JPWO2010095477A1 - 内燃機関の気筒吸入空気量算出装置 - Google Patents

Abstract

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気筒吸入空気量算出装置が提供される。機関の吸気通路を通過する新気の流量である吸入空気流量が取得されるとともに、吸気温及び吸気圧が検出される。吸気圧、吸気温、及び気筒容積に基づいて理論気筒内吸入空気量が算出され、気筒吸入空気量の前回算出値を理論気筒内吸入空気量で除算することにより体積効率が算出される。吸気温、吸気圧、体積効率、吸入空気流量、及び気筒吸入空気量の前回算出値を用いて、気筒吸入空気量が算出される。

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、機関回転数、吸気圧、及び充填効率（体積効率）を用いて気筒吸入空気量を算出する装置が示されている。この装置によれば、充填効率の変動を補正する空燃比学習値が、検出空燃比に応じて算出され、空燃比学習値で補正した充填効率を用いて気筒吸入空気量が算出される。

また特許文献２には、機関の体積効率を示す体積効率相当値を算出し、体積効率相当値の今回算出値及び前回算出値と、検出新気量とを用いて気筒吸入空気量を算出する装置が示されている。この装置によれば、体積効率相当値は、機関回転数に応じた係数ｆ（Ｎｅ）、排気還流率に応じた係数Ｇ（Ｒｅｇｒ）、吸気圧、及び大気圧に応じて算出される。

特開平７−２５９６３０号公報 特許第４１２０５２４号公報

特許文献１に示された装置では、機関回転数及び吸気圧に応じて設定されたマップを検索することにより、充填効率が算出されるため、予めマップを設定するために工数を必要とする。また、吸気弁（及び排気弁）の作動特性（リフト量、開閉弁時期）を変更する動弁機構を備えた機関では、吸気弁（及び排気弁）の作動特性に応じて複数のマップを設ける必要があり、マップ設定工数が膨大なものとなる。またマップ設定時の機関運転状態と異なる運転状態に対応するために、マップ検索値の補正（例えば上述した空燃比学習値による補正）が必要となる。

特許文献２に示された装置では、係数ｆ（Ｎｅ）及び係数Ｇ（Ｒｅｇｒ）は、予め設定されたテーブルを用いて算出されるため、機関特性の経時変化によってテーブルの設定値が不適切な値となった場合に対応できない（あるいは別途補正が必要となる）。また排気還流率の算出が必要となり、演算処理が複雑化するという課題がある。

本発明は上述した点を考慮してなされたものであり、マップやテーブルを用いることなく気筒吸入空気量を算出することができ、しかも機関特性の経時変化の影響を受けることなく常に正確な気筒吸入空気量を得ること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、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（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）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流量（ＧＡＩＲ，ＨＧＡＩＲ）を取得する吸入空気流量取得手段と、前記機関の吸気圧（ＰＢＡ）を検出する吸気圧検出手段と、前記機関に吸入される空気の温度である吸気温（ＴＡ）を検出する吸気温検出手段と、前記吸気圧（ＰＢＡ）及び吸気温（ＴＡ）に基づいて理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）を算出する理論気筒吸入空気量算出手段と、前記気筒吸入空気量の前回算出値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)）を前記理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）で除算することにより前記機関の体積効率（ηｖ）を算出する体積効率算出手段と、前記体積効率（ηｖ）、前記吸入空気流量（ＧＡＩＲ，ＨＧＡＩＲ）、及び前記気筒吸入空気量の前回算出値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)）を用いて、前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）を算出する気筒吸入空気量算出手段とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、吸気圧及び吸気温に基づいて理論気筒吸入空気量が算出され、気筒吸入空気量の前回算出値を理論気筒吸入空気量で除算することにより体積効率が算出され、体積効率、吸入空気流量、及び気筒吸入空気量の前回算出値を用いて、気筒吸入空気量が算出される。したがって、マップやテーブルを用いることなく気筒吸入空気量を算出することができ、また体積効率が検出パラメータを用いて更新されるので、機関特性の経時変化の影響を受けることなく常に正確な気筒吸入空気量を得ることできる。

前記吸入空気流量取得手段は、吸入空気流量センサ（１３）を用いて前記吸入空気流量（ＧＡＩＲ）を検出することが望ましい。

この構成によれば、吸入空気流量センサを用いて検出された吸入空気流量を用いて気筒吸入空気量が算出される。吸入空気流量は、吸気圧やスロットル弁の開度を用いて推定することもできるが、流量センサにより直接的に検出することにより、推定による誤差を含まない気筒吸入空気量が得られる。

