JP2005083240A - 内燃機関の吸入空気量推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スロットル弁下流側の吸気圧を変数とする一次式を使用して吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量推定装置において、機関始動直後でも従来に比較して正確な吸入空気量の算出を可能とする。
【解決手段】 スロットル弁６下流側の吸気圧を変数として吸入空気量を算出するための一次関数を機関運転状態に基づき特定し、特定された一次関数により吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量推定装置において、この一次関数は、機関温度に基づく吸気加熱温度をも考慮して特定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量推定装置に関する。

正確な空燃比制御を実現するためには吸入空気量を正確に把握することが必要である。吸入空気量を検出するために機関吸気系にエアフローメータを配置することが一般的であるが、エアフローメータは応答遅れを有するために、機関定常時において比較的正確な吸入空気量を検出することはできても、機関過渡時においては不正確な吸入空気量しか検出することができない。

機関過渡時においても比較的正確な吸入空気量を把握するために、機関吸気系をモデル化して吸入空気量を逐次計算することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この吸入空気量推定装置において、吸入空気量はスロットル弁下流側の吸気圧に基づき一次関数により算出される。吸入空気量の算出に使用される一次関数は機関運転状態毎に変化するものであり、一次関数を特定するための係数及び定数を機関回転数毎及びバルブオーバーラップ期間毎に適合させてマップ化している。

このマップ化に際して、係数及び定数は暖機後の特定機関温度における内燃機関に対して設定されるために、機関始動直後において、現在の機関運転状態に基づき特定された一次関数を使用しても正確な吸入空気量を算出することができないことがある。

特開２００１−４１０９５号公報 特開２００２−３３２８８４号公報

従って、本発明の目的は、スロットル弁下流側の吸気圧を変数とする一次式を使用して吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量推定装置において、機関始動直後でも従来に比較して正確な吸入空気量の算出を可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、スロットル弁下流側の吸気圧を変数として吸入空気量を算出するための一次関数を機関運転状態に基づき特定し、特定された一次関数により吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量推定装置において、前記一次関数は、機関温度に基づく吸気加熱温度をも考慮して特定されることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、スロットル弁下流側の吸気圧を変数として吸入空気量を算出するための一次関数を機関運転状態に基づき特定し、特定された一次関数により吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量推定装置において、算出された前記吸入空気量は、機関温度に基づく吸気加熱温度に基づき補正されることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、請求項１又は２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置において、前記機関温度は、冷却水温又は潤滑油温度に基づき決定されることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置は、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置において、前記吸気加熱温度は、前記機関温度と大気温度とに基づき決定されることを特徴とする。

請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置によれば、吸入空気量を算出するための一次関数は、機関運転状態だけでなく、機関温度に基づく吸気加熱温度をも考慮して特定されるために、機関始動直後において機関温度が低くて吸気を余り熱膨張させない場合にも正確な吸入空気量の算出が可能となる。

また、請求項２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置によれば、機関運転状態に基づき特定された一次関数を使用して算出された吸入空気量は、機関温度に基づく吸気加熱温度に基づき補正されるために、機関始動直後において機関温度が低くて吸気を余り熱膨張させない場合にも正確な吸入空気量の算出が可能となる。

図１は、本発明による制御装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気枝管であり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。各吸気枝管３には燃料噴射弁５が配置され、吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁６が配置されている。ここで、スロットル弁６は、アクセルペダルに連動するものではなく、ステップモータ等の駆動装置によって自由に開度設定可能なものとしたが、アクセルペダルに連動するものでも良い。スロットル弁６には、スロットル弁開度を測定するためのスロットル弁開度センサが取り付けられている。機関本体１において、８は吸気弁であり、９は排気弁であり、１０はピストンである。

内燃機関１における燃焼空燃比を、例えば、理論空燃比等の所望空燃比にするためには、機関過渡時を含めて気筒内へ流入する吸入空気量を正確に推定することが必要とされる。本実施形態は、機関吸気系をモデル化して計算により吸入空気量を推定するようにしている。

先ず、スロットル弁６をモデル化することにより、吸気がスロットル弁６を通過する際のエネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式を使用して、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)（ｇ／ｓｅｃ）を、次式（１）によって表すことができる。以下の式を含めて、スロットル弁通過空気量等の変数の添え字（ｉ）は今回を示し、（ｉ−１）は前回を示している。

