JP5026396B2 - 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関し、特に機関始動直後における気筒内の空気量（筒内空気量）を推定し、推定した筒内空気量に基づく制御を行うものに関する。

内燃機関の吸入空気量（筒内空気量）は、吸気通路に設けられる吸入空気量センサにより検出するの一般的であるが、機関始動直後は吸入空気量センサが活性化していないため、吸気圧センサにより検出される吸気圧に基づいて筒内空気量を算出する手法が適用される。

特許文献１には、上記筒内空気量を算出する際に、燃焼後の残留ガスが気筒内に存在することを考慮する手法が示されている。

特開２００３−１８４６３３号公報

しかしながら、始動開始直後において燃料噴射が行われていない気筒では、気筒内に残留ガスではなく空気（新気）が存在するため、残留ガスの存在を前提として筒内空気量を推定すると、正確な推定を行うことができない。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、始動開始直後における筒内空気量をより正確に推定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、内燃機関の気筒内の空気量（ＧＣＹＬ）を推定する筒内空気量推定手段を備え、推定した筒内空気量（ＧＣＹＬ）に基づく制御を行う、内燃機関の制御装置において、前記機関の吸気圧（ＰＢＡ）を検出する吸気圧検出手段と、前記機関の圧縮行程における吸気弁の開弁時間（ＴＩＶＯ）を算出する開弁時間算出手段と、前記機関の吸気弁の開弁時間（ＴＩＶＯ）及び検出される吸気圧（ＰＢＡ）に基づいて、前記機関の圧縮行程中に前記気筒から前記機関の吸気通路へ戻される空気の量である吹き返し空気量（ＧＢＢ）を算出する吹き返し空気量算出手段と、前記筒内空気量推定手段により推定された空気量（ＧＣＹＬ）から前記吹き返し空気量（ＧＢＢ）を減算することにより、補正筒内空気量（ＧＣＹＬＣ）を算出する補正空気量算出手段と、前記機関の始動開始後、前記気筒へ少なくとも１回燃料噴射が行われたか否かを判定する判定手段とを備え、前記補正筒内空気量（ＧＣＹＬＣ）を用いて前記機関の制御を行い、前記筒内空気量推定手段は、前記判定手段により燃料噴射が行われたと判定された気筒については該気筒の行程容積（ＶＳＴＲ）に基づいて前記筒内空気量（ＧＣＹＬ）を推定し、前記判定手段により燃料噴射が行われていないと判定された気筒については該気筒の行程容積（ＶＳＴＲ）に、該気筒のピストンが上死点に位置するときの気筒容積（ＶＭＩＮ）を加算した容積に基づいて前記筒内空気量（ＧＣＹＬ）を推定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制御装置において、前記機関の吸入空気量（ＧＡ）を検出する吸入空気量検出手段（７）と、該吸入空気量検出手段（７）が活性化しているか否かを判定する活性判定手段とを備え、前記機関の始動開始時点から前記吸入空気量検出手段（７）が活性化したと判定されるまでの間、前記補正筒内空気量（ＧＣＹＬＣ）を用いた制御を行うことを特徴とする。

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制御装置において、前記機関の冷却水温（ＴＷ）を検出する冷却水温検出手段と、前記機関の吸気温（ＴＡ）を検出する吸気温検出手段と、大気圧（ＰＡ）を検出する大気圧検出手段とを備え、前記筒内空気量推定手段は、下記式（Ａ）を用いて行程容積空気量（ＧＣＹＬＳ）を算出し、前記判定手段により燃料噴射が行われたと判定された気筒については前記行程容積空気量（ＧＣＹＬＳ）を前記筒内空気量（ＧＣＹＬ）に設定し、前記判定手段により燃料噴射が行われていないと判定された気筒については下記式（Ｂ）を用いて最小容積空気量（ＧＣＹＬＭ）を算出し、前記行程容積空気量（ＧＣＹＬＳ）に前記最小容積空気量（ＧＣＹＬＭ）を加算した空気量を前記筒内空気量（ＧＣＹＬ）に設定することを特徴とする：

ここで、ＧＣＹＬＳは前記行程容積空気量、ＧＣＹＬＭは前記最小容積空気量、ＰＢＡは前記吸気圧、ＰＡは前記大気圧、ＶＳＴＲは前記気筒の行程容積、ＶＭＩＮは前記気筒のピストンが上死点に位置するときの筒内容積、Ｒは気体定数、ＴＷｉｎｉは前記機関の始動開始時における前記冷却水温、ＴＡは前記吸気温、ＫＴＧＣＹＬＳは始動開始直前の機関停止期間に応じて、前記機関の始動開始時に「０」以上「１」以下の初期値に設定され、該初期値が「０」より大きいときは時間経過に伴って「０」まで減少するように設定される第１重み付け係数、ＫＴＧＣＹＬＭは前記機関停止期間に応じて「０」以上「１」以下の値に設定される第２重み付け係数である。

