JP6576520B1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過給機が搭載された内燃機関の運転状態における定常状態および過渡状態を含む全域において、シリンダ吸気量を高精度に算出することができる、内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】制御装置のＥＣＵ１００は、圧縮機の下流圧を算出する圧縮機下流圧算出部６１と、圧縮機を通過する空気の流量を算出する圧縮機通過吸気流量算出部６２と、圧縮機の下流圧および圧縮機を通過する空気の流量に基づいて、圧縮機の駆動力を算出する圧縮機駆動力算出部６３と、圧縮機の駆動力に基づいて、タービンの上流圧と下流圧との比であるタービン前後圧力比を算出するタービン前後圧力比算出部６４と、排気ガスの流量に基づいてタービンの下流圧を算出すると共に、タービンの下流圧およびタービン前後圧力比に基づいて、内燃機関のエキゾーストマニホールド圧に等しいタービンの上流圧を算出する、タービン上流圧算出部６５とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に過給機が搭載された内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関、すなわちエンジンを制御する際には、吸気管からシリンダ内に吸入される空気量に相当する「シリンダ吸気量」を高精度に算出し、シリンダ吸気量に応じた燃料制御および点火制御を行うことが重要である。

従来、シリンダ吸気量を算出する方法として、Ｓ／Ｄ（Speed Density）方式が知られている。

Ｓ／Ｄ方式では、インテークマニホールド内の圧力およびエンジンの回転速度に基づいて、吸気管に吸入される空気量とシリンダ吸気量とを結び付ける体積効率補正係数Ｋｖを算出する。続いて、Ｓ／Ｄ方式では、吸気管に吸入される空気量、体積効率補正係数Ｋｖ、シリンダ体積Ｖ、および空気温度Ｔに基づいて、シリンダ吸気量を算出する。

また、従来から、エンジンの出力向上を目的として、過給機、すなわちターボチャージャを搭載したエンジンが知られている。ターボチャージャは、エンジンの排気路に設置されたタービンを排気ガスによって回転させ、タービンの回転駆動力によって吸気路に設置された圧縮機を駆動させる。

一般的なターボチャージャでは、タービン上流に排気バイパス通路が取り付けられている。また、排気バイパス通路の途中には、ウェイストゲートバルブが設けられている。ウェイストゲートバルブにおいて、排気路内を流れる排気ガスの一部が排気バイパス通路へと分流され、排気ガスのタービンへの流入量が調節されることにより、過給圧が適正レベルに制御される。

詳細には、ウェイストゲートバルブの開度が開き側に制御された場合には、排気ガスのタービンへの流入量が減少するため、過給圧が低下する。一方、ウェイストゲートバルブの開度が閉じ側に制御された場合には、排気ガスのタービンへの流入量が増加するため、過給圧が上昇する。すなわち、ウェイストゲートバルブの開度が開き側または閉じ側に制御されることによって、タービン上流の排気管内の圧力、すなわち排気圧が、低下または上昇する。

ターボチャージャを搭載したエンジンにおいて、Ｓ／Ｄ方式によってシリンダ吸気量を算出する際には、排気圧の体積効率補正係数Ｋｖへの影響を考慮しないと、シリンダ吸気量の算出精度が低下してしまう。そのため、排気圧の影響を考慮して体積効率補正係数Ｋｖを補正する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、インテークマニホールド圧およびエンジンの回転速度に基づいて算出される体積効率補正係数Ｋｖに対して、排気圧の影響を考慮した補正用パラメータを算出する。続いて、特許文献１では、この補正用パラメータを用いて体積効率補正係数Ｋｖを補正することによって、ターボチャージャを搭載したエンジンのシリンダ吸気量を算出する。

特許第５３７９９１８号公報

しかしながら、特許文献１の補正用パラメータは、エンジンの運転状態が定常状態にあることを前提としている。このため、特許文献１は、エンジンの運転状態が過渡状態にある場合には、シリンダ吸気量を高精度に算出することができない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、過給機が搭載された内燃機関の運転状態における定常状態および過渡状態を含む全域において、シリンダ吸気量を高精度に算出することができる、内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る内燃機関の制御装置は、過給機を搭載した内燃機関のインテークマニホールド圧、内燃機関の回転速度、および内燃機関に接続された吸気管内に吸入される機関吸入空気流量のそれぞれの測定結果を、内燃機関の運転状態として取得する運転状態取得部と、過給機に含まれる圧縮機を通過する空気の流量に基づいて、内燃機関のエキゾーストマニホールド圧を算出するエキゾーストマニホールド圧算出部と、機関吸入空気流量に基づいて、吸気管内に吸入される空気量である機関吸気量を算出する機関吸気量算出部と、インテークマニホールド圧とエキゾーストマニホールド圧との比であるシリンダ前後圧力比および回転速度に基づいて、機関吸気量と内燃機関のシリンダ内に吸入される空気量であるシリンダ吸気量とを関連付ける体積効率補正係数を算出する、体積効率補正係数算出部と、機関吸気量および体積効率補正係数に基づいて、シリンダ吸気量を算出するシリンダ吸気量算出部と、を備える。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、過給機が搭載された内燃機関の運転状態における定常状態および過渡状態を含む全域において、シリンダ吸気量を高精度に算出することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置を概略的に示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係るエンジン制御部の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るシリンダ吸気量の算出処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係るエキゾーストマニホールド圧の算出処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る圧縮機通過吸気流量の算出処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る排気ガス流量の算出処理を説明するフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願が開示する内燃機関の制御装置の実施の形態を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関の制御装置を概略的に示す構成図である。

