用いておらず、リミッタにより、ベーン開度の制限が行われる。そのため、相互に関連する排気圧、過給圧及び排気還流量を適切に制御する上で、改善の余地があった。
【０００７】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、内燃機関の吸気系にスロットル弁が設けられている場合に、排気還流制御弁及び過給機とともに、スロットル弁を適切に制御することにより、内燃機関に吸入されるガス（新気及び還流排気ガス）の流量制御を総合的に、きめ細かく行い、機関の性能を最大限に引き出すことができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関（１）に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイール（１５）と、該コンプレッサホイール（１５）と連結され、前記機関の排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール（１０）とを有するターボチャージャ（８）と、前記タービンホイール（１０）に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させる排気ガス流量可変手段（１２）と、排気ガスを前記機関の吸気管（２）に還流する排気還流通路（５）と、該排気還流通路に設けられた排気還流制御弁（６）と、前記吸気管（２）に設けられたスロットル弁（３）とを備えた内燃機関の制御装置において、前記機関の排気管（４）内の圧力（ＰＥ）を検出する排気管内圧力検出手段（２５）と、前記吸気管（２）内のガスの状態を示す吸気管ガスパラメータの値（Ｐiaest，Ｐirest）を検出または推定する吸気管ガスパラメータ取得手段と、前記排気管内圧力の目標値（Ｐeref）を算出する第１目標値算出手段と、前記吸気管ガスパラメータの目標値（Ｐiaref，Ｐirref，Ｐiref，Ｐioref）を算出する第２目標値算出手段と、前記検出される排気管内圧力値（ＰＥ）及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値（Ｐiaest，Ｐirest）と、前記排気管内圧力の目標値（Ｐeref）及び吸気管ガスパラメータの目標値（Ｐiaref，Ｐirref，Ｐiref，Ｐioref）とが入力され、前記検出される排気管内圧力値（ＰＥ）及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値（Ｐiaest，Ｐirest，ＰＩ，Ｐioest）が、それぞれ前記排気管内圧力目標値（Ｐeref）及び吸気管ガスパラメータ目標値（Ｐiaref，Ｐirref，Ｐiref，Ｐioref）に一致するように、前記タービンホイール（１０）を通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値（Ｇvcmd）、前記スロットル弁（３）を通過する新気流量の指令値である新気流量指令値（Ｇthcmd）、及び前記排気還流制御弁（６）を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値（Ｇrcmd）を出力するモデル予測コントローラ（６０）と、前記タービンガス流量指令値（Ｇvcmd）、前記新気流量指令値（Ｇthcmd）、及び前記還流ガス流量指令値（Ｇrcmd）をそれぞれ前記排気ガス流量可変手段の制御量（θvcmd）、前記排気還流制御弁の開度制御量（θrcmd）、及び前記スロットル弁の開度制御量（θthcmd）に変換する変換手段とを備え、前記排気管内圧力は、前記排気管（４）の前記タービンホイール（１０）より上流側における圧力（ＰＥ）であり、前記吸気管ガスパラメータは、前記吸気管の前記スロットル弁の下流側における新気分圧（Ｐia）、還流排気ガス分圧（Ｐir）、若しくは前記新気分圧と還流排気ガス分圧の和（Ｐi）のいずれか２つ、または前記吸気管内の新気流量（Ｇia）、還流排気ガス流量（Ｇir）、若しくは前記新気流量と還流排気ガス流量の和（Ｇia＋Ｇir）のいずれか２つであることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、内燃機関（１）に吸入される空気を加圧するコンプレッサホイール（１５）と、該コンプレッサホイール（１５）と連結され、前記機関の排気ガスの運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール（１０）とを有するターボチャージャ（８）と、前記タービンホイール（１０）に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させる排気ガス流量可変手段（１２）と、排気ガスを前記機関の吸気管（２）に還流する排気還流通路（５）と、該排気還流通路に設けられた排気還流制御弁（６）と、前記吸気管（２）に設けられたスロットル弁（３）とを備えた内燃機関の制御装置において、前記機関の排気管（４）内の圧力（ＰＥ）を検出する排気管内圧力検出手段（２５）と、前記吸気管（２）内のガスの状態を示す吸気管ガスパラメータの値（Ｐiaest，Ｐirest）を検出または推定する吸気管ガスパラメータ取得手段と、前記排気管内圧力の目標値（Ｐeref）を算出する第１目標値算出手段と、前記吸気管ガスパラメータの目標値（Ｐiaref，Ｐirref，Ｐiref，Ｐioref）を算出する第２目標値算出手段と、前記検出される排気管内圧力値（ＰＥ）及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値（Ｐiaest，Ｐirest）と、前記排気管内圧力の目標値（Ｐeref）及び吸気管ガスパラメータの目標値（Ｐiaref，Ｐirref，Ｐiref，Ｐioref）とが入力され、前記検出される排気管内圧力値（ＰＥ）及び前記検出または推定される吸気管ガスパラメータ値（Ｐiaest，Ｐirest，ＰＩ，Ｐioest）が、それぞれ前記排気管内圧力目標値（Ｐeref）及び吸気管ガスパラメータ目標値（Ｐiaref，Ｐirref，Ｐiref，Ｐioref）に一致するように、前記タービンホイール（１０）を通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値（Ｇvcmd）、前記スロットル弁（３）を通過する新気流量の指令値である新気流量指令値（Ｇthcmd）、及び前記排気還流制御弁（６）を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値（Ｇrcmd）を出力するモデル予測コントローラ（６０）と、前記タービンガス流量指令値（Ｇvcmd）、前記新気流量指令値（Ｇthcmd）、及び前記還流ガス流量指令値（Ｇrcmd）をそれぞれ前記排気ガス流量可変手段の制御量（θvcmd）、前記排気還流制御弁の開度制御量（θrcmd）、及び前記スロットル弁の開度制御量（θthcmd）に変換する変換手段とを備え、前記排気管内圧力は、前記排気管（４）の前記タービンホイール（１０）より上流側における圧力（ＰＥ）であり、前記吸気管ガスパラメータは、前記吸気管の前記スロットル弁の下流側における酸素分圧（Ｐio）、不活性ガス分圧（Ｐii）、若しくは前記酸素分圧と不活性ガス分圧の和（Ｐi）のいずれか２つ、または前記吸気管内の酸素流量（Ｇio）、不活性ガス流量（Ｇii）、若しくは前記酸素流量と不活性ガス流量の和（Ｇio＋Ｇii）のいずれか２つであることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置において、前記吸気管内の過給圧（ＰＢ）を検出する過給圧検出手段（２２）と、前記吸気管内の新気流量（ＧＡ）を検出する吸入空気流量検出手段（２１）とを備え、前記第１目標値算出手段は、前記機関の運転状態に応じて算出される目標過給圧（Ｐides）及び目標新気流量（Ｇiades）に応じて前記コンプレッサホイールの仕事率目標値（Ｗcref）を算出する仕事率目標値算出手段と、検出される過給圧（ＰＢ）及び新気流量（ＧＡ）に応じて前記コンプレッサホイールの仕事率推定値（Ｗcest）を算出する仕事率推定値算出手段を有し、前記仕事率推定値（Ｗcest）が前記仕事率目標値（Ｗcref）に一致するように前記排気管圧の目標値（Ｐeref）を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、機関の排気管内のガスの状態を示す排気管内圧力値、及び吸気管内のガスの状態を示す吸気管ガスパラメータ値が検出または推定されるとともに、排気管内圧力の目標値及び吸気管ガスパラメータの目標値が算出される。検出される排気管内圧力値及び検出または推定される吸気管ガスパラメータ値が、それぞれ排気管内圧力の目標値及び吸気管ガスパラメータの目標値に一致するように、タービンガス流量指令値、新気流量指令値、及び還流ガス流量指令値がモデル予測コントローラから出力され、これらのタービンガス流量指令値、新気流量指令値、及び還流ガス流量指令値がそれぞれ排気ガス流量可変手段の制御量、排気還流制御弁の開度制御量、及びスロットル弁の開度制御量に変換される。したがって、吸気管にスロットル弁を有する機関において、排気管圧力値及び吸気管ガスパラメータ値をともに、その目標値に一致させる制御がモデル予測コントローラにより行われ、排気ガスの状態を最適に維持しつつ機関に吸入されるガスの状態を最適に制御することができる。したがって、排気管のタービンホイールより上流側における圧力を最適に維持しつつ、吸気管のスロットル弁の下流側における新気分圧、還流排気ガス分圧、若しくは新気分圧と還流排気ガス分圧の和のいずれか２つ、または吸気管内の新気流量、還流排気ガス流量、若しくは新気流量と還流排気ガス流量の和のいずれか２つを最適に制御することができる。