JP2011252415A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料としてガソリンだけでなくアルコールを含む代替燃料も使用される内燃機関において、算出される筒内充填空気量が実際の筒内充填空気量からずれた値となることを防止できるようにする。
【解決手段】筒内充填空気量Ｍｃの算出に用いられるエアモデルのうちの吸気弁モデルは、エンジン１の燃料中のアルコール濃度における吸気弁通過空気流量ｍｃへの影響も含めて吸気弁９をモデル化したものが採用される。この吸気弁モデルでは、吸気管圧力Ｐｍ等のパラメータだけでなく燃料中のアルコール濃度ＡＬにも基づいて吸気弁通過空気流量ｍｃを算出する。従って、燃料中のアルコール濃度ＡＬに対応して実際の吸気弁通過空気流量が変化したとき、それに合わせて上記吸気弁モデルを用いて算出される吸気弁通過空気流量ｍｃを変化させることができる。そして、この吸気弁通過空気流量ｍｃ等に基づきシリンダモデルで筒内充填空気量Ｍｃが算出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

自動車等の車両に搭載される内燃機関であってガソリンを燃料とする内燃機関では、吸気弁が閉じたときの燃焼室内の空気の量の予測値（筒内充填空気量）に基づき燃料噴射量等の各種制御が行われているため、それら制御を的確に行えるようにする観点から上記筒内充填空気量を内燃機関の過渡運転時等にも応答性よく求めることが要望されている。

こうした要望に対応するため、内燃機関の吸気系を構成するスロットル弁、吸気管、吸気弁、及びシリンダ等の各要素をそれぞれモデル化したエアモデルを用いて筒内充填空気量を算出することが近年では実用化されている。上記エアモデルを用いた筒内充填空気量の算出では、例えば特許文献１に示されるように、上記エアモデルのうち吸気弁をモデル化した吸気弁モデルを用いて吸気管圧力に基づき吸気弁通過空気流量が算出される。そして、その吸気弁通過空気流量に基づき筒内充填空気量の算出が行われる。

上記エアモデルを用いた筒内充填空気量の算出により、燃焼室内の空気の量の変化が大きい内燃機関の過渡運転時等においても、筒内充填空気量を応答性よく求めることができるようになる。そして、このように求められた筒内充填空気量は、例えば内燃機関の燃料噴射量制御に用いられる。内燃機関の燃料噴射量制御では、上記求められた筒内充填空気量に対応した量の燃料が吸気系に噴射されるよう内燃機関の燃料噴射弁が駆動される。こうした燃料噴射量制御を通じて、内燃機関の出力トルクが上記筒内充填空気量に対応した値に調整される。

また、上記内燃機関においては、その出力トルクが筒内充填空気量に対応した値に調整されることから、筒内充填空気量を内燃機関の出力トルクの制御に用いることが考えられる。例えば、特許文献２では、内燃機関に要求される出力トルクに基づいて目標筒内充填空気量を設定し、その目標筒内充填空気量と上記求められる筒内充填空気量とが一致するようにスロットル弁の開度等が調整される。こうしたスロットル弁の開度等の調整を通じて、筒内充填空気量を目標筒内充填空気量と一致させることにより、内燃機関の出力トルクが要求される値に制御される。

特許第３９０１０９１号公報（段落［００５６］〜［００６２］、図６） 特開２００９−２４６７７公報（段落［００２５］、［０００３］、［００２６］、［００４０］）

ところで、ガソリンを燃料とする内燃機関においては、ガソリンの代替燃料として、ガソリンとアルコールとの混合燃料を使用したり、アルコールのみからなる単一燃料を使用したりすることが考えられている。こうした内燃機関では、使用される燃料のアルコール濃度が高くなるほど燃焼室内の混合気の理論空燃比（完全燃焼可能な空燃比）がリッチ側に移行することを考慮して、上記燃料のアルコール濃度が高くなるほど同機関の吸気系に噴射される燃料の量が多くなるように燃料噴射量制御が実施される。

しかし、上記代替燃料も使用される内燃機関にエアモデルを用いた筒内充填空気量の算出を適用すると、算出される筒内充填空気量が実際の筒内充填空気量からずれた値となる可能性がある。

これは、燃料中のアルコール濃度が高くなって内燃機関の吸気系に噴射される燃料の量が多くなるほど、その燃料の吸気系での蒸発量が多くなって同吸気系における燃料蒸気の占める割合が大きくなり、それに起因して吸気系を通じての燃焼室への空気（新気）の吸入が行われにくくなることが関係している。このように燃料中のアルコール濃度が高くなって燃焼室への空気（新気）の吸入が行われにくくなるほど、内燃機関における実際の吸気弁通過空気流量が減少し、ひいては同機関における実際の筒内充填空気量が少なくなる。一方、上記エアモデルを用いた筒内充填空気量の算出では、燃料中のアルコール濃度に応じた実際の筒内充填空気量の変化（直接的には実際の吸気弁通過空気流量の変化）について考慮されていない。このため、上記エアモデルを用いて算出される筒内充填空気量が、燃料中のアルコール濃度の影響を受けて変化する実際の筒内充填空気量からずれるおそれがある。

そして、実際の筒内充填空気量に対し上記エアモデルを用いて算出される筒内充填空気量がずれた値になると、その筒内充填空気量に基づき行われる内燃機関の各種制御（燃料噴射量制御等）が適正に行われなくなり、それら制御の制御対象（燃料噴射量等）が不適切な値になるおそれがある。

なお、特許文献２には、算出される筒内充填空気量を燃料中のアルコール濃度に基づき補正し、その補正後の筒内充填空気量が目標筒内充填空気量と一致するようスロットル弁の開度等を調整することで、燃料中のアルコール濃度の変化に起因する内燃機関の出力トルクの変化を抑制する技術が開示されている。

