JP4321294B2 - 内燃機関のシリンダ吸入空気量算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ吸入空気量を算出する装置に関する。

特許文献１には、可変動弁内燃機関のシリンダ吸入空気量算出装置において、マニホールド部へ流入する空気量と、マニホールド部からシリンダ部へ流出するシリンダ吸入空気量との収支計算によりマニホールド部内の空気量を算出しつつ、マニホールド部内の空気量と、吸気弁の閉時期における補正後のシリンダ容積とに基づいてシリンダ吸入空気量を算出することが記載されている。

また、特許文献２には、内燃機関のシリンダ吸入空気量算出装置において、マニホールド部への空気の流入量と流出量との収支計算によりマニホールド部内の質量空気量を算出しつつ、シリンダに吸入される質量空気量を算出する一方、余分な空気量を差し引く補正を行って内燃機関停止時のマニホールド部内の質量空気量を算出し、この値を用いて再始動時におけるマニホールド部内の質量空気量の初期値を算出することが記載されている。
特開２００１−５００９１号公報 特開２００２−３７１８９４号公報

しかしながら、これらの文献に記載された装置においては、シリンダ圧力が一定であることが前提となってシリンダ吸入空気量を算出しているため、可変動弁システムのような場合において、低リフト時やバルブの遅閉じ若しくは早閉じの時にはマニホールド部内の圧力が変化するため、シリンダ吸入空気量の算出結果に誤差が生じていた。
本発明は、このような問題に着目してなされたもので、シリンダ吸入空気量を精度良く算出することを目的とする。

そのため本発明では、マニホールド部への流入空気量及びシリンダ吸入空気量の前回値であるマニホールド部からの流出空気量の収支に基づいてマニホールド内空気量を算出するマニホールド内空気量算出手段と、少なくとも前記マニホールド内空気量に基づいてマニホールド内圧を算出するマニホールド内圧算出手段と、吸気弁の開閉時期及びリフト量に応じて変化する前記マニホールド部からの流出空気量とシリンダ内残ガス量とに基づいてシリンダ内圧を算出するシリンダ内圧算出手段と、前記マニホールド内圧及び前記シリンダ内圧に基づいて前記シリンダ吸入空気量を算出するシリンダ吸入空気量算出手段と、を備える。

本発明によれば、シリンダ吸入空気量が変化する場合、例えばバルブタイミングが変化する場合、または低リフト時の吸気弁前後差圧が変化する場合などにおいても、この変化に対応してシリンダ吸入空気量を精度良く算出することができるという効果がある。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、内燃機関の構成図である。なお、図１には、シリンダ吸入空気量を算出するための各パラメータを示している。
内燃機関１の各気筒のピストン２により画成される燃焼室３には、点火栓４を囲むように、電磁駆動式の吸気弁５及び排気弁６を備えている。７は吸気通路、８は吸気通路中に配設されるマニホールド部、９は排気通路である。

吸気弁５及び排気弁６は、これらの開閉時期及びリフト量を任意に変更可能な電磁式の可変動弁装置５ａ，６ａにより制御される。なお、図１では、電磁式の可変動弁装置５ａ，６ａを示しているが、カムとリフタとを備える機械的な可変動弁機構により吸気弁５及び排気弁６の開閉時期及びリフト量を任意に制御可能としてもよい。
吸気通路７には、マニホールド部８の上流に、電制スロットル弁１０が設けられている。吸気通路７にはまた、各気筒毎の吸気ポート部分に、電磁式の燃料噴射弁１１が設けられている。

ここにおいて、点火栓４、可変動弁装置５ａ，６ａ、電制スロットル弁１０及び燃料噴射弁１１の作動は、コントロールユニット１２（図には「ＥＣＵ」と示す）により制御される。
このコントロールユニット１２には、内燃機関回転に同期してクランク角信号を出力することによりクランク角位置Ｃａと共に内燃機関回転速度Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１３、アクセル開度（アクセルペダル踏込み量）を検出するアクセルペダルセンサ１４、吸気通路７のスロットル弁１０上流にてマニホールド部８への流入空気量（質量流量；ｇ）Ｑａを計測する熱線式のエアフローメータ１５、マニホールド部８内の温度Ｔｍ（Ｋ）を検出する温度センサ１６、排気通路９の排気圧力Ｐｅｘ（Ｐａ）を検出する排気圧力センサ１７等からの信号が入力される。

燃料噴射弁１１の燃料噴射時期及び燃料噴射量は、内燃機関運転条件に基づいて制御するが、燃料噴射量は、基本的には、エアフローメータ１５により計測される流入空気量（質量流量）Ｑａに基づいて後述のごとく算出されるシリンダ吸入空気量（シリンダ部空気質量）Ｃｃに対し、所望の空燃比となるように制御する。
点火栓４による点火時期は、エンジン運転条件に基づいて、ＭＢＴ（トルク上の最適点火時期）又はノック限界に制御する。

