JP2006343137A - 容積式ポンプの体積流量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 体積流量を適切に算出する。
【解決手段】 エンジンの上流圧（コレクタ圧）をコレクタモデルにより検出し、コレクタ圧、大気圧およびエンジン回転数Ｎｅに基づいて体積流量の算出に用いられるポンプ体積効率ηを算出する（ポンプ体積効率算出手段４４）。そして、ポンプ体積効率ηとエンジン回転数Ｎｅとに基づいて体積流量ｄＶを算出する（ｄＶ＝η×Ｖeng×Ｎｅ／１２０、体積流量算出手段４５）。コレクタ圧が大気圧より低いほどポンプ体積効率ηを小さくし、体積流量ｄＶを少なくする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、容積式ポンプの体積流量算出装置に関する。

従来、内燃機関のシリンダに吸入される流体の体積流量を算出する場合、シリンダによる吸排気作用を容積式ポンプと見なして算出することが知られている（特許文献１）。この場合、モデルにより体積流量ｄＶ［ｍ^３／ｓ］を効率η、排気量Ｖeng［ｍ^３］およびエンジン回転数Ｎｅ［rpm］に基づいて算出していた（ｄＶ＝η×Ｖeng×Ｎｅ／１２０）。なお、効率ηはエンジン回転数に対する関数として予め設定した値を用いていた。
特表２００１−５１６８４０号公報

しかしながら、内燃機関のシリンダには燃焼室が存在しており、この部分に流体が残存するため、運転状態によってはモデルによる体積流量の算出精度が低下してしまうという問題があった。
ここで、一般的な内燃機関の圧縮比εは１０程度で排気側の圧力は略大気圧程度であり、吸気行程中にピストンが最下部の位置にあってもシリンダ内の最低圧力は大気圧の略１／１０程度までしか低下しない。吸気側の圧力（ポンプ上流圧）が大気圧の略１／１０程度まで低下するとシリンダ内に流入する流体の体積流量は略ゼロになる。

一方、運転状態がアイドリングや減速時である場合には、ポンプ上流圧が大気圧の略１／３〜１／１０に変化するため、体積流量の補正・演算をしなければ実際の体積流量との間に誤差が生じてしまい、モデルによる体積流量の算出精度が悪化してしまう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、体積流量を適切に算出することを目的とする。

そのため本発明では、容積式ポンプの上流圧を検出し、少なくともポンプ上流圧を含むパラメータに基づいて容積式ポンプの体積流量を算出する。

本発明によれば、ポンプ上流圧を含むパラメータに基づいて体積流量を算出するため、実際の体積流量との間の誤差を抑制して体積流量を適切に算出することができる。

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、本発明のエンジン１の体積流量算出装置の構成図である。本発明では、エンジン１の吸排気作用を容積式ポンプとみなして説明する。
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。これによりシリンダ２（燃焼室４）内には、流体の吸排の際に、排気通路８に排出されない流体が残る。

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シリンダ２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からの開度信号に基づいてバルブ開度が決定される。
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、エアフロメータ２３、スロットル開度センサ２４、ブーストセンサ（圧力センサ）２５、温度センサ２６、クランク角センサ２７及び大気圧センサ２８からの信号が入力される。なお、ブーストセンサ２５からの圧力信号は、後述するコレクタモデル５１により推定（算出）したコレクタ圧を用いてもよい。
エアフロメータ２３は、電制スロットルバルブ１３より上流の吸気通路９に設けられた熱線式流量計であり、電制スロットルバルブ１３を通過する空気量に応じた信号を出力する。

スロットル開度センサ２４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。
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。なお、温度センサ２６は、エアフロメータ２３またはブーストセンサ２５に一体的に設けられるものであってもよい。

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。
大気圧センサ２８は、大気圧に応じた信号を出力する。
ＥＣＵ３０は、各種センサの出力信号に基づいて各種演算および制御を行う。例えば、各種演算では、吸入空気量、スロットル開度、コレクタ圧力、吸気温度、エンジン回転数、大気圧などの演算を行う。各種制御では、電制スロットルバルブ１３の開度制御、燃料噴射弁１０からの燃料噴射時期および燃料噴射量の制御、点火プラグ５の点火時期制御などを行う。