ここで、上述したように燃料中のアルコール濃度の変化に起因して内燃機関の出力トルクが変化するのは、燃料中のアルコール濃度によって燃料のオクタン価が変化して内燃機関のノック耐性が変化し、同ノック耐性に応じて内燃機関の点火時期が進遅角することが関係している。

詳しくは、燃料中のアルコール濃度が高くなるほど燃料のオクタン価が高くなって内燃機関のノック耐性が向上するため、同機関の点火時期をノックが発生しない範囲で可能な限り進角側に調整する点火時期制御を通じて、内燃機関の点火時期が進角側に変化する。そして、このように内燃機関の点火時期を進角側に変化させるほど、同機関の出力トルクが大きくなる傾向がある。一方、燃料中のアルコール濃度が低くなるほど燃料のオクタン価が低くなって内燃機関のノック耐性が低下するため、上記点火時期制御を通じて、内燃機関の点火時期が遅角側に変化する。そして、このように内燃機関の点火時期を遅角側に変化させるほど、同機関の出力トルクが小さくなる傾向がある。

このように上記内燃機関においては、燃料中のアルコール濃度が高くなるほど出力トルクが高くなり、且つ燃料中のアルコール濃度が低くなるほど出力トルクが低くなるという傾向がある。従って、燃料中のアルコール濃度が変化すると、内燃機関の出力トルクが変化し、その出力トルクの変化がドライバビリティ低下を招くおそれがある。

特許文献２では、こうしたドライバビリティ低下を抑制することを目的として、燃料中のアルコール濃度に基づき、上記算出される筒内充填空気量を補正するようにしている。具体的には、燃料中のアルコール濃度が高いほど、上記算出される筒内充填空気量を増量側に大きく補正することで、その補正後の筒内充填空気量を目標筒内充填空気量と一致させるためのスロットル弁の開度がより閉じ側に調整される。その結果、燃料中のアルコール濃度が高いことによる内燃機関の出力トルクの増大が、上述したスロットル弁の開度のより閉じ側への調整を通じて打ち消される。また、燃料中のアルコール濃度が低いほど、上記算出される筒内充填空気量を減量側に大きく補正することで、その補正後の筒内充填空気量を目標筒内充填空気量と一致させるためのスロットル弁の開度がより開き側に調整される。その結果、燃料中のアルコール濃度が低いことによる内燃機関の出力トルクの減少が、上述したスロットル弁の開度のより開き側への調整を通じて打ち消される。

特許文献２での燃料中のアルコール濃度に基づく筒内充填空気量の補正は、上述したように燃料中のアルコール濃度の変化に対する内燃機関の出力トルクの変化を抑制することを意図して行われるものであり、上記エアモデルを用いて算出される筒内充填空気量の実際の筒内充填空気量に対するずれを無くすことを意図して行われるものではない。このことは、特許文献２には、燃料中のアルコール濃度に応じて内燃機関における実際の筒内充填空気量が変化することについて、何ら開示されていないことからも明らかである。従って、上記エアモデルを用いた筒内充填空気量の算出が行われる内燃機関に特許文献２の技術を適用したとしても、上記エアモデルを用いて算出される筒内充填空気量が、燃料中のアルコール濃度に起因して実際の筒内充填空気量からずれた値となることは避けられない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料としてガソリンだけでなくアルコールを含む代替燃料も使用される内燃機関において、算出される筒内充填空気量が実際の筒内充填空気量からずれた値となることを防止できる内燃機関の筒内空気量推定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明によれば、内燃機関の吸気系を構成する各要素をそれぞれモデル化したエアモデルを用いて、吸気弁が閉じたときの燃焼室内の空気の量である筒内充填空気量が算出される。そして、算出された筒内充填空気量に基づき、内燃機関の各種制御が実行される。上記エアモデルを用いた筒内充填空気量の算出では、同エアモデルのうち吸気弁をモデル化した吸気弁モデルを用いて吸気管圧力に基づき吸気弁通過空気流量が算出され、その吸気弁通過空気流量に基づき筒内充填空気量の算出が行われる。

ここで、上記吸気弁モデルは、より詳しくは、内燃機関の燃料中のアルコール濃度における上記吸気弁通過空気流量への影響も含めて吸気弁をモデル化したものとされる。そして、吸気弁通過空気流量の算出は、こうした吸気弁モデルを用いて、上記吸気管圧力の他に燃料中のアルコール濃度にも基づいて行われる。

従って、燃料としてガソリンだけでなく、アルコールのみからなる単一燃料やガソリンとアルコールとの混合燃料といった代替燃料も使用される内燃機関において、燃料中のアルコール濃度に対応して実際の吸気弁通過空気流量が変化したとき、それに合わせて上記吸気弁モデルを用いて算出される吸気弁通過空気流量を変化させることができる。そして、上記吸気弁モデルを用いて算出された吸気弁通過空気流量に基づき筒内充填空気量を算出することで、その算出される筒内充填空気量が燃料中のアルコール濃度に起因して実際の筒内充填空気量からずれた値となることを防止できる。

請求項２記載の発明によれば、吸気弁モデルでは、吸気弁通過空気流量を数式化した吸気弁モデル計算式として、低アルコール濃度の燃料に対応したものと高アルコール濃度の燃料に対応したものとが用意される。そして、低アルコール濃度の燃料に対応した吸気弁モデル計算式を用いて吸気管圧力に基づき吸気弁通過空気流量が算出されるとともに、高アルコール濃度に対応した吸気弁モデル計算式を用いて同じく吸気管圧力に基づき吸気弁通過空気流量が算出される。こうして得られた各吸気弁通過空気流量と現在の燃料中のアルコール濃度とに基づき補間計算を行うことで、現在の燃料中のアルコール濃度に対応した吸気弁通過空気流量が算出される。以上により、燃料中のアルコール濃度が任意の値に変化するとしても、上記算出される吸気弁通過空気流量を、的確にそのときの燃料中のアルコール濃度に対応したものとすることが可能になる。

