(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の各気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の各気筒の圧縮行程に関与するシリンダ容積を検出するシリンダ容積検出手段と、
前記内燃機関の各気筒の筒内温度を検出する筒内温度検出手段と、
前記内燃機関の各気筒における燃焼ガスのうち次回の圧縮行程まで残留するガス量と次回に新規に流入される吸気量との割合としての筒内残留ガス率を検出する筒内残留ガス率検出手段と、
前記各検出手段からの検出値を用いて新規に流入される前記吸気量を算出する吸気量演算手段とを具備し、
前記筒内残留ガス率は、前記内燃機関の各気筒の圧縮行程時の任意の２点における筒内圧及びシリンダ容積により算出されるポリトロープ変化(polytropic change）の際のポリトロープ指数(polytropic exponent）と負の相関関係であることに基づき検出することを特徴とする内燃機関の吸気量検出装置。
【請求項２】
内燃機関の各気筒の筒内圧を検出する筒内圧検出手段と、
前記内燃機関の各気筒の圧縮行程に関与するシリンダ容積を検出するシリンダ容積検出手段と、
前記内燃機関の各気筒の筒内温度を検出する筒内温度検出手段と、
前記内燃機関の各気筒における燃焼ガスのうち次回の圧縮行程まで残留するガス量と次回に新規に流入される吸気量との割合としての筒内残留ガス率を検出する筒内残留ガス率検出手段と、
前記各検出手段からの検出値を用いて新規に流入される前記吸気量を算出する吸気量演算手段とを具備し、
前記吸気量演算手段による前記吸気量Ｇは、圧縮始めの筒内圧Ｐ1 と圧縮始めのシリンダ容積Ｖ1 と圧縮始めの筒内温度Ｔ1 と筒内残留ガス率ｅとガス定数Ｒとから、Ｇ＝｛（Ｐ1 ・Ｖ1 ）／（Ｒ・Ｔ1 ）｝（１−ｅ）
にて算出することを特徴とする内燃機関の吸気量検出装置。
【請求項３】
前記圧縮始めの筒内温度Ｔ1 は、吸気温Ｔinと排気温Ｔexと筒内残留ガス率ｅとから、
Ｔ1 ＝（１−ｅ）Ｔin＋ｅ・Ｔexにて算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気量検出装置。
【請求項４】
更に、前記吸気量演算手段で算出された前記吸気量に応じて所望の空燃比となる燃料噴射量を算出する燃料噴射量演算手段を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の内燃機関の吸気量検出装置。
【請求項５】
前記燃料噴射量演算手段は、前記内燃機関の各気筒における前記吸気量のばらつきを学習し、その学習値に基づき前記燃料噴射量を算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の各気筒に流入される吸気量（吸入空気量）を検出する内燃機関の吸気量検出装置に関し、例えば、検出された吸気量に対応する燃料量を供給することで運転状態に応じた空燃比の最適制御に利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の吸気管内に流入される吸気量をエアフローメータや吸気圧センサを用いて計測し、その計測結果に対応する燃料量を燃料噴射弁から噴射し、この混合気の燃焼後の排気ガスを排気管内の酸素（Ｏ2 ）濃度センサで検出し、フィードバック補正することにより最終的に所望の空燃比となるように制御するシステムが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前述のシステムにおけるエアフローメータでは吸気量の平均値しか測定できなく、また、吸気圧センサから換算される吸気量では吸入された新気と残留ガスとの区別ができない。このため、実際に制御に必要な内燃機関の各気筒（シリンダ）に新規に流入される吸気量を得るには、エアフローメータや吸気圧センサから求められた吸気量に対してそのときの機関回転数とスロットル開度とから予測される補正を行う必要があった。したがって、内燃機関の各気筒に新規に流入される吸気量を圧縮行程毎に計測するだけの精度及び応答性を確保することは無理であった。
