KR100632744B1

KR100632744B1 - 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치

Info

Publication number: KR100632744B1
Application number: KR1020047005480A
Authority: KR
Inventors: 다나카사토루; 빅켈로버트; 오하타아키라
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2006-10-13
Also published as: JP3963171B2; CN100343499C; JPWO2003033897A1; EP1443199A1; EP1443199A4; US20040260482A1; US7200486B2; KR20050036851A; WO2003033897A1; CN1571880A

Abstract

스로틀 모델 M2은 스로틀 통과 공기 유량 mT을 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙 등에 기초하여 얻은 식에 의해 추정한다. 흡기관 모델 M3은 흡기관 내 공기 압력 Pm 및 흡기관 내 공기 온도 T용을 질량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙에 기초를 둔 식에 의해 추정한다. 흡기 밸브 모델 M4은 흡기 밸브의 주위를 통과하는 공기 유량 mc을 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙 및 상태 방정식 등에 기초하여 얻어진 식에 의해 추정한다. 실린더 모델 M5은 실린더 내 압력 Pc과 실린더 내 공기 온도 Tc를 실린더에 대한 에너지 보존 법칙에 기초를 둔 식에 의해 추정한다. 이들의 모델에 의해, 실린더 내 흡입 공기량 mc이 많은 산술 제표 검색을 사용하지 않고서 계산에 의해 구해진다.

흡입 공기량 추정 장치, 실린더 내 압력 추정 수단, 흡입 공기량 추정 수단

Description

내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치{Suction air volume estimating device for internal combustion engine}

본 발명은 내연 기관의 실린더 내에 흡입되는 실린더 내 흡입 공기량을 흡기계의 모델(시뮬레이션 모델, 물리 모델)에 기초하여 추정하는 흡입 공기량 추정 장치에 관한 것이다.

내연 기관에 의해 연소되는 혼합기의 공연비를 소정의 값으로 하기 위해서는 상기 내연 기관의 실린더(기통, 연소실) 내에 흡입되는 공기의 양(이하, 「실린더 내 흡입 공기량 mc」이라고 부른다)을 정밀도 좋게 구할 필요가 있다. 통상, 내연 기관의 흡기 통로에는 공기 유량 센서가 구비되고, 이 공기 유량 센서의 출력값에 의해 실린더 내 흡입 공기량 mc이 추정된다. 그런데, 스로틀 밸브 개방도가 시간적으로 크게 변화하는 등, 내연 기관이 과도 운전 상태에 있는 경우, 상기 흡입 공기량 센서의 출력값으로부터 실린더 내 흡입 공기량 mc을 정밀도 좋게 구하는 것은 곤란하다. 그래서, 최근에는 유체 역학 등에 기초하는 식에 의해 나타나는 흡기계의 모델을 사용함으로써, 실린더 내 흡입 공기량 mc에 따른 값을 정밀도 좋게 추정하는 여러 가지시도가 이루어지고 있다(예를 들면, 일본 특개평6-74076호 공보 참조). 도 21은 이러한 흡입 공기량 추정 장치 중, 본원의 출원인이 검토하고 있는 것을 개념적으로 도시하고 있고, 이 흡입 공기량 추정 장치는 전자 제어 스로틀 모델 M10, 스로틀 모델 M20, 흡기 밸브 모델 M30, 및 흡기관 모델 M40을 구비하고 있다.

그런데, 실린더 내 흡입 공기량 mc은 흡기 밸브가 폐쇄할 때(흡기 밸브 폐쇄 시)에 확정하여, 그 시점에서의 실린더 내의 압력과 비례하는 관계가 있다. 또한, 흡기 밸브 폐쇄 시의 실린더 내의 압력은 흡기 밸브의 상류의 압력, 즉 흡기관 내의 공기 압력(흡기관 압력; Pm)과 같다고 간주할 수 있다. 이상으로부터, 도 21에 도시한 흡입 공기량 추정 장치는 모델 M10 내지 M40에 의해 흡기 밸브 폐쇄 시의 흡기관 내 공기 압력 Pm을 추정하고, 상기 추정한 흡기관 내 공기 압력 Pm으로부터 실린더 내 흡입 공기량 mc을 추정하도록 되어 있다.

보다, 구체적으로 말하면, 전자 제어 스로틀 모델 M0은 흡기 밸브 폐쇄 시의 스로틀 밸브 개방도 θt를 추정하도록 되어 있다. 스로틀 모델 M20은 스로틀 밸브를 통과하는 공기 유량(스로틀 통과 공기 유량; mt)을 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙, 및 상태 방정식에 기초하여 얻어진 모델에 의해 추정하도록 되어 있다.

흡기 밸브 모델 M30은 흡기관 내 공기 압력 Pm, 흡기관 내 공기 온도 Tm, 및 흡기 온도 Ta 등으로부터 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 추정하도록 되어 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 실린더 내 흡입 공기 유량 mc은 흡기관 내 공기 압력 Pm에 비례한다고 생각되므로, 흡기 밸브 모델 M30은 경험 법칙에 기초하는 하기 수학식 1에 따라서 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 구한다.

상기 (1)식에 있어서, 값 c은 비례 계수이고, 값 d은 실린더 내에 잔존하고 있던 연소 가스(burned gas)를 나타내는 값(이 값은 배기 밸브 폐쇄 시의 실린더 내 가스량이라고 생각된다. 이하, 간단하게 「기연소 가스량 d」이라고 한다.)이다. 흡기 밸브 모델 M30은 엔진 회전 속도 Ne, 흡기 밸브의 개폐 타이밍 VT, 및 흡기 밸브 최대 리프트량 Lmax 등과, 비례 계수c 및 기연소 가스량d의 관계를 각각 규정하는 산술 제표(룩 업 산술 제표, 맵)를 기억하고 있고, 실제의 엔진 회전 속도 Ne, 실제의 흡기 밸브 개폐 타이밍 VT 및 흡기 밸브 최대 리프트량 Lmax과, 상기 기억하고 있는 산술 제표(table)로부터 비례 계수 c 및 기연소 가스량 d를 구한다. 또한, 흡기 밸브 모델 M30은 연산 시점에서, 후술하는 흡기관 모델 M40에 의해 이미 추정되기 직전(최신)의 흡기 밸브 폐쇄 시의 흡기관 내 공기 압력 Pm과 흡기관 내 공기 온도 Tm를 상기 (1)식에 적용하여, 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 추정한다.

