(57)【要約】【課題】吸気量および吸気圧が確実に目標吸気量および目標吸気圧となるようにスロットル弁の動作および吸気弁の動作を制御することにある。【解決手段】吸気通路１３内に配置されたスロットル弁１３と、吸気弁６の開弁特性を制御する開弁特性制御手段１７と、目標吸気量と目標吸気圧とを設定する目標値設定手段とを具備する。吸気量と吸気圧とからスロットル弁を通過する空気の流量を算出する第１のモデル式と、スロットル弁を通過する空気の流量と吸気圧とからスロットル弁の開度を算出する第２のモデル式とが記憶されている。目標吸気量と目標吸気圧とに基づいて第１のモデル式からスロットル弁を通過する空気の流量が算出され、該算出された空気の流量と目標吸気圧とに基づいて第２のモデル式からスロットル弁の開度が算出され、該算出されたスロットル弁の開度に従ってスロットル弁が制御される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路内に配置されたスロットル弁と、吸気弁の開弁特性を制御する開弁特性制御手段と、目標吸気量と目標吸気圧とを設定する目標値設定手段とを具備する内燃機関の制御装置において、吸気量と吸気圧とからスロットル弁を通過する空気の流量を算出する第１のモデル式と、スロットル弁を通過する空気の流量と吸気圧とからスロットル弁の開度を算出する第２のモデル式とが記憶されており、目標吸気量と目標吸気圧とに基づいて上記第１のモデル式からスロットル弁を通過する空気の流量が算出され、該算出された空気の流量と目標吸気圧とに基づいて上記第２のモデル式からスロットル弁の開度が算出され、該算出されたスロットル弁の開度に従ってスロットル弁が制御されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
吸気圧とスロットル弁の開度とからスロットル弁を通過する空気の流量を算出する第３のモデル式と、吸気量とスロットル弁を通過する空気の流量とから吸気圧を算出する第４のモデル式とが記憶されており、現在の吸気圧とスロットル弁の開度の限界値とに基づいて上記第３のモデル式からスロットル弁を通過する空気の流量が算出され、該算出されたスロットル弁を通過する空気の流量と目標吸気量とから上記第４のモデル式に基づいて吸気圧が算出され、該算出された吸気圧が達成可能な限界値として用いられ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気弁の開弁特性（例えば、吸気弁の開弁時間（いわゆる作用角）や吸気弁の最大リフト量）を変更するための機構を備えた内燃機関が知られている。こうした内燃機関では、吸気弁の開弁特性を変えることによって吸気量（すなわち、燃焼室に吸入される空気の量）を変えることができる。また、吸気弁の開弁特性を変更するための機構に加えて、吸気通路内にスロットル弁を備えた内燃機関も知られている。この内燃機関では、スロットル開度（すなわち、スロットル弁の開度）や吸気弁の開弁特性を変えることによって吸気量を変えることができる。
【０００３】
例えば、特願２００２−２８１０２４号に記載されている内燃機関では、機関運転状態（すなわち、内燃機関の運転状態）に応じて目標吸気量と目標吸気圧（すなわち、スロットル弁下流の吸気通路内の圧力）とが設定され、これら目標吸気量および目標吸気圧に対応してスロットル開度および吸気弁の開弁特性が制御される。
【０００４】
ところで、このように機関運転状態に応じて設定される目標吸気量および目標吸気圧に対応してスロットル開度および吸気弁の開弁特性を制御したとしても、吸気量または吸気圧がそれぞれ目標吸気量または目標吸気圧とならないこともある。そこで、上記特願２００２−２８１０２４号では、エアフローメータによって実際の吸気量を推定すると共に、吸気圧センサによって実際の吸気圧を検出する。そして、これら吸気量および吸気圧がそれぞれ目標吸気量および目標吸気圧と比較され、吸気量および吸気圧がそれぞれ目標吸気量および目標吸気圧となるように、スロットル開度および吸気弁の開弁特性に対する制御が補正される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平３−２６８３８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４１３４３号公報
