JP2011190781A - 内燃機関の気筒吸入空気量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒吸入空気量の予測値（予測気筒吸入空気量）の算出に使用するマップやテーブルの数を低減し、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予測気筒吸入空気量を算出可能な気筒吸入空気量算出装置を提供する。
【解決手段】吸気圧ＰＢＡ及び吸気温ＴＡに基づいて理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤが算出され、理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤを用いて体積効率ηｖ’（＝ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k)）が算出され、吸気弁リフト量ＬＩＦＴに応じて設定されるリフト量補正係数ＫＬＩＦＴを用いて体積効率ηｖ’を補正することにより予測体積効率ηｖａが算出される。検出リフト量ＬＩＦＴを用いて再計算された前回気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ、推定スロットル弁通過空気量ＨＧＡＩＲＴＨ及び予測体積効率ηｖａを用いて予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬが算出される。
【選択図】図５

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し、特に吸気弁のリフト量を変更可能な動弁機構を備える内燃機関の気筒吸入空気量を算出するものに関する。

特許文献１には、機関回転数、吸気圧、及び充填効率（体積効率）を用いて気筒吸入空気量を算出する装置が示されている。この装置によれば、充填効率の変動を補正する空燃比学習値が、検出空燃比に応じて算出され、空燃比学習値で補正した充填効率を用いて気筒吸入空気量が算出される。

また特許文献２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７−２５９６３０号公報 特開平２−１５７４５２号公報

特許文献１に示された装置では、機関回転数及び吸気圧に応じて設定されたマップを検索することにより、充填効率が算出されるため、予めマップを設定するために工数を必要とする。また、吸気弁（及び排気弁）の作動特性（リフト量、開閉弁時期）を変更する動弁機構を備えた機関では、吸気弁（及び排気弁）の作動特性に応じて複数のマップを設ける必要があり、マップ設定工数が膨大なものとなる。またマップ設定時の機関運転状態と異なる運転状態に対応するために、マップ検索値の補正（例えば上述した空燃比学習値による補正）が必要となる。

機関の過渡運転状態における空燃比制御精度を向上させるためには、特許文献２に示されるように気筒吸入空気量の予測値を用いることが有効である。しかしながら、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２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、気筒吸入空気量の予測値（予測気筒吸入空気量）の算出に使用するマップやテーブルの数を低減し、しかも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予測気筒吸入空気量を得ること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、吸気弁のリフト量を変更可能な動弁機構（４０）を備える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（ＨＧＡＩＲ）を取得する吸入空気流量取得手段と、前記機関の吸気圧（ＰＢＡ）を検出する吸気圧検出手段と、前記機関に吸入される空気の温度である吸気温（ＴＡ）を検出する吸気温検出手段と、前記吸気圧（ＰＢＡ）及び吸気温（ＴＡ）に基づいて理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）を算出する理論気筒吸入空気量算出手段と、前記理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）を用いて前記機関の体積効率（ηｖ’）を算出する体積効率算出手段と、前記体積効率（ηｖ’）を前記吸気弁のリフト量（ＬＩＦＴ）に応じて補正し、補正体積効率（ηｖａ）を算出する体積効率補正手段と、前記吸入空気流量（ＨＧＡＩＲ）及び補正体積効率（ηｖａ）を用い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（ＧＡＩＲＣＹＬ）を算出する予測気筒吸入空気量算出手段とを備え、前記予測気筒吸入空気量算出手段は、前記予測気筒吸入空気量の過去相当値（ＧＡＩＲＣＹＬＰ）を用いて前記予測気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＣＹＬ）を算出し、前記体積効率算出手段は、前記予測気筒吸入空気量の過去相当値（ＧＡＩＲＣＹＬＰ）を前記理論気筒吸入空気量（ＧＡＩＲＳＴＤ）で除算することにより前記体積効率（ηｖ’）を算出す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、前記体積効率補正手段は、前記リフト量の予測値（ＨＬＩＦＴ）を用いて前記補正体積効率（ηｖａ）を算出することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または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、前記吸気弁のリフト量（ＬＩＦＴ）を検出するリフト量検出手段を備え、前記予測気筒吸入空気量算出手段は、検出されるリフト量（ＬＩＦＴ）を用いて前記過去相当値（ＧＡＩＲＣＹＬＰ）を算出することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、吸気圧及び吸気温に基づいて理論気筒吸入空気量が算出され、理論気筒吸入空気量を用いて機関の体積効率が算出され、この体積効率を吸気弁リフト量に応じて補正することにより補正体積効率が算出され、吸入空気流量及び補正体積効率を用いて予測気筒吸入空気量が算出される。予測気筒吸入空気量の算出には、予測気筒吸入空気量の過去相当値が適用されるとともに、その過去相当値を理論気筒吸入空気量で除算することにより体積効率が算出される。これにより、予測気筒吸入空気量の算出に使用するマップやテーブルの数を低減することができる。また体積効率が検出パラメータを用いて更新されるので、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予測気筒吸入空気量を得ることできる。さらに吸気弁のリフト量が変更されると体積効率が変化するため、リフト量に応じて補正された補正体積効率を用いることにより、リフト量の変化にともなう体積効率の変化が反映され、過渡運転状態においても正確な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、吸気弁リフト量の予測値を用いて補正体積効率が算出されるので、過渡運転状態における体積効率の算出精度を高めることができる。

