(実施の形態1)
図1から図14を参照して、実施の形態1における内燃機関の制御装置について説明する。本実施の形態においては、筒内噴射型火花点火式の内燃機関を例示するが、本発明はポート噴射型火花点火式等の他の火花点火式の内燃機関や、圧縮自着火式の内燃機関等にも適用することができる。
図1は、本実施の形態における内燃機関の全体の概略図である。内燃機関は、機関本体1を備える。本実施の形態における機関本体1は、シリンダブロック2と、シリンダブロック2内で往復動するピストン3と、シリンダブロック2上に固定されたシリンダヘッド4とを備える。ピストン3とシリンダヘッド4との間には気筒(燃焼室)5が形成されている。シリンダヘッド4には、それぞれの気筒5ごとに吸気弁6と、吸気ポート7と、排気弁8と、排気ポート9とが配置されている。さらに、シリンダヘッド4の内壁面の中央部には点火プラグ10が配置されている。シリンダヘッド4の内壁面周辺部には、燃料Fを気筒5内に供給する燃料噴射弁11が配置されている。また、ピストン3の頂面には、燃料噴射弁11の噴射口の下方から点火プラグ10の下方まで延びるキャビティ12が形成されている。
吸気ポート7は、それぞれの気筒5毎に吸気枝管13を介してサージタンク14に連結される。サージタンク14は、上流側吸気管15を介してエアクリーナ16に連結される。上流側吸気管15内には、ステップモータ17によって駆動されるスロットル弁18が配置される。一方、排気ポート9は、排気管19に連結される。排気管19は排気浄化触媒20に連結される。
また、吸気弁6には、吸気弁6の位相角及び作用角を変更可能な可変動弁機構21が設けられている。可変動弁機構21により、吸気弁6の開弁時期または閉弁時期に相当するバルブタイミング、および吸気弁6が開いている期間に相当する作用角を自由に変更することができる。また、可変動弁機構21により、吸気弁6が閉止した状態で停止させることができる。すなわち、燃焼サイクルの吸気工程に相当する期間において、吸気弁6が閉止した状態を維持することができる。
本実施の形態における内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット31を備える。電子制御ユニット(ECU)31は、ディジタルコンピュータからなり、双方向性バス32を介して相互に接続されたRAM(ランダムアクセスメモリ)33、ROM(リードオンリメモリ)34、CPU(マイクロプロセッサ)35、入力ポート36および出力ポート37を備える。
また、内燃機関は、スロットル弁18の開度を検出するためのスロットル開度センサ43を備える。スロットル開度センサ43の出力信号は、対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。内燃機関は、内燃機関周囲の大気の圧力、または、エアクリーナ16を通じて上流側吸気管15に吸入された空気の圧力(吸気圧)を検出するための大気圧センサ45と、内燃機関周囲の大気の温度、または、エアクリーナ16を通じて上流側吸気管15に吸入された空気の温度(吸気温)を検出するための大気温センサ44とを備える。これらセンサ44,45は、それぞれ、大気圧および大気温度に比例した出力電圧を発生し、これら出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。上流側吸気管15内には、空気の流量を計測するためのエアフロメータ42が配置されている。エアフロメータ42の出力信号は、対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
アクセルペダル46には、アクセルペダル46の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ47が接続される。負荷センサ47の出力電圧は、対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。また、内燃機関は、クランク角センサ48を具備する。クランク角センサ48は、例えば、クランクシャフトが30度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート36に入力される。CPU35は、クランク角センサ48の出力パルスから機関回転数を算出する。
一方、出力ポート37は対応する駆動回路39を介して点火プラグ10、燃料噴射弁11、スロットル弁用のステップモータ17に接続される。
ところで、燃料噴射弁11から気筒5内に噴射すべき燃料の量(以下、「燃料噴射量」という)は、気筒5内に充填された空気量に基づいて、気筒5内の混合気の空燃比が目標空燃比となるように決定される。したがって、気筒5内の混合気の空燃比を目標空燃比にするためには、気筒5内に充填された空気量(以下、「筒内充填空気量」という)を推定する必要がある。本実施の形態においては、それぞれの機器のモデルから導き出されるモデル計算式を利用した数値計算によって筒内充填空気量を算出する。
