JP2008267209A - 内燃機関のシリンダ充填空気量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリンダ充填空気量の推定精度を向上させる。
【解決手段】 吸気マニホールド内密度ρｍを算出する（１０１）。吸気バルブ閉時期のシリンダ容積Ｖivc と、吸気バルブ部の開口面積に基づく絞り係数Ｋlft とを乗じて、実効シリンダ容積Ｖcyl を算出する（１０２〜１０４）。前記実効シリンダ容積Ｖcyl に対する吸気脈動による第１の補正係数Ｋ１、吸気バルブ部での圧力損失による第２の補正係数Ｋ２、吸気バルブ部でのバルブ通過伝熱による第３の補正係数Ｋ３をそれぞれ算出する（１０５〜１０７）。前記実効シリンダ容積Ｖcyl に前記第１〜第３の補正係数Ｋ１〜Ｋ３を乗じて、補正後実効シリンダ容積Ｖefe を算出する（１０８、１０９）。前記吸気マニフォルド内密度ρｍと、前記補正後実効シリンダ容積Ｖefe との積により、シリンダ充填空気量Ｍcyl を算出する（１１０）。
【選択図】 図４

Description

本発明は、吸気バルブのリフト特性を変更可能な可変動弁装置を備える内燃機関において、シリンダに充填される空気量を精度良く算出するための、シリンダ充填空気量算出装置に関する。

シリンダ充填空気量＝シリンダ容積×シリンダ内密度であることから、シリンダ内密度＝吸気マニフォルド内密度という仮定の下に、シリンダ容積と吸気マニフォルド内密度との積により、シリンダ充填空気量を求めることが知られている。

しかし、吸気バルブの可変動弁装置を備え、吸気バルブ閉時期が大きく変化する場合、前記シリンダ容積は、一定値ではなく、吸気バルブ閉時期のシリンダ容積とする必要がある。また、吸気バルブのリフト量が小さくなる場合、吸気バルブにより絞りが発生することから、シリンダ内密度＜吸気マニフォルド内密度となる。

従って、シリンダ容積と吸気マニフォルド内密度との積によりシリンダ充填空気量を求める場合は、吸気バルブ閉時期のシリンダ容積に、吸気バルブ部の開口面積に応じた絞り係数を乗じて、補正（実効シリンダ容積を算出）している（特許文献１）。
特開２００６−１０５１００号公報

しかしながら、吸気バルブの開口面積に応じた絞り係数を用いるだけでは不十分であり、機関回転数や吸気バルブ閉時期により変化する吸気脈動の影響（慣性過給効果の有無によるシリンダ充填空気量の増加や減少）、機関負荷により変化する吸気バルブ部での圧力損失の影響（圧力損失によるシリンダ充填空気量の減少）、吸気バルブのリフト量により変化するバルブ通過伝熱の影響（小リフト量のときバルブ通過時に吸入空気が暖められることによるシリンダ充填空気量の減少）を考慮して、シリンダ充填空気量の推定精度を更に向上させることが求められている。

本発明は、このような実状に鑑み、実効シリンダ容積をより的確なものとして、シリンダ充填空気量の推定精度を更に向上させることを目的とする。

このため、本発明は、吸気バルブ閉時期のシリンダ容積を算出する手段と、吸気バルブ部の開口面積に基づく絞り係数を算出する手段と、前記吸気バルブ閉時期のシリンダ容積と前記絞り係数との積により、実効シリンダ容積を算出する手段と、前記実効シリンダ容積に対する吸気脈動による第１の補正係数を算出する手段と、前記実効シリンダ容積に対する吸気バルブ部での圧力損失による第２の補正係数を算出する手段と、前記実効シリンダ容積に対する吸気バルブ部でのバルブ通過伝熱による第３の補正係数を算出する手段と、前記実効シリンダ容積に前記第１〜第３の補正係数を乗じて、補正後実効シリンダ容積を算出する手段と、を設け、前記補正後実効シリンダ容積と、吸気マニフォルド内密度との積により、シリンダ充填空気量を算出する構成とする。

