JP4506608B2 - エンジンのシリンダ吸入空気量検出装置及びエンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンのシリンダ吸入空気量検出装置及びこれを含んで構成されるエンジンの燃料噴射装置に関し、詳細には、エンジン制御の基礎情報として採用されるシリンダ吸入空気量を、吸気マニホールドにおける空気の出入りの収支計算により算出する吸入空気量の計測技術に関する。

エンジンのシリンダ吸入空気量検出装置として、次のものが知られている。すなわち、吸気マニホールドに流入する空気の量と、吸気マニホールドからシリンダに流出した空気の量との収支計算により吸気マニホールド内の空気の量を算出する。算出した空気の量と吸気マニホールドの容積とに基づいて算出される吸入空気の密度により、シリンダ内の空気の密度を近似して、シリンダに流出した空気の量であるシリンダ吸入空気量を算出するものである（特許文献１）。
特開２００１−０５００９１号公報（段落番号００３４〜００４２）

シリンダ吸入空気量は、燃料噴射制御等のエンジン制御に採用される基礎的な運転パラメータであるため、高い検出精度が要求される。
しかしながら、前掲特許文献１に記載のシリンダ吸入空気量検出装置では、吸入空気の密度を算出する際に用いられる吸気マニホールドの容積として、エンジンに固有のものとして幾何学的に特定される幾何マニホールド容積（吸気マニホールドの入口から吸気ポートまでの容積）を採用しており、これに起因して、次のような問題がある。すなわち、吸気マニホールドに流入した吸入空気は、吸気マニホールド内のみに留まらず、吸気マニホールド及びシリンダを含む系内に充填される。このため、収支計算の結果として得られる空気の量は、この系内に充填された空気の量として算出されるものと考えられるのであるが、吸気マニホールドの容積として幾何マニホールド容積を採用した場合は、収支計算により得られた空気の量と、この量の空気が占める容積とが対応せず（概して実際の充填容積よりも小さい。）、高めの値として得られた密度によりシリンダ吸入空気量が算出されることになる。このため、結果としてのシリンダ吸入空気量に誤差が生じ、燃料噴射制御に精度の低下を来すことである。

本発明は、収支計算の対象とする系の適正化を図り、シリンダ吸入空気量を正確に検出することを目的とする。

本発明は、エンジンのシリンダ吸入空気量検出装置を提供する。本発明に係る装置は、検出対象としての対象シリンダに吸入された空気の量（すなわち、シリンダ吸入空気量）を検出する装置であって、吸気マニホールドに流入する空気の量であるマニホールド流入空気量を検出するとともに、検出したマニホールド流入空気量、及び吸気マニホールドから対象シリンダに流出した空気の量であるシリンダ吸入空気量の収支計算により、吸気マニホールド内の空気の量であるマニホールド内空気量を算出する。吸気マニホールドの入口から吸気ポートまでの容積として幾何学的に算出される幾何マニホールド容積に、吸気弁閉時期における対象シリンダの容積を加算して、実効マニホールド容積を算出する。算出したマニホールド内空気量及び実効マニホールド容積、ならびに対象シリンダの容積に基づいてシリンダ吸入空気量を算出する。

本発明によれば、幾何マニホールド容積に対象シリンダの容積を加算した実効マニホールド容積を採用し、この実効マニホールド容積に基づいてシリンダ吸入空気量を算出することとしたので、収支計算により得られる空気の量と、この量の空気が占める容積とが対応し、シリンダ吸入空気量を正確に検出することができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るエンジン１の構成を示している。
エンジン１は、可変動弁型の火花点火エンジンであり、クランクシャフトに対する吸気カムシャフトの位相角を変更することができる。動弁装置には、一般的な油圧シリンダによるものを採用するほか、電磁アクチュエータによるものを採用することができる。本実施形態では、説明の便宜上、吸気カムシャフトのみの位相角を可変としたものを採用するが、吸気及び排気の双方のカムシャフトに同様な動弁装置を設置し、双方の位相角を可変としてもよい。

吸気通路１１の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられるとともに、スロットル弁１２が設置されており、このスロットル弁１２によりエンジン１に吸入される空気の量が制御される。スロットル弁１２の下流には、サージタンク１３が設置され、このサージタンク１３から各シリンダｃ１〜ｃ４に分岐管１４が伸び、本体のシリンダヘッドに接続して、吸気ポート１４ａが形成されている。この吸気ポート１４ａには、上記の通り弁特性が可変とされた吸気弁１５が設置されている。また、各シリンダｃ１〜ｃ４の分岐管１４には、吸気ポート１４ａに指向させて燃料噴射弁２５が設置されており、この燃料噴射弁２５によりエンジン１の運転状態に応じた量の燃料が噴射される。

