JP2006112321A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置であって、制御異常を簡易に且つより確実に検出できる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】 目標吸気量ｍｃｔａに基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置において、上記目標吸気量ｍｃｔａとエアフローメータで計測した吸気量ｍｃｆｍとを比較して制御異常を検出する、内燃機関の制御装置を提供する。このような内燃機関の制御装置によれば、上記目標スロットル開度の決定やスロットル弁の制御の過程における制御異常を簡易に且つより確実に検出することが可能となる。
【選択図】 図１４

Description

本発明は内燃機関の制御装置に関する。
車両の運転者の要求を表すアクセル踏込み量等に対応して吸気量（すなわち、目標吸気量）を設定し、この目標吸気量に基づいてスロットル弁の目標開度（すなわち、目標スロットル開度）を求め、スロットル弁の開度をこの目標スロットル開度になるように制御して吸気量を制御する内燃機関の制御装置が公知である（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−６５８４５号公報 特開２００１−４１０９５号公報
上記のような内燃機関の制御装置においては、目標吸気量に基づいた目標スロットル開度の設定とそれに続くスロットル弁の開度制御において制御異常が発生していないかどうかを判別することが好ましい。そしてこのような制御異常の有無を判別する方法としては、上記アクセル踏込み量と機関回転数とから決定され得る要求スロットル開度と、スロットル開度センサにより計測された実際のスロットル開度とを比較して行う方法が考えられるのであるが、実際にはこれら二つのスロットル開度は一致しない場合があり、この方法では制御異常の有無を正確に判別できない場合がある。
すなわち、例えば、電子制御式トランスミッションが搭載されている場合や横滑り等を防止して車両を安定させるために機関の出力を制御するシステムが搭載されている場合には、上記目標吸気量が運転者の要求を表すアクセル踏込み量及び機関回転数の他、車両や機関の運転状態にも基づいて決定されるため、上記要求スロットル開度と上記目標スロットル開度とが必ずしも一致せず、その結果として制御が正常であっても上記要求スロットル開度と実際のスロットル開度とが一致しない場合がある。また、スロットル開度と吸気弁の開弁特性（例えば、リフト量等）とを制御して吸気量を制御するものにおいては、吸気弁の開弁特性によって同じ目標吸気量を実現するスロットル開度が異なることになるため、上記要求スロットル開度と上記目標スロットル開度とが一致しない場合が生じ、上記要求スロットル開度と実際のスロットル開度とが一致しない場合が生じるのである。
本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置であって、制御異常を簡易に且つより確実に検出することのできる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。
１番目の発明は、目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置において、上記目標吸気量とエアフローメータで計測した吸気量とを比較して制御異常を検出する、内燃機関の制御装置を提供する。
１番目の発明では、上記目標吸気量とエアフローメータで計測した吸気量とを比較して制御異常を検出するようになっている。このようにすることによって、上記目標スロットル開度の決定やスロットル弁の制御の過程における制御異常を簡易に且つより確実に検出することが可能となる。
２番目の発明は、目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置において、スロットル弁下流側の吸気管内圧力に基づいて吸気量を求める吸気量算出式を備えていて、上記目標吸気量と、吸気管内圧力センサによって計測された上記吸気管内圧力を用いて上記吸気量算出式から求めた吸気量とを比較して制御異常を検出する、内燃機関の制御装置を提供する。
２番目の発明では、上記目標吸気量と、吸気管内圧力センサによって計測された上記吸気管内圧力を用いて求めた吸気量とを比較して制御異常を検出するようになっている。このようにすることによっても、上記目標スロットル開度の決定やスロットル弁の制御の過程における制御異常を簡易に且つより確実に検出することが可能となる。
また、３番目の発明では１番目または２番目の発明において、上記目標吸気量と上記目標スロットル開度の少なくとも一方は、運転者の要求の他、車両と内燃機関の少なくとも一方の運転状態に基づいて決定されるようになっている。
なお、ここで言う内燃機関の運転状態には、その時の吸気弁または排気弁の開弁特性も含むものとする。
各請求項に記載の発明は、目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置において、簡易に且つより確実に制御異常を検出できるという共通の効果を奏する。
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において、１は内燃機関本体、２は吸気弁、３は吸気ポート、４は排気弁、５は排気ポート、６はシリンダ（気筒）７内に形成された燃焼室をそれぞれ示す。各気筒の吸気ポート３は下流側の吸気管８を介してサージタンク９に連結され、サージタンク９は上流側の吸気管１０を介してエアクリーナ１１へ連結される。上記吸気管１０内にはスロットル弁１２が配置される。一方、各気筒の排気ポート５は排気管１３に連結される。
