JP2013160074A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入空気量の算出精度を向上させることができ、それにより、制御精度を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関３の制御装置１はＥＣＵ２を備える。ＥＣＵ２は、ＴＨアクチュエータ１４ｂを介して、スロットル弁開度ＴＨを制御し（ステップ１，３）、所定のむだ時間Ｔｌａｇに応じて、吸気弁４の閉弁タイミングにおける推定開度ＴＨｈａｔを算出し（ステップ１８〜２０）、気筒３ａに吸入可能な空気量の最大値と推定される最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを算出し（ステップ５５）、推定開度ＴＨｈａｔに応じて、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを上限値とするリミット処理を施しながら、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出し（ステップ５０〜５４，５６〜５８）、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬに応じて、内燃機関３の運転状態を制御する（ステップ４１〜４４）。
【選択図】図８

Description

本発明は、吸入空気量が吸気絞り弁によって変更される内燃機関の制御装置に関する。

従来、内燃機関の制御装置として、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。この制御装置は、内燃機関の燃料噴射を制御するものであり、吸気圧センサ、アクセル踏込量センサおよびクランク角センサなどを備えているとともに、これらのセンサの検出信号に基づいて、吸気圧、アクセル踏込量およびエンジン回転数をそれぞれ算出する。

この制御装置では、同文献の図５（ａ）に示す制御処理において、ステップ５０３で、アクセル踏込量から、スロットル弁開度の目標値を算出し、ステップ５０５で、吸気圧、アクセル踏込量およびエンジン回転数から、燃料噴射量を算出すべき気筒の吸気弁の閉弁時刻Ｔが算出される。さらに、ステップ５０６で、スロットル弁開度の目標値および吸気弁の閉弁時刻Ｔから、吸気弁の閉弁時におけるスロットル弁開度の推定値（以下「閉弁時推定開度」という）を算出し、ステップ５０７で、この閉弁時推定開度から、吸入空気量を算出し、目標空燃比になるように、吸入空気量から燃料噴射量が算出される。そして、図５（ｂ）に示す制御処理において、この燃料噴射量に基づいて、燃料噴射が実行される。すなわち、燃料噴射制御が実行される。

また、従来の吸入空気量の算出手法として、特許文献２に記載されたものを本出願人は既に提案している。この算出手法では、スロットル弁をノズルおよびオリフィスと見なすモデリング手法によって、第１吸入空気量ＧＡＩＲ＿Ｏおよび第２吸入空気量ＧＡＩＲ＿Ｎをそれぞれ算出し、圧力比Ｒ＿Ｐｇ（吸気圧と大気圧との比）に応じて重み付け係数Ｋｇを算出するとともに、この重み付け係数Ｋｇを用い、２つの吸入空気量ＧＡＩＲ＿Ｏ，ＧＡＩＲ＿Ｎの加重平均演算［式（２２）］を実行することにより、吸入空気量ＧＡＩＲが算出される。この場合、内燃機関が過渡運転状態などにあって、Ｒ＿Ｐｇ≦Ｒ＿Ｐｇ１が成立する領域では、重み付け係数Ｋｇ＝１となることで、吸入空気量ＧＡＩＲ＝ＧＡＩＲ＿Ｏとなる。

特許第２９９１１２７号公報 特開２０１１−１４０８９５号公報

一般に、内燃機関の吸入空気量は、スロットル弁開度に依存する度合が最も大きいものの、スロットル弁開度以外の吸気圧などの運転状態パラメータが変化したときには、その影響を受けやすいという特性を有している。これに対して、上記特許文献１の内燃機関の制御装置によれば、吸入空気量を閉弁時推定開度のみから算出している関係上、それ以外の運転状態パラメータが変化したときに、その影響によって吸入空気量の算出精度が低下し、それにより、燃料噴射制御の制御精度が低下してしまうという問題がある。特に、内燃機関の過渡運転状態のときには、スロットル弁開度だけでなく、それ以外の運転状態パラメータも急変しやすいことで、以上のような問題がより顕著になりやすい。

このような特許文献１の内燃機関の制御装置において、吸入空気量の算出手法として特許文献２における第１吸入空気量ＧＡＩＲ＿Ｏの算出手法を用いた場合、特許文献１の算出手法と比べて、内燃機関が過渡運転状態にあるときでも、吸入空気量の算出精度を向上させることができ、制御精度を向上させることができる。しかしながら、そのようにした場合、吸入空気量が吸気行程の開始タイミングで算出される関係上、その算出タイミングでの圧力比Ｒ＿Ｐｇの値しか用いることができないことに起因して、吸入空気量の算出結果が実際の吸入空気量から離間し、算出精度が低下する可能性がある。