図2は、本実施の形態における筒内充填空気量を推定するエアモデルのブロック図である。図2に示すエアモデルは、多くの種類のエアモデルのうち単純なモデルである。なお、以下では、図2に示したエアモデルを例に取り上げて説明するが、本発明の制御装置は、種々の機器のモデル計算式を用いて筒内充填空気量を算出するエアモデルに適用することができる。
エアモデルM10は、スロットル弁をモデル化したスロットルモデルM11と、スロットル弁から吸気弁までの機関吸気通路をモデル化した吸気管モデルM12と、吸気弁をモデル化した吸気弁モデルM13とを備える。スロットルモデルM11には、スロットル開度センサ43によって検出されたスロットル弁18の開度(スロットル開度)θtと、大気圧センサ45によって検出された大気圧(または、スロットル弁18の上流側の吸気管に吸入される空気の圧力)Paと、大気温センサ44によって検出された大気温度(または、スロットル弁18の上流側の吸気管に吸入される空気の温度)Taと、吸気管モデルM12において算出されたスロットル弁18から吸気弁6までの機関吸気通路における圧力(以下、「吸気管内圧力」という)Pmとが入力され、これら入力された各パラメータの値をスロットルモデルM11のモデル計算式に代入することで、単位時間当たりにスロットル弁18を通過する空気の流量(以下、「スロットル弁通過空気流量」という)mtが算出される。
また、吸気管モデルM12には、上述したスロットルモデルM11において算出されたスロットル弁通過空気流量mtと、吸気弁モデルM13において算出された単位時間当たりに気筒5内に流入する空気の流量(以下、「筒内流入空気流量」という。)mcと、大気温度Taとが入力される。これらの入力された各パラメータの値を吸気管モデルM12のモデル計算式に代入することで、吸気管内圧力Pmと、スロットル弁18から吸気弁6までの機関吸気通路における空気の温度(以下、「吸気管内温度」という)Tmとが算出される。
また、吸気弁モデルM13には、上述した吸気管モデルM12において算出された吸気管内圧力Pmと、吸気管内温度Tmと、大気温度Taとが入力される。これら入力された各パラメータの値を吸気弁モデルM13のモデル計算式に代入することで、筒内流入空気流量mcが算出される。
そして、この方法では、筒内流入空気流量mcを利用して、吸気弁6が閉止した時に気筒5内に充填されている空気の量である筒内充填空気量Mcが算出される。
エアモデルM10では、各モデルにおいて算出されるパラメータ値が別のモデルに入力されるパラメータ値として利用されるので、エアモデルM10全体では、実際に入力されるパラメータ値は、スロットル開度θt、大気圧Pa、および大気温度Taの3つのパラメータである。すなわち、3つのパラメータから筒内充填空気量Mcを算出することができる。
次に、各機器のモデルM11〜M13について詳細に説明する。スロットルモデルM11では、大気圧Paと大気温度Taと吸気管内圧力Pmとスロットル開度θtとを次の式(2)に入力し、この式を解くことによって、スロットル弁通過空気流量mtが算出される。
式(2)において、μtはスロットル弁における流量係数であり、スロットル開度θtの関数であって、図3に示したマップから定まる。また、Atはスロットル弁18の開口断面積であり、スロットル開度θtの関数であって、図4に示したマップから定まる。なお、これら流量係数μtおよび開口断面積Atをまとめたμt・Atをスロットル開度θtの関数として1つのマップから求めるようにしてもよい。また、Rは気体定数に関する定数であり、いわゆる気体定数R*を1モル当たりの空気の質量Maで除算した値である(R=R*/Ma)。
また、Φ(Pm/Pa)は、次の式(3)に示すように、Pm/Paを変数とする関数である。
式(3)において、κは比熱比であり、本実施の形態においては一定値としている。
なお、関数Φ(Pm/Pa)とPm/Paとの間には、図5に示したような関係がある。そこで、式(3)の代わりに、Pm/Paを変数とする関数Φ(Pm/Pa)算出用のマップをROM34に予め記憶しておき、Pm/Paとこのマップとから関数Φ(Pm/Pa)の値を算出するようにしてもよい。
なお、これら式(2)および式(3)は、スロットル弁18上流の空気の圧力を大気圧Paとし、スロットル弁18上流の空気の温度を大気温度Taとし、スロットル弁18を通過した空気の圧力を吸気管内圧力Pmとして、スロットル弁18に関し、図6に示したようなモデルを基礎として、スロットル弁18上流の空気とスロットル弁18を通過した空気との間において質量保存則、エネルギ保存則、および、運動量保存則上成立する関係式、ならびに、気体の状態方程式、比熱比の定義式(κ=Cp/Cv)、および、マイヤーの関係式(Cp=Cv+R*)を利用して導き出される。ここで、Cpは定圧比熱であり、Cvは定量比熱であり、R*はいわゆる気体定数である。
次に、吸気管モデルM12について説明する。吸気管モデルM12では、スロットル弁通過空気流量mtと筒内流入空気流量mcと大気温度Taとを次の式(4)および(5)に入力し、これらの式を解くことによって、吸気管内圧力Pmおよび吸気管内温度Tmが算出される。
