JP4032957B2 - 吸気管内圧力算出装置及び吸気管内温度算出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気管内圧力を算出する装置及び吸気管内温度を算出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸気管内圧力や吸気管内温度、すなわち内燃機関の吸気通路のうちのスロットル弁から吸気弁に至るまでの吸気管部分内の圧力や温度は、従来より内燃機関の制御における必要性から種々の方法で算出または推定することが試みられている。例えば、特許文献１においては、上記の吸気管部分に関してエネルギー保存則や質量保存則等を適用して流体モデルを構築し、それに基づいて吸気管内圧力及び吸気管内温度を算出する方法が開示されている。
【０００３】
ところで、従来より、燃焼温度を下げてＮＯｘ生成を低減する等の目的で、内燃機関の排気側から吸気側へ排気ガスを再循環させ、この再循環ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称す）を新気と共に筒内へ吸入させるようにした排気還流機構（以下、「ＥＧＲ機構」と称す）付きの内燃機関が知られている。このような内燃機関では、通常、排気通路と吸気通路とが排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）によって連結され、このＥＧＲ通路にはＥＧＲ通路を通るＥＧＲガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ弁」と称す）が設けられている。
【０００４】
そして、より詳細には、上記ＥＧＲ通路の吸気通路側は、スロットル弁よりも下流であって吸気弁よりも上流である上記吸気管部分に接続されるのであるが、この際、上記ＥＧＲ通路が、吸気管が各気筒へ向かって枝分かれした吸気枝管部分もしくは吸気ポート部分に接続される場合がある。これは内燃機関の制御におけるＥＧＲガスを利用した制御の応答性を考慮したものであるが、このような場合、各気筒の吸気枝管部分等に均等にＥＧＲガスを供給するために上記ＥＧＲ通路の吸気枝間部分等との接続部近傍に絞り部が設けられる。すなわち、上記ＥＧＲ通路が吸気枝管部分等に接続される場合には、ＥＧＲ通路も枝分かれして各吸気枝管部分等に接続されることになるのであるが、各吸気枝管までのＥＧＲ通路の形状や長さ等が異なるために流動抵抗が異なり、上記絞り部で調整しないと各気筒の吸気枝管等に均等にＥＧＲガスを供給することができないのである。
【０００５】
ところで、上述したような流体モデルに基づいて吸気管内圧力及び吸気管内温度を算出する方法においては、エネルギー保存則や質量保存則等が用いられるために、モデル化の対象となる部分（例えば、上記吸気管部分）の容積を正確に求める、もしくは設定することが算出精度を向上する上で重要である。
【０００６】
上述の特許文献１では、ＥＧＲ機構を備えていない内燃機関について開示がなされており、上記吸気管部分をモデル化の対象部分とし、その容積は機関の運転状態にかかわらず一定とされている。これに対し、ＥＧＲ機構付きの内燃機関においては、以下で説明するように、モデル化の対象となる部分をＥＧＲ通路のＥＧＲ弁より下流側の部分（以下、「ＥＧＲ弁下流側部分」と称す）の存在を考慮して決定する必要があると共に、上述した絞り部の影響によりモデル化の対象となる部分の容積を一定と考えてしまうと精度良く吸気管内圧力及び吸気管内温度を算出することができない場合がある。
【０００７】
すなわち、ＥＧＲ機構付きの内燃機関において、上述した場合のようにＥＧＲ通路がＥＧＲ弁を有し吸気枝管部分等で上記吸気管部分に接続されている場合、上記絞り部が存在しない場合や上記吸気管部分内の圧力変化が緩やかな場合には、上記吸気管部分内の圧力とＥＧＲ弁下流側部分内の圧力はほぼ同じになると考えられるので、ＥＧＲ弁下流側部分の容積は上記吸気管部分の容積と共にモデル化の対象部分の容積に含めて良いと考えられる。つまり、モデル化対象部分の容積は上記吸気管部分の容積とＥＧＲ弁下流側部分の容積を合わせたものとなる。
【０００８】
これに対し、上記絞り部が存在し、上記吸気管部分内の圧力変化が激しい場合には、ＥＧＲ弁下流側部分内の圧力は上記吸気管部分内の圧力の変化に追従できず、これら二つの部分内の圧力は異なるものとなると考えられる。したがって、ＥＧＲ弁下流側部分の容積のすべてをモデル化の対象部分の容積に含めるのは妥当ではなく、このような場合にモデル化対象部分の容積を上記吸気管部分の容積とＥＧＲ弁下流側部分の容積を合わせたものとして吸気管内圧力及び吸気管内温度を求めてもその算出精度は低いものとなってしまう。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４１０９５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４７２７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、例えばＥＧＲ機構付きの内燃機関のように上記吸気管部分に絞り手段を介して気体が導入される内燃機関においても吸気管内圧力と吸気管内温度のうちの少なくとも一方を精度良く算出することのできる装置を提供することである。
【００１１】
【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算出装置を提供する。
１番目の発明は、内燃機関の吸気通路のうちのスロットル弁から吸気弁に至るまでの吸気管部分に接続されている気体流通手段であって、該気体流通手段の上流側端部に設けられた第１の絞り手段を介して気体が導入され、上記気体流通手段の下流側端部に設けられた第２の絞り手段を介して上記吸気管部分へと気体を流入せしめる気体流通手段を具備した内燃機関において上記吸気管部分内の圧力と温度のうちの少なくとも一方をエネルギー保存則及び質量保存則に基づいて算出する装置であって、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる容積の値が上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさに応じて変化せしめられることを特徴とする算出装置を提供する。
【００１２】
エネルギー保存則及び質量保存側に基づいて上記吸気管部分内の圧力や温度、すなわち吸気管内圧力や吸気管内温度を算出する場合には、対象とする部分の容積を正確に設定することが算出精度を向上する上で重要である。そして、上記のような気体流通手段を具備した内燃機関においては、上記吸気管内圧力の変化速度の大きさ（絶対値）によって上記気体流通手段の容積を上記の対象とする部分の容積に全部加えるべきである場合、部分的に加えるべきである場合、加えるべきでない場合が存在する。本発明によれば、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる容積の値が上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさに応じて変化せしめられるので、上記吸気管内圧力の変化速度の大きさに応じた適切な容積を用いて吸気管内圧力や吸気管内温度を算出することが可能となり、これらを精度良く求めることができる。
【００１３】
２番目の発明は１番目の発明において、上記気体流通手段が燃焼室から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の一部であり、上記第１の絞り手段が上記排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整すべく上記排気再循環通路に設けられた制御弁であり、上記第２の絞り手段が上記制御弁よりも下流において上記排気再循環通路に設けられた絞り部である。
【００１４】
上記のような構成の排気再循環通路を備える内燃機関においては、例えば上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが非常に小さい時には、上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路内の圧力が上記吸気管部分内の圧力とほぼ同じになるため、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値を上記吸気管部分の容積と上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路の容積とを合わせたものとすることによって吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度が向上される。また、逆に上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが非常に大きい時には、上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路内の圧力が上記吸気管部分内の圧力に追従できなくなるため、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値を上記吸気管部分の容積のみとすることによって吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度が向上される。そして、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが上記の二つの場合の中間的な場合には、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値も上記の二つの場合の中間的な値とすることで吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度が向上される。本発明によれば、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさに応じてエネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値を上述したように変化せしめることができるので吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度を向上することができる。
【００１５】
３番目の発明は２番目の発明において、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値が、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが小さい時には、上記吸気管部分の容積と上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路の容積とを合わせたものとされ、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが大きい時には、上記吸気管部分の容積とされる。
本発明によっても２番目の発明とほぼ同様の作用及び効果を得ることできる。
【００１６】
４番目の発明は１番目の発明において、上記気体流通手段が上記吸気管部分へ気体を流入せしめることで内部に負圧を発生するバキュームタンクであり、上記第１の絞り手段が上記バキュームタンクの負圧を利用するために制御される制御弁であり、上記第２の絞り手段が上記吸気管部分と上記バキュームタンクとの間に設けられた逆止弁である。
【００１７】
上記のような構成のバキュームタンクシステムを備える内燃機関において、上記逆止弁が開いている場合（例えば上記吸気管部分の圧力が上記バキュームタンク内の圧力よりも小さい場合）を考えると、この逆止弁は上述した絞り部とほぼ同様な作用をすると考えられる。したがって、本発明によれば、上述した２番目の発明とほぼ同様な作用により、上記のような構成のバキュームタンクシステムを備える内燃機関においてエネルギー保存則及び質量保存側に基づいて吸気管内圧力や吸気管内温度を算出する際の算出精度の向上を図ることができる。
【００１８】
５番目の発明は１番目から４番目の何れかの発明において、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを表すパラメータとして機関回転数が用いられる。
上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさは機関回転数に依存し、低回転ほど小さく、高回転ほど大きい傾向がある。したがって、本発明によっても１番目から４番目の発明とほぼ同様の作用及び効果を得ることができる。特に本発明によれば、比較的簡易な方法で上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを推定することができる。本発明の場合、機関回転数が低い場合に上記各保存則で用いられる容積の値を大きくし、機関回転数の高い場合に上記各保存則で用いられる容積の値を小さくするのが好ましい。
【００１９】
６番目の発明は１番目から４番目の何れかの発明において、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを表すパラメータとして一定期間内における上記吸気管部分内の総気体質量の変化量が用いられる。
上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさは一定期間内における上記吸気管部分内の総気体質量の変化量に依存し、上記総気体質量の変化量が小さいほど小さく、大きいほど大きくなる。したがって、本発明によっても１番目から４番目の発明とほぼ同様の作用及び効果を得ることができる。本発明の場合、上記総気体質量の変化量が小さい場合に上記各保存則で用いられる容積の値を大きくし、上記総気体質量の変化量が大きい場合に上記各保存則で用いられる容積の値を小さくするのが好ましい。
【００２２】
【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。図１は本発明を４気筒の内燃機関へ適用した場合の全体説明図であり、図２はその内燃機関の一気筒について示した説明図である。なお、後述するように、本実施形態の内燃機関は筒内噴射型火花点火式内燃機関であるが、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することもできる。
【００２３】
図２に示したように、本実施形態において機関本体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。更に、図２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。
【００２４】
各気筒の吸気ポート７は下流側の吸気管であって各気筒へ向かって枝分かれしている吸気枝管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。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。なお、本明細書においては吸気通路のうちのスロットル弁１８から吸気弁６に至る部分を吸気管部分１３´と称し、この吸気管部分１３´内の圧力及び温度をそれぞれ吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍと称することとする。
【００２５】
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。排気通路（排気ポート、排気管等）と吸気通路（吸気ポート、吸気枝管等）とは排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２１を介して互いに連結され、このＥＧＲ通路２１内にはＥＧＲ通路２１を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（ＥＧＲ弁）２２が配置される。より詳細には、図１に示されているように上記ＥＧＲ通路２１はＥＧＲ弁２２の下流で枝分かれしてＥＧＲ枝通路２３となり、各気筒へ向かう吸気枝管１３にそれぞれ接続される。また、各ＥＧＲ枝通路２３の吸気枝管１３との接続部近傍には絞り部２４が設けられている。
