JP5064729B2 - 内燃機関の空気量算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気量算出装置に関し、特に、吸気管圧力に基づいて空気量を算出する技術に関する。

従来より、特にガソリンを燃料とした内燃機関においては、内燃機関に吸入される空気量に応じた量の燃料が噴射される。この燃料を過不足無く噴射するためには、内燃機関に吸い込まれる空気量のみならず、実際に筒内に充填される空気量を考慮することが望ましい。そこで、筒内に充填される空気量を算出する技術が提案されている。

特開２００２−２０１９９８号公報（特許文献１）は、スロットルバルブをスロットルアクチュエータで駆動してスロットル開度を制御する電子スロットルシステムを備えた内燃機関の制御装置を開示する。この制御装置は、アクセル操作量等に基づいて開度指令値を演算する開度指令値演算部と、開度指令値演算部で演算した開度指令値をスロットルアクチュエータに出力するタイミングを遅延させるディレイ部と、ディレイ部で遅延させる前の開度指令値と電子スロットルシステムの応答遅れ特性とに基づいて開度指令値の遅延出力前にその後のスロットル開度を予測するスロットル開度予測部と、スロットル開度予測部で予測したスロットル開度に基づいて筒内充填空気量を予測する筒内充填空気量予測部と、筒内充填空気量予測部で予測した筒内充填空気量に基づいて燃料噴射量を演算する燃料噴射量演算部とを含む。スロットル開度等からスロットル通過空気量が演算される。このスロットル通過空気量から予測吸気圧が演算される。さらに、予測吸気圧から筒内充填空気量が演算される。スロットル通過空気量は、吸気圧をＰｍ、大気圧をＰａとおくと、Ｐｍ／Ｐａをパラメータとするテーブルから算出されるｆ（Ｐｍ／Ｐａ）を用いて算出される。ｆ（Ｐｍ／Ｐａ）のテーブルは、Ｐｍ／Ｐａ＝１を境にして±が反転する対称な変化特性となっている。

この公報によれば、開度指令値をスロットルアクチュエータに出力するタイミングがディレイ部で適度に遅延される。これにより、吸気バルブ閉タイミング（筒内充填空気量の確定タイミング）のスロットル開度を予測することが可能となる。これにより、予測スロットル開度から筒内充填空気量を精度良く予測することが可能となる。また、Ｐｍ／Ｐａ＝１を境にして±が反転する対称な変化特性を有するテーブルを用いてスロットル通過空気量を演算し、このスロットル通過空気量に基づいて筒内充填空気量を演算することにより、高負荷運転時における筒内充填空気量のハンチングを抑制することができる。
特開２００２−２０１９９８号公報

しかしながら、特開２００２−２０１９９８号公報に記載の制御装置においては、高負荷運転時でなければ、空気量のハンチング（発振）が抑制されない。そのため、空気量の発振が発生した場合であっても、高負荷運転時でなければ空気量の発振を抑制することができないという問題点があった。

本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであって、空気量の発振を抑制することができる内燃機関の空気量算出装置を提供することである。

第１の発明に係る内燃機関の空気量算出装置は、吸気管圧力に基づいて空気量を算出するための算出手段と、吸気管圧力が発振しているか否かを判定するための判定手段とを含む。算出手段は、吸気管圧力が発振していると判定された場合、吸気管圧力が発振していないと判定された場合に比べて、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように、空気量を算出するための手段を含む。

第１の発明によると、吸気管圧力（吸気管内の圧力）に基づいて空気量が算出される。したがって、吸気管圧力が発振すると、算出される空気量が発振し得る。そこで、吸気管圧力が発振しているか否かが判定される。吸気管圧力が発振していると判定された場合、吸気管圧力が発振していないと判定された場合に比べて、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように、空気量が算出される。これにより、算出される空気量の変動幅を小さくすることができる。そのため、空気量の発振を抑制することができる内燃機関の空気量算出装置を提供することができる。

第２の発明に係る内燃機関の空気量算出装置においては、第１の発明の構成に加え、算出手段は、吸気管圧力が発振していると判定された場合、吸気管圧力が発振していないと判定された場合に比べて、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように空気量を算出する際に従う規則を変更して、空気量を算出するための手段を含む。

第２の発明によると、吸気管圧力が発振していると判定された場合、吸気管圧力が発振していないと判定された場合に比べて、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように空気量を算出する際に従う規則を変更して、空気量が算出される。これにより、算出される空気量の変動幅を小さくすることができる。そのため、空気量の発振を抑制することができる。

