JP5381779B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関の空燃比を精度良く制御するためには、筒内に流入する空気量を正確に推定し、その筒内流入空気量に基づいて燃料噴射量を計算することが必要となる。

内燃機関に用いられる熱式等のエアフローメータは、定常状態においては、質量流量を高精度に検出することができるので、筒内流入空気量を精度良く求めることができる。しかしながら、エアフローメータは、それ自体が流量変化に対して応答遅れを持っていることに加えて、筒内から遠い位置（スロットルより上流側）にあるので、筒内への流入量を直接検出している訳ではない。このため、流量が変化する過渡運転時には、筒内流入空気量を精度良く検出することができない。

これに対し、内燃機関の吸気系を構成するスロットル、インテークマニホールド、吸気弁等の各要素の物理モデルを組み合わせて吸気系全体をモデル化した吸気系モデルを用いて筒内流入空気量を推定し、その推定された筒内流入空気量に基づいて燃料噴射量を算出する技術が知られている。この技術によれば、過渡運転時の筒内流入空気量を精度良く推定することができる。

吸気系モデルを用いて筒内流入空気量を推定する技術は、自然吸気式の内燃機関だけでなく、過給機付き内燃機関にも応用されている（例えば、特許文献１参照）。また、過給機付き内燃機関の吸気系モデルとしては、過給機のコンプレッサの物理モデルであるコンプレッサモデルと、インタークーラの物理モデルであるインタークーラーモデルとを更に備えたものも知られている。

特開２００９−１９７７１１号公報

吸気系モデルを用いた内燃機関の制御装置では、エアフローメータによって検出される流量に基づいて、モデル誤差を補償する補正処理を行うようにしている。自然吸気式の内燃機関の場合には、この補正処理を行うことにより、定常状態、過渡状態の何れにおいても、筒内流入空気量を精度良く推定することができ、空燃比を精度良く制御することができる。

しかしながら、本発明者の知見によれば、過給機付き内燃機関に吸気系モデルを適用した制御装置においては、エアフローメータ流量に基づいてモデル誤差を補償する補正処理を行った場合であっても、例えば車両の発進加速時のような、低負荷領域からの加速過渡時においては、筒内流入空気量の推定精度が悪化する場合があり、その場合、空燃比の制御精度が悪化するという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、過給機付き内燃機関の筒内流入空気量を吸気系の物理モデルを用いて推定して燃料噴射量を算出する装置であって、低負荷領域からの加速過渡時の空燃比制御精度を向上することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
吸入空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側に配置されたインタークーラーと、前記インタークーラーの下流側に配置されたスロットルとを含む吸気系を備えた内燃機関を制御する装置であって、
前記吸気系の各要素の物理モデルを組み合わせて前記吸気系の全体をモデル化した吸気系モデルを記憶した記憶手段と、
前記吸気系モデルを用いて前記内燃機関の筒内流入空気量を算出する筒内流入空気量算出手段と、
前記コンプレッサの上流側に設置されたエアフローメータと、
前記エアフローメータにより検出されるエアフローメータ流量に基づいて、前記筒内流入空気量算出手段の算出過程における所定の計算値を補正するモデル誤差補正手段と、
前記モデル誤差補正手段による補正後の筒内流入空気量に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
前記モデル誤差補正手段による補正後の筒内流入空気量と実際の筒内流入空気量との間の誤差であって、所定の低負荷領域からの加速過渡時に生じ得る誤差である過渡空気量誤差が所定の許容範囲を超えるか否かを事前に予測する過渡誤差予測手段と、
前記過渡空気量誤差が前記許容範囲を超えると予測された場合に、前記加速過渡時に前記燃料噴射量算出手段により算出された燃料噴射量を補正する過渡誤差補正手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記過渡誤差予測手段は、前記吸気系モデルを用いて算出される第１のインタークーラー圧力と、前記エアフローメータ流量に基づいて算出される第２のインタークーラー圧力との差の絶対値と、所定の判定値とを比較することにより、前記過渡空気量誤差が前記許容範囲を超えるか否かを予測することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記過渡空気量誤差は、前記吸気系モデルを用いて算出されるスロットル流量であるモデルスロットル流量の誤差、または、前記エアフローメータ流量の誤差に起因して生ずるものであることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記過渡誤差補正手段は、
前記過渡空気量誤差が、実際の筒内流入空気量を上回る方向の誤差であるか下回る方向の誤差であるかを判定する手段と、
前記過渡空気量誤差が、実際の筒内流入空気量を上回る方向の誤差であると判定された場合に、前記燃料噴射量を減量補正する手段と、
前記過渡空気量誤差が、実際の筒内流入空気量を下回る方向の誤差であると判定された場合に、前記燃料噴射量を増量補正する手段と、
を含むことを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記過渡空気量誤差の原因が、前記エアフローメータ流量の誤差と、前記モデルスロットル流量の誤差との何れにあるかを判定する誤差要因判定手段と、
前記過渡空気量誤差の原因が前記エアフローメータ流量の誤差にあると判定された場合に、前記エアフローメータの出力信号と前記エアフローメータ流量との関係を表すマップを修正するエアフローメータ修正手段と、
前記過渡空気量誤差の原因が前記モデルスロットル流量の誤差にあると判定された場合に、前記スロットルの物理モデルであるスロットルモデルを修正するスロットルモデル修正手段と、
を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、過給機付き内燃機関の筒内流入空気量を吸気系の物理モデルを用いて推定して燃料噴射量を算出する装置において、低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量の推定精度が低下するかどうかを事前に予測し、精度低下が予測された場合には、低負荷領域からの加速過渡時に燃料噴射量を補正することができる。このため、低負荷領域からの加速過渡時においても、優れた空燃比制御精度が得られる。

