JP4305552B2 - 内燃機関の吸入空気量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量推定装置に関する。

空燃比制御を実施するために、気筒内へ供給された吸入空気量を把握することが必要となる。従来においては、吸入空気量を、スロットル弁上流側に配置されたエアフローメータにより検出したり、又は、スロットル弁下流側に配置された圧力センサにより検出される吸気管圧力に基づき算出したりしていた。しかしながら、エアフローメータ及び圧力センサは、応答遅れを有するために、機関過渡時において正確な吸入空気量を検出又は算出することができない。

機関過渡時においても正確な吸入空気量を把握するために、スロットル弁開度に基づき吸気管圧力Ｐｍを算出して、算出された吸気管圧力Ｐｍに基づき吸入空気量ｍｃを推定することが提案されている。このような吸入空気量ｍｃの推定において、大気圧Ｐａよりも高い非現実的な吸気管圧力Ｐｍが算出されることがある。このような場合には、算出された吸気管圧力Ｐｍは大気圧Ｐａと置換されて、吸入空気量ｍｃが推定されこととなる。

こうして、吸気管圧力Ｐｍは大気圧Ｐａによりガード処理されることとなるが、大気圧Ｐａは標高によって異なるものであるために、常に標準大気圧（１０１．３ｋＰａ）によりガード処理しても意味はない。このために、圧力センサによってガード処理に使用する現在の大気圧を検出することも考えられるが、圧力センサの出力の信頼性は応答遅れ等によってそれほど高くはなく、また、圧力センサは機関吸気系のコストを上昇させる。

それにより、圧力センサを使用することなく、ガード処理に使用される現在の大気圧を基準大気圧（例えば、標準大気圧）を補正係数により補正して得ることが考えられる。この補正係数は、例えば、エアフローメータの出力に基づき推定される吸入空気量が真値であるとして、スロットル弁開度に基づき算出される吸気管圧力により推定される吸入空気量がエアフローメータの出力に基づき推定される吸入空気量を上回る時には減少させられ、下回る時には増加させられる。

こうして、補正係数は学習及び更新されるが、スロットル弁開度が所定値以下の時には、吸入空気量が少なくなってスロットル弁の経時変化及び吸気系に付着するデポジットにより大きな影響を受けることとなり、この時に、前述した補正係数の学習を実施すると、誤学習となる可能性が高い。それにより、スロットル弁開度が所定値以下の時には、補正係数の学習を禁止することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−１４６９８９号公報 特開２００２−１８０８７７号公報

一般的に、車両が低地から高地へ向かう時には主に登坂走行となって、意図する車速を実現するためにスロットル弁開度が大きくされる傾向にあるが、車両が高地から低地へ向かう時には、主に降坂走行となり、過剰速度増加をもたらすこととなるために、スロットル弁開度が大きくされる機会は少ない。それにより、前述の従来技術において、高地から低地へ向かう降坂走行直後には、低地の大気圧に対して補正係数の学習が十分にされていないことがある。

その後の低地での走行においてスロットル弁開度が大きくされれば、補正係数の良好な学習が実施され、特に問題が発生することはない。しかしながら、降坂走行直後に機関停止させた場合には、不正確な補正係数が記憶されており、次の機関始動時において、この補正係数を使用して算出される現在の大気圧が実際と大きく異なり、機関始動に失敗したり、また、機関始動が完了しても、その直後において、エンジンストールが発生したり、また、空燃比フィードバック係数が異常値に補正されてしまう。

