JP2008038772A - 内燃機関の吸入空気量推定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の吸入空気量推定装置及び方法に関し、変動弁機構を備えた内燃機関においてもシリンダ内の吸入空気量を精度良く推定することができるようにする。
【解決手段】吸気通路１５，１９内の吸入空気量を制御するスロットルバルブ１６と、吸気バルブ１４の動作状態を変化させうる可変動弁機構３０とを備えられた内燃機関１に装備され、吸気通路１５，１９を通過する吸入空気流量を計測するエアフローセンサ２０と、吸気バルブ１４の動作状態の変化に応じて変化するシリンダ３の有効行程容積を演算する有効行程容積演算手段４１と、計測された吸入空気の流量を、演算された有効行程容積を用いた１次フィルタ演算により各行程ごとに演算処理することによって、シリンダ３内への推定吸入空気量を演算する推定吸入空気量演算手段４２と、を備えるようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内への吸入空気量を推定する吸入空気量推定装置及び方法に関し、特に可変バルブタイミング機構が設けられた内燃機関においてバルブタイミングの変更に応じてシリンダ内への吸入空気量を推定する、内燃機関の吸入空気量推定装置及び方法に関する。

内燃機関（以下、エンジンとも言う）において、例えば燃料噴射量を制御するには、その時点のシリンダへの吸入空気量を把握することが必要である。しかし、シリンダへの吸入空気量自体を直接測定することは困難である。このため、通常、エンジンの吸気通路のスロットル上流にエアフローセンサを装備し、このエアフローセンサでスロットルを通過した空気流量を測定し、この測定結果に基づいてシリンダ内に吸入された空気量を推定演算している。

例えば、４気筒エンジンを例に図７を用いて説明すると、図７（ａ）に示すように、第ｎ−１行程において、第２気筒♯２が吸気行程（このとき、第１気筒♯１は排気行程、第３気筒♯３は膨張行程、第４気筒♯４は圧縮行程）となり、スロットルＴをＱｉｎ（ｎ−１）の空気が通過するものとする。この後、第２気筒♯２が吸気行程を終了すると、図７（ｂ）に示すように、スロットル下流容積部（スロットルＴから各気筒＃１〜＃４の吸気ポートまでの空間）ＳはＱｓ（ｎ−１）の空気で満たされるものとし、第２気筒容積はＱｃ（ｎ−１）の空気で満たされるものとし、このときのスロットル下流容積部Ｓの空気Ｑｓと第２気筒容積の空気Ｑｃとは同密度であるものとする。

次に、図７（ｃ）に示すように、第ｎ行程において、第１気筒♯１が吸気行程（このとき、第２気筒♯２は圧縮行程、第３気筒♯３は排気行程、第４気筒♯４は膨張行程）となり、スロットルＴをＱｉｎ（ｎ）の空気が通過するものと考える。この後、第１気筒♯１が吸気行程を終了すると、図７（ｄ）に示すように、スロットル下流容積部ＳはＱｓ（ｎ）の空気で満たされるものとし、第１気筒容積はＱｃ（ｎ）の空気で満たされるものとし、スロットル下流容積部Ｓの空気と第１気筒容積の空気とは同密度であるものとする。

以上の仮定のもと、スロットル下流容積部Ｓの容積をＶｓ、各シリンダ容積（吸気閉弁時の各シリンダ容積）をＶｃとすると、容積比を考えることにより、第ｎ−１行程において次式（１ａ）が、第ｎ行程において次式（１ｂ）がそれぞれ成立する。

一方、第ｎ−１行程終了時にスロットル下流容積Ｖｓを満たしていた空気量Ｑｓ（ｎ−１）と第ｎ行程中にスロットルＴを通過した空気量Ｑｉｎ（ｎ）との和は、第ｎ行程終了時にスロットル下流容積Ｖｓを満たしていた空気量Ｑｓ（ｎ−１）とシリンダ容積Ｖｃを満たしていたＱｃ（ｎ）との和である。よって、次式（２）が成立する。

ここで、式（１ａ）と式（１ｂ）とを式（２）に代入し、左辺のＱｃ（ｎ）について整理すると、次式（３）が成立する。

上記の式（３）は、KをＣＣＡ（Cylinder Charged Air）フィルタ定数とする１次フィルタ演算式である。この式（３）によって、直前の第ｎ−１行程においてシリンダ容積Ｖｃを満たしていた空気量Ｑｃ（ｎ−１）とこのときスロットルＴを通過する空気量Ｑｉｎ（ｎ）とから、第ｎ行程においてシリンダ容積Ｖｃを満たしている空気量Ｑｃ（ｎ）、即ち、その時点のシリンダ吸入空気量を求めることができる。

