JP2005069133A

JP2005069133A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2005069133A
Application number: JP2003301345A
Authority: JP
Inventors: Harufumi Muto; 晴文武藤; Yuichiro Ido; 雄一郎井戸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-26
Also published as: JP4172359B2

Abstract

【課題】吸気管内圧力から筒内充填空気量等を算出する内燃機関の制御装置において、エアクリーナが変更された場合にも容易に適合可能な内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】下流側吸気管内圧力Ｐｍｂと筒内充填空気量等ｍｃｂとの関係を適合値Ａ１等を用いることにより近似的に表した式を備えている内燃機関の制御装置において、上記適合値としては、スロットル弁上流側吸気管内圧力が予め定めた基準圧力である場合に上記式により下流側吸気管内圧力Ｐｍｂと筒内充填空気量等ｍｃｂとの関係が近似的に表せるように定められた適合値Ａ１等を有していて、上記上流側吸気管内圧力が現上流側吸気管内圧力である場合における筒内充填空気量等ｍｃが、上記適合値Ａ１等と、上記現上流側吸気管内圧力と、上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合における上記下流側吸気管内圧力Ｐｍとを用いて求められる、内燃機関の制御装置を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。

近年、内燃機関の吸気系を流体力学等に基づいてモデル化し、そのモデルを用いて算出した制御パラメータに基づいて内燃機関を制御する装置が検討されている。すなわち例えば、内燃機関の吸気系について、スロットルモデル、吸気管モデル、吸気弁モデル等を構築し、これら各モデルを用いることによりスロットル弁開度、大気圧、及び大気温度等から筒内充填空気量等を算出して、これに基づいて内燃機関の制御を行うようにする。

そして、上記の吸気弁モデルの一つとして、スロットル弁下流側の吸気管内圧力（以下、「下流側吸気管内圧力」と称す）と筒内充填空気量またはその相当値（例えば、筒内吸入空気流量や筒内空気充填率等）との関係を、適合値を用いた一次式で表したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、このモデルを用いれば、下流側吸気管内圧力に基づいて筒内充填空気量またはその相当値を求めることができ、また逆に筒内充填空気量またはその相当値に基づいて下流側吸気管内圧力を求めることができる。ここで、上記適合値はその時の運転状態、すなわち例えば機関回転数や吸排気弁の開閉タイミング等に基づいて定められるものであり、事前に実験等によって求めてマップを作成しておき、実際の制御においては、そのマップに基づいて定めるようにされる。

特開２００２−１８０８７７特開２００１−４１０９５

ところで、上記適合値は、内燃機関の本体部分が同一であっても、吸気系のスロットル弁よりも上流側の部分の構成、例えばエアクリーナ等が異なると、それに伴って異なる値をとることがわかっている。これは、上記適合値が機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分で生じる圧力損失の影響を含んだ形で求められていたためであると考えられるが、その結果として、上記のような一次式を備えた内燃機関の制御装置では、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変わる毎に上記適合値を新たに求めてマップを作成し直すという適合作業が必要となる。つまり、例えばエアクリーナ等の構成が変わる毎に新たなマップを作成する必要が生じ、このような適合のための工数は膨大なものとなる。このため、従来、上記のような一次式を備えた内燃機関の制御装置では、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成、例えばエアクリーナ等の構成が変更された場合に適合が容易ではなかった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、スロットル弁下流側の吸気管内圧力と筒内充填空気量またはその相当値との関係を適合値を用いて表した式を備えていて、該式に基づいてスロットル弁下流側の吸気管内圧力から筒内充填空気量またはその相当値、あるいは筒内充填空気量またはその相当値からスロットル弁下流側の吸気管内圧力を求める内燃機関の制御装置であって、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合にも容易に適合可能な内燃機関の制御装置を提供することである。

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制御装置を提供する。

請求項１に記載の発明は、下流側吸気管内圧力と筒内充填空気量またはその相当値との関係を、内燃機関の運転状態に応じて定まる適合値を用いることにより近似的に表した第１の式を備えている内燃機関の制御装置において、上記適合値としては、上記スロットル弁の上流側の上流側吸気管内圧力が予め定めた基準圧力である場合に上記第１の式により上記下流側吸気管内圧力と上記筒内充填空気量またはその相当値との関係が近似的に表せるように定められた適合値を有していて、上記上流側吸気管内圧力が少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮した現上流側吸気管内圧力である場合における上記筒内充填空気量またはその相当値が、上記適合値と、上記現上流側吸気管内圧力と、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合における上記下流側吸気管内圧力とを用いて求められる、内燃機関の制御装置を提供する。

