WO2009107372A1 - 内燃機関の燃料噴射量を制御するための装置 - Google Patents

Abstract

　より良好な精度で燃料噴射量を決定する。スロットル弁の開度を制御するスロットル弁アクチュエータを備える内燃機関において、燃料噴射量を制御するための制御装置は、スロットル弁の実スロットル開度（ＴＨ）を検出する手段を備え、該検出された実スロットル開度を、所定の時定数（τｐ）で目標スロットル開度（ＴＨＣＭＤ）に向けて収束するように所定の制御周期でフィードバック制御する。目標スロットル開度および実スロットル開度の差に所定のゲイン（Ｃ）を乗算した値を該実スロットル開度に加算することにより、次の制御周期のスロットル開度の予測値（ＨＴＨ）を算出する。該スロットル開度の予測値に基づいて、吸気管圧力の予測値（ＨＰＢ）を求め、該吸気管圧力の予測値に基づいて、燃料噴射量を算出する。該ゲインは、該制御周期の長さおよび上記時定数に基づいて算出される。

Description

内燃機関の燃料噴射量を制御するための装置

　この発明は、内燃機関の燃料噴射量を制御するための装置に関する。

　燃料噴射量を決定する際に、吸気管圧力が用いられることがある。燃料噴射時期と吸気管圧力の検出との間には時間的な遅れがあるので、従来は、定常状態における内燃機関の回転数と吸気管圧力の推定値の関係を予めマップに記憶し、現在の回転数に基づいて該マップを参照して吸気管圧力の推定値を求め、該推定値に基づいて燃料噴射量を決定していた。また、下記の特許文献１では、吸気バルブのバルブタイミングが変化する過渡的な運転条件で、バルブタイミングとスロットル開度と内燃機関の回転速度とに基づいて目標吸入負圧を算出し、算出した目標吸入負圧と実際の吸入負圧との差に基づいて燃料噴射量を調整する。これにより、吸入負圧の変動分を補償するよう燃料噴射量が決定される。
特開２００３－８３１１６号公報

　スロットル弁の作動速度のばらつき等により吸気管圧力の挙動は変化するので、上記のような吸気管圧力の推定値が実際値と不一致を起こすおそれがあり、また、目標吸入負圧への実際の吸入負圧の追従速度がばらつくおそれがある。このように、吸気管圧力の予測の精度が低くなると、所望の量の燃料が供給されず、空燃比が目標値からずれるおそれがある。これは、加速性能の低下およびエミッションの低下を招くおそれがある。

　したがって、より良好な精度で吸気管圧力を予測することにより燃料噴射量を制御する手法が望まれている。

　本願発明の一つの側面によると、スロットル弁の開度を制御するスロットル弁アクチュエータを備える内燃機関において、燃料噴射量の制御が提案される。該制御において、スロットル弁の実スロットル開度を検出する。該検出された実スロットル開度を、所定の時定数で目標スロットル開度に向けて収束するように所定の制御周期でフィードバック制御する。目標スロットル開度および実スロットル開度の差に所定のゲインを乗算した値を該実スロットル開度に加算することにより、次の制御周期のスロットル開度の予測値を算出する。該スロットル開度の予測値に基づいて、吸気管圧力の予測値を求める。該吸気管圧力の予測値に基づいて、燃料噴射量を算出する。ここで、該ゲインは、該制御周期の長さおよび上記時定数に基づいて算出される。

　吸気管圧力はスロットル開度によって変動する。この発明によれば、次の制御周期のスロットル開度が予測され、該予測値に基づいて吸気管圧力の予測値が算出され、該吸気管圧力の予測値に基づいて燃料噴射量を決定する。したがって、燃料を噴射する制御周期においては、実スロットル開度が予測スロットル開度に到達すると共に、実吸気管圧力が該吸気管圧力の予測値に到達することとなり、よって、該実吸気管圧力に適した量の燃料を噴射することができる。また、時定数は、実スロットル開度が目標スロットル開度に収束する速度を表す指標であるが、該時定数に基づいてスロットル開度の予測値が算出されるので、スロットル開度の予測値の精度を向上させることができ、よって吸気管圧力の予測値の精度を向上させることができる。

　この発明の一実施形態によると、実スロットル開度とスロットル開度の予測値とに基づいて、該実スロットル開度から該予測値にスロットル弁の開度が変化した時に該スロットル弁を通過する空気量を算出する。実吸気管圧力が検出される。内燃機関の運転状態に基づいて、吸気管圧力と吸入空気量の間の相関を表す相関係数を算出する。該通過空気量および該相関係数に基づいて、実吸気管圧力が目標吸気管圧力に収束する時の時定数を、第２の時定数として求める。目標吸気管圧力および実吸気管圧力の差に所定の第２のゲインを乗算した値を該実吸気管圧力に加算することにより、上記吸気管圧力の予測値を算出する。ここで、該第２のゲインは、吸気管圧力の予測値を算出する制御周期の長さおよび上記第２の時定数に基づいて算出される。一実施例では、通過空気量、相関係数、第２の時定数の間の相関を規定したマップを、上記算出された通過空気量および相関係数に基づいて参照することにより、該第２の時定数を求める。

　吸気管圧力は、たとえばモータによって直接駆動される制御量ではないので、吸気管圧力の制御について時定数を算出することが従来困難であったが、本願発明では、この時定数を推定する手法を提案する。すなわち、本願発明では、実際の吸気管圧力が目標吸気管圧力に向かう速度は、スロットル弁を通過する空気量に基づいて決めることができるという知見に基づき、実スロットル開度が予測スロットル開度に達するまでに該スロットル弁を通過する空気量に基づいて、吸気管圧力の時定数を推定する。また、吸気管圧力と吸入空気量の間の相関は、運転状態に応じて変化することがあるので、該運転状態をも考慮して該時定数を決定することにより、時定数の精度を上げる。時定数が決まることにより、次の制御周期の吸気管圧力を予測することができる。

　この発明の一実施例によると、内燃機関の回転数、吸気バルブのリフト量、該吸気バルブの位相、および相関係数の相関がマップに規定される。上記相関係数の算出は、現在の回転数、位相およびリフト量に基づいて該マップを参照して、対応する相関係数を求める。こうして、内燃機関の運転状態に応じた相関係数を求めることができる。

　この発明の一実施形態によると、ｐ回前の制御周期の目標スロットル開度を求める。スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移するまでの無効時間に基づいて該ｐの値を求める。スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したことが判定されたならば、スロットル開度の予測値算出には、該ｐ回前の制御周期の目標リフト量を用いる。

　この発明によれば、スロットル弁の無効時間に基づいて、予測値算出に用いる目標スロットル開度が決定されるので、スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移した時の予測値を、より良好な精度で算出することができる。

　この発明の一実施形態によると、スロットル弁が作動していることが判定されたならば、スロットル開度の予測値算出には、今回の制御周期で決定された目標スロットル開度を用いる。こうして、スロットル弁が作動している最中には、スロットル弁の無効時間を考慮しなくてもよいようにする。

　この発明の一実施形態によると、スロットル弁の作動速度を検出する。該検出された作動速度に従って、スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したか、またはスロットル弁が作動しているか、を判定する。こうして、予測値を算出するのに無効時間を考慮すべきかどうかを判断することができる。

　この発明の一実施形態によると、実スロットル開度と上記スロットル開度の予測値の差を算出する。所定の基準大気圧および基準吸気温度の基準状態におけるスロットル開度とスロットル弁の通過空気量との間の関係を表すマップが設けられる。上記差に基づいて該マップを参照することにより、基準状態におけるスロットル弁の通過空気量を算出する。該基準状態におけるスロットル弁の通過空気量を、現在の大気圧および現在の吸気温度における上記通過空気量に換算する。

　この発明によれば、現在の大気圧および現在の吸気温度におけるスロットル弁の通過空気量を求めるのに、基準状態についてのマップを記憶するだけでよく、他の大気圧および吸気温度についてのマップを記憶する必要がない。したがって、マップの設定工数および記憶すべきデータ数を削減することができる。

　この発明の一実施形態によると、さらに、内燃機関の吸気の粘性を表すパラメータ、および、吸気管の開口面積に対する、スロットル弁の予測値に相当する開口面積の比に基づいて、上記換算された通過空気量を補正する。こうして、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、より良好な精度で通過空気量を求めることができる。

