JP4211380B2

JP4211380B2 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP4211380B2
Application number: JP2002365576A
Authority: JP
Inventors: 晴文武藤; 雄一郎井戸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: JP2004197607A

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し、特に、吸気管へ接続されて新気以外のガスを気筒内へ導入する導入管を備える内燃機関の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気管へ接続された導入管として排気再循環通路を備える内燃機関においては、気筒内への吸入排気ガス量を把握することが必要であり、そのためには、排気再循環通路を通過する排気ガス量を把握しなければならない。
【０００３】
ところで、スロットル弁下流側の吸気管をモデル化して、逐次的に、吸気管へ流入するスロットル弁通過空気量及び吸気管から流出する吸入空気量の質量保存則及びエネルギ保存則等に基づき吸気管内圧力を算出し、算出された吸気管圧力に基づきスロットル弁通過空気量及び吸入空気量を算出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この考え方に排気再循環通路に設けられた制御弁を介して吸気管へは排気ガスも流入することを考慮すれば、制御弁通過排気ガス量も逐次的に算出することができる。制御弁通過排気ガス量は、各制御弁開度において、吸気管圧力の一次式により近似可能であるために、制御弁開度毎に、制御弁通過排気ガス量と吸気管圧力との関係式をマップ化することが好ましい。
【０００５】
制御弁通過排気ガス量は、制御弁下流側の吸気管圧力及び制御弁上流側の排気圧力によって変化するものである。ところで、吸入空気量が少ない領域では、排気圧力は大気圧にほぼ等しく、また、吸入空気量が多い領域では、吸入空気量の増加に応じて排気圧力は上昇する。一方、吸入空気量と吸気管圧力とは比例関係にあるために、制御弁開度毎に、制御弁通過排気ガス量と吸気管圧力との関係式を設定することができる。また、排気圧力は、機関回転数によっても変化するために、前述の関係式は、制御弁開度と機関回転数との二次元マップとすることが好ましい。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１３００３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
こうして吸気管圧力と制御弁通過排気ガス量との関係式を制御弁開度と機関回転数との二次元マップにより設定すれば、現在の吸気管圧力によって制御弁通過排気ガス量を算出することができる。しかしながら、機関回転数の全域を含めた二次元マップでは、多量のデータを記憶しなければならない。
【０００８】
導入管として排気再循環通路の場合を説明したが、キャニスタからのパージ通路が導入管として使用される場合も、前述同様に、パージ通路の制御弁通過パージガス量を算出することができる。この場合にも、吸気管圧力と制御弁通過パージガス量との関係式を制御弁開度と機関回転数との二次元マップにより設定したのでは、多量データの記憶が必要となる。
【０００９】
従って、本発明の目的は、吸気管へ接続された導入管を備える内燃機関の制御装置において、導入管における制御弁を通過する制御弁通過ガス量を算出するために、吸気管圧力により制御弁通過ガス量を算出するための関係式をマップ化して記憶する制御装置において、問題を発生させることなく機関回転数に対するマップ化のデータ量を減少することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、吸気管へ接続された導入管を備える内燃機関の制御装置であって、導入管における制御弁を通過する制御弁通過ガス量を算出するために、吸気管圧力により制御弁通過ガス量の相当値を算出するための関係式をマップ化して記憶する制御装置において、前記関係式は機関回転数に対して特定機関回転数領域においてだけマップ化され、現在の機関回転数が前記特定機関回転数領域外である時には、機関回転数以外を同条件とした前記特定機関回転数領域内の特定機関回転数に対してマップ化された前記関係式を使用して仮の前記制御弁通過ガス量の相当値を算出し、前記仮の制御弁通過ガス量の相当値は、前記特定機関回転数と前記現在の機関回転数との比により補正され、現在の前記制御弁通過ガス量の相当値とされることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記特定機関回転数は、前記特定機関回転数領域内において前記現在の機関回転数に最も近い機関回転数とされることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項３に記載の排気再循環通路を備える内燃機関の制御装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、前記関係式は、前記制御弁の全閉時における吸気管圧力に対する吸入空気量相当値と、前記制御弁の現在の開度における吸気管圧力に対する吸入空気量相当値との差により前記制御弁通過ガス量の相当値を算出するものであることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による点火時期制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気枝管であり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。