【００２６】
なお、上述したようにＥＧＲ枝通路２３を各吸気枝管１３に接続しているのは、ＥＧＲガスを気筒の近くで供給するようにしてＥＧＲガスを利用した機関制御の応答性を向上するためである。また、各ＥＧＲ枝通路２３の吸気枝管１３との接続部近傍に絞り部２４が設けられているのは、各気筒に均等にＥＧＲガスを供給するためである。すなわち、吸気枝管１３との接続部までのＥＧＲ枝通路２３の形状や長さ等は各ＥＧＲ枝通路２３によって異なるためにその流動抵抗が異なり、上記絞り部２４で調整しないと各気筒に均等にＥＧＲガスを供給することができないのである。
【００２７】
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。排気管１９には、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの圧力及び温度をそれぞれ検出するための排気圧センサ４１及び排気温センサ４２が設けられており、それぞれ排気圧及び排気温に比例した出力電圧を発生する。これら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。
【００２８】
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、ステップモータ１７及びＥＧＲ弁２２に接続される。
なお、ＥＧＲ弁２２の開度については、ＥＧＲ弁２２へ送信されたステップ信号の累積値（ステップ数）に基づいてＣＰＵ３５において計算により求められる。
【００２９】
ところで、内燃機関の制御装置として、燃焼室において燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比にするために、吸気弁が閉じた時に燃焼室内に充填されている吸気ガスの量（筒内充填ガス量）Ｍｃを推定し、推定された筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて混合気の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁によって噴射する燃料の量（以下、「燃料噴射量」と称す）を定めるものが公知である。そしてこのような場合、内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比を正確に目標空燃比とするためには、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に推定する必要がある。
【００３０】
通常、このような筒内充填ガス量Ｍｃは、流量センサ（エアフローメータ）等の多数のセンサ、及びこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定されるが、このようにマップを用いて筒内充填ガス量Ｍｃを推定する場合、推定される筒内充填ガス量Ｍｃの値をより正確なものにするためには、必要なマップの数及びその引数の数が多くなる。このようにマップの数が多くなると、マップを保存するためのＥＣＵのＲＯＭを記憶容量の大きいものにしなければならず、内燃機関の制御装置の製造コストが高くなってしまう。更に、各マップを作成するにはマップが搭載される車種毎に適合を行わなければならないため、マップの数及びその引数の数が多くなると適合を行う際の労力が多大となってしまう。
【００３１】
そこで、マップを用いずに様々な流体モデルを用いて、数値計算により筒内充填ガス量Ｍｃを算出する内燃機関の制御装置が検討されている。このような制御装置では、数値計算を多用することにより必要なマップの数を極力減らすようにしており、これにより適合作業を行う際の工数を大幅に削減しながらも、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に算出することができる。このような制御装置のうち本願出願人により提案されたものの一つに、図３に示した吸入ガス量モデルＭ２０を搭載した制御装置がある（特願２００１−３１６３５０号）。図示した吸入ガス量モデルＭ２０はＥＧＲ機構を装備していない内燃機関に適用される最も単純なモデルであるが、モデルを用いた内燃機関制御の一例として以下でこの吸入ガス量モデルＭ２０について説明する。
【００３２】
吸入ガス量モデルＭ２０は、図３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（スロットル弁開度）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（または、吸気管に吸入される空気の圧力）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（または、吸気管に吸入される空気の温度）Ｔａと、後述する吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内の圧力（吸気管内圧力）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。
【００３３】
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吸気ガスの流量（以下、「筒内吸入ガス流量ｍｃ」と称す。なお、筒内吸入ガス流量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、吸気管内に存在する吸気ガスの圧力、すなわち吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内に存在する吸気ガスの温度、すなわち吸気管内温度Ｔｍとが算出される。吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍは共に吸気弁モデルＭ２３へ入力され、更に吸気管内圧力ＰｍはスロットルモデルＭ２１にも入力される。
【００３４】
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吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの他に大気温度Ｔａ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弁モデルＭ２３のモデル式に代入することで、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。算出された筒内吸入ガス流量ｍｃは、筒内充填ガス量Ｍｃに変換され、この筒内充填ガス量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ガス流量ｍｃは吸気管モデルＭ２２に入力される。
【００３５】
図３から分かるように、吸入ガス量モデル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、吸入ガス量モデル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ガス量Ｍｃが算出される。
【００３６】
次に、吸入ガス量モデル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、大気温度Ｔａ、吸気管内圧力Ｐｍ、スロットル弁開度θｔから、下記数１に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔが算出される。ここで、数１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４に示したようなマップから定まる。また、Ａｔ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及び開口断面積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は気体定数に関連する定数であり、気体定数Ｒｍを１mol当たりの空気の質量Ｍａで除算した値である（Ｒ＝Ｒｍ／Ｍａ）。
【００３７】
【数１】
【００３８】
また、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記数２に示した関数であり、この数２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５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２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。
【００３９】
【数２】
【００４０】
これらスロットルモデルＭ２１の数１及び数２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を通過した気体の圧力を吸気管内圧力Ｐｍとして、図６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、エネルギー保存則及び運動量保存則を適用し、更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。
【００４１】
吸気管モデルＭ２２では、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、筒内吸入ガス流量ｍｃ、及び大気温度Ｔａから、下記数３及び数４に基づいて吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出される。なお、数３及び数４におけるＶｍはスロットル弁から吸気弁までの吸気管部分１３´の容積に等しい定数である。
【００４２】
【数３】
【００４３】
【数４】
【００４４】
ここで、吸気管モデルＭ２２について図７を参照して説明する。吸気管部分１３´の総気体質量をＭとすると、総気体質量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、すなわち筒内吸入ガス流量ｍｃとの差に等しいため、質量保存則により下記数５が得られ、この数５及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、数３が得られる。
【００４５】
【数５】
【００４６】
また、吸気管部分１３´の気体のエネルギー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ーと吸気管部分１３´から流出する気体のエネルギーとの差に等しい。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吸気管内温度Ｔｍとすると、エネルギー保存則により下記数６が得られ、この数６及び上記気体の状態方程式より、数４が得られる。
【００４７】
【数６】
【００４８】
吸気弁モデルＭ２３では、吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、及び大気温度Ｔａから、下記数７に基づいて、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。なお、数７におけるａ、ｂは、機関回転数ＮＥから、更に吸気弁の位相角（バルブタイミング）及び作用角を変更できる可変動弁機構を備えた内燃機関の場合には吸気弁６の位相角、作用角から定まる適合パラメータである。
【００４９】
【数７】
【００５０】
上述した吸気弁モデルＭ２３について図８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吸気ガスの量である筒内充填ガス量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、筒内充填ガス量Ｍｃは、吸気管内圧力Ｐｍに比例すると近似することができる。
【００５１】
ここで、単位時間当たりに吸気管部分１３´から流出する全吸気ガス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に吸入される吸気ガスの量を一つの気筒の吸気行程に亘って（後述するように本実施形態ではクランク角１８０°分）平均化したものを筒内吸入ガス流量ｍｃ（以下で詳述する）とすると、筒内充填ガス量Ｍｃが吸気管内圧力Ｐｍに比例することから、筒内吸入ガス流量ｍｃも吸気管内圧力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７が得られる。なお、数７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。また、実際の運転では過渡時に吸気管内温度Ｔｍが大きく変化する場合があるため、これに対する補正として理論及び経験則に基づいて導かれたＴａ／Ｔｍが乗算されている。
【００５２】
ここで、筒内吸入ガス流量ｍｃについて、図９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９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に実際に流入する吸気ガスの量である。図９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内へ吸気ガスが流入する。吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量の変位は図９に破線で示した通りであり、これを総合して吸気管部分１３´から全気筒の燃焼室５に流入する吸気ガスの流量は図９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ガス量Ｍｃは図９に斜線で示した部分に相当する。
【００５３】
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に流入する吸気ガスの量を平均化したものが筒内吸入ガス流量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ガス流量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ガス量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ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算することで、筒内充填ガス量Ｍｃを算出することができる（Ｍｃ＝ｍｃ・ΔＴ180 °）。より詳細には、筒内充填ガス量Ｍｃは吸気弁閉弁時の圧力に比例することから、吸気弁閉弁時の筒内吸入ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算したものが筒内充填ガス量Ｍｃとされる。なお、以上の説明からも明らかなように、数７における値ｂにΔＴ180 °を乗算し、更にＴａ／Ｔｍ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。
【００５４】
次に、上記吸入ガス量モデルＭ２０を内燃機関の制御装置に実装して、実際に筒内充填ガス量Ｍｃを算出する場合について説明する。筒内充填ガス量Ｍｃは吸入ガス量モデルＭ２０を用いて、上記数１、数３、数４、及び数７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Δｔを用いて数１、数３、数４、及び数７を離散化すると、それぞれ下記数８、数９、数１０、及び数１１が得られる。なお、吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）は、数９及び数１０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１２によって算出される。
