JP2010249059A - 内燃機関の吸入空気量推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気弁・排気弁の開弁特性の変化に即応して吸入空気量を推定する。
【解決手段】吸入空気量（ＧairTH）を検出する手段と、吸気圧を検出する手段とを有する。検出した吸気圧の変化量に基づき第１の補正値（ＧairINVO）を算出する。吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁特性の変化に基づき実質シリンダ容量の変化量を算出し、実質シリンダ容量の変化量と吸気圧変化量の推定値の前回値に基づき第２の補正値（ＧairVT）を算出し、検出した吸入空気量（ＧairTH）を第１の補正値（ＧairINVO）と第２の補正値（ＧairVT）とを用いて補正する。また、第２の補正値に基づき吸気圧変化量の推定値の今回値を算出し、これを次回の演算で使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量推定装置に関し、センサで検出した吸入空気量を、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁特性変化に応じて補正することにより、開弁特性変化時の過渡的な吸入空気量を正確に推定するようにした吸入空気量推定装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の吸気系を、スロットル弁、吸気管、吸気弁等の要素に分けてそれぞれの要素をモデル化して数式で表すとともに、それぞれのモデル相互間を圧力、温度、流量等を用いて関係づけることにより機関の吸入空気量（筒内充填空気量）を計算により求める、いわゆるエアモデルを用いた内燃機関の吸入空気量推定装置についての発明が示されている。具体的には、機関温度が特定温度である場合の筒内充填空気量である基本筒内充填空気量を推定し、該基本筒内充填空気量を、機関温度（もしくは機関冷却水温度）と、機関回転数と、吸気弁の開閉タイミングと、排気弁が閉弁する時の吸気管内圧力と、吸気弁の（作用角もしくはリフト量）とに基づいて補正して筒内充填空気量を求めるようにしている。このような手法においては、エアモデルを用いて筒内充填空気量を求めるようにしているので、モデル化誤差が生じやすいという問題がある。また、吸気弁・排気弁の開閉タイミングが変化した場合は、筒内充填空気量が即座に変化し、吸気管内圧力はそれに遅れて変化することになるが、特許文献１の発明では、変化前の吸気管内圧力を用いて筒内充填空気量を推定しているため、吸気弁・排気弁の開閉タイミングの変化に即座に応答して筒内充填空気量を推定することができず、誤差が生じるという問題がある。

特許文献２あるいは特許文献３においては、可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、エンジン回転センサで検出したエンジン回転数と吸気圧センサで検出した吸気圧とに基づき所定の演算を行い、シリンダ流入空気量を推定するようにした発明が示されている。しかし、この手法では、空気量を直接検出していないので、吸気系の機構の経年変化や個体毎のばらつきに対する補償ができないという問題がある。

特許文献４あるいは特許文献５においては、エアフロメータにより吸入空気量を検出し、この検出データに基づき筒内充填空気量（シリンダ吸入空気量）を演算するようにした発明が示されており、その際に、エアフロメータを流れる空気量の過渡的変化に対する該エアフロメータの検出応答遅れを補償するようにしたことが示されている。しかし、この手法では、エアフロメータを流れる空気量の過渡的変化に対する該エアフロメータの検出応答遅れを補償しているにすぎないので、吸気弁・排気弁の開弁特性（開閉タイミングあるいはリフト量）が変化した場合における吸入空気量変化の補償を行うことができない。何故ならば、エアフロメータを流れる空気量そのものが、吸気弁・排気弁の開弁特性の変化に対して遅れるから、エアフロメータの検出応答遅れを補償することは吸気弁・排気弁の開弁特性の変化に対する補償とはなりえないからである。

特開２００７−４０２６６号 特開平７−３０１１４４号 特開２００５−３０７８４７号 特開２００２−１３００４２号 特開２００７−１３８９０８号

上記従来技術に見られるように吸気弁・排気弁の開弁特性の変化に即応して吸入空気量を推定できなかったとすると、過渡期（吸気弁・排気弁の開弁特性の変化時）に適正な燃料噴射制御を行うことができないこととなり、過渡期において排気放出物の問題が悪化する。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁特性の変化に対する筒内の実質的容積変化（ηｖ体積効率変化）を推定し、エアフロメータで検出した吸入空気量を補正することにより、過渡期において精度の良い吸入空気量推定を行う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を提供しようとするものである。

