JP3985746B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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パラメータに基づいて内燃機関を制御する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、これら各モデルを用いることによりスロットル弁開度、大気圧、及び大気温度等から筒内充填空気量等を算出して、これに基づいて内燃機関の制御を行うようにする。
【０００３】
ところで、内燃機関の制御を行う場合、特に上記のようにモデルを用いて内燃機関の制御を行う場合には、制御に関連するパラメータを算出するために、定常運転時におけるスロットル弁下流側の吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａ（もしくはそれから算出され得る定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａ（すなわち、一気筒の総行程容積分の空気の質量に対する筒内充填空気の質量比））が必要となる場合がある。例えば、特許文献１にはスロットル弁通過空気流量を、その時のスロットル弁下流側吸気管内圧力や大気圧等と、上記Ｐｍｔａとに基づいて算出する方法が開示されている。
【０００４】
そして、上記のような定常運転時におけるスロットル弁下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａは、従来、マップを用いて求められている。すなわち、例えば上記特許文献１では、上記Ｐｍｔａがスロットル弁開度や機関回転数等を引数としたマップから求められている。
【０００５】
ところが、実際に上記のようなマップを作成するためには、多大な時間が必要となる。すなわち、マップを作成するためには上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを、各引数を順に変化させつつ実測する必要があり、その作業は膨大なものとなる。また、必要なマップ数や引数が増大することでマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう懸念もある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４１０９５号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７６９２号公報
【特許文献３】
特開２００２−３０９９９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、定常運転時におけるスロットル弁下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａとのうちの少なくとも一方をより簡便な方法によって求めるようにした内燃機関の制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、スロットル弁通過空気流量がスロットル弁より下流側の下流側吸気管内圧力の関数として表されるスロットル弁通過空気流量算出式と、筒内吸入空気流量が上記下流側吸気管内圧力の関数として表される筒内吸入空気流量算出式とを備えていて、上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記下流側吸気管内圧力をその時の運転条件で定常運転した時の下流側吸気管内圧力として算出することを特徴とする、内燃機関の制御装置を提供する。
【００１０】
上記の定常運転した時の下流側吸気管内圧力は、従来はマップを用いて求められていたが、マップ作成作業の工数が多大であり、またマップ検索時の制御負荷も大きいという問題があった。
これに対し、請求項１に記載の発明では、定常運転時にはスロットル弁通過空気流量と筒内吸入空気流量とが一致することを利用し、上記の定常運転した時の下流側吸気管内圧力を計算によって求めるようにしている。そのため、請求項１に記載の発明によれば、上記の定常運転した時の下流側吸気管内圧力をより簡単に求めることが可能である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、スロットル弁通過空気流量がスロットル弁より下流側の下流側吸気管内圧力の関数として表されるスロットル弁通過空気流量算出式と、筒内吸入空気流量が上記下流側吸気管内圧力の関数として表される筒内吸入空気流量算出式とを備えていて、上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量をその時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量として算出することを特徴とする、内燃機関の制御装置を提供する。
【００１２】
上記の定常運転した時の筒内吸入空気流量も従来はマップを用いて求められており、上述の定常運転時の下流側吸気管内圧力をマップで求める場合と同様の問題があった。
これに対し、請求項２に記載の発明では、定常運転時にはスロットル弁通過空気流量と筒内吸入空気流量とが一致することを利用し、上記の定常運転した時の筒内吸入空気流量を計算によって求めるようにしている。そのため、請求項２に記載の発明によれば、上記の定常運転した時の筒内吸入空気流量をより簡単に求めることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では請求項１に記載の発明において、上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量をその時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量として算出する。
請求項３に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力と筒内吸入空気流量との両方をより簡単に求めることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、上記スロットル弁通過空気流量算出式は、ｍｔをスロットル弁通過空気流量、μをスロットル弁における流量係数、Ａｔをスロットル弁の開口断面積、Ｐａを大気圧、Ｔａを大気温度、Ｒを気体定数、Ｐｍを上記下流側吸気管内圧力、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）をＰｍ／Ｐａの値に応じて定まる係数とすると、下記数５のように表され、上記筒内吸入空気流量算出式は、ｍｃを筒内吸入空気流量、ａ、ｂを少なくとも機関回転数に基づいて定められる適合パラメータとすると、下記数６のように表される。
【００１５】
【数５】
【００１６】
【数６】
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、比較的簡単な計算によって定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を正確に求めることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、内燃機関が排気通路に排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路に流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整するＥＧＲ制御弁とを有していて、上記スロットル弁通過空気流量算出式は、ｍｔをスロットル弁通過空気流量、μをスロットル弁における流量係数、Ａｔをスロットル弁の開口断面積、Ｐａを大気圧、Ｔａを大気温度、Ｒを気体定数Ｒ、Ｐｍを上記下流側吸気管内圧力、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）をＰｍ／Ｐａの値に応じて定まる係数とすると、下記数７のように表され、上記筒内吸入空気流量算出式は、ｍｃを筒内吸入空気流量、ｅ、ｇを少なくとも機関回転数と上記ＥＧＲ制御弁の開度とに基づいて定められる適合パラメータとすると、下記数８のように表される。
【００１９】
【数７】
【００２０】
【数８】
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、排気再循環を行う場合においても、比較的簡単な計算によって定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を正確に求めることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では請求項５に記載の発明において、内燃機関が各気筒に設けられた弁の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を更に有していて、上記開閉タイミングが第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが上記第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとに基づいて、上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇを推定する。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、排気再循環が行われ且つ可変バルブタイミング機構を有している場合において、上記適合パラメータｅ、ｇのためのマップ作成作業の工数を低減することができる。また、記憶させておくマップ数を減少させればマップ検索時の制御負荷も低減することができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明では請求項６に記載の発明において、上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇがそれぞれ、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力が第１の圧力よりも大きい場合と小さい場合とで異なる二つの値をとり、上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における適合パラメータｅ、ｇが、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力に応じてそれぞれ三つ以上の異なる値をとると推定される場合には、上記開閉タイミングが第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが上記第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとに基づいて、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力が第１の圧力よりも大きい場合と小さい場合とで異なる二つの値をとるようにした近似適合パラメータｅｐ、ｇｐを算出し、これらを上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとする。
請求項７に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を求める際の処理が容易化され制御負荷を低減することができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明では請求項６または７に記載の発明において、上記ＥＧＲ制御弁が上記第１の開度である場合は、上記ＥＧＲ制御弁が閉じられている場合である。
上記ＥＧＲ制御弁が閉じられている場合を基準とすることで、上記開閉タイミングが上記第２の（すなわち任意の）バルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の（すなわち任意の）開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇをより正確に推定することができる。そしてその結果、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量をより正確に求めることができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明では請求項４から８の何れか一項に記載の発明において、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する部分においては、上記スロットル弁通過空気流量算出式として、下流側吸気管内圧力Ｐｍの一次式で表される近似式が用いられる。
【００２７】
請求項１０に記載の発明では請求項９に記載の発明において、上記近似式は、上記スロットル弁通過空気流量算出式で表される曲線上の２点であってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃ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。
請求項９及び１０に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を求める際の計算が容易化され制御負荷を低減することができる。
【００２８】
請求項１１に記載の発明では請求項４から１０の何れか一項に記載の発明において、上記大気圧Ｐａの代わりに、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮して求められたスロットル弁上流側吸気管内圧力Ｐａｃが用いられる。
請求項１１に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量をより正確に求めることができる。
【００２９】
請求項１２に記載の発明では請求項９に記載の発明において、前回求めたスロットル弁通過空気流量に基づいて、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮したスロットル弁上流側吸気管内圧力Ｐａｃが求められ、上記近似式は、上記スロットル弁通過空気流量算出式で表される曲線上の２点であってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する前後の２点の各座標を示す下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量の値に対して、それぞれＰａｃ／Ｐａを乗じて得られる座標で示される２点を結んだ直線を表す一次式とされる。
【００３０】
請求項１２に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を求める際の計算が容易化されて制御負荷が低減される。また、エアクリーナの圧力損失等が考慮されることで定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量をより正確に求めることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
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は本発明の内燃機関の制御装置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。
【００３２】
図１に示したように、機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００３３】
各気筒の吸気ポート７は下流側の吸気管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は上流側の吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。上記吸気管１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気管１９に連結され、この排気管１９は排気浄化装置２０に連結される。
【００３４】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。上記吸気管１３には、吸気管内の圧力を検出するための吸気管内圧力センサ４０が設けられており、吸気管内圧力センサ４０は吸気管内圧力に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００３５】
また、スロットル弁１８の開度を検出するためのスロットル弁開度センサ４３と、内燃機関の周囲の大気の圧力、または吸気管１５に吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための大気圧センサ４４と、内燃機関の周囲の大気の温度、または吸気管１５に吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための大気温センサ４５とが設けられ、これらセンサの出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、アクセルペダル４６にはアクセルペダル４６の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４７が接続され、負荷センサ４７の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４８は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４８の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びステップモータ１７等に接続される。
【００３６】
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パラメータに基づいて内燃機関の制御を行う内燃機関の制御装置が検討されている。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、これら各モデルを用いることによりスロットル弁開度、大気圧、及び大気温度等から筒内充填空気量等を算出して、これに基づいて内燃機関の制御を行うようにする。
【００３７】
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モデルを用いた内燃機関の制御が行われる。すなわち、本実施形態においては、通常、以下で説明するような吸入空気量モデルＭ２０を用いた制御が行われる。図２は、吸入空気量モデルＭ２０を示す図である。
【００３８】
吸入空気量モデルＭ２０は、図２に示したようにスロットルモデルＭ２１、吸気管モデルＭ２２、吸気弁モデルＭ２３を備える。スロットルモデルＭ２１には、スロットル弁開度センサによって検出されたスロットル弁の開度（以下、「スロットル弁開度」と称す）θｔと、大気圧センサによって検出された内燃機関周囲の大気圧Ｐａと、大気温センサによって検出された内燃機関周囲の大気温度Ｔａと、後述する吸気管モデルＭ２２において算出されたスロットル弁より下流側の吸気管内の圧力（以下、「下流側吸気管内圧力」と称す）Ｐｍとが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述するスロットルモデルＭ２１のモデル式に代入することで、単位時間当たりにスロットル弁を通過する空気の流量（以下、「スロットル弁通過空気流量ｍｔ」と称す）が算出される。スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔは、吸気管モデルＭ２２へ入力される。
