JP3900080B2 - 内燃機関の吸入空気量推定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸入空気量推定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空燃比制御を実施するために、気筒内へ供給された吸入空気量を把握することが必要となる。吸気空気量は、スロットル弁下流側の吸気管の圧力に応じて変化することが解かっており、従来においては、吸入空気量が吸気管圧力の一次式により近似され算出されている。また、吸気管圧力の一次式による近似において、可変バルブタイミング機構によってバルブオーバーラップを発生させた時には、吸気行程において吸気管へ気筒内の排気ガスが逆流するために吸入空気量が減少することが考慮され、さらに、吸気管圧力が所定値以上となる時には排気ガスの逆流が起こり難くなり、吸入空気量の減少分が少なくなることも考慮されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、吸入空気量は、吸気管圧力に基づき、バルブオーバーラップの有無によって異なる一次式を使用して算出され、バルブオーバーラップ有りの場合には、吸気管圧力が所定値となる時を境として連続する二つの一次式を使用して算出されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８０８７７号公報（段落番号００３１−００４５、図３）
【特許文献２】
特開２００１−４１０９５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１４７２７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術により、吸気管内へスロットル弁を介して新気だけが流入する場合には、バルブオーバーラップの有無が考慮されて、吸気管圧力に基づき吸入空気量を算出することができる。しかしながら、吸気管内へは、一般的に、排気再循環通路の制御弁を介して機関排気系からの排気ガスも流入しており、このような場合には、前述の従来技術によって吸気管圧力に基づき気筒内への吸入ガス量（新気及び再循環排気ガス）は算出することはできても、所望空燃比を実現するのに必要な気筒内への吸入空気量、すなわち、吸入新気量を算出することはできない。
【０００６】
従って、本発明の目的は、バルブタイミングが少なくとも二段階に可変とされ、制御弁を備える排気再循環通路がスロットル弁の下流側の吸気管へ接続されている内燃機関の吸入空気量推定装置において、吸気管圧力に基づいて吸入空気量の推定を可能とすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、バルブタイミングが少なくとも第一バルブタイミングと第二バルブタイミングとの二段階に可変とされ、制御弁を備える排気再循環通路がスロットル弁の下流側の吸気管へ接続されている内燃機関の吸入空気量推定装置において、前記第一バルブタイミングの場合における吸気管圧力と気筒内への吸入ガス量に相当する吸入ガス量相当値との間の第一関係式と、前記第二バルブタイミングの場合における前記吸気管圧力と前記吸入ガス量相当値との間の第二関係式とを使用して、前記第一バルブタイミング及び前記第二バルブタイミングのそれぞれの場合における前記制御弁が特定開度の時の吸入空気量を算出する際に、前記第一バルブタイミングの場合における吸気管圧力に基づく前記特定開度の前記制御弁を通過する再循環排気ガス量の相当値を機関定常時における気筒内への吸入排気ガス量に相当する吸入排気ガス量相当値として算出し、前記吸入排気ガス量相当値に基づき前記第一関係式を使用して前記第一バルブタイミングの場合における前記制御弁が前記特定開度の時の前記吸入空気量を算出し、前記吸気管圧力に基づく前記特定開度における前記吸入排気ガス量相当値はバルブタイミングに係らずに同じであるとして、前記吸入排気ガス量相当値に基づき前記第二関係式を使用して前記第二バルブタイミングの場合における前記制御弁が前記特定開度の時の吸入空気量を算出することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置において、機関過渡時には、前記制御弁を通過する再循環排気ガス量が遅れて気筒内へ吸入されることを考慮し、前記再循環排気ガス量の相当値を前記吸入排気ガス量相当値に補正して前記吸入空気量の算出に使用することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、バルブタイミングが可変とされ、制御弁を備える排気再循環通路がスロットル弁の下流側の吸気管へ接続されている内燃機関の吸入空気量推定装置において、機関定常時には吸気管圧力に基づく前記制御弁を通過する再循環排気ガス量が気筒内への吸入排気ガス量となるとし、機関定常時における吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量相当値ＫＬとの関係式を、第１係数ｅと、第２係数ｇと、第３係数ｒとを使用して、ＫＬ＝ｅ（Ｐｍ−ｇ）＋ｒにより近似し、前記第１係数ｅと前記第３係数ｒとが機関回転数と前記バルブタイミングと前記制御弁の開度とに応じて予め定められており、前記第２係数ｇが前記機関回転数と前記バルブタイミングと前記制御弁の開度のうちの少なくとも前記機関回転数に応じて予め定められており、対応する前記第１係数ｅと前記第２係数ｇと前記第３係数ｒとに基づく前記関係式を使用して吸入空気量を算出することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、請求項３に記載の内燃機関の吸入空気推定装置において、機関過渡時には、前記制御弁を通過する再循環排気ガス量が遅れて気筒内へ吸入されることを考慮して、前記関係式を使用して算出された前記制御弁を通過する再循環排気ガス量の相当値を前記吸入排気ガス量の相当値に補正して前記吸入空気量の算出に使用することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による吸気量推定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。スロットル弁６は、アクセルペダル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。しかしながら、これは本発明を限定するものではなく、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も良い。７は吸気通路４のスロットル弁６より上流側の吸気流量を検出するエアフローメータである。機関本体１において、８は吸気弁、９は排気弁、１０はピストン、１１は点火プラグである。吸気弁８の開弁時期及び排気弁９の閉弁時期の少なくとも一方は、可変バルブタイミング機構によって可変とされ、それにより、機関回転数及び機関負荷等により定まる機関運転状態毎に最適なバルブタイミングが実現されるようになっている。