第２の発明によれば、低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量の推定精度が低下するかどうかを正確且つ容易に予測することができる。

第３の発明によれば、モデルスロットル流量の誤差またはエアフローメータ流量の誤差に起因して、低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量の推定精度低下が生じた場合であっても、空燃比制御精度の低下を確実に回避することができる。

第４の発明によれば、低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量の推定精度低下が生じた場合に、燃料噴射量を適切に補正することができる。このため、空燃比制御精度の低下を確実に回避することができる。

第５の発明によれば、低負荷領域からの加速過渡時における筒内流入空気量の推定精度低下の原因が、エアフローメータ流量の誤差と、モデルスロットル流量の誤差との何れにあるかを判定し、その判定結果に基づいて、エアフローメータ流量マップまたはスロットルモデルを修正することができる。これにより、モデルスロットル流量とエアフローメータ流量との誤差が生じにくくなるので、低負荷領域からの加速過渡時を含め、幅広い運転条件において、筒内流入空気量の推定精度を更に向上することができる。よって、空燃比制御精度を更に向上することができる。また、スロットル特性やエアフローメータ特性の経年変化の影響をキャンセルすることができるので、経年変化が生じた場合でも優れた空燃比制御精度を確実に維持することができる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 ＥＣＵが筒内流入空気量ｍ_ｃを算出する際の計算値の流れを示す機能ブロック図である。 関数Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）のグラフを示す図である。 エアフローメータ流量AFMがモデルスロットル流量より大きくなるような誤差が生じている場合の低負荷定常状態におけるインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃおよび吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値を説明するための図である。 低負荷領域からの加速過渡時に生ずる吸気管圧力Ｐ_ｍの誤差を実測したデータを示す図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１のシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０の各気筒には、ピストン１２と、吸気弁１４と、排気弁１６と、点火プラグ１８と、吸気ポートに燃料を噴射する燃料インジェクタ２０とが設けられている。吸気通路２２は、サージタンク３６および吸気管３８を有するインテークマニホールドを介して、各気筒の吸気ポートに接続されている。また、排気通路２４は、排気管４０を有するエギゾーストマニホールドを介して、各気筒の排気ポートに接続されている。

また、本実施形態の内燃機関１０には、ターボ過給機２６が備えられている。ターボ過給機２６は、吸気通路２２の途中に配置されたコンプレッサ２６ａと、排気通路２４の途中に配置されたタービン２６ｂとを有している。排気通路２４を流れる排気ガスのエネルギーによってタービン２６ｂが回転することにより、同軸上に設けられたコンプレッサ２６ａも回転する。コンプレッサ２６ａが回転することにより、吸入空気が圧縮される。

コンプレッサ２６ａより上流側の吸気通路２２には、エアクリーナ２８と、吸入空気量を検出するエアフローメータ３０とが設置されている。コンプレッサ２６ａより下流側の吸気通路２２には、インタークーラー３２と、電子制御式のスロットル３４とが上流側からこの順で設置されている。タービン２６ｂより下流側の排気通路２４には、排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサ４６と、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒４２とが設置されている。

本実施形態のシステムは、更に、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータのほか、内燃機関１０のクランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ４８などが電気的に接続されている。

ＥＣＵ５０は、上述した吸気系の各要素の物理モデル（サブモデル）を組み合わせて構成される吸気系モデルを用いて、筒内流入空気量（以下、記号ｍ_ｃで表す）の推定値を算出し、その算出された筒内流入空気量ｍ_ｃと目標空燃比とに基づいて、燃料インジェクタ２０から噴射すべき燃料噴射量を算出する。図２は、ＥＣＵ５０が筒内流入空気量ｍ_ｃを算出する際の計算値の流れを示す機能ブロック図である。図２中および以下では、大気圧をＰ_ａ、コンプレッサ２６ａの上流側の圧力をＰ_ａｃ、インタークーラー３２内の圧力をＰ_ｉｃ、吸気管３８の圧力をＰ_ｍ、コンプレッサ２６ａを通る空気の流量をｍ_ｃｐ、スロットル３４を通る空気の流量をｍ_ｔ、吸気温度をＴ_ａ、インタークーラー３２の出口温度をＴ_ｉｃ、吸気管３８内の温度をＴ_ｍ、コンプレッサ付与エネルギーをＥ_ｃｐ、スロットル３４の開度をTA、エアフローメータ３０で検出される空気流量をAFMとする。

