内燃機関の制御装置
【課題】燃料噴射量を補正する掃気率の算出に必要なセンサの故障に起因して排気通路に配置された排気浄化用の触媒が過度に熱劣化しないようにする。
【解決手段】Ｓ１〜Ｓ５では、吸気弁閉時期におけるシリンダ容積、シリンダ２内に流入する空気の空気密度から筒内トラップ空気量を算出し、この筒内トラップ空気量とエアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量と用いて、計測掃気率を算出する。Ｓ６では、吸気コレクタ３９内の空気圧力と、バルブオーバーラップ量と、機関回転数とから推定掃気率を算出する。Ｓ９〜Ｓ１０では、計測掃気率と推定掃気率のうちの大きい方を最終掃気率として、この最終掃気率に基づいて、筒内が目標筒内空燃比となるように基本燃料噴射量を補正する。
【解決手段】Ｓ１〜Ｓ５では、吸気弁閉時期におけるシリンダ容積、シリンダ２内に流入する空気の空気密度から筒内トラップ空気量を算出し、この筒内トラップ空気量とエアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量と用いて、計測掃気率を算出する。Ｓ６では、吸気コレクタ３９内の空気圧力と、バルブオーバーラップ量と、機関回転数とから推定掃気率を算出する。Ｓ９〜Ｓ１０では、計測掃気率と推定掃気率のうちの大きい方を最終掃気率として、この最終掃気率に基づいて、筒内が目標筒内空燃比となるように基本燃料噴射量を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダに流入する空気量と、シリンダに流入した空気量のうちシリンダ内にトラップされずに排気通路へ流出する空気量との比率に応じて燃料噴射量を補正する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、筒内直接噴射式の内燃機関において、吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップが設定された運転状態のときに、燃焼に寄与せずに排気通路に吹き抜ける新気吹き抜け量を推定し、推定された新気吹き抜け量に応じて筒内の空燃比が所定の空燃比となるように燃料噴射量を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この特許文献１においては、上記バルブオーバーラップが設定された運転状態で筒内の空燃比がリッチになった場合に、排気と上記シリンダ内にトラップされずに排気通路に吹き抜けた新気とにより、排気通路に配置されている排気浄化用の触媒での酸化反応が促進され、触媒温度が過度に上昇する可能性がある。
【０００５】
そのため、この特許文献１においては、燃料噴射量を決定する際に使用する新気吹き抜け量（掃気量）の値が、センサ等の異常により実際の値からずれて筒内の空燃比がリッチとなった場合に、上記触媒の温度が過度に上昇し、上記触媒の熱劣化が促進されてしまうという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明の内燃機関の制御装置は、吸気弁の閉時期と、シリンダに流入する空気の温度と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記シリンダに流入する空気量と、に基づいて算出した第１掃気率と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、吸気弁と排気弁とがともに開となるバルブオーバーラップ期間の長さと、内燃機関の機関回転数と、に基づいて算出した第２掃気率とのうちの大きい方の掃気率を用いて、上記内燃機関のシリンダに流入する空気量に基づいて算出された基本燃料噴射量を補正することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、基本燃料噴射量は、第１掃気率または第２掃気率の算出に必要なセンサが故障した場合でも、第１掃気率と第２掃気率のうち筒内空燃比をリーン側とする掃気率に基づいて補正されるので、排気通路に配置された排気浄化用の触媒が、第１掃気率または第２掃気率の算出に必要なセンサの故障に起因して過度に熱劣化してしまうことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明が適用された内燃機関のシステム構成を模式的に示した説明図。
【図２】計測掃気率の算出方法を模式的に示した説明図。
【図３】推定掃気率算出マップの特性例を示す説明図。
【図４】センサの故障と、計測掃気率及び推定掃気率との相関をまとめて示した説明図。
【図５】本発明に係る燃料噴射量の演算内容を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明が適用された内燃機関（エンジン）１のシステム構成を模式的に示した説明図である。
【００１０】
内燃機関１は、ガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジンであり、燃焼室を構成するシリンダ２内に燃料噴射弁３が直接燃料を噴射する筒内直接噴射式であって、シリンダ２内に噴射された燃料は点火プラグ４によって点火される。また、各シリンダ２には、吸気弁５を介して吸気通路６が接続され、排気弁７を介して排気通路８がそれぞれ接続されている。燃料噴射弁３には、高圧燃料ポンプ９により高圧の燃料が供給されている。
【００１１】
本実施形態においては、吸気弁５側の動弁機構及び排気弁７側の動弁機構として、機関弁のバルブリフト特性を変更する油圧駆動式の可変動弁機構が設けられている。この可変動弁機構は、周知のようにクランクシャフト１２に対するカムシャフトの位相を変化させる位相可変機構（ＶＴＣ）であり、シリンダヘッド上部の動弁室１３にそれぞれ配置されている。
【００１２】
吸気弁５側の可変動弁機構１５は、吸気弁５を開閉する吸気カムシャフト１６の一端に設けられ、電磁ソレノイド１７により作動油の供給量を制御することで、クランクシャフト１２に対する吸気カムシャフト１６の相対位相角である変換角を変更して、吸気弁５の開閉時期を変更するものである。吸気弁５の開閉時期に対応する吸気カムシャフト１６の位相（変換角）は、吸気カム角センサ１８により検出される。
【００１３】
排気弁７側の可変動弁機構２０は、排気弁７を開閉する排気カムシャフト２１の一端に設けられ、電磁ソレノイド２２により作動油の供給量を制御することで、クランクシャフト１２に対する排気カムシャフト２１の相対位相角である変換角を変更して、排気弁７の開閉時期を変更するものである。排気弁７の開閉時期に対応する排気カムシャフト２１の位相（変換角）は、排気カム角センサ２３により検出される。
【００１４】
なお、可変動弁機構としては、吸気弁５と排気弁７のいずれもが開弁したオーバーラップ期間が生ずるように、吸気弁５の開弁期間あるいは排気弁７の開弁期間を変化させるものであればよく、例えば、機関弁のバルブリフト量と作動角の双方を変化させるリフト作動角可変機構（ＶＥＬ）を適用することも可能である。また、吸気弁５側の動弁機構と排気弁７側の動弁機構のうち、一方の動弁機構がリフト・作動角及びリフト中心角の位相が常に一定となる一般的な直動式の動弁機構であってもよい。
【００１５】
内燃機関１は、排気タービン２６とコンプレッサ２７とを同軸上に備えた過給機２５を有している。この過給機２５は、図示しないウェストゲート弁の開度を調整して運転状態に応じた最適な過給圧を提供するよう構成される。
【００１６】
排気タービン２６の下流側の排気通路８には、２つの三元触媒２８、２９が直列に配置されている。三元触媒２８、２９は、理論空燃比を中心とするいわゆるウィンドウに空燃比がある場合に最大の転化効率をもって排気中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを同時に浄化できるものである。三元触媒２８の上流側には、排気空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３０が配置され、三元触媒２８と三元触媒２９の間には、酸素センサ３１が配置されている。また、排気タービン２６の上流側の排気通路８には、排気温度を検出する排気温度センサ３２が配置されている。ここで、Ａ／Ｆセンサ３０は、排気空燃比に応じたほぼリニアな出力特性を有するいわゆる広域型空燃比センサであり、酸素センサ３１は、理論空燃比付近の狭い範囲で出力電圧がＯＮ／ＯＦＦ（リッチ、リーン）的に変化して、空燃比のリッチ、リーンのみを検出するセンサである。