ここで、μ_(i)は流量係数であり、Ａ_(i)はスロットル弁６の開口面積（ｍ²）である。もちろん、機関吸気系にアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ弁）が設けられている時には、Ａ_(i)には、ＩＳＣ弁の開口面積が加えられる。流量係数及びスロットル弁の開口面積は、それぞれがスロットル弁開度ＴＡ_(i)（度）の関数となっており、図２及び３には、それぞれのスロットル弁開度ＴＡに対するマップが図示されている。Ｒは気体定数である。Ｔａはスロットル弁上流側の吸気温度（Ｋ）であり、吸気通路４のスロットル弁上流側において測定しても良いが、大気温度とすることも可能である。また、Ｐａｃはスロットル弁上流側の吸気通路圧力（ｋＰａ）（以下、上流側圧力と称する）であり、Ｐｍ_(i)はスロットル弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）（以下、下流側圧力と称する）である。また、関数Φ（Ｐｍ_(i)／Ｐａｃ）は、比熱比κを使用して次式（２）によって表されるものであり、図４にはＰｍ／Ｐａｃに対するマップが図示されている。

上流側圧力Ｐａｃは、大気圧としても良いが、機関吸気系の最上流部にはエアクリーナが設けられており、厳密には、大気圧からエアクリーナの圧力損失を減算して算出することが好ましい。エアクリーナの圧力損失は、エアクリーナを通過する空気流量に基づき、ベルヌーイの定理により算出することができる。この空気流量は、エアクリーナの直下流側にエアフローメータが設けられている場合には、その出力値とすることができ、また、式（１）により算出した前回のスロットル弁通過空気量としても良い。

次いで、吸気弁をモデル化する。気筒内へ供給される吸入空気量ｍｃ_(i)（ｇ／ｓｅｃ）は、下流側圧力Ｐｍ_(i)に基づきほぼ線形に変化するものであるために、次式（３）に示す一次式によって表すことができる。

ここで、Ｔｍ_(i)はスロットル弁下流側の吸気温度（Ｋ）であり、式（３）を特定するための係数ａ及び定数ｂは、内燃機関毎に適合させて設定される適合値である。ここで、ｂは気筒内の残留既燃ガス量に相当する値であり、バルブオーバーラップ期間が長いほど吸気管へ多量の既燃ガスが逆流するために増加する。それにより、正確な吸入空気量ｍｃを算出するためには、これらの係数ａ及び定数ｂは、機関状態毎に設定されることが好ましい。すなわち、機関回転数毎だけでなく、内燃機関が可変バルブタンミング機構を有する場合にはバルブオーバーラップ量毎及び吸気弁の最大リフト量毎、また、その他の吸入空気量に影響する制御装置が設けられている場合にはその制御量毎に、吸入空気量ｍｃを算出するための一次式を特定する係数ａ及び定数ｂの値をマップ化することが好ましい。

次いで、吸気管をモデル化する。吸気管内に存在する吸気の質量保存則、エネルギ保存則、及び、状態方程式を使用して、下流側圧力Ｐｍとスロットル弁下流側の吸気温度Ｔｍとの比における時間変化率は次式（４）によって表され、また、下流側圧力Ｐｍの時間変化率は次式（５）によって表される。ここで、Ｖは、機関吸気系のスロットル弁６下流側における吸気管の容積（ｍ³）であり、具体的には、吸気通路４のスロットル弁６下流側とサージタンク２と吸気枝管３との合計容積である。

式（４）及び式（５）は離散化され、それぞれ、次式（６）及び（７）が得られ、式（７）によって今回の下流側圧力Ｐｍ_(i)が得られれば、式（６）によって今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)を得ることができ、また、式（１）によって現在のスロットル弁の開口面積Ａ_(i)及び現在の流量係数μ_(i)に基づき今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)を得ることができる。さらに、式（３）によって、今回の吸気温度Ｔｍ_(i)及び今回の下流側圧力Ｐｍ_(i)に基づき今回の吸入空気量ｍｃ_(i)を得ることができる。次の計算時期においては、下流側圧力、吸気温度、スロットル弁通過空気量、吸入空気量をそれぞれ前回値として、式（７）により今回の下流側圧力Ｐｍ_(i)を算出する。これを繰り返して吸入空気量ｍｃを逐次計算する。式（６）及び（７）において、離散時間Δｔは、吸入空気量ｍｃを算出する時間間隔とされ、例えば８ｍｓである。また、スロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)の算出に使用する今回のスロットル弁の開口面積Ａ_(i)及び流量係数μ_(i)は、現在のアクセルペダルの踏み込み量に対してスロットル弁の駆動装置（ステップモータ）の応答遅れ等が考慮されて推定される。

