JP5790882B2 - 過給エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、過給エンジンに用いられるトルクデマンド制御型の制御装置に関する。

内燃機関の制御方法の１つとして、トルクを制御量としてアクチュエータの操作量を決定するトルクデマンド制御が知られている。トルクデマンド制御にて操作されるアクチュエータには、空気量に関係するもの、点火時期に関係するもの、及び、空燃比に関係するものが含まれる。このうち空気量に関係するアクチュエータには、例えば、スロットル、吸気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構、排気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構が含まれる。

図７は、従来提案されているトルクデマンド制御を行うＮＡエンジンの制御装置の構成を示す機能ブロック図である。図７に示す制御装置２００は、スロットル１０、吸気弁用可変バルブタイミング機構（以下、ＩＮ-ＶＶＴと表記する）２０、及び、排気弁用可変バルブタイミング機構（以下、ＥＸ-ＶＶＴと表記する）３０を操作対象とする。そして、制御装置２００は、目標空気量演算ユニット２１０、ＶＶＴ制御ユニット２２０、及び、スロットル制御ユニット２３０を備えている。

目標空気量演算ユニット２１０は、要求トルクの実現に必要な空気量を目標空気量として算出する。その計算には、トルクと空気量とをエンジン回転数、点火時期、空燃比等の種々のエンジン情報を引数にして関連付けられたマップが用いられる。

ＶＶＴ制御ユニット２２０は、ＩＮ-ＶＶＴ２０の操作によって実現可能な吸気弁のバルブタイミングと、ＥＸ-ＶＶＴ３０の操作によって実現可能な排気弁のバルブタイミングとの組み合わせの中から燃費が最適になる組み合わせを選択する。そのような組み合わせはベースバルブタイミングとして予め記憶されている。ＶＶＴ制御ユニット２２０は、ベースバルブタイミングに従ってＩＮ-ＶＶＴ２０に対する指示値（ＩＮ−ＶＶＴ指示値）と、ＥＸ-ＶＶＴ３０に対する指示値（ＥＸ−ＶＶＴ指示値）とをそれぞれ決定する。

また、ＶＶＴ制御ユニット２２０は、バルブオーバーラップ量と吸気圧と空気量との間に成り立つ関係をマップにして記憶している。図７においてＶＶＴ制御ユニット２２０を示すブロック内にはマップのイメージがグラフで表されている。このマップにおいてバルブオーバーラップ量及び吸気圧に関連付けられている空気量は、厳密には、吸気弁を通過して筒内に入った空気の量である。一方、要求トルクから計算される目標空気量は、厳密には、燃焼に供される空気量、すなわち、筒内空気量の目標値である。しかし、後述するように、少なくともＮＡエンジンでは吸気弁通過空気量は筒内空気量に一致することから、上述のマップに目標空気量を当てはめることに問題は無い。ＶＶＴ制御ユニット２２０は、目標空気量を実現できる吸気圧とバルブオーバーラップ量との組み合わせの中から、ベースバルブタイミングにおけるバルブオーバーラップ量に対応する吸気圧を選択し、選択した吸気圧を目標吸気圧として決定する。

スロットル制御ユニット２３０は、目標吸気圧と目標空気量とからスロットル開度を計算する。スロットル開度の計算にはエアモデルの逆モデルが用いられる。エアモデルはスロットルの動作に対する吸気通路内の圧力や流量の動的特性をモデル化した物理モデルである。スロットル制御ユニット２３０は、算出したスロットル開度を操作量としてスロットル１０を操作する。

このように構成される制御装置によれば、スロットル１０とＩＮ-ＶＶＴ２０とＥＸ-ＶＶＴ３０との協調操作によって、エンジンの筒内空気量を要求トルクを実現するのに過不足のない空気量に制御することができる。

ところで、上述のトルクデマンド制御をターボ過給機や機械式過給機を備えた過給エンジンの制御に応用することが考えられている。過給エンジンのトルクデマンド制御に必要な制御装置の構成としては、図７に示すＮＡエンジンのトルクデマンド制御のための構成をそのまま利用するならば、例えば図８に示す構成を採用することができる。図８に示す制御装置２０１は、スロットル１０、ＩＮ-ＶＶＴ２０、ＥＸ-ＶＶＴ３０に加えてウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶと表記する）４０を操作対象とする。そして、制御装置２０１は、目標空気量演算ユニット２１０、ＶＶＴ制御ユニット２２０、スロットル制御ユニット２３０に加えて、目標過給圧演算ユニット２４０とＷＧＶ制御ユニット２５０とを備えている。

