JP2006132498A - 内燃機関の流量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧力比（電制スロットルバルブの下流圧力／上流圧力）が１．０近傍の状態においてハンチングを抑制しつつ、吸気量の算出精度を高める。
【解決手段】 最大スロットル開口面積およびエンジン回転数Ｎｅに基づいて電制スロットルバルブを通過する気体の最大仮流速を演算し（Ｓ１〜Ｓ４）、この流速に基づいて最大圧力比Ｒｍａｘを算出する（Ｓ５）。一方、センサ出力による圧力比（Ｐ₂／Ｐ₁）を算出する（Ｓ６）。これらの圧力比を比較し、Ｐ₂／Ｐ₁≧Ｒｍａｘであれば、圧力比を流速に基づく最大圧力比Ｒｍａｘに設定する（Ｓ９）。この圧力比Ｒｍａｘに基づいて流量係数を算出し（Ｓ１０）、流量係数とバルブ開口面積とを乗算して流量を算出する（Ｓ１１）。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内燃機関の流量算出装置に関する。

自然界はΔｔ＝０の連続系であるのでハンチングは起こらないが、内燃機関の吸気量の算出など離散系モデリングして計算する場合は、演算結果がハンチングすることがある。収束計算でハンチングし難くするには演算間隔（Δｔ）を極めて小さくすればよいが、その一方で演算負荷が高くなる。
また特許文献１には、エンジンの吸気量算出装置において、スロットルバルブを通過する吸気量を、スロットルバルブ開口面積とバルブ前後圧力比（スロットルバルブの下流圧力／上流圧力）に基づく流量係数とから算出することが記載されている。圧力比が１．０近傍で吸気量を離散計算する際には、圧力比の上限を０．９８など一定値で制限することで、ハンチングに起因する吸気量の算出誤差を抑制する。
特開２００３−２５４１４８号公報

しかしながら、特許文献１では圧力比の上限を一定値で制限していたので、エンジン始動時など圧力比が１．０近傍、すなわちスロットルバルブを通過する吸気量（流速）が少ない状態における吸気量算出精度が悪くなるという問題があった。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、圧力比が１．０近傍の状態においてハンチングを抑制しつつ、吸気量の算出精度を高めることを目的とする。

そのため本発明では、スロットルバルブ開口面積とバルブ前後圧力比に基づく流量係数とからバルブを通過する気体の体積流量を算出する装置であって、バルブ前後圧力比を理論的に取り得る最大圧力比に制限する。

本発明によれば、バルブ前後圧力比を最大圧力比に制限するため、ハンチングを抑制でき、吸気量の算出精度を高めることができるという効果がある。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、エンジン１の流量算出装置のシステム構成図である。
エンジン１の各気筒のシリンダ２及びピストン３により画成される燃焼室４には、点火プラグ５を囲むように、吸気バルブ６と排気バルブ７とを備えている。８は排気通路、９は吸気通路である。

吸気通路９には、上流側からエアクリーナ１２および電制スロットルバルブ（バタフライバルブ）１３が配設されており、電制スロットルバルブ１３のバルブ開口面積に応じて空気を燃焼室４内に導入する。電制スロットルバルブ１３は、エンジン制御装置（ＥＣＵ）３０の開度指令（デューティー比）に基づいてバルブ開口面積が決定される。
吸気通路９のコレクタ１１の下流のマニホールドブランチ部には、燃料噴射弁１０が配設されている。

また、ＥＣＵ３０には、スロットルバルブ開度センサ２３、圧力センサ２４、ブーストセンサ（圧力センサ）２５、温度センサ２６、及びクランク角センサ２７からの信号が入力される。
スロットルバルブ開度センサ２３は、電制スロットルバルブ１３の開度に応じた信号を出力する。

圧力センサ２４は、電制スロットルバルブ１３より上流の吸気通路９に設けられ、圧力（上流圧力）に応じた信号を出力する。
ブーストセンサ２５は、電制スロットルバルブ１３より下流のコレクタ１１に設けられ、コレクタ１１内の圧力（下流圧力）に応じた信号を出力する。
温度センサ２６は、コレクタ１１に設けられ、吸気温度に応じた信号を出力する。

