(57)【要約】    【課題】  吸気弁のリフト量で吸入空気量制御を行う場合に、シリンダ吸入空気量を高精度に推定する。    【解決手段】  吸気弁の作動角検出値に基づいて吸気弁開期間を複数に分割した区間毎の有効開口面積を算出し、該有効開口面積とシリンダ有効行程容積とエンジン回転速度とに基づくパラメータに対して区間毎の吸入空気量を算出し、これらを積算してシリンダ吸入空気量を全開運転時における最大吸入空気量に対する絞り指数として算出する。【選択図】  図２
2006022676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸入空気量を推定する装置であって、吸気弁開期間を分割した複数の区間毎に弁リフト特性値を設定し、前記各区間毎に前記弁リフト特性値に基づいて吸気弁の有効開口面積を算出し、該区間毎の有効開口面積に基づいてシリンダ吸入空気量を算出することを特徴とする内燃機関の吸入空気量推定装置。
【請求項２】
前記区間毎の有効開口面積に基づいて区間毎の吸入空気量を算出し、該区間毎の吸入空気量を吸気弁開期間の全区間分積算して、シリンダ吸入空気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吸入空気量推定装置。
【請求項３】
前記区間毎の有効開口面積を吸気弁開期間の全区間分積算し、該有効開口面積の積算値に基づいてシリンダ吸入空気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吸入空気量推定装置。
【請求項４】
前記シリンダ吸入空気量は、吸気弁最大開度における機関全開運転時の最大シリンダ吸入空気量に対する比率である絞り指数として算出されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
【請求項５】
前記シリンダ吸入空気量は、シリンダの有効行程容積及び機関回転速度で除算した値をパラメータとして算出されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
【請求項６】
前記シリンダの有効行程容積は、吸気弁閉時期に基づいて算出されることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
【請求項７】
吸気弁のリフト量を可変制御する可変バルブリフト機構を備え、前記弁リフト特性値は基準リフト量について設定した値を基準リフト量に対する制御リフト量の可変度合いに応じて補正して設定されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸入空気量を推定する技術に関し、特に、吸気弁の作動特性を可変制御して吸入空気量を制御する機関において、高精度に吸入空気量を推定するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的な内燃機関（ガソリンエンジン）では、スロットル弁によって吸入空気量を制御しており、特に目標トルクとなるように吸入空気量を制御するもので、スロットル弁を通過する吸入空気流量をスロットル全開時における最大吸入空気流量に対する割合（吸気流量比）を負荷割合の指標として用いるようにしたものがあり、かかる指標を用いることにより、目標吸入空気流量に対応する目標スロットル開度を容易に設定することができ、仕様の異なる機関に対しても制御プログラムを汎用化できる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２５６９３８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一方、スロットル弁による絞り損失を無くし、燃費向上を図るため、吸気弁の作動特性（リフト量や開閉タイミング）を可変制御することによって、吸入空気量を制御するものがある。このものにおいても、目標トルクとなるような吸入空気量に制御する場合など、スロットル弁制御と同様に吸気弁を通過する吸入空気流量の最大吸入空気流量に対する割合、つまりシリンダ吸入空気量の指標として用いたい要求がある。