図１において、内燃機関としてのエンジン１の燃焼室における図示しない吸入口には、吸気路を形成する吸気管２が接続されている。また、エンジン１の燃焼室における図示しない排出口には、排気路を形成する排気管３が接続されている。

吸気管２の入口付近には、大気圧を測定する大気圧センサ６が設けられている。大気圧センサ６の下流には、吸気管２内に吸入される空気の流量、すなわち機関吸入空気流量Ｑａｒ［ｇ／ｓ］を測定するエアフロセンサ４が設けられている。

エアフロセンサ４の近傍には、吸気温センサ５が設けられている。なお、図１では、エアフロセンサ４と吸気温センサ５とは一体的に構成されている。

排気管３には、排気ガス浄化触媒７が設けられている。排気ガス浄化触媒７の上流には、空燃比センサ８が設けられている。

また、吸気管２および排気管３によって構成される吸排気系統には、圧縮機９およびタービン１０を備えた過給機としてのターボチャージャ１１が設けられている。

タービン１０は、排気管３の上流に設けられている。タービン１０は、排気管３内を流通する排気ガスによって回転駆動される。

圧縮機９は、吸気管２の下流に設けられている。圧縮機９は、タービン１０の回転に連動して回転駆動され、吸気管２内の空気を圧縮する。

圧縮機９の下流には、エアバイパスバルブ１２が設けられている。エアバイパスバルブ１２は、主にアクセルオフ時に、圧縮された過給圧が逆流してタービン１０が破損しないように、吸気管２に圧縮空気流を分流させる。

エアバイパスバルブ１２の下流には、インタークーラ１３が設けられている。インタークーラ１３の下流には、エンジン１に送られる空気量を調整する電子制御式のスロットルバルブ１４が設けられている。

スロットルバルブ１４には、スロットル開度を測定するスロットルポジションセンサ１５が接続されている。また、スロットルバルブ１４の上流には、インタークーラ１３とスロットルバルブ１４との間の空気圧を測定する圧力センサ１６が設けられている。

スロットルバルブ１４の下流には、吸気脈動を解消するサージタンク１７が設けられている。サージタンク１７には、サージタンク１７内およびインテークマニホールド１９内の空気圧を測定する、運転状態取得部としての圧力センサ１８が設けられている。これ以降、圧力センサ１８によって測定される圧力Ｐｉｍを、単に「インテークマニホールド圧Ｐｉｍ」と称することとする。

なお、エアフロセンサ４および圧力センサ１８は、両方とも設けられていてもよいが、圧力センサ１８のみが設けられていてもよい。ただし、圧力センサ１８のみが設けられる場合には、図１に示されるように、吸気温センサ５はサージタンク１７に別体で設けられる。

サージタンク１７の下流のインテークマニホールド１９には、燃料を噴射するインジェクタ２０が設けられている。なお、インジェクタ２０は、エンジン１のシリンダ２１内に直接燃料を噴射するように設けられていてもよい。また、シリンダ２１の頂部には、点火コイル２２が設けられている。

また、エンジン１は、可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）機構を搭載している。エンジン１の図示しない吸気バルブには、バルブタイミングを可変制御する吸気ＶＶＴ２３が設けられている。また、エンジン１の図示しない排気バルブには、バルブタイミングを可変制御する排気ＶＶＴ２４が設けられている。

ただし、本願発明において、吸気ＶＶＴ２３および排気ＶＶＴ２４は、片方のみ設けられていてもよいし、いずれも設けられていなくてもよい。

また、エンジン１の図示しないクランクには、クランクの回転角を測定するクランク角センサ２５が取り付けられている。

さらに、タービン１０の上流のエキゾーストマニホールド２６には、ウェイストゲートバルブ２７が設けられている。ウェイストゲートバルブ２７は、高回転かつ高負荷で過給圧が増加してもエンジン１が破損しないように、排気バイパス通路に排気ガスを分流させる。

上述の各種センサ４、５、６、８、１５、１６、１８および２５によって測定された情報は、エンジン１の運転状態を示す情報として、マイクロコンピュータ等によって構成される図２に示されるＥＣＵ１００に入力される。

ＥＣＵ１００は、各種センサ４、５、６、８、１５、１６、１８および２５によって測定される情報に基づいてエンジン１の目標トルクを算出する。ＥＣＵ１００は、算出された目標トルクが達成されるように、目標吸入空気量、空燃比ＡＦ、および各制御目標値、例えば、吸気ＶＶＴ２３の開度、排気ＶＶＴ２４の開度、ＥＧＲ率、点火時期等に基づいて、スロットルバルブ１４の開度を制御する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るエンジン制御部の概略構成を示すブロック図である。

ＥＣＵ１００には、エンジン１の運転状態を測定する上記の各種センサ４、５、６、８、１５、１６、１８および２５によって測定される情報が入力される。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン１を制御する上記の各種アクチュエータ１４、２０、２３、２４および２７等への指示値を出力する。