請求項１に記載の発明によれば、燃料噴射が行われたと判定された気筒については該気筒の行程容積に基づいて筒内空気量が推定され、燃料噴射が行われていないと判定された気筒については該気筒の行程容積に、該気筒のピストンが上死点に位置するときの気筒容積を加算した容積に基づいて筒内空気量（ＧＣＹＬ）が推定される。燃料噴射が行われる前は、ピストンが上死点に位置するときの気筒容積が燃焼後の残留ガスではなく空気（新気）で満たされているので、その点を考慮して筒内空気量を推定することにより、より正確な推定を行うことができる。さらに機関の圧縮行程における吸気弁の開弁時間が算出され、この開弁時間及び検出される吸気圧に基づいて、圧縮行程中に気筒から吸気通路へ戻される空気の量である吹き返し空気量が算出され、推定された筒内空気量から吹き返し空気量を減算することにより、補正筒内空気量が算出され、この補正筒内空気量を用いて機関の制御が行われる。したがって、気筒内の実空気量をより正確に示す補正筒内空気量を用いてより正確な制御を行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、機関の始動開始時点から吸入空気量検出手段が活性化したと判定されるまでの間、推定した補正筒内空気量を用いた制御が行われるので、吸入空気量検出手段が活性化するまでの期間における空燃比の所望値からのずれを防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、検出される吸気圧、吸気温、及び機関冷却水温を上記式（Ａ）に適用して算出される行程容積空気量、または検出される大気圧、吸気温、及び機関冷却水温を上記式（Ｂ）に適用して算出される最小容積空気量に行程容積空気量を加算した空気量が、筒内空気量として推定される。行程容積空気量は、始動開始直後の低回転状態では、ピストンが吸気行程下死点に達するまでに吸気弁（吸気口）を介した空気のやりとりが安定化するので、吸気圧に依存する。一方、機関停止処理での燃料カット後、機関が停止するまでに数行程ポンピングされることで燃焼後の残留ガスまたは未燃ガスが掃気され、筒内に新気が導入され、これに加えて機関停止中に吸・排気弁やピストンとシリンダとの隙間等より大気圧となるまで空気が導入されるため、最小容積空気量は大気圧に依存する。したがって、行程容積空気量を式（Ａ）を用いて推定し、最小容積空気量を式（Ｂ）を用いて推定することにより、筒内空気量を正確に推定することができる。さらに式（Ａ）及び（Ｂ）は、吸気温及び始動開始時の冷却水温を含むので、吸気通路内の空気が機関の熱を受熱した場合が考慮され、行程容積空気量を正確に算出することができるとともに、燃焼室内の空気が機関停止中に機関から受ける熱の影響が考慮され、最小容積空気量を正確に算出することができる。

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及びその制御装置の構成を示す図である。内燃機関（以下単に「エンジン」という）１は、吸気通路２を有し、吸気通路２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３には、スロットル弁３の開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が設けられており、その検出信号が電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。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１２が接続されており、アクチュエータ１２は、ＥＣＵ５によりその作動が制御される。

燃料噴射弁６は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の各気筒には点火プラグ１３が設けられており、点火プラグ１３にはＥＣＵ５から点火信号が供給される。

吸気通路２のスロットル弁３の上流側には、吸入空気流量ＧＡを検出する吸入空気流量センサ７が設けられている。またスロットル弁３の直ぐ下流には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８が設けられており、吸気圧センサ８の下流には吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９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１の冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が取り付けられいる。これらのセンサ７〜１０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ＣＲＫパルスを発生する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。これらの信号パルスは、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。

ＥＣＵ５には、エンジン１により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１４、及び大気圧ＰＡを検出する大気圧センサ１５が接続されており、これらのセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。

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、中央演算処理回路（以下「ＣＰＵ」という）、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、前記燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。ＥＣＵ５は、上述したセンサの検出信号に基づいて、燃料噴射弁６の開弁時間の制御、及び点火プラグ１３の点火時期制御を行うとともに、アクセルペダル操作量ＡＰに応じてスロットル弁３の目標開度ＴＨＣＭＤを算出し、検出したスロットル弁開度ＴＨが目標開度ＴＨＣＭＤに一致するようにアクチュエータ１２の駆動制御を行う。

