内燃机的吸入空气量控制装置的制作方法

专利名称：内燃机的吸入空气量控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过对进气门的气门升程以及凸轮相位即气门正时同时进行可变控制而控制吸入空气量的内燃机的吸入空气量控制装置。
背景技术：
以往，作为控制吸入空气量的内燃机的吸入空气量控制装置，公知有专利文献1中所记载的装置。在该内燃机中设有气门升程可变机构以及凸轮相位可变机构，通过气门升程可变机构来变更进气门的气门升程，同时通过凸轮相位可变机构来变更进气凸轮轴相对于曲轴的凸轮相位，从而变更进气门的气门正时。
在该吸入空气量控制装置中，通过凸轮相位可变机构以及气门升程可变机构，同时可变地控制进气门的凸轮相位以及气门升程，从而控制吸入空气量。具体来说，根据内燃机的负荷等，分别设定作为气门升程的目标值的目标气门升程、以及作为凸轮相位的目标值的目标凸轮相位，同时根据这些目标值执行反馈控制。此外，对目标凸轮相位或目标气门升程进行了校正，以避免进气门和活塞之间的干涉。具体来说，例如，将由传感器检测出的检测气门升程和目标气门升程之间的偏差与预定的阈值进行比较，在该偏差大于等于阈值时，将目标凸轮相位向滞后侧校正预定值(该文献的图10所示的例子)。
专利文献1日本特开2002-332876号公报发明内容如上述现有的吸入空气量控制装置这样，在一边同时驱动气门升程可变机构以及凸轮相位可变式机构、一边控制吸入空气量的情况下，即在一边同时执行气门升程控制以及凸轮相位控制、一边控制吸入空气量的情况下，由于两个可变机构的动作特性的差异，气门升程控制以及凸轮相位控制互相干涉，从而可能引起吸入空气量控制的控制精度以及响应性的降低。即，在通过气门升程可变机构控制气门升程的情况下，与通过凸轮相位可变机构控制凸轮相位的情况相比，可以更迅速地改变吸入空气量，由此，可以确保吸入空气量控制的高的响应性。另一方面，使用凸轮相位可变机构的情况下，能以微小的变化量非常细致地控制吸入空气量，可以确保高的控制精度。如上所述，由于气门升程控制和凸轮相位控制具有互相不同的吸入空气量的控制特性，所以在两种控制互相干涉的情况下，无法适当地控制吸入空气量。例如，在内燃机处于低负荷域的情况这样的要求高的控制精度的情况下，在气门升程控制中不能非常细致地控制吸入空气量，因此气门升程控制干涉凸轮相位控制时，由于其影响引起控制精度的降低。
本发明为了解决上述课题而完成，其目的在于提供内燃机的吸入空气量控制装置，其在通过同时执行凸轮相位控制以及气门升程控制而控制吸入空气量的情况下，可以避免凸轮相位控制以及气门升程控制互相干涉、并提高吸入空气量控制的响应性以及控制精度。
为了达成上述目的，权利要求1的发明的内燃机3的吸入空气量控制装置1，通过凸轮相位可变机构70可变地控制用于开闭进气门4的进气凸轮轴5相对于曲轴3b的凸轮相位Cain，同时通过气门升程可变机构50可变地控制进气门4的气门升程Liftin，从而控制吸入到气缸内的吸入空气量，其特征在于，具有目标吸入空气量设定单元(ECU 2、目标吸入空气量计算部90、步骤20、21)，其根据表示内燃机3的负荷的负荷参数(发动机转速NE、油门开度AP)，设定作为吸入空气量控制的目标的目标吸入空气量Gcyl_cmd；吸入空气量检测单元(ECU 2、空气流量传感器22、进气管内绝对压力传感器23)，其检测吸入空气量(实际吸入空气量Gcyl)；第一控制值计算单元(ECU 2、第一和第二ACTASS控制器100、200、步骤37、38)，其计算第一控制值(目标气门升程Liftin_cmd、目标凸轮相位Cain_cmd)，该第一控制值用于控制凸轮相位以及气门升程中的一方，以使检测出的吸入空气量收敛于目标吸入空气量；以及第二控制值计算单元(ECU 2、第一和第二从值计算部110、210、步骤51、52、56、60、64)，其基于由第一控制值计算单元计算出的第一控制值，计算用于控制凸轮相位以及气门升程中的另一方的第二控制值(目标气门升程Liftin_cmd、目标凸轮相位Cain_cmd、从值Liftin_cmd_sl、Cain_cmd_sl)。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，根据表示内燃机的负荷的负荷参数设定作为吸入空气量控制的目标的目标吸入空气量，计算用于控制凸轮相位以及气门升程中的一方、以使检测出的吸入空气量收敛于目标吸入空气量的第一控制值，基于第一控制值计算用于控制凸轮相位以及气门升程中的另一方的第二控制值。这样，根据用于使吸入空气量收敛于目标吸入空气量的第一控制值，计算第二控制值，所以可以将其计算为不会妨碍第一控制值所产生的吸入空气量向目标吸入空气量的收敛性的值。其结果是，例如，在以第一控制值控制凸轮相位、以第二控制值控制气门升程的情况下，可以避免两种控制互相干涉，同时以微小的变化量非常细致地控制吸入空气量，可以提高控制精度。另一方面，在以第一控制值控制气门升程、以第二控制值控制凸轮相位的情况下，可以避免两种控制互相干涉，同时减小吸入空气量控制的死区时间，可以提高响应性。
权利要求2的发明的特征在于，在权利要求1所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，第一控制值包含用于使吸入空气量收敛于目标吸入空气量的反馈控制值(主值Liftin_cmd_ms、Cain_cmd_ms)，第一控制值单元通过2自由度控制算法[式(2)～(7)、(10)～(14)、(16)～(21)、(24)～(28)]计算反馈控制值。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，由于通过2自由度控制算法计算包含于第一控制值中的反馈控制值，所以在例如使用目标值滤波型2自由度控制算法作为2自由度控制算法的情况下，可以通过目标值滤波算法，适当地设定吸入空气量向目标吸入空气量的收敛速度，同时可以通过反馈控制算法，适当地设定吸入空气量向目标吸入空气量的收敛行为。
权利要求3的发明的特征在于，在权利要求1或2所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，还具有控制输入计算单元(ECU 2、气门升程控制器120、凸轮相位控制器220、步骤2、3)，其根据第一控制值(目标气门升程Liftin_cmd、目标凸轮相位Cain_cmd)，计算对凸轮相位可变机构70以及气门升程可变机构50中的一方的控制输入(相位控制输入Ucain、升程控制输入Uliftin)，同时根据第二控制值，计算对凸轮相位可变机构70以及气门升程可变机构50中的另一方的控制输入(相位控制输入Ucain、升程控制输入Uliftin)，第一控制值计算单元以及第二控制值计算单元的计算周期(控制周期ΔT1)设定得比控制输入计算单元的计算周期(控制周期ΔT2)长。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，根据第一控制值，计算对凸轮相位可变机构以及气门升程可变机构中的一方的控制输入，根据第二控制值，计算对凸轮相位可变机构以及气门升程可变机构中的另一方的控制输入，同时将第一和第二控制值计算单元的计算周期设定得比控制输入计算单元的计算周期长。在通过凸轮相位可变机构以及气门升程可变机构控制吸入空气量的情况下，一般由于两个可变机构的响应速度，吸入空气量的响应速度变得较慢，所以例如适当地设定第一和第二控制值计算单元的计算周期，以与这样的响应速度一致，从而可以高精度地控制吸入空气量的过渡变化。进而，由于控制输入计算单元的计算周期比第一和第二控制值计算单元的计算周期短，所以可以比第一和第二控制值更迅速地计算出对凸轮相位可变机构以及气门升程可变机构的控制输入，从而可以提高吸入空气量控制的稳定性，同时即使在两个可变机构具有非线性特性的情况下，也可以抑制对吸入空气量控制的影响，相应地可以进一步提高吸入空气量控制的稳定性。
权利要求4的发明的内燃机3的吸入空气量控制装置1，通过凸轮相位可变机构70可变地控制用于开闭进气门4的进气凸轮轴5相对于曲轴3b的凸轮相位Cain，同时通过气门升程可变机构50可变地控制进气门4的气门升程Liftin，从而控制吸入到气缸内的吸入空气量，其特征在于，具有目标吸入空气量设定单元(ECU 2、目标吸入空气量计算部90、步骤20、21)，其根据表示内燃机的负荷的第一负荷参数(发动机转速NE、油门开度AP)，设定作为吸入空气量控制的目标的目标吸入空气量Gcyl_cmd；吸入空气量检测单元(ECU 2、空气流量传感器22、进气管内绝对压力传感器23)，其检测吸入空气量(实际吸入空气量Gcyl)；第一控制单元(ECU 2、第一ACTASS控制器100、第一从值计算部110、步骤51、52、54、56、60、63、64)，其控制气门升程Liftin，以使检测出的吸入空气量(实际吸入空气量Gcyl)收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd，同时通过预定的第一控制算法控制凸轮相位Cain，以辅助气门升程控制；第二控制单元(ECU 2、第二ACTASS控制器200、第二从值计算部210、步骤51、52、55、56、60、62、64)，其控制凸轮相位Cain，以使检测出的吸入空气量收敛于目标吸入空气量，同时通过预定的第二控制算法控制气门升程Liftin，以辅助凸轮相位控制；以及控制选择单元(ECU 2、主/从选择部230、步骤34～36、39)，其根据表示内燃机3的负荷的第二负荷参数(目标气门升程Liftin_cmd、目标凸轮相位Cain_cmd)，选择第一控制单元以及第二控制单元中的一方，同时执行所选择的一方的控制。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，通过目标吸入空气量设定单元，根据表示内燃机的负荷的第一负荷参数，设定作为吸入空气量控制的目标的目标吸入空气量。此外，通过第一控制单元控制气门升程，以使检测出的吸入空气量收敛于目标吸入空气量，同时通过预定的第一控制算法控制凸轮相位，以辅助气门升程控制。这样，通过第一控制单元以气门升程控制为主而控制吸入空气量，同时凸轮相位控制用于辅助气门升程控制，所以可以避免两种控制互相干涉。进而，通过第二控制单元控制凸轮相位，以使检测出的吸入空气量收敛于目标吸入空气量，同时通过预定的第二控制算法控制气门升程，以辅助凸轮相位控制。这样，通过第二控制单元以凸轮相位控制为主而控制吸入空气量，同时气门升程控制用于辅助凸轮相位控制，所以可以避免两种控制互相干涉。进而，通过控制选择单元，根据表示内燃机的负荷的第二负荷参数，选择第一控制单元或第二控制单元中的一方，执行所选择的一方的控制，所以例如在内燃机的负荷低时，如果选择第二控制单元，则可以避免凸轮相位控制以及气门升程控制互相干涉，同时通过凸轮相位控制，以微小的变化量非常细致地控制吸入空气量，可以提高控制精度。另一方面，在内燃机的负荷高时，如果选择第一控制单元，则可以避免凸轮相位控制以及气门升程控制互相干涉，同时通过气门升程控制，减少吸入空气量控制的死区时间，可以提高响应性。
权利要求5的发明的特征在于，在权利要求4所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，第一控制单元的预定的第一控制算法是根据气门升程的控制状态(目标气门升程Liftin_cmd)控制凸轮相位Cain的算法(步骤60、64)，第二控制单元的预定的第二控制算法是根据凸轮相位的控制状态(目标凸轮相位Cain_cmd)控制气门升程Liftin的算法(步骤51、52、56)。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，通过第一控制单元，根据气门升程的控制状态来控制凸轮相位，所以可以将凸轮相位控制为不会妨碍气门升程控制所产生的吸入空气量向目标吸入空气量的收敛性，由此，可以可靠地提高吸入空气量控制的响应性。此外，通过第二控制单元，根据凸轮相位的控制状态来控制气门升程，所以可以将气门升程控制为不会妨碍凸轮相位控制所产生的吸入空气量向目标吸入空气量的收敛性，由此，可以可靠地提高吸入空气量的控制精度。
权利要求6的发明的特征在于，在权利要求4或5所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，控制选择单元在由第二负荷参数表示的内燃机3的负荷处于预定的第一负荷域内时(步骤34的判断结果为“否”、或步骤39的判断结果为“是”时)，选择第二控制单元(步骤35)，在由第二负荷参数表示的内燃机的负荷3处于比预定的第一负荷域高的预定的第二负荷域时(步骤34的判断结果为“是”、或步骤39的判断结果为“否”时)，选择第一控制单元(步骤36)。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，通过控制选择单元，在内燃机的负荷处于预定的第一负荷域时，选择第二控制单元，在内燃机的负荷处于比预定的第一负荷域高的预定的第二负荷域时，选择第一控制单元。从而，在吸入空气量控制中，在要求高的控制精度的低负荷域中，可以适当地确保这样的控制精度，同时在要求高的响应性的高负荷域中，可以适当地确保这样的响应性。
权利要求7的发明的特征在于，在权利要求6所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，控制选择单元具有加速判断单元(ECU 2、步骤31)，其判断内燃机3是否处于加速状态；负荷域判断单元(ECU 2、步骤34～36)，其在第二负荷参数(目标凸轮相位Cain_cmd)小于预定的阈值Cain_mssw_lmt时，判断为内燃机3的负荷处于预定的第二负荷域内，在大于等于预定的阈值时，判断为处于预定的第一负荷域内；以及阈值设定单元(步骤32)，其在由加速判断单元判断为内燃机3处于加速状态时(步骤31的判断结果为“是”时)，将预定的阈值Cain_mssw_lmt设定为比别的时候大的值(预定的加速用值Cain_msswl)。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，通过加速判断单元，判断出内燃机是否处于加速状态，通过负荷域判断单元，在第二负荷参数小于预定的阈值时，判断为内燃机的负荷处于预定的第二负荷域内，在大于等于预定的阈值时，判断为处于预定的第一负荷域内，同时通过阈值设定单元，在判断为内燃机处于加速状态时，将预定的阈值设定为比别的时候大的值。这样，在内燃机处于加速状态的情况下，即在要求吸入空气量控制的高的响应性的情况下，判断为内燃机的负荷处于预定的第二负荷域内的负荷区域被进一步扩大，因此易于选择第一控制单元，由此，可以迅速且可靠地确保吸入空气量控制中的高的响应性。
权利要求8的发明的特征在于，在权利要求6所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，控制选择单元具有加速判断单元(ECU 2、步骤50)，其判断内燃机3是否处于加速状态；第二负荷参数设定单元(ECU2、步骤51)，其在由加速判断单元判断为内燃机3处于加速状态时(步骤50的判断结果为“是”时)，将第二负荷参数(目标气门升程Liftin_cmd)设定为比别的时候大的值；以及负荷域判断单元(ECU 2、步骤35、36、39)，其在所设定的第二负荷参数(目标气门升程Liftin_cmd)小于等于预定的阈值Liftin_mssw时，判断为内燃机3的负荷处于预定的第一负荷域内，在大于预定的阈值Liftin_mssw时，判断为处于预定的第二负荷域内。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，通过加速判断单元，判断出内燃机是否处于加速状态，在判断为内燃机处于加速状态时，通过第二负荷参数设定单元将第二负荷参数设定为比别的时候大的值。此外，通过负荷域判断单元，在第二负荷参数大于预定的阈值时，判断为内燃机的负荷处于预定的第二负荷域内，小于等于预定的阈值时，判断为处于预定的第一负荷域内。这样，在内燃机处于加速状态时、即要求吸入空气量控制的高的响应性时，判断为内燃机的负荷处于预定的第二负荷域内的负荷区域被进一步扩大，因此易于选择第一控制单元，由此，可以迅速且可靠地确保吸入空气量控制中的高的响应性。
