JP2004116459A - Cylinder intake air amount estimating device for internal combustion engine - Google Patents

Cylinder intake air amount estimating device for internal combustion engine Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cylinder intake air amount estimating device for an internal combustion engine capable of effectively reducing a steady error between actual cylinder intake air amount and estimated cylinder intake air amount. <P>SOLUTION: The cylinder intake air amount estimating device obtains cylinder intake air amount Mc by using an electronic controlled throttle model Ma, a throttle model M2, an intake pipe model M3, an intake valve model M4, and a cylinder model M5. An observer OBS corrects throttle passing air flow rate mt estimated by the throttle model Ms and a cylinder intake air flow rate mc estimated by the intake valve model M4 so as to make time integral value SumSA of deviation SA between throttle passing air flow rate mtes based on a value outputted by an air flow meter 61 to present throttle passing air flow mt(t-T0) by the throttle model M2 and present intake air flow rate mtAFM measured by the air flow meter 61 become 0. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のシリンダ内に吸入される筒内吸入空気量を吸気系のモデル(シミュレーションモデル、物理モデル)に基づいて推定する内燃機関の筒内吸入空気量推定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関により燃焼される混合気の空燃比を所定の値とするためには、同内燃機関のシリンダ内(筒内、燃焼室内)に吸入される空気の量(以下、「筒内吸入空気量Mc」と称呼する。)を精度良く求める必要がある。通常、内燃機関の吸気通路には空気流量センサが備えられ、この空気流量センサの出力値により筒内吸入空気量Mcが推定される。ところが、スロットルバルブ開度が時間的に大きく変化する場合等、内燃機関が過渡運転状態にある場合、前記空気流量センサの出力値から筒内吸入空気量Mcを精度良く求めることは困難である。そこで、近年においては、流体力学等に基づく式により表される吸気系のモデルを用いることにより、筒内吸入空気量Mcに応じた値を精度良く推定する種々の試みがなされている(例えば、下記特許文献1を参照)。図22は、このような筒内吸入空気量推定装置のうち、本願の出願人が検討しているものを概念的に示していて、この筒内吸入空気量推定装置は、電子制御スロットルモデルM10、スロットルモデルM20、吸気弁モデルM30、及び吸気管モデルM40を備えている。
【0003】
ところで、筒内吸入空気量Mcは、吸気弁が閉弁するとき(吸気弁閉時)に確定し、その時点でのシリンダ内の圧力と比例する関係がある。また、吸気弁閉弁時のシリンダ内の圧力は吸気弁の上流であってスロットルバルブの下流の圧力、即ち吸気管内の空気圧力(吸気管圧力)Pmと等しいとみなすことができる。以上のことから、図22に示した筒内吸入空気量推定装置は、モデルM10〜M40により吸気弁閉時の吸気管内空気圧力Pmを推定し、同推定した吸気管内空気圧力Pmから筒内吸入空気量Mcを推定するようになっている。
【0004】
より具体的に述べると、電子制御スロットルモデルM10は、吸気弁閉時のスロットルバルブ開度θtを推定するようになっている。スロットルモデルM20は、スロットルバルブを通過する空気流量(推定スロットル通過空気流量)mtを、エネルギー保存則、運動量保存則、質量保存則、及び状態方程式に基づいて得られたモデルにより推定するようになっている。
【0005】
吸気弁モデルM30は、吸気管内空気圧力Pm、吸気管内空気温度Tm、及び吸気温度Ta等から筒内吸入空気流量(推定吸気弁通過空気流量)mcを推定するようになっている。即ち、上述したように、筒内吸入空気流量mcは吸気管内空気圧力Pmに比例すると考えられるから、吸気弁モデルM30は経験則に基づく下記数1にしたがって筒内吸入空気流量mcを求める。
【0006】
【数1】
mc =(Ta/Tm)・(c・Pm−d)
【0007】
上記数1において、値cは比例係数、値dは筒内に残存していた既燃ガスを表す値(この値は、排気弁閉弁時の筒内ガス量と考えられる。以下、簡単に「既燃ガス量d」と云う。)である。吸気弁モデルM30は、エンジン回転速度Ne、吸気弁の開閉タイミングVT、及び吸気弁最大リフト量Lmax等と、比例係数c、及び既燃ガス量dとの関係をそれぞれ規定するテーブル(ルックアップテーブル、マップ)を記憶していて、実際のエンジン回転速度Ne、実際の吸気弁開閉タイミングVT、及び吸気弁最大リフト量Lmaxと、前記記憶しているテーブルとから比例係数c、及び既燃ガス量dを求める。また、吸気弁モデルM30は、演算時点において、後述する吸気管モデルM40により既に推定されている直前(最新)の吸気弁閉時の吸気管内空気圧力Pmと吸気管内空気温度Tmとを上記数1に適用し、筒内吸入空気流量mcを推定する。
【0008】
吸気管モデルM40は、質量保存則とエネルギー保存則とにそれぞれ基づいた式にしたがって、スロットルモデルM20により推定されたスロットル通過空気流量mtと、吸気弁モデルM30により推定された筒内吸入空気流量mcとを用いて、吸気弁閉時の吸気管内空気圧力Pmを推定するようになっている。そして、この筒内吸入空気量推定装置は、前記吸気管モデルM40により推定された吸気弁閉時の吸気管内空気圧力Pmに基づいて筒内吸入空気量Mcを推定するようになっている。
【0009】
【特許文献1】
特開平6−74076号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
この種の筒内吸入空気量推定装置に対して、本願の出願人は、実際の筒内吸入空気量と前述のように推定された筒内吸入空気量Mcとの定常的な誤差を小さくし、同推定された筒内吸入空気量Mcの推定精度を向上させるため、以下のようなオブザーバを追加することを検討している(特願2001−316350を参照)。
【0011】
即ち、このオブザーバは、内燃機関の吸気通路に配設されるとともに同吸気通路に吸入される実際の吸入空気流量(実吸入空気流量)mtAFMを計測するエアフローメータ(空気流量センサ)と、同エアフローメータについてのモデルであるエアフローメータモデルを使用して、前記実吸入空気流量が前記スロットルモデルM20により推定された推定スロットル通過空気流量mtであると仮定した場合に同エアフローメータが出力するであろう出力値を推定するとともに同推定した出力値に基いて前記吸気通路に吸入される吸入空気流量を推定吸入空気流量mtesとして推定する吸入空気流量推定手段とを備え、推定吸入空気流量mtesと実吸入空気流量mtAFMとの偏差に応じて同スロットルモデルM20により推定された推定スロットル通過空気流量mtを補正するようになっている。
【0012】
このようなオブザーバを追加したことにより、例えば、推定吸入空気流量mtesが実吸入空気流量mtAFMよりも小さい場合、推定スロットル通過空気流量mtが推定吸入空気流量mtesと実吸入空気流量mtAFMとの偏差に応じた量だけ大きく設定されて、この結果、スロットルバルブ下流の前記吸気管内空気圧力Pmが増大することにより筒内吸入空気量Mcが増大する。同様に、推定吸入空気流量mtesが実吸入空気流量mtAFMよりも大きい場合、筒内吸入空気量Mcが減少する。このようにして、実際の筒内吸入空気量と推定された筒内吸入空気量Mcとの定常的な誤差が小さくなる。
【0013】
しかしながら、内燃機関がスロットルバルブ開度が最大の開度で一定となるスロットル全開定常運転状態にある場合、スロットルバルブ下流の吸気管内空気圧力Pmはスロットルバルブ上流の圧力(即ち、大気圧Pa)よりも僅かに小さい値にまで大きくなっている。従って、内燃機関が前記スロットル全開定常運転状態にあって、且つ推定吸入空気流量mtesが実吸入空気流量mtAFMよりも小さい場合、上記オブザーバによる推定スロットル通過空気流量mtの増大により前記吸気管内空気圧力Pmが増大せしめられると、同吸気管内空気圧力Pmが直ちに大気圧Paよりも大きくなってスロットルモデルM20により推定される推定スロットル通過空気流量mtが直ちに負の値(逆流を示す値)となる。よって、スロットルバルブ下流の吸気管内空気圧力Pmは増大できないことから筒内吸入空気量Mcも増大せず、この結果、実際の筒内吸入空気量と推定された筒内吸入空気量Mcとの定常的な誤差が残存してしまう場合があるという問題があった。
【0014】
従って、本発明の目的は、内燃機関のシリンダ内に吸入される筒内吸入空気量を吸気系のモデルに基づいて推定する内燃機関の筒内吸入空気量推定装置であって、実際の筒内吸入空気量と推定した筒内吸入空気量との定常的な誤差を効果的に低減することができるものを提供することにある。
【0015】
【本発明の概要】
本発明の特徴は、内燃機関の吸気通路に配設されたスロットルバルブを通過する空気についてのモデルを使用して同スロットルバルブを通過する空気流量を推定スロットル通過空気流量として推定するスロットル通過空気流量推定手段と、前記吸気通路とシリンダとを連通・遮断する吸気弁を通過する空気についてのモデルを使用して同吸気弁を通過する空気流量を推定吸気弁通過空気流量として推定する吸気弁通過空気流量推定手段と、少なくとも前記推定スロットル通過空気流量と前記推定吸気弁通過空気流量とに基いて前記シリンダに吸入される筒内吸入空気量を推定する筒内吸入空気量推定手段と、を備えた内燃機関の筒内吸入空気量推定装置が、前記吸気通路に吸入される実際の吸入空気流量に応じた出力値を発生するとともに同実際の吸入空気流量を実吸入空気流量として計測する空気流量センサと、前記空気流量センサについてのモデルを使用して、前記実吸入空気流量が前記推定スロットル通過空気流量であると仮定した場合に同空気流量センサが出力するであろう出力値を推定するとともに同推定した出力値に基いて前記吸気通路に吸入される吸入空気流量を推定吸入空気流量として推定する吸入空気流量推定手段と、前記推定吸入空気流量と前記実吸入空気流量との偏差に基いて前記推定吸気弁通過空気流量を補正するように前記吸気弁通過空気流量推定手段を補正する補正手段とを備えたことにある。
【0016】
ここにおいて、前記補正手段は、前記吸気弁通過空気流量推定手段により推定された前記推定吸気弁通過空気流量を直接補正するように同吸気弁通過空気流量推定手段を補正するよう構成されていても、同吸気弁通過空気流量推定手段が同推定吸気弁通過空気流量を推定する際に所定のパラメータ(係数)を使用する場合には、同所定のパラメータを補正し、その結果として同推定吸気弁通過空気流量を補正するように同吸気弁通過空気流量推定手段を補正するよう構成されてもよい。
【0017】
また、この場合、前記補正手段は、前記推定吸入空気流量と前記実吸入空気流量との偏差に基いて前記推定スロットル通過空気流量を補正するように前記スロットル通過空気流量推定手段をも補正するよう構成されることが好適である。この場合も、前記補正手段は、前記スロットル通過空気流量推定手段により推定された前記推定スロットル通過空気流量を直接補正するように同スロットル通過空気流量推定手段を補正するように構成されていても、同スロットル通過空気流量推定手段が同推定スロットル通過空気流量を推定する際に所定のパラメータ(係数)を使用する場合には、同所定のパラメータを補正し、その結果として同推定スロットル通過空気流量を補正するように同スロットル通過空気流量推定手段を補正するよう構成されてもよい。
【0018】
これらによれば、補正手段により、推定吸入空気流量と実吸入空気流量との偏差に基いて推定吸気弁通過空気流量を補正するように吸気弁通過空気流量推定手段が補正される。従って、推定吸入空気流量が実吸入空気流量よりも小さい場合、上記発明が解決しようとする課題の欄にて述べたように上記スロットルバルブ下流の吸気管内空気圧力Pmを増大せしめることなく、直接的に推定吸気弁通過空気流量(筒内吸入空気流量mc)を増大せしめることができ、その結果、筒内吸入空気量推定手段により推定されるシリンダに吸入される筒内吸入空気量(Mc)を増大せしめることが可能となる。
【0019】
従って、内燃機関がスロットルバルブ開度が最大の開度で一定となる上述したスロットル全開定常運転状態にある場合であっても、前記推定吸入空気流量と前記実吸入空気流量との大小関係に拘わらず実際の筒内吸入空気量と推定された筒内吸入空気量(Mc)との定常的な誤差を確実に低減することができ、その結果、内燃機関により燃焼される混合気の空燃比を精度良く所定の値とすることができる。
【0020】
また、上記したいずれかの内燃機関の筒内吸入空気量推定装置は、エネルギー保存則に基づいて求められた前記シリンダについてのモデルを使用して同シリンダ内の圧力を計算により推定する筒内圧力推定手段を備え、前記吸気弁通過空気流量推定手段は、前記推定されたシリンダ内の圧力を使用した前記吸気弁を通過する空気についてのモデルにより前記推定吸気弁通過空気流量を推定するように構成されることが好適である。
【0021】
これによれば、シリンダ内の圧力(筒内圧力)が計算により求められる。また、筒内圧力が求められれば、吸気弁通過空気流量推定手段は、同筒内圧力を使用した「吸気弁を通過する空気についてのモデル」により推定吸気弁通過空気流量(筒内吸入空気流量mc)を計算により求めることが可能となる。従って、多くのパラメータの組み合わせに対するテーブル値(上記比例係数c、及び既燃ガス量d等)の適合を行うことなく、筒内吸入空気量(Mc)を精度良く求めることが可能となる。
【0022】
この場合、前記吸気弁通過空気流量推定手段が使用する前記吸気弁を通過する空気についてのモデルは、エネルギー保存則、運動量保存則、及び質量保存則に基いて得られたモデルであることが好適である。これによれば、経験則ではなく、物理法則にしたがって表されたモデル(式)により推定吸気弁通過空気流量(筒内吸入空気流量mc)を計算することができるので、筒内吸入空気量(Mc)の推定精度を向上することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による内燃機関の筒内吸入空気量推定装置を含む燃料噴射量制御装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、この燃料噴射量制御装置を火花点火式多気筒(例えば、4気筒)内燃機関10に適用したシステムの概略構成を示している。
【0024】
内燃機関10は、シリンダブロック、シリンダブロックロワーケース、及びオイルパン等を含むシリンダブロック部20と、シリンダブロック部20の上に固定されるシリンダヘッド部30と、シリンダブロック部20にガソリン混合気を供給するための吸気系統40と、シリンダブロック部20からの排ガスを外部に放出するための排気系統50とを含んでいる。
【0025】
シリンダブロック部20は、シリンダ21、ピストン22、コンロッド23、及びクランク軸24を含んでいる。ピストン22はシリンダ21内を往復動し、ピストン22の往復動がコンロッド23を介してクランク軸24に伝達され、これにより同クランク軸24が回転するようになっている。シリンダ21とピストン22のヘッドは、シリンダヘッド部30とともに燃焼室25を形成している。
【0026】
シリンダヘッド部30は、燃焼室25に連通した吸気ポート31、吸気ポート31を開閉する吸気弁32、吸気弁32を駆動するインテークカムシャフトを含むとともに同インテークカムシャフトの位相角及び同吸気弁32のバルブリフト量(最大バルブリフト量)を連続的に変更し得る吸気弁制御装置33、吸気弁制御装置33のアクチュエータ33a、燃焼室25に連通した排気ポート34、排気ポート34を開閉する排気弁35、排気弁35を駆動するエキゾーストカムシャフト36、点火プラグ37、点火プラグ37に与える高電圧を発生するイグニッションコイルを含むイグナイタ38、及び燃料を吸気ポート31内に噴射するインジェクタ(燃料噴射手段)39を備えている。
【0027】
吸気系統40は、吸気ポート31に連通し同吸気ポート31とともに吸気通路を形成するインテークマニホールドを含む吸気管41、吸気管41の端部に設けられたエアフィルタ42、吸気管41内にあって吸気通路の開口断面積を可変とするスロットルバルブ43、及びスワールコントロールバルブ(以下、「SCV」と称呼する。)44を備えている。スロットルバルブ43は、DCモータからなるスロットルバルブアクチュエータ43aにより吸気管41内で回転駆動されるようになっている。SCV44は、前記スロットルバルブ43よりも下流で前記インジェクタ39よりも上流の位置にて前記吸気管41に対し回動可能に支持されるとともに、DCモータからなるSCVアクチュエータ44aにより回転駆動されるようになっている。
【0028】
図2は、一つの気筒(特定の気筒)の燃焼室25、及び同燃焼室25の近傍部分の概略平面図である。図2に示したように、前記吸気ポート31は、実際には各気筒に一対ずつ設けられた吸気ポート31a,31bからなっている。吸気ポート31aは、燃焼室25内にスワール(旋回流)を発生させるようにヘリカル状に形成され所謂スワールポートを構成し、吸気ポート31bは所謂ストレートポートを構成している。吸気管41のサージタンク(図1において符号SGにより示す。)から各燃焼室25に至る部分(即ち、インテークマニホールドの一部)には、吸気管41の長手方向に沿って伸びる隔壁41aが形成されていて、これにより吸気管41は吸気ポート31aに連通する第1インテークマニホールド45と、吸気ポート31bに連通する第2インテークマニホールド46とに区画されている。隔壁41aの適宜個所には第1,第2インテークマニホールド45,46を連通する連通路41bが形成されていて、前記インジェクタ39は同連通路41bの近傍位置に固定され、吸気ポート31a,31bに向けて燃料を噴射するようになっている。
【0029】
前記SCV44は、第2インテークマニホールド46に備えられている。従って、SCV44が第2インテークマニホールド46を閉塞すると、空気(混合気)が主として吸気ポート31aを通過して燃焼室25内に吸入され、同燃焼室25内にスワールが発生し、これにより超希薄空燃比での燃焼が可能となる。一方、SCV44が第2インテークマニホールド46を開放すると、空気が両吸気ポート31a,31bを通過して燃焼室25内に吸入され、これにより、燃焼室25に吸入される空気量が増加し、機関の出力を増大させることが可能となる。
【0030】
再び図1を参照すると、排気系統50は、排気ポート34に連通したエキゾーストマニホールド51、エキゾーストマニホールド51に接続されたエキゾーストパイプ52、及びエキゾーストパイプ52に介装された触媒コンバータ(三元触媒装置)53を備えている。
【0031】
一方、このシステムは、空気流量センサとしての熱線式エアフローメータ61、吸気温センサ62、大気圧センサ(スロットルバルブ上流圧力センサ)63、スロットルポジションセンサ64、SCV開度センサ65、カムポジションセンサ66、吸気弁リフト量センサ67、クランクポジションセンサ68、水温センサ69、Oセンサ70、及びアクセル開度センサ71を備えている。
