JP4862083B2 - 内燃機関の気筒吸入空気量算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の気筒内に吸入される新気量である気筒吸入空気量を算出する気筒吸入空気量算出装置に関する。

特許文献１には、内燃機関の気筒吸入空気量の予測値を算出し、算出した予測値に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量制御装置が示されている。この装置によれば、吸気の質量保存則に基づいて設定された物理モデル式に、気筒吸入空気量の前回予測値及び検出される吸入空気流量を適用して気筒吸入空気量の今回予測値が算出され、算出された今回予測値に基づいて燃料噴射量が算出される。予測値を用いることにより、機関の過渡運転状態における空燃比制御精度の向上が図られている。

特開平２−１５７４５２号公報

予測値は予測誤差を当然に含むため、気筒吸入空気量の予測値を、前回予測値を用いて算出する特許文献１の手法では、予測値の算出精度の点で改善の余地があった。
本発明はこの点に着目してなされたものであり、内燃機関の気筒吸入空気量の予測値をより高い精度で算出することができる気筒吸入空気量算出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、内燃機関の気筒に吸入される新気量である気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）を、前記機関の吸気管（２）をモデル化した吸気管モデル式を用いて算出する、内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、前記機関の吸気管（２）を通過する新気の流量である吸入空気流量（ＨＧＡＩＲＴＨ，ＧＡＩＲＴＨ）を取得する吸入空気流量取得手段と、前記吸入空気流量の予測値である予測吸入空気流量（ＨＧＡＩＲＴＨＰ）を算出する吸入空気流量予測手段と、前記吸入空気流量（ＨＧＡＩＲＴＨ，ＧＡＩＲＴＨ）と、前記気筒吸入空気量の前回値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)）とを、前記吸気管モデル式に適用して、前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)）を算出する気筒吸入空気量算出手段と、前記予測吸入空気流量（ＨＧＡＩＲＴＨＰ）及び前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)）を、前記吸気管モデル式に適用して、前記気筒吸入空気量の予測値である予測気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＰ）を算出する気筒吸入空気量予測手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、前記吸気管モデル式は、前記機関の体積効率（ηｖ）を含み、前記気筒吸入空気量の前回値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)）を用いて前記体積効率（ηｖ）を算出する体積効率算出手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、前記体積効率算出手段は、前記気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前記前回値（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)）として用いて、前記体積効率（ηｖ(i)）を少なくとも１回更新し、前記気筒吸入空気量算出手段は、更新された体積効率（ηｖ(i)）を用いて前記気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)）を少なくとも１回更新することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、機関の吸気管を通過する新気の流量である吸入空気流量、及び吸入空気流量の予測値である予測吸入空気流量が算出されるとともに、吸入空気流量と、気筒吸入空気量の前回値とを、吸気管モデル式に適用して、気筒吸入空気量が算出される。そして、予測吸入空気流量及び気筒吸入空気量を、吸気管モデル式に適用して予測気筒吸入空気量が算出される。すなわち、算出された気筒吸入空気量の最新値を用いて予測気筒吸入空気量が算出されるので、前回値を用いる先行例と比較して、より高い精度で予測気筒吸入空気量を算出することができる。

請求項２に記載の発明によれば、気筒吸入空気量の前回値を用いて体積効率が算出され、算出された体積効率を用いて気筒吸入空気量及び予測気筒吸入空気量が算出される。体積効率が気筒吸入空気量を用いて算出されるので、機関特性の経時変化の影響を受けることなく常に正確な気筒吸入空気量を得ることできる。

請求項３に記載の発明によれば、気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前回値として用いて、体積効率が少なくとも１回更新され、さらに更新された体積効率を用いて気筒吸入空気量が少なくとも１回更新されるので、過渡的な機関運転状態においてより正確な（真の値に近い）体積効率及び気筒吸入空気量を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 図１に示す機関を模式的に示す図である。 スロットル弁を開弁したときの推定スロットル弁通過空気流量（ＨＧＡＩＲＴＨ）及び気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ）の推移を示すタイムチャートである。 予測気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＰ）の算出手法を説明するためのタイムチャートである。 予測気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＰ）を算出するモジュールの構成を示すブロック図である。 推定吸入空気流量（ＨＧＡＩＲ）の算出に使用されるテーブルを示す図である。 本発明の第２の実施形態における気筒吸入空気量算出処理のフローチャートである。 図７の処理を説明するためのタイムチャートである。 図７の処理の変形例を示すフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関とその制御装置の構成を示す図であり、図１において、例えば４気筒を有する内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気弁の作動位相を連続的に変更する弁作動特性可変機構４０を備えている。

エンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。また、スロットル弁３にはその開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、スロットル弁開度ＴＨに応じた電気信号を出力して電子制御ユニット（以下（ＥＣＵ）という）５に供給する。スロットル弁３には、スロットル弁３を駆動するアクチュエータ７が接続されており、アクチュエータ７は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

吸気管２には、スロットル弁３を介してエンジン１に吸入される空気（新気）の流量である吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１３が設けられ、さらにスロットル弁３の上流側に吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサ１３及び９の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

エンジン１の各気筒の点火プラグ１２は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５は点火プラグ１２に点火信号を供給し、点火時期制御を行う。
スロットル弁３の下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８が取付けられている。またエンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出するエンジン冷却水温センサ１０が取り付けられている。これらのセンサ８及び１０の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ５には、エンジン１によって駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ３１、エンジン１により駆動される車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ３２、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ３３が接続されている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。

またエンジン１は排気還流機構（図示せず）を備えており、エンジン１の排気が吸気管２のスロットル弁３の下流側に還流される。
ＥＣＵ５は各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路のほか、アクチュエータ７、燃料噴射弁６、弁作動特性可変機構４０に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上記センサの検出信号に応じて、点火時期制御、スロットル弁３の開度制御、エンジン１に供給する燃料量（燃料噴射弁６の開弁時間）の制御、並びに吸気弁の作動位相制御を行う。

またＥＣＵ５のＣＰＵは、スロットル弁３を通過する空気流量の推定値（以下「推定スロットル弁通過空気流量」という）ＨＧＡＩＲＴＨを算出するとともに、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ、吸気圧ＰＢＡ、及び吸気温ＴＡに基づいてエンジン１の気筒に吸入される新気量である気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ［ｇ／ＴＤＣ］（１ＴＤＣ期間、すなわち４気筒エンジンであればエンジン１のクランク軸が１８０度回転するのに要する時間当たりの空気量）を算出する。さらにＥＣＵ５のＣＰＵは、スロットル弁３を通過する空気流量の１行程期間後の予測値（以下「予測スロットル弁通過空気流量」という）ＨＧＡＩＲＴＨＰを算出するとともに、予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰ及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを用いて、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの１行程期間後の予測値（以下「予測気筒吸入空気量」という）ＧＡＩＲＣＹＬＰを算出する。算出した予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰは、燃料供給量や点火時期の制御に適用される。

以下、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ、予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰ、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ、及び予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰの算出手法を詳細に説明する。

図２はエンジン１を模式的に示す図であり、吸気弁２１、排気弁２２、気筒１ａが示されている。吸気管２のスロットル弁下流側部分２ａ内の空気量の変化量ＤＧＡＩＲＩＮは、下記式（１）で与えられる。式（１）のＶｉｎはスロットル弁下流側部分２ａの容積、ＴＡＫは絶対温度に変換した吸気温ＴＡ、Ｒは気体定数、ＤＰＢＡは吸気圧ＰＢＡの変化量（ＰＢＡ(k)−ＰＢＡ(k-1））である。また「ｋ」はＴＤＣ期間（１行程に相当する期間）で離散化した離散化時刻である。
ＤＧＡＩＲＩＮ＝Ｖｉｎ×ＤＰＢＡ／（Ｒ×ＴＡＫ） （１）

したがって、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ［ｇ／ＴＤＣ］と、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ［ｇ／ＴＤＣ］の差は、下記式（２）で示されるように上記変化量ＤＧＡＩＲＩＮと等しくなる。
ＤＧＡＩＲＩＮ＝ＨＧＡＩＲＴＨ(k)−ＨＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1) （２）

一方、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮは、下記式（３）で与えられる。式（３）のＶｃｙｌは気筒容積であり、ηｖは体積効率である。
ＧＡＩＲＣＹＬＮ＝Ｖｃｙｌ×ηｖ×ＰＢＡ／（Ｒ×ＴＡＫ） （３）