また、１４はバルブリフト量を変更するためのバルブリフト量変更装置を示している。つまり、本実施形態ではバルブリフト量変更装置１４を作動させることにより、吸気弁２のバルブリフト量を制御することができる。
バルブリフト量変更装置１４を作動させることによって吸気弁２のバルブリフト量が変更されると、それに伴って吸気弁２の開口面積が変更されることになる。本実施形態の吸気弁２では、バルブリフト量が増加されるに従って吸気弁２の開口面積が増加する。また後述するように本実施形態ではバルブリフト量変更装置１４によって吸気弁２のバルブリフト量が変更されると、それに伴って吸気弁２の作用角も変更される。
一方、１５は吸気弁２のバルブリフト量及び作用角を変更することなく開閉タイミングをシフトさせるための開閉タイミングシフト装置を示している。つまり、開閉タイミングシフト装置１５を作動することにより、吸気弁２の開閉タイミングを進角側にシフトさせたり、遅角側にシフトさせたりすることができ、これによってバルブオーバーラップ量の調整等を行うことができる。
１６は燃料噴射弁、１７は点火栓、１８は吸気弁２のバルブリフト量及び作用角、並びに開閉タイミングシフト量を検出するための開弁特性センサ、１９は機関回転数を検出するための機関回転数センサである。２０は内燃機関の周囲の大気の圧力を計測するための大気圧センサ、２１は内燃機関冷却水の温度を計測するための冷却水温センサ、２２は内燃機関の周囲の大気の温度を計測するための大気温センサである。２３はスロットル弁１２の開度を計測するためのスロットル開度センサ、２４はエアフローメータ、２５はスロットル弁１２よりも下流側の吸気管内の圧力を計測するための吸気管内圧力センサである。２６はアクセルペダル２７に接続された負荷センサであり、アクセルペダル２７の踏込み量（すなわち、アクセル踏込み量）に比例した出力を発生する。２８はＥＣＵ（電子制御装置）であり、図１に示されているように上述の各センサの出力はここへ入力される。
本実施形態において、燃料噴射弁１６はＥＣＵ２８に接続されており、ＥＣＵ２８からの信号によって噴射される燃料量や噴射時期を制御することができる。同様に、点火栓１７もＥＣＵ２８に接続されており、ＥＣＵ２８からの信号によって点火時期を制御することができる。また、スロットル弁１２の開度はアクセル踏込み量とは無関係に変更することができ、スロットル開度を調整することでスロットル弁下流側の吸気管内の圧力を制御することができる。
図２は、バルブリフト量変更装置１４が作動されるのに伴って吸気弁２のバルブリフト量が変化する様子を示した図である。図２に示すように、バルブリフト量変更装置１４によって吸気弁２のバルブリフト量が連続的に変更せしめられる。また、上述したように本実施形態においては、バルブリフト量の変化に伴って、吸気弁２の開弁期間に対応する作用角についても変化する。詳細には、吸気弁２のバルブリフト量が増加せしめられるのに伴って、吸気弁２の作用角が増加せしめられる（実線→破線→一点鎖線）。
また、本実施形態では、バルブリフト量変更装置１４が作動されるのに伴って、吸気弁２のバルブリフト量がピークとなるタイミングも変更せしめられる。より詳細には、図２に示されているように、吸気弁２のバルブリフト量が増加せしめられるのに伴って、吸気弁２のバルブリフト量がピークとなるタイミングが遅角せしめられる。
図３は、開閉タイミングシフト装置１５が作動されるのに伴って吸気弁２の開閉タイミングがシフトする様子を示した図である。図３に示すように、開閉タイミングシフト装置１５によって吸気弁２の開閉タイミングが連続的に変更せしめられる。この時、吸気弁２の作用角は変更されない。
本実施形態では、各気筒の燃焼室６内に吸入される空気量を、吸気弁２の開弁特性（リフト量、作用角、バルブタイミング）とスロットル弁１２の開度（より詳細には、スロットル弁下流側の吸気管内圧力）とを協調制御することによって制御することができる。つまり、内燃機関の吸気量を、吸気弁２の開弁特性とスロットル弁１２の開度とを協調制御することによって制御することができる。また、他の実施形態では、これらに加え、アイドルスピードコントロールバルブ（図示なし）の開度を制御することによって吸気量を制御するようにしてもよい。
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ことが検討されている。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て吸気系を通過する空気について表したモデル式を求め、これら各モデル式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、その吸気系がスロットルモデル、吸気管モデル、吸気弁モデルの各モデルにモデル化され、以下で説明するような各モデル式が具備されている。以下、上記の各モデル及びそのモデル式について説明する。
まずスロットルモデルについて説明する。スロットルモデルはスロットル弁をモデル化したものであり、これによるとスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓ）が下記（１）式によって表される。ここで、Ｐａｃ（ｋＰａ）はスロットル弁１２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）であり、少なくともエアクリーナ１１の圧力損失を考慮して求められた値である。また、Ｔａ（Ｋ）は大気温度、Ｐｍ（ｋＰａ）はスロットル弁１２より下流側の吸気管内圧力（以下、「下流側吸気管内圧力」と称す）、Ｒは気体定数である。更に、μはスロットル弁１２における流量係数で、スロットル開度θｔの関数であり、図４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をスロットル開度θｔだけを変数とする関数Ｆ（θｔ）とすると、（１）式は（２）式のように書き換えることができる。そしてこの関数Ｆ（θｔ）の値を実験またはシミュレーション等によって求めてθｔを引数とするマップを事前に作成しておけば、そのマップに基づいてスロットル開度θｔからＦ（θｔ）の値を求めることができる。
