(57)【要約】【課題】  各気筒毎の筒内充填空気量を高精度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。【解決手段】  本発明の制御装置は、スロットル弁を通過するスロットル通過空気量を検出するスロットル通過空気量検出手段と、スロットル弁よりも吸気下流の吸気管部分内の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、スロットル通過空気量と吸気管部分内の圧力とに基づいて各気筒毎に筒内充填空気量を推定する筒内充填空気量推定手段と、筒内充填空気量推定手段によって推定された各気筒毎の筒内充填空気量に基づいて内燃機関を制御する機関制御手段とを具備する。本発明の制御装置は、吸気管部分内にスロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにする流体流入防止手段をさらに具備し、筒内充填空気量推定手段は、流体流入防止手段によって吸気管部分内にスロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにされているときに推定を行う。【選択図】      図６
2006070728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロットル弁を通過するスロットル通過空気量を検出するスロットル通過空気量検出手段と、
上記スロットル弁よりも吸気下流の吸気管部分内の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、
上記スロットル通過空気量検出手段によって検出されたスロットル通過空気量と上記吸気管内圧力検出手段によって検出された吸気管部分内の圧力とに基づいて各気筒毎に筒内充填空気量を推定する筒内充填空気量推定手段と、
該筒内充填空気量推定手段によって推定された各気筒毎の筒内充填空気量に基づいて内燃機関を制御する機関制御手段とを具備する内燃機関の制御装置において、
上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにする流体流入防止手段をさらに具備し、
上記筒内充填空気量推定手段は、上記流体流入防止手段によって上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにされているときに推定を行う内燃機関の制御装置。
【請求項２】
上記吸気管部分内に排気ガスを流入させる排気ガス流入機構をさらに具備し、上記流体流入防止手段は、上記排気ガス流入機構によって排気ガスが上記吸気管部分内に流入せしめられないようにすることで、上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
内燃機関の燃料供給系統から蒸発した燃料を含む気体を上記吸気管部分内に流入させるパージガス流入機構をさらに具備し、上記流入防止手段は、上記パージガス流入機構によって上記燃料を含む気体が上記吸気管部分内に流入せしめられないようにすることで、上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
スロットル弁を通過するスロットル通過空気量を検出するスロットル通過空気量検出手段と、
上記スロットル弁よりも吸気下流の吸気管部分内の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、
上記スロットル通過空気量検出手段によって検出されたスロットル通過空気量と上記吸気管内圧力検出手段によって検出された吸気管部分内の圧力とに基づいて各気筒毎に筒内充填空気量を推定する筒内充填空気量推定手段と、
該筒内充填空気量推定手段によって推定された各気筒毎の筒内充填空気量に基づいて内燃機関を制御する機関制御手段とを具備し、
上記筒内充填空気量推定手段は、上記吸気管部分内の圧力が所定圧力よりも低いときに推定を行う内燃機関の制御装置。
【請求項５】
上記吸気弁は機関運転状態に応じて作用角が変更され、上記筒内充填空気量算出手段によって算出された筒内充填空気量に基づいて各気筒における実際の作用角を推定する作用角推定手段をさらに具備する請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比を最適な値とするためには、吸気弁が閉じたときに燃焼室内に充填されている空気の量（以下、「筒内充填空気量」と称す）を正確に推定する必要がある。通常、筒内充填空気量は、流量センサ（エアフロメータ）等の多数のセンサ、およびこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定される。ここで、マップを用いて筒内充填空気量を推定すると、必要なマップの数およびその引数の数が多くなり、これに伴いマップ作成時の適合工数が非常に多くなってしまう。そこで、近年において、流体力学等に基づく式で表される数値計算モデルを用いることにより、マップの数および引数を減らして筒内充填空気量を算出することが検討されている。
【０００３】
筒内充填空気量は、機関負荷や機関回転数といった機関運転状態が同一であっても、各気筒毎にばらつくことが多い。このため、全ての気筒の筒内充填空気量が同一であると仮定して数値計算モデルを用いて筒内充填空気量を算出し、それに基づいて燃料噴射量を決定すると、各気筒毎に空燃比が異なったものとなってしまう。これにより、各気筒間でトルクにムラが生じたり、空燃比が適切でない気筒では排気性状が悪化したりするといった問題が生じる。
【０００４】
したがって、数値計算モデルを用いて筒内充填空気量を算出するにあたっては、気筒間のばらつきを考慮する必要がある。特許文献１に記載した吸気量推定装置では、エアフロメータによって検出されたスロットル通過空気量と、吸気管内の気体密度に基づいて算出された吸気管内の気体の増加量とに基づいて各気筒毎の筒内充填空気量を推定し、推定した各気筒毎の筒内充填空気量に基づいて各気筒毎に燃料噴射量を決定するようにしている。これにより気筒間の空燃比のばらつきを無くすように各気筒毎に空燃比を精密に制御することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２３４７９８号公報