従って、本発明の目的は、スロットル弁下流側の吸気管圧力を算出して、吸入空気量の推定に使用する内燃機関の吸入空気量推定装置において、大気圧（又は基準大気圧に対する補正係数が使用される場合には、この補正係数）が正確に学習されていないことによって引き起こされる機関始動時の問題を改善することである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、スロットル弁開度と大気圧とに基づきスロットル弁下流側の吸気管圧力を算出する吸気管圧力算出手段と、前記吸気管圧力算出手段により算出された前記吸気管圧力に基づき吸入空気量を算出する吸入空気量算出手段とを具備し、前記吸気管圧力算出手段で使用される前記大気圧は、前記スロットル弁開度が設定開度以上である時に学習更新されて機関停止に際しても記憶される補正大気圧であり、前記吸入空気量推定装置には、前記吸気管圧力算出手段により算出された前記吸気管圧力がガード値より高い時に前記吸気管圧力を前記ガード値と置換するガード手段が設けられ、前記ガード値は、前記補正大気圧に基づく値と、前記エアフローメータの出力に基づき機関始動時から新たに算出された前記吸気管圧力の最小値とを比較して大きい方の値とされることを特徴とする。

本発明による内燃機関の吸入空気量推定装置によれば、吸気管圧力算出手段で使用される大気圧は、スロットル弁開度が設定開度以上である時に学習更新されて機関停止に際しても記憶される補正大気圧であり、吸入空気量推定装置には、吸気管圧力算出手段により算出された吸気管圧力がガード値より高い時に吸気管圧力をガード値と置換するガード手段が設けられ、このガード値は、補正大気圧に基づく値と、エアフローメータの出力に基づき機関始動時から新たに算出された吸気管圧力の最小値とを比較して大きい方の値とされるようになっている。それにより、機関始動時において、記憶されている補正大気圧が正確に学習されていないものであっても、ガード値は、当初、エアフローメータの出力に基づき算出された吸気管圧力とされ、異常に小さくされている補正大気圧に基づく値とはされないために、機関始動直後において、吸気管圧力算出手段により算出される吸気管圧力が異常に小さくガード処理されて燃焼空燃比が過剰にリーンとなり、失火が発生する等の問題を防止することができる。また、エアフローメータの出力に基づき算出された吸気管圧力の最小値は、実際の大気圧よりは確実に低いものとなり、ガード値が実際の大気圧を過剰に超えて設定されることはない。

図１は、本発明による吸気量推定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。ここで、スロットル弁６下流側の機関吸気系（サージタンク２及び吸気枝管３）は吸気管と称される。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。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は吸気弁であり、９は排気弁であり、１０はピストンである。

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。

本吸入空気量推定装置は、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。

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。

ここで、μ_(i)は流量係数であり、Ａ_(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、Ａ_(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。

次いで、吸気弁をモデル化する。気筒内へ供給される吸入空気量ｍｃ_(i)（ｇ／ｓｅｃ）は、吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づきほぼ線形に変化するものであるために、次式（３）によって表すことができる。

ここで、Ｔｍ_(i)はスロットル弁下流側の吸気温度（Ｋ）であり、ａ及びｂは経験則から得られた定数である。但し、ｂは気筒内の残留既燃ガス量に相当する値であり、バルブオーバーラップがある場合には、吸気管へ既燃ガスが逆流するために、ｂの値は無視できないほど増加する。それにより、バルブオーバーラップの有無と、機関回転数ＮＥとに基づき、正確な吸入空気量ｍｃが算出されるように、ａ及びｂの値をマップ化することが好ましい。また、バルブオーバーラップがある場合において、吸気管圧力Ｐｍが所定圧力以上である時には、吸気管圧力が高いほど既燃ガスの逆流が顕著に減少するために、所定値以下である時に比較して、ａの値を大きくしｂの値を小さくすることが好ましい。

ところで、機関定常時においては、この時のスロットル弁通過空気量ｍｔＴＡと吸入空気量とが一致するために、式（１）において、吸気管圧力をこの機関定常時の吸気管圧力ＰｍＴＡとしたスロットル弁通過空気量ｍｔＴＡは、吸入空気量（ａ・ＰｍＴＡ−ｂ）と等しく、それにより、式（１）は、次式（４）と書き換えることもできる。

ここで、機関定常時の吸気管圧力ＰｍＴＡは、現在を定常時とした時の今回のスロットル弁開度ＴＡ_(i)、機関回転数ＮＥ_(i)、及び、バルブオーバーラップの大きさＶＴ_(i)に基づいて予めマップ化しておくことができる。