例えば、内燃機関の低回転運転中、アクセルペダルが急激に踏み込まれることで、スロットル弁開度が吸気行程中に急増した場合、それに伴って、吸気圧は実際には急減することになる。それにもかかわらず、圧力比Ｒ＿Ｐｇの算出では、吸入空気量の算出タイミングでの吸気圧しか用いることができないことで、吸入空気量の算出結果が実際値から大幅に離間し、オーバーシュートする可能性がある。その場合には、燃料噴射量が必要以上の値になってしまい、燃料噴射制御の制御精度が低下してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、吸入空気量の算出精度を向上させることができ、それにより、制御精度を向上させることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、吸気弁４が開弁状態にあるときに気筒３ａ内に吸入される空気量である吸入空気量を変更する吸気絞り弁（スロットル弁１４ａ）と、吸気絞り弁（スロットル弁１４ａ）を駆動する吸気絞り弁駆動機構（ＴＨアクチュエータ１４ｂ）とを有する内燃機関３の制御装置１であって、吸気絞り弁駆動機構（ＴＨアクチュエータ１４ｂ）を介して、吸気絞り弁（スロットル弁１４ａ）の開度である吸気絞り弁開度（スロットル弁開度ＴＨ）を制御する吸気絞り弁開度制御手段（ＥＣＵ２、ステップ１，３）と、吸気絞り弁駆動機構の応答特性（所定のむだ時間Ｔｌａｇ）に応じて、吸気弁４の閉弁タイミングにおける吸気絞り弁開度の推定値として、推定開度ＴＨｈａｔを算出する推定開度算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１８〜２０）と、気筒３ａに吸入可能な空気量の最大値と推定される最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを算出する最大吸入空気量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ５５、式（８））と、算出された最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを上限値とするリミット処理を施しながら、算出された推定開度ＴＨｈａｔに応じて、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出する吸入空気量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ５０〜５４，５６〜５８）と、算出された吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬに応じて、内燃機関３の運転状態を制御する機関制御手段（ＥＣＵ２、ステップ４１〜４４）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の制御装置によれば、吸気絞り弁駆動機構を介して、吸気絞り弁の開度である吸気絞り弁開度が制御され、吸気絞り弁駆動機構の応答特性に応じて、吸気弁の閉弁タイミングにおける吸気絞り弁開度の推定値として、推定開度が算出されるとともに、気筒に吸入可能な空気量の最大値と推定される最大吸入空気量が算出される。さらに、算出された推定開度に応じて、算出された最大吸入空気量を上限値とするリミット処理を施しながら、吸入空気量が算出され、算出された吸入空気量に応じて、内燃機関の運転状態が制御される。この場合、前述したように、内燃機関の低回転運転中にアクセルペダルが急激に踏み込まれたときのような、吸気絞り弁開度以外の運転状態パラメータが変化しやすい条件下では、推定開度に応じて算出した吸入空気量は、実際の値から大幅に離間する可能性がある。これに対して、この内燃機関の制御装置によれば、算出された最大吸入空気量を上限値とするリミット処理を施しながら、吸入空気量が算出されるので、吸入空気量が実際値を大幅に上回ってしまうのを回避でき、オーバーシュートの発生を抑制できる。それにより、吸入空気量の算出精度を向上させることができ、制御精度を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の制御装置１において、大気圧ＰＡを検出する大気圧検出手段（大気圧センサ２４）をさらに備え、最大吸入空気量算出手段は、検出された大気圧ＰＡおよび気筒３ａの筒内容積Ｖｃｙｌに応じて、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを算出する（ステップ５５、式（８））ことを特徴とする。

一般に、気筒内に吸入される空気量は、大気圧および気筒の筒内容積を主要な要素として決まるという特性を有している。これに対して、この内燃機関の制御装置によれば、検出された大気圧および気筒の筒内容積に応じて、最大吸入空気量が算出されるので、この最大吸入空気量を精度よく算出することができる。それにより、吸入空気量の算出精度をさらに向上させることができ、制御精度をさらに向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関３の制御装置１において、内燃機関３の温度として機関温度（エンジン水温ＴＷ）を検出する機関温度検出手段（水温センサ２６）をさらに備え、最大吸入空気量算出手段は、検出された機関温度（エンジン水温ＴＷ）にさらに応じて、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを算出する（ステップ５４，５５）ことを特徴とする。

一般に、気筒内に吸入される空気量は、機関温度の影響を受けやすく、機関温度が変化すると、それに伴って変化するという特性を有している。これに対して、この内燃機関の制御装置によれば、検出された機関温度にさらに応じて、最大吸入空気量が算出されるので、機関温度を反映させながら、最大吸入空気量を算出することができ、それにより、最大吸入空気量の算出精度をより一層、向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載の内燃機関３の制御装置１において、内燃機関３は、吸気弁４のバルブタイミングを変更するバルブタイミング変更機構（可変カム位相機構１２）を有しており、最大吸入空気量算出手段は、吸気弁４のバルブタイミング（カム位相ＣＡＩＮ）にさらに応じて、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを算出する（ステップ５４，５５）ことを特徴とする。

