(57)【要約】【課題】  エアフローメータの出力に基づき正確な大気圧補正係数を算出可能とする内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】  吸気弁８の最大リフト量を変化させて吸入空気量を制御する内燃機関の制御装置であって、機関回転数と最大リフト量とに基づく基準吸入空気量を大気圧補正係数により補正して吸入空気量を算出し、大気圧補正係数は、吸気弁を通過する吸気流速がほぼ音速となる時において、エアフローメータ７により検出された実吸入空気量と、この時の基準吸入空気量とに基づき算出される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁の最大リフト量を変化させて吸入空気量を制御する内燃機関の制御装置であって、機関回転数と前記最大リフト量とに基づく基準吸入空気量を大気圧補正係数により補正して吸入空気量を算出し、前記大気圧補正係数は、前記吸気弁を通過する吸気流速がほぼ音速となる時において、エアフローメータにより検出された実吸入空気量と、この時の前記基準吸入空気量とに基づき算出されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記大気圧補正係数は、前記吸気弁を通過する吸気流速がほぼ音速となる時であって、前記最大リフト量が設定リフト量以下及び前記機関回転数が設定回転数以下の時に算出されることを特徴とする請求項１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】
所望の燃焼空燃比を実現するために、吸入空気量を正確に把握することが必要である。吸入空気量は、一般的に、機関吸気系に配置されたエアフローメータによって検出されるが、エアフローメータは比較的大きな応答遅れを有するものであるために、吸入空気量が変化しない機関定常時でないと正確な吸入空気量を検出することができない。
【０００３】
それにより、機関回転数と、スロットル弁開度又はスロットル弁下流側の吸気圧とに基づき基準大気圧での基準吸入空気量を予めマップ化して置き、この基準吸入空気量を大気圧補正係数により補正して実際の吸入空気量とすることが提案されている。
【０００４】
この大気圧補正係数は、実際の大気圧と基準大気圧との比となるが、大気圧センサを設けることなく大気圧補正係数を決定するために、エアフローメータを利用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
具体的には、スロットル弁開度が比較的大きい時において、エアフローメータにより検出される実吸入空気量と現在の機関回転数及びスロットル弁開度により定まる基準吸入空気量との比を大気圧補正係数としている。
【０００６】
スロットル弁開度が比較的大きい時には、スロットル弁開度センサの出力と実際のスロットル弁開度との間に誤差があっても、この誤差に基づく基準吸入空気量の誤差分は多量となる基準吸入空気量に対して小さくなり、この時の基準吸入空気量は正確な大気圧補正係数を算出するのに有利である。しかしながら、スロットル弁開度が大きく吸入空気量が多量である時には、吸気脈動及び排気脈動が大きくなって、これらが実吸入空気量を変動させることとなる。それにより、スロットル弁開度が比較的大きく吸入空気量が多量となる時には、エアフローメータにより正確な実吸入空気量を検出することは困難であり、正確な大気圧補正係数を算出することはできない。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１４６９８９号公報
【特許文献２】特開２００２−３０９９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、エアフローメータの出力に基づき正確な大気圧補正係数を算出可能とする内燃機関の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の制御装置は、吸気弁の最大リフト量を変化させて吸入空気量を制御する内燃機関の制御装置であって、機関回転数と前記最大リフト量とに基づく基準吸入空気量を大気圧補正係数により補正して吸入空気量を算出し、前記大気圧補正係数は、前記吸気弁を通過する吸気流速がほぼ音速となる時において、エアフローメータにより検出された実吸入空気量と、この時の前記基準吸入空気量とに基づき算出されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の制御装置は、請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、前記大気圧補正係数は、前記吸気弁を通過する吸気流速がほぼ音速となる時であって、前記最大リフト量が設定リフト量以下及び前記機関回転数が設定回転数以下の時に算出されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の内燃機関の制御装置によれば、吸気弁を通過する吸気流速がほぼ音速となる時には、吸気脈動によって吸気弁上流側の吸気圧が多少変動しても、また、排気脈動によって気筒内の圧力が多少変動しても、吸気弁を通過して気筒内へ供給される実吸入空気量を大きく変化させることはなく、エアフローメータによって実吸入空気量を正確に検出し易くなる。それにより、この時においてエアフローメータにより検出された実吸入空気量と基準吸入空気量とに基づき大気圧補正係数を算出することで、大気圧補正係数を正確なものとすることができる。
