CN100439677C - 内燃机的进气量控制装置及进气量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内燃机的进气量控制装置及方法，其为一种在具有节气阀和与其协作的进气量可变机构的内燃机中控制进气量的装置及方法，其中，基于加速器开度和内燃机转速求出目标进气量mcta(步骤101)，至少基于所述目标进气量确定所述进气量可变机构的目标设定状态Cvta(步骤103)，由所述目标进气量mcta和所述目标设定状态Cvta，根据将内燃机进气系统模型化而对通过该内燃机进气系统的空气进行表示的模型公式求出目标节气阀开度θtta(步骤107)。

Description

内燃机的进气量控制装置及进气量控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机的进气量控制装置及进气量控制方法。

背景技术

近年来，以燃料费的改善等为目的，通过节气阀和其它机构的协调控制来控制进气量的内燃机是公知的。作为上述机构的例子，代表性的有控制进气阀和排气阀的开阀特性的可变阀动机构，其它的还有气缸数可变机构和排气量可变机构等。

而且，一般地，这种控制进气量的附加机构与对应加速器开度等设定的进气量(即，目标进气量)和内燃机的运转状态对应，将燃料费、排放、扭矩变动等条件设定成综合考虑最适当的状态，但是，内燃机本身期待进行与驾驶者的加速操作对应的运转(或扭矩产生)，所以无论将上述机构设定成哪种状态，也需要实现与加速器开度对应的上述目标进气量。即，对应上述机构的设定状态求出实现上述目标进气量的节气阀开度(即，目标节气阀开度)，将节气阀的开度调整到该开度。

作为求节气阀的目标开度的方法，例如在特开2002-309993号公报中公开了一种方法，其中使用进气系统模型顺次由加速器开度计算要求扭矩，由要求扭矩计算目标进气量，由目标进气量计算目标进气压力，由目标进气压力计算节气阀的目标开度。但是，在特开2002-309993号公报中公开的方法为仅通过节气阀控制进气量的情况，不能应对具有上述控制进气量的附加机构的情况对应。

另一方面，作为能对应具有上述机构的情况的求节气阀的目标开度的方法，具有下述方法：事先作成将表示目标进气量、运转状态的各指标作为自变量的目标开度的映射，然后根据该映射求出。但是，实际上为了作成这种映射，需要大量的时间。特别是在具有上述机构的情况中，表示该设定状态的指标作为表示上述运转状态的指标加入，所以制作映射操作的工时非常大。而且，为了降低映射制作操作的工时而减少自变量或实测点时中，会担心得到的目标开度的精度降低。

发明内容

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种内燃机的进气量控制装置及进气量控制方法，具有节气阀和与该节气阀协作的进气量可变机构，其中，通过没有上述问题的新方法求出与进气量可变机构的设定状态对应的节气阀目标开度。

作为解决上述问题的手段，本发明提供了如发明内容中的各技术方案所述的内燃机的进气量控制装置或进气量控制方法。

在本发明的第一种形式中，提供了一种内燃机的进气量控制装置，是一种在具有节气阀和与该节气阀协作的进气量可变机构的内燃机中控制进气量的装置，具有使内燃机进气系统模型化而对通过该内燃机进气系统的空气进行表示的模型公式，还具有根据加速器开度和内燃机转速求出目标进气量的机构；至少根据上述目标进气量确定关于上述进气量可变机构的目标设定状态的机构；和由上述目标进气量及上述目标设定状态，根据上述模型公式求出实现上述目标进气量的节气阀开度、即目标节气阀开度的机构。

根据本形式，在具有节气阀和与该节气阀协作的进气量可变机构的内燃机中，由上述目标进气量和上述目标设定状态，根据使内燃机进气系统模型化而对通过该进气系统的空气进行表示的模型公式求出控制进气量时的上述目标节气阀开度。因此，与现有的装置相比，可以省去制作求上述目标节气阀开度所必需的映射所用的工时，而且，能精度较高地求出上述目标节气阀开度。

另外，在本说明书中，所谓的进气量指内燃机工作中吸入全部气缸的燃烧室内的空气量。因此，例如可以通过使一部分气缸休止来改变上述进气量。而且，上述进气量例如可以由缸内填充空气量、缸内吸入空气流量、缸内空气填充率等表示。

在本发明的第二种形式中，求出目标节气阀开度的上述机构具有根据上述目标进气量和上述目标设定状态，在将上述进气量可变机构设定成上述目标设定状态时求出实现上述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力的机构；及根据上述目标进气量和上述目标进气管内压力求出上述目标节气阀开度的机构。

根据本形式可以得到和第一种形式基本相同的作用和效果。

在本发明的第三种形式中，作为上述模型公式，具有对应节气阀开度确定的第1公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和节气阀通过空气流量的关系；及至少对应上述进气量可变机构的设定状态和内燃机转速确定的第2公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和缸内吸入空气流量的关系。

根据本形式可以得到和第一种形式基本相同的作用和效果。

在本发明的第四种形式中，求出目标进气量的上述机构，具有根据上述加速器开度和上述内燃机转速，求出在将上述进气量可变机构设定成预先规定的基准状态时的目标节气阀开度、即基准目标节气阀开度的机构，当根据由该机构求出的基准目标节气阀开度所确定的上述第1公式求出的节气阀通过空气流量、和将上述进气量可变机构设定成上述基准状态并根据至少由内燃机转速确定的上述第2公式求出的缸内吸入空气流量，相对于同一节气阀下游侧进气管内压力变得相等时，求出此时的上述缸内吸入空气流量，将该缸内吸入空气流量作为目标进气量，或者将换算该缸内吸入空气流量的值作为目标进气量。

根据本形式，可以设定以驾驶者的意图为准则的目标进气量。

在本发明的第五种形式中，求出目标节气阀开度的上述机构，具有根据上述目标进气量和上述目标设定状态，在将上述进气量可变机构设定成上述目标设定状态时求出实现上述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力的机构，该机构将上述进气量可变机构设定成上述目标设定状态并将由缸内吸入空气流量表示的上述目标进气量代入至少由内燃机转速确定的上述第2公式中，以求出上述目标进气管内压力。