次いで、吸気管をモデル化する。吸気管内に存在する吸気の質量保存則、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とスロットル弁下流側の吸気温度Ｔｍとの比における時間変化率は次式（５）によって表され、また、吸気管圧力Ｐｍの時間変化率は次式（６）によって表される。ここで、Ｖは吸気管の容積（ｍ³）であり、具体的には、サージタンク２と吸気枝管３との合計容積である。

式（５）及び式（６）は離散化され、それぞれ、次式（７）及び（８）が得られ、式（８）によって今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)が得られれば、式（７）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（７）及び（８）において、離散時間Δｔは、現在の吸入空気量ｍｃ_(i)を算出するための第一フローチャート（図５及び６）の実行間隔とされ、例えば８ｍｓである。

次に、図５及び６に示す第一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（例えば、機関回転数が４００ｒｐｍ以上となった時に機関始動完了とすることができる）と同時に実行される。先ず、ステップ１０１において、フラグＦが１であるか否かが判断される。このフラグＦは機関停止と同時に０にリセットされるものであり、当初は、ステップ１０１における判断は否定されて、ステップ１０２へ進む。ステップ１０２においては、大気圧の初期値Ｐａが次式（９）により算出される。
Ｐａ＝｛Ｋ１・ｅｋｐａ＋（１−Ｋ１）｝・Ｐａｓ …（９）

ここで、ｅｋｐａは、詳しくは後述するが、基準大気圧Ｐａｓ（例えば、標準大気圧１０１．３ｋＰａ）を標高に応じた現在の大気圧に補正するための補正係数であり、通常時は、基準大気圧Ｐａｓへ直接乗算されて補正大気圧（ｅｋｐａ・Ｐａｓ）が算出される。現在の補正係数ｅｋｐａは、今回の機関始動以前の機関運転により学習及び更新された値とされている。

次いで、ステップ１０３において、ステップ１０２において算出された大気圧の初期値Ｐａが前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)とされ、ステップ１０４においてはフラグＦが１に設定される。それにより、次回の本フローチャートの実施においては、ステップ１０１における判断が肯定されることとなり、以下に説明するステップ１０５以降の処理だけが行われる。

ステップ１０５においては、式（８）を使用して吸気管圧力Ｐｍ_(i)が算出される。式（８）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、前回の吸入空気量ｍｃ_(i-1)と、前回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(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)はステップ１０３において大気圧の初期値Ｐａとされており、Ｔｍ_(i-1)にはスロットル弁上流側の吸気温度Ｔａが実測されて使用され、ｍｔ_(i-1)には、これらのＰｍ_(i-1)及びＴｍ_(i-1)を使用して式（１）又は（４）から算出された値が使用され、また、ｍｃ_(i-1)には、これらのＰｍ_(i-1)及びＴｍ_(i-1)を使用して式（３）により算出された値が使用される。

次いで、ステップ１０６において、ステップ１０５において算出された今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)がガード値Ｐｇより高いか否かが判断される。ガード値Ｐｇに関しては詳しくは後述するが、このガード処理は、吸気管圧力が大気圧より高くはならないことに基づいている。通常は、この判断は否定されてステップ１０８に進み、式（７）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１０９において、式（１）又は（４）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。この式（１）又は（４）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、スロットル弁の駆動装置（ステップモータ）の応答遅れが考慮される。

次いで、ステップ１１０において、式（３）を使用して今回の吸入空気量ｍｃ_(i)が算出される。その後は、ステップ１１１から１１４において、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)は前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)とされ、今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)は前回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i-1)とされ、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)は前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)とされ、今回の吸入空気量ｍｃ_(i)は前回の吸入空気量ｍｃ_(i-1)とされる。こうして、吸入空気量ｍｃは、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。

しかしながら、何らかの要因により、算出された今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)がガード値Ｐｇより高くなってしまうことがある。この時には、算出された今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)は明らかな異常値であり、ステップ１０６における判断が肯定されてステップ１０７に進み、算出された今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)はガード値Ｐｇに置換される。