【００１７】
吸気通路６は、エアクリーナ３５を備え、その下流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）３６、上述した過給機２５のコンプレッサ２７、過給された高温の空気を冷却するインタークーラ３７、スロットル弁３８、吸気コレクタ３９が設けられている。また、吸気通路６には、コンプレッサ２７をバイパスするようにバイパス通路４０が接続されている。バイパス通路４０には、過給空気のリサーキュレーションを行うリサーキュレーション弁４１が設けられている。
【００１８】
スロットル弁３８の下流側に位置する吸気コレクタ３９には、吸入負圧を倍力源とするブレーキブースタ４５に負圧を供給する負圧導入通路４６及び燃料タンク４７で発生した蒸発燃料を導入するパージ通路４８が接続されている。また、この吸気コレクタ３９には、インタークーラ３７の下流側における吸気温度を検出する吸気温センサ４９と、スロットル弁３８の下流側の吸気圧力を検出する吸気圧力センサ５０が設けられている。
【００１９】
ブレーキブースタ４５は、ブレーキペダル５１の踏み込み力を軽減するものであって、吸気コレクタ３９に発生する吸入負圧を利用してブレーキペダル５１の踏み込み力を増幅している。
【００２０】
パージ通路４８には、パージ制御弁５２が介装されていると共に、燃料タンク４７で発生する蒸発燃料ガスを処理するキャニスタ５３が接続されている。パージ制御弁５２は、例えば、蒸発燃料ガスのパージ流量が吸入空気量の増加に応じて増加するように制御される。
【００２１】
なお、図１中の５５は動弁室１３のブローバイガスを吸気通路６に導入するブローバイガス導入通路、５６はブローバイガス導入通路５５に設けられたＰＣＶ弁、５７は低負荷時には動弁室１３内に新気を導入し、高負荷時には動弁室１３のブローバイガスを吸気通路６に戻す新気導入通路である。
【００２２】
ＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）６０には、上述した吸気カム角センサ１８、排気カム角センサ２３、Ａ／Ｆセンサ３０、酸素センサ３１、排気温度センサ３２、エアフローメータ３６の検出信号のほか、クランクシャフト１２のクランク角を検出するクランク角センサ６１、スロットル弁８の開度を検出するスロットルセンサ６２、インタークーラ３７とスロットル弁３８との間の吸気圧力を検出する圧力センサ６３、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ６４、大気圧を検出する大気圧センサ６５、ウォータジャケット内の冷却水温を検出する水温センサ６６、エンジンオイルの油温を検出する油温センサ６７等の各種センサ類からの検出信号が入力されている。
【００２３】
そして、ＥＣＭ６０は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関１の点火時期、バルブタイミング、空燃比等の制御を実施すると共に、可変動弁機構１５、２０により、排気上死点の前後で吸気弁５と排気弁７とがともに開弁するバルブオーバーラップが設定される運転状態においては、吸気通路６から排気通路８への新気の吹き抜け量を推定して、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に基づいて算出される燃料噴射量を補正する。
【００２４】
バルブオーバーラップがある場合、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量の一部は新気の吹き抜け量として排気通路８に流れてしまうため、新気の吹き抜け量を考慮して燃料噴射量を設定しなければ必要以上の燃料が噴射されることになり、燃料の燃え残りが後燃えして三元触媒２８、２９に悪影響をおよぼす虞がある。また、推定された新気の吹き抜け量が、センサ等の異常や故障等により実際の値から外れてしまった場合、必要以上の燃料が噴射されてしまう可能性がある。
【００２５】
そこで、本実施例では、シリンダ２内に流入する空気量と、シリンダ２内に流入した空気量のうちシリンダ２内にトラップされずに排気通路８へ流出する空気量との比率である掃気率を異なる２つの方法で算出し、算出された２つの掃気率（計測掃気率と推定掃気率）のうちの大きい方を最終掃気率とし、この最終掃気率を用いてエアフローメータ３６で検出された空気量に基づいて算出される基本燃料噴射量を補正する。
【００２６】
第１掃気率としての計測掃気率は、図２に示すように、シリンダ２に流入する空気量、すなわちエアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量に対してシリンダ２内にトラップされる筒内トラップ空気量が占める割合として算出される値である。
【００２７】
筒内トラップ空気量は、シリンダ２内に流入する空気の空気密度と、吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）におけるシリンダ容積（燃焼室容積）とから算出される。シリンダ２内に流入する空気の空気密度は、吸気コレクタ３９に取り付けられた吸気温センサ４９及び吸気圧力センサ５０の検出値に基づいて算出される。吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）は、吸気カム角センサ１８の検出値から算出することができる。具体的には、内燃機関１の仕様から吸気弁閉時期（ＩＶＣ）におけるピストン冠面位置を算出することでシリンダ容積（燃焼室容積）を算出することができる。
【００２８】
そして、ＡＦＭ計測空気量から筒内トラップ空気量を減算した値を計測掃気量とすると、第１掃気率は、この計測掃気率をＡＦＭ計測空気量で除算することで算出される。
【００２９】
一方、第２掃気率として推定掃気率は、吸気コレクタ３９に取り付けられた吸気圧力センサ５０の検出値と、バルブオーバーラップの期間であるバルブオーバーラップ量と、内燃機関の機関回転数と、に基づいて算出される。
【００３０】
具体的には、図３に示すような推定掃気率算出マップを用いて、吸気コレクタ３９内の吸気圧力と、バルブオーバーラップ量とから推定掃気率を算出する。推定掃気率算出マップは、機関回転数に応じて複数用意されているものであり、吸気圧力が高くなるほど、またはバルブオーバーラップ量が大きくなるほど、算出される推定掃気率が大きくなっている。つまり、機関回転数が一定であるとき、シリンダ２内に流入する空気の圧力が高くなるほど、またはバルブオーバーラップ量が大きくなるほど、推定掃気率は大きくなるという特性となっている。
【００３１】
図４は、掃気率の算出に必要な各種検出値の値が、実際の値から外れた場合に、掃気率がどのように変化するかをまとめて示した説明図である。
【００３２】
この図４においては、計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサが正常である場合の検出値を中央値とし、正常な検出値を用いて算出された掃気率の値を同様に中央値としている。
【００３３】
エアフローメータ３６、吸気圧力センサ５０、吸気温センサ４９、吸気カム角センサ１８、排気カム角センサ２１、が全て正常な場合（状態１）には、吸入空気量、吸気圧力、吸気温度、吸気弁５のリフト中心角の位相、排気弁７のリフト中心角の位相、は全て正しく検出され、その検出値は全て中央値となるので、これら中央値を用いて算出される計測掃気率及び推定掃気率も必然的に中央値となり、最終掃気率も中央値となる。なお、本実施例では、計測掃気率と推定掃気率とが同じ値であった場合には、計測掃気率を最終掃気率としている。
【００３４】
状態２、３はエアフローメータ３６が故障した場合を示している。エアフローメータ３６で検出される吸入空気量が中央値よりも大きくなる状態２では、計測掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。エアフローメータ３６で検出される吸入空気量が中央値よりも小さくなる状態３では、計測掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。推定掃気率は、エアフローメータ３６で検出される吸入空気量に依存しないため、エアフローメータ３６が故障しても中央値となる。