Figure 2006112321
Figure 2006112321
Φ（Ｐｍ／Ｐａｃ）は下記（３）式に示した関数であり、この（３）式における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（Ｐｍ／Ｐａｃ）は図５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ＥＣＵ２８に保存し、実際には（３）式を用いて計算するのではなくマップからΦ（Ｐｍ／Ｐａｃ）の値を求めるようにしてもよい。
Figure 2006112321
これらスロットルモデルのモデル式である（１）式から（３）式は、スロットル弁１２上流の気体の圧力を上流側吸気管内圧力Ｐａｃ、スロットル弁１２上流の気体の温度を大気温度Ｔａ、スロットル弁１２を通過する気体の圧力を下流側吸気管内圧力Ｐｍとして、図６に示したようなスロットル弁１２のモデルに対して、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、ここでスロットル弁１２上流の気体の圧力として大気圧Ｐａではなく、上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いたのは、実際のスロットル弁１２上流側の圧力は、機関吸気系におけるスロットル弁上流側の圧力損失があるために、通常、機関運転中においては大気圧Ｐａより低い圧力となっているからである。そして特に図１に示した構成においては、機関吸気系の最上流部にエアクリーナ１１が設けられているので、より正確にスロットル弁通過空気流量ｍｔを算出するためには、少なくともエアクリーナ１１の圧力損失を考慮して求めた上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いることがより好ましいと考えられる。
ところで、上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃは、スロットル弁１２の直上流に圧力センサを設けて計測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（４）式のように表すことができる。
Figure 2006112321
ここで、ρは大気密度であり、ｖはエアクリーナ１１を通過する空気の流速であり、Ｇａはエアクリーナ１１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、（４）式は下記（５）式のように書き換えることができる。更に、（５）式は、流量Ｇａだけを変数とする関数ｆ（Ｇａ）を使用して下記（６）式のように書き換えることができる。そして、この関数ｆ（Ｇａ）の値を実験またはシミュレーション等によって求めてＧａを引数とするマップを事前に作成しておけば、そのマップに基づいて流量Ｇａからｆ（Ｇａ）の値を求めることができる。
Figure 2006112321
Figure 2006112321
（６）式は、上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃを表す下記（７）式のように変形することができる。（７）式において、流量Ｇａは、エアクリーナ１１の下流側のエアフローメータ２４により計測することができる。そして、その流量Ｇａを用いて上述したｆ（Ｇａ）のマップからｆ（Ｇａ）の値を求めることができる。また、圧力補正係数ｅｋｐａは、計測される大気圧Ｐａにより設定可能であり、温度補正係数ｅｋｔｈａは、計測される大気温度Ｔａにより設定可能である。
Figure 2006112321
また、（７）式において、エアクリーナ１１を通過する空気の流量Ｇａは、スロットル弁通過空気流量ｍｔと考えることができ、（７）式は下記（８）式のように変形することができる。
Figure 2006112321
更に、上記流量Ｇａは機関回転数ＮＥ及び後述する筒内空気充填率Ｋｌに比例することから、ｊを比例係数とすると上記（７）式は下記（９）式のように変形することもできる。
Figure 2006112321
次に吸気管モデルについて説明する。吸気管モデルは、スロットル弁１２から吸気弁２までの吸気管８等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）８´をモデル化したものであり、これによると下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｋＰａ）及び下流側吸気管内温度Ｔｍ（Ｋ）について下記（１０）式及び（１１）式のようなモデル式が得られる。ここで、ｍｃ（ｇ／ｓ）は筒内吸入空気流量であり、Ｖｍ（ｍ3）は上記吸気管部分８´の容積に等しい定数である。
Figure 2006112321
Figure 2006112321
ここで、吸気管モデルについて図７を参照して説明する。吸気管部分８´の総気体量をＭとすると、総気体量Ｍの時間的変化は、吸気管部分８´に流入する気体の流量、すなわちスロットル弁通過空気流量ｍｔと、吸気管部分８´から流出する気体の流量、すなわち筒内吸入空気流量ｍｃとの差に等しいため、質量保存則により下記（１２）式が得られ、この（１２）式及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、（１０）式が得られる。