前述した補正係数ｅｋｐａ及びガード値Ｐｇは、学習及び更新されるものであり、図８はそのための第二フローチャートである。第二フローチャートでは、エアフローメータ７の出力に基づき算出されるスロットル弁通過空気量ｍｔ’及び吸気管圧力Ｐｍ’（それぞれにはダッシュを付してスロットル弁開度に基づき算出された前述のものと区別する）が使用される。それにより、先ず、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ｍｔ’の算出について説明する。

図７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。

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。

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（１０）のように表すことができる。

ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤ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（１０）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（１０）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１０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（１１）を得ることができる。

式（１１）において、α及びβは、前述の定数Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤ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。

次に、第二フローチャートを説明する。本フローチャートも第一フローチャートと同様に機関始動と同時に実行され、実行間隔は例えば８ｍｓである。先ず、ステップ２０１において、今回のスロットル弁開度ＴＡ_(i)が設定開度ＴＡ１より大きいか否かが判断される。この判断が肯定される時にはステップ２０２において、第一フローチャートにより今回算出されたスロットル弁開度に基づくスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が前述の式（１１）により算出されたエアフローメータの出力に基づくスロットル弁通過空気量ｍｔ’_(i)より大きいか否かが判断される。式（１１）において、ＧＡ_(i-1)の初期値は０とされる。

ステップ２０２における判断が肯定される時には、ステップ２０３へ進み、大気圧の補正係数ｅｋｐａからは比較的小さな所定値ｑが減算される。一方、ステップ２０２における判断が否定される時には、ステップ２０４へ進み、大気圧の補正係数ｅｋｐａへは所定値ｑが加算される。補正係数ｅｋｐａは、車両出荷時においては、例えば１が設定されており、ステップ２０２における判断が肯定されると、すなわち、式（１）又は（４）を使用して大気圧とスロットル弁開度とに基づき算出されたスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が、式（１１）を使用してエアフローメータの出力に基づき算出されたスロットル弁通過空気量ｍｔ’_(i)より大きくなると、式（１）又は（４）において算出に使用した大気圧が、実際より高くなっているとし、補正係数ｅｋｐａを減少させるのである。また、スロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が、スロットル弁通過空気量ｍｔ’_(i)より小さくなると、式（１）又は（４）において算出に使用した大気圧が、実際より低くなっているとし、補正係数ｅｋｐａを増加させるのである。

次いで、ステップ２０５においては、こうして、エアフローメータの出力に基づき算出されるスロットル弁通過空気量ｍｔ’を真値として学習及び更新された補正係数ｅｋｐａによって基準大気圧Ｐａｓを乗算補正し、標高に応じて変化する現在の大気圧Ｐａを算出する。この大気圧Ｐａが第一フローチャートにおいて使用されることとなる。

補正係数ｅｋｐａの学習及び更新は、ステップ２０１における判断が肯定される時、すなわち、スロットル弁開度ＴＡ_(i)が設定開度ＴＡ１より大きい時にだけ実施される。これは、スロットル弁開度ＴＡ_(i)が設定開度ＴＡ１以下であると、実際のスロットル弁通過空気量が少なくなり、スロットル弁の経時変化及び吸気系の付着デポジットによって大きく影響を受けるために、スロットル弁開度に基づき算出されるスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)とエアフローメータの出力に基づき算出されるスロットル弁通過空気量ｍｔ’_(i)との違いをもたらす主要因が現在の大気圧とはならない可能性があるためである。このようにして学習及び更新された補正係数ｅｋｐａは、機関停止に際しても記憶され、次回の運転時にも現在の大気圧算出に使用される。

ところで、車両が低地から高地へ向かう時には、登坂走行となってスロットル弁開度が設定開度ＴＡ１より大きくなる機会は多く、補正係数ｅｋｐａの良好な学習及び更新が実施される。しかしながら、高地から低地へ向かう時には、降坂走行となってスロットル弁開度を設定開度ＴＡ１より大きくする機会が少なく、補正係数ｅｋｐａが十分に学習されていないことがある。こうして、特に、高地から低地への降坂走行直後に車両停止した場合には、補正係数ｅｋｐａが、高地の大気圧に適応する値のまま記憶されている可能性が高い。