また、請求項２に記載の発明は、下流側吸気管内圧力と筒内充填空気量またはその相当値との関係を、内燃機関の運転状態に応じて定まる適合値を用いることにより近似的に表した第１の式を備えている内燃機関の制御装置において、上記適合値としては、上記スロットル弁の上流側の上流側吸気管内圧力が予め定めた基準圧力である場合に上記第１の式により上記下流側吸気管内圧力と上記筒内充填空気量またはその相当値との関係が近似的に表せるように定められた適合値を有していて、上記上流側吸気管内圧力が少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮した現上流側吸気管内圧力である場合における上記下流側吸気管内圧力が、上記適合値と、上記現上流側吸気管内圧力と、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合における上記筒内充填空気量またはその相当値とを用いて求められる、内燃機関の制御装置を提供する。

請求項１または２に記載の発明では、上記第１の式の適合値として、上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合についての適合値のみを有している。そして、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合における筒内充填空気量またはその相当値、あるいは下流側吸気管内圧力を求める場合には、上記適合値と、上記現上流側吸気管内圧力と、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合における下流側吸気管内圧力、あるいは筒内充填空気量またはその相当値とを用いて求めるようにされている。

このようにすることによって、エアクリーナ等の機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合においても、上記現上流側吸気管内圧力が求まれば、その値と、上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合についての上記適合値とを用いて、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合の筒内充填空気量またはその相当値、あるいは下流側吸気管内圧力を求めることができる。つまり、請求項１または２に記載の発明においては、エアクリーナ等の機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合においても、上記第１の式の適合値を新たに求め直す必要がない。したがって、請求項１または２に記載の発明によれば、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合にも容易に適合可能な内燃機関の制御装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明では請求項１または２に記載の発明において、上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合における下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量との関係を表す第２の式を更に有し、上記第１の式は上記下流側吸気管内圧力と筒内吸入空気流量との関係を上記適合値を用いて近似的に表した式であって、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合において上記適合値を定めた運転状態で定常運転した時の筒内吸入空気流量が、同一の下流側吸気管内圧力に対して上記第１の式で得られる筒内吸入空気流量と上記第２の式で得られるスロットル弁通過空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量と、上記現上流側吸気管内圧力とを用いて求められる。

請求項４に記載の発明では請求項１から３の何れかの発明において、上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合における下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量との関係を表す第２の式を有し、上記第１の式は上記下流側吸気管内圧力と筒内吸入空気流量との関係を上記適合値を用いて近似的に表した式であって、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合において上記適合値を定めた運転状態で定常運転した時の下流側吸気管内圧力が、同一の下流側吸気管内圧力に対して上記第１の式で得られる筒内吸入空気流量と上記第２の式で得られるスロットル弁通過空気流量とが一致する時の上記下流側吸気管内圧力と、上記現上流側吸気管内圧力とを用いて求められる。

定常運転をしている場合には、一般に筒内吸入空気流量とスロットル弁通過空気流量とが一致する。したがって、同一の下流側吸気管内圧力に対して上記第１の式で得られる筒内吸入空気流量と上記第２の式で得られるスロットル弁通過空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量または上記下流側吸気管内圧力は、上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合において、上記適合値を定めた運転状態で定常運転した時の筒内吸入空気流量または上記下流側吸気管内圧力であると考えられる。請求項３または４に記載の発明では、このようにして求められた上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合において定常運転した時の筒内吸入空気流量または上記下流側吸気管内圧力と、上記現上流側吸気管内圧力とを用いて、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合において定常運転した時の筒内吸入空気流量または上記下流側吸気管内圧力が求められるようになっている。

このようにすることによって、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合において定常運転した時の筒内吸入空気流量または上記下流側吸気管内圧力を直接的に求める場合よりも、計算負荷を軽減することが可能である。

各請求項に記載の発明によれば、スロットル弁下流側の吸気管内圧力と筒内充填空気量またはその相当値との関係を適合値を用いて表した式を備えていて、該式に基づいてスロットル弁下流側の吸気管内圧力から筒内充填空気量またはその相当値、あるいは筒内充填空気量またはその相当値からスロットル弁下流側の吸気管内圧力を求める内燃機関の制御装置であって、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合にも容易に適合可能な内燃機関の制御装置が提供される。

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。なお、図面において、同一または類似の構成要素には共通の参照番号を付す。

図１は本発明の内燃機関の制御装置を筒内噴射型火花点火式内燃機関に適用した場合の一例を示す概略図である。なお、本発明は別の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関に適用してもよい。

図１に示したように、機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。更に、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。

各気筒の吸気ポート７は下流側の吸気管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は上流側の吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。上記吸気管１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気管１９に連結され、この排気管１９は排気浄化装置２０に連結される。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。上記吸気管１３には、スロットル弁１８よりも下流側の吸気管内の圧力を検出するための吸気管内圧力センサ４０が設けられており、吸気管内圧力センサ４０は吸気管内圧力に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、上記吸気管１５のエアクリーナ１６の直下流側には、エアクリーナ１６を通過する空気の流量を計測するためのエアフローメータ２３が設けられており、その出力電圧についても対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