第３の発明に係る内燃機関の空気量算出装置においては、第１または２の発明の構成に加え、判定手段は、予め定められた値および吸気管圧力の差に基づいて、吸気管圧力が発振しているか否かを判定するための手段を含む。

第３の発明によると、判定手段は、予め定められた値および吸気管圧力の差に基づいて、吸気管圧力が発振しているか否かが判定される。これにより、吸気管圧力の振幅を考慮して吸気管圧力が発振しているか否かを判定することができる。そのため、吸気管圧力が発振しているか否かを精度よく判定することができる。

第４の発明に係る内燃機関の空気量算出装置においては、第３の発明の構成に加え、判定手段は、予め定められた値および吸気管圧力の差と予め定められた判定値とを比較して、吸気管圧力が発振しているか否かを判定するための手段を含む。算出装置は、吸気管圧力が発振していると判定された場合、判定値の大きさを変更するための変更手段を含む。

第４の発明によると、予め定められた値および吸気管圧力の差と予め定められた判定値とを比較して、吸気管圧力が発振しているか否かが判定される。吸気管圧力が発振していると判定された場合、判定値の大きさが変更される。これにより、吸気管が発振していると判定されたり、発振していると判定されなかったりすることが頻繁に繰り返されることを抑制することができる。そのため、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように空気量が算出された後、すぐにそのような空気量の算出が停止されるということを抑制することができる。その結果、空気量の発振をより抑制することができる。

第５の発明に係る内燃機関の空気量算出装置においては、第４の発明の構成に加え、判定手段は、予め定められた値および吸気管圧力の差が判定値よりも大きい場合、吸気管圧力が発振していると判定するための手段を含む。変更手段は、判定値が小さくなるように変更するための手段を含む。

第５の発明によると、予め定められた値および吸気管圧力の差が判定値よりも大きい場合、吸気管圧力が発振していると判定される。吸気管圧力が発振していると判定された場合、判定値が小さくされる。これにより、吸気管が発振していると判定された後は、予め定められた値および吸気管圧力の差が小さくなるまでは、吸気管が発振していると判定されなくなることを抑制することができる。そのため、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように空気量が算出される状態を継続することができる。その結果、空気量の発振をより抑制することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

図１に、本発明の空気量算出装置により空気量が算出されるエンジンを示す。エンジン本体１０は、シリンダブロック１００の上方にシリンダヘッド１１０が覆着されてなり、シリンダブロック１００に形成されたシリンダ１００Ａ内にピストン１２０が摺動自在に保持されている。シリンダ１００Ａ内におけるピストン１２０の上下往復動がクランク軸１３０の回転運動に変換され、トランスミッション３００等へと伝達されるようになっている。クランク軸１３０は、エンジン始動時にはフライホイール１４０を介してスタータ３０と接続される。フライホイール１４０とトランスミッション３００との間には、クラッチ３１０が設けられる。

本実施の形態において、トランスミッション３００は、運転者の手動操作により変速されるマニュアルトランスミッションである。クラッチ３１０は、運転者の操作により係合されたり解放されたりする。なお、マニュアルトランスミッションの代わりに、オートマチックトランスミッションを搭載するようにしてもよい。

ピストン１２０の上方にはシリンダブロック１００、シリンダヘッド１１０を室壁として燃焼室１０００が形成され、燃焼室１０００において燃料と空気との混合気の燃焼が行なわれ、その爆発力によりピストン１２０を上下往復動せしめる。混合気への点火はシリンダヘッド１１０を貫通し燃焼室１０００内に突出して設けられた点火プラグ１５０により行なわれる。

混合気を構成する空気の供給は、シリンダヘッド１１０およびこれと接続された吸気管内部に形成された吸気通路１０１０により行なわれる。また、燃焼室１０００からの排気は排気通路１０２０により行なわれる。シリンダヘッド１１０には、吸気通路１０１０と燃焼室１０００との間の連通と遮断とを切り換える吸気バルブ１６０、排気通路１０２０と燃焼室１０００との間の連通と遮断とを切り換える排気バルブ１７０が取り付けられている。

吸気管内にはフラップ状のスロットルバルブ１９０が設けられ、その開度に応じて吸気通路１０１０内の空気流を調整する。すなわち、スロットルバルブ１９０により、エンジンの吸入空気量が調整される。スロットルバルブ１９０は、電子スロットルバルブであり、アクチュエータにより作動される。

排気通路１０２０の下流側には、触媒２００が設けられる。触媒２００は三元触媒である。触媒２００により、燃焼後の混合気、すなわち排気ガスが浄化される。触媒２００により浄化された排気ガスが、車外に排出される。