本発明に係る内燃機関の吸入空気量推定装置は、吸入空気量（ＧairTH）を検出する手段（１３）と、吸気圧（ＰＢＡ）を検出する手段（１５）と、前記検出した吸気圧の変化量（ΔＰＢＡ）に基づき第１の補正値（ＧairINVO）を算出する手段（Ｓ３）と、吸気弁（２１）と排気弁（２２）の少なくとも一方の開弁特性の変化に基づき実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）を算出する手段Ｓ４１，Ｓ４２）と、前記実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）と吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）の前回値に基づき第２の補正値（ＧairVT）を算出する手段（Ｓ４３，Ｓ４４）と、前記第２の補正値（ＧairVTX）に基づき吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）の今回値を算出する手段（Ｓ４５）と、前記検出した吸入空気量（ＧairTH）を前記第１の補正値（ＧairINVO）と第２の補正値（ＧairVT）とを用いて補正する手段（Ｓ５）とを備える。なお、上記で括弧内に記載した符号は、以下説明する実施例における対応構成要素を例示的に示すものである。

吸気弁と排気弁の開弁特性の変化に基づく実質シリンダ容量の変化は、シリンダ（気筒）に充填される吸入空気量に対して影響を与える。そこで、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁特性の変化に基づき実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）を算出し、算出した実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）を補正パラメータに組み入れている。また、吸気弁と排気弁の開弁特性の変化は、次のＴＤＣサイクルのときに吸気管内の圧力に変化をもたらし、それがシリンダに充填される吸入空気量に対して影響を与える。そこで、開弁特性の変化に応じた吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）の前回値を補正パラメータに組み入れている。すなわち、吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）は、その今回値が第２の補正値（ＧairVTX）に基づき算出されるようになっており、開弁特性の変化に応じて変化する実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）を考慮した吸気圧変化量を推定するものである。この吸気圧変化は、開弁特性の変化の影響によって次のＴＤＣサイクルのときに生じる吸気圧変化を予測するものである。つまり、或るＴＤＣサイクルで生じた開弁特性の変化は、その次のＴＤＣサイクルにおける吸気圧変化に対して影響を及ぼすので、今回値として算出した吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）は、その次のＴＤＣサイクルにおける吸気圧変化の予測値に相当する。この予測値は、次のＴＤＣサイクルにおいて第２の補正値（ＧairVT）を算出するにあたって、吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）の前回値として使用される。こうして、算出した実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）と吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）の前回値に基づき、それそれぞれを補正パラメータに組み入れて、第２の補正値（ＧairVT）を算出している。これにより、吸気弁と排気弁の開弁特性の変化に即応答した吸入空気量の補正パラメータを得ることができ、この補正パラメータにより、検出手段（エアフロメータ）で実際に検出した吸入空気量（ＧairTH）を補正することにより、正確な吸入空気量の推定が行えるようになる。

このように、本発明によれば、検出した吸入空気量（ＡＦＭ）を、検出した吸気圧の変化量（ΔＰＢＡ）に基づく第１の補正値（ＧairINVO）を用いて補正するのみならず、吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁特性の変化に基づき実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）を算出し、算出した実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）と吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）の前回値に基づき第２の補正値（ＧairVT）を算出し、算出した第２の補正値（ＧairVT）を用いて更に補正するので、吸気弁と排気弁の開弁特性の変化に即応答して吸入空気量（ＧairTH）の補正を行うことができ、吸気弁と排気弁の開弁特性の変化に即応答した正確な吸入空気量の推定が行えるようになる。また、補正の対象となる基本の吸入空気量（ＧairTH）は、検出手段（エアフロメータ）で実際に検出したものを用いることができるので、モデル化誤差の問題がなく、吸気系の機構の経年変化や個体毎のばらつきが誤差となることもない。そして、過渡期（吸気弁・排気弁の開弁特性の変化時）において吸入空気量を適正に推定することにより適正な燃料噴射制御を行うことができるものとなり、過渡期における排気放出物の悪化を抑制することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記第２の補正値（ＧairVT）を算出する手段は、前記実質シリンダ容量の変化量（ｄＶcyl）と前記吸気圧変化量の推定値（ｄＰＢＡ）の前回値に基づき、開弁特性の変化に基づくシリンダ内吸入空気量の変化量（ＧairVTX）の今回値を算出し、該シリンダ内吸入空気量の変化量の今回値（ＧairVTX（k））と前回値（ＧairVTX（k−１））との差に基づき前記第２の補正値（ＧairVT）を算出することを特徴とする。これによれば、前記第１の補正値（ＧairINVO）を用いた補正と前記第２の補正値（ＧairVT）を用いた補正との二重補正による不都合を回避し、吸気弁と排気弁の開弁特性の変化に即応答した補正を精度良く行うことができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸入空気量推定装置が適用される制御系の機能的構成を示すブロック図。

