JP2002130042A - 内燃機関の筒内充填空気量検出装置 - Google Patents

内燃機関の筒内充填空気量検出装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の筒内充填空気量の演算精度を向上
させる。 【解決手段】 スロットルバルブからエンジンの吸気口
までの吸気通路を流れる吸入空気の挙動をモデル化した
吸気系モデルの入力側にエアフロメータの出力ｇMAF の
応答遅れを位相進み補償で補償する応答遅れ補償要素を
設け、この応答遅れ補償要素の出力ｇを吸気系モデルに
入力する。位相進み補償の伝達関数は ｇ＝（１＋Ｔ1 ・ｓ）／（１＋Ｔ2 ・ｓ）・ｇMAF である。ここで、Ｔ1 、Ｔ2 は位相進み補償の時定数で
あり、エアフロメータの出力ｇMAF 、エンジン回転速
度、吸気圧力、スロットル開度のうちの少なくとも１つ
に基づいて設定される。吸気系モデルのモデル時定数τ
IMは、体積効率とエンジン回転速度を変数とする数式で
算出され、体積効率はエンジン回転速度と吸気圧力をパ
ラメータとする二次元マップにより算出される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、吸入空気流量を検
出して筒内充填空気量（シリンダ吸入空気量）を演算す
る内燃機関の筒内充填空気量検出装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に、エンジンの筒内充填空気量を測
定する方法は、吸入空気流量をエアフロメータで検出し
て、その検出値から筒内充填空気量を演算する方式（以
下「マスフロー方式」という）と、吸気圧力を吸気圧力
センサで検出して、吸気圧力とエンジン回転速度とから
筒内充填空気量を演算する方式（以下「スピードデンシ
ティ方式」という）とに大別される。マスフロー方式
は、定常時に吸入空気流量＝筒内充填空気量となるた
め、定常時の筒内充填空気量の測定精度が良いという利
点があるが、過渡時にはエアフロメータの応答遅れ（例
えば熱式のエアフロメータの場合は、エアフロメータの
センサ部自身のヒートマスによる応答遅れ）が存在する
ため、過渡時の応答性が悪いという欠点がある。
【０００３】これに対し、スピードデンシティ方式は、
マスフロー方式と比較して過渡時の応答性が良いという
特長がある。これは、吸気圧力センサが高応答であるた
めである。
【０００４】そこで、近年、マスフロー方式とスピード
デンシティ方式の両方式の長所を併せ持つ２センサ併用
方式が開発されている。この２センサ併用方式は、エア
フロメータと吸気圧力センサの両方を設置して、定常時
には、エアフロメータで検出した吸入空気流量から筒内
充填空気量を演算し、過渡時には、吸気圧力センサで検
出した吸気圧力とエンジン回転速度とから筒内充填空気
量を演算するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記２センサ併用方式
では、過渡時には、吸気圧力センサで検出した吸気圧力
とエンジン回転速度とから筒内充填空気量を演算する
が、筒内充填空気量は、吸気圧力の他に、体積効率や吸
気温度によっても変化するため、それらの検出誤差等の
影響を受けて筒内充填空気量の演算結果に誤差が生じ
る。近年のエンジンは、益々厳しくなる排出ガス浄化規
制のために非常に高精度な空燃比制御（燃料噴射制御）
が要求されるようになってきており、そのためには、筒
内充填空気量の演算精度を高めることが必要不可欠であ
る。
【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、筒内充填空気量の演
算精度を高めることができる内燃機関の筒内充填空気量
検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の内燃機関の筒内充填空気量検出
装置は、内燃機関の吸気通路を流れる吸入空気の流量を
検出する吸入空気流量検出手段の応答遅れを応答遅れ補
償手段により補償し、スロットルバルブを通過した吸入
空気が筒内に流入するまでの吸入空気の挙動を模擬した
吸気系モデルを用い、前記応答遅れ補償手段の出力を該
吸気系モデルに入力して該吸気系モデルの出力である筒
内充填空気量（シリンダ吸入空気量）を演算手段により
演算するようにしたものである。この場合、吸入空気流
量検出手段の応答遅れを補償する応答遅れ補償手段を備
えているため、過渡時でも吸入空気流量の検出値から筒
内充填空気量を応答性良く演算することができ、筒内充
填空気量の演算精度を高めることができる。
【０００８】この場合、請求項２のように、吸入空気流
量検出手段の応答遅れを位相進み補償で補償するように
すると良い。これにより、検出系の応答性を改善するこ
とができる。
【０００９】ところで、吸入空気流量検出手段の応答遅
れは、吸入空気流量によって変化するため、吸入空気流
量検出手段の応答遅れを補償する位相進み補償の時定数
は、吸入空気流量に応じて設定することが好ましい。
【００１０】そこで、請求項３のように、位相進み補償
の時定数を、吸入空気流量と相関関係のあるパラメータ
である機関回転速度、吸気圧力、スロットル開度、吸入
空気流量検出手段の出力のうちの少なくとも１つに基づ
いて設定するようにすると良い。このようにすれば、位
相進み補償の時定数を吸入空気流量に応じた適正値に設
定することができる。
【００１１】また、請求項４のように、位相進み補償の
伝達関数の分母の項と分子の項を分離し、該分子の項を
吸気系モデルの伝達関数の分子の項に組み込むようにし
ても良い。このようにすれば、吸入空気流量検出手段の
出力を補償する補償要素が単純な一次遅れ要素（ローパ
スフィルタ）となるため、吸入空気流量（吸入空気流量
検出手段の出力）が急激に変化したときでも、補償要素
