JP3960235B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の吸気制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開弁特性を制御する可変動弁機構と、吸気圧を制御するスロットル弁とを有していて、上記開弁特性と上記スロットル弁の開度（より詳細には、吸気圧）とを協調制御することによって燃焼室内に吸入される空気量（以下、「吸気量」と言う）を制御するようにした内燃機関の吸気制御装置が公知である。
【０００３】
この種の吸気制御装置においては、バルブスプリングの特性変化や、汚れによるフリクションの変化等によって、開弁あるいは閉弁の指令に対する開弁あるいは閉弁動作の遅れ時間（動作遅れ時間）が各気筒間でばらついたり、また、上記動作遅れ時間が１つの気筒で吸気毎に変動してしまう場合がある。そして、これによって、吸気量が時間的に変動したり、各気筒間で吸気量にばらつきが生じることがある。
【０００４】
これに対し、特許文献１には、上記のような吸気量の変動またはばらつきを抑制する方法として、スロットル弁の開度を絞って吸気圧を低下させることにより同量の空気を吸入する際の吸気弁の開弁時間を長くし、上記動作遅れ時間の開弁時間全体に対する割合を下げてその影響を小さくするという方法が開示されている。
【０００５】
ところで、上記のような吸気制御装置においては、一般に内燃機関の運転状態から目標吸気量が決定され、次いでこの目標吸気量を実現する開弁特性や吸気圧が推定される。この開弁特性や吸気圧の推定においては、予め定められた方法により、例えば、上記目標吸気量を実現し且つ内燃機関の運転状態に応じて燃費、エミッション、トルク変動等の条件が複合的に最適となる開弁特性及び吸気圧が推定される。そして、このようにして推定された開弁特性や吸気圧を目標制御値として、吸気弁や排気弁の開弁特性やスロットル弁の開度が制御される。
【０００６】
しかしながら、実際には上述したような動作遅れや可変動弁機構の作動性能上の要因等で、上記開弁特性や吸気圧が所定時間（例えば、制御周期）内に上記目標制御値に達することができない場合や、機構上の要因等で上記開弁特性や吸気圧が上記目標制御値に達することができない場合等がある。
【０００７】
そして、このような場合に結果的にとることになる開弁特性や吸気圧は、必ずしも吸気量の点で最適なものではないことがある。すなわち、例えば、上記所定時間内に実現可能な開弁特性や吸気圧の範囲内に、上記目標吸気量もしくは上記目標吸気量により近い吸気量を実現できる開弁特性や吸気圧が存在する場合がある。つまり、このような場合には、吸気量をより好適に制御する余地が存在することになる。そして、上記特許文献１においてはこのような問題については全く指摘されておらず、したがって何ら検討されていない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−２０４９８３号公報
【特許文献２】
特開２００１−１５９３４１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開弁特性と吸気圧とを制御することによって吸気量を制御する内燃機関の吸気制御装置において、吸気量がより好適に制御される内燃機関の吸気制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関の吸気制御装置を提供する。
１番目の発明は、吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開弁特性を制御する開弁特性制御手段と、吸気圧を制御する吸気圧制御手段とを有していて、上記開弁特性と上記吸気圧とを制御することによって吸気量を制御する内燃機関の吸気制御装置において、制御周期に相当する予め定めた時間経過後に実現すべき目標吸気量を決定する目標吸気量決定手段と、上記開弁特性制御手段によって上記予め定めた時間内に実現可能な開弁特性の範囲を決定する手段と、上記吸気圧制御手段によって上記予め定めた時間内に実現可能な吸気圧の範囲を決定する手段とを有していて、上記開弁特性及び上記吸気圧が、上記開弁特性制御手段及び上記吸気圧制御手段によって、上記目標吸気量に基づいて各々の上記実現可能範囲内において設定される目標開弁特性及び目標吸気圧になるように制御される、内燃機関の吸気制御装置を提供する。
【００１１】
制御の目標となる開弁特性及び吸気圧、すなわち目標開弁特性及び目標吸気圧を上記予め定めた時間内に実現可能な範囲を考慮せずに設定した場合、設定された目標開弁特性及び目標吸気圧が上記実現可能な範囲内にない時には、制御の結果としてとることになる開弁特性及び吸気圧によって実現される吸気量は、目標吸気量とは相当に異なる場合がある。そしてこのような場合に、上記実現可能な範囲内における別の開弁特性及び吸気圧とすれば上記目標吸気量が実現できる、もしくは上記目標吸気量により近い吸気量とすることができる場合がある。
【００１２】
本発明によれば、上記目標開弁特性及び上記目標吸気圧が目標吸気量を考慮しつつ、予め定めた時間内に実現可能な範囲内において設定され、開弁特性及び吸気圧がその目標開弁特性及び目標吸気圧になるように制御されるので、上記目標開弁特性及び上記目標吸気圧が実現できずに、吸気量が意図しない吸気量となってしまうことが防止される。つまり、上記目標開弁特性及び目標吸気圧を適切に設定することにより、上記の予め定めた時間内に実現できる範囲において最適な吸気量となる制御を確実に実施することができ、結果として吸気量がより好適に制御される。
なお、本明細書において開弁特性とは、バルブリフト量、作用角、弁の開閉タイミングのうちの一つ、もしくは複数のものを意味する。
【００１３】
２番目の発明は１番目の発明において、上記目標吸気量を実現する開弁特性及び吸気圧を予め定めた方法により推定する手段を有していて、該手段により推定された開弁特性及び吸気圧が共に各々の上記実現可能範囲内にある時には、上記推定された開弁特性及び吸気圧が上記目標開弁特性及び上記目標吸気圧として設定される一方、上記推定された開弁特性と吸気圧のうちの少なくとも一方が、各々の上記実現可能範囲内にない時には、各々の上記実現可能範囲内における開弁特性及び吸気圧であって、吸気量が最も上記目標吸気量に近づく、もしくは、吸気量が上記目標吸気量になる開弁特性及び吸気圧が上記目標開弁特性及び上記目標吸気圧として設定される。
【００１４】
上記目標吸気量に対する開弁特性及び吸気圧は、例えば、上記目標吸気量を実現し且つ内燃機関の運転状態に応じて燃費、エミッション、トルク変動等の条件が複合的に最適となる開弁特性及び吸気圧が求まるように予め定めた方法によって推定される。しかしながら、このようにして推定された開弁特性及び吸気圧は必ずしも上記の予め定めた時間内に実現可能なものではない。そして、このような場合に上記のような予め定められた方法により推定された開弁特性及び吸気圧を目標開弁特性及び目標吸気圧とすると、１番目の発明に関連して述べたような不都合が生じる場合がある。
【００１５】
本発明によれば、予め定めた方法により推定された開弁特性と吸気圧のうちの少なくとも一方が、各々の上記実現可能範囲内にない時には、上記目標開弁特性及び上記目標吸気圧が各々の上記実現可能範囲内において、吸気量が最も上記目標吸気量に近づくように、もしくは、吸気量が上記目標空気量になるように設定されるので、１番目の発明と同様、上記の予め定めた時間内に実現できる範囲において最適な吸気量となる制御を確実に実施することができ、結果として吸気量がより好適に制御される。
【００１６】
３番目の発明は１番目または２番目の発明において、上記の予め定めた時間内に実現可能な開弁特性の範囲を決定する際には、内燃機関の運転に関連する追加的な制約が考慮される。
上記開弁特性制御手段の機構上及び作動性能上は実現可能な開弁特性であっても、その開弁特性を実現することが、例えば内燃機関の運転上好ましくない場合がある。本発明によれば、このような制約を考慮することができるので、吸気制御に起因して生じ得る様々な不都合の発生を抑制することができる。
【００１７】
４番目の発明は３番目の発明において、上記の内燃機関の運転に関連する追加的な制約は、吸排気弁の位置関係や開弁特性を含む。
