JP6827974B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、エンジンのシリンダ内に吸入される空気量を高精度に算出する、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。そして、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、近年のエンジンでは、吸気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングを可変制御する可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）機構、すなわち吸排気ＶＶＴを搭載したものが一般的になっている。

吸排気ＶＶＴを搭載したエンジンでは、バルブ開閉タイミングの違いによって排気路からシリンダに吹きかえる排気ガスの量が変化し、実質的な圧縮比が変化する。そのため、同一のインテークマニホールド圧および回転速度の状態であっても、バルブ開閉タイミングの違いによって、シリンダ吸気量が大きく変化する。

したがって、吸排気ＶＶＴを搭載したエンジンにおいてＳ／Ｄ方式を採用する際には、バルブ開閉タイミング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悪化してしまう。

上記の問題を解決するために、吸排気ＶＶＴを搭載したエンジンのシリンダ吸気量を算出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は、吸気管のスロットルバルブ上流部に設けられたエアフロセンサによって、吸気管に吸入される空気の流量、すなわち「機関吸入空気流量」を測定する。この方式では、吸気系を質量保存則のみに基づいてモデル化しており、機関吸入空気流量から、体積効率補正係数Ｋｖを考慮することによって、シリンダ吸気量を算出する。

特許文献１では、体積効率補正係数Ｋｖを記憶したマップを、吸気ＶＶＴ位相角および排気ＶＶＴ位相角の各作動状態に応じて複数保持している。例えば、吸気ＶＶＴ位相角の作動範囲を６個の代表点で表し、また排気ＶＶＴ位相角の作動範囲を６個の代表点で表すことによって、６×６＝３６個の体積効率補正係数Ｋｖのマップを保持している。

また、従来から、エンジンの出力向上を目的として、排気ガスでタービンを回転させる過給機をエンジンの吸気路に搭載するターボチャージャが知られている。ターボチャージャでは、通常、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。

そして、ターボチャージャでは、排気バイパス通路の途中に設けられた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を排気バイパス通路へと分流させ、排気ガスのタービンへの流入量を調節することにより、過給圧を適正レベルに制御している。

詳細には、ウェイストゲートバルブの開度を開き側に制御した場合には、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を閉じ側に制御した場合には、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を開き側または閉じ側に制御することによって、タービン上流の排気路内の圧力、すなわち排気圧が低下または上昇する。

しかしながら、特許文献１では、排気圧による体積効率補正係数Ｋｖへの影響が考慮されていない。インテークマニホールド圧、エンジンの回転速度、および給気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングが同一であっても、ウェイストゲートバルブの開度によって排気圧が大きく変化するターボチャージャ搭載エンジンにおいては、排気圧による体積効率補正係数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。

上記の課題を解決するために、排気圧を含む体積効率補正係数Ｋｖの補正用パラメータを用いて、体積効率補正係数Ｋｖを算出することによって、シリンダ吸気量を高精度に算出する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２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、排気圧を考慮した補正用パラメータを算出する。そして、特許文献２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、過給機を搭載したエンジンのシリンダ吸気量を高精度に算出する。

特許第４３３５２４９号公報 特許第５３７９９１８号公報

しかしながら、特許文献２の補正用パラメータは、過給機および吸排気ＶＶＴ機種を搭載することを前提とした構成である。このため、特許文献２は、過給機なしの構成あるいは吸排気ＶＶＴなしの構成の場合には、補正用パラメータを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、過給機および吸排気ＶＶＴの搭載の有無に依存することなく、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、内燃機関の吸気管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、内燃機関のインテークマニホールド圧を測定するインテークマニホールド圧測定部と、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、内燃機関の回転速度を測定する回転速度測定部と、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を可変制御する可変動弁制御部と、機関吸気量と内燃機関のシリンダに吸入される空気量であるシリンダ吸気量と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、吸気管からシリンダ内に吸入される空気量である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、体積効率補正係数算出部は、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圧力比、回転速度、並びに、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基づいて、体積効率補正係数を算出する。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、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圧力比、内燃機関の回転速度、並びに、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基づいて、体積効率補正係数を算出するため、過給機および吸排気ＶＶＴの搭載の有無に依存することなく、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示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２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２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２に係る排気ガス流量の算出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係るタービン上流圧の算出処理を示す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、エンジン１の吸気系を構成する吸気管２の上流には、吸気管２から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３が設けられている。また、エアフロセンサ３の近傍には、吸気温センサ４が設けられている。なお、図１では、エアフロセンサ３と吸気温センサ４とは一体的に構成されている。

