JP5516519B2 - 内燃機関の空気量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空気量推定装置に関する。

過給機を備える内燃機関の気筒内に導入されている空気の量である筒内空気量を吸気通路内の空気の挙動を表す物理モデルを使用して推定する空気量推定装置が知られている。例えば、特許文献１に記載された空気量推定装置では、吸入空気量センサの信号に基づきコンプレッサ流量が推定され、このコンプレッサ流量に基づき、コンプレッサ下流の吸気通路内の空気量が推定される。

特開２００６−１９４１０７号公報 特開２０１０−２４２６９３号公報 特開２００８−１０６７０３号公報 特開２００８−０６９７０７号公報 特開２０１０−２７０６２７号公報

吸入空気量センサは空気流量による放熱の違いに基づいて空気流量を検出する。このため空気の流れの向きに関わらず、正の値としてその流量に応じた出力を発する。従って、例えば、サージが発生し空気が逆流する（上流側に流れる）場合でも、その流量が正の値として検出される。即ち、サージが発生している領域では、吸入空気量センサに基づき検出される吸入空気の流量と、実際の流量との間に大きな差が開くこととなる。

その結果上記公報のように、吸入空気量センサの信号に基づくコンプレッサ流量の推定では、サージ発生により逆流が起きている場合に、推定されたコンプレッサ流量と、実際の流量との間に大きな差が開くこととなり、筒内空気量の推定精度が低下することが考えられる。この点、空気量推定装置には、改善の余地が残されている。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、過給機を備える内燃機関において筒内空気量を高い精度にて推定することのできる内燃機関の空気量推定装置を提供することを目的とする。

この発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空気量推定装置であって、外部から取り込んだ空気を気筒内に導入する吸気通路と、前記吸気通路内の空気を圧縮するコンプレッサを有する過給機とを備えた内燃機関に適用され、前記吸気通路内を流れる空気の挙動を表す物理モデルに基づいて前記気筒内に導入される空気の量である筒内空気量を推定するものである。

また、この発明において空気量推定装置は、
前記コンプレッサを通過する空気量であるコンプレッサ流量を推定する流量推定手段と、
前記流量推定手段により推定されたコンプレッサ流量推定値が負の値である領域の、前記コンプレッサ流量推定値を、正の値に反転させた逆流補正値を算出する逆流補正手段と、
前記逆流補正値に応じて、吸入空気量を推定する空気量推定手段と、
吸入空気量センサの出力に応じて、吸入空気量を検出する空気量検出手段と、
前記空気量推定手段により推定された吸入空気量の推定値と、前記空気量検出手段により検出された吸入空気量の検出値との差に応じて、前記コンプレッサ流量推定値を補正する流量補正手段と、
前記流量補正手段により補正されたコンプレッサ流量補正値に応じて、筒内空気量を推定する筒内空気量推定手段と、
を備える。

また、この発明の空気量推定装置は、前記コンプレッサ流量推定値が負の値である場合に、サージの発生と判定するサージ判定手段を、更に備えるものであってもよい。

第１の発明によれば、サージによる逆流が発生した場合にも、正の値に反転されたコンプレッサ流量に応じた吸入空気量を推定することができる。これにより、空気の流通方向に関わらず常に正の値を出力する吸入空気量センサによる空気量の検出値と、正の値であるコンプレッサ流量に応じて推定された空気量の推定値とを比較することができ、両者の差に応じてコンプレッサ流量を適正に補正することができる。従って、サージによる逆流の有無に関わらず、高い精度で筒内空気量を推定することができる。

第２の発明によれば、簡単にサージの発生を検出することができる。このように、簡便な手法によりサージの発生を検出できる機構とすることで、例えば、サージが発生された場合にＡＢＶの動作条件等を修正するなどして、サージの発生の抑制につなげることができる。

本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態の空気量推定装置の各種モデルを示した模式図である。 本発明の実施の形態におけるコンプレッサ流量の推定値の一例を説明するための図である。 本発明の実施の形態におけるコンプレッサ流量の修正値、吸入空気量の推定値、検出値の一例を説明するための図である。

実施の形態．
以下、図面を参照して本発明の内燃機関の空気量推定装置の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、内燃機関１０と、この内燃機関１０を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２とを備えている。制御装置１２は、内燃機関１０のシステム全体を総合制御する。制御装置１２の出力側には各種アクチュエータが接続され、入力側には各種センサが接続される。制御装置１２は、センサ信号を受けて排気ガスの空燃比や機関回転数、その他内燃機関１０の運転に必要な種々の情報を検出すると共に、所定の制御プログラムに従って各アクチュエータを操作する。なお、制御装置１２に接続されるアクチュエータやセンサは多数存在するが、本明細書においてはその説明は省略する。また本実施の形態においては、制御装置１２は、内燃機関１０の各気筒内に流入する空気量を推定する空気量推定装置として機能する。