本実施形態では、エンジン１の始動開始直後においては、吸入空気流量センサ７が活性化していないため、吸気圧ＰＢＡに基づいて筒内空気量を算出し、筒内空気量に応じて燃料噴射量を算出する。図２はエンジン始動開始直後において燃料噴射量ＦＯＵＴを算出するモジュールの構成を示すブロック図である。図２に示す各ブロックの機能は実際には、ＥＣＵ５のＣＰＵによる演算処理により実現される。

図２に示すモジュールは、開弁時間算出部２１、基本吹き返し空気量算出部２２、補正部２３、筒内空気量算出部２４、減算部２５、及び燃料噴射量算出部２６からなる。

開弁時間算出部２１は、エンジン回転数ＮＥに応じて圧縮行程における吸気弁の開弁時間ＴＩＶＯを算出する。吸気弁のリフトカーブ（クランク角度とリフト量の関係を示す曲線）から、圧縮行程における吸気弁の開弁角度期間ＣＡＩＶＯは既知であり、エンジン回転数ＮＥの逆数と開弁角度期間ＣＡＩＶＯから、開弁時間ＴＩＶＯが算出される。なお、開弁時間ＴＩＶＯは、エンジン回転数ＮＥに代えて、ＣＲＫパルスの発生時間間隔ＣＲＭＥ（エンジン回転数ＮＥの逆数に比例するパラメータ）を用いて算出するようにしてもよい。

基本吹き返し空気量算出部２２は、開弁時間ＴＩＶＯ及び吸気圧ＰＢＡに応じて図３に示すＧＢＢＭマップを検索し、基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出する。基本吹き返し空気量ＧＢＢＭは、圧縮行程において気筒から吸気通路２へ戻される空気量の基本値である。図３においてＰＢＡ１，ＰＢＡ２，ＰＢＡ３，及びＰＢＡ４は、それぞれ例えば２６．７ｋＰａ，５３．３ｋＰａ，８０，０ｋＰａ，及び１０１．３ｋＰａに設定される所定吸気圧である。ＧＢＢＭマップは、開弁時間ＴＩＶＯが増加するほど基本吹き返し空気量ＧＢＢＭが増加し、かつ吸気圧ＰＢＡが高くなるほど基本吹き返し空気量ＧＢＢＭが増加するように設定されている。ＧＢＢＭマップは、開弁時間ＴＩＶＯ及び吸気圧ＰＢＡを変化させて、実験的に吹き返し空気量を計測することにより、あるいは後述するように理論演算により吹き返し空気量を算出することにより設定され、複数の開弁時間ＴＩＶＯ及び吸気圧ＰＢＡの値によって決まる格子点に対応するデータが、ＥＣＵ５の記憶回路に格納されている。

補正部２３は、基本吹き返し空気量ＧＢＢＭ及び吸気温ＴＡを下記式（１）に適用することにより吸気温補正を行い、吹き返し空気量ＧＢＢを算出する。式（１）の導出は、後述する。式（１）のＴＡ０は、ＧＢＢＭマップの設定時に適用された基準吸気温であり、例えば２５℃に設定される。

筒内空気量算出部２４は、気体の質量、温度、体積、及び圧力の関係を示す状態方程式を用いて、吸入行程において筒内に吸入される空気量である筒内空気量ＧＣＹＬを算出する。減算部２５は、筒内空気量ＧＣＹＬから吹き返し空気量ＧＢＢを減算することにより、補正筒内空気量ＧＣＹＬＣを算出する。

燃料噴射量算出部２６は、補正筒内空気量ＧＣＹＬＣ及び吹き返し空気量ＧＢＢに応じて、筒内の混合気が所望の空燃比となるように燃料噴射量ＦＯＵＴを算出する。

次に筒内空気量算出部２４における算出手法を詳細に説明する。本実施形態では、気筒内のピストンが上死点に位置するときの筒内容積を最小容積ＶＭＩＮと定義し、ピストンが下死点に位置するときの筒内容積を最大容積ＶＭＡＸと定義し、最大容積ＶＭＡＸと最小容積ＶＭＩＮとの差（ＶＭＡＸ−ＶＭＩＮ）を行程容積ＶＳＴＲと定義する。エンジン始動開始直後においては、最小容積ＶＭＩＮは空気で満たされているが、一度燃料噴射が行われた後は、燃焼後の残留ガスまたは未燃ガスで満たされている。そこで本実施形態では、始動開始直後の筒内空気量ＧＣＹＬは、最小容積ＶＭＩＮ及び行程容積ＶＳＴＲを満たす空気量として算出し（以下最小容積ＶＭＩＮを満たす空気量を「最小容積空気量ＧＣＹＬＭ」という）、一度燃料噴射が行われた後は行程容積ＶＳＴＲを満たす空気量（以下「行程容積空気量ＧＣＹＬＳ）」という）として算出する。