本発明によれば、吸気脈動、圧力損失、バルブ通過伝熱の影響を補正して、実効シリンダ容積をより的確なものとし、シリンダ充填空気量の推定精度を更に向上させることができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態を示す内燃機関（エンジン）のシステム図である。

エンジン１の吸気系は吸気マニフォルド２により構成され、その集合部（コレクタ）２ａ上流側に電制スロットル弁３が設置されている。電制スロットル弁３の制御を受けて吸気マニフォルド２の集合部２ａへ流入した空気は、分枝部（吸気ポートを含む）２ｂから、吸気バルブ４を介して、エンジン１のシリンダ（燃焼室）５内に吸入される。

吸気バルブ４には、可変動弁装置として、吸気バルブ４のバルブ作動角（開期間）及びリフト量を連続的に変化させることができるバルブ作動角及びリフト量可変装置（ＶＥＬ装置；ＶＥＬアクチュエータ４９）と、吸気バルブ４のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を連続的に変化させることができるバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置；ＶＴＣアクチュエータ５１）とが設けられている。詳細については後述する。

吸気マニフォルド２の分枝部２ｂには、燃料インジェクタ６が設けられている。シリンダ（燃焼室）５内の上部には、点火プラグ７が設けられている。また、吸気バルブ４に対向させて排気バルブ８が設けられている。尚、燃料インジェクタ６はシリンダ（燃焼室）５内に直接臨ませて設けてもよい。

前記電制スロットル弁３，燃料インジェクタ６、点火プラグ７、可変動弁装置のアクチュエータ４９、５１は、エンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵという）２０により制御される。

ＥＣＵ２０には、エンジン運転条件として、アクセルペダルセンサ２１により検出されるアクセル開度ＡＰＯ、クランク角センサ２２により検出されるエンジン回転数Ｎｅ、吸気マニフォルド２に臨ませた圧力センサ２３により検出される吸気マニフォルド内圧力（吸気圧力）Ｐｍなどが入力されている。

次に、吸気バルブ４の可変動弁装置について、図２により説明する。

吸気バルブ４（１気筒につき２つ設けられる）の端部のバルブリフタ４０の上方には、図外のクランク軸に連動して軸周りに回転駆動されるカム軸４１が気筒列方向に延在している。このカム軸４１の外周には、吸気バルブ４に対応して揺動カム４２が揺動可能に外装されており、この揺動カム４２がバルブリフタ４０に当接してこれを押圧することにより、吸気バルブ４が図外のバルブスプリングのバネ力に抗して開閉駆動される。

ここにおいて、カム軸４１と揺動カム４２との間で、両者４１、４２を機械的に連携するリンクの姿勢を変化させて、吸気バルブ４のバルブ作動角（開期間）及びリフト量を連続的に可変制御可能なバルブ作動角及びリフト量可変装置（ＶＥＬ装置）が設けられている。

ＶＥＬ装置は、カム軸４１に偏心して設けられてカム軸４１と一体的に回転する駆動カム４３と、この駆動カム４３の外周に相対回転可能に外嵌するリング状リンク４４と、カム軸４１と略平行に気筒列方向へ延在する制御軸４５と、この制御軸４５に偏心して設けられて制御軸４５と一体的に回転する制御カム４６と、この制御カム４６の外周に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク４４の先端と相対回転可能に連結されたロッカアーム４７と、このロッカアーム４７の他端と揺動カム４２の先端とに回転可能に連結され、両者４７、４２を機械的に連携するロッド状リンク４８と、を有している。

上記のカム軸４１及び制御軸４５は、軸受ブラケットを介してエンジンのシリンダヘッド側へ回転可能に支持されている。制御軸４５の一端にはバルブ作動角及びリフト量変更用のアクチュエータ（ＶＥＬアクチュエータ）４９の出力端が接続されており、このＶＥＬアクチュエータ４９によって制御軸４５が所定の制御角度範囲内で軸周りに回転駆動されると共に、所定の回転位相に保持される。

このような構成により、クランク軸に連動してカム軸４１が回転すると、駆動カム４３を介してリング状リンク４４が実質的に並進作動すると共に、ロッカアーム４７が制御カム４６周りを揺動し、ロッド状リンク４８を介して揺動カム４２が揺動して、吸気バルブ４が開閉駆動される。