エアフロセンサ３の下流には、機関吸入空気流量Ｑａｒを調整する電子制御式のスロットルバルブ５が設けられている。スロットルバルブ５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６が設けられている。

スロットルバルブ５の下流には、サージタンク７内およびインテークマニホールド８内の圧力Ｐｉｍを測定する圧力センサ９が設けられている。なお、これ以降、圧力センサ９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。

また、エアフロセンサ３によって機関吸入空気流量Ｑａｒを測定するのに代えて、圧力センサ９によって測定されるインテークマニホールド圧Ｐｉｍに基づいて機関吸入空気流量Ｑａｒを推定する、いわゆるＳ／Ｄ方式を用いてもよい。その場合には、吸気温センサ４は、インテークマニホールド８の内部に設けられてもいてもよい。

インテークマニホールド８とエンジン１との接続部の近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１０が設けられている。エンジン１の吸気バルブ（図示せず）および排気バルブ（図示せず）には、バルブタイミングを可変制御する吸気ＶＶＴ１１および排気ＶＶＴ１２がそれぞれ設けられている。なお、吸気ＶＶＴ１１および排気ＶＶＴ１２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。

エンジン１のシリンダ１３のヘッド部には、点火コイル１４が設けられている。点火コイル１４は、シリンダ１３内の点火プラグ（図示せず）を駆動する。

エキゾーストマニホールド１５には、空燃比センサ１６および触媒（図示せず）が設けられている。また、吸気管２の入口付近には、大気圧センサ１７が設けられている。

上述の各種センサ３、４、６、９、１６および１７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ＥＣＵ１００に入力される。

ＥＣＵ１００は、各種センサ３、４、６、９、１６および１７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ＶＶＴ１１の開度、排気ＶＶＴ１２の開度、ＥＧＲ率、点火時期等に基づいて、スロットルバルブ５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３、４、６、９、１６および１７によって測定される情報、およびクランク角センサ１８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５、１０、１１および１２等への指示値を出力する。

なお、大気圧センサ１７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１７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１３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。さらに、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。

＜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算出部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、排気ガス流量算出部５５と、シリンダ吸気量制御部５６とを含んでいる。

（エキゾーストマニホールド圧算出部５１）
エキゾーストマニホールド圧算出部５１は、排気ガス流量算出部５５によって算出される排気ガス流量Ｑｅｘに基づいて、エキゾーストマニホールド１５内の圧力Ｐｅｘを算出する。

なお、これ以降、エキゾーストマニホールド１５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、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［ｇ／ｓ］に基づいて、吸気管２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１３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１３内に吸入される空気量、すなわちシリンダ吸気量を算出する。

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５の下流からエンジン１のシリンダ１３の入口までの吸気管２の容積Ｖｓ［ｃｍ^３］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３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／ｃｍ^３］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１３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１３の行程容積Ｖｃ［ｃｍ^３］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。

（排気ガス流量算出部５５）
排気ガス流量算出部５５は、シリンダ吸気量算出部５４によって算出されるシリンダ吸気量と、空燃比センサ１６によって測定される空燃比ＡＦとに基づいて、排気ガス流量Ｑｅｘを算出する。

（シリンダ吸気量制御部５６）
シリンダ吸気量制御部５６は、例えばエンジン１の回転速度Ｎｅ、およびアクセル開度センサ（図示せず）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５６は、算出された目標トルクに基づいて、スロットルバルブ５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。

＜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算出部５１は、前回の割り込み発生時に排気ガス流量算出部５５によって算出された排気ガス流量Ｑｅｘに基づいて、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを算出する。

詳細には、エキゾーストマニホールド圧算出部５１は、まず圧力比マップＭＡＰ１を用いて、次式（５）のように、排気ガス流量Ｑｅｘに対応する大気圧圧力比Ｐｒを算出する。

ここで、大気圧圧力比Ｐｒとは、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘと大気圧Ｐ１との圧力比である。

圧力ＭＡＰ１には、排気ガス流量Ｑｅｘと、大気圧圧力比Ｐｒ＝Ｐｅｘ／Ｐ１との関係が予め記憶されている。この圧力比マップＭＡＰ１は、エンジン１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。

