JP4839909B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
また、負荷の指標として、上記スロットル通過空気量に代えて、シリンダ吸入空気量を採用し、これを推定(算出)の対象としたものもある(特許文献1)。この装置では、エアフローメータの出力からマニホールド部へ流入する空気量を算出するとともに、このマニホールド部に流入する空気量とマニホールド部から筒内へ流出するシリンダ吸入空気量との収支計算を行ってマニホールド部の空気量を算出し、このマニホールド部の空気量と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ようにしている。
図1は、本発明の一実施形態に係る内燃機関(エンジン)1の概略構成を示している。
図1において、エンジン1の吸気通路101には、吸気上流側から電子制御式のスロットル弁102、燃料噴射弁103及び吸気弁104が配設されている。
スロットル弁102は、その開度(スロットル開度)に応じて吸入空気量を制御することが可能である。但し、本実施形態では、主として吸気弁104の作動特性を制御することで吸入空気量を制御することとし、スロットル弁102は補助的に用いるようにしている。燃料噴射弁103は、入力される噴射信号によって開弁駆動され、制御された吸入空気量のもとで所定の当量比を達成するのに必要な量の燃料を噴射する。そして、吸気弁104が開駆動されることにより、吸入空気及び燃料の混合気が筒内(燃焼室内)に導入される。吸気弁104(の開閉)は、その上方に設けられた動弁機構105によって駆動される。
VEL機構105aは、図2、3に示すように、クランクシャフトの回転に連動して回転し、気筒列方向に延びる駆動軸151と、この駆動軸151の外周に相対回転可能に取り付けられ、バルブリフタ141を介して吸気弁104を開閉駆動する揺動カム152と、駆動軸151の外周に固定された偏心カム153と、この偏心カム153に相対回転可能に外嵌するリング状リンク154と、駆動軸151と略平行に設けられた制御軸155と、この制御軸の外周に偏心して固定された制御カム156と、この制御カム156に相対回転可能に外嵌し、その一端でリング状リンク154と連携(連結)されたロッカアーム157と、このロッカアーム157の他端と揺動カム152とを連携(連結)するロッド状リンク158とを含んで構成される。そして、電磁アクチュエータ161によってギヤ列162を介して制御軸155を回転させることにより、ロッカアーム157の揺動中心が変化して、吸気弁104のリフト量及び作動角を連続的に変化させるものである。
燃焼排気は、燃焼室109から排気弁108を介して排気通路107に排出され、図示しない排気浄化触媒等によって浄化された後、大気中に放出される。なお、排気弁108は、排気側カム軸110に設けられた駆動カム111によって、その作動角(リフト量)及び作動角の中心位相が一定のまま開閉駆動される。もちろん、吸気弁104側と同様の動弁機構(異なる構成のものであってもよい)を設けて、その作動角、リフト及び/又は作動角の中心位相を変更可能としてもよい。
(1)シリンダ吸入空気温度Tcの推定(算出)
エンジン運転中、吸気弁104はエンジン1の燃焼による影響を受けており、高温状態となっている。したがって、シリンダ内に吸入される空気は、吸気弁104を通過する際に吸気弁104から受ける熱によって温度上昇する(すなわち、実際のシリンダ吸入空気温度Tcは、上記吸気温度センサ214によって検出される吸気温度Tmよりも上昇している)。なお、かかる温度上昇は、吸気弁104のリフト量が低いほど、大きくなると考えられる。そのため、例えば、シリンダ吸入空気量を正確に算出(推定)しようとする場合には、上記吸気温度センサ214で検出する吸気温度(吸気弁104の上流側の温度)Tmだけでは不十分であり、吸気弁通過時に温度上昇するシリンダ吸入空気温度Tcを求める必要がある。そこで、本実施形態では、以下のようにしてシリンダ吸入空気温度Tcを推定する。
HQc=kQ・h・(Tv−Tm)・Av・Δtv [J]…(1)
式(1)において、hは熱伝達率である。また、kQは、吸気弁104の前後圧力比(シリンダ内圧力Pc/吸気圧力Pm)に応じて設定される係数であり、図4に示すように、ソニック流状態ではkQ=1に設定され、それ以外では前後圧力比(Pc/Pm)が大きくなるほど0に近づく値として設定される。通常は、リフト量が低い領域において吸気弁104を通過する流れがソニック流となるから、かかる係数kQを設けることによって、結果として、リフト量が小さい(低い)領域において(のみ)吸気弁通過時の温度上昇分に対する補正が行われることになる(後述する式(4)を参照)。これは、リフト量が低いほど、吸入空気が吸気弁104の熱の影響を受け易い(温度上昇し易い)一方、リフト量がある程度高くなるとその影響が無視できる程度になるからである。