【００３９】
吸気管モデルＭ２２には、スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔと、以下で詳述する単位時間当たりに燃焼室内に流入する空気の流量（以下、「筒内吸入空気流量ｍｃ」と称す。なお、筒内吸入空気流量ｍｃの定義については、吸気弁モデルＭ２３において詳述する）とが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述する吸気管モデルＭ２２のモデル式に代入することで、上記下流側吸気管内圧力Ｐｍとスロットル弁より下流側の吸気管内の温度（以下、「下流側吸気管内温度」と称す）Ｔｍとが算出される。吸気管モデルＭ２２において算出された下流側吸気管内圧力Ｐｍは吸気弁モデルＭ２３及びスロットルモデルＭ２１に入力される。
【００４０】
吸気弁モデルＭ２３には、吸気管モデルＭ２２において算出された上流側吸気管内圧力Ｐｍが入力され、その値を後述する吸気弁モデルＭ２３のモデル式に代入することで、筒内吸入空気流量ｍｃが算出される。算出された筒内吸入空気流量ｍｃは、筒内充填空気量Ｍｃに変換され、この筒内充填空気量Ｍｃに基づいて燃料噴射弁からの燃料噴射量が決定される。また、吸気弁モデルＭ２３において算出された筒内吸入空気流量ｍｃは吸気管モデルＭ２２に入力される。
【００４１】
図２から分かるように、吸入空気量モデルＭ２０ではあるモデルにおいて算出されたパラメータの値が別のモデルへの入力値として利用されるので、吸入空気量モデルＭ２０全体では、実際に入力される値はスロットル弁開度θｔ、大気圧Ｐａ、及び大気温度Ｔａの三つのパラメータのみであり、これら三つのパラメータから筒内充填空気量Ｍｃが算出される。
【００４２】
次に、吸入空気量モデルＭ２０の各モデルＭ２１〜Ｍ２３について説明する。スロットルモデルＭ２１では、大気圧Ｐａ（ｋＰａ）、大気温度Ｔａ（Ｋ）、下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｋＰａ）、スロットル弁開度θｔから、下記数９に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓ）が算出される。ここで、数９におけるμはスロットル弁における流量係数で、スロットル弁開度θｔの関数であり、図３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、スロットル弁開度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をスロットル弁開度θｔから一つのマップで求めるようにしてもよい。また、Ｒは気体定数である。
【００４３】
【数９】
【００４４】
Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記数１０に示した関数であり、この数１０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／Ｐａ）は図４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ＥＣＵのＲＯＭに保存し、実際には数１０を用いて計算するのではなくマップからΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の値を求めるようにしてもよい。
【００４５】
【数１０】
【００４６】
これらスロットルモデルＭ２１の数９及び数１０は、スロットル弁１８上流の気体の圧力を大気圧Ｐａ、スロットル弁１８上流の気体の温度を大気温度Ｔａ、スロットル弁１８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５に示したようなスロットル弁１８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、さら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。
【００４７】
吸気管モデルＭ２２では、スロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓ）、筒内吸入空気流量ｍｃ（ｇ／ｓ）、及び大気温度Ｔａ（Ｋ）から、下記数１１及び数１２に基づいて下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｋＰａ）及び下流側吸気管内温度Ｔｍ（Ｋ）が算出される。なお、数１１及び数１２におけるＶｍ（ｍ3）はスロットル弁から吸気弁までの吸気管等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）１３´の容積に等しい定数である。
【００４８】
【数１１】
【００４９】
【数１２】
【００５０】
ここで、吸気管モデルＭ２２について図６を参照して説明する。吸気管部分１３´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１３´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１３´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数１３が得られ、この数１３及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、数１１が得られる。
【００５１】
【数１３】
【００５２】
また、吸気管部分１３´の気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間的変化量は、吸気管部分１３´に流入する気体のエネルギと吸気管部分１３´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１３´に流入する気体の温度を大気温度Ｔａ、吸気管部分１３´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数１４が得られ、この数１４及び上記気体の状態方程式より、数１２が得られる。
【００５３】
【数１４】
【００５４】
吸気弁モデルＭ２３では、下流側吸気管内圧力Ｐｍから、下記数１５に基づいて、筒内吸入空気流量ｍｃが算出される。なお、数１５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。
【００５５】
【数１５】
【００５６】
上述した吸気弁モデルＭ２３について図７を参照して説明する。一般に、吸気弁６が閉じた時に燃焼室５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６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５内の圧力に比例する。また、吸気弁閉弁時の燃焼室５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。
【００５７】
ここで、単位時間当たりに吸気管部分１３´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１３´から全ての燃焼室５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、上記数１５が得られる。なお、数１５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５内に残存している既燃ガス量に関連する値（以下で説明する）である。
【００５８】
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を二つの上記数１５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６と排気弁７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７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。
【００５９】
ここで、筒内吸入空気流量ｍｃについて、図８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８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１３´から燃焼室５に実際に流入する空気の量である。図８に示したように、４気筒の内燃機関では、吸気弁６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６の開弁量に応じて吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内へ空気が流入する。吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内に流入する空気の流量の変位は図８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１３´から全気筒の燃焼室５に流入する空気の流量は図８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８に斜線で示した部分に相当する。
【００６０】
これに対して、実線で示した吸気管部分１３´から全ての気筒の燃焼室５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Ｍ２３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。なお、以上の説明からも明らかなように、数１５における値ｂにΔＴ180 °を乗算すると、排気弁８閉弁時において燃焼室５内に残存している既燃ガス量が得られると考えられる。
【００６１】
次に、上記吸入空気量モデルＭ２０を用いて、実際に筒内充填空気量Ｍｃを算出する場合について説明する。筒内充填空気量Ｍｃは吸入空気量モデルＭ２０を用いて、上記数９、数１１、数１２、及び数１５を解くことにより表される。この場合、ＥＣＵで処理するために、これらの式を離散化する必要がある。時刻ｔ、計算間隔（離散時間）Δｔを用いて数９、数１１、数１２、及び数１５を離散化すると、それぞれ下記数１６、数１７、数１８、及び数１９が得られる。なお、下流側吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）は、数１７及び数１８によってそれぞれ算出されたＰｍ／Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）及びＰｍ（ｔ＋Δｔ）から、数２０によって算出される。
【００６２】
【数１６】
【００６３】
【数１７】
【００６４】
【数１８】
【００６５】
【数１９】
【００６６】
【数２０】
【００６７】
このようにして実装された吸入空気量モデルＭ２０では、スロットルモデルＭ２１の数１６で算出された時刻ｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ２３の数１９で算出された時刻ｔにおける筒内吸入空気流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ２２の数１７及び数１８に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）及び下流側吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ２１及び吸気弁モデルＭ２３の数１６及び数１９に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ＋Δｔ）及び筒内吸入空気流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）が算出される。そして、このような計算を繰り返すことによって、スロットル弁開度θｔ、大気圧Ｐａ、及び大気温度Ｔａから、任意の時刻ｔにおける筒内吸入空気流量ｍｃが算出され、算出された筒内吸入空気流量ｍｃに上記時間ΔＴ180 °を乗算することで、任意の時刻ｔにおける筒内充填空気量Ｍｃが算出される。
【００６８】
なお、内燃機関の始動時には、すなわち時刻ｔ＝０においては、下流側吸気管内圧力Ｐｍは大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、下流側吸気管内温度Ｔｍは大気温度と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔａ）とされて、各モデルＭ２１〜Ｍ２３における計算が開始される。
【００６９】
なお、上記吸入空気量モデルＭ２０では、大気温度Ｔａ及び大気圧Ｐａが一定であるとしているが、時刻によって変化する値としてもよく、例えば、大気温度を検出するための大気温センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気温度Ｔａ（ｔ）、大気圧を検出するための大気圧センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気圧Ｐａ（ｔ）として上記数１６及び数１８に代入するようにしてもよい。
【００７０】
ところで、内燃機関の制御を行う場合、特に上記のようにモデルを用いて内燃機関の制御を行う場合には、制御に関連するパラメータを算出するために、定常運転時におけるスロットル弁下流側の吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａ（もしくはそれから算出され得る定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａ）が必要となる場合がある。ここで定常運転時における値（上記Ｐｍｔａやｍｃｔａ等）とは、内燃機関をある状態で定常運転した場合に最終的にとる値、すなわち収束値と考えられる値のことである。これらの値は内燃機関の制御において、主に、複雑な計算を回避したり計算量を低減したりする等して制御負荷を軽減するためや、算出されるパラメータの精度を向上するために用いられる。そして、これらの値は、従来、マップを用いて求めるものとされていた。
【００７１】
すなわち、例えばスロットル弁開度や機関回転数等の運転状態を表す指標を引数として上記の値を求めるためのマップを事前に作成してＲＯＭに記憶させておき、その時の運転状態に基づいてマップを検索して必要な値を求めるようにする。しかしながら、実際にこのようなマップを作成するためには、多大な時間が必要となる。すなわち、マップを作成するためには上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを、各引数を順に変化させつつ実測する必要があり、その作業は膨大なものとなる。また、必要なマップ数や引数が増大することでマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう懸念もある。
【００７２】
そこで、本実施形態の内燃機関の制御装置においては、上記Ｐｍｔａやｍｃｔａ（またはＫｌｔａ）を必要とする場合、以下で説明するような方法によってマップを用いずに求めるようにする。なお、以下の説明からも明らかになるが、この方法は定常運転時にはスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとが一致することを利用したものである。
【００７３】
すなわち、本実施形態の内燃機関の制御装置は、スロットル弁通過空気流量ｍｔの算出式として、下記数２１及び数２２（すなわち、上記数９及び数１０。以下、「数２１等」と称す）を備えている。
【００７４】
【数２１】
【００７５】
【数２２】
【００７６】
また、本実施形態の内燃機関の制御装置は、筒内吸入空気流量ｍｃの算出式として、下記数２３（すなわち、上記数１５）を備えている。
【００７７】
【数２３】
【００７８】
そして内燃機関が定常運転されている時にはスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとは一致する。したがって、上記数２１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと上記数２３から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の下流側吸気管内圧力Ｐｍを求めれば、その時の運転条件で定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａを求められることになる。また同様に、上記数２１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと上記数２３から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の筒内吸入空気流量ｍｃを求めることで、その時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求めることができる（そして、この値から定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａも求めることができる）。
【００７９】
そして、以上のようにして上記Ｐｍｔａ及びｍｃｔａを求めることは、図９に例示したように上記数２１等によって表される曲線ｍｔと上記数２３によって表される直線ｍｃとの交点ＥＰを求めることと同義である。ここで、上記交点ＥＰを求める場合、曲線ｍｔを表す式である数２１等をそのまま用いて上記交点ＥＰ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、上記数２１等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ｍｔ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数２１等に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔ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ｍｔ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ｍｔ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数２１等の近似一次式となる。
【００８０】
ところで、上記数２１等の一次式への近似は、上記交点ＥＰ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ＥＰの近傍における上記数２１等の近似一次式である。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数２３に基づいて筒内吸入空気流量ｍｃも求めておき、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転するところを求めることで上記交点ＥＰの位置が特定できる。
【００８１】
より具体的には上記交点ＥＰ近傍（すなわち、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する部分）における近似一次式は、例えば上記数２１等で表される曲線ｍｔ上の２点ｔｊ、ｔｋであってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する前後の２点ｔｊ、ｔｋを結んだ直線ｎｍｔを表す一次式とされる（図１０参照）。