式(4)および式(5)において、Vはスロットル弁18から吸気弁6までの上流側吸気管15、サージタンク14、吸気枝管13、および吸気ポート7(以下、これらをまとめて「吸気管部分」という)の容積の総和であり、通常は一定値である。
なお、これらの式(4)および式(5)は、吸気管部分に関し、図7に示したようなモデルを基礎にして、吸気管部分23に流入する空気と吸気管部分23から流出して気筒内に流入する空気との間において質量保存則、および、エネルギ保存則上成立する関係式から導き出される。
詳細には、吸気管部分内の空気量の総和をMとすると、この空気量Mの時間的変化は、吸気管部分に流入する空気の流量(スロットル弁通過空気流量)mtと吸気管部分から流出して気筒内に流入する空気の流量(筒内流入空気流量)mcとの差に等しいことから、質量保存則上、次の式(6)が成立する。
そして、この式(6)と、気体の状態方程式(Pm・V=M・R*・Tm)とから、上記の式(4)が導き出される。
また、吸気管部分内の空気のエネルギ量M・Cv・Tmの時間的変化量は、吸気管部分に流入する空気のエネルギ量と吸気管部分から流出して気筒内に流入する空気のエネルギ量との差に等しいことから、吸気管部分に流入する空気の温度を大気温度Taとし、吸気管部分から流出して気筒内に流入する空気の温度を吸気管内温度Tmとすると、エネルギ保存則上、次式(7)が成立する。
そして、この式(7)と、上述した気体の状態方程式とから、上記式(5)が導き出される。
次に、吸気弁モデルM13について説明する。吸気弁モデルM13では、吸気管内圧力Pmと吸気管内温度Tmと大気温度Taとを次の式(8)に入力し、この式を解くことによって、筒内流入空気流量mcが算出される。
吸気弁モデルM13のモデル計算式である式(8)において、定数aは比例係数であり、定数bは排気弁8の閉弁時に気筒5内に残存していたガスの量を表す値である。また、本実施の形態における定数aおよび定数bは、後述するように機関回転数NEを検出して適宜変更している。機関回転数NEを関数とした定数aおよび定数bが、電子制御ユニット31のROM34に記憶されている。
式(8)は、吸気弁6に関し、図8に示したようなモデルを基礎にして、筒内流入空気流量mcが吸気管内圧力Pmに比例するとみなして、理論および経験則から導き出される。さらに、内燃機関の運転状態が変化しているとき、すなわち、過渡運転時には、吸気管内温度Tmが大きく変化することがあるので、この吸気管内温度Tmの変化を補償するための補正係数として、理論および経験則から導かれたTa/Tmが乗じられている。式(8)の導出については後述する。
なお、式(8)によって算出される筒内流入空気流量mcは、単位時間当たりに吸気管部分から流出する空気の流量の平均値であるので、筒内流入空気流量mcに、内燃機関の1サイクルにかかる時間を気筒数で割った時間を乗じることによって、各気筒5における筒内充填空気量Mcを算出することができる。
次に、図9を参照して、4つの気筒を備えた内燃機関を例に取り上げて、筒内流入空気流量および筒内充填空気量について説明する。横軸は、クランク角度(回転角度)であり、縦軸が単位時間当たりに吸気管部分から気筒5に流入する空気の量である。また、図9に示した例では、吸気行程が第1気筒、第3気筒、第4気筒、第2気筒の順で行われる。このように吸気行程が行われると、吸気管部分から各気筒5に流入する空気の流量は、図9において破線で示したように変化し、その結果、吸気管部分から流出する空気の流量は、図9において実線で示したように変化することになる。
そして、吸気管部分から流出する空気の流量(図9の実線)の平均値が筒内流入空気流量mcであり、一点鎖線で示されている。したがって、各気筒5における筒内充填空気量Mcは、筒内流入空気流量mc(図9の一点鎖線)に、内燃機関の1サイクルにかかる時間(図9に示した例では、クランクシャフトが720°回転するのにかかる時間)を気筒数で割った時間、すなわち、図9に示した例では、クランクシャフトが180°回転するのにかかる時間を乗算することによって算出される。このように算出された各気筒5における筒内充填空気量Mcは、例えば、図9の斜線を付した部分に相当する。
次に、上述したエアモデルM10を内燃機関に実装したときの筒内充填空気量Mcの算出方法について説明する。
筒内充填空気量Mcは、エアモデルM10の各モデルの式(2)〜(5)および(8)から求められるが、これら5つの式は、内燃機関に実装されるときには、電子制御ユニット31で処理可能なように離散化される。すなわち、時刻をtとし、計算間隔(計算周期)をΔtとすると、これら5つの式は、次の式(9)〜(13)に示すように離散化される。
このように離散化されて内燃機関に実装されたエアモデルM10によれば、スロットルモデルM11において算出される時刻tにおけるスロットル弁通過空気流量mt(t)と、吸気弁モデルM13において算出される時刻tにおける筒内流入空気流量mc(t)と、時刻tにおける吸気管内温度Tm(t)とを吸気管モデルM12の式(11)および(12)に入力し、これらの式(11)および式(12)を解くことによって、時刻(t+Δt)における吸気管内圧力Pm(t+Δt)および吸気管内温度Tm(t+Δt)が算出される。