【００１２】
また、請求項２に記載の内燃機関の制御装置によれば、吸気弁を通過する吸気流速がほぼ音速となる時であって、吸気弁の最大リフト量が設定リフト量以下及び機関回転数が設定回転数以下の時に大気圧補正係数が算出されるようになっており、この時には、大きな吸気脈動及び排気脈動が発生することはない。それにより、エアフローメータにより検出される実吸入空気量は、吸気脈動及び排気脈動によって殆ど影響されず、この時に算出される大気圧補正係数をさらに正確なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明による制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気枝管であり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。各吸気枝管３には燃料噴射弁５が配置され、吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁６が配置されている。このスロットル弁６は、アクセルペダルと機械的に連動するものではなく、ステップモータ等の駆動装置によって自由に開度設定可能なものである。また、スロットル弁６の上流側には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ７が配置されている。機関本体１において、８は吸気弁であり、９は排気弁であり、１０はピストンである。
【００１４】
機関本体１は、吸気弁８の最大リフト量を可変とするリフト量可変機構（図示せず）を具備している。それにより、スロットル弁６開度を比較的大きくして（例えば、全開）、吸気弁８の最大リフト量を変化させることにより吸入空気量の制御が可能となる。このような吸入空気量の制御により、吸気弁８の直上流側（スロットル弁６下流側）の吸気圧が負圧とならないために、ポンピング損失を大幅に低減することができる。
【００１５】
ところで、所望空燃比を実現する等のために、気筒内へ供給された吸入空気量を正確に把握しなければならない。エアフローメータ７は、比較的大きな応答遅れを有するものであるために、同じ吸入空気量が持続する機関定常時においては正確な吸入空気量を検出することができるが、機関過渡時には正確な吸入空気量を検出することができない。そのために、本制御装置は、機関吸気系をモデル化して計算により吸入空気量を推定するようにしている。
【００１６】
先ず、スロットル弁６をモデル化することにより、吸気がスロットル弁６を通過する際のエネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式を使用して、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ(i)（ｇ／ｓｅｃ）を、次式（１）によって表すことができる。以下の式を含めて、スロットル弁通過空気量等の変数の添え字（ｉ）は今回を示し、（ｉ−１）は前回を示している。
【数１】
2005083345.tif 000003
【００１７】
ここで、μ(i)は流量係数であり、Ａ(i)はスロットル弁６の開口面積（ｍ2）である。流量係数及びスロットル弁の開口面積は、それぞれがスロットル弁開度ＴＡ(i)（度）の関数となっており、図２及び３には、それぞれのスロットル弁開度ＴＡに対するマップが図示されている。Ｒは気体定数である。Ｔａはスロットル弁上流側の吸気温度（Ｋ）であり、吸気通路４のスロットル弁上流側において測定しても良いが、大気温度としても良い。また、Ｐａｃはスロットル弁上流側の吸気通路圧力（ｋＰａ）（以下、上流側圧力と称する）であり、Ｐｍ(i)はスロットル弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）（以下、下流側圧力と称する）である。また、関数Φ（Ｐｍ(i)／Ｐａｃ）は、比熱比κを使用して次式（２）によって表されるものであり、図４にはＰｍ／Ｐａｃに対するマップが図示されている。
【数２】
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【００１８】