過給エンジンの場合、過給機による過給が行われる過給域では、スロットル１０が全開まで開かれることで吸気圧が上限に達する場合がある。その場合、ＶＶＴ制御ユニット２２０は、前述のマップを用いて目標空気量を実現できる吸気圧とバルブオーバーラップ量との組み合わせを特定し、それら組み合わせの中から吸気圧の上限値に対応するバルブオーバーラップ量を選択する。ただし、選択したバルブオーバーラップ量を実現することができる吸気弁と排気弁の各バルブタイミングの組み合わせは多数存在するため、各可変バルブタイミング機構２０，３０に対する指示値は一意には決まらない。一例として、ベースバルブタイミングに最も近い組み合わせを選択し、その選択に従って各可変バルブタイミング機構２０，３０に対する指示値を決定することが考えられる。なお、吸気圧が上限に達していない場合には、ＮＡエンジンの場合と同様、吸気弁と排気弁の各バルブタイミングの組み合わせとしてベースバルブタイミングが選択され、ベースバルブタイミングにおけるバルブオーバーラップ量に対応する吸気圧が目標吸気圧として決定される。

目標過給圧演算ユニット２４０は、目標吸気圧に所定のリザーブ圧を加算した値を目標過給圧として算出する。ＷＧＶ制御ユニット２５０は、目標過給圧に基づいてＷＧＶ４０を駆動するソレノイドに与えるデューティ値を決定する。デューティ値の決定方法の例としては、過給圧にデューティ値を関連付けるマップを用意しておき、そのマップから目標過給圧に対応するデューティ値を算出する方法を挙げることができる。また、実際の過給圧を計測或いは推定し、実際の過給圧が目標過給圧になるようにデューティ値をフィードバック制御する方法を挙げることもできる。

このように構成される制御装置によれば、ターボ過給機による過給が行われていないＮＡ域では、ＮＡエンジンの場合と変わることのない制御により、要求通りのトルクをエンジンに出力させることができる。

しかし、ターボ過給機による過給が行われる過給域では、要求トルクの実現精度に関して次のような問題が生じる。

図９は、図８に示す構成の制御装置による過給域での制御結果のイメージを示している。図８の制御装置によれば、要求トルクから目標空気量が算出され、目標空気量を実現するようにスロットル１０、ＩＮ-ＶＶＴ２０、ＥＸ-ＶＶＴ３０及びＷＧＶ４０が協調操作される。しかし、図８の制御装置によって実際に実現される空気量は、目標空気量よりも少ないものとなる。

このような空気量の不足が生じる原因は、ＮＡエンジンのための制御方法を過給エンジンにそのまま応答したことによる。ＮＡエンジンでは吸気圧力よりも排気圧力の方が高いため、吸気弁の開期間と排気弁の開期間とがオーバーラップしている場合、そのオーバーラップ量に応じて筒内に燃焼ガスが残留する、いわゆる内部ＥＧＲが発生する。この場合、吸気弁を通過して筒内に入った空気（新気）はそのまま筒内に残り、吸気弁通過空気量と内部ＥＧＲによる残留燃焼ガスの量との合計が筒内の全ガス量となる。よって、ＮＡエンジンの場合は、オーバーラップの有無に関係なく、吸気弁通過空気量と実際に燃焼に供される筒内空気量とは一致する。

一方、過給エンジンの場合は、過給域では排気圧力よりも吸気圧力の方が高くなる。このため、吸気弁の開期間と排気弁の開期間とがオーバーラップしている場合、過給域では吸気管から排気管へ空気が吹きぬけるスカベンジが発生する。スカベンジが発生している場合、吸気弁を通過して筒内に入った空気のうちの一部は排気管に流れてしまうため、実際に燃焼に供される筒内空気量はスカベンジの分だけ吸気弁通過空気量よりも少なくなる。その結果、図９に示すように、実際に実現された筒内空気量は目標空気量に足りなくなり、要求トルクに対する実現トルクの不足が生じてしまう。

