CN103221662A - 带增压器的内燃机的空气量推定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的空气量推定装置为可以在带增压器的内燃机中精确地推定吸入到气缸的内空气量而不会增大计算负荷的空气量推定装置。本空气量推定装置利用使用表示流过进气通路内的空气的行为的物理模型的计算来推定气缸内空气量。在此期间，当使用物理模型计算的节气门下游压力和节气门上游压力的比在基准比之下时，基于节气门上游压力、节气门下游压力和节气门的开度利用节流公式计算节气门流量。另一方面，当节气门下游压力和节气门上游压力的比大于基准比时，基于压缩机流量和进气门流量利用线性插值的公式计算节气门流量。

Description

带增压器的内燃机的空气量推定装置

技术领域

本发明涉及在带增压器的内燃机中推定吸入到气缸内的空气量的装置，更详细地，涉及通过使用表示在进气通路内流动的空气的行为的物理模型的计算来推定空气量的装置。

背景技术

通过使用表示进气通路内的空气的行为的物理模型的计算来推定被吸入内燃机的气缸内的空气量的方法是公知的。这样的空气量的推定方法也可以适用于带增压器的内燃机，进而，也可以适用于具备空气旁通阀（以下，称为“ABV”）或排气再循环系统（以下，称为“EGR”）的带增压器的内燃机。

图9为表示将带增压器的内燃机中的进气通路内的空气的行为严格地模型化了的情况的空气量推定模型的功能框图。图9所示的空气量推定模型，作为子模型具备中间冷却器模型、节气门模型、进气管模型及进气门模型。以下，使用公式对各子模型的详细情况进行说明。

中间冷却器模型为基于与进气通路中的中间冷却器部内的空气相关的守恒定律而构建的物理模型。具体地，使用基于能量守恒定律的下述公式（1）和基于流量守恒定律的下述公式（2）作为中间冷却器模型。这里，P_ic为中间冷却器部内的压力（以下，称作“中间冷却器压力”），T_ic为中间冷却器温度，V_ic为中间冷却器容积，R为气体常数，κ为比热容比，m_cp通过压缩机的气体的流量（以下，称作“压缩机流量”），m_abv为利用ABV从中间冷却器部内抽出的气体的流量（以下，称作“ABV流量”），m_t为通过节气门的气体的流量（以下，称作“节气门流量”），此外，T_a为大气温度。在中间冷却器模型中，输入压缩机流量m_cp、节气门流量m_t和ABV流量m_abv等，按照公式（1）和公式（2）计算中间冷却器压力P_ic。

(公式1)

$\frac{d{P}_{\mathrm{ic}}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\κ}*R}{V_{\mathrm{ic}}}*(m_{\mathrm{cp}}*T_a-m_{\mathrm{abv}}*T_{\mathrm{ic}}-m_t*T_{\mathrm{ic}})+...$

(公式2)

$\frac{d}{\mathrm{dt}}=\left(\frac{P_{\mathrm{ic}}}{T_{\mathrm{ic}}}\right)=\frac{R}{V_{\mathrm{ic}}}*(m_{\mathrm{cp}}-m_{\mathrm{abv}}-m_t)$

使用下述的公式（3）和公式（4）所表示的节流的公式作为节气门模型。这里，μ为流量系数，A_t为节气门开度在TA时的开口面积，P_m为进气管压力。另外，P_m／P_ic为节气门的前后的压力比。在节气门模型中输入节气门开度TA、中间冷却器压力P_ic、进气管压力P_m等，按照公式（3）和公式（4）计算节气门流量m_t。

(公式3)

$m_t=\mathrm{\μ}*A_t\left(\mathrm{TA}\right)*\frac{P_{\mathrm{ic}}}{\sqrt{R*T_{\mathrm{ic}}}}*\mathrm{\Φ}\left(\frac{P_m}{P_{\mathrm{ic}}}\right)$

(公式4)

$\mathrm{\Φ}\left(\frac{P_m}{P_{\mathrm{ic}}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\sqrt{\frac{\mathrm{\κ}}{2*(\mathrm{\κ}+1)}}& \frac{P_m}{P_{\mathrm{ic}}}\≤\frac{1}{\mathrm{\κ}+1}\\ \sqrt{\{\frac{\mathrm{\κ}-1}{2}*(1-\frac{P_m}{P_{\mathrm{ic}}})+\frac{P_m}{P_{\mathrm{ic}}}\}*(1-\frac{P_m}{P_{\mathrm{ic}}})}& \frac{P_m}{P_{\mathrm{ic}}}>\frac{1}{\mathrm{\κ}+1}\end{array}\right\}$

进气管模型为基于与进气管内的空气相关的守恒定律构建的物理模型（并且，在本说明书中的进气管中包含进气歧管和调压水箱）。具体地，使用基于能量守恒定律的下述公式（5）和基于流量守恒定律的下述公式（6）作为进气管模型。这里，m_egr为利用EGR向进气管内导入的气体的流量（以下，称作“EGR流量”），T_egr为EGR温度，m_c为通过进气门并被向气缸内吸入的气体的流量（以下，称作“进气门流量”），此外，T_m为进气管温度。在进气管模型中输入节气门流量m_t、进气门流量m_c、EGR流量m_egr等，按照公式（5）和公式（6）计算进气管压力P_m。

(公式5)

$\frac{d{P}_m}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{\κ}*R}{V_m}*(m_t*T_{\mathrm{ic}}+m_{\mathrm{egr}}*T_{\mathrm{egr}}-m_c*T_m)$

(公式6)

$\frac{d}{\mathrm{dt}}=\left(\frac{P_m}{T_m}\right)=\frac{R}{V_m}*(m_t+m_{\mathrm{egr}}-m_c)$

进气门模型为对进气门流量m_c和进气管压力P_m的关系进行了研究的基于实验的模型。进气门流量m_c和进气管压力P_m的关系近似为直线。因此，具体地，作为进气门模型，使用基于经验法则的下述公式（7）。公式（7）中的a和b为对应于发动机转速而规定的常数。在进气门模型中输入进气管压力P_m，按照公式（7）计算进气门流量m_c。