次に、燃料噴射量等の制御のためのシリンダ吸入空気量（シリンダ部空気質量）Ｃｃの算出について、図２の制御ブロックを用いて説明する。
本発明のシリンダ吸入空気量算出装置は大別して、マニホールド内空気量算出手段２０及びマニホールド内圧算出手段２１から構成されるマニホールド内部モデルと、シリンダ内圧算出手段２２及びシリンダ吸入空気量算出手段２３から構成されるシリンダ内部モデルとからなる。マニホールド内部モデル及びシリンダ内部モデルにより内燃機関１のシリンダ吸入空気量Ｃｃを算出する。

マニホールド内流量算出手段２０は、エアフローメータ１５の出力信号に基づいて算出されるマニホールド部８への流入空気量Ｑａと、シリンダ吸入空気量の前回値Ｃｃ（ｎ−１）であるマニホールド部８からの流出空気量（質量流量；ｇ）との収支に基づいてマニホールド内空気量Ｃｍ（ｇ）を算出する。
マニホールド内圧算出手段２１は、マニホールド内空気量Ｃｍ及び吸気温度Ｔｍ（マニホールド部８内の気体温度）に基づいてマニホールド部８内の圧力Ｐｍ（Ｐａ）を算出する。

マニホールド部８内の圧力Ｐｍは、次式に示す通り、マニホールド内空気量Ｃｍ、ガス定数Ｒ及び吸気温度Ｔｍを乗算して、これからマニホールド容積Ｖｍ（ｍ³）を除算することで算出する。
Ｐｍ＝Ｃｍ・Ｒ・Ｔｍ／Ｖｍ ・・・（１）
シリンダ内圧算出手段２２は、クランク角センサ１３により検出したクランク角Ｃａに対応したシリンダ内圧Ｐｃ（Ｐａ）を算出する。このため、シリンダ内圧算出手段２２には、流出空気量Ｃｃ（ｎ−１）及びクランク角Ｃａが入力される。

シリンダ内圧Ｐｃは、次式に示す通り、後述するシリンダ内空気量Ｗｃ（シリンダ内残ガス量）をシリンダ体積Ｖｃ（ｍ³）で除算して算出する。
Ｐｃ＝Ｗｃ／Ｖｃ ・・・（２）
シリンダ吸入空気量算出手段２３は、温度センサ１６による吸気温度Ｔｍと、マニホールド内圧算出手段２１及びシリンダ内圧算出手段２２の算出結果Ｐｍ、Ｐｃとに基づいてシリンダ吸入空気量Ｃｃを算出する。

シリンダ吸入空気量Ｃｃは、κを所定値、Ａｉを吸気弁５の開口面積として次式により算出する。

ここで算出されたシリンダ吸入空気量Ｃｃは、次回のシリンダ吸入空気量Ｃｃを算出する場合の前回値である流出空気量Ｃｃ（ｎ−１）となる。
更に、シリンダ吸入空気量Ｃｃを算出した後は、これを吸気弁５の開口面積Ａｉ及びシリンダ内気体密度ρで除算することで、次式に示すようにしてシリンダ吸入流速Ｖｉ（吸気弁通過流速）を算出する。これにより壁流を予測するためである。

Ｖｉ＝Ｃｃ／Ａｉ・ρ ・・・（４）
次に、シリンダ吸入空気量Ｃｃの算出について、図３のシリンダ吸入空気量算出フローを用いて説明する。なお、この処理は所定時間毎に行われる。
ステップ１（図では「Ｓ１」と示す。以下同様）では、温度センサ１６により検出されたマニホールド部８内の吸気温度Ｔｍを読み込む。これが吸気温度Ｔｍを算出する温度算出手段に相当する。

ステップ２では、マニホールド部への流入空気量Ｑａ及びマニホールド部８からの流出空気量Ｃｃ（ｎ−１）の収支に基づいてマニホールド部８内の空気量Ｃｍを算出する。これがマニホールド内空気量算出手段２０に相当する。
ステップ３では、マニホールド部８内の圧力Ｐｍを算出する。この圧力Ｐｍの算出は、前述の（１）式によりマニホールド内空気量Ｃｍ、吸気温度Ｔｍ及びマニホールド容積Ｖｍに基づいて算出する。これがマニホールド内圧算出手段２１に相当する。

