JP2006170075A - 内燃機関の可変バルブ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可変バルブタイミング装置の性能ばらつきによるバルブタイミング制御の応答性のばらつきを補償しながら、バルブタイミング制御の応答性を向上させる。
【解決手段】 可変バルブタイミング装置２４の望ましい応答特性を模擬した規範モデルとして最速応答モデル３４を用いる。この最速応答モデル３４は、可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度領域における動特性を用いて構築する。そして、コントローラ３６で最速応答モデル３４の出力に無駄時間を加味した出力と可変バルブタイミング装置２４のバルブタイミングとの偏差が小さくなるようにＦ／Ｂデューティを演算し、逆ＶＣＴモデル３８で最速応答モデル３４の出力に基づいて目標進角量を実現するようにＦ／Ｆデューティを演算する２自由度制御系の構成とし、Ｆ／ＢデューティとＦ／Ｆデューティとを加算して可変バルブタイミング装置２４の制御デューティを求める。
【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ装置を制御対象とする内燃機関の可変バルブ制御装置に関するものである。

近年、車両に搭載される内燃機関においては、出力向上、燃費節減、排気エミッション低減等を目的として、吸気バルブや排気バルブのバルブタイミングやリフト量等のバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ装置を採用したものが増加しつつある。しかし、可変バルブ装置の製造ばらつきや経時変化等による可変バルブ装置の性能ばらつきによって可変バルブ制御の応答性にばらつきが生じるという問題がある。

この対策として、特許文献１（特開平９−２５６８７８号公報）に記載されているように、可変バルブタイミング装置の制御入力（油圧制御弁の制御デューティ）を所定値に保持しているときのバルブタイミング変化速度を算出し、そのバルブタイミング変化速度と規定速度との差を是正するように可変バルブタイミング装置の制御入力を補正するようにしたものがある。

また、特許文献２（特開２００２−１５５７６６号公報）に記載されているように、可変バルブタイミング装置の規範となる特性を模擬した規範モデルを設定し、この規範モデルの出力と実バルブタイミングとの差が小さくなるように可変バルブタイミング装置の制御入力を算出するようにしたものがある。
特開平９−２５６８７８号公報（第２頁等） 特開２００２−１５５７６６号公報（第２頁等）

一般に、図４に示すように、油圧駆動式の可変バルブタイミング装置は、制御入力（油圧制御弁の制御デューティ）に応じてバルブタイミング変化速度（進角速度又は遅角速度）が変化するが、最近の本発明者らの実験結果によれば、バルブタイミング変化速度がほぼ最大となる領域ではバルブタイミング変化速度のばらつきが小さくなり、それ以外の領域ではバルブタイミング変化速度のばらつきが比較的大きくなるという特徴があることが判明した。

しかし、上記特許文献１，２の可変バルブ制御では、上述した可変バルブ装置の性能ばらつきの特徴を考慮せずに規範となる特性を一律に設定するため、可変バルブ装置が性能ばらつき下限品の場合でも規範となる特性を実現できるように、規範となる特性を性能ばらつき下限品に合わせて設定する必要があり、その結果、性能ばらつきを補償できるものの、可変バルブ制御の応答性が犠牲にされてしまうという欠点があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、従って本発明の目的は、可変バルブ装置の性能ばらつきによる可変バルブ制御の応答性のばらつきを補償しながら、可変バルブ制御の応答性を向上させることができる内燃機関の可変バルブ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ装置の望ましい応答特性を模擬した規範モデルを用いて目標値を実現するように該可変バルブ装置の制御入力を操作して該可変バルブ装置のバルブタイミングを制御する内燃機関の可変バルブ制御装置において、可変バルブ装置のバルブタイミング変化速度が最大バルブタイミング変化速度又はその付近となる領域（以下単に「最大バルブタイミング変化速度領域」という）における該可変バルブ装置の動特性を用いて規範モデルを構築し、この規範モデルに目標値を入力したときに得られる該規範モデルの出力に基づいて可変バルブ装置の制御入力を制御入力演算手段により演算するようにしたものである。本発明は、可変バルブタイミング制御、可変バルブリフト制御のいずれにも適用可能であり、可変バルブタイミング制御においては、「最大バルブタイミング変化速度」とは、最大進角速度と最大遅角速度の両方を意味する。