【００５５】
【数８】
【００５６】
【数９】
【００５７】
【数１０】
【００５８】
【数１１】
【００５９】
【数１２】
【００６０】
このようにして実装された吸入ガス量モデルＭ２０では、スロットルモデルＭ２１の数８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１１で算出された時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ２２の数９及び数１０に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）及び吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）及びＴｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ２１及び吸気弁モデルＭ２３の数８及び数１１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）及び筒内吸入ガス流量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における筒内吸入ガス流量ｍｃが算出され、算出された筒内吸入ガス流量ｍｃに上記時間ΔＴ180 °を乗算することで、任意の時刻ｔにおける筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００６１】
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、吸気管内圧力Ｐｍは大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、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。
【００６２】
なお、上記吸入ガス量モデル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８、数１０、及び数１１に代入するようにしてもよい。
【００６３】
ところで、以上で説明した吸入ガス量モデルＭ２０は、上述したようにＥＧＲ機構を備えていない内燃機関に適用される最も単純なモデルであり、これをそのまま図１及び図２に例示したようなＥＧＲ機構を備えた内燃機関に適用すると十分な精度が得られず制御上の不都合が生じてしまう。特に、上述の吸入ガス量モデルＭ２０において吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍとを算出している吸気管モデルＭ２２について考えてみると、ＥＧＲ機構を備えた内燃機関では、ＥＧＲガスの導入があるためにモデル式の形が数３及び数４とは異なるものとなると考えられる。すなわち、モデル化の対象となる部分の容積をＶとし、ＥＧＲ弁通過ガス流量をｍｅｇｒ、排気温をＴｅとすると、数３及び数４を導出したのと同様に質量保存側、エネルギー保存則、気体の状態方程式等を用いて以下の数１３及び数１４が得られる。
【００６４】
【数１３】
【００６５】
【数１４】
【００６６】
そして更に、これらを上述の数９及び数１０を求めたのと同様に離散化すると以下の数１５及び数１６が得られ、ＥＧＲ機構を備えた内燃機関においては、これらの式に基づいて吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍとが算出されることになる。
【００６７】
【数１５】
【００６８】
【数１６】
【００６９】
ここでモデル化の対象となる部分の容積Ｖについて考えてみると、上述の吸気管モデルＭ２２においてはモデル化の対象となる部分の容積Ｖは吸気管部分１３´の容積Ｖｍであり、機関の運転状態にかかわらず一定であった。これに対し、ＥＧＲ機構付きの内燃機関においては、以下で説明するように、モデル化の対象となる部分をＥＧＲ通路２１のＥＧＲ弁２２より下流側の部分（以下、「ＥＧＲ弁下流側部分」と称す）２３´の存在を考慮して決定する必要があると共に、上述した絞り部２４の影響によりモデル化の対象となる部分の容積Ｖを一定と考えてしまうと精度良く吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍを算出することができない場合がある。
【００７０】
すなわち、上述したような構成のＥＧＲ通路２１を有した内燃機関においては、上記吸気管部分１３´内の圧力変化が緩やかな場合には、上記絞り部２４の影響は殆ど無く、上記吸気管部分１３´内の圧力ＰｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力Ｐｇはほぼ同じになると考えられるので、ＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇは上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍと共にモデル化の対象部分の容積Ｖに含めて良いと考えられる。つまり、この場合、モデル化対象部分の容積Ｖは上記吸気管部分１３´の容積ＶｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇを合わせたものとなる（Ｖ＝Ｖｍ＋Ｖｇ）。
【００７１】
これに対し、上記吸気管部分１３´内の圧力変化が激しい場合には、ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力Ｐｇは上記吸気管部分１３´内の圧力Ｐｍの変化に追従できず、これら二つの部分内の圧力は異なるものとなると考えられる。したがって、ＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇのすべてをモデル化の対象部分の容積Ｖに含めるのは妥当ではなく、このような場合にモデル化対象部分の容積Ｖを上記吸気管部分１３´の容積ＶｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇを合わせたものとして吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍを求めるとその算出精度は低いものとなってしまう。
【００７２】
そこで、本実施形態では以上のような点を考慮し、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐに応じて上記数１５及び数１６における容積Ｖの値を変化せしめ、算出される吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの精度の向上を図っている。すなわち、上記容積Ｖは以下の数１７によって決定される。
【００７３】
【数１７】
【００７４】
ここでｑは、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐに応じて決定される係数（ｑ＝ｆ１（ｖｐ））であって、上記ｖｐが小さいほど大きな値をとり、最小値は０、最大値は１である。この数１７によれば、例えば上記ｖｐが非常に小さい時には上記容積Ｖが上記吸気管部分１３´の容積ＶｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇとの和とされる。一方、上記ｖｐが非常に大きい時には上記容積Ｖが上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍのみとされ、また、上記ｖｐが上記の二つの場合の中間的な値をとる場合には上記容積Ｖの値も上記の二つの場合の中間的な値とされる。このように上記容積Ｖを可変とすることで算出される吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの精度の向上を図ることができる。
【００７５】
より具体的には、本実施形態においては、上記係数ｑは上記ｖｐと相関関係のある機関回転数ＮＥに応じて決定される（ｑ＝ｆ２（ＮＥ））。すなわち、機関回転数ＮＥを上記ｖｐを表すパラメータとして用いる。上記ｖｐは機関回転数ＮＥに依存し、低回転ほど小さく、高回転ほど大きい傾向がある。したがって、図１０に示すような係数ｑの機関回転数ＮＥに対するマップを作成することができ、これを事前に求めてＲＯＭ３４に記憶させておけば、このマップに基づいて機関回転数ＮＥに応じた係数ｑを決定することができる。そして、決定された係数ｑを用いて数１７から適切な上記容積Ｖを決定することができる。
【００７６】
なお、制御を単純化するために係数ｑの中間的な値を省略し、予め定めた機関回転数ＮＥｃを切替点として、ＮＥ≦ＮＥｃではｑ＝１、ＮＥ＞ＮＥｃではｑ＝０となるようにしても一定の算出精度の向上を図ることができる。
【００７７】
次に本発明の別の実施形態であって、別の方法で上記容積Ｖを決定するものについて説明する。この実施形態は上記容積Ｖの決定方法以外は上述の第１の実施形態と同様であるので、以下では主に本実施形態における上記容積Ｖの決定方法について説明する。
【００７８】
上述した第１の実施形態においては、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐが機関回転数ＮＥに依存し、低回転ほど小さく、高回転ほど大きい傾向がある点に着目し、上記容積Ｖを機関回転数ＮＥに応じて変化させたが、より厳密には、低回転であってもスロットル弁開度の変化が大きければ上記ｖｐは大きく、高回転であってもスロットル弁開度の変化が小さければ上記ｖｐは小さい。そこで本実施形態では、上記ｖｐに対してより高い相関性を有する値を用いて上記容積Ｖを決定し、更なる算出精度の向上を図る。
【００７９】
すなわち、上記ｖｐは、一定期間（例えば、離散時間、計算間隔、単位時間等）内における上記吸気管部分１３´内の総気体質量の変化量Δｍに比例するので、この値を上記ｖｐを表すパラメータとし、この値に応じて上記容積Ｖを決定するようにする（Ｖ＝ｆ３（Δｍ））。この総気体質量の変化量Δｍは、単位時間内の場合を例にとれば上記総気体質量の変化速度の大きさであり、総気体質量の変化量Δｍ（ｇ／ｓ）＝｜ｍｔ（ｇ／ｓ）＋ｍｅｇｒ（ｇ／ｓ）−ｍｃ（ｇ／ｓ）｜と表すことができる。このΔｍの値が大きいほど上記ｖｐが大きく、Δｍの値が小さいほど上記ｖｐが小さいので、Δｍの値が大きいほど上記容積Ｖが小さく、Δｍの値が小さいほど上記容積Ｖが大きくなるように上記容積Ｖの値を変化せしめることで算出される吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの精度の向上を図ることができる。上記Δｍの値に応じて適切な上記容積Ｖを決定するためのマップは事前に求めてＲＯＭ３４に記憶させておく。このようなマップの一例を図１１に示す。
【００８０】
なお、上記ｖｐは、一定期間内における上記吸気管部分１３´内の総気体質量の変化量Δｍに比例するので、例えば他の制御との関係で上記吸気管部分１３´内へ流入するガス量であるスロットル弁通過空気流量及びＥＧＲ弁通過ガス流量、並びに上記吸気管部分１３´内から流出するガス量である筒内吸入ガス流量の各値が充填率（すなわち、一気筒の総行程容積分の空気の質量に対する質量比）ＫＬｍｔ、ＫＬｅｇｒ並びにＫＬｍｃで表されて得られる場合には、これらを一定期間内における質量の変化量に対応する値に換算すべく機関回転数ＮＥを乗算する必要がある。すなわち、上記ｖｐは、（ＫＬｍｔ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬｍｃ）×ＮＥの絶対値に比例することになる。したがって、このような場合には、この（ＫＬｍｔ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬｍｃ）×ＮＥの絶対値に応じて適切な上記容積Ｖを決定するための図１１と同様なマップを作成することができる（Ｖ＝ｆ４（｜（ＫＬｍｔ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬｍｃ）×ＮＥ｜））。
【００８１】
また、ＫＬＴＡを定常状態（すなわち、スロットル弁開度、ＥＧＲ弁開度、機関回転数を一定に保持した状態）における筒内吸入空気流量の値を上記充填率で表したもの、ＫＬＣＲＴを現時点の筒内吸入ガス流量の値を上記充填率で表したものとすると、（ＫＬＴＡ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬＣＲＴ）×ＮＥの絶対値を引数として上記容積Ｖを決定するマップを作成することもできる（Ｖ＝ｆ５（｜（ＫＬＴＡ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬＣＲＴ）×ＮＥ｜））。
【００８２】
更に、他の制御との関係で各機関回転数ＮＥにおいて上記ＫＬＴＡへ収束するための時定数Ｅｔがマップ等から容易に求められる場合には、時定数Ｅｔを引数として上記容積Ｖを決定するようにしてもよい（Ｖ＝ｆ６（Ｅｔ））。すなわち、時定数Ｅｔが大きい場合は収束に時間のかかる場合であり、上記ｖｐは小さいと考えられるので、上記容積Ｖは大きくされる。一方、時定数Ｅｔが小さい場合は素早く収束する場合であり、上記ｖｐは大きいと考えられるので、上記容積Ｖは小さくされる。なお、上記時定数Ｅｔのマップは、例えば、時定数Ｅｔの機関回転数ＮＥと上記ＫＬＴＡに対するマップ（Ｅｔ＝ｆ７（ＮＥ，ＫＬＴＡ））、あるいは時定数Ｅｔの機関回転数ＮＥ、スロットル弁開度θｔ、ＥＧＲ弁開度ＳＴＰに対するマップ（Ｅｔ＝ｆ８（ＮＥ，θｔ，ＳＴＰ））等である。
【００８３】
なお、以上の説明においては、ＥＧＲ弁機構付きの内燃機関を例にとって説明したが、本発明の上記容積Ｖを可変とする考え方はこれに限定されるものではなく、例えば図１２に示したようなバキュームタンクシステムを備える内燃機関に対しても適用することができる。
【００８４】
図１２は、バキュームタンクシステムを備えた内燃機関についての図２と同様の図である。図１２に示された内燃機関の構成は、ＥＧＲ機構がバキュームタンクシステムに変更されていることを除いて図１及び図２に示されたものと同じである。図１２中、２５はバキュームタンク、２６は逆止弁、２７は制御弁を示す。逆止弁２６はバキュームタンク２５から上記吸気管部分１３´へ向かう流れのみを許容する。すなわち、逆止弁２６は上記吸気管部分１３´内に生じる吸気負圧によって開き、バキュームタンク２５内の気体が上記吸気管部分１３´へと流入する。そしてこれによってバキュームタンク２５内に負圧が発生することになる。制御弁２７のバキュームタンク２５が連結される端部とは反対側の端部にはバキュームタンク２５内に生ずる負圧を利用して駆動される被駆動機器（例えばバルブ）等が連結され得る。制御弁２７が開かれるとバキュームタンク２５内の負圧によって被駆動機器側からバキュームタンク２５内に気体が流れ込み、その結果として被駆動機器が駆動される。制御弁２７を制御することでその被駆動機器を制御することができる。なお、制御弁２７は対応する駆動回路３９を介して出力ポート３７へ接続されており、ＥＣＵ３１からの信号によって制御することができる。
【００８５】
上述したようなバキュームタンクシステムは、制御弁２７を介してバキュームタンク２５内へ気体が導入され、逆止弁２６を介して上記吸気管部分１３´内に気体が流入せしめられることを考慮すると、流体モデルとして見た場合、先に説明したＥＧＲ機構の場合と類似した構成となっていることがわかる。すなわち、制御弁２７がＥＧＲ弁２２、バキュームタンク２５がＥＧＲ弁下流側部分２３´、逆止弁２６が絞り部２４にそれぞれ対応する。
【００８６】
