(57)【要約】【課題】この発明は、内燃機関の吸入空気量検出装置に関し、吸入空気量を、少ない演算負荷で、かつ精度良く検出することことを目的とする。【解決手段】  吸気周期Ｔの２分の１、つまりＴ／２の周期でエアフロメータの出力を２点サンプリングする。例えば点Ａおよび点Ｂにおいて、エアフロメータの出力をサンプリングする。点Ａと点Ｂとの間隔は、Ｔ／２である。そして、点Ａにおけるサンプル値ＶＡと、点Ｂにおけるサンプル値ＶＢとの平均値、すなわち（ＶＡ＋ＶＢ）／２を算出する。この平均値（ＶＡ＋ＶＢ）／２は、正確な吸入空気量を表すエアフロメータの平均出力Ｖａｖｅに等しい。よって、（ＶＡ＋ＶＢ）／２を算出することで、正確な吸入空気量を検出することができる。【選択図】図３
2007154841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気通路に配置された吸入空気量検出用のセンサと、
前記吸気通路内に生ずる吸気周期をＴとし、ｎを所定の正の偶数としたとき、Ｔ／ｎの周期で前記センサの出力をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされたｎ個のサンプル値の平均値に基づいて、吸入空気量を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の吸入空気量検出装置。
【請求項２】
内燃機関の吸気通路に配置された吸入空気量検出用のセンサと、
前記内燃機関の気筒数をＮとし、ｎを所定の正の偶数としたとき、クランク軸が７２０°／（Ｎｎ）回転する間隔で前記センサの出力をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされたｎ個のサンプル値の平均値に基づいて、吸入空気量を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の吸入空気量検出装置。
【請求項３】
前記ｎが２であることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の吸入空気量検出装置。
【請求項４】
前記センサは、前記吸気通路内の逆流を検出可能なものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の吸入空気量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸入空気量検出装置に係り、特に、内燃機関を制御する装置として好適な内燃機関の吸入空気量検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等の内燃機関においては、空燃比を制御するために、吸入空気量を測定する必要がある。そのためのセンサとして、熱線式、ベーン式、またはカルマン渦式といったエアフロメータが吸気通路に設けられている。あるいは、スロットル弁の下流に吸気圧センサを設け、吸気圧と回転数との関係から吸入空気量を測定している場合もある。
【０００３】
内燃機関は、行程変化に応じて吸気弁を開閉動作させている。例えば、吸気行程あるいは吸気行程の直前で燃焼室内に吸気するために吸気弁を開き、吸気通路から燃焼室内に空気を吸入させている。そして圧縮行程の初期で吸気弁を閉じて吸気通路側に燃焼室内の気体が漏れ出さないようにしている。
【０００４】
このような吸気弁の開閉動作により、吸気通路を流れる空気には、脈動が生じる。したがって、吸入空気量検出用のセンサの出力値も、吸気脈動に応じて変動する。このため、上記センサの検出タイミングが、脈動のうちで大流量となる位相に一致していると、吸入空気量の検出値は実際よりも大きくなる。逆に、上記センサによる検出タイミングが、脈動のうちで小流量となる位相に一致していると、吸入空気量の検出値は実際よりも小さくなる。
【０００５】
このような吸入空気量検出値の誤差を抑制するため、特開平７−２１７４７４号公報には、内燃機関の所定回転角度毎に熱線式エアフロメータの出力をサンプリングし、それらの値を７２０°／Ｎ（ここでＮは気筒数）毎に積算して空気量を求めるようにした装置が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特公平２−３１３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した吸入空気量検出装置では、上記公報中の図４に示されるように、エアフロメータの出力を微小クランク角度毎にサンプリングしてアナログ−デジタル変換することによって瞬時空気流量を逐次求め、更にその瞬時空気流量値を７２０°／Ｎ毎に積算する必要がある。