JP4765920B2

JP4765920B2 - 吸気通路容積同定装置

Info

Publication number: JP4765920B2
Application number: JP2006331866A
Authority: JP
Inventors: 勇人仲田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-12-08
Also published as: JP2008144648A

Description

本発明は、吸気通路容積、詳細には、スロットル弁下流側の吸気通路容積を同定するための吸気通路容積同定装置に関する。

燃焼空燃比を所望空燃比とするためには、気筒内へ供給された吸気量を正確に把握することが必要である。スロットル弁上流側にエアフローメータを配置し、エアフローメータにより測定した各時刻の吸気流量は、スロットル弁を通過する各時刻の吸気流量（必要に応じてエアフローメータの応答遅れ考慮される）とすることができる。しかしながら、特に機関過渡時においては、スロットル弁下流側の吸気通路内の圧力が変化するために、測定された各時刻のスロットル弁通過吸気流量をそのまま気筒内へ供給される各時刻の吸気流量とすることはできない。

それにより、スロットル弁下流側の吸気通路内の圧力を検出し、スロットル弁通過吸気流量とこの吸気通路圧力とに基づき気筒内への吸気流量が推定される。この吸気流量の推定には、もちろん、スロットル弁下流側の吸気通路容積、すなわち、サージタンク、インテークマニホルド、及び、吸気ポート等の合計容積（以下、吸気通路容積）も必要とされる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−９０４３７特開２００５−２４８９４３特開２００６−２２６７６

前述の吸気流量の推定において、吸気通路容積は、設計値として固定されるが、実際には、吸気通路の熱膨張及び吸気ポート燃料噴射の場合の吸気通路内へのデポジット堆積等によって、設計値と異なっていることがあり、この時には、気筒内への吸気流量の推定が不正確となる。

従って、本発明の目的は、スロットル弁下流側の吸気通路容積を正確に同定するための吸気通路容積同定装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載の吸気通路容積同定装置は、スロットル弁下流側の吸気通路の圧力変化と、前記吸気通路の容積と、スロットル弁通過吸気流量と、気筒内への吸気流量との関係式を使用し、全気筒の吸気弁が閉弁した時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づき、気筒内への吸気流量を零として前記吸気通路の容積を同定することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の吸気通路容積同定装置は、スロットル弁下流側の吸気通路の圧力変化と、前記吸気通路の容積と、スロットル弁通過吸気流量と、気筒内への吸気流量との関係式を使用し、吸気弁開弁中の全気筒内への全吸気流量は、吸気弁開弁中の全気筒の吸気弁のリフト量合計値に比例するとして、前記リフト量合計値が第一リフト量合計値となった時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づく第一全吸気流量と、前記リフト量合計値が第二リフト量合計値となった時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づく第二全吸気流量との比は、前記第一リフト量合計値と前記第二リフト量合計値との比に等しいとし、前記吸気通路の容積を同定することを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の吸気通路容積同定装置は、請求項２に記載の吸気通路容積同定装置において、前記第一リフト量合計値は、特定気筒の吸気弁が最大リフト量となって他気筒の吸気弁が閉弁している時の最大リフト量合計値とされ、前記第二リフト量合計値は、吸気開弁中の前記特定気筒の吸気弁のリフト量と吸気弁開弁中のもう一つの気筒の吸気弁のリフト量とが同じとなった時の最小リフト量合計値とされることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の吸気通路容積同定装置は、請求項３に記載の吸気通路容積同定装置において、少なくとも、前記リフト量合計値が前記最大リフト量合計値となった時及び前記最小リフト量合計値となった時からそれぞれ暫くの間は、前記圧力変化及び前記スロットル弁通過吸気流量が連続的に測定され、前記最大リフト量合計値となった時に対応する圧力変化は、測定された圧力変化の最小値とし、前記最小リフト量合計値となった時に対応する圧力変化は、測定された圧力変化の最大値とし、前記最大リフト量合計値となった時及び前記最小リフト量合計値となった時に対応するスロットル弁通過吸気流量は、測定されたスロットル弁通過吸気流量の平均値とすることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の吸気通路容積同定装置によれば、スロットル弁下流側の吸気通路の圧力変化と、吸気通路の容積と、スロットル弁通過吸気流量と、気筒内への吸気流量との関係式を使用し、全気筒の吸気弁が閉弁した時には気筒内への吸気流量は零となるために、この時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づき、吸気通路の容積を正確に同定することができる。

