JP5842617B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン始動時の吸入空気量を演算するエンジンの制御装置に関する。

従来、車両に搭載されたエンジンの制御装置では、吸気管内の圧力や吸気流量に基づいてシリンダー内に吸入された吸入空気量が演算されている。吸気管内の圧力は、インテークマニホールドやスロットルバルブの下流側に設けられた圧力センサーで計測される。これらのセンサーは、吸気管の壁面に内蔵させることができるため吸気抵抗になりにくく、エンジンの吸気特性に悪影響を与えにくいという利点がある。しかし、吸気管内圧力が吸入空気量に対して必ずしも比例しない場合があるほか、センサーの検出値が吸気脈動の影響を受けることから、吸入空気量の演算精度を向上させにくいという欠点がある。

一方、吸気流量は、典型的にはスロットルバルブの上流側に設けられるエアフローセンサーや流速センサーで計測される。これらのセンサーは、吸気脈動の影響の少ない正確な吸入空気量を把握できるという長所がある。ただし、実際にシリンダーに導入される吸気流量はセンサーの検出値に対して遅れて変化するため、即時性が要求される制御に適用する場合には応答遅れを考慮する必要がある。
上記のように、吸入空気量の演算精度や応答性はその演算手法によって異なる。そこで、これらの手法をエンジンの運転状態に応じて使い分けることによって、吸入空気量をより正確に把握する技術が提案されている。

例えば特許文献１には、エアフローメーターの検出値と吸気圧センサーの検出値とを併用して二種類の吸入空気量を演算するエンジンの制御装置が記載されている。この技術では、エンジンの始動時に判定される各種条件に基づいて、吸気マニホールドの空気収支モデルにおける空気質量の算出手法を切り換える制御が記載されている。例えば、エンジンの始動時に所定の各種条件が成立するまでは、吸気圧センサーの検出値に基づく吸入空気量を算出し、各種条件の成立後にエアフローメーターの検出値に基づく吸入空気量を算出している。このような演算を経て得られた吸入空気量に基づく燃料噴射量の制御により、排気悪化やトルク段差が生じなくなるとされている。

特開２０１０−２０９８４０号公報

しかしながら、従来の吸入空気量の演算では、通常燃焼時に燃焼室内に存在する気体と、停止中のエンジンの燃焼室内に存在する気体との種類の違いが考慮されていない。
例えば、通常燃焼時の燃焼室内には、前行程で燃焼した排気の残留分である既燃ガスが存在する。図７（ａ）に示すように、既燃ガスはピストンが排気上死点に位置するときにシリンダーの上端部側に残留するガスであり、新気（すなわち、燃焼室に導入される外気）よりも酸素濃度が著しく低く、エンジントルクの増大にほとんど寄与しない。そのため、従来のエンジントルクの算出手法では、図７（ｂ）に示すように、燃焼室内に存在する気体のうち、ピストンが吸気下死点まで移動する過程でシリンダー内に導入される新気の気体量が、いわゆる吸入空気量として演算されている。

一方、エンジンの停止時には燃焼室内の気体が燃焼しないことから既燃ガスが存在せず、ピストンが排気上死点に位置するときにシリンダーの上端部側には大気圧の空気（外気と同じ酸素濃度を有する空気）が残留する。つまり、エンジンの始動時には、既燃ガスの代わりにエンジントルクの増大に寄与しうる気体がシリンダー内に存在することになる。したがって、シリンダー内に導入される新気の気体量のみを基準とした算定手法では、正確な吸入空気量が把握できない。なお、吸入空気量の演算精度が低下すると、エンジンから実際に出力されたトルクや実際にエンジンで発生すると推定される出力トルクの正しい値を得ることができず、燃料噴射量や空燃比，点火時期等を適切に設定することができなくなるほか、吸入空気量やEGR量，可変動弁機構の作動量の制御等にも影響を及ぼす可能性がある。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、エンジンの制御装置に関し、エンジン始動時の吸入空気量の演算精度を向上させることである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

（１）ここで開示するエンジンの制御装置は、エンジンのシリンダー内に残留する残留空気量を演算する残留空気量演算手段と、前記エンジンのシリンダーに流入する新気空気量を演算する新気空気量演算手段と、停止中の前記エンジンを始動させる始動時であるか否かを判定する始動時判定手段とを備える。また、前記始動時判定手段にて前記始動時であると判定されたときに、前記残留空気量及び前記新気空気量の加算値に基づいて前記エンジンの吸入空気量を演算する吸入空気量演算手段を備える。
また、前記吸入空気量演算手段で前記加算値に基づいて演算された前記吸入空気量を用いて、前記エンジンの出力するトルクを演算するトルク演算手段と、前記始動時判定手段にて前記始動時であると判定されたときに、前記トルク演算手段で演算された前記トルクに基づき前記エンジンの運転パラメーターを制御する制御手段とを備える。
さらに、前記トルク演算手段が、前記新気空気量と前記加算値との比に基づき、前記始動時の前記トルクを演算する。

前記吸入空気量演算手段は、前記始動時でないときに、前記新気空気量に基づいて前記吸入空気量を演算することが好ましい。つまり、前記残留空気量は前記始動時にのみ考慮されることが好ましい。
なお、前記始動時判定手段は、前記エンジンの何れかのシリンダーで最初の吸気行程又は燃焼行程が完了していない場合に、前記始動時であると判定することが好ましい。一方、全てのシリンダーで最初の吸気行程又は燃焼行程が完了している場合に、前記始動時でないと判定することが好ましい。