根据本形式，在求上述目标节气阀开度的过程中，能通过比较简单的计算求出上述目标进气管内压力。

在本发明的第六种形式中，求出目标节气阀开度的上述机构，进一步具有根据上述目标进气量和上述目标进气管内压力求出上述目标节气阀开度的机构，该机构使用由缸内吸入空气流量表示的上述目标进气量及上述目标进气管内压力，根据上述第1公式求出上述目标节气阀开度。

根据本形式可以得到和第一种形式基本相同的作用和效果。

在本发明的第七种形式中，上述进气量可变机构为控制进气阀及排气阀中至少一方的开阀特性的开阀特性控制机构。

根据本形式，在具有节气阀和上述开阀特性控制机构的内燃机中控制进气量时的上述目标节气阀开度，由上述目标进气量和上述目标设定状态(更详细地说是目标开阀特性)，根据使内燃机进气系统模型化而对通过该内燃机进气系统的空气进行表示的模型公式求出。这样，与现有的装置相比，可以减少制作用于求出上述目标节气阀开度所必需的映射的工时，而且，能精度较高地求出上述目标节气阀开度。另外，在本说明书中，所谓开阀特性是指阀升程量、作用角、气阀的开闭时序中的一个或多个。

在本发明的第八种形式中，提供了一种内燃机的进气量控制方法，是一种在具有节气阀和与该节气阀协作的进气量可变机构的内燃机中控制进气量的方法，具有下述步骤：根据加速器开度和内燃机转速求出目标进气量的步骤；至少根据上述目标进气量确定关于上述进气量可变机构的目标设定状态的步骤；和由上述目标进气量和上述目标设定状态，根据使内燃机进气系统模型化而对通过该内燃机进气系统的空气进行表示的模型公式求出实现上述目标进气量的节气阀开度、即目标节气阀开度的步骤。

根据本形式，可以得到和第一种形式基本相同的作用及效果。

在本发明的第九种形式中，求出目标节气阀开度的上述步骤，包括根据上述目标进气量和上述目标设定状态，在将上述进气量可变机构设定成上述目标设定状态时求出实现上述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力；及根据上述目标进气量和上述目标进气管内压力求出上述目标节气阀开度的步骤。

根据本形式可以得到和第一种形式基本相同的作用和效果。

在本发明的第十种形式中，作为上述模型公式，至少使用对应节气阀开度确定的第1公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和节气阀通过空气流量的关系；及至少对应上述进气量可变机构的设定状态和内燃机转速确定的第2公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和缸内吸入空气流量的关系。

根据本形式可以得到和第一种形式基本相同的作用和效果。

在本发明的第十一种形式中，求出目标进气量的上述步骤包括：根据上述加速器开度和上述内燃机转速，求出在将上述进气量可变机构设定成预先规定的基准状态时的目标节气阀开度、即基准目标节气阀开度的步骤；在求出目标进气量的上述步骤中，当根据由上述基准目标节气阀开度确定的上述第1公式求出的节气阀通过空气流量、和将上述进气量可变机构设定成上述基准状态并根据至少由内燃机转速确定的上述第2公式求出的缸内吸入空气流量，相对于同一节气阀下游侧进气管内压力变得相等时，求出此时的上述缸内吸入空气流量，将该缸内吸入空气流量作为目标进气量，或者将换算该缸内吸入空气流量的值作为目标进气量。

根据本形式，可以设定以驾驶者的意图为准则的目标进气量。

在本发明的第十二种形式中，求出目标节气阀开度的上述步骤包括：根据上述目标进气量和上述目标设定状态，在将上述进气量可变机构设定成上述目标设定状态时求出实现上述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力的步骤；在该步骤中，将上述进气量可变机构设定成上述目标设定状态并将由缸内吸入空气流量表示的上述目标进气量代入至少由内燃机转速确定的上述第2公式中，以求出上述目标进气管内压力。

根据本形式，在求出上述目标节气阀开度的过程中，能通过比较简单的计算求出上述目标进气管内压力。

在本发明的第十三种形式中，求出目标节气阀开度的上述步骤进一步包括：根据上述目标进气量和上述目标进气管内压力求出上述目标节气阀开度的步骤；在该步骤中，使用由缸内吸入空气流量表示的上述目标进气量及上述目标进气管内压力，根据上述第1公式求出上述目标节气阀开度。

根据本形式可以得到和第一种形式基本相同的作用和效果。

在本发明的第十四种形式中，上述进气量可变机构为控制进气阀及排气阀中至少一方的开阀特性的开阀特性控制机构。

根据本形式，可以得到和第七种形式基本相同的作用和效果。

下面，可以根据附图和本发明的优选实施方式的说明进一步充分理解本发明。

附图说明

图1为表示将本发明应用到缸内喷射型火花点火式内燃机的情况的一例的示意图。

图2为表示伴随阀升程量改变装置的动作，进气阀的阀升程量及作用角改变的样子的图。

图3为表示伴随开闭时序变化装置的动作，进气阀的开闭时序变化的样子的图。

图4为表示节气阀开度和流量系数的关系的图。

图5为表示函数φ(Pm/Pac)的图。

图6为表示节气阀模型的基本概念的图。

图7为表示进气管模型的基本概念的图。

图8为表示进气阀模型的基本概念的图。

图9为与缸内填充空气量及缸内吸入空气流量的定义相关的图。

图10为表示本发明一实施方式的进气量控制的控制程序的流程图。

图11为与图10的控制程序的步骤101相关的图，为表示目标进气量mcta的图。

图12为与图10的控制程序的步骤105相关的图，为表示目标进气管内压力Pmta的图。

图13为与图10的控制程序的步骤107相关的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在附图中，同样或类似的构成要素使用共同的参考标号。

