JP5149868B2 - 内燃機関の気筒吸入空気量算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の気筒内に吸入される新気量である気筒吸入空気量を算出する気筒吸入空気量算出装置に関する。

特許文献１には、吸気弁の開閉態様を可変制御する可変動弁装置及び排気還流機構を備える内燃機関の気筒吸入空気量を算出する気筒吸入空気量算出装置が示されている。この装置によれば、吸気弁の作動位相、機関回転数、吸気圧、及び大気圧に応じて、吸気圧を気筒吸入空気量（重量）に変換する第１の係数ＫＴＰ１が算出され、排気還流制御弁開度、機関回転数、吸気圧、及び大気圧に応じて、吸気圧を気筒吸入空気量（重量）に変換する第２の係数ＫＴＰ２が算出される。そして、吸気圧に第１及び第２の係数ＫＴＰ１，ＫＴＰ２を乗算することにより、気筒吸入空気量が算出される。

また内燃機関の吸気通路を通過する新気の流量を検出する吸入空気流量センサを使用する場合には、吸入空気流量センサにより検出される新気流量から気筒吸入空気量を算出する手法が広く用いられている。

特開２００２−２６６６９１号公報

特許文献１に示された装置は、吸気通路を通過する新気の流量を直接検出するものではないため、機関吸気系の経年劣化の影響、あるいは量産時の特性ばらつきの影響を受けやすく、算出精度の点で改善の余地があった。