図４は、筒内空気量ＧＣＹＬを算出する処理のフローチャートであり、この処理は、ＴＤＣパルスに同期してＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１１では、下記式（２）に吸気圧ＰＢＡ、エンジンの始動開始時における初期冷却水温ＴＷｉｎｉ、吸気温ＴＡ（ただしＴＷｉｎｉ及びＴＡは絶対温度換算値）、行程容積ＶＳＴＲを適用し、＃Ｎ気筒（Ｎ＝１〜４）の行程容積空気量ＧＣＹＬＳ（Ｎ）を算出する。

式（２）の「Ｒ」は、気体定数であり、ＫＴＧＣＹＬＳは第１重み付け係数である。第１重み付け係数ＫＴＧＣＹＬＳは、直前のエンジン停止期間ＴＳＴＰが所定範囲（エンジン温度が外気温より高く、吸気温ＴＡがエンジンの熱の影響を受けて上昇しうる停止期間の範囲）にあるときは、始動開始時に「０」より大きく「１」以下の初期値に設定され、始動開始時点からの経過行程数が増加するほど減少するように（最小値は「０」）設定される。また、エンジン停止期間ＴＳＴＰが所定範囲外であるときは、第１重み付け係数ＫＴＧＣＹＬＳは当初から「０」に設定される。初期冷却水温ＴＷｉｎｉ及び第１重み付け係数ＫＴＧＣＹＬＳを用いて始動開始直後における吸気温ＴＡを補正することにより、吸気通路２内の空気がエンジンの熱を受熱した場合も考慮して、行程容積空気量ＧＣＹＬＳを正確に算出することができる。

ステップＳ１２では、＃Ｎ気筒の初回燃料噴射実行フラグＦＩＮＩ（Ｎ）が「１」であるか否かを判別する。初回燃料噴射実行フラグＦＩＮＩ（Ｎ）は、＃Ｎ気筒において始動開始後最初の燃料噴射が行われたときに「１」に設定される。

始動開始直後はステップＳ１２の答は否定（ＮＯ）となるので、ステップＳ１３に進み、下記式（３）に大気圧ＰＡ、初期冷却水温ＴＷｉｎｉ、吸気温ＴＡ（ただしＴＷｉｎｉ及びＴＡは絶対温度換算値）、最小容積容積ＶＭＩＮを適用し、＃Ｎ気筒の最小容積空気量ＧＣＹＬＭ（Ｎ）を算出する。

式（３）のＫＴＧＣＹＬＭは、エンジン停止期間ＴＳＴＰに応じて「０」以上「１」以下の値に設定される第２重み付け係数である。具体的には、第２重み付け係数ＫＴＧＣＹＬＭは、エンジン停止期間ＴＳＴＰが所定時間ＴＳＴＰ０（例えば３０秒）より短い場合は、停止時間ＴＳＴＰが短くなるほどより小さな値（最小値「０」）に設定され、停止時間ＴＳＴＰが所定時間ＴＳＴＰ０より長くなると「１」に設定される。初期冷却水温ＴＷｉｎｉ及び第２重み付け係数ＫＴＧＣＹＬＭを用いて始動開始直後における吸気温ＴＡを補正することにより、燃焼室内の空気がエンジン停止中にエンジンから受ける熱の影響が考慮され、最小容積空気量ＧＣＹＬＭを正確に算出することができる。

ステップＳ１４では、下記式（４）により最小容積空気量ＧＣＹＬＭ（Ｎ）と行程容積空気量ＧＣＹＬＳ（Ｎ）の和として、気筒内空気量ＧＣＹＬ（Ｎ）を算出する。
ＧＣＹＬ（Ｎ）＝ＧＣＹＬＭ（Ｎ）＋ＧＣＹＬＳ（Ｎ） （４）

初回の燃料噴射が行われた後は、ステップＳ１２の答が肯定（ＹＥＳ）となり、気筒内空気量ＧＣＹＬ（Ｎ）は、行程容積空気量ＧＣＹＬＳ（Ｎ）に設定される。

図５は、図４の処理を説明するための図であり、燃料噴射開始時点から時刻ｔＢまでの期間ＴＳＴではステップＳ１４により気筒内空気量ＧＣＹＬ（Ｎ）が算出され、時刻ｔＢ以後の期間ＴＮＲでは、ステップＳ１５により気筒内空気量ＧＣＹＬ（Ｎ）が算出される。

したがって、始動開始直後に最小容積ＶＭＩＮを満たしている空気量が適切に反映された筒内空気量ＧＣＹＬが得られ、始動開始直後における空燃比が所望値からずれることを防止できる。

