JPWO2013057829A1

JPWO2013057829A1 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JPWO2013057829A1
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Abstract

制御装置は、過給機を備えた内燃機関であっ記過給機に導入される排ガスが通過する領域である通過領域の開口面積が可変である内燃機関に適用される。この制御装置は、通過領域の開口面積の変化に伴って内燃機関の燃焼室に導入される空気の量である空気導入量が変化することに起因する内燃機関のトルクの変化の度合いである第１トルク変化度、および、通過領域の開口面積の変化に伴って排ガスの圧力が変化することに起因する内燃機関のトルクの変化の度合いである第２トルク変化度、に基づき、通過領域の開口面積および燃焼室に供給される燃料の量である燃料供給量を変更する。

Description

本発明は、過給機を備えた内燃機関に適用される制御装置に関する。

従来から、排ガスが導入されるタービンおよびタービンに連動して空気を圧縮するコンプレッサを有するとともに、タービンに導入される排ガスが通過する領域の開口面積を変更することによって過給特性を調整することができる過給機（いわゆる、可変ジオメトリターボチャージャ。ＶＧＴ）を備えた内燃機関が提供されている。

この種の内燃機関に適用され得る従来の制御装置の一つ（以下、「従来装置」とも称呼される。）は、内燃機関の運転状態などに応じて上記領域の開口面積を調整することにより、内燃機関の燃焼室に導入される空気の圧力（過給圧）を制御するようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。以下、便宜上、タービンに導入される排ガスが通過する領域は「通過領域」とも称呼される。

特開２００７−１９２１５５号公報

以下、上述した過給機を備える内燃機関における通過領域の開口面積と過給機の過給特性との関係が、より具体的に説明される。

まず、通過領域の開口面積が変更されると、タービンに導入される排ガスの流速などが変化することにより、タービンの回転速度が変化するとともにコンプレッサの回転速度が変化する。その結果、上述したように、過給圧が変化する。具体的に述べると、一般に、通過領域の開口面積が小さいほど過給圧は大きいことになり、通過領域の開口面積が大きいほど過給圧は小さいことになる。

さらに、過給圧が大きいほど、燃焼室に導入される空気の量が大きいことになるとともに、燃焼室内にて燃焼させられ得る燃料の量も大きいことになる。そして、燃焼させられ得る燃料の量が大きいほど、内燃機関の燃焼サイクルにおける仕事量が大きいことになる。すなわち、通過領域の開口面積が小さいほど燃焼させられ得る燃料の量が大きいことになり（内燃機関がなし得る仕事量が大きいことになり）、通過領域の開口面積が大きいほど燃焼させられ得る燃料の量が小さいことになる（内燃機関がなし得る仕事量が小さいことになる。）。

一方、通過領域の開口面積が変更されると、燃焼室と過給機との間の空間（例えば、エキゾーストマニホールド）における排ガスの圧力（排気圧）も変化する。具体的に述べると、一般に、通過領域の開口面積が小さいほど排気圧は大きいことになり、通過領域の開口面積が大きいほど排気圧は小さいことになる。さらに、排気圧が大きいほど、内燃機関の仕事量の損失分（排気・吸気行程に係る負の仕事量。いわゆる、ポンピングロス）が大きいことになる。すなわち、通過領域の開口面積が小さいほどポンピングロスは大きいことになり、通過領域の開口面積が大きいほどポンピングロスは小さいことになる。

このように、通過領域の開口面積が変化すると、過給圧および排気圧の双方が変化する。そのため、通過領域の開口面積が変化すると、内燃機関の仕事量（正の仕事量）およびポンピングロス（負の仕事量）の双方が変化する。具体的に述べると、通過領域の開口面積が減少すると、内燃機関の仕事量（正の仕事量）が増大する一方でポンピングロス（負の仕事量）も増大する。逆に、通過領域の開口面積が増大すると、内燃機関の仕事量（正の仕事量）が減少する一方でポンピングロス（負の仕事量）も減少する。すなわち、内燃機関の仕事量とポンピングロスとの間には、通過領域の開口面積に関して二律背反の関係がある。
以上が、通過領域の開口面積と過給機の過給特性との関係についての説明である。

上述した従来装置は、過給圧を制御するとき、ポンピングロスの大きさを考慮しながら通過領域の開口面積を調整するようになっている。具体的に述べると、従来装置は、ポンピングロスの大きさが所定の上限値に近づいた場合、過給圧を所定の目標過給圧に一致させることよりもポンピングロスを減少させることを優先して通過領域の開口面積を調整する。例えば、上記の場合、従来装置は、ポンピングロスを減少させるべく、過給圧が目標過給圧よりも小さい過給圧となるように（すなわち、通過領域の開口面積が、過給圧が目標過給圧に一致することになる開口面積よりも大きい開口面積となるように）通過領域の開口面積を調整すると考えられる。

ところが、上述したように、過給圧が減少すると、燃焼室に導入される空気の量が減少するとともに、燃焼させられ得る燃料の量が減少する。しかしながら、従来装置における燃料の量は、過給圧が目標過給圧に一致することを前提として（換言すると、燃焼させられ得る燃料の量が減少する場合があることを考慮することなく）定められている。そのため、従来装置がポンピングロスを減少させることを優先して通過領域の開口面積を調整すると、燃焼室に供給される燃料の一部が燃焼しない場合がある。別の言い方をすると、燃料の一部が内燃機関の仕事量に変換されることなく消費される場合がある。

内燃機関から出力されるトルクは、内燃機関の仕事量を出力軸（クランクシャフト）周りのモーメントとして表した値である。そのため、燃料の一部が内燃機関の仕事量に変換されない場合、その燃料の一部は内燃機関のトルクに寄与しない。内燃機関の燃費を向上させる観点において、内燃機関のトルクに寄与しない燃料が消費されることは出来る限り防がれることが望ましい。

そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、内燃機関の燃費を出来る限り向上させながら内燃機関のトルクを制御することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明による制御装置は、過給機を備えた内燃機関に適用される。この過給機は、過給機に導入される排ガスが通過する領域である「通過領域」の開口面積が可変である過給機である。

