JP2014098322A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給特性制御アクチュエータによる吸気管圧力制御とＶＶＴ（可変バルブタイミング機構）による吸気量制御との干渉を抑えることにより、加速時における目標空気量に対する実空気量の追従性及び収束性を改善する。
【解決手段】目標空気量に基づいてＶＶＴの基本の制御変数であるベースＶＶＴ制御変数を計算する。ベースＶＶＴ制御変数を内燃機関の状態或いはＶＶＴの状態に応じて補正することにより、ＶＶＴの最終的な制御変数である最終ＶＶＴ制御変数を計算する。ベースＶＶＴ制御変数と最終ＶＶＴ制御変数のうちより少ない空気量に対応するＶＶＴ制御変数を選択し、選択したＶＶＴ制御変数と目標空気量とに基づいて過給特性制御アクチュエータの制御変数であるアクチュエータ制御変数を計算する。制御装置は、最終ＶＶＴ制御変数に従ってＶＶＴを制御するとともに、アクチュエータ制御変数に従って過給特性制御アクチュエータを制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、可変バルブタイミング機構と、過給機と、過給機の過給特性を変化させるアクチュエータとを有する内燃機関の制御装置に関する。

車両用の内燃機関には多数のアクチュエータが設けられている。内燃機関の制御装置は、それらアクチュエータを協調操作することによって内燃機関を制御している。複数のアクチュエータが関係する制御の一つには、吸気量（筒内に吸入される空気量）の制御が含まれている。吸気バルブに可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ）が設けられている場合には、ＶＶＴにより吸気バルブのバルブタイミングを変化させることによって吸気量を制御することができる。また、過給機付きの内燃機関の場合には、吸気量は過給圧によって変化する。このため、ウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）や可変ノズルのような過給特性を変化させる過給特性制御アクチュエータが過給機に設けられている場合には、ＷＧＶ等によって過給機の過給特性を変化させることによって吸気量を制御することができる。

下記の特許文献１には、可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ）とウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）とを協調制御する方法が開示されている。特許文献１に記載された方法によれば、まず、要求トルクから目標空気流量が算出され、目標空気流量からＶＶＴの目標バルブタイミングが決定される。ＶＶＴは決定された目標バルブタイミングに従って制御される。また、それと並行して、要求トルクと目標バルブタイミングとから目標吸気管圧力が算出され、目標吸気管圧力からＷＧＶのアクチュエータ値が決定される。ＷＧＶは決定されたアクチュエータ値に従って制御される。

米国特許７６１４３８４号公報 特開２００２−３０３１７７号公報

ガソリン機関のような一定の空燃比で運転される内燃機関では、筒内空気量（燃焼に供される空気量）によってトルクが制御される。このため、加速時には、内燃機関のトルクを増大させるべく目標空気量が増大され、増大された目標空気量に実空気量を追従させるように各アクチュエータが操作される。このとき、目標空気量に対して実空気量を速やかに且つ滑らかに収束させることができれば、アクセルペダルを介して要求されるドライバの加速要求に見合った高いトルク応答性を実現することができる。