前記吸入空気流量取得手段は、前記機関のスロットル弁の開度（ＴＨ）及び前記吸気圧（ＰＢＡ）に基づいて前記吸入空気流量（ＨＧＡＩＲ）を推定するようにしてもよい。

この構成によれば、機関のスロットル弁の開度及び吸気圧に基づいて推定された吸入空気流量を用いて気筒吸入空気量が算出されるので、吸入空気流量センサを設ける必要がなくなり、コストを低減できる。また過渡的な運転状態では、吸入空気量センサを用いる場合に比べて検出の遅れの影響が小さく、正確な気筒吸入空気量が得られる。また、吸入空気流量センサを併用することにより、過渡的な運転状態での吸入空気流量センサの検出遅れを補償することができる。その場合にはさらに、吸入空気流量センサの故障検出を行うことができ、気筒吸入空気量に適用する吸入空気流量の信頼性を高めることができる。

前記体積効率算出手段は、前記気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前記前回算出値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)）として用いて、前記体積効率（ηｖ(i)）を少なくとも１回更新し、前記気筒吸入空気量算出手段は、更新された体積効率（ηｖ(i)）を用いて前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)）を少なくとも１回更新することが望ましい。

この構成によれば、気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前回算出値として用いて、体積効率が少なくとも１回更新され、さらに更新された体積効率を用いて気筒吸入空気量が少なくとも１回更新されるので、過渡的な機関運転状態においてより正確な（真の値に近い）体積効率及び気筒吸入空気量を得ることができる。

前記体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段は、それぞれ前記体積効率の更新及び前記気筒吸入空気量の更新を所定回数（ｉＭＡＸ）実行することが望ましい。

この構成によれば、体積効率の更新及び気筒吸入空気量の更新が所定回数実行されるので、更新演算に要する時間を一定とすることができる。

前記体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段は、それぞれ前記体積効率の更新及び前記気筒吸入空気量の更新を、前記体積効率の前回値と更新された値との差（Ｄηｖ）が第１所定量（ＤηｖＬ）より小さくなるまで、または前記気筒吸入空気量の前回値と更新された値との差（ＤＧＡＣＮ）が第２所定量（ＤＧＡＣＮＬ）より小さくなるまで実行するようにしてもよい。

この構成によれば、体積効率の前回値と更新された値との差が第１所定量より小さくなるまで、または気筒吸入空気量の前回値と更新された値との差が第２所定量より小さくなるまで、体積効率及び気筒吸入空気量の更新が行われるので、更新演算を適切な時期に終了することができる。

また前記体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段は、前記機関の始動直後においては、前記気筒吸入空気量の前回算出値として、前記理論気筒吸入空気量を用いることが望ましい。

機関の始動直後においては、気筒吸入空気量の前回算出値が存在しないので、理論気筒吸入空気量を用いることにより、正確な気筒吸入空気量を早期に得ることができる。

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に示す機関を模式的に示す図である。 スロットル弁を開弁したときのスロットル弁通過空気流量（ＧＡＩＲＴＨ）及び気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）の推移を示すタイムチャートである。 気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）を算出するモジュールの構成を示すブロック図である（第１の実施形態）。 気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）を算出するモジュールの構成を示すブロック図である（第２の実施形態）。 推定吸入空気流量（ＨＧＡＩＲ）の算出に使用されるテーブルを示す図である。 本発明の第３の実施形態における気筒吸入空気量算出処理のフローチャートである。 図７の処理を説明するためのタイムチャートである。 図７の処理の変形例を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施形態における気筒吸入空気量算出処理のフローチャートである。 理論気筒吸入空気量の他の算出手法を説明するための図である。 理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）を算出する処理のフローチャートである。 図１２の処理で参照されるテーブルを示す図である。

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とその制御装置の構成を示す図であり、図１において、例えば４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気弁の作動位相を連続的に変更する弁作動特性可変機構４０を備えている。

エンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。また、スロットル弁３にはその開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、スロットル弁開度ＴＨに応じた電気信号を出力して電子制御ユニット（以下（ＥＣＵ）という）５に供給する。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ７が接続されており、アクチュエータ７は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

吸気管２には、スロットル弁３を介してエンジン１に吸入される空気（新気）の流量である吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１３が設けられ、さらにスロットル弁３の上流側に吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサ１３及び９の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の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。
エンジン１の各気筒の点火プラグ１２は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５は点火プラグ１２に点火信号を供給し、点火時期制御を行う。

スロットル弁３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８が取付けられている。またエンジン１の本体には、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１０が取り付けられている。これらのセンサ８及び１０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１１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１１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６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）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、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。

ＥＣＵ５には、エンジン１によって駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３１、エンジン１により駆動される車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ３２、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ３３が接続されている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

