JP7430114B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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Description

本開示は、内燃機関の制御装置に関する。
従来から内燃機関の筒内充填空気量の演算方法を改良した内燃機関の制御装置に関する発明が知られている（下記特許文献１）。特許文献１に記載された内燃機関の制御装置は、スロットルバルブをスロットルアクチュエータで駆動してスロットル開度を制御する電子スロットルシステムを備えた内燃機関を制御する。この従来の内燃機関の制御装置は、開度指令値演算手段と、ディレイ手段と、スロットル開度予測手段と、筒内充填空気量予測手段と、燃料噴射量演算手段とを備えることを特徴としている（同請求項１）。
開度指令値演算手段は、アクセル操作量等に基づいて開度指令値を演算する。ディレイ手段は、前記開度指令値演算手段で演算した開度指令値を、スロットルアクチュエータに出力するタイミングを遅延させる。スロットル開度予測手段は、前記ディレイ手段で遅延させる前の開度指令値と、電子スロットルシステムの応答遅れ特性とに基づいて該開度指令値の遅延出力前に、その後のスロットル開度を予測する。筒内充填空気量予測手段は、前記スロットル開度予測手段で予測したスロットル開度に基づいて筒内充填空気量を予測する。燃料噴射量演算手段は、前記筒内充填空気量予測手段で予測した筒内充填空気量に基づいて燃料噴射量を演算する。
また、前記筒内充填空気量予測手段は、前記スロットル開度予測手段で予測したスロットル開度に基づいて吸気バルブ閉タイミングまでの筒内充填空気量の変化量を予測する。そして、前記筒内充填空気量予測手段は、予測した変化量を、現在の運転パラメータに基づいて演算したベース筒内充填空気量に加算して、筒内充填空気量を予測する（同請求項２）。
また、前記筒内充填空気量予測手段は、吸入空気が通過するスロットル開口をオリフィスと見なして、スロットル通過空気量とスロットル下流通路を流れる吸入空気に質量保存則を適用した吸気系モデルを用いる。そして、前記筒内充填空気量予測手段は、その吸気系モデルの出力の変化量を、吸気バルブ閉タイミングまで積算することで、吸気バルブ閉タイミングまでの筒内充填空気量の変化量を予測する（同請求項３）。
前記吸気系モデルでスロットル通過空気量を演算する式は、以下のように設定される。
Figure 0007430114000001
上記式において、G_inは、スロットル通過空気量[kg/sec]である。μは流量係数であり、Aはスロットル開口有効断面積[m2]である。Paは大気圧[Pa]、Pmは吸気圧[Pa]、Rは気体定数、Tは吸気温度[K]である。f(Pm/Pa)は、吸気圧Pmと大気圧Paの比で決まる物理値である。rはスロットルバルブの半径[m]であり、θはスロットル開度である。前記筒内充填空気量予測手段は、前記スロットル通過空気量を演算する。その際に、前記筒内充填空気量予測手段は、Pm/Paをパラメータとするテーブルからf(Pm/Pa)を算出し、スロットル開度をパラメータとするテーブルからμ・Aを算出する（同請求項４）。
特開２００２－２０１９９８号公報
上記従来の内燃機関の制御装置は、たとえば、内燃機関の過渡運転時など、スロットルバルブの上流側と下流側の空気の圧力が急激に変化する場合に、テーブルから算出したμ・Aと実際のμ・Aとが一致しないおそれがある。この場合、スロットル通過空気量の演算結果に誤差が生じ、その結果、筒内充填空気量の予測精度が低下する。
本開示は、従来よりも高精度に内燃機関の筒内流入ガス量を推定可能な内燃機関の制御装置を提供する。
本開示の一態様は、スロットルバルブの上流側ガス温度と上流側ガス圧力と下流側ガス圧力に基づいて前記スロットルバルブを通過するガスの質量流束を算出する質量流束算出部と、前記スロットルバルブの開度に基づいて前記スロットルバルブの開口面積を算出する開口面積算出部と、前記上流側ガス圧力と前記下流側ガス圧力と前記開度と前記開口面積に基づいて前記スロットルバルブの有効開口面積を算出する有効開口面積算出部と、前記質量流束と前記有効開口面積に基づいて前記スロットルバルブを通過するガス流量を算出する通過ガス流量算出部と、を有する、内燃機関の制御装置である。
本開示の上記一態様によれば、従来よりも高精度に内燃機関の筒内流入ガス量を推定可能な内燃機関の制御装置を提供することができる。
本開示に係る内燃機関の制御装置の一実施形態を示すシステム構成図。 図１の内燃機関の制御装置の概略的な構成を示すブロック図。 図２の内燃機関の制御装置の機能ブロック図。 図３の内燃機関の制御装置による処理の流れの一例を示すフロー図。 図３に示す有効開口面積算出部のより詳細な機能ブロック図。 スロットルバルブの差圧ΔＰと補正係数μとの関係を示すグラフ。 スロットルバルブの開度θと補正係数μとの関係を示すグラフ。 スロットルバルブを通過するガスの流れの模式図。 図３の内燃機関の制御装置による作用を説明するグラフ。 図３の内燃機関の制御装置による処理の流れの一例を示すフロー図。 図１０に示す内燃機関の制御装置の処理による作用を説明するグラフ。
以下、図面を参照して本開示に係る内燃機関の制御装置のいくつかの実施形態を説明する。
［実施形態１］
図１は、本開示に係る内燃機関の制御装置の一実施形態を示すシステム構成図である。本実施形態に係る内燃機関の制御装置１１０は、たとえば、図１に示すエンジンシステム１００を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）である。エンジンシステム１００は、たとえば、制御装置１１０と、吸気系１２０と、エンジン１３０と、排気系１４０と、過給器１５０と、を備えている。
図２は、図１のエンジンシステム１００を構成する内燃機関の制御装置１１０の概略的な構成を示すブロック図である。本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、たとえば、ＣＰＵを含む処理装置１１１と、ＲＡＭやＲＯＭなどを含む記憶装置１１２と、その記憶装置１１２に記憶された複数のコンピュータ・プログラムやデータを備えている。さらに、制御装置１１０は、たとえば、入力回路１１３と、入出力ポート１１４を備えている。
また、制御装置１１０は、たとえば、スロットル駆動回路１１５、ＥＧＲバルブ駆動回路１１６、可変バルブ機構駆動回路１１７、燃料噴射装置駆動回路１１８、点火出力回路１１９など、各種の回路を備えている。なお、制御装置１１０は、これらの駆動回路を有しなくてもよく、これらの駆動回路の少なくとも一部を制御装置１１０の外部に設けることも可能である。
吸気系１２０は、たとえば、吸気管１２１と、大気湿度センサ１２２と、質量流量計１２３と、インタークーラ１２４と、スロットルバルブ１２５と、吸気管圧力センサ１２６と、を備えている。吸気管１２１は、エンジンシステム１００の外部から外気を取り入れてエンジン１３０に供給する。大気湿度センサ１２２は、吸気管１２１に設けられ、吸気管１２１に吸入された空気の湿度を計測する。質量流量計１２３は、吸気管１２１の入口に設けられ、吸気管１２１に吸入された空気の質量流量を計測する。また、質量流量計１２３は、たとえば、吸気温度を計測する吸気温度センサ１２３ａを内蔵している。
過給器１５０は、吸入された空気を圧縮する圧縮機１５１と、排気のエネルギを利用して圧縮機１５１を駆動するタービン１５２とを備える。インタークーラ１２４は、過給器１５０よりも吸気管１２１における空気の流れの下流側に設けられ、過給器１５０の圧縮機１５１で圧縮された空気を冷却する。スロットルバルブ１２５は、エンジン１３０に吸入される吸入空気量を調整する。スロットルバルブ１２５は、たとえばスロットルバルブ１２５の開度θを計測するスロットルポジションセンサ１２５ａを内蔵している。吸気管圧力センサ１２６は、スロットルバルブ１２５よりも吸気管１２１における空気の流れの下流側に設けられ、吸気管１２１を流れる空気の圧力を計測する。
エンジン１３０は、たとえば、火花点火式内燃機関である。エンジン１３０は、たとえば、燃焼室１３１と、可変吸気バルブ機構１３２と、可変排気バルブ機構１３３と、燃料噴射装置１３４と、点火プラグ１３５と、クランク角センサ１３６と、大気圧力センサ１３７とを備えている。可変吸気バルブ機構１３２は、吸気バルブの開閉位相を検出する位相センサ１３２ａを有し、吸気バルブの開閉位相を制御する。可変排気バルブ機構１３３は、排気バルブの開閉位相を検出する位相センサ１３３ａを有し、排気バルブの開閉位相を制御する。燃料噴射装置１３４は、燃焼室１３１に燃料を噴射する。点火プラグ１３５は、燃焼室１３１内の混合気に点火エネルギを供給する。クランク角センサ１３６は、クランク角を計測し、大気圧力センサ１３７は、大気圧力を計測する。