したがって、図１２に示したようなバキュームタンクシステムを備えた内燃機関においても上述した数１３及び数１４（すなわち、数１５及び数１６）に基づいて吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍとが算出されることになる。この場合、上述した対応関係からも明らかなように、各式中のｍｅｇｒは制御弁２７を通過する気体流量に、Ｔｅはその気体の温度に置換される。
【００８７】
そして、この場合においてもモデル化の対象となる部分の容積Ｖを可変とすることで、算出される吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍの精度を向上することができる。すなわち、逆止弁２６が完全に閉じている場合には上記容積Ｖは上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍのみとすることができると考えられるが、逆止弁２６が開いている場合には逆止弁２６は上述したＥＧＲ機構の絞り部２４と同様に作用すると考えられ、上述した他の実施形態と同様に上記容積Ｖを変化せしめることで吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍの算出精度の向上を図ることができる。
【００８８】
ここで、逆止弁２６は、上記吸気管部分１３´内の圧力Ｐｍがバキュームタンク内の圧力Ｐｖよりも所定圧力ΔＰｖだけ高い時（Ｐｍ≧Ｐｖ＋ΔＰｖ）には完全に閉じられている一方、開く場合には上記圧力Ｐｍが上記Ｐｖよりも小さくなった時（Ｐｍ＜Ｐｖ）に開き始めるという特性がある。
この特性を考慮して、本実施形態においては、Ｐｍ≧Ｐｖ＋ΔＰｖである場合には、上記容積Ｖが上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍとされて吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出される一方、Ｐｍ＜Ｐｖである場合には、上述した他の実施形態の場合と同様に、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐに応じて上記容積Ｖが決定され、その値に基づいて吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出される。上述した他の実施形態の説明から明らかであると思われるので詳細な説明は省略するが、このＰｍ＜Ｐｖである場合には、機関回転数ＮＥや上述したΔｍ等に基づいて適切な上記容積Ｖを決定するマップが作成され、これに基づいて決定された上記容積Ｖを用いて数１５及び数１６から吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出され得る。
【００８９】
ところで、上述した数１５及び数１６によって実際に吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍを求めるためには、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、筒内吸入ガス流量ｍｃを求める必要がある。実際、これらの値は様々な方法で求めることが可能であり、以下ではこれらの値を求める方法の例について簡単に説明する。
【００９０】
まず、これらのうちスロットル弁通過空気流量ｍｔ及び筒内吸入ガス流量ｍｃについては、上述したスロットル弁モデルＭ２１及び吸気弁モデル２３と同様の考え方を適用して求めることが出来る。すなわち、上述の数８（数１）及び数１１（数７）に基づいて算出することが可能である。
【００９１】
一方、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒについては、上述したスロットル弁モデルＭ２１の考え方を応用することにより、数１に対応し以下の数１８が得られる。
【００９２】
【数１８】
【００９３】
ここで、μｅはＥＧＲ弁２２における流量係数を、ＡｅはＥＧＲ弁２２における開口断面積を、Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）はＰｍ／Ｐｅの関数を、それぞれ表している。なお、流量係数μｅ及び開口断面積ＡｅはＥＧＲ弁２２の開度ＳＴＰによって定まる値である。
【００９４】
また、関数Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）は、上述した数２と同様に、比熱比κを用いて以下の数１９により表される。
【００９５】
【数１９】
【００９６】
そして、これらの式に、排気圧センサ４１から得られる排気圧Ｐｅ、排気温センサ４２から得られる排気温Ｔｅ、数１５及び数１６から得られる吸気管内圧力Ｐｍ等を代入することでＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを求めることができる。
【００９７】
なお、数１５及び数１６におけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒは、より厳密には上記のモデル化の対象となる部分の容積Ｖに流入するＥＧＲガス流量を意味しているのに対し、上記数１８で求められる流量ｍｅｇｒは、上述の説明から明らかなように、上流側圧力がＰｅ、下流側圧力がＰｍである場合にＥＧＲ弁２２を通過するガス流量を示している。したがって、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´等が上記容積Ｖに含まれない場合には、上記数１８で求められる流量は数１５及び数１６で用いられるべき流量とは厳密には異なる値になると考えられる。しかしながら、ＥＧＲ弁２２を通過するガス流量と絞り部２４を通過するガス流量とは概ね一致するので、上記数１８により求められるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを用いることによって、一定の精度を保ちつつ、モデル及び計算の複雑化を避けることが可能となる。なお、当然のことながら他の方法により数１５及び数１６で用いられる流量ｍｅｇｒを求めても良い。
【００９８】
次に更に他の実施形態について説明する。これまでに説明した実施形態の算出装置においては、図２におけるＥＧＲ弁下流側部分２３´や図１２におけるバキュームタンク２５等の存在を、上記吸気管部分１３´内の圧力Ｐｍや温度Ｔｍを求める際にエネルギー保存則及び質量保存側で用いられる容積Ｖを可変にすることによって考慮し、上記圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍの算出精度の向上を図っている。すなわち、これまでに説明した実施形態においては、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´や上記バキュームタンク２５と、上記吸気管部分１３´とが一体的に考えられている。これに対し、本実施形態の算出装置では、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´や上記バキュームタンク２５と、上記吸気管部分１３´とが別々に捉えられ、それぞれについて別個にモデル化することにより、上記圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍの算出精度の向上が図られる。この方法は、図１及び図２に示されたようなＥＧＲ機構付きの内燃機関の場合にも、また図１２に示されたようなバキュームタンクシステムを備えた内燃機関の場合にも実施可能であるが、以下ではＥＧＲ機構付きの内燃機関の場合を例にとって説明する。
【００９９】
すなわち、図１及び図２に示されるようなＥＧＲ機構付きの内燃機関において、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の温度をＴｇとし、絞り部２４を通過するガス流量をｍｅｇｒｉとすると、上記吸気管部分１３´に対して上述した数１３及び数１４と同様に以下の数２０及び数２１が得られる。
【０１００】
【数２０】
【０１０１】
【数２１】
【０１０２】
また、絞り部通過ガス流量ｍｅｇｒｉは、上述した数１の場合と同様にして以下の数２２により表すことができる。
【０１０３】
【数２２】
【０１０４】
ここで、Ｐｇは上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力を、μｓは絞り部２４における流量係数を、Ａｓは絞り部２４における開口断面積を、Φ（Ｐｍ／Ｐｇ）はＰｍ／Ｐｇの関数を、それぞれ表している。なお、流量係数μｓ及び開口断面積Ａｓはそれぞれ定数となる。
【０１０５】
また、関数Φ（Ｐｍ／Ｐｇ）は、上述した数２と同様に、比熱比κを用いて以下の数２３により表される。
【０１０６】
【数２３】
【０１０７】
同様にして、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´に対しては上記数１３及び数１４ならびに上記数２０及び数２１に対応して以下の数２４、数２５が成立する。
【０１０８】
【数２４】
【０１０９】
【数２５】
【０１１０】
そして、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒについては、上述した数１８及び数１９とほぼ同様であるが、本実施形態においてはＥＧＲ弁２２の下流側の圧力をＰｇとして求めるために、以下の数２６及び数２７のようになる。
【０１１１】
【数２６】
【０１１２】
【数２７】
【０１１３】
すなわち、これら数２６及び数２７を数１８及び数１９と比較すると、数１８及び数１９における吸気管内圧力Ｐｍが数２６及び数２７では上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力Ｐｇに置き換えられている。
【０１１４】
ここで、上記数２０、数２１、数２２、数２４、数２５、数２６を上述の数８から数１０を求めたのと同様に離散化すると以下の数２８、数２９、数３０、数３１、数３２、数３３が得られる。
【０１１５】
【数２８】
【０１１６】
【数２９】
【０１１７】
【数３０】
【０１１８】
【数３１】
【０１１９】
【数３２】
【０１２０】
【数３３】
【０１２１】
そして、これらの式並びに上述の数８及び数１１等に基づいて吸気管内圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍ並びにＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇ及び温度Ｔｇがそれぞれ算出される。この算出方法については本明細書におけるこれまでの説明から概ね明らかであると思われるので詳細な説明は省略するが、以下で簡単に説明する。
【０１２２】
すなわち、時刻ｔ＝ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍ、並びにＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇ及び温度Ｔｇは、時刻ｔ＝ｔにおけるＰｍ及びＴｍ並びにＰｇ及びＴｇ等を用いて数８、数１１、数３０、数３３から求められた値を数２８、数２９、数３１、数３２に代入することにより求めることができる。したがって、数８、数１１、数３０、数３３から求められた値を数２８、数２９、数３１、数３２へ代入し、またそこで求められたＰｍ及びＴｍ並びにＰｇ及びＴｇを数８、数１１、数３０、数３３へ代入して新たに数２８、数２９、数３１、数３２へ代入する値を求めるという計算を繰り返すことによって、任意の時刻における吸気管内圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍ並びにＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇ及び温度Ｔｇを求めることができる。
【０１２３】
なお、時刻ｔ＝０においては、吸気管内圧力Ｐｍ及びＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇが大気圧と等しく（Ｐｍ（０）＝Ｐｇ（０）＝Ｐａ）、吸気管内温度Ｔｍ及びＥＧＲ弁下流側部分内温度Ｔｇは大気温と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔｇ（０）＝Ｔａ）として計算が開始される。
【０１２４】
以上、説明したように、本実施形態によれば、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´と、上記吸気管部分１３´とが別個にモデル化され、エネルギー保存則及び質量保存則の適用対象となる部分の容積も別々に且つ正確に設定されることになるので、吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの算出精度を一層向上することができる。
【０１２５】
なお、以上の各実施形態の説明においては吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの両方を算出するように説明したが、何れか一方のみを算出するようにしてもよい。例えば、吸気管内温度Ｔｍを大気温Ｔａと等しいとして吸気管内圧力Ｐｍのみを算出するようにしてもよい。
【０１２６】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、スロットル弁から吸気弁に至るまでの吸気管部分に絞り手段を介して気体が導入される内燃機関においても吸気管内圧力と吸気管内温度のうちの少なくとも一方を精度良く算出することができるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の算出装置を備えた内燃機関全体を示す説明図である。
【図２】図１の内燃機関の一気筒について示した説明図である。
【図３】ＥＧＲ機構を備えていない内燃機関に適用可能な吸入ガス量モデルを示す図である。
【図４】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５】関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。
【図６】スロットルモデルの基本概念を示す図である。
【図７】ＥＧＲ機構を備えていない内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図８】吸気弁モデルの基本概念を示す図である。
【図９】筒内充填ガス量及び筒内吸入ガス流量の定義に関する図である。
【図１０】係数ｑと機関回転数ＮＥとの関係を示す線図（マップ）の一例である。
【図１１】容積Ｖと同容積Ｖ内の総気体質量の変化量Δｍとの関係を示す線図（マップ）の一例である。
【図１２】バキュームタンクシステムを備えた内燃機関についての図２と同様の図である。
【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
１１…燃料噴射弁
１３…吸気枝管
１８…スロットル弁
２２…ＥＧＲ弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気管内圧力を算出する装置及び吸気管内温度を算出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸気管内圧力や吸気管内温度、すなわち内燃機関の吸気通路のうちのスロットル弁から吸気弁に至るまでの吸気管部分内の圧力や温度は、従来より内燃機関の制御における必要性から種々の方法で算出または推定することが試みられている。例えば、特許文献１においては、上記の吸気管部分に関してエネルギー保存則や質量保存則等を適用して流体モデルを構築し、それに基づいて吸気管内圧力及び吸気管内温度を算出する方法が開示されている。
【０００３】