またエンジン１は排気還流機構（図示せず）を備えており、エンジン１の排気が吸気管２のスロットル弁３の下流側に還流される。

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、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路のほか、アクチュエータ７、燃料噴射弁６、弁作動特性可変機構４０に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上記センサの検出信号に応じて、点火時期制御、スロットル弁３の開度制御、エンジン１に供給する燃料量（燃料噴射弁６の開弁時間）の制御、並びに吸気弁の作動位相制御を行う。

さらにＥＣＵ５のＣＰＵは、検出される吸入空気流量ＧＡＩＲ、吸気圧ＰＢＡ、及び吸気温ＴＡに基づいてエンジン１の気筒に吸入される新気量である気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ［ｇ／ＴＤＣ］（１ＴＤＣ期間、すなわちエンジン１のクランク軸が１８０度回転するのに要する時間当たりの空気量）を算出する。算出した気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮは、燃料供給量や点火時期の制御に適用される。

図２はエンジン１を模式的に示す図であり、吸気弁２１、排気弁２２、気筒１ａが示されている。吸気管２のスロットル弁下流側部分２ａ内の空気量の変化量ＤＧＡＩＲＩＮは、下記式（１）で与えられる。式（１）のＶｉｎはスロットル弁下流側部分２ａの容積、ＴＡＫは絶対温度に変換した吸気温ＴＡ、Ｒは気体定数、ＤＰＢＡは吸気圧ＰＢＡの変化量（ＰＢＡ(k)−ＰＢＡ(k-1））である。また「ｋ」はＴＤＣ期間で離散化した離散化時刻である。
ＤＧＡＩＲＩＮ＝Ｖｉｎ×ＤＰＢＡ／（Ｒ×ＴＡＫ） （１）

したがって、スロットル弁３を通過する新気の流量（吸入空気流量）であるスロットル弁通過空気流量ＧＡＩＲＴＨ［ｇ／ＴＤＣ］と、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ［ｇ／ＴＤＣ］の差は、下記式（２）で示されるように上記変化量ＤＧＡＩＲＩＮと等しくなる。
ＤＧＡＩＲＩＮ＝ＧＡＩＲＴＨ(k)−ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1) （２）

一方、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮは、下記式（３）で与えられる。式（３）のＶｃｙｌは気筒容積であり、ηｖは体積効率である。
ＧＡＩＲＣＹＬＮ＝Ｖｃｙｌ×ηｖ×ＰＢＡ／（Ｒ×ＴＡＫ） （３）

式（３）を用いると、吸気圧変化量ＤＰＢＡは、下記式（４）で与えられる。式（４）で与えられるＤＰＢＡ及び式（２）の関係を式（１）に適用することにより、下記式（５）が得られる。

したがって、遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮを下記式（６）で定義すると、式（５）は下記式（５ａ）で示され、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮは、スロットル弁通過空気流量ＧＡＲＩＴＨを入力とする一次遅れモデルの式を用いて算出することができる。
ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ＝Ｖｃｙｌ×ηｖ／Ｖｉｎ （６）
ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)＝
（１−ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)
＋ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ×ＧＡＩＲＴＨ(k) （５ａ）

図３は、スロットル弁３を急激に開弁したときのスロットル弁通過空気流量ＧＡＩＲＴＨ（破線）、及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ（実線）の推移を示す図であり、式（５ａ）により近似できることが確認される。

式（６）により遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮを算出するためには、体積効率ηｖを算出することが必要である。体積効率ηｖは、エンジン運転状態（エンジン回転数ＮＥ，吸気圧ＰＢＡ）、吸気弁の作動位相、排気還流率などに依存して変化するものであり、上記特許文献２に示される手法で算出すると、エンジン特性の経時変化に対応できない、あるいは演算処理が複雑化するという問題がある。

そこで本実施形態では、下記式（７）により、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)の算出に用いる体積効率ηｖを算出するようにしている。
ηｖ＝ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k) （７）
式（７）のＧＡＩＲＳＴＤ(k)は下記式（８）により算出される理論気筒吸入空気量である。
ＧＡＩＲＳＴＤ(k)＝ＰＢＡ(k)×Ｖｃｙｌ／（Ｒ×ＴＡＫ） （８）

式（７）を用いることにより、マップやテーブルを用いることなく体積効率ηｖを算出することが可能となり、常に更新されるのでエンジン特性の経時変化の影響を受けることなく最適な値を得ることできる。

図４は、上述した手法により気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを算出する気筒吸入空気量算出モジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は、実際にはＥＣＵ５のＣＰＵによる演算処理により実現される。