图1为表示将本发明应用到缸内喷射型火花点火式内燃机的情况的一例的概略图。另外，本发明也可以适用于其它火花点火式内燃机或压缩自着火式内燃机。

在图1中，1表示内燃机主体，2表示进气阀，3表示进气口，4表示排气阀，5表示排气口，6表示形成在气缸(气筒)7内的燃烧室。各气缸的进气口3通过下游侧的进气管8连接到稳压罐9上，稳压罐9通过上游侧的进气管10连接到空气过滤器11。在上述进气管10内设置节气阀12。另一方面，各气缸的排气口5与排气管13连接。

而且，14为改变阀升程量用的阀升程量改变装置。即，在本实施方式中，通过使阀升程量改变装置14动作，可以控制进气阀2的阀升程量。

当通过使阀升程量改变装置14动作来改变进气阀2的阀升程量时，进气阀2的开口面积会随之变化。在本实施方式的进气阀2中，伴随阀升程量增加，进气阀2的开口面积增加。而且，如后所述，在本实施方式中，当通过阀升程量改变装置14改变进气阀2的阀升程量时，进气阀2的作用角随之改变。

另一方面，15表示用于在不改变进气阀2的阀升程量和作用角的情况下使开闭时序变化的开闭时序变化装置。即，通过使开闭时序变化装置15动作，可以使进气阀2的开闭时序向提前角侧变化，或使其向延迟角侧变化，由此可以进行阀重叠量的调整等。

16为燃料喷射阀、17为点火塞、18为用于检测进气阀2的阀升程量、作用角和开闭时序变化量的开阀特性传感器，19为用于检测内燃机转速的内燃机转速传感器。20为用于检测内燃机周围的大气压力的大气压力传感器，21为用于检测内燃机冷却水温度的冷却水温传感器，22为用于检测内燃机周围的大气温度的大气温度传感器，23为用于检测节气阀12的开度的节气阀开度传感器，24为空气流量计，25为用于检测节气阀12下游侧的进气管内压力的进气管内压力传感器。26为连接到加速踏板27的负载传感器，产生与加速踏板27的踏入量(以下，称作“加速器踏入量”)成比例的输出。28为ECU(电子控制装置)，如图1所示，上述各传感器的输出输入到ECU。

在本实施方式中，燃料喷射阀16连接到ECU28，可以由来自ECU28的信号控制喷射的燃料量和喷射时间。同样地，点火塞17也连接到ECU28，可以由来自ECU28的信号控制点火时间。而且，节气阀12的开度可以与加速器踏入量无关地改变，通过调整节气阀开度可以控制节气阀下游侧的进气管内压力。

图2为表示伴随阀升程量改变装置14的动作，进气阀2的阀升程量改变的样子的图。如图2所示，通过阀升程量改变装置14可以连续地改变进气阀2的阀升程量。而且，如上所述，在本实施方式中，伴随阀升程量的变化，进气阀2的与开阀期间对应的作用角也变化。详细地说，随着进气阀2的阀升程量的增加，进气阀2的作用角增加(实线→虚线→单点划线)。因此，在本实施方式中，阀升程量改变装置14构成升程量控制机构和作用角控制机构两者。

而且，在本实施方式中，伴随阀升程量改变装置14的动作，进气阀2的阀升程量成为峰值的时序也改变。更详细地说，如图2所示，伴随进气阀2的阀升程量的增加，进气阀2的阀升程量成为峰值的时序延迟。

图3为表示伴随开闭时序变化装置15的动作，进气阀2的开闭时序变化的样子的图。如图3所示，可以通过开闭时序变化装置15连续改变进气阀2的开闭时序。这时，进气阀2的作用角不改变。

在本实施方式中，通过协调控制进气阀2的开阀特性(升程量、作用角、阀时序)和节气阀12的开度(更详细地说是节气阀下游侧的进气管内压力)来控制吸入各气缸的燃烧室6内的空气量。即，可以通过协调控制进气阀2的开阀特性和节气阀12的开度来控制内燃机的进气量。而且，在其它实施方式中，除此之外，也可以通过控制怠速控制阀(图中未示出)的开度来控制进气量。

可是，近年来，研究如下的技术：根据流体力学等将内燃机的进气系统模型化，并根据使用该模型计算的控制参数进行内燃机的控制。即，例如，对于内燃机的进气系统，构造节气阀模型、进气管模型、进气阀模型等，以求出对通过进气系统的空气进行表示的模型公式，通过使用所述各模型公式计算各种控制所必需的参数，根据它们进行内燃机的控制。

而且，在本实施方式中，在图1所示的结构中，该进气系统被模型化为节气阀模型、进气管模型、进气阀模型各模型，具有以下说明的各模型公式。下面，对上述各模型及其模型公式进行说明。

首先，对节气阀模型进行说明。节气阀模型是使节气阀模型化而得到的模型。根据该模型，由下述公式(1)表示节气阀通过空气流量mt(g/s)。这里，Pac(kPa)为节气阀12上游侧的进气管内压力(下面，称作“上游侧进气管内压力”)，是至少考虑空气过滤器11的压力损失而求出的值。而且，Ta(K)为大气温度，Pm(kPa)为节气阀下游侧的进气管内压力(下面，称作“下游侧进气管内压力”)，R为气体常数。另外，μ为节气阀中的流量系数，为节气阀开度θt的函数，根据图4所示的映射确定。而且，At(m²)表示节气阀的开口截面积(下面，称作“节气阀开口面积”)，为节气阀开度θt的函数。另外，当将集中所述流量系数μ及节气阀开口面积At的μ·At作为仅以节气阀开度θt为变量的函数F(θt)时，公式(1)可以如公式(2)那样改写。而且，如果通过实验或模拟等求出该函数F(θt)的值，事先作成以θt为自变量的映射，则可以根据该映射由节气阀开度θt求出F(θt)的值。

$\mathrm{mt}=\mathrm{\μ}\·\mathrm{At}\·\frac{\mathrm{Pac}}{\sqrt{R\·\mathrm{Ta}}}\·\mathrm{\Φ}\left(\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}\right)......\left(1\right)$