ところで、従来より、燃焼温度を下げてＮＯｘ生成を低減する等の目的で、内燃機関の排気側から吸気側へ排気ガスを再循環させ、この再循環ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称す）を新気と共に筒内へ吸入させるようにした排気還流機構（以下、「ＥＧＲ機構」と称す）付きの内燃機関が知られている。このような内燃機関では、通常、排気通路と吸気通路とが排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）によって連結され、このＥＧＲ通路にはＥＧＲ通路を通るＥＧＲガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ弁」と称す）が設けられている。
【０００４】
そして、より詳細には、上記ＥＧＲ通路の吸気通路側は、スロットル弁よりも下流であって吸気弁よりも上流である上記吸気管部分に接続されるのであるが、この際、上記ＥＧＲ通路が、吸気管が各気筒へ向かって枝分かれした吸気枝管部分もしくは吸気ポート部分に接続される場合がある。これは内燃機関の制御におけるＥＧＲガスを利用した制御の応答性を考慮したものであるが、このような場合、各気筒の吸気枝管部分等に均等にＥＧＲガスを供給するために上記ＥＧＲ通路の吸気枝間部分等との接続部近傍に絞り部が設けられる。すなわち、上記ＥＧＲ通路が吸気枝管部分等に接続される場合には、ＥＧＲ通路も枝分かれして各吸気枝管部分等に接続されることになるのであるが、各吸気枝管までのＥＧＲ通路の形状や長さ等が異なるために流動抵抗が異なり、上記絞り部で調整しないと各気筒の吸気枝管等に均等にＥＧＲガスを供給することができないのである。
【０００５】
ところで、上述したような流体モデルに基づいて吸気管内圧力及び吸気管内温度を算出する方法においては、エネルギー保存則や質量保存則等が用いられるために、モデル化の対象となる部分（例えば、上記吸気管部分）の容積を正確に求める、もしくは設定することが算出精度を向上する上で重要である。
【０００６】
上述の特許文献１では、ＥＧＲ機構を備えていない内燃機関について開示がなされており、上記吸気管部分をモデル化の対象部分とし、その容積は機関の運転状態にかかわらず一定とされている。これに対し、ＥＧＲ機構付きの内燃機関においては、以下で説明するように、モデル化の対象となる部分をＥＧＲ通路のＥＧＲ弁より下流側の部分（以下、「ＥＧＲ弁下流側部分」と称す）の存在を考慮して決定する必要があると共に、上述した絞り部の影響によりモデル化の対象となる部分の容積を一定と考えてしまうと精度良く吸気管内圧力及び吸気管内温度を算出することができない場合がある。
【０００７】
すなわち、ＥＧＲ機構付きの内燃機関において、上述した場合のようにＥＧＲ通路がＥＧＲ弁を有し吸気枝管部分等で上記吸気管部分に接続されている場合、上記絞り部が存在しない場合や上記吸気管部分内の圧力変化が緩やかな場合には、上記吸気管部分内の圧力とＥＧＲ弁下流側部分内の圧力はほぼ同じになると考えられるので、ＥＧＲ弁下流側部分の容積は上記吸気管部分の容積と共にモデル化の対象部分の容積に含めて良いと考えられる。つまり、モデル化対象部分の容積は上記吸気管部分の容積とＥＧＲ弁下流側部分の容積を合わせたものとなる。
【０００８】
これに対し、上記絞り部が存在し、上記吸気管部分内の圧力変化が激しい場合には、ＥＧＲ弁下流側部分内の圧力は上記吸気管部分内の圧力の変化に追従できず、これら二つの部分内の圧力は異なるものとなると考えられる。したがって、ＥＧＲ弁下流側部分の容積のすべてをモデル化の対象部分の容積に含めるのは妥当ではなく、このような場合にモデル化対象部分の容積を上記吸気管部分の容積とＥＧＲ弁下流側部分の容積を合わせたものとして吸気管内圧力及び吸気管内温度を求めてもその算出精度は低いものとなってしまう。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４１０９５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１４７２７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、例えばＥＧＲ機構付きの内燃機関のように上記吸気管部分に絞り手段を介して気体が導入される内燃機関においても吸気管内圧力と吸気管内温度のうちの少なくとも一方を精度良く算出することのできる装置を提供することである。
【００１１】
【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算出装置を提供する。
１番目の発明は、内燃機関の吸気通路のうちのスロットル弁から吸気弁に至るまでの吸気管部分に接続されている気体流通手段であって、該気体流通手段の上流側端部に設けられた第１の絞り手段を介して気体が導入され、上記気体流通手段の下流側端部に設けられた第２の絞り手段を介して上記吸気管部分へと気体を流入せしめる気体流通手段を具備した内燃機関において上記吸気管部分内の圧力と温度のうちの少なくとも一方をエネルギー保存則及び質量保存則に基づいて算出する装置であって、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる容積の値が上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさに応じて変化せしめられることを特徴とする算出装置を提供する。
【００１２】
エネルギー保存則及び質量保存側に基づいて上記吸気管部分内の圧力や温度、すなわち吸気管内圧力や吸気管内温度を算出する場合には、対象とする部分の容積を正確に設定することが算出精度を向上する上で重要である。そして、上記のような気体流通手段を具備した内燃機関においては、上記吸気管内圧力の変化速度の大きさ（絶対値）によって上記気体流通手段の容積を上記の対象とする部分の容積に全部加えるべきである場合、部分的に加えるべきである場合、加えるべきでない場合が存在する。本発明によれば、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる容積の値が上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさに応じて変化せしめられるので、上記吸気管内圧力の変化速度の大きさに応じた適切な容積を用いて吸気管内圧力や吸気管内温度を算出することが可能となり、これらを精度良く求めることができる。
【００１３】
２番目の発明は１番目の発明において、上記気体流通手段が燃焼室から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の一部であり、上記第１の絞り手段が上記排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整すべく上記排気再循環通路に設けられた制御弁であり、上記第２の絞り手段が上記制御弁よりも下流において上記排気再循環通路に設けられた絞り部である。
【００１４】
上記のような構成の排気再循環通路を備える内燃機関においては、例えば上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが非常に小さい時には、上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路内の圧力が上記吸気管部分内の圧力とほぼ同じになるため、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値を上記吸気管部分の容積と上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路の容積とを合わせたものとすることによって吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度が向上される。また、逆に上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが非常に大きい時には、上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路内の圧力が上記吸気管部分内の圧力に追従できなくなるため、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値を上記吸気管部分の容積のみとすることによって吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度が向上される。そして、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが上記の二つの場合の中間的な場合には、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値も上記の二つの場合の中間的な値とすることで吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度が向上される。本発明によれば、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさに応じてエネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値を上述したように変化せしめることができるので吸気管内圧力や吸気管内温度の算出精度を向上することができる。
【００１５】
３番目の発明は２番目の発明において、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値が、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが小さい時には、上記吸気管部分の容積と上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路の容積とを合わせたものとされ、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが大きい時には、上記吸気管部分の容積とされる。
本発明によっても２番目の発明とほぼ同様の作用及び効果を得ることできる。
【００１６】
４番目の発明は１番目の発明において、上記気体流通手段が上記吸気管部分へ気体を流入せしめることで内部に負圧を発生するバキュームタンクであり、上記第１の絞り手段が上記バキュームタンクの負圧を利用するために制御される制御弁であり、上記第２の絞り手段が上記吸気管部分と上記バキュームタンクとの間に設けられた逆止弁である。
【００１７】
上記のような構成のバキュームタンクシステムを備える内燃機関において、上記逆止弁が開いている場合（例えば上記吸気管部分の圧力が上記バキュームタンク内の圧力よりも小さい場合）を考えると、この逆止弁は上述した絞り部とほぼ同様な作用をすると考えられる。したがって、本発明によれば、上述した２番目の発明とほぼ同様な作用により、上記のような構成のバキュームタンクシステムを備える内燃機関においてエネルギー保存則及び質量保存側に基づいて吸気管内圧力や吸気管内温度を算出する際の算出精度の向上を図ることができる。
【００１８】
５番目の発明は１番目から４番目の何れかの発明において、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを表すパラメータとして機関回転数が用いられる。
上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさは機関回転数に依存し、低回転ほど小さく、高回転ほど大きい傾向がある。したがって、本発明によっても１番目から４番目の発明とほぼ同様の作用及び効果を得ることができる。特に本発明によれば、比較的簡易な方法で上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを推定することができる。本発明の場合、機関回転数が低い場合に上記各保存則で用いられる容積の値を大きくし、機関回転数の高い場合に上記各保存則で用いられる容積の値を小さくするのが好ましい。
【００１９】
６番目の発明は１番目から４番目の何れかの発明において、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを表すパラメータとして一定期間内における上記吸気管部分内の総気体質量の変化量が用いられる。
上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさは一定期間内における上記吸気管部分内の総気体質量の変化量に依存し、上記総気体質量の変化量が小さいほど小さく、大きいほど大きくなる。したがって、本発明によっても１番目から４番目の発明とほぼ同様の作用及び効果を得ることができる。本発明の場合、上記総気体質量の変化量が小さい場合に上記各保存則で用いられる容積の値を大きくし、上記総気体質量の変化量が大きい場合に上記各保存則で用いられる容積の値を小さくするのが好ましい。
【００２２】
【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。図１は本発明を４気筒の内燃機関へ適用した場合の全体説明図であり、図２はその内燃機関の一気筒について示した説明図である。なお、後述するように、本実施形態の内燃機関は筒内噴射型火花点火式内燃機関であるが、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することもできる。
【００２３】
図２に示したように、本実施形態において機関本体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。更に、図２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。
【００２４】
各気筒の吸気ポート７は下流側の吸気管であって各気筒へ向かって枝分かれしている吸気枝管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。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。なお、本明細書においては吸気通路のうちのスロットル弁１８から吸気弁６に至る部分を吸気管部分１３´と称し、この吸気管部分１３´内の圧力及び温度をそれぞれ吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍと称することとする。
【００２５】
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。排気通路（排気ポート、排気管等）と吸気通路（吸気ポート、吸気枝管等）とは排気再循環通路（ＥＧＲ通路）２１を介して互いに連結され、このＥＧＲ通路２１内にはＥＧＲ通路２１を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（ＥＧＲ弁）２２が配置される。より詳細には、図１に示されているように上記ＥＧＲ通路２１はＥＧＲ弁２２の下流で枝分かれしてＥＧＲ枝通路２３となり、各気筒へ向かう吸気枝管１３にそれぞれ接続される。また、各ＥＧＲ枝通路２３の吸気枝管１３との接続部近傍には絞り部２４が設けられている。
【００２６】
なお、上述したようにＥＧＲ枝通路２３を各吸気枝管１３に接続しているのは、ＥＧＲガスを気筒の近くで供給するようにしてＥＧＲガスを利用した機関制御の応答性を向上するためである。また、各ＥＧＲ枝通路２３の吸気枝管１３との接続部近傍に絞り部２４が設けられているのは、各気筒に均等にＥＧＲガスを供給するためである。すなわち、吸気枝管１３との接続部までのＥＧＲ枝通路２３の形状や長さ等は各ＥＧＲ枝通路２３によって異なるためにその流動抵抗が異なり、上記絞り部２４で調整しないと各気筒に均等にＥＧＲガスを供給することができないのである。
【００２７】