クランク角センサ２７は、エンジン１に設けられ、エンジン１のクランク角に応じた信号を出力する。このクランク角センサ２７の信号によりエンジン回転数を検出可能である。
ＥＣＵ３０は、各種制御を行う。例えば、デューティー制御による電制スロットルバルブ１３の開度制御、燃料噴射時期および噴射量の制御、点火時期制御などを行う。

図２は、圧力比（電制スロットルバルブ１３の下流圧力／上流圧力）と流量係数（流量若しくは流速に比例する値）との関係について示したものである。
電制スロットルバルブ１３の前後圧力比が１．０、すなわち吸気が流れていない状態においては流量係数（圧力比に関する値）が０となり、流速が０となることを示している。一方、エンジン１が空気を吸い込む際には、電制スロットルバルブ１３の下流側の圧力が上流側の圧力に対して低下するため、圧力比が低下する。圧力比が臨界になるまで低下すると流量係数が所定値に収束することとなる（流速＝音速となる）。

電制スロットルバルブ１３を通過する空気の流量（体積流量）は、次式により、電制スロットルバルブ１３の開口面積と流量係数とを乗じて算出する。
流量＝バルブ開口面積×流量係数
しかしながら、図２に示すように、圧力比が１．０近傍では、流量係数（流速）の変化が大きくなり、流量の誤差が大きくなってしまう原因となりかねない。これは、演算間隔Δｔ（ここではΔｔ＝１０ｍｓ）に対し、流速の変化によるコレクタ１１内の圧力変化が大きくなり過ぎるためである。演算間隔Δｔを十分に細かい離散系で算出しないと流量係数の変化が大きすぎて、図３に示すようにハンチングを起こしてしまう。

図３の（イ）は経過時間とコレクタ１１内の圧力（下流圧力）Ｐ₂とを示し、（ロ）は経過時間と流量係数（流速）を示している。図３では、前後圧力比に何ら制限を掛けず、演算間隔Δｔが十分に細かい離散系で計算しないため、ハンチングを起こしてしまう。
ここで、電制スロットルバルブ１３の下流圧力（コレクタ圧力［kPa］）Ｐ₂は、理想気体の状態方程式を変形して次式によって表される。

Ｐ₂・Ｖ_C＝ｎ・Ｒ・Ｔ
ΔＰ₂＝Δｎ・Ｒ・Ｔ₂／Ｖ_C
Ｐ₂−Ｐ_2(n-1)＝（ｎ_in−ｎ_out）Ｒ・Ｔ₂／Ｖ_C
Ｐ₂＝Ｐ_2(n-1)＋（ｎ_in−ｎ_out）Δｔ・Ｒ・Ｔ₂／Ｖ_C
この式は、現在のコレクタ圧力Ｐ₂は、前回値Ｐ_2(n-1)に、演算時間Δｔに対する変化量を加えたものであることを示している。なお、Ｔ₂はコレクタ１１内の温度（下流温度［Ｋ］）、Ｒはガス定数、Ｖ_Cはコレクタ１１の容積［ｍ³］、Δｔは演算間隔［sec］、ｎ_inはコレクタ１１に入る空気の質量［kg/s］、ｎ_outはコレクタ１１から出る空気の質量［kg/s］である。

この式は、各部の状態量（コレクタ１１内の圧力Ｐ₂）を収束計算により求めているので、図２のように圧力比が１．０近傍、すなわちバルブ開度が全開付近でエンジン始動時に演算間隔Δｔが大きいほどハンチングし易くなる。
また特許文献１のように、圧力比の上限値を０．９８にした場合、図４（ロ）に示す通りハンチングは抑制されるが、圧力比が０．９８以上の場合においても０．９８における流量係数（一定値）に制限するため、後述する図８（ロ）に示すように、実際の値が切り捨てられてしまい圧力比０．９８〜１．００の範囲での流量の誤差が大きくなってしまう。

そこで本発明では、０．９８〜１．００の範囲であっても、電制スロットルバルブ１３の前後圧力比を理論的に取り得る最大圧力比に制限することにより、ハンチングを防止しつつ、流量の算出精度を確保することとしている。
図５は、本発明の処理を示すフローチャートである。なお、この処理は、電制スロットルバルブ１３を通過する流量が少ない場合（流速が低い場合）に行う。