なお、大気圧センサ６によって大気圧を測定するのに代えて、他の手段によって大気圧を推定してもよい。また、大気圧センサ６は、ＥＣＵ１００に内蔵されていてもよい。

また、ＥＣＵ１００は、吸気管２からエンジン１のシリンダ２１内に吸入される空気量、すなわちシリンダ吸気量を制御する吸気量制御部５０を備えている。また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の吸気バルブおよび排気バルブのいずれかまたは両方の作動状態を制御する可変動弁制御部７０を備えている。

また、ＥＣＵ１００は、ウェイストゲートバルブ２７を介してターボチャージャ１１を制御するターボチャージャ制御部６０を備えている。また、ＥＣＵ１００は、機関吸入空気流量Ｑａｒとエンジン１の空燃比ＡＦとに基づいて、エンジン１のシリンダ２１から排出される排気ガス流量Ｑｅｘを算出する排気ガス流量算出部７１を備えている。

＜吸気量制御部５０＞
吸気量制御部５０は、エキゾーストマニホールド圧取得部５１と、機関吸気量算出部５２と、体積効率補正係数算出部５３と、シリンダ吸気量算出部５４と、シリンダ吸気量制御部５５とを含んでいる。

（エキゾーストマニホールド圧取得部５１）
エキゾーストマニホールド圧取得部５１は、ターボチャージャ制御部６０によって算出されるエキゾーストマニホールド２６内の圧力Ｐｅｘを取得する。なお、これ以降、エキゾーストマニホールド２６内の圧力Ｐｅｘを、単に「エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘ」と称することとする。

（機関吸気量算出部５２）
機関吸気量算出部５２は、運転状態取得部としてのエアフロセンサ４によって測定される機関吸入空気流量Ｑａｒ［ｇ／ｓ］に基づいて、吸気管２内に吸入される空気量である機関吸気量［ｇ］を算出する。

（体積効率補正係数算出部５３）
体積効率補正係数算出部５３は、機関吸気量と吸気管２からシリンダ２１内に吸入される空気量とを結びつける体積効率補正係数Ｋｖを算出する。

（シリンダ吸気量算出部５４）
シリンダ吸気量算出部５４は、吸気管２からシリンダ２１内に吸入される空気量、すなわちシリンダ吸気量［ｇ］を算出する。

詳細には、シリンダ吸気量算出部５４は、機関吸気量算出部５２によって算出される機関吸気量から、体積効率補正係数算出部５３によって算出される体積効率補正係数Ｋｖを考慮して、シリンダ吸気量を算出する。

さらに詳細には、シリンダ吸気量算出部５４は、以下のような理論的考察に基づいて、シリンダ吸気量を算出する。なお、以降の説明においては、図１も併せて参照されたい。

まず、スロットルバルブ１４の下流からエンジン１のシリンダ２１の入口までの吸気管２の容積Ｖｓ［ｃｍ３］で示される領域において、新気について質量保存の法則を適用すると、次式（１）が成立する。

ただし、上式において、ｎは、エンジン１の任意の行程を示す値であり、Ｑａｒ（ｎ）［ｇ／ｓ］は、エアフロセンサ４によって測定される機関吸入空気流量Ｑａｒの行程ｎにおける平均値であり、Ｑｃｒ（ｎ）［ｇ／ｓ］は、シリンダ吸入空気流量Ｑｃｒの行程ｎにおける平均値であり、Ｔ（ｎ）［ｓ］は、行程ｎに要する時間、例えば４気筒エンジンの場合には１８０ｄｅｇＣＡ（クランク角）に要する時間であり、ρａ（ｎ）［ｇ／ｃｍ３］は、吸気管２内における新気密度の行程ｎにおける平均値である。

また、行程ｎにおけるシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）［ｇ］は、吸気管２からシリンダ２１内に吸入される空気の行程ｎにおける体積効率補正係数をＫｖ（ｎ）とすると、１気筒当たりのシリンダ２１の行程容積Ｖｃ［ｃｍ３］を用いて、次式（２）で表される。

式（２）を式（１）に代入して、行程ｎにおける新気密度ρａ（ｎ）を消去し、行程ｎにおけるシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）について解くと、次式（３）が得られる。

ただし、上式において、Ｋｆはフィルタ定数であり、次式（４）によって定義される。

上記のような理論的考察に基づいて、シリンダ吸気量算出部５４は、シリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ(ｎ)を算出する。

（シリンダ吸気量制御部５５）
シリンダ吸気量制御部５５は、例えばエンジン１の回転速度Ｎｅ、および図示しないアクセル開度センサによって測定されるアクセル開度等の情報に基づいて、エンジン１の目標トルクを算出する。

シリンダ吸気量制御部５５は、算出された目標トルクに基づいて、スロットルバルブ１４の開度を調整することによって、機関吸気量Ｑａｒ（ｎ）Ｔ(ｎ)がシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）に収束するように制御する。

＜ターボチャージャ制御部６０＞
ターボチャージャ制御部６０は、圧縮機下流圧算出部６１と、圧縮機通過吸気流量算出部６２と、圧縮機駆動力算出部６３と、タービン前後圧力比算出部６４と、タービン上流圧算出部６５と、ウェイストゲートバルブ制御部６６とを備えている。