そして、吸気管モデルM12において算出された吸気管内圧力Pm(t+Δt)と時刻tにおけるスロットル開度θt(t)とをスロットルモデルM11の式(9)および(10)に入力し、これら式を解くことによって、時刻(t+Δt)におけるスロットル弁通過空気流量mt(t+Δt)が算出される。
さらに、吸気管モデルM12において算出された吸気管内圧力Pm(t+Δt)および吸気管内温度Tm(t+Δt)を吸気弁モデルM13の式(13)に入力し、この式を解くことによって、時刻(t+Δt)における筒内流入空気流量mc(t+Δt)が算出される。
こうした計算を繰り返すことによって、任意の時刻における筒内流入空気流量mcが算出される。そして、こうして算出された筒内流入空気流量mcに、上述したように、1サイクルにかかる時間を気筒数で割った時間をかけることによって、任意の時刻における各気筒の筒内充填空気量Mcが算出される。
なお、内燃機関の始動時、すなわち、時刻t=0においては、吸気管内圧力Pmは大気圧Paと等しい(Pm(0)=Pa)とされ、一方、吸気管内温度Tmは大気温度Taと等しい(Tm(0)=Ta)とされ、各モデルM11〜M13における計算が開始される。
また、上述したエアモデルM10において使用される大気圧Paおよび大気温度Taとして、エアモデルM10の計算が開始されたときの大気圧および大気温度を常に用いてもよいし、時刻tにおける大気圧Pa(t)および大気温度Ta(t)を用いて計算を行なっても構わない。このように、それぞれの機器のモデル式を用いて推定値を算出することができる。
ところで、本実施の形態の内燃機関では、機関減速運転時に気筒5への燃料の供給を停止する燃料カット制御を実行している。このように燃料カット制御を実行する際に、気筒5内に空気を流通させると、すなわち吸気弁6を介して空気を気筒5内に流入させると共に排気弁8を介して空気を気筒5内から流出させると、排気浄化触媒20には多量の空気が流入する。
排気浄化触媒20に空気、特に酸素が流入すると、酸素は排気浄化触媒20の表面上に吸着する。また、排気浄化触媒20に担持されている貴金属は高温になると互いに結合して大粒となり、この結合反応は排気浄化触媒20の表面上に吸着されている酸素によって促進される。このため、排気浄化触媒20に多量の空気が流入して、排気浄化触媒20の表面上に保持されている酸素の量が増大すると、貴金属の酸化能力等が低下する(酸素被毒)。
このため、本実施の形態の内燃機関では、燃料カット制御を実行する場合には、吸気弁6を閉止状態で停止させる吸気弁停止制御を実行することとしている。これにより、燃料カット制御中であっても排気浄化触媒20に酸素が流入することが抑制され、その結果、排気浄化触媒20の酸素被毒が抑制される。
図10に、本実施の形態における内燃機関において、燃料カット制御を行うときのタイムチャートを示す。時刻tsまでは、吸気弁が継続的に駆動する通常運転を実行している。本実施の形態における内燃機関は、時刻tsまでは、いずれかの気筒の吸気弁が開状態になっているために連続的に気筒に空気が流入している。時刻tsまでは、実際の吸気管内圧力は大気圧よりも低くなる。
時刻tsにおいて、燃料カット制御を開始している。燃料カット制御の期間中には、吸気弁を閉止状態で停止させる吸気弁停止制御を行っている。時刻tsにおいて、筒内流入空気流量が零になる。吸気弁停止制御の期間では、吸気管部分における空気の流れが停止する。スロットル弁19は、完全には閉止せずに微開状態が維持され、空気が流通する。このために、吸気管内圧力が徐々に上昇し、大気圧でほぼ一定の値になる。
時刻teにおいて、燃料カット制御を終了すると共に吸気弁停止制御を終了している。時刻teにおいて吸気弁を再駆動している。吸気弁が再駆動することにより実際の吸気管内圧力は再び減少し、機関本体の運転状態に対応した圧力になる。
図11に、吸気弁停止制御を行っているときのエアモデルのブロック図を示す。吸気弁停止制御が実行されているときには、吸気管部分から気筒内へは空気は流入しない。このため、本実施の形態では、吸気弁停止制御中には、吸気弁モデルM13による筒内流入空気流量の算出を停止すると共に、吸気管モデルM12に入力される筒内流入空気流量mcが零とされる。
吸気管モデルM12では、上記の式(4)および(5)にmc=0を代入することにより、次の式(14)および式(15)が導出される。式(14)および式(15)により吸気管内圧力Pmおよび吸気管内温度Tmが算出される。吸気弁停止制御を実行している期間中であっても吸気管内圧力Pmを連続的に算出することができる。
吸気弁が再駆動した後においては、通常運転時のエアモデルを用いて筒内充填空気量の推定を行なうことができる。たとえば、図2に示すように、吸気管モデルM12により吸気管内圧力Pmおよび吸気管内温度Tmを算出し、吸気弁モデルM13により算出された筒内流入空気流量mcを用いて、筒内充填空気量Mcを算出することができる。