本発明では、規範モデルの出力と可変バルブ装置のバルブタイミングとの差が小さくなるように可変バルブ装置の制御入力を操作することで、可変バルブ装置の性能ばらつきによる可変バルブ制御の応答性のばらつきを補償することができる。また、可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度領域では、可変バルブ装置のバルブタイミング変化速度のばらつきが小さくなるという特徴があるため、この最大バルブタイミング変化速度領域を優先的に使用して可変バルブ装置を制御すれば、可変バルブ装置が性能ばらつき下限品の場合でも上限品や中央品とほぼ同等のバルブタイミング変化速度（最大バルブタイミング変化速度付近）で制御することが可能となる。この点に着目して、本発明では、可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度領域における該可変バルブ装置の動特性を模擬した規範モデルを用いるようにしたので、可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度領域を積極的に利用して可変バルブ装置を制御することが可能となり、可変バルブ制御の応答性を向上させることができる。

この場合、内燃機関や可変バルブ装置の状態に応じて可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度が変化するという特性を考慮して、請求項２のように、規範モデルは、内燃機関及び／又は可変バルブ装置の状態に基づいて可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を事前に制御マップなどに記憶又は演算し、該可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を用いて該規範モデルの出力を演算するようにすると良い。このようにすれば、内燃機関や可変バルブ装置の状態（例えば、油温、冷却水温、エンジン回転速度、目標進角量、実進角量、進角方向等）に応じて変化する可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を精度良く演算して、そのときの最大バルブタイミング変化速度を積極的に利用して可変バルブ装置を制御することができる。

更に、請求項３のように、規範モデルは、目標値の一次遅れモデルの出力変化速度を可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度で制限した値を用いて該規範モデルの出力を演算するようにしても良い。このようにすれば、一次遅れモデルの出力変化速度が可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度よりも速くなる領域で、過剰な制御デューティの出力の抑制と最大バルブタイミング変化速度付近の制御デューティの出力の持続ができるので、応答性が向上する。また、一次遅れモデルの出力が目標値に近付いて一次遅れモデルの出力変化速度が可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度よりも遅くなる領域に入ったときに、一次遅れモデルの出力をそのまま規範モデルの出力とすることができるため、目標値付近の領域では可変バルブ装置のバルブタイミング変化速度を適度に減少させて目標値に対する可変バルブ装置のバルブタイミングの収束性を向上させることができる。

また、請求項４のように、内燃機関及び／又は可変バルブ装置の状態に基づいて可変バルブ装置の制御入力に対する応答遅れ時間（以下「無駄時間」という）を事前に制御マップなどに記憶又は演算し、規範モデルの出力と無駄時間とに基づいて可変バルブ装置の制御入力を演算するようにしても良い。このようにすれば、内燃機関や可変バルブ装置の状態に応じて変化する無駄時間を精度良く演算して、その無駄時間を考慮に入れて可変バルブ装置の制御入力を演算することができる。

この場合、請求項５のように、目標値の変化に応じて無駄時間を補正するようにしても良い。このようにすれば、目標値の変化速度が小さいときに規範モデルの無駄時間を小さくすることで、フィードバックの制御デューティの出力を大きくすることができ、応答性を向上させることができる。

更に、請求項６のように、可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度に応じて無駄時間の補正割合を設定するようにしても良い。このようにすれば、可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度に応じて無駄時間が変化するのに対応して、無駄時間の補正割合を変化させて無駄時間を適正値に補正することができる。

或は、請求項７のように、目標値の変化速度と可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度とを比較して無駄時間の補正割合を設定するようにしても良い。このようにすれば、目標値の変化速度と可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度とに応じて無駄時間をより精度良く補正することができる。

更に、請求項８のように、無駄時間の補正割合を設定する際に、内燃機関及び／又は可変バルブ装置の状態に基づいて事前に制御マップなどに記憶又は演算した可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を用いるようにすると良い。このようにすれば、内燃機関や可変バルブ装置の状態に基づいて演算した正確な可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を用いて無駄時間の補正割合を設定することができる。