【特許文献２】特開２００２−７０６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の吸気量推定装置のようにスロットル通過空気量と吸気管内の気体密度または吸気管内圧力とに基づいて各気筒毎に筒内充填空気量を推定する場合、全ての運転状態で高精度に筒内充填空気量を推定することができるわけではない。例えば、内燃機関が吸気管内に排気ガスを流入させるＥＧＲ機構を備える場合、吸気管内には空気に加えて排気ガス（ＥＧＲガス）が流入することになる。このようなＥＧＲガスの流入を考慮して各気筒毎の筒内充填空気量を推定しようとすると、数値計算モデルのモデル式が複雑になると共に数値計算で求められた筒内充填空気量の推定精度は低いものとなる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、各気筒毎の筒内充填空気量を高精度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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、第１の発明では、スロットル弁を通過するスロットル通過空気量を検出するスロットル通過空気量検出手段と、上記スロットル弁よりも吸気下流の吸気管部分内の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、上記スロットル通過空気量検出手段によって検出されたスロットル通過空気量と上記吸気管内圧力検出手段によって検出された吸気管部分内の圧力とに基づいて各気筒毎に筒内充填空気量を推定する筒内充填空気量推定手段と、該筒内充填空気量推定手段によって推定された各気筒毎の筒内充填空気量に基づいて内燃機関を制御する機関制御手段とを具備する内燃機関の制御装置において、上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにする流体流入防止手段をさらに具備し、上記筒内充填空気量推定手段は、上記流体流入防止手段によって上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにされているときに推定を行う。
上述したように、スロットル弁を通過した空気以外の流体の流入を考慮して各気筒毎の筒内充填空気量を推定しようとすると、数値計算モデルのモデル式が複雑になると共に数値計算で求められた各気筒毎の筒内充填空気量の推定精度は低いものとなる。第１の発明によれば、流体流入防止手段によりスロットル弁を通過した空気以外の流体が吸気管部分内に流入しないようにされているときに各気筒毎の筒内充填空気量の推定が行われるため、高い精度で各気筒毎の筒内充填空気量を推定することができる場合にのみ推定が行われる。
なお、吸気管内圧力検出手段によって検出されるスロットル弁よりも吸気下流の吸気管部分内の圧力とは、スロットル弁から吸気弁までの吸気管（サージタンク等を含む）内の圧力を意味する。また、スロットル弁を通過した空気以外の流体が吸気管内に流入する場合とは、例えば、後述するＥＧＲガスやパージガスが吸気管内に流入する場合等が挙げられる。
【０００９】
第２の発明では、第１の発明において、上記吸気管部分内に排気ガスを流入させる排気ガス流入機構をさらに具備し、上記流体流入防止手段は、上記排気ガス流入機構によって排気ガスが上記吸気管部分内に流入せしめられないようにすることで、上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにする。
【００１０】
第３の発明では、第１または第２の発明において、内燃機関の燃料供給系統から蒸発した燃料を含む気体を上記吸気管部分内に流入させるパージガス流入機構をさらに具備し、上記流入防止手段は、上記パージガス流入機構によって上記燃料を含む気体が上記吸気管部分内に流入せしめられないようにすることで、上記吸気管部分内に上記スロットル弁を通過した空気以外の流体が流入しないようにする。
【００１１】
上記課題を解決するために、第４の発明では、スロットル弁を通過するスロットル通過空気量を検出するスロットル通過空気量検出手段と、上記スロットル弁よりも吸気下流の吸気管部分内の圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、上記スロットル通過空気量検出手段によって検出されたスロットル通過空気量と上記吸気管内圧力検出手段によって検出された吸気管部分内の圧力とに基づいて各気筒毎に筒内充填空気量を推定する筒内充填空気量推定手段と、該筒内充填空気量推定手段によって推定された各気筒毎の筒内充填空気量に基づいて内燃機関を制御する機関制御手段とを具備し、上記筒内充填空気量推定手段は、上記吸気管部分内の圧力が所定圧力よりも低いときに推定を行う。
吸気管内圧力がスロットル弁の吸気上流における吸気管部分内の圧力と同程度の圧力であると、スロットル弁通過空気流量が吸気管内圧力の脈動の影響を受けて脈動する。応答性の低いエアフロメータではこのようなスロットル弁通過空気流量の脈動を高精度に検出するのは困難であり、また応答性の低いエアフロメータを用いてスロットル弁通過空気流量の脈動を高精度に検出できたとしても、スロットル弁通過空気流量の脈動を考慮して各気筒毎の筒内充填空気量を推定しようとすると、数値計算モデルのモデル式が複雑になると共に数値計算で求められた各気筒毎の筒内充填空気量の推定精度は低いものとなる。第４の発明によれば、吸気管部分内の圧力が所定圧力よりも低いときに各気筒毎の筒内充填空気量の推定が行われるため、スロットル弁通過空気流量の脈動が抑制され、その結果、高い精度で各気筒毎の筒内充填空気量を推定することができる場合にのみ推定が行われる。
なお、「所定圧力」とは、スロットル弁の吸気上流における吸気管部分内の圧力よりも低い圧力であり、好ましくはスロットル通過空気流量が吸気管内圧力の脈動の影響をほとんど受けない程度に低い圧力である。
【００１２】
第５の発明では、第１〜第４の発明のいずれか一つにおいて、上記吸気弁は機関運転状態に応じて作用角が変更され、上記筒内充填空気量算出手段によって算出された筒内充填空気量に基づいて各気筒における実際の作用角を推定する作用角推定手段をさらに具備する。