本発明によれば、吸気制御に起因して生じ得る内燃機関の運転上の不都合等の発生を抑制することができる。例えば、上記の内燃機関の運転に関連する追加的な制約として、バルブオーバーラップ量を予め定めた量以下にすることを含めることで、吸気弁への付着デポジット量の低減を図ることができる。また、上記の内燃機関の運転に関連する追加的な制約として、吸気弁の開位置を予め定めた位置よりも遅くならないようにすること、もしくは吸気弁の閉位置を予め定めた位置よりも遅くならないようにすることを含めることにより、ノッキングの抑制が図られる。
【００１８】
５番目の発明は１番目から４番目の何れかの発明において、上記の予め定めた時間内に実現可能な吸気圧の範囲を決定する際には、内燃機関の運転に関連する追加的な制約が考慮される。
６番目の発明は５番目の発明において、上記の内燃機関の運転に関連する追加的な制約が、吸気圧を予め定めた圧力以下に維持することを含んでいる。
【００１９】
５番目及び６番目の発明によっても、吸気制御に起因して生じ得る様々な不都合の発生を抑制することができる。特に、６番目の発明によれば、吸気制御の都合によって吸気圧が予め定めた圧力よりも高くなることが防止されるので、例えば、ブレーキアシスト機構等の吸気圧が負圧であることを利用する構成を有している場合、上記予め定めた圧力を適切に設定することによって、これらの構成の良好な作動を維持することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。尚、図面において、同一又は類似の構成要素には共通の参照番号を付す。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態の吸気制御装置を適用した内燃機関を示す概略構成図であり、図２は図１に示した内燃機関の吸気系等の詳細図である。図１及び図２において、１は内燃機関本体、２は吸気弁、３は排気弁、４は吸気弁を開閉させるためのカム、５は排気弁を開閉させるためのカム、６は吸気弁用カム４を担持しているカムシャフト、７は排気弁用カム５を担持しているカムシャフトである。
【００２２】
図３は図１に示した吸気弁用カム４及びカムシャフト６の詳細図である。図３に示すように、本実施形態のカム４のカムプロフィルは、カムシャフト中心軸線の方向に変化している。つまり、本実施形態のカム４は、図３の左端のノーズ高さが右端のノーズ高さよりも大きくなっている。すなわち、本実施形態の吸気弁２のバルブリフト量は、バルブリフタがカム４の左端と接している時よりも、バルブリフタがカム４の右端と接している時の方が小さくなる。
【００２３】
また、本実施形態においては、このようなバルブリフト量の変化に伴って、吸気弁２の開弁期間に対応する作用角についても変化する。すなわち、本実施形態の吸気弁２の作用角は、バルブリフト量が大きい時（すなわち、バルブリフタがカム４の左端と接している時）よりも、バルブリフト量が小さい時（すなわち、バルブリフタがカム４の右端と接している時）の方が小さくなる。
【００２４】
再び図１及び図２の説明に戻ると、８は気筒内に形成された燃焼室、９はバルブリフト量及び作用角を変更するために吸気弁２に対してカム４をカムシャフト中心軸線方向に移動させるためのカム移動装置である。つまり、カム移動装置９を作動させることにより、カム４の左端（図３）においてカム４とバルブリフタとを接触させたり、カム４の右端（図３）においてカム４とバルブリフタとを接触させたりすることができる。カム移動装置９を作動させることによって吸気弁２のバルブリフト量が変更されると、それに伴って吸気弁２の開口面積が変更されることになる。本実施形態の吸気弁２では、バルブリフト量が増加されるに従って吸気弁２の開口面積が増加する。１０はカム移動装置９を駆動するためのドライバである。
【００２５】
一方、１１は吸気弁２のバルブリフト量及び作用角を変更することなく開閉タイミングをシフトさせるための開閉タイミングシフト装置である。つまり、開閉タイミングシフト装置１１を作動することにより、吸気弁２の開閉タイミングを進角側にシフトさせたり、遅角側にシフトさせたりすることができ、これによってバルブオーバーラップ量の調整を行うこともできる。１２は開閉タイミングシフト装置１１を作動するための油圧を制御するオイルコントロールバルブである。
【００２６】
１３はクランクシャフト、１４はオイルパン、１５は燃料噴射弁、１６は吸気弁２のバルブリフト量及び作用角、並びに開閉タイミングシフト量を検出するための開弁特性センサ、１７は機関回転数を検出するためのセンサである。１８は気筒内に吸入空気を供給する吸気管内の圧力（以下、「吸気圧」と言う）を検出するための吸気圧センサ、１９はエアフローメータ、２０は内燃機関冷却水の温度を検出するための冷却水温センサ、２１は気筒内に供給される吸入空気の吸気管内における温度（以下、「吸気温」と言う）を検出するための吸気温センサ、２２はＥＣＵ（電子制御装置）である。５０はシリンダ、５１，５２は吸気管、５３はサージタンク、５４は排気管、５５は点火栓、５６はスロットル弁である。本実施形態において、スロットル弁５６の開度はアクセルペダルの踏込み量（以下、「アクセル踏込み量」と言う）とは無関係に変更することができ、スロットル弁開度を調整することで吸気圧が制御される。
【００２７】
本実施形態では、燃焼室８内に吸入される空気量、すなわち吸気量が、吸気弁２の開弁特性とスロットル弁５６の開度（より詳細には、吸気圧）とを協調制御することによって制御される。なお、他の実施形態では、これらに加え、アイドルスピードコントロールバルブ（図示なし）の開度を制御することによって吸気量を制御するようにしてもよい。
【００２８】
図４は、図１に示したカム移動装置９等の詳細図である。図４において、３０は吸気弁用カムシャフト６に連結された磁性体、３１は磁性体３０を左側に付勢するためのコイル、３２は磁性体３０を右側に付勢するための圧縮ばねである。コイル３１に対する通電量が増加されるに従って、カム４及びカムシャフト６が左側に移動する量が増加し、吸気弁２のバルブリフト量及び作用角が減少せしめられることになる。
【００２９】
図５は、カム移動装置９が作動されるのに伴って吸気弁２のバルブリフト量及び作用角が変化する様子を示した図である。図５に示すように、コイル３１に対する通電量が減少されるに従って、吸気弁２のバルブリフト量及び作用角が増加せしめられる（実線→破線→一点鎖線）。また、本実施形態では、カム移動装置９が作動されるのに伴って、吸気弁２のバルブリフト量がピークとなるタイミングも変更せしめられる。より詳細には、図５に示されているように、吸気弁２のバルブリフト量が増加せしめられるのに伴って、吸気弁２のバルブリフト量がピークとなるタイミングが遅角せしめられる。
【００３０】
図６は図１に示した開閉タイミングシフト装置１１等の詳細図である。図６において、４０は吸気弁２の開閉タイミングを進角側にシフトさせるための進角側油路、４１は吸気弁２の開閉タイミングを遅角側にシフトさせるための遅角側油路、４２はオイルポンプである。進角側油路４０内の油圧が増加されるに従い、吸気弁２の開閉タイミングが進角側にシフトせしめられる。つまり、クランクシャフト１３に対するカムシャフト６の回転位相が進角せしめられる。一方、遅角側油路４１の油圧が増加されるに従い、吸気弁２の開閉タイミングが遅角側にシフトせしめられる。つまり、クランクシャフト１３に対するカムシャフト６の回転位相が遅角せしめられる。
【００３１】
図７は、開閉タイミングシフト装置１１が作動されるのに伴って吸気弁の開閉タイミングがシフトする様子を示した図である。図７に示すように、進角側油路４０内の油圧が増加されるに従って吸気弁２の開閉タイミングが進角側にシフトされる（実線→破線→一点鎖線）。この時、吸気弁２の作用角は変更されない。
【００３２】
なお、本実施形態では、カム移動装置９及び開閉タイミングシフト装置１１によって吸気弁２の開弁特性のみが変更され、排気弁３の開弁特性は変更されていないが、他の実施形態では、排気弁用のカム移動装置及び開閉タイミングシフト装置を設けることによって排気弁３の開弁特性を変更できるようにすることも可能である。この場合、バルブオーバーラップ量の調整幅をより大きくすることができる。また、本実施形態では、吸気弁２及び排気弁３がカム４，５によって機械的に駆動されているが、他の実施形態においては、吸気弁及び排気弁の両方または一方を電磁的に駆動するようにしてもよい。
