JP2008019717A

JP2008019717A - 内燃機関の空気量推定装置

Info

Publication number: JP2008019717A
Application number: JP2006189536A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Degaki; 貴章出垣
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】内燃機関の気筒に流入する筒内空気量をより正確に推定することが可能な筒内空気量推定装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の気筒に流入する筒内空気量を推定するＥＣＵ１であって、内燃機関５０の運転条件と、内燃機関５０の燃焼室５１に連通する吸気ポート１３に配設された流速センサ２からの出力信号に基づき検出した１気筒及び１吸気行程あたりの流速の積分値と、内燃機関５０運転条件と流速の積分値と筒内空気量との関係を示す空気量推定マップとに基づいて、筒内空気量を推定する筒内空気量推定手段を備える。これにより、吸気の圧縮性や吸気ポート１３の形状などにより気筒空気量がばらつく場合でも、或いは過渡時であってもそのときの吸気流速を検出できることから、より正確に筒内空気量を推定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の空気量推定装置に関し、特に内燃機関の気筒に流入する筒内空気量を推定する内燃機関の空気量推定装置に関する。

内燃機関の気筒に流入する筒内空気量を推定する技術として、例えば特許文献１では気筒空気量計算手段を備えた内燃機関の流入空気量検出装置（以下、単に流入空気量検出装置と称す）が提案されている。この気筒空気量計算手段は代表吸気管圧力と内燃機関の回転数とから気筒に流入する空気質量流量を計算する。また、代表吸気管圧力は質量流量計で計測した吸気管の絞り弁（スロットル弁）を通過する空気流量の質量流量等に基づき、サージタンク内の圧力として推定される。

特開平５−２４０１０４号公報

しかしながら気筒空気量は、実際には吸気の圧縮性やサージタンクよりも下流にあるインテークマニホールドや吸気ポートの形状などにより、サージタンクから気筒に流入する間にばらつく虞がある。特に過渡時においては、これらの要因に加えてさらに質量流量計の検出応答性が低いことに起因して、上記提案技術では気筒空気量推定精度が悪化する虞があると考えられる。これに対して例えば吸気ポートに質量流量計を配設することも考えられるが、この場合には過渡時の検出応答性に問題があるほか、質量流量計が吸気抵抗となって吸気の流入態様に悪影響を及ぼす虞がある。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の筒内に流入する筒内空気量をより正確に推定することが可能な筒内空気量推定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関の気筒に流入する筒内空気量を推定する内燃機関の空気量推定装置であって、前記内燃機関の運転条件と、前記内燃機関の燃焼室に連通する吸気ポートに配設された吸気流速検出手段からの出力信号に基づき検出した１気筒及び１吸気行程あたりの流速の積分値と、前記運転条件と前記流速の積分値と筒内空気量との関係を示す情報とに基づいて、筒内空気量を推定する筒内空気量推定手段を備えることを特徴とする。

本発明は、少なくとも内燃機関の回転数が一定であるという条件のもとで、筒内空気量が吸気ポートを流通する吸気の流速の１気筒及び１吸気行程あたりの積分値に比例する点に着目したものである。この点に加えて、吸気流速は一般に質量流量よりも高い応答性で検出することができ、また吸気流速検出手段（例えば熱線流速計）は吸気ポートに配設しても、質量流量計よりも吸気の抵抗にならない。これらの点に着目した本発明によれば、吸気の圧縮性やインテークマニホールドや吸気ポートの形状などにより気筒空気量がばらつく場合でも、或いは過渡時であってもそのときの吸気流速を検出できることから、より正確に筒内空気量を推定することが可能である。

また本発明は、前記内燃機関の運転条件が、前記内燃機関の回転数、または前記内燃機関の回転数と、吸気弁、排気弁のうち少なくともいずれかの弁特性とであってもよい。ここで筒内空気量は、前述したように内燃機関の回転数が一定であるという条件のもとで１気筒及び１吸気行程あたりの流速の積分値に比例するが、さらに流速の積分値は吸排気弁の弁特性によって変化する。したがって内燃機関の運転条件は内燃機関の回転数だけでもよいが、同一回転数でも弁特性が異なることがある場合には、さらに吸排気弁の弁特性を条件とすることでより正確に筒内空気量を推定することができる。