混合気を構成する燃料の供給は、電磁式のインジェクタ２１０により行なわれる。インジェクタ２１０はシリンダヘッド１１０を貫通して設けられ、先端ノズル部から燃焼室１０００内（筒内）に燃料を噴射するようになっている。

本実施の形態においては、通常時には、吸気行程において燃料が噴射され、均質燃料が行なわれる。なお、インジェクタ２１０の代わりにあるいは加えて、吸気ポート内もしくは吸気通路１０１０内に燃料を噴射するインジェクタを設けるようにしてもよい。

インジェクタ２１０への燃料供給は、燃料タンク２５０から吸い上げた燃料を低圧ポンプ２４０および高圧ポンプ２３０により２段階に昇圧して供給される。高圧ポンプ２３０はエンジン本体１０のクランク軸１３０からベルト等を介して伝達される動力で駆動される。一方、低圧ポンプ２４０は電動駆動のもので、始動時には、インジェクタ２１０も低圧ポンプ２４０から燃料が供給される。

また、点火プラグ１５０、スロットルバルブ１９０、インジェクタ２１０等のエンジン各部を制御するエンジンコントロールコンピュータ（以下、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）と記載する）６０が設けられている。エンジンＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）、ＲＯＭ(Read Only Memory)等からなる一般的な構成のもので、各種センサからの検出信号等に基づいて、点火プラグ１５０を作動せしめ、スロットルバルブ１９０に制御信号を出力してスロットルバルブ１９０の開度（スロットル開度）を調整し、インジェクタ２１０に、制御信号により通電し所定のタイミングで所定時間、インジェクタ２１０のノズルを開く。

エンジンＥＣＵ６０に入力するセンサには、エアフローメータ５１０、クランク角センサ５２０、Ａ／Ｆセンサ５３０、スロットル開度センサ５４０、アクセル開度センサ５５０、車速センサ５６０、大気温センサ５８０、大気圧センサ５９０等がある。

エアフローメータ５１０は、吸気通路１０１０内を流通する空気量を測定する。クランク角センサ５２０は、エンジン回転数ＮＥを検出するためのパルス信号を出力する。Ａ／Ｆセンサ５３０は、排気通路１０２０内の空燃比を測定する。スロットル開度センサ５４０は、スロットル開度を検出する。アクセル開度センサ５５０は、アクセルペダル４２０の開度（踏込み量）を検出する。車速センサ５６０は、車速（車輪の回転）を検出するためのパルス信号を出力する。大気温センサ５８０は、大気温を検出する。大気圧センサ５９０は、車外の大気圧を検出する。

また、エンジンＥＣＵ６０には、始動時に運転者がキーを操作すると、そのイグニッション（ＩＧ）オン信号およびスタータオン信号が入力される。クラッチペダル４３０のストローク量が最大になった場合は、ニュートラルスタートスイッチ５７０がオンになり、エンジンＥＣＵ６０にオン信号が入力される。

エンジンＥＣＵ６０は、各センサからの信号に基づいて、最適な燃焼状態になるように、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じた噴射量と噴射時期とを制御する。このエンジン本体１０においては、燃料を筒内に直接噴射するため、噴射時期制御と噴射量制御とを同時に行なう。また、エンジンＥＣＵ６０は、クランク角センサ５２０やカムポジションセンサ等によって検出された信号（ノッキングセンサ等も含む）に基づいて、最適な点火時期になるように点火時期制御が行なわれる。このような制御により、エンジン本体１０の高出力化および低エミッション化の両立を実現している。

本実施の形態においては、図２に示すエアモデルを用いて筒内に充填される空気量を算出し、この空気量に応じた量の燃料が噴射されるようにインジェクタ２１０が制御される。

以下、エアモデルについて説明する。エアモデルは、スロットルモデル、吸気管モデル、吸気バルブモデルから構成される。スロットルモデルには、スロットル開度センサ５４０によって検出されたスロットル開度θｔと、大気温センサ５８０によって検出された内燃機関周囲の大気温Ｔａと、大気圧センサ５９０によって検出された大気圧Ｐａと、クランク角センサ５２０によって検出されたエンジン回転数ＮＥが入力される。

さらにスロットルモデルには、吸気管モデルにおいて算出されたスロットルバルブ１９０から吸気バルブ１６０に至るまでの吸気管内の圧力（吸気管圧力）Ｐｍが入力される。これら入力された各パラメータの値をスロットルモデルのモデル式（スロットル通過空気量算出式）に代入することで、単位時間当たりにスロットルバルブ１９０を通過する空気の流量（スロットル通過空気量）ｍｔが算出される。スロットルモデルにおいて算出されたスロットル通過空気量ｍｔは、吸気管モデルへ入力される。