次に、本実施の形態における吸気弁モデルのモデル計算式の導出について例示する。
図12に、本実施の形態における内燃機関の気筒の部分の概略図を示す。図12は、燃焼サイクルの吸気工程において、吸気弁が完全に閉止にした時の概略図である。すなわち、吸気弁6が閉じて気筒5が密閉空間になった瞬間を示している。吸気弁6が完全に閉止した時に、気筒5内の圧力Pc、気筒5内の温度Tc、気筒5内の容積Vcおよび気筒5内に存在する空気量Mtとの関係は、気体の状態方程式により次の式(16)に定めることができる。
ここで、吸気弁6が完全に閉止した時の吸気管内圧力Pmは、気筒5内の圧力Pcと等しいとみなすことができる(Pc≒Pm)。そこで、式(16)に、Pc=Pmを代入して変形すると次の式(17)を得ることができる。
次に、吸気工程において気筒5内に流入する新規の空気量(筒内充填空気量)Mcと、吸気工程の開始時に気筒5内に残留していた空気量Meと、吸気工程において吸気弁6が完全に閉止した時に気筒5内に存在する空気量Mtとの関係は、次の式(18)になる。
上記の式(17)および式(18)により、吸気工程において気筒5内に流入する新規の空気量である筒内充填空気量Mcは、次の式(19)で表すことができる。
式(19)により、筒内充填空気量Mcは、吸気管内圧力Pmに比例するとみなすことができる。ここで、筒内充填空気量Mcは、吸気弁6の開弁期間中において気筒5内に流入する空気の流量(筒内流入空気流量)mcを、吸気弁6の開弁期間に亘って時間積分することによって求まる。すなわち、筒内充填空気量Mcと筒内流入空気流量mcとの間には、筒内流入空気流量mcの時間積分値が筒内充填空気量Mcであるという関係がある。上記の式(19)において、近似的に、Mc=mc・to(to:吸気弁の開弁時間)を代入して変形すると、筒内流入空気流量mcは、次の式(20)で表すことができる。
式(20)において、項[Vc/(to・R・Tc)]を定数aとし、項(Me/to)を定数bとして、更に、吸気管内温度Tmの変化を補償するための補正係数(Ta/Tm)を乗じることにより、前述の式(8)を導出することができる。
ところで、上記の式(19)を参照して、筒内充填空気量Mcは、吸気弁が完全に閉止した時(気筒が密閉になった瞬間)の吸気管部分13の圧力に比例する。すなわち、吸気弁6が完全に閉じた時の吸気管内圧力が高い場合には、筒内充填空気量Mcが大きくなり、吸気弁6が完全に閉じた時の吸気管内圧力が小さい場合には、筒内充填空気量Mcが小さくなる。
図13に、本実施の形態の内燃機関を第1の機関回転数で運転しているときの吸気管内圧力のグラフを示す。横軸が時刻であり、縦軸が吸気管内圧力である。図13に示す例においては、吸気弁が継続的に駆動し、内燃機関の運転状態が定常である場合を示している。
吸気弁の駆動が継続している期間では、燃焼サイクルの吸気工程において、いずれかの気筒の吸気弁が開いて空気が気筒に流入することにより吸気管内圧力は減少する。吸気弁が閉止することにより減少した吸気管内圧力が回復する。このように、吸気弁の駆動に伴って吸気管内圧力の変動が生じるために、実際の吸気管内圧力は脈動している。実際の吸気管内圧力の上下動が発現している期間中に、時刻tcにおいて吸気弁が完全に閉止している。すなわち、時刻tcにおいて、吸気弁の閉止が完了している。
一方で、本実施の形態におけるエアモデルにて算出される吸気管内圧力Pmは、脈動する圧力の平均値となっている。図13に示す例においては、実際の吸気管内圧力が、吸気管モデルM12により算出される吸気管内圧力Pmよりも大きいときに、吸気弁が完全に閉止している。
前述の式(19)を参照して、筒内充填空気量は、吸気弁が完全に閉止した瞬間における吸気管内圧力に依存する。このため、図13に示す例では、吸気管モデルM12により算出された吸気管内圧力Pmを用いて筒内充填空気量Mcを算出すると、実際の筒内充填空気量よりも小さな値が算出される。このため、本実施の形態における吸気弁モデルM13では、筒内流入空気流量mcを算出する式(8)における定数a,bを適合している。たとえば、図13に示す例では、定数aは、大きな定数が用いられる。吸気弁モデルのモデル計算式である式(8)において、適合した定数a,bを用いることにより、吸気管内圧力の脈動に対して吸気弁が完全に閉止するタイミングを考慮することができ、筒内充填空気流量の推定精度が向上する。
ここで、脈動が生じている圧力範囲のうち、吸気弁が完全に閉止する時の吸気管内圧力については、内燃機関の運転状態に依存する。たとえば、吸気管内圧力が脈動する圧力範囲のうち吸気弁が完全に閉止する時は、内燃機関の機関回転数に依存する。
図14に、本実施の形態の内燃機関を第2の機関回転数で運転しているときの吸気管内圧力のグラフを示す。図14に示す例においても、内燃機関の運転状態が定常である場合を示している。時刻tcにおいて吸気弁が完全に閉止している。図14に示す例においては、実際の吸気管内圧力が、吸気管モデルM12により算出される吸気管内圧力Pmよりも小さいときに吸気弁が完全に閉止している。吸気管モデルにより算出される吸気管内圧力Pmを用いて、筒内充填空気量を算出した場合には、実際の筒内充填空気量よりも大きくなってしまう。このため、図14に示す例では、たとえば吸気弁モデルのモデル計算式における定数aは、小さな定数を採用することが好ましい。
