JP2012167636A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの制御装置に関し、スロットルバルブ部の前後圧を用いることなく、要求されるエンジントルクに応じたスロットルバルブの目標開度を演算する。
【解決手段】エンジン１０の最大トルク相当値に対する目標トルク相当値の比を圧力比相当値として演算する第一演算手段６を設ける。また、第一演算手段６で演算された圧力比相当値に基づき、スロットルバルブ２７を通過する空気の流速を演算する第二演算手段７を設ける。さらに、第二演算手段７で演算された流速に基づき、スロットルバルブ２７の目標開度を演算する第三演算手段８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スロットルバルブの開度制御に係るエンジンの制御装置に関する。

車両に搭載されたエンジンの制御手法の一つとして、エンジンに要求されるトルクの大きさを基準として吸入空気量や燃料噴射量，点火時期等を制御するトルクベース（トルクディマンド）制御が知られている。トルクベース制御では、例えばアクセル開度やエンジン回転数等に基づいてエンジントルクの目標値が演算され、この目標値のトルクが得られるようにエンジンが制御される。また、自動変速機やオートクルーズ装置，車両安定装置といった外部制御システムを搭載した車両では、各外部制御システムからエンジンへの出力要求がトルクに換算されてエンジンECU（エンジン電子制御装置）内で一元化され、エンジンのトルク挙動が包括的に制御される。

ところで、燃料噴射量や点火時期といった燃焼条件が一定であるとき、エンジンで発生するトルクの大きさは、筒内に導入される吸入空気量に応じたものとなる。この吸入空気量は、エンジンの吸気通路上に設けられたスロットルバルブの開度に応じて変化する。したがって、スロットルバルブの開度を調節することで、エンジントルクの大きさを制御することが可能である。

例えば特許文献１には、目標トルクを目標筒内充填空気量に換算し、この目標筒内充填空気量に推定筒内充填空気量が追従するように目標スロットル開度を演算する手法が記載されている。この技術では、スロットルバルブを通過する空気量の変化や吸気系の遅れを考慮した物理モデルを用いて推定筒内充填空気量を算出し、これを目標値に近づけるようにスロットル開度が制御されている。

また、スロットルバルブを通過する空気の流量は、スロットルバルブの開口面積と空気の流速との積として表現される。したがって、スロットルバルブを通過する空気の流速が定まれば、要求されるエンジントルクを発生させるためのスロットル開度を正確に把握することも可能である。
例えば特許文献２には、スロットルバルブ部の上流圧に対する下流圧の比（圧力比）を用いて、空気の流速に比例する値（流量係数）を算出する技術が記載されている。この技術では、スロットルバルブの上流側及び下流側のそれぞれに設けられた圧力センサの出力信号に基づいて圧力比を算出し、これを用いて筒内に導入される空気量の推定値を演算している。

特開２００９−２４６７７号公報 特開２００６−１３２４９８号公報

しかしながら、圧力比の算出にはスロットルバルブ部の上流側及び下流側のそれぞれに圧力センサが必要であり、これらの圧力センサの何れか一つでも欠けた場合には、圧力比を演算することができない。つまり、スロットルバルブの開度を調節したときに筒内に導入される空気量は、二つの圧力センサとそれらの検出精度が確保されていることを前提として演算されるため、圧力センサの不調時や検出精度の低下時には空気量の推定精度が低められ、吸入空気量に基づくエンジントルクの制御性が悪化する場合があるという課題がある。

一方、圧力センサの不調時におけるフェールセーフとして、圧力比を使わずに筒内に導入される空気量を推定する手法を用意しておくことも考えられる。例えば、スロットルバルブの開度とその開度で筒内に導入される空気量との対応関係をマップ化、あるいはテーブル化しておき、エンジンECU内に記憶させておくことが考えられる。しかしこの場合、多種多様なエンジンの運転条件に対応するマップ，テーブルを予め用意しておく必要があり、エンジンECU に要求されるROM容量が膨大になるほか、開発に係るコストも増大する。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、スロットルバルブ部の前後圧を用いることなく、要求されるエンジントルクに応じたスロットルバルブの目標開度を演算することである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

（１）ここで開示するエンジンの制御装置は、エンジンの最大トルク相当値に対する前記エンジンの目標トルク相当値の比を圧力比相当値として演算する第一演算手段を備える。また、前記第一演算手段で演算された前記圧力比相当値に基づき、前記エンジンのスロットルバルブを通過する空気の流速を演算する第二演算手段を備える。さらに、前記第二演算手段で演算された前記流速に基づき、前記スロットルバルブの目標開度を演算する第三演算手段を備える。

なお、前記圧力比相当値とは、スロットルバルブ部の上流圧に対する下流圧の比（圧力比）に相当する値である。また、エンジンの最大トルク相当値とは、そのときのエンジンの運転状態で発生可能なトルクに対応する値であり、例えばエンジン回転数に応じて設定される。

（２）また、前記第一演算手段が、吸排気弁のバルブリフト量又はバルブタイミングに応じて前記最大トルク相当値を算出することが好ましい。
すなわち、演算時点での吸排気弁の制御状態で発生可能な最大のエンジントルクを前記最大トルク相当値として算出することが好ましい。

（３）また、前記第一演算手段が、前記エンジンに導入される空気量にて前記エンジンで発生するトルクを前記最大トルク相当値として演算するとともに、前記エンジンへの出力要求に基づいて設定される目標トルクを前記目標トルク相当値として演算することが好ましい。