(公式7)

$m_c=\frac{T_a}{T_m}(a*P_m-b)$

作为内燃机的控制装置的ECU，使用由上述各公式表示的空气量推定模型计算进气门流量m_c，从进气门流量m_c推定向气缸内吸入的空气量。另外，在ECU中根据四则运算进行数值计算，但由于上述的公式包含微分方程式，因而不能以原样不变的形式进行由ECU执行的计算。为此，在将空气量推定模型搭载于ECU中的情况下，可以利用四则运算来求解，使用差分法将微分方程式离散化。

但是，在上述的空气量推定模型中存在像日本专利文献特开2006-152899号公报记载的那样的计算上的问题。在节气门开度在WOT的附近且节气门的前后的压差小的条件下，若增压状态变化，则进气管压力P_m的计算值会振荡地变化。这是因为，在节气门的前后的压差小的区域，即，在节气门的前后的压力比接近1的区域，公式（3）的压力比项Φ的值相对于压力比的微小变化而大幅地变化，由此导致会产生调速不匀。作为解决该问题的一个方法，考虑减小在近似式中使用时步的值，但是像上述公报所指出的那样，该方法会使ECU的计算负荷增大。

作为针对上述问题的解决方案，在日本专利文献特开2006－152899号公报记载的空气量推定装置（以下，称作“现有技术的装置”）中，采用根据节气门的开度和其前后的压力差切换空气量推定模型的方法。具体地，采用现有技术的装置，在节气门开度比阈值开度大，中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m收敛为大致相等的恒定值的情况下，使用图10所示的空气量推定模型，除此之外，使用所述的图9所示的空气量推定模型。在图10所示的空气量推定模型中，取代图9所示的空气量推定模型中的中间冷却器模型、节气门模型和进气管模型，使用中间冷却器进气管合体模型。

中间冷却器进气管合体模型为，忽略节气门而将从中间冷却器部到进气管作为一体化的容积处理，基于与该容积内的空气相关的守恒定律而构建的物理模型。因此，在中间冷却器进气管合体模型中，不进行使用节流公式的节气门流量的计算。在中间冷却器进气管合体模型中，假定中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m相等。另外，假定中间冷却器温度T_ic和进气管温度T_m相等。具体地，使用基于能量守恒定律的下述公式（8）和流量守恒定律的下述公式（9）作为中间冷却器进气管合体模型。

(公式8)

$\frac{d{P}_m}{\mathrm{dt}}=\frac{d{P}_{\mathrm{ic}}}{\mathrm{dt}}$

$=\frac{\mathrm{\κ}*R}{{V_{\mathrm{ic}}+V}_m}*(m_{\mathrm{cp}}*T_a+m_{\mathrm{egr}}*T_m-m_{\mathrm{abv}}*T_m-m_c*T_m)+...$

(公式9)

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_m}{T_m}\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_{\mathrm{ic}}}{T_{\mathrm{ic}}}\right)$

$=\frac{R}{{V_{\mathrm{ic}}+V}_m}*(m_{\mathrm{cp}}+m_{\mathrm{egr}}-m_{\mathrm{abv}}-m_c)$

采用上述的公式（8）和公式（9）所定义的中间冷却器进气管合体模型，可以主要从中间冷却器压力P_ic和进气门流量m_c计算出进气管压力P_m。由此，由于没必要进行使用节流公式的节气门流量的计算，因此，以往，即使在进气管压力P_m的计算值容易发生振荡的区域，也能够精度良好地计算进气管压力P_m。进而，采用上述的中间冷却器进气管合体模型，不会增大计算负荷。因此，作为对上述问题的解决方案，现有技术的装置被认为是有效的。

但是，在现有技术的装置中，关于空气量的推定精度存在几个问题。

问题之一是与可以使用中间冷却器进气管合体模型的区域有关的问题。中间冷却器进气管合体模型是以节气门开度在WOT附近且中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m大致相等为前提的模型。因此，在现有技术的装置中，在节气门的前后产生压差的状况下，由图9所示的空气量推定模型，即，由包含节流公式的计算模型进行计算。但是，在使用节流公式的情况下，存在着即使是在节气门的前后产生压差时，在该压差小时进气管压力P_m的计算值也会发生振荡的情况。由于这样的理由，现有技术的装置，对于在节气门开度比WOT小且在中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m之间产生某种程度的压力差的状况下的空气量的推定精度还存在改善的余地。

另一个问题是关于影响进气通路内的空气的流量的EGR、ABV的问题。在EGR工作了的情况下，空气（排气）被从EGR通路向进气管内导入。采用图9所示的空气量推定模型，伴随EGR的工作产生的EGR流量m_abv只直接地影响进气管压力P_m。EGR流量m_egr的对于中间冷却器压力P_ic的影响是间接的，经过由于EGR流量m_egr的变化的影响而使进气管压力P_m变化、由于进气管压力P_m的变化的影响而使节气门流量m_t变化、由于节气门流量m_t的变化的影响而使中间冷却器压力P_ic变化的过程，EGR流量m_egr的变化对中间冷却器压力P_ic给予影响。因此，中间冷却器压力P_ic相对于EGR流量m_egr的变化的响应比进气管压力P_m的响应迟。

另外，在ABV工作了的情况下，空气被从中间冷却器部内抽出到外部。采用图9所示的空气量推定模型，伴随ABV的工作产生的ABV流量m_abv只直接地影响中间冷却器压力P_ic。ABV流量m_abv的对于进气管压力P_m的影响是间接的，经过由于ABV流量m_abv的变化的影响而使中间冷却器压力P_ic变化、由于中间冷却器压力P_ic的变化的影响而使节气门流量m_t变化、由于节气门流量m_t的变化的影响而使进气管压力P_m变化的过程，ABV流量m_abv的变化对进气管压力P_m给予影响。因此，进气管压力P_m相对于ABV流量m_abv的变化的响应比中间冷却器压力P_ic的响应迟。