なお、圧力比マップＭＡＰ１の特性は、エキゾーストマニホールド１５の下流に設けられる触媒、マフラー等の排気抵抗に依存する。

エキゾーストマニホールド圧算出部５１は、大気圧圧力比Ｐｒ＝Ｐｅｘ／Ｐ１と、大気圧Ｐ１とに基づいて、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを算出する。

具体的には、次式（６）のように、大気圧圧力比Ｐｒ＝Ｐｅｘ／Ｐ１に、大気圧Ｐ１を乗算することによって、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを算出する。

なお、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘは、エンジン１がターボチャージャを搭載していない場合には、排気路内の圧力、すなわち排気圧と同じである。

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３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３が質量流量計である場合には、エアフロセンサ３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３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１７によって測定される大気圧Ｐ１と、吸気温センサ４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９によって測定されるインテークマニホールド圧Ｐｉｍと、エキゾーストマニホールド圧算出部５１によって算出されたエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘとに基づいて、体積効率補正係数用の圧力比Ｒｐｋｖ（＝Ｐｉｍ／Ｐｅｘ）を算出する。

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１８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ＭＡＰ２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（７）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（８）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１３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。

さらに、ステップＳ３０６において、排気ガス流量算出部５５は、ステップＳ３０４で算出されたシリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ（ｎ）と、空燃比センサ１６によって測定される空燃比ＡＦとに基づいて、エンジン１の排気ガス流量Ｑｅｘを算出し、ＥＣＵ１００の内蔵メモリに記憶する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る吸気量制御部５０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、体積効率補正係数Ｋｖ（ｎ）を考慮して、シリンダ吸気量Ｑｃｒ（ｎ）Ｔ(ｎ)を算出する。

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、計算される。

したがって、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。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の制御装置について説明する。図４は、本発明の実施の形態２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４において、エンジン１のクランク（図示せず）には、クランクの回転角を測定するクランク角センサ１８が取り付けられている。

また、エンジン１の燃焼室の吸入口（図示せず）と排出口（図示せず）には、吸気路を形成する吸気管２０２と、排気路を形成する排気管２１９とがそれぞれ接続されている。

吸気管２０２の下流には、実施の形態１と同様に、エアフロセンサ３と、吸気温センサ４とが設けられている。図４では、エアフロセンサ３と吸気温センサ４とは一体的に構成されている。また、吸気管２０２の入口付近には、大気圧を測定する大気圧センサ１７が設けられている。

排気管２１９の上流には、排気ガス浄化触媒２２０が設けられている。排気ガス浄化触媒２２０の上流には、空燃比センサ１６が設けられている。

また、吸気管２０２および排気管２１９によって構成される吸排気系統には、圧縮機２２１と、ターボチャージャ２２２とが設けられている。周知のように、ターボチャージャ２２２は、タービン２２３を備えた過給機である。

タービン２２３は、排気管２１９の上流に設けられている。タービン２２３は、排気管２１９内を通流する排気ガスによって回転駆動される。

圧縮機２２１は、吸気管２０２の下流に設けられている。圧縮機２２１は、タービン２２３の回転に連動して回転駆動され、吸気管２０２内の空気を圧縮する。

圧縮機２２１の下流には、エアバイパスバルブ２２４が設けられている。エアバイパスバルブ２２４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２２３が破損しないように、吸気管２０２に圧縮空気流を分流させるものである。

エアバイパスバルブ２２４の下流には、インタークーラ２２５が設けられている。インタークーラ２２５の下流には、エンジン１に送られる空気量を調整するスロットルバルブ５が設けられている。

スロットルバルブ５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６が接続されている。また、スロットルバルブ５の上流には、インタークーラ２２５とスロットルバルブ５との間の空気圧を測定する圧力センサ２２６が設けられている。

さらに、スロットルバルブ５の下流には、吸気脈動を解消するサージタンク７が設けられている。サージタンク７には、サージタンク７内の空気圧を測定する圧力センサ９が設けられている。

なお、エアフロセンサ３および圧力センサ９は、両方とも設けられていてもよいが、圧力センサ９のみが設けられていてもよい。ただし、圧力センサ９のみが設けられる場合には、図４に示されるように、吸気温センサ４はサージタンク７に別体で設けられる。