本発明による請求項２に記載の吸気通路容積同定装置によれば、スロットル弁下流側の吸気通路の圧力変化と、吸気通路の容積と、スロットル弁通過吸気流量と、気筒内への吸気流量との関係式を使用し、吸気弁開弁中の気筒への全吸気流量は、吸気弁開弁中の全気筒の吸気弁のリフト量合計値に比例するとして、リフト量合計値が第一リフト量合計値となった時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づく第一全吸気流量と、リフト量合計値が第二リフト量合計値となった時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づく第二全吸気流量との比は、第一リフト量合計値と第二リフト量合計値との比に等しいとすることにより、全気筒の吸気弁が閉弁する時がなくても、吸気通路の容積を正確に同定することができる。

本発明による請求項３に記載の吸気通路容積同定装置によれば、請求項２に記載の吸気通路容積同定装置において、第一リフト量合計値は、特定気筒の吸気弁が最大リフト量となって他気筒の吸気弁が閉弁している時の最大リフト量合計値とされ、第二リフト量合計値は、吸気開弁中の特定気筒の吸気弁のリフト量と吸気弁開弁中のもう一つの気筒の吸気弁のリフト量とが同じとなった時の最小リフト量合計値とされ、それぞれの全吸気流量の差を顕著なものとして、吸気通路の容積を正確に同定することができる。

本発明による請求項４に記載の吸気通路容積同定装置によれば、請求項３に記載の吸気通路容積同定装置において、少なくとも、リフト量合計値が最大リフト量合計値となった時及び最小リフト量合計値となった時からそれぞれ暫くの間は、圧力変化及びスロットル弁通過吸気流量が連続的に測定される。圧力変化の測定には応答遅れがあるために、最大リフト量合計値となった時及び最小リフト量合計値となった時に測定された圧力変化がそれぞれに対応する圧力変化であるとは限らず、それにより、最大リフト量合計値となった時に対応する圧力変化は、最小となるはずであるために、測定された圧力変化の最小値とされ、最小リフト量合計値となった時に対応する圧力変化は、最大となるはずであるために、測定された圧力変化の最大値とされる。また、測定されるスロットル弁通過吸気流量は変動するために、最大リフト量合計値となった時及び最小リフト量合計値となった時に測定された圧力変化がそれぞれに対応するスロットル弁通過吸気流量であるとは限らず、最大リフト量合計値となった時及び最小リフト量合計値となった時に対応するスロットル弁通過吸気流量は、測定されたスロットル弁通過吸気流量の平均値とされる。こうして、吸気通路の容積を正確に同定することができる。

図１は機関吸気系を示す概略図である。同図において、１はエアクリーナであり、２はスロットル弁であり、３はサージタンクであり、４はサージタンク下流側のインテークマニホルド及び吸気ポートであり、５は吸気弁である。燃焼空燃比を正確に制御するためには、吸気弁５下流側の気筒内へ流入した吸気量を正確に把握することが必要である。

そのためには、次式（１）によって各時刻における気筒内へ流入する吸気流量ｍｃ_iが推定される。以下を含めて、各値の添え字ｉは吸気流量を推定する時刻を示している。
ｍｃ_i＝ｍｔ_i−（ΔＰ_i・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ_i）・・・（１）
ここで、ｍｔ_iはスロットル弁通過吸気流量であり、ΔＰ_iはスロットル弁２の下流側の吸気通路内の圧力変化であり、Ｖはスロットル弁２の下流側の吸気通路容積であり、Ｒは気体定数を空気の平均分子量で除算した値であり、Ｔ_iはスロットル弁２の下流側の吸気通路内の温度である。

エアクリーナ１とスロットル弁２との間にはエアフローメータ６が配置され、エアフローメータ６により測定される吸気流量がスロットル弁通過する吸気流量ｍｔ_iとされる。また、サージタンク３の直下流側には圧力センサ７が配置され、圧力センサ７により測定される圧力変化がスロットル弁２の下流側の吸気通路内の圧力変化ΔＰ_iとされる。Ｒは一定値であり、また、吸気温度Ｔ_iは、スロットル弁２の下流側の吸気通路内に温度センサを配置して測定しても良いし、また、大気温度センサにより測定される大気温度としても良い。

こうして、スロットル弁２の下流側の吸気通路容積Ｖが定まっていれば、各時刻の気筒内へ流入する吸気流量ｍｃ_iを推定することができる。ここで、推定される吸気流量ｍｃ_iは、吸気弁開弁中の気筒が一つである場合には、この気筒への吸気流量となるが、複数の気筒の吸気弁が開弁中である時には、これら全気筒へ流入する全吸気流量となる。

スロットル弁２の下流側の吸気通路容積（以下、単に吸気通路容積と称する）は、図１において、ＡからＢまでの容積、すなわち、スロットル弁２からサージタンク３までの吸気管容積、サージタンク３の容積、サージタンク３の下流側のインテークマニホルド４の容積、及び、インテークマニホルドの各枝管の下流側の各吸気ポート４の容積の合計となる。この吸気通路容積は、一般的には設計値として固定される。しかしながら、気筒内への吸気流量ｍｃ_iの推定に際して、製品のばらつき、各部分での熱膨張、及び、吸気ポート燃料噴射の場合における吸気ポート内へのデポジットの堆積等によって、現在の吸気通路容積Ｖが設計値と異なっていることがあり、これでは、正確に吸気流量を推定することはできない。