【特許文献３】
特開平１０−７３０３８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、こうした補正は、現実の吸気量を推定し且つ現実の吸気圧を検出した後に行われるフィードバック補正であることから、現実の吸気量および現実の吸気圧を目標吸気量および目標吸気圧と比較した結果が吸気量および吸気圧に反映されるまでには、一定の時間がかかる。特に、機関運転状態が変化し続けているとき（いわゆる機関過渡運転時）には、単位時間当たりの吸気量の変化や吸気圧の変化が比較的大きいので、吸気量および吸気圧が目標吸気量および目標吸気圧になっていない状態が続いてしまうことにもなる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、吸気量および吸気圧が確実に目標吸気量および目標吸気圧となるようにスロットル弁の動作および吸気弁の動作を制御することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、１番目の発明では、吸気通路内に配置されたスロットル弁と、吸気弁の開弁特性を制御する開弁特性制御手段と、目標吸気量と目標吸気圧とを設定する目標値設定手段とを具備する内燃機関の制御装置において、吸気量と吸気圧とからスロットル弁を通過する空気の流量を算出する第１のモデル式と、スロットル弁を通過する空気の流量と吸気圧とからスロットル弁の開度を算出する第２のモデル式とが記憶されており、目標吸気量と目標吸気圧とに基づいて上記第１のモデル式からスロットル弁を通過する空気の流量が算出され、該算出された空気の流量と目標吸気圧とに基づいて上記第２のモデル式からスロットル弁の開度が算出され、該算出されたスロットル弁の開度に従ってスロットル弁が制御される。
２番目の発明では、１番目の発明において、吸気圧とスロットル弁の開度とからスロットル弁を通過する空気の流量を算出する第３のモデル式と、吸気量とスロットル弁を通過する空気の流量とから吸気圧を算出する第４のモデル式とが記憶されており、現在の吸気圧とスロットル弁の開度の限界値とに基づいて上記第３のモデル式からスロットル弁を通過する空気の流量が算出され、該算出されたスロットル弁を通過する空気の流量と目標吸気量とから上記第４のモデル式に基づいて吸気圧が算出され、該算出された吸気圧が達成可能な限界値として用いられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
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。図１は、本発明を適用可能な内燃機関の全体図である。図１に示した内燃機関はいわゆる圧縮点火式の内燃機関であるが、こうしたタイプの内燃機関以外の内燃機関（例えば、いわゆる火花点火式の内燃機関）にも適用可能である。したがって、一般的に、本発明は内燃機関に適用可能であると言える。
【００１０】
図１において、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はピストン、４は燃焼室、５は燃料噴射弁、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は吸気枝管、９は排気弁、１０は排気ポート、１１は排気管（以下、排気ポートと排気管とを「排気通路」と総称することもある）をそれぞれ示す。吸気枝管８には、サージタンク１２が接続されている。また、サージタンク１２には、吸気管１３を介してエアクリーナ１４が接続されている。以下の説明では、吸気ポート７、吸気枝管８、サージタンク１２、吸気管１３、および、エアクリーナ１４を「吸気通路」と総称することもある。
【００１１】
吸気管１３内には、スロットル弁１５が配置されている。スロットル弁１５には、ステップモータ１６が接続されており、スロットル弁１５は、このステップモータ１６によって駆動される。また、吸気弁６には、動弁機構１７が接続されており、吸気弁６は、この動弁機構１７によって駆動される。
【００１２】