ステップ４では、前述の（２）式によりシリンダ内空気量Ｗｃ及びシリンダ体積Ｖｃに基づいてシリンダ内圧Ｐｃを算出する。これがシリンダ内圧算出手段２２に相当する。
ステップ５では、前述の（３）式により吸気温度Ｔｍ、マニホールド内圧Ｐｍ及びシリンダ内圧Ｐｃに基づいてシリンダ吸入空気量Ｃｃを算出する。これがシリンダ吸入空気量算出手段２４に相当する。

ステップ６では、前述の（４）式によりシリンダ吸入空気量Ｃｃ及び吸気弁５の開口面積Ａｉに基づいてシリンダ吸入流速Ｖｉを算出する。これがシリンダ吸入流速算出手段に相当する。シリンダ吸入流速Ｖｉは、マニホールド部８及びシリンダにおける内部圧力を考慮しているため、精度良く算出できる。そして、シリンダ吸入流速Ｖｉを算出することで、燃料噴射弁１１から噴射されて吸気弁５の傘部に付着する燃料（壁流）の影響を考慮することが可能となる。

次に、シリンダ内圧Ｐｃの算出について、図４のシリンダ内圧算出フローを用いて説明する。なお、この処理は所定時間毎に行われる。
ステップ１１では、排気弁６の閉時期ＥＶＣを検出する。この閉時期ＥＶＣの検出は、排気弁６にリフトセンサを設けて直接的に検出してもよいが、コントロールユニット１１での制御上の指令値を用いてもよい。

ステップ１２では、排気弁６が閉時期ＥＶＣであるか否かを判定する。閉時期ＥＶＣである場合にはステップ１３へ進む。一方、閉時期ＥＶＣでない場合にはステップ１５へ進む。なお、クランク角センサ１３が出力する信号に基づいて閉時期ＥＶＣの判定を行ってもよい。
ステップ１３では、シリンダ内圧Ｐｃを排気圧力センサ１７により検出した排気圧力Ｐｅｘとする。

ステップ１４では、シリンダ内空気量Ｗｃをシリンダ内残ガス量（内部ＥＧＲ量）とする。このシリンダ内残ガス量は、例えば特願２００２−２７２６７０号に記載のようにして算出する。
先ず、排気弁６の閉時期ＥＶＣにおいて、排気温度センサ、吸気圧力センサ、排気圧力センサ１７の信号に基づいて、筒内温度Ｔｃ、筒内圧力Ｐｃを算出し、燃焼空燃比に応じた排気ガスのガス定数を算出し、筒内ガス量を算出する。そして、クランク角センサ１３、水温センサ、カム角センサ、アクセルペダルセンサ１４の信号に基づいて、吸気弁５の開時期及び排気弁６の開時期のオーバーラップ中における吹き返しガス量を算出する。そして、筒内ガス量と吹き返しガス量との算出値に基づいて、シリンダ内残ガス量を算出する。

なお、排気圧力Ｐｅｘに基づいて筒内圧力Ｐｃを算出し、更に排気ガス温度及びガス定数を各々算出して、少なくともこれらに基づいて、排気弁６の閉時期ＥＶＣの筒内残ガス量を算出する一方、オーバーラップ中の吹き返しガス量を算出し、筒内ガス量と吹き返しガス量とに基づいて、シリンダ内残ガス量を算出してもよい。
また、排気弁６の閉時期ＥＶＣの筒内温度推定値、筒内圧力Ｐｃ、及びガス定数を各々算出して、少なくともこれらに基づいて、排気弁６の閉時期ＥＶＣの筒内ガス量を算出し、オーバーラップ中の吹き返しガス量を算出する一方、筒内温度推定値を、機関の定常状態での筒内平衡温度を算出し、筒内平衡温度の変化に対し時間遅れを持たせて算出し、筒内ガス量と吹き返しガス量とに基づいて、シリンダ内残ガス量を算出してもよい。

ステップ１５では、シリンダ内空気量Ｗｃの前回値Ｗｃ（ｎ−１）に、ステップ５にて算出した流入空気量Ｃｃ（ｎ−１）を加算することで現在のシリンダ内空気量Ｗｃを算出する。
ステップ１６では、ピストン２の移動距離ΔＳＴとピストン冠面面積Ａｃとを乗算し、この値をシリンダ体積Ｖｃの前回値Ｖｃ（ｎ−１）に加算することで現在のシリンダ体積Ｖｃを算出する。