またモデル予測コントローラを用いることにより、複数入力・複数出力の制御対象の複数出力、すなわち排気管内圧力及び吸気管ガスパラメータ値を、それぞれ対応する目標値へ、同時に且つ同じ速さで一致させることが可能となる。その結果、機関に吸入されるガス（新気及び還流排気ガス）の流量制御を総合的に、きめ細かく行い、機関の性能を最大限に引き出すことができる。また制御対象モデルが数式で定義することができれば、モデル予測コントローラを構築することができるため、様々なハードウエア構成に容易に適用することができ、汎用性が高いという利点があり、制御に必要なマップ設定のための工数を大幅に低減することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明における吸気管ガスパラメータが変更されたものであり、この発明によれば、排気管のタービンホイールより上流側における圧力を最適に維持しつつ、吸気管のスロットル弁の下流側における酸素分圧、不活性ガス分圧、若しくは酸素分圧と不活性ガス分圧の和のいずれか２つ、または吸気管内の酸素流量、不活性ガス流量、若しくは酸素流量と不活性ガス流量の和のいずれか２つを最適に制御することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、機関の運転状態に応じて算出される目標過給圧及び目標新気流量に応じてコンプレッサホイールの仕事率目標値が算出されるとともに、検出される過給圧及び新気流量に応じて、コンプレッサホイールの仕事率推定値が算出される。そして、コンプレッサホイールの仕事率推定値が仕事率目標値に一致するように排気管内圧力の目標値が算出される。そして、そのようにして算出される目標値に、排気管内圧力の検出値が一致するように、排気ガス流量可変手段の制御量、排気還流制御弁の開度制御量、及びスロットル弁の開度制御量が算出される。すなわち、排気管内圧力の目標値算出においてマスタフィードバック制御が行われ、アクチュエータ（排気ガス流量可変手段、排気還流弁、スロットル弁）の制御量の算出においてスレーブフィードバック制御が行われる、いわゆるカスケード制御が実行されるので、応答の遅い過給圧制御の制御性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す内燃機関の吸排気状態制御を行うモジュールの構成を示すブロック図である。
【図３】図２に示す要求値算出部の構成を示すブロック図である。
【図４】図２に示す分圧推定部の構成を示すブロック図である。
【図５】モデル予測制御の概要を説明するための図である。
【図６】図２に示すモデル予測コントローラの構成を示す図である。
【図７】制御動作例を説明するためのタイムチャートである。
【図８】第１の実施形態の変形例１にかかる吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
【図９】第１の実施形態の変形例２にかかる吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかる吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。
【図１２】図１１に示す内燃機関の吸排気状態制御を行うモジュールの構成を示すブロック図である。
【図１３】図１２に示す要求値算出部の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１２に示す分圧推定部の構成を示すブロック図である。
【図１５】制御動作例を説明するためのタイムチャートである。
【図１６】第３の実施形態の変形例１にかかる吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
【図１７】第３の実施形態の変形例２にかかる吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
【図１８】第４の実施形態にかかる吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関と、その制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下「エンジン」という）１は、シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンであり、各気筒に燃料噴射弁９が設けられている。燃料噴射弁９は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０に電気的に接続されており、燃料噴射弁９の開弁時間は、ＥＣＵ２０により制御される。
【００２２】
エンジン１は、吸気管２，排気管４、及びターボチャージャ８を備えている。ターボチャージャ８は、排気の運動エネルギにより回転駆動されるタービンホイール１０を有するタービン１１と、タービンホイール１０とシャフト１４を介して連結されたコンプレッサホイール１５を有するコンプレッサ１６とを備えている。コンプレッサホイール１５は、エンジン１に吸入される空気の加圧（圧縮）を行う。
【００２３】
タービン１１は、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させるべく開閉駆動される複数の可変ベーン１２（２個のみ図示）及び該可変ベーンを開閉駆動するアクチュエータ（図示せず）を有しており、可変ベーン１２の開度（以下「ベーン開度」という）ＶＯを変化させることにより、タービンホイール１０に吹き付けられる排気ガスの流量を変化させ、タービンホイール１０の回転速度を変更できるように構成されている。可変ベーン１２を駆動するアクチュエータは、ＥＣＵ２０に接続されており、ベーン開度ＶＯは、ＥＣＵ２０により制御される。より具体的には、ＥＣＵ２０は、デューティ比可変の制御信号をアクチュエータに供給し、これによってベーン開度ＶＯを制御する。なお、可変ベーンを有するターボチャージャの構成は広く知られており、例えば特開平１−２０８５０１号公報に示されている。
【００２４】
吸気管２のコンプレッサ１６の下流側にはインタークーラ１８が設けられ、さらにインタークーラ１８の下流側には、スロットル弁３が設けられている。スロットル弁３は、アクチュエータ１９により開閉駆動可能に構成されており、アクチュエータ１９はＥＣＵ２０に接続されている。ＥＣＵ２０は、アクチュエータ１９を介して、スロットル弁３の開度制御を行う。
【００２５】
排気管４と吸気管２との間には、排気ガスを吸気管２に環流する排気還流通路５が設けられている。排気還流通路５には、排気還流量を制御するための排気還流弁（以下［ＥＧＲ弁」という）６が設けられている。ＥＧＲ弁６は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ２０により制御される。ＥＧＲ弁６には、その弁開度（弁リフト量）ＬＡＣＴを検出するリフトセンサ７が設けられており、その検出信号はＥＣＵ２０に供給される。排気還流通路５及びＥＧＲ弁６より、排気還流機構が構成される。
【００２６】
吸気管２には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ２１、コンプレッサ１６の下流側の吸気圧（過給圧）ＰＢを検出する過給圧センサ２２、吸気温ＴＩを検出する吸気温センサ２３、及び吸気圧ＰＩを検出する吸気圧センサ２４が設けられている。また、排気管４には、タービン１１の上流側の排気圧ＰＥを検出する排気圧センサ２５が設けられている。これらのセンサ２１〜２５は、ＥＣＵ２０と接続されており、センサ２１〜２５の検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。
【００２７】
排気管４の、タービン１１の下流側には、排気ガス中に含まれる炭化水素などの酸化を促進する触媒コンバータ３１と、粒子状物質（主としてすすからなる）を捕集する粒子状物質フィルタ３２とが設けられている。
【００２８】
エンジン１により駆動される車両のアクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２７、、エンジン回転数（回転速度）ＮＥを検出するエンジン回転数センサ２８、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ２９がＥＣＵ２０に接続されており、これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ２０に供給される。
【００２９】
ＥＣＵ２０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、タービン１１の可変ベーン１２を駆動するアクチュエータ、燃料噴射弁９、ＥＧＲ弁６、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ１９などに駆動信号を供給する出力回路から構成される。
【００３０】
ＥＣＵ２０は、モデル予測制御を用いて吸気及び排気の状態、より具体的には吸気管２内の新気分圧、還流される排気ガスの分圧、及び排気圧が目標値と一致するように、ベーン開度ＶＯ、スロットル弁開度ＴＨ、及びＥＧＲ弁６のリフト量（開度）ＬＡＣＴを制御する吸排気状態制御を実行する。
【００３１】
図２はこの吸排気状態制御を行うモジュールの構成を示す機能ブロック図である。この図に示される各ブロックの機能は、実際にはＥＣＵ２０のＣＰＵにより実行される演算処理により実現される。
【００３２】
図２に示す吸排気状態制御モジュールは、要求値算出部５１、目標仕事率算出部５３、実仕事率推定部５４、目標排気圧算出部５５、除算部５２、目標吸気圧算出部５６、乗算部５７、減算部５８、分圧推定部５９、モデル予測コントローラ６０、θv変換部６１、θth変換部６２、及びθr変換部６３を備えている。以下これらの機能ブロックの機能を、順次説明する。