（２）また、前記エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、前記トルク演算手段が、前記回転速度及び前記新気空気量に基づき標準トルクを演算するとともに、前記標準トルクを前記比で補正することにより前記始動時の前記トルクを演算することが好ましい。

（３）なお、前記残留空気量演算手段が、前記始動時の大気圧に基づいて前記残留空気量を演算することが好ましい。この場合、前記大気圧を検出する大気圧センサーを設けることが好ましい。
（４）また、前記新気空気量演算手段が、前記エンジンの吸気通路を流通する吸気流量に基づき前記新気空気量を演算することが好ましい。この場合、前記吸気流量を検出するエアフローセンサーを前記エンジンの吸気通路上（例えば、スロットルバルブの上流側）に設けることが好ましい。

（５）また、前記新気空気量演算手段が、前記エンジンの吸気系圧力に基づいて前記新気空気量を演算することが好ましい。この場合、前記吸気系圧力を検出するインマニ圧センサーを前記エンジンのインテークマニホールドやスロットルバルブの下流側などに設けることが好ましい。
（６）また、前記エンジンの吸気系に設けられたスロットルバルブ部の上流圧に対する下流圧の圧力比を演算する圧力比演算手段を備えることが好ましい。この場合、前記新気空気量演算手段が、前記圧力比と前記エンジンの回転速度とに基づき、前記新気空気量を演算することが好ましい。

（７）また、前記圧力比と前記回転速度とに基づき、前記エンジンの体積効率を前記吸気系圧力で標準化した値に相当する体積効率係数を演算する体積効率係数演算手段を備えることが好ましい。この場合、前記新気空気量演算手段が、前記体積効率係数に基づき、前記新気空気量を演算することが好ましい。

開示のエンジンの制御装置によれば、エンジンが始動し始めたときの残留空気量が考慮された正確な吸入空気量を求めることができる。これにより、エンジンの始動直後の燃料噴射量，点火時期，スロットル開度等を適切に制御することができ、エンジンの制御性及び始動性を向上させることができる。

一実施形態に係るエンジンの制御装置のブロック構成及びこの制御装置が適用されたエンジンの構成を例示する図である。 エンジン始動時のシリンダー内部の状態を説明するための模式図であり、（ａ）はピストンが排気上死点に位置する状態、（ｂ）はピストンが吸気下死点に位置する状態である。 本制御装置の第一演算部での演算内容を説明するためのブロック構成図である。 本制御装置に係る実回転速度Ne及び圧力比R_PRSと体積効率係数K_mapとの関係を例示する三次元グラフである。 本制御装置の第二演算部での演算内容を説明するためのブロック構成図である。 本制御装置のトルク演算部での演算内容を説明するためのブロック構成図である。 比較例としてエンジンの通常燃焼時におけるシリンダー内部の状態を説明するための模式図であり、（ａ）はピストンが排気上死点に位置する状態、（ｂ）はピストンが吸気下死点に位置する状態である。

図面を参照してエンジンの制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

［１．装置構成］
［１−１．エンジン］
本実施形態のエンジンの制御装置は、図１に示す車載のガソリンエンジン１０に適用される。ここでは、多気筒のエンジン１０に設けられた複数のシリンダーのうちの一つを示す。ピストン１６は、中空円筒状に形成されたシリンダー１９の内周面１９ａに沿って往復摺動自在に内装される。また、シリンダー１９の天井面１９ｂは、シリンダーヘッド側へ向かって突出した凸形状に形成される。図１では、天井面１９ｂがペントルーフ型（三角屋根形状）に形成されたものが例示されている。この天井面１９ｂ，シリンダー１９の内周面１９ａ，ピストン１６の頂面１６ａの三者に囲まれた空間は、エンジン１０の燃焼室２６として機能する。

ピストン１６の下部は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフト１７の軸心から偏心した中心軸を持つクランクアームに連結される。これにより、ピストン１６の往復動作がクランクアームに伝達され、クランクシャフト１７の回転運動に変換される。
燃焼室２６の空間の容積は、ピストン１６の上下方向（シリンダー１９の筒軸方向）の位置に応じて変化する。例えば、ピストン１６が上死点に位置するときに燃焼室２６の容積が最小となり、ピストン１６が下死点に位置するときに最大となる。なお、ピストン１６が上死点に位置するときの容積（燃焼室２６の最小容積であって隙間容積）をVcとおき、ピストン１６が上死点から下死点まで移動するときの容積（行程容積であって、いわゆるシリンダー容積）をVとおくと、シリンダー１９の圧縮比eは以下の式１で表される。

シリンダー１９の天井面１９ｂには、吸入空気を燃焼室２６内に供給するための吸気ポート１１と、燃焼室２６内で燃焼した後の排気を排出するための排気ポート１２とが穿孔形成される。また、吸気ポート１１，排気ポート１２の燃焼室２６側の端部には、吸気弁１４及び排気弁１５が設けられる。これらの吸気弁１４，排気弁１５は、エンジン１０の上部に設けられる可変動弁機構２７によって各々の動作を個別に制御される。また、シリンダー１９の頂部には、点火プラグ１３がその先端を燃焼室２６側に突出させた状態で設けられる。

可変動弁機構２７は吸気弁１４及び排気弁１５のそれぞれについて、最大バルブリフト量及びバルブタイミングを個別に、又は、連動させつつ変更する機構である。また、シリンダー１９の頂部には、点火プラグ１３がその先端を燃焼室２６側に突出させた状態で設けられる。点火プラグ１３による点火時期は、後述するエンジン制御装置１で制御される。