【００３３】
上述したように、本実施形態の吸気制御装置においては、開弁特性制御手段であるカム移動装置９と開閉タイミングシフト装置１１によって吸気弁２の開弁特性を制御することができ、吸気圧制御手段であるスロットル弁５６によって吸気圧を制御することができる。そして、この開弁特性と吸気圧とを協調制御することによって吸気量が制御される。以下では、その具体的な方法について図８のフローチャートを参照しつつ説明する。
【００３４】
図８は、本実施形態の吸気制御装置における吸気量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ２２により予め定めた時間、すなわち制御周期Ｔｓ毎の割込みによって実施される。
本制御ルーチンがスタートすると、まずステップ１０１において、制御周期Ｔｓに相当する時間経過後に実現すべき目標吸気量Ｑａｏが決定される。この目標吸気量Ｑａｏは、内燃機関の運転状態、より詳細には現在の機関回転数ＮＥ及びアクセル踏込み量Ｌから求められる要求トルクに基づいて、制御周期Ｔｓに相当する時間経過後に供給する燃料量と共に決定される。
【００３５】
ステップ１０１で目標吸気量Ｑａｏが決定されると、続くステップ１０３において、吸気弁２の仮想目標リフト量Ｌｔｋと仮想目標作用角Ｓａｋとが決定される。なお、上述の説明から明らかなように、本実施形態においてはリフト量Ｌｔと作用角Ｓａには一定の関係があり、作用角Ｓａが決まればリフト量Ｌｔも決まるので、実際には仮想目標作用角Ｓａｋがマップを用いて決定される。
【００３６】
より詳細には、仮想目標作用角Ｓａｋは、機関回転数ＮＥ、目標吸気量Ｑａｏ、吸気弁２のバルブタイミング（すなわち、基準となる開閉タイミングからの遅角または進角量であって開閉タイミングシフト装置による変位角ｅｖｔ）に対して、燃費、エミッション、トルク変動等の条件が複合的に最適となる作用角Ｓａが得られるように作成されたマップに基づいて決定される。このようなマップは事前に実験等によって求められ、ＥＣＵ２２に記憶させておく。
【００３７】
なお、上記仮想目標作用角Ｓａｋの決定に際して、上記マップによって求められた作用角Ｓａをそのまま仮想目標作用角Ｓａｋとせずに冷却水温度Ｔｗに応じて補正するようにしてもよい。具体的には例えば、冷却水温度Ｔｗが低い時には暖機性向上を目的として、作用角Ｓａが一定値Ｓａｌ以上となるように制限を加える場合がある。すなわち、上記マップによって求められた作用角Ｓａがこの制限内に入らない場合には、上記Ｓａｌを仮想目標作用角Ｓａｋとする。但し、このような暖機性向上のために加えられた作用角Ｓａに関する制限は、後述する吸気圧Ｐｍとの関係で目標吸気量Ｑａｏもしくは目標吸気量Ｑａｏにより近い吸気量を実現するために取り消される場合がある。
【００３８】
ステップ１０３で仮想目標作用角Ｓａｋ（及び仮想目標リフト量Ｌｔｋ）が決定されると、続くステップ１０５において、上記仮想目標作用角Ｓａｋ（及び仮想目標リフト量Ｌｔｋ）との組合せによって目標吸気量Ｑａｏを実現できる仮想目標吸気圧Ｐｍｋが決定される。
【００３９】
ここで上記仮想目標吸気圧Ｐｍｋは、目標吸気量Ｑａｏを実現する吸気圧Ｐｍを機関回転数ＮＥ、作用角Ｓａ、目標吸気量Ｑａｏ等に対して求めたマップを予め作成しておき、これに基づいて求めることもできるが、本実施形態では以下の（１）式によって求める。すなわち、
Ｐｍｋ＝（ｂ０＋ｂ１×Ｓａｋ＋ｂ２×Ｓａｋ^２＋Ｑａｏ）／（ａ０＋ａ１×Ｓａｋ）＋Ｃ …（１）
この（１）式は、仮想目標吸気圧Ｐｍｋと、仮想目標作用角Ｓａｋや目標吸気量Ｑａｏとの関係を示す式であり、実験的に得られたものである。式中、ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１、ｂ２は機関回転数ＮＥに基づいて定められる係数であり、Ｃは機関回転数ＮＥ、仮想目標作用角Ｓａｋ、目標吸気量Ｑａｏに基づいて定められる定数である。係数ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１、ｂ２及び定数Ｃを求めるマップは予め求めてＥＣＵ２２に記憶させておく。
【００４０】
ここで定数Ｃは、仮想目標吸気圧Ｐｍｋが上記（１）式の右辺第一項で得られる値に合致しない特異な運転領域についてのみ値をとり、このような特異な運転領域においても上記（１）式によって、より正確に仮想目標吸気圧Ｐｍｋが得られるようにするためのものである。このような定数Ｃを用いることは、実質的には仮想目標吸気圧Ｐｍｋを求めるにあたって、一部に仮想目標吸気圧Ｐｍｋを直接求めるためのマップを併用することに相当するが、これによって上記仮想目標吸気圧Ｐｍｋを算出するための（１）式が複雑化することが回避されている。
【００４１】
上記（１）式を用いて仮想目標吸気圧Ｐｍｋを算出することによって、全ての運転領域において仮想目標吸気圧Ｐｍｋを直接求めるマップを使用して仮想目標吸気圧Ｐｍｋを求める場合に比べて、マップ検索操作が低減され、制御負荷の軽減を図ることができる。
【００４２】
なお、より正確な吸気量制御を実現するために、上記係数ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１、ｂ２及び上記定数Ｃを求めるマップの引数に吸気弁２のバルブタイミングを加えてもよい。更に、排気弁３の開閉タイミングが可変である実施形態においては、上記係数ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１、ｂ２及び上記定数Ｃを求めるマップの引数に排気弁３のバルブタイミングを加えてもよい。あるいは、排気弁３のバルブタイミングをマップの引数に加える替わりに、上記（１）式のＱａｏの部分に排気弁３のバルブタイミングに基づいて求められる値ΔＱａｏを加えた値（すなわち、Ｑａｏ＋ΔＱａｏ）を代入するようにして、排気弁３のバルブタイミングについて加味するようにしてもよい。この方法は、排気弁３のバルブタイミングによる吸気量の変化が小さい場合に有効であり、上記係数ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１、ｂ２及び上記定数Ｃを求めるマップの引数を増やさないため、制御負荷の増大を抑制することができる。
【００４３】
更に、スワールコントロールバルブ等の燃焼室８内に特殊な気流を起こさせる吸気流制御バルブを有している実施形態や、可変吸気管容量装置を備えていて同装置を制御する可変容量バルブを有している実施形態においては、これらバルブの開閉状態に応じて上記係数ａ０、ａ１、ｂ０、ｂ１、ｂ２及び上記定数Ｃを求めるマップを複数有するようにしてもよく、あるいは、これらバルブの開度をマップの引数に加えるようにしてもよい。これにより、吸気流制御バルブや可変吸気管容量装置の吸気量に与える影響を加味することができ、より正確な吸気量制御が実施可能となる。
【００４４】
以上説明したステップ１０３及びステップ１０５における工程（仮想目標作用角Ｓａｋ及び仮想目標吸気圧Ｐｍｋの決定）は、予め定めた方法によって、上記目標吸気量Ｑａｏを実現する開弁特性及び吸気圧を推定するプロセスである。続くステップ１０７及びステップ１０９においては、予め定めた時間である制御周期Ｔｓ内に実現が可能な作用角Ｓａ（及びリフト量Ｌｔ）及び吸気圧Ｐｍの範囲が決定される。
【００４５】
まず、ステップ１０７においては制御周期Ｔｓ内に実現可能な作用角Ｓａの範囲Ａｓが決定される。範囲Ａｓの決定においては少なくとも作用角Ｓａの機構上の上限値Ｓａｍａｘ及び下限値Ｓａｍｉｎと作動性能上の上限値Ｓａｐａｘ及び下限値Ｓａｐｉｎとが考慮される。ここで機構上の上限値Ｓａｍａｘとは、機構上最大となる作用角であり、本実施形態ではカム移動装置９を作動させバルブリフタが図３のカム４の左端に接するようにした場合の作用角である。また、機構上の下限値Ｓａｍｉｎとは、機構上最小となる作用角であり、本実施形態ではカム移動装置９によってバルブリフタが図３のカム４の右端に接するようにされた場合の作用角である。
【００４６】