Δtvは、吸気弁104の開口時間[s]であり、バルブ開口期間Sv[deg]に1クランク角当たりの時間60/Ne[s/deg]を乗算して算出される(Δtv=Sv・60/Ne)。
HQv=ν・Mv・Tv [J]…(2)
但し、νは吸気弁104の比熱、Mvは吸気弁104の質量である。
ここで、吸気弁温度はTvのまま維持されるものとし、吸気弁通過時にシリンダに吸入される空気全体としての温度上昇分をΔTとすると、上記式(1)、(2)から式(3)のように表すことができ、これを整理して式(4)を得る。
Tc=(Tm+ΔT)=(HQc/HQv)・Tv…(4)
このようにして、シリンダ吸入空気温度Qcylを吸気弁104の吸気上流側の吸気温度Tmに、吸気弁104を通過する際に該吸気弁104から受ける熱による温度上昇分ΔTを加算した値(Tm+ΔT)として算出する。
本実施形態におけるシリンダ吸入空気量Qcylの算出を概説すると次のようである。
まず、吸気弁104の作動特性に応じた開口面積でソニック流として吸入した場合のシリンダ吸入空気量(以下「ソニック吸入空気量」という)QD、及び吸気行程開始から終了までのシリンダ行程容積を吸気弁104上流側の(吸気)状態で充填した場合のシリンダ吸入空気量、すなわち、当該吸気弁104の作動特性において最大限吸入し得るシリンダ吸入空気量(以下「最大吸入空気量」という)QMAXを算出する。
図8は、(a)吸気弁104及び排気弁108の作動特性(リフト量をそれぞれVLIFTi、VLIFTeと記す)、(b)シリンダ内圧力Pc、及び(c)単位クランク角当たりのシリンダ吸入空気量DLTQの関係を示している。
QD演算部B201は、ソニック吸入空気量QDを下式(5)により演算する(詳細は図10を参照)。
ここで、吸気弁104を通過する吸入空気がソニック流の場合、吸気弁104の前後圧力比(Pc/Pm)は、常に臨界圧力比(={2/(κ+1)}(κ/κ−1))を示すことになるので固定値(定数)qSONICとなる。よって、式(5)は、次式(6)で表すことができる。
総開口面積算出部B211は、吸気弁開時期IVO及び吸気弁閉時期IVCから吸気弁104の作動特性(開閉時期及びリフト量)を把握するとともに、オーバーラップ中心角OVLCNT及び上死点オフセットTDCOFSから実効上死点TDCRを算出し、この実効上死点TDCRから吸気弁閉時期IVCまでの吸気弁104開期間中における単位クランク角(Δθ)毎の吸気弁開口面積Aを上記把握した作動特性から算出し、各算出値を積算して総開口面積(ΣA)とする。
図9に戻って、QMAX演算部B202は、最大吸入空気量QMAXを下式(7)により演算する(詳細は図13を参照)。
実効閉時期演算部B221は、吸気弁閉時期IVCからIVCオフセット量IVCOFSを減算して実効閉時期IVCRを算出する。ここで、IVCオフセット量IVCOFSは、エンジン回転速度Ne及び吸気弁104のリフト量VLIFTi(例えば、最大リフト量)に基づいて、図14に示すようなマップを参照して算出する。IVCオフセット量IVCOFSは、エンジン回転速度Neが高く、リフト量VLIFTiが小さいほど大きくなる特性を有している。
基本吸入空気量演算部B205は、検索した「Qcyl/QMAX」に最大吸入空気量QMAXを乗算して基本吸入空気量Qcyl0とする。この基本吸入空気量Qcyl0は、実際にシリンダ内に吸い込んだ(吸い込まれる)ガス量に相当するのであるが、このガス量には、オーバーラップ期間中に吸気ポートに吹き返された排気が再吸入される分(以下単に「吹き返しガス量」という)QIFBも含まれている。
まず、吸気脈動に対する補正について説明する。
図16において、吸気圧力変動分ΔPmivc、吸気温度変動分ΔTmivcは、吸気弁閉時期IVCと吸気弁開時期IVOとの偏差(IVC−IVO)、及びエンジン回転速度Neに基づいて、それぞれ図に示すようなマップを参照して吸気圧力変動分基本値ΔPmivc0、吸気温度変動分基本値ΔTmivc0を算出し、これら基本値ΔPmivc0、ΔTmivc0に、吸気圧力Pmを大気圧Patmで除算した圧力比(Pm/Patm)を乗算することで算出される。
(Tm+K1・ΔTmivc)−1/(2−K2)/(Tm+ΔTmivc)−1/(2−K2)を吸気温度変動分に伴う補正分(温度補正係数)TRATEに設定して、式(15)を次式(16)のように表す。
図9に戻って、圧力補正部B207は、シリンダ吸入空気量Qcyl1に、圧力補正係数算出部b207(破線)で算出された圧力補正係数PRATEを乗算することで吸気脈動による吸気圧力変動分を補正する。なお、圧力補正係数PRATEは、(Qcyl/QMAX)演算部B204で算出した(Qcyl/Qmax)に基づいて、図に示すようなマップを参照して第1の補正係数K1を算出し、この第1の補正係数K1を吸気圧力変動分ΔPmivcに乗算し、さらに吸気圧力Pmを加算して(Pm+k1・ΔPmivc)とし、この値を吸気圧力Pmで除算することで算出する。