エンジン１の本体において、シリンダブロックには、ピストン１６が挿入されており、シリンダヘッドとこのピストン１６とにより挟まれる空間が燃焼室となる。図示しない点火プラグ（シリンダヘッドにおいて、気筒中心線上に設置される。）による点火後、燃焼により生じた排ガスは、排気弁１７の開駆動に伴い排気通路に掃出される。
スロットル弁１２の開度、燃料噴射弁２５による燃料噴射量、吸気カムシャフトの位相角、及び点火プラグの点火時期等は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）２１により制御される。ＥＣＵ２１には、スロットル弁１２の上流における空気の流量を検出するエアフローメータ３１からの信号が入力されるほか、クランク角センサ３２からの単位クランク角ＰＯＳ及び基準クランク角ＲＥＦ毎の信号、サージタンク１３内の圧力（以下「吸気圧力」という。）ＶＯＯＳＴを検出するブーストセンサ３３からの信号、及びサージタンク１３内の温度（以下「吸気温度」という。）ＴＭＡＮＩを検出する吸気温度センサ３４からの信号等が入力される。ＥＣＵ２１は、入力した各信号に基づいて所定の演算を行い、燃料噴射弁２５等のエンジン制御デバイスに制御信号を出力する。なお、ＥＣＵ２１は、クランク角センサ３２からの信号ＰＯＳ，ＲＥＦに基づいてクランク角θ及びエンジン回転数ＮＥを算出する。

本実施形態において、ＥＣＵ２１は、エアフローメータ３１からの信号をもとに、吸気マニホールドにおける空気の出入りの収支計算により吸気マニホールド内の空気の量（すなわち、マニホールド内空気量）ＭＡＭＡＮＩを算出するとともに、算出したマニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩ、実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩ及び対象シリンダの容積ＶＣＹＬ１に基づいてシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬを算出する。以下に、本実施形態に係るシリンダ吸入空気量検出装置について説明する。

本実施形態において、シリンダ吸入空気量検出装置としての機能は、ＥＣＵ２１に組み込まれている。すなわち、ＥＣＵ２１は、吸入空気量検出部２０１ａ及び燃料噴射量設定部２０２を含んで構成され、吸入空気量検出部２０１ａにおいて、マニホールド流入空気量ＱＴＲＭとしてエアフローメータ３１からの信号を入力し、これに基づいて以下に示す演算によりシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬを算出する。このＱＣＹＬの演算は、所定のクランク角毎（ここでは、各シリンダｃ１〜ｃ４の吸気弁閉時期ＩＶＣ毎）に実行される。ＥＣＵ２１は、算出したＱＣＹＬ（ここでは、単位換算の関係でＭＡＣＹＬ）を燃料噴射量設定部２０２に出力し、燃料噴射量ＴＰを算出及び設定する。なお、以下の説明では、対象シリンダをｃ１とし、このｃ１についてのシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬを検出するものとする。

図２は、吸入空気量検出部２０１ａの構成をブロック毎に示している。
マニホールド内空気量算出部２１１ａでは、マニホールド流入空気量ＱＴＲＭ、及び前回の検出時に得られたシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬｚをもとに、下式（１）による収支計算を行い、マニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩを算出する。なお、前回の検出時に得られたマニホールド内空気量をＭＡＭＡＮＩｚと、この演算の実行周期をΔｔとする。

ＭＡＭＡＮＩ＝ＭＡＭＡＮＩｚ＋（ＱＴＲＭ−ＱＣＹＬｚ）×Δｔ ・・・（１）
実効マニホールド容積算出部２１２ａでは、対象シリンダｃ１の吸気弁閉時期ＩＶＣを読み込み、そのクランク角θｉｖｃにおける対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１、及び連通シリンダｃ４の容積ＶＣＹＬ２を算出する。幾何マニホールド容積ＶＭＡＮＩ＃にこのＶＣＹＬ１，ＶＣＹＬ２を加算し、実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出する（下式（２））。ＶＣＹＬ１，ＶＣＹＬ２は、ＩＶＣ毎に対応させてＥＣＵ２１に記憶されており、ＩＶＣによる検索により読み出される。ＩＶＣは、吸気カムシャフトの位相角に基づいて算出することができる。なお、連通シリンダは、ＩＶＣのクランク角θｉｖｃで吸気弁１５が開弁し、筒内が吸気マニホールド内と連通するシリンダとして特定され、ここでは、ｃ４が該当する。また、ＶＭＡＮＩ＃は、スロットル弁１２の回転軸の位置（吸気マニホールドの入口を定める。）から吸気ポート１４ａまでの容積として幾何学的に算出され、ＥＣＵ２１に記憶されている。

ＶＭＡＮＩ＝ＶＭＡＮＩ＃＋ＶＣＹＬ１＋ＶＣＹＬ２ ・・・（２）
除算部２１３では、マニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩ及び実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩをもとに、下式（３）により吸入空気の密度ＤＭＡＮＩを算出する。ここでは、吸気マニホールド内と筒内とで空気の密度に実質的な差がない（温度及び圧力がほぼ一致する。）ものとして扱う。