本発明の一実施例に係る吸入空気量算出処理のメインフローを示すフローチャート。

図２における「ＧairINVO算出」ルーチンの詳細例を示すフローチャート。

図２における「ＧairVT算出」ルーチンの詳細例を示すフローチャート。

図４のステップＳ４１で行う実質シリンダ容量Ｖcyl（k）の算出処理の一例を示すフローチャート。

図５のステップＳ５１、Ｓ５２で参照するテーブル＃１、＃２の一例を示すグラフ。

図４のステップＳ４１で行う実質シリンダ容量Ｖcyl（k）の算出処理の別の例を示すフローチャート。

図７のステップＳ７１、Ｓ７３で参照するテーブル＃３、＃４の一例を示すグラフ。

図４のステップＳ４４の処理における各データの波形例を示す図。

エンジン回転数及びスロットル弁の開度を固定した状態で、少なくとも一方の弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸを変化させた場合における各データの波形例を示す図。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態につき詳細に説明しよう。

制御系の機能的構成の概略説明
図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸入空気量推定装置が適用される制御系の機能的構成を示すブロック図である。公知のように、内燃機関１０において、吸気管１１の最上流部にエアクリーナ１２が設けられ、その下流側に吸入空気量を検出するためのエアフロメータ１３が設けられている。エアフロメータ１３の下流側にはＤＣモータ等のアクチュエータによって開度調整されるスロットル弁１４が設けられている。スロットル弁１４の下流側には吸気管内絶対圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ１５及び吸気温Ｔａを検出する吸気温センサ１６が設けられている。

内燃機関１０の各気筒（シリンダ）２０毎に吸気弁２１と排気弁２２が設けられており、燃料噴射弁１７は吸気弁２１の少し上流側に各気筒毎に設けられている。各噴射弁１７は電子燃料噴射制御装置（ＥＣＵ）３０によって開弁タイミングが制御される。吸気弁２１の開動作により空気と燃料との混合気が気筒（シリンダ）２０の燃焼室内に導入され、排気弁２２の開動作により燃焼後の排ガスが排気管２３に排出される。吸気弁２１と排気弁２２にはそれぞれ可変動弁機構（図示せず）が設けられている。可変動弁機構は、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性（開閉タイミングあるいはリフト量）を連続的に又は段階的に可変できる構造を有し、その都度のアクセル開度やエンジン運転状態等に応じて開弁特性を調整するようになっている。なお、公知のように、吸気弁２１及び排気弁２２の一方にのみ可変動弁機構を設けるようにしてもよい。

内燃機関１０のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置検出手段３１から生成されたクランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ３０に供給される。クランク角度位置検出手段３１は、内燃機関１０の各気筒２０の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（例えば４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサを含む。クランク角度位置検出手段３１から生成された信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ３０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（ＣＰＵ）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁１７に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ３０は、各種センサの検出信号に基づいて燃料噴射弁１７の制御等を行う際に、以下に説明するようにエアフロメータ１３の検出信号に基づく吸入空気量を吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性に応じて補正し、開弁特性を考慮した正確な吸入空気量の推定を行う。

本発明に従う吸入空気量推定原理の説明
シリンダ２０に充填される吸入空気量を変化させるファクターは、吸・排気系における弁の存在である。１つのファクターは、スロットル弁１４であり、スロットル弁開度が変化すると吸気管１１を通ってシリンダ２０に充填される吸入空気量が変化する。このようなスロットル弁開度の変化による、スロットル弁を通過する吸入空気量の変化は、エアフロメータ１３の検出信号に基づきほぼ応答遅れなく算出することが可能である。もう１つのファクターは、吸気弁２１及び排気弁２２である。吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性が変化すると、気筒（シリンダ）２０の実質容量が変化し、これに伴い、吸気管１１内の圧力が変化し、最終的にエアフロメータ１３を通る空気量が変化せしめられる。しかし、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じて気筒（シリンダ）２０内に充填される空気量が変化するタイミングに対して、これに応じて吸気管１１内の圧力ＰＢＡが変化し、また、エアフロメータ１３を通る空気量が変化するタイミングには１ＴＤＣサイクルの遅れが生じる。よって、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性が変化したときに、エアフロメータ１３が検出している吸入空気量は、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じてシリンダ２０に充填される吸入空気量の変化を反映していない。エアフロメータ１３が検出する吸入空気量が、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じてシリンダ２０に充填される吸入空気量の変化を反映するのには、１ＴＤＣサイクルの遅れがある。また、吸気管１１内の圧力ＰＢＡが、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じてシリンダ２０に充填される吸入空気量の変化を反映するのにも、１ＴＤＣサイクルの遅れがある。