各吸気枝管３には燃料噴射弁５が配置され、吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁６が配置されている。スロットル弁６は、アクセルペダルに連動するものではなく、ステップモータ等の駆動装置によって自由に開度設定可能なものである。しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、スロットル弁６はアクセルペダルと機械的に連動するものでも良い。７は吸気通路４のスロットル弁６より上流側の吸気流量を検出するエアフローメータである。機関本体１において、８は吸気弁、９は排気弁、１０はピストン、１１は点火プラグである。
【００１４】
１２は機関排気系であり、１３は機関排気系における各気筒の排気集合部下流側と各気筒の吸気枝管３とを連通する排気再循環通路である。排気再循環通路１３を介して排気ガスを気筒内へ供給することにより、燃焼温度を低下させてＮＯ_X発生量の抑制が可能となる。再循環排気ガス量を増加するほどＮＯ_X発生量を抑制することができるが、その一方で機関出力が大幅に低下することとなり、排気再循環通路１３には制御弁１４が配置され、制御弁１４により再循環排気ガス量が制御される。制御弁１４の目標開度は、機関回転数及び機関負荷等により定まる機関運転状態毎に設定されている。ここで、スロットル弁６及び制御弁１４の下流側の機関吸気系（サージタンク２、排気再循環通路１３の一部、及び吸気枝管３）を吸気管と称し、吸気管の容積を吸気管容積と称する。排気再循環通路１３は、吸気管へ接続されて、新気以外のガス、すなわち、排気ガスを気筒内へ導入するための導入管である。
【００１５】
内燃機関１における燃焼空燃比を、例えば、理論空燃比等の所望空燃比にするためには、機関過渡時を含めて気筒内へ流入した吸入空気量を正確に推定することが必要とされる。エアフローメータ７は、機関定常時においては、比較的正確に吸入空気量を測定することができる。しかしながら、機関過渡時においては、急激に変化する吸入空気量に対してエアフローメータ７の出力が直ぐに応答せず、正確な吸入空気量の測定は不可能である。
【００１６】
機関過渡時においても、正確な吸入空気量を把握することを可能とするために、機関吸気系をモデル化して吸入空気量を推定するようになっている。
【００１７】
先ず、スロットル弁６をモデル化することにより、吸気がスロットル弁６を通過する際のエネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式を使用して、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)（ｇ／ｓｅｃ）が、次式（１）によって表される。以下の式を含めて、スロットル弁通過空気量等の変数の添え字（ｉ）は今回を示し、（ｉ−１）は前回を示している。
【数１】

【００１８】
ここで、μ１_(i)は流量係数であり、Ａｔ_(i)はスロットル弁６の開口面積（ｍ³）である。もちろん、機関吸気系にアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ弁）が設けられている時には、Ａｔ_(i)には、ＩＳＣ弁の開口面積が加えられる。流量係数及びスロットル弁の開口面積は、それぞれがスロットル弁開度ＴＡ_(i)（度）の関数となっており、図２及び３には、それぞれのスロットル弁開度ＴＡに対するマップが図示されている。Ｒは気体定数であり、Ｔａはスロットル弁上流側の吸気温度（Ｋ）であり、Ｐａはスロットル弁上流側の吸気通路圧力（ｋＰａ）であり、Ｐｍ_(i)はスロットル弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）である。また、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐａ）は、比熱比κを使用して次式（２）によって表されるものであり、図４にはＰｍ／Ｐａに対するマップが図示されている。
【数２】

【００１９】
図１に示す内燃機関において、吸気管には、スロットル弁６を通過する空気だけでなく、排気再循環通路１３の制御弁１４を介して、機関排気系１２から排気ガスも流入する。それにより、次いで、制御弁１４をモデル化する。排気ガスが制御弁１４を通過する際のエネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式を使用して、今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)（ｇ／ｓｅｃ）が、スロットル弁通過空気量と同様に、次式（３）によって表される。
【数３】

【００２０】
ここで、μ２_(i)は流量係数であり、Ａｅ_(i)は制御弁１４の開口面積（ｍ³）である。流量係数及び制御弁の開口面積は、それぞれが制御弁開度ＥＡ_(i)（度）の関数となっており、図２及び３と同様に、それぞれの制御弁開度ＥＡに対してマップ化されている。Ｒは気体定数であり、Ｔｅは制御弁上流側の排気ガス温度（Ｋ）であり、Ｐｅは制御弁上流側の排気圧力（ｋＰａ）であり、Ｐｍ_(i)は制御弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）である。また、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐｅ）は、式（２）において吸気通路圧力Ｐａを排気圧力Ｐｅに置き換えたものである。
【００２１】
