JP2005030295A

JP2005030295A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2005030295A
Application number: JP2003195661A
Authority: JP
Inventors: Tomoumi Yamada; 智海山田; Masato Ogiso; 誠人小木曽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】各気筒への吸入空気量を正確に把握して、各気筒内に吸入される吸気ガスの空燃比を正確に制御することができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】本発明の制御装置では、燃焼室５への目標吸入空気量に基づいて吸気弁の開閉弁特性が決定され、この目標吸入空気量に基づいて燃焼室内に吸入される吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁６からの燃料噴射量が決定される。そして、機関運転状態が定常状態にあるときに実際の吸入空気量を推定し、このとき目標吸入空気量と実際の吸入空気量とが異なる場合にはその比を保存し、機関運転状態が過渡状態にあるときに上記保存された比に基づいて目標吸入空気量または燃料噴射量を、吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように補正する。
【選択図】図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、電磁駆動式の動弁機構を用いて吸気弁および排気弁の開弁時期、閉弁時期、吸気弁のリフト量等（以下、「開閉弁特性」と称す）を可変に制御している内燃機関の制御装置が存在する。このような制御装置では、燃焼室内に吸入される吸気ガスの空燃比（以下、「機関空燃比」と称す）を適切に維持するように、燃焼室内への吸入空気量や、燃料噴射装置からの燃料噴射量等が調整される。
【０００３】
通常、燃焼室内への吸入空気量は吸気弁の開閉弁特性に応じて変化するため、多くの制御装置では吸入空気量と開閉弁特性との関係を予め求め、この予め求めた関係に基づいて目標吸入空気量となるように吸気弁の開閉弁特性を定めている。ところが、電磁駆動式の動弁機構等では、例えば動弁機構等の経年劣化や製造誤差等によって、吸入空気量と開閉弁特性との関係が上記予め求めたものと異なったものになってしまうことがある。この場合、実際の吸入空気量は目標吸入空気量とは異なる量となってしまう。燃料噴射量は目標吸入空気量に基づいて目標空燃比となるように定められるため、このように実際の吸入空気量が目標吸入空気量とは異なる量となってしまうと、燃焼室内の吸気ガスの実際の空燃比は目標空燃比とは異なったものとなってしまい、燃焼や排気エミッションの悪化を招く。
【０００４】
これに対して、例えば、特許文献１に記載の内燃機関の制御装置では、今回の目標吸入空気量と次回の目標吸入空気量との差を算出し、この差をエアフロメータによって検出された今回の実際の吸入空気量に加算して、予想吸入空気量としている。そして、この予想吸入空気量に基づいて燃料噴射量が定められるため、吸気ガスの実際の空燃比を目標空燃比に近い空燃比とすることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−８０９５２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１６４９７８号公報
【特許文献３】
特開２００１−３０４０２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献１に記載の制御装置では各気筒毎に実際の吸入空気量を検出しなければならないが、機関運転状態が過渡状態にあるとき、サージタンクよりも吸気上流側に設けられたエアフロメータによって各燃焼室への吸入空気量を検出することは困難である。また、サージタンクよりも吸気下流側の吸気枝管にエアフロメータを設けた場合、気筒数分のエアフロメータが必要になってコストが高くなると共に、燃焼室近傍に位置することにより熱の影響を受けて検出精度が低下してしまう。さらに、現在入手可能なエアフロメータの応答性は低く、機関運転状態が過渡状態にあるときに一回の吸気行程における吸入空気量を正確に検出することは困難である。
【０００７】
このように、従来の内燃機関の制御装置では、機関運転状態が過渡状態にあるときの各燃焼室への吸入空気量を正確に把握することができず、よって各燃焼室内に吸入される吸気ガスの空燃比を正確に制御することができなかった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、各気筒への吸入空気量を正確に把握して、各気筒内に吸入される吸気ガスの空燃比を正確に制御することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、開閉弁特性を変更可能な吸気弁を具備し、燃焼室への目標吸入空気量に基づいて吸気弁の開閉弁特性が決定され、さらに、上記目標吸入空気量に基づいて、燃焼室内に吸入される吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁からの燃料噴射量が決定される内燃機関の制御装置において、上記燃焼室への実際の吸入空気量を推定する吸入空気量推定装置をさらに具備し、機関運転状態が定常状態にあるときに上記吸入空気量推定装置によって実際の吸入空気量を推定し、このとき目標吸入空気量と実際の吸入空気量とが異なる場合にはその差またはその比を保存し、機関運転状態が少なくとも過渡状態にあるときには上記保存された差または比に基づいて目標吸入空気量と燃料噴射量との少なくともいずれか一方を、吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように補正するようにした。