上記「通過領域」は、過給機に導入される前の排ガスが通過する領域であればよく、その形態および位置などは、特に制限されない。通過領域の具体例は、後述される。

そして、本発明の制御装置は、
前記通過領域の開口面積の変化に伴って前記内燃機関の燃焼室に導入される空気の量である空気導入量が変化することに起因する前記内燃機関のトルクの変化の度合いである「第１トルク変化度」、および、前記通過領域の開口面積の変化に伴って前記排ガスの圧力が変化することに起因する前記内燃機関のトルクの変化の度合いである「第２トルク変化度」、に基づき、「前記通過領域の開口面積」および前記燃焼室に供給される燃料の量である「燃料供給量」を変更する。

上述したように、通過領域の開口面積が変更されるとき、燃焼室に導入される空気の量（および、燃焼させられ得る燃料の量）が変化することによって内燃機関がなし得る仕事量が変化する（第１トルク変化度に相当する。）とともに、排気圧が変化することによって内燃機関のポンピングロスが変化する（第２トルク変化度に相当する。）。

そのため、第１トルク変化度および第２トルク変化度に基づき、「通過領域の開口面積」が調整されるだけではなく「燃料供給量」も調整されれば、内燃機関のトルクに寄与しない燃料が消費されることが防がれながら内燃機関のトルクが制御され得る。よって、内燃機関の燃費が出来る限り向上されながら内燃機関のトルクが制御され得る。

ところで、上記「第１トルク変化度」および上記「第２トルク変化度」は、内燃機関のトルクの変化の程度を表し得るパラメータであればよく、特に制限されない。例えば、第１トルク変化度として、通過領域の開口面積が変更される前の時点におけるトルクの大きさに対する通過領域の開口面積が変更された後のトルクの大きさの割合（すなわち、トルクの変化率）が採用され得る。さらに、例えば、第１トルク変化度として、通過領域の開口面積が変更される前の時点におけるトルクの大きさと、通過領域の開口面積が変更された後のトルクの大きさと、の差（すなわち、トルクの変化量）が採用され得る。同様に、例えば、第２トルク変化度として、トルクの変化率またはトルクの変化量が採用され得る。

上述した第１トルク変化度および第２トルク変化度を把握する方法、ならびに、それらトルク変化度に基づいて通過領域の開口面積および燃料供給量を変更する方法、は、内燃機関の構成、要求される燃費、および、要求されるトルクの応答速度などを考慮した方法であればよく、特に制限されない。

例えば、一の態様として、本発明の制御装置は、
前記内燃機関のトルクの変化の度合いの目標値が「目標トルク変化度」であるとき、
（１）前記第１トルク変化度および前記第２トルク変化度の和である「合計トルク変化度」と、前記通過領域の開口面積の変化の度合いと、の関係を推定し、
（２−１）前記合計トルク変化度の絶対値の最大値が前記目標トルク変化度の絶対値以上である場合、前記合計トルク変化度の絶対値が前記目標トルク変化度の絶対値以上となる範囲内の前記通過領域の開口面積の変化の度合いを、前記通過領域の開口面積の変化の度合いの目標値である「目標開口面積変化度」として定め、または、（２−２）前記合計トルク変化度の絶対値の最大値が前記目標トルク変化度の絶対値よりも小さい場合、前記合計トルク変化度の絶対値が前記最大値となる前記通過領域の開口面積の変化の度合いを、「前記目標開口面積変化度」として定め、
（３）前記通過領域の開口面積が前記目標開口面積変化度だけ変化したときの前記空気導入量を推定し、前記推定される空気導入量に応じて前記燃料供給量の目標値である「目標燃料供給量」を定めるとともに、
（４）前記通過領域の開口面積の変化の度合いが前記目標開口面積変化度に一致し、かつ、前記燃料供給量が前記目標燃料供給量に一致するように、前記通過領域の開口面積および前記燃料供給量を変更する、
ように構成され得る。

以下、上記態様の制御装置において上述した制御が行われる理由が説明される。

上述したように、通過領域の開口面積が変更されるとき、内燃機関がなし得る仕事量（正の仕事量）に関連する第１トルク変化度、および、内燃機関のポンピングロス（負の仕事量）に関連する第２トルク変化度、が変化する。例えば、通過領域の開口面積が減少する場合、第１トルク変化度は正の方向に増大し、第２トルク変化度は負の方向に増大する（例えば、後述される図４を参照。）。この場合、一般に、第１トルク変化度および第２トルク変化度の和（合計トルク変化度）は、少なくとも通過領域の開口面積が所定の範囲内にあるときに正の方向に増大する（換言すると、通過領域の開口面積が減少したにもかかわらず、合計トルク変化度が常に負の方向に増大する（減少する）ことはない）と考えられる。例えば、合計トルク変化度は、通過領域の開口面積が減少するとき、正の方向に凸となる変化傾向を示す場合があると考えられる（図４を参照。）。

上記態様の制御装置は、上述した合計トルク変化度の変化傾向を考慮して通過領域の開口面積を変更する。具体的に述べると、上記態様の制御装置は、通過領域の開口面積が変更されるときの「合計トルク変化度と、通過領域の開口面積の変化の度合いと、の関係（変化傾向）」を推定する。さらに、上記態様の制御装置は、推定された上記関係（変化傾向）に基づき、合計トルク変化度が目標トルク変化度以上となる（合計トルク変化度の絶対値が目標トルク変化度の絶対値以上となる）開口面積の変化の度合い、または、合計トルク変化度が目標トルク変化度に最も近づく（合計トルク変化度の絶対値が最大値となる）開口面積の変化の度合い、を把握する。そして、上記態様の制御装置は、内燃機関のトルクが目標トルク変化度だけ変化することが出来る限り達成されるように、通過領域の開口面積の変化の度合い（目標開口面積変化度）を定める。

