JP2008196474A - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な環境下において、少ない工程数で高精度の一定負圧制御を実現することが可能な吸気制御装置を提供する。
【解決手段】本発明は、少なくとも吸気バルブのリフト量を連続的に調節して吸入空気量を制御する可変動弁機構と、吸気管内のゲージ圧を所定の目標ゲージ圧に保持するためのスロットル弁と、を備える内燃機関における吸気制御装置を提供する。この装置は、所定の基準ゲージ圧、基準大気圧および基準吸気温度における吸入空気量とスロットル開口面積との関係を表す第1のテーブルを参照して、目標吸入空気量から基準スロットル開口面積を求める手段と、目標ゲージ圧、現在の大気圧、および現在の吸気温度を用いてベルヌーイの定理に基づき導出された補正パラメータで該基準スロットル開口面積を補正して、目標ゲージ圧を達成するスロットル開口面積を求める手段と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸気系を制御する装置に関する。

スロットル弁の開度を調整することにより、内燃機関の吸気管内の負圧（ゲージ圧）を目標値で一定に保つ一定負圧制御が、これまでに提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

従来の一定負圧制御の手法では、負圧の目標値を実現するスロットル弁の開度を算出するためのテーブルが、事前に設定された目標値ごとに複数個用意されている。これらの複数のテーブルから現在の目標値に対応するものを選択し、さらに事前の試験結果に基づく環境補正を実行して、最終的なスロットル弁の開度が算出される。また、吸気系にスロットル以外から流入する空気（2次エア）が発生したときには、負圧のフィードバック制御などにより、さらにスロットル開度が補正される。
特開2000-161120号

しかしながら、従来の一定負圧制御の手法では、スロットル開度を算出するまでの工程数が多く、負圧の目標値の設定数に応じて個別のテーブルを持つ必要があるので、一定負圧制御を実現するためのソフトウェアプログラムの処理が複雑なものとなってしまう。また、2次エアの流入量によってはフィードバック制御では補正しきれない場合がある。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、様々な環境下において、少ない工程数で高精度の一定負圧制御を実現することが可能な吸気制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、少なくとも吸気バルブのリフト量を調節して吸入空気量を制御する可変動弁機構（４０）と、吸気管内のゲージ圧を所定の目標ゲージ圧に保持するためのスロットル弁（４６）と、を備える内燃機関における吸気制御装置を提供する。この装置は、所定の基準ゲージ圧（ＰＢＧＡbase）、基準大気圧(Pbase)および基準吸気温度（Ｔbase）における吸入空気量とスロットル開口面積との関係を表す第1のテーブル（図３）を、目標吸入空気量に基づいて参照し、基準スロットル開口面積（Ａbase）を求める基準スロットル開口面積算出手段（６４）と、目標ゲージ圧、現在の大気圧、および現在の吸気温度を用いてベルヌーイの定理に基づき導出された補正パラメータで、該基準スロットル開口面積を補正して（式（４））、目標ゲージ圧を達成するためのスロットル開口面積（Ａ）を求めるスロットル開口面積算出手段（６６）と、を備える。

この発明により、目標ゲージ圧、吸気温度、大気圧が変動する様々な運転条件下において、１つのテーブルと１つの補正パラメータのみでスロットル開口面積を求めることができるので、少ない工程数で高精度な一定負圧制御を実現することができる。

本発明の一実施形態によると、さらに、吸入空気量検出手段によって検出される実吸入空気量と、目標吸入空気量との偏差を最小にするフィルタ処理により、有効吸入空気量を算出する手段（６２）を備える。上記の基準スロットル開口面積算出手段は、該有効吸入空気量に基づいて上記第１のテーブルを参照して、基準スロットル開口面積を求める。こうして、二次エア等によって生じうる実吸入空気量と目標吸入空気量の偏差が解消された有効吸入空気量に基づくことにより、より適切な基準スロットル開口面積を算出することができる。

本発明の一実施形態によると、スロットル開口面積とスロットル弁の開度との関係を表す第２のテーブル（図７）を、上記求めたスロットル開口面積に基づいて参照して、スロットル弁の開度を求める手段（７０）をさらに有する。こうして、スロットル開口面積算出手段によって求められたスロットル開口面積に従ってスロットル弁の開度を制御することができる。

本発明の一実施形態によると、吸気管内のゲージ圧が目標ゲージ圧に収束するように、スロットル開口面積の補正量（ΔＡ）を求め、この補正量を、上記求められたスロットル開口面積に加算して、スロットル開口面積をフィードバック補正するフィードバック補正手段（６８）をさらに有する。こうして、フィードバック制御を用いて、より高精度に、実ゲージ圧を目標ゲージ圧に維持させることができる。

本発明の一実施形態によると、フィードバック補正手段は、内燃機関が低負荷および高負荷状態のとき、燃料カット時、目標ゲージ圧が小さいとき、ならびに目標ゲージ圧の変動が大きいときに、補正量を決めるためのフィードバックゲインを変化させる。こうして、内燃機関の運転状態に応じて、フィードバック制御の収束特性を変更することができる。

本発明の一実施形態によると、フィードバック補正手段は、スロットル全開時、内燃機関の始動時、および吸気バルブのリフト量を固定して運転している時には、上記補正量を０にしてフィードバック補正を停止する。こうして、内燃機関の運転状態に応じて、フィードバック制御を停止させることができる。

本発明の一実施形態によると、内燃機関の吸気の粘性を表すパラメータ、および、吸気管の開口面積（Ａ_Ｄ）に対する、スロットル開口面積算出手段によって算出されたスロットル開口面積の開口面積比（ｍ）に基づいて、スロットル開口面積算出手段によって求められたスロットル開口面積（Ａ）を補正する補正手段（１０５）をさらに備える。

吸気の粘性および開口面積比に依存して、スロットル弁を介して流入する吸入空気量が変動するおそれがある。この発明によれば、スロットル開口面積が、吸気の粘性および開口面積比に基づいてさらに補正されるので、このような変動が生じても、目標ゲージ圧を達成することができるようなスロットル開口面積を算出することができる。