式（３）の右辺において、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐｅ）以外の部分を、制御弁開度ＥＡの関数Ｂとして置き換えると、次式（４）を得ることができる。すなわち、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、任意の制御弁開度において、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐｅ）によってのみ変化するものとすることができる。吸入空気量が少ない領域では、排気圧力Ｐｅは大気圧Ｐａにほぼ等しく、また、吸入空気量が多い領域では、吸入空気量の増加に応じて排気圧力Ｐｅが上昇する。ここで、吸入空気量と吸気管圧力Ｐｍとは比例関係にあるために、制御弁開度が定まれば、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、機関回転数毎に、図５に示すように、吸気管圧力Ｐｍの連続する二つの一次式によって近似することができる。
【数４】

【００２２】
次いで、吸気弁をモデル化する。吸気管から気筒内へ供給される吸入ガス量ｍｃ（ｇ／ｓｅｃ）は、吸気管圧力Ｐｍの一次式により近似することができる。図６は、バルブオーバーラップが所定量の場合を示している。バルブオーバーラップ量が０又は小さく、気筒内の排気ガスが吸気管へ逆流しない場合において、制御弁が全閉されて吸気管が新気によって満たされている時には、吸気管圧力Ｐｍに対する吸入空気量ＫＬは、単なる一次式によって近似可能である。しかしながら、気筒内の排気ガスが吸気管へ逆流するほどバルブオーバーラップ量が大きい場合には、逆流排気ガスにより吸入空気量が減少して吸入空気量ＫＬも低下する。逆流排気ガス量はバルブオーバーラップ量が大きくなるほど多くなり、バルブオーバーラップ時の吸気弁のリフト量が大きいほど多くなる。また、吸気管圧力Ｐｍが所定値ｂを超えて高くなれば、排気ガスは徐々に逆流し難くなるために、この時には、吸入空気量の減少分が徐々に少なくなる。これを考慮して、バルブオーバーラップ量が所定値の時の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとは、図６の実線Ｌ１のように設定することができる。
【００２３】
また、実線Ｌ２は、制御弁開度がＥＡ１であり、制御弁１４を介して排気ガスが吸気管へ流入している時である。制御弁１４を通過する排気ガス量は、機関定常時において、吸気管から気筒内への吸入排気ガス量と等しい。すなわち、機関定常時には、制御弁開度に応じて、吸入排気ガス量が図５に示すと同様に吸気管圧力により一次的に変化する。こうして、吸入排気ガス量に伴う吸入空気量の減少分を考えれば、制御弁開度ＥＡ１の時の吸気管圧力Ｐｍに対する吸入空気量ＫＬを実線Ｌ２のように予め設定することができる。
【００２４】
図６の実線Ｌ３は、制御弁開度がＥＡ１より大きなＥＡ２の時の吸気管圧力Ｐｍに対する吸入空気量ＫＬを示し、気筒内への吸入排気ガス量が全体的に増加することを考慮して、前述同様に設定されている。図６においては省略されているが、吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式は、制御弁１４の開度毎に設定されている。実際的には、次式（５）の形で本吸入空気量推定装置に記憶されている。
ＫＬ＝ｅ（Ｐｍ−ｇ）＋ｒ・・・（５）吸入空気量ＫＬは、同じ吸気管圧力に対して機関回転数に応じて変化するものであり、また、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒに影響する排気圧力Ｐｅ及び吸気管圧力Ｐｍは、機関回転数によっても変化するために、これを考慮して、式（５）において、第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒは、機関回転数及び制御弁開度の二次元マップで設定されれば良い。さらに、本実施形態のように、吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとが図６に示すように折れ線で設定される場合には、第１係数ｅは、吸気管圧力Ｐｍが第２係数ｇと等しくなる時を境に異なる値として設定される。
【００２５】
制御弁が開度０度の時の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式は、次式（６）の形で本吸入空気量推定装置に記憶されている。
ＫＬ＝ａ（Ｐｍ−ｂ）＋ｃ・・・（６）ここで、第４係数ａ、第５係数ｂ、及び、第６係数ｃは、機関回転数の一次元マップで設定されれば良い。また、第４係数ａ、第５係数ｂ、及び、第６係数ｃは、本実施形態のように、バルブオーバーラップを考慮して吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとが図６の実線Ｌ１に示すように設定される場合には、第４係数ａは、吸気管圧力Ｐｍが第５係数ｂと等しくなる時を境に異なる値として設定される。バルブオーバーラップ量が可変とされる場合には、前述の式（５）及び（６）において、第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒは、機関回転数及び制御弁開度だけでなく、バルブオーバーラップ量も含めた三次元マップで設定され、第４係数ａ、第５係数ｂ、及び、第６係数ｃは、機関回転数だけでなく、バルブオーバーラップ量も含めた二次元マップで設定されることが好ましい。但し、第２係数ｇ及び第５係数ｂは、簡単のために、それぞれ機関回転数の一次元マップとしても良く、また、第２係数ｇ及び第５係数ｂを同じ値として機関回転数の一次元マップに設定しても良い。