Figure 2006112321
また、吸気管部分８´の気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間的変化量は、吸気管部分８´に流入する気体のエネルギと吸気管部分８´から流出する気体のエネルギとの差に等しい。このため、吸気管部分８´に流入する気体の温度を大気温度Ｔａ、吸気管部分８´から流出する気体の温度を下流側吸気管内温度Ｔｍとすると、エネルギ保存則により下記（１３）式が得られ、この（１３）式及び上記気体の状態方程式より、（１１）式が得られる。
Figure 2006112321
最後に吸気弁モデルについて説明する。吸気弁モデルは吸気弁をモデル化したものであり、これによると筒内吸入空気流量ｍｃが下記（１４）式のようなモデル式で表される。（１４）式におけるＡ、Ｂは、少なくとも機関回転数ＮＥに基づいて定められる適合パラメータであり、予め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。なお、本実施形態においては、上述したように吸気弁２に対してバルブリフト量変更装置１４及び開閉タイミングシフト装置１５が設けられており、吸気弁２のバルブリフト量及び開閉タイミング等の開弁特性を変更できるので、上記適合パラメータＡ、Ｂは、吸気弁２の開弁特性の設定状態にも基づいて定められる。
Figure 2006112321
上述した吸気弁モデルについて図８を参照して説明する。一般に、吸気弁２が閉じた時に燃焼室６内に充填されている空気の量である筒内充填空気量Ｍｃは、吸気弁２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６内の圧力に比例する。また、吸気弁閉弁時の燃焼室６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、単位時間当たりに吸気管部分８´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８´から全ての燃焼室６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（以下で詳述する）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、上記（１４）式が得られる。なお、上記（１４）式における適合パラメータＡは比例係数であり、適合パラメータＢは排気弁閉弁時において燃焼室６内に残存している既燃ガス量に関連する値である。
なお、適合パラメータＡ、Ｂについて、機関回転数等が同じであっても下流側吸気管内圧力Ｐｍが大きい場合と小さい場合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、すなわち、筒内吸入空気流量ｍｃを二つの上記（１４）式のような式（つまり、下流側吸気管内圧力Ｐｍの一次式）で示す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。これは、特に吸気弁２と排気弁４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３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が所定圧力以上である時には、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、上記所定圧力以下である時に比較して、Ａの値は大きくされると共にＢの値は小さくされる。
ここで、筒内吸入空気流量ｍｃについて、図９を参照して内燃機関が４気筒である場合について説明する。なお、図９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吸気管部分８´から燃焼室６に実際に流入する空気の量である。図９に示したように、４気筒の内燃機関では、吸気弁２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２の開弁量に応じて吸気管部分８´から各気筒の燃焼室６内へ空気が流入する。吸気管部分８´から各気筒の燃焼室６内に流入する空気の流量の変位は図９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８´から全気筒の燃焼室６に流入する空気の流量は図９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９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８´から全ての気筒の燃焼室６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ΔＴ180°を乗算したものが筒内充填空気量Ｍｃとなる。したがって、吸気弁モデルで算出された筒内吸入空気流量ｍｃにΔＴ180°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・ΔＴ180°）。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。すなわち、これらの値は相互に換算することが可能である。
なお、本明細書において、内燃機関の吸気量とは、内燃機関の（稼動中の）全気筒の燃焼室内に吸入される空気の量のことであり、これは上記の筒内充填空気量Ｍｃ、筒内吸入空気流量ｍｃ、筒内空気充填率Ｋｌの何れを用いても表現することができる。