（圧縮機下流圧算出部６１）
圧縮機下流圧算出部６１は、運転状態取得部としてのクランク角センサ２５によって測定されるエンジン１の回転速度Ｎｅと、体積効率補正係数算出部５３によって算出される体積効率補正係数Ｋｖと、充填効率Ｅｃとに基づいて、圧縮機９の下流からスロットルバルブ１４まで間の圧力、すなわち圧縮機下流圧Ｐ２を算出する。なお、圧縮機下流圧Ｐ２を算出するのに代えて、スロットル上流の圧力センサ１６によって圧縮機下流圧Ｐ２を測定してもよい。

（圧縮機通過吸気流量算出部６２）
圧縮機通過吸気流量算出部６２は、圧縮機９を通過する空気の流量、すなわち圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐ［ｇ／ｓ］を算出する。

（圧縮機駆動力算出部６３）
圧縮機駆動力算出部６３は、運転状態取得部としての大気圧センサ６によって測定される圧縮機９の上流圧Ｐ１に等しい大気圧と、圧縮機下流圧算出部６１によって算出された圧縮機下流圧Ｐ２と、圧縮機通過吸気流量算出部６２によって算出された圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐと、後述する断熱効率ηcとに基づいて、圧縮機駆動力Ｐｃを算出する。

（タービン前後圧力比算出部６４）
タービン前後圧力比算出部６４は、圧縮機駆動力Ｐｃに基づいて、タービン１０の前後の圧力比であるタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４を算出する。なお、物理的な因果関係としては、タービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４によって、圧縮機駆動力Ｐｃが実現される。

（タービン上流圧算出部６５）
タービン上流圧算出部６５は、排気ガス流量算出部７１によって算出される排気ガス流量Ｑｅｘに基づいて、タービン下流圧Ｐ４を算出し、タービン下流圧Ｐ４とタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４とに基づいて、タービン上流圧Ｐ３を算出する。なお、本発明において、タービン上流圧Ｐ３は、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘに等しい。

（ウェイストゲートバルブ制御部６６）
ウェイストゲートバルブ制御部６６は、例えばエンジン１の回転速度、および図示しないアクセル開度センサによって測定されるアクセル開度等の情報に基づいて、エンジン１の目標トルクを考慮した目標圧縮機駆動力を算出する。

ウェイストゲートバルブ制御部６６は、算出された目標圧縮機駆動力および排気ガス流量Ｑｅｘに基づいて、圧縮機駆動力Ｐｃが目標圧縮機駆動力に収束するように、ウェイストゲートバルブ２７の開度をデューティー制御する。

＜排気ガス流量算出部７１＞
排気ガス流量算出部７１は、機関吸入空気流量Ｑａｒに基づいて、シリンダ吸入空気流量Ｑｃｒを算出し、シリンダ吸入空気流量Ｑｃｒおよび運転状態取得部としての空燃比センサ８によって測定される空燃比ＡＦに基づいて、排気ガス流量Ｑｅｘを算出する。

＜エキゾーストマニホールド圧算出部＞
なお、本発明においては、圧縮機下流圧算出部６１、圧縮機通過流量算出部６２、圧縮機駆動力算出部６３、タービン前後圧力比算出部６４およびタービン上流圧算出部６５、並びに、排気ガス流量算出部７１によって、エキゾーストマニホールド圧算出部が構成される。このエキゾーストマニホールド圧算出部によって、エンジン１の運転状態における定常状態および過渡状態を含む領域において、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘが高精度に算出される。

＜シリンダ吸気量の算出処理＞
次に、本発明の実施の形態１に係る吸気量制御部５０によって行われる、シリンダ吸気量の算出処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。

なお、図３のフローチャートの処理は、エンジン１のクランク角が予め決められた角度になるごとに、ＥＣＵ１００の割り込み処理として実行される。

ステップＳ３０１において、エキゾーストマニホールド圧取得部５１は、ターボチャージャ制御部６０によって算出されるエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを取得する。なお、ターボチャージャ制御部６０によって行われるエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘの算出処理の詳細については、図４を参照して後述する。

ステップＳ３０２において、機関吸気量算出部５２は、エアフロセンサ４によって測定される現行程ｎにおける機関吸入空気流量Ｑａｒ（ｎ）に基づいて、現行程ｎにおける機関吸気量Ｑａｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）を算出し、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶する。

ここで、エアフロセンサ４が質量流量計である場合には、エアフロセンサ４の測定値を例えば１．２５ｍｓ毎にサンプリングしながら積算する。そして、１行程前、すなわち行程ｎ−１における割り込み処理から今回の割り込み処理までの間の積算値に基づいて、現行程ｎにおける機関吸気量Ｑａｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）を算出する。

また、エアフロセンサ４が体積流量計である場合には、標準大気密度と、大気圧センサ６によって測定される大気圧Ｐ１と、吸気温センサ５によって測定される吸気温Ｔｏとに基づいて、体積を質量に変換することにより、現行程ｎにおける機関吸気量Ｑａｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）を算出する。

ステップＳ３０３において、体積効率補正係数算出部５３は、圧力センサ１８によって測定されるインテークマニホールド圧Ｐｉｍと、ステップＳ３０１で取得されたエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘとに基づいて、エンジン１のシリンダ前後圧力比Ｐｉｍ／Ｐｅｘを算出し、これを体積効率補正係数用の圧力比Ｒｐｋｖ＝Ｐｉｍ／Ｐｅｘとする。