しかしながら、特許文献１に記載の制御方法では、詳細な制御仕様によってはＶＶＴによる吸気量制御とＷＧＶによる吸気管圧力制御との間で干渉が生じ、目標空気量に対して実空気量が追従せず、或いは、目標空気量が実空気量に速やかに収束しないおそれがある。具体的には、ＷＧＶが早い段階で開き側に制御されてしまい、実空気量が目標空気量に達する手前で実空気量の変化に停滞が生じたり、一時的な低下が生じたりするおそれがある。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、ＶＶＴと過給特性制御アクチュエータとの協調制御において、ＶＶＴによる吸気量制御と過給特性制御アクチュエータによる吸気管圧力制御との干渉を抑えることにより、加速時における目標空気量に対する実空気量の追従性及び収束性を改善することを目的とする。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、少なくともＶＶＴと過給機と過給特性制御アクチュエータとを備える内燃機関に適用される制御装置である。ＶＶＴは吸気バルブのバルブタイミング、より詳しくは、少なくとも吸気バルブの閉時期を変更することのできる機構である。過給機はターボ過給機でもよいし機械式過給機でもよい。過給機がターボ過給機であるならば、過給特性制御アクチュエータとしてはＷＧＶや可変ノズルが好ましい。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関の目標空気量に基づいてＶＶＴの基本の制御変数であるベースＶＶＴ制御変数を計算する第１の計算手段を備える。ベースＶＶＴ制御変数は、内燃機関やＶＶＴが予め定められた基本状態にあるときに目標空気量を達成することのできる値とされる。好ましくは、ベースＶＶＴ制御変数は、内燃機関の定常状態において目標空気量を達成するのに最適な値とされる。最適な制御変数の値は、燃費性能、排気ガス性能、燃焼安定性などの内燃機関に要求される性能の観点から、又は、ＶＶＴの制御性の観点から適合によって決定される。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、ＶＶＴの最終的な制御変数である最終ＶＶＴ制御変数を計算する第２の計算手段を備える。第２の計算手段は、ベースＶＶＴ制御変数を内燃機関の状態或いはＶＶＴの状態に応じて補正することにより最終ＶＶＴ制御変数を得る。ベースＶＶＴ制御変数が基本状態を前提にして決定される制御変数であるのに対し、最終ＶＶＴ制御変数は内燃機関やＶＶＴの実際の状態に応じてベースＶＶＴ制御変数を補正することで得られる制御変数である。好ましくは、目標空気量と内燃機関の状態から推定された空気量或いは計測された空気量との差が閾値以上の場合は、吸気バルブを通過する空気の流量が最大になるようにベースＶＶＴ制御変数を補正したものが最終ＶＶＴ制御変数の値とされる。また、最終ＶＶＴ制御変数の大きさ或いは変化速度は、好ましくは、可変バルブタイミング機構の動作に制限を加えるためのガード値によって制限される。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、過給機の過給特性を変化させる過給特性制御アクチュエータの制御変数であるアクチュエータ制御変数を計算する第３の計算手段を備える。第３の計算手段は、ベースＶＶＴ制御変数と最終ＶＶＴ制御変数のうちより少ない空気量に対応するＶＶＴ制御変数を選択し、選択したＶＶＴ制御変数と目標空気量とに基づいてアクチュエータ制御変数を計算する。アクチュエータ制御変数の値は、選択したＶＶＴ制御変数に従いＶＶＴが制御された場合において目標空気量を達成するのに十分な吸気管圧力を得ることのできる値とされる。よって、選択したＶＶＴ制御変数と目標空気量とから目標吸気管圧力を計算し、目標吸気管圧力に基づいてアクチュエータ制御変数を計算することは、アクチュエータ制御変数の好ましい計算方法である。目標吸気管圧力と推定吸気管圧力或いは計測吸気管圧力との差が閾値を超えるときには、吸気管圧力の増大速度が最大になるようにアクチュエータ制御変数の値を決定してもよい。

本発明に係る内燃機関の制御装置は、第２の計算手段で計算した最終ＶＶＴ制御変数に従ってＶＶＴを制御するとともに、第３の計算手段で計算したアクチュエータ制御変数に従って過給特性制御アクチュエータを制御する。

なお、本発明に係る内燃機関の制御装置は、スロットルの制御変数であるスロットル制御変数を目標吸気管圧力に基づいて算出する第４の計算手段を備えることができる。第４の計算手段は、好ましくは、目標吸気管圧力と推定吸気管圧力或いは計測吸気管圧力との差が閾値以上の場合、吸気管圧力の増大速度が最大になるようにスロットル制御変数の値を決定する。この場合、本発明に係る内燃機関の制御装置は、第２の計算手段で計算した最終ＶＶＴ制御変数に従ってＶＶＴを制御し、第３の計算手段で計算したアクチュエータ制御変数に従って過給特性制御アクチュエータを制御するとともに、第４の計算手段で計算したスロットル制御変数に従ってスロットルを制御する。

内燃機関の空気量は過給特性制御アクチュエータによって制御される吸気管圧力とＶＶＴのバルブタイミングとによって決まるので、ＶＶＴ制御変数に対応する空気量が小さいほど、過給特性制御アクチュエータの制御変数であるアクチュエータ制御変数はより高い吸気管圧力に対応した値となる。本発明に係る内燃機関の制御装置では、ベースＶＶＴ制御変数と最終ＶＶＴ制御変数のうちより少ない空気量に対応するＶＶＴ制御変数がアクチュエータ制御変数の計算において参照されるので、常に最終ＶＶＴ制御変数を参照する場合に比較して、アクチュエータ制御変数の値をより高い吸気管圧力に対応する値にすることができる。これにより、実空気量が目標空気量に達するまで吸気管圧力の上昇速度を高く維持することが可能となるので、加速時における目標空気量に対する実空気量の追従性及び収束性は従来よりも改善される。

本発明の実施の形態に係る制御装置の全体の構成を示す機能ブロック図である。 比較例としての吸気量制御ユニットの構成を示す機能ブロック図である。 吸気管圧力と吸気バルブ通過空気量とバルブタイミングとの関係を示す図である。 図２に示す構成の吸気量制御ユニットによる制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態に係る吸気量制御ユニットの構成を示す機能ブロック図である。 図５に示す構成の吸気量制御ユニットによる制御結果のイメージを示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本実施の形態に係る制御装置が適用される内燃機関は、ＷＧＶ付きのターボ過給機を備えた火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。本実施の形態に係るＷＧＶは、Ｅ−ＶＲＶによって駆動されるアクティブ制御対応のＷＧＶであって、ソレノイドに供給するデューティによって開度を制御することができる。吸気通路には電子制御式のスロットルが取り付けられ、吸気バルブにはＶＶＴが取り付けられている。本実施の形態に係るＶＶＴは、作用角を一定のまま吸気バルブの開時期と閉時期を連動して変化させる装置である。ＶＶＴによる吸気バルブの閉時期の可変範囲はＢＤＣよりも遅角側の範囲に制限されている。