【０００４】
そこで、この発明はかかる不具合を解決するためになされたもので、内燃機関の各気筒に新規に流入される吸気量を圧縮行程毎に正確かつ応答性良く計測することができる内燃機関の吸気量検出装置の提供を課題とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の内燃機関の吸気量検出装置によれば、筒内圧検出手段による筒内圧、シリンダ容積検出手段によるシリンダ容積、筒内温度検出手段による筒内温度、筒内残留ガス率検出手段による筒内残留ガス率を用いて吸気量演算手段で内燃機関の各気筒に新規に流入される吸気量が算出される。これにより、内燃機関の各気筒毎に流入される吸気量が直接計測され、各気筒毎の吸気量を正確かつ応答性良く求めることができる。
また、内燃機関の各気筒の圧縮行程時における気体の状態変化は、理想気体のポリトロープ変化と見做すことができ、この際のポリトロープ指数と筒内残留ガス率とは負の相関関係であるため、内燃機関の各気筒の圧縮行程時の任意の２点における筒内圧及びシリンダ容積から算出されるポリトロープ指数に基づき筒内残留ガス率を求めることができる。
【０００７】
請求項２の内燃機関の吸気量検出装置では、筒内圧検出手段による筒内圧、シリンダ容積検出手段によるシリンダ容積、筒内温度検出手段による筒内温度、筒内残留ガス率検出手段による筒内残留ガス率を用いて吸気量演算手段で内燃機関の各気筒に新規に流入される吸気量が算出される。これにより、内燃機関の各気筒毎に流入される吸気量が直接計測され、各気筒毎の吸気量を正確かつ応答性良く求めることができる。
また、吸気量Ｇを求める式、Ｇ＝｛（Ｐ1 ・Ｖ1 ）／（Ｒ・Ｔ1 ）｝（１−ｅ）に内燃機関の各気筒の圧縮始めの筒内圧Ｐ1 と圧縮始めのシリンダ容積Ｖ1 と圧縮始めの筒内温度Ｔ1 と筒内残留ガス率ｅとを代入すれば、Ｒはガス定数であるため吸気量Ｇを正確かつ応答性良く算出することができる。
【０００８】
請求項３の内燃機関の吸気量検出装置では、圧縮始めの筒内温度Ｔ1 を求める式、Ｔ1 ＝（１−ｅ）Ｔin＋ｅ・Ｔexに吸気温Ｔinと排気温Ｔexと筒内残留ガス率ｅとを代入すれば、圧縮始めの筒内温度Ｔ1 を正確かつ応答性良く求めることができる。
【０００９】
請求項４の内燃機関の吸気量検出装置では、更に、燃料噴射量演算手段にて吸気量演算手段で算出された吸気量に応じて所望の空燃比となる燃料噴射量が算出されることで、この際の燃料噴射量を正確かつ応答性良く決定することができる。
【００１０】
請求項５の内燃機関の吸気量検出装置では、内燃機関の各気筒における吸気量のばらつきが学習されており、その学習値に基づき吸気量の演算後に最初に噴射タイミングとなる気筒の燃料噴射量に対して別の気筒で算出された吸気量を反映することができる。このため、吸気量の演算から燃料噴射量の決定までが最短時間となり過渡応答性を向上することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関の吸気量検出装置が適用された内燃機関における１気筒の要部構成を示す断面図である。
【００１３】