【００２６】
次いで、吸気管をモデル化する。吸気管内に存在する吸気及び排気ガスの質量保存則、エネルギ保存則、及び、状態方程式を使用して、吸気管圧力Ｐｍと吸気管内のガス温度Ｔｍとの比における時間変化率は次式（７）によって表され、また、吸気管圧力Ｐｍの時間変化率は次式（８）によって表される。ここで、Ｖは吸気管の容積（ｍ³）であり、サージタンク２と吸気枝管３との合計容積とすることができ、また、ｍｃは、気筒内へ吸入される吸入ガス量（ｇ／ｓｅｃ）である。
【数５】

【００２７】
式（７）及び式（８）は離散化され、それぞれ、次式（９）及び（１０）が得られ、式（１０）によって今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)が得られれば、式（９）によって今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)を得ることができる。式（９）及び（１０）において、離散時間Δｔは、現在の吸入ガス量ｍｃ_(i)を算出するためのフローチャート（図７）の実行間隔とされ、例えば８ｍｓである。
【数６】

【００２８】
次に、図７に示すフローチャートを説明する。本フローチャートは、機関始動完了と同時に実行される。先ず、ステップ１０１において、式（１０）を使用して吸気管圧力Ｐｍ_(i)が算出される。式（１０）は、前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)と、前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)と、前回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i-1)と、前回の吸入ガス量ｍｃ_(i-1)と、前回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i-1)と、前回の排気ガス温度Ｔｅ_(i-1)とに基づき、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)を算出するようになっている。これらの初期値として、Ｐｍ_(i-1)には大気圧Ｐａが、Ｔｍ_(i-1)にはスロットル弁上流側の吸気温度Ｔａが、また、Ｔｅ_(i-1)には排気ガス温度がそれぞれ実測又は推定されて使用される。これらの値を使用して、ｍｔ_(i-1)、ｍｅｇｒ_(i-1)、及び、ｍｃ_(i-1)は、以下のステップ１０３、１０４、及び、１０５と同様に算出された値が使用される。次回以降の排気ガス温度Ｔｅに関して、排気温度センサが設けられていない場合には、前回の機関回転数と、前回の吸入空気量ｍａｉｒ又は前回の燃料噴射量等とに基づき推定可能である。
【００２９】
次いで、ステップ１０２において、ステップ１０１において算出された今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づき式（９）を使用して今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)が算出される。次いで、ステップ１０３において、式（１）を使用して今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が算出される。式（１）を使用するスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)の算出において、現在のスロットル弁開度ＴＡは、スロットル弁が駆動装置によって駆動される場合には、駆動装置（ステップモータ）の応答遅れが考慮される。
【００３０】
次いで、ステップ１０４において、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づき、今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)が、式（６）と式（５）との差として次式（１１）により算出される。
ｍｅｇｒ_(i)＝ａ（Ｐｍ_(i)−ｂ）＋ｃ−（ｅ（Ｐｍ_(i)−ｇ）＋ｒ）・・・（１１）
ここで、第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒは、前述したように、現在の機関回転数、及び、現在の制御弁開度に基づき設定された値が使用され、第４係数ａ，第５係数ｂ、及び第６係数ｃは、現在の機関回転数に基づき設定された値が使用される。ここで、第１係数ｅ、第２係数ｇ、第３係数ｒ、第４係数ａ，第５係数ｂ、及び第６係数ｃは、標準大気状態に対して設定されており、ステップ１０２において算出された吸気管内の温度Ｔｍ及び大気温度Ｔａ等に基づき現在の吸気管内の状態に合わせて補正される。また、現在の制御弁開度は、制御弁及びそのアクチュエータの応答遅れを考慮した現在の実際の制御弁開度であり、この現在の制御弁開度に対して第１係数ｅ、第２係数ｇ、第３係数ｒを細かくマップ化しておいても良いが、データ記憶量を減少するために、これらが機関運転状態毎の目標制御弁開度毎にしか設定されていない場合には、二つの目標制御弁開度に対して設定された値を現在の制御弁開度に対して補完して使用することになる。
【００３１】
次いで、ステップ１０５において、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づき今回の吸入ガス量ｍｃ_(i)が算出される。この吸入ガス量ｍｃ_(i)は、制御弁が全閉されて吸気管内が新気により満たされている場合の吸入空気量ＫＬに一致する値であり、式（６）を使用して算出される。