次に、本発明の流体（気体）の体積流量算出について図２のモデルブロック図を用いて説明する。これらの算出はＥＣＵ３０内で行われる。なお、図２では、コレクタ圧をブーストセンサ２５によらず、コレクタモデル５１により推定した値を用いる。
ここで図１に示す通り、吸気通路９においては、コレクタ１１が電制スロットルバルブ１３とシリンダ２との間に配置されているため、図２のモデルでは、コレクタ１１を基準として、コレクタ１１に流入する空気流量（電制スロットルバルブ１３を通過する空気量）と、コレクタ１１から流出する空気流量（シリンダ２に流入する空気量）との収支を考慮する。

スロットルモデル３１は、スロットルバルブ１３の開度、大気圧、およびコレクタモデル（ポンプ上流圧検出手段）５１により推定されたコレクタ圧に基づいてスロットルバルブ１３を通過する空気流量を算出する。
シリンダモデル（体積流量算出手段）４１は、エンジン回転数、大気圧、およびコレクタモデル５１により算出されたコレクタ圧に基づいて流体の体積流量を算出する。

コレクタモデル５１は、スロットル通過空気流量、大気圧、吸気温度、エンジン回転数、および体積流量に基づいてコレクタ圧（ポンプ上流圧）を推定する。コレクタモデル５１により推定したコレクタ圧は、サイクリック計算を行うため次回の計算においては前回値としてスロットルモデル３１およびシリンダモデル４１に入力される。
またコレクタモデル５１は、推定したコレクタ圧に基づいてコレクタ１１内の流体の密度を算出する。この密度は、予め設定しておいた流体密度算出テーブルに推定コレクタ圧を割り当てることで求める。なお、流体密度算出テーブルは、推定コレクタ圧が低ければ流体密度が低くなるように設定されている。

シリンダ吸気量算出手段６１は、シリンダモデル４１により算出した体積流量と、コレクタモデル５１により求めた流体密度とを乗算することでシリンダ吸気量（質量流量）を算出する。これにより算出されたシリンダ吸気量は、例えばＥＣＵ３０により、燃料噴射弁５から噴射する燃料噴射量や、目標吸気量（電制スロットルバルブ１３の目標開度）の算出に用いられる。

図３には、シリンダモデル４１により流体の体積流量を推定するブロック図について示している。
シリンダモデル４１は、基準ポンプ体積効率算出手段４２、ポンプ体積効率補正係数算出手段４３、ポンプ体積効率算出手段４４、および体積流量算出手段４５を含んで構成されている。

基準ポンプ体積効率算出手段４２は、予め設定しておいた基準ポンプ体積効率テーブルを参照してエンジン回転数に応じた基準ポンプ体積効率を決定する。基準ポンプ体積効率テーブルは、エンジン回転数が所定値まで高くなりそれを越えると効率が低下する用に設定されている。
ポンプ体積効率補正係数算出手段４３は、予め設定しておいたポンプ体積効率補正係数算出テーブルを参照して圧力比に応じたポンプ体積効率補正係数を決定する。ポンプ体積効率補正係数算出テーブルは、コレクタ圧が大気圧より低くなると補正係数が小さくなるように設定されている。圧力比は、コレクタモデル５１により推定したコレクタ圧（前回値）を大気圧で除算して求める（圧力比＝コレクタ圧／大気圧）。

ポンプ体積効率算出手段４４は、基準ポンプ体積効率とポンプ体積効率補正係数とを乗算することでポンプ体積効率η（＝基準ポンプ効率×ポンプ体積効率補正係数）を算出する。図４には、ポンプ体積効率算出手段４４により算出したポンプ体積効率ηを示しており、コレクタ圧が大気圧より低いほどポンプ体積効率が小さくなる。
体積流量算出手段４５は、ポンプ体積効率η、エンジン回転数Ｎｅ、エンジン排気量Ｖengに基づいて体積流量ｄＶを算出する（ｄＶ＝η×Ｖeng×Ｎｅ／１２０）。