以上のことから分かるように、過給エンジンにトルクデマンド制御を適用する場合には、ＮＡエンジンのトルクデマンド制御のための構成をそのまま利用することは適当ではない。過給エンジンのトルクデマンド制御のためには、スカベンジが発生する過給域でも要求トルクを精度良く実現することのできる制御装置が必要とされる。

なお、以下に列挙する文献は、本出願に係る技術分野の技術水準を示す先行技術文献である。

特開２００９−０６８４０３号公報 特開２００８−０７５５４９号公報 特開２００４−２６３５７１号公報

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたもので、スカベンジが発生する過給域での要求トルクの実現性を高めることができる過給エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る過給エンジンの制御装置は、スロットルと吸気弁駆動装置と過給機とを有する過給エンジンに適用される。吸気弁駆動装置は少なくとも吸気弁の閉時期を変更することができる装置であればよい。本発明に係る過給エンジンの制御装置は、要求トルクから算出した目標筒内空気量から吸気弁駆動装置の操作量を決定する。そして、それと並行して、目標筒内空気量に筒内を吹き抜ける空気量の分を加えた目標吸気弁通過空気量からスロットルの操作量を決定する。筒内を吹き抜ける空気量とは、吸気弁を通過して筒内に入った空気のうち排気管に流れてしまう空気量を意味する。目標筒内空気量に加える空気量はエンジン性能に関する何らかの要求により決まる目標値でもよいし、固定値や運転状態に応じた変動値等の所定値でもよい。

本発明に係る過給エンジンの制御装置は、過給機による過給が行われ、且つ、吸気圧がスロットルの操作によって調整可能な範囲の上限に達する場合、吸気弁駆動装置の操作によって要求トルクの実現を図る。その場合の吸気弁駆動装置の操作量は、吸気弁の閉時期と吸気圧と筒内空気量との間に成り立つ関係に基づいて、要求トルクから算出された目標筒内空気量から決定される。

吸気弁駆動装置の操作量を確定することにより吸気弁の開時期と閉時期とが決まる。ただし、重要なのは筒内空気量を決定する要素である吸気弁の閉時期である。吸気圧が上限に達する場合には、吸気弁の閉時期によって筒内空気量は一意に決まるからである。一方、吸気弁の開時期は、吸気弁の開期間と排気弁の開期間とのオーバーラップ量に影響する。しかし、スカベンジが発生する過給域でのバルブオーバーラップ量は筒内空気量には影響せず、したがって、要求トルクの実現精度にも影響しない。よって、吸気弁の開期間については特に限定はない。

過給エンジンは排気弁駆動装置を備えることができる。排気弁駆動装置は少なくとも排気弁の閉時期を変更することができる装置であればよい。排気弁の閉時期を確定させればバルブオーバーラップ量が確定する。バルブオーバーラップ量は要求トルクの実現精度には影響しないが、その大きさに応じてスカベンジ量、つまり、筒内を吹き抜ける空気量が増減する。スカベンジ量と筒内空気量との合計値が吸気弁通過空気量であるから、吸気圧が上限に達している場合には、バルブオーバーラップ量によって吸気弁通過空気量は一意に決まる。スカベンジ量については触媒暖機やプレイグニッションの防止等の観点からの種々の要求があることから、そのような要求を踏まえて目標吸気弁通過空気量を決定し、目標吸気弁通過空気量を実現するように排気弁駆動装置の操作量を決定してもよい。その場合の排気弁駆動装置の操作量は、バルブオーバーラップ量と吸気圧と吸気弁通過空気量との間に成り立つ関係に基づき、目標吸気弁通過空気量と吸気弁駆動装置の操作量（詳しくは吸気弁の開時期）とから決定することができる。