【００３３】
要求値算出部５１は、図３に示すように、要求トルク算出部７１、要求吸気圧算出部７２、要求新気流量算出部７３、要求新気分圧算出部７４、温度補正部７６、及び減算部７７とからなる。要求トルク算出部７１は、エンジン回転数ＮＥ及びアクセルペダル操作量ＡＰに応じてエンジン１の要求トルクＴＲＱを算出する。要求トルクＴＲＱは、アクセルペダル操作量ＡＰが増加するほど、増加するように設定される。
【００３４】
要求吸気圧算出部７２は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、要求吸気圧Ｐidesを算出する。要求吸気圧Ｐidesは、要求トルクＴＲＱが増加するほど、高くなるように設定される。要求新気流量算出部７３は、エンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、要求新気流量Ｇiadesを算出する。要求新気流量Ｇiadesは、エンジン回転数ＮＥが増加するほど、また要求トルクＴＲＱが増加するほど、増加するように設定される。要求新気分圧算出部７４は、エンジン回転数ＮＥ及び要求新気流量Ｇiadesに応じて、Ｐｉａマップを検索し、要求新気分圧マップ値Ｐiamapdを算出する。要求新気分圧は、エンジン１に吸入されるガス中の新気分圧の望ましい値である。Ｐｉａマップは、吸気温ＴＩが所定温度ＴＩＮＯＲである状態に対応して設定されている。
【００３５】
１シリンダ容積を占める新気質量Ｍiaと、要求新気分圧マップ値Ｐiamapdとは、下記式（１）で示す関係を有する。
Ｐiamapd＝｛Ｒ・ＴＩＮＯＲ／（ηv・Ｖs）｝Ｍia              （１）
ここでＲはガス定数、ηvは体積効率、Ｖsは気筒の容積である。
式（１）より、吸気温ＴＩに対応する要求新気分圧Ｐiadesは、下記式（２）で与えられる。
Ｐiades＝（ＴＩ／ＴＩＮＯＲ）Ｐiamapd                        （２）
【００３６】
温度補正部７６は、式（２）に検出される吸気温ＴＩを適用して、マップ値Ｐiamapdを補正し、要求新気分圧Ｐiadesを算出する。
減算部７７は、要求吸気圧Ｐidesから要求新気分圧Ｐiadesを減算することにより、要求還流ガス分圧Ｐirdesを算出する。
【００３７】
図２に戻り、目標仕事率算出部５３は、要求吸気圧Ｐides、要求新気流量Ｇiades及び大気圧ＰＡに応じてＷcrefマップの検索、あるいは下記式（３ａ）による演算により、コンプレッサ１６の目標仕事率Ｗcrefを算出する。Ｗcrefマップは、要求吸気圧Ｐides、または要求新気流量Ｇiadesが増加するほど、また大気圧ＰＡが低下するほど、目標仕事率Ｗcrefが増加するように設定されている。実仕事率推定部５４は、検出される過給圧ＰＢ及び吸入空気流量ＧＡを下記式（３ｂ）に適用し、コンプレッサ１６の実仕事率推定値Ｗcestを算出する。
【数１】
0004712097.tif 000002
ここでηcmpはコンプレッサの効率、ｃpは空気の定圧比熱、ＴＡは大気温度、κaは空気の比熱比である。
【００３８】
目標排気圧算出部５５は、実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefと一致するように、目標排気圧Ｐerefを算出する。具体的には、目標排気圧算出部５５は、実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefより小さいときは、目標排気圧Ｐerefを高める方向に更新し、逆に実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefより大きいときは、目標排気圧Ｐerefを下げる方向に更新する。
【００３９】
目標吸気圧算出部５６は、要求吸気圧Ｐidesと、検出される過給圧ＰＢとを比較し、低い方を選択することにより、目標吸気圧Ｐirefを算出する。除算部５２は、要求還流ガス分圧Ｐirdesを要求吸気圧Ｐidesで除算することにより、要求還流ガス比率ＲＰＩＲを算出し、乗算部５７は、目標吸気圧Ｐirefに要求還流ガス比率ＲＰＩＲを乗算することにより、目標還流ガス分圧Ｐirrefを算出する。減算部５８は、目標吸気圧Ｐirefから目標還流ガス分圧Ｐirrefを減算することにより、目標新気分圧Ｐiarefを算出する。
【００４０】
分圧推定部５９は、図４に示すように、新気分圧推定部８１と、温度補正部８３と、減算部８４とからなる。新気分圧推定部８１は、検出されるエンジン回転数ＮＥ及び吸入空気流量ＧＡに応じて、新気分圧推定マップ値Ｐiamapを算出する。新気分圧推定マップ値Ｐiamapは、吸入空気流量ＧＡが増加するほど、またエンジン回転数ＮＥが減少するほど、増加するように算出される。より具体的には、新気分圧推定マップ値Ｐiamapは、吸入空気流量ＧＡに比例し、エンジン回転数ＮＥに反比例するように設定されている。温度補正部８３は、図３に示す温度補正部７６と同様に、検出吸気温ＴＩに応じて、新気分圧推定マップ値Ｐiamapを補正し、推定新気分圧Ｐiaestを算出する。減算部８４は、検出される吸気圧ＰＩから推定新気分圧Ｐiaestを減算することにより、推定還流ガス分圧Ｐirestを算出する。
【００４１】
図２に戻り、モデル予測コントローラ６０は、検出される排気圧ＰＥ、推定新気分圧Ｐiaest及び推定還流ガス分圧Ｐirestが、それぞれ目標排気圧Ｐeref、目標新気分圧Ｐiaref及び目標還流ガス分圧Ｐirrefと一致するように、モデル予測制御を用いて、タービン１１を通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値Ｇvcmd、スロットル弁３を通過する新気流量の指令値である新気流量指令値Ｇthcmd及びＥＧＲ弁６を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【００４２】
θｖ変換部６１は、検出される排気圧ＰＥ及び大気圧ＰＡに応じて、タービンガス流量指令値Ｇvcmdを、可変ベーン１２の開度指令値（以下「ベーン開度指令値」という）θvcmdに変換する。具体的には、以下のようにして変換を行う。
タービン１１をノズルとしてモデル化することにより、下記式（４）の関係が成立する。
Ｇvcmd＝Ａtb（θvcmd）・Ｕ（ＰＥ）・Φ（ＰＡ／ＰＥ）        （４）
【００４３】
ここで、Ａtb（θvcmd）はベーン開度の関数である可変ベーンの有効開口面積であり、Ｕ（ＰＥ）は下記式（５）により算出される上流条件関数であり、Φ（ＰＡ／ＰＥ）は可変ベーン１２の下流側圧力と上流側圧力との比の関数である。式（５）のρeは、タービン１１を通過する排気ガスの密度であり、式（６）及び（７）のκeは、タービン１１を通過する排気ガスの比熱比である。排気ガスの流速が音速より低いとき、式（６）が適用され、排気ガスの流速が音速以上であるとき、式（７）が適用される。
【数２】
0004712097.tif 000003
【００４４】
式（４）から有効開口面積Ａtb（θvcmd）は、下記式（８）により算出され、有効開口面積Ａtb（θvcmd）に応じて予め設定されている変換テーブルを検索することにより、ベーン開度指令値θvcmdが算出される。
Ａtb（θvcmd）＝Ｇvcmd／｛Ｕ（ＰＥ）・Φ（ＰＡ／ＰＥ）｝      （８）
【００４５】
θth変換部６２及びθr変換部６３も同様にしてそれぞれ下記式（９）及び（１０）により、それぞれスロットル弁３の有効開口面積Ａth（θth）及びＥＧＲ弁６の有効開口面積Ａr（θr）を算出し、有効開口面積Ａth（θth）及びＡr（θr）に応じて変換テーブルを検索することにより、スロットル弁開度指令値θthcmd及びＥＧＲ弁開度指令値θrcmdを算出する。
Ａth（θthcmd）＝Ｇthcmd／｛Ｕ（ＰＢ）・Φ（ＰＩ／ＰＢ）｝    （９）
Ａr（θrcmd）  ＝Ｇrcmd／｛Ｕ（ＰＥ）・Φ（ＰＩ／ＰＥ）｝     （１０）
【００４６】
なお、式（９）のＵ（ＰＢ），Φ（ＰＩ／ＰＢ）、及び式（１０）のΦ（ＰＩ／ＰＥ）は、下記式（１１）〜（１５）で与えられる。
【数３】
0004712097.tif 000004
【数４】
0004712097.tif 000005
ここで、式（１１）のρaは空気の密度であり、式（１２）（１３）のκaは空気の比熱比である。
【００４７】
θv変換部６１，θth変換部６２及びθr変換部６３から出力されるベーン開度指令値θvcmd、スロットル弁開度指令値θth及びＥＧＲ弁開度指令値θrに基づいて、可変ベーン１２の開度、スロットル弁３の開度、及びＥＧＲ弁６の開度が制御される。
【００４８】
次にモデル予測コントローラ６０について説明する。先ず、コントローラ６０による制御の対象をモデル化した制御対象モデルについて説明する。
容積Ｖのチャンバ内気体の質量Ｍ及び圧力Ｐの関係は、絶対温度Ｔを用いて下記式（２０）で示される。
ＰＶ＝ＭＲＴ                                  （２０）
【００４９】
この式を時間微分することにより、下記式（２１）が得られる。
【数５】
0004712097.tif 000006
ここで、κnは、チャンバ内の気体の比熱比κ以下で１．０以上の値をとるポリトロープ指数である。
【００５０】
これを吸気管２内の新気分圧Ｐiaに適用すると、下記式（２２）が得られる。
【数６】
0004712097.tif 000007
ここで、Ｇ'thはスロットル弁３を通過する単位時間当たりの新気流量であり、Ｇ'zは気筒内に流入する単位時間当たりの吸入ガス流量であり、Ｐiは吸気圧である。また定数ｋiは下記式（２３）で与えられる。
【数７】
0004712097.tif 000008
ここで、Ｔiは吸気温、Ｖiは吸気管のスロットル弁３より下流側の容積、κniは、ポリトロープ指数である。