また吸入空気量センサにより検出される新気流量から単純に気筒吸入空気量を算出する手法では、特に排気還流制御弁開度が変化する過渡状態において算出精度が低下するという課題があった。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、吸気通路を通過する新気流量を検出し、検出新気流量に基づいて排気還流量が変化する過渡状態においても正確な気筒吸入空気量を得ることができる気筒吸入空気量算出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、排気還流通路（２１）及び該排気還流通路に設けられた排気還流制御弁（２２）とを備える内燃機関の気筒に吸入される新気量である気筒吸入空気量を算出する、内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、前記機関の吸気通路（２）を通過する新気の流量である吸入空気量流量（ＧＡＩＲＴＨ）を検出する吸入空気流量検出手段と、前記排気還流制御弁（２２）を通過する還流ガスの流量である還流ガス流量（ＧＥＧＲ）を取得する還流ガス流量取得手段と、前記吸入空気流量（ＧＡＩＲＴＨ）と前記還流ガス流量（ＧＥＧＲ）との和である吸入ガス流量に対する前記吸入空気流量（ＧＡＩＲＴＨ）の割合を示す第１新気比率（ＫＦＡＲ１）を、前記吸入空気流量（ＧＡＩＲＴＨ）及び還流ガス流量（ＧＥＧＲ）を用いて算出する第１新気比率算出手段と、前記気筒に吸入される全ガス量に対する前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＴＨ）の比率を示す第２新気比率（ＫＦＡＲ２）を、前記第１新気比率（ＫＦＡＲ１）及び吸入空気流量（ＧＡＩＲＴＨ）を用いて算出する第２新気比率算出手段とを備え、前記第１及び第２新気比率（ＫＦＡＲ１，ＫＦＡＲ２）を用いて前記吸入空気流量（ＧＡＩＲＴＨ）を補正することにより、前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬ）を算出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、前記第２新気比率算出手段は、１演算周期当たりに前記気筒に吸入される吸入ガス単位（ＵＧＡＳＸ(i)）の体積である単位吸入ガス体積（ＱＧＡＳＸ）を、前記吸入空気流量（ＧＡＩＲＴＨ）及び還流ガス流量（ＧＥＧＲ）を用いて算出する単位吸入ガス体積算出手段と、前記吸入ガス単位（ＵＧＡＳＸ(i)）に対応する前記第１新気比率（ＫＦＡＲＢＵＦ(i)）を記憶する第１新気比率記憶手段と、前記単位吸入ガス体積（ＱＧＡＳＸ）を積算することにより吸入ガス体積（ＱＧＡＳＢＵＦ）を算出する吸入ガス体積算出手段とを備え、前記吸入ガス体積（ＱＧＡＳＢＵＦ）が前記排気還流通路（２１）と前記吸気通路（２）との接続部から前記気筒の吸気口までの吸気通路容積（ＶＯＵＴ）に達した到達時点において、前記吸気口に到達している前記吸入ガス単位（ＵＧＡＳＸ(iR)）に対応する前記第１新気比率（ＫＦＡＲＢＵＦ(iR)）に基づいて、前記第２新気比率（ＫＦＡＲ２）を算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、前記第２新気比率算出手段は、前記到達時点において前記吸気口に到達している前記吸入ガス単位（ＵＧＡＳＸ(iR)）に対応する、前記第１新気比率の第１の値（ＫＦＡＲＢＵＦ(iR)）と、前記到達時点より１演算周期後に前記吸気口に到達する前記吸入ガス単位（ＵＧＡＳＸ(iR-1)）に対応する、前記第１新気比率の第２の値（ＫＦＡＲＢＵＦ(iR-1)）との補間演算を行うことにより、前記第２新気比率（ＫＦＡＲ２）を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、前記還流ガス流量取得手段は、前記排気還流制御弁の開度（ＬＦＴＥＧＲ）と、前記排気還流制御弁の上流側圧力（ＰＥＸ）及び下流側圧力（ＰＢＡ）とを用いて、前記還流ガス流量（ＧＥＧＲ）を算出することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の吸気通路を通過する新気の流量である吸入空気量流量が検出されるとともに、排気還流制御弁を通過する還流ガスの流量である還流ガス流量が取得され、吸入空気流量と還流ガス流量との和である吸入ガス流量に対する吸入空気流量の割合を示す第１新気比率が、吸入空気流量及び還流ガス流量を用いて算出される。さらに気筒に吸入される全ガス量に対する気筒吸入空気量の比率を示す第２新気比率が、第１新気比率及び吸入空気流量を用いて算出され、第１及び第２新気比率を用いて吸入空気流量を補正することにより、気筒吸入空気量が算出される。第１及び第２新気比率を用いることにより、新気と還流ガスが混合された後の吸入ガス中の新気比率の変化が反映され、特に還流ガス流量が変化する過渡状態において正確な気筒吸入空気量を得ることができる。その結果、上記過渡状態での空燃比制御を精度良く行い、排気特性の悪化を防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、１演算周期当たりに気筒に吸入される吸入ガス単位の体積である単位吸入ガス体積が、吸入空気流量及び還流ガス流量を用いて算出され、吸入ガス単位に対応する第１新気比率が記憶される。さらに単位吸入ガス体積を積算することにより吸入ガス体積が算出され、吸入ガス体積が排気還流通路と吸気通路との接続部から気筒の吸気口までの吸気通路容積に達した到達時点において、吸気口に到達している吸入ガス単位に対応する第１新気比率に基づいて、第２新気比率が算出される。したがって、吸入ガス単位毎に第１新気比率が変化する場合に、吸入ガス単位のそれぞれに対応する第１新気比率を記憶し、吸気口に到達した吸入ガス単位に対応する第１新気比率に基づいて、第２新気比率を算出することにより、吸入ガスが排気還流通路と吸気通路との接続部から気筒吸気口まで移動に要する時間（むだ時間）が考慮された、過渡状態における正確な第２新気比率を得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、到達時点において吸気口に到達している吸入ガス単位に対応する、第１新気比率の第１の値と、到達時点より１演算周期後に吸気口に到達する吸入ガス単位に対応する、第１新気比率の第２の値との補間演算を行うことにより、第２新気比率が算出される。吸入ガス単位は演算周期に応じて決まるものであるため、１つの吸入ガス単位が１吸入行程で気筒内に吸入されるとは限らない。したがって、第１の値と第２の値の補間演算を行うことより、より正確な第２新気比率を得ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、排気還流制御弁の開度と、排気還流制御弁の上流側圧力及び下流側圧力とを用いて、還流ガス流量が算出されるので、還流ガス流量を検出するための流量センサを用いることなく、還流ガス流量を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す内燃機関の吸気系を模式的に示す図である。 気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬ）を算出する処理のフローチャートである。 平均化吸入空気流量（ＧＡＩＲＡＶＥ０）を算出する処理のフローチャートである。 図５の処理で参照されるテーブルを示す図である。 スロットル弁通過空気量（ＧＡＩＲＴＨ）を算出する処理のフローチャートである。 図６の処理で参照されるテーブルを示す図である。 吸気管充填空気量（ＧＩＮＶＯ）を算出する処理のフローチャートである。 ＥＧＲ過渡補正係数（ＫＯＥＧＲ）を算出する処理のフローチャートである。 第１新気比率（ＫＦＡＲ１）を算出する処理のフローチャートであうＲ。 図１０の処理で参照されるテーブルを示す図である。 第２新気比率（ＫＦＡＲ２）を算出する処理のフローチャートであうＲ。 図１２の処理を説明するための図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、例えば４気筒を有し、エンジン１の吸気管（吸気通路）２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３には、スロットル弁３の開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が設けられており、その検出信号が電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。

燃料噴射弁６は図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

スロットル弁３の上流側には吸気管２を通過する新気の流量である吸入空気流量を検出する吸入空気流量センサ１１が設けられている。スロットル弁３の直ぐ下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ７が設けられており、吸気圧センサ７の下流には吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ８が取付けられている。またエンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサ９がエンジン１の本体に装着されている。さらにエンジン１の排気管１３には、排気中の酸素濃度に応じて空燃比ＡＦを検出する空燃比センサ１２が設けられている。これらのセンサの検出信号はＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１０が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１０は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば３０度周期）でＣＲＫパルスを発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。なお、以下の説明ではＴＤＣパルスの発生周期を「ＴＤＣ期間」という。

