(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁の閉弁タイミングである吸気閉弁タイミングが可変バルブタイミング機構によって変更されるとともに、吸気通路を流れる空気量がスロットル弁によって変更される内燃機関において、当該内燃機関の吸気通路を介して気筒内に吸入される空気量として吸入空気量を所定周期で算出する内燃機関の吸入空気量算出装置であって、
前記吸気閉弁タイミングを検出する吸気閉弁タイミング検出手段と、
当該検出された吸気閉弁タイミングに基づいて、前記気筒の実効容積を前記所定周期で算出する実効容積算出手段と、
前記内燃機関の前記吸気通路における空気の状態を表す物理的パラメータを用いて、前記スロットル弁を通過する空気量である通過空気量を算出する通過空気量算出手段と、
当該算出された通過空気量及び前記算出された実効容積を用いて、前記吸入空気量の基本値である基本吸入空気量を算出する基本吸入空気量算出手段と、
前記実効容積算出手段による前記実効容積の算出結果のうちの、今回の演算タイミングでの算出結果である今回値と、今回よりも１回前の演算タイミングでの算出結果である前回値とを用いて、補正値を算出する補正値算出手段と、
当該算出された補正値で前記算出された基本吸入空気量を補正することにより、前記吸入空気量を算出する吸入空気量算出手段と、
前記吸入空気量の理論値として理論吸入空気量を算出する理論吸入空気量算出手段と、
前記吸入空気量および前記理論吸入空気量を用いて、前記内燃機関の体積効率を前記所定周期で算出する体積効率算出手段と、
を備え、
前記補正値算出手段は、当該体積効率算出手段による前記体積効率の算出結果のうちの、今回の演算タイミングでの算出結果である今回値と、今回よりも１回前の演算タイミングでの算出結果である前回値とをさらに用いて、前記補正値を算出することを特徴とする内燃機関の吸入空気量算出装置。
【請求項２】
前記補正値算出手段は、前記実効容積の前記今回値と前記体積効率の前記今回値との積、及び前記実効容積の前記前回値と前記体積効率の前記前回値との積を用いて、前記補正値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吸入空気量算出装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、複数の前記吸気弁を前記気筒ごとに備え、
前記可変バルブタイミング機構は、当該複数の吸気弁の閉弁タイミングである複数の前記吸気閉弁タイミングを互いに異なるように変更可能に構成されており、
前記実効容積算出手段は、前記複数の吸気閉弁タイミングのうちの最も遅い値に応じて、前記実効容積を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の吸入空気量算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒内に吸入される空気量として吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の吸入空気量算出装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この吸入空気量算出装置は、内燃機関の気筒内に吸入される空気量として吸入空気量を算出するものであり、この内燃機関は、吸気弁および排気弁のバルブタイミングを変更する可変バルブタイミング機構を備えている。
【０００３】
この吸入空気量算出装置では、同文献の図２に示す算出処理によって、以下に述べるように、単位時間当たりの吸入空気量の今回値ｍout（ｔｐ１）が算出される。なお、以下の説明では、各算出値において、今回の算出タイミングにおける算出結果を「今回値」といい、前回の算出タイミングにおける算出結果を「前回値」という。まず、ステップ１２で、燃料噴射の開始タイミングから吸気弁の閉弁タイミングまでの時間の予測値である予測時間の今回値ｔｐ１と前回値ｔｐ０との偏差（ｔｐ１−ｔｐ０）に、演算周期ｔｉを加算することにより、時間差Δｔを算出する。
【０００４】
次に、ステップ１４で、予測空気質量の今回値Ｍ（ｔｐ１）を算出する。具体的には、予測空気質量の前回値Ｍ（ｔｐ０）に基づいて、吸気圧の前回値Ｐｍ（ｔｐ０）を算出し、この吸気圧の前回値Ｐｍ（ｔｐ０）およびスロットル弁開度の前回値ＴＡ（ｔｐ０）に基づいて、流入空気量の前回値ｍin（ｔｐ０）を算出するとともに、流出空気量の前回値ｍout（ｔｐ０）を、吸気圧の前回値Ｐｍ（ｔｐ０）、エンジン回転数の前回値ＮＥ（ｔｐ０）およびバルブタイミングの前回値ＶＴ（ｔｐ０）に基づいて算出する。そして、これらの値を同文献の式（２）に適用することにより、予測空気質量の今回値Ｍ（ｔｐ１）が算出される。
【０００５】
ステップ１４に続くステップ１６で、予測空気質量の今回値Ｍ（ｔｐ１）および気体の状態方程式に基づいて、吸気弁の閉弁タイミングにおける吸気圧の今回値Ｐｍ（ｔｐ１）を算出する。次に、ステップ１８で、吸気圧の今回値Ｐｍ（ｔｐ１）に基づいて、単位時間当たりの吸入空気量の今回値ｍout（ｔｐ１）が算出される。
【０００６】