また、ＶＥＬアクチュエータ４９により制御軸４５を回動することにより、ロッカアーム４７の揺動中心となる制御カム４６の中心位置が変化して、各リンク４４、４８等の姿勢が変化し、揺動カム４２の揺動角度範囲が変化する。これにより、バルブ作動角の中心位相が略一定のままで、バルブ作動角及びリフト量が連続的に変化する。より具体的には、制御軸４５を一方向へ回動することにより、バルブ作動角及びリフト量が増加し、他方向へ回動することによりバルブ作動角及びリフト量が減少するようになっている。

従って、ＶＥＬアクチュエータ４９の通電量をデューティ制御することで、制御軸４５の回転位相を変更して、吸気バルブ４のバルブ作動角及びリフト量を変更することができ（図３参照）、これによりバルブ作動角及びリフト量可変装置（ＶＥＬ装置）が構成される。

一方、カム軸４１は、クランク軸の回転がタイミングベルトによりスプロケット５０に入力されて駆動されるが、バルブタイミング変更のため、スプロケット５０とカム軸４１との間に、これらの回転位相を制御可能なロータリー式のアクチュエータ（ＶＴＣアクチュエータ）５１が装着されている。

従って、ＶＴＣアクチュエータ５１の通電量をデューティ制御することで、クランク軸とカム軸４１との回転位相を変更して、吸気バルブ４のバルブタイミング（バルブ作動角の中心位相）を変更することができ（図３参照）、これによりバルブタイミング可変装置（ＶＴＣ装置）が構成される。

従って、このエンジン１では、電制スロットル弁３を略全開に保持しつつ（ノンスロットル状態）、負荷に応じて、吸気バルブ４のバルブ作動角及びリフト量（主にリフト量ＬＦＴ）と、バルブタイミング（主に閉時期ＩＶＣ）とを制御することにより、吸入空気量を制御して、実質的なノンスロットル運転を実現することができる。

すなわち、図３に示すように、吸気バルブ４の通常のリフト特性（図示実線）を高負荷時のリフト特性とし、これに対し、負荷が小さくなるほど、ＶＥＬ装置によりバルブ作動角及びリフト量を小さくすると共に、ＶＴＣ装置によりバルブ作動角の中心位相を進角することにより、図示点線のような、低負荷時のリフト特性（リフト量ＬＦＴ＝小、閉時期ＩＶＣ＝進角）にするのである。

具体的には、アクセル開度ＡＰＯ及びエンジン回転数Ｎｅ等の運転条件に基づいて、エンジンが発生すべき目標トルクｔＴｅを設定し、この目標トルクｔＴｅを達成するのに必要な目標シリンダ充填空気量ｔＭcyl を算出する。

そして、この目標シリンダ充填空気量ｔＭcyl を実現するように、ＶＥＬ装置及びＶＴＣ装置の目標制御量を設定して作動させる。

その一方、実際のシリンダ充填空気量Ｍcyl を測定し、このシリンダ充填空気量Ｍcyl の目標シリンダ充填空気量ｔＭcyl に対する偏差（＝ｔＭcyl −Ｍcyl ）に応じ、これを減少させる位置に電制スロットル弁３を作動させて、吸気マニフォルド内圧力Ｐｍを調整する。

また、測定されたシリンダ充填空気量Ｍcyl に応じ、所望の空燃比となるように、燃料インジェクタ６の燃料噴射量を制御する。

ここで、本発明でのシリンダ充填空気量Ｍcyl の測定（算出）について、図４のブロック図により説明する。

マニフォルド内密度算出手段１０１は、吸気マニフォルド内圧力Ｐｍに基づいて、吸気マニフォルド内密度ρｍを算出する。

吸気マニフォルド内圧力をＰｍ、吸気マニフォルド容積をＶｍ、吸気マニフォルド内質量（空気質量）をＭｍ、吸気マニフォルド内温度（吸気温度）をＴｍとすると、気体の状態方程式Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍｍ・Ｒ・Ｔｍ（Ｒは気体定数）より、Ｍｍ／Ｖｍ＝Ｐｍ／（Ｒ・Ｔｍ）となり、吸気マニフォルド内密度ρｍ＝Ｍｍ／Ｖｍであるので、次式が導かれる。