【００１２】
１２は機関排気系であり、１３は機関排気系における各気筒の排気集合部下流側と各気筒の吸気枝管３とを連通する排気再循環通路である。排気再循環通路１３を介して排気ガスを気筒内へ供給することにより、燃焼温度を低下させてＮＯ_X発生量の抑制が可能となる。再循環排気ガス量を増加するほどＮＯ_X発生量を抑制することができるが、その一方で機関出力が大幅に低下することとなり、排気再循環通路１３には制御弁１４が配置され、制御弁１４により再循環排気ガス量が制御される。制御弁１４の開度は、機関回転数及び機関負荷等により定まる機関運転状態毎に設定されている。ここで、スロットル弁６及び制御弁１４の下流側の機関吸気系（サージタンク２、排気再循環通路１３の一部、及び吸気枝管３）を吸気管と称し、吸気管の容積を吸気管容積と称する。
【００１３】
内燃機関１における燃焼空燃比を、例えば、理論空燃比等の所望空燃比にするためには、機関過渡時を含めて気筒内へ流入した吸入空気量を正確に推定することが必要とされる。エアフローメータ７は、機関定常時においては、比較的正確に吸入空気量を測定することができる。しかしながら、機関過渡時においては、急激に変化する吸入空気量に対してエアフローメータ７の出力が直ぐに応答せず、正確な吸入空気量の測定は不可能である。
【００１４】
本吸入空気量推定装置は、機関過渡時においても、正確な吸入空気量を把握することを可能とするために、機関吸気系をモデル化して吸入空気量を推定するようになっている。
【００１５】
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）が、次式（１）によって表される。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】

【００１６】
ここで、μ１_(i)は流量係数であり、Ａｔ_(i)はスロットル弁６の開口面積（ｍ³）である。もちろん、機関吸気系にアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ弁）が設けられている時には、Ａｔ_(i)には、ＩＳＣ弁の開口面積が加えられる。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は気体定数であり、Ｔａはスロットル弁上流側の吸気温度（Ｋ）であり、Ｐａはスロットル弁上流側の吸気通路圧力（ｋＰａ）であり、Ｐｍ_(i)はスロットル弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）である。また、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐａ）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／Ｐａに対するマップが図示されている。
【数２】

【００１７】
図１に示す内燃機関において、吸気管には、スロットル弁６を通過する空気だけでなく、排気再循環通路１３の制御弁１４を介して、機関排気系１２から排気ガスも流入する。それにより、次いで、制御弁１４をモデル化する。排気ガスが制御弁１４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、今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)（ｇ／ｓｅｃ）が、スロットル弁通過空気量と同様に、次式（３）によって表される。
【数３】

【００１８】
ここで、μ２_(i)は流量係数であり、Ａｅ_(i)は制御弁１４の開口面積（ｍ³）である。流量係数及び制御弁の開口面積は、それぞれが制御弁開度ＥＡ_(i)（度）の関数となっており、図２及び３と同様に、それぞれの制御弁開度ＥＡに対してマップ化されている。Ｒは気体定数であり、Ｔｅは制御弁上流側の排気ガス温度（Ｋ）であり、Ｐｅは制御弁上流側の排気圧力（ｋＰａ）であり、Ｐｍ_(i)は制御弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）である。また、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐｅ）は、式（２）において吸気通路圧力Ｐａを排気圧力Ｐｅに置き換えたものである。
【００１９】
式（３）の右辺において、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐｅ）以外の部分を、制御弁開度ＥＡの関数Ｂとして置き換えると、次式（４）を得ることができる。すなわち、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、任意の制御弁開度において、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐｅ）によってのみ変化するものとすることができる。吸入空気量が少ない領域では、排気圧力Ｐｅは大気圧Ｐａにほぼ等しく、また、吸入空気量が多い領域では、吸入空気量の増加に応じて排気圧力Ｐｅが上昇する。ここで、吸入空気量と吸気管圧力Ｐｍとは比例関係にあるために、制御弁開度が定まれば、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、機関回転数毎に、図５に示すような吸気管圧力Ｐｍの連続する二つの一次式によって近似することができる。