［１−２．吸排気系］
吸気ポート１１内には、燃料を噴射するインジェクター１８が設けられる。インジェクター１８から噴射される燃料量は、後述するエンジン制御装置１によって制御される。また、インジェクター１８よりも吸気流の上流側には、インテークマニホールド２０（以下、インマニと呼ぶ）が設けられる。このインマニ２０には、吸気ポート１１側へと流れる空気を一時的に溜めるためのサージタンク２１が設けられる。サージタンク２１よりも下流側のインマニ２０は、各シリンダー１９の吸気ポート１１に向かって分岐するように形成され、サージタンク２１はその分岐点に位置する。サージタンク２１は、各々のシリンダーで発生しうる吸気脈動や吸気干渉を緩和するように機能する。

インマニ２０の上流側には、スロットルボディ２２が接続される。スロットルボディ２２の内部には電子制御式のスロットルバルブ２３が内蔵され、インマニ２０側へと流れる空気量がスロットルバルブ２３の開度（スロットル開度）に応じて調節される。このスロットル開度は、エンジン制御装置１によって制御される。

スロットルボディ２２のさらに上流側には吸気通路２４が接続され、吸気通路２４のさらに上流側にはエアフィルター２５が介装される。これにより、エアフィルター２５で濾過された新気が吸気通路２４及びインマニ２０を介してエンジン１０の各シリンダー１９に供給される。

［１−３．検出系］
エンジン１０のクランクシャフト１７には、その回転角を検出するエンジン回転速度センサー３１が設けられる。回転角の単位時間あたりの変化量（角速度）はエンジン１０の実回転速度Ne（単位時間あたりの実回転数）に比例する。したがって、エンジン回転速度センサー３１は、エンジン１０の実回転速度Neを取得する機能を持つ。なお、エンジン回転速度センサー３１で検出された回転角に基づいて、エンジン制御装置１の内部で実回転速度Neを演算する構成としてもよい。

エンジン制御装置１の内部又は車両の任意の位置には、大気圧センサー３２が設けられる。大気圧センサー３２は大気の圧力（大気圧）B_P[mmHg]を検出するものである。この大気圧B_Pは、吸気通路２４の入口での圧力（エアフィルター２５よりも上流側の圧力）に相当する。
また、車両の任意の位置（例えばアクセルペダルの近傍）には、アクセルペダルの踏み込み操作量（アクセル開度A_PS）を検出するアクセル開度センサー３３が設けられる。アクセル開度A_PSは、運転者の加速要求に対応するパラメーターであり、すなわちエンジン１０への出力要求に対応する。

スロットルバルブ２３の下流側には、インマニ圧P_IM[mmHg]（サージタンク２１内の圧力に対応する圧力）を検出するインマニ圧センサー３４が設けられる。一方、スロットルバルブ２３の上流側の吸気通路２４内には、吸気流量Qを検出するエアフローセンサー３５が設けられる。上記の各種センサー３１〜３５で取得された実回転速度Ne，大気圧B_P，アクセル開度A_PS，インマニ圧P_IM，吸気流量Qの各情報は、エンジン制御装置１に伝達される。

なお、大気圧センサー３２で検出された大気圧B_P及びインマニ圧センサー３４で検出されたインマニ圧P_IMは、エンジン制御装置１において、エンジンの体積効率に準ずる吸気性能の評価指標である体積効率係数K_mapの演算や、シリンダー１９内に導入された吸入空気量に対応する実充填効率Ecの演算に用いられる。大気圧センサー３２及びインマニ圧センサー３４は、エンジン１０の吸気系圧力B_P，P_IMを検出する圧力検出手段として機能する。
また、エアフローセンサー３５は、吸気流量Qを検出する流量検出手段として機能する。吸気流量Qも、シリンダー１９内に導入された吸入空気量に対応する実充填効率Ecの演算に用いられる。

車両の任意の位置（例えば、車室内）には、一般的なイグニッションキースイッチに連動するキーセンサー３６が設けられる。このキーセンサー３６は、イグニッションキースイッチの操作位置を検出してその操作位置に対応する信号をエンジン制御装置１へ出力するセンサーである。イグニッションキースイッチの操作位置には、図１中に示すように、オフ位置（OFF），アクセサリ位置（ACC），オン位置（ON），スタート位置（START）等がある。エンジン制御装置１は、この操作位置がスタート位置であるときに停止中のエンジン１０を始動させる。また、イグニッションキースイッチがオフ位置又はアクセサリ位置に操作されたときには、エンジン１０を停止させる。

［２．制御装置構成］
上記のエンジン１０を搭載する車両には、エンジン制御装置１（Engine Electronic Control Unit，制御装置）が設けられる。このエンジン制御装置１は、例えばマイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成され、車両に設けられた車載ネットワーク網の通信ラインに接続される。なお、車載ネットワーク上には、例えばブレーキ制御装置，変速機制御装置，車両安定制御装置，空調制御装置，電装品制御装置といったさまざまな公知の電子制御装置が、互いに通信可能に接続される。

エンジン制御装置１は、エンジン１０に関する点火系，燃料系，吸排気系及び動弁系といった広汎なシステムを総合的に制御する電子制御装置であり、エンジン１０の各シリンダー１９に供給される空気量や燃料噴射量、各シリンダー１９の点火時期等を制御するものである。ここでは、エンジン１０に要求されるトルクの大きさを基準としたトルクベース制御が実施される。エンジン制御装置１の具体的な制御対象としては、インジェクター１８から噴射される燃料量や噴射時期，点火プラグ１３での点火時期，スロットルバルブ２３のスロットル開度等が挙げられる。