【００３２】
吸入ガス量ｍｃ_(i)は、吸入排気ガス量と吸入空気量との合計であり、今回の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)が解かれば、今回の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)を算出することができる（ｍａｉｒ_(i)＝ｍｃ_(i)−ｍｅｇｒｓｍ_(i)）。ところで、ステップ１０４において算出した今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)は、定常時であれば、今回の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)に一致する。しかしながら、機関過渡時では、制御弁通過排気ガスは、拡散しながら気筒内へ吸入されるために、一次遅れが発生する。また、制御弁から気筒内への輸送遅れによる無駄時間も発生する。こうして、今回の制御弁通過排気ガス量は、遅れて気筒内へ吸入されることとなる。
【００３３】
一次遅れの時定数をτとし、無駄時間をＴｄとすると、現在時刻の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)を時定数によりなました吸入排気ガス量は、今から無駄時間Ｔｄ後の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i+Td/ _Δ _t)となる。
ｍｅｇｒｓｍ_(i+Td/ _Δ _t)＝
Δｔ／τ（ｍｅｇｒ_(i)−ｍｅｇｒｓｍ_(i+Td/ _Δ _t-1)）・・・（１２）
【００３４】
こうして、式（１２）を使用して吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍを算出して記憶しておけば、ステップ１０６において、現在の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)を呼び出すことができる。
【００３５】
次いで、ステップ１０７では、今回の吸入ガス量ｍｃ_(i)から今回の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)を減算することにより、今回の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)を算出する。
【００３６】
次いで、ステップ１０８においては、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)が前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)とされ、ステップ１０９では、今回の吸気管内のガス温度Ｔｍ_(i)が前回の吸気管内のガス温度Ｔｍ_(i-1)とされる。さらに、ステップ１１０では、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)とされ、ステップ１１１では、今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)が前回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i-1)とされ、ステップ１１２では、今回の吸入ガス量ｍｃ_(i)が前回の吸入ガス量ｍｃ_(i-1)とされる。
【００３７】
こうして、吸入空気量ｍａｉｒは、制御弁の開度を考慮して、機関始動完了と同時に逐次算出される吸気管圧力Ｐｍに基づき、逐次推定されることとなる。
【００３８】
ところで、機関定常時においては、この機関定常時の吸気管圧力Ｐｍｔａを使用して、スロットル弁通過空気量の体積効率相当値ｍｔ_(i)は、次式（１３）により算出可能である。
【数７】

【００３９】
本フローチャートのステップ１０３において、式（１）に代えて、式（１３）を使用してスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)を算出しても良い。ここで、機関定常時の吸気管圧力Ｐｍｔａは、今回の過渡終了時におけるスロットル弁開度、機関回転数、制御弁開度、及び、バルブオーバーラップ量に基づいて予めマップ化しておくことができる。
【００４０】
こうして、機関回転数に応じて式（６）を使用して吸入ガス量が算出され、機関回転数と制御弁開度とに応じて式（５）を使用して吸入空気量が算出される。こうして算出された吸入ガス量と吸入空気量との差は制御弁通過排気ガス量となり、この制御弁通過排気ガス量に基づき吸入排気ガス量が算出される。次いで、吸入ガス量から吸入排気ガス量を減算することによって吸入空気量を算出することができるのである。
【００４１】
式（６）及び式（５）は、特定排気量の内燃機関に合わせた吸入ガス量及び吸入空気量を表すものとしたが、任意の排気量の内燃機関に適合させるために、式（６）は、吸入ガス量相当値として、制御弁閉弁時の負荷率（吸入空気量／（一気筒分容積＊標準状態空気密度））又は吸気充填効率を表すものとし、また、式（５）は吸入空気量相当値として負荷率又は吸気充填効率を表すものとしても良い。
【００４２】
こうして、機関負荷と機関回転数とにより定まる機関運転状態毎に設定された制御弁の各開度ＥＡに対して微細回転数領域毎に式（５）及び式（６）における第１、第２、第３、第４、第５、及び第６係数をマップ化すれば、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒが算出され、最終的には、燃料噴射制御に必要な吸入空気量ｍａｉｒを算出することができる。
【００４３】