請求項３に記載の発明によれば、検出されるリフト量を用いて予測気筒吸入空気量の過去相当値が算出されるので、過去相当値として予測気筒吸入空気量の前回値を使用する場合に比べて、リフト量の予測値を用いることに起因する誤差を低減することができる。

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。 弁作動特性可変装置の動作を説明するための図である。 内燃機関の吸気系を模式的に示す図である。 過渡状態における気筒吸入空気量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を算出する処理のフローチャートである。 図５の処理で参照されるテーブルを示す図である。 図５の処理で実行されるＨＧＡＩＲＴＨＰ算出処理のフローチャートである。 図７の処理で参照されるマップ及びテーブルを示す図である。 図５の処理で実行されるＨＬＩＦＴＰ算出処理のフローチャートである。 図９の処理を説明するための図である。 図９の処理で参照されるテーブルを示す図である。 図５の処理で実行されるＨＬＩＦＴ算出処理のフローチャートである。 図５の処理で実行されるＨＧＡＩＲＴＨ算出処理の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、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、吸気弁及び排気弁と、これらを駆動するカムを備えるとともに、吸気弁のリフト量及び開角（開弁期間）を連続的に変更する第１弁作動特性可変機構と、吸気弁を駆動するカムの、クランク軸回転角度を基準とした作動位相を連続的に変更するカム位相可変機構としての第２弁作動特性可変機構とを有する弁作動特性可変装置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にはスロットル弁開度（ＴＨ）センサ４が連結されており、当該スロットル弁３の開度に応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット（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。

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の開弁時間及び開弁時期が制御される。

エンジン１の各気筒の点火プラグ１３は、ＥＣＵ５に接続されており、ＥＣＵ５は点火プラグ１３に点火信号を供給し、点火時期制御を行う。
スロットル弁の上流側には吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ１４、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。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が取付けられており、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８〜１０及び１４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及び、エンジン１の吸気弁を駆動するカムが固定されたカム軸の回転角度を検出するカム角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度及びカム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、一定クランク角周期毎（例えば６度周期）に１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）と、クランク軸の所定角度位置を特定するパルスを発生する。また、カム角度位置センサ１２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）と、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）でパルス（以下「ＴＤＣパルス」という）を発生する。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及びエンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。なお、カム角度位置センサ１２より出力されるＴＤＣパルスと、クランク角度位置センサ１１より出力されるＣＲＫパルスとの相対関係からカム軸の実際の作動位相ＣＡＩＮが検出される。

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、当該車両の走行速度（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。

弁作動特性可変装置４０は、吸気弁の最大リフト量及び開角（以下単に「リフト量」という）を連続的に変更する第１弁作動特性可変機構と、吸気弁の作動位相を連続的に変更する第２弁作動特性可変機構と、これらの機構を駆動するためのアクチュエータとを備えている。第１弁作動特性可変機構の構成は、例えば特開２００８−２５４１８号公報に示されており、第２弁作動特性可変機構の具体的な構成は、例えば特開２０００−２２７０１３号公報に示されている。

第１弁作動特性可変機構によるリフト量の変更は、同機構に含まれる制御軸をアクチュエータにより回動させることにより行われ、制御軸の回転角度（以下「ＣＳ角度」という）ＣＳＡを検出するＣＳ角度センサ１５が設けられており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。ＣＳ角度ＣＳＡによってリフト量ＬＩＦＴが検出される。また吸気弁の作動位相を示すパラメータとして、上記カム軸の作動位相ＣＡＩＮから算出される弁作動位相ＶＴＣが用いられる。