なお、ここでいう前記エンジンに導入される空気量とは、エンジン回転速度に応じて前記エンジンに導入される最大空気量であることが好ましい。すなわち、その時のエンジン回転数でスロットル開度が全開であると仮定したときに前記エンジンに導入される空気量であることが好ましい。換言すれば、前記最大トルク相当値は、その時のエンジン回転数でスロットル開度が全開であると仮定したときに前記エンジンで発生するトルクであることが好ましい。

（４）また、前記第一演算手段が、点火時期を最適点火時期（すなわちMBT）としたときに前記エンジンで発生するトルクを前記最大トルク相当値として演算することが好ましい。なお、ノッキング防止の観点から前記点火時期を前記最適点火時期に設定できないような場合には、前記最適点火時期よりもやや遅角側の所定点火時期に点火した場合に発生するトルクを前記最大トルク相当値として演算してもよい。

（５）また、前記第一演算手段が、予め設定された所定空燃比での燃焼時に前記エンジンで発生する最大のトルクを前記最大トルク相当値として演算することが好ましい。前記所定空燃比の具体例としては、ストイキ空燃比（例えば、空燃比14.7前後）や出力空燃比（例えば、12.0〜13.0の空燃比）とすることが考えられる。

（６）また、前記第一演算手段が、前記最大トルク相当値として前記エンジンの最大充填効率を用いるとともに、前記目標トルク相当値として前記空気量に基づいて演算される目標充填効率を用いて、前記圧力比相当値を演算することが好ましい。

開示のエンジンの制御装置によれば、エンジンの最大トルク相当値に対する目標トルク相当値の比を圧力比相当値として吸入空気の流速を演算することにより、スロットルバルブ部の前後圧の計測値を用いることなくスロットルバルブの目標開度を定めることができる。また、圧力比相当値にはスロットルバルブ部の上流圧に対する下流圧の圧力比との相関が認められるため、スロットルバルブの目標開度を正確に設定することができる。さらに、エンジンの運転条件に応じた多種多様なマップ，テーブルが不要であり、演算に係るデータを記憶するROM容量を削減することができる。

一実施形態に係るエンジンの制御装置のブロック構成及びこの制御装置が適用されたエンジンの構成を例示する図である。 本制御装置の演算内容を説明するためのブロック構成図である。 本制御装置に係る実充填効率Ec，点火時期及びトルクの関係を例示するグラフである。 本制御装置に係る最大トルクとエンジン回転数との関係を例示するグラフである。 本制御装置に係る圧力比相当値と実際の圧力比との相関を説明するためのグラフであり、（ａ）は図示平均有効圧に基づいて演算された圧力比相当値を用いたもの、（ｂ）は充填効率に基づいて演算された圧力比相当値を用いたものである。 本制御装置に係る圧力比相当値と流速との関係を例示するグラフである。 本制御装置に係る目標開口面積と目標開度電圧との関係を例示するグラフである。 変形例としての制御装置の演算内容を説明するためのブロック構成図である。

図面を参照して制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。

［１．装置構成］
本実施形態のエンジンの制御装置は、図１に示す車載のエンジン１０に適用される。ここでは、多気筒のエンジン１０に設けられた複数のシリンダのうち、一つのシリンダを示す。シリンダの頂部には、点火プラグ１３がその先端を燃焼室側に突出させた状態で設けられる。また、燃焼室のシリンダヘッド側の頂面には、吸気ポート１１及び排気ポート１２が設けられる。

この燃焼室の頂面には、吸気ポート１１に通ずる開口部を開閉する吸気弁１４と、排気ポート１２に通ずる開口部を開閉する排気弁１５とが設けられる。また、吸気ポート１１内には、燃料を噴射するインジェクタ１８が設けられる。吸気弁１４の開閉駆動により吸気ポート１１と燃焼室とが連通又は閉鎖され、排気弁１５の開閉駆動により排気ポート１２と燃焼室とが連通又は遮断される。吸気弁１４及び排気弁１５の上端部はそれぞれ、可変動弁機構４内のロッカシャフトの一端に接続される。ロッカシャフトはロッカアームに軸支された揺動部材であり、それぞれのロッカシャフトの揺動により吸気弁１４及び排気弁１５が上下方向に往復駆動される。また、ロッカシャフトの他端には、カムシャフトに軸支されたカムが設けられる。これにより、ロッカシャフトの揺動パターンはカムの形状（カムプロファイル）に応じたものとなる。

可変動弁機構４は、吸気弁１４及び排気弁１５のそれぞれについて、最大バルブリフト量及びバルブタイミングを個別に、又は、連動させつつ変更する機構である。可変動弁機構４は、ロッカシャフトの揺動量と揺動のタイミングとを変更する機構として、可変バルブリフト機構４ａと可変バルブタイミング機構４ｂとを備える。
可変バルブリフト機構４ａは、吸気弁１４や排気弁１５の最大バルブリフト量を連続的に変更する機構である。この可変バルブリフト機構４ａは、カムシャフトに固定されたカムからロッカアームに伝達される揺動の大きさを変更する機能を有する。ロッカアームの揺動の大きさを変更するための具体的な構造は任意である。

可変バルブタイミング機構４ｂは、吸気弁１４や排気弁１５の開閉のタイミング（バルブタイミング）を変更する機構である。この可変バルブタイミング機構４ｂは、ロッカアームに揺動を生じさせるカム又はカムシャフトの回転位相を変更する機能を有する。カム又はカムシャフトの回転位相を変更することで、クランクシャフト１７の回転位相に対するロッカアームの揺動のタイミングを連続的にずらすことが可能となる。