【0032】
エアフローメータ61は、概略斜視図である図3に示したように、吸気管41内を流れる吸入空気の一部をバイパスさせるバイパス通路と、このバイパス通路にバイパスされた吸入空気の質量流量を計測する熱線計量部61aと、計測された質量流量に応じた電圧Vg(出力値)を出力する信号処理部61bとからなっている。熱線計量部61aは、その拡大斜視図である図4に示したように、白金熱線からなる吸気温計測用抵抗(ボビン部)61a1と、同吸気温計測用抵抗61a1を前記信号処理部61bに連結して保持するサポート部61a2と、加熱用抵抗(ヒータ)61a3と、同加熱用抵抗61a3を前記信号処理部61bに連結して保持するサポート部61a4とを備えている。信号処理部61bは、吸気温計測用抵抗61a1と加熱用抵抗61a3とで構成されるブリッジ回路を有し、このブリッジ回路により吸気温計測用抵抗61a1と加熱用抵抗61a3との温度差を常に一定に維持するように同加熱用抵抗61a3に供給する電力を調整するとともに、この供給する電力を前記電圧Vgに変換して出力するようになっている。エアフローメータ61の出力Vgと実吸入空気流量としての吸入空気流量mtAFMの関係は図5に示したとおりである。
【0033】
吸気温センサ62は、エアフローメータ61内に備えられていて、吸入空気の温度を検出し、吸気温度Taを表す信号を出力するようになっている。大気圧センサ63は、スロットルバルブ43の上流の圧力(即ち、大気圧)を検出し、スロットルバルブ上流圧力Paを表す信号を出力するようになっている。スロットルポジションセンサ64は、スロットルバルブ43の開度(スロットルバルブ開度)を検出し、スロットルバルブ開度TAを表す信号を出力するようになっている。SCV開度センサ65は、SCV44の開度を検出し、SCV開度θivを表す信号を出力するようになっている。
【0034】
カムポジションセンサ66は、インテークカムシャフトが90°回転する毎に(即ち、クランク軸24が180°回転する毎に)一つのパルスを有する信号(G2信号)を発生するようになっている。吸気弁リフト量センサ67は、吸気弁31のリフト量を検出し、吸気弁が全閉のとき「0」の値をとる吸気弁リフト量Lを表す信号を出力するようになっている。クランクポジションセンサ68は、クランク軸24が10°回転する毎に幅狭のパルスを有するとともに同クランク軸24が360°回転する毎に幅広のパルスを有する信号を出力するようになっている。この信号は、エンジン回転速度Neを表す。水温センサ69は、内燃機関10の冷却水の温度を検出し、冷却水温THWを表す信号を出力するようになっている。Oセンサ70は、触媒コンバータ53に流入する排ガス中の酸素濃度に応じた信号を出力するようになっている。アクセル開度センサ71は、運転者によって操作されるアクセルペダル82の操作量Accpを表す信号を出力するようになっている。
【0035】
電気制御装置80は、互いにバスで接続されたCPU81、CPU81が実行するプログラム、テーブル(マップ)、定数等を予め記憶したROM82、CPU81が必要に応じてデータを一時的に格納するRAM83、電源が投入された状態でデータを格納するとともに同格納したデータを電源が遮断されている間も保持するバックアップRAM84、及びADコンバータを含むインターフェース85等からなるマイクロコンピュータである。インターフェース85は、前記センサ61〜71と接続され、CPU81にセンサ61〜71からの信号を供給するとともに、同CPU81の指示に応じて吸気弁制御装置33のアクチュエータ33a、イグナイタ38、インジェクタ39、スロットルバルブアクチュエータ43a、及びSCVアクチュエータ44aに駆動信号を送出するようになっている。
【0036】
次に、上記のように構成された燃料噴射量制御装置によるシミュレーションモデルを用いた燃料噴射量の決定方法(筒内吸入空気量Mcの推定方法)について説明する。以下に述べる処理は、CPU81がプログラムを実行することによりなされる。
【0037】
(燃料噴射量fcの決定方法・筒内吸入空気量Mcの推定方法)
燃料噴射量制御装置は、吸気行程にある気筒の吸気弁32が閉じる前に同気筒に対して燃料を噴射しなければならない。また、燃焼室25内に直接的に燃料を噴射する形式の内燃機関であっても、吸気行程が終了する前に燃料を噴射する必要がある。このため、燃料噴射量制御装置は、吸気弁32が閉じた時点で(即ち、吸気弁閉時に)同気筒内に吸入されているであろう筒内吸入空気量Mcを吸気弁が閉弁する前に予測し、下記数2に基づいて燃料噴射量(基本噴射量)fcを決定する。数2において、Kは運転状態に応じて変化する設定空燃比に基づく係数である。
【0038】
【数2】
fc =K・Mc
【0039】
より具体的に述べると、燃料噴射量制御装置(筒内吸入空気量推定装置)は、図6に示したように、電子制御スロットルモデルM1、スロットルモデルM2、吸気管モデルM3、吸気弁モデルM4、及びシリンダモデルM5のシミュレーションモデルを用いて筒内吸入空気量Mcを推定する。なお、スロットルモデルM2はスロットル通過空気流量推定手段として機能し、吸気弁モデルM4は吸気弁通過空気流量推定手段として機能し、シリンダモデルM5は筒内圧力推定手段として機能するとともに、前記モデルM1〜M5はシリンダ21内に吸入される筒内吸入空気量Mcを推定する筒内吸入空気量推定手段を構成する。
【0040】
(電子制御スロットルモデルM1)
電子制御スロットルモデルM1は、現時点までのアクセルペダル操作量Accpに基づいて現時点から所定時間T0先の時刻tにおけるスロットルバルブ開度θtを推定するモデルである。本実施形態においては、スロットルバルブ電子制御ロジックA1にて、アクセル開度センサ71により検出されたアクセルペダル操作量Accpと、図7に示したアクセルペダル操作量Accpと目標スロットルバルブ開度θrとの関係を規定するテーブルとに基づいて暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1が求められ、この暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1を所定時間T(例えば、64msec)だけ遅延させた値が最終的な目標スロットルバルブ開度θrとして決定される。そして、スロットルバルブ電子制御ロジックA1(電気制御装置80)は、実際のスロットルバルブ開度TAが目標スロットルバルブ開度θrとなるようにスロットルバルブアクチュエータ43aに対して駆動信号を送出する。
【0041】
このように、目標スロットルバルブ開度θrは、現時点から所定時間Tだけ前の時点におけるアクセルペダル操作量Accpに応じて決定された暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1と等しいから、現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおける目標スロットルバルブ開度θrは現時点から時間(T−T0)前における暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1と等しい。また、現時点から時間(T−T0)前における暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1は、スロットルバルブアクチュエータ43aの作動遅れ時間を無視すれば、スロットルバルブ開度θtと等しい。このような考えに基づき、電子制御スロットルモデルM1は、現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおけるスロットルバルブ開度θtを推定する。即ち、現時点から時間(T−T0)前における暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1を現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおけるスロットルバルブ開度θtとして推定する。なお、スロットルバルブアクチュエータ43aの作動遅れ時間を考慮に加えて、スロットルバルブ開度θtを推定してもよい。
【0042】
(スロットルモデルM2)
スロットルモデルM2は、スロットルバルブ43を通過する空気流量(推定スロットル通過空気流量)mtを、エネルギー保存則、運動量保存則、質量保存則、及び状態方程式等の物理法則に基づいて得られた下記数3及び下記数4に基づいて推定するモデルである。下記数3及び下記数4において、Ct(θt)はスロットルバルブ開度θtに応じて変化する流量係数、At(θt)はスロットルバルブ開度θtに応じて変化するスロットル開口面積(吸気管41の開口面積)、Paはスロットルバルブ上流圧力(即ち、大気圧)、Pmは吸気管内空気圧力(吸気管圧力)、Taは吸気温度(大気温度)、Tmは吸気管内空気温度、Rは気体定数、及びκは比熱比(以下、κを一定値として扱う。)である。スロットルモデルM2は、スロットルバルブ上流圧力Paが吸気管内空気圧力Pmより大きい順流の場合に数3を使用し、スロットルバルブ上流圧力Paが吸気管内空気圧力Pmより小さい逆流の場合に数4を使用する。この結果、スロットル通過空気流量mtは、前記順流の場合に正の値を、前記逆流の場合に負の値をそれぞれ採るように計算される。
【0043】
【数3】

Figure 2004116459
【0044】
【数4】
Figure 2004116459
【0045】
上記数3及び数4において、θtは電子制御スロットルモデルM1により推定された現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおける推定スロットルバルブ開度である。スロットルモデルM2は、スロットルバルブ開度θtと流量係数Ct(θt)との関係を規定した図8に示すテーブルと前記推定したスロットルバルブ開度θtとを用いて流量係数Ct(θt)を求めるとともに、スロットルバルブ開度θtと開口面積At(θt)との関係を規定した図9に示すテーブルと前記推定したスロットルバルブ開度θtとを用いて開口面積At(θt)を求める。なお、スロットルモデルM2は、スロットルバルブ開度θtと、流量係数Ct(θt)と開口面積At(θt)の積値Ct(θt)・At(θt)との関係を規定した図10に示すテーブル、及び前記推定したスロットルバルブ開度θtを用いて積値Ct(θt)・At(θt)を一時に求めるように構成してもよい。
【0046】
また、スロットルモデルM2は、スロットルバルブ上流圧力Pa、及び吸気温度Taを大気圧センサ63、及び吸気温センサ62からそれぞれ取得するとともに、吸気管内空気圧力Pmと吸気管内空気温度Tmとを後述する吸気管モデルM3から取得し、これらの値を用いて上記数3又は数4を計算し、時刻tにおけるスロットル通過空気流量mtを推定する。
【0047】
ここで、上記スロットルモデルM2を記述した数3及び数4の導出過程について説明する。いま、スロットルバルブ43の上流の開口断面積をAu、空気密度をρu、空気の流速をvuとし、スロットルバルブ43による吸気管41の開口断面積をAd、そこでの空気密度をρd、スロットルバルブ43を通過する空気の流速をvdとすると、スロットル通過空気流量mtは、下記数5で表される。数5は質量保存則を記述した式と言える。
【0048】
【数5】
mt=Ad・ρd・vd=Au・ρu・vu
【0049】
一方、運動エネルギーは、空気の質量をmとすると、スロットルバルブ43の上流でm・vu/2であり、スロットルバルブ43を通過する場所でm・vd/2である。他方、熱エネルギーは、スロットルバルブ43の上流でm・Cp・Tuであり、スロットルバルブ43を通過する場所でm・Cp・Tdである。従って、エネルギー保存則により、下記数6が得られる。なお、Tuはスロットルバルブ上流の空気温度、Tdはスロットルバルブ下流の空気温度、Cpは定圧比熱である。
【0050】
【数6】
m・vu/2+m・Cp・Tu=m・vd/2+m・Cp・Td
【0051】
ところで、状態方程式は下記数7、比熱比κは下記数8、マイヤーの関係は下記数9で示されるから、数7〜数9よりCp・Tは下記数10のように表される。なお、Pは気体の圧力、ρは気体の密度、Tは気体の温度、Rは気体定数、Cvは定容比熱である。
【0052】
【数7】
P=ρ・R・T
【0053】
【数8】
κ=Cp/Cv
【0054】
【数9】
Cp=Cv+R
【0055】
【数10】
Cp・T={κ/(κ−1)}・(P/ρ)
【0056】
上記数10の関係を用いて上記エネルギー保存則に基づく数6を書換えると、下記数11が得られる。
【0057】
【数11】
vu/2+{κ/(κ−1)}・(Pu/ρu)=vd/2+{κ/(κ−1)}・(Pd/ρd)
【0058】
そして、スロットルバルブ43の無限上流を考えると、Au=∞、vu=0であるから、エネルギー保存則に基づく上記数11は下記数12に書き換えられる。
【0059】
【数12】
{κ/(κ−1)}・(Pu/ρu)=vd/2+{κ/(κ−1)}・(Pd/ρd)
【0060】
次に、運動量について記述する。断面積Auの部分に加わる圧力をPu、断面積Adの部分に加わる圧力をPd、断面積Auの部分と断面積Auの部分との間をつなぐ固定された空間の平均圧力をPmeanとすると、下記数13が得られる。
【0061】
【数13】
ρd・vd・Ad−ρu・vu・Au=Pu・Au−Pd・Ad+Pmean・(Ad−Au)
【0062】
上記数13で、Au=∞、vu=0を考慮すると、下記数14が得られるので、同数14と上記数13とから下記数15の運動量に関する関係(運動量保存則に基づく関係)が得られる。
【0063】
【数14】
Pmean=Pu
【0064】
【数15】
ρd・vd=Pu−Pd
【0065】
従って、上記数5、上記数12、及び上記数15から、下記数16が得られる。
【0066】
【数16】
Figure 2004116459
【0067】
上記数16において、Puはスロットルバルブ上流圧力Paであり、Pdは吸気管内空気圧力Pmであるから、流量係数をCt(θt)を導入し、開口断面積Adを開口面積At(θt)とおきなおして整理すると、上記数3が得られる。上記数4の導出過程は、上記数3の導出過程と同様であるので省略する。
【0068】
(吸気管モデルM3)
吸気管モデルM3は、質量保存則とエネルギー保存則とにそれぞれ基づいた下記数17及び下記数18、(推定)スロットル通過空気流量mt、スロットル通過空気温度(即ち、吸入空気温度)Ta、及び吸気管から流出する空気流量mc(即ち、推定吸気弁通過空気流量、筒内吸入空気流量)から、吸気管内空気圧力Pm、及び吸気管内空気温度Tmを求めるモデルである。なお、下記数17、及び下記数18において、Vmはスロットルバルブ43から吸気弁32までの吸気管41(以下、単に「吸気管部」と称呼する。)の容積である。
【0069】
【数17】
d(Pm/Tm)/dt=(R/Vm)・(mt−mc)
【0070】
【数18】
dPm/dt=κ・(R/Vm)・(mt・Ta−mc・Tm)
【0071】
吸気管モデルM3は、上記数17、及び上記数18におけるスロットル通過空気流量mtをスロットルモデルM2から取得し、筒内吸入空気流量mcを後述する吸気弁モデルM4から取得する。そして、数17及び数18に基づく計算を行って時刻tの吸気管内空気圧力Pm、及び時刻tの吸気管内空気温度Tmを求める。
【0072】
ここで、上記吸気管モデルM3を記述した数17及び数18の導出過程について説明する。いま、吸気管部の総空気量をMとすると、総空気量Mの時間的変化は、吸気管部に流入する空気量に相当するスロットル通過空気流量mtと同吸気管部から流出する空気量に相当する筒内吸入空気流量mcの差であるから、質量保存則に基づく下記数19が得られる。
【0073】
【数19】
dM/dt=mt−mc
【0074】
また、状態方程式は下記数20となるから、上記数19と下記数20とから総空気量Mを消去することにより、質量保存則に基づく上記数17が得られる。
【0075】
【数20】
Pm・Vm=M・R・Tm
【0076】
次に、吸気管部に関するエネルギー保存則について検討すると、この場合、吸気管部の容積Vmは変化せず、また、エネルギーの殆どが温度上昇に寄与する(運動エネルギーは無視し得る)と考えられる。従って、吸気管部の空気のエネルギーM・Cv・Tmの時間的変化量は、同吸気管部に流入する空気のエネルギーCp・mt・Taと同吸気管部から流出する空気のエネルギーCp・mc・Tmとの差に等しいので、下記数21が得られる。
【0077】
【数21】
d(M・Cv・Tm)/dt=Cp・mt・Ta−Cp・mc・Tm
【0078】
この数21を、上記数8(κ=Cp/Cv)と、上記数20(Pm・Vm=M・R・Tm)とを用いて変形することにより、上記数18が得られる。
【0079】
(吸気弁モデルM4)
吸気弁モデルM4は、吸気弁32の周囲を通過する空気流量(即ち、推定吸気弁通過空気流量、筒内吸入空気流量)mcを、エネルギー保存則、運動量保存則、質量保存則、及び状態方程式等に基づいて得られた下記数22及び下記数23にしたがって推定するモデルである。数22,23の導出過程は、上記スロットルモデルM2の場合と同様である。数22及び数23において、Cv(L)は吸気弁32のリフト量Lに応じて変化する流量係数、Av(L)は同リフト量Lに応じて変化する吸気弁32の周囲に形成される開口の面積、及びPcは筒内圧力(シリンダ21内の圧力Pc)である。吸気弁モデルM4は、吸気管内空気圧力Pmが筒内圧力Pcより大きい順流の場合に数22を使用し、吸気管内空気圧力Pmが筒内圧力Pcより小さい逆流の場合に数23を使用する。この結果、筒内吸入空気流量(推定吸気弁通過空気流量)mtは、前記順流の場合に正の値を、前記逆流の場合に負の値をそれぞれ採るように計算される。
【0080】
【数22】
Figure 2004116459
【0081】
【数23】
Figure 2004116459
【0082】
吸気弁モデルM4は、現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおけるバルブリフト量L(t)を吸気弁リフト量センサ67が検出している現時点のバルブリフト量Lと、エンジン回転速度Neとに基づいて推定する。そして、バルブリフト量Lと積値Cv(L)・Av(L)との関係を規定した図11に示したテーブルと、前記推定したバルブリフト量L(t)とに基づいて、上記数22及び上記数23にて使用する積値Cv(L)・Av(L)を求める。
【0083】
また、吸気弁モデルM4は、吸気管内空気圧力Pmと吸気管内空気温度Tmとを吸気管モデルM3から取得するとともに、筒内圧力Pcと筒内空気温度Tcを後述するシリンダモデルM5から取得し、これらの変数を用いて上記数22又は上記数23を計算することで、時刻tにおける筒内吸入空気流量mcを推定する。
【0084】
(シリンダモデルM5)
シリンダモデルM5は、シリンダ21についてのエネルギー保存則に基づいた下記数24にしたがって、筒内圧力Pcと筒内空気温度Tcを求めるモデルである。図12に示したように、下記数24におけるVcはシリンダ21の容積、Tmはシリンダ21に吸入される空気の温度Tiと等しい吸気管内空気温度、mcはシリンダ21内(筒内)に吸入される空気流量miと等しい前記吸気管部から流出する空気流量、Qはシリンダ21と同シリンダ21外部(シリンダ壁面、吸気ポート等)との間で伝達される熱量(熱量の時間的変化量、熱の流れ)である。
【0085】
【数24】
Figure 2004116459
【0086】
上記数24における時刻tの筒内吸入空気流量mcは吸気弁モデルM4(上記数22又は上記数23)により与えられ、同時刻tの吸気管内空気温度Tmは吸気管モデルM3により与えられる。また、時刻tのシリンダ容積Vcはクランク角度に基づいて知ることができるので、上記数24の右辺第3項(熱量の項)を無視すれば、理論上、上記数24を用いて時刻tにおける筒内圧力Pcを得ることができる。
【0087】
ここで、上記数24の導出過程について説明する。先ず、Eを筒内のエネルギー、hをエンタルピー、Wをピストンに対する仕事とすると、シリンダ21についてエネルギー保存則により下記数25を得ることができる。
【0088】
【数25】
dE/dt=mc・h−dW/dt+Q
【0089】
いま、内部エネルギーをuとすれば下記数26が成立し、状態方程式は下記数27の通りである。また、比熱比κの式である上記数8(κ=Cp/Cv)と、マイヤーの関係式である上記数9(Cp=Cv+R)とから、下記数28及び下記数29が成立する。なお、Mcyをシリンダ21内の空気量とする。