一般に、内燃機関が吸気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング変更機構を有している場合、気筒内に吸入される空気量は、吸気弁のバルブタイミングが変更されると、それに伴って変化するという特性を有している。これに対して、この内燃機関の制御装置によれば、吸気弁のバルブタイミングにさらに応じて、最大吸入空気量が算出されるので、吸気弁のバルブタイミングを反映させながら、最大吸入空気量を算出することができ、それにより、最大吸入空気量の算出精度をさらに向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関３の制御装置１において、内燃機関３の充填効率（充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐ）を算出する充填効率算出手段（ＥＣＵ２、ステップ５４）をさらに備え、最大吸入空気量算出手段は、算出された充填効率（充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐ）にさらに応じて、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを算出する（ステップ５５、式（８））ことを特徴とする。

一般に、気筒内に吸入される空気量は、充填効率が変化すると、それに伴って変化するという特性を有している。これに対して、この内燃機関の制御装置によれば、充填効率にさらに応じて、最大吸入空気量が算出されるので、充填効率を反映させながら、最大吸入空気量を算出することができ、それにより、最大吸入空気量の算出精度をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る制御装置およびこれを適用した内燃機関の構成を模式的に示す図である。 可変カム位相機構の動作を説明するための、吸気弁のバルブリフト曲線を表す図である。 吸気制御処理を示すフローチャートである。 通過流量算出処理を示すフローチャートである。 通過流量ＱＭｔｈの算出処理を示すフローチャートである。 開度関数ＫＴＨの算出に用いるマップの一例を示す図である。 燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。 吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出処理を示すフローチャートである。 充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐの算出に用いるマップの一例を示す図である。 目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄが変化したときの吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出結果の一例を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の制御装置について説明する。図１に示すように、本実施形態の制御装置１は、ＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２によって、後述するように、燃料噴射制御処理などの各種の制御処理が実行される。

エンジン３は、４組の気筒３ａおよびピストン３ｂ（１組のみ図示）を有する直列４気筒ガソリンエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。また、エンジン３は、気筒３ａごとに設けられた吸気弁４と、気筒３ａごとに設けられた排気弁５と、吸気弁４を開閉駆動する吸気動弁機構１０などを備えている。

この吸気動弁機構１０は、吸気弁４を駆動する吸気カムシャフト１１と、可変カム位相機構１２などで構成されている。この可変カム位相機構１２（バルブタイミング変更機構）は、吸気カムシャフト１１のクランクシャフト３ｃに対する相対的な位相（以下「カム位相」という）ＣＡＩＮを無段階に（すなわち連続的に）進角側または遅角側に変更するものであり、吸気カムシャフト１１の吸気スプロケット（図示せず）側の端部に設けられている。

この可変カム位相機構１２は、具体的には、本出願人が特開２００７−１００５２２号公報などで提案済みのものと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略するが、カム位相制御弁１２ａなどを備えている。この可変カム位相機構１２の場合、ＥＣＵ２からの駆動信号によってカム位相制御弁１２ａが制御されることにより、カム位相ＣＡＩＮを、所定の最遅角値ＣＡＩＮｒｔと所定の最進角値ＣＡＩＮａｄとの間で連続的に変化させ、それにより、吸気弁４のバルブタイミングが、図２に実線で示す最遅角タイミングと、図２に２点鎖線で示す最進角タイミングとの間で無段階に変更される。

また、エンジン３には、点火プラグ６、燃料噴射弁７およびクランク角センサ２０が設けられており、これらの点火プラグ６および燃料噴射弁７はいずれも、気筒３ａごとに設けられている（いずれも１つのみ図示）。燃料噴射弁７は、各気筒３ａの吸気ポート内に燃料を噴射するようにインテークマニホールドに取り付けられている。点火プラグ６および燃料噴射弁７はいずれも、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２によって、燃料噴射弁７による燃料の噴射量および噴射時期と、点火プラグ６による混合気の点火時期とが制御される。すなわち、燃料噴射制御と点火時期制御が実行される。

さらに、クランク角センサ２０は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、クランク角３０゜ごとに１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒３ａのピストン３ｂが吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態の４気筒エンジンの場合、クランク角１８０゜ごとに１パルスが出力される。さらに、このクランク角センサ２０では、ＴＤＣ信号が出力されるタイミングで、これに同期してＣＲＫ信号が出力される。

一方、エンジン３の吸気通路１３には、上流側から順に、エアフローセンサ２１、スロットル弁機構１４および吸気圧センサ２２などが設けられている。このエアフローセンサ２１は、熱線式エアフローメータで構成されており、吸気通路１３内を流れる新気の流量（以下「新気流量」という）を検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このエアフローセンサ２１の検出信号に基づき、新気流量Ｑａｆｍを算出する。この新気流量Ｑａｆｍは、質量流量として算出される。