　この発明の一実施形態によると、上記粘性を表すパラメータは、レイノルズ数であり、検出された吸入空気量、吸気管の開口面積、該吸気管の内径および該吸気の粘性係数に基づいて、レイノルズ数を算出する。一実施形態では、現在の吸気温度に基づいて、該粘性係数を算出する。

　この発明の一実施形態によると、上記吸気管の予測値および検出された内燃機関の回転数に基づいて、内燃機関の吸入空気量を求め、該求めた吸入空気量に基づいて、燃料噴射量を求める。こうして、吸気管の予測値を用いることにより、該予測値に対応する吸入空気量を求めることができ、よって、より良好な精度で燃料噴射量を求めることができる。

この発明の一実施例に従う、内燃機関およびその制御装置を概略的に示す図。 この発明の一実施例に従う、スロットル機構およびスロットルコントローラの構成を概略的に示す図。 この発明の一実施例に従う、燃料噴射量を算出する制御装置の機能ブロック図。 この発明の一実施例に従う、予測スロットル開度を算出する原理を説明するための図。 この発明の一実施例に従う、スロットルコントローラの機能ブロック図。 この発明の一実施例に従う、スロットルコントローラおよびプラントの伝達関数を示す図。 この発明の一実施例に従う、スロットルコントローラおよびプラントの合成伝達関数を求める手法を説明するための図。 この発明の一実施例に従う、合成伝達関数に基づいて予測値を算出する式を求める手法を説明するための図。 この発明の一実施例に従う、予測スロットル開度算出部の機能ブロック図。 この発明の一実施例に従う、通過空気量差分算出部の機能ブロック図。 本発明の一実施形態に従う、基準状態下における吸入空気量とスロットル開口面積との関係を表す相関マップ。 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。 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マップ。 本発明の一実施形態に従う、粘性係数を求めるためのマップ。 本発明の一実施形態に従う、補正係数を求めるためのマップ。 本発明の一実施形態に従う、時定数τ＿ＰＢを求めるためのマップ。 本発明の一実施形態に従う、燃料噴射量を求めるためのマップ。 本発明の一実施形態に従う、燃料噴射量を算出するためのメインフロー。 本発明の一実施形態に従う、予測スロットル開度を算出するプロセスのフローチャート。 本発明の一実施形態に従う、通過空気量差分を算出するプロセスのフローチャート。 本発明の一実施形態に従う、相関係数を算出するプロセスのフローチャート。 本発明の一実施形態に従う、相関係数を求めるためのマップ。 本発明の一実施形態に従う、相関係数算出のための補間計算を示す図。 本発明の一実施形態に従う、燃料噴射量を算出するプロセスのフローチャート。

　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、この発明の一実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）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）１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびメモリを備えるコンピュータである。メモリには、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータ（マップを含む）を格納することができる。ＥＣＵ１は、車両の各部から信号を受取ると共に、該メモリに記憶されたデータおよびプログラムに従って演算を行い、車両の各部を制御するための制御信号を生成する。

　エンジン２は、たとえば４気筒を有するエンジンである。エンジン２には、吸気管３および排気管４が連結されている。吸気管４には、スロットル弁５が設けられている。スロットル弁５は、ＥＣＵ１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５には、スロットル弁の開度を検出するスロットル弁開度（θＴＨ）センサ６が連結されており、この検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

　燃料噴射弁７が、エンジン２とスロットル弁５との間であって、エンジン２の吸気バルブ（図示せず）の少し上流側に、気筒ごとに設けられている。燃料噴射弁７は、図示しない燃料ポンプに接続されている。燃料噴射弁７の燃料噴射時期および燃料噴射量は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って変更される。代替的に、燃料噴射弁を、エンジン２の気筒内に臨むように取り付けてもよい。

　スロットル弁の上流には、吸気管３を流れる空気の量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）８が設けられている。

　スロットル弁５の下流には、吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ１０が設けられており、吸気管内の圧力を検出する。また、吸気管内絶対圧センサ１０の下流には吸気温（ＴＡ）センサ１１が設けられており、吸気管内の温度を検出する。これらの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。また、エンジン２には、エンジンの水温ＴＷを検出するためのエンジン水温センサ１２が設けられており、該センサの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

　エンジン２には、吸気バルブおよび排気弁のリフト量を連続的に変更することができる可変リフト機構と、吸気バルブを駆動するカムのクランク軸を基準とした位相を連続的に変更する可変位相機構とを有する弁作動特性可変装置２０を備える。

　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、可変リフト機構および可変位相機構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。

　ＥＣＵ１には、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ１３およびエンジン１の吸気バルブを駆動するカムが連結されたカム軸の回転角度を検出するカム角センサ１４が接続されており、これらのセンサの検出値はＥＣＵ１に供給される。クランク角センサ１３は、所定のクランク角度（たとえば３０度）毎に１パルス（ＣＲＫ信号）を発生し、該パルスにより、クランク軸の回転角度位置を特定することができる。また、カム角センサ１４は、エンジン２の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（ＣＹＬ信号）と、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）でパルス（ＴＤＣ信号）を発生する。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種の制御タイミングおよびエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。なお、カム角センサ１４より出力されるＴＤＣ信号と、クランク角センサ１３より出力されるＣＲＫ信号との相対関係から、吸気バルブのカム軸の実際の位相ＣＡＩＮが検出される。

　弁作動特性可変装置２０には、吸気バルブのリフト量を制御する制御軸の回転角度位置を検出するための制御軸回転角度センサ（ＣＳＡ）センサ１５が設けられている。該センサ１５の検出値から、吸気バルブのリフト量を検出することができる。

　ＥＣＵ１は、上記各種センサからの入力信号に応じて、メモリに記憶されたプログラムおよびデータ（マップを含む）に従い、エンジン２の運転状態を検出すると共に、スロットル弁５、燃料噴射弁７、弁作動特性可変装置２０を制御するための制御信号を生成する。

　図２を参照して、スロットル弁５の制御について説明する。図２（ａ）を参照すると、スロットル弁５およびそのアクチュエータ２２を備えるスロットル機構２１が示されており、これが、ＥＣＵ１の制御対象（プラント）となる。スロットル弁５の制御軸２６には、ギア２５を介して、アクチュエータ２２に設けられたモータ２３の出力軸２４が連結される。ＥＣＵ１からの制御信号に従って、モータ２３は、該制御軸２６を回転させ、これにより、スロットル弁５の開度（開口面積）を変更する。

　図２（ｂ）は、図２（ａ）に対応するブロック図であり、ＥＣＵ１に実現されるスロットルコントローラ５１は、プラントであるスロットル機構２１に対し、後述される制御手法に従い、スロットル弁５の実スロットル開度を目標スロットル開度に収束させるための操作量を算出する。スロットルアクチュエータ２２のモータ２３は、該操作量に従って、スロットル弁５の開度を変更する。変更されたスロットル開度は、実スロットル開度としてスロットル弁開度センサ６によって検出され、スロットルコントローラ５１にフィードバックされる。

　図３は、本願発明の一実施形態に従う制御装置の機能ブロック図である。本願発明の最終的な目的は、燃料噴射量を算出することであり、そのために、吸気管圧力の予測値を用いる。予測値は、次の制御周期の吸気管圧力を表している。或る制御周期において算出された該予測値に基づいて燃料噴射量を算出する。次の制御周期には、実際の吸気管圧力が該予測値に達しており、よって、それに適した量の燃料を噴射させることができる。

　吸気管圧力はスロットル開度によって変化するので、吸気管圧力の予測値を求めるため、次の制御周期のスロットル開度を予測する。そのため、予測スロットル開度算出部４１は、スロットル弁開度センサ６によって検出された実スロットル開度と目標スロットル開度に基づいて、スロットル開度の予測値ＨＴＨを求める。

　通過空気量差分算出部４２は、予測スロットル開度ＨＴＨに基づいて、今回の制御周期と次の制御周期との間で、スロットル弁５を通過する空気量がどの程度変化するかを表す通過空気量差分ΔＤＢＷを算出する。他方、吸気管圧力と吸入空気量の間には相関関係があり、相関係数算出部４３により、エンジンの運転状態に基づいて、該相関を表す係数Ａが算出される。この実施例では、運転状態を表すパラメータとして、エンジンの回転数、吸気バルブのリフト量、および吸気バルブの位相が用いられる。