【0090】
【数26】
u=Cv・Tc
【0091】
【数27】
Mcy・Tc=Pc・Vc/R
【0092】
【数28】
Cv=R/(κ−1)
【0093】
【数29】
Cp=κ・R/(κ−1)
【0094】
従って、数26〜数28から数25の左辺dE/dtについて、下記数30が成立する。
【0095】
【数30】
dE/dt=d(Mcy・u)/dt=d(Mcy・Cv・Tc)/dt=d{Pc・Vc/(κ−1)}/dt
【0096】
一方、数25の右辺第1項mc・hについて、下記数31のエンタルピーの定義と上記数29から、下記32が成立する。
【0097】
【数31】
h=Cp・Tm
【0098】
【数32】
mc・h=mc・{κ・R/(κ−1)}・Tm
【0099】
更に、仕事Wは下記数33で表されるから、上記数25の右辺第2項dW/dtについて下記数34が成立する。
【0100】
【数33】
dW=Pc・dVc
【0101】
【数34】
dW/dt=Pc・dVc/dt
【0102】
数30、数32、及び数34で数25を書き直して整理すると上記数24が得られる。
【0103】
また、シリンダモデルM5は、筒内空気温度Tcを状態方程式である下記数35にしたがって求める。数35のMc1は、数22又は数23の筒内吸入空気流量mcを吸気弁32が開弁してから筒内空気温度Tcを求める時点まで時間積分して求める。
【0104】
【数35】
Tc=(Pc・Vc)/(Mc1・R)
【0105】
上記原理によれば、シリンダモデルM5の上記数24、及び上記数35により筒内圧力Pc、及び筒内空気温度Tcがそれぞれ求められ、これらに基づいて数22又は数23により筒内吸入空気流量mcが得られる。従って、本燃料噴射量制御装置は、筒内吸入空気流量mcを吸気弁23が開弁した時刻toから同吸気弁32が閉弁する時刻tfまで時間積分することにより一吸気行程にてシリンダ21内に吸入される筒内吸入空気量Mc(吸入空気総量Smc)を推定し、この値Mcと上記数2とに基づいて燃料噴射量fcを決定する。
【0106】
(電気制御装置80に実装する上での改良)
上記数24の右辺第3項の熱伝達Qは、値が小さく無視することができるので、通常は上記数24を下記数36のように離散化して電気制御装置80に実装する。ここで、Δtは筒内圧力Pcの計算時間間隔である。
【0107】
【数36】
Figure 2004116459
【0108】
しかしながら、この手法により実際に筒内圧力Pcを求めてみると、図13の一点鎖線で示したように、同筒内圧力Pcは離散化の影響を受けて大きく変動し、真値と大きく異なってしまうことが判明した。そこで、本実施形態においては、数24の右辺第3項の値Qを無視するとともに、便宜上、(1)シリンダの容積を一定と仮定した場合(dVc=0)、及び(2)筒内吸入空気流量が0である(mc=0)と仮定した場合に分け、それぞれの仮定下で数24を解析的に解くことで筒内圧力Pcを求めることとした。以下、詳述する。
【0109】
(1)シリンダの容積を一定と仮定した場合(dVc=0)
この仮定下では、上記数24は下記数37の微分方程式となり、同数37を解くと下記数38が得られる。
【0110】
【数37】
Figure 2004116459
【0111】
【数38】
Figure 2004116459
【0112】
上記数38において、θ=cos−1(1)である。この数38から、筒内圧力Pcは正弦波状に変化することが解る。一方。上記数37のEuler近似は、下記数39となる。
【0113】
【数39】
Figure 2004116459
【0114】
また、筒内圧力Pcが吸気管内空気圧力Pmより大きくなることはないから、下記数40が成立する。従って、数39と数40とから下記数41が成立する。
【0115】
【数40】
Figure 2004116459
【0116】
【数41】
Figure 2004116459
【0117】
更に、θが1に比べて極めて小さい(θ<<1)とき、下記数42が成立するから、上記数41と下記数42を上記数39に適用して下記数43を得ることができる。なお、下記数43における筒内吸入空気流量mcは上記数22、及び上記数23により求める。
【0118】
【数42】
Figure 2004116459
【0119】
【数43】
Figure 2004116459
【0120】
(2)筒内吸入空気量がない(mc=0)と仮定した場合
この仮定下では、上記数24は下記数44の微分方程式となる。また、この場合、断熱膨張として扱えるから下記数45が成立する。
【0121】
【数44】
Figure 2004116459
【0122】
【数45】
Figure 2004116459
【0123】
以上から、下記数46が導かれる。
【0124】
【数46】
Figure 2004116459
【0125】
上記数43、及び上記数46により求められる筒内圧力Pcを、図13においてそれぞれ実線、及び二点鎖線により示す。筒内圧力Pcは、吸気管内空気圧力Pmに近似した値となると予想されることから、本実施形態においては、吸気管内空気圧力Pmにより近い上記数43により得られる筒内圧力P’c(t)を最終的に求める筒内圧力Pcとして採用する。
【0126】
また、一吸気行程での筒内吸入空気量Mcは、数22又は数23で与えられる筒内吸入空気流量mcを吸気弁23が開弁した時刻toから同吸気弁32が閉弁する時刻tfまで時間積分することにより求められると述べたが、シミュレーションの結果、エネルギー保存則に基づく上記数24を時刻toから時刻tfまで時間積分して整理した下記数47により求めた方が精度が高くなることが判明した。なお、Pc(to)、及びVc(to)は、それぞれ吸気弁開弁時の筒内圧力Pc(t)、及びシリンダ容積Vc(t)であり、Pc(tf)、及びVc(tf)は、それぞれ吸気弁閉弁時の筒内圧力Pc(t)、及びシリンダ容積Vc(t)である。
【0127】
【数47】
Figure 2004116459
【0128】
したがって、本実施形態は、数47を離散化した下記数48に基づいて筒内吸入空気量Mcを求める。
【0129】
【数48】
Figure 2004116459
【0130】
(オブザーバの追加)
本実施形態は、さらに、補正手段としてのオブザーバOBSを追加し、筒内吸入空気量Mcの推定精度を向上させている。上述した図6において、破線にて囲まれた部分が追加されたオブザーバOBSである。
【0131】
このオブザーバOBSは、上記エアフローメータ61と、吸入空気流量推定手段として機能するエアフローメータモデルM6とを含んで構成されている。エアフローメータモデルM6は、スロットル通過空気流量(実吸入空気流量)が所定の量αである場合に、エアフローメータ61が出力するであろう値を推定し、この推定値に基づいてスロットル通過空気流量(推定吸入空気流量)mtesを推定するモデルである。この場合、上記所定の量αは、スロットルモデルM2が推定した現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおける(推定)スロットル通過空気流量mtを、むだ時間要素により前記所定時間T0だけ遅延させたスロットル通過空気流量である現時点における(推定)スロットル通過空気流量mt(t−T0)である。
【0132】
ここで、エアフローメータモデルM6について具体的に述べる。エアフローメータモデルM6は、先ず、現時点におけるスロットル通過空気流量mt(t−T0)に対する完全放熱量W1,W2を、同完全放熱量W1,W2とスロットル通過空気流量mtとの関係をそれぞれ規定した図14に示したテーブルと、前記求められた現時点でのスロットル通過空気流量mt(t−T0)とに基づいて求める。完全放熱量W1、及び完全放熱量W2は、図4に示した熱線計量部61aのボビン部61a1、及び同熱線計量部61aのサポート部61a2にそれぞれ対応した放熱遅れを含まない放熱量である。
【0133】
次に、エアフローメータモデルM6は、ボビン部61a1、及びサポート部61a2にそれぞれ対応する放熱量であり、完全放熱量W1,W2に対してそれぞれ一次遅れの特性を有する(応答遅れを含む)放熱量(応答放熱量)w1,w2を下記数49及び下記数50にしたがって求める。数49,数50における添え字(k)は今回の演算値、添え字(k−1)は前回の演算値を表し、Δtは前回の演算値を求めてから今回の演算値を求めるまでの時間である。
【0134】
【数49】
w1(k)=Δt・(W1(k)−w1(k−1))/τ1+w1(k−1)
【0135】
【数50】
w2(k)=Δt・(W2(k)−w2(k−1))/τ2+w2(k−1)
【0136】
上記数49,数50において、τ1、及びτ2は、ボビン部61a1、及びサポート部61a2にそれぞれ対応する上記一次遅れ特性の時定数であり、下記数51及び下記数52により求められる。数51,数52中の値k10,k20、及び値m1,m2には、実験的に求められた値である。また、数51,数52中の値uはエアフローメータ61の熱線計量部61aにバイパスされた単位断面積当たりの通過空気量であり、図5に示したエアフローメータ61の出力電圧Vgと実測された吸入空気流量mtAFMとの関係を規定するVg−mtAFM変換テーブルと、エアフローメータ61の実際の出力電圧Vgとに基づいて求められた吸入空気流量mtAFMを、前記熱線計量部61aのバイパス流路断面積Sで除した値(mtAFM/S)である。
【0137】
【数51】
τ1=k10・um1
【0138】
【数52】
τ2=k20・um2
【0139】
そして、エアフローメータモデルM6は、応答放熱量w1,w2の和(w1+w2)とエアフローメータ61が出力するであろう値に基づくスロットル通過空気流量mtesとの関係を規定した図15に示したテーブルと、上記数49〜数52により求められた応答放熱量w1,w2の和(w1+w2)とに基づいて、現時点でエアフローメータ61が出力するであろう値に基づくスロットル通過空気流量mtesを求める。なお、内燃機関がスロットルバルブ開度TAが一定となる定常運転状態にある場合、このスロットル通過空気流量mtesは、スロットルモデルM2が推定した現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおける(推定)スロットル通過空気流量mt(及び、現時点におけるスロットル通過空気流量mt(t−T0))と同一となる。
【0140】
再び、図6を参照すると、オブザーバOBSはこのスロットル通過空気流量mtesを表す信号を比較要素COMの一端に入力する。一方、オブザーバOBSはエアフローメータ61の出力Vgを図5に示したテーブルにより現時点での吸入空気流量(実吸入空気流量)mtAFMに変換し、同吸入空気流量mtAFMを表す信号を比較要素COMの他端に入力する。
【0141】
そして、オブザーバOBSは比較要素COMにおいてスロットル通過空気流量mtesと吸入空気流量mtAFMとの偏差SAを求め、この偏差SAを積分要素により時間積分して偏差積分値SumSAを求めるとともに、偏差積分値SumSAに所定のゲインG1(負の一定値)を乗算した値、及び同偏差積分値SumSAに所定のゲインG2(負の一定値)を乗算した値を、それぞれ、スロットルモデルM2が推定するスロットル通過空気流量mt、及び吸気弁モデルM4が推定する筒内吸入空気流量mcに加算する(フィードバックする)。即ち、本実施形態における筒内吸入空気量推定装置は、スロットル通過空気流量mtを、上記数3又は上記数4の代わりに下記数53又は下記数54に基いて推定する。
【0142】
【数53】
Figure 2004116459
【0143】
【数54】
Figure 2004116459
【0144】
また、本筒内吸入空気量推定装置は、筒内吸入空気流量mcを、上記数22又は上記数23の代わりに下記数55又は下記数56に基いて推定する。
【0145】
【数55】
Figure 2004116459
【0146】
【数56】
Figure 2004116459
【0147】
このようにして、上記偏差SA(上記偏差積分値SumSA)が「0」になる(小さくなる)ように、同偏差SAに基いてスロットルモデルM2により推定されたスロットル通過空気流量mt、及び吸気弁モデルM4により推定された筒内吸入空気流量mcがそれぞれ直接補正され、この結果、実際の筒内吸入空気量と上記モデルM1〜M5により得られる筒内吸入空気量Mcの定常的な誤差が低減される。
【0148】
(実際の作動)
次に、電気制御装置80が筒内吸入空気量Mcを推定するとともに、燃料噴射量fcを決定する際の実際の作動について説明する。
【0149】
(スロットルバルブ制御)
電気制御装置80のCPU81は、図16にフローチャートにより示したスロットルバルブ開度を制御するためのルーチンを所定時間(1msec)の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングとなると、CPU81はステップ1600から処理を開始し、ステップ1605に進んでアクセルペダル操作量Accp読み込む。次いで、CPU81はステップ1610に進み、同ステップ1610にて図7と同じテーブルを用いることにより上記読み込んだアクセルペダル操作量Accpに基づく暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1を求める。
【0150】
次に、CPU81はステップ1615に進んで変数Iを「64」に設定し、続くステップ1620にて記憶値θr(I)にθr(I−1)の値を格納する。現時点では、変数Iは「64」であるから、記憶値θr(64)に記憶値θr(63)の値が格納される。次いで、CPU81はステップ1625に進み、変数Iが「1」と等しくなったか否かを判定する。この場合、変数Iの値は「64」であるから、CPU81はステップ1625にて「No」と判定してステップ1630に進み、同ステップ1630にて変数Iの値を「1」だけ減少し、その後上記ステップ1620に戻る。この結果、ステップ1620が実行されると、記憶値θr(63)に記憶値θr(62)の値が格納される。このような処理は、変数Iの値が「1」となるまで繰り返し実行される。
【0151】
その後、ステップ1630の処理が繰り返されて変数Iの値が「1」となると、CPU81はステップ1625にて「Yes」と判定してステップ1635に進み、同ステップ1635にて前記ステップ1610にて求めた現時点における暫定的な目標スロットルバルブ開度θr1を記憶値θr(0)に格納する。以上により、現時点からImsec前(0msec≦Imsec≦64msec,Iは整数)の暫定的な目標スロットルバルブ開度θr(I)(I=64,63,62,・・・,2,1,0)がRAM83内に記憶されることになる。
【0152】
次に、CPU81はステップ1640に進み、同ステップ1640にて記憶値θr(64)を最終的な目標スロットルバルブ開度θrとして設定し、続くステップ1645にて実際のスロットルバルブ開度が目標スロットルバルブ開度θrと等しくなるように、スロットルバルブアクチュエータ43aに対し駆動信号を出力し、その後ステップ1695にて本ルーチンを一旦終了する。
【0153】
以降においても、上記ルーチンの処理は1msecの経過毎に実行される。この結果、実際のスロットルバルブ開度が、所定時間T(=64msec)前のアクセルペダル操作量Accpに基づく目標スロットルバルブ開度θrと等しくなるように制御される。これにより、上記電子制御スロットルモデルM1は、現時点から時間(T−T0)前の目標スロットルバルブ開度θ(T−T0)を、現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおけるスロットルバルブ開度θtとして推定する。
【0154】
(スロットル通過空気流量mt、吸気管内空気圧力Pm、吸気管内空気温度Tm推定)CPU81は、図17及びこれに続く図18にフローチャートにより示したルーチンを所定時間(8msec)の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU81はステップ1700から処理を開始し、ステップ1705に進んで、図5に示したテーブルと同じテーブルと、エアフローメータ61の出力Vgとを用いて吸入空気流量(実吸入空気流量)mtAFMを求める。
【0155】
次に、CPU81はステップ1710に進み、図14に示したテーブルと同じテーブルと、前回以前の本ルーチン実行時において後述するステップ1810にて既に求められているスロットル通過空気流量mt(k)を前記所定時間T0だけ遅延させることにより得られる現時点におけるスロットル通過空気流量mt(k−T0)とを用いて完全放熱量W1(k),W2(k)をそれぞれを求める。なお、本ルーチンにおいて、添え字(k)が付された値は今回本ルーチンを実行した際に求める値を表し、添え字(k−1)が付された値は前回本ルーチンを実行した際に求めた値を表す。
【0156】
次いで、CPU81はステップ1715に進んで、上記数51及び上記数52に従って時定数τ1、τ2をそれぞれ求めるとともに、続くステップ1720にて上記数49及び上記数50に従って応答放熱量w1(k),w2(k)をそれぞれ求める。なお、Δtは本ルーチンの計算周期(即ち、8msec)である。次に、CPU81はステップ1725に進み、図15に示したテーブルと同じテーブルと、前記応答放熱量w1(k),w2(k)の和(w1(k)+w2(k))とを用いて現時点でエアフローメータ61が出力するであろう値に基づくスロットル通過空気流量(推定吸入空気流量)mtesを求める。
【0157】
次に、CPU81はステップ1730に進んで、前記スロットル通過空気流量mtesから前記吸入空気流量mtAFMを減じた値を偏差SA(k)として格納するとともに、続くステップ1735にて、その時点での(前回の)偏差積分値SumSA(k−1)に前記偏差SA(k)を加えた値を新たな(今回の)偏差積分値SumSA(k)として設定する。
【0158】
次いで、CPU81は図18のステップ1805に進んで図10に示したテーブルと同じテーブルと、現時点から所定時間T0だけ先の時刻tにおける推定スロットルバルブ開度θtとを用いて流量係数Ct(θt)と開口面積At(θt)の積値Ct(θt)・At(θt)を求める。
【0159】
次いで、CPU81はステップ1810に進み、同ステップ1810にて上記数53、又は上記数54にしたがってスロットル通過空気流量mtを計算する。この計算で使用されるスロットルバルブ上流圧力Pa、及び吸気温度Taは、それぞれ大気圧センサ63、及び吸気温センサ62から取得される。また、吸気管内空気圧力Pm(k−1)、及び吸気管内空気温度Tm(k−1)は、前回の本ルーチン実行時において後述するステップ1815にて求められた値Pm(k)、及びTm(k)であり、偏差積分値SumSA(k)は前記ステップ1735で求められた値である。
【0160】
次にCPU81はステップ1815に進み、上記数17及び上記数18を積分して離散化した下記数57及び下記数58に基づいて吸気管内空気圧力Pm(k)、及び吸気管内空気温度Tm(k)を求めた後、ステップ1895に進んで本ルーチンを一旦終了する。なお、下記数57及び数58において、Δtは本ルーチンの計算周期(即ち、8msec)である。
【0161】
【数57】
Figure 2004116459
【0162】
【数58】
Figure 2004116459
【0163】
実際には、CPU81は、上記数57にてPm/Tmを求め、これと上記数58により求めたPmとからTmを求める。なお、数57及び数58におけるmcAVE(k−1)は、後述する1msecルーチンで求められる筒内吸入空気流量mcの平均値である。
【0164】
(筒内圧力Pc、筒内吸入空気流量mc、筒内吸入空気量Mc等の推定)
CPU81は、図19及びこれに続く図20にフローチャートにより示したルーチンを所定時間(1msec)の経過毎に実行するようになっている。従って、所定のタイミングになると、CPU81はステップ1900から処理を開始し、ステップ1905に進んで前記時刻tにおけるバルブリフト量Lと、図11に示したテーブルと同じテーブルとに基づいて、上記数55及び上記数56にて使用する積値Cv(L)・Av(L)を求め、続くステップ1910にて同数55又は同数56にしたがって筒内吸入空気流量mc(t)を計算する。
【0165】