内燃機関１０の各気筒には、吸気弁１４と、排気弁１６と、点火プラグ１８と、燃料インジェクタ２０とが設けられている。吸気系統３０は、インテークマニホールド３１と、インテークマニホールド３１に連通したサージタンク３２と、エアフィルタ３３と、過給機４０のコンプレッサ４０ａと、インタークーラ３４と、スロットル弁３５とを備えている。排気系統５０は、エキゾーストマニホールドを含む排気管５１と、排気管５１内に配設された過給機４０のタービン４０ｂと、タービン４０ｂの下流の排気管５１に配設された三元触媒装置５２とを備えている。

このような配置により、過給機４０のタービン４０ｂは排気ガスのエネルギーにより回転し、コンプレッサ４０ａを駆動する。これにより、コンプレッサ４０ａが吸気通路内の空気を圧縮する。なお、図示を省略するが、本実施形態のシステムは各種のセンサを備えている。

図２は、本発明の実施の形態の空気量推定装置について説明するための機能ブロック図である。図２に示されるように、本実施形態の空気量推定装置の空気モデルは、内燃機関の吸気系統をコンプレッサ、エアフロメータ、インタークーラ、スロットル弁、吸気管部、吸気弁等の各要素に分け、それぞれの要素ごとに、エネルギー保存則、運動量保存則、及び質量保存則などの物理法則に基づいて構築された物理モデルにより、空気流量を推定し、これらの推定値に基づき、現時点より先の時点の筒内空気量ＫＬＦを推定する。

より具体的に、気筒充填空気量ＫＬＦの推定では、図２のインタークーラ部のモデルM１０において、インタークーラの圧力Ｐｉｃとその温度Ｔｉｃが推定される。この圧力Ｐｉｃと温度ＴｉｃとがスロットルモデルM２０に入力され、スロットル通過空気量ｍｔが推定される。更に、吸気管部のモデルＭ３０にスロットル通過空気量ｍｔが入力され、吸気管部内の空気の圧力Ｐｍとその温度Ｔｍが推定される。この圧力Ｐｍと温度Ｔｍは、吸気弁モデルＭ４０に入力され吸気弁を通過する空気の流量が算出され、筒内空気量ＫＬＦが推定される。

本実施の形態の空気量推定装置において、インタークーラ部のモデルＭ１０には、コンプレッサ４０ａから流出する空気の流量であるコンプレッサ流量ｍｃｐが入力される。インタークーラ部に入力されるコンプレッサ流量ｍｃｐは、コンプレッサ流量推定部Ｍ５０において推定されたコンプレッサ流量ｍｃｐを、ＡＦＭモデルＭ７０において推定された吸入空気量と、吸入空気量センサの出力において算出された吸入空気量とにより算出された補正値により補正することで算出される。

まず、コンプレッサ流量推定部Ｍ５０では、インタークーラのエネルギー保存式に基づく次式（１）によりコンプレッサ流量ｍｃｐが推定される。

なお、上記式（１）において、ｄＰｉｃ/ｄｔは、インタークーラ圧力センサの出力変化量に応じて求められる。ｍｔはインタークーラ圧力、温度センサと、インタークーラ以降の空気モデルに基づいて算出される。Ｖｉｃはインタークーラの体積、Ｔａは吸気温度、ｋは係数、Ｒは変換率である。

図３に、本実施の形態において算出されたコンプレッサ流量ｍｃｐの一例を示す。図３において、横軸は時間、縦軸は流量を表す。図３に示されるように、コンプレッサ流量推定部Ｍ５０において出力されるコンプレッサ流量ｍｃｐは、サージが発生し空気が逆流している領域ではマイナスの値を示す。

図４は、本実施の形態における逆流補正部Ｍ６０の出力、ＡＦＭモデルＭ７０の出力、及び吸入空気量センサの出力に基づく空気流量を比較する図である。図４において、横軸は時間、縦軸は流量を表す。

コンプレッサ流量推定部Ｍ５０において推定されたコンプレッサ流量ｍｃｐは、逆流補正部Ｍ６０において補正される。具体的に、逆流補正部Ｍ６０では、図４（ａ）に示されるようにコンプレッサ流量ｍｃｐが絶対値となるように補正される。即ち、図３においてサージによる逆流が発生していると認められる領域におけるコンプレッサ流量ｍｃｐが反転されて正の値とされる。

次に、逆流補正部Ｍ６０において補正されたコンプレッサ流量が、ＡＦＭモデルＭ７０に入力されて、図４（ｂ）に示されるようにコンプレッサ４０ａに流入した空気量、即ち吸入空気量が推定される。ＡＦＭモデルＭ７０では、吸入空気量センサの応答遅れ分を考慮した空気量の推定値が出力される。