ステップＳ３０４において、体積効率補正係数算出部５３は、クランク角センサ２５によって測定されるエンジン１の回転速度Ｎｅと、体積効率補正係数用の圧力比Ｒｐｋｖと、可変動弁制御部７０から取得される吸気バルブおよび排気バルブの最新の作動状態とに基づいて、現行程ｎにおける体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）を算出し、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶する。

詳細には、エンジン１の吸気バルブおよび排気バルブの基準となる作動状態において、回転速度Ｎｅおよび圧力比Ｒｐｋｖと体積効率補正係数Ｋｖとの関係が予め実験的に測定されており、ＥＣＵ１００の内蔵メモリにＭＡＰ１として記憶されている。

体積効率補正係数算出部５３は、割り込み処理のタイミングにおいて、現行程ｎにおける回転速度Ｎｅおよび圧力比Ｒｐｋｖを用いて、まず次式（５）のように、マッピングを行う。

続いて、体積効率補正係数算出部５３は、吸気バルブおよび排気バルブの最新の作動状態と上記の基準となる作動状態とのずれに基づいて、上記のマッピングで得られた値Ｋｖ（ｎ）’を次式（６）のように補正して、現行程ｎにおける体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）を算出する。

ステップＳ３０５において、シリンダ吸気量算出部５４は、現行程ｎにおけるシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）を算出する。

詳細には、シリンダ吸気量算出部５４は、現行程ｎにおける体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）と、吸気管２の容積Ｖｓと、１気筒当あたりのシリンダ２１の行程容積Ｖｃとから、上述の式（４）に従って、フィルタ係数Ｋｆを算出する。

続いて、シリンダ吸気量算出部５４は、算出されたフィルタ係数Ｋｆと、現行程ｎにおける体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）と、現行程ｎにおける機関吸気量Ｑａｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）と、前行程ｎー１における体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ−１）およびシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ−１）Ｔ（ｎ−１）とから、上述の式（３）に従って、現行程ｎにおけるシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ(ｎ)を算出し、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶する。

なお、前行程ｎ−１における体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ−１）およびシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ−１）Ｔ（ｎ−１）は、前回の割り込み発生時に、ステップＳ３０４、Ｓ３０５でそれぞれ算出されており、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶されている。

＜エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘの算出処理＞
次に、本発明の実施の形態１に係るターボチャージャ制御部６０によって行われる、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘの算出処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。

なお、図４のフローチャートの処理は、図３のシリンダの吸気量の算出処理のステップＳ３０１から繰り返し呼び出される。

ステップ４０１において、圧縮機下流圧算出部６１は、クランク角センサ２５によって測定されるエンジン１の回転速度Ｎｅと、体積効率補正係数算出部５３によって算出される体積効率補正係数Ｋｖと、充填効率Ｅｃとに基づいて、圧縮機９の下流からスロットルバルブ１４までの間の圧力、すなわち圧縮機下流圧Ｐ２を算出する。なお、代替的には、圧縮機下流圧算出部６１は、スロットルバルブ１４の上流の圧力センサ１６によって、圧縮機下流圧Ｐ２を測定してもよい。

ステップＳ４０２において、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、圧縮機９を通過する空気の流量、すなわち圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐ［ｇ／ｓ］を算出する。圧縮機通過吸気流量算出部６２によって行われる圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐの算出処理の詳細については、図５を参照して後述する。

ステップＳ４０３において、圧縮機駆動力算出部６３は、圧縮機下流圧算出部６１によって算出された圧縮機下流圧Ｐ２と、圧縮機通過吸気流量算出部６２によって算出された圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐと、後述する断熱効率ηcとに基づいて、圧縮機９を駆動する力である圧縮機駆動力Ｐｃを算出する。

ここで、圧縮機９およびタービン１０内の流れについて、空気状態に関する物理法則である質量保存則、ポリトロープ変化、断熱効率等を考慮すると、タービン１０の出力Ｐｔ［Ｗ］および圧縮機駆動力Ｐｃ［Ｗ］は、次式（７）によって算出される。

ただし、上式において、Ｃｐは低圧比熱［ｋＪ／（ＫＧ・Ｋ）］、Ｔは絶対温度［Ｋ］、Ｗｔは単位流量あたりのタービン１０の出力「Ｊ」、Ｗｃは圧縮機仕事「Ｊ」 、κは比熱比、Ｑは質量流量「ｇ／ｓ」、Ｒは気体定数［ｋＪ/（ＫＧ・Ｋ）］、ηtはタービン１０の断熱効率、ηcは圧縮機９の断熱効率である。

なお、エンジン１の運転状態における定常状態では、圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐ＝機関吸入空気流量Ｑａｒの関係が成立するので、圧縮機駆動力Ｐｃは、機関吸入空気流量Ｑａｒと、圧縮機下流圧Ｐ２とを用いて、次式（８）によって算出することもできる。

しかしながら、エンジン１の運転状態における定常状態だけでなく過渡状態も含む全域では、上式（８）によってではなく、圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐと、断熱効率ηcとに基づいて、圧縮機駆動力Ｐｃを算出する必要がある。

圧縮機９の断熱効率ηcの算出方法としては、例えば、圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１および圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐと断熱効率ηｃとの関係が予め記憶された断熱効率マップＭＡＰ２を保持しておくことが考えられる。