このため、内燃機関の制御を行う演算処理装置に大きな負荷をかけることになり、演算処理装置の大型化や高性能化によるコストアップを招く。また、演算負荷を少なくするべく、エアフロメータのサンプリング周期を長くしたのでは、前述した脈動による影響が大きくなり、吸入空気量の検出値が不正確なものとなる。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、吸入空気量を、少ない演算負荷で、かつ精度良く検出することのできる内燃機関の吸入空気量検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】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の吸入空気量検出装置であって、
内燃機関の吸気通路に配置された吸入空気量検出用のセンサと、
前記吸気通路内に生ずる吸気周期をＴとし、ｎを所定の正の偶数としたとき、Ｔ／ｎの周期で前記センサの出力をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされたｎ個のサンプル値の平均値に基づいて、吸入空気量を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、内燃機関の吸入空気量検出装置であって、
内燃機関の吸気通路に配置された吸入空気量検出用のセンサと、
前記内燃機関の気筒数をＮとし、ｎを所定の正の偶数としたとき、クランク軸が７２０°／（Ｎｎ）回転する間隔で前記センサの出力をサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によりサンプリングされたｎ個のサンプル値の平均値に基づいて、吸入空気量を算出する算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記ｎが２であることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記センサは、前記吸気通路内の逆流を検出可能なものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、内燃機関の吸気通路に配置された吸入空気量検出用のセンサの出力を、吸気周期Ｔを偶数ｎで除した周期、すなわちＴ／ｎの周期でサンプリングすることができる。そのような周期でサンプリングされたｎ個のサンプル値の平均値は、吸気脈動の影響で変動するセンサ出力を平均したものにほぼ等しい。よって、第１の発明によれば、上記ｎ個のサンプル値の平均値に基づいて吸入空気量を算出することにより、吸気脈動の影響を受けずに正確な吸入空気量を検出することができる。また、第１の発明によれば、少ない回数のサンプリングで正確な吸入空気量を検出することができるので、演算処理装置への演算負荷を小さくすることができる。また、サンプリング周期さえ維持されていれば、サンプリングのタイミングが脈動の位相に対してずれたとしても、その影響を受けることなく正確な検出が可能である。このため、常に誤差の少ない検出を行うことができる。
【００１４】
第２の発明によれば、内燃機関の吸気通路に配置された吸入空気量検出用のセンサの出力を、クランク軸が７２０°／（Ｎｎ）回転する間隔でサンプリングすることができる。ここで、Ｎは気筒数であり、ｎは所定の正の偶数である。そのような周期でサンプリングされたｎ個のサンプル値の平均値は、吸気脈動の影響で変動するセンサ出力を平均したものにほぼ等しい。よって、第２の発明によれば、上記ｎ個のサンプル値の平均値に基づいて吸入空気量を算出することにより、吸気脈動の影響を受けずに正確な吸入空気量を検出することができる。また、第２の発明によれば、少ない回数のサンプリングで正確な吸入空気量を検出することができるので、演算処理装置への演算負荷を小さくすることができる。また、サンプリング周期さえ維持されていれば、サンプリングのタイミングが脈動の位相に対してずれたとしても、その影響を受けることなく正確な検出が可能である。このため、常に誤差の少ない検出を行うことができる。
【００１５】
第３の発明によれば、１回の吸入空気量検出に必要なサンプリング回数を２回とすることができる。よって、演算処理装置への演算負荷を極めて小さくすることができる。
【００１６】