ところで、近年、運転状態に応じて最適なバルブ特性を達成するために可変動弁機構が種々開発され実用化されている。バルブ特性としては、バルブタイミング、バルブ開期間（カム作用期間）、バルブリフト量（カムリフト量）等がある。
このような可変動弁機構を備えた内燃機関において、吸入空気量を求める技術も提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１は、スロットルバルブを閉から開に駆動する加速状態のような過渡時において、エアフローメータの計測値を実際の機関吸入空気量に修正するため、エアフローメータ計測値を鈍化する処理として、いわゆる「なまし」を行う技術に関するものである。つまり、この技術は、「なまし」を行う際使用するなまし率を、バルブタイミング変位量に基づく体積効率、あるいは、バルブタイミング変位量に加えてスロットル開度、機関回転速度にも基づく体積効率に応じて変化させる。通常、なまし率は、機関の型式に応じた一定値を採用するが、可変動弁機構を備えた内燃機関の場合、一定のなまし率を用いると機関吸入空気量を正確に算出することができない。これに対し、特許文献１によれば、なまし率をバルブタイミング等に応じて変化させるため、機関吸入空気量を正確に検出することができるとされている。

ところが、この特許文献１において、バルブタイミング変位量に基づく体積効率に応じてなまし率を変化させる場合は、空気量の算出精度を充分向上できない可能性がある。さらに、バルブタイミング変位量・スロットル開度・機関回転速度に基づく体積効率に応じてなまし率を変化させる場合は、演算が煩雑化する傾向がある。
ＷＯ９９／５４６１４号公報

ところで、上記（３）式の１次フィルタ演算式を用い、各時点においてシリンダ容積Ｖｃを満たしている空気量Ｑｃ（ｎ）を求める技術によれば、センサにより直接検知することが困難なシリンダ内の吸入空気量を精度良く推定することができ、例えば各シリンダの燃料供給量制御や点火時期制御を正確に行うことが可能になる。
そこで、上記の１次フィルタ演算式を用いてシリンダ内の吸入空気量を推定する技術を可変動弁機構を備えた内燃機関へ適用させることができるようにしたいが、この場合、以下のような課題がある。

つまり、可変動弁機構を備えた内燃機関として、例えば、バルブリフト量を連続的に変更しうる連続可変バルブリフト量エンジンや、バルブ開閉タイミングを連続的に変更しうる連続可変バルブタイミングエンジンがあるが、このようなエンジンでは、運転条件により吸気バルブの閉弁時期が変化し、吸気を行う際の有効な行程容積（吸気バルブの閉弁時期における行程容積）が変化する。このため、通常のエンジン（可変動弁機構を備えないエンジン）と同様に、上記（３）式を用いた演算を行うと、実際にシリンダ内に吸入された空気量と演算による推定空気量とが大きく異なってしまい、エンジン燃料制御や点火時期制御等を正確に行うことが困難となる。

本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、可変動弁機構を備えた内燃機関においてもシリンダ内の吸入空気量を容易に精度良く推定することができるようにした、内燃機関の吸入空気量推定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目標を達成するため、本発明の内燃機関の吸入空気量推定装置は、吸気通路と、前記吸気通路内に設けられ吸入空気量を制御するスロットルバルブと、吸入空気のシリンダ（燃焼室）内への流れを制御する吸気バルブの動作状態を変化させうる可変動弁機構と、を有する内燃機関に装備され、前記吸気通路を通過する吸入空気流量を計測する通過空気量計測手段（エアフローセンサ）と、前記吸気バルブの動作状態の変化に応じた前記吸気バルブ閉弁時の前記シリンダの有効行程容積を演算する有効行程容積演算手段と、前記通過空気量計測手段で計測された吸入空気流量を、前記有効行程容積演算手段により演算された前記有効行程容積を用いたフィルタ演算により各行程ごとに演算処理することによって、前記シリンダ内への推定吸入空気量を演算する推定吸入空気量演算手段と、を備えていることを特徴としている（請求項１）。

なお、シリンダの有効行程容積とは、吸気行程、即ち、シリンダ内への吸入空気の取り込み可能な状態において、シリンダ内の実質的な有効容積の最大値であり、基本的には、吸気弁が閉じる時のシリンダ内容積となる。ただし、吸気時の実質的なシリンダ内有効容積は、エンジン運転回転速度や吸気圧力（インマニ圧）などにも依存する。
また、前記吸気バルブの動作状態を検出する吸気バルブ動作状態検出手段と、前記内燃機関の機関回転速度を検出する機関回転速度検出手段と、をさらに備え、前記有効行程容積演算手段は、前記吸気バルブ動作状態検出手段の検出結果から得られる前記吸気バルブの閉弁時期と前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度とに基づいて、前記有効行程容積を演算することが好ましい（請求項２）。

また、前記吸気通路内の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記有効行程容積演算手段は、前記圧力検出手段により検出された前記吸気通路内の圧力に基づき前記有効行程容積を補正した上で、前記推定吸入空気量演算手段に出力することが好ましい（請求項３）。
さらに、前記推定吸入空気量演算手段は、現行程ｎにおける前記推定吸入空気量Ｑｃ（ｎ）を、前行程ｎ−１における前記推定吸入空気量Ｑｃ（ｎ−１）及び前記有効行程容積Ｖｃ（ｎ−１）と、現行程ｎにおける前記吸入空気流量Ｑｉｎ（ｎ）及び前記有効行程容積Ｖｃ（ｎ）と、前記スロットルバルブから前記吸気バルブまでのスロットル下流容積Ｖｓとに基づいて、下式（Ａ）によりフィルタ演算を行うことが好ましい（請求項４）。