この断熱効率マップＭＡＰ２は、ターボチャージャ１１がエンジン１に組み付けられていない状態において、ターボチャージャ１１単体で計測した実験データに基づいて予め作成しておくことができる。

ステップＳ４０４において、タービン前後圧力比算出部６４は、タービン１０の前後の圧力比Ｐ３／Ｐ４を算出する。

詳細には、タービン前後圧力比算出部６４は、圧縮機駆動力Ｐｃとタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４との関係が予め記憶されたタービン前後圧力比マップＭＡＰ３を保持している。なお、先述したように、圧縮機駆動力Ｐｃとタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４との間には強い相関がある。

タービン前後圧力比算出部６４は、タービン前後圧力比マップＭＡＰ３を用いて、次式（１０）のように、圧縮機駆動力Ｐｃに対応するタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４を算出する。

なお、ターボチャージャ１１の特性によっては、圧縮機駆動力Ｐｃとタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４との相関よりも、圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１とタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４との相関の方が強い場合もある。

そのような場合には、タービン前後圧力比算出部６４は、圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１とタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４との関係が予め記憶されたタービン前後圧力比マップＭＡＰ３’を用いて、次式（１１）のように、圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１に対応するタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４を算出してもよい。

なお、タービン前後圧力比マップＭＡＰ３およびＭＡＰ３’は、ターボチャージャ１１がエンジン１に組み付けられていない状態において、ターボチャージャ１１単体で計測した実験データに基づいて作成することができる。

ステップＳ４０５において、タービン上流圧算出部６５は、図６を参照して後述する排気ガス流量算出部７１によって算出される排気ガス流量Ｑｅｘに基づいて、タービン下流圧Ｐ４を算出し、タービン下流圧Ｐ４およびタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４に基づいて、タービン上流圧Ｐ３を算出する。

詳細には、まず、タービン上流圧算出部６５は、排気ガス流量Ｑｅｘと、タービン下流圧Ｐ４と大気圧Ｐ１との圧力比である大気圧圧力比Ｐ４／Ｐ１との関係が予め記憶された大気圧圧力比マップＭＡＰ４を保持しており、次式（１２）のように、排気ガス流量Ｑｅｘに対応する大気圧圧力比Ｐ４／Ｐ１を算出する。

なお、大気圧圧力比マップＭＡＰ４は、ターボチャージャ１１がエンジン１に組み付けられた状態において、エンジン１で計測した実験データに基づいて作成することができる。

また、大気圧圧力比マップＭＡＰ４の特性は、ターボチャージャ１１の下流に設けられた触媒、マフラー等の排気抵抗によって定まるため、ターボチャージャ１１の仕様に依存しないエンジン１の基礎特性となる。そのため、ターボチャージャ１１の仕様が変更されても流用することができる。

次に、タービン上流圧算出部６５は、大気圧圧力比Ｐ４／Ｐ１と大気圧Ｐ１とに基づいて、次式（１３）のように、タービン下流圧Ｐ４を算出する。

続いて、タービン上流圧算出部６５は、タービン下流圧Ｐ４とタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４とに基づいて、次式（１４）のように、タービン上流圧Ｐ３を算出する。

このようにして算出されたタービン上流圧Ｐ３は、常にエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘに等しい。

このようにして、エンジン１の運転状態における定常状態だけでなく過渡状態も含む全域において、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを高精度に算出することができる。

＜圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐの算出処理＞
次に、本発明の実施の形態１に係る圧縮機通過吸気流量算出部６２によって行われる、圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐの算出処理について、図５のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ５０１において、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、先述した圧縮機下流圧算出部６１によって算出された圧縮機９の下流圧Ｐ２と、圧縮機９の上流圧に等しい大気圧Ｐ１との圧力比である圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１を算出する。

ステップＳ５０２において、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、ステップＳ５０１で算出された圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１に基づいて、エアバイパスバルブ通過吸気流量Ｑａｂｖを算出する。

詳細には、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１とエアバイパスバルブ通過吸気流量Ｑａｂｖとの関係が予め記憶されたエアバイパスバルブ通過吸気流量マップＭＡＰ５を保持している。

圧縮機通過吸気流量算出部６２は、エアバイパスバルブ通過吸気流量マップＭＡＰ５を用いて、次式（１６）のように、圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１に対応するエアバイパスバルブ通過吸気流量Ｑａｂｖを算出する。

ステップＳ５０３において、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、圧縮機下流圧算出部６１によって算出された圧縮機下流圧Ｐ２と、圧縮機９の下流付近の温度である圧縮機下流温度Ｔ２と、気体乗数Ｒとに基づいて、次式（１７）のように、現工程ｎにおける圧縮機下流密度ρ２（ｎ）を算出し、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶する。

なお、圧縮機下流温度Ｔ２は、吸気温センサ５によって測定される吸気温Ｔｏに基づいて算出される。あるいは、圧縮機下流温度Ｔ２は、圧縮機９の下流からスロットルバルブ１４までの間に温度センサを設置して測定してもよい。

ステップＳ５０４において、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、現行程ｎにおいて圧縮機９からスロットルバルブ１４までの間を通過する空気の流量と、前行程ｎ−１において圧縮機９からスロットルバルブ１４までの間を通過した空気の流量との差分である、通過流量差分ΔＱ２［ｇ／ｓ］を算出する。