スロットル弁機構１４は、スロットル弁１４ａおよびこれを開閉駆動するＴＨアクチュエータ１４ｂなどを備えている。スロットル弁１４ａ（吸気絞り弁）は、吸気通路１３の途中に回動自在に設けられており、当該回動に伴う開度の変化により、スロットル弁１４ａを通過する空気の流量を変化させる。ＴＨアクチュエータ１４ｂ（吸気絞り弁駆動機構）は、ＥＣＵ２に接続された電気モータにギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２からの駆動信号によって制御されることにより、スロットル弁１４ａの開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨを変化させる。

この場合、ＴＨアクチュエータ１４ｂのようなアクチュエータは応答特性としてむだ時間を有するものが一般的であり、本実施形態のＴＨアクチュエータ１４ｂの場合、後述する目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄに対応する駆動信号がＥＣＵ２から入力されたときに、その入力タイミングから所定のむだ時間Ｔｌａｇが経過したタイミングで、スロットル弁開度ＴＨが目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄに到達するという応答特性を有している（後述する図１０参照）。

また、スロットル弁１４ａの近傍には、スロットル弁開度センサ２３が設けられている。このスロットル弁開度センサ２３は、例えばポテンショメータなどで構成され、スロットル弁１４ａの開度ＴＨを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、吸気圧センサ２２は、例えば半導体圧力センサなどで構成され、吸気通路１３の吸気チャンバ１３ａの部分に設けられているとともに、吸気通路１３内の圧力（以下「吸気圧」という）ＰＢを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気圧ＰＢは、絶対圧として検出される。

一方、ＥＣＵ２には、大気圧センサ２４、吸気温センサ２５、水温センサ２６、アクセル開度センサ２７およびカム角センサ２８が電気的に接続されている。この大気圧センサ２４（大気圧検出手段）は、半導体圧力センサで構成されており、大気圧ＰＡを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この大気圧ＰＡは、絶対圧として検出される。また、吸気温センサ２５は、吸気通路１３内の空気の温度（以下「吸気温」という）ＴＡを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、水温センサ２６（機関温度検出手段）は、サーミスタで構成され、エンジン３のシリンダブロック内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温ＴＷ（機関温度）を検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、アクセル開度センサ２７は、車両の図示しないアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

また、カム角センサ２８は、吸気カムシャフト１１の可変カム位相機構１２と反対側の端部に設けられている。このカム角センサ２８は、例えばマグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、吸気カムシャフト１１の回転に伴い、パルス信号であるＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＣＡＭ信号および前述したＣＲＫ信号に基づき、カム位相ＣＡＩＮを算出する。

一方、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、以上の各種のセンサ２０〜２８の検出信号などに基づいて、以下に述べるように、燃料噴射制御処理などの各種の制御処理を実行する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、吸気絞り弁開度制御手段、推定開度算出手段、最大吸入空気量算出手段、吸入空気量算出手段、機関制御手段、および充填効率算出手段に相当する。

次に、図３を参照しながら、吸気制御処理について説明する。この制御処理は、スロットル弁機構１４および可変カム位相機構１２を介して、スロットル弁開度ＴＨおよびカム位相ＣＡＩＮをそれぞれ制御するものであり、ＥＣＵ２により所定の制御周期（例えば２ｍｓｅｃ）で実行される。なお、以下の説明において算出される各種の値は、ＥＣＵ２のＲＡＭ内に記憶されるものとする。

同図に示すように、まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同じ）で、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄを算出する。この目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄは、スロットル弁開度ＴＨの目標となる値であり、具体的には、要求トルクＴＲＱおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより算出される。なお、この要求トルクＴＲＱは、図示しない算出処理において、アクセル開度ＡＰおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより算出される。

次に、ステップ２に進み、目標カム位相ＣＡＩＮｃｍｄを算出する。この目標カム位相ＣＡＩＮｃｍｄは、カム位相ＣＡＩＮの目標となる値であり、具体的には、前述した要求トルクおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより算出される。

ステップ２に続くステップ３で、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄに対応する駆動信号をＴＨアクチュエータ１４ｂに供給することにより、ＴＨアクチュエータ１４ｂを駆動する。それにより、スロットル弁開度ＴＨが目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄになるように制御される。その際、ＴＨアクチュエータ１４ｂの前述した応答特性により、駆動信号がＴＨアクチュエータ１４ｂに入力されたタイミングから所定のむだ時間Ｔｌａｇが経過したタイミングで、スロットル弁開度ＴＨが目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄに到達する。

次いで、ステップ４に進み、目標カム位相ＣＡＩＮｃｍｄに対応する駆動信号をカム位相制御弁１２ａに供給することにより、カム位相制御弁１２ａを駆動する。それにより、カム位相ＣＡＩＮが目標カム位相ＣＡＩＮｃｍｄになるように制御される。以上のように、ステップ４を実行した後、本処理を終了する。

次に、図４を参照しながら、通過流量算出処理について説明する。この算出処理は、スロットル弁１４ａを通過する空気の質量流量の移動平均値として、通過流量ＱＭｔｈを算出するものであり、ＥＣＵ２によりＣＲＫ信号の発生タイミングに同期して実行される。