【０００４】
しかしながら、吸気弁制御の場合、吸気弁開期間中のリフト量が、バルブリフト特性（カムプロフィール）の変更により連続的に変化し、かつ、リフト量に対して有効開口面積が非線形な特性を有するため、シリンダ吸入空気量の指標の算出を困難にしていた。
また、吸気弁の径、カムプロフィール、通気抵抗係数Ｃｖ値などの特性が変更された場合、全面的に適合しなおす必要があり、適合に時間が掛かってしまうという問題もあった。
【０００５】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、吸気弁制御による吸入空気量制御を行うものでもシリンダ吸入空気量を容易に算出でき、設計仕様の変更に対しても容易に適合できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため本発明は、吸気弁開期間を分割した複数の区間毎に弁リフト特性値を設定し、前記各区間毎に前記弁リフト特性値に基づいて吸気弁の有効開口面積を算出し、該区間毎の有効開口面積に基づいてシリンダ吸入空気量を算出する構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、バルブリフト特性変化に応じて吸気弁の開期間中のリフト量が連続的に変化しても、区間毎のリフト量に対して算出した有効開口面積に基づいて、区間毎の有効開口面積に対する吸入空気量を積算して、あるいは、区間毎の有効開口面積の積算値に基づいて、シリンダ吸入空気量を算出することができ、バルブリフト特性変化に応じて連続的に有効開口面積を算出する方式に比較して、演算負荷を軽減でき、あるいはメモリへの記憶量を減少できる。
【０００８】
また、吸気弁の径、カムプロフィール、通気抵抗係数Ｃｖ値などの特性が変更された場合でも、個別に修正できるため適合工数を削減でき、適合時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン（内燃機関）１の構成を示している。
吸気通路１１の導入部には、エアクリーナ１２が取り付けられており、エアクリーナ１２により吸入空気中の粉塵等が除去される。吸気通路１１において、エアクリーナ１２の下流には、電子制御式のスロットル弁１３が設置されている。スロットル弁１３の下流には、サージタンク１４が取り付けられており、サージタンク１４にブランチ１５が取り付けられ、吸気マニホールドが構成されている。サージタンク１４内の吸入空気は、ブランチ１５及びシリンダヘッドに形成された吸気ポート１６を介して筒内に流入する。各気筒の吸気ポート１６には、燃料供給用のインジェクタ１７が設置されている。
【００１０】
エンジン本体において、燃焼室１８は、シリンダヘッド及びピストン１９により挟まれた空間として形成される。燃焼室１８は、気筒中心軸を基準とした一側で吸気ポート１６と接続しており、吸気ポート１６は、吸気弁２０により開放及び遮断される。吸気弁２０は、吸気カム２１により駆動される。また、燃焼室１８は、吸気ポート１６とは反対の一側で排気ポート２２と接続しており、排気ポート２２は、排気弁２３により開放及び遮断される。排気弁２３は、排気カム２４により駆動される。吸気カム２１に対して吸気側可変動弁装置２５が、排気カム２４に対して排気側可変動弁装置２６が設けられており、これらの可変動弁装置２５，２６により吸気カム２１又は排気カム２４の各カムシャフトに対する位相を変化させることで、吸気弁２０又は排気弁２３のバルブタイミング（開閉時期）を変化させ得ると共に、吸気カム２１又は排気カム２４のカムプロフィルを変化させて、バルブリフト量を連続的に変化させ得るように構成されている。可変動弁装置２５，２６は、油圧型及びソレノイド型等のいかなる形態のものを採用してもよい。なお、排気弁については、可変動弁装置を設けず、作動特性（バルブタイミング，バルブリフト量）一定としてもよい。シリンダヘッドには、燃焼室１８の上部略中央に臨ませて点火プラグ２７が設置されている。