図４に示す気筒吸入空気量算出モジュールは、遅れ係数算出部５１と、変換部５２と、気筒吸入空気量算出部５３とを備えている。
遅れ係数算出部５１は、上記式（６）〜（８）を用いて遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮを算出する。変換部５２は、検出される吸入空気流量ＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］及びエンジン回転数ＮＥを下記式（９）に適用し、１ＴＤＣ期間当たりの吸入空気量であるスロットル弁通過空気流量ＧＡＩＲＴＨ［ｇ／ＴＤＣ］を算出する。式（９）のＫＣＶは変換係数である。
ＧＡＩＲＴＨ＝ＧＡＩＲ×ＫＣＶ／ＮＥ （９）

気筒吸入空気量算出部５３は、上記式（５ａ）を用いて気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを算出する。

式（５ａ）は漸化式であり、また体積効率ηｖを算出する式（７）も、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの前回値を用いるため、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの初期値ＧＡＩＲＣＹＬＮＩＮＩの設定が必要である。本実施形態では、初期値ＧＡＩＲＣＹＬＮＩＮＩは、下記式（１０）により、理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤに設定される。よって体積効率ηｖの初期値は「１」となる（式（７））。
ＧＡＩＲＣＹＬＮＩＮＩ＝ＧＡＩＲＳＴＤ
＝ＰＢＡ×Ｖｃｙｌ／（Ｒ×ＴＡＫ） （１０）

以上のように本実施形態では、吸気圧ＰＢＡ、吸気温ＴＡ、及び気筒容積Ｖｃｙｌに基づいて理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤが算出され、気筒吸入空気量の前回算出値ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)を理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤで除算することにより体積効率ηｖが算出され、体積効率ηｖ、スロットル弁通過空気流量ＧＡＩＲＴＨ、及び気筒吸入空気量の前回算出値ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)を用いて、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)が算出される。したがって、マップやテーブルを用いることなく気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを算出することができ、また体積効率ηｖが式（７）を用いて更新されるので、エンジン特性の経時変化の影響を受けることなく常に正確な気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを得ることできる。

本実施形態では、吸入空気流量センサ１３が吸入空気流量取得手段に相当し、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９が、それぞれ吸気圧検出手段及び吸気温検出手段に相当する。またＥＣＵ５が、理論気筒吸入空気量算出手段、体積効率算出手段、及び気筒吸入空気量算出手段を構成する。

［第２の実施形態］
本実施形態は、図３に示す気筒吸入空気量算出モジュールに代えて、図５に示す気筒吸入空気量算出モジュールを用いるようにしたものである。以下に説明する点以外は、第１の実施形態と同一である。

図５の気筒吸入空気量算出モジュールは、図３のモジュールに吸入空気流量推定部５４を追加し、変換部５２及び気筒吸入空気量算出部５３をそれぞれ変換部５２ａ及び気筒吸入空気量算出部５３ａに変更したものである。

吸入空気流量推定部５４は、吸気温ＴＡ，吸気圧ＰＢＡ，スロットル弁開度ＴＨ，及び大気圧ＰＡに応じて、吸入空気流量ＧＡＩＲの推定値である推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを、下記式（１１）により算出する。式（１１）のＫＣは流量の単位を［ｇ／ｓｅｃ］とするための変換定数であり、ＫＴＨ（ＴＨ）はスロットル弁開度ＴＨに応じて算出される開口面積流量関数であり、Ψ（ＲＰ）は、スロットル弁３の上流側圧力である大気圧ＰＡと、下流側圧力である吸気圧ＰＢＡとの比率ＲＰ（＝ＰＢＡ／ＰＡ）に応じて算出される圧力比流量関数であり、Ｒは気体定数である。開口面積流量関数ＫＴＨ（ＴＨ）の値は、予め実験的に求められた図６（ａ）に示すＫＴＨテーブルを用いて算出される。また圧力比流量関数Ψは、下記式（１２）で与えられる。式（１２）の「κ」は空気の比熱比である。ただし、空気流速が音速を超えると、圧力比流量関数Ψは圧力比に拘わらず極大値をとるので、実際の演算処理では、圧力比流量関数Ψ（ＲＰ）の値も予め設定されたΨ（ＲＰ）テーブル（図６（ｂ））を用いて算出される。

変換部５２ａは、推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］及びエンジン回転数ＮＥを下記式（９ａ）に適用し、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ［ｇ／ＴＤＣ］を算出する。
ＨＧＡＩＲＴＨ＝ＨＧＡＩＲ×ＫＣＶ／ＮＥ （９ａ）

気筒吸入空気量算出部５３ａは、下記式（５ｂ）を用いて気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを算出する。
ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)＝
（１−ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)
＋ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ×ＨＧＡＩＲＴＨ(k) （５ｂ）

