(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路に配置されたコンプレッサと、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流に配置されたスロットルと、排気通路と前記吸気通路の前記コンプレッサよりも上流とを結ぶＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁とを備える内燃機関を制御するための制御装置であって、加速運転では、筒内ガスの充填効率を増大させるように前記スロットルを操作するとともに、筒内ガスのＥＧＲ率を増大させるように前記ＥＧＲ弁を操作するように構成された制御装置において、
目標充填効率を決定する手段であって、前記内燃機関に要求された加速の大きさに応じて前記目標充填効率を増大させるように構成された目標充填効率決定手段と、
前記目標充填効率から目標スロットル開度を計算する手段であって、第１の演算によって前記目標スロットル開度を計算することと、前記第１の演算よりもスロットル開度の増大速度が抑えられる第２の演算によって前記目標スロットル開度を計算することとを選択可能に構成された目標スロットル開度演算手段と、
加速運転に移行した場合、増大する前記目標充填効率から前記目標スロットル開度を計算することに前記第１の演算を適用したならば、筒内ガスの充填効率の増大に遅れて増大する筒内ガスのＥＧＲ率の影響によって筒内ガス中の新気の充填効率に一時的な低下が生じるかどうか、前記内燃機関の動特性を表す予測モデルを用いて予測する予測手段と、を備え、
前記目標スロットル開度演算手段は、
前記予測手段によって筒内ガス中の新気の充填効率に一時的な低下が生じることが予測されない場合、前記第１の演算によって前記目標スロットル開度を計算することを選択し、
前記予測手段によって筒内ガス中の新気の充填効率に一時的な低下が生じることが予測された場合、前記第２の演算によって前記目標スロットル開度を計算することを選択する、
ように構成されている
ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記予測手段は、
前記第１の演算によって計算した前記目標スロットル開度を用いて前記スロットルを操作した場合に得られる、筒内ガスの充填効率の増加速度と、筒内ガス中のＥＧＲガスの充填効率の増加速度と、を前記予測モデルを用いて予測し、
前記筒内ガスの充填効率の増加速度より前記筒内ガス中のＥＧＲガスの充填効率の増加速度が大きければ、筒内ガス中の新気の充填効率に一時的な低下が生じると判定する、
ように構成されている
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】
前記目標スロットル開度演算手段は、
前記第１の演算では、前記目標充填効率を達成するためのスロットル開度を前記目標スロットル開度として算出することを行い、
前記第２の演算では、目標ＥＧＲ率を取得することと、吸気弁を通過する全ガスの推定ＥＧＲ率を計算することと、前記目標ＥＧＲ率と前記推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率を前記目標充填効率から差し引くことによって前記目標充填効率を補正することと、補正された前記目標充填効率を達成するためのスロットル開度を前記目標スロットル開度として算出することとを行う
ように構成されている
ことを特徴とする請求項１又は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、過給機とＥＧＲ装置とを備える内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１４−１５２７１６号公報に記載されている通り、吸気通路のコンプレッサより上流にＥＧＲ通路の出口が設けられている内燃機関では、加速運転の開始時、ＥＧＲ通路の出口から吸気通路へ流れ出たＥＧＲガスが燃焼室に最初に到達するまでに時間がかかる。このため、ＥＧＲガスが燃焼室に最初に到達するまでの間、燃焼室におけるＥＧＲ率は目標ＥＧＲ率に対して過少となる。やがて燃焼室にＥＧＲガスが到達したとき、筒内に入るガスのＥＧＲ率が急激に増大することで筒内の新気量は唐突に低下し、これによりトルク段差が生じる。これを防止すべく、同公報において提案されている技術では、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲ率を推定し、ＥＧＲ率が所定値より大きい場合、少なくともＥＧＲガスが燃焼室に到達するまでの間は、ＥＧＲ率が大きいほど目標スロットル開度を閉じる側に補正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２０１４−１５２７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
加速運転において、目標スロットル開度を閉じる側に補正することは、充填効率の増大を遅らせてトルクの応答性を低下させることにつながる。ゆえに、ＥＧＲガスの到達遅れがトルクに与える影響が少ないのであれば、目標スロットル開度を閉じる側に補正することは行いたくない。この点において、上記従来技術は、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲ率が所定値以下の場合、目標スロットル開度の補正は行わないようにしている。
【０００５】
確かに、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲ率は、ＥＧＲガスの到達遅れがトルクに与える影響を示す一つのパラメータではある。しかし、ＥＧＲガスの到達遅れに起因して筒内の新気量が一時的に低下し、それによりトルク段差が生じるかどうかは、ＥＧＲ通路の出口におけるＥＧＲ率のみでは判断することはできない。ゆえに、上記従来技術では、トルク段差が生じるおそれが無いにも関わらず目標スロットル開度の補正を行ってしまい、不必要にトルクの応答性を低下させてしまうおそれがある。
【０００６】
本開示は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の加速運転において、トルクの応答性を必要以上に低下させることなく、ＥＧＲガスの到達遅れに起因するトルク段差を抑える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】
【０００７】
本開示による制御装置は、吸気通路に配置されたコンプレッサと、吸気通路のコンプレッサよりも下流に配置されたスロットルと、排気通路と吸気通路のコンプレッサよりも上流とを結ぶＥＧＲ通路に配置されたＥＧＲ弁とを備える内燃機関を制御するための制御装置である。また、本開示による制御装置は、加速運転では、筒内ガスの充填効率を増大させるようにスロットルを操作するとともに、筒内ガスのＥＧＲ率を増大させるようにＥＧＲ弁を操作するように構成された制御装置である。本開示による制御装置は、さらに、以下のように構成される。
【０００８】
本開示による制御装置は、目標充填効率決定手段、目標スロットル開度演算手段、及び予測手段を備えて構成される。本開示に係る制御装置は、少なくとも一つのプロセッサと少なくとも一つのメモリを含むコンピュータとして構成されてもよい。そして、そのコンピュータは、その少なくとも一つのメモリに記憶された少なくとも一つのプログラムが、その少なくとも一つのプロセッサで実行されることによって、目標充填効率決定手段、目標スロットル開度演算手段、及び予測手段としての役割を果たすように構成されてもよい。
【０００９】
目標充填効率決定手段は、筒内ガスの充填効率の目標値である目標充填効率を決定するように構成され、且つ、内燃機関に要求された加速の大きさに応じて、目標充填効率を増大させるように構成される。内燃機関に対する加速の要求には、運転者が操作部材の操作を介して入力する要求が含まれてよい。また、クルーズコントロール装置の制御システムや、自動運転装置の制御システムから、内燃機関に対する加速の要求が供給されてもよい。なお、本明細書において“筒内ガスの充填効率”とは、行程体積相当の空気の質量に対する筒内の全ガス、すなわち、新気とＥＧＲガスを含む全ガスの質量の比率を意味する。そして、単に“充填効率”という場合、それは、特に断りのない限り、筒内ガスの充填効率を意味する。また、“新気の充填効率”と言う場合、それは、行程体積相当の空気の質量に対する筒内に入った新気の質量の比率を意味する。また、“ＥＧＲガスの充填効率”と言う場合、それは、行程体積相当の空気の質量に対する筒内に入ったＥＧＲガスの質量の比率を意味する。