但是，在图10所示的空气量推定模型的情况下，EGR流量m_egr的变化的影响直接地影响中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m两者。另外，ABV流量m_abv的变化的影响也直接地影响中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m两者。这是因为中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m相等成为中间冷却器进气管合体模型的前提的缘故。由此，在图10所示的空气量推定模型中，伴随EGR流量m_egr、ABV流量m_abv的变化，中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m两者同时变化，模型的计算结果和实际引起的现象之间发生了偏离。

在图11的表中，对于进气管模型、中间冷却器模型和中间冷却器进气管合体模型各自而言，用数学公式记载只有EGR工作了时的压力变化量和只有ABV工作了时的压力变化量。由进气管模型计算的进气管压力P_m的变化量严格地表示在进气管内实际发生的现象，利用中间冷却器模型计算的中间冷却器压力P_ic的变化量严格地表示在中间冷却器部内实际发生的现象。从这些与中间冷却器进气管合体模型的计算结果的比较可知，在中间冷却器进气管合体模型中，当EGR、ABV的工作时，无法精度良好地计算进气通路的各部中的压力的变化。因此，在现有技术的装置中，在EGR、ABV工作且EGR流量m_egr、ABV流量m_abv变化了的情况下，空气量的推定精度可能会恶化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利文献特开2006－152899号公报

专利文献2:日本专利文献特开2008－008155号公报

发明内容

如上所述，关于带增压器的内燃机中的空气量的推定精度，现有技术的装置还具有改善的余地。因此，本发明的目的在于提供一种带增压器的内燃机的空气量推定装置，该空气量推定装置可以更高精度地推定空气量而不增加计算负荷。

本发明提供的空气量推定装置具有：计算压缩机流量的功能、计算节气门上游压力的功能、计算节气门流量的功能、计算节气门下游压力的功能、计算进气门流量的功能、以及计算向气缸内吸入的空气量的功能。这些功能分别可以由专用的硬件实现，也可以硬件在功能上通用而各个功能由软件实现。以下，对本空气量推定装置所具有的各功能进行说明。

压缩机流量为通过压缩机的空气的流量。本空气量推定装置基于从压缩机到节气门的进气通路（即，节气门上游部内）的空气的压力（以下，称作“节气门上游压力”）和压缩机的转速来计算压缩机流量。在该计算中，可以使用将压缩机流量与节气门上游压力和压缩机转速关联的映射、或者压缩机的物理模型。

为了节气门上游压力的计算，本空气量推定装置使用基于与节气门上游部内的空气相关的守恒定律而构建的物理模型。使用压缩机流量和通过节气门的空气的流量、即节气门流量，作为向该物理模型输入的主要输入。当压缩机流量和节气门流量被输入到所述的物理模型中时，从该物理模型计算出节气门上游压力。此外，存在在内燃机中具备促动器的情况，该促动器将空气从节气门上游部内抽出到外部，或者，将空气从外部导入到节气门上游部内。在这样的情况中，将所述物理模型构建成根据与促动器的工作相伴的节气门上游部内的空气流量的增减来修正节气门上游压力即可。

后面描述计算节气门流量的功能的详细情况。本功能为本空气量推定装置相对于现有技术的一个特征，是用于达成所述的课题的核心的功能。

节气门流量用于从节气门到进气门的进气通路、即节气门下游部内的空气的压力（以下，称作“节气门下游压力”）的计算。为了节气门下游压力的计算，本空气量推定装置使用基于与节气门下游部内的空气相关的守恒定律而构建的物理模型。使用节气门流量和进气门流量，作为向该物理模型输入的主要输入。当将节气门流量和进气门流量输入到所述的物理模型中时，从该物理模型计算出节气门下游压力。此外，存在在内燃机中具备促动器的情况，该促动器将空气从节气门下游部内抽出到外部，或者，将空气从外部导入到节气门下游部内。在这样的场合下，将所述物理模型构建成根据与促动器的工作相伴的节气门下游部内的的空气流量的增减来修正节气门下游压力即可。

进气门流量为通过进气门的空气的流量。本空气量推定装置基于节气门下游压力计算进气门流量。在该计算中，可以使用基于经验法则的数学公式，具体地，可以使用将节气门下游压力作为变量的一次函数。本空气量推定装置基于进气门流量，更详细地，由进气门从打开到关闭的进气门流量的累计值计算吸入到气缸内的空气量。

本空气量推定装置可以采用下面2个计算方法作为节气门流量的计算方法。第1计算方法基于节气门上游压力、节气门下游压力和节气门的开度，利用节流公式计算节气门流量。本空气量推定装置所采用的节流公式，具体地，为所述的公式（3）和公式（4）所示的公式。

本空气量推定装置所采用的第二计算方法，假定节气门流量位于压缩机流量和进气门流量的中间，基于压缩机流量和进气门流量，利用线性插值的公式计算节气门流量。本空气量推定装置所采用的线性插值的公式，为将节气门上游部的容积和节气门下游部的容积的比设为内分比的公式，具体地为如下所示的公式（10）。在公式（10）中，m_t为节气门流量，m_cp为压缩机流量，m_c为进气门流量，V_us为节气门上游部的容积，并且，V_ds为节气门下游部的容积。

（公式10）

$m_t=\frac{V_{\mathrm{ds}}*m_{\mathrm{cp}}+V_{\mathrm{us}}*m_c}{V_{\mathrm{us}}+V_{\mathrm{ds}}}$

本空气量推定装置选择上述的2个计算方法中的一个，根据选择的计算方法计算节气门流量。在该选择条件中包含有与节气门下游压力和节气门上游压力的关系相关的压力条件。在本空气量推定装置中使用的压力条件为节气门上游压力和节气门下游压力的差小于基准差，或者，节气门下游压力和节气门上游压力的比大于基准比。本空气量推定装置判定是否满足含有这样的压力条件的规定的选择条件。当判定为不满足选择条件时，本空气量推定装置选择按照第1计算方法计算节气门流量。另一方面，当判定为满足选择条件时，本空气量推定装置选择按照第2计算方法计算节气门流量。

