JP5148455B2

JP5148455B2 - 内燃機関の吸気流量を評価する方法および装置

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Publication number: JP5148455B2
Application number: JP2008282182A
Authority: JP
Inventors: フェルディナンド、デ、クリストファロ; アレッサンドロ、リーゲル; ドメニコ、タベラ
Original assignee: Fiat Group Automobiles SpA
Current assignee: FCA Italy SpA
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: JP2009108865A; CN101581254B; BRPI0804685A2; EP2055918A1; EP2055918B1; US8224592B2; CN101581254A; RU2488011C2; RU2008142971A; US20090143998A1

Description

本発明は、内燃機関の吸気流量を評価する方法および装置に関する。

先行技術で知られているように、新世代の乗り物（特に、三元触媒による最新の間接噴射ガソリンエンジンを備えた自動車）における義務的な大気汚染物質排出規制を遵守するには、空燃比が常に化学量論的値に近くなるように空燃比を正確に制御して、ガスの放出を減少させなければならない。

その目的を達成するために、最新の自動車は、一般に風量計（debimeter）を備えている。風量計は、通常、エンジンの吸気システムにインストールされる。風量計によって、エンジンに供給される外気の流量を示す電気信号が提供される。この電気信号に基づいて、電子制御装置は、吸気弁を開く前にエンジンシリンダに噴射すべき燃料の流量を計算する。これは、所望の空燃比の機能でもある。

一方、他の機能の中でも、エンジン内の吸気流量を評価するアルゴリズムを実装した電子制御装置を備えた新世代の乗り物が知られている。

特に、化学量論的値に近接して空燃比を正確に制御することは、連続的に可変の吸気タイミングシステムを備えた新世代の自動車においては特に困難である。

このタイプのエンジンでは、シリンダ内に流れ込む空気の瞬間的な質量を測定または精密に評価することは、主に自然な過給効果のために特に複雑である。過給効果は、そのようなエンジンで、吸気弁が開いているとき、吸気マニホルドの圧力波のタイミングによって発生する。

特に、可変タイミングシステムを備えたエンジンで風量計を使用するとき、風量計の遅いダイナミクスのため、シリンダ内に流れ込む空気質量を精密に測定することができない。したがって、通常の駆動条件においても高速過渡の特徴がある、吸気管を通過する空気の極端に非線形のダイナミクスに反応することができなくなる。

出願人によって行われた調査でさらに実証されたことは、既知のアルゴリズムが使用された場合でも、可変タイミングエンジンに流入する空気の質量を精密に評価できないことである。実際、そのようなアルゴリズムは、速度の変化におけるエンジンの容積移送式排気効果を考慮していない。この容積移送式排気効果は、特に高圧領域において吸気質量流量に著しい影響を及ぼす。例えば、0.9〜0.95の領域内スロットルバルブでの圧力比で、またはいずれの機械的タイミングエラーでも、または吸気タイミングのいずれの急激な変化においても著しい影響を及ぼす。そのため、電子制御方式（Drive-by-Wire）による制御システムのステータスで、トルクの法則と機械的法則との間の移行を正確に再現することができない。

本発明の目的は、先行技術において知られている装置および方法の欠点を少なくとも部分的に克服する、内燃機関の吸気流量を評価する方法を提供することである。

本発明によると、添付の特許請求の範囲で述べられているような、内燃機関の吸気流量を評価する方法が提示される。

本発明についてさらに十分に理解するために、以下に示す添付の図面を参照しながら、本発明の限定を意図しない好適な実施例を例として説明する。

発明を実施するための形態

図1において、参照符号1は、全体として内燃機関を示す。この内燃機関は、吸気システム2と、吸気システム2を制御するための電子制御システム3とを備えている。

特に、吸気システム2は、空気がエアフィルタ5を通じて流入する吸気管4と、吸気管4上に配置されたスロットルバルブ6とを有する。スロットルバルブ6は、エンジン1のシリンダに吸気を供給する（図示されていない）。