흡기관 모델 M40은 질량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙에 각각 기초를 둔 식에 따라서, 스로틀 모델 M20에 의해 추정된 스로틀 공기 유량 mT과, 흡기 밸브 모델 M30에 의해 추정된 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 사용하여, 흡기 밸브 폐쇄 시의 흡기관 내 공기 압력 Pm을 추정하도록 되어 있다. 그리고, 이 흡입 공기량 추정 장치는 상기 흡기관 모델 M40에 의해 추정된 흡기 밸브 폐쇄 시의 흡기관 내 공기 압력 Pm에 기초하여 실린더 내 흡입 공기량 mc을 추정하도록 되어 있다.

그러나, 상기 흡기 밸브 모델 M30에 있어서는 엔진 회전 속도 Ne, 흡기 밸브의 개폐 타이밍 VT 및 흡기 밸브 최대 리프트량 Lmax 등의 다수의 파라미터에 기초하는 산술 제표 검색에 의해 비례 계수 c와 기연소 가스량 d를 구하고, 이들에 기초하여 흡입 공기 유량 mc을 추정하고 있기 때문에, 방대한 수에 미치는 각 파라미터의 조합의 전부에 대하여, 정확한 흡입 공기 유량 mc을 얻기 위한 상기 비례 계수 c, 및 상기 기연소 가스량 d를 정하는 것이 어렵고, 또한, 그를 적합화 할 때의 노동력이 많이 소요된다는 문제가 있다.

본 발명에 따른 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치는 상기 과제에 대처하기 위해서 이루어진 것으로서, 에너지 보존 법칙에 기초하여 구해진 실린더에 대한 모델을 사용하여 상기 실린더 내의 압력을 계산에 의해 추정하는 실린더 내 압력 추정 수단을 포함하고, 상기 추정된 실린더 내의 압력에 기초하여 상기 실린더에 흡입되는 실린더 내 흡입 공기량을 추정하는 흡입 공기량 추정 수단을 구비한다.

이것에 의하면, 실린더 내의 압력(실린더 내 압력)이 계산에 의해 구해진다. 또한, 실린더 내 압력이 구해지면 실린더에 흡입되는 실린더 내 흡입 공기량을 계산에 의해 구하는 것이 가능해진다. 따라서, 많은 파라미터의 조합에 대한 산술 제표값(상기 비례계수 c, 및 기연소 가스량 d 등)을 적합화 하지 않고서, 실린더 내 흡입 공기량을 정밀도 좋게 구하는 것이 가능해진다.

이 경우에 있어서, 상기 실린더 내 압력 추정 수단이 사용하는 상기 실린더에 대한 모델은 Pc를 실린더 내의 압력, κ를 비열비, R을 기체 정수, Tm을 실린더에 흡입되는 공기의 온도, Vc를 실린더 용적, mc를 실린더 내에 흡입되는 공기 유량인 실린더 내 흡입 공기 유량, Q을 실린더와 상기 실린더 외부의 사이로 전달되는 열량으로 할 때, dPc/dt=(κ·R·Tm/Vc)·mc-(κ·Pc/Vc)·(dVc/dt)+(κ-1)·Q/Vc인 식에 기초하여 구성되는 것이 바람직하다.

또, 상기 식에 있어서는 상기 열량 Q을 무시하는 것도 바람직하다. 이러한 열량 Q은 비교적 작기 때문에, 열량 Q을 무시함으로써, 실질적으로 실린더 내의 압력의 추정 정밀도를 저하시키지 않고서, 보다 간단한 계산에 기초하여 상기 실린더 내의 압력을 추정하는 것이 가능해지기 때문이다.

또한, 상기 흡입 공기량 추정 수단은 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 및 질량 보존 법칙에 기초하여 구해진 흡기 밸브를 통과하는 공기에 대한 흡기 밸브 모델을 사용하여 실린더 내에 흡입되는 공기 유량인 실린더 내 흡입 공기 유량을 구하고, 상기 구해진 실린더 내 흡입 공기 유량에 기인하여 상기 실린더 내 흡입 공기량을 추정하도록 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 이 흡기 밸브 모델은 상기 추정된 실린더 내의 압력을 사용하여 실린더 내 흡입 공기 유량을 추정한다.

이것에 의하면, 경험 법칙이 아닌, 물리 법칙에 따라서 표시된 모델(식)에 의해 실린더 내 흡입 공기량을 추정할 수 있기 때문에, 실린더 내 흡입 공기량의 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 흡입 공기량 추정 수단은 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 및 질량 보존 법칙에 기초하여 구해진 배기 밸브를 통과하는 공기에 대한 배기 밸브 모델을 사용하여 상기 실린더 내 흡입 공기량을 추정하도록 구성되는 것이 바람직하다.

이것에 의하면, 배기 밸브를 통해 실린더 내에 유입하는 공기량도 고려되기 때문에, 실린더 내 흡입 공기량의 추정 정밀도를 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 실린더 내 압력 추정 수단은 상기 실린더에 대한 모델을 나타낸 식을 실린더 용적이 일정하다고 가정하여 계산함으로써 구한 식과, 상기 실린더에 대한 모델을 나타낸 식을 상기 실린더에 흡입되는 공기 유량이 0이라고 가정하여 계산함으로써 구한 식에 기초하여 상기 실린더 내의 압력을 추정하도록 구성되는 것이 바람직하다.

이것에 의하면, 디지털식 컴퓨터에 의한 실린더 내 압력을 추정하기 위한 계산 시간 간격을 극단적으로 짧게 하지 않더라도, 추정 결과의 헌팅 현상이 억제되고, 그 결과, 실린더 내의 실제의 압력에 근사한 압력값을 얻을 수 있다.