【００１０】
目標スロットル開度演算手段は、目標充填効率からスロットルの開度の目標値である目標スロットル開度を計算するように構成される。詳しくは、目標スロットル開度演算手段は、第１の演算によって目標スロットル開度を計算することと、第１の演算よりもスロットル開度の増大速度が抑えられる第２の演算によって目標スロットル開度を計算することとを選択可能に構成される。より詳しくは、目標スロットル開度演算手段は、第１の演算によって目標スロットル開度を計算することを標準設定として選択し、後述する選択の切り替えの条件が成立した場合、第２の演算によって目標スロットル開度を計算することを選択するように構成されている。
【００１１】
第２の演算は、第１の演算において計算される目標スロットル開度を閉じ側に補正するものであってもよい。例えば、第１の演算が、目標充填効率を達成するためのスロットル開度を目標スロットル開度として算出するものであるなら、第２の演算では、目標充填効率を減少側に補正することと、補正された目標充填効率を達成するためのスロットル開度を目標スロットル開度として算出することとを行ってもよい。目標充填効率を減少側に補正する手順として、目標ＥＧＲ率を取得することと、吸気弁を通過する全ガスの推定ＥＧＲ率を計算することと、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率を目標充填効率から差し引くことを行ってもよい。
【００１２】
予測手段は、第１の演算による目標スロットル開度の計算から第２の演算による目標スロットル開度の計算への切り替えの条件が成立したかどうか、内燃機関の動特性を表す予測モデルを用いて予測するように構成される。選択の切り替えの条件は、詳しくは、加速運転に移行した場合、増大する目標充填効率から目標スロットル開度を計算することに第１の演算を適用したならば、筒内ガスの充填効率の増大に遅れて増大する筒内ガスのＥＧＲ率の影響によって新気の充填効率に一時的な低下が生じること、である。つまり、第１の演算による目標スロットル開度の計算を加速運転でも継続すると、トルク段差の原因である新気の充填効率の一時的な低下が生じるのであれば、第２の演算による目標スロットル開度の計算への切り替えが行われる。
【００１３】
新気の充填効率に一時的な低下が生じるかどうかは、例えば、次の手順で予測してもよい。まず、第１の演算により計算した目標スロットル開度を用いてスロットルを操作した場合に得られる、筒内ガスの充填効率の増加速度と、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度とが予測モデルを用いて予測される。そして、筒内ガスの充填効率の増加速度よりＥＧＲガスの充填効率の増加速度が大きければ、新気の充填効率に一時的な低下が生じると判定される。筒内ガスの充填効率の増加速度とＥＧＲガスの充填効率の増加速度との差分は、新気の充填効率の増加速度に対応する。ゆえに、筒内ガスの充填効率の増加速度よりＥＧＲガスの充填効率の増加速度が大きい場合、新気の充填効率の増加速度は負であり、これは、新気の充填効率が低下していることを表している。
【００１４】
なお、予測に用いる予測モデルは、少なくともスロットル開度を入力に含み、少なくとも新気の充填効率或いはその増加速度を出力に含むように構成してもよい。また、予測モデルは、複数の要素モデルの集合として構成されてもよい。例えば、吸気弁を通過したガスの流量とコンプレッサ流量との関係をモデル化した過給モデルと、コンプレッサ流量とスロットル開度と吸気弁を通過するガスの流量との関係をモデル化した吸気モデルと、コンプレッサ流量とＥＧＲ弁開度とＥＧＲ率との関係をモデル化したＥＧＲモデルとを組み合わせて予測モデルを構成してもよい。
【００１５】
過給モデル、吸気モデル、及びＥＧＲモデルは、それぞれ複数の要素モデルの集合として構成されてもよい。過給モデルは、例えば、吸気弁を通過したガスの流量とターボ回転速度との関係をモデル化したターボ回転速度モデルと、ターボ回転速度とコンプレッサ下流圧とコンプレッサ流量との関係をモデル化したコンプレッサモデルとを組み合わせて構成してもよい。さらに、吸気通路に取り込まれる空気の流量とエアクリーナにおける圧力損失との関係をモデル化したエアクリーナモデルを過給モデルに含めて、エアクリーナを通過後の空気の圧力をコンプレッサモデルの入力として用いてもよい。また、内燃機関がエアバイパスバルブ備えるのであれば、エアバイパスバルブの動作状態とコンプレッサの上流に戻されるガスの流量との関係をモデル化したエアバイパスバルブモデルを過給モデルに含めてもよい。内燃機関がウエストゲートバルブや可変ノズルを備えるのであれば、それらアクチュエータの動作状態をターボ回転速度モデルの入力の一つとして用いるとともに、それらアクチュエータの応答特性をモデル化したアクチュエータ応答モデルを過給モデルに含めてもよい。
【００１６】
吸気モデルは、例えば、スロットルの上流圧力と下流圧力とスロットル開度とスロットルを通過するガスの流量との関係をモデル化したスロットルモデルと、吸気マニホールドに流入するガスの流量と吸気マニホールドから流出するガスの流量と吸気マニホールドの圧力との関係をモデル化した吸気マニホールドモデルと、吸気マニホールドの圧力と吸気弁を通過するガスの流量との関係をモデル化した吸気弁モデルとを組み合わせて構成してもよい。さらに、インタークーラに流入するガスの流量とインタークーラから流出するガスの流量とインタークーラの出口圧力との関係をモデル化したインタークーラモデルを吸気モデルに含めてもよい。
【００１７】
ＥＧＲモデルは、例えば、コンプレッサ流量とＥＧＲ弁開度とＥＧＲ率との関係をモデル化したＥＧＲ弁モデルと、ＥＧＲ弁から吸気弁までの経路でのＥＧＲガスの拡散によるＥＧＲ率の時間変化をモデル化したＥＧＲ拡散モデルとを組み合わせて構成してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本開示による内燃機関の制御装置によれば、加速運転において目標スロットル開度の計算に第１の演算を適用することで新気の充填効率に一時的な低下が生じることが内燃機関の動特性を表す予測モデルによって予測された場合には、第１の演算に代えて、第１の演算よりもスロットル開度の増大速度が抑えられる第２の演算に従って目標スロットル開度を計算することが行われる。これにより、トルクの応答性を必要以上に低下させることなく、ＥＧＲガスの到達遅れに起因するトルク段差を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本開示による内燃機関の構成概略を示す図である。
【図２】本開示による制御装置が備える機能を示すブロック図である。
【図３】加速運転時の全ガスの充填効率、新気の充填効率、及びＥＧＲガスの充填効率の時間による変化の一例を示す図である。
【図４】加速運転時の目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との関係の一例を示す図である。
【図５】加速運転時の全ガスの充填効率、新気の充填効率、及びＥＧＲガスの充填効率の時間による変化の別の例を示す図である。
【図６】本開示によるスロットル開度制御の制御フローを示すフローチャートである。
【図７】本開示によるスロットル開度制御が実行された場合の内燃機関の動作の一例を示すタイムチャートである。
【図８】本開示によるスロットル開度制御が実行された場合の内燃機関の動作の別の例を示すタイムチャートである。
【図９】新気の充填効率の変化速度の予測に用いる予測モデルの構成の一例を示すブロック図である。
【図１０】新気の充填効率の変化速度の予測に用いる予測モデルの構成の別の例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００２１】
１．内燃機関の構成
図１は、実施の形態に係る内燃機関の構成概略を示す図である。この内燃機関（以下、単にエンジンと表記する）１は、火花点火式のエンジンであって、エンジンブロック３と、エンジンブロック３上に配置されるエンジンヘッド２とを有している。エンジンブロック３には、図示しない複数のシリンダが形成されている。エンジンヘッド２には、何れも図示しない、吸気弁とそれを駆動する動弁機構、排気弁とそれを駆動する動弁機構、点火プラグ、燃料噴射弁など、多数の装置及びアクチュエータが取り付けられている。