内燃機関の運転は車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって制御される。ＥＣＵは車両制御、エンジン制御、変速機制御等の種々の機能を備えている。本実施の形態に係る制御装置はＥＣＵが備える機能の一部として実現される。ＥＣＵが本実施の形態に係る制御装置として機能する場合、ＥＣＵは、メモリに記憶されている制御プログラムに従って空気量に関係するアクチュエータ、すなわち、スロットル、ＶＶＴ、及び、ＷＧＶを協調操作する。

図１は、本実施の形態に係る制御装置の全体の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態に係る制御装置は、駆動系マネージャ１０とエンジン制御ユニット２０とを含んでいる。命令の伝達系統の上位に位置するのが駆動系マネージャ１０であって、エンジン制御ユニット２０はその下位に位置している。

駆動系マネージャ１０は、駆動力算出ユニット１２と要求トルク算出ユニット１４とを備えている。駆動力算出ユニット１２は、ドライバや車両制御デバイスによって必要とされる駆動力を算出するユニットであって、アクセル開度に基づいてベースの駆動力を算出し、車両制御デバイスからの駆動力要求に応じてベース駆動力を補正する。駆動力要求は、クルーズコントロール装置、電子制御式自動変速機（ＥＣＴ）、車両安定制御システム（ＶＳＣ）等の車両制御デバイスから必要に応じて出力される。要求トルク算出ユニット１４は、駆動力算出ユニット１２が算出した駆動力と現在のエンジン回転数とから駆動力の実現に必要なトルクを算出する。要求トルク算出ユニット１４で算出されたトルクは内燃機関に対する要求トルクとされ、駆動系マネージャ１０からエンジン制御ユニット２０に与えられる。

エンジン制御ユニット２０は、目標空気量算出ユニット２２と吸気量制御ユニット２４とを備えている。目標空気量算出ユニット２２は、駆動系マネージャ１０から与えられた要求トルクの実現に必要な空気量を目標空気量として算出する。その計算には、トルクと空気量とをエンジン回転数、点火時期、空燃比等の種々のエンジン情報を引数にして関連付けられたマップが用いられる。吸気量制御ユニット２４は、ＶＶＴの制御変数である目標バルブタイミング（目標ＶＴ）、ＷＧＶの制御変数であるＷＧＶデューティ、及び、スロットルの制御変数である目標スロットル開度（目標ＴＡ）を目標空気量に基づいて決定する。ＷＧＶデューティは、ＷＧＶを動作させるソレノイドのデューティを意味する。吸気量制御ユニット２４は本実施の形態に係る制御装置の要部であって、本発明に係る制御装置は吸気量制御ユニット２４の機能に具現化されている。以下、吸気量制御ユニット２４の詳細について説明する。

まず、吸気量制御ユニット２４に対する比較例として、本発明の創案過程において最初に検討された吸気量制御ユニットについて説明する。図２は、比較例としての吸気量制御ユニットの構成を示す機能ブロック図である。

比較例としての吸気量制御ユニットは、ＶＶＴ制御ユニット３０、スロットル制御ユニット４０、ＷＧＶ制御ユニット５０、及び目標吸気管圧力を算出する目標吸気管圧力算出ユニット６０を備えている。ＶＶＴ制御ユニット３０は、目標バルブタイミングを算出し、目標バルブタイミングに従ってＶＶＴを制御する機能を備えている。目標バルブタイミングは、より詳しくは、ＶＶＴの基準位置（初期位置）からの目標変位角を意味する。スロットル制御ユニット４０は、目標スロットル開度を算出し、目標スロットル開度に従ってスロットルを制御する機能を備えている。ＷＧＶ制御ユニット５０は、ＷＧＶデューティを算出し、ＷＧＶデューティに従ってＷＧＶを制御する機能を備えている。

ＶＶＴ制御ユニット３０は、さらに、ベースＶＴ算出ユニット３２、第１補正ユニット３４、及び第２補正ユニット３６から構成される。ベースＶＴ算出ユニット３２は、目標空気量の実現に必要なバルブタイミングをベースバルブタイミング（ベースＶＴ）として算出する。その計算には、空気量とバルブタイミングとをエンジン回転数を引数にして関連付けられたマップが用いられる。ベースバルブタイミングは、現在のエンジン回転数のもと目標空気量を達成するのに最適なＶＶＴの変位角である。より詳しくは、内燃機関の定常状態において燃費性能、排気ガス性能、燃焼安定性などの内燃機関に要求される性能を満たすことができ、且つ、エンジン回転数及び負荷率に対するＶＶＴの変位角の連続性、すなわち、ＶＶＴの制御性を満足させることのできるＶＶＴの変位角であり、その具体的な値は空気量ごと及びエンジン回転数ごとの適合によって決定されている。