第４の発明によれば、吸気通路内の空気に逆流が生じ得るような運転条件下においても、吸入空気量を正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、４サイクルの内燃機関６を備えている。内燃機関６は、複数の気筒を有する多気筒式の機関であり、図１は、そのうちの一気筒の断面を示している。内燃機関６の各気筒には、それぞれ、ピストン８と、燃焼室１０と、吸気弁１２と、排気弁１４と、点火プラグ１６と、筒内に連通する吸気ポート１８および排気ポート２０とが設けられている。吸気弁１２は、燃焼室１０と吸気ポート１８とを導通状態または遮断状態とするように開閉する。排気弁１４は、燃焼室１０と排気ポート２０とを導通状態または遮断状態とするように開閉する。
【００１８】
また、内燃機関６の各気筒に対しては、それぞれ、吸気ポート１８内に燃料を噴射する燃料噴射弁２２が設けられている。なお、本発明における内燃機関は、図示のようなポート噴射式のものに限らず、筒内直接噴射式のものでもよい。
【００１９】
各吸気ポート１８の上流側は、一つに集合して、吸気通路３０に連通している。吸気通路３０の上流端にはエアクリーナ３２が設けられ、空気はエアクリーナ３２を介して吸気通路３０内に取り込まれる。エアクリーナ３２の下流には、エアフロメータ３３が配置されている。本実施形態のエアフロメータ３３は、吸気通路３０を通過する空気の質量流量に応じた出力を発する公知の熱線式のエアフロメータである。
【００２０】
吸気通路３０が各気筒の吸気ポート１８に分岐する分岐部には、サージタンク３４が設けられている。吸気通路３０のサージタンク３４の上流にはスロットルバルブ３６が配置されている。スロットルバルブ３６には、その開度を検出するためのスロットルポジションセンサ３７が付設されている。
【００２１】
排気ポート２０には、燃焼室１０内での燃焼により生成された燃焼ガスを排出ガスとして排出するための排気通路４０が接続されている。排気通路４０には、排出ガスを浄化するための触媒４２が設けられている。
【００２２】
内燃機関６のクランク軸４５の近傍には、クランク角センサ４６が設置されている。クランク角センサ４６は、クランク軸４５が所定回転角だけ回転する毎に、Hi出力とLo出力を反転させるセンサである。クランク角センサ４６の出力によれば、クランク軸４５の回転位置や回転速度、更には、機関回転数NEなどを検知することができる。
【００２３】
内燃機関６の吸気弁１２は、可変動弁機構５０により駆動される。可変動弁機構５０は、クランク軸４５の回転と同期して吸気弁１２を開閉させると共に、バルブタイミング等の開弁特性を変更することができる。
【００２４】
本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)６０を備えている。ECU６０には、上述したエアフロメータ３３、クランク角センサ４６等の各種センサと、上述した燃料噴射弁２２、可変動弁機構５０等の各種アクチュエータが接続されている。ECU６０は、それらの各センサの出力に基づいて、各アクチュエータを適当に駆動することにより、内燃機関６の運転状態を制御することができる。
【００２５】
上述したような内燃機関システムでは、触媒４２に良好な排気浄化作用を発揮させる上で、空燃比を精度良く制御する必要がある。空燃比を精度良く制御するには、吸入空気量を正確に測定して、その空気量に応じた量の燃料を燃料噴射弁２２からの噴射する必要がある。吸入空気量は、エアフロメータ３３の出力に基づいて検出される。
【００２６】
ところで、内燃機関６では、各気筒が間欠的に吸気を行う。このため、吸気通路３０内の流量や圧力は、時間的に一定ではなく、周期的に変動する。すなわち、吸気通路３０内には、脈動が生ずる。本明細書では、吸気脈動の周期を「吸気周期」と称し、符号Ｔで表すこととする。
【００２７】
図２は、横軸に時間をとり、縦軸にエアフロメータ３３の出力をとったグラフである。図２に示すように、吸気脈動を反映して、エアフロメータ３３の出力も、吸気周期Ｔで周期的に変動する。そして、このように変動するエアフロメータ３３の出力においては、時間的に平均した値Ｖａｖｅが正確な吸入空気量を表すものと考えられる。
【００２８】
［実施の形態１における具体的処理］
上述したような吸気脈動の影響を受けずに正確な吸入空気量を検出するため、本実施形態では、吸気周期Ｔの２分の１、つまりＴ／２の周期でエアフロメータ３３の出力を２点サンプリングし、その２点のサンプル値の平均をとることとした。図３は、この方法を説明するための図であり、図２に示す波形を時間軸方向に拡大した図である。
【００２９】
図２および図３では、吸気脈動によるエアフロメータ３３の出力波形をサインカーブで近似して表している。実際のエアフロメータ３３の出力波形は、必ずしも正確なサインカーブとはならないが、サインカーブで近似することは可能である。