【数４】

【００２０】
次いで、吸気弁をモデル化する。吸気管から気筒内へ供給される吸入ガス量ｍｃ（ｇ／ｓｅｃ）は、吸気管圧力Ｐｍの一次式により近似することができる。図６は、機関運転状態に応じたバルブタイミングにおいて、バルブオーバーラップ量がゼロ又は小さく、バルブオーバーラップ時に気筒内から吸気管へ排気ガスが逆流しない場合を示している。図６における実線Ｌ１１は、吸気管へ制御弁を介して排気ガスが流入しない時、すなわち、制御弁開度が０度で吸気管内は空気により満たされている時である。これに対して、実線Ｌ１２は、制御弁開度がＥＡ１であり、制御弁１４を介して排気ガスが吸気管へ流入している時である。制御弁１４を通過する排気ガス量は、機関定常時において、吸気管から気筒内への吸入排気ガス量と等しい。すなわち、機関定常時には、制御弁開度に応じて、吸入排気ガス量が図５に示すと同様に吸気管圧力により一次的に変化する。こうして、吸入排気ガス量を考慮すれば、制御弁開度ＥＡ１の時の吸気管圧力Ｐｍに対する機関定常時の吸入空気量ＫＬを実線Ｌ１２のように予め設定することができる。
【００２１】
図６の実線Ｌ１３は、制御弁開度がＥＡ１より大きなＥＡ２の時の吸気管圧力Ｐｍに対する機関定常時の吸入空気量ＫＬを示し、気筒内への吸入排気ガス量が全体的に増加することを考慮して、前述同様に設定されている。図６においては省略されているが、吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式は、制御弁１４の開度毎に設定されている。実際的には、次式（５）の形で本吸入空気量推定装置に記憶されている。
ＫＬ＝ｅ（Ｐｍ−ｇ）＋ｒ ・・・（５）
機関定常時の吸入空気量ＫＬは、同じ吸気管圧力に対して機関回転数に応じて変化するために、式（５）において、第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒは、バルブタイミングを考えなければ、機関回転数及び制御弁開度の二次元マップで設定されれば良い。さらに、本実施形態のように、吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとが図６に示すように折れ線で設定される場合には、第１係数ｅは、吸気管圧力Ｐｍが第２係数ｇと等しくなる時を境に異なる値として設定される。
【００２２】
制御弁が開度０度の時の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式は、次式（６）の形で本吸入空気量推定装置に記憶されている。
ＫＬ＝ａ（Ｐｍ−ｂ）＋ｃ ・・・（６）
ここで、第４係数ａ、第５係数ｂ、及び、第６係数ｃは、バルブタイミングを考えなければ、機関回転数の一次元マップで設定されれば良い。
【００２３】
ところで、機関運転状態に応じたバルブタイミングによってバルブオーバーラップ量等が大きくなると、気筒内の排気ガスが吸気管へ逆流するために、その分、吸入空気量が減少する。逆流排気ガス量は、一般的に、バルブオーバーラップ量が大きくなるほど多くなる。また、吸気管圧力Ｐｍが所定値ｂを超えて高くなれば、排気ガスは徐々に逆流し難くなるために、この時には、吸入空気量の減少分が徐々に少なくなる。これを考慮して、バルブタイミングが所定値ＶＶＴ１の時の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとは、図７の実線Ｌ２１のように設定することができる。
【００２４】
バルブタイミングがＶＶＴ１の場合に、制御弁１４が開弁されて制御弁１４を介して排気ガスが吸気管へ流入すれば、前述同様に、その分、吸入空気量ＫＬが減少することとなり、制御弁開度がＥＡ１及びＥＡ２の時の吸気管圧力Ｐｍに対する吸入空気量ＫＬとの関係式は、それぞれ、図７の実線Ｌ２２及びＬ２３のように設定することができる。バルブタイミング毎に図７と同様なマップが必要とされる。本実施形態において、バルブタイミングは、逆流排気ガス量に対応する値として使用するものであり、単に、吸気弁と排気弁とが共に開弁している開弁期間、すなわち、バルブオーバーラップ量を意味するのではなく、同じバルブオーバーラップ量でも、この間の吸気弁のリフト量が大きければ逆流排気ガス量は増加し、また、同じバルブオーバーラップ量でも、その時期が異なれば逆流排気ガス量は変化するために、これらを含めたものを意味している。
【００２５】
こうして、バルブタイミングが可変とされる場合には、前述の式（５）において、第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒは、機関回転数及び制御弁開度だけでなく、バルブタイミングも含めた三次元マップで設定されることが好ましい。また、前述の式（６）において、第４係数ａ、第５係数ｂ、及び、第６係数ｃは、機関回転数だけでなく、バルブタイミングを含めた二次元マップで設定されることが好ましい。但し、第２係数ｇ及び第５係数ｂは、簡単のために、それぞれ機関回転数の一次元マップとしても良く、また、第２係数ｇ及び第５係数ｂを同じ値として機関回転数の一次元マップに設定しても良い。バルブタイミングが排気ガスの逆流を発生させないほど小さい時を除き、本実施形態のように、吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとが図７の実線Ｌ２１に示すように設定される場合には、第４係数ａは、吸気管圧力Ｐｍが第５係数ｂと等しくなる時を境に異なる値として設定される。
【００２６】
次いで、吸気管をモデル化する。吸気管内に存在する吸気及び排気ガスの質量保存則、エネルギ保存則、及び、状態方程式を使用して、吸気管圧力Ｐｍと吸気管内のガス温度Ｔｍとの比における時間変化率は次式（７）によって表され、また、吸気管圧力Ｐｍの時間変化率は次式（８）によって表される。ここで、Ｖは前述した吸気管容積（ｍ³）であり、また、ｍｃは、気筒内へ吸入される吸入ガス量（ｇ／ｓｅｃ）である。
【数５】

【００２７】