【発明の効果】
【００１３】
第１〜第３および第５の発明によれば、流体流入防止手段によりスロットル弁を通過した空気以外の流体が吸気管部分内に流入しないようにされているときに各気筒毎の筒内充填空気量の推定が行われるため、高精度に各気筒毎の筒内充填空気量を推定することができる場合にのみ推定が行われる。よって、各気筒毎の筒内充填空気量を高精度に推定することができる。
【００１４】
第４および第５の発明によれば、吸気管部分内の圧力が所定圧力よりも低いときに筒内充填空気量の推定が行われるため、スロットル弁通過空気流量の脈動が抑制され、その結果、高い精度で各気筒毎の筒内充填空気量を推定することができる場合にのみ推定が行われる。よって、各気筒毎の筒内充填空気量を高精度に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の第一実施形態について説明する。図１に概略的に示した機関本体１は筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す。しかしながら、本発明を別の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関に適用してもよい。
【００１６】
図１に示したように、本発明の第一実施形態では機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。吸気弁６には可変動弁機構１３が取付けられており、これにより吸気弁６の位相角および作用角が変更せしめられる。
【００１７】
各気筒の吸気ポート７は吸気枝管１４を介してサージタンク１５に連結され、サージタンク１５は吸気管１６を介してエアクリーナ１７に連結される。吸気管１６内にはステップモータ１８によって駆動されるスロットル弁１９が配置される。また、スロットル弁１９上流の吸気管１６には、吸気管１６を通過する空気（吸気ガス）の流量を検出するためのエアフロメータ２０が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気管２１に連結され、この排気管２１は排気浄化装置２２に連結される。燃料タンク（図示せず）等には燃料タンク等内の蒸発燃料を蓄えるためのキャニスタ２３に連結され、キャニスタ２３はパージ制御弁２４を介してスロットル弁１９下流において吸気管１６に連結される。
【００１８】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。サージタンク１５には、吸気管内の空気（吸気ガス）の圧力を検出するための吸気管内圧力センサ４０および吸気管内の空気の温度を検出するための吸気管内温度センサ４１が設けられており、これら吸気管内圧力センサ４０および吸気管内温度センサ４１はそれぞれ吸気管内圧力および吸気管内温度に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００１９】
また、スロットル弁１９の開度を検出するためのスロットル開度センサ４２と、内燃機関の周囲の大気温度、または吸気管１６に吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための大気温度センサ４３と、内燃機関の周囲の大気圧力、または吸気管１６に吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための大気圧センサ４４とが設けられ、これらセンサの出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、アクセルペダル４５にはアクセルペダル４５の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４６が接続され、負荷センサ４６の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４７は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４７の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、スロットル弁制御用ステップモータ１８、およびＥＧＲ制御弁制御用ステップモータ２４に接続される。
【００２０】
ところで、内燃機関の制御装置では、内燃機関の燃焼室５において燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比にするためには、吸気弁６が閉弁されたときに燃焼室５内に充填されている空気（吸気ガス）の量（以下、「筒内充填空気量Ｍｃ」と称す）を推定し、推定された筒内充填空気量Ｍｃに基づいて混合気の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１から内燃機関の燃焼室５（または吸気通路）に噴射する燃料の量（以下、「燃料噴射量」と称す）を定めている。したがって、内燃機関の燃焼室５において燃焼される混合気の空燃比を正確に目標空燃比とするためには、筒内充填空気量Ｍｃを正確に推定する必要がある。
【００２１】
通常、筒内充填空気量Ｍｃは、流量センサ（エアフロメータ）、大気温度センサおよび大気圧センサ等の多数のセンサ、およびこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定される。ところが、このようにマップを用いて筒内充填空気量Ｍｃを推定する場合、推定される筒内充填空気量Ｍｃの値をより正確なものにするためには、必要なマップの数およびその引数の数が多くなる。このようにマップの数が多くなると、マップを保存するためのＥＣＵのＲＯＭを記憶容量の大きいものにしなければならず、内燃機関の制御装置の製造コストが高くなってしまう。さらに、各マップを作成するにはマップが用いられる内燃機関の形式毎に適合作業を行わなければならないが、この適合作業における測定点はマップの数およびその引数の数に応じて増大するため、マップの数およびその引数の数が多くなると適合作業の工数も増大してしまう。
【００２２】