【００３０】
本実施形態では、例えば、図３中の点Ａおよび点Ｂにおいて、エアフロメータ３３の出力をサンプリングする。点Ａと点Ｂとの間隔は、Ｔ／２である。そして、点Ａにおけるサンプル値ＶＡと、点Ｂにおけるサンプル値ＶＢとの平均値、すなわち（ＶＡ＋ＶＢ）／２を算出する。この平均値（ＶＡ＋ＶＢ）／２は、正確な吸入空気量を表すエアフロメータ３３の平均出力Ｖａｖｅにほぼ等しい。よって、（ＶＡ＋ＶＢ）／２を算出することで、正確な吸入空気量を検出することができる。
【００３１】
また、上記の方法によれば、２点のサンプリングの間隔がＴ／２であれば、そのタイミングによらずに、正確な吸入空気量を検出することができる。例えば、図３中の点Ａおよび点Ｂに対しタイミングの異なる点Ｃおよび点Ｄにおいてエアフロメータ３３の出力がサンプリングされたとする。点Ｃと点Ｄとの間隔は、Ｔ／２である。この場合であっても、点Ｃにおけるサンプル値と、点Ｄにおけるサンプル値との平均値（ＶＣ＋ＶＤ）／２は、サインカーブの対称性により、平均出力Ｖａｖｅに等しい。
【００３２】
このように、本実施形態によれば、サンプリングの間隔がＴ／２であれば、脈動の位相とのタイミングとは関係なく、正確な吸入空気量を検出することができる。
【００３３】
内燃機関６では、一般に、各気筒が等間隔で爆発するように構成される。このため、クランク軸４５が１サイクル分（７２０°）回転する間に、各気筒の吸気行程が順次行われる。吸気脈動は、各気筒が吸気を行う毎に発生する。よって、内燃機関６の気筒数を「Ｎ」とした場合、吸気周期Ｔは、内燃機関６の１サイクルのＮ分の１の長さとなり、クランク角で言えば７２０°／Ｎとなる。
【００３４】
例えば４気筒機関の場合、吸気周期Ｔは、クランク角で１８０°に相当する。この場合、Ｔ／２の間隔でエアフロメータ３３の出力をサンプリングするには、クランク軸４５が９０°回転する毎にサンプリングを行えばよい。このようなサンプリングを可能とすべく、ECU６０には、クランク角センサ４６の出力に基づいて、クランク角間隔が９０°となる周期でエアフロメータ３３の出力をサンプリングする検出回路が内蔵されている。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、極めて少ないサンプリング数で、エアフロメータ３３の平均出力Ｖａｖｅとほぼ等しい値を算出することができる。このため、吸気脈動の影響を受けずに正確な吸入空気量を検出することができるとともに、ECU６０に対する演算負荷が少なくて済む。また、吸気脈動の位相に対してサンプリングのタイミングがずれたとしても、そのことに影響されることなく、正確な吸入空気量を検出することができる。このため、検出誤差が生じにくく、内燃機関６の運転状態や経年変化等にかかわらず、常に正確な検出を行うことができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、吸気周期Ｔ毎の脈動の波形に基づいて、吸入空気量を算出することができる。吸気周期Ｔ毎の脈動の波形には、その波形に対応する気筒の吸入空気量が反映されている。よって、吸入空気量を吸気周期Ｔ毎に算出することにより、各気筒が吸気行程を行う順序で、気筒毎の吸入空気量を検出することができる。気筒毎に検出した吸入空気量に基づいて気筒毎の燃料噴射量を制御することとすれば、空燃比の気筒間バラツキを抑制することができ、空燃比をより正確に制御することができる。
【００３７】
少ないサンプリング数で正確な吸入空気量を求める方法としては、吸気弁１２が閉弁してからエアフロメータ３３の出力値がちょうど平均値Ｖａｖｅになるまでの遅れ時間を調査しておき、そのタイミングでサンプリングを行う方法も考えられる。しかしながら、上記遅れ時間は、機関回転数NEや、負荷率KL、吸気弁１２のバルブタイミングなどの運転条件に応じて異なる。それゆえ、この方法をとる場合には、様々な運転条件の下で上記遅れ時間を計測しておく必要があるので、開発段階で多大な実験作業を要する。
これに対し、本実施形態の方法によれば、開発段階で煩雑な実験・計測作業を必要とすることがなく、低コストかつ短期間で開発することができる。
【００３８】
ところで、内燃機関６の運転条件によっては、吸気通路３０内の空気が脈動する中で、空気が逆流する瞬間が生じる場合がある。この逆流は、例えば、吸気弁１２と排気弁１４とのバルブオーバーラップが大きい場合に、排気が吸気通路３０へ吹き返すことによって生じ得る。
【００３９】