本実施形態では、スロットル弁開度ＴＨ及び吸気圧ＰＢＡに基づいて推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲが算出され、推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを用いて気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮが算出されるので、吸入空気流量センサ１３を設ける必要がなくなり、コストを低減できる。また過渡的な運転状態では、吸入空気量センサ１３を用いる場合に比べて検出の遅れの影響が小さく、正確な気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮが得られる。また吸入空気流量センサ１３を併用することにより、過渡的な運転状態での吸入空気流量センサ１３の検出遅れを補償することができる。その場合にはさらに、吸入空気流量センサ１３の故障検出を行うことができ、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮに適用する吸入空気流量ＧＡＩＲの信頼性を高めることができる。

さらにエンジンの定常的な運転状態において、吸入空気流量センサ１３により検出される吸入空気流量ＧＡＩＲＴＨと、推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲとの差を推定誤差ＤＧＡＩＲＥとして算出し、推定吸入空気流量算出部５４における演算に適用される開口面積流量関数ＫＴＨを、推定誤差ＤＧＡＲＩＥが「０」となるように修正するようにしてもよい。これにより、より正確な推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲが得られる。

本実施形態では、図５の吸入空気流量推定部５４が吸入空気流量取得手段に相当する。

［第３の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態において離散化時刻ｋにおける体積効率ηｖ、遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ、及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの演算を複数回実行することにより、エンジンの過渡運転状態においてより正確な気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを得られるようにしたものである。以下に説明する点以外は第１の実施形態と同一である。

図７は、本実施形態における気筒吸入空気量算出処理のフローチャートである。この処理は、ＴＤＣパルスの発生に同期して１行程毎に（４気筒エンジンであればクランク軸が１８０度回転する毎に）ＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１１では、前記式（８）により理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤ(k)を算出する。ステップＳ１２では、初期化フラグＦＩＮＩが「１」であるか否かを判別する。エンジンの始動直後は、初期化フラグＦＩＮＩは「０」であるので、ステップＳ１３に進み、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)を理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤ(k)に設定するとともに、体積効率ηｖ(k)を「１．０」に設定する。次いで初期化フラグＦＩＮＩを「１」に設定する（ステップＳ１４）。

初期化フラグＦＩＮＩが「１」であるときは、ステップＳ１３からステップＳＳ１５に進み、更新演算の実行回数を計数するインデクスパラメータｉを「０」に設定する。以下の説明ではインデクスパラメータｉを付したＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)、ηｖ(i)、及びＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)をそれぞれ更新気筒吸入空気量、更新体積効率、及び更新遅れ係数という。

ステップＳ１６では、更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)（ｉ＝０）を気筒吸入空気量の前回値ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)に設定するとともに、更新体積効率ηｖ(i)（ｉ＝０）を体積効率の前回値ηｖ(k-1)に設定する。

ステップＳ１７では、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Ｓ１８では下記式（７ａ）により、更新体積効率ηｖ(i)を算出する。
ηｖ(i)＝ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k) （７ａ）

ステップＳ１９では、下記式（６ａ）により、更新遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)を算出する。
ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)＝Ｖｃｙｌ×ηｖ(i)／Ｖｉｎ （６ａ）

ステップＳ２０では、下記式（５ｃ）により、更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)を算出する。
ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)＝
（１−ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)
＋ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)×ＧＡＩＲＴＨ(k) （５ｃ）

ステップＳ２１では、インデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達したか否かを判別する。本実施形態では、上限値ｉＭＡＸは例えばＣＰＵの処理能力（演算速度）に応じて２以上の値に設定される。最初はステップＳ２１の答は否定（ＮＯ）であるので、ステップＳ２２に進み、下記式（２１）により体積効率変化量Ｄηｖを算出する。
Ｄηｖ＝｜ηｖ(i)−ηｖ(i-1)｜ （２１）

ステップＳ２３では、体積効率変化量Ｄηｖが所定閾値ＤηｖＬより小さいか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときはステップＳ１７に戻り、ステップＳ１７〜Ｓ２０により、更新体積効率ηｖ(i)及び更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)の算出を再度実行する。

ステップＳ２１またはＳ２３の答が肯定（ＹＥＳ）となると、ステップＳ２４に進み、その時点の体積効率ηｖ(k)及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)を、それぞれその時点の更新体積効率ηｖ(i)及び更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)に設定する。

図８は、図７の処理を説明するためのタイムチャートであり、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮが増加する過渡状態における理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤ、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ、及び体積効率ηｖの推移が示されている。気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ及び体積効率ηｖの推移を示す破線は、第１の実施形態の算出手法に対応し、実線が本実施形態の算出手法に対応する。

時刻ｋにおける演算において、細い実線の矢印がｉ＝１の演算を示し、破線の矢印がｉ＝２の演算を示し、一点鎖線の矢印がｉ＝３の演算を示す。この例では、時刻ｋにおいてインデクスパラメータｉが「３」となるまで更新演算がおこなわれたことが示されており、時刻（ｋ＋１）、（ｋ＋２）においても同様に更新演算が行われ（図示省略）、時刻（ｋ＋２）において、定常状態に達した気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを得ることができる。このように更新演算を行うことにより、過渡的な運転状態においてより正確な体積効率ηｖ及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを得ることができる。

またインデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達する前でも、体積効率変化量Ｄηｖが所定閾値ＤηｖＬより小さくなったときは、更新演算を終了するようにしたので、更新演算を適切な時期に終了することができる。

本実施形態では、図７のステップＳ１１が理論気筒吸入空気量算出手段に相当し、ステップＳ１２〜Ｓ２４が体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段に相当する。

［変形例１］
図９は図７に示す処理の変形例を示すフローチャートである。図９の処理は、図７のステップＳ２２及びＳ２３をそれぞれステップＳ２２ａ及びＳ２３ａに変えたものである。ステップＳ２２ａでは、下記式（２２）により気筒吸入空気量変化量ＤＧＡＣＮを算出する。
ＤＧＡＣＮ＝｜ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)−ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)｜
（２２）

ステップＳ２３ａでは、気筒吸入空気量変化量ＤＧＡＣＮが所定閾値ＤＧＡＣＮＬより小さいか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間はステップＳ１７に戻り、肯定（ＹＥＳ）となるとステップＳ２４に進む。

この変形例では、インデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達する前でも、気筒吸入空気量変化量ＤＧＡＣＮが所定閾値ＤＧＡＣＮＬより小さくなったときは、更新演算が終了する。

［変形例２]
図７のステップＳ２２及びＳ２３を削除し、ステップＳ２１の答が否定（ＮＯ）であるときは直ちにステップＳ１７に戻るようにしてもよい。この変形例では、更新演算は常にインデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達するまで実行される。

［第４の実施形態］
本実施形態は、第２の実施形態に第３の実施形態と同様の更新演算を導入したものである。
図１０は本実施形態における気筒吸入空気量算出処理のフローチャートであり、図７の処理にステップＳ１１ａを追加するとともに、ステップＳ２０をステップＳ２０ａに変更したものである。

ステップＳ１１ａでは、第２の実施形態の吸入空気流量推定部５４及び変換部５２ａにおける演算処理を実行し、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨを算出する。

ステップＳ２０ａでは、下記式（５ｄ）により更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)を算出する。式（５ｄ）は式（５ｃ）のスロットル弁通過空気流量ＧＡＩＲＴＨを推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨに変えたものである。
ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)＝
（１−ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)
＋ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)×ＨＧＡＩＲＴＨ(k) （５ｄ）

本実施形態では、検出吸入空気流量ＧＡＩＲに代えて推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲが適用されるので、前述したように、エンジンの過渡的な運転状態では、吸入空気流量の検出遅れの影響が小さくなり、第３の実施形態に比べてより正確な気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮが得られる。

本実施形態においても、ステップＳ２２及びＳ２３を図９の処理と同様にステップＳ２２ａ及びＳ２３ａに変更してもよい。

本実施形態では、ステップＳ１１ａ，Ｓ１２〜Ｓ１９，Ｓ２０ａ，及びＳ２１〜Ｓ２４が体積効率算出手段及び気筒吸入空気量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式（８）を用いて理論気筒吸入気量ＧＡＩＲＳＴＤを算出するようにしたが、以下に説明する手法により算出するようにしてもよい。

図１１は、理論気筒吸入気量ＧＡＩＲＳＴＤを算出する他の手法を説明するための図であり、エンジン回転数ＮＥが一定の条件下における吸気圧ＰＢＡと、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬとの関係を示す。図１１のＰＡ０は、基準状態の大気圧（例えば１０１．３ｋＰａ（７６０ｍｍＨｇ））であり、ＧＡＩＲＷＯＴは吸気圧ＰＢＡが基準大気圧ＰＡ０に等しく且つ実際の吸入空気温度が基準温度ＴＡ０（例えば２５℃）であるときに実測された気筒吸入空気量である（以下「最大気筒吸入空気量」という）。最大気筒吸入空気量ＧＡＩＲＷＯＴは、吸入空気流量センサにより検出された吸入空気流量ＧＡＩＲを式（９）に適用することにより得られる。

吸気圧ＰＢＡが変化すると、理論気筒吸入空気量は図１１に示す理論線ＬＳＴＤ上を移動し、大気圧ＰＡが変化したときは最大気筒吸入空気量ＧＡＩＲＷＯＴが理論線ＬＳＴＤ上を移動するので、図１１に示す理論線ＬＳＴＤを大気圧ＰＡの変化に拘わらず使用することができる。したがって、エンジン回転数ＮＥに応じて最大気筒吸入空気量ＧＡＩＲＷＯＴを算出し、下記式（２１）に検出される吸気圧ＰＢＡとともに適用することにより、基準状態における理論気筒吸入空気量である基本理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤＢを算出することができる。
ＧＡＩＲＳＴＤＢ＝ＧＡＩＲＷＯＴ×ＰＢＡ／ＰＡ０ （２１）