排気系１４０は、たとえば、排気管１４１と、触媒コンバータ１４２と、空燃比センサ１４３と、ＥＧＲ配管１４４と、ＥＧＲクーラ１４５と、ＥＧＲバルブ１４６とを備えている。排気管１４１は、エンジン１３０の排気を外部へ排出する。触媒コンバータ１４２は、排気管１４１に設けられ、排気管１４１を流れる排気を浄化する。空燃比センサ１４３は、排気管１４１において触媒コンバータ１４２よりも排気の流れの上流側に設けられ、排気の空燃比を計測する。空燃比センサ１４３は、たとえば、酸素濃度センサに置き換えてもよい。
ＥＧＲ配管１４４は、排気再循環（ＥＧＲ）を行うための配管であり、たとえば、排気管１４１における過給器１５０のタービン１５２よりも排気の流れの上流側から分岐して、スロットルバルブ１２５よりも吸入される空気の流れの下流側で吸気管１２１に接続されている。ＥＧＲクーラ１４５は、ＥＧＲ配管１４４を流れて吸気管１２１へ循環する排気を冷却する。ＥＧＲバルブ１４６は、ＥＧＲ配管１４４を流れて吸気管１２１へ循環する排気の流量を調整する。
本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、たとえば、吸気系１２０、エンジン１３０、および排気系１４０に設けられた各種のセンサおよびアクチュエータに対して、無線または有線の通信回線または信号配線によって、情報通信可能に接続されている。また、制御装置１１０は、たとえば、エンジンシステム１００が搭載された車両のアクセルペダルの開度を計測するアクセル開度センサ１６０に対しても同様に、情報通信可能に接続されている。
より詳細には、制御装置１１０は、たとえば、大気湿度センサ１２２、質量流量計１２３、吸気温度センサ１２３ａ、スロットルバルブ１２５、スロットルポジションセンサ１２５ａ、および吸気管圧力センサ１２６に対して情報通信可能に接続されている。大気湿度センサ１２２、質量流量計１２３、吸気温度センサ１２３ａ、スロットルポジションセンサ１２５ａ、および吸気管圧力センサ１２６は、それぞれ、計測値に応じた信号Ｓ＿ｉａｈ，Ｓ＿ｉｆｒ，Ｓ＿ｔｍｐ，Ｓ＿ｔｈｒ，Ｓ＿ｉａｐを出力する。これら吸気系１２０の各センサから出力された信号Ｓ＿ｉａｈ，Ｓ＿ｉｆｒ，Ｓ＿ｔｍｐ，Ｓ＿ｔｈｒ，Ｓ＿ｉａｐは、たとえば、制御装置１１０の入力回路１１３へ入力される。
また、制御装置１１０は、たとえば、可変吸気バルブ機構１３２、可変排気バルブ機構１３３、位相センサ１３２ａ，１３３ａ、燃料噴射装置１３４、点火プラグ１３５、クランク角センサ１３６、および大気圧力センサ１３７に対して情報通信可能に接続されている。可変吸気バルブ機構１３２の位相センサ１３２ａ、可変排気バルブ機構１３３の位相センサ１３３ａ、クランク角センサ１３６、および大気圧力センサ１３７は、それぞれ、計測値に応じた信号Ｓ＿ｉｐｈ，Ｓ＿ｅｐｈ，Ｓ＿ｃｒａ，Ｓ＿ｏａｐを出力する。これらエンジン１３０の各センサから出力された信号Ｓ＿ｉｐｈ，Ｓ＿ｅｐｈ，Ｓ＿ｃｒａ，Ｓ＿ｏａｐは、たとえば、制御装置１１０の入力回路１１３へ入力される。
さらに、制御装置１１０は、たとえば、空燃比センサ１４３、およびＥＧＲバルブ１４６に対して情報通信可能に接続されている。この排気系１４０の空燃比センサ１４３は、計測値に応じた信号Ｓ＿ａｆｒを出力する。空燃比センサ１４３から出力された信号Ｓ＿ａｆｒは、たとえば、制御装置１１０の入力回路１１３へ入力される。また、制御装置１１０は、たとえば、アクセル開度センサ１６０に対して情報通信可能に接続されている。
アクセル開度センサ１６０は、計測値に応じた信号Ｓ＿ａｃｃを出力する。アクセル開度センサ１６０から出力された信号Ｓ＿ａｃｃは、たとえば、制御装置１１０の入力回路１１３へ入力される。なお、制御装置１１０に入力される信号は、図２に示す各信号に限定されない。
制御装置１１０の入力回路１１３は、入力された信号を入出力ポート１１４へ送る。入力回路１１３は、たとえば、Ａ／Ｄ変換器を含み、入力された信号にアナログ信号が含まれる場合、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換して入出力ポート１１４へ送る。入力回路１１３から入出力ポート１１４へ送られた入力信号の数値は記憶装置１１２を構成するＲＡＭに保持され、処理装置１１１による演算処理に使用される。処理装置１１１による演算処理の内容を規定したコンピュータ・プログラムは、たとえば、記憶装置１１２を構成するＲＯＭに記録されている。
処理装置１１１は、たとえば、アクセル開度センサ１６０から出力されたアクセル開度の計測値に応じた信号Ｓ＿ａｃｃや、その他のセンサから出力された信号に基づいて、エンジン１３０の要求トルクを算出する。すなわち、アクセル開度センサ１６０は、エンジン１３０の要求トルクを検出するための要求トルク検出センサとして使用することができる。また、処理装置１１１は、エンジンシステム１００の各部に設けられた各種のセンサの出力から推定されるエンジン１３０の運転状態に基づいて、エンジンシステム１００の各部の制御量を算出する。
具体的には、処理装置１１１は、エンジン１３０の運転状態に基づいて、たとえば、次のようなエンジンシステム１００の各部の制御量を算出する。処理装置１１１は、たとえば、スロットルバルブ１２５の開度θ、燃料噴射装置１３４の噴射パルス期間、点火プラグ１３５の点火時期、可変吸気バルブ機構１３２および可変排気バルブ機構１３３の開閉時期、ＥＧＲバルブ１４６の開度などを算出する。
処理装置１１１は、たとえば、算出した各部の制御量を、記憶装置１１２を構成するＲＡＭに記録する。また、処理装置１１１は、たとえば、各部の制御量を、スロットル駆動回路１１５、ＥＧＲバルブ駆動回路１１６、可変バルブ機構駆動回路１１７、燃料噴射装置駆動回路１１８、および点火出力回路１１９へ、入出力ポート１１４を介して出力する。
スロットル駆動回路１１５は、たとえば、入出力ポート１１４を介して入力されたスロットルバルブ１２５の開度θを、スロットルバルブ１２５の制御信号Ｃ＿ｔｈｒに変換して、スロットルバルブ１２５へ出力する。ＥＧＲバルブ駆動回路１１６は、たとえば入出力ポート１１４を介して入力されたＥＧＲバルブ１４６の開度を、ＥＧＲバルブ１４６の制御信号Ｃ＿ｅｇｒに変換してＥＧＲバルブ１４６へ出力する。
可変バルブ機構駆動回路１１７は、たとえば、入出力ポート１１４を介して可変吸気バルブ機構１３２および可変吸気バルブ機構１３２の開閉時期が入力される。可変バルブ機構駆動回路１１７は、入力された開閉時期を、可変吸気バルブ機構１３２および可変吸気バルブ機構１３２の制御信号Ｃ＿ｉｖｔ，Ｃ＿ｅｖｔに変換して、可変吸気バルブ機構１３２および可変排気バルブ機構１３３へ出力する。
燃料噴射装置駆動回路１１８は、たとえば、入出力ポート１１４を介して入力された燃料噴射装置１３４の噴射パルス期間を、燃料噴射装置１３４の制御信号Ｃ＿ｆｉｖに変換して、燃料噴射装置１３４へ出力する。点火出力回路１１９は、入出力ポート１１４を介して入力された点火プラグ１３５の点火時期を、点火プラグ１３５の制御信号Ｃ＿ｉｇｎに変換して、点火プラグ１３５へ出力する。
エンジンシステム１００は、吸気管１２１へ吸入されてスロットルバルブ１２５および可変吸気バルブ機構１３２を経て燃焼室１３１に流入した空気に対し、燃料噴射装置１３４から燃料を噴射することで、燃焼室１３１に混合気を生成する。そして、点火プラグ１３５の点火により混合気を燃焼させ、その燃焼圧によりピストンを押し下げることで、エンジン１３０に駆動力を発生させる。
エンジン１３０の燃焼室１３１における混合気の燃焼後の排気は、可変排気バルブ機構１３３、排気管１４１、タービン１５２を経て、触媒コンバータ１４２でＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣなどの成分が浄化された後に、エンジンシステム１００の外部へ排出される。また、排気の一部は、ＥＧＲ配管１４４、ＥＧＲクーラ１４５、およびＥＧＲバルブ１４６を経て、吸気管１２１へ再循環される。
図３は、図２に示す本実施形態の内燃機関の制御装置１１０の機能ブロック図である。制御装置１１０は、たとえば、ガス状態算出部Ｆ１と、質量流束算出部Ｆ２と、開口面積算出部Ｆ３と、有効開口面積算出部Ｆ４と、通過ガス流量算出部Ｆ５と、を有している。これら制御装置１１０の各部は、たとえば、記憶装置１１２に記憶されたコンピュータ・プログラムを処理装置１１１により実行することで実現される制御装置１１０の機能を表している。
すなわち、ガス状態算出部Ｆ１、質量流束算出部Ｆ２、開口面積算出部Ｆ３、有効開口面積算出部Ｆ４、および通過ガス流量算出部Ｆ５は、それぞれ、ガス状態の算出機能、質量流束の算出機能、開口面積の算出機能、有効開口面積の算出機能、および通過ガス流量の算出機能、と言い換えることができる。