また、請求項９のように、可変バルブ装置の制御入力の演算は、フィードバック項によって規範モデルの出力と可変バルブ装置のバルブタイミングとを比較してフィードバック操作量を演算し、フィードフォワード項によって規範モデルの出力に基づいてフィードフォワード操作量を演算するようにすると良い。このようにすれば、フィードバック操作量とフィードフォワード操作量とを独立して演算する２自由度制御系の構成とすることができ、フィードフォワード操作量によって目標値の変化に対する応答性を向上させながら、フィードバック操作量によって目標値に対する収束性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ等によって開度調節されるスロットルバルブ１５と、このスロットルバルブ１５の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。

また、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１７の吸気ポート近傍には、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁１８が取り付けられている。更に、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ１９が取り付けられ、各点火プラグ１９の火花放電によって筒内の混合気に着火される。

一方、エンジン１１の排気管２０には、排出ガスの空燃比又はリッチ／リーン等を検出する排出ガスセンサ２１（空燃比センサ、酸素センサ等）が設けられ、この排出ガスセンサ２１の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２２が設けられている。

また、エンジン１１の吸気側カム軸２３には、油圧駆動式の可変バルブタイミング装置２４が設けられ、この可変バルブタイミング装置２４によってクランク軸２５に対する吸気側カム軸２３の回転位相を進角させることで、図２に示すように、吸気側カム２６によって開閉駆動される吸気バルブ２７のバルブタイミングを最遅角位置（基準位置）から進角するようになっている。可変バルブタイミング装置２４の油圧回路には、オイルパン（図示せず）内の作動油（エンジンオイル）が供給され、その油圧を油圧制御弁２８（ＯＣＶ）で制御することで、吸気バルブタイミング（吸気バルブ２７のバルブタイミング）が制御される。

また、クランク軸２５の外周側には、クランク軸２５と一体的に回転するシグナルロータ２９に対向するようにクランク角センサ３０が取り付けられ、吸気側カム軸２３の外周側には、吸気側カム軸２３と一体的に回転するシグナルロータ３１に対向するようにカム角センサ３２が取り付けられている。クランク角センサ３０は、クランク軸２５の回転に伴って所定クランク角毎にクランク角信号を出力し、カム角センサ３２は、吸気側カム軸２３の回転に伴って所定カム角毎にカム角信号を出力する。

クランク角センサ３０の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出され、カム角センサ３２の出力信号とクランク角センサ３０の出力信号とに基づいて吸気バルブタイミングの実進角量が検出される。

これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３３に入力される。このＥＣＵ３３は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁１８の燃料噴射量や点火プラグ１９の点火時期を制御する。

また、ＥＣＵ３３は、後述する図５から図８のバルブタイミング制御用の各プログラムを実行することで、カム角センサ３２の出力信号とクランク角センサ３０の出力信号とに基づいて吸気バルブタイミングの実進角量を算出すると共に、エンジン運転状態に基づいて吸気バルブタイミングの目標進角量を算出し、実進角量が目標進角量に一致するように可変バルブタイミング装置２４（油圧制御弁２８）を制御する。

その際、ＥＣＵ３３は、図３に示すように、可変バルブタイミング装置２４の望ましい応答特性を模擬した規範モデルとして最速応答モデル３４を用いて目標進角量を実現するように可変バルブタイミング装置２４の制御入力（油圧制御弁２８の制御デューティ）を操作して可変バルブタイミング装置２４のバルブタイミング（実進角量）を制御する。

ここで、図４に示すように、例えば、油圧駆動式の可変バルブタイミング装置２４は、制御入力（油圧制御弁２８の制御デューティ）に応じてバルブタイミング変化速度（進角速度又は遅角速度）が変化するが、最大バルブタイミング変化速度領域（進角速度や遅角速度が最大又はその付近となる領域）では、バルブタイミング変化速度のばらつきが小さくなるという特徴があるため、最大バルブタイミング変化速度領域を使用して可変バルブタイミング装置２４を制御すれば、可変バルブタイミング装置２４が性能ばらつき下限品の場合でも、上限品や中央品とほぼ同等のバルブタイミング変化速度（最大バルブタイミング変化速度付近）で制御することができる。