本実施形態では、エンジン１０で実施される制御のうち、エンジン１０の始動時にシリンダー１９に吸入されたと推定される吸入空気量（実吸入空気量）の演算と、これに基づくトルクベース制御について説明する。ここでいうエンジン１０の始動時とは、停止中のエンジン１０を始動させる始動時のことであり、車両のイグニッションキースイッチがSTART位置に操作された時点から、エンジン１０の各シリンダー１９で所定回数の燃焼行程（あるいは、吸気行程）が終了するまでの期間を指すものとする。また、ここでいう所定回数とは、典型的には一回である。この場合、エンジン１０の全てのシリンダー１９で最初に混合気が爆発し終わるまでの期間が「エンジン１０の始動時」となる。ただし、上記の所定回数を二回以上としてもよいし、燃焼行程以外の行程の回数を計測してもよい。

前述の通り、通常燃焼時のシリンダー１９内には、前行程で燃焼した排気の残留分である既燃ガスが存在する。一方、停止中のエンジン１０のシリンダー１９内には、既燃ガスが存在しない。例えば、図２（ａ）に示すように、ピストン１６が排気上死点に位置するときの燃焼室２６には、既燃ガスの代わりに大気圧の空気が残留する。その後、図２（ｂ）に示すように、ピストン１６が吸気下死点まで移動したとき、シリンダー１９内には吸気行程で導入された新気（燃料を含む混合気）と残留空気とが混在する。

そこで、エンジン制御手段１は、エンジン始動時の吸入空気量を演算する際には、図２（ａ）に示す残留空気を考慮して演算を実施する。なお、エンジン１０の始動時以外では残留空気を考慮せず、吸気行程で導入された新気量のみに基づいて吸入空気量を演算する。また、このように演算された吸入空気量に基づいてインジェクター１８からの燃料噴射量や空燃比を制御するとともに、点火プラグ１３での点火時期，スロットルバルブ２３のスロットル開度，可変動弁機構２７の動作等を制御する。

エンジン制御装置１の入力側には、図１に示すように、エンジン回転速度センサー３１，大気圧センサー３２，アクセル開度センサー３３，インマニ圧センサー３４，エアフローセンサー３５及びキーセンサー３６が接続される。また、エンジン制御装置１の出力側には、トルクベース制御の制御対象である点火プラグ１３，インジェクター１８，スロットルバルブ２３，可変動弁機構２７等が接続される。

エンジン制御装置１の内部には、エンジン始動時判定部２，第一演算部３，第二演算部４，トルク演算部５及び制御部６が設けられる。これらの各要素は、電子回路（ハードウェア）によって実現してもよく、ソフトウェアとしてプログラミングされたものとしてもよいし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。

［２−１．エンジン始動時判定部］
エンジン始動時判定部２（始動時判定手段）は、エンジン１０の状態が停止状態からの始動時であるか否かを判定するものであり、所定の始動時条件が成立するときに、エンジン１０の状態が始動時であると判定する。所定の始動時条件とは、例えば以下の全ての条件が成立することであり、キーセンサー３６で検出された操作位置の情報やエンジン回転速度センサー３１で検出された実回転速度Neの情報に基づいて判定される。
〔１〕キーセンサーで検出された操作位置がスタート位置又はオン位置である
〔２〕クランキング中である（実回転速度Neが所定の範囲内にある）
〔３〕クランキング行程数が所定値以下である

エンジン始動時判定部２は、これらの全ての条件〔１〕〜〔３〕が成立する場合にエンジン１０の状態が始動時であると判定し、この情報を第二演算部４に伝達する。一方、少なくとも何れかの条件が成立しない場合には、エンジン１０の状態が始動時でないと判定し、この情報を第二演算部４に伝達する。

［２−２．第一演算部］
第一演算部３は、エンジン１０の吸気性能を評価するための指標値の一つである体積効率係数K_mapを演算するものである。この体積効率係数K_mapとは、体積効率Evを吸気系圧力について標準化したものである。ここでいう吸気系圧力とは、エンジン１０の吸気系で検出される圧力を意味し、例えばインマニ圧P_IMやスロットルバルブ２３の下流圧，上流圧，大気圧B_Pなどである。本実施形態では、測定時の大気圧が標準大気圧（一気圧；760[mmHg]）であるときの値に体積効率Evを換算したもののことを、体積効率係数K_mapと定義する。

図３に示すように、第一演算部３には、圧力比演算部３Ａ及び体積効率係数演算部３Ｂが設けられる。
圧力比演算部３Ａ（圧力比演算手段）は、エンジン１０の吸気系圧力に基づいて、スロットルバルブ２３部の上流圧に対する下流圧の比を圧力比R_PRSとして演算するものである。本実施形態の圧力比R_PRSは、インマニ圧センサー３４で検出されたインマニ圧P_IMと、大気圧センサー３２で検出された大気圧B_Pとに基づいて演算される。ここで演算された圧力比R_PRSの値は、体積効率係数演算部３Ｂに伝達される。なお、大気圧B_Pから吸気通路２４内の圧力損失量を減じたものをスロットルバルブ２３の上流圧として求め、これに対するインマニ圧P_IMの比を圧力比R_PRSとして演算してもよい。

体積効率係数演算部３Ｂ（体積効率係数演算手段）は、エンジン１０の実回転速度Neと圧力比R_PRSとに基づき、体積効率係数K_mapを演算するものである。ここには、実回転速度Ne及び圧力比R_PRSと体積効率係数K_mapとの対応マップや数式，関係式などが予め設定されており、体積効率係数演算部３Ｂはこのような関係に基づいて体積効率係数K_mapを演算する。ここで演算された体積効率係数K_mapの値は、トルク制御部５に伝達される。体積効率係数K_mapを求めるためのマップとしては、例えば図４に示すようなマップが用いられる。

