JP5748821B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、より詳しくは、シリンダ吸入空気量及びシリンダ吸入排気還流量を精度良く算出するための内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関（エンジンとも称されるが、以下の説明では内燃機関と称する）を好適に制御するためには、シリンダに吸入される空気量を高精度に算出し、シリンダ内に吸入された空気量に応じた燃料制御及び点火時期制御を行うことが重要である。燃料制御については、主にシリンダ吸入空気量に対して目標空燃比となる燃料量を噴射するようにフィードバック制御できれば概ね良好な制御性が得られるが、点火時期制御については、内燃機関回転速度とシリンダ吸入空気量のみならず、他の要因、例えば、内燃機関温度、ノック発生状況、燃料性状、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）流量と吸入空気量との比であるＥＧＲ率等、に応じて内燃機関の出力が最大となる点火進角（以下、ＭＢＴと称する。ＭＢＴ：Minimum Spark Advance for Best Torque）により制御する必要がある。ＭＢＴに影響のある前記の要因の中でも、例えば、内燃機関温度は内燃機関冷却水温度センサにより検出でき、ノック発生状況はノックセンサにより検出でき、燃料性状つまりレギュラーガソリンかハイオクガソリンかは、ノック発生状況に応じて判断することができる。

ところで、ＥＧＲ率については、排気管と吸気管を結ぶＥＧＲ通路にＥＧＲバルブを設け、そのバルブ開度によりＥＧＲ流量を制御する方法（以下、外部ＥＧＲ）と、吸気バルブ及び排気バルブのバルブ開閉タイミングを可変化する可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ：Variable Valve Timing）を設け、そのバルブ開閉タイミングにより吸気バルブと排気バルブが同時に開いている状態であるオーバーラップ期間を変えることで、排気がシリンダ内に残留することによるＥＧＲ流量を制御する方法（以下、内部ＥＧＲ）があり、又、これらを同時に用いる場合もある。外部ＥＧＲ率については、ＥＧＲバルブの開度と排気圧力と吸気管内圧力より概ねのＥＧＲ流量は算出できる。

又、前述の吸気バルブ及び排気バルブのバルブ開閉タイミングを可変できる吸排気ＶＶＴを持つ内燃機関では、インテークマニホールド（以下、インマニと称する）からシリンダに吸入される空気量がバルブタイミングにより大きく変化するため、バルブタイミングによる影響を考慮しないとシリンダに吸入される空気量の算出精度が低下してしまう場合がある。更に、近年は内燃機関の出力トルクを指標として内燃機関制御を行うことが一般的となっており、この出力トルクを推定する場合に於いても、シリンダ吸入空気量とＥＧＲ率に応じて熱効率が変化する。そこで、前述のＭＢＴを算出するためにも、トルクや熱効率を推定するためにも、シリンダ吸入空気量とＥＧＲ率を高精度に算出する必要がある。

そこで、このような吸排気ＶＶＴを持つ内燃機関に於いても精度良くシリンダ吸入空気量を算出する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１では、インマニからシリンダ内に入る空気量を示す指標である体積効率相当値と、スロットルバルブを通過した空気が前記シリンダ内に入るまでの吸気系の応答遅れをモデル化した物理モデルに基づいて、シリンダ吸入空気量を推定する方法において、体積効率相当値を吸気効率及び排気効率と称呼する２つの内部変数に基づいて算出する方法が開示されている。

特開２０１３−１９４５８７号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２に記載されている方法では、ＥＧＲ流量が考慮されておらず、インマニ内に外部ＥＧＲが導入された際に、実際の体積効率係数が変化し、算出されるシリンダ吸入空気量が実際に吸入される空気量と差異があるという課題があった。同様にＥＧＲ流量の体積効率変化も考慮されておらず、実際にシリンダに吸入される外部ＥＧＲ流量と差異があるという課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、体積効率補正係数をより正確に演算し、シリンダに流入する空気量及び外部ＥＧＲ流量をより正確に推定することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的としている。