第１補正ユニット３４は、ベースバルブタイミングに対して吸気量ＶＴ制御のための補正処理を施す。吸気量ＶＴ制御とは、加速時の目標空気量の増大によって目標空気量と実空気量との間に大きな差が生じた場合に、実空気量を最大の速度で増大させて目標空気量に追従させるべく、バルブタイミングをベースバルブタイミングよりも進角する制御を意味する。ＶＶＴによる吸気バルブの閉時期はＢＤＣよりも遅角側の範囲に制限されているので、バルブタイミングを進角するにつれて吸気バルブの閉時期はＢＤＣに近づいていく。そして、バルブタイミングがある値になったときに吸気バルブを通過する空気の流量が最大になる。このときのバルブタイミングを最大空気流量バルブタイミングとすると、最大空気流量バルブタイミングは空気脈動等の影響によりエンジン回転数等の運転状態によって変化する。第１補正ユニット３４には、運転状態ごとに最大空気流量バルブタイミングが記憶されている。

第１補正ユニット３４は、目標空気量と内燃機関のモデルを用いて推定した実空気量との差が閾値以上になった場合、吸気量ＶＴ制御を開始し、出力するバルブタイミングをベースバルブタイミングから最大空気流量バルブタイミングへ補正する。そして、目標空気量と実空気量との差が閾値以下になった場合、吸気量ＶＴ制御を終了し、出力するバルブタイミングを再び最大空気流量バルブタイミングからベースバルブタイミングへ戻す。なお、吸気量ＶＴ制御の開始判定に用いる閾値と終了判定に用いる閾値とは異なる値に設定することができる。

第２補正ユニット３６は、第１補正ユニット３４から出力されるバルブタイミングに対して各種のガード処理を施す。ここで施されるガード処理は、バルブタイミングの大きさ或いは変化速度をガード値によって制限する処理を意味し、動作性や信頼性の観点からＶＶＴの動作に制限を加える目的で行われる。具体的には、冷却水温が閾値以下となる低温時には、ＶＶＴの基準位置に対する動作量に制限を加えるためにバルブタイミングの大きさが所定のガード値で制限される。また、所定条件での過渡時には、バルブタイミングの変化速度が所定のガード値で制限される場合がある。

ＶＶＴ制御ユニット３０は、第２補正ユニット３６によって処理されたバルブタイミングを最終的な目標バルブタイミングに決定し、最終的な目標バルブタイミングに従ってＶＶＴを制御する。なお、加速時には、第１補正ユニット３４による吸気量ＶＴ制御の作用により、ベースバルブタイミングは最大空気流量バルブタイミングへ補正される。このため、基本的には、加速時における最終的な目標バルブタイミングはベースバルブタイミングよりも進角される。ただし、第２補正ユニット３６によるガード処理が行われた場合には、最終的な目標バルブタイミングがベースバルブタイミングよりも遅角される場合もありうる。

ＶＶＴ制御ユニット３０で算出された最終的な目標バルブタイミングは目標吸気管圧力算出ユニット６０に入力される。目標吸気管圧力算出ユニット６０には、さらに、目標空気量が入力される。目標吸気管圧力算出ユニット６０は、目標バルブタイミングと目標空気量とに基づき目標吸気管圧力を算出する。目標吸気管圧力の計算には、吸気バルブを通過する空気量を吸気管圧力とバルブタイミングとに関連付けるＡＢマップが用いられる。ただし、過給域ではスカベンジが発生するために吸気バルブを通過する空気量と燃焼に供される空気量とは必ずしも一致しない。このため、目標空気量をＡＢマップに当てはめるにあたっては、スカベンジ量の分だけ目標空気量を補正することが行われる。

図３は、ＡＢマップで定義されている吸気管圧力と吸気バルブ通過空気量とバルブタイミングとの関係について説明するための図である。図３に示すグラフでは、バルブタイミングを一定とした場合の吸気管圧力と吸気バルブ通過空気量との関係が折線で表されている。吸気管圧力と吸気バルブ通過空気量との関係を例示する２本の折線のうち、図中左側の折線はより進角されたバルブタイミングにおける両者の関係を示し、図中右側の折線はより遅角されたバルブタイミングにおける両者の関係を示している。これらの折線から分かるように、吸気バルブ通過空気量は吸気管圧力の上昇に比例して増大するが、その関係はバルブタイミングによって変化する。吸気バルブ通過空気量が一定の場合は、バルブタイミングが進角されるほど吸気管圧力は低下する。吸気管圧力が一定の場合は、バルブタイミングが進角されるほど吸気バルブ通過空気量は増大する。なお、図３に示すグラフはあくまでも例示であり、実際のＡＢマップでは、所定の変位角ごとに吸気管圧力と吸気バルブ通過空気量との関係が定義されている。