ところで、式（６）において算出される吸気管内の吸気温度Ｔｍは、吸気管内の断熱圧縮の結果として算出される値であり、吸気管との間の熱の授受は全く考えられていない。また、吸入空気量ｍｃを算出するための式（３）において、この一次式を特定するための係数ａ及び定数ｂは、一般的に、暖機後の特定機関温度において機関運転状態毎に設定されたものであり、すなわち、吸気は、暖機後の特定機関温度となっている吸気枝管５（特に、シリンダヘッド内の吸気通路）から受熱して熱膨張することが前提とされている。それにより、現在の機関温度が、係数ａ及び定数ｂを設定した時の暖機後の特定機関温度（例えば、冷却水温度が９０°Ｃ）であれば、特に問題はないが、機関始動直後のように暖機以前であると、吸気枝管内の吸気は余り熱膨張せず、現在の機関運転状態に基づく係数ａ及び定数ｂにより特定された一次式を使用して、暖機後の特定機関温度に対する熱膨張を前提とした吸入空気量ｍｃが算出されても、実際より少ない吸入空気量となってしまう。

この問題を解決するために、本実施形態では、機関運転状態毎だけでなく、機関温度毎にも吸入空気量を算出するための一次式を特定するための係数ａ及び定数ｂをマップ化し、現在の機関運転状態と現在の機関温度とに基づき選択された係数ａ及び定数ｂを使用して、一次式（３）を特定している。このようなマップ化により、機関温度が低いほど、吸気の熱膨張の程度が小さくなることが考慮され、算出される吸入空気量が実際に合わせて多くなるように、一次式が特定されるようになる。

また、次式（８）のように、現在の機関運転状態により特定された式（３）を補正係数Ｋにより乗算補正して吸入空気量を算出するようにしても良い。この補正係数Ｋは、機関温度が低いほど大きくされ、係数ａ及び定数ｂを設定した時の暖機後の特定機関温度となれば１とされる。

前述した機関温度は、実際的には、冷却水温センサにより検出される冷却水温度又は油温センサにより検出される潤滑油温度等により代表することができる。図５は、機関温度として冷却水温度ＴＨＷを使用した場合の補正係数Ｋのマップである。図５において、係数ａ及び定数ｂを設定した時の特定機関温度に対応する冷却水温度（例えば、９０°Ｃ）の時には補正係数Ｋは１とされ、それ以上の冷却水温度の時には補正係数を１としても良いが、厳密には、この時において、吸気はさらに熱膨張することとなるために、点線で示すように、補正係数Ｋを１より小さな値としても良い。

このように、機関温度を吸気加熱温度として、それが低いほど、吸気枝管からの受熱による吸気の熱膨張の程度が小さくなって吸入空気量が増大するとしても、従来に比較して正確な吸入空気量を算出することができる。しかしながら、吸気の熱膨張の程度は、厳密には、機関温度と大気温度との差に基づくものである。すなわち、同じ機関温度に対して、大気温度が高く、この差が小さければ、吸気の熱膨張の程度は小さくなる。それにより、吸気加熱温度を、機関温度と大気温度との差とすることが好ましい。

図６は、吸気加熱温度を機関温度と大気温度との差ＴＤとした時の前述同様な補正係数Ｋ’のマップである。もちろん、この補正係数Ｋ’によって式（３）を乗算補正するのではなく、吸入空気量を算出するための一次式を特定するための係数ａ及び定数ｂを、機関運転状態毎及びこの差ＴＤ毎にマップ化するようにしても良い。また、差ＴＤを算出するのに、大気温度に代えて、大気温度Ｔａに基づき式（６）により算出される吸気管内の吸気温度Ｔｍとしても良い。本実施形態においては、吸入空気量ｍｃを算出するための下流側圧力Ｐｍをスロットル弁通過空気量ｍｔ等に基づき算出するようにしたが、もちろん、下流側圧力Ｐｍを圧力センサにより実測して、これを吸入空気量ｍｃの算出に使用しても良い。この場合においても前述の考え方を適用することで、機関始動直後において正確な吸入空気量の算出が可能となる。