【００５１】
式（２２）の吸入ガス流量Ｇ'zは、下記式（２４）で表すことができるので、式（２２）は下記式（２５）のように表すことができる。
【数８】
0004712097.tif 000009
ここで、ＮＥはエンジン回転数、Ｐcylは気筒内圧力、Ｖcylは気筒容積、Ｔcylは気筒内温度、ηvは体積効率である。
【００５２】
式（２５）では、新気分圧Ｐiaの係数がエンジン回転数ＮＥに依存するため、クランク角度αを基準とする式に変換する（具体的には、両辺にｄｔ／ｄα＝１／ＮＥを乗算する）と、下記式（２６）が得られる。式（２６）のＧthは、スロットル弁３を通過する単位クランク角当たりの新気流量である。
また吸気管内の還流ガス分圧Ｐirについても、同様にして下記式（２７）が得られる。式（２６）のＧrは、ＥＧＲ弁６を通過する単位クランク角当たりの還流ガス流量である。
【数９】
0004712097.tif 000010
一方排気管４のタービン上流側の排気ガスについては、下記式（２８）が成立する。
【数１０】
0004712097.tif 000011
ここで、Ｐeは排気管４のタービン上流側における排気圧、Ｇ'rは単位時間当たりの還流ガス流量、Ｔeは排気温度、Ｖeは排気管４のタービン上流側の容積、κneはポリトロープ指数である。
【００５３】
吸入ガス流量Ｇ'zは、式（２４）をさらに変形することにより、下記式（２９）で表すことができる。
Ｇ'z＝＝ｋ'ηv×Ｐi＝ｋ'ηv（Ｐia＋Ｐir）        （２９）
これを式（２８）に適用すると、下記式（３０）が得られ、さらにクランク角度基準に変換することにより、下記式（３１）が得られる。
【数１１】
0004712097.tif 000012
【００５４】
式（２６）、（２７）及び（３１）をまとめると、下記式（３２）が得られる。
【数１２】
0004712097.tif 000013
【００５５】
次に式（３２）により定義される制御対象モデルを、サンプリング周期ｈで離散化した時刻ｋを用いた離散時間系の制御対象モデルに変換すると、その制御対象モデルは下記式（３４）により定義され、式（３４）の制御出力ｘ(k)、制御入力ｕ(k)、モデルパラメータ行列Ａ及びＢは、それぞれ下記式（３５）〜（３８）で表される。
ｘ(k+1)＝Ａｘ(k)＋Ｂｕ(k)                              （３４）
【数１３】
0004712097.tif 000014
【００５６】
図５は、モデル予測制御の概要を説明するための図である。この図では、制御出力ｘ(k)を、目標値（ベクトル）ｒに一致させる制御が示されており、以下のような手順で演算が行われる。
【００５７】
１）現時刻ｋにおいて出力ｘ(k)を計測し、目標値ｒに徐々に近づく参照軌道ｘＲ（破線）を算出する。
２）予測式を用いて未来の出力の予測値ｘＰ(k+i)を求め、一致区間において予測値ｘＰが参照軌道ｘＲにできるだけ近づくように、現時刻ｋ以降Ｈuステップ（図５ではＨu＝２）の期間である制御区間において、制御入力ｕ(k)，ｕ(k+1)，…，ｕ(k+Ｈu-1)を、最適化演算アルゴリズムにより算出する。
３）得られた制御入力のうちｕ(k)のみを実際に制御対象に入力する。
４）時刻（ｋ＋１）以後、上記１）〜３）の手順を繰り返す。
【００５８】
次にモデル予測制御の詳細を説明する。式（３４）を繰り返し適用することにより、例えばｘ(k+2)は下記式（３９）で与えられ、一般に離散時間ｉ経過後の出力であるｘ(k+i)は、下記式（４０）で与えられる。
【数１４】
0004712097.tif 000015
【００５９】
制御入力ｕは、時刻ｋから（ｋ＋Ｈu−１）までの制御区間において変化し、以後は一定値をとると仮定して、制御出力ｘの予測値ｘ(k+i)を算出し、その予測値ｘ(k+i)が一致区間において目標値と一致するように（目標値からのずれを示す評価関数Ｖの値が最小となるように）、今回の制御入力ｕ(k)が決定される。
【００６０】
制御入力ｕ(k)を決定するためには、式（４０）を制御入力変化量Δｕ(k)を用いた式に変換し、先ず最適な制御入力変化量Δｕ(k)optを求めて、最適制御入力変化量Δｕ(k)optを積算することにより、制御入力ｕ(k)を算出する手法が採用される。
制御入力変化量Δｕ(k)と、制御入力ｕ(k)との関係は、下記式（４１）で表される。
ｕ(k)＝Δｕ(k)＋ｕ(k-1)                          （４１）
【００６１】
式（４１）の関係を用いて式（４０）を変換すると、下記式（４２）及び（４３）が得られる。式（４２）は、離散時間ｉが１からＨuまでの期間に適用され、式（４３）は、離散時間ｉが（Ｈu＋１）からＨpまでの期間に適用される。式（４２）及び（４３）のＩは、単位行列である。式（４２）と（４３）をまとめて行列及びベクトルの形式で表すと、式（４４）が得られる。
【数１５】
0004712097.tif 000016
【数１６】
0004712097.tif 000017
【００６２】
次に評価関数Ｖを下記式（４５）で定義すると、式（４５）は式（４６）〜（４８）のようにベクトルＸ(k)、Ｔ(k)、及びΔＵ(k)を定義することにより、式（４９）のようの書き直すことができる。なお、式（４５）のＱ(i)及びＲ(i)は重み係数であり、式（４９）の重み行列Ｑ、Ｒは、式（５０）、（５１）で与えられる。
【数１７】
0004712097.tif 000018
【数１８】
0004712097.tif 000019
【００６３】
また式（４４）の係数行列を下記式（５２）〜（５４）に示すように、Ψ、Γ、Θで表すと、一致区間（ｋ＋Ｈw〜ｋ＋Ｈp）における予測値ベクトルＸ(k)は、下記式（５５）で表される。
【数１９】
0004712097.tif 000020
Ｘ(k)＝Ψｘ(k)＋Γｕ(k-1)＋ΘΔｕ(k)                  （５５）
【００６４】
ここで追従誤差ε(k)を下記式（５６）で定義すると、式（４９）の評価関数Ｖは、下記式（５７）のように変形できる。
ε(k)＝Ｔ(k)−Ψｘ(k)−Γｕ(k-1)                        （５６）
【数２０】
0004712097.tif 000021
【００６５】
また重み行列Ｑ、Ｒの平方根に相当する行列ＳＱ、ＳＲを下記式（５８）、（５９）で定義すると、式（６０）で表されるベクトルの二乗長が、式（５７）で示される評価関数Ｖに相当する。
【数２１】
0004712097.tif 000022
【００６６】
したがって、最適な制御入力変化量ベクトルΔＵ(k)optは、式（６０）のベクトルの長さを最小化するΔＵ(k)として求められる。これは、ＱＲアルゴリズムを用いて求めることができる（例えば「モデル予測制御」Jan M. Maciejowski著、２００５年１月２０日、東京電機大学出版局発行（以下「文献１」という）を参照）。
【００６７】
文献１に示された表記法を用いれば、最適な制御入力変化量ベクトルΔｕ(k)optは、下記式（６１）、（６２）及び（６３）で示される。式（６３）のバックスラッシュ記号が、最小２乗解を求める演算を示している。また式（６２）のＩmはｍ行ｍ列の単位行列であり、Ｏmはｍ行ｍ列のすべての要素が「０」である行列である。すなわち行列［Ｉm Ｏm Ｏm…Ｏm］は、ベクトルΔＵ(k)から、実際に制御入力ｕ(k)の演算に使用されるベクトルΔｕ(k)のみを抽出するための行列である。
Δｕ(k)opt＝ＫＭＰＣ・ε(k)                          （６１）
ＫＭＰＣ＝［Ｉm Ｏm Ｏm…Ｏm］ＫＦＵＬＬ              （６２）
【数２２】
0004712097.tif 000023
【００６８】
図６は、モデル予測コントローラ６０の構成を示す機能ブロック図である。モデル予測コントローラ６０は、目標値ベクトル算出部９１と、減算部９２と、最適入力変化量算出部９３と、積算部９４と、遅延部９５と、自由応答出力算出部９６とから構成される。図６には、制御入力ｕ(k)が制御対象１００に入力され、制御出力ｘ(k)がモデル予測コントローラ６０にフィードバックされる構成が示されている。
【００６９】
本実施形態では、制御区間を決めるパラメータＨu及び一致区間の開始時刻を示すパラメータＨwをともに「１」とし、一致区間の終了時刻を示すパラメータＨpを「２」とし、重み行列Ｑ、Ｒは、対角要素がすべて「１」で他の要素がすべて「０」である単位行列としている（実質的に重み付け無しの設定としている）。したがって、最適入力変化量Δｕ(k)optの算出に必要な行列ＳＱ、ＳＲは、下記式（６５）、（６６）で与えられ、行列Θは、下記式（６７）で与えられる。追従誤差ε(k)の算出に必要な行列Ψ及びΓ、並びに目標値ベクトルＴ(k)は、下記式（６８）〜（７０）で与えられる。
【数２３】
0004712097.tif 000024
【００７０】
図６の目標値ベクトル算出部９１は、目標値ベクトルＴ(k)を以下のようにして算出する。
１）現在の制御偏差ｅ(k)を下記式（７１）により算出する。ｓ(k)は、本実施形態では、下記式（７２）で与えられる、目標値ベクトル算出部９１の入力（以下「設定値ベクトル」という）である。
ｅ(k)＝ｓ(k)−ｘ(k)                        （７１）
【数２４】
0004712097.tif 000025
【００７１】
２）ｉステップ後の制御偏差ｅ(k+i)を下記式（７３）により算出する。
ｅ(k+i)＝λi×ｅ(k)                          （７３）
【００７２】
ここでλは、出力ｘ(k+i)が目標値ｒ(k+i)に近づく速度を示すパラメータ（以下「収束速度パラメータ」という）であり、０から１の間の値に設定される。収束速度パラメータλは、その値が小さくなるほど収束速度が速くなることを示す。
【００７３】