式（３）を用いると、吸気圧変化量ＤＰＢＡは、下記式（４）で与えられる。式（４）で与えられるＤＰＢＡ及び式（２）の関係を式（１）に適用することにより、下記の式（５）（吸気管モデル式）が得られる。

したがって、遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮを下記式（６）で定義すると、式（５）は下記式（５ａ）で示され、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮは、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨを入力とする一次遅れモデルの式を用いて算出することができる。
ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ＝Ｖｃｙｌ×ηｖ／Ｖｉｎ （６）
ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)＝
（１−ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)
＋ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ×ＨＧＡＩＲＴＨ(k) （５ａ）

図３は、スロットル弁３を急激に開弁したときの推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ（破線）、及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ（実線）の推移を示す図であり、式（５ａ）により近似できることが確認される。

式（６）により遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮを算出するためには、体積効率ηｖを算出することが必要である。体積効率ηｖは、エンジン運転状態（エンジン回転数ＮＥ，吸気圧ＰＢＡ）、吸気弁の作動位相、排気還流率などに依存して変化するものであるため、本実施形態では、下記式（７）により、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)の算出に用いる体積効率ηｖを算出するようにしている。
ηｖ＝ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k) （７）

式（７）のＧＡＩＲＳＴＤ(k)は下記式（８）により算出される理論気筒吸入空気量である。
ＧＡＩＲＳＴＤ(k)＝ＰＢＡ(k)×Ｖｃｙｌ／（Ｒ×ＴＡＫ） （８）

式（７）を用いることにより、マップやテーブルを用いることなく体積効率ηｖを算出することが可能となり、常に更新されるのでエンジン特性の経時変化の影響を受けることなく最適な値を得ることできる。

図４は、本実施形態における予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰの算出手法を説明するためのタイムチャートである。
一点鎖線及び細い実線は、それぞれ推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ及び予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰの推移を示し、破線及び太い実線は、それぞれ気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ及び予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰの推移を示す。

本実施形態では、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨに基づいて予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰが算出され、時刻ｋにおける予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)と、時刻ｋにおける気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)とを用いて、時刻ｋにおける予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)が算出される。予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)は、時刻（ｋ＋１）における気筒吸入空気量の予測値を示す。

したがって、予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰの前回値（図の点ＰＰに相当する値）を用いて予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)を算出する従来手法では、前回値ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k-1)が予測誤差ＥＲＲＰを含むのに対し、本実施形態では予測誤差ＥＲＲＰを含まない気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)を用いて予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)が算出されるので、予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)の算出精度を向上させることができる。

図４に示すように燃料噴射が吸気行程で実行されるため、燃料噴射量を予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)に基づいて算出することにより、実際の気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k+1)とほぼ等しいと推定される空気量）に適した量の燃料を供給することができ、過渡運転状態での空燃比制御精度を向上させることができる。時刻ｋにおいて算出される気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)は、その直前の１行程期間に吸入される空気量を示すため、図示される加速状態では、実際の吸入空気量より小さな値となる。

図５は、上述した手法により予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰを算出する予測気筒吸入空気量算出モジュールの構成を示すブロック図である。このモジュールの機能は、実際にはＥＣＵ５のＣＰＵによる演算処理により実現される。

図５に示す予測気筒吸入空気量算出モジュールは、遅れ係数算出部５１と、吸入空気流量推定部５２と、変換部５３と、気筒吸入空気量算出部５４と、予測吸入空気流量算出部５５と、予測気筒吸入空気量算出部５６とを備えている。