しかしながら、機関回転数の全領域を微細領域に分割して前述のマップ化を行うと、非常に多量のデータを記憶しておかなければならなくなる。本実施形態においては、記憶データ量を低減するために、図８に示すように、常用回転領域だけを微細領域に分割し、各制御弁開度ＥＡに対して式（５）及び式（６）を特定するためのマップ化を行うようになっている。図８は、制御弁開度が全閉及び全開を含んで七段階に制御され、常用回転領域を六つの微細領域に分割した場合の例であり、各細分領域（ｙ₁₁からｙ₇₆）においてだけ、それぞれ、第１、第２、第３、第４、第５、及び第６係数が設定されている。前述したように、第４、第５、及び第６係数は、制御弁を全閉とした時の吸入空気量を算出するための関係式を特定するものであるために、現在の制御弁開度によって変化しないものであり、常用回転領域における六つの微細領域毎に別のマップとして設定するようにしても良い。
【００４４】
機関回転数が常用回転領域内であれば、現在の機関回転数及び現在の制御弁開度に対応する細分領域において設定された各係数により、式（５）及び式（６）を特定して、前述したように、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ及び吸入空気量ｍａｉｒを算出することができる。
【００４５】
機関回転数が常用回転領域外であれば、現在の機関回転数以外を同条件とした細分領域、すなわち、同じ制御弁開度の特定微細領域において設定された各係数により式（５）及び式（６）を特定して、仮の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒｔを算出し、次式（１４）のように、この仮の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒｔを特定微細領域を代表する特定機関回転数Ｎｃと現在の機関回転数Ｎとの比により補正して制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒを算出するようになっている。
ｍｅｇｒ＝ｍｅｇｒｔ＊Ｎｃ／Ｎ・・・（１４）
【００４６】
制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、機関回転数に応じて特定されるものであるが、これは、機関回転数に応じて排気圧力及び吸気管圧力が変化することに基づく関係式の適合と、機関回転数に応じて吸気行程時間が変化することに基づく関係式の適合とによるものである。従って、仮の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒｔを前述のように機関回転数により補正すれば、吸気行程時間の変化に基づく関係式の適合は実現することができる。
【００４７】
それにより、式（１４）を使用して算出される制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、完全には正確なものとはならないが、それほど不正確なものではなく、頻繁ではない常用回転領域外の運転に対して、それほど問題とはならない。
【００４８】
このような場合において、使用する特定微細領域は、現在の機関回転数Ｎに最も近いものとすることにより、排気圧力及び吸気管圧力変化に伴う関係式の適合には有利となる。すなわち、現在の機関回転数が常用回転領域より高い場合には、図８において使用される微細領域は、制御弁開度に応じてｙ₁₆からｙ₇₆のいずれかとなり、また、現在の機関回転数が常用回転領域より低い場合には、図８において使用される微細領域は、制御弁開度に応じてｙ₁₁からｙ₇₁のいずれかとなる。
【００４９】
前述したように、式（５）及び式（６）は、バルブオーバーラップ量、厳密にはバルブタイミングによっても変化するものであり、バルブオーバーラップ量が変化させられる場合には、バルブオーバーラップ量毎に、図８のようなマップが必要となる。この場合において、機関回転数が常用回転領域外の時には、現在の機関回転数以外を同条件とした微細領域、すなわち、同じバルブオーバーラップ量及び同じ制御弁開度の特定微細領域において設定された係数により式（５）及び式（６）が特定されることとなる。
【００５０】
吸気管へ接続される導入管として、排気再循環通路の場合を説明したが、キャニスタからのパージ通路も、新気以外のガス、すなわち、パージガスを気筒内へ導入するために吸気管へ接続される導入管として、同じ考え方を適用することができる。この場合には、前述の式（４）において、制御弁通過パージガス量ｍｐは、排気圧Ｐｅを大気圧Ｐａとしたものとされ、式（９）及び式（１０）において、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、制御弁通過パージガス量ｍｐと置き換えられ、排気温度Ｔｅは大気温度Ｔａと置き換えられる。
【００５１】
こうして、制御弁通過パージガス量ｍｐは、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒと同様に算出され、吸入空気量ｍａｉｒを同様に算出することができる。このような場合にも、制御弁通過パージガス量ｍｐを算出する関係式を特定するためのマップは図８のように設定することが好ましい。
【００５２】
ところで、燃焼空燃比を正確に制御するためには、燃料噴射を開始する以前に気筒内への正確な吸入空気量を推定して、燃料噴射量を決定しなければならない。しかしながら、正確な吸入空気量を推定するためには、厳密には、吸気弁閉弁時における吸入空気流量を算出しなければならない。すなわち、燃料噴射量を決定する時において、現在の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)ではなく、吸気弁閉弁時における吸入空気量ｍａｉｒ_(i+n)を算出しなければならない。これは、図１に示すような吸気枝管３に燃料を噴射する内燃機関だけでなく、吸気行程において筒内へ直接燃料を噴射する内燃機関においても同様である。