３）下記式（７４）により、参照軌道を示す目標値ｒ(k+i)を算出する。
ｒ(k+i)＝ｓ(k+i)−ｅ(k+i)                          （７４）
ただし、本実施形態では、未来の設定値ベクトルｓ(k+i)は、現在値ｓ(k)と等しいとして、目標値ベクトルＴ(k)は、下記式（７５）により算出される。
【数２５】
0004712097.tif 000026
【００７４】
遅延部９５は、制御入力ｕ(k)を１サンプル周期だけ遅延させ、ｕ(k-1)を出力する。自由応答出力算出部９６は、制御出力ｘ(k)及び制御入力ｕ(k-1)を下記式（７６）に適用することにより、自由応答出力ｘＦを算出する。
ｘＦ＝Ψｘ(k)＋Γｕ(k-1)                      （７６）
式（７６）は、式（５５）のΔｕ(k)を「０」としたものであり、自由応答出力ｘＦは、制御入力ｕ(k)の変化が無い場合に制御出力に相当する。
【００７５】
減算部９２は、目標値ベクトルＴ(k)から自由応答出力ｘＦを減算する。最適入力変化量算出部９３は、式（５６）により、最適入力変化量Δｕ(k)optを算出する。積算部９４は、最適入力変化量Δｕ(k)optを積算することにより、制御入力ｕ(k)を算出する。モデル予測コントローラ６０は、算出された制御入力ｕ(k)＝（Ｇth(k)  Ｇr(k)  Ｇv(k)）Tを、新気流量指令値Ｇthcmd(k)，還流ガス流量指令値Ｇrcmd(k)，及びタービンガス流量指令値Ｇvcmd(k)として出力する。
【００７６】
図７は、本実施形態における制御動作例を説明するためのタイムチャートであり、同図（ａ）〜（ｃ）は、制御入力ｕ(k)＝（Ｇthcmd(k)  Ｇrcmd(k)  Ｇvcmd(k)）Tの推移を示し、同図（ｄ）〜（ｆ）は対応する制御出力ｘ(k)＝（Ｐiaest  Ｐirest  ＰＥ）Tの推移を示す。時刻ｔ１において、吸気管内の還流ガス分圧Ｐirを高めるためにＥＧＲ弁６が開弁されるが、このときタービン１１のベーン開度は、排気圧ＰＥを一定に維持するように若干閉じ方向に制御される。また時刻ｔ２において、排気圧ＰＥを高めるためにベーン開度が閉じ方向に制御されるが、このときＥＧＲ弁６の開度は、還流ガス分圧Ｐieを一定に維持するように若干閉じ方向に制御される。また時刻ｔ３において、新気分圧Ｐiaを増加させるためにスロットル弁３が開弁されるが、このときベーン開度は、排気圧ＰＥを一定に維持するように開き方向に制御される。
【００７７】
このように本実施形態によれば、相互に関連しあうガスパラメータである、吸気管内の新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirと、排気圧ＰＥとが、それぞれの目標値に独立して整定させることが可能となる。したがって、これらのガスパラメータをエンジン１の運転状態に応じて適切に制御し、エンジン１の性能を最大限に引き出すことができる。
【００７８】
以上説明したように本実施形態では、エンジン１の排気管内のガスの状態を示す排気圧ＰＥが検出され、吸気管内のガスの状態を示す吸気管ガスパラメータの推定値である推定新気分圧Ｐiaest及び推定還流ガス分圧Ｐirestが算出されるとともに、排気圧の目標値Ｐeref及び吸気管内の新気分圧及び還流ガス分圧の目標値Ｐiaref，Ｐirrefが算出される。そして、排気圧ＰＥ，推定新気分圧Ｐiaest及び推定還流ガス分圧Ｐirestが、それぞれの目標値Ｐeref，Ｐiaref，及びＰirrefに一致するように、モデル予測制御を用いてタービン１１のベーン開度、ＥＧＲ弁６の開度、及びスロットル弁３の開度が制御される。その結果、排気ガスの状態を最適に維持しつつ機関に吸入されるガスの状態を最適に制御することができる。またモデル予測制御を用いることにより、複数入力・複数出力の制御対象の複数出力、すなわち排気圧ＰＥ、新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirを、それぞれ対応する目標値Ｐeref，Ｐiaref，及びＰirrefへ、同時に且つ同じ速さで一致させることが可能となる。その結果、エンジン１に吸入されるガス（新気及び還流排気ガス）の流量制御を総合的に、きめ細かく行い、機関の性能を最大限に引き出すことができる。また制御対象モデルが数式で定義することができれば、モデル予測制御の制御系を構築することができるため、様々なハードウエア構成に容易に適用することができ、汎用性が高いという利点があり、制御に必要なマップ設定のための工数を大幅に低減することができる。
【００７９】
またエンジン回転数ＮＥ及び要求トルクＴＲＱに応じて、定常状態に対応した定常状態目標値としての要求吸気圧Ｐidesが、要求吸気圧算出部７２により算出され、検出される過給圧ＰＢと要求吸気圧Ｐidesの小さい方を選択することにより、目標吸気圧Ｐirefが算出される。さらに目標吸気圧Ｐirefに基づいて目標還流ガス分圧Ｐirrefが実現可能な値に再設定される。これにより過給圧ＰＢの変化遅れにより目標吸気圧Ｐiref及び目標還流ガス分圧Ｐirrefが不適切な値に設定されることを防止することができる。
【００８０】
また大気圧ＰＡ、要求吸気圧Ｐides及び要求新気流量Ｇiadesに応じてコンプレッサホイール１５の目標仕事率Ｗcrefが算出されるとともに、検出される過給圧ＰＢ及び新気流量ＧＡに応じて、コンプレッサホイール１５の実仕事率推定値Ｗcestが算出される。そして、コンプレッサホイール１５の実仕事率推定値Ｗcestが目標仕事率Ｗcrefに一致するように目標排気圧Ｐerefが算出される。さらに、そのようにして算出される目標排気圧Ｐerefに、検出排気圧ＰＥが一致するように、ベーン開度、ＥＧＲ弁開度及びスロットル弁開度が算出される。すなわち、目標排気圧Ｐerefの算出においてマスタフィードバック制御が行われ、流量制御機構（タービンの可変ベーン１２、ＥＧＲ弁６、及びスロットル弁３）の制御量の算出においてスレーブフィードバック制御が行われるカスケード制御が実行されるので、応答の遅い過給圧制御の制御性能を向上させることができる。
【００８１】
制御対象モデルは、タービンの可変ベーン１２、ＥＧＲ弁６、及びスロットル弁３を通過するガスの質量流量Ｇv、Ｇr、及びＧthを制御入力として定義される（式（３４）〜（３８））ので、例えば可変ベーン１２やＥＧＲ弁６の制御量を、制御入力として定義する場合に比べて制御対象モデルを定義する数式を簡略化でき、ＥＣＵ２０のＣＰＵの演算負荷を軽減できる。また、可変ベーン１２、ＥＧＲ弁６、またはスロットル弁３の流量特性が変更されたときは、流量を弁の開度に変換する変換特性を置き換えるだけで足り、モデル予測制御を行うコントローラ６０の制御ロジックを変更する必要がない。また可変ベーン１２の開度、ＥＧＲ弁６及びスロットル弁３の弁開度をフィードバック制御するローカルフィードバック制御を追加することにより、弁開度の外乱に対する制御性能を向上させることができる。これは、一種のカスケード制御の効果であり、弁開度指令値に対する実開度の応答が十分に（コントローラ７６０の制御対象である吸排気ガスの挙動と比較して）速い場合にこの効果は特に大きくなる。
【００８２】
本実施形態では、吸気管内の新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirが吸気管ガスパラメータに相当する。また可変ベーン１２が排気ガス流量可変手段に相当し、排気圧センサ２５が排気管内圧力検出手段に相当し、吸入空気流量センサ２１、吸気温センサ２３、吸気圧センサ２４及びＥＣＵ２０が、吸気管ガスパラメータ取得手段を構成する。またＥＣＵ２０が、第１目標値算出手段、第２目標値算出手段、モデル予測コントローラ、変換手段、仕事率目標値算出手段、及び仕事率推定値算出手段を構成する。より具体的には、要求値算出部５１、目標仕事率算出部５３、実仕事率推定部５４、及び目標排気圧算出部５５が、第１目標値算出手段に相当し、要求値算出部５１、除算部５２、目標吸気圧算出部５６、乗算部５７及び減算部５８が、第２目標値算出手段に相当し、θv変換部６１、θth変換部６２及びθr変換部６３が、変換手段に相当する。また、目標仕事率算出部５３が仕事率目標値算出手段に相当し、実仕事率推定部５４が仕事率推定値算出手段に相当する。
【００８３】
［変形例１］
上述した実施形態では、吸気管ガスパラメータとして、新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirを用いたが、新気分圧Ｐiaまたは還流ガス分圧Ｐirのいずれか一方を、吸気圧Ｐi（＝Ｐia＋Ｐir）に代えてもよい。その場合の吸排気状態制御モジュールは、図８に示すように構成される。図８に示す吸排気状態制御モジュールは、新気分圧Ｐiaに代えて、吸気圧Ｐiを吸気管ガスパラメータとして用いるものである。
【００８４】
図８に示すモジュールでは、図２のモデル予測コントローラ６０が、モデル予測コントローラ６０ａに変更され、目標吸気圧算出部５６から出力される目標吸気圧Ｐirefは、直接モデル予測コントローラ６０ａに入力される。また、モデル予測コントローラ６０ａには、検出吸気圧ＰＩが入力される。また、分圧推定部５９は、推定還流ガス分圧Ｐirestのみをモデル予測コントローラ６０ａに入力する。モデル予測コントローラ６０ａは、第１の実施形態における新気分圧Ｐiaに代えて、吸気圧Ｐiを用いてモデル化した制御対象モデルに基づくモデル予測制御を実行する。すなわち、検出吸気圧ＰＩ、推定還流ガス分圧Ｐirest、及び検出される排気圧ＰＥが、それぞれ目標吸気圧Ｐiref、目標還流ガス分圧Ｐirref、及び目標排気圧Ｐerefと一致するように、タービンガス流量指令値Ｇvcmd、新気流量指令値Ｇthcmd、及び還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【００８５】