そのため、エアフロメータ１３の検出値のみに基づき（あるいは更に吸気圧センサ１５の検出値ＰＢＡを加味して）吸入空気量を推定する手法にあっては、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に即応する吸入空気推定を行うことができない、という欠点がある。この点に鑑みて、本発明においては、エアフロメータ１３の検出値に基づく吸入空気量を、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じて補正することで、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に即応する精度の良い吸入空気量推定を行うようにしている。

吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じてシリンダ２０に充填される吸入空気量の変化は、下記のように、シリンダ２０内の状態変化をモデル化すると共に、吸気管（インテークマニホールド）１１内の状態変化をモデル化することで推定することができる。

シリンダ２０内の状態変化は、下記のようなシリンダ内状態方程式によってモデルすることができる。
［シリンダ内状態方程式］
Ｐcyl・Ｖcyl＝Ｇ・Ｒ・Ｔcyl （式１）
ここで、Ｐcylはシリンダ２０内の圧力、Ｖcylはシリンダ２０内の実質容量、Ｇはシリンダ２０内の気体質量、Ｒは定数、Ｔcylはシリンダ２０内の気体温度である。

吸気弁２１が閉じたとき吸気系への新たな空気の流入は起きないから、シリンダ内圧力Ｐcylは吸気圧ＰＢＡに等しいと仮定できる。よって、上記式１は、下記のように書き換えることができる。
Ｇ＝（ＰＢＡ・Ｖcyl）／（Ｒ・Ｔcyl） （式２）

上記式２の両辺を微分すると、下記のようになる（ただし、温度変化は考慮しない。）。
ｄＧ＝（ｄＰＢＡ・Ｖcyl＋ＰＢＡ・ｄＶcyl）／（Ｒ・Ｔcyl） （式３）

このシリンダ内状態方程式から判るように、シリンダ２０内の気体質量Ｇすなわち充填空気量は、シリンダ２０内の実質容量Ｖcylの関数であり、吸気管１１（インテークマニホールド）内圧力ＰＢＡの関数でもある。また、前記式３は、シリンダ２０内の気体質量Ｇすなわち充填空気量の変化分ｄＧを示しており、Ｖcylの変化分ｄＶcylとＰＢＡの変化分ｄＰＢＡとの関数となっている。そして、シリンダ２０内の実質容量Ｖcylは、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じて変化する。従って、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に応じて変化するＶcyl及びｄＶcylを算出して前記式３に入れることで、開弁特性の変化に応じた充填空気量の変化分ｄＧを算出することができる。一方、ＰＢＡはＶcylの変化に伴う結果として次回のＴＤＣサイクルで従属的に変化するので、上記式３で使用するその変化分ｄＰＢＡは、今回のＴＤＣサイクルにおいて下記のインテークマニホールド内状態方程式に基づいて推定値を算出しておき、次回のＴＤＣサイクルにおいて該算出したｄＰＢＡの推定値を使用する。

吸気管１１（インテークマニホールド）内の状態変化は、下記のようなインテークマニホールド内状態方程式によってモデルすることができる。
［インテークマニホールド内状態方程式］
ＰＢＡ・Ｖinma＝Ｇ・Ｒ・Ｔa （式４）
ここで、ＰＢＡは吸気管内圧力、Ｖinmaは吸気管１１（インテークマニホールド）の容積、Ｇは吸気管１１内の気体質量、Ｒは定数、Ｔaは吸気管１１内の気体温度である。

上記式４の両辺を微分すると、下記のようになる（ただし、温度変化は考慮しない。）。
ｄＰＢＡ・Ｖinma＝ｄＧ・Ｒ・Ｔa
ｄＰＢＡ＝（ｄＧ・Ｒ・Ｔa）／Ｖinma （式５）

上記のようにシリンダ内状態方程式とインテークマニホールド内状態方程式とを用いた数理モデルによって、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化時における過渡的な充填空気量の変化分を算出する。