【００２２】
エンジンヘッド２には、吸気通路４と排気通路６とが接続されている。吸気通路４には、その上流からエンジンヘッド２に向けて、エアクリーナ１０、エアフローセンサ１２、コンプレッサ２２、インタークーラ１４、及び電子制御式スロットル１６がこの順で配置されている。排気通路６には、エンジンヘッド２から下流に向けて、コンプレッサ２２とともにターボ過給機２０を構成するタービン２４、及び触媒装置８がこの順で配置されている。また、排気通路６には、タービン２４をバイパスするバイパス通路２６が設けられ、バイパス通路２６にはウエストゲートバルブ２８が配置されている。
【００２３】
エンジン１は、排気通路６から吸気通路４へ排気の一部を再循環させるＥＧＲ装置３０を備える。ＥＧＲ装置３０は、ＥＧＲ通路３２、ＥＧＲクーラ３６、及びＥＧＲ弁３４から構成される。ＥＧＲ通路３２は、触媒装置８よりも下流の排気通路６とコンプレッサ２２よりも上流の吸気通路４とを接続する。ＥＧＲクーラ３６はＥＧＲ通路３２に設けられ、ＥＧＲ通路３２を流れる排気、すなわち、ＥＧＲガスを冷却する。ＥＧＲ弁３４は、ＥＧＲガスの流れの方向においてＥＧＲクーラ３６よりも下流のＥＧＲ通路３２に設けられている。
【００２４】
エンジン１は、制御装置１００を備える。制御装置１００には、エアフローセンサ１２の他にも、アクセル開度センサ４０を含む種々のセンサが接続されている。制御装置１００は、これらのセンサで得られた情報に基づき、エンジン１が備える様々な装置及びアクチュエータを操作することにより、エンジン１の運転を制御する。制御装置１００は、少なくとも１つのＣＰＵ、少なくとも１つのＲＯＭ、少なくとも１つのＲＡＭを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。ただし、制御装置１００は、複数のＥＣＵから構成されていてもよい。制御装置１００では、ＲＯＭに記憶されているプログラムをＲＡＭにロードし、ＣＰＵで実行することで、エンジン制御に係る様々な機能が実現される。
【００２５】
２．制御装置が備える機能
図２は、制御装置１００が備える種々の機能のうち、特に、スロットル１６の開度の制御に係る機能と、ＥＧＲ弁３４の開度の制御に係る機能と、ウエストゲートバルブ２８の開度の制御に係る機能とを抽出してブロックで表現した図である。制御装置１００はその他にも様々な機能を備えているが、それらについての図示は省略されている。図２では、機能ごとに演算ユニット１０１−１１５が割当てられている。ただし、各演算ユニット１０１−１１５はハードウェアとして存在するものではなく、ＲＯＭに記憶された専用のソフトウェアがＣＰＵで実行されたときに仮想的に実現される。以下、制御装置１００が有するスロットル開度制御、ＥＧＲ弁開度制御、及びウエストゲートバルブ開度制御に関係する機能について図２を用いて説明する。
【００２６】
演算ユニット１０１は、エンジン１に対して要求する新気の充填効率（以下、要求新気充填効率と表記する）を計算する。この計算には、アクセル開度に要求新気充填効率を関連付けたマップが用いられる。このマップを参照することによりアクセル開度に応じた要求新気充填効率が求められる。ただし、車両がクルーズコントロール装置を備える場合、クルーズコントロール装置の制御システムが要求する加速の大きさに応じて、要求新気充填効率が決定される。また、車両が自動運転装置を備える場合、自動運転装置の制御システムが要求する加速の大きさに応じて、要求新気充填効率が決定される。
【００２７】
演算ユニット１０２は、エンジン１の各種の状態量の推定値を計算する。計算される推定値には、筒内ガス、すなわち、全ガスの充填効率の推定値（以下、推定全ガス充填効率と表記する）、吸気弁を通過するガスのＥＧＲ率の推定値（以下、推定ＥＧＲ率と表記する）、筒内ガス中のＥＧＲガスの充填効率の推定値（以下、推定ＥＧＲ充填効率と表記する）が含まれる。これらの状態量の推定値は、エンジン１の動特性をモデル化した推定モデルを用いて計算される。この推定モデルは、後述する予測モデルと共通の構成を有している。後述する予測モデルでは、現時点より未来の所定の予測期間における状態量の変化が予測されるのに対し、推定モデルによる計算では、予測モデルによる計算と実質的に同構成のエンジンモデルを用いて、現時点における状態量の推定値が計算される。
【００２８】
演算ユニット１０３は、演算ユニット１０１で計算された要求新気充填効率と、演算ユニット１０２で計算された推定ＥＧＲ充填効率とを合算することによって、エンジン１に対して要求する充填効率（以下、要求充填効率と表記する）を計算する。ＥＧＲガスの導入によって新気の導入が阻害されるため、スロットル１６を余分に開いて必要な新気量（要求されている新気量）を確保するべく、新気だけでなくＥＧＲガスも含めた全筒内ガスの充填効率である要求充填効率が計算される。
【００２９】
演算ユニット１０４は、エンジン１の状態を考慮した充填効率の上限値（以下、上限充填効率と表記する）を計算する。上限充填効率は、詳しくは、１制御周期後の次回の演算時において実現可能な最大充填効率である。推定全ガス充填効率に１制御周期あたりの充填効率の最大変化量を加えて得られる値を上限充填効率としてもよい。この計算には、エンジン回転速度や吸気温度等の現在のエンジン１の状態を示す情報に上限充填効率を関連付けたマップが用いられる。或いは、前述のエンジンモデルを用いて充填効率の上限値を計算してもよい。
【００３０】
演算ユニット１０５は、演算ユニット１０３で計算された要求充填効率と、演算ユニット１０４で計算された上限充填効率のうち、より小さい方を選択する。そして、選択した充填効率をエンジン１に与える目標充填効率として決定する。要求充填効率はあくまでも運転者や自動運転装置等の制御システムからの一方的な要求であるため、現在のエンジン１の状態では非現実的な値である場合がある。演算ユニット１０５では、エンジン１の状態を考慮した現実的な値に要求充填効率を制限することにより、エンジン１が実現可能な目標充填効率を決定することが行われる。特に、要求充填効率が飛躍的に増大する加速運転時には、要求充填効率は上限充填効率よりも大きくなりやすく、目標充填効率は上限充填効率によって制限される。
【００３１】
演算ユニット１０７は、演算ユニット１０５で決定された目標充填効率と、後述する演算ユニット１０６で計算された補正目標充填効率のうち、より小さい方を選択する。そして、選択した充填効率を最終的な目標充填効率（以下、最終目標充填効率と表記する）として決定する。ゆえに、演算ユニット１０６で計算された補正目標充填効率がオリジナルの目標充填効率よりも小さければ、補正目標充填効率が最終目標充填効率として決定されるが、そうでなければ、目標充填効率がそのまま最終目標充填効率として決定される。
【００３２】
演算ユニット１０８は、演算ユニット１０７で決定された最終目標充填効率に基づいてスロットル１６の目標開度（以下、目標スロットル開度と表記する）を計算する。目標スロットル開度の計算には、スロットル１６の動作に対する充填効率の応答を物理式によってモデル化した吸気モデルの逆モデルが用いられる。吸気モデルは、スロットルモデル、吸気マニホールドモデル、及び吸気弁モデルを組み合わせて構成してもよい（何れのモデルも追って詳細に説明する）。吸気モデルの逆モデルを解くことで、最終目標充填効率を応答良く達成するための目標スロットル開度が求められる。
【００３３】
演算ユニット１０８が計算した目標スロットル開度は、スロットル１６を操作するドライバへ出力される。演算ユニット１０８は、目標スロットル開度の計算から出力までの間に、スロットル遅延制御のための所定の遅延時間（例えば数制御周期に相当する３２ｍｓｅｃ程度）を設けている。この遅延時間を設けることで、目標スロットル開度は遅延時間だけ将来のスロットル開度とみなすことができる。将来のスロットル開度が分かれば、その時点における充填効率も予測することができ、予測した充填効率から燃料噴射弁に噴射させるべき燃料量を正確に計算することができる。ゆえに、演算ユニット１０８が計算した目標スロットル開度は、スロットル遅延制御において、遅延時間だけ将来の時点における充填効率の予測にも用いられる。
【００３４】
演算ユニット１０９は、演算ユニット１０７で決定された最終目標充填効率に基づいて目標吸気マニホールド圧を計算する。最終目標充填効率とエンジン回転速度とから吸気弁を通過するガスの流量が算出される。目標吸気マニホールド圧の計算には、吸気弁を通過するガスの流量と吸気マニホールド圧との関係をモデル化した吸気弁モデルの逆モデルが用いられる。吸気弁モデルの逆モデルを解くことで、最終目標充填効率を応答良く達成するための目標吸気マニホールド圧が求められる。