以下、図４から図９を参照して、本実施形態に係る内燃機関の制御装置１１０の動作の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置１１０によってスロットルバルブ１２５を通過するガス流量を算出する処理の流れの一例を示すフロー図である。制御装置１１０は、図４に示す処理を開始すると、まず、センサ情報を取得する処理Ｐ１を実行する。
処理Ｐ１において、制御装置１１０は、たとえば、吸気温度センサ１２３ａの出力信号Ｓ＿ｔｍｐに基づく吸気温度Ｔ＿ａｔｍと、大気圧力センサ１３７の出力Ｓ＿ｏａｐに基づく大気圧力Ｐ＿ａｔｍとを取得する。また、処理Ｐ１において、制御装置１１０は、たとえば、クランク角センサ１３６の出力信号Ｓ＿ｃｒａに基づくエンジン１３０の回転数Ｎ＿ｅｎｇと、質量流量計１２３の出力信号Ｓ＿ｉｆｒに基づく吸入空気の質量流量ＦＲ＿ｍａｓｓとを取得する。
さらに、処理Ｐ１において、制御装置１１０は、スロットルポジションセンサ１２５ａの出力信号Ｓ＿ｔｈｒに基づくスロットルバルブ１２５の開度θを取得する。処理Ｐ１において、制御装置１１０は、たとえば、処理装置１１１によって記憶装置１１２に記録されたプログラムを実行し、入力回路１１３に入力され、記憶装置１１２に記憶された各センサの出力信号を処理することで、上記の各センサの計測結果を取得することができる。
次に、制御装置１１０は、吸気系１２０のガスの温度と圧力を算出する処理Ｐ２を実行する。制御装置１１０は、たとえば、図３に示すガス状態算出部Ｆ１により、吸気系１２０のガスの温度と圧力を算出する。ガス状態算出部Ｆ１は、たとえば、前の処理Ｐ１で取得した、吸気温度Ｔ＿ａｔｍ、大気圧力Ｐ＿ａｔｍ、エンジン１３０の回転数Ｎ＿ｅｎｇ、吸入空気の質量流量ＦＲ＿ｍａｓｓ、およびスロットルバルブ１２５の開度θを入力とする。
ガス状態算出部Ｆ１は、上記の入力に基づいて、たとえば、スロットルバルブ１２５の上流側のガスの温度および圧力である上流側ガス温度Ｔｕおよび上流側ガス圧力Ｐｕと、スロットルバルブ１２５の下流側のガスの圧力である下流側ガス圧力Ｐｄとを算出する。なお、本実施形態において、スロットルバルブ１２５の上流側とは、たとえば、吸気管１２１におけるインタークーラ１２４の出口からスロットルバルブ１２５の入口までの部分である。また、スロットルバルブ１２５の下流側とは、たとえば、吸気管１２１におけるスロットルバルブ１２５の出口から燃焼室１３１の入口までの部分である。
ここで、本実施形態の制御装置１１０において、たとえば、スロットルバルブ１２５の開度θの変化からエンジン１３０の燃焼室１３１へ流入する筒内流入ガス量の変化が生じるまでの空気挙動の推定に使用される、吸気系物理モデルの基本原理を説明する。ここでは、吸気管１２１の吸気口からエンジン１３０の燃焼室１３１までの経路を、３つのコントロールボリューム（ＣＶ）に分割する。
第１のＣＶは、たとえば、吸気管１２１の吸気口からスロットルバルブ１２５の入口までのスロットル上流のＣＶである。第２のＣＶは、たとえば、スロットルバルブ１２５の出口からエンジン１３０の燃焼室１３１の入口までのスロットルバルブ１２５の下流側のＣＶである。第３のＣＶは、たとえば、エンジン１３０の燃焼室１３１すなわちシリンダのＣＶである。
さらに、前の処理Ｐ１で取得した、吸気温度Ｔ＿ａｔｍ、大気圧力Ｐ＿ａｔｍ、吸入空気の質量流量ＦＲ＿ｍａｓｓ、およびスロットルバルブ１２５の開度θを含む、センサ検出値を用いる。そして、以下の式（１）から式（４）までの基礎方程式に基づいて、スロットルバルブ１２５の上流側ガス温度Ｔｕおよび上流側ガス圧力Ｐｕと、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力Ｐｄを算出する。
Figure 0007430114000002
なお、上記の式（１）から式（４）において、ｍは質量、ｅはエネルギ、Ｔは温度、κは比熱比、Ｒは気体定数、Ｑは熱量、Ｖは容積である。また、質量ｍ、比熱比κ、気体定数Ｒに付された添え字ｉｎ，ｏｕｔは、それぞれ、ＣＶへの流入と流出を表している。すなわち、ガス状態算出部Ｆ１は、たとえば、ＣＶごとに一周期前の演算時に算出したガス流量と温度を用い、現時刻のガスの質量の変化量およびエネルギの変化量を算出する。次に、ガス状態算出部Ｆ１は、算出したガスの質量の変化量およびエネルギの変化量から、各ＣＶの温度、圧力を計算する。
次に、制御装置１１０は、スロットルバルブ１２５を通過するガスの質量流束を算出する処理Ｐ３を実行する。制御装置１１０は、たとえば、図３に示す質量流束算出部Ｆ２により、スロットルバルブ１２５を通過するガスの質量流束ＭＦを算出する。質量流束算出部Ｆ２は、たとえば、前の処理Ｐ２で算出した、スロットルバルブ１２５の上流側ガス温度Ｔｕおよび上流側ガス圧力Ｐｕと、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力Ｐｄとを入力とする。
質量流束算出部Ｆ２は、上記の入力に基づいて、たとえば、スロットルバルブ１２５を通過する単位面積当たりの質量流量すなわち質量流束ＭＦを算出する。ここで、質量流束算出部Ｆ２は、たとえば、スロットルバルブ１２５をオリフィスとみなし、スロットルの周りの流体力学モデルを構築して、スロットルバルブ１２５を通過するガスの質量流束を算出する。質量流束算出部Ｆ２は、たとえば、記憶装置１１２に記憶されたスロットルバルブ１２５の上流側ガス温度Ｔｕ、スロットルバルブ１２５の前後の上流側ガス圧力Ｐｕおよび下流側ガス圧力Ｐｄ、ならびに以下の式（５）～（７）に基づいて、質量流束ＭＦを算出する。
Figure 0007430114000003
なお、上記式（５）において、Ｒは気体定数であり、ψは流量係数である。また、上記式（６）、（７）において、κは比熱比である。流量係数ψは、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力Ｐｄと上流側ガス圧力Ｐｕとの比、Ｐｄ／Ｐｕに応じて上記式（６）、（７）のいずれかが選択される。
次に、制御装置１１０は、スロットルバルブ１２５の開口面積Ａを算出する処理Ｐ４を実行する。制御装置１１０は、たとえば、図３に示す開口面積算出部Ｆ３により、スロットルバルブ１２５の開度θに基づく幾何学的な開口面積Ａを算出する。開口面積算出部Ｆ３は、前述のセンサ情報を取得する処理Ｐ１で取得したスロットルバルブ１２５の開度θを入力とし、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａを算出して出力する。スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａは、スロットルバルブ１２５の開度θに応じて一義的に求めることができる。
本実施形態の制御装置１１０は、たとえば、スロットルバルブ１２５の開度θと幾何学的な開口面積Ａとの関係に基づいて作成されたテーブルが、予め記憶装置１１２に記憶されている。開口面積算出部Ｆ３は、たとえば、スロットルバルブ１２５の開度θを入力とし、記憶装置１１２に記憶された上記のテーブルを参照して、入力された開度θに対応するスロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａを出力する。このようなテーブルを用いることで、処理装置１１１の演算負荷を低減することができる。
上記のテーブルは、スロットルバルブ１２５の開度θが、たとえば１５°以下の低開度の領域において、それよりも高開度の領域よりも狭い角度間隔で開度θと幾何学的な開口面積Ａとの関係を規定してもよい。これは、スロットルバルブ１２５が低開度であるほど、開度θに対する幾何学的な開口面積Ａの変化が大きくなるためである。これにより、スロットルバルブ１２５の開度θが低開度であっても幾何学的な開口面積Ａを高精度に推定することができる。
次に、制御装置１１０は、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する処理Ｐ５を実行する。制御装置１１０は、たとえば、図３に示す有効開口面積算出部Ｆ４により、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する。有効開口面積算出部Ｆ４は、たとえば、前述のセンサ情報を取得する処理Ｐ１で取得したスロットルバルブ１２５の開度θと、ガス状態算出部Ｆ１の出力であるスロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕおよび下流側ガス圧力Ｐｄと、を入力とする。また、有効開口面積算出部Ｆ４は、開口面積算出部Ｆ３の出力であるスロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａを入力とする。