【００１１】
排気通路２８には、排気マニホールドの直後に第１の触媒コンバータ２９が介装されるとともに、その下流に第２の触媒コンバータ３０が介装されている。排気ポート２２に流出した排気は、これらの触媒コンバータ２９，３０及びマフラー３１を通過して、大気中に放出される。
インジェクタ１７、点火プラグ２７及び各可変動弁装置２５，２６の動作は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）４１により制御される。ＥＣＵ４１には、エアフローメータ５１からの吸入空気量検出信号、圧力センサ５２からの吸気圧力検出信号、温度センサ５３からの冷却水温度検出信号、クランク角センサ５４からの単位クランク角及び基準クランク角検出信号（ＥＣＵ４１は、これをもとに、エンジン回転速度Ｎｅを算出する。）、圧力センサ５５からの排気圧力検出信号、温度センサ５６からの排気温度検出信号、酸素センサ５７からの空燃比検出信号、アクセルセンサ５８からのアクセル開度検出信号、及び作動角センサ５９，カム角センサ６０からのからの吸気弁２０の作動角信号及びカム角検出信号（これをもとに、吸気弁２０のバルブリフト量とバルブタイミングを検出可能である。）が入力される。ＥＣＵ４１は、入力した各信号をもとに、上記の各デバイスの制御量を設定する。
【００１２】
そして、低負荷時に吸気負圧を必要とする領域でのみ、スロットル弁１３を絞り制御するが、基本的には、上記スロットル弁１３は全開として、吸気弁２０のリフト量を制御することによって吸入空気量を制御する。
本実施形態では、ＥＣＵ４１がシリンダ吸入空気量（吸気弁の絞り指数）を算出する機能を備えている。
【００１３】
上記、ＥＣＵ４１によるシリンダ吸入空気量の算出について説明する。
図２は、シリンダ吸入空気量算出ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、一サイクル毎に繰り返され、クランク角センサ５４が出力する基準クランク角信号と同期させて実行される。
Ｓ１では、エンジン回転速度Ｎｅその他各種運転状態に加えて吸気弁２１の作動特性を可変する可変動弁装置２５に装着されたバルブリフト特性を検出するセンサから、現在のバルブリフト特性を読み込む。具体的には、吸気弁のバルブリフト特性は、吸気弁の作動角（開期間）と相関しており、前記作動角センサ５９から作動角検出値を読み込む。
【００１４】
Ｓ２では、吸気弁２０の開期間を複数に分割した区間毎のバルブリフト量を算出する。具体的には以下のように算出する。
基準作動角として最大作動角（最大リフト量）における区間[ｎ]毎にカムプロフィルＣＡＭＰＦＩ０［ｎ］を設定したテーブル（図３参照）と、実作動角の基準作動角に対するバルブリフト量の補正係数Ｋｓのデータを設定したテーブル（図４参照）を備えておき、基準作動角の区間毎のカムプロフィルＣＡＭＰＦＩ０［ｎ］に、前記作動角検出値（実作動角）に基づいて検索された補正係数Ｋｓを乗じて得られた実作動角での区間毎のカムプロフィルＣＡＭＰＦＩ[ｎ]を、書替え可能なテーブルに記憶する（次式参照）。
【００１５】
ＣＡＭＰＦＩ[ｎ]＝ＣＡＭＰＦＩ０［ｎ］×Ｋｓ
次に、前記区間［ｎ］毎のカムプロフィルＣＡＭＰＦＩ[ｎ]からバルブクリアランスＶＣＬＲＩを引いて区間［ｎ］毎のバルブリフト量ＶＬＩＦＴＩ［ｎ］を算出する（次式参照）。
ＶＬＩＦＴＩ［ｎ］＝ＣＡＭＰＦＩ[ｎ]−ＶＣＬＲＩ
Ｓ３では、区間［ｎ］毎の有効開口面積ＶＡＲＥＩ[ｎ]をバルブリフト量ＶＬＩＦＴＩ［ｎ］に基づいて算出する。
【００１６】
ここで、吸気弁２１のリフト量と有効開口面積との関係は、図５（Ａ）に示すように、吸気弁２１のリフト量がごく小さい領域（この領域でアイドル等の吸入空気量を制御する）ａでは、吸気弁２１の傘部のバルブシート面と、バルブ着座面とで挟まれる部分が流路となり、流路断面はバルブシート面に直交する。この関係（バルブシート面とバルブ着座面が対向している部分が存在する状態）が維持される限界リフト量ＶＬＩＭＴは、図示バルブシート角度θ、バルブシート高さｈとして、以下のように求められる。