さらに、上記態様の制御装置は、通過領域の開口面積が目標開口面積変化度だけ変化されたときの空気導入量に基づき、内燃機関の燃費を向上させる等の観点において適切な燃料供給量（目標燃料供給量）を定める。

すなわち、上記態様の制御装置においては、合計トルク変化度が目標トルク変化度以上となるか（上記２−１）又は目標トルク変化度に出来る限り近づけられるように（上記２−２）、通過領域の開口面積が変更される（上記４）。さらに、通過領域の開口面積がそのように変更されるときの空気導入量に応じた量となるように（上記３）、燃料供給量が変更される（上記３）。これにより、内燃機関のトルクが目標トルク変化度だけ変更されることが出来る限り達成されながら、燃料供給量が空気導入量に応じた量に設定される。
以上が、上記態様の制御装置において上述した制御が行われる理由である。

上記「空気導入量に応じた量」は、推定される空気導入量を考慮して定められる量であればよく、特に制限されない。例えば、空気導入量に応じた量として、その空気導入量だけの空気によって燃焼させられ得る燃料の量を超えない量が採用され得る。さらに、例えば、空気導入量に応じた量として、その空気導入量だけの空気と過不足なく反応して燃焼し得る燃料の量（すなわち、空気導入量と燃料供給量との比が理論空燃比となる量）が採用され得る。

これにより、内燃機関のトルクが制御されながら、内燃機関のトルクに寄与しない燃料が供給されることが防がれ得る。よって、内燃機関の燃費が出来る限り向上されながら内燃機関のトルクが制御され得る。

本発明の制御装置が適用される内燃機関が備える過給機は、排ガスのエネルギを利用して燃焼室に導入される空気を圧縮することができる構成を備えていればよく、特に制限されない。

例えば、一の態様として、前記過給機は、前記内燃機関の排気通路に設けられるとともに前記通過領域を通過した排ガスが導入されることによって駆動されるタービンと、前記内燃機関の吸気通路に設けられるとともに前記タービンが駆動されることによって駆動されて前記吸気通路を通過して前記内燃機関の燃焼室に導入される空気を圧縮するコンプレッサと、前記通過領域の開口面積を変更する開口面積変更部材と、を有する、ように構成され得る。

上記「開口面積変更部材」は、通過領域の開口面積を変更し得る部材であればよく、特に制限されない。例えば、開口面積変更部材として、上記タービンを取り囲むように配置された複数の羽根状部材（ベーン）と、その羽根状部材に向けて排ガスを導入させる筐体と、を有する部材（いわゆる、可変ノズル）が採用され得る（例えば、後述される図２を参照。）。この可変ノズルにおいては、一の羽根状部材と、その一の羽根状部材に隣接する他の羽根状部材と、の間の領域が、上記「通過領域」に相当する。さらに、この可変ノズルにおいては、所定の指示に応じて羽根状部材が回動することにより、上記通過領域の開口面積が変更され得る。

図１は、本発明の第１実施形態に係る制御装置が適用される内燃機関の概略図である。図２は、図１に示す内燃機関における可変ノズル機構の概略図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。図４は、通過領域の開口面積の変化率と、第１トルク変化率と、第２トルク変化率と、合計トルク変化度と、の関係を示す模式図である。図５は、合計トルク変化度と、目標トルク変化率と、の関係を示す模式図である。図６は、合計トルク変化度と、目標トルク変化率と、の関係を示す模式図である。図７は、本発明の第２実施形態に係る制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。図８は、本発明の第２実施形態に係る制御装置のＣＰＵが実行するルーチンを示したフローチャートである。

以下、本発明による内燃機関の制御装置の各実施形態（第１実施形態〜第２実施形態）について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
＜装置の概要＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御装置（以下、「第１装置」とも称呼される。）を内燃機関１０に適用したシステムの概略構成を示している。内燃機関１０は、第１気筒〜第４気筒の４つの気筒を有する４気筒ディーゼル機関である。以下、便宜上、「内燃機関１０」は、単に「機関１０」とも称呼される。

この機関１０は、図１に示すように、燃料噴射系統を含むエンジン本体２０、エンジン本体２０に空気を導入するための吸気系統３０、エンジン本体２０から排出されるガスを機関１０の外部に放出するための排気系統４０、排ガスのエネルギによって駆動されてエンジン本体２０に導入される空気を圧縮する過給機５０、および、排ガスを排気系統４０から吸気系統３０に還流させるためのＥＧＲ装置６０、を備えている。

エンジン本体２０は、吸気系統３０および排気系統４０が連結されたシリンダヘッド２１を有している。このシリンダヘッド２１は、それぞれの気筒に対応するようにそれぞれの気筒の上部に設けられた複数の燃料噴射装置２２（例えば、ソレノイド式インジェクタ。以下、「インジェクタ２２」とも称呼される。）を有している。インジェクタ２２のそれぞれは、燃料タンク（図示省略）と接続されており、電子制御装置９０からの指示信号に応じてそれぞれの気筒の燃焼室内に燃料を噴射するようになっている。

吸気系統３０は、シリンダヘッド２１に形成された吸気ポート（図示省略）、吸気ポートを介してそれぞれの気筒に連通されたインテークマニホールド３１、インテークマニホールド３１の上流側の集合部に接続された吸気管３２、吸気管３２内の開口面積（開口断面積）を変更することができるスロットル弁（吸気絞り弁）３３、電子制御装置９０からの指示信号に応じてスロットル弁３３を回転駆動するスロットル弁アクチュエータ３３ａ、スロットル弁３３の上流側の吸気管３２に設けられたインタークーラ３４、および、インタークーラ３４の上流側に設けられた過給機５０よりも上流側の吸気管３２の端部に設けられたエアクリーナ３５、を有している。インテークマニホールド３１および吸気管３２は、吸気通路を構成している。