更に、スロットル弁１８の開度を検出するためのスロットル開度センサ４３と、内燃機関の周囲の大気の圧力、または吸気管１５に吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための大気圧センサ４４と、内燃機関の周囲の大気の温度、または吸気管１５に吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための大気温センサ４５とが設けられ、これらセンサの出力電圧も対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。

また、アクセルペダル４６にはアクセルペダル４６の踏込み量（以下、「アクセル踏込み量」と称す）に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４７が接続され、負荷センサ４７の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４８は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４８の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びステップモータ１７等に接続される。

ところで、近年、内燃機関の吸気系を流体力学等に基づいてモデル化し、そのモデルを用いて算出した制御パラメータに基づいて内燃機関の制御を行う内燃機関の制御装置が検討されている。すなわち例えば、内燃機関の吸気系について、スロットルモデル、吸気管モデル、吸気弁モデル等を構築し、これら各モデルを用いることにより各種の制御に必要なパラメータを算出して、これらに基づいて内燃機関の制御を行うようにする。

そして本実施形態においても、図１に示したような構成において、モデルを用いた内燃機関の制御が実施されるのであるが、本実施形態では、制御に用いるモデルのうち、特に吸気弁をモデル化した吸気弁モデルについて、以下で説明するような従来とは異なる考え方を採用している。そしてその結果、例えばエアクリーナ等の機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合にも適合が容易にできるようになっている。

ここでは、まず、本実施形態の吸気弁モデルの考え方の前提となる一般的な吸気弁モデルについて説明する。すなわち、一般に吸気弁６が閉じた時に燃焼室５内に充填されている空気の量である筒内充填空気量Ｍｃ（ｇ）は、吸気弁６が閉弁する時（吸気弁閉弁時）に確定し、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力に比例する。また、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力は吸気弁上流の気体の圧力、すなわち下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｋＰａ）と等しいとみなすことができる。したがって、筒内充填空気量Ｍｃは、下流側吸気管内圧力Ｐｍに比例すると近似することができる。

ここで、単位時間当たりにスロットル弁から吸気弁までの吸気管等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）１３´から流出する全空気の量を平均化したもの、または単位時間当たりに吸気管部分１３´から全ての燃焼室５に吸入される空気の量を一つの気筒の吸気行程に亘って平均化したものを筒内吸入空気流量ｍｃ（ｇ／ｓ）とすると、筒内充填空気量Ｍｃが下流側吸気管内圧力Ｐｍに比例することから、筒内吸入空気流量ｍｃも下流側吸気管内圧力Ｐｍに比例すると考えられる。このことから、理論及び経験則に基づいて、下記数１が得られる。

ここで、数１におけるａ、ｂは、内燃機関の運転状態、例えば機関回転数等に応じて定まる適合値である。なお、上記適合値ａ、ｂは、吸気弁または排気弁の位相角（バルブ開閉タイミング）および作用角等を変更できる可変動弁機構を備えた内燃機関の場合にはこれら位相角、作用角の値にも対応させて定める必要がある。

更に、上記適合値ａ、ｂについて、内燃機関の運転状態が同じであっても下流側吸気管内圧力Ｐｍがある所定圧力Ｐｍｋ以上の場合（Ｐｍ≧Ｐｍｋ）とそれ未満の場合（Ｐｍ＜Ｐｍｋ）とでそれぞれ異なる二つの値（例えば、ａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２）をとるようにすることによって、筒内吸入空気流量ｍｃをより正確に求めることが可能な場合があることがわかっている。すなわち、上記数１を下記数２のようにすることによって筒内吸入空気流量ｍｃをより正確に求めることが可能となる。なお、この場合、これら二つの式で表される直線は、Ｐｍ＝Ｐｍｋの点において接続される。図２は、数２を図示したものである。

上記数２のようにすることによって、筒内吸入空気流量ｍｃをより正確に求めることが可能となるのは、特に吸気弁６と排気弁７とが共に開いている期間（すなわち、バルブオーバーラップ）がある場合等において既燃ガスが吸気ポート７に逆流することに関連するものと考えられる。すなわち、バルブオーバーラップがある場合において、下流側吸気管内圧力Ｐｍが上記所定圧力Ｐｍｋ以上である時には、下流側吸気管内圧力Ｐｍが高いほど既燃ガスの逆流が顕著に減少するために、上記所定圧力Ｐｍｋ未満である時に比較して、ａの値は大きくなると共にｂの値は小さくなるのである。

ここで、上記筒内吸入空気流量ｍｃについて、図３を参照して内燃機関が４気筒である場合を例にとって説明しておく。図３は横軸がクランクシャフトの回転角度、縦軸が単位時間当たりに上記吸気管部分１３´から燃焼室５に実際に流入する空気の量である。図３に示したように、４気筒の内燃機関では、吸気弁６が例えば１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に開弁し、各気筒に対応する吸気弁６の開弁量に応じて吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内へ空気が流入する。吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内に流入する空気の流量の変位は図３に破線で示した通りであり、これらを総合した吸気管部分１３´から全気筒の燃焼室５に流入する空気の流量は図３に実線で示した通りである。また、例えば１番気筒への筒内充填空気量Ｍｃは図３に斜線で示した部分に相当する。