特に、スロットルバルブ6は、特定の作動装置（例えば、直流電動モータ（図示されていない））によって動作する。

電子制御システム3は、吸気管4の入口に配置されており、吸気管4の入口における吸気の温度T_oを示す電気出力信号を生成する温度センサ7と、スロットルバルブ6の上流に配置されており、スロットルバルブ6の入口における空気の圧力P_upを示す電気出力信号を生成する圧力センサ8と、スロットルバルブ6の下流に配置されており、スロットルバルブ6の出口における空気の圧力P_downを示す電気出力信号を生成する圧力センサ9と、スロットルバルブ6の開度αを検出する装置（例えば、一対のポテンショメータ（図示されていない））と、エンジン回転速度RPMを測定する装置（図示されていない）と、温度センサ7、圧力センサ8および9、エンジン回転回転速度（RPM）測定装置、およびスロットルバルブ6を作動する作動装置に接続されており、エンジン1の制御信号を出力するとともに、図2の機能フロー図を参照して以下に説明する本発明による吸気流量を評価する方法を実現するように構成された電子制御装置10と、を有する。

特に、最初のシステム・キャリブレーション・フェーズでは、吸気流量を評価する方法を実現するのに必要な複数の補正係数が電子制御装置10に格納される。特に、以下の補正係数がある。
・吸気温度の関数として非線形補正係数K_TO、
・スロットルバルブ6の入口における空気圧の関数として乗法的補正係数K_Pup、
・エンジン回転速度RPMの関数として、スロットルバルブ6の開度αについて複数の値を含む第1のテーブル（図2に示されていない）、エンジン回転速度RPMの関数として、スロットルバルブ6の出口と入口との間における空気圧低下βについて複数の値を含む第2のテーブル（図2に示されていない）、およびスロットルバルブ6の開度αの任意の値の関数として、および所定の圧力低下値βの関数としてそれぞれ実験的に決定された、スロットルバルブ6に対する複数の漏れ係数C₁を含む第3のテーブル（図2に示されていない）

基準値β_refは、電子制御装置10にも格納される。前記値は、吸気管4の最も狭い部分を通じて流れる空気が音速（0.5283と等しい）に到達したときの、スロットルバルブ6の出口と入口との間における空気圧低下を示す。圧力低下のしきい値β_tshは、例えば、0.9〜0.95の範囲である。定数γは、一定の圧力における空気の比熱と、一定の容積における空気の比熱との比率に関係しており、その値は1.4に等しい。

本発明による方法を実現するには、制御装置10は、上記に列挙した種々のセンサによって測定される以下の値を連続的に取得する。
・吸気の温度T_o
・スロットルバルブ6の入口における空気の圧力P_up
・スロットルバルブ6の出口における空気の圧力P_down
・エンジン回転速度RPM

取得した値、および格納されたテーブル内の係数と測定値に基づいて、再び図2を参照して、電子制御装置10は、それぞれエンジン吸気流量の計算に適した2つの異なるアルゴリズムを実行する。

電子制御装置10は、以前に定義された評価基準に基づいて、2つの空気流量の1つを選択した後、選択された値を使用して、エンジンのシリンダに噴射すべき燃料流量を計算する。

特に、図2に示されるように、ブロック11において、電子制御装置10は、比率P_down/P_upを計算する。この値は、スロットルバルブ6の出口と入口の間における空気圧低下βと等しい。その後、ブロック12において、圧力低下βおよびスロットルバルブ6の開度αに基づいて、電子制御装置10は、「サンブナン（Saint-Venant）」方程式として知られる数学的モデルにしたがってアルゴリズムを実行する。サンブナン方程式については、以下の文献の中でさらに詳細に説明される。
「Integrated breathing model and multi-variable control approach for air management in advanced gasoline engine」、A. Miotti、R. Scattolini、A. Musi、C. Siviero著、SAE 2006 World Congress, Detroit, MI, USA, April 3-6, 2006, Paper No. 2006-01-0658、および
「Internal Combustion Engine Fundamentals」、J.B. Heywood著、1st ed., Mc Graw-Hill, Inc., New York, USA, 1988

