JP5645022B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気制御装置に関し、吸気圧を予測する技術に関する。

エンジン（内燃機関）の吸気流量を測定する手段としては、エアフローセンサにより直接検出する方法や、スピードデンシティ方式のようにエンジン回転速度と吸気圧とから推定する方法が知られている。特に、スピードデンシティ方式では、例えば吸気マニホールドで吸気圧を検出することで、燃焼室に流入する直前での吸気流量を正確に推定することが可能となる。

しかしながら、排気行程で吸気通路に燃料を噴射するエンジンでは、過渡運転時において空燃比制御に誤差が発生しないように、実際に吸気をする前、例えば２行程前に燃料噴射量を決定しなければならず、よって、２行程後の吸気流量の予測が求められる。そのため、上記スピードデンシティ方式を採用した場合には、２行程後の吸気圧を予測する必要がある。また、スピードデンシティ方式を採用しないエンジンにおいても、過渡運転時での空燃比制御を正確に行なうために、２行程後の吸気流量を正確に予測することが望まれる。

そこで、エンジンの過渡運転時において空燃比制御を正確に行なうため、次の燃料噴射時のスロットル弁開度を予測し、この予測値を反映させて燃料噴射を行なう技術が開発されている。（特許文献１）。

特許３５９８９４７号公報

しかしながら、吸気流量はスロットル弁開度だけではなくその流入先である燃焼室や吸気マニホールド内の圧力によっても大きく変化する。更に、その圧力は、吸気の流入によって刻々と変化をする。具体的には１行程終了から２行程終了までは１行程時での吸気の流入によって吸気マニホールド内の圧力が変化する。
したがって、上記特許文献１のように単純に２行程後のスロットル弁の開度の予測値を反映させて空燃比制御を行なうだけでは、その間の吸気マニホールド内の圧力の変化が考慮されず、２行程後の吸気マニホールド内の圧力、延いては２行程後の吸気流量の正確な予測をすることが困難である。

本発明の目的は、所定期間後の吸気マニホールド内の圧力を正確に予測することが可能な吸気制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の内燃機関の吸気制御装置は、アクセル操作及び内燃機関の運転状態に基づいてスロットルバルブの目標開度を演算する目標スロットル開度演算手段と、内燃機関の吸気マニホールド内の圧力を検出する吸気圧検出手段と、目標スロットル開度演算手段により演算されたスロットルバルブの目標開度、目標演算時点より１単位期間前のスロットル開度相当値及び目標演算時点より２単位期間前のスロットル開度相当値に基づいて単位期間経過毎の複数個のスロットル開度を演算し、当該複数個のスロットル開度と内燃機関の回転速度とに基づいて、第１の所定期間後のスロットル開度と第１の所定期間より後の第２の所定期間後のスロットル開度とを演算するスロットル開度演算手段と、吸気圧検出手段により検出された現在の吸気マニホールド内の圧力とスロットル開度演算手段により演算された第１の所定期間後のスロットル開度とに基づいて第１の所定期間後の吸気マニホールド内の圧力を演算する第１の吸気圧演算手段と、第１の吸気圧演算手段により演算した第１の所定期間後の吸気マニホールド内の圧力とスロットル開度演算手段により演算された第２の所定期間後のスロットル開度とに基づいて第２の所定期間後の吸気マニホールド内の圧力を演算する第２の吸気圧演算手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の吸気制御装置は、請求項１において、第１の所定期間は内燃機関の１行程であり、第２の所定期間は内燃機関の２行程であることを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の吸気制御装置は、請求項２において、スロットル開度演算手段は、単位期間経過毎の複数個のスロットル開度を演算し、当該複数個のスロットル開度と内燃期間の回転速度とに基づいて１行程後及び２行程後のスロットル開度を演算することを特徴とする。