これに対して、実線で示した吸気管部分１３´から全ての気筒の燃焼室５に流入する空気の量を平均化したものが筒内吸入空気流量ｍｃであり、図中に一点鎖線で示されている。そして、この一点鎖線で示した筒内吸入空気流量ｍｃに、４気筒の場合にはクランクシャフトが１８０°（すなわち、４ストローク式内燃機関において１サイクル中にクランクシャフトが回転する角度７２０°を気筒数で割った角度）回転するのにかかる時間ΔＴ_180°を乗算したものが筒内充填空気量Ｍｃとなる。したがって、上記数１または２で算出された筒内吸入空気流量ｍｃにΔＴ_180°を乗算することで、筒内充填空気量Ｍｃを算出することができる（Ｍｃ＝ｍｃ・ΔＴ_180°）。更に、この筒内充填空気量Ｍｃを、１気圧、２５℃の状態において一気筒当たりの排気量に相当する容積を占める空気の質量で除算することによって筒内空気充填率Ｋｌを算出することができる。このように筒内充填空気量Ｍｃ、筒内吸入空気流量ｍｃ、筒内空気充填率Ｋｌは互いに比例関係にあり、何れか一つの値を求めれば他の値を求めることができる。この意味で筒内吸入空気流量ｍｃ及び筒内空気充填率Ｋｌは筒内充填空気量Ｍｃの相当値であると言える。なお、以上の説明からも明らかなように、上記数１及び数２と同様の式が適合値を適切に換算することで上記筒内充填空気量Ｍｃ及び上記筒内空気充填率Ｋｌについても成立つが、本明細書では主に、上記数１または数２をもとにして、すなわち筒内吸入空気流量ｍｃに基づいて説明を行うこととする。

ところで、以上で説明した一般的な吸気弁モデルの式、すなわち上記数１または数２を備えた内燃機関の制御装置においては、上記適合値ａ、ｂまたはａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２（以下、「適合値ａ、ｂ等」と称す）は、通常、予め作成しておいたマップから求められる。すなわち、予め実験等によって運転状態毎の適合値ａ、ｂ等を実測してマップを作成しておき、必要に応じてマップを検索して求めるようにする。

しかしながら、このように実測によって求められた上記適合値ａ、ｂ等は、内燃機関の本体部分が同一であっても、吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成、例えばエアクリーナ等が異なると、それに伴って異なる値をとることがわかっている。これは、上記適合値ａ、ｂ等が実測によって求められる際、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分で生じる圧力損失の影響を含んだ形で求められるためであると考えられるが、その結果として、上記数１または数２のような適合値ａ、ｂ等を含む吸気弁モデルの式を備えた内燃機関の制御装置では、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変わる毎に上記適合値ａ、ｂ等を新たに求めてマップを作成し直すという適合作業が必要となる。つまり、例えばエアクリーナ等の構成が変わる毎に新たなマップを作成する必要が生じ、このような適合のための工数は膨大なものとなる。このため、従来、上記数１または数２のような吸気弁モデルの式を備えた内燃機関の制御装置では、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成、例えばエアクリーナ等の構成が変更された場合に適合が容易ではなかった。

これに対し、本実施形態では、以下で説明するような方法で上記適合値への上記圧力損失の影響を排除し、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合にも容易に適合できるようにしている。

すなわち、上記適合値への上記圧力損失の影響を排除するために、スロットル弁１８の上流側の吸気管内圧力（以下、「上流側吸気管内圧力」と称す）が基準圧力Ｐａｂ（例えば、標準大気圧Ｐａｓ）である場合の下流側吸気管内圧力Ｐｍｂ（ｋＰａ）と筒内吸入空気流量ｍｃｂ（ｇ／ｓ）との関係を考えると、上記数２と同様にして、以下の数３のように表すことができる。

ここで、Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２は、上記数２の適合値ａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２と同様、内燃機関の運転状態に応じて定まる適合値であるが、上記上流側吸気管内圧力が基準圧力Ｐａｂであるとした場合に、上記数３によって下流側吸気管内圧力Ｐｍｂと筒内吸入空気流量ｍｃｂとの関係を近似的に表せるように定められた適合値である。これらは、例えば以下のようにして求められる。