吸気管モデルには、スロットルモデルにおいて算出されたスロットル通過空気量ｍｔと、単位時間当たりに筒内（燃焼室１０００内）に流入する空気の流量（以下、筒内吸入空気量ｍｃと記載する）とが入力される。

これら入力された各パラメータの値を吸気管モデルのモデル式（吸気管圧力算出式および吸気管温度算出式）に代入することで、吸気管圧力Ｐｍとスロットルバルブ１９０から吸気バルブ１６０に至るまでの吸気管内の温度（吸気管温度）Ｔｍとが算出される。吸気管モデルにおいて算出された吸気管圧力Ｐｍと吸気管温度Ｔｍは吸気バルブモデルに入力される。さらに、吸気管圧力Ｐｍはスロットルモデルに入力される。

吸気バルブモデルには、吸気管モデルにおいて算出された吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍに加えて、大気温Ｔａおよびエンジン回転数ＮＥが入力される。それらの値を吸気バルブモデルのモデル式（吸入空気量算出式）に代入することで、筒内吸入空気量ｍｃが算出される。

算出された筒内吸入空気量ｍｃは、筒内充填空気量Ｍｃに変換される。この筒内充填空気量Ｍｃに基づいてインジェクタ２１０からの燃料噴射量が決定される。吸気バルブモデルにおいて算出された筒内吸入空気量ｍｃは吸気管モデルに入力される。

図２に示すように、エアモデルにおいては、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。エアモデル全体では、スロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、大気温Ｔａおよびエンジン回転数ＮＥの四つのパラメータが入力される。これら四つのパラメータを用いて筒内充填空気量Ｍｃが算出される。

以下、スロットルモデルについてさらに説明する。スロットルモデルでは、大気圧Ｐａ、大気温Ｔａ、吸気管圧力Ｐｍ、スロットル開度θｔから、下記式（１）に基づいて（スロットル通過空気量算出式に基づいて）、スロットル通過空気量ｍｔが算出される。

式（１）におけるμはスロットルバルブ１９０における流量係数である。μは、スロットル開度θｔの関数であり、図３に示したようなマップから定まる。Ａｔはスロットルバルブ１９０の開口断面積（スロットル開口面積）である。Ａｔは、スロットル開度θｔの関数である。なお、これら流量係数μ及びスロットル開口面積Ａｔをまとめたμ・Ａｔをスロットル開度θｔから一つのマップで求めるようにしてもよい。Ｒは気体定数である。

Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記式（２）に示した関数である。

式（２）におけるκａは空気の比熱比（κａ＝Ｃｐ（等圧比熱）／Ｃｖ（等容比熱））に対応する定数である。これらスロットルモデルの式（１）及び式（２）は、スロットルバルブ１９０上流の気体の圧力を大気圧Ｐａ、スロットルバルブ１９０上流の気体の温度を大気温Ｔａ、スロットルバルブ１９０を通過する気体の圧力を吸気管圧力Ｐｍとして、図４に示したようなスロットルバルブ１９０のモデルに対して、質量保存則、エネルギ保存則及び運動量保存則を適用し、さらに気体の状態方程式、比熱比の定義式、及びマイヤーの関係式を利用することによって得られる。

式（２）における関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は図５において実線で示す値をとり得る。そのため、本実施の形態においては、式（２）を用いて実際に計算せずに、図５において実線で示すように、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）をマップとしてエンジンＥＣＵ６０のＲＯＭに保存し、保存したマップからΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を求める。

また、本実施の形態においては、図５において実線で示すマップの他、図５において破線で示すマップがエンジンＥＣＵ６０のＲＯＭに保存される。以下、図５において実線で示すマップを定常時マップと記載する。図５において破線で示すマップを発振時マップと記載する。

発振時マップは、吸気管圧力Ｐｍ／大気圧Ｐａ（以下、Ｐｍ／Ｐａとも記載する）が定数Ａ以上の領域において、定常時マップに比べて、Ｐｍ／Ｐａの変化量に対するΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の変化量が小さい。すなわち、発振時マップは、Ｐｍ／Ｐａが定数Ａ以上の領域において、定常時マップに比べて、吸気管圧力Ｐｍの変化量に対するスロットル通過空気量ｍｔの変化量が小さい。

本実施の形態においては、定常時マップと発振時マップとを運転状態に応じて切り換えて、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）が算出される。エンジンの始動時、すなわち初期状態において用いられるマップは、定常時マップである。

これらの定常時マップおよび発振時マップは、吸気管圧力Ｐｍからスロットル通過空気量ｍｔを算出する際に従う規則を規定する。これらの定常時マップおよび発振時マップを切り換えることにより、吸気管圧力Ｐｍからスロットル通過空気量ｍｔを算出する際に従う規則が切り換えられる。