この発明による内燃機関の制御装置は、
内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブを通過して前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記スロットルバルブの下流の前記吸気管から前記内燃機関のシリンダ内に入る空気量を示す指標である体積効率相当値を算出する体積効率相当値算出手段と、
前記スロットルバルブの下流の前記吸気管と前記内燃機関の排気管を接続する排気還流路と、
前記排気還流路を開閉して排気還流量を制御する排気還流弁と、
前記排気還流路を通過して前記吸気管に吸入される前記排気還流量を算出する排気還流量算出手段と、
前記スロットルバルブの下流の前記吸気管の内部の密度及び密度変化を、吸気管内密度と吸気管内密度変化量として検出し得る吸気管内密度検出手段と、
を備え、
前記体積効率相当値は、前記吸入空気量と前記排気還流量と前記吸気管内密度と前記吸気管内密度変化量に基づいて算出され、
前記吸入空気量と、前記体積効率相当値と、前記スロットルバルブを通過した空気が前記シリンダ内に入るまでの吸気系が有する空気流量に対する応答遅れとに基づいて、前記シリンダ内に実際に吸入される空気量と前記シリンダ内に実際に吸入される排気還流量を推定する、
ことを特徴とする。

この発明による内燃機関の制御装置によれば、吸気系の応答遅れをモデル化した物理モデルに外部排気還流量を考慮することによりシリンダに吸入される空気量を精度良く算出することができ、更に本物理モデルで使用する体積効率相当値を、吸入空気量と吸気管内密度と吸気管内密度変化量に基づいて算出することで、リアルタイムに精度良く算出することが可能となり、前記シリンダ内に実際に吸入される空気量と前記シリンダ内に実際に吸入される排気還流量を推定することが可能となる。

この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置を適用する内燃機関を概略的に示す構成図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、シリンダ吸入空気量の算出処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、シリンダＥＧＲ流量の算出処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、ＥＧＲ流量の算出処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に使用するＥＧＲ弁開度−開口面積特性のマップ図である。 この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、体積効率補正係数の算出処理を示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置について詳細に説明する。図１は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置を適用する内燃機関を概略的に示す構成図である。図１に於いて、内燃機関１の吸気系の上流に吸入空気量を測定するエアフロセンサ（以下、ＡＦＳと称する。ＡＦＳ：Air Flow Sensor）２が設けられている。ＡＦＳ２の下流には、吸入空気量を調整するために電気的に制御することができる電子制御スロットル４が設けられている。又、電子制御スロットル４の開度を測定するために、スロットル開度センサ３が設けられている。尚、ＡＦＳ２を用いる代わりに、例えば、スロットル開度に基づいて吸入空気量を推定するようにする等、別の吸入空気量を測定する手段を用いるようにしてもよい。

更に、スロットル４の下流に設けられているサージタンク５及びインテークマニホールド６内を含む空間（以下、インマニと称する）の圧力（以下、インマニ圧と称する）を測定するインマニ圧センサ７と、インマニ内の温度（以下、インマニ温と称する）を測定する吸気温センサ８が設けられている。尚、インマニ温を計測する吸気温センサ８を設ける代わりに、厳密には異なる温度となるが、近似的に外気を計測する温度センサ、例えば、ＡＦＳ２に内蔵されている温度センサを用い、外気温に基づいてインマニ温を推定することもできる。

インテークマニホールド６及び内燃機関１の筒内を含む吸気バルブの近傍には燃料を噴射するためのインジェクタ９が設けられ、吸気バルブ及び排気バルブには、バルブタイミングを可変するための吸気ＶＶＴ（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）１０と排気ＶＶＴ１１が夫々設けられており、シリンダヘッドにはシリンダ内で火花を発生させる点火プラグを駆動するための点火コイル１２が設けられている。エキゾーストマニホールド１３には図示しないＯ２センサや触媒が設けられている。

エキゾーストマニホールド１３とサージタンク５は、排気還流路（以下、ＥＧＲ流路と称する）１４で接続されている。ＥＧＲ流路１４には排気還流量（以下、ＥＧＲ流量と称する）を制御するための排気還流弁（以下、ＥＧＲ弁と称する）１６が設けられており、ＥＧＲ弁１６の開度を測定するために、ＥＧＲ弁開度センサ１５が設けられている。

図２は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置を示すブロック構成図である。図２に於いて、ＡＦＳ２で測定された吸入空気量Ｑａと、スロットル開度センサ３で測定された電子制御スロットル４の開度θと、インマニ圧センサ７で測定されたインマニ圧Ｐｂと、吸気温センサ８で測定されたインマニ温Ｔｂと、ＥＧＲ弁開度センサ１５で測定されたＥＧＲ弁１６の開度Ｅｓｔと、大気圧センサ１７で測定された大気圧Ｐａは、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する。ＥＣＵ：Electric Control Unit）２０に入力される。