まず、各サブモデルについて説明する。
（エアクリーナモデル）
エアクリーナモデル（図２中では「エアクリモデル」と略記）は、エアクリーナ２８での圧力損失ΔＰを計算し、大気圧Ｐ_ａから圧力損失ΔＰを減算することで、コンプレッサ上流圧力Ｐ_ａｃを算出する。圧力損失ΔＰは、ベルヌーイの式に基づき、エアクリーナ流量（＝コンプレッサ流量ｍ_ｃｐ）に応じて算出される。

（コンプレッサモデル）
コンプレッサモデルは、コンプレッサ上流圧力Ｐ_ａｃ、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃ等を入力とし、経験則および物理法則に基づく式に従って、コンプレッサ流量ｍ_ｃｐ、コンプレッサ付与エネルギーＥ_ｃｐ等を算出する。

（インタークーラーモデル）
インタークーラーモデルは、コンプレッサ流量ｍ_ｃｐ、スロットル流量ｍ_ｔ、コンプレッサ付与エネルギーＥ_ｃｐ、吸気温度Ｔ_ａを入力とし、物理法則に基づく式に従って、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃおよびインタークーラー出口温度Ｔ_ｉｃを算出する。

（スロットルモデル）
スロットルモデルは、スロットル開度TA、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃ、インタークーラー出口温度Ｔ_ｉｃ、吸気管圧力Ｐ_ｍを入力とし、物理法則に基づく式に従って、スロットル流量ｍ_ｔを算出する。

（インテークマニホールドモデル）
インテークマニホールドモデル（図２中では「インマニモデル」と略記）は、スロットル流量ｍ_ｔ、筒内流入空気量（＝吸気弁流量）ｍ_ｃ、インタークーラー出口温度Ｔ_ｉｃを入力とし、物理法則に基づく式に従って、吸気管圧力Ｐ_ｍおよび吸気管内温度Ｔ_ｍを算出する。

（吸気弁モデル）
筒内流入空気量（＝吸気弁流量）ｍ_ｃと吸気管圧力Ｐ_ｍとの関係は、直線で近似できることが経験的に知られている。吸気弁モデルは、吸気管圧力Ｐ_ｍを入力とし、経験則に基づく式に従って、筒内流入空気量ｍ_ｃを算出する。

以下、図２に示すように、ＥＣＵ５０による計算系統を第１系統１０１、第２系統１０２、第３系統１０３、第４系統１０４に分けて説明する。第１系統１０１は、上述した各サブモデルをすべて含む吸気系全体のモデルである。第２系統１０２は、第１系統１０１と同様に、上記各サブモデルをすべて含む吸気系全体のモデルであるが、筒内流入空気量ｍ_ｃを先読みする点において異なる。実際の内燃機関１０において筒内流入空気量ｍ_ｃが確定する時点は吸気弁閉弁時である。一方、本実施形態の内燃機関１０では、燃料インジェクタ２０が吸気弁１４より上流側に配置されているので、各サイクルの燃料噴射は少なくとも吸気弁閉弁時よりも前に完了する必要がある。従って、筒内に形成される混合気の空燃比をより正確に目標空燃比に一致させるためには、吸気弁閉弁時よりも前の燃料噴射時にそのサイクルの吸気弁閉弁時の筒内流入空気量ｍ_ｃを先読みできることが望ましい。この先読みを可能とするためには、現時点より先の時点のスロットル開度TA、つまり未来のスロットル開度TAを先読みする必要がある。そこで、車両のアクセルペダル操作量等に基づいて算出される目標スロットル開度に対して所定時間だけ遅らせて実際のスロットル開度を動作させる制御を行うことにより、未来のスロットル開度TAを高精度に先読みするようにしている。第２系統１０２は、その先読みした未来のスロットル開度TA等に基づいて、先読みした吸気弁閉弁時の筒内流入空気量ｍ_ｃを算出する。

第３系統１０３および第４系統１０４は、吸気系モデルのモデル誤差を、エアフローメータ流量AFMに基づいて補正するためのものである。第３系統１０３は、インタークーラーモデルから吸気弁モデルまでを含んでいる。第３系統１０３では、コンプレッサモデルにより算出されるコンプレッサ流量ｍ_ｃｐに代えて、エアフローメータ流量AFMをインタークーラーモデルに入力して計算を行う。一方、第４系統１０４は、インタークーラーモデルから吸気弁モデルまでに加えて、エアフローメータモデル（図２中では「ＡＦＭモデル」と略記）を含んでいる。実際のエアフローメータ通過流量と実際のコンプレッサ流量とは等しいと考えられるが、エアフローメータ３０は固有の応答特性に基づく応答遅れを有しているので、エアフローメータ流量AFMは、吸気系モデルにより算出されるコンプレッサ流量ｍ_ｃｐに対して遅れを持っている。エアフロメータモデルは、エアフローメータ３０の応答特性をシミュレートしたモデルであり、入力された流量に対し、エアフローメータ３０の応答遅れを考慮した流量を出力する。第４系統１０４では、第１系統１０１のコンプレッサモデルにより算出されたコンプレッサ流量ｍ_ｃｐをエアフロメータモデルに入力し、エアフロメータモデルの出力値をインタークーラーモデルに入力して計算を行う。これにより、第３系統１０３と第４系統１０４との間では、エアフローメータ３０の応答遅れの影響をキャンセルすることができる。第３系統１０３における吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmafmと、第４系統１０４における吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmcrtsmとの偏差は、吸気系モデル上のコンプレッサ流量ｍ_ｃｐがエアフローメータ流量AFMに対して持っている誤差を吸気管圧力Ｐ_ｍの差に換算した値（モデル誤差）であるとみなすことができる。図２に示すように、第１系統１０１では、修正前の吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmcrtに上記偏差を加算することにより、モデル誤差を修正した吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmactを算出し、この計算値epmactを吸気弁モデルに入力することによって、モデル誤差を修正した筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklactを算出する。同様に、第２系統１０２では、修正前の先読み吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmvlvに上記偏差を加算することにより、モデル誤差を修正した先読み吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmfwdを算出し、この計算値epmfwdを吸気弁モデルに入力することによって、モデル誤差を修正した先読み筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdを算出する。燃料噴射量は、このモデル誤差修正後の先読み筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdに基づいて算出される。