本発明の一実施形態では、上記粘性を表すパラメータは、レイノルズ数（Ｒｅ）である。レイノルズ数は、有効吸入空気量（Ｑｅ）、吸気管の開口面積（Ａ_Ｄ）、吸気管の内径（Ｄ）、および吸気の粘性係数（μ）に基づいて算出される。また、本発明の一実施形態では、現在の吸気温度（ＴＡ）に基づいて、粘性係数を算出する。こうして、吸気の粘性を表すパラメータを算出することができる。

本発明の一実施形態によると、上記フィードバック補正手段は、上記補正手段によって補正されたスロットル開口面積（Ａ２）について上記補正量（ΔＡ）を求め、該補正量を、該補正されたスロットル開口面積に加算して、フィードバック補正する。こうして、フィードバック制御に、補正済みスロットル開口面積を用いることにより、より適切な補正量を算出することができる。

本発明の一実施形態によると、吸気管内のゲージ圧（ＰＢＧＡ）と目標ゲージ圧（ＰＢＧＡ＿ＣＭＤ）との差が所定値より大きければ、フィードバック補正手段による補正を禁止し、スロットル弁の開度を所定値に制御する。

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンという）およびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１０は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース１０a、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ１０ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ１０ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース１０ｄを備えるコンピュータである。メモリ１０ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。

本発明に従う一定負圧制御のためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、メモリ１０ｃのＲＯＭに格納されている。このＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ１０ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。

ＥＣＵ１０に向けて送られたセンサ出力等の各種信号は入力インタフェース１０ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ１０ｂは、変換されたデジタル信号をメモリ１０ｃに格納されているプログラムに従って処理して、制御信号を作り出す。出力インタフェース１０ｄは、これらの制御信号を車両の各部位へと送る。

エンジン１２は、たとえば４気筒４サイクルのエンジンであり、図には、そのうちの一つの気筒が概略的に示されている。エンジン１２は、吸気バルブ１４を介して吸気管１６に連結され、排気バルブ１８を介して排気管２０に連結されている。ＥＣＵ１０からの制御信号に従って燃料を噴射する燃料噴射弁２２が、吸気管１６に設けられている。なお、代替的に、燃料噴射弁２２は燃焼室２４に設けられても良い。

エンジン１２は、吸気管１６から吸入される空気と、燃料噴射弁２２から噴射される燃料との混合気を、燃焼室２４に吸入する。燃料室２４には、ＥＣＵ１０からの点火時期信号に従って火花を飛ばす点火プラグ２６が設けられている。点火プラグ２６による火花により、混合気は燃焼する。この燃焼により混合気の体積は増大し、ピストン２８を下方に押し下げる。ピストン２８の往復運動は、クランクシャフト３０の回転運動に変換される。４サイクルエンジンでは、エンジンのサイクルは、吸入、圧縮、燃焼、および排気行程からなる。ピストン２８は、１サイクルにつき２往復する。

エンジン１２には、クランクシャフト３０の回転角度を検出するクランク角センサ３２が設けられている。クランク角センサ３２は、クランクシャフト３０の回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ１０に出力する。

ＣＲＫ信号は、所定のクランク角で（たとえば、３０度ごとに）出力されるパルス信号である。ＴＤＣ信号は、ピストン２８のＴＤＣ位置（上死点）に関連したクランク角度（たとえば、１８０度ごとに）で出力されるパルス信号である。これらパルス信号は、燃料噴射時期、点火時期などのエンジンを運転するための各種タイミング制御に使用される。

連続可変動弁機構４０は、吸気バルブ１４のリフト量および開閉タイミング（位相）を連続的に変化することができる機構である。本実施形態では、連続可変動弁機構４０は、可変リフト機構４２および可変位相機構４４から構成される。

可変リフト機構４２は、ＥＣＵ１０からの制御信号に従って、吸気バルブ１４のリフト量を連続的に変更することができる機構である。可変リフト機構は、任意の既知の手法により実現することができる。例えば、カム、リフト可変リンク、アッパーリンク、ロアリンクから構成され、ロアリンクの角度をアクチュエータなどで変更して、バルブの最大リフト量を制御する手法が提案されている（たとえば、特開２００４−０３６５６０号を参照）。

可変位相機構４４は、ＥＣＵ１０からの制御信号に従って、吸気バルブ１４の開閉タイミングを連続的に変更する。可変位相機構は、任意の既知の手法により実現することができる。たとえば、電磁的に吸気バルブの位相を進角または遅角に制御する手法が提案されている（たとえば、特開２０００―２２７０３３号を参照）。

なお、代替的に、可変リフト機構４２および可変位相機構４４を一体的に構成してもよい。また、本願発明は、リフト量および位相を連続的に変更可能なこれら機構に限定されるわけではなく、リフト量および位相を段階状に変更可能な機構にも適用可能である。

本実施形態では、連続可変動弁機構４０は、エンジン１２への吸入空気量の制御に利用される。連続可変動弁機構４０を用いて吸気バルブ１４のリフト量を変化させることにより、吸入空気量を制御することができる。

吸気管１６内にはスロットル弁４６が配置されている。スロットル弁４６は、ＥＣＵ１０からの制御信号に応じてアクチュエータ(図示せず)によって駆動されるドライブバイワイヤ（drive by wire：ＤＢＷ）式のスロットル弁である。

スロットル弁開度センサ４８がスロットル弁４６に設けられており、スロットル開度ＴＨに応じた信号をＥＣＵ１０に出力する。

本実施形態では、スロットル弁４６は、吸気管内の負圧を目標値に一定に維持するための一定負圧制御に利用される。スロットル弁４６の開度を変化させることにより、吸気管内のゲージ圧を調整して、一定負圧制御を実施することができる。

吸気管１６のスロットル弁４６の上流側に、エアフローメータ５０が設置されている。エアフローメータ５０は、吸入空気量ＧＡＩＲを示す電気信号をＥＣＵ１０に出力する。

吸気管１６のスロットル弁４６の下流には吸気管内圧力センサ５２および吸気温センサ５４が備えられ、それぞれ、吸気管内絶対圧ＰＢおよび吸気温度ＴＡを示す電気信号をＥＣＵ１０に出力する。