$\mathrm{mt}=F\left(\mathrm{\θt}\right)\·\frac{\mathrm{Pac}}{\sqrt{R\·\mathrm{Ta}}}\·\mathrm{\Φ}\left(\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}\right)......\left(2\right)$

函数φ(Pm/Pac)为下述公式(3)中表示的函数，该公式(3)中的κ为比热比(κ＝Cp(等压比热)/Cv(等容比热)，为定值)。由于该函数φ(Pm/Pac)可以表示在图5所示的曲线图中，所以也可以将这种曲线图作为映射保存在ECU28中，实际上不使用公式(3)计算，而从保存的映射中求φ(Pm/Pac)的值。

$\mathrm{\Φ}\left(\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}}{2(\mathrm{\κ}+1)}}& \·\·\·\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}\≤\frac{1}{k+1}\\ \sqrt{\{\left(\frac{\mathrm{\κ}-1}{2\mathrm{\κ}}\right)\·(1-\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}})+\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}\}\·(1-\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}})}& \\ & \·\·\·\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}>\frac{1}{k+1}\end{array}\right.......\left(3\right)$

节气阀模型的这些模型公式、即公式(1)至公式(3)将节气阀12上游的气体的压力作为上游侧进气管内压力Pac，将节气阀12上游的气体的温度作为大气温度Ta，将通过节气阀12的气体的压力作为下游侧进气管内压力Pm，对于图6所示的节气阀12的模型，通过适用质量守恒定律、能量守恒定律及动量守恒定律，并进一步利用气体的状态方程式、比热比的定义式及迈尔关系式得到。

另外，这里，之所以不是将大气压力Pa作为节气阀12上游的气体压力，而是使用上述上游侧进气管内压力Pac，是因为对于实际的节气阀12上游侧压力，存在内燃机进气系统中的节气阀上游侧的压力损失，所以，通常在内燃机运转中，该压力成为比大气压力Pa低的压力。而且，特别是在图1所示的结构中，由于在内燃机进气系统的最上游部设置空气过滤器11，所以为了更精确地算出节气阀通过空气流量mt，优选使用至少考虑了空气过滤器11的压力损失而求出的上述上游侧进气管内压力Pac。

可是，尽管上述上游侧进气管内压力Pac是通过在节气阀12的正上游设置压力传感器而检测出的，但是也可以不使用压力传感器而算出。即，大气压力Pa和上述上游侧进气管内压力Pac的差可以通过伯努利定理表示为下述公式(4)。

$\mathrm{Pa}-\mathrm{Pac}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2=k\frac{{\mathrm{Ga}}^2}{\mathrm{\ρ}}......\left(4\right)$

这里，ρ为大气密度，v为通过空气过滤器11的空气的流速，Ga为通过空气过滤器11的空气的流量，k为v与Ga的比例系数。如果使用标准大气密度ρ0和用于将标准大气密度ρ0变换成目前的大气密度ρ的压力校正系数ekpa及温度校正系数ektha，则公式(4)可以如下述公式(5)那样改写。另外，对于公式(5)，可以使用仅以流量Ga为变量的函数f(Ga)而如下述公式(6)那样改写。而且，如果通过实验或模拟等求该函数f(Ga)的值并事先作成以Ga为自变量的映射，则可以根据该映射由流量Ga求出f(Ga)的值。

$\mathrm{Pa}-\mathrm{Pac}=\frac{k}{\mathrm{\ρ}0}\·{\mathrm{Ga}}^2\·\frac{1}{\mathrm{ekpa}\·\mathrm{ektha}}......\left(5\right)$

$\mathrm{Pa}-\mathrm{Pac}=\frac{f\left(\mathrm{Ga}\right)}{\mathrm{ekpa}\·\mathrm{ektha}}......\left(6\right)$

公式(6)可以如表示上述上游侧进气管内压力Pac的下述公式(7)那样变形。在公式(7)中，流量Ga可以由空气过滤器11下游侧的空气流量计24检测。而且，可以使用该流量Ga从上述的f(Ga)的映射中求f(Ga)的值。而且，压力校正系数ekpa可根据检测出的大气压力Pa设定，温度校正系数ektha可根据检测出的大气温度Ta设定。

$\mathrm{Pac}=\mathrm{Pa}-\frac{f\left(\mathrm{Ga}\right)}{\mathrm{ekpa}\·\mathrm{ektha}}......\left(7\right)$

而且，在公式(7)中，通过空气过滤器11的空气的流量Ga可以考虑节气阀通过空气流量mt，公式(7)可以如下述公式(8)那样变形。

$\mathrm{Pac}=\mathrm{Pa}-\frac{f\left(\mathrm{mt}\right)}{\mathrm{ekpa}\·\mathrm{ektha}}......\left(8\right)$

另外，由于上述流量Ga与内燃机转速NE及后述缸内空气填充率K1成比例，所以当以j为比例系数时，上述公式(7)也可以如下述公式(9)那样变形。

$\mathrm{Pac}=\mathrm{Pa}-\frac{f(j\·\mathrm{NE}\·K1)}{\mathrm{ekpa}\·\mathrm{ektha}}......\left(9\right)$

接着，对进气管模型进行说明。进气管模型，将从节气阀12至进气阀2的进气管8等的部分(以下，称作“进气管部分”)8′模型化而得到，根据该模型，关于下游侧进气管内压力Pm(kPa)及下游侧进气管内温度Tm(k)得到如下述公式(10)及公式(11)那样的模型公式。这里，mc(g/s)为缸内吸入空气流量，Vm(m³)为与上述进气管部分8′的容积相等的常数。

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Tm}}\right)=\frac{R}{\mathrm{Vm}}\·(\mathrm{mt}-\mathrm{mc})......\left(10\right)$

$\frac{\mathrm{dPm}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\κ}\·\frac{R}{\mathrm{Vm}}\·(\mathrm{mt}\·\mathrm{Ta}-\mathrm{mc}\·\mathrm{Tm})......\left(11\right)$