排気系統４０は、シリンダヘッド２１に形成された排気ポート（図示省略）、排気ポートを介してそれぞれの気筒に連通されたエキゾーストマニホールド４１、エキゾーストマニホールド４１の下流側の集合部に接続された排気管４２、および、排気管４２、に設けられた過給機５０よりも下流側に設けられた排ガス浄化用触媒（例えば、ＤＰＮＲ）４３、を有している。エキゾーストマニホールド４１および排気管４２は、排気通路を構成している。

過給機５０は、コンプレッサ５１、タービン５２、および、可変ノズル機構５３、を有している。コンプレッサ５１は、吸気通路（吸気管３２）に設けられている。タービン５２は、排気通路（排気管４２）に設けられている。コンプレッサ５１のコンプレッサブレード（図示省略）と、タービン５２のタービンブレード５２ａ（図２を参照。）と、はローターシャフト５２ｂ（図２を参照。）によって同軸回転可能に連結されている。これにより、タービンに排ガスが導入されることによってタービンブレードが回転せしめられると、タービンブレードに連動してコンプレッサブレードが回転する。これにより、コンプレッサ５１に導入される空気（すなわち、燃焼室に導入される空気）が圧縮される。可変ノズル機構５３は、タービンブレードの周辺に設けられている。可変ノズル機構５３は、タービン５２に導入される排ガスが通過する領域（以下、「通過領域」とも称呼される。）の開口面積を、電子制御装置９０からの指示信号に応じて変更するようになっている。このように、機関１０は、過給機５０に導入される排ガスが通過する領域（通過領域）の開口面積が可変である内燃機関である。

可変ノズル機構５３の構成を、図２を参照しながら説明する。可変ノズル機構５３は、複数の羽根状部材（ベーン）５３ａ、および、このベーン５３ａに向けて排ガスを導入させる筒状部材（図示省略）を備えている。複数のベーン５３ａは、タービンブレード５２ａを取り囲むように配置されている。そして、排ガスは、図中の矢印にて示すように、一のベーン５３ａと、その一のベーン５３ａに隣接する他のベーンと、の間の領域を通過して、タービンブレード５２ａに導入される。なお、この一のベーンと他のベーンとの間の領域が、上記通過領域に相当する。

ベーン５３ａのそれぞれは、電子制御装置９０からの指示信号に応じて、図中の実線にて示される位置から破線にて示される位置までの範囲において所定の回動軸周りに回動することができるようになっている。なお、可変ノズル機構５３において、ベーン５３ａの全ては連動して回動するようになっている。そして、ベーン５３ａが回動すると、通過領域の開口面積は、面積Ｓ１（ベーン５３ａの位置が図中の実線にて示される位置である場合の通過領域の開口面積）から面積Ｓ２（ベーン５３ａの位置が図中の破線にて示される位置である場合の通過領域の開口面積）まで、の範囲において変化する。

このように、可変ノズル機構５３は、指示信号に応じて通過領域の開口面積を変更する。通過領域の開口面積が変化すると、例えばタービンブレード５２ａに導入される排ガスの流速などが変化するので、タービンブレード５２ａに導入される排ガスのエネルギの大きさが変化する。そして、タービンブレード５２ａの単位時間当たりの回転数が変化する。その結果、燃焼室に導入される空気の圧力（過給圧）が変化するとともに、燃焼室に導入される空気の量（以下、「空気導入量」とも称呼される。）が変化する。

再び図１を参照すると、ＥＧＲ装置６０は、排ガスをエキゾーストマニホールド４１からインテークマニホールド３１へと還流させる通路（ＥＧＲ通路）を構成する排気還流管６１、排気還流管６１に設けられたＥＧＲガス冷却装置（ＥＧＲクーラ）６２、および、排気還流管６１に設けられたＥＧＲ制御弁６３、を有している。ＥＧＲ制御弁６３は、還流される排ガス量を電子制御装置９０からの指示信号に応じて変更するようになっている。

アクセルペダル７１は、機関１０の外部に設けられている。アクセルペダル７１は、機関１０に加速要求などを入力するべく、機関１０の操作者によって操作される。

各種のセンサ８１〜８６として、空気導入量センサ８１、吸気温度センサ８２、過給圧センサ８３、クランクポジションセンサ８４、粒子状物質量センサ（ＰＭセンサ）８５、および、アクセル開度センサ８６を備えている。

空気導入量センサ８１は、吸気通路（吸気管３２）に設けられている。空気導入量センサ８１は、吸気管３２内を流れる空気の質量流量（すなわち、機関１０に吸入される空気の質量）に応じた信号を出力するようになっている。この信号に基づき、空気導入量Mcが取得される。

吸気温度センサ８２は、吸気通路（吸気管３２）に設けられている。吸気温度センサ８２は、吸気管３２内を流れる空気の温度である吸気温度に応じた信号を出力するようになっている。この信号に基づき、吸気温度が取得される。

過給圧センサ８３は、スロットル弁３３の下流側の吸気管３２に設けられている。過給圧センサ８３は、吸気管３２内の空気の圧力（すなわち、機関１０の燃焼室に供給される空気の圧力。換言すると、過給機５０によってもたらされる過給圧）を表す信号を出力するようになっている。この信号に基づき、過給圧Pimが取得される。

クランクポジションセンサ８４は、クランクシャフト（図示省略）の近傍に設けられている。クランクポジションセンサ８４は、クランクシャフトが１０°回転する毎に幅の狭いパルスを有する信号を出力すると共に、クランクシャフトが３６０°回転する毎に幅の広いパルスを有する信号を出力するようになっている。これら信号に基づき、クランクシャフトの単位時間あたりの回転数の測定値（以下、単に「機関回転速度NE」とも称呼される。）が取得される。

ＰＭセンサ８６は、排ガス浄化用触媒４３の上流側の排気管４２に設けられている。ＰＭセンサ８６は、排ガス浄化用触媒４３に導入される排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）の量を表す信号を出力するようになっている。

アクセル開度センサ８６は、機関１０の操作者によって操作されるアクセルペダルＡＰに設けられている。アクセル開度センサ８６は、このアクセルペダルＡＰの開度に応じた信号を出力するようになっている。この信号に基づき、アクセルペダル開度Accpが取得される。