そこで、マップを用いずに様々なモデルを用いて、数値計算により筒内充填空気量Ｍｃを算出する内燃機関の制御装置が検討されている。このような制御装置では、数値計算を多用することにより必要なマップの数を極力減らすようにしており、これにより適合作業を行う際の工数を大幅に削減しながらも、筒内充填空気量Ｍｃを正確に算出することができる。
【００２３】
このようなモデルでは、機関運転状態が同一であれば全ての気筒において筒内充填空気量Ｍｃが同量になるものとして筒内充填空気量Ｍｃを求めているものが多い。しかしながら、実際には、製造誤差等により気筒間で吸気弁の開閉弁時期が異なること等により、機関運転状態が同一であっても各気筒間で筒内充填空気量は異なる。
【００２４】
このように実際には気筒間で筒内充填空気量が異なるにも関わらず、全ての気筒において筒内充填空気量が同一であるものとして筒内充填空気量を算出し、算出された筒内充填空気量に基づいて燃料噴射量を決定すると、混合気の空燃比が各気筒毎に異なったものとなってしまう。このような状態で内燃機関を運転すると、各気筒毎に発生するトルクが異なったり、空燃比が適切でない気筒では排気性状が悪化したりするといった問題が生じる。
【００２５】
そこで、本実施形態では、各気筒毎に筒内充填空気量が異なることを考慮して、単位時間当たりにスロットル弁１９を通過する空気の流量（以下、「スロットル弁通過空気流量ｍｔ」と称す）と、スロットル弁１９から吸気弁６までの吸気管１６等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）内に存在する空気（吸気ガス）の圧力（以下、「吸気管内圧力Ｐｍ」と称す）とから、各気筒毎に筒内充填空気量Ｍｃを算出するようにしている。
【００２６】
以下、図２および図３を参照して、筒内充填空気量の算出方法について説明する。なお、図２は、吸気管部分におけるモデル（以下、「吸気管モデル」と称す）の基本概念を示している。図３（ａ）は、クランク角に対する流量の変化を示している。図３中の実線ｍｔはスロットル弁通過空気流量を示しており、実線ｍｃは全ての気筒への筒内吸入空気流量を示している。また、図３（ｂ）は、クランク角に対する吸気管内圧力の変化を示している。
【００２７】
まず、図２に示した吸気管モデルについて考える。吸気管部分について質量保存則を適用すると、吸気管内圧力Ｐｍと、吸気管部分に流入する空気流量（すなわち、スロットル弁通過空気流量ｍｔ）と、吸気管部分から流出する吸気ガスの流量（すなわち、ｉ番気筒への筒内吸入空気流量ｍｃｉ）とには下記式（１）の関係が成り立つ。
【数１】
2006070728.tif 000003
ここで、Ｔｍは吸気管部分内に存在する空気の温度（以下、「吸気管内温度」と称す）、Ｖｍは吸気管部分の容積、Ｒａは気体定数を空気の平均分子量で除算した値である。したがって、時刻ｔからΔｔ秒間における吸気管内圧力の変化量ΔＰｍは、式（１）を積分することによって下記式（２）のように表すことができる。
【数２】
2006070728.tif 000004
【００２８】
式（２）より、吸気管部分への流入空気流量（ｍｔ）が流出空気流量（ｍｃｉ）よりも多ければ吸気管内圧力が上昇し、少なければ吸気管内圧力が降下し、等しければ吸気管内圧力が一定であり、Δｔ秒間における吸気管内圧力の変化量ΔＰｍは吸気管部分内の空気量の変化分に相当することがわかる。なお、機関運転状態が後述するような定常状態にある場合、吸気管部分からの流出空気流量（ｍｃｉ）は吸気弁６の開閉に依存して間欠的であるのに対し、吸気管部分からの流入空気流量（ｍｔ）は吸気管部分が緩衝となりその変化が穏やかである。このため、流出空気流量（ｍｃｉ）と流入空気流量（ｍｔ）との大小関係は反転を繰り返す（図３（ａ）参照）。これは、上記式（２）の右辺のカッコ内の値が一定周期で正負反転を繰り返すこと、すなわち吸気管内圧力が一定周期で上昇・降下を繰り返すことを意味し、吸気管内圧力の脈動を表す。
【００２９】
ここで、図３（ａ）に示したように各気筒の吸気弁６の開弁期間は重複しないと仮定する。この場合、第ｉ気筒への吸入に関して、吸気管内圧力が最大値Ｐｍｍａｘをとるのは、吸気管内圧力の時間（クランク角）微分値が零のとき（ｄＰｍ／ｄｔ＝０）、すなわちスロットル弁通過空気流量ｍｔと第ｉ気筒への筒内吸入空気流量ｍｃｉとの大きさが釣合ったとき（ｍｔ＝ｍｃｉ）であって、筒内吸入ガス量ｍｃｉが増大しているとき、すなわち上記大きさが釣合うまでスロットル弁通過空気流量ｍｔの方が大きかったときである（このときを時刻を最大値時刻ｔｍａｘとする）。一方、第ｉ気筒への吸入に関して、吸気管内圧力が最小値Ｐｍｍｉｎをとるのは、吸気管内圧力の時間微分値が零のときであって、筒内吸入ガス量ｍｃｉが減少しているとき、すなわち上記大きさが釣合うまで筒内吸入ガス量ｍｃｉの方が大きかったときである（このときの時刻を最小値時刻ｔｍｉｎとする）。
【００３０】
したがって、第ｉ気筒への吸気ガスの吸入によって生じる吸気管内圧力の降下量（以下、「吸気管内圧力降下量」と称す）ΔＰｍｄｗｎ（すなわち、吸気管内圧力の最大値Ｐｍｍａｘと最小値Ｐｍｍｉｎとの差分）は、下記式（３）のように表すことができる。なお、式（３）の積分項は図３（ａ）の面積Ａに相当し、ΔＰｍｄｗｎは面積Ａに比例することがわかる。したがって、面積Ａに対応する空気量は、第ｉ気筒に対応する吸気弁が開弁することによる吸気管内圧力の降下量に相当する第ｉ気筒への余分空気量と称することができる。
【数３】
2006070728.tif 000005
【００３１】
各気筒の吸気弁６の開弁期間は重複しないとの仮定より、上記式（３）は下記式（４）のように変形することができる。
【数４】
2006070728.tif 000006
ここで、式（４）中のスロットル弁通過空気流量ｍｔの積分項は、図３（ａ）の面積Ｂに相当し、Ｍｃｉは図３の面積Ａと面積Ｂとを加算した値となっている。したがって、Ｍｃｉは第ｉ気筒に対応する吸気弁６の開弁期間中に第ｉ気筒の燃焼室５内に充填されたガス量、すなわち筒内充填空気量に相当する。ただし、厳密に言えば、実際の筒内充填空気量は図３の面積Ａおよび面積Ｂに面積Ｃを加えた量に相当するため、上記Ｍｃｉは面積Ｃに相当するガス量を微少として無視した近似値となっている。
【００３２】