ところで、一般に、このような数理モデルに基づき制御を行う場合、モデル誤差の問題や個別吸気系の機構的な個体差などの問題を解決するのは容易ではない。そこで、本発明では、数理モデルに基づく吸入空気量の推定は、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化時における過渡的な充填空気量の変化分の推定についてのみ行い、基本的な吸入空気量はエアフロメータ１３で実際に検出した値を基にして算出し、この実際検出値に基づく基本的な吸入空気量を上記数理モデルによって推定した上記過渡的な充填空気量の変化分ｄＧによって補正するようにしている。

具体例の説明
図２は、本発明の一実施例に係る吸入空気量算出処理のメインフローを示すフローチャートであり、ＥＣＵ３０内に含まれるマイクロコンピュータによって実行される。

メインフローにおいて、「ＧairAVE0算出」ルーチンＳ１では、１ＴＤＣサイクル内の複数サンプリングタイミングでエアフロメータ１３の検出値をサンプリングし、それらを平均化することにより、１ＴＤＣサイクルにおけるエアフロメータ１３の検出値の平均値ＧairAVE0を求める。このエアフロメータ検出値の平均値ＧairAVE0の単位は、例えば、ｇ／ｓｅｃ（１秒間当りのグラム数）である。

次の「ＧairTH算出」ルーチンＳ２では、上記ＧairAVE0の単位を１ＴＤＣ周期当りのグラム数に単位変換したエアフロメータ検出値ＧairTHを算出する。

なお、「ＧairAVE0算出」ルーチンＳ１と「ＧairTH算出」ルーチンＳ２は、公知のものであるため詳細説明は省略する。また、「ＧairAVE0算出」ルーチンＳ１と「ＧairTH算出」ルーチンＳ２に限らず、要は、エアフロメータ１３の検出値を取得する構成であればよい。

「ＧairINVO算出」ルーチンＳ３では、吸気圧センサ１５で検出した吸気管内圧力ＰＢＡに基づき、吸気管１１内に充填される空気量に相当する補正値（第１の補正値）ＧairINVOを算出する。この補正値ＧairINVOは、吸気管１１内に充填される空気量の変化に応答してエアフロメータ検出値ＧairTHを減算修正するためのものである。例えば、吸気管１１内に充填される空気量が増すということは、シリンダ２０に充填される空気量が減るということであるから、後段のステップＳ５では、この第１の補正値ＧairINVOをエアフロメータ検出値ＧairTHから減算するように補正する。

この「ＧairINVO算出」ルーチンＳ３の詳細例を図３により説明する。
ステップＳ３１では、今回のＴＤＣサイクルで吸気圧センサ１５で検出された吸気管内圧力ＰＢＡ（k）と前回のＴＤＣサイクルで吸気圧センサ１５で検出された吸気管内圧力ＰＢＡ（k−１）との差を求める。この差を検出吸気圧変化分ΔＰＢＡということにする。なお、本明細書を通じて、符号末尾の括弧内に付記されたｋは、ＴＤＣサイクルを示す序数である。なお、１ＴＤＣサイクルにおける吸気管内圧力ＰＢＡの求め方としては、１ＴＤＣサイクル中の所定サンプリングタイミングで吸気圧センサ１５で検出された吸気管内圧力ＰＢＡの値を用いてもよいし、あるいは、１ＴＤＣサイクル中の複数サンプリングタイミングで吸気圧センサ１５で検出された吸気管内圧力ＰＢＡの平均値を用いてもよい。

ステップＳ３２では、前ステップで算出した検出吸気圧変化分ΔＰＢＡを用いて、
ＧairINVO＝（ΔＰＢＡ・Ｖinma）／（Ｒ・Ｔa） （式６）
という演算を実行し、１ＴＤＣサイクル当りの検出吸気圧変化分ΔＰＢＡに基づく吸入空気量の補正値ＧairINVOを算出する。なお、上記式６は、上述のインテークマニホールド内状態方程式の式５に対応しており、ＧairINVOは、吸気管１１内における充填空気量の変化を示している。

図２に戻り、「ＧairVT算出」ルーチンＳ４では、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化時における過渡的な充填空気量の変化分に相当する吸入空気量の補正値（第２の補正値）ＧairVTを算出する。

この「ＧairVT算出」ルーチンＳ４の詳細例を図４により説明する。
ステップＳ４１とＳ４２により、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化に基づき実質シリンダ容量Ｖcylの変化量ｄＶcylを算出する。詳しくは、ステップＳ４１では、今回の１ＴＤＣサイクルにおける吸気弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮと排気弁開閉タイミング制御値ＣＡＥＸに基づき、今回のＴＤＣサイクルにおける実質シリンダ容量Ｖcyl（k）を算出する。これらの弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸは、公知のように、アクセル開度やエンジン運転状態等に応じてＥＣＵ３０内で発生され、前述した吸気弁２１及び排気弁２２の可変動弁機構を制御するために使用されるものである。ステップＳ４１では、これらの弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸを利用して実質シリンダ容量Ｖcyl（k）を算出する。