以下、吸気管モデルについてさらに説明する。吸気管モデルでは、スロットル通過空気量ｍｔ、筒内吸入空気量ｍｃ、及び大気温Ｔａから、下記式（３）及び式（４）に基づいて（吸気管圧力算出式及び吸気管温度算出式に基づいて）吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍが算出される。

なお、式（３）及び式（４）におけるＶｍは、スロットルバルブ１９０から吸気バルブ１６０までの吸気管の容積に等しい定数である。また、式（４）におけるκは空気の比熱比を表す係数である。

図６に示すように、スロットルバルブ１９０から吸気バルブ１６０までの吸気管の総気体量Ｍの時間的変化は、流入する気体の流量、すなわちスロットル通過空気量ｍｔと、流出する気体の流量、すなわち筒内吸入空気量ｍｃとの差に等しい。そのため、質量保存則により下記式（５）が得られる。

式（５）及び気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、式（３）が得られる。

気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間的変化量は、流入する気体のエネルギと流出する気体のエネルギとの差に等しい。このため、流入する気体の温度を大気温Ｔａ、流出する気体の温度を吸気管温度Ｔｍとすると、エネルギ保存則により下記式（６）が得られる。

式（６）及び前述した気体の状態方程式より、式（４）が得られる。
以下、吸気バルブモデルについてさらに説明する。吸気バルブモデルでは、吸気管圧力Ｐｍ、吸気管温度Ｔｍ、及び大気温Ｔａから、下記式（７）に基づいて（吸入空気量算出式に基づいて）、筒内吸入空気量ｍｃが算出される。なお、式（７）におけるａ、ｂは、少なくともエンジン回転数ＮＥに基づいて定められる適合パラメータである。式（７）におけるａ、ｂは、予めマップを作成しておき、必要に応じてマップを検索して求められる。

図７に示すように、吸気バルブ１６０が閉じた時に筒内に充填されている空気の量である筒内充填空気量Ｍｃは、吸気バルブ１６０が閉じるときに確定する。また、筒内充填空気量Ｍｃは、吸気バルブ１６０が閉じるときの筒内の圧力に比例する。

吸気バルブ１６０が閉じるときの筒内の圧力は吸気バルブ１６０上流の気体の圧力、すなわち吸気管圧力Ｐｍと等しいとみなすことができる。したがって、筒内充填空気量Ｍｃは、吸気管圧力Ｐｍに比例すると近似することができる。

ここで、スロットルバルブ１９０から吸気バルブ１６０までの吸気管から単位時間当たりに流出する全空気の量を平均化したもの、またはスロットルバルブ１９０から吸気バルブ１６０までの吸気管から全ての気筒に単位時間当たりに吸入される空気の量を一つの気筒の吸気行程に亘って平均化したものを筒内吸入空気量ｍｃとする。筒内充填空気量Ｍｃが吸気管圧力Ｐｍに比例することから、筒内吸入空気量ｍｃも吸気管圧力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、上記式（７）が得られる。なお、式（７）における適合パラメータａは比例係数である。適合パラメータｂは排気バルブ１７０が閉じるときにおいて筒内に残存している既燃ガス量に関連する値である。実際の運転では過渡時に吸気管温度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。

以下、図８を参照して、エンジンが４気筒である場合に筒内吸入空気量ｍｃを筒内充填空気量Ｍｃに変換する方法について説明する。なお、図８は横軸がクランク角、縦軸が単位時間当たりに筒内に実際に流入する空気の量である。

図８に示すように４気筒エンジンでは、吸気バルブ１６０がたとえば１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に開閉する。各気筒に対応する吸気バルブ１６０の開弁量に応じて筒内へ空気が流入する。

各気筒に流入する空気の流量は図８に破線で示すように変化する。これらを総合した空気の流量（全気筒に流入する空気の流量）は図８に実線で示すように変化する。例えば１番気筒への筒内充填空気量Ｍｃは図８に斜線で示した部分に相当する。

図８において一点鎖線で示すように、全気筒に流入する空気の量を平均化したものが筒内吸入空気量ｍｃである。この筒内吸入空気量ｍｃに、４気筒の場合にはクランクシャフトが１８０°（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ΔＴを乗算したものが筒内充填空気量Ｍｃとなる。したがって、吸気バルブモデルで算出された筒内吸入空気量ｍｃにΔＴを乗算することで、筒内充填空気量Ｍｃが算出される。すなわち、Ｍｃ＝ｍｃ・ΔＴである。