　予測吸気管圧力算出部４４は、通過空気量差分ΔＤＢＷと相関係数Ａに基づいて、吸気管圧力の予測値ＨＰＢを求める。燃料噴射量算出部４５は、該予測吸気管圧力ＨＰＢに基づいて、燃料噴射量を求める。

　以下、図３に示す各機能ブロックを詳細に説明する。

１．予測スロットル開度（ＨＴＨ）算出部
　図４を参照して、予測スロットル開度の算出についての原理を説明する。スロットル開度、吸気管圧力および燃料噴射量の制御は、所定の制御周期に従って実行される。各制御周期において、エンジンの運転状態（たとえば、アクセルペダルの開度等）に応じて目標スロットル開度が決定される。図には、或る気筒について、３個の制御周期ｎ～（ｎ＋２）にわたる目標スロットル開度、実スロットル開度、および本願発明の手法に従って算出される予測スロットル開度の挙動が示されている。１制御周期の長さは、この図ではＳｔｉｍｅで表されている。以下の実施例では、制御周期は、固定した時間間隔で実現され、よって制御周期の長さＳｔｉｍｅは一定である（たとえば、１０ミリ秒）。

　代替的に、制御周期をＴＤＣ信号に同期させ、ＴＤＣ信号に応じて制御が実行されるようにしてもよい。この場合、制御周期の長さＳｔｉｍｅは、エンジン回転数に基づいて算出されることができる。たとえば、ＴＤＣ信号が吸入行程の上死点で出力され、今回の制御周期ｎにおいて検出されたエンジン回転数がＮＥ（ｒｐｍ）である場合、該制御周期ｎの長さは、以下のように算出されることができる。

　各制御周期において、スロットルコントローラ５１は、実スロットル開度を目標スロットル開度に向けてスロットル弁５を制御する。制御周期ｎを参照すると、目標スロットル開度はＸ（度）であり、実スロットル開度はＺ（度）である。目標スロットル開度および実スロットル開度に基づいて算出される予測スロットル開度はＹ（度）である。制御周期ｎにおいて、次の制御周期（ｎ＋１）で噴射すべき燃料噴射量は、該予測スロットル開度に基づいて決定される。制御周期（ｎ＋１）において、実スロットル開度は、制御周期ｎで算出された予測スロットル開度の値Ｙにほぼ到達するので、当該周期（ｎ＋１）で実現された実スロットル開度に適した量の燃料噴射量が噴射されることとなる。

　このように、燃料噴射量は、噴射時期よりも１制御周期前に算出されるので、制御周期ｎにおいて検出された実スロットル開度で燃料噴射量を算出すると、実際の噴射が行われる制御周期（ｎ＋１）の実スロットル開度に適した量の燃料が噴射されないおそれがある。これは、空燃比のずれを招くおそれがある。本願発明によれば、１制御周期後のスロットル開度を予測し、該予測スロットル開度に基づいて燃料噴射量を算出するので、実際の噴射が行われる時の実スロットル開度に適した量の燃料を供給することができる。

　予測スロットル開度は、以下の式に従って算出されることができる。
ＨＴＨ（ｎ）＝Ｃ（ＴＨＣＭＤ（ｎ）―ＴＨ（ｎ））＋ＴＨ（ｎ）
Ｃ＝制御周期の長さＳｔｉｍｅ／（時定数τｐ＋制御周期の長さＳｔｉｍｅ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）

　ここで、ＴＨ（ｎ）は、制御周期ｎにおいて検出された実スロットル開度を示す。ＴＨＣＭＤ（ｎ）は、制御周期ｎにおいて決定された目標スロットル開度を示す。Ｃはゲインであり、制御周期の長さＳｔｉｍｅおよびスロットルコントローラ５１によるスロットル開度制御の時定数τｐに基づいて算出される。ＨＴＨ（ｎ）は、制御周期ｎにおいて算出された予測スロットル開度を示す。予測スロットル開度は、目標スロットル開度と実スロットル開度の偏差にゲインを乗じた値を、実スロットル開度に加算することにより算出される。

　本願発明では、上記式（１）に従い、制御周期ｎにおいて予測スロットル開度ＨＴＨ（ｎ）を算出し、該予測スロットル開度に従って、次の制御周期で供給すべき燃料噴射量を決定する。

　以下、上記式（１）の根拠を説明する。

　図５は、図３に示すスロットルコントローラ５１の詳細なブロック図である。この実施例では、スロットルコントローラ５１は、スロットル弁の位置制御すなわちスロットル開度の制御にＰＤ制御を採用し、速度制御すなわちスロットル弁を動かす速度にＰＩ制御を採用し、操作量を算出する。ＰＤ制御ブロックが符号５４により表され、ＰＩ制御ブロックが符号５５により表されている。Ｋｐｐは比例ゲインを示し、Ｋｐｄは微分ゲインを示す。Ｋｖｐは比例ゲインを示し、Ｋｖｉは積分ゲインを示す。１／ｚは遅延要素を示す。Ｓｔｉｍｅは、前述したように、制御周期の長さを示す。

　ブロック５４では、目標スロットル開度と実スロットル開度の差に対して比例ゲインＫｐｐが乗算された項と、該差を微分して制御周期の長さの逆数（１／Ｓｔｉｍｅ）および微分ゲインＫｐｄを乗算した項とが加算される。ブロック５５では、実スロットル開度の今回値と前回値との差（１制御周期あたりのスロットル開度の変化量を示す）と、ブロック５４の出力との差をとり、該差に対して比例ゲインＫｖｐが乗算された項と、該差を積分して制御周期の長さＳｔｉｍｅおよび積分ゲインＫｖｉを乗算した項とが加算される。

　他方、本願発明者の知見によれば、スロットル機構２１（プラント）について、モータ２３に印加される電圧Ｕを入力とし、結果として生じる制御軸２６の角度θｃｓを出力とすると、プラント２１の運動方程式は、ラプラス演算子ｓを用いて式（２）のような伝達関数で表現されることができる。

　ここで、Ｊａｌｌは、モータ２３から制御軸２６に至る系のイナーシャ要素を示し、モータ２３のイナーシャおよび制御軸２６のイナーシャを含む。Ｂａｌｌは、モータ２３から制御軸２６に至る系の粘性抵抗を示し、モータ２３の粘性抵抗、制御軸２６の粘性抵抗およびトルク定数、モータの抵抗、減速比およびギア効率等を含む。

　図６（ａ）は、リフトコントローラ５１（図５）およびプラントであるスロットル機構２１を、ラプラス演算子ｓを用いた伝達関数で表したブロック図である。ブロック７１はＰＤ制御ブロックを示し、ブロック７２はＰＩ制御ブロックを示す。ブロック７３は、プラント２１を示し、上記式（２）が示されている。

　ここで、ＰＤおよびＰＩ制御の各ゲインは、以下のように、時定数を用いて設定される。時定数τｐは、位置制御（ＰＤ制御）の時定数であり、時定数τωは、速度制御（ＰＩ制御）の時定数を示す。
　Ｋｐｐ＝１／τｐ
　Ｋｐｄ＝τω／τｐ
　Ｋｖｐ＝Ｊａｌｌ／τω
　Ｋｖｉ＝Ｂａｌｌ／τω

　時定数τｐおよびτωは、所望の値に設定されることができる。時定数τｐが一定となる位置制御を実現するため、ブロック７１～７３の合成伝達関数が、単一の時定数τｐの一次遅れ系となるように、上記ゲインＫｐｐ～Ｋｖｉは設定される。ここで、時定数τｐが一定であるとは、実スロットル開度が、目標スロットル開度の約６３％に達するのに要する時間が一定、ということを示す。

