CN1981126B - 吸入空气量估计装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种吸入空气量估计装置、方法以及程序。该吸入空气量估计装置用于求出具有可变气门机构的内燃机的吸入空气量。该吸入空气量估计装置具有：基准值取得单元，其根据所述内燃机的发动机转速、气门升程量和气门相位角，由预定的映射图求出吸入空气量基准值；计测值取得单元，其求出与设在所述内燃机的进气管中的空气流量计的输出相对应的计测值；运算单元，其计算如下的校正参数：该校正参数使得所述吸入空气量基准值乘以校正系数所得的值与所述计测值之间的偏差为最小；以及估计值计算单元，其对求出的所述校正系数乘以所述吸入空气量基准值，来计算吸入空气量估计值。

Description

吸入空气量估计装置和方法

技术领域

本发明涉及对空气流量计的输出进行滤波的装置，特别涉及去除空气流量计的输出值中所含脉动成分的装置。

背景技术

内燃机进气管内设有节气门，通过调节节气门的开度来控制吸入空气量。由于节气门是通气阻力，因此在开度较小时进气管内形成负压而发生空气吸入效率降低。因此，近年来开发了不使用节气门的无节气门型往复式发动机。

无节气门型发动机使用可变气门升程机构和可变气门相位机构，通过调节气门升程量和气门开闭定时来控制吸入空气量。如日本特开平7-54625号公报中所示，可变气门升程机构通过油压变更为预定高度的凸轮而改变气门升程量。此外，如日本特开平11-223113号公报中所示，可变气门相位机构在凸轮轴端部设置叶片，以能够通过油压使相位延迟或超前，从而改变气门相位角。

另外，如图7(a)所示，在无节气门型发动机中，存在空燃比(A/F值)发散而无法收敛于目标空燃比的问题。并且，对无节气门型发动机的空气流量计输出进行测量时，如图4所示，实测值剧烈变动。这是由于往复式发动机在进气行程中，通过进气门的开闭而间歇性地吸入空气，因此在进气管内的空气流中产生脉动。

图5(a)至(f)示出了使得节气门型发动机的节气门开度th增加时的相对于吸入空气量平均值的分布的变化。图5(a)表示节气门开度为10(deg)时的吸入空气量的分布，图5(b)以后表示节气门开度每增加10(deg)时的吸入空气量的分布。对图5(a)至(f)的吸入空气量的分布进行比较可知，节气门开度越大，则吸入空气量越分散。这样，当成为通气阻力的节气门的影响减小时，则脉动对于吸入空气量的影响增大。因此，在无节气门型发动机中，由于不使用成为通气阻力的节气门，脉动引起的影响变大，来自设置于进气管中的空气流量计的测定值也变化较大。燃料喷射装置根据吸入空气量将空燃比控制在目标空燃比，但是如果根据变动较大的测定值来求燃料喷射量，则由于空燃比也变动较大而无法收敛于目标空燃比。

在现有技术中，为了使节气门型发动机的节气门全开状态下的脉动成分平滑化并提高过渡状态下的响应性，进行了各种研究。例如，有为了使脉动成分平滑化，而求出空气流量计的测定值的移动平均值，并将移动平均值用作测定值的方法。另外，在日本特开平5-306643号公报中，公开了根据发动机的状态来切换滤波器次数的控制。此外，在日本特开2004-156456号公报中公开了一种方法，即，使用根据发动机转速和进气管压力计算出的吸入空气量估计值以及设置于发动机进气管中的空气流量计的计测值，通过逐次型最小二乘法来计算吸入空气量的方法。

但是，在求出测定值的移动平均而使振幅平滑化的方法中，如图6所示，会在过渡响应中产生延迟。根据产生延迟的值来求燃料喷射量，则导致空燃比过稀或者过浓、增加排放而且驾驶性恶化。

在日本特开平5-306643号公报的方法中，需要根据发动机的条件设定滤波器的次数，数据设定非常费时。另外对于在从低流速时到高流速时的大范围内产生脉动成分的系统，难以判别输出值处于稳定状态还是过渡状态来设定滤波器的次数。