上記の事情を鑑みた場合には、エアフロメータ３３は、逆流を検出可能なものであるのが好ましい。すなわち、エアフロメータ３３は、吸気通路３０内の空気が逆流した場合には、その逆流に応じた信号を出力可能なものであるのが好ましい。エアフロメータ３３が逆流を検出可能なものである場合には、逆流が生じた瞬間においても、エアフロメータ３３は有意な値を出力することができる。このため、吸気通路３０内に逆流が生じ得るような運転条件下においても、上述した本実施形態の方法を吸入空気量を算出することにより、正確な吸入空気量を検出することができる。なお、逆流を検出可能とするエアフロメータ３３の構成は特に限定されないが、例えば特許３４７５８５３号に記載されているような構成を採用することができる。
【００４０】
なお、エアフロメータ３３が順方向の流れのみを有意に検出する方式のものである場合には、吸気通路３０内に逆流が発生することのない運転条件の範囲を予め設定しておき、内燃機関６の運転状態がその範囲内にあるときに、本実施形態の方法で吸入空気量を検出するようにすればよい。
【００４１】
ところで、上述した実施の形態１では、吸気周期Ｔの２分の１、つまりＴ／２の周期でエアフロメータ３３の出力を２点サンプリングし、その２点のサンプル値の平均をとることとしている。これに対し、本発明では、吸気周期Ｔの４分の１、つまりＴ／４の周期でエアフロメータ３３の出力を４点サンプリングし、その４点のサンプル値の平均をとることとしてもよい。図４は、その方法を説明するための図であり、図２に示す波形を時間軸方向に拡大した図である。
【００４２】
例えば図４中の点Ｅ，Ｆ，Ｇ，およびＨにおいて、エアフロメータ３３の出力をサンプリングする。点Ｅ，Ｆ，Ｇ，およびＨの間隔は、それぞれＴ／４である。そして、点Ｅ，Ｆ，Ｇ，およびＨの各点におけるサンプル値ＶＥ，ＶＦ，ＶＧ，およびＶＨの平均値、すなわち（ＶＥ＋ＶＦ＋ＶＧ＋ＶＨ）／４を算出する。この平均値（ＶＥ＋ＶＦ＋ＶＧ＋ＶＨ）／４は、正確な吸入空気量を表すエアフロメータ３３の平均出力Ｖａｖｅに等しい。よって、この場合にも、正確な吸入空気量を検出することができる。
【００４３】
同様にして、ｎ＝６，８，１０・・・のように、４より大きい偶数ｎに対しても、吸気周期Ｔのｎ分の１、つまりＴ／ｎの周期でエアフロメータ３３の出力をｎ点サンプリングし、その連続するｎ点のサンプル値の平均をとることとすれば、正確な吸入空気量を検出することができる。このようにしてサンプリング点を増やしていくと、ECU６０での演算負荷はやや多くなるが、エアフロメータ３３の出力波形とサインカーブとの近似精度が低い場合であっても吸入空気量を正確に検出することができるという利点がある。
【００４４】
なお、気筒数Ｎの内燃機関６においてＴ／ｎの周期でエアフロメータ３３の出力をサンプリングする場合には、クランク角度で言えば、クランク軸４５が７２０°／（Ｎｎ）回転する毎にサンプリングを行えばよい。
【００４５】
また、上述した実施の形態１では、エアフロメータ３３は熱線式のエアフロメータであるものとして説明したが、エアフロメータ３３は、これに限定されるものではない。すなわち、エアフロメータ３３は、ベーン式、カルマン渦式などの他の方式のものでもよい。
【００４６】
また、上述した実施の形態１においては、エアフロメータ３３が前記第１の発明における「吸入空気量検出用のセンサ」に相当している。また、ECU６０が、クランク軸４５が７２０°／（Ｎｎ）回転する毎にエアフロメータ３３の出力をサンプリングすることにより、前記第１の発明における「サンプリング手段」が実現されている。ここで、ｎは正の偶数である。また、ECU６０が、エアフロメータ３３のｎ個のサンプル値の平均を算出し、その平均値に応じた吸入空気量を算出することにより、前記第１の発明における「算出手段」が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】横軸に時間をとり、縦軸にエアフロメータの出力をとったグラフである。
【図３】図２に示す波形を時間軸方向に拡大した図である。
【図４】図２に示す波形を時間軸方向に拡大した図である。
【符号の説明】
【００４８】
６    内燃機関
１０  燃焼室
１２  吸気弁
１４  排気弁
１６  点火プラグ
１８  吸気ポート
２０  排気ポート
２２  燃料噴射弁
３０  吸気通路
３３  エアフロメータ
３６  スロットルバルブ
４０  排気通路
４２  触媒
４６  クランク角センサ
６０  ＥＣＵ
【図１】
2007154841.tif 000003
【図２】
2007154841.tif 000004
【図３】
2007154841.tif 000005
【図４】
2007154841.tif 000006