JP2002070633A - 内燃機関の筒内充填空気量推定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 充填効率を用いずに筒内充填空気量を精度良
く推定できるようにする。 【解決手段】 筒内充填空気量Ｍe を算出する吸気系モ
デルは、スロットルバルブ１５からエンジン１１の吸気
口までの吸気通路を流れる吸入空気に対し、質量保存の
法則と気体の状態方程式を適用して導き出したものであ
る。 吸気系モデル式：Ｍe ＝Ｍth−Ｖ／ＲＴ・ｄＰ／ｄｔ ここで、Ｍe は筒内充填空気量、Ｖはスロットルバルブ
１５下流側の吸気通路の内容積、Ｒは気体定数、Ｔは吸
気温度、ｄＰ／ｄｔは吸気圧力変化量である。吸気圧力
センサ１８の検出値に重畳するノイズ（吸気脈動波形）
の影響を排除するために、吸気圧力変化量（ｄＰ／ｄ
ｔ）として、吸気圧力センサ１８の検出値とその検出値
のなまし値との偏差（つまり疑似微分値）を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸入空気流量と吸
気圧力の両方を検出して筒内充填空気量を推定する内燃
機関の筒内充填空気量推定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、筒内充填空気量を推定する方法
は、吸入空気流量をエアフロメータで検出して、その検
出値から筒内充填空気量を推定する方式（以下「吸入空
気流量検出方式」という）と、吸気圧力を吸気圧力セン
サで検出して、その検出値から筒内充填空気量を推定す
る方式（以下「吸気圧力検出方式」という）とに大別さ
れる。吸入空気流量検出方式は、定常時に吸入空気流量
＝筒内充填空気量となるため、定常時の筒内充填空気量
の推定精度が良いという利点があるが、過度時には筒内
充填空気量の変化が吸気管の上流部に設置されたエアフ
ロメータの出力の変化として現れるまでに暫く時間がか
かり、過渡時の応答性が悪いという欠点がある。これに
対し、吸気圧力検出方式は、吸入空気流量検出方式と比
較して過渡時の応答性が良いという特長がある。筒内充
填空気量の変化に伴う圧力変化が吸気圧力センサ付近
（サージタンク）まで伝搬する時間は、筒内充填空気量
の変化が吸気管上流部のエアフロメータ付近の吸入空気
流量を変化させるまでの時間と比較してかなり短いため
である。

【０００３】そこで、近年、吸入空気流量検出方式と吸
気圧力検出方式の両方式の長所を併せ持つ２センサ併用
方式が開発されている。この２センサ併用方式は、エア
フロメータと吸気圧力センサの両方を設置して、定常時
には、エアフロメータで検出した吸入空気流量から筒内
充填空気量を推定し、過渡時には、吸気圧力センサで検
出した吸気圧力から次式により筒内充填空気量を演算す
るようにしている。

【０００４】Ｍe ＝η・Ｎｅ・Ｖ・Ｐ／（２・Ｒ・Ｔ） ここで、Ｍe ：筒内充填空気量 η：充填効率 Ｎｅ：エンジン回転速度 Ｖ：吸気マニホールド内容積 Ｐ：吸気圧力（吸気圧力センサの検出値） Ｒ：気体定数 Ｔ：吸入空気の温度 この場合、充填効率ηは、エンジン回転速度Ｎｅと吸気
圧力Ｐとをパラメータとする二次元マップにより算出さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の２
センサ併用方式では、過渡時の筒内充填空気量Ｍe を算
出する式に充填効率ηが含まれているため、充填効率η
をエンジン回転速度Ｎｅと吸気圧力Ｐとをパラメータと
する二次元マップにより算出する必要がある。このた
め、充填効率ηを精度良く算出しようとすると、二次元
マップ作成のための適合工数が増加したり、この二次元
マップを記憶するためにメモリ容量を拡張する必要あ
る。特に、吸気側／排気側の両方に可変バルブタイミン
グシステムを搭載したエンジンでは、充填効率ηが吸気
／排気バルブタイミングによっても変化するため、充填
効率ηをエンジン回転速度Ｎｅと吸気圧力Ｐと吸気／排
気バルブタイミングとをパラメータとする４次元マップ
により算出する必要があり、４次元マップ作成のための
適合工数やメモリ容量が非常に膨大になり、かなりのコ
ストアップになるという欠点がある。