【００３５】
演算ユニット１１０は、演算ユニット１０９で決定された目標吸気マニホールド圧に基づいてウエストゲートバルブ２８の目標開度（以下、目標ＷＧＶ開度と表記する）を計算する。吸気マニホールド圧（スロットルの下流側の圧力）に所定の圧力損失分を加算して得られる圧力が過給圧（スロットルの上流側の圧力）であり、過給圧はウエストゲートバルブ２８の開度に依存する。ゆえに、目標ＷＧＶ開度の決定には、過給圧その他の情報に目標ＷＧＶ開度を関連付けたマップが用いられる。
【００３６】
演算ユニット１１１は、エンジン１に与える目標ＥＧＲ率を決定する。目標ＥＧＲ率の決定には、現在のエンジン１の運転状態を示す情報（例えば、エンジン回転速度や充填効率）に目標ＥＧＲ率を関連付けたマップが用いられる。
【００３７】
演算ユニット１１２は、演算ユニット１１１で決定された目標ＥＧＲ率に基づいてＥＧＲ弁３４の目標開度（以下、目標ＥＧＲ弁開度と表記する）を計算する。目標ＥＧＲ弁開度の決定には、目標ＥＧＲ率その他の情報に目標ＥＧＲ弁開度を関連付けたマップが用いられる。
【００３８】
演算ユニット１０６は、演算ユニット１０５で計算された目標充填効率に対して補正を加える。この補正は、エンジン１の加速時に生じるトルク段差を抑えるために行われる。
【００３９】
このトルク段差に関して具体的に説明する。加速運転の開始時には、まず、運転者や自動運転装置等の制御システムから要求される加速の大きさに応じてスロットル１６が大きく開かれる。さらに、ＥＧＲガスの導入を行なっていない低負荷から高負荷に移行する場合、燃費性能と排気ガス性能を向上させるべく、その途中で目標ＥＧＲ率がゼロよりも大きい値に設定され、ＥＧＲガスの導入が開始される。
【００４０】
図３は、加速運転時の筒内ガスの充填効率（以下、全ガスの充填効率と表記する）、筒内ガス中の新気の充填効率、及び筒内ガス中のＥＧＲガスの充填効率の時間による変化の一例を示す図である。ＥＧＲ弁３４から燃焼室までには距離があるため、加速の開始から暫くの間は燃焼室にＥＧＲガスが届かない状態が続き、新気の充填効率のみが増加していく。やがて、ＥＧＲガスが吸気弁を通って燃焼室に到達すると、ＥＧＲガスの充填効率はその時点から増加していき、ＥＧＲガスの充填効率の増加分だけ新気の充填効率は低下する。この新気の充填効率の低下は一時的であり、目標充填効率がさらに増加してターボ過給機２０による過給が始まることで、新気の充填効率はすぐに低下から増加へと転じる。しかし、新気の充填効率が一時的にでも低下することで、エンジン１のトルクはその増加の途中で一時的に低下或いは停滞することになる。つまり、トルク段差が生じることになる。
【００４１】
このようなトルク段差を抑えるべく、この実施の形態では、ＥＧＲガスの到達遅れの影響がなくなるまでは、目標充填効率を上限充填効率から決まる値よりも低く設定して燃焼室内への新気の導入を抑えるようにした。
【００４２】
図４は、加速運転時の目標ＥＧＲ率と、吸気弁を通過するガスの推定ＥＧＲ率との関係の一例を示す図である。目標ＥＧＲ率が変化してから推定ＥＧＲ率が変化するまでには、ＥＧＲ弁３４を通過したＥＧＲガスが燃焼室に到達するのに要する時間分だけの時間遅れがある。その間、目標ＥＧＲ率のほうが推定ＥＧＲ率よりも大きく、両者の差は目標ＥＧＲ率が増大するにつれて大きくなる。そして、やがて推定ＥＧＲ率が増大し始めると、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差は次第に小さくなり、推定ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に追いついたときに両者の差はゼロになる。この実施の形態では、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率を目標充填効率から差し引いて目標充填効率を補正し、補正した目標充填効率に基づいて目標スロットル開度を計算する。そうすることで、ＥＧＲガスが燃焼室に到達する直前において新気の充填効率の増大速度は抑えられ、ＥＧＲガスが燃焼室に到達したときに新気の充填効率が唐突に低下することは防がれる。
【００４３】
再び図２に戻って制御装置１００が備える機能についての説明を続ける。演算ユニット１１３は、演算ユニット１０６が目標充填効率の補正に用いる充填効率補正量の計算のために設けられている。演算ユニット１１３は、演算ユニット１１１で計算された目標ＥＧＲ率と、演算ユニット１０２で計算された推定ＥＧＲ率及び推定全ガス充填効率とに基づいて目標充填効率の補正に用いる充填効率補正量を計算する。充填効率補正量は、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率と定義される。目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差に、推定全ガス充填効率を乗算することによって、演算ユニット１１３は、充填効率補正量を計算する。
【００４４】
演算ユニット１１３で計算された充填効率補正量は、演算ユニット１１４を介して演算ユニット１０６に入力される。演算ユニット１０６は、演算ユニット１１３で計算された充填効率補正量が演算ユニット１１４から入力される場合、演算ユニット１０５で計算された目標充填効率から充填効率補正量を差し引くことにより目標充填効率を補正し、それにより得られた補正目標充填効率を演算ユニット１０７へ出力する。
【００４５】
演算ユニット１１４は、演算ユニット１１３で計算された充填効率補正量とゼロ値との間で出力を選択することができる。演算ユニット１１４の出力としてゼロ値が選択された場合、充填効率補正量による目標充填効率の補正は行われない。演算ユニット１１４の出力の標準設定はゼロ値であり、演算ユニット１１５から切替信号が入力されている間のみ、演算ユニット１１４の出力は、ゼロ値から演算ユニット１１３で計算された充填効率補正量に切り替えられる。
【００４６】
演算ユニット１１５は、所定の選択の切り替えの条件が成立した場合のみ、演算ユニット１１４に対して切替信号を入力する。選択の切り替えの条件は、加速運転に移行した場合、補正していないそのままの目標充填効率から目標スロットル開度を計算したならば、充填効率の増大に遅れて増大する筒内ガスのＥＧＲ率の影響によって新気の充填効率に一時的な低下が生じる、と予測されることである。言い換えれば、演算ユニット１０５で計算された目標充填効率をそのまま目標スロットル開度の計算に用いてもトルク段差のおそれがないのであれば、演算ユニット１１５は演算ユニット１１４に対して切替信号を入力しない。以下、トルク段差のおそれがないケースについて図５を用いて詳しく説明する。
【００４７】
図５は、加速運転時の全ガスの充填効率、新気の充填効率、及びＥＧＲガスの充填効率の時間による変化の別の例を示す図である。この例でも、加速の開始から暫くの間は燃焼室にＥＧＲガスが届かない状態が続くため、全ガスの充填効率が増加し始めた後、それに遅れてＥＧＲガスの充填効率が増加し始める。そして、ＥＧＲガスの充填効率の増加分だけ新気の充填効率の増加は抑制される。しかし、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度が緩やかな場合、新気の充填効率の増加速度に一時的な低下が生じるものの、新気の充填効率自体は低下することなく増加し続ける。新気の充填効率が増加し続けるのであれば、エンジン１のトルクの低下によるトルク段差が生じるような事態にはならない。ゆえに、図５に示す例のように新気の充填効率が変化するのであれば、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率によって目標充填効率を補正するよりも寧ろ、そのままの目標充填効率に従ってスロットル１６の開度を制御するほうが、加速の要求に対するトルクの応答性を担保できる点において好ましい。
【００４８】
再び図２に戻って演算ユニット１１５について説明する。演算ユニット１１５は、加速運転に移行した場合、目標充填効率の補正を行わなかった場合に新気の充填効率に一時的な低下が生じるかどうか、後述する予測モデルを用いて予測する。新気の充填効率に一時的な低下が生じるかどうかは、全ガスの充填効率の増加速度とＥＧＲガスの充填効率の増加速度とを比較することで予測することができる。全ガスの充填効率の増加速度よりもＥＧＲガスの充填効率の増加速度のほうが大きい場合、その差分である新気の充填効率の増加速度は負の値になる。新気の充填効率の増加速度が負であることは、１サイクルごとに新気の充填効率が低下することを意味する。