上述选择条件为，通过使用节流公式的计算，在节气门下游压力，即，进气管压力的计算值中产生振荡的条件。本空气量推定装置，在这样的条件下，取代节流公式而由线性插值的公式计算节气门流量。在节气门流量的计算中使用节流公式的情况下，节气门上游压力和节气门下游压力在其计算中相互具有复杂的关系。但是，如果在节气门流量的计算中使用公式（10）所示的线性插值的公式，则可以单独地计算节气门上游压力和节气门下游压力。通过这种方式，在使用节流公式计算节气门流量的情况下，即使在节气门下游压力的计算值会发生振荡的区域，也可以精度良好地计算节气门下游压力。另外，公式（10）所示的关系，是即使在节气门开度小于WOT，位于中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m之间程度的压力差产生的状况下也成立的关系。因此，如果使用公式（10）所示的线性插值的公式，则在节气门下游压力的计算值发生振荡的全部区域中，可以提高空气量的推定精度。进而，即使根据公式（10）所示的线性插值的公式，也不会为了换取空气量的推定精度而使计算负荷增大。

这里，对在节气门流量的计算中使用线性插值的公式的合理性进行说明。首先，节气门上游部内的空气的状态的变化可以利用流量守恒定律由公式（11）表示。在公式（11）中，P_us为节气门上游压力，T_us为节气门上游温度。但是，为了简单起见，这里不存在将空气从节气门上游部内抽出到外部，或将空气从外部导入到节气门下游部内的促动器，或者，即使存在也不工作。

（公式11）

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_{\mathrm{us}}}{T_{\mathrm{us}}}\right)=\frac{R}{V_{\mathrm{us}}}*(m_{\mathrm{cp}}-m_t)$

在节气门上游部内的流量守恒定律的公式（11）中，如果节气门流量m_t由公式（10）计算，则公式（11）可以像公式（12）那样地表示。

（公式12）

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_{\mathrm{us}}}{T_{\mathrm{us}}}\right)=\frac{R}{V_{\mathrm{ic}}+V_m}*(m_{\mathrm{cp}}-m_c)$

另一方面，节气门下游部内的空气的状态的变化可以利用流量守恒定律由公式（13）表示。在公式（13）中，P_ds为节气门下游压力，T_ds为节气门下游温度。但是，为了简单起见，这里不存在将空气从节气门下游部内抽出到外部，或将空气从外部导入到节气门下游部内的促动器，或者，即使存在也不工作。

（公式13）

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_{\mathrm{ds}}}{T_{\mathrm{ds}}}\right)=\frac{R}{V_{\mathrm{ds}}}*(m_t-m_c)$

在节气门下游部内的流量守恒定律的公式（13）中，如果节气门流量m_t由公式（10）计算，则公式（13）可以像公式（14）那样地表示。

（公式14）

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_{\mathrm{ds}}}{T_{\mathrm{ds}}}\right)=\frac{R}{V_{\mathrm{ic}}+V_m}*(m_{\mathrm{cp}}-m_c)$

利用公式（13）和公式（14）导出下面的由公式（15）表示的关系。

（公式15）

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_{\mathrm{us}}}{T_{\mathrm{us}}}\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\frac{P_{\mathrm{ds}}}{T_{\mathrm{ds}}}\right)$

在满足所述的压力条件那样的状况下，可以认为节气门上游温度T_us和节气门下游温度T_ds相等。因此，可以从公式（15）得到下面的公式（16）所表示的关系。公式（16）表示节气门上游压力P_us的变化量和节气门下游压力P_ds的变化量相等。

（公式16）

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(P_{\mathrm{us}}\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(P_{\mathrm{ds}}\right)$

公式（16）所表示的节气门上游压力P_us和节气门下游压力P_ds的关系为在满足所述的压力条件的状况下实际成立的关系。根据公式（10）所示的线性插值的公式，无论内燃机的增压状态如何，在节气门上游压力P_us的计算值和节气门下游压力P_ds的计算值之间由公式（16）所示的关系都能够成立。由此，作为在所述的压力条件成立的状况下的节气门流量的计算式，可以确认公式（10）所示的线性插值的公式是合适的。

另外，采用本空气量推定装置，在将空气从节气门上游部内抽出到外部，或者，将空气从外部导入到节气门上游部内的促动器工作了的情况下，该影响只直接地影响节气门上游压力的计算，不会直接地影响节气门下游压力的计算。同样地，在将空气从节气门下游部内抽出到外部，或者，将空气从外部导入到节气门下游部内的促动器工作了的情况下，该影响只直接地影响节气门下游压力的计算，不直接地影响节气门上游压力的计算。因此，根据本空气量推定装置，在内燃机中具备ABV、EGR这样的促动器，即使在这些促动器工作着的情况下，也可以正确地计算节气门上游压力、节气门下游压力，进而，可以精度良好地推定空气量。