このように、図13に示す第1の機関回転数の例では、吸気管内圧力が脈動する圧力範囲のうち、比較的高い圧力のときに吸気弁が完全に閉止し、図14に示す第2の機関回転数の例では、比較的低い圧力のときに吸気弁が完全に閉止している。1つの内燃機関においても機関回転数が異なることにより、吸気弁が完全に閉止する時が異なる。このため、機関回転数に依存して、吸気弁モデルのモデル計算式における最適な定数a,bが互いに異なる。
本実施の形態における内燃機関の制御装置は、機関回転数を関数にした複数個の定数a,bが電子制御ユニット31に記憶されている。吸気弁が継続的に駆動しているときに、機関回転数を検出する。検出した機関回転数に基づいて、複数個の定数a,bから機関回転数に対応した定数a,bを選定する。選定した定数a,bを用いた式(8)により、筒内流入空気流量を算出している。
たとえば、図13に示すように、実際の吸気管内圧力が比較的高い時に吸気弁が完全に閉止する機関回転数においては、複数個の定数aのうち大きな定数aが選定される。図14に示すように、実際の吸気管内圧力が比較的低い時に吸気弁が完全に閉止する機関回転数においては、複数個の定数aのうち小さな定数aが選定される。
本実施の形態におけるエアモデルでは、機関回転数を関数にして適合した定数aおよび定数bを選定することにより、吸気管内圧力の脈動の影響を修正した筒内流入空気流量を算出することができる。この結果、より精度良く筒内充填空気量を算出することができる。
吸気弁モデルのモデル計算式における定数a,bは、実験により適合した値を求めることができる。例えば、内燃機関を一つの機関回転数で定常的に運転しているときには、エアフロメータの計測値が筒内に流入する空気流量に対応する。このために、内燃機関を一つの機関回転数で定常的に運転している状態で、エアフロメータの計測値と、エアモデルにより算出される筒内流入空気流量とが一致するように定数a,bを適合することができる。このように、定数a,bは、吸気弁を継続的に運転しているときの吸気管内圧力が吸気弁モデルのモデル計算式に入力されて計算されたときに、正確な筒内流入空気流量を算出するように適合されることが好ましい。
このように、吸気弁モデルのモデル計算式の定数は、機関回転数等の運転状態に応じて選定することができる。運転状態としては、機関回転数の他に、可変動弁機構の駆動状態を例示することができる。可変動弁機構における吸気弁の開弁または閉弁の時(バルブタイミング)や作用角を関数にして、吸気弁モデルのモデル計算式の定数を選定することができる。その他の運転状態としては、例えば、気筒内に流入する空気に旋回流を生じさせて燃焼を促進するためのスワールコントロールバルブ(SCV : Swirl Control Valve)を備える内燃機関においては、スワールコントロールバルブの開閉状態を例示することができる。スワールコントロールバルブの開閉状態に応じて、吸気弁モデルのモデル計算式の定数を選定することができる。
または、内燃機関が、吸気管部分の長さを変化させることにより吸気流量を調整する可変吸気システム(ACIS : Acoustic Control Induction System)を備える場合には、可変吸気システムの状態を関数にして、吸気弁モデルのモデル計算式の定数を選定することができる。または、内燃機関が、筒内噴射による燃料供給とポート噴射による燃料供給とを同時に行なう場合には、筒内噴射の燃料噴射量とポート噴射の燃料噴射量との割合を関数にして、吸気弁モデルのモデル計算式の定数を選定することができる。
ところで、図10を参照して、吸気弁の駆動が継続している通常運転を行なっているときには、実際の吸気管内圧力が脈動する一方で、吸気弁停止制御を開始して所定の時間の経過後には、実際の吸気管内圧力がほぼ定常状態になる。すなわち、吸気弁が閉止状態で停止して定常状態になったときの実際の吸気管内圧力は、ほとんど脈動しておらず、大気圧であり、ほぼ一定である。この時にも内燃機関は、所定の機関回転数で駆動している。
吸気弁モデルの式(8)において、吸気弁の駆動を継続しているときに採用される駆動中の定数a,bには、前述のとおり、機関回転数に依存した脈動の影響が考慮されている。時刻teにおいて吸気弁を再駆動すべき場合に、吸気弁の駆動を継続しているときの駆動中の定数a,bを用いて筒内流入空気流量を算出すると誤差が大きくなる。すなわち、実際の吸気管内圧力にほとんど脈動が発現していない場合に、吸気弁の駆動中の定数a,bを適用すると誤差が大きくなる。