【００８２】
なお、下流側吸気管内圧力Ｐｍが臨界圧（すなわち、下流側吸気管内圧力Ｐｍがその圧力以下になってもスロットル弁通過流量ｍｔがそれ以上増えない圧力）Ｐｃ以下の領域では、ｍｔは一定値となるので上述したような近似を行わなくても上記交点ＥＰを容易に求めることができる。
【００８３】
また、上記数２３の適合パラメータａ、ｂが、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）をとる場合、すなわち図９に示されるように筒内吸入空気流量ｍｃが接続点ＣＰで繋がる二本の直線で示される場合において、上記接続点ＣＰが上記交点ＥＰの近傍にある時には、上記交点ＥＰの近傍において上記二本の直線を一本の直線に近似することで、上記交点ＥＰを求めるための計算が容易化され制御負荷を軽減することができる。
【００８４】
具体的には例えば、図１０に示されるようにして上記筒内吸入空気流量ｍｃを示す二本の直線を一本の直線に近似する。すなわちこの場合、筒内吸入空気流量ｍｃは上記数２３の形で表される二つの式（すなわち、適合パラメータａ、ｂがそれぞれ異なる二つの下流側吸気管内圧力Ｐｍの一次式）で示されるが、これらの式を上記交点ＥＰの近傍において、上記の二つの式で表される二本の直線ｍｃ上の各１点ｃｊ、ｃｋであって上記接続点ＣＰと上記交点ＥＰを間に挟む点ｃｊ、ｃｋを結んだ直線ｎｍｃを表す一次式に近似する。
【００８５】
図１０に示された例では、上記交点ＥＰの近傍でスロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線ｍｔが直線ｎｍｔに近似され、筒内吸入空気流量ｍｃを表す二本の直線ｍｃが一本の直線ｎｍｃに近似されている。これにより、求められる交点ｎＥＰは上記交点ＥＰとは僅かに異なるものとなるが、この交点ｎＥＰは二本の直線ｎｍｔとｎｍｃの交点を求める計算によって簡単に求めることができる。すなわち、この方法によれば、定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａの近似値を簡単に求めることができる。
【００８６】
ところで、上述した数２１等においては、スロットル弁１８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）を大気圧Ｐａとしてスロットル弁通過空気流量ｍｔが算出されている。しかしながら、実際の上流側吸気管内圧力は、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より低い圧力となっている。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１６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１６の圧力損失を考慮することが好ましい。
【００８７】
そこで、本発明の他の実施形態の内燃機関の制御装置においては、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、上記数２１等の代わりに、下記数２４及び数２５（以下、「数２４等」と称す）をスロットル弁通過空気流量ｍｔの算出式として備えていてもよい。数２４等においては、上記数２１等において大気圧Ｐａが用いられた部分に、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮して求められた上流側吸気管内圧力Ｐａｃが用いられている。
【００８８】
【数２４】
【００８９】
【数２５】
【００９０】
スロットル弁通過空気流量ｍｔの算出式として上記数２４等を用いることにより、上述したような方法によって定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａをより正確に求めることが可能となる。
【００９１】
ところで、上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃは、スロットル弁１８の直上流に圧力センサを設けて検出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、下記数２６のように表すことができる。
【００９２】
【数２６】
【００９３】
ここで、ρは大気密度であり、ｖはエアクリーナ１６を通過する空気の流速であり、Ｇａはエアクリーナ１６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、数２６は数２７のように置き換えることができる。さらに、数２７は、流量Ｇａだけを変数とする関数ｆ（Ｇａ）を使用して数２８のように置き換えることができる。
【００９４】
【数２７】
【００９５】
【数２８】
【００９６】
数２８は、上流側吸気管内圧力Ｐａｃを表す数２９のように変形することができる。数２９において、流量Ｇａは、エアクリーナ１６の直下流側にエアフローメータが設けられている場合には、このエアフローメータにより検出することができる。また、圧力補正係数ｅｋｐａは、検出される大気圧Ｐａにより設定可能であり、温度補正係数ｅｋｔｈａは、検出される大気温度Ｔａにより設定可能である。
【００９７】
【数２９】
【００９８】
また、数２９において、エアクリーナ１６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、数２９は数３０のように変形することができる。
【００９９】
【数３０】
【０１００】
但し、数２４等に基づいて現在のスロットル弁通過空気流量ｍｔを算出するためには現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃが必要であるために、数３０に基づいて現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃを算出するには、スロットル弁通過空気流量ｍｔとして前回のスロットル弁通過空気流量ｍｔ、すなわち１離散時間前のスロットル弁通過空気流量ｍｔを使用せざるを得ない。この点、繰り返し計算を行うことによって、算出される上流側吸気管内圧力Ｐａｃの精度を向上することも可能であるが、制御負荷の増大を避けるために、前回求めたスロットル弁通過空気流量ｍｔに基づいて求めた上流側吸気管内圧力Ｐａｃを今回の（現在の）上流側吸気管内圧力Ｐａｃとして用いるようにしてもよい。
【０１０１】
また、以下のような方法によって、少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮した場合の定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求めるようにしてもよい。すなわち、この方法では、上記数２１等を少なくとも上記交点ＥＰの近傍において一次式に近似し、その近似一次式が表す近似直線と上記数２３で表される直線（またはその近似直線）との交点を求めて定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求めるという上述の方法において、上記数２１等の近似一次式（もしくはその近似一次式が表す近似直線）が上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いて補正される。
【０１０２】
すなわち、上述の方法では上記数２１等で表される曲線ｍｔの近似直線は、図１０に示されるように、上記曲線ｍｔ上の２点ｔｊ、ｔｋであってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する前後の２点ｔｊ、ｔｋを結ぶ直線ｎｍｔとして求められたが、この方法では上記２点ｔｊ、ｔｋの各座標を示す下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量の値に対して、それぞれＰａｃ／Ｐａを乗じ、その新たな座標で示される２点を結んだ直線（補正後の近似直線）が求められる（この直線を表す一次式が補正後の近似一次式となる）。
【０１０３】
そして、この補正後の近似直線と上記数２３で表される直線（またはその近似直線）との交点を求めることによって、少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮した場合の定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａが求められる。
【０１０４】
次に本発明の他の実施形態について図１１を参照しつつ説明する。図１１は、本発明の内燃機関の制御装置を図１とは別の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１１に示された構成は基本的には図１に示された構成と同じであり、共通する部分についての説明は原則として省略する。
【０１０５】
図１に示された構成と比較すると、図１１に示された構成は、排気通路（排気ポート、排気管等）と吸気通路（吸気ポート、吸気管）とが排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）２１を介して互いに連結され、この排気再循環通路２１内に排気再循環通路２１を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ制御弁」と称す）２２が配置されている点で異なっている。すなわち、本実施形態においては排気通路に排出された排気ガスの一部を吸気通路へ流入させる排気再循環（以下、「ＥＧＲ」と称す）が実施される場合がある。
【０１０６】
また、図１１に示された構成は、吸気弁６の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構２３を備えている点でも図１に示された構成と異なっている。なお、ＥＧＲ制御弁２２及び可変バルブタイミング機構２３は共にＥＣＵ３１によって制御される。
【０１０７】
そして本実施形態においても、図１１に示したような構成に対してモデルが構築され、上述した他の実施形態の場合と同様、モデルを用いた内燃機関の制御が実施される。また、本実施形態においても上述した他の実施形態の場合と同様、定常運転時における下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａ（もしくはそれから算出され得る定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａ）が必要な場合には、定常運転時にはスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとが一致することを利用して、これらの値が計算によって求められる。
【０１０８】
但し、本実施形態においては、ＥＧＲが行われる場合があり、また、吸気弁６の開閉タイミング（以下、単に「バルブタイミング」と称す）が変更される場合がある。このため、本実施形態の内燃機関の制御装置は、上記Ｐｍｔａやｍｃｔａの算出に用いられる筒内吸入空気流量ｍｃの算出式として、上記数２３の代わりに下記数３１を備えている。
【０１０９】
すなわち、本実施形態においては、上記数２１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと下記数３１から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の下流側吸気管内圧力Ｐｍが上記Ｐｍｔａとして求められ、その時の筒内吸入空気流量ｍｃが上記ｍｃｔａとして求められる。あるいは、少なくともエアクリーナ１６による圧力損失を考慮する場合には、上記数２４等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと下記数３１から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の下流側吸気管内圧力Ｐｍが上記Ｐｍｔａとして求められ、その時の筒内吸入空気流量ｍｃが上記ｍｃｔａとして求められる。
【０１１０】
【数３１】
【０１１１】
上記数３１は、ＥＧＲが行われたり、バルブタイミングが変更されたりしても、筒内吸入空気流量ｍｃは下流側吸気管内圧力Ｐｍに基づいてほぼ線形に変化するものであることから得られる式である。ここで、ｅ、ｇは上記数２３（または数１５）における適合パラメータａ、ｂとは異なる適合パラメータであり、少なくとも機関回転数ＮＥ、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰ及びバルブタイミングＶＴに基づいて定められる適合パラメータである。また、上記適合パラメータｅ、ｇについて、上記機関回転数ＮＥ、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰ及びバルブタイミングＶＴ等の運転条件が同じ場合であっても下流側吸気管内圧力Ｐｍの所定範囲毎に異なる値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を複数の上記数３１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。
【０１１２】
上記適合パラメータｅ、ｇは、機関回転数ＮＥ、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰ及びバルブタイミングＶＴを引数としたマップを予め作成しておき、必要に応じてその時の運転条件に基づいてマップを検索して求めるようにしてもよいが、以下で説明するような方法で必要な適合パラメータｅ、ｇを推定するようにして、マップ作成のための工数を削減するようにしてもよい。また、この方法により必要に応じて適合パラメータｅ、ｇを推定するようにすれば、記憶させておくマップ数を減らすことができマップ検索のための制御負荷を軽減することも可能である。
【０１１３】
すなわち、この方法では各機関回転数ＮＥの場合について、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがある一つのＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｘである時にバルブタイミングＶＴを各バルブタイミングＶＴｎとした場合の適合パラメータｅｘｎ、ｇｘｎと、バルブタイミングＶＴがある一つのバルブタイミングＶＴｘである時にＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰを各ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍとした場合の適合パラメータｅｍｘ、ｇｍｘとのみを求めておき、それらを用いてその他の任意のＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍ、任意のバルブタイミングＶＴｎの時の適合パラメータｅｍｎ、ｇｍｎを推定するようにする。この方法は、機関回転数ＮＥが一定の場合には、気筒内に吸入されるＥＧＲガスの量はＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰと下流側吸気管内圧力Ｐｍとによってほぼ定まることを利用している。
【０１１４】
以下、より具体的に説明する。例えば、機関回転数ＮＥがＮＥ１である場合において、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴが基準タイミングＶＴ０（すなわち、進角量＝０）の時の適合パラメータをｅ００、ｇ００とすると、その時の筒内吸入空気流量ｍｃ００は以下の数３２のように表すことができる。
【０１１５】
【数３２】
【０１１６】
同様に、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴが基準タイミングＶＴ０（すなわち、進角量＝０）の時の適合パラメータをｅ１０、ｇ１０とすると、その時の筒内吸入空気流量ｍｃ１０は以下の数３３のように表すことができる。
【０１１７】
【数３３】
【０１１８】
そして、これら数３２及び数３３から、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴが基準タイミングＶＴ０（すなわち、進角量＝０）の時に筒内に吸入されるＥＧＲガスの流量（以下、「筒内吸入ＥＧＲ流量」と称す）ｍｃｅｇｒ１０は以下の数３４のように表すことができる。ここで、Ｅ、Ｇはそれぞれに対応する適合パラメータの計算値を表す係数である。
【０１１９】
【数３４】
【０１２０】
これら数３２から数３４の各式を図示すると例えば図１２のようになる。図１２の例では、適合パラメータｅ１０、ｇ１０は、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合と所定圧力Ｐｍ１未満の場合とで異なる値をとるものとしている。この結果、上記係数Ｅ、Ｇも下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合と所定圧力Ｐｍ１未満の場合とで異なる値をとることになる。また、この例では、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１未満である場合において適合パラメータｅ００とｅ１０はほぼ等しいものとしている。
【０１２１】
また、上記数３２及び数３３と同様に、機関回転数ＮＥがＮＥ１である場合において、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータをｅ０１、ｇ０１とすると、その時の筒内吸入空気流量ｍｃ０１は以下の数３５のように表すことができる。
【０１２２】
【数３５】
【０１２３】
さて、ここで機関回転数ＮＥが一定の場合には、気筒内に吸入されるＥＧＲガスの量はＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰと下流側吸気管内圧力Ｐｍとによってほぼ定まることを考慮すると、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１１は、上記ｍｃｅｇｒ１０とほぼ等しく、上記数３４のように表すことができることになる。
【０１２４】
そしてこのことから、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の筒内吸入空気流量ｍｃ１１は上記数３４と上記数３５とから以下の数３６のように表すことができる。
【０１２５】
【数３６】
【０１２６】
つまり、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータｅ１１、ｇ１１は下記数３７のように表されることになる。すなわち、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータｅ１１、ｇ１１は、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴがＶＴ０の時の適合パラメータｅ００、ｇ００と、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ０の時の適合パラメータｅ１０、ｇ１０と、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータｅ０１、ｇ０１とから推定することができる。
【０１２７】
【数３７】
【０１２８】