【００４９】
詳しくは、演算ユニット１１５は、まず、目標充填効率の補正を行わない場合のスロットル開度の変化を予測する。スロットル遅延制御の遅延時間内であれば、補正していない目標充填効率から計算した目標スロットル開度を将来のスロットル開度とみなすことができる。スロットル遅延制御の遅延時間よりも将来のスロットル開度については、スロットル開度の変化速度が一定であるとして予測を行なってもよい。演算ユニット１１５は、予測したスロットル開度に基づき、現時点より未来の所定の予測期間における全ガスの充填効率の増加速度の変化と、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度の変化とを予測する。そして、演算ユニット１１５は、その予測期間内において、全ガスの充填効率の増加速度よりもＥＧＲガスの充填効率の増加速度が大きくなることが一度でもあると予測された場合、加速運転が終了するまでの間、演算ユニット１１４に対して切替信号を入力する。
【００５０】
制御装置１００が備える演算ユニット１０１−１１５の内容については以上の通りである。本願の請求項との関係では、演算ユニット１０１，１０２，１０３，１０４，１０５は目標充填効率決定手段を構成する。また、演算ユニット１０６，１０７，１０８，１１３，１１４は目標スロットル開度演算手段を構成する。演算ユニット１１４の出力がゼロ値の場合、目標充填効率決定手段において第１の演算が選択されたことになり、演算ユニット１１４の出力が演算ユニット１１３からの入力値の場合、目標充填効率決定手段において第２の演算が選択されたことになる。演算ユニット１１５は、予測手段を構成する。
【００５１】
３．スロットル開度制御の制御フロー
上記のごとく構成された制御装置１００によって、加速運転時のトルク段差を抑えるためのスロットル開度制御が行われる。図６は、制御装置１００により実行されるスロットル開度制御の制御フローを示すフローチャートである。
【００５２】
ステップＳ１では、制御装置１００は、アクセル開度センサ４０により測定されたアクセル開度を取り込む。次に、ステップＳ２では、制御装置１００は、ステップＳ１で取り込んだアクセル開度に基づいて要求充填効率を計算する。ただし、車両がクルーズコントロール装置を備える場合には、その制御システムからの加速の要求に基づいて要求充填効率が計算される場合もある。また、車両が自動運転装置を備える場合には、その制御システムからの加速の要求に基づいて要求充填効率が計算される場合もある。そして、ステップＳ３では、制御装置１００は、ステップＳ２で計算した要求充填効率を上限充填効率によって制限することにより、エンジン１により実現可能な目標充填効率を算出する。
【００５３】
次に、ステップＳ４では、制御装置１００は、現時点が加速運転の開始の時点であるかどうか判定する。この判定は、アクセル開度とその変化速度に基づいて行うことができる。或いは、要求充填効率の増大によって要求充填効率と推定全ガス充填効率との間に閾値以上の乖離が生じた場合、その時点を加速運転の開始の時点とみなしてもよい。なお、加速運転の終了の時点は、例えば、要求充填効率に推定全ガス充填効率が追いついてその差が閾値以下になった時点であるとみなすことができる。
【００５４】
ステップＳ４の判定において現時点が加速運転の開始の時点であると判定された場合、ステップＳ５が選択される。ステップＳ５では、制御装置１００は、後述する予測モデルを用いた将来予測によって、加速運転の期間中に、全ガスの充填効率の増加速度よりもＥＧＲガスの充填効率の増加速度のほうが大きくなることがあるかどうか予測する。ステップＳ４の判定の結果が否定である場合、ステップＳ５はスキップされて、次の処理としてステップＳ７が選択される。ゆえに、ステップＳ５の判定が行われるのは加速運転の開始の時点の１回のみであり、それ以降はステップＳ５の判定は行われない。
【００５５】
ステップＳ５の判定において全ガスの充填効率の増加速度よりもＥＧＲガスの充填効率の増加速度のほうが大きくなることが予測された場合、ステップＳ６が選択される。ステップＳ６では、制御装置１００は、目標充填効率の補正を実施することを決定する。この決定が行われた場合、制御装置１００を構成する演算ユニット１１５から演算ユニット１１４へ切替信号が入力される。ステップＳ５の判定の結果が否定である場合、ステップＳ６はスキップされて、次の処理としてステップＳ７が選択される。
【００５６】
ステップＳ７では、制御装置１００は、目標充填効率の補正の有無を判定する。ステップＳ６において目標充填効率の補正を実施することを決定されている場合、ステップＳ７の判定結果は肯定となり、ステップＳ８が選択される。ステップＳ７の判定結果が否定であれば、ステップＳ８はスキップされてステップＳ９が選択される。
【００５７】
ステップＳ８では、制御装置１００は、目標ＥＧＲ率と吸気弁を通過するガスの推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率を計算し、この充填効率を目標充填効率に対する充填効率補正量として用いる。すなわち、制御装置１００は、目標充填効率から充填効率補正量を差し引き、充填効率補正量の分だけ目標充填効率を引き下げることを行う。なお、本願の請求項との関係では、ステップＳ８の処理を行うことは、第２の演算を選択したことになり、ステップＳ８の処理をスキップすることは、第１の演算を選択したことになる。
【００５８】
次に、ステップＳ９では、制御装置１００は、目標充填効率に応じた目標スロットル開度を算出する。この計算に用いる目標充填効率は、ステップＳ８の補正処理が行われた場合、ステップＳ８で補正された目標充填効率であり、ステップＳ８の補正処理が行われていない場合、ステップＳ３で算出された目標充填効率である。そして、ステップＳ１０では、制御装置１００は、ステップＳ９で計算された目標スロットル開度に基づいてスロットル１６の開度を制御する。
【００５９】
４．スロットル開度制御を実行した場合のエンジンの動作
上記の制御フローが実行された場合、ＥＧＲガスを導入していない低負荷からの加速時には、例えば図７及び図８にタイムチャートで示すようにエンジン１は動作する。各タイムチャートは、上から順に、新気の充填効率、ＥＧＲ率、スロットル開度の時刻による変化を示している。
【００６０】
図７は、全ガスの充填効率の増加速度よりもＥＧＲガスの充填効率の増加速度のほうが大きくなることが予測された場合に採られるスロットル開度制御の結果としてのエンジン１の動作を示している。
【００６１】
新気の充填効率のタイムチャートにおいて、「要求値」というラベルが付されている折れ線は、要求充填効率の時刻による変化を示している。この要求充填効率をエンジン１の状態を考慮した現実的な値に制限することによって、エンジン１が実現可能な目標充填効率（補正前の目標充填効率）が決定される。「目標値（補正前）」というラベルが付されている曲線は、補正前の目標充填効率のうち新気が占める分の時刻による変化を示している。「目標値」というラベルが付されている曲線は、補正後の目標充填効率のうち新気が占める分の時刻による変化を示している。そして、「実際値」というラベルが付されている曲線は、実際の新気の充填効率の時刻による変化を示している。
【００６２】
ＥＧＲ率のタイムチャートにおいて、「目標値」というラベルが付されている曲線は、目標ＥＧＲ率の時刻による変化を示している。「推定値」というラベルが付されている曲線は、吸気弁を通過するガスの推定ＥＧＲ率の時刻による変化を示している。目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率とがこのタイムチャートに示すように変化する場合、この実施の形態のスロットル開度制御によれば、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率が充填効率補正量として算出される。上段のタイムチャートに示す新気の充填効率の「目標値」は、新気の充填効率の「目標値（補正前）」からこの充填効率補正量を差し引くことで得られている。
【００６３】