たとえば、スロットル弁が全開で内燃機関の運転状態が定常になった場合には、実際の吸気管内圧力が、ほぼ大気圧になり、吸気弁閉止制御中の吸気管内圧力とほぼ等しくなる。ところが、吸気弁の駆動中には吸気管内圧力に脈動が生じている。このために、実際の吸気管内圧力および機関回転数等の運転状態が互いに同じであっても、吸気弁の駆動中にスロットル弁が全開で気筒内に流入する空気流量と、吸気弁を再駆動した時に気筒内に流入する空気流量とは、互いに異なる。このように、吸気弁の駆動中に用いられる定数a,bを用いて、吸気弁を再駆動すべき時の筒内流入空気流量を算出すると誤差が大きくなる。
本実施の形態の内燃機関は、吸気弁の駆動が継続しているときに筒内流入空気流量を算出するための駆動中の定数a,bに加えて、吸気弁停止制御を行っている状態から吸気弁を再駆動すべきときに、筒内流入空気流量を算出するための再駆動時の定数a,bを有している。すなわち、吸気弁モデルのモデル計算式において、通常運転時に用いる定数a,bの他に、吸気弁を再駆動すべき時に用いる定数a,bが、たとえば電子制御ユニット31に記憶されている。吸気弁が閉止している状態から再駆動すべきときには、再駆動時の定数a,bを用いて、筒内流入空気流量を算出する。この制御により、吸気弁を再駆動したときに、筒内流入空気流量を精度良く推定することができる。筒内充填空気量を精度良く推定することができる。この結果、燃料が燃焼する時の空燃比を、目標空燃比に近づけることができる。再駆動時の定数a,bは、駆動中の定数a,bと同様の方法により、適合することができる。
吸気弁が再駆動した後において、エアモデルの2回目以降の計算では、吸気弁モデルのモデル計算式の定数a,bは、吸気弁の駆動中の定数を採用することができる。本実施の形態のエアモデルは、差分式で筒内流入空気流量を算出している。すなわち微小時間前の計算結果を現在の計算に用いている。このために、吸気弁の再駆動直後の筒内流入空気流量の推定精度が向上することにより、それ以降に算出される筒内流入空気流量の推定精度も向上する。
また、吸気弁の再駆動時の定数a,bは、吸気弁の駆動中の定数a,bと同様に、運転状態に依存した複数個の定数a,bを予め作成しておき、内燃機関の運転状態に基づいて再駆動時の定数a,bを選定することができる。運転状態に依存した複数個の定数a,bを電子制御ユニット31に記憶させておき、吸気弁を再駆動すべき時に運転状態を検出し、最適な定数a,bを選定することができる。この制御により、筒内充填空気量の推定精度を向上させることができる。
たとえば、内燃機関の制御装置は、吸気弁モデルのモデル計算式のための定数a,bとして、機関回転数NEを関数にした複数個の定数a,bを備えることができる。または、可変動弁機構における吸気弁の開弁または閉弁の時期や作用角を関数にした複数個の定数a,bを備えることができる。または、スワールコントロールバルブを備える内燃機関においては、スワールコントロールバルブの開閉状態に応じた複数個の定数a,bを備えることができる。または、可変吸気システムを備える内燃機関においては、可変吸気システムの状態を応じた複数個の定数a,bを備えることができる。または、筒内噴射による燃料供給とポート噴射による燃料供給とを同時に行なう内燃機関の場合には、筒内噴射の燃料噴射量とポート噴射の燃料噴射量との割合を関数にした複数個の定数a,bを備えることができる。
本実施の形態においては、吸気弁を再駆動すべき時に、吸気弁モデルのモデル計算式における全ての定数を変更しているが、この形態に限られず、1つ以上の定数を変更することができる。たとえば、本実施の形態における吸気弁モデルのモデル計算式において、定数bは変更せずに定数aのみを変更しても構わない。
本実施の形態においては、筒内充填空気量を算出するためのモデル計算式として、前述の式(8)を用いて筒内流入空気流量を算出し、算出した筒内流入空気流量から筒内充填空気量を算出しているが、この形態に限られず、吸気管内圧力を変数として、少なくとも1つの定数を含むモデル計算式により筒内流入空気流量を算出するエアモデルに、本発明を適用することができる。
(実施の形態2)
図15を参照して、実施の形態2における内燃機関の制御装置について説明する。本実施の形態における内燃機関の構成は、実施の形態1と同様である(図1参照)。気筒内に流入する空気量を推定するために、エアモデルM10を用いることも、実施の形態1と同様である(図2参照)。また、吸気弁を閉止状態で停止させる吸気弁停止制御を行なうことも実施の形態1と同様である(図10および図11参照)。
図15は、本実施の形態における内燃機関において、吸気弁停止制御を終了して通常運転を再開したときのタイムチャートの拡大図である。本実施の形態においては、4気筒の内燃機関を例に取り上げて説明する。本実施の形態における内燃機関は、第1気筒、第2気筒、第3気筒および第4気筒を含む。吸気工程は、第1気筒、第3気筒、第4気筒および第2気筒の順に行なわれる。
時刻teにおいて吸気弁停止制御を終了して吸気弁を再駆動する。吸気弁停止制御の期間中では、実際の吸気管内圧力は、ほぼ大気圧であり、ほぼ一定である。吸気弁が再駆動すると、実際の吸気管内圧力は、通常運転時の吸気管内圧力になるまで時間とともに減少する。時刻teにおいて、第1気筒の吸気弁の駆動が開始し、時刻txにおいて第1気筒の吸気弁の駆動が完了している。たとえば、時刻txにおける実際の吸気管内圧力は、吸気弁停止制御中の圧力からΔP減少している。時刻teから時刻txまでの実際の平均的な吸気管内圧力は、たとえば、吸気弁停止制御中の圧力からΔPの略半分を減算した圧力になる。