ところで、本実施形態においては、上述したように、バルブリフト量変更装置１４や開閉タイミングシフト装置１５によって吸気弁２の開弁特性（リフト量、作用角、バルブタイミング）を制御することができ、スロットル弁１２によって下流側吸気管内圧力を制御することができる。そして、この開弁特性とスロットル弁１２の開度（より詳細には、スロットル弁下流側の吸気管内圧力）とを協調制御することによって吸気量が制御される。すなわち、スロットル弁と、開弁特性制御手段であるバルブリフト量変更装置１４及び開閉タイミングシフト装置１５とが協働して吸気量を制御する。そして、本実施形態ではこのような吸気量制御の際に、上述した各モデル式を利用した制御がなされる。以下ではその具体的な方法について図１０のフローチャートを参照しつつ説明する。
図１０は、本実施形態において実施されている吸気量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンはＥＣＵ２８により予め定めた時間、すなわち制御周期Ｔｓ毎の割込みによって実施される。
本制御ルーチンがスタートすると、まずステップ１０１において、制御周期Ｔｓに相当する時間経過後に実現すべき目標吸気量ｍｃｔａが求められる。なお、上述したように吸気量は、上記の筒内充填空気量Ｍｃ、筒内吸入空気流量ｍｃ、筒内空気充填率Ｋｌの何れを用いても表現することができるが、以下の説明では筒内吸入空気流量ｍｃを用いて表現する。したがって、上記目標吸気量ｍｃｔａは、より詳細には、制御周期Ｔｓに相当する時間経過後に実現すべき筒内吸入空気流量ｍｃのことである。
この目標吸気量ｍｃｔａは、運転者の要求を表すアクセル踏込み量Ｌ及び機関回転数ＮＥに要求トルクＴＱｒを対応させたマップと、要求トルクＴＱｒに目標吸気量ｍｃｔａを対応させたマップとを事前に作成しておき、これらのマップに基づいて求めるようにしてもよいが、本実施形態においては以下のようにして求められる。
すなわち、本実施形態においては、アクセル踏込み量Ｌと機関回転数ＮＥとから、開弁特性が予め定めた基準状態に設定されているとした場合のスロットル開度、すなわち、開弁特性が予め定めた基準状態に設定されているとした場合にアクセルを踏込むことによって車両の運転者が要求しているスロットル開度（要求スロットル開度）θｔｂを求めるマップが事前に作成され、ＥＣＵ２８に記憶されている。ここで上記基準状態は、例えば、バルブリフト量変更装置１４や開閉タイミングシフト装置１５を有していない通常エンジンにおける標準的なバルブリフト量及び作用角、並びに開閉タイミングとされ得る。
そして、まず上記要求スロットル開度θｔｂを求めるマップに基づいて、アクセル踏込み量Ｌと機関回転数ＮＥとから要求スロットル開度θｔｂが求められる。そして、この要求スロットル開度θｔｂにより、上述したスロットルモデルのモデル式（（２）式）が定められる（下記（１５）式）。
Figure 2006112321
一方、開弁特性が予め定めた基準状態に設定されているとすると、機関回転数ＮＥ等から上述した吸気弁モデルのモデル式（（１４）式）の適合パラメータＡ、Ｂが定められ、そのモデル式が定められる。適合パラメータＡ、ＢがＡｂ、Ｂｂに定められたとすると下記（１６）式のようになる。
Figure 2006112321
そして吸気量が目標吸気量になる状態は、すなわち収束状態であり、その時スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃは等しくなる。したがって、上記のように定められたスロットルモデルのモデル式（（１５）式）から得られるスロットル弁通過空気流量ｍｔｂと、上記のように定められた吸気弁モデルのモデル式（（１６）式）から得られる筒内吸入空気流量ｍｃｂとが、同一の下流側吸気管内圧力Ｐｍに対して等しくなる時の上記筒内吸入空気流量ｍｃｂを求めれば、それが目標吸気量ｍｃｔａということになる。
そして、以上のようにして上記目標吸気量ｍｃｔａを求めることは、図１１に例示したように、上記のように定められたスロットルモデルのモデル式（（１５）式）によって表される曲線ｍｔｂと上記のように定められた吸気弁モデルのモデル式（（１６）式）によって表される直線ｍｃｂとの交点ＥＰｂを求め、その縦軸の座標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（（１５）式）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、上記曲線ｍｔｂを表す式（（１５）式）を複数の下流側吸気管内圧力Ｐｍ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Ｐｍの一定間隔毎に上記曲線ｍｔｂを表す式（（１５）式）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Ｐｍ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曲線ｍｔｂを表す式（（１５）式）の近似一次式となる。
ところで、上記曲線ｍｔｂを表す式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Ｐｍの一定間隔毎に上記直線ｍｃｂを表す式（（１６）式）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。
なお、以上の説明から理解されると思われるが、上記基準状態をバルブリフト量変更装置１４や開閉タイミングシフト装置１５を有していない通常エンジンにおける標準的なバルブリフト量及び作用角、開閉タイミングとして上記の方法により目標吸気量ｍｃｔａを求めると、通常エンジンの場合において運転者があるアクセル踏込み量Ｌｃ及び機関回転数ＮＥｃで意図するもしくは要求する吸気量と同じ吸気量を、本実施形態における同じアクセル踏込み量Ｌｃ及び機関回転数ＮＥｃに対する目標吸気量ｍｃｔａとして求めることができる。