【００５３】
そのためには、現在において、現在のスロットル弁開度ＴＡ_(i)だけでなく、吸気弁閉弁時までの時間Δｔ毎のスロットル弁開度ＴＡ_(i+1)，ＴＡ_(i+2)，・・・ＴＡ_(i+n)に基づき、式（１）においてμ１・Ａｔを変化させ、又は、式（１５）においてＰｍＴＡを変化させ、各時間のスロットル弁通過空気量ｍｔを算出することが必要となる。
【００５４】
各時間のスロットル弁開度ＴＡは、現在の時間に対するアクセルペダルの踏み込み変化量に基づき、この踏み込み変化量が吸気弁閉弁時まで持続するとして、各時間のアクセルペダルの踏み込み量を推定し、それぞれの推定踏み込み量に対して、スロットル弁アクチュエータの応答遅れを考慮して決定することが考えられる。この方法は、スロットル弁がアクセルペダルと機械的に連結されている場合にも適用することができる。
【００５５】
しかしながら、こうして推定される吸気弁閉弁時におけるスロットル弁開度ＴＡ_(i+n)は、あくまでも予測であり、実際と一致している保証はない。吸気弁閉弁時におけるスロットル弁開度ＴＡ_(i+n)を実際と一致させるために、スロットル弁を遅れ制御するようにしても良い。アクセルペダルの踏み込み量が変化した時に、アクチュエータの応答遅れによって、スロットル弁開度は遅れて変化するが、この遅れ制御は、このスロットル弁の応答遅れを意図的に増大させるものである。
【００５６】
例えば、機関過渡時において、燃料噴射量を決定する時における現在のアクセルペダルの踏み込み量に対応するスロットル弁開度が、吸気弁閉弁時に実現されるように、実際の応答遅れ（無駄時間）を考慮してスロットル弁のアクチュエータを制御すれば、現在から吸気弁閉弁時までの時間毎のスロットル弁開度ＴＡ_(i)，ＴＡ_(i+1)，・・・ＴＡ_(i+n)を正確に把握することができる。さらに具体的に言えば、アクセルペダルの踏み込み量が変化する時には、直ぐにアクチュエータへ作動信号を発するのではなく、燃料噴射量を決定する時から吸気弁閉弁時までの時間から無駄時間を差し引いた時間だけ経過した時にアクチュエータへの作動信号を発するようにするのである。もちろん、現在のアクセルペダルの踏み込み量に対応するスロットル弁開度を、吸気弁閉弁時以降に実現するようにスロットル弁の遅れ制御を実施しても良い。
【００５７】
ところで、吸気通路４には、エアフローメータ７が配置されている。図９はエアフローメータ７の断面モデルを示している。エアフローメータ７は、熱線７ａの周囲を吸気が通過する際に熱線７ａから奪われる熱量がこの吸気量、すなわち、スロットル弁通過空気量に応じて変化するのを利用してスロットル弁通過空気量を検出するものである。こうして、エアフローメータ７の出力に基づきマップ等からスロットル弁通過空気量ＧＡ_(i)（このマップ値には、算出されるスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)と区別するために異なる記号を付する）を得ることができる。
【００５８】
しかしながら、一般的なエアフローメータにおいて、熱線７ａの回りにはガラス層７ｂが設けられていて、このガラス層７ｂの熱容量は比較的大きい。それにより、実際のスロットル弁通過空気量の変化に対してエアフローメータ７の出力は直ぐには変化せずに応答遅れが発生する。この応答遅れを見越してエアフローメータの出力から実際のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)を算出することを考える。
【００５９】
現在の熱線７ａの温度をＴｈとすると、熱線７ａからガラス層７ｂへ伝達される熱量と、ガラス層７ｂから吸気へ伝達される熱量とは等しいために、ガラス層Ｂの温度変化量ｄＴｇ／ｄｔは次式（１５）のように表すことができる。
【数８】

【００６０】
ここで、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及びＦは、熱線７ａの断面積、長さ、及びその抵抗率や、ガラス層７ｂと熱線７ａとの間の熱伝達率、ガラス層７ｂと吸気との間の熱伝達率等に応じて決定される定数である。式（１５）において、定常運転時には、ガラス層７ｂと、熱線７ａ及び吸気との間の熱の授受が無くなるために、ガラス層７ｂの温度変化量ｄＴｇ／ｄｔ、すなわち、式（１５）の右辺は０になり、また、この時、スロットル弁通過空気量のマップ値ＧＡと算出値ｍｔとは等しくなる。この条件により、ＧＡを熱線７ａの温度Ｔｈ、ガラス層７ｂの温度Ｔｇ、及び、吸気温度Ｔａにより表して、式（１５）においてガラス層７ｂの温度Ｔｇを消去することにより、次式（１６）を得ることができる。
【数９】

【００６１】
式（１６）において、α及びβは、前述の定数Ｃ、Ｄ、Ｅ、及びＦによって定まる定数であり、こうして、スロットル弁通過空気ｍｔ_(i)は、エアフローメータの応答遅れを考慮して、現在のエアフローメータ７の出力に基づくスロットル弁通過空気量のマップ値ＧＡ_(i)と、前回のエアフローメータ７の出力に基づくスロットル弁通過空気量のマップ値ＧＡ_(i-1)とに基づいて算出することができる。
【００６２】