図５は、図３に示す有効開口面積算出部Ｆ４のより詳細な機能ブロック図である。有効開口面積算出部Ｆ４は、たとえば、差圧算出部Ｆ４１と、補正係数算出部Ｆ４２と、補正部Ｆ４３とを有している。なお、有効開口面積算出部Ｆ４の各部も、有効開口面積算出部Ｆ４と同様に、記憶装置１１２に記憶されたコンピュータ・プログラムを処理装置１１１により実行することで実現される制御装置１１０の機能を表している。すなわち、差圧算出部Ｆ４１、補正係数算出部Ｆ４２、および補正部Ｆ４３は、それぞれ、差圧の算出機能、補正係数の算出機能、補正機能と言い換えることができる。
差圧算出部Ｆ４１は、たとえば、スロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕおよび下流側ガス圧力Ｐｄを入力とし、上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄとの差分、すなわちスロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰを算出する。補正係数算出部Ｆ４２は、差圧算出部Ｆ４１の出力であるスロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰと、スロットルバルブ１２５の開度θを入力とする。補正係数算出部Ｆ４２は、これらの入力に基づいて、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａを有効開口面積ＥＡに補正するための補正係数μを算出する。
より具体的には、補正係数算出部Ｆ４２は、スロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰと補正係数μとの関係を規定する関数に基づいて、補正係数μを算出する。なお、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡがスロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａよりも大きくなることは、一般的に考えにくいため、補正係数μは、０以上かつ１．０以下の範囲に設定されている。
図６は、スロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰと補正係数μとの関係を規定する関数の例を示すグラフである。図６に示す例において、補正係数μとスロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰとは、たとえば、正の相関を有する比例関係にあり、以下の式（８）の関数で表される関係を有している。
μ＝ａｉ・ΔＰ＋ｂｉ ・・・（８）
図６に示すように、たとえば、スロットルバルブ１２５の開度θに応じて、差圧ΔＰと補正係数μとの関係を規定する複数の関数が規定される。図６に示す例において、スロットルバルブ１２５の開度θであるθ１からθ４までの大小関係は、θ１＜θ２＜θ３＜θ４である。図６に示す例では、スロットルバルブ１２５の開度θが増加するほど、補正係数μの傾き、すなわち差圧ΔＰに対する補正係数μの変化の割合が増加している。すなわち、差圧ΔＰの変化に対する補正係数μの変化の割合と開度θとが正の相関を有している。
スロットルバルブ１２５の差圧ΔＰと補正係数μとの関係を規定する関数は、スロットルバルブ１２５の開度θが全閉から全開まで、等角度間隔に規定してもよく、エンジン１３０の運転領域に応じて異なる角度間隔で規定してもよい。より具体的には、たとえば、スロットルバルブ１２５の開度θが１５°以下の低開度の領域では、それ以外の領域よりも狭い角度間隔で上記関数を規定することができる。これにより、制御装置１１０の記憶装置１１２を有効活用することが可能になる。
図６に示すようなスロットルバルブ１２５の開度θごとの差圧ΔＰと補正係数μとの関係を規定する複数の関数は、たとえば、予めエンジンシステム１００を用いた実験によって求められ、記憶装置１１２に記憶されている。なお、補正係数μは、たとえば、エンジンシステム１００の実験で得られた各数値と、以下の式（９）とを用いて求めることができる。
Figure 0007430114000004
上記の式（９）において、ｄｍ／ｄｔは、単位時間当たりにスロットルバルブ１２５に流入するガスの質量である。Ａは、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積である。Ｐｕ，Ｐｄは、それぞれスロットルバルブ１２５の上流側と下流側のガスの圧力である。Ｔｕは、スロットルバルブ１２５の上流側のガス温度である。Ｒは気体定数であり、ψは流量係数である。流量係数ψは、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力Ｐｄと上流側ガス圧力Ｐｕとの比、Ｐｄ／Ｐｕに応じて、上記式（６）、（７）のいずれかが選択される。
スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する処理Ｐ５において、図５に示す補正係数算出部Ｆ４２は、たとえば、スロットルバルブ１２５の開度θと、前後の差圧ΔＰとを入力とする。そして、補正係数算出部Ｆ４２は、記憶装置１１２に記憶された複数の関数から、入力された開度θに応じた一の関数を選択し、入力された差圧ΔＰと選択した関数とに基づいて、補正係数μを算出する。
ここで、図７および図８を参照して、スロットルバルブ１２５の開度θと、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａを有効開口面積ＥＡに補正するための補正係数μとの関係について説明する。
図７は、スロットルバルブ１２５の開度θと、補正係数μとの関係を示すグラフである。図７に示す関係は、たとえば、エンジン１３０の回転数とトルクを変化させ、定常状態においてスロットルバルブ１２５の開度、スロットルバルブ１２５を通過するガスの流量、スロットルバルブ１２５の上流側および下流側のガスの圧力、下流側のガスの温度を計測し、上記式（９）により得られたものである。図７に示すように、補正係数μは、スロットルバルブ１２５の開度θに対してばらついた値を取り、スロットルバルブ１２５の開度θに対して一意に決定できない。
図８は、スロットルバルブ１２５を通過するガスの流れの模式図である。スロットルバルブ１２５は、たとえば、開度θが０°で全閉となり、開度θが９０°で全開となるバタフライ弁である。スロットルバルブ１２５の開度θを低下させると、スロットルバルブ１２５を通過するガスの流れは、弁体によって開口面積が絞られたスロットルバルブ１２５の開口を通過するときに、流速が増加して圧力が低下する。そして、スロットルバルブ１２５の開口を通過した後は、管路が急拡大して圧力が増加するため、ガスの流れの一部が剥離してよどみＢＷ、噴流ＪＦおよび渦ＶＸが発生する。
その結果、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａに対して実際にガスが流れる開口面積、すなわち有効開口面積ＥＡが減少する。すなわち、スロットルバルブ１２５の前後の上流側ガス圧力Ｐｕおよび下流側ガス圧力Ｐｄの状態に応じて有効開口面積ＥＡが変化する。そのため、本実施形態では、ナビエストークスの式に基づいて流体の駆動力が圧力差に起因する点に着目し、図７に示す補正係数μを、図６に示すように、スロットルバルブ１２５の開度θに応じて補正係数μとスロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰとの関係を規定する関数として整理した。
図６に示すように、スロットルバルブ１２５の開度θが一定であれば、補正係数μは、差圧ΔＰに対して正の相関を有して正比例する。また、スロットルバルブ１２５の開度θが増加すると、補正係数μの一次近似式の傾きが増加する。これは、スロットルバルブ１２５の開度θが一定の条件で、ガスの流量すなわち流速が変化してレイノルズ数が変化し、スロットルバルブ１２５の弁体の近傍でガスの流れの剥離、よどみＢＷ、噴流ＪＦ、渦ＶＸなどが発生し、補正係数μが変化するためと考えられる。また、流体力学的にスロットルバルブ１２５の弁体の近傍を流れるガスの流速の増加にともなってスロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰが増加するという相関があるため、このような結果になったと考えられる。