また、大気圧センサ５６がエンジン外部の任意の位置に設置されており、大気圧ＰＡを示す電気信号をＥＣＵ１０に出力する。

排気管２０の触媒５８の上流側にはＬＡＦ(linear air-fuel)センサ６０が設置されている。ＬＡＦセンサ６０は、リーンからリッチにわたる広範囲において排出ガス中の酸素濃度に比例する信号をＥＣＵ１０に出力する。

次に、図２を参照して、本発明の第１の実施形態に従う内燃機関の吸気制御装置について説明する。

吸気制御装置は、上述のように可変動弁機構４０を用いて吸気バルブ１４のリフト量を調整して吸入空気量を制御する。さらに、吸気制御装置は、スロットル弁４６の開度を調整して、吸入空気量の増減に関係なく吸気管１６内のゲージ圧を目標ゲージ圧に維持するための一定負圧制御を実施する。一実施形態では、吸気制御装置の各機能は、ＥＣＵ１０のメモリ１０ｃに記憶されたプログラムをＣＰＵ１０ｂが実行することにより実現される。

図２は、吸気制御装置の機能のうち、一定負圧制御の機能の詳細について示している。

一定負圧制御の概略は、目標吸入空気量に基づいて、現在の大気圧および吸気温下で目標ゲージ圧を達成するためのスロットル弁４６の開口面積を推定するフィードフォワード制御の役割をもつ部分（有効吸入空気量算出部６２、基準スロットル開口面積算出部６４、スロットル開口面積補正部６６）と、現在の吸気管内のゲージ圧が目標ゲージ圧に維持されるように、該スロットル開口面積の補正量を算出するフィードバック制御の役割をもつ部分（フィードバック補正部６８）から構成される。

まず図２の上部に配置されるフィードフォワード制御の役割をもつ部分について説明する。好ましくは、有効吸入空気量算出部６２が設けられ、該有効吸入空気量算出部６２は、既知の逐次型同定アルゴリズムを用いて、有効吸入空気量Ｑｅを算出する。ここで、有効吸入空気量Ｑｅは、目標吸入空気量ＧＡＩＲ＿ＣＭＤに対し、スロットル弁４６を実際に通過する吸気量を表す。

式（１）に示されるように、有効吸入空気量Ｑｅはモデル化されることができる。ここで、目標吸入空気量ＧＡＩＲ＿ＣＭＤは、任意の適切な手法により、エンジンの運転状態（たとえば、アクセルペダルの開度およびエンジン回転数）に応じて決められる。θは、モデルパラメータを表す。スロットル弁を実際に通過する吸気量は、二次エア等の影響によって、目標吸入空気量に対して偏差を有しており、該偏差が、モデルパラメータによって表されている。
Ｑｅ（今回値）＝θ(今回値)＋ GAIR_CMD（今回値） （１）

モデルパラメータθを求めるために、式（２）に示されるような逐次型同定アルゴリズム（この実施例では、最小二乗フィルタ）を、同定誤差ｅに適用する。同定誤差ｅは、式（３）に示されるように、エアフローメータ５０によって計測された実吸入空気量ＧＡＩＲと、モデルに基づく有効吸入空気量Ｑｅとの差である。Ｐは同定ゲインであり、例えば０．０１である。こうして、同定誤差ｅを最小にするように、モデルパラメータθは算出される。
θ(今回値)＝θ(前回値)＋Ｐ・e（今回値） （２）
e（今回値）＝
GAIR（今回値）―（θ(前回値)＋GAIR_CMD（今回値）） （３）

このように導出される有効吸入空気量Ｑｅは、実吸入空気量ＧＡＩＲまたは目標吸入空気量ＧＡＩＲ＿ＣＭＤに基づいてスロットル開度を制御する際のそれぞれの長所を両立させることができる。すなわち、実吸入空気量ＧＡＩＲは、スロットル４６の上流に設置されたエアフローメータ５０によって検出されるので、実吸入空気量ＧＡＩＲに基づくことにより、２次エアの流入の影響を受けることなく必要なスロットル開度を精度良く推定できるという長所がある。しかしながら、スロットルの変動に応じて実吸入空気量ＧＡＩＲの値も変動するので、推定されるスロットル開度が安定しないという短所がある。

目標吸入空気量ＧＡＩＲ＿ＣＭＤは、スロットル開度を導出パラメータとして用いないので、スロットル変動の干渉を受けないという長所があるが、２次エア流入時にはスロットルを通過する空気量が正確にわからなくなるので、スロットル開度の推定精度が低下するという短所がある。

有効吸入空気量Ｑｅに基づいてスロットル開度を制御することにより、２次エア流入時に制御の精度を維持することと、スロットルとの干渉を回避することが同時に実現できる。

基準スロットル開口面積算出部６４は、ある基準状態、すなわち基準となるゲージ圧、大気圧、および吸気温度における吸入空気量と、スロットル開口面積との関係を表す相関テーブルを参照して、有効吸入空気量Ｑｅから、上述の基準状態下におけるスロットル開口面積を表す基準スロットル開口面積Ａbaseを求める。

図３に、このような相関テーブルの一例を示す。この例では、ゲージ圧が５０mmhg（6.666kPa）、大気圧が１気圧（760mmHgすなわち１０１．３２ｋPa）、吸気温度が２５度である基準状態下における有効吸入空気量とスロットル開口面積との関係を表している。ゲージ圧は、吸気管内絶対圧の大気圧に対する差圧を示す。該相関テーブルは、ＥＣＵ１０のメモリ１０ｃ（図１）に記憶されることができる。

こうして求めた基準スロットル開口面積Ａbaseは、上記の基準状態下で、有効吸入空気量を達成するためのスロットル開口面積を表している。なお、基準状態は、上記のような数値に限定されず、他の値のゲージ圧、大気圧および吸気温度を持つ状態を基準状態に設定してもよい。