附图说明

图1为表示在本发明的实施方式的空气量推定装置中采用的空气量推定模型的功能框图。

图2为表示在本发明的实施方式的空气量推定装置中采用的空气量推定模型的功能框图。

图3为表示在本发明的实施方式的空气量推定装置中采用的空气量推定模型的功能框图。

图4为表示在本发明的实施方式的空气量推定装置中采用的空气量推定模型的功能框图。

图5为表示在本发明的实施方式的空气量推定装置中采用的空气量推定模型的功能框图。

图6为用于说明在本发明的实施方式的空气量推定装置中采用的节气门模型的图。

图7为表示由本发明的实施方式的空气量推定装置进行的中间冷却器压力的计算处理的流程的流程图。

图8为表示由本发明的实施方式的空气量推定装置进行的进气管压力的计算处理的流程的流程图。

图9为表示将带增压器的内燃机中的进气通路内的空气的行为严格地模型化的情况下的空气量推定模型的功能框图。

图10为表示现有技术的装置中采用的空气量推定模型的功能框图。

图11为用于对现有技术的装置中采用的空气量推定模型的问题进行说明的图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本实施方式的空气量推定装置适用于带增压器的内燃机。作为本空气量推定装置的适用对象的内燃机，是可以利用节气门对空气量的调整来控制转矩的4冲程发动机。本实施方式中设在内燃机中的增压器为涡轮式增压器，该涡轮式增压器利用配置在排气通路中的涡轮的旋转来驱动配置在进气通路中的压缩机。在压缩机和节气门之间设有中间冷却器，该中间冷却器用于冷却通过压缩机的压缩而温度上升了的空气。另外，本实施方式的带增压器的内燃机具备ABV和EGR，ABV使中间冷却器部内的空气向进气通路中的压缩机的上游侧旁通，EGR使排气通路的排气气体在进气管内再循环。另外，本实施方式的带增压器的内燃机为将燃料喷射到各气缸的进气口的进气口喷射型的内燃机。

本空气量推定装置实现作为内燃机中具备的ECU的一个功能。更详细地，通过由CPU执行存储在存储器中的程序，ECU实现作为空气量推定装置的功能。在ECU实现作为空气量推定装置的功能的情况下，ECU使用程序化的空气量推定模型，推定吸入到气缸内的空气量（以下，称作“气缸内空气量”）。

在本实施方式中使用的空气量推定模型由从第1计算模型到第4计算模型4个计算模型构成。图1为表示空气量推定模型的第1计算模型的功能框图。第1计算模型为用于计算进气门流量相对于现在的节气门开度的计算模型。第1计算模型包括涡轮转速模型M1、压缩机模型M2、中间冷却器模型M3、节气门模型M4、进气管模型M5、进气门模型M6、空气过滤器模型M7、ABV模型M8、以及EGR模型M9。以下，对第1计算模型所含有的各子模型的内容进行说明。

涡轮转速模型M1为增压器的旋转行为的模型，由数学公式表示的物理模型或者基于实验数据的映射构成。在涡轮转速模型M1中，输入废气旁通阀的膜片压力P_wgv和由后述的进气门模型M6计算出的进气门流量m_c(eklcrt)，从这些输入信息计算出涡轮转速Ｎ_tb。此外，膜片压力P_wgv为由传感器得到的传感器信息。

压缩机模型M2为增压器的压缩机的模型，由数学公式表示的物理模型或者基于实验数据的映射构成。在压缩机模型M2中，输入由涡轮转速模型M1计算出的涡轮转速Ｎ_tb和由后述的中间冷却器模型M3计算出的中间冷却器压力P_ic，根据这些输入信息计算压缩机流量m_cp。

空气过滤器模型M7为用于计算由配置在进气通路的入口的空气过滤器造成的压力损失的模型，由用数学公式表示的物理模型或者基于实验数据的映射构成。空气过滤器模型M7将从大气压P_a减去压力损失所得的值作为压缩机上游压力P_ac进行计算。此外，输入到空气过滤器模型M7中的大气压P_a可以由通过将大气压传感器的输出值kPa乘以基础值P_aO而得到。

ABV模型M8为用于计算利用ABV从中间冷却器部抽出到外部的空气的流量的模型。节流公式作为ABV模型M8使用。在ABV模型M8中，输入由空气过滤器模型M7计算出的压缩机上流压力P_ac、由后述的中间冷却器模型M3计算出的中间冷却器压力P_ic和ABV的驱动负载Ｄ_abv等的信息，从这些输入信息计算出ABV流量m_abv。此外，ABV的驱动载荷Ｄ_abv在ECU对ABV控制中计算。

EGR模型M9为用于计算利用EGR从排气通路向进气管内再循环的空气（排气气体）的流量的模型，由用数学公式表示的物理模型或者基于实验数据的映射构成。在EGR模型M9中，输入由后述的进气管模型M5计算出的进气管压力P_am、内燃机的负荷KL和EGR阀的驱动负载D_egr等的信息，从这些输入信息计算出EGR流量m_egr。此外，在ECU对EGR控制中计算EGR阀的驱动负载Ｄ_egr，从气缸内吸入空气量计算负荷KL。

对于中间冷却器模型M3、节气门模型M4、进气管模型M5和进气门模型M6，与图9所示的以往的空气量推定模型关联并进行说明。即，采用中间冷却器模型M3，从由压缩机模型M2计算出的压缩机流量m_cp、由后述的节气门模型M4计算出的节气门流量m_t和由ABV模型M8计算出的ABV流量m_abv等的输入信息，按照所述的公式（1）和公式（2）计算出中间冷却器压力P_ic。

另外，采用节气门模型M4，从节气门开度TA、由中间冷却器模型M3计算出的中间冷却器压力P_ic和由后述的进气管模型M5计算出的进气管压力P_m等的输入信息，按照所述的公式（3）和公式（4）计算节气门流量m_t。此外，节气门开度TA为利用传感器得到的传感器信息。

另外，采用进气管模型M5，从由节气门模型M4计算出的节气门流量m_t、由后述的进气门模型M6计算出的进气门流量m_c(eklcrt)和由后述的EGR模型M9计算出的EGR流量m_egr等的输入信息，按照所述的公式（5）和公式（6）计算出进气管压力P_m。

另外，采用进气门模型M6，从由进气管模型M5计算出的进气管压力P_m按照所述公式（7）计算出进气门流量m_c。但是，如图1所示，本空气量推定模型的第1计算模型具备两个进气门模型M6。由进气管模型M5计算出的进气管压力P_m被原样输出到一个进气门模型M6中。从进气管压力P_m计算出的进气门流量m_c(eklcrt)被用于像所述那样地在涡轮转速模型M1、进气管模型M5中的计算。