本発明の請求項１の内燃機関の吸気制御装置によれば、第２の所定期間後の吸気マニホールド内の圧力を演算する際に、第１の所定期間後の吸気マニホールド内の圧力を用いて演算されるので、第１の所定期間終了後から第２の所定期間終了までの間における吸入空気流量に対して第１の所定期間後の吸気マニホールド内の圧力を反映させることが可能となり、よって第２の所定期間後での吸気マニホールド内の圧力を正確に予測することが可能となる。
また、第１の所定期間後のスロットル開度及び第２の所定期間後のスロットル開度を演算する際に、目標演算時点より１単位期間前のスロットル開度相当値及び目標演算時点より２単位期間前のスロットル開度相当値に基づいてスロットル開度を単位期間経過毎に複数個演算し、これに基づき第１の所定期間後及び第２の所定期間後のスロットル開度を演算するので、内燃機関の回転速度の変動が多くとも迅速に各所定期間後のスロットル開度を演算することが可能となる。

本発明の請求項２の内燃機関の吸気制御装置によれば、２行程後の吸気マニホールド内の圧力を演算する際に、１行程後の吸気マニホールド内の圧力を用いて演算されるので、１行程終了後から２行程終了までの間における吸入空気流量に対して１行程後の吸気マニホールド内の圧力を反映させることが可能となり、よって２行程後での吸気マニホールド内の圧力を正確に予測することが可能となる。

本発明の吸気制御装置が適用されたエンジンの吸気系の概略構成図である。 スロットル開度演算要領を示すフローチャートである。 １行程及び２行程後のインマニ圧の演算要領を示すフローチャートである。 本実施形態において各行程毎に演算したインマニ圧の予測値の推移を示すグラフの一例である。 従来技術において各行程毎に演算したインマニ圧の予測値の推移を示すグラフの一例である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の吸気制御装置が適用されたエンジン１(内燃機関)の吸気系の概略構成図である。
図１に示すように、エンジン１は、吸気ポート２内に燃料を噴射する吸気管噴射型（Multi Point Injection：ＭＰＩ）の４サイクル直列４気筒型ガソリンエンジンであり、図１にはそのうちの１つの気筒についての縦断面が示されている。

エンジン１のシリンダヘッド３には、燃焼室４からシリンダヘッド３の一側面に向かって吸気ポート２が形成されており、燃焼室４からシリンダヘッド３の他側面に向かって排気ポート５が形成されている。
また、シリンダヘッド３には、燃焼室４と吸気ポート２との連通及び遮断を行う吸気バルブ１０と、燃焼室４と排気ポート５との連通及び遮断を行う排気バルブ１１がそれぞれ設けられている。

シリンダヘッド３上部には、吸気バルブ１０及び排気バルブ１１を駆動するカム１２、１３を有したカムシャフト１４、１５がそれぞれ設けられているとともに、燃焼室４に面して点火プラグ１６が設けられている。
シリンダヘッド３の一側面には吸気ポート２と連通するように吸気マニホールド２０が接続されている。

吸気マニホールド２０には燃料噴射弁２１が設けられているとともに、吸気マニホールド２０内の圧力（インマニ圧Ｐi）を検出する吸気圧センサ２３（吸気圧検出手段）が設けられている。また、吸気マニホールド２０の吸気上流端には吸気管２４が接続されている。
吸気管２４には、吸入空気流量を調節する電子制御式のスロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６には、スロットルバルブ２６の開き度合を検出するスロットルポジションセンサ２５（スロットル開度検出手段）が備えられている。

更にエンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ３０、カムシャフト１４の回転角度を検出するカム角センサ３１、冷却水温度を検出する水温センサ３２等のエンジン１の運転状況を検出するセンサが設けられている。
ＥＣＵ５０は、エンジン１の運転制御をはじめとして総合的な制御を行うための制御装置であり、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）等を含んで構成されている。

ＥＣＵ５０の入力側には、上記スロットルポジションセンサ２５、吸気圧センサ２３、水温センサ３２、クランク角センサ３０と、アクセル４０の開度を検出するアクセルポジションセンサ４１、車速センサ４２等の各種センサが接続されており、これらセンサ類からの検出情報が入力される。
ＥＣＵ５０の出力側には、上記スロットルバルブ２６、燃料噴射弁２１、点火プラグ１６等の各種出力デバイスが接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサ類からの検出情報に基づいて目標スロットル開度Ｔpa、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期等を演算し、各種出力デバイスにそれぞれ出力することで、スロットルバルブ２６、燃料噴射弁２１等を制御する（目標スロットル開度演算手段）。