すなわち、まず上記数２における適合値ａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２を求めるのと同様に、適合値を求めるべき運転状態において、下流側吸気管内圧力Ｐｍの所定間隔毎に筒内吸入空気流量ｍｃを測定していく。これにより、Ｐｍ−ｍｃ座標上にプロットが得られる。これらのプロットに基づいて適合値を求めると上記適合値ａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２が得られる。すなわち、この時に得られる下流側吸気管内圧力Ｐｍと筒内吸入空気流量ｍｃとの関係は、その測定に用いた内燃機関の吸気系のスロットル弁よりも上流側部分で生じる圧力損失の影響を含んだものである。

一方、上記の測定と同時に各測定時における上記上流側吸気管内圧力を求めておく。この上流側吸気管内圧力は、少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮して求められるものであり、以下、現上流側吸気管内圧力Ｐａｃと称する。この現上流側吸気管内圧力Ｐａｃは、スロットル弁１８の直上流に圧力センサを設けて検出するようにしてもよいが、圧力センサを使用しないで算出することも可能である。すなわち、大気圧Ｐａと現上流側吸気管内圧力Ｐａｃとの差は、ベルヌーイの定理により、下記数４のように表すことができる。

ここで、ρは大気密度であり、ｖはエアクリーナ１６を通過する空気の流速であり、Ｇａはエアクリーナ１６を通過する空気の流量であり、ｋはｖとＧａの比例係数である。標準大気密度ρ０と、標準大気密度ρ０を現在の大気密度ρへ変換するための圧力補正係数ｅｋｐａ及び温度補正係数ｅｋｔｈａとを使用すれば、数４は下記数５のように書き換えることができる。更に、数５は、流量Ｇａだけを変数とする関数ｆ（Ｇａ）を使用して下記数６のように書き換えることができる。

数６は、現上流側吸気管内圧力Ｐａｃを表す下記数７のように変形することができる。数７において、流量Ｇａは、エアクリーナ１６の直下流側に設けられたエアフローメータ２３により検出することができる。また、圧力補正係数ｅｋｐａは、検出される大気圧Ｐａにより設定可能であり、温度補正係数ｅｋｔｈａは、検出される大気温度Ｔａにより設定可能である。

次いで、このようにして測定または算出された現上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いて、上記の筒内吸入空気流量ｍｃの測定で得られたＰｍ−ｍｃ座標上の各プロットの座標（Ｐｍ，ｍｃ）を補正していく。具体的には、各プロットを表す座標（Ｐｍ，ｍｃ）の値に、基準圧力Ｐａｂ／現上流側吸気管内圧力Ｐａｃを乗ずるようにする。つまり、下記数８のようにする。

そして、このように補正された座標（Ｐｍｂ，ｍｃｂ）で表されるプロットに基づいて適合値を求めると上記適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２が得られる。なお、以上の説明から明らかであるが、上記数３における所定圧力Ｐｍｋｂは上記数２における所定圧力Ｐｍｋを用いて表せば、下記数９のようになる。また、上記数２と上記数３を、上記補正前後のプロットと共に図示すると、例えば図４のようになる。

そして、本実施形態においては、吸気弁モデルの式に用いる適合値として、上記のようにして求めた適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２のみをマップとして有している。これらの適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２は、以上で説明したようにして求めることにより、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分で生じる圧力損失の影響が排除されている。つまり、これらの適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２は、数２における適合値ａ１、ｂ１及びａ２、ｂ２等とは異なり、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合に再適合する必要が無い。

しかしながら、これらの適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２は、上述したように上記上流側吸気管内圧力が基準圧力Ｐａｂであるとした場合の適合値であるため、これらの適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２を直接上記数２に適用して、実際の制御に用いることはできない。これは、実際の制御の場面では、エアクリーナ１６等の圧力損失があるために、上記上記上流側吸気管内圧力は基準圧力Ｐａｂではなく、上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃとなっているためである。

そこで、本実施形態では、実際の制御において、すなわち、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃである場合において、実際の下流側吸気管内圧力Ｐｍから筒内吸入空気流量ｍｃを求める場合、あるいは、実際の筒内吸入空気流量ｍｃから下流側吸気管内圧力Ｐｍを求める場合には、実際の下流側吸気管内圧力Ｐｍあるいは筒内吸入空気流量ｍｃについて、まず上記数８で表される処理を行って、その値を上記数３に代入するようにする。そして、得られたｍｃｂあるいはＰｍｂを再度上記数８に代入して、求めるべき筒内吸入空気流量ｍｃあるいは下流側吸気管内圧力Ｐｍを求めるようにする。

言い換えれば、上記数３に上記数８を代入して得られる下記数１０を用いて、実際の下流側吸気管内圧力Ｐｍから筒内吸入空気流量ｍｃを、あるいは、実際の筒内吸入空気流量ｍｃから下流側吸気管内圧力Ｐｍを求めるようにする。

上記数１０からも明らかなように、本実施形態においては、上記適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２と、上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃと、下流側吸気管内圧力Ｐｍとを用いて筒内吸入空気流量ｍｃを求めることができる。また逆に、上記適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２と、上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃと、筒内吸入空気流量ｍｃとを用いて下流側吸気管内圧力Ｐｍを求めることができる。