以上により、コレクタ圧が低い場合にはポンプ体積効率ηが小さくなるように算出でき（図４）、ポンプ体積流量ｄＶは効率η、排気量Ｖengおよびエンジン回転数Ｎｅに基づいて算出されるため（ｄＶ＝η×Ｖeng×Ｎｅ／１２０）、ポンプ体積効率ηが小さければポンプ体積流量ｄＶはポンプ体積効率ηに比例して少なくなるように算出される。
図５には、本発明の体積流量算出処理を含むフローチャートを示している。

ステップ１（図では「Ｓ１」と示す。以下同様）では、運転状態を検出する。運転状態としては、電制スロットルバルブ１３の開度、コレクタ圧、コレクタ１１内（吸気通路９内）の吸気温度、エンジン回転数、および大気圧力を検出対象とする。なお、コレクタ圧は、前述のコレクタモデル５１により推定した値を用いる。
ステップ２では、ポンプ体積効率ηを算出する。効率ηは、図３のブロック図によりエンジン回転数に基づいて基準ポンプ体積効率を算出する一方、推定コレクタ圧および大気圧によりポンプ体積効率補正係数を算出し、これらの算出値を乗算することで求める（η＝基準ポンプ体積効率×ポンプ体積効率補正係数）。

ステップ３では、シリンダモデル４１（体積流量算出手段４５）によりエンジン１の流体の体積流量ｄＶを算出する。体積流量ｄＶは、効率η、排気量Ｖengおよびエンジン回転数Ｎｅに基づいて算出する（ｄＶ＝η×Ｖeng×Ｎｅ／１２０）。図３のポンプ体積効率補正係数算出テーブルでは、コレクタ圧が大気圧より低いほど、ポンプ体積補正係数を小さく設定することでポンプ体積効率ηを小さくし、体積流量を少なくするようにしている。

なお、図３のポンプ体積効率補正係数は、更に、エンジン１のシリンダ２（燃焼室４）内に残る流体の量が多いほど、小さく設定することでポンプ体積効率ηを小さくし、体積流量を少なくするようにしてもよい。また同様にして、シリンダ２内に残る流体の流体温度が低いほど、若しくはシリンダ２内の圧力（筒内圧力）が高いほど、ポンプ体積補正係数を小さく設定することでポンプ体積効率ηを小さくし、体積流量を少なくするようにしてもよい。

これは、図６に示すように車両が高回転から減速（燃料カット）した状態の場合には、コレクタ圧の低下が大きいが、シリンダ２内の流体の状態は高温・大気圧の状態から排気バルブ７の開閉により低温・大気圧となり、流体の密度が増加（残留流体が増加）するため、シリンダ２内の圧力が大気圧から下がりにくくなり、吸気バルブ６を開いてもコレクタ１１（吸気通路９）からシリンダ２に流れる流体の体積流量が減少することを意味する。この結果、図６では本発明におけるコレクタ圧が、増加した状態となり、計測値（ブーストセンサ２５により検出した値）に近づくことを示している。

一方、同じ条件であっても従来（特許文献１）では、体積流量ｄＶの算出においてはコレクタ圧を考慮しておらず、ポンプ効率ηはエンジン回転数の関数として算出し（η≒１）、これにより体積流量ｄＶを算出しており（ｄＶ＝η×Ｖeng×Ｎｅ／１２０）、体積流量を少なくするようなことは行っていないため、コレクタ圧において本発明との差異が生じる。

