JP2013194586A - 内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部egr率の推定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃焼後の排気ガスがシリンダ内から排気管に排出されずにシリンダ内に残留した残留ガス量を示す指標である排気効率(吸気管内圧の1次関数)と、吸気管から、前記残留ガス分を除いてシリンダ内に入る空気量を示す指標である吸気効率(吸気管内圧の1次関数)と、に基づいて体積効率相当値と内部EGR率を算出する。
【選択図】図14
Description
燃料制御については、シリンダ吸入空気量に対して目標空燃比となる燃料量を噴射するように制御すればよいが、点火制御については、エンジン回転速度とシリンダ吸入空気量のみならず、他の要因(たとえば、エンジン温度、ノック発生状況、燃料性状、EGR量)に応じて出力が最大となる点火進角(MBT:Minimum Spark Advance for Best Torque)において制御する必要がある。
また、第2の従来装置として、吸気バルブおよび排気バルブのバルブ開閉タイミングを可変化する可変バルブタイミング機構(以下、「VVT:Variable Valve Timing」と略称する)を設け、そのバルブ開閉タイミングにより吸気バルブと排気バルブが同時に開いている状態であるオーバーラップ期間を変えることで、排気がシリンダ内に残留するEGR量(内部EGR)を制御する技術が知られている。さらに、上記第1および第2の技術を同時に用いる場合もある。
たとえば、同じ吸気管内圧でも、内部EGR量が多い場合にはシリンダ吸入空気量が少なくなるし、逆に、内部EGR量が少ない場合にはシリンダ吸入空気量が多くなると考えられるからである。
特許文献4(段落[0023]、[0024]、[0038]〜[0042]参照)においては、吸気管からシリンダに入る空気の体積効率相当値(体積効率補正係数Kv)を用い、単純な物理モデルでエンジンを好適に制御することにより、十分な精度でシリンダ吸入空気量を推定している。
しかしながら、いずれの公知文献においても、体積効率補正係数Kvと内部EGR率との関係を示唆する技術は開示されていない。
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態1について詳細に説明する。
図1はこの発明の実施の形態1に係る内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置を概略的に示す構成図であり、図2はこの発明の実施の形態1によるエンジンおよびエンジン制御部を概略的に示すブロック構成図である。
ECU20は、各種センサおよび各種アクチュエータとともにエンジン制御装置を構成しており、エンジン1の運転状態を示す各種センサからの検出情報に基づき、エンジン1の各種アクチュエータを制御する。
電子制御スロットル4には、電子的に開度を制御するためのスロットルアクチュエータと、電子制御スロットル4の開度を測定するためのスロットル開度センサ3とが設けられている。
吸気管を構成するインテークマニホールド6は、吸気バルブを介して、エンジン1のシリンダ内の燃焼室と連通している。
エキゾーストマニホールド13は、排気バルブを介して、エンジン1のシリンダ内の燃焼室と連通している。また、図示しないが、エキゾーストマニホールド13には、空燃比制御用のO2センサや、排気ガス浄化用の触媒が設けられている。
また、シリンダヘッドには、シリンダ内で火花を発生させる点火プラグを駆動するための点火コイル12が設けられている。
なお、体積効率補正係数算出手段22は、体積効率補正係数Kvの算出部のみならず、後述するように、内部EGR率Regrを算出する内部EGR率算出部の機能を有している。
また、ここでは図示しない他の各種センサ(アクセル開度センサやクランク角度センサなど)からも、ECU20に各種測定値が入力される。
まず、エンジン1の行程数nの関数として、各パラメータQa(n)、Qc(n)、T(n)[s]、Vs[cm^3]、Vc[cm^3]、ρb(n)[g/cm^3]およびKv(n)を、以下のように定義する。
さらに、Kv(n)は、インマニからシリンダに入る空気の体積効率補正係数である。
式(3)により、AFS2にて計測される吸入空気量Qa(n)T(n)から、シリンダ吸入空気量Qc(n)T(n)を高精度に算出することができる。
式(3)をさらに変形すると、以下の式(4)が得られる。
ここでは、所定クランク角度ごとの割込み処理を、たとえばBTDC5degCA割込み処理(以下、「B05処理」という)とする。
図3において、ECU20内のシリンダ吸入空気量算出手段21は、まず、1行程間の実吸入空気量Qa(n)T(n)[g]を算出する(ステップ301)。