の出力が発散（振動）することを防止できて、検出系の
応答性を改善しながら安定性も確保することができる。
【００１２】ところで、吸入空気流量検出手段として
は、例えば熱式エアフローメータ、ベーン式やカルマン
渦式のエアフロメータのいずれを用いても良いが、近
年、最も多く使用されている熱式エアフロメータは、吸
入空気の質量流量に対応した出力を得ることができるの
で、ベーン式やカルマン渦式のエアフロメータに比べて
空気の密度（温度、圧力）による影響がなく、空気の密
度による補正が不要であると共に、可動部分が無く、小
型（低圧力損失）、低コストである等の利点を有する。
【００１３】この熱式エアフロメータのセンサ部は、吸
入空気で冷やされる熱線と、吸気温度を検出する温度検
出素子とから構成され、熱線の温度と吸気温度との温度
差を一定に保つように熱線への供給電流を制御して、そ
の供給電流によって吸入空気流量を検出する構成である
ため、始動時に、熱線への電流供給を開始して熱線の温
度と吸気温度との温度差が一定値に達するまでの期間
（つまり熱式エアフロメータが活性化するまでの期間）
は、吸入空気流量を精度良く検出することはできない。
また、エンジン停止中は、吸気マニホールド内に大気圧
の空気が充填されており、始動時には、この吸気マニホ
ールド内の大気圧の空気が筒内に吸入されるため、吸気
マニホールドの上流側で吸入空気流量を検出するエアフ
ロメータでは、始動時の吸入空気流量を精度良く検出す
ることができない。
【００１４】そこで、請求項５のように、吸気圧力を検
出する吸気圧力検出手段を備えたシステムでは、始動時
に、吸気圧力検出手段の出力に基づいて筒内充填空気量
を演算し、その後、吸入空気流量検出手段（熱式エアフ
ロメータ）が活性化して筒内充填空気量を正しく演算し
たと推定される時、又は始動から所定時間が経過した時
に、筒内充填空気量の演算方法を応答遅れ補償手段の出
力に基づく筒内充填空気量の演算に徐々に又は直ちに切
り換えるようにすると良い。一般に、吸気圧力検出手段
は、吸気圧力によるダイヤフラムの変位を検出するもの
であるため、熱式エアフロメータのような始動時の未活
性期間はなく、電源投入直後（イグニッションスイッチ
のオン直後）から吸気圧力を検出可能である。従って、
始動時に、吸入空気流量検出手段が活性化するまで、吸
気圧力検出手段の出力に基づいて筒内充填空気量を演算
するようにすれば、吸入空気流量検出手段の未活性期間
でも、筒内充填空気量を検出することができる。
【００１５】また、スロットルバルブを通過した吸入空
気が筒内に流入するまでの吸入空気の挙動を模擬した吸
気系モデルの応答性は、吸入空気流量によって変化する
ため、吸気系モデルの時定数は、吸入空気流量に応じて
設定することが好ましい。
【００１６】そこで、請求項６のように、吸気系モデル
のモデル時定数を、吸入空気流量と相関関係のあるパラ
メータである機関回転速度と吸気圧力に基づいて設定す
るようにすると良い。これにより、吸気系モデルのモデ
ル時定数を吸入空気流量に応じた適正値に設定すること
ができる。
【００１７】また、吸気系モデルの応答性は、体積効率
によっても変化するため、請求項７のように、機関回転
速度と吸気圧力に基づいて体積効率を演算し、この体積
効率と機関回転速度に基づいて吸気系モデルのモデル時
定数を設定するようにしても良い。このようにすれば、
体積効率も考慮した精度の良いモデル時定数を算出する
ことができる。
【００１８】また、請求項８のように、モデル時定数又
は体積効率を算出するためのパラメータの１つとして、
吸気圧力の代わりに吸気圧力／大気圧を用いるようにし
ても良い。このようにすれば、山岳走行時の標高変化等
によって大気圧が変化しても、その影響を受けずに筒内
充填空気量を精度良く演算することができる。
【００１９】また、請求項９のように、内燃機関の吸気
バルブ及び／又は排気バルブの開閉タイミングを可変す
る可変バルブタイミング機構を備えたシステムでは、機
関回転速度等に基づいて演算したモデル時定数又は体積
効率を可変バルブタイミング機構の動作の応答遅れに応
じて補正するようにしても良い。このようにすれば、機
関回転速度等をパラメータとする１枚のマップを用いて
演算したモデル時定数又は体積効率を、可変バルブタイ
ミング機構の動作の応答遅れに応じて補正することで、
１枚のマップから可変バルブタイミング機構の動作の応
答遅れを補償したモデル時定数又は体積効率を求めるこ
とができる。このため、モデル時定数又は体積効率の算
出マップをバルブタイミングに応じて何枚も作成しなく
ても、１枚のマップで全てのバルブタイミングに対応す
ることができ、マップ作成の適合工数を少なくすること
ができると共に、マップデータの記憶に必要なメモリ容
量も少なくすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を吸気／排気可変バ
ルブタイミング機構付きのエンジンに適用した一実施形
態を図面に基づいて説明する。
【００２１】まず、図１に基づいてエンジン制御システ
ム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン
１１の吸気管１２（吸気通路）の最上流部には、エアク
リーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側
には、吸入空気量を検出する熱式のエアフロメータ１４
（吸入空気流量検出手段）が設けられている。このエア
フロメータ１４は、吸入空気の流れの中に配置される熱
線（図示せず）と吸気温度検出素子（図示せず）が内蔵
され、吸入空気で冷やされる熱線の温度と吸気温度との
温度差を一定に保つように熱線への供給電流が制御され
る。これにより、吸入空気流量に応じて変化する熱線の