それにより、本吸気通路容積同定装置は、以下のようにして吸気通路容積を同定する。例えば、一つのインテークマニホルドに接続される気筒数が四気筒以下である内燃機関において、全ての気筒の吸気弁が閉弁する時があれば、この時の気筒内への吸気流量は零であるために、この時に対応するスロットル弁通過吸気流量ｍｔ_i及びスロットル弁２の下流側の圧力変化ΔＰ_i（エアフローメータ６及び圧力センサ７の応答遅れを考慮することが好ましい）に基づき、式（１）から現在の正確な吸気通路容積Ｖを逆算することができる。

しかしながら、一つのインテークマニホルドに接続される気筒数が四気筒以上である内燃機関の場合には、全ての気筒の吸気弁が同時には閉弁せず、少なくとも一つの吸気弁が必ず開弁している。図２のタイムチャートに点線で示すように、四気筒内燃機関の場合において、点火順序（例えば、＃１気筒、＃４気筒、＃３気筒、＃２気筒の順）が連続する二つの気筒の吸気弁が同時に開弁する期間が存在する。

このような場合には、前述したようにしては吸気通路容積を同定することができないために、開弁中の全気筒の吸気弁のリフト量合計値が、開弁中の気筒への全吸気流量に比例するとして吸気通路容積Ｖを同定する。ここで、開弁中の気筒の吸気弁のリフト量合計値とは、図２のタイムチャートに実線で示すように変化し、例えば、開弁中の二つの気筒の吸気弁のリフト量が同じとなる時刻ｔ１、ｔ３、ｔ５、ｔ７においては、各吸気弁のリフト量Ｌ３の二倍Ｌ２となる。もちろん、一つの気筒の吸気弁しか開弁していない間は、その吸気弁のリフト量自身となる。図２のタイムチャートに示す例では、同時に吸気弁が開弁する気筒数は二つであるが、さらに多気筒の内燃機関では、同時に吸気弁が開弁する気筒数が三つ以上となることもあり、この時のリフト量合計値は、開弁中の三つ以上の吸気弁のリフト量の合計となる。

こうして、リフト量合計値が第一リフト量合計値Ｈ１となった時に対応する圧力変化ΔＰ_i1及びスロットル弁通過吸気流量ｍｔ_i1に基づく第一全吸気流量ｍｃ_i1と、リフト量合計値が第二リフト量合計値Ｈ２となった時に対応する圧力変化ΔＰ_i2及びスロットル弁通過吸気流量ｍｔ_i2に基づく第二全吸気流量ｍｃ_i2との比は、第一リフト量合計値Ｈ１と第二リフト量合計値Ｈ２との比に等しいとされる。すなわち、次式（２）が成り立つとされる。
｛ｍｔ_i1−（ΔＰ_i1・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）｝：｛ｍｔ_i2−（ΔＰ_i2・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ）｝＝Ｈ１：Ｈ２・・・（２）
ここで、第一全吸気流量ｍｃ_i1の時刻と第二全吸気流量ｍｃ_i2の時刻とは近いために、スロットル弁２の下流側の吸気温度Ｔは変化しないとしている。

式（２）から次式（３）のように吸気通路容積Ｖを逆算することができる。
Ｖ＝Ｒ・Ｔ（Ｈ２・ｍｔ_i1−Ｈ１・ｍｔ_i2）／（Ｈ２・ΔＰ_i1−Ｈ１・ΔＰ_i2）・・・（３）
このようにして、吸気通路容積Ｖを同定することができる。

例えば、第一リフト量合計値Ｈ１は、特定気筒の吸気弁が最大リフト量となって他気筒の吸気弁が閉弁している時（例えば、特定気筒を＃１気筒とした時の時刻ｔ２）のリフト量合計の最大値Ｌ１とされ、第二リフト量合計値Ｈ２は、吸気開弁中の特定気筒の吸気弁のリフト量と吸気弁開弁中のもう一つの気筒の吸気弁のリフト量とが同じとなった時（例えば、特定気筒を＃１気筒とし、もう一つの気筒を＃４気筒とした時の時刻ｔ３）のリフト量合計値の最小値Ｌ２とされ、それぞれの全吸気流量の差を顕著なものとして、吸気通路の容積を正確に同定することが好ましい。