代替的に、目標吸入空気量に基づいて図３のようなテーブルを参照し、基準スロットル開口面積Ａbaseを求めてもよい。この代替構成の場合には、有効吸入空気量算出部６２は必要とされない。

スロットル開口面積補正部６６は、目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤ、現在の吸気温度ＴＡ、現在の大気圧ＰＡに基づき基準スロットル開口面積Abaseを補正して、現在の運転条件に合うスロットル開口面積Ａを算出する。ここで、目標ゲージ圧は、既知の任意の手法を用い、エンジンの運転状態に応じて決められることができる（たとえば、目標吸入空気量を達成するよう、吸気バルブの目標リフト量に応じて決めることができる）。現在の吸気温度ＴＡは、吸気温センサ５４（図１）により検出され、現在の大気圧ＰＡは、大気圧センサ５６（図１）により検出される。

この補正は、ベルヌーイの定理から導出された補正式を用いて次式のように行なわれる。

ここで、PBGAbaseは、上記基準状態下の基準目標ゲージ圧であり、Tbaseは、基準状態下の基準吸気温度であり、Pbaseは、基準状態下の基準大気圧であり、前述したように、本実施形態では、それぞれ、５０mmHg（６．６６６ｋＰａ）、２５℃、および７６０mmＨg（１０１．３２ｋＰａ）である。なお、式（４）において、温度の単位としてケルビンを用いるので、ＴＡおよびＴbaseに２７３が加算されている。

ここで、図４を参照して、上記式（４）の導出根拠を説明する。図には、スロットル弁４６が配置された吸気管１６に関する各種パラメータが表されている。吸気管の流路開口面積およびボア径（内径）は予め決められており、それぞれ、Ａ_ＤおよびＤによって表される。スロットル弁４６が配置された所の面積すなわちスロットル開口面積は、Ａで表される。スロットル弁４６の上流の圧力は大気圧ＰＡで表され、下流の圧力は、吸気管内圧力センサ５２（図１）により検出され、ＰＢで表される。ゲージ圧ＰＢＧＡは、ＰＡ−ＰＢにより算出される。空気密度は、ρで表される。図では、ＧＡＩＲの流量の吸入空気量が、スロットル弁を通過している様子を示している。

一般に、圧力（ここでは、大気圧）ＰＡの領域から、断面積Ａの経路を介して圧力ＰＢの領域へ、流量ＧＡＩＲの空気が流入する場合、経路の断面積Ａはベルヌーイの定理に基づいて、次式のように表される。

ここで、Ｃは、流量係数（流出係数と呼ばれることもある）であり、この第１の実施形態では予め決められた一定値を持つ。

同様に、基準目標ゲージ圧PBGAbase、基準吸気温度Tbase、基準大気圧Pbaseの基準状態下において、断面積Abaseの経路を介して流量ＧＡＩＲの空気が流れるとき、経路の断面積Abaseは次式のように表される。ここで、ρ’は、この状態下における空気密度である。

式（６）より、補正係数Ｃは次のように表される。

式（７）を式（５）に代入すると、以下のように展開できる。

ここで、ρ’／ρは空気密度の比であり、既知の気体の状態方程式（PV＝nRT）に基づいて次のように表される。

式（９）を式（８）に代入すると、任意の目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤ、吸気温度ＴＡ、大気圧ＰＡにおけるスロットル開口面積Ａを求めるための（４）式が導出される。

こうして式（４）で補正されたスロットル開口面積Ａは、現在の大気圧ＰＡおよび吸気温ＴＡの下で、目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤを達成するためのスロットル開口面積を表している。

図５は、本発明の第１の実施形態に従う、スロットル開口面積Ａを算出するためのプロセスのフローチャートである。該プロセスは、ＥＣＵ１０のＣＰＵによって実行され、より具体的には、図２に示す有効吸入空気量算出部６２、基準スロットル開口面積決定部６４、およびスロットル開口面積補正部６６によって実行される。該プロセスは、所定の時間間隔で実行されることができる。

ステップＳ１０１において、目標吸入空気量ＧＡＩＲ＿ＣＭＤと実吸入空気量ＧＡＩＲを取得する。前述したように、目標吸入空気量ＧＡＩＲ＿ＣＭＤは、エンジンの運転状態に応じて決めることができ、実吸入空気量ＧＡＩＲは、エアフローメータ５０の検出値から得ることができる。

ステップＳ１０３において、前述した式（３）を用いて、同定誤差ｅを算出する。ステップＳ１０５において、前述した式（２）を用いて、モデルパラメータθの今回値を算出し、ステップＳ１０７において、前述した式（１）を用いて、有効吸入空気量Ｑｅを算出する。

ステップＳ１０９において、図３に示すような相関テーブルを、有効吸入空気量Ｑｅに基づいて参照し、基準スロットル開口面積Ａbaseを求める。ステップＳ１１１において、目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤ、大気圧ＰＡ、および吸気温度ＴＡを取得する。前述したように、目標ゲージ圧は、エンジンの運転状態に応じて決めることができ、大気圧ＰＡおよび吸気温度ＴＡは、大気圧センサ５６および吸気温センサ５４の検出値からそれぞれ得ることができる。

ステップＳ１１３において、前述した式（４）を用いて基準スロットル開口面積Abaseを補正し、目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤを実現するためのスロットル開口面積Ａを算出する。

図２に戻り、フィードバック制御の役割をもつ部分について説明する。フィードバック補正部６８は、吸気管内のゲージ圧ＰＢＧＡおよび目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤに基づいて、スロットル開口面積の補正量ΔＡを算出する。

上述のように、スロットル開口面積Ａは、現在の有効吸入空気量Ｑeおよび現在の大気圧ＰＡ、気温度ＴＡなどの諸条件下において、目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤを達成するためのスロットル開口面積を表すよう算出される。しかしながら、この算出に用いられる相関テーブルや補正式は、経年使用によってスロットルに蓄積するカーボン等の影響については考慮されていない。カーボンの堆積が進行すると、算出されたスロットル開口面積に応じて決められるスロットル角度にスロットル弁が制御されても、実際のスロットル開口面積は、該算出されたスロットル開口面積より小さくなり、よって、実ゲージ圧と目標ゲージ圧との間に偏差が生じるおそれがある。