第１弁作動特性可変機構により、図２（ａ）に示すように吸気弁のリフト量ＬＩＦＴが変更される。また第２弁作動特性可変機構により、吸気弁は、同図（ｂ）に実線Ｌ３及びＬ４で示す特性を中心として、カムの作動位相ＣＡＩＮの変化に伴って破線Ｌ１，Ｌ２で示す最進角位相から、一点鎖線Ｌ５，Ｌ６で示す最遅角位相までの間の位相で駆動される。本実施形態では、弁作動位相ＶＴＣは、最遅角位相を基準（０度）とした進角量として定義される。

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、弁作動特性可変装置４０に駆動信号を供給する出力回路を備えている。

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制御を行う。

さらにＥＣＵ５のＣＰＵは、検出される吸気圧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の予測値である予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬ［ｇ／ＴＤＣ］（１ＴＤＣ期間、すなわちエンジン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。算出した気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮは、燃料供給量や点火時期の制御に適用される。

吸気弁リフト量ＬＩＦＴがほぼ一定である定常的な運転状態における気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮの算出手法を、図３を参照して説明する。

図３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期間で離散化した離散化時刻である。今回値を示す（ｋ）は、通常は省略されている。
ＤＧＡＩＲＩＮ＝Ｖｉｎ×ＤＰＢＡ／（Ｒ×ＴＡＫ） （１）

したがって、スロットル弁３を通過する新気の流量（吸入空気流量）であるスロットル弁通過空気流量ＧＡＩＲＴＨ［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＝ＧＡＩＲＴＨ(k)−ＧＡＩＲＣＹＬＮ(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、下記式（５）が得られる。

したがって、遅れ係数ＣＤＬＹ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、スロットル弁通過空気流量ＧＡＲＩＴＨ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。
ＣＤＬＹ＝Ｖｃｙｌ×ηｖ／Ｖｉｎ （６）
ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)＝（１−ＣＤＬＹ）×ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k-1)
＋ＣＤＬＹ×ＧＡＩＲＴＨ(k) （５ａ）

式（６）により遅れ係数ＣＤＬＹ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）、吸気弁の作動状態（リフト量ＬＩＦＴ、弁作動位相ＶＴＣ）、排気還流率などに依存して変化するものであり、上記特許文献１に示される手法で算出すると、エンジン特性の経時変化に対応できない、あるいは演算処理が複雑化するという問題がある。

そこで、下記式（７）を用いて気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＮ(k)の算出に用いる体積効率ηｖを算出することにより、演算処理を簡略化する。
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。

上述した算出手法は、吸気弁リフト量ＬＩＦＴがほぼ一定である場合には、気筒吸入空気量を精度良く算出することができるが、体積効率ηｖはリフト量ＬＩＦＴに依存して変化するため、リフト量ＬＩＦＴが変化する過渡運転状態では、式（５ａ）では正確な気筒吸入空気量を算出することができない。すなわち、体積効率ηｖが変化し、遅れ係数ＣＤＬＹａが変化することから、下記式（９）を用いる必要がある。
ＧＡＩＲＣＹＬ(k)＝
（ＲＣＤＬＹ−ＣＤＬＹａ(k)）×ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)
＋ＣＤＬＹａ(k)×ＨＧＡＩＲＴＨ(k) （９）

式（９）によれば、後述する理由により予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬ(k)が算出される。式（９）のＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)は、予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの前回値に相当するものであるが、後述するように今回のリフト量ＬＩＦＴ(k)を用いて再計算されるものであり、以下「再計算前回気筒吸入空気量」という。ＨＧＡＩＲＴＨ(k)は、推定スロットル弁通過空気量であり、後述する図１３の処理により、吸気圧ＰＢＡ，吸気温ＴＡなどに応じて算出される。