ＤＭＡＮＩ＝ＭＡＭＡＮＩ／ＶＭＡＶＩ ・・・（３）
積算部２１４では、密度ＤＭＡＮＩに対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１を乗算し、シリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬを算出する。なお、ここでは、後述する燃料噴射量設定部２１ｂへの出力を考慮し、ＭＡＣＹＬをＱＣＹＬとは異なり、１シリンダ、かつ１サイクル当たりの量として算出する。このため、ＱＣＹＬの出力に際し、積算部２１６において、係数設定部２１５により設定された単位換算係数Ｋにより単位を変換している。なお、エンジン回転数をＮＥと、エンジン１の気筒数をＮＲＥＦ（ここでは、４）とする。

ＭＡＣＹＬ＝ＤＭＡＮＩ×ＶＣＹＬ１ ・・・（４）
Ｋ＝ＮＥ×ＮＲＥＦ×６０／１０００ ・・・（５）
ＱＣＹＬ＝ＭＡＣＹＬ×Ｋ ・・・（６）
他方、積算部２１７では、１サイクル当たりのシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬに係数Ｋｃｏｎｓｔを乗算して、対象シリンダｃ１に対する燃料噴射量ＴＰを算出し、燃料噴射弁２５に出力する。なお、Ｋｃｏｎｓｔは、エンジン１の負荷に対応する基本噴射量を与えるものであり、エンジン１の運転状態毎に設定され、ＥＣＵ２１に記憶されている。このＴＰに対し、始動後の時間及び加速等の特定の運転状態に関する補正が行われるが、ここではその説明を省略する。

ＴＰ＝Ｋｃｏｎｓｔ×ＭＡＣＹＬ ・・・（７）
本実施形態に関し、エアフローメータ３１が「マニホールド流入空気量検出手段」を、マニホールド内空気量算出部２１１が「マニホールド内空気量算出手段」を、実効マニホールド容積算出部２１２ａが「実効マニホールド容積算出手段」を、除算部２１３及び乗算部２１４が「シリンダ吸入空気量算出手段」を構成する。

本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
すなわち、幾何マニホールド容積ＶＭＡＮＩ＃に対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１を加算した実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを採用し、このＶＭＡＮＩにより吸入空気の密度ＤＭＡＮＩを算出し、シリンダ吸入空気量ＱＣＹＬを算出することとした。このため、収支計算により得られる空気の量（すなわち、ＭＡＭＡＮＩ）と、この量の空気が占める容積ＶＭＡＮＩとが対応し、ＱＣＹＬを正確に検出することができる。

また、対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１に加え、吸気弁閉時期ＩＶＣにおける連通シリンダｃ４の容積ＶＣＹＬ２を加算することとしたので、実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩをより正確なものとし、シリンダ吸入空気量ＱＣＹＬの検出精度を向上させることができる。
以下に、本発明の他の実施形態について説明する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る実効マニホールド容積算出部２１２ｂの構成を示している。実効マニホールド容積算出部２１２ｂ以外の構成は、第１の実施形態に係るエンジン１及びＥＣＵ２１と同様である。本実施形態では、排気後の筒内に残される残ガスを考慮し、この残ガスが対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４内に占める容積ＶＲＥＳを除いたものとして、各シリンダｃ１，ｃ４の容積ＶＣＹＬ１，ＶＣＹＬ２及び実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出する。

第１の行程容積算出部２２１では、吸気弁閉時期ＩＶＣに基づいて対象シリンダｃ１の行程容積ＶＣ１を算出する。ＶＣ１は、対象シリンダｃ１のピストン１６が上死点の時期からＩＶＣまでに移動した距離ＳＴＲ１に、ピストン１６の断面積Ａを乗算して得られる容積である。なお、ＳＴＲ１、及び後述する距離ＳＴＲ２は、吸気カムシャフトの位相角の関数としてＥＣＵ２１に記憶されている。

ＶＣ１＝ＳＴＲ１×Ａ ・・・（８）
第２の行程容積算出部２２２では、下式（９）により連通シリンダｃ４の行程容積ＶＣ２を算出する。連通シリンダｃ４のピストン１６が上死点の時期から、前記ＩＶＣまでに移動した距離をＳＴＲ２とする。なお、ピストン１６の断面積は、対象シリンダｃ１のものＡに等しいとする。

ＶＣ２＝ＳＴＲ２×Ａ ・・・（９）
残ガス率算出部２２３では、吸気弁閉時期ＩＶＣ、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧力ＶＯＯＳＴをもとに、対象シリンダｃ１について残ガス率ＶＲＥＳＲを算出する。このＶＲＥＳＲは、吸気弁閉時期ＩＶＣの筒内（燃焼室部分を含む。）に存在するガスの総量に対する残ガス量の比として扱われる。ＮＥ，ＶＯＯＳＴに応じたマップデータの検索によりＶＲＥＳＲの基本値を算出し、ＩＶＣによりこの基本値を補正してＶＲＥＳＲを算出する。更に、吸気温度ＴＭＡＮＩによる補正を行うこととしてもよい。ＩＶＣは、吸気弁１５及び排気弁１７の各弁開期間が重なり合う期間（以下「オーバーラップ期間」という。）の長さを示すものとして考慮する。