そこで、カーボン詰まり量などの外乱の影響を考慮して、実ゲージ圧ＰＢＧＡが目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤに収束するようフィードバック制御を行う。

図６は、フィードバック補正部６８の詳細な機能ブロック図である。本実施形態のフィードバック補正部６８は、制御量の目標値への収束特性を可変に指定可能な応答指定型制御により実現され、この実施例では、該応答指定型制御の一手法であるスライディングモード制御器により実現されることができる。

なお、代替的に、フィードバック補正部６８を、他の応答指定型制御（たとえば、バックステッピング制御）を実現するよう構成してもよく、また、ＰＩＤ制御器のような他のフィードバック制御を実現するよう構成してもよい。

フィードバック補正部６８には、目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤおよび実ゲージ圧ＰＢＧＡが入力される。切り替え関数算出部７２は、目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤおよび実ゲージ圧ＰＢＧＡの偏差Ｅを、式（１０）のように算出する。
E＝PBGA―PBGA_CMD （１０）

次に、式（１１）のように、偏差Ｅの収束挙動を規定する切り換え関数σを定義する。
σ（今回値）＝E（今回値）＋pole×E（前回値） （１１）

ここで、poleは、偏差Ｅの収束速度を規定するパラメータである。このパラメータpoleの値を変更することにより、偏差Ｅを、所望の速度で収束させることができる。

一実施形態では、パラメータpoleは、フィードバック開始後カウンタに応じて設定されることができ、好ましくは−１＜pole＜０を満たすよう設定される。例えば、パラメータpoleを、時間経過に伴い大きな値をとるよう設定することにより、偏差Ｅの収束速度を段階的に速くすることができる。

算出された切り替え関数値σは、到達則算出部７６および適応則算出部７８に送られる。

ゲイン切り替えフラグ決定部７４は、所定の条件時にフィードバックゲインを小さくするためのゲイン切り替えフラグを立てるかどうかを決定する。ゲイン切り替えフラグは、低負荷時、燃料カット時、目標ゲージ圧が低いとき、目標ゲージ圧の変動が大きいとき、および高負荷時に設定される（立ち上がる）。

上記の条件のうち、「燃料カット時」の条件は、燃料カットフラグを監視することにより判別する。「目標ゲージ圧が低いとき」および「目標ゲージ圧の変動が大きいとき」の条件は、入力された目標ゲージ圧とその変化量によって判別する。「低負荷時」および「高負荷時」の条件は、エンジン回転数および目標吸入空気量によって判別する。

ゲイン切り替えフラグは、到達則算出部７６および適応則算出部７８に送られる。

到達則算出部７６は、所定のテーブルを参照して、切り替え関数値σに対応するフィードバック制御の比例項ΔＡrchを求める。テーブルは、通常時用と、フラグが立ち上がった時用の２種類用意されて、ＥＣＵ１０のメモリ１０ｃに記憶されており、ゲイン切り替えフラグが設定されたかどうかに従い、使用するテーブルが選択される。ゲイン切り替えフラグが立ち上がったときに使用するテーブルは、求められるフィードバック制御の比例項ΔＡrchの値が通常時のものと比べて小さくなるように設定されている。こうして、低負荷時、燃料カット時、目標ゲージ圧が低い時、および目標ゲージ圧の変動が大きい時には、フィードバック制御によるゲージ圧の変化を抑制し、運転状態が不安定になるのを回避する。

また、到達則算出部７６は、フィードバック許可フラグが設定されている状態において比例項ΔArchを算出するよう構成されるのが好ましい。具体的には、スロットルが全開でゲージ圧がほぼ０となるとき、可変動弁機構による吸入空気量制御が禁止され吸気バルブのリフト量が固定されているとき、およびエンジン始動時には、フィードバック許可フラグが設定されず、よって、これらの場合には、到達則算出部は０を出力する。

なお、到達則算出部７６は、所定のフィードバックゲインを予め設定しておき、切り替え関数値σにこのフィードバックゲインを乗じて比例項ΔＡrchを算出しても良い。この場合、上述のフィードバック許可フラグが設定されていないときには、フィードバックゲインが０に変更され、到達則算出部７６が出力する比例項ΔＡrchは０となる。

適応則算出部７８は、所定のテーブルを参照して、切り替え関数値σに対応するフィードバック制御の積分項ΔＡadpを求める。テーブルは、通常時用と、フラグが立ち上がった時用の２種類用意されて、ＥＣＵ１０のメモリ１０ｃに記憶されており、ゲイン切り替えフラグが設定されたかどうかに従い、使用するテーブルが選択される。ゲイン切り替えフラグが設定されたときに使用するテーブルは、求められるフィードバック制御の積分項ΔＡadpの値が通常時のものと比べて小さくなるように設定されている。こうして、低負荷時、燃料カット時、目標ゲージ圧が低い時、および目標ゲージ圧の変動が大きい時には、フィードバック制御によるゲージ圧の変化を抑制し、運転状態が不安定になるのを回避する。

また、適応則算出部７８は、フィードバック許可フラグが設定されている状態において積分項ΔAadpを算出するよう構成されるのが好ましい。具体的には、スロットルが全開でゲージ圧がほぼ０となるとき、可変動弁機構による吸入空気量制御が禁止され吸気バルブのリフト量が固定されているとき、およびエンジン始動時には、フィードバック許可フラグは設定されず、よって、これらの場合には、適応則算出部は０を出力する。

なお、適応則算出部７８は、所定のフィードバックゲインを予め設定しておき、切り替え関数値σにこのフィードバックゲインを乗じて積分項ΔＡadpを算出しても良い。この場合、上述のフィードバック許可フラグが立っていないときには、フィードバックゲインが０に変更され、適応則算出部７８が出力する積分項ΔＡadpは０となる。