この点に着目して、本実施例では、図３に示すように、可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度領域における可変バルブタイミング装置２４の動特性を用いて最速応答モデル３４（規範モデル）を構築している。具体的には、目標進角量の一次遅れモデルの出力変化速度を最大バルブタイミング変化速度で制限した値を最速応答モデル３４の出力変化速度とし、この最速応答モデル３４の出力変化速度を積分して最速応答モデル３４の出力とする。これにより、一次遅れモデルの出力が目標進角量に近付いて一次遅れモデルの出力変化速度が最大バルブタイミング変化速度よりも遅くなる領域に入ったときには、一次遅れモデルの出力をそのまま最速応答モデル３４の出力とする。

そして、この最速応答モデル３４に目標進角量を入力したときに得られる最速応答モデル３４の出力に、無駄時間要素３５で演算した可変バルブタイミング装置２４の無駄時間（制御入力に対する応答遅れ時間）を加味する。この無駄時間要素３５が特許請求の範囲でいう無駄時間演算手段としての役割を果たす。

この後、ＭＲＡＣＳ（Model Reference Adaptive Control System ）コントローラ３６で、最速応答モデル３４の出力に無駄時間を加味した出力と可変バルブタイミング装置２４のバルブタイミング（実進角量）との偏差が小さくなるようにＦ／Ｂ（フィードバック）操作量であるＦ／Ｂデューティを演算する。このＭＲＡＣＳコントローラ３６が特許請求の範囲でいうフィードバック項としての役割を果たす。

また、油温などの作動環境の変化や経時変化等により可変バルブタイミング装置２４の動特性に変化が生じると、最速応答モデル３４の出力に無駄時間を加味した出力と、可変バルブタイミング装置２４のバルブタイミングとの偏差が大きくなるが、パラメータ調整機構３７で、その偏差が小さくなるようにＭＲＡＣＳコントローラ３６のパラメータを調整する。

一方、逆ＶＣＴモデル３８は、可変バルブタイミング装置２４を模擬したモデルの逆モデルであり、最速応答モデル３４の出力に基づいて目標進角量を実現するようにＦ／Ｆ（フィードフォワード）操作量であるＦ／Ｆデューティを演算する。この逆ＶＣＴモデル３８が特許請求の範囲でいうフィードフォワード項としての役割を果たす。

この後、ＭＲＡＣＳコントローラ３６で演算したＦ／Ｂデューティと逆ＶＣＴモデル３８で演算したＦ／Ｆデューティとを加算して可変バルブタイミング装置２４の制御デューティを求める。このようにして、Ｆ／ＢデューティとＦ／Ｆデューティとを独立して演算する２自由度制御系の構成で制御デューティを演算するＥＣＵ３３の機能が特許請求の範囲でいう制御入力演算手段としての役割を果たす。

以上説明したバルブタイミング制御は、ＥＣＵ３３により図５から図８に示すプログラムに従って実行される。以下、これらのプログラムの処理内容を説明する。

［バルブタイミング制御］
図５に示すバルブタイミング制御プログラムは、ＥＣＵ３３の電源オン中に所定周期で実行される。本プログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、カム角センサ３２の出力信号とクランク角センサ３０の出力信号とに基づいて吸気バルブタイミングの実進角量ＶＴを演算し、次のステップ１０２で、エンジン運転状態（例えば、エンジン回転速度、負荷等）に基づいて吸気バルブタイミングの目標進角量ＶＴＴを演算する。

この後、ステップ１０３に進み、後述する図６の最速応答モデル出力演算プログラムを実行して、最速応答モデル３４に目標進角量ＶＴＴを入力したときに得られる最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal を演算し、次のステップ１０４で、後述する図７の無駄時間演算プログラムを実行して、可変バルブタイミング装置２４の無駄時間を算出する。

この後、ステップ１０５に進み、図示しないパラメータ調整プログラムを実行して、最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal に無駄時間を加味した出力と可変バルブタイミング装置２４の出力である実進角量ＶＴとの偏差が小さくなるようにＭＲＡＣＳコントローラ３６のパラメータを調整する。

この後、ステップ１０６に進み、図示しないＭＲＡＣＳコントローラ出力演算プログラムを実行して、最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal に無駄時間を加味した出力と可変バルブタイミング装置２４の出力である実進角量ＶＴとの偏差が小さくなるようにＦ／Ｂデューティを演算する。

この後、ステップ１０７に進み、後述する図８の逆ＶＣＴモデル出力演算プログラムを実行して、最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal に基づいて目標進角量ＶＴＴを実現するようにＦ／Ｆデューティを演算し、次のステップ１０８で、Ｆ／ＢデューティとＦ／Ｆデューティとを加算して可変バルブタイミング装置２４の制御デューティを求める。