放熱量に応じて熱線への供給電流が変化し、この供給電
流に応じた電圧信号が吸入空気流量信号として出力され
る。このエアフロメータ１４の下流側には、スロットル
バルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度
センサ１６とが設けられている。
【００２２】更に、スロットルバルブ１５の下流側に
は、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１
７に、吸気圧力Ｐを検出する吸気圧力センサ１８（吸気
圧力検出手段）が設けられている。また、サージタンク
１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気
マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホール
ド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃
料噴射弁２０が取り付けられている。エンジン１１の吸
気バルブ２５と排気バルブ２６は、それぞれ可変バルブ
タイミング機構２８，２９によって駆動され、エンジン
運転状態に応じて吸気／排気バルブタイミング（ＶＶＴ
角度θ）が調整される。尚、可変バルブタイミング機構
２８，２９は、油圧駆動式、電磁駆動式のいずれの方式
であっても良い。
【００２３】一方、エンジン１１の排気管２１の途中に
は、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２２が設置さ
れている。この触媒２２の上流側には、排出ガスの空燃
比（又は酸素濃度）を検出する空燃比センサ（又は酸素
センサ）２３が設けられている。また、エンジン１１の
シリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温セ
ンサ２４や、エンジン回転速度Ｎe を検出するクランク
角センサ２５が取り付けられている。
【００２４】これら各種のセンサ出力は、エンジン制御
回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。
このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として
構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された
図４乃至図１１の燃料噴射制御用の各ルーチンを実行す
ることで、吸気系モデルを用いて筒内充填空気量ｇ
C（シリンダ吸入空気量）を演算する演算手段として機
能すると共に、この筒内充填空気量ｇC に応じて燃料噴
射量を設定する。
【００２５】この筒内充填空気量ｇC の演算に用いる吸
気系モデルは、スロットルバルブ１５からエンジン１１
の吸気口までの吸気通路（以下「スロットル下流吸気通
路」という）を流れる吸入空気の挙動をモデル化したも
のであり、質量保存の法則と気体の状態方程式から次の
ようにして導き出される。
【００２６】スロットル下流吸気通路の吸入空気の流れ
に質量保存の法則を適用すると、次の（１）式で表され
る関係が得られる。 ｄ／ｄｔ・ＧIM＝ｇ−ｇC ……（１） ここで、ＧIMはスロットル下流吸気通路内の空気質量、
ｄ／ｄｔ・ＧIMはスロットル下流吸気通路内の空気質量
の変化量、ｇはスロットル通過空気量（スロットルバル
ブ１５を通過する空気量）、ｇC は筒内充填空気量であ
る。
【００２８】また、スロットル下流吸気通路に気体の状
態方程式を適用すると、次の（２）式に表す関係が得ら
れる。 ｇC ＝η・Ｎe ／２・ＶC ・ρIM ……（２） η：体積効率 Ｎe ：エンジン回転速度 ＶC ：シリンダ容積 ρIM：スロットル下流吸気通路内の空気密度
【００２８】ここで、体積効率ηは、吸入空気流量によ
って変化するため、吸入空気流量と相関関係のあるパラ
メータであるエンジン回転速度Ｎe と吸気圧力Ｐとに基
づいてマップ等により設定される。η＝ｆ（Ｎe ，Ｐ）
【００３０】また、スロットル下流吸気通路内の空気密
度ρIMは、スロットル下流吸気通路内の空気質量ＧIMを
スロットル下流吸気通路の内容積ＶIMで割り算して求め
られる。 ρIM＝ＧIM／ＶIM ……（３）
【００３１】また、吸気系モデルのモデル時定数τIMは
次の（４）式で表される。 τIM＝２・ＶIM／（ＶC ・η・Ｎe ） ……（４） 上記（１）〜（４）式から次の（５）、（６）式が導き
出される。 ｇC ＝ＧIM／τIM ……（５） ｄ／ｄｔ・ＧIM＝ｇ−ＧIM／τIM ……（６）
【００３３】上記（６）式をラプラス変換すると、次の
（７）式で表される吸気系モデルの伝達関数が求められ
る。 ｇC ＝１／（１＋τIM・ｓ）・ｇ ……（７）
【００３４】この吸気系モデルの入力となるスロットル
通過空気量ｇは、エアフロメータ１４の出力ｇMAF を利
用することになるが、このエアフロメータ１４の出力ｇ
MAFには応答遅れがあるため、エアフロメータ１４の出
力ｇMAF をそのまま吸気系モデルの入力として用いる
と、過渡時に吸気系モデルの出力（筒内充填空気量
ｇC）の演算誤差が大きくなり、十分な演算精度を確保
することができない。
【００３５】そこで、本実施形態では、図２に示すよう
に、吸気系モデルの入力側に、エアフロメータ１４の出
力ｇMAF の応答遅れを位相進み補償で補償する応答遅れ
補償要素（応答遅れ補償手段）を設け、この応答遅れ補
償要素の出力ｇを吸気系モデルに入力する。応答遅れ補
償要素（位相進み補償要素）の伝達関数は次の（８）式
で表される。 ｇ＝（１＋Ｔ1 ・ｓ）／（１＋Ｔ2 ・ｓ）・ｇMAF ……（８）
【００３６】ここで、Ｔ1 、Ｔ2 は、位相進み補償の時
定数であり、エアフロメータ１４の出力ｇMAF 、エンジ