また、他の吸入空気量算出装置として、本出願人は、特許文献２に記載されたものをすでに提案している。この吸入空気量算出装置では、スロットル弁を通過する空気量ＧＡＩＲＴＨを入力とし、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを出力とする１次遅れモデル（同文献の式（５））を用いて、吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮが算出される。また、このモデルのモデルパラメータは、体積効率の今回値ηｖと、気筒容積Ｖｃｙｌ（一定値）と、スロットル弁よりも下流側の吸気通路の容積Ｖｉｎ（一定値）とによって定義されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０２３０８４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０９５４７７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１の吸入空気量算出装置によれば、以下に述べるような問題が発生するおそれがある。すなわち、可変バルブタイミング機構の動作によって、吸気弁の閉弁タイミング（以下「吸気閉弁タイミング」という）が吸気行程の下死点よりも遅角側の領域で変更されている場合、気筒内の吸入空気の吹き戻し量が変化するのに伴って、気筒の実効容積や体積効率が変化してしまう。ここで、気筒の実効容積とは、吸気弁の閉弁時におけるピストン位置でのシリンダ容積（ピストン上面とシリンダボアで規定された容積）と、燃焼室容積（上死点におけるピストン上面とシリンダヘッドで規定された容積）との和を示している。この気筒の実効容積と吸気閉弁タイミングとの関係は、例えば後述する図７に示すような非線形な関係にあり、そのため、吸気閉弁タイミングの変化量（すなわち時間差）が同じであっても、気筒の実効容積の変化量が異なる場合がある。例えば、吸気閉弁タイミングの今回値と前回値がピストンの下死点の前後のタイミングである場合と、吸気閉弁タイミングの今回値と前回値がいずれもピストンの下死点以降のタイミングである場合とでは、吸気閉弁タイミングの変化量が同じであっても実効容積の変化量は異なることになる。以上の理由により、時間差Δｔを用いる特許文献１の算出手法では、前回の算出タイミングと今回の算出タイミングとの間における、気筒の実効容積などの変化を適切に反映させることができず、吸入空気量の算出精度が低下するおそれがある。
【０００９】
また、特許文献２の吸入空気量の算出手法を、吸気閉弁タイミングを変更する可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関に適用した場合、以下に述べるような問題が発生するおそれがある。すなわち、可変バルブタイミング機構の動作によって、吸気閉弁タイミングが吸気行程の下死点よりも遅角側の領域で変更されている場合、上述したように、気筒内の吸入空気の吹き戻し量が変化するのに伴って、気筒の実効容積や体積効率などが変化してしまう。その場合、特許文献２の算出手法では、１次遅れモデルのモデルパラメータが体積効率ηｖの今回値と、２つの一定値Ｖｃｙｌ，Ｖｉｎによって定義されているので、過渡状態での実効容積や体積効率の変化に対応することができず、吸入空気量の算出精度が低下するおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、吸気弁の閉弁タイミングが吸気行程の下死点よりも遅角側の領域で変更される場合において、吸入空気量の算出精度を向上させることができる内燃機関の吸入空気量算出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、吸気弁４の閉弁タイミングである吸気閉弁タイミングＩＶＣ，ＩＶＣ１，ＩＶＣ２が可変バルブタイミング機構（可変動弁機構１１，可変カム位相機構１２）によって変更されるとともに、吸気通路１３を流れる空気量がスロットル弁１４ａによって変更される内燃機関３において、内燃機関３の吸気通路１３を介して気筒３ａ内に吸入される空気量として吸入空気量Ｇｃｙｌを所定周期ΔＴで算出する内燃機関３の吸入空気量算出装置１であって、吸気閉弁タイミングＩＶＣ，ＩＶＣ１，ＩＶＣ２を検出する吸気閉弁タイミング検出手段（ＥＣＵ２、クランク角センサ２０、カム角センサ２５、ステップ６，７）と、検出された吸気閉弁タイミングＩＶＣ，ＩＶＣ１，ＩＶＣ２に基づいて、気筒３ａの実効容積Ｖｃｙｌを所定周期ΔＴで算出する実効容積算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１１）と、内燃機関３の吸気通路１３における空気の状態を表す物理的パラメータ（吸気温ＴＡ、吸気圧ＰＢＡ、スロットル弁開度ＴＨ、大気圧ＰＡ）を用いて、スロットル弁１４ａを通過する空気量である通過空気量Ｇｔｈを算出する通過空気量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ３）と、算出された通過空気量Ｇｔｈ及び算出された実効容積Ｖｃｙｌを用いて、吸入空気量Ｇｃｙｌの基本値である基本吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｂｓを算出する基本吸入空気量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１２）と、実効容積算出手段による実効容積Ｖｃｙｌの算出結果のうちの、今回の演算タイミングでの算出結果である今回値Ｖｃｙｌ（ｋ）と、今回よりも１回前の演算タイミングでの算出結果である前回値Ｖｃｙｌ（ｋ−１）とを用いて、補正値（補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌ）を算出する補正値算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１３）と、算出された補正値（補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌ）で算出された基