【００３５】
状態４、５は吸気圧力センサ５０が故障した場合を示している。吸気圧力センサ５０で検出される吸気圧力が中央値よりも大きくなる状態４では、計測掃気率が中央値よりも小さくなり、推定掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。吸気圧力センサ５０で検出される吸気圧力が中央値よりも小さくなる状態５では、計測掃気率が中央値よりも大きくなり、推定掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率として計測掃気率が選択される。このように、計測掃気率と推定掃気率の双方の算出に必要な吸気圧力を検出する吸気圧力センサ５０が故障した場合には、計測掃気率と推定掃気率が中央値に対して互いに逆方向に変化した値となるため、吸気圧力センサ５０の故障を早期に発見することができる。
【００３６】
状態６、７は吸気温センサ４９が故障した場合を示している。吸気温センサ４９で検出される吸気温度が中央値よりも大きくなる状態６では、計測掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。吸気温センサ４９で検出される吸気温度が中央値よりも小さくなる状態７では、計測掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。推定掃気率は、吸気温センサ４９で検出される吸気温度に依存しないため、吸気温センサ４９が故障しても中央値となる。
【００３７】
状態８、９は吸気カム角センサ１８が故障した場合を示している。吸気カム角センサ１８で検出される吸気弁閉時期が中央値よりも遅角側の値となる状態８では、計測掃気率が中央値よりも大きくなり、推定掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。状態８においては、ピストン冠面が上死点に近い位置で吸気弁５が閉じられると認識するため、吸気弁閉時のシリンダ容積が小さくなり、筒内トラップ空気量が小さくなって、計測空気量が大きくなり、計測掃気率が中央値よりも大きくなる。また状態８のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも小さくなるため、推定掃気率が中央値よりも小さくなる。吸気カム角センサ１８で検出される吸気弁閉時期が中央値よりも進角側の値となる状態９では、計測掃気率が中央値よりも小さくなり、推定掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。状態９においては、ピストン冠面が下死点に近い位置で吸気弁５が閉じられると認識するため、吸気弁閉時のシリンダ容積が大きくなり、筒内トラップ空気量が大きくなって、計測空気量が小さくなり、計測掃気率が中央値よりも小さくなる。また状態９のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも大きくなるため、推定掃気率が中央値よりも大きくなる。
【００３８】
状態１０、１１は排気カム角センサ２３が故障した場合を示している。排気カム角センサ２３で検出される排気弁開時期が中央値よりも進角側の値となる状態１０では、推定掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。状態１０のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも小さくなるため、推定掃気率が中央値よりも小さくなる。排気カム角センサ２３で検出される排気弁開時期が中央値よりも遅角側の値となる状態１１では、推定掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。状態１１のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも大きくなるため、推定掃気率が中央値よりも小さくなる。計測掃気率は、排気カム角センサ２３で検出される排気弁開時期に依存しないため、排気カム角センサ２３が故障しても中央値となる。
【００３９】
このように、最終的に燃料噴射量の補正に用いる最終掃気率は、掃気率の算出に用いるパラメータを検出するセンサが故障した場合でも、必ず中央値以上の値となるので、センサ正常時には、演算された掃気率を用いて筒内空燃比がストイキとなるように基本燃料噴射量を補正されるようにしておいても、センサ故障時には、筒内空燃比をストイキよりも確実にリーン側にすることが可能となる。
【００４０】
すなわち、エアフローメータ３６で検出される吸入空気量から筒内トラップ空気量を減算した計測掃気量から算出する計測掃気率と、バルブオーバーラップ量と吸気コレクタ３９内の空気圧力とから算出する推定掃気率と、を算出しておき、算出された２つの掃気率のうち、常に大きい方の掃気率を用いて基本燃料噴射量を補正することで、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障により、この故障したセンサの検出値の値が、中央値（計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサが正常である場合の検出値）に対して増加側、減少側のどちらの方向にずれていたとしても、筒内空燃比を常にストイキよりもリーン側となるようにすることができる。
【００４１】
また、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障診断が行えない状態であっても、算出された計測掃気率と推定掃気率との乖離量から、計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサのいずれかに異常があるとあると検知することができる。特に、計測掃気率及び推定掃気率の双方を算出するのに必要な吸気コレクタ３９内の空気圧力を検出する吸気圧力センサ５０が故障した場合には、計測掃気率の中央値に対する変化の方向と、推定掃気率の中央値に対する変化の方向がとが、互いに逆方向となって現れるため、計測掃気率と推定掃気掃気率の乖離量が大きくなるため、早期に吸気圧力センサ５０の異常を検知することが可能となる。
【００４２】
本実施例では、計測掃気率と推定掃気率との乖離量（計測掃気率と推定掃気率の差）が予め設定された所定値以上となった場合に、計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサのいずれかに異常があると判定し、吸気弁５と排気弁７のバルブオーバーラップが無くなるように、吸気弁３及び排気弁７のバルブタイミングが変更され、以降はバルブオーバーラップが設定されるように吸気弁３及び排気弁７のバルブタイミングが制御されることが禁止される。
【００４３】
そして、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障時でも、基本燃料噴射量に対する補正が、三元触媒２８、２９に対して安全な方向（リーン側）となるため、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障に起因して三元触媒２８、２９が熱劣化してしまうことを確実に防止することができる。
【００４４】
次に、このように設定された最終掃気率を用いた基本燃料噴射量の補正方法について説明する。
【００４５】
バルブオーバーラップが設定される運転状態において、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に対して、筒内空燃比が所望の空燃比となるような量の燃料を噴射すると、吸気通路６から排気通路８への新気の吹き抜けがあるため、筒内トラップ空気量は、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量からこのとき吸気通路６から排気通路８へ吹き抜ける新気の吹き抜ける量（掃気量）を減算した量となり、筒内空燃比は所望の空燃比よりもリッチになる。
【００４６】