［最速応答モデル出力演算］
図６に示す最速応答モデル出力演算プログラムは、前記図５のバルブタイミング制御プログラムのステップ１０３で実行されるサブルーチンである。本プログラムが起動されると、まず、ステップ２０１で、エンジン運転状態（例えば、エンジン回転速度、負荷等）に基づいて演算した目標進角量ＶＴＴを読み込む。

この後、ステップ２０２に進み、目標進角量ＶＴＴの１次遅れモデルの出力ＶＴＴ１を演算した後、ステップ２０３に進み、１次遅れモデルの出力ＶＴＴ１を微分して１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１を求める。

この後、ステップ２０４に進み、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態（例えば、油温、冷却水温、エンジン回転速度、目標進角量、実進角量、進角方向等）に基づいて可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度（最大進角速度ＭＡＸspeed 又は最大遅角速度ＭＩＮspeed ）を演算する。

この後、ステップ２０５に進み、現在のバルブタイミング変化方向が進角方向であるか否かを判定し、バルブタイミング変化方向が進角方向であると判定された場合には、次のステップ２０６〜２０８で、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１を最大進角速度ＭＡＸspeed で制限した値を最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal として採用する。

具体的には、まず、ステップ２０６で、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１が最大進角速度ＭＡＸspeed よりも速いか否かを判定する。その結果、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１が最大進角速度ＭＡＸspeed よりも速いと判定された場合には、ステップ２０７に進み、最大進角速度ＭＡＸspeed を最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal として採用する。
ΔＶＴＴideal ＝ＭＡＸspeed

一方、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１が最大進角速度ＭＡＸspeed よりも遅いと判定された場合には、ステップ２０８に進み、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１をそのまま最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal として採用する。
ΔＶＴＴideal ＝ΔＶＴＴ１

また、上記ステップ２０５で、現在のバルブタイミング変化方向が遅角方向であると判定された場合には、次のステップ２０９〜２１１で、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１を最大遅角速度ＭＩＮspeed で制限した値を最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal として採用する。

具体的には、まず、ステップ２０９で、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１が最大遅角速度ＭＩＮspeed よりも速いか否かを判定する。その結果、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１が最大遅角速度ＭＩＮspeed よりも速いと判定された場合には、ステップ２１０に進み、最大遅角速度ＭＩＮspeed を最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal として採用する。
ΔＶＴＴideal ＝ＭＩＮspeed

一方、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１が最大遅角速度ＭＩＮspeed よりも遅いと判定された場合には、ステップ２０８に進み、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１をそのまま最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal として採用する。
ΔＶＴＴideal ＝ΔＶＴＴ１

このようにして、１次遅れモデルの出力変化速度ΔＶＴＴ１を最大バルブタイミング変化速度（最大進角速度ＭＡＸspeed 又は最大遅角速度ＭＩＮspeed ）で制限した値を最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal とした後、ステップ２１２に進み、最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal を積分して最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal を求める。

［無駄時間演算］
図７に示す無駄時間演算プログラムは、前記図５のバルブタイミング制御プログラムのステップ１０４で実行されるサブルーチンである。本プログラムが起動されると、まず、ステップ３０１で、現在のバルブタイミング変化方向が進角方向であるか否かを判定し、バルブタイミング変化方向が進角方向であると判定された場合には、ステップ３０２に進み、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態に基づいて演算した最大進角速度ＭＡＸspeed を読み込んだ後、ステップ３０３に進み、目標進角量ＶＴＴを微分して目標進角量の変化速度ΔＶＴＴを求める。

この後、ステップ３０４に進み、目標進角量の変化速度ΔＶＴＴを最大進角速度ＭＡＸspeed で除算した値を無駄時間補正割合Ｋとして求める。
Ｋ＝ΔＶＴＴ／ＭＡＸspeed

一方、上記ステップ３０１で、バルブタイミング変化方向が遅角方向であると判定された場合には、ステップ３０５に進み、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態に基づいて演算した最大遅角速度ＭＩＮspeed を読み込んだ後、ステップ３０６に進み、目標進角量ＶＴＴを微分して目標進角量の変化速度ΔＶＴＴを求める。