これらにより、本発明では、シリンダ２内に残る流体の量、流体温度、若しくは筒内圧力に応じて体積流量を補正し、体積流量の算出精度を向上させることができる。なお、シリンダ２内に残る流体の量、流体温度、若しくは筒内圧力は、検出可能であれば検出値を用いてもよいが、運転状態から推定した値を用いてもよい。
ステップ４では、体積流量に基づいて各種演算・制御を行う。例えば、図２に示すように、ＥＣＵ３０は、シリンダモデル４１（体積流量算出手段４５）により算出した体積流量と、コレクタモデル５１により算出した流体密度に基づいてシリンダ吸気量算出手段６１によりシリンダ吸気量（質量流量）を算出し、このシリンダ吸気量に基づいて燃料噴射量、燃料噴射時期、および目標吸気量を適切に演算する。更に、これらの演算値を実現するようＥＣＵ３０は、燃料噴射弁１０に所定の燃料噴射信号（噴射量および噴射時期を制御する信号）を出力する一方、電制スロットルバルブ１３の開度を目標開度にするよう信号を出力する制御を行う。

なお、これまではコレクタ圧は、コレクタモデル５１により推定した値を用いていたが、この値の代わりにブーストセンサ２５の出力信号に基づいて算出した値（コレクタ圧）を用いてもよい。
本実施形態によれば、容積式ポンプ（エンジン１）の上流圧（コレクタ圧）を検出するポンプ上流圧検出手段（コレクタモデル５１、ステップ１）と、少なくともポンプ上流圧を含むパラメータ（エンジン回転数）に基づいて容積式ポンプの体積流量を算出する体積流量算出手段（シリンダモデル４１、ステップ３）と、を備える。このため、コレクタ圧を含むパラメータにより体積流量を算出し、実際の体積流量との間の誤差を抑制して、より高精度に体積流量を算出できる。

また本実施形態によれば、体積流量算出手段は、少なくともポンプ上流圧（コレクタ圧）を含むパラメータ（エンジン回転数）に基づいて体積流量の算出に用いられるポンプ体積効率ηを算出するポンプ体積効率算出手段４４を備え（ステップ２）、ポンプ体積効率ηを含むパラメータ（エンジン回転数）に基づいて体積流量ｄＶを算出する（ｄＶ＝η×Ｖeng×Ｎｅ／１２０、ステップ３）。ポンプ体積効率算出手段（ステップ２）は、ポンプ上流圧（コレクタ圧）が大気圧より低いほどポンプ体積効率ηを小さくする。このため、コレクタ圧が低いほど体積効率ηを小さく補正することで体積流量ｄＶを適切に算出することができる。

また本実施形態によれば、体積流量算出手段は、ポンプ上流圧（コレクタ圧）が大気圧より低いほど体積流量ｄＶを少なくする（ステップ３）。このため、コレクタ圧に応じて適切に体積流量を算出できる。
また本実施形態によれば、容積式ポンプ１は、流体の吸排の際にポンプ（シリンダ２，燃焼室４）内部に流体が残るものであり、シリンダ２、ピストン３、吸入バルブ（吸気バルブ６）及び排出バルブ（排気バルブ７）を含んで構成される内燃機関である。このため、燃焼室４があっても流体の体積流量を適切に算出できる。

また本実施形態によれば、体積流量算出手段は、容積式ポンプ１内に残る流体量が多いほど、容積式ポンプ１内に残る流体の温度が低いほど、若しくは容積式ポンプ１内の圧力が高いほど、容積式ポンプ１の体積流量を少なくする（ステップ３）。このため、シリンダ２内の流体の状態に応じて精度良く体積流量を算出できる。
また本実施形態によれば、体積流量算出手段は、内燃機関１の吸気系の流れモデル（スロットルモデル３１、シリンダモデル４１、コレクタモデル５１）を用いて体積流量ｄＶを算出する（ステップ３）。このため、体積流量の算出を簡略化できる。

また本実施形態によれば、流れモデル（スロットルモデル３１、シリンダモデル４１、コレクタモデル５１）により算出した体積流量に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段を備える（ステップ４）。このため、適量の燃料噴射量が算出でき、燃費が向上する。
また本実施形態によれば、流れモデル（スロットルモデル３１、シリンダモデル４１、コレクタモデル５１）により算出した体積流量に基づいて内燃機関１の目標吸気量を算出する目標吸気量算出手段（シリンダ吸気量算出手段６１）と、目標空気量になるようスロットルバルブ１３の開度を制御する開度制御手段（ステップ４）と、を備える。このため、エンジン１を適切に制御することができる。