本実施例では、内燃機関１がバルブオーバーラップが設定される運転状態である場合、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に対し、所定の空燃比となるような燃料量（バルブオーバーラップが設定される運転状態における基本燃料噴射量）を噴射するように適合しておき、その上で最終掃気率と、そのときの筒内目標空燃比に基づいて、この所定の空燃比となるような燃料量を補正する。換言すると、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に対し、機関回転数と負荷に基づいて算出したトータル空燃比（適合時のｔｏｔａｌ Ａ／Ｆ）となるように基本燃料噴射量が設定され、かつこの基本燃料噴射量を最終掃気率と筒内目標空燃比とに基づいて補正する。このトータル空燃比は、バルブオーバーラップが設定される運転状態においては、例えば、Ａ／Ｆセンサ３０で検出される空燃比（排気空燃比）が三元触媒２８、２９での酸化反応が過度に促進されないような所定のリーン空燃比となるように設定されている。
【００４７】
最終掃気率を用いて基本燃料噴射量を補正する際に、基本燃料噴射量から最終掃気率に応じた燃料量を減算しただけでは、筒内空燃比がトータル空燃比となり、排気空燃比がトータル空燃比よりもリーンになる。そこで、本実施例では、基本燃料噴射量から最終掃気率に応じた燃料量を減算したものを筒内空燃比の目標値とトータル空燃比との比率に応じてさらに補正することで、筒内空燃比が目標筒内空燃比となるようにしている。
【００４８】
図５は、燃料噴射量の演算内容を示すブロック図である。Ｓ１では、吸気カム角センサ１８で検出された吸気弁閉時期からこのときのピストン冠面位置を算出して、吸気弁閉時期におけるシリンダ容積を算出する。Ｓ２では、吸気コレクタ３９内の空気温度と、吸気コレクタ３９内の空気圧力（過給圧）から、シリンダ２内に流入する空気の空気密度を算出する。Ｓ３では、Ｓ２で算出したシリンダ容積とＳ３で算出した空気密度を乗算して筒内トラップ空気量を算出する。Ｓ４では、エアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量からＳ３で算出された筒内トラップ空気量を減算して計測掃気量を算出する。Ｓ５では、Ｓ３で算出された計測掃気量をＡＦＭ計測空気量で除算して、計測掃気率を算出する。
【００４９】
Ｓ６では、吸気コレクタ３９内の空気圧力（過給圧）と、排気上死点の前後で吸気弁５と排気弁７とがともに開弁している期間であるバルブオーバーラップ量と、現在の内燃機関１の機関回転数とから推定掃気率を算出する。
【００５０】
Ｓ７では、Ｓ５で算出された計測掃気率とＳ６で算出された推定掃気率の大小を比較し、値が大きい方を最終掃気率とする。Ｓ８では、Ｓ７で算出された最終掃気率を用いて、エアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量に対する筒内トラップ空気量の割合を算出する。つまり、基本燃料噴射量と、基本燃料噴射量から新気の吹き抜ける量（掃気量）に応じて分の燃料量を減算した燃料量との割合を算出する。Ｓ９では、トータル空燃比を筒内目標空燃比で除算することで、筒内空燃比が目標筒内空燃比となるようにするための補正係数を算出する。Ｓ１０では、Ｓ８で算出されたＡＦＭ計測空気量に対する筒内トラップ空気量の割合と、Ｓ９で算出された筒内空燃比が目標筒内空燃比となるようにするための補正係数と、を乗算して燃料噴射量補正係数を算出する。この燃料噴射量補正係数は、Ｓ７で算出された最終掃気率のときに、筒内が目標筒内空燃比となるように基本燃料噴射量を補正するものである。
【００５１】
そして、Ｓ１１では、基本燃料噴射量を噴射するために必要な燃料噴射パルス幅と、Ｓ１０で算出された燃料噴射量補正係数とを乗算する。すなわち、基本燃料噴射量を補正して、Ａ／Ｆセンサ３０で検出される空燃比がストイキよりもリーン側となり、かつ筒内空燃比が筒内目標空燃比となるように、基本燃料噴射量をＳ１０で算出された燃料噴射量補正係数を用いて補正する。
【００５２】
図５に示す演算は、ＥＣＭ６０内で演算されるものであり、この演算におけるＳ１〜Ｓ５が計測掃気率を演算する計測掃気率演算部、Ｓ６が推定掃気率を演算する推定掃気率演算部、Ｓ７〜Ｓ１０が燃料噴射量補正係数を演算する燃料噴射量補正係数演算部とみなすことができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…内燃機関
２…シリンダ
５…吸気弁
６…吸気通路
７…排気弁
８…排気通路
１２…クランクシャフト
１５…可変動弁機構
１８…吸気カム角センサ
２０…可変動弁機構
２３…排気カム角センサ
２８…三元触媒
２９…三元触媒
３０…Ａ／Ｆセンサ
３６…エアフローメータ
３８…スロットル弁
３９…吸気コレクタ
４９…吸気温センサ
５０…吸気圧力センサ
６０…ＥＣＭ
６１…クランク角センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダに流入する空気量と、シリンダに流入した空気量のうちシリンダ内にトラップされずに排気通路へ流出する空気量との比率に応じて燃料噴射量を補正する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、筒内直接噴射式の内燃機関において、吸気弁と排気弁の双方が開弁するバルブオーバーラップが設定された運転状態のときに、燃焼に寄与せずに排気通路に吹き抜ける新気吹き抜け量を推定し、推定された新気吹き抜け量に応じて筒内の空燃比が所定の空燃比となるように燃料噴射量を制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、この特許文献１においては、上記バルブオーバーラップが設定された運転状態で筒内の空燃比がリッチになった場合に、排気と上記シリンダ内にトラップされずに排気通路に吹き抜けた新気とにより、排気通路に配置されている排気浄化用の触媒での酸化反応が促進され、触媒温度が過度に上昇する可能性がある。
【０００５】
そのため、この特許文献１においては、燃料噴射量を決定する際に使用する新気吹き抜け量（掃気量）の値が、センサ等の異常により実際の値からずれて筒内の空燃比がリッチとなった場合に、上記触媒の温度が過度に上昇し、上記触媒の熱劣化が促進されてしまうという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明の内燃機関の制御装置は、吸気弁の閉時期と、シリンダに流入する空気の温度と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記シリンダに流入する空気量と、に基づいて算出した第１掃気率と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、吸気弁と排気弁とがともに開となるバルブオーバーラップ期間の長さと、内燃機関の機関回転数と、に基づいて算出した第２掃気率とのうちの大きい方の掃気率を用いて、上記内燃機関のシリンダに流入する空気量に基づいて算出された基本燃料噴射量を補正することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、基本燃料噴射量は、第１掃気率または第２掃気率の算出に必要なセンサが故障した場合でも、第１掃気率と第２掃気率のうち筒内空燃比をリーン側とする掃気率に基づいて補正されるので、排気通路に配置された排気浄化用の触媒が、第１掃気率または第２掃気率の算出に必要なセンサの故障に起因して過度に熱劣化してしまうことを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明が適用された内燃機関のシステム構成を模式的に示した説明図。
【図２】計測掃気率の算出方法を模式的に示した説明図。
【図３】推定掃気率算出マップの特性例を示す説明図。
【図４】センサの故障と、計測掃気率及び推定掃気率との相関をまとめて示した説明図。
【図５】本発明に係る燃料噴射量の演算内容を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明が適用された内燃機関（エンジン）１のシステム構成を模式的に示した説明図である。
【００１０】