なお、請求項３の吸気通路内の圧力に基づき前記有効行程容積を補正する構成を前提として、請求項４の式（Ａ）によりフィルタ演算を実施する場合、例えば、前記有効行程容積を補正するための補正係数Ｋｐｉｎを吸気通路内の圧力Ｐｉｎに応じて設定し、前行程ｎ−１における吸気通路内の圧力Ｐｉｎ（ｎ−１）に基づく補正係数Ｋｐｉｎ（ｎ−１）により有効行程容積Ｖｃ（ｎ−１）を補正し、現行程ｎにおける吸気通路内の圧力Ｐｉｎ（ｎ）に基づく補正係数Ｋｐｉｎ（ｎ）により有効行程容積Ｖｃ（ｎ）を補正し、式（Ａ）において、有効行程容積Ｖｃ（ｎ−１）及びＶｃ（ｎ）に代えて、補正した前行程ｎ−１における有効行程容積Ｖｃ´（ｎ−１）及び現行程ｎにおける有効行程容積Ｖｃ´（ｎ）を用いてフィルタ演算を行うことができる。

本発明の内燃機関の吸入空気量推定方法は、吸気通路と、前記吸気通路内に設けられ吸入空気量を制御するスロットルバルブと、吸入空気のシリンダ（燃焼室）内への流れを制御する吸気バルブの動作状態を変化させうる可変動弁機構と、を備えた内燃機関の前記シリンダ内への吸入空気量を推定する方法であって、前記吸気通路を通過する吸入空気流量を計測する通過空気量計測ステップと、前記吸気バルブの動作状態の変化に応じた前記吸気バルブ閉弁時の前記シリンダの行程容積である有効行程容積を演算する有効行程容積演算ステップと、前記通過空気量計測ステップで計測された吸入空気流量を、前記有効行程容積演算ステップにより演算された前記有効行程容積を用いたフィルタ演算により各行程ごとに演算処理することによって、前記シリンダ内への推定吸入空気量を演算する推定吸入空気量演算ステップと、を備えていることを特徴としている（請求項５）。

本発明の内燃機関の吸入空気量推定装置（請求項１）及び方法（請求項５）によれば、吸気通路を通過する吸入空気流量を計測し、吸気バルブの動作状態の変化に応じた有効行程容積（前記吸気バルブ閉弁時の前記シリンダの行程容積）を演算する。そして、計測された吸入空気の流量を、演算された前記有効行程容積を用いたフィルタ演算により各行程ごとに演算処理することによって、シリンダ内への推定吸入空気量を演算する。このように、吸気バルブの動作状態の変化に応じて変化する有効行程容積に着目するため、吸気バルブの動作状態が変化してもシリンダ内への推定吸入空気量を正確に演算することが可能になる。

また、前記吸気バルブ動作状態検出手段の検出結果から得られる前記吸気バルブの閉弁時期と前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度とに基づけば、前記有効行程容積を容易に且つ精度良く演算することができる（請求項２）。
また、前記有効行程容積を吸気通路内の圧力に基づき補正した上で、フィルタ演算を行うことで、シリンダ内への推定吸入空気量をより精度良く演算することが可能になる（請求項４）。

以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図６は本発明の実施形態にかかるもので、これらの図に基づき説明する。
（装置構成）
まず、本実施形態にかかる内燃機関（エンジン）について説明する。
本実施形態にかかるエンジンは、車両に搭載されるもので、吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）ガソリンエンジン（ここでは、ＤＯＨＣエンジンとなっている）が採用される。このエンジンの吸気弁及び排気弁の動弁系には、バルブの開閉タイミングを変更することが可能な可変バルブタイミング装置が付設されている。

図２に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、各シリンダ（気筒）３毎に点火プラグ１１が取り付けられている。この点火プラグ１１には高電圧を出力する点火コイル１２が接続されている。シリンダヘッド２には、各気筒３毎に吸気ポート５が形成されている。各吸気ポート５のシリンダ内（燃焼室）４側には、吸気バルブ１４がそれぞれ設けられている。吸気バルブ１４は、クランク軸７の回転（エンジン回転）に応じて回転するカムシャフト１３のカム１３ａの動作に応じて開閉作動し、各吸気ポート５とシリンダ内４との連通と遮断とを行う。

各吸気ポート５には、吸気マニホールド（吸気通路）１５の一端がそれぞれ接続されている。吸気マニホールド１５には、吸入空気量を調節するスロットルバルブ（ここでは電磁式スロットルバルブ：ＥＴＶ）１６が設けられている。スロットルバルブ１６近傍には、スロットル開度θｔｈを検出するスロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）１７が設けられている。

また、吸気マニホールド１５のスロットルバルブ１６よりも下流部分には、吸気マニホールド１５内の圧力を検出するインマニ圧センサ（圧力検出手段）１８が設けられ備えている。
さらに、吸気マニホールド１５のスロットルバルブ１６よりも上流の吸気管（吸気通路）１９には、これら吸気マニホールド１５，吸気管１９内を通過する吸入空気流量Ｑｉｎを計測するエアフローセンサ（通過空気量計測手段）２０が設けられている。このエアフローセンサ２０としては、例えばカルマン渦式エアフローセンサが使用される。