ステップ１（図では「Ｓ１」と示す。以下同様）では、エンジン回転数Ｎｅ、電制スロットルバルブ１３の上流圧力Ｐ₁および下流圧力Ｐ₂を算出する。上流圧力Ｐ₁は、圧力センサ２４の出力信号に基づいて算出する。なお、上流圧力は大気圧相当の一定値としてもよい。また下流圧力Ｐ₂は、ブーストセンサ２５の出力信号に基づいて算出する。
ステップ２では、電制スロットルバルブ１３の最大開口面積を求める。最大開口面積は、スロットルバルブ開度および開口面積との関係を示すテーブルを参照して、スロットルバルブ開度が８０ｄｅｇの時の値を用いる。これにより圧力比１．０近傍における開口面積を算出する。

ステップ３では、体積効率ηを求める。体積効率ηは、図６に示すように、回転数Ｎｅと効率ηとの関係を示すテーブルを参照して求める。このテーブルは、回転数Ｎｅが所定値まで高くなれば効率ηが上がり、それよりも回転数Ｎｅが高くなった場合には効率ηが下がる傾向にある。
ステップ４では、次式に示すように、体積効率η、排気量Ｖ［ｍ³］、エンジン回転数Ｎｅ［rpm］、および電制スロットルバルブ１３の最大開口面積Ａth［ｍ²］を用いて最大仮流速［m/s］を演算する。

最大仮流速＝η×Ｖ×Ｎｅ／（Ａth×120）
ステップ５では、ステップ４にて算出した最大仮流速に基づいて電制スロットルバルブ１３の最大圧力比（平衡値）Ｒｍａｘを求める。最大圧力比Ｒｍａｘは、図７に示すように、流速（最大仮流速）と圧力比とのテーブルを参照することで求める。このテーブルは、流速と圧力比との関数になっており、流速が速い時には圧力比が低く、流速が遅いときには圧力比が高くなる傾向にある。

このテーブルにより算出される最大圧力比Ｒｍａｘは、電制スロットルバルブ１３の開度が略全開で流速が低い状態における平衡値となる。これにより、電制スロットルバルブ１３の前後圧力比（下流圧力／上流圧力）が理論的に取り得る最大圧力比Ｒｍａｘが算出される。
ステップ６では、ブーストセンサ２５により算出した下流圧力Ｐ₂から圧力センサ２４により算出した上流圧力Ｐ₁を除算して、センサ出力による圧力比（Ｐ₂／Ｐ₁）を算出する。

ステップ７では、ステップ６にて算出したセンサ出力による圧力比（Ｐ₂／Ｐ₁）が、ステップ５にて算出した流速による最大圧力比Ｒｍａｘ未満（Ｐ₂／Ｐ₁＜Ｒｍａｘ）であるか否かを判定する。Ｐ₂／Ｐ₁＜Ｒｍａｘであると判断されればステップ８へ進み、圧力比をＰ₂／Ｐ₁に設定する。
一方、ステップ７でＰ₂／Ｐ₁≧Ｒｍａｘであると判断されればステップ９へ進み、圧力比をＲｍａｘに設定する。これにより電制スロットルバルブ１３の前後圧力比を理論的に取り得る最大圧力比Ｒｍａｘに制限する。

ステップ１０では、前述の図２に示す流量係数算出テーブルに、ステップ８またはステップ９にて算出した圧力比を割り当てて流量係数を算出する。
ステップ１１では、前述の式（流量＝開口面積×流量係数）により電制スロットルバルブ１３を通過する気体の流量を算出する。
図８は、電制スロットルバルブ１３が略全開状態において前後圧力比に制限を掛けた状態を示す図である。（イ）は、横軸に経過時間（ｍｓ）、縦軸にコレクタ１１内の圧力（下流圧力）Ｐ₂を示している。（ロ）は、横軸に経過時間（ｍｓ）、縦軸に流量係数を示している。

ここでは、コレクタ１１内の圧力Ｐ₂の上限値を電制スロットルバルブ１３が略全開状態（８０ｄｅｇ）での圧力比の平衡値Ｒｍａｘとすることで、前述の図３の場合と同じ演算間隔Δｔ（１０ｍｓ）でもハンチングを防止することができる。本発明では、圧力比０．９８以上でもハンチングすることなく実際の流量係数が算出されている。
次に、本発明の吸気系モデルについて図９を用いて説明する。