权利要求9的发明的特征在于，在权利要求4至8中的任意一项所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，第一控制单元以及第二控制单元分别具有凸轮相位控制值计算单元(ECU 2、步骤38)，其计算用于控制凸轮相位Cain的凸轮相位控制值(目标凸轮相位Cain_cmd)；以及气门升程控制值计算单元(ECU 2、步骤37)，其计算用于控制气门升程Liftin的气门升程控制值(目标气门升程Liftin_cmd)，凸轮相位控制值计算单元把凸轮相位控制值(目标凸轮相位Cain_cmd)计算为用于使吸入空气量收敛于目标吸入空气量的凸轮相位反馈控制值(目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms)与根据气门升程控制值设定的凸轮相位设定值(目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl)之和，气门升程控制值计算单元把气门升程控制值(目标气门升程Liftin_cmd)计算为用于使吸入空气量收敛于目标吸入空气量的气门升程反馈控制值(目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms)与根据凸轮相位控制值设定的气门升程设定值(目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl)之和，第一控制单元的凸轮相位控制值计算单元在通过控制选择单元选择了第一控制单元时，将凸轮相位反馈控制值设定为值0(步骤61、63)，第二控制单元的气门升程控制值计算单元在通过控制选择单元选择了第二控制单元时，将气门升程反馈控制值设定为值0(步骤53、55)。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，将用于控制凸轮相位的凸轮相位控制值计算为用于使吸入空气量收敛于目标吸入空气量的凸轮相位反馈控制值和根据气门升程控制值设定的凸轮相位设定值之和，将用于控制气门升程的气门升程控制值计算为用于使吸入空气量收敛于目标吸入空气量的气门升程反馈控制值和根据凸轮相位控制值设定的气门升程设定值之和。进而，在由控制选择单元选择了第一控制单元时，将凸轮相位反馈控制值计算为值0，在由控制选择单元选择了第二控制单元时，将气门升程反馈控制值计算为值0。由此，在控制选择单元的选择从第一控制单元切换为第二控制单元时，将该切换前的凸轮相位反馈控制值计算为值0，所以在切换后，可以通过以0为初始值计算凸轮相位反馈控制值，来避免凸轮相位控制值急剧变化。与此相反，在控制选择单元的选择从第二控制单元切换为第一控制单元时，将该切换前的气门升程反馈控制值计算为值0，所以在切换后，可以通过以0为初始值计算气门升程反馈控制值，来避免气门升程控制值急剧变化。如上，在控制选择单元的选择从第一控制单元以及第二控制单元中的一方切换为另一方时，可以避免凸轮相位控制值以及气门升程控制值的急剧变化，从而可以避免吸入空气量的控制状态的急剧变化。其结果是，可以避免扭矩级差等的发生。
权利要求10的发明的特征在于，在权利要求9所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，凸轮相位控制值计算单元通过2自由度控制算法[式(2)～(7)、(10)～(14)]计算凸轮相位反馈控制值(目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms)，气门升程控制值计算单元通过2自由度控制算法[式(16)～(21)、(24)～(28)]计算气门升程反馈控制值(目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms)。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，由于通过2自由度控制算法计算凸轮相位反馈控制值以及气门升程反馈控制值，所以在使用例如目标值滤波型2自由度控制算法作为2自由度控制算法的情况下，可以通过目标值滤波算法适当地设定吸入空气量向目标吸入空气量的收敛速度，同时可以通过反馈控制算法适当地设定吸入空气量向目标吸入空气量的收敛行为。
权利要求11的发明的特征在于，在权利要求9或10所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，气门升程控制值(目标气门升程Liftin_cmd)越是减少气门升程Liftin的值，凸轮相位控制值计算单元越将凸轮相位设定值(目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl)设定为使进气门4的打开定时提前的值(步骤60)，凸轮相位控制值(目标凸轮相位Cain_cmd)越是使进气门4的打开定时提前的值，气门升程控制值计算单元越将气门升程设定值(目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl)设定为减小气门升程Liftin的值(步骤51、52)。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，由于气门升程控制值越是减小气门升程的值，则凸轮相位设定值越被设定为凸轮相位使进气门的打开定时提前的值，所以例如将凸轮相位设定值设定为进气门的打开定时比进气行程的TDC位置更靠前侧的值时，由于内燃机的负荷小、目标吸入空气量更小，因此越将气门升程控制为小的值，则与此对应地，可以将进气门的打开定时也适当地控制成更加提前。即，可以使凸轮相位控制所产生的吸入空气量的控制方向与气门升程控制所产生的吸入空气量的控制方向一致，由此，可以更可靠地避免凸轮相位控制干涉气门升程控制。此外，凸轮相位控制值越是使进气门的打开定时提前的值，气门升程设定值越被设定为减小进气升程的值，因此，如上所述，如果将凸轮相位控制值控制成进气门的打开定时为进气行程的TDC位置的前侧的值，则内燃机的负荷小、目标吸入空气量更小，因此越将进气门的打开定时控制为小的值，则与此对应地，可以将气门升程也适当地控制成小的值。即，可以使气门升程控制所产生的吸入空气量的控制方向与凸轮相位控制所产生的吸入空气量的控制方向一致，由此，可以更可靠地避免气门升程控制干涉凸轮相位控制。此外，进气门的打开定时越早(即越提前)，则内部EGR量越增大，燃烧速度降低，但随之，将气门升程控制得更小，增大缸内流动，从而可以补偿这样的燃烧速度的降低，可以实现稳定的燃烧状态。进而，如果进气门的打开定时提前，则一定以减小的方式控制气门升程，所以在应用于进气门和排气门同时处于打开状态时互相抵接这样的设计的内燃机的情况下，可以可靠地避免这样的抵接。
权利要求12的发明的特征在于，在权利要求9至11中的任意一项所述的内燃机3的吸入空气量控制装置1中，还具有控制输入计算单元(ECU 2、气门升程控制器120、凸轮相位控制器220)，其根据凸轮相位控制值(目标凸轮相位Cain_cmd)，计算对凸轮相位可变机构70的控制输入(相位控制输入Ucain)，同时根据气门升程控制值(目标气门升程Liftin_cmd)，计算对气门升程可变机构50的控制输入(升程控制输入Uliftin)，凸轮相位控制值计算单元以及气门升程控制值计算单元的计算周期(控制周期ΔT1)设定得比控制输入计算单元的计算周期(控制周期ΔT2)长。
根据该内燃机的吸入空气量控制装置，根据凸轮相位控制值，计算对凸轮相位可变机构的控制输入，根据气门升程控制值，计算对气门升程可变机构的控制输入，同时将凸轮相位控制值计算单元以及气门升程控制值计算单元的计算周期设定得比这些计算周期长。如前所述，在通过凸轮相位可变机构以及升程可变机构控制吸入空气量的情况下，一般吸入空气量的响应速度因两个可变机构的响应速度而变得较慢，因此例如通过适当地设定凸轮相位控制值计算单元以及气门升程控制值计算单元的计算周期，以与这样的响应速度一致，可以高精度地控制吸入空气量的过渡变化。进而，由于控制输入计算单元的计算周期比凸轮相位控制值计算单元以及气门升程控制值计算单元的计算周期短，所以可以比凸轮相位控制值以及气门升程控制值更迅速地计算对凸轮相位可变机构以及气门升程可变机构的控制输入，因此可以提高吸入空气量控制的稳定性，同时即使在两个可变机构具有非线性特性的情况下，也可以抑制对吸入空气量控制的影响，相应地可以进一步提高吸入空气量控制的稳定性。


图1是表示应用了本发明的一种实施方式的吸入空气量控制装置的内燃机的概略结构的示意图。
图2是表示吸入空气量控制装置的概略结构的方框图。
图3是表示内燃机的可变式进气动阀机构以及排气动阀机构的概略结构的剖面图。
图4是表示可变式进气动阀机构的气门升程可变机构的概略结构的剖面图。
图5是表示(a)升程致动器的短臂处于最大升程位置的状态和(b)处于最小升程位置的状态的图。
图6是表示气门升程可变机构的下连杆处于最大升程位置时，(a)进气门关闭的状态和(b)以最大升程打开的状态的图。
图7是表示气门升程可变机构的下连杆处于最小升程位置时，(a)进气门关闭的状态和(b)以最大升程打开的状态的图。
图8是表示气门升程可变机构的下连杆处于最大升程位置时的进气门的气门升程曲线和处于最小升程位置时的气门升程曲线的图。
图9是示意地表示凸轮相位可变机构的概略结构的剖面图。
图10是从沿着图9的A-A线的方向观察行星齿轮装置的示意图。
图11是从沿着图9的B-B线的方向观察电磁制动器的示意图。
图12是表示凸轮相位可变机构的动作特性的特性曲线。
图13是表示凸轮相位可变机构的电磁线圈的动作特性的特性曲线。
图14是表示通过凸轮相位可变机构进行的凸轮相位的变更动作例的图。
图15是用于说明仅改变气门升程的情况下的吸入空气量的变化的图。
图16是用于说明仅改变凸轮相位的情况下的吸入空气量的变化的图。
图17是表示吸入空气量控制装置的概略结构的功能方框图。
图18是表示第一ACTASS控制器的概略结构的方框图。
图19是表示实际吸入空气量Gcyl的计算算法、第一ACTASS控制器中的目标值滤波器以及滑模控制器的控制算法、以及滑模控制器的控制算法的推导所使用的设备模型的图。
图20是表示第一ACTASS控制器的自适应干扰观测器的控制算法的图。
图21是用于说明第一ACTASS控制器的控制性的时序图。
图22是表示第二ACTASS控制器的概略结构的方框图。
图23是表示第二ACTASS控制器中的目标值滤波器以及滑模控制器的控制算法、以及滑模控制器的控制算法的推导所使用的设备模型的图。
图24是表示第二ACTASS控制器的自适应干扰观测器的控制算法的图。
图25是表示气门升程控制器的概略结构的方框图。
图26是表示气门升程控制器中的状态预测器的状态预测算法及其推导式的图。
图27是表示气门升程控制器中的板上辨识器(on-boardidentifier)的辨识算法的图。
图28是表示气门升程控制器中的2自由度滑模控制器的控制算法的图。
图29是表示凸轮相位控制器的概略结构的方框图。
图30是表示凸轮相位控制器中的状态预测器的状态预测算法及其推导式的图。
图31是表示凸轮相位控制器中的板上辨识器的辨识算法的图。
图32是表示凸轮相位控制器中的2自由度滑模控制器的控制算法的图。
图33是表示发动机控制处理中的主要控制处理的流程图。
图34是表示吸入空气量控制处理的内容的流程图。
图35是表示目标吸入空气量的起动时用值的计算所使用的表的一例的图。
图36是表示目标吸入空气量的催化剂预热用值的计算所使用的映射图的一例的图。
图37是表示目标吸入空气量的通常运转用值的计算所使用的映射图的一例的图。
图38是表示升程和相位控制处理的内容的流程图。
图39是表示目标气门升程的计算处理的内容的流程图。
图40是表示目标气门升程的从值的计算所使用的加速时用表的一例的图。
图41是表示目标气门升程的从值的计算所使用的非加速时用表的一例的图。
图42是表示目标凸轮相位的计算处理的内容的流程图。
图43是表示目标凸轮相位的从值的计算所使用的表的一例的图。
图44是表示升程控制输入的计算处理的内容的流程图。
图45是表示在升程控制输入的计算处理中，目标值滤波设定参数的计算所使用的表的一例的图。
图46是表示相位控制输入的计算处理的内容的流程图。
图47是表示在相位控制输入的计算处理中，目标值滤波设定参数的计算所使用的表的一例的图。
图48是表示点火正时控制处理的内容的流程图。
图49是表示点火正时的催化剂预热用值以及故障时用值的计算所使用的控制算法的图。
图50是表示点火正时的通常运转用值的计算所使用的映射图的一例的图。
图51是表示第一ACTASS控制器的控制算法的变形例的图。
图52是表示第二ACTASS控制器的控制算法的变形例的图。
图53是表示通过图51、52的第一和第二ACTASS控制器的控制算法的变形例控制吸入空气量的情况下的控制动作例的时序图。
具体实施例方式
以下，参照

本发明的一种实施方式的内燃机的吸入空气量控制装置。如图2所示，该吸入空气量控制装置1具有ECU 2，如后所述，该ECU 2根据内燃机(以下称为‘发动机’)3的运转状态，执行包含吸入空气量控制在内的各种控制处理。
发动机3是未图示的车辆中所搭载的直列四缸汽油发动机(仅示出了一个气缸)，如图1和图3所示，具有针对每个气缸设置、分别对进气口和排气口进行开闭的进气门4和排气门7；进气门4驱动用的进气凸轮轴5和进气凸轮6；对进气门4进行开闭驱动的可变式进气动阀机构40；排气门7驱动用的排气凸轮轴8和排气凸轮9；以及对排气门7进行开闭驱动的排气动阀机构80等。
进气门4的气门杆4a自由滑动地与导向器4b配合，该导向器4b被固定在气缸盖3a上。进而，如图4所示，进气门4具有上下的簧片4c、4d、以及设在它们之间的气门弹簧4e，被该气门弹簧4e推向关闭方向。
此外，进气凸轮轴5以及排气凸轮轴8分别经由未图示的支座自由转动地安装在气缸盖3a上。在该进气凸轮轴5上同轴地配置了链轮5a(参照图9)，并将其设为自由旋转。该链轮5a经由未图示的正时皮带与曲轴3b连接，经由后述的凸轮相位可变机构70与进气凸轮轴5连接。通过以上的结构，曲轴3b每旋转2周，进气凸轮轴5旋转1周。此外，在进气凸轮轴5上，针对每个气缸设有进气凸轮6，与其一体地旋转。
进而，可变式进气动阀机构40伴随进气凸轮轴5的旋转，对各气缸的进气门4进行开闭驱动，同时改变其气门升程以及气门正时，后面叙述其细节。另外，在本实施方式中，‘进气门4的气门升程’表示进气门4的最大扬程。
另一方面，排气门7的气门杆7a自由滑动地与导向器7b配合，该导向器7b被固定在气缸盖3a上。进而，进气门7具有上下的簧片7c、7d、以及设在它们之间的气门弹簧7e，被该气门弹簧7e推向关闭方向。