ステップ１０１で目標吸気量ｍｃｔａが求められると、続くステップ１０３において、吸気弁２の目標開弁特性Ｃｖｔａ、すなわち、目標リフト量Ｌｔｔａ及び目標作用角Ｓａｔａ、並びに目標開閉タイミングシフト量（すなわち、基準となる開閉タイミングからの遅角または進角量であって開閉タイミングシフト装置による変位角）Ｖｔｔａが決定される。なお、上述の説明から明らかなように、本実施形態においてはリフト量Ｌｔと作用角Ｓａには一定の関係があり、作用角Ｓａが決まればリフト量Ｌｔも決まるので、目標リフト量Ｌｔｔａ及び目標作用角Ｓａｔａを決定する場合、実際には目標作用角Ｓａｔａがマップを用いて決定される。
より詳細には、ステップ１０３においては、上記目標作用角Ｓａｔａ及び目標開閉タイミングシフト量Ｖｔｔａが、機関回転数ＮＥ、目標吸気量ｍｃｔａ等に対して、燃費、エミッション、トルク変動等の条件が複合的に最適となる作用角Ｓａ及び開閉タイミングシフト量Ｖｔが得られるように作成されたマップに基づいて決定される。このようなマップは事前に実験等によって求められ、ＥＣＵ２８に記憶させておく。
ステップ１０３において目標開弁特性Ｃｖｔａが決定されると、続くステップ１０５において、目標吸気管内圧力Ｐｍｔａが求められる。この目標吸気管内圧力Ｐｍｔａは吸気弁２の開弁特性Ｃｖが上記目標開弁特性Ｃｖｔａに設定されている場合に上記目標吸気量ｍｃｔａを実現するスロットル弁下流側の吸気管内圧力Ｐｍである。
そして、本実施形態において、この目標吸気管内圧力Ｐｍｔａは、上述した吸気弁モデルのモデル式（（１４）式）を用いて以下のように求められる。すなわち、まず開弁特性Ｃｖが上記目標開弁特性Ｃｖｔａに設定されているとして、機関回転数ＮＥ等から上述した吸気弁モデルのモデル式（（１４）式）の適合パラメータＡ、Ｂを定め、そのモデル式を定める。つまり、適合パラメータＡ、ＢがＡｆ、Ｂｆに定められたとすると下記（１７）式のようになる。
Figure 2006112321
そして、上記目標吸気管内圧力Ｐｍｔａは、この（１７）式において目標吸気量ｍｃｔａを実現する下流側吸気管内圧力Ｐｍであるので、（１７）式に基づいて下記（１８）式のように表すことができる。
Figure 2006112321
上記開弁特性Ｃｖが上記目標開弁特性Ｃｖｔａに設定されている場合の吸気弁モデルのモデル式（（１７）式）で表される直線ｍｃｆと上記目標吸気管内圧力Ｐｍｔａとを図示すると、例えば図１２のようになる。
ステップ１０５において目標吸気管内圧力Ｐｍｔａが求められると、続くステップ１０７において、目標スロットル開度θｔｔａが求められる。この目標スロットル開度θｔｔａは下流側吸気管内圧力Ｐｍを上記目標吸気管内圧力Ｐｍｔａとするスロットル開度θｔである。本実施形態において、この目標スロットル開度θｔｔａは、上述したスロットルモデルのモデル式（（２）式）を用いて以下のようにして求められる。
すなわち、スロットル開度θｔを目標スロットル開度θｔｔａとした場合には、下流側吸気管内圧力Ｐｍが上記目標吸気管内圧力Ｐｍｔａに収束すると共に、スロットル弁通過空気流量ｍｔが目標吸気量ｍｃｔａに収束するはずであるので、下記（１９）式が成立する。
Figure 2006112321
そして、（１９）式は、下記（２０）式のように変形することができる。
Figure 2006112321
そしてここで、（２０）式の左辺はスロットル開度θｔのみの関数であるので、（２０）式の右辺の値を計算することで、（２０）式に基づいて目標スロットル開度θｔｔａを求めることができる。すなわち、例えば、上述したスロットル開度θｔからＦ（θｔ）の値を求めるマップを逆に用いることで、算出された（２０）式の右辺の値を用いて目標スロットル開度θｔｔａを求めることができる。
なお、上記（２０）式は、上記（８）式及び（１８）式を用いると、下記（２１）式のように書き換えることができる。
Figure 2006112321
また、上記のようにして求められた目標スロットル開度θｔｔａを上記（２）式に代入すると下記（２２）式が得られる。そしてこの（２２）式で表されるスロットル通過空気流量ｍｔｆの曲線を図示すると図１３のように点ＥＰｆ（Ｐｍｔａ，ｍｃｔａ）を通る曲線となる。
Figure 2006112321
ステップ１０７において目標スロットル開度θｔｔａが求められると、続くステップ１０９において、吸気弁２の開弁特性Ｃｖが上記目標開弁特性Ｃｖｔａになるようにバルブリフト量変更装置１４及び開閉タイミングシフト装置１５が制御されると共に、スロットル開度θｔが上記目標スロットル開度θｔｔａになるようにスロットル弁１２が制御される。これによって、吸気量が目標吸気量ｍｃｔａになるように制御される。そしてステップ１０９を終了するとステップ１０１に戻り同様の制御が繰り返される。
以上の説明から、本実施形態では、目標吸気量ｍｃｔａに基づいて最終的に目標スロットル開度θｔｔａが決定され、スロットル弁開度θｔがその目標スロットル開度θｔｔａになるようにスロットル弁１２が制御されて吸気量が制御されるようになっていると言える。そしてこのような場合においては、上記目標スロットル開度θｔｔａの決定やスロットル弁の制御の過程における制御異常を検出することが好ましい。
そしてこのような制御異常を検出する方法としては、一般には運転者の要求を表すアクセル踏込み量と機関回転数とから決定され得る要求スロットル開度と、スロットル開度センサにより計測された実際のスロットル開度とを比較して行う方法が考えられるのであるが、実際にはこれら二つのスロットル開度は制御が正常であっても一致しない場合があり、この方法では制御異常の有無を判別できない、すなわち制御異常が正確に検出できない場合がある。