　ブロック７１～７３の合成伝達関数を求める。上記時定数τｐおよびτωの定義を用いると、図６の（ａ）は、図６（ｂ）のように表される。

　次に、図６（ｂ）のＰＩ制御ブロック７２とプラント７３の伝達関数を合成すると、図６（ｃ）のブロック７５により示される伝達関数が得られる。ブロック７５に、ラプラス演算子ｓのフィードバック（ブロック７４で表される）を合成すると、図７（ａ）のブロック７６により示される伝達関数が得られる。さらに、ブロック７１とブロック７６を合成すると、図７（ｂ）のブロック７７により示される伝達関数が得られる。実リフト量から目標リフト量のフィードバックラインをさらに合成すると、図７（ｃ）のブロック７８により示される伝達関数が得られる。こうして、スロットルコントローラ５１とプラント２１の合成伝達関数Ｈは、以下の式（３）のように表される。この合成伝達関数は、時定数τｐの一次遅れ系を表している。こうして、上記のようにゲインＫｐｐ～Ｋｖｉを決めることにより、合成伝達関数Ｈからは、速度制御の時定数τωは消去され、位置制御の時定数τｐのみが残る。前述したように、時定数τｐは所望の値に設定され、該τｐに基づいてゲインＫｐｐおよびＫｐｄが設定されるので、時定数τｐが一定であるようリフト量を制御することができる。
　合成伝達関数Ｈ＝１／（τｐ・ｓ＋１）　　　　　　（３）

　次に、図８を参照して、式（３）の合成伝達関数Ｈから上記式（１）が導出される根拠を説明する。

　図８の（ａ）のブロック７８は、式（３）の伝達関数Ｈを表している。離散化を行うため、ブロック７８を分解すると、（ｂ）に示されるブロック８１および８２が得られる。
伝達関数が実行される制御周期の長さをＳｔｉｍｅとすると、積分（１／ｓ）の離散表現は、１／（１－ｚ^―１）であるから、符号８３に示すように、遅延要素ｚを用いて表すことができる。ブロック８４のＳｔｉｍｅは、積分時間を表している。ブロック８１、８３、および８４を合成すると、（ｄ）に示されるブロック８５により表される。Ｓｔｉｍｅ／τｐをｋとおいて、一巡伝達関数(Loop Transfer Function)Ｈ’（ｚ）を求める（ｚ表現で表される）。

　Ｃ＝ｋ／（１＋ｋ）とおくと、式（４）は、以下のように表される。

　式（５）は、図８の（ｄ）のように表され、これを、入力をＵおよび出力をＹとする差分方程式に変換すると、以下のように展開される。

　式（６）のＹ（ｎ）を予測スロットル開度ＨＴＨ（ｎ）とし、Ｙ（ｎ－１）を実リフト量ＴＨ（ｎ）とし、Ｕ（ｎ）を目標リフト量ＴＨＣＭＤ（ｎ）とおけば、上記の式（１）が導出される。

　なお、この実施例では、位置制御をＰＤ制御で実現し、速度制御をＰＩ制御で実現しているが、このような制御形態に限定されず、また、速度制御は必ずしも必要とされない。本願発明では、スロットル開度の制御について、伝達関数で表現可能な制御手法であればよく、たとえば、ＰＩ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御、Ｈ∞制御を用いることができる。また、プラントへの外乱を推定して外乱の影響を除去するようプラントを制御する外乱オブザーバによる制御を含めてもよい。これらの制御は、制御パラメータによって、制御の周波数特性（ゲイン特性および位相特性）を決定することができるので、周波数整形(frequency shaping)を実施することのできる制御手法といえる。たとえば、ＰＩ制御では、比例ゲインおよび積分ゲインという制御パラメータにより、該ＰＩ制御のゲイン特性および位相特性を決定することができる。こうして、本願発明は、スロットル開度の制御に用いる制御パラメータが時定数を用いて設定されることにより、合成伝達関数が該時定数の一次遅れ系で表され、これにより、該時定数が一定であるようスロットル開度を制御可能な制御形態に適用されうる。

　図９は、この発明の一実施形態に従う、予測スロットル開度（ＨＴＨ）算出部４１のより詳細な機能ブロック図である。

　好ましくは、目標スロットル開度デシメーション部９１が設けられ、これは、スロットル弁の無効時間を制御周期の長さＳｔｉｍｅで除算することにより、値ｐを得る。目標スロットル開度の過去値（以前の制御周期で算出された目標スロットル開度）は、ＥＣＵ１のメモリに記憶されている。制御周期Ｓｔｉｍｅは、この実施例では一定であり、ＥＣＵ１のメモリに記憶されている。デシメーション部９１は、ｐ回前の制御周期（ｎ－ｐ）において算出された目標スロットル開度を出力する。

　スロットル機構２１において、スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移するのに無効時間が発生する。すなわち、スロットルコントローラ５１は、目標スロットル開度に応じてスロットル弁の開度を制御するための操作量を図２のアクチュエータ２２に出力するが、該操作量に従って実際にスロットル弁が動き出すまでには、無効時間分の遅れがある。したがって、実スロットル開度と目標スロットル開度の正確な対応づけを行うため、上記のようなデシメーション処理を行う。

　たとえば、無効時間が３０ｍｓであり、制御周期が１０ｍｓであるとすると、３個前の制御周期（ｎ－３）において算出された目標スロットル開度が出力される。この場合、スロットル弁の今回の制御周期の作動開始は、３個前の制御周期の目標値に基づいている、ということを表している。無効時間は、スロットル機構に依存して、シミュレーション等によって予め算出し、ＥＣＵ１のメモリに記憶しておくことができる。

　作動判定部９２は、今回の制御周期ｎにおいて、スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したかどうかを判定する。より具体的には、作動判定部９２は、スロットルセンサ６を介して検出された今回の制御周期ｎの実スロットル開度と前回の制御周期（ｎ－１）の実スロットル開度との差を算出し、該差を、制御周期の長さＳｔｉｍｅで除算する。該除算により得た値は、スロットル弁の作動速度を表している。該作動速度が所定値以上ならば、スロットル弁が作動している最中であると判定し、値１の作動フラグを出力する。該作動速度が該所定値より小さければ、前回の制御周期ではスロットル弁が静止しており、今回の制御周期においてスロットル弁が作動を開始したと判定し、ゼロ値の作動フラグを出力する。

　切換え部９３は、作動フラグの値を調べ、該作動フラグの値が１ならば、目標スロットル開度ＴＨＣＭＤ（ｎ）として、今回の制御周期ｎで決定された目標スロットル開度の値を採用する。目標スロットル開度は、前述したように、エンジンの運転状態に応じて、既知の任意の手法で決定されることができる。該作動フラグの値がゼロならば、目標スロットル開度ＴＨＣＭＤ（ｎ）として、デシメーション部９１から渡されたｐ回前の目標スロットル開度の値を採用する。こうして、スロットル弁が作動中ではなく、静止状態から作動状態に遷移した時には、無効時間が生じていることを示すので、ｐ回前の目標スロットル開度を用いるようにする。

　このように、スロットル弁が作動中であるときには、無効時間は実質的に発生しないと考えることができる。代替的に、スロットル弁が作動中であるとき、より厳格な意味においては無効時間がわずかながら生じることがある。たとえば、スロットルコントローラ５１が算出した操作量がスロットル機構２１のアクチュエータ２２に到達するまでには、通信ラインを介しているので、このような無効時間が生じるおそれがある。したがって、スロットル弁が作動中であるときにも無駄時間を考慮するようにしてもよい。その場合には、無効時間を予めシミュレーション等を介して計測してＥＣＵ１のメモリに記憶しておき、デシメーション部９１は、該無効時間を制御周期で除算した値ｐ’を算出し、ｐ’回前の制御周期で決定された目標スロットル開度を出力する。切換部９３は、作動フラグの値に従い、ｐ’回前の制御周期の目標スロットル開度またはｐ回前の制御周期の目標スロットル開度を、今回の制御周期の目標スロットル開度ＴＨＣＭＤ（ｎ）として選択する。

　ゲイン算出部９４は、制御周期の長さＳｔｉｍｅおよび時定数τｐに基づいて、前述した式（１）に従い、ゲインＣを算出する。時定数τｐは、前述したように、所望の値に設定されることができ、ＥＣＵ１のメモリに予め記憶しておくことができる。