上流側圧力Ｐａｃは、標準大気圧とすれば良いが、機関吸気系の最上流部にはエアクリーナが設けられているために、厳密には、標準大気圧からエアクリーナの圧力損失を減算して算出することが好ましい。
【００１９】
次いで、吸気弁をモデル化する。気筒内へ供給される吸入空気量ｍｃ(i)（ｇ／ｓｅｃ）は、下流側圧力Ｐｍ(i)に基づきほぼ線形に変化するものであるために、次式（３）に示す一次式によって表すことができる。
【数３】
2005083345.tif 000005
【００２０】
ここで、Ｔｍ(i)はスロットル弁下流側の吸気温度（Ｋ）であり、式（３）を特定するための係数ａ及び定数ｂは、内燃機関毎に適合させて設定される適合値である。ここで、ｂは気筒内の残留既燃ガス量に相当する値であり、バルブオーバーラップ期間が長いほど吸気管へ多量の既燃ガスが逆流するために増加する。また、当然のことながら、吸気弁８の最大リフト量が小さいほど吸入空気量ｍｃが減少する。それにより、正確な吸入空気量ｍｃを算出するためには、これらの係数ａ及び定数ｂは、機関状態毎に設定されることが好ましい。すなわち、機関回転数、吸気弁８の最大リフト量、及び、バルブオーバーラップ期間により定まる機関状態毎に、吸入空気量ｍｃを算出するための一次式を特定する係数ａ及び定数ｂの値をマップ化することが好ましい。また、式（３）におけるｅｋｐａは、大気圧補正係数であり、係数ａ及び定数ｂを使用して算出される標準大気圧における基準吸入空気量を実際の大気圧により補正して実際の吸入空気量ｍｃとしている。
【００２１】
次いで、吸気管をモデル化する。吸気管内に存在する吸気の質量保存則、エネルギ保存則、及び、状態方程式を使用して、下流側圧力Ｐｍとスロットル弁下流側の吸気温度Ｔｍとの比における時間変化率は次式（４）によって表され、また、下流側圧力Ｐｍの時間変化率は次式（５）によって表される。ここで、Ｖは、機関吸気系のスロットル弁６下流側における吸気管の容積（ｍ3）であり、具体的には、吸気通路４のスロットル弁６下流側とサージタンク２と吸気枝管３との合計容積である。
【数４】
2005083345.tif 000006
【００２２】
式（４）及び式（５）は離散化され、それぞれ、次式（６）及び（７）が得られ、式（７）によって今回の下流側圧力Ｐｍ(i)が得られれば、式（６）によって今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ(i)を得ることができ、また、式（１）によって現在のスロットル弁の開口面積Ａ(i)及び現在の流量係数μ(i)に基づき今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ(i)を得ることができる。さらに、式（３）によって、今回の吸気温度Ｔｍ(i)及び今回の下流側圧力Ｐｍ(i)に基づき今回の吸入空気量ｍｃ(i)を得ることができる。次の計算時期においては、下流側圧力、吸気温度、スロットル弁通過空気量、吸入空気量をそれぞれ前回値として、式（７）により今回の下流側圧力Ｐｍ(i)を算出する。これを繰り返して吸入空気量ｍｃを逐次計算する。式（６）及び（７）において、離散時間Δｔは、吸入空気量ｍｃを算出する時間間隔とされ、例えば８ｍｓである。また、スロットル弁通過空気量ｍｔ(i)の算出に使用するスロットル弁の開口面積Ａ(i)及び流量係数μ(i)の現在値は、駆動装置（ステップモータ）の応答遅れ等も考慮して推定されるスロットル弁開度に基づくものとされる。
【数５】
2005083345.tif 000007
【００２３】
ところで、前述した大気圧補正係数ｅｋｐａは、車両走行地点の大気圧が変化する毎に更新されなければ正確な吸入空気量ｍｃを算出することはできない。もちろん、車両に大気圧センサを設けて大気圧が変化する毎に大気圧補正係数ｅｋｐａを更新しても良いが、本実施形態では、機関定常時の吸入空気量を検出するためにエアフローメータ７が設けられているために、大気圧補正係数ｅｋｐａの更新にエアフローメータ７を利用し、大気圧センサを不要としている。
【００２４】
図５は、大気圧補正係数ｅｋｐａを更新するためのフローチャートである。本フローチャートは所定時間毎に繰り返される。先ず、ステップ１０１において、現在が機関定常であるか否かが判断される。この判断が否定される時には、エアフローメータ７により検出される吸入空気量の信頼性が低いために、大気圧補正係数ｅｋｐａの更新は不可能であるとしてそのまま終了する。ステップ１０１における判断が肯定される時には、ステップ１０２へ進み、現在の機関回転数ＮＥ及び現在の吸気弁の最大リフト量ＶＬとが読み込まれ、ステップ１０３において、機関回転数ＮＥが設定回転数ＮＥ’以下であり、かつ、吸気弁の最大リフト量ＶＬが設定リフト量ＶＬ’以下であるか否かが判断される。
【００２５】