すなわち、本実施形態のようにスロットル開度と吸気弁の開弁特性とを制御して吸気量を制御する場合には、吸気弁の開弁特性によって同じ目標吸気量を実現するスロットル開度が異なることになるため、上述したように上記要求スロットル開度θｔｂと上記目標スロットル開度θｔｔａとは一致しない場合があり、制御が正常であっても上記要求スロットル開度θｔｂと実際のスロットル開度とが一致しない場合が生じ得るため、上記の方法では、制御異常を正確に検出することができないのである。
また、その他の場合としては、例えば、電子制御式トランスミッションが搭載されている場合や横滑り等を防止して車両を安定させるために機関の出力を制御するシステムが搭載されている場合等が考えられる。すなわち、これらの場合には、上記目標吸気量が運転者の要求を表すアクセル踏込み量及び機関回転数の他、車両や機関の運転状態にも基づいて決定されるため、上記要求スロットル開度と上記目標スロットル開度とが必ずしも一致せず、その結果として制御が正常であっても上記要求スロットル開度と実際のスロットル開度とが一致しない場合がある。
本実施形態では、以上のような点に鑑み、以下で説明するような方法で上記制御異常を検出するようにしている。すなわち、本実施形態では、上記制御異常を検出するために、図１４の制御ルーチンで示される制御が、図１０を参照しつつ先に説明した吸気量制御と並行して実施されている。
図１４の制御ルーチンは、図１０を参照しつつ説明した吸気量制御のステップ１０１において目標吸気量ｍｃｔａが求められるとスタートし、最初のステップであるステップ２０１においては、その目標吸気量ｍｃｔａの取込みが行われる。そして、ステップ２０１において目標吸気量ｍｃｔａが取り込まれると、続くステップ２０３において、スロットル弁１２の開度θｔの制御が実施されたか否かが判定される。
この判定は、すなわち、図１０を参照しつつ説明した吸気量制御のステップ１０９における制御が実施されたか否かを判定するものであり、例えば、今回の開度制御のための信号が発信されたか否か、もしくは同信号が発信されてから予め定めた時間が経過したか否か等によって判定される。
ステップ２０３において、スロットル弁１２の開度θｔの制御が実施されたと判定された場合にはステップ２０５に進み、スロットル弁１２の開度θｔの制御がまだ実施されていないと判定された場合には、再度ステップ２０３の制御が実施される。すなわち、ここでは、スロットル弁１２の開度制御が実施されてからステップ２０５に進むようになっている。
続くステップ２０５においては、エアフローメータ２４によって吸気量（すなわち、計測吸気量）ｍｃｆｍが計測される。そして、ステップ２０５において計測吸気量ｍｃｆｍが求められると、ステップ２０７に進み、上記目標吸気量ｍｃｔａと上記計測吸気量ｍｃｆｍとが比較される。より具体的には、本実施形態においてはステップ２０７において、上記目標吸気量ｍｃｔａと上記計測吸気量ｍｃｆｍとの差の大きさ（｜ｍｃｔａ−ｍｃｆｍ｜）が予め定めた許容差α以下であるか否かが判定される（つまり、ここでは上記目標吸気量ｍｃｔａと上記計測吸気量ｍｃｆｍとが比較され、これらの一致の度合が判定されていると言える）。
そして、ステップ２０７において、上記吸気量差の大きさ（｜ｍｃｔａ−ｍｃｆｍ｜）が上記許容差α以下であると判定された場合には、ステップ２０９に進んで正常判定がなされ、今回の制御が終了する。一方、上記吸気量差の大きさ（｜ｍｃｔａ−ｍｃｆｍ｜）が上記許容差αより大きいと判定された場合には、ステップ２１１に進んで異常判定がなされ、今回の制御が終了することになる。
以上のように、本実施形態では、上記目標吸気量ｍｃｔａとエアフローメータ２４で計測した吸気量ｍｃｆｍとを比較して制御異常を検出するようになっている。そして、このようにすることによって、上記目標スロットル開度θｔｔａの決定やスロットル弁の制御の過程における制御異常を簡易な方法でより確実に検出することが可能となる。
次に本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態は、図１に示した構成で実施され得るものであって上述の実施形態と共通する部分を多く有しており、これら共通する部分については原則として説明を省略する。
本実施形態では、上記制御異常を検出するために、図１５の制御ルーチンで示される制御が、図１０を参照しつつ説明した吸気量制御と並行して実施されている。図１５の制御ルーチンは、図１４の制御ルーチンと同様、図１０を参照しつつ説明した吸気量制御のステップ１０１において目標吸気量ｍｃｔａが求められるとスタートする。この制御ルーチンの最初のステップであるステップ３０１及びそれに続くステップ３０３における制御は、図１４の制御ルーチンのステップ２０１及びステップ２０３における制御とそれぞれ同様であるので、ここでは説明を省略する。
制御がステップ３０５に進むと、そこでは吸気管内圧力センサ２４によってスロットル弁下流側の吸気管内圧力（すなわち、計測吸気管内圧力）Ｐｍｔｈが計測される。そして、ステップ３０５において計測吸気管内圧力Ｐｍｔｈが求められると、ステップ３０６に進み、上記計測吸気管内圧力Ｐｍｔｈを用いて上述した吸気弁モデルのモデル式に基づいて吸気量（すなわち、算出吸気量）ｍｃｔｈが算出される。
この場合、吸気弁２の開弁特性Ｃｖは上記目標開弁特性Ｃｖｔａに設定されていると考えられるので、上記適合パラメータＡ、Ｂとしては、上述したＡｆ、Ｂｆ（上記（１７）式において使用）とされる。つまり、ここで上記算出吸気量ｍｃｔｈは、下記（２３）式により算出される。
Figure 2006112321
そして、ステップ３０６において算出吸気量ｍｃｔｈが求められると、ステップ３０７に進み、上記目標吸気量ｍｃｔａと上記算出吸気量ｍｃｔｈとが比較される。より具体的には、本実施形態においてはステップ３０７において、上記目標吸気量ｍｃｔａと上記算出吸気量ｍｃｔｈとの差の大きさ（｜ｍｃｔａ−ｍｃｔｈ｜）が予め定めた許容差β以下であるか否かが判定される（つまり、ここでは上記目標吸気量ｍｃｔａと上記算出吸気量ｍｃｔｈとが比較され、これらの一致の度合が判定されていると言える）。