さらに基本理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤＢを検出される吸気温ＴＡ及びエンジン冷却水温ＴＷに応じて補正することにより、理論気筒吸入気量ＧＡＩＲＳＴＤが得られる。実際の吸入空気温度は、エンジン温度（特に吸気ポート温度）の影響で吸気温センサ９により検出される吸気温ＴＡからずれるので、エンジン冷却水温ＴＷに応じた補正を行うことが望ましい。

図１２は、上述した手法により、理論気筒吸入気量ＧＡＩＲＳＴＤを算出する処理のフローチャートである。
ステップＳ３１では、エンジン回転数ＮＥに応じて図１３（ａ）に示すＧＡＩＲＷＯＴテーブルを検索し、最大気筒吸入空気量ＧＡＩＲＷＯＴを算出する。ステップＳ３２では、上記式（２１）により基本理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤＢを算出する。

ステップＳ３３では、検出される吸気温ＴＡに応じて図１３（ｂ）に示すＫＴＡＧＡＩＲテーブルを検索し、吸気温補正係数ＫＴＡＧＡＩＲを算出する。ＫＴＡＧＡＩＲテーブルは、吸気温ＴＡが高くなるほど吸気温補正係数ＫＴＡＧＡＩＲが減少するように設定されている。

ステップＳ３４では、検出されるエンジン冷却水温ＴＷに応じて図１３（ｃ）に示すＫＴＷＧＡＩＲテーブルを検索し、冷却水温補正係数ＫＴＷＧＡＩＲを算出する。ＫＴＷＧＡＩＲテーブルは、冷却水温ＴＷが高くなるほど冷却水温補正係数ＫＴＷＧＡＩＲが減少するように設定されている。

ステップＳ３５では、下記式（２２）により、理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤ(k)を算出する。
ＧＡＩＲＳＴＤ(k)＝
ＧＡＩＲＳＴＤＢ×ＫＴＡＧＡＩＲ×ＫＴＷＧＡＩＲ （２２）

図１２の処理によれば、前述した式（８）による演算に比べて演算量の増加を抑制しつつ、理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤの算出精度を向上させることができる。

また上述した実施形態では、大気圧センサ３３により検出した大気圧ＰＡを用いて推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを算出するようにしたが、公知の大気圧推定手法（例えば米国特許第６０１６４６０号公報参照）を用いて算出した推定大気圧ＨＰＡを用いて推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを算出するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、本発明をガソリン内燃エンジンに適用した例を示したが、本発明はディーゼル内燃エンジンにも適用可能である。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にも適用が可能である。

１ 内燃機関
１ａ 気筒
２ 吸気管
３ スロットル弁
５ 電子制御ユニット（理論気筒吸入空気量算出手段、体積効率算出手段、気筒吸入空気量算出手段）
８ 吸気圧センサ（吸気圧検出手段）
９ 吸気温センサ（吸気温検出手段）
１３ 吸入空気流量センサ（吸入空気流量取得手段）

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、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（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）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流量（ＧＡＩＲ，ＨＧＡＩＲ）を取得する吸入空気流量取得手段と、前記機関の吸気圧（ＰＢＡ）を検出する吸気圧検出手段と、前記機関に吸入される空気の温度である吸気温（ＴＡ）を検出する吸気温検出手段と、前記吸気圧（ＰＢＡ）及び吸気温（ＴＡ）に基づいて理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）を算出する理論気筒吸入空気量算出手段と、前記気筒吸入空気量の前回算出値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)）を前記理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）で除算することにより前記機関の体積効率（ηｖ）を算出する体積効率算出手段と、前記体積効率（ηｖ）、前記吸入空気流量（ＧＡＩＲ，ＨＧＡＩＲ）、及び前記気筒吸入空気量の前回算出値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)）を用いて、前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）を算出する気筒吸入空気量算出手段とを備え、前記体積効率算出手段は、前記気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前記前回算出値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)）として用いて、前記体積効率（ηｖ(i)）を１行程内で少なくとも１回更新し、前記気筒吸入空気量算出手段は、更新された体積効率（ηｖ(i)）を用いて前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)）を１行程内で少なくとも１回更新することを特徴とする。