ここで、Pm(k)、及びTm(k)は、前述のステップ1815にてそれぞれ求められた吸気管内空気圧、及び吸気管内空気温度であり、Tc(t)は、前回の本ルーチン実行時において後述するステップ2045で設定された値である。また、SumSA(k)は上述した図17のステップ1735で求められた偏差積分値であり、Pc(t)は前回の本ルーチン実行時において後述するステップ1925で設定された値である。
【0166】
次に、CPU81はステップ1915に進み、同ステップ1915にて上記数43にしたがって筒内圧力P’c(t+Δt)を求める。Δtは本ルーチンの計算周期(即ち、1msec)である。また、mc(t)は前記ステップ1910で求められた値である。
【0167】
次いで、CPU81はステップ1920に進み、上記数46にしたがって筒内圧力Pc(t+Δt)を求め、続くステップ1925にて今回求めた筒内圧力P’c(t+Δt)、及び筒内圧力Pc(t+Δt)を、次回の本ルーチンの演算のためにそれぞれ筒内圧力P’c(t)、及び筒内圧力Pc(t)に格納する。
【0168】
次いで、CPU81は図20に示したステップ2005に進み、時刻tが吸気弁23が閉状態から開状態へと変化した直後の時点であるか否かを判定し、閉状態から開状態へと変化した直後であれば、ステップ2010にて変数Zの値を「0」として初期化し、ステップ2015にてその時点で求められている筒内圧力Pc’(t)を吸気弁23が開弁した時(吸気弁開時)の筒内圧力Pc(to)として格納する。そして、CPU81はステップ2020にて時刻tのシリンダ容積Vc(t)を吸気弁開時のシリンダ容積Vc(to)として格納し、続くステップ2025にて吸気弁開時からの筒内吸入空気量Mc1の値を値Mc0(初期値、例えば「0」)に設定してステップ2030に進む。一方、時刻tが吸気弁23が閉状態から開状態へと変化した直後の時点でなければ、CPU81はステップ2005にて「No」と判定して直接2030に進む。
【0169】
次に、CPU81はステップ2030にて時刻tにおいて吸気弁23が開状態にあるか否かを判定する。いま、時刻tが吸気弁23が閉状態から開状態になった直後に相当していれば、CPU81はステップ2030にて「Yes」と判定してステップ2035に進み、同ステップ2035にて変数Zに値Pc’(t)・dVc(t)/dt・Δtの値を加えて同変数Zを更新する。これにより、変数Zは値P’(t)・dVc(t)/dtの積分値相当量となる。続いて、CPU81はステップ2040にて吸気弁開時からの筒内吸入空気量Mc1にmc(t)・Δtを加えた値を新たな筒内吸入空気量Mc1として格納し、ステップ2045に進んで下記数59に基づき筒内空気温度Tc(t)を求め、ステップ2095にて本ルーチンを一旦終了する。
【0170】
【数59】
Tc(t)=Pc(t)・Vc(t)/(Mc1・R)
【0171】
上記ステップ2030〜2045の処理は、吸気弁23が開弁している間、継続されるので、値P’(t)・dVc(t)/dt・Δtの総和を示す変数Z、吸気弁開時からの筒内吸入空気量Mc1、及び筒内空気温度Tc(t)が更新されて行く。
【0172】
その後、所定の時間が経過して時刻tが吸気弁23が開状態から閉状態に変化した直後の時刻になると、CPU81はステップ2005及びステップ2030に進んだとき、何れも「No」と判定してステップ2050に進み、同ステップ2050にて吸気弁23が開状態から閉状態に変化した直後であるか否かを判定する。そして、この場合、CPU81はステップ2050にて「Yes」と判定し、ステップ2055に進んで一吸気行程における筒内吸入空気量Mcを上記数48にしたがって推定する。
【0173】
その後、CPU81はステップ2060に進み、上記求めた筒内吸入空気量Mcをクランク角180°CAに相当する時間T180CAで除して、筒内吸入空気量Mcの平均値mcAVE(k−1)を求め、続くステップ2065にて筒内吸入空気量Mcの平均値mcAVE(k−1)に設定空燃比により変化する係数Kを乗じて燃料噴射量fcを求める。なお、筒内吸入空気量Mcの平均値mcAVE(k−1)は、筒内吸入空気量Mcに比例しているから、燃料噴射量fcは数2にしたがって計算されることになる。そして、CPU81はステップ2095に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【0174】
また、時刻tが、吸気弁32が閉状態から開状態に変化した直後の時刻でなく、且つ開状態から閉状態への変化した直後の時刻でなく、且つ同吸気弁32が閉状態にある時刻である場合、CPU81は図19のステップ1900〜1925の処理を実行後、図20のステップ2005、2030、2050にて全て「No」と判定してステップ2095に進み、本ルーチンを一旦終了する。
【0175】
以上により、筒内吸入空気量Mcが各モデルを用いて推定され、これに応じた燃料噴射量fcが決定される。そして、CPU81は、図示しない燃料噴射ルーチンを所定のタイミングにて実行し、前記決定された燃料噴射量fcだけ燃料を噴射する。
【0176】
以上説明したように、本発明による筒内吸入空気量推定装置を含む燃料噴射量制御装置の実施形態によれば、シリンダモデルM5により筒内圧力Pcと筒内空気温度Tcとが求められ、これらの値が吸気弁モデルM4に提供される。従って、吸気弁モデルM4は、従来のように多くの変数によるテーブル検索に基づくのではなく、上記数22,23(実際には、上記数55,56)にしたがった数値計算により筒内吸入空気流量mc(従って、筒内吸入空気量Mc)を求めることができる。この結果、テーブル値の適合に要する労力を低減することができるとともに、精度良く燃料噴射量fcを求めることができた。
【0177】
また、オブザーバOBSにより、スロットル通過空気流量(推定吸入空気流量)mtesと吸入空気流量(実吸入空気流量)mtAFMとの偏差SA(上記偏差積分値SumSA)が「0」になるように、同偏差SAに基いてスロットルモデルM2により推定されたスロットル通過空気流量mt、及び吸気弁モデルM4により推定された筒内吸入空気流量mcがそれぞれ直接補正される。従って、スロットル通過空気流量mtesが吸入空気流量mtAFMよりも小さい場合、上記吸気管モデルM3により推定される吸気管内空気圧力Pmを増大せしめることなく、直接的に筒内吸入空気流量(推定吸気弁通過空気流量)mcを増大せしめることができ、その結果、筒内吸入空気量Mcを増大せしめることが可能となる。
【0178】
従って、内燃機関がスロットルバルブ開度が最大の開度で一定となるスロットル全開定常運転状態にある場合であっても、スロットル通過空気流量mtesと吸入空気流量mtAFMとの大小関係に拘わらず実際の筒内吸入空気量と推定された筒内吸入空気量Mcとの定常的な誤差を確実に低減することができ、その結果、適正な燃料噴射量fcを得ることで内燃機関により燃焼される混合気の空燃比を精度良く狙いの値とすることができた。
【0179】
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、補正手段としてのオブザーバOBSは、スロットルモデルM2により推定されたスロットル通過空気流量mt、及び吸気弁モデルM4により推定された筒内吸入空気流量mcをそれぞれ直接補正しているが、スロットル通過空気流量(推定吸入空気流量)mtesと吸入空気流量(実吸入空気流量)mtAFMとの偏差SA(上記偏差積分値SumSA)が「0」になるように、同偏差SAに基いて、上記数3及び数4にて使用する流量係数Ct(θt)と開口面積At(θt)の積値Ct(θt)・At(θt)、及び上記数22及び数23にて使用する流量係数Cv(L)と開口面積Av(L)の積値Cv(L)・Av(L)を補正し、その結果として、上記スロットル通過空気流量mt、及び上記筒内吸入空気流量mcをそれぞれ補正してもよい。
【0180】
また、上記実施形態の各モデルの他、排気弁を介してシリンダ21内に流入する空気流量meを推定するための排気弁モデルを追加採用することもできる。この場合、図21に示したように、排気弁モデルM7はシリンダモデルM5に対して接続され、吸気弁モデルM4と同様な導出過程を経て得られた下記数60、及び下記数61により表される。なお、数60、及び数61において、Peは排気管内空気圧力、Teは排気管内空気温度であり、数60は排気系からシリンダ21内に空気が流入する場合(Pc<Pe)、下記数61はシリンダ21から排気系に空気が流出する場合(Pc>Pe)に用いられる。この結果、上記空気流量meは、排気系からシリンダ21内に空気が流入する場合に正の値を、シリンダ21から排気系に空気が流出する場合に負の値をそれぞれ採るように計算される。なお、この場合、排気管内空気圧力を検出するセンサ、及び排気管内空気温度を検出するセンサを設けることが望ましい。
【0181】
【数60】
Figure 2004116459
【0182】
【数61】
Figure 2004116459
【0183】
また、上記実施形態においては、インジェクタ39は吸気ポート31a,31bに向けて燃料を噴射するようになっていたが、燃焼室25内に直接噴射するように構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による筒内吸入空気量推定装置を含む燃料噴射量制御装置を火花点火式多気筒内燃機関に適用したシステムの概略構成図である。
【図2】図1に示した特定の気筒の燃焼室、及び同燃焼室の近傍部分を示す概略平面図である。
【図3】図1に示したエアフローメータの概略斜視図である。
【図4】図3に示したエアフローメータの熱線計量部の拡大斜視図である。
【図5】図1に示したCPUが参照するエアフローメータの出力と吸入空気流量との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図6】図1に示した電気制御装置が筒内吸入空気量を推定するために採用した各種モデルの接続関係を示した機能ブロック図である。
【図7】図1に示したCPUが参照するアクセルペダル操作量と目標スロットルバルブ開度との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図8】スロットルバルブ開度と流量係数との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図9】スロットルバルブ開度と開口面積との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図10】スロットルバルブ開度と、流量係数と開口面積の積値との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図11】バルブリフト量と、流量係数と開口面積の積値との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図12】シリンダモデルを表すために使用する変数を説明するためシリンダ及びその近傍を概念的に示した図である。
【図13】シリンダモデルによるシリンダ内圧力の計算結果について説明するためのタイムチャートである。
【図14】図1に示したCPUが参照するスロットル通過空気流量と完全放熱量との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図15】図1に示したCPUが参照する応答放熱量の和とエアフローメータが出力するであろう値に基づくスロットル通過空気流量との関係を規定したテーブルを示したグラフである。
【図16】図1に示したCPUが実行するスロットルバルブを制御するためのルーチンを示したフローチャートである。
【図17】図1に示したCPUが8msec毎に実行するルーチンの前半部を示したフローチャートである。
【図18】図1に示したCPUが8msec毎に実行するルーチンの後半部を示したフローチャートである。
【図19】図1に示したCPUが1msec毎に実行するルーチンの前半部を示したフローチャートである。
【図20】図1に示したCPUが1msec毎に実行するルーチンの後半部を示したフローチャートである。
【図21】本発明による燃料噴射量制御装置(筒内吸入空気量推定装置)の実施形態の他の変形例を示した機能ブロック図である。
【図22】本出願人が検討している燃料噴射量制御装置(筒内吸入空気量推定装置)の機能ブロック図である。
【符号の説明】
10…火花点火式多気筒内燃機関、20…シリンダブロック部(エンジン本体部)、25…燃焼室、31…吸気ポート、32…吸気弁、33…可変吸気タイミング装置、39…インジェクタ、41…吸気管、43…スロットルバルブ、44…スワールコントロールバルブ、44a…SCVアクチュエータ、61…エアフローメータ、80…電気制御装置、81…CPU、M1…電子制御スロットルモデル、M2…スロットルモデル、M3…吸気管モデル、M4…吸気弁モデル、M5…シリンダモデル、M6…エアフローメータモデル。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an in-cylinder intake air amount estimating apparatus for estimating an in-cylinder intake air amount taken into a cylinder of an internal combustion engine based on an intake system model (simulation model, physical model).
[0002]
[Prior art]
In order to set the air-fuel ratio of the air-fuel mixture burned by the internal combustion engine to a predetermined value, the amount of air taken into the cylinders (in the cylinder and the combustion chamber) of the internal combustion engine (hereinafter referred to as “in-cylinder intake air amount”) Mc ”) must be obtained with high accuracy. Usually, an air flow sensor is provided in the intake passage of the internal combustion engine, and the in-cylinder intake air amount Mc is estimated from the output value of the air flow sensor. However, when the internal combustion engine is in a transient operation state such as when the throttle valve opening greatly changes over time, it is difficult to accurately obtain the in-cylinder intake air amount Mc from the output value of the air flow sensor. Thus, in recent years, various attempts have been made to accurately estimate a value corresponding to the in-cylinder intake air amount Mc by using an intake system model represented by an expression based on fluid dynamics or the like (for example, See Patent Document 1 below). FIG. 22 conceptually shows such an in-cylinder intake air amount estimating apparatus which is being studied by the present applicant. This in-cylinder intake air amount estimating apparatus includes an electronic control throttle model M10. , A throttle model M20, an intake valve model M30, and an intake pipe model M40.
[0003]
Incidentally, the in-cylinder intake air amount Mc is determined when the intake valve is closed (when the intake valve is closed), and has a relationship proportional to the cylinder pressure at that time. The pressure in the cylinder when the intake valve is closed can be regarded as being equal to the pressure upstream of the intake valve and downstream of the throttle valve, that is, the air pressure (intake pipe pressure) Pm in the intake pipe. From the above, the in-cylinder intake air amount estimating apparatus shown in FIG. 22 estimates the in-pipe air pressure Pm when the intake valve is closed by using the models M10 to M40, and calculates the in-cylinder intake air pressure from the estimated intake pipe air pressure Pm. The air amount Mc is estimated.
[0004]
More specifically, the electronic control throttle model M10 estimates the throttle valve opening θt when the intake valve is closed. The throttle model M20 estimates an air flow rate (estimated throttle passing air flow rate) mt passing through the throttle valve by a model obtained based on a law of conservation of energy, a law of conservation of momentum, a law of conservation of mass, and a state equation. ing.
[0005]
The intake valve model M30 estimates the in-cylinder intake air flow rate (estimated intake valve passage air flow rate) mc from the intake pipe air pressure Pm, the intake pipe air temperature Tm, the intake temperature Ta, and the like. That is, as described above, since the in-cylinder intake air flow rate mc is considered to be proportional to the intake pipe air pressure Pm, the intake valve model M30 obtains the in-cylinder intake air flow rate mc according to the following equation 1 based on an empirical rule.