【００１７】
ＶＬＩＭＴ×ｃｏｓ（π／２−θ）＝ｈ／ｓｉｎθ
ＶＬＩＭＴ＝ｈ／ｓｉｎ2θ
この領域ａでは、上記のようにバルブシート面とバルブ着座面とで挟まれる部分が流路となり、その流路間隔Ｒｃ｛＝ＶＬＩＦＴＩ［ｎ］×ｓｉｎ（π／２−θ）＝ＶＬＩＦＴＩ［ｎ］×ｃｏｓθ｝にバルブ周長（＝πＤ、Ｄ：バルブ傘部直径）を乗じた値が有効開口面積として求められる。
【００１８】
一方、図５（Ｂ）に示すように、バルブリフト量が上記限界リフト量ＶＬＩＭＴ（＝ｈ／ｓｉｎ2θ）を超える領域ｂでは、流路断面はリフト方向と直交する方向に移行し、バルブリフト量にバルブ周長を乗じた値が有効開口面積として求められる。
すなわち、バルブリフト量に対する有効開口面積の感度が限界リフト量ＶＬＩＭＴ以下の領域では、限界リフト量ＶＬＩＭＴを超える領域に対し、ｃｏｓθ倍に減少している。
【００１９】
かかる特性に基づいて、図６に示すマップを参照して、バルブリフト量ＶＬＩＦＴＩ［ｎ］から有効開口面積を算出した後、気筒当たりの吸気弁数（＝２）を乗じて、区間［ｎ］毎の有効開口面積ＶＡＲＥＡＩ［ｎ］を算出する。
次に、上記区間［ｎ］毎の有効開口面積ＶＡＲＥＡＩ［ｎ］について、シリンダ吸入空気量を算出する。具体的には、上記有効開口面積ＶＡＲＥＡ［ｎ］と、エンジン回転速度Ｎｅと、シリンダの有効行程容積ＶＣＹＬeffと、に基づいて、全開運転時（バルブリフト最大時）におけるシリンダ吸入空気量に対する比率（％）として算出する。ここで、前記シリンダの有効行程容積ＶＣＹＬeffは、吸気弁閉時期θivc（上死点からの回転クランク角位置）によって変化する。
【００２０】
まず、Ｓ４で吸気弁閉時期θivcにおけるｃｏｓθivcを、テーブルを参照して算出する。ここで、吸気弁閉時期θivcは、バルブリフト特性（作動角）によって算出することができるが、吸気弁のバルブタイミングを可変バルブリフト機構とは独立して可変する制御を併用する場合は、バルブリフト特性（作動角）とバルブタイミング制御量とに基づいて算出すればよい。
【００２１】
Ｓ５では、ピストンの有効ストローク長ＬＳＴＲeff（吸気上死点から吸気弁閉時期までのストローク長）を次式により算出する（図７参照）。
ＬＳＴＲeff＝（ＬＳＴＲ／２）（１−ｃｏｓθivc）
ＬＳＴＲ：実ストローク長、吸気上死点から下死点までのストローク長
Ｓ６では、次式のように、シリンダボア断面積Ａboreに、前記有効ストローク長ＬＳＴＲeffを乗じて有効行程容積ＶＣＹＬeffを算出する。
【００２２】
ＶＣＹＬeff＝Ａbore×ＬＳＴＲeff
Ｓ７では、上記有効開口面積ＶＡＲＥＡ［ｎ］をエンジン回転速度Ｎｅと有効行程容積ＶＣＹＬeffの積で除算した値をパラメータとして、図８に示す特性マップを参照して区間毎の吸入空気量を算出する。ここで、該区間毎の吸入空気量は、全開運転時（バルブリフト最大時）におけるシリンダ吸入空気量に対する比率（％）として算出する。図８で、吸気弁の前後圧力比が臨界圧力比以下となる吸気弁の有効開口面積ＶＡＲＥＡ［ｎ］が所定以下の領域では、ソニック流となるため吸入空気量は有効開口面積に比例するが、有効開口面積が増大するにつれて、吸入空気量は、慣性効果、単位時間当たりの吸入回数（１２０／Ｎｅ）、有効行程容積などの影響を受けて変化し、ついには、エンジン回転速度Ｎｅが増大しても吸入空気量が飽和してくる特性となる。
【００２３】
Ｓ８では、上記のように算出された区間［ｎ］毎の吸入空気量ΔＶＥＬＱＨ０を積算して、吸気行程全区間の吸入空気量を算出する。ところで、実作動角において吸気弁が開かれる吸気行程の時間は、基準作動角（最大作動角）において吸気弁が開かれる吸気行程の時間に対し、実作動角／基準作動角に減少している。これは、区間［ｎ］毎の時間についても同様である。