図１において、内燃機関１には吸気管２と排気管３とが接続されている。吸気管２の上流側のスロットル弁（図示略）を介して吸入された空気は、吸気管２に配設されている燃料噴射弁４から噴射される燃料と混合される。この混合気は吸気弁５の開弁時期に内燃機関１のシリンダヘッド１ａとピストン６とで形成される燃焼室７内に供給される。また、シリンダヘッド１ａの頭頂部には燃焼室７内に向けて点火プラグ８が配設されている。この点火プラグ８からの火花により燃焼室７内の混合気が燃焼される。この燃焼室７内の燃焼ガスは排気弁９の開弁時期に排気管３側に排気ガスとして排出される。
【００１４】
また、吸気管２内には吸気温Ｔinを検出する吸気温センサ２１が配設され、排気管３内には排気温Ｔexを検出する排気温センサ２２が配設されている。そして、内燃機関１の燃焼室７に対向してその筒内圧を検出する筒内圧センサ２３が配設されている。更に、内燃機関１のクランクシャフト１１にはその回転に伴うクランク角(Crank Angle）を検出するクランク角センサ２４が配設されている。
【００１５】
そして、吸気温センサ２１からの吸気温Ｔin、排気温センサ２２からの排気温Ｔex、筒内圧センサ２３からの筒内圧、クランク角センサ２４からのクランク角がＥＣＵ（Electronic Control Unit:電子制御ユニット）３０に入力されている。このＥＣＵ３０は、周知の中央処理装置としてのＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、各種データを格納するＲＡＭ、Ｂ／Ｕ（バックアップ）ＲＡＭ、入出力回路及びそれらを接続するバスライン等からなる論理演算回路として構成されている。
【００１６】
次に、図１、図２及び図３を参照して吸気量検出の原理について説明する。なお、図２は図１の内燃機関における１気筒のクランク角〔°ＣＡ〕に対する筒内圧〔ＭＰａ：メガパスカル〕の遷移状態を示す特性図である。また、図３はポリトロープ指数ｎをパラメータとして筒内残留ガス率ｅを求める負の相関関係を示すテーブルである。
【００１７】
ＥＣＵ３０によって、以下に述べるように、各種センサ信号等に基づき吸気量が求められる。まず、燃焼室７に対向する筒内圧センサ２３からの出力信号に基づき圧縮始めの筒内圧Ｐ1 が求められる。次に、クランク角センサ２４の出力（クランク角Ｃ1 ）に基づくピストン６位置が設計値と照合されることでシリンダ容積Ｖ1 が求められる。ここで、図２に示すクランク角Ｃ0 〜Ｃ1 の期間は吸気行程、クランク角Ｃ1 〜Ｃ3 の期間は圧縮行程、クランク角Ｃ3 以降は燃焼（膨張）行程である。このうち、圧縮行程における筒内圧の変化はポリトロープ変化と仮定でき、圧縮行程時の任意の２点において、次式（１）の関係が成立する。なお、クランク角Ｃ2 （クランク角センサ２４の出力）における筒内圧Ｐ2 は筒内圧センサ２３にて検出され、クランク角Ｃ2 におけるシリンダ容積Ｖ2 はピストン６位置が設計値と照合されることで求められる。また、ｎはポリトロープ指数である。
【００１８】
【数１】
Ｐ1 ・Ｖ1 n ＝Ｐ2 ・Ｖ2 n                               ・・・（１）
したがって、筒内圧Ｐ1 におけるシリンダ容積Ｖ1 及び筒内圧Ｐ2 におけるシリンダ容積Ｖ2 を上式（１）に代入することによってポリトロープ指数ｎが求められる。そして、このポリトロープ指数ｎから図３のテーブルに基づき筒内残留ガス率ｅが求められる。
【００１９】
更に、圧縮始めの筒内温度Ｔ1 が、吸気温センサ２１で検出された吸気温Ｔinと排気温センサ２２で検出された排気温Ｔexと筒内残留ガス率ｅとから次式（２）にて算出される。
【００２０】
【数２】
Ｔ1 ＝（１−ｅ）Ｔin＋ｅ・Ｔex                          ・・・（２）
上述のように求められた圧縮始めの筒内圧Ｐ1 、圧縮始めのシリンダ容積Ｖ1 、筒内残留ガス率ｅ、圧縮始めの筒内温度Ｔ1 及びガス定数Ｒから次式（３）にて内燃機関１の気筒の吸気行程時に新規に流入される吸気量Ｇが算出される。なお、ガス定数Ｒは８．３１４〔Ｊ（ジュール）・Ｋ-1（ケルビン温度）・mol -1（モル）〕である。