目標吸気管圧力算出ユニット６０で算出された目標吸気管圧力（目標Ｐｍ）は、スロットル制御ユニット４０とＷＧＶ制御ユニット５０とに入力される。スロットル制御ユニット４０は、目標吸気管圧力を達成することのできるスロットル開度を現在のエンジン回転数を参照して計算し、それを目標スロットル開度として決定する。ただし、目標吸気管圧力と圧力センサによって計測される実吸気管圧力との差が閾値以上になる場合には、実吸気管圧力を最大の速度で増大させて目標吸気管圧力に追従させるべく目標スロットル開度を全開にする制御が行われる。目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差が閾値以下になった場合、目標スロットル開度は再び目標吸気管圧力に応じた値に戻される。なお、スロットル全開制御の開始判定に用いる閾値と終了判定に用いる閾値とは異なる値に設定することができる。

ＷＧＶ制御ユニット５０は、目標吸気管圧力から目標過給圧を算出し、目標過給圧を達成することのできるＷＧＶ開度を現在のエンジン回転数を参照して計算し、そのＷＧＶ開度を得るために必要なＷＧＶデューティを決定する。なお、目標過給圧は目標吸気管圧力と等しい値とされるか、目標吸気管圧力に所定のマージンを加えた値とされる。ただし、目標吸気管圧力と吸気管圧力センサによって計測される実吸気管圧力との差、或いは、目標過給圧と過給圧センサによって計測される実過給圧との差が閾値以上になる場合には、実吸気管圧力を最大の速度で増大させて目標吸気管圧力に追従させるべく、ＷＧＶ開度を目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差に応じてより閉じ側に補正する制御が行われる。目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差、或いは、目標過給圧と実過給圧との差が閾値以下になった場合、ＷＧＶデューティは再び目標吸気管圧力に応じたＷＧＶ開度を得られる値に戻される。なお、ＷＧＶ全閉制御の開始判定に用いる閾値と終了判定に用いる閾値とは異なる値に設定することができる。

以上のように構成される比較例としての吸気量制御ユニットには、しかしながら、加速時における目標空気量に対する実空気量の追従性及び収束性に関して問題があることが判明した。図４は、比較例としての吸気量制御ユニットによる制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図４のタイムチャートには、加速時におけるアクセル開度、エンジン回転数、空気量、スロットル開度、ＷＧＶ開度、バルブタイミング、及び吸気管圧力のそれぞれの時間変化が同一の時間軸で表されている。以下、比較例としての吸気量制御ユニットが有する問題点について、図４を用いて説明する。

図４の最上段のチャートに示すように、加速時にはドライバによりアクセルペダルが踏み込まれてアクセル開度が増大する。このため、アクセル開度から算出される要求トルクが増大し、要求トルクに基づき算出される目標空気量（空気量の目標値）が増大する。目標空気量が増大すると、ＶＶＴ制御ユニット３０で計算されるベースバルブタイミングは増大した目標空気量とエンジン回転数とから決まる値に変化する。さらに、ＶＶＴの制御に用いられる最終的な目標バルブタイミングは、目標空気量と空気量の実値（実空気量）との差の拡大に伴い開始される吸気量ＶＴ制御によって進角側に補正される。なお、ここでは最終目標バルブタイミングに対するガード処理は行われないものとする。

目標吸気管圧力（吸気管圧力の目標値）は最終目標バルブタイミングと目標空気量とから計算され、目標吸気管圧力に基づいてスロットル開度とＷＧＶ開度とが決定される。このとき、目標吸気管圧力と実吸気管圧力（吸気管圧力の実値）との差を縮めるべくスロットルは最大開度まで開かれてＷＧＶは全閉まで閉じられる。これにより目標吸気管圧力に向けて実吸気管圧力は次第に上昇していき、それとともに目標空気量に向けて実空気量も次第に上昇していく。

やがて、実空気量の上昇によって目標空気量と実空気量との差が縮小し、ある時点（図４に示す時点t1）において差は吸気量ＶＴ制御の終了条件である閾値以下となる。その後、比較例としての吸気量制御ユニットによれば、次に説明する（１）〜（８）の制御結果が得られる。なお、以下の（１）〜（８）の番号は、図４中に示されている各パラメータの特徴的な動きを識別するための（１）〜（８）の番号と対応している。