図2を参照して、エアモデルM10における吸気管内圧力Pmは、時間平均した吸気管内圧力を採用している。吸気弁を再駆動すべきときには、吸気管モデルM12により算出される吸気管内圧力Pmは、ほぼ大気圧になっている。吸気弁を再駆動すべきときのエアモデルM10の計算において、吸気弁停止制御の期間中に算出された吸気管内圧力Pmを入力すると、吸気弁が再駆動した直後の平均的な吸気管内圧力よりも大きな圧力が入力されることとなる。このために、推定される筒内充填空気量の誤差が大きくなる。たとえば、実際の平均的な吸気管内圧力よりも大きな圧力に基づいて計算されると、エアモデルにより算出される筒内充填空気量は、実際の筒内充填空気量よりも大きくなる。
本実施の形態における内燃機関の制御装置は、吸気弁を再駆動すべきときには、吸気管モデルM12により算出された吸気管内圧力Pmから予め定められた補正圧力Pmdを減算した圧力に基づいて、筒内流入空気流量を算出している。補正圧力Pmdは、たとえば、吸気弁停止制御中の定常状態における吸気管内圧力と、吸気弁を再駆動した直後の1番目の気筒の開弁から閉弁までの期間における平均圧力との差圧を採用することができる。図15を参照して、補正圧力Pmdは、時刻teより前の吸気弁停止制御中における吸気管内圧力の平均値と、時刻teから時刻txまでの吸気管内圧力の平均値との差圧を採用することができる。または、補正圧力Pmdとして、近似的に圧力降下ΔPの1/2の値を採用することができる。
または、補正圧力Pmdは、この形態に限られず、たとえば、吸気弁停止制御中の定常状態における吸気管内圧力と、吸気弁が再駆動した瞬間からエアモデルM10の1回の計算が行なわれる時間が経過するまでの期間における平均圧力との差圧を採用しても構わない。このような補正圧力Pmdは、高応答の流量計、圧力計またはモデル式による数値計算等により求めることができる。
本実施の形態においては、吸気弁を再駆動すべきときに用いる補正圧力Pmdを予め定めて、電子制御ユニット31に記憶させておく。吸気弁を再駆動すべきときには、筒内流入空気流量を算出するための1回目のエアモデルの計算において、吸気管モデルM12により算出された吸気管内圧力Pmから補正圧力Pmdを減算した圧力(Pm−Pmd)を、吸気弁モデルM13に入力する。すなわち、吸気弁が再駆動した直後の吸気管内圧力の圧力降下ΔPを考慮した吸気管内圧力に基づいて筒内流入空気流量を算出する。
本実施の形態における吸気弁モデルM13では、補正圧力Pmdを考慮したときに、モデル計算式としての式(8)は、次の式(21)に変形することができる。次の式(21)に基づいて、筒内流入空気流量を算出することができる。
また、式(21)を離散化した式は、次の式(22)に表すことができる。
このように、吸気弁停止制御を終了して吸気弁を再駆動すべきときに、予め定められた補正圧力を減算した吸気管内圧力に基づいて、筒内流入空気流量を算出することにより、筒内充填空気量を精度良く推定することができる。
ところで、補正圧力Pmdは、内燃機関の運転状態に依存する。内燃機関の制御装置は、運転状態に依存する複数個の補正圧力Pmdを備えることができる。内燃機関の運転状態に応じて、補正圧力Pmdを選定することができる。例えば、補正圧力Pmdは、吸気弁が完全に閉止した時の気筒の容積に依存する。このために、内燃機関が可変動弁機構を備える場合には、補正圧力Pmdを吸気弁が再駆動すべきときのバルブタイミングの関数にすることができる。バルブタイミングを関数にする複数個の補正圧力Pmdを電子制御ユニット31のROM34に記憶させておき、吸気弁を再駆動すべき時のバルブタイミングに応じて補正圧力Pmdを選定することができる。
このように、内燃機関の運転状態に基づいて、予め定められた補正圧力を選定することにより、より正確に筒内流入空気流量を推定することができる。内燃機関の運転状態としては、可変動弁機構の運転状態のほかに、実施の形態1と同様に、スワールコントロールバルブの開閉状態等を例示することができる。
吸気弁を再駆動した後のエアモデルM10の2回目以降の計算では、例えば、通常運転時におけるエアモデルM10により筒内充填空気量を算出することができる。吸気弁モデルでは、前述の式(8)のモデル計算式を用いて筒内流入空気流量を算出することができる。
本実施の形態における内燃機関の制御装置においても、微小時間前の計算結果を用いて現在のパラメータ値を推定するために、吸気弁を再駆動すべき時のエアモデルの1回目の推定精度が向上することにより、2回目以降の推定精度も向上する。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態1と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に含まれる変更が意図されている。