ン回転速度Ｎe 、吸気圧力Ｐ、スロットル開度のうちの
少なくとも１つに基づいて設定される。
【００３７】また、前記（７）式で表される吸気系モデ
ルのモデル時定数τIMは、体積効率ηとエンジン回転速
度Ｎe を変数とする前記（４）式で算出され、体積効率
ηはエンジン回転速度Ｎe と吸気圧力Ｐをパラメータと
する二次元マップにより算出される。
【００３８】本実施形態では、１枚の体積効率算出マッ
プから可変バルブタイミング機構２８，２９（ＶＶＴ）
の応答遅れを補償した体積効率ηを算出するために、図
１２に示すように、予め可変バルブタイミング機構２
８，２９を成り行きで動作させたときの体積効率（基本
体積効率）ηr のマップを１枚作成してＥＣＵ３０のＲ
ＯＭに記憶しておき、このマップを検索して現在のエン
ジン回転速度Ｎe と吸気圧力Ｐに応じた基本体積効率η
r を算出する。そして、現在のエンジン回転速度Ｎe と
吸気圧力Ｐ（又はスロットル開度等）に応じたＶＶＴ目
標角度θtrをマップにより算出し、このＶＶＴ目標角度
θtrと現在のＶＶＴ角度θと基本体積効率ηr を用い
て、次のなまし式により体積効率ηを算出する。 η(i) ＝（η(i-1) −ηr ）・（１−θtr／θ）＋ηr ここで、η(i) は今回の体積効率、η(i-1) は前回の体
積効率である。
【００４０】尚、本実施形態のように、吸気／排気の両
側に可変バルブタイミング機構２８，２９を備えたシス
テムでは、両側の可変バルブタイミング機構２８，２９
が同じ応答遅れを生じるため、現在のＶＶＴ角度θは、
吸気側ＶＶＴ角度と排気側ＶＶＴ角度の平均値を用いれ
ば良い。 現在のＶＶＴ角度θ＝（吸気側ＶＶＴ角度＋排気側ＶＶ
Ｔ角度）／２
【００４１】以上説明した図２の筒内充填空気量演算モ
デルを用いて筒内充填空気量ｇC を演算すると、エアフ
ロメータ１４の出力ｇMAF が急激に変化したときに、応
答遅れ補償要素の出力ｇが振動して吸気系モデルの出力
（筒内充填空気量ｇC ）が振動する可能性がある。
【００４２】そこで、本実施形態では、図３に示すよう
に、応答遅れ補償要素（位相進み補償要素）の伝達関数
の分母の項（１＋Ｔ2 ・ｓ）と分子の項（１＋Ｔ1 ・
ｓ）を分離し、分子の項（１＋Ｔ1 ・ｓ）を吸気系モデ
ルの伝達関数の分子の項に組み込む。これにより、エア
フロメータ１４の出力ｇMAF を補償する補償要素は次の
（９）式で表される。 ｇ＝１／（１＋Ｔ2 ・ｓ）・ｇMAF ……（９）
【００４３】この補償要素は、単純な一次遅れ要素（ロ
ーパスフィルタ）であるため、エアフロメータ１４の出
力ｇMAF が急激に変化したときでも、補償要素の出力ｇ
が振動（発散）せず、安定性が確保される。
【００４４】また、吸気系モデルの伝達関数は、応答遅
れ補償要素の分子の項（１＋Ｔ1 ・ｓ）が組み込まれる
ことで、次の（１０）式のように表される。 ｇC ＝（１＋Ｔ1 ・ｓ）／（１＋τIM・ｓ）・ｇ ……（１０） この（１０）式で表される吸気系モデルの伝達関数は、
分母の項の時定数τIMが分子の項の時定数Ｔ1 と比べて
格段に大きいため、過渡時でも吸気系モデルの出力（筒
内充填空気量ｇC ）が振動せず、安定性が確保される。
【００４６】本実施形態では、図３の筒内充填空気量演
算モデルを用いて、上記（９）、（１０）式により筒内
充填空気量ｇC を演算する。但し、上記（９）、（１
０）式は連続式であるため、これをＥＣＵ３０でデジタ
ル演算処理できるようにするために、上記（９）、（１
０）の連続式を双一次変換により離散化して用いる。こ
れにより、補償要素を表現する（９）式は次の［数１］
式で表現される離散式に変換され、この離散式を用いて
補償要素（ローパスフィルタ）の出力ｇが演算される。
【００４７】
【数１】
【００４７】ここで、ｇ(i) は今回のｇの値、ｇ(i-1)
は前回のｇの値、Δｔはサンプリング時間である。ま
た、吸気系モデルを表現する（１０）式は、次の［数
２］式で表現される離散式に変換され、この離散式を用
いて吸気系モデルの出力である筒内充填空気量ｇC が演
算される。
【００４９】
【数２】
【００５０】ここで、ｇC(i)は今回のｇC の値、ｇ
C(i-1)は前回のｇC の値である。ＥＣＵ３０は、図４乃
至図１１の燃料噴射制御用の各ルーチンを実行すること
で、上記［数１］、［数２］の離散式を用いて筒内充填
空気量ｇC を演算し、燃料噴射量を制御する。以下、各
ルーチンの処理内容を説明する。
【００５１】［メインルーチン］図４のメインルーチン
は、イグニッションスイッチのオン後に所定周期で実行
される。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０
０で、後述する図５の筒内充填空気量演算ルーチンを実
行し、エアフロメータ１４の出力ｇMAF に基づいて筒内
充填空気量ｇC を演算する。この後、ステップ２００
で、燃料噴射量設定ルーチン（図示せず）を実行し、筒
内充填空気量ｇC とエンジン回転速度に応じてマップ等
により基本噴射量を算出し、この基本噴射量に空燃比フ
ィードバック補正係数、水温補正係数等の各種の補正係
数を乗算して最終的な燃料噴射量を求める。
【００５２】［筒内充填空気量演算ルーチン］図５の筒
内充填空気量演算ルーチンは、図４のメインルーチンの
ステップ１００で実行されるサブルーチンである。本ル
ーチンが起動されると、まずステップ１１０で、図６の
始動時間カウンタルーチンを実行し、始動時間ＴS をカ
ウントする。図６の始動時間カウンタルーチンでは、ま
ず、ステップ１１１で、始動後であるか否かをエンジン
回転速度が所定値（例えば３００ｒｐｍ）以上であるか
否かで判定し、始動後でないと判定された場合は、ステ
ップ１１２に進み、イグニッションスイッチのオン後の
経過時間（始動時間）ＴS をカウントする。一方、ステ