而且，由进气管模型M5计算出的进气管压力P_m(epmcrt)和用于修正第1计算模型的模型误差的修正量的合计值、即修正进气管压力P_m(epmact)被输入到另一个进气门模型M6中。在另一个进气门模型M6中，基于修正进气管压力P_m(epmact)计算出进气门流量m_c(eklact)。本空气量推定装置基于进气门流量m_c(eklact)，更详细地，由从进气门打开到进气门关闭的进气门流量m_c(eklact)的累计值计算气缸内空气量。

由第2计算模型和第3计算模型计算加到进气管压力P_m(epmcrt)上的修正量。图2为表示空气量推定模型的第2计算模型的功能框图，图3为表示空气量推定模型的第3计算模型的功能框图。第2计算模型为基于由空气流量计（以下，称作“AFM”）实际测量的空气流量（以下，称作“AFM流量”）而计算出进气管压力的模型。第3计算模型为基于AFM流量的计算值计算出进气管压力的模型。

第2计算模型包含中间冷却器模型M3、节气门模型M4、进气管模型M5、进气门模型M6、空气过滤器模型M7、ABV模型M8和EGR模型M9。这些辅助模型M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9间的信息的输入输出与第1计算模型中的是共通的。但是，在第2计算模型中，由AFM测量的AFM流量egaafm和由ABV模型M8计算出的ABV流量m_abv的合计值被作为压缩机流量m_cp计算出来。第2计算模型基于这样计算出的压缩机流量m_c而计算出进气门流量m_c(eklsm)，另外，计算出进气管压力P_m(epmafm)。

另一方面，除了第2计算模型所具有的子模型M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9，第3计算模型还含有空气流量计模型M10。AFM具有基于固有的响应特性的响应延迟。空气流量计模型M10为模拟这样的AFM的响应特性的模型，输出相对于输入的流量考虑到了AFM的响应延迟的流量。

在第3计算模型中，AFM流量的计算值（以下，称作“计算AFM流量”）m_afm被输入到空气流量计模型M10中。计算AFM流量m_afm被作为由第1计算模型的压缩机模型M2计算出的压缩机流量m_cp和由第1计算模型的ABV模型M8计算出的ABV流量m_abv的差分计算出来。从空气流量计模型M10输出与AFM的响应延迟相符地进行了延迟处理后的计算AFM流量m_afm。而且，在第3计算模型中，由空气流量计模型M10延迟处理了的计算AFM流量m_afm和由ABV模型M8计算出的ABV流量m_abv的合计值被作为压缩机流量m_cp计算出来。第3计算模型基于这样计算出的压缩机流量m_c，计算进气门流量m_c(eklcrt4)，另外，计算出进气管压力P_m(epmcrtsm)。

在第1计算模型中，由第2计算模型计算出的进气管压力P_m(epmafm)和由第3计算模型计算出的进气管压力P_m(epmcrtsm)的差分被计算出来。该差分可以被视为将通过模型计算出的计算AFM流量m_afm相对于实际的AFM流量egaafm所具有的误差换算为进气管压力P_m的差的值（模型误差）。第1计算模型将上述的差分作为模型误差的修正量加到进气管压力P_m(epmcrt)上，该相加值被作为修正进气管压力P_m(epmact)计算出来。本空气量推定装置从该修正进气管压力P_m(epmact)计算出进气门流量m_c(eklact)，基于进气门流量m_c(eklact)，更详细地，由从进气门打开到进气门关闭的进气门流量m_c(eklact)的累积值计算气缸内空气量。据此，可以精度良好地推定气缸内空气量。

但是，在实际的内燃机中气缸内空气量确定的时间点是进气门的关闭时。另一方面，本实施方式的内燃机为进气口喷射型的内燃机，因此各冲程的燃料喷射有必要至少在进气门的关闭时之前结束。因此，为了使形成在气缸内的混合气的空燃比与目标空燃比一致，可以要求在进气门关闭时之前的燃料喷射时预见该冲程的进气门关闭时的气缸内空气量。为了使预见成为可能，有必要预见当前时刻之前的时间点的节气门开度、也就是未来的节气门开度。于是，本空气量推定装置实施所谓的节气门延迟控制，所述节气门延迟控制使节气门工作，以使实际的节气门开度相对于基于车辆的加速踏板操作量计算出的目标节气门开度延迟规定时间。采用该节气门延迟控制，由于目标节气门开度相当于规定时间的未来的节气门开度，因此可以从目标节气门开度预见未来的节气门开度。

第4计算模型为用于基于预见的未来的节气门开度TA_fwd计算进气门关闭时的气缸内空气量的计算模型。图4为表示第4计算模型的功能框图。如图4所示，第4计算模型含有涡轮转速模型M1、压缩机模型M2、中间冷却器模型M3、节气门模型M4、进气管模型M5、进气门模型M6、空气过滤器模型M7、ABV模型M8和EGR模型M9。这些子模型M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9之间的信息的输入输出与第1计算模型中的是共通的。但是，在第4计算模型中，预见的节气门开度TA_fwd被输入到节气门模型M4中。

另外，第4计算模型与第1计算模型相同，具备2个进气门模型M6。由进气管模型M5计算出的进气管压力P_m被原样输入到一个进气门模型M6中。从进气管压力P_m计算出的进气门流量m_c(eklvlv)用于涡轮转速模型M1、进气管模型M5中的计算。

由进气管模型M5计算出的进气管压力P_m(epmvlv)和用于修正第4计算模型的模型误差的修正量的合计值、即修正进气管压力P_m(epmfwd)被输入到另一个进气门模型M6中。在修正量中，使用由第2计算模型计算出的进气管压力P_m(epmafm)和由第3计算模型计算出的进气管压力P_m(epmcrtsm)的差分。在另一个进气门模型M6中，基于修正进气管压力P_m(epmfwd)计算出的进气门流量m_c(eklcylfwd)。进气门流量m_c(eklcylfwd)为规定时间的未来的进气门流量。本空气量推定装置基于该预见的进气门流量m_c(eklcylfwd)推定进气门关闭时的气缸内空气量，使用进气门关闭时的推定气缸内空气量和目标空燃比计算燃料喷射量。