此外，排气凸轮轴8具有与其成为一体的链轮(未图示)，经由该链轮以及未图示的正时皮带连接到曲轴3b上，由此，曲轴3b每旋转2周时旋转1周。进而，在排气凸轮轴8上，针对每个气缸设有排气凸轮9，与其一体地旋转。
进而，排气动阀机构80具有排气摇臂81，通过该排气摇臂81随着排气凸轮9的旋转而转动，在抵抗气门弹簧7e的推力的同时，对排气门7进行开闭驱动。
另一方面，在发动机3中分别设有曲轴角传感器20以及水温传感器21。该曲轴角传感器20伴随曲轴3b的旋转，将均为脉冲信号的CRK信号以及TDC信号输出给ECU 2。该CRK信号是每过预定的曲轴角(例如30deg)输出1个脉冲，ECU 2根据该CRK信号计算发动机3的转速(以下称为‘发动机转速’)NE。此外，TDC信号是表示各气缸的活塞3c位于比进气行程的TDC位置稍微靠近前的预定曲轴角位置的信号，每过预定曲轴角输出1个脉冲。另外，在本实施方式中，发动机转速NE相当于负荷参数以及第一负荷参数。
另一方面，水温传感器21由安装在发动机主体上的热敏电阻等构成，检测作为在发动机3的气缸体3d内循环的冷却水的温度的发动机水温TW，将其检测信号输出给ECU 2。
此外，发动机3的进气管10中，从上游侧开始依次设有空气流量传感器22、节气门机构11、进气管内绝对压力传感器23以及燃料喷射阀12等。
该空气流量传感器22(吸入空气量检测单元)由热线式空气流量计构成，将表示通过后述的节气门11a的吸入空气量(以下称为‘TH通过吸入空气量’)Gth的检测信号输出给ECU 2。
此外，节气门机构11具有节气门11a以及对其进行开闭驱动的TH致动器11b等。节气门11a自由转动地设置在进气管10的中途，通过伴随该转动的开度变化来改变TH通过吸入空气量Gth。TH致动器11b是在与ECU 2连接的电机上组合齿轮机构(均未图示)而成的，由来自ECU 2的控制输入进行驱动，从而改变节气门11a的开度。
ECU 2在通常运转时将节气门11a保持为全开状态，同时在可变式进气动阀机构40的故障时或对真空助力器(master back)(未图示)供给负压时，控制节气门11a的开度。
此外，进气管10的比节气门11a更下游侧的部分为平衡箱(surgetank)10a，在该平衡箱10a中设有进气管内绝对压力传感器23。该进气管内绝对压力传感器23(吸入空气量检测单元)例如由半导体压力传感器等构成，向ECU 2输出表示进气管10内的绝对压力(以下称为‘进气管内绝对压力’)PBA的检测信号。
进而，根据来自ECU 2的、表示燃料喷射量TOUT的控制输入来驱动燃料喷射阀12，向进气管10内喷射燃料。
另一方面，在发动机3的排气管15中从上游侧开始依次设有第一和第二催化装置16a、16b，通过这些催化装置16a、16b，净化排气中的NOx、HC以及CO等。
在这些催化装置16a、16b之间设有氧浓度传感器(以下称为‘O2传感器’)25。该O2传感器25由氧化锆以及铂电极等构成，向ECU 2输出基于第一催化装置16a的下游侧的排气中的氧浓度的检测信号。
此外，在排气管15的第一催化装置16a的上游侧，设有LAF传感器24。该LAF传感器24通过组合与O2传感器25同样的传感器和线性化电路等的检测电路而构成，在从浓区域到稀区域的宽范围的空燃比区域中线性地检测排气中的氧浓度，向ECU 2输出与该氧浓度成正比的检测信号。ECU 2根据这些LAF传感器24以及O2传感器25的检测信号，执行空燃比控制。
进而，发动机3的气缸盖3e上安装有火花塞13(参照图2)。该火花塞13连接到ECU 2上，按照与点火正时Iglog对应的定时从ECU 2施加高电压而放电，由此，使燃烧室内的混合气体燃烧。
接着，说明前述的可变式进气动阀机构40。如图4所示，该可变式进气动阀机构40由进气凸轮轴5、进气凸轮6、气门升程可变机构50以及凸轮相位可变机构70等构成。
该气门升程可变机构50伴随进气凸轮轴5的旋转而对进气门4进行开闭驱动，同时在预定的范围(后述的最大值Liftinmax和最小值Liftinmin之间的范围)内无级地改变进气门4的气门升程Liftin，具有针对每个气缸设置的四连杆式的摇臂机构51以及同时驱动这些摇臂机构51的升程致动器60等。
各摇臂机构51由摇臂52以及上下的连杆53、54等构成。该上连杆53的一端部经由上销55，自由转动地安装在摇臂52的上端部，另一端部自由转动地安装在摇臂轴56上。该摇臂轴56经由未图示的支座安装在气缸盖3a上。
此外，在摇臂52的上销55上自由转动地设有滚轮57。该滚轮57与进气凸轮6的凸轮面抵接，在进气凸轮6旋转时，在被该凸轮面引导的同时在进气凸轮6上滚动。由此，在上下方向上驱动摇臂52，同时上连杆53以摇臂轴56为中心转动。
进而，在摇臂52的进气门4侧的端部安装有调节螺栓52a。该调节螺栓52a在进气门4的关闭状态下，在其下端面和进气门4的气门杆4a的上端面之间具有预定的气门间隙(valve clearance)，同时摇臂52随着进气凸轮6的旋转而在上下方向上移动时，在抵抗气门弹簧4e的推力的同时，在上下方向上驱动气门杆4a，对进气门4进行开闭。
此外，下连杆54的一端部经由下销58自由转动地安装在摇臂52的下端部上，在下连杆54的另一端部自由转动地安装有连接销59。下连杆54经由该连接销59连接到升程致动器60的后述的短臂65上。
另一方面，如图5所示，升程致动器60具有电机61、螺母62、连杆63、长臂64以及短臂65等。该电机61与ECU 2连接(参照图2)，配置在发动机3的头盖3e的外侧。电机61的转动轴为形成了外螺纹的螺纹轴61a，在该螺纹轴61a上螺合有螺母62。该螺母62经由连杆63与长臂64连接。该连杆63的一端部经由销63a自由转动地安装在螺母62上，另一端部经由销63b自由转动地安装在长臂64的一端部。
此外，长臂64的另一端部经由转动轴66安装在短臂65的一端部。该转动轴66被形成为断面圆形，贯穿发动机3的头盖3e，同时被其自由转动地支撑。伴随该转动轴66的转动，长臂64以及短臂65与其一体地转动。
进而，在短臂65的另一端部自由转动地安装有所述连接销59，由此，短臂65经由连接销59连接到下连杆54上。
接着，说明如上构成的气门升程可变机构50的动作。在该气门升程可变机构50中，将来自ECU 2的后述的升程控制输入Uliftin输入给升程致动器60的电机61时，螺纹轴61a旋转，通过随之的螺母62的移动，长臂64以及短臂65以转动轴66为中心转动，同时伴随该短臂65的转动，摇臂机构51的下连杆54以下销58为中心转动。即，通过升程致动器60驱动下连杆54。
此时，通过ECU 2的反馈控制，短臂65的转动范围被限制在图5(a)所示的最大升程位置和图5(b)所示的最小升程位置之间，由此，下连杆54的转动范围也被限制于图4中实线所示的最大升程位置和图4中双点划线所示的最小升程位置之间。
在下连杆54位于最大升程位置的情况下，在由摇臂轴56、上下的销55、58以及连接销59构成的四连杆中，构成为上销55和下销58的中心间的距离比摇臂轴56和连接销59的中心间的距离短，由此，如图6所示，进气凸轮6旋转时，调节螺栓52a的移动量比进气凸轮6与滚轮57之间的抵接点的移动量大。
另一方面，在下连杆54位于最小升程位置的情况下，在上述四连杆中，构成为上销55和下销58的中心间的距离比摇臂轴56和连接销59的中心间的距离长，由此，如图7所示，进气凸轮6旋转时，调节螺栓52a的移动量比进气凸轮6与滚轮57之间的抵接点的移动量小。
由于以上的原因，在下连杆54位于最大升程位置时，进气门4以比位于最小升程位置时大的气门升程Liftin打开。具体来说，在进气凸轮6的旋转中，在下连杆54位于最大升程位置时，进气门4按照图8的实线所示的气门升程曲线打开，气门升程Liftin表示其最大值Liftinmax。另一方面，在下连杆54位于最小升程位置时，按照双点划线所示的气门升程曲线打开，气门升程Liftin表示其最小值Liftinmin。另外，图8的横轴表示作为进气凸轮轴5的旋转角度的凸轮角。
从而，在该气门升程可变机构50中，通过电机61，在最大升程位置和最小升程位置之间转动下连杆54，从而可以在最大值Liftinmax和最小值Liftinmin之间无级地改变进气门4的气门升程Liftin。另外，如该图所示，在气门升程Liftin表示最小值Liftinmin时，进气门4的打开定时比表示最大值Liftinmax时延迟。这是由于气门升程Liftin越小，则气门升程曲线的上升沿的斜率越小，所以由于气门间隙的影响，进气门4的打开更延迟。
此外，在发动机3上设有转动角传感器26(参照图2)，该转动角传感器26检测转动轴66、即短臂65的转动角，将其检测信号输出给ECU 2。ECU 2基于该转动角传感器26的检测信号，计算进气门4的气门升程Liftin。
接着，说明所述凸轮相位可变机构70。该凸轮相位可变机构70为电磁式，如以下叙述那样，通过电磁力Fsol，在预定范围(后述的最滞后值Cainrt和最超前值Cainad之间的范围)内无级地改变进气凸轮6、即进气凸轮轴5相对于曲轴3b的相位(以下称为‘凸轮相位’)Cain，从而无级地改变进气门4的气门正时。如图9～图11所示，凸轮相位可变机构70具有行星齿轮装置71以及电磁制动器72等。
该行星齿轮装置71在进气凸轮轴5和链轮5a间传递旋转，具有齿圈71a、三个行星轮71b、太阳轮71c以及行星架71d。该齿圈71a与电磁制动器72的后述的外壳73连接，与其同轴并且一体地旋转。此外，太阳轮71c同轴且一体旋转地安装在进气凸轮轴5的末端部。
另一方面，行星架71d的断面大致形成为三角形，在其三个角部分别突出设置了轴71e。行星架71d经由这些轴71e连接到链轮5a上，由此，构成为与链轮5a同轴且一体地旋转。
此外，各行星轮71b自由旋转地被行星架71d的各轴71e支撑，配置在太阳轮71c和齿圈71a之间，始终与它们啮合。
进而，所述电磁制动器72具有外壳73、磁芯74、电磁线圈75以及复位弹簧76。外壳73被形成为中空，在其内部相对自由转动地设有磁芯74。磁芯74具有断面圆形的基部74a和从此放射状地延伸的两个臂74b、74b。磁芯74的基部74a被安装在行星架71d上，由此，与行星架71d同轴且一体地旋转。
另一方面，在外壳73的内周面上，以最滞后位置和最超前位置的一对挡块73a、73b为一组，相互存有间隔地设有共两组挡块73a、73b。磁芯74的各臂74b配置在一对挡块73a、73b之间，由此，磁芯74构成为可以在臂74b与最滞后位置挡块73a抵接并被固定住的最滞后位置(图11中实线所示的位置)、以及与最超前位置挡块73b抵接并被固定住的最超前位置(图11中双点划线所示的位置)之间，相对于外壳73转动。
此外，复位弹簧76在被压缩的状态下，横挂在最超前位置挡块73b中的一个和与其相对的臂74b之间，利用该复位弹簧76的推力向最滞后位置挡块73a侧推动臂74b。
另一方面，电磁线圈75被安装在与复位弹簧76相反侧的最超前位置挡块73b上，以齐平的状态设置在该最超前位置挡块73b的、与臂74b相对的侧的端部。该电磁线圈75与ECU 2电连接，通过来自ECU 2的相位控制输入Ucain(电压信号)被励磁时，通过其电磁力Fsol，在抵抗复位弹簧76的推力的同时，吸引相对的臂74b，使其向最超前位置挡块73b侧转动。
说明如以上构成的凸轮相位可变机构70的动作。在该凸轮相位可变机构70中，在电磁制动器72的电磁线圈75未被励磁时，磁芯74通过复位弹簧76的推力，被保持在其臂74b与最滞后位置挡块73a抵接的最滞后位置，由此，凸轮相位Cain被保持为最滞后值Cainrt(参照图12)。
在该状态下，链轮5a向图11的箭头Y1方向旋转时，行星架71d和齿圈71a一体地旋转，从而在行星轮71b不旋转的情况下，太阳轮71c与行星架71d以及齿圈71a一体地旋转。即，链轮5a与进气凸轮轴5一体地旋转。
此外，在磁芯74被保持在最滞后位置的状态下，电磁线圈75通过来自ECU 2的相位控制输入Ucain被励磁时，利用电磁线圈75的电磁力Fsol，磁芯74的臂74b在抵抗复位弹簧76的推力的同时，被吸引到最超前位置挡块73b侧、即最超前位置侧，转动到电磁力Fsol和复位弹簧76的推力平衡的位置。换言之，外壳73相对于磁芯74在箭头Y1的反方向上转动。
由此，齿圈71a相对于行星架71d在图10的箭头Y2方向上转动，随之，行星轮71b向图10的箭头Y3方向转动，从而太阳轮71c向图10的箭头Y4方向转动。其结果是，进气凸轮轴5相对于链轮5a在链轮的旋转方向上(即图10的箭头Y2的反方向)转动，凸轮相位Cain提前。
在该情况下，外壳73的转动经由齿圈71a、行星轮71b以及太阳轮71c被传递到进气凸轮轴5，所以利用行星齿轮装置71的增速作用，进气凸轮轴5相对于链轮5a转动对外壳73的转动角度进行放大后的角度。即，进气凸轮6的凸轮相位Cain的提前量被设定成为将外壳73的转动角度放大后的值。这是由于电磁线圈75的电磁力Fsol可作用的距离有限，所以对其进行补偿，而在更宽范围内改变凸轮相位Cain。
在以上的凸轮相位可变机构70的动作中，如图12所示，示出了凸轮相位Cain根据对电磁线圈75的相位控制输入Ucain，在最滞后值Cainrt(0°)和最超前值Cainad(例如55°)之间连续地变化，同时表示相位控制输入Ucain增大的方向时的凸轮相位Cain的值的实线曲线与表示相位控制输入Ucain减小的方向时的凸轮相位Cain的值的虚线曲线相互不同的、所谓滞后特性。这是由于，如图13所示，电磁线圈75具有在被相位控制输入Ucain励磁、产生电磁力Fsol时，起动时的电磁力Fsol的上升延迟的特性。
此外，如上所述，由于凸轮相位Cain在最滞后值Cainrt和最超前值Cainad之间改变，从而进气门4的气门正时在图14中实线所示的最滞后定时和图14中双点划线所示的最超前定时之间无级地改变。
另外，在本实施方式中，代替现有的油压驱动式的凸轮相位可变机构而使用如上的凸轮相位可变机构70的原因如下。即，现有的油压驱动式的凸轮相位可变机构具有通过油压泵等的起动而使油压上升，在能够控制凸轮相位Cain之前需要时间，同时油温为极低温时，响应性恶化的特性，并具有死区时间长、响应性低的缺点。相对于此，本实施方式的凸轮相位可变机构70具有下述优点不必等待油压的上升，不受到油温的影响，从起动时起就可以适当地控制凸轮相位Cain，同时死区时间更少、可以确保更高的响应性。
如上所述，在本实施方式的可变式进气动阀机构40中，通过气门升程可变机构50，无级地改变进气门4的气门升程Liftin，同时通过凸轮相位可变机构70，无级地改变凸轮相位Cain即进气门4的气门正时。此外，如后所述，通过ECU 2，经由气门升程可变机构50以及凸轮相位可变机构70，分别控制气门升程Liftin以及凸轮相位Cain。此时，可变式进气动阀机构40构成为，例如，即使在气门升程Liftin被控制为最大值Liftinmax、并且凸轮相位Cain被控制为最滞后值Cainrt时，仍然在进气行程的TDC位置之前的定时对进气门4进行打开。
另一方面，在进气凸轮轴5的与凸轮相位可变机构70相反侧的端部设有凸轮角传感器27(参照图2)。该凸轮角传感器27例如由磁转子以及MRE拾取器构成，伴随进气凸轮轴5的旋转，每过预定的凸轮角(例如1°)向ECU 2输出作为脉冲信号的CAM信号。ECU 2根据该CAM信号以及上述CRK信号，计算凸轮相位Cain。
进而，如图2所示，在ECU 2上连接有油门开度传感器28以及点火开关(以下称为‘IG·SW’)29。该油门开度传感器28检测未图示的油门踏板的开度(以下称为‘油门开度’)AP，将其检测信号输出给ECU 2。此外，IG·SW 29通过点火钥匙(未图示)操作而被接通/断开，同时向ECU 2输出表示其接通/断开状态的信号。另外，在本实施方式中，油门开度AP相当于负荷参数以及第一负荷参数。