遅れ係数算出部５１は、上記式（６）〜（８）を用いて遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮを算出する。
吸入空気流量推定部５２は、吸気温ＴＡ，吸気圧ＰＢＡ，スロットル弁開度ＴＨ，及び大気圧ＰＡに応じて、吸入空気流量ＧＡＩＲの推定値である推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを、下記式（１１）により算出する。式（１１）のＫＣは流量の単位を［ｇ／ｓｅｃ］とするための変換定数であり、ＫＴＨ（ＴＨ）はスロットル弁開度ＴＨに応じて算出される開口面積流量関数であり、Ψ（ＲＰ）は、スロットル弁３の上流側圧力である大気圧ＰＡと、下流側圧力である吸気圧ＰＢＡとの比率ＲＰ（＝ＰＢＡ／ＰＡ）に応じて算出される圧力比流量関数であり、Ｒは気体定数である。開口面積流量関数ＫＴＨ（ＴＨ）の値は、予め実験的に求められた図６（ａ）に示すＫＴＨテーブルを用いて算出される。また圧力比流量関数Ψは、下記式（１２）で与えられる。式（１２）の「κ」は空気の比熱比である。ただし、空気流速が音速を超えると、圧力比流量関数Ψは圧力比に拘わらず極大値をとるので、実際の演算処理では、圧力比流量関数Ψ（ＲＰ）の値も予め設定されたΨ（ＲＰ）テーブル（図６（ｂ））を用いて算出される。

変換部５３は、推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲ［ｇ／ｓｅｃ］及びエンジン回転数ＮＥを下記式（１３）に適用し、１ＴＤＣ期間当たりの吸入空気量である推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ［ｇ／ＴＤＣ］を算出する。式（１３）のＫＣＶは変換係数である。
ＨＧＡＩＲＴＨ＝ＨＧＡＩＲ×ＫＣＶ／ＮＥ （１３）

気筒吸入空気量算出部５４は、前記式（５ａ）を用いて気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを算出する。
式（５ａ）は漸化式であり、また体積効率ηｖを算出する式（７）も、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの前回値を用いるため、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの初期値ＧＡＩＲＣＹＬＮＩＮＩの設定が必要である。本実施形態では、初期値ＧＡＩＲＣＹＬＮＩＮＩは、下記式（１４）により、理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤに設定される。よって体積効率ηｖの初期値は「１」となる（式（７）参照）。
ＧＡＩＲＣＹＬＮＩＮＩ＝ＧＡＩＲＳＴＤ
＝ＰＢＡ×Ｖｃｙｌ／（Ｒ×ＴＡＫ） （１４）

予測吸入空気流量算出部５５は、下記式（１５）により予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)を算出する。式（１５）のＫＰは、実験により設定される所定予測ゲインである。
ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)＝ＨＧＡＩＲＴＨ(k)
＋{ＨＧＡＩＲＴＨ(k)−ＨＧＡＩＲＴＨ(k-1)｝×ＫＰ （１５）

予測気筒吸入空気量算出部５６は、下記式（１６）により予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)を算出する。式（１６）は、式（５ａ）と同形式の吸気管モデル式であり、式（５ａ）のＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)及びＨＧＡＩＲＴＨ(k)を、それぞれＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)及びＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)に代えたものである。
ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)＝
（１−ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)
＋ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ×ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k) （１６）

以上のように本実施形態では、スロットル弁３を通過する新気の流量である推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨ、及びその推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨの予測値である予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰが算出され、さらに推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨと、気筒吸入空気量の前回値ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)とを、吸気管モデル式である式（５ａ）に適用して、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)が算出される。そして、予測スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)を、吸気管モデル式である式（１６）に適用して予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)が算出される。すなわち、算出された気筒吸入空気量の最新値であるＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)を用いて予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)が算出されるので、予測吸入空気量の前回値を用いる先行例と比較して、より高い精度で予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰを算出することができる。

また吸気圧ＰＢＡ、吸気温ＴＡ、及び気筒容積Ｖｃｙｌに基づいて理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤが算出され、気筒吸入空気量の前回算出値ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)を理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤで除算することにより体積効率ηｖが算出され、算出された体積効率ηｖを式（５ａ）及び（１６）に適用して、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)及び予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)が算出される。したがって、マップやテーブルを用いることなく気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ及び予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰを算出することができ、また体積効率ηｖが式（７）を用いて更新されるので、エンジン特性の経時変化の影響を受けることなく常に正確な気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ及び予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰを得ることできる。

本実施形態では、ＥＣＵ５が吸入空気流量取得手段、吸入空気流量予測手段、気筒吸入空気量算出手段、気筒吸入空気量予測手段、及び体積効率算出手段を構成する。すなわち、図５の吸入空気流量推定部５２及び変換部５３が吸入空気流量取得手段に相当し、予測吸入空気流量算出部５５が吸入空気流量予測手段に相当し、気筒吸入空気量算出部５４が気筒吸入空気量算出手段に相当し、予測気筒吸入空気量算出部５６が気筒吸入空気量予測手段に相当する。