この後、ステップ３０７に進み、目標進角量の変化速度ΔＶＴＴを最大遅角速度ＭＩＮspeed で除算した値を無駄時間補正割合Ｋとして求める。
Ｋ＝ΔＶＴＴ／ＭＩＮspeed

無駄時間補正割合Ｋの算出後、ステップ３０８に進み、目標進角量ＶＴＴと最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal との偏差の絶対値が所定値以上であるか否かを判定する。その結果、目標進角量ＶＴＴと最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal との偏差の絶対値が所定値以上であると判定された場合には、ステップ３０９に進み、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態（例えば、油温、冷却水温、エンジン回転速度、目標進角量、実進角量、進角方向等）に基づいて可変バルブタイミング装置２４の無駄時間を演算する。

この後、ステップ３１０に進み、無駄時間に無駄時間補正割合Ｋを乗算して無駄時間を補正した後、ステップ３１１に進み、補正後の無駄時間を最終的な無駄時間として出力する。

一方、上記ステップ３０８で、目標進角量ＶＴＴと最速応答モデル３４の出力ＶＴＴideal との偏差の絶対値が所定値よりも小さいと判定された場合には、ステップ３１２に進み、無駄時間なしとする。

［逆ＶＣＴモデル出力演算］
図８に示す逆ＶＣＴモデル出力演算プログラムは、前記図５のバルブタイミング制御プログラムのステップ１０７で実行されるサブルーチンである。本プログラムが起動されると、まず、ステップ４０１で、現在のバルブタイミング変化方向が進角方向であるか否かを判定し、バルブタイミング変化方向が進角方向であると判定された場合には、ステップ４０２に進み、目標進角量ＶＴＴと実進角量ＶＴとの偏差が所定値以上であるか又は目標進角量の変化速度ΔＶＴＴが所定値以上であるか否かを判定する。

このステップ４０２で、目標進角量ＶＴＴと実進角量ＶＴとの偏差が所定値以上であると判定された場合、又は、目標進角量の変化速度ΔＶＴＴが所定値以上であると判定された場合には、ステップ４０３に進み、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態（例えば、油温、冷却水温、エンジン回転速度、目標進角量、実進角量、進角方向等）と可変バルブタイミング装置２４の特性（例えば、制御デューティに対するバルブタイミング変化速度特性）とに基づいて進角方向のＦ／ＦゲインＭＡＸsloop を演算する。

この後、ステップ４０６に進み、可変バルブタイミング装置２４の進角速度が最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal となるようにＦ／Ｆデューティを演算する。

これに対して、上記ステップ４０２で、目標進角量ＶＴＴと実進角量ＶＴとの偏差が所定値よりも小さいと判定され、且つ、目標進角量の変化速度ΔＶＴＴが所定値よりも小さいと判定された場合には、ステップ４０７に進み、Ｆ／Ｆデューティを０にする。

一方、上記ステップ４０１で、バルブタイミング変化方向が遅角方向であると判定された場合には、ステップ４０４に進み、目標進角量ＶＴＴと実進角量ＶＴとの偏差が所定値以下であるか又は目標進角量の変化速度ΔＶＴＴが所定値以下であるか否かを判定する。

このステップ４０４で、目標進角量ＶＴＴと実進角量ＶＴとの偏差が所定値以下であると判定された場合、又は、目標進角量の変化速度ΔＶＴＴが所定値以下であると判定された場合には、ステップ４０５に進み、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態（例えば、油温、冷却水温、エンジン回転速度、目標進角量、実進角量、進角方向等）と可変バルブタイミング装置２４の特性（例えば、制御デューティに対するバルブタイミング変化速度特性）とに基づいて遅角方向のＦ／ＦゲインＭＡＸsloop を演算する。

この後、ステップ４０６に進み、可変バルブタイミング装置２４の遅角速度が最速応答モデル３４の出力変化速度ΔＶＴＴideal となるようにＦ／Ｆデューティを演算する。

これに対して、上記ステップ４０４で、目標進角量ＶＴＴと実進角量ＶＴとの偏差が所定値よりも大きいと判定され、且つ、目標進角量の変化速度ΔＶＴＴが所定値よりも大きいと判定された場合には、ステップ４０７に進み、Ｆ／Ｆデューティを０にする。