ECU 2通过由I/O接口、CPU、RAM以及ROM等构成的微计算机构成，根据所述各种传感器20～28的检测信号以及IG·SW 29的接通/断开信号等，判断发动机3的运转状态，同时控制吸入空气量。具体来说，如后所述，通过气门升程可变机构50以及凸轮相位可变机构70分别控制气门升程Liftin以及凸轮相位Cain，从而控制吸入空气量。
一般地，在吸入空气量控制中，控制气门升程Liftin时比控制凸轮相位Cain时更能确保高的响应性。换言之，控制凸轮相位Cain时与控制气门升程Liftin相比，可以以微少的变化量非常细致地控制吸入空气量，可以确保高的控制精度。这是由于以下的原因。
即，如图15(a)～(c)所示，仅改变气门升程Liftin时，该图的阴影线部分的面积伴随气门升程Liftin的减小而大致二维地减小。此时，可知由于吸入空气量与该阴影线部分的面积成正比地变化，所以可以通过气门升程Liftin的增减来急剧地增减吸入空气量，可以确保高的响应性。
另一方面，如图16(a)～(c)所示，仅改变凸轮相位Cain时，该图的阴影线部分的面积伴随凸轮相位Cain的超前而大致一维地变化。该倾向在气门升程Liftin极小的状态下变得显著。此时，如上所述，可知由于吸入空气量与该图的阴影线部分的面积成正比地变化，所以可以通过凸轮相位Cain的超前/滞后，以微小的变化量非常细致地增减吸入空气量，可以确保高的控制精度。
从而，在本实施方式的吸入空气量控制中，由于上述原因，如后述地执行以气门升程控制以及凸轮相位控制中的一方为主侧、以另一方为从侧的主/从控制。即，在吸入空气量控制中，发动机3的高负荷运转时等的要求高的响应性时，将气门升程控制设定为主侧，将凸轮相位控制设定为从侧，同时在低负荷运转时等的要求高的控制精度时，将气门升程控制设定为从侧，将凸轮相位控制设定为主侧。
另外，在以下的说明中，将气门升程控制为主侧、凸轮相位控制被设定为从侧的控制模式表述为‘升程主模式’，将气门升程控制为从侧、凸轮相位控制被设定为主侧的控制模式表述为‘相位主模式’。
另外，在本实施方式中，通过ECU 2构成了目标吸入空气量设定单元、吸入空气量检测单元、第一控制值计算单元、第二控制值计算单元、控制输入计算单元、第一控制单元、第二控制单元、控制选择单元、负荷域判断单元、第二负荷参数设定单元、凸轮相位控制值计算单元以及气门升程控制值计算单元。
接着，参照图17说明本实施方式的吸入空气量控制装置1。如该图所示，吸入空气量控制装置1具有目标吸入空气量计算部90、第一ACTASS控制器100、第一从值计算部110、目标气门升程计算部111、气门升程控制器120、第二ACTASS控制器200、第二从值计算部210、目标凸轮相位计算部211、凸轮相位控制器220、以及主/从选择部230，具体地，它们都由ECU 2构成。
在该吸入空气量控制装置1中，如以下所叙述的那样，计算升程控制输入Uliftin以及相位控制输入Ucain，并且将这些控制输入Uliftin、Ucain分别输入给气门升程可变机构50以及凸轮相位可变机构70，从而进行控制，以使实际吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd。
该实际吸入空气量Gcyl是估计为实际吸入到气缸内的吸入空气量，具体来说，通过图19的式(1)来计算。在该式(1)中，VB表示进气管内体积，R表示预定的气体常数。此外，在该式(1)中，带有记号(k)的各离散数据表示是与预定的控制周期ΔT1同步地采样(或计算)的数据，记号k表示各离散数据的采样周期的序号。例如，记号k表示是在本次的控制定时采样的值，记号k-1表示是在前次控制定时采样的值。这一点在以下的离散数据中也是同样的。另外，在以下的说明中，适当省略了各离散数据的记号(k)等。
此外，控制周期ΔT1被设定为可以在后述的设备模型[式(8)、(22)]中适当地反映吸入空气量的动态特性的预定值(例如10msec)。进而，在本实施方式中，控制周期ΔT1相当于第一和第二控制值计算单元的计算周期。
在该吸入空气量控制装置1中，首先，通过目标吸入空气量计算部90(目标吸入空气量设定单元)，根据油门开度AP、发动机转速NE以及发动机水温TW等，计算目标吸入空气量Gcyl_cmd。
接着，在第一ACTASS控制器100(第一控制值计算单元、第一控制单元)中，通过后述的控制算法，根据目标吸入空气量Gcyl_cmd，计算目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms，同时在第一从值计算部110(第二控制值计算单元、第一控制单元)中，通过后述的表检索，根据目标凸轮相位Cain_cmd，计算目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl。
进而，通过目标气门升程计算部111将目标气门升程Liftin_cmd计算为其主值Liftin_cmd_ms和从值Liftin_cmd_sl之和。然后，在气门升程控制器120(控制输入计算单元)中，通过后述的控制算法，根据目标气门升程Liftin_cmd以及气门升程Liftin，计算作为对气门升程可变机构50的控制输入的升程控制输入Uliftin。
另一方面，在第二ACTASS控制器200(第一控制值计算单元、第二控制单元)中，通过后述的控制算法，根据目标吸入空气量Gcyl_cmd计算目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms，同时在第二从值计算部210(第二控制值计算单元、第二控制单元)中，通过后述的表检索，根据目标气门升程Liftin_cmd，计算目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl进而，通过目标凸轮相位计算部211，将目标凸轮相位Cain_cmd计算为其主值Cain_cmd_ms和从值Cain_cmd_sl之和。然后，在凸轮相位控制器220(控制输入计算单元)中，通过后述的控制算法，根据目标凸轮相位Cain_cmd以及凸轮相位Cain，计算作为对凸轮相位可变机构70的控制输入的相位控制输入Ucain。
此外，通过主/从选择部230(控制选择单元)，如后所述地，根据目标气门升程Liftin_cmd或目标凸轮相位Cain_cmd，选择出第一ACTASS控制器100中的目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms的计算算法，同时选择第二ACTASS控制器200中的目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms的计算算法。
另外，在本实施方式中，目标凸轮相位Cain_cmd相当于第一控制值、第二控制值、第二负荷参数、表示凸轮相位控制的状态的参数以及凸轮相位控制值。此外，目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms相当于反馈控制值以及凸轮相位反馈控制值，目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl相当于第二控制值以及凸轮相位设定值。
进而，目标气门升程Liftin_cmd相当于第一控制值、第二控制值、第二负荷参数、表示气门升程控制的状态的参数以及气门升程控制值。此外，目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms相当于反馈控制值以及气门升程反馈控制值，目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl相当于第二控制值以及气门升程设定值。
接着，参照图18说明前述的第一ACTASS控制器100。该第一ACTASS控制器100通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法[图19所示的式(2)～(7)]，计算目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms，具有目标值滤波器101、滑模控制器102以及自适应干扰观测器108。
在该目标值滤波器101中，通过图19的式(2)所示的一阶延迟滤波算法，计算目标吸入空气量的滤波值Gcyl_cmd_f。在该式(2)中，POLE_f是目标值滤波设定参数，被设定为使-1＜POLE_f＜0的关系成立的值。
接着，说明滑模控制器102。该滑模控制器102通过以下叙述的滑模控制算法，计算目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms，具有等效控制输入计算部103、追随误差计算部104、切换函数计算部105、趋近率输入计算部106以及主值计算部107。
首先，在等效控制输入计算部103中，通过图19的式(4)，计算等效控制输入Ueq。在该式(4)中，POLE是后述的切换函数设定参数，a1、a2、b1、b2是后述的模型的模型参数，c1表示通过自适应干扰观测器108如后述地计算出的干扰估计值。
此外，在追随误差计算部104中，通过图19的式(7)计算追随误差Egc，在切换函数计算部105中，通过图19的式(6)计算切换函数σ。在该式(6)中，切换函数设定参数POLE被设定为使-1＜POLE＜0的关系成立的值。
进而，在趋近率输入计算部106中，通过图19的式(5)计算趋近率输入Urch。在该式(5)中，Krch是趋近率增益，被设定为预定值。然后，在主值计算部107中，通过式(3)计算目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms。
如上，在滑模控制器102中，通过图19的式(3)～(7)的滑模控制算法，计算目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms。另外，这些式(3)～(7)如下地进行推导。
首先，将设备112(参照图18)定义为以目标气门升程Liftin_cmd作为输入、以实际吸入空气量Gcyl作为输出的系统，同时模型化为离散时间系统模型时，得到图19所示的式(8)。在该式(8)中，a1、a2、b1、b2表示模型参数，它们被设定为预定值。
该式(8)表示目标气门升程Liftin_cmd和实际吸入空气量Gcyl之间的动态特性的关系，但由于两者的动态特性的关系、作为目标气门升程Liftin_cmd的反馈成分的主值Liftin_cmd_ms和实际吸入空气量Gcyl的动态特性的关系可认为实质上相同，所以将该式(8)的目标气门升程Liftin_cmd置换为目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms时，推导出图19的式(9)的模型。进而，根据该模型，应用滑模控制算法，使得实际吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量的滤波值Gcyl_cmd_f时，推导出上述的图19的式(3)～(7)。
另一方面，在自适应干扰观测器108中，如以下所叙述的那样，计算干扰估计值c1，同时通过所述主/从选择部230，根据目标气门升程Liftin_cmd或目标凸轮相位Cain_cmd选择其计算算法。
即，如前所述，在吸入空气量控制中，在升程主模式时，由图20的式(10)～(14)的辨识算法计算干扰估计值c1。在该式(10)中，Pdov表示预定的辨识增益，e_dov表示辨识误差。该辨识误差e_dov由式(11)计算。此外，该式(11)的Gcyl_hat是实际吸入空气量Gcyl的辨识值，由式(12)计算。该式(12)的θ是如式(13)这样表示其转置矩阵的矢量，ζ是如式(14)这样表示其转置矩阵的矢量。
另一方面，在相位主模式时，通过图20的式(15)计算干扰估计值c1。参照该式(15)可知，将由该式(15)计算出的干扰估计值c1应用于所述式(4)时，Ueq＝-Urch，其结果是，作为气门升程控制中的反馈成分的目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms成为值0。即，相位主模式时，Liftin_cmd＝Liftin_cmd_sl。
如上，在第一ACTASS控制器100中，在吸入空气量的控制模式为升程主模式时，目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms由升程主模式用算法[式(2)～(7)、(10)～(14)]计算，在相位主模式中，由相位主模式用算法[式(2)～(7)、(15)]计算。
这样，目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms由升程主模式用算法计算时，通过上述滤波型2自由度滑模控制算法，实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的追随性以及干扰抑制能力都可以高水平地得到确保。特别是，通过在-1＜POLE_f＜0的范围内任意地设定目标值滤波设定参数POLE_f，可以自由地指定追随性，同时通过在-1＜POLE＜0的范围内任意地设定切换函数设定参数POLE，可以自由地指定干扰抑制能力。
参照图21具体地对其进行说明时，在表示该图的实际吸入空气量Gcyl的曲线中，实线所示的曲线表示将目标值滤波设定参数POLE_f以及切换函数设定参数POLE都设定为接近于值0的值的情况，双点划线所示的曲线表示将目标值滤波设定参数POLE_f以及切换函数设定参数POLE都设定为接近于值-1的值的情况。
在该图中，比较目标吸入空气量Gcyl_cmd从值0开始变化以后(时刻t1以后)的两个曲线时，可知将目标值滤波设定参数POLE_f设定为接近于值0的值时与设定为接近于值-1的值时相比，实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的追随性提高。此外，比较施加干扰以后(时刻t2以后)的两个曲线时，可知将切换函数设定参数POLE设定为接近于值0的值时与设定为接近于值-1的值时相比，干扰抑制能力提高。
如上，通过将目标值滤波设定参数POLE_f在所述范围内设定为接近于值0的值，可以提高追随性，同时通过将切换函数设定参数POLE在所述范围内设定为接近于值0的值，可以提高干扰抑制能力。即，即使在发动机3的要求扭矩急剧变化时，也可以避免吸入空气量控制中的过冲以及振动行为。进而，由于使用2自由度滑模控制算法，所以可以单独地设定目标值滤波设定参数POLE_f以及切换函数设定参数POLE。由此，例如，即使将实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的追随性(收敛速度)设定得缓慢，以避免过冲的情况下，也可以确保高的干扰抑制能力。
接着，参照图22，说明前述的第二ACTASS控制器200。该第二ACTASS控制器200与所述第一ACTASS控制器100同样，通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法[图23所示的式(16)～(21)]，计算目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms，具有目标值滤波器201、滑模控制器202以及自适应干扰观测器208。