こうして、式（３）において、Ｈ１を最大リフト量合計値Ｌ１とし、Ｈ２を最小リフト量合計値Ｌ２とし、時刻ｔ２の時のスロットル弁通過吸気流量ｍｔ_i1及び圧力変化ΔＰ_i1と、時刻ｔ３の時のスロットル弁通過吸気流量ｍｔ_i2及び圧力変化ΔＰ_i2とを代入すれば、時刻ｔ２及びｔ３近傍における吸気通路容積Ｖを正確に同定することができる。

ここで、圧力センサ７に応答遅れがあると、時刻ｔ２及びｔ３において測定された圧力変化ΔＰが、これらの時刻の正確な圧力変化に対応しないことがある。それにより、時刻ｔ２及びｔ３においてだけ圧力変化を測定するのではなく、少なくとも、リフト量合計値が最大リフト量合計値となった時ｔ２及び最小リフト量合計値となった時ｔ３からそれぞれ暫くの間、すなわち、少なくとも応答遅れ時間は、圧力変化を連続的に測定し、こうして測定された圧力変化から時刻ｔ２及びｔ３に対応する圧力変化ΔＰを選択することが好ましい。吸気通路容積の同定が機関定常時に行われる場合には、この定常時の間において圧力変化を連続的に測定するようにしても良い。

すなわち、最大リフト量合計値Ｌ１となった時に対応する圧力変化ΔＰは、最も小さくなるはずであるために、測定された圧力変化の最小値を選択し、最小リフト量合計値Ｌ２となった時に対応する圧力変化は、最も大きくなるはずであるために、測定された圧力変化の最大値を選択する。

また、エアフローメータ６により測定されるスロットル弁通過吸気流量ｍｔは変動するために、最大リフト量合計値Ｌ１となった時ｔ２及び最小リフト量合計値Ｌ２となった時ｔ３に測定されたスロットル弁通過吸気流量ｍｔが真値でないことも考えられる。吸気通路容積Ｖの同定は、機関定常時において実施されることが好ましく、機関定常時であれば、スロットル弁通過吸気流量ｍｔは一定であるとすることができるために、時刻ｔ２及びｔ３のスロットル弁通過吸気流量ｍｔを、いずれも、測定されたスロットル弁通過吸気流量の平均値としても良い。

機関吸気系の概略図である。吸気弁のリフト量合計値（実線）及び吸気弁のリフト量（点線）を示すタイムチャートである。

符号の説明

１エアクリーナ
２スロットル弁
３サージタンク
４インテークマニホルド及び吸気ポート
５吸気弁
６エアフローメータ
７圧力センサ

Claims

スロットル弁下流側の吸気通路の圧力変化と、前記吸気通路の容積と、スロットル弁通過吸気流量と、気筒内への吸気流量との関係式を使用し、全気筒の吸気弁が閉弁した時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づき、気筒内への吸気流量を零として前記吸気通路の容積を同定することを特徴とする吸気通路容積同定装置。
スロットル弁下流側の吸気通路の圧力変化と、前記吸気通路の容積と、スロットル弁通過吸気流量と、気筒内への吸気流量との関係式を使用し、吸気弁開弁中の全気筒内への全吸気流量は、吸気弁開弁中の全気筒の吸気弁のリフト量合計値に比例するとして、前記リフト量合計値が第一リフト量合計値となった時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づく第一全吸気流量と、前記リフト量合計値が第二リフト量合計値となった時に対応する圧力変化測定値及びスロットル弁通過吸気流量測定値に基づく第二全吸気流量との比は、前記第一リフト量合計値と前記第二リフト量合計値との比に等しいとし、前記吸気通路の容積を同定することを特徴とする吸気通路容積同定装置。
前記第一リフト量合計値は、特定気筒の吸気弁が最大リフト量となって他気筒の吸気弁が閉弁している時の最大リフト量合計値とされ、前記第二リフト量合計値は、吸気開弁中の前記特定気筒の吸気弁のリフト量と吸気弁開弁中のもう一つの気筒の吸気弁のリフト量とが同じとなった時の最小リフト量合計値とされることを特徴とする請求項２に記載の吸気通路容積同定装置。
少なくとも、前記リフト量合計値が前記最大リフト量合計値となった時及び前記最小リフト量合計値となった時からそれぞれ暫くの間は、前記圧力変化及び前記スロットル弁通過吸気流量が連続的に測定され、前記最大リフト量合計値となった時に対応する圧力変化は、測定された圧力変化の最小値とし、前記最小リフト量合計値となった時に対応する圧力変化は、測定された圧力変化の最大値とし、前記最大リフト量合計値となった時及び前記最小リフト量合計値となった時に対応するスロットル弁通過吸気流量は、測定されたスロットル弁通過吸気流量の平均値とすることを特徴とする請求項３に記載の吸気通路容積同定装置。