到達則算出部７６より出力された比例項ΔArchおよび適応則算出部７８より算出された積分項ΔAadpが加算され、所定のリミット処理８０を施したのち、スロットル開口面積の補正量ΔＡとして出力される。

ここで再び図２に戻り、その後の処理を説明する。開口面積補正部６６より出力されたスロットル開口面積Ａと、フィードバック補正部６８より出力されたスロットル開口面積の補正量ΔＡとが、加算部６９により加算され、スロットル弁開度算出部７０に入力される。

スロットル弁開度算出部７０は、所与のテーブルを参照して、スロットル開口面積Ａ＋ΔＡに対応するスロットル弁開度ＴＨを求める。図７は、このようなテーブルの一例を示す。該テーブルは、スロットル開口面積とスロットル弁開度との関係を事前に試験で調べておくことにより、作成されることができる。該テーブルは、ＥＣＵ１０のメモリ１０ｃに記憶されることができる。

吸気制御装置１０は、このように導出されたスロットル弁開度ＴＨにしたがってスロットル弁４６（図１）を制御することにより、一定負圧制御を行なう。

本発明によれば、目標ゲージ圧、吸気温度、大気圧の変化に対して、上記補正式（４）によりスロットル開口面積を補正することができるので、従来手法のように運転条件に応じて複数のテーブルをもつ必要がなく、１つのテーブルおよび１つの補正式のみでスロットル開口面積を求めることができる。これにより、従来よりも一定負圧制御を実現するための工程数およびＥＣＵに記憶するデータ量を大幅に削減することができる。

また、吸気管内に２次エアが流入した場合でも、有効吸入空気量に基づいてスロットル開口面積を推定するので、２次エアの影響を受けることなく高精度な一定負圧制御を実現することができる。

また、フィードバック補正部は、スロットル全開時、始動時、燃料カット時など定常運転以外の運転状態では、フィードバックゲインを小さくするよう設定したり、補正量を０にするよう設定するので、あらゆる運転条件下において、一定負圧制御のフィードバック性能を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に従う吸気制御装置について説明する。前述した式（５）および（６）に示されるように、第１の実施形態において、スロットル開口面積補正部６６により算出されるスロットル開口面積Ａは、流量係数Ｃが一定であることを前提としている。しかしながら、たとえばＪＩＳ等の規格で定められた標準のオリフィス流量計について図８のような関係が周知されているように、流量係数Ｃは、レイノルズ数および開口面積比に依存して変動しうる。

たとえば、第１の実施形態において説明した基準状態下すなわち式（６）中の流量係数ＣをＣbaseで表すとする。現在の状態下すなわち式（５）中の流量係数ＣがＣbaseに等しくない場合には、式（７）〜（９）から明らかなように、補正式（４）で求めたスロットル開口面積Ａには誤差が含まれるおそれがある。たとえば、ＣがＣbaseより小さいとき、現在の状態は、基準状態に比べて、スロットル弁を介して空気が流れにくくなっていることを示しているので、式（４）で算出されるスロットル開口面積Ａを大きくするよう補正するのが好ましい。このように、この第２の実施形態では、流量係数の変動を考慮して、スロットル開口面積Ａをさらに補正する手法を提案する。

図９は、第２の実施形態に従う吸気制御装置のブロック図を示す。図２に示す第１の実施形態と異なるのは、スロットル開口面積補正部６６により算出されるスロットル開口面積Ａをさらに補正する手段（１０１〜１０５のブロック）および切り換え部１１１が設けられている点である。以下、第１の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

粘性係数算出部１０１は、吸気温センサ５４（図１）により検出される吸気温ＴＡに基づいて、吸気の粘性係数μを決定する。より具体的には、粘性係数算出部１０１は、吸気温ＴＡに基づいて図１０に示すようにテーブルを参照することにより、対応する粘性係数μを求める。該テーブルは、ＥＣＵ１０のメモリ１０ｃに記憶されることができる。気体の粘性係数は、温度によって変動する特性を有しており、温度が高くなるほど、粘性係数は大きくなる。

レイノルズ数算出部１０２は、吸気についてのレイノルズ数Ｒｅ_Ｄを算出する。周知の如く、レイノルズ数は、流体の密度、速度、および長さの積を、流体の粘性係数で除した値であり、流体の粘性および慣性についての指標となる。レイノルズ数が小さいほど、相対的に粘性作用が強い流れを示し、レイノルズ数が大きいほど、相対的に慣性作用が強い流れを示す。

ここで、再び図４を参照し、レイノルズ数の算出について説明する。図において、スロットル開口面積Ａは、第１の実施形態において説明したように、開口面積補正部６６により算出されている。

前述したように、吸気のレイノルズ数Ｒｅ_Ｄは、空気流の密度ρ、速度Ｖおよび長さと、粘性係数μに基づいて算出されることができる。ここで、管内を流れる流体についての「長さ」には、該管の内径すなわち上記吸気管の内径Ｄが用いられる。したがって、レイノルズ数Ｒｅ_Ｄは、以下の式（１２）に従って算出されることができる。

吸気量ＧＡＩＲは、単位時間あたりの空気量を表しているので、式（１２）中の空気密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）×速度Ｖ（ｍ／ｓ）は、ＧＡＩＲ（ｋｇ／ｓ）／Ａ_Ｄ（ｍ^２）で置き換えることができる。したがって、有効吸入空気量Ｑｅについてのレイノルズ数Ｒｅ_Ｄは、式（１３）に示すように、有効吸入空気量Ｑｅと、吸気管の開口面積Ａ_Ｄおよび内径Ｄと、粘性係数算出部１０１により求められた粘性係数μとに基づいて算出されることができる。