또한, 상기 흡입 공기량 추정 수단이 상기 흡기 밸브 모델이 사용하는 입력량을 구하기 위해서 상기 내연 기관의 스로틀 밸브를 통과하는 공기에 대한 스로틀 모델을 사용하여 상기 스로틀 밸브를 통과하는 공기의 유량인 스로틀 통과 공기 유량을 계산식에 따라서 구하도록 구성되고, 상기 흡입 공기량 추정 장치가, 상기 내연 기관의 흡기 통로 내를 흐르는 공기 유량인 흡입 공기 유량을 실제로 측정하는 흡입 공기 유량 측정 수단과, 상기 내연 기관의 운전 상태가 정상 운전 상태일 때, 상기 흡입 공기 유량 측정 수단에 의해 측정되는 흡입 공기 유량과 상기 흡기 밸브 모델에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량이 같아지는 것을 이용하여 상기 스로틀 모델의 계산식에 있어서 사용하는 값을 수정하는 스로틀 모델 수정부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 스로틀 모델의 계산식은 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙 및 질량 보존 법칙에 기초하여 얻어진 계산식인 것이 바람직하다.

내연 기관의 스로틀 밸브 개방도가 작은 경우, 상기 스로틀 밸브 개방도가 약간 변화한 것뿐이라도, 스로틀 밸브를 통과하는 유량(스로틀 통과 공기 유량)은 크게 변화하기 때문에, 스로틀 밸브 통과 공기 유량은 스로틀 밸브나 흡기관의 기차(article difference)(개체 차, 제조 오차)의 영향을 크게 받고, 그 결과, 각 내연 기관에 대하여 일률적으로 설정된 스로틀 모델은 스로틀 통과 공기 유량을 정밀도 좋게 추정할 수 없는 경우가 있다.

따라서, 상기한 바와 같이, 스로틀 모델을 수정하는 스로틀 모델 수정부를 구비함으로써, 흡입 공기량의 추정 정밀도를 한층 더 높일 수 있다. 구체적으로는 상기 내연 기관의 운전 상태가 정상 운전 상태일 때, 흡기 통로에서의 공기 유량은 부위에 관계없이 일정하므로, 공기 유량계 등의 흡입 공기 유량 측정 수단에 기인하여 측정되는 흡입 공기 유량과 흡기 밸브 모델에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량은 같아진다. 스로틀 모델 수정부는 이러한 사실을 이용하여 상기 스로틀 모델의 계산식에 있어서 사용하는 값(구체적으로는 유량 계수)을 수정하여, 스로틀 모델을 수정한다.

보다 구체적으로는 상기 스로틀 모델 수정부는 상기 흡입 공기 유량 측정 수단에 의해 측정되는 흡입 공기 유량과 상기 흡기 밸브 모델에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량이 같아지는 것을 이용하여 상기 스로틀 모델에서 사용하는 흡기관 내 공기 압력을 구하고, 상기 스로틀 통과 공기 유량을 상기 흡입 공기 유량 측정 수단에 의해 측정되는 흡입 공기 유량과 같다고 가정한다.

그리고, 스로틀 모델 수정부는 상기 구해진 흡기관 내 공기 압력과 상기 가정된 스로틀 통과 공기 유량에 기인하여 상기 유량 계수의 적정값을 구하고, 상기 유량 계수의 적정값에 기인하여 상기 스로틀 모델에서 사용되는 상기 유량 계수를 수정함으로써, 스로틀 모델을 수정한다.

바꿔 말하면, 스로틀 모델 수정부는 내연 기관의 운전 상태가 정상 운전 상태에 있을 때, 스로틀 모델을 사용하지 않고서 상기 스로틀 모델의 입출력값을 특정하고, 그 입출력값과 스로틀 모델의 계산식으로부터 유량 계수를 반대로 구하여, 상기 구한 유량 계수를 이후의 스로틀 통과 공기 유량의 계산에 사용한다.

이것에 의하면, 스로틀 밸브 개방도가 급속하게 변화하는 과도 상태에 있어서도, 적정한 유량 계수를 사용하여 스로틀 통과 공기 유량이 구해지게 되기 때문에, 실린더 내 흡입 공기량의 추정 정밀도가 한층 더 향상된다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 흡입 공기량 추정 장치를 포함하는 연료 분사량 제어 장치를 불꽃 점화식, 다기통 내연 기관에 적용한 시스템의 개략 구성도.

도 2는 도 1에 도시한 특정한 기통의 연소실, 및 상기 연소실 근방 부분을 도시하는 개략 평면도.

도 3은 도 1에 도시한 공기 유량계의 개략 사시도.

도 4는 도 3에 도시한 공기 유량계의 열선 계량부의 확대 사시도.

도 5는 도 1에 도시한 CPU가 참조하는 공기 유량계의 출력과 흡입 공기 유량의 관계를 규정한 산술 제표.

도 6은 도 1에 도시한 전기 제어 장치가 실린더 내 흡입 공기량을 추정하기 위해서 채용한 각종 모델의 접속 관계를 도시하는 기능 블록도.

도 7은 도 1에 도시한 CPU가 참조하는 액셀 페달 조작량과 목표 스로틀 밸브 개방도의 관계를 규정한 산술 제표를 도시하는 도면.

도 8은 스로틀 밸브 개방도와 유량 계수의 관계를 규정한 산술 제표를 도시하는 도면.

도 9는 스로틀 밸브 개방도와 개구 면적의 관계를 규정한 산술 제표를 도시하는 도면.

도 10은 스로틀 밸브 개방도와, 유량 계수와 개구 면적의 곱값의 관계를 규정한 산술 제표를 도시하는 도면.

도 11은 밸브 리프트량과, 유량 계수와 개구 면적의 곱값의 관계를 규정한 산술 제표를 도시하는 도면.

도 12는 실린더 모델을 나타내기 위해서 사용하는 변수를 설명하기 위해서 실린더 및 그 부근을 개념적으로 도시한 도면.

도 13은 실린더 모델에 의한 실린더 내 압력의 계산 결과에 관해서 설명하기 위한 타임차트.