一般的には、機関始動時において、最初にスロットル弁開度に基づき吸気管圧力Ｐｍ_(i)を算出する時には、大気圧Ｐａ及び前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)として基準大気圧Ｐａｓに記憶されている補正係数ｅｋｐａを乗算した補正大気圧Ｐａが使用される。しかしながら、これでは、前述の場合において、算出される今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)が実際より異常に低くなって、それに基づき算出される吸入空気量ｍｃ_(i)は実際より異常に少なくなり、この吸入空気量ｍｃ_(i)に基づき所望空燃比を実現するように算出される燃料噴射量では、実際の空燃比は非常にリーンとなって機関始動完了と同時に吸入空気量の推定が開始されるが、その直後には、エンジンストールが発生してしまう。また、クランキングから吸入空気量を推定する場合には、機関始動が不可能となる。

本実施形態では、このような問題を解決するために、第一フローチャートのステップ１０１から１０４の処理により、初回の吸入空気量ｍｃ_(i)の推定に使用される大気圧Ｐａは、記憶されている補正係数ｅｋｐａを単に基準大気圧Ｐａｓに乗算して算出するのではなく、前述の式（９）に基づき算出するようになっている。すなわち、現在の大気圧Ｐａは、適合定数Ｋ１（０＜Ｋ１＜１）を使用して、補正係数ｅｋｐａを基準大気圧に乗算した補正大気圧と、基準大気圧Ｐａｓとの間の値とされる。こうして、大気圧の初期値Ｐａが算出されるために、もし、補正係数ｅｋｐａが現在の大気圧に対して異常に小さく記憶されていても、吸入空気量ｍｃ_(i)が異常に少なく推定されることはなく、エンジンストールを防止することができる。また、記憶されている補正係数ｅｋｐａが現在の大気圧に対して正確なものである場合には、推定される吸入空気量ｍｃ_(i)が実際より多く推定されることとなるが、大気圧の初期値Ｐａが基準大気圧を超えて算出されることはなく、それほど問題とはならない。この大気圧の初期値Ｐａは、第二フローチャートにおいて、スロットル弁開度ＴＡが設定開度ＴＡ１より大きくなって補正係数ｅｋｐａが更新される（ステップ２０５）まで大気圧として使用されることとなる。

次に、第一フローチャートのステップ１０６におけるガード処理に使用されるガード値Ｐｇに関して、第二フローチャートに戻り説明する。実際の吸気管圧力は大気圧を超えることはなく、それにより、一般的には、スロットル弁開度に基づき算出される吸気管圧力Ｐｍ_(i)は現在の大気圧によってガード処理される。現在の大気圧は、補正係数ｅｋｐａが正しいものであれば、基準大気圧Ｐａｓとｅｋｐａとの積としての補正大気圧であり、この補正大気圧がガード値とされるが、補正大気圧に僅かな余裕分として係数Ｋ２（例えば、１．０５）を乗算してガード値とされることもある。

しかしながら、前述した場合のように、機関始動直後において、補正係数ｅｋｐａが不正確である場合があり、この時に補正大気圧に基づくガード値によりガード処理されると、スロットル弁開度に基づき算出された吸気管圧力Ｐｍ_(i)が比較的正確であるにも係らずに、ガード処理によって吸気管圧力Ｐｍ_(i)が低くされてしまう。それにより、吸入空気量ｍｃ_(i)は実際より異常に少なく推定され、燃焼空燃比が異常にリーンとなって、失火が発生したり、また、機関排気系に空燃比センサが配置されて燃料噴射量のフィードバック制御が実施される場合には、燃料噴射量を増加するために、フィードバック補正係数が異常に大きくなってしまう。