以上、本実施形態における筒内流入空気量ｍ_ｃの計算方法の概要について説明したが、各サブモデルやそれらを組み合わせた吸気系モデルによる計算方法、筒内流入空気量の先読み等の詳細については、例えば特開２００６−１９４１０７号公報、特開２００７−２３９４８４号公報、特開２００９−１２１３５６号公報等に記載されており、公知であるため、本明細書においてはこれ以上の説明を原則として省略し、本願発明の特徴部分の記載に必要な事項のみを以下に追加説明する。

上述したように、図２に示す構成によれば、モデル誤差をエアフローメータ流量AFMに基づいて補償することができるので、燃料噴射量算出の基礎となる筒内流入空気量ｍ_ｃの推定精度を向上することができ、空燃比制御精度が向上する。しかしながら、例えば車両の発進加速時のような、低負荷領域からの加速過渡時に関しては、それでもなお、筒内流入空気量ｍ_ｃの推定精度が悪化する場合がある。低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量ｍ_ｃの推定精度が悪化する場合の原因は、次のように考えられる。

スロットル３４の特性、あるいはエアフローメータ３０の特性には、製造時の段階で所定の公差内のばらつきが生ずることは避けられないので、多少の機差ばらつき（個体差）が存在する。また、長期間の使用の間には、スロットル３４の作動特性や流量特性に変化が生じたり、エアフローメータ３０の出力特性に変化が生じたりする場合もある。このため、スロットル３４の実際の特性とスロットルモデルとの間に誤差が存在してスロットル流量ｍ_ｔの計算値に誤差が生じたり、エアフローメータ３０の出力電圧とエアフローメータ流量AFMとの関係を規定するマップに誤差が存在してエアフローメータ流量AFMに誤差が生じたりする場合がある。本発明者の知見によれば、低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量ｍ_ｃの推定精度が悪化する原因は、上記の誤差が生ずることにより、第１系統１０１において算出されるスロットル流量ｍ_ｔ（以下、「モデルスロットル流量」と称する）と、エアフローメータ流量AFMとが一致しなくなることに起因している。モデルスロットル流量とエアフローメータ流量AFMとが一致しないと、低負荷領域の定常状態において、第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epiccrtと、第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epicafmとの誤差が大きくなる。その理由について、以下に説明する。

インタークーラーモデルを構成する質量保存則は、次式で表される。
ｄ（Ｐ_ｉｃ/Ｔ_ｉｃ）/ｄｔ＝（Ｒ/Ｖ）・（ｍ_ｃｐ−ｍ_ｔ） ・・・（１）
ただし、Ｒは気体定数、Ｖはインタークーラー容積である。

インタークーラーモデルを構成するエネルギー保存則は、低負荷領域においては近似的に次式で表される。
ｄＰ_ｉｃ/ｄｔ＝（κ・Ｒ/Ｖ）・（ｍ_ｃｐ・Ｔ_ａ−ｍ_ｔ・Ｔ_ｉｃ） ・・・（２）
ただし、κは比熱比である。

定常収束時は、上記（１）式および（２）式の値は共にゼロに収束するので、
ｍ_ｃｐ＝ｍ_ｔ ・・・（３）
ｍ_ｃｐ・Ｔ_ａ＝ｍ_ｔ・Ｔ_ｉｃ ・・・（４）
が成り立つ。また、上記（３）式を上記（４）式に代入することにより、
Ｔ_ａ＝Ｔ_ｉｃ ・・・（５）
が成り立つ。

第３系統１０３では、コンプレッサ流量ｍ_ｃｐの代わりにエアフローメータ流量AFMをインタークーラーモデルに入力するので、定常収束時は、上記（３）式により、スロットル流量ｍ_ｔはエアフローメータ流量AFMに等しくなる。

スロットルモデルにおいて、スロットル流量ｍ_ｔは、次式で算出される。
ｍ_ｔ＝μ・Ａ_ｔ・｛Ｐ_ｉｃ/√（Ｒ・Ｔ_ｉｃ）｝・Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ） ・・・（６）
ただし、μは流量係数、Ａ_ｔはスロットル開口面積である。これらはスロットル開度TAの関数である。また、Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）は、スロットル下流圧力である吸気管圧力Ｐ_ｍとスロットル上流圧力であるインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃとの比Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃの関数である。図３は、関数Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）のグラフを示す図である。