本吸入空気量Ｇｃｙｌを補正することにより、吸入空気量Ｇｃｙｌを算出する吸入空気量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１４）と、吸入空気量の理論値として理論吸入空気量Ｇｓｔｄを算出する理論吸入空気量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ４）と、吸入空気量Ｇｃｙｌおよび理論吸入空気量Ｇｓｔｄを用いて、内燃機関３の体積効率ηｖを所定周期ΔＴで算出する体積効率算出手段（ＥＣＵ２、ステップ５）と、を備え、補正値算出手段は、体積効率算出手段による体積効率ηｖの算出結果のうちの、今回の演算タイミングでの算出結果である今回値ηｖ（ｋ）と、今回よりも１回前の演算タイミングでの算出結果である前回値ηｖ（ｋ−１）とをさらに用いて、補正値（補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌ）を算出することを特徴とする。
【００１２】
この内燃機関の吸入空気量算出装置によれば、内燃機関の吸気通路における空気の状態を表す物理的パラメータを用いて、スロットル弁を通過する空気量である通過空気量が算出され、検出された吸気閉弁タイミングに基づいて、気筒の実効容積が所定周期で算出され、算出された通過空気量及び算出された実効容積を用いて、吸入空気量の基本値である基本吸入空気量が算出される。さらに、実効容積の算出結果のうちの、今回の演算タイミングでの算出結果である今回値と、今回よりも１回前の演算タイミングでの算出結果である前回値とを用いて、補正値が算出され、補正値で基本吸入空気量を補正することにより、吸入空気量が算出される。このように、実効容積の今回値と前回値とを用いて算出した補正値で基本吸入空気量を補正することによって、吸入空気量が算出されるので、吸気閉弁タイミングが変化し、気筒内の吸入空気の吹き戻し量が変化したときでも、それに伴う実効容積の変化を反映させながら、吸入空気量を算出することができる。その結果、吸入空気量の算出精度を向上させることができる（なお、本明細書における「吸気閉弁タイミングの検出」は、吸気閉弁タイミングをセンサにより直接的に検出することに限らず、他のパラメータに応じて、吸気閉弁タイミングを算出または推定することも含む）。これに加えて、吸入空気量の理論値として理論吸入空気量が算出され、吸入空気量および理論吸入空気量を用いて、内燃機関の体積効率が所定周期で算出されるとともに、体積効率の算出結果のうちの、今回の演算タイミングでの算出結果である今回値と、今回よりも１回前の演算タイミングでの算出結果である前回値とをさらに用いて、補正値が算出されるので、吸気閉弁タイミングが変化し、気筒内の吸入空気の吹き戻し量が変化したときでも、それに伴う体積効率の変化を反映させながら、吸入空気量を算出することができる。その結果、吸入空気量の算出精度をさらに向上させることができる。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の吸入空気量算出装置１において、補正値算出手段は、実効容積の今回値Ｖｃｙｌ（ｋ）と体積効率の今回値ηｖ（ｋ）との積、及び実効容積の前回値Ｖｃｙｌ（ｋ−１）と体積効率の前回値ηｖ（ｋ−１）との積を用いて、補正値（補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌ）を算出することを特徴とする。
【００１４】
この内燃機関の吸入空気量算出装置によれば、実効容積の今回値と体積効率の今回値との積、及び実効容積の前回値と体積効率の前回値との積を用いて、補正値が算出される。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３の吸入空気量算出装置１において、内燃機関３は、複数の吸気弁４を気筒３ａごとに備え、可変バルブタイミング機構は、複数の吸気弁４の閉弁タイミングである複数の吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２を互いに異なるように変更可能に構成されており、実効容積算出手段は、複数の吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２のうちの最も遅い値に応じて、実効容積Ｖｃｙｌを算出することを特徴とする。
【００１６】
複数の吸気弁を気筒ごとに備えた内燃機関において、可変バルブタイミング機構によって、複数の吸気弁の閉弁タイミングである複数の吸気閉弁タイミングが互いに異なるように変更される場合、これらの吸気閉弁タイミングが吸気行程の下死点よりも遅角側のタイミングであるときには、気筒の実効容積は、複数の吸気閉弁タイミングのうちの最も遅い値に応じて決まることになる。したがって、この内燃機関の吸入空気量算出装置によれば、複数の吸気閉弁タイミングのうちの最も遅い値に応じて、実効容積が算出されるので、吸気閉弁タイミングが吸気行程の下死点よりも遅角側のタイミングであるときでも、実効容積を精度よく算出することができる。それにより、吸入空気量の算出精度をより一層、向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る吸入空気量算出装置およびこれを適用した内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図２】通常吸気弁のバルブリフト曲線と、高リフトモードおよび低リフトモードにおける可変吸気弁のバルブリフト曲線を表す図である。
【図３】可変カム位相機構の動作を説明するための、通常吸気弁のバルブリフト曲線と、高リフトモードにおける可変吸気弁のバルブリフト曲線を表す図である。