[0006]
(Equation 1)
mc = (Ta / Tm) · (c · Pm−d)
[0007]
In the above equation 1, the value c is a proportional coefficient, and the value d is a value representing the burned gas remaining in the cylinder (this value is considered to be the in-cylinder gas amount when the exhaust valve is closed. "The burned gas amount d"). The intake valve model M30 is a table (look-up table) that specifies the relationship between the engine rotation speed Ne, the opening / closing timing VT of the intake valve, the maximum lift amount Lmax of the intake valve, and the like, the proportionality coefficient c, and the burned gas amount d. , Map), the proportional coefficient c, the burned gas amount, and the actual engine speed Ne, the actual intake valve opening / closing timing VT, and the maximum intake valve lift amount Lmax, and the stored table. Find d. Further, at the time of calculation, the intake valve model M30 calculates the intake pipe air pressure Pm and the intake pipe air temperature Tm at the time of closing the intake valve immediately before (latest), which are already estimated by the intake pipe model M40 to be described later, according to the above equation (1). To estimate the in-cylinder intake air flow rate mc.
[0008]
The intake pipe model M40 has a throttle passage air flow rate mt estimated by the throttle model M20 and an in-cylinder intake air flow rate mc estimated by the intake valve model M30 according to equations based on the law of conservation of mass and the law of conservation of energy, respectively. Is used to estimate the intake pipe air pressure Pm when the intake valve is closed. The in-cylinder intake air amount estimating device estimates the in-cylinder intake air amount Mc based on the intake pipe air pressure Pm when the intake valve is closed estimated by the intake pipe model M40.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-6-74076
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
For this type of in-cylinder intake air amount estimating apparatus, the applicant of the present application has reduced the steady-state error between the actual in-cylinder intake air amount Mc and the in-cylinder intake air amount Mc estimated as described above. In order to improve the accuracy of estimating the estimated in-cylinder intake air amount Mc, the following observer is being added (see Japanese Patent Application No. 2001-316350).
[0011]
That is, the observer is disposed in the intake passage of the internal combustion engine and measures an actual intake air flow rate (actual intake air flow rate) mtAFM to be taken into the intake passage. If the actual intake air flow rate is assumed to be the estimated throttle passing air flow rate mt estimated by the throttle model M20 using an air flow meter model that is a model for the meter, the air flow meter will output. An intake air flow rate estimating means for estimating an output value and estimating an intake air flow rate drawn into the intake passage as an estimated intake air flow rate mtes based on the estimated output value; Estimated by the throttle model M20 according to the deviation from the air flow rate mtAFM Throttle passage adapted to correct the air flow rate mt.
[0012]
By adding such an observer, for example, when the estimated intake air flow rate mtes is smaller than the actual intake air flow rate mtAFM, the estimated throttle passage air flow rate mt becomes equal to the deviation between the estimated intake air flow rate mtes and the actual intake air flow rate mtAFM. The intake pipe air pressure Mc is increased by increasing the air pressure Pm in the intake pipe downstream of the throttle valve. Similarly, when the estimated intake air flow rate mtes is larger than the actual intake air flow rate mtAFM, the in-cylinder intake air amount Mc decreases. In this way, the steady error between the actual in-cylinder intake air amount and the estimated in-cylinder intake air amount Mc is reduced.
[0013]
However, when the internal combustion engine is in a throttle fully open steady state in which the throttle valve opening is constant at the maximum opening, the air pressure Pm in the intake pipe downstream of the throttle valve is lower than the pressure upstream of the throttle valve (that is, the atmospheric pressure Pa). Have also increased to slightly smaller values. Therefore, when the internal combustion engine is in the throttle fully open steady-state operating state and the estimated intake air flow rate mtes is smaller than the actual intake air flow rate mtAFM, the observer increases the estimated throttle passing air flow rate mt to increase the intake pipe air pressure Pm. Is increased, the air pressure Pm in the intake pipe immediately becomes larger than the atmospheric pressure Pa, and the estimated throttle passage air flow rate mt estimated by the throttle model M20 immediately becomes a negative value (a value indicating a backflow). Accordingly, since the air pressure Pm in the intake pipe downstream of the throttle valve cannot be increased, the in-cylinder intake air amount Mc does not increase, and as a result, the actual in-cylinder intake air amount and the estimated in-cylinder intake air amount Mc become steady. However, there is a problem that a typical error may remain.
[0014]
Accordingly, an object of the present invention is an in-cylinder intake air amount estimating apparatus for estimating an in-cylinder intake air amount to be taken into a cylinder of an internal combustion engine based on a model of an intake system. It is an object of the present invention to provide a device capable of effectively reducing a steady error between an intake air amount and an estimated in-cylinder intake air amount.
[0015]
[Overview of the present invention]
A feature of the present invention is a throttle passing air flow rate that estimates a flow rate of air passing through a throttle valve as an estimated throttle passing air flow rate using a model of air passing through the throttle valve disposed in an intake passage of an internal combustion engine. Estimating means and an intake valve passing air for estimating an air flow rate passing through the intake valve as an estimated intake valve passing air flow rate using a model of air passing through the intake valve for communicating and blocking the intake passage and the cylinder. Flow rate estimating means, and in-cylinder intake air amount estimating means for estimating an in-cylinder intake air amount to be taken into the cylinder based on at least the estimated throttle passing air flow rate and the estimated intake valve passing air flow rate. An in-cylinder intake air amount estimating device for an internal combustion engine generates an output value corresponding to an actual intake air flow rate sucked into the intake passage and outputs the output value. An air flow sensor that measures the intake air flow rate at the time as an actual intake air flow rate and a model for the air flow rate sensor are used, and it is assumed that the actual intake air flow rate is the estimated throttle passing air flow rate. An intake air flow rate estimating means for estimating an output value that will be output from the air flow rate sensor and estimating an intake air flow rate to be taken into the intake passage as an estimated intake air flow rate based on the estimated output value; A correction means is provided for correcting the intake valve passing air flow rate estimating means so as to correct the estimated intake valve passing air flow rate based on a difference between the intake air flow rate and the actual intake air flow rate.
[0016]
Here, the correction means may be configured to correct the intake valve passing air flow rate estimating means so as to directly correct the estimated intake valve passing air flow rate estimated by the intake valve passing air flow rate estimating means. If the intake valve passing air flow rate estimating means uses a predetermined parameter (coefficient) when estimating the estimated intake valve passing air flow rate, the predetermined parameter is corrected, and as a result, the estimated intake valve passing air flow rate is estimated. The intake valve passing air flow rate estimating means may be configured to correct the passing air flow rate.
[0017]
In this case, the correction means also corrects the throttle passage air flow estimation means so as to correct the estimated throttle passage air flow based on a deviation between the estimated intake air flow rate and the actual intake air flow rate. Preferably, it is configured. Also in this case, even if the correction means is configured to correct the throttle passing air flow estimation means so as to directly correct the estimated throttle passing air flow rate estimated by the throttle passing air flow estimation means, When the throttle passing air flow rate estimating means uses a predetermined parameter (coefficient) when estimating the estimated throttle passing air flow rate, the predetermined parameter is corrected, and as a result, the estimated throttle passing air flow rate is calculated. It may be configured to correct the throttle passage air flow rate estimating means so as to make the correction.
[0018]
According to these, the correction means corrects the intake valve passage air flow estimation means so as to correct the estimated intake valve passage air flow based on the deviation between the estimated intake air flow rate and the actual intake air flow rate. Therefore, when the estimated intake air flow rate is smaller than the actual intake air flow rate, as described in the section of the problem to be solved by the invention, the intake pipe air pressure Pm downstream of the throttle valve is directly increased without being increased. As a result, the estimated intake valve passing air flow rate (in-cylinder intake air flow rate mc) can be increased. As a result, the in-cylinder intake air amount (Mc) drawn into the cylinder estimated by the in-cylinder intake air amount estimating means can be increased. It is possible to increase it.
[0019]
Therefore, even when the internal combustion engine is in the above-described throttle fully open steady-state operation state in which the throttle valve opening is constant at the maximum opening, regardless of the magnitude relationship between the estimated intake air flow rate and the actual intake air flow rate. The steady-state error between the actual in-cylinder intake air amount and the estimated in-cylinder intake air amount (Mc) can be reliably reduced. As a result, the air-fuel ratio of the air-fuel mixture burned by the internal combustion engine can be reduced. The predetermined value can be accurately set.
[0020]
In addition, any of the above-described cylinder intake air amount estimating apparatuses for an internal combustion engine includes a cylinder pressure that estimates the pressure in the cylinder by calculation using a model for the cylinder obtained based on the law of conservation of energy. Estimating means, wherein the intake valve passing air flow rate estimating means is configured to estimate the estimated intake valve passing air flow rate using a model for air passing through the intake valve using the estimated pressure in the cylinder. It is preferred that
[0021]
According to this, the pressure in the cylinder (in-cylinder pressure) is obtained by calculation. If the in-cylinder pressure is obtained, the intake valve passing air flow rate estimating means estimates the intake valve passing air flow rate (in-cylinder intake air flow rate) by using a "model for air passing through the intake valve" using the in-cylinder pressure. mc) can be obtained by calculation. Therefore, it is possible to accurately obtain the in-cylinder intake air amount (Mc) without adapting the table values (the proportionality coefficient c, the burned gas amount d, and the like) for many combinations of parameters.
[0022]
In this case, the model of the air passing through the intake valve used by the intake valve passing air flow rate estimating means is preferably a model obtained based on a law of conservation of energy, a law of conservation of momentum, and a law of conservation of mass. It is. According to this, the estimated intake valve passage air flow rate (in-cylinder intake air flow rate mc) can be calculated by a model (formula) expressed according to a physical law instead of an empirical rule, and therefore, the in-cylinder intake air amount ( It is possible to improve the estimation accuracy of Mc).
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a fuel injection amount control device including a cylinder intake air amount estimation device for an internal combustion engine according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration of a system in which this fuel injection amount control device is applied to a spark ignition type multi-cylinder (for example, four cylinder) internal combustion engine 10.
[0024]
The internal combustion engine 10 includes a cylinder block 20 including a cylinder block, a cylinder block lower case, and an oil pan, a cylinder head 30 fixed on the cylinder block 20, and a gasoline mixture supplied to the cylinder block 20. It includes an intake system 40 for supplying and an exhaust system 50 for discharging exhaust gas from the cylinder block unit 20 to the outside.
[0025]
The cylinder block section 20 includes a cylinder 21, a piston 22, a connecting rod 23, and a crankshaft 24. The piston 22 reciprocates in the cylinder 21, and the reciprocating motion of the piston 22 is transmitted to the crankshaft 24 via the connecting rod 23, whereby the crankshaft 24 rotates. The heads of the cylinder 21 and the piston 22 together with the cylinder head 30 form a combustion chamber 25.
[0026]
The cylinder head 30 includes an intake port 31 communicating with the combustion chamber 25, an intake valve 32 for opening and closing the intake port 31, an intake camshaft for driving the intake valve 32, and a phase angle of the intake camshaft and the intake valve 32. Valve control device 33 capable of continuously changing the valve lift amount (maximum valve lift amount), an actuator 33a of the intake valve control device 33, an exhaust port 34 communicating with the combustion chamber 25, and an exhaust valve for opening and closing the exhaust port 34. 35, an exhaust camshaft 36 for driving the exhaust valve 35, a spark plug 37, an igniter 38 including an ignition coil for generating a high voltage applied to the spark plug 37, and an injector for injecting fuel into the intake port 31 (fuel injection means) 39 are provided.
[0027]
The intake system 40 includes an intake pipe 41 including an intake manifold communicating with the intake port 31 and forming an intake passage together with the intake port 31, an air filter 42 provided at an end of the intake pipe 41, and an intake pipe 41. A throttle valve 43 that makes the opening cross-sectional area of the intake passage variable and a swirl control valve (hereinafter, referred to as “SCV”) 44 are provided. The throttle valve 43 is driven to rotate in the intake pipe 41 by a throttle valve actuator 43a composed of a DC motor. The SCV 44 is rotatably supported by the intake pipe 41 at a position downstream of the throttle valve 43 and upstream of the injector 39, and is driven to rotate by an SCV actuator 44a composed of a DC motor. Has become.
[0028]
FIG. 2 is a schematic plan view of the combustion chamber 25 of one cylinder (specific cylinder) and the vicinity of the combustion chamber 25. As shown in FIG. 2, the intake port 31 is actually composed of a pair of intake ports 31a and 31b provided for each cylinder. The intake port 31a forms a so-called swirl port which is formed in a helical shape so as to generate a swirl (swirl flow) in the combustion chamber 25, and the intake port 31b forms a so-called straight port. A partition wall 41a extending along the longitudinal direction of the intake pipe 41 is formed in a portion of the intake pipe 41 extending from the surge tank (indicated by a symbol SG in FIG. 1) to each combustion chamber 25 (that is, a part of the intake manifold). Thus, the intake pipe 41 is partitioned into a first intake manifold 45 communicating with the intake port 31a and a second intake manifold 46 communicating with the intake port 31b. A communication passage 41b communicating the first and second intake manifolds 45 and 46 is formed at an appropriate position of the partition wall 41a, and the injector 39 is fixed at a position near the communication passage 41b, and is connected to the intake ports 31a and 31b. It is designed to inject fuel.
[0029]
The SCV 44 is provided in a second intake manifold 46. Therefore, when the SCV 44 closes the second intake manifold 46, the air (air-fuel mixture) mainly passes through the intake port 31a and is sucked into the combustion chamber 25, and swirl is generated in the combustion chamber 25. Combustion at the air-fuel ratio becomes possible. On the other hand, when the SCV 44 opens the second intake manifold 46, air passes through both intake ports 31a and 31b and is sucked into the combustion chamber 25, whereby the amount of air sucked into the combustion chamber 25 increases and the engine Can be increased.
[0030]
Referring again to FIG. 1, the exhaust system 50 includes an exhaust manifold 51 connected to the exhaust port 34, an exhaust pipe 52 connected to the exhaust manifold 51, and a catalytic converter (three-way catalyst device) interposed in the exhaust pipe 52. 53 is provided.
[0031]
On the other hand, this system includes a hot wire air flow meter 61 as an air flow rate sensor, an intake air temperature sensor 62, an atmospheric pressure sensor (throttle valve upstream pressure sensor) 63, a throttle position sensor 64, an SCV opening sensor 65, a cam position sensor 66, Intake valve lift amount sensor 67, crank position sensor 68, water temperature sensor 69, O2A sensor 70 and an accelerator opening sensor 71 are provided.
[0032]
As shown in FIG. 3 which is a schematic perspective view, the air flow meter 61 measures a bypass passage for partially bypassing the intake air flowing through the intake pipe 41 and a mass flow rate of the intake air bypassed to the bypass passage. And a signal processing unit 61b that outputs a voltage Vg (output value) according to the measured mass flow rate. As shown in FIG. 4 which is an enlarged perspective view of the heat ray measuring section 61a, an intake air temperature measuring resistor (bobbin section) 61a1 made of platinum hot wire and the intake air temperature measuring resistor 61a1 are provided to the signal processing section 61b. It includes a support portion 61a2 for connecting and holding, a heating resistor (heater) 61a3, and a support portion 61a4 for connecting and holding the heating resistor 61a3 to the signal processing portion 61b. The signal processing unit 61b has a bridge circuit composed of an intake air temperature measuring resistor 61a1 and a heating resistor 61a3, and the bridge circuit always keeps the temperature difference between the intake air temperature measuring resistor 61a1 and the heating resistor 61a3 constant. The power supplied to the heating resistor 61a3 is adjusted so as to maintain the voltage Vg, and the supplied power is converted into the voltage Vg and output. The relationship between the output Vg of the air flow meter 61 and the intake air flow rate mtAFM as the actual intake air flow rate is as shown in FIG.
[0033]
The intake air temperature sensor 62 is provided in the air flow meter 61, detects the temperature of the intake air, and outputs a signal representing the intake air temperature Ta. The atmospheric pressure sensor 63 detects the pressure upstream of the throttle valve 43 (that is, the atmospheric pressure) and outputs a signal representing the throttle valve upstream pressure Pa. The throttle position sensor 64 detects the opening of the throttle valve 43 (throttle valve opening) and outputs a signal indicating the throttle valve opening TA. The SCV opening sensor 65 detects the opening of the SCV 44 and outputs a signal representing the SCV opening θiv.
[0034]
The cam position sensor 66 generates a signal (G2 signal) having one pulse every time the intake camshaft rotates 90 ° (that is, each time the crankshaft 24 rotates 180 °). The intake valve lift sensor 67 detects the lift of the intake valve 31 and outputs a signal representing the intake valve lift L that takes a value of “0” when the intake valve is fully closed. The crank position sensor 68 outputs a signal having a narrow pulse each time the crankshaft 24 rotates 10 ° and a signal having a wide pulse each time the crankshaft 24 rotates 360 °. This signal indicates the engine speed Ne. The water temperature sensor 69 detects the temperature of the cooling water of the internal combustion engine 10 and outputs a signal indicating the cooling water temperature THW. O2The sensor 70 outputs a signal corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas flowing into the catalytic converter 53. The accelerator opening sensor 71 outputs a signal indicating the operation amount Accp of the accelerator pedal 82 operated by the driver.
[0035]
The electric control device 80 includes a CPU 81 connected to the CPU 81 via a bus, a ROM 82 pre-stored with programs, tables (maps) and constants executed by the CPU 81, a RAM 83 in which the CPU 81 temporarily stores data as needed, and a power supply. The microcomputer includes a backup RAM 84 that stores data while being turned on and retains the stored data even when the power is turned off, an interface 85 including an AD converter, and the like. The interface 85 is connected to the sensors 61 to 71, supplies signals from the sensors 61 to 71 to the CPU 81, and controls the actuator 33 a of the intake valve control device 33, the igniter 38, the injector 39, and the throttle in accordance with instructions from the CPU 81. A drive signal is transmitted to the valve actuator 43a and the SCV actuator 44a.