そして、上述したように、上記適合値Ａ１、Ｂ１及びＡ２、Ｂ２は、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合に再適合する必要が無いので、例えばエアクリーナが変更された場合にも、現上流側吸気管内圧力Ｐａｃさえ求められれば、すなわちエアクリーナを含めた機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分で生じる圧力損失さえ求められれば、適合値を再適合しなくても、筒内吸入空気流量ｍｃや下流側吸気管内圧力Ｐｍを精度良く求めることができる。このように、本実施形態の内燃機関の制御装置は、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分の構成が変更された場合にも容易に適合が可能である。

ところで、本実施形態の内燃機関の制御装置は更に、スロットル弁をモデル化したスロットルモデルの式として、下記数１１を備えている。数１１は上記上流側吸気管内圧力が基準圧力Ｐａｂである場合の下流側吸気管内圧力Ｐｍｂ（ｋＰａ）とスロットル弁通過空気流量ｍｔｂ（ｇ／ｓ）との関係について表したものである。すなわち、数１１についても、上記数３の場合と同様、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分で生じる圧力損失の影響が排除されている。

ここで、Ｔａ（Ｋ）は大気温度、Ｒは気体定数である。また、μはスロットル弁における流量係数で、スロットル弁開度θｔの関数であり、図５に示したようなマップから定まる。また、Ａｔ（ｍ²）はスロットル弁の開口断面積（以下、「スロットル開口面積」と称す）を示し、スロットル弁開度θｔの関数である。なお、これら流量係数μ及びスロットル開口面積Ａｔをまとめたμ・Ａｔをスロットル弁開度θｔだけを変数とする関数Ｆ（θｔ）とすると、数１１は数１２のように書き換えることができる。

Φ（Ｐｍｂ／Ｐａｂ）は下記数１３に示した関数であり、この数１３におけるκは比熱比（κ＝Ｃｐ（等圧比熱）／Ｃｖ（等容比熱）であり、一定値とする）である。この関数Φ（Ｐｍｂ／Ｐａｂ）は図６に示したようなグラフに表すことができるので、このようなグラフをマップとしてＥＣＵのＲＯＭに保存し、実際には数１３を用いて計算するのではなくマップからΦ（Ｐｍｂ／Ｐａｂ）の値を求めるようにしてもよい。

スロットルモデルの上記数１１から数１３（以下、「数１１等」と称す）は、モデル化したスロットル弁１８に対して、上記上流側吸気管内圧力を上記基準圧力Ｐａｂ、スロットル弁１８上流の気体の温度を大気温度Ｔａ、スロットル弁１８を通過する気体の圧力を下流側吸気管内圧力Ｐｍｂとして、質量保存則、エネルギ保存則及び運動量保存則を適用し、更に気体の状態方程式、比熱比の定義式、及びマイヤーの関係式を利用することによって得られる。

なお、これまでの説明から明らかであると思われるが、機関吸気系のスロットル弁よりも上流側部分で生じる圧力損失の影響を含めた場合、すなわち上記上流側吸気管内圧力が少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮して求められる現上流側吸気管内圧力Ｐａｃである場合における下流側吸気管内圧力Ｐｍとスロットル弁通過空気流量ｍｔとの関係を表す式については、上記Ｐｍｂと上記Ｐｍとの関係及び上記ｍｔｂと上記ｍｔとの関係が下記数１４のように表せることから、上記数１１に基づいて下記数１５のようになる。また、同様に上記数１２及び数１３に対応する式は、下記数１６及び数１７のようになる。これら数１５から数１７（以下、「数１５等」と称す）は、実際の下流側吸気管内圧力Ｐｍとスロットル弁通過空気流量ｍｔとの関係を表す式であると言え、本実施形態の内燃機関の制御装置が上記数１１等と共に上記数１５等を備えていてもよい。

ところで、内燃機関の制御を行う場合、特にモデルを用いて内燃機関の制御を行う場合には、制御に関連するパラメータを算出するために、定常運転時におけるスロットル弁下流側の吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａ（もしくはそれから算出され得る定常運転時における筒内充填空気量Ｍｃｔａや筒内空気充填率Ｋｌｔａ）が必要となる場合がある。ここで定常運転時における値（上記Ｐｍｔａやｍｃｔａ等）とは、内燃機関をある状態で定常運転した場合に最終的にとる値、すなわち収束値と考えられる値のことである。

これらの値は内燃機関の制御において、主に、複雑な計算を回避したり計算量を低減したりする等して制御負荷を軽減するためや、算出されるパラメータの精度を向上するために用いられる。そして従来、これらの値はマップを用いて求められていたが、マップの作成には多大な時間を要していた。