また、吸気マニホールド１５には、電磁式の燃料噴射弁２１が取り付けられている。この燃料噴射弁２１には、燃料パイプ２２を介して燃料タンクを擁した燃料供給装置（図示せず）が接続されている。
また、シリンダヘッド２には、各気筒３毎に排気ポート６が形成されている。各排気ポート６の燃焼室４側には、排気バルブ２４がそれぞれ設けられている。排気バルブ２４は、クランク軸７の回転（エンジン回転）に応じて回転するカムシャフト２３のカム２３ａの動作に応じて開閉作動し、各排気ポート６と燃焼室４との連通と遮断とを行う。

各排気ポート６には、排気マニホールド２５の一端がそれぞれ接続されている。この排気マニホールド２５の他端には、排気管２６が接続されている。この排気管２６には、排気浄化触媒装置として三元触媒２７が介装されている。
そして、シリンダヘッド２には、カム１３ａ，２３ａを進角或いは遅角操作することで、吸気バルブ１４や排気バルブ２４の開閉タイミングを可変させる可変バルブタイミング機構（可変動弁機構）３０が設けられている。

本実施形態の可変バルブタイミング機構３０は、吸気側と排気側とにそれぞれ設けられたベーンユニット３１や、電磁式のオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）３２等から構成されており、その構成自体は公知のものが用いられている。より詳しくは、各ベーンユニット３１は、カムシャフト１３，２４の一端にそれぞれ固定されたベーンロータ（図示せず）や、このベーンロータに一体に形成された例えば２つのベーン（図示せず）、これらベーンを収容するベーン収容室が設けられたベーンハウジング（図示せず）等を備えている。ベーンユニット３１のベーンハウジングは、例えば歯付きベルトを介して、クランク軸７に同期回転可能に接続されており、その各ベーン収容室は、各々収容されたベーンにより遅角油室と進角油室とに区分されている。そして、これら各油室は、ＯＣＶ３２を介して油ポンプ（図示せず）に接続されている。

可変バルブタイミング機構３０は、ＯＣＶ３２の開閉操作によりベーン収容室の各油室に対する圧油の給排が制御されることで、ベーン収容室内でベーンの位置が変化し、クランクシャフト７に対するカムシャフト１３，２３の位相角が変化するように構成されている。これにより、吸気バルブ１４や排気バルブ２４の開閉タイミングが可変制御される。
ＥＣＵ（電子コントロールユニット）４０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ，不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えている。このＥＣＵ４０により、本実施形態の吸入空気量推定装置に係る各種機能要素をはじめとしてエンジン１の各部の総合的な制御が行われる備え。

ＥＣＵ４０の入力側には、上述したＴＰＳ１７，インマニ圧センサ１８，エアフローセンサ２０の他、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４３や、エンジン１の加減速操作を行うアクセルペダル４４の操作量（即ちアクセル開度θａｃｃ）を検出するアクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）４５等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。なお、クランク角センサ４３からのクランク角情報に基づいてエンジン回転速度（回転数）Ｎｅが検出されるので、クランク角センサ４３は機関回転速度検出手段としても機能する。

一方、ＥＣＵ４０の出力側には、上述の燃料噴射弁２１，点火コイル１２，スロットルバルブ１６，可変バルブタイミング機構３０のＯＣＶ３２等の各種出力デバイスが接続されており、これら各種出力デバイスには各種センサ類からの検出情報に基づき演算された燃料噴射量，燃料噴射時期，点火時期，吸排気バルブ開度（例えば、デューティ率）等がそれぞれ出力される。

つまり、アクセルペダル４４の操作によりアクセル開度θａｃｃが変化すると、ＡＰＳ４５からのアクセル開度情報θａｃｃに基づいてスロットルバルブ１６が適正な開度に調整される。そして、エアフローセンサ２０からの吸入空気流量情報Ｑｉｎに基づいて体積効率Ｅｖが求められ（体積効率算出手段）、この体積効率Ｅｖとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）が設定され、この目標Ａ／Ｆに応じた量の燃料が適正なタイミングで燃料噴射弁２１から噴射される。

さらに、体積効率Ｅｖとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて目標点火時期が設定され、この目標点火時期に応じて適正なタイミングで点火プラグ１１により火花点火が実施される。また、ＥＣＵ４０によりＯＣＶ３２が制御されて可変バルブタイミング機構３０の可変操作も行われ、これにより吸気バルブ１４や排気バルブ２４の開閉タイミングの適正化が図られ、エンジン１の出力性能の向上が図られる。

なお、バルブ開閉タイミングについては、基本的には、目標Ａ／Ｆや目標点火時期と同様に体積効率Ｅｖとエンジン回転速度Ｎｅとに基づいて設定される。このバルブ開閉タイミングは、体積効率Ｅｖやエンジン回転速度Ｎｅが高いほど開弁時期は早く閉弁時期は遅くして開弁期間が長くなるように設定され、逆に、体積効率Ｅｖやエンジン回転速度Ｎｅが低いほど開弁時期は遅く閉弁時期は早くして開弁期間が短くなるように設定される。