一方、作動性能上の上限値Ｓａｐａｘは、現在の作用角をＳａｐｒ、カム移動装置９等の応答遅れを含めた作用角変化速度の上限値（符号は作用角を大きくする場合はプラス、作用角を小さくする場合はマイナス）をｄＳａｍａｘとすると、Ｓａｐａｘ＝Ｓａｐｒ＋Ｔｓ・ｄＳａｍａｘで表される。また同様に、作動性能上の下限値Ｓａｐｉｎは、カム移動装置９等の応答遅れを含めた作用角変化速度の下限値（符号は作用角を小さくする場合はマイナス、作用角を大きくする場合はプラス）をｄＳａｍｉｎとすると、Ｓａｐｉｎ＝Ｓａｐｒ＋Ｔｓ・ｄＳａｍｉｎで表される。すなわち、作動性能上の上限値Ｓａｐａｘ及び下限値Ｓａｐｉｎで表される範囲は、予め定めた時間である制御周期Ｔｓ内に装置の作動性能上到達可能な作用角の範囲である。
【００４７】
上記範囲Ａｓは、基本的にはこれら機構上の上限値Ｓａｍａｘ及び下限値Ｓａｍｉｎと作動性能上の上限値Ｓａｐａｘ及び下限値Ｓａｐｉｎとに基づいて決定される。つまり、機構上の上限値Ｓａｍａｘと作動性能上の上限値Ｓａｐａｘとのうちの小さい方を上記範囲Ａｓの上限値ＳａＭＡＸとし、機構上の下限値Ｓａｍｉｎと作動性能上の下限値Ｓａｐｉｎとのうちの大きい方を上記範囲Ａｓの下限値ＳａＭＩＮとする。
【００４８】
なお、機構上実現できない作用角の範囲は当然予め定めた時間である制御周期Ｔｓ内に実現不可能な範囲であるので、本明細書において予め定めた時間内に実現可能な作用角Ｓａの範囲Ａｓと言う場合には作動性能上の上限値Ｓａｐａｘ及び下限値Ｓａｐｉｎのみではなく、機構上の上限値Ｓａｍａｘ及び下限値Ｓａｍｉｎをも考慮した範囲を意味するものとする。
【００４９】
また、上記範囲Ａｓを決定する際には、更に内燃機関の運転に関連する追加的な制約を考慮するようにしてもよい。すなわち、例えば、カム移動装置９等の機構上及び作動性能上は実現可能な吸排気弁の位置関係や開弁特性であっても、そのようにすることが、内燃機関の運転上好ましくない場合がある。そこで、そのような吸排気弁の位置関係や開弁特性とならないように制約を加えることで、吸気制御に起因して生じ得る内燃機関の運転上の不都合等の発生を抑制することができる。ここではすなわち、上記範囲Ａｓを決定する際に、内燃機関の運転に関連して作用角の制御範囲に関する追加的な制約が考慮され得る。
【００５０】
例えば、吸気弁２の開位置が遅くなりすぎた場合にはノッキングが発生しやすくなる。そこで、このようなことを防止すべく、吸気弁２の開位置ＩＶＯを予め定めた開位置ＩＶＯｍａｘよりも遅くならないようにすることが考えられる。そして、そのためには、進角側をマイナス、遅角側をプラスとして、ＩＶＯ≦ＩＶＯｍａｘが成立するようにすればよい。ここで、Ｓａを吸気弁２の作用角、Ｓａ０を吸気弁２の開閉タイミングシフト装置１１が非作動の場合の吸気弁作用角の中心位置、ｅｖｔを吸気弁２の開閉タイミングシフト装置１１による変位角（進角であればマイナス、遅角であればプラス）とすると、吸気弁２の開位置ＩＶＯは、ＩＶＯ＝Ｓａ０−Ｓａ／２＋ｅｖｔと表すことができる。この式を上記不等式に代入して変形すると、Ｓａ≧（Ｓａ０＋ｅｖｔ−ＩＶＯｍａｘ）×２が得られる。
【００５１】
これより、吸気弁２の開位置ＩＶＯを予め定めた開位置ＩＶＯｍａｘよりも遅くならないようにするためには作用角Ｓａが（Ｓａ０＋ｅｖｔ−ＩＶＯｍａｘ）×２以上であることが必要であることがわかる。したがって、上記範囲Ａｓを決定する際に、作用角の制御範囲に関する追加的な制約として、吸気弁２の開位置ＩＶＯを予め定めた位置ＩＶＯｍａｘよりも遅くならないようにすることを考慮する場合には、上記範囲Ａｓの下限値ＳａＭＩＮを決定する際に、機構上の下限値Ｓａｍｉｎと作動性能上の下限値Ｓａｐｉｎとに加え、（Ｓａ０＋ｅｖｔ−ＩＶＯｍａｘ）×２の値も比較して、これらのうちで一番大きなものを上記範囲Ａｓの下限値ＳａＭＩＮとする。
【００５２】
また、吸気弁２の閉位置が遅くなりすぎた場合にもノッキングが発生しやすくなる。そこで、このようなことを防止すべく吸気弁２の閉位置ＩＶＣを予め定めた閉位置ＩＶＣｍａｘよりも遅くならないようにするという制約を考えると、上述の吸気弁２の開位置ＩＶＯの場合とほぼ同様にして、Ｓａ≦（ＩＶＣｍａｘ−Ｓａ０−ｅｖｔ）×２が得られる。
【００５３】
これより、吸気弁２の閉位置ＩＶＣを予め定めた閉位置ＩＶＣｍａｘよりも遅くならないようにするためには作用角Ｓａが（ＩＶＣｍａｘ−Ｓａ０−ｅｖｔ）×２以下であることが必要であることがわかる。したがって、上記範囲Ａｓを決定する際に、作用角の制御範囲に関する追加的な制約として、吸気弁２の閉位置ＩＶＣを予め定めた位置ＩＶＣｍａｘよりも遅くならないようにすることを考慮する場合には、上記範囲Ａｓの上限値ＳａＭＡＸを決定する際に、機構上の上限値Ｓａｍａｘと作動性能上の上限値Ｓａｐａｘとに加え、（ＩＶＣｍａｘ−Ｓａ０−ｅｖｔ）×２の値も比較して、これらのうちで一番小さなものを上記範囲Ａｓの上限値ＳａＭＡＸとする。
【００５４】
更に、上記範囲Ａｓを決定する際に、作用角の制御範囲に関する追加的な制約として、バルブオーバーラップ量ＯＬを予め定めた量ＯＬｍａｘ以下にすることを考慮する場合には以下のようになる（なお、ここでは排気弁３も開閉タイミングシフト装置により開閉タイミングが変更可能な場合を例にとって説明する）。すなわち、バルブオーバーラップ量ＯＬを予め定めた量ＯＬｍａｘ以下にするためには、ＯＬ（＝ＸＶＣ−ＩＶＯ）≦ＯＬｍａｘが成立するようにすればよい。ここでＸＶＣは排気弁３の閉位置である。
【００５５】
また、吸気弁２の開位置ＩＶＯは上述したようにＩＶＯ＝Ｓａ０−Ｓａ／２＋ｅｖｔと表すことができる。更に、排気弁３の閉位置ＸＶＣは、ＸＶＣ０を排気弁３の開閉タイミングシフト装置が非作動の場合の排気弁閉位置、ｅｖｔｅｘを排気弁３の開閉タイミングシフト装置による変位角（進角であればマイナス、遅角であればプラス）とすると、ＸＶＣ＝ＸＶＣ０＋ｅｖｔｅｘと表すことができる。そして、これらＩＶＯとＸＶＣの式を上記不等式（すなわち、ＯＬ（＝ＸＶＣ−ＩＶＯ）≦ＯＬｍａｘ）に代入して変形すると、Ｓａ≦（ＯＬｍａｘ＋Ｓａ０＋ｅｖｔ−ＸＶＣ０−ｅｖｔｅｘ）×２が得られる。
【００５６】
これより、バルブオーバーラップ量ＯＬを予め定めた量ＯＬｍａｘ以下にするためには作用角Ｓａが（ＯＬｍａｘ＋Ｓａ０＋ｅｖｔ−ＸＶＣ０−ｅｖｔｅｘ）×２以下であることが必要であることがわかる。したがって、上記範囲Ａｓを決定する際に、作用角の制御範囲に関する追加的な制約として、バルブオーバーラップ量ＯＬを予め定めた量ＯＬｍａｘ以下にすることを考慮する場合には、上記範囲Ａｓの上限値ＳａＭＡＸを決定する際に、機構上の上限値Ｓａｍａｘや作動性能上の上限値Ｓａｐａｘ等と共に（ＯＬｍａｘ＋Ｓａ０＋ｅｖｔ−ＸＶＣ０−ｅｖｔｅｘ）×２の値も比較して、これらのうちで一番小さなものを上記範囲Ａｓの上限値ＳａＭＡＸとする。なお、バルブオーバーラップ量を予め定めた量以下にすることで、排気の吸気側への逆流による吸気弁２へのデポジットの付着を抑制すること等ができる。
【００５７】
ステップ１０７において、機構上の制約及び作動性能上の制約、更には追加的な制約を考慮して、制御周期Ｔｓ内に実現可能な作用角Ｓａの範囲Ａｓが決定されると、ほぼ同様にして、続くステップ１０９において制御周期Ｔｓ内に実現が可能な吸気圧Ｐｍの範囲Ａｐが決定される。同範囲Ａｐの決定においては少なくとも吸気圧Ｐｍの機構上もしくは物理的な上限値Ｐｍａｘ及び下限値Ｐｍｉｎとスロットル弁５６の作動性能上の上限値Ｐｍｐａｘ及び下限値Ｐｍｐｉｎとが考慮される。
【００５８】
ここで、上記の上限値Ｐｍａｘは、本実施形態はターボチャージャを具備していないため大気圧となる。また、上記の下限値Ｐｍｉｎは真空である。一方、作動性能上の上限値Ｐｍｐａｘは、現在の吸気圧をＰｍｐｒ、スロットル弁５６等の応答遅れを含めてスロットル弁５６を作動させることによって吸気圧を変化させる時の吸気圧変化速度の上限値（符号は吸気圧を高くする場合はプラス、吸気圧を低くする場合はマイナス）をｄＰｍａｘとすると、Ｐｍｐａｘ＝Ｐｍｐｒ＋Ｔｓ・ｄＰｍａｘで表される。また同様に、作動性能上の下限値Ｐｍｐｉｎは、スロットル弁５６等の応答遅れを含めてスロットル弁５６を作動させることによって吸気圧を変化させる時の吸気圧変化速度の下限値（符号は吸気圧を高くする場合はプラス、吸気圧を低くする場合はマイナス）をｄＰｍｉｎとすると、Ｐｍｐｉｎ＝Ｐｍｐｒ＋Ｔｓ・ｄＰｍｉｎで表される。すなわち、作動性能上の上限値Ｐｍｐａｘ及び下限値Ｐｍｐｉｎで表される範囲は、予め定めた時間である制御周期Ｔｓ内に装置の作動性能上到達可能な吸気圧の範囲である。