したがって、機関運転状態が定常状態にあって且つ各気筒の吸気弁６の開弁期間が重複しない場合には、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、吸気管内温度Ｔｍ、吸気管内圧力降下量ΔＰｍｄｗｎを検出または算出することによって、上記式（４）から第ｉ気筒への筒内充填空気量Ｍｃｉを算出することができる。
【００３３】
なお、式（４）を実装するにあたっては、式（４）を下記式（５）のように変形してもよい。
【数５】
2006070728.tif 000007
式（５）において、Δｔｄｗｎは最大値時刻ｔｍａｘから最小値時刻ｔｍｉｎまでの間の時間であって、吸気管内圧力の降下時間を表す。また、式（５）におけるスロットル弁通過空気流量ｍｔは、最大値時刻ｔｍａｘから最小値時刻ｔｍｉｎまでの期間、または吸気弁６の開弁期間中にエアフロメータ２０の検出値を平均した値である。あるいは、最大値時刻ｔｍａｘから最小値時刻ｔｍｉｎまでの期間、または吸気弁６の開弁期間中における実際のスロットル弁通過空気流量の変動が小さいことから、これら期間中の特定の時刻におけるエアフロメータ２０の検出値であってもよい。同様に、式（５）における吸気管内温度Ｔｍも、上記期間中における吸気管内温度センサ４１の検出値を平均した値、または上記期間中の特定の時刻における吸気管内温度センサ４１の検出値である。
【００３４】
ただし、式（４）および式（５）を用いて筒内充填空気量を算出することができるのは、基本的に各気筒の吸気弁６の開弁時期が重複しない場合に限られる。これは、第一実施形態の制御装置を各気筒の吸気弁６の開弁時期が重複している場合について利用すると、算出される各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの誤差が大きくなってしまうためである。すなわち、図３（ａ）を用いて説明したように、式（４）または式（５）を用いて筒内充填空気量を算出する場合、筒内充填空気量は面積Ｃに相当するガス量を微少として無視した近似値となっている。ところが、気筒間の吸気弁６の開弁時期が重複する場合、図４に示したようにスロットル弁通過空気流量ｍｔが大きく、よって面積Ｃに相当するガス量が無視できないほど大きい。
【００３５】
そこで、各気筒の吸気弁６の開弁時期が重複する場合、各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉのうち、面積Ａに相当するガス量以外のガス量を、図３に示したように長方形の面積として求めるのではなく、台形の面積として求めることとしている。すなわち、上記式（５）中のｍｔ・Δｔｄｗｎの代わりにｍｔ・（Δｔｄｗｎ＋Δｔｉｏｃ）／２を用いる。ここで、Δｔｄｗｎは上述したように吸気管内圧力が最大値Ｐｍｍａｘをとるときの最大値時刻ｔｍａｘと最小値Ｐｍｍｉｎをとるときの最小値時刻ｔｍｉｎとの間の時間であり（Δｔｄｗｎ＝ｔｍｉｎ−ｔｍａｘ）、Δｔｉｏｃは第ｉ気筒の吸気弁６が開弁する時刻（開弁時期）ｔｉｏと吸気弁６が閉弁する時刻（閉弁時期）ｔｉｃとの間の時間、すなわち第ｉ気筒の吸気弁６が開弁している時間である（Δｔｉｏｃ＝ｔｉｃ−ｔｉｏ）。したがって、本実施形態では、上記式（５）は、下記式（６）のように書き換えて用いられる。
【数６】
2006070728.tif 000008
【００３６】
式（６）では、ΔＰｍｄｗｎを含む項が図５（ｂ）中の面積Ａに相当するガス量を表し、ｍｔを含む項が図５（ｂ）中の面積Ｂに相当するガス量を表すため、第ｉ気筒への筒内充填空気量Ｍｃｉは図５（ｂ）中の面積Ａと面積Ｂとを加算した値となっている。図５（ａ）から分かるように、面積Ａに相当するガス量以外のガス量を台形として求めることにより、図４に示した面積Ｃに相当するガス量の大部分を筒内充填空気量に含めることができる。したがって、式（６）によれば、筒内充填空気量Ｍｃｉは、第ｉ気筒の吸気弁６の開弁期間中に第ｉ気筒の燃焼室５内に充填されたガス量をより正確に表す値となっており、各気筒の吸気弁６の開弁時期が重複している場合であっても筒内充填空気量Ｍｃｉの算出誤差を小さく抑えることができる。
【００３７】
なお、上記実施形態では、サージタンク１５に吸気管内温度センサ４１が取付けられ、吸気管部分内の吸気ガスの温度を検出しているが、スロットル弁１９の吸気上流側に温度センサを取付けるかまたはエアフロメータ２０と一体的に温度センサを設け、この温度センサによって検出された温度を吸気管内温度として用いてもよい。これは、特に機関運転状態が定常状態にある場合に、吸気管内温度をスロットル弁１９の吸気上流側の空気の温度とほぼ等しいものと近似でき、且つ本実施形態では、第ｉ気筒への筒内充填空気量Ｍｃｉの算出は機関運転状態が定常状態にあるときに行われることによる。
【００３８】
このように、機関運転状態が定常状態にあるときに各気筒毎の筒内充填空気量を算出することにより、各気筒毎の筒内充填空気量の相対偏差を求めることができる。このため、例えば、上記数値計算モデルとは別のモデルによってスロットル弁開度等から全気筒への筒内充填空気量の平均値を算出することができれば、このように算出された全気筒への筒内充填空気量の平均値に、上記数値計算モデルによって算出された各気筒毎の筒内充填空気量の相対偏差を乗算することで、各気筒毎の筒内充填空気量が算出される。この場合、上記スロットル弁開度等から全気筒への筒内充填空気量の平均値を算出するモデルが機関運転状態が過渡状態にあるときに対応するモデルであれば、機関運転状態が過渡状態にあっても各気筒毎の筒内充填空気量を算出することができる。
【００３９】
ところで、上述したような各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出は、機関運転状態が定常状態にあれば常に正確に行えるわけではなく、機関運転状態が定常状態にあっても各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出精度が低い機関運転状態が存在する。このような機関運転状態としては例えば以下のようなものが挙げられる。
【００４０】