另外，在没有节气门的无节气门型发动机的情况下，由于进气管内压力与大气压相同，因此与发动机吸入空气量之间没有相关关系，无法使用日本特开2004-156456号公报中的方法。

在上述情况下，需要不会恶化响应性，对从空气流量计的测定值去除了进气管内脉动成分的吸入空气量进行估计的吸入空气量估计装置和方法。

发明内容

根据本发明的一个实施方式的吸入空气量估计装置用于求出具有可变气门机构的内燃机的吸入空气量。该吸入空气量估计装置具有：基准值取得单元，其根据所述内燃机的发动机转速、气门升程量和气门相位角，由预定的映射图求出吸入空气量基准值；计测值取得单元，其求出与设在所述内燃机的进气管中的空气流量计的输出相对应的计测值；运算单元，其计算如下的校正系数：该校正系数使得所述吸入空气量基准值乘以校正系数所得的值与所述计测值之间的偏差为最小；以及估计值计算单元，其对求出的所述校正系数乘以所述吸入空气量基准值，来计算吸入空气量估计值。

根据本实施方式，求出把从空气流量计取得的变动较大的流量值适用于没有变动的流量基准值的校正系数，将该校正系数与流量基准值相乘而求出空气流量的估计值。因此，能够求出去除了脉动成分的空气流量估计值，而不会使响应性恶化。

在根据本发明另一实施方式的吸入空气量估计装置中，所述运算单元使用最小二乘法来求使所述偏差为最小的所述校正系数。

根据本实施方式，使用最小二乘法来求使所述偏差为最小的校正系数，因此能够根据作为实测值的流量值，来求出更适于求出空气流量估计值的校正系数。

根据本发明的另一实施方式的程序，其使电子控制装置实现以下功能，以求出具有可变气门机构的内燃机的吸入空气量。该功能包括：根据所述内燃机的发动机转速、气门升程量和气门相位角，由预定的映射图求出吸入空气量基准值的功能；以及求出与设在所述内燃机的进气管中的空气流量计的输出相对应的计测值的功能。该功能还包括：求出如下校正系数的功能，该校正系数使得所述吸入空气量基准值乘以该校正系数所得的值与所述计测值之间的偏差为最小；以及对求出的所述校正系数乘以所述吸入空气量基准值，来计算吸入空气量估计值的功能。

根据本实施方式，求出把从空气流量计取得的变动较大的流量值与没有变动的流量基准值相关联的校正系数，将该校正系数与流量基准值相乘而求出空气流量的估计值。因此，能够求出去除了脉动成分的空气流量估计值，而不会使响应性恶化。

根据本发明的另一实施方式的吸入空气量估计方法用于求出具有可变气门机构的内燃机的吸入空气量.该方法包括以下步骤：根据所述内燃机的发动机转速、气门升程量和气门相位角，由预定的映射图求出吸入空气量基准值的步骤；以及求出与设在所述内燃机的进气管中的空气流量计的输出相对应的计测值的步骤.该方法还包括：计算如下校正系数的步骤，该校正系数使得所述吸入空气量基准值乘以校正系数所得的值与所述计测值之间的偏差为最小；以及对求出的所述校正系数乘以所述吸入空气量基准值，来计算吸入空气量估计值的步骤.

根据本实施方式，求出把从空气流量计取得的变动较大的流量值与没有变动的流量基准值相关联的校正系数，将该校正系数与流量基准值相乘而求出空气流量的估计值。因此，能够求出去除了脉动成分的空气流量估计值，而不会使响应性恶化。

在根据本发明的另一实施方式的吸入空气量估计方法中，使用最小二乘法求出使所述偏差为最小的所述校正系数。

根据本实施方式，使用最小二乘法求出使所述偏差为最小的校正系数，从而能够根据作为实测值的流量值来求出更适于求出空气流量估计值的校正系数。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的发动机及其控制装置的概略图。