開閉弁特性を変更可能な吸気弁では、特に機関運転状態が吸気管負圧のほとんどない運転状態（以下、「ノンスロ状態」と称す）にある場合には、機関運転状態が定常状態であっても過渡状態であっても、吸気弁の開閉弁特性に応じて燃焼室へ吸入される空気の量、すなわち吸入空気量が定まる。したがって、目標吸入空気量となるように吸気弁の開閉弁特性を定めれば、実際の吸入空気量（すなわち、目標吸入空気量に基づいて吸気弁の開閉弁特性を決定した結果、実際に燃焼室内に吸入された吸入空気量）は目標吸入空気量とほぼ同一の量となる。しかしながら、開閉弁特性を変更するための装置の経年劣化等により、目標吸入空気量となるように吸気弁の開閉弁特性を定めても、定めた開閉弁特性の通りに吸気弁が開弁および閉弁せず、よって実際の吸入空気量が目標吸入空気量とは異なる量となってしまうことがある。この場合、目標吸入空気量に基づいて目標空燃比となるように燃料噴射量を決定しても、吸気ガスの実際の空燃比は目標空燃比とは異なる空燃比となってしまう。そこで、第一の発明によれば、機関運転状態が定常状態にあるときに、実際の吸入空気量と目標吸入空気量とのずれを検出する。検出されたずれにより目標吸入空気量と実際の吸入空気量との関係を把握することができ、その関係に基づいて吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように目標吸入空気量または燃料噴射量が補正されるため、吸気ガスの実際の空燃比を目標空燃比とほぼ同一とすることができる。
なお、吸入空気量推定装置としては、例えば、吸気管を通過する空気の量を検出するエアフロメータおよび吸気管内圧力を検出する圧力センサ等が挙げられる。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、上記差は上記目標吸入空気量から上記実際の吸入空気量を減算した差であり、上記比は上記目標吸入空気量に対する上記実際の吸入空気量の比であり、機関運転状態が少なくとも過渡状態にあるときには上記差または上記比を上記目標吸入空気量に加算または上記目標吸入空気量から除算して補正目標吸入空気量とし、該補正目標吸入空気量に基づいて吸気弁の開閉弁特性を定めるようにした。
第２の発明によれば、吸気ガスの実際の空燃比を目標空燃比とほぼ同一とすることができることに加えて、実際の吸入空気量を目標吸入空気量とほぼ同一とすることができる。一般に、目標吸入空気量は内燃機関に要求されている目標トルクに応じて定められるため、第２の発明によれば目標トルクを得ることができる。
【００１１】
第３の発明では、第１の発明において、上記比は上記目標吸入空気量に対する上記実際の吸入空気量の比であり、機関運転状態が少なくとも過渡状態にあるときには上記比を上記目標吸入空気量に乗算して予想吸入空気量とし、該予想吸入空気量に基づいて燃料噴射量を定めるようにした。
【００１２】
第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、開閉弁特性を変更可能な排気弁をさらに具備し、各サイクル毎に吸気弁および排気弁の開閉弁特性が定められ、一つのサイクルの吸気弁および排気弁の開閉弁特性は、一つの排気行程に対応する排気弁の閉弁時期と該排気行程直後の吸気行程に対応する吸気弁の開弁時期および閉弁時期と、該吸気行程に続く排気行程に対応する排気弁の開弁時期とを含む。
一般に、或る排気行程に対応する排気弁の閉弁時期とこの排気行程に続く吸気行程に対応する吸気弁の開弁時期との組合せに応じて内部ＥＧＲ量が定まる。また、この内部ＥＧＲ量と上記吸気行程に対応する吸気弁の閉弁時期とから燃焼室への吸入空気量が定まり、この吸入空気量から燃焼室内の排気ガスを最適に排出することができるような排気弁の開弁時期が定まる。第４の発明によれば、一つの排気行程に対応する排気弁の閉弁時期と該排気行程直後の吸気行程に対応する吸気弁の開弁時期および閉弁時期と、該吸気行程に続く排気行程に対応する排気弁の開弁時期とが同一のサイクル内にあって同一の時期に定められるため、内部ＥＧＲ量を最適な量にすることができ、また、吸入空気量を最適な量にすると共に排気ガスを最適に排出することができるようになる。
なお、「排気行程」、「吸気行程」は、それぞれクランクシャフトが１８０度だけ回転する期間を意味する。また、吸気行程に対応する吸気弁の開弁時期および閉弁時期とは、或る吸気行程中の少なくとも一部期間に亘る吸気弁の開弁の開始時期および終了時期をそれぞれ意味する。同様に、排気行程に対応する排気弁の開弁時期および閉弁時期とは、或る排気行程中の少なくとも一部期間に亘る排気弁の開弁の開始時期および終了時期をそれぞれ意味する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関の全体図である。なお、図示した内燃機関は、ポート噴射タイプのガソリンエンジンであるが、本発明は、例えば、直噴タイプ（燃焼室に燃料を直接噴射するタイプ）のガソリンエンジンやディーゼルエンジンといったその他の内燃機関にも適用可能である。
【００１４】
図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃料噴射弁、６ａは点火栓、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを示している。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に接続されている。サージタンク１２には、サージタンク１２内の空気の圧力または負圧を検出するための圧力センサ１３が設けられる。サージタンク１２は吸気管１４およびインタークーラ１５を介して過給機（例えば、排気ターボチャージャ）１６のコンプレッサ１７の出口部に連結される。コンプレッサ１７の入口部は吸気管１８を介してエアクリーナ１９に連結される。吸気管１８内には、ステップモータ２０によって駆動されるスロットル弁２１が配置される。また、スロットル弁２１上流の吸気管１８には、吸気管１８を通過する空気（吸気）の流量を検出するためのエアフロメータ２２が配置される。
【００１５】