一つ目の運転状態としては内部ＥＧＲが行われている状態が挙げられる。多くの内燃機関では、燃焼室５から排出される排気ガス中のＮＯX濃度を低下させるためまたは燃焼室５内で成層燃焼を行う際にスロットル弁１９によるポンピングロスを低減させるために、吸気弁６を介して燃焼室５内の排気ガスの一部を吸気ポート７へ戻して、再び燃焼室５へ流入させる内部ＥＧＲ機構を有する。本実施形態では、内部ＥＧＲ機構は、クランクシャフトの回転角度に対するカムシャフトの回転角度を相対的に変更させること等によって吸気弁６等の位相角および作用角を変更させる機械式の可変動弁機構から構成され、吸気弁６の位相角および作用角に応じて燃焼室５から吸気ポート７へ戻される排気ガス（ＥＧＲガス）の量が変わる。すなわち、各気筒の排気行程中に吸気弁６が開弁している期間を長くすることで、換言すると排気弁８と吸気弁６とが同時に開弁している（バルブオーバーラップ）期間を長くすることでＥＧＲガスが増大する。逆に、排気行程中に吸気弁６を全く開弁させなければ、または排気弁８と吸気弁６とのバルブオーバーラップ期間が全くなければ、吸気ポート７へ戻されるＥＧＲガスの量は零になる。
【００４１】
内部ＥＧＲが行われていて排気ガスが吸気ポート７内へ戻されている場合、すなわちバルブオーバーラップがある場合、吸気管部分にはスロットル弁１９を介して流入する空気に加えてＥＧＲガスが流入せしめられる。図２に示したように吸気管モデルでは、吸気管に流入する気体をスロットル弁通過空気のみとして上記数値計算モデルを作成しているため、上記吸気管モデルは吸気管部分にＥＧＲガスが流入せしめられる場合に対応しておらず、よって吸気管部分にＥＧＲガスが流入せしめられる場合に上記吸気管モデルを用いると、この吸気管モデルによって算出される各気筒毎の筒内充填空気量の算出精度は低いものとなる。一方、吸気管部分にＥＧＲガスが流入せしめられる場合に対応するように数値計算モデルを作成した場合、モデルが複雑になってＥＣＵ３１に対する負荷が大きくなると共に、数値計算モデルでの計算に用いられる運転パラメータが増大して各気筒毎の筒内充填空気量の算出精度が低下する。したがって、内部ＥＧＲが行われている場合、すなわちバルブオーバーラップがある場合には、機関運転状態が定常状態にあっても各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出精度は低いものとなってしまう。
【００４２】
二つ目の運転状態としてはパージ制御が行われている状態が挙げられる。本実施形態では、燃料タンク等などの燃料供給系統から蒸発した燃料蒸気を一時的に蓄えるためのキャニスタ２３が設けられている。キャニスタ２３は、燃料蒸気を吸着し且つ空気を流すと再び燃料蒸気を離脱させる性質を有する活性炭を収容しており、例えば機関停止時等、燃料の蒸発が盛んなときに蒸発燃料をトラップすると共に、機関運転時にはキャニスタの外部から大気を取り入れて、活性炭に吸着している蒸発燃料を離脱させてスロットル弁１９下流の吸気管１６に吸い込ませ、パージさせている（パージ制御）。蒸発燃料を含んだ空気（以下、「パージガス」と称す）のキャニスタ２３から吸気管１６への流通は、パージ制御弁２４によって行われる。パージ制御弁２４の開閉は、機関運転状態に応じて行われ、基本的にパージ制御弁２４の開度が大きいほど吸気管１６へ流入せしめられるパージガスの流量が多くなる。
【００４３】
パージ制御が行われていてパージガスが吸気管１６内へ流入せしめられている場合、すなわちパージ制御弁２４が開弁されている場合、吸気管部分にはスロットル弁１９を介して流入する空気に加えてパージガスが流入せしめられる。上述したように吸気管モデルでは、吸気管に流入する気体をスロットル弁通過空気量のみとして上記数値計算モデルを作成しているため、パージガスが吸気管部分内に流入せしめられると、この吸気管モデルによって算出される各気筒毎の筒内充填空気量の算出精度は低いものとなる。一方、吸気管部分にパージガスが流入せしめられる場合に対応するように数値計算モデルを作成した場合、モデルが複雑になってＥＣＵ３１に対する負荷が大きくなると共に、数値計算モデルでの計算に用いられる運転パラメータが増大して各気筒毎の筒内充填空気量の算出精度が低下する。したがって、パージ制御が行われている場合、すなわちパージ制御弁２４が開弁せしめられている場合には、機関運転状態が定常状態にあっても各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出精度は低いものとなってしまう。
【００４４】
三つ目の運転状態としては、吸気管負圧が低い場合、すなわち吸気管部分の圧力が高い場合が挙げられる。上述したように、式（６）を利用する上記吸気管モデルでは、最大値時刻ｔｍａｘから最小値時刻ｔｍｉｎまでの期間に亘ってスロットル通過空気流量ｍｔがほぼ一定であると近似して各気筒毎の筒内充填空気量が算出されており、式（６）で利用されるスロットル通過空気流量ｍｔは、例えば最大値時刻ｔｍａｘから最小値時刻ｔｍｉｎまでの期間または吸気弁６の開弁期間中にエアフロメータ２０によって検出されたスロットル通過空気流量を平均した値とされている。
【００４５】
しかしながら、実際にはスロットル通過空気流量は脈動しており、スロットル通過空気流量の脈動が大きいと、式（６）で近似的に利用されるスロットル通過空気流量ｍｔとの誤差が大きくなり、結果的に上記吸気管モデルで算出される各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出精度が低いものとなってしまう。
【００４６】
実際のスロットル通過空気流量の脈動が大きい場合としては、例えば、スロットル弁１９のスロットル開度が大きい場合および吸気弁６の作用角が小さい場合が挙げられる。スロットル開度が大きい場合には、吸気管部分にはスロットル弁１９を介して空気が流入し易い。このため、吸気管部分の負圧は低く、すなわち吸気管内圧力は高く、スロットル弁１９上流における吸気管１６内の空気の圧力（以下、「上流吸気管内圧力」と称す）と吸気管内圧力との差圧は小さい。同様に、吸気弁６の作用角が小さい場合には、吸気管部分から吸気弁６を介して燃焼室５内へ流出する空気は少ない。このため、吸気管内圧力は低下しにくく、上流吸気管内圧力と吸気管内圧力との差圧は小さい。
【００４７】