また、本発明において過給エンジンが備える過給機は、機械式過給機でも良いしターボ過給機でも良い。しかし、付設のアクチュエータによって過給特性を変更可能なターボ過給機であるならば、同アクチュエータの操作によって過給圧を能動的に制御することができる。例えば、目標筒内空気量とエンジン回転数とから単位時間当り筒内空気量の目標値を算出し、アクチュエータの操作量とターボ過給機の過給特性との間に成り立つ関係に基づき、単位時間当り筒内空気量の目標値と目標過給圧とからアクチュエータの操作量を決定するようにしてもよい。この場合、単位時間当り筒内空気量の目標値に対して現在値が不足しているのであれば、スカベンジを利用して見かけの空気量を増やすことができる。具体的には、単位時間当り筒内空気量の目標値に対する現在値の不足分から目標スカベンジ量を算出し、目標筒内空気量と目標スカベンジ量との合計値を目標吸気弁通過空気量として排気弁駆動装置の操作量を決定すればよい。

本発明の実施の形態に係る過給エンジンの制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 吸気圧と各空気量との関係を示すグラフである。 目標筒内空気量から目標吸気圧と吸気弁のバルブタイミングとを決定する方法を説明するための図である。 目標筒内空気量から目標吸気圧と吸気弁のバルブタイミングとを決定する方法を説明するための図である。 ウエストゲートバルブのデューティ値と目標スカベンジ量とを決定する方法を説明するための図である。 図１に示す構成の制御装置による制御結果のイメージを示す図である。 従来のＮＡエンジンの制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 従来のＮＡエンジンの制御装置の構成を利用した過給エンジンの制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 図８に示す構成の制御装置による制御結果のイメージを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

本実施の形態に係る制御装置が適用される過給エンジンは、ＷＧＶ（ウエストゲートバルブ）付きのターボ過給機を備えた火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。この過給エンジンの吸気通路には電子制御式のスロットルが取り付けられている。また、吸気弁にはＩＮ−ＶＶＴ（吸気弁用可変バルブタイミング機構）が取り付けられ、排気弁にはＥＸ−ＶＶＴ（排気弁用可変バルブタイミング機構）が取り付けられている。

過給エンジンの運転は車載ＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって制御される。ＥＣＵは車両制御、エンジン制御、変速機制御等の種々の機能を備えている。本実施の形態に係る制御装置はＥＣＵが備える機能の一部として実現される。ＥＣＵには、エアフローメータやクランク角センサを含む各種のセンサから、過給エンジンの運転状態や運転条件に関する様々な情報が入力される。ＥＣＵが本実施の形態に係る制御装置として機能する場合、ＥＣＵは、メモリに記憶されているトルクデマンド制御のための制御プログラムに従って空気量に関係するアクチュエータ、すなわち、スロットル、ＩＮ−ＶＶＴ、ＥＸ−ＶＶＴ、及び、ＷＧＶを協調操作する。

図１は、制御プログラムに従いＥＣＵが機能することで実現される制御装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形態に係る制御装置１００は、目標空気量演算ユニット１１０、ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０、スロットル制御ユニット１３０、ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット１６０、目標過給圧演算ユニット１４０、及び、ＷＧＶ制御ユニット１５０によって構成される。ただし、図１に示す構成は、ターボ過給機による過給が行われる過給域で用いられる構成である。ターボ過給機による過給が行われていない（つまり、過給圧が立ち上がっていない）ＮＡ域では、図７に示す従来のＮＡエンジンのトルクデマンド制御のための構成を用いることができる。以下、過給域において採られる制御装置１００の構成について説明する。

目標空気量演算ユニット１１０は、要求トルクの実現に必要な筒内空気量を目標筒内空気量として算出する。その計算には、トルクと筒内空気量とをエンジン回転数、点火時期、空燃比等の種々のエンジン情報を引数にして関連付けられたマップが用いられる。ここで用いられるマップは、ＮＡエンジンのトルクデマンド制御において用いられる要求トルクから目標空気量を算出するためのマップと同じものである。

ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０は、ＩＮ−ＶＶＴ２０の操作量であるバルブタイミング指示値（ＩＮ−ＶＶＴ指示値）と目標吸気圧とを目標筒内空気量から決定する。その決定には、筒内空気量を吸気弁のバルブタイミングと吸気圧とに関連付けるマップが用いられる。図１においてＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０を示すブロック内には、そのマップのイメージがグラフで表されている。