图2是根据本发明的一个实施方式的吸入空气量估计装置的结构图。

图3是根据本发明的一个实施方式的吸入空气量估计处理的运算流程图。

图4是示出现有技术中空气流量计的输出值及其移动平均值的图。

图5是示出现有技术中未使用吸入空气量估计装置时的吸入空气量相对于平均值的分布的图。

图6是表示根据本发明的一个实施方式的过渡状态下的输出的跟随性的图。

图7是表示根据本发明的一个实施方式的采用了吸入空气量估计装置时和未采用时的A/F测定结果的图。

图8是表示根据本发明的一个实施方式的采用了吸入空气量估计装置时的A/F比的出现频度的图。

具体实施方式

参照图1，对本发明的根据基准值和空气流量计的测定值来估计吸入空气量的吸入空气量估计装置的一个实施方式进行说明。图1是表示根据本发明实施方式的具有可变气门机构(可变气门升程机构、可变气门相位机构)的汽油发动机及其控制装置的整体结构图。本实施方式中使用的发动机是在进气管内未设置节气门的无节气门型发动机。通过可变气门机构改变气门升程量和气门相位角，来进行作为节气门的吸入空气量的调节。另外，图1中省略了本发明未使用的内燃机周边装置。

电子控制单元(以下称为“ECU”)100具有：接收来自车辆各个部分的数据的输入接口100b；执行用于对车辆的各个部分进行控制的运算的CPU 100a；具有只读存储器(ROM)和随机访问存储器(RAM)的存储器100d；以及对车辆的各个部分发送控制信号的输出接口100c。在存储器100d的ROM中，存储有用于进行车辆各个部分的控制的程序和各种数据。用于进行本发明的控制的程序存储于该ROM中。ROM可以是EPROM等可重写ROM。在RAM中设有用于CPU 100a的运算的工作区域。来自车辆各个部分的数据和向车辆各个部分送出的控制信号暂时存储在RAM中。

在本实施方式中，在上述ROM中存储有用于执行后述的图3所示流程的程序、吸入空气量估计运算式、用于根据预定条件求出吸入空气量基准值GAIRMAP的吸入空气量基准映射图以及对发动机101进行运转控制所需的其它程序.

存储于ROM中的上述吸入空气量基准映射图包括作为气门升程量LIFT、气门相位角CAIN以及发动机转速NE的函数的吸入空气量基准。吸入空气量基准值GAIRMAP表示根据这些预定参数求出的稳定状态和过渡状态的基准值，表示伴随上述参数的变化的吸入空气量变化的形状。其用于通过根据与后述的来自空气流量计102的测定值之间的关系，使用最小二乘法，而使空气流量计102的测定值与由映射图取得的变化形状相关联，对含有脉动成分的吸入空气量的测定值进行校正。

向ECU 100发送的信号到达输入接口100b并进行模-数转换。CPU100a按照存储在存储器100d中的程序来处理转换后的数字信号，生成用于向车辆的各个部分发送的控制信号。输出接口100c将这些控制信号发送到车辆的各个部分。

发动机101具有可变气门机构，因此ECU 100也执行用于控制可变气门升程机构106和可变气门相位机构107的程序。并且，ECU 100向可变气门升程机构106和可变气门相位机构107发送通过执行该程序而求出的气门升程量LIFT和气门相位角CAIN。另外，求出的气门升程量LIFT和气门相位角CAIN存储在RAM中，在吸入空气量基准值GAIRMAP的检索时使用。

可变气门升程机构106是能够改变气门升程量的装置，对压下气门杆的凸轮进行切换而改变气门升程量。即，根据从ECU 100发送的气门升程量LIFT，通过油压控制而切换为具有实现预定的气门升程量的凸轮高度的凸轮。在本实施方式中，通过凸轮的切换来改变气门升程量，但是也可以采用通过致动器改变摇臂支点而使升程量变化的机构等其它可变气门升程机构。

可变气门相位机构107形成为在进气凸轮的端部装配有叶片式致动器，通过油压控制使气门相位角向超前侧或滞后侧变化。另外，根据来自ECU 100的气门相位角CAIN，通过油压控制改变凸轮相位角。