这里，参照图7对进气管模型进行说明。当将进气管部分8′的总气体量作为M时，由于总气体量M随时间的变化与流入进气管部分8′的气体的流量、即节气阀通过空气流量mt和从进气管部分8′流出的气体的流量、即缸内吸入空气流量mc之差相等，所以根据质量守恒定律得到下述公式(12)，根据该公式(12)及气体的状态方程式(Pm·Vm＝M·R·Tm)得到公式(10)。

$\frac{\mathrm{dM}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{mt}-\mathrm{mc}......\left(12\right)$

而且，进气管部分8′的气体的能量M·Cv·Tm随时间的变化量与流入进气管部分8′的气体的能量与从进气管部分8′流出的气体的能量的差相等。因此，当将流入进气管部分8′的气体的温度作为大气温度Ta，将从进气管部分8′流出的气体的温度作为下游侧进气管内温度Tm时，根据能量守恒定律得到下述公式(13)，根据该公式(13)及上述气体状态方程式得到公式(11)。

$\frac{d(M\·\mathrm{Cv}\·\mathrm{Tm})}{\mathrm{dt}}=\mathrm{Cp}\·\mathrm{mt}\·\mathrm{Ta}-\mathrm{Cp}\·\mathrm{mc}\·\mathrm{Tm}......\left(13\right)$

最后，对进气阀模型进行说明。进气阀模型为将进气阀模型化而得到的模型，根据该模型，缸内吸入空气流量mc由如下述公式(14)那样的模型公式表示。公式(14)中的A、B为至少根据内燃机转速NE确定的适当参数，预先作成映射，需要时查找该映射而求出。另外，在本实施方式中，如上所述，对于进气阀2设置阀升程量改变装置14及开闭时序变化装置15，并能改变进气阀2的阀升程量及开闭时序等开阀特性，所以上述适当参数A、B也根据进气阀2的开阀特性的设定状态确定。

mc＝A·Pm-B    ……(14)

参照图8对上述进气阀模型进行说明。一般地，进气阀2关闭时填充到燃烧室6内的空气量、即缸内填充空气量Mc在进气阀2关闭时(进气阀关闭时)确定，与进气阀关闭时的燃烧室6内的压力成比例。而且，可以认为进气阀关闭时的燃烧室6内的压力与进气阀上游的气体的压力、即下游侧进气管内压力Pm相等。因此，缸内填充空气量Mc可以近似地与下游侧进气管内压力Pm成比例。

这里，如果将单位时间内从进气管部分8′流出的全部空气量平均化或将单位时间内从进气管部分8′吸入所有燃烧室6中的空气量在一个气缸的进气冲程上平均化，并将平均化后得到的量作为缸内吸入空气流量mc(在下面详细描述)，则由于缸内填充空气量Mc与下游侧进气管内压力Pm成比例，所以缸内吸入空气流量mc也与下游侧进气管内压力Pm成比例。因此，根据理论和经验规律，得到上述公式(14)。另外，公式(14)中适当参数A为比例系数，适当参数B为排气阀关闭时与残存在燃烧室6内的已燃气体量有关的值。

另外，即使内燃机转速等相同，在下游侧进气管内压力Pm大的情况和小的情况下，适当参数A、B分别取不同的两个值(例如，A1、B1及A2、B2)，即缸内吸入空气流量mc由两个如上述公式(14)那样的公式(即，下游侧进气管内压力Pm的一次式)表示，从而可能更精确地求缸内吸入空气流量mc。认为这尤其与进气阀2和排气阀4存在共同打开时期(即，气阀叠开)时，已燃气体向进气口3的逆流相关。即，在存在气阀叠开的情况下，当下游侧进气管内压力Pm为规定压力以上时，下游侧进气管内压力Pm越高，已燃气体的逆流越显著减少，所以与上述规定压力以下时相比，使A值变大，同时使B值减小。

这里，对于缸内吸入空气流量mc，参照图9对内燃机为4气缸的情况进行说明。另外，图9的横轴为曲轴的旋转角度，纵轴为单位时间内从进气管部分8′实际流入燃烧室6中的空气量。如图9所示，在4气缸内燃机中，进气阀2例如以第1气缸、第3气缸、第4气缸、第2气缸的顺序打开，与对应于各气缸的进气阀2的开阀量对应地，从进气管部分8′向各气缸的燃烧室6内流入空气。从进气管部分8′流入各气缸的燃烧室6内的空气的流量的变化为图9虚线所示，对它们进行综合的从进气管部分8′流入全部气缸的燃烧室6的空气流量为图9实线所示。而且，例如，向第1气缸的缸内填充空气量Mc与图9斜线所示的部分相当。

与此相对，将实线所示的从进气管部分8′流入全部气缸的燃烧室6内的空气的量平均化后得到的量作为缸内吸入空气流量mc，并在图中以单点划线示出。而且，在该单点划线所示的缸内吸入空气流量mc上乘以4气缸情况下曲轴旋转180°(即，在四冲程式内燃机中，用气缸数去除1循环中曲轴旋转的角度720°得到的角度)所需的时间ΔT_180°得到的值成为缸内填充空气量Mc。因此，通过在由进气阀模型M23算出的缸内吸入空气流量mc上乘以ΔT_180°，可以算出缸内填充空气量Mc(Mc＝mc·ΔT_180°)。另外，通过用1个气压、25℃状态下占相当于一气缸的排气量的容积的空气的质量去除该缸内填充空气量Mc，可以算出缸内空气填充率K1。这样，缸内填充空气量Mc、缸内吸入空气流量mc、缸内空气填充率K1相互处于比例关系，如果求出任何一个值，就能求出其它值。即，这些值可以相互换算。

另外，在本说明书中，所谓内燃机的进气量就是吸入内燃机(工作中的)所有气缸的燃烧室内的空气的量，它可以使用上述缸内填充空气量Mc、缸内吸入空气流量mc、缸内空气填充率K1中的任一个表示。