図２は、ＩＮ−ＶＶＴ２０のマップで定義されている吸気圧と筒内空気量との関係について説明するための図である。図２に示すグラフでは、吸気弁及び排気弁の各バルブタイミングとエンジン回転数とを一定とした場合の吸気圧に対する筒内空気量、吸気弁通過空気量、筒内全ガス量の各関係が線で表されている。筒内全ガス量は吸気圧の上昇に比例して増大する。これに対して吸気弁通過空気量は、吸気圧の上昇に応じて増大するが、その増大の仕方は一様ではない。吸気圧が大気圧よりも低いＮＡ域では、内部ＥＧＲによる残留ガス量の分だけ、吸気弁通過空気量は筒内全ガス量よりも少なくなる。しかし、吸気圧が大気圧近くなるにつれて残留ガス量はどんどん減っていき、吸気圧が大気圧に一致した時点では筒内全ガス量に吸気弁通過空気量が一致する。そして、吸気圧が大気圧よりも高い過給域では、スカベンジ量、つまり、筒内を吹き抜けて吸気管から排気管へ流れる空気量の分だけ、吸気弁通過空気量は筒内全ガス量よりも多くなる。吸気圧と筒内全ガス量との関係は吸気弁のバルブタイミング、より詳しくは、吸気弁の閉時期にのみ依存する。一方、吸気圧と吸気弁通過空気量との関係は吸気弁と排気弁の両方のバルブタイミングに依存する。

トルクに寄与する筒内空気量は、吸気弁通過空気量と筒内全ガス量のうちより少ない方となる。よって、吸気圧が大気圧よりも低いＮＡ域では、筒内空気量は吸気弁通過空気量に一致するが、吸気圧が大気圧よりも高い過給域では、筒内空気量は筒内全ガス量に一致する。このため、過給域では筒内空気量は吸気圧に比例し、筒内空気量と吸気圧との関係は吸気弁の閉時期のみに依存する。

図３及び図４には、横軸を吸気圧とし縦軸を筒内空気量とするグラフにより、吸気弁のバルブタイミングと吸気圧と筒内空気量との関係を表している。各グラフには、異なる４つのバルブタイミング（ＩＮ−ＶＴ１，ＩＮ−ＶＴ２，ＩＮ−ＶＴ３，ＩＮ−ＶＴ４）における吸気圧と筒内空気量との関係が線で表されている。各バルブタイミングは、少なくとも吸気弁の閉時期において違いがあるものとする。ただし、これら４つのバルブタイミングはあくまでも例示であり、実際のマップではより多くのバルブタイミングに関して吸気圧と筒内空気量との関連付けが行われている。以下、図３及び図４を用いて、吸気弁のバルブタイミングと目標吸気圧とを目標筒内空気量から決定する方法について説明する。

目標筒内空気量が与えられた場合、目標筒内空気量を実現することができる吸気弁のバルブタイミングと吸気圧との組み合わせは複数存在する場合がある。この場合、ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０は、予め定められたベースバルブタイミングを選択し、そのバルブタイミングにおける筒内空気量と吸気圧との関係に基づいて目標筒内空気量を実現できる吸気圧を算出する。各図に示す例では、ＩＮ−ＶＴ１がベースバルブタイミングとなっている。ベースバルブタイミングは、例えば、エンジンの燃費が最適となるバルブタイミングである。

しかし、各図に示すように、吸気圧には上限値が存在する。この上限値はスロットル１０の操作によって調整可能な吸気圧の範囲の上限である。例えば、スロットル１０を全開まで開いたときの吸気圧や、スロットル１０を最大速度で開いたときの吸気圧がその上限値である。過給域における吸気圧の上限値は、過給圧に近い過給圧以下の圧力となる。

目標吸気圧は上限値を超えて設定することはできない。図３に示す例では、ＩＮ−ＶＴ１のもとで目標筒内空気量を実現できる吸気圧は上限値を超えていない。よって、この場合は、ＩＮ−ＶＴ１のもとで目標筒内空気量を実現できる吸気圧が目標吸気圧として決定されるとともに、ＩＮ−ＶＴ１がＩＮ−ＶＶＴ２０に対するバルブタイミング指示値（ＩＮ−ＶＶＴ指示値）として決定される。

一方、図４に示す例では、ＩＮ−ＶＴ１のもとで目標筒内空気量を実現できる吸気圧は上限値を超えてしまう。この場合は、吸気圧の上限値を目標吸気圧とした場合に、目標筒内空気量を実現できる吸気弁のバルブタイミングが選択される。スカベンジが発生しているときの筒内空気量は吸気弁が閉じたときの筒内容積と吸気圧とで決まることから、吸気圧が上限値に達している場合には目標筒内空気量を実現できる吸気弁のバルブタイミング（より詳しくは、吸気弁の閉時期）は一意に決まる。