ところで、燃焼空燃比を正確に制御するためには、燃料噴射を開始する以前に気筒内への正確な吸入空気量を推定して、燃料噴射量を決定しなければならない。しかしながら、正確な吸入空気量を推定するためには、厳密には、吸気弁閉弁時における吸入空気流量を算出しなければならない。すなわち、燃料噴射量を決定する時において、現在の吸入空気量ｍｃ_(i)ではなく、吸気弁閉弁時における吸入空気量ｍｃ_(i+n)を算出しなければならない。これは、図１に示すような吸気枝管３に燃料を噴射する内燃機関だけでなく、吸気行程において筒内へ直接燃料を噴射する内燃機関においても同様である。

そのためには、現在において、現在のスロットル弁の開口面積Ａ_(i)（又は開度）だけでなく、吸気弁閉弁時までの時間Δｔ毎のスロットル弁の開口面積Ａ_(i+1)，Ａ_(i+2)，・・・Ａ_(i+n)に基づき、式（１１）において定常下流側圧力Ｐｍｔａを変化させ、各時間のスロットル弁通過空気量ｍｔを算出することが必要となる。

各時間のスロットル弁の開口面積Ａ（又は開度ＴＡ）は、現在の時間に対するアクセルペダルの踏み込み変化量に基づき、この踏み込み変化量が吸気弁閉弁時まで持続するとして、各時間のアクセルペダルの踏み込み量を推定し、それぞれの推定踏み込み量に対して、スロットル弁アクチュエータの応答遅れを考慮して決定することが考えられる。この方法は、スロットル弁がアクセルペダルと機械的に連結されている場合にも適用することができる。

しかしながら、こうして推定される吸気弁閉弁時におけるスロットル弁の開口面積Ａ_(i+n)は、あくまでも予測であり、実際と一致している保証はない。吸気弁閉弁時におけるスロットル弁の開口面積Ａ_(i+n)を実際と一致させるために、スロットル弁を遅れ制御するようにしても良い。アクセルペダルの踏み込み量が変化した時に、アクチュエータの応答遅れによって、スロットル弁開度は遅れて変化するが、この遅れ制御は、このスロットル弁の応答遅れを意図的に増大させるものである。

例えば、機関過渡時において、燃料噴射量を決定する時における現在のアクセルペダルの踏み込み量に対応するスロットル弁開度が、吸気弁閉弁時に実現されるように、実際の応答遅れ（無駄時間）を考慮してスロットル弁のアクチュエータを制御すれば、現在から吸気弁閉弁時までの時間毎のスロットル弁の開口面積Ａ_(i)，Ａ_(i+1)，・・・Ａ_(i+n)を正確に把握することができる。さらに具体的に言えば、アクセルペダルの踏み込み量が変化する時には、直ぐにアクチュエータへ作動信号を発するのではなく、燃料噴射量を決定する時から吸気弁閉弁時までの時間から無駄時間を差し引いた時間だけ経過した時にアクチュエータへの作動信号を発するようにするのである。もちろん、現在のアクセルペダルの踏み込み量に対応するスロットル弁開度を、吸気弁閉弁時以降に実現するようにスロットル弁の遅れ制御を実施しても良い。

本発明による吸入空気量推定装置が取り付けられる内燃機関の概略図である。 スロットル弁開度ＴＡと流量係数μとの関係を示すマップである。 スロットル弁開度ＴＡとスロットル弁の開口面積Ａとの関係を示すマップである。 吸気管圧力Ｐｍと上流側圧力Ｐａｃとの比と、関数Φとの関係を示すマップである。 機関温度と補正係数との関係を示すマップである。 機関温度と大気温度との差と補正係数との関係を示すマップである。

符号の説明

１…機関本体
２…サージタンク
３…吸気枝管
４…吸気通路
６…スロットル弁

Claims (4)

1. スロットル弁下流側の吸気圧を変数として吸入空気量を算出するための一次関数を機関運転状態に基づき特定し、特定された一次関数により吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量推定装置において、前記一次関数は、機関温度に基づく吸気加熱温度をも考慮して特定されることを特徴とする内燃機関の吸入空気量推定装置。
2. スロットル弁下流側の吸気圧を変数として吸入空気量を算出するための一次関数を機関運転状態に基づき特定し、特定された一次関数により吸入空気量を算出する内燃機関の吸入空気量推定装置において、算出された前記吸入空気量は、機関温度に基づく吸気加熱温度に基づき補正されることを特徴とする内燃機関の吸入空気量推定装置。
3. 前記機関温度は、冷却水温又は潤滑油温度に基づき決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
4. 前記吸気加熱温度は、前記機関温度と大気温度とに基づき決定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。

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