【０００６】しかも、上記従来の２センサ併用方式で
は、定常時と過渡時で吸入空気流量検出方式と吸気圧力
検出方式とを切り換えるため、定常時と過渡時との境界
で筒内充填空気量の演算値が不連続となるおそれがあ
り、それ故に、筒内充填空気量の演算値が不連続となら
ないように調整する必要がある。

【０００７】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、充填効率を用いずに
筒内充填空気量を精度良く推定することができ、適合工
数やメモリ容量を大幅に少なくしながら筒内充填空気量
の推定精度を向上でき、しかも、定常時と過渡時との境
界で筒内充填空気量の演算値を確実に連続させることが
できる内燃機関の筒内充填空気量推定装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の内燃機関の筒内充填空気量推定
装置は、内燃機関の吸気通路を流れる吸入空気の流量を
検出する吸入空気流量検出手段と、吸気圧力を検出する
吸気圧力検出手段とを備えたものにおいて、スロットル
バルブを通過した吸入空気が筒内に流入するまでの吸入
空気の挙動を模擬した吸気系モデルを用い、吸入空気流
量検出手段で検出した吸入空気流量に基づいて吸気系モ
デル内に流入する空気流量を求めると共に、吸気圧力検
出手段で検出した吸気圧力の変化量に基づいて該吸気系
モデル内の空気質量の変化量を演算し、該吸気系モデル
内に流入する空気流量と該吸気系モデル内の空気質量の
変化量とから筒内に流入する筒内充填空気量を演算す
る。これにより、充填効率を用いずに筒内充填空気量を
推定することが可能となり、適合工数やメモリ容量を大
幅に少なくすることができる。

【０００９】この場合、吸気圧力の変化量に基づいて吸
気系モデル内の空気質量の変化量を演算する際に、該吸
気圧力の変化量として、吸気圧力検出手段の検出値の時
間微分値を用いることが考えられるが、吸気圧力検出手
段の検出値にはノイズとなる吸気脈動波形が重畳してい
るため、吸気圧力検出手段の検出値の時間微分値を用い
ると、ノイズ波形（吸気脈動波形）の時間微分値を用い
ることになってしまい、吸気圧力の変化量の演算精度が
悪化する。

【００１０】そこで、請求項１では、吸気圧力の変化量
に基づいて吸気系モデル内の空気質量の変化量を演算す
る際に、該吸気圧力の変化量として、吸気圧力検出手段
の検出値とその検出値のなまし値との偏差（つまり疑似
微分値）を用いる。この疑似微分により、ノイズ成分
（吸気脈動波形）の影響をほとんど受けることなく、吸
気圧力の変化量を精度良く演算することができ、その結
果、筒内充填空気量を精度良く推定することができる。
しかも、定常時と過渡時で同じ吸気系モデルを用いて筒
内充填空気量を演算するため、定常時と過渡時との境界
で筒内充填空気量の演算値を確実に連続させることがで
きる。

【００１１】この場合、請求項２のように、吸入空気流
量検出手段として、熱式エアフロメータを用いると良
い。熱式エアフロメータは、吸入空気の質量流量に対応
した出力を得ることができるので、ベーン式やカルマン
渦式のエアフロメータに比べて空気の密度（温度、圧
力）による影響がなく、空気の密度による補正が不要で
あると共に、可動部分が無く、小型（低圧力損失）、低
コストである等の利点を有する。