なお、AFS2が体積流量計の場合には、標準大気密度、大気圧および吸気温に基づき体積を質量に変換することにより、算出することができる。
続いて、シリンダ吸入空気量算出手段21は、式(3)内のフィルタ定数Kの算出式にしたがい、フィルタ定数Kを算出する(ステップ303)。
なお、式(3)内の1行程前(前回)の体積効率補正係数Kv(n−1)については、ステップ302での1行程前の体積効率補正係数Kv(n−1)を記憶しておき(ステップ305)、この前回値を用いることにより、ステップ304の処理を可能にしている。
このように、体積効率補正係数Kv(n)を用いた単純な演算により、高精度に実シリンダ吸入空気量Qc(n)T(n)[g]を算出することができる。
前述の通り、体積効率補正係数Kvは、インマニからシリンダに入る空気の体積効率相当値であり、一般的な固定バルブタイミングのエンジンであれば、パーシャル(部分負荷)域では、約60〜80%程度、WOT(Wide Open Throttle、全負荷)域では、80〜90%程度の値となるが、吸気VVT10および排気VVT11を備えた可変バルブタイミングのエンジン1では、バルブタイミングに応じて、さらに大きな範囲で変化する。
(A)バルブの開口時間が短い
吸気/排気バルブの動作期間は限られる(約180[degCA]程度)ので、隙間容積分を残して排気が終了する前に、また、行程容積分の新気(吸気管を通して吸入される燃焼前の空気)を吸入する前に、空気流動の途中でバルブが閉じてしまう。
吸気/排気バルブのリフト分しか開口面積がないので、気筒内から排出される排気ガスの流量、気筒内に吸入される新気の流量が所定流量に制限されてしまう。
排気バルブの閉成後に気筒内に残っていたガスや、内部EGR(吸気ポートに流出した残留ガス)が、気筒内で膨張してインマニ圧以下になるまでは吸気バルブ側から新気を吸入しない。
パーシャル域のオーバーラップ時は、「インマニ圧<筒内圧」となり、吹き返し(気筒内から吸気ポートへの内部EGRの流出)が発生し、この吹き返した分を再吸入するまで新気は吸入されない。
インマニ内では、吸気バルブ開閉の影響により常時圧力脈動が発生しており、WOT域のオーバーラップ中のタイミングで、「インマニ圧(ポート部圧力)>筒内圧」となった場合には、吹き抜け(気筒内の残留ガスを新気が押し出すことにより、新気量が増大して内部EGR量が低下すること)が発生する。
また、通常検討し得る厳密な物理モデルと、エンジン試験より採取した実験データとに基づく検討によっても、厳密な物理モデルとして解く場合には、未知の物理量が多いことから良好な結果を得ることはできない。
以下、この発明の実施の形態1による単純な物理モデルについて詳細に説明する。
この発明の実施の形態1においては、排気終了時点(排気バルブの閉成時)における燃焼後の排気ガスが、シリンダ内からエキゾーストマニホールド13(排気管)に排出されずにシリンダ内に残留した残留ガス量を示す指標である排気効率と、吸気終了時点(吸気バルブの閉成時)における、吸気管からの、残留ガス分を除いてシリンダ内に入る新気量を示す指標である吸気効率とに基づいて、体積効率補正係数Kvを算出する。
図4はこの発明の実施の形態1による気筒内の状態を模式的に示す説明図であり、図4(a)は排気バルブの閉成時、図4(b)は新気吸入開始時、図4(c)は吸気行程終了時における状態をそれぞれ示している。
設計上の排気バルブ閉タイミングの前後において、排気ポート側に排気の流出が完全に停止するタイミング(有効排気バルブの閉成時)がある。
この有効排気バルブの閉成時で気筒内に残る残留ガスの圧力も、排気ポート側の圧力すなわち排圧Pex(≒大気圧Pa)とは厳密には異なるので、有効排気バルブ閉成時の筒内容積Vexo[cm^3]および筒内圧Pexoを定義する。
さらに、気筒内最大容積(下死点での容積)Vmax[cm^3]および隙間容積(上死点での容積)Vmin[cm^3]を定義する。
吸気行程において、気筒内に残る内部EGRが膨張してインマニ圧Pb以下になるまでは、新気を吸入しないと考えられるので、新気吸入開始時(筒内圧がインマニ圧と等しくなった時点)での、内部EGRが占める筒内容積Vegroは、ポリトロープ(polytrope)数nを用いて、以下の式(5)で表される。
以上のことから、吸気行程終了時に最終的に吸入されている実新気容積Vnew’(図4(c)の右側参照)は、以下の式(9)で表される。
まず、図4(c)において、吸気行程終了時の気筒内密度ρin(n)[g/cm^3]および吸気行程終了時の筒内圧Pin(n)[kPa]を定義する。
このとき、1行程間のシリンダ吸入空気量Qc(n)T(n)は、気体定数Rを用いて、以下の式(10)で表される。
このとき、気筒内の各容積と圧縮比εとの関係は、以下の式(12)で表される。