スロットル開度のタイムチャートにおいて、「スロットル開度（制限無し）」というラベルが付されている曲線は、補正前の目標充填効率に基づいて目標スロットル開度を計算した場合のスロットル開度の時刻による変化を示している。「スロットル開度（制限有り）」というラベルが付されている曲線は、補正後の目標充填効率に基づいて目標スロットル開度を計算した場合のスロットル開度の時刻による変化を示している。目標スロットル開度の計算に充填効率補正量によって補正された目標充填効率が用いられることで、ＥＧＲガスが燃焼室に到達する前後において、目標スロットル開度は閉じ側に補正される。この目標スロットル開度に基づきスロットル１６が制御されることで、「スロットル開度（制限有り）」で示すように、スロットル開度の増大速度は抑えられる。これにより、ＥＧＲガスが燃焼室に到達する前後においても新気の充填効率は滑らかに変化するようになり、ＥＧＲガスの到達遅れに起因するトルク段差は抑えられる。
【００６４】
図８は、全ガスの充填効率の増加速度よりもＥＧＲガスの充填効率の増加速度のほうが大きくはならないことが予測された場合に採られるスロットル開度制御の結果としてのエンジン１の動作を示している。
【００６５】
新気の充填効率のタイムチャートにおいて、「要求値」というラベルが付されている折れ線は、要求充填効率の時刻による変化を示している。「目標値」というラベルが付されている曲線は、要求充填効率をエンジン１の状態を考慮した現実的な値に制限することによって得られた目標充填効率のうち新気が占める分の時刻による変化を示している。そして、「実際値」というラベルが付されている曲線は、実際の新気の充填効率の時刻による変化を示している。
【００６６】
ＥＧＲ率のタイムチャートにおいて、「目標値」というラベルが付されている曲線は、目標ＥＧＲ率の時刻による変化を示している。「推定値」というラベルが付されている曲線は、吸気弁を通過するガスの推定ＥＧＲ率の時刻による変化を示している。このタイムチャートに示すように推定ＥＧＲ率の変化速度が遅い場合、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度も低く、全ガスの充填効率の増加速度よりも大きくはならない。この場合、この実施の形態のスロットル開度制御によれば、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差分に相当する充填効率による目標充填効率の補正は行われない。
【００６７】
目標スロットル開度のタイムチャートに示される曲線は、目標充填効率に基づいて目標スロットル開度を計算した場合のスロットル開度の時刻による変化を示している。目標充填効率に対する補正が行われないことで、スロットル開度はその増大速度を抑えられることなく増大していく。これにより、新気の充填効率を最速で増大させることができ、加速の要求に対するトルクの応答性が担保される。
【００６８】
５．予測モデルの構成
次に、新気の充填効率の変化速度の予測に用いる予測モデルについて説明する。図９は、予測モデルの構成の一例を示すブロック図である。予測モデルは複数の要素モデル、すなわち、ウエストゲートバルブ応答モデルＭ１、ターボ回転速度モデルＭ２、コンプレッサモデルＭ３、インタークーラモデルＭ４、スロットルモデルＭ５、吸気マニホールドモデルＭ６、吸気弁モデルＭ７、エアクリーナモデルＭ８、エアバイパスバルブモデルＭ９、ＥＧＲ弁モデルＭ１０、及びＥＧＲ拡散モデルＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３によって構成されている。図９には、要素モデル間の情報の流れのうち主要な情報の流れのみを記している。ゆえに、要素モデル間の情報の流れは図９に示す例には限定されない。以下、予測モデルが備えるこれら要素モデルの内容について説明する。ただし、これらの要素モデルは何れも周知であるので、ここでは、各要素モデルを表す数式やマップ等の設計的事項に関する説明は省略する。
【００６９】
ウエストゲートバルブ応答モデルＭ１は、ウエストゲートバルブ２８に対する指示開度“Ｄｗｇｖ”から、ウエストゲートバルブ２８のダイヤフラム差圧“ｄＰｗｇｖ”を算出するためのモデルである。ウエストゲートバルブ応答モデルＭ１は、指示開度に対するダイヤフラム差圧の応答特性をモデル化したものであって、具体的には、無駄時間要素と１次遅れ要素とで表される。演算ユニット１１５による将来予測では、ウエストゲートバルブ応答モデルＭ１に入力される指示開度は、スロットル開度が全開になるまでは全開とされ、スロットル開度が全開になったら全閉に切り替えられる。なお、ウエストゲートバルブ２８の応答遅れが無視できる程度のものであれば、ウエストゲートバルブ応答モデルＭ１は省略してもよい。
【００７０】
ターボ回転速度モデルＭ２は、タービン２４の回転挙動のモデルである。タービン２４に加えられたエネルギと、コンプレッサ２２で消費されたエネルギとの差分がタービン２４の回転速度の変化率に比例する。この物理的関係のもと、吸気弁を通過した全ガスの流量（以下、吸気弁流量と表記する）とウエストゲートバルブ２８のダイヤフラム差圧とターボ回転速度との間に成り立つ関係が、ターボ回転速度モデルＭ２としてモデル化されている。ターボ回転速度モデルＭ２では、ウエストゲートバルブ応答モデルＭ１で算出されたダイヤフラム差圧“ｄＰｗｇｖ”と、後述する吸気弁モデルＭ７で算出された吸気弁流量“ｍｃ”が入力され、それらの入力情報からターボ回転速度“Ｎｔｂ”が算出される。
【００７１】
コンプレッサモデルＭ３は、コンプレッサ２２の圧縮特性をモデル化したものである。コンプレッサ２２の上流側と下流側の間の圧力比とターボ回転速度とコンプレッサ２２を通過するガスの流量（以下、コンプレッサ流量と表記する）との間に成り立つ関係が、コンプレッサモデルＭ３としてモデル化されている。コンプレッサモデルＭ３では、ターボ回転速度モデルＭ２で算出されたターボ回転速度“Ｎｔｂ”と、後述するインタークーラモデルＭ４で算出された過給圧“Ｐｃｍｐ”と、後述するエアクリーナモデルＭ８で算出されたエアクリーナ下流圧“Ｐａｃ”等の情報が入力される。そして、これらの入力情報からコンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”が算出されるとともに、コンプレッサ下流温度“Ｔｃｍｐ”が算出される。
【００７２】
インタークーラモデルＭ４は、吸気通路４におけるインタークーラ１４内のガスに関する保存則に基づいて構築された物理モデルである。インタークーラモデルＭ４としては、具体的にはエネルギ保存則の式と流量保存則の式とが用いられている。インタークーラモデルＭ４では、コンプレッサモデルＭ３で算出されたコンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”から後述するエアバイパスバルブモデルＭ９で算出されたエアバイパスバルブ流量（エアバイパスバルブを通過するガスの流量）“ｍａｂｖ”を差し引いた流量、コンプレッサモデルＭ３で算出されたコンプレッサ下流温度“Ｔｃｍｐ”、後述するスロットルモデルＭ５で算出されたスロットル流量（スロットル１６を通過するガスの流量）“ｍｔ”等の情報が入力される。そして、これらの入力情報から過給圧“Ｐｃｍｐ”が算出されるとともに、インタークーラ出口温度“Ｔｉｃ”が算出される。
【００７３】
スロットルモデルＭ５は、スロットル開度からスロットル流量を算出するためのモデルである。具体的には、スロットル１６の上流側と下流側の間の圧力比、スロットル１６の上流温度、スロットル開度により決まる流路面積、及び流量係数をパラメータとする絞りの式（或いは、オリフィスの流量式とも言う）がスロットルモデルＭ５として用いられている。スロットルモデルＭ５では、インタークーラモデルＭ４で算出された過給圧“Ｐｃｍｐ”及びインタークーラ出口温度“Ｔｉｃ”と、後述する吸気マニホールドモデルＭ６で算出された吸気マニホールド圧“Ｐｍ”等の情報が入力される。また、別途予測された、目標充填効率の補正を行わない場合のスロットル開度“ＴＡ”がスロットルモデルＭ５に入力される。そして、これらの入力情報からスロットル流量“ｍｔ”が算出される。
【００７４】
吸気マニホールドモデルＭ６は、吸気マニホールド内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルである。吸気マニホールドモデルＭ６としては、具体的にはエネルギ保存則の式と流量保存則の式とが用いられている。吸気マニホールドモデルＭ６では、スロットルモデルＭ５で算出されたスロットル流量“ｍｔ”と、後述する吸気弁モデルＭ７で算出された吸気弁流量“ｍｃ”等の情報が入力され、それらの入力情報から吸気マニホールド圧“Ｐｍ”が算出される。
【００７５】