さらに、第１装置は、電子制御装置９０を備えている。
電子制御装置９０は、ＣＰＵ９１、ＣＰＵ９１が実行するプログラム、テーブル（マップ）および定数などをあらかじめ記憶したＲＯＭ９２、ＣＰＵ９１が必要に応じて一時的にデータを格納するＲＡＭ９３、電源が投入された状態でデータを格納すると共に格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップＲＡＭ９４、ならびに、ＡＤコンバータを含むインターフェース９５を有する。ＣＰＵ９１、ＲＯＭ９２、ＲＡＭ９３、ＲＡＭ９４およびインターフェース９５は、互いにバスで接続されている。

インターフェース９５は、上記センサと接続され、ＣＰＵ９１にそれらから出力される信号を伝えるようになっている。さらに、インターフェース９５は、インジェクタ２２、可変ノズル機構５３、ＥＧＲ制御弁６３および複数のアクチュエータなどと接続され、ＣＰＵ９１の指示に応じてそれらに指示信号を送るようになっている。

＜装置の作動の概要＞
以下、機関１０に適用される第１装置の作動の概要が、図３を参照しながら説明される。図３は、第１装置の作動の概要を示す「概略フローチャート」である。

第１装置は、機関１０のトルクが変更されるとき（例えば、トルクを所定の大きさだけ変更するように機関１０の操作者から指示が与えられたとき）、通過領域の開口面積の変化に伴って空気導入量および排気圧が変化することに起因するトルクの変化の度合い（第１トルク変化度および第２トルク変化度）に基づき、「通過領域の開口面積」および「燃料供給量」を変更する。

具体的に述べると、第１装置は、図３のステップ３１０にて、トルクの変更が必要であるか否かを判定する。第１装置は、トルクの変更が必要であると判定した場合、ステップ３１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ３２０に進む。

第１装置は、ステップ３２０にて、通過領域の開口面積の変化に伴って空気導入量が変化することに起因するトルクの変化の度合い（第１トルク変化度）を推定する。次いで、第１装置は、ステップ３３０に進み、通過領域の開口面積の変化に伴って排気圧が変化することに起因するトルクの変化の度合い（第２トルク変化度）を推定する。

そして、第１装置は、ステップ３４０に進み、第１トルク変化度および第２トルク変化度に基づき、通過領域の開口面積および燃料供給量を変更する。これにより、機関１０のトルクが変更される。

なお、第１装置は、トルクの変更が必要であると判定しない場合、ステップ３４０にて「Ｎｏ」と判定し、ステップ３９５に直接進む。この場合、図３に示すルーチンによって通過領域の開口面積および燃料供給量は変更されない。

第１トルク変化度および第２トルク変化度に基づいて通過領域の開口面積および燃料供給量を変更する具体的な方法としては、内燃機関の構成、要求される燃費、および、要求されるトルクの応答速度などを考慮した種々の方法が採用され得る。そこで、第１装置の実際の作動の一の具体例が、後述される実施形態として説明される。
以上が、第１装置についての説明である。

（第２制御装置）
第１装置の一の具体例として、「第１トルク変化度と第２トルク変化度との和に基づいて通過領域の開口面積の変化の度合いの目標値を定め、定められた通過領域の開口面積の目標値に基づいて燃料供給量の目標値を定める」実施形態が説明される。

この実施形態に係る制御装置（以下、「第２装置」とも称呼される。）は、第１装置が適用される機関１０と同様の構成を有する内燃機関（図１を参照。以下、便宜上、「機関１０」とも称呼される。）に適用される。

第２装置においては、第１トルク変化度として、通過領域の開口面積が変更される前の時点におけるトルクの大きさに対する通過領域の開口面積が変更された後のトルクの大きさの割合（すなわち、トルクの変化率。以下、「第１トルク変化率Tq1」とも称呼される。）が採用される。同様に、第２装置においては、第２トルク変化度として、トルクの変化率（以下、「第２トルク変化率Tq2」とも称呼される。）が採用される。

＜通過領域の開口面積の変更方法＞
図４は、通過領域の開口面積が「減少」されるときの（例えば、機関１０のトルクを「増大」させる指示が与えられたときの）通過領域の開口面積の変化率ΔOvnと、第１トルク変化率Tq1と、第２トルク変化率Tq2と、第１トルク変化率Tq1と第２トルク変化率Tq2との和（以下、「合計トルク変化率Tqsum」とも称呼される。）と、の関係の一例を示す模式図である。

図４に示すように、この例において、第１トルク変化率Tq1は、通過領域の開口面積の変化率ΔOvnが大きくなるにつれて（実際には、開口面積が小さくなるにつれて）増大する。一方、第２トルク変化率Tq2は、通過領域の開口面積の変化率ΔOvnが大きくなるにつれて（開口面積が小さくなるにつれて）減少する。その結果、合計トルク変化率Tqsumは、通過領域の開口面積の変化率ΔOvnが大きくなるにつれて、最大値Tqsummaxにまで増大した後に減少する（すなわち、正の方向に凸となる）変化傾向を示す。

第２装置は、この最大値Tqsummaxと、機関１０のトルクの変化率の目標値（以下、「目標トルク変化率Tqtgt」とも称呼される。）と、を考慮して通過領域の開口面積の変化の度合いの目標値（以下、「目標開口面積変化率ΔOvntgt」とも称呼される。）を定める。

具体的に述べると、図５に示すように、合計トルク変化率Tqsumの最大値Tqsummaxが目標トルク変化率Tqtgt以上である場合、第２装置は、合計トルク変化率Tqsumが目標トルク変化率Tqtgt以上となる範囲内の開口面積の変化率ΔOvn（図５における値aから値bまでの範囲内の変化率ΔOvn）を目標開口面積変化率ΔOvntgtとして定める。