これに対し、本実施形態では上記Ｐｍｔａやｍｃｔａ（またはＫｌｔａ等）を必要とする場合、以下で説明するような方法で計算によって求めるようにする。
すなわち、本実施形態の内燃機関の制御装置は、上述したように、上記上流側吸気管内圧力が基準圧力Ｐａｂであるとした場合の下流側吸気管内圧力Ｐｍｂと筒内吸入空気流量ｍｃｂとの関係を表す式（すなわち、上記数３）と、上記上流側吸気管内圧力が基準圧力Ｐａｂであるとした場合の上記下流側吸気管内圧力Ｐｍｂとスロットル弁通過空気流量ｍｔｂとの関係を表す式（すなわち、上記数１１等）とを備えている。

そして内燃機関が定常運転されている時にはスロットル弁通過空気流量ｍｔｂと筒内吸入空気流量ｍｃｂとは一致する。したがって、上記数１１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔｂと上記数３から求められる筒内吸入空気流量ｍｃｂとが一致する時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｂを求めれば、その時の運転条件で定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａｂを求められることになる。また同様に、上記数１１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔｂと上記数３から求められる筒内吸入空気流量ｍｃｂとが一致する時の筒内吸入空気流量ｍｃｂを求めることで、その時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量ｍｃｔａｂを求めることができる（そして、この値から定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａｂ等も求めることができる）。

そして、以上のようにして上記Ｐｍｔａｂ及びｍｃｔａｂを求めることは、図７に例示したように上記数１１等によって表される曲線ｍｔｂと上記数３によって表される直線ｍｃｂとの交点ＥＰｂを求めることと同義である。ここで、上記交点ＥＰｂを求める場合、曲線ｍｔｂを表す式である数１１等をそのまま用いて上記交点ＥＰｂを求めようとすると計算が非常に複雑になる。そこで、計算を簡単にするために、上記数１１等を複数の下流側吸気管内圧力Ｐｍｂの一次式で近似するようにしてもよい。すなわち、上記曲線ｍｔｂを複数の直線で近似するようにする。具体的には、例えば下流側吸気管内圧力Ｐｍｂの一定間隔毎に上記数１１等に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔｂを算出して下流側吸気管内圧力Ｐｍｂの一定間隔毎の上記曲線ｍｔｂ上の点を求め、これらの隣り合う２点を結ぶ各直線を上記曲線ｍｔｂの近似直線として求めるようにする。そして、これらの各近似直線を表す一次式が上記数１１等の近似一次式となる。

ところで、上記数１１等の一次式への近似は、上記交点ＥＰｂを容易に求めるためであるので、ここで必要となるのは上記交点ＥＰｂの近傍における上記数１１等の近似一次式である。したがって、この近似一次式のみを求めるようにしてもよい。この場合、下流側吸気管内圧力Ｐｍｂの一定間隔毎に上記数３に基づいて筒内吸入空気流量ｍｃｂも求めておき、スロットル弁通過空気流量ｍｔｂと筒内吸入空気流量ｍｃｂとの大きさが逆転するところを求めることで上記交点ＥＰｂの位置が特定できる。

すなわち、上記交点ＥＰｂ近傍（すなわち、スロットル弁通過空気流量ｍｔｂと筒内吸入空気流量ｍｃｂとの大きさが逆転する部分）における近似一次式は、例えば上記数１１等で表される曲線ｍｔｂ上の２点であってスロットル弁通過空気流量ｍｔｂと筒内吸入空気流量ｍｃｂとの大きさが逆転する前後の２点を結んだ直線を表す一次式とされる。

ところで、上記交点ＥＰｂを求めることで得られる定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａｂと、筒内吸入空気流量ｍｃｔａｂとは、何れも上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力Ｐａｂであるとした場合の値である。したがって、実際の値、すなわち上記上流側吸気管内圧力が少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮して求められる上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃである場合において定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと、筒内吸入空気流量ｍｃｔａを得るためには、上述したようにして求められた上記Ｐｍｔａｂと上記ｍｃｔａｂを現上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いて補正する必要がある。そしてこの補正は、下記数１８のようにして行うことができる。この数１８によって得られた定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａ及び筒内吸入空気流量ｍｃｔａが実際の制御で用いられる値となる。

なお、上記数１８により得られる定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａ及び筒内吸入空気流量ｍｃｔａは、図７において点線で示されている上記数２を表す直線ｍｃと上記数１５等を表す曲線ｍｔとの交点ＥＰの座標である。したがって、これらＰｍｔａ及びｍｃｔａを求める方法として、上記直線ｍｃと上記曲線ｍｔとの交点ＥＰを直接求める方法も考えられる。しかしながら、そのようにすると、上記交点ＥＰを求める過程において上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いた補正を頻繁に行う必要が生じ、計算負荷が増大してしまう。このため、上記定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａ及び筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求める場合には、先に説明したような方法、すなわち、まず交点ＥＰｂを求め、最後にその座標（Ｐｍｔａｂ，ｍｃｔａｂ）の値を上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いて補正する方法をとることが好ましい。