次に、吸入空気量センサの出力も基づく吸入空気量（図４（ｃ）参照）と、モデルＭ７０の出力である空気量の推定値（図４（ｂ））との差に応じた補正値が求められる。この補正値に応じてコンプレッサ流量ｍｃｐが補正される。上述したように、補正されたコンプレッサ流量は、インタークーラモデルＭ１０に入力される。

ところで、上記したように吸入空気量センサは、空気流量の放熱の違いに基づいて流量を検出するセンサである。このため吸入空気量センサの出力は吸気管内の空気の流れの方向に関わらず、その流量に応じて正の出力を発する。従って、サージによる逆流が発生している領域であり、流量が負の値となるべき場合であっても、吸入空気量センサは正方向（下流側に流れる方向）の出力を示す。

一方、ＡＦＭモデルＭ７０は、コンプレッサ流量ｍｃｐの入力を受けて空気量を推定する。ここで逆流補正部Ｍ６０での補正が無いものとすると、逆流が発生している場合には、負の値であるコンプレッサ流量ｍｃｐがそのまま、ＡＦＭモデルＭ７０に入力される。この場合、ＡＦＭモデルＭ７０により算出される吸入空気量の推定値も、負の値であるコンプレッサ流量に応じたものとなる。従って、サージによる逆流が発生している場合、ＡＦＭモデルＭ７０による空気量の推定値と吸入空気量センサの出力に基づく吸入空気量の検出値との間には大きな差が生じる。このため吸入空気量推定値と吸入空気量検出値とを比較して得られる補正値は過剰に大きなものとなり、コンプレッサ流量の推定値の適正な補正ができないものと考えられる。

この点、本実施の形態によれば、逆流補正部Ｍ６０によって、コンプレッサ流量は、方向の要素を含まない正の値であるコンプレッサ流量｜ｍｃｐ｜に補正される。このようにコンプレッサ流量ｍｃｐを正の値（絶対値）に変換することで、逆流が発生している領域においても、ＡＦＭモデルＭ７０では正方向に反転されたコンプレッサ流量に基づく吸入空気量推定値が算出される。これにより、吸入空気量センサに基づく空気量の検出値と、ＡＦＭモデルＭ７０に基づく空気量の推定値とは、共に方向の要素を含まないものとなり、両者を適正に比較することができる。その結果、コンプレッサ流量を、適正に補正することができ、吸入空気量、筒内空気量の推定精度を、より高めることができる。

また、本実施の形態において、空気量推定装置は、上記のコンプレッサ流量の補正に加えて、サージの判定をする機能を有するものとすることができる。即ち、図３に示されるように、式（１）に従って推定されたコンプレッサ流量が負となる場合に、サージ発生を判定するサージ判定機能を有するものとすることができる。

なお、式（１）における流量ｍｔ、温度Ｔｉｃ、Ｔａ、圧力Ｐｉｃ等の算出方法は、本実施の形態において説明したものに限られず、従来の他の手法により算出するものであってもよい。例えば、スロットル弁流量ｍｔは、インタークーラ圧力や温度センサとインタークーラ以降の空気モデルにより算出する場合について説明したが、これに限らず、スロットル前後の圧力と温度の検出値に応じて算出するなどであってもよい。

その他についても、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１０ 内燃機関
１２ 制御装置
３０ 吸気系統
４０ 過給機
４０ａ コンプレッサ
５０ 排気系統
Ｍ５０ コンプレッサ流量推定部
Ｍ６０ 逆流補正部
Ｍ７０ ＡＦＭモデル

Claims (2)

1. 外部から取り込んだ空気を気筒内に導入する吸気通路と、前記吸気通路内の空気を圧縮するコンプレッサを有する過給機とを備えた内燃機関に適用され、前記吸気通路内を流れる空気の挙動を表す物理モデルに基づいて前記気筒内に導入される空気の量である筒内空気量を推定する内燃機関の空気量推定装置であって、
   前記コンプレッサを通過する空気量であるコンプレッサ流量を推定する流量推定手段と、
   前記流量推定手段により推定されたコンプレッサ流量推定値が負の値である領域の、前記コンプレッサ流量推定値を、正の値に反転させた逆流補正値を算出する逆流補正手段と、
   前記逆流補正値に応じて、吸入空気量を推定する空気量推定手段と、
   吸入空気量センサの出力に応じて、吸入空気量を検出する空気量検出手段と、
   前記空気量推定手段により推定された吸入空気量の推定値と、前記空気量検出手段により検出された吸入空気量の検出値との差に応じて、前記コンプレッサ流量推定値を補正する流量補正手段と、
   前記流量補正手段により補正されたコンプレッサ流量補正値に応じて、筒内空気量を推定する筒内空気量推定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の空気量推定装置。
2. 前記コンプレッサ流量推定値が負の値である場合に、サージの発生と判定するサージ判定手段を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空気量推定装置。

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