吸気効率Kinおよび排気効率Kexを算出するためには、エンジン回転速度Neと、インマニ圧と、吸気VVT10および排気VVT11の位相角とのマップ、として記憶しておく方法が考えられる。
以下、この発明の実施の形態1による吸気効率Kinおよび排気効率Kexの近似的な算出処理について詳細に説明する。
図5は筒内圧センサ(図示せず)で計測した筒内圧と筒内容積との関係(P−V線図、両対数表示)の一例を示す説明図である。
ここで、燃焼をともなわない圧縮行程での状態変化は、ポリトロープ変化として知られており、一般に次式で表される。
図5から明らかなように、燃焼前の状態変化は、両対数の座標系で考えると、破線領域のように、傾きが−n(nはポリトロープ指数≒1.3〜1.4)の1次関数で表される。
図6において、横軸はインマニ圧ピーク値(所定クランク角度間、たとえばB05間の最大値)Pbp[kPa]、横軸は吸気行程終了時の筒内圧Pin[kPa]であり、吸気VVT10の位相角InVVTを表す数値IN(=0、25、45)の違いに応じた特性を、それぞれ黒菱形、黒四角、黒三角の点に沿った多項式で示している。
そこで、以下の説明では、インマニ圧Pbとして、インマニ圧ピーク値Pbpを用いるものとする。
図6の特性(多項式)から明らかなように、吸気行程終了時の筒内圧Pinは、排気VVT11に関わらず、吸気VVT10ごとに、原点を通るインマニ圧ピーク値Pbpの2次関数で近似可能なことが分かる。
このとき、吸気行程終了時の筒内圧Pinは、以下の式(18)のように表される。
このような形で圧力比Pin/Pbpを算出可能な理由は、圧力比Pin/Pbpが、インマニ圧ピーク値Pbpが所定値であるときに、どれくらいの圧力比で気筒内にガスを押し込めるかを示す指標である、と言えるからである。
以上により、未知数がなくなるので、式(16)から吸気効率Kinの近似的な算出が可能となる。
まず、式(13)において、排気効率Kexを以下の式(20)のように定義する。
また、内部EGR率Regrを用いて算出される筒内温度Tin(式(19)参照)も使用する必要がある。
排気効率Kexが算出されれば、内部EGR率Regrは、式(15)から算出可能となり、筒内温度Tinは、式(19)から算出可能となる。
そこで、式(23)を用いて排気効率Kexをあらかじめ算出しておき、排気効率Kexを近似的に算出する。
なお、図7は、図6と同様に、排気VVT11を考慮していないので、排気VVT11に関わらず、吸気VVT10のみで整理した図である。
ただし、図6とは異なり、図7においては、排気VVT11によっても異なる傾向があることが示されている。
そこで、排気効率Kexを線形近似し、Pbp=100[kPa]以上の落ち込み部については、別途に補正することとする。
図8から明らかなように、インマニ圧ピーク値Pbpは、45〜95[kPa]程度までは1次関数で良好に近似できることが分かる。
図10は排気効率Kexの算出値(図7)と排気効率Kexの線形近似値(図9)との誤差ΔKexを示す説明図であり、横軸はインマニ圧ピーク値Pbp[kPa]、縦軸は排気効率誤差ΔKexである。
また、図10に示すように、排気効率誤差ΔKexは、各位相角InVVT、ExVVTに関わらず、ほぼ一定である。
よって、図10に示す多項式近似した排気効率誤差をΔKex用いて、線形近似値を補正することにより、排気効率Kexを良好に算出することができる。
図11は排気効率Kexの算出部を示す機能ブロック図であり、図12は内部EGR率Regrおよび吸気効率Kinの算出部を示す機能ブロック図であり、図13は体積効率補正係数Kvの算出部を示す機能ブロック図である。
図11において、排気効率Kexの算出部は、エンジン回転速度Neと吸気VVT10の位相角InVVTとのマップに基づくKex算出ゲイン設定部401と、エンジン回転速度Neと吸気VVT10の位相角InVVTとのマップに基づくKex算出オフセット設定部403と、エンジン回転速度Neとインマニ圧比(ピーク値)Rppとのマップに基づくKex補正量設定部405と、Kex算出ゲインの設定値にインマニ圧比(ピーク値)Rppを乗算する乗算器402と、Kex算出オフセットの設定値と乗算器402の乗算結果とを加算する加算器404と、Kex補正量(ΔKex)の設定値と加算器404の加算結果とを加算して排気効率Kexを算出する加算器406と、を備えている。
これにより、エンジン1の制御中に取得されるエンジン回転速度Ne、各位相角InVVTおよびExVVTに基づき、上記マップ値とマップ値間を補間することにより、排気効率Kexを算出するための係数となるKex算出ゲインおよびKex算出オフセットを算出することができる。