図３に示すように、関数Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）は、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ＜１/（κ＋１）では一定であり、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ＞１/（κ＋１）では単調減少する。なお、１/（κ＋１）の値は約０．４１６７である。Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃが１/（κ＋１）より大きい領域、すなわち機関負荷が比較的大きい領域では、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値が変化して、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃの値が変化すると、関数Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）の値が変化するので、スロットル流量ｍ_ｔの計算値も大きく変化する。これに対し、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃが１/（κ＋１）より小さい低負荷領域では、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値が変化しても、関数Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）の値が一定であるので、スロットル流量ｍ_ｔの計算値の変化は小さい。

定常状態では、上記（５）式により、インタークーラー出口温度Ｔ_ｉｃは吸気温度Ｔ_ａに等しくなるが、吸気温度Ｔ_ａは大気温度であり、固定値である。よって、低負荷定常状態においては、上記（６）式中、Φ（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）およびＴ_ｉｃの値が不変であり、スロットル開度TAの関数であるμおよびＡ_ｔも不変である。従って、低負荷定常状態においては、スロットル流量ｍ_ｔの計算値は、上記（６）式の右辺の因数に現れるＰ_ｉｃの影響によってしか変化しないので、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値の変化に対する、スロットル流量ｍ_ｔの計算値の変化が小さい。

図４は、エアフローメータ流量AFMがモデルスロットル流量より大きくなるような誤差が生じている場合の低負荷定常状態における第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃおよび吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値を説明するための図である。図４中、（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）_ｃｒｔは第１系統１０１におけるＰ_ｍ/Ｐ_ｉｃの計算値であり、（Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ）_ａｆｍは第３系統１０３におけるＰ_ｍ/Ｐ_ｉｃの計算値である。前述したように、定常状態では、第３系統１０３のスロットル流量ｍ_ｔの計算値は、エアフローメータ流量AFMに等しい値に収束する。従って、エアフローメータ流量AFMがモデルスロットル流量より大きい場合の低負荷定常状態において、第３系統１０３では、上記（６）式で算出されるスロットル流量ｍ_ｔを増大させてエアフローメータ流量AFMに一致させるために、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epicafmを増大させるように計算が進行する。しかしながら、上述した理由により、低負荷定常状態においては、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値の増大に対する、スロットル流量ｍ_ｔの計算値の増大の感度が小さい。このため、スロットル流量ｍ_ｔをエアフローメータ流量AFMに収束させる過程で、インタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epicafmが大きく増大される。その結果、第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epicafmが、第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epiccrtより大幅に大きくなり、誤差が大きくなる。

図５は、低負荷領域からの加速過渡時に生ずる吸気管圧力Ｐ_ｍの誤差を実測したデータを示す図である。このデータは、吸気管圧力Ｐ_ｍが約３０ｋＰａである低負荷定常状態から、スロットル３４を大きく開いて加速を行ったときのものである。また、このデータは、図４に示す場合と同じく、エアフローメータ流量AFMがモデルスロットル流量より大きい場合のものである。このため、図５の上のグラフに示すように、低負荷定常状態において、第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃ（epicafm）が第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃ（epiccrt）に対し過大になっている。図５の下のグラフは、第２系統１０２のモデル誤差修正後の吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmfwdと、実際の吸気管圧力Ｐ_ｍとの誤差（以下、「Ｐ_ｍ誤差」と称する）を示している。図５中の楕円で囲った部分が示すように、低負荷領域からの加速過渡時に、Ｐ_ｍ誤差がプラス側に大きく振れている。これは、加速前の低負荷定常状態において第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃ（epicafm）が過大に計算されているために、スロットル３４が開かれた際、吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmfwdも過大に上昇するためである。この結果、その過大に計算された吸気管圧力Ｐ_ｍ（epmfwd）に基づいて筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）が算出されるので、この算出された筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）は実際の値より大きくなる。よって、この筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）と目標空燃比とに基づいて燃料噴射量を決定すると、燃料噴射量が過大になるので、実際の筒内空燃比が目標空燃比よりリッチ側にずれてしまう。

本実施形態では、上記のような場合に、空燃比のリッチずれを補正するため、加速過渡時の燃料噴射量を減量補正することとした。

以上、図４および図５に基づいて、エアフローメータ流量AFMがモデルスロットル流量より大きくなるような誤差が生じている場合について説明したが、エアフローメータ流量AFMがモデルスロットル流量より小さくなるような誤差が生じている場合には、低負荷領域からの加速過渡時に、上記と逆方向に空燃比ずれが生ずる。すなわち、エアフローメータ流量AFMがモデルスロットル流量より小さい場合には、加速前の低負荷定常状態において、第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃ（epicafm）が第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃ（epiccrt）に対し過小になる。このために、スロットル３４が開かれた際、吸気管圧力Ｐ_ｍの計算値epmfwdが過小となり、その過小に計算された吸気管圧力Ｐ_ｍ（epmfwd）に基づいて筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）が算出されるので、この算出された筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）は実際の値より小さくなる。よって、この筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）と目標空燃比とに基づいて燃料噴射量を決定すると、燃料噴射量が過小になるので、実際の筒内空燃比が目標空燃比よりリーン側にずれてしまう。そこで、本実施形態では、この場合には、空燃比のリーンずれを補正するため、加速過渡時の燃料噴射量を増量補正することとした。