도 14는 도 1에 도시한 CPU가 실행하는 프로그램(루틴)을 도시한 플로차트.

도 15는 도 1에 도시한 CPU가 실행하는 프로그램(루틴)을 도시하는 플로차트.

도 16은 도 1에 도시한 CPU가 실행하는 프로그램(루틴)을 도시한 플로차트.

도 17은 도 1에 도시한 CPU가 실행하는 프로그램(루틴)을 도시하는 플로차트.

도 18은 본 발명에 따른 연료 분사량 제어 장치(흡입 공기량 추정 장치)의 제 1 실시예의 변형예를 도시한 기능 블록도.

도 19는 도 1에 도시한 CPU가 참조하는 응답 방열량의 합과 공기 유량계가 출력할 값에 기초하는 스로틀 통과 공기 유량의 관계를 규정한 산술 제표.

도 20은 본 발명에 따른 연료 분사량 제어 장치(흡입 공기량 추정 장치)의 제 1 실시예의 다른 변형예를 도시한 기능 블록도.

도 21은 본 출원인이 검토하고 있는 연료 분사량 제어 장치(흡입 공기량 추정 장치)의 기능 블록도.

도 22는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡입 공기량 추정 장치가 구비하는 스로틀 모델 수정부의 기능 블록도.

도 23은 도 22에 도시한 흡기관 내 공기 압력 역모델의 기능 블록도.

이하, 본 발명에 따른 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치를 포함하는 연료 분사량 제어 장치의 실시예에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 분사량 제어 장치를 불꽃 점화식 다기통(예를 들면, 4기통) 내연 기관(10)에 적용한 시스템의 개략 구성을 도시하고 있다.

내연 기관(10)은 실린더 블록, 실린터 블록 하부 케이스, 및 오일 팬 등을 포함하는 실린더 블록부(20)와, 실린더 블록부(20) 상에 고정되는 실린더 헤드부(30)와, 실린더 블록부(20)에 가솔린 혼합기를 공급하기 위한 흡기 계통(40)과, 실린더 블록부(20)로부터의 배기 가스를 외부로 방출하기 위한 배기 계통(50)을 포함하고 있다.

실린더 블록부(20)는 실린더(21), 피스톤(22), 커넥팅 로드(23), 및 크랭크축(24)을 포함하고 있다. 피스톤(22)은 실린더(21) 내를 왕복 동작하고, 피스톤(22)의 왕복 동작이 커넥팅 로드(23)를 통해 크랭크축(24)에 전달되고, 이로써 상기 크랭크축(24)이 회전하도록 되어 있다. 실린더(21)와 피스톤(22)의 헤드는 실린더 헤드부(30)와 동시에 연소실(25)을 형성하고 있다.

실린더 헤드부(30)는 연소실(25)에 연통한 흡기 포트(31), 흡기 포트(31)를 개폐하는 흡기 밸브(32), 흡기 밸브(32)를 구동하는 흡기 캠 샤프트(intake cam shaft)를 포함하고 상기 흡기 캠 샤프트의 위상각 및 상기 흡기 밸브(32)의 밸브 리프트량(최대 밸브 리프트량)을 연속적으로 변경할 수 있는 흡기 밸브 제어 장치(33), 흡기 밸브 제어 장치(33)의 액추에이터(33a), 연소실(25)에 연통시킨 배기 포트(34), 배기 포트(34)를 개폐하는 배기 밸브(35), 배기 밸브(35)를 구동하는 배기 캠 샤프트(36), 점화 플러그(37), 점화 플러그(37)에 부여하는 고전압을 발생하는 점화 코일을 포함하는 점화 장치(38), 및 연료를 흡기 포트(31) 내로 분사하는 인젝터(연료 분사 수단; 39)를 구비하고 있다.

흡기 계통(40)은 흡기 포트(31)에 연통하여 상기 흡기 포트(31)와 동시에 흡기 통로를 형성하는 흡기 매니폴드를 포함하는 흡기관(41), 흡기관(41)의 단부에 설치된 에어 필터(42), 흡기관(41) 내에 있고 흡기 통로의 개구 단면적을 가변으로 하는 스로틀 밸브(43) 및 와류형(swirl) 컨트롤 밸브(이하, 「SCV」라고 부른다.; 44)를 구비하고 있다. 스로틀 밸브(43)는 DC 모터로 이루어지는 스로틀 밸브 액추에이터(43a)에 의해 흡기관(41) 내에서 회전 구동되도록 되어 있다. SCV(44)는 상기 스로틀 밸브(43)보다도 하류에서 상기 인젝터(39)보다도 상류의 위치에서 상기 흡기관(41)에 대하여 회동 가능하게 지지되고, DC 모터로 이루어지는 SCV 액추에이터(44a)에 의해 회전 구동되도록 되어 있다.

도 2는 하나의 기통(특정한 기통)의 연소실(25) 및 상기 연소실(25)의 근방부분의 개략 평면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 흡기 포트(31)는 실제로는 각 기통에 한 쌍씩 설치된 흡기 포트(31a, 31b)로 이루어져 있다. 흡기 포트(31a)는 연소실(25) 내에 와류(선회류)를 발생시키도록 나선형(helical)으로 형성되어 소위 와류형 포트를 구성하고, 흡기 포트(31b)는 소위 스트레이트 포트를 구성하고 있다. 흡기관(41)의 서지 탱크(도 1에 있어서 부호(SG)에 의해 나타난다.)로부터 각 연소실(25)에 도달하는 부분(즉, 흡기 매니폴드의 일부)에는 흡기관(41)의 길이 방향을 따라 신장하는 격벽(41a)이 형성되어 있고, 이로써 흡기관(41)은 흡기 포트(31a)에 연통하는 제 1 흡기 매니폴드(45)와, 흡기 포트(31b)에 연통하는 제 2 흡기 매니폴드(46)로 구획되어 있다. 격벽(41a)의 적절한 개소에는 제 1, 제 2 흡기 매니폴드(45, 46)를 연통하는 연통로(41b)가 형성되어 있고, 상기 인젝터(39)는 상기 연통로(41b)의 근방 위치에 고정되고, 흡기 포트(31a, 31b)를 향하여 연료를 분사하도록 되어 있다.