（吸入空気量の推定）
ここで、吸入空気量推定装置の各種機能要素に着目する。
ＥＣＵ４０には、シリンダの有効行程容積（有効シリンダ容積とも言う）を演算する有効行程容積演算手段４１と、シリンダ内への推定吸入空気量を演算する推定吸入空気量演算手段４２とが備えられている。本吸入空気量推定装置は、これらの有効行程容積演算手段４１及び推定吸入空気量演算手段４２と、各演算手段４１，４２への入力情報を検出する吸気バルブ動作状態検出手段４１ｃ，クランク角センサ（機関回転速度検出手段）４３及びインマニ圧センサ１８から構成される。

なお、シリンダの有効行程容積とは、吸気行程、即ち、シリンダ内への吸入空気の取り込み可能な状態において、シリンダ内の実質的な有効容積の最大値であり、基本的には、吸気弁が閉じる時のシリンダ内容積となるが、吸気時の実質的なシリンダ内有効容積は、エンジン回転速度Ｎｅにも依存する他、吸気圧力（インマニ圧）などにも依存する。
有効行程容積演算手段４１は、吸気バルブ閉弁時期とエンジン回転速度Ｎｅとから有効シリンダ容積Ｖｃを算出する有効行程容積算出部４１ａと、有効行程容積算出部４１ａにより算出された有効シリンダ容積Ｖｃを吸気圧力（インマニ圧）Ｐｉｎに応じた補正係数Ｋｐｉｎで補正する補正部４１ｂとを備えており、補正部４１ｂにより補正された有効シリンダ容積Ｖｃ´を出力するようになっている。

有効行程容積算出部４１ａは、図３に示すようなマップに基づいて、吸気バルブ閉弁時期とエンジン回転速度Ｎｅとから有効シリンダ容積Ｖｃを算出する。つまり、吸気バルブ閉弁時期が遅角側であるほど有効シリンダ容積Ｖｃを大きく、吸気バルブ閉弁時期が進角側であるほど有効シリンダ容積Ｖｃを小さく、エンジン回転速度Ｎｅが低いほど有効シリンダ容積Ｖｃを大きく、エンジン回転速度Ｎｅが高いほど有効シリンダ容積Ｖｃを小さく設定する。

なお、吸気バルブ閉弁時期は、可変バルブタイミング機構３０の制御にかかるバルブ開閉タイミングの目標値から取得し（この機能要素を、吸気バルブ動作状態検出手段４１ｃとする）、エンジン回転速度Ｎｅは、クランク角センサ４３のクランク角情報に基づいた算出値として得られる。
なお、可変バルブタイミング機構には、バルブタイミングを目標値にフィードバック制御するため、実際のタイミングを代表する値（カムの位相角）を検知するセンサが備わっており、このセンサの出力からバルブの開閉タイミングを演算し有効行程容積の演算に使用する。また、カム切換式のバルブタイミング機構の場合はカムの切換を行うアクチュエータ（電動式，油圧式）の動作状態から現在のカムに対するバルブの開閉タイミングを演算し有効行程容積の演算に使用する。

補正部４１ｂでは、図４に示すようなマップに基づいて、インマニ圧センサ１８により検出されたインマニ圧Ｐｉｎからインマニ圧力補正係数Ｋｐｉｎを求めて、有効行程容積算出部４１ａで算出された有効シリンダ容積Ｖｃにこの補正係数Ｋｐｉｎを乗算することにより有効シリンダ容積の値を補正する。なお、このインマニ圧Ｐｉｎに応じた補正（補正部４１ｂで実行される補正）は、吸入空気量の推定精度を高める上で有効であるが、要求される推定精度に応じて省略することもできる。

推定吸入空気量演算手段４２では、有効行程容積演算手段４１により算出された有効シリンダ容積Ｖｃ又はＶｃ´と、エアフローセンサ２０により計測された吸入空気流量（スロットルを通過した空気量）Ｑｉｎとに基づいて推定吸入空気量Ｑｃを演算する。
この推定吸入空気量演算手段４２による推定吸入空気量の演算についてさらに説明する。

ここでは、４気筒エンジンを例に図１を用いて説明するが、各行程でのシリンダ容積に関する点を除いて図７を用いて説明したものと同様な手法を用いる。
図１（ａ）に示すように、第ｎ−１行程において、第２気筒♯２が吸気行程（このとき、第１気筒♯１は排気行程、第３気筒♯３は膨張行程、第４気筒♯４は圧縮行程）となり、スロットルＴをＱｉｎ（ｎ−１）の空気が通過するものとする。この後、第２気筒♯２が吸気行程を終了すると、図１（ｂ）に示すように、スロットル下流容積部（スロットルから各気筒の吸気ポートまでの空間）ＳはＱｓ（ｎ−１）の空気で満たされ、第２気筒容積はＱｃ（ｎ−１）の空気で満たされ、このときのスロットル下流容積部Ｓの空気Ｑｓと第２気筒容積の空気Ｑｃとは同密度であるものとする。