ステップ１７では、シリンダ内空気量Ｗｃをシリンダ体積Ｖｃで除算することで現在のシリンダ内圧Ｐｃを算出する。
本実施形態によれば、マニホールド部８への流入空気量Ｑａ及びマニホールド部８からの流出空気量Ｃｃ（ｎ−１）の収支に基づいてマニホールド内空気量Ｃｍを算出するマニホールド内空気量算出手段（２０、ステップ２）と、少なくともマニホールド内空気量Ｃｍに基づいてマニホールド内圧Ｐｍを算出するマニホールド内圧算出手段（２１、ステップ３）と、シリンダ内部の気体状態に影響を与えるパラメータであるシリンダ体積Ｖｃ、排気圧力Ｐｅｘ、シリンダ内空気量Ｗｃの少なくとも１つに基づいてシリンダ内圧Ｐｃを算出するシリンダ内圧算出手段（２２、ステップ４，１７）と、マニホールド内圧Ｐｍ及びシリンダ内圧Ｐｃに基づいてシリンダ吸入空気量Ｃｃを算出するシリンダ吸入空気量算出手段（２３、ステップ５）と、を備える。このため、シリンダ吸入空気量Ｃｃが変化する場合、例えばバルブタイミングが変化する場合、または低リフト時の吸気弁前後差圧が変化する場合などにおいても、この変化に対応してシリンダ吸入空気量Ｃｃ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、吸気温度Ｔｍを算出する温度算出手段（１６、ステップ１）を備え、マニホールド内圧算出手段（２１、ステップ３）は、マニホールド内空気量Ｃｍ及び吸気温度Ｔｍに基づいてマニホールド内圧Ｐｍを算出する。このため、マニホールド内空気量Ｃｍ及び吸気温度Ｔｍに基づいてマニホールド部８内の圧力Ｐｍを精度良く算出することができ、シリンダ吸入空気量Ｃｃも更に精度良く算出できる。

また本実施形態によれば、吸気温度Ｔｍを算出する温度算出手段（１６、ステップ１）を備え、シリンダ吸入空気量算出手段（２３、ステップ５）は、マニホールド内圧Ｐｍ、シリンダ内圧Ｐｃ及び吸気温度Ｔｍに基づいてシリンダ吸入空気量Ｃｃを算出する。このため、（３）式に示すようにして計算によりシリンダ吸入空気量Ｃｃが算出できる。
また本実施形態によれば、マニホールド内空気量算出手段（２０、ステップ２）は、エアフローメータ１５に基づいてマニホールド部への流入空気量Ｑａを算出する。このため、新たな測定装置を設ける必要がなくなる。

また本実施形態によれば、シリンダ吸入空気量Ｃｃに基づいてシリンダ吸入流速Ｖｉを算出するシリンダ吸入流速算出手段を備える。このため、（４）式に示すようにして計算によりシリンダ吸入流速Ｖｉが算出でき、壁流の影響を予測できる。

内燃機関の構成図 制御ブロック図 シリンダ吸入空気量算出フロー シリンダ内圧算出フロー

符号の説明

１ 内燃機関
５ 吸気弁
６ 排気弁
７ 吸気通路
８ マニホールド部
１１ 燃料噴射弁
１２ コントロールユニット
１３ クランク角センサ
１４ アクセルペダルセンサ
１５ エアフローメータ
１６ 温度センサ
１７ 排気圧力センサ
２０ マニホールド内空気量算出手段
２１ マニホールド内圧算出手段
２２ シリンダ内圧算出手段
２３ シリンダ吸入空気量算出手段

Claims (5)

1. 吸気弁の開閉時期及びリフト量を任意に変更可能な可変動弁装置を備える内燃機関のシリンダ吸入空気量算出装置であって、
   マニホールド部への流入空気量及びシリンダ吸入空気量の前回値であるマニホールド部からの流出空気量の収支に基づいてマニホールド内空気量を算出するマニホールド内空気量算出手段と、
   少なくとも前記マニホールド内空気量に基づいてマニホールド内圧を算出するマニホールド内圧算出手段と、
   吸気弁の開閉時期及びリフト量に応じて変化する前記マニホールド部からの流出空気量とシリンダ内残ガス量とに基づいてシリンダ内圧を算出するシリンダ内圧算出手段と、
   前記マニホールド内圧及び前記シリンダ内圧に基づいて前記シリンダ吸入空気量を算出するシリンダ吸入空気量算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のシリンダ吸入空気量算出装置。
2. 吸気温度を算出する温度算出手段を備え、
   前記マニホールド内圧算出手段は、前記マニホールド内空気量及び前記吸気温度に基づいてマニホールド内圧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吸入空気量算出装置。
3. 吸気温度を算出する温度算出手段を備え、
   前記シリンダ吸入空気量算出手段は、前記マニホールド内圧、前記シリンダ内圧及び前記吸気温度に基づいてシリンダ吸入空気量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吸入空気量算出装置。
4. 前記マニホールド内空気量算出手段は、エアフローメータに基づいてマニホールド部への流入空気量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吸入空気量算出装置。
5. シリンダ吸入流速の算出に用いるシリンダ吸入空気量を算出す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シリンダ吸入空気量算出装置。

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