【図４】吸入空気量の算出手法およびその原理を説明するための模式図である。
【図５】開度関数ＫＴＨの算出に用いるマップの一例を示す図である。
【図６】流量関数Ψの算出に用いるマップの一例を示す図である。
【図７】実効容積Ｖｃｙｌの算出に用いるマップの一例を示す図である。
【図８】吸入空気量Ｇｃｙｌの算出処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の吸入空気量算出装置について説明する。図１に示すように、本実施形態の吸入空気量算出装置１は、ＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２によって、後述するように、内燃機関（以下「エンジン」という）３の気筒３ａ内に吸入される空気量が吸入空気量Ｇｃｙｌとして算出される。
【００１９】
エンジン３は、４組の気筒３ａおよびピストン３ｂ（１組のみ図示）を有する直列４気筒ガソリンエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。また、エンジン３は、気筒３ａ毎に設けられた２つの吸気弁４，４（１つのみ図示）と、気筒３ａ毎に設けられた２つの排気弁５，５（１つのみ図示）と、２つの吸気弁４，４を開閉駆動する吸気動弁機構１０などを備えている。
【００２０】
吸気動弁機構１０は、吸気弁４，４の一方（以下「通常吸気弁４」という）を駆動する通常動弁機構（図示せず）と、吸気弁４，４の他方（以下「可変吸気弁４」という）を駆動する可変動弁機構１１と、可変カム位相機構１２などで構成されている。通常動弁機構は、吸気カムおよび吸気カムシャフト（いずれも図示せず）などで構成されており、クランクシャフト３ｃの回転に伴って、通常吸気弁４を開閉駆動する。それにより、通常吸気弁４は、図２に実線で示すバルブリフト曲線に従って開閉する。
【００２１】
また、可変動弁機構１１（可変バルブタイミング機構）は、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、可変吸気弁４を開閉駆動するとともに、油圧で駆動されることによって、可変吸気弁４の開弁時の動作特性を以下に述べるように２段階に切り換えるものである。この可変動弁機構１１は、具体的には、本出願人が特開平７−９７９７１号公報などで既に提案したものと同様に構成されているので、その詳細な説明はここでは省略するが、吸気カム、吸気カムシャフトおよび動作モード制御弁１１ａなどを備えている。
【００２２】
この動作モード制御弁１１ａは、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２からの制御入力信号によって、可変動弁機構１１内に供給される油圧を変化させる。それにより、エンジン運転中、可変動弁機構１１の動作モードが、高リフトモードと低リフトモードとの間で切り換えられる。その場合、高リフトモードのときには、可変吸気弁４は、図２に実線で示すバルブリフト曲線に従って開閉する。すなわち、高リフトモードのときには、可変吸気弁４は、通常吸気弁４と比べて、最大揚程がより大きくなるとともに、開弁タイミングがほぼ同じでかつ閉弁タイミングがより遅くなるように開閉する。
【００２３】
さらに、低リフトモードのときには、可変吸気弁４は、図２に２点鎖線で示すバルブリフト曲線に従って、微小な最大揚程で開弁するとともに、閉弁タイミングが吸気行程の下死点（以下「吸気下死点」という）のクランク角度位置付近の、通常吸気弁４よりも早いタイミングとなる。
【００２４】
次に、前述した可変カム位相機構１２（可変バルブタイミング機構）について説明する。この可変カム位相機構１２は、吸気カムシャフトのクランクシャフト３ｃに対する相対的な位相（以下「カム位相」という）を無段階に（すなわち連続的に）進角側または遅角側に変更するものであり、吸気カムシャフトの吸気スプロケット（図示せず）側の端部に設けられている。
【００２５】
この可変カム位相機構１２は、具体的には、本出願人が特開２００７−１００５２２号公報などで提案済みのものと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略するが、カム位相制御弁１２ａなどを備えており、ＥＣＵ２からの制御入力信号によりカム位相制御弁１２ａが駆動されると、カム位相ＣＡＩＮを、所定の最遅角値と所定の最進角値との間で連続的に変化させる。それにより、通常吸気弁４および高リフトモードの可変吸気弁４のバルブタイミングは、図３に実線で示す最遅角タイミングと、図３に２点鎖線で示す最進角タイミングとの間で無段階に変更される。
【００２６】
同図に示すように、通常吸気弁４および高リフトモードの可変吸気弁４は、最遅角タイミングおよび最進角タイミングの双方において、吸気下死点よりも遅い所定クランク角で閉弁する。より具体的には、両者の閉弁タイミングは、内燃機関の燃焼サイクル中の膨張比が圧縮比に等しくなるタイミング（すなわちオットーサイクル運転での閉弁タイミング）よりも遅いタイミング（以下「遅閉じタイミング」という）になるように設定されており、それにより、エンジン３は、膨張比が圧縮比よりも高くなる高膨張比サイクル（すなわちアトキンソンサイクル）で運転される。
【００２７】