吸気ポート１１よりも吸気流の上流側には、インテークマニホールド２０（以下、インマニと呼ぶ）が設けられる。このインマニ２０には、吸気ポート１１側へと流れる空気を一時的に溜めるためのサージタンク２１が設けられる。サージタンク２１よりも下流側のインマニ２０は、複数のシリンダの吸気ポート１１に向かって分岐するように形成され、サージタンク２１はその分岐点に位置する。サージタンク２１は、各々のシリンダで発生する吸気脈動や吸気干渉を緩和するように機能する。

インマニ２０の上流端には、スロットルボディ２２が接続される。スロットルボディ２２の内部には電子制御式のスロットルバルブ２７が内蔵され、インマニ２０側へと流通する空気量がスロットルバルブ２７の開度（スロットル開度θ_TH）に応じて調節される。このスロットル開度θ_THは、後述するエンジンECU５によって電子制御される。
スロットルボディ２２のさらに上流側には、吸気通路２３が接続される。この吸気通路２３内には、空気の流量Q_INを検出するエアフローセンサ１が設けられる。ここで検出される流量Q_INの情報は、エンジンECU５に伝達される。また、吸気通路２３のさらに上流側にはエアフィルタ２４が介装される。これにより、エアフィルタ２４で濾過された新気が吸気通路２３及びインマニ２０を介してエンジン１０のシリンダに供給される。

スロットルバルブ２７の上流側及び下流側には、それぞれの位置での圧力を検出する大気圧センサ２５及びインマニ圧センサ２６が設けられる。大気圧センサ２５はスロットルバルブ２７の上流圧P_B（大気圧に対応する圧力）を検出するものであり、インマニ圧センサ２６はスロットルバルブ２７の下流圧P_A（サージタンク内の圧力に対応する圧力）を検出するものである。これらの圧力センサ２５，２６で検出されたスロットルバルブ部の上流圧P_B及び下流圧P_Aの情報は、エンジンECU５に伝達される。

シリンダ内を往復摺動するピストン１６は、コネクティングロッドを介してクランクシャフト１７に接続される。クランクシャフト１７には、その回転角θ_CRを検出するクランク角度センサ３が設けられる。なお、単位時間あたりの回転角θ_CRの変化量はエンジン回転数Neに比例する。したがって、クランク角度センサ３はエンジン１０のエンジン回転数Neを検出する機能を持つものといえる。ここで検出（または演算）されたエンジン回転数Neの情報は、エンジンECU５に伝達される。なお、クランク角度センサ３で検出された回転角θ_CRに基づき、エンジンECU５でエンジン回転数Neを演算する構成としてもよい。

図１に示すエンジン１０を搭載した車両の任意の位置には、アクセルペダルの踏み込み量に対応する操作量θ_ACを検出するアクセルペダルセンサ２が設けられる。アクセルペダルの踏み込み操作量θ_ACは、運転者の加速要求に対応するパラメータであり、すなわちエンジン１０への出力要求に対応するものといえる。ここで検出された操作量θ_ACの情報は、エンジンECU５に伝達される。

エンジンECU５（Electronic Control Unit）は、エンジン１０の各シリンダに対して供給される空気量，燃料噴射量及び点火タイミングを制御する電子制御装置であり、例えばマイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成される。ここでは、エンジン１０に要求されるトルクの大きさを基準としたトルクベース制御が実施される。エンジンECU５の具体的な制御対象としては、インジェクタ１８から噴射される燃料量や噴射時期，点火プラグ１３での点火時期，スロットルバルブ２７の開度θ_THなどが挙げられる。本実施形態では、スロットル開度θ_THの調整によるエンジントルクの制御（吸気量制御）に着目してその機能を説明する。

［２．制御構成］
エンジンECU５は、エンジン１０に要求されるトルクのうち、吸入空気量の調整によって達成されるトルク分の目標値を目標トルクPi_TGTとして算出し、この目標トルクPi_TGTを発生させるのに必要な量の空気がスロットルバルブ２７を通過するようにスロットル開度θ_THを制御する。エンジンECU５の入力側には、可変動弁機構４，エアフローセンサ１，アクセルペダルセンサ２，クランク角度センサ３，大気圧センサ２５及びインマニ圧センサ２６が接続され、出力側にはスロットルバルブ２７が接続される。

前述の通り、スロットルバルブ２７を通過する空気の流量は、スロットルバルブ２７の開口面積Sと空気の流速Vとの積として表現され、空気の流速Vはスロットルバルブ部の圧力比C（上流圧に対する下流圧の比）に基づいて算出することができる。したがって、この目標トルクPi_TGTを発生させるのに必要な量の空気が算出されれば、インマニ圧センサ２６で検出された下流圧P_Aと大気圧センサ２５で検出された上流圧P_Bとの比（C=P_A/P_B）を用いてスロットル開度θ_THを算出することができる。一方、本実施形態のエンジンECU５は、下流圧P_Aや上流圧P_Bを使わなくても適切なスロットル開度θ_THを算出するための機能を兼ね備えている。

図１に示すように、エンジンECU５には第一演算部６，第二演算部７，第三演算部８及びスロットル開度制御部９が設けられる。これらの第一演算部６，第二演算部７，第三演算部８及びスロットル開度制御部９の各機能は、電子回路（ハードウェア）によって実現してもよく、あるいはソフトウェアとしてプログラミングされたものとしてもよいし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。

［２−１．第一演算部］
第一演算部６（第一演算手段）は、実際のスロットルバルブ部の圧力比Cに相関する圧力比相当値Aを演算するものである。第一演算部６には、図２に示すように、最大トルク演算部６ａ，目標トルク演算部６ｂ，圧力比相当値演算部６ｃ，第一補正部６ｄ及び第二補正部６ｅが設けられる。