代替的に、有効吸入空気量Ｑｅに代えて目標吸入空気量を用い、レイノルズ数Ｒｅを求めてもよい。

開口面積比算出部１０３は、式（１４）に従い、吸気管の開口面積Ａ_Ｄに対するスロットル開口面積Ａの比ｍを算出する。
ｍ＝Ａ／Ａ_Ｄ （１４）

上で述べたように、流量係数は、開口面積比およびレイノルズ数と相関を有しているので、開口面積比およびレイノルズ数に対応する流量係数は、たとえば図８に示すようなテーブルを参照することにより、決定されることができる。こうして決められた流量係数Ｃに応じて、式（４）で算出されるスロットル開口面積Ａを補正する補正係数Ｋｃが決定される。補正係数Ｋｃは、前述したように、上記求めた流量係数Ｃの、基準状態下の流量係数Ｃbaseに対するずれを補正するための係数である。こうして、開口面積比およびレイノルズ数に応じた補正係数Ｋｃを、予めテーブルに規定してＥＣＵ１０のメモリに記憶しておくことができる。

このようなテーブルの一例を、図１１に示す。該テーブルは、式（４）中で用いられる目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤ（この例では、１００ｍｍＨｇ（１３．３３ｋＰａ））の条件で作成されている。該テーブルには、レイノルズ数がＲｅ１、Ｒｅ２、およびＲｅ３についての、開口面積比ｍと補正係数Ｋｃとの関係が表されている。ここで、Ｒｅ１＜Ｒｅ２＜Ｒｅ３である。

該テーブルにおいて、補正係数Ｋｃが１の状態は、現在のレイノルズ数Ｒｅ_Ｄおよび開口面積比ｍに基づく流量係数Ｃが、基準状態下の流量係数Ｃbaseに等しく、よって、スロットル開口面積Ａの補正は行われないことを示す。

開口面積比ｍが小さくなるほど、補正係数Ｋｃは大きくされる。これは、開口面積比ｍが小さくなるほど、流量係数Ｃは小さくなり、空気流がスロットル弁４６を通過しにくくなるので、スロットル開口面積Ａを大きくするためである。

また、同じ開口面積比の下では、レイノルズ数が大きくなるほど、補正係数Ｋｃは大きくされる。これは、レイノルズ数が大きくなるほど、流量係数Ｃは小さくなるので、よって、スロットル開口面積Ａを大きくするためである。

補正係数算出部１０４は、レイノルズ数算出部１０２および開口面積比算出部１０３により算出されたレイノルズ数Ｒｅ_Ｄおよび開口面積比ｍに基づいて図１１に示すようなテーブルを参照し、対応する補正係数Ｋｃを求める。

なお、図に示すテーブルは一例であり、レイノルズ数について３個の値のみ規定しているが、当然ながらこれに限定されず、さらに多数のレイノルズ数の値について規定してよい。また、レイノルズ数算出部１０２により算出されたレイノルズ数が、或る値と他の値の間にある場合には、周知の補間計算により、該算出されたレイノルズ数に対応する補正係数Ｋｃを算出することができる。

図９に戻り、補正部１０５は、こうして算出された補正係数Ｋｃを、開口面積補正部６６により算出されたスロットル開口面積Ａに乗算することにより、補正済みスロットル開口面積Ａ２を算出する。補正係数Ｋｃは、前述したように、吸気の粘性およびスロットル開口面積比ｍに基づく値であるので、この補正により、目標ゲージ圧を達成するためのスロットル開口面積Ａを、より良好な精度で算出することができる。

図に示されるように、この第２の実施形態では、フィードバック補正部６８により算出された補正量ΔＡは、加算部６９により、補正部１０５により算出された補正済みスロットル開口面積Ａ２に加算される。

さらに、この第２の実施形態では、切り換え部１１１が設けられている点が、第１の実施形態と異なる。切り換え部１１１は、実ゲージ圧ＰＢＧＡと目標ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＣＭＤとの差ΔＰＢＧＡを算出し、該差ΔＰＢＧＡの絶対値が、所定の閾値以下ならば、スロットル開口面積Ａ２をスロットル開度算出部７０に渡し、該算出部７０が、第１の実施形態の所で述べたように、図７のようなテーブルを参照して該スロットル開口面積Ａ２に対応するスロットル角度ＴＨを求めるようにする。

上記差ΔＰＢＧＡが上記所定の閾値より大きければ、フィードバックを停止させるため、切り換え部１１１は、予め決められたスロットル開口面積値、より具体的にはスロットル弁の全閉を表す面積値を、スロットル弁開度算出部７０に渡す。スロットル弁開度算出部７０は、図７に示すようなテーブルを参照して、該全閉を表す面積値に対応するスロットル角度ＴＨを求める。こうして、実ゲージ圧と目標ゲージ圧の差が大きい時にフィードバックを停止することにより、運転状態が大きく変動するのを回避することができる。

代替的に、切り換え部１１１は、上記差ΔＰＢＧＡが所定の閾値より大きいとき、その旨を示す信号をスロットル弁開度算出部７０に送り、該算出部７０が、図７のようなテーブルを参照することなく、予め決められた全閉を示すスロットル開度を出力するようにしてもよい。

スロットル弁４６は、スロットル弁開度算出部７０により出力されたスロットル開度ＴＨに従って、スロットル弁４６は制御される。

図１２は、第２の実施形態に従う、補正済み開口面積Ａ２を算出するためのフローを示す。該プロセスは、ＥＣＵ１０のＣＰＵにより実行され、より具体的には、図８に示す有効吸入空気量算出部６２、基準スロットル開口面積決定部６４、スロットル開口面積補正部６６、粘性係数算出部１０１、レイノルズ数算出部１０２、開口面積比算出部１０３、補正係数算出部１０４、および補正部１０５により実行される。該プロセスは、所定の時間間隔で実行されることができる。

ステップＳ２０１において、第１の実施形態に従う図５のステップＳ１０１〜Ｓ１１３が実施される。これらのステップについては説明を省略する。ステップＳ２０３において、現在の吸気温度Ｔに基づき、図１０に示すようなテーブルを参照して、粘性係数μを算出する。ステップＳ２０５において、ステップＳ２０１で求めた有効吸入空気量ＱｅおよびステップＳ２０１で求めた粘性係数μを用い、式（１３）に従ってレイノルズ数Ｒｅ_Ｄを算出する。ステップＳ２０７において、ステップＳ２０１で算出された開口面積Ａを用い、式（１４）に従って開口面積比ｍを算出する。