【００２１】
【数３】
Ｇ＝｛（Ｐ1 ・Ｖ1 ）／（Ｒ・Ｔ1 ）｝（１−ｅ）          ・・・（３）
そして、この吸気量Ｇに応じて所望の空燃比となるように内燃機関１の気筒に供給すべき燃料噴射量が算出される。
【００２２】
図４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関の吸気量検出装置が適用された４気筒内燃機関の概略構成を示す断面図である。なお、図中、図１と同様の構成または相当部分からなるものについては同一符号及び同一記号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２３】
外気（空気）はエアクリーナ１２にて浄化され、スロットル弁１３を介してサージタンク１４内に流入される。このサージタンク１４内の空気は内燃機関１の各気筒の吸気行程時に、各吸気管２及び各吸気弁５を通って各燃焼室７内に流入される。そして、ＥＣＵ３０によって、クランク角センサ２４からの出力信号、各気筒に配設された筒内圧センサ２３（２３-1，２３-2，２３-3，２３-4）からの圧縮行程における出力信号、吸気温センサ２１からの出力信号、排気温センサ２２からの出力信号に基づき、上述したように、燃焼室７内に新規に流入された吸気量が求められる。
【００２４】
そして、ＥＣＵ３０では求められた吸気量に応じて所望の空燃比となるように燃料噴射弁４（４-1，４-2，４-3，４-4）から噴射される燃料噴射量が決定される。なお、このＥＣＵ３０には、各気筒の吸気量の平均値を格納するＥＥＰＲＯＭ(Electrical Erasable Programmable ＲＯＭ）等からなる不揮発性メモリ３５が内蔵されている。更に、吸気量に応じた燃料噴射量が適正であるかが排気管３内に配設された酸素濃度センサ２５によって判定される。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関の吸気量検出装置で使用されているＥＣＵ３０による図４の４気筒内燃機関１における各気筒の吸気量演算及び燃料噴射量への反映を示す図５のタイムチャートを参照して説明する。なお、図５の横軸はクランク角〔°ＣＡ〕を示し、４気筒内燃機関１は４サイクルであって、吸気−圧縮−燃焼（膨張）−排気の各行程が７２０〔°ＣＡ〕毎に繰返される。
【００２６】
図５において、＃１気筒の吸気量はその圧縮行程時に演算され、この演算結果から次回の＃１気筒における燃料噴射量が決定され、＃１気筒の排気行程時で＃１気筒の燃料噴射弁４-1がＯＮとなる噴射タイミングにて噴射される。他の気筒（＃３気筒、＃４気筒、＃２気筒）においても同様に、その気筒における圧縮行程時に演算され、それぞれ次回の燃料噴射量が決定される。
【００２７】
このような制御による内燃機関１の各気筒毎の吸気量のばらつきは、以下のように求められる。次式（４）により、内燃機関１の各気筒毎の運転状態近傍における吸気量の平均値が求められる。ここで、Ｇ#na は＃ｎ気筒における吸気量の平均値、Ｇ#nは＃ｎ気筒における吸気量の演算値である。
【００２８】
【数４】
Ｇ#na ＝０．９×Ｇ#na-1 ＋０．１×Ｇ#n                  ・・・（４）
このようにして求められた各気筒毎の吸気量の平均値Ｇ#na はＥＣＵ３０内の不揮発性メモリ３５に各気筒毎に格納される。
【００２９】
次に、上述の各気筒毎の吸気量の平均値Ｇ#na を用いた制御について、図６の４気筒内燃機関１における各気筒の吸気量演算及び燃料噴射量への反映の変形例を示すタイムチャートを参照して説明する。なお、図５と同様に、図６の横軸はクランク角〔°ＣＡ〕を示し、４気筒内燃機関１は４サイクルであって、吸気−圧縮−燃焼（膨張）−排気の各行程が７２０〔°ＣＡ〕毎に繰返される。