尚、大気圧を測定する大気圧センサ１７の代わりに、大気圧を推定する手段を用いてもよいし、ＥＣＵ２０に内蔵された大気圧センサを用いても良い。又、前記以外の各種センサ（図示していないアクセル開度センサやクランク角度センサを含む）１８からもＥＣＵ２０にその測定値が入力される。

ＥＣＵ２０は、ＥＧＲ流量算出手段２１と、堆積効率相当値算出手段としての体積効率補正係数算出手段２２と、インマニ密度算出手段２３と、シリンダ吸入空気量算出手段２４と、シリンダ吸入ＥＧＲ流量算出手段２５と、再魚量算出手段２６を備えている。ＥＧＲ流量算出手段２１は、ＥＧＲ弁開度ＥｓｔからＥＧＲ流量Ｑａｅを算出する。次に体積補正係数算出手段２２は、ＡＦＳ２で測定された吸入空気量ＱａとＥＧＲ流量Ｑａｅとインマニ密度算出手段２３で算出されたインマニ密度ρｂから体積効率補正係数Ｋｖを算出する。シリンダ吸入空気量算出手段２４は、前述の算出された体積効率補正係数Ｋｖと吸入空気量Ｑａから、シリンダ吸入空気量Ｑｃを算出する。

シリンダ吸入ＥＧＲ流量算出手段２５は、体積効率補正係数ＫｖとＥＧＲ流量Ｑａｅからシリンダ吸入ＥＧＲ流量Ｑｃｅを算出する。制御量算出手段２６は、シリンダ吸入空気量Ｑｃとシリンダ吸入ＥＧＲ流量Ｑｃｅに基づいて、インジェクタ９、点火コイル１２等を駆動する制御量を算出し、インジェクタ９、点火コイル１２等を駆動する。又、ＥＣＵ２０は、アクセル開度等の入力された各種データから内燃機関１の目標トルクを算出し、この算出した目標トルクを達成する目標シリンダ吸入空気量を算出し、目標シリンダ吸入空気量を達成するように目標スロットル開度、目標吸気ＶＶＴ位相角、目標排気ＶＶＴ位相角を算出し、これらの算出した値を目標値として電子制御スロットル４の開度、吸気ＶＶＴ１０及び排気ＶＶＴ１１の位相角を制御する。又、その他の各種アクチュエータも必要に応じて制御する。

次に図１に於いて、シリンダ吸入空気量算出手段２４、つまり、ＥＧＲ弁１６が開いてエキゾーストマニホールド１３とサージタンク５がＥＧＲ流路１４により接続された場合に於いて、ＡＦＳ２にて計測される吸入空気量からシリンダ吸入空気量を算出するための吸気系の物理モデルについて詳しく説明する。

ここで、下記の定義を行なう（(ｎ)：行程数）。
Ｑａ(ｎ)：ＡＦＳ２から算出される吸入空気量[ｇ／ｓ]の1行程の平均値
Ｑａｅ(ｎ)：ＥＧＲ弁開口面積から算出されるＥＧＲ流量[ｇ／ｓ]の１行程間の平均
値
Ｑｃ(ｎ)：シリンダ吸入空気流量[ｇ／ｓ]の１行程間の平均値
Ｑｃｅ(ｎ)：シリンダ吸入ＥＧＲ流量[ｇ／ｓ]の１行程間の平均値
Ｔ(ｎ)：１行程（４気筒内燃機関では１８０［ｄｅｇＣＡ］、３気筒内燃機関では
２４０［ｄｅｇＣＡ］）間の時間[ｓ]
Ｖｓ：スロットル下流から各シリンダ入口までの吸気管容積[ｃｍ^３]
Ｖｅｇｒ：ＥＧＲバルブ下流から各シリンダ入り口までの吸気管容積[ｃｍ^３]
Ｖｃ：１気筒当りのシリンダ行程容積[ｃｍ^３]
ρｂ(ｎ)：インマニ内の新気密度[ｇ／ｃｍ^３]の１行程間の平均値
Ｋｖ(ｎ)：インマニからシリンダに入る空気の堆積効率相当値としての体積効率補正係数
Ｋｖｅｇｒ(ｎ)：インマニからシリンダに入るＥＧＲの体積効率補正係数