特に、本実施形態では、ＥＣＵ５０は、アクセル開度やエンジン１の運転状態に基づく目標スロットル開度Ｔpaから１行程後及び２行程後のスロットル開度Ｔp1、Ｔp2の予測値を演算するとともに、現在のインマニ圧Ｐiを加えて、１行程後及び２行程後のインマニ圧Ｐi1、Ｐi2の予測値を演算する。
図２は、スロットル開度Ｔp（0）〜Ｔp（6）の演算要領を示すフローチャートである。

本ルーチンは、エンジン運転時において１演算周期毎（例えば10ms）に繰り返し行なわれる。
始めに、ステップＳ１０では、スロットル開度演算回数ｎの初期値としてｎ＝０に設定する。ｎは０を含む自然数である。そして、ステップＳ２０に進む。
ステップＳ２０では、目標スロットル開度Ｔpaと、スロットル開度の演算目標時点より１演算周期(例えば１０ms)前のスロットル開度相当値Ｔp(n-1）と、２演算周期(例えば２０ms)前のスロットル開度相当値Ｔp(n-2）を読み込む。１演算周期前及び２演算周期前のスロットル開度相当値としては、スロットルポジションセンサ２５から読み込んだ１演算周期前及び２演算周期前の実スロットル開度を用いてもよいし、演算により求めた１演算周期前及び２演算周期前のスロットル開度演算値を用いてもよい。そして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ステップＳ２０において読み込んだ目標スロットル開度Ｔpa及び１演算周期前のスロットル開度相当値Ｔp（n-1）、２演算周期前のスロットル開度相当値Ｔp（n-2）より、次式（1）によってｎ×１０ms後のスロットル開度Ｔp（n）を演算する。但し、Ｋ1、Ｋ2、Ｋ3は定数である。
Ｔp（n）＝Ｋ1×Ｔp（n-1）＋Ｋ2×Ｔp（n-2）＋Ｋ3×Ｔpa・・・（1）
そして、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、スロットル開度演算回数ｎが所定回数（例えば６回）に達したか否かを判別する。所定回数に達している（即ちｎ＝６である）場合には、ステップＳ５０に進む。所定回数に達していない場合には、ステップＳ６０に進む。
ステップＳ５０では、ステップＳ２０及びステップＳ３０で演算したスロットル開度Ｔp(0)〜Ｔp（6）を記憶する。そして、本ステップをリターンする。

ステップＳ６０では、スロットル開度演算回数ｎに１を加算して、スロットル開度演算回数ｎを更新する。そして、ステップＳ２０に戻る。
図３は、１行程及び２行程後のインマニ圧Ｐi1、Ｐi2の演算要領を示すフローチャートである。
本ルーチンは、エンジン運転時において１行程毎に繰り返し行なわれる。

始めに、ステップＳ１００では、上記ステップＳ１０〜Ｓ５０にて求められた各スロットル開度Ｔp(0)〜Ｔp（6）と、クランク角センサ３０の検出値より求められたエンジン回転速度とに基づいて、１行程後のスロットル開度Ｔp1及び２行程後のスロットル開度のＴp2を演算する。そして、ステップＳ１１０に進む。なお、上記ステップＳ１０〜Ｓ５０及び本ステップＳ１００までの一連の制御が、本発明のスロットル開度演算手段に該当する。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で演算した１行程後のスロットル開度Ｔp1より１行程後のスロットル開口面積Ｓt1を、２行程後のスロットル開度Ｔp2より２行程後のスロットル開口面積Ｓt2を演算する。そして、ステップＳ１２０に進む。
ステップＳ１２０では、吸気圧センサ２３によって検出された現在のインマニ圧Ｐiと大気圧Ｐaとの圧力比Ｒp（＝Ｐi/Ｐa）とステップＳ１１０で演算された１行程後のスロットル開口面積Ｓt1とから、１行程間のスロットル通過流量Ｖt1を演算する。そして、ステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、現在のインマニ圧Ｐiと体積効率係数Ｋηvとから、１行程間の吸入空気流量Ｖs1を演算する。なお、体積効率係数Ｋηvは、体積効率ηvと同様にエンジンの吸気効率を示す指標であり、体積効率係数Ｋηv＝体積効率ηv×（Ｐa／Ｐi）で求められる。そして、ステップＳ１４０に進む。
ステップＳ１４０では、ステップＳ１２０で演算された１行程間のスロットル通過流量Ｖt1とステップＳ１３０で演算された１行程間の吸入空気流量Ｖs1とから、１行程後のインマニ圧Ｐi1を演算する。そして、ステップＳ１５０に進む。なお、上記ステップＳ１１０〜Ｓ１４０までの一連の制御が、本発明の第１の吸気圧演算手段に該当する。