ップ１１１で、始動後であると判定された場合は、ステ
ップ１１３に進み、始動時間ＴS を最大値（イグニッシ
ョンスイッチのオンから始動完了までの経過時間）に設
定する。
【００５３】図６の始動時間カウンタルーチンの終了後
に、図５のステップ１２０に進み、後述する図７のエア
フロメータ出力に基づく筒内充填空気量演算ルーチンを
実行して、エアフロメータ１４の出力ｇMAF に基づいて
筒内充填空気量ｇCAを演算する。この後、ステップ１３
０に進み、始動後であるか否かをエンジン回転速度が所
定値（例えば３００ｒｐｍ）以上であるか否かで判定
し、始動後でないと判定された場合は、ステップ１４０
に進み、後述する図９の吸気圧力に基づく筒内充填空気
量演算ルーチンを実行して、吸気圧力センサ１８の出力
Ｐに基づいて筒内充填空気量ｇCPを演算する。
【００５４】一方、上記ステップ１３０で、始動後であ
ると判定された場合は、ステップ１５０に進み、エアフ
ロメータ１４が活性化したか否かを判定する。このエア
フロメータ１４の活性判定は、次のいずれかの方法で行
えば良い。
【００５５】イグニッションスイッチのオン後の経過
時間（始動時間ＴS ）が、エアフロメータ１４の活性化
に必要な所定時間ｔａ経過したか否かを判定し、所定時
間ｔａが経過してなければ、エアフロメータ１４が活性
化していないと判定し、所定時間ｔａが経過していれ
ば、エアフロメータ１４が活性化したと判定する。この
場合、所定時間ｔａは、演算処理の簡略化のために固定
値としても良いが、冷却水温、外気温等に応じてマップ
等により設定するようにしても良い。
【００５６】エアフロメータ１４の出力ｇMAF に基づ
いて演算した筒内充填空気量ｇCAと吸気圧力センサ１８
の出力Ｐに基づいて演算した筒内充填空気量ｇCPとの誤
差が設定値より小さいか否かを判定し、誤差が設定値以
上であれば、エアフロメータ１４が活性化していないと
判定し、誤差が設定値より小さければ、エアフロメータ
１４が活性化したと判定する。
【００５７】尚、上記の活性判定方法を用いる場合、
所定時間ｔａをある程度の余裕を見て長めの時間に設定
すれば、エアフロメータ１４の活性前に活性済みと誤判
定する事態を確実に回避できるが、所定時間ｔａを長く
すると、その分、活性済みと判定するタイミングが遅れ
て、筒内充填空気量の演算方法の切換タイミングが遅れ
ることになる。
【００５８】そこで、所定時間ｔａを必要最小限の時間
に設定すると共に、活性判定の誤判定を回避するため
に、上記との両方の条件が成立したときに、エアフ
ロメータ１４が活性化したと判定し、それ以外の場合
は、エアフロメータ１４が活性化していないと判定する
ようにしても良い。このようにすれば、イグニッション
スイッチのオン後の経過時間（始動時間ＴS ）が必要最
小限に設定された所定時間ｔａに達した時点で、の条
件を満たせば、エアフロメータ１４が活性化したと判定
することができ、活性判定の誤判定を回避しながら、筒
内充填空気量の演算方法を早期に切り換えることができ
る。
【００５９】上記ステップ１５０で、エアフロメータ１
４が活性化していないと判定された場合は、ステップ１
４０に進み、後述する図１０の吸気圧力に基づく筒内充
填空気量演算ルーチンを実行して、吸気圧力センサ１８
の出力Ｐに基づいて筒内充填空気量ｇCPを演算する。
【００６０】その後、ステップ１５０で、エアフロメー
タ１４が活性化したと判定された時点で、ステップ１６
０に進み、筒内充填空気量ｇC の演算方法を下記の式に
より吸気圧力センサ１８の出力Ｐに基づく演算からエア
フロメータ１４の出力ｇMAFに基づく演算に徐々に切り
換える。 ｇC ＝ｇCA＋（ｇCP−ｇCA）×α
【００６１】ここで、αは、筒内充填空気量ｇC の演算
方法を徐々に切り換えるための係数であり、エアフロメ
ータ１４の活性後（演算方法の切換開始後）の経過時間
に応じてマップ等により設定される。この場合、エアフ
ロメータ１４の活性直後（演算方法の切換開始当初）
は、α＝１．０で、その後の時間経過に伴ってαが徐々
に小さくなり、所定時間経過後にα＝０となり、その後
は、α＝０に維持される。α＝０になれば、エアフロメ
ータ１４の出力ｇMAF に基づいて演算した筒内充填空気
量ｇCAがそのまま最終的な筒内充填空気量ｇC となる。
【００６２】［エアフロメータ出力に基づく筒内充填空
気量演算ルーチン］図７のエアフロメータ出力に基づく
筒内充填空気量演算ルーチンは、図５の筒内充填空気量
演算ルーチンのステップ１２０で実行されるサブルーチ
ンである。本ルーチンが起動されると、まずステップ１
２１で、位相進み補償要素の分子の項の時定数Ｔ1 を、
エアフロメータ１４の出力ｇMAF 、エンジン回転速度Ｎ
e 、吸気圧力Ｐ、スロットル開度のうちの少なくとも１
つに基づいてマップ等により設定する。尚、この時定数
Ｔ1 は、演算処理を簡略化するために固定値としても良
い。
【００６３】時定数Ｔ1 の設定後、ステップ１２２に進
み、後述する図８のスロットル通過空気量のサイクル間
平均処理ルーチンを実行し、熱式のエアフロメータ１４
の出力ｇMAF から１サイクル間のスロットル通過空気量
の平均値ｇMAFAV を演算する。この後、ステップ１２３
に進み、次の［数３］式を用いて補償要素（ローパスフ
ィルタ）の出力ｇ(i) を演算する。
【００６４】
【数３】
【００６４】この後、ステップ１２４に進み、後述する
図９のモデル時定数演算ルーチンを実行し、吸気系モデ
ルのモデル時定数τIMを演算する。この後、ステップ１
２５に進み、位相進み補償要素の分母の項の時定数Ｔ2
を、エアフロメータ１４の出力ｇMAF 、エンジン回転速
度Ｎe 、吸気圧力Ｐ、スロットル開度のうちの少なくと
も１つに基づいてマップ等により設定する。尚、この時
定数Ｔ2 は、演算処理を簡略化するために固定値として
も良い。