式（７）及び式（８）は離散化され、それぞれ、次式（９）及び（１０）が得られ、式（１０）によって今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)が得られれば、式（９）によって今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)を得ることができる。式（９）及び（１０）において、離散時間Δｔは、現在の吸入ガス量ｍｃ_(i)を算出するためのフローチャート（図８）の実行間隔とされ、例えば８ｍｓである。
【数６】

【００２８】
次に、図８に示すフローチャートを説明する。本フローチャートは、機関始動完了と同時に実行される。先ず、ステップ１０１において、式（１０）を使用して吸気管圧力Ｐｍ_(i)が算出される。式（１０）は、前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)と、前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)と、前回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i-1)と、前回の吸入ガス量ｍｃ_(i-1)と、前回の吸気管内の温度Ｔｍ_(i-1)と、前回の排気ガス温度Ｔｅ_(i-1)とに基づき、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)を算出するようになっている。これらの初期値として、Ｐｍ_(i-1)には大気圧Ｐａが、Ｔｍ_(i-1)にはスロットル弁上流側の吸気温度Ｔａが、また、Ｔｅ_(i-1)には排気ガス温度がそれぞれ実測又は推定されて使用される。これらの値を使用して、ｍｔ_(i-1)、ｍｅｇｒ_(i-1)、及び、ｍｃ_(i-1)は、以下のステップ１０３、１０４、及び、１０５と同様に算出された値が使用される。次回以降の排気ガス温度Ｔｅに関して、排気温度センサが設けられていない場合には、前回の吸入空気量ｍａｉｒ又は前回の燃料噴射量等に基づき推定可能である。
【００２９】
次いで、ステップ１０２において、ステップ１０１において算出された今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づき式（９）を使用して今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)が算出される。次いで、ステップ１０３において、式（１）を使用して今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が算出される。式（１）を使用するスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)の算出において、現在のスロットル弁開度ＴＡは、スロットル弁が駆動装置によって駆動される場合には、駆動装置（ステップモータ）の応答遅れが考慮される。
【００３０】
次いで、ステップ１０４において、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づき、今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)が、式（６）と式（５）との差として次式（１１）により算出される。
ｍｅｇｒ_(i)＝ａ（Ｐｍ_(i)−ｂ）＋ｃ−（ｅ（Ｐｍ_(i)−ｇ）＋ｒ）・・・（１１）
ここで、第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒは、前述したように、現在の機関回転数、現在の制御弁開度、現在の機関運転状態に対応するバルブタイミングに基づき設定された値が使用され、第４係数ａ，第５係数ｂ、及び第６係数ｃは、現在の機関回転数及び現在の運転状態に対応するバルブタイミングに基づき設定された値が使用される。ここで、第１係数ｅ、第２係数ｇ、第３係数ｒ、第４係数ａ，第５係数ｂ、及び第６係数ｃは、標準大気状態に対して設定されており、ステップ１０２において算出された吸気管内の温度Ｔｍ及び大気温度Ｔａ等に基づき現在の吸気管内の状態に合わせて補正される。また、現在の制御弁開度は、制御弁及びそのアクチュエータの応答遅れを考慮した現在の実際の制御弁開度であり、この現在の制御弁開度に対して第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒを細かくマップ化しておいても良いが、データ記憶量を減少するために、これらが機関運転状態毎の目標制御弁開度毎にしか設定されていない場合には、二つの目標制御弁開度に対して設定された値を現在の制御弁開度に対して補完して使用することとなる。
【００３１】
次いで、ステップ１０５において、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づき今回の吸入ガス量ｍｃ_(i)が算出される。この吸入ガス量ｍｃ_(i)は、制御弁が全閉されて吸気管内が新気により満たされている場合の吸入空気量ＫＬに一致する値であり、式（６）を使用して算出される。
【００３２】
吸入ガス量ｍｃ_(i)は、吸入排気ガス量と吸入空気量との合計であり、今回の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)が解かれば、今回の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)を算出することができる（ｍａｉｒ_(i)＝ｍｃ_(i)−ｍｅｇｒｓｍ_(i)）。ところで、ステップ１０４において算出した今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)は、定常時であれば、今回の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)に一致する。しかしながら、機関過渡時では、制御弁通過排気ガスは、拡散しながら気筒内へ吸入されるために、一次遅れが発生する。また、制御弁から気筒内への輸送遅れによる無駄時間も発生する。こうして、今回の制御弁通過排気ガス量は、遅れて気筒内へ吸入されることとなる。
【００３３】
一次遅れの時定数をτとし、無駄時間をＴｄとすると、現在時刻の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)を時定数τによりなました吸入排気ガス量は、今から無駄時間Ｔｄ後の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_{(i+Td/ Δ t)}となる。