一方、排気ポート１０は、排気枝管２３を介して排気ターボチャージャ１６の排気タービン２４の入口部に連結される。排気タービン２４の出口部は、排気管２５を介して触媒２６を内蔵したケーシング２７に連結される。吸気弁７および吸気弁８は、それぞれ後述する吸気側動弁機構６０および排気側動弁機構７０によって駆動される。また、燃料噴射弁６は燃料供給管２８を介して燃料ポンプ２９に接続されている。
【００１６】
電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１により互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５、および、出力ポート４６を具備する。圧力センサ１３およびエアフロメータ２２の出力信号は、それぞれ、対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。
【００１７】
アクセルペダル５０には、その踏込量に比例した出力電圧を発生するトルクセンサ５１が接続される。トルクセンサ５１の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５にはクランクシャフトが、例えば、３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、点火栓６ａ、および、スロットル弁制御用ステップモータ２０に接続され、これらの作動は電子制御ユニット４０によって制御される。
【００１８】
次に、図２を参照して動弁機構６０、７０について説明する。図２は、吸気側動弁機構６０の縦断面図である。以下では、吸気側動弁機構６０について説明するが、排気側動弁機構７０も同様に構成される。吸気側動弁機構６０は、軟磁性材料からなる一対のコア６１、６２と、軟磁性材料からなるアーマチャ６３とを有する。これらコア６１、６２は、非磁性材料からなるケース６４内に保持されている。また、これらコア６１、６２には、それぞれ、電磁コイル６５、６６が配設されている。さらに、吸気側動弁機構６０は、吸気弁７を軸線方向下方（すなわち、吸気弁が開弁する方向）へと付勢するスプリング６７と、吸気弁７を軸線方向上方（すなわち、吸気弁が閉弁する方向）へと付勢するスプリング６８とを有する。これらスプリング６７、６８の付勢力は、電磁コイル６５、６６に電力が供給されていないときにアーマチャ６３がコア６１、６２間の中間位置に位置するように設定されている。なお、アーマチャ６３が上記中立位置に位置しているときには、吸気弁７は全開位置と全閉位置との中間の位置をとる。
【００１９】
アーマチャ６３上方の電磁コイル（以下、「上方電磁コイル」とも称す）６５に電力が供給されると、アーマチャ６３は上方へと変位せしめられる。これにより、吸気弁７は閉弁する。一方、アーマチャ６３下方の電磁コイル（以下、「下方電磁コイル」とも称す）６６に電力が供給されると、アーマチャ６３は下方へと変位せしめられる。これにより、吸気弁７は全開となる。したがって、下方電磁コイル６６への電力供給開始時期および電力供給終了時期を調節することによって、吸気弁７の開弁時期および閉弁時期、すなわち吸気弁７の開閉弁特性を変えることができる。
【００２０】
次に、図３を参照して、吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性、特にこれら弁の開弁時期および閉弁時期の決定方法、および燃料噴射弁６からの燃料噴射量の決定方法について説明する。
【００２１】
吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性を決定するには、まず、内燃機関によって発生せしめられるトルクが目標トルクとなるように、燃焼室５内に吸入させるべき空気量（以下、「目標吸入空気量」と称す）が決定される。より詳細には、図３（ａ）に示したような機関回転数と目標トルクとから目標吸入空気量を決定するためのマップを予め実験的にまたは計算によって求めてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存し、このマップに基づいて機関回転数と、目標トルクとから目標吸入空気量が算出される。ここで、目標トルクとは、内燃機関に対して必要とされているトルクを意味し、具体的にはトルクセンサからの出力を意味する。このような、機関回転数および目標トルクからの目標吸入空気量の算出は、所定の短い時間間隔毎（例えば１サイクルの間に数十から数百回）に行われる。
【００２２】
次いで、内燃機関の各燃焼室への吸入空気量が目標吸入空気量となるように吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性、およびスロットル弁２１の開度が決定される。特に、本実施形態では、吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性として、排気弁９の閉弁時期、吸気弁７の開弁時期、吸気弁７の閉弁時期、排気弁９の開弁時期が決定される。例えば、排気弁９の閉弁時期を例にとって考えると、図３（ｂ）に示したような機関回転数と目標吸入空気量とから閉弁時期を算出するためのマップを予め実験的にまたは計算によって求めてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存し、このマップに基づいて機関回転数と、図３（ａ）に示したマップによって算出された目標吸入空気量とから排気弁９の閉弁時期が決定される。このようなマップは、吸気弁７の開弁時期についてだけではなく、吸気弁７の開弁時期、吸気弁７の閉弁時期、排気弁９の開弁時期、さらにスロットル弁２１の開度についてもそれぞれ予め実験的にまたは計算によって求めてＥＣＵ４０のＲＯＭに保存される。したがって、機関回転数と目標吸入空気量とから吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性を決定するために、五つのマップがＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存されている。
【００２３】