【００３０】
図６において、まず、＃１気筒の圧縮行程で、＃１気筒の吸気量の演算値Ｇ#1及び平均値Ｇ#1a が求められる。そして、この＃１気筒の吸気量の演算値Ｇ#1に基づき、演算終了後において燃料噴射弁の噴射タイミングで最も近い時期にある＃２気筒の燃料噴射弁４-2の燃料噴射量が決定される。つまり、＃１気筒の吸気量が次式（５）にて＃２気筒の吸気量に換算される。
【００３１】
【数５】
Ｇ#N′＝Ｇ#n・（Ｇ#Na ／Ｇ#na ）                        ・・・（５）
ここで、Ｇ#N′は噴射気筒（＃Ｎ気筒）の換算吸気量、Ｇ#nは＃ｎ気筒の吸気量の演算値、Ｇ#Na は噴射気筒（＃Ｎ気筒）の吸気量の平均値、Ｇ#na は＃ｎ気筒の吸気量の平均値である。
【００３２】
以下、同様に圧縮行程における気筒で算出された吸気量が、上式（５）にて噴射タイミングとなる気筒の吸気量に換算され、その燃料噴射量が決定される。このようにして、吸気量の演算終了後にあって、燃料噴射弁の噴射タイミングが最も近い気筒の燃料噴射量に対して、例え、その気筒が吸気量の演算に用いた気筒と異なっていても、その演算結果を直ちに反映させることができる。
【００３３】
このように、本実施例の内燃機関の吸気量検出装置は、内燃機関１の各気筒の筒内圧を検出する筒内圧センサ２３からなる筒内圧検出手段と、内燃機関１の各気筒の圧縮行程に関与するシリンダ容積を検出するクランク角センサ２４及びＥＣＵ３０にて達成されるシリンダ容積検出手段と、内燃機関１の各気筒の筒内温度を検出する吸気温センサ２１、排気温センサ２２及びＥＣＵ３０にて達成される筒内温度検出手段と、内燃機関１の各気筒における燃焼ガスのうち次回の圧縮行程まで残留するガス量と次回に新規に流入される吸気量との割合としての筒内残留ガス率を検出する筒内圧センサ２３、クランク角センサ２４及びＥＣＵ３０にて達成される筒内残留ガス率検出手段と、前記各検出手段からの検出値を用いて内燃機関１の各気筒に新規に流入される吸気量Ｇを算出するＥＣＵ３０にて達成される吸気量演算手段とを具備するものである。
【００３４】
つまり、筒内圧センサ２３による筒内圧、クランク角センサ２４及びＥＣＵ３０によるシリンダ容積、吸気温センサ２１、排気温センサ２２及びＥＣＵ３０による筒内温度、筒内圧センサ２３、クランク角センサ２４及びＥＣＵ３０による筒内残留ガス率を用いて吸気量演算手段を達成するＥＣＵ３０で内燃機関１の各気筒に新規に流入される吸気量Ｇが算出される。これにより、内燃機関１の各気筒毎に流入される吸気量が直接計測され、各気筒毎の吸気量を正確かつ応答性良く求めることができる。
【００３５】
また、本実施例の内燃機関の吸気量検出装置は、筒内残留ガス率ｅを内燃機関１の各気筒の圧縮行程時のクランク角Ｃ1 ，Ｃ2 の２点における筒内圧Ｐ1 ，Ｐ2 及びシリンダ容積Ｖ1 ，Ｖ2 により上式（１）にて算出されるポリトロープ変化の際のポリトロープ指数ｎと負の相関関係であることに基づき図３に示すテーブルから検出するものである。即ち、内燃機関１の各気筒の圧縮行程時における気体の状態変化は、理想気体のポリトロープ変化と見做すことができる。ポリトロープ変化の際のポリトロープ指数ｎと筒内残留ガス率ｅとは負の相関関係を呈することが分かっている。このため、内燃機関１の各気筒の圧縮行程時の任意の２点における筒内圧及びシリンダ容積から算出されるポリトロープ指数に基づき筒内残留ガス率を求めることができる。
【００３６】
そして、本実施例の内燃機関の吸気量検出装置は、ＥＣＵ３０にて達成される吸気量演算手段による吸気量Ｇを圧縮始めの筒内圧Ｐ1 と圧縮始めのシリンダ容積Ｖ1 と圧縮始めの筒内温度Ｔ1 と筒内残留ガス率ｅとガス定数Ｒとから、上式（３）にて算出するものである。このため、内燃機関１の各気筒の圧縮始めの筒内圧Ｐ1 と圧縮始めのシリンダ容積Ｖ1 と圧縮始めの筒内温度Ｔ1 と筒内残留ガス率ｅとが分かれば吸気量Ｇを正確かつ応答性良く算出することができる。