以上，对构成本实施方式的空气量推定模型的4个计算模型进行了说明。但是，在本实施方式的空气量推定模型中存在2个模式，各个计算模型的每一个都准备2个模式。图1～图4所示的各计算模型的结构为与其中一个模式对应的结构。以下，对空气量推定模型的两个模式进行说明。

本空气量推定装置，作为空气量推定模型的模式，具有不满足规定的选择条件时选择的第1模式、和满足了规定的选择条件时选择的第2模式。图1～图4表示的空气量推定模型的结构为第1模式中的结构。第1模式的特征在于使用节气门模型M4，该节气门模型M4利用节流公式、即所述的公式（3）和公式(4)计算节气门流量m_t。

在模式的切换的条件、即选择条件中，包含有在节气门模型M4对节气门流量m_t的计算中不能精度良好地推定气缸内空气量的压力条件。具体地，选择条件中包括压力条件，该压力条件为，进气管压力P_m和中间冷却器压力P_ic的压力比P_m／P_ic的大小大于设定为小于1的值的规定的基准比。在进气管压力P_m和中间冷却器压力P_ic的压力比P_m／P_ic接近1的区域中，相对于压力比P_m／P_ic的微小变化，公式（3）的压力比项Φ的值较大地变化。其结果是，发生调速不匀且进气管压力P_m振荡，无法精度良好地推定气缸内空气量。

满足了上述的选择条件时使用的空气量推定模型的第2模式为在节气门流量m_t的计算中不使用节流公式的模式。在第2模式中，取代第1模式的节气门模型M4而在各计算模型中使用以下说明的节气门模型M4a。图5为表示第2模式中的第1计算模型的功能框图。虽然省略了图示，但其他计算模型中的节气门模型M4a和其他的子模型之间的信息的输入输出与图5所示的第1计算模型中的是共通的。

在节气门模型M4a中，下述公式（17）用于节气门流量m_t的计算。下述公式（17）为，用于从压缩机流量m_cp和进气门流量m_c利用线性插值计算出节气门流量m_t的公式。在该线性插值的公式中，将如图6所示，节气门上流部的容积、即中间冷却器部容积V_ic和节气门下流部的容积、即进气管容积V_m的比作为内分比，进行作为中间点的节气门流量m_t的计算。

（公式17）

$m_t=\frac{V_m*m_{\mathrm{cp}}+V_{\mathrm{ic}}*m_c}{V_{\mathrm{ic}}+V_m}$

采用节气门模型M4a中，将由压缩机模型M2算出的压缩机流量m_cp和由进气门模型M6算出的进气门流量m_c(eklcrt)作为输入信息计算出节气门流量m_t。作为输入信息不需要节气门开度，另外，进气管压力P_m、中间冷却器压力P_ic这样的与压力有关的信息也是不需要的。在将节流公式用于节气门流量m_t的计算中的情况下，中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m在该计算中相互具有复杂的关系。但是，如果在节气门流量m_t的计算中使用公式（17）所示的线性插值的公式，则如图7和图8的流程图所示，可以单独地计算中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m。

对图7和图8的流程图进行说明，在图7的流程图中表示出本空气量推定装置对中间冷却器压力P_ic的计算处理的流程，在图8的流程图中表示出本空气量推定装置对进气管压力P_m的计算处理的流程。

在中间冷却器压力P_ic的计算中，如图7的流程图所示，首先，由压缩机模型M2计算出压缩机流量m_cp（步骤S101）。接着，在使用节流公式的节气门流量m_t的计算中，判定是否在进气管压力P_m发生振荡的区域，即，判定是否满足所述的选择条件（步骤S102）。如果判定的结果是否定的，则基于进气管压力P_m、中间冷却器压力P_ic和节气门开度TA，按照公式（3）和公式（4）所示的节流公式计算出节气门流量m_t（步骤S105）。另一方面，如果判定的结果是肯定的，则利用进气门模型M6计算出进气门流量m_c（步骤S103）。接下来，基于压缩机流量m_cp和进气门流量m_c，按照公式（17）所示的线性插值的公式计算出节气门流量m_t（步骤S104）。在节气门流量m_t的计算之后，由ABV模型M8计算出ABV流量m_abv（步骤S106）。接着，由中间冷却器模型M3计算出中间冷却器压力P_ic（步骤S107）。

在进气管压力P_m的计算中，如图8的流程图所示，首先，由进气门模型M6计算出进气门流量m_c（步骤S201）。接着，在使用节流公式的节气门流量m_t的计算中，判定是否在进气管压力P_m发生振荡的区域，即，判定是否满足所述的选择条件（步骤S202）。如果判定的结果是否定的，则基于进气管压力P_m、中间冷却器压力P_ic和节气门开度TA，按照公式（3）和公式（4）所示的节流公式计算出节气门流量m_t（步骤S205）。另一方面，如果判定的结果是肯定的，则由压缩机模型M2计算出压缩机流量m_cp（步骤S203）。接着，基于压缩机流量m_cp和进气门流量m_c，按照公式（17）所示的线性插值的公式计算出节气门流量m_t（步骤S204）。在节气门流量m_t的计算之后，由EGR模型M9计算出EGR流量m_egr（步骤S206）。接着，由进气管M5计算出进气管压力P_m（步骤S207）。

通过按以上那样的顺序进行中间冷却器压力P_ic和进气管压力P_m的计算，即使是在容易发生进气管压力P_m的振荡的区域，也能够利用节流公式不产生振荡且精度良好地计算出进气管压力P_m。进而，采用公式（17）对节气门流量m_t的计算，也不会为了换取气缸内空气量的推定精度而使计算负荷增加。

这里，将图5中由中间冷却器模型M3、节气门模型M4a和进气管模型M5构成的模型定义为中间冷却器进气管模型M100a。另外，将在图1～图4的各图中由中间冷却器模型M3、节气门模型M4和进气管模型M5构成的模型定义为中间冷却器进气管模型M100。在各计算模型中的模式的切换中，在满足所述选择条件的情况下，中间冷却器进气管模型M100被切换为中间冷却器进气管模型M100a。