【００６５】この後、ステップ１２６に進み、次の［数
４］式を用いて吸気系モデルの出力である筒内充填空気
量ｇCA(i) を演算する。
【００６６】
【数４】
【００６６】この［数４］式で算出される筒内充填空気
量ｇCA(i) の単位はｋｇ／ｓｅｃ（単位時間当たりの筒
内充填空気量）であるため、次のステップ１７０で、筒
内充填空気量ｇCA(i) の単位を次式によりｋｇ／ｒｅｖ
（エンジン１回転当たりの筒内充填空気量）に変換す
る。 ｇCA(i) ＝ｇCA(i) ／（Ｎe ／６０） ［ｋｇ／ｒｅｖ］
【００６７】［スロットル通過空気量のサイクル間平均
処理ルーチン］図８のスロットル通過空気量のサイクル
間平均処理ルーチンは、図７のルーチンのステップ１２
２で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起動
されると、まずステップ１３１で、始動後であるか否か
を、エンジン回転速度が所定値（例えば３００ｒｐｍ）
以上であるか否かで判定し、始動完了前であれば、後述
する図１０の吸気圧力に基づく筒内充填空気量演算ルー
チンを実行し、吸気圧力センサ１８の出力Ｐに基づいて
筒内充填空気量ｇCPを演算する。
【００６８】この後、ステップ１３３に進み、吸気圧力
センサ１８の出力Ｐに基づいて演算した筒内充填空気量
ｇCPから次式により１サイクル間のスロットル通過空気
量の平均値ｇMAFAV を推定する。 ｇMAFAV ＝ｇCP・Ｎmin ／６０ ［ｋｇ／ｓｅｃ］
【００６９】ここで、Ｎmin は現在のエンジン回転速度
であるが、始動完了前はエンジン回転速度が不安定であ
るため、Ｎmin ＝固定値（例えば３００ｒｐｍ）に設定
されている。
【００７０】一方、上記ステップ１３１で、始動後であ
ると判定されれば、ステップ１３４に進み、エアフロメ
ータ１４の出力ｇMAF の１サイクル間の時間ｔ180 を取
り込む。１サイクル間の時間ｔ180 は、４気筒エンジン
であれば、１８０℃Ａ回転するのに要する時間である。
【００７１】この後、ステップ１３５に進み、１サイク
ル間のサンプリング数Ｎ180 を次式により算出する。 Ｎ180 ＝ｔ180 ／Δｔ ここで、Δｔはサンプリング時間である。この後、ステ
ップ１３６に進み、次式により１サイクル間のスロット
ル通過空気量の平均値ｇMAFAV を次式により演算する。
【００７４】
【数５】
【００７４】［モデル時定数演算ルーチン］図９のモデ
ル時定数演算ルーチンは、図７のルーチンのステップ１
２４で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起
動されると、まずステップ１３７で、後述する図１１の
体積効率演算ルーチンを実行して、体積効率ηを演算す
る。この後、ステップ１３８に進み、モデル時定数τIM
を次式により演算する。 τIM＝２・ＶIM／（ＶC ・η・Ｎe ／６０） ここで、ＶIMはスロットル下流吸気通路の内容積（固定
値）、ＶC はシリンダ容積（固定値）、Ｎe はエンジン
回転速度（ｒｐｍ）である。
【００７６】［吸気圧力に基づく筒内充填空気量演算ル
ーチン］図１０の吸気圧力に基づく筒内充填空気量演算
ルーチンは、図５のステップ１４０と図８のステップ１
３２で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起
動されると、まずステップ１４１で、後述する図１１の
体積効率演算ルーチンを実行して、体積効率ηを演算す
る。この後、ステップ１４２に進み、次式により吸気圧
力センサ１８の出力（吸気圧力）Ｐに基づいて筒内充填
空気量ｇCPを演算する。 ｇCP＝η・ＶC ・Ｐ／（２・Ｒ・Ｔ） ［ｋｇ／ｒｅｖ］ ここで、ＶC はシリンダ容積、Ｒは気体定数、Ｔは吸気
温度である。
【００７８】［体積効率演算ルーチン］図１１の体積効
率演算ルーチンは、図９のステップ１３７と図１０のス
テップ１４１で実行されるサブルーチンである。本ルー
チンが起動されると、まずステップ１５１で、現在の吸
気圧力Ｐ、大気圧Ｐa 、吸気温度Ｔ、エンジン回転速度
Ｎe 、ＶＶＴ角度θ（バルブタイミング）、冷却水温Ｔ
ＨＷを読み込む。この後、ステップ１５２に進み、可変
バルブタイミング機構２８，２９を成り行きで動作させ
たときの体積効率（基本体積効率）ηr のマップを検索
して、現在のエンジン回転速度Ｎe と吸気圧力Ｐに応じ
た基本体積効率ηr を演算する。
【００７９】この後、ステップ１５３に進み、ＶＶＴ目
標角度θtrをマップを検索して、現在のエンジン回転速
度Ｎe と吸気圧力Ｐに応じたＶＶＴ目標角度θtrを演算
する。その後、ステップ１５４に進み、ＶＶＴ目標角度
θtrと現在のＶＶＴ角度θと基本体積効率ηr を用い
て、次のなまし式により体積効率ηを算出する。 η(i) ＝（η(i-1) −ηr ）・（１−θtr／θ）＋ηr ここで、η(i) は今回の体積効率、η(i-1) は前回の体
積効率である。
【００８１】尚、本実施形態のように、吸気／排気の両
側に可変バルブタイミング機構２８，２９を備えたシス
テムでは、両側の可変バルブタイミング機構２８，２９
が同じ応答遅れを生じるため、現在のＶＶＴ角度θは、
吸気側ＶＶＴ角度と排気側ＶＶＴ角度の平均値を用いれ
ば良い。
【００８２】現在のＶＶＴ角度θ＝（吸気側ＶＶＴ角度
＋排気側ＶＶＴ角度）／２ 以上説明した図４乃至図１１の各ルーチンによって演算
した筒内充填空気量の挙動の一例を図１３のタイムチャ
ートに示している。図１３のタイムチャートには、比較
例として、従来のマスフロー方式（エアフロメータ出力
から筒内充填空気量を演算する方式）と、従来のスピー
ドデンシティ方式（吸気圧力センサ出力から筒内充填空
気量を演算する方式）も示している。
【００８３】マスフロー方式は、定常時の筒内充填空気