　予測スロットル開度算出部９５は、上記の式（１）に、ゲインＣ、今回の制御周期ｎにおいてスロットルセンサ６によって検出された実スロットル開度ＴＨ（ｎ）、切換え部９３により選択された目標スロットル開度ＴＨＣＭＤ（ｎ）を代入し、予測スロットル開度ＨＴＨ（ｎ）を算出する。

　なお、制御がＴＤＣ信号に応じて実行される場合のように、制御周期の長さＳｔｉｍｅが一定でない場合について補足する。まず、前記ｐの値の算出についてであるが、この場合、制御周期の時間長の過去値をＥＣＵ１のメモリに記憶しておく。デシメーション部９１は、無効時間が、何個の制御周期に相当するかを見極める。たとえば、無効時間が３０ｍｓであり、制御周期（ｎ－１）の長さが９ｍｓ、（ｎ－２）の長さが１１ｍｓ、（ｎ－３）の長さが１２ｍｓである場合には、無効時間３０ｍｓ遡った所が制御周期（ｎ－３）に相当するので（３０－９－１１－１２がゼロ以下になる）、ｐ＝３を得ることができる。制御周期の長さの過去値を記憶する代わりに、エンジン回転数の過去値を記憶してもよい。前述したように、制御周期ｎで検出されたエンジン回転数から、該制御周期ｎの長さを求めることができる。

　また、前回の実スロットル開度は前回のＴＤＣ信号に応じて検出され、今回の実スロットル開度は今回のＴＤＣ信号に応じて検出されるので、作動判定部９２は、作動速度を算出するのに、前回の制御周期ｎ－１の長さを用いるのが好ましい。また、ゲインＣは、今回のＴＤＣ信号に応じて検出された実スロットル開度が、次のＴＤＣ信号に応じたスロットル開度検出時までにどれほど変化するかを予測するための値であるので、ゲイン算出部９４は、今回の制御周期ｎの長さＳｔｉｍｅを用いてゲインＣを算出するのが好ましい。

２．スロットル通過空気量差分（ΔＤＢＷ）算出部
　図９は、図３の通過空気量差分算出部４２の詳細な機能ブロック図である。基準通過空気量差分算出部１０１は、図９を参照して説明した予測スロットル開度ＨＴＨを受け取り、該予測スロットル開度ＨＴＨと、スロットルセンサ６により検出された実スロットル開度ＴＨとの間の差分を算出する。該算出部１０１は、所定の基準状態、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マップを、該算出した差分に基づいて参照し、該基準状態下における吸入空気量ΔＧＡＩＲＴＨ＿ＢＡＳＥを求める。吸入空気量ΔＧＡＩＲＴＨ＿ＢＡＳＥは、基準状態下において、スロットル開度がＴＨからＨＴＨに変化したことに応じて、スロットル弁５を通過する空気量の変化量を表している。なお、スロットル開度（ｄｅｇ）とスロットル開口面積（ｍｍ^２）との間には、１対１の関係があるので、上記マップの参照は、上記差分（ｄｅｇ）を開口面積に換算して行われる。

　図１１に、このような相関マップの一例を示す。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。該相関マップは、ＥＣＵ１のメモリに記憶されることができる。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。

　通過空気量差分算出部１０２は、現在のゲージ圧ＰＢＧＡ、現在の吸気温度ＴＡ、現在の大気圧ＰＡに基づいて、基準状態下の基準通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨ＿ＢＡＳＥを補正し、現在の状態下の通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨに換算する。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、ＰＢＧＡ＿ＳＴＤは、上記基準状態下の基準ゲージ圧であり、ＴＡ＿ＳＴＤは、基準状態下の基準吸気温度であり、ＰＡ＿ＳＴＤ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ＴＡ＿ＳＴＤに２７３が加算されている。

　ここで、図１２を参照して、上記式の導出根拠を説明する。図には、スロットル弁５が配置された吸気管３に関する各種パラメータが表されている。吸気管３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５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５の上流の圧力は大気圧ＰＡで表され、下流の圧力は、吸気管圧力センサ１０（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、ΔＧＡＩＲＴＨの流量の吸入空気量が、スロットル弁５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ΔＧＡＩＲＴＨの空気が流入する場合、流量ΔＧＡＩＲＴＨ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）である。

　同様に、基準ゲージ圧ＰＢＧＡ＿ＳＴＤ、基準吸気温度ＴＡ＿ＳＴＤ、基準大気圧ＰＡ＿ＳＴＤの基準状態下において、断面積Ａの経路を介して流量ΔＧＡＩＲＴＨ＿ＢＡＳＥの空気が流れるとき、流量ΔＧＡＩＲＴＨ＿ＢＡＳＥ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（９）より、流量係数Ｃは次のように表される。

　式（１０）を式（８）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（１２）を式（１１）に代入すると、現在のゲージ圧ＰＢＧＡ、吸気温度ＴＡ、大気圧ＰＡにおける通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨを求めるための（７）式が導出される。

　上で算出した通過空気量差分ΔＤＢＷ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１３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、基準状態下すなわち式（９）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（８）中の流量係数ＣがＣbaseに等しくない場合には、式（１０）および（１１）から明らかなように、補正式（７）で求めた通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨには誤差が含まれるおそれがある。Ｃ＝Ｃbase×Ｋｃと表すと、ΔＤＢＷは、補正式（７）にＫｃを乗算したものとなる。たとえばＣがＣbaseより小さいとき（Ｋｃ＜１）、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（７）で算出される通過空気量差分を小さくするよう補正するのが好ましい。以下、この補正手法を述べる。

　図１０の粘性係数算出部１０４は、吸気温センサ１１（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１０４は、吸気温ＴＡに基づいて図１４に示すようにマップを参照することにより、対応する粘性係数μを求める。該マップは、ＥＣＵ１のメモリ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１０５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１２を参照し、レイノルズ数の算出について説明する。ここでは、スロットル弁５を、ＡＦＭ８（図１）で検出される吸入空気量ＧＡＩＲが流れているとする。

　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（１３）に従って算出されることができる。

　ＡＦＭ８により検出される吸入空気量ＧＡＩＲは、単位時間あたりの空気量を表しているので、式（１３）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、吸入空気量ＧＡＩＲについてのレイノルズ数Ｒｅ_Ｄは、式（１４）に示すように、吸入空気量ＧＡＩＲ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１０４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。

　開口面積比算出部１０６は、式（１５）に従い、吸気管の開口面積Ａ_Ｄに対する予測スロットル開度ＨＴＨの開口面積の比ｍを算出する。
　　ｍ＝予測スロットル開度ＨＴＨの開口面積／Ａ_Ｄ　　　（１５）

　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１３に示すようなマップ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、予測スロットル開度ＨＴＨの開口面積に基づく通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨ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、予めマップに規定してＥＣＵ１のメモリに記憶しておくことができる。

　このようなマップの一例を、図１５に示す。該マップには、開口面積比ｍ毎のレイノルズ数Ｒｅと補正係数Ｋｃとの関係が表されている。

　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、予測スロットル開度ＨＴＨに基づく通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨ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は小さくされる。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を通過しにくくなるので、通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨを小さくするよう補正するためである。

　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は小さくされる。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、通過空気量差分を小さくなるよう補正するためである。

　補正係数算出部１０７は、レイノルズ数算出部１０５および開口面積比算出部１０６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１５に示すようなマップを参照し、対応する補正係数Ｋｃを求める。

　なお、図に示すマップは一例であり、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１０５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。

　補正部１０９は、こうして算出された補正係数Ｋｃを、通過空気量差分算出部１０２により算出された通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨに乗算することにより、補正済み通過空気量差分ΔＤＢＷ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、現在の状態下において、実スロットル開度ＴＨと予測スロットル開度ＨＴＨの間におけるスロットル弁を通過する空気量の差分を、より良好な精度で算出することができる。

３．相関係数算出部、予測吸気管圧力算出部および燃料噴射量算出部
　図３の相関係数算出部４３、予測吸気管圧力算出部４４および燃料噴射量算出部４５について説明する。

　或るエンジン回転数、吸気バルブのリフト量、および吸気バルブの位相における吸気管圧力ＰＢと吸入空気量ＧＡＩＲとは、相関関係を有しており、一般に、以下のような関係式（１６）で近似することができる。ここで、Ｂは定数であり、Ａは、相関係数と呼ばれる。
　　ＰＢ＝Ａ×ＧＡＩＲ＋Ｂ　　　（１６）