ここで、吸気弁６の開閉によって生じる吸気管内圧力の脈動は、吸気管内圧力と上流吸気管内圧力との差圧が大きいほど、すなわち吸気管部分の負圧が大きいほど、吸気管部分を越えて伝わりにくく、よってスロットル通過空気流量も脈動しにくい。逆に、吸気管内圧力と上流吸気管内圧力との差圧が小さいほど、すなわち吸気管部分の負圧が小さいほど、吸気管部分を越えて伝わり、よってスロットル通過空気流量も脈動し易い。したがって、スロットル弁１９のスロットル開度が大きい場合および吸気弁６の作用角が小さい場合に、上記吸気管モデルで算出される各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出精度が低いものとなる。
【００４８】
このように、機関運転状態が上述した三つの運転状態にある場合には、機関運転状態が定常状態にあっても各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出精度が低い。そこで、本発明では、機関運転状態が上述した三つの運転状態にある場合、各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出を行わないようにしている。これにより、算出精度が低い状態で各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出が行われることが防止され、各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出は常に高い精度で行われるようになり、その結果、常に各気筒毎の筒内充填空気量の相対偏差を正確に求めることができる。
【００４９】
図６は、筒内充填空気量を算出する時期を決定する算出時期決定制御の制御ルーチンを示す。まず、ステップ１０１において、機関運転状態が定常状態にあるか否かが判定され、機関運転状態が定常状態にないと判定された場合、すなわち過渡状態にある場合には制御ルーチンが終了せしめられ、筒内充填空気量の算出が行われない。一方、機関運転状態が定常状態にあると判定された場合にはステップ１０２へと進む。ステップ１０２では、バルブオーバーラップがあるか否かが判定され、バルブオーバーラップがある場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップ１０２でバルブオーバーラップがないと判定された場合にはステップ１０３へと進み、パージ制御弁２４が閉弁されているか否かが判定される。パージ制御弁２４が開弁されていると判定された場合には制御ルーチンが終了せしめられる。一方、パージ制御弁２４が閉弁されていると判定された場合には、ステップ１０４へと進む。
【００５０】
ステップ１０４では、スロットル開度Ｄｔが所定スロットル開度Ｄｔｐ以下であるか否かが判定される。所定スロットル開度Ｄｔｐは、例えば、スロットル通過空気流量が吸気管内圧力の脈動の影響をほとんど受けない程度に吸気管内圧力が低くなるような開度とされる。スロットル開度Ｄｔが所定スロットル開度Ｄｔｐよりも大きいと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、スロットル開度Ｄｔが所定スロットル開度Ｄｔｐ以下であると判定された場合には、ステップ１０５へと進む。ステップ１０５では、作用角Ａｎが所定作用角Ａｎｐ以上であるか否かが判定される。所定作用角Ａｎｐは、例えば、スロットル通過空気流量が吸気管内圧力の脈動の影響をほとんど受けない程度に吸気管内圧力が低くなるような作用角とされる。作用角Ａｎが所定作用角Ａｎｐよりも小さいと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、作用角Ａｎが所定作用角Ａｎｐ以上であると判定された場合には、ステップ１０６へと進む。ステップ１０６では、スロットル通過空気流量ｍｔおよび吸気管圧力Ｐｍに基づいて上記式（６）を用いて各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉが算出され、制御ルーチンが終了せしめられる。
【００５１】
なお、上記実施形態では、機関運転状態が定常状態であることに加えて、バルブオーバーラップがないこと、パージ制御弁が閉弁していること、スロットル開度が所定スロットル開度以下であること、および作用角が所定作用角以上であることの四つの条件全てを満たしている場合にのみ筒内充填空気量Ｍｃｉを算出することとしている。しかしながら、これら四つの条件全てを満たしていなくても、これら条件のうち少なくともいずれか一つの条件を満たしていれば、筒内充填空気流量の算出を行ってもよい。また、上記実施形態では、可変動弁機構は機械式であるとしているが、電磁駆動式吸気弁を用いる等、他の可変動弁機構を用いてもよい。
【００５２】
次に、本発明の第一実施形態の制御装置の変更例について説明する。本変更例では、図７に示すように、可変動弁機構が設けられておらず、替わりに排気管２１とサージタンク１５とが再循環排気ガス（以下、ＥＧＲガスという）通路２５を介して互いに連結される。ＥＧＲガス通路２５内にはステップモータ２７によって駆動されるＥＧＲガス制御弁２６が配置されている。
【００５３】
本変更例では、可変動弁機構による内部ＥＧＲを実行することはできないが、替わりにＥＧＲガス通路２５を用いた外部ＥＧＲを行うことができる。すなわち、ＥＧＲガス通路２５、ＥＧＲガス制御弁２６等は外部ＥＧＲ機構を構成し、この外部ＥＧＲ機構は内部ＥＧＲ機構の場合と同様な理由で、燃焼室５から排気ポート９へと排出された排気ガスの一部をサージタンク１５内へ流入させて再び燃焼室５へ流入させる。外部ＥＧＲ機構では、ＥＧＲガス制御弁２６の開度に応じて排気ポート９からサージタンク１５内へ流入する排気ガス（ＥＧＲガス）の流量が変わる。
【００５４】
外部ＥＧＲが行われていて排気ガスがサージタンク１５内へ流入せしめられている場合、すなわちＥＧＲガス制御弁２６が開弁されている場合、吸気管部分にはスロットル弁１９を介して流入する空気に加えてＥＧＲガスが流入せしめられる。このため、外部ＥＧＲが行われている場合、すなわちＥＧＲガス制御弁２６が開弁せしめられている場合には、上述した外部ＥＧＲの場合と同様に、機関運転状態が定常状態にあっても各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出精度は低いものとなってしまう。
【００５５】