次に図２の燃料噴射量算出部２６における燃料噴射量ＦＯＵＴの算出手法を図６を参照して詳細に説明する。

図６は１つの気筒に対応する燃料噴射量ＦＯＵＴ[n]（「ｎ」は、クランク軸２回転の期間（１燃焼サイクル）で離散化した離散化時刻である）の算出手法を説明するための図である。この図において、ＦＩＮは補正筒内空気量ＧＣＹＬＣと目標空燃比ＡＦＣＭＤとに応じて算出される基本燃料噴射量であり、ＦＲは吸気通路へ戻される空気とともに吸気通路に戻される吹き返し燃料量である。

初回（ｎ＝１）の燃料噴射量ＦＯＵＴ[1]は、下記式（１１）で示されるように、基本燃料噴射量ＦＩＮ[1]に設定される。このとき、吹き返し燃料量ＦＲ[1]は、吹き返し空気量ＧＢＢ及び及び補正筒内空気量ＧＣＹＬＣを用いて下記式（１２）により算出される。
ＦＯＵＴ[1]＝ＦＩＮ[1] （１１）
ＦＲ[1]＝ＦＩＮ[1]×ＧＢＢ[1]／ＧＣＹＬＣ[1] （１２）

第２回目（ｎ＝２）の燃料噴射量ＦＯＵＴ[2]は、第１回目の吹き返し燃料量ＦＲ[1]が気筒内に吸入されるため下記式（１３）で与えられる。
ＦＯＵＴ[2]＝ＦＩＮ[2]−ＦＲ[1] （１３）

また吹き返し燃料量ＦＲ[2]は、下記式（１４）で与えられる。
ＦＲ[2]＝ＦＩＮ[2]×ＧＢＢ[2]／ＧＣＹＬＣ[2] （１４）
以上のことから一般に２回目以降の燃料噴射量ＦＯＵＴ[n]及び吹き返し燃料量ＦＲ[n]は、下記式（１５）及び（１６）で与えられる。
ＦＯＵＴ[n]＝ＦＩＮ[n]−ＦＲ[n-1] （１５）

また吹き返し燃料量ＦＲ[n-1]は、下記式（１４）で与えられる。
ＦＲ[n-1]＝ＦＩＮ[n-1]×ＧＢＢ[n-1]／ＧＣＹＬＣ[n-1] （１６）
このように吹き返し空気量ＧＢＢとともに、吹き返し燃料量ＦＲを考慮することにより、気筒内の混合気の実空燃比を目標空燃比に正確に制御することができる。

なお、吸気通路内に燃料を噴射する場合には、吸気通路内壁に付着する燃料量を考慮した公知の付着補正を行う必要があり、実際には上述した吹き返しに伴う補正とともに付着補正を行って、燃料噴射量が算出される。

図７は上述した始動開始直後の燃料噴射制御と、吸入空気流量センサ７により検出される吸入空気流量ＧＡに基づく燃料噴射制御との切換処理のフローチャートである。

ステップＳ２１では、エンジン始動開始時点からの経過行程数（始動後行程数）ＴＡＣＲが所定行程数ＴＡＳＸ（例えば５０行程）より大きいか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間は、吸入空気流量センサ７が活性化していないと判定し、補正筒内空気量ＧＣＹＬＣに基づく燃料噴射制御を実行する（ステップＳ２２）。始動後行程数ＴＡＣＲが所定行程数ＴＡＳＸを超えたときは、吸入空気流量センサ７が活性化したと判定し、検出される吸入空気流量ＧＡに基づく燃料噴射制御を実行する（ステップＳ２３）。所定行程数ＴＡＳＸは、吸入空気流量センサ７の活性化が確実に完了する行程数に設定される。

次に基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを理論的に求める手法について説明する。
図８は吸気通路２、吸気弁１ｂ、及びエンジン１の気筒（燃焼室）１ａを模式的に示す図である。吸気弁１ｂを通過する空気は圧縮性流体であり、かつその流れは断熱流であり、空気の粘性の影響は無視できると仮定すると、吸気弁１ｂを通過する空気の流速ｕは下記式（２１）で与えられる。式（２１）のＰＣＹＬは筒内圧、ρＢは気筒内の空気の密度、κは比熱比（１．４）である。

またエントロピーは変化しないと仮定すると、下記式（２２）（ＫＣＯＮＳＴは定数）が成立するので、吸気通路内の空気の密度ρＡは下記式（２３）で与えられる。

また連続の式から吸気弁通過質量流量ＧＡＩＲＶＬＶは、下記式（２４）で与えられ、これに式（２１）及び（２３）を適用すると下記式（２５）が得られる。式（２４）及び（２５）の「Ｃｄ」は吸気弁１ｂの流量係数であり、「Ａ」は吸気弁１ｂの開口面積である。