吸気系モデルは、スロットルモデル３１、ポンプ（エンジン）モデル３２、コレクタモデル３３、およびシリンダモデル３４から大別構成されている。
スロットルモデル３１は、電制スロットルバルブ１３の開度（有効開口面積）、電制スロットルバルブ１３の上流圧力（大気圧）Ｐ₁、および電制スロットルバルブ１３の下流圧力（コレクタ１１内の圧力）Ｐ₂が入力される。電制スロットルバルブ１３の前後圧力比（Ｐ₂／Ｐ₁）を算出し、これを前述の最大圧力比Ｒｍａｘと比較（Ｐ₂／Ｐ₁＜Ｒｍａｘ）して、条件を満たす方の圧力比（Ｐ₂／Ｐ₁またはＲｍａｘ）に基づいて流量係数を算出する。そして、前述の流量を算出する式（流量＝開口面積×流量係数）により、電制スロットルバルブ１３を通過する気体の流量を算出する（図５参照）。

ポンプモデル３２は、エンジン１の吸気をポンプ作用と考え、エンジン回転数Ｎｅに基づいて体積吸気量を算出する。
コレクタモデル３３は、スロットル通過気体流量、上流圧力Ｐ₁、吸気温度、エンジン回転数Ｎｅ、および体積吸気量に基づいてコレクタ圧力（密度）Ｐ₂を算出する。なお、スロットルバルブ下流圧力Ｐ₂は、スロットルバルブ上流圧力Ｐ₁と最大圧力比Ｒｍａｘとにより算出し（Ｐ₂＝Ｐ₁×Ｒｍａｘ）、時間の経過と共に変化するコレクタ１１内の圧力Ｐ₂を順次更新するようにしてもよい。この場合には、コレクタ１１内の圧力（下流圧力）Ｐ₂が収束値に制限されることとなる。

シリンダモデル３４は、コレクタ密度および体積吸気量に基づいてシリンダ吸気量を算出する。
なお、この吸気系モデルにおいて、コレクタモデル３３は、電制スロットルバルブ１３の下流圧力Ｐ₂をスロットル通過気体流量、大気圧、吸気温度、エンジン回転数Ｎｅ、および体積吸気量に基づいて算出することについて説明したが、前述のブーストセンサ２５により算出した下流圧力Ｐ₂を用いてもよい。この場合、スロットルモデル３１は、圧力比を算出して前述の式（流量＝開口面積×流量係数）により電制スロットルバルブ１３を通過する気体の流量を算出する。

なお、過給機（ターボ）を用いた場合においても、上流圧力を過給された圧力とすることで前述と同様にバルブを通過する気体の体積流量を、ハンチングを防止しつつ精度良く算出してもよい。
なお、本発明は、筒内直接噴射式の内燃機関においても同様に適用可能である。
本実施形態によれば、スロットルバルブ開口面積とバルブ前後圧力比に基づく流量係数とからバルブ１３を通過する気体の体積流量を算出する装置であって、バルブ前後圧力比を理論的に取り得る最大圧力比Ｒｍａｘに制限する。このため、ハンチングを抑制でき、吸気量が低い場合においても電制スロットルバルブ１３を通過する気体の流量の算出精度を高めることができる。

また本実施形態によれば、最大圧力比Ｒｍａｘは、スロットルバルブ開度が略全開状態（例えば、電制スロットルバルブ１３の開度が８０ｄｅｇ）での圧力比の平衡値である（ステップ５）。このため、最大圧力比Ｒｍａｘが上限値をとる時の条件を適切に設定できる。
また本実施形態によれば、最大圧力比Ｒｍａｘは、スロットルバルブ開度が略全開状態時における流速と、流速および圧力比の関数とによって求める（ステップ５）。このため、流速および圧力比を考慮して最大圧力比Ｒｍａｘを求めることができる。