サージタンク７の下流には、燃料を噴射するインジェクタ１０が設けられている。なお、インジェクタ１０は、シリンダ１３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１３の頂部には、点火コイル１４が設けられている。

また、タービン２２３の上流には、ウェイストゲートバルブ２２７が設けられている。ウェイストゲートバルブ２２７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。

図５は、本発明の実施の形態２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。

ＥＣＵ２００には、各種センサ３、４、６、９、１６、１７、１８および２２６によって測定される情報が入力される。

また、ＥＣＵ２００は、各種アクチュエータ５、１０、１１、１２および２２７への指示値を出力する。

また、ＥＣＵ２００は、ウェイストゲートバルブ２２７を介してターボチャージャ２２２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、ＥＣＵ２００は、シリンダ吸入空気流量Ｑｃｒ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１３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。

＜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、スロットル上流圧算出部６１と、圧縮機駆動力算出部６２と、タービン前後圧力比算出部６３と、タービン上流圧算出部６４と、ウェイストゲートバルブ制御部６５を備えている。

（スロットル上流圧算出部６１）
スロットル上流圧算出部６１は、クランク角センサ１８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、スロットル上流圧Ｐ２を算出する。なお、代わりにスロットル上流の圧力センサ２２６からスロットル上流圧Ｐ２を測定してもよい。

（圧縮機駆動力算出部６２）
圧縮機駆動力算出部６２は、スロットル上流圧算出部によって算出されたスロットル上流圧Ｐ２と、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６３）
タービン前後圧力比算出部６３は、タービン２２３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、圧縮機駆動力Ｐｃは、タービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４によって実現される。

（タービン上流圧算出部６４）
タービン上流圧算出部６４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。

（ウェイストゲートバルブ制御部６５）
ウェイストゲートバルブ制御部６５は、例えばエンジン１の回転速度、およびアクセル開度センサ（図示せず）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６５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２２７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、シリンダ吸気量算出部５４によって算出されるシリンダ吸気量と、空燃比センサ１６によって測定される空燃比ＡＦとに基づいて、排気ガス流量Ｑｅｘを算出する。

＜排気ガス流量Ｑｅｘの算出処理＞
次に、本発明の実施の形態２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、ＥＣＵ２００の割り込み処理として一定周期で実行される。

ステップＳ６０１、６０２において、排気ガス流量算出部７１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、および空燃比センサ１６によって測定される空燃比ＡＦを取得し、これらをＥＣＵ２００の内蔵メモリに記憶する。

ステップＳ６０３において、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、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（９）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。

＜タービン上流圧Ｐ３の算出処理＞
次に、本発明の実施の形態２に係るターボチャージャ制御部６０によって行われる、タービン上流圧Ｐ３の算出処理について、図７のフローチャートを参照して説明する。

なお、図７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、ＥＣＵ２００の割り込み処理として実行される。

ステップ７０１において、スロットル上流圧算出部６１は、クランク角センサ１８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、スロットル上流圧Ｐ２を算出する。なお、代わりにスロットル上流の圧力センサ２２６からスロットル上流圧Ｐ２を測定してもよい。

ステップＳ７０２において、圧縮機駆動力算出部６２は、スロットル上流圧算出部によって算出されたスロットル上流圧Ｐ２と、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とに基づいて、圧縮機駆動力Ｐｃを算出する。

ここで、圧縮機２２１およびタービン２２３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２２３の出力Ｐｔ［Ｗ］および圧縮機駆動力Ｐｃ［Ｗ］は、次式（１０）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２２３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２２３の断熱効率、ηcは圧縮機２２１の断熱効率である。

なお、定常状態では、圧縮機通過流量Ｑｃｍｐ＝機関吸入空気流量Ｑａｒ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、スロットル上流圧Ｐ２とを用いて、次式（１１）によって算出することもできる。

ステップＳ７０３において、タービン前後圧力比算出部６３は、タービン２２３の前後の圧力比である圧力比Ｐ３／Ｐ４を算出する。

詳細には、タービン前後圧力比算出部６３は、タービン出力Ｐｔ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圧力比マップＭＡＰ３を保持している。また、タービン出力Ｐｔとタービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４との間には強い相関性がある。