本発明によれば、内燃機関の気筒に流入する筒内空気量をより正確に推定することが可能な筒内空気量推定装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１で実現されている本実施例に係る筒内空気量推定装置を、内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。内燃機関システム１００は、吸気系１０と、排気系２０と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３０と、パージ装置４０と、内燃機関５０と、燃料噴射系６０と、点火系７０とを有して構成されている。吸気系１０は内燃機関５０に空気を導入するための構成であり、空気量を計測するエアフロメータ１１や、吸気の流量を調節するスロットル弁１２や、燃焼室５１に連通する吸気ポート１３や、これらの間に適宜配設される吸気管などを有して構成されている。また、内燃機関５０には吸気ポート１３を開閉するための吸気弁５２が配設されている。排気系２０は内燃機関５０から排気されるガスを流通させるための構成であり、燃焼室５１に連通する排気ポート２１や、排気中の酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出するための酸素センサ２２や、図示しない触媒や消音器や、これらの間に適宜配設される排気管などを有して構成されている。また、内燃機関５０には排気ポート２１を開閉するための排気弁５３が配設されている。

ＥＧＲ装置３０は排気を還流させるための構成であり、排気管と吸気管とを結ぶＥＧＲ還流通路３１と、ＥＧＲ還流通路の途中に絞り弁として設けられたＥＧＲバルブ３２とを有して構成されている。パージ装置４０は蒸発燃料を供給するための構成であり、燃料タンク４１の蒸発燃料を吸着するキャニスタ４２と、蒸発燃料を吸気管にパージするパージ制御用バルブ４３とを有して構成されている。燃料噴射系６０は燃料を噴射するための構成であり、燃料噴射弁６１や図示しない燃料噴射ポンプなどを有して構成されている。点火系７０は混合気に火花を点火するための構成であり、イグナイタ７１やディストリビュータ７２や点火プラグ７３などを有して構成されている。また、内燃機関システム１００には、内燃機関５０の回転数Ｎｅを検出するためのクランク角センサ５４や図示しない水温センサなどの各種のセンサが配設されている。なお、内燃機関システム１００はこれに限られず、適宜の構成で構成されていてよい。本実施例に示す内燃機関システム１００は、特に吸気の流速を検出するための流速センサ（吸気流速検出手段）２が吸気ポート１３に配設されている点に特徴を有している。流速センサ２は熱線流速計であり、吸気ポート１３のうち極力燃焼室５１近傍の部分に配設することが好ましい。

ＥＣＵ１は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１は主として内燃機関５０を制御するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁６１やイグナイタ７１のほか、ＥＧＲバルブ３２やパージ制御用バルブ４３なども制御している。ＥＣＵ１にはこれら燃料噴射弁６１などのほか、各種の制御対象が駆動回路（図示省略）を介して接続されている。また、ＥＣＵ１には流速センサ２や、エアフロメータ１１や、酸素センサ２２や、クランク角センサ５４や、水温センサなどの各種のセンサが接続されている。

ＲＯＭはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムを格納するための構成であり、本実施例では燃料噴射弁６１から噴射する燃料の噴射時期や噴射量や噴射圧を制御するための燃料噴射弁制御用プログラムなどで構成された内燃機関５０制御用のプログラムのほか、内燃機関５０の運転条件と、流速センサ２からの出力信号に基づき検出した１気筒及び１吸気行程あたりの流速の積分値と、内燃機関５０の運転条件と流速の積分値と筒内空気量との関係を示す情報（以下、単に空気量推定マップとも称す）とに基づいて、筒内空気量を推定するための筒内空気量推定用プログラムなども格納している。但し、これらのプログラムは一体として組み合わされていてもよい。

本実施例では内燃機関５０の運転条件は、具体的には内燃機関５０の回転数Ｎｅとなっている。但しこれに限られず、例えば内燃機関５０の運転条件は、回転数Ｎｅと吸気弁１３のバルブタイミング（以下、単にＶＴとも称す）であってもよく、さらに吸気弁１３のＶＴの代わりに吸気弁１３のバルブリフト量や、吸排気弁５２、５３のバルブオーバーラップ量に影響する排気弁１３のＶＴやバルブリフト量や、これらの組み合わせを適用してもよい。すなわち、回転数Ｎｅに加えて、同一回転数Ｎｅで流速の積分値に影響を及ぼすその他の条件も内燃機関の運転条件とすることで、より正確に筒内空気量を推定できるようになる。本実施例では、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ（以下、単にＣＰＵ等と称す）と内燃機関５０制御用のプログラムとで、各種の検出手段や判定手段や制御手段などが実現されており、特にＣＰＵ等と筒内空気量推定用プログラムとで筒内空気量推定手段が実現されている。