次に、図１（ｃ）に示すように、第ｎ行程において、第１気筒♯１が吸気行程（このとき、第２気筒♯２は圧縮行程、第３気筒♯３は排気行程、第４気筒♯４は膨張行程）となり、スロットルをＱｉｎ（ｎ）の空気が通過するものと考える。この後、第１気筒♯１が吸気行程を終了すると、図１（ｄ）に示すように、スロットル下流容積部（上述と同様）ＳはＱｓ（ｎ）の空気で満たされ、第１気筒容積はＱｃ（ｎ）の空気で満たされ、スロットル下流容積部Ｓの空気と第１気筒容積の空気とは同密度であるものとする。

ここで、スロットル下流容積部Ｓの容積については一定値Ｖｓとするが、各行程におけるシリンダ容積（吸気閉弁時のシリンダ容積：有効シリンダ容積）については各行程毎に設定する可変値Ｖｃ（ｎ）とする。なお、この可変値である有効シリンダ容積Ｖｃ（ｎ）は、有効行程容積演算手段４１において各行程毎に演算された値である。ここでは、有効行程容積算出部４１ａにおいて算出された有効シリンダ容積値Ｖｃ（ｎ）を例に説明する。

この場合、第ｎ−１行程において次式（４ａ）が、第ｎ行程において次式（４ｂ）がそれぞれ成立する。

ここで、第ｎ−１行程終了時にスロットル下流容積Ｖｓを満たしていた空気量Ｑｓ（ｎ−１）とｎ行程中にスロットルを通過した空気量Ｑｉｎ（ｎ）との和は、第ｎ行程終了時にスロットル下流容積Ｖｓを満たしていた空気量Ｑｓ（ｎ−１）とシリンダ容積Ｖｃ（ｎ）を満たしていたＱｃ（ｎ）との和である。よって、次式（５）が成立する。

ここで、式（４ａ）と式（４ｂ）とを式（５）に代入すると、次式（６）が成立する。

本実施形態の場合、有効行程容積算出部４１ａにおいて算出された有効シリンダ容積Ｖｃ（ｎ）に、補正部４１ｂによりインマニ圧Ｐｉｎに応じた補正が施されるため、上記有効シリンダ容積Ｖｃ（ｎ−１），Ｖｃ（ｎ）を、補正された有効シリンダ容積Ｖｃ´（ｎ−１），Ｖｃ´（ｎ）に置き換えると、上式（６）は次式（７）となる。

上記の式（６），（７）は、フィルタ演算式（フィルタ定数が可変の１次フィルタ演算式）であり、この式（６）又は（７）によって、直前のｎ−１行程におけるシリンダ容積［Ｖｃ（ｎ−１）又はＶｃ´（ｎ−１）］及びシリンダ容積［Ｖｃ（ｎ−１）又はＶｃ´（ｎ−１）］を満たしていた空気量Ｑｃ（ｎ−１）と、ｎ行程におけるシリンダ容積［Ｖｃ（ｎ）又はＶｃ´（ｎ）］及びスロットルを通過する空気量Ｑｉｎ（ｎ）とから、ｎ行程においてシリンダ容積［Ｖｃ（ｎ）又はＶｃ´（ｎ）］を満たしている空気量Ｑｃ（ｎ）、即ち、その時点の推定シリンダ吸入空気量を求めることができる。

なお、一般にスロットルからエアフローセンサまでは、距離が短く、また十分な大きさの断面積の通路で接続されているので、スロットル上流とエアフローセンサ部の圧力は等しくなっている。このため、スロットル上流とエアフローセンサ部との間の吸入空気の時間遅れは非常に小さい。したがって、エアフローセンサ部を通過した吸入空気流量Ｑｉｎの測定値を、スロットルを通過した空気量とすることができる。

（作用，効果）
本発明の一実施形態にかかる内燃機関の吸入空気量推定装置は上述のように構成されているので、例えば、図５に示すように、吸入空気量推定（推定吸入空気量の演算）が行われる。なお、このフローチャートは、各シリンダの吸気行程に対して実施され、吸気行程開始（吸気バルブの開放）時点から吸気行程終了（吸気バルブの閉鎖）時点までを１サイクル（クランク角対応の期間周期であり時間周期ではない）として行われる。もちろん、エアフローセンサ２０等の本推定演算にかかる情報の取り込みサイクル（時間周期）は本推定演算の１サイクルに比べ十分に短いものに設定されている。

図５に示すように、まず、エアフローセンサの出力値からスロットルバルブを通過する吸入空気流量Ｑｉｎ（ｎ）を算出する（ステップＳ１０）。この吸入空気流量Ｑｉｎ（ｎ）は、該当するシリンダの吸気工程中のエアフローセンサの出力値の時間積分値に応じたものとして算出される。
次に、有効行程容積演算手段４１の有効行程容積算出部４１ａにおいて、該当するシリンダの吸気バルブの閉鎖タイミングとエンジン回転速度Ｎｅとから図３に示すようなマップに基づいて有効行程容積Ｖｃ（ｎ）を算出する（ステップＳ２０）。さらに、有効行程容積演算手段４１の補正部４１ｂにおいて、図４に示すようなマップに基づいて、インマニ圧センサ１８により検出されたインマニ圧Ｐｉｎからインマニ圧力補正係数Ｋｐｉｎを求めて、有効行程容積Ｖｃ（ｎ）にこの補正係数Ｋｐｉｎを乗算することにより有効行程容積の値を補正して、補正後の有効行程容積Ｖｃ´（ｎ）を得る（ステップＳ３０）。