排気管１３には、排気の浄化を行う排気浄化触媒１４が設けられている。排気浄化触媒１４の上流側と、吸気管２のスロットル弁３の下流側との間には、排気還流通路２１が設けられており、排気還流通路２１の途中には排気還流量を制御する排気還流制御弁（以下「ＥＧＲ弁」という）２２が設けられている。ＥＧＲ弁２２は、ソレノイドを有する電磁弁であり、その弁開度はＥＣＵ５により制御される。ＥＧＲ弁２２には、その弁開度（弁リフト量）ＬＦＴＥＧＲを検出するリフトセンサ２３が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。排気還流通路２１及びＥＧＲ弁２２より、排気還流機構が構成される。ＥＣＵ５は、エンジン運転状態に応じてＥＧＲ弁２２の弁開度指令値ＬＣＭＤを算出し、実弁開度ＬＦＴＥＧＲが弁開度指令値ＬＣＭＤと一致するように、ＥＧＲ弁２２を制御する。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、各種センサの検出信号に基づいて、エンジン１の気筒（燃焼室）に吸入される空気量である気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出し、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬに応じて燃料噴射弁６の開弁時間の制御（燃料噴射量制御）、及びＥＧＲ弁２２の開度制御（ＥＧＲ流量制御）を行う。気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬは、後述するように１ＴＤＣ期間当たりに気筒に吸入される空気量［ｇ／ＴＤＣ］として算出される。

図２は、エンジン１の吸気系を模式的に示す図であり、吸気管２と排気還流通路２１の接続部から気筒１ａの吸気口までの領域（以下「混合ガス通過領域」という）が示されている。この混合ガス通過領域に流入するガスの流量である流入ガス流量ＧＩＮ［ｇ／ｓｅｃ］から、吸気管２の混合ガス通過領域を充填するガスの流量である吸気管充填ガス流量ＧＩＮＶＯＳ［ｇ／ｓｅｃ］を減算したガス流量が、混合ガス通過領域から気筒１ａに流出するガスの流量である流出ガス流量ＧＯＵＴ［ｇ／ｓｅｃ］と等しい（式（１））。
ＧＯＵＴ＝ＧＩＮ−ＧＩＮＶＯＳ （１）

流入ガス流量ＧＩＮ及び流出ガス流量ＧＯＵＴは、下記式（２）及び（３）で与えられる。式（２）のＧＡＩＲＡＦＭは、吸入空気量流量センサの検出値から得られる新気流量［ｇ／ｓｅｃ］であり、ＧＥＧＲＶＬＶは、ＥＧＲ弁通過還流ガス流量である。また式（３）のＧＡＩＲＣＹＬＳは、気筒吸入空気流量［ｇ／ｓｅｃ］であり、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬは、気筒吸入空気流量ＧＡＩＲＣＹＬＳを１ＴＤＣ期間当たりの空気量に換算したものに相当する。またＧＥＧＲＣＹＬＳは、気筒吸入還流ガス流量［ｇ／ｓｅｃ］である。
ＧＩＮ＝ＧＡＩＲＡＦＭ＋ＧＥＧＲＶＬＶ （２）
ＧＯＵＴ＝ＧＡＩＲＣＹＬＳ＋ＧＥＧＲＣＹＬＳ （３）

混合ガス通過領域に流入するガスに含まれる新気の比率である第１新気比率ＫＦＡＲ１は、下記式（４）で与えられ、混合ガス通過領域から流出するガス（気筒吸入ガス）に含まれる新気の比率である第２新気比率ＫＦＡＲ２は下記式（５）で与えられる。
ＫＦＡＲ１＝ＧＡＩＲＡＦＭ／ＧＩＮ （４）
ＫＦＡＲ２＝ＧＡＩＲＣＹＬＳ／ＧＯＵＴ （５）

式（１），（４）及び（５）から下記式（６）が得られる。
ＧＡＩＲＣＹＬＳ＝ＧＡＩＲＡＦＭ×（ＫＦＡＲ２／ＫＦＡＲ１）
−ＧＩＮＶＯＳ×ＫＦＡＲ２ （６）

よって本実施形態では、第１及び第２新気比率ＫＦＡＲ１及びＫＦＡＲ２を、算出し、検出される新気流量ＧＡＩＲＡＦＭを１ＴＤＣ期間当たりの空気量であるスロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨに換算し、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨを、第１及び第２新気比率ＫＦＡＲ１及びＫＦＡＲ２と、吸気管充填ガス量ＧＩＮＶＯ（吸気管充填ガス流量ＧＩＮＶＯＳを１ＴＤＣ期間当たりの空気量に変換したもの）と用いて補正することにより、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出するようにしている。