在日本专利文献特开2006－152899号公报记载的现有技术的装置中，图10所示的中间冷却器进气管合体模型被使用在相当于中间冷却器进气管模型M100a的部分中。在对现有技术的中间冷却器进气管合体模型和中间冷却器进气管模型M100a进行比较的情况下，采用中间冷却器进气管模型M100a，其特征在于，ABV流量m_abv的直接的影响可以仅限于中间冷却器压力P_ic的计算中，EGR流量m_egr的直接的影响可以仅限于进气管压力P_m的计算中。通过具备了这样的特征，采用本空气量推定装置，即使在ABV、EGR工作着的情况下，也可以正确地计算中间冷却器压力P_ic、进气管压力P_m，进而，可以精度良好地推定气缸内空气量。

以上是对本发明的实施方式的说明。但是，本发明不限于上述实施方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内实施各种变形。例如，在实施方式中，将中间冷却器压力P_ic与进气管压力P_m的压力比大于基准比作为压力条件，但也可以将中间冷却器压力P_ic与进气管压力P_m的差小于基准差作为压力条件。另外，在压力条件的基础上，还可以在选择条件之一中包含节气门开度大于基准开度。

采用本发明的空气量推定装置的带增压器的内燃机也可以为具备机械式增压器的内燃机，该机械式增压器利用从内燃机的输出轴取得的驱动力驱动配置在进气通路上的压缩机。另外，本发明的空气量推定装置并不限于上述的实施方式那样的进气口喷射型的内燃机，也可以适用于直喷型内燃机、进气口喷射型和直喷型两者皆可的内燃机。

另外，在采用本发明的空气量推定装置的带增压器的内燃机中，中间冷却器不是必须的。另外，ABV、EGR也不是必需的。本发明的空气量推定装置也可以适用于只设有ABV和EGR中的一方的内燃机、ABV和EGR均不设置的内燃机。另外，EGR可以将排气在节气门的上流部，而非在进气管内再循环。

附图标记说明

Claims (4)

1.一种带增压器的内燃机的空气量推定装置，所述内燃机配备有：进气通路，所述进气通路将从外部吸入的空气导入到气缸内；压缩机，所述压缩机配置在所述进气通路上；节气门，所述节气门在所述压缩机的下游配置在所述进气通路内；进气门，所述进气门配置在所述进气通路和所述气缸的连接部，其特征在于，所述空气量推定装置配备有：

压缩机流量计算机构，所述压缩机流量计算机构基于从所述压缩机到所述节气门的进气通路（以下，称作节气门上游部）内的空气的压力（以下，称作节气门上游压力）和所述压缩机的转速，计算通过所述压缩机的空气的流量（以下，称作压缩机流量）；

节气门上游压力计算机构，所述节气门上游压力计算机构采用基于与所述节气门上游部内的空气相关的守恒定律构建的物理模型，基于所述压缩机流量和通过所述节气门的空气的流量（以下，称作节气门流量），计算所述节气门上游压力；

节气门流量计算机构，所述节气门流量计算机构计算所述节气门流量；

节气门下游压力计算机构，所述节气门下游压力计算机构采用基于与从所述节气门到所述进气门的进气通路（以下，称作节气门下游部）内的空气相关的守恒定律构建的物理模型，基于所述节气门流量和通过所述进气门的空气的流量（以下，称作进气门流量），计算所述节气门下游部内的空气的压力（以下，称作节气门下游压力）；

进气门流量计算机构，所述进气门流量计算机构基于所述节气门下游压力，计算所述进气门流量；

空气量计算机构，所述空气量计算机构基于所述进气门流量，计算被吸入所述气缸内的空气量，

所述节气门流量计算机构包括：

第1计算机构，所述第1计算机构基于所述节气门上游压力、所述节气门下游压力和所述节气门的开度，利用节流公式计算所述节气门流量；

第2计算机构，所述第2计算机构基于所述压缩机流量和所述进气门流量，利用线性插值公式计算所述节气门流量；

选择条件判定，所述选择条件判定对是否满足规定的选择条件进行判定，所述规定的选择条件包括如下的压力条件：所述节气门上游压力和所述节气门下游压力的差小于基准差，或者，所述节气门下游压力和所述节气门上游压力的比大于基准比；

选择机构，当判定为不满足所述选择条件时，所述选择机构选择由所述第1计算机构计算所述节气门流量，当判定为满足所述选择条件时，所述选择机构选择由所述第2计算机构计算所述节气门流量。

2.根据权利要求1所述的带增压器的内燃机的空气量推定装置，其特征在于，

所述内燃机配备有将空气从所述节气门上游部内向外部抽出、或者将空气从外部导入到所述节气门上游部内的促动器，

所述节气门上游压力计算机构以如下方式构成：根据所述节气门上游部内的空气流量伴随着所述促动器的动作的增减，对所述节气门上游压力进行修正。

3.根据权利要求1或2所述的带增压器的内燃机的空气量推定装置，其特征在于，

所述内燃机配备有将空气从所述节气门下游部内向外部抽出、或者将空气从外部导入到所述节气门下游部内的促动器，

所述节气门下游压力计算机构以如下方式构成：根据所述节气门下游部内的空气流量伴随着所述促动器的动作的增减，对所述节气门下游压力进行修正。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的带增压器的内燃机的空气量推定装置，其特征在于，

所述第2计算机构以如下方式构成：在设所述节气门流量为m_t、所述压缩机流量为m_cp、所述进气门流量为m_c、所述节气门上游部的容积为V_us、所述节气门下游部的容积为V_ds的情况下，利用以下的公式计算所述节气门流量：

（公式1）

$m_t=\frac{V_{\mathrm{ds}}*m_{\mathrm{cp}}+V_{\mathrm{us}}*m_c}{V_{\mathrm{us}}+V_{\mathrm{ds}}}$

Images