内燃機関１は、ガソリンエンジンもしくはディーゼルエンジンであり、燃焼室を構成するシリンダ２内に燃料噴射弁３が直接燃料を噴射する筒内直接噴射式であって、シリンダ２内に噴射された燃料は点火プラグ４によって点火される。また、各シリンダ２には、吸気弁５を介して吸気通路６が接続され、排気弁７を介して排気通路８がそれぞれ接続されている。燃料噴射弁３には、高圧燃料ポンプ９により高圧の燃料が供給されている。
【００１１】
本実施形態においては、吸気弁５側の動弁機構及び排気弁７側の動弁機構として、機関弁のバルブリフト特性を変更する油圧駆動式の可変動弁機構が設けられている。この可変動弁機構は、周知のようにクランクシャフト１２に対するカムシャフトの位相を変化させる位相可変機構（ＶＴＣ）であり、シリンダヘッド上部の動弁室１３にそれぞれ配置されている。
【００１２】
吸気弁５側の可変動弁機構１５は、吸気弁５を開閉する吸気カムシャフト１６の一端に設けられ、電磁ソレノイド１７により作動油の供給量を制御することで、クランクシャフト１２に対する吸気カムシャフト１６の相対位相角である変換角を変更して、吸気弁５の開閉時期を変更するものである。吸気弁５の開閉時期に対応する吸気カムシャフト１６の位相（変換角）は、吸気カム角センサ１８により検出される。
【００１３】
排気弁７側の可変動弁機構２０は、排気弁７を開閉する排気カムシャフト２１の一端に設けられ、電磁ソレノイド２２により作動油の供給量を制御することで、クランクシャフト１２に対する排気カムシャフト２１の相対位相角である変換角を変更して、排気弁７の開閉時期を変更するものである。排気弁７の開閉時期に対応する排気カムシャフト２１の位相（変換角）は、排気カム角センサ２３により検出される。
【００１４】
なお、可変動弁機構としては、吸気弁５と排気弁７のいずれもが開弁したオーバーラップ期間が生ずるように、吸気弁５の開弁期間あるいは排気弁７の開弁期間を変化させるものであればよく、例えば、機関弁のバルブリフト量と作動角の双方を変化させるリフト作動角可変機構（ＶＥＬ）を適用することも可能である。また、吸気弁５側の動弁機構と排気弁７側の動弁機構のうち、一方の動弁機構がリフト・作動角及びリフト中心角の位相が常に一定となる一般的な直動式の動弁機構であってもよい。
【００１５】
内燃機関１は、排気タービン２６とコンプレッサ２７とを同軸上に備えた過給機２５を有している。この過給機２５は、図示しないウェストゲート弁の開度を調整して運転状態に応じた最適な過給圧を提供するよう構成される。
【００１６】
排気タービン２６の下流側の排気通路８には、２つの三元触媒２８、２９が直列に配置されている。三元触媒２８、２９は、理論空燃比を中心とするいわゆるウィンドウに空燃比がある場合に最大の転化効率をもって排気中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯを同時に浄化できるものである。三元触媒２８の上流側には、排気空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３０が配置され、三元触媒２８と三元触媒２９の間には、酸素センサ３１が配置されている。また、排気タービン２６の上流側の排気通路８には、排気温度を検出する排気温度センサ３２が配置されている。ここで、Ａ／Ｆセンサ３０は、排気空燃比に応じたほぼリニアな出力特性を有するいわゆる広域型空燃比センサであり、酸素センサ３１は、理論空燃比付近の狭い範囲で出力電圧がＯＮ／ＯＦＦ（リッチ、リーン）的に変化して、空燃比のリッチ、リーンのみを検出するセンサである。
【００１７】
吸気通路６は、エアクリーナ３５を備え、その下流側には吸入空気量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）３６、上述した過給機２５のコンプレッサ２７、過給された高温の空気を冷却するインタークーラ３７、スロットル弁３８、吸気コレクタ３９が設けられている。また、吸気通路６には、コンプレッサ２７をバイパスするようにバイパス通路４０が接続されている。バイパス通路４０には、過給空気のリサーキュレーションを行うリサーキュレーション弁４１が設けられている。
【００１８】
スロットル弁３８の下流側に位置する吸気コレクタ３９には、吸入負圧を倍力源とするブレーキブースタ４５に負圧を供給する負圧導入通路４６及び燃料タンク４７で発生した蒸発燃料を導入するパージ通路４８が接続されている。また、この吸気コレクタ３９には、インタークーラ３７の下流側における吸気温度を検出する吸気温センサ４９と、スロットル弁３８の下流側の吸気圧力を検出する吸気圧力センサ５０が設けられている。
【００１９】
ブレーキブースタ４５は、ブレーキペダル５１の踏み込み力を軽減するものであって、吸気コレクタ３９に発生する吸入負圧を利用してブレーキペダル５１の踏み込み力を増幅している。
【００２０】
パージ通路４８には、パージ制御弁５２が介装されていると共に、燃料タンク４７で発生する蒸発燃料ガスを処理するキャニスタ５３が接続されている。パージ制御弁５２は、例えば、蒸発燃料ガスのパージ流量が吸入空気量の増加に応じて増加するように制御される。
【００２１】
なお、図１中の５５は動弁室１３のブローバイガスを吸気通路６に導入するブローバイガス導入通路、５６はブローバイガス導入通路５５に設けられたＰＣＶ弁、５７は低負荷時には動弁室１３内に新気を導入し、高負荷時には動弁室１３のブローバイガスを吸気通路６に戻す新気導入通路である。
【００２２】
ＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）６０には、上述した吸気カム角センサ１８、排気カム角センサ２３、Ａ／Ｆセンサ３０、酸素センサ３１、排気温度センサ３２、エアフローメータ３６の検出信号のほか、クランクシャフト１２のクランク角を検出するクランク角センサ６１、スロットル弁８の開度を検出するスロットルセンサ６２、インタークーラ３７とスロットル弁３８との間の吸気圧力を検出する圧力センサ６３、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ６４、大気圧を検出する大気圧センサ６５、ウォータジャケット内の冷却水温を検出する水温センサ６６、エンジンオイルの油温を検出する油温センサ６７等の各種センサ類からの検出信号が入力されている。
【００２３】
そして、ＥＣＭ６０は、これらの検出信号に基づいて、内燃機関１の点火時期、バルブタイミング、空燃比等の制御を実施すると共に、可変動弁機構１５、２０により、排気上死点の前後で吸気弁５と排気弁７とがともに開弁するバルブオーバーラップが設定される運転状態においては、吸気通路６から排気通路８への新気の吹き抜け量を推定して、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に基づいて算出される燃料噴射量を補正する。
【００２４】
バルブオーバーラップがある場合、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量の一部は新気の吹き抜け量として排気通路８に流れてしまうため、新気の吹き抜け量を考慮して燃料噴射量を設定しなければ必要以上の燃料が噴射されることになり、燃料の燃え残りが後燃えして三元触媒２８、２９に悪影響をおよぼす虞がある。また、推定された新気の吹き抜け量が、センサ等の異常や故障等により実際の値から外れてしまった場合、必要以上の燃料が噴射されてしまう可能性がある。
【００２５】
そこで、本実施例では、シリンダ２内に流入する空気量と、シリンダ２内に流入した空気量のうちシリンダ２内にトラップされずに排気通路８へ流出する空気量との比率である掃気率を異なる２つの方法で算出し、算出された２つの掃気率（計測掃気率と推定掃気率）のうちの大きい方を最終掃気率とし、この最終掃気率を用いてエアフローメータ３６で検出された空気量に基づいて算出される基本燃料噴射量を補正する。
【００２６】
第１掃気率としての計測掃気率は、図２に示すように、シリンダ２に流入する空気量、すなわちエアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量に対してシリンダ２内にトラップされる筒内トラップ空気量が占める割合として算出される値である。
【００２７】