この変形例における制御対象モデルの定義式（連続時間系）は、下記式（６１）で与えられる。したがって、この式（６１）に基づいて、上述した第１の実施形態と同一の手法により、制御入力ｕ(k)を算出することができる。
【数２６】
0004712097.tif 000027
【００８６】
本変形例では、要求値算出部５１、除算部５２、目標吸気圧算出部５６、及び乗算部５７が、第２目標値算出手段に相当する。
【００８７】
［変形例２］
吸気管ガスパラメータとして、新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirに代えて、新気流量Ｇia及び還流ガス流量Ｇirを用いてもよい。以下、この場合の制御対象モデルについて説明する。
【００８８】
吸気管２内の新気分圧Ｐiaについては、前述した式（２２）の関係が成立する。これをサンプリング周期ｈで離散化した時刻ｋを用いると、下記式（６２）が得られる。
【数２７】
0004712097.tif 000028
【００８９】
式（６２）を式（６３）の関係を用いて変形すると、式（６４）が得られる。
【数２８】
0004712097.tif 000029
【００９０】
一方、式（２４）の関係を新気流量Ｇ'iaに適用すると、下記式（６５）が得られ、式（６５）から式（６６）が得られる。
【数２９】
0004712097.tif 000030
【００９１】
式（６６）を式（６４）に適用することにより、下記式（６７）が得られる。また、還流ガス流量Ｇ'irについても、同様にして下記式（６８）が得られる。
【数３０】
0004712097.tif 000031
【００９２】
よって、離散時間系のモデル定義式（ｘ(k+1)＝Ａｘ(k)＋Ｂｕ(k)）の各項は、下記式（６９）〜（７２）で与えられる。
【数３１】
0004712097.tif 000032
【００９３】
図９は、この変形例における吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
図９のモジュールは、図２のモジュールのモデル予測コントローラ６０及び分圧推定部５９を、それぞれモデル予測コントローラ６０ｂ及び流量推定部１０３に変更するとともに、目標新気流量算出部１０１及び目標還流ガス流量算出部１０２を追加したものである。またモデル予測コントローラ６０ｂには、検出される新気流量ＧＡが入力される。
【００９４】
目標新気流量算出部１０１は、目標新気分圧Ｐirefに式（２６）に適用される係数ｋηvを乗算することより、目標新気流量Ｇiarefを算出する。目標還流ガス流量算出部１０２は、目標還流ガス分圧Ｐirrefに係数ｋηvを乗算することにより、目標還流ガス流量Ｇirrefを算出する。また、流量推定部１０３は、エンジン回転数ＮＥ及び吸気ＰＩに応じて設定されたＧzマップ（図示せず）を検索し、シリンダに吸入されるガス流量（吸入ガス流量）Ｇzを算出する。そして、吸入ガス流量Ｇzから検出される新気流量ＧＡを減算することにより、推定還流ガス流量Ｇirestを算出する。
【００９５】
モデル予測コントローラ６０ｂは、上述した制御対象モデルに基づくモデル予測制御を実行し、検出新気流量ＧＡ、推定還流ガス流量Ｇirest、及び検出される排気圧ＰＥが、それぞれ目標新気流量Ｇiaref、目標還流ガス流量Ｇirref、及び目標排気圧Ｐerefと一致するように、タービンガス流量指令値Ｇvcmd、新気流量指令値Ｇthcmd、及び還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【００９６】
本変形例では、要求値算出部５１、除算部５２、目標吸気圧算出部５６、乗算部５７、減算部５８、目標新気流量算出部１０１、及び目標還流ガス流量算出部１０２が、第２目標値算出手段に相当する。
【００９７】
なお、吸気管ガスパラメータは、新気流量Ｇiaまたは還流ガス流量Ｇirの何れか一方を、両者の和である吸入ガス流量Ｇz（＝Ｇia＋Ｇir）に代えてもよい。
【００９８】
［第２の実施形態］
第１の実施形態では、吸気管２にスロットル弁３が設けられたエンジンを制御対象としたが、本実施形態はスロットル弁が設けられていないエンジンを制御対象とする。本実施形態では、吸排気状態制御モジュールは、図１０に示すように構成される。以下に説明する点以外は、第１の実施形態と同一である。
【００９９】
図１０に示す吸排気状態制御モジュールは、図２に示す吸排気状態制御モジュールの目標吸気圧算出部５６、減算部５８、及びθth変換部６２を削除し、モデル予測コントローラ６０を、モデル予測コントローラ６０ｃに代えたものである。また乗算部５７には、目標吸気圧Ｐirefに代えて、検出過給圧ＰＢが入力される。したがって、乗算部５７は、過給圧ＰＢに要求還流ガス比率ＲＰＩＲを乗算することにより、目標還流ガス分圧Ｐirrefを算出する。
【０１００】
モデル予測コントローラ６０ｃには、目標排気圧Ｐeref，検出された排気圧ＰＥ，目標還流ガス分圧Ｐirref及び推定還流ガス分圧Ｐirestが入力される。すなわち、目標新気分圧Ｐiaref及び推定新気分圧Ｐiaestは入力されない。
モデル予測コントローラ６０ｃは、検出される排気圧ＰＥ及び推定還流ガス分圧Ｐirestが、それぞれ目標排気圧Ｐeref及び目標還流ガス分圧Ｐirrefと一致するように、モデル予測制御を用いて、タービン１１を通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値Ｇvcmd及びＥＧＲ弁６を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【０１０１】
本実施形態では、スロットル弁が設けられていないため、制御対象モデルは下記式（８１）で定義される。
【数３２】
0004712097.tif 000033
ここで、モデルパラメータａ11〜ａ22及びｂ11〜ｂ22は、システム同定により予め実験的に設定される。
【０１０２】
式（８１）をサンプリング周期ｈで離散化した時刻ｋを用いた離散時間系の制御対象モデルに変換すると、モデル定義式（ｘ(k+1)＝Ａｘ(k)＋Ｂｕ(k)）の各項は、下記式（８２）〜（８５））で与えられる。
【数３３】
0004712097.tif 000034
【０１０３】
モデル予測コントローラ６０ｃは、この制御対象モデルに基づくモデル予測制御を実行する。その場合、最適入力変化量Δｕ(k)optの算出に必要な行列ＳＱ、ＳＲは、下記式（８６）、（８７）で与えられる。行列Θ、追従誤差ε(k)の算出に必要な行列Ψ及びΓ、並びに目標値ベクトルＴ(k)は、前記式（６８）〜（７０）をそのまま適用することができる。また、設定値ベクトルｓ(k)は、下記式（８８）で与えられ、目標値ベクトルＴ(k)は、下記式（８９）で与えられる。
【数３４】
0004712097.tif 000035
以上の点以外は、モデル予測コントローラ６０ｃは、モデル予測コントローラ６０と同様に動作する。
【０１０４】
本実施形態によれば、排気圧ＰＥ及び推定還流ガス分圧Ｐirestをともに、その目標値Ｐeref及びＰirrefに一致させるように、タービン１１のベーン開度及びＥＧＲ弁６の開度がモデル予測制御により制御される。その結果、排気ガスの状態を最適に維持しつつエンジンに吸入されるガスの状態を最適に制御することができる。
【０１０６】
［第３の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態と同様に吸気管２にスロットル弁３が設けられたエンジンを制御対象とし、吸気管ガスパラメータとして、吸気管内の酸素分圧Ｐio及び吸気圧Ｐiを用いるようにしたものである。
【０１０７】
図１１は、本実施形態におけるエンジン及びその制御装置の構成を示す図である。本実施形態では、排気管４の、触媒コンバータ３１の上流側に空燃比センサ２６が設けられている。空燃比センサ２６は、エンジン１の燃焼室内の空燃比ＡＦを示す信号をＥＣＵ２０に供給する。これ以外は、図１の示す構成と同一である。
【０１０８】
図１２は、本実施形態における吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。図１２に示すモジュールでは、図２の要求値算出部５１，乗算部５２，５７，分圧推定部５９，及びモデル予測コントローラ６０が、それぞれ要求値算出部５１ａ，乗算部５２ａ，５７ａ，分圧推定部５９ａ，及びモデル予測コントローラ６０ｄに変更され、減算部５８が削除されている。
【０１０９】
図１３は、要求値算出部５１ａの構成を示すブロック図である。要求値算出部５１ａは、図３に示す要求値算出部５１の要求新気分圧算出部７４及び温度補正部７６を、それぞれ要求酸素分圧算出部７４ａ及び温度補正部７６ａに変更し、減算部７７を削除したものである。
【０１１０】
要求酸素分圧算出部７４ａは、エンジン回転数ＮＥ及び要求新気流量Ｇiadesに応じて、Ｐｉｏマップを検索し、要求酸素分圧マップ値Ｐiomapdを算出する。要求酸素分圧は、エンジン１に吸入されるガス中の酸素分圧の望ましい値である。Ｐｉｏマップは、吸気温ＴＩが所定温度ＴＩＮＯＲである状態に対応して設定されている。
温度補正部７６ａは、下記式（２ａ）に検出される吸気温ＴＩを適用して、要求酸素分圧マップ値Ｐiomapdを補正し、要求酸素分圧Ｐiodesを算出する。
Ｐiodes＝（ＴＩ／ＴＩＮＯＲ）Ｐiomapd                        （２ａ）
【０１１１】
図１２に戻り、除算部５２ａは、要求酸素分圧Ｐiodesを要求吸気圧Ｐidesで除算することにより、要求酸素分圧比率ＲＰＩＯを算出する。乗算部５７ａは、要求酸素分圧比率ＲＰＩＯに目標吸気圧Ｐirefを乗算して、目標酸素分圧Ｐiorefを算出する。目標吸気圧算出部５６から出力される目標吸気圧Ｐirefは、直接モデル予測コントローラ６０ｄに入力される。