在该目标值滤波器201中，通过图23的式(16)、即与所述式(2)相同的一阶延迟滤波算法，计算目标吸入空气量的滤波值Gcyl_cmd_f。
接着，说明滑模控制器202。该滑模控制器202与所述滑模控制器102同样，通过以下叙述的滑模控制算法，计算目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms，具有等效控制输入计算部203、追随误差计算部204、切换函数计算部205、趋近率输入计算部206以及主值计算部207。
首先，在等效控制输入计算部203中，通过图23的式(18)，计算等效控制输入Ueq’。在该式(18)中，POLE’是后述的切换函数设定参数，a1’、a2’、b1’、b2’是后述的模型的模型参数，c1’表示通过自适应干扰观测器208如后述地计算出的干扰估计值。
此外，在追随误差计算部204中，通过图23的式(21)、即与所述式(7)相同的式，计算追随误差Egc，在切换函数计算部205中，通过图23的式(20)计算切换函数σ’。在该式(20)中，切换函数设定参数POLE’被设定为使-1＜POLE’＜0的关系成立的值。
进而，在趋近率输入计算部206中，通过图23的式(19)计算趋近率输入Urch’。在该式(19)中，Krch’表示趋近率增益，被设定为预定值。然后，在主值计算部207中，通过式(17)计算目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms。
如上，在滑模控制器202中，通过图23的式(17)～(21)的滑模控制算法，计算目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms。另外，这些式(17)～(21)如下地进行推导。
首先，将设备212(参照图22)定义为以目标凸轮相位Cain_cmd作为输入、以实际吸入空气量Gcyl作为输出的系统，同时模型化为离散时间系统模型时，得到图23所示的式(22)。在该式(22)中，a1’、a2’、b1’、b2’表示模型参数，它们被设定为预定值。
将该式(22)的目标凸轮相位Cain_cmd置换为目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms时，推导出图23的式(23)的模型。进而，根据该模型，应用滑模控制算法，以使实际吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量的滤波值Gcyl_cmd_f时，推导出所述的式(17)～(21)。
另一方面，在自适应干扰观测器208中，如以下所叙述的那样，计算干扰估计值c1’，同时通过所述主/从选择部230，根据目标气门升程Liftin_cmd或目标凸轮相位Cain_cmd选择其计算算法。
即，在吸入空气量控制中，在相位主模式时，由图24的式(24)～(28)的辨识算法计算干扰估计值c1’。在该式(25)中，Pdov’表示预定的辨识增益，e_dov’表示辨识误差。该辨识误差e_dov’由式(25)计算。此外，该式(25)的Gcyl_hat’是实际吸入空气量Gcyl的辨识值，由式(26)计算。该式(26)的θ’是如式(27)这样表示其转置矩阵的矢量，ζ是如式(28)这样表示其转置矩阵的矢量。
另一方面，在升程主模式时，通过图24的式(29)计算干扰估计值c1’。参照该式(29)可知，将由该式(29)计算出的干扰估计值c1’应用于所述式(18)时，Ueq’＝-Urch’，其结果是，作为凸轮相位控制中的反馈成分的目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms成为值0。即，升程主模式时，Cain_cmd＝Cain_cmd_sl。
如上，在第二ACTASS控制器200中，在吸入空气量的控制模式为相位主模式时，目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms由相位主模式用算法[式(16)～(21)、(24)～(28)]计算，在升程主模式中，由升程主模式用算法[式(16)～(21)、(29)]计算。
这样，目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms由升程主模式用算法计算时，通过上述滤波型2自由度滑模控制算法，实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的追随性以及干扰抑制能力都可以高水平地得到确保。特别是，如前所述，通过在-1＜POLE_f＜0的范围内任意地设定目标值滤波设定参数POLE_f，可以自由地指定追随性，同时通过在-1＜POLE’＜0的范围内任意地设定切换函数设定参数POLE’，可以自由地指定干扰抑制能力。
接着，说明所述气门升程控制器120。该气门升程控制器120通过以下叙述的控制算法，计算升程控制输入Uliftin，以使气门升程Liftin收敛于目标气门升程Liftin_cmd，如图25所示，由状态预测器121、板上辨识器122以及2自由度滑模控制器123构成。
在该状态预测器121中，通过以下叙述的预测算法，计算作为气门升程Liftin的预测值的预测气门升程Pre_Liftin。
具体来说，使用图26所示的式(30)作为设备模型。在该式(30)中，dx表示由设备的特性确定的死区时间。此外，a1”、a2”、b1”、b2”表示模型参数，通过板上辨识器122，如后述地递推地进行辨识。进而，记号n表示离散化的时间，带有记号(n)的各离散数据表示是与比带有所述记号(k)的离散数据短的预定的控制周期ΔT2(例如2msec)同步地采样的数据。这一点在以下的其它离散数据中也是同样的，此外，在以下的说明中，适当省略表示是离散数据的记号(n)。另外，在本实施方式中，控制周期ΔT2相当于控制输入计算单元的计算周期。
接着，使用模型参数a1”、a2”、b1”、b2”如图26所示的式(31)、(32)这样定义矩阵A、B，同时通过将上述式(30)变形，得到图26所示的式(33)。
通过使用该式(33)，虽然可以计算预测气门升程Pre_Liftin，但由于模型阶数的不足或控制对象的非线性特性等，预测气门升程Pre_Liftin可能产生稳态偏差以及模型化误差。
为了避免于此，在本实施方式的状态预测器121中，代替式(33)，而通过图26所示的式(34)计算预测气门升程Pre_Liftin。该式(34)在式(33)的右边加入用于补偿稳态偏差以及模型化误差的补偿值γ1，同时将左边的Liftin置换为Pre_Liftin。
接着，说明板上辨识器122。该板上辨识器122通过以下叙述的递推型辨识算法，辨识所述式(34)中的模型参数的矩阵成分α1、α2、βj以及补偿值γ1的矢量θx。
具体来说，通过图27所示的式(35)～(40)计算矢量θx。该矢量θx的转置矩阵如该图的式(39)这样进行定义。此外，在式(35)中，KP表示增益系数的矢量，该增益系数的矢量KP由式(36)计算。该式(36)的P是由式(37)定义的dx+4阶的方阵，ζx是如式(40)这样定义其转置矩阵的矢量。进而，式(35)的辨识误差ide由式(38)计算。
在如上的辨识算法中，通过式(37)的权重参数λ1、λ2的设定，选择以下的四个辨识算法中的一个。
即，λ1＝1、λ2＝0；固定增益算法λ1＝1、λ2＝1；最小二乘法算法λ1＝1、λ2＝λ；递减增益算法λ1＝λ、λ2＝1；加权最小二乘法算法其中，λ是被设定为0＜λ＜1的预定值。
另外，在本实施方式中，为了同时最佳地确保辨识精度以及矢量θx向最佳值的收敛速度，采用了加权最小二乘法算法。
接着，说明2自由度滑模控制器(以下称为‘TDFSLD控制器’)123。在该TDFSLD控制器123中，如以下叙述的那样，通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法计算升程控制输入Uliftin，以使气门升程Liftin收敛于目标气门升程Liftin_cmd。
具体来说，基于所述式(30)的设备模型，与所述第一ACTASS控制器100同样，应用目标值滤波型2自由度滑模控制算法时，推导出图28所示的式(41)～(46)。在该图的式(41)中，Liftin_cmd_f表示目标气门升程的滤波值，POLE_f”是目标值滤波设定参数，被设定为使-1＜POLE_f”＜0的关系成立的值。
此外，等效控制输入Ueq”由式(43)计算。在该式(43)中，POLE”是切换函数设定参数，被设定为使-1＜POLE”＜0的关系成立的值。
进而，趋近率输入Urch”由式(44)计算。在该式(44)中，Krch”是预定的趋近率增益，Pre_σ”是由式(45)计算出的预测切换函数。此外，该式(45)的Pre_E_lf是追随误差，由式(46)计算。
如上，在该气门升程控制器120中，在状态预测器121中，通过加入了补偿值γ1的状态预测算法，计算预测气门升程Pre_Liftin，同时由板上辨识器122递推地辨识该补偿值γ1，所以可以在补偿所述稳态偏差以及模型化误差的同时，高精度地计算预测气门升程Pre_Liftin。
此外，在TDFSLD控制器123中，可以使气门升程Liftin收敛于目标气门升程Liftin_cmd，同时如前所述，可以通过切换函数设定参数P0LE”的设定来任意地指定其收敛行为以及收敛速度。进而，通过将补偿值γ1包含到等效控制输入Ueq”的计算式(43)中，还可以提高干扰抑制能力。
另外，第一ACTASS控制器100以及气门升程控制器120中的切换函数设定参数POLE、POLE”被设定为使-1＜POLE＜POLE”＜0的关系成立的值。由此，与第一ACTASS控制器100的控制相比，可以提高气门升程控制器120的控制的快速响应性，可以提高吸入空气量控制的稳定性即控制性。
进而，在气门升程控制器120中，使用与所述控制周期ΔT2同步地采样的数据来计算升程控制输入Uliftin。即，以短于目标气门升程Liftin_cmd的计算周期(即控制周期ΔT1)的周期ΔT2计算升程控制输入Uliftin。由此，可以使通过气门升程控制器120的控制实现的、气门升程Liftin向目标气门升程Liftin_cmd的收敛速度，比通过第一ACTASS控制器100的控制实现的、实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的收敛速度快，其结果是，可以进一步提高吸入空气量控制的稳定性即控制性。
接着，说明所述的凸轮相位控制器220。该凸轮相位控制器220与所述气门升程控制器120同样，通过以下叙述的控制算法，计算相位控制输入Ucain，以使凸轮相位Cain收敛于目标凸轮相位Cain_cmd，如图29所示，由状态预测器221、板上辨识器222以及2自由度滑模控制器223构成。
在该状态预测器221中，通过与所述状态预测器121同样的预测算法、即图30的式(51)，计算作为凸轮相位Cain的预测值的预测凸轮相位Pre_Cain。该式(51)如下地进行推导。即，使用图30所示的式(47)作为设备模型。在该式(47)中，dy表示由设备的特性确定的死区时间。此外，a1*、a2*、b1*、b2*表示模型参数，通过板上辨识器222，如后述地递推地辨识。
接着，使用模型参数a1*、a2*、b1*、b2*如图30所示的式(48)、(49)这样定义矩阵A、B，同时通过将上述式(47)变形，得到图30所示的式(50)。进而，如前所述，在式(50)的右边加入用于补偿稳态偏差以及模型化误差的补偿值γ1*，同时将左边的Cain置换为Pre_Cain，从而推导出图30的式(51)。
接着，说明板上辨识器222。在该板上辨识器222中，通过与所述板上辨识器122同样的递推型辨识算法，辨识所述式(51)中的模型参数的矩阵成分α1*、α2*、βj*以及补偿值γ1*的矢量θ*。
具体来说，通过图31所示的式(52)～(57)计算矢量θ*。该矢量θ*的转置矩阵如该图的式(56)这样定义。此外，在式(52)中，KP*表示增益系数的矢量，该增益系数的矢量KP*由式(53)计算。该式(53)的P*是由式(54)定义的dy+4阶的方阵，ζ*是如式(57)这样定义其转置矩阵的矢量。进而，式(52)的辨识误差ide*由式(55)计算。
在如上的辨识算法中，如前所述，通过式(54)的权重参数λ1*、λ2*的设定，可选择固定增益算法、最小二乘法算法、递减增益算法以及加权最小二乘法算法中的任意一种，在本实施方式中，由于上述的原因，采用加权最小二乘法算法。
接着，说明2自由度滑模控制器(以下称为‘TDFSLD控制器’)223。在该TDFSLD控制器223中，如以下叙述的那样，通过目标值滤波型2自由度滑模控制算法计算相位控制输入Ucain，以使凸轮相位Cain收敛于目标凸轮相位Cain_cmd。
具体来说，基于所述式(47)的设备模型，应用与所述TDFSLD控制器123同样的目标值滤波型2自由度滑模控制算法时，推导出图32所示的式(58)～(63)。在该图的式(58)中，Cain_cmd_f表示目标凸轮相位的滤波值，POLE_f*是目标值滤波设定参数，被设定为使-1＜POLE_f*＜0的关系成立的值。
此外，等效控制输入Ueq*由式(60)计算。在该式(60)中，POLE*是切换函数设定参数，被设定为使-1＜POLE*＜0的关系成立的值。
进而，趋近率输入Urch*由式(61)计算。在该式(61)中，Krch*是预定的趋近率增益，Pre_σ*是由式(62)计算出的预测切换函数。此外，该式(62)的Pre_E_ca*是追随误差，由式(63)计算。
如上，在该凸轮相位控制器220中，在状态预测器221中，通过加入了补偿值γ1*的状态预测算法，计算预测凸轮相位Pre_Cain，同时由板上辨识器222递推地辨识该补偿值γ1*，所以可以在补偿所述稳态偏差以及模型化误差的同时，高精度地计算预测凸轮相位Pre_Cain。
此外，在TDFSLD控制器223中，可以使凸轮相位Cain收敛于目标凸轮相位Cain_cmd，同时如前所述，可以通过切换函数设定参数POLE*的设定来任意地指定其收敛行为以及收敛速度。进而，通过将补偿值γ1*包含到等效控制输入Ueq*的计算式(60)中，还可以提高干扰抑制能力。
另外，第二ACTASS控制器200以及凸轮相位控制器220中的切换函数设定参数POLE’、POLE*被设定为使-1＜POLE’＜POLE*＜0的关系成立的值。由此，与第二ACTASS控制器200的控制相比，可以提高凸轮相位控制器220的控制的快速响应性，可以提高吸入空气量控制的稳定性即控制性。
进而，在凸轮相位控制器220中，使用与所述控制周期ΔT2同步地采样的数据来计算相位控制输入Ucain。即，以短于目标凸轮相位Cain_cmd的计算周期(即控制周期ΔT1)的周期ΔT2计算相位控制输入Ucain。由此，可以使通过凸轮相位控制器220的控制实现的、凸轮相位Cain向目标凸轮相位Cain_cmd的收敛速度，比通过第二ACTASS控制器200的控制实现的、实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的收敛速度快，其结果是，可以进一步提高吸入空气量控制的稳定性即控制性。
以下，参照图33说明由ECU 2执行的发动机控制中的主要的控制处理。如该图(a)所示，在步骤1(在图中略为‘S1’。以下相同)中，以所述控制周期ΔT1执行吸入空气量控制处理。在该处理中，如后所述，计算目标气门升程Liftin_cmd以及目标凸轮相位Cain_cmd等。