筒内トラップ空気量は、シリンダ２内に流入する空気の空気密度と、吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）におけるシリンダ容積（燃焼室容積）とから算出される。シリンダ２内に流入する空気の空気密度は、吸気コレクタ３９に取り付けられた吸気温センサ４９及び吸気圧力センサ５０の検出値に基づいて算出される。吸気弁５の閉弁時期（ＩＶＣ）は、吸気カム角センサ１８の検出値から算出することができる。具体的には、内燃機関１の仕様から吸気弁閉時期（ＩＶＣ）におけるピストン冠面位置を算出することでシリンダ容積（燃焼室容積）を算出することができる。
【００２８】
そして、ＡＦＭ計測空気量から筒内トラップ空気量を減算した値を計測掃気量とすると、第１掃気率は、この計測掃気率をＡＦＭ計測空気量で除算することで算出される。
【００２９】
一方、第２掃気率として推定掃気率は、吸気コレクタ３９に取り付けられた吸気圧力センサ５０の検出値と、バルブオーバーラップの期間であるバルブオーバーラップ量と、内燃機関の機関回転数と、に基づいて算出される。
【００３０】
具体的には、図３に示すような推定掃気率算出マップを用いて、吸気コレクタ３９内の吸気圧力と、バルブオーバーラップ量とから推定掃気率を算出する。推定掃気率算出マップは、機関回転数に応じて複数用意されているものであり、吸気圧力が高くなるほど、またはバルブオーバーラップ量が大きくなるほど、算出される推定掃気率が大きくなっている。つまり、機関回転数が一定であるとき、シリンダ２内に流入する空気の圧力が高くなるほど、またはバルブオーバーラップ量が大きくなるほど、推定掃気率は大きくなるという特性となっている。
【００３１】
図４は、掃気率の算出に必要な各種検出値の値が、実際の値から外れた場合に、掃気率がどのように変化するかをまとめて示した説明図である。
【００３２】
この図４においては、計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサが正常である場合の検出値を中央値とし、正常な検出値を用いて算出された掃気率の値を同様に中央値としている。
【００３３】
エアフローメータ３６、吸気圧力センサ５０、吸気温センサ４９、吸気カム角センサ１８、排気カム角センサ２１、が全て正常な場合（状態１）には、吸入空気量、吸気圧力、吸気温度、吸気弁５のリフト中心角の位相、排気弁７のリフト中心角の位相、は全て正しく検出され、その検出値は全て中央値となるので、これら中央値を用いて算出される計測掃気率及び推定掃気率も必然的に中央値となり、最終掃気率も中央値となる。なお、本実施例では、計測掃気率と推定掃気率とが同じ値であった場合には、計測掃気率を最終掃気率としている。
【００３４】
状態２、３はエアフローメータ３６が故障した場合を示している。エアフローメータ３６で検出される吸入空気量が中央値よりも大きくなる状態２では、計測掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。エアフローメータ３６で検出される吸入空気量が中央値よりも小さくなる状態３では、計測掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。推定掃気率は、エアフローメータ３６で検出される吸入空気量に依存しないため、エアフローメータ３６が故障しても中央値となる。
【００３５】
状態４、５は吸気圧力センサ５０が故障した場合を示している。吸気圧力センサ５０で検出される吸気圧力が中央値よりも大きくなる状態４では、計測掃気率が中央値よりも小さくなり、推定掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。吸気圧力センサ５０で検出される吸気圧力が中央値よりも小さくなる状態５では、計測掃気率が中央値よりも大きくなり、推定掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率として計測掃気率が選択される。このように、計測掃気率と推定掃気率の双方の算出に必要な吸気圧力を検出する吸気圧力センサ５０が故障した場合には、計測掃気率と推定掃気率が中央値に対して互いに逆方向に変化した値となるため、吸気圧力センサ５０の故障を早期に発見することができる。
【００３６】
状態６、７は吸気温センサ４９が故障した場合を示している。吸気温センサ４９で検出される吸気温度が中央値よりも大きくなる状態６では、計測掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。吸気温センサ４９で検出される吸気温度が中央値よりも小さくなる状態７では、計測掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。推定掃気率は、吸気温センサ４９で検出される吸気温度に依存しないため、吸気温センサ４９が故障しても中央値となる。
【００３７】
状態８、９は吸気カム角センサ１８が故障した場合を示している。吸気カム角センサ１８で検出される吸気弁閉時期が中央値よりも遅角側の値となる状態８では、計測掃気率が中央値よりも大きくなり、推定掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。状態８においては、ピストン冠面が上死点に近い位置で吸気弁５が閉じられると認識するため、吸気弁閉時のシリンダ容積が小さくなり、筒内トラップ空気量が小さくなって、計測空気量が大きくなり、計測掃気率が中央値よりも大きくなる。また状態８のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも小さくなるため、推定掃気率が中央値よりも小さくなる。吸気カム角センサ１８で検出される吸気弁閉時期が中央値よりも進角側の値となる状態９では、計測掃気率が中央値よりも小さくなり、推定掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。状態９においては、ピストン冠面が下死点に近い位置で吸気弁５が閉じられると認識するため、吸気弁閉時のシリンダ容積が大きくなり、筒内トラップ空気量が大きくなって、計測空気量が小さくなり、計測掃気率が中央値よりも小さくなる。また状態９のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも大きくなるため、推定掃気率が中央値よりも大きくなる。
【００３８】
状態１０、１１は排気カム角センサ２３が故障した場合を示している。排気カム角センサ２３で検出される排気弁開時期が中央値よりも進角側の値となる状態１０では、推定掃気率が中央値よりも小さくなるため、最終掃気率としては計測掃気率が選択される。状態１０のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも小さくなるため、推定掃気率が中央値よりも小さくなる。排気カム角センサ２３で検出される排気弁開時期が中央値よりも遅角側の値となる状態１１では、推定掃気率が中央値よりも大きくなるため、最終掃気率としては推定掃気率が選択される。状態１１のおいては、バルブオーバーラップ量が中央値よりも大きくなるため、推定掃気率が中央値よりも小さくなる。計測掃気率は、排気カム角センサ２３で検出される排気弁開時期に依存しないため、排気カム角センサ２３が故障しても中央値となる。
【００３９】
このように、最終的に燃料噴射量の補正に用いる最終掃気率は、掃気率の算出に用いるパラメータを検出するセンサが故障した場合でも、必ず中央値以上の値となるので、センサ正常時には、演算された掃気率を用いて筒内空燃比がストイキとなるように基本燃料噴射量を補正されるようにしておいても、センサ故障時には、筒内空燃比をストイキよりも確実にリーン側にすることが可能となる。
【００４０】
すなわち、エアフローメータ３６で検出される吸入空気量から筒内トラップ空気量を減算した計測掃気量から算出する計測掃気率と、バルブオーバーラップ量と吸気コレクタ３９内の空気圧力とから算出する推定掃気率と、を算出しておき、算出された２つの掃気率のうち、常に大きい方の掃気率を用いて基本燃料噴射量を補正することで、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障により、この故障したセンサの検出値の値が、中央値（計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサが正常である場合の検出値）に対して増加側、減少側のどちらの方向にずれていたとしても、筒内空燃比を常にストイキよりもリーン側となるようにすることができる。