最大トルク演算部６ａは、クランク角度センサ３で検出（または演算）されたエンジン回転数Neに基づいて、エンジン１０で発生しうる最大トルクPi_MAXを演算するものである。
一般に、エンジン１０で発生するトルクの大きさは、エンジン回転数Neやシリンダに導入された空気量や燃料量，点火時期等に応じて変化する。所定のエンジン回転数時に所定の空燃比で発生するトルクの大きさは、図３に示すようなグラフで表現される。例えば、空気量がQ₁である場合には、点火時期がT₁であるときにエンジン１０が最大のトルクPi₁を出力する。点火時期に対するトルクの変動を曲線で示すと、上に凸の曲線となる。また、空気量がQ₂である場合の最大トルクはPi₂であり、そのトルクを出力するための点火時期はT₂である。

最大トルク演算部６ａはこれらのような関係を踏まえて、その時点でのエンジン１０の運転状態で吸入空気量が最大であるときに発生するトルクの最大値（スロットル全開時におけるトルク）を最大トルクPi_MAXとして演算する。例えば、図４中に実線で示すように、スロットル全開時における最大トルクPi_MAXとエンジン回転数Neとの対応関係を定めたグラフやマップを用いて、最大トルクPi_MAXを演算してもよい。ここで演算された最大トルクPi_MAXの値は、圧力比相当値演算部６ｃ及び第二補正部６ｅに伝達される。

なお、図３中に示す点火時期T₁，T₂のように、エンジン１０で最大のトルクを発生させる点火時期のことを最適点火時期（MBT：Minimum spark advance for Best Torque）と呼ぶ。最適点火時期は、シリンダに導入される空気量が多いほど遅角側（リタード側）に移動し、空気量が少ないほど進角側（アドバンス側）に移動する。また、最適点火時期はエンジン回転数Neが低いほど遅角側に移動し、エンジン回転数Neが高いほど進角側に移動する。

最大トルク演算部６ａでの最大トルクPi_MAXの演算では、基本的には、最適点火時期に点火した場合に発生するトルクが最大トルクPi_MAXとして演算される。ただし、エンジン１０のノッキング防止の観点から点火時期を最適点火時期に設定できないような場合には、最適点火時期よりもやや遅角側の所定点火時期に点火した場合に発生するトルクを最大トルクPi_MAXとして演算する。ノッキングは点火時期を遅らせるほど発生しにくくなるが、点火時期を遅らせるとエンジントルクが小さくなる。したがって、ほとんどノックが発生しない点火時期範囲のうち、最適点火時期に近い進角寄りに所定点火時期を設定することが好ましい。

なお、点火時期を変化させると、スロットル全開時における最大トルクPi_MAXとエンジン回転数Neとの対応関係も変化し、図４中における実線グラフの位置及び形状が変化する。一方、図４中に破線で示すように、複数の点火時期に対応するグラフを予め設定しておくことで、点火時期に応じた最大トルクPi_MAXの演算が可能である。したがって、最大トルク演算部６ａが、エンジン回転数Ne及び点火時期に応じて最大トルクPi_MAXを演算する構成としてもよい。

また、空燃比に関しては、その時点での実際の空燃比ではなく予め設定された所定空燃比である場合を想定して最大トルクPi_MAXを演算することが好ましい。例えば、実際の空燃比がリーン空燃比であったとしても、ストイキ空燃比（14.7前後の空燃比）や出力空燃比（高出力が得られる12.0〜13.0の空燃比）でのエンジン出力の推定値を最大トルクPi_MAXとして演算することが考えられる。

なお、点火時期と同様に、最大トルクPi_MAXの演算時の前提となる空燃比が異なれば、演算される最大トルクPi_MAXの値も異なるものとなる。一方、図４中に破線で示すように、複数の空燃比に対応するグラフを予め設定しておくことで、空燃比に応じた最大トルクPi_MAXの演算が可能である。したがって、最大トルク演算部６ａが、エンジン回転数Ne及び空燃比に応じて最大トルクPi_MAXを演算する構成としてもよい。

さらに、吸気弁１４や排気弁１５のバルブリフト量やバルブタイミングに関しても同様であり、最適なバルブタイミングや最適なバルブリフト量（すなわち、最も大きいトルクをエンジンに発生させるバルブリフト量やバルブタイミング）であるときの最大トルクPi_MAXを演算してもよいし、あるいはその時点でのバルブリフト量，バルブタイミングにおいてエンジン１０で発生する最大トルクPi_MAXを演算してもよい。この場合も、図４中に破線で示すように、複数のバルブリフト量，バルブタイミングに対応するグラフを予め設定しておくことで、バルブリフト量やバルブタイミングに応じた最大トルクPi_MAXの演算が可能である。したがって、最大トルク演算部６ａが、エンジン回転数Neとバルブリフト量，バルブタイミングとに応じて最大トルクPi_MAXを演算する構成としてもよい。

図３中に記載された記号Piは、図示平均有効圧（エンジン１０の指圧線図に基づいて算出される仕事を行程容積で割った圧力値）を意味し、ここでは図示平均有効圧Piを用いてトルクの大きさを表現している。本実施形態では、エンジン１０で生じる力のモーメントのことだけでなく、エンジン１０のピストン１６に作用する平均有効圧（例えば、図示平均有効圧Piや正味平均有効圧Pe）で表現されたトルク相当量（トルクに対応する圧力）のことも便宜的に「トルク」と呼ぶ。

目標トルク演算部６ｂは、クランク角度センサ３で検出（または演算）されたエンジン回転数Neとアクセルペダルセンサ２で検出された操作量θ_ACとに基づいて、目標トルクPi_TGTを演算するものである。この目標トルクPi_TGTは、最大トルクPi_MAXと同様に、吸気量制御におけるトルクの目標値を図示平均有効圧Piに換算した値である。ここで演算された目標トルクPi_TGTの値は、圧力比相当値演算部６ｃ及び第三演算部８に伝達される。