本実施形態の制御装置が適用されるエンジン全体を示す略図。 同エンジンの吸気系のエアモデル全体を示すブロック線図。 同エアモデルでの吸気弁通過空気流量及び筒内充填空気量の算出手順を示すフローチャート。 （ａ）及び（ｂ）は、吸気管圧力を一定とした条件下での燃料中のアルコール濃度の変化に対するエンジンの負荷率の変化を示すグラフ。

以下、本発明を自動車用エンジンの制御装置に具体化した一実施形態を図１〜図４に従って説明する。
図１に示されるエンジン１においては、燃焼室２（筒内）に繋がる吸気管内の吸気通路３に電子制御式のスロットル弁１３が設けられており、同吸気通路３を通じて筒内に空気が吸入されるとともに、燃料噴射弁４から噴射された燃料が吸気通路３を通じて筒内に供給される。この空気と燃料とからなる混合気に対し点火プラグ５による点火が行われると、同混合気が燃焼してピストン６が往復移動し、エンジン１の出力軸であるクランクシャフト７が回転する。一方、筒内にて燃焼した後の混合気は、排気として筒内から排気通路８に送り出される。

エンジン１における燃焼室２と吸気通路３との間は吸気弁９の開閉動作を通じて連通・遮断される。この吸気弁９の開閉動作は、クランクシャフト７からの回転伝達による吸気カムシャフト１１の回転に基づいて行われる。また、エンジン１における燃焼室２と排気通路８との間は排気弁１０の開閉動作を通じて連通・遮断される。この排気弁１０の開閉動作は、クランクシャフト７からの回転伝達に伴う排気カムシャフト１２の回転に基づいて行われる。

こうしたエンジン１に関する各種の制御は、自動車に搭載された電子制御装置２１を通じて実行される。この電子制御装置２１は、上記制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えている。

電子制御装置２１の入力ポートには、以下に示す各種センサ等が接続されている。
・自動車の運転者によって踏み込み操作されるアクセルペダル２７の操作量（アクセル操作量）を検出するアクセルポジションセンサ２８。

・上記スロットル弁１３の開度（スロットル開度）を検出するスロットルポジションセンサ３０。
・吸気通路３を通じて燃焼室２（筒内）に吸入される空気の量を検出するエアフローメータ３２。

・吸気通路３内における空気の温度を検出する吸気温センサ３３
・クランクシャフト７の回転に対応する信号を出力し、エンジン回転速度の算出やクランク角の判別等に用いられるクランクポジションセンサ３４。

・吸気カムシャフト１１の回転に基づき同シャフト１１の回転位置に対応した信号を出力し、クランクシャフト７に対する吸気カムシャフト１１の相対回転位相やクランク角の判別等に用いられるカムポジションセンサ３６。

・排気通路８内における排気中の酸素濃度に対応した信号を出力する空燃比センサ３７。
・エンジン１でのノックの発生を検出するノックセンサ３８。

電子制御装置２１の出力ポートには、燃料噴射弁４、点火プラグ５、スロットル弁１３などエンジン１の運転にかかわる各種機器の駆動回路が接続されている。
そして、電子制御装置２１は、上記各種センサから入力した検出信号に基づきエンジン運転状態を把握し、その把握したエンジン運転状態に応じて上記出力ポートに接続された各種駆動回路に指令信号を出力する。こうしてエンジン１における燃料噴射量制御、点火時期制御、及びスロットル開度制御といったエンジン１の各種制御が電子制御装置２１を通じて実施される。

エンジン１の燃料噴射量制御は、吸気弁９が閉じたときの燃焼室２内の空気の量の予測値（筒内充填空気量Ｍｃ）に基づいて行われる。すなわち、筒内充填空気量Ｍｃ等に基づき噴射量指令値が算出され、その算出された噴射量指令値に対応した量の燃料が燃料噴射弁４から噴射されるよう同燃料噴射弁４が駆動される。このように燃料噴射弁４から噴射された燃料を燃焼室２で燃焼させることにより、エンジン１の出力トルクが上記筒内充填空気量Ｍｃに対応した値に調整される。また、上記燃料噴射量制御では、エンジン１の空燃比を理論空燃比（完全燃焼可能な空燃比）に調整するための噴射量指令値の空燃比フィードバック補正値による補正が行われる。同空燃比フィードバック補正値に関しては、空燃比センサ３７の信号が燃焼室２内で完全燃焼の行われたときの値となるよう増減される。このように増減する空燃比フィードバック補正値により噴射量指令値を補正することで、同噴射量指令値に基づく燃料噴射量制御を通じてエンジン１の空燃比が理論空燃比に調整される。

また、エンジン１の点火次期制御も上記筒内充填空気量Ｍｃ等に基づいて行われる。すなわち、筒内充填空気量Ｍｃ等に基づき点火時期指令値が算出され、その算出された点火時期指令値に対応したタイミングにて点火プラグ５の点火が行われるよう同点火プラグ５が駆動される。また、上記点火時期制御では、エンジン１の出力向上及び燃費改善を図るべく点火時期をエンジン１でのノック発生を抑えつつ進角側の限界にまで補正するＫＣＳ制御が行われる。このＫＣＳ制御に関しては、点火時期指令値を補正するためのフィードバック補正項をノック発生のないときには進角補正側に変化させ、ノック発生があるときには遅角補正側に変化させることにより実現される。