周知のように、サンブナン方程式は、ノズルを通じた流体の流量を説明するものである。このように、サンブナン方程式を使用して、マニホルドに流入してスロットルバルブ6を通過する空気の瞬間的な質量を求めることができる。

具体的な事例では、その目的を達成するために、電子制御装置10は、以下の公式にしたがって、圧力低下βと定数γの関数としてソニック係数fsを計算する。

次に、電子制御装置10は、以下の公式にしたがってサンブナン方程式を計算する。

ここで、

は、マニホルドに流入する空気の瞬間的な質量であり、
・Mは、空気の分子量であり、
・Rは、比気体定数であり、
・C₁は、漏れ係数であり、
・Aeqは、空気が通過するスロットル・バルブ・セクションの合計等価面積であり、
・fsは、ソニック係数である。

サンブナン方程式を使用することによって、いずれの起こり得る機械的タイミングエラーおよび突然の吸気タイミングの変化にもかかわらず、吸気質量の精密な評価を行うことができる。ただし、スロットルバルブの圧力比βがしきい値よりも低いことが前提である（一般には0.9の近辺の値である）。

ブロック13および14において、電子制御装置10は、補正係数K_PupとK_TOを使用して、ブロック12で計算した空気質量の値ｍ_manを補正する。さらに、ブロック14の出力で、電子制御装置10は、マニホルド4に流入する空気の瞬間的な質量MAF_SVを提供する。

ブロック11〜14で説明される手順と平行して、ブロック15〜17において、電子制御装置10は、いわゆる「フィリング・アンド・エンプティイング（Filling & Emptying）」モデルに基づく別のアルゴリズムを実行する。フィリング・アンド・エンプティイング・モデルは、スロットルバルブ6の開口およびエンジン回転速度RPMの関数として、エンジンのシリンダに流れ込む空気を決定するのに適している。フィリング・アンド・エンプティイング・モデルについては、以下の文献に詳述されている。
「Engine air-fuel ratio and torque control using secondary throttles」、Proceedings of IEEE Conference on Decision and Control、A.G. Stefanopoulou、J.W. Grizzle、J.S. Freudenberg著、Orlando, USA, 1994, 2748-2753頁、および
「Internal Combustion Engine Fundamentals」、1st ed., J. B .Heywood著、Mc Graw-Hill, Inc., New York, USA, 1988

特に、その目的を達成するために、電子制御装置10は、最初に、以下の公式にしたがって、スロットルバルブ6の出口における空気の圧力P_downに対する補正係数K_patmを計算する。

ここで、P_rifは参照大気圧であり、P_atmは大気圧である。これらの値は、例えば、電子制御装置10に組み込まれた特定のセンサによって測定することができる。

次に、ブロック15において、電子制御装置10は、補正係数K_patmを使用して圧力P_downを補正する。さらに、ブロック16において、スロットルバルブ6の開度α、補正された圧力値P_down、およびエンジン回転速度RPMに基づいて、電子制御装置10は、各エンジンシリンダに流入する空気の流量

およびマニホルド4を通過する空気の流量

を、以下の公式にしたがって計算する。

ここで、
・T_oは、吸気温度であり、
・V_oは、吸気マニホルド体積であり、
・Vcylは、シリンダ内のピストンにより排気される体積であり、
・RPMは、エンジン回転速度であり、
・η_volは、エンジンの容積効率であり、
・fは、等価面積Aeqに、スロットルバルブ6の角度αのみに依存する漏れ係数C₁の部分を乗じることによって得られる多項式関数であり、
・gは、ソニック係数fsに、圧力低下βのみに依存する漏れ係数C₁の部分を乗じることによって得られる多項式関数である。