此外，如该图(b)所示，在步骤2、3中，如后述地计算升程控制输入Uliftin以及相位控制输入Ucain。由于上述的原因，这些计算处理以短于控制周期ΔT1的控制周期ΔT2(＜ΔT1)执行。
进而，如该图(c)所示，在步骤4、5中，与TDC信号的产生定时同步地分别执行燃料控制处理以及点火正时控制处理。在该燃料控制处理中，省略其详细的说明，根据发动机3的运转状态计算燃料喷射阀12的燃料喷射量TOUT。此外，在点火正时控制处理中，如后所述，计算点火正时Iglog。
接着，参照图34说明所述吸入空气量控制处理。如该图所示，在该程序中，首先，在步骤10中，判断进气动阀机构故障标志F_VLVNG是否为‘1’。该进气动阀机构故障标志F_VLVNG在可变式进气动阀机构40发生故障时被设定为‘1’，在正常时被设定为‘0’。
其判断结果为“是”、可变式进气动阀机构40发生故障时，就此结束本程序。另一方面，其判断结果为“否”、可变式进气动阀机构40为正常时，进至步骤11，判断发动机起动标志F_ENGSTART是否为‘1’。在未图示的判断处理中，根据发动机转速NE以及IG·SW 29的输出状态来判断是否处于发动机起动控制中即起动动作(cranking)中，由此设定该发动机起动标志F_ENGSTART，具体来说，在发动机起动控制中时设定为‘1’，在别的时候设定为‘0’。
在步骤11的判断结果为“是”、处于发动机起动控制中时，进至步骤12，根据发动机水温TW，通过检索图35所示的表，计算目标吸入空气量的起动时用值Gcyl_cmd_crk。如该图所示，在该表中，发动机水温TW越高，则将目标吸入空气量的起动时用值Gcyl_cmd_crk设定为越小的值。这是由于发动机水温TW越高，则发动机3越容易起动，从而可以同时减小吸入空气量以及燃料喷射量。
接着，进至步骤13，在将目标吸入空气量Gcyl_cmd设定为上述起动时用值Gcyl_cmd_crk之后，在步骤14中，通过所述式(1)，计算实际吸入空气量Gcyl。接着，进至步骤15，如后所述，在执行升程和相位控制处理之后，结束本程序。
另一方面，在步骤11的判断结果为“否”、不处于发动机起动控制中时，进至步骤16，判断作为从发动机3起动结束后的经过时间的催化剂预热控制执行时间Tcat是否小于预定值Tcatlmt(例如30sec)。该催化剂预热控制用于在发动机起动后快速活化催化装置16a、16b内的催化剂。
在该步骤16的判断结果为“是”、Tcat＜Tcatlmt时，进至步骤17，判断油门开度AP是否小于预定值APREF。该预定值APREF用于判断未踩下油门踏板的情况，被设定为可判断未踩下油门踏板的情况的值(例如1°)。
在该步骤17的判断结果为“是”、未踩下油门踏板时，视为应执行催化剂预热控制，进至步骤18，根据催化剂预热控制的执行时间Tcat以及发动机水温TW，通过检索图36所示的映射图，计算目标吸入空气量的催化剂预热用值Gcyl_cmd_ast。
在该图的映射图中，发动机水温TW的预定值TW1～TW3被设定为使TW1＜TW2＜TW3的关系成立。在该映射图中，发动机水温TW越低，则目标吸入空气量的催化剂预热用值Gcyl_cmd_ast被设定为越大的值。这是由于下述原因发动机水温TW越低，则催化剂的活化所需的时间越长，所以通过增大排气量，缩短催化剂的活化所需的时间。除此之外，在该映射图中，关于目标吸入空气量的催化剂预热用值Gcyl_cmd_ast，在催化剂预热控制的执行时间Tcat经过预定时间Tcat1的期间内，执行时间Tcat越长则被设定为越大的值，在经过预定时间Tcat1后，执行时间Tcat越长则被设定为越小的值。这是由于如下原因在随着执行时间Tcat的经过、由于发动机3的预热推进而摩擦力降低的情况下，如果不减小目标吸入空气量Gcyl_cmd，则为了将发动机转速NE维持在目标值而成为点火正时被过度地延迟控制的状态，导致燃烧状态不稳定，所以要避免该情况。
接着，进至步骤19，将目标吸入空气量Gcyl_cmd设定为上述催化剂预热用值Gcyl_cmd_ast。接着，在执行所述步骤14、15之后，结束本程序。
另一方面，在步骤16或步骤17的判断结果为“否”时，即Tcat≥Tcatlmt时，或未踩下油门踏板时，进至步骤20，根据油门开度AP以及发动机转速NE，通过检索图37所示的映射图来计算目标吸入空气量的通常运转用值Gcyl_cmd_drv。
在该图的映射图中，油门开度AP的预定值AP1～AP3被设定为使AP1＞AP2＞AP3的关系成立，该关系在以下的说明中也是同样的。在该映射图中，发动机转速NE越高或油门开度AP越大，则目标吸入空气量的通常运转用值Gcyl_cmd_drv被设定为越大的值。这是由于下述原因发动机转速NE越高或油门开度AP越大，则发动机3越处于高负荷域，从而要求更大的吸入空气量。
接着，进至步骤21，将目标吸入空气量Gcyl_cmd设定为上述通常运转值Gcyl_cmd_drv。接着，在执行所述步骤14、15之后，结束本程序。
接着，参照图38说明所述升程和相位控制处理。在该程序中，首先，在步骤30中，判断在上一循环中设定的升程主标志F_MSLIFT的值是否为‘1’。在其判断结果为“否”、前次的控制模式为相位主模式时，进至步骤31，判断偏差Δgcyl_cmd是否大于阈值Gcyl_acc。
该偏差Δgcyl_cmd被计算为目标吸入空气量的本次值和前次值之间的偏差[Gcyl_cmd(k)-Gcyl_cmd(k-1)]。此外，阈值Gcyl_acc是用于判断发动机3是否处于加速运转中的预定值。
在步骤31的判断结果为“是”、发动机3处于加速运转中时，在步骤32中，将目标凸轮相位的阈值Cain_mssw_lmt设定为预定的加速用值Cain_mssw1。另一方面，在步骤31的判断结果为“否”、发动机3处于减速运转中或匀速运转中时，即非加速运转中时，在步骤33中，将目标凸轮相位的阈值Cain_mssw_lmt设定为比上述加速用值Cain_mssw1小的预定的非加速用值Cain_mssw2(＜Cain_mssw1)。
在接着这些步骤32或步骤33的步骤34中，判断目标凸轮相位的前次值Cain_cmd(k-1)是否小于上述阈值Cain_mssw_lmt。在其判断结果为“否”、Cain_cmd(k-1)≥Cain_mssw_lmt时，视为处于应执行相位主模式的预定的低负荷域(预定的第一负荷域)，进至步骤35，将升程主标志FM_SLIFT设定为‘0’以表示该情况。
另一方面，在步骤34的判断结果为“是”、Cain_cmd(k-1)＜Cain_mssw_lmt时，视为处于应执行升程主模式的预定的高负荷域(预定的第二负荷域)，进至步骤36，将升程主标志F_MSLIFT设定为‘1’以表示该情况。
在接着这些步骤35或步骤36的步骤37中，如后所述，执行目标气门升程Liftin_cmd的计算处理。接着，在步骤38中，如后所述，执行目标凸轮相位Cain_cmd的计算处理之后，结束本程序。
另一方面，在步骤30的判断结果为“是”、前次的控制模式是升程主模式时，进至步骤39，判断目标气门升程的前次值Liftin_cmd(k-1)是否小于等于预定的阈值Liftin_mssw。在其判断结果为“是”、Liftin_cmd(k-1)≤Liftin_mssw时，视为处于应执行相位主模式的预定的低负荷域，在所述步骤35中，将升程主标志F_MSLIFT设定为‘0’。接着，执行所述步骤37、38之后，结束本程序。
另一方面，在步骤39的判断结果为“否”、Liftin_cmd(k-1)＞Liftin_mssw时，视为处于应执行升程主模式的预定的高负荷域，在所述步骤36中，将升程主标志F_MSLIFT设定为‘1’。接着，执行所述步骤37、38之后，结束本程序。
接着，参照图39说明所述目标气门升程Liftin_cmd的计算处理。在该程序中，首先，在步骤50中，与所述步骤30同样，判断偏差Δgcyl_cmd是否大于阈值Gcyl_acc。
在其判断结果为“是”、发动机3处于加速运转中时，进至步骤51，通过根据目标凸轮相位Cain_cmd对图40所示的加速时用表进行检索，计算目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl。另外，在该加速时用表的检索中，使用其前次值Cain_cmd(k-1)作为目标凸轮相位Cain_cmd。此外，该图中的Liftin_ref1是小于所述预定的阈值Liftin_mssw的预定值，Cain_ref1是被设定为使Cain_mssw1＜Cain_ref1＜Cainad的关系成立的预定值。
如该图所示，在该加速时用表中，从值Liftin_cmd_sl在Cain_cmd＜Cain_mssw1的范围内，被设定为所述预定的阈值Liftin_mssw，在Cain_cmd＞Cain_ref1的范围内，被设定为预定值Liftin_ref1，同时在Cain_mssw1≤Cain_cmd≤Cain_ref1的范围内，目标凸轮相位Cain_cmd越是超前侧的值，则越被设定为小的值。这是由于下述原因如前所述，在加速运转中，Cain_cmd≥Cain_mssw1时，控制模式被设定为相位主模式，所以目标凸轮相位Cain_cmd越是超前侧的值，即发动机负荷越小，则越将目标气门升程Liftin_cmd设定得小，由此控制可变式进气动阀机构40，使吸入空气量变小。
另一方面，在步骤50的判断结果为“否”、发动机3处于非加速运转中时，进至步骤52，根据目标凸轮相位Cain_cmd，通过检索图41所示的非加速时用表，计算目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl。另外，在该非加速时用表的检索中，仍使用其前次值Cain_cmd(k-1)，作为目标凸轮相位Cain_cmd。
如该图所示，在该非加速时用表中，从值Liftin_cmd_sl在Cain_cmd＜Cain_mssw2的范围内，被设定为预定的阈值Liftin_mssw，在Cain_cmd＞Cain_ref1的范围内，被设定为预定值Liftin_ref1，同时在Cain_mssw2≤Cain_cmd≤Cain_ref1的范围内，目标凸轮相位Cain_cmd越是最超前值Cainad侧的值，则越被设定为小的值。这是出于与所述图40的加速时用表的说明中所叙述的原因相同的原因。
进而，比较该非加速时用表和图40的加速时用表可知，关于从值Liftin_cmd_sl，在Cain_mssw2≤Cain_cmd≤Cain_ref1的范围内，加速时用表被设定为大于非加速时用表的值。这是由于下述原因在加速运转时，与非加速运转时相比，需要提高发动机扭矩控制的响应性，所以为了提高吸入空气量控制的响应性，在控制模式为相位主模式时，将向升程主模式的转移提前。
在接着步骤51或步骤52的步骤53中，判断升程主标志F_MSLIFT是否为‘1’。在其判断结果为“是”、是升程主模式时，进至步骤54，通过所述式(2)～(7)、(10)～(14)的升程主模式用算法，计算目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms。
另一方面，在步骤53的判断结果为“否”、是相位主模式时，进至步骤55，通过所述式(2)～(7)、(15)的相位主模式用算法，计算目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms。即，Liftin_cmd_ms被计算为值0。
在接着步骤54或步骤55的步骤56中，将目标气门升程Liftin_cmd设定为其主值和从值之和(Liftin_cmd_ms+Liftin_cmd_sl)后，结束本程序。
接着，参照图42说明所述目标凸轮相位Cain_cmd的计算处理。在其程序中，首先，在步骤60中，根据目标气门升程Liftin_cmd来检索图43所示的表，由此计算目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl。另外，在该表的检索中，使用其前次值Liftin_cmd(k-1)作为目标气门升程Liftin_cmd。此外，该图中的Liftin_ref2是大于所述预定的阈值Liftin_mssw的预定值，Cain_ref2是被设定为使Cainrt＜Cain_ref2＜Cain_mssw2的关系成立的预定值。
如该图所示，在该表中，从值Cain_cmd_sl在Liftin_cmd≤Liftin_mssw的范围内，被设定为预定值Cain_mssw2，在Liftin_cmd≥Liftin_ref2的范围内，被设定为预定值Cain_ref2，同时在Liftin_mssw＜Liftin_cmd＜Liftin_ref2的范围内，目标气门升程Liftin_cmd越大，则越被设定为滞后侧的值。这是由于如下原因如前所述，在Liftin_cmd＞Liftin_mssw时，控制模式被设定为升程主模式，所以目标气门升程Liftin_cmd越大，即发动机负荷越大，则将目标凸轮相位Cain_cmd设定为更为滞后侧的值，由此控制可变式进气动阀机构40，使吸入空气量变大。
接着，进至步骤61，判断升程主标志F_MSLIFT是否为‘1’。在其判断结果为“否”、是相位主模式时，进至步骤62，通过所述式(16)～(21)、(24)～(28)的相位主模式用算法，计算目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms。
另一方面，在步骤61的判断结果为“是”、是升程主模式时，进至步骤63，通过所述式(16)～(21)、(29)的升程主模式用算法，计算目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms。即，主值Cain_cmd_ms被计算为值0。
在接着步骤62或步骤63的步骤64中，将目标凸轮相位Cain_cmd设定为其主值和从值之和(Cain_cmd_ms+Cain_cmd_sl)后，结束本程序。
接着，说明所述升程控制输入Uliftin的计算处理。如图44所示，在其程序中，首先，在步骤70中，判断所述进气动阀机构故障标志F_VLVNG是否为‘1’。在其判断结果为“否”、可变式进气动阀机构40为正常时，进至步骤71，将升程偏差Poie_eliftin设定为气门升程和目标气门升程之间的偏差(Liftin-Liftin_cmd)。
接着，进至步骤72，根据该升程偏差Pole_eliftin来检索图45所示的表，由此计算目标值滤波设定参数POLE_f”。在该图中，Pole_f”1、Pole_f”2是被设定为使-1＜Pole_f”2＜Pole_f”1＜0的关系成立的预定值，Pole_eliftin1、Pole_eliftin2是被设定为使Pole_eliftin1＜Pole_eliftin2的关系成立的预定值。
如该图所示，在该表中，目标值滤波设定参数POLE_f”在Pole_eliftin＜Pole_eliftin1的范围内，被设定为预定值Pole_f”1，在Pole_eliftin＞Pole_eliftin2的范围内，被设定为预定值Pole_f”2，同时在Pole_eliftin1≤Pole_elifin≤Pole_eliftin2的范围内，升程偏差Pole_eliftin越大则越被设定为更接近于-1的值。这是基于以下原因。