一方、図６に示すように、合計トルク変化率Tqsumの最大値Tqsummaxが目標トルク変化率Tqtgtよりも小さい場合、第２装置は、合計トルク変化率Tqsumが最大値Tqsummaxとなる開口面積の変化率ΔOvn（図６における値cに相当する変化率ΔOvn）を目標開口面積変化率ΔOvntgtとして定める。

そして、第２装置は、通過領域の開口面積の変化率ΔOvnが目標開口面積変化率ΔOvntgtに一致するように、通過領域の開口面積を変更する。

なお、上記説明から理解されるように、通過領域の開口面積が「増大」されるときの（例えば、機関１０のトルクを「減少」させる指示が与えられたときの）通過領域の開口面積の変化率ΔOvnと、合計トルク変化率Tqsumと、の関係は、図４におけるそれらの関係を縦軸（トルク変化率Tqの軸）について反転させた関係となる。そこで、通過領域の開口面積が「増大」されるときの通過領域の開口面積の変更方法についての説明は、省略される。
以上が、第２装置における通過領域の開口面積の変更方法についての説明である。

＜実際の作動＞
以下、第２装置の実際の作動が説明される。
第２装置において、ＣＰＵ９１は、所定の時間が経過する毎に、図７および図８における一連のフローチャートによって示した「トルク制御ルーチン」を繰り返し実行するようになっている。

ＣＰＵ９１は、このルーチンにより、機関１０のトルクを所定の目標値（目標トルク変化率）Tqtgtだけ変更させるとき、通過領域の開口面積の変更率の目標値（目標開口面積変化率）ΔOvntgtおよび燃料供給量の目標値（目標燃料供給量Qtgt）を定める。そして、ＣＰＵ９１は、通過領域の開口面積を目標開口面積変化率ΔOvntgtだけ変更させるとともに、目標燃料供給量Qtgtだけの燃料を燃焼室に供給させる。

具体的に述べると、ＣＰＵ９１は、所定のタイミングにて図７のステップ７００から処理を開始すると、ステップ７０５に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７０５にて、アクセルペダル開度Accpの単位時間当たりの変化量（変化率）ΔAccpの絶対値が所定の閾値ΔAccpthよりも大きいか否かを判定する。閾値ΔAccpthは、機関１０の操作者からトルクを変更する指示が発せられたと判断され得る適値に設定されている。

アクセルペダル開度の変化率ΔAccpの絶対値が閾値ΔAccpthよりも大きい場合、ＣＰＵ９１は、ステップ７０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７１０に進む。

ＣＰＵ９１は、ステップ７１０にて、「アクセルペダル開度の変化率ΔAccpと、目標トルク変化率Tqtgtと、の関係」をあらかじめ定めた目標トルク変化率テーブルMapTqtgt（ΔAccp）に、現時点におけるアクセルペダル開度の変化率ΔAccpを適用することにより目標トルク変化率Tqtgtを取得する。

目標トルク変化率テーブルMapTqtgt（ΔAccp）において、目標トルク変化率Tqtgtは、アクセルペダル開度の変化率ΔAccpが大きいほど大きい値であるように定められる。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７１０に続くステップ７１５およびステップ７２０にて、通過領域の開口面積が変化率ΔOvnだけ変化したときの第１トルク変化率Tq1を推定するための関数（第１トルク変化率関数FuncTq1（ΔOvn））、および、通過領域の開口面積が変化率ΔOvnだけ変化したときの第２トルク変化率Tq2を推定するための関数（第２トルク変化率関数FuncTq2（ΔOvn））、を決定する。

具体的に述べると、ＣＰＵ９１は、ステップ７１５にて、「機関回転速度NEと、第１トルク変化率関数FuncTq1（ΔOvn）と、の関係」をあらかじめ定めた第１トルク変化率関数テーブルMapFuncTq1（NE）に、現時点における機関回転速度NEを適用することにより、第１トルク変化率関数FuncTq1（ΔOvn）を決定する。なお、第１トルク変化率関数FuncTq1（ΔOvn）に通過領域の開口面積の変化率ΔOvnが適用されることにより、通過領域の開口面積の変化に伴う第１トルク変化率Tq1が推定されることになる。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７２０に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７２０にて、「過給圧Pimと、第２トルク変化率関数FuncTq2（ΔOvn）と、の関係」をあらかじめ定めた第２トルク変化率関数テーブルMapFuncTq2（Pim）に、現時点における過給圧Pimを適用することにより、第２トルク変化率関数FuncTq2（ΔOvn）を決定する。なお、第２トルク変化率関数FuncTq2（ΔOvn）に通過領域の開口面積の変化率ΔOvnが適用されることより、通過領域の開口面積の変化に伴う第２トルク変化率Tq2が推定されることになる。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７２５に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７２５にて、第１トルク変化率関数FuncTq1（ΔOvn）と第２トルク変化率関数FuncTq2（ΔOvn）との和を、合計トルク変化率関数FuncTqsum（ΔOvn）として決定する。

このように決定される合計トルク変化率関数FuncTqsum（ΔOvn）は、通過領域の開口面積が変化率ΔOvnだけ変化したときの合計トルク変化率Tqsumを推定するための関数である（図４を参照。）。すなわち、合計トルク変化率関数FuncTqsum（ΔOvn）により、通過領域の開口面積の変化に伴う合計トルク変化率Tqsumが推定されることになる。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７３０に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７３０にて、合計トルク変化率関数FuncTqsum（ΔOvn）の絶対値の最大値（換言すると、合計トルク変化率の絶対値の最大値）Tqsummaxを取得する。

次いで、ＣＰＵ９１は、接続指標Aを経由し、図５のステップ７３５に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７３５にて、推定される合計トルク変化率の絶対値の最大値Tqsummax（以下、単に「最大値Tqsummax」とも称呼される。）が目標トルク変化率Tqtgtの絶対値以上であるか否かを判定する。

ＣＰＵ９１は、最大値Tqsummaxが目標トルク変化率Tqtgtの絶対値以上である場合、ステップ７３５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ７４０に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７４０にて、目標開口面積変化率ΔOvntgtを決定する。