ρｍ＝Ｐｍ／（Ｒ・Ｔｍ）
従って、吸気マニフォルド内温度Ｔｍ≒定数と仮定し、吸気マニフォルド内圧力Ｐｍから、マニフォルド内密度ρｍを算出する。

吸気マニフォルド内温度Ｔｍを検出する温度センサを有する場合は、吸気マニフォルド内圧力Ｐｍと、吸気マニホールド内温度Ｔｍとから、吸気マニフォルド内密度ρｍをより精度よく算出することができる。

ＩＶＣ時シリンダ容積算出手段１０２は、吸気バルブ閉時期（ＩＶＣ）のシリンダ容積Ｖivc を算出する。これは、吸気バルブ閉時期（ＩＶＣ）ごとに、そのときのピストン位置から、シリンダ容積を計算して、テーブルデータとして持たせておけばよい。

絞り係数算出手段１０３は、吸気バルブ部の開口面積ΣＬＦＴに基づいて、絞り係数Ｋlft を算出する。ここでいう吸気バルブ部の開口面積ΣＬＦＴは、吸気バルブの開期間におけるリフト量ＬＦＴの積分値である。そして、開口面積ΣＬＦＴが大きいときは、Ｋlft は１又はこれに近い値とし、開口面積ΣＬＦＴが小さくなるに従って、１以下の小さな値となる。

実効シリンダ容積算出手段（乗算器）１０４は、吸気バルブ閉時期（ＩＶＣ）のシリンダ容積Ｖivc と、絞り係数Ｋlft との積により、実効シリンダ容積Ｖcyl を算出する。

Ｖcyl ＝Ｖivc ・Ｋlft
第１の補正係数算出手段１０５は、エンジン回転数と、吸気バルブ閉時期ＩＶＣとに基づいて、前記実効シリンダ容積Ｖcyl に対する吸気脈動による第１の補正係数Ｋ１を算出する。エンジン回転数や吸気バルブ閉時期により変化する吸気脈動の影響を回避するため、言い換えれば、慣性過給効果の有無によるシリンダ充填空気量の増加や減少に対処するためである。尚、エンジン回転数により吸気脈動の周期が変化し、吸気バルブ閉時期ＩＶＣにより吸気脈動の起振力が変化するので、これらのパラメータを用いて、吸気脈動の影響を補正するのであるが、特性は機種ごとに吸気通路形状によって異なるため、予め実験等によりマッチングして、図５のようなマップデータを作成しておく。

第２の補正係数算出手段１０６は、エンジン負荷に基づいて、前記実効シリンダ容積Ｖcyl に対する吸気バルブ部での圧力損失による第２の補正係数Ｋ２を算出する。エンジン負荷により変化する吸気バルブ部での圧力損失の影響を回避するため、言い換えれば、圧力損失によるシリンダ充填空気量の減少に対処するためである。尚、図６のようなテーブルを作成しておく。エンジン負荷としては目標シリンダ充填空気量などを用いる。

第３の補正係数算出手段１０７は、吸気バルブのリフト量ＬＦＴに基づいて、前記実効シリンダ容積Ｖcyl に対するバルブ通過伝熱による第３の補正係数Ｋ３を算出する。吸気バルブのリフト量により変化するバルブ通過伝熱の影響を回避するため、言い換えれば、小リフト量のときバルブ通過時に吸入空気が暖められることによるシリンダ充填空気量の減少に対処するためである。尚、図７のようなテーブルを作成しておく。

実効シリンダ容積補正係数算出手段（乗算器）１０８は、第１〜第３の補正係数Ｋ１〜Ｋ３を乗じて、実効シリンダ容積補正係数Ｋtrm を算出する。

Ｋtrm ＝Ｋ１・Ｋ２・Ｋ３
補正後実効シリンダ容積算出手段（乗算器）１０９は、実効シリンダ容積Ｖcyl に、実効シリンダ容積補正係数Ｋtrm （＝Ｋ１・Ｋ２・Ｋ３）を乗じて、補正後実効シリンダ容積Ｖefe を算出する。