スロットル下流から各シリンダ入口までの吸気管容積Ｖｓ [ｃｍ^３]で示される領域に於いて、スロットルを経由してインマニに入る空気（以下、新気と称する）のみに着目して内燃機関の１行程間の質量保存則を適用すると次式（１）が成立する。

次に、１行程間のシリンダ吸気量は、インマニからシリンダに入るＥＧＲの体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)を用いれば、

と表される。尚、定常運転時にはＱａ(ｎ)Ｔ(ｎ)とＱｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)が等しくなることから、式(２)の左辺をＱａ(ｎ)Ｔ(ｎ)に置き換えた式により、内燃機関制御定数の適合時に体積効率補正係数Ｋｖを算出することが可能である。

次に、式(２)を式(１)式へ代入してρｂ(ｎ)を消去し、Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)について解くと、次式（３）となる。

ここで、Ｋはフィルタ定数である。

式（３）により、理論的にＡＦＳ２にて計測される吸入空気量Ｑａ(ｎ)Ｔ(ｎ)からシリンダ吸入空気量Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)を精度よく算出することができ、シリンダ吸入空気量 Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)から充填効率を算出して各種内燃機関制御に用いることができる。

ここで、式(３)をさらに変形すると、

が得られる。式(４)は、内燃機関の回転と同期する、例えば所定のクランク角度毎の割込み処理に於いて、デジタルローパスフィルタを意味することから、内燃機関の吸気系は１次遅れ要素であることがわかる。

又、前述の関係式に於いて、スロットルバルブをＥＧＲバルブに読み替え、Ｑａ(ｎ)をＱａｅ(ｎ)に読み替え、Ｑｃ(ｎ)をＱｃ(ｎ)に読み替え、ＶｓをＶｅｇｒと読み替えて、同様に算出すると、

となる。

式（５）により、理論的にＥＧＲ開口面積から算出されるＥＧＲ流量Ｑａｅ(ｎ)Ｔ(ｎ) からシリンダ吸入ＥＧＲ流量Ｑｃｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)を精度よく算出することができ、シリンダ吸入ＥＧＲ流量Ｑｃｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)とシリンダ吸入空気量Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)からＥＧＲ率を算出して各種内燃機関制御に用いることができる。ここで、ＥＧＲバルブ下流から各シリンダ入り口までの吸気管容積Ｖｅｇｒ[ｃｍ^３]は、簡便のため、スロットル下流から各シリンダ入口までの吸気管容積Ｖｓ[ｃｍ^３]と同一として扱ってもよい。ＥＧＲバルブ下流から各シリンダ入り口までの吸気管容積Ｖｅｇｒをスロットル下流から各シリンダ入口までの吸気管容積Ｖｓと同一に扱うことでシリンダ吸入空気量Ｑｃを演算する際のフィルタ定数Ｋとシリンダ吸入ＥＧＲ流量Ｑｃｅを演算する際のＫｅｇｒを同一としてあつかうことができる。

下記の式（６）は、シリンダ吸入ＥＧＲ流量算出手段２５にて演算される。

次に前述の式(３)をＥＣＵ２０内で実現する方法、即ち、シリンダ吸入空気量算出手段２４によるシリンダ吸入空気量の算出処理を、所定のクランク角度毎の割込み処理（例えば、ＢＴＤＣ０５［ｄｅｇＣＡ］毎の割込み処理（Ｂ０５処理））内で実施する処理内容について詳細に説明する。図３は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、シリンダ吸入空気量の算出処理を示すフローチャートである。図３に於いて、ステップ３０１にて内燃機関の１行程間の実吸入空気量ａ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]を算出する。これを実現するには、例えば、ＡＦＳ２が質量流量計である場合には、ＡＦＳ２の出力電圧を、例えば１．２５［ｍｓ］毎にサンプリングしながら積算していき、前回の割込み処理から今回の割込み処理の間の積算値から１行程間の実吸入空気量Ｑａ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]を算出することで実現可能である。尚、ＡＦＳ２が体積流量計の場合には、標準大気密度と大気圧と吸気温により体積を質量に変換することで算出することができる。

続いて、ステップ３０２に於いて、ＥＧＲ流量Ｑａｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)を算出するが、このステップ３０２が図２のＥＧＲ流量算出手段２１に相当し、この部分については後述する。