在本实施方式的无节气门型发动机中，如上所述，使用可变气门升程机构106和可变气门相位机构107，控制流入气缸内的吸入空气量，而实现无节气门型发动机。

在发动机101中，设有对发动机101的曲轴的旋转角度进行检测的曲轴角传感器105。曲轴角传感器105由关于各个气缸的吸入行程开始时的上死点(TDC)在预定的曲轴角度(这里为每180度曲轴角)输出TDC信号脉冲的TDC传感器；以及按照比TDC信号脉冲短的一定曲轴角周期(例如30度)产生一个脉冲的CRK传感器构成。从而向ECU 100提供TDC信号脉冲和CRK信号脉冲。这些信号脉冲用于燃料喷射正时、点火正时等的使发动机运转的各种定时控制。特别是在本实施方式中，这些信号用于通过对在预定时间中输出的TDC信号脉冲数进行计数，来计算发动机转速NE。此外，这些信号也用于取得从空气流量计102对测定值进行采样的定时。

在发动机101中，安装有进气管103和排气管104，在进气管103中安装有空气流量计102。

空气流量计102用于计测吸入空气量，并向ECU 100输出所测定的流速。本实施方式的空气流量计102采用卡曼涡式(Karman vortex)空气流量计，其在空气流中设置棒状流阻，并通过光传感器或超声波对在其后方产生的与流速成正比的涡旋数量进行计数。这里虽然采用了卡曼涡式，但是也可以采用叶片式空气流量计或者热线式空气流量计。

ECU 100构成为相对于从空气流量计102取得的空气流速，能够根据上述TDC信号脉冲求出发动机的一个冲程的时间，进而通过乘以预定系数，来求出每一冲程的吸入空气量(g/str)。

另外，虽然有些没有图示，但在发动机101上安装有运转所需的其它设备(例如，水温传感器等传感器类、以及燃料喷射装置、火花塞、三效催化剂等各种装置)。

在本实施方式中，由ECU 100按照下式(3)至(5)计算吸入空气量估计值。这些式子构成为使用式(5)通过根据吸入空气量基准值GAIRMAP(i)和测定值GAIRTH(i)逐次计算使e(i)为最小的θ(i)，从而求出吸入空气量估计值GAIRHAT。在求使偏差e(i)为最小的θ时，在本实施方式中使用最小二乘法。下面示出使用最小二乘法的上式的推导方法。

将基于吸入空气量基准值GAIRMAP的吸入空气量估计值作为吸入空气量估计值GAIRHAT(i)，如下这样建立模型。

GAIRHAT(i)＝θ(i)×GAIRMAP(i)         (1)

其中，θ(i)：模型参数

设测定值(传感器输出值)GAIRTH(i)和作为估计值的GAIRHAT(i)的偏差为e(i)，进行如下定义。

e(i)＝GAIRTH(i)-θ(i)×GAIRMAP(i)     (2)

此时，时间i的空气流量估计值GAIRHAT(i)可以根据下式(3)至(5)进行计算。

GAIRHAT(i)＝θ(i)×GAIRMAP(i)         (3)

其中，θ(i)：模型参数

e(i)＝GAIRTH(i)-θ(i-1)×GAIRMAP(i)   (4)

$\mathrm{\θ}\left(i\right)=\mathrm{\θ}(i-1)+\frac{P(i-1)\×\mathrm{GAIRMAP}\left(i\right)}{1+{\mathrm{GAIRMAP}}^2\left(i\right)\×P(i-1)}\×e\left(i\right)---\left(5\right)$

其中， $P\left(i\right)=P(i-1)-\frac{P{(i-1)}^2\×{\mathrm{GAIRMAP}}^2\left(i\right)}{1+{\mathrm{GAIRMAP}}^2\left(i\right)\×P(i-1)}$