即，如前所述，对于目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl，在加速运转中和非加速运转中检索相互不同的两个表，从而被设定为相互不同的值，所以发动机3的运转状态在加速状态和非加速状态之间转移时，有时在其转移前后，目标气门升程Lift_cmd急剧变化，在该情况下，被控制为追随目标气门升程Liftin_cmd的气门升程Liftin也急剧变化，吸入空气量急剧变化，从而导致扭矩级差等的产生。从而，为了避免这样的目标气门升程Liftin_cmd即气门升程Liftin的急剧变化，升程偏差Pole_eliftin越大，即气门升程Liftin和目标气门升程Liftin_cmd的乖离程度越大，则目标值滤波设定参数POLE_f”被设定为越接近于值-1的值。由此，可以避免目标气门升程的滤波值Liftin_cmd_f的急剧变化，其结果是，可以避免气门升程Liftin的急剧变化。
接着，进至步骤73，通过所述式(34)～(46)的控制算法计算出升程控制输入Uliftin之后，结束本程序。
另一方面，在步骤70的判断结果为“是”、可变式进气动阀机构40发生故障时，进至步骤74，将升程控制输入Uliftin设定为预定的故障时用值Uliftin_fs之后，结束本程序。该故障时用值Uliftin_fs被设定为将气门升程Liftin控制为预定的微小值的值(例如，在自动变速型的车辆中，为可缓速行驶的值)。
接着，说明所述相位控制输入Ucain的计算处理。如图46所示，在该程序中，首先，在步骤80中，判断所述进气动阀机构故障标志F_VLVNG是否为‘1’。在其判断结果为“否”、可变式进气动阀机构40为正常时，进至步骤81，将相位偏差Pole_ecain设定为凸轮相位和目标凸轮相位之间的偏差(Cain-Cain_cmd)。
接着，进至步骤82，根据该相位偏差Pole_ecain来检索图47所示的表，由此计算目标值滤波设定参数POLE_f*。在该图中，Pole_f*1、Pole_f*2是被设定为使-1＜Pole_f*2＜Pole_f*1＜0的关系成立的预定值，Pole_ecain1、Pole_ecain2是被设定为使Pole_ecain1＜Pole_ecain2的关系成立的预定值。
在该表中，目标值滤波设定参数POLE_f*在Pole_ecain＜Pole_ecain1的范围内被设定为预定值Pole_f*1，在Pole_ecain＞Pole_ecain2的范围内被设定为Pole_f*2，同时在Pole_ecain1≤Pole_ecain≤Pole_ecain2的范围内，相位偏差Pole_ecain越大则越被设定为更接近于-1的值。这是基于以下原因。
即，如前所述，在发动机3的运转状态从非加速状态转移到加速状态时，有时在其转移前后，目标气门升程Liftin_cmd急剧变化，在该情况下，根据目标气门升程Liftin_cmd设定目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl，所以目标凸轮相位Cain_cmd也急剧变化，因此被控制为追随其的凸轮相位Cain也急剧变化。其结果是，有时由于吸入空气量急剧变化而产生扭矩级差等。为了避免该情况，升程偏差Pole_ecain越大，即凸轮相位Cain和目标凸轮相位Cain_cmd之间的乖离程度越大，则目标值滤波设定参数POLE_f*被设定为越接近于值-1的值。由此，可以避免从非加速状态转移到加速状态时目标凸轮相位Cain_cmd的急剧变化，其结果是，可以避免凸轮相位Cain的急剧变化。
接着，进至步骤83，通过所述式(51)～(63)的控制算法计算出相位控制输入Ucain之后，结束本程序。
另一方面，在步骤80的判断结果为“是”、可变式进气动阀机构40发生故障时，进至步骤84，将相位控制输入UCain设定为预定的故障时用值Ucain_fs之后，结束本程序。该故障时用值Ucain_fs被设定为将凸轮相位Cain控制为最滞后值Cainrt的值。
接着，参照图48说明所述点火正时控制处理。如该图所示，在其程序中，首先，在步骤90中，如前所述，判断进气动阀机构故障标志F_VLVNG是否为‘1’。在其判断结果为“否”、可变式进气动阀机构40为正常时，进至步骤91，判断发动机起动标志F_ENGSTART是否为‘1’。
在其判断结果为“是”、处于发动机起动控制中时，进至步骤92，将点火正时Iglog设定为预定的起动时用值Ig_crk(例如BTDC 10deg)之后，结束本程序。
另一方面，在步骤91的判断结果为“否”、不处于发动机起动控制中时，进至步骤93，如前所述，判断催化剂预热控制的执行时间Tcat是否小于所述预定值Tcatlmt。在该判断结果为“是”、Tcat＜Tcatlmt时，进至步骤94，如前所述，判断油门开度AP是否小于预定值APREF。
在其判断结果为“是”、未踩下油门踏板时，视为应进行催化剂预热控制，进至步骤95，计算催化剂预热用值Ig_ast。具体来说，该催化剂预热用值Ig_ast通过图49所示的式(64)～(66)的响应指定型控制算法(滑模控制算法或反向步进(back stepping)控制算法)计算。
另外，式(64)～(66)中的带有记号(m)的各离散数据表示是与TDC信号的输入同步地采样(或计算)的数据，记号m表示各离散数据的采样周期的序号。另外，在以下的说明中，适当省略各离散数据中的记号(m)。
在该图的式(64)中，ig_ast_base表示预定的催化剂预热用的基准点火正时(例如BTDC 5deg)，Krch#、Kadp#表示反馈增益。此外，σ#是由式(65)、(66)计算的切换函数。在该式(65)中，POLE#是被设定为使-1＜POLE#＜0的关系成立的响应指定参数，Enast是由式(66)计算的追随误差。在式(66)中，NE_ast是预定的催化剂预热用的目标转速(例如1800rpm)。通过以上的控制算法，催化剂预热用值Ig_ast被计算为使发动机转速NE收敛于上述催化剂预热用的目标转速NE_ast的值。
接着，进至步骤96，将点火正时Iglog设定为上述催化剂预热用值Ig_ast之后，结束本程序。
另一方面，在步骤93或步骤94的判断结果为“否”时，即Tcat≥Tcatlmt时，或踩下了油门踏板时，进至步骤97，根据油门开度AP以及发动机转速NE，通过检索图50所示的映射图，计算通常运转用值Ig_drv。
在该映射图中，油门开度AP越大，则通常运转用值Ig_drv被设定为超前程度越小的值。这是由于油门开度AP越大则发动机3越处于高负荷域，从而容易发生爆震(knocking)，所以要避免该情况。除此以外，对于通常运转用值Ig_drv，在低转速域中，发动机转速NE越高则越被设定为超前程度大的值，在高转速域中，发动机转速NE越高则越被设定为超前程度小的值。这是由于在低转速域中，难以发生爆震，所以发动机转速NE越高则将点火正时设定为超前程度越大的值，从而提高燃烧气体温度，提高燃烧效率。另一方面，在高转速域中，容易发生爆震，所以发动机转速NE越高则将点火正时设定为超前程度越小的值，从而避免爆震的发生。
接着，进至步骤98，在将点火正时Iglog设定为上述通常运转用值Ig_drv之后，结束本程序。
另一方面，在步骤90的判断结果为“是”、可变式进气动阀机构40发生故障时，进至步骤99，计算故障时用值Ig_fs。具体来说，该故障时用值Ig_fs通过图49所示的式(67)～(69)的响应指定型控制算法(滑模控制算法或反向步进控制算法)来计算。
在该图的式(67)中，ig_fs_base表示预定的故障时用的基准点火正时(例如TDC+0deg)，Krch##、Kadp##表示反馈增益。此外，σ##是由式(68)、(69)计算的切换函数。在该式(68)中，POLE##是被设定为使-1＜POLE##＜0的关系成立的响应指定参数，Enfs是由式(69)计算的追随误差。在式(69)中，NE_fs是预定的故障时用的目标转速(例如2000rpm)。通过以上的控制算法，故障时用值Ig_fs被计算为使发动机转速NE收敛于上述故障时用的目标转速NE_fs的值。
接着，进至步骤100，将点火正时Iglog设定为上述故障时用值Ig_fs之后，结束本程序。
根据如上的本实施方式的吸入空气量控制装置1，通过将目标气门升程Liftin_cmd与预定的阈值Liftin_mssw进行比较，或通过将目标凸轮相位Cain_cmd与阈值Cain_mssw_lmt进行比较，选择升程主模式或相位主模式，作为吸入空气量控制的控制模式。具体来说，在Liftin_cmd＞Liftin_mssw时、或Cain_cmd≤Cain_mssw_lmt时，即发动机3的负荷在预定的高负荷域时，选择升程主模式，在别的时候，即发动机3的负荷在预定的低负荷域时，选择相位主模式。
在该升程主模式中，目标气门升程Liftin_cmd被计算为通过升程主模式用算法[式(2)～(7)、(10)～(14)]计算出的目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms和通过表检索来计算出的目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl之和，由此，进行控制使实际吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd。进而，将目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms设定为值0，同时，根据目标气门升程Liftin_cmd进行表检索来计算从值Cain_cmd_sl。这样，在发动机3的负荷处于预定的高负荷域而选择了升程主模式时，可以通过气门升程控制，将实际吸入空气量Gcyl控制为收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd，可以减小吸入空气量控制的死区时间，可以提高响应性。除此之外，根据目标气门升程Liftin_cmd设定目标凸轮相位Cain_cmd，即其从值Cain_cmd_sl，所以可以将凸轮相位Cain控制为不干涉这样的气门升程控制。即，在吸入空气量控制中的要求高的响应性的高负荷域中，可以避免凸轮相位控制和气门升程控制相互干涉，同时确保这样的高的响应性。
另一方面，在相位主模式中，目标凸轮相位Cain_cmd被计算为通过相位主模式用算法[式(16)～(21、(24)～(28))计算出的目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms和通过表检索而计算出的目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl之和，由此，控制为使实际吸入空气量Gcyl收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd。进而，将目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms设定为值0，同时，根据目标凸轮相位Cain_cmd进行表检索来计算从值Liftin_cmd_sl。这样，在发动机3的负荷处于预定的低负荷域而选择相位主模式时，可以通过凸轮相位控制，将实际吸入空气量Gcyl控制为收敛于目标吸入空气量Gcyl_cmd，可以以微小的变化量非常细致地控制吸入空气量，可以提高控制精度。此外，根据目标凸轮相位Cain_cmd，设定目标气门升程Liftin_cmd，即其从值Liftin_cmd_sl，所以可以将气门升程Liftin控制为不干涉这样的凸轮相位控制。即，在吸入空气量控制中的要求高的控制精度的低负荷域中，可以避免凸轮相位控制和气门升程控制相互干涉，同时确保这样的高的控制精度。
此外，在图40、41的表中，将两者的关系设定为使目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl所产生的吸入空气量的增减方向与目标凸轮相位Cain_cmd所产生的吸入空气量的增减方向一致，同时在图43的表中，将两者的关系设定为使目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl所产生的吸入空气量的增减方向与目标气门升程Liftin_cmd所产生的吸入空气量的增减方向一致。由此，可以更可靠地避免凸轮相位控制和气门升程控制相互干涉。
进而，一般地，进气门4的打开定时更提前时，内部EGR量增大，燃烧速度降低。相对于此，在图40、41的表中，目标凸轮相位Cain_cmd越是超前侧的值，即进气门4的打开定时越是提前的值，则目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl被设定得越小，所以气门升程Liftin随着打开定时的提前而被控制得更小，从而可以增大缸内流动，由此，可以补偿如上的燃烧速度的降低，可以实现稳定的燃烧状态。进而，进气门4的打开定时更超前时，气门升程Liftin肯定被控制得小，所以在例如应用于进气门4和排气门7同时处于打开状态时相互抵接的设计的发动机的情况下，可以可靠地避免这样的抵接。
此外，与目标凸轮相位Cain_cmd进行比较的阈值Cain_mssw_lmt在发动机3的加速运转中被设定为比非加速运转中小的值，所以Cain_cmd≤Cain_mssw_lmt容易成立，从而迅速地执行从相位主模式向升程主模式的切换。即，在发动机3的加速运转中、发动机负荷高的状态下，可以相应地迅速地进行向升程主模式的转移，由此，可以迅速且适当地确保吸入空气量控制中的高响应性。
进而，在发动机3的加速运转中，目标气门升程Liftin_cmd的从值Liftin_cmd_sl被设定为比非加速运转中大的值，所以在步骤39中，Liftin_cmd＞Liftin_mssw容易成立，从而在控制模式为升程主模式的情况下，维持升程主模式的区域扩大。由此，在发动机3处于加速运转中、发动机负荷高的状态下，可以相应地扩大执行升程主模式的区域，由此，可以迅速且适当地确保吸入空气量控制中的高响应性。此外，由于相同的原因，在步骤60中，在加速运转中，目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl被设定为比非加速运转中小的值，从而在步骤34中，Cain_cmd≤Cain_mssw_lmt容易成立，因此如上所述，迅速地执行从相位主模式向升程主模式的切换。
此外，在吸入空气量的控制模式为升程主模式时，目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms被设定为值0，在相位主模式时，目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms被设定为值0，所以例如在控制模式从相位主模式切换为升程主模式时，其切换前的气门升程的主值Liftin_cmd_ms被设定为值0，因此在切换后使用值0作为其初始值，由此可以避免目标气门升程Liftin_cmd急剧变化。与此相反，在控制模式从升程主模式向相位主模式切换时，也在切换后，使用值0作为目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms的初始值，由此可以避免目标凸轮相位Cain_cmd急剧变化。如上，可以避免控制模式的切换前后的吸入空气量的控制状态的急剧变化，由此，可以避免扭矩级差等的产生。
进而，两个主值Liftin_cmd_ms、Cain_cmd_ms均通过所述目标值滤波型2自由度控制算法来计算，所以可以通过目标值滤波算法适当地设定实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的收敛速度，同时可以通过滑模控制算法适当地设定实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的收敛行为。