【００２４】
そこで、Ｓ９では、前記区間［ｎ］毎の吸入空気量の積算値ΣΔＶＥＬＱＨ０に補正係数ｋ（＝実作動角／基準作動角）を乗じることにより、シリンダ吸入空気量を算出する。
シリンダ吸入空気量ＶＥＬＱＨ０＝ΣΔＶＥＬＱＨ０×ｋ
ここで、シリンダ吸入空気量は、上述したように全開運転時の最大のシリンダ吸入空気量に対する比率、つまり絞り指数として算出される。
【００２５】
このようにしてシリンダ吸入空気量を算出することができ、特に、吸気弁のリフト量によって吸入空気量を制御する場合でも、スロットル弁で吸入空気量を制御する場合と同様に全開運転時の最大吸入空気量に対する絞り指数として算出することができる。この絞り指数は、設定した目標トルクに対応する目標吸入空気量が得られるように吸気弁を制御する際（目標リフト量設定）の指標となる。
【００２６】
また、リフト特性毎に連続的に吸入空気量を算出する方式に比較し、演算負荷ないしデータ記憶量を軽減できる。
また、吸気弁の径、カムプロフィール、通気抵抗係数Ｃｖ値などの特性が変更された場合でも、個別に修正できるため適合工数を削減でき、適合時間を短縮できる。
上記実施形態では、区間［ｎ］毎の有効開口面積ＶＡＲＥＡ［ｎ］に対する吸入空気量を算出してから全区間［ｎ］の吸入空気量を積算して最終のシリンダ吸入空気量（絞り指数）を求める構成としたので、区間［ｎ］毎に変化する有効開口面積ＶＡＲＥＡ［ｎ］に対して高精度に瞬時の吸入空気量を算出して精度を最大限高めることができる。
【００２７】
また、簡易的には、区間［ｎ］毎の有効開口面積ＶＡＲＥＡ［ｎ］を積算し、該有効開口面積の積算値に対してシリンダ吸入空気量を変換して求める構成としてもよく、演算負荷をより軽減できる。
また、スロットル弁開度を一定に絞った状態で、吸気弁のリフト量を可変制御することもでき、この場合には、スロットル弁開度に応じた前後圧力比の補正係数を設定し、上記のようにして算出したシリンダ吸入空気量を前記補正係数によって補正することで対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの構成を示す図である。
【図２】シリンダ吸入空気量算出ルーチンのフローチャートである。
【図３】吸気弁開区間毎のカムプロフィル設定テーブルである。
【図４】実作動角に対するバルブリフト量の補正係数設定テーブルである。
【図５】吸気弁の極低リフト領域と有効開口面積との関係を示す図である。
【図６】吸気弁の通常リフト領域と有効開口面積との関係を示す図である。
【図７】シリンダの有効行程容積算出を説明するための図である。
【図８】有効開口面積を含むパラメータに基づいて吸入空気量を算出する特性図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…エンジン、１１…吸気通路、１２…エアクリーナ、１３…スロットル弁、１４…サージタンク、１６…吸気ポート、１７…インジェクタ、１８…燃焼室、１９…ピストン、２０…吸気弁、２１…吸気カム、２２…排気ポート、２３…排気弁、２４…排気カム、２５…吸気側可変動弁装置、２６…排気側可変動弁装置、２７…点火プラグ、２８…排気通路、４１…エンジンコントロールユニット、５１…エアフローメータ、５２…吸気圧力センサ、５３…冷却水温度センサ、５４…クランク角センサ、５５…排気圧力センサ、５６…排気温度センサ、５７…酸素センサ、５８…アクセルセンサ、５９…作動角センサ、６０…カム角センサ。
【図１】
2006022676.tif 000003
【図２】
2006022676.tif 000004
【図３】
2006022676.tif 000005
【図４】
2006022676.tif 000006
【図５】
2006022676.tif 000007
【図６】
2006022676.tif 000008
【図７】
2006022676.tif 000009
【図８】
2006022676.tif 000010