【００５９】
上記範囲Ａｐは、基本的にはこれら機構上もしくは物理的な上限値Ｐｍａｘ及び下限値Ｐｍｉｎと作動性能上の上限値Ｐｍｐａｘ及び下限値Ｐｍｐｉｎとに基づいて決定される。つまり、上限値Ｐｍａｘと上限値Ｐｍｐａｘとのうちの低い方を上記範囲Ａｐの上限値ＰｍＭＡＸとし、下限値Ｐｍｉｎと下限値Ｐｍｐｉｎとのうちの高い方を上記範囲Ａｐの下限値ＰｍＭＩＮとする。
【００６０】
なお、上記範囲Ａｐに関しても上述した範囲Ａｓの場合と同様、本明細書において予め定めた時間内に実現可能な吸気圧Ｐｍの範囲Ａｓと言う場合には作動性能上の上限値Ｐｍｐａｘ及び下限値Ｐｍｐｉｎのみではなく、機構上もしくは物理的な上限値Ｐｍａｘ及び下限値Ｐｍｉｎをも考慮した範囲を意味するものとする。
【００６１】
また、上述した範囲Ａｓの場合と同様、上記範囲Ａｐを決定する際には、更に内燃機関の運転に関連する追加的な制約を考慮するようにしてもよい。つまり、機構上もしくは物理的な観点及び作動性能上の観点からは実現可能な吸気圧であっても、その吸気圧とすることによって様々な不都合が発生する場合がある。そこで、そのような吸気圧とならないように制約を加えることで、吸気制御に起因して生じ得る様々な不都合の発生を抑制することができる。すなわち、上記範囲Ａｐを決定する際に、内燃機関の運転に関連して吸気圧の制御範囲に関する追加的な制約が考慮され得る。
【００６２】
例えば、ブレーキアシスト機構や気化燃料のパージ等に吸気圧が負圧であることを利用している場合には、吸気制御の都合によって吸気圧Ｐｍが予め定めた圧力Ｐｍｖｉｎよりも高くなることを防止する必要がある。すなわち、この場合にはＰｍ≦Ｐｍｖｉｎが成立するように維持する必要がある。
したがって、上記範囲Ａｐを決定する際に、吸気圧の制御範囲に関する追加的な制約として、吸気圧Ｐｍを予め定めた圧力Ｐｍｖｉｎ以下に維持することを考慮する場合には、上記範囲Ａｐの上限値ＰｍＭＡＸを決定する際に、上限値Ｐｍａｘや上限値Ｐｍｐａｘ等と共にＰｍｖｉｎも比較して、これらのうちで一番小さなものを上記範囲Ａｐの上限値ＰｍＭＡＸとする。
【００６３】
なお、以上の説明では、作用角や吸気圧の制御範囲に関する追加的な制約として、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングシフト装置の作動や吸気圧が負圧であることを利用する補機の存在等に関連して設けられる制約を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、スワールコントロールバルブ等の他の装置の作動との関連で作用角や吸気圧の制御範囲に関する追加的な制約を設けるようにしてもよい。
【００６４】
ステップ１０９において上記範囲Ａｐが決定されると、続くステップ１１１において、ステップ１０３で決定された仮想目標作用角Ｓａｋとステップ１０５で決定された仮想目標吸気圧Ｐｍｋとで定まる仮想目標点ＫＰ（Ｓａｋ，Ｐｍｋ）が、ステップ１０７で決定された範囲Ａｓとステップ１０９で決定された範囲Ａｐとで定まる実現可能領域Ａｘ（Ａｓ，Ａｐ）内に含まれるか否かが判定される。
【００６５】
ステップ１１１において、仮想目標点ＫＰが実現可能領域Ａｘ内に含まれると判定された場合には、ステップ１１３に進み仮想目標点ＫＰが最終的な目標点ＯＰとされる。すなわち、仮想目標作用角Ｓａｋが目標作用角Ｓａｏとされると共に仮想目標吸気圧Ｐｍｋが目標吸気圧Ｐｍｏとされる。そして、ステップ１１５において、作用角Ｓａ及び吸気圧Ｐｍが目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏになるようにカム移動装置９及びスロットル弁５６が作動されて制御ルーチンが終了する。
【００６６】
図９は、仮想目標点ＫＰが実現可能領域Ａｘ内に含まれる場合、すなわち制御ルーチンがステップ１１１からステップ１１３へ進む場合の一例について示した説明図である。図９において横軸は作用角Ｓａを表し、縦軸は吸気圧Ｐｍを表す。一点鎖線で示された四角形が実現可能領域Ａｘである。
【００６７】
点ＧＰ（Ｓａｐｒ，Ｐｍｐｒ）は、現在すなわち今回の制御ルーチンの実行前における作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍの状態を表す点である。曲線ＥＱは吸気量が目標吸気量Ｑａｏとなる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せを表している等吸気量線である。一方、曲線ＯＭは、燃費、エミッション、トルク変動等の条件が複合的に最適となる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せを表している最適動作線である。そして、この図のように通常は（すなわち上述の冷却水温度Ｔｗに応じて仮想目標作用角Ｓａｋとなる値が補正される場合を除き）、上記等吸気量線ＥＱと最適動作線ＯＭとの交点が上記仮想目標点ＫＰ（Ｓａｋ，Ｐｍｋ）となる。すなわち、ステップ１０１からステップ１０５までの工程は、上述の冷却水温度Ｔｗに応じて仮想目標作用角Ｓａｋとなる値が補正される場合を除き、上記等吸気量線ＥＱと最適動作線ＯＭとの交点を求めるための工程であると言える。なお、上記等吸気量線ＥＱ及び最適動作線ＯＭは、吸気弁２の開閉タイミングシフト装置１１の作動状態、すなわち開閉タイミングシフト装置１１による吸気弁２の開閉タイミングの変位角等に応じて変化する。
【００６８】
図９に示した場合は、仮想目標点ＫＰが実現可能領域Ａｘ内に含まれる場合であり、この場合は上述したようにステップ１１３において仮想目標点ＫＰが最終的な目標点ＯＰとされる（ＯＰ＝ＫＰ）。そして、図９中に矢印で示したように、点ＧＰの状態にあった作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍが目標点ＯＰの状態になるようにカム移動装置９及びスロットル弁５６が作動され、予め定めた時間（本実施形態では制御周期Ｔｓ）内に目標吸気量Ｑａｏが実現されて制御ルーチンが終了する。
【００６９】
一方、ステップ１１１において、仮想目標点ＫＰが実現可能領域Ａｘ内に含まれていないと判定された場合には、ステップ１１７に進む。ステップ１１７においては、実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏを実現することが可能か否か、すなわち実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在するか否かが判定される。
【００７０】
そして、ステップ１１７において、実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在すると判定された場合には、ステップ１１９に進むことになる。ステップ１１９においては、実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏを実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せのうち最も仮想目標点ＫＰに近い組合せが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされる。次いで、制御はステップ１１５へと進み作用角Ｓａ及び吸気圧Ｐｍが目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏになるようにカム移動装置９及びスロットル弁５６が作動されて制御ルーチンが終了する。
【００７１】