【００１２】しかし、熱式エアフロメータは、吸入空気
で冷やされる熱線等の放熱量に応じて出力が変化する構
造であるため、吸入空気流量の変化が熱線等の放熱量の
変化を引き起こしてそれが出力変化として現れるまでに
応答遅れが発生し、この熱式エアフロメータの応答遅れ
が吸気圧力検出手段の応答遅れよりもかなり大きいた
め、両者の応答遅れの差が大きくなり、これが筒内充填
空気量の演算精度を低下させる原因となる。

【００１３】そこで、請求項３のように、吸気系モデル
には、吸入空気流量検出手段と吸気圧力検出手段との応
答性の差を補正する調整定数として、吸入空気流量検出
手段の時定数と吸気圧力検出手段の時定数とを組み込む
ようにすると良い。このようにすれば、吸入空気流量検
出手段と吸気圧力検出手段との応答性の差を補正するこ
とができ、応答性とノイズ除去とを両立させた精度の良
い筒内充填空気量の演算が可能となる。

【００１４】この場合、請求項４のように、吸気系モデ
ルとして次式を用いれば良い。

【００１５】

【数２】

【００１６】この式は、後述するように、質量保存の法
則と気体の状態方程式から導き出されたものである。こ
こで、吸気系モデル内に流入する空気流量Ｍthは、スロ
ットルバルブを通過する吸入空気の流量であり、吸入空
気流量検出手段は、スロットルバルブよりも上流側で吸
入空気流量を検出するため、吸気系モデル内に流入する
空気流量Ｍthは、吸入空気流量検出手段の検出値を位相
進み処理することで求められる。上式は、吸気系モデル
内に流入する空気流量Ｍthを吸気圧力検出手段の時定数
（１／α1 ）でなまし処理（一次遅れ処理）すると共
に、吸気圧力検出手段の検出値Ｐを吸入空気流量検出手
段の時定数（１／α2 ）でなまし処理することで、吸入
空気流量検出手段と吸気圧力検出手段との応答性の差を
補正するものである。これにより、充填効率を用いず
に、応答性とノイズ除去とを両立させた精度の良い筒内
充填空気量Ｍe の演算が可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を吸気／排気可変バ
ルブタイミングシステム付きのエンジンに適用した一実
施形態を図面に基づいて説明する。

【００１８】まず、図１に基づいてエンジン制御システ
ム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン
１１の吸気管１２（吸気通路）の最上流部には、エアク
リーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側
には、吸入空気量を検出する熱式エアフロメータ１４
（吸入空気流量検出手段）が設けられている。この熱式
エアフロメータ１４は、吸入空気の流れの中に配置され
る熱線（図示せず）と吸気温度センサ（図示せず）が内
蔵され、吸入空気で冷やされる熱線の温度と吸気温度と
の温度差を一定に保つように熱線への供給電流が制御さ
れる。これにより、吸入空気流量に応じて変化する熱線
の放熱量に応じて熱線への供給電流が変化し、この供給
電流に応じた電圧信号が吸入空気流量信号として出力さ
れる。この熱式エアフロメータ１４の下流側には、スロ
ットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロット
ル開度センサ１６とが設けられている。

【００１９】更に、スロットルバルブ１５の下流側に
は、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１
７に、吸気圧力Ｐを検出する吸気圧力センサ１８（吸気
圧力検出手段）が設けられている。また、サージタンク
１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気
マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホール
ド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃
料噴射弁２０が取り付けられている。エンジン１１の吸
気バルブ２５と排気バルブ２６は、それぞれ可変バルブ
タイミング装置２８，２９によって駆動され、エンジン
運転状態に応じて吸気／排気バルブタイミングが調整さ
れる。尚、可変バルブタイミング装置２８，２９は、油
圧駆動式、電磁駆動式のいずれの方式であっても良い。

【００２０】一方、エンジン１１の排気管２１の途中に
は、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２２が設置さ
れている。この触媒２２の上流側には、排出ガスの空燃
比（又は酸素濃度）を検出する空燃比センサ（又は酸素
センサ）２３が設けられている。また、エンジン１１の
シリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温セ
ンサ２４や、エンジン回転速度を検出するクランク角セ
ンサ２５が取り付けられている。