次に、空気量推定マップの作成方法の一例について図２に示すフローチャートを用いて詳述する。まず図１に示す内燃機関システム１００の構成で内燃機関５０を回転数Ｎｅ一定の定常状態で運転する（ステップ１１）。次にエアフロメータ１１で空気量を計測する（ステップ１２）。次に流速センサ２で吸気ポート１３の流速を計測し、流速の積分値を求める（ステップ１３）。図３は１気筒及び１吸気行程あたりの吸気流速の変化を模式的に示す図である。吸気流速は吸気弁１３の開弁（以下、単にＩＶＯとも称す）とともに発生し、吸気弁１３の閉弁（以下、単にＩＶＣとも称す）とともになくなる。そして流速の積分値は図３に示す面積Ｓを算出することで求めることができる。

図２に戻り、次にステップ１２で求めた空気量と、ステップ１３で求めた流速の積分値とを用いて図４に示す空気量推定マップ上にポイントを作成する（ステップ１４）。さらにステップ１２及び１３を繰り返すことで図４に示す空気量推定マップ上に複数のポイントを作成し、これらのポイントの集合を近似した直線を求める（ステップ１５）。なお、この直線の傾きは空気密度を指標する大きさとなる。その後回転数Ｎｅを変更して（ステップ１６）、さらにステップ１１からステップ１６までを繰り返すことで図４に示す空気量推定マップを作成することができる。また可変動弁機構などにより同一回転数Ｎｅで吸気弁１３のＶＴが異なることがある場合には、回転数Ｎｅと吸気弁１３のＶＴとの両方を変化させて作成した図５に示す空気量推定マップのほうが、より正確に筒内空気量を推定できるようになる。本実施例ではこのようにして作成した空気量推定マップもＲＯＭに格納している。

次に、空気量推定マップを用いて実際に筒内空気量を推定する様子について図６を用いて詳述する。図６では＃１気筒から＃４気筒までの各気筒に連通する吸気ポート１３夫々の流速とともに、各気筒で推定された筒内空気量を示している。同時に図６では、内燃機関５０の運転状態を示すためにスロットル開度も示している。なお横軸はすべて時間を示している。筒内空気量は、スロットル開度が一定の定常時でも空気量推定マップを用いて求めることができる。具体的には、＃１気筒の吸気行程で回転数Ｎｅ及び流速を検出するとともに流速の積分値を算出し、図４に示す空気量推定マップを参照することで＃１気筒の筒内空気量を推定することができる。これにより、吸気の圧縮性や吸気ポート１３の形状などにより気筒空気量がばらつく場合でも、より正確に筒内吸気量を推定できる。なお、＃１気筒の吸気行程でさらに吸気弁１３のＶＴを検出することで、図５に示す空気量推定マップを利用してもよい。続いて＃３、＃４及び＃２気筒の順に吸気行程が行われるが、これらの場合にも同様にして筒内空気量を推定することができる。

次に、スロットル開度が次第に大きくなる過渡時でも、質量流量と異なり流速は流速センサ２で十分な応答性をもって検出できるので、＃１、＃３、＃４及び＃２気筒の順に回転数Ｎｅ及び流速を検出するとともに流速の積分値を算出することで、空気量推定マップから対応する筒内空気量を推定できる。すなわち、過渡時であってもそのときの吸気流速を応答性よく検出できることから、より正確に筒内空気量を推定することができる。さらにその後定常時になった場合にも、同様にして空気量推定マップを利用することで、筒内空気量を各気筒でより正確に推定できる。以上により、内燃機関５０の筒内に流入する筒内空気量をより正確に推定することが可能なＥＣＵ１を実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ＥＣＵ１を内燃機関システム１００とともに模式的に示す図である。空気量推定マップの作成方法の一例をフローチャートで示す図である。吸気流速の変化を模式的に示す図である。回転数Ｎｅを運転条件とした空気量推定マップを示す図である。回転数Ｎｅと吸気弁１３のＶＴとを運転条件とした空気量推定マップを示す図である。空気量推定マップを用いて、実際に各気筒の筒内空気量を推定する様子を示す図である。

符号の説明

１ＥＣＵ
２流速センサ
１３吸気ポート
５０内燃機関
６１クランク角センサ
１００内燃機関システム

Claims

内燃機関の気筒に流入する筒内空気量を推定する内燃機関の空気量推定装置であって、
前記内燃機関の運転条件と、前記内燃機関の燃焼室に連通する吸気ポートに配設された吸気流速検出手段からの出力信号に基づき検出した１気筒及び１吸気行程あたりの流速の積分値と、前記運転条件と前記流速の積分値と筒内空気量との関係を示す情報とに基づいて、筒内空気量を推定する筒内空気量推定手段を備えることを特徴とする内燃機関の空気量推定装置。
前記内燃機関の運転条件が、前記内燃機関の回転数、または前記内燃機関の回転数と、吸気弁、排気弁のうち少なくともいずれかの弁特性とであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空気量推定装置。