図１０は、実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在する場合、すなわち制御ルーチンがステップ１１７からステップ１１９へ進む場合の一例について示した図９と同様の説明図である。図１０に示すような場合においては、上述したようにステップ１１９で、実現可能領域Ａｘ内において、目標吸気量Ｑａｏを実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せのうち最も仮想目標点ＫＰに近い組合せが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされるが、この最も仮想目標点ＫＰに近い組合せの選択は、等吸気量線ＥＱと実現可能領域Ａｘの周縁部（一点鎖線で示されている）との二つの交点のうち仮想目標点ＫＰに近い方を選択することにより行われる。あるいは、制御負荷を軽減するために、仮想目標点ＫＰとその近傍の点から等吸気量線ＥＱを直線近似し、その近似した直線ＬＱと実現可能領域Ａｘの周縁部（一点鎖線で示されている）との二つの交点のうち仮想目標点ＫＰに近い方を選択することにより行ってもよい。図１０には後者の場合が示されており、直線ＬＱと実現可能領域Ａｘの周縁部を表す一つの直線Ｐｍ＝ＰｍＭＡＸとの交点が目標点ＯＰとされている。
【００７２】
そして、このようにして目標点ＯＰの設定がなされると、図１０中に矢印で示したように、点ＧＰの状態にあった作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍが目標点ＯＰの状態になるようにカム移動装置９及びスロットル弁５６が作動され、予め定めた時間である制御周期Ｔｓ内に目標吸気量Ｑａｏがほぼ実現されて制御ルーチンが終了する。
【００７３】
仮に、図１０に示す場合において仮想目標点ＫＰをそのまま最終的な目標点ＯＰとした場合には、予め定めた時間である制御周期Ｔｓが経過した時点での作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍの状態は最適動作線ＯＭと実現可能領域Ａｘの周縁部を表す一つの直線Ｐｍ＝ＰｍＭＡＸとの交点付近にあるものと考えられ、この場合に実現される吸気量は目標吸気量Ｑａｏとは相当に異なるものとなってしまう。
【００７４】
一方、ステップ１１７において、実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在しないと判定された場合には、ステップ１２１に進むことになる。ステップ１２１においては、実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏに最も近い吸気量を実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされる。その後、制御はステップ１１５へと進み作用角Ｓａ及び吸気圧Ｐｍが目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏになるようにカム移動装置９及びスロットル弁５６が作動されて制御ルーチンが終了する。
【００７５】
図１１は、実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在しない場合、すなわち制御ルーチンがステップ１１７からステップ１２１へ進む場合の一例について示した図９及び図１０と同様の説明図である。図１１に示したような実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在しない場合においては、上述したようにステップ１２１で、実現可能領域Ａｘ内において、目標吸気量Ｑａｏに最も近い吸気量を実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされる。図１１に示した例では、この目標吸気量Ｑａｏに最も近い吸気量を実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せは実現可能領域Ａｘの一つの角部、より詳細には実現可能領域Ａｘの周縁部を表す一つの直線Ｐｍ＝ＰｍＭＡＸと別の直線Ｓａ＝ＳａＭＡＸとの交点で表され、この点が目標点ＯＰとされている。
【００７６】
そして、このように目標点ＯＰの設定がなされると、図１１中に矢印で示したように、点ＧＰの状態にあった作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍが目標点ＯＰの状態になるようにカム移動装置９及びスロットル弁５６が作動され、予め定めた時間である制御周期Ｔｓ内に実現可能な範囲において目標吸気量Ｑａｏに最も近い吸気量が実現されて制御ルーチンが終了する。
【００７７】
仮に、図１１に示す場合において仮想目標点ＫＰをそのまま最終的な目標点ＯＰとした場合には、予め定めた時間である制御周期Ｔｓが経過した時点での作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍの状態は、最適動作線ＯＭと実現可能領域Ａｘの周縁部を表す一つの直線Ｐｍ＝ＰｍＭＡＸとの交点付近にあるものと考えられる。そして、この場合に実現される吸気量と目標吸気量Ｑａｏとの差異は、上述のステップ１２１のように目標点ＯＰを設定した場合に実現される吸気量と目標吸気量Ｑａｏとの差異に比べ相当に大きくなる。
【００７８】
なお、上述したようにステップ１１９及びステップ１２１においては、目標吸気量Ｑａｏを実現するために、もしくは目標吸気量Ｑａｏにより近い吸気量を実現するために仮想目標点ＫＰとは異なる目標点ＯＰが設定される。このため、例えば、仮想目標作用角Ｓａｋが暖機性向上のために補正された値であっても、それとは異なる目標作用角Ｓａｏが設定されることになる。つまり、ステップ１１９及びステップ１２１に進む場合には、ステップ１０３において暖機性向上等のために加えられた作用角Ｓａに関する制限は、実現可能な吸気圧Ｐｍとの関係で目標吸気量Ｑａｏもしくは目標吸気量Ｑａｏにより近い吸気量を実現するために取り消される場合がある（これについては、後に図１３を参照して更に説明する）。
【００７９】
以上、説明したように、本実施形態の吸気制御装置によれば、目標吸気量Ｑａｏを好適に実現する作用角Ｓａ及び吸気圧Ｐｍとして初めに設定される仮想目標作用角Ｓａｋ及び仮想目標吸気圧Ｐｍｋのうちの少なくとも一方が各々の上記実現可能範囲Ａｓ、Ａｐ内にない時には、制御の最終的な目標となる上記目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏが、各々の上記実現可能範囲Ａｓ、Ａｐ内において、吸気量が最も上記目標吸気量Ｑａｏに近づくように、もしくは、吸気量が上記目標空気量Ｑａになるように再設定される。このため、上記の予め定めた時間内に実現できる範囲において最適な吸気量となる制御を確実に実施することができ、結果として吸気量がより好適に制御される。
【００８０】
なお、以上の説明においては、吸気弁２のバルブタイミングは内燃機関の運転状態から先に決定されていて、その吸気弁２のバルブタイミングに対応させて目標吸気量Ｑａｏを実現する仮想目標作用角Ｓａｋ並びに仮想目標吸気圧Ｐｍｋを決定する場合を例にとって説明したが、他の実施形態では吸気弁２のバルブタイミングが吸気量制御を目的として積極的に制御されるようにしてもよい。
【００８１】
次に、本実施形態の吸気制御装置によって吸気量制御が実施された場合の幾つかの例について、その制御時の吸気量、作用角、吸気圧等の経時変化を示す図を参照しつつ説明する。
まず、図１２の場合について説明する。図１２は横軸が時間を示し、縦軸は上から吸気量Ｑａ、作用角Ｓａ、吸気圧Ｐｍを示している。吸気量Ｑａを示す部分において細線は目標吸気量Ｑａｏを示し、太線は実際の吸気量Ｑａを示している。また、作用角Ｓａを示す部分において細線は仮想目標作用角Ｓａｋを示し、太線は実際の作用角Ｓａもしくは目標作用角Ｓａｏを示している。更に、吸気圧Ｐｍを示す部分において細線は仮想目標吸気圧Ｐｍｋを示し、太線は実際の吸気圧Ｐｍもしくは目標吸気圧Ｐｍｏを示している。なお、細線と太線が重なる部分については太線のみが示されている。
【００８２】
図１２の場合において、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間は、仮想目標作用角Ｓａｋ及び仮想目標吸気圧Ｐｍｋの組合せである仮想目標点ＫＰが上記実現可能領域Ａｘ内にある場合である。この場合、上述したように仮想目標作用角Ｓａｋ及び仮想目標吸気圧Ｐｍｋが目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏと一致し、これら目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏが実現されることで目標吸気量Ｑａｏが実現されている。