ｍｅｇｒｓｍ_{(i+Td/ Δ t)}＝
Δｔ／τ（ｍｅｇｒ_(i)−ｍｅｇｒｓｍ_{(i+Td/ Δ t-1)}） ・・・（１２）
【００３４】
こうして、式（１２）を使用して吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍを算出して記憶しておけば、ステップ１０６において、現在の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)を呼び出すことができる。
【００３５】
次いで、ステップ１０７では、今回の吸入ガス量ｍｃ_(i)から今回の吸入排気ガス量ｍｅｇｒｓｍ_(i)を減算することにより、今回の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)を算出する。
【００３６】
次いで、ステップ１０８においては、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)が前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)とされ、ステップ１０９では、今回の吸気管内のガス温度Ｔｍ_(i)が前回の吸気管内のガス温度Ｔｍ_(i-1)とされる。さらに、ステップ１１０では、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)とされ、ステップ１１１では、今回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i)が前回の制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒ_(i-1)とされ、ステップ１１２では、今回の吸入ガス量ｍｃ_(i)が前回の吸入ガス量ｍｃ_(i-1)とされる。
【００３７】
こうして、吸入空気量ｍａｉｒは、制御弁の開度及びバルブタイミングを考慮して、機関始動完了と同時に逐次算出される吸気管圧力Ｐｍに基づき、逐次推定されることとなる。
【００３８】
ところで、機関定常時においては、この機関定常時の吸気管圧力Ｐｍｔａを使用して、スロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)は、次式（１３）により算出可能である。
【数７】

【００３９】
本フローチャートのステップ１０３において、式（１）に代えて、式（１３）を使用してスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)を算出しても良い。ここで、機関定常時の吸気管圧力Ｐｍｔａは、今回の過渡終了時におけるスロットル弁開度、機関回転数、制御弁開度、及び、バルブタイミングに基づいて予めマップ化しておくことができる。
【００４０】
こうして、機関回転数とバルブタイミングとの組み合わせ毎に異なる式（６）を使用して吸入ガス量が算出され、機関回転数とバルブタイミングと制御弁開度との組み合わせ毎に異なる式（５）を使用して吸入空気量が算出される。こうして算出された吸入ガス量と吸入空気量との差は制御弁通過排気ガス量となり、この制御弁通過排気ガス量に基づき吸入排気ガス量が算出される。次いで、吸入ガス量から吸入排気ガス量を減算することによって吸入空気量を算出することができるのである。
【００４１】
式（６）及び式（５）は、特定排気量の内燃機関に合わせた吸入ガス量及び吸入空気量を表すものとしたが、任意の排気量の内燃機関に適合させるために、式（６）は、吸入ガス量相当値として、制御弁閉弁時の負荷率（吸入空気量／（一気筒分容積＊標準状態空気密度））又は吸気充填効率を表すものとし、また、式（５）は吸入空気量相当値として負荷率又は吸気充填効率を表すものとしても良い。
【００４２】
ところで、式（５）に関しては三次元マップが必要であり、多量のデータを記憶しなければならない。ここで、制御弁１４を通過する排気ガス量ｍｅｇｒは、式（３）に示すように、主に、吸気管圧力Ｐｍと制御弁１４の直下流側の排気圧力Ｐｅとにより支配される。一方、同一吸気管圧力及び同一機関回転数では、バルブタイミングに対する吸入空気量の変化は小さいと考えることができ、吸入空気量が変化しなければ、吸気管圧力Ｐｍ及び排気圧力Ｐｅも変化しない。すなわち、制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒは、バルブオーバーラップの有無及びバルブタイミングの変化によっては殆ど変化せずに一定であると近似することができる。
【００４３】
こうして、図６及び７において、バルブオーバーラップ量が０の場合における各吸気管圧力Ｐｍに対する制御弁通過排気ガス量（Ｌ１１とＬ１２との差、Ｌ１１とＬ１３との差、又はＬ１２とＬ１３との差）と、バルブタイミングがＶＶＴ１の場合における各吸気管圧力Ｐｍに対する制御弁通過排気ガス量（Ｌ２１とＬ２２との差、Ｌ２１とＬ２３との差、又はＬ２２とＬ２３との差）とは、ほぼ同じであると考えて良い。
【００４４】
すなわち、任意の吸気管圧力Ｐｍにおける任意の二つの制御弁開度に対しての吸入空気量の差（又は吸入ガス量と吸入空気量との差）は、バルブタイミングに係らずに一定とすることができる。こうして、例えば、バルブオーバーラップ量が０の場合においてだけ制御弁開度毎に吸気管圧力Ｐｍに対する吸入空気量ＫＬを設定すれば、他のバルブタイミングに対しては、特定の制御弁開度に対してだけ吸気管圧力Ｐｍに対する吸入空気量ＫＬを設定すれば良い。
【００４５】
図９を使用して具体的に説明すると、実線で示すようにバルブタイミング毎に制御弁開度０の時の吸気管圧力Ｐｍに対する吸入ガス量ｍｃの関係式を設定し、バルブオーバーラップ量が０の場合に関しては、制御弁開度毎の吸気管圧力Ｐｍに対する吸入空気量ＫＬの関係式を設定する。バルブオーバーラップ量が０の場合においては、各制御弁開度に対して対応する関係式を使用して任意の吸気管圧力に対する吸入ガス量を算出するが、他の任意のバルブタイミングに対して任意の制御開度における任意の吸気管圧力に対する吸入空気量ＫＬを算出する際には、バルブオーバーラップ量が０の場合において制御弁開度０と任意の制御弁開度とにおける任意の吸気管圧力に対する吸入ガス量と吸入空気量との差、すなわち、制御弁通過排気ガス量を算出し、この制御弁通過排気ガス量を任意のバルブタイミングに対して制御弁開度０の任意の吸気管圧力に対する吸入ガス量から減算することとなる。