【００４１】
また、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障診断が行えない状態であっても、算出された計測掃気率と推定掃気率との乖離量から、計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサのいずれかに異常があるとあると検知することができる。特に、計測掃気率及び推定掃気率の双方を算出するのに必要な吸気コレクタ３９内の空気圧力を検出する吸気圧力センサ５０が故障した場合には、計測掃気率の中央値に対する変化の方向と、推定掃気率の中央値に対する変化の方向がとが、互いに逆方向となって現れるため、計測掃気率と推定掃気掃気率の乖離量が大きくなるため、早期に吸気圧力センサ５０の異常を検知することが可能となる。
【００４２】
本実施例では、計測掃気率と推定掃気率との乖離量（計測掃気率と推定掃気率の差）が予め設定された所定値以上となった場合に、計測掃気率及び推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサのいずれかに異常があると判定し、吸気弁５と排気弁７のバルブオーバーラップが無くなるように、吸気弁３及び排気弁７のバルブタイミングが変更され、以降はバルブオーバーラップが設定されるように吸気弁３及び排気弁７のバルブタイミングが制御されることが禁止される。
【００４３】
そして、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障時でも、基本燃料噴射量に対する補正が、三元触媒２８、２９に対して安全な方向（リーン側）となるため、計測掃気率または推定掃気率の算出に必要な検出値を検出するセンサの故障に起因して三元触媒２８、２９が熱劣化してしまうことを確実に防止することができる。
【００４４】
次に、このように設定された最終掃気率を用いた基本燃料噴射量の補正方法について説明する。
【００４５】
バルブオーバーラップが設定される運転状態において、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に対して、筒内空燃比が所望の空燃比となるような量の燃料を噴射すると、吸気通路６から排気通路８への新気の吹き抜けがあるため、筒内トラップ空気量は、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量からこのとき吸気通路６から排気通路８へ吹き抜ける新気の吹き抜ける量（掃気量）を減算した量となり、筒内空燃比は所望の空燃比よりもリッチになる。
【００４６】
本実施例では、内燃機関１がバルブオーバーラップが設定される運転状態である場合、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に対し、所定の空燃比となるような燃料量（バルブオーバーラップが設定される運転状態における基本燃料噴射量）を噴射するように適合しておき、その上で最終掃気率と、そのときの筒内目標空燃比に基づいて、この所定の空燃比となるような燃料量を補正する。換言すると、エアフローメータ３６で検出された吸入空気量に対し、機関回転数と負荷に基づいて算出したトータル空燃比（適合時のｔｏｔａｌ Ａ／Ｆ）となるように基本燃料噴射量が設定され、かつこの基本燃料噴射量を最終掃気率と筒内目標空燃比とに基づいて補正する。このトータル空燃比は、バルブオーバーラップが設定される運転状態においては、例えば、Ａ／Ｆセンサ３０で検出される空燃比（排気空燃比）が三元触媒２８、２９での酸化反応が過度に促進されないような所定のリーン空燃比となるように設定されている。
【００４７】
最終掃気率を用いて基本燃料噴射量を補正する際に、基本燃料噴射量から最終掃気率に応じた燃料量を減算しただけでは、筒内空燃比がトータル空燃比となり、排気空燃比がトータル空燃比よりもリーンになる。そこで、本実施例では、基本燃料噴射量から最終掃気率に応じた燃料量を減算したものを筒内空燃比の目標値とトータル空燃比との比率に応じてさらに補正することで、筒内空燃比が目標筒内空燃比となるようにしている。
【００４８】
図５は、燃料噴射量の演算内容を示すブロック図である。Ｓ１では、吸気カム角センサ１８で検出された吸気弁閉時期からこのときのピストン冠面位置を算出して、吸気弁閉時期におけるシリンダ容積を算出する。Ｓ２では、吸気コレクタ３９内の空気温度と、吸気コレクタ３９内の空気圧力（過給圧）から、シリンダ２内に流入する空気の空気密度を算出する。Ｓ３では、Ｓ２で算出したシリンダ容積とＳ３で算出した空気密度を乗算して筒内トラップ空気量を算出する。Ｓ４では、エアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量からＳ３で算出された筒内トラップ空気量を減算して計測掃気量を算出する。Ｓ５では、Ｓ３で算出された計測掃気量をＡＦＭ計測空気量で除算して、計測掃気率を算出する。
【００４９】
Ｓ６では、吸気コレクタ３９内の空気圧力（過給圧）と、排気上死点の前後で吸気弁５と排気弁７とがともに開弁している期間であるバルブオーバーラップ量と、現在の内燃機関１の機関回転数とから推定掃気率を算出する。
【００５０】
Ｓ７では、Ｓ５で算出された計測掃気率とＳ６で算出された推定掃気率の大小を比較し、値が大きい方を最終掃気率とする。Ｓ８では、Ｓ７で算出された最終掃気率を用いて、エアフローメータ３６で検出されたＡＦＭ計測空気量に対する筒内トラップ空気量の割合を算出する。つまり、基本燃料噴射量と、基本燃料噴射量から新気の吹き抜ける量（掃気量）に応じて分の燃料量を減算した燃料量との割合を算出する。Ｓ９では、トータル空燃比を筒内目標空燃比で除算することで、筒内空燃比が目標筒内空燃比となるようにするための補正係数を算出する。Ｓ１０では、Ｓ８で算出されたＡＦＭ計測空気量に対する筒内トラップ空気量の割合と、Ｓ９で算出された筒内空燃比が目標筒内空燃比となるようにするための補正係数と、を乗算して燃料噴射量補正係数を算出する。この燃料噴射量補正係数は、Ｓ７で算出された最終掃気率のときに、筒内が目標筒内空燃比となるように基本燃料噴射量を補正するものである。
【００５１】
そして、Ｓ１１では、基本燃料噴射量を噴射するために必要な燃料噴射パルス幅と、Ｓ１０で算出された燃料噴射量補正係数とを乗算する。すなわち、基本燃料噴射量を補正して、Ａ／Ｆセンサ３０で検出される空燃比がストイキよりもリーン側となり、かつ筒内空燃比が筒内目標空燃比となるように、基本燃料噴射量をＳ１０で算出された燃料噴射量補正係数を用いて補正する。
【００５２】
図５に示す演算は、ＥＣＭ６０内で演算されるものであり、この演算におけるＳ１〜Ｓ５が計測掃気率を演算する計測掃気率演算部、Ｓ６が推定掃気率を演算する推定掃気率演算部、Ｓ７〜Ｓ１０が燃料噴射量補正係数を演算する燃料噴射量補正係数演算部とみなすことができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…内燃機関
２…シリンダ
５…吸気弁
６…吸気通路
７…排気弁
８…排気通路
１２…クランクシャフト
１５…可変動弁機構
１８…吸気カム角センサ
２０…可変動弁機構
２３…排気カム角センサ
２８…三元触媒
２９…三元触媒
３０…Ａ／Ｆセンサ
３６…エアフローメータ
３８…スロットル弁
３９…吸気コレクタ
４９…吸気温センサ
５０…吸気圧力センサ
６０…ＥＣＭ
６１…クランク角センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダに流入する空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
上記吸入空気量検出手段で検出された空気量に基づいて上記内燃機関における基本燃料噴射量を算出する基本燃料噴射量算出手段と、
上記シリンダに流入する空気量と、上記シリンダに流入した空気量のうち当該シリンダ内にトラップされずに排気通路へ流出する空気量との比率である掃気率に基づいて上記基本燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段と、