ステップ１０３における判断が否定される時には、大気圧補正係数ｅｋｐａを更新するのは好ましくないとしてそのまま終了する。一方、ステップ１０３における判断が肯定される時には、ステップ１０４に進み、エアフローメータ７により検出された現在の吸入空気量ｍｃ’と、現在の機関状態（機関回転数、吸気弁の最大リフト量、及び、バルブオーバーラップ期間）により特定される一次式を使用して現在の下流側吸気圧Ｐｍに基づき算出された吸入空気量ｍｃとの比（ｍｃ’／ｍｃ）を新たな大気圧補正係数ｅｋｐａとして算出するようになっている。
【００２６】
このように、本実施形態において、ステップ１０３における判断が肯定される時、すなわち、機関回転数ＮＥが設定回転数ＮＥ’以下及び吸気弁の最大リフト量ＶＬが設定リフト量ＶＬ’以下である時に、新たな大気圧補正係数ｅｋｐａが算出され、大気圧補正係数が、この新たな大気圧補正係数ｅｋｐａに更新されるようになっている。ところで、吸入空気量は、絞り部である吸気弁８を介して気筒内へ供給されるものであり、スロットル弁６を通過する空気量ｍｔと同様な絞りの式により表すことができる。
【００２７】
ここで、関数Φは、吸気弁８の直下流側の吸気圧である気筒内圧力Ｐｃと吸気弁８の直上流側の吸気圧であるスロットル弁６の下流側の吸気圧Ｐｍとの比（Ｐｃ／Ｐｍ）を変数とするものとなる。この比が、前述同様に、１／（κ＋１）以下となれば、吸気弁８を通過する吸気流速は音速となり、図４に示すように、この時には、変数としての比が多少変化しても関数Φの値は変化しない。すなわち、吸気弁の直上流側の吸気圧及び直下流側の吸気圧が多少変動しても、吸入空気量は殆ど変化しないこととなる。
【００２８】
それにより、吸気弁８の最大リフト量ＶＬが小さく（吸気弁開口面積が小さく）、吸気弁８を通過する吸気流速がほぼ音速となる時には、吸気脈動によって吸気弁の直上流側の吸気圧が多少変動しても、また、排気脈動によって排気弁開弁中の気筒内圧力が多少変動しても及び排気弁閉弁時の気筒内圧力が多少変化しても、これらは吸入空気量に殆ど影響しない。こうして、本実施形態において、大気圧補正係数ｅｋｐａの更新時にエアフローメータ７により検出される吸入空気量ｍｃ’は殆ど変動しない正確な値となり、それに基づき算出される大気圧補正係数ｅｋｐａも正確なものとすることができる。
【００２９】
さらに、本実施形態において、機関回転数が低い時にしか大気圧補正係数ｅｋｐａを更新しないようになっている。これは、機関回転数が低い時には吸気脈動及び排気脈動が小さくなるためであり、それにより、エアフローメータ７により検出される吸入空気量ｍｃ’は、吸気脈動及び排気脈動により殆ど影響されなくなって、さらに正確な値となり、それに基づき算出される大気圧補正係数ｅｋｐａもさらに正確なものとすることができる。こうして、定常のアイドル回転時には大気圧補正係数ｅｋｐａが更新される。
【００３０】
本実施形態において、スロットル弁６開度は、ポンピング損失低減のために殆どの機関運転状態において比較的大きくされている。それにより、スロットル弁下流側の吸気圧、すなわち、吸気弁直上流側の吸気圧は、ほぼ大気圧となり、吸気弁８の最大リフト量がそれほど小さくなくても吸気弁８を通過する吸気流速が音速となる。しかしながら、スロットル弁開度が比較的小さくされた機関定常時の場合には、吸気弁直上流側の吸気圧が低くなり、前述のフローチャートのステップ１０３における判断が肯定されても、吸気弁８を通過する吸気流速が音速とならないことがある。それにより、機関定常時のスロットル弁開度が小さい時には、ステップ１０３で閾値として使用する設定回転数ＮＥ’を大きくし、又は、設定リフト量ＶＬ’を小さくするようにしても良い。また、これら閾値を変更することなく、スロットル弁開度が設定開度より小さな機関定常時には、大気圧補正係数ｅｋｐａを更新しないようにしても良い。
【００３１】
吸気弁のリフト量可変機構だけで吸入空気量を制御することができれば、スロットル弁６を省略することも可能である。この場合においては、下流側圧力Ｐｍを標準大気圧として式（３）により吸入空気量ｍｃを算出すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による制御装置が取り付けられる内燃機関の概略図である。
【図２】スロットル弁開度ＴＡと流量係数μとの関係を示すマップである。
【図３】スロットル弁開度ＴＡとスロットル弁の開口面積Ａとの関係を示すマップである。
【図４】吸気管圧力Ｐｍと上流側圧力Ｐａｃとの比と、関数Φとの関係を示すマップである。
【図５】大気圧補正係数を更新するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１…機関本体
２…サージタンク
３…吸気枝管
４…吸気通路
６…スロットル弁
７…エアフローメータ
８…吸気弁
９…排気弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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