以下、エアモデルを用いて、実際に筒内充填空気量Ｍｃを算出する場合について説明する。筒内充填空気量Ｍｃはエアモデルを用いて、前述した式（１）、式（３）、式（４）、及び式（７）を解くことにより求められる。

この場合、エンジンＥＣＵ６０で処理するために、これらの式を離散化する必要がある。時刻ｔ、計算間隔（離散時間）Δｔを用いて式（１）、式（３）、式（４）、及び式（７）を離散化すると、それぞれ下記式（８）、式（９）、式（１０）、及び式（１１）が得られる。なお、吸気管温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）は、式（９）及び式（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、式（１２）によって算出される。

このようにして実装されたエアモデルでは、スロットルモデルの式（８）で算出された時刻ｔにおけるスロットル通過空気量ｍｔ（ｔ）と、吸気バルブモデルの式（１１）で算出された時刻ｔにおける筒内吸入空気量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルの式（９）及び式（１０）に代入される。これにより時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）及び吸気管温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。

算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）及びＴｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデル及び吸気バルブモデルの式（８）及び式（１１）に代入される。これにより時刻ｔ＋Δｔにおけるスロットル通過空気量ｍｔ（ｔ＋Δｔ）及び筒内吸入空気量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）が算出される。

このような計算を繰り返すことによって、スロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、及び大気温Ｔａから、任意の時刻ｔにおける筒内吸入空気量ｍｃが算出される。算出された筒内吸入空気量ｍｃに前述の時間ΔＴを乗算することで、任意の時刻ｔにおける筒内充填空気量Ｍｃが算出される。

エンジンの始動時、すなわち時刻ｔ＝０においては、吸気管圧力Ｐｍは大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、吸気管温度Ｔｍは大気温と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔａ）とされて、各モデルにおける計算が開始される。

さらに、定常運転時（エンジンをある状態で定常運転した場合）には、定常運転時にはスロットル通過空気量ｍｔと筒内吸入空気量ｍｃとが一致することを利用することにより、定常運転時における吸気管圧力Ｐｍｔａ（以下、収束吸気管圧力Ｐｍｔａ）を算出することができる。収束吸気管圧力Ｐｍｔａとは、エンジンをある状態で定常運転した場合に吸気管圧力Ｐｍが最終的にとる値、すなわち吸気管圧力Ｐｍの収束値と考えられる値のことである。

なお、収束吸気管圧力Ｐｍｔａを求めるためマップを予め作成してＲＯＭに記憶させておき、その時の運転状態に基づいてマップを検索して収束吸気管圧力Ｐｍｔａを求めるようにしてもよい。また、エアモデルでは、大気温Ｔａ及び大気圧Ｐａに一定の値を用いるようにしてもよい。

図９を参照して、本実施の形態に係る空気量算出装置であるエンジンＥＣＵ６０が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、以下に説明するプログラムは、予め定められた周期で繰り返し実行される。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、エンジンＥＣＵ６０は、エアモデルを用いて筒内充填空気量Ｍｃを算出する。筒内充填空気量Ｍｃを算出する過程において、吸気管圧力Ｐｍが算出される。Ｓ１０２にて、エンジンＥＣＵ６０は、スロットル通過空気量ｍｔ＝筒内吸入空気量ｍｃであるとして、収束吸気管圧力Ｐｍｔａを算出する。

Ｓ２００にて、エンジンＥＣＵ６０は、エアモデルにおいて、定常時マップ（図４において実線で示すマップ）を用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出しているか、発振時マップ（図４において破線で示すマップ）を用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出しているかを判定する。

定常時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出していると（Ｓ２００にて定常）、処理はＳ３００に移される。発振時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出していると（Ｓ１０２にて発振）、処理はＳ４００に移される。

Ｓ３００にて、エンジンＥＣＵ６０は、予め定められた値Ｋ（１）を判定値に設定する。

Ｓ３０２にて、エンジンＥＣＵ６０は、発振判定条件を満たしているか否かを判定する。ここで、発振判定条件とは、今回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ）および今回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ）の差と前回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ−１）および前回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ−１）の差との積が０より小さく、かつ今回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ）および今回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ）の差の絶対値が判定値以上であるという条件である。なお、「ｉ」は自然数である。

発振判定条件を満たしていると（Ｓ３０２にてＹＥＳ）、処理はＳ３０４に移される。もしそうでないと（Ｓ３０２にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ３０４にて、エンジンＥＣＵ６０は、予め定められた回数以上連続して発振判定条件が満たされたか否かを判定する。予め定められた回数以上連続して発振判定条件が満たされると（Ｓ３０４にてＹＥＳ）、処理はＳ３０６に移される。もしそうでないと（Ｓ３０４にてＮＯ）、この処理は終了する。