吸気弁の閉時期を検出する吸気弁閉時期検出手段と、
上記シリンダに流入する空気の温度を検出する吸入空気温度検出手段と、
上記シリンダに流入する空気の圧力を検出する吸入空気圧力検出手段と、
上記吸気弁と排気弁とがともに開となるバルブオーバーラップ期間の長さを検出するバルブオーバーラップ期間検出手段と、
上記内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出手段と、
上記吸気弁の閉時期と、上記シリンダに流入する空気の温度と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記吸入空気量検出手段で検出されたシリンダに流入する空気量と、に基づいて第１掃気率を算出する第１掃気率算出手段と、
上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記バルブオーバーラップ期間の長さと、上記機関回転数と、に基づいて第２掃気率を算出する第２掃気率算出手段と、を備え、
上記燃料噴射量補正手段は、上記第１掃気率及び上記第２掃気率のうちの大きい方を用いて上記基本燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
上記第１掃気率算出手段は、上記吸気弁の閉時期に基づいて吸気弁閉時期におけるシリンダ容積を算出し、上記シリンダに流入する空気の温度及び圧力に基づいて当該シリンダに流入する空気の空気密度を算出し、上記シリンダ容積と上記空気密度とに基づいて当該シリンダにトラップされるシリンダトラップ空気量を算出し、上記シリンダトラップ空気量と上記吸入空気量検出手段で検出された空気量とに基づいて上記第１掃気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制御装置。
【請求項３】
上記第２掃気率算出手段で算出される第２掃気率は、機関回転数が一定であるとき、上記シリンダに流入する空気の圧力が高くなるほど、または上記バルブオーバーラップ期間が長くなるほど、大きくな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。
【請求項４】
上記第１掃気率と上記第２掃気率とが予め設定された所定値以上互いに乖離した場合には、上記第１掃気率及び上記第２掃気率の算出に必要なパラメータを検出する上記各検出手段のいずれかに異常があると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
内燃機関のシリンダに流入する空気量に基づいて算出された基本燃料噴射量を、内燃機関のシリンダに流入する空気量と、上記シリンダに流入した空気量のうち当該シリンダ内にトラップされずに排気通路へ流出する空気量との比率である掃気率に基づいて補正する燃料噴射量補正手段と、
吸気弁の閉時期と、上記シリンダに流入する空気の温度と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記シリンダに流入する空気量と、に基づいて第１掃気率を算出する第１掃気率算出手段と、
上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記吸気弁と排気弁とがともに開となるバルブオーバーラップ期間の長さと、上記内燃機関の機関回転数と、に基づいて第２掃気率を算出する第２掃気率算出手段と、を備え、
上記燃料噴射量補正手段は、上記第１掃気率及び上記第２掃気率のうちの大きい方を用いて上記基本燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１】
内燃機関のシリンダに流入する空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
上記吸入空気量検出手段で検出された空気量に基づいて上記内燃機関における基本燃料噴射量を算出する基本燃料噴射量算出手段と、
上記シリンダに流入する空気量と、上記シリンダに流入した空気量のうち当該シリンダ内にトラップされずに排気通路へ流出する空気量との比率である掃気率に基づいて上記基本燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段と、
吸気弁の閉時期を検出する吸気弁閉時期検出手段と、
上記シリンダに流入する空気の温度を検出する吸入空気温度検出手段と、
上記シリンダに流入する空気の圧力を検出する吸入空気圧力検出手段と、
上記吸気弁と排気弁とがともに開となるバルブオーバーラップ期間の長さを検出するバルブオーバーラップ期間検出手段と、
上記内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出手段と、
上記吸気弁の閉時期と、上記シリンダに流入する空気の温度と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記吸入空気量検出手段で検出されたシリンダに流入する空気量と、に基づいて第１掃気率を算出する第１掃気率算出手段と、
上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記バルブオーバーラップ期間の長さと、上記機関回転数と、に基づいて第２掃気率を算出する第２掃気率算出手段と、を備え、
上記燃料噴射量補正手段は、上記第１掃気率及び上記第２掃気率のうちの大きい方を用いて上記基本燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
上記第１掃気率算出手段は、上記吸気弁の閉時期に基づいて吸気弁閉時期におけるシリンダ容積を算出し、上記シリンダに流入する空気の温度及び圧力に基づいて当該シリンダに流入する空気の空気密度を算出し、上記シリンダ容積と上記空気密度とに基づいて当該シリンダにトラップされるシリンダトラップ空気量を算出し、上記シリンダトラップ空気量と上記吸入空気量検出手段で検出された空気量とに基づいて上記第１掃気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制御装置。
【請求項３】
上記第２掃気率算出手段で算出される第２掃気率は、機関回転数が一定であるとき、上記シリンダに流入する空気の圧力が高くなるほど、または上記バルブオーバーラップ期間が長くなるほど、大きくな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。
【請求項４】
上記第１掃気率と上記第２掃気率とが予め設定された所定値以上互いに乖離した場合には、上記第１掃気率及び上記第２掃気率の算出に必要なパラメータを検出する上記各検出手段のいずれかに異常があると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
内燃機関のシリンダに流入する空気量に基づいて算出された基本燃料噴射量を、内燃機関のシリンダに流入する空気量と、上記シリンダに流入した空気量のうち当該シリンダ内にトラップされずに排気通路へ流出する空気量との比率である掃気率に基づいて補正する燃料噴射量補正手段と、
吸気弁の閉時期と、上記シリンダに流入する空気の温度と、上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記シリンダに流入する空気量と、に基づいて第１掃気率を算出する第１掃気率算出手段と、
上記シリンダに流入する空気の圧力と、上記吸気弁と排気弁とがともに開となるバルブオーバーラップ期間の長さと、上記内燃機関の機関回転数と、に基づいて第２掃気率を算出する第２掃気率算出手段と、を備え、
上記燃料噴射量補正手段は、上記第１掃気率及び上記第２掃気率のうちの大きい方を用いて上記基本燃料噴射量を補正することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１３１７２（Ｐ２０１３−１１３１７２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８３８９（Ｐ２０１１−２５８３８９）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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