同図に示すように、まず、ステップ１０で、今回の制御タイミングが通過流量ＱＭｔｈの算出開始タイミングであるか否かを判別する。具体的には、今回の制御タイミングにおいて、ＣＲＫ信号とＴＤＣ信号が同時に発生したときには、算出開始タイミングであると判別し、それ以外のときには、算出開始タイミングでないと判別する。

ステップ１０の判別結果がＹＥＳのときには、ステップ１１に進み、通過流量ＱＭｔｈを算出済みではないことを表すために、算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥを「０」に設定する。

次いで、ステップ１２に進み、エンジン回転数ＮＥおよびカム位相ＣＡＩＮに基づき、図示しないマップを検索することにより、推定吸気閉弁時間Ｔｉｖｃ＿ｈａｔを算出する。この推定吸気閉弁時間Ｔｉｖｃ＿ｈａｔは、通過流量ＱＭｔｈの算出開始タイミングから吸気弁４が閉弁する閉弁タイミングまでの時間の推定値に相当する。

ステップ１２に続くステップ１３で、閉弁余裕時間Ｔｉｖｃを推定吸気閉弁時間Ｔｉｖｃ＿ｈａｔに設定する。この閉弁余裕時間Ｔｉｖｃは、現時点での吸気弁４の閉弁タイミングまでの残り時間に相当する。

一方、ステップ１０の判別結果がＮＯのときには、ステップ１４に進み、算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥが「１」であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのときには、通過流量ＱＭｔｈを算出済みであると判定して、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ１４の判別結果がＮＯのときには、通過流量ＱＭｔｈを算出すべきであると判定して、ステップ１５に進み、閉弁余裕時間の前回値Ｔｉｖｃｚを、ＲＡＭ内に記憶されている閉弁余裕時間Ｔｉｖｃに設定する。

次いで、ステップ１６に進み、エンジン回転数ＮＥに基づき、経過時間ＤＴを算出する。この経過時間ＤＴは、前回の制御タイミングから今回の制御タイミングまでの間の経過時間に相当する。次に、ステップ１７で、閉弁余裕時間Ｔｉｖｃを、閉弁余裕時間の前回値Ｔｉｖｃｚから経過時間ＤＴを減算した値Ｔｉｃｖｚ−ＤＴに設定する。

以上のステップ１３または１７に続くステップ１８で、閉弁余裕時間Ｔｉｖｃが前述したむだ時間Ｔｌａｇよりも大きいか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのときには、閉弁余裕時間Ｔｉｖｃがむだ時間Ｔｌａｇよりも大きいことで、吸気弁４の閉弁タイミングでは、スロットル弁開度ＴＨが目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄに達していると推定して、ステップ１９に進み、推定開度ＴＨｈａｔを目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄに設定する。

一方、ステップ１８の判別結果がＮＯで、Ｔｉｖｃ≦Ｔｌａｇのときには、ステップ２０に進み、下式（１）により、推定開度ＴＨｈａｔを算出する。

この式（１）を参照すると明らかなように、Ｔｉｖｃ≦Ｔｌａｇのときには、推定開度ＴＨｈａｔは、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄとスロットル弁開度ＴＨの補間演算によって算出される。

以上のステップ１９または２０に続くステップ２１で、通過流量ＱＭｔｈを算出する。この算出処理は、具体的には図５に示すように実行される。すなわち、まず、ステップ３０で、開度関数ＫＴＨを算出する。具体的には、スロットル弁開度ＴＨに応じて、図６に示すマップを検索することにより、開度関数ＫＴＨを算出する。

次いで、ステップ３１に進み、前述した新気流量Ｑａｆｍの移動平均値に応じて、図示しないマップを検索することにより、圧損補正項Ｐｃｏｒを算出する。この圧損補正項Ｐｃｏｒは、図示しないエアクリーナからスロットル弁１４ａまでの吸気通路１３における圧力損失を補正するためのものである。また、新気流量Ｑａｆｍの移動平均値は、図示しない算出処理において算出される。

ステップ３１に続くステップ３２で、上流側圧Ｐ１を、大気圧ＰＡから圧損補正項Ｐｃｏｒを減算した値ＰＡ−Ｐｃｏｒに設定する。この上流側圧Ｐ１は、スロットル弁１４ａの近傍かつ上流側における吸気通路１３内の圧力推定値に相当する。

次いで、ステップ３３に進み、下式（２），（３）により、流量関数Ψを算出する。なお、下式（２），（３）のκは、比熱比である。

次に、ステップ３４で、下式（４）により、通過流量の算出値ＱＭｔｈ＿ｃａｌを算出する。なお、下式（４）は、本出願人が特開２０１１−１４０８９５号公報で提案済みの手法によって導出される。