Ｓ３０６にて、エンジンＥＣＵ６０は、吸気管圧力Ｐｍが発振していると判定する。Ｓ３０８にて、エンジンＥＣＵ６０は、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出するために用いるマップを発振時マップに切り換える。その後、この処理は終了する。

Ｓ４００にて、エンジンＥＣＵ６０は、予め定められた値Ｋ（２）を判定値に設定する。ここで、Ｋ（２）は、Ｋ（１）よりも小さい値である。

Ｓ４０２にて、エンジンＥＣＵ６０は、発振判定条件を満たしているか否かを判定する。発振判定条件を満たしていると（Ｓ４０２にてＹＥＳ）、この処理は終了する。もしそうでないと（Ｓ４０２にてＮＯ）、処理はＳ４０４に移される。Ｓ４０４にて、エンジンＥＣＵ６０は、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出するために用いるマップを定常時マップに切り換える。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る制御装置であるエンジンＥＣＵ６０の動作について説明する。

エンジンの運転中、燃料噴射量を決定するために、エアモデルを用いて筒内充填空気量Ｍｃが算出される（Ｓ１００）。筒内充填空気量Ｍｃを算出する過程において、吸気管圧力Ｐｍが算出される。さらに、収束吸気管圧力Ｐｍｔａが算出される（Ｓ１０２）。

上述した図４に示すように、本実施の形態においては、エアモデルにおいて定常時マップおよび発振時マップを切り換えてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出している。そこで、定常時マップ（図４において実線で示すマップ）を用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出しているか、発振時マップ（図４において破線で示すマップ）を用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出しているかが判定される（Ｓ２００）。

ここでは、定常時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出している（Ｓ２００にて定常）と想定する。図４に示すように、定常時マップにおいては、Ｐｍ／Ｐａが大きくなるほど、Ｐｍ／Ｐａの変化量に対するΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の変化量が大きくなる。

そのため、吸気管圧力Ｐｍがわずかに変化してもΦ（Ｐｍ／Ｐａ）が大きく変化する。そのため、スロットル通過空気量ｍｔが大きく変化する。その結果、スロットル通過空気量ｍｔを用いて算出される吸気管圧力Ｐｍが大きく変化する。このようなことが繰り返されることにより、図１０に示すように、吸気管圧力Ｐｍが発振する。この場合、スロットル通過空気量ｍｔや、筒内吸入空気量ｍｃおよび最終的に算出される筒内充填空気量Ｍｃが発振し、燃料噴射量の制御性が悪化し得る。

そこで、本実施の形態においては、定常時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出している状態において、吸気管圧力Ｐｍが発振したと判定されると、発振時マップに切り換えられる。

吸気管圧力Ｐｍが発振したか否かを判定するため、定常時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出していると（Ｓ２００にて定常）、予め定められた値Ｋ（１）が判定値に設定される（Ｓ３００）。

今回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ）および今回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ）の差と前回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ−１）および前回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ−１）の差との積が０より小さいと、吸気管圧力Ｐｍが上下動を繰り返しているといえる。今回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ）および今回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ）の差の絶対値が判定値以上であると、吸気管圧力Ｐｍの振幅が大きいといえる。

したがって、今回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ）および今回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ）の差と前回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ−１）および前回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ−１）の差との積が０より小さく、かつ今回算出された収束吸気管圧力Ｐｍｔａ（ｉ）および今回算出された吸気管圧力Ｐｍ（ｉ）の差の絶対値が判定値以上であるという発振判定条件が満たされた場合（Ｓ３０２にてＹＥＳ）、吸気管圧力Ｐｍが発振している可能性が高い。発振判定条件が予め定められた回数以上連続して満たされると（Ｓ３０４にてＹＥＳ）、吸気管圧力Ｐｍが発振していると判定される（Ｓ３０６）。

吸気管圧力Ｐｍが発振していると判定されると、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出するために用いるマップが発振時マップに切り換えられる（Ｓ３０８）。上述したように、発振時マップは、Ｐｍ／Ｐａが定数Ａ以上の領域において、定常時マップに比べて、Ｐｍ／Ｐａの変化量に対するΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の変化量が小さい。すなわち、発振時マップは、Ｐｍ／Ｐａが定数Ａ以上の領域において、定常時マップに比べて、吸気管圧力Ｐｍの変化量に対するスロットル通過空気量ｍｔの変化量が小さい。

そのため、図１１に示すように、時刻ｔ（０）においてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出するマップを定常時マップから発振時マップに切り換えると、吸気管圧力Ｐｍの発振が抑制される。これは、スロットル通過空気量ｍｔの変化量が小さくされる結果、スロットル通過空気量ｍｔを用いて算出される吸気管圧力Ｐｍの変化量が小さくされるからである。