なお、本実施形態では、スロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰを軸として補正係数μを整理したが、スロットルバルブ１２５の上流と下流の圧力比Ｐｄ／Ｐｕを軸として補正係数μを整理してもよい。その場合、スロットルバルブ１２５の開度θが一定であれば、補正係数μは、圧力比Ｐｄ／Ｐｕに対して負の相関を有して正比例し、スロットルバルブ１２５の開度θが増加すると、補正係数μの一次近似式の傾きが減少する。以上のように、図５に示す補正係数算出部Ｆ４２は、スロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄと差圧ΔＰ、および、スロットルバルブ１２５の開度θとを用いて、補正係数μを推定することができる。
さらに、図５に示す補正部Ｆ４３は、開口面積算出部Ｆ３の出力であるスロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａと、補正係数算出部Ｆ４２の出力である補正係数μを入力として、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する。補正部Ｆ４３は、たとえば、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａと補正係数μを乗算することで、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する（ＥＡ＝μ×Ａ）。以上により、図４に示すスロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する処理Ｐ５が終了する。
次に、制御装置１１０は、スロットルバルブ１２５を通過するガスの流量を算出する処理Ｐ６を実行する。制御装置１１０は、たとえば、図３に示す通過ガス流量算出部Ｆ５により、質量流束算出部Ｆ２の出力である質量流束ＭＦと、有効開口面積算出部Ｆ４の出力である有効開口面積ＥＡとを入力として、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを算出する。
具体的には、通過ガス流量算出部Ｆ５は、スロットルバルブ１２５を通過するガスの質量流束ＭＦと、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡとを乗算することで、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを算出する（ＧＦ＝ＭＦ×ＥＡ）。以上により、図４に示す処理Ｐ６が終了する。制御装置１１０は、処理Ｐ１から処理Ｐ６によって算出したスロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦに基づいて、エンジン１３０の燃焼室１３１へ流入するガス量である筒内流入ガス量を推定する。
以下、本実施形態に係る内燃機関の制御装置１１０の作用を説明する。
環境負荷を低減する観点から、自動車の排出ガスに対する規制は、近年、厳格化する傾向にある。このような厳格な規制に対応するためには、エンジンシステム１００を構成するエンジン１３０の空燃比制御の高精度化が必要になる。エンジン１３０の空燃比制御の高精度化のためには、たとえば自動車の急加速時や急減速時などのエンジンの過渡状態においても、エンジン１３０の燃焼室１３１へ流入する空気量、すなわち筒内流入ガス量を高精度に推定することが要求される。筒内流入ガス量を高精度に推定することで、目標とする空燃比を高精度に実現する燃料噴射量を設定することが可能になるためである。
本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、前述のように、質量流束算出部Ｆ２と、開口面積算出部Ｆ３と、有効開口面積算出部Ｆ４と、通過ガス流量算出部Ｆ５と、を有する。質量流束算出部Ｆ２は、スロットルバルブ１２５の上流側ガス温度Ｔｕと上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄに基づいてスロットルバルブ１２５を通過するガスの質量流束ＭＦを算出する。開口面積算出部Ｆ３は、スロットルバルブ１２５の開度θに基づいてスロットルバルブ１２５の開口面積Ａを算出する。有効開口面積算出部Ｆ４は、上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄと開度θと開口面積Ａに基づいてスロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する。通過ガス流量算出部Ｆ５は、質量流束ＭＦと有効開口面積ＥＡに基づいてスロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを算出する。
このような構成により、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを高精度に推定することができ、従来よりも高精度にエンジン１３０の筒内流入ガス量を推定することができる。より詳細には、たとえば自動車の急加速時や急減速時など、エンジン１３０の過渡状態においても、スロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄと開度θと幾何学的な開口面積Ａに基づいて、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを高精度に推定することができる。その結果、質量流束ＭＦと有効開口面積ＥＡに基づいてスロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを高精度に推定することができ、筒内流入ガス量を高精度に推定することが可能になる。したがって、エンジン１３０において、目標とする空燃比を高精度に実現する燃料噴射量を設定することが可能になり、排出ガスの厳格な規制に対応することができる。
図９は、減速時のスロットルバルブ１２５の開度θと、上流側ガス圧力Ｐｕと、下流側ガス圧力Ｐｄと、有効開口面積ＥＡの時間変化を示すグラフである。なお、上流側ガス圧力Ｐｕ、下流側ガス圧力Ｐｄ、および有効開口面積ＥＡの各グラフにおいて、実線は実際の上流側ガス圧力Ｐｕ、下流側ガス圧力Ｐｄ、有効開口面積ＥＡの値を示している。また、破線は、従来の内燃機関の制御装置による各値の推定値を示し、一点鎖線は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置１１０による各値の推定値を示している。
時刻ｔ０においてスロットルバルブ１２５が閉じ始めて開度θが減少する。従来の内燃機関の制御装置は、スロットルバルブ１２５の開度θに基づいて、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを算出する。そのため、従来の内燃機関の制御装置では、破線で示す有効開口面積ＥＡの推定値がスロットルバルブ１２５の開度θのみに依存し、スロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄとの差圧が大きい過度時に、実線で示す実際の有効開口面積ＥＡとの誤差が拡大する。また、従来の内燃機関の制御装置では、破線で示すスロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力Ｐｄの推定値も、実線で示す実際の下流側ガス圧力Ｐｄに対して過大な推定値となっている。
これに対し、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、前述のように、スロットルバルブ１２５の開度θと上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄに基づいて有効開口面積ＥＡを算出する。そのため、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、一点鎖線で示す有効開口面積ＥＡの推定値が、実線で示す実際の有効開口面積ＥＡとよく一致している。また、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、一点鎖線で示す下流側ガス圧力Ｐｄの推定値も、実線で示す実際の下流側ガス圧力Ｐｄとよく一致している。これにより、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを高精度に推定し、エンジン１３０の筒内流入ガス量を高精度に推定することができる。その結果、排気空燃比リッチを改善することができる。また、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０によれば、加速時には、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力Ｐｄの過小推定を防止し、排気空燃比リーンを改善することができる。