ステップＳ１５０では、ステップＳ１４０で演算された１行程後のインマニ圧Ｐi1と大気圧Ｐaとの比である１行程後の圧力比Ｒp1（＝Ｐi1/Ｐa）を演算し、当該１行程後の圧力比Ｒp1とステップＳ１１０で演算された２行程後のスロットル開口面積Ｓt2とから、１行程後から２行程後までの１行程間のスロットル通過流量Ｖt2を演算する。そして、ステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１６０では、ステップＳ１４０で演算された１行程後のインマニ圧Ｐi1と体積効率係数Ｋηvとから、１行程後から２行程後までの１行程間の吸入空気流量Ｖs2を演算する。そして、ステップＳ１７０に進む。
ステップＳ１７０では、ステップＳ１５０で演算された１行程後から２行程後までの１行程間のスロットル通過流量Ｖt2と、ステップＳ１６０で演算された１行程後から２行程後までの１行程間の吸入空気流量Ｖs2とから、２行程後のインマニ圧Ｐi2を演算する。そして、本ルーチンをリターンする。なお、上記ステップＳ１１０及びＳ１５０〜Ｓ１７０までの一連の制御が、本発明の第２の吸気圧演算手段に該当する。

次に本実施形態と従来技術とのインマニ圧の予測精度について比較結果を示す。比較対象とする従来技術は、２行程後のインマニ圧Ｐi2を演算する際に、本実施形態のように１行程後のインマニ圧Ｐi1を用いて逐次演算するものではなく、現在のインマニ圧Ｐiと２行程後のスロットル開度Ｔp2から演算するものである。
図４、５は、各行程毎に演算したインマニ圧の予測値の推移の一例を示すグラフである。

図４中において、太線がインマニ圧の実測値Ｐi、細線がインマニ圧の実測値を２行程前にオフセットした値Ｐi’、一点鎖線が本実施形態において演算した１行程後のインマニ圧Ｐi1、二点鎖線が本実施形態において演算した２行程後のインマニ圧Ｐi2を示す。
図５中において、太線がインマニ圧の実測値Ｐi、細線がインマニ圧の実測値Ｐiを２行程前にオフセットした値Ｐi’、二点鎖線が上記従来技術の方法で演算した２行程後のインマニ圧の予測値Ｐi2’を示す。

図４に示すように、本実施形態で演算した２行程後のインマニ圧Ｐi2は、次の燃料噴射タイミングにおいて、インマニ圧の実測値Ｐiを２行程前にオフセットした値Ｐi’と略一致する。したがって、本実施形態では、インマニ圧を２行程前に正確に予測することが可能となっている。
これに対し、図５に示すように、現在のインマニ圧Ｐiと２行程後のスロットル開度Ｔp2から演算する従来技術では、次の燃料噴射タイミングにおいて、演算した２行程後のインマニ圧Ｐi2’とインマニ圧の実測値Ｐiを２行程前にオフセットした値Ｐi’とで誤差（ΔＰi）が生じている。したがって、この従来技術では、インマ圧を２行程前に正確に予測することが困難である。