そこで、ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０は、吸気圧がスロットル１０の操作によって調整可能な範囲の上限に達する場合は、吸気弁の閉時期によって筒内空気量を制御すべく、目標筒内空気量に応じて吸気弁のバルブタイミングを決定する。図４に示す例では、ＩＮ−ＶＴ３が選択され、ＩＮ−ＶＴ３がＩＮ−ＶＶＴ２０に対するバルブタイミング指示値（ＩＮ−ＶＶＴ指示値）とされる。

ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０で決定された吸気弁のバルブタイミングは、ＩＮ−ＶＶＴ２０に対して指示されるとともに、ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット１６０に入力される。また、ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０で決定された目標吸気圧は、ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット１６０、スロットル制御ユニット１３０、及び、目標過給圧演算ユニット１４０に入力される。

ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット１６０には、吸気弁のバルブタイミングと目標吸気圧とともに目標吸気弁通過空気量が入力される。目標吸気弁通過空気量は目標筒内空気量と後述する目標スカベンジ量との合計値である。目標スカベンジ量は、スカベンジによって吸気管から排気管へ吹き抜ける空気の量の目標値を意味する。吸気弁の閉時期と吸気圧とで決まる筒内空気量よりも吸気弁通過空気量が多い場合、その差分がスカベンジ量となる。

ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット１６０は、バルブオーバーラップ量と吸気圧と空気量との間に成り立つ関係をマップにして記憶している。図１のブロック内にはマップのイメージがグラフで表されている。このマップにおいてバルブオーバーラップ量と吸気圧とに関連付けられている空気量は吸気弁通過空気量を意味する。過給域において吸気圧が上限値に達している状況では、バルブオーバーラップ量によって吸気弁通過空気量が一意に定まる。また、吸気弁のバルブタイミングは確定しているので、バルブオーバーラップ量が定まれば目標吸気弁通過空気量を実現できる排気弁のバルブタイミング（より詳しくは、排気弁の閉時期）が一意に定まる。

そこで、ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット１６０は、目標吸気弁通過空気量と目標吸気圧とを同時に実現するバルブオーバーラップ量をマップを用いて特定する。そして、特定したバルブオーバーラップ量とＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０で決定された吸気弁のバルブタイミングとに基づいて排気弁のバルブタイミングを算出し、算出したバルブタイミングをＥＸ-ＶＶＴ３０に対する指示値（ＥＸ−ＶＶＴ指示値）として決定する。

スロットル制御ユニット１３０は、エアモデルの逆モデルを用いて目標吸気圧と目標吸気弁通過空気量とからスロットル開度を計算する。過給域において吸気圧が上限値に達している状況では、エアモデルの逆モデルにより算出されるスロットル開度は全開開度となる。スロットル制御ユニット１３０は、算出したスロットル開度を操作量としてスロットル１０を操作する。

目標過給圧演算ユニット１４０は、目標吸気圧に０気圧以上の大きさのリザーブ圧を加算した値を目標過給圧として算出する。リザーブ圧は固定値でもよいし、運転状態に応じて変更される変動値でもよい。

ＷＧＶ制御ユニット１５０は、ＷＧＶ４０の操作量を目標過給圧から決定する。ＷＧＶ４０の操作量はＷＧＶ４０を駆動するソレノイドに与えるデューティ値である。デューティの決定には、ＷＧＶ４０のデューティ値をターボ過給機の過給特性に関連付けるマップが用いられる。図1においてＷＧＶ制御ユニット１５０を示すブロック内には、そのマップのイメージがグラフで表されている。

ターボ過給機の過給特性は、単位時間当り筒内空気量（以下、ＧＡと表記する）と過給圧との関係で表すことができる。ＧＡは、筒内空気量（厳密には、１サイクル当り筒内空気量）とエンジン回転数との掛け算によって算出される。ＷＧＶ制御ユニット１５０には、目標過給圧とともに、目標ＧＡと現在ＧＡとが入力されている。ＧＡの目標値である目標ＧＡは、目標筒内空気量にエンジン回転数を掛け算することによって算出される。ＧＡの現在値である現在ＧＡは、エアフローメータによって計測された吸入空気流量（単位時間当り吸気弁通過空気量）から、単位時間当り推定スカベンジ量を差し引くことによって算出される。単位時間当り推定スカベンジ量は、エンジンの運転状態を引数とするマップから算出される。