Ｖefe ＝Ｖcyl ・Ｋtrm
シリンダ充填空気量算出手段（乗算器）１１０は、吸気マニホールド内密度ρｍと、補正後実効シリンダ容積Ｖefe との積により、シリンダ充填空気量Ｍcyl を算出する。

Ｍcyl ＝ρｍ・Ｖefe
本実施形態によれば、吸気脈動、圧力損失、バルブ通過伝熱の影響を補正して、実効シリンダ容積をより的確なものとし、シリンダ充填空気量Ｍcyl の推定精度を向上させることができる。

これにより、例えば減速運転時のシリンダ充填空気量の減少に対し、図８（ａ）に示すように、従来は、シリンダ充填空気量の推定精度が悪いことで、燃料噴射量の位相合わせができなかったのを、本発明では、シリンダ充填空気量の推定精度を向上させることで、燃料噴射量の位相を合わせることが可能となる。

また、図８（ｂ）に示すように、従来は、位相合わせができないことで、空燃比のリッチエラーを生じ、これが失火の原因となっていたのに対し、本発明では、位相を合わせることで、空燃比を安定させることができる。

次に本発明の他の実施形態について説明する。

図９は他の実施形態（１）のシリンダ充填空気量算出のブロック図である。

この実施形態では、前記第１〜第３の補正係数算出手段１０５〜１０７及びシリンダ充填空気量補正係数算出手段（乗算器）１０８に代え、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて、第１〜第３の補正係数の積に相当する単一の補正係数Ｋtrm を算出するシリンダ充填空気量補正係数算出手段１１１を設けている。

予め、図５〜図７の第１〜第３の補正係数Ｋ１〜Ｋ３の積に相当する値を、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとして、マップ化しておくのである。

ここで、図５の第１の補正係数Ｋ１は、エンジン回転数と吸気バルブ閉時期とをパラメータとしているが、吸気バルブ閉時期は基本的にエンジン負荷の減少に伴って進角するものであるから、吸気バルブ閉時期に代えてエンジン負荷を採用できる。また、図７の第２の補正係数Ｋ２は、エンジン負荷をパラメータとするので、問題はない。また、図８の第３の補正係数Ｋ３は、リフト量をパラメータとしているが、リフト量は基本的にエンジン負荷の減少に伴って減少するものであるから、リフト量に代えてエンジン負荷を採用できる。

よって、エンジン回転数とエンジン負荷とをパラメータとして、第１〜第３の補正係数Ｋ１〜Ｋ３の積に相当する単一の補正係数のマップを作成することは可能であり、簡素化できる。

図１０は他の実施形態（２）のシリンダ充填空気量算出のブロック図である。

この実施形態では、前記第１〜第３の補正係数算出手段１０５〜１０７及びシリンダ充填空気量補正係数算出手段（乗算器）１０８に代え、エンジン回転数と絞り係数Ｋlif とに基づいて、第１〜第３の補正係数の積に相当する単一の補正係数Ｋtrm を算出するシリンダ充填空気量補正係数算出手段１１２を設けている。

予め、図５〜図７の第１〜第３の補正係数Ｋ１〜Ｋ３の積に相当する値を、エンジン回転数と絞り係数Ｋlft とをパラメータとして、マップ化しておくのである。

ここで、図５の第１の補正係数Ｋ１は、エンジン回転数と吸気バルブ閉時期とをパラメータとしているが、吸気バルブ閉時期の進角に伴って絞り係数Ｋlftが変化するものであるから、吸気バルブ閉時期に代えて絞り係数Ｋlft を採用できる。また、図７の第２の補正係数Ｋ２は、エンジン負荷をパラメータとしているが、エンジン負荷の減少に伴ってリフト量が減少して絞り係数Ｋlftが変化するものであるから、エンジン負荷に代えて絞り係数Ｋlft を採用できる。また、図８の第３の補正係数Ｋ３は、リフト量をパラメータとしているが、リフト量の減少に伴って絞り係数Ｋlft が変化するものであるから、リフト量に代えて絞り係数Ｋlft を採用できる。