【０１１２】
図１４は、分圧推定部５９ａの構成を示すブロック図である。分圧推定部５９ａは、図４に示す分圧推定部５９に分圧算出部８５及び還流ガス酸素比率算出部８６を追加したものである。
【０１１３】
還流ガス酸素比率算出部８６は、空燃比センサ２６により検出される空燃比ＡＦを特性変換テーブルを用いて排気中の酸素比率（以下「排気酸素比率」という）ｒexoに変換し、さらに排気酸素比率ｒexoについて、排気管４から吸気管２までの還流ガス流れの動的挙動補償を行い、還流ガス酸素比率ｒeoを算出する。還流ガス流れの動的挙動補償は、例えば排気酸素比率ｒexoにむだ時間と一次遅れ特性を与えることにより行われる。
【０１１４】
分圧算出部８５は、推定新気分圧Ｐiaest、推定還流ガス分圧Ｐirest、及び還流ガス酸素比率ｒeoを下記式（１０１）に適用して、推定酸素分圧Ｐioestを算出し、さらに検出吸気圧ＰＩ及び式（１０１）により算出された推定酸素分圧Ｐioestを下記式（１０２）に適用して、推定不活性ガス分圧Ｐiiestを算出する。式（１０１）のｒaoは空気中の酸素比率（０．２３２、以下「空気酸素比率」という）である。
Ｐioest＝ｒao・Ｐiaest＋ｒeo・Ｐirest                 （１０１）
Ｐiiest＝ＰＩ−Ｐioest                                （１０２）
【０１１５】
モデル予測コントローラ６０ｄには、検出吸気圧ＰＩが入力される。分圧推定部５９ａは、推定酸素分圧Ｐioestのみをモデル予測コントローラ６０ｄに入力する。モデル予測コントローラ６０ｄは、第１の実施形態における新気分圧Ｐia及び還流ガス分圧Ｐirに代えて、吸気圧Ｐi及び酸素分圧Ｐioを用いてモデル化した制御対象モデルに基づくモデル予測制御を実行する。すなわち、検出吸気圧ＰＩ、推定酸素分圧Ｐioest、及び検出される排気圧ＰＥが、それぞれ目標吸気圧Ｐiref、目標酸素分圧Ｐioref、及び目標排気圧Ｐerefと一致するように、タービンガス流量指令値Ｇvcmd、新気流量指令値Ｇthcmd、及び還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【０１１６】
次に本実施形態における制御対象モデルについて説明する。
先ず吸気圧Ｐiについては、下記式（１１１）が成立する。ここで、吸入ガス流量Ｇ'zは、下記式（２４）（再掲）で表すことができるので、これを式（１１１）に適用することにより、式（１１２）が得られる。
【数３５】
0004712097.tif 000036
【０１１７】
また吸入酸素分圧Ｐioについては、吸気管内の酸素の質量をＭioとして、下記式（１１３）が成立する。
Ｐio・Ｖi＝Ｍio・Ｒ・Ｔi                                （１１３）
これを微分することにより、下記式（１１４）が得られる。また、空気酸素比率ｒao、及び還流ガス酸素比率ｒeoを用いると、下記式（１１５）が成立する。
【数３６】
0004712097.tif 000037
【０１１８】
上記式（１１４）に、式（１１５）及び（２４）を適用すると、下記式（１１６）が得られる。
【数３７】
0004712097.tif 000038
【０１１９】
また排気圧Ｐeについては、下記式（２８）（再掲）の関係が成立するので、これに式（２４）の関係を適用して整理すると、下記式（１１７）が得られる。
【数３８】
0004712097.tif 000039
【０１２０】
式（１１２）、（１１６）、及び（１１７）をまとめ、さらにクランク角度基準に変換することにより、制御対象モデルを定義する下記式（１１８）が得られる。したがって、この式（１１８）に基づいて、上述した第１の実施形態と同一の手法により、制御入力ｕ(k)を算出することができる。
【数３９】
0004712097.tif 000040
【０１２１】
図１５は、本実施形態における制御動作例を説明するためのタイムチャートであり、同図（ａ）〜（ｃ）は、制御入力ｕ(k)＝（Ｇthcmd(k)  Ｇrcmd(k)  Ｇvcmd(k)）Tの推移を示し、同図（ｄ）〜（ｆ）は対応する制御出力ｘ(k)＝（Ｐioest  ＰＩ  ＰＥ）Tの推移を示す。また、同図（ｄ）には、還流ガス酸素比率ｒeoの推移が示されている。なお、同図（ｅ）には、推定不活性ガス分圧Ｐiiestの推移も示されている。
【０１２２】
時刻ｔ０において、還流ガス酸素比率ｒeoが増加すると、酸素分圧Ｐioestを一定に維持するために、スロットル弁３が閉弁される（同図（ａ））。このとき、ベーン開度は、排気圧ＰＥを一定に維持するために閉じ方向に制御される（同図（ｃ））。時刻ｔ１において、吸気管内の不活性ガス分圧Ｐiiを高めるためにＥＧＲ弁６が開弁されるが、このときタービン１１のベーン開度は、排気圧ＰＥを一定に維持するように若干閉じ方向に制御される。また時刻ｔ２において、排気圧ＰＥを高めるためにベーン開度が閉じ方向に制御されるが、このときＥＧＲ弁６の開度は、酸素分圧Ｐioestを一定に維持するように若干閉じ方向に制御される。また時刻ｔ３において、酸素分圧Ｐioestを増加させるためにスロットル弁３が開弁されるが、このときベーン開度は、排気圧ＰＥを一定に維持するように開き方向に制御される。
【０１２３】
このように本実施形態によれば、相互に関連しあうガスパラメータである、吸気圧ＰＩ及び吸気管内の酸素分圧Ｐioと、排気圧ＰＥとが、それぞれの目標値に独立して整定させることが可能となる。したがって、これらのガスパラメータをエンジン１の運転状態に応じて適切に制御し、エンジン１の性能を最大限に引き出すことができる。
【０１２４】
本実施形態では、吸気圧Ｐi及び吸気管内の酸素分圧Ｐioが、吸気管ガスパラメータに相当し、空燃比センサ２６が吸気管ガスパラメータ取得手段の一部を構成する。また要求値算出部５１ａ、目標仕事率算出部５３、実仕事率推定部５４、及び目標排気圧算出部５５が、第１目標値算出手段に相当し、要求値算出部５１ａ、除算部５２ａ、目標吸気圧算出部５６、及び乗算部５７ａが、第２目標値算出手段に相当する。
【０１２５】
［変形例１］
上述した実施形態では、吸気管ガスパラメータとして、吸気圧Ｐi及び酸素分圧Ｐioを用いたが、吸気圧Ｐiを不活性ガス分圧Ｐii（＝Ｐi−Ｐio）に代えてもよい。その場合の吸排気状態制御モジュールは、図１６に示すように構成される。
【０１２６】
図１６に示す吸排気状態制御モジュールは、図１２に示す吸排気状態制御モジュールに減算部５８ａを追加し、モデル予測コントローラ６０ｄをモデル予測コントローラ６０ｅに変更したものである。
【０１２７】
減算部５８ａは、目標吸気圧Ｐirefから目標酸素分圧Ｐiorefを減算することにより、目標不活性ガス分圧Ｐiirefを算出する。また分圧推定部５９ａは、推定酸素分圧Ｐioest及び推定不活性ガス分圧Ｐiiestを、モデル予測コントローラ６０ｅに入力する。モデル予測コントローラ６０ｅには、検出吸気圧ＰＩは入力されない。
【０１２８】
モデル予測コントローラ６０ｅは、第３の実施形態における吸気圧Ｐiに代えて、不活性ガス分圧Ｐiiを用いてモデル化した制御対象モデルに基づくモデル予測制御を実行する。すなわち、推定酸素分圧Ｐioest、推定不活性ガス分圧Ｐiiest、及び検出される排気圧ＰＥが、それぞれ目標酸素分圧Ｐioref、目標不活性ガス分圧Ｐiiref、及び目標排気圧Ｐerefと一致するように、タービンガス流量指令値Ｇvcmd、新気流量指令値Ｇthcmd、及び還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【０１２９】
以下、本変形例における制御対象モデルについて説明する。吸気圧Ｐiは、下記式（１２０）で示すように、酸素分圧Ｐioと、不活性ガス分圧Ｐiiとの和で表すことができるので、前記式（１１２）より、下記式（１２１）が得られる。
Ｐi＝Ｐio＋Ｐii                                    （１２０）
【数４０】
0004712097.tif 000041
【０１３０】
式（１２１）に前記式（１１６）の関係を適用すると、下記式（１２２）が得られる。ここで、（１−ｒao）及び（１−ｒeo）は、それぞれ空気中の不活性ガス比率及び排気中の不活性ガス比率であるので、ｒai及びｒeiと表すと、下記式（１２３）が得られる。
【数４１】
0004712097.tif 000042
【０１３１】
また前記式（１１７）に式（１２０）の関係を適用すると、下記式（１２４）が得られる。
【数４２】
0004712097.tif 000043
【０１３２】
式（１１６）、式（１２３）、及び式（１２４）をまとめて、クランク角度基準に変換することにより、下記式（１２５）が得られる。したがって、式（１２５）に基づいて、第１の実施形態と同一の手法により、制御入力ｕ(k)を算出することができる。
【数４３】
0004712097.tif 000044
【０１３３】
［変形例２］
吸気管ガスパラメータとして、酸素分圧Ｐio及び不活性ガス分圧Ｐiiに代えて、酸素流量Ｇio及び不活性ガス流量Ｇiiを用いてもよい。以下、この場合の制御対象モデルについて説明する。
【０１３４】
吸気管２内の酸素分圧Ｐioについては、空気酸素比率ｒao及び還流ガス酸素比率ｒeoを用いると、下記式（１３１）の関係が成立する。これをサンプリング周期ｈで離散化した時刻ｋを用いると、下記式（１３２）が得られる。
【数４４】
0004712097.tif 000045
【０１３５】
式（１３２）を下記式（１３３）の関係を用いて変形すると、式（１３４）が得られる。
【数４５】
0004712097.tif 000046
【０１３６】
一方、式（２４）の関係を酸素流量Ｇ'ioに適用すると、下記式（１３５）が得られ、式（１３５）から式（１３６）が得られる。
【数４６】