ところで、吸気量（すなわち、燃焼室に吸入される空気の量）に関係する吸気弁６の開弁特性を示すパラメータとしては、吸気弁６の最大リフト量、開弁期間、開弁タイミング、閉弁タイミング等がある。こうしたパラメータが変わると、吸気量も変わる。例えば、一般的に、最大リフト量が大きくされれば、吸気量が多くなり、開弁期間が長くなれば、吸気量が多くなる。動弁機構１７は、吸気弁６のこうしたパラメータの少なくとも１つを変更することができる。
【００１３】
動弁機構１７としては、例えば、吸気弁６を電磁的に駆動するもの（これによれば、上述したパラメータの全てが変更可能である）や、吸気弁６を往復動させるためのカムの最大リフト量や位相を変更可能なものが挙げられる。しかしながら、本発明では、動弁機構１７の形式はこうした特定のものに制限されず、上述したパラメータの少なくとも１つを変更可能なものであればよい。以下、こうしたパラメータを「吸気弁の開弁特性」とも称す。
【００１４】
ところで、本実施形態では、機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとの関数で目標吸気量ＴＧａが予め定められ、図２（Ａ）に示したようなマップの形で記憶されている。このマップでは、目標吸気量ＴＧａは、概して、機関回転数Ｎが大きいほど多く、また、要求負荷Ｌが大きいほど多い。また、本実施形態では、機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとの関数で目標吸気圧（これは、スロットル弁１５下流の吸気通路内の圧力）ＴＰｍが予め定められ、図２（Ｂ）に示したようなマップの形で記憶されている。このマップでは、目標吸気圧ＴＰｍは、概して、機関回転数Ｎが大きいほど高く、要求負荷Ｌが大きいほど高い。なお、目標吸気圧ＴＰｍは、少なくとも、大気圧以下の値である。
【００１５】
ところで、吸気圧が或る特定の圧力になっているときに、吸気弁６を或る特定の開弁特性で開弁させると、燃焼室には或る特定の量の空気が吸入される。すなわち、吸気圧と吸気量と吸気弁６の開弁特性との間には一定の関係がある。したがって、吸気圧が分かっていれば、この吸気圧に基づいて、燃焼室に目標吸気量の空気を吸入させることができる吸気弁６の開弁特性を決定することができる。そこで、本実施形態では、目標吸気圧ＴＰｍと目標吸気量ＴＧａとの関数で吸気弁６の目標開弁特性ＴＤを実験などによって予め求め、図３に示したようなマップの形で記憶しておく。そして、このマップから、目標吸気圧ＴＰｍと目標吸気量ＴＧａとに基づいて、吸気弁６の目標開弁特性ＴＤが算出される。
【００１６】
ところで、図３に示したマップから算出される目標開弁特性ＴＤだけ吸気弁６を開弁させたときに、目標吸気量ＴＧａの空気が燃焼室に吸入されるようにするためには、吸気圧が目標吸気圧ＴＰｍになっていることが必要である。言い換えれば、吸気圧が目標吸気圧ＴＰｍになっていなければ、たとえ、吸気弁６を目標開弁特性だけ開弁させたとしても、目標吸気量ＴＧａの空気が燃焼室に吸入されないことになる。ここで、吸気圧はスロットル開度に応じて変わることから、本実施形態では、吸気圧を目標吸気圧とすることができるスロットル開度を目標スロットル開度として算出し、スロットル開度をこの目標スロットル開度に制御する。以下、この目標スロットル開度の決定の仕方について説明する。
【００１７】
スロットル開度をＴＡとし、スロットル弁１５下流の圧力（すなわち、吸気圧）をＰｍとし、スロットル弁１５上流の圧力（すなわち、大気圧）をＰａとした場合、スロットル弁１５を通過する空気の流量（以下、「スロットル通過空気量」と称す）Ｍｔは、いわゆる絞りの式から、次式（１）のように表せる。
【数１】
2005016316.tif 000003
【００１８】
この式（１）を変形すると、次式（２）が得られる。
【数２】
2005016316.tif 000004
【００１９】
なお、より具体的には、上式（１）は、例えば、次式（３）のように表現可能である。
【数３】
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ここで、ｘ（１）、ｘ（２）、ｘ（３）、および、ｘ（４）は、実験データに基づいて最小二乗法によって定まる定数である。この式（３）を解くことによって、上式（２）に対応する式が得られる。本実施形態では、上式（２）がモデル式として内燃機関の記憶装置に予め記憶されている。
【００２０】