さらに、上述した五つのマップは内燃機関の運転モード毎に求められる。したがって、例えば運転モードが三つある場合には、１５個のマップがＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存されることとなる。そして、実行されている運転モードに応じて使用されるマップが選択され、選択されたマップに基づいて吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性が決定せしめられる。ここで、内燃機関の運転モードとしては、例えば、通常モード、ノンスロモード、減筒モード等が上げられる。通常モードとは、内燃機関が通常の運転状態で運転されるモードであり、燃焼室５内への吸入空気量の調整が主にスロットル弁２１で行われる。ノンスロモードとは、内燃機関がスロットル弁２１を大きく開いて吸気管負圧（例えば、吸気管１１、１４またはサージタンク１２内の負圧）のほとんどない運転状態、すなわち吸気管内圧力と内燃機関外部の大気圧とがほぼ同一に維持されている運転状態（以下、「ノンスロ状態」と称す）で運転されるモードであり、燃焼室５内への吸入空気量の調整は専ら吸気弁７および排気弁９によって行われる。減筒モードとは、例えば４気筒の内燃機関において２気筒のみで燃焼を行わせるような運転モードである。
【００２４】
なお、本発明の開閉弁特性の決定方法は、特に、運転モードがノンスロモードであるときに行われる。これは、機関運転状態がノンスロ状態にあるときには吸気管負圧、または吸気管内圧力がほぼ一定に維持されるので、吸入空気量が開閉弁特性のみに基づいて変化するためである。また、機関運転状態がノンスロ状態にある場合には、機関回転数と目標吸入空気量とに基づいてスロットル弁２１の開度を決定しなくてもよく、スロットル弁２１を大きく開いた状態で維持するようにしてもよい。
【００２５】
一方、燃料噴射弁６からの燃料噴射量を決定するには、まず、上記内燃機関の運転モードや、トルクセンサの出力等に基づいて目標空燃比が算出される。そして、上記目標吸入空気量に基づいて燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁６から噴射すべき燃料噴射量が決定される。あるいは、上述したように決定された開閉弁特性に基づいて燃焼室５内に吸入されると想定される空気量が算出され、算出された空気量に基づいて燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁６から噴射すべき燃料噴射量が決定されてもよい。このように、目標吸入空気量または算出された空気量に基づいて燃料噴射量が決定されるため、燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比を目標空燃比にほぼ正確に一致させることができる。
【００２６】
次に、図４を参照して、吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性および燃料噴射弁６からの燃料噴射量の決定時期について説明する。ここで、図４は、一つの気筒における吸気弁７および排気弁９のリフト量、燃料噴射弁６の開・閉のタイムチャートである。燃料噴射弁６は開かれているときには燃料を噴射し、閉じられているときには燃料を噴射しない。図４から分かるように、内燃機関の四つの行程、すなわち吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程は、それぞれクランクシャフト（図示せず）が１８０度回転する期間に対応する。
【００２７】
また、本発明の制御装置では、或る排気行程のほぼ中央の時期から次の排気行程のほぼ中央の時期までが一つのサイクルとされる。あるいは、或る排気行程に対応する排気弁９の閉弁時期から、次の排気行程に対応する排気弁９の閉弁時期までが一つのサイクルとされる。したがって、ｉ番目のサイクル（ｉはサイクル数を表す）には、或る排気行程に対応する排気弁９の閉弁時期ＥＸＣＬ_ｉと、この排気行程に続く吸気行程に対応する吸気弁７の開弁時期ＩＮＯＰ_ｉおよび閉弁時期ＩＮＣＬ_ｉと、次の排気行程に対応する排気弁９の開弁時期ＥＸＯＰ_ｉとが含まれる。
【００２８】
図４に示したように、排気行程においては、概して排気弁９は開かれており且つ吸気弁７は閉じられている。続く吸気行程においては、概して排気弁９は閉じられており且つ吸気弁７は開かれている。吸気弁７が開かれているときに燃焼室５内に吸入される空気中に燃料を噴射するために、吸気弁７が開かれる前から燃料噴射弁６からの燃料噴射が開始され、吸気弁７が閉じられる前に燃料噴射弁６からの燃料噴射が終了せしめられる。本実施形態では、ｉ番目のサイクルにおける燃料噴射弁６からの燃料噴射の開始時期Ｔ_ＩＮＪｉは予め決まっており、特に、排気行程のほぼ中央の時期となっている。燃料噴射の終了時期は燃料噴射量に応じて決まり、燃料噴射量が少ないときには燃料噴射の終了時期は早くなり、燃料噴射量が多いときには燃料噴射の終了時期は遅くなる。ただし、燃料噴射の終了時期が、吸気弁７の閉弁時期ＩＮＣＬ_ｉよりも遅くなることはない。なお、ｉ番目のサイクルの吸気行程において燃焼室５に吸入される空気中への燃料の噴射はｉ番目のサイクルに含まれるものとし、このときの燃料噴射量をτ_ｉとする。
【００２９】
ここで、ｉ番目のサイクルにおける吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性およびｉ番目のサイクルにおける燃料噴射量τ_ｉの決定時期Ｔ_ＶＴｉは、ｉ番目のサイクルｉにおける燃料噴射の開始時期Ｔ_ＩＮＪｉよりも早い必要がある。ただし、上記開閉弁時期および燃料噴射量の決定時期Ｔ_ＶＴｉが早すぎると目標吸入空気量や目標トルクに対する応答遅れを大きくしてしまうため、この決定時期Ｔ_ＶＴｉはｉ番目のサイクルにおける燃料噴射の開始時期Ｔ_ＩＮＪｉよりも早いながらもできるだけ遅いことが望ましい。本実施形態では、上記決定時期Ｔ_ＶＴｉは、前回のｉ−１番目のサイクルにおける吸気弁７の閉弁時期ＩＮＣＬ_ｉ−１とｉ番目のサイクルにおける燃料噴射の開始時期Ｔ_ＩＮＪｉとの間の時期となっている。