タービン前後圧力比算出部６３は、タービン圧力比マップＭＡＰ３を用いて、次式（１２）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２２２の特性によっては、タービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４と圧縮機駆動力Ｐｃとの相関よりも、タービン前後圧力比Ｐ３／Ｐ４と圧縮機前後圧力比Ｐ２／Ｐ１との相関の方が強い場合ある。

そのような場合には、タービン前後圧力比算出部６３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圧力比マップＭＡＰ３’を用いて、次式（１３）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、タービン圧力比マップＭＡＰ３およびＭＡＰ３’は、ターボチャージャ２２２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２２２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Ｓ７０４において、タービン上流圧算出部６４は、排気ガス流量算出部７１によって算出された排気ガス流量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６４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タービン下流圧力比マップＭＡＰ４を保持しており、次式（１４）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、タービン下流圧力比マップＭＡＰ４は、ターボチャージャ２２２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、タービン下流圧力比マップＭＡＰ４の特性は、ターボチャージャ２２２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２２２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２２２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６４は、大気圧圧力比Ｐ４／Ｐ１と大気圧Ｐ１とに基づいて、次式（１５）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６４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（１６）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、タービン２２３の上流側の圧力であり、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘと等しい。すなわち、エンジン１にターボチャージャ２２２が搭載されている場合において、ターボチャージャ制御部６０のタービン上流圧算出部６４は、エキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを算出する手段として機能する。

ターボチャージャ２２２が搭載されている場合のエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘが算出されると、実施の形態１で説明したように、吸気量制御部５０は、インテークマニホールド圧Ｐｉｍとエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘとの比を用いて、体積効率補正係数用の圧力比Ｒｐｋｖ（＝Ｐｉｍ／Ｐｅｘ１）を算出することができる（図３のステップＳ３０３参照）。

以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る内燃機関の制御装置では、内燃機関に過給機が搭載されている場合におけるエキゾーストマニホールド圧Ｐｅｘを算出することができる。これにより、内燃機関に過給機が搭載されている場合でも、吸気管からシリンダ内に吸入される空気量であるシリンダ吸気量を高精度に算出することができる。

１ エンジン（内燃機関）、２，２０２ 吸気管、３ エアフロセンサ、４ 吸気温センサ、５ スロットルバルブ、６ スロットルポジションセンサ、７ サージタンク、８ インテークマニホールド、９ 圧力センサ（インテークマニホールド圧測定部）、１０ インジェクタ、１１ 吸気ＶＶＴ、１２ 排気ＶＶＴ、１３ シリンダ、１４ 点火コイル、１５ エキゾーストマニホールド、１６ 空燃比センサ、１７ 大気圧センサ、１８ クランク角センサ、５０ 吸気量制御部、５１ エキゾーストマニホールド圧算出部、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、５５，７１ 排気ガス流量算出部、５６ シリンダ吸気量制御部、６０ ターボチャージャ制御部、６１ スロットル上流圧算出部、６２ 圧縮機駆動力算出部、６３ タービン前後圧力比算出部、６４ タービン上流圧算出部（エキゾーストマニホールド圧算出部）、６５ ウェイストゲートバルブ制御部、７０ 可変動弁制御部、１００，２００ ＥＣＵ、２１９ 排気管、２２０ 排気ガス浄化触媒、２２１ 圧縮機、２２２ ターボチャージャ（過給機）、２２３ タービン、２２４ エアバイパスバルブ、２２５ インタークーラ、２２６ 圧力センサ、２２７ ウェイストゲートバルブ。

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気管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、
   前記内燃機関のインテークマニホールド圧を測定するインテークマニホールド圧測定部と、
   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、
   前記内燃機関の回転速度を測定する回転速度測定部と、
   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を可変制御する可変動弁制御部と、
   前記機関吸気量と前記内燃機関のシリンダ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、前記吸気管から前記シリンダ内に吸入される空気量である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、
   前記体積効率補正係数算出部は、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圧力比、前記回転速度、並びに、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作動状態に基づいて、前記体積効率補正係数を算出し、
   前記体積効率補正係数算出部は、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基準となる作動状態における前記回転速度および前記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、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、エキゾーストマニホールド圧と大気圧との圧力比である大気圧圧力比と、排気ガス流量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エキゾーストマニホールド圧を算出する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関には過給機が搭載され、
   前記エキゾーストマニホールド圧算出部は、前記過給機のタービンの上流側の圧力であるタービン上流圧を算出して前記エキゾーストマニホールド圧とする、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。

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