すなわち、第1の補正係数K1を吸気温度変動分ΔTmivcに乗算し、さらに吸気温度Tmを加算して(Tm+K1・ΔTmivc)とし、これを吸気温度Tmで除算して基本温度補正係数TRATE0とする。また、(Qcyl/Qmax)に基づいて、図に示すようなマップを参照して第2の補正係数K2を算出する。そして、基本温度補正係数TRATE0及び第2の補正係数K2に基づいて、図に示すようなマップを参照して温度補正係数TRATEを算出する。
次に、吸気弁通過時の温度上昇に対する補正(シリンダ吸入空気温度に応じた補正)を説明する。
以上のようにして算出されたシリンダ吸入空気量Qcyl2(脈動補正を行わない場合はQcyl1)は、シリンダに吸入される空気の温度が吸気弁104の吸気上流側の温度(吸気温度)Tmであるときのものである。ここで、上述したように、吸気弁通過時に吸気弁104の熱を受けて吸入空気の温度が上昇するから、その上昇に対する補正を行う必要がある。
シリンダに吸入される際に通過する吸気弁から受ける熱による上昇分も考慮するので、シリンダ吸入空気温度を精度よく推定できる。そして、かかるシリンダ吸入空気温度をエンジン制御(吸入空気量制御、燃料噴射制御、点火時期制御等)に用いることにより、その制御精度を向上できる。
なお、ソニック吸入空気量QD、最大吸入空気量QMAX及び実際のシリンダ吸入空気量Qcylとの間の関係を見いだし、この関係から、算出したQD/QMAXに対してQcyl/QMAXを一義的に求めることができるので、実際の運転において、さまざまなパラメータに対応したマップ等を作成する必要がなく、最小限の演算(上記関係に基づく演算のみ)でシリンダ吸入空気量(シリンダ吸入空気温度に応じた補正前の値)を推定できる。
Claims (6)
- 吸気弁の作動特性を可変制御するエンジンの制御装置であって、
前記吸気弁の吸気上流側の上流側吸気温度を検出する吸気温度検出手段と、
前記吸気弁の温度を検出する吸気弁温度検出手段と、
前記上流側吸気温度と前記吸気弁温度とに基づいて、シリンダ内に吸入されるシリンダ吸入空気温度を推定するシリンダ吸入空気温度推定手段と、を含んで構成され、
前記シリンダ吸入空気温度推定手段は、前記上流側吸気温度と、前記吸気弁を通過する際に前記吸気弁温度に応じて該吸気弁から受ける熱による温度上昇分であって、シリンダ内圧と吸気圧との比に相当する吸気弁の前後圧力比によって吸気弁を通過する吸入空気の流れがソニック流となるときに一定値をとり、非ソニック流のときには前記前後圧力比が大きくなるほどゼロに近付く係数に基づいて、前記吸気弁のリフト量が大きい場合に比較して小さいときの受熱量が大きくなるように補正される前記温度上昇分とに基づいて前記シリンダ吸入空気温度を推定し、
前記シリンダ吸入空気温度推定手段により推定されたシリンダ吸入空気温度をエンジン制御に用いることを特徴とするエンジンの制御装置。 - 前記シリンダ吸入空気温度推定手段は、前記上流側吸気温度(Tm)に、前記吸気弁を通過する際に該吸気弁から受ける熱による温度上昇分(ΔT)を加算した値を前記シリンダ吸入空気温度(Tm+ΔT)とすることを特徴とする請求項1記載のエンジンの制御装置。
- 前記吸気弁の作動特性とエンジン運転状態とに基づいて、シリンダ内に吸入される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、
前記シリンダ吸入空気量に対して、前記シリンダ吸入空気温度に応じた補正を行う温度補正手段と、を更に含んで構成され、
前記温度補正手段により補正されたシリンダ吸入空気量をエンジン制御に用いることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のエンジンの制御装置。 - 前記温度補正手段は、前記シリンダ吸入空気温度(Tm+ΔT)と前記上流側吸気温度(Tm)と比{(Tm+ΔT)/Tm}を前記シリンダ吸入空気量に乗算することを特徴とする請求項3記載のエンジンの制御装置。
- 前記シリンダ吸入空気量に対して、吸気脈動に応じた補正を行う脈動補正手段を更に含んで構成されることを特徴とする請求項3又は請求項4記載のエンジンの制御装置。
- 前記シリンダ吸入空気量算出手段は、前記吸気弁の作動特性に応じた開口面積でソニック流として吸入した場合のシリンダ吸入空気量をQD、吸気行程の開始から終了までのシリンダ行程容積を吸気弁上流側の状態で充填した場合のシリンダ吸入空気量をQMAX、及び実際のシリンダ吸入空気量をQcylとしたときに、算出した(QD/QMAX)に基づいて、あらかじめ設定された(QD/QMAX)と(Qcyl/QMAX)との関係から、前記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3〜5のいずれか一つに記載のエンジンの制御装置。
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