次に、推定吸入空気量演算手段４２において、前回の推定吸入空気量Ｑｃ（ｎ−１)と、今回の吸入空気量Ｑｉｎ（ｎ）と、前回の有効行程容積Ｖｃ´（ｎ−１）と、今回の有効行程容積Ｖｃ´（ｎ）とから、式（７）を用いて、今回の推定吸入空気量Ｑｃ（ｎ）を算出する（ステップＳ４０）。
このようにして、吸気バルブの動作状態の変化に応じて変化する有効行程容積に着目して、シリンダ内への推定吸入空気量を演算するため、吸気バルブの動作状態が変化してもシリンダ内への推定吸入空気量を正確に演算することができるようになる。

特に、吸気バルブの閉弁時期とエンジン回転速度とに基づき有効行程容積Ｖｃを演算することにより、容易に且つ精度よく有効行程容積を演算することができるうえ、この算出した有効行程容積を吸気通路内の圧力に基づき補正するので、より精度の高い有効行程容積Ｖｃ´を得ることができ、この補正した値をシリンダ内への推定吸入空気量Ｑｃの演算に用いることにより、推定吸入空気量をより正確に演算することが可能になる。

図６はこのような本発明の効果を示す試験データであるが、図６（ａ）は吸気バルブの動作状態が変化する場合（ここでは、吸気バルブの閉鎖時期が一定期間だけ遅くなる場合）を示し、図６（ｂ）は吸気バルブの動作状態が変化しない場合を示す。なお、図中、菱形印はスロットル通過空気量（ロットルバルブを通過する吸入空気流量）Ｑｉｎを示し、三角印は実シリンダ吸入空気量Ｑｃｒを示し、四角印は本実施形態の演算［前記の式（７）による演算］による推定シリンダ吸入空気量Ｑｃを示し、丸印は従来の演算［前記の式（３）による演算］による推定シリンダ吸入空気量Ｑｃを示す。

図６（ｂ）に示すように、吸気バルブの動作状態が変化しない場合には、有効行程容積Ｖｃは固定となり、従来の演算（前記の式（３）参照）によっても十分に精度よく推定吸入空気量を得られる（丸印が三角印に重なっている）が、吸気バルブの閉鎖時期が変化する過渡時には、従来の演算（前記の式（３）参照）による推定シリンダ吸入空気量Ｑｃ（丸印）は、黒三角印の実シリンダ吸入空気量Ｑｃｒと大きく異なってしまう。しかし、本実施形態の演算［前記の式（７）による演算］にれば、かかる過渡時にも、十分に精度よく推定吸入空気量を得られる（四角印が三角印に重なっている）ことがわかる。

このように、本推定装置又は本推定方法によれば、推定吸入空気量を精度よく演算することができるため、燃料制御や点火時期制御等の各種エンジン制御を適切に行うことが可能になる。
もちろん、この推定吸入空気量を燃料制御等に用いる場合、温度を考慮して推定吸入空気質量に換算して用いることが、御を適切に行う上で有効である。

（その他）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態を適宜変更して実施しうるものである。
例えば、上記実施形態では、可変動弁機構としてベーン式の可変バルブタイミング機構を採用したが、これに限られず、可変バルブタイミング機構は如何なる方式のものであってもよく、カム切換式の可変バルブタイミング機構であっても本願を良好に適用可能である。

また、可変動弁機構として、バルブ開閉タイミングを変更する機構ではなく、バルブリフト量を変更する機構でもよい。この場合、吸気バルブの閉鎖タイミングは同じであっても、図３中に付記するように、バルブリフト量が大きいほど有効行程容積Ｖｃは大きくなり、逆にバルブリフト量が小さいほど有効行程容積Ｖｃは小さくなる。
この可変バルブリフト量変更機構の場合も、バルブリフト量を目標値にＦ／Ｂ制御するため、実際のリフト量を代表する値（コントロールシャフト制御角）を検知するセンサが備わっており、このセンサの出力からバルブの開閉タイミングを演算し有効行程容積の演算に使用する。

また、上記のように、エアフローセンサ部を通過した吸入空気流量Ｑｉｎの測定値を、スロットルを通過した空気量とすることができるが、エアフローセンサ２０とスロットルバルブ１６との位置関係に応じた時間差を考慮した値を用いることも考えられる。
また、上記実施形態では、有効行程容積を吸気通路内の圧力に応じて補正しているが、インマニ圧センサ１８や推定補正部４１ｂを省略して、かかる補正を省略して、有効行程容積の精度よりも、コストを優先することも考えられる。もちろんこの場合にも、有効行程容積をある程度の精度で算出することができる。同様に、エンジン回転速度を考慮せずに、吸気バルブの閉弁時期のみに応じて有効行程容積Ｖｃを演算することも考えられる。また、吸気バルブの閉弁時期のみに応じて有効行程容積Ｖｃにインマニ圧に応じた補正を加えてもよい。