ステップＳ２０９において、ステップＳ２０５および２０７で算出したレイノルズ数Ｒｅ_Ｄおよび開口面積Ａに基づいて図１１に示すようなテーブルを参照し、補正係数Ｋｃを求める。ステップＳ２１１において、該補正係数Ｋｃを、ステップＳ２０１で算出した開口面積Ａに乗算することにより、補正済み開口面積Ａ２を算出する。

第１の実施形態において図６を参照して説明したフィードバック制御は、第２の実施形態にも同様に適用されることができ、ここでの説明は省略する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。

本発明の一実施形態に従う、内燃機関およびその制御装置の全体的な構成図。 本発明の第１の実施形態に従う吸気制御装置の一定負圧制御に関する機能ブロック図。 本発明の一実施形態に従う、基準状態下における有効吸入空気量とスロットル開口面積との関係を表す相関テーブル。 本発明の一実施形態に従う、吸気管に関する各種パラメータを示す図。 本発明の第１の実施形態に従うスロットル開口面積算出のフローチャートである。 本発明の一実施形態に従う、フィードバック補正部の詳細な機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に従う、スロットル開口面積とスロットル弁開度との関係を表すテーブルである。 ＪＩＳ規格のオリフィス流量計における流量係数、レイノルズ数および開口面積比の相関を表すテーブル。 本発明の第２の実施形態に従う吸気制御装置の一定負圧制御に関する機能ブロック図。 本発明の第２の実施形態に従う、粘性係数を求めるためのテーブル。 本発明の第２の実施形態に従う、補正係数を求めるためのテーブル。 本発明の第２の実施形態に従う、スロットル開口面積算出のフローチャート。

符号の説明

１０ ECU
１４ 吸気バルブ
４０ 可変動弁機構
４２ 可変リフト機構
４６ スロットル弁
５２ 吸気管内圧力センサ
５４ 吸気温度センサ
５６ 大気圧センサ
６２ 有効吸入空気量算出部
６４ 基準スロットル開口面積算出部
６６ スロットル開口面積補正部
６８ フィードバック補正部
７０ スロットル開度算出部

Claims (11)

1. 少なくとも吸気バルブのリフト量を調節して吸入空気量を制御する可変動弁機構と、吸気管内のゲージ圧を所定の目標ゲージ圧に保持するためのスロットル弁と、を備える内燃機関の吸気制御装置であって、
   所定の基準ゲージ圧、基準大気圧、および基準吸気温度における吸入空気量とスロットル開口面積との関係を表す第1のテーブルを、目標吸入空気量に基づいて参照して、基準スロットル開口面積を求める基準スロットル開口面積算出手段と、
   前記目標ゲージ圧、現在の大気圧、および現在の吸気温度を用いてベルヌーイの定理に基づき導出された補正パラメータで、前記基準スロットル開口面積を補正して、前記目標ゲージ圧を達成するためのスロットル開口面積を求めるスロットル開口面積算出手段と、
   を備える、吸気制御装置。
2. さらに、吸入空気量検出手段によって検出される実吸入空気量と前記目標吸入空気量との偏差を最小にするフィルタ処理により、有効吸入空気量を算出する手段を備え、
   前記基準スロットル開口面積算出手段は、前記有効吸入空気量に基づいて前記第１のテーブルを参照して、前記基準スロットル開口面積を求める、
   請求項１に記載の吸気制御装置。
3. さらに、前記スロットル開口面積と前記スロットル弁の開度との関係を表す第２のテーブルを、前記スロットル開口面積に基づいて参照して、前記スロットル弁の開度を求めるスロットル開度算出手段を備える、
   請求項１または２に記載の吸気制御装置。
4. さらに、前記吸気管内のゲージ圧を前記目標ゲージ圧に収束させるための前記スロットル開口面積の補正量を求め、該補正量を、前記スロットル開口面積算出手段により求められたスロットル開口面積に加算して、該スロットル開口面積をフィードバック補正するフィードバック補正手段を備える、
   請求項１から３のいずれかに記載の吸気制御装置。
5. 前記フィードバック補正手段は、内燃機関が低負荷および高負荷状態のとき、燃料カット時、目標ゲージ圧が小さいとき、ならびに目標ゲージ圧の変動が大きいとき、前記補正量を決めるためのフィードバックゲインを変化させる、
   請求項４に記載の吸気制御装置。
6. 前記フィードバック補正手段は、スロットル全開時、内燃機関の始動時、および吸気バルブのリフト量を固定して運転している時には、前記補正量を０にしてフィードバック補正を停止する、
   請求項４または５に記載の吸気制御装置。
7. さらに、前記内燃機関の吸気の粘性を表すパラメータ、および、前記吸気管の開口面積に対する、前記スロットル開口面積算出手段によって算出された前記スロットル開口面積の開口面積比に基づいて、該スロットル開口面積を補正する補正手段を備える、
   請求項１から６のいずれかに記載の吸気制御装置。
8. 前記粘性を表すパラメータは、レイノルズ数であり、
   さらに、前記有効吸入空気量、前記吸気管の開口面積、該吸気管の内径および前記吸気の粘性係数に基づいて、前記レイノルズ数を算出する手段を備える、
   請求項７に記載の吸気制御装置。
9. さらに、前記現在の吸気温度に基づいて、前記粘性係数を算出する手段を備える、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記フィードバック補正手段は、前記補正手段によって補正されたスロットル開口面積について前記補正量を求め、該補正量を、該補正されたスロットル開口面積に加算して、フィードバック補正する、
    請求項７から９のいずれかに記載の装置。
11. 前記吸気管内のゲージ圧と前記目標ゲージ圧との差が所定値より大きければ、前記フィードバック補正手段によるフィードバック補正を禁止し、前記スロットル弁の開度を所定値に制御する、
    請求項７から１０のいずれかに記載の装置。

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