乗算部２２４では、残ガス率ＶＲＥＳＲをもとに、下式（１０）により対象シリンダｃ１内に占める残ガスの容積（「第１の残ガス分容積」に相当する。）ＶＲＥＳを算出する。なお、筒内全体のうち、ピストン１６が移動する空間を除く燃焼室部分の容積をＶＰＲＯＯＦ＃とする。ＶＰＲＯＯＦ＃は、エンジン１に固有のものとしてＥＣＵ２１に記憶されている。

ＶＲＥＳ＝（ＶＣ１＋ＶＰＲＯＯＦ＃）×ＶＲＥＳＲ ・・・（１０）
以上のＶＣ１，ＶＣ２，ＶＲＥＳをもとに、下式（１１）〜（１３）により対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１、連通シリンダｃ４の容積ＶＣＹＬ２、及び実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出する。なお、ここでは、連通シリンダｃ４内に占める残ガスの容積（「第２の残ガス分容積」に相当する。）をＶＲＥＳにより近似する。

ＶＣＹＬ１＝ＶＣ１＋ＶＰＲＯＯＦ＃−ＶＲＥＳ ・・・（１１）
ＶＣＹＬ２＝ＶＣ２＋ＶＰＲＯＯＦ＃−ＶＲＥＳ ・・・（１２）
ＶＭＡＮＩ＝ＶＭＡＮＩ＃＋ＶＣＹＬ１＋ＶＣＹＬ２ ・・・（１３）
本実施形態に係る実効マニホールド容積算出部２１２ｂにより算出された実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩ、及び対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１は、吸入空気量検出部２１ａ（図２）の除算部２１３、乗算部２１４に夫々出力され、シリンダ吸入空気量ＱＣＹＬの演算に反映される。

本実施形態に関し、図３に示すブロック全体が「実効マニホールド容積算出手段」を構成する。
本実施形態によれば、特に、対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４の各容積ＶＣＹＬ１，ＶＣＹＬ２として、残ガスが占める容積ＶＲＥＳを除いた容積を採用し、ＶＲＥＳを除いた実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出することとした。このため、新たに筒内に吸入された空気のみを評価の対象とし、シリンダ吸入空気量ＱＣＹＬをより正確に算出することができる。

図４は、本実施形態に係る実効マニホールド容積算出部の他の例２１２ｃの構成を示している。本実施形態では、先の例における残ガス量ＶＲＥＳに代えて筒内における新気割合ＩＴＡを採用し、このＩＴＡにより、残ガス分を除く対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４の容積ＶＣＹＬ１，ＶＣＹＬ２を算出する。
第１の行程容積算出部２２１、第２の行程容積算出部２２２では、先の例と同様に、吸気弁閉時期ＩＶＣをもとに、（８）及び（９）式により対象シリンダｃ１、連通シリンダｃ４の各行程容積ＶＣ１，ＶＣ２を算出する。

新気割合算出部２３１では、吸気弁閉時期ＩＶＣ、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧力ＶＯＯＳＴをもとに、対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４について新気割合ＩＴＡ１，ＩＴＡ２を算出する。ＩＴＡ（ＩＴＡ１，ＩＴＡ２）は、吸気弁閉時期ＩＶＣの筒内に存在するガスの総量に対する吸入空気量の比として扱われ、ＮＥ等の運転状態に応じたマップデータの検索により算出した基本値に、ＩＶＣ（すなわち、オーバーラップ期間の長さ）による補正を行い、算出する。

以上のＶＣ１，ＶＣ２，ＩＴＡ１，ＩＴＡ２をもとに、下式（１４）〜（１６）により対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１、連通シリンダｃ４の容積ＶＣＹＬ２、及び実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出する。
ＶＣＹＬ１＝（ＶＣ１＋ＶＰＲＯＯＦ＃）×ＩＴＡ１ ・・・（１４）
ＶＣＹＬ２＝（ＶＣ２＋ＶＰＲＯＯＦ＃）×ＩＴＡ２ ・・・（１５）
ＶＭＡＮＩ＝ＶＭＡＮＩ＃＋ＶＣＹＬ１＋ＶＣＹＬ２ ・・・（１６）
この例の実効マニホールド容積算出部２１２ｃにより算出された実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩ、対象シリンダｃ１の容積ＶＣＹＬ１も、先の例におけると同様に、吸入空気量検出部２０１ａ（図２）の除算部２１３等に夫々出力され、シリンダ吸入空気量ＱＣＹＬの演算に反映される。

本実施形態に関し、図４に示すブロック全体が「実効マニホールド容積算出手段」を構成する。
図５は、本発明の第３の実施形態に係る吸入空気量検出部２０１ｂ（第１の実施形態におけると同様に、ＥＣＵ２１に組み込まれる。）の構成をブロック毎に示している。本実施形態では、残ガスを考慮することに加え、この残ガスの量ＭＲＥＳをマニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩの収支計算に反映させる。