続いて、ステップ３０３に於いて、体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)を算出するが、このステップ３０３が図２の体積効率補正係数算出手段２２に相当し、この体積効率補正係数 Ｋ
ｖ(ｎ)の算出部については詳細を後述する。続くステップ３０４では、式(３)内のフィルタ定数Ｋの算出式に従いフィルタ定数Ｋの算出を行う。続くステップ３０５では、式(３)内のフィルタ演算式に従い、実シリンダ吸入空気量Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]の算出を行うが、ここで参照する１行程前の体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ−１)については、ステップ３０６にて１行程前の体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ−１)を記憶しておき、これを用いることで実現している。

次のステップ３０７では、ステップ３０５で算出された実シリンダ吸入空気量 Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]の格納を行う。尚、ステップ３０８は、ステップ３０５で使用する１行程前の実シリンダ吸入空気量Ｑｃ(ｎ−１)Ｔ(ｎ−１)[ｇ]を記憶しておくことを意味する。以上のような体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)を用いた単純な演算により、精度良く実シリンダ吸入空気量Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]の算出を行うことができる。

次に式(６)をＥＣＵ２０内で実現する方法、即ち、シリンダ吸入ＥＧＲ流量算出手段２５によるシリンダＥＧＲ流量の算出処理を、所定のクランク角度毎の割込み処理（例えば、ＢＴＤＣ０５［ｄｅｇＣＡ］毎の割込み処理（Ｂ０５処理））内で実施する処理内容について詳細に説明する。図４は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、シリンダＥＧＲ流量の算出処理を示すフローチャートである。図４に示すフローチャートのステップ４０１〜ステップ４０４までは前述したステップ３０１〜３０４と同じ処理であるため、ここでは説明は割愛する。

続くステップ４０５では、式(６)内のフィルタ演算式に従い、実シリンダ吸入ＥＧＲ流量 Ｑｃｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]の算出を行うが、ここで参照する１行程前の体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ−１)については、ステップ４０６にて１行程前の体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ−１)を記憶しておき、これを用いることで実現している。次のステップ４０７では、ステップ４０５で算出された実シリンダ吸入ＥＧＲ流量Ｑｃｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]の格納を行う。尚、ステップ４０８はステップ４０５で使用する１行程前の実シリンダ吸入量Ｑｃ(ｎ−１)Ｔ(ｎ−１)[ｇ]を記憶しておくことを意味する。以上のような体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)を用いた単純な演算により、精度良く実シリンダ吸入ＥＧＲ流量Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]の算出を行うことができる。

次に、図２のＥＧＲ流量算出手段２１に於けるＥＧＲ流量の算出処理について説明する。図５は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、ＥＧＲ流量の算出処理を示すフローチャートである。図５に於いて、先ず、ステップ５０１に於いて、ＥＧＲ弁開度Ｅｓｔに基づいてＥＧＲ弁開口面積Ｓｅｇｒを求める。例えば、予めＥＧＲ弁開度−開口面積特性を用意しておく。図６は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に使用するＥＧＲ弁開度−開口面積特性のマップ図である。例えばこの図６に示すようなマップを用意しておく。開口面積と流量は比例するため、ＥＧＲ弁開度−流量特性でもかまわない。この実施の形態１ではＥＧＲ弁開度Ｅｓｔに応じたＥＧＲ弁開口面積Ｓｅｇｒを図６に示すようなマップから算出する。

続いて、ステップ５０２に於いて、排気音速αｅを算出する。排気音速αｅは下記の式(７)で定義する。

ここで、κ：比熱比（空気であれば１.４）、Ｒ：気体定数 [ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）]、
Ｔｅｘ：排気管内の温度[Ｋ]

Ｔｅｘは、排気管に温度センサを配設し計測しても良いし、内燃機関回転数Ｎｅと内燃機関充填効率Ｅｃ（吸入空気量より算出）のマップ等から算出しても良い。排気管内の音速αｅは排気温度の関数なので上記式(３)をＥＣＵ２０内で計算することなく、予め計算した結果を温度によるマップとして用意しても良い。

次に、ステップ５０３に於いて、ＥＧＲ無次元流量σｅを算出する。ＥＧＲ無次元流量σｅは下記の式(８)式で定義する。

ここで、κ：比熱比（空気であれば１.４）、Ｐｂ：インマニ圧［ｋＰａ］、
Ｐｅｘ：排気管内の圧力[ｋＰａ]
Ｐｅｘは、排気管に圧力センサを配設し計測しても良いし、内燃機関回転数Ｎｅと内燃機関充填効率Ｅｃ（吸入空気量より算出）のマップなどから算出しても良い。無次元流量σｅは、排気管内の圧力Ｐｅｘとインマニ圧Ｐｂの比の関数なので、上記式(８)をＥＣＵ２０内で計算することなく、予め計算した結果を排気管内の圧力Ｐｅｘとインマニ圧Ｐｂの比によるマップを用意しても良い。