【００４６】
すなわち、バルブタイミングがＶＶＴ１の場合において制御弁開度ＥＡ１における吸気管圧力Ｐｍ１に対する吸入空気量は、バルブオーバーラップ量が０の場合において制御弁開度０（Ｌ１１）と制御弁開度ＥＡ１（Ｌ１２）とにおける吸気管圧力Ｐｍ１に対する吸入空気量差Ｄ１を算出し、この吸入空気量差Ｄ１をバルブタイミングがＶＶＴ１の場合において制御弁開度０（Ｌ２１）の吸気管圧力Ｐｍ１に対する吸入空気量から減算することとなる。また、バルブタイミングがＶＶＴ１の場合において制御弁開度ＥＡ１における吸気管圧力Ｐｍ２に対する吸入空気量は、バルブオーバーラップ量が０の場合において制御弁開度０（Ｌ１１）と制御弁開度ＥＡ１（Ｌ１２）とにおける吸気管圧力Ｐｍ２に対する吸入空気量差Ｄ２を算出し、この吸入空気量差Ｄ２をバルブタイミングがＶＶＴ１の場合において制御弁開度０（Ｌ２１）の吸気管圧力Ｐｍ２に対する吸入空気量から減算することとなる。こうして、バルブタイミングがＶＶＴ１の場合における制御弁開度ＥＡ１に対する吸気管圧力と吸入空気量ＫＬとの関係は、点線Ｌ２２’のように設定されているのと同じとなる。
【００４７】
このように吸気管圧力と吸入空気量との関係式を設定する場合には、図８のフローチャートのステップ１０４においては、次式（１４）により制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒを算出することとなる。

ここで、第３係数ａ２１、第４係数ｂ２１、第５係数ｃ２１は、制御弁開度０に対して現在の機関回転数と現在のバルブタイミングとに応じて定められた値である。また、第３係数ａ１１、第４係数ｂ１１、第５係数ｃ１１は、制御弁開度０とバルブオーバーラップ量を０とするバルブタイミングとに対して現在の機関回転数に応じて定められた値である。また、第１係数ｅ１２、第２係数ｇ１２、第３係数ｒ１２は、現在の制御弁開度とバルブオーバーラップ量を０とするバルブタイミングとに対して現在の機関回転数に応じて定められた値である。ここで、バルブオーバーラップ量０における制御弁開度０の時と任意の制御弁開度の時との間の吸気管圧力毎の吸入空気量差（例えば、ａ１１（Ｐｍ−ｂ１１）＋ｃ１１−（ｅ１２（Ｐｍ−ｇ１２）＋ｒ１２））は、制御弁開度と吸気管圧力とに基づき予めマップ化しておいても良い。
【００４８】
このような考え方において、基準となるバルブタイミングはバルブオーバーラップ量を０とするものではなく、特定バルブタイミングとして良く、また、基準となる制御弁開度も０ではなく、特定制御弁開度としても良い。このようにして、前述の式（５）において、第１係数ｅ、第２係数ｇ、及び、第３係数ｒは、特定バルブタイミング（例えば、バルブオーバーラップ量０）に対して機関回転数及び制御弁開度の二次元マップで設定されれば良く、三次元マップに比較して記憶するデータ量をかなり低減することができる。また、前述の式（６）において、第４係数ａ、第５係数ｂ、及び、第６係数ｃは、特定制御弁開度（例えば、開度０）に対して機関回転数とバルブタイミングとの二次元マップで設定される。ここで、前述したように、第２係数ｇ及び第５係数ｂに関しては、機関回転数の一次元マップとしても良い。
【００４９】
このようにして、現在のおける吸入空気量ｍａｉｒ_(i)の正確な推定が可能となる。ところで、燃焼空燃比を正確に制御するためには、燃料噴射を開始する以前に気筒内への正確な吸入空気量を推定して、燃料噴射量を決定しなければならない。しかしながら、正確な吸入空気量を推定するためには、厳密には、吸気弁閉弁時における吸入空気流量を算出しなければならない。すなわち、燃料噴射量を決定する時において、現在の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)ではなく、吸気弁閉弁時における吸入空気量ｍａｉｒ_(i+n)を算出しなければならない。これは、図１に示すような吸気枝管３に燃料を噴射する内燃機関だけでなく、吸気行程において筒内へ直接燃料を噴射する内燃機関においても同様である。
【００５０】
そのためには、現在において、現在のスロットル弁開度ＴＡ_(i)だけでなく、吸気弁閉弁時までの時間Δｔ毎のスロットル弁開度ＴＡ_(i+1)，ＴＡ_(i+2)，・・・ＴＡ_(i+n)に基づき、式（１）においてμ・Ａを変化させ、又は、式（４）においてＰｍＴＡを変化させ、各時間のスロットル弁通過空気量ｍｔを算出することが必要となる。
【００５１】
各時間のスロットル弁開度ＴＡは、現在の時間に対するアクセルペダルの踏み込み変化量に基づき、この踏み込み変化量が吸気弁閉弁時まで持続するとして、各時間のアクセルペダルの踏み込み量を推定し、それぞれの推定踏み込み量に対して、スロットル弁アクチュエータの応答遅れを考慮して決定することが考えられる。この方法は、スロットル弁がアクセルペダルと機械的に連結されている場合にも適用することができる。
【００５２】
しかしながら、こうして推定される吸気弁閉弁時におけるスロットル弁開度ＴＡ_(i+n)は、あくまでも予測であり、実際と一致している保証はない。吸気弁閉弁時におけるスロットル弁開度ＴＡ_(i+n)を実際と一致させるために、スロットル弁を遅れ制御するようにしても良い。アクセルペダルの踏み込み量が変化した時に、アクチュエータの応答遅れによって、スロットル弁開度は遅れて変化するが、この遅れ制御は、このスロットル弁の応答遅れを意図的に増大させるものである。
【００５３】
例えば、機関過渡時において、燃料噴射量を決定する時における現在のアクセルペダルの踏み込み量に対応するスロットル弁開度が、吸気弁閉弁時に実現されるように、実際の応答遅れ（無駄時間）を考慮してスロットル弁のアクチュエータを制御すれば、現在から吸気弁閉弁時までの時間毎のスロットル弁開度ＴＡ_(i)，ＴＡ_(i+1)，・・・ＴＡ_(i+n)を正確に把握することができる。さらに具体的に言えば、アクセルペダルの踏み込み量が変化する時には、直ぐにアクチュエータへ作動信号を発するのではなく、燃料噴射量を決定する時から吸気弁閉弁時までの時間から無駄時間を差し引いた時間だけ経過した時にアクチュエータへの作動信号を発するようにするのである。もちろん、現在のアクセルペダルの踏み込み量に対応するスロットル弁開度を、吸気弁閉弁時以降に実現するようにスロットル弁の遅れ制御を実施しても良い。