ところで、上式（２）のＰｍに、その時の目標吸気圧ＴＰｍを代入し、Ｍｔにその時に目標とすべきスロットル通過空気量（以下、「目標スロットル通過空気量」と称す）ＴＭｔを代入し、Ｐａにその時の大気圧（大気圧が略一定であるとすれば、その一定の値）を代入すれば、吸気圧が目標吸気圧となっているときにスロットル通過空気量を目標量とすることができるスロットル開度が求められることになる。言い換えれば、スロットル開度をこうして求められたスロットル開度としたときに、スロットル通過空気量が目標量となっていれば、吸気圧は目標吸気圧となっていることになる。
【００２１】
一方、気体定数をＲとし、スロットル弁１５から燃焼室までの吸気通路の内部空間の体積をＶとし、吸気量をＭｃとし、スロットル弁１５下流の吸気通路内の温度（すなわち、スロットル弁１５下流の吸気通路内の空気の温度であり、以下、「吸気管温度」と称す）をＴｍとした場合、質量保存則から、次式（４）が得られる。
【数４】
2005016316.tif 000006
【００２２】
ここで、吸気管温度Ｔｍは大気の温度Ｔａに略等しいことから、ＴｍにＴａを代入し、上式（４）を変形すると、次式（５）が得られる。
【数５】
2005016316.tif 000007
ここで、ｄＰｍ／ｄｔとしては、単位時間当たりの目標吸気圧の変化量が用いられるか、あるいは、現在の吸気圧から目標吸気圧にまで変化させるときの単位時間当たりの吸気圧の変化量が用いられる。本実施形態では、上式（５）がモデル式として内燃機関の記憶装置に予め記憶されている。
【００２３】
ここで、気体定数Ｒおよび体積Ｖは既知の値であるので、これら気体定数Ｒおよび体積Ｖには既知の値を代入すると共に、上式（５）のＰｍにその時の目標吸気圧ＴＰｍを代入し、Ｍｃにその時の目標吸気量を代入し、Ｔａにその時の大気の温度を代入すれば、吸気圧を目標吸気圧とし且つ吸気量を目標吸気量とすることができるスロットル通過空気量Ｍｔが求められることになる。言い換えれば、吸気弁６が上述したようにして求められた開弁特性だけ開弁されるときに、スロットル通過空気量が上式（５）から求められる量となっていれば、吸気圧は目標吸気圧となり且つ吸気量は目標吸気量となる。
【００２４】
まとめると、上式（５）から吸気圧を目標吸気圧とし且つ吸気量を目標吸気量とすることができるスロットル通過空気量を求め、この求められたスロットル通過空気量を上式（２）に代入することによって、結果的に、吸気圧を目標吸気圧とし且つ吸気量を目標吸気量とすることができるスロットル開度が求められることになる。
【００２５】
なお、上式（５）において、Ｖ／Ｒ・Ｔａを、式（５）からスロットル通過空気量を算出するときの誤差を吸収するように適合によって求められた値としてもよい。また、上式（５）において、ｄＰｍ／ｄｔに、吸気圧センサによるフィードバック要素を加えてもよい。
【００２６】
また、比熱比をκとした場合、エネルギ保存則から、次式（６）が得られる。
【数６】
2005016316.tif 000008
【００２７】
そして、この式（６）を変形すると、次式（７）が得られる。
【数７】
2005016316.tif 000009
【００２８】
さらに、上式（４）を用いて、この式（７）を変形すると、次式（８）が得られる。
【数８】
2005016316.tif 000010
この式（８）を用いても、吸気圧を目標吸気圧とし且つ吸気量を目標吸気量とすることができるスロットル通過空気量が求められる。
【００２９】
ところで、上式（１）のＴＡに最大スロットル開度（すなわち、スロットル弁１５がとりうる開度の最大値）を代入し、上式（１）のＰｍに現在の吸気圧（例えば、この時の目標吸気圧であるが、吸気圧センサによって検出される実際の吸気圧でもよい）を代入すると、上式（１）からは、吸気圧が現在の吸気圧である状態でスロットル開度を最大スロットル開度としたときのスロットル通過空気量Ｍｔが求まる。
【００３０】
そして、ここで求められたスロットル通過空気量を上式（４）のＭｔに代入し、この時の目標吸気量ＴＧａを上式（４）のＭｃに代入して、上式（４）から求まる吸気圧Ｐｍは、吸気圧が現在の吸気圧である状態でスロットル開度をその最大値としたときに到達する吸気圧である。言い換えれば、ここで求まる吸気圧Ｐｍは、吸気圧が現在の吸気圧である状態でスロットル開度をその最大値としたときにとりうる最大の吸気圧である。したがって、現在の吸気圧よりも高い吸気圧が新たな目標吸気圧として設定されたときに、この新たに設定された目標吸気圧が上述したようにして求められた最大の吸気圧よりも高い場合、スロットル開度をその最大値にまで大きくしたとしても、吸気圧を新たに設定された目標吸気圧にまで上昇させることができない。