此外，目标凸轮相位Cain_cmd以及目标气门升程Liftin_cmd的计算周期即控制周期ΔT1被设定为将吸入空气量的动态特性适当地反映到设备模型[式(8)、(22)]中的预定的值，所以通过目标凸轮相位Cain_cmd以及目标气门升程Liftin_cmd，可以高精度地控制吸入空气量的过渡变化。此外，由于升程控制输入Uliftin以及相位控制输入Ucain的计算周期即控制周期ΔT2被设定为比目标气门升程Liftin_cmd以及目标凸轮相位Cain_cmd的计算周期ΔT1短的值，所以通过气门升程控制器120的控制实现的气门升程Liftin向目标气门升程Liftin_cmd的收敛速度、以及通过凸轮相位控制器220的控制实现的凸轮相位Cain向目标凸轮相位Cain_cmd的收敛速度可以比通过第一和第二ACTASS控制器100、200的控制实现的实际吸入空气量Gcyl向目标吸入空气量Gcyl_cmd的收敛速度快，由此，可以进一步提高吸入空气量控制的稳定性即控制性。
另外，在第一和第二ACTASS控制器100、200中，也可以代替式(2)～(7)、(10)～(15)以及式(16)～(21)、(24)～(29)的控制算法，而通过图51所示的式(70)～(77)以及图52所示的式(78)～(85)的简易型的目标值滤波型2自由度滑模控制算法，计算目标气门升程以及目标凸轮相位的主值Liftin_cmd_ms、Cain_cmd_ms。另外，式(71)中的Uadp是由式(73)计算的自适应律输入，式(73)的Kadp是反馈增益。与此相同，式(79)中的Uadp’是通过式(81)计算的自适应律输入，式(81)的Kadp’是反馈增益。
在该情况下，对于目标气门升程的主值Liftin_cmd_ms，在升程控制模式时，由式(70)～(74)、(76)、(77)计算，在相位主模式时，由式(70)～(73)、(75)～(77)计算为值0。进而，对于目标凸轮相位的主值Cain_cmd_ms，在相位主模式时，由式(78)～(82)、(84)、(85)计算，在升程主模式时，由式(78)～(81)、(83)～(85)计算为值0。在使用了以上的式(70)～(77)以及式(78)～(85)的简易型的目标值滤波型2自由度滑模控制算法的情况下，不必计算所述干扰估计值c1、c1’，不需要自适应干扰观测器108、208，所以相应地可以减小ECU 2的运算负荷。
如图53所示，可知，使用了式(70)～(77)以及式(78)～(85)的简易型的目标值滤波型2自由度滑模控制算法的情况下，也可将实际吸入空气量Gcyl控制为追随目标吸入空气量Gcyl_cmd。可知，特别是在目标吸入空气量Gcyl_cmd被设定为大的值的情况下，即发动机负荷高的情况下，通过选择升程主模式作为控制模式，针对目标吸入空气量Gcyl_cmd的大的变化，提高了实际吸入空气量Gcyl的追随性。
另一方面，可知，在目标吸入空气量Gcyl_cmd被设定为小的值的情况下，即发动机负荷低的情况下，通过选择相位主模式作为控制模式，可以将气门升程Liftin的变化量ΔLiftin[＝Liftin(k)-Liftin(k-1)]控制为小的值。由此，可知，以微小的值控制吸入空气量时，也可以避免气门升程可变机构50的个体间的偏移或老化的影响。
另外，实施方式是把根据目标气门升程Liftin_cmd进行表检索来计算目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl的算法作为控制凸轮相位Cain的预定的第一控制算法的例子，但预定的第一控制算法不限于此，为了辅助气门升程控制，只要是控制凸轮相位Cain的算法即可。例如，也可以是根据表示发动机转速NE以及油门开度AP等的发动机负荷的参数进行映射图检索或表检索来计算目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl的算法。
此外，实施方式是把根据目标凸轮相位Cain_cmd进行表检索来计算目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl的算法作为控制气门升程Liftin的预定的第二控制算法的例子，但预定的第二控制算法不限于此，为了辅助凸轮相位控制，只要是控制气门升程Liftin的算法即可。例如，也可以是根据表示发动机转速NE以及油门开度AP等的发动机负荷的参数进行映射图检索或表检索来计算目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl的算法。
进而，实施方式是使用目标值滤波型2自由度控制算法作为2自由度控制算法的例子，但2自由度控制算法不限于此，只要是包含反馈控制算法的算法即可。例如，也可以使用反馈补偿型2自由度控制算法作为2自由度控制算法。
此外，实施方式是分别使用了目标凸轮相位Cain_cmd和目标气门升程Liftin_cmd作为表示凸轮相位以及气门升程的控制状态的参数的例子，但也可以代替它们而使用凸轮相位Cain和气门升程Liftin。具体来说，也可以代替图40、41的表，通过检索根据凸轮相位Cain设定了从值Liftin_cmd_sl的表来计算目标气门升程的从值Liftin_cmd_sl，同时代替图43的表，通过检索根据气门升程Liftin设定了从值Cain_cmd_sl的表来计算目标凸轮相位的从值Cain_cmd_sl。进而，还可以通过检索根据发动机转速NE、油门开度AP、目标吸入空气量Gcyl_cmd以及实际吸入空气量Gcyl中的一个参数设定的表或根据两个参数设定的映射图，计算这些从值Liftin_cmd_sl、Cain_cmd_sl。
进而，实施方式是使用了发动机转速NE和油门开度AP(或目标吸入空气量Gcyl_cmd)作为负荷参数及第一负荷参数的例子，但负荷参数和第一负荷参数不限于此，只要是表示发动机3的负荷的参数即可。例如，也可以使用实际吸入空气量Gcyl等作为负荷参数以及第一负荷参数。
此外，实施方式是使用目标气门升程Liftin_cmd和目标凸轮相位Cain_cmd作为第二负荷参数的例子，但第二负荷参数不限于此，只要是表示发动机3的负荷的参数即可。例如，作为第二负荷参数，也可以使用气门升程Liftin和凸轮相位Cain，进而也可以使用发动机转速NE、油门开度AP、目标吸入空气量Gcyl_cmd以及实际吸入空气量Gcyl等。
进而，也可以在步骤34的判断中，比较凸轮相位Cain和预定值Cain_mssw_imt，在步骤39的判断中，比较气门升程Liftin和预定的阈值Liftin_mssw。
进而，判断发动机3是否处于加速状态的方法不限于将偏差Δgcyl_cmd与预定值Gcyl_acc进行比较的实施方式的例子(步骤31)，只要是可以判断发动机3是否处于加速状态的方法即可。例如，也可以在实施方式的步骤31中，将实际吸入空气量Gcyl的本次值和前次值之间的偏差与预定值进行比较。
此外，也可以在第一和第二ACTASS控制器100、200的控制算法中，与气门升程控制器120以及凸轮相位控制器220同样，附加状态预测器以及板上辨识器，或者还可以附加参数调度器等。
进而，实施方式是使用可无级地(连续地)改变气门升程的机构作为气门升程可变机构的例子，但气门升程可变机构不限于此，只要是可改变气门升程的机构即可。例如，作为气门升程可变机构，也可以使用可多级地改变气门升程的机构。
此外，实施方式是使用可无级地(连续地)改变凸轮相位的机构作为凸轮升程可变机构的例子，但凸轮相位可变机构不限于此，只要是可改变凸轮相位的机构即可。例如，作为凸轮升程可变机构，也可以使用可多级地改变凸轮相位的机构。
工业上的可利用性本发明的吸入空气量控制装置不限于实施方式的车辆用的内燃机，可以应用于船舶等的各种工业机械用的内燃机。
权利要求
1.一种内燃机的吸入空气量控制装置，通过凸轮相位可变机构可变地控制用于开闭进气门的进气凸轮轴相对于曲轴的凸轮相位，同时通过气门升程可变机构可变地控制所述进气门的气门升程，从而控制吸入到气缸内的吸入空气量，其特征在于，具有目标吸入空气量设定单元，其根据表示所述内燃机的负荷的负荷参数，设定作为所述吸入空气量控制的目标的目标吸入空气量；吸入空气量检测单元，其检测所述吸入空气量；第一控制值计算单元，其计算第一控制值，该第一控制值用于控制所述凸轮相位以及所述气门升程中的一方，以使该检测出的吸入空气量收敛于所述目标吸入空气量；以及第二控制值计算单元，其基于由该第一控制值计算单元计算出的第一控制值，计算用于控制所述凸轮相位以及所述气门升程中的另一方的第二控制值。
2.如权利要求1所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述第一控制值包含用于使所述吸入空气量收敛于所述目标吸入空气量的反馈控制值，所述第一控制值单元通过2自由度控制算法计算该反馈控制值。
3.如权利要求1或2所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，还具有控制输入计算单元，其根据所述第一控制值，计算对所述凸轮相位可变机构以及所述气门升程可变机构中的一方的控制输入，同时根据所述第二控制值，计算对所述凸轮相位可变机构以及所述气门升程可变机构中的另一方的控制输入，所述第一控制值计算单元以及所述第二控制值计算单元的计算周期被设定得比所述控制输入计算单元的计算周期长。
4.一种内燃机的吸入空气量控制装置，通过凸轮相位可变机构可变地控制用于开闭进气门的进气凸轮轴相对于曲轴的凸轮相位，同时通过气门升程可变机构可变地控制所述进气门的气门升程，从而控制吸入到气缸内的吸入空气量，其特征在于，具有目标吸入空气量设定单元，其根据表示所述内燃机的负荷的第一负荷参数，设定作为所述吸入空气量控制的目标的目标吸入空气量；吸入空气量检测单元，其检测所述吸入空气量；第一控制单元，其控制所述气门升程，以使该检测出的吸入空气量收敛于所述目标吸入空气量，同时通过预定的第一控制算法控制所述凸轮相位，以辅助该气门升程控制；第二控制单元，其控制所述凸轮相位，以使所述检测出的吸入空气量收敛于所述目标吸入空气量，同时通过预定的第二控制算法控制所述气门升程，以辅助该凸轮相位控制；以及控制选择单元，其根据表示所述内燃机的负荷的第二负荷参数，选择所述第一控制单元以及所述第二控制单元中的一方，同时执行该选择的一方的控制。
5.如权利要求4所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述第一控制单元的所述预定的第一控制算法是根据所述气门升程的控制状态控制所述凸轮相位的算法，所述第二控制单元的所述预定的第二控制算法是根据所述凸轮相位的控制状态控制所述气门升程的算法。
6.如权利要求4或5所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述控制选择单元在由所述第二负荷参数表示的所述内燃机的负荷处于预定的第一负荷域内时，选择所述第二控制单元，在由所述第二负荷参数表示的所述内燃机的负荷处于比所述预定的第一负荷域高的预定的第二负荷域内时，选择所述第一控制单元。
7.如权利要求6所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述控制选择单元具有加速判断单元，其判断所述内燃机是否处于加速状态；负荷域判断单元，其在所述第二负荷参数小于预定的阈值时，判断为所述内燃机的负荷处于所述预定的第二负荷域内，在大于等于该预定的阈值时，判断为处于所述预定的第一负荷域内；以及阈值设定单元，其在由所述加速判断单元判断为所述内燃机处于加速状态时，将所述预定的阈值设定为比别的时候大的值。
8.如权利要求6所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述控制选择单元具有加速判断单元，其判断所述内燃机是否处于加速状态；第二负荷参数设定单元，其在由所述加速判断单元判断为所述内燃机处于加速状态时，将所述第二负荷参数设定为比别的时候大的值；以及负荷域判断单元，其在该设定的第二负荷参数小于等于预定的阈值时，判断为所述内燃机的负荷处于所述预定的第一负荷域内，在大于该预定的阈值时，判断为处于所述预定的第二负荷域内。
9.如权利要求4至8中的任意一项所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述第一控制单元以及所述第二控制单元分别具有凸轮相位控制值计算单元，其计算用于控制所述凸轮相位的凸轮相位控制值；以及气门升程控制值计算单元，其计算用于控制所述气门升程的气门升程控制值，所述凸轮相位控制值计算单元将所述凸轮相位控制值计算为用于使所述吸入空气量收敛于所述目标吸入空气量的凸轮相位反馈控制值与根据所述气门升程控制值设定的凸轮相位设定值之和，所述气门升程控制值计算单元将所述气门升程控制值计算为用于使所述吸入空气量收敛于所述目标吸入空气量的气门升程反馈控制值与根据所述凸轮相位控制值设定的气门升程设定值之和，所述第一控制单元的所述凸轮相位控制值计算单元在通过所述控制选择单元选择了所述第一控制单元时，将所述凸轮相位反馈控制值设定为值0，所述第二控制单元的所述气门升程控制值计算单元在通过所述控制选择单元选择了所述第二控制单元时，将所述气门升程反馈控制值设定为值0。
10.如权利要求9所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述凸轮相位控制值计算单元通过2自由度控制算法计算所述凸轮相位反馈控制值，所述气门升程控制值计算单元通过2自由度控制算法计算所述气门升程反馈控制值。
11.如权利要求9或10所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，所述气门升程控制值越是减小所述气门升程的值，所述凸轮相位控制值计算单元越将所述凸轮相位设定值设定为使所述进气门的打开定时提前的值，所述凸轮相位控制值越是使所述进气门的打开定时提前的值，所述气门升程控制值计算单元越将所述气门升程设定值设定为减小所述气门升程的值。
12.如权利要求9至11中的任意一项所述的内燃机的吸入空气量控制装置，其特征在于，还具有控制输入计算单元，其根据所述凸轮相位控制值，计算对所述凸轮相位可变机构的控制输入，同时根据所述气门升程控制值，计算对所述气门升程可变机构的控制输入，所述凸轮相位控制值计算单元以及所述气门升程控制值计算单元的计算周期被设定得比所述控制输入计算单元的计算周期长。
全文摘要
提供在通过同时控制凸轮相位以及气门升程、控制吸入空气量的情况下，可以避免凸轮相位控制以及气门升程控制互相干涉、同时提高吸入空气量控制的响应性以及控制精度的内燃机的吸入空气量控制装置。吸入空气量控制装置(1)的ECU(2)根据目标气门升程(Liftin_cmd)以及目标凸轮相位(Cain_cmd)控制吸入空气量，(Liftin_cmd、Cain_cmd)被计算为用于使实际吸入空气量(Gcyl)收敛于目标吸入空气量(Gcyl_cmd)的主值(Liftin_cmd_ms、Cain_cmd_ms)和根据(Liftin_cmd、Cain_cmd)设定的从值(Liftin_cmd_sl、Cain_cmd_sl)之和(步骤56、64)，在升程主模式下设定为(Cain_cmd_ms)＝0(步骤63)，在相位主模式下设定为(Liftin_cmd_ms)＝0(步骤55)。
文档编号F02D45/00GK1871418SQ200480030808
公开日2006年11月29日 申请日期2004年10月13日 优先权日2003年10月20日
发明者安井裕司, 藤井德明, 酒井久夫 申请人:本田技研工业株式会社