更に、エンジン１のスロットル開度制御も上記筒内充填空気量Ｍｃ等に基づいて行われる。すなわち、アクセル操作量等によって定められるエンジン１の出力トルクの要求値に基づき目標筒内充填空気量が算出され、その目標筒内充填空気量と上記筒内充填空気量Ｍｃとが一致するようにスロットル弁１３が駆動される。こうしたスロットル開度制御を通じて筒内充填空気量Ｍｃが目標筒内充填空気量に調整されると、その調整と上述した燃料噴射量制御とによってエンジン１の出力トルクが目標筒内充填空気量に対応した値、言い換えればエンジン１の出力トルクの要求値に調整される。

以上のように、エンジン１においては、上記筒内充填空気量Ｍｃに基づき各種制御が行われているため、それら制御を的確に行えるようにする観点から上記筒内充填空気量Ｍｃをエンジン１の過渡運転時等にも実際の筒内充填空気量に対応した値として応答性よく求めることが要望されている。こうした要望に対応するため、電子制御装置２１では、エンジン１の吸気系を構成するスロットル弁１３、吸気管（吸気通路３）、吸気弁９、及びシリンダ（燃焼室２）等の各要素をそれぞれモデル化したエアモデルを用いて筒内充填空気量Ｍｃを算出するようにしている。より詳しくは、エンジン１の吸気系を構成する上記各要素をシミュレーションモデルで表して、それら要素内の圧力、同要素内を流動する空気の温度や流量といったパラメータを数式化し、そうして得られた数式を用いて筒内充填空気量Ｍｃを算出するようにしている。

次に、上記エアモデルを用いた筒内充填空気量Ｍｃの算出について、同エアモデル全体を示す図２のブロック線図を参照して説明する。
同図から分かるように、本実施形態では、上記筒内充填空気量Ｍｃを算出するためのエアモデルとして、スロットル弁モデルＭ１０、吸気管モデルＭ２０、吸気弁モデルＭ３０、及びシリンダモデルＭ４０等が用いられる。以下、これらモデルＭ１０〜Ｍ５０について個別に詳しく述べる。

［スロットル弁モデルＭ１０］
このスロットル弁モデルＭ１０では、スロットル弁１３を通過する空気の流量を表すスロットル弁通過空気流量ｍｔが吸気弁モデル計算式として数式化されている。

スロットル弁モデルＭ１０には、他のモデルが出力した吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが入力される。これら吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍはそれぞれ、吸気管（吸気通路３）におけるスロットル弁１３下流の圧力及び温度を表している。更に、スロットル弁モデルＭ１０には、スロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、及び大気温度Ｔａも入力される。上記スロットル開度θｔとしては、スロットルポジションセンサ３０によって検出される値を用いたり、モデルＭ１０〜Ｍ４０とは別のエアモデルによって算出される値を用いたりすることが可能である。

また、スロットル弁モデルＭ１０には、電子制御装置２１の不揮発性のＲＡＭに記憶された大気圧Ｐａ及び大気温度Ｔａが取り込まれる。これら大気圧Ｐａ及び大気温度Ｔａはそれぞれ、吸気管（吸気通路３）におけるスロットル弁１３上流の圧力及び温度に対応した値として用いられる。なお、大気温度はエンジン１の始動開始時に吸気温センサ３３からの検出信号に基づき求められ、その求められた値がエンジン１の始動開始毎に大気温度Ｔａとして上記不揮発性のＲＡＭに記憶される。一方、大気圧はエンジン１における一回の始動から停止までの期間毎に上述した燃料噴射量制御での空燃比フィードバック補正値に基づいて求められ、その求められた値が大気圧学習値（大気圧Ｐａ）として上記不揮発性のＲＡＭに記憶される。

上記空燃比フィードバック補正値に関しては、空燃比センサ３７の信号に基づき増減する際、大気圧が低くなって燃焼室２に吸入される空気の酸素濃度が低くなるほど上記増減の中心が増大側（上記酸素濃度低下側に対応）に移行する一方、大気圧が高くなって上記増減の中心が減少側（上記酸素濃度上昇側に対応）に移行する。従って、空燃比フィードバック補正値の増減の中心が標準大気圧に対応する値（以下、基準値）に対し増大側もしくは減少側に定常的にずれる際、その定常的な増大側もしくは減少側へのずれ量に基づいて現在の大気圧を求めることが可能である。そして、このように空燃比フィードバック補正値に基づいて現在の大気圧が求められる毎に、その求められた値が上述したように大気圧Ｐａとして上記不揮発性のＲＡＭに記憶される。なお、こうして記憶された大気圧Ｐａ（大気圧学習値）は、スロットル弁モデルＭ１０で用いられる他、上記燃料噴射量制御などのエンジン１の各種制御でも用いられる。

スロットル弁モデルＭ１０は、上述した吸気管圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、スロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、及び大気温度Ｔａといったパラメータを用いて上記吸気弁モデル計算式から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔを出力する。

［吸気管モデルＭ２０］
この吸気管モデルＭ２０では、スロットル弁モデルＭ１０で説明した吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが吸気管モデル計算式として数式化されている。

吸気管モデルＭ２０には、スロットル弁モデルＭ１０が出力した上記スロットル弁通過空気流量ｍｔが入力されるとともに、他のモデルが出力した平均値ｍｃＡＶＥ（吸気弁通過空気流量ｍｃの平均値）が入力される。この平均値ｍｃＡＶＥは、吸気弁９を通過する空気の流量の瞬時値（吸気弁通過空気流量ｍｃ）を同吸気弁９が開弁してから閉弁するまでの期間について平均化した値である。

吸気管モデルＭ２０は、上述したスロットル弁通過空気流量ｍｔ及び平均値ｍｃＡＶＥ等のパラメータを用いて上記吸気管モデル計算式から求められる吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍを出力する。なお、こうして求められた吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍは、他のモデルに出力されるだけでなく吸気管モデルＭ２０（上記吸気管モデル計算式）での次回の吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの算出にも用いられる。