[0036]
Next, a method of determining the fuel injection amount (a method of estimating the in-cylinder intake air amount Mc) using the simulation model by the fuel injection amount control device configured as described above will be described. The processing described below is performed by the CPU 81 executing a program.
[0037]
(Method of determining fuel injection amount fc / estimating method of in-cylinder intake air amount Mc)
The fuel injection amount control device must inject fuel to the cylinder in the intake stroke before the intake valve 32 of the cylinder is closed. Further, even in the case of an internal combustion engine in which fuel is directly injected into the combustion chamber 25, it is necessary to inject fuel before the end of the intake stroke. Therefore, in the fuel injection amount control device, the intake valve closes the in-cylinder intake air amount Mc that would be drawn into the same cylinder when the intake valve 32 is closed (that is, when the intake valve is closed). The fuel injection amount (basic injection amount) fc is determined beforehand based on the following equation (2). In Equation 2, K is a coefficient based on the set air-fuel ratio that changes according to the operating state.
[0038]
(Equation 2)
fc = K · Mc
[0039]
More specifically, the fuel injection amount control device (in-cylinder intake air amount estimation device) includes an electronic control throttle model M1, a throttle model M2, an intake pipe model M3, and an intake valve model M4, as shown in FIG. , And a simulation model of the cylinder model M5 to estimate the in-cylinder intake air amount Mc. The throttle model M2 functions as a throttle passing air flow rate estimating means, the intake valve model M4 functions as an intake valve passing air flow estimating means, and the cylinder model M5 functions as an in-cylinder pressure estimating means. M5 constitutes in-cylinder intake air amount estimating means for estimating the in-cylinder intake air amount Mc sucked into the cylinder 21.
[0040]
(Electronic control throttle model M1)
The electronic control throttle model M1 is a model for estimating the throttle valve opening θt at the time t a predetermined time T0 ahead of the current time based on the accelerator pedal operation amount Accp up to the current time. In the present embodiment, the throttle valve electronic control logic A1 calculates the relationship between the accelerator pedal operation amount Accp detected by the accelerator opening sensor 71 and the accelerator pedal operation amount Accp and the target throttle valve opening degree θr shown in FIG. A provisional target throttle valve opening θr1 is determined based on a table that defines the relationship, and a value obtained by delaying the provisional target throttle valve opening θr1 by a predetermined time T (for example, 64 msec) is the final value. It is determined as the target throttle valve opening θr. Then, the throttle valve electronic control logic A1 (electric control unit 80) sends a drive signal to the throttle valve actuator 43a so that the actual throttle valve opening TA becomes the target throttle valve opening θr.
[0041]
As described above, the target throttle valve opening θr is equal to the provisional target throttle valve opening θr1 determined according to the accelerator pedal operation amount Accp at a point in time that is a predetermined time T before the current time. The target throttle valve opening θr at the time t earlier by T0 is equal to the provisional target throttle valve opening θr1 before the time (T−T0) from the current time. Further, the provisional target throttle valve opening θr1 before the time (T−T0) from the present time is equal to the throttle valve opening θt if the operation delay time of the throttle valve actuator 43a is ignored. Based on such a concept, the electronic control throttle model M1 estimates the throttle valve opening θt at a time t earlier by a predetermined time T0 from the current time. That is, the provisional target throttle valve opening θr1 before the current time (T−T0) is estimated as the throttle valve opening θt at the time t that is a predetermined time T0 from the current time. The throttle valve opening θt may be estimated in consideration of the operation delay time of the throttle valve actuator 43a.
[0042]
(Throttle model M2)
The throttle model M2 calculates an air flow rate (estimated throttle passing air flow rate) mt passing through the throttle valve 43 by the following equation obtained based on physical laws such as an energy conservation law, a momentum conservation law, a mass conservation law, and a state equation. 3 and a model estimated based on Equation 4 below. In the following Expressions 3 and 4, Ct (θt) is a flow coefficient that changes according to the throttle valve opening θt, and At (θt) is a throttle opening area (the intake pipe 41 of the intake pipe 41) that changes according to the throttle valve opening θt. Opening area), Pa is the throttle valve upstream pressure (ie, atmospheric pressure), Pm is the intake pipe air pressure (intake pipe pressure), Ta is the intake temperature (atmospheric temperature), Tm is the intake pipe air temperature, R is the gas constant, And κ are specific heat ratios (hereinafter, κ is treated as a constant value). The throttle model M2 uses Equation 3 when the upstream pressure Pa of the throttle valve is larger than the air pressure Pm in the intake pipe, and uses Equation 4 when the upstream pressure Pa of the throttle valve is smaller than the air pressure Pm in the intake pipe. . As a result, the throttle passing air flow rate mt is calculated to take a positive value in the case of the forward flow and a negative value in the case of the reverse flow.
[0043]
(Equation 3)
Figure 2004116459
[0044]
(Equation 4)
Figure 2004116459
[0045]
In Equations 3 and 4, θt is the estimated throttle valve opening at time t that is a predetermined time T0 ahead of the current time estimated by the electronic control throttle model M1. The throttle model M2 calculates the flow coefficient Ct (θt) using the table shown in FIG. 8 defining the relationship between the throttle valve opening θt and the flow coefficient Ct (θt) and the estimated throttle valve opening θt. The opening area At (θt) is obtained using the table shown in FIG. 9 defining the relationship between the throttle valve opening degree θt and the opening area At (θt) and the estimated throttle valve opening degree θt. The throttle model M2 is a table shown in FIG. 10 that defines the relationship between the throttle valve opening θt and the product value Ct (θt) · At (θt) of the flow coefficient Ct (θt) and the opening area At (θt). The product value Ct (θt) · At (θt) may be determined at a time using the estimated throttle valve opening θt.
[0046]
Further, the throttle model M2 acquires the throttle valve upstream pressure Pa and the intake air temperature Ta from the atmospheric pressure sensor 63 and the intake air temperature sensor 62, respectively, and obtains the intake pipe air pressure Pm and the intake pipe air temperature Tm, which will be described later. The above equation (3) or (4) is calculated using the values obtained from the pipe model M3, and the throttle passing air flow rate mt at time t is estimated.
[0047]
Here, the process of deriving Equations 3 and 4 describing the throttle model M2 will be described. Now, the opening cross-sectional area upstream of the throttle valve 43 is Au, the air density is ρu, the flow velocity of air is vu, the opening cross-sectional area of the intake pipe 41 by the throttle valve 43 is Ad, the air density there is ρd, and the throttle valve 43 Assuming that the flow velocity of the air passing through the throttle valve is vd, the throttle-passing air flow rate mt is expressed by the following equation (5). Equation 5 can be said to be an equation describing the law of conservation of mass.
[0048]
(Equation 5)
mt = Ad ・ ρd ・ vd = Au ・ ρu ・ vu
[0049]
On the other hand, assuming that the mass of the air is m, the kinetic energy is m · vu upstream of the throttle valve 43.2/ 2, where m · vd2/ 2. On the other hand, the heat energy is m · Cp · Tu upstream of the throttle valve 43 and m · Cp · Td where the heat energy passes through the throttle valve 43. Therefore, the following equation 6 is obtained according to the law of conservation of energy. Here, Tu is the air temperature upstream of the throttle valve, Td is the air temperature downstream of the throttle valve, and Cp is the constant pressure specific heat.
[0050]
(Equation 6)
m-vu2/ 2 + m · Cp · Tu = m · vd2/ 2 + m · Cp · Td
[0051]
By the way, since the equation of state is expressed by the following equation 7, the specific heat ratio κ is expressed by the following equation 8, and the relationship of Meyer is expressed by the following equation 9, Cp · T is expressed by the following equation 10 from the equations 7 to 9. Here, P is the gas pressure, ρ is the gas density, T is the gas temperature, R is the gas constant, and Cv is the constant volume specific heat.
[0052]
(Equation 7)
P = ρ ・ RT
[0053]
(Equation 8)
κ = Cp / Cv
[0054]
(Equation 9)
Cp = Cv + R
[0055]
(Equation 10)
Cp · T = {κ / (κ-1)} · (P / ρ)
[0056]
By rewriting Equation 6 based on the above energy conservation law using the relation of Equation 10, the following Equation 11 is obtained.
[0057]
[Equation 11]
vu2/ 2 + {κ / (κ-1)}} (Pu / ρu) = vd2/ 2 + {κ / (κ-1)}} (Pd / ρd)
[0058]
Then, considering infinity upstream of the throttle valve 43, Au = ∞ and vu = 0, so the above equation 11 based on the law of conservation of energy can be rewritten as the following equation 12.
[0059]
(Equation 12)
{Κ / (κ-1)} · (Pu / ρu) = vd2/ 2 + {κ / (κ-1)}} (Pd / ρd)
[0060]
Next, the amount of exercise will be described. Assuming that the pressure applied to the section having the cross-sectional area Au is Pu, the pressure applied to the section having the cross-sectional area Ad is Pd, and the average pressure of the fixed space connecting the section having the cross-sectional area Au and the section having the cross-section Au is Pmean, The following Expression 13 is obtained.
[0061]
(Equation 13)
ρd ・ vd2・ Ad-ρu ・ vu2・ Au = Pu ・ Au-Pd ・ Ad + Pmean ・ (Ad-Au)
[0062]
In the above equation 13, when Au = ∞ and vu = 0 are considered, the following equation 14 is obtained. Therefore, the relation (relation based on the law of conservation of momentum) on the momentum of the following equation 15 is obtained from the same equation 14 and the above equation 13. .
[0063]
[Equation 14]
Pmean = Pu
[0064]
[Equation 15]
ρd ・ vd2= Pu-Pd
[0065]
Therefore, the following Expression 16 is obtained from Expression 5, Expression 12, and Expression 15.
[0066]
(Equation 16)
Figure 2004116459
[0067]
In the above equation (16), Pu is the throttle valve upstream pressure Pa and Pd is the air pressure in the intake pipe Pm. Therefore, the flow coefficient Ct (θt) is introduced, and the opening cross-sectional area Ad is set as the opening area At (θt). By rearranging it, the above equation (3) is obtained. The derivation process of the above equation 4 is the same as the derivation process of the above equation 3, and will be omitted.
[0068]
(Intake pipe model M3)
The intake pipe model M3 is based on the law of conservation of mass and the law of conservation of energy, and the following equations (17) and (18), (estimated) throttle-passing air flow rate mt, throttle-passing air temperature (that is, intake air temperature) Ta, and intake air This is a model for determining the intake pipe air pressure Pm and the intake pipe air temperature Tm from the air flow rate mc flowing out of the pipe (that is, the estimated intake valve passing air flow rate, the in-cylinder intake air flow rate). In the following Expressions 17 and 18, Vm is the volume of the intake pipe 41 (hereinafter, simply referred to as “intake pipe portion”) from the throttle valve 43 to the intake valve 32.
[0069]
[Equation 17]
d (Pm / Tm) / dt = (R / Vm) · (mt−mc)
[0070]
(Equation 18)
dPm / dt = κ · (R / Vm) · (mt · Ta−mc · Tm)
[0071]
The intake pipe model M3 acquires the throttle passing air flow rate mt in Expressions 17 and 18 from the throttle model M2, and acquires the in-cylinder intake air flow rate mc from an intake valve model M4 described later. Then, calculations based on Equations 17 and 18 are performed to obtain the intake pipe air pressure Pm at time t and the intake pipe air temperature Tm at time t.
[0072]
Here, the process of deriving Equations 17 and 18 describing the intake pipe model M3 will be described. Now, assuming that the total amount of air in the intake pipe portion is M, the temporal change of the total air amount M is the air flow mt passing through the throttle corresponding to the amount of air flowing into the intake pipe portion and the air amount flowing out of the intake pipe portion. The following equation 19 based on the law of conservation of mass is obtained from the difference of the in-cylinder intake air flow rate mc corresponding to
[0073]
[Equation 19]
dM / dt = mt-mc
[0074]
Further, since the state equation is represented by the following equation 20, the above equation 17 based on the law of conservation of mass is obtained by eliminating the total air amount M from the above equation 19 and the following equation 20.
[0075]
(Equation 20)
Pm ・ Vm = M ・ R ・ Tm
[0076]
Next, considering the energy conservation law regarding the intake pipe, in this case, it is considered that the volume Vm of the intake pipe does not change and most of the energy contributes to the temperature rise (kinetic energy can be ignored). . Therefore, the temporal change of the energy M · Cv · Tm of the air in the intake pipe is determined by the energy Cp · mt · Ta of the air flowing into the intake pipe and the energy Cp · mc of the air flowing out of the intake pipe. Since it is equal to the difference from Tm, the following Expression 21 is obtained.
[0077]
(Equation 21)
d (M · Cv · Tm) / dt = Cp · mt · Ta−Cp · mc · Tm
[0078]
By transforming Equation 21 using Equation 8 (κ = Cp / Cv) and Equation 20 (Pm · Vm = M · R · Tm), Equation 18 is obtained.
[0079]
(Intake valve model M4)
The intake valve model M4 calculates the air flow passing around the intake valve 32 (that is, the estimated intake valve passing air flow, the in-cylinder intake air flow) mc by the energy conservation law, the momentum conservation law, the mass conservation law, and the state equation. This is a model that is estimated in accordance with the following Expressions 22 and 23 obtained based on the above. The derivation process of Equations 22 and 23 is the same as in the case of the throttle model M2. In Equations 22 and 23, Cv (L) is a flow coefficient that varies according to the lift amount L of the intake valve 32, and Av (L) is formed around the intake valve 32 that varies according to the lift amount L. The area of the opening and Pc are the in-cylinder pressure (the pressure Pc in the cylinder 21). The intake valve model M4 uses Equation 22 when the intake pipe air pressure Pm is a forward flow larger than the cylinder pressure Pc, and uses Equation 23 when the intake pipe air pressure Pm is a reverse flow smaller than the cylinder pressure Pc. As a result, the in-cylinder intake air flow rate (estimated intake valve passage air flow rate) mt is calculated so as to take a positive value in the case of the forward flow and a negative value in the case of the reverse flow.
[0080]
(Equation 22)
Figure 2004116459
[0081]
[Equation 23]
Figure 2004116459
[0082]
The intake valve model M4 calculates the valve lift amount L (t) at a time t earlier by a predetermined time T0 from the current time by the intake valve lift amount sensor 67 at the current valve lift amount L and the engine rotation speed Ne. Estimate based on Then, based on the table shown in FIG. 11 defining the relationship between the valve lift amount L and the product value Cv (L) · Av (L), and the estimated valve lift amount L (t), the above equation (22) is obtained. And the product value Cv (L) · Av (L) used in Expression 23 is obtained.
[0083]
In addition, the intake valve model M4 acquires the intake pipe air pressure Pm and the intake pipe air temperature Tm from the intake pipe model M3, and acquires the in-cylinder pressure Pc and the in-cylinder air temperature Tc from a cylinder model M5 described later. The in-cylinder intake air flow rate mc at the time t is estimated by calculating Expression 22 or Expression 23 using these variables.
[0084]
(Cylinder model M5)
The cylinder model M5 is a model for obtaining the in-cylinder pressure Pc and the in-cylinder air temperature Tc according to the following equation 24 based on the energy conservation law for the cylinder 21. As shown in FIG. 12, Vc in the following Expression 24 is the volume of the cylinder 21, Tm is the air temperature in the intake pipe equal to the temperature Ti of the air sucked into the cylinder 21, and mc is sucked into the cylinder 21 (in the cylinder). The air flow rate Q flowing out of the intake pipe portion, which is equal to the air flow rate mi, is the amount of heat transmitted between the cylinder 21 and the outside of the cylinder 21 (cylinder wall surface, intake port, etc.) Flow).
[0085]
(Equation 24)
Figure 2004116459
[0086]
The in-cylinder intake air flow rate mc at time t in Equation 24 is given by the intake valve model M4 (Equation 22 or 23), and the intake pipe air temperature Tm at the same time t is given by the intake pipe model M3. Also, since the cylinder volume Vc at time t can be known based on the crank angle, if the third term (caloric term) on the right side of the above equation 24 is ignored, then theoretically, at the time t using the above equation 24, The cylinder pressure Pc can be obtained.
[0087]
Here, the derivation process of Equation 24 will be described. First, assuming that E is the energy in the cylinder, h is the enthalpy, and W is the work on the piston, the following equation 25 can be obtained for the cylinder 21 by the law of conservation of energy.
[0088]
(Equation 25)
dE / dt = mc · h−dW / dt + Q
[0089]
Now, assuming that the internal energy is u, the following equation 26 holds, and the state equation is as follows. Further, from the above equation 8 (κ = Cp / Cv) which is the equation of the specific heat ratio κ and the above equation 9 (Cp = Cv + R) which is the Meyer's relation equation, the following equations 28 and 29 are established. Note that Mcy is the amount of air in the cylinder 21.
[0090]
(Equation 26)
u = Cv · Tc
[0091]
[Equation 27]
Mcy · Tc = Pc · Vc / R
[0092]
[Equation 28]
Cv = R / (κ-1)
[0093]
(Equation 29)
Cp = κ · R / (κ-1)
[0094]
Therefore, the following Expression 30 is established for the left side dE / dt of Expressions 26 to 28 to Expression 25.
[0095]
[Equation 30]
dE / dt = d (Mcy · u) / dt = d (Mcy · Cv · Tc) / dt = d {Pc · Vc / (κ−1)} / dt
[0096]
On the other hand, for the first term mc · h on the right side of Expression 25, the following Expression 32 is established from the definition of the enthalpy of Expression 31 and the expression 29.