以上のように、本実施形態によれば、スロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄに基づいて幾何学的な開口面積Ａを乗算補正する有効開口面積算出部Ｆ４を備えることで、エンジン１３０の過渡状態においても有効開口面積ＥＡを正確に推定し、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを高精度に推定することができる。したがって、本実施形態によれば、筒内流入ガス量を高精度に推定することができ、筒内流入ガス量に応じた適切な燃料噴射量の制御を行うことができ、燃費および排気エミッションの改善が可能な内燃機関の制御装置１１０を提供することができる。
また、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０において、有効開口面積算出部Ｆ４は、差圧算出部Ｆ４１と、補正係数算出部Ｆ４２と、補正部Ｆ４３とを有する。差圧算出部Ｆ４１は、上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄとの差圧ΔＰを算出する。補正係数算出部Ｆ４２は、差圧ΔＰと開度θとに基づいて開口面積Ａを有効開口面積ＥＡに補正するための補正係数μを算出する。補正部Ｆ４３は、開口面積Ａに補正係数μを乗じて有効開口面積ＥＡを得る。
この構成により、有効開口面積算出部Ｆ４は、スロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄと開度θと基づいて、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａを有効開口面積ＥＡに補正するための補正係数μを推定することができる。さらに、有効開口面積算出部Ｆ４は、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａと補正係数μとを乗算して有効開口面積ＥＡを算出することができる。これにより、有効開口面積算出部Ｆ４は、エンジン１３０の過渡状態で、スロットルバルブ１２５の前後の圧力状態が変化する条件においても、適切に補正係数μおよび有効開口面積ＥＡを算出することができる。したがって、通過ガス流量算出部Ｆ５は、エンジン１３０の過渡状態においても、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを高精度に算出することができる。その結果、より正確にスロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力Ｐｄを算出することができ、高精度に筒内流入ガス量を推定することが可能になる。
また、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０において、補正係数算出部Ｆ４２は、スロットルバルブ１２５の開度θに応じて設定された差圧ΔＰと補正係数μとの関係に基づいて補正係数μを算出する。これにより、エンジン１３０の運転条件によってスロットルバルブ１２５の開度θが変化しても、有効開口面積ＥＡを高精度に推定することが可能になる。より具体的には、前述のようにスロットルバルブ１２５の開度θごとに補正係数μと差圧ΔＰとの関係を関数化することで、開度θが急変し、スロットルバルブ１２５の前後の圧力が変化した場合でも、補正係数μを正確に推定することができる。
また、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０において、スロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰと補正係数μとの関係は、正の相関を有する比例関係である。換言すると、スロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰが増加するほど、補正係数μが増加する。これにより、エンジン１３０の運転条件によって、スロットルバルブ１２５の開度θが一定の条件で差圧ΔＰが変化しても、高精度に有効開口面積ＥＡを推定することができる。
また、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０において、スロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰの変化に対する補正係数μの変化の割合と開度θとが正の相関を有する。すなわち、スロットルバルブ１２５の開度θが大きくなるほど、差圧ΔＰの関数である補正係数μの傾きが大きくなる。これにより、スロットルバルブ１２５の開度θが大きくなるほど、補正係数μを大きくすることができ、エンジン１３０の運転条件によりスロットルバルブ１２５の開度θが変化しても、スロットルバルブ１２５の有効開口面積ＥＡを高精度に推定することができる。
なお、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、スロットルバルブ１２５の上流側ガス温度、上流側ガス圧力、および下流側ガス圧力として、ガス状態算出部Ｆ１による推定値である上流側ガス温度Ｔｕ、上流側ガス圧力Ｐｕ、および下流側ガス圧力Ｐｄを用いている。しかし、制御装置１１０は、たとえば、吸気温度センサ１２３ａ、大気圧力センサ１３７、および吸気管圧力センサ１２６で検出したスロットルバルブ１２５の上流側ガス温度、上流側ガス圧力、および下流側ガス圧力を用いてもよい。これにより、ガス状態算出部Ｆ１を有しない場合でも、スロットルバルブ１２５の上流側ガス温度、上流側ガス圧力、および下流側ガス圧力を得ることができる。
また、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力は、エンジン１３０の回転数Ｎ＿ｅｎｇとスロットルバルブ１２５の開度θまたはエンジン１３０の負荷（トルク）との間に相関がある。そのため、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力は、たとえば、エンジン１３０の回転数Ｎ＿ｅｎｇとスロットルバルブ１２５の開度θ、または、エンジン１３０の回転数Ｎ＿ｅｎｇとエンジン１３０の負荷を軸とするマップによって与えてもよい。これにより、大気圧力センサ１３７、吸気管圧力センサ１２６、およびガス状態算出部Ｆ１を有しない場合でも、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力を算出することができる。
また、本実施形態の内燃機関の制御装置１１０は、図６に示すように、スロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰと補正係数μとの関係を関数化する方法を用いたが、差圧ΔＰとスロットルバルブ１２５の開度θとの関係を規定するマップを設定してもよい。これにより、簡易な処理で補正係数μを正確に算出することができる。また、制御装置１１０は、たとえば、スロットルバルブ１２５の上流側ガス圧力Ｐｕと下流側ガス圧力Ｐｄとの圧力比Ｐｄ／Ｐｕと、スロットルバルブ１２５の開度θとを用いて補正係数μを算出してもよい。補正係数μをスロットルバルブ１２５の前後の差圧ΔＰまたは圧力比Ｐｄ／Ｐｕで近似し、より近似精度の高いパラメータを用いることで、より高精度に補正係数μを推定することができる。
［実施形態２］
次に、図１から図３および図５から図８を援用し、図１０および図１１を参照して本開示の内燃機関の制御装置の実施形態２を説明する。図１０は、本実施形態に係る内燃機関の制御装置によってスロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを算出する処理の流れの一例を示すフロー図である。
本実施形態の内燃機関の制御装置は、スロットルバルブ１２５の弁体の周辺に付着する汚れなどの影響を考慮した機械学習を行う点で、前述の実施形態１の制御装置１１０と異なっている。本実施形態の制御装置のその他の構成は、実施形態１の制御装置１１０と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。
図１０に示す本実施形態の制御装置による処理Ｐ１から処理Ｐ３までの処理は、図４に示す実施形態１の制御装置１１０による処理Ｐ１から処理Ｐ３までの処理と同様である。本実施形態の制御装置は、スロットルバルブ１２５を通過するガスの質量流束ＭＦを算出する処理Ｐ３の終了後、次の処理Ｐ７～Ｐ１２を実行する。
処理Ｐ７において、制御装置は、たとえば、図１に示す吸気管圧力センサ１２６によって検出したスロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓと、ガス状態算出部Ｆ１の出力である下流側ガス圧力Ｐｄとを、有効開口面積算出部Ｆ４の入力とする。処理Ｐ７において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓと、その推定値である下流側ガス圧力Ｐｄとの差分の絶対値Ｄｐ＝｜Ｐｄ－Ｐｄｓ｜を算出する。