公知のように、吸気弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮと排気弁開閉タイミング制御値ＣＡＥＸは、クランク角度を基準にした各々の所定の弁開基準タイミングに対する進み角又は遅れ角を示している。例えば、ＣＡＥＸが進み方向に変化すると、排気弁２２が上死点よりも早く閉じることにより、残留ガスがシリンダ内に残り、実質シリンダ容量が低下する（充填可能な容積が減る）。ＣＡＩＮが遅れ方向に変化すると、吸気弁２１が下死点よりも遅く閉じることにより、実質シリンダ容量が低下する。

図５は、図４のステップＳ４１で行う実質シリンダ容量Ｖcyl（k）の算出処理の詳細例を示す。ＥＣＵ３０内においては、吸気弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮに対応するシリンダ充填空気量Ｖcylinを記憶したテーブル＃１と、排気弁開閉タイミング制御値ＣＡＥＸに対応するシリンダ排出空気量Ｖcylexを記憶したテーブル＃２とを具備している。図６（ａ），（ｂ）はこれらのテーブル＃１，＃２の内容の一例を示している。

図５において、ステップＳ５１では、吸気弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮによりテーブル＃１から今回のＴＤＣサイクルにおけるシリンダ充填空気量Ｖcylin（k）を検索（取得）する。ステップＳ５２では、吸気弁開閉タイミング制御値ＣＡＥＸによりテーブル＃２から今回のＴＤＣサイクルにおけるシリンダ排出空気量Ｖcylex（k）を検索（取得）する。ステップＳ５３では、シリンダ充填空気量Ｖcylin（k）とシリンダ排出空気量Ｖcylex（k）の差を実質シリンダ容量Ｖcyl（k）として算出する。すなわち、シリンダ２０に充填された空気量Ｖcylin（k）とシリンダ２０から排出された空気量Ｖcylex（k）の差が実質シリンダ容量Ｖcyl（k）である。

なお、吸気弁２１及び排気弁２２の可変動弁機構が、可変弁リフト機構である場合は、図６（ａ），（ｂ）に示すようなテーブル＃１，＃２は、各リフト量毎に備えるものとする。すなわち、今回の弁リフト量に応じてテーブル＃１，＃２を選択し、選択したテーブル＃１，＃２から弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸに応じたシリンダ充填空気量Ｖcylin（k）及びシリンダ排出空気量Ｖcylex（k）を検索する。リフト量毎のテーブル＃１，＃２は、弁リフト量の変化により、上死点に対して排気弁が早く閉じるほど、また下死点に対して吸気弁が遅く閉じるほど、実質シリンダ容量が減少する傾向となる。

図７は、図４のステップＳ４１で行う実質シリンダ容量Ｖcyl（k）の算出処理の別の例を示す。この例においては、弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸに加えてエンジン回転数ＮＥをも考慮して実質シリンダ容量Ｖcyl（k）を算出する。これは、同じ弁開閉タイミングであっても、エンジン回転数ＮＥによってシリンダ２０内への空気の入り易さ、出易さが変わるので、その分も加味しようとするものである。この例においては、ＥＣＵ３０内において、前記テーブル＃１，＃２を具備し、更に、エンジン回転数ＮＥに対応する流入補正係数ＫＶcylinを記憶したテーブル＃３と、エンジン回転数ＮＥに対応する排出補正係数ＫＶcylexを記憶したテーブル＃４とを具備している。図８（ａ），（ｂ）はこれらのテーブル＃３，＃４の内容の一例を示している。

図７において、ステップＳ７１では、図５のステップＳ５１と同様に、テーブル＃１を参照して今回のＴＤＣサイクルにおけるシリンダ充填空気量Ｖcylin'（k）を検索（取得）する。ステップＳ７２では、エンジン回転数ＮＥによりテーブル＃３から今回のＴＤＣサイクルにおける流入補正係数ＫＶcylin（k）を検索（取得）する。ステップＳ７３では、流入補正係数ＫＶcylin（k）をシリンダ充填空気量Ｖcylin'（k）に掛けて、今回のＴＤＣサイクルにおけるシリンダ充填空気量Ｖcylin（k）を算出する。