以上説明した本実施例では、可変バルブタイミング装置２４の望ましい応答特性を模擬した最速応答モデル３４（規範モデル）の出力に無駄時間を加味した出力と可変バルブタイミング装置２４の出力との偏差が小さくなるように可変バルブタイミング装置２４の制御デューティを操作するようにしたので、可変バルブタイミング装置２４の性能ばらつきによるバルブタイミング制御の応答性のばらつきを補償することができる。

しかも、可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度領域では、バルブタイミング変化速度のばらつきが小さくなることを考慮して、可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度領域における動特性を模擬した最速応答モデル３４を用いるようにしたので、図９に示すように、可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度付近を積極的に利用して可変バルブタイミング装置２４を制御することが可能となり、可変バルブタイミング装置２４が性能ばらつき下限品の場合でも上限品や中央品とほぼ同等のバルブタイミング変化速度（最大バルブタイミング変化速度付近）で制御することができると共に、バルブタイミング制御の応答性も向上させることができる。

また、本実施例では、ＭＲＡＣＳコントローラ３６で最速応答モデル３４の出力に無駄時間を加味した出力と可変バルブタイミング装置２４のバルブタイミングとの偏差が小さくなるようにＦ／Ｂデューティを演算すると共に、逆ＶＣＴモデル３８で最速応答モデル３４の出力に基づいて目標進角量を実現するようにＦ／Ｆデューティを演算し、Ｆ／ＢデューティとＦ／Ｆデューティとを加算して可変バルブタイミング装置２４の制御デューティを求めるようにしたので、図９に示すように、Ｆ／ＢデューティとＦ／Ｆデューティとを独立して演算する２自由度制御系の構成で制御デューティを演算することができ、Ｆ／Ｆデューティによって目標進角量の変化に対する実進角量の応答性を向上させながら、Ｆ／Ｂデューティによって目標進角量に対する実進角量の収束性を向上させることができる。

また、本実施例では、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態（例えば、油温、冷却水温、エンジン回転速度、目標進角量、実進角量、進角方向等）に基づいて可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度（最大進角速度又は最大遅角速度）を演算し、その最大バルブタイミング変化速度を用いて最速応答モデル３４の出力を求めるようにしたので、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態に応じて変化する可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度を精度良く演算して、そのときの最大バルブタイミング変化速度を積極的に利用して可変バルブタイミング装置２４を制御することができる。

更に、本実施例では、目標進角量の一次遅れモデルの出力変化速度を最大バルブタイミング変化速度で制限した値を最速応答モデル３４の出力変化速度とし、この最速応答モデル３４の出力変化速度を積分して最速応答モデル３４の出力とするようにしたので、一次遅れモデルの出力変化速度が可変バルブタイミング装置２４の最大バルブタイミング変化速度よりも速くなる領域で、過剰な制御デューティの出力の抑制と最大バルブタイミング変化速度付近の制御デューティの出力の持続ができるので、応答性が向上する。また、一次遅れモデルの出力が目標進角量に近付いて一次遅れモデルの出力変化速度が最大バルブタイミング変化速度よりも遅くなる領域に入ったときに、一次遅れモデルの出力をそのまま最速応答モデル３４の出力とすることができ、目標進角量付近の領域で可変バルブタイミング装置２４のバルブタイミング変化速度（進角速度又は遅角速度）を適度に低下させて目標進角量に対する実進角量の収束性を更に向上させることができる。

また、本実施例では、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態に基づいて可変バルブタイミング装置２４の無駄時間を演算し、最速応答モデル３４の出力に無駄時間を加味した出力に基づいて可変バルブタイミング装置２４の制御デューティを演算するようにしたので、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態に応じて変化する無駄時間を精度良く演算して、その無駄時間を考慮に入れて可変バルブタイミング装置２４の制御デューティを演算することができる。

更に、本実施例では、目標進角量の変化速度を最大バルブタイミング変化速度（最大進角速度又は最大遅角速度）で除算して求めた無駄時間補正割合Ｋを用いて無駄時間を補正するようにしたので、目標進角量の変化速度が小さいときに規範モデルの無駄時間を小さくすることで、Ｆ／Ｂの制御デューティの出力を大きくすることができ、応答性を向上させることができる。