マニホールド内空気量算出部２１１ｂでは、マニホールド流入空気量ＱＴＲＭ、前回の検出時に得られたシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬｚ、及び総残ガス量ＭＲＥＳＴＴＬをもとに、下式（１７）による収支計算を行い、マニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩを算出する。ＭＲＥＳＴＴＬは、対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４の筒内に残される残ガスの総量（＝ＭＲＥＳ１＋ＭＲＥＳ２）であり、後述する残ガス量算出部２４２により算出される。

ＭＡＭＡＮＩ＝ＭＡＭＡＮＩｚ＋（ＱＴＲＭ−ＱＣＹＬｚ）×Δｔ
＋ＭＲＥＳＴＴＬ ・・・（１７）
実効マニホールド容積算出部２１２ｄでは、対象シリンダｃ１の吸気弁閉時期ＩＶＣを読み込み、このＩＶＣをもとに、ＩＶＣにおける対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４の、吸気効率ＩＴＡＶを考慮した実効容積（残ガス分容積を含む。）ＶＣＹＬ１’，ＶＣＹＬ２’を算出し、下式（１８）により実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出する。

ＶＭＡＮＩ＝ＶＭＡＮＩ＃＋ＶＣＹＬ１’＋ＶＣＹＬ２’ ・・・（１８）
除算部２１３、積算部２１４及び減算部２４１では、マニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩ、実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩ、及び対象シリンダｃ１の実効容積ＶＣＹＬ１’をもとに、下式（１９）及び（２０）によりシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬを算出する。なお、減算部２４１では、吸気弁閉時期ＩＶＣの筒内全体に占める実質的なガスの総量から残ガス量ＭＲＥＳ１を減算することで、ＭＡＣＹＬとして新たに吸入された空気の量を算出する。

ＤＭＡＮＩ＝ＭＡＭＡＮＩ／ＶＭＡＶＩ ・・・（１９）
ＭＡＣＹＬ＝ＤＭＡＮＩ×ＶＣＹＬ１’−ＭＲＥＳ１ ・・・（２０）
算出したＭＡＣＹＬ（１シリンダ、かつ１サイクル当たりのシリンダ吸入空気量）に単位換算係数Ｋを乗算し、単位時間当たりの流量としてシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬを算出し、出力する。

ＱＣＹＬ＝ＭＡＣＹＬ×Ｋ ・・・（２１）
他方、燃料噴射量設定部２０２では、シリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬに係数Ｋｃｏｎｓｔを乗算して、対象シリンダｃ１に対する燃料噴射量ＴＰを算出し、燃料噴射弁２５に出力する（乗算部２１７）。
図６は、実効マニホールド容積算出部２１２ｄの構成を示している。

吸気効率算出部２５１，２５２では、吸気弁閉時期ＩＶＣ、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧力ＶＯＯＳＴをもとに、対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４について吸気効率ＩＴＡＶ１，ＩＴＡＶ２を算出する。積算部２３２では、燃焼室部分を含む対象シリンダｃ１の容積（＝ＶＣ１＋ＶＰＲＯＯＦ＃）にＩＴＡＶ１を積算して、対象シリンダｃ１の実効容積ＶＣＹＬ１’を算出し、他方、積算部２３３では、ＩＶＣにおける連通シリンダｃ４の容積（＝ＶＣ２＋ＶＰＲＯＯＦ＃）にＩＴＡＶ２を積算して、連通シリンダｃ４の実効容積ＶＣＹＬ２’を算出する。算出したＶＣＹＬ１’，ＶＣＹＬ２’に幾何マニホールド容積ＶＭＡＮＩ＃を加算し、実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出する。このＶＭＡＮＩは、吸気マニホールド、対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４を含む系内に存在するガス（残ガスを含む。）の総量として算出され、吸入空気量検出部２０１ｂの除算部２１３に出力される。

ＶＣＹＬ１’＝（ＶＣ１＋ＶＰＲＯＯＦ＃）×ＩＴＡＶ１ ・・・（２２）
ＶＣＹＬ２’＝（ＶＣ２＋ＶＰＲＯＯＦ＃）×ＩＴＡＶ２ ・・・（２３）
ＶＭＡＮＩ＝ＶＭＡＮＩ＃＋ＶＣＹＬ１’＋ＶＣＹＬ２’ ・・・（２４）
図７は、残ガス量算出部２４２の構成を示している。本実施形態では、残ガス量ＭＲＥＳを、オーバーラップ期間中に排気通路から吸気通路に吹き返す排ガスの量（以下「吹返ガス量」という。）ＭＲＥＳＯＬと、排気時に掃出されずに筒内に滞留する排ガスの量（以下「滞留ガス量」という。）ＭＲＥＳＥＶＣとの合計として算出する。なお、本実施形態でも、吸気弁１５の弁特性（吸気カムシャフトの位相角）のみを可変とし、排気弁１７の弁特性は一定とする。