吸気弁モデルＭ７は、吸気弁流量と吸気マニホールド圧との関係について調べた実験結果に基づくモデルである。実験で得られた経験則により、吸気弁モデルＭ７においては吸気弁流量と吸気マニホールド圧との関係が単調に変化する折線（或いは直線）で近似されている。その折線（或いは直線）の方程式の係数は定数ではなく、エンジン回転速度等によって決まる変数である。吸気弁モデルＭ７では、吸気マニホールドモデルＭ６で算出された吸気マニホールド圧“Ｐｍ”の他、エンジン回転速度等の情報が入力され、それらの入力情報から吸気弁流量“ｍｃ”が算出される。そして、エンジン回転速度を用いて吸気弁流量“ｍｃ”を１サイクル当たりの流量に換算し、行程体積相当の空気の質量との比を計算することによって、全ガスの充填効率が算出される。なお、この計算にはエンジン回転速度の現在値を用いてよい。
【００７６】
エアクリーナモデルＭ８は、エアクリーナ１０で生じる圧力損失を算出するためのモデルである。エアクリーナモデルＭ８は、大気圧“Ｐａ”から圧力損失分だけ減算した値をエアクリーナ下流圧“Ｐａｃ”として算出する。大気圧“Ｐａ”には、既定値としてＥＣＵのメモリに記憶された標準大気圧を用いてもよいし、大気圧センサによって計測した各状況下における大気圧の値を用いてもよい。圧力損失はエアクリーナ１０を通過した新気の流量から計算することができる。エアクリーナ１０を通過した新気の流量“ｍｇａ”は、コンプレッサ流量“ｍｃｐ”からエアバイパスバルブ流量“ｍａｂｖ”を差し引いて得られる流量を、コンプレッサ２２の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ１”で補正することによって推算することができる。なお、エアクリーナ１０の圧力損失が無視できる程度のものであれば、エアクリーナモデルＭ８は省略してもよい。
【００７７】
エアバイパスバルブモデルＭ９は、図示しないエアバイパスバルブによってコンプレッサ２２の下流側から上流側に戻されるガスの流量を算出するためのモデルである。エアバイパスバルブモデルＭ９としては、スロットルモデルＭ５と同じく絞りの式が用いられている。エアバイパスバルブモデルＭ９では、エアクリーナモデルＭ８で算出されたエアクリーナ下流圧“Ｐａｃ”と、インタークーラモデルＭ４で算出された過給圧“Ｐｃｍｐ”と、エアバイパスバルブの開度等の情報が入力され、それらの入力情報からエアバイパスバルブ流量“ｍａｂｖ”が算出される。なお、エンジン１がエアバイパスバルブを備えない場合、エアバイパスバルブモデルＭ９は省略される。
【００７８】
ＥＧＲ弁モデルＭ１０は、ＥＧＲ弁３４を通過するＥＧＲガスの流量（以下、ＥＧＲ弁流量と表記する）を算出するためのモデルである。ＥＧＲ弁流量を算出する式としては、スロットルモデルＭ５やエアバイパスバルブモデルＭ９と同じく絞りの式を用いることができる。しかし、ＥＧＲ弁３４の上流圧と下流圧はともに新気の流量に依存しているので、ＥＧＲ弁流量は、ＥＧＲ弁３４の開度と新気の流量との関数（絞りの式を変形して得られる関数）で表すことができる。ＥＧＲ弁モデルＭ１０では、新気の流量“ｍｇａ”とＥＧＲ弁３４の開度“ｔｈｅｇｒ”とに基づいて、前記の関数よりＥＧＲ弁流量“ｍｅｇｒ”が算出される。なお、ＥＧＲ弁開度“ｔｈｅｇｒ”には、吸気弁流量“ｍｃ”から算出した充填効率に基づいて決定した値が用いられる。ＥＧＲ弁モデルＭ１０で計算されたＥＧＲ弁流量“ｍｅｇｒ”と、新気の流量“ｍｇａ”にＥＧＲ弁流量“ｍｅｇｒ”を加算して得られる流量との比を計算することによって、ＥＧＲ弁３４の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ０”が得られる。
【００７９】
ＥＧＲ拡散モデルＭ１１は、コンプレッサ２２でのＥＧＲガスの拡散によるＥＧＲ率の時間変化をモデル化したものであって、具体的には、無駄時間要素と１次遅れ要素とで表される。無駄時間は、ガスがコンプレッサ２２を通過するのに要する時間であり、コンプレッサ２２の上流温度、上流圧力、及び新気の流量に関連付けられている。１次遅れ要素の時定数は、コンプレッサ２２でのＥＧＲガスの拡散の度合いを示すパラメータであり、新気の流量に関連付けられている。ＥＧＲ拡散モデルＭ１１では、ＥＧＲ弁３４の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ０”を無駄時間要素と１次遅れ要素とで処理することにより、コンプレッサ２２の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ１”が算出される。
【００８０】
ＥＧＲ拡散モデルＭ１２は、スロットル１６でのＥＧＲガスの拡散によるＥＧＲ率の時間変化をモデル化したものであって、具体的には、無駄時間要素と１次遅れ要素とで表される。無駄時間は、ガスがスロットル１６を通過するのに要する時間であり、スロットル１６の上流温度、上流圧力、及び新気の流量に関連付けられている。１次遅れ要素の時定数は、スロットル１６でのＥＧＲガスの拡散の度合いを示すパラメータであり、新気の流量に関連付けられている。ＥＧＲ拡散モデルＭ１２では、コンプレッサ２２の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ１”を無駄時間要素と１次遅れ要素とで処理することにより、スロットル１６の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ２”が算出される。
【００８１】
ＥＧＲ拡散モデルＭ１３は、吸気弁でのＥＧＲガスの拡散によるＥＧＲ率の時間変化をモデル化したものであって、具体的には、無駄時間要素と１次遅れ要素とで表される。無駄時間は、ガスが吸気弁を通過するのに要する時間であり、吸気弁の上流温度、上流圧力、及び新気の流量に関連付けられている。１次遅れ要素の時定数は、吸気弁でのＥＧＲガスの拡散の度合いを示すパラメータであり、新気の流量に関連付けられている。ＥＧＲ拡散モデルＭ１３では、スロットル１６の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ２”を無駄時間要素と１次遅れ要素とで処理することにより、吸気弁の出口におけるＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ３”が算出される。なお、３つのＥＧＲ拡散モデルＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３を一つにまとめて、一つのＥＧＲ拡散として構成してもよい。
【００８２】
吸気弁モデルＭ７で算出された吸気弁流量“ｍｃ”に、ＥＧＲ拡散モデルＭ１３で算出されたＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ３”を乗算することによって、吸気弁を通過するＥＧＲガスの流量“ｍｅｇｒ”が算出される。そして、エンジン回転速度を用いてＥＧＲガスの流量“ｍｅｇｒ”を１サイクル当たりの流量に換算し、行程体積相当の空気の質量との比を計算することによって、ＥＧＲガスの充填効率が算出される。
【００８３】
制御装置１００の演算ユニット１１５は、以上のように構成される予測モデルによる計算を予測期間に相当する回数繰り返す。予測の時間刻み幅をΔｔとすると、予測期間を時間Δｔで除算して得られる回数だけ、予測モデルによる計算が繰り返される。ただし、時間Δｔはあくまでも計算上のパラメータの一つであって、実時間ではない。制御装置１００は、１演算周期内において、予測期間に相当する回数の繰り返し計算を実行する。
【００８４】
予測モデルによる計算では、１回の処理毎に以下に示す一連の計算が行われる。まず、全ガスの充填効率の増加速度を予測するための計算の概要は次のとおりである。
（ａ１）スロットル開度の変化速度から、時間Δｔだけ将来のスロットル開度“ＴＡ”が予測される。
（ａ２）スロットル開度“ＴＡ”から、スロットルモデルＭ５及び吸気マニホールドモデルＭ６を用いた計算により、時間Δｔだけ将来の吸気マニホールド圧“Ｐｍ”が予測される。
（ａ３）吸気マニホールド圧“Ｐｍ”から、吸気弁モデルＭ７を用いた計算により、時間Δｔだけ将来の吸気弁流量“ｍｃ”が予測される。
（ａ４）吸気弁流量“ｍｃ”から、ターボ回転速度モデルＭ２を用いた計算により、時間Δｔだけ将来のターボ回転速度“Ｎｔｂ”が予測される。
（ａ５）ターボ回転速度“Ｎｔｂ”から、コンプレッサモデルＭ３を用いた計算により、時間Δｔだけ将来のコンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”及びコンプレッサ下流温度“Ｔｃｍｐ”が算出される。