図５には、ＷＧＶ制御ユニット１５０が用いるマップのイメージが横軸をＧＡとし縦軸を過給圧とするグラフで表されている。グラフには、異なる３つのデューティ値（Ｄｕｔｙ１，Ｄｕｔｙ２，Ｄｕｔｙ３）におけるＧＡと過給圧との関係が曲線で表されている。ただし、これら４つのデューティ値はあくまでも例示であり、実際のマップではより多くのデューティ値に関して吸気圧と筒内空気量との関連付けが行われている。ＷＧＶ制御ユニット１５０は、目標過給圧と目標ＧＡとを同時に満足するデューティ値をマップから検索し、ＷＧＶ４０のデューティ値として決定する。図５に示す例では、Ｄｕｔｙ２がＷＧＶ４０のデューティ値として決定される。

さらに、ＷＧＶ制御ユニット１５０は、目標ＧＡに対する現在ＧＡの不足分を算出する。過給圧はＷＧＶ４０の開度だけでなくＧＡにも依存しているので、現在ＧＡが目標ＧＡに対して不足している場合は所望の過給圧は得ることができない。そこで、スカベンジを利用して見かけの空気量を増やすべく、目標ＧＡに対する現在ＧＡの不足分から目標スカベンジ量を算出する。詳しくは、目標ＧＡに対する現在ＧＡの不足分を単位時間当たりの目標スカベンジ量とすることで、エンジン回転数から１サイクル当りの目標スカベンジ量を算出することできる。スカベンジ量を増やすのであれば、トルクに影響を与えることなく過給圧を上昇させることができる。１サイクル当りの目標スカベンジ量は、前述のように目標吸気弁通過空気量の計算に用いられ、目標吸気弁通過空気量に応じて排気弁のバルブタイミングが決定される。そして、決定されたバルブタイミングに従いＥＸ-ＶＶＴ３０が操作されることで目標スカベンジ量が実現され、ひいては目標ＧＡに対する現在ＧＡの不足分が補われる。これにより、目標過給圧に対する実過給圧の追従性が担保される。

以上述べたように、本実施の形態に係る制御装置１００によれば、ターボ過給機により過給が行われる過給域では、要求トルクから目標筒内空気量が計算される。そして、吸気圧がスロットル１０の操作によって調整可能な範囲の上限に達する場合は、吸気弁のバルブタイミングによって、より詳しくは、吸気弁の閉時期によって筒内空気量が制御される。これにより、図６に示すように、目標筒内空気量に対して実際に実現される筒内空気量が不足することも過剰になることもなく、ひいては、要求トルクに対して実現トルクが不足することも過剰になることもない。つまり、本実施の形態に係る制御装置１００によれば、スカベンジが発生する過給域での要求トルクの実現性を高めることができる。また、本実施の形態に係る制御装置１００によれば、排気弁のバルブタイミングによってスカベンジ量を任意に制御することができるという利点もある。これによれば、トルクに影響を与えることなく吸気弁通過空気量を任意の量に調整することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、目標空気量演算ユニット１１０による目標筒内空気量の計算では、マップに代えて、トルクと筒内空気量とを種々のエンジン情報に関連付けた関数式を用いてもよい。ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット１２０、ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット１６０、及び、ＷＧＶ制御ユニット１５０による計算についても同様である。それらの計算でもマップに代えて関数式を用いることができる。

また、上述の実施の形態ではＷＧＶ制御ユニット１５０によるＷＧＶ制御の１つの処理として目標スカベンジ量を決定しているが、触媒暖機やプレイグニッションの防止等の観点から目標スカベンジ量を決定することもできる。また、目標スカベンジ量ではなく、スカベンジ量に相当する所定値を目標筒内空気量に加算することによって目標吸気弁通過空気量を決定してもよい。その場合の所定値はゼロ以上の値であればよく、固定値でもよいし、エンジンの運転状態に応じて変更される変動値でもよい。