これら数３４、数３５及び数３６の各式を図示すると例えば図１３のようになる。図１３の例では、適合パラメータｅ０１、ｇ０１は、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合と所定圧力Ｐｍ２未満の場合とで異なる値をとるものとしている。
【０１２９】
なお、以上では説明を簡単にするために、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０の場合を基準として未知の適合パラメータｅ１１、ｇ１１を推定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。但し、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０の場合には他の場合に比べて、適合パラメータｅ、ｇをより精度良く求めることができるので、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０の場合を基準とすることによって、結果として未知の適合パラメータｅ１１、ｇ１１を精度良く推定することが可能となる。
【０１３０】
そして、以上の説明から明らかなように、この方法によれば、各機関回転数ＮＥの場合について、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがある一つのＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｘである時にバルブタイミングＶＴを各バルブタイミングＶＴｎとした場合の適合パラメータｅｘｎ、ｇｘｎと、バルブタイミングＶＴがある一つのバルブタイミングＶＴｘである時にＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰを各ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍとした場合の適合パラメータｅｍｘ、ｇｍｘとを求めておけば、それらを用いてその他の任意のＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍ、任意のバルブタイミングＶＴｎの時の適合パラメータｅｍｎ、ｇｍｎを推定することができる。そしてこれにより、マップ作成のための工数を大幅に削減することができる。
【０１３１】
ところで、図１３に示された場合のように、筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０と筒内吸入空気流量ｍｃ０１とが共に、それぞれの接続点で繋がる二本の直線で示される場合には、これらに基づいて推定される筒内吸入空気流量ｍｃ１１は二つの接続点で繋がる三本の直線で示されるようになる。このように筒内吸入空気流量が三本の直線で示されるようになると、二本の直線で示される場合に比べ、上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを求めるべくスロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線等との交点を求める際の計算処理が非常に煩雑になる。
【０１３２】
そこで、制御負荷を軽減するために、上記のような筒内吸入空気流量を示す三本の直線を以下で説明するような方法で二本の直線に近似するようにしてもよい。すなわち、この方法では、推定される筒内吸入空気流量ｍｃ１１を表す三本の直線を、それらを繋ぐ二つの接続点のうち、推定の基準となる筒内吸入空気流量ｍｃ０１を表す二本の直線の接続点とＰｍ座標が同じである接続点ＲＰを基準点として、二本の直線に近似する。つまり、上記接続点ＲＰで繋がる二本の近似直線を表す式が求められる。この二本の直線で表されるのは上記筒内吸入空気流量ｍｃ１１を近似した近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１である。以下、図１４及び図１５を参照しつつ具体的に説明する。
【０１３３】
図１４及び図１５に示されるように筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０が接続点で繋がる二本の直線で示される場合は、上記数３４において上記係数Ｅ、Ｇが、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合と所定圧力Ｐｍ１未満の場合とで異なる値をとる場合である。この場合、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１未満の場合の筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０をｍｃｅｇｒｌ１０、上記係数Ｅ、ＧをＥｌ、Ｇｌとし、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合の筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０をｍｃｅｇｒｈ１０、上記係数Ｅ、ＧをＥｈ、Ｇｈとすると、上記数３４は下記数３８のように表すことができる。
【０１３４】
【数３８】
【０１３５】
同様に、図１４及び図１５に示されるように筒内吸入空気流量ｍｃ０１が接続点で繋がる二本の直線で示される場合は、上記数３５において上記適合パラメータｅ０１、ｇ０１が、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合と所定圧力Ｐｍ２未満の場合とで異なる値をとる場合である。この場合、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合の筒内吸入空気流量ｍｃ０１をｍｃｌ１０、上記適合パラメータｅ０１、ｇ０１をｅｌ０１、ｇｌ０１とし、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合の筒内吸入空気流量ｍｃ０１をｍｃｈ０１、上記適合パラメータｅ０１、ｇ０１をｅｈ０１、ｇｈ０１とすると、上記数３５は下記数３９のように表すことができる。
【０１３６】
【数３９】
【０１３７】
そして、この方法では、上記筒内吸入空気流量ｍｃ１１を、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合には、傾き（ｅｌ０１−Ｅｌ）の直線で近似し、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合には、傾き（ｅｈ０１−Ｅｈ）の直線で近似するようにする。そして更に、これら二本の近似直線は上記接続点ＲＰで繋がるようにされる。
【０１３８】
このような近似直線を表す式、すなわち上記筒内吸入空気流量ｍｃ１１を近似した近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を表す式は、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合と所定圧力Ｐｍ２未満の場合とで別の式となると共に、上記所定圧力Ｐｍ１とＰｍ２の大小関係によっても場合分けされる。
【０１３９】
この方法で求められる上記近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を表す式は、図１４のようにＰｍ１＞Ｐｍ２である場合には、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合の近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１をｍｃ´ｌ１１とし、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合の近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１をｍｃ´ｈ１１とすると、下記数４０のように表すことができる。
【０１４０】
【数４０】
【０１４１】
ここで、ｅｐｌａ１１、ｇｐｌａ１１、ｅｐｈａ１１、ｇｐｈａ１１は、式中の各対応部分を書き換えた係数であり、近似適合パラメータである。そしてこの場合、図１４における接続点ＲＰの座標は所定圧力Ｐｍ２を用いると、（Ｐｍ２，（ｅｈ０１−Ｅｌ）・Ｐｍ２＋（ｇｈ０１−Ｇｌ））と表すことができる。
【０１４２】
一方、図１５に示すようにＰｍ１＜Ｐｍ２である場合には、上記近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を表す式は、下記数４１のように表すことができる。
【０１４３】
【数４１】
【０１４４】
ここで、ｅｐｌｂ１１、ｇｐｌｂ１１、ｅｐｈｂ１１、ｇｐｈｂ１１は、式中の各対応部分を書き換えた係数であり、近似適合パラメータである。そしてこの場合、図１５における接続点ＲＰの座標は所定圧力Ｐｍ２を用いると、（Ｐｍ２，（ｅｌ０１−Ｅｈ）・Ｐｍ２＋（ｇｌ０１−Ｇｈ））と表すことができる。
【０１４５】
また、図１４及び図１５からも明らかなように、この方法で近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を求めた場合、Ｐｍ１＞Ｐｍ２の時には下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合に近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１が筒内吸入空気流量ｍｃ１１と一致し、Ｐｍ１＜Ｐｍ２の時には下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合に近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１が筒内吸入空気流量ｍｃ１１と一致する。なお、Ｐｍ１＝Ｐｍ２の時には、筒内吸入空気流量ｍｃ１１がもともと二本の直線で示されるので、上述したような方法で近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を求める必要はない。
【０１４６】
更に、以上で説明したような方法で近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を求め、それに基づいて上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを求めるようにしても、算出精度への影響は比較的小さいことがわかっている。これは、機関回転数ＮＥが低速から中速回転の場合にはＰｍ１≒Ｐｍ２となる傾向があり、機関回転数ＮＥが高速回転の場合にはＥｌ≒Ｅｈとなる傾向があるためである。
【０１４７】
なお、当然のことながら、後半に説明したＥＧＲのある場合についても、スロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線を先に説明した何れかの方法によって直線近似して上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを求めるようにしてもよい。
また、図１１に示した構成では、可変バルブタイミング機構２３が吸気弁６側にのみ設けられていたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち例えば、可変バルブタイミング機構が排気弁８側のみに設けられていてもよく、もしくは、吸気弁６側と排気弁８側との両方に設けられていてもよい。
【０１４８】
更に、図１１に示した構成は、可変吸気装置の一例として可変バルブタイミング機構２３を有しているが、本発明は他の可変吸気装置、例えばスワールコントロールバルブ等を有している場合についても適用可能である。すなわち例えば、上記数３１の適合パラメータｅ、ｇの推定については、上述した方法と同様にして、各機関回転数ＮＥの場合に関し、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがある一つのＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｙである時にスワールコントロールバルブを各状態ＳＣｎとした場合の適合パラメータｅｙｎ、ｇｙｎと、スワールコントロールバルブがある一つの状態ＳＣｙである時にＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰを各ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍとした場合の適合パラメータｅｍｙ、ｇｍｙとから、その他の任意のＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍ、任意のスワールコントロールバルブの状態ＳＣｎの時の適合パラメータｅｍｎ、ｇｍｎを推定することが可能である。
【０１４９】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、定常運転時におけるスロットル弁下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａとのうちの少なくとも一方をより簡便な方法によって求めるようにした内燃機関の制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の内燃機関の制御装置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】図２は、吸入空気量モデルを示す図である。
【図３】図３は、スロットル弁開度と流量係数との関係を示す図である。
【図４】図４は、関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。
【図５】図５は、スロットルモデルの基本概念を示す図である。
【図６】図６は、吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図７】図７は、吸気弁モデルの基本概念を示す図である。
【図８】図８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９】図９は、下流側吸気管内圧力Ｐｍと、スロットル弁通過空気流量ｍｔ及び筒内吸入空気流量ｍｃとの関係を示した図であって、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとが等しくなった時の下流側吸気管内圧力Ｐｍが定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａであり、その時の筒内吸入空気流量ｍｃが定常運転時の筒内吸入空気流量ｍｃｔａであることを示している。
【図１０】図１０は、図９と同様の図について交点ＥＰの近傍を拡大したものであり、スロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線を直線で近似すること、及び、筒内吸入空気流量ｍｃを表す二本の直線を一本の直線で近似することを説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の内燃機関の制御装置を図１とは別の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１２】図１２は、所定条件における適合パラメータｅ、ｇを利用して任意条件における適合パラメータｅ、ｇを推定する方法を説明するための図である。
【図１３】図１３も、所定条件における適合パラメータｅ、ｇを利用して任意条件における適合パラメータｅ、ｇを推定する方法を説明するための図である。
【図１４】図１４は、三本の直線で表される筒内吸入空気流量ｍｃ１１を二本の直線で表される近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１で近似する方法を説明するための図であって、所定圧力Ｐｍ１が所定圧力Ｐｍ２より大きい場合を示している。
【図１５】図１５は、図１４と同様の図であって、所定圧力Ｐｍ１が所定圧力Ｐｍ２より小さい場合を示している。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
９…排気ポート
１１…燃料噴射弁
１３…吸気管
１８…スロットル弁
２２…ＥＧＲ制御弁
２３…可変バルブタイミング機構
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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パラメータに基づいて内燃機関を制御する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、これら各モデルを用いることによりスロットル弁開度、大気圧、及び大気温度等から筒内充填空気量等を算出して、これに基づいて内燃機関の制御を行うようにする。
【０００３】
ところで、内燃機関の制御を行う場合、特に上記のようにモデルを用いて内燃機関の制御を行う場合には、制御に関連するパラメータを算出するために、定常運転時におけるスロットル弁下流側の吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａ（もしくはそれから算出され得る定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａ（すなわち、一気筒の総行程容積分の空気の質量に対する筒内充填空気の質量比））が必要となる場合がある。例えば、特許文献１にはスロットル弁通過空気流量を、その時のスロットル弁下流側吸気管内圧力や大気圧等と、上記Ｐｍｔａとに基づいて算出する方法が開示されている。
【０００４】
そして、上記のような定常運転時におけるスロットル弁下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａは、従来、マップを用いて求められている。すなわち、例えば上記特許文献１では、上記Ｐｍｔａがスロットル弁開度や機関回転数等を引数としたマップから求められている。
【０００５】
ところが、実際に上記のようなマップを作成するためには、多大な時間が必要となる。すなわち、マップを作成するためには上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを、各引数を順に変化させつつ実測する必要があり、その作業は膨大なものとなる。また、必要なマップ数や引数が増大することでマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう懸念もある。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−４１０９５号公報
【特許文献２】
特開２０００−２７６９２号公報
【特許文献３】
特開２００２−３０９９９２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、定常運転時におけるスロットル弁下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａとのうちの少なくとも一方をより簡便な方法によって求めるようにした内燃機関の制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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。
【０００９】