そして、ステップ３０７において、上記吸気量差の大きさ（｜ｍｃｔａ−ｍｃｔｈ｜）が上記許容差β以下であると判定された場合には、ステップ３０９に進んで正常判定がなされ、今回の制御が終了する。一方、上記吸気量差の大きさ（｜ｍｃｔａ−ｍｃｔｈ｜）が上記許容差βより大きいと判定された場合には、ステップ３１１に進んで異常判定がなされ、今回の制御が終了することになる。
以上のように、本実施形態では、上記目標吸気量ｍｃｔａと、吸気管内圧力センサ２５によって計測された上記吸気管内圧力Ｐｍｔｈを用いて算出した吸気量ｍｃｔｈとを比較して制御異常を検出するようになっている。そしてこのようにすることによっても、上記目標スロットル開度θｔｔａの決定やスロットル弁の制御の過程における制御異常を簡易に且つより確実に検出することが可能となる。
なお、以上では、バルブリフト量変更装置１４及び開閉タイミングシフト装置１５によって吸気弁２の開弁特性のみが変更され、排気弁４の開弁特性は変更されない場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、排気弁用のバルブリフト量変更装置及び開閉タイミングシフト装置を設けることによって排気弁４の開弁特性を変更できるようにされた場合に適用しても、上述の実施形態の場合と同様にして制御異常を検出することができる。
また、以上では、スロットル弁１２と、バルブリフト量変更装置１４及び開閉タイミングシフト装置１５という可変動弁機構との協調制御によって吸気量を制御する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち本発明は、スロットル弁と、可変動弁機構以外の吸気量可変手段、例えば気筒数可変機構や排気量可変機構等とが協働して吸気量を制御する場合にも適用可能であり、このような場合においても上述の実施形態の場合と同様にして制御異常を検出することができる。
更に、これまでの説明から明らかであるように、目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する制御が実施される場合であって、上述した電子制御式トランスミッションが搭載されている場合や横滑り等を防止して車両を安定させるために機関の出力を制御するシステムが搭載されている場合に本発明を適用すれば、上述の実施形態の場合と同様、上記目標スロットル開度θｔｔａの決定やスロットル弁の制御の過程における制御異常を簡易に且つより確実に検出することができる。
図１は、本発明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、バルブリフト量変更装置が作動されるのに伴って吸気弁のバルブリフト量及び作用角が変化する様子を示した図である。 図３は、開閉タイミングシフト装置が作動されるのに伴って吸気弁の開閉タイミングがシフトする様子を示した図である。 図４は、スロットル開度と流量係数との関係を示す図である。 図５は、関数Φ（Ｐｍ／Ｐａｃ）を示す図である。 図６は、スロットルモデルの基本概念を示す図である。 図７は、吸気管モデルの基本概念を示す図である。 図８は、吸気弁モデルの基本概念を示す図である。 図９は、筒内充填空気量及び筒内吸入空気流量の定義に関する図である。 図１０は、本発明の一実施形態において実施されている吸気量制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１１は、図１０の制御ルーチンのステップ１０１に関連する図であり、目標吸気量ｍｃｔａについて示した図である。 図１２は、図１０の制御ルーチンのステップ１０５に関連する図であり、目標吸気管内圧力Ｐｍｔａについて示した図である。 図１３は、図１０の制御ルーチンのステップ１０７に関連する図である。 図１４は、本発明の一実施形態における制御異常検出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、本発明の他の実施形態における制御異常検出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
符号の説明
１ 内燃機関本体
２ 吸気弁
３ 吸気ポート
４ 排気弁
５ 排気ポート
６ 燃焼室
７ シリンダ（気筒）
９ サージタンク
１１ エアクリーナ
１２ スロットル弁
１４ バルブリフト量変更装置
１５ 開閉タイミングシフト装置
１８ 開弁特性センサ
２４ エアフローメータ
２５ 吸気管内圧力センサ
２８ ＥＣＵ（電子制御装置）

Claims (3)

  1. 目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置において、上記目標吸気量とエアフローメータで計測した吸気量とを比較して制御異常を検出する、内燃機関の制御装置。
  2. 目標吸気量に基づいて目標スロットル開度を決定する内燃機関の制御装置において、スロットル弁下流側の吸気管内圧力に基づいて吸気量を求める吸気量算出式を備えていて、上記目標吸気量と、吸気管内圧力センサによって計測された上記吸気管内圧力を用いて上記吸気量算出式から求めた吸気量とを比較して制御異常を検出する、内燃機関の制御装置。
  3. 上記目標吸気量と上記目標スロットル開度の少なくとも一方は、運転者の要求の他、車両と内燃機関の少なくとも一方の運転状態に基づいて決定される、請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
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