また、本発明は、４気筒エンジンに限定されず、気筒数の異なる他のエンジンにも適用しうるのはもちろんである。
また、上記実施形態では、エンジン１としてＭＰＩエンジンを採用した例を示したが、これに限らず、エンジン１は例えば筒内噴射型エンジンなど他の方式のエンジンであってもよい。

本発明の一実施形態にかかる吸入空気量の推定演算を、（ａ）〜（ｄ）の行程推移の順に説明するエンジンのシリンダの要部模式図である。 本発明の一実施形態にかかる内燃機関の吸入空気量推定装置及びこれを備えた内燃機関を示す構成図である。 本発明の一実施形態にかかる吸入空気量の推定演算に用いる有効行程容積算出マップを示す図である。 本発明の一実施形態にかかる吸入空気量の推定演算に用いる有効行程容積補正用係数設定マップを示す図である。 本発明の一実施形態にかかる吸入空気量の推定演算の手順（吸入空気量推定方法）を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態にかかる内燃機関の吸入空気量推定装置及び方法による効果を説明する図であり、（ａ）は吸気バルブの動作状態が変化した場合を示し、（ｂ）は吸気バルブの動作状態が変化しない場合を示す。 従来技術にかかる吸入空気量の推定演算を、（ａ）〜（ｄ）の行程推移の順に説明するエンジンのシリンダの要部模式図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダヘッド
３ シリンダ（気筒）
４ シリンダ内（燃焼室）
５ 吸気ポート
１４ 吸気バルブ
１５ 吸気マニホールド（吸気通路）
１６ スロットルバルブ（ＥＴＶ）
１７ スロットルポジションセンサ（ＴＰＳ）
１８ インマニ圧センサ（圧力検出手段）
１９ 吸気管（吸気通路）
２０ エアフローセンサ（通過空気量計測手段）
３０ 可変バルブタイミング機構（可変動弁機構）
３２ オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）
４０ ＥＣＵ（電子コントロールユニット）
４１ 有効行程容積演算手段
４１ａ 有効行程容積算出部
４１ｂ 補正部
４１ｃ 吸気バルブ動作状態検出手段
４２ 推定吸入空気量演算手段
４３ クランク角センサ（機関回転速度検出手段）

Claims (5)

1. 吸気通路と、前記吸気通路内に設けられ吸入空気量を制御するスロットルバルブと、吸入空気のシリンダ内への流れを制御する吸気バルブの動作状態を変化させうる可変動弁機構と、を有する内燃機関に装備され、
   前記吸気通路を通過する吸入空気流量を計測する通過空気量計測手段と、
   前記吸気バルブの動作状態の変化に応じた前記シリンダの有効行程容積を演算する有効行程容積演算手段と、
   前記通過空気量計測手段で計測された吸入空気流量を、前記有効行程容積演算手段で演算された前記有効行程容積を用いたフィルタ演算により各行程ごとに演算処理することによって、前記シリンダ内への推定吸入空気量を演算する推定吸入空気量演算手段と、を備えている
   ことを特徴とする、内燃機関の吸入空気量推定装置。
2. 前記吸気バルブの動作状態を検出する吸気バルブ動作状態検出手段と、
   前記内燃機関の機関回転速度を検出する機関回転速度検出手段と、をさらに備え、
   前記有効行程容積演算手段は、前記吸気バルブ動作状態検出手段の検出結果から得られる前記吸気バルブの閉弁時期と前記機関回転速度検出手段により検出される機関回転速度とに基づいて、前記有効行程容積を演算する
   ことを特徴とする、請求項１記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
3. 前記吸気通路内の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
   前記有効行程容積演算手段は、前記圧力検出手段により検出された前記吸気通路内の圧力に基づき前記有効行程容積を補正した上で、前記推定吸入空気量演算手段に出力する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
4. 前記推定吸入空気量演算手段は、現行程ｎにおける前記推定吸入空気量Ｑｃ（ｎ）を、前行程ｎ−１における前記推定吸入空気量Ｑｃ（ｎ−１）及び前記有効行程容積Ｖｃ（ｎ−１）と、現行程ｎにおける前記吸入空気流量Ｑｉｎ（ｎ）及び前記有効行程容積Ｖｃ（ｎ）と、前記スロットルバルブから前記吸気バルブまでのスロットル下流容積Ｖｓとに基づいて、下式（Ａ）によりフィルタ演算を行う
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
   

   
5. 吸気通路と、前記吸気通路内に設けられ吸入空気量を制御するスロットルバルブと、吸入空気のシリンダ内への流れを制御する吸気バルブの動作状態を変化させうる可変動弁機構と、を備えた内燃機関の前記シリンダ内への吸入空気量を推定する方法であって、
   前記吸気通路を通過する吸入空気流量を計測する通過空気量計測ステップと、
   前記吸気バルブの動作状態の変化に応じた前記シリンダの有効行程容積を演算する有効行程容積演算ステップと、
   前記通過空気量計測ステップで計測された吸入空気流量を、前記有効行程容積演算ステップで演算された前記有効行程容積を用いたフィルタ演算により各行程ごとに演算処理することによって、前記シリンダ内への推定吸入空気量を演算する推定吸入空気量演算ステップと、を備えている
   ことを特徴とする、内燃機関の吸入空気量推定方法。

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