상기 SCV(44)는 제 2 흡기 매니폴드(46)에 구비되어 있다. 따라서, SCV(44)가 제 2 흡기 매니폴드(46)를 폐쇄면, 공기(혼합기)가 주로 흡기 포트(31a)를 통과하여 연소실(25) 내로 흡입되고, 상기 연소실(25) 내에 와류가 발생하고, 이로써 초희박 공연비에서의 연소가 가능해진다. 한편, SCV(44)이 제 2 흡기 매니폴드(46)를 개방하면, 공기가 양 흡기 포트(31a, 31b)를 통과하여 연소실(25) 내로 흡입되고, 이로써, 연소실(25)에 흡입되는 공기량이 증가하고, 기관의 출력을 증대시키는 것이 가능해진다.

재차 도 1을 참조하면, 배기 계통(50)은 배기 포트(34)에 연통시킨 배기 매니폴트(51), 배기 매니폴트(51)에 접속된 배기관(52), 및 배기관(exhaust pipe; 52)에 개재된 촉매 컨버터(3원 촉매 장치; 53)를 구비하고 있다.

한편, 이 시스템은 열선식 공기 유량계(61), 흡기온도 센서(62), 대기압 센서(스로틀 밸브 상류 압력 센서; 63), 스로틀 위치 센서(64), SCV 개방도 센서(65), 캠 위치 센서(66), 흡기 밸브 리프트량 센서(67), 크랭크 위치 센서(68), 수온 센서(69), 공연비 센서(O₂ 센서; 70) 및 액셀 개방도 센서(71)를 구 비하고 있다.

공기 유량계(61)는 내연 기관(10)의 흡기 통로 내를 흐르는 공기 유량인 흡입 공기 유량을 실제로 측정하는 흡입 공기 유량 측정 수단을 구성하는 것으로서, 개략 사시도인 도 3에 도시한 바와 같이, 흡기관(41) 내를 흐르는 흡입 공기의 일부를 바이패스시키는 바이패스 통로와, 이 바이패스 통로에 바이패스된 흡입 공기의 질량 유량을 계측하는 열선 계량부(61a)와, 계측된 질량 유량에 따른 전압 Vg을 출력하는 신호 처리부(61b)로 이루어지고 있다. 열선 계량부(61a)는 그 확대 사시도인 도 4에 도시한 바와 같이, 백금 열선으로 이루어지는 흡기온 계측용 저항(보빈부; 61a1)과, 상기 흡기온 계측용 저항(61a1)을 상기 61b에 연결하여 보유하는 서포트부(61a2)와, 가열용 저항(히터; 61a3)과, 상기 가열용 저항(61a3)을 상기 신호 처리부(61b)에 연결하여 보유하는 서포트부(61a4)를 구비하고 있다. 신호 처리부(61b)는 흡기온 계측용 저항(61a1)과 가열용 저항(61a3)으로 구성되는 브리지 회로를 갖고, 이 브리지 회로에 의해 흡기온 계측용 저항(61a1)과 가열용 저항(61a3)의 온도차를 항상 일정하게 유지하도록 상기 가열용 저항(61a3)에 공급하는 전력을 조정하고, 공급하는 전력을 상기 전압 Vg으로 변환하여 출력하도록 되어 있다. 공기 유량계(61)의 출력 Vg과 흡입 공기 유량 mtAFM의 관계는 도 5에 도시한 바와 같다.

흡기온도 센서(62)는 공기 유량계(61) 내에 구비되어 있고, 흡입 공기의 온도를 검출하고, 흡기 온도 Ta를 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있다. 대기압 센서(63)는 스로틀 밸브(43)의 상류의 압력(즉, 대기압)을 검출하여, 스로틀 밸브 상류 압력 Pa을 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있다. 스로틀 위치 센서(64)는 스로틀 밸브(43)의 개방도(스로틀 밸브 개방도)를 검출하고, 스로틀 밸브 개방도 Ta를 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있다. SCV 개방도 센서(65)는 SCV(44)의 개방도를 검출하고, SCV 개방도 θiv를 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있다.

캠 위치 센서(66)는 흡기 캠 샤프트가 90° 회전할 때마다(즉, 크랭크축(24)이 180° 회전할 때마다) 하나의 펄스를 갖는 신호(G₂신호)를 발생하도록 되어 있다. 흡기 밸브 리프트량 센서(67)는 흡기 밸브(31)의 리프트량을 검출하고, 흡기 밸브가 전부 폐쇄일 때 「O」의 값을 취하는 흡기 밸브 리프트량(L)을 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있다. 크랭크 위치 센서(엔진 회전 속도 센서; 68)는 크랭크축(24)이 10° 회전할 때마다 폭이 좁은 펄스를 갖고 상기 크랭크축(24)이 360° 회전할 때마다 폭이 넓은 펄스를 갖는 신호를 출력하도록 되어 있다. 이 신호는 엔진 회전 속도 Ne를 나타낸다. 수온 센서(69)는 내연 기관(10)의 냉각수의 온도를 검출하고, 냉각 수온(THW)을 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있다. O₂ 센서(70)는 촉매 컨버터(53)에 유입되는 배기 가스 중의 산소 농도에 따른 신호(배기 가스의 공연비에 따른 값)를 출력하도록 되어 있다. 액셀 개방도 센서(71)는 운전자에 의해서 조작되는 액셀 페달의 조작량 Accp을 나타내는 신호를 출력하도록 되어 있다.