また、本発明に係る制御装置が適用される過給エンジンでは、吸気弁駆動装置は少なくとも吸気弁の閉時期を変更することができる装置であればよい。よって、可変バルブタイミング装置だけではなく、リフト量や作用角も変更可能な可変バルブリフト装置や、電磁弁で吸気弁を開閉する電磁式バルブリフト装置などでもよい。排気弁駆動装置についても同様である。排気弁駆動装置は少なくとも排気弁の閉時期を変更することができる装置であればよいので、可変バルブリフト装置や電磁式バルブリフト装置でもよい。また、本発明に係る制御装置は、ウエストゲートバルブ付きターボ過給機を有する過給エンジンだけでなく、可変容量型ターボ過給機を有する過給エンジンにも適用することができる。

１０ スロットル
２０ ＩＮ−ＶＶＴ（吸気弁用可変バルブタイミング機構）
３０ ＥＸ−ＶＶＴ（排気弁用可変バルブタイミング機構）
４０ ウエストゲートバルブ
１００ 制御装置
１１０ 目標空気量演算ユニット
１２０ ＩＮ−ＶＶＴ制御ユニット
１３０ スロットル制御ユニット
１４０ 目標過給圧演算ユニット
１５０ ＷＧＶ制御ユニット
１６０ ＥＸ−ＶＶＴ制御ユニット

Claims (6)

1. 吸気弁の閉時期を変更することができる吸気弁駆動装置とスロットルと過給機とを有する過給エンジンの制御装置において、
   要求トルクから目標筒内空気量を算出する手段と、
   前記目標筒内空気量に筒内を吹き抜ける空気量の分を加えることによって目標吸気弁通過空気量を算出する手段と、
   前記目標筒内空気量から前記吸気弁駆動装置の操作量を決定する手段と、
   前記目標吸気弁通過空気量から前記スロットルの操作量を決定する手段と、
   を備えることを特徴とする過給エンジンの制御装置。
2. 前記吸気弁駆動装置の操作量を決定する手段は、前記過給機による過給が行われ、且つ、吸気圧が前記スロットルの操作によって調整可能な範囲の上限に達する場合において吸気弁の閉時期と吸気圧と筒内空気量との間に成り立つ関係に基づき、前記吸気弁駆動装置の操作量を決定することを特徴とする請求項１に記載の過給エンジンの制御装置。
3. 前記過給エンジンは、排気弁の閉時期を変更することができる排気弁駆動装置をさらに有し、
   前記制御装置は、前記目標吸気弁通過空気量と前記吸気弁駆動装置の操作量とから前記排気弁駆動装置の操作量を決定する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給エンジンの制御装置。
4. 前記排気弁駆動装置の操作量を決定する手段は、前記過給機による過給が行われ、且つ、吸気圧が前記スロットルの操作によって調整可能な範囲の上限に達する場合において前記吸気弁の開期間と前記排気弁の開期間とのオーバーラップ量と吸気圧と吸気弁通過空気量との間に成り立つ関係に基づき、前記排気弁駆動装置の操作量を決定することを特徴とする請求項３に記載の過給エンジンの制御装置。
5. 前記過給機は、付設のアクチュエータによって過給特性を変更可能なターボ過給機であり、
   前記制御装置は、
   目標過給圧を決定する手段と、
   前記目標筒内空気量とエンジン回転数とから目標単位時間当り筒内空気量を算出する手段と、
   前記アクチュエータの操作量と前記ターボ過給機の過給特性との間に成り立つ関係に基づき、前記目標単位時間当り筒内空気量と前記目標過給圧とから前記アクチュエータの操作量を決定する手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の過給エンジンの制御装置。
6. 前記制御装置は、
   単位時間当り筒内空気量の現在値を取得する手段と、
   前記目標単位時間当り筒内空気量に対する前記現在値の不足分から筒内を吹き抜ける空気量の目標値を算出する手段と、をさらに備え、
   前記目標吸気弁通過空気量を決定する手段は、前記目標筒内空気量と筒内を吹き抜ける空気量の前記目標値との合計値を前記目標吸気弁通過空気量として決定することを特徴とする請求項５に記載の過給エンジンの制御装置。

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