ステップＳ７４では、図５のステップＳ５２と同様に、テーブル＃２を参照して今回のＴＤＣサイクルにおけるシリンダ排出空気量Ｖcylex'（k）を検索（取得）する。ステップＳ７５では、エンジン回転数ＮＥによりテーブル＃４から今回のＴＤＣサイクルにおける排出補正係数ＫＶcylex（k）を検索（取得）する。ステップＳ７６では、排出補正係数ＫＶcylex（k）を排出空気量Ｖcylex'(k)に掛けて、今回のＴＤＣサイクルにおけるシリンダ排出空気量Ｖcylex（k）を算出する。

ステップＳ７７では、図５のステップＳ５３と同様に、シリンダ充填空気量Ｖcylin（k）とシリンダ排出空気量Ｖcylex（k）の差を実質シリンダ容量Ｖcyl（k）として算出する。

図４に戻り、ステップＳ４２では、ステップＳ４１で算出した今回のＴＤＣサイクルにおける実質シリンダ容量Ｖcyl（k）と前回のＴＤＣサイクルにおける実質シリンダ容量Ｖcyl（k-1）との差を求め、実質シリンダ容量の変化量ｄＶcyl（k）を算出する。

ステップＳ４３では、上記のように算出した今回のＴＤＣサイクルにおける実質シリンダ容量Ｖcyl（k）とその変化量ｄＶcyl（k）を用いて、前記式３に従い、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化時における過渡的な充填空気量の変化分ｄＧに相当するデータＧairVTX（k）を算出する。具体的には、
ＧairVTX(k)＝｛ｄＰＢＡ(k-1)・Ｖcyl(k)＋ＰＢＡ(k)・ｄＶcyl(k)｝／｛Ｒ・Ｔa(k)｝
という演算を行う。なお、前記式３では、シリンダ２０内の気体温度Ｔcylを変数に用いるものとしているが、ステップＳ４３の演算では、便宜的に、吸気温センサ１６が検出した吸気温Ｔａのデータを代替使用している。ここで、ｄＰＢＡ(k-1)は、前回のＴＤＣサイクルにおける吸気管内圧力ＰＢＡの変化分ｄＰＢＡの推定値であり、前回のＴＤＣサイクルにおいてステップＳ４５で算出されたものを使用する。ＰＢＡ(k)は、今回のＴＤＣサイクルで吸気圧センサ１５で検出された吸気管内圧力ＰＢＡを用いればよい。

ステップＳ４４では、今回のＴＤＣサイクルで算出した過渡的な充填空気量の変化分に相当するデータＧairVTX（k）と前回のＴＤＣサイクルで算出した過渡的な充填空気量の変化分に相当するデータＧairVTX（k-1）との差を求め、この差を吸入空気量の補正値（第２の補正値）ＧairVTとして算出する。なお、式３の数理モデルに基づいて算出するデータＧairVTX（k）においては、開弁特性の変化に応じた実質シリンダ容量の変化分ｄＶcylに加えて吸気管内圧力ＰＢＡの変化分ｄＰＢＡの推定値も考慮されている。しかし、本発明においては、検出吸気圧変化分ΔＰＢＡに基づく第１の補正値ＧairINVOを用いて吸入空気量の補正を行うようにもしている。そのため、式３の数理モデルに基づいて算出するデータＧairVTX（k）をそのまま使用したのでは、検出吸気圧変化分ΔＰＢＡに基づく第１の補正値ＧairINVOによる補正との二重補正となってしまう。そこで、ステップＳ４４において、今回のＴＤＣサイクルで算出したデータＧairVTX（k）から前回のＴＤＣサイクルで算出したデータＧairVTX（k-1）を引いたものを第２の補正値ＧairVTとして使用することで、二重補正とならないようにしている。

図９はステップＳ４４の処理における各データの波形例を示す。図９（ａ）において、実線は、今回のＴＤＣサイクルで算出した過渡的な充填空気量の変化分に相当するデータＧairVTX（k）を時間軸に沿ってプロットしたデータ波形の一例を示す。山状に変化している区間が過渡的な充填空気量変化を生じている区間であり、この変化区間には複数のＴＤＣサイクルが含まれている。破線は、前回のＴＤＣサイクルで算出したデータＧairVTX（k-1）を時間軸に沿ってプロットしたものであり、要するに、点線波形は実線波形を１ＴＤＣサイクルの時間だけ遅延させたものである。図９（ｂ）は、ＧairVTX（k）からＧairVTX（k-1）を引いた第２の補正値ＧairVT（k）の波形を示す。