圧力比相当値演算部６ｃは、最大トルク演算部６ａで演算された最大トルクPi_MAXと目標トルク演算部６ｂで演算された目標トルクPi_TGTとに基づき、圧力比相当値Aを演算するものである。圧力比相当値Aは、最大トルクPi_MAXに対する目標トルクPi_TGTの比（A=Pi_TGT/Pi_MAX）として与えられる。ここで演算された圧力比相当値Aは、第二補正部６ｅ及び第二演算部７に伝達される。

ここで、本発明者らによる試験を通して確認された圧力比相当値Aと実際のスロットルバルブ部の圧力比Cとの関係をグラフ化して図５（ａ）に示す。このグラフは、エンジン回転数Ne及び空燃比を一定とし、吸気弁１４のバルブリフト量を変化させた場合のそれぞれの圧力比相当値Aと圧力比Cとの関係をプロットしたものである。グラフの横軸，縦軸はそれぞれ圧力比相当値A，圧力比Cであり、点線状に配置された白丸は圧力比相当値Aと圧力比Cとが同一値となる点（C=Aの直線グラフ上の点）を示す。

この試験では、吸気弁１４のバルブリフト量をL₁，L₂，L₃，L₄の四段階で順に増大させ、それぞれの結果を細破線，細実線，太破線，太実線のグラフで表現した。これらの四つのグラフはそれぞれ、点線状の白丸にほぼ沿った形状をなしている。つまり、圧力比相当値Aと圧力比Cとの間には、バルブリフト量に依存しない相関が認められる。したがって、圧力比Cの代わりに圧力比相当値Aを用いてスロットル開度θ_THを算出することが可能である。

なお、圧力比Cの代用値として圧力比相当値Aを使用するということは、圧力比Cと圧力比相当値Aとが常に等しいものとみなすことと同義である。一方、図５（ａ）中のグラフは、厳密にはC=Aの直線グラフに一致していない。そこで、圧力比Cとのずれを補正した圧力比相当値A′を演算し、圧力比Cの代用値としての信頼性を向上させてもよい。あるいは、圧力比相当値Aと圧力比Cとの相関がさらに強まるように圧力比相当値Aの演算に用いる値を補正してもよい。

第一補正部６ｄは、後者の補正演算を行うものである。例えば、第一補正部６ｄは空燃比，バルブタイミング，バルブリフト量等が最大トルクPi_MAXに与える影響を記憶し、その時点でのエンジン１０の運転状態や吸気弁１４，排気弁１５の制御状態に応じて補正最大トルクPi_MAX′を演算して、これを最大トルク演算部６ａに伝達する。この場合、最大トルク演算部６ａは、第一補正部６ｄから伝達された補正最大トルクPi_MAX′を最大トルクPi_MAXとして圧力比相当値演算部６ｃに伝達する構成とする。

第二補正部６ｅは、前者の補正演算を行うものである。例えば、第二補正部６ｅは図５（ａ）に示すような圧力比Cと圧力比相当値Aとの対応関係をエンジン回転数Ne毎，バルブタイミング毎，バルブリフト量毎に記憶し、圧力比相当値演算部６ｃで演算された圧力比相当値Aに対応する圧力比A′を演算して、これを圧力比相当値演算部６ｃに伝達する。この場合、圧力比相当値演算部６ｃは、第二補正部６ｅから伝達された圧力比A′を圧力比相当値Aとして第二演算部７に伝達する構成とする。

［２−２．第二演算部］
第二演算部７（第二演算手段）は、第一演算部６から伝達された圧力比相当値Aに基づいて、スロットルバルブ２７を通過する空気の流速Vを演算する流速演算部７ａを備える。流速演算部７ａには、スロットルバルブ部の前後圧力比による流速の変化を規定するマップや数式等が予め記録されている。例えば、図６に示すような圧力比相当値Aと流速Vとの関係に基づいて空気の流速Vが演算される。ここで演算された流速Vは、第三演算部８に伝達される。

なお、管内の絞りを流通する圧縮性流体（圧力変化に応じて密度が変化する流体）の流速は、絞りの前後の圧力比（上流圧に対する下流圧の比）が大きいほど減少する。一方、圧力比が臨界圧力比よりも小さくなると流速は一定となる。このような特性を踏まえて、図６のグラフでは圧力比相当値Aの定義域を0≦A≦1とし、圧力比相当値Aが1であるときに流速Vを0に設定するとともに、圧力比相当値Aが減少するに連れて流速Vを増大させ、圧力比相当値Aが臨界圧力比A₀未満のときには流速Vを上限値V₀に設定している。

［２−３．第三演算部］
第三演算部８（第三演算手段）は、第一演算部６で演算された目標トルクPi_TGTを発生させるための空気量を演算するとともに、その空気量と第二演算部７で演算された流速Vとに基づいてスロットルバルブ２７の目標開度を演算するものである。第三演算部８には、目標スロットル通過流量演算部８ａ及び目標スロットル開度演算部８ｅが設けられる。

目標スロットル通過流量演算部８ａは、第一演算部６で演算された目標トルクPi_TGTを発生させるのに必要な新気の目標流量Q_TGTを演算するものである。目標スロットル通過流量演算部８ａには、目標充填効率演算部８ｂ，目標筒内空気量演算部８ｃ及び目標流量演算部８ｄが設けられる。
目標充填効率演算部８ｂは、目標トルク演算部６ｂから伝達された目標トルクPi_TGTに対応する目標充填効率Ec_TGTを演算するものである。ここでは、例えば予め設定された目標トルクPi_TGTと目標充填効率Ec_TGTとの対応マップや数式等に基づいて目標充填効率Ec_TGTが演算される。ここで演算された目標充填効率Ec_TGTは、目標筒内空気量演算部８ｃに伝達される。