［吸気弁モデルＭ３０］
この吸気弁モデルＭ３０では、吸気管モデルＭ２０で説明した吸気弁通過空気流量ｍｃが吸気弁モデル計算式として数式化されている。

吸気弁モデルＭ３０には、吸気管モデルＭ２０が出力した上記吸気管圧力Ｐｍ及び上記吸気管内温度Ｔｍが入力されるとともに、他のモデルが出力したシリンダ内圧力Ｐｃ及びシリンダ内温度Ｔｃが入力される。これらシリンダ内圧力Ｐｃ及びシリンダ内温度Ｔｃはそれぞれ燃焼室２内の圧力及び温度を表している。また、吸気弁モデルＭ３０には吸気弁９のリフト量Ｌも入力される。このリフト量Ｌとしてはエンジン１のクランク角に基づき求めた値を用いることが可能である。なお、エンジン１のクランク角は、クランクポジションセンサ３４からの信号、及びカムポジションセンサ３６からの信号を用いて判別される。

吸気弁モデルＭ３０は、上述した吸気管圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、シリンダ内圧力Ｐｃ、シリンダ内温度Ｔｃ、及び吸気弁９のリフト量Ｌといったパラメータを用いて上記吸気弁モデル計算式から求められる吸気弁通過空気流量ｍｃを出力する。

［シリンダモデルＭ４０］
このシリンダモデルＭ４０では、吸気弁９が閉じたときの燃焼室２内の空気の量の予測値である上記筒内充填空気量Ｍｃ、並びに吸気弁モデルＭ３０で説明したシリンダ内圧力Ｐｃ及びシリンダ内温度Ｔｃがシリンダモデル計算式として数式化されている。

シリンダモデルＭ４０には、吸気弁モデルＭ３０が出力した上記吸気弁通過空気流量ｍｃが入力されるとともに、吸気管モデルＭ２０が出力した上記吸気管内温度Ｔｍが入力される。また、シリンダモデルＭ４０にはシリンダ容積Ｖｃも入力される。このシリンダ容積Ｖｃは、燃焼室２内の容積のことであってピストン６の位置に応じて可変とされる値である。このシリンダ容積Ｖｃとしてはエンジン１のクランク角に基づき求めた値を用いることが可能である。

シリンダモデルＭ４０は、上述した吸気弁通過空気流量ｍｃ、吸気管内温度Ｔｍ、及びシリンダ容積Ｖｃといったパラメータを用いて上記シリンダモデル計算式から求められる筒内充填空気量Ｍｃ、シリンダ内圧力Ｐｃ、及びシリンダ内温度Ｔｃを出力する。また、シリンダモデルＭ４０は、上記シリンダモデル計算式から求められる筒内充填空気量Ｍｃを吸気弁９の開弁から閉弁までの期間に相当する時間で除算し、それによって得られた値を上記平均値ｍｃＡＶＥ（吸気弁通過空気流量ｍｃの平均値）として出力する。

以上のエアモデル（Ｍ１０〜Ｍ４０）を用いて筒内充填空気量Ｍｃを算出する際には、まずエンジン１の始動開始時に吸気管圧力Ｐｍ及びシリンダ内圧力Ｐｃをそれぞれ初期値として大気圧Ｐａに設定するとともに、吸気管内温度Ｔｍ及びシリンダ内温度Ｔｃをそれぞれ初期値として大気温度Ｔａに設定する。更に、スロットル弁通過空気流量ｍｔ及び吸気弁通過空気流量ｍｃをそれぞれ初期値として「０」に設定する。この状態で、上記モデルＭ１０〜Ｍ４０におけるモデル計算式での計算から得られる各パラメータを用い、次回のモデル計算式での計算を行う。こうした計算をエンジン１の始動開始から所定時間の経過毎に実施することで、その時点におけるエンジン１の過渡運転時も含めた上記各パラメータの精度の良い算出が図られる。従って、上記パラメータに含まれる筒内充填空気量Ｍｃに関しても、上記エアモデルを用いて算出することによって、エンジン１の過渡運転時を含めて精度の良い算出が図られる。

ところで、エンジン１の燃料としては、ガソリンのみからなる単一の燃料を使用するだけでなく、ガソリンとアルコールとを混合した燃料やアルコールのみからなる燃料といった代替燃料も使用される場合もある。この場合、使用される燃料中のアルコール濃度が高くなるほど、燃焼室内の混合気の理論空燃比（完全燃焼可能な空燃比）がリッチ側に移行するため、上記燃料噴射量制御での空燃比フィードバック補正値による噴射量補正値の補正を通じて、燃料中のアルコール濃度が高くなるほどエンジン１の吸気通路３に噴射される燃料の量が多くなる。

このように燃料中のアルコール濃度が高くなってエンジン１の吸気通路３に噴射される燃料の量が多くなるほど、その燃料の吸気通路３での蒸発量が多くなって同吸気通路３における燃料蒸気の占める割合が大きくなり、それに起因して吸気通路３を通じての燃焼室２への空気（新気）の吸入が行われにくくなる。このように燃料中のアルコール濃度が高くなって燃焼室２への空気（新気）の吸入が行われにくくなるほど、エンジン１における実際の吸気弁通過空気流量が減少し、ひいては同エンジンにおける実際の筒内充填空気量が少なくなる。

ここで、上記エアモデル（Ｍ１０〜Ｍ４０）を用いた筒内充填空気量Ｍｃの算出において、燃料中のアルコール濃度に応じた実際の筒内充填空気量の変化（直接的には実際の吸気弁通過空気流量の変化）について考慮されていないと、算出される筒内充填空気量Ｍｃが上記アルコール濃度に応じて変化する実際の筒内充填空気量からずれるおそれがある。そして、実際の筒内充填空気量に対し上記筒内充填空気量Ｍｃがずれた値になると、その筒内充填空気量Ｍｃに基づき行われるエンジン１の各種制御（燃料噴射量制御、点火時期制御、スロットル開度制御等）が適正に行われなくなり、それら制御の制御対象（燃料噴射量、点火時期、スロットル開度等）が不適切な値になるおそれがある。