ステップ３４に続くステップ３５で、通過流量ＱＭｔｈを算出する。この場合、通過流量ＱＭｔｈは、Ｆ＿ＤＯＮＥ＝０の期間中における、通過流量の算出値ＱＭｔｈ＿ｃａｌの移動平均値として算出される。以上のように、ステップ３５で通過流量ＱＭｔｈを算出した後、本処理を終了する。

図４に戻り、ステップ２１で、通過流量ＱＭｔｈを以上のように算出した後、ステップ２２に進み、閉弁余裕時間Ｔｉｖｃが値０以下であるか否かを判別する。この判別結果がＮＯで、Ｔｉｖｃ＞０のときには、そのまま本処理を終了する。

一方、ステップ２２の判別結果がＹＥＳのときには、通過流量ＱＭｔｈの算出期間が終了したと判定して、ステップ２３に進み、通過流量ＱＭｔｈを算出済みであることを表すために、算出済みフラグＦ＿ＤＯＮＥを「１」に設定した後、本処理を終了する。

次に、図７を参照しながら、燃料噴射制御処理について説明する。この制御処理は、燃料噴射量ＴＯＵＴおよび燃料噴射時期ＩＮＪを気筒３ａごとに算出するものであり、ＥＣＵ２によりＴＤＣ信号の発生タイミングに同期して実行される。

同図に示すように、まず、ステップ４０で、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出処理を実行する。この処理は、具体的には図８に示すように実行される。まず、ステップ５０で、吸入空気量の前回値ＧＡＩＲＣＹＬｚを、ＲＡＭ内に記憶されている吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの値に設定する。

次いで、ステップ５１に進み、下式（５）により、充填効率ηｖを算出する。

この式（５）において、Ｒは空気の気体定数であり、Ｖｃｙｌは気筒３ａの筒内容積である。また、ＰＢａｖｅは、前回の制御タイミングと今回の制御タイミングの間（すなわち２つのＴＤＣ信号の発生タイミングの間）における吸気圧ＰＢの移動平均値であり、図示しない算出処理において算出される。なお、上式（５）は、気体の状態方程式に基づいて導出される。

次に、ステップ５２で、下式（６）により、通過空気量ＧＡＩＲｔｈを算出する。

この式（６）において、ΔＴは本処理の制御周期（すなわちＴＤＣ信号の発生間隔）を表している。

ステップ５２に続くステップ５３で、下式（７）により、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの暫定的な算出値として、暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐを算出する。

上式（７）のＶｉｎは、吸気通路１３の吸気マニホールドの部分の容積を表している。同式（７）に示すように、暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐは、値（ηｖ・Ｖｃｙｌ／Ｖｉｎ）を重み係数とする、通過空気量ＧＡＩＲｔｈと吸入空気量の前回値ＧＡＩＲＣＹＬｚの加重平均演算によって算出される。

次いで、ステップ５４に進み、エンジン回転数ＮＥ、カム位相ＣＡＩＮおよびエンジン水温ＴＷに応じて、充填効率マップを検索することにより、充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐを算出する。この場合、ＥＣＵ２のＲＯＭ内には、図９に示すような充填効率マップがエンジン水温ＴＷの領域に応じて多数記憶されており、ステップ５４の処理では、エンジン回転数ＮＥ、カム位相ＣＡＩＮおよびエンジン水温ＴＷに応じて、複数のマップから複数の値を選択するとともに、当該複数の選択値の補間演算により、充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐが算出される。

ステップ５４に続くステップ５５で、下式（８）により、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを算出する。なお、下式（８）は、前述した式（５）と同様に、気体の状態方程式に基づいて導出される。

次いで、ステップ５６に進み、暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐが最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘ未満であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳのときには、ステップ５７に進み、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐに設定した後、本処理を終了する。

一方、ステップ５６の判別結果がＮＯで、ＧＡＩＲｔｅｍｐ≧ＧＡＩＲｍａｘが成立しているときには、ステップ５８に進み、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘに設定した後、本処理を終了する。以上のステップ５６〜５８に示すように、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬは、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを上限値とするリミット処理を暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐに施すことによって算出される。

図７に戻り、ステップ４０で、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを以上のように算出した後、ステップ４１に進み、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬに応じて、図示しないマップを検索することにより、基本噴射量ＴＩ＿ＢＡＳＥを算出する。

次に、ステップ４２で、フィードバック補正係数ＫＡＦを算出する。具体的には、エンジン３の運転状態に応じて、目標空燃比ＫＣＭＤを算出し、図示しない空燃比センサの検出信号に基づいて算出された実際の空燃比が、この目標空燃比ＫＣＭＤに収束するように、所定のフィードバック制御アルゴリズムによって、フィードバック補正係数ＫＡＦが算出される。

ステップ４２に続くステップ４３で、燃料噴射量ＴＯＵＴを算出する。具体的には、エンジン水温ＴＷ、大気圧ＰＡおよび吸気温ＴＡなどの各種の運転状態パラメータに応じて、各種の補正値を算出し、これらの補正値とフィードバック補正係数ＫＡＦで、基本噴射量ＴＩ＿ＢＡＳＥを補正することにより、燃料噴射量ＴＯＵＴが算出される。