【００３１】
そこで、本実施形態では、上式（１）および（４）をモデル式として内燃機関の記憶装置に予め記憶しておき、上述したようにして達成可能な吸気圧の最大値を算出し、新たに設定された目標吸気圧がこの達成可能な吸気圧の最大値よりも高い場合には、目標吸気圧を達成可能な吸気圧の最大値に設定する。
【００３２】
同様に、上式（１）のＴＡに最小スロットル開度（すなわち、スロットル弁１５がとりうる開度の最小値）を代入し、上式（１）のＰｍに現在の吸気圧を代入すると、上式（１）からは、吸気圧が現在の吸気圧である状態でスロットル開度を最小スロットル開度としたときのスロットル通過空気量Ｍｔが求まる。
【００３３】
そして、ここで求められたスロットル通過空気量を上式（４）のＭｔに代入し、この時の目標吸気量ＴＧａを上式（４）のＭｃに代入して、上式（４）から求まる吸気圧Ｐｍは、吸気圧が現在の吸気圧である状態でスロットル開度をその最小値としたときに到達する吸気圧である。言い換えれば、ここで求まる吸気圧Ｐｍは、吸気圧が現在の吸気圧である状態でスロットル開度をその最小値としたときにとりうる最小の吸気圧である。したがって、現在の吸気圧よりも低い吸気圧が新たな目標吸気圧として設定されたときに、この新たに設定された目標吸気圧が上述したようにして求められた最小の吸気圧よりも低い場合、スロットル開度をその最小値にまで小さくしたとしても、吸気圧を新たに設定された目標吸気圧にまで下降させることができない。
【００３４】
そこで、本実施形態では、上式（１）および（４）をモデル式として内燃機関の記憶装置に予め記憶しておき、上述したようにして達成可能な吸気圧の最小値を算出し、新たに設定された目標吸気圧がこの達成可能な吸気圧の最小値よりも低い場合には、目標吸気圧を達成可能な吸気圧の最小値に設定する。
【００３５】
これによれば、吸気圧が確実に目標吸気圧とされるので、ドライバビリティや燃費の悪化を防止することができる。なお、上式（４）の代わりに、上式（８）を利用してもよい。
【００３６】
なお、上述では、モデル式が内燃機関の記憶装置に予め記憶されていると説明したが、これは関数式でもって記憶されていても、マップの形で記憶されていてもよい。また、上式（２）と上式（５）とを合わせた式を１つのモデル式としてもよく、上式（１）と上式（４）とを合わせた式を１つのモデル式としてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、吸気量を目標吸気量とし且つ吸気圧を目標吸気圧とすることができるスロットル弁の開度がモデル式を利用して設定されるので、吸気量を目標吸気量とし且つ吸気圧を目標吸気圧とすることができるスロットル弁の開度を設定するまでに要する時間が短い。したがって、本発明によれば、吸気量および吸気圧が確実に目標吸気量および目標吸気圧となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な内燃機関の全体図である。
【図２】（Ａ）は機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとから目標吸気量ＴＧａを算出するために用いられるマップを示し、（Ｂ）は機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとから目標吸気圧ＴＰｉを算出するために用いられるマップを示している。
【図３】目標吸気圧ＴＰｍと目標吸気量ＴＧａとから目標開弁特性ＴＤを算出するために用いられるマップを示している。
【符号の説明】
３…ピストン
５…燃料噴射弁
６…吸気弁
７…吸気ポート
９…排気弁
１０…排気ポート
１３…スロットル弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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