なお、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃが１/（κ＋１）より小さい低負荷領域からの加速過渡時（発進加速時など）以外については、本実施形態のような燃料噴射量の補正を行う必要はない。その理由は、次のとおりである。定常運転状態においては、燃料噴射量算出の基礎となる筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdは、エアフローメータ流量AFMに収束する。このため、エアフローメータ流量AFMに誤差がなければ、空燃比ずれは生じない。また、エアフローメータ流量AFMに誤差がある場合であっても、空燃比センサ４６を用いた空燃比フィードバック制御（学習制御を含む）によって空燃比が補正されるので、空燃比ずれは生じない。また、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃが１/（κ＋１）より大きい領域、すなわち機関負荷が比較的大きい領域では、前述したように、スロットルモデルにおいて、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃの変化に対するスロットル流量ｍ_ｔの計算値の変化の感度が高いので、第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epicafmと、第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epiccrtとが大きく乖離することはない。このため、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ＞１/（κ＋１）の領域では、過渡時においても筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdの誤差は小さく、補正すべき空燃比ずれは生じない。

図６は、上述した原理に基づいて、低負荷領域からの加速過渡時の空燃比制御精度を向上するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンによれば、まず、内燃機関１０が所定の低負荷領域で定常状態にあるかどうかが判定される（ステップ２００）。すなわち、エンジン回転数やスロットル開度TAなどが一定の定常状態であるかどうかが判定されるとともに、Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃ＜１/（κ＋１）が満足されるかどうか、すなわちＰ_ｍ/Ｐ_ｉｃ＜０．４１６７が満足されるかどうかが判定される。Ｐ_ｍ/Ｐ_ｉｃの値としては、第１系統１０１での計算値を用いればよい。

上記ステップ１００で、低負荷定常状態でないと判定された場合には、加速過渡時の燃料噴射量の補正を行う必要はないので、本ルーチンの処理がここで終了される。これに対し、低負荷定常状態であると判定された場合には、次に、第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epicafmと、第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epiccrtとの差の絶対値abs(epicafm-epiccrt)が所定の判定値t_dPicより大きいか否かが判定される（ステップ２０２）。前述したように、低負荷領域からの加速過渡時の空燃比制御ずれは、epicafmとepiccrtとの誤差が大きいことに起因している。上記判定値t_dPicは、epicafmとepiccrtとの誤差が大きいかどうかを判定するために予め設定された値である。

上記ステップ２０２で、epicafmとepiccrtとの差の絶対値が判定値t_dPic以下である場合には、epicafmとepiccrtとの誤差は小さく、加速過渡時に空燃比制御ずれが生ずるおそれはないと予測できる。この場合には、加速過渡時の燃料噴射量の補正を行う必要はないので、本ルーチンの処理がここで終了される。

これに対し、上記ステップ２０２で、epicafmとepiccrtとの差の絶対値が判定値t_dPicより大きい場合には、epicafmとepiccrtとの誤差が大きく、加速過渡時に空燃比制御ずれが生ずると予測できる。そこで、この場合は、加速過渡状態が訪れた場合に燃料噴射量の補正を行うべく、加速過渡状態になったかどうかが判定される（ステップ２０４）。加速過渡状態になったかどうかは、スロットル開度TAの変化や吸気管圧力Ｐ_ｍの上昇などによって判定することができる。上記ステップ２０４で加速過渡状態になったと判定された場合には、epicafmとepiccrtとの大小関係が判定される（ステップ２０６）。前述したように、epicafm＞epiccrtの場合には、筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdが実際の値を上回るようになるので、空燃比ずれを補正するためには、燃料噴射量の減量補正が必要となる。このため、上記ステップ２０６でepicafm＞epiccrtと判定された場合には、筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）と目標空燃比とに基づいて算出された燃料噴射量を減量側に補正する処理が行われる（ステップ２０８）。これに対し、epicafm＜epiccrtの場合には、筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdが実際の値を下回るようになるので、空燃比ずれを補正するためには、燃料噴射量の増量補正が必要となる。このため、上記ステップ２０６でepicafm＜epiccrtと判定された場合には、筒内流入空気量ｍ_ｃ（eklfwd）と目標空燃比とに基づいて算出された燃料噴射量を増量側に補正する処理が行われる（ステップ２１０）。

ステップ２０８または２１０における燃料噴射量補正値は、例えば次のようにして決めればよい。epicafmとepiccrtとの誤差が大きいほど、筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdの誤差が大きくなり、空燃比ずれも大きくなる。このため、空燃比ずれを修正して目標空燃比を達成するために必要な燃料噴射量補正値は、epicafmとepiccrtとの差の絶対値と相関する。そこで、epicafmとepiccrtとの差の絶対値と、適切な燃料噴射量補正値との関係を予め調べてＥＣＵ５０に記憶しておき、そのマップに基づいて燃料噴射量補正値を算出すればよい。