また、式（９）の遅れ係数ＣＤＬＹａは下記式（１０）で与えられ、式（１０）のηｖａ(k)は、下記式（１１）で与えられる予測体積効率である。また式（９）のＲＣＤＬＹは、下記式（１２）で与えられる遅れ係数比である。式（１１）のＫＬＩＦＴ(k)は、リフト量ＬＩＦＴに応じて算出されるリフト量補正係数であり、算出手法は後述する。式（１２）のＣＤＬＹａＰ(k)は、遅れ係数ＣＤＬＹａ(k)の前回値に相当するものであるが、後述するように今回のリフト量ＬＩＦＴ(k)を用いて再計算されるものであり、以下「再計算前回遅れ係数」という。
ＣＤＬＹａ(k)＝Ｖｃｙｌ×ηｖａ(k)／Ｖｉｎ （１０）
ηｖａ(k)＝ＫＬＩＦＴ(k)×ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k) （１１）
ＲＣＤＬＹ＝ＣＤＬＹａ(k)／ＣＤＬＹａＰ(k) （１２）

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、それぞれリフト量ＬＩＦＴが増加する過渡運転状態におけるリフト量ＬＩＦＴの推移、リフトカーブ（＃１〜＃４は気筒番号）、気筒吸入空気量の算出時期（以下単に「演算時期」という）、及び＃１気筒の行程を示すタイムチャートである。この図に示すように、空気が実際に気筒内に吸入される時期（以下「吸入時期」という）ｔＩＮＡＣＴは、演算時期ｔＦＩＣＡＬより後であり、リフト量ＬＩＦＴが変化している過渡運転状態では、このタイミングの差を考慮して演算時期ｔＦＩＣＡＬにおいて、吸入時期ｔＩＮＡＣＴにおける気筒吸入空気量の予測値を算出することが望ましい。そこで本実施形態では、この予測値を予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬ(k)で示し、以下この予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬ(k)の算出手法を詳細に説明する。

リフト量補正係数ＫＬＩＦＴ(k)は、下記式（１３）により算出される。
ＫＬＩＦＴ(k)＝ηｖａＴ(k)／ηｖａＴＰ(k) （１３）
式（１３）のηｖａＴ(k)は、図６に示すηｖテーブルを検索することにより算出される、吸入時期ｔＩＮＡＣＴにおける体積効率（以下「検索体積効率」という）である。検索体積効率ηｖａＴ(k)は、吸入時期ｔＩＮＡＣＴにおけるリフト量である予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)に応じてηｖテーブルを検索することにより算出される。

予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)の算出は、以下のようにして行われる。先ず演算時期ｔＦＩＣＡＬから１行程期間後の時点におけるリフト量（以下「次回リフト量」という）ＬＩＦＴＮ(k)が、検出リフト量の前回値ＬＩＦＴ(k-1)及び今回値ＬＩＦＴ(k)に応じて算出され、次いでリフト量ＬＩＦＴ(k)及び次回リフト量ＬＩＦＴＮ(k)に応じて予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)が算出される。

式（１３）のηｖａＴＰ(k)は、検索体積効率ηｖａＴ(k)の前回値に相当するものであるが、今回のリフト量ＬＩＦＴ(k)を用いて再計算されるものであり、吸入時期ｔＩＮＡＣＴより１行程期間前の時点（以下「前回吸入時期」という）tＩＮＡＣＴＰにおける検索体積効率（以下「前回検索体積効率」という）である。前回検索体積効率ηｖａＴＰ(k)は、検出されるリフト量の前回値ＬＩＦＴ(k-1)及び今回値ＬＩＦＴ(k)に基づいて、前回吸入時期ｔＩＮＡＣＴＰにおけるリフト量（以下「再計算前回リフト量」という）ＨＬＩＦＴＰ(k)を算出し、再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)に応じてηｖテーブル（図６）を検索することにより算出される。

図５は、予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出する処理のフローチャートであり、この処理はＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。
ステップＳ１１では、図７に示すＨＬＩＦＴＰ算出処理を実行し、再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)を算出する。

ステップＳ１２では、再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)に応じて図６に示すηｖテーブルを検索し、再計算前回検索体積効率ηｖａＴＰ(k)を算出する。
ステップＳ１３では、下記式（２２）により再計算前回リフト量補正係数ＫＬＩＦＴＰ(k)を算出する。式（２２）のηｖａＴＰ(k-1)は、再計算前回検索体積効率の前回値である。
ＫＬＩＦＴＰ(k)＝ηｖａＴＰ(k)／ηｖａＴＰ(k-1) （２２）

ステップＳ１４では、下記式（２３）に再計算前回リフト量補正係数ＫＬＩＦＴＰ(k)を適用し、再計算前回体積効率ηｖａＰ(k)を算出する。
ηｖａＰ(k)＝ＫＬＩＦＴＰ(k)×ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k-1)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k-1)
（２３）