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。排気管１９には、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの圧力及び温度をそれぞれ検出するための排気圧センサ４１及び排気温センサ４２が設けられており、それぞれ排気圧及び排気温に比例した出力電圧を発生する。これら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。
【００２８】
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、ステップモータ１７及びＥＧＲ弁２２に接続される。
なお、ＥＧＲ弁２２の開度については、ＥＧＲ弁２２へ送信されたステップ信号の累積値（ステップ数）に基づいてＣＰＵ３５において計算により求められる。
【００２９】
ところで、内燃機関の制御装置として、燃焼室において燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比にするために、吸気弁が閉じた時に燃焼室内に充填されている吸気ガスの量（筒内充填ガス量）Ｍｃを推定し、推定された筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて混合気の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁によって噴射する燃料の量（以下、「燃料噴射量」と称す）を定めるものが公知である。そしてこのような場合、内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比を正確に目標空燃比とするためには、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に推定する必要がある。
【００３０】
通常、このような筒内充填ガス量Ｍｃは、流量センサ（エアフローメータ）等の多数のセンサ、及びこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定されるが、このようにマップを用いて筒内充填ガス量Ｍｃを推定する場合、推定される筒内充填ガス量Ｍｃの値をより正確なものにするためには、必要なマップの数及びその引数の数が多くなる。このようにマップの数が多くなると、マップを保存するためのＥＣＵのＲＯＭを記憶容量の大きいものにしなければならず、内燃機関の制御装置の製造コストが高くなってしまう。更に、各マップを作成するにはマップが搭載される車種毎に適合を行わなければならないため、マップの数及びその引数の数が多くなると適合を行う際の労力が多大となってしまう。
【００３１】
そこで、マップを用いずに様々な流体モデルを用いて、数値計算により筒内充填ガス量Ｍｃを算出する内燃機関の制御装置が検討されている。このような制御装置では、数値計算を多用することにより必要なマップの数を極力減らすようにしており、これにより適合作業を行う際の工数を大幅に削減しながらも、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に算出することができる。このような制御装置のうち本願出願人により提案されたものの一つに、図３に示した吸入ガス量モデルＭ２０を搭載した制御装置がある（特願２００１−３１６３５０号）。図示した吸入ガス量モデルＭ２０はＥＧＲ機構を装備していない内燃機関に適用される最も単純なモデルであるが、モデルを用いた内燃機関制御の一例として以下でこの吸入ガス量モデルＭ２０について説明する。
【００３２】
吸入ガス量モデルＭ２０は、図３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（スロットル弁開度）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（または、吸気管に吸入される空気の圧力）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（または、吸気管に吸入される空気の温度）Ｔａと、後述する吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内の圧力（吸気管内圧力）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。
【００３３】
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吸気ガスの流量（以下、「筒内吸入ガス流量ｍｃ」と称す。なお、筒内吸入ガス流量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、吸気管内に存在する吸気ガスの圧力、すなわち吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内に存在する吸気ガスの温度、すなわち吸気管内温度Ｔｍとが算出される。吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍは共に吸気弁モデルＭ２３へ入力され、更に吸気管内圧力ＰｍはスロットルモデルＭ２１にも入力される。
【００３４】
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吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの他に大気温度Ｔａ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弁モデルＭ２３のモデル式に代入することで、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。算出された筒内吸入ガス流量ｍｃは、筒内充填ガス量Ｍｃに変換され、この筒内充填ガス量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ガス流量ｍｃは吸気管モデルＭ２２に入力される。
【００３５】
図３から分かるように、吸入ガス量モデル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、吸入ガス量モデル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ガス量Ｍｃが算出される。
【００３６】
次に、吸入ガス量モデル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、大気温度Ｔａ、吸気管内圧力Ｐｍ、スロットル弁開度θｔから、下記数１に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔが算出される。ここで、数１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４に示したようなマップから定まる。また、Ａｔ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及び開口断面積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は気体定数に関連する定数であり、気体定数Ｒｍを１mol当たりの空気の質量Ｍａで除算した値である（Ｒ＝Ｒｍ／Ｍａ）。
【００３７】
【数１】
また、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記数２に示した関数であり、この数２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５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２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。
【００３９】
【数２】
これらスロットルモデルＭ２１の数１及び数２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を通過した気体の圧力を吸気管内圧力Ｐｍとして、図６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、エネルギー保存則及び運動量保存則を適用し、更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。
【００４１】
吸気管モデルＭ２２では、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、筒内吸入ガス流量ｍｃ、及び大気温度Ｔａから、下記数３及び数４に基づいて吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出される。なお、数３及び数４におけるＶｍはスロットル弁から吸気弁までの吸気管部分１３´の容積に等しい定数である。
【００４２】
【数３】
【数４】
ここで、吸気管モデルＭ２２について図７を参照して説明する。吸気管部分１３´の総気体質量をＭとすると、総気体質量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、すなわち筒内吸入ガス流量ｍｃとの差に等しいため、質量保存則により下記数５が得られ、この数５及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、数３が得られる。
【００４５】
【数５】
また、吸気管部分１３´の気体のエネルギー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ーと吸気管部分１３´から流出する気体のエネルギーとの差に等しい。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吸気管内温度Ｔｍとすると、エネルギー保存則により下記数６が得られ、この数６及び上記気体の状態方程式より、数４が得られる。
【００４７】
【数６】
吸気弁モデルＭ２３では、吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、及び大気温度Ｔａから、下記数７に基づいて、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。なお、数７におけるａ、ｂは、機関回転数ＮＥから、更に吸気弁の位相角（バルブタイミング）及び作用角を変更できる可変動弁機構を備えた内燃機関の場合には吸気弁６の位相角、作用角から定まる適合パラメータである。
【００４９】
【数７】
上述した吸気弁モデルＭ２３について図８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吸気ガスの量である筒内充填ガス量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、筒内充填ガス量Ｍｃは、吸気管内圧力Ｐｍに比例すると近似することができる。
【００５１】
ここで、単位時間当たりに吸気管部分１３´から流出する全吸気ガス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に吸入される吸気ガスの量を一つの気筒の吸気行程に亘って（後述するように本実施形態ではクランク角１８０°分）平均化したものを筒内吸入ガス流量ｍｃ（以下で詳述する）とすると、筒内充填ガス量Ｍｃが吸気管内圧力Ｐｍに比例することから、筒内吸入ガス流量ｍｃも吸気管内圧力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７が得られる。なお、数７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。また、実際の運転では過渡時に吸気管内温度Ｔｍが大きく変化する場合があるため、これに対する補正として理論及び経験則に基づいて導かれたＴａ／Ｔｍが乗算されている。
【００５２】
ここで、筒内吸入ガス流量ｍｃについて、図９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９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に実際に流入する吸気ガスの量である。図９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内へ吸気ガスが流入する。吸気管部分１３´から各気筒の燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量の変位は図９に破線で示した通りであり、これを総合して吸気管部分１３´から全気筒の燃焼室５に流入する吸気ガスの流量は図９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ガス量Ｍｃは図９に斜線で示した部分に相当する。
【００５３】
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に流入する吸気ガスの量を平均化したものが筒内吸入ガス流量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ガス流量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ガス量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ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算することで、筒内充填ガス量Ｍｃを算出することができる（Ｍｃ＝ｍｃ・ΔＴ180 °）。より詳細には、筒内充填ガス量Ｍｃは吸気弁閉弁時の圧力に比例することから、吸気弁閉弁時の筒内吸入ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算したものが筒内充填ガス量Ｍｃとされる。なお、以上の説明からも明らかなように、数７における値ｂにΔＴ180 °を乗算し、更にＴａ／Ｔｍ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。
【００５４】
次に、上記吸入ガス量モデルＭ２０を内燃機関の制御装置に実装して、実際に筒内充填ガス量Ｍｃを算出する場合について説明する。筒内充填ガス量Ｍｃは吸入ガス量モデルＭ２０を用いて、上記数１、数３、数４、及び数７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Δｔを用いて数１、数３、数４、及び数７を離散化すると、それぞれ下記数８、数９、数１０、及び数１１が得られる。なお、吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）は、数９及び数１０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１２によって算出される。
【００５５】
【数８】
【数９】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
このようにして実装された吸入ガス量モデルＭ２０では、スロットルモデルＭ２１の数８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１１で算出された時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ２２の数９及び数１０に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）及び吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）及びＴｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ２１及び吸気弁モデルＭ２３の数８及び数１１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）及び筒内吸入ガス流量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における筒内吸入ガス流量ｍｃが算出され、算出された筒内吸入ガス流量ｍｃに上記時間ΔＴ180 °を乗算することで、任意の時刻ｔにおける筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００６１】