次に、上述したように筒内充填空気量Ｍｃが実際の筒内充填空気量からずれた値になることに関する本実施形態の対策について、図２を参照して詳しく説明する。
この実施形態では、吸気弁モデルＭ３０として、エンジン１の燃料中のアルコール濃度における吸気弁通過空気流量ｍｃへの影響も含めて吸気弁９をモデル化したものが採用されている。この吸気弁モデルＭ３０には、燃料中におけるアルコールの占める割合を表すアルコール濃度ＡＬも入力される。そして、吸気弁モデルＭ３０では、上記アルコール濃度ＡＬにも基づいて吸気弁通過空気流量ｍｃが算出される。

従って、燃料としてガソリンだけでなくアルコールのみの単一燃料やガソリンとアルコールとの混合燃料といった代替燃料も使用されるエンジン１において、燃料中のアルコール濃度に対応して実際の吸気弁通過空気流量が変化したとき、それに合わせて上記吸気弁モデルＭ３０を用いて算出される吸気弁通過空気流量ｍｃを変化させることができる。そして、上記吸気弁モデルＭ３０を用いて算出された吸気弁通過空気流量ｍｃ等に基づきシリンダモデルＭ４０にて筒内充填空気量Ｍｃを算出することで、その算出される筒内充填空気量Ｍｃが燃料中のアルコール濃度に起因して実際の筒内充填空気量からずれた値となることを防止できる。

なお、吸気弁モデルＭ３０に入力されるアルコール濃度ＡＬとしては、電子制御装置２１の不揮発性のＲＡＭに記憶された燃料中のアルコール濃度の推定値が用いられる。
ここで、燃料中のアルコール濃度の推定値に関しては、上記燃料噴射量制御での空燃比フィードバック補正値による噴射量指令値の補正を利用して給油毎に求められる。すなわち、給油後の最初のエンジン運転時においては、燃料中のアルコール濃度が給油前の値から変化する可能性が高く、そのアルコール濃度が変化した場合には上記空燃比フィードバック補正値が給油前の値に対し上記アルコール濃度の変化に対応した分だけ変化する。これは、燃料中のアルコール濃度が濃い値になるほど燃料の理論空燃比がガソリンのみを燃料とした場合の理論空燃比である「１４．７」に対し大きくリッチ側の値（小さい値）となり、空燃比フィードバック補正値が噴射量指令値を増量補正する側（増大側）の値へと変化するためである。従って、上記空燃比フィードバック補正値の変化が生じたとき、その変化に応じて上記不揮発性のＲＡＭに記憶されたアルコール濃度の推定値を増減させることにより、同推定値が燃料中の実際のアルコール濃度に対応した値とされる。

ちなみに、上記のように増減される推定値の初期値としては、例えば、ガソリンのみからなる単一の燃料でのアルコール濃度（０％）が用いられる。また、給油時における上記推定値の増減に関しては、大気圧の変化に伴う空燃比フィードバック補正値の変化によって上記推定値の増減が行われることのないよう、上記大気圧Ｐａの不揮発性のＲＡＭへの記憶（大気圧学習）が直近のエンジン１の始動から停止までの期間中に少なくとも一度は完了している条件下に限って実行される。

以下、上記吸気弁モデルＭ３０でのアルコール濃度ＡＬにも基づいた吸気弁通過空気流量ｍｃの算出の詳細、及びその吸気弁通過空気流量ｍｃ等に基づく筒内充填空気量Ｍｃの算出の詳細について、それらの算出の手順を示した図３のフローチャートを参照しつつ説明する。

吸気弁モデルＭ３０においては、低アルコール濃度（例えば２２％）の燃料を使用した場合に対応した吸気弁モデル計算式と、高アルコール濃度（例えば１００％）の燃料を使用した場合に対応した吸気弁モデル計算式とが用意される。

低アルコール濃度の燃料を使用した場合に対応した吸気弁モデル計算式は、具体的には次の式（１）及び式（２）のようになる。

ちなみに、式（１）は、吸気管圧力Ｐｍがシリンダ内圧力Ｐｃよりも大きい状態であって吸気通路３から燃焼室２内に空気が流入しているときの吸気弁通過空気流量ｍｃを数式化したものである。また、式（２）は、シリンダ内圧力Ｐｃが吸気管圧力Ｐｍよりも大きい状態であって燃焼室２から吸気通路３に空気が逆流しているときの吸気弁通過空気流量ｍｃを数式化したものである。

なお、これらの式（１）及び式（２）において、項「Ｒ」及び項「ｋ」はそれぞれ気体定数及び比熱比を表している。これら気体定数Ｒ及び比熱比ｋは、本実施形態ではいずれも一定値として扱っている。また、式（１）及び式（２）における項「Ｃｖ（Ｌ）」及び項「Ａｖ（Ｌ）」はそれぞれ、流量係数及び吸気弁９の開口面積を表している。これら流量係数Ｃｖ（Ｌ）及び開口面積Ａｖ（Ｌ）は、いずれも吸気弁９のリフト量Ｌの関数となっている。そして、式（１）及び式（２）での流量係数Ｃｖ（Ｌ）は、低アルコール濃度（この例では２２％）の燃料を使用した状況に対応した値となる。

高アルコール濃度の燃料を使用した場合に対応した吸気弁モデル計算式は、具体的には次の式（３）及び式（４）のようになる。

ちなみに、式（３）は、吸気管圧力Ｐｍがシリンダ内圧力Ｐｃよりも大きい状態であって吸気通路３から燃焼室２内に空気が流入しているときの吸気弁通過空気流量ｍｃを数式化したものである。また、式（４）は、シリンダ内圧力Ｐｃが吸気管圧力Ｐｍよりも大きい状態であって燃焼室２から吸気通路３に空気が逆流しているときの吸気弁通過空気流量ｍｃを数式化したものである。