【００５４】
ところで、吸気通路４には、エアフローメータ７が配置されている。図１０はエアフローメータ７の断面モデルを示している。エアフローメータ７は、熱線７ａの周囲を吸気が通過する際に熱線７ａから奪われる熱量がこの吸気量、すなわち、スロットル弁通過空気量に応じて変化するのを利用してスロットル弁通過空気量を検出するものである。こうして、エアフローメータ７の出力に基づきマップ等からスロットル弁通過空気量ＧＡ_(i)（このマップ値には、算出されるスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)と区別するために異なる記号を付する）を得ることができる。
【００５５】
しかしながら、一般的なエアフローメータにおいて、熱線７ａの回りにはガラス層７ｂが設けられていて、このガラス層７ｂの熱容量は比較的大きい。それにより、実際のスロットル弁通過空気量の変化に対してエアフローメータ７の出力は直ぐには変化せずに応答遅れが発生する。この応答遅れを見越してエアフローメータの出力から実際のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)を算出することを考える。
【００５６】
現在の熱線７ａの温度をＴｈとすると、熱線７ａからガラス層７ｂへ伝達される熱量と、ガラス層７ｂから吸気へ伝達される熱量とは等しいために、ガラス層Ｂの温度変化量ｄＴｇ／ｄｔは次式（１５）のように表すことができる。
【数８】

【００５７】
ここで、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及びＦは、熱線７ａの断面積、長さ、及びその抵抗率や、ガラス層７ｂと熱線７ａとの間の熱伝達率、ガラス層７ｂと吸気との間の熱伝達率等に応じて決定される定数である。式（１５）において、定常運転時には、ガラス層７ｂと、熱線７ａ及び吸気との間の熱の授受が無くなるために、ガラス層７ｂの温度変化量ｄＴｇ／ｄｔ、すなわち、式（１５）の右辺は０になり、また、この時、スロットル弁通過空気量のマップ値ＧＡと算出値ｍｔとは等しくなる。この条件により、ＧＡを熱線７ａの温度Ｔｈ、ガラス層７ｂの温度Ｔｇ、及び、吸気温度Ｔａにより表して、式（１５）においてガラス層７ｂの温度Ｔｇを消去することにより、次式（１６）を得ることができる。
【数９】

【００５８】
式（１６）において、α及びβは、前述の定数Ｃ、Ｄ、Ｅ、及びＦによって定まる定数であり、こうして、スロットル弁通過空気ｍｔ_(i)は、エアフローメータの応答遅れを考慮して、現在のエアフローメータ７の出力に基づくスロットル弁通過空気量のマップ値ＧＡ_(i)と、前回のエアフローメータ７の出力に基づくスロットル弁通過空気量のマップ値ＧＡ_(i-1)とに基づいて算出することができる。
【００５９】
エアフローメータ７の出力は機関定常時において信頼性が高く、それにより、機関定常時においては、式（１６）を使用して算出される現在のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)は、式（１）又は（１３）により算出されるスロットル弁通過空気量よりも信頼性が高い。こうして、機関定常時には、式（１６）により算出された前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)を使用して、式（１０）において今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)を算出すると共に式（９）において今回のスロットル弁下流側の吸気温度Ｔｍ_(i)を算出して、今回の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)を算出することが好ましい。
【００６０】
それにより、図８に示すフローチャートを使用して、現在の吸入空気量ｍａｉｒ_(i)及び吸気弁閉弁時の吸入空気量ｍａｉｒ_(i+n)を算出すると共に、前述のように式（１６）に基づき現在の吸入空気量ｍａｉｒｆ_(i)を逐次算出し、吸気弁閉弁時の吸入空気量を、ｍａｉｒ_(i+n)−ｍａｉｒ_(i)＋ｍａｉｒｆ_(i)により算出するようにしても良い。このような算出方法により、機関定常時には、同じモデル式に基づき同じスロットル弁開度として算出されるｍａｉｒ_(i+n)とｍａｉｒ_(i)とが確実に相殺され、エアフローメータの出力に基づき算出される正確な現在の吸入空気量が、吸気弁閉弁時の吸入空気量として得られる。
【００６１】
また、機関過渡時には、ｍａｉｒ_(i)とｍａｉｒｆ_(i)とがほぼ相殺されるために、ｍａｉｒ_(i+n)として算出された吸気弁閉弁時の吸入空気量を得ることができる。以上は、エアフローメータを有する実施形態を説明したが、吸気管内に圧力センサを配置して、吸入空気量の算出に使用する吸気管圧力Ｐｍを、計算値ではなく、圧力センサの出力値としても良い。また、前述したように、機関回転数（及びバルブタイミング）に対して、制御弁開度毎の吸気管圧力と吸入空気量との関係式をマップ化するのではなく、制御弁開度毎に吸気管圧力に対する制御弁通過排気ガス量をマップ化して記憶するようにしても良い。
【００６２】
【発明の効果】
本発明による内燃機関の吸入空気量推定装置によれば、第一バルブタイミングの場合における吸気管圧力と気筒内への吸入ガス量に相当する吸入ガス量相当値との間の第一関係式と、第二バルブタイミングの場合における吸気管圧力と吸入ガス量相当値との間の第二関係式とを使用して、第一バルブタイミング及び第二バルブタイミングのそれぞれの場合における制御弁が特定開度の時の吸入空気量を算出する際に、第一バルブタイミングの場合における吸気管圧力に基づく特定開度の制御弁を通過する再循環排気ガス量の相当値を機関定常時における気筒内への吸入排気ガス量に相当する吸入排気ガス量相当値として算出し、吸入排気ガス量相当値に基づき第一関係式を使用して第一バルブタイミングの場合における制御弁が特定開度の時の吸入空気量を算出し、吸気管圧力に基づく特定開度における吸入排気ガス量相当値はバルブタイミングに係らずに同じであるとして、吸入排気ガス量相当値に基づき第二関係式を使用して第二バルブタイミングの場合における制御弁が特定開度の時の吸入空気量を算出するようになっている。それにより、第一バルブタイミング及び第二バルブタイミングのそれぞれの時において、制御弁が特定開度の時の吸入空気量を吸気管圧力に基づき算出することができる。