なお、エンジン１０の体積効率Evは、インマニ圧P_IMが低下するほど小さい値となる。しかし、体積効率Evとインマニ圧P_IMとの関係は必ずしも線形ではなく、インマニ圧P_IMを変化させたときの体積効率Evの変化量（変化勾配）はインマニ圧P_IMが低下するほど大きくなる。これは、体積効率Evの値がインマニ圧P_IMで決まる吸入空気のシリンダー１９への押し込みやすさだけでなく、可変動弁機構２７の作動状態等に応じて決まる吸入空気のシリンダー１９への入り込みやすさの影響を受けて変化するためである。

一方、体積効率係数K_mapは吸気系圧力について標準化された値であることから、インマニ圧P_IMによる吸入空気の押し込みやすさの影響をほとんど受けない。したがって、体積効率Evの代わりに体積効率係数K_mapを用いることで、エンジン１０の吸気性能に対する評価からインマニ圧P_IMの影響を取り除くことが可能となる。

［２−３．第二演算部］
第二演算部４は、シリンダー１９に吸入されているものと推定される吸入空気量を演算するものである。ここでは、吸入空気量に相当するパラメーターとして、各シリンダー１９の充填効率が演算される。充填効率とは、一サイクルで吸入された吸入空気の質量を標準大気条件での行程容積相当の空気質量で除したものである。また、第二演算部４は、エンジン１０の始動時と始動時以外の時とでは異なる手法を用いて充填効率を演算する。図５に示すように、第二演算部４には、残留空気量演算部４Ａ，新気空気量演算部４Ｂ，第二新気空気量演算部４Ｃ及び吸入空気量演算部４Ｄが設けられる。

残留空気量演算部４Ａ（残留空気量演算手段）は、エンジン１０の始動時の残留空気量を演算するものである。ここでは、エンジン１０の始動時に限り、直前の吸気行程でシリンダー１９に空気が導入されるよりも前から存在していたと考えられる空気量が残留空気量として演算される。本実施形態では、空気質量の代わりに充填効率が演算されるものとし、残留空気量に対応する充填効率のことを残留空気相当充填効率Ec_REMと呼ぶ。

残留空気相当充填効率Ec_REMは、大気圧センサー３２で検出された大気圧B_Pに基づき、以下の式２にしたがって演算される。式２中のeは、式１に示されるシリンダー１９の圧縮比である。ここで演算された残留空気相当充填効率Ec_REMの値は、吸入空気量演算部４Ｄに伝達される。なお、エンジン１０の状態が始動時でない場合、残留空気相当充填効率Ec_REMの値は0とする。

新気空気量演算部４Ｂ（新気空気量演算手段）は、新気吸気量を演算するものである。ここでは、エンジン１０の状態に関わらず、吸気流量Qに基づく新気空気量の演算が実施される。本実施形態では、直前の吸気行程（ピストン１９が上死点から下死点に移動するまでの一行程）の間にエアフローセンサー３５で検出された吸気流量Qの合計から実空気量が推定され、これに対応する充填効率がセンサー充填効率Ec_AFSとして演算される。あるいは、以下の式３に基づいてセンサー充填効率Ec_AFSが演算される。ここで演算されたセンサー充填効率Ec_AFSの値は、第二新気空気量演算部４Ｃ及び吸入空気量演算部４Ｄに伝達される。なお、式３中の係数aは予め設定された定数である。

第二新気空気量演算部４Ｃ（新気空気量演算手段）は、新気空気量演算部４Ｂで演算されたセンサー充填効率Ec_AFSに吸気応答遅れの影響を考慮した実充填効率Ecを演算するものである。センサー充填効率Ec_AFSは、エアフローセンサー３５での検出値の変化が即座に反映されるパラメーターであり、すなわちエアフローセンサー３５が設けられる部位（スロットルバルブ２３部の近傍）での空気量に対応する。一方、スロットルバルブ２３を通過した実際の空気がシリンダー１９に到達するまでには、多少の遅れ時間が存在する。そこで、第二新気空気量演算部４Ｃは、センサー充填効率Ec_AFSに所定の遅れ処理を施したものを実充填効率Ecの今回値Ec_(n)として演算する。

本実施形態の第二新気空気量演算部４Ｃは、センサー充填効率Ec_AFSと実充填効率Ecの前回値Ec_(n-1)とに基づいて実充填効率Ecの今回値Ec_(n)を演算する。この今回値Ec_(n)は、センサー充填効率Ec_AFS及び前回値Ec_(n-1)の関数として表現される所定量f(Ec_(n-1),Ec_AFS)に応答遅れを与えたものとされる。応答遅れを与えるための手法は種々考えられるが、一次応答遅れを与える場合には、例えば以下の式４に基づいて実充填効率Ecの今回値Ec_(n)を求めることができる。なお、式４中のtは吸気応答遅れに相当する変化を実充填効率Ecの値に与えるための時定数である。ここで演算された実充填効率Ecの今回値Ec_(n)は、トルク演算部５に伝達される。

吸入空気量演算部４Ｄ（吸入空気量演算手段）は、残留空気量と新気空気量との加算値に基づき、実質的なエンジン１０の吸入空気量を演算するものである。ここでは、残留空気相当充填効率Ec_REMと新気空気量演算部４Ｂで演算されたセンサー充填効率Ec_AFSとに基づいて、エンジン１０の実質的な充填効率であるトータル充填効率Ec_TOTALが演算される。すなわち、トータル充填効率Ec_TOTALは以下の式５で与えられる。ここで演算されたトータル充填効率Ec_TOTALの値は、トルク演算部５に伝達される。