なお、これらの式（３）及び式（４）においても、気体定数Ｒ及び比熱比ｋがそれぞれ一定値として扱われており、流量係数Ｃｖ（Ｌ）及び開口面積Ａｖ（Ｌ）がそれぞれ吸気弁９のリフト量Ｌの関数となっている。そして、式（３）及び式（４）での流量係数Ｃｖ（Ｌ）は、高アルコール濃度（この例では１００％）の燃料を使用した状況に対応した値となる。このため、式（３）及び式（４）での流量係数Ｃｖ（Ｌ）と、式（１）及び式（２）での流量係数Ｃｖ（Ｌ）とは、吸気弁９のリフト量Ｌが同じであるとしても、燃料中の上記低アルコール濃度と上記高アルコール濃度との違いに対応して互いに異なる値となる。

吸気弁モデルＭ３０においては、現在の燃料中のアルコール濃度ＡＬに対応した吸気弁通過空気流量ｍｃを算出するに当たり、まず現在の燃料中のアルコール濃度ＡＬが電子制御装置２１における不揮発性のＲＡＭから取り込まれる（Ｓ１０１）。続いて、低アルコール濃度の燃料に対応した吸気弁モデル計算式（式（１）または式（２））を用いて吸気弁通過空気流量ｍｃが算出されるとともに、高アルコール濃度に対応した吸気弁モデル計算式（式（３）または式（４））を用いて吸気弁通過空気流量ｍｃが算出される（Ｓ１０２）。更に、こうして得られた各吸気弁通過空気流量ｍｃと現在の燃料中のアルコール濃度ＡＬとに基づき補間計算を行うことで、現在の燃料中のアルコール濃度ＡＬに対応した吸気弁通過空気流量ｍｃが算出される（Ｓ１０３）。一方、シリンダモデルＭ４０においては、現在のアルコール濃度ＡＬに対応した吸気弁通過空気流量ｍｃ等に基づいて筒内充填空気量Ｍｃの算出が行われる（Ｓ１０４）。

図４（ａ）及び（ｂ）は、吸気管圧力Ｐｍを一定とした条件下において、燃料中のアルコール濃度ＡＬの変化に対するエンジン１の負荷率ＫＬの変化を示したグラフである。なお、ここでの負荷率ＫＬは、エンジン１の全負荷状態を基準とした同エンジン１の負荷割合を意味する値であって、エンジン１の負荷に応じて０〜１００％という範囲の値となる。ちなみに、エンジン１の負荷とは、エンジン１の１サイクル当たりに筒内（燃焼室２）に吸入される空気の量のことであり、筒内充填空気量Ｍｃと同じ意味の値である。従って、上記グラフの縦軸で示される負荷率ＫＬは、筒内充填空気量Ｍｃに対応するパラメータということになる。そして、図４（ａ）の直線は吸気管圧力Ｐｍが小さい値で一定であるときのアルコール濃度ＡＬと負荷率ＫＬとの関係を示しており、図４（ｂ）の直線は吸気管圧力Ｐｍが高い値で一定であるときのアルコール濃度ＡＬと負荷率ＫＬとの関係を示している。これらの図から分かるように、上記エアモデルを用いて算出される筒内充填空気量Ｍｃ（負荷率ＫＬ）は、燃料中のアルコール濃度ＡＬに基づき変化し、そうした変化を通じて同アルコール濃度ＡＬに対応した値となる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）筒内充填空気量Ｍｃの算出に用いられるエアモデル（Ｍ１０〜Ｍ４０）のうちの吸気弁モデルＭ３０は、エンジン１の燃料中のアルコール濃度における吸気弁通過空気流量ｍｃへの影響も含めて吸気弁９をモデル化したものが採用されている。具体的には、この吸気弁モデルＭ３０では、燃料中のアルコール濃度における吸気弁通過空気流量ｍｃへの影響も含めたかたちで、その吸気弁通過空気流量ｍｃが吸気弁モデル計算式として数式化されている。そして、吸気弁モデルＭ３０は、吸気管圧力Ｐｍ等のパラメータだけでなく燃料中のアルコール濃度ＡＬにも基づいて上記吸気弁モデル計算式等を用いて求められた吸気弁通過空気流量ｍｃ、すなわち現在の燃料中のアルコール濃度ＡＬに対応した吸気弁通過空気流量ｍｃを出力する。従って、燃料中のアルコール濃度ＡＬに対応して実際の吸気弁通過空気流量が変化したとき、それに合わせて上記吸気弁モデルＭ３０から出力される吸気弁通過空気流量ｍｃを変化させることができる。そして、上記吸気弁モデルＭ３０から出力された吸気弁通過空気流量ｍｃ等に基づきシリンダモデルＭ４０にて筒内充填空気量Ｍｃを算出することで、その算出される筒内充填空気量Ｍｃが燃料中のアルコール濃度に起因して実際の筒内充填空気量からずれた値となることを防止できる。

（２）エンジン１においては、燃料噴射量制御、点火時期制御、及びスロットル開度制御といった各種制御が上記筒内充填空気量Ｍｃに基づき行われている。このため、その筒内充填空気量Ｍｃが実際の筒内充填空気量に対しずれた値になると、上記エンジン１の各種制御が適正に行われなくなり、それら制御の制御対象（燃料噴射量、点火時期、スロットル開度等）が不適正な値になるおそれがある。しかし、筒内充填空気量Ｍｃが燃料中のアルコール濃度に起因して実際の筒内充填空気量からずれた値となることは防止されるため、上述したようにエンジン１における各種制御の制御対象が不適切な値となることはない。