［第２の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態において離散化時刻ｋにおける体積効率ηｖ、遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ、及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの演算を複数回実行することにより、エンジンの過渡運転状態においてより正確な気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを得られるようにしたものである。以下に説明する点以外は第１の実施形態と同一である。

図７は、本実施形態における気筒吸入空気量算出処理のフローチャートである。この処理は、ＴＤＣパルスの発生に同期して１行程毎に（４気筒エンジンであればクランク軸が１８０度回転する毎に）ＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。

ステップＳ１１では、前記式（８）により理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤ(k)を算出する。ステップＳ１２では、初期化フラグＦＩＮＩが「１」であるか否かを判別する。エンジンの始動直後は、初期化フラグＦＩＮＩは「０」であるので、ステップＳ１３に進み、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)を理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤ(k)に設定するとともに、体積効率ηｖ(k)を「１．０」に設定する。次いで初期化フラグＦＩＮＩを「１」に設定する（ステップＳ１４）。

初期化フラグＦＩＮＩが「１」であるときは、ステップＳ１３からステップＳＳ１５に進み、更新演算の実行回数を計数するインデクスパラメータｉを「０」に設定する。以下の説明ではインデクスパラメータｉを付したＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)、ηｖ(i)、及びＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)をそれぞれ更新気筒吸入空気量、更新体積効率、及び更新遅れ係数という。

ステップＳ１６では、更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)（ｉ＝０）を気筒吸入空気量の前回値ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)に設定するとともに、更新体積効率ηｖ(i)（ｉ＝０）を体積効率の前回値ηｖ(k-1)に設定する。

ステップＳ１７では、インデクスパラメータｉを「１」だけインクリメントし、ステップＳ１８では下記式（７ａ）により、更新体積効率ηｖ(i)を算出する。
ηｖ(i)＝ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k) （７ａ）

ステップＳ１９では、下記式（６ａ）により、更新遅れ係数ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)を算出する。
ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)＝Ｖｃｙｌ×ηｖ(i)／Ｖｉｎ （６ａ）

ステップＳ２０では、下記式（５ｂ）により、更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)を算出する。
ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)＝
（１−ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)
＋ＣＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)×ＨＧＡＩＲＴＨ(k) （５ｂ）

ステップＳ２１では、インデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達したか否かを判別する。本実施形態では、上限値ｉＭＡＸは例えばＣＰＵの処理能力（演算速度）に応じて２以上の値に設定される。最初はステップＳ２１の答は否定（ＮＯ）であるので、ステップＳ２２に進み、下記式（２１）により体積効率変化量Ｄηｖを算出する。
Ｄηｖ＝｜ηｖ(i)−ηｖ(i-1)｜ （２１）

ステップＳ２３では、体積効率変化量Ｄηｖが所定閾値ＤηｖＬより小さいか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときはステップＳ１７に戻り、ステップＳ１７〜Ｓ２０により、更新体積効率ηｖ(i)及び更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)の算出を再度実行する。

ステップＳ２１またはＳ２３の答が肯定（ＹＥＳ）となると、ステップＳ２４に進み、その時点の体積効率ηｖ(k)及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)を、それぞれその時点の更新体積効率ηｖ(i)及び更新気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)に設定する。

図８は、図７の処理を説明するためのタイムチャートであり、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮが増加する過渡状態における理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤ、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ、及び体積効率ηｖの推移が示されている。気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ及び体積効率ηｖの推移を示す破線は、第１の実施形態の算出手法に対応し、実線が本実施形態の算出手法に対応する。

時刻ｋにおける演算において、細い実線の矢印がｉ＝１の演算を示し、破線の矢印がｉ＝２の演算を示し、一点鎖線の矢印がｉ＝３の演算を示す。この例では、時刻ｋにおいてインデクスパラメータｉが「３」となるまで更新演算がおこなわれたことが示されており、時刻（ｋ＋１）、（ｋ＋２）においても同様に更新演算が行われ（図示省略）、時刻（ｋ＋２）において、定常状態に達した気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを得ることができる。このように更新演算を行うことにより、過渡的な運転状態においてより正確な体積効率ηｖ及び気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮを得ることができる。

またインデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達する前でも、体積効率変化量Ｄηｖが所定閾値ＤηｖＬより小さくなったときは、更新演算を終了するようにしたので、更新演算を適切な時期に終了することができる。

本実施形態では、図７のステップＳ１２〜Ｓ２４が体積効率算出手段及び気筒吸入空気量算出手段に相当する。
［変形例１］
図９は図７に示す処理の変形例を示すフローチャートである。図９の処理は、図７のステップＳ２２及びＳ２３をそれぞれステップＳ２２ａ及びＳ２３ａに変えたものである。ステップＳ２２ａでは、下記式（２２）により気筒吸入空気量変化量ＤＧＡＣＮを算出する。
ＤＧＡＣＮ＝｜ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i)−ＧＡＩＲＣＹＬＮ(i-1)｜
（２２）

ステップＳ２３ａでは、気筒吸入空気量変化量ＤＧＡＣＮが所定閾値ＤＧＡＣＮＬより小さいか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間はステップＳ１７に戻り、肯定（ＹＥＳ）となるとステップＳ２４に進む。

この変形例では、インデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達する前でも、気筒吸入空気量変化量ＤＧＡＣＮが所定閾値ＤＧＡＣＮＬより小さくなったときは、更新演算が終了する。

［変形例２]
図７のステップＳ２２及びＳ２３を削除し、ステップＳ２１の答が否定（ＮＯ）であるときは直ちにステップＳ１７に戻るようにしてもよい。この変形例では、更新演算は常にインデクスパラメータｉが上限値ｉＭＡＸに達するまで実行される。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では大気圧センサ３３により検出した大気圧ＰＡを用いて推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを算出するようにしたが、公知の大気圧推定手法（例えば米国特許第６０１６４６０号公報参照）を用いて算出した推定大気圧ＨＰＡを用いて推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを算出するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ及び予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰの算出には、推定スロットル弁通過空気流量ＨＧＡＩＲＴＨを使用したが、検出される吸入空気流量ＧＡＩＲを１行程毎の流量に変換した検出スロットル弁通過空気流量ＧＡＩＲＴＨを使用するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、本発明をガソリン内燃エンジンに適用した例を示したが、本発明はディーゼル内燃エンジンにも適用可能である。また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどにも適用が可能である。

１ 内燃機関
１ａ 気筒
２ 吸気管
３ スロットル弁
５ 電子制御ユニット（吸入空気流量取得手段、吸入空気流量予測手段、気筒吸入空気量算出手段、気筒吸入空気量予測手段、体積効率算出手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒に吸入される新気量である気筒吸入空気量を、前記機関の吸気管をモデル化した吸気管モデル式を用いて算出する、内燃機関の気筒吸入空気量算出装置において、
   前記機関の吸気管を通過する新気の流量である吸入空気流量を取得する吸入空気流量取得手段と、
   前記吸入空気流量の予測値である予測吸入空気流量を算出する吸入空気流量予測手段と、
   前記吸入空気流量と、前記気筒吸入空気量の前回値とを、前記吸気管モデル式に適用して、前記気筒吸入空気量を算出する気筒吸入空気量算出手段と、
   前記予測吸入空気流量及び前記気筒吸入空気量を、前記吸気管モデル式に適用して、前記気筒吸入空気量の予測値である予測気筒吸入空気量を算出する気筒吸入空気量予測手段とを備えることを特徴とする内燃機関の気筒吸入空気量算出装置。
2. 前記吸気管モデル式は、前記機関の体積効率を含み、
   前記気筒吸入空気量の前回値を用いて前記体積効率を算出する体積効率算出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置。
3. 前記体積効率算出手段は、前記気筒吸入空気量算出手段により算出された気筒吸入空気量を前記前回値として用いて、前記体積効率を少なくとも１回更新し、
   前記気筒吸入空気量算出手段は、更新された体積効率を用いて前記気筒吸入空気量を少なくとも１回更新する請求項２に記載の内燃機関の気筒吸入空気量算出装置。

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