この問題を解決するために、本実施形態では、第二フローチャートのステップ２０６以降の処理によりガード値Ｐｇを更新するようにしている。第二フローチャートでは、前述の式（８）において、式（１）又は（４）を使用してスロットル弁開度に基づき算出されたスロットル弁通過空気量ｍｔではなく、式（１１）を使用してエアフローメータの出力に基づき算出されたスロットル弁通過空気量ｍｔ’を使用して吸気管圧力Ｐｍ’が算出されるようになっており、ステップ２０６では、今回算出された吸気管圧力Ｐｍ’_(i)が前回算出された吸気管圧力Ｐｍ’_(i-1)より小さいか否かが判断される。

機関始動完了直後においては、機関排気系に設けられた触媒装置を早期に暖機するために、燃料噴射量を増大すると共にスロットル弁開度が比較的大きくされて吸入空気量も多くされる。それにより、エアフローメータの出力に基づき算出される初回の吸気管圧力Ｐｍ’_(i)は現在の大気圧に比較的近い値となる。しかしながら、Ｐｍ’_(i-1)の初期値は、第一フローチャートのステップ１０２において算出された大気圧の初期値Ｐａであるために、初回におけるステップ２０６の判断は肯定されることが多く、ステップ２０７において、ガード値Ｐｇは、エアフローメータの出力に基づき算出された今回（初回）の吸気管圧力Ｐｍ’_(i)とされる。次いで、ステップ２０８では、この吸気管圧力Ｐｍ’_(i)とされたガード値Ｐｇが、補正係数ｅｋｐａにより基準大気圧Ｐａｓを補正した前述の補正大気圧に基づく値より小さいか否かが判断される。

補正係数ｅｋｐａが比較的大きい時には、第一フローチャートのステップ１０２において算出された大気圧Ｐａよりは小さな値とされているガード値Ｐｇより、補正大気圧に係数Ｋ２を乗算した値の方が大きくなる傾向にあり、ステップ２０８における判断は肯定され、ステップ２０９においてガード値Ｐｇは、補正大気圧に基づく一般的な値とされる。

しかしながら、前述したように補正係数ｅｋｐａが現在の大気圧に対して異常に小さい場合には、補正大気圧に基づく値は、かなり小さくなり、これをガード値とすると、前述したような失火等を引き起こすこととなる。このような場合には、ステップ２０８における判断が否定され、ガード値Ｐｇとしては、エアフローメータの出力に基づき算出された吸気管圧力とされる。この吸気管圧力Ｐｍ’は、エアフローメータの出力に基づく実際的な圧力であり、実際の大気圧は、この吸気管圧力より確実に高いものである。それにより、スロットル弁開度に基づき算出された吸気管圧力Ｐｍは、少なくとも、この吸気管圧力Ｐｍ’までは異常ではない。こうして、補正係数ｅｋｐａが異常に小さい場合には、エアフローメータの出力に基づき算出された吸気管圧力Ｐｍ’をガード値として使用することが有効であり、それにより、スロットル弁開度に基づき算出された吸気管圧力Ｐｍが異常に小さくガードされることはなく、前述したような失火及びフィードバック補正係数が異常値となることは防止される。

しかしながら、エアフローメータの出力に基づく吸気管圧力をガード値として使用するのはあくまでも暫定処置であり、スロットル弁開度が大きくされた運転が頻繁に行われて、大気圧の補正係数ｅｋｐａが適正な値に学習補正されれば、現在の正確な大気圧が算出されるようになり、この時には、補正大気圧に基づくガード値が使用されることが好ましい。それにより、第二フローチャートのステップ２０８及び２０９において、補正大気圧に基づき算出される値がエアフローメータの出力に基づく吸気管圧力より大きくなれば、補正大気圧に基づく値がガード値Ｐｇとして使用されるようになっている。