전기 제어 장치(80)는 서로 버스로 접속된 CPU(81), CPU(81)가 실행하는 프로그램, 산술 제표(맵), 정수 등을 미리 기억한 ROM(82), CPU(81)가 필요에 따라서 데이터를 일시적으로 격납하는 RAM(83), 전원이 투입된 상태에서 데이터를 격납하고 상기 격납한 데이터를 전원이 차단되어 있는 동안도 보유하는 백업 RAM(84), 및 AD 컨버터를 포함하는 인터페이스(85) 등으로 이루어지는 마이크로컴퓨터이다. 인터페이스(85)는 상기 센서(61 내지 71)와 접속되고, CPU(81)에 센서(61) 내지 센서(71)로부터의 신호를 공급하고, 상기 CPU(81)의 지시에 따라서 흡기 밸브 제어 장치(33)의 액추에이터(33a), 점화 장치(38), 인젝터(39), 스로틀 밸브 액추에이터(43a), 및 SCV 액추에이터(44a)에 구동 신호를 송출하도록 되어 있다.

다음에, 상기한 바와 같이 구성된 연료 분사량 제어 장치에 의한 시뮬레이션 모델을 사용한 연료 분사량의 결정 방법(실린더 내 흡입 공기량 mc의 추정 방법)에 관해서 설명한다. 이하에 설명하는 처리는 CPU(31)이 프로그램을 실행함으로써 이루어진다.

(연료 분사량 fc의 결정 방법·실린더 내 흡입 공기량의 추정 방법)

연료 분사량 제어 장치는 흡기 행정에 있는 기통의 흡기 밸브(32)가 닫히기 전에 상기 기통에 대하여 연료를 분사하지 않으면 안 된다. 또한, 연소실(25) 내로 직접적으로 연료를 분사하는 형식의 내연 기관이라도, 흡기 행정이 종료하기 전에 연료를 분사할 필요가 있다. 이 때문에, 연료 분사량 제어 장치는 흡기 밸브(32)가 닫힌 시점에서(즉, 흡기 밸브 폐쇄 시에) 상기 기통 내에 흡입될 실린더 내 흡입 공기량 mc을 흡기 밸브가 폐쇄하기 전에 예측하고, 하기 수학식 (2)식에 기초하여 연료 분사량(기본 분사량; fc)을 결정한다. 수학식 (2)식에 있어서, K는 운전 상태에 따라서 변화하는 설정 공연비에 기초하는 계수이다.

보다 구체적으로 말하면, 연료 분사량 제어 장치(흡입 공기량 추정 장치)는 도 6에 도시한 바와 같이, 전자 제어 스로틀 모델 M1, 스로틀 모델 M2, 흡기관 모델 M3, 흡기 밸브 모델 M4, 및 실린더 모델 M5의 시뮬레이션 모델을 사용하여 실린더 내 흡입 공기량 mc을 추정한다. 또, 실린더 모델 M5은 실린더 내 압력 추정 수단으로서 기능하고, 상기 실린더 모델 M5을 포함하여 모델 M1 내지 M5은 실린더(21) 내로 흡입되는 흡입 공기량을 추정하는 흡입 공기량 추정 수단을 구성한다.

(전자 제어 스로틀 모델 M1)

전자 제어 스로틀 모델 M1은 현시점까지의 액셀 페달 조작량 Accp에 기초하여 현시점에서 소정 시간 T0앞의 시각 T에서의 스로틀 밸브 개방도 θt를 추정하는 모델이다. 본 실시예에 있어서는 스로틀 밸브 전자 제어 논리 A1로써, 액셀 개방도 센서(71)에 의해 검출된 액셀 페달 조작량 Accp과, 도 7에 도시한 액셀 페달 조작량 Accp과 목표 스로틀 밸브 개방도 θr의 관계를 규정하는 산술 제표에 기초하여 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1가 구해지고, 이 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1를 소정 시간(T; 예를 들면, 64 msec)만큼 지연시킨 값이 최종적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr로서 결정된다. 그리고, 스로틀 밸브 전자 제어 논리{A1; 전기 제어 장치(80)}는 실제의 스로틀 밸브 개방도 Ta가 목표 스로틀 밸브 개방도 θr가 되도록 스로틀 밸브 액추에이터(43a)에 대하여 구동 신호를 송출한다.

이와 같이, 목표 스로틀 밸브 개방도 θr는 현시점에서 소정 시간 T만큼 앞의 시점에서의 액셀 페달 조작량 Accp에 따라서 결정된 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1와 같기 때문에, 현시점에서 소정 시간 TO만큼 전번의 시각 T에서의 목표 스로틀 밸브 개방도 θr는 현시점에서 시간 T-TO전에 있어서의 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1와 같다. 또한, 현시점에서 시간 T-TO전에 있어서의 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1는 스로틀 밸브 액추에이터(43a)의 작동 지연 시간을 무시하면, 스로틀 밸브 개방도 θt와 같다. 이러한 생각에 기초하여, 전자 제어 스로틀 모델 M1은 현시점에서 소정 시간 TO만큼 전번의 시각 T에서의 스로틀 밸브 개방도 θt를 추정한다. 즉, 현시점에서 시간 T-TO전에 있어서의 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1를 현시점에서 소정 시간 TO만큼 전번의 시각 T에서의 스로틀 밸브 개방도 θt로서 추정한다. 또, 스로틀 밸브 액추에이터(43a)의 작동 지연 시간을 고려하여, 스로틀 밸브 개방도 θt를 추정하여도 좋다.

(스로틀 모델 M2)

스로틀 모델 M2은 스로틀 밸브(43)를 통과하는 공기 유량(스로틀 통과 공기 유량; mt)을, 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙, 및 상태 방정식 등의 물리 법칙에 기초하여 얻어진 하기 (3)식 및 하기 (4)식에 기초하여 추정하는 모델이다. 하기 (3)식 및 하기 (4)식에 있어서, Ct θt는 스로틀 밸브 개방 도 θt에 따라서 변화하는 유량 계수, At θt는 스로틀 밸브 개방도 θt에 따라서 변화하는 스로틀 개구 면적(흡기관(41)의 개구 면적)이고, Pa는 스로틀 밸브 상류 압력(즉, 대기압)이고, Pm은 흡기관 내 공기 압력(흡기관 압력)이고, Ta는 흡기 온도(대기 온도)이고, Tm은 스로틀 밸브(43)의 하류의 흡기관 내 공기 온도이고, R은 기체 정수이고, κ는 비열비(이하, κ를 일정치로서 취급한다.)이다. 스로틀 모델 M2은 스로틀 밸브 상류 압력 Pa이 흡기관 내 공기 압력 Pm보다 큰 순류(順流)의 경우에 수학식 (3)을 사용하여, 스로틀 밸브 상류 압력 Pa이 흡기관 내 공기 압력 Pm보다 작은 역류의 경우에 수학식 (4)을 사용한다.