なお、記号Ecは充填効率を意味する。充填効率Ecとは、一回の吸気行程（ピストン１６が上死点から下死点に移動するまでの一行程）の間にシリンダ内に充填される空気の体積を標準状態での気体体積に正規化したのちシリンダ容積で除算したものである。充填効率Ecはその行程でシリンダ内に導入された空気量に対応し、目標充填効率Ec_TGTは充填効率Ecの目標値であって目標空気量に対応する。

目標筒内空気量演算部８ｃは、目標充填効率演算部８ｂで演算された目標充填効率Ec_TGTを、シリンダ内に導入される空気量の目標値Qc_TGTに変換する演算を行うものである。ここでは、例えば予め設定された目標充填効率Ec_TGTと目標値Qc_TGTとの対応マップや数式等に基づいて目標値Qc_TGTが求められる。ここで演算された目標値Qc_TGTは、目標流量演算部８ｄに伝達される。なお、目標筒内空気量演算部８ｃでの演算を目標充填効率演算部８ｂに実施させてもよい。

目標流量演算部８ｄは、シリンダ内に導入される空気量の目標値Qc_TGTから、スロットルバルブ２７を通過させたい空気量の目標値である新気の目標流量Q_TGTを演算するものである。ここでは、サージタンク２１の体積等に由来する吸気遅れを考慮して、予め設定された物理モデル，数式等に基づいて目標流量Q_TGTが演算される。ここで演算された目標流量Q_TGTは目標スロットル開度演算部８ｅに伝達される。

目標スロットル開度演算部８ｅは、目標スロットル通過流量演算部８ａ内で演算された目標流量Q_TGTと流速演算部７ａで演算された流速Vとに基づき、スロットルバルブ２７の目標開口面積Sを演算するものである。目標開口面積Sは、例えば図２中に示すように、目標流量Q_TGTを流速Vで除算して求められる。ここで演算された目標開口面積Sはスロットル開度制御部９に伝達される。

［２−４．スロットル開度制御部］
スロットル開度制御部９は、スロットルバルブ２７の開度が第三演算部８内で演算された目標開口面積Sに等しくなるように、スロットルバルブ２７に制御信号を出力するものである。ここでは、例えば予め設定された目標開口面積Sと目標開度電圧Eとの対応マップや数式等に基づいて目標開度電圧Eが演算され、この目標開度電圧Eが制御信号としてスロットルバルブ２７に出力される。なお、目標開口面積Sと目標開度電圧Eとの関係は、スロットルバルブ２７の構造，形状，種類等に応じて規定される。例えば、開度電圧が高いほど通路を大きく開放する特性を持ったスロットルバルブ２７の場合には、図７に示すように、目標開口面積Sが大きいほど目標開度電圧Eを増大させればよい。

なお、スロットルバルブ２７はスロットル開度制御部９からの制御信号を受けてスロットル開度θ_THを制御され、目標開口面積Sが実現される。これにより、インマニ２０側へと流通する空気の流量が目標流量Q_TGTになるとシリンダの充填効率Ecが目標充填効率Ec_TGTとなり、エンジン１０の出力トルクが目標トルクPi_TGTとなる。エンジンECU５ではこのように吸気量制御が実施される。

［３．作用，効果］
上述のエンジン１０の制御装置では、第一演算部６の圧力比相当値演算部６ｃにおいて、実際のスロットルバルブ部の圧力比Cの代わりに圧力比相当値Aが演算される。また、第二演算部７の流速演算部７ａでは、圧力比相当値Aに基づいてスロットルバルブ２７を通過する空気の流速Vが演算される。これにより、第三演算部８の目標スロットル開度演算部８ｅでは、スロットルバルブ部の下流圧P_Aや上流圧P_Bを用いることなく目標開口面積Sを演算することができ、スロットルバルブ２７の目標開度を定めることができる。

また、図５（ａ）に示すように、圧力比相当値Aにはスロットルバルブ部の圧力比Cとの相関が認められるため、精度の高い目標開口面積Sを目標スロットル開度演算部８ｅで演算することができ、適切なスロットルバルブ２７の目標開度を設定することができる。
さらに、圧力比相当値Aと圧力比Cとの相関を利用することで、エンジン１０のさまざまな運転状態に対応した複雑なマップやテーブルが不要となり、スロットルバルブ２７の目標開度の演算に係るデータを記憶するROM容量を削減することができる。

特に、上述の制御装置には第一演算部６に第二補正部６ｅが設けられており、空燃比やバルブリフト量，バルブタイミングに応じて最大トルクPi_MAXが算出される。これにより、リーン運転やストイキ運転といった燃焼形態や吸気弁１４，排気弁１５の制御状態に応じたスロットルバルブ２７の目標開度を正確に設定することができる。
なお、最大トルク演算部６ａにおいて、点火時期や空燃比，バルブリフト量，バルブタイミングに応じて最大トルクPi_MAXを算出する構成とした場合も同様であり、演算時点でのエンジン１０の燃焼形態や運転状態，吸気弁１４，排気弁１５の制御状態に応じたスロットルバルブ２７の目標開度を正確に設定することができる。