［２−４．トルク演算部］
トルク演算部５（トルク演算手段）は、第二演算部４で演算された吸入空気量を用いて、エンジン１０から出力されるトルクを演算するものである。図６に示すように、トルク演算部５には、標準トルク演算部５Ａ，吸気量比演算部５Ｂ及び始動時トルク演算部５Ｃが設けられる。

標準トルク演算部５Ａは、エアフローセンサー３５での検出値に基づく吸入空気量から推定されるエンジン１０の出力トルクを標準トルクTとして演算するものである。標準トルクTとは、図２（ｂ）に示すシリンダー１９内の気体のうち、新気のみによって生成されるトルクである。標準トルク演算部５Ａには、標準トルクT，実回転速度Ne及びセンサー充填効率Ec_AFSの関係を記述した対応マップや数式，関係式が予め設定されており、標準トルク演算部５Ａはこのような関係に基づいて標準トルクTを演算する。ここで求められた標準トルクTの値は、始動時トルク演算部５Ｃに伝達される。

吸気量比演算部５Ｂは、エアフローセンサー３５での検出値に基づく吸入空気量と、実際のシリンダー１９内の吸入空気量とがどの程度相違しているのかを把握するためのパラメーターとして、吸気量比Aを演算するものである。この吸気量比Aとは、吸気流量Qから推定される新気空気量に対する、実際の吸入空気量（残留空気量と新気空気量とを加算したもの）の比に相当する。つまりこれは、新気空気量に対応するトルクに対して、実際の吸入空気量で生じさせることのできるトルクの比を意味する。

本実施形態では、新気空気量演算部４Ｂで演算されたセンサー充填効率Ec_AFSと吸入空気量演算部４Ｄで演算されたトータル充填効率Ec_TOTAL（または、残留空気量演算部４Ａで演算された残留空気相当充填効率Ec_REM）とに基づき、以下の式６に従って吸気量比Aが演算される。ここで演算された吸気量比Aの値は、始動時トルク演算部５Ｃに伝達される。なお、吸気量比Aは、エンジン１０の始動時にのみ1よりも大きい値となる。エンジン１０が通常運転している状態では、残留空気相当充填効率Ec_REMが0となるため、A=1となる。

始動時トルク演算部５Ｃは、吸気量比演算部５Ｂで演算された吸気量比Aに基づき、エンジン１０の出力トルクの推定値を補正するものである。ここでは、標準トルクTに吸気量比Aを乗じたものが補正後トルクT_ESTとして演算される。ここで演算された補正後トルクT_ESTの値は、制御部６に伝達される。
残留空気量と新気吸気量との加算値（すなわち、式６の分子に対応する値）は、実際に筒内に存在する空気量である。つまりここでは、実際に筒内に存在するトータルの空気量が新気空気量に対して何倍であるかを演算し、これと同じ割合でエンジン１０から出力されるトルクが増大するものとしている。なお、式１，式２，式６を用いると、補正後トルクT_ESTは以下の式７のように二通りに表現することができる。

［２−５．制御部］
制御部６（制御手段）は、トルク演算部５で演算された補正後トルクT_ESTに基づいて、インジェクター１８から噴射される燃料量や点火プラグ１３での点火時期（点火リタード量），スロットルバルブ２３のスロットル開度，可変動弁機構２７で制御されるバルブリフト量及びバルブタイミング等を制御するものである。

例えばエンジン１０の始動時でない通常時には、新気空気量演算部４Ｂで演算された新気空気量で生じうるトルクの推定値がトルク演算部５から伝達され、新気空気量に見合った空燃比，燃料噴射量が設定される。また、点火プラグ１３での点火時期は、新気空気量で最大のトルクが発生する最適点火時期を基準としたリタード量が設定され、設定されたリタード量となるタイミングで制御信号が点火プラグ１３に出力される。

一方、所定の始動時条件が成立するエンジン１０の始動時には、残留空気量演算部４Ａで演算された残留空気量を含む吸入空気量で生じうるトルクの推定値がトルク演算部５から伝達される。これにより、エンジン１０の始動前からシリンダー１９内に残存している空気量が加味されたた空燃比，燃料噴射量が設定される。また、点火プラグ１３での点火時期は、残存空気量と新気空気量とを加算した吸入空気量で最大のトルクが発生する最適点火時期を基準としたリタード量が設定され、設定されたリタード量となるタイミングで制御信号が点火プラグ１３に出力される。

［３．作用，効果］
（１）このように、本エンジン制御装置１では、エンジン１０の始動時にシリンダー１９内に導入される新気空気量に対応する値（センサー充填効率Ec_AFS）と、燃焼室２６の容積に相当する残留空気量に対応する値（残留空気相当充填効率Ec_REM）との加算値に基づいて、エンジン１０の始動時における吸入空気量に対応する充填効率（トータル充填効率Ec_TOTAL）が演算される。
したがって、残留空気量が考慮された正確な吸入空気量を求めることができ、エンジン１０の制御性や始動性を高めることができる。例えば、エンジン１０の始動直後の燃料噴射量，点火時期，スロットル開度等を適切に制御することができる。

（２）また、本エンジン制御装置１では、エンジン１０の始動時の燃料噴射量や点火時期，吸入空気量等がトータル充填効率Ec_TOTALに基づいて制御される。つまり、残留空気によって生じうるトルク増加分を加味した出力トルクの演算が可能となる。したがって、始動直後の空燃比，出力トルクの制御誤差を解消することができ、エンジン１０の制御性や始動性を高めることができる。