請求項１に記載の発明は、スロットル弁通過空気流量がスロットル弁より下流側の下流側吸気管内圧力の関数として表されるスロットル弁通過空気流量算出式と、筒内吸入空気流量が上記下流側吸気管内圧力の関数として表される筒内吸入空気流量算出式とを備えていて、上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記下流側吸気管内圧力をその時の運転条件で定常運転した時の下流側吸気管内圧力として算出することを特徴とする、内燃機関の制御装置を提供する。
【００１０】
上記の定常運転した時の下流側吸気管内圧力は、従来はマップを用いて求められていたが、マップ作成作業の工数が多大であり、またマップ検索時の制御負荷も大きいという問題があった。
これに対し、請求項１に記載の発明では、定常運転時にはスロットル弁通過空気流量と筒内吸入空気流量とが一致することを利用し、上記の定常運転した時の下流側吸気管内圧力を計算によって求めるようにしている。そのため、請求項１に記載の発明によれば、上記の定常運転した時の下流側吸気管内圧力をより簡単に求めることが可能である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、スロットル弁通過空気流量がスロットル弁より下流側の下流側吸気管内圧力の関数として表されるスロットル弁通過空気流量算出式と、筒内吸入空気流量が上記下流側吸気管内圧力の関数として表される筒内吸入空気流量算出式とを備えていて、上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量をその時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量として算出することを特徴とする、内燃機関の制御装置を提供する。
【００１２】
上記の定常運転した時の筒内吸入空気流量も従来はマップを用いて求められており、上述の定常運転時の下流側吸気管内圧力をマップで求める場合と同様の問題があった。
これに対し、請求項２に記載の発明では、定常運転時にはスロットル弁通過空気流量と筒内吸入空気流量とが一致することを利用し、上記の定常運転した時の筒内吸入空気流量を計算によって求めるようにしている。そのため、請求項２に記載の発明によれば、上記の定常運転した時の筒内吸入空気流量をより簡単に求めることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では請求項１に記載の発明において、上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量をその時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量として算出する。
請求項３に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力と筒内吸入空気流量との両方をより簡単に求めることができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、上記スロットル弁通過空気流量算出式は、ｍｔをスロットル弁通過空気流量、μをスロットル弁における流量係数、Ａｔをスロットル弁の開口断面積、Ｐａを大気圧、Ｔａを大気温度、Ｒを気体定数、Ｐｍを上記下流側吸気管内圧力、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）をＰｍ／Ｐａの値に応じて定まる係数とすると、下記数５のように表され、上記筒内吸入空気流量算出式は、ｍｃを筒内吸入空気流量、ａ、ｂを少なくとも機関回転数に基づいて定められる適合パラメータとすると、下記数６のように表される。
【００１５】
【数５】
【数６】
請求項４に記載の発明によれば、比較的簡単な計算によって定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を正確に求めることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明では請求項１から３の何れか一項に記載の発明において、内燃機関が排気通路に排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路に流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整するＥＧＲ制御弁とを有していて、上記スロットル弁通過空気流量算出式は、ｍｔをスロットル弁通過空気流量、μをスロットル弁における流量係数、Ａｔをスロットル弁の開口断面積、Ｐａを大気圧、Ｔａを大気温度、Ｒを気体定数Ｒ、Ｐｍを上記下流側吸気管内圧力、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）をＰｍ／Ｐａの値に応じて定まる係数とすると、下記数７のように表され、上記筒内吸入空気流量算出式は、ｍｃを筒内吸入空気流量、ｅ、ｇを少なくとも機関回転数と上記ＥＧＲ制御弁の開度とに基づいて定められる適合パラメータとすると、下記数８のように表される。
【００１９】
【数７】
【数８】
請求項５に記載の発明によれば、排気再循環を行う場合においても、比較的簡単な計算によって定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を正確に求めることができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明では請求項５に記載の発明において、内燃機関が各気筒に設けられた弁の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を更に有していて、上記開閉タイミングが第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが上記第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとに基づいて、上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇを推定する。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、排気再循環が行われ且つ可変バルブタイミング機構を有している場合において、上記適合パラメータｅ、ｇのためのマップ作成作業の工数を低減することができる。また、記憶させておくマップ数を減少させればマップ検索時の制御負荷も低減することができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明では請求項６に記載の発明において、上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇがそれぞれ、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力が第１の圧力よりも大きい場合と小さい場合とで異なる二つの値をとり、上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における適合パラメータｅ、ｇが、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力に応じてそれぞれ三つ以上の異なる値をとると推定される場合には、上記開閉タイミングが第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが上記第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとに基づいて、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力が第１の圧力よりも大きい場合と小さい場合とで異なる二つの値をとるようにした近似適合パラメータｅｐ、ｇｐを算出し、これらを上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとする。
請求項７に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を求める際の処理が容易化され制御負荷を低減することができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明では請求項６または７に記載の発明において、上記ＥＧＲ制御弁が上記第１の開度である場合は、上記ＥＧＲ制御弁が閉じられている場合である。
上記ＥＧＲ制御弁が閉じられている場合を基準とすることで、上記開閉タイミングが上記第２の（すなわち任意の）バルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の（すなわち任意の）開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇをより正確に推定することができる。そしてその結果、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量をより正確に求めることができる。
【００２６】
請求項９に記載の発明では請求項４から８の何れか一項に記載の発明において、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する部分においては、上記スロットル弁通過空気流量算出式として、下流側吸気管内圧力Ｐｍの一次式で表される近似式が用いられる。
【００２７】
請求項１０に記載の発明では請求項９に記載の発明において、上記近似式は、上記スロットル弁通過空気流量算出式で表される曲線上の２点であってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃ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。
請求項９及び１０に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を求める際の計算が容易化され制御負荷を低減することができる。
【００２８】
請求項１１に記載の発明では請求項４から１０の何れか一項に記載の発明において、上記大気圧Ｐａの代わりに、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮して求められたスロットル弁上流側吸気管内圧力Ｐａｃが用いられる。
請求項１１に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量をより正確に求めることができる。
【００２９】
請求項１２に記載の発明では請求項９に記載の発明において、前回求めたスロットル弁通過空気流量に基づいて、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮したスロットル弁上流側吸気管内圧力Ｐａｃが求められ、上記近似式は、上記スロットル弁通過空気流量算出式で表される曲線上の２点であってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する前後の２点の各座標を示す下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量の値に対して、それぞれＰａｃ／Ｐａを乗じて得られる座標で示される２点を結んだ直線を表す一次式とされる。
【００３０】
請求項１２に記載の発明によれば、定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量を求める際の計算が容易化されて制御負荷が低減される。また、エアクリーナの圧力損失等が考慮されることで定常運転時の下流側吸気管内圧力や筒内吸入空気流量をより正確に求めることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
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は本発明の内燃機関の制御装置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。
【００３２】
図１に示したように、機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００３３】
各気筒の吸気ポート７は下流側の吸気管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は上流側の吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。上記吸気管１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気管１９に連結され、この排気管１９は排気浄化装置２０に連結される。
【００３４】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６及び出力ポート３７を具備する。上記吸気管１３には、吸気管内の圧力を検出するための吸気管内圧力センサ４０が設けられており、吸気管内圧力センサ４０は吸気管内圧力に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００３５】
また、スロットル弁１８の開度を検出するためのスロットル弁開度センサ４３と、内燃機関の周囲の大気の圧力、または吸気管１５に吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための大気圧センサ４４と、内燃機関の周囲の大気の温度、または吸気管１５に吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための大気温センサ４５とが設けられ、これらセンサの出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、アクセルペダル４６にはアクセルペダル４６の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４７が接続され、負荷センサ４７の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４８は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４８の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１及びステップモータ１７等に接続される。
【００３６】
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パラメータに基づいて内燃機関の制御を行う内燃機関の制御装置が検討されている。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、これら各モデルを用いることによりスロットル弁開度、大気圧、及び大気温度等から筒内充填空気量等を算出して、これに基づいて内燃機関の制御を行うようにする。
【００３７】
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モデルを用いた内燃機関の制御が行われる。すなわち、本実施形態においては、通常、以下で説明するような吸入空気量モデルＭ２０を用いた制御が行われる。図２は、吸入空気量モデルＭ２０を示す図である。
【００３８】
吸入空気量モデルＭ２０は、図２に示したようにスロットルモデルＭ２１、吸気管モデルＭ２２、吸気弁モデルＭ２３を備える。スロットルモデルＭ２１には、スロットル弁開度センサによって検出されたスロットル弁の開度（以下、「スロットル弁開度」と称す）θｔと、大気圧センサによって検出された内燃機関周囲の大気圧Ｐａと、大気温センサによって検出された内燃機関周囲の大気温度Ｔａと、後述する吸気管モデルＭ２２において算出されたスロットル弁より下流側の吸気管内の圧力（以下、「下流側吸気管内圧力」と称す）Ｐｍとが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述するスロットルモデルＭ２１のモデル式に代入することで、単位時間当たりにスロットル弁を通過する空気の流量（以下、「スロットル弁通過空気流量ｍｔ」と称す）が算出される。スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔは、吸気管モデルＭ２２へ入力される。
【００３９】
吸気管モデルＭ２２には、スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔと、以下で詳述する単位時間当たりに燃焼室内に流入する空気の流量（以下、「筒内吸入空気流量ｍｃ」と称す。なお、筒内吸入空気流量ｍｃの定義については、吸気弁モデルＭ２３において詳述する）とが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述する吸気管モデルＭ２２のモデル式に代入することで、上記下流側吸気管内圧力Ｐｍとスロットル弁より下流側の吸気管内の温度（以下、「下流側吸気管内温度」と称す）Ｔｍとが算出される。吸気管モデルＭ２２において算出された下流側吸気管内圧力Ｐｍは吸気弁モデルＭ２３及びスロットルモデルＭ２１に入力される。
【００４０】
吸気弁モデルＭ２３には、吸気管モデルＭ２２において算出された上流側吸気管内圧力Ｐｍが入力され、その値を後述する吸気弁モデルＭ２３のモデル式に代入することで、筒内吸入空気流量ｍｃが算出される。算出された筒内吸入空気流量ｍｃは、筒内充填空気量Ｍｃに変換され、この筒内充填空気量Ｍｃに基づいて燃料噴射弁からの燃料噴射量が決定される。また、吸気弁モデルＭ２３において算出された筒内吸入空気流量ｍｃは吸気管モデルＭ２２に入力される。
【００４１】
図２から分かるように、吸入空気量モデルＭ２０ではあるモデルにおいて算出されたパラメータの値が別のモデルへの入力値として利用されるので、吸入空気量モデルＭ２０全体では、実際に入力される値はスロットル弁開度θｔ、大気圧Ｐａ、及び大気温度Ｔａの三つのパラメータのみであり、これら三つのパラメータから筒内充填空気量Ｍｃが算出される。
【００４２】
次に、吸入空気量モデルＭ２０の各モデルＭ２１〜Ｍ２３について説明する。スロットルモデルＭ２１では、大気圧Ｐａ（ｋＰａ）、大気温度Ｔａ（Ｋ）、下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｋＰａ）、スロットル弁開度θｔから、下記数９に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓ）が算出される。ここで、数９におけるμはスロットル弁における流量係数で、スロットル弁開度θｔの関数であり、図３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、スロットル弁開度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をスロットル弁開度θｔから一つのマップで求めるようにしてもよい。また、Ｒは気体定数である。
【００４３】
【数９】
Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記数１０に示した関数であり、この数１０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／Ｐａ）は図４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ＥＣＵのＲＯＭに保存し、実際には数１０を用いて計算するのではなくマップからΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の値を求めるようにしてもよい。