なお、以上の説明では主に筒内吸入空気流量ｍｃ（またはｍｃｂ）に基づいて説明を行ったが、上述したように、筒内充填空気量Ｍｃ、筒内吸入空気流量ｍｃ、筒内空気充填率Ｋｌは互いに比例関係にあり、適切な係数により互いに換算可能であるので、上述の各方法とほぼ同様の方法によって、上記上流側吸気管内圧力が現上流側吸気管内圧力Ｐａｃである場合の筒内充填空気量Ｍｃ及び筒内空気充填率Ｋｌ、並びに、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力Ｐａｃである場合において定常運転した時の筒内充填空気量Ｍｃｔａ及び筒内空気充填率Ｋｌｔａを求めることが可能である。

図１は、本発明の内燃機関の制御装置を筒内噴射型火花点火式内燃機関に適用した場合の一例を示す概略図である。図２は、下流側吸気管内圧力Ｐｍと筒内充填空気流量ｍｃとの関係の一例を示す図である。図３は、筒内充填空気量Ｍｃ及び筒内吸入空気流量ｍｃの定義に関する図である。図４は、上流側吸気管内圧力が基準圧力であるとした場合の下流側吸気管内圧力Ｐｍｂと筒内吸入空気流量ｍｃｂとの関係と、上流側吸気管内圧力が現上流側吸気管内圧力である場合の下流側吸気管内圧力Ｐｍと筒内吸入空気流量ｍｃとの関係を示した図である。

図５は、スロットル弁開度と流量係数との関係を示す図である。図６は、関数Φ（Ｐｍｂ／Ｐａｂ）を示す図である。図７は、下流側吸気管内圧力と、スロットル弁通過空気流量及び筒内吸入空気流量との関係を示した図であって、上流側吸気管内圧力が現上流側吸気管内圧力である場合の定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａ及び筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求める方法について説明するための図である。

符号の説明

１…機関本体
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
９…排気ポート
１１…燃料噴射弁
１３…吸気管
１８…スロットル弁
２３…エアフローメータ

Claims

下流側吸気管内圧力と筒内充填空気量またはその相当値との関係を、内燃機関の運転状態に応じて定まる適合値を用いることにより近似的に表した第１の式を備えている内燃機関の制御装置において、
上記適合値としては、上記スロットル弁の上流側の上流側吸気管内圧力が予め定めた基準圧力である場合に上記第１の式により上記下流側吸気管内圧力と上記筒内充填空気量またはその相当値との関係が近似的に表せるように定められた適合値を有していて、
上記上流側吸気管内圧力が少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮した現上流側吸気管内圧力である場合における上記筒内充填空気量またはその相当値が、上記適合値と、上記現上流側吸気管内圧力と、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合における上記下流側吸気管内圧力とを用いて求められる、内燃機関の制御装置。
下流側吸気管内圧力と筒内充填空気量またはその相当値との関係を、内燃機関の運転状態に応じて定まる適合値を用いることにより近似的に表した第１の式を備えている内燃機関の制御装置において、
上記適合値としては、上記スロットル弁の上流側の上流側吸気管内圧力が予め定めた基準圧力である場合に上記第１の式により上記下流側吸気管内圧力と上記筒内充填空気量またはその相当値との関係が近似的に表せるように定められた適合値を有していて、
上記上流側吸気管内圧力が少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮した現上流側吸気管内圧力である場合における上記下流側吸気管内圧力が、上記適合値と、上記現上流側吸気管内圧力と、上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合における上記筒内充填空気量またはその相当値とを用いて求められる、内燃機関の制御装置。
上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合における下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量との関係を表す第２の式を更に有し、
上記第１の式は上記下流側吸気管内圧力と筒内吸入空気流量との関係を上記適合値を用いて近似的に表した式であって、
上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合において上記適合値を定めた運転状態で定常運転した時の筒内吸入空気流量が、同一の下流側吸気管内圧力に対して上記第１の式で得られる筒内吸入空気流量と上記第２の式で得られるスロットル弁通過空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量と、上記現上流側吸気管内圧力とを用いて求められる、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
上記上流側吸気管内圧力が上記基準圧力である場合における下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量との関係を表す第２の式を有し、
上記第１の式は上記下流側吸気管内圧力と筒内吸入空気流量との関係を上記適合値を用いて近似的に表した式であって、
上記上流側吸気管内圧力が上記現上流側吸気管内圧力である場合において上記適合値を定めた運転状態で定常運転した時の下流側吸気管内圧力が、同一の下流側吸気管内圧力に対して上記第１の式で得られる筒内吸入空気流量と上記第２の式で得られるスロットル弁通過空気流量とが一致する時の上記下流側吸気管内圧力と、上記現上流側吸気管内圧力とを用いて求められる、請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。