上述した実施の形態１においては、第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epiccrtが前記第２の発明における「第１のインタークーラー圧力」に、第３系統１０３のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epicafmが前記第２の発明における「第２のインタークーラー圧力」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、第１系統１０１および第２系統１０２による計算処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内流入空気量算出手段」が、第３系統１０３および第４系統１０４による補正処理を実行することにより前記第１の発明における「モデル誤差補正手段」が、筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdと目標空燃比とに基づいて燃料噴射量を算出することにより前記第１の発明における「燃料噴射量算出手段」が、上記ステップ２００および２０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「過渡誤差予測手段」が、上記ステップ２０４乃至２１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「過渡誤差補正手段」が、上記ステップ２０６の処理を実行することにより前記第４の発明における「判定する手段」が、上記ステップ２０８の処理を実行することにより前記第４の発明における「減量補正する手段」が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより前記第４の発明における「増量補正する手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。本実施形態は、前述した実施の形態１と同様のシステムを前提とし、ＥＣＵ５０に、図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

実施の形態１で述べたとおり、低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量ｍ_ｃの推定精度が悪化する原因は、モデルスロットル流量の誤差、あるいはエアフローメータ流量AFMの誤差に起因する。本実施形態では、低負荷領域からの加速過渡時に筒内流入空気量ｍ_ｃの推定精度が悪化する原因が、モデルスロットル流量の誤差と、エアフローメータ流量AFMの誤差との何れにあるかを判定し、モデルスロットル流量の誤差に原因がある場合にはスロットルモデルを修正し、エアフローメータ流量AFMの誤差に原因がある場合にはエアフローメータ３０の出力電圧とエアフローメータ流量AFMとの関係を規定するマップ（以下、「エアフローメータ流量マップ」と称する）を修正することとした。

モデルスロットル流量の誤差に原因があるか、エアフローメータ流量AFMの誤差に原因があるかは、次のようにして判定することができる。前述したように、定常運転状態においては、燃料噴射量算出の基礎となる筒内流入空気量ｍ_ｃの計算値eklfwdはエアフローメータ流量AFMに収束するので、燃料噴射量はエアフローメータ流量AFMに基づいて算出されることになる。よって、空燃比フィードバック制御が実行されていないとした場合、定常運転時に空燃比センサ４６により検出された排気空燃比が目標空燃比に一致していれば、燃料噴射量算出の基礎とされたエアフローメータ流量AFMは正しいと判定できる。従って、この場合は、モデルスロットル流量に誤差があると判定できる。逆に、定常運転時に空燃比センサ４６により検出された排気空燃比が目標空燃比に一致していなければ、燃料噴射量算出の基礎とされたエアフローメータ流量AFMに誤差があると判定できる。この場合は、モデルスロットル流量は正しいと判定できる。

また、空燃比センサ４６により検出された排気空燃比と目標空燃比との偏差に応じて燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御や、それに伴う学習制御が実行されている場合には、それらの制御において算出されているフィードバック補正値や学習値に基づいて、上記判定を行うことができる。すなわち、フィードバック補正値や学習値がゼロに近ければ、空燃比フィードバック制御や学習制御による補正前の燃料噴射量に誤差がないことになるので、その算出の基礎とされたエアフローメータ流量AFMは正しいと判定できる。従って、この場合は、モデルスロットル流量に誤差があると判定できる。これに対し、フィードバック補正値や学習値が大きい値になっていれば、補正前の燃料噴射量に誤差があるので、その算出の基礎とされたエアフローメータ流量AFMに誤差があると判定できる。この場合は、モデルスロットル流量は正しいと判定できる。

図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、まず、内燃機関１０が所定の低負荷領域で定常状態にあるかどうかが判定される（ステップ３００）。この処理は、実施の形態１のステップ２００と同様である。低負荷定常状態であると判定された場合には、次に、第１系統１０１のインタークーラー圧力Ｐ_ｉｃの計算値epiccrtとの差の絶対値abs(epicafm-epiccrt)が判定値t_dPicより大きいか否かが判定される（ステップ３０２）。この処理は、実施の形態１のステップ２０２と同様である。

上記ステップ３０２で、epicafmとepiccrtとの差の絶対値が判定値t_dPic以下である場合には、モデルスロットル流量とエアフローメータ流量AFMとの間に有意な誤差はなく、両者とも正しいと判断できる。この場合は、スロットルモデルやエアフローメータ流量マップを修正する必要はないので、本ルーチンの処理がここで終了される。

これに対し、上記ステップ３０２で、epicafmとepiccrtとの差の絶対値が判定値t_dPicより大きい場合には、モデルスロットル流量とエアフローメータ流量AFMとの間に誤差があり、何れかに狂いがあると判断できる。この場合には、次に、モデルスロットル流量に誤差があるか、エアフローメータ流量AFMに誤差があるかが、上述した手法によって判定される（ステップ３０４）。すなわち、空燃比センサ４６の検出値と目標空燃比との一致／不一致、あるいは空燃比フィードバック制御のフィードバック補正値や学習値を判定することにより、ステップ３０４の処理が実行される。