【００４５】
【数１０】
これらスロットルモデルＭ２１の数９及び数１０は、スロットル弁１８上流の気体の圧力を大気圧Ｐａ、スロットル弁１８上流の気体の温度を大気温度Ｔａ、スロットル弁１８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５に示したようなスロットル弁１８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、さら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。
【００４７】
吸気管モデルＭ２２では、スロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｇ／ｓ）、筒内吸入空気流量ｍｃ（ｇ／ｓ）、及び大気温度Ｔａ（Ｋ）から、下記数１１及び数１２に基づいて下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｋＰａ）及び下流側吸気管内温度Ｔｍ（Ｋ）が算出される。なお、数１１及び数１２におけるＶｍ（ｍ3）はスロットル弁から吸気弁までの吸気管等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）１３´の容積に等しい定数である。
【００４８】
【数１１】
【数１２】
ここで、吸気管モデルＭ２２について図６を参照して説明する。吸気管部分１３´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１３´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１３´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数１３が得られ、この数１３及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、数１１が得られる。
【００５１】
【数１３】
また、吸気管部分１３´の気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間的変化量は、吸気管部分１３´に流入する気体のエネルギと吸気管部分１３´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１３´に流入する気体の温度を大気温度Ｔａ、吸気管部分１３´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数１４が得られ、この数１４及び上記気体の状態方程式より、数１２が得られる。
【００５３】
【数１４】
吸気弁モデルＭ２３では、下流側吸気管内圧力Ｐｍから、下記数１５に基づいて、筒内吸入空気流量ｍｃが算出される。なお、数１５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。
【００５５】
【数１５】
上述した吸気弁モデルＭ２３について図７を参照して説明する。一般に、吸気弁６が閉じた時に燃焼室５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６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５内の圧力に比例する。また、吸気弁閉弁時の燃焼室５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。
【００５７】
ここで、単位時間当たりに吸気管部分１３´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１３´から全ての燃焼室５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、上記数１５が得られる。なお、数１５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５内に残存している既燃ガス量に関連する値（以下で説明する）である。
【００５８】
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を二つの上記数１５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６と排気弁７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７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。
【００５９】
ここで、筒内吸入空気流量ｍｃについて、図８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８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１３´から燃焼室５に実際に流入する空気の量である。図８に示したように、４気筒の内燃機関では、吸気弁６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６の開弁量に応じて吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内へ空気が流入する。吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内に流入する空気の流量の変位は図８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１３´から全気筒の燃焼室５に流入する空気の流量は図８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８に斜線で示した部分に相当する。
【００６０】
これに対して、実線で示した吸気管部分１３´から全ての気筒の燃焼室５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Ｍ２３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。なお、以上の説明からも明らかなように、数１５における値ｂにΔＴ180 °を乗算すると、排気弁８閉弁時において燃焼室５内に残存している既燃ガス量が得られると考えられる。
【００６１】
次に、上記吸入空気量モデルＭ２０を用いて、実際に筒内充填空気量Ｍｃを算出する場合について説明する。筒内充填空気量Ｍｃは吸入空気量モデルＭ２０を用いて、上記数９、数１１、数１２、及び数１５を解くことにより表される。この場合、ＥＣＵで処理するために、これらの式を離散化する必要がある。時刻ｔ、計算間隔（離散時間）Δｔを用いて数９、数１１、数１２、及び数１５を離散化すると、それぞれ下記数１６、数１７、数１８、及び数１９が得られる。なお、下流側吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）は、数１７及び数１８によってそれぞれ算出されたＰｍ／Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）及びＰｍ（ｔ＋Δｔ）から、数２０によって算出される。
【００６２】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】
このようにして実装された吸入空気量モデルＭ２０では、スロットルモデルＭ２１の数１６で算出された時刻ｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ２３の数１９で算出された時刻ｔにおける筒内吸入空気流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ２２の数１７及び数１８に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける下流側吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）及び下流側吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ２１及び吸気弁モデルＭ２３の数１６及び数１９に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ＋Δｔ）及び筒内吸入空気流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）が算出される。そして、このような計算を繰り返すことによって、スロットル弁開度θｔ、大気圧Ｐａ、及び大気温度Ｔａから、任意の時刻ｔにおける筒内吸入空気流量ｍｃが算出され、算出された筒内吸入空気流量ｍｃに上記時間ΔＴ180 °を乗算することで、任意の時刻ｔにおける筒内充填空気量Ｍｃが算出される。
【００６８】
なお、内燃機関の始動時には、すなわち時刻ｔ＝０においては、下流側吸気管内圧力Ｐｍは大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、下流側吸気管内温度Ｔｍは大気温度と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔａ）とされて、各モデルＭ２１〜Ｍ２３における計算が開始される。
【００６９】
なお、上記吸入空気量モデルＭ２０では、大気温度Ｔａ及び大気圧Ｐａが一定であるとしているが、時刻によって変化する値としてもよく、例えば、大気温度を検出するための大気温センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気温度Ｔａ（ｔ）、大気圧を検出するための大気圧センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気圧Ｐａ（ｔ）として上記数１６及び数１８に代入するようにしてもよい。
【００７０】
ところで、内燃機関の制御を行う場合、特に上記のようにモデルを用いて内燃機関の制御を行う場合には、制御に関連するパラメータを算出するために、定常運転時におけるスロットル弁下流側の吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａ（もしくはそれから算出され得る定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａ）が必要となる場合がある。ここで定常運転時における値（上記Ｐｍｔａやｍｃｔａ等）とは、内燃機関をある状態で定常運転した場合に最終的にとる値、すなわち収束値と考えられる値のことである。これらの値は内燃機関の制御において、主に、複雑な計算を回避したり計算量を低減したりする等して制御負荷を軽減するためや、算出されるパラメータの精度を向上するために用いられる。そして、これらの値は、従来、マップを用いて求めるものとされていた。
【００７１】
すなわち、例えばスロットル弁開度や機関回転数等の運転状態を表す指標を引数として上記の値を求めるためのマップを事前に作成してＲＯＭに記憶させておき、その時の運転状態に基づいてマップを検索して必要な値を求めるようにする。しかしながら、実際にこのようなマップを作成するためには、多大な時間が必要となる。すなわち、マップを作成するためには上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを、各引数を順に変化させつつ実測する必要があり、その作業は膨大なものとなる。また、必要なマップ数や引数が増大することでマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう懸念もある。
【００７２】
そこで、本実施形態の内燃機関の制御装置においては、上記Ｐｍｔａやｍｃｔａ（またはＫｌｔａ）を必要とする場合、以下で説明するような方法によってマップを用いずに求めるようにする。なお、以下の説明からも明らかになるが、この方法は定常運転時にはスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとが一致することを利用したものである。
【００７３】
すなわち、本実施形態の内燃機関の制御装置は、スロットル弁通過空気流量ｍｔの算出式として、下記数２１及び数２２（すなわち、上記数９及び数１０。以下、「数２１等」と称す）を備えている。
【００７４】
【数２１】
【数２２】
また、本実施形態の内燃機関の制御装置は、筒内吸入空気流量ｍｃの算出式として、下記数２３（すなわち、上記数１５）を備えている。
【００７７】
【数２３】
そして内燃機関が定常運転されている時にはスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとは一致する。したがって、上記数２１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと上記数２３から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の下流側吸気管内圧力Ｐｍを求めれば、その時の運転条件で定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａを求められることになる。また同様に、上記数２１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと上記数２３から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の筒内吸入空気流量ｍｃを求めることで、その時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求めることができる（そして、この値から定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａも求めることができる）。
【００７９】
そして、以上のようにして上記Ｐｍｔａ及びｍｃｔａを求めることは、図９に例示したように上記数２１等によって表される曲線ｍｔと上記数２３によって表される直線ｍｃとの交点ＥＰを求めることと同義である。ここで、上記交点ＥＰを求める場合、曲線ｍｔを表す式である数２１等をそのまま用いて上記交点ＥＰ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、上記数２１等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ｍｔ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数２１等に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔ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ｍｔ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ｍｔ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数２１等の近似一次式となる。
【００８０】
ところで、上記数２１等の一次式への近似は、上記交点ＥＰ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ＥＰの近傍における上記数２１等の近似一次式である。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数２３に基づいて筒内吸入空気流量ｍｃも求めておき、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転するところを求めることで上記交点ＥＰの位置が特定できる。
【００８１】
より具体的には上記交点ＥＰ近傍（すなわち、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する部分）における近似一次式は、例えば上記数２１等で表される曲線ｍｔ上の２点ｔｊ、ｔｋであってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する前後の２点ｔｊ、ｔｋを結んだ直線ｎｍｔを表す一次式とされる（図１０参照）。
【００８２】
なお、下流側吸気管内圧力Ｐｍが臨界圧（すなわち、下流側吸気管内圧力Ｐｍがその圧力以下になってもスロットル弁通過流量ｍｔがそれ以上増えない圧力）Ｐｃ以下の領域では、ｍｔは一定値となるので上述したような近似を行わなくても上記交点ＥＰを容易に求めることができる。
【００８３】
また、上記数２３の適合パラメータａ、ｂが、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）をとる場合、すなわち図９に示されるように筒内吸入空気流量ｍｃが接続点ＣＰで繋がる二本の直線で示される場合において、上記接続点ＣＰが上記交点ＥＰの近傍にある時には、上記交点ＥＰの近傍において上記二本の直線を一本の直線に近似することで、上記交点ＥＰを求めるための計算が容易化され制御負荷を軽減することができる。
【００８４】
具体的には例えば、図１０に示されるようにして上記筒内吸入空気流量ｍｃを示す二本の直線を一本の直線に近似する。すなわちこの場合、筒内吸入空気流量ｍｃは上記数２３の形で表される二つの式（すなわち、適合パラメータａ、ｂがそれぞれ異なる二つの下流側吸気管内圧力Ｐｍの一次式）で示されるが、これらの式を上記交点ＥＰの近傍において、上記の二つの式で表される二本の直線ｍｃ上の各１点ｃｊ、ｃｋであって上記接続点ＣＰと上記交点ＥＰを間に挟む点ｃｊ、ｃｋを結んだ直線ｎｍｃを表す一次式に近似する。
【００８５】
図１０に示された例では、上記交点ＥＰの近傍でスロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線ｍｔが直線ｎｍｔに近似され、筒内吸入空気流量ｍｃを表す二本の直線ｍｃが一本の直線ｎｍｃに近似されている。これにより、求められる交点ｎＥＰは上記交点ＥＰとは僅かに異なるものとなるが、この交点ｎＥＰは二本の直線ｎｍｔとｎｍｃの交点を求める計算によって簡単に求めることができる。すなわち、この方法によれば、定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａの近似値を簡単に求めることができる。
【００８６】
ところで、上述した数２１等においては、スロットル弁１８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）を大気圧Ｐａとしてスロットル弁通過空気流量ｍｔが算出されている。しかしながら、実際の上流側吸気管内圧力は、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より低い圧力となっている。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１６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１６の圧力損失を考慮することが好ましい。
【００８７】
そこで、本発明の他の実施形態の内燃機関の制御装置においては、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、上記数２１等の代わりに、下記数２４及び数２５（以下、「数２４等」と称す）をスロットル弁通過空気流量ｍｔの算出式として備えていてもよい。数２４等においては、上記数２１等において大気圧Ｐａが用いられた部分に、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮して求められた上流側吸気管内圧力Ｐａｃが用いられている。