【００２１】これら各種のセンサ出力は、エンジン制御
回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３０に入力される。
このＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを主体として
構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された
図２の筒内充填空気量演算プログラムを実行すること
で、吸気系モデル式により筒内充填空気量を演算する演
算手段としての役割を果たす。

【００２２】この吸気系モデルは、スロットルバルブ１
５からエンジン１１の吸気口までの吸気通路（以下「ス
ロットル下流吸気通路」という）を流れる吸入空気の挙
動をモデル化したものであり、質量保存の法則と気体の
状態方程式から次のようにして導き出される。スロット
ル下流吸気通路の吸入空気の流れに質量保存の法則を適
用すると、次の（１）式で表される関係が得られる。 ΔＭin＝Ｍth−Ｍe ……（１）

【００２３】ここで、ΔＭinはスロットル下流吸気通路
内の空気質量の変化量（吸気系モデル内の空気質量の変
化量）、Ｍthはスロットルバルブ通過空気量（吸気系モ
デル内に流入する空気流量）、Ｍe は筒内充填空気量で
ある。ΔＭin、Ｍth、Ｍe はいずれも単位時間当たり
（又はサンプリング間隔）の値である。

【００２４】また、スロットル下流吸気通路に気体の状
態方程式を適用すると、次の（２）式で表される関係が
得られる。 ΔＭin＝Ｖ／ＲＴ・ｄＰ／ｄｔ ……（２） ここで、Ｖはスロットル下流吸気通路の内容積（吸気系
モデルの内容積）、Ｒは気体定数、Ｔは吸入空気の温度
（吸気温度）、ｄＰ／ｄｔは単位時間当たり（又はサン
プリング間隔）の吸気圧力Ｐの変化量である。

【００２５】上記（１）式と（２）式から次の（３）式
が得られる。 Ｖ／ＲＴ・ｄＰ／ｄｔ＝Ｍth−Ｍe ……（３） 従って、筒内充填空気量Ｍe は、上記（３）式を整理し
て求めた次の（４）式によって算出される。 Ｍe ＝Ｍth−Ｖ／ＲＴ・ｄＰ／ｄｔ ……（４）

【００２６】ところで、吸気圧力センサ１８で検出する
吸気圧力Ｐには、ノイズとなる吸気脈動波形が重畳して
いるため、吸気圧力変化量（ｄＰ／ｄｔ）として、吸気
圧力センサ１８の検出値の時間微分値を用いると、ノイ
ズ波形（吸気脈動波形）の時間微分値を用いることにな
ってしまい、吸気圧力変化量（ｄＰ／ｄｔ）の精度が悪
化する。

【００２７】そこで、本実施形態では、吸気圧力変化量
（ｄＰ／ｄｔ）として、吸気圧力センサ１８の検出値と
その検出値のなまし値との偏差（つまり疑似微分値）を
用いる。

【００２８】吸気圧力変化量（ｄＰ／ｄｔ）＝吸気圧力
センサ検出値−検出値のなまし値この疑似微分により、
ノイズ成分（吸気脈動波形）の影響をほとんど受けるこ
となく、吸気圧力変化量（ｄＰ／ｄｔ）を精度良く演算
することが可能となる。

【００２９】また、熱式エアフロメータ１４は、吸入空
気で冷やされる熱線の放熱量に応じて出力が変化する構
造であるため、吸入空気流量の変化が熱線の放熱量の変
化を引き起こしてそれが出力変化として現れるまでに応
答遅れが発生し、この熱式エアフロメータ１４の応答遅
れが吸気圧力センサ１８の応答遅れよりもかなり大きい
ため、両者の応答遅れの差が大きくなり、これが筒内充
填空気量Ｍe の演算精度を低下させる原因となる。