次に、処理Ｐ８において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、次のような複数の学習更新条件が成立しているか否かを判定する。条件１：所定の期間内に、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａの補正ダミー値Ａｄと、開度θの補正ダミー値θｄを学習していること。条件２：今回の処理で算出したスロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとその推定値である下流側ガス圧力Ｐｄとの差分の絶対値Ｄｐ（ｎ）が、前回の処理で算出した差分の絶対値Ｄｐ（ｎ－１）よりも小さい（Ｄｐ（ｎ）＜Ｄｐ（ｎ－１））こと。条件３：質量流量ＦＲ＿ｍａｓｓの変化が所定のしきい値よりも小さい定常運転状態であること。
上記の条件２を設定することで、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとその推定値である下流側ガス圧力Ｐｄとの差分が、学習によって低下したか否かを判定することができる。そのため、学習の効果がある場合のみ、学習値を更新することができ、学習の失敗を防止できる。また、上記の条件３を設定することで、より安定した運転条件で学習値を更新することができ、学習の精度を向上させることができる。
処理Ｐ８において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、上記のような複数の学習更新条件を判定し、成立している（ＹＥＳ）と判定すると学習値を更新する処理Ｐ９を実行し、成立していない（ＮＯ）と判定すると学習値をリセットする処理Ｐ１０を実行する。
処理Ｐ９において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａの補正ダミー値Ａｄと、開度θの補正ダミー値θｄを、それぞれ、開口面積Ａの補正値Ａｖと、開度θの補正値θｖとして、記憶装置１１２に記憶させる。一方、処理Ｐ１０において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａの補正ダミー値Ａｄと、開度θの補正ダミー値θｄを、それぞれ、ゼロにリセットする。
次に、処理Ｐ１１において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、次のような複数の学習実行条件が成立しているか否かを判定する。条件１：スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとその推定値である下流側ガス圧力Ｐｄとの差分の絶対値Ｄｐがしきい値以上であること。条件２：質量流量ＦＲ＿ｍａｓｓの変化が所定のしきい値以上の過渡運転状態であること。
ここで、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力と、エンジン１３０の燃焼室１３１へ流入するガス量である筒内流入ガス量との間には相関がある。そのため、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の推定値である下流側ガス圧力Ｐｄと、吸気管圧力センサ１２６の検出値である下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとの間に偏差がある場合、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦの推定に誤差を生じていると考えられる。
そのため、上記の処理Ｐ１１における学習実行条件として、上記の条件１を設定した。なお、学習実行条件の条件１は、たとえば、空燃比センサ１４３による排気の空燃比の検出値と、目標空燃比との差分をしきい値としてもよい。また、上記の処理Ｐ１１における学習実行条件として、上記の条件２を設定することで、筒内流入ガス量の推定誤差が所定値よりも大きい条件で適切に学習が実行され、学習精度が向上する。なお、学習実行条件の条件２として、スロットルバルブ１２５の開度θの変化速度を用いて、過渡運転状態を判定してもよい。
処理Ｐ１１において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、上記のような複数の学習実行条件が成立している（ＹＥＳ）と判定すると学習を実行する処理Ｐ１２を実行する。また、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、上記のような複数の学習実行条件が成立していない（ＮＯ）と判定すると、前述の実施形態１と同様に、開口面積算出部Ｆ３によってスロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａを算出する処理Ｐ４を実行する。
処理Ｐ１２において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４は、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａの補正ダミー値Ａｄと、スロットルバルブ１２５の開度θの補正ダミー値θｄとを算出する。ここでは、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとその推定値である下流側ガス圧力Ｐｄとの差分の絶対値Ｄｐと、その時のスロットルバルブ１２５の開度θに対応する開口面積Ａおよび開度θの補正ダミー値Ａｄ，θｄを算出する。
より具体的には、以下の表１に示すように、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとその推定値である下流側ガス圧力Ｐｄとの差分の絶対値Ｄｐを複数の領域に分割する。そして、差分の絶対値Ｄｐの各領域に対して、補正ダミー値Ａｄ，θｄを設定する。なお、以下の表１では、差分の絶対値Ｄｐが大きくなるほど、各補正ダミー値Ａｄ，θｄが大きくなるように設定する。すなわち、以下の表１において、Ｄｐ１＜Ｄｐ２＜Ｄｐ３、Ａ１＜Ａ２＜Ａ３、θ１＜θ２＜θ３が成立する。
Figure 0007430114000005
これにより、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとその推定値である下流側ガス圧力Ｐｄとの差分の絶対値Ｄｐが大きい学習の初期段階では補正量が大きくなり、学習が進んで差分の絶対値Ｄｐが減少すると補正量が小さくなる。これにより、学習の失敗を防止することができる。
次に、処理Ｐ４において、前述の実施形態１と同様に、制御装置は、たとえば、図３に示す開口面積算出部Ｆ３により、スロットルバルブ１２５の開度θに基づく幾何学的な開口面積を算出する。さらに、本実施形態の制御装置は、この処理Ｐ４において、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４により、開口面積算出部Ｆ３により算出した開口面積Ａから補正値Ａｖを減算して、補正後の開口面積Ａｃ＝Ａ－Ａｖを算出する。
ここで、開口面積Ａの補正値Ａｖは正の値であり、補正後の開口面積Ａｃは、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａより小となる。このように、補正後の開口面積Ａｃを幾何学的な開口面積Ａよりも小さくすることで、たとえば、スロットルバルブ１２５の弁体の汚れなどによってスロットルバルブ１２５の開度θに対する実際の開口面積が小さくなる場合でも、適切にスロットルバルブ１２５の開口面積を算出することができる。
また、本実施形態の制御装置は、スロットルバルブ１２５の有効開口面積を算出する処理Ｐ５において、スロットルバルブ１２５の補正後の開度θｃを算出する。より具体的には、制御装置は、たとえば、有効開口面積算出部Ｆ４により、スロットルバルブ１２５の開度θから補正値θｖを減算して、補正後の開度θｃ＝θ－θｖを算出する。ここで、開度θの補正値θｖは正の値であり、補正後の開度θｃは、スロットルバルブ１２５の実際の開度θより小となる。
その後、有効開口面積算出部Ｆ４は、スロットルバルブ１２５の実際の開度θの代わりに、補正後の開度θｃを用い、前述の実施形態１と同様に、補正係数μを算出する。これにより、図６に示すグラフに基づいて、より正確に補正係数μを算出することができる。
さらに、有効開口面積算出部Ｆ４は、補正後の開口面積Ａｃを用い、前述の実施形態１と同様に、補正後の開口面積Ａｃと補正係数μとを乗じて有効開口面積ＥＡを算出する。これにより、たとえば、スロットルバルブ１２５の弁体の周辺の汚れなどによって、スロットルバルブ１２５の実際の開口面積が減少した場合でも、補正係数μの影響を考慮した有効開口面積ＥＡを算出することができる。したがって、次の処理Ｐ６において、より正確にスロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを算出することができる。