エアフローメータ７の出力は機関定常時において信頼性が高く、それにより、機関定常時においては、式（１６）を使用して算出される現在のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)は、式（１）又は（１３）により算出されるスロットル弁通過空気量よりも信頼性が高い。こうして、機関定常時には、式（１６）により算出された前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)を使用して、式（１０）において今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)を算出すると共に式（９）において今回のスロットル弁下流側の吸気温度Ｔｍ_(i)を算出して、今回の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)を算出することが好ましい。
【００６３】
それにより、図７に示すフローチャートを使用して、現在の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)及び吸気弁閉弁時の吸入空気量ｍａｉｒ_(i+n)を算出すると共に、前述のように式（１６）に基づき現在の吸入空気量ｍａｉｒｆ_(i)を逐次算出し、吸気弁閉弁時の吸入空気量を、ｍａｉｒ_(i+n)−ｍａｉｒ_(i)＋ｍａｉｒｆ_(i)により算出するようにしても良い。このような算出方法により、機関定常時には、同じモデル式に基づき同じスロットル弁開度として算出されるｍａｉｒ_(i+n)とｍａｉｒ_(i)とが確実に相殺され、エアフローメータの出力に基づき算出される正確な現在の吸入空気量が、吸気弁閉弁時の吸入空気量として得られる。
【００６４】
また、機関過渡時には、ｍａｉｒ_(i)とｍａｉｒｆ_(i)とがほぼ相殺されるために、ｍａｉｒ_(i+n)として算出された吸気弁閉弁時の吸入空気量を得ることができる。以上は、エアフローメータを有する実施形態であるが、吸気管内に圧力センサを配置して、吸入空気量の算出に使用する吸気管圧力Ｐｍを、計算値ではなく、圧力センサの出力値としても良い。
【００６５】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の制御装置は、吸気管へ接続された導入管を備える内燃機関の制御装置であって、導入管における制御弁を通過する制御弁通過ガス量を算出するために、吸気管圧力により制御弁通過ガス量の相当値を算出するための関係式をマップ化して記憶する制御装置において、関係式は機関回転数に対して特定機関回転数領域においてだけマップ化され、現在の機関回転数が特定機関回転数領域外である時には、機関回転数以外を同条件とした特定機関回転数領域内の特定機関回転数に対してマップ化された関係式を使用して仮の制御弁通過ガス量の相当値を算出し、この仮の制御弁通過ガス量の相当値は、特定機関回転数と現在の機関回転数との比により補正され、現在の制御弁通過ガス量の相当値とされるようになっている。こうして算出される制御弁通過ガス量の相当値は、実際と大きく異なることはないために、実際的な問題を発生させることなく機関回転数に対するマップ化のデータ量を減少することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御装置が取り付けられる内燃機関の概略図である。
【図２】スロットル弁開度ＴＡと流量係数μ１との関係を示すマップである。
【図３】スロットル弁開度ＴＡとスロットル弁の開口面積Ａｔとの関係を示すマップである。
【図４】吸気管圧力Ｐｍと大気圧Ｐａとの比と、関数Φとの関係を示すマップである。
【図５】吸気管圧力Ｐｍと制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒとの関係を示すグラフである。
【図６】制御弁開度毎の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式を示している。
【図７】吸入空気量を算出するためのフローチャートである。
【図８】吸気管圧力から吸入空気量を算出するための関係式を特定するためのマップである。
【図９】エアフローメータの断面モデルを示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
２…サージタンク
３…吸気枝管
４…吸気通路
６…スロットル弁
７…エアフローメータ
８…吸気弁
１３…排気再循環通路
１４…制御弁

Claims

吸気管へ接続された導入管を備える内燃機関の制御装置であって、導入管における制御弁を通過する制御弁通過ガス量の相当値を算出するために、吸気管圧力により制御弁通過ガス量の相当値を算出するための関係式をマップ化して記憶する制御装置において、前記関係式は機関回転数に対して特定機関回転数領域においてだけマップ化され、現在の機関回転数が前記特定機関回転数領域外である時には、機関回転数以外を同条件とした前記特定機関回転数領域内の特定機関回転数に対してマップ化された前記関係式を使用して仮の制御弁通過ガス量の相当値を算出し、前記仮の制御弁通過ガス量の相当値は、前記特定機関回転数と前記現在の機関回転数との比により補正されて、現在の前記制御弁通過ガス量の相当値とされることを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記特定機関回転数は、前記特定機関回転数領域内において前記現在の機関回転数に最も近い機関回転数とされ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。
前記関係式は、前記制御弁の全閉時における吸気管圧力に対する吸入空気量相当値と、前記制御弁の現在の開度における吸気管圧力に対する吸入空気量相当値との差により前記制御弁通過ガス量の相当値を算出するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。