图2示出根据本实施方式的吸入空气量估计装置200的框图。吸入空气量估计装置200包括模块201、模块202和模块203。模块201将吸入空气量基准值存储为映射图，根据时间i的发动机转速NE(i)、气门升程量LIFT(i)和气门相位角CAIN(i)，输出对应的吸入空气量基准值GAIRMAP(i)。乘法器204将从模块201输出的吸入空气量基准值GAIRMAP(i)与从模块203输出的θ(i-1)相乘，并将其结果输出给差分运算器205。当输入了来自乘法器204的输出时，差分运算器205计算所输入的值与测定值GAIRTH之间的差分，并向乘法器206输出差分值e(i)。

模块202计算并输出在式(5)中对偏差e(i)相乘的部分。乘法器206接收从模块202输出的值，并将该值与差分值e(i)相乘，并将其结果向加法器207输出。加法器207将乘法器206的输出值与模块203的输出值θ(i-1)相加，并将其结果输出给乘法器208和模块203。

模块203是延迟模块，具有接收模型参数θ(i)，将其暂时存储，并且将上一次存储的模型参数θ(i-1)向乘法器204和加法器207输出的功能。

从加乘法器207输出的θ(i)在乘法器208中与吸入空气量基准值GAIRMAP(i)相乘，输出吸入空气量估计值GAIRHAT(i)。

通过这样的构成，可以求出使偏差e(i)为最小的θ(i)。

图3是使用本实施方式的吸入空气量估计装置来求出得到目标空燃比的燃料喷射量的处理。图3所示的吸入空气量估计处理构成为在预定时刻或预定条件下从主程序中进行调用。此外，在本实施方式中，以下处理的运算周期为10～30(msec)的时间同步。但是，也可以是发动机转速同步。

从主程序调用吸入空气量估计处理时，ECU 100根据TDC信号脉冲的输入定时进行运算，计算出发动机转速NE(S301)。接着，ECU 100从存储器100d取得气门升程量LIFT和气门相位角CAIN(S302)。这里，本实施方式的发动机101具有可变气门机构。于是，通过ECU 100执行用于控制可变气门机构的现有技术的程序而预先计算出控制可变气门升程机构和可变气门相位机构所需的气门升程量LIFT和气门相位角CAIN，并存储在存储器100d内。在本实施方式中，使用这样预先存储在存储器100d中的气门升程量LIFT和气门相位角CAIN。

接着，ECU 100根据发动机转速NE、气门升程量LIFT和气门相位角CAIN，并参照存储器100d内的吸入空气量基准映射图，取得对应的吸入空气量基准值GAIRMAP(S303)。

接着，ECU 100取得来自空气流量计102的测定值GAIRTH。测定值GAIRTH可以使用直接从空气流量计102取得的采样值，但是在本实施方式中将六个CRK输出的采样值的移动平均值用作测定值。然后，ECU100将预定系数与该移动平均值相乘，得到每一冲程的测定值即吸入空气量GAIRTH(g/str)(S304)。

当取得了测定值GAIRTH时，ECU 100从存储器中读出前一次的θ，按照式(4)计算偏差e。并且，ECU 100从存储器中读出前一次的P，按照式(5)计算θ。然后，将该θ应用于式(3)，计算出吸入空气量估计值GAIRHAT(S305)。此外，因为下一次计算时需要，因此将上述计算所得的θ、P等各值存储于存储器100d中。此外，在本实施方式中，逐次计算作为辨识增益的P，但是也可以设为定值。

在本实施方式中，为求使偏差e为最小的θ，使用了利用最小二乘法的公式，但是也可以使用最速下降法。

当计算出吸入空气量估计值GAIRHAT时，ECU 100根据吸入空气量估计值GAIRHAT计算燃料喷射量(S306)。采用计算实现目标空燃比的燃料量的现有技术来进行燃料喷射量的计算。

这样，能够用映射值对难以判定是否为过渡状态的来自空气流量计的测定值进行校正，可以获得去除了作为脉动成分的变动的吸入空气量值。并且，能够根据这样去除了变动的吸入空气量估计值来控制燃料喷射量，从而使无节气门型发动机也能够实现稳定的空燃比。