以下、本実施形態に係る内燃機関の制御装置の作用を説明する。図１１は、減速時のスロットルバルブ１２５の開度θと、ガスの質量流量ＦＲ＿ｍａｓｓと、下流側ガス圧力Ｐｄおよびその検出値Ｐｄｓと、下流側ガス圧力Ｐｄとその検出値Ｐｄｓとの差分の絶対値Ｄｐと、開口面積Ａの補正ダミー値Ａｄと、開度θの補正ダミー値θｄと、有効開口面積ＥＡの時間変化を示すグラフである。
なお、下流側ガス圧力Ｐｄおよびその検出値Ｐｄｓのグラフにおいて、実線は、下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓを示し、破線は、学習値の更新前の下流側ガス圧力Ｐｄを示し、一点鎖線は、学習値の更新後の下流側ガス圧力Ｐｄを示している。また、有効開口面積ＥＡのグラフにおいて、実線は学習値の更新前の有効開口面積ＥＡを示し、破線は、学習値の更新後の有効開口面積ＥＡを示している。
時刻ｔ０においてスロットルバルブ１２５が閉じ始めて開度θが減少し、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓが減少し始める。すると、破線で示す学習値の更新前の下流側ガス圧力Ｐｄと、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとの差分Ｄｐが増加して、時刻ｔ１でしきい値Ｄｐｔ以上となり、前述の処理Ｐ１１における学習実行条件が成立する。
これにより、前述の処理Ｐ１２において、スロットルバルブ１２５の幾何学的な開口面積Ａの補正ダミー値Ａｄと、スロットルバルブ１２５の開度θの補正ダミー値θｄとが算出される。その結果、学習が進められ、学習値が更新され、有効開口面積ＥＡのグラフにおいて破線で示すように、有効開口面積ＥＡが減少する方向に補正される。
以上のように、本実施形態の内燃機関の制御装置は、スロットルバルブ１２５の下流側ガス圧力の推定値である下流側ガス圧力Ｐｄと、吸気管圧力センサ１２６による下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとに基づいて、開口面積Ａの補正値Ａｖと開度θの補正値θｖの少なくとも一方を学習する。
このような構成により、本実施形態の内燃機関の制御装置は、スロットルバルブ１２５の弁体の周辺に付着した汚れにより、実際の開口面積Ａが減少した場合でも、正確な有効開口面積ＥＡを算出して、スロットルバルブ１２５を通過するガス流量ＧＦを算出することができる。これにより、エンジン１３０の筒内流入ガス量を高精度に推定することができ、燃費および排気エミッションの悪化を防止することができる。
また、本実施形態の内燃機関の制御装置は、推定値である下流側ガス圧力Ｐｄと下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとの差分Ｄｐがしきい値以上の場合に、開口面積Ａの補正値Ａｖと開度θの補正値θｖの少なくとも一方の学習を行う。このような構成により、本実施形態の内燃機関の制御装置は、推定値である下流側ガス圧力Ｐｄと下流側ガス圧力の検出値Ｐｄｓとの差分Ｄｐがしきい値を超えるのを防止することが可能になる。
また、本実施形態の内燃機関の制御装置は、開口面積Ａから開口面積Ａの補正値Ａｖを減算した補正後の開口面積Ａｃと、開度θから開度θの補正値θｖを減算した補正後の開度θｃとの少なくとも一方を用いて有効開口面積ＥＡを算出する。このような構成により、本実施形態の内燃機関の制御装置は、たとえば、スロットルバルブ１２５の実際の開口面積Ａまたは開度θが減少した場合でも、有効開口面積ＥＡをより正確に算出することが可能になる。
以上、図面を用いて本開示に係る内燃機関の制御装置の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。
１１０ 内燃機関の制御装置
１２５ スロットルバルブ
Ａ 開口面積
Ａｃ 補正後の開口面積
Ａｖ 開口面積の補正値
Ｄｐｔ しきい値
ＥＡ 有効開口面積
Ｆ２ 質量流束算出部
Ｆ３ 開口面積算出部
Ｆ４ 有効開口面積算出部
Ｆ４１ 差圧算出部
Ｆ４２ 補正係数算出部
Ｆ４３ 補正部
Ｆ５ 通過ガス流量算出部
ＧＦ ガス流量
ＭＦ 質量流束
Ｐｄ 下流側ガス圧力（推定値）
Ｐｄｓ 下流側ガス圧力の検出値
Ｐｕ 上流側ガス圧力
Ｔｕ 上流側ガス温度
ΔＰ 差圧
μ 補正係数
θ 開度
θｃ 補正後の開度
θｖ 開度の補正値

Claims (5)

  1. クランク角センサと、大気圧センサと、質量流量計と、吸気温度センサと、スロットルポジションセンサとを有する内燃機関の制御装置であって、
    エンジン回転数、大気圧力、吸入空気の質量流量、吸気温度、およびスロットルバルブの開度に基づいて、前記スロットルバルブの上流側ガス温度および上流側ガス圧力と、前記スロットルバルブの下流側ガス圧力とを算出するガス状態算出部と、
    前記上流側ガス温度と前記上流側ガス圧力と前記下流側ガス圧力に基づいて前記スロットルバルブを通過するガスの質量流束を算出する質量流束算出部と、
    前記スロットルバルブの開度に基づいて前記スロットルバルブの開口面積を算出する開口面積算出部と、
    前記上流側ガス圧力と前記下流側ガス圧力と前記開度と前記開口面積に基づいて前記スロットルバルブの有効開口面積を算出する有効開口面積算出部と、
    前記質量流束と前記有効開口面積に基づいて前記スロットルバルブを通過するガス流量を算出する通過ガス流量算出部と、を有し、
    前記ガス状態算出部は、以下の式（１）から式（４）に基づいて前記上流側ガス温度と前記上流側ガス圧力と前記下流側ガス圧力とを算出し、
    前記質量流束算出部は、以下の式（５）から式（７）に基づいて前記質量流束を算出し、
    前記有効開口面積算出部は、前記上流側ガス圧力と前記下流側ガス圧力との差圧を算出する差圧算出部と、前記差圧と前記開度とを入力として前記差圧と補正係数との関係を規定する以下の式（８）の関数に基づいて前記開口面積を前記有効開口面積に補正するための補正係数を算出する補正係数算出部と、前記開口面積に前記補正係数を乗じて前記有効開口面積を得る補正部と、を有する、
    ことを特徴とする内燃機関の制御装置。

    Figure 0007430114000006
    Figure 0007430114000007
    μ＝ａ ｉ ・ΔＰ＋ｂ ｉ ・・・（８）
    （上記の式（１）から式（４）において、ｍは質量、ｅはエネルギ、Ｔは温度、κは比熱比、Ｒは気体定数、Ｑは熱量、Ｖは容積であり、上記式（５）において、Ｒは気体定数であり、ψは流量係数であり、上記式（６）、（７）において、κは比熱比であり、上記式（８）において、μは補正係数、ΔＰは差圧である。）
  2. 前記補正係数算出部は、前記開度に応じて設定された前記差圧と前記補正係数との関係に基づいて前記補正係数を算出する、
    請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
  3. 前記差圧と前記補正係数との前記関係は、正の相関を有する比例関係である、
    請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
  4. 前記差圧の変化に対する前記補正係数の変化の割合と前記開度とが正の相関を有する、 請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
  5. 前記内燃機関は、吸気管圧力センサを有しており、
    前記有効開口面積算出部は、
    前記ガス状態算出部により算出した下流側ガス圧力の推定値と、前記吸気管圧力センサにより検出した下流側ガス圧力の検出値との差分の絶対値を算出し、
    該差分の絶対値に応じた前記開口面積の補正ダミー値と前記開度の補正ダミー値を算出し、
    前記開口面積の補正ダミー値と前記開度の補正ダミー値を、前記開口面積の補正値と前記開度の補正値に設定し、
    前記開口面積から前記開口面積の補正値を減算して補正後の開口面積を算出し、
    前記開度から前記開度の補正値を減算して補正後の開度を算出し、
    前記補正後の開度を用いて前記補正係数を算出し、
    前記補正後の開口面積と前記補正係数とを乗じて前記有効開口面積を算出する、
    請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
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