よって、エンジン回転数と絞り係数Ｋlft とをパラメータとして、第１〜第３の補正係数Ｋ１〜Ｋ３の積に相当する単一の補正係数のマップを作成することは可能であり、簡素化できる。

本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図 可変動弁装置の構成図 可変動弁装置によるバルブリフト特性図 シリンダ充填空気量算出のブロック図 第１の補正係数設定用マップの説明図 第２の補正係数設定用テーブルの説明図 第３の補正係数設定用テーブルの説明図 効果の説明図 他の実施形態（１）のシリンダ充填空気量算出のブロック部 他の実施形態（２）のシリンダ充填空気量算出のブロック図

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気マニフォルド
３ 電制スロットル弁
４ 吸気バルブ
５ シリンダ（燃焼室）
６ 燃料インジェクタ
７ 点火プラグ
８ 排気バルブ
２０ ＥＣＵ
２１ アクセルペダルセンサ
２２ クランク角センサ
２３ 圧力センサ
４９ ＶＥＬアクチュエータ
５１ ＶＴＣアクチュエータ
１０１ マニフォルド内密度算出手段
１０２ ＩＶＣ時シリンダ容積算出手段
１０３ 絞り係数算出手段
１０４ 実効シリンダ容積算出手段
１０５ 第１の補正係数算出手段
１０６ 第２の補正係数算出手段
１０７ 第３の補正係数算出手段
１０８ 実効シリンダ容積補正係数算出手段
１０９ 補正後実効シリンダ容積算出手段
１１０ シリンダ充填空気量算出手段
１１１ 実効シリンダ容積補正係数算出手段
１１２ 実効シリンダ容積補正係数算出手段

Claims (6)

1. 吸気バルブのリフト特性を変更可能な可変動弁装置を備える内燃機関において、吸気マニフォルド内密度と、シリンダ容積との積により、シリンダ充填空気量を算出する装置であって、
   吸気バルブ閉時期のシリンダ容積を算出する手段と、
   吸気バルブ部の開口面積に基づく絞り係数を算出する手段と、
   前記吸気バルブ閉時期のシリンダ容積と前記絞り係数との積により、実効シリンダ容積を算出する手段と、
   前記実効シリンダ容積に対する吸気脈動による第１の補正係数を算出する手段と、
   前記実効シリンダ容積に対する吸気バルブ部での圧力損失による第２の補正係数を算出する手段と、
   前記実効シリンダ容積に対する吸気バルブ部でのバルブ通過伝熱による第３の補正係数を算出する手段と、
   前記実効シリンダ容積に前記第１〜第３の補正係数を乗じて、補正後実効シリンダ容積を算出する手段と、を含んで構成され、
   前記シリンダ充填空気量算出用のシリンダ容積を、前記補正後実効シリンダ容積とすることを特徴とする内燃機関のシリンダ充填空気量算出装置。
2. 前記第１の補正係数算出手段は、機関回転数と吸気バルブ閉時期とに基づいて第１の補正係数を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のシリンダ充填空気量算出装置。
3. 前記第２の補正係数算出手段は、機関負荷に基づいて第２の補正係数を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関のシリンダ充填空気量算出装置。
4. 前記第３の補正係数算出手段は、吸気バルブのリフト量に基づいて第３の補正係数を算出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関のシリンダ充填空気量算出装置。
5. 前記第１〜第３の補正係数算出手段として、機関回転数と機関負荷とに基づいて、第１〜第３の補正係数の積に相当する単一の補正係数を算出する手段を設け、
   前記補正後実効シリンダ容積算出手段は、前記実効シリンダ容積に前記単一の補正係数を乗じて、補正後実効シリンダ容積を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のシリンダ充填空気量算出装置。
6. 前記第１〜第３の補正係数算出手段として、機関回転数と前記絞り係数とに基づいて、第１〜第３の補正係数の積に相当する単一の補正係数を算出する手段を設け、
   前記補正後実効シリンダ容積算出手段は、前記実効シリンダ容積に前記単一の補正係数を乗じて、補正後実効シリンダ容積を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のシリンダ充填空気量算出装置。

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