ステップ７４０において、目標開口面積変化率ΔOvntgtは、合計トルク変化率Tqsum（すなわち、FuncTqsum（ΔOvntgt））の絶対値が目標トルク変化率Tqtgtの絶対値以上となる範囲内の開口面積の変化率であるように、決定される。

一方、ＣＰＵ９１は、最大値Tqsummaxが目標トルク変化率Tqtgtの絶対値よりも小さい場合、ステップ７３５にて「Ｎｏ」と判定してステップ７４５に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７４５にて、目標開口面積変化率ΔOvntgtを決定する。

ステップ７４５において、目標開口面積変化率ΔOvntgtは、合計トルク変化率Tqsum（すなわち、FuncTqsum（ΔOvntgt））の絶対値が最大値Tqsummaxとなる開口面積の変化率であるように、定められる。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７５０に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７５０にて、「目標開口面積変化率ΔOvntgtと、現時点における空気導入量Mcと、推定空気導入量Maと、の関係」をあらかじめ定めた空気導入量テーブルMapMa（ΔOvntgt，Mc）に、目標開口面積変化率ΔOvntgtおよび現時点における空気導入量Mcを適用することにより、推定空気導入量Maを取得する。

この推定空気導入量Maは、通過領域の開口面積が目標開口面積変化率ΔOvntgtだけ変化したときの空気導入量として推定される値である。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７５５に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７５５にて、「推定空気導入量Maと、目標燃料供給量Qtgと、の関係」をあらかじめ定めた目標燃料供給量テーブルMapQtgt（Ma）に、推定空気導入量Maを適用することにより、目標燃料供給量Qtgtを取得する。

この目標燃料供給量Qtgtは、燃費を向上させる観点において適切な量であるよう、推定空気導入量Maに応じて定められる。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７６０に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７６０にて、通過領域の開口面積を目標開口面積変化率ΔOvntgtだけ変更させるよう、可変ノズル機構５３に指示を与える。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７６５に進む。ＣＰＵ９１は、ステップ７６５にて、目標燃料供給量Qtgtだけの燃料を噴射するよう、インジェクタ２２に指示を与える。その後、ＣＰＵ９１は、ステップ７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

これに対し、図７のステップ７０５にて、アクセルペダル開度の変化率ΔAccpの絶対値が閾値ΔAccpth以下である場合、ＣＰＵ９１は、ステップ７０５にて「Ｎｏ」と判定し、接続指標Bを経由して図５のステップ７７０に進む。

ＣＰＵ９１は、ステップ７７０にて、「機関回転速度NEと、アクセルペダル開度と、目標燃料供給量Qtgと、の関係」をあらかじめ定めた目標燃料供給量テーブルMapQtgt（NE，Accp）に、現時点における機関回転速度NEおよびアクセルペダル開度Accpを適用することにより、目標燃料供給量Qtgtを取得する。

上記説明から理解されるように、ステップ７７０にて定められる目標燃料供給量Qtgtは、機関１０のトルクを変更しない場合における（定常状態における）燃料供給量の目標値である。目標燃料供給量テーブルMapQtgt（NE，Accp）において、目標燃料供給量Qtgtは、機関１０の出力および燃費などを考慮した適値であるように定められる。

次いで、ＣＰＵ９１は、ステップ７６５にて、目標燃料供給量Qtgtだけの燃料を噴射するようにインジェクタ２２に指示を与える。そして、ＣＰＵ９１は、ステップ７９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。

このように、第２装置は、機関１０のトルクを変更するとき、第１トルク変化率Tq1と第２トルク変化率Tq2との和（合計トルク変化率Tqsum）と、通過領域の開口面積の変化率ΔOvnと、の関係を推定するとともに、合計トルク変化率Tqsumが目標トルク変化率Tqtgt以上であるか又は目標トルク変化率Tqtgtに出来る限り近い値となるように、目標開口面積変化率ΔOvntgtおよび目標燃料供給量Qtgtを決定する。そして、通過領域の開口面積が目標開口面積変化率ΔOvntgtだけ変化するように通過領域の開口面積を変更し、燃料供給量が目標燃料供給量Qtgtに一致するように燃料供給量を変更する。これにより、第２装置は、機関１０の燃費を出来る限り向上させながら機関１０のトルクを制御することができる。
以上が、第２装置についての説明である。

＜実施形態の総括＞
以上に図１〜図８を参照しながら説明したように、本発明の実施形態に係る制御装置（第１装置および第２装置）は、過給機５０を備えた内燃機関１０に適用される。ここで、前記過給機５０に導入される排ガスが通過する領域である通過領域の開口面積（図２の開口面積S１，S２を参照。）は、可変である。

本発明の実施形態に係る制御装置は、前記通過領域の開口面積の変化に伴って前記内燃機関１０の燃焼室に導入される空気の量である空気導入量Maが変化することに起因する前記内燃機関１０のトルクの変化の度合いである第１トルク変化度Tq1、および、前記通過領域の開口面積の変化に伴って前記排ガスの圧力Pimが変化することに起因する前記内燃機関１０のトルクの変化の度合いである第２トルク変化度Tq2、に基づき、前記通過領域の開口面積および前記燃焼室に供給される燃料の量である燃料供給量を変更する（図３のルーチンを参照。通過領域の開口面積を目標開口面積変化率ΔOvntgtだけ変更し、燃料供給量を目標燃料供給量Qtgtに一致するように変更する。）。

具体的に述べると、本発明の実施形態に係る制御装置は、前記内燃機関１０のトルクの変化の度合いの目標値が目標トルク変化度（目標トルク変化率Tqtgt）であるとき、前記第１トルク変化度Tq1および前記第２トルク変化度Tq2の和である合計トルク変化度Tqsumと、前記通過領域の開口面積の変化の度合いΔOvnと、の関係FuncTqsum（ΔOvn）を推定する。