【００３０】
ところで、一般に、従来から燃料噴射量を決定する場合には、燃焼室５内への吸入空気量を推定し、推定された吸入空気量に基づいて吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように燃料が噴射される。燃焼室５内への吸入空気量の推定は、エアフロメータ２２によって検出される吸気管通過空気量または圧力センサ１３によって検出される吸気管負圧等に基づいて行われている。ここで、エアフロメータ２２によって検出される吸気管通過空気量は実測値であるため、機関運転状態が定常状態にあるときには、エアフロメータ２２を用いれば吸入空気量を比較的正確に検出することができる。ところが、エアフロメータ２２の応答性が低く且つ多くの場合エアフロメータ２２が燃焼室５から離れて配置されていることにより、機関運転状態が過渡状態にあるときには、吸入空気量を正確に検出することができない。なお、本明細書において、「定常状態」とは、トルクセンサ５１からの出力、すなわち目標トルクおよび機関回転数がほとんど変化しない機関運転状態を意味する。また、「過渡状態」とは、目標トルクまたは機関回転数の少なくともいずれか一方が変化する機関運転状態を意味する。
【００３１】
一方、圧力センサ１３等によって検出される吸気管負圧に基づく吸入空気量の推定は、機関運転状態がスロットリング状態（スロットル弁２１によって吸入空気量を調整している運転状態、すなわちノンスロ状態でない運転状態）にある場合には、機関運転状態が定常状態および過渡状態のいずれの状態にあっても、吸入空気量が吸気管負圧に応じて変化するので比較的正確に行われる。特に、検出される吸気管負圧に基づいて推定された現在の吸入空気量と、スロットル弁開度の変化とに基づいて吸入空気量を予測することにより、機関運転状態が過渡状態にあるときにも吸入空気量を推定することができる。ところが、機関運転状態がノンスロ状態にあるときには、吸気管負圧がほとんどなく、吸気管内圧力がほぼ一定であるため、吸気管内圧力に基づいて吸入空気量を推定することは困難である。
【００３２】
このように、従来の燃焼室５内への吸入空気量の推定では、機関運転状態が過渡状態且つスロットリング状態にあるときには吸入空気量を比較的正確に推定することができたが、機関運転状態が過渡状態且つノンスロ状態にあるときには吸入空気量を正確に推定することができず、このため燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比を目標空燃比とすることが困難であった。
【００３３】
これに対して、上述した本発明の開閉弁特性および燃料噴射量の決定方法によれば、目標吸入空気量に基づいて開閉弁特性が決定され、その結果実際の吸入空気量が目標吸入空気量とほぼ同一の量となるので、機関運転状態が過渡状態且つノンスロ状態にあるときに、燃焼室５への吸入空気量を比較的正確に推定することができる。また、燃料噴射量も実際の吸入空気量とほぼ同一の目標吸入空気量に基づいて決定されるため、吸気ガスの空燃比を比較的正確に目標空燃比とすることができる。
【００３４】
ただし、従来の燃料噴射量の決定方法等によれば、例えば機関運転状態が定常状態且つノンスロ状態にある場合には、エアフロメータ２２によって検出された吸気管通過空気量に基づいて燃焼室５内への吸入空気量を比較的正確に推定でき、また、機関運転状態がスロットリング状態にある場合には、検出された吸気管通過空気量や吸気管内圧力に基づいて燃焼室５内への吸入空気量を比較的正確に推定することができる。そこで、本発明によれば、機関運転状態が過渡状態且つノンスロ状態にあるときに、上述した本発明の開閉弁特性および燃料噴射量の決定方法を用いる。一方、機関運転状態が過渡状態且つノンスロ状態にないときには上述した本発明の開閉弁特性および燃料噴射量の決定方法を用いずに、従来の吸気管通過空気量または吸気管負圧に基づいた燃料噴射量の決定を行う。
【００３５】
ところで、吸気弁７および排気弁９の開弁時期および閉弁時期による影響は大まかに分けると以下のようになる。まず、或る排気行程に対応する排気弁９の閉弁時期とこの排気行程に続く吸気行程に対応する吸気弁７の開弁時期とは、一度燃焼した排気ガスが再び燃焼室５に流入する量（以下、「内部ＥＧＲ量」と称す）内に影響を与える。特に、排気弁９の閉弁時期が遅くなり、吸気弁７の開弁時期が早くなるほど、すなわちオーバーラップが大きくなるほど、内部ＥＧＲ量が増加する。したがって、必要な内部ＥＧＲ量に応じて排気弁９の閉弁時期と吸気弁７の開弁時期とが変更される。
【００３６】
また、上述した内部ＥＧＲ量と吸気弁の閉弁時期とから燃焼室５への吸入空気量が定まり、この吸入空気量から燃焼室５内の排気ガスを最適に排出することができるような排気弁の開弁時期が定まる。すなわち、吸気弁７の閉弁時期が遅くなると吸入空気量が多くなり、この場合、燃焼室５から排出させるべき排気ガスの量も多いので排気弁９の開弁時期を早くする必要がある。一方、吸気弁７の閉弁時期が早くなると吸入空気量が少なくなり、よって排気ガスの量も少ないので排気弁９の開弁時期を早くする必要はなく、逆に吸入空気量が少ない場合には燃焼によって生じたエネルギを確実にピストンに伝達することができるように吸気弁７の開弁時期を遅くする必要がある。同様に、内部ＥＧＲ量が少ない場合には吸入空気量が多く、よって排気弁９の開弁時期を早くする必要があり、内部ＥＧＲ量が多い場合には吸入空気量が少なく、よって排気弁９の開弁時期を遅くする必要がある。このように、排気弁９の開弁時期は、燃焼室５への吸入空気量、すなわち燃焼室５における負荷によって最適な時期が異なり、燃焼室５への吸入空気量は内部ＥＧＲ量と吸気弁７の閉弁時期とによって定まる。
【００３７】