ステップＳ１５では、下記式（２４）により再計算前回遅れ係数ＣＤＬＹａＰ(k)を算出する。
ＣＤＬＹａＰ(k)＝Ｖｃｙｌ×ηｖａＰ(k)／Ｖｉｎ （２４）

ステップＳ１６では、下記式（２５）により、再計算前回遅れ係数比ＲＣＤＬＹＰ(k)を算出する。
ＲＣＤＬＹＰ(k)＝ＣＤＬＹａＰ(k)／ＣＤＬＹａＰ(k-1) （２５）

ステップＳ１７では、図７に示すＨＧＡＩＲＴＨＰ算出処理を実行し、推定スロットル弁通過空気量の前回値に相当する再計算推定スロットル弁通過空気量ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)を算出する。

図７のステップＳ４１では、再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)及び大気圧ＰＡに応じて、図８（ａ）に示すＫＰＡマップを検索し、大気圧補正係数ＫＰＡ（ＨＬＩＦＴＰ）を算出する。大気圧補正係数ＫＰＡは、大気圧ＰＡが比較的低くかつリフト量ＬＩＦＴが最小リフト量ＬＦＴＭＩＮに近い領域では、スロットル弁通過空気量に対するリフト量ＬＩＦＴ及び大気圧ＰＡの寄与度が増加することを考慮して算出される補正係数であり、下記のステップＳ４２における演算に適用される。図８（ａ）において、ＰＡ１〜ＰＡ３は、所定大気圧であり、ＰＡ１＜ＰＡ２＜ＰＡ３なる関係を満たす。またＬＩＦＴ１は、最小リフト量ＬＦＴＭＩＮより若干大きい所定リフト量である。

ステップＳ４２では、吸気温ＴＡ(k-1)，吸気圧ＰＢＡ(k-1)，スロットル弁開度ＴＨ(k-1)，大気圧ＰＡ(k-1)，及び大気圧補正係数ＫＰＡ（ＨＬＩＦＴＰ）を、下記式（２６）に適用し、再計算推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲＰ(k)を算出する。式（２６）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１１（ｂ）に示すＫＴＨテーブルを用いて算出される。なお、式（２６）のＲＰ(k-1)は、ＰＢＡ(k-1)／ＰＡ(k-1)である。

また圧力比流量関数Ψは、下記式（２７）で与えられる。式（２７）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８（ｃ））を用いて算出される。

ステップＳ４３では、再計算推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲＰ(k)［ｇ／ｓｅｃ］及びエンジン回転数ＮＥ(k-1)を下記式（２８）に適用し、ＴＤＣパルスの発生周期に対応する再計算推定スロットル弁通過空気量ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)［ｇ／ＴＤＣ］を算出する。式（２８）のＫＣＶは、所定の変換係数である。
ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k)＝ＨＧＡＩＲＰ(k)×ＫＣＶ／ＮＥ(k-1) （２８）

図５に戻り、ステップＳ１８では、下記式（２９）により再計算前回気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)を算出する。
ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)＝
（ＲＣＤＬＹＰ(k)−ＣＤＬＹａＰ(k)）×ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k-1)
＋ＣＤＬＹａＰ(k)×ＨＧＡＩＲＴＨＰ(k) （２９）

ステップＳ１９では、下記式（３１）により次回リフト量ＬＩＦＴＮ(k)を算出する。
ＬＩＦＴＮ(k)＝ＬＩＦＴ(k)＋（ＬＩＦＴ(k)−ＬＩＦＴ(k-1)） （３１）
なお、式（３１）は最も簡単な手法で次回リフト量ＬＩＦＴＮを算出する数式であり、より複雑な手法、例えば自己回帰（Auto Regression）モデル、あるいはニューラルネットワークモデルを用いて次回リフト量ＬＩＦＴＮを算出するようにしてもよい。

ステップＳ２０では、図１２に示すＨＬＩＦＴ算出処理を実行し、予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)を算出する。ステップＳ２１では、予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)に応じて図６に示すηｖテーブルを検索し、検索体積効率ηｖａＴ(k)を算出する。ステップＳ２２では、前記式（１３）により、リフト量補正係数ＫＬＩＦＴ(k)を算出する。

ステップＳ２３では、前記式（１１）により予測体積効率ηｖａ(k)を算出し、ステップＳ２４では、前記式（１０）により遅れ係数ＣＤＬＹａ(k)を算出する。ステップＳ２５では、前記式（１２）により遅れ係数比ＲＣＤＬＹ(k)を算出する。