상기 (3)식 및 (4)식에 있어서, θt는 전자 제어 스로틀 모델 M1에 의해 추정된 현시점에서 소정 시간 TO만큼 앞의 시각 T에서의 추정 스로틀 밸브 개방도 이다. 스로틀 모델 M2은 스로틀 밸브 개방도 θt와 유량 계수 Ct θt 의 관계를 규정한 도 8에 도시하는 산술 제표와 상기 추정한 스로틀 밸브 개방도 θt를 사용하여 유량 계수 Ct θt 를 구하고, 스로틀 밸브 개방도 θt와 개구 면적 At θt 의 관계를 규정한 도 9에 도시하는 산술 제표와 상기 추정한 스로틀 밸브 개방도 θt를 사용하여 개구 면적 At θt 을 구한다. 또, 스로틀 모델 M2은 스로틀 밸브 개방도 θt와, 유량 계수 Ct θt 와 개구 면적 At θt 의 곱값 Ct θt·At θt 의 관계를 규정한 도 1O에 도시하는 산술 제표 및 상기 추정한 스로틀 밸브 개방도 θt를 사용하여 곱값 Ct θt·At θt 을 일시에 구하도록 구성하여도 좋다. 또한, 스로틀 모델 M2은 스로틀 밸브 개방도 θt 및 흡기관 내 공기 압력 Pm과 유량 계수 Ct(θt, Pm) 의 관계를 규정한 산술 제표 MapCt(θt, Pm)와 상기 추정한 스로틀 밸브 개방도 θt 및 후술하는 흡기관 모델 M3로부터 취득되는 흡기관 내 공기 압력 Pm을 사용하여 유량 계수 Ct(θt, Pm) 를 구하도록 구성되어 있어도 좋다.

또한, 스로틀 모델 M2은 스로틀 밸브 상류 압력 Pa, 및 흡기 온도 Ta를 대기압 센서(63) 및 흡기온도 센서(62)로부터 각각 취득하고, 흡기관 내 공기 압력 Pm과 흡기관 내 공기 온도 Tm를 후술하는 흡기관 모델 M3로부터 취득하고, 이들의 값을 사용하여 상기 (3)식 또는 (4)식을 계산하여, 시각 T에서의 스로틀 통과 공기 유량 mT을 추정한다.

여기서, 상기 스로틀 모델 M2을 기술한 (3)식 및 (4)식의 도출 과정에 관해서 설명한다. 지금, 스로틀 밸브(43)의 상류의 개구 단면적을 Au, 공기 밀도를 ρu, 공기의 유속을 vu로 하고, 스로틀 밸브(43)에 의한 흡기관(41)의 개구 단면적을 Ad, 거기에서의 공기 밀도를 ρd, 스로틀 밸브(43)를 통과하는 공기의 유속을 vd로 하면, 스로틀 통과 공기 유량 mT은 하기 (5)식으로 나타난다. (5)식은 질량 보존 법칙을 기술한 식이라고 말할 수 있다.

한편, 운동 에너지는 공기의 질량을 m으로 하면, 스로틀 밸브(43)의 상류에서 m·vu²/2이고, 스로틀 밸브(43)를 통과하는 장소에서 m·vd²/2이다. 다른 한편, 열 에너지는 스로틀 밸브(43)의 상류에서 m·Cp·Tu이고, 스로틀 밸브(43)를 통과하는 장소에서 m·Cp·Td 이다. 따라서, 에너지 보존 법칙에 의해, 하기 (6)식이 얻어진다. 또, Tu는 스로틀 밸브 상류의 공기 온도이고, Td는 스로틀 밸브 하류의 공기 온도이고, Cp는 정압비열이다.

그런데, 상태 방정식은 하기 (7)식, 비열비(κ)는 하기 (8)식, 마이어(Mayer)의 관계는 하기 (9)식으로 나타나므로, (7)식 내지 (9)식으로부터 Cp·T는 하기 (10)식과 같이 나타난다. 또, P는 기체의 압력, ρ는 기체의 밀도, T는 기체의 온도, R는 기체 정수, Cv는 정용비열이다.

상기 (1O)식의 관계를 사용하여 상기 에너지 보존 법칙에 기초하는 (6)식을 다시 기재하면, 하기 (11)식이 얻어진다.

그리고, 스로틀 밸브(43)의 무한 상류를 생각하면, Au=∞, vu=0이므로, 에너지 보존 법칙에 기초하는 상기 (11)식은 하기 (12)식에 다시 기재한다.

다음에, 운동량에 관해서 기술한다. 단면적 Au의 부분에 가해지는 압력을 Pu, 단면적 Ad의 부분에 가해지는 압력을 Pd, 단면적 Au의 부분과 단면적 Ad의 부분의 사이를 잇는 고정된 공간의 평균 압력을 Pmean으로 하면, 하기 (13)식이 얻어진다.

상기 (13)식에서, Au=∞, vu=0을 고려하면, 하기 (14)식이 얻어지기 때문에, 상기 (14)식과 상기 (13)으로부터 하기 (15)식의 운동량에 관한 관계(운동량 보존 법칙에 기초하는 관계)가 얻어진다.

따라서, 상기 (5)식, 상기 (12)식, 및 상기 (15)식으로부터, 하기 (16)식이 얻어진다.

상기 (16)식에 있어서, Pu는 스로틀 밸브 상류 압력 Pa이고, Pd는 흡기관 내 공기 압력 Pm이므로, 유량 계수를 Ct θt를 (적합화 하기 위한 계수로서) 도입하고, 개구 단면적 Ad을 개구 면적 At θt 과 다시 놓아 정리하면, 상기 (3)식이 얻어진다. 상기 (4)식의 도출 과정은 상기 (3)식의 도출 과정과 같기 때문에 생략한다.