なお、第２の補正値ＧairVTは、シリンダ２０に充填される空気量を示しているので、後段のステップＳ５では、この第２の補正値ＧairVTをエアフロメータ検出値ＧairTHに対して加算するよう補正する。

ステップＳ４５では、上記のように算出した今回のＴＤＣサイクルにおける実質シリンダ容量Ｖcyl（k）とその変化量ｄＶcyl（k）と過渡的な充填空気量の変化分ｄＧに相当するデータＧairVTX（k）を用いて、前記式５に従い、吸気管内圧力ＰＢＡの変化分ｄＰＢＡの推定値ｄＰＢＡ(k)を算出する。具体的には、
ｄＰＢＡ(k) ＝ ｛ＧairVTX(k)・Ｒ・Ｔa(k) ｝／Ｖinma
という演算を行う。算出された推定値ｄＰＢＡ(k)は、次回のＴＤＣサイクルにおけるステップＳ４３での演算において前回のＴＤＣサイクルにおける吸気管内圧力ＰＢＡの変化分ｄＰＢＡの推定値ｄＰＢＡ(k-1)として使用される。

図２に戻り、ステップＳ５では、エアフロメータ検出値ＧairTHに対して第１の補正値ＧairINVOを引き算し、第２の補正値ＧairVTを加算することで、該エアフロメータ検出値ＧairTHの補正を行う。これにより、吸気弁２１及び排気弁２２の開弁特性の変化時における過渡的な充填空気量の変化分に即応した吸入空気量推定値ＧairCYLを算出する。

図１０は、エンジン回転数ＮＥ及びスロットル弁１４の開度を固定した状態で、少なくとも一方の弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸを変化させた場合における、上記実施例における各データの波形例を示す。（ａ）は、少なくとも一方の弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸの変化例を示す。（ｂ）は、この変化に対応して本発明に従って算出される吸入空気量推定値ＧairCYLを示すと共にエアフロメータ検出値ＧairTHを示す。（ｃ）は、吸気管内圧力ＰＢＡの時間変化を示す。（ｄ）は、検出した吸気管内圧力ＰＢＡに基づき算出される第１の補正値ＧairINVOの時間変化を示す。ＧairINVOはＧairTHに対して減算されるため、第１の補正値ＧairINVOが負の値の場合はＧairTHに対する増加値となる。（ｅ）は、第２の補正値ＧairVTの時間変化を示す。ＧairVTはＧairTHに対して加算されるため、第２の補正値ＧairVTが正の値の場合はＧairTHに対する増加値となり、負の値の場合はＧairTHに対する減少値となる。なお、（ｅ）の縦軸スケールは（ｄ）の縦軸スケールの約１０倍で描いてある。つまり、第２の補正値ＧairVTは第１の補正値ＧairINVOに比べて小さな値である。（ｂ）を見ると、弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸの変化に対してエアフロメータ検出値ＧairTHの変化がかなり遅れることが判る。これに対して、本発明に従って算出される吸入空気量推定値ＧairCYLは弁開閉タイミング制御値ＣＡＩＮ，ＣＡＥＸの変化に即応していることが判る。

１０ 内燃機関
１１ 吸気管
１２ エアクリーナ
１３ エアフロメータ
１４ スロットル弁
１５ 吸気圧センサ
１６ 吸気温センサ
１７ 燃料噴射弁
２０ 気筒（シリンダ）
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
３０ 電子燃料噴射制御装置（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. 吸入空気量を検出する手段と、
   吸気圧を検出する手段と、
   前記検出した吸気圧の変化量に基づき第１の補正値を算出する手段と、
   吸気弁と排気弁の少なくとも一方の開弁特性の変化に基づき実質シリンダ容量の変化量を算出する手段と、
   前記実質シリンダ容量の変化量と吸気圧変化量の推定値の前回値に基づき第２の補正値を算出する手段と、
   前記第２の補正値に基づき吸気圧変化量の推定値の今回値を算出する手段と、
   前記検出した吸入空気量を前記第１の補正値と第２の補正値とを用いて補正する手段と
   を備える内燃機関の吸入空気量推定装置。
2. 前記第２の補正値を算出する手段は、前記実質シリンダ容量の変化量と前記吸気圧変化量の推定値の前回値に基づき、開弁特性の変化に基づくシリンダ内吸入空気量の変化量の今回値を算出し、該シリンダ内吸入空気量の変化量の今回値と前回値との差に基づき前記第２の補正値を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。

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