次に、ステップ４４に進み、エンジン回転数ＮＥおよび燃料噴射量ＴＯＵＴに応じて、図示しないマップを検索することにより、燃料噴射時期ＩＮＪを算出する。その後、本処理を終了する。以上のように、燃料噴射制御処理において、燃料噴射量ＴＯＵＴおよび燃料噴射時期ＩＮＪが算出されると、これらの値に基づいて、燃料噴射弁７の開弁タイミングおよび閉弁タイミングが制御される。

次に、本実施形態の制御装置１による吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出結果の一例について説明する。図１０は、エンジン３の運転状態の変化に伴い、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄが値ＴＨｃｍｄ１から値ＴＨｃｍｄ２まで変化した場合における算出結果の推移の一例を表している。同図に示すように、時刻ｔ１で、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄが値ＴＨｃｍｄ１から増大し始めると、それに伴って、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出値（すなわち暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐ）も増大し始める。

その際、スロットル弁機構１４が前述した応答特性を有していることにより、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄの増大開始したタイミング（時刻ｔ１）では、実際のスロットル弁開度ＴＨは変化することがないとともに、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄの変化開始タイミングから所定のむだ時間Ｔｌａｇが経過したタイミング（時刻ｔ２）で、スロットル弁開度ＴＨが増大側に変化し始め、それに伴って、同図に２点鎖線で示すように実際の吸入空気量も増大し始める。

さらに、時間の経過に伴い、スロットル弁開度ＴＨの変化タイミングよりも遅いタイミング（時刻ｔ３）で、吸気圧ＰＢが上昇し始める。さらに、吸気圧ＰＢの変化開始タイミングよりも後のタイミングで、同図に２点鎖線で示すように実際の流量関数が低下し始めるものの、流量関数Ψの算出値はさらに遅れて低下し始める。以上のような吸気圧ＰＢおよび流量関数Ψの変化に起因して、暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐは、ＧＡＩＲｔｅｍｐ≧ＧＡＩＲｍａｘが成立したタイミング（時刻ｔ４）以降も、同図に破線で示すように増大し続け、値ＴＨｃｍｄ２に対応する実際の吸入空気量（すなわち最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘ）をオーバーシュートしてしまう。

これに対して、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬは、ＧＡＩＲｔｅｍｐ≧ＧＡＩＲｍａｘが成立したタイミング（時刻ｔ４）以降、前述したリミット処理により、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘに保持されており、値ＴＨｃｍｄ２に対応する実際の吸入空気量を大幅に上回るのを回避でき、オーバーシュートの発生を抑制できることが判る。

以上のように、本実施形態の制御装置１によれば、吸気制御処理において、スロットル弁開度ＴＨが目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄになるように制御され、ＴＨアクチュエータ１４ｂの応答特性すなわち所定のむだ時間Ｔｌａｇと、スロットル弁開度ＴＨと、目標スロットル弁開度ＴＨｃｍｄとを用いて、吸気弁４の閉弁タイミングにおけるスロットル弁開度ＴＨとして、推定開度ＴＨｈａｔが算出される。さらに、この推定開度ＴＨｈａｔに応じて、暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐが算出され、気筒３ａに吸入可能な空気量の最大値と推定される最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘが算出されるとともに、この最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを上限値とするリミット処理を暫定吸入空気量ＧＡＩＲｔｅｍｐに施すことにより、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬが算出される。それにより、エンジン３の低回転運転中にアクセルペダルが急激に踏み込まれたときのような、スロットル弁開度ＴＨ以外の運転状態パラメータ（例えば吸気圧ＰＢ）が変化しやすい条件下でも、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬが実際値を大幅に上回ってしまうのを回避でき、オーバーシュートの発生を抑制することができる。その結果、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出精度を向上させることができ、燃料噴射制御の制御精度を向上させることができる。

また、一般に、内燃機関の気筒内に吸入される空気量は、大気圧ＰＡおよび気筒３ａの筒内容積Ｖｃｙｌを主要な要素として決まるとともに、充填効率が変化すると、その影響を受けやすいという特性を有している。これに対して、本実施形態では、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘが、前述した式（８）に示すように、充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐ、大気圧ＰＡおよび気筒３ａの筒内容積Ｖｃｙｌを用いて算出されるので、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘを精度よく算出することができる。

さらに、一般に、内燃機関の充填効率は、内燃機関の温度、内燃機関の回転数および吸気弁のバルブタイミングを主要な要素として決まる。これに対して、本実施形態では、充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐが、エンジン水温ＴＷ、エンジン回転数ＮＥおよびカム位相ＣＡＩＮに応じてマップ検索により算出されるので、充填効率のマップ値ηｖ＿ｍａｐを精度よく算出することができ、それにより、最大吸入空気量ＧＡＩＲｍａｘの算出精度を向上させることができる。