在本实施方式中，如上所述，能通过阀升程量改变装置14或开闭时序变化装置15控制进气阀2的开阀特性(升程、作用角、阀时序)，可以通过节气阀12控制下游侧进气管内压力。而且，通过协调控制该开阀特性和节气阀12的开度(更详细地说是节气阀下游侧的进气管内压力)来控制进气量。即，节气阀、作为开阀特性控制机构的阀升程量改变装置14及开闭时序变化装置15协同动作来控制进气量。而且，在本实施方式中，在进行这种进气量控制时，可以进行利用上述各模型公式的控制。下面，参照图10的流程图对其具体方法进行说明。

图10为表示本实施方式的进气量控制的控制程序的流程图。该控制程序，通过按ECU28所预定的时间、即控制周期Ts的中断而实施。

当该控制程序启动时，首先在步骤101中，求出经过与控制周期Ts相当的时间后应该实现的目标进气量mcta。另外，如上所述，进气量可以使用上述缸内填充空气量Mc、缸内吸入空气流量mc、缸内空气填充率K1中的任一个表示，但是，在以下的说明中，使用缸内吸入空气流量mc表示。因此，更详细地说，上述目标进气量mcta为经过与控制周期Ts相当的时间后应该实现的缸内吸入空气流量mc。

对于该目标进气量mcta，可以事先作成使要求扭矩TQr与内燃机的运转状态、更详细地说，与内燃机转速NE及加速器踏入量L对应的映射，以及使目标进气量mcta与要求扭矩TQr对应的映射，然后根据这些映射求出，但是，在本实施方式中，以如下方式求该目标进气量mcta。

即，在本实施方式中，事先作成由内燃机转速NE及加速器踏入量L求出将开阀特性设定成预先确定的基准状态时的节气阀开度(即，基准目标节气阀开度)θtb的映射，将其存储在ECU28中。这里，上述基准状态例如可以视为没有阀升程量改变装置14和开闭时序变化装置15的普通内燃机中的标准阀升程量、作用角和开闭时序。

而且，首先根据求上述基准目标节气阀开度θtb的映射，由内燃机转速NE及加速器踏入量L求出基准目标节气阀开度θtb。而且，通过该基准目标节气阀开度θtb确定上述节气阀模型的模型公式(公式(2))(下述公式(15))。

$\mathrm{mtb}=F\left(\mathrm{\θtb}\right)\·\frac{\mathrm{Pac}}{\sqrt{R\·\mathrm{Ta}}}\·\mathrm{\Φ}\left(\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}\right)......\left(15\right)$

另一方面，当将开阀特性设定成预先确定的基准状态时，由内燃机转速NE等确定上述进气阀模型的模型公式(公式(14))的适当参数A、B，从而确定该模型公式。当适当参数A、B被定为Ab、Bb时，成为下述公式(16)。

mcb＝Ab·Pm-Bb    ……(16)

进气量成为目标进气量的状态即是结束状态，这时节气阀通过空气流量mt和缸内吸入空气流量mcb相等。因此，如果由从如上所述确定的节气阀模型的模型公式(公式(15))得到的节气阀通过空气流量mtb和从如上所述确定的进气阀模型的模型公式(公式(16))得到的缸内吸入空气流量mcb相对于同一下游侧进气管内压力Pm相等时，求出这时的上述缸内吸入空气流量mcb，则其成为目标进气量mcta。

而且，如上所述求上述目标进气量mcta的过程与下述的图11所示的过程是同义的，即，求出由如上所述确定的节气阀模型的模型公式(公式(15))表示的曲线mtb与由如上所述确定的进气阀模型的模型公式(公式(16))表示的曲线mcb之交点EPb，再求其纵轴的座标。这里，对于求上述交点EPb的情况，如果直接使用表示曲线mtb的公式(公式(15))来求上述交点EPb，则计算非常复杂。因此，为了简单地进行计算，表示上述曲线mtb的公式(公式(15))可以由多个下游侧进气管内压力Pm的一次式来进行近似。即，以多条直线来近似上述曲线mtb。具体地说，例如，按下游侧进气管内压力Pm的一定间隔，根据表示上述曲线mtb的公式(公式(15))算出节气阀通过空气流量mtb，而求出下游侧进气管内压力Pm的一定间隔的上述曲线mtb上的点，将连接这些点的相邻两点中的各直线作为上述曲线mtb的近似直线而求出。而且，表示所述各近似直线的一次式成为表示上述曲线mtb的公式(公式(15))的近似一次式。

可是，由于表示上述曲线mtb的公式向一次式的近似是为了容易地求出上述交点EPb，所以必须是上述交点EPb附近的近似一次式。因此，可以只求出该近似一次式。这时，也可以按下游侧进气管内压力Pm的一定间隔，根据表示上述直线mcb的公式(公式(16))求出缸内吸入空气流量mcb，并通过求出节气阀通过空气流量mtb和缸内吸入空气流量mcb的大小逆转的地方来确定上述交点EPb的位置。

即，上述交点EPb附近(即，节气阀通过空气流量mtb和缸内吸入空气流量mcb的大小逆转的部分)的近似一次式，例如为表示连接曲线mtb上的两点，且是连接节气阀通过空气流量mtb和缸内吸入空气流量mcb的大小逆转的前后两点的直线的一次式。

另外，从以上的说明可以理解，如果将上述基准状态当作没有阀升程量改变装置14和开闭时序变化装置15的普通发动机中的标准阀升程量、作用角和开闭时序，并通过上述方法求出目标进气量mcta，则可以将与普通发动机中由驾驶者以某个加速器踏入量Lc表示的进气量相同的进气量作为本实施方式中与相同加速器踏入量Lc对应的目标进气量mcta求出。

当在步骤101中求出目标进气量mcta时，在接下来的步骤103中确定进气阀2的目标开阀特性Cvta，即目标升程量Ltta及目标作用角Sata、和目标开闭时序变化量(即，基准的开闭时序的延迟角或提前角，由开闭时序变化装置产生的位移角)Vtta。另外，从上述说明可以明白，在本实施方式中，升程量Lt和作用角Sa有一定的关系，如果确定了作用角Sa，就能确定升程量Lt，所以确定目标升程量Ltta及目标作用角Sata时，实际上使用映射确定目标作用角Sata。