気筒内の空気の圧力ＰＣＹＬ、容積ＶＣＹＬ、及び質量ＧＣＹＬについては、温度ＴＡ（絶対温度換算値）及び気体定数Ｒを用いると、下記式（２６）で表される関係が成立するので、気筒内の空気の密度ρＢ（＝ＧＣＹＬ／ＶＣＹＬ）は、下記式（２７）で与えられる。

式（２７）を式（２５）に適用することにより、下記式（２８）が得られる。式（２８）のＲＰは、下記式（２９）で示される圧力比であり、Ψ（ＲＰ）は、下記式（３０）で与えられる流量関数である。

ただし、流量関数Ψ（ＲＰ）は、圧力比ＲＰが下記式（３１）で与えられる臨界圧力比ＲＰＣ以下であるときは、下記式（３２）で与えられる定数となる。図９（ａ）は流量関数Ψ（ＲＰ）を図示したものである。

式（２８）の流量係数Ｃｄを理論的に算出することは困難であるため、弁開度係数ＫＶＬＶを下記式（３３）で定義し、弁開度係数ＫＶＬＶを定常流試験によって実験的に求めると、図９（ｂ）に示す関係が得られる。図９（ｂ）の横軸は、吸気弁１ｂのリフト量ＬＦＴである。
ＫＶＬＶ＝Ｃｄ・Ａ （３３）

次に吸気弁通過質量流量ＧＡＩＲＶＬＶに基づいて基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出する手法を説明する。
演算の対象となる気筒のピストンが吸気行程開始下死点に位置した時点を初期状態とすると、始動開始直後の低回転状態では、ピストンが吸気行程開始下死点に達するまでに吸気弁（吸気口）を介した空気のやりとりが安定化するので、下記式（４１）が成立する。この初期状態での吹き返し量ＧＶＬＶ[1]は「０」であるとする。
ＰＣＹＬ[1]＝ＰＢＡ[1] （４１）

また、筒内空気量ＧＣＹＬ[1]は、下記式（４２）で与えられる。式（４２）のＶＣＹＬは気筒容積である。

圧縮行程中の筒内圧の上昇と、筒内の空気が吸気弁を介して吸気通路に吹き返される事象とは実際はほぼ同時に起こるが、微少時間の変化でみると、先ず圧縮によって筒内圧が上昇し、次いでその上昇した圧力によって吸気通路への空気の流動が起きると近似することができる。ここで微少時間ｄｔ経過後の筒内圧（ただし吹き返し空気量を考慮していない筒内圧）ＰＣＹＬ’[1]は、筒内の空気が断熱圧縮されると仮定すれば、下記式（４３）で与えられる。式（４３）の[1]，[2]は、微少時間ｄｔで離散化した離散化時刻を示す。

したがって、微少時間ｄｔ内の吹き返し量ＧＶＬＶ[2]は下記式（４４）で与えられる。微少時間ｄｔ経過後の筒内空気量ＧＣＹＬ[2]及び筒内圧ＰＣＹＬ[2]は、下記式（４５）及び（４６）で与えられる。

式（４３）〜（４６）を順次用いることにより、離散化時刻ｉ＝１，２，３，…における吹き返し量ＧＶＬＶ[i]が算出され、吸気弁１ｂが開弁している時間内の合計を下記式（４７）で算出することにより、基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出することができる。
ＧＢＢＭ＝ΣＧＶＬＶ[i] （４７）

なお、式（４４）に適用されるＰＢＡ[i]は、離散化時刻ｉの値に拘わらず常に初期値ＰＢＡ[1]を用いる。ＰＢＡ[i]は、厳密には変化するが、吸気通路内空気量ＧＩＮは、吹き返し空気量ＧＢＢＭに比べて一般的に非常に大きく、その変化量は小さいためである。

以上のようにして、基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出することができる。なお、上記演算は、吸気温ＴＡを基準吸気温ＴＡ０に設定して行う。

次に図２の補正部２３における吸気温補正について説明する。
上述したように吹き返し量ＧＶＬＶは、式（４４）で与えられるので、吸気温ＴＡが基準吸気温ＴＡ０であるときの吹き返し量ＧＶＬＶ０と、吸気温ＴＡが温度ＴＡ１であるときの吹き返し量ＧＶＬＶ１との関係は、下記式（４８）で示される。したがって、ＧＢＢＭマップを検索することにより算出される基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを式（１）（再掲）に適用することにより、吸気温ＴＡにおける吹き返し空気量ＧＢＢを求めることができる。