詳細には、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、現行程ｎにおける圧縮機下流密度ρ２（ｎ）と、前行程ｎ−１における圧縮機下流密度ρ２（ｎ−１）と、圧縮機９からスロットルバルブ１４までの間の容積である圧縮機下流容積Ｖ２とに基づいて、次式（１８）のように、通過流量差分ΔＱ２を算出し、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶する。

なお、前行程ｎ−１における圧縮機下流密度ρ２（ｎ−１）は、前回の割り込み発生時に、ステップ５０３で算出されており、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶されている。

ステップＳ５０５において、圧縮機通過吸気流量算出部６２は、エアフロセンサ４によって測定される機関吸入空気流量Ｑａｒと、ステップＳ５０３で算出されたエアバイパスバルブ通過吸気流量Ｑａｂｖと、ステップＳ５０４で算出された通過流量差分ΔＱ２とに基づいて、次式（１９）に従って、圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐを算出する。

このようにして、エンジン１の運転状態における定常状態だけでなく過渡状態も含む全域において、圧縮機通過吸気流量Ｑｃｍｐを高精度に算出することができる。

＜排気ガス流量Ｑｅｘの算出処理＞
次に、本発明の実施の形態１に係る排気ガス流量算出部７１によって行われる、排気ガス流量Ｑｅｘの算出処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。

なお、図６のフローチャートの処理は、図４のエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘの算出処理のステップＳ４０５から繰り返し呼び出される。

ステップＳ６０１において、排気ガス流量算出部７１は、エアフロセンサ４によって測定される機関吸入空気流量Ｑａｒを取得する。

ステップ６０２において、排気ガス流量算出部７１は、空燃比センサ８によって測定される空燃比ＡＦを取得する。

ステップＳ６０３において、排気ガス流量算出部７１は、ステップＳ６０１で取得された機関吸入空気流量Ｑａｒ、およびステップＳ６０２で取得された空燃比ＡＦに基づいて、排気ガス流量Ｑｅｘを算出する。

詳細には、排気ガス流量算出部７１は、機関吸入空気流量Ｑａｒに基づいて、シリンダ吸入空気流量Ｑｃｒを算出し、シリンダ吸入空気流量Ｑｃｒおよび空燃比ＡＦに基づいて、排気ガス流量Ｑｅｘを、次式（２０）によって算出する。

なお、上式では、Ｑｃｒ／ΔＴの代わりに、機関吸入空気流量Ｑａｒを用いてもよい。また、空燃比ＡＦには、燃料演算に用いられる空燃比ＡＦの目標値が用いられてもよい。

以上説明したように、本発明に係る制御装置では、エンジン１の運転状態における定常状態だけでなく過渡状態も含む全域において、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを高精度に算出することができ、このようにして算出されたエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘに基づいて、体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）が算出される。

シリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ(ｎ)は、エアフロセンサ３によって測定される機関吸入空気流量Ｑａｒ（ｎ）から、上記の体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）を考慮して算出される。これにより、過給機が搭載された内燃機関の運転状態における定常状態および過渡状態を含む全域において、シリンダ吸気量を高精度に算出することができる。

また、体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）は、エンジン１の回転速度Ｎｅと、体積効率補正係数用の圧力比Ｒｐｋｖと、吸気バルブおよび排気バルブの最新の作動状態とに基づいて算出される。これにより、吸気ＶＶＴおよび排気ＶＶＴのいずれかまたは両方を搭載するエンジンの場合でも、機関吸入空気流量Ｑａｒ（ｎ）から、シリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）を、高精度に算出することができる。

なお、上記の実施の形態１では、体積効率補正係数算出部５３は、吸気バルブおよび排気バルブの基準となる作動状態における体積効率補正係数Ｋｖ’をマップとして記憶しており、この基準となる作動状態と吸気バルブおよび排気バルブの最新の作動状態とのずれに基づいて、マッピングで得られた値Ｋｖ’を補正して、体積効率補正係数Ｋｖを算出していた。

上記の方法に代えて、例えば、回転速度Ｎｅおよび圧力比Ｒｐｋｖと体積効率補正係数Ｋｖとの関係が記憶されたマップを、吸気バルブおよび排気バルブのリフト量および位相角の各作動状態に応じて、複数保持しておいてもよい。

また、より簡単な方法としては、吸気バルブおよび排気バルブの作動時および非作動時の２つの状態のみについて、それぞれ回転速度Ｎｅおよび圧力比Ｒｐｋｖと体積効率補正係数Ｋｖとの関係を予めマップとして記憶しておいてもよい。

この場合には、吸気バルブおよび排気バルブの作動時には、作動時用のマップを使用して体積効率補正係数Ｋｖを算出し、吸気バルブおよび排気バルブの非作動時には、非作動時用のマップを使用して体積効率補正係数Ｋｖを算出する。