更详细地说，在步骤103中，根据以如下方式作成的映射确定上述目标作用角Sata及目标开闭时序变化量Vtta，所述方式为相对于内燃机转速NE、目标进气量mcta等，得到燃料费、排放、扭矩变动等条件综合考虑为最适当时的作用角Sa及开闭时序变化量Vt。事先通过实验等确定这种映射，并将其预先存储在ECU28中。

当在步骤103中确定了目标开阀特性Cvta时，在接下来的步骤105中求出目标进气管内压力Pmta。该目标进气管内压力Pmta是将进气阀2的开阀特性Cv设定成上述目标开阀特性Cvta时实现上述目标进气量mcta的节气阀下游侧的进气管内压力Pm。

而且，在本实施方式中，该目标进气管内压力Pmta如下所述使用上述进气阀模型的模型公式(公式(14))求出。即，首先将开阀特性Cv设定成上述目标开阀特性Cvta，然后由内燃机转速NE等确定上述进气阀模型的模型公式(公式(14))的适当参数A、B，从而确定该模型公式。也就是说，当适当参数A、B被定为Af、Bf时，得到下述公式(17)。

mcf＝Af·Pm-Bf    ……(17)

而且，由于上述目标进气管内压力Pmta在该公式(17)中为实现目标进气量mcta的下游侧进气管内压力Pm，所以可以根据公式(17)如公式(18)那样表示。

$\mathrm{Pmta}=\frac{\mathrm{mcta}+\mathrm{Bf}}{\mathrm{Af}}......\left(18\right)$

当用图表示上述开阀特性Cv被设定成上述目标开阀特性Cvta时的由进气阀模型的模型公式(公式(17))所表示的直线mcf和上述目标进气管内压力Pmta时，例如可以得到图12。

当在步骤105中求出目标进气管内压力Pmta时，在接下来的步骤107中求出目标节气阀开度θtta。该目标节气阀开度θtta为下游侧进气管内压力Pm作为上述目标进气管内压力Pmta时的节气阀开度θt。在本实施方式中，该目标节气阀开度θtta如下所述使用上述节气阀模型的模型公式(公式(2))求出。

即，在节气阀开度θt作为目标节气阀开度θtta的情况下，在下游侧进气管内压力Pm应收敛于上述目标进气管内压力Pmta的同时，节气阀通过空气流量应该收敛于目标进气量mcta，所以下述公式(19)成立。

$\mathrm{mcta}=F\left(\mathrm{\θtta}\right)\·\frac{\mathrm{Pac}}{\sqrt{R\·\mathrm{Ta}}}\·\mathrm{\Φ}\left(\frac{\mathrm{Pmta}}{\mathrm{Pac}}\right)......\left(19\right)$

而且，公式(19)可以如公式(20)那样变形。

$F\left(\mathrm{\θtta}\right)=\frac{\mathrm{mcta}}{\frac{\mathrm{Pac}}{\sqrt{R\·\mathrm{Ta}}}\·\mathrm{\Φ}\left(\frac{\mathrm{Pmta}}{\mathrm{Pac}}\right)}......\left(20\right)$

这里，由于公式(20)的左边仅为节气阀开度θt的函数，所以通过计算公式(20)右边的值，可以根据公式(20)求出目标节气阀开度θtta。即，例如，通过反过来使用由上述节气阀开度求F(θt)值的映射，可以使用算出的公式(20)右边的值求出目标节气阀开度θtta。

当使用上述公式(8)及公式(18)时，上述公式(20)可以如下述公式(21)那样改写。

$F\left(\mathrm{\θtta}\right)=\frac{\mathrm{mcta}}{\frac{(\mathrm{Pa}-\frac{f\left(\mathrm{mcta}\right)}{\mathrm{ekpa}\·\mathrm{ektha}})}{\sqrt{R\·\mathrm{Ta}}}\·\mathrm{\Φ}\left(\frac{\frac{\mathrm{mcta}+\mathrm{Bf}}{\mathrm{Af}}}{\mathrm{Pa}-\frac{f\left(\mathrm{mcta}\right)}{\mathrm{ekpa}\·\mathrm{ektha}}}\right)}......\left(21\right)$

而且，当将如上所述求出的目标节气阀开度θtta代入上述公式(2)中时，得到下述公式(22)。而且，当用图表示由该公式(22)表示的节气阀通过空气流量mtf的曲线时，得到如图13所示那样通过点EPf(Pmta，mcta)的曲线。

$\mathrm{mtf}=F\left(\mathrm{\θtta}\right)\·\frac{\mathrm{Pac}}{\sqrt{R\·\mathrm{Ta}}}\·\mathrm{\Φ}\left(\frac{\mathrm{Pm}}{\mathrm{Pac}}\right)......\left(22\right)$

当在步骤107中求出目标节气阀开度θtta时，在接下来的步骤109中，控制阀升程量改变装置14及开闭时序变化装置15，以使进气阀2的开阀特性Cv变成上述目标开阀特性Cvta，同时控制节气阀22，以使节气阀开度θt变成上述目标节气阀开度θtta。由此，进行控制以使进气量达到目标进气量mcta。当结束步骤109时，返回到步骤101，重复同样的控制。

另外，在本实施方式中，通过阀升程量改变装置14及开闭时序变化装置15仅改变进气阀2的开阀特性，不改变排气阀4的开阀特性，但是在其它实施方式中，也可以通过设置排气阀用的阀升程量改变装置及开闭时序变化装置来改变排气阀4的开阀特性。

而且，在上面，以通过节气阀12与阀升程量改变装置14及开闭时序变化装置15这样的可变阀动机构的协调控制来控制进气量的情况为例进行说明，但是本发明不限于此，也可以适用于通过节气阀与可变阀动机构之外的进气量可变机构、例如气缸数可变机构或排气量可变机构等协同动作来控制进气量的情况。即，如果对于这些进气量可变机构，与其设定状态相对应地适当确定上述进气阀模型的模型公式的适当参数A、B，则和上述可变阀动机构的情况相同，可以求出目标进气量和目标节气阀开度。