次に、ステップ５０４に於いて、排気密度ρｅを算出する。排気密度ρｅは下記の式(９)式で定義する。

ここで、Ｐｅｘ：排気管内の圧力[ｋＰａ]、Ｒ：気体定数[ｋＪ/(ｋｇ・Ｋ)]、
Ｐｅｘ:排気管内の温度[Ｋ]
Ｐｅｘ、Ｔｅｘは上記の式(７)、式(８)と同様に求められる。

続いてステップ５０５に於いて、ＥＧＲ流量Ｑａｅを算出する。ＥＧＲ流量Ｑａｅは下記の式(１０)で定義する。

ここで、Ｓｅｇｒ：ＥＧＲ弁開口面積[ｍｍ^２]、Ｑａｅ：ＥＧＲ流量[ｇ／ｓ]、
αｅ：排気管内の音速[ｍ／ｓ]、σｅ：無次元流量[]、
ρｅ：排気管内の密度

以上でＥＧＲ流量Ｑａｅを算出することができる。

次に、図２に示す体積効率補正係数算出手段２２の詳細について説明する。前述の式(１)、式(２)から求められた式(３)は、ＡＦＳ２にて計測される吸入空気量Ｑａ(ｎ)Ｔ(ｎ)からシリンダ吸入空気量Ｑｃ(ｎ)Ｔ(ｎ) を算出するための式であったが、式(２)を式(１)へ代入してＱｃ(ｎ)Ｔ(ｎ)を消去して、Ｋｖ(ｎ)について解くと、次式が算出される。

ここで、インマニ密度ρｂ（ｎ）[ｇ／ｃｍ^３]は、インマニ圧センサ７により計測されるインマニ圧Ｐｂ(ｎ)[ｋＰａ]、吸気温センサ８により計測されるインマニ温Ｔｂ(ｎ)[Ｋ]及び 気体定数Ｒ[ｋＪ／(ｋｇ・Ｋ)]を用いて次式（１２）で表される状態方程式により算出することができる。

インマニ密度ρｂ(ｎ)は、インマニ密度算出手段２３にて算出される。式(１２)を用いることで吸気管内密度と吸気管内密度変化量を吸気管内圧と吸気管内温より容易に算出することが可能となる。

又、外部ＥＧＲ装置が接続されている場合、式(１１)に外部ＥＧＲ流量Ｑａｅ(ｎ)が加わるため次式（１３）となる。

このように、式(１３)にて、ＡＦＳ２、インマニ圧センサ７、吸気温センサ８の出力値、及びＥＧＲ流量Ｑａｅから体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)をリアルタイムに算出することが可能となる。空気とＥＧＲでは組成が異なるため、厳密にはガス組成が異なり、上記式（１３）は正確には成り立たないが、ガス組成を厳密にした場合との算出精度の差は２〜３［％］であるため、簡便のためガス組成は無視する。

しかしながら、これらのセンサ出力値は微小な計測ノイズが混入している場合が多く、式(１３)を用いて算出した体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)を用いて式(３)の演算を行っても、誤差が生じてしまう可能性が考えられる。この場合、式(１３)を用いて算出した体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)に対してフィルタ処理を行い、ノイズ成分を減衰させ、ノイズ成分減衰後の体積効率補正係数を用いて式(３)の演算を行うことが有効である。

具体的には、フィルタ後堆積効率相当値としてのフィルタ後の体積効率補正係数をＫｖｆ(ｎ)とすると、次式（１４）によりフィルタ処理を実施することができる（Ｋ１：フィ
ルタ定数。例えば、０．９〜０．９９程度の値を用いる）。フィルタ処理を行うことでセンサ出力値の微少な計測ノイズによる体積効率補正係数への影響を抑えることができる。

尚、ここではノイズ成分を減衰させる方法として１次ローパスフィルタ処理を具体例としてあげているが、他にも、過去数行程間の値に対し単純な移動平均処理を行ったものを用いても良いし、過去数行程間の個々のデータに異なる重みをつけて平均を計算する加重移動平均処理等を行ったものを用いても良い。式(３)内の体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)としては、このフィルタ処理後の体積効率補正係数Ｋｖｆ(ｎ)を用いることとする。