吹返ガス量算出部２６１では、吸気弁閉時期ＩＶＣ、ならびに排ガスの温度及び圧力ＴＥＸ，ＰＥＸをもとに、下式（２５）〜（２９）により吹返ガス量ＭＲＥＳＯＬを算出する。ＴＥＸ，ＰＥＸは、排気マニホールド等に設置した排気温度センサ、排気圧力センサにより検出することができる。ＭＲＥＳＯＬｔｍｐは、排ガスが吹き返す際の平均流速であり、吸気弁１５又は排気弁１７により各ポートに形成される微笑な隙間をオリフィスとみなして、下式（２６）により算出する。ＡＳＵＭＯＬは、前記オリフィスの積算開口面積であり、吸気弁１５又は排気弁１７のうちリフト量の小さい方の弁が形成するクランク角Δθ毎の区間開口面積ＡＳＩＩＴＡを、オーバーラップ期間全体に渡り積算して算出する（下式（２７））。

また、（２６）式において、ＰＥＶＣは、排気弁閉時期ＥＶＣにおける筒内圧力であり、ＥＶＣ直前における排気圧力ＰＥＸにより近似する。ＭＲＳＯＬＤは、流量密度項であり、排ガスのガス定数ＲＥＸ、及びＥＶＣにおける筒内温度ＴＥＶＣをもとに、下式（２８）により算出する。ＲＥＸは、目標当量比に基づいて算出することができ、本実施形態では、これを示すものとして係数Ｋｃｏｎｓｔを採用することができる。ＴＥＶＣは、ＥＶＣ直前における排気温度ＴＥＸにより近似する。ＭＲＳＯＬＰは、流量圧力項であり、吸気マニホールド内と排気マニホールド内との間の圧力比ＰＩＮＢＹＥＸ（＝ＰＩＮ／ＰＥＸ）をもとに、下式（２９）により算出する。ＳＨＥＡＴＲは、比熱比であり、目標当量比に基づいて算出することができる。

ＭＲＥＳＯＬ＝（ＭＲＥＳＯＬｔｍｐ×ＡＳＵＭＯＬ×６０）／（ＮＥ×３６０） ・・・（２５）
ＭＲＥＳｔｍｐ＝１．４×ＰＥＶＣ×ＭＲＳＯＬＤ×ＭＲＳＯＬＰ ・・・（２６）
ＡＳＵＭＯＬ＝Σ（ＡＳＩＩＴＡ×Δθ） ・・・（２７）
ＭＲＳＯＬＤ＝√｛１／（ＲＥＸ×ＴＥＶＣ）｝ ・・・（２８）
ＭＲＳＯＬＰ＝√［ＳＨＥＡＴＲ／（ＳＨＥＡＴＲ−１）×｛ＰＩＮＢＹＥＸ＾（２／ＳＨＥＡＴＲ）−ＰＩＮＢＹＥＸ＾（（ＳＨＥＡＴＲ＋１）／ＳＨＥＡＴＲ）｝］ ・・・（２９）
他方、滞留ガス量算出部２６２では、排ガスの温度及び圧力ＴＥＸ，ＰＥＸをもとに、下式（３０）により滞留ガス量ＭＲＥＳＥＶＣを算出する。筒内圧力ＰＥＶＣ、筒内温度ＴＥＶＣをＥＶＣ直前における排気圧力ＰＥＸ及び温度ＴＥＸにより近似することができ、ガス定数ＲＥＸを目標当量比に基づいて算出することができるのは、上記の通りである。また、ＶＥＶＣは、排気弁閉時期ＥＶＣにおけるシリンダ（燃焼室部分を含む。）の容積であるが、本実施形態では、排気弁１７の弁特性が不変であるため、予め算出し、ＥＣＵ２１に記憶させておく。

ＭＲＥＳＥＶＣ＝（ＰＥＶＣ×ＶＥＶＣ）／（ＲＥＸ×ＴＥＶＣ） ・・・（３０）
残ガス量算出部２４２では、更に、吹返ガス量ＭＲＥＳＯＬ及び滞留ガス量ＭＲＥＳＥＶＣをもとに、対象シリンダｃ１について下式（３１）により第１の残ガス量ＭＲＥＳ１を算出する。また、ＭＲＥＳＯＬ，ＭＲＥＳＥＶＣをもとに、連通シリンダｃ４について下式（３２）により第２の残ガス量ＭＲＥＳ２を算出する。ＯＬＲＡＴＩＯは、開口面積比であり、連通シリンダｃ４について算出される、クランク角θｉｖｃまでの積算開口面積ＳＩＧＭＡＡと、対象シリンダｃ１について算出される、オーバーラップ期間全体に亘る積算開口面積ＡＳＵＭＯＬとの比として、下式（３３）により算出する。図８は、オーバーラップ期間における吸気弁１５及び排気弁１７の弁特性を示しており、斜線で示す部分の面積がＳＩＧＭＡＡに相当する。図９は、クランク角θｉｖｃにおける対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４のピストン１６の位置を示しており、４気筒エンジンの場合を（ａ）に、６気筒エンジンの場合を（ｂ）に示している。４気筒エンジンの場合は、対象シリンダｃ１が吸気弁閉時期ＩＶＣにあるθｉｖｃにおいて、連通シリンダｃ４が排気弁閉時期ＥＶＣを過ぎているため、ＯＬＲＡＴＩＯは、１に設定される。他方、６気筒エンジンの場合は、θｉｖｃにおいて、２つの連通シリンダｃ２，ｃ３のうち一方ｃ２がＥＶＣを過ぎているが、他方ｃ３がオーバーラップ期間内にあるため、連通シリンダｃ２についてＯＬＲＡＴＩＯが１に、連通シリンダｃ３についてＯＬＲＡＴＩＯが（３３）式により１未満の値に設定される。なお、吸気カムシャフトの位相角の大きく遅れ、オーバーラップ期間が存在しない場合は、ＭＲＥＳＯＬが０となり、残ガス量としてＭＲＥＳＥＶＣが出力される。