なお、本実施形態では、ＥＧＲ弁通過還流ガス流量ＧＥＧＲＶＬＶは、下記式（７）により算出するようにしている。式（７）は、還流ガスがＥＧＲ弁２２を通過するときのエネルギ損失を「０」とし、ベルヌーイの式を用いることにより得られるものである。式（７）のＡＥＧＲはＥＧＲ弁２２の有効開口面積［ｍ²］、ＰＥＸは排気圧［ｋＰａ］、ＰＢＡは吸気圧［ｋＰａ］、ＴＥＧＲＫは還流ガス温度［°Ｋ］、Ｒは気体定数［Ｊ／（ｋｇ・°Ｋ）］である。

図３は、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出する処理のフローチャートである。この処理はＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１１では、図４に示すＧＡＩＲＡＶＥ０算出処理を実行し、平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥ０を算出する。ステップＳ１２では、図６に示すＧＡＩＲＴＨ算出処理を実行し、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨを算出する。

ステップＳ１３では、図８に示すＧＩＮＶＯ算出処理を実行し、吸気管充填ガス量ＧＩＮＶＯ［ｇ／ＴＤＣ］を算出する。ステップＳ１４では、図９に示すＫＯＥＧＲ算出処理を実行し、第１及び第２新気比率ＫＦＡＲ１及びＫＦＡＲ２の比（ＫＦＡＲ２／ＫＦＡＲ１）であるＥＧＲ過渡補正係数ＫＯＥＧＲを算出する。

ステップＳ１５では、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨ、ＥＧＲ過渡補正係数ＫＯＥＧＲ、及び吸気管充填ガス量ＧＩＮＶＯを下記式（８）に適用し、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出する。
ＧＡＩＲＣＹＬ＝ＧＡＩＲＴＨ×ＫＯＥＧＲ
−ＧＩＮＶＯ×ＫＦＡＲ２ （８）

図４は図３のステップＳ１１で実行されるＧＡＩＲＡＶＥ０算出処理のフローチャートである。

ステップＳ２１では、吸入空気流量センサ１１の出力電圧ＶＧＡＩＲに応じて、図５に示すＶＧＡＩＲＸテーブルを検索し、吸入空気流量ＶＧＡＩＲＸ［ｇ／ｓｅｃ］を算出する。ＶＧＡＩＲＸは、以下「検出吸入空気流量」という。

ステップＳ２２では、検出吸入空気流量ＶＧＡＩＲＸの平均化演算（例えばＣＲＫパルスに同期してサンプリングされた６個のデータの平均値の算出）を行い、平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥ０を算出する。

図６は、図３のステップＳ１２で実行されるＧＡＩＲＴＨ算出処理のフローチャートである。
ステップＳ３１では、平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥ０に応じて、図７（ａ）に示すＫＴＡＡＦＭＧＨテーブル、ＫＴＡＡＦＭＧＭテーブル、及びＫＴＡＡＦＭＧＬテーブルを検索し、第１係数値ＫＴＡＡＦＭＧＨ、第２係数値ＫＴＡＡＦＭＧＭ、及び第３係数値ＫＴＡＡＦＭＧＬを算出する。

ステップＳ３２では、吸気温ＴＡに応じて補間計算を行い、吸気温補正係数ＫＴＡＡＦＭを算出する。例えば、図７（ａ）（ｂ）に示すように平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥ０がＧＡ１であるときを例にとると、吸気温ＴＡが第１所定吸気温ＴＡＡＦＭＬ（例えば−３０℃）以下であるときは、吸気温補正係数ＫＴＡＡＦＭを第３係数値ＫＴＡＡＦＭＧＬに設定し、吸気温ＴＡが第１所定吸気温ＴＡＡＦＭＬより高く第２所定吸気温ＴＡＡＦＭＭ（例えば２５℃）以下であるときは、第２係数値ＫＴＡＡＦＭＧＭと、第３係数値ＫＴＡＡＦＭＧＬの補間計算により、吸気温補正係数ＫＴＡＡＦＭを設定し、吸気温ＴＡが第２所定吸気温ＴＡＡＦＭＭより高く第３所定吸気温ＴＡＡＦＭＨ（例えば８０℃）以下であるときは、第２係数値ＫＴＡＡＦＭＧＭと、第１係数値ＫＴＡＡＦＭＧＨの補間計算により、吸気温補正係数ＫＴＡＡＦＭを設定し、吸気温ＴＡが第３所定吸気温ＴＡＡＦＭＨより高いときは、吸気温補正係数ＫＴＡＡＦＭを第１係数値ＫＴＡＡＦＭＧＨに設定する。