この構成によれば、吸気圧及び吸気温に基づいて理論気筒吸入空気量が算出され、気筒吸入空気量の前回算出値を理論気筒吸入空気量で除算することにより体積効率が算出され、体積効率、吸入空気流量、及び気筒吸入空気量の前回算出値を用いて、気筒吸入空気量が算出される。したがって、マップやテーブルを用いることなく気筒吸入空気量を算出することができ、また体積効率が検出パラメータを用いて更新されるので、機関特性の経時変化の影響を受けることなく常に正確な気筒吸入空気量を得ることできる。また、気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前回算出値として用いて、体積効率が１行程内で少なくとも１回更新され、さらに更新された体積効率を用いて気筒吸入空気量が１行程内で少なくとも１回更新されるので、過渡的な機関運転状態においてより正確な（真の値に近い）体積効率及び気筒吸入空気量を得ることができる。

Claims (14)

1. 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流量を取得する吸入空気流量取得手段と、
   前記機関の吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
   前記機関に吸入される空気の温度である吸気温を検出する吸気温検出手段と、
   前記吸気圧及び吸気温に基づいて理論気筒吸入空気量を算出する理論気筒吸入空気量算出手段と、
   前記気筒吸入空気量の前回算出値を前記理論気筒吸入空気量で除算することにより前記機関の体積効率を算出する体積効率算出手段と、
   前記体積効率、前記吸入空気流量、及び前記気筒吸入空気量の前回算出値を用いて、前記気筒吸入空気量を算出する気筒吸入空気量算出手段とを備え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. 前記吸入空気流量取得手段は、吸入空気流量センサを用いて前記吸入空気流量を検出する請求項１の気筒吸入空気量算出装置。
3. 前記吸入空気流量取得手段は、前記機関のスロットル弁の開度及び前記吸気圧に基づいて前記吸入空気流量を推定する請求項１の気筒吸入空気量算出装置。
4. 前記体積効率算出手段は、前記気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前記前回算出値として用いて、前記体積効率を少なくとも１回更新し、
   前記気筒吸入空気量算出手段は、更新された体積効率を用いて前記気筒吸入空気量を少なくとも１回更新する請求項１から３の何れか１項の気筒吸入空気量算出装置。
5. 前記体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段は、それぞれ前記体積効率の更新及び前記気筒吸入空気量の更新を所定回数実行する請求項４の気筒吸入空気量算出装置。
6. 前記体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段は、それぞれ前記体積効率の更新及び前記気筒吸入空気量の更新を、前記体積効率の前回値と更新された値との差が第１所定量より小さくなるまで、または前記気筒吸入空気量の前回値と更新された値との差が第２所定量より小さくなるまで実行する請求項４の気筒吸入空気量算出装置。
7. 前記体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段は、前記機関の始動直後においては、前記気筒吸入空気量の前回算出値として、前記理論気筒吸入空気量を用いる請求項１から６の何れか１項の気筒吸入空気量算出装置。
8. 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方法において、
   ａ）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流量を取得し、
   ｂ）前記機関の吸気圧を検出し、
   ｃ）前記機関に吸入される空気の温度である吸気温を検出し、
   ｄ）前記吸気圧及び吸気温に基づいて理論気筒吸入空気量を算出し、
   ｅ）前記気筒吸入空気量の前回算出値を前記理論気筒吸入空気量で除算することにより前記機関の体積効率を算出し、
   ｆ）前記体積効率、前記吸入空気流量、及び前記気筒吸入空気量の前回算出値を用いて、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方法。
9. 前記ステップａ）では、吸入空気流量センサを用いて前記吸入空気流量が検出される請求項８の気筒吸入空気量算出方法。
10. 前記ステップａ）では、前記機関のスロットル弁の開度及び前記吸気圧に基づいて前記吸入空気流量が推定される請求項８の気筒吸入空気量算出方法。
11. 前記ステップｅ）は、前記ステップｆ）で算出された気筒吸入空気量を前記前回算出値として用いて、前記体積効率を少なくとも１回更新するステップを含み、
    前記ステップｆ）は、更新された体積効率を用いて前記気筒吸入空気量を少なくとも１回更新するステップを含む請求項８から１０の何れか１項の気筒吸入空気量算出方法。
12. 前記体積効率及び前記気筒吸入空気量はそれぞれ所定回数更新される請求項１１の気筒吸入空気量算出方法。
13. 前記体積効率及び前記気筒吸入空気量は、それぞれ前記体積効率の前回値と更新された値との差が第１所定量より小さくなるまで、または前記気筒吸入空気量の前回値と更新された値との差が第２所定量より小さくなるまで更新される請求項１１の気筒吸入空気量算出方法。
14. 前記機関の始動直後においては、前記気筒吸入空気量の前回算出値として、前記理論気筒吸入空気量が用いられる請求項８から１３の何れか１項の気筒吸入空気量算出方法。

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