【００３０】そこで、吸気系モデル式には、熱式エアフ
ロメータ１４と吸気圧力センサ１８との応答性の差を補
正する調整定数として、熱式エアフロメータ１４の時定
数（１／α2 ）と吸気圧力センサ１８の時定数（１／α
1 ）とを組み込む。これにより、次式で表される吸気系
モデル式が得られる。

【００３１】

【数３】

【００３２】ここで、スロットルバルブ通過空気量Ｍth
は、スロットルバルブ１５を通過する吸入空気の流量で
あり、熱式エアフロメータ１４は、スロットルバルブ１
５よりも上流側で吸入空気流量を検出するため、スロッ
トルバルブ通過空気量Ｍthは、熱式エアフロメータ１４
の検出値を位相進み処理することで求められる。上式
は、スロットルバルブ通過空気量Ｍthを吸気圧力センサ
１８の時定数（１／α1）でなまし処理（一次遅れ処
理）すると共に、吸気圧力センサ１８の検出値Ｐを熱式
エアフロメータ１４の時定数（１／α2 ）でなまし処理
することで、熱式エアフロメータ１４と吸気圧力センサ
１８との応答性の差を補正するものである。これによ
り、充填効率を用いずに、応答性とノイズ除去とを両立
させた精度の良い筒内充填空気量Ｍe の演算が可能とな
る。

【００３３】以上説明した吸気系モデル式を用いて筒内
充填空気量を算出する図２の筒内充填空気量演算プログ
ラムは、所定クランク角毎に繰り返し実行される。本プ
ログラムが起動されると、まずステップ１０１で、熱式
エアフロメータ１４で検出した吸入空気流量、吸気圧力
センサ１８で検出した吸気圧力Ｐ、熱式エアフロメータ
１４内の吸気温度センサで検出した吸気温度Ｔを読み込
む。この後、ステップ１０２に進み、熱式エアフロメー
タ１４の検出値（吸入空気流量）を位相進み処理するこ
とで、スロットルバルブ通過空気量Ｍthを求めた後、ス
テップ１０３に進み、前記吸気系モデル式にスロットル
バルブ通過空気量Ｍth、吸気温度Ｔ、吸気圧力Ｐを代入
して、筒内充填空気量Ｍe を算出する。

【００３４】ＥＣＵ３０は、このようにして算出した筒
内充填空気量Ｍe とエンジン回転速度に応じてマップ等
により基本噴射量を算出し、この基本噴射量に空燃比フ
ィードバック補正係数、水温補正係数等の各種の補正係
数を乗算して最終的な燃料噴射量を求める。

【００３５】図３は、吸気バルブタイミングの進角値が
変化した時（過渡時）の筒内充填空気量の演算値の挙動
を示している。従来仕様は、充填効率ηを用いて筒内充
填空気量を演算する際に、充填効率ηをエンジン回転速
度Ｎｅと吸気圧力Ｐとをパラメータとする二次元マップ
により算出するため、吸気バルブタイミング進角値の変
化による充填効率ηの変化が全く考慮されず、過渡時の
筒内充填空気量の演算値が真の値から大きくずれる。従
って、従来仕様で筒内充填空気量の演算精度を高めよう
とすると、充填効率ηをエンジン回転速度Ｎｅと吸気圧
力Ｐと吸気バルブタイミング（と排気バルブタイミン
グ）をパラメータとする３次元マップ（４次元マップ）
により算出する必要があり、そのマップ作成のための適
合工数やメモリ容量が非常に膨大になり、かなりのコス
トアップになるという欠点がある。