【００３７】
更に、本実施例の内燃機関の吸気量検出装置は、圧縮始めの筒内温度Ｔ1 を吸気温Ｔinと排気温Ｔexと筒内残留ガス率ｅとから、上式（２）にて算出するものである。即ち、吸気温Ｔinと排気温Ｔexと筒内残留ガス率ｅとが分かれば圧縮始めの筒内温度Ｔ1 を正確かつ応答性良く求めることができる。
【００３８】
更にまた、本実施例の内燃機関の吸気量検出装置は、更に、ＥＣＵ３０にて達成される吸気量演算手段で算出された吸気量Ｇに応じて所望（例えば、理論空燃比近傍）の空燃比となる燃料噴射量を算出するＥＣＵ３０にて達成される燃料噴射量演算手段を具備するものである。このようなシステムでは、求められた吸気量に応じて所望の空燃比となるような燃料噴射量を正確かつ応答性良く決定することができる。
【００３９】
加えて、本実施例の内燃機関の吸気量検出装置は、内燃機関１の各気筒における吸気量Ｇのばらつきを学習し、その学習値に基づき燃料噴射量を算出するものである。これにより、吸気量の演算後に最初に噴射タイミングとなる気筒の燃料噴射量に対して別の気筒で算出された吸気量を反映することができる。このため、吸気量の演算から燃料噴射量の決定までが最短時間となり過渡応答性を向上することができる。
【００４０】
ところで、筒内圧、シリンダ容積、筒内温度、筒内残留ガス率を検出する各検出手段は、上記実施例中のセンサ等に限定されるものではなく、本発明を実施する場合には、他のパラメータからそれぞれ算出するようにしてもよい。
【００４１】
また、上記実施例で明らかなように、内燃機関１の気筒数、各気筒における燃料噴射弁の噴射タイミングや取付位置（例えば、燃焼室への取付）等の影響を受けることがないため、本発明を実施する場合には、これに限定されるものではなく、種々の変形が可能であり、演算された吸気量を最短時間で燃料噴射量に反映させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関の吸気量検出装置が適用された内燃機関における１気筒の要部構成を示す断面図である。
【図２】  図２は図１の内燃機関における１気筒のクランク角に対する筒内圧の遷移状態を示す特性図である。
【図３】  図３は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関の吸気量検出装置でポリトロープ指数をパラメータとして筒内残留ガス率を求めるテーブルである。
【図４】  図４は本発明の実施の形態の一実施例にかかる内燃機関の吸気量検出装置が適用された４気筒内燃機関の概略構成を示す断面図である。
【図５】  図５は図４の４気筒内燃機関における各気筒の吸気量演算及び燃料噴射量決定への反映を示すタイムチャートである。
【図６】  図６は図４の４気筒内燃機関における各気筒の吸気量演算及び燃料噴射量への反映の変形例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１  内燃機関
４  燃料噴射弁
６  ピストン
７  燃焼室
２１  吸気温センサ
２２  排気温センサ
２３  筒内圧センサ
２４  クランク角センサ
３０  ＥＣＵ（電子制御ユニット）
【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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【図６】
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