したがって、或る排気行程に対応する排気弁９の閉弁時期とこの排気行程に続く吸気行程に対応する吸気弁７の開弁時期および閉弁時期とこの吸気行程に続く排気行程に対応する排気弁９の開弁時期とはまとまって一つの働きをする。多くの内燃機関の制御装置では、クランクシャフトが２回転する毎、すなわち一つのサイクル毎に吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性を決定しているが、上述したようにひとまとまりとなった吸気弁・排気弁の開弁時期・閉弁時期が同一のサイクルにおいて同一の時期に決定されることが好ましい。ところが、従来の制御装置では、或る排気行程に対応する排気弁の開弁特性および閉弁特性と、この排気行程に続く吸気行程に対応する吸気弁の開弁時期および閉弁時期とが同一のサイクルで決定されているか、または、或る吸気行程に対応する吸気弁の開弁特性および閉弁特性と、この吸気行程に続く排気行程に対応する排気弁の開弁時期および閉弁時期とが同一のサイクルで決定されており、上述したようにひとまとまりとなった吸気弁・排気弁の開弁時期・閉弁時期が同一のサイクルにおいて決定されておらず、内部ＥＧＲ量および吸入空気量の正確な制御、およびエネルギロスの防止をすることができなくなってしまう。
【００３８】
これに対して、本発明の内燃機関の制御装置では、上述したように或る排気行程に対応する排気弁の閉弁時期と、該排気行程に続く吸気行程に対応する吸気弁の開弁時期および吸気弁の閉弁時期と、上記排気行程の次の排気行程（すなわち上記吸気行程に続く排気行程）に対応する排気弁の開弁時期とが同一のサイクルで決定される。したがって、本発明の制御装置によれば、内部ＥＧＲ量および吸入空気量の正確な制御、およびエネルギロスの防止を行うことができる。
【００３９】
次に、図５を参照して、第一実施形態における吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性および燃料噴射弁６からの燃料噴射量を決定するための制御について説明する。図５に示した制御は、ｉ番目のサイクルにおける燃料噴射量τ_ｉの決定時期Ｔ_ＶＴｉにおいて実行される。また、同制御は、機関運転状態がノンスロ状態にあるとき、すなわちスロットル弁２１の開度が大きく開いた状態に維持されているときに行われる。ステップ１０１において、クランク角センサ５２によって検出された機関回転数Ｎｅおよび図３（ａ）に示したマップにより算出された目標吸入空気量ＴＧａに基づいて、図３（ｂ）に示したマップ等によってｉ番目のサイクルにおける排気弁９の閉弁時期ＥＸＣＬ_ｉ、吸気弁７の開弁時期ＩＮＯＰ_ｉ、吸気弁７の閉弁時期ＩＮＣＬ_ｉ、排気弁９の開弁時期ＥＸＯＰｉが算出される。ｉ番目のサイクルにおいては、このように算出された開弁・閉弁時期に基づいて吸気弁７および排気弁９が制御される。
【００４０】
次いで、ステップ１０２において、機関運転状態が過渡状態にあるか否かが判定され、過渡状態にあると判別された場合にはステップ１０３へと進む。ステップ１０３では、目標吸入空気量ＴＧａおよびＥＣＵ４０によって算出された目標空燃比Ｔａｆから、燃料噴射量τ_ｉが算出され、制御が終了せしめられる。一方、ステップ１０２において、機関運転状態が過渡状態にないと判別された場合には、ステップ１０４へと進む。ステップ１０４では、上述したようにエアフロメータ２２によって検出された吸気管通過空気量と、目標空燃比Ｔａｆとから、燃料噴射量τ_ｉが算出され、制御が終了せしめられる。ｉ番目のサイクルにおいては、このように算出された燃料噴射量τ_ｉに基づいて燃料噴射弁６の開弁時間、すなわち燃料噴射時間が制御される。
【００４１】
次に、本発明の第二実施形態の内燃機関の制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置の構成および制御は基本的に第一実施形態の制御装置の構成および制御と同様である。
【００４２】
ところで、上述したように吸気弁７および排気弁９を駆動する電磁駆動式の動弁機構６０、７０には、量産時のばらつきがあり、また、電磁コイル６５、６６またはスプリング６７、６８等は劣化する。このことにより、燃焼室５への吸入空気量が目標吸入空気量となるように吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性を決定しても、実際の吸入空気量が目標吸入空気量とならないことがある。上述したように、上記実施形態においては燃料噴射量を目標吸入空気量に基づいて決定しているため、実際の吸入空気量が目標吸入空気量からずれると、燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比が目標空燃比からずれてしまう。
【００４３】
そこで、第二実施形態の内燃機関の制御装置では、機関運転状態が定常状態にあるときに、目標吸入空気量に基づいて吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性を決定した結果、実際に燃焼室５内に吸入された実際の吸入空気量をエアフロメータ２２等で検出する。その後、目標吸入空気量に対する実際の吸入空気量の比（すなわち、実際の吸入空気量を目標吸入空気量で除算した値）を吸入空気量比ＲとしてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存する。この吸入空気量比Ｒは、目標吸入空気量と実際の吸入空気量とのずれを示している。なお、この吸入空気量比Ｒは、一つのサイクルにおいて算出した吸入空気量比であってもよいし、数サイクルまたは数十サイクルに亘って算出した吸入空気量比を平均化したものであってもよい。
【００４４】
そして、このようにして吸入空気量比Ｒを保存した後に、機関運転状態が過渡状態等になって本発明の開閉弁特性および燃料噴射量の決定方法に基づいて開閉弁特性および燃料噴射量を決定するときに、目標吸入空気量を上記ＲＯＭ４２に保存された吸入空気量比Ｒで除算して補正目標吸入空気量とする。そして、この補正目標吸入空気量に基づいて吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性を算出する。これにより、実際の吸入空気量を目標吸入空気量とほぼ同一の量とすることができるようになる。
【００４５】