量の演算精度が良いという利点があるが、過渡時の応答
性が悪く、過渡時の筒内充填空気量の演算精度が悪いと
いう欠点がある。一方、スピードデンシティ方式は、マ
スフロー方式と比較して過渡時の応答性が良いという利
点があるが、定常時の筒内充填空気量の演算精度が悪い
という欠点がある。
【００８４】これに対し、本実施形態では、エアフロメ
ータ１４の応答遅れを位相進み補償で補償して筒内充填
空気量を演算するようにしたので、エアフロメータ１４
の出力に基づいて筒内充填空気量を演算する方式であり
ながら、過渡時の応答性を改善することができ、過渡時
の筒内充填空気量の演算精度を向上できる。しかも、エ
アフロメータ１４の出力から筒内充填空気量を演算する
ため、定常時の筒内充填空気量の演算精度も良い。
【００８５】ところで、熱式のエアフロメータ１４のセ
ンサ部は、吸入空気で冷やされる熱線と、吸気温度を検
出する温度検出素子とから構成され、熱線の温度と吸気
温度との温度差を一定に保つように熱線への供給電流を
制御して、その供給電流によって吸入空気流量を検出す
る構成であるため、始動時に、熱線への電流供給を開始
して熱線の温度と吸気温度との温度差が一定値に達する
までの期間（つまりエアフロメータ１４が活性化するま
での期間）は、吸入空気流量を精度良く検出することは
できない。
【００８６】そこで、本実施形態では、始動時には、吸
気圧力センサ１８の出力Ｐ（吸気圧力）に基づいて筒内
充填空気量を演算し、その後、エアフロメータ１４が活
性化したと推定される時期に、筒内充填空気量の演算方
法をエアフロメータ１４の遅れ補償後の出力に基づく演
算に徐々に切り換えるようにした。一般に、吸気圧力セ
ンサ１８は、吸気圧力によるダイヤフラムの変位を検出
するものであるため、エアフロメータ１４のような始動
時の未活性期間はなく、電源投入直後（イグニッション
スイッチのオン直後）から吸気圧力を検出可能である。
従って、始動時に、エアフロメータ１４が活性化するま
で、吸気圧力センサ１８の出力に基づいて筒内充填空気
量を演算するようにすれば、エアフロメータ１４の未活
性期間でも、筒内充填空気量を検出することができる。
【００８７】また、本実施形態では、図１２に示すよう
に、予め可変バルブタイミング機構２８，２９を成り行
きで動作させたときの体積効率（基本体積効率）ηr の
マップを１枚作成しておき、このマップから現在のエン
ジン回転速度Ｎe と吸気圧力Ｐに応じた基本体積効率η
r を算出し、この基本体積効率ηr と現在のＶＶＴ角度
θとＶＶＴ目標角度θtrを用いて、体積効率ηをなまし
式により算出するようにしたので、１枚のマップから可
変バルブタイミング機構２８，２９の動作の応答遅れを
補償した体積効率ηを求めることができる。このため、
体積効率の算出マップをバルブタイミングに応じて何枚
も作成しなくても、１枚のマップで全てのバルブタイミ
ングに対応することができ、マップ作成の適合工数を少
なくすることができると共に、マップデータの記憶に必
要なメモリ容量も少なくすることができる。
【００８８】しかしながら、本発明は、体積効率の算出
マップをバルブタイミングに応じて複数枚作成しても良
く、この場合でも、本発明の所期の目的を十分に達成す
ることができる。
【００８９】また、本実施形態では、エンジン回転速度
Ｎe と吸気圧力Ｐに基づいて体積効率ηを算出し、この
体積効率ηとエンジン回転速度Ｎe を用いて吸気系モデ
ルのモデル時定数τIMを算出するようにしたが、このモ
デル時定数τIMとエンジン回転速度Ｎe と吸気圧力Ｐと
の関係を予め実験やシミュレーションによってマップ化
又は数式化して、エンジン回転速度Ｎe と吸気圧力Ｐと
からモデル時定数τIMを直接算出するようにしても良
い。
【００９０】また、体積効率ηを算出するためのパラメ
ータの１つとして、吸気圧力Ｐの代わりに吸気圧力Ｐ／
大気圧Ｐa を用いるようにしても良い。このようにすれ
ば、山岳走行時の標高変化等によって大気圧Ｐa が変化
しても、その影響を受けずに筒内充填空気量を精度良く
演算することができる。
【００９１】尚、本発明の適用範囲は、吸気／排気可変
バルブタイミング機構付きのエンジンに限定されず、吸
気側（又は排気側）のみを可変バルブタイミングとした
エンジンや、可変バルブタイミング機構を全く搭載しな
いエンジンにも適用でき、また、吸気ポート噴射エンジ
ンに限定されず、筒内噴射エンジンにも適用できる。ま
た、エアフロメータ（吸入空気流量検出手段）も熱式エ
アフロメータに限定されず、例えば、ベーン式やカルマ
ン渦式のエアフロメータを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システ
ム全体の概略構成図
【図２】筒内充填空気量演算モデル（その１）を示すブ
ロック線図
【図３】筒内充填空気量演算モデル（その２）を示すブ
ロック線図
【図４】メインルーチンの処理の流れを示すフローチャ
ート
【図５】筒内充填空気量演算ルーチンの処理の流れを示
すフローチャート
【図６】始動時間カウンタルーチンの処理の流れを示す
フローチャート
【図７】エアフロメータ出力に基づく筒内充填空気量演
算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図８】スロットル通過空気量のサイクル間平均処理ル
ーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図９】モデル時定数演算ルーチンの処理の流れを示す
フローチャート
【図１０】吸気圧力に基づく筒内充填空気量演算ルーチ
ンの処理の流れを示すフローチャート
【図１１】体積効率演算ルーチンの処理の流れを示すフ
ローチャート
【図１２】体積効率演算モデルを示すブロック線図
【図１３】過渡時と定常時の筒内充填空気量の検出値の