（ａ６）コンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”及びコンプレッサ下流温度“Ｔｃｍｐ”から、インタークーラモデルＭ４を用いた計算により、時間Δｔだけ将来の過給圧“Ｐｃｍｐ”及びインタークーラ出口温度“Ｔｉｃ”が算出される。
【００８５】
以上の一連の計算が１回の処理で行われ、１回の処理毎に時間Δｔだけ将来の吸気弁流量“ｍｃ”が算出される。そして、吸気弁流量“ｍｃ”から全ガスの充填効率が計算され、全ガスの充填効率の今回値と前回値との差分より、全ガスの充填効率の増加速度が算出される。なお、最後に（ａ６）で計算された過給圧“Ｐｃｍｐ”及びインタークーラ出口温度“Ｔｉｃ”は、次回の処理において、スロットルモデルＭ５の入力として用いられる。
【００８６】
次に、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度を予測するための計算の概要は次のとおりである。
（ｂ１）スロットル開度の変化速度から、時間Δｔだけ将来のスロットル開度“ＴＡ”が予測される。
（ｂ２）スロットル開度“ＴＡ”から、スロットルモデルＭ５及び吸気マニホールドモデルＭ６を用いた計算により、時間Δｔだけ将来の吸気マニホールド圧“Ｐｍ”が予測される。
（ｂ３）吸気マニホールド圧“Ｐｍ”から、吸気弁モデルＭ７を用いた計算により、時間Δｔだけ将来の吸気弁流量“ｍｃ”が予測される。
（ｂ４）吸気弁流量“ｍｃ”から、ターボ回転速度モデルＭ２を用いた計算により、時間Δｔだけ将来のターボ回転速度“Ｎｔｂ”が予測される。
（ｂ５）ターボ回転速度“Ｎｔｂ”から、コンプレッサモデルＭ３を用いた計算により、時間Δｔだけ将来のコンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”及びコンプレッサ下流温度“Ｔｃｍｐ”が算出される。
（ｂ６）コンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”から、時間Δｔだけ将来の新気の流量“ｍｇａ”が算出される。
（ｂ７）新気の流量“ｍｇａ”から、ＥＧＲ弁モデルＭ１０及びＥＧＲ拡散モデルＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３を用いた計算により、時間Δｔだけ将来のＥＧＲガスの流量“ｍｅｇｒ”が算出される。
【００８７】
以上の一連の計算が１回の処理で行われ、１回の処理毎に時間Δｔだけ将来のＥＧＲガスの流量“ｍｅｇｒ”が算出される。そして、ＥＧＲガスの流量“ｍｅｇｒ”からＥＧＲガスの充填効率が計算され、ＥＧＲガスの充填効率の今回値と前回値との差分より、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度が算出される。
【００８８】
制御装置１００の演算ユニット１１５は、このようにして計算される全ガスの充填効率の増加速度と、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度とを毎回比較する。既述のとおり、全ガスの充填効率の増加速度よりもＥＧＲガスの充填効率の増加速度が大きくなれば、新気の充填効率の増加速度は負となるので、新気の充填効率に一時的な低下が生じることが予測できる。
【００８９】
６．予測モデルの構成の別の例
図１０は、新気の充填効率の変化速度の予測に用いる予測モデルの構成の別の例を示すブロック図である。この予測モデルは、図９に示す予測モデルよりも簡略化されたモデルであって、３つの要素モデル、すなわち、過給モデルＭ２１、吸気モデルＭ２２、及びＥＧＲモデルＭ２３によって構成されている。図１０には、要素モデル間の情報の流れのうち主要な情報の流れのみを記している。ゆえに、要素モデル間の情報の流れは図１０に示す例には限定されない。以下、予測モデルが備える３つの要素モデルの内容について説明する。
【００９０】
過給モデルＭ２１は、吸気弁流量と大気圧とコンプレッサ流量との関係をモデル化したものであって、図９に示す予測モデルにおけるターボ回転速度モデルＭ２とコンプレッサモデルＭ３とを一体化したものに相当する。コンプレッサ流量は、吸気弁流量と大気圧とを変数とする関数で表すことができる。過給モデルＭ２１では、後述する吸気モデルＭ２２で算出された吸気弁流量“ｍｃ”と大気圧“Ｐａ”とが入力され、前述の関数を用いてコンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”が算出される。なお、大気圧は固定値としてもよい。その場合、コンプレッサ流量は、吸気弁流量のみを変数とする関数で表すことができる。
【００９１】
吸気モデルＭ２２は、コンプレッサ流量とスロットル開度と吸気弁流量との関係をモデル化したものであって、図９に示す予測モデルにおけるインタークーラモデルＭ４とスロットルモデルＭ５と吸気マニホールドモデルＭ６と吸気弁モデルＭ７とを一体化したものに相当する。吸気弁流量は、コンプレッサ流量とスロットル開度とを変数とする関数で表すことができる。吸気モデルＭ２２では、過給モデルＭ２１で算出されたコンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”と、別途予測された、目標充填効率の補正を行わない場合のスロットル開度“ＴＡ”とが入力され、前述の関数を用いて吸気弁流量“ｍｃ”が算出される。そして、エンジン回転速度を用いて吸気弁流量“ｍｃ”を１サイクル当たりの流量に換算し、行程体積相当の空気の質量との比を計算することによって、全ガスの充填効率が算出される。
【００９２】
ＥＧＲモデルＭ２３は、コンプレッサ流量とＥＧＲ弁開度とＥＧＲ率との関係をモデル化したものであって、図９に示す予測モデルにおけるＥＧＲ弁モデルＭ１０とＥＧＲ拡散モデルＭ１１，Ｍ１２，Ｍ１３とを一体化したものに相当する。ＥＧＲ率は、コンプレッサ流量とＥＧＲ弁開度とを変数とする関数で表すことができる。ＥＧＲモデルＭ２３では、過給モデルＭ２１で算出されたコンプレッサ流量“ｍｃｍｐ”と、別途予測されたＥＧＲ弁開度“ｔｈｅｇｒ”とが入力され、前述の関数を用いてＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ”が算出される。
【００９３】
吸気モデルＭ２２で算出された吸気弁流量“ｍｃ”に、ＥＧＲモデルＭ２３で算出されたＥＧＲ率“Ｒｅｇｒ”を乗算することによって、吸気弁を通過するＥＧＲガスの流量“ｍｅｇｒ”が算出される。そして、エンジン回転速度を用いてＥＧＲガスの流量“ｍｅｇｒ”を１サイクル当たりの流量に換算し、行程体積相当の空気の質量との比を計算することによって、ＥＧＲガスの充填効率が算出される。
【００９４】
目標充填効率の補正を行わない場合のスロットル開度に基づいて、全ガスの充填効率の増加速度と、ＥＧＲガスの充填効率の増加速度とをそれぞれ予測することができるのであれば、図１０に示すような簡略化された予測モデルを用いてもよい。
【００９５】
７．その他実施の形態
第１の演算よりもスロットル開度の増大速度が抑えられる第２の演算としては、目標スロットル開度の１制御周期あたりの変化量をガード値で制限することでもよい。その場合のガード値は固定値でもよいし、目標ＥＧＲ率と推定ＥＧＲ率との差分を変数とする関数でもよい。
【符号の説明】
【００９６】
１  エンジン
２  エンジンヘッド
４  吸気通路
６  排気通路
１２  エアフローセンサ
１６  スロットル
２０  ターボ過給機
２２  コンプレッサ
２４  タービン
２８  ウエストゲートバルブ
３０  ＥＧＲ装置
３４  ＥＧＲ弁
４０  アクセル開度センサ
１００  制御装置
１０１−１１５  演算ユニット
【図１】
0006304307.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0006304307.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006304307.tif 000007
【図７】
0006304307.tif 000008
【図８】
0006304307.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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