　相関係数算出部４３は、ＣＲＫセンサ１３を介して検出されたエンジン回転数、ＣＳＡセンサ１５により検出された吸気バルブのリフト量、およびＣＲＫセンサ１３およびＣＡＭセンサ１４を介して検出された吸気バルブの位相に基づいて、相関係数Ａを算出する。より具体的には、エンジン回転数、リフト量および位相ごとに相関係数Ａを規定したマップが、シミュレーション等によって予め作成されＥＣＵ１のメモリに記憶されている。相関係数算出部４３は、検出されたエンジン回転数、リフト量および位相に基づいて該マップを参照し、対応する相関係数Ａを求める。

　現在の運転状態における相関係数Ａが求められたので、予測吸気管圧力算出部４４は、通過空気量差分ΔＤＢＷおよび相関係数Ａに基づいて、吸気管圧力の予測値ＨＰＢを算出する。

　吸気管圧力はスロットル開度に応じて変化するので、スロットル開度の目標スロットル開度に向かう挙動と同様の挙動を呈する。したがって、吸気管圧力の予測値についても、スロットル開度に関する式（１）と同様に、以下のように表すことができる。
ＨＰＢ（ｎ）＝Ｃ＿ＰＢ×（ＰＢＣＭＤ（ｎ）－ＰＢ（ｎ））＋ＰＢ（ｎ）
Ｃ＿ＰＢ＝Ｓｔｉｍｅ／（時定数τ＿ＰＢ＋Ｓｔｉｍｅ）　　　　（１７）

　ここで、ＰＢ（ｎ）は、制御周期ｎにおいて検出された実吸気管圧力を示す。ＰＢＣＭＤ（ｎ）は、制御周期ｎにおいて決定された目標吸気管圧力であり、運転状態に応じて、既知の任意の手法で決められることができる。Ｃ＿ＰＢはゲインであり、制御周期の長さＳｔｉｍｅおよび時定数τ＿ＰＢに基づいて算出される。ＨＰＢ（ｎ）は、制御周期ｎにおいて算出された予測値を示す。予測値は、目標吸気管圧力と実吸気管圧力の偏差にゲインを乗じた値（制御周期ｎから（ｎ＋１）への吸気管圧力度の変化量を示す）を、実吸気管圧力に加算することにより算出される。

　目的は、時定数τ＿ＰＢを求めることである。時定数τ＿ＰＢは、通過空気量差分ΔＤＢＷおよび相関係数Ａに基づいて決定することができる。通過空気量差分ΔＤＢＷは、今回の制御周期ｎにおける実スロットル開度ＴＨ（ｎ）と、次の制御周期（ｎ＋１）の実スロットル開度の予測値ＨＴＨとの間にスロットル弁を通過する空気量を表している。したがって、通過空気量差分ΔＤＢＷと、実吸気管圧力が目標吸気管圧力に向かう速度との間には相関がある。通過空気量差分ΔＤＢＷが大きいほど、吸気管圧力の変化は大きくなり、よって該速度が速くなることを示す。

　また、吸気管圧力と吸入空気量の関係は運転状態に依存して変化する。同じ通過空気量差分ΔＤＢＷであっても、運転状態に応じて、該通過空気量差分ΔＤＢＷが吸気管圧力に反映される度合いが異なる。相関係数Ａが大きいほど、吸気管圧力の変化は大きくなり、よって、上記速度が速くなることを示す。このように、予めシミュレーション等を介して、通過空気量差分ΔＤＢＷ、相関係数Ａおよび時定数τ＿ＰＢの関係を調べ、これをマップに規定してＥＣＵ１のメモリに記憶しておくことができる。

　該マップの一例を、図１６に示す。通過空気量ΔＤＢＷが大きくなるほど、実吸気管圧力の目標吸気管圧力に向かう速度が大きくなるので、時定数τ＿ＰＢは小さくなる。相関係数Ａが大きくなるほど、該速度が大きくなるので、時定数τ＿ＰＢは小さくなる。予測吸気管圧力算出部４４は、通過空気量差分ΔＤＢＷおよび相関係数Ａに基づいて該マップを参照し、対応する時定数τ＿ＰＢを求める。該算出部４４は、該求めた時定数τ＿ＰＢを用い、上記式（１７）に従って予測吸気管圧力ＨＰＢを算出する。

　なお、時定数τ＿ＰＢを相関係数Ａに基づいて求める理由を簡単に説明すると、前述した式（１６）中のＧＡＩＲは気筒に流入する空気量を表しており、エンジンの過渡状態を考慮すると、該ＧＡＩＲは、スロットル弁を通過する空気量ΔＤＢＷに一致しないことがある。したがって、ΔＤＢＷを式（１６）のＧＡＩＲに代入しても、良好な精度で吸気管圧力を求めることは難しい。そこで、本願発明では、相関係数Ａ、時定数τ＿ＰＢおよび通過空気量差分ΔＤＢＷの間の予め求められた相関に基づき、今回算出された通過空気量差分ΔＤＢＷおよび相関係数Ａから時定数τ＿ＰＢを求め、該時定数τ＿ＰＢを介して吸気管圧力の予測値ＨＰＢを求めるようにしたものである。

　燃料噴射量算出部４５は、予測吸気管圧力ＨＰＢに基づいて、燃料噴射量を算出する。より具体的には、エンジン回転数に対応する吸入空気量を、吸気管圧力毎に規定したマップを、予めシミュレーション等を介して作成してＥＣＵ１のメモリに記憶することができる。燃料噴射量算出部４５は、予測吸気管圧力ＨＰＢに基づいて該マップを参照し、検出されたエンジン回転数に対応する吸入空気量を求める。該吸入空気量は、予測吸気管圧力ＨＰＢが実現された場合に吸入される空気量を表している。該マップの一例を、図１７（ａ）に示す。回転数が高いほど、また吸気管圧力が高いほど、吸入空気量が増加する。

　さらに、吸入空気量に対応する燃料噴射量を規定したマップを、予めシミュレーション等を介して作成してＥＣＵ１のメモリに記憶することができる。燃料噴射量算出部４５は、上記求めた吸入空気量に基づいて該マップを参照し、対応する燃料噴射量を算出する。該マップの一例を、図１７（ｂ）に示す。吸入空気量が増えるほど、燃料噴射量は増やされる。

　こうして、燃料噴射量算出部４５は、今回の制御周期ｎにおいて、予測吸気管圧力ＨＰＢ（ｎ）に基づいて燃料噴射量を算出する。該燃料噴射量は、ＥＣＵ１に実現される燃料コントローラ（図示せず）に渡され、該コントローラにより、次の制御周期（ｎ＋１）において該燃料噴射量が噴射されるように燃料噴射弁が駆動される。

　なお、この実施例では、簡略化のため、式（１７）に従って吸気管圧力の予測値を算出する制御周期の長さを、上記「１．」で述べたスロットル開度を制御する（よって、スロットル開度の予測値を算出する）制御周期の長さＳｔｉｍｅと同じとしているが、両者の制御周期の長さは異なっていてもよい。この場合、上記の式（１７）のＳｔｉｍｅには、吸気管圧力の予測値を算出する制御周期の長さＳｔｉｍｅ＿ＰＢが設定されることとなる。

４．制御フロー
　図１８～図２４を参照して、本願発明の一実施例に従う、制御フローを説明する。

　図１８は、メインフローを示し、該フローに示されるプロセスは、前述した制御周期Ｓｔｉｍｅに従ってＥＣＵ１により実行され、より具体的には、図３に示される機能ブロックによって実現される。

　ステップＳ１において、予測スロットル開度ＨＴＨを算出するプロセスを実行する。ステップＳ２において、通過空気量差分ΔＤＢＷを算出するプロセスを実行する。ステップＳ３において、相関係数Ａを算出するプロセスを実行する。ステップＳ４において、予測吸気管圧力ＨＰＢを算出し、燃料噴射量を算出するプロセスを実行する。