また本実施形態によれば、ポンプ上流圧検出手段は、コレクタモデル５１であるため、エンジン１の各運転状態に応じて適切なポンプ上流圧（コレクタ圧）を検出することができる。なお、ポンプ上流圧検出手段（ステップ１）は、圧力センサ（ブーストセンサ２５）でもよいため、センサ出力値を用いて簡単に体積流量を算出できる。

本発明のエンジンの体積流量算出装置の構成図 モデルブロック図 シリンダモデルにより流体の体積流量を算出するブロック図 本ブロックにより算出したポンプ体積効率 本発明の体積流量算出処理を含むフローチャート 車両が高回転から減速した状態を示す図

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダ
３ ピストン
４ 燃焼室
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 エアフロメータ
２４ スロットル開度センサ
２５ ブーストセンサ
２６ 温度センサ
２７ クランク角センサ
２８ 大気圧センサ
３０ ＥＣＵ
３１ スロットルモデル
４１ シリンダモデル
４２ 基準ポンプ体積効率算出手段
４３ ポンプ体積効率補正係数算出手段
４４ ポンプ体積効率算出手段
４５ 体積流量算出手段
５１ コレクタモデル
６１ シリンダ吸気量算出手段

Claims (16)

1. 容積式ポンプの上流圧を検出するポンプ上流圧検出手段と、
   少なくとも前記ポンプ上流圧を含むパラメータに基づいて前記容積式ポンプの体積流量を算出する体積流量算出手段と、
   を備えることを特徴とする容積式ポンプの体積流量算出装置。
2. 前記体積流量算出手段は、少なくとも前記ポンプ上流圧を含むパラメータに基づいて前記体積流量の算出に用いられるポンプ体積効率を算出するポンプ体積効率算出手段を備え、前記ポンプ体積効率を含むパラメータに基づいて前記体積流量を算出することを特徴とする請求項１記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
3. 前記ポンプ体積効率算出手段は、前記ポンプ上流圧が大気圧より低いほど前記ポンプ体積効率を小さくすることを特徴とする請求項２記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
4. 前記体積流量算出手段は、前記ポンプ上流圧が大気圧より低いほど前記体積流量を少なくすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の体積流量算出装置。
5. 前記容積式ポンプは、流体の吸排の際に前記ポンプ内部に流体が残る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つに容積式ポンプの体積流量算出装置。
6. 前記容積式ポンプは、シリンダ、ピストン、吸入バルブ及び排出バルブを含んで構成されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
7. 前記容積式ポンプは、内燃機関であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
8. 前記体積流量算出手段は、前記容積式ポンプ内に残る流体量が多いほど前記容積式ポンプの体積流量を少なくすることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
9. 前記体積流量算出手段は、前記容積式ポンプ内に残る流体の温度が低いほど前記容積式ポンプの体積流量を少なくすることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
10. 前記体積流量算出手段は、前記容積式ポンプ内の圧力が高いほど前記容積式ポンプの体積流量を少なくすることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
11. 前記体積流量算出手段は、内燃機関の吸気系の流れモデルを用いて前記体積流量を算出することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
12. 前記流れモデルにより算出した体積流量に基づいて燃料噴射量を算出する燃料噴射量算出手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
13. 前記流れモデルにより算出した体積流量に基づいて内燃機関の目標吸気量を算出する目標吸気量算出手段と、
    前記目標空気量になるようスロットルバルブの開度を制御する開度制御手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１１または請求項１２記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
14. 前記ポンプ上流圧検出手段は、コレクタモデルであることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
15. 前記ポンプ上流圧検出手段は、圧力センサであることを特徴とする請求項１〜請求項１３のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。
16. 前記体積流量は、気体の体積流量であることを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか１つに記載の容積式ポンプの体積流量算出装置。