【００８３】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、上記仮想目標点ＫＰが上記実現可能領域Ａｘ内になくなった場合であり、且つ、上記実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在する場合である。この場合、上述したように実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏを実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せのうち最も仮想目標点ＫＰに近い組合せが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされる。図１２の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間の場合について見ると、作用角Ｓａについては仮想目標作用角Ｓａｋよりも小さい作用角Ｓａが目標作用角Ｓａｏとされる一方、吸気圧Ｐｍについては、目標作用角Ｓａｏが小さいことを補うように仮想目標吸気圧Ｐｍｋよりも高い吸気圧Ｐｍが目標吸気圧Ｐｍｏとされている。そして、これら目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏが実現されることで目標吸気量Ｑａｏが実現されている。なお、このような制御が行われる場合の具体例としては、作用角Ｓａの増加速度が遅いために仮想目標作用角Ｓａｋが実現できない場合等がある。
【００８４】
時刻ｔ２以降は、上記仮想目標点ＫＰが上記実現可能領域Ａｘ内にない場合であり、且つ、上記実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在しない場合である。この場合、上述したように実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏに最も近い吸気量を実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされる。
【００８５】
図１２では、時刻ｔ２になると吸気圧Ｐｍが機構上もしくは物理的な上限値であるＰｍａｘ（例えば、大気圧）に達し、吸気圧Ｐｍを更に上昇させることができなくなっている。このため、目標作用角Ｓａｏが仮想目標作用角Ｓａｋよりも小さくされていることを補いきれず、目標吸気量Ｑａｏを実現できていない。しかしながら、この時の目標作用角Ｓａｏと目標吸気圧Ｐｍｏとの組合せは、実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏに最も近い吸気量を実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せである。そして、その後は、作用角Ｓａも機構上の上限値であるＳａｍａｘに達し、最後には作用角ＳａがＳａｍａｘ、吸気圧ＰｍがＰｍａｘという組合せでその時の目標吸気量Ｑａｏに最も近い吸気量を実現している。
【００８６】
次に、図１３の場合について説明する。図１３に示されているのは、暖機性向上等のために冷却水温度Ｔｗに応じて作用角Ｓａに関して制限が加えられ仮想目標作用角Ｓａｋとなる値が補正される場合であり、且つ、このような作用角Ｓａに関する制限が吸気圧Ｐｍとの関係で目標吸気量Ｑａｏを実現するために取り消される場合である。
【００８７】
図１３は図１２と同様、横軸が時間を示し、縦軸は上から吸気量Ｑａ、作用角Ｓａ、吸気圧Ｐｍを示している。図１３に示す場合は、全ての時刻において目標吸気量Ｑａｏを達成できているため、吸気量Ｑａを示す部分において、目標吸気量Ｑａｏを示す細線と実際の吸気量Ｑａを示す太線とが重なっている。
【００８８】
作用角Ｓａを示す部分において細線は仮想目標作用角Ｓａｋを示し、太線は実際の作用角Ｓａもしくは目標作用角Ｓａｏを示している。一点鎖線は、上述した作用角Ｓａに関する制限が加えられていない場合の仮想目標作用角Ｓａｋ´を示している。図１３に示す場合においては、暖機性向上等を目的として、作用角Ｓａが一定値Ｓａｌ以上となるように制限が加えられている。そして、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間は、上記Ｓａｋ´が上記Ｓａｌ未満となるため、仮想目標作用角Ｓａｋが上記Ｓａｋ´から上記Ｓａｌに補正されている（Ｓａｋ＝Ｓａｌ：但し、ｔ０≦ｔ≦ｔ２）。
吸気圧Ｐｍを示す部分において細線は仮想目標吸気圧Ｐｍｋを示し、太線は実際の吸気圧Ｐｍもしくは目標吸気圧Ｐｍｏを示している。一点鎖線は、上記作用角Ｓａｋ´に対応して目標吸気量Ｑａを実現する吸気圧Ｐｍｋ´を示している。
【００８９】
図１３の場合において、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間は、仮想目標作用角Ｓａｋ及び仮想目標吸気圧Ｐｍｋの組合せである仮想目標点ＫＰが上記実現可能領域Ａｘ内にない場合であり、且つ、上記実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在する場合である。この場合、上述したように実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏを実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せのうち最も仮想目標点ＫＰに近い組合せが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされる。
【００９０】
図１３の時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間について見ると、作用角Ｓａは暖機性向上等を考慮すれば仮想目標作用角Ｓａｋとすることが望ましいが、それに対応する吸気圧Ｐｍｋは、機構上もしくは物理的な下限値であるＰｍｉｎ未満となっていて実現不可能である。このため、実現可能領域Ａｘ内において目標吸気量Ｑａｏを実現する作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せのうち最も仮想目標点ＫＰに近い組合せとして上記Ｓａｌよりも小さい作用角と上記吸気圧Ｐｍｉｎが選択され、最終的な目標点ＯＰ（Ｓａｏ，Ｐｍｏ）とされている。そして、これら目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏが実現されることで目標吸気量Ｑａｏが実現されている。
【００９１】
時刻ｔ１以降は、上記仮想目標点ＫＰが上記実現可能領域Ａｘ内にある場合である。この場合、上述したように仮想目標作用角Ｓａｋ及び仮想目標吸気圧Ｐｍｋが目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏと一致し、これら目標作用角Ｓａｏ及び目標吸気圧Ｐｍｏが実現されることで目標吸気量Ｑａｏが実現されている。
【００９２】
次に、図１４の場合について説明する。図１４は、作用角の制御範囲に関する追加的な制約として、吸気弁２の開位置ＩＶＯを予め定めた開位置ＩＶＯｍａｘよりも遅くならないようにするという制約が加えられている場合について示している。図１４は横軸が時間を示し、縦軸は上から吸気量Ｑａ、吸気弁２の開閉タイミングの変位角ｅｖｔ、作用角Ｓａ、吸気弁２の開位置ＩＶＯ、吸気圧Ｐｍを示している。吸気量Ｑａを除き、二つの制御パターンＡ及びＢにおける値の変化がそれぞれ細線（Ａ）及び太線（Ｂ）で示されている。吸気量Ｑａについては、何れの制御パターンにおいても同じように変化するので太線のみが示されている。吸気弁２の開位置ＩＶＯを示す部分の一点鎖線は、作用角の制御範囲に関する追加的な制約として加えられた上記開位置ＩＶＯの限界位置（許容される最も遅角側の位置）ＩＶＯｍａｘを示している。なお、このＩＶＯｍａｘは目標吸気量Ｑａに基づいて決定される。
【００９３】
図１４に示した場合には、時刻ｔ１において吸気弁２の開閉タイミングが進角側にシフトされている。このとき、開閉タイミングの変位角ｅｖｔが制御パターンＡ１のように変化する場合には、作用角Ｓａを制御パターンＡ２のように変化させれば、上記開位置ＩＶＯは制御パターンＡ３のように変化するため上記限界位置ＩＶＯｍａｘを超える、すなわち上記限界位置ＩＶＯｍａｘよりも遅角側になることはない。そして、吸気圧Ｐｍを制御パターンＡ４のように変化させることで目標吸気量Ｑａｏが実現される。