（３）筒内充填空気量Ｍｃが実際の筒内充填空気量に対しずれた値になると、その筒内充填空気量Ｍｃに基づくエンジン１の燃料噴射量制御が適正に行われなくなり、同制御を通じて燃料噴射弁４から噴射される燃料の量がエンジン１の空燃比を理論空燃比とするうえで不適切な値となる。この場合、エンジン１の燃料噴射量制御に用いられる噴射量指令値を補正する空燃比フィードバック補正値が空燃比センサ３７の信号に基づき増減されることにより、燃料噴射弁４から噴射される燃料の量がエンジン１の空燃比を理論空燃比とするうえで適切な値となるよう調整される。

ただし、空燃比フィードバック補正値に関しては、現在の大気圧を求めるためにも用いられている。詳しくは、空燃比フィードバック補正値の増減の中心が標準大気圧に対応する値（基準値）に対し増大側もしくは減少側に定常的にずれる際、その定常的な増大側もしくは減少側へのずれ量に基づいて現在の大気圧が求められる。そして、求められた現在の大気圧が電子制御装置２１の不揮発性のＲＡＭに大気圧Ｐａ（大気圧学習値）として記憶される。このため、燃料中のアルコール濃度に起因して筒内充填空気量Ｍｃが実際の筒内充填空気量からずれたとき、そのずれに対応する分だけ空燃比フィードバック補正値の増減の中心がずれると、そのずれの分が上記不揮発性のＲＡＭに記憶された大気圧Ｐａ（大気圧学習値）に反映されてしまう。その結果、上記不揮発性のＲＡＭに記憶された大気圧Ｐａが、大気圧学習値として不適正な状態で、上記燃料噴射量制御などのエンジン１の各種制御で用いられるという問題が生じるおそれがある。

しかし、燃料中のアルコール濃度に起因して筒内充填空気量Ｍｃが実際の筒内充填空気量からずれることは、上記（１）に示されるように防止される。このため、上述した問題が生じることはない。

（４）吸気弁モデルＭ３０においては、低アルコール濃度（例えば２２％）の燃料を使用した場合に対応した吸気弁モデル計算式と、高アルコール濃度（例えば１００％）の燃料を使用した場合に対応した吸気弁モデル計算式とが用意される。そして、低アルコール濃度の燃料に対応した吸気弁モデル計算式を用いて吸気弁通過空気流量ｍｃが算出されるとともに、高アルコール濃度に対応した吸気弁モデル計算式を用いて吸気弁通過空気流量ｍｃが算出される。更に、こうして得られた各吸気弁通過空気流量ｍｃと現在の燃料中のアルコール濃度ＡＬとに基づき補間計算を行うことで、現在の燃料中のアルコール濃度ＡＬに対応した吸気弁通過空気流量ｍｃが算出される。以上により、燃料中のアルコール濃度ＡＬが任意の値に変化するとしても、吸気弁モデルＭ３０で算出されて同モデルＭ３０から出力される吸気弁通過空気流量ｍｃを、的確にそのときの燃料中のアルコール濃度ＡＬに対応したものとすることが可能になる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・燃料中のアルコール濃度を検出するセンサを設け、そのセンサからの検出信号に基づいてアルコール濃度を求めるようにしてもよい。

・吸気弁９の最大リフト量や作動角といった開閉特性を可変とする可変動弁機構が設けられ、筒内充填空気量の調整を主に同機構による吸気弁９の開閉特性の可変を通じて行うとともに、上記スロットル開度の調整を筒内充填空気量の補助的な調整に用いるエンジンに本発明を適用してもよい。

１…エンジン、２…燃焼室、３…吸気通路、４…燃料噴射弁、５…点火プラグ、６…ピストン、７…クランクシャフト、８…排気通路、９…吸気弁、１０…排気弁、１１…吸気カムシャフト、１２…排気カムシャフト、１３…スロットル弁、２１…電子制御装置（算出手段）、２７…アクセルペダル、２８…アクセルポジションセンサ、３０…スロットルポジションセンサ、３２…エアフローメータ、３３…吸気温センサ、３４…クランクポジションセンサ、３６…カムポジションセンサ、３７…空燃比センサ、３８…ノックセンサ。

Claims (2)

1. 吸気系を構成する各要素をそれぞれモデル化したエアモデルを用いて筒内充填空気量を算出する内燃機関に適用され、前記エアモデルのうち吸気弁をモデル化した吸気弁モデルを用いて吸気管圧力に基づき吸気弁通過空気流量を算出し、その算出された吸気弁通過空気流量に基づき前記エアモデルを用いた筒内充填空気量の算出を行う算出手段を備える内燃機関の制御装置において、
   前記吸気弁モデルは、内燃機関の燃料中のアルコール濃度における前記吸気弁通過空気流量への影響も含めて前記吸気弁をモデル化したものであり、
   前記算出手段は、前記吸気弁モデルを用いて内燃機関の燃料中のアルコール濃度にも基づいて前記吸気弁通過空気流量を算出するものである
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記吸気弁モデルでは、前記吸気弁通過空気流量を数式化した吸気弁モデル計算式として、低アルコール濃度の燃料に対応したものと高アルコール濃度の燃料に対応したものとが用意されており、
   前記算出手段は、前記低アルコール濃度の燃料に対応した吸気弁モデル計算式を用いて吸気管圧力に基づき吸気弁通過空気流量を算出するとともに、前記高アルコール濃度に対応した吸気弁モデル計算式を用いて同じく吸気管圧力に基づき吸気弁通過空気流量を算出し、それら各吸気弁通過空気流量及び現在の燃料中のアルコール濃度に基づく補間計算により、現在の燃料中のアルコール濃度に対応した吸気弁通過空気流量を算出する
   請求項１記載の内燃機関の制御装置。

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