ＭＲＥＳ１＝ＭＲＥＳＯＬ１＋ＭＲＥＳＥＶＣ１ ・・・（３１）
ＭＲＥＳ２＝ＭＲＥＳＯＬ２＋ＭＲＥＳＥＶＣ２＝ＭＲＥＳＯＬ１×ＯＬＲＡＴＩＯ＋ＭＲＥＳＥＶＣ２ ・・・（３２）
ＯＬＲＡＴＩＯ＝ＳＩＧＭＡＡ／ＡＳＵＭＯＬ ・・・（３３）
更に、残ガス量算出部２４２は、算出したＭＲＥＳ１，ＭＲＥＳ２を加算し、総残ガス量ＭＲＥＳＴＴＬを算出する。

ＭＲＥＳＴＴＬ＝ＭＲＥＳ１＋ＭＲＥＳ２ ・・・（３４）
本実施形態に関し、エアフローメータ３１が「マニホールド流入空気量検出手段」を、マニホールド内空気量算出部２１１ｂが「マニホールド内空気量算出手段」を、実効マニホールド容積算出部２１２ｄが「実効マニホールド容積算出手段」を、除算部２１３、乗算部２１４及び減算部２４１が「シリンダ吸入空気量算出手段」を、残ガス量算出部２４２が「第１の残ガス量算出手段」及び「第２の残ガス量算出手段」を構成する。

本発明によれば、特に、次のような効果を得ることができる。
すなわち、対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４について残ガス量ＭＲＥＳ１，ＭＲＥＳ２を算出し、その合計である総残ガス量ＭＲＥＳＴＴＬをマニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩの収支計算に反映させることとしたので、残ガスによる吸気マニホールド内の状態（主に、密度）の変化を考慮して、筒内のガスの密度、延いてはシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬを正確に算出することができる。

また、各残ガス量ＭＲＥＳ１，ＭＲＥＳ２を吹返ガス量ＭＲＥＳＯＬ及び滞留ガス量ＭＲＥＳＥＶＣの合計として扱うこととしたので、残ガス量をより正確に算出することができるとともに、オーバーラップ期間中にある連通シリンダ（図９（ｂ）のｃ３）に関する残ガス量の的確な評価が可能となる。
なお、収支計算によるシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬの検出は、始動時又は加速時等の過渡時において、特に有効である。定常時には、この方法による検出を停止し、ＱＣＹＬとしてエアフローメータ３１の出力を採用することとしてもよい。作動遅れの影響が無視し得るほどに小さいため、収支計算の結果とエアフローメータ３１の出力とがほぼ一致し、エアフローメータ３１により同等な精度でＱＣＹＬを検出することができるからである。

また、以上の各実施形態において、乗算部２１７が「燃料噴射量設定手段」を構成する。

本発明の第１の実施形態に係るエンジン１の構成 同上実施形態に係るエンジンコントロールユニット２１の吸入空気量検出部２０１ａの構成 本発明の第２の実施形態に係る吸入空気量検出部の実効マニホールド容積算出部２１２ｂの構成 同上実効マニホールド容積算出部の他の例２１２ｃの構成 本発明の第３の実施形態に係るエンジンコントロールユニットの吸入空気量検出部２０１ｂの構成 同上吸入空気量検出部２０１ｂの実効マニホールド容積算出部２１２ｄの構成 同上吸入空気量検出部２０１ｂの残ガス量算出部２４２の構成 吸気弁閉時期ＩＶＣのクランク角θｉｖｃでオーバーラップ期間中にある連通シリンダに関する積算開口面積ＳＩＧＭＡＡ 同上クランク角θｉｖｃにおける対象シリンダｃ１及び連通シリンダｃ４の各ピストンの位置