ステップＳ２６では、図１４に示すＨＧＡＩＲＴＨ算出処理を実行し、推定スロットル弁通過空気量ＨＧＡＩＲＴＨ(k)を算出し、ステップＳ２７では、前記式（９）により予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬ(k)を算出する。

図９は、図５のステップＳ１１で実行されるＨＬＩＦＴＰ算出処理のフローチャートであり、図１０は図９の処理を説明するための図である。先ず図９に示す処理の概要を説明する。

１）リフト量の前回値ＬＩＦＴ(k-1)及び今回値ＬＩＦＴＮ(k)に基づいて、図１０（ａ）に示すように、リフト量ＬＩＦＴの経時変化を示す直線Ｌ１１を決定し、直線Ｌ１１上の動作点におけるリフト量を示す演算パラメータＣＬＩＦＴ(i)（ｉ＝０〜ＩＭＡＸ）を算出する。本実施形態では、クランク角度１０度毎に演算パラメータＣＬＩＦＴ(i)を算出するので、ｉ＝０，１，２，３，．．．は、クランク角度０度，１０度，２０度，３０度，．．．に対応する。

２）インデクスパラメータｉに応じて図１１（ａ）に示すＩＮＬＦＴテーブルの１つを選択し、演算パラメータＣＬＩＦＴ(i)に応じて選択したＩＮＬＦＴテーブルを検索して、瞬時リフトカーブ値ＩＮＬＦＴ(i)を算出する。図１１（ａ）には、代表的なＩＮＬＦＴテーブル（ｉ＝０，４，９に対応するもの）のみ示す。図１０（ｂ）は、このようにして算出された瞬時リフトカーブ値ＩＮＬＦＴの推移を示す。リフト量ＬＩＦＴが増加している過渡状態では、リフトカーブは図２に示す形とはならず、図１０（ｂ）に示されるように変形した形となる。

３）図１０（ｂ）に示すリフトカーブとクランク角度軸で囲まれる領域（ハッチングを付して示す）の面積を示すタイムエリアパラメータＴＡＬＦＴを算出する。タイムエリアパラメータＴＡＬＦＴは、本実施形態ではクランク角角度幅ＤＣＡ（＝１０ｄｅｇ）の矩形の面積の和として算出される。

４）タイムエリアパラメータＴＡＬＦＴに応じて図１１（ｂ）に示すＨＬＩＦＴテーブルを検索することにより、再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)を算出する。

この演算によりリフト量が変化する過渡状態における平均リフト量を示すパラメータとして再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)を算出することができる。

以下図９の処理をステップ毎に説明する。
ステップＳ３１では、リフト量の前回値ＬＩＦＴ(k-1)及び今回値ＬＩＦＴ(k)を、それぞれ演算パラメータＣＬＩＦＴ(0)及びＣＬＩＦＴ(I180)に設定する。Ｉ１８０はクランク角度１８０度に対応するインデクスパラメータｉの値であり、本実施形態では、「１８」である。

ステップＳ３２では、下記式（４１）により、演算パラメータＣＬＩＦＴ(i)を算出する（ｉ＝０〜ＩＭＡＸ）。ＩＭＡＸは、インデクスパラメータｉの最大値であり、本実施形態では「２７」に設定される。これは、リフト量ＬＩＦＴが最大値ＬＩＦＴＭＡＸであるときの吸気弁の開弁時期ＩＶＯ及び閉弁時期ＩＶＣがそれぞれクランク角「０度」及び「２７０度」である点（ただし、弁作動位相ＶＴＣが０度（最遅角位相）の場合）を考慮して設定されたものである。
ＣＬＩＦＴ(i)＝（ＣＬＩＦＴ(I180)−ＣＬＩＦＴ(0)）×ｉ／Ｉ１８０
＋ＣＬＩＦＴ(0) （４１）

ステップＳ３３では、インデクスパラメータｉに応じてＩＮＬＦＴテーブルを選択し、演算パラメータＣＬＩＦＴ(i)に応じてＩＮＬＦＴテーブルを検索することにより、瞬時リフトカーブ値ＩＮＬＦＴ(i)を算出する（ｉ＝０〜ＩＭＡＸ）。