次いで、本発明の実施形態に係る制御装置は、前記合計トルク変化度Tqsumの絶対値の最大値Tqsummaxが前記目標トルク変化度Tqtgtの絶対値以上である場合（ステップ７３５にて「Ｙｅｓ」と判定される場合）、前記合計トルク変化度Tqsumの絶対値が前記目標トルク変化度Tqtgtの絶対値以上となる範囲内の前記通過領域の開口面積の変化の度合いを、前記通過領域の開口面積の変化の度合いの目標値である目標開口面積変化度ΔOvntgtとして定める（ステップ７４０）。

または、本発明の実施形態に係る制御装置は、前記合計トルク変化度Tqsumの絶対値の最大値Tqsummaxが前記目標トルク変化度Tqtgtの絶対値よりも小さい場合（ステップ７３５にて「Ｎｏ」と判定される場合）、前記合計トルク変化度Tqsumの絶対値が前記最大値Tqsummaxとなる前記通過領域の開口面積の変化の度合いを、前記目標開口面積変化度ΔOvntgtとして定める（ステップ７４５）。

次いで、本発明の実施形態に係る制御装置は、前記通過領域の開口面積が前記目標開口面積変化度ΔOvntgtだけ変化したときの前記空気導入量Maを推定し（ステップ７５０）、前記推定される空気導入量Maに応じて前記燃料供給量の目標値である目標燃料供給量Qtgtを定める（ステップ７５５）。

そして、本発明の実施形態に係る制御装置は、前記通過領域の開口面積の変化の度合いが前記目標開口面積変化度ΔOvntgtに一致し、かつ、前記燃料供給量が前記目標燃料供給量Qtgtに一致するように、前記通過領域の開口面積および前記燃料供給量を変更する（ステップ７６０、ステップ７６５）。

なお、本発明の実施形態に係る制御装置が適用される内燃機関１０の前記過給機５０は、前記内燃機関１０の排気通路４２に設けられるとともに前記通過領域を通過した排ガスが導入されることによって駆動されるタービン５２と、前記内燃機関１０の吸気通路３２に設けられるとともに前記タービン５２が駆動されることによって駆動されて前記燃焼室に導入される空気を圧縮するコンプレッサ５１と、前記通過領域の開口面積を変更する開口面積変更部材５３と、を有している。

＜その他の態様＞
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

例えば、第２装置においては、トルクの変化度として「変化率」が採用されている。しかし、本発明の制御装置においては、トルクの変化度として「変化量」が採用され得る。

さらに、第２装置においては、推定される合計トルク変化度Tqsumの絶対値の最大値Tqsummaxが目標トルク変化度Tqtgtの絶対値以上である場合（ステップ７３５にて「Ｙｅｓ」と判定される場合）、推定される合計トルク変化度Tqsumの絶対値が目標トルク変化度Tqtgtの絶対値以上となるように目標開口面積変化度ΔOvntgtが定められる（ステップ７４０）。この場合、「合計トルク変化率Tqsumの絶対値が目標トルク変化率Tqtgtの絶対値以上となる」との条件を満たす限り、他の目的（例えば、排ガス中のＮＯｘなどの量を出来る限り減少させる目的）も考慮して目標開口面積変化率ΔOvntgtが決定されてもよい。さらに、この場合、通過領域の開口面積を目標開口面積変化率ΔOvntgtに一致させるためのフィードバック制御が行われてもよい。

加えて、例えば、上記複数の態様（第１実施形態、第２実施形態およびその他の態様）のうち「一の態様に、同複数の実施形態のうちの他の態様が、適用され得る。別の言い方をすると、上記複数の態様のうちの一の態様と、他の態様の一または複数と、が組み合わせられ得る。

Claims

過給機を備えた内燃機関であって前記過給機に導入される排ガスが通過する領域である通過領域の開口面積が可変である内燃機関、に適用される制御装置であって、
前記通過領域の開口面積の変化に伴って前記内燃機関の燃焼室に導入される空気の量である空気導入量が変化することに起因する前記内燃機関のトルクの変化の度合いである第１トルク変化度、および、前記通過領域の開口面積の変化に伴って前記排ガスの圧力が変化することに起因する前記内燃機関のトルクの変化の度合いである第２トルク変化度、に基づき、前記通過領域の開口面積および前記燃焼室に供給される燃料の量である燃料供給量を変更する、内燃機関の制御装置。
請求項１に記載の制御装置において、
前記内燃機関のトルクの変化の度合いの目標値が目標トルク変化度であるとき、
前記第１トルク変化度および前記第２トルク変化度の和である合計トルク変化度と、前記通過領域の開口面積の変化の度合いと、の関係を推定し、
前記合計トルク変化度の絶対値の最大値が前記目標トルク変化度の絶対値以上である場合、前記合計トルク変化度の絶対値が前記目標トルク変化度の絶対値以上となる範囲内の前記通過領域の開口面積の変化の度合いを、前記通過領域の開口面積の変化の度合いの目標値である目標開口面積変化度として定め、または、前記合計トルク変化度の絶対値の最大値が前記目標トルク変化度の絶対値よりも小さい場合、前記合計トルク変化度の絶対値が前記最大値となる前記通過領域の開口面積の変化の度合いを、前記目標開口面積変化度として定め、
前記通過領域の開口面積が前記目標開口面積変化度だけ変化したときの前記空気導入量を推定し、前記推定される空気導入量に応じて前記燃料供給量の目標値である目標燃料供給量を定めるとともに、
前記通過領域の開口面積の変化の度合いが前記目標開口面積変化度に一致し、かつ、前記燃料供給量が前記目標燃料供給量に一致するように、前記通過領域の開口面積および前記燃料供給量を変更する、内燃機関の制御装置。
請求項１または請求項２に記載の制御装置において、
前記過給機が、前記内燃機関の排気通路に設けられるとともに前記通過領域を通過した排ガスが導入されることによって駆動されるタービンと、前記内燃機関の吸気通路に設けられるとともに前記タービンが駆動されることによって駆動されて前記燃焼室に導入される空気を圧縮するコンプレッサと、前記通過領域の開口面積を変更する開口面積変更部材と、を有する、制御装置。