また、エアフローメータの出力に基づき算出される吸気管圧力Ｐｍ’は、機関始動直後において車両が高地へ向かう場合もあり、現在の大気圧が初回に算出した吸気管圧力より低くなることがある。それにより、初回に算出した吸気管圧力Ｐｍ’を大気圧の補正係数ｅｋｐａが適正な値となるまで使用することは好ましくなく、第二フローチャートのステップ２０６及び２０７では、エアフローメータの出力に基づき算出された今回の吸気管圧力Ｐｍ’_(i)が前回Ｐｍ’_(i-1)より小さくなれば、ガード値Ｐｇとして確実に使用可能な値は、今回の吸気管圧力Ｐｍ’_(i)であるとして、これをガード値Ｐｇとするようになっている。

例えば、記憶されている補正係数ｅｋｐａが不適当な場合に備えて、機関始動直後はガード処理を実施しない又は第一フローチャートのステップ１０２において算出したような大気圧Ｐａを単にガード値として使用することも考えられるが、補正係数ｅｋｐａが、何時の時点で適当な値に学習更新されるかが明確ではないために、補正大気圧に基づくガード処理を開始した時に、依然として失火等の問題が発生することがある。本実施形態では、前述したように、このような問題が発生することはない。

ところで、第二フローチャートにおいて、補正係数ｅｋｐａの学習更新には、スロットル弁開度に基づくスロットル弁通過空気量ｍｔとエアフローメータの出力に基づくスロットル弁通過空気量ｍｔ’とが比較されるようにした。しかしながら、これは、本発明を限定するものではなく、例えば、比較する特定値は、スロットル弁通過空気量ではなく、スロットル弁開度及びエアフローメータの出力に基づきそれぞれに算出される吸気管圧力でも、吸入空気量でも良い。

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ｍｃ_(i)ではなく、吸気弁閉弁時における吸入空気量ｍｃ_(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。

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μ・Ａを変化させ、又は、式（４）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。

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。

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。

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。

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（１１）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（４）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（１１）により算出された前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)を使用して、式（８）において今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)を算出すると共に式（７）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、式（３）により今回の吸入空気量ｍｃ_(i)を算出することが好ましい。

それにより、第一フローチャートを使用して、現在の吸入空気量ｍｃ_(i)及び吸気弁閉弁時の吸入空気量ｍｃ_(i+n)を算出すると共に、前述のように式（１１）、式（８）、式（７）及び式（３）を使用してエアフローメータの出力に基づく現在の吸入空気量ｍｃ_(i)’を逐次算出し、吸気弁閉弁時の吸入空気量を、ｍｃ_(i+n)−ｍｃ_(i)＋ｍｃ_(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ｍｃ_(i+n)とｍｃ_(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。また、機関過渡時には、ｍｃ(i)とｍｃ(i)’とがほぼ相殺されるために、ｍｃ_(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。

本発明による吸入空気量推定装置が取り付けられる内燃機関の概略図である。 スロットル弁開度ＴＡと流量係数μとの関係を示すマップである。 スロットル弁開度ＴＡとスロットル弁の開口面積Ａとの関係を示すマップである。 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。 吸入空気量を算出するための第一フローチャートの一部である。 図５の第一フローチャートの残り一部である。 モデル化したエアフローメータの断面図である。 補正係数ｅｋｐａ及びガード値Ｐｇの学習及び更新のための第二フローチャートである。

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

Claims (1)

1. スロットル弁開度と大気圧とに基づきスロットル弁下流側の吸気管圧力を算出する吸気管圧力算出手段と、前記吸気管圧力算出手段により算出された前記吸気管圧力に基づき吸入空気量を算出する吸入空気量算出手段とを具備し、前記吸気管圧力算出手段で使用される前記大気圧は、前記スロットル弁開度が設定開度以上である時に学習更新されて機関停止に際しても記憶される補正大気圧であり、前記吸入空気量推定装置には、前記吸気管圧力算出手段により算出された前記吸気管圧力がガード値より高い時に前記吸気管圧力を前記ガード値と置換するガード手段が設けられ、前記ガード値は、前記補正大気圧に基づく値と、前記エアフローメータの出力に基づき機関始動時から新たに算出された前記吸気管圧力の最小値とを比較して大きい方の値とされることを特徴とする内燃機関の吸入空気量推定装置。

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