なお、以下の説明では、通常吸気弁４の実際の閉弁タイミングを「通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１」といい、可変吸気弁４の実際の閉弁タイミングを「可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２」という。この場合、上述したように、可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２は、低リフトモードのときには通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１よりも早く、高リフトモードのときには通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１よりも遅くなるように構成されているので、２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２のうちの遅い方は、必ず高膨張比サイクルを実現可能な遅閉じタイミングに設定されることになる。
【００２８】
さらに、本実施形態の場合、２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２は、吸気下死点のクランク角度位置を値０として、吸気下死点よりも遅角側であるほど、より大きい正値で表されるとともに、吸気下死点よりも進角側であるほど、より絶対値の大きい負値で表されるものとする。
【００２９】
また、エンジン３には、点火プラグ６、燃料噴射弁７およびクランク角センサ２０が設けられており、これらの点火プラグ６および燃料噴射弁７はいずれも、気筒３ａ毎に設けられている（いずれも１つのみ図示）。燃料噴射弁７は、各気筒３ａの吸気ポート内に燃料を噴射するようにインテークマニホールドに取り付けられている。点火プラグ６および燃料噴射弁７はいずれも、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２によって、燃料噴射弁７による燃料の噴射量および噴射時期と、点火プラグ６による混合気の点火時期とが制御される。すなわち、燃料噴射制御と点火時期制御が実行される。
【００３０】
さらに、クランク角センサ２０（吸気閉弁タイミング検出手段）は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば１゜）毎に１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒３ａのピストン３ｂが吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、所定クランク角毎に１パルスが出力される。
【００３１】
一方、エンジン３の吸気通路１３には、上流側から順に、吸気温センサ２１、スロットル弁機構１４および吸気圧センサ２２などが設けられている。この吸気温センサ２１は、吸気通路１３内の空気の温度（以下「吸気温」という）ＴＡを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気温ＴＡ（物理的パラメータ）は、絶対温度として検出される。
【００３２】
スロットル弁機構１４は、スロットル弁１４ａおよびこれを開閉駆動するＴＨアクチュエータ１４ｂなどを備えている。スロットル弁１４ａは、吸気通路１３の途中に回動自在に設けられており、当該回動に伴う開度の変化により、スロットル弁１４ａを通過する空気の流量を変化させる。ＴＨアクチュエータ１４ｂは、ＥＣＵ２に接続された電気モータにギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２からの制御入力信号によって制御されることにより、スロットル弁１４ａの開度を変化させる。
【００３３】
また、スロットル弁１４ａの近傍には、スロットル弁開度センサ２３が設けられている。このスロットル弁開度センサ２３は、例えばポテンショメータなどで構成され、スロットル弁１４ａの開度（以下「スロットル弁開度」という）ＴＨを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。なお、本実施形態では、スロットル弁開度ＴＨが物理的パラメータに相当する。
【００３４】
さらに、吸気圧センサ２２は、例えば半導体圧力センサなどで構成され、吸気通路１３の吸気チャンバ１３ａの部分に設けられているとともに、吸気通路１３内の圧力（以下「吸気圧」という）ＰＢＡを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気圧ＰＢＡ（物理的パラメータ）は、絶対圧として検出される。
【００３５】
一方、ＥＣＵ２には、大気圧センサ２４およびカム角センサ２５が電気的に接続されている。この大気圧センサ２４は、半導体圧力センサで構成されており、大気圧ＰＡを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この大気圧ＰＡ（物理的パラメータ）は、絶対圧として検出される。
【００３６】
また、カム角センサ２５（吸気閉弁タイミング検出手段）は、吸気カムシャフトの可変カム位相機構１２と反対側の端部に設けられている。このカム角センサ２５は、例えばマグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、吸気カムシャフトの回転に伴い、パルス信号であるＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）毎にＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このＣＡＭ信号および前述したＣＲＫ信号に基づき、カム位相ＣＡＩＮを算出する。
【００３７】