【００８８】
【数２４】
【数２５】
スロットル弁通過空気流量ｍｔの算出式として上記数２４等を用いることにより、上述したような方法によって定常運転した時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａをより正確に求めることが可能となる。
【００９１】
ところで、上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃは、スロットル弁１８の直上流に圧力センサを設けて検出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、下記数２６のように表すことができる。
【００９２】
【数２６】
ここで、ρは大気密度であり、ｖはエアクリーナ１６を通過する空気の流速であり、Ｇａはエアクリーナ１６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、数２６は数２７のように置き換えることができる。さらに、数２７は、流量Ｇａだけを変数とする関数ｆ（Ｇａ）を使用して数２８のように置き換えることができる。
【００９４】
【数２７】
【数２８】
数２８は、上流側吸気管内圧力Ｐａｃを表す数２９のように変形することができる。数２９において、流量Ｇａは、エアクリーナ１６の直下流側にエアフローメータが設けられている場合には、このエアフローメータにより検出することができる。また、圧力補正係数ｅｋｐａは、検出される大気圧Ｐａにより設定可能であり、温度補正係数ｅｋｔｈａは、検出される大気温度Ｔａにより設定可能である。
【００９７】
【数２９】
また、数２９において、エアクリーナ１６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、数２９は数３０のように変形することができる。
【００９９】
【数３０】
但し、数２４等に基づいて現在のスロットル弁通過空気流量ｍｔを算出するためには現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃが必要であるために、数３０に基づいて現在の上流側吸気管内圧力Ｐａｃを算出するには、スロットル弁通過空気流量ｍｔとして前回のスロットル弁通過空気流量ｍｔ、すなわち１離散時間前のスロットル弁通過空気流量ｍｔを使用せざるを得ない。この点、繰り返し計算を行うことによって、算出される上流側吸気管内圧力Ｐａｃの精度を向上することも可能であるが、制御負荷の増大を避けるために、前回求めたスロットル弁通過空気流量ｍｔに基づいて求めた上流側吸気管内圧力Ｐａｃを今回の（現在の）上流側吸気管内圧力Ｐａｃとして用いるようにしてもよい。
【０１０１】
また、以下のような方法によって、少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮した場合の定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求めるようにしてもよい。すなわち、この方法では、上記数２１等を少なくとも上記交点ＥＰの近傍において一次式に近似し、その近似一次式が表す近似直線と上記数２３で表される直線（またはその近似直線）との交点を求めて定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａを求めるという上述の方法において、上記数２１等の近似一次式（もしくはその近似一次式が表す近似直線）が上記上流側吸気管内圧力Ｐａｃを用いて補正される。
【０１０２】
すなわち、上述の方法では上記数２１等で表される曲線ｍｔの近似直線は、図１０に示されるように、上記曲線ｍｔ上の２点ｔｊ、ｔｋであってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する前後の２点ｔｊ、ｔｋを結ぶ直線ｎｍｔとして求められたが、この方法では上記２点ｔｊ、ｔｋの各座標を示す下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量の値に対して、それぞれＰａｃ／Ｐａを乗じ、その新たな座標で示される２点を結んだ直線（補正後の近似直線）が求められる（この直線を表す一次式が補正後の近似一次式となる）。
【０１０３】
そして、この補正後の近似直線と上記数２３で表される直線（またはその近似直線）との交点を求めることによって、少なくともエアクリーナ１６の圧力損失を考慮した場合の定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａが求められる。
【０１０４】
次に本発明の他の実施形態について図１１を参照しつつ説明する。図１１は、本発明の内燃機関の制御装置を図１とは別の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１１に示された構成は基本的には図１に示された構成と同じであり、共通する部分についての説明は原則として省略する。
【０１０５】
図１に示された構成と比較すると、図１１に示された構成は、排気通路（排気ポート、排気管等）と吸気通路（吸気ポート、吸気管）とが排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）２１を介して互いに連結され、この排気再循環通路２１内に排気再循環通路２１を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ制御弁」と称す）２２が配置されている点で異なっている。すなわち、本実施形態においては排気通路に排出された排気ガスの一部を吸気通路へ流入させる排気再循環（以下、「ＥＧＲ」と称す）が実施される場合がある。
【０１０６】
また、図１１に示された構成は、吸気弁６の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構２３を備えている点でも図１に示された構成と異なっている。なお、ＥＧＲ制御弁２２及び可変バルブタイミング機構２３は共にＥＣＵ３１によって制御される。
【０１０７】
そして本実施形態においても、図１１に示したような構成に対してモデルが構築され、上述した他の実施形態の場合と同様、モデルを用いた内燃機関の制御が実施される。また、本実施形態においても上述した他の実施形態の場合と同様、定常運転時における下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａや筒内吸入空気流量ｍｃｔａ（もしくはそれから算出され得る定常運転時における筒内空気充填率Ｋｌｔａ）が必要な場合には、定常運転時にはスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとが一致することを利用して、これらの値が計算によって求められる。
【０１０８】
但し、本実施形態においては、ＥＧＲが行われる場合があり、また、吸気弁６の開閉タイミング（以下、単に「バルブタイミング」と称す）が変更される場合がある。このため、本実施形態の内燃機関の制御装置は、上記Ｐｍｔａやｍｃｔａの算出に用いられる筒内吸入空気流量ｍｃの算出式として、上記数２３の代わりに下記数３１を備えている。
【０１０９】
すなわち、本実施形態においては、上記数２１等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと下記数３１から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の下流側吸気管内圧力Ｐｍが上記Ｐｍｔａとして求められ、その時の筒内吸入空気流量ｍｃが上記ｍｃｔａとして求められる。あるいは、少なくともエアクリーナ１６による圧力損失を考慮する場合には、上記数２４等から求められるスロットル弁通過空気流量ｍｔと下記数３１から求められる筒内吸入空気流量ｍｃとが一致する時の下流側吸気管内圧力Ｐｍが上記Ｐｍｔａとして求められ、その時の筒内吸入空気流量ｍｃが上記ｍｃｔａとして求められる。
【０１１０】
【数３１】
上記数３１は、ＥＧＲが行われたり、バルブタイミングが変更されたりしても、筒内吸入空気流量ｍｃは下流側吸気管内圧力Ｐｍに基づいてほぼ線形に変化するものであることから得られる式である。ここで、ｅ、ｇは上記数２３（または数１５）における適合パラメータａ、ｂとは異なる適合パラメータであり、少なくとも機関回転数ＮＥ、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰ及びバルブタイミングＶＴに基づいて定められる適合パラメータである。また、上記適合パラメータｅ、ｇについて、上記機関回転数ＮＥ、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰ及びバルブタイミングＶＴ等の運転条件が同じ場合であっても下流側吸気管内圧力Ｐｍの所定範囲毎に異なる値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を複数の上記数３１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。
【０１１２】
上記適合パラメータｅ、ｇは、機関回転数ＮＥ、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰ及びバルブタイミングＶＴを引数としたマップを予め作成しておき、必要に応じてその時の運転条件に基づいてマップを検索して求めるようにしてもよいが、以下で説明するような方法で必要な適合パラメータｅ、ｇを推定するようにして、マップ作成のための工数を削減するようにしてもよい。また、この方法により必要に応じて適合パラメータｅ、ｇを推定するようにすれば、記憶させておくマップ数を減らすことができマップ検索のための制御負荷を軽減することも可能である。
【０１１３】
すなわち、この方法では各機関回転数ＮＥの場合について、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがある一つのＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｘである時にバルブタイミングＶＴを各バルブタイミングＶＴｎとした場合の適合パラメータｅｘｎ、ｇｘｎと、バルブタイミングＶＴがある一つのバルブタイミングＶＴｘである時にＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰを各ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍとした場合の適合パラメータｅｍｘ、ｇｍｘとのみを求めておき、それらを用いてその他の任意のＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍ、任意のバルブタイミングＶＴｎの時の適合パラメータｅｍｎ、ｇｍｎを推定するようにする。この方法は、機関回転数ＮＥが一定の場合には、気筒内に吸入されるＥＧＲガスの量はＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰと下流側吸気管内圧力Ｐｍとによってほぼ定まることを利用している。
【０１１４】
以下、より具体的に説明する。例えば、機関回転数ＮＥがＮＥ１である場合において、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴが基準タイミングＶＴ０（すなわち、進角量＝０）の時の適合パラメータをｅ００、ｇ００とすると、その時の筒内吸入空気流量ｍｃ００は以下の数３２のように表すことができる。
【０１１５】
【数３２】
同様に、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴが基準タイミングＶＴ０（すなわち、進角量＝０）の時の適合パラメータをｅ１０、ｇ１０とすると、その時の筒内吸入空気流量ｍｃ１０は以下の数３３のように表すことができる。
【０１１７】
【数３３】
そして、これら数３２及び数３３から、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴが基準タイミングＶＴ０（すなわち、進角量＝０）の時に筒内に吸入されるＥＧＲガスの流量（以下、「筒内吸入ＥＧＲ流量」と称す）ｍｃｅｇｒ１０は以下の数３４のように表すことができる。ここで、Ｅ、Ｇはそれぞれに対応する適合パラメータの計算値を表す係数である。
【０１１９】
【数３４】
これら数３２から数３４の各式を図示すると例えば図１２のようになる。図１２の例では、適合パラメータｅ１０、ｇ１０は、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合と所定圧力Ｐｍ１未満の場合とで異なる値をとるものとしている。この結果、上記係数Ｅ、Ｇも下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合と所定圧力Ｐｍ１未満の場合とで異なる値をとることになる。また、この例では、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１未満である場合において適合パラメータｅ００とｅ１０はほぼ等しいものとしている。
【０１２１】
また、上記数３２及び数３３と同様に、機関回転数ＮＥがＮＥ１である場合において、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータをｅ０１、ｇ０１とすると、その時の筒内吸入空気流量ｍｃ０１は以下の数３５のように表すことができる。
【０１２２】
【数３５】
さて、ここで機関回転数ＮＥが一定の場合には、気筒内に吸入されるＥＧＲガスの量はＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰと下流側吸気管内圧力Ｐｍとによってほぼ定まることを考慮すると、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１１は、上記ｍｃｅｇｒ１０とほぼ等しく、上記数３４のように表すことができることになる。
【０１２４】
そしてこのことから、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の筒内吸入空気流量ｍｃ１１は上記数３４と上記数３５とから以下の数３６のように表すことができる。
【０１２５】
【数３６】
つまり、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータｅ１１、ｇ１１は下記数３７のように表されることになる。すなわち、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータｅ１１、ｇ１１は、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴがＶＴ０の時の適合パラメータｅ００、ｇ００と、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ１、バルブタイミングＶＴがＶＴ０の時の適合パラメータｅ１０、ｇ１０と、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがＳＴＰ０、バルブタイミングＶＴがＶＴ１の時の適合パラメータｅ０１、ｇ０１とから推定することができる。
【０１２７】
【数３７】
これら数３４、数３５及び数３６の各式を図示すると例えば図１３のようになる。図１３の例では、適合パラメータｅ０１、ｇ０１は、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合と所定圧力Ｐｍ２未満の場合とで異なる値をとるものとしている。
【０１２９】
なお、以上では説明を簡単にするために、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０の場合を基準として未知の適合パラメータｅ１１、ｇ１１を推定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。但し、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０の場合には他の場合に比べて、適合パラメータｅ、ｇをより精度良く求めることができるので、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰが閉状態ＳＴＰ０の場合を基準とすることによって、結果として未知の適合パラメータｅ１１、ｇ１１を精度良く推定することが可能となる。
【０１３０】
そして、以上の説明から明らかなように、この方法によれば、各機関回転数ＮＥの場合について、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがある一つのＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｘである時にバルブタイミングＶＴを各バルブタイミングＶＴｎとした場合の適合パラメータｅｘｎ、ｇｘｎと、バルブタイミングＶＴがある一つのバルブタイミングＶＴｘである時にＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰを各ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍとした場合の適合パラメータｅｍｘ、ｇｍｘとを求めておけば、それらを用いてその他の任意のＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍ、任意のバルブタイミングＶＴｎの時の適合パラメータｅｍｎ、ｇｍｎを推定することができる。そしてこれにより、マップ作成のための工数を大幅に削減することができる。
【０１３１】
ところで、図１３に示された場合のように、筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０と筒内吸入空気流量ｍｃ０１とが共に、それぞれの接続点で繋がる二本の直線で示される場合には、これらに基づいて推定される筒内吸入空気流量ｍｃ１１は二つの接続点で繋がる三本の直線で示されるようになる。このように筒内吸入空気流量が三本の直線で示されるようになると、二本の直線で示される場合に比べ、上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを求めるべくスロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線等との交点を求める際の計算処理が非常に煩雑になる。
【０１３２】
そこで、制御負荷を軽減するために、上記のような筒内吸入空気流量を示す三本の直線を以下で説明するような方法で二本の直線に近似するようにしてもよい。すなわち、この方法では、推定される筒内吸入空気流量ｍｃ１１を表す三本の直線を、それらを繋ぐ二つの接続点のうち、推定の基準となる筒内吸入空気流量ｍｃ０１を表す二本の直線の接続点とＰｍ座標が同じである接続点ＲＰを基準点として、二本の直線に近似する。つまり、上記接続点ＲＰで繋がる二本の近似直線を表す式が求められる。この二本の直線で表されるのは上記筒内吸入空気流量ｍｃ１１を近似した近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１である。以下、図１４及び図１５を参照しつつ具体的に説明する。
【０１３３】