また、本実施例では、無駄時間補正割合Ｋを求める際に、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態に基づいて演算した最大バルブタイミング変化速度を用いるようにしたので、エンジン１１や可変バルブタイミング装置２４の状態に応じた正確な最大バルブタイミング変化速度を用いて無駄時間補正割合Ｋを設定することができる。

尚、上記実施例では、本発明を吸気バルブのバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング装置に適用したが、これに限定されず、吸気バルブのバルブリフト量やバルブ開弁期間等を変化させる可変バルブ装置に本発明を適用しても良い。また、排気バルブのバルブ開閉特性（バルブタイミング、バルブリフト量、バルブ開弁期間等）を変化させる可変バルブ装置に本発明を適用しても良い。

本発明の一実施例におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。 可変バルブタイミング装置によるバルブタイミングの可変動作を説明するためのバルブリフト特性図である。 バルブタイミング制御の機能を示すブロック図である。 可変バルブタイミング装置の制御デューティとバルブタイミング変化速度との関係を示す特性図である。 バルブタイミング制御プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 最速応答モデル出力演算プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 無駄時間演算プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 逆ＶＣＴモデル出力演算プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 本実施例のバルブタイミング制御の実行例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１５…スロットルバルブ、１８…燃料噴射弁、２０…排気管、２４…可変バルブタイミング装置、２７…吸気バルブ、２８…油圧制御弁、３３…ＥＣＵ（制御入力演算手段）、３４…最速応答モデル、３５…無駄時間要素（無駄時間演算手段）、３６…ＭＲＡＣＳコントローラ（フィードバック項）、３７…パラメータ調整機構、３８…逆ＶＣＴモデル（フィードフォワード項）

Claims (9)

1. 内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブのバルブ開閉特性を変化させる可変バルブ装置の望ましい応答特性を模擬した規範モデルを用いて目標値を実現するように該可変バルブ装置の制御入力を操作して該可変バルブ装置のバルブタイミングを制御する内燃機関の可変バルブ制御装置において、
   前記規範モデルは、前記可変バルブ装置のバルブタイミング変化速度が最大バルブタイミング変化速度又はその付近となる領域における該可変バルブ装置の動特性を用いて構築され、
   前記規範モデルに前記目標値を入力したときに得られる該規範モデルの出力に基づいて前記可変バルブ装置の制御入力を演算する制御入力演算手段を備えていることを特徴とする内燃機関の可変バルブ制御装置。
2. 前記規範モデルは、前記内燃機関及び／又は前記可変バルブ装置の状態に基づいて前記可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を演算し、該可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を用いて該規範モデルの出力を演算するように構築されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変バルブ制御装置。
3. 前記規範モデルは、前記目標値の一次遅れモデルの出力変化速度を前記可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度で制限した値を用いて該規範モデルの出力を演算するように構築されてい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可変バルブ制御装置。
4. 前記内燃機関及び／又は前記可変バルブ装置の状態に基づいて前記可変バルブ装置の制御入力に対する応答遅れ時間（以下「無駄時間」という）を事前に制御マップなどに記憶又は演算する無駄時間演算手段を備え、
   前記制御入力演算手段は、前記規範モデルの出力と前記無駄時間とに基づいて前記可変バルブ装置の制御入力を演算することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブ制御装置。
5. 前記無駄時間演算手段は、前記目標値の変化に応じて前記無駄時間を補正することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の可変バルブ制御装置。
6. 前記無駄時間演算手段は、前記可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度に応じて前記無駄時間の補正割合を設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の可変バルブ制御装置。
7. 前記無駄時間演算手段は、前記目標値の変化速度と前記可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度とを比較して前記無駄時間の補正割合を設定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の可変バルブ制御装置。
8. 前記無駄時間演算手段は、前記無駄時間の補正割合を設定する際に、前記内燃機関及び／又は前記可変バルブ装置の状態に基づいて事前に制御マップなどに記憶又は演算した前記可変バルブ装置の最大バルブタイミング変化速度を用いることを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の可変バルブ制御装置。
9. 前記制御入力演算手段は、前記規範モデルの出力と前記可変バルブ装置のバルブタイミングとを比較してフィードバック操作量を演算するフィードバック項と、前記規範モデルの出力に基づいてフィードフォワード操作量を演算するフィードフォワード項とを備えていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブ制御装置。

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