「フィリング・アンド・エンプティイング」モデルを使用して、エンジン回転速度が変化したときの、容積移送式ポンプの動作特性の変動を考慮した吸気を求めることができる。前記変動は、吸気質量流量に対して（特に、ほぼ1の圧力値βに対して）著しい影響を及ぼす。

「フィリング・アンド・エンプティイング」モデルを使用して、スロットルバルブの「電子制御方式」制御の状態の変化を正確に再現することもできる。すなわち、トルク法則の関数としてのスロットルバルブ制御（スロットルバルブは、アクセルペダルの位置から順に計算される、ドライバによる電力の要求の関数として計算される目標トルク値によって間接的に制御される）から、機械的法則の関数としてのスロットルバルブ制御（スロットルバルブは、アクセルペダルの位置の関数として直接制御される）への移行を正確に再現することができる。

ブロック17において、電子制御装置10は、補正係数K_TOを使用して、ブロック16で計算された空気流量ｍ_manの値を補正する。その後、電子制御装置10は、ブロック17の出力において、マニホルド4に流入する空気の瞬間的な質量MAF_FEを提供する。

図2に示されるように、ブロック18において、電子制御装置10は、上記のアルゴリズムによって求められた空気流量値MAF_SVおよびMAF_FEの1つを選択する。次に、図2には示されていない後続のフェーズにおいて、電子制御装置10は、選択した値を使用して、エンジンのシリンダに噴射すべき燃料流量を計算する。

特に、空気流量値MAF_SVまたはMAF_FEのいずれか一方の選択は、ブロック11において求められた現在の圧力低下βと、以前に定義した圧力低下しきい値β_tshとの比較に基づいて行われる。

具体的な事例では、現在の圧力低下βがしきい値β_tshよりも小さい場合（すなわち、0.9よりも小さい場合）、電子制御装置10は、サンブナン方程式に基づいて評価された空気流量MAF_SVを選択する。代わりに、圧力低下βがしきい値β_tshよりも大きい場合（すなわち、0.9よりも大きい場合）（ヒステリシスの場合を除く、これは較正することも可能である）、電子制御装置10は、「フィリング・アンド・エンプティイング」モデルに基づいて評価された空気流量MAF_FEを選択する。

本発明によって実現可能な利点は、その特性の分析から明白である。

第一に、2つの異なる計算アルゴリズムおよび補正係数を使用した結果、エンジン動作条件およびスロットルバルブにおける圧力比βにかかわらず、本発明による方法によって吸気流量を常に精密に評価することができる。さらに、圧力低下しきい値β_tshを適切に選択することによって、本発明による方法では、評価の全体的な平均二乗偏差を最小限に抑えることができるとともに（例えば、2％未満の値）、風量計を使用して実行される測定における最小誤差よりもかなり低い誤差マージンを達成することができる。

さらに、本発明による方法の実現は比較的に単純である。なぜならば、当該方法では、係数に用いる数値を必要としないためである（これらは中央制御装置に直接格納される）。本発明による方法では、風量計の使用も不要となる。

最後に、上記の説明および実例から、添付の特許請求の範囲で述べられているような本発明の適用範囲から逸脱することなく、修正および変更を行うことが可能であるのは明らかである。

スロットルバルブの上流および下流にそれぞれ配置される2つの圧力センサの代わりに、単一のセンサを使用して、例えば、スロットルバルブの入口と出口の間の空気圧低下βを直接検出することができる。