ステップＳ３３では、平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥ０に応じて図７（ｃ）に示すＫＰＡＡＦＭＧテーブルを検索し、高地用の係数値ＫＰＡＡＦＭＧを算出する。ステップＳ３４では、大気圧ＰＡに応じて補間計算を行い、大気圧補正係数ＫＰＡＡＦＭを算出する。すなわち、図７（ｄ）に示すように、大気圧ＰＡが第１圧力値ＰＡＡＦＭＨ（例えば６０ｋＰａ（４５０ｍｍＨｇ））以下であるときは、大気圧補正係数ＫＰＡＡＦＭを、ステップＳ３３で算出した係数値ＫＰＡＡＦＭＧに設定し、大気圧ＰＡが第１圧力値ＰＡＡＦＭＨより高く、かつ高度０の大気圧に相当する第２圧力値ＰＡＡＦＭＬ以下であるときは、係数値ＫＰＡＡＦＭＧと「１．０」との補間計算により、大気圧補正係数ＫＰＡＡＦＭを設定し、大気圧ＰＡが第２圧力値ＰＡＡＦＭＬより高いときは、大気圧補正係数ＫＰＡＡＦＭを「１．０」に設定する。

ステップＳ３５では、下記式（９）により、平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥ０を補正して、補正平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥを算出する。
ＧＡＩＲＡＶＥ＝ＧＡＩＲＡＶＥ０×ＫＴＡＡＦＭ×ＫＰＡＡＦＭ （９）
ステップＳ３６では、補正平均化吸入空気流量ＧＡＩＲＡＶＥを用いて下記式（１０）により、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨ［ｇ／ＴＤＣ］を算出する。式（１０）のＫＣＶは所定の換算係数である。
ＧＡＩＲＴＨ＝ＧＡＩＲＡＶＥ×ＫＣＶ／ＮＥ （１０）

図８は、図３のステップＳ１３で実行されるＧＩＮＶＯ処理のフローチャートである。

ステップＳ４１では、下記式（１１）により吸気圧変化量ｄＰＢＡを算出する。式（１１）の「ｋ」は、本処理の実行周期で離散化した離散化時刻である。（ｋ）は今回値を示し、通常は省略されている。
ｄＰＢＡ＝ＰＢＡ(k)−ＰＢＡ(k-1) （１１）

ステップＳ４２では、吸気圧変化量ｄＰＢＡ、吸気管２の、スロットル弁３の下流から気筒１ａの吸気口までの容積ＶＩＮＭＡＮＩ、吸気温ＴＡＫ［°Ｋ]を下記式（１２）に適用し、吸気管充填ガス量ＧＩＮＶＯを算出する。
ＧＩＮＶＯ＝ｄＰＢＡ×ＶＩＮＭＡＮＩ／（Ｒ×ＴＡＫ） （１２）

図９は、図３のステップＳ１４で実行されるＫＯＥＧＲ算出処理のフローチャートである。

ステップＳ５１では、図１０に示すＫＦＡＲ１算出処理を実行し、第１新気比率ＫＦＡＲ１を算出し、ステップＳ５２では、図１２に示すＫＦＡＲ２算出処理を実行し、第２新気比率ＫＦＡＲ２を算出する。

ステップＳ５３では、下記式（１３）により、ＥＧＲ過渡補正係数ＫＯＥＧＲを算出する。
ＫＯＥＧＲ＝ＫＦＡＲ２／ＫＦＡＲ１ （１３）

図１０は、図９のステップＳ５１で実行されるＫＦＡＲ１算出処理のフローチャートである。
ステップＳ６１では、還流ガス量の前回値ＧＥＧＲ(k-1)に応じて図１１（ａ）に示すＴＥＧＲテーブルを検索し、還流ガス温度ＴＥＧＲ［℃］を算出する。還流ガス量ＧＥＧＲは、後述するステップＳ６５で算出される。ＴＥＧＲテーブルは、還流ガス量ＧＥＧＲが増加するほど、還流ガス温度ＴＥＧＲが高くなるように設定されている。

ステップＳ６２では、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨに応じて図１１（ｂ）に示すＰＥＸテーブルを検索し、排気圧ＰＥＸを算出する。ＰＥＸテーブルは、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨが増加するほど、排気圧ＰＥＸが高くなるように設定されている。

ステップＳ６３では、ＥＧＲ弁２２のリフト量ＬＦＴＥＧＲに応じて図１１（ｃ）に示すＡＥＧＲテーブルを検索し、ＥＧＲ弁２２の有効開口面積ＡＥＧＲを算出する。ＡＥＧＲテーブルは、リフト量ＬＦＴＥＧＲが増加するほど有効開口面積ＡＥＧＲが増加するように設定されている。
図１１に示す各テーブルは予め実験により設定され、ＥＣＵ５の記憶回路に格納されている。

ステップＳ６４では、有効開口面積ＡＥＧＲ、排気圧ＰＥＸ、吸気圧ＰＢＡ、及び還流ガス温度ＴＥＧＲを絶対温度に換算したＴＥＧＲＫを、前記式（７）に適用し、ＥＧＲ弁通過還流ガス流量ＧＥＧＲＶＬＶ［ｇ／ｓｅｃ］を算出する。ステップＳ６５では、下記式（１４）により、ＥＧＲ弁通過還流ガス流量ＧＥＧＲＶＬＶを還流ガス量ＧＥＧＲ［ｇ／ＴＤＣ］に換算する。
ＧＥＧＲ＝ＧＥＧＲＶＬＶ×ＫＣＶ／ＮＥ （１４）