なお、図11の演算においては、インマニ圧ピーク値Pbpとして、インマニ圧ピーク値Pbpを大気圧Paで正規化したインマニ圧比(ピーク値)Rppを用いているが、インマニ圧ピーク値Pbpをそのまま用いてもよい。
Kex補正量のマップデータとしては、図10に示した排気効率誤差ΔKexが設定されている。
以上により、単純な演算と少ないデータ数とにより、排気効率Kexを算出することができる。
図12において、内部EGR率Regrおよび吸気効率Kinの算出部は、排気効率Kexを圧縮比εで除算する除算器501と、エンジン回転速度Neとインマニ圧比(ピーク値)Rppとのマップに基づく排温設定部502と、除算器501の除算結果、排温Texおよびインマニ温Tbに基づく筒内温度算出部503と、エンジン回転速度Neと吸気VVT10の位相角InVVTとのマップに基づくPin算出ゲイン設定部504と、エンジン回転速度Neと吸気VVT10の位相角InVVTとのマップに基づくPin算出オフセット設定部505と、インマニ圧ピーク値Pbpと各設定部504、505からのPin算出ゲインおよびPin算出オフセットの設定値とに基づく圧力比算出部506と、インマニ温Tbと各算出部503、506からの算出結果(筒内温度Tin、圧力比Pin/Pbp)に基づく吸気効率算出部507と、を備えている。
または、マップを用いずに、別途にエンジン制御で算出される熱効率のような指標を用いて排温Texを計算してもよく、さらに簡単には、排温Texを固定値(たとえば、800℃程度)としてもよい。
最後に、吸気効率算出部507は、吸気行程終了時の筒内温度Tin、インマニ温Tbおよび圧力比Pin/Pbpに基づき、前述の式(18)を用いて吸気効率Kinを算出する。
図13において、体積効率補正係数Kvの算出部は、体積効率補正係数算出部601を備えている。
このように、シリンダ吸入空気量算出手段21内の体積効率補正係数算出手段22において、体積効率補正係数Kvおよび内部EGR率Regrを算出することができる。
また、内部EGR率推定手段(図12、図14)は、排気効率Kexに基づいて内部EGR率Regrを算出する。
この場合、シリンダ吸入空気量算出手段21(シリンダ吸入空気量推定手段)は、吸入空気量、体積効率補正係数Kv(体積効率相当値)および物理モデルに基づいて、シリンダ内に実際に吸入されるシリンダ吸入空気量Qc(n)T(n)を推定する。
上記構成によれば、体積効率補正係数Kv(体積効率相当値)および内部EGR率Regrを式(15)により算出するので、理論に基づき、高精度に体積効率相当値および内部EGR率を推定することが可能となる。
上記構成によれば、式(16)により吸気効率Kinを算出するので、理論に基づき、高精度に吸気効率Kinを推定することが可能となる。
上記構成によれば、式(16)内の圧力比Pin/Pbを、吸気管内圧の1次関数として近似するので、少ない適合定数および少ない演算負荷で、エンジン1を好適に制御するために十分な精度で吸気効率を推定することが可能となる。
上記構成によれば、式(20)により排気効率Kexを算出するので、理論に基づき、高精度に排気効率Kexを推定することが可能となる。
なお、上記実施の形態1(図1、図2)では、吸気VVT10および排気VVT11を備えたエンジン1において、吸気管の電子制御スロットル4の上流側に設けられたAFS2により空気量を計測するAFS方式の構成例を示したが、AFS2を用いずに、図15および図16のように、エンジン1のインマニ圧Pb(吸気管内圧)を計測するインマニ圧センサ7を設け、インマニ圧センサ7により計測されるインマニ圧Pbとエンジン回転速度Neとから、シリンダに吸入される空気量を推定するS/D(Speed/Density)方式の構成を用いてもよい。
図15、図16において、前述(図1、図2参照)と同様のものについては、前述と同一符号が付され、前述と対応するものについては、符号の後に「A」が付されている。
図15および図16において、図1および図2との相違点は、エンジン1の吸気系の上流側に吸入空気量を測定するAFS2が設けられていない点のみである。
また、電子制御スロットル4には、開度を測定するためのスロットル開度センサ3が設けられている。
また、シリンダヘッドには、シリンダ内で火花を発生させる点火プラグを駆動するための点火コイル12が設けられている。さらに、エキゾーストマニホールド13には、図示しないO2センサや触媒が設けられている。
また、上記以外の各種センサ(図示しないアクセル開度センサやクランク角度センサなど)からもECU20Aに測定値が入力される。
ECU20Aは、シリンダ吸入空気量算出手段21Aで算出されたシリンダ吸入空気量に基づき、インジェクタ9および点火コイル12を駆動制御する。
S/D方式の場合、AFS2を用いておらず、吸入空気量Qa(n)T(n)を計測することができないので、以下の式(25)で表される空燃比A/Fを用いることにより、エンジン制御定数の適合時に、体積効率補正係数Kvを算出することが可能である。