また本実施形態によれば、流速は、スロットルバルブ開口面積とエンジン回転数とに基づいて算出する（ステップ２〜ステップ４）。このため、電制スロットルバルブ１３を通過する気体の流速を精度良く算出することができる。
また本実施形態によれば、バルブ前後圧力比は、スロットルバルブ１３の下流圧力Ｐ₂を上流圧力Ｐ₁で除算したもの（下流圧力Ｐ₂／上流圧力Ｐ₁）である。このため、エンジン１の吸気作用によるスロットルバルブ１３の上流と下流の圧力を考慮できる。前後圧力比（Ｐ₂／Ｐ₁）は、前述のように、圧力センサ２４，２５の出力により算出するか、またはコレクタモデル３３によりコレクタ１１内の圧力Ｐ₂を算出し、この圧力Ｐ₂をスロットルモデル３１に入力して算出する。

また本実施形態によれば、スロットルバルブ１３の上流圧力Ｐ₁は、大気圧相当値を用いる（ステップ１、ステップ８）。このため、最大圧力比を簡素に算出できる。
また本実施形態によれば、スロットルバルブ１３の上流圧力は、過給された圧力である。このため、ディーゼルエンジンにおいても適用可能となる。
また本実施形態によれば、スロットルバルブ１３の下流圧力Ｐ₂は、コレクタモデル３３により算出する。このため、ブーストセンサ２５を用いない場合においても下流圧力Ｐ₂を算出できる。またコレクタ１１に他の配管（例えば、ＥＧＲ配管、パージ配管等）が設けられている場合においても、これらの影響を考慮できる。

また本実施形態によれば、スロットルバルブの下流圧力Ｐ₂は、スロットルバルブ上流圧力Ｐ₁と最大圧力比Ｒｍａｘとにより算出する（図９のコレクタモデル３３）。このため、時間の経過と共に変化するコレクタ１１内の圧力Ｐ₂を順次更新することができる。
また本実施形態によれば、スロットルモデル３１とポンプモデル３２とコレクタモデル３３とによって各部の状態量（電制スロットルバルブ１３を通過する吸気量、コレクタ圧力、体積吸気量）を算出するモデルを構成し、これらの算出値に基づいてシリンダ２に吸入される吸気量を算出する。このため、モデルによりシリンダ吸入空気量を算出することができる。

流量算出装置のシステム構成図 流量係数算出テーブル ハンチング状態を示す図 圧力比の上限値を０．９８にした場合を示す図 本発明の処理を示すフローチャート 体積効率算出テーブル 圧力比算出テーブル 本発明の圧力比制限を行った場合を示す図 吸気系モデルを示すブロック図

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダ
５ 点火プラグ
９ 吸気通路
１０ 燃料噴射弁
１１ コレクタ
１３ 電制スロットルバルブ
２３ スロットルバルブ開度センサ
２４ 圧力センサ
２５ ブーストセンサ
２６ 温度センサ
２７ クランク角センサ
３０ ＥＣＵ
３１ スロットルモデル
３２ ポンプモデル
３３ コレクタモデル
３４ シリンダモデル

Claims (10)

1. スロットルバルブ開口面積とバルブ前後圧力比に基づく流量係数とからバルブを通過する気体の体積流量を算出する装置であって、
   前記バルブ前後圧力比を理論的に取り得る最大圧力比に制限することを特徴とする内燃機関の流量算出装置。
2. 前記最大圧力比は、スロットルバルブ開度が略全開状態での圧力比の平衡値であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の流量算出装置。
3. 前記最大圧力比は、前記スロットルバルブ開度が略全開状態時における流速と、流速および圧力比の関数とによって求めることを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関の流量算出装置。
4. 前記流速は、前記スロットルバルブ開口面積とエンジン回転数とに基づいて算出することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の流量算出装置。
5. 前記バルブ前後圧力比は、スロットルバルブの下流圧力を上流圧力で除算したものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の流量算出装置。
6. 前記スロットルバルブの上流圧力は、大気圧相当値を用いることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の流量算出装置。
7. 前記スロットルバルブの上流圧力は、過給された圧力であることを特徴とする請求項５記載の内燃機関の流量算出装置。
8. 前記スロットルバルブの下流圧力は、コレクタモデルにより算出することを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の流量算出装置。
9. 前記スロットルバルブの下流圧力は、前記スロットルバルブ上流圧力と前記最大圧力比とにより制限することを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１つに記載の内燃機関の流量算出装置。
10. スロットルモデルとポンプモデルとコレクタモデルとによって各部の状態量を算出するモデルを構成し、これらの算出値に基づいてシリンダに吸入される吸気量を算出することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の内燃機関の流量算出装置。

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