別の方法として、電子制御装置10によって、係数K_TO、K_Pupを、格納された基準値に基づいて毎回再計算する。

特に、本発明は、間接噴射ガソリンエンジンにおける使用に限定されるものではなく、吸気システムを備えるいずれの内燃機関にも適用することができることは明らかである。

内燃機関の吸気システムの概略図である。本発明による内燃機関の吸気流量を評価する方法の機能フロー図である。

Claims

吸気流量を制御するためのバルブ手段(6)を有する吸気システム(2)を有する内燃機関(1)の吸気流量を評価する方法であって、
前記内燃機関内の第1の吸気流量（MAF_SV）と第2の吸気流量（MAF_FE）をそれぞれ求めるのに適切な第1および第2のアルゴリズムを実行するフェーズと、
あらかじめ定義された選択基準に基づいて、前記第1の吸気流量（MAF_SV）または前記第2の吸気流量（MAF_FE）を選択するフェーズと、
を備え、
前記第1の吸気流量（MAF_SV）または前記第2の吸気流量（MAF_FE）の選択は、前記バルブ手段(6)の入口における空気の圧力（P _up ）および前記バルブ手段(6)の出口における空気の圧力（P _down ）に基づいて実行され、
前記第1の吸気流量（MAF_SV）または前記第2の吸気流量（MAF_FE）の選択は、前記バルブ手段(6)の入口および出口における前記圧力（P _up 、P _down ）の間の比率（β）に基づいて実行され、
前記第1の吸気流量（MAF_SV）または前記第2の吸気流量（MAF_FE）の選択は、
- 前記バルブ手段の入口および出口における前記圧力（P _up 、P _down ）の間の比率（β）があらかじめ定義したしきい値（β _tsh ）よりも低い場合に、前記第1の吸気流量（MAF_SV）を選択すること、または
- 前記バルブ手段の入口および出口における前記圧力（P _up 、P _down ）の間の比率（β）があらかじめ定義したしきい値（β _tsh ）よりも高い場合に、前記第2の吸気流量（MAF_FE）を選択することを含み、
前記あらかじめ定義したしきい値（β _tsh ）は、0.9から0.95までの範囲であることを特徴とする方法。
前記第1のアルゴリズムの実行は、
- 前記バルブ手段の入口および出口における前記圧力（P_up、P_down）の間の比率（β）を求めることと、
- 前記バルブ手段の開度（α）を求めることと、
- 前記比率（β）および前記バルブ手段の前記開度（α）に基づいて、前記第1の吸気流量（MAF_SV）を求めることを含むこと、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第1のアルゴリズムは「サンブナン（Saint-Venant）」モデルに基づくことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の方法。
前記第2のアルゴリズムの実行は、
- 前記バルブ手段(6)の前記開度(α)を求めることと、
- 前記内燃機関の回転速度（RPM）を求めることと、
- 前記バルブ手段の出口の前記圧力（P_down）、前記バルブ手段の前記開度（α）、および前記内燃機関の前記回転速度（RPM）に基づいて、前記第2の吸気流量（MAF_FE）を求めることと、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第2のアルゴリズムの実行は、
- 少なくとも前記バルブ手段の出口における前記圧力（P_down）の第2の補正係数（K_Pdown）を求めることと、
- 前記第2の補正係数（K_Pdown）を使用して、前記バルブ手段の出口における前記圧力（P_down）を補正することと、
- 前記第2の補正係数（K_Pdown）を使用して補正した前記バルブ手段の出口における前記圧力（P_down）、前記バルブ手段の前記開度(α)、および前記内燃機関の前記回転速度（RPM）に基づいて、前記第2の吸気流量（MAF_FE）を求めること、
をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記第2のアルゴリズムは、「フィリング・アンド・エンプティイング（Filling and Emptying）」モデルに基づくことを特徴とする請求項４又は５のいずれかに記載の方法。
デジタルプロセッサのメモリにロードすることが可能なコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータプログラムが前記デジタルプロセッサ上で実行されるときに、請求項１及至６のいずれかに記載の方法を実行することが可能なソフトウェアコードの部分を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。
吸気システム(2)と、
請求項１及至６に記載の吸気流量を評価する方法を実行するように構成された装置と、
を備えた内燃機関(1)。