【００６３】
また、本発明によるもう一つの内燃機関の吸入空気量推定装置によれば、機関定常時には吸気管圧力に基づく制御弁を通過する再循環排気ガス量が気筒内への吸入排気ガス量となるとし、機関定常時における吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式を、第１係数ｅと、第２係数ｇと、第３係数ｒとを使用して、ＫＬ＝ｅ（Ｐｍ−ｇ）＋ｒにより近似し、第１係数ｅと第３係数ｒとが機関回転数とバルブタイミングと制御弁の開度とに応じて予め定められており、第２係数ｇが機関回転数とバルブタイミングと制御弁の開度のうちの少なくとも機関回転数に応じて予め定められており、対応する第１係数ｅと第２係数ｇと第３係数ｒとに基づく関係式を使用して吸入空気量を算出するようになっている。それにより、任意のバルブタイミング及び任意の制御弁の開度に対しての吸入空気量を吸気管圧力に基づき算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による吸入空気量推定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と大気圧Ｐａとの比と、関数Φとの関係を示すマップである。
【図５】吸気管圧力Ｐｍと制御弁通過排気ガス量ｍｅｇｒとの関係を示すグラフである。
【図６】バルブオーバーラップ量が０の場合における制御弁開度毎の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式を示している。
【図７】バルブタイミングが所定値の場合における制御弁開度毎の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式を示している。
【図８】吸入空気量を算出するためのフローチャートである。
【図９】制御弁開度０の場合におけるバルブタイミング毎の吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量ＫＬとの関係式を示している。
【図１０】エアフローメータの断面モデルを示す図である。
【符号の説明】
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
１３…排気再循環通路
１４…制御弁

Claims (4)

1. バルブタイミングが少なくとも第一バルブタイミングと第二バルブタイミングとの二段階に可変とされ、制御弁を備える排気再循環通路がスロットル弁の下流側の吸気管へ接続されている内燃機関の吸入空気量推定装置において、前記第一バルブタイミングの場合における吸気管圧力と気筒内への吸入ガス量に相当する吸入ガス量相当値との間の第一関係式と、前記第二バルブタイミングの場合における前記吸気管圧力と前記吸入ガス量相当値との間の第二関係式とを使用して、前記第一バルブタイミング及び前記第二バルブタイミングのそれぞれの場合における前記制御弁が特定開度の時の吸入空気量を算出する際に、前記第一バルブタイミングの場合における吸気管圧力に基づく前記特定開度の前記制御弁を通過する再循環排気ガス量の相当値を機関定常時における気筒内への吸入排気ガス量に相当する吸入排気ガス量相当値として算出し、前記吸入排気ガス量相当値に基づき前記第一関係式を使用して前記第一バルブタイミングの場合における前記制御弁が前記特定開度の時の前記吸入空気量を算出し、前記吸気管圧力に基づく前記特定開度における前記吸入排気ガス量相当値はバルブタイミングに係らずに同じであるとして、前記吸入排気ガス量相当値に基づき前記第二関係式を使用して前記第二バルブタイミングの場合における前記制御弁が前記特定開度の時の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。
2. 機関過渡時には、前記制御弁を通過する再循環排気ガス量が遅れて気筒内へ吸入されることを考慮し、前記再循環排気ガス量の相当値を前記吸入排気ガス量相当値に補正して前記吸入空気量の算出に使用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。
3. バルブタイミングが可変とされ、制御弁を備える排気再循環通路がスロットル弁の下流側の吸気管へ接続されている内燃機関の吸入空気量推定装置において、機関定常時には吸気管圧力に基づく前記制御弁を通過する再循環排気ガス量が気筒内への吸入排気ガス量となるとし、機関定常時における吸気管圧力Ｐｍと吸入空気量相当値ＫＬとの関係式を、第１係数ｅと、第２係数ｇと、第３係数ｒとを使用して、ＫＬ＝ｅ（Ｐｍ−ｇ）＋ｒにより近似し、前記第１係数ｅと前記第３係数ｒとが機関回転数と前記バルブタイミングと前記制御弁の開度とに応じて予め定められており、前記第２係数ｇが前記機関回転数と前記バルブタイミングと前記制御弁の開度のうちの少なくとも前記機関回転数に応じて予め定められており、対応する前記第１係数ｅと前記第２係数ｇと前記第３係数ｒとに基づく前記関係式を使用して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。
4. 機関過渡時には、前記制御弁を通過する再循環排気ガス量が遅れて気筒内へ吸入されることを考慮して、前記関係式を使用して算出された前記制御弁を通過する再循環排気ガス量の相当値を前記吸入排気ガス量の相当値に補正して前記吸入空気量の算出に使用することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。

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