ステップＳ６６では、基本新気比率の前回値ＫＦＡＲ１Ｘ(k-1)を、今回値ＫＦＡＲ１Ｘ(k)に設定し、ステップＳ６７では、下記式（１５）により基本新気比率ＫＦＡＲ１Ｘ(k)を算出する。
ＫＦＡＲ１Ｘ(k)＝ＧＡＩＲＴＨ／（ＧＡＩＲＴＨ＋ＧＥＧＲ） （１５）

ステップＳ６８では、基本新気比率の前回値ＫＦＡＲ１Ｘ(k-1)及び今回値ＫＦＡＲ１Ｘ(k)を下記式（１６）に適用し、基本新気比率ＫＦＡＲ１Ｘの一次遅れ処理を行って第１新気比率ＫＦＡＲ１を算出する。式（１６）のＣＤは、「０」から「１」の間の値に設定されるフィルタ係数である。
ＫＦＡＲ１＝ＣＤ×ＫＦＡＲ１Ｘ(k)＋（１−ＣＤ）×ＫＦＡＲ１(k-1)
（１６）

図１２は、図９のステップＳ５２で実行されるＫＦＡＲ２算出処理のフローチャートである。

ステップＳ７１では、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨ、還流ガス量ＧＥＧＲ、吸気温ＴＡＫ［°Ｋ］、及び吸気圧ＰＢＡを下記式（１７）に適用し、単位吸入ガス体積ＱＧＡＳＸを算出する。単位吸入ガス体積ＱＧＡＳＸは、図２に示す流入ガス流量ＧＩＮを１ＴＤＣ期間当たりのガス体積［ｍ³／ＴＤＣ］に変換したものに相当する。
ＱＧＡＳＸ＝（ＧＡＩＲＴＨ＋ＧＥＧＲ）×Ｒ×ＴＡＫ／ＰＢＡ （１７）

ステップＳ７２ではインデクスパラメータｊを「１」に初期化し、ステップＳ７３では、下記式（１８）及び（１９）により、第１新気比率ＫＦＡＲ１の算出値を順次格納する第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ、及び吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦの更新を行う。
ＫＦＡＲＢＵＦ(n-j)＝ＫＦＡＲＢＵＦ(n-(j+1)) （１８）
ＱＧＡＳＢＵＦ(n-j)＝ＱＧＡＳＢＵＦ(n-(j+1))＋ＱＧＡＳＸ （１９）

ここで、「ｎ」は記憶するデータの数であり、例えば「５０」に設定される。このデータ数ｎは、吸気管２と排気還流通路２１の接続部から気筒１ａの吸気口までの領域、すなわち混合ガス通過領域の容積（以下単に「吸気管容積」という）ＶＯＵＴと、エンジン１の低負荷低回転状態における吸入空気量とに応じて設定される。なお、ＥＣＵ５の起動時に、ＫＦＡＲＢＵＦ(0)〜ＫＦＡＲＢＵＦ(n-1)はすべて「１」に初期化され、ＱＧＡＳＢＵＦ(0)〜ＱＧＡＳＢＵＦ(n-1)はすべて「０」に初期化される。

ステップＳ７４では、インデクスパラメータｊを「１」だけインクリメントし、次いでインデクスパラメータｊがデータ数ｎより小さいか否かを判別する（ステップＳ７５）。この答が肯定（ＹＥＳ）である間は、ステップＳ７３に戻り、インデクスパラメータｊがデータ数ｎに達すると、ステップＳ７５からステップＳ７６に進む。したがって、ＫＦＡＲＢＵＦ(1)〜ＫＦＡＲＢＵＦ(n-1)が、それぞれＫＦＡＲＢＵＦ(0)〜ＫＦＡＲＢＵＦ(n-2)に更新され、ＱＧＡＳＢＵＦ(1)〜ＱＧＡＳＢＵＦ(n-1)が、それぞれＱＧＡＳＢＵＦ(0)〜ＱＧＡＳＢＵＦ(n-2)にステップＳ７１で算出される単位吸入ガス体積ＱＧＡＳＸを加算した値に更新される。

ステップＳ７６では、第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(0)を、図１０の処理で算出された第１新気比率ＫＦＡＲ１に設定するとともに、吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦ(0)を「０」に設定する。ステップＳ７７では、インデクスパラメータｉを「０」に初期化し、ステップＳ７８に進む。

ステップＳ７８では、吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦ(i)が吸気管容積ＶＯＵＴ以上であるか否かを判別する。この答が否定（ＮＯ）であるときは、インデクスパラメータｉを「１」だけインクリメントし（ステップＳ７９）、インデクスパラメータｉがデータ数ｎより小さいか否かを判別する（ステップＳ８０）。この答が肯定（ＹＥＳ）である間は、ステップＳ７８に戻る。