吸気管圧力Ｐｍの発振が抑制されることにより、吸気管圧力Ｐｍから算出されるスロットル通過空気量ｍｔおよび筒内吸入空気量ｍｃの発振を抑制することができる。そのため、最終的に算出される筒内充填空気量Ｍｃの発振を抑制することができる。

発振時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出していると（Ｓ２００にて発振）、Ｋ（１）よりも小さいＫ（２）が判定値に設定される（Ｓ４００）。定常時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出する場合と同様に、発振判定条件が満たしているか否かが判定される（Ｓ４０２）。

発振判定条件が満たされていると（Ｓ４０２にてＹＥＳ）、発振時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出する状態が継続される。

発振判定条件が満たされていないと（Ｓ４０２にてＮＯ）、吸気管圧力Ｐｍが発振していないと考えられる。この場合、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出するために用いるマップが定常時マップに切り換えられる（Ｓ４０４）。

ところで、発振時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出する場合に判定値に用いられるＫ（２）は、定常時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出する場合に判定値に用いられるＫ（１）よりも小さい値である。

そのため、発振時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出する場合においては、定常時マップを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を算出する場合に比べて、収束吸気管圧力Ｐｍｔａおよび吸気管圧力Ｐｍの差の絶対値が小さくならなければ、定常時マップに戻されない。これにより、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）の発振をより抑制することができる。

以上のように、本実施の形態に係る空気量算出装置であるエンジンＥＣＵによれば、定常時マップおよび定常時マップよりもＰｍ／Ｐａの変化量に対するΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の変化量が小さい発振時マップのうちのいずれかを用いてΦ（Ｐｍ／Ｐａ）が算出される。算出されたΦ（Ｐｍ／Ｐａ）を用いて、スロットル通過空気量ｍｔが算出される。このスロットル通過空気量ｍｔを用いて、吸気管圧力Ｐｍが算出される。吸気管圧力Ｐｍが発振していると判定されると、定常時マップから発振時マップに切り換えられて、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）が算出される。これにより、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）の変化量を小さくすることができる。そのため、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を用いて算出されるスロットル通過空気量ｍｔの変化量を小さくすることができる。その結果、スロットル通過空気量ｍｔから算出される吸気管圧力Ｐｍの変化量を小さくして発振を抑制することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る空気量算出装置であるエンジンＥＣＵを搭載したエンジンを示す概略構成図である。 エアモデルを示す図である。 スロットル開度と流量係数との関係を示す図である。 スロットルモデルの基本概念を示す図である。 Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。 吸気管モデルの基本概念を示す図である。 吸気バルブモデルの基本概念を示す図である。 筒内充填空気量及び筒内吸入空気流量を示す図である。 図１のエンジンＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 吸気管圧力の推移を示すタイミングチャート（その１）である。 吸気管圧力の推移を示すタイミングチャート（その２）である。

符号の説明

１０ エンジン本体、６０ エンジンＥＣＵ、１００Ａ シリンダ、１００ シリンダブロック、１１０ シリンダヘッド、１２０ ピストン、１３０ クランク軸、１４０ フライホイール、１５０ 点火プラグ、１６０ 吸気バルブ、１７０ 排気バルブ、１９０ スロットルバルブ、２００ 触媒、２１０ インジェクタ、３００ トランスミッション、５４０ スロットル開度センサ、５８０ 大気温センサ、５９０ 大気圧センサ、１０００ 燃焼室、１０１０ 吸気通路、１０２０ 排気通路。

Claims (3)

1. 内燃機関の空気量算出装置であって、
   吸気管圧力に基づいて空気量を算出するための算出手段と、
   予め定められた値と吸気管圧力との差が予め定められた判定値よりも大きい場合、吸気管圧力が発振していると判定するための判定手段とを含み、
   前記算出手段は、吸気管圧力が発振していると判定された場合、吸気管圧力が発振していないと判定された場合に比べて、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように、空気量を算出するための手段を含む、内燃機関の空気量算出装置。
2. 前記算出手段は、吸気管圧力が発振していると判定された場合、吸気管圧力が発振していないと判定された場合に比べて、吸気管圧力の変化量に対する空気量の変化量が小さくなるように空気量を算出する際に従うマップを変更して、空気量を算出するための手段を含む、請求項１に記載の内燃機関の空気量算出装置。
3. 前記算出装置は、
   吸気管圧力が発振していると判定された場合、前記判定値が小さくなるように変更するための変更手段を含む、請求項１または２に記載の内燃機関の空気量算出装置。

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