（３）また、本エンジン制御装置１は、吸気流量Qから推定される新気空気量に対する、実際の吸入空気量（残留空気量と新気空気量とを加算したもの）の比を吸気量比Aとして演算し、これを用いてトルクを制御している。このように、エンジン１０の出力トルクがシリンダー１９内の空気量にほぼ比例するという特性を利用することで、残留空気量によって出力トルクに与えられる影響の大きさを割合で表現することができ、エンジン始動時の出力トルクの増加量を正確に演算することができる。

（４）特に、本エンジン制御装置１では、吸気量比Aを標準トルクTに乗じたものを補正後トルクT_ESTとして演算している。一方、吸気量比Aはエンジン１０の始動時以外ではA=1になるため、補正後トルクT_ESTの値は標準トルクTと同一の値となる。このように、エンジン１０の出力トルクの演算式をエンジン１０の始動時と非始動時とで共通化することができ、簡素な演算構成で正確にエンジントルクを把握することができ、コストを低減させることができるというメリットがある。

（５）また、本エンジン制御装置１では、式２に示すように、大気圧B_Pに基づいて残留空気相当充填効率Ec_REMを演算している。これにより、エンジン１０の環境条件にかかわらず、始動する時点でシリンダー１９内に残留している残留空気量を精度よく演算することができる。

（６）また、本エンジン制御装置１では、吸気流量Qに基づいて新気空気量が演算されるため、吸気脈動の影響を受けない正確な空気量を演算することができる。言い換えれば、出力トルクの推定にインマニ圧P_IMが使用されないため、吸気脈動が空気量演算に与える影響を小さくすることができ、出力トルクの推定精度を向上させることができる。また、インマニ圧センサー３４を省略することも可能である。

［４．変形例］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。

［４−１．インマニ圧を用いる場合］
上述の実施形態の新気空気量演算部４Ｂは、エアフローセンサー３５で検出された吸気流量Qに基づいてセンサー充填効率Ec_AFSを演算しているが、充填効率の演算手法はこれに限定されない。例えば、体積効率係数K_map及びインマニ圧P_IMに基づいてセンサー充填効率Ec_PIMを演算してもよい。この場合、体積効率係数K_mapは、体積効率係数演算部３Ｂで演算されたものを使用すればよい。あるいは、体積効率Evに吸気密度補正を施すことで充填効率を求めてもよい。

この場合、吸気量比演算部５Ｂでは、センサー充填効率Ec_PIMとトータル充填効率Ec_TOTALとに基づき、以下の式８に従って吸気量比Aを演算することとする。式８は、式６中のセンサー充填効率Ec_AFSを置き換えたものである。また、式８を用いれば、始動時トルク演算部５Ｃで演算される補正後トルクは、以下の式９のように二通りに表現することができる。

このように、インマニ圧P_IMを用いたトルク演算により、演算式からセンサー充填効率Ec_AFSを取り除くことができる。また、標準トルクTについても、インマニ圧P_IMを用いて推定することが可能である。したがって、吸気流量Qが不明な場合であっても正確にエンジン１０から出力される補正後トルクT_ESTを演算することができ、例えばエアフローセンサー３５が搭載されていない車両であっても本制御装置を適用することができる。

なお、インマニ圧P_IMに基づく吸入空気量の演算では、吸気流量Qに基づく演算のように吸気応答遅れの影響を考慮する必要がないため、制御応答性を向上させることができるというメリットがある。また、式９に示すように、体積効率係数K_mapを用いて吸入空気量を演算することで、エンジン１０の体積効率Evが変動したときに実際にシリンダー１９に吸入された空気量を精度よく演算することができる。さらに、この体積効率係数K_mapがスロットルバルブ２３部の圧力比R_PRSに基づいて演算されるため、吸入空気量の演算精度を向上させることができる。またこれにより、エンジン１０の始動直後の燃料噴射量や点火時期等の制御性を高めることができる。

［４−２．新気の流入タイミングを考慮する場合］
前述の吸気量比演算部５Ｂでは、式６に示すように、吸気流量Qから推定される新気空気量に対する比率が演算されているが、「吸気流量Qから推定される新気空気量」の代わりに「対象となるシリンダー１９で吸気行程が実施されたときに導入されたものと推定される新気吸気量」を用いることも可能である。つまり、上記の式６の代わりに以下の式１０を用いることが考えられる。この場合、始動時トルク演算部５Ｃで演算される補正後トルクは、以下の式１１のように二通りに表現することができる。

このように、吸気行程でシリンダー１９内に導入される空気量に対応する充填効率を用いたトルクの補正演算により、エンジン１０の燃焼状態が新気の導入量に与える影響と、エンジン始動時に燃焼室２６内に残留する残留空気が新気の導入量に与える影響とがともに考慮されるため、エンジン始動時の出力トルクをより正確に演算することができる。また、吸気行程でシリンダー１９内に導入される空気量に対応する充填効率をインマニ圧P_IM及び体積効率係数K_mapに基づいて演算することで、より正確なトルク演算が可能となる。

［４−３．物質量を用いる場合］
上述の実施形態では、残留空気量と新気吸気量とのそれぞれに対応する充填効率を加算したものを実質的なエンジン１０の吸入空気量としているが、充填効率を用いることなく実質的な吸入空気量を求めることも考えられる。例えば、残留空気の物質量（モル数）をn₁とおき、新気の物質量をn₂とおくと、エンジン始動時にシリンダー１９内の空気の物質量はn₁+n₂である。一方、物質量n₁及びn₁+n₂はそれぞれ、以下の式１２，式１３のように表現することができる。なお、これらの式１２，式１３中のT_empは空気の温度，Rは気体定数であり、インマニ圧P_IMの単位は[kPa]とする。