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、吸気管内圧力Ｐｍは大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、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。
【００６２】
なお、上記吸入ガス量モデル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８、数１０、及び数１１に代入するようにしてもよい。
【００６３】
ところで、以上で説明した吸入ガス量モデルＭ２０は、上述したようにＥＧＲ機構を備えていない内燃機関に適用される最も単純なモデルであり、これをそのまま図１及び図２に例示したようなＥＧＲ機構を備えた内燃機関に適用すると十分な精度が得られず制御上の不都合が生じてしまう。特に、上述の吸入ガス量モデルＭ２０において吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍとを算出している吸気管モデルＭ２２について考えてみると、ＥＧＲ機構を備えた内燃機関では、ＥＧＲガスの導入があるためにモデル式の形が数３及び数４とは異なるものとなると考えられる。すなわち、モデル化の対象となる部分の容積をＶとし、ＥＧＲ弁通過ガス流量をｍｅｇｒ、排気温をＴｅとすると、数３及び数４を導出したのと同様に質量保存側、エネルギー保存則、気体の状態方程式等を用いて以下の数１３及び数１４が得られる。
【００６４】
【数１３】
【数１４】
そして更に、これらを上述の数９及び数１０を求めたのと同様に離散化すると以下の数１５及び数１６が得られ、ＥＧＲ機構を備えた内燃機関においては、これらの式に基づいて吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍとが算出されることになる。
【００６７】
【数１５】
【数１６】
ここでモデル化の対象となる部分の容積Ｖについて考えてみると、上述の吸気管モデルＭ２２においてはモデル化の対象となる部分の容積Ｖは吸気管部分１３´の容積Ｖｍであり、機関の運転状態にかかわらず一定であった。これに対し、ＥＧＲ機構付きの内燃機関においては、以下で説明するように、モデル化の対象となる部分をＥＧＲ通路２１のＥＧＲ弁２２より下流側の部分（以下、「ＥＧＲ弁下流側部分」と称す）２３´の存在を考慮して決定する必要があると共に、上述した絞り部２４の影響によりモデル化の対象となる部分の容積Ｖを一定と考えてしまうと精度良く吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍを算出することができない場合がある。
【００７０】
すなわち、上述したような構成のＥＧＲ通路２１を有した内燃機関においては、上記吸気管部分１３´内の圧力変化が緩やかな場合には、上記絞り部２４の影響は殆ど無く、上記吸気管部分１３´内の圧力ＰｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力Ｐｇはほぼ同じになると考えられるので、ＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇは上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍと共にモデル化の対象部分の容積Ｖに含めて良いと考えられる。つまり、この場合、モデル化対象部分の容積Ｖは上記吸気管部分１３´の容積ＶｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇを合わせたものとなる（Ｖ＝Ｖｍ＋Ｖｇ）。
【００７１】
これに対し、上記吸気管部分１３´内の圧力変化が激しい場合には、ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力Ｐｇは上記吸気管部分１３´内の圧力Ｐｍの変化に追従できず、これら二つの部分内の圧力は異なるものとなると考えられる。したがって、ＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇのすべてをモデル化の対象部分の容積Ｖに含めるのは妥当ではなく、このような場合にモデル化対象部分の容積Ｖを上記吸気管部分１３´の容積ＶｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇを合わせたものとして吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍを求めるとその算出精度は低いものとなってしまう。
【００７２】
そこで、本実施形態では以上のような点を考慮し、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐに応じて上記数１５及び数１６における容積Ｖの値を変化せしめ、算出される吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの精度の向上を図っている。すなわち、上記容積Ｖは以下の数１７によって決定される。
【００７３】
【数１７】
ここでｑは、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐに応じて決定される係数（ｑ＝ｆ１（ｖｐ））であって、上記ｖｐが小さいほど大きな値をとり、最小値は０、最大値は１である。この数１７によれば、例えば上記ｖｐが非常に小さい時には上記容積Ｖが上記吸気管部分１３´の容積ＶｍとＥＧＲ弁下流側部分２３´の容積Ｖｇとの和とされる。一方、上記ｖｐが非常に大きい時には上記容積Ｖが上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍのみとされ、また、上記ｖｐが上記の二つの場合の中間的な値をとる場合には上記容積Ｖの値も上記の二つの場合の中間的な値とされる。このように上記容積Ｖを可変とすることで算出される吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの精度の向上を図ることができる。
【００７５】
より具体的には、本実施形態においては、上記係数ｑは上記ｖｐと相関関係のある機関回転数ＮＥに応じて決定される（ｑ＝ｆ２（ＮＥ））。すなわち、機関回転数ＮＥを上記ｖｐを表すパラメータとして用いる。上記ｖｐは機関回転数ＮＥに依存し、低回転ほど小さく、高回転ほど大きい傾向がある。したがって、図１０に示すような係数ｑの機関回転数ＮＥに対するマップを作成することができ、これを事前に求めてＲＯＭ３４に記憶させておけば、このマップに基づいて機関回転数ＮＥに応じた係数ｑを決定することができる。そして、決定された係数ｑを用いて数１７から適切な上記容積Ｖを決定することができる。
【００７６】
なお、制御を単純化するために係数ｑの中間的な値を省略し、予め定めた機関回転数ＮＥｃを切替点として、ＮＥ≦ＮＥｃではｑ＝１、ＮＥ＞ＮＥｃではｑ＝０となるようにしても一定の算出精度の向上を図ることができる。
【００７７】
次に本発明の別の実施形態であって、別の方法で上記容積Ｖを決定するものについて説明する。この実施形態は上記容積Ｖの決定方法以外は上述の第１の実施形態と同様であるので、以下では主に本実施形態における上記容積Ｖの決定方法について説明する。
【００７８】
上述した第１の実施形態においては、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐが機関回転数ＮＥに依存し、低回転ほど小さく、高回転ほど大きい傾向がある点に着目し、上記容積Ｖを機関回転数ＮＥに応じて変化させたが、より厳密には、低回転であってもスロットル弁開度の変化が大きければ上記ｖｐは大きく、高回転であってもスロットル弁開度の変化が小さければ上記ｖｐは小さい。そこで本実施形態では、上記ｖｐに対してより高い相関性を有する値を用いて上記容積Ｖを決定し、更なる算出精度の向上を図る。
【００７９】
すなわち、上記ｖｐは、一定期間（例えば、離散時間、計算間隔、単位時間等）内における上記吸気管部分１３´内の総気体質量の変化量Δｍに比例するので、この値を上記ｖｐを表すパラメータとし、この値に応じて上記容積Ｖを決定するようにする（Ｖ＝ｆ３（Δｍ））。この総気体質量の変化量Δｍは、単位時間内の場合を例にとれば上記総気体質量の変化速度の大きさであり、総気体質量の変化量Δｍ（ｇ／ｓ）＝｜ｍｔ（ｇ／ｓ）＋ｍｅｇｒ（ｇ／ｓ）−ｍｃ（ｇ／ｓ）｜と表すことができる。このΔｍの値が大きいほど上記ｖｐが大きく、Δｍの値が小さいほど上記ｖｐが小さいので、Δｍの値が大きいほど上記容積Ｖが小さく、Δｍの値が小さいほど上記容積Ｖが大きくなるように上記容積Ｖの値を変化せしめることで算出される吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの精度の向上を図ることができる。上記Δｍの値に応じて適切な上記容積Ｖを決定するためのマップは事前に求めてＲＯＭ３４に記憶させておく。このようなマップの一例を図１１に示す。
【００８０】
なお、上記ｖｐは、一定期間内における上記吸気管部分１３´内の総気体質量の変化量Δｍに比例するので、例えば他の制御との関係で上記吸気管部分１３´内へ流入するガス量であるスロットル弁通過空気流量及びＥＧＲ弁通過ガス流量、並びに上記吸気管部分１３´内から流出するガス量である筒内吸入ガス流量の各値が充填率（すなわち、一気筒の総行程容積分の空気の質量に対する質量比）ＫＬｍｔ、ＫＬｅｇｒ並びにＫＬｍｃで表されて得られる場合には、これらを一定期間内における質量の変化量に対応する値に換算すべく機関回転数ＮＥを乗算する必要がある。すなわち、上記ｖｐは、（ＫＬｍｔ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬｍｃ）×ＮＥの絶対値に比例することになる。したがって、このような場合には、この（ＫＬｍｔ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬｍｃ）×ＮＥの絶対値に応じて適切な上記容積Ｖを決定するための図１１と同様なマップを作成することができる（Ｖ＝ｆ４（｜（ＫＬｍｔ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬｍｃ）×ＮＥ｜））。
【００８１】
また、ＫＬＴＡを定常状態（すなわち、スロットル弁開度、ＥＧＲ弁開度、機関回転数を一定に保持した状態）における筒内吸入空気流量の値を上記充填率で表したもの、ＫＬＣＲＴを現時点の筒内吸入ガス流量の値を上記充填率で表したものとすると、（ＫＬＴＡ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬＣＲＴ）×ＮＥの絶対値を引数として上記容積Ｖを決定するマップを作成することもできる（Ｖ＝ｆ５（｜（ＫＬＴＡ＋ＫＬｅｇｒ−ＫＬＣＲＴ）×ＮＥ｜））。
【００８２】
更に、他の制御との関係で各機関回転数ＮＥにおいて上記ＫＬＴＡへ収束するための時定数Ｅｔがマップ等から容易に求められる場合には、時定数Ｅｔを引数として上記容積Ｖを決定するようにしてもよい（Ｖ＝ｆ６（Ｅｔ））。すなわち、時定数Ｅｔが大きい場合は収束に時間のかかる場合であり、上記ｖｐは小さいと考えられるので、上記容積Ｖは大きくされる。一方、時定数Ｅｔが小さい場合は素早く収束する場合であり、上記ｖｐは大きいと考えられるので、上記容積Ｖは小さくされる。なお、上記時定数Ｅｔのマップは、例えば、時定数Ｅｔの機関回転数ＮＥと上記ＫＬＴＡに対するマップ（Ｅｔ＝ｆ７（ＮＥ，ＫＬＴＡ））、あるいは時定数Ｅｔの機関回転数ＮＥ、スロットル弁開度θｔ、ＥＧＲ弁開度ＳＴＰに対するマップ（Ｅｔ＝ｆ８（ＮＥ，θｔ，ＳＴＰ））等である。
【００８３】
なお、以上の説明においては、ＥＧＲ弁機構付きの内燃機関を例にとって説明したが、本発明の上記容積Ｖを可変とする考え方はこれに限定されるものではなく、例えば図１２に示したようなバキュームタンクシステムを備える内燃機関に対しても適用することができる。
【００８４】
図１２は、バキュームタンクシステムを備えた内燃機関についての図２と同様の図である。図１２に示された内燃機関の構成は、ＥＧＲ機構がバキュームタンクシステムに変更されていることを除いて図１及び図２に示されたものと同じである。図１２中、２５はバキュームタンク、２６は逆止弁、２７は制御弁を示す。逆止弁２６はバキュームタンク２５から上記吸気管部分１３´へ向かう流れのみを許容する。すなわち、逆止弁２６は上記吸気管部分１３´内に生じる吸気負圧によって開き、バキュームタンク２５内の気体が上記吸気管部分１３´へと流入する。そしてこれによってバキュームタンク２５内に負圧が発生することになる。制御弁２７のバキュームタンク２５が連結される端部とは反対側の端部にはバキュームタンク２５内に生ずる負圧を利用して駆動される被駆動機器（例えばバルブ）等が連結され得る。制御弁２７が開かれるとバキュームタンク２５内の負圧によって被駆動機器側からバキュームタンク２５内に気体が流れ込み、その結果として被駆動機器が駆動される。制御弁２７を制御することでその被駆動機器を制御することができる。なお、制御弁２７は対応する駆動回路３９を介して出力ポート３７へ接続されており、ＥＣＵ３１からの信号によって制御することができる。
【００８５】
上述したようなバキュームタンクシステムは、制御弁２７を介してバキュームタンク２５内へ気体が導入され、逆止弁２６を介して上記吸気管部分１３´内に気体が流入せしめられることを考慮すると、流体モデルとして見た場合、先に説明したＥＧＲ機構の場合と類似した構成となっていることがわかる。すなわち、制御弁２７がＥＧＲ弁２２、バキュームタンク２５がＥＧＲ弁下流側部分２３´、逆止弁２６が絞り部２４にそれぞれ対応する。
【００８６】
したがって、図１２に示したようなバキュームタンクシステムを備えた内燃機関においても上述した数１３及び数１４（すなわち、数１５及び数１６）に基づいて吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍとが算出されることになる。この場合、上述した対応関係からも明らかなように、各式中のｍｅｇｒは制御弁２７を通過する気体流量に、Ｔｅはその気体の温度に置換される。
【００８７】
そして、この場合においてもモデル化の対象となる部分の容積Ｖを可変とすることで、算出される吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍの精度を向上することができる。すなわち、逆止弁２６が完全に閉じている場合には上記容積Ｖは上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍのみとすることができると考えられるが、逆止弁２６が開いている場合には逆止弁２６は上述したＥＧＲ機構の絞り部２４と同様に作用すると考えられ、上述した他の実施形態と同様に上記容積Ｖを変化せしめることで吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍの算出精度の向上を図ることができる。
【００８８】
ここで、逆止弁２６は、上記吸気管部分１３´内の圧力Ｐｍがバキュームタンク内の圧力Ｐｖよりも所定圧力ΔＰｖだけ高い時（Ｐｍ≧Ｐｖ＋ΔＰｖ）には完全に閉じられている一方、開く場合には上記圧力Ｐｍが上記Ｐｖよりも小さくなった時（Ｐｍ＜Ｐｖ）に開き始めるという特性がある。