0004712097.tif 000047
【０１３７】
式（１３６）を式（１３４）に適用することにより、下記式（１３７）が得られる。また、不活性ガス流量Ｇ'iiについても、同様にして下記式（１３８）が得られる。
【数４７】
0004712097.tif 000048
【０１３８】
よって、離散時間系のモデル定義式（ｘ(k+1)＝Ａｘ(k)＋Ｂｕ(k)）の各項は、下記式（１３９）〜（１４２）で与えられる。
【数４８】
0004712097.tif 000049
【０１３９】
図１７は、この変形例における吸排気状態制御モジュールの構成を示すブロック図である。
図１７のモジュールは、図１２のモジュールのモデル予測コントローラ６０ｄ及び分圧推定部５９ａを、それぞれモデル予測コントローラ６０ｆ及び流量推定部１０３ａに変更するとともに、目標酸素流量算出部１０１ａ及び目標不活性ガス流量算出部１０２ａを追加したものである。
【０１４０】
目標酸素流量算出部１０１ａは、目標酸素分圧Ｐiorefに式（２６）に適用される係数ｋηvを乗算することより、目標酸素流量Ｇiorefを算出する。目標不活性ガス流量算出部１０２ａは、目標不活性ガス分圧Ｐiirefに係数ｋηvを乗算することにより、目標不活性ガス流量Ｇiirefを算出する。また、流量推定部１０３ａは、分圧推定部５９ａと、分圧推定部５９ａから出力される推定酸素分圧Ｐioest及び推定不活性ガス分圧Ｐiiestを推定酸素流量Ｇioest及び推定不活性ガス流量Ｇiiestに変換する変換部（図示せず）とを備えており、該変換部は、推定酸素分圧Ｐioest及び推定不活性ガス分圧Ｐiiestに、式（２６）に適用される係数ｋηvを乗算することにより、推定酸素流量Ｇioest及び推定不活性ガス流量Ｇiiestを算出する。
【０１４１】
モデル予測コントローラ６０ｆは、上述した制御対象モデルに基づくモデル予測制御を実行し、推定酸素流量Ｇioest、推定不活性ガス流量Ｇiiest、及び検出される排気圧ＰＥが、それぞれ目標酸素流量Ｇioref、目標不活性ガス流量Ｇiiref、及び目標排気圧Ｐerefと一致するように、タービンガス流量指令値Ｇvcmd、新気流量指令値Ｇthcmd、及び還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【０１４２】
本変形例では、要求値算出部５１ａ、除算部５２ａ、目標吸気圧算出部５６、乗算部５７ａ、減算部５８ａ、目標酸素流量算出部１０１ａ、及び目標不活性ガス流量算出部１０２ａが、第２目標値算出手段に相当する。
【０１４３】
なお、吸気管ガスパラメータは、酸素流量Ｇioまたは不活性ガス流量Ｇiiの何れか一方を、両者の和である吸入ガス流量Ｇz（＝Ｇio＋Ｇii）に代えてもよい。
【０１４４】
［第４の実施形態］
本実施形態は、第２の実施形態と同様に、スロットル弁が設けられていないエンジンを制御対象とする。本実施形態では、吸排気状態制御モジュールは、図１８に示すように構成される。以下に説明する点以外は、第３の実施形態と同一である。
【０１４５】
図１８に示す吸排気状態制御モジュールは、図１２に示す吸排気状態制御モジュールの目標吸気圧算出部５６、及びθth変換部６２を削除し、モデル予測コントローラ６０ｄを、モデル予測コントローラ６０ｇに代えたものである。また乗算部５７ａには、目標吸気圧Ｐirefに代えて、検出過給圧ＰＢが入力される。したがって、乗算部５７ａは、過給圧ＰＢに要求酸素分圧比率ＲＰＩＯを乗算することにより、目標酸素分圧Ｐiorefを算出する。
【０１４６】
モデル予測コントローラ６０ｇには、目標排気圧Ｐeref，検出された排気圧ＰＥ，目標酸素分圧Ｐioref及び推定酸素分圧Ｐioestが入力される。すなわち、検出吸気圧ＰＩ及び目標吸気圧Ｐirefは入力されない。
モデル予測コントローラ６０ｇは、検出される排気圧ＰＥ及び推定酸素分圧Ｐioestが、それぞれ目標排気圧Ｐeref及び目標酸素分圧Ｐiorefと一致するように、モデル予測制御を用いて、タービン１１を通過するガス流量の指令値であるタービンガス流量指令値Ｇvcmd及びＥＧＲ弁６を通過する還流ガス流量の指令値である還流ガス流量指令値Ｇrcmdを算出する。
【０１４７】
本実施形態では、スロットル弁が設けられていないため、制御対象モデルは下記式（１５１）で定義される。
【数４９】
0004712097.tif 000050
ここで、モデルパラメータｃ11〜ｃ22及びｄ11〜ｄ22は、システム同定により予め実験的に設定される。
【０１４８】
式（１５１）をサンプリング周期ｈで離散化した時刻ｋを用いた離散時間系の制御対象モデルに変換すると、モデル定義式（ｘ(k+1)＝Ａｘ(k)＋Ｂｕ(k)）の各項は、下記式（１５２）〜（１５５））で与えられる。
【数５０】
0004712097.tif 000051
【０１４９】
モデル予測コントローラ６０ｇは、この制御対象モデルに基づくモデル予測制御を実行する。モデル定義式が求められているので、制御演算は第２の実施形態と同様に行うことができる。
【０１５０】
本実施形態によれば、排気圧ＰＥ及び推定酸素分圧Ｐioestをともに、その目標値Ｐeref及びＰiorefに一致させるように、タービン１１のベーン開度及びＥＧＲ弁６の開度がモデル予測制御により制御される。その結果、排気ガスの状態を最適に維持しつつエンジンに吸入されるガスの状態を最適に制御することができる。
【０１５２】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した第２の実施形態では、吸気管ガスパラメータとして、還流ガス分圧Ｐirを用いたが、還流ガス分圧Ｐirに代えて、新気分圧Ｐiaを用いてもよい。さらに、還流ガス流量Ｇirまたは新気流量Ｇiaのいずれか一方を用いてもよい。また第４の実施形態では、吸気管ガスパラメータとして、酸素分圧Ｐioを用いたが、これに代えて、不活性ガス分圧Ｐiiを用いてもよい。さらに、酸素流量Ｇioまたは不活性ガス流量Ｇiiのいずれか一方を用いてもよい。
【０１５３】
また上述した実施形態では、図３及び図４に示す温度補正部７６及び８３において、検出した吸気温度ＴＩを用いたが、これに代えて、エンジン回転数ＮＥ及び吸入空気流量ＧＡ（または要求新気流量Ｇiades）に応じて、推定した吸気温度を用いるようにしてもよい。
【０１５４】
また上述した実施形態では、可変ベーンを有するターボチャージャを備えた内燃機関の制御に本発明を適用した例を示したが、本発明は、以下のような構成の制御装置にも適用可能である。
（１）容量が固定されたターボチャージャと、該ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路と、そのバイパス通路に設けられたウエストゲートバルブとを備え、ウエストゲートバルブの開度を変更することにより、タービンに流入する排気量を変化させ、過給圧を制御するように構成されている制御装置。この場合には、バイパス通路及びウエストゲートバルブが、排気ガス流量可変手段に相当する。
（２）容量が固定されたターボチャージャを備え、内燃機関の排気量そのものを機関運転状態（例えば機関回転数及び目標燃料量）に応じて変更することにより、過給圧を制御するように構成されている制御装置。この制御装置では、排気量の変更は、例えば内燃機関への燃料供給量あるい吸入空気量を変化させることにより行われる。この場合には、排気量の制御を行う制御ユニットが排気ガス流量可変手段に相当する。
【０１５５】
また上述した実施形態では、本発明をディーゼル内燃機関のガスパラメータ制御に適用した例を示したが、ガソリン内燃機関のガスパラメータ制御にも適用可能である。
また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの制御にも適用が可能である。
【符号の説明】
【０１５６】
１  内燃機関
２  吸気管
３  スロットル弁
４  排気管
５  排気還流通路
６  排気還流制御弁
８  ターボチャージャ
１０  タービンホイール
１２  可変ベーン（排気ガス流量可変手段）
１５  コンプレッサホイール
２０  電子制御ユニット（吸気管ガスパラメータ取得手段、第１目標値算出手段、第２目標値算出手段、モデル予測コントローラ、変換手段、仕事率目標値算出手段、仕事率推定値算出手段）
２１  吸入空気流量センサ（吸気管ガスパラメータ取得手段、吸入空気流量検出手段））
２２  過給圧センサ（過給圧検出手段）
２３  吸気温センサ（吸気管ガスパラメータ取得手段）
２４  吸気圧センサ（吸気管ガスパラメータ取得手段）
２５  排気圧センサ（排気管内圧力検出手段）
２６  空燃比センサ（吸気管ガスパラメータ取得手段）
２７  アクセルセンサ
２８  エンジン回転数センサ
【図１】
0004712097.tif 000052
【図２】
0004712097.tif 000053
【図３】
0004712097.tif 000054
【図４】
0004712097.tif 000055
【図５】
0004712097.tif 000056
【図６】
0004712097.tif 000057
【図７】
0004712097.tif 000058
【図８】
0004712097.tif 000059
【図９】
0004712097.tif 000060
【図１０】
0004712097.tif 000061
【図１１】
0004712097.tif 000062
【図１２】
0004712097.tif 000063
【図１３】
0004712097.tif 000064
【図１４】
0004712097.tif 000065
【図１５】
0004712097.tif 000066
【図１６】
0004712097.tif 000067
【図１７】
0004712097.tif 000068
【図１８】
0004712097.tif 000069