ステップＳ７８で吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦ(i)が吸気管容積ＶＯＵＴ以上となったときは、ステップＳ８１に進み、下記式（２０）を用いた補間演算により、第２新気比率ＫＦＡＲ２を算出する。

ステップＳ７８の答が肯定（ＹＥＳ）となる前にインデクスパラメータｉがデータ数ｎに達すると、ステップＳ８０からステップＳ８１に進み、吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦ(i)が「０」であるか否かを判別する。この答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、ステップＳ８３に進み、第２新気比率ＫＦＡＲ２を「１」に設定する。吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦ(i)（ｉ＝０〜ｎ−１）は、ＥＣＵ５の起動時にすべて「０」に初期化されるため、エンジン１の運転開始直後は、ステップＳ８０からステップＳ８１に進み、ステップＳ８１の答が肯定（ＹＥＳ）となる。したがって、このときは第２新気比率ＫＦＡＲ２を「１」に仮設定して、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの演算を行う。

なお、ステップＳ８１からステップＳ８２に進むことは、何らかの異常が発生しない限りあり得ない。

図１３は、図１２の処理を説明するための図であり、この図では、ステップＳ７８の答が肯定（ＹＥＳ）となった時点、すなわち吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦ(i)が吸気管容積ＶＯＵＴ以上となった時点のインデクスパラメータｉの値（以下「到達パラメータ値」という）が「ｉＲ」で示されている。

ＵＧＡＳＸ(1)〜ＵＧＡＳＸ(iR)は、１ＴＤＣ期間毎に混合ガス通過領域に流入するガスの単位（以下「吸入ガスユニット」という）を示し、図１２のステップＳ７１で算出されるＱＧＡＳＸは、吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ(i)の体積に相当する。スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨ及び還流ガス量ＧＥＧＲが一定である定常状態では、各吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ(i)に対応する第１新気比率ＫＦＡＲ１はすべて等しくなるため、第２新気比率ＫＦＡＲ２は、第１新気比率ＫＦＡＲ１と等しくなる。

一方、還流ガス量ＧＥＧＲが変化する過渡状態では、例えば図１３（ｂ）に示すように、第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(i)は徐々に変化する（図示例では、還流ガス量ＧＥＧＲが増加する過渡状態が示されている）。そして、気筒１ａに流入する混合ガスに対応する新気比率である第２新気比率ＫＦＡＲ２は、到達パラメータ値ｉＲに対応する第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR)と、（到達パラメータ値ｉＲ−１）に対応する第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR-1)との補間演算を行うことにより、吸気管容積ＶＯＵＴに対応する値を算出することにより得られる。
したがって、時間経過に伴って変化する第２新気比率ＫＦＡＲ２を精度良く算出することができる。

本実施形態では、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨと還流ガス量ＧＥＧＲとの和である吸入ガス量に対するスロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨの割合を示す第１新気比率ＫＦＡＲ１が、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨ及び還流ガス量ＧＥＧＲを用いて算出される。さらに気筒に吸入される全ガス量に対する気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの比率を示す第２新気比率ＫＦＡＲ２が、第１新気比率ＫＦＡＲ１及びスロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨを用いて算出され、第１及び第２新気比率ＫＦＡＲ１，ＫＦＡＲ２を用いてスロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨを補正することにより、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬが算出される。第１及び第２新気比率ＫＦＡＲ１，ＫＦＡＲ２を用いることにより、新気と還流ガスが混合された後の吸入ガス中の新気比率の変化が反映され、特に還流ガス量が変化する過渡状態において正確な気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを得ることができる。その結果、上記過渡状態での空燃比制御を精度良く行い、排気特性の悪化を防止することができる。

また１ＴＤＣ期間（１演算周期）当たりに気筒に吸入される吸入ガス単位の体積である単位吸入ガス体積ＱＧＡＳＸが、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨ及び還流ガス量ＧＥＧＲを用いて算出され、吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ(i)に対応する第１新気比率である第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(i)が記憶される。さらに単位吸入ガス体積ＱＧＡＳＸを積算することにより吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦが算出され、吸入ガス体積ＱＧＡＳＢＵＦが吸気管容積ＶＯＵＴ以上となった到達時点において、気筒１ａの吸気口に到達している吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ(iR)に対応する第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR)に基づいて、第２新気比率ＫＦＡＲ２が算出される。したがって、吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ毎に第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦが変化する場合に、吸気口に到達した吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ(iR)に対応する第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR)に基づいて、第２新気比率ＫＦＡＲ２を算出することにより、吸入ガスが排気還流通路と吸気管との接続部から気筒吸気口までの混合ガス領域を移動するのに要する時間（むだ時間）が考慮され、過渡状態における正確な第２新気比率ＫＦＡＲ２を得ることができる。