一方、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、以上の各種のセンサ２０〜２５の検出信号などに基づいて、エンジン３の運転状態を判別するとともに、以下に述べるように、吸入空気量算出処理などの各種の制御処理を実行する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、吸気閉弁タイミング検出手段、通過空気量算出手段、基本吸入空気量算出手段、実効容積算出手段、補正値算出手段、吸入空気量算出手段、理論吸入空気量算
出手段および体積効率算出手段に相当する。
【００３８】
次に、図４を参照しながら、本実施形態の吸入空気量算出装置１による吸入空気量Ｇｃｙｌの算出手法およびその原理について説明する。まず、スロットル弁１４ａを通過する空気を圧縮性流体かつ断熱流であると見なすとともに、スロットル弁１３ａをノズルと見なすモデリング手法（本出願人が特願２０１０−１４００号で提案済みの手法）を用いると、スロットル弁１４ａを通過する通過空気量Ｇｔｈの算出式として、下式（１）が得られる。
【数１】
0005893272.tif 000002
【００３９】
この式（１）において、ＫＴＨは開度関数を、Ψは流量関数を、Ｒは気体定数をそれぞれ表している。この開度関数ＫＴＨは、後述するように、スロットル弁開度ＴＨに応じて、図５に示すマップを検索することにより算出される。また、流量関数Ψは、後述するように、圧力比Ｒ＿Ｐ（＝ＰＢＡ／ＰＡ）に応じて、図６に示すマップを検索することにより算出される。
【００４０】
上式（１）を離散時間系の数式に書き換えると、下式（２）が得られる。
【数２】
0005893272.tif 000003
【００４１】
この式（２）における記号（ｋ）付きの各離散データは、ＴＤＣ信号の発生に同期する所定周期ΔＴで算出（またはサンプリング）されたデータであることを示しており、記号ｋ（ｋは正の整数）は各離散データの算出サイクルの順番を表している。例えば、記号ｋは今回の算出タイミングで算出された今回値であることを、記号ｋ−１は前回の算出タイミングで算出された前回値であることをそれぞれ示している。この点は、以下の離散データにおいても同様である。なお、以下の説明では、各離散データにおける記号（ｋ）を適宜省略する。
【００４２】
次に、各気筒３ａにおける吸入空気量Ｇｃｙｌは、筒内容積をＶｃｙｌ’とした場合、気体の状態方程式に基づき、下式（３）で表される。
【数３】
0005893272.tif 000004
【００４３】
ここで、本実施形態のエンジン３の場合、前述したように、通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１および可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２のうちの遅い方は、高膨張比サイクルを実現可能な遅閉じタイミングに設定されるとともに、これらの２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２は、可変カム位相機構１２によって、最遅角タイミングと最進角タイミングとの間で変更される。そのため、２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２が変化すると、気筒３ａ内の吸入空気の吹き戻し量が変化するのに伴って、気筒３ａの実効容積や体積効率などが変化してしまう。
【００４４】
したがって、本実施形態では、このような気筒３ａの実効容積や体積効率の変化を反映させながら、吸入空気量Ｇｃｙｌを算出するために、補正後筒内容積Ｖｃｙｌ＿Ｆを下式（４）のように定義するとともに、吸入空気量Ｇｃｙｌを下式（５）のように定義する。この式（５）は、前述した式（３）において、筒内容積Ｖｃｙｌ’を補正後筒内容積Ｖｃｙｌ＿Ｆに置き換えたものに相当する。
【００４５】
【数４】
0005893272.tif 000005
【数５】
0005893272.tif 000006
【００４６】
上式（４）のＶｃｙｌは気筒３ａの実効容積であり、ηｖは気筒３ａの体積効率である。この実効容積Ｖｃｙｌは、後述するように、２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２のうちのより遅い方に応じて、図７に示すマップを検索することにより算出される。また、体積効率ηｖの具体的な算出手法については後述する。
【００４７】
上式（５）において、吸気温ＴＡを定数と見なし、両辺を微分すると、下式（６）が得られる。
【数６】
0005893272.tif 000007
【００４８】
一方、吸気通路１３における、スロットル弁１４ａから吸気弁４までの空間の容積を通路容積Ｖｉｎとし、この空間内の空気量を通路空気量Ｇｉｎとすると、気体の状態方程式に基づき、下式（７）が得られる。
【数７】
0005893272.tif 000008
【００４９】
上式（７）において、吸気温ＴＡを定数と見なし、両辺を微分すると、下式（８）が得られる。
【数８】
0005893272.tif 000009
【００５０】
この式（８）を書き換えると、下式（９）が得られる。
【数９】
0005893272.tif 000010
【００５１】
この式（９）を前述した式（６）に代入すると、下式（１０）が得られる。
【数１０】
0005893272.tif 000011
【００５２】
ここで、吸入空気量Ｇｃｙｌの変化量ＤＧｃｙｌ、補正後筒内容積Ｖｃｙｌ＿Ｆの変化量ＤＶｃｙｌ＿Ｆおよび通路空気量Ｇｉｎの変化量ＤＧｉｎをそれぞれ、下式（１１）〜（１３）のように定義するとともに、前述した式（４）を下式（１４）に示す離散時間系のものに書き換える。
【数１１】
0005893272.tif 000012
【数１２】
0005893272.tif 000013