そこで、本変更例では、ＥＧＲガス制御弁２６が開弁されている場合、各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出を行わないようにしている。これにより、算出精度が低い状態で各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉの算出が行われることが防止され、その結果、常に各気筒毎の筒内充填空気量の相対偏差を正確に求めることができる。
【００５６】
次に、本発明の第二実施形態の内燃機関の制御装置について説明する。第二実施形態の制御装置は、基本的に第一実施形態の制御装置と同様である。ところで、機関回転数、吸気弁の位相角、吸気管内圧力等、内燃機関の運転パラメータがそれぞれ同一である場合、第ｉ気筒への筒内充填空気量Ｍｃｉは第ｉ気筒の吸気弁６の作用角によって一意に決定される。例えば、作用角以外の運転パラメータを固定した場合、筒内充填空気量Ｍｃｉと実際の作用角との関係は図８に示したような曲線となる。したがって、作用角以外の運転パラメータをそれぞれ特定の値またはその近傍の値に固定した状態で、上記実施形態における操作（以下、「空気量算出操作」と称す）よって算出された第ｉ気筒への筒内充填空気量Ｍｃｉから、図８に示したようなマップに基づいて第ｉ気筒の吸気弁６の実際の作用角を推定することができる。
【００５７】
具体的には、本実施形態では、作用角以外の運転パラメータ（例えば、機関回転数、吸気弁６の位相角、吸気管内圧力の平均値）が特定の値またはその近傍の値をとる場合における筒内充填空気量と作用角との図８に示したような曲線を予め実験的にまたは計算によって求め、図８に示したようなマップとしてＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に保存する。そして、内燃機関の運転中に作用角以外の運転パラメータが上記特定の値またはその近傍の値をとっている場合に、上記空気量算出操作によって各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉを算出する。算出された各気筒毎の筒内充填空気量Ｍｃｉと、上記ＲＯＭ３４に保存されたマップとから、吸気弁６の実際の作用角を算出する。これにより、本実施形態によれば、比較的正確に吸気弁６の実際の作用角を算出することができる。
【００５８】
ところで、機械式の可変動弁機構１３によって吸気弁６が駆動されている場合、可変動弁機構に用いられるカムの摩耗等によりＥＣＵ３１から可変動弁機構へ指令される目標作用角と吸気弁６の実際の作用角との間にずれが生じてしまう。吸気弁６を駆動するために電磁式の吸気弁６の可変動弁機構（図示せず）が設けられた場合、可変動弁機構内に用いられるスプリングの劣化等によりＥＣＵ３１から可変動弁機構へ指令される目標作用角と吸気弁６の実際の作用角との間にずれが生じてしまう。このようなずれが生じると、吸気弁６の作用角を適切に制御することができなくなり、機関出力や燃費または排気性状の悪化を招いてしまう。
【００５９】
そこで、本実施形態では、空気量算出操作に基づいて算出された実際の作用角がＥＣＵ３１から可変動弁機構へ指令された目標作用角と異なる場合には、算出された実際の作用角と目標作用角との差分を補償するような補正をすることにより、吸気弁６の実際の作用角を常に目標作用角に一致させるようにする。
【００６０】
例えば、推定された実際の作用角と目標作用角とが異なる場合に、これらの差分を算出する。そして、次サイクル以降ではＥＣＵ３１から可変動弁機構へは、目標作用角に上記算出された差分を加算された値が指令される。
【００６１】
したがって、第二実施形態によれば、吸気弁６の実際の作用角を常に目標作用角に一致させるように制御することにより、すなわち推定された実際の作用角に基づいて内燃機関を制御することにより、機関出力や燃費または排気性状の悪化を抑制することができる。
【００６２】
なお、本明細書において、機関運転状態が定常状態にある場合とは、内燃機関の運転パラメータ（例えば、機関回転数、機関負荷、筒内充填空気量等）がほとんど変動せずにほぼ一定に維持されているような運転状態を意味し、一方、機関運転状態が過渡状態にある場合とは、内燃機関の運転パラメータが大きく変動しているような運転状態を意味する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の内燃機関の制御装置が用いられる内燃機関全体を示す図である。
【図２】本発明の吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図３】クランク角に対する流量の変化および吸気管内圧力の変化を示す図である。
【図４】気筒間で吸気弁６の開弁時期が重複する場合におけるクランク角に対する流量の変化を示す図である。
【図５】クランク角に対する流量の変化を示す図である。
【図６】筒内充填空気量を算出する時期を決定する算出時期決定制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】第一実施形態の制御装置の変更例において用いられる内燃機関全体を示す図である。
【図８】筒内充填空気量と作用角との関係を表す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１    機関本体
５    燃焼室
６    吸気弁
７    吸気ポート
８    排気弁
１１    燃料噴射弁
１３    可変動弁機構
１４    吸気枝管
１５    サージタンク
１６    吸気管
１９    スロットル弁
２０    エアフロメータ
２３    キャニスタ
３１    ＥＣＵ
４０    吸気管内圧力センサ
４１    吸気管内温度センサ
【図１】
2006070728.tif 000009
【図２】
2006070728.tif 000010
【図３】
2006070728.tif 000011
【図４】
2006070728.tif 000012
【図５】
2006070728.tif 000013
【図６】
2006070728.tif 000014
【図７】
2006070728.tif 000015
【図８】
2006070728.tif 000016