另外，尽管根据特定的实施方式对本发明进行了详细描述，但是本领域的技术人员可以在不脱离本发明的发明内容范围及思想的情况下进行各种改变和变形。

Claims (10)

1.一种内燃机的进气量控制装置，是一种在具有节气阀和与该节气阀协作的进气量可变机构的内燃机中控制进气量的装置，

作为使内燃机进气系统模型化而对通过该内燃机进气系统的空气进行表示的模型公式，具有：对应节气阀开度确定的第1公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和节气阀通过空气流量的关系；和

至少对应所述进气量可变机构的设定状态和内燃机转速确定的第2公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和缸内吸入空气流量的关系，

还具有：求出目标进气量的机构，其根据加速器开度和内燃机转速，求出在将进气量可变机构设定成预先规定的基准状态时的目标节气阀开度、即基准目标节气阀开度，当根据该基准目标节气阀开度所确定的所述第1公式求出的节气阀通过空气流量、和将所述进气量可变机构设定成所述基准状态并根据至少由内燃机转速确定的所述第2公式求出的缸内吸入空气流量，相对于同一节气阀下游侧进气管内压力变得相等时，求出此时的所述缸内吸入空气流量，将该缸内吸入空气流量作为目标进气量，或者将换算该缸内吸入空气流量的值作为目标进气量；

至少根据所述目标进气量确定关于所述进气量可变机构的目标设定状态的机构；和

由所述目标进气量及所述目标设定状态，根据所述模型公式求出实现所述目标进气量的节气阀开度、即目标节气阀开度的机构。

2.如权利要求1所述的内燃机的进气量控制装置，其中，求出目标节气阀开度的所述机构，具有：根据所述目标进气量和所述目标设定状态，在将所述进气量可变机构设定成所述目标设定状态时求出实现所述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力的机构；及根据所述目标进气量和所述目标进气管内压力求出所述目标节气阀开度的机构。

3.如权利要求1所述的内燃机的进气量控制装置，其中，求出目标节气阀开度的所述机构，具有根据所述目标进气量和所述目标设定状态，在将所述进气量可变机构设定成所述目标设定状态时求出实现所述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力的机构，该机构将所述进气量可变机构设定成所述目标设定状态并将由缸内吸入空气流量表示的所述目标进气量代入至少由内燃机转速确定的所述第2公式中，从而求出所述目标进气管内压力。

4.如权利要求3所述的内燃机的进气量控制装置，其中，求出目标节气阀开度的所述机构，进一步具有根据所述目标进气量和所述目标进气管内压力求出所述目标节气阀开度的机构，该机构使用由缸内吸入空气流量表示的所述目标进气量及所述目标进气管内压力，根据所述第1公式求出所述目标节气阀开度。

5.如权利要求1所述的内燃机的进气量控制装置，其中，所述进气量可变机构为控制进气阀及排气阀中至少一方的开阀特性的开阀特性控制机构。

6.一种内燃机的进气量控制方法，是一种在具有节气阀和与该节气阀协作的进气量可变机构的内燃机中控制进气量的方法，

作为使内燃机进气系统模型化而对通过该内燃机进气系统的空气进行表示的模型公式，至少使用对应节气阀开度确定的第1公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和节气阀通过空气流量的关系；和

至少对应所述进气量可变机构的设定状态和内燃机转速确定的第2公式，其表示节气阀下游侧的进气管内压力和缸内吸入空气流量的关系，

具有下述步骤：求出目标进气量的步骤，根据加速器开度和内燃机转速，求出在将所述进气量可变机构设定成预先规定的基准状态时的目标节气阀开度、即基准目标节气阀开度，当根据由所述基准目标节气阀开度确定的所述第1公式求出的节气阀通过空气流量、和将所述进气量可变机构设定成所述基准状态并根据至少由内燃机转速确定的所述第2公式求出的缸内吸入空气流量，相对于同一节气阀下游侧进气管内压力变得相等时，求出此时的所述缸内吸入空气流量，将该缸内吸入空气流量作为目标进气量，或者将换算该缸内吸入空气流量的值作为目标进气量；

至少根据所述目标进气量确定关于所述进气量可变机构的目标设定状态的步骤；和

由所述目标进气量和所述目标设定状态，根据所述模型公式求出实现所述目标进气量的节气阀开度、即目标节气阀开度的步骤。

7.如权利要求6所述的内燃机的进气量控制方法，其中，求出目标节气阀开度的所述步骤，包括根据所述目标进气量和所述目标设定状态，在将所述进气量可变机构设定成所述目标设定状态时求出实现所述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力；及根据所述目标进气量和所述目标进气管内压力求出所述目标节气阀开度的步骤。

8.如权利要求6所述的内燃机的进气量控制方法，其中，求出目标节气阀开度的所述步骤包括：根据所述目标进气量和所述目标设定状态，在将所述进气量可变机构设定成所述目标设定状态时求出实现所述目标进气量的节气阀下游侧的进气管内压力、即目标进气管内压力的步骤，在该步骤中，将所述进气量可变机构设定成所述目标设定状态并将由缸内吸入空气流量表示的所述目标进气量代入至少由内燃机转速确定的所述第2公式中，从而求出所述目标进气管内压力。

9.如权利要求8所述的内燃机的进气量控制方法，其中，求出目标节气阀开度的所述步骤进一步包括：根据所述目标进气量和所述目标进气管内压力求出所述目标节气阀开度的步骤，在该步骤中，使用由缸内吸入空气流量表示的所述目标进气量及所述目标进气管内压力，根据所述第1公式求出所述目标节气阀开度。

10.如权利要求6所述的内燃机的进气量控制方法，其中，所述进气量可变机构为控制进气阀及排气阀中至少一方的开阀特性的开阀特性控制机构。

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