【数１３】
0005893272.tif 000014
【数１４】
0005893272.tif 000015
【００５３】
そして、以上の値ＤＧｃｙｌ（ｋ），ＤＶｃｙｌ＿Ｆ（ｋ），ＤＧｉｎ（ｋ）,Ｖｃｙｌ＿Ｆ（ｋ）を用いて、前述した連続時間系の式（１０）を離散時間系の式に書き換えると、下式（１５）が得られる。
【数１５】
0005893272.tif 000016
【００５４】
この式（１５）に、上式（１１）〜（１３）を代入すると、下式（１６）が得られる。
【数１６】
0005893272.tif 000017
【００５５】
この式（１６）を整理すると、下式（１７）が得られる。
【数１７】
0005893272.tif 000018
【００５６】
この式（１７）に前述した式（１４）を代入すると、下式（１８）が得られる。
【数１８】
0005893272.tif 000019
【００５７】
ここで、基本吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｂｓを下式（１９）のように定義し、補正値としての補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌを下式（２０）のように定義するとともに、これらの式（１９），（２０）を上式（１８）に代入すると、下式（２１）が得られる。
【００５８】
【数１９】
0005893272.tif 000020
【数２０】
0005893272.tif 000021
【数２１】
0005893272.tif 000022
【００５９】
本実施形態では、以上の式（１９）〜（２１）を用いて、吸入空気量Ｇｃｙｌが算出される。また、前述した体積効率ηｖは、下式（２２），（２３）によって算出される。
【数２２】
0005893272.tif 000023
【数２３】
0005893272.tif 000024
【００６０】
ここで、上式（２２）のＧｓｔｄは、吸入空気量Ｇｃｙｌの理論値に相当する理論吸入空気量であり、式（２２）は気体の状態方程式に基づいて導出される。
【００６１】
次に、図８を参照しながら、吸入空気量Ｇｃｙｌの算出処理について説明する。この算出処理は、前述した算出手法を用いて、吸入空気量Ｇｃｙｌを算出するものであり、ＥＣＵ２によって前述した所定周期ΔＴで実行される。同図に示すように、まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同じ）で、スロットル弁開度ＴＨに応じて、前述した図５のマップを検索することにより、開度関数ＫＴＨを算出する。
【００６２】
次いで、ステップ２に進み、圧力比Ｒ＿Ｐ（＝ＰＢＡ／ＰＡ）に応じて、前述した図６のマップを検索することにより、流量関数Ψを算出する。次に、ステップ３で、前述した式（２）により、通過空気量Ｇｔｈを算出する。
【００６３】
ステップ３に続くステップ４で、前述した式（２２）により、理論吸入空気量Ｇｓｔｄを算出する。次いで、ステップ５に進み、前述した式（２３）により、体積効率ηｖを算出する。
【００６４】
次に、ステップ６で、カム位相ＣＡＩＮに応じて、図示しないマップを検索することにより、通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１を算出する。ステップ６に続くステップ７で、カム位相ＣＡＩＮおよび可変動弁機構１１の動作モードに応じて、図示しないマップを検索することにより、可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２を算出する。
【００６５】
次いで、ステップ８に進み、通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１が可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２よりも大きいか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１の方が可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２よりも遅いときには、ステップ９に進み、吸気閉弁タイミングＩＶＣを通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１に設定する。
【００６６】
一方、ステップ８の判別結果がＮＯで、可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２の方が通常吸気閉弁タイミングＩＶＣ１よりも遅いときには、ステップ１０に進み、吸気閉弁タイミングＩＶＣを可変吸気閉弁タイミングＩＶＣ２に設定する。
【００６７】
以上のステップ９または１０に続くステップ１１で、吸気閉弁タイミングＩＶＣに応じて、前述した図７のマップを検索することにより、実効容積Ｖｃｙｌを算出する。同図に示すように、このマップでは、吸気閉弁タイミングＩＶＣが大きいほど、すなわちより遅いタイミングであるほど、実効容積Ｖｃｙｌがより小さい値に設定されている。これは、吸気閉弁タイミングＩＶＣが遅いほど、気筒３ａ内から吸気通路１３側に吹き戻される空気量が増大することによる。
【００６８】
次いで、ステップ１２に進み、前述した式（１９）により、基本吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｂｓを算出する。次に、ステップ１３で、前述した式（２０）により、補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌを算出する。