また、圧力比相当値Aの演算手法に関して、上述の制御装置ではその時点での最大トルクPi_MAXと目標トルクPi_TGTとを用いて圧力比相当値Aを演算している。これらの最大トルクPi_MAX，目標トルクPi_TGTは、例えば燃料の噴射量や噴射時期，点火時期の制御といった吸気量制御以外のトルクベース制御でも使用されうるパラメータであるため、演算値の転用や他の制御への再利用が容易であり、制御プログラムやアルゴリズムの簡素化が容易であるという利点がある。

また、最大トルクPi_MAXの演算に関して、最大トルク演算部６ａでは、基本的には、点火時期を最適点火時期としたときにエンジン１０で発生するトルクが最大トルクPi_MAXとして演算されている。つまり、たとえ実際の点火時期が最適点火時期でない場合であっても、その時点のエンジン１０が発生させうる最大のトルクが最大トルクPi_MAXとして演算される。これにより、圧力比相当値Aと実際の圧力比Cとの相関を高めることができ、スロットルバルブ２７の目標開度の演算精度を向上させることができる。

一方、点火時期を最適点火時期に設定できないような運転状態の場合であっても、最適点火時期に近い進角寄りに所定点火時期が設定され、その所定点火時期で発生トルクが最大トルクPi_MAXとして演算されるため、圧力比相当値Aと実際の圧力比Cとの相関を高めることができ、スロットルバルブ２７の目標開度の演算精度を向上させることができる。
なお、エンジン１０の最大トルクPi_MAXや目標トルクPi_TGTを用いて圧力比相当値Aを演算することで、演算構成の簡素化が容易であるというメリットもある。

さらに、例えばストイキ空燃比や出力空燃比といった一定の所定空燃比という条件下で最大トルクPi_MAXを演算した場合には、空燃比に由来するトルクの相違の影響を取り除くことができ、圧力比相当値Aと実際の圧力比Bとの相関をさらに高めることができる。

［４．変形例］
［４−１．充填効率を用いた圧力比相当値の演算］
上述した実施形態に関わらず、それら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。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。また、上述の制御装置では、エンジン１０の最大トルクPi_MAX及び目標トルクPi_TGTを用いて圧力比相当値Aを演算しているが、トルクの代わりにシリンダ内に導入される空気量を用いることで同様の演算を行うことも可能である。

例えば、上述の実施形態の最大トルクPi_MAX及び目標トルクPi_TGTの代わりに、最大充填効率Ec_MAX及び目標充填効率Ec_TGTを用いて第二圧力比相当値Bを演算し、この第二圧力比相当値Bに基づいてスロットルバルブ２７を通過する空気の流速Vを演算する構成とすることが考えられる。最大充填効率Ec_MAXとは、上述の実施形態における最大トルクPi_MAXに対応する充填効率Ecであり、エンジン１０で最大トルクPi_MAXを発生させるのに要求される空気量に基づいて算出される充填効率Ec（スロットル全開時における充填効率Ec）である。また、目標充填効率Ec_TGTは目標トルクPi_TGTに対応する充填効率Ecであり、エンジン１０で目標トルクPi_TGTを発生させるのに要求される空気量に基づいて算出される充填効率Ecである。これらのパラメータを用いて、最大充填効率Ec_MAXに対する目標充填効率Ec_TGTの比を第二圧力比相当値B（B=Ec_TGT/Ec_MAX）とすることができる。

ここで、本発明者らによる試験を通して確認された第二圧力比相当値Bと実際のスロットルバルブ部の圧力比Cとの関係を、図５（ｂ）に例示する。このグラフは、図５（ａ）と同様に、エンジン回転数Ne及び空燃比を一定とし、吸気弁１４のバルブリフト量を変化させた場合のそれぞれの第二圧力比相当値Bと圧力比Cとの関係をプロットしたものである。

バルブリフトが異なる四つのグラフは、何れも点線状の白丸に沿った形状をなしており、第二圧力比相当値Bと圧力比Cとの間にはバルブリフト量に依存しない相関が認められる。したがって、圧力比Cの代わりに第二圧力比相当値Bを用いてスロットル開度θ_THを算出することが可能である。
このような変形例としてのエンジンECU５′のブロック構成を図８に例示する。このエンジンECU５′には、第一演算部６′，第二演算部７，第三演算部８及びスロットル開度制御部９が設けられ、上述の実施形態における目標充填効率演算部８ｂを第一演算部６内に移動させたような構成を備えている。なお、上述の実施形態で説明した要素に関しては同一の符号を付して説明を省略する。

第一演算部６′（第一演算手段）は、第二圧力比相当値Bを演算するものである。この第一演算部６′には、最大トルク相当値演算部６ａ′，目標トルク相当値演算部６ｂ′，圧力比相当値演算部６ｃ，第一補正部６ｄ及び第二補正部６ｅが設けられる。
最大トルク相当値演算部６ａ′は、クランク角度センサ３で検出（または演算）されたエンジン回転数Neに基づいて最大充填効率Ec_MAXを演算するものである。最大充填効率Ec_MAXの演算手法としては、例えば図４中に実線で示すように、スロットル全開時における最大充填効率Ec_MAXとエンジン回転数Neとの対応関係を定めたグラフやマップを用いてもよい。ここで演算された最大充填効率Ec_MAXは、圧力比相当値演算部６ｃ′及び第一補正部６ｄに伝達される。

目標トルク相当値演算部６ｂ′は、クランク角度センサ３で検出（または演算）されたエンジン回転数Neとアクセルペダルセンサ２で検出された操作量θ_ACとに基づいて目標トルクPi_TGTを演算し、この目標トルクPi_TGTに対応する空気量に基づいて算出される充填効率Ecを目標充填効率Ec_TGTとして演算するものである。目標トルク相当値演算部６ｂ′には、上述の実施形態における目標充填効率演算部８ｂと同様の演算を実施する目標充填効率演算部６ｆが設けられており、目標充填効率Ec_TGTは目標充填効率演算部６ｆで演算される。目標トルク相当値演算部６ｂ′で演算された目標充填効率Ec_TGTは、第三演算部８及び圧力比相当値演算部６ｃ′に伝達される。