此外，本实施方式的吸入空气量估计装置无需设定滤波器次数，且无需判定是否为过渡状态。

图6示出了空气流量计102的实测值(虚线)、空气流量计输出的移动平均(点线)以及通过本实施方式计算出的估计值(实线).其中可知，实测值的振幅最大且脉动引起的空气流量的变动大.并且可知，当为了去除该脉动成分而计算移动平均时，也无法去除较大的变动，且发生由于移动平均而产生的过渡期的延迟.与此相对，可知本实施方式的吸入空气量估计装置的吸入空气量估计值不会发生过渡期的延迟，并且由脉动而产生的较大的空气流量的变动收敛.因此，通过使用吸入空气量估计装置，能够实现过渡期的高响应性.

图7(a)示出了未采用吸入空气量估计装置时的实际空燃比(以下A/F比)的测定结果，图7(b)示出采用了吸入空气量估计装置时的A/F测定结果。运转条件均为发动机转速1000(rpm)、气门相位角50(deg)、气门升程量1.5(mm)。并且，在图7(a)(b)中，中央实线KCMD为目标空燃比，KACT为计测所得A/F值。在图7(a)中，在未采用吸入空气量估计装置时，由于在空气流量测定值中发生偏差，因此据此控制燃料喷射量时，A/F值不稳定且振幅较大。与此相对，当采用吸入空气量估计装置时，如图7(b)所示可知，吸入空气量估计值为去除了变动值后的值，因此据此而喷射的燃料喷射量不像图7(a)那样变动，空燃比KACT收敛于目标值。

图8示出了A/F值的出现频度。当未采用本实施方式的吸入空气量估计装置(自适应滤波器)时，收敛于±1％以内的KACT达到34.2％。另一方面，当采用了本实施方式的吸入空气量估计装置时，收敛于±1％以内的KACT变为100％，获得了良好的结果。因此，通过使用本吸入空气量估计装置，即使在无节气门型发动机这样的脉动较大的环境中，也能够获得稳定的吸入空气量值。

Claims (4)

1.一种对具有可变气门机构的内燃机的去除了脉动成分的吸入空气量进行估计的吸入空气量估计装置，其具有：

基准值取得单元，其根据所述内燃机的发动机转速、气门升程量和气门相位角，由预定的映射图求出吸入空气量基准值；

计测值取得单元，其对设在所述内燃机的进气管中的空气流量计的含有脉动成分的采样值为了去除脉动成分而进行移动平均来求出计测值；

运算单元，其计算如下的校正系数：该校正系数使得所述吸入空气量基准值乘以该校正系数所得的值与所述计测值之间的偏差为最小；以及

估计值计算单元，其对求出的所述校正系数乘以所述吸入空气量基准值，来计算去除了脉动成分的吸入空气量估计值，以不发生延迟地去除所述采样值的脉动成分对于吸入空气量估计值的影响。

2.根据权利要求1所述的吸入空气量估计装置，其中，所述运算单元使用最小二乘法来求使所述偏差为最小的所述校正系数。

3.一种对具有可变气门机构的内燃机的去除了脉动成分的吸入空气量进行估计的方法，其具有以下步骤：

根据所述内燃机的发动机转速、气门升程量和气门相位角，由预定的映射图求出吸入空气量基准值的步骤；

对设在所述内燃机的进气管中的空气流量计的含有脉动成分的采样值为了去除脉动成分而进行移动平均来求出计测值的步骤；

计算如下校正系数的步骤，该校正系数使得所述吸入空气量基准值乘以校正系数所得的值与所述计测值之间的偏差为最小；以及

对求出的所述校正系数乘以所述吸入空气量基准值，来计算去除了脉动成分的吸入空气量估计值，以不发生延迟地去除所述采样值的脉动成分对于吸入空气量估计值的影响的步骤。

4.根据权利要求3所述的对具有可变气门机构的内燃机的吸入空气量进行估计的方法，其使用最小二乘法求出使所述偏差为最小的所述校正系数。

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