ステップＳ３４では、下記式（４２）によりタイムエリアパラメータＴＡＬＦＴを算出する。式（４２）のＤＣＡは、１８０［ｄｅｇ］／Ｉ１８０であり、本実施形態では１０［ｄｅｇ］である（図１０（ｂ）参照）。

ステップＳ３５では、タイムエリアパラメータＴＡＬＦＴに応じて図１１（ｂ）に示すＨＬＩＦＴテーブルを検索し、再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)を算出する。

図１２は、図５のステップＳ２０で実行されるＨＬＩＦＴ算出処理のフローチャートである。この処理は、図９に示すＨＬＩＦＴＰ算出処理のステップＳ３１及びＳ３５をそれぞれステップＳ３１ａ及びＳ３５ａに変更したものである。

ステップＳ３１ａでは、演算パラメータＣＬＩＦＴ(0)及びＣＬＩＦＴ(I180)を、それぞれリフト量ＬＩＦＴ(k)及び次回リフト量ＬＩＦＴＮ(k)に設定する。これにより、検出されるリフト量ＬＩＦＴ(k)と、次回リフト量ＬＩＦＴＮ(k)と通る直線上のリフト量として、演算パラメータＣＬＩＦＴ(i)が算出される。

ステップＳ３５ａでは、ステップＳ３４で算出されるタイムエリアパラメータＴＡＬＦＴに応じて図１１（ｂ）のＨＬＩＦＴテーブルを検索し、予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)を算出する。

図１３は、図５のステップＳ２６で実行されるＨＧＡＩＲＴＨ算出処理のフローチャートである。この処理における演算手法は、図７のＨＧＡＩＲＴＨＰ算出処理と同一である。

ステップＳ５１では、予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)及び大気圧ＰＡに応じて、図８（ａ）に示すＫＰＡマップを検索し、大気圧補正係数ＫＰＡ（ＨＬＩＦＴ）を算出する。

ステップＳ５２では、吸気温ＴＡ，吸気圧ＰＢＡ，スロットル弁開度ＴＨ，大気圧ＰＡ，及び大気圧補正係数ＫＰＡ（ＨＬＩＦＴ）を、下記式（４３）に適用し、推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲを算出する。

ステップＳ５３では、推定吸入空気流量ＨＧＡＩＲＰ［ｇ／ｓｅｃ］及びエンジン回転数ＮＥを下記式（４４）に適用し、推定スロットル弁通過空気量ＨＧＡＩＲＴＨ［ｇ／ＴＤＣ］を算出する。
ＨＧＡＩＲＴＨ＝ＨＧＡＩＲ×ＫＣＶ／ＮＥ （４４）

以上のように本実施形態では、吸気圧ＰＢＡ及び吸気温ＴＡに基づいて理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤが算出され、理論気筒吸入空気量ＧＡＩＲＳＴＤを用いて体積効率ηｖ’（＝ＧＡＩＲＣＹＬＰ(k)／ＧＡＩＲＳＴＤ(k)）が算出され、吸気弁リフト量ＬＩＦＴに応じて設定されるリフト量補正係数ＫＬＩＦＴを用いて体積効率ηｖ’を補正することにより予測体積効率ηｖａが算出される。さらに推定スロットル弁通過空気量ＨＧＡＩＲＴＨ及び予測体積効率ηｖａを用いて予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬが算出される。予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出には、予測気筒吸入空気量の過去相当値である再計算前回気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰが適用されるとともに、再計算前回気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰ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’が算出される。これにより、予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬの算出に使用するマップやテーブルの数を低減することができる。また予測体積効率ηｖａが検出パラメータ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予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを得ることできる。また吸気弁リフト量ＬＩＦＴが変更されると体積効率が変化するため、リフト量補正係数ＫＬＩＦＴを用いて補正された予測体積効率ηｖａを用いることにより、リフト量ＬＩＦＴの変化にともなう体積効率の変化が反映され、過渡運転状態においても正確な予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出することができる。

また、吸気弁リフト量の予測値である予測リフト量ＨＬＩＦＴを用いてリフト量補正係数ＫＬＩＦＴが算出され、リフト量補正係数ＫＬＩＦＴを用いて予測体積効率ηｖａが算出されるので、過渡運転状態における体積効率の算出精度を高めることができる。

また検出されるリフト量ＬＩＦＴに応じて予測気筒吸入空気量の過去相当値である再計算前回気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰが算出され、再計算前回気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰを用いて予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬが算出されるので、予測気筒吸入空気量の前回値ＧＡＩＲＣＹＬ(k-1)を用いる場合に比べて、予測リフト量ＨＬＩＦＴを用いることに起因する誤差を低減することができる。