（１）吸気量ＶＴ制御の終了により、最終目標バルブタイミングは最大空気流量バルブタイミングから遅角されてベースバルブタイミングに戻されていく。

（２）吸気量ＶＴ制御の終了と前後して、実吸気管圧力が目標吸気管圧力に近づくことによってＷＧＶ全閉制御が終了される。ＷＧＶ全閉制御の終了後、ＷＧＶ開度は目標吸気管圧力に応じた開度まで開かれる。

（３）また、吸気量ＶＴ制御の終了と前後して、実吸気管圧力が目標吸気管圧力に近づくことによってスロットル全開制御も終了される。スロットル全開制御の終了後、スロットル開度は目標吸気管圧力に応じた開度まで閉じられる。

（４）最終目標バルブタイミングがベースバルブタイミングに戻されてバルブタイミングが遅角され、さらにＷＧＶが開き方向に制御されるとともにスロットルが閉じ方向に制御されることにより、実空気量は目標空気量に到達する直前で停滞するか或いは図４に示すように減少する。

（５）最終目標バルブタイミングが遅角される一方、目標空気量は一定であるので、ＡＢマップを用いて決定される目標吸気管圧力は最終目標バルブタイミングが遅角されるに従って再度上昇していく。

（６）目標吸気管圧力が再度上昇することにより、ＷＧＶ全閉制御の終了によって一旦開き側に制御されていたＷＧＶ開度は、目標吸気管圧力の上昇に追従して再び閉じ側に制御される。その後、目標吸気管圧力がエンジン回転数と目標空気量とから決まる定常状態での値に収束するにつれて、ＷＧＶ開度は定常状態での目標吸気管圧力に応じた開度に収束していく。

（７）また、目標吸気管圧力が再度上昇することにより、スロットル全開制御の終了によって一旦閉じ側に制御されていたスロットル開度は、目標吸気管圧力の上昇に追従して再び開き側に制御される。その後、目標吸気管圧力がエンジン回転数と目標空気量とから決まる定常状態での値に収束するにつれて、スロットル開度は定常状態での目標吸気管圧力に応じた開度に収束していく。

（８）ＷＧＶ開度が再び閉じ側に制御され、また、スロットル開度が再び開き側に制御されることにより、目標空気量に達する前の領域で停滞或いは減少していた実空気量は再び上昇していき、やがて目標空気量に収束する。

以上の制御結果から分かるように、比較例としての吸気量制御ユニットでは、ＶＶＴによる吸気量制御とＷＧＶ及びスロットルによる吸気管圧力制御との間で干渉が生じる結果、実空気量が目標空気量に達する手前で実空気量の変化に停滞が生じたり、一時的な低下が生じたりしてしまう。このような実空気量の目標空気量に対する追従遅れや収束遅れは内燃機関が出力するトルクに段付きを生じさせるため、ドライバの加速要求に見合ったトルク応答性を実現することができなくなる。

本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４は、比較例としての吸気量制御ユニットが有する上記の問題を解決すべく図５の機能ブロック図に示す構成を採用している。図５に示す構成において比較例としての吸気量制御ユニットが有する要素と共通の要素については同一の符号が付されている。

本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４は、ＶＶＴ制御ユニット３０、スロットル制御ユニット４０、ＷＧＶ制御ユニット５０、目標吸気管圧力算出ユニット６０、及び最小値選択ユニット７０を備えている。ＶＶＴ制御ユニット３０は、ベースＶＴ算出ユニット３２、第１補正ユニット３４、及び第２補正ユニット３６から構成される。最小値選択ユニット７０は本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４において新たに採り入れられた要素であり、比較例としての吸気量制御ユニットが有する問題を解決する上でのポイントとなっている。

本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４では、ＶＶＴ制御ユニット３０のベースＶＴ算出ユニット３２で算出されたベースバルブタイミング（ベースＶＴ）と、ＶＶＴ制御ユニット３０から出力される最終的な目標バルブタイミング（目標ＶＴ）とが最小値選択ユニット７０に入力される。最小値選択ユニット７０はそれら２つのバルブタイミングのうち、より遅角側のバルブタイミング、すなわち、より少ない空気量に対応するバルブタイミングを選択する。そして、選択したバルブタイミングを目標吸気管圧力算出ユニット６０に入力する。

本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４では、目標吸気管圧力算出ユニット６０は、最小値選択ユニット７０で選択されたバルブタイミングと目標空気量とに基づき目標吸気管圧力を算出する。加速時には、第２補正ユニット３６によるガード処理が行われない限り、ベースバルブタイミングの方が最終的な目標バルブタイミングよりも遅角側のバルブタイミングになっている。よって、本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４の場合、目標吸気管圧力算出ユニット６０で算出される目標吸気管圧力は、ベースバルブタイミングに基づいて算出された値となる。図３のグラフから分かるように、空気量（吸気弁通過空気量）が一定の場合、バルブタイミングが遅角されるほど吸気管圧力は上昇する。よって、加速時にベースバルブタイミングに基づいて算出される目標吸気管圧力は、最終的な目標バルブタイミングに基づいて算出される目標吸気管圧力よりも高い値となる。