　前述したように、吸気管圧力の予測値を算出する制御周期の長さＳｔｉｍｅ＿ＰＢ（式１７参照）は、スロットル開度の予測値を算出する制御周期の長さＳｔｉｍｅ（式１参照）と異なってもよい。この場合、ステップＳ１（予測スロットル開度の算出プロセス）およびステップＳ２（通過空気量差分ΔＤＢＷの算出プロセス）は、Ｓｔｉｍｅの周期で実行され、ステップＳ３（相関係数Ａの算出プロセス）およびステップＳ４（予測吸気管圧力の算出および燃料噴射量の算出プロセス）は、Ｓｔｉｍｅ＿ＰＢの周期で実行される。

　図１９は、図１８のステップＳ１で実行されるプロセスのフローチャートを示す。ステップＳ１１において、無効時間に基づいて、ｐ回前の目標スロットル開度を求める。ステップＳ１２において、スロットル弁の作動速度を算出することにより、今回の制御周期においてスロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したと判定したならば、作動フラグにゼロを設定し、今回の制御周期にわたってスロットル弁が作動していると判定したならば、作動フラグに１を設定する。

　ステップＳ１３において、作動フラグが、スロットル弁の作動中を示す値１であれば、今回の制御周期で決定された目標スロットル開度を、目標スロットル開度ＴＨＣＭＤ（ｎ）に設定する（Ｓ１４）。作動フラグが、スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したことを示す値ゼロであれば、ｐ回前の制御周期で決定された目標スロットル開度を、目標スロットル開度ＴＨＣＭＤ（ｎ）に設定する（Ｓ１５）。

　ステップＳ１６において、制御周期の長さＳｔｉｍｅおよび時定数τｐに基づいて、前述した式（１）に従い、ゲインＣを算出する。ステップＳ１７おいて、該ゲインＣと、スロットル弁開度センサ６によって検出された実スロットル開度ＴＨ（ｎ）、および目標スロットル開度ＴＨＣＭＤ（ｎ）を用い、上記式（１）に従って予測スロットル開度ＨＴＨを算出する。

　図２０は、図１８のステップＳ２において実行されるプロセスのフローを示す。ステップＳ２１において、予測スロットル開度ＨＴＨと実スロットル開度ＴＨの差を算出する。ステップＳ２２において、該差に基づいて、図１１に示すようなマップを参照し、基準通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨ＿ＢＡＳＥを算出する。ステップＳ２３において、前述した式（７）に従って、通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨを算出する。

　ステップＳ２４において、吸気温センサ１１により検出された吸気温度ＴＡに基づき、図１４に示すようなマップを参照して、粘性係数μを算出する。ステップＳ２５において、ＡＦＭ８により検出された吸入空気量ＧＡＩＲおよびステップＳ２４で求めた粘性係数μを用い、式（１４）に従ってレイノルズ数Ｒｅ_Ｄを算出する。ステップＳ２６において、予測スロットル開度ＨＴＨの開口面積を用い、式（１５）に従って開口面積比ｍを算出する。

　ステップＳ２７において、ステップＳ２５および２６で算出したレイノルズ数Ｒｅ_Ｄおよび開口面積比ｍに基づいて図１５に示すようなマップを参照し、補正係数Ｋｃを求める。ステップＳ２８において、該補正係数Ｋｃを、ステップＳ２３で算出した通過空気量差分ΔＧＡＩＲＴＨに乗算することにより、補正済み通過空気量差分ΔＤＢＷを算出する。

　図２１は、図１８のステップＳ３で実行されるプロセスのフローチャートである。前述したように、相関係数Ａを求めるためのマップには、エンジン回転数、吸気バルブの位相、および吸気バルブのリフト量ごとに、相関係数Ａが設定されている。このようなマップの一例を、図２２に示す。図２２（ａ）は、第１の位相ＣＡＩＮ１に対応するマップを示し、図２２（ｂ）は第２の位相ＣＡＩＮ２に対応するマップを示し、図２２（ｃ）は第３の位相ＣＡＩＮ３に対応するマップを示す。第１の位相＜第２の位相＜第３の位相の関係にある。

　まず、ステップＳ３１において、（ａ）に示すような第１の位相ＣＡＩＮ１に対応するマップを選択し、該マップを、検出された回転数および検出されたリフト量に基づいて参照し、対応する相関係数Ａ＿Ｌを算出する。ステップＳ３２において、（ｂ）に示すような第２の位相ＣＡＩＮ２に対応するマップを選択し、該マップを、検出された回転数および検出されたリフト量に基づいて参照し、対応する相関係数Ａ＿Ｍを算出する。ステップＳ３３において、（ｃ）に示すような第３の位相ＣＡＩＮ３に対応するマップを選択し、該マップを、検出された回転数および検出されたリフト量に基づいて参照し、対応する相関係数Ａ＿Ｈを算出する。

　こうして、第１の位相ＣＡＩＮ１に対応する係数Ａ＿Ｌ、第２の位相ＣＡＩＮ２に対応する係数Ａ＿Ｍ、第３の位相ＣＡＩＮ３に対応する係数Ａ＿Ｈが得られる。これらをプロットすると、例えば図２３に示されるようになる、現在の位相ＣＡＩＮに応じた相関係数Ａを求めるために、補間計算を行う。たとえば、図に示すように、第１の位相ＣＡＩＮ１と第２の位相ＣＡＩＮ２との間に現在の位相ＣＡＩＮがあれば、線形補間により、以下の式（１８）によって、現在の位相ＣＡＩＮに対応する相関係数Ａを求めることができる。

　この例では、３個の位相を用いているが、用いる位相の数は、これに限定されず、任意の数の位相をマップ上に規定しておくことができる。

　図２４は、図１８のステップＳ４において実行されるプロセスのフローチャートである。

　ステップＳ４１において、通過空気量差分ΔＤＢＷおよび相関係数Ａに基づいて、図１６のようなマップを参照し、時定数τ＿ＰＢを求める。ステップＳ４２において、制御周期の長さＳｔｉｍｅおよび時定数τ＿ＰＢに基づいて、式（１７）に従ってゲインＣ＿ＰＢを算出し、さらに、該ゲインＣ＿ＰＢと、目標吸気管圧力ＰＢＣＭＤおよびＰＢセンサ１０によって検出された実吸気管圧力ＰＢを用い、上記式（１７）に従って予測吸気管圧力ＨＰＢを算出する。

　なお、前述したように、吸気管予測値の算出がＳｔｉｍｅとは異なるＳｔｉｍｅ＿ＰＢの制御周期で実行される場合には、該式（１７）には、Ｓｔｉｍｅ＿ＰＢが代入される。

　ステップＳ４３において、検出されたエンジン回転数および予測吸気管圧力ＨＰＢに基づいて図1７（ａ）のようなマップを参照し、対応する吸入空気量を求める。ステップＳ４４において、ステップＳ４３で求めた吸入空気量に基づいて図１７（ｂ）のようなマップを参照し、燃料噴射量を算出する。

　この発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

　上記実施形態は、汎用の（例えば、船外機等の）内燃機関に適用可能である。

Claims (24)