図17において、シリンダ吸入空気量算出手段21Aは、まず、1行程間のインマニ圧平均値Pb(n)[kPa]を算出する(ステップ701)。
ステップ702の処理は、体積効率補正係数算出手段22Aに相当し、体積効率補正係数算出手段22A内の体積効率補正係数Kv(n)の算出部は、前述(図13参照)と同じ演算処理を行う。
図17のように、体積効率補正係数Kv(n)を用いた単純な演算処理により、高精度に実シリンダ吸入空気量Qc(n)T(n)[g]の算出を行うことができる。
また、実シリンダ吸入空気量の算出の過程で必要となる体積効率補正係数Kvは、近似的に算出することにより、膨大なメモリ容量を必要とせず、少ない適合定数と少ない演算負荷でエンジン1を好適に制御するために十分な精度で算出することができるとともに、同時に内部EGR率Regrをも算出することができる。
また、内部EGR率推定手段は、排気効率Kexに基づいて内部EGR率Regrを算出する。
この場合、シリンダ吸入空気量算出手段21A(シリンダ吸入空気量推定手段)は、吸気管内圧および体積効率補正係数Kv(体積効率相当値)に基づいてシリンダ内に実際に吸入される空気量を推定する。
さらに、インマニ圧Pb(吸気管内圧)として、エンジン1(内燃機関)の所定クランク角度間のインマニ圧ピーク値Pbp(吸気管内圧の最大値)が用いられるので、高精度に体積効率補正係数Kv(体積効率相当値)を推定することが可能となる。
Claims (9)
- スロットルバルブの下流側の吸気管に設けられた内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率を推定するために、
前記吸気管から前記シリンダ内に入る空気量を示す指標である体積効率相当値を算出する体積効率相当値算出手段と、
前記体積効率相当値を用いて前記シリンダ内に実際に吸入される空気量を推定するシリンダ吸入空気量推定手段と、
前記体積効率相当値を算出するための内部変数に基づいて内部EGR率を推定する内部EGR率推定手段と、
を備えた内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置において、
前記体積効率相当値算出手段は、
燃焼後の排気ガスが前記シリンダ内から排気管に排出されずに前記シリンダ内に残留した残留ガス量を示す指標である排気効率と、
前記吸気管からの、前記残留ガス分を除いて前記シリンダ内に入る空気量を示す指標である吸気効率と、に基づいて前記体積効率相当値を算出し、
前記内部EGR率推定手段は、前記排気効率に基づいて前記内部EGR率を算出することを特徴とする内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置。 - 前記スロットルバルブの上流側に設置され、前記スロットルバルブを通過して前記内燃機関に吸入される吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
前記スロットルバルブを通過した空気が前記シリンダ内に入るまでの吸気系の応答遅れをモデル化した物理モデルと、を備え、
前記シリンダ吸入空気量推定手段は、前記吸入空気量、前記体積効率相当値および前記物理モデルに基づいて、前記シリンダ内に実際に吸入される空気量を推定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置。 - 前記吸気管内の圧力を吸気管内圧として検出する吸気管内圧検出手段を備え、
前記シリンダ吸入空気量推定手段は、前記吸気管内圧および前記体積効率相当値に基づいて前記シリンダ内に実際に吸入される空気量を推定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置。 - 前記吸気効率の算出に用いられる、前記吸気行程終了時の筒内圧Pinと前記吸気管内圧Pbとの圧力比Pin/Pbは、前記吸気管内圧の1次関数として近似されることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置。
- 前記排気効率は、前記吸気管内圧の1次関数として近似されることを特徴とする請求項7に記載の内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置。
- 前記吸気管内圧として、前記内燃機関の所定クランク角度間の吸気管内圧の最大値が用いられることを特徴とする請求項5から請求項8までのいずれか1項に記載の内燃機関のシリンダ吸入空気量および内部EGR率の推定装置。
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