符号の説明

１…エンジン、１１…吸気通路、１２…スロットル弁、１３…サージタンク、１４ａ…吸気ポート、１５…吸気弁、１６…ピストン、１７…排気弁、２１…エンジンコントロールユニット、２５…インジェクタ、３１…エアフローメータ、３２…クランク角センサ、３３…ブーストセンサ、３４…吸気温度センサ、ｃ１…圧縮行程シリンダ（対象シリンダ）、ｃ２…膨張行程シリンダ、ｃ３…排気行程シリンダ、ｃ４…吸気行程シリンダ（連通シリンダ）、２０１ａ，２０１ｂ…吸入空気量検出部、２１１ａ，２１１ｂ…マニホールド内空気量算出部、２１２ａ〜２１２ｄ…実効マニホールド容積算出部、２４２…残ガス量算出部、２０２…燃料噴射量設定部。

Claims (8)

1. 検出対象としての対象シリンダに吸入された空気の量であるシリンダ吸入空気量を検出する装置であって、
   吸気マニホールドに流入する空気の量であるマニホールド流入空気量を検出するマニホールド流入空気量検出手段と、
   検出されたマニホールド流入空気量、及び吸気マニホールドから前記対象シリンダに流出した空気の量であるシリンダ吸入空気量の収支計算により、吸気マニホールド内の空気の量であるマニホールド内空気量を算出するマニホールド内空気量算出手段と、
   吸気マニホールドの入口から吸気ポートまでの容積として幾何学的に算出される幾何マニホールド容積に、吸気弁閉時期における前記対象シリンダの容積を加算して、実効マニホールド容積を算出する実効マニホールド容積算出手段と、
   算出されたマニホールド内空気量及び実効マニホールド容積、ならびに前記対象シリンダの容積に基づいて前記シリンダ吸入空気量を算出するシリンダ吸入空気量算出手段と、を含んで構成されるエンジンのシリンダ吸入空気量検出装置。
2. 前記実効マニホールド容積算出手段は、排気後の筒内に残される残ガスが前記対象シリンダ内に占める第１の残ガス分容積以外の容積を前記対象シリンダの容積として、これを前記幾何マニホールド容積に加算する請求項１に記載のエンジンのシリンダ吸入空気量検出装置。
3. 排気後の筒内に残される残ガスの量を前記対象シリンダについて算出する第１の残ガス量算出手段を更に含んで構成され、
   前記マニホールド内空気量算出手段は、前記第１の残ガス量算出手段により算出された残ガスの量を第１の残ガス量として、前記マニホールド流入空気量、前記シリンダ吸入空気量及び前記第１の残ガス量の収支計算により、前記マニホールド内空気量を算出し、
   前記シリンダ吸入空気量算出手段は、前記マニホールド内空気量、前記実効マニホールド容積及び前記第１の残ガス量に基づいて前記シリンダ吸入空気量を算出する請求項１に記載のエンジンのシリンダ吸入空気量検出装置。
4. 前記実効マニホールド容積算出手段は、前記幾何マニホールド容積に、前記対象シリンダの容積、及び前記対象シリンダの吸気弁閉時期に筒内が吸気マニホールド内と連通する連通シリンダの、この吸気弁閉時期における容積を加算して、前記実効マニホールド容積を算出する請求項１に記載のエンジンのシリンダ吸入空気量検出装置。
5. 前記実効マニホールド容積算出手段は、排気後の筒内に残される残ガスが前記対象シリンダ内に占める第１の残ガス分容積以外の容積を前記対象シリンダの容積とするとともに、残ガスが、前記吸気弁閉時期に前記連通シリンダ内に占める第２の残ガス分容積以外の容積を前記連通シリンダの容積として、これらを前記幾何マニホールド容積に加算する請求項４に記載のエンジンのシリンダ吸入空気量検出装置。
6. 前記実効マニホールド容積算出手段は、前記第１の残ガス分容積により前記第２の残ガス分容積を近似して、前記実効マニホールド容積を算出する請求項５に記載のエンジンのシリンダ吸入空気量検出装置。
7. 排気後の筒内に残される残ガスの量を前記対象シリンダについて算出する第１の残ガス量算出手段と、
   残ガスの量を、前記吸気弁閉時期における前記連通シリンダについて算出する第２の残ガス量算出手段と、を更に含んで構成され、
   前記マニホールド内空気量算出手段は、前記第１及び第２の残ガス量算出手段により算出された残ガスの量を夫々第１の残ガス量、第２の残ガス量として、前記マニホールド流入空気量、前記シリンダ吸入空気量、ならびに前記第１及び第２の残ガス量の収支計算により、前記マニホールド内空気量を算出し、
   前記シリンダ吸入空気量算出手段は、前記マニホールド内空気量、前記実効マニホールド容積及び前記第１の残ガス量に基づいて前記シリンダ吸入空気量を算出する請求項４に記載のエンジンのシリンダ吸入空気量検出装置。
8. 請求項１〜７に記載のシリンダ吸入空気量検出装置と、
   検出されたシリンダ吸入空気量に基づいて前記対象シリンダに対する燃料噴射量を設定する燃料噴射量設定手段と、を含んで構成されるエンジンの燃料噴射装置。