図１４及び図１５に示されるように筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０が接続点で繋がる二本の直線で示される場合は、上記数３４において上記係数Ｅ、Ｇが、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合と所定圧力Ｐｍ１未満の場合とで異なる値をとる場合である。この場合、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１未満の場合の筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０をｍｃｅｇｒｌ１０、上記係数Ｅ、ＧをＥｌ、Ｇｌとし、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ１以上の場合の筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃｅｇｒ１０をｍｃｅｇｒｈ１０、上記係数Ｅ、ＧをＥｈ、Ｇｈとすると、上記数３４は下記数３８のように表すことができる。
【０１３４】
【数３８】
同様に、図１４及び図１５に示されるように筒内吸入空気流量ｍｃ０１が接続点で繋がる二本の直線で示される場合は、上記数３５において上記適合パラメータｅ０１、ｇ０１が、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合と所定圧力Ｐｍ２未満の場合とで異なる値をとる場合である。この場合、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合の筒内吸入空気流量ｍｃ０１をｍｃｌ１０、上記適合パラメータｅ０１、ｇ０１をｅｌ０１、ｇｌ０１とし、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合の筒内吸入空気流量ｍｃ０１をｍｃｈ０１、上記適合パラメータｅ０１、ｇ０１をｅｈ０１、ｇｈ０１とすると、上記数３５は下記数３９のように表すことができる。
【０１３６】
【数３９】
そして、この方法では、上記筒内吸入空気流量ｍｃ１１を、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合には、傾き（ｅｌ０１−Ｅｌ）の直線で近似し、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合には、傾き（ｅｈ０１−Ｅｈ）の直線で近似するようにする。そして更に、これら二本の近似直線は上記接続点ＲＰで繋がるようにされる。
【０１３８】
このような近似直線を表す式、すなわち上記筒内吸入空気流量ｍｃ１１を近似した近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を表す式は、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合と所定圧力Ｐｍ２未満の場合とで別の式となると共に、上記所定圧力Ｐｍ１とＰｍ２の大小関係によっても場合分けされる。
【０１３９】
この方法で求められる上記近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を表す式は、図１４のようにＰｍ１＞Ｐｍ２である場合には、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合の近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１をｍｃ´ｌ１１とし、下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合の近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１をｍｃ´ｈ１１とすると、下記数４０のように表すことができる。
【０１４０】
【数４０】
ここで、ｅｐｌａ１１、ｇｐｌａ１１、ｅｐｈａ１１、ｇｐｈａ１１は、式中の各対応部分を書き換えた係数であり、近似適合パラメータである。そしてこの場合、図１４における接続点ＲＰの座標は所定圧力Ｐｍ２を用いると、（Ｐｍ２，（ｅｈ０１−Ｅｌ）・Ｐｍ２＋（ｇｈ０１−Ｇｌ））と表すことができる。
【０１４２】
一方、図１５に示すようにＰｍ１＜Ｐｍ２である場合には、上記近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を表す式は、下記数４１のように表すことができる。
【０１４３】
【数４１】
ここで、ｅｐｌｂ１１、ｇｐｌｂ１１、ｅｐｈｂ１１、ｇｐｈｂ１１は、式中の各対応部分を書き換えた係数であり、近似適合パラメータである。そしてこの場合、図１５における接続点ＲＰの座標は所定圧力Ｐｍ２を用いると、（Ｐｍ２，（ｅｌ０１−Ｅｈ）・Ｐｍ２＋（ｇｌ０１−Ｇｈ））と表すことができる。
【０１４５】
また、図１４及び図１５からも明らかなように、この方法で近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を求めた場合、Ｐｍ１＞Ｐｍ２の時には下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２未満の場合に近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１が筒内吸入空気流量ｍｃ１１と一致し、Ｐｍ１＜Ｐｍ２の時には下流側吸気管内圧力Ｐｍが所定圧力Ｐｍ２以上の場合に近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１が筒内吸入空気流量ｍｃ１１と一致する。なお、Ｐｍ１＝Ｐｍ２の時には、筒内吸入空気流量ｍｃ１１がもともと二本の直線で示されるので、上述したような方法で近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を求める必要はない。
【０１４６】
更に、以上で説明したような方法で近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１を求め、それに基づいて上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを求めるようにしても、算出精度への影響は比較的小さいことがわかっている。これは、機関回転数ＮＥが低速から中速回転の場合にはＰｍ１≒Ｐｍ２となる傾向があり、機関回転数ＮＥが高速回転の場合にはＥｌ≒Ｅｈとなる傾向があるためである。
【０１４７】
なお、当然のことながら、後半に説明したＥＧＲのある場合についても、スロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線を先に説明した何れかの方法によって直線近似して上記Ｐｍｔａやｍｃｔａを求めるようにしてもよい。
また、図１１に示した構成では、可変バルブタイミング機構２３が吸気弁６側にのみ設けられていたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち例えば、可変バルブタイミング機構が排気弁８側のみに設けられていてもよく、もしくは、吸気弁６側と排気弁８側との両方に設けられていてもよい。
【０１４８】
更に、図１１に示した構成は、可変吸気装置の一例として可変バルブタイミング機構２３を有しているが、本発明は他の可変吸気装置、例えばスワールコントロールバルブ等を有している場合についても適用可能である。すなわち例えば、上記数３１の適合パラメータｅ、ｇの推定については、上述した方法と同様にして、各機関回転数ＮＥの場合に関し、ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰがある一つのＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｙである時にスワールコントロールバルブを各状態ＳＣｎとした場合の適合パラメータｅｙｎ、ｇｙｎと、スワールコントロールバルブがある一つの状態ＳＣｙである時にＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰを各ＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍとした場合の適合パラメータｅｍｙ、ｇｍｙとから、その他の任意のＥＧＲ制御弁開度ＳＴＰｍ、任意のスワールコントロールバルブの状態ＳＣｎの時の適合パラメータｅｍｎ、ｇｍｎを推定することが可能である。
【０１４９】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、定常運転時におけるスロットル弁下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａと筒内吸入空気流量ｍｃｔａとのうちの少なくとも一方をより簡便な方法によって求めるようにした内燃機関の制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の内燃機関の制御装置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】図２は、吸入空気量モデルを示す図である。
【図３】図３は、スロットル弁開度と流量係数との関係を示す図である。
【図４】図４は、関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。
【図５】図５は、スロットルモデルの基本概念を示す図である。
【図６】図６は、吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図７】図７は、吸気弁モデルの基本概念を示す図である。
【図８】図８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９】図９は、下流側吸気管内圧力Ｐｍと、スロットル弁通過空気流量ｍｔ及び筒内吸入空気流量ｍｃとの関係を示した図であって、スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとが等しくなった時の下流側吸気管内圧力Ｐｍが定常運転時の下流側吸気管内圧力Ｐｍｔａであり、その時の筒内吸入空気流量ｍｃが定常運転時の筒内吸入空気流量ｍｃｔａであることを示している。
【図１０】図１０は、図９と同様の図について交点ＥＰの近傍を拡大したものであり、スロットル弁通過空気流量ｍｔを表す曲線を直線で近似すること、及び、筒内吸入空気流量ｍｃを表す二本の直線を一本の直線で近似することを説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の内燃機関の制御装置を図１とは別の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１２】図１２は、所定条件における適合パラメータｅ、ｇを利用して任意条件における適合パラメータｅ、ｇを推定する方法を説明するための図である。
【図１３】図１３も、所定条件における適合パラメータｅ、ｇを利用して任意条件における適合パラメータｅ、ｇを推定する方法を説明するための図である。
【図１４】図１４は、三本の直線で表される筒内吸入空気流量ｍｃ１１を二本の直線で表される近似筒内吸入空気流量ｍｃ´１１で近似する方法を説明するための図であって、所定圧力Ｐｍ１が所定圧力Ｐｍ２より大きい場合を示している。
【図１５】図１５は、図１４と同様の図であって、所定圧力Ｐｍ１が所定圧力Ｐｍ２より小さい場合を示している。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
９…排気ポート
１１…燃料噴射弁
１３…吸気管
１８…スロットル弁
２２…ＥＧＲ制御弁
２３…可変バルブタイミング機構
Claims (12)
- スロットル弁通過空気流量がスロットル弁より下流側の下流側吸気管内圧力の関数として表されるスロットル弁通過空気流量算出式と、
筒内吸入空気流量が上記下流側吸気管内圧力の関数として表される筒内吸入空気流量算出式とを備えていて、
上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記下流側吸気管内圧力をその時の運転条件で定常運転した時の下流側吸気管内圧力として算出することを特徴とする、内燃機関の制御装置。 - スロットル弁通過空気流量がスロットル弁より下流側の下流側吸気管内圧力の関数として表されるスロットル弁通過空気流量算出式と、
筒内吸入空気流量が上記下流側吸気管内圧力の関数として表される筒内吸入空気流量算出式とを備えていて、
上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量をその時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量として算出することを特徴とする、内燃機関の制御装置。 - 上記スロットル弁通過空気流量算出式から求められるスロットル弁通過空気流量と上記筒内吸入空気流量算出式から求められる筒内吸入空気流量とが一致する時の上記筒内吸入空気流量をその時の運転条件で定常運転した時の筒内吸入空気流量として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。
- 上記スロットル弁通過空気流量算出式は、
ｍｔをスロットル弁通過空気流量、μをスロットル弁における流量係数、Ａｔをスロットル弁の開口断面積、Ｐａを大気圧、Ｔａを大気温度、Ｒを気体定数、Ｐｍを上記下流側吸気管内圧力、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）をＰｍ／Ｐａの値に応じて定まる係数とすると、下記数１のように表され、
上記筒内吸入空気流量算出式は、
ｍｃを筒内吸入空気流量、ａ、ｂを少なくとも機関回転数に基づいて定められる適合パラメータとすると、下記数２のように表される、請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関が排気通路に排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路に流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整するＥＧＲ制御弁とを有していて、
上記スロットル弁通過空気流量算出式は、
ｍｔをスロットル弁通過空気流量、μをスロットル弁における流量係数、Ａｔをスロットル弁の開口断面積、Ｐａを大気圧、Ｔａを大気温度、Ｒを気体定数Ｒ、Ｐｍを上記下流側吸気管内圧力、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）をＰｍ／Ｐａの値に応じて定まる係数とすると、下記数３のように表され、
上記筒内吸入空気流量算出式は、
ｍｃを筒内吸入空気流量、ｅ、ｇを少なくとも機関回転数と上記ＥＧＲ制御弁の開度とに基づいて定められる適合パラメータとすると、下記数４のように表される、請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 内燃機関が各気筒に設けられた弁の開閉タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を更に有していて、
上記開閉タイミングが第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが上記第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとに基づいて、上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇを推定する、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。 - 上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇがそれぞれ、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力が第１の圧力よりも大きい場合と小さい場合とで異なる二つの値をとり、
上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における適合パラメータｅ、ｇが、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力に応じてそれぞれ三つ以上の異なる値をとると推定される場合には、
上記開閉タイミングが第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが上記第１のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇと、上記開閉タイミングが第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が第１の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとに基づいて、上記スロットル弁下流側吸気管内圧力が第１の圧力よりも大きい場合と小さい場合とで異なる二つの値をとるようにした近似適合パラメータｅｐ、ｇｐを算出し、これらを上記開閉タイミングが上記第２のバルブタイミングであり且つ上記ＥＧＲ制御弁が上記第２の開度である場合における上記適合パラメータｅ、ｇとする、請求項６に記載の内燃機関の制御装置。 - 上記ＥＧＲ制御弁が上記第１の開度である場合は、上記ＥＧＲ制御弁が閉じられている場合である、請求項６または７に記載の内燃機関の制御装置。
- スロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する部分においては、上記スロットル弁通過空気流量算出式として、下流側吸気管内圧力Ｐｍの一次式で表される近似式が用いられる、請求項４から８の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記近似式は、上記スロットル弁通過空気流量算出式で表される曲線上の２点であってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃ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、請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
- 上記大気圧Ｐａの代わりに、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮して求められたスロットル弁上流側吸気管内圧力Ｐａｃが用いられる、請求項４から１０の何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
- 前回求めたスロットル弁通過空気流量に基づいて、少なくともエアクリーナの圧力損失を考慮したスロットル弁上流側吸気管内圧力Ｐａｃが求められ、
上記近似式は、上記スロットル弁通過空気流量算出式で表される曲線上の２点であってスロットル弁通過空気流量ｍｔと筒内吸入空気流量ｍｃとの大きさが逆転する前後の２点の各座標を示す下流側吸気管内圧力とスロットル弁通過空気流量の値に対して、それぞれＰａｃ／Ｐａを乗じて得られる座標で示される２点を結んだ直線を表す一次式とされる、請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
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