以上の構成を有する吸気量制御ユニット２４によれば、図６のタイムチャートに示すような制御結果を得ることができる。図６には、加速時におけるアクセル開度、エンジン回転数、空気量、スロットル開度、ＷＧＶ開度、バルブタイミング、及び吸気管圧力のそれぞれの時間変化が同一の時間軸で表されている。以下、比較例としての吸気量制御ユニットが有する問題点が吸気量制御ユニット２４によってどのように解決されたかについて、図６を用いて説明する。

図６の最上段のチャートに示すようにドライバによりアクセルペダルが踏み込まれてアクセル開度が増大すると、アクセル開度から算出される要求トルクが増大し、要求トルクに基づき算出される目標空気量（空気量の目標値）が増大する。目標空気量が増大すると、ベースバルブタイミングは増大した目標空気量とエンジン回転数とから決まる値に変化し、さらに、最終的な目標バルブタイミングは吸気量ＶＴ制御によって最大空気流量バルブタイミングまで進角される。なお、ここでは最終目標バルブタイミングに対するガード処理は行われないものとする。

本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４によれば、ＶＶＴは最終目標バルブタイミングに従い制御されるが、目標吸気管圧力（吸気管圧力の目標値）はベースバルブタイミングと目標空気量とから計算される。最下段のチャートには、ベースバルブタイミングから計算された目標吸気管圧力が実線で表されるとともに、最終目標バルブタイミングから計算された目標吸気管圧力が一点鎖線で表されている。スロットル開度とＷＧＶ開度は、ベースバルブタイミングから計算された目標吸気管圧力に基づいて制御される。目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差を縮めるべくスロットルは最大開度まで開かれてＷＧＶは全閉まで閉じられる。

やがて、実空気量の上昇によって目標空気量と実空気量との差が縮小し、ある時点（図４に示す時点t2）において差は吸気量ＶＴ制御の終了条件である閾値以下となる。その後、本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４によれば、次に説明する（１）〜（６）の制御結果が得られる。なお、以下の（１）〜（６）の番号は、図６中に示されている各パラメータの特徴的な動きを識別するための（１）〜（６）の番号と対応している。

（１）吸気量ＶＴ制御の終了により、最終目標バルブタイミングは最大空気流量バルブタイミングから遅角されてベースバルブタイミングに戻されていく。

（２）目標吸気管圧力は最終目標バルブタイミングではなくベースバルブタイミングに基づいて算出されるため、最終目標バルブタイミングの遅角側への変化に連動せず、目標空気量に応じた値に保たれ続ける。このとき、仮に目標吸気管圧力が最終目標バルブタイミングに基づき算出されるとすれば、一点鎖線に示すように目標吸気管圧力は最終目標バルブタイミングの遅角に連動して上昇することになる。

（３）目標吸気管圧力はベースバルブタイミングに基づいて算出されるため、目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差がＷＧＶ全閉制御の閾値以下になる時点は吸気量ＶＴ制御の終了時点よりも後になる。このため、吸気量ＶＴ制御の終了後しばらくはＷＧＶ全閉制御が維持され、目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差が閾値以下になってからＷＧＶ開度は目標吸気管圧力に応じた開度まで開かれる。このときに目標吸気管圧力が最終目標バルブタイミングの遅角に連動して上昇することはないため、ＷＧＶが再び閉じ側に制御されることはない。
（４）スロットル開度もＷＧＶ開度と同様の時間変化を示す。すなわち、目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差がスロットル全開制御の閾値以下になる時点は吸気量ＶＴ制御の終了時点よりも後になるため、吸気量ＶＴ制御の終了後しばらくはスロットル全開制御が維持される。そして、目標吸気管圧力と実吸気管圧力との差が閾値以下になってからスロットル開度は目標吸気管圧力に応じた開度まで閉じられるが、目標吸気管圧力が最終目標バルブタイミングの遅角に連動して上昇することはないため、スロットルが再び開き側に制御されることはない。

（５）ＷＧＶやスロットルの動きに変動が生じないため、吸気量ＶＴ制御の終了後も実吸気管圧力は目標吸気管圧力まで速やかに上昇していく。

（６）実吸気管圧力が目標吸気管圧力まで速やかに上昇し、また、ＷＧＶやスロットルの動きに変動が生じないことにより、実空気量が目標空気量に達する手前で実空気量の変化に停滞が生じたり、一時的な低下が生じたりしてしまうことはない。つまり、実空気量は目標空気量まで速やかに上昇して目標空気量に滑らかに収束する。