この特性を考慮して、本実施形態においては、Ｐｍ≧Ｐｖ＋ΔＰｖである場合には、上記容積Ｖが上記吸気管部分１３´の容積Ｖｍとされて吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出される一方、Ｐｍ＜Ｐｖである場合には、上述した他の実施形態の場合と同様に、上記吸気管部分１３´内の圧力の変化速度の大きさｖｐに応じて上記容積Ｖが決定され、その値に基づいて吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出される。上述した他の実施形態の説明から明らかであると思われるので詳細な説明は省略するが、このＰｍ＜Ｐｖである場合には、機関回転数ＮＥや上述したΔｍ等に基づいて適切な上記容積Ｖを決定するマップが作成され、これに基づいて決定された上記容積Ｖを用いて数１５及び数１６から吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍが算出され得る。
【００８９】
ところで、上述した数１５及び数１６によって実際に吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍを求めるためには、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、筒内吸入ガス流量ｍｃを求める必要がある。実際、これらの値は様々な方法で求めることが可能であり、以下ではこれらの値を求める方法の例について簡単に説明する。
【００９０】
まず、これらのうちスロットル弁通過空気流量ｍｔ及び筒内吸入ガス流量ｍｃについては、上述したスロットル弁モデルＭ２１及び吸気弁モデル２３と同様の考え方を適用して求めることが出来る。すなわち、上述の数８（数１）及び数１１（数７）に基づいて算出することが可能である。
【００９１】
一方、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒについては、上述したスロットル弁モデルＭ２１の考え方を応用することにより、数１に対応し以下の数１８が得られる。
【００９２】
【数１８】
ここで、μｅはＥＧＲ弁２２における流量係数を、ＡｅはＥＧＲ弁２２における開口断面積を、Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）はＰｍ／Ｐｅの関数を、それぞれ表している。なお、流量係数μｅ及び開口断面積ＡｅはＥＧＲ弁２２の開度ＳＴＰによって定まる値である。
【００９４】
また、関数Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）は、上述した数２と同様に、比熱比κを用いて以下の数１９により表される。
【００９５】
【数１９】
そして、これらの式に、排気圧センサ４１から得られる排気圧Ｐｅ、排気温センサ４２から得られる排気温Ｔｅ、数１５及び数１６から得られる吸気管内圧力Ｐｍ等を代入することでＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを求めることができる。
【００９７】
なお、数１５及び数１６におけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒは、より厳密には上記のモデル化の対象となる部分の容積Ｖに流入するＥＧＲガス流量を意味しているのに対し、上記数１８で求められる流量ｍｅｇｒは、上述の説明から明らかなように、上流側圧力がＰｅ、下流側圧力がＰｍである場合にＥＧＲ弁２２を通過するガス流量を示している。したがって、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´等が上記容積Ｖに含まれない場合には、上記数１８で求められる流量は数１５及び数１６で用いられるべき流量とは厳密には異なる値になると考えられる。しかしながら、ＥＧＲ弁２２を通過するガス流量と絞り部２４を通過するガス流量とは概ね一致するので、上記数１８により求められるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを用いることによって、一定の精度を保ちつつ、モデル及び計算の複雑化を避けることが可能となる。なお、当然のことながら他の方法により数１５及び数１６で用いられる流量ｍｅｇｒを求めても良い。
【００９８】
次に更に他の実施形態について説明する。これまでに説明した実施形態の算出装置においては、図２におけるＥＧＲ弁下流側部分２３´や図１２におけるバキュームタンク２５等の存在を、上記吸気管部分１３´内の圧力Ｐｍや温度Ｔｍを求める際にエネルギー保存則及び質量保存側で用いられる容積Ｖを可変にすることによって考慮し、上記圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍの算出精度の向上を図っている。すなわち、これまでに説明した実施形態においては、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´や上記バキュームタンク２５と、上記吸気管部分１３´とが一体的に考えられている。これに対し、本実施形態の算出装置では、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´や上記バキュームタンク２５と、上記吸気管部分１３´とが別々に捉えられ、それぞれについて別個にモデル化することにより、上記圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍの算出精度の向上が図られる。この方法は、図１及び図２に示されたようなＥＧＲ機構付きの内燃機関の場合にも、また図１２に示されたようなバキュームタンクシステムを備えた内燃機関の場合にも実施可能であるが、以下ではＥＧＲ機構付きの内燃機関の場合を例にとって説明する。
【００９９】
すなわち、図１及び図２に示されるようなＥＧＲ機構付きの内燃機関において、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の温度をＴｇとし、絞り部２４を通過するガス流量をｍｅｇｒｉとすると、上記吸気管部分１３´に対して上述した数１３及び数１４と同様に以下の数２０及び数２１が得られる。
【０１００】
【数２０】
【数２１】
また、絞り部通過ガス流量ｍｅｇｒｉは、上述した数１の場合と同様にして以下の数２２により表すことができる。
【０１０３】
【数２２】
ここで、Ｐｇは上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力を、μｓは絞り部２４における流量係数を、Ａｓは絞り部２４における開口断面積を、Φ（Ｐｍ／Ｐｇ）はＰｍ／Ｐｇの関数を、それぞれ表している。なお、流量係数μｓ及び開口断面積Ａｓはそれぞれ定数となる。
【０１０５】
また、関数Φ（Ｐｍ／Ｐｇ）は、上述した数２と同様に、比熱比κを用いて以下の数２３により表される。
【０１０６】
【数２３】
同様にして、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´に対しては上記数１３及び数１４ならびに上記数２０及び数２１に対応して以下の数２４、数２５が成立する。
【０１０８】
【数２４】
【数２５】
そして、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒについては、上述した数１８及び数１９とほぼ同様であるが、本実施形態においてはＥＧＲ弁２２の下流側の圧力をＰｇとして求めるために、以下の数２６及び数２７のようになる。
【０１１１】
【数２６】
【数２７】
すなわち、これら数２６及び数２７を数１８及び数１９と比較すると、数１８及び数１９における吸気管内圧力Ｐｍが数２６及び数２７では上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´内の圧力Ｐｇに置き換えられている。
【０１１４】
ここで、上記数２０、数２１、数２２、数２４、数２５、数２６を上述の数８から数１０を求めたのと同様に離散化すると以下の数２８、数２９、数３０、数３１、数３２、数３３が得られる。
【０１１５】
【数２８】
【数２９】
【数３０】
【数３１】
【数３２】
【数３３】
そして、これらの式並びに上述の数８及び数１１等に基づいて吸気管内圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍ並びにＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇ及び温度Ｔｇがそれぞれ算出される。この算出方法については本明細書におけるこれまでの説明から概ね明らかであると思われるので詳細な説明は省略するが、以下で簡単に説明する。
【０１２２】
すなわち、時刻ｔ＝ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍ、並びにＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇ及び温度Ｔｇは、時刻ｔ＝ｔにおけるＰｍ及びＴｍ並びにＰｇ及びＴｇ等を用いて数８、数１１、数３０、数３３から求められた値を数２８、数２９、数３１、数３２に代入することにより求めることができる。したがって、数８、数１１、数３０、数３３から求められた値を数２８、数２９、数３１、数３２へ代入し、またそこで求められたＰｍ及びＴｍ並びにＰｇ及びＴｇを数８、数１１、数３０、数３３へ代入して新たに数２８、数２９、数３１、数３２へ代入する値を求めるという計算を繰り返すことによって、任意の時刻における吸気管内圧力Ｐｍ及び温度Ｔｍ並びにＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇ及び温度Ｔｇを求めることができる。
【０１２３】
なお、時刻ｔ＝０においては、吸気管内圧力Ｐｍ及びＥＧＲ弁下流側部分内圧力Ｐｇが大気圧と等しく（Ｐｍ（０）＝Ｐｇ（０）＝Ｐａ）、吸気管内温度Ｔｍ及びＥＧＲ弁下流側部分内温度Ｔｇは大気温と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔｇ（０）＝Ｔａ）として計算が開始される。
【０１２４】
以上、説明したように、本実施形態によれば、上記ＥＧＲ弁下流側部分２３´と、上記吸気管部分１３´とが別個にモデル化され、エネルギー保存則及び質量保存則の適用対象となる部分の容積も別々に且つ正確に設定されることになるので、吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの算出精度を一層向上することができる。
【０１２５】
なお、以上の各実施形態の説明においては吸気管内圧力Ｐｍ及び吸気管内温度Ｔｍの両方を算出するように説明したが、何れか一方のみを算出するようにしてもよい。例えば、吸気管内温度Ｔｍを大気温Ｔａと等しいとして吸気管内圧力Ｐｍのみを算出するようにしてもよい。
【０１２６】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明は、スロットル弁から吸気弁に至るまでの吸気管部分に絞り手段を介して気体が導入される内燃機関においても吸気管内圧力と吸気管内温度のうちの少なくとも一方を精度良く算出することができるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の算出装置を備えた内燃機関全体を示す説明図である。
【図２】図１の内燃機関の一気筒について示した説明図である。
【図３】ＥＧＲ機構を備えていない内燃機関に適用可能な吸入ガス量モデルを示す図である。
【図４】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５】関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。
【図６】スロットルモデルの基本概念を示す図である。
【図７】ＥＧＲ機構を備えていない内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図８】吸気弁モデルの基本概念を示す図である。
【図９】筒内充填ガス量及び筒内吸入ガス流量の定義に関する図である。
【図１０】係数ｑと機関回転数ＮＥとの関係を示す線図（マップ）の一例である。
【図１１】容積Ｖと同容積Ｖ内の総気体質量の変化量Δｍとの関係を示す線図（マップ）の一例である。
【図１２】バキュームタンクシステムを備えた内燃機関についての図２と同様の図である。
【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
１１…燃料噴射弁
１３…吸気枝管
１８…スロットル弁
２２…ＥＧＲ弁
Claims (6)
- 内燃機関の吸気通路のうちのスロットル弁から吸気弁に至るまでの吸気管部分に接続されている気体流通手段であって、該気体流通手段の上流側端部に設けられた第１の絞り手段を介して気体が導入され、上記気体流通手段の下流側端部に設けられた第２の絞り手段を介して上記吸気管部分へと気体を流入せしめる気体流通手段を具備した内燃機関において上記吸気管部分内の圧力と温度のうちの少なくとも一方をエネルギー保存則及び質量保存則に基づいて算出する装置であって、エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる容積の値が上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさに応じて変化せしめられることを特徴とする算出装置。
- 上記気体流通手段が燃焼室から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の一部であり、上記第１の絞り手段が上記排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整すべく上記排気再循環通路に設けられた制御弁であり、上記第２の絞り手段が上記制御弁よりも下流において上記排気再循環通路に設けられた絞り部であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- エネルギー保存則及び質量保存則で用いられる上記容積の値は、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが小さい時には、上記吸気管部分の容積と上記制御弁から上記絞り部に至るまでの上記排気再循環通路の容積とを合わせたものとされ、上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさが大きい時には、上記吸気管部分の容積とされることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
- 上記気体流通手段が上記吸気管部分へ気体を流入せしめることで内部に負圧を発生するバキュームタンクであり、上記第１の絞り手段が上記バキュームタンクの負圧を利用するために制御される制御弁であり、上記第２の絞り手段が上記吸気管部分と上記バキュームタンクとの間に設けられた逆止弁であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを表すパラメータとして機関回転数が用いられることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の装置。
- 上記吸気管部分内の圧力の変化速度の大きさを表すパラメータとして一定期間内における上記吸気管部分内の総気体質量の変化量が用いられることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の装置。
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