【００６９】
ステップ１３に続くステップ１４で、前述した式（２１）により、吸入空気量Ｇｃｙｌを算出した後、本処理を終了する。
【００７０】
本実施形態の場合、以上の図８の算出処理によって、吸入空気量Ｇｃｙｌが算出されるとともに、その算出結果は、ＥＣＵ２による燃料噴射制御処理や点火時期制御処理などの各種の制御処理に用いられる。
【００７１】
以上のように、本実施形態の吸入空気量算出装置１によれば、式（１９）により、基本吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｂｓが算出され、式（２０）により、補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌが算出されるとともに、式（２１）に示すように、補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌで基本吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｂｓを補正することにより、吸入空気量Ｇｃｙｌが算出される。この場合、補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌは、式（１９）に示すように、実効容積の今回値Ｖｃｙｌ（ｋ）および前回値Ｖｃｙｌ（ｋ−１）と、体積効率の今回値ηｖ（ｋ）および前回値ηｖ（ｋ−１）とを用いて算出される。したがって、そのような補正項Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌで基本吸入空気量Ｇｃｙｌ＿ｂｓを補正することにより、吸入空気量が算出されるので、吸気閉弁タイミングＩＶＣが変化し、気筒内の吸入空気の吹き戻し量が変化したときでも、従来と異なり、それに伴う実効容積および体積効率の変化を反映させながら、吸入空気量を精度よく算出することができる。
【００７２】
さらに、前述したように、２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２のうちの遅い方は、必ず高膨張比サイクルを実現可能な遅閉じタイミングに設定されるので、実効容積Ｖｃｙｌは、２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２のうちの遅い方に応じて決まることになる。したがって、そのような２つの吸気閉弁タイミングＩＶＣ１，ＩＶＣ２のうちの遅い方を用いて、実効容積Ｖｃｙｌが算出されるので、その算出精度を向上させることができる。
【００７３】
なお、実施形態は、可変バルブタイミング機構として、可変動弁機構１１および可変カム位相機構１２を用いた例であるが、本発明の可変バルブタイミング機構はこれに限らず、複数の吸気弁の閉弁タイミングを互いに異なるように変更可能なものであればよい。例えば、可変バルブタイミング機構として、複数の吸気弁の最大揚程および閉弁タイミングの双方を同時に無段階に変更するものを用いてもよい。
【００７４】
また、実施形態は、本発明の吸入空気量算出装置を車両用の車両用のガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明の吸入空気量算出装置が適用される内燃機関はこれに限らず、吸気弁の閉弁タイミングが可変バルブタイミング機構によって変更される内燃機関であればよい。例えば、本発明の吸入空気量算出装置を、船舶用の内燃機関や、バイオエタノールまたはこれとガソリンの混合燃料などを燃料とする内燃機関に適用してもよい。
【００７５】
さらに、実施形態は、物理的パラメータとして、吸気温ＴＡ、吸気圧ＰＢＡ、スロットル弁開度ＴＨおよび大気圧ＰＡを用いた例であるが、本発明の物理的パラメータはこれに限らず、内燃機関の吸気通路における空気の状態を表すものであればよい。例えば、物理的パラメータとして、過給圧などを用いてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１  吸入空気量算出装置
２  ＥＣＵ（吸気閉弁タイミング検出手段、通過空気量算出手段、基本吸入空気量算        出手段、実効容積算出手段、補正値算出手段、吸入空気量算出手段、理論吸入空        気量算出手段、体積効率算出手段）
３  内燃機関
３ａ  気筒
４  吸気弁
１１  可変動弁機構（可変バルブタイミング機構）
１２  可変カム位相機構（可変バルブタイミング機構）
１３  吸気通路
１４ａ スロットル弁
２０  クランク角センサ（吸気閉弁タイミング検出手段）
２５  カム角センサ（吸気閉弁タイミング検出手段）
ＴＡ  吸気温（物理的パラメータ）
ＰＢＡ  吸気圧（物理的パラメータ）
ＴＨ  スロットル弁開度（物理的パラメータ）
ＰＡ  大気圧（物理的パラメータ）
ＩＶＣ  吸気閉弁タイミング
ＩＶＣ１  通常吸気閉弁タイミング
ＩＶＣ２  可変吸気閉弁タイミング
Ｇｃｙｌ  吸入空気量
Ｇｔｈ 通過空気量
Ｇｃｙｌ＿ｂｓ  基本吸入空気量
Ｃｏｒ＿Ｇｃｙｌ  補正項（補正値）
ΔＴ  所定周期
Ｖｃｙｌ  実効容積
Ｇｓｔｄ  理論吸入空気量
ηｖ  体積効率
【図１】
0005893272.tif 000025
【図２】
0005893272.tif 000026
【図３】
0005893272.tif 000027
【図４】
0005893272.tif 000028
【図５】
0005893272.tif 000029
【図６】
0005893272.tif 000030
【図７】
0005893272.tif 000031
【図８】
0005893272.tif 000032