以上のように、本実施形態では、１行程後のスロットル開度Ｔp1及び２行程後のスロットル開度Ｔp2を演算し、まず１行程後のスロットル開度Ｔp1と現在のインマニ圧Ｐiとに基づいて１行程後のインマニ圧Ｐi1を演算する。次に、この演算した１行程後のインマニ圧Ｐi1と２行程後のスロットル開度Ｔp2とに基づいて２行程後のインマニ圧Ｐi1を演算する。このように、２行程後のインマニ圧Ｐi2を演算する際に、１行程後のインマニ圧Ｐi1を用いて逐次演算を行なうので、吸気の流入に大きく影響を及ぼすインマニ圧を１行程毎に考慮に入れた上で次行程のインマニ圧の演算が行なわれ、２行程後のインマニ圧Ｐi2の精度を大幅に向上させることができる。そして、このように２行程後のインマニ圧Ｐi2が正確に演算されるので、例えばインマニ圧を用いて吸気流量を推定するスピードデンシティ方式を採用したエンジンでは、燃料噴射弁１６を制御して正確な空燃比制御を実現させることができる。

特に、目標スロットル開度が変動した直後、即ち加減速初期のように吸気量変化が発生していない場合でも、１行程後の変動したインマニ圧Ｐi1を用いて２行程後のインマニ圧Ｐi2を演算するので、加減速初期での空燃比制御を正確に行なうことができる。
また、スピードデンシティ方式を採用しないエンジンにおいても、本発明を採用することで２行程後のインマニ圧Ｐi2が正確に得られるので、過渡運転時での空燃比制御を正確に行なうことが可能となる。

更に、本実施形態では、１行程後のスロットル開度Ｔp1及び２行程後のスロットル開度Ｔp2を演算する際に、スロットル開度を単位期間経過（１演算周期）毎に複数個演算し、これに基づき１行程後及び２行程後のスロットル開度Ｔp1、Ｔp2を演算するので、エンジン１の回転速度の変動が多くとも迅速に各所定期間後のスロットル開度Ｔp1、Ｔp2を演算することが可能となる。

なお、以上の実施形態のエンジン１は４気筒であるが、他の気筒数のエンジンにも本発明を適用することができる。本実施形態のように４気筒の場合は、その爆発間隔に基づき２行程後のインマニ圧Ｐi2の予測をするが、他の気筒では気筒数に対応する行程後のインマニ圧を予測すればよい。そして、この演算は上記２行程後のインマニ圧Ｐi2の演算に対して補正係数を掛けて適用すればよい。

１ エンジン
２０ 吸気マニホールド
２３ 吸気圧センサ
２５ スロットルポジションセンサ
２６ スロットルバルブ
５０ ＥＣＵ

Claims (2)

1. アクセル操作及び内燃機関の運転状態に基づいてスロットルバルブの目標開度を演算する目標スロットル開度演算手段と、
   前記内燃機関の吸気マニホールド内の圧力を検出する吸気圧検出手段と、
   前記目標スロットル開度演算手段により演算された前記スロットルバルブの目標開度、目標演算時点より１単位期間前のスロットル開度相当値及び目標演算時点より２単位期間前のスロットル開度相当値に基づいて単位期間経過毎の複数個の前記スロットル開度を演算し、当該複数個のスロットル開度と前記内燃機関の回転速度とに基づいて、第１の所定期間後のスロットル開度と前記第１の所定期間より後の第２の所定期間後のスロットル開度とを演算するスロットル開度演算手段と、
   前記吸気圧検出手段により検出された現在の吸気マニホールド内の圧力と前記スロットル開度演算手段により演算された前記第１の所定期間後のスロットル開度とに基づいて第１の所定期間後の前記吸気マニホールド内の圧力を演算する第１の吸気圧演算手段と、
   前記第１の吸気圧演算手段により演算した前記第１の所定期間後の吸気マニホールド内の圧力と前記スロットル開度演算手段により演算された前記第２の所定期間後のスロットル開度とに基づいて前記第２の所定期間後の前記吸気マニホールド内の圧力を演算する第２の吸気圧演算手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 前記第１の所定期間は前記内燃機関の１行程であり、前記第２の所定期間は前記内燃機関の２行程であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。

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