一方、燃料噴射量は、補正目標吸入空気量ではなく、目標吸入空気量に基づいて決定する。目標吸入空気量と実際の吸入空気量とはほぼ同一の量となるため、目標吸入空気量に基づいて燃料噴射量を決定することにより、燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比を目標空燃比とほぼ同一の空燃比とすることができる。
【００４６】
このように、本発明の内燃機関の制御装置によれば、実際の吸入空気量を目標吸入空気量とほぼ同一にすることができ、さらに、燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比を目標空燃比とほぼ同一にすることができる。したがって、内燃機関によって発生せしめられるトルクまたは出力を最適に制御することができると同時に、燃焼室５内で燃料を良好に燃焼させることができ且つ機関本体１から排出される排気ガスの排気エミッションを低く抑えることができる。
【００４７】
なお、上記実施形態では、吸入空気量比Ｒは機関回転数に関わらずほぼ一定である。しかしながら、量産時のばらつきや電磁コイル６５、６６またはスプリング６７、６８の劣化の影響は、機関回転数に応じて変化することがあり得る。そこで、吸入空気量比Ｒを機関回転数毎にもつようにしてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では目標吸入空気量に対する実際の吸入空気量の比を求めているが、目標吸入空気量の代わりに吸気弁７および排気弁９への開閉弁特性の指令値に基づいて算出される想定吸入空気量を用い、この想定吸入空気量に対する実際の吸入空気量の比を求めるようにしてもよい。この場合、機関運転状態が定常状態にあるときではなく、定常状態且つノンスロ状態にあるときにのみ本発明の開閉弁特性の決定方法を実行し、想定吸入空気量に対する実際の吸入空気量の算出を、本発明の開閉弁特性の決定方法を実行していないとき、すなわち機関運転状態が定常状態且つノンスロ状態にないときに行うようにしてもよい。
【００４９】
次に、図６のフローチャートを参照して、吸入空気量比Ｒの算出制御について説明する。図６に示した制御は、ｉ番目のサイクルの完了後に行われる。まず、ステップ１２１において、機関運転状態が過渡状態にあるか否かが判別される。機関運転状態が過渡状態にあると判別された場合には制御が終了せしめられる。一方、ステップ１２１において、機関運転状態が過渡状態にないと判別された場合にはステップ１２２へと進む。ｉ番目のサイクルにおける目標吸入空気量ＴＧａ_ｉ（すなわち、開閉弁特性および燃料噴射量の決定時期Ｔ_ＶＴｉにおける目標吸入空気量）が取得される。次いで、ステップ１２３において、ｉ番目のサイクルにおける実際の吸入空気量Ｇａ_ｉがエアフロメータ２２等により検出される。次いで、ステップ１２４において、ｉ番目のサイクルにおける実際の吸入空気量Ｇａ_ｉをｉ番目のサイクルにおける目標吸入空気量ＴＧａ_ｉで除算したものが吸入空気量比ＲとしてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に保存され、制御が終了せしめられる。
【００５０】
次に、図７のフローチャートを参照して、第二実施形態の制御装置における吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性および燃料噴射弁６からの燃料噴射量を決定するための制御について説明する。ステップ１４３〜ステップ１４５はそれぞれ図５のステップ１０２〜１０４と同様であるため説明を省略する。まず、ステップ１４１において、目標吸入空気量ＴＧａを図６に示した制御によって算出された吸入空気量比Ｒで除算したものが補正目標吸入空気量ＴＧａｍとされる。次いで、ステップ１４２において、クランク角センサ５２によって検出された機関回転数Ｎｅおよび補正目標吸入空気量ＴＧａｍに基づいて、図３（ｂ）に示したマップ等によってｉ番目のサイクルにおける排気弁９の閉弁時期ＥＸＣＬ_ｉ、吸気弁７の開弁時期ＩＮＯＰ_ｉ、吸気弁７の閉弁時期ＩＮＣＬ_ｉ、排気弁９の開弁時期ＥＸＯＰ_ｉが算出される。
【００５１】
なお、上記実施形態では、目標吸入空気量と実際の吸入空気量とからこれらの比を算出しているが、目標吸入空気量から実際の吸入空気量を減算した吸入空気量偏差を算出しもよい。この場合、上記実施形態においてＥＣＵ４０のＲＯＭ４２に吸入空気量比Ｒを保存する代わりに吸入空気量偏差を保存する。そして、吸入空気量偏差を保存した後に、機関運転状態が過渡状態等になって本発明の開閉弁特性および燃料噴射量の決定方法に基づいて開閉弁特性および燃料噴射量を決定するときに、目標吸入空気量に上記ＲＯＭ４２に保存された吸入空気量偏差を加算して補正目標吸入空気量とし、この補正目標吸入空気量に基づいて吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性を算出する。
【００５２】
ただし、吸入空気量偏差も機関回転数に応じて変化することがあり得る。そこで、上記実施形態と同様に、吸入空気量偏差を機関回転数毎にもつようにしてもよい。
【００５３】
次に、第三実施形態の内燃機関の制御装置について説明する。第三実施形態の制御装置の構成および制御は基本的に第二実施形態の制御装置の構成および制御と同様である。
【００５４】
第三実施形態の内燃機関の制御装置においても、第二実施形態の制御装置と同様に、図６に示した制御により吸入空気量比Ｒが算出される。そして、第二実施形態の制御装置とは異なり、吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性の算出は目標吸入空気量に基づいて行われる。一方、燃料噴射量の算出は、目標吸入空気量に吸入空気量比Ｒを乗算した予想吸入空気量に基づいて行われる。開閉弁特性の算出が目標吸入空気量に基づいて行われるため、実際の吸入空気量は予想吸入空気量とほぼ同一の量となる。したがって、予想吸入空気量に基づいて燃料噴射量を算出することにより、燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比を目標空燃比とほぼ同一の空燃比とすることができる。