したがって、吸気量比演算部５Ｂで演算される吸気量比Aは、以下の式１４のように表現することができる。このように、空気の物質量を基準とした演算式によれば、センサー充填効率Ec_AFSを用いることなく体積効率係数K_mapに基づいてエンジン始動時の出力トルクを求めることができる。

［４−４．その他の変形例］
上述の実施形態のエンジン始動時判定部２は、条件〔１〕〜〔３〕の全てが成立したときにエンジン１０の状態が始動時であると判定しているが、具体的なエンジン１０の始動時の判定条件はこれに限定されない。例えば、クランキング行程数のみに基づいて始動時であるか否かを判定してもよいし、あるいは上記の始動時条件に加えて（または代えて）、イグニッションキースイッチが操作されてからの経過時間に関する条件を用いてもよい。少なくとも、図２（ａ），（ｂ）に示すような残留空気がシリンダー１９内に存在する状態であるか否かを判定するための条件が上記の始動時条件に含まれていればよい。

また、上述の実施形態では、センサー充填効率Ec_AFSが新気空気量に対応するパラメーターとして用いられる演算を例示したが、センサー充填効率Ec_AFSの代わりに実充填効率Ecを使用してもよい。あるいは、演算対象となるシリンダー１９でエンジン始動後の最初の吸気行程の終了時にはセンサー充填効率Ec_AFSを用い、二回目以降は実充填効率Ecを用いることとしてもよい。少なくとも、新気空気量に相関するパラメーターを用いることで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。

また、上述の実施形態では、シリンダー１９に吸入された空気量を把握するための指標値として実充填効率Ecを演算するものを例示したが、少なくともシリンダー１９に吸入された空気量に相当するパラメーターが演算されるシステムであれば、上記のエンジン制御装置１でエンジン出力を制御することが可能である。したがって、実充填効率Ecの代わりに体積効率Evや空気体積，空気質量を演算する構成としてもよい。
なお、上述の実施形態は、本エンジン制御装置１をガソリンエンジンに適用したものを例示したが、ディーゼルエンジンやその他の燃焼形式の内燃機関に適用することも可能である。

１ エンジン制御装置
２ エンジン始動時判定部（始動時判定手段）
３ 第一演算部
３Ａ 圧力比演算部（圧力比演算手段）
３Ｂ 体積効率係数演算部（体積効率係数演算手段）
４ 第二演算部
４Ａ 残留空気量演算部（残留空気量演算手段）
４Ｂ 新気空気量演算部（新気空気量演算手段）
４Ｃ 第二新気空気量演算部（新気空気量演算手段）
４Ｄ 吸入空気量演算部（吸入空気量演算手段）
５ トルク演算部（トルク演算手段）
６ 制御部（制御手段）
１０ エンジン
３１ エンジン回転速度センサー（回転速度検出手段）
３２ 大気圧センサー
３３ アクセル開度センサー
３４ インマニ圧センサー
３５ エアフローセンサー
３６ キーセンサー

Claims (7)

1. エンジンのシリンダー内に残留する残留空気量を演算する残留空気量演算手段と、
   前記エンジンのシリンダーに流入する新気空気量を演算する新気空気量演算手段と、
   停止中の前記エンジンを始動させる始動時であるか否かを判定する始動時判定手段と、
   前記始動時判定手段にて前記始動時であると判定されたときに、前記残留空気量及び前記新気空気量の加算値に基づいて前記エンジンの吸入空気量を演算する吸入空気量演算手段と、
   前記吸入空気量演算手段で前記加算値に基づいて演算された前記吸入空気量を用いて、前記エンジンの出力するトルクを演算するトルク演算手段と、
   前記始動時判定手段にて前記始動時であると判定されたときに、前記トルク演算手段で演算された前記トルクに基づき前記エンジンの運転パラメーターを制御する制御手段とを備え、
   前記トルク演算手段が、前記新気空気量と前記加算値との比に基づき、前記始動時の前記トルクを演算する
   ことを特徴とする、エンジンの制御装置。
2. 前記エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、
   前記トルク演算手段が、前記回転速度及び前記新気空気量に基づき標準トルクを演算するとともに、前記標準トルクを前記比で補正することにより前記始動時の前記トルクを演算する
   ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの制御装置。
3. 前記残留空気量演算手段が、前記始動時の大気圧に基づいて前記残留空気量を演算する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジンの制御装置。
4. 前記新気空気量演算手段が、前記エンジンの吸気通路を流通する吸気流量に基づき前記新気空気量を演算する
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記新気空気量演算手段が、前記エンジンの吸気系圧力に基づいて前記新気空気量を演算する
   ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記エンジンの吸気系に設けられたスロットルバルブ部の上流圧に対する下流圧の圧力比を演算する圧力比演算手段を備え、
   前記新気空気量演算手段が、前記圧力比と前記エンジンの回転速度とに基づき、前記新気空気量を演算する
   ことを特徴とする、請求項５記載のエンジンの制御装置。
7. 前記圧力比と前記回転速度とに基づき、前記エンジンの体積効率を前記吸気系圧力で標準化した値に相当する体積効率係数を演算する体積効率係数演算手段を備え、
   前記新気空気量演算手段が、前記体積効率係数に基づき、前記新気空気量を演算する
   ことを特徴とする、請求項６記載のエンジンの制御装置。

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