本実施形態では、吸気圧センサ８及び吸気温センサ９がそれぞれ吸気圧検出手段及び吸気温検出手段に相当し、ＣＳ角度センサ１５がリフト量検出手段に相当する。またＥＣＵ５が吸入空気流量取得手段、理論気筒吸入空気量算出手段、体積効率算出手段、体積効率補正手段、及び予測気筒吸入空気量算出手段を構成する。具体的には、図５のステップＳ２６が吸入空気流量取得手段に相当し、ステップＳ１１〜Ｓ２３が、理論気筒吸入空気量算出手段、体積効率算出手段、及び体積効率補正手段に相当し、ステップＳ２４，Ｓ２５，Ｓ２７が予測気筒吸入空気量算出手段に相当する。

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、予測気筒吸入空気量の過去相当値として、再計算前回気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬＰを用いているが、予測気筒吸入空気量の前回値ＧＡＩＲＣＹＬ(k-1)を用いてもよい。

また上述した実施形態では、検索体積効率ηｖａＴ（ηｖａＴＰ）の算出には、図６に示すηｖテーブルを使用しているが、リフト量ＬＩＦＴ及びエンジン回転数ＮＥと、体積効率ηｖとの関係が設定されたηｖマップを使用して、予測リフト量ＨＬＩＦＴ（ＨＬＩＦＴＰ）及びエンジン回転数ＮＥに応じて検索体積効率ηｖａＴ（ηｖａＴＰ）を算出するようにしてもよい。

また予測リフト量ＨＬＩＦＴ(k)は、検出リフト量ＬＩＦＴ(k)と次回リフト量ＬＩＦＴＮ(k)の平均値（（ＬＩＦＴ(k)＋ＬＩＦＴＮ(k)）／２）として算出するようにしてよく、再計算前回リフト量ＨＬＩＦＴＰ(k)も同様に、検出リフト量の前回値ＬＩＦＴ(k-1)と今回値ＬＩＦＴ(k)の平均値として算出するようにしてもよい。

また上述した実施形態では、エンジン運転パラメータに応じて推定される推定吸入空気量流量ＨＧＡＩＲを用いて、予測気筒吸入空気量ＧＡＩＲＣＹＬを算出しているが、吸入空気流量センサ１４により検出される吸入空気流量ＧＡＩＲを用いてもよい。

また上述した実施形態では、吸気弁のリフト量（リフトカーブのピーク値）を連続的に変更可能な動弁機構を備えるエンジンに本発明を適用したが、本発明は、リフト量を段階的に（例えば２段階）に変更可能な動弁機構を備える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の気筒吸入空気量の算出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、理論気筒吸入空気量算出手段、体積効率算出手段、体積効率補正手段、予測気筒吸入空気量算出手段）
８ 吸気圧センサ（吸気圧検出手段）
９ 吸気温センサ（吸気温検出手段）
４１ 第１弁作動特性可変機構（動弁機構）

Claims (3)

1. 吸気弁のリフト量を変更可能な動弁機構を備える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、
   前記機関の吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
   前記機関に吸入される空気の温度である吸気温を検出する吸気温検出手段と、
   前記吸気圧及び吸気温に基づいて理論気筒吸入空気量を算出する理論気筒吸入空気量算出手段と、
   前記理論気筒吸入空気量を用いて前記機関の体積効率を算出する体積効率算出手段と、
   前記体積効率を前記吸気弁のリフト量に応じて補正し、補正体積効率を算出する体積効率補正手段と、
   前記吸入空気流量及び補正体積効率を用い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予測気筒吸入空気量算出手段とを備え、
   前記予測気筒吸入空気量算出手段は、前記予測気筒吸入空気量の過去相当値を用いて前記予測気筒吸入空気量を算出し、
   前記体積効率算出手段は、前記予測気筒吸入空気量の過去相当値を前記理論気筒吸入空気量で除算することにより前記体積効率を算出す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. 前記体積効率補正手段は、前記リフト量の予測値を用いて前記補正体積効率を算出す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. 前記吸気弁のリフト量を検出するリフト量検出手段を備え、
   前記予測気筒吸入空気量算出手段は、検出されるリフト量を用いて前記過去相当値を算出することを特徴とする請求項１または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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