【００５５】
このように、本実施形態の制御装置によれば、燃焼室５内に吸入される吸気ガスの空燃比を目標空燃比とほぼ同一にすることができる。したがって、燃焼室５内で燃料を良好に燃焼させることができ且つ機関本体１から排出される排気ガスの排気エミッションを低く抑えることができる。なお、本実施形態においても、第二実施形態と同様に、吸入空気量比Ｒを機関回転数に応じて変えるようにしてもよいし、吸入空気量比Ｒの代わりに吸入空気量偏差を用いてもよい。
【００５６】
なお、予想吸入空気量には、内燃機関周辺の大気圧、大気温または吸気管内の空気温度（以下、「吸気管内温度」と称す）等に基づく補正を行ってもよい。例えば、吸入空気量比Ｒを算出したときの大気圧よりも現在の大気圧の方が高い場合には予想吸入空気量を多くし、大気温または吸気管内温度が高い場合には予想吸入空気量を少なくする。これにより、より高精度に予測吸入空気量を実際の吸入空気量に近づけることができる。
【００５７】
次に、図８のフローチャートを参照して、第三実施形態の制御装置における吸気弁７および排気弁９の開閉弁特性および燃料噴射弁６からの燃料噴射量を決定するための制御について説明する。ステップ１６１、１６２、１６５はそれぞれ図５のステップ１０１、１０２、１０４と同様であるため説明を省略する。ステップ１６３において、目標吸入空気量ＴＧａに図６に示した制御によって算出された吸入空気量比Ｒを乗算したものが予想吸入空気量ＥＧａとされる。次いで、ステップ１６４では、予想吸入空気量ＥＧａおよびＥＣＵ４０によって算出された目標空燃比Ｔａｆから、燃料噴射量τ_ｉが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００５８】
なお、上記実施形態では、電磁駆動式の動弁機構６０が用いられているが、吸気弁７および排気弁９の位相角および作用角が可変であれば、機械式の動弁機構６０を用いてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、目標吸入空気量と実際の吸入空気量との関係を把握することにより目標吸入空気量に対する実際の吸入空気量を正確に把握することができ、且つ機関運転状態が定常状態であっても過渡状態であっても各燃焼室内に吸入される吸気ガスの空燃比を正確に制御することができる。
【００６０】
第２の発明によれば、実際の吸入空気量を目標吸入空気量とほぼ同一とすることができるので、目標トルクを達成することができる。
【００６１】
第４の発明によれば、互いに関連する吸気弁・排気弁の開弁時期・閉弁時期が同一のサイクルとされて同一の時期に決定されるため、内部ＥＧＲ量を最適な量にすることができ、且つ、内燃機関の運転を最適に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御装置が搭載された内燃機関全体を示す図である。
【図２】電磁駆動式の動弁機構を示す図である。
【図３】目標吸入空気量および開閉弁特性を算出するためのマップを示す図である。
【図４】吸気弁および排気弁のリフト量、燃料噴射期間等を示すタイムチャートである。
【図５】開閉弁特性および燃料噴射量を決定するための制御のフローチャートである。
【図６】吸入空気量比を算出するための制御のフローチャートである。
【図７】第二実施形態における図５と同様なフローチャートである。
【図８】第三実施形態における図５と同様なフローチャートである。
【符号の説明】
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
７…吸気弁
９…排気弁
１３…圧力センサ
２２…エアフロメータ
４０…ＥＣＵ
６０…吸気側動弁機構
７０…排気側動弁機構

Claims

開閉弁特性を変更可能な吸気弁を具備し、燃焼室への目標吸入空気量に基づいて吸気弁の開閉弁特性が決定され、さらに、上記目標吸入空気量に基づいて、燃焼室内に吸入される吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁からの燃料噴射量が決定される内燃機関の制御装置において、
上記燃焼室への実際の吸入空気量を推定する吸入空気量推定装置をさらに具備し、機関運転状態が定常状態にあるときに上記吸入空気量推定装置によって実際の吸入空気量を推定し、このとき目標吸入空気量と実際の吸入空気量とが異なる場合にはその差またはその比を保存し、機関運転状態が少なくとも過渡状態にあるときには上記保存された差または比に基づいて目標吸入空気量と燃料噴射量との少なくともいずれか一方を、吸気ガスの空燃比が目標空燃比となるように補正するようにした内燃機関の制御装置。
上記差は上記目標吸入空気量から上記実際の吸入空気量を減算した差であり、上記比は上記目標吸入空気量に対する上記実際の吸入空気量の比であり、機関運転状態が少なくとも過渡状態にあるときには上記差または上記比を上記目標吸入空気量に加算または上記目標吸入空気量から除算して補正目標吸入空気量とし、該補正目標吸入空気量に基づいて吸気弁の開閉弁特性を定めるようにした請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
上記比は上記目標吸入空気量に対する上記実際の吸入空気量の比であり、機関運転状態が少なくとも過渡状態にあるときには上記比を上記目標吸入空気量に乗算して予想吸入空気量とし、該予想吸入空気量に基づいて燃料噴射量を定めるようにした請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
開閉弁特性を変更可能な排気弁をさらに具備し、各サイクル毎に吸気弁および排気弁の開閉弁特性が定められ、一つのサイクルの吸気弁および排気弁の開閉弁特性は、一つの排気行程に対応する排気弁の閉弁時期と該排気行程直後の吸気行程に対応する吸気弁の開弁時期および閉弁時期と、該吸気行程に続く排気行程に対応する排気弁の開弁時期とを含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。