以上の制御結果から分かるように、本実施の形態に係る吸気量制御ユニット２４によれば、ＶＶＴによる吸気量制御とＷＧＶ及びスロットルによる吸気管圧力制御との間で干渉を生じさせないので、加速時における実空気量の目標空気量に対する追従遅れや収束遅れは回避される。これにより、加速時におけるトルクの段付きを防止して、ドライバの加速要求に見合った高いトルク応答性を実現することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、ベースＶＴ算出ユニット３２が本発明における「第１の計算手段」に相当し、ベースバルブタイミングが「ベースＶＶＴ制御変数」に相当する。また、第１補正ユニット３４が、或いは第１補正ユニット３４と第２補正ユニット３６からなる計算ユニットが「第２の計算手段」に相当し、最終目標バルブタイミングが「最終ＶＶＴ制御変数」に相当する。そして、最小値選択ユニット７０と目標吸気管圧力算出ユニット６０とＷＧＶ制御ユニット５０とからなる計算ユニットが「第３の計算手段」に相当し、ＷＧＶデューティが「アクチュエータ制御変数」に相当する。

ところで、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、ＶＶＴ制御ユニット３０を構成する第２補正ユニット３６はこれを無くすこともできる。つまり、少なくともベースＶＴ算出ユニット３２と第１補正ユニット３４とを有していればよい。

また、上述の実施の形態ではスロットルの全開制御を行っているが、スロットル全開制御は必須ではなく常に目標吸気管圧力に応じたスロットル開度に制御されるのでもよい。或いは、過給領域ではスロットルは常に全開に制御されるようになっていてもよい。つまり、本発明が適用される対象は、ＶＶＴによる吸気量制御とＷＧＶによる吸気管圧力制御とが行われる制御装置であればよく、スロットルによる吸気管圧力制御は必須ではない。

また、本発明に係る制御装置は、ＷＧＶ付きターボ過給機を有する内燃機関だけでなく、可変ノズルを備えた可変容量型ターボ過給機を有する内燃機関にも適用することができる。また、電動モータ等のアクチュエータによって過給特性を変化させることができるのであれば、ターボ過給機だけでなく、機械式過給機を有する内燃機関にも本発明に係る制御装置を適用することができる。

１０ 駆動系マネージャ
１２ 駆動力算出ユニット
１４ 要求トルク算出ユニット
２０ エンジン制御ユニット
２２ 目標空気量算出ユニット
２４ 吸気量制御ユニット
３０ ＶＶＴ制御ユニット
３２ ベースＶＴ算出ユニット
３４ 第１補正ユニット
３６ 第２補正ユニット
４０ スロットル制御ユニット
５０ ＷＧＶ制御ユニット
６０ 目標吸気管圧力算出ユニット
７０ 最小値選択ユニット

Claims (5)

1. 可変バルブタイミング機構と、過給機と、前記過給機の過給特性を変化させる過給特性制御アクチュエータとを有する内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関の目標空気量に基づいて前記可変バルブタイミング機構の基本の制御変数であるベースＶＶＴ制御変数を計算する第１の計算手段と、
   前記ベースＶＶＴ制御変数を前記内燃機関の状態或いは前記可変バルブタイミング機構の状態に応じて補正することにより前記可変バルブタイミング機構の最終的な制御変数である最終ＶＶＴ制御変数を計算する第２の計算手段と、
   前記ベースＶＶＴ制御変数と前記最終ＶＶＴ制御変数のうちより少ない空気量に対応するＶＶＴ制御変数を選択し、選択したＶＶＴ制御変数と前記目標空気量とに基づいて前記過給特性制御アクチュエータの制御変数であるアクチュエータ制御変数を計算する第３の計算手段とを備え、
   前記制御装置は、前記最終ＶＶＴ制御変数に従って前記可変バルブタイミング機構を制御するとともに、前記アクチュエータ制御変数に従って前記過給特性制御アクチュエータを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記第２の計算手段は、前記目標空気量と前記内燃機関の状態から推定された空気量或いは計測された空気量との差が閾値以上の場合、吸気バルブを通過する空気の流量が最大になるように前記ベースＶＶＴ制御変数を補正す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。
3. 前記第２の計算手段は、前記可変バルブタイミング機構の動作に制限を加えるためのガード値によって前記最終ＶＶＴ制御変数の大きさ或いは変化速度を制限す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。
4. 前記第３の計算手段は、前記選択したＶＶＴ制御変数と前記目標空気量とに基づいて前記内燃機関の目標吸気管圧力を算出し、前記目標吸気管圧力に基づいて前記アクチュエータ制御変数を計算することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記第３の計算手段は、前記目標吸気管圧力と前記内燃機関の状態から推定された吸気管圧力或いは計測された吸気管圧力との差が閾値以上の場合、吸気管圧力の増大速度が最大になるように前記アクチュエータ制御変数を計算することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。

Images