【００９４】
一方、開閉タイミングの変位角ｅｖｔが制御パターンＢ１のように変化する場合（すなわち、例えば開閉タイミングシフト装置１１による変位角の変化速度が遅い場合）には、作用角Ｓａを制御パターンＡ２のように変化させてしまうと、仮に目標吸気量Ｑａが実現できたとしても、上記開位置ＩＶＯが上記限界位置ＩＶＯｍａｘを超えてしまう。すなわち、この場合には開閉タイミングの変位角ｅｖｔが制御パターンＡ１の場合に比べ遅角側にあるため、作用角Ｓａが制御パターンＡ２のように変化してもその大きさが上記開位置ＩＶＯが上記限界位置ＩＶＯｍａｘよりも進角側に位置するために十分ではないのである。
【００９５】
つまり、この場合には作用角Ｓａの制御パターンＡ２においてとられる値は上述した実現可能範囲Ａｓ（特に、作用角の制御範囲に関する追加的な制約を考慮した実現可能範囲Ａｓ）内にはないことになる。このため、図１４では、開閉タイミングの変位角ｅｖｔが制御パターンＢ１のように変化する場合には、作用角Ｓａはこの場合の実現可能範囲Ａｓ内にある値をとって制御パターンＢ２のように変化せしめられる。この結果、上記開位置ＩＶＯも制御パターンＢ３のように変化せしめられ、上記限界位置ＩＶＯｍａｘよりも遅角側になることはない。そして、作用角Ｓａを制御パターンＢ２のように変化させるのに対応して、吸気圧Ｐｍを制御パターンＢ４のように変化させることで目標吸気量Ｑａｏが実現される。
【００９６】
なお、図１４に示した場合は、時刻ｔ０から時刻ｔ１、時刻ｔ１から時刻ｔ２及び時刻ｔ２以降の全ての時刻において制御パターンＡ、Ｂの何れの場合も目標吸気量Ｑａｏが実現されている。したがって、図１４に示した作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍの制御は、制御パターンＡ、Ｂの何れの時刻においても、上記仮想目標点ＫＰが上記実現可能領域Ａｘ内にある場合か、あるいは、上記仮想目標点ＫＰは上記実現可能領域Ａｘ内にはないが、上記実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在する場合の何れかに該当する。
【００９７】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開弁特性と吸気圧とを制御することによって吸気量を制御する内燃機関の吸気制御装置において、吸気量をより好適に制御することができるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の吸気制御装置を適用した内燃機関を示す概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示した内燃機関の吸気系等の詳細図である。
【図３】図３は、図１に示した吸気弁用カム及びカムシャフトの詳細図である。
【図４】図４は、図１に示したカム移動装置等の詳細図である。
【図５】図５は、カム移動装置が作動されるのに伴って吸気弁のバルブリフト量及び作用角が変化する様子を示した図である。
【図６】図６は、図１に示した開閉タイミングシフト装置等の詳細図である。
【図７】図７は、開閉タイミングシフト装置が作動されるのに伴って吸気弁の開閉タイミングがシフトする様子を示した図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態の吸気制御装置における吸気量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は、仮想目標点ＫＰが実現可能領域Ａｘ内に含まれる場合、すなわち図８に示した制御ルーチンにおいてステップ１１１からステップ１１３へ進む場合の一例について示した説明図である。
【図１０】図１０は、実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在する場合、すなわち図８に示した制御ルーチンにおいてステップ１１７からステップ１１９へ進む場合の一例について示した図９と同様の説明図である。
【図１１】図１１は、実現可能領域Ａｘ内に目標吸気量Ｑａｏを実現することができる作用角Ｓａと吸気圧Ｐｍとの組合せが存在しない場合、すなわち図８に示した制御ルーチンにおいてステップ１１７からステップ１２１へ進む場合の一例について示した図９及び図１０と同様の説明図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態の吸気制御装置によって吸気量制御が実施された場合の一例について、その制御時の吸気量Ｑａ、作用角Ｓａ、吸気圧Ｐｍの経時変化を示している図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態の吸気制御装置によって吸気量制御が実施された場合の別の例についての図１２と同様の図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態の吸気制御装置によって吸気量制御が実施された場合の更に別の例について、その制御時の吸気量Ｑａ、吸気弁の開閉タイミングの変位角ｅｖｔ、作用角Ｓａ、吸気弁の開位置ＩＶＯ、吸気圧Ｐｍの経時変化を示している図である。
【符号の説明】
１…内燃機関本体
２…吸気弁
３…排気弁
４、５…カム
６、７…カムシャフト
８…燃焼室
９…カム移動装置
１１…開閉タイミングシフト装置
１６…開弁特性センサ
１８…吸気圧センサ
１９…エアフローメータ
５６…スロットル弁

Claims (6)

1. 吸気弁及び排気弁の少なくとも一方の開弁特性を制御する開弁特性制御手段と、吸気圧を制御する吸気圧制御手段とを有していて、上記開弁特性と上記吸気圧とを制御することによって吸気量を制御する内燃機関の吸気制御装置において、
   制御周期に相当する予め定めた時間経過後に実現すべき目標吸気量を決定する目標吸気量決定手段と、
   上記開弁特性制御手段によって上記予め定めた時間内に実現可能な開弁特性の範囲を決定する手段と、
   上記吸気圧制御手段によって上記予め定めた時間内に実現可能な吸気圧の範囲を決定する手段とを有していて、
   上記開弁特性及び上記吸気圧が、上記開弁特性制御手段及び上記吸気圧制御手段によって、上記目標吸気量に基づいて各々の上記実現可能範囲内において設定される目標開弁特性及び目標吸気圧になるように制御される、内燃機関の吸気制御装置。
2. 上記目標吸気量を実現する開弁特性及び吸気圧を予め定めた方法により推定する手段を有していて、該手段により推定された開弁特性及び吸気圧が共に各々の上記実現可能範囲内にある時には、上記推定された開弁特性及び吸気圧が上記目標開弁特性及び上記目標吸気圧として設定される一方、
   上記推定された開弁特性と吸気圧のうちの少なくとも一方が、各々の上記実現可能範囲内にない時には、各々の上記実現可能範囲内における開弁特性及び吸気圧であって、吸気量が最も上記目標吸気量に近づく、もしくは、吸気量が上記目標吸気量になる開弁特性及び吸気圧が上記目標開弁特性及び上記目標吸気圧として設定される、請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 上記の予め定めた時間内に実現可能な開弁特性の範囲を決定する際には、内燃機関の運転に関連する追加的な制約が考慮される、請求項１または２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 上記の内燃機関の運転に関連する追加的な制約は、吸排気弁の位置関係や開弁特性を含む、請求項３に記載の内燃機関の吸気制御装置。
5. 上記の予め定めた時間内に実現可能な吸気圧の範囲を決定する際には、内燃機関の運転に関連する追加的な制約が考慮される、請求項１から４の何れか一項に記載の内燃機関の吸気制御装置。
6. 上記の内燃機関の運転に関連する追加的な制約が、吸気圧を予め定めた圧力以下に維持することを含んでいる請求項５に記載の内燃機関の吸気制御装置。

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