上記ステップ３０４で、エアフローメータ流量AFMに誤差があると判定された場合には、ＥＣＵ５０に記憶されているエアフローメータ流量マップを修正する処理が実行される（ステップ３０６）。この処理では、モデルスロットル流量を真値とし、エアフローメータ流量マップによるエアフローメータ流量AFMの計算値がモデルスロットル流量に一致するように、エアフローメータ流量マップが修正される。

一方、上記ステップ３０４で、モデルスロットル流量に誤差があると判定された場合には、スロットルモデルを修正する処理が実行される（ステップ３０８）。ＥＣＵ５０には、上記（６）式の右辺の係数にあたるμ・Ａ_ｔの値と、スロットル開度TAとの関係を定めたマップ（以下、「スロットルモデル係数マップ」と称する）が、スロットルモデルの一部として記憶されている。このステップ３０８では、エアフローメータ流量AFMを真値とし、モデルスロットル流量の計算値がエアフローメータ流量AFMに一致するように、スロットルモデル係数マップが修正される。

本実施形態によれば、スロットルモデル係数マップあるいはエアフローメータ流量マップ自体を修正することができるので、モデルスロットル流量とエアフローメータ流量AFMとの誤差が生じにくくなる。このため、低負荷領域からの加速過渡時を含め、幅広い運転条件において、筒内流入空気量ｍ_ｃの推定精度を更に向上することができるので、空燃比制御精度を更に向上することができる。また、スロットル３４の特性やエアフローメータ３０の特性の経年変化の影響をキャンセルすることができるので、経年変化が生じた場合でも優れた空燃比制御精度を確実に維持することができる。

上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ３００乃至３０４の処理を実行することにより前記第５の発明における「誤差要因判定手段」が、上記ステップ３０６の処理を実行することにより前記第５の発明における「エアフローメータ修正手段」が、上記ステップ３０８の処理を実行することにより前記第５の発明における「スロットルモデル修正手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１４ 吸気弁
１６ 排気弁
１８ 点火プラグ
２０ 燃料インジェクタ
２２ 吸気通路
２４ 排気通路
２６ ターボ過給機
２６ａ コンプレッサ
２６ｂ タービン
２８ エアクリーナ
３０ エアフローメータ
３２ インタークーラー
３４ スロットル
３８ 吸気管
４０ 排気管
４２ 触媒
４６ 空燃比センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 吸入空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側に配置されたインタークーラーと、前記インタークーラーの下流側に配置されたスロットルとを含む吸気系を備えた内燃機関を制御する装置であって、
   前記吸気系の各要素の物理モデルを組み合わせて前記吸気系の全体をモデル化した吸気系モデルを記憶した記憶手段と、
   前記吸気系モデルを用いて前記内燃機関の筒内流入空気量を算出する筒内流入空気量算出手段と、
   前記コンプレッサの上流側に設置されたエアフローメータと、
   前記エアフローメータにより検出されるエアフローメータ流量に基づいて、前記筒内流入空気量算出手段の算出過程における所定の計算値を補正するモデル誤差補正手段と、
   前記モデル誤差補正手段による補正後の筒内流入空気量に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段と、
   前記モデル誤差補正手段による補正後の筒内流入空気量と実際の筒内流入空気量との間の誤差であって、所定の低負荷領域からの加速過渡時に生じ得る誤差である過渡空気量誤差が所定の許容範囲を超えるか否かを事前に予測する過渡誤差予測手段と、
   前記過渡空気量誤差が前記許容範囲を超えると予測された場合に、前記加速過渡時に前記燃料噴射量算出手段により算出された燃料噴射量を補正する過渡誤差補正手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記過渡誤差予測手段は、前記吸気系モデルを用いて算出される第１のインタークーラー圧力と、前記エアフローメータ流量に基づいて算出される第２のインタークーラー圧力との差の絶対値と、所定の判定値とを比較することにより、前記過渡空気量誤差が前記許容範囲を超えるか否かを予測することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記過渡空気量誤差は、前記吸気系モデルを用いて算出されるスロットル流量であるモデルスロットル流量の誤差、または、前記エアフローメータ流量の誤差に起因して生ずるものであることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記過渡誤差補正手段は、
   前記過渡空気量誤差が、実際の筒内流入空気量を上回る方向の誤差であるか下回る方向の誤差であるかを判定する手段と、
   前記過渡空気量誤差が、実際の筒内流入空気量を上回る方向の誤差であると判定された場合に、前記燃料噴射量を減量補正する手段と、
   前記過渡空気量誤差が、実際の筒内流入空気量を下回る方向の誤差であると判定された場合に、前記燃料噴射量を増量補正する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記過渡空気量誤差の原因が、前記エアフローメータ流量の誤差と、前記モデルスロットル流量の誤差との何れにあるかを判定する誤差要因判定手段と、
   前記過渡空気量誤差の原因が前記エアフローメータ流量の誤差にあると判定された場合に、前記エアフローメータの出力信号と前記エアフローメータ流量との関係を表すマップを修正するエアフローメータ修正手段と、
   前記過渡空気量誤差の原因が前記モデルスロットル流量の誤差にあると判定された場合に、前記スロットルの物理モデルであるスロットルモデルを修正するスロットルモデル修正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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