以上詳述したように本実施形態では、圧縮行程における吸気弁１ｂの開弁時間ＴＩＶＯがエンジン回転数ＮＥに応じて算出され、開弁時間ＴＩＶＯ及び吸気圧ＰＢＡに応じて予め設定・記憶されているＧＢＢＭマップを検索することにより、基本吹き返し空気量ＧＢＢＭが算出される。そして、吸気圧ＰＢＡに基づいて推定された気筒内空気量ＧＣＹＬから吹き返し空気量ＧＢＢを減算することにより、補正筒内空気量ＧＣＹＬＣが算出され、補正筒内空気量ＧＣＹＬＣを用いて、始動開始直後における燃料噴射量の制御が行われる。検出（算出）された開弁時間ＴＩＶＯ及び吸気圧ＰＢＡと、予め記憶されたＧＢＢＭマップとを用いることにより、比較的簡単な演算で吹き返し空気量ＧＢＢを正確に推定することができる。したがって、吸気圧ＰＢＡに応じて算出される筒内空気量ＧＣＹＬから吹き返し空気量ＧＢＢを減算することにより、気筒内の実空気量を正確に示す補正筒内空気量ＧＣＹＬＣを得ることができる。

また補正筒内空気量ＧＣＹＬＣに基づいて基本燃料噴射量ＦＩＮが算出されるとともに、吸気通路２へ戻される燃料の量である吹き返し燃料量ＦＲが算出される。そして、補正筒内空気量ＧＣＹＬＣに基づいて算出される基本燃料噴射量ＦＩＮから吹き返し燃料量ＦＲを減算することにより、燃料噴射量ＦＯＵＴが算出される。したがって、実筒内空気量に適した量の燃料を噴射することができ、気筒内の混合気の空燃比を正確に制御することができる。

またエンジン始動開始時点から吸入空気流量センサ７が活性化するのに要する時間（ＴＡＳＸ）が経過するまでの間、補正筒内空気量ＧＣＹＬＣを用いた制御が行われるので、吸入空気流量センサ７が活性化するまでの期間における空燃比の所望値からのずれを防止することができる。

またエンジン始動開始後に燃料噴射が行われたと判定された気筒については該気筒の行程容積ＶＳＴＲに基づいて筒内空気量ＧＣＹＬが推定され、燃料噴射が行われていないと判定された気筒については該気筒の行程容積ＶＳＴＲに、該気筒のピストンが上死点に位置するときの気筒容積である最小容積ＶＭＩＮを加算した容積（ＶＳＴＲ＋ＶＭＩＮ）に基づいて筒内空気量ＧＣＹＬが推定される。燃料噴射が行われる前は、ピストンが上死点に位置するときの気筒容積が燃焼後の残留ガスまたは未燃ガスではなく空気（新気）で満たされているので、その点を考慮して筒内空気量ＧＣＹＬを推定することにより、より正確な推定を行うことができる。

本実施形態では、吸気圧センサ８、吸入空気流量センサ７、吸気温センサ９、冷却水温センサ１０、及び大気圧センサ１５が、それぞれ吸気圧検出手段、吸入空気量検出手段、吸気温検出手段、冷却水温検出手段、及び大気圧検出手段に相当し、ＥＣＵ５が筒内空気量推定手段、開弁時間算出手段、吹き返し空気量算出手段、補正空気量算出手段、判定手段、及び活性判定手段を構成する。

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、図２に示したように開弁時間算出部２１でエンジン回転数ＮＥに応じて開弁時間ＴＩＶＯを算出し、基本吹き返し空気量算出部２２で開弁時間ＴＩＶＯ及び吸気圧ＰＢＡに応じて基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出するようにしたが、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡから直接、基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出するようにしてもよい。図１０（ａ）にマップは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気圧ＰＢＡに応じて基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出するために使用するＧＢＢＭマップである。この図の所定回転数ＮＥ１，ＮＥ２，ＮＥ３は、それぞれ例えば２００ｒｐｍ，４００ｒｐｍ，１０００ｒｐｍに設定される。

また、圧縮行程開始時期（ピストンが下死点に位置する時期）における筒内の充填空気量ＧＣＹＬＣＳに対する吹き返し空気量の比率（吹き返し比率）ＲＧＢＢＭを、図１０（ｂ）に示すテーブルを用いてエンジン回転数ＮＥに応じて算出し、吸気圧ＰＢＡに応じて算出される充填空気量ＧＣＹＬＣＳに乗算することにより、基本吹き返し空気量ＧＢＢＭを算出するようにしてもよい。その場合には、図１０（ｂ）に示すテーブルではなく、該テーブルの設定を近似する下記式（５１）を用いて吹き返し比率ＲＧＢＢＭを算出するようにしてもよい。式（５１）のｋ１及びｋ２は、それぞれ所定係数及び所定加算値であり、Ｌｎは自然対数を表す。
ＲＧＢＢＭ＝−ｋ１×Ｌｎ（ＮＥ）＋ｋ２ （５１）