1. 　スロットル弁の開度を制御するスロットル弁アクチュエータを備える内燃機関において、燃料噴射量を制御するための制御装置であって、
   　スロットル弁の実スロットル開度を検出する手段と、
   　前記検出された実スロットル開度を、所定の時定数で目標スロットル開度に向けて収束するように所定の制御周期でフィードバック制御する手段と、
   　前記目標スロットル開度および前記実スロットル開度の差に所定のゲインを乗算した値を、該実スロットル開度に加算することにより、次の制御周期のスロットル開度の予測値を算出する予測スロットル開度算出手段であって、該ゲインは前記制御周期の長さおよび前記時定数に基づいて算出される、予測スロットル開度算出手段と、
   　前記スロットル開度の予測値に基づいて、吸気管圧力の予測値を求める予測吸気管圧力算出手段と、
   　前記吸気管圧力の予測値に基づいて、燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
   　を備える、制御装置。
2. 　前記予測吸気管圧力算出手段は、
   　前記実スロットル開度および前記スロットル開度の予測値に基づいて、該実スロットル開度から該予測値に該スロットル弁の開度が変化した時に該スロットル弁を通過する空気量を算出する通過空気量算出手段と、
   　実吸気管圧力を検出する手段と、
   　前記内燃機関の運転状態に基づいて、吸気管圧力と吸入空気量の間の相関を表す相関係数を算出する相関係数算出手段と、
   　前記通過空気量および前記相関係数に基づいて、前記実吸気管圧力が目標吸気管圧力に収束する時の時定数を、第２の時定数として求める時定数算出手段と、
   　前記目標吸気管圧力および前記実吸気管圧力の差に所定の第２のゲインを乗算した値を、該実吸気管圧力に加算することにより、前記吸気管圧力の予測値を算出する手段であって、該第２のゲインは、該吸気管圧力の予測値を算出する制御周期の長さおよび前記第２の時定数に基づいて算出される、手段と、
   　を備える、請求項１に記載の制御装置。
3. 　前記時定数算出手段は、前記通過空気量、前記相関係数および前記第２の時定数の間の相関を規定したマップを、前記算出された通過空気量および前記算出された相関係数に基づいて参照することにより、前記第２の時定数を求める、請求項２に記載の制御装置。
4. 　内燃機関の回転数、吸気バルブのリフト量、該吸気バルブの位相、および前記相関係数の間の相関を規定したマップを記憶する手段を備え、
   　前記相関係数算出手段は、現在の回転数、該吸気バルブの現在の位相、および現在のリフト量に基づいて該マップを参照することにより、前記相関係数を求める、請求項２および３のいずれかに記載の制御装置。
5. 　さらに、
   　ｐ回前の制御周期の目標スロットル開度を求める手段であって、前記スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移するまでの無効時間に基づいて、該ｐの値を求める手段と、を備え、
   　前記スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したことが判定されたならば、前記予測スロットル開度算出手段は、前記目標スロットル開度として、前記ｐ回前の制御周期の目標スロットル開度を用いる、
   　請求項１に記載の制御装置。
6. 　前記スロットル弁が作動していることが判定されたならば、前記予測スロットル開度算出手段は、今回の制御周期で決定された目標スロットル開度を、前記目標スロットル開度に用いる、
   　請求項５に記載の制御装置。
7. 　前記スロットル弁の作動速度を検出する手段と、
   　前記検出された作動速度に従って、前記スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したか、またはスロットル弁が作動しているか、を判定する手段と、
   　を備える、請求項６に記載の制御装置。
8. 　前記通過空気量算出手段は、
   　前記実スロットル開度および前記スロットル開度の予測値の差を算出する手段と、
   　所定の基準大気圧および基準吸気温度の基準状態におけるスロットル開度およびスロットル弁の通過空気量との間の関係を表すマップを記憶する手段と、
   　前記差に基づいて前記マップを参照することにより、前記基準状態における前記通過空気量を算出する手段と、
   　前記基準状態における通過空気量を、現在の大気圧および現在の吸気温度における前記通過空気量に換算する手段と、を備える、
   　請求項２に記載の制御装置。
9. 　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、吸気管の開口面積に対する、前記スロットル開度の予測値に相当する開口面積の比に基づいて、前記換算された通過空気量を補正する手段を備える、
   　請求項８に記載の制御装置。
10. 　前記粘性を表すパラメータは、レイノルズ数であり、
    　検出された吸入空気量、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９に記載の制御装置。
11. 　さらに、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１０に記載の制御装置。
12. 　前記燃料噴射量算出手段は、
    　前記吸気管圧力の予測値および現在の内燃機関の回転数に基づいて、吸入空気量を求める手段と、
    　前記求めた吸入空気量に基づいて、前記燃料噴射量を算出する手段と、
    　を備える、請求項１に記載の制御装置。
    
13. 　スロットル弁の開度を制御するスロットル弁アクチュエータを備える内燃機関において、燃料噴射量を制御するための方法であって、
    　スロットル弁の実スロットル開度を検出するステップと、
    　前記検出された実スロットル開度を、所定の時定数で目標スロットル開度に向けて収束するように所定の制御周期でフィードバック制御するステップと、
    　前記目標スロットル開度および前記実スロットル開度の差に所定のゲインを乗算した値を、該実スロットル開度に加算することにより、次の制御周期のスロットル開度の予測値を算出するステップであって、該ゲインは前記制御周期の長さおよび前記時定数に基づいて算出される、ステップと、
    　前記スロットル開度の予測値に基づいて、吸気管圧力の予測値を求めるステップと、
    　前記吸気管圧力の予測値に基づいて、燃料噴射量を算出するステップと、
    　を含む、方法。
14. 　前記吸気管圧力の予測値を求めるステップは、
    　前記実スロットル開度および前記スロットル開度の予測値に基づいて、該実スロットル開度から該予測値に該スロットル弁の開度が変化した時に該スロットル弁を通過する空気量を算出するステップと、
    　実吸気管圧力を検出するステップと、
    　前記内燃機関の運転状態に基づいて、吸気管圧力と吸入空気量の間の相関を表す相関係数を算出するステップと、
    　前記通過空気量および前記相関係数に基づいて、前記実吸気管圧力が目標吸気管圧力に収束する時の時定数を、第２の時定数として求めるステップと、
    　前記目標吸気管圧力および前記実吸気管圧力の差に所定の第２のゲインを乗算した値を、該実吸気管圧力に加算することにより、前記吸気管圧力の予測値を算出するステップであって、該第２のゲインは、該吸気管圧力の予測値を算出する制御周期の長さおよび前記第２の時定数に基づいて算出される、ステップと、を含む、
    　請求項１３に記載の方法。
15. 　前記時定数を求めるステップは、前記通過空気量、前記相関係数および前記第２の時定数の間の相関を規定したマップを、前記算出された通過空気量および前記算出された相関係数に基づいて参照することにより、前記第２の時定数を求める、請求項１４に記載の方法。
16. 　内燃機関の回転数、吸気バルブのリフト量、該吸気バルブの位相、および前記相関係数の間の相関を規定したマップが記憶装置に記憶されており、
    　前記相関係数を算出するステップは、現在の回転数、該吸気バルブの現在の位相、および現在のリフト量に基づいて該マップを参照することにより、前記相関係数を求める、請求項１４および１５のいずれかに記載の方法。
17. 　さらに、
    　ｐ回前の制御周期の目標スロットル開度を求めるステップであって、前記スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移するまでの無効時間に基づいて、該ｐの値を求めるステップを含み、
    　前記スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したことが判定されたならば、前記スロットル開度の予測値を算出するステップは、前記目標スロットル開度として、前記ｐ回前の制御周期の目標スロットル開度を用いる、
    　請求項１３に記載の方法。
18. 　前記スロットル弁が作動していることが判定されたならば、前記スロットル開度の予測値を算出するステップは、今回の制御周期で決定された目標スロットル開度を、前記目標スロットル開度に用いる、
    　請求項１７に記載の方法。
19. 　前記スロットル弁の作動速度を検出するステップと、
    　前記検出された作動速度に従って、前記スロットル弁が静止状態から作動状態に遷移したか、またはスロットル弁が作動しているか、を判定するステップと、
    　を含む、請求項１８に記載の方法。
20. 　前記スロットル弁を通過する空気量を算出するステップは、
    　前記実スロットル開度および前記スロットル開度の予測値の差を算出するステップと、
    　所定の基準大気圧および基準吸気温度の基準状態におけるスロットル開度およびスロットル弁の通過空気量との間の関係を表すマップを、前記差に基づいて参照することにより、前記基準状態における前記通過空気量を算出するステップと、
    　前記基準状態における通過空気量を、現在の大気圧および現在の吸気温度における前記通過空気量に換算するステップと、を含む、
    　請求項１４に記載の方法。
21. 　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、吸気管の開口面積に対する、前記スロットル開度の予測値に相当する開口面積の比に基づいて、前記換算された通過空気量を補正するステップを含む、
    　請求項２０に記載の方法。
22. 　前記粘性を表すパラメータは、レイノルズ数であり、
    　検出された吸入空気量、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ステップを含む、
    　請求項２１に記載の方法。
23. 　さらに、現在の吸気温度に基づいて前記粘性係数を算出するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
24. 　前記燃料噴射量を算出するステップは、
    　前記吸気管圧力の予測値および現在の内燃機関の回転数に基づいて、吸入空気量を求めるステップと、
    　前記求めた吸入空気量に基づいて、前記燃料噴射量を算出するステップと、
    　を含む、請求項１３に記載の方法。

Images