【００３６】これに対し、本実施形態では、吸気系モデ
ル式で筒内充填空気量を演算することで、充填効率ηを
用いずに筒内充填空気量を演算する。しかも、吸気系モ
デル式の変数となる吸気圧力変化量（ｄＰ／ｄｔ）とし
て、吸気圧力センサ１８の検出値とその検出値のなまし
値との偏差（つまり疑似微分値）を用い、更に、スロッ
トルバルブ通過空気量Ｍthを吸気圧力センサ１８の時定
数（１／α1 ）でなまし処理（一次遅れ処理）すると共
に、吸気圧力センサ１８の検出値Ｐを熱式エアフロメー
タ１４の時定数（１／α2 ）でなまし処理することで、
熱式エアフロメータ１４と吸気圧力センサ１８との応答
性の差を補正する。これにより、本実施形態では、過渡
時の筒内充填空気量の演算値と真の値とのずれが極めて
小さくなり、過渡時でも、応答性とノイズ除去とを両立
させた精度の良い筒内充填空気量の演算が可能となる。
しかも、充填効率ηを用いないため、適合工数やメモリ
容量を大幅に少なくすることができ、低コスト化の要求
も十分に満たすことができる。

【００３７】尚、本発明の適用範囲は、吸気／排気可変
バルブタイミングシステム付きのエンジンに限定され
ず、吸気側（又は排気側）のみを可変バルブタイミング
としたエンジンや、可変バルブタイミングシステムを全
く搭載しないエンジンにも適用でき、また、吸気ポート
噴射エンジンに限定されず、筒内噴射エンジンにも適用
できる。また、エアフロメータ（吸入空気流量検出手
段）も熱式エアフロメータに限定されず、例えば、ベー
ン式やカルマン渦式のエアフロメータを用いても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システ
ム全体の概略構成図

【図２】筒内充填空気量演算プログラムの処理の流れを
示すフローチャート

【図３】過渡時の筒内充填空気量の演算値の挙動を説明
するタイムチャート

【符号の説明】

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管（吸気通
路）、１４…熱式エアフローメータ（吸入空気流量検出
手段）、１５…スロットルバルブ、１７…サージタンク
（吸気通路）、１８…吸気圧力センサ（吸気圧力検出手
段）、１９…吸気マニホールド（吸気通路）、２０…燃
料噴射弁、２１…排気管、２８，２９…可変バルブタイ
ミング装置、３０…ＥＣＵ（演算手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｄ 45/00 ３７０ Ｆ０２Ｄ 45/00 ３７０Ｂ Ｆターム(参考） 3G084 BA23 DA25 EA01 EA04 EA11 EB08 EB25 EC04 FA02 FA08 FA09 FA10 FA11 FA20 FA29 FA33 FA38

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の吸気通路を流れる吸入空気の
   流量を検出する吸入空気流量検出手段と、 前記吸気通路内の吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段
   と、 スロットルバルブを通過した吸入空気が筒内に流入する
   までの吸入空気の挙動を模擬した吸気系モデルを用い、
   前記吸入空気流量検出手段で検出した吸入空気流量に基
   づいて前記吸気系モデル内に流入する空気流量を求める
   と共に、前記吸気圧力検出手段で検出した吸気圧力の変
   化量に基づいて該吸気系モデル内の空気質量の変化量を
   演算し、該吸気系モデル内に流入する空気流量と該吸気
   系モデル内の空気質量の変化量とから筒内に流入する筒
   内充填空気量を演算する演算手段とを備え、 前記演算手段は、前記吸気圧力の変化量に基づいて前記
   吸気系モデル内の空気質量の変化量を演算する際に、該
   吸気圧力の変化量として、前記吸気圧力検出手段の検出
   値とその検出値のなまし値との偏差を用いることを特徴
   とする内燃機関の筒内充填空気量推定装置。
2. 【請求項２】 前記吸入空気流量検出手段は、熱式エア
   フロメータであることを特徴とする請求項１に記載の内
   燃機関の筒内充填空気量推定装置。
3. 【請求項３】 前記吸気系モデルは、前記吸入空気流量
   検出手段と前記吸気圧力検出手段との応答性の差を補正
   する調整定数として、前記吸入空気流量検出手段の時定
   数と前記吸気圧力検出手段の時定数とが組み込まれてい
   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
   筒内充填空気量推定装置。
4. 【請求項４】 前記吸気系モデルの式は、 【数１】 であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の筒
   内充填空気量推定装置。