また上述した実施形態では、吸気通路２に燃料噴射弁が設けられている内燃機関の制御装置の例を示したが、本発明は気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関の制御装置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制御にも適用が可能である。

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。 機関の始動開始直後において燃料噴射量（ＦＯＵＴ）を算出するモジュールの構成を示すブロック図である。 基本吹き返し空気量（ＧＢＢＭ）を算出するためのマップを示す図である。 気筒内の空気量（ＧＣＹＬ）を算出する処理のフローチャートである。 図４の処理を説明するための図である。 燃料噴射量の算出手法を説明するための図である。 燃料噴射量制御の切換を説明するためのフローチャートである。 機関の吸気通路、吸気弁、及び気筒（燃焼室）を模式的に示す図である。 吹き返し空気量を算出するために使用される流量関数及び弁開度係数（ＫＶＬＶ）を算出するためのテーブルを示す図である。 実施形態の変形例において使用するマップ及びテーブルを示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１ａ 気筒
１ｂ 吸気弁
２ 吸気通路
５ 電子制御ユニット（筒内空気量推定手段、開弁時間算出手段、吹き返し空気量算出手段、補正空気量算出手段、判定手段、活性判定手段）
７ 吸入空気流量センサ（吸入空気量検出手段）
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）
１０ 冷却水温センサ（冷却水温検出手段）
１５ 大気圧センサ（大気圧検出手段）

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒内の空気量を推定する筒内空気量推定手段を備え、推定した筒内空気量に基づく制御を行う、内燃機関の制御装置において、
   前記機関の吸気圧を検出する吸気圧検出手段と、
   前記機関の圧縮行程における吸気弁の開弁時間を算出する開弁時間算出手段と、
   前記機関の吸気弁の開弁時間及び検出される吸気圧に基づいて、前記機関の圧縮行程中に前記気筒から前記機関の吸気通路へ戻される空気の量である吹き返し空気量を算出する吹き返し空気量算出手段と、
   前記筒内空気量推定手段により推定された空気量から前記吹き返し空気量を減算することにより、補正筒内空気量を算出する補正空気量算出手段と、
   前記機関の始動開始後、前記気筒へ少なくとも１回燃料噴射が行われたか否かを判定する判定手段とを備え、
   前記補正筒内空気量を用いて前記機関の制御を行い、
   前記筒内空気量推定手段は、前記判定手段により燃料噴射が行われたと判定された気筒については該気筒の行程容積に基づいて前記筒内空気量を推定し、前記判定手段により燃料噴射が行われていないと判定された気筒については該気筒の行程容積に、該気筒のピストンが上死点に位置するときの気筒容積を加算した容積に基づいて前記筒内空気量を推定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、該吸入空気量検出手段が活性化しているか否かを判定する活性判定手段とを備え、
   前記機関の始動開始時点から前記吸入空気量検出手段が活性化したと判定されるまでの間、前記補正筒内空気量を用いた制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記機関の冷却水温を検出する冷却水温検出手段と、前記機関の吸気温を検出する吸気温検出手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段とを備え、
   前記筒内空気量推定手段は、下記式（Ａ）を用いて行程容積空気量を算出し、前記判定手段により燃料噴射が行われたと判定された気筒については前記行程容積空気量を前記筒内空気量に設定し、
   前記判定手段により燃料噴射が行われていないと判定された気筒については下記式（Ｂ）を用いて最小容積空気量を算出し、前記行程容積空気量に前記最小容積空気量を加算した空気量を前記筒内空気量に設定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制御装置：
   

   

   ここで、ＧＣＹＬＳは前記行程容積空気量、ＧＣＹＬＭは前記最小容積空気量、ＰＢＡは前記吸気圧、ＰＡは前記大気圧、ＶＳＴＲは前記気筒の行程容積、ＶＭＩＮは前記気筒のピストンが上死点に位置するときの筒内容積、Ｒは気体定数、ＴＷｉｎｉは前記機関の始動開始時における前記冷却水温、ＴＡは前記吸気温、ＫＴＧＣＹＬＳは始動開始直前の機関停止期間に応じて、前記機関の始動開始時に「０」以上「１」以下の初期値に設定され、該初期値が「０」より大きいときは時間経過に伴って「０」まで減少するように設定される第１重み付け係数、ＫＴＧＣＹＬＭは前記機関停止期間に応じて「０」以上「１」以下の値に設定される第２重み付け係数である。

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