挙動を示すタイムチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管（吸気通
路）、１４…熱式エアフローメータ（吸入空気流量検出
手段）、１５…スロットルバルブ、１７…サージタンク
（吸気通路）、１８…吸気圧力センサ（吸気圧力検出手
段）、１９…吸気マニホールド（吸気通路）、２０…燃
料噴射弁、２１…排気管、２８，２９…可変バルブタイ
ミング機構、３０…ＥＣＵ（演算手段）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 41/04 ３２０ Ｆ０２Ｄ 41/18 Ｂ 41/18 Ｆ 35/00 ３６６Ｄ ３６６Ｅ Ｆターム(参考） 3G084 AA03 BA13 BA23 CA01 CA04 CA05 CA06 DA04 EA04 EA11 EB09 EB12 EB25 FA00 FA01 FA02 FA08 FA10 FA11 FA20 FA26 FA29 FA33 FA38 3G092 AA11 AA13 BB01 DA01 DA02 DA03 DE01S EA02 EA03 EA04 EA22 EB01 EC01 EC10 FA00 FA06 GA01 GA03 GA11 HA01Z HA04Z HA05Z HA06Z HA13Z HD05Z HE01Z HE03Z HE08Z HF19Z 3G301 HA06 HA19 JA00 JA13 KA01 KA06 KA11 LA07 LB02 LC08 MA01 MA11 NA01 NA06 NA08 NA09 NC04 ND01 NE08 NE11 NE12 NE23 PA01Z PA07Z PA09Z PA10Z PA11Z PD02Z PE01Z PE03Z PE08Z PE10Z PF16Z

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の吸気通路を流れる吸入空気の
    流量を検出する吸入空気流量検出手段と、 前記吸入空気流量検出手段の応答遅れを補償する応答遅
    れ補償手段と、 スロットルバルブを通過した吸入空気が筒内に流入する
    までの吸入空気の挙動を模擬した吸気系モデルを用い、
    前記応答遅れ補償手段の出力を該吸気系モデルに入力し
    て該吸気系モデルの出力である筒内充填空気量を演算す
    る演算手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の
    筒内充填空気量検出装置。
  2. 【請求項２】 前記応答遅れ補償手段は、前記吸入空気
    流量検出手段の応答遅れを位相進み補償で補償すること
    を特徴とする請求項１に記載の内燃機関の筒内充填空気
    量検出装置。
  3. 【請求項３】 前記応答遅れ補償手段は、位相進み補償
    の時定数を、機関回転速度、吸気圧力、スロットル開
    度、前記吸入空気流量検出手段の出力のうちの少なくと
    も１つに基づいて設定することを特徴とする請求項２に
    記載の内燃機関の筒内充填空気量検出装置。
  4. 【請求項４】 前記位相進み補償の伝達関数の分母の項
    と分子の項が分離され、該分子の項が前記吸気系モデル
    の伝達関数の分子の項に組み込まれていることを特徴と
    する請求項２又は３に記載の内燃機関の筒内充填空気量
    検出装置。
  5. 【請求項５】 前記吸入空気流量検出手段として熱式エ
    アフローメータを設けると共に、前記吸気通路内の吸気
    圧力を検出する吸気圧力検出手段を設け、 前記演算手段は、始動時には前記吸気圧力検出手段の出
    力に基づいて筒内充填空気量を演算し、その後、前記吸
    入空気流量検出手段が活性化して筒内充填空気量を正し
    く演算したと推定される時期に前記筒内充填空気量の演
    算方法を前記応答遅れ補償手段の出力に基づく筒内充填
    空気量の演算に徐々に又は直ちに切り換えることを特徴
    とする請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関の筒
    内充填空気量検出装置。
  6. 【請求項６】 前記演算手段は、前記吸気系モデルのモ
    デル時定数を機関回転速度と吸気圧力に基づいて設定す
    ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の
    内燃機関の筒内充填空気量検出装置。
  7. 【請求項７】 前記演算手段は、機関回転速度と吸気圧
    力に基づいて体積効率を演算し、この体積効率と機関回
    転速度に基づいて前記吸気系モデルのモデル時定数を設
    定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記
    載の内燃機関の筒内充填空気量検出装置。
  8. 【請求項８】 前記演算手段は、前記モデル時定数又は
    体積効率を算出するためのパラメータの１つとして、吸
    気圧力の代わりに吸気圧力／大気圧を用いることを特徴
    とする請求項６又は７に記載の内燃機関の筒内充填空気
    量検出装置。
  9. 【請求項９】 内燃機関の吸気バルブ及び／又は排気バ
    ルブの開閉タイミングを可変する可変バルブタイミング
    機構を備え、 前記演算手段は、前記機関回転速度等に基づいて演算し
    たモデル時定数又は体積効率を前記可変バルブタイミン
    グ機構の動作の応答遅れに応じて補正することを特徴と
    する請求項６乃至８のいずれかに記載の内燃機関の筒内
    充填空気量検出装置。
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