なお、実施形態は、吸気絞り弁として、スロットル弁１４ａを用いた例であるが、本発明の吸気絞り弁はこれに限らず、気筒内に吸入される空気量を変更可能な弁であればよい。

また、実施形態は、吸気絞り弁駆動機構として、ＴＨアクチュエータ１４ｂを用いた例であるが、本発明の吸気絞り弁駆動機構はこれに限らず、吸気絞り弁を駆動できるものであればよい。例えば、吸気絞り弁駆動機構として、油圧作動タイプのアクチュエータや、空気圧作動タイプのアクチュエータなどを用いてもよい。

さらに、実施形態は、機関温度として、エンジン水温ＴＷを用いた例であるが、本発明の機関温度はこれに限らず、内燃機関の温度であればよい。例えば、機関温度として、内燃機関の潤滑油の温度を用いてもよい。

一方、実施形態は、バルブタイミング変更機構として、可変カム位相機構１２を用いた例であるが、本発明のバルブタイミング変更機構はこれに限らず、吸気弁のバルブタイミングを変更するものであればよい。例えば、バルブタイミング変更機構として、吸気弁のリフトを変更することにより、吸気弁のバルブタイミングを変更する可変リフト機構を用いてもよく、さらに、これと可変カム位相機構を組み合わせて用いてもよい。

また、実施形態は、本発明の制御装置を車両用の内燃機関に適用した例であるが、本発明の制御装置は、これに限らず、船舶用の内燃機関や、他の産業機器用の内燃機関にも適用可能であることは言うまでもない。

さらに、実施形態は、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを用いて、内燃機関の燃料噴射制御処理を実行した例であるが、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを用いて、燃料噴射制御処理以外の制御処理を実行してもよい。例えば、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを用いて、点火時期制御処理を実行してもよい。

１ 制御装置
２ ＥＣＵ（吸気絞り弁開度制御手段、推定開度算出手段、最大吸入空気量算出手段 、吸入空気量算出手段、機関制御手段、充填効率算出手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
１２ 可変カム位相機構（バルブタイミング変更機構）
１４ａ スロットル弁（吸気絞り弁）
１４ｂ ＴＨアクチュエータ（吸気絞り弁駆動機構）
２４ 大気圧センサ（大気圧検出手段）
２６ 水温センサ（機関温度検出手段）
ＴＨ スロットル弁開度（吸気絞り弁開度）
Ｔｌａｇ 所定のむだ時間（吸気絞り弁駆動機構の応答特性）
ＴＨｈａｔ 推定開度
ＧＡＩＲＣＹＬ 吸入空気量
ＧＡＩＲｍａｘ 最大吸入空気量
ＴＡ 大気圧
Ｖｃｙｌ 気筒の筒内容積
ＴＷ エンジン水温（機関温度）
ＣＡＩＮ カム位相（吸気弁のバルブタイミングを表す値）
ηｖ＿ｍａｐ 充填効率のマップ値（充填効率）

Claims (5)

1. 吸気弁が開弁状態にあるときに気筒内に吸入される空気量である吸入空気量を変更する吸気絞り弁と、当該吸気絞り弁を駆動する吸気絞り弁駆動機構とを有する内燃機関の制御装置であって、
   前記吸気絞り弁駆動機構を介して、前記吸気絞り弁の開度である吸気絞り弁開度を制御する吸気絞り弁開度制御手段と、
   前記吸気絞り弁駆動機構の応答特性に応じて、前記吸気弁の閉弁タイミングにおける前記吸気絞り弁開度の推定値として、推定開度を算出する推定開度算出手段と、
   前記気筒に吸入可能な空気量の最大値と推定される最大吸入空気量を算出する最大吸入空気量算出手段と、
   前記算出された最大吸入空気量を上限値とするリミット処理を施しながら、前記算出された推定開度に応じて、前記吸入空気量を算出する吸入空気量算出手段と、
   当該算出された吸入空気量に応じて、前記内燃機関の運転状態を制御する機関制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 大気圧を検出する大気圧検出手段をさらに備え、
   前記最大吸入空気量算出手段は、前記検出された大気圧および前記気筒の筒内容積に応じて、前記最大吸入空気量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制御装置。
3. 前記内燃機関の温度として機関温度を検出する機関温度検出手段をさらに備え、
   前記最大吸入空気量算出手段は、前記検出された機関温度にさらに応じて、前記最大吸入空気量を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記内燃機関は、前記吸気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング変更機構を有しており、
   前記最大吸入空気量算出手段は、前記吸気弁の前記バルブタイミングにさらに応じて、前記最大吸入空気量を算出することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記内燃機関の充填効率を算出する充填効率算出手段をさらに備え、
   前記最大吸入空気量算出手段は、前記算出された充填効率にさらに応じて、前記最大吸入空気量を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。

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