１ エンジン（内燃機関）、２ 吸気管、３ 排気管、４ エアフロセンサ（運転状態取得部）、５ 吸気温センサ、６ 大気圧センサ（運転状態取得部）、７ 排気ガス浄化触媒、８ 空燃比センサ（運転状態取得部）、９ 圧縮機、１０ タービン、１１ ターボチャージャ（過給機）、１２ エアバイパスバルブ、１３ インタークーラ、１４ スロットルバルブ、１５ スロットルポジションセンサ、１６ 圧力センサ、１７ サージタンク、１８ 圧力センサ（運転状態取得部）、１９ インテークマニホールド、２０ インジェクタ、２１ シリンダ、２２ 点火コイル、２３ 吸気ＶＶＴ、２４ 排気ＶＶＴ、２５ クランク角センサ（運転状態取得部）、２６ エキゾーストマニホールド、２７ ウェイストゲートバルブ、５０ 吸気量制御部、５１ エキゾーストマニホールド圧取得部、５２ 機関吸気量算出部、５３ 体積効率補正係数算出部、５４ シリンダ吸気量算出部、５５ シリンダ吸気量制御部、６０ ターボチャージャ制御部、６１ 圧縮機下流圧算出部、６２ 圧縮機通過吸気流量算出部、６３ 圧縮機駆動力算出部、６４ タービン前後圧力比算出部、６５ タービン上流圧算出部、６６ ウェイストゲートバルブ制御部、７０ 可変動弁制御部、７１ 排気ガス流量算出部、１００ ＥＣＵ。

Claims (7)

1. 過給機を搭載した内燃機関のインテークマニホールド圧、前記内燃機関の回転速度、および前記内燃機関に接続された吸気管内に吸入される機関吸入空気流量のそれぞれの測定結果を、前記内燃機関の運転状態として取得する運転状態取得部と、
   前記過給機に含まれる圧縮機を通過する空気の流量に基づいて、前記内燃機関のエキゾーストマニホールド圧を算出するエキゾーストマニホールド圧算出部と、
   前記機関吸入空気流量に基づいて、前記吸気管内に吸入される空気量である機関吸気量を算出する機関吸気量算出部と、
   前記インテークマニホールド圧と前記エキゾーストマニホールド圧との比であるシリンダ前後圧力比および前記回転速度に基づいて、前記機関吸気量と前記内燃機関のシリンダ内に吸入される空気量であるシリンダ吸気量とを関連付ける体積効率補正係数を算出する、体積効率補正係数算出部と、
   前記機関吸気量および前記体積効率補正係数に基づいて、前記シリンダ吸気量を算出するシリンダ吸気量算出部とを備え、
   前記エキゾーストマニホールド圧算出部は、
   前記圧縮機の上流圧と下流圧との比、前記圧縮機の下流に設けられるエアバイパスバルブを通過する空気の流量、および前記圧縮機から該圧縮機の下流に設けられるスロットルバルブまでの間を通過する空気の流量に基づいて、前記圧縮機を通過する空気の流量を算出する、圧縮機通過吸気流量算出部を含む、内燃機関の制御装置。
2. 前記エキゾーストマニホールド圧算出部は、
   前記回転速度および前記体積効率補正係数に基づいて、前記圧縮機の下流圧を算出する圧縮機下流圧算出部と、
   前記圧縮機の上流圧と下流圧との比、前記圧縮機を通過する空気の流量および前記圧縮機の断熱効率に基づいて、前記圧縮機の駆動力を算出する圧縮機駆動力算出部と、
   前記圧縮機の駆動力に基づいて、前記過給機に含まれるタービンの上流圧と下流圧との比であるタービン前後圧力比を算出するタービン前後圧力比算出部と、
   前記機関吸入空気流量および前記内燃機関の空燃比に基づいて、前記内燃機関に接続された排気管内を流通する排気ガスの流量を算出する排気ガス流量算出部と、
   前記排気ガスの流量に基づいて前記タービンの下流圧を算出すると共に、該タービンの下流圧および前記タービン前後圧力比に基づいて、前記エキゾーストマニホールド圧に等しい前記タービンの上流圧を算出する、タービン上流圧算出部とをさらに備える、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記タービン上流圧算出部は、前記排気ガスの流量と、前記タービンの下流圧と大気圧との比である大気圧圧力比との関係が予め記憶されたマップを保持し、該マップに基づいて前記タービンの下流圧を算出する、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記タービン前後圧力比算出部は、前記圧縮機の駆動力と前記タービン前後圧力比との関係が予め記憶されたマップを保持し、該マップに基づいて前記タービン前後圧力比を算出する、請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記体積効率補正係数算出部は、前記回転速度および前記シリンダ前後圧力比と、前記体積効率補正係数との関係を記憶したマップを保持し、該マップに基づいて前記体積効率補正係数を算出する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記体積効率補正係数算出部は、前記回転速度および前記シリンダ前後圧力比と、前記体積効率補正係数との関係を記憶したマップを、前記内燃機関の吸気バルブおよび排気バルブのいずれかまたは両方の作動状態に応じて複数保持する、請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記体積効率補正係数算出部は、前記内燃機関の吸気バルブおよび排気バルブのいずれかまたは両方の基準となる作動状態における前記回転速度および前記シリンダ前後圧力比と、前記体積効率補正係数との関係を記憶したマップを保持し、前記基準となる作動状態と前記吸気バルブおよび前記排気バルブのいずれかまたは両方の最新の作動状態とのずれに基づいて、前記マップに記憶されている体積効率補正係数を補正する、請求項６に記載の内燃機関の制御装置。

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