圧力比相当値演算部６ｃ′は、最大トルク相当値演算部６ａ′で演算された最大充填効率Ec_MAXと目標トルク相当値演算部６ｂ′で演算された目標充填効率Ec_TGTとに基づき、第二圧力比相当値Bを演算するものである。第二圧力比相当値Bは、最大充填効率Ec_MAXに対する目標充填効率Ec_TGTの比（B=Ec_TGT/Ec_MAX）として与えられる。ここで演算された第二圧力比相当値Bは、第二補正部６ｅ及び第二演算部７に伝達される。

このような構成のエンジン１０の制御装置においても、第一演算部６′の圧力比相当値演算部６ｃ′において、実際のスロットルバルブ部の圧力比Cの代わりに第二圧力比相当値Bが演算される。また、第二演算部７の流速演算部７ａでは、第二圧力比相当値Bに基づいてスロットルバルブ２７を通過する空気の流速Vが演算される。これにより、第三演算部８の目標スロットル開度演算部８ｅでは、スロットルバルブ部の下流圧P_Aや上流圧P_Bを用いることなく目標開口面積Sを演算することができ、スロットルバルブ２７の目標開度を定めることができる。

また、図５（ｂ）に示すように、第二圧力比相当値Bにはスロットルバルブ部の圧力比Cとの相関が認められるため、精度の高い目標開口面積Sを目標スロットル開度演算部８ｅで演算することができ、適切なスロットルバルブ２７の目標開度を設定することができる。
さらに、第二圧力比相当値Bと圧力比Cとの相関を利用することで、エンジン１０のさまざまな運転状態に対応した複雑なマップやテーブルが不要となり、スロットルバルブ２７の目標開度の演算に係るデータを記憶するROM容量を削減することができる。

なお、最大充填効率Ec_MAXや目標充填効率Ec_TGTを用いた場合であっても、エンジン１０の最大トルクPi_MAXや目標トルクPi_TGTを用いた場合と同等の演算が可能であり、演算構成の簡素化が容易である。

［４−２．その他］
上記の実施形態では、インマニ圧センサ２６で検出された下流圧P_Aと大気圧センサ２５で検出された上流圧P_Bとを使わずにスロットル開度θ_THを算出するものを例示したが、これらの下流圧P_A及び上流圧P_Bを併用してスロットル開度θ_THを算出する構成としてもよい。例えば第二演算部７において、通常時には圧力比Cを用いて流速Vを演算し、インマニ圧センサ２６，大気圧センサ２５の何れかからフェール信号が入力された場合に圧力比相当値Aを用いて流速Vを演算するような構成としてもよい。これにより、各センサの不調や故障時であっても正確なスロットル制御が可能となり、吸気量制御の信頼性を向上させることができる。

なお、上述の実施形態では、図示平均有効圧Piで表現された最大トルクPi_MAX及び目標トルクPi_TGTを用いて圧力比相当値Aを演算するものを例示したが、具体的な圧力比相当値Aの演算手法はこれに限定されない。例えば、図示平均有効圧Piの代わりに正味平均有効圧Peやクランクシャフト１７に生じるトルク値を用いて圧力比相当値Aを演算してもよい。また、上述の変形例における充填効率Ecの代わりに空気量（空気の体積や質量）を用いて第二圧力比相当値Bを演算してもよい。

１ エアフローセンサ
２ アクセルペダルセンサ
３ クランク角度センサ
４ 可変動弁機構
５ エンジンECU
６ 第一演算部（第一演算手段）
７ 第二演算部（第二演算手段）
８ 第三演算部（第三演算手段）
９ スロットル開度制御部
２７ スロットルバルブ

Claims (6)

1. エンジンの最大トルク相当値に対する前記エンジンの目標トルク相当値の比を圧力比相当値として演算する第一演算手段と、
   前記第一演算手段で演算された前記圧力比相当値に基づき、前記エンジンのスロットルバルブを通過する空気の流速を演算する第二演算手段と、
   前記第二演算手段で演算された前記流速に基づき、前記スロットルバルブの目標開度を演算する第三演算手段と
   を備えたことを特徴とする、エンジンの制御装置。
2. 前記第一演算手段が、吸排気弁のバルブリフト量又はバルブタイミングに応じて前記最大トルク相当値を算出する
   ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの制御装置。
3. 前記第一演算手段が、前記エンジンに導入される空気量にて前記エンジンで発生するトルクを前記最大トルク相当値として演算するとともに、前記エンジンへの出力要求に基づいて設定される目標トルクを前記目標トルク相当値として演算する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジンの制御装置。
4. 前記第一演算手段が、点火時期を最適点火時期としたときに前記エンジンで発生するトルクを前記最大トルク相当値として演算する
   ことを特徴とする、請求項３記載のエンジンの制御装置。
5. 前記第一演算手段が、予め設定された所定空燃比での燃焼時に前記エンジンで発生する最大のトルクを前記最大トルク相当値として演算する
   ことを特徴とする、請求項３又は４記載のエンジンの制御装置。
6. 前記第一演算手段が、前記最大トルク相当値として前記エンジンの最大充填効率を用いるとともに、前記目標トルク相当値として前記空気量に基づいて演算される目標充填効率を用いて、前記圧力比相当値を演算する
   ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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