[0097]
(Equation 31)
h = Cp · Tm
[0098]
(Equation 32)
mc · h = mc · {κ · R / (κ-1)} · Tm
[0099]
Further, since the work W is represented by the following Expression 33, the following Expression 34 is established for the second term dW / dt on the right side of Expression 25.
[0100]
[Equation 33]
dW = Pc · dVc
[0101]
(Equation 34)
dW / dt = Pc · dVc / dt
[0102]
By rewriting and rearranging Equation 25 using Equations 30, 32, and 34, Equation 24 is obtained.
[0103]
Further, the cylinder model M5 calculates the in-cylinder air temperature Tc according to the following equation 35 which is a state equation. Mc1 in Equation 35 is obtained by time-integrating the in-cylinder intake air flow rate mc in Equation 22 or 23 from when the intake valve 32 opens until the in-cylinder air temperature Tc is obtained.
[0104]
(Equation 35)
Tc = (Pc · Vc) / (Mc1 · R)
[0105]
According to the above principle, the in-cylinder pressure Pc and the in-cylinder air temperature Tc are respectively obtained from the above Expressions 24 and 35 of the cylinder model M5. mc is obtained. Accordingly, the present fuel injection amount control device integrates the in-cylinder intake air flow rate mc from the time to when the intake valve 23 opens to the time tf when the intake valve 32 closes, thereby obtaining the cylinder 21 in one intake stroke. The in-cylinder intake air amount Mc (total intake air amount Smc) drawn into the cylinder is estimated, and the fuel injection amount fc is determined based on this value Mc and the above equation (2).
[0106]
(Improvement in mounting on electric control device 80)
Since the value of the heat transfer Q of the third term on the right side of the above equation 24 is small and can be ignored, normally the above equation 24 is discretized as in the following equation 36 and mounted on the electric control device 80. Here, Δt is a calculation time interval of the in-cylinder pressure Pc.
[0107]
[Equation 36]
Figure 2004116459
[0108]
However, when the in-cylinder pressure Pc is actually obtained by this method, as shown by the dashed line in FIG. 13, the in-cylinder pressure Pc fluctuates greatly under the influence of discretization and greatly differs from the true value. It turned out to be. Therefore, in the present embodiment, the value Q of the third term on the right side of Expression 24 is ignored, and for convenience, (1) the cylinder volume is assumed to be constant (dVc = 0), and (2) in-cylinder suction The in-cylinder pressure Pc was determined by assuming that the air flow rate was 0 (mc = 0) and solving Equation 24 analytically under each assumption. The details will be described below.
[0109]
(1) Assuming a constant cylinder volume (dVc = 0)
Under this assumption, Equation 24 becomes a differential equation of Equation 37 below, and solving Equation 37 yields Equation 38 below.
[0110]
(37)
Figure 2004116459
[0111]
[Equation 38]
Figure 2004116459
[0112]
In Equation 38 above, θ0= Cos-1(1). From this equation 38, it is understood that the in-cylinder pressure Pc changes in a sine wave shape. on the other hand. The Euler approximation of the above equation (37) is as follows (39).
[0113]
[Equation 39]
Figure 2004116459
[0114]
Further, since the in-cylinder pressure Pc does not become higher than the intake pipe air pressure Pm, the following Expression 40 is established. Therefore, the following Expression 41 is established from Expression 39 and Expression 40.
[0115]
(Equation 40)
Figure 2004116459
[0116]
(Equation 41)
Figure 2004116459
[0117]
Further, when θ is extremely smaller than 1 (θ << 1), the following equation 42 holds, so that the following equation 43 can be obtained by applying the above equation 41 and the following equation 42 to the above equation 39. Note that the in-cylinder intake air flow rate mc in Expression 43 below is obtained from Expression 22 and Expression 23 above.
[0118]
(Equation 42)
Figure 2004116459
[0119]
[Equation 43]
Figure 2004116459
[0120]
(2) When it is assumed that there is no in-cylinder intake air amount (mc = 0)
Under this assumption, Equation 24 becomes a differential equation of Equation 44 below. Further, in this case, the following equation 45 holds because the adiabatic expansion can be handled.
[0121]
[Equation 44]
Figure 2004116459
[0122]
[Equation 45]
Figure 2004116459
[0123]
From the above, the following Expression 46 is derived.
[0124]
[Equation 46]
Figure 2004116459
[0125]
The in-cylinder pressure Pc obtained by the above equations 43 and 46 is indicated by a solid line and a two-dot chain line in FIG. 13, respectively. Since the in-cylinder pressure Pc is expected to be a value close to the intake pipe air pressure Pm, in the present embodiment, the in-cylinder pressure P′c (t) obtained from the above Equation 43 closer to the intake pipe air pressure Pm. ) Is adopted as the finally determined in-cylinder pressure Pc.
[0126]
Further, the in-cylinder intake air amount Mc in one intake stroke is changed from the time to when the intake valve 23 opens to the time tf when the intake valve 32 closes from the in-cylinder intake air flow rate mc given by Expression 22 or Expression 23. Although it has been described that it can be obtained by integrating over time, as a result of simulation, the accuracy is higher when the above Expression 24 based on the law of conservation of energy is obtained by the following Expression 47 obtained by integrating over time from time to to time tf and rearranging it. It has been found. Note that Pc (to) and Vc (to) are the in-cylinder pressure Pc (t) and the cylinder volume Vc (t) when the intake valve is opened, respectively, and Pc (tf) and Vc (tf) are Are the in-cylinder pressure Pc (t) and the cylinder volume Vc (t) when the intake valve is closed.
[0127]
[Equation 47]
Figure 2004116459
[0128]
Therefore, in the present embodiment, the in-cylinder intake air amount Mc is obtained based on the following Expression 48 obtained by discretizing Expression 47.
[0129]
[Equation 48]
Figure 2004116459
[0130]
(Add observer)
In the present embodiment, an observer OBS as a correction unit is further added to improve the accuracy of estimating the in-cylinder intake air amount Mc. In FIG. 6 described above, the portion surrounded by the broken line is the added observer OBS.
[0131]
The observer OBS includes the air flow meter 61 and an air flow meter model M6 functioning as intake air flow rate estimating means. The air flow meter model M6 estimates a value that the air flow meter 61 will output when the throttle passing air flow rate (actual intake air flow rate) is a predetermined amount α, and based on the estimated value, the throttle passing air flow rate. This is a model for estimating (estimated intake air flow rate) mtes. In this case, the predetermined amount α is a throttle obtained by delaying the (estimated) throttle-passing air flow rate mt at a time t earlier by a predetermined time T0 from the current time estimated by the throttle model M2 by the predetermined time T0 by a dead time element. It is the (estimated) throttle passing air flow rate mt (t-T0) at the present time, which is the passing air flow rate.
[0132]
Here, the air flow meter model M6 will be specifically described. The air flow meter model M6 first defines the complete heat radiation amounts W1 and W2 with respect to the throttle passing air flow rate mt (t-T0) at the present time, and the relationship between the full heat radiation amounts W1 and W2 and the throttle passing air flow rate mt. 14 and the obtained airflow mt (t-T0) passing through the throttle at the present time. The complete heat radiation amount W1 and the complete heat radiation amount W2 are heat radiation amounts that do not include a heat radiation delay corresponding to the bobbin portion 61a1 of the heat ray measuring portion 61a and the support portion 61a2 of the heat ray measuring portion 61a shown in FIG.
[0133]
Next, the air flow meter model M6 is a heat radiation amount corresponding to each of the bobbin portion 61a1 and the support portion 61a2, and has a first-order delay characteristic (including a response delay) with respect to the complete heat radiation amounts W1 and W2. (Response heat release amount) w1 and w2 are obtained according to the following Expression 49 and Expression 50. In Equations 49 and 50, the suffix (k) represents the current operation value, the suffix (k-1) represents the previous operation value, and Δt represents the time from when the previous operation value was obtained to when the current operation value was obtained. Time.
[0134]
[Equation 49]
w1 (k) = Δt · (W1 (k) −w1 (k−1)) / τ1 + w1 (k−1)
[0135]
[Equation 50]
w2 (k) = Δt · (W2 (k) −w2 (k−1)) / τ2 + w2 (k−1)
[0136]
In Expressions 49 and 50, τ1 and τ2 are time constants of the first-order lag characteristics corresponding to the bobbin portion 61a1 and the support portion 61a2, respectively, and are obtained by Expressions 51 and 52 below. The values k10 and k20 and the values m1 and m2 in Equations 51 and 52 are values obtained experimentally. The value u in the formulas 51 and 52 is the amount of air passing per unit cross-sectional area bypassed by the heat ray measuring unit 61a of the air flow meter 61, and is actually measured as the output voltage Vg of the air flow meter 61 shown in FIG. The Vg-mtAFM conversion table that defines the relationship with the intake air flow rate mtAFM, and the intake air flow rate mtAFM obtained based on the actual output voltage Vg of the air flow meter 61 are converted into the bypass flow path of the hot-wire measuring unit 61a. The value is divided by the area S (mtAFM / S).
[0137]
(Equation 51)
τ1 = k10 · um1
[0138]
(Equation 52)
τ2 = k20 · um2
[0139]
The air flow meter model M6 is based on the table shown in FIG. 15 that defines the relationship between the sum (w1 + w2) of the response heat radiation amounts w1 and w2 and the throttle passing air flow rate mtes based on the value that the air flow meter 61 will output. Based on the sum (w1 + w2) of the response heat radiation amounts w1 and w2 obtained from the above Expressions 49 to 52, the throttle passing air flow rate mtes based on the value that the air flow meter 61 will output at the present time is obtained. When the internal combustion engine is in a steady operation state in which the throttle valve opening TA is constant, the throttle passing air flow rate mtes is equal to the (estimated) throttle value at the time t that is a predetermined time T0 earlier than the current time estimated by the throttle model M2. It is the same as the passing air flow rate mt (and the current throttle passing air flow rate mt (t-T0)).
[0140]
Referring again to FIG. 6, the observer OBS inputs a signal representing the throttle-passing air flow rate mtes to one end of the comparison element COM. On the other hand, the observer OBS converts the output Vg of the air flow meter 61 into the current intake air flow rate (actual intake air flow rate) mtAFM by using the table shown in FIG. 5, and outputs a signal representing the intake air flow rate mtAFM to the comparison element COM. Enter at the end.
[0141]
Then, the observer OBS obtains a difference SA between the throttle passing air flow rate mtes and the intake air flow rate mtAFM in the comparison element COM, integrates the difference SA with time by an integration element to obtain a deviation integration value SumSA, and obtains the deviation integration value SumSA. The value obtained by multiplying a predetermined gain G1 (constant negative value) and the value obtained by multiplying the same deviation integral value SumSA by a predetermined gain G2 (constant negative value) are respectively used as the throttle passage air flow rate estimated by the throttle model M2. mt and the in-cylinder intake air flow rate mc estimated by the intake valve model M4 (feedback). That is, the in-cylinder intake air amount estimating device in the present embodiment estimates the throttle passing air flow rate mt based on the following Expression 53 or 54 instead of Expression 3 or Expression 4.
[0142]
[Equation 53]
Figure 2004116459
[0143]
(Equation 54)
Figure 2004116459
[0144]
Further, the in-cylinder intake air amount estimating device estimates the in-cylinder intake air flow rate mc based on the following expression 55 or 56 instead of the expression 22 or 23.
[0145]
[Equation 55]
Figure 2004116459
[0146]
[Equation 56]
Figure 2004116459
[0147]
In this manner, the throttle passage air flow rate mt estimated by the throttle model M2 based on the deviation SA and the intake valve so that the deviation SA (the deviation integration value SumSA) becomes “0” (decreases). The in-cylinder intake air flow rate mc estimated by the model M4 is directly corrected, and as a result, a steady error between the actual in-cylinder intake air amount and the in-cylinder intake air amount Mc obtained by the models M1 to M5 is reduced. Is done.
[0148]
(Actual operation)
Next, the actual operation when the electric control device 80 estimates the in-cylinder intake air amount Mc and determines the fuel injection amount fc will be described.
[0149]
(Throttle valve control)
The CPU 81 of the electric control device 80 executes a routine for controlling the throttle valve opening shown by the flowchart in FIG. 16 every time a predetermined time (1 msec) elapses. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 81 starts the process from step 1600 and proceeds to step 1605 to read the accelerator pedal operation amount Accp. Next, the CPU 81 proceeds to step 1610, and in step 1610, obtains a provisional target throttle valve opening θr1 based on the read accelerator pedal operation amount Accp by using the same table as in FIG.
[0150]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1615, sets the variable I to “64”, and stores the value of θr (I−1) in the stored value θr (I) in the following step 1620. At present, since the variable I is “64”, the value of the stored value θr (63) is stored in the stored value θr (64). Next, the CPU 81 proceeds to step 1625 to determine whether or not the variable I has become equal to “1”. In this case, since the value of the variable I is “64”, the CPU 81 determines “No” in step 1625, proceeds to step 1630, and decreases the value of the variable I by “1” in step 1630. Thereafter, the flow returns to step 1620. As a result, when step 1620 is executed, the value of the stored value θr (62) is stored in the stored value θr (63). Such processing is repeatedly executed until the value of the variable I becomes “1”.
[0151]
Thereafter, when the process of step 1630 is repeated and the value of the variable I becomes “1”, the CPU 81 determines “Yes” in step 1625 and proceeds to step 1635, and in step 1635, the CPU 81 The provisional target throttle valve opening θr1 at the present time is stored in the storage value θr (0). As described above, the provisional target throttle valve opening θr (I) (I = 64, 63, 62,..., 2, 1, 0) Imsec before the current time (0 msec ≦ Imsec ≦ 64 msec, I is an integer) Is stored in the RAM 83.
[0152]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1640, in which the stored value θr (64) is set as the final target throttle valve opening θr in step 1640, and in step 1645, the actual throttle valve opening is set to the target throttle valve opening. A drive signal is output to the throttle valve actuator 43a so as to be equal to the opening degree θr, and thereafter, the routine is temporarily ended in step 1695.
[0153]
Hereinafter, the processing of the above routine is executed every elapse of 1 msec. As a result, the actual throttle valve opening is controlled to be equal to the target throttle valve opening θr based on the accelerator pedal operation amount Accp before the predetermined time T (= 64 msec). Accordingly, the electronic control throttle model M1 calculates the target throttle valve opening θ (T-T0) before the time (T-T0) from the current time by using the throttle valve opening θt at the time t that is a predetermined time T0 ahead of the current time. Is estimated as
[0154]
(Estimation of Throttle Passing Air Flow Rate mt, Intake Pipe Air Pressure Pm, Intake Pipe Air Temperature Tm) The CPU 81 executes the routine shown by the flowchart in FIG. 17 and the subsequent FIG. 18 every time a predetermined time (8 msec) elapses. It has become. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 81 starts the process from step 1700, proceeds to step 1705, and uses the same table as the table shown in FIG. (Intake air flow rate) mtAFM is obtained.
[0155]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1710, and stores the same table as the table shown in FIG. 14 and the throttle-passing air flow rate mt (k) already obtained in step 1810 to be described later at the time of execution of this routine before the previous time. Complete heat radiation amounts W1 (k) and W2 (k) are obtained using the current throttle passage air flow rate mt (k-T0) obtained by delaying by the predetermined time T0. In the present routine, a value with a suffix (k) represents a value obtained when the present routine is executed this time, and a value with a suffix (k-1) represents a value obtained when the previous routine was executed last time. Represents the value obtained in.
[0156]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1715, obtains the time constants τ1 and τ2 according to the formulas 51 and 52, respectively, and in a subsequent step 1720, responds to the heat radiation amounts w1 (k) and w2 according to the formulas 49 and 50. (K) is obtained. Note that Δt is the calculation cycle of this routine (that is, 8 msec). Next, the CPU 81 proceeds to step 1725, and uses the same table as the table shown in FIG. 15 and the sum of the response heat radiation amounts w1 (k) and w2 (k) (w1 (k) + w2 (k)). A throttle passing air flow rate (estimated intake air flow rate) mtes based on a value that the air flow meter 61 will output at the present time is obtained.
[0157]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1730, stores a value obtained by subtracting the intake air flow rate mtAFM from the throttle passing air flow rate mtes as a deviation SA (k), and, in a subsequent step 1735, stores the value at that time (previous time). A value obtained by adding the deviation SA (k) to the deviation integrated value SumSA (k-1) is set as a new (current) deviation integrated value SumSA (k).
[0158]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1805 in FIG. 18 and uses the same table as the table shown in FIG. 10 and the estimated throttle valve opening θt at the time t earlier by the predetermined time T0 from the present time to use the flow coefficient Ct (θt). And a product value Ct (θt) · At (θt) of the opening area At (θt) are obtained.
[0159]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1810, and in step 1810, calculates the throttle passing air flow rate mt according to the equation 53 or 54. The throttle valve upstream pressure Pa and the intake air temperature Ta used in this calculation are obtained from the atmospheric pressure sensor 63 and the intake air temperature sensor 62, respectively. The air pressure Pm (k-1) in the intake pipe and the air temperature Tm (k-1) in the intake pipe are the values Pm (k) and Tm obtained in step 1815 described later in the previous execution of this routine. (K), and the deviation integral value SumSA (k) is the value obtained in step 1735.
[0160]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1815, in which the intake pipe air pressure Pm (k) and the intake pipe air temperature Tm (k) are calculated based on the following equations 57 and 58 obtained by integrating the above equations 17 and 18 and discretizing. ), The process proceeds to step 1895, and this routine is temporarily ended. In the following Expressions 57 and 58, Δt is the calculation cycle of this routine (that is, 8 msec).
[0161]
[Equation 57]
Figure 2004116459
[0162]
[Equation 58]
Figure 2004116459
[0163]
Actually, the CPU 81 obtains Pm / Tm by the above equation (57), and obtains Tm from this and Pm obtained by the above equation (58). Note that mcAVE (k-1) in Expressions 57 and 58 is an average value of the in-cylinder intake air flow rate mc obtained in a 1 msec routine described later.