また吸気口に到達している吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ(iR)に対応する、第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR)と、１ＴＤＣ期間（１演算周期）後に吸気口に到達する吸入ガスユニットＵＧＡＳＸ(iR-1)に対応する、第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR-1)との補間演算を行うことにより、第２新気比率ＫＦＡＲ２が算出される。吸入ガスユニットＵＧＡＳＸは演算周期に応じて決まるものであるため、１つの吸入ガスユニットＵＧＡＳＸが１吸入行程で気筒内に吸入されるとは限らない。したがって、２つの記憶値、すなわち第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR)及び第１新気比率記憶値ＫＦＡＲＢＵＦ(iR-1)の補間演算を行うことより、より正確な第２新気比率ＫＦＡＲ２を得ることができる。

本実施形態では、吸入空気流量センサ１１及びＥＣＵ５が吸入空気流量検出手段を構成し、リフトセンサ２３及びＥＣＵ５が還流ガス流量取得手段を構成する。また、ＥＣＵ５が第１新気比率算出手段、第２新気比率算出手段、単位吸入ガス体積算出手段、第１新気比率記憶手段、及び吸入ガス体積算出手段を構成する。具体的には、図３のステップＳ１１及びＳ１２が吸入空気流量検出手段の一部に相当し、図１０のステップＳ６１〜Ｓ６５が還流ガス流量取得手段の一部に相当する。また、図１０のステップＳ６６〜Ｓ６８が第１新気比率算出手段に相当し、図１２の処理が第２新気比率算出手段に相当し、図２のステップＳ７１が単位吸入ガス体積算出手段に相当し、ステップＳ７２〜Ｓ７６が第１新気比率記憶手段及び吸入ガス体積算出手段に相当する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、ＥＧＲ弁通過還流ガス流量ＧＥＧＲＶＬＶは、ＥＧＲ弁２２のリフト量ＬＦＴＥＧＲ、スロットル弁通過空気量ＧＡＩＲＴＨ、及び吸気圧ＰＢＡに応じて算出するようにしたが（図１０，ステップＳ６１〜Ｓ６４）、排気還流通路２１に流量センサを設けて検出するようにしてもよい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの気筒吸入空気量の算出にも適用が可能である。

１ 内燃機関
２ 吸気管（吸気通路）
３ スロットル弁
５ 電子制御ユニット（吸入空気流量検出手段、還流ガス流量取得手段、第１新気比率算出手段、第２新気比率算出手段、単位吸入ガス体積算出手段、第１新気比率記憶手段、吸入ガス体積算出手段）
１１ 吸入空気流量センサ（吸入空気流量検出手段）
２１ 排気還流通路
２２ 排気還流制御弁
２３ リフトセンサ（還流ガス流量取得手段）

Claims (4)

1. 排気還流通路及び該排気還流通路に設けられた排気還流制御弁とを備える内燃機関の気筒に吸入される新気量である気筒吸入空気量を算出する、内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、
   前記機関の吸気通路を通過する新気の流量である吸入空気量流量を検出する吸入空気流量検出手段と、
   前記排気還流制御弁を通過する還流ガスの流量である還流ガス流量を取得する還流ガス流量取得手段と、
   前記吸入空気流量と前記還流ガス流量との和である吸入ガス流量に対する前記吸入空気流量の割合を示す第１新気比率を、前記吸入空気流量及び還流ガス流量を用いて算出する第１新気比率算出手段と、
   前記気筒に吸入される全ガス量に対する前記気筒吸入空気量の比率を示す第２新気比率を、前記第１新気比率及び吸入空気流量を用いて算出する第２新気比率算出手段とを備え、
   前記第１及び第２新気比率を用いて前記吸入空気流量を補正することにより、前記気筒吸入空気量を算出することを特徴とする内燃機関の気筒吸入空気量算出装置。
2. 前記第２新気比率算出手段は、
   １演算周期当たりに前記気筒に吸入される吸入ガス単位の体積である単位吸入ガス体積を、前記吸入空気流量及び還流ガス流量を用いて算出する単位吸入ガス体積算出手段と、
   前記吸入ガス単位に対応する前記第１新気比率を記憶する第１新気比率記憶手段と、
   前記単位吸入ガス体積を積算することにより吸入ガス体積を算出する吸入ガス体積算出手段とを備え、
   前記吸入ガス体積が前記排気還流通路と前記吸気通路との接続部から前記気筒の吸気口までの吸気通路容積に達した到達時点において、前記吸気口に到達している前記吸入ガス単位に対応する前記第１新気比率に基づいて、前記第２新気比率を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置。
3. 前記第２新気比率算出手段は、前記到達時点において前記吸気口に到達している前記吸入ガス単位に対応する、前記第１新気比率の第１の値と、前記到達時点より１演算周期後に前記吸気口に到達する前記吸入ガス単位に対応する、前記第１新気比率の第２の値との補間演算を行うことにより、前記第２新気比率を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置。
4. 前記還流ガス流量取得手段は、前記排気還流制御弁の開度と、前記排気還流弁の上流側圧力及び下流側圧力とを用いて、前記還流ガス流量を算出することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置。

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