次に式(１２)〜(１４)をＥＣＵ２０内で実現する方法、即ち、体積効率補正係数算出手段２２による体積効率補正係数の算出処理を、所定のクランク角度毎の割込み処理（例えば、ＢＴＤＣ０５［ｄｅｇＣＡ］割込み処理（以下、Ｂ０５処理））内で実施する処理内容についてフローチャートを参照しながら詳細に説明する。図７は、この発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置に於ける、体積効率補正係数の算出処理を示すフローチャートである。図７に於いて、ステップ７０１にてインマニ圧センサ７よりインマニ圧Ｐｂ(ｎ)を取得する。ところで、インマニ圧はバルブ開閉に同期して振動している場合が多いので、前述のステップ３０１でのＡＦＳ２から１行程間の実吸入空気量Ｑａ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]を算出した方法と同様に、インマニ圧センサの出力電圧を例えば１．２５［ｍｓ］毎にサンプリングしながら積算していき、前回の割込み処理から今回の割込み処理の間の積算値を積算回数で除算することで１行程間のインマニ圧平均値を算出し、これをインマニ圧Ｐｂ(ｎ)とすることもできる。

次に、ステップ７０２では、吸気温センサ８よりインマニ温Ｔｂ(ｎ)を取得する。インマニ温についてもインマニ圧同様の１行程間の平均値を用いても良いが、一般に温度センサは圧力センサに比べて応答性が悪いので、瞬時値を用いても差し支えない。続くステップ７０３では、前述の式(１２)を用いてインマニ密度ρｂ(ｎ)を算出する。そして、ステップ７０４では１行程間の実吸入空気量Ｑａ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]を算出するが、これは前述のステップ３０１にて算出したＱａ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]を用いれば良い。ステップ７０５では、１行程間のＥＧＲ流量Ｑａｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]を算出するが、これは前述のステップ５０５にて算出したＱａｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]を用いれば良い。ステップ７０６では、前行程のステップ７０３にて算出したインマニ密度を記憶しておくことで、現行程ではインマニ密度前回値ρｂ(ｎ−１)として用いることができる。

次にステップ７０７では、ステップ７０３で算出したインマニ密度ρｂ(ｎ)、ステップ７０４で算出した１行程間の実吸入空気量Ｑａ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]、ステップ７０５で算出した１行程間のＥＧＲ流量Ｑａｅ(ｎ)Ｔ(ｎ)[ｇ]、ステップ７０６で記憶していたインマニ密度前回値ρｂ(ｎ−１)を用いて、式(１３)により体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)を算出することができる。続くステップ７０８では体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)に重畳するノイズ成分を減衰させるためのフィルタ処理を実施する。フィルタ処理は式(１４)に示す演算であるが、本演算ではフィルタ処理結果の前回値であるＫｖｆ(ｎ−１)を用いる必要がある。

そのために、ステップ７０９にてフィルタ処理結果であるフィルタ後体積効率補正係数Ｋｖｆ(ｎ)を格納しておき、ステップ７１０では、前行程のステップ７０９にて格納したフィルタ後体積効率補正係数を記憶しておくことで、現行程ではフィルタ後体積効率補正係数前回値Ｋｖｆ(ｎ−１)として用いることができる。以上により、ＡＦＳ２、インマニ圧センサ７、吸気温センサ８の出力値とＥＧＲ流量Ｑａｅから体積効率補正係数Ｋｖ(ｎ)
及び フィルタ後体積効率補正係数Ｋｖｆ(ｎ)を単純な演算により、精度良く算出することができる。

以上のようにこの発明の実施の形態１による内燃機関の制御装置によれば、外部ＥＧＲを考慮した吸気系の応答遅れをモデル化した物理モデルと、この物理モデルにて使用する体積効率相当値をリアルタイムに算出することで、膨大なメモリ容量を必要とせず、少ない適合定数と少ない演算負荷で、内燃機関を好適に制御するために十分な精度でシリンダ吸入空気量とシリンダ吸入ＥＧＲ流量を推定することができるという効果が得られる。

尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 内燃機関、２ ＡＦＳ、３ スロットル開度センサ、４ 電子制御スロットル、５ サージタンク、６ インテークマニホールド、７ インマニ圧センサ、８ 吸気温センサ、９ インジェクタ、１０ 吸気ＶＶＴ、１１ 排気ＶＶＴ、１２ 点火コイル、１３ エキゾーストマニホールド、１４ ＥＧＲ通路、１５ ＥＧＲ弁開度センサ、１６ ＥＧＲ弁、１７ 大気圧センサ、２０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. 内燃機関の吸気管に設けられたスロットルバルブを通過して前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   前記スロットルバルブの下流の前記吸気管から前記内燃機関のシリンダ内に入る空気量を示す指標である体積効率相当値を算出する体積効率相当値算出手段と、
   前記スロットルバルブの下流の前記吸気管と前記内燃機関の排気管を接続する排気還流路と、
   前記排気還流路を開閉して排気還流量を制御する排気還流弁と、
   前記排気還流路を通過して前記吸気管に吸入される前記排気還流量を算出する排気還流量算出手段と、
   前記スロットルバルブの下流の前記吸気管の内部の密度及び密度変化を、吸気管内密度と吸気管内密度変化量として検出し得る吸気管内密度検出手段と、
   を備え、
   前記体積効率相当値は、前記吸入空気量と前記排気還流量と前記吸気管内密度と前記吸気管内密度変化量に基づいて算出され、
   前記吸入空気量と、前記体積効率相当値と、前記スロットルバルブを通過した空気が前記シリンダ内に入るまでの吸気系が有する空気流量に対する応答遅れとに基づいて、前記シリンダ内に実際に吸入される空気量と前記シリンダ内に実際に吸入される排気還流量を推定する、
   ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記吸気管内密度検出手段は、前記スロットルバルブの下流の吸気管内に設置された圧力検出手段及び温度検出手段により検出される吸気管内圧力及び吸気管内温度に基づいて吸気管内密度及び吸気管内密度変化量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記体積効率相当値は、下記の式（１５）を用いて算出される、
   

   

   
   但し、Ｋｖ：体積効率相当値[]、Ｑａ：内燃機関の１行程間の吸入空気量[ｇ]
   Ｑａｅ：内燃機関の1行程間のＥＧＲ流量[ｇ]
   ρｂ：吸気管内密度[ｇ／ｃｍ^３]、Δρｂ：吸気管内密度変化量[ｇ／ｃｍ^３]
   Ｖｓ：スロットルバルブの下流からシリンダの入口までの容積[ｃｍ^３]
   Ｖｃ：内燃機関の１気筒当りのシリンダ行程容積[ｃｍ^３]
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記式（１５）により算出された前記体積効率相当値に対し、更にフィルタ処理を実施したフィルタ後体積効率相当値を体積効率相当値として用いる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記シリンダに吸入される空気量は、下記の式（１６）を用いて算出される、
   

   

   
   但し、ｎ：内燃機関の行程数、Ｋｖ(ｎ)：体積効率相当値[]
   Ｑａ：内燃機関の１行程間の吸入空気量[ｇ／ｓ]
   Ｑｃ：内燃機関の１行程間のシリンダ吸入空気量[ｇ／ｓ]
   Ｔ(ｎ)：内燃機関の１行程間の時間[ｓ]
   Ｖｓ：スロットルバルブの下流からシリンダ入口までの容積[ｃｍ^３]
   Ｖｃ：内燃機関の１気筒当りのシリンダ行程容積[ｃｍ^３]
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記シリンダに吸入される排気還流量は、下記の式（１７）を用いて算出される、
   

   

   
   但し、ｎ：内燃機関の行程数、Ｋｖ(ｎ)：体積効率相当値[]
   Ｑａｅ：内燃機関の１行程間の排気還流量[ｇ／ｓ]
   Ｑｃｅ：内燃機関の１行程間のシリンダに吸入される排気還流量[ｇ／ｓ]
   Ｔ(ｎ)：内燃機関の１行程間の時間[ｓ]
   Ｖｅｇｒ：排気還流弁の下流からシリンダ入口までの容積[ｃｍ^３]
   Ｖｃ：内燃機関の１気筒当りのシリンダ行程容積[ｃｍ３]
   ことを特徴とする請求項１乃至５のうちの何れか一項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記式（１７）に使用される前記排気還流弁の下流から前記シリンダ入口までの容積Ｖｅｇｒを前記スロットルバルブの下流から前記シリンダの入り口までの容積Ｖｓとする、ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の制御装置。

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