[0164]
(Estimation of in-cylinder pressure Pc, in-cylinder intake air flow rate mc, in-cylinder intake air amount Mc, etc.)
The CPU 81 executes the routine shown by the flowcharts in FIGS. 19 and 20 subsequent thereto every time a predetermined time (1 msec) elapses. Therefore, at a predetermined timing, the CPU 81 starts the process from step 1900 and proceeds to step 1905 to calculate the above equation 55 based on the valve lift amount L at the time t and the same table as the table shown in FIG. Then, the product value Cv (L) · Av (L) to be used is obtained in the above equation 56, and in step 1910, the in-cylinder intake air flow rate mc (t) is calculated according to the same equation 55 or 56.
[0165]
Here, Pm (k) and Tm (k) are the air pressure in the intake pipe and the air temperature in the intake pipe obtained in step 1815, respectively, and Tc (t) is the value at the time of the previous execution of this routine. This is the value set in step 2045 described later. In addition, SumSA (k) is the deviation integral value obtained in step 1735 of FIG. 17 described above, and Pc (t) is the value set in step 1925 described later in the previous execution of this routine.
[0166]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1915, and in step 1915, calculates the in-cylinder pressure P'c (t + Δt) according to the above equation (43). Δt is a calculation cycle of this routine (that is, 1 msec). Also, mc (t) is the value obtained in step 1910.
[0167]
Next, the CPU 81 proceeds to step 1920 to obtain the in-cylinder pressure Pc (t + Δt) according to the above equation 46, and in the following step 1925 the in-cylinder pressure P′c (t + Δt) and the in-cylinder pressure Pc (t + Δt) obtained this time. Are stored in the in-cylinder pressure P′c (t) and the in-cylinder pressure Pc (t), respectively, for the next calculation of this routine.
[0168]
Next, the CPU 81 proceeds to step 2005 shown in FIG. 20, determines whether or not the time t is immediately after the intake valve 23 changes from the closed state to the open state, and changes the state from the closed state to the open state. Immediately after this, in step 2010, the value of the variable Z is initialized to "0", and in step 2015, when the intake valve 23 opens the in-cylinder pressure Pc '(t) obtained at that time. This is stored as the in-cylinder pressure Pc (to) when the intake valve is open. Then, in step 2020, the CPU 81 stores the cylinder volume Vc (t) at the time t as the cylinder volume Vc (to) when the intake valve is opened, and in a subsequent step 2025, the in-cylinder intake air amount Mc1 from when the intake valve is opened. Is set to a value Mc0 (initial value, for example, “0”), and the process proceeds to step 2030. On the other hand, if the time t is not immediately after the intake valve 23 changes from the closed state to the open state, the CPU 81 determines “No” in step 2005 and proceeds directly to 2030.
[0169]
Next, at step 2030, the CPU 81 determines whether or not the intake valve 23 is open at time t. If the time t corresponds to immediately after the intake valve 23 changes from the closed state to the open state, the CPU 81 determines “Yes” in step 2030 and proceeds to step 2035. Is added to the value of Pc ′ (t) · dVc (t) / dt · Δt to update the same variable Z. As a result, the variable Z becomes an integral equivalent of the value P '(t) .dVc (t) / dt. Subsequently, in step 2040, the CPU 81 stores a value obtained by adding mc (t) · Δt to the in-cylinder intake air amount Mc1 since the intake valve was opened as a new in-cylinder intake air amount Mc1, and proceeds to step 2045. The in-cylinder air temperature Tc (t) is obtained based on the following Expression 59, and this routine is ended once in step 2095.
[0170]
[Equation 59]
Tc (t) = Pc (t) · Vc (t) / (Mc1 · R)
[0171]
Since the processing of steps 2030 to 2045 is continued while the intake valve 23 is open, the variable Z indicating the sum of the values P ′ (t) ・ dVc (t) / dt ・ Δt, the intake valve opening The in-cylinder intake air amount Mc1 and the in-cylinder air temperature Tc (t) from the time are updated.
[0172]
Thereafter, when a predetermined time has elapsed and time t is a time immediately after the intake valve 23 changes from the open state to the closed state, the CPU 81 determines “No” when proceeding to step 2005 and step 2030. In step 2050, it is determined whether the intake valve 23 has just changed from the open state to the closed state. Then, in this case, the CPU 81 determines “Yes” in step 2050 and proceeds to step 2055 to estimate the in-cylinder intake air amount Mc in one intake stroke according to the above equation (48).
[0173]
Thereafter, the CPU 81 proceeds to step 2060, and calculates the in-cylinder intake air amount Mc obtained above for a time T corresponding to a crank angle of 180 ° CA.180CAThe average value mcAVE (k-1) of the in-cylinder intake air amount Mc is obtained, and in the subsequent step 2065, the average value mcAVE (k-1) of the in-cylinder intake air amount Mc is changed according to the set air-fuel ratio. The fuel injection amount fc is obtained by multiplying by the coefficient K. Since the average value mcAVE (k-1) of the in-cylinder intake air amount Mc is proportional to the in-cylinder intake air amount Mc, the fuel injection amount fc is calculated according to Equation 2. Then, the CPU 81 proceeds to step 2095 and ends this routine once.
[0174]
Further, the time t is not the time immediately after the intake valve 32 changes from the closed state to the open state, nor the time immediately after the change from the open state to the closed state, and the intake valve 32 is in the closed state. If it is the time, the CPU 81 executes the processing of steps 1900 to 1925 in FIG. 19, determines “No” in all of steps 2005, 2030, and 2050 in FIG. 20, proceeds to step 2095, and ends this routine once. .
[0175]
As described above, the in-cylinder intake air amount Mc is estimated using each model, and the fuel injection amount fc corresponding to the model is determined. Then, the CPU 81 executes a fuel injection routine (not shown) at a predetermined timing, and injects the fuel by the determined fuel injection amount fc.
[0176]
As described above, according to the embodiment of the fuel injection amount control device including the in-cylinder intake air amount estimation device according to the present invention, the in-cylinder pressure Pc and the in-cylinder air temperature Tc are obtained by the cylinder model M5. Is provided to the intake valve model M4. Therefore, the intake valve model M4 is not based on a table search using many variables as in the related art, but is calculated by numerical calculations according to the above equations 22 and 23 (actually, the above equations 55 and 56). The flow rate mc (accordingly, the in-cylinder intake air amount Mc) can be obtained. As a result, the labor required for adapting the table values can be reduced, and the fuel injection amount fc can be obtained with high accuracy.
[0177]
Also, the observer OBS sets the deviation SA (the above-mentioned deviation integrated value SumSA) between the throttle passing air flow rate (estimated intake air flow rate) mtes and the intake air flow rate (actual intake air flow rate) mtAFM so as to become “0”. The throttle-passing air flow rate mt estimated by the throttle model M2 and the in-cylinder intake air flow rate mc estimated by the intake valve model M4 are directly corrected based on the SA. Therefore, when the throttle passing air flow rate mtes is smaller than the intake air flow rate mtAFM, the in-cylinder intake air flow rate (estimated intake valve passing rate) is directly increased without increasing the intake pipe air pressure Pm estimated by the intake pipe model M3. (Air flow rate) mc can be increased, and as a result, the cylinder intake air amount Mc can be increased.
[0178]
Therefore, even when the internal combustion engine is in the throttle fully open steady-state operation state in which the throttle valve opening is constant at the maximum opening, regardless of the magnitude relationship between the throttle passing air flow rate mtes and the intake air flow rate mtAFM, the actual value is not limited. It is possible to reliably reduce a steady-state error between the in-cylinder intake air amount and the estimated in-cylinder intake air amount Mc. The air-fuel ratio of the gas could be accurately set to the target value.
[0179]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be adopted within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the observer OBS as a correction unit directly corrects the throttle passage air flow rate mt estimated by the throttle model M2 and the in-cylinder intake air flow rate mc estimated by the intake valve model M4. Is determined based on the throttle passing air flow rate (estimated intake air flow rate) mtes and the intake air flow rate (actual intake air flow rate) mtAFM so that the deviation SA (the above-described deviation integrated value SumSA) becomes “0”. The product value Ct (θt) · At (θt) of the flow coefficient Ct (θt) and the opening area At (θt) used in the above equations 3 and 4, and the flow coefficient used in the above equations 22 and 23 The product value Cv (L) · Av (L) of Cv (L) and the opening area Av (L) is corrected. As a result, the throttle-passing air flow rate mt and the in-cylinder suction air The flow rate mc may be corrected, respectively.
[0180]
Further, in addition to the models of the above embodiment, an exhaust valve model for estimating the air flow rate me flowing into the cylinder 21 via the exhaust valve may be additionally employed. In this case, as shown in FIG. 21, the exhaust valve model M7 is connected to the cylinder model M5, and is represented by the following equations 60 and 61 obtained through the same derivation process as the intake valve model M4. You. In Equations 60 and 61, Pe is the air pressure in the exhaust pipe, Te is the air temperature in the exhaust pipe, and Equation 60 is for the case where air flows into the cylinder 21 from the exhaust system (Pc <Pe). Is used when air flows out of the cylinder 21 to the exhaust system (Pc> Pe). As a result, the air flow rate me is calculated to take a positive value when air flows into the cylinder 21 from the exhaust system, and to take a negative value when air flows from the cylinder 21 to the exhaust system. . In this case, it is desirable to provide a sensor for detecting the air pressure in the exhaust pipe and a sensor for detecting the air temperature in the exhaust pipe.
[0181]
[Equation 60]
Figure 2004116459
[0182]
[Equation 61]
Figure 2004116459
[0183]
Further, in the above embodiment, the injector 39 injects the fuel toward the intake ports 31a and 31b, but may be configured to directly inject the fuel into the combustion chamber 25.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a system in which a fuel injection amount control device including a cylinder intake air amount estimation device according to the present invention is applied to a spark ignition type multi-cylinder internal combustion engine.
FIG. 2 is a schematic plan view showing a combustion chamber of a specific cylinder shown in FIG. 1 and a portion near the combustion chamber.
FIG. 3 is a schematic perspective view of the air flow meter shown in FIG.
FIG. 4 is an enlarged perspective view of a heat ray measuring section of the air flow meter shown in FIG.
FIG. 5 is a graph showing a table defining a relationship between an output of an air flow meter and an intake air flow rate referred to by a CPU shown in FIG. 1;
6 is a functional block diagram showing a connection relationship of various models adopted for estimating the in-cylinder intake air amount by the electric control device shown in FIG. 1;
FIG. 7 is a graph showing a table defining a relationship between an accelerator pedal operation amount and a target throttle valve opening referred to by a CPU shown in FIG. 1;
FIG. 8 is a graph showing a table defining a relationship between a throttle valve opening and a flow coefficient.
FIG. 9 is a graph showing a table defining a relationship between a throttle valve opening and an opening area.
FIG. 10 is a graph showing a table defining a relationship between a throttle valve opening degree and a product value of a flow coefficient and an opening area.
FIG. 11 is a graph showing a table defining a relationship between a valve lift amount and a product value of a flow coefficient and an opening area.
FIG. 12 is a diagram conceptually showing a cylinder and its vicinity for explaining variables used to represent a cylinder model.
FIG. 13 is a time chart for explaining a calculation result of an in-cylinder pressure by a cylinder model.
FIG. 14 is a graph showing a table defining a relationship between a flow rate of air passing through a throttle and a complete heat release amount referred to by the CPU shown in FIG. 1;
FIG. 15 is a graph showing a table defining a relationship between the sum of the responsive heat radiation amounts referred to by the CPU shown in FIG. 1 and the flow rate of air passing through the throttle based on the value that will be output by the air flow meter.
FIG. 16 is a flowchart showing a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 for controlling a throttle valve.
FIG. 17 is a flowchart showing a first half of a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 every 8 msec.
FIG. 18 is a flowchart showing a latter half of a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 every 8 msec.
FIG. 19 is a flowchart showing the first half of a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 every 1 msec.
20 is a flowchart showing the latter half of a routine executed by the CPU shown in FIG. 1 every 1 msec.
FIG. 21 is a functional block diagram showing another modified example of the embodiment of the fuel injection amount control device (in-cylinder intake air amount estimation device) according to the present invention.
FIG. 22 is a functional block diagram of a fuel injection amount control device (cylinder intake air amount estimating device) studied by the present applicant.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Spark ignition type multi-cylinder internal combustion engine, 20 ... Cylinder block part (engine main part), 25 ... Combustion chamber, 31 ... Intake port, 32 ... Intake valve, 33 ... Variable intake timing device, 39 ... Injector, 41 ... Intake Pipe, 43: throttle valve, 44: swirl control valve, 44a: SCV actuator, 61: air flow meter, 80: electric control device, 81: CPU, M1: electronic control throttle model, M2: throttle model, M3: intake pipe model , M4: intake valve model, M5: cylinder model, M6: air flow meter model.

Claims (4)

内燃機関の吸気通路に配設されたスロットルバルブを通過する空気についてのモデルを使用して同スロットルバルブを通過する空気流量を推定スロットル通過空気流量として推定するスロットル通過空気流量推定手段と、
前記吸気通路とシリンダとを連通・遮断する吸気弁を通過する空気についてのモデルを使用して同吸気弁を通過する空気流量を推定吸気弁通過空気流量として推定する吸気弁通過空気流量推定手段と、
少なくとも前記推定スロットル通過空気流量と前記推定吸気弁通過空気流量とに基いて前記シリンダに吸入される筒内吸入空気量を推定する筒内吸入空気量推定手段と、を備えた内燃機関の筒内吸入空気量推定装置であって、
前記吸気通路に吸入される実際の吸入空気流量に応じた出力値を発生するとともに同実際の吸入空気流量を実吸入空気流量として計測する空気流量センサと、前記空気流量センサについてのモデルを使用して、前記実吸入空気流量が前記推定スロットル通過空気流量であると仮定した場合に同空気流量センサが出力するであろう出力値を推定するとともに同推定した出力値に基いて前記吸気通路に吸入される吸入空気流量を推定吸入空気流量として推定する吸入空気流量推定手段と、
前記推定吸入空気流量と前記実吸入空気流量との偏差に基いて前記推定吸気弁通過空気流量を補正するように前記吸気弁通過空気流量推定手段を補正する補正手段と、
を備えた内燃機関の筒内吸入空気量推定装置。
Throttle passing air flow rate estimating means for estimating an air flow rate passing through the throttle valve as an estimated throttle passing air flow rate using a model for air passing through a throttle valve disposed in an intake passage of the internal combustion engine;
Intake valve passing air flow rate estimating means for estimating an air flow rate passing through the intake valve as an estimated intake valve passing air flow rate using a model for air passing through the intake valve which communicates and shuts off the intake passage and the cylinder; ,
In-cylinder intake air amount estimating means for estimating an in-cylinder intake air amount to be taken into the cylinder based on at least the estimated throttle passage air flow amount and the estimated intake valve passage air flow amount. An intake air amount estimation device,
An air flow sensor that generates an output value corresponding to the actual intake air flow rate drawn into the intake passage and measures the actual intake air flow rate as an actual intake air flow rate, and a model of the air flow rate sensor. An output value that would be output by the air flow rate sensor when the actual intake air flow rate was assumed to be the estimated throttle-passing air flow rate, and based on the estimated output value, suctioned air into the intake passage. Intake air flow rate estimating means for estimating the intake air flow rate to be estimated as the estimated intake air flow rate,
Correction means for correcting the intake valve passing air flow rate estimating means to correct the estimated intake valve passing air flow rate based on a difference between the estimated intake air flow rate and the actual intake air flow rate;
An in-cylinder intake air amount estimation device for an internal combustion engine, comprising:
請求項1に記載の内燃機関の筒内吸入空気量推定装置において、
前記補正手段は、前記推定吸入空気流量と前記実吸入空気流量との偏差に基いて前記推定スロットル通過空気流量を補正するように前記スロットル通過空気流量推定手段を補正するよう構成された内燃機関の筒内吸入空気量推定装置。
The in-cylinder intake air amount estimating device for an internal combustion engine according to claim 1,
The correcting means is configured to correct the throttle passing air flow rate estimating means to correct the estimated throttle passing air flow rate based on a deviation between the estimated intake air flow rate and the actual intake air flow rate. In-cylinder intake air amount estimation device.
請求項1又は請求項2に記載の内燃機関の筒内吸入空気量推定装置であって、エネルギー保存則に基づいて求められた前記シリンダについてのモデルを使用して同シリンダ内の圧力を計算により推定する筒内圧力推定手段を備え、
前記吸気弁通過空気流量推定手段は、前記推定されたシリンダ内の圧力を使用した前記吸気弁を通過する空気についてのモデルにより前記推定吸気弁通過空気流量を推定するように構成された内燃機関の筒内吸入空気量推定装置。
The cylinder intake air amount estimating device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein a pressure in the cylinder is calculated by using a model of the cylinder obtained based on an energy conservation law. Equipped with in-cylinder pressure estimating means for estimating,
The intake valve passing air flow rate estimating means is configured to estimate the estimated intake valve passing air flow rate using a model for air passing through the intake valve using the estimated pressure in the cylinder. In-cylinder intake air amount estimation device.
請求項3に記載の内燃機関の筒内吸入空気量推定装置であって、
前記吸気弁通過空気流量推定手段が使用する前記吸気弁を通過する空気についてのモデルは、エネルギー保存則、運動量保存則、及び質量保存則に基いて得られたモデルである内燃機関の筒内吸入空気量推定装置。
An in-cylinder intake air amount estimating device for an internal combustion engine according to claim 3,
The model of the air passing through the intake valve used by the intake valve passing air flow rate estimating means is a model obtained based on a law of conservation of energy, a law of conservation of momentum, and a law of conservation of mass. Air volume estimation device.
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