(흡기관 모델 M3)

흡기관 모델 M3은 질량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙에 기초한 하기 (17)식 및 하기 (18)식, 스로틀 통과 공기 유량 mT, 스로틀 통과 공기 온도(즉, 흡입 공기 온도; Ta), 및 흡기관으로부터 유출하는 공기 유량(mc; 즉, 실린더 내로 흡입되는 공기 유량인 실린더 내 흡입 공기 유량)으로부터, 흡기관 내 공기 압력 Pm, 및 흡기관 내 공기 온도 Tm를 구하는 모델이다. 또, 하기 (17)식, 및 하기 (18)식에 있어서, Vm은 스로틀 밸브(43)로부터 흡기 밸브(32)까지의 흡기관(41; 이하, 간단히 「흡기관부」라고 부른다.)의 용적이다.

흡기관 모델 M3은 상기 (17)식, 및 상기 (18)식에 있어서의 스로틀 통과 공기 유량 mT을 스로틀 모델 M2로부터 취득하고, 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 후술하는 흡기 밸브 모델 M4로부터 취득한다. 그리고, (17)식 및 (18)식에 기초하는 계산을 하여 시각 T의 흡기관 내 공기 압력(P)용, 및 시각 T의 흡기관 내 공기 온도 Tm를 구한다.

여기서, 상기 흡기관 모델 M3을 기술한 (17)식 및 (18)식의 도출 과정에 관해서 설명한다. 지금, 흡기관부의 총공기량을 M으로 하면, 총공기량(M)의 시간적 변화는 흡기관부에 유입하는 공기량에 상당하는 스로틀 통과 공기 유량 mT과 상기 흡기관부로부터 유출하는 공기량에 상당하는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc의 차이므로, 질량 보존 법칙에 기초하는 하기 (19)식이 얻어진다.

또한, 상태 방정식은 하기 (20)식으로 되므로, 상기 (19)식과 하기 (20)식으로부터 총공기량(M)을 소거함으로써, 질량 보존 법칙에 기초하는 상기 (17)식이 얻어진다.

다음에, 흡기관부에 관한 에너지 보존 법칙에 관해서 검토하면, 이 경우, 흡기관부의 용적(Vm)은 변화하지 않고, 또한, 에너지의 거의가 온도 상승에 기여한다고(운동 에너지는 무시할 수 있다) 생각된다. 따라서, 흡기관부의 공기의 에너지 M·Cv·Tm의 시간적 변화량은 상기 흡기관부에 유입되는 공기 에너지(Cp·mt·Ta)와 상기 흡기관부로부터 유출하는 공기 에너지(Cp·mc·Tm)의 차와 같기 때문에, 하기 (2)식이 얻어진다.

이 (21)식을, 상기 (8)식(κ=Cp/Cv)과, 상기 (20)식(Pm·Vm=M·R·Tm)을 사용하여 변형함으로써, 상기 (18)식이 얻어진다.

(흡기 밸브 모델 M4)

흡기 밸브 모델 M4은 흡기 밸브(32)의 주위를 통과하는 공기 유량(즉, 실린더 내 흡입 공기 유량; mc)을, 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙, 및 상태 방정식 등에 기초하여 얻어진 하기 (22)식 및 하기 (23)식에 따라서 추정하는 모델이다. (22), (23)식의 도출 과정은 상기 스로틀 모델 M2의 경우와 같다. (22)식 및 (23)식에 있어서, Cv(L)는 흡기 밸브(32)의 리프트량(L)에 따라서 변화하는 유량 계수, Av(L)는 상기 리프트량(L)에 따라서 변화하는 흡기 밸브(32)의 주위에 형성되는 개구의 면적, 및 Pc는 실린더 내 압력 실린더(21) 내의 압력 Pc 이다. 흡기 밸브 모델 M4은 흡기관 내 공기 압력 Pm이 실린더 내 압력 Pc보다 큰 순류의 경우에 (22)식을 사용하여, 흡기관 내 공기 압력 Pm이 실린더 내 압력 Pc보다 작은 역류의 경우에 (23)식을 사용한다.

흡기 밸브 모델 M4은 현시점으로부터 소정 시간 T0만큼 앞서의 시각 T에 있어서의 밸브 리프트량 L T 을 흡기 밸브 리프트량 센서(67)가 검출하고 있는 현시점의 밸브 리프트량(L)과, 엔진 회전 속도 Ne에 기초하여 추정한다. 그리고, 밸브 리프트량(L)과 곱값 Cv(L)·Av(L) 의 관계를 규정한 도 11에 도시한 산술 제표와, 상기 추정한 밸브 리프트량 L T 에 기초하여, 상기 (22)식 및 상기 (23)식에서 사용하는 곱값 Cv(L)·Av(L) 을 구한다.

또한, 흡기 밸브 모델 M4은 흡기관 내 공기 압력 Pm과 흡기관 내 공기 온도 Tm를 흡기관 모델 M3로부터 취득하고, 실린더 내 압력 Pc과 실린더 내 공기 온도 Tc를 후술하는 실린더 모델 M5로부터 취득하여, 이들의 변수를 사용하여 상기 (22)식 또는 상기 (23)식을 계산함으로써, 시각 T에서의 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 추정한다.

(실린더 모델 M5)

실린더 모델 M5은 실린더(21)에 대한 에너지 보존 법칙에 기초한 하기 (24)식에 따라서, 실린더 내 압력 Pc과 실린더 내 공기 온도 Tc를 구하는 모델이다. 도 12에 도시한 바와 같이, 하기 (24)식에 있어서의 Vc는 실린더(21)의 용적이고, Tm은 실린더(21)에 흡입되는 공기의 온도 Ti와 같은 흡기관 내 공기 온도이고, mc는 실린더(21) 내(실린더 내)에 흡입되는 공기 유량(mi)과 같은 상기 흡기관부로부터 유출하는 공기 유량이고, Q는 실린더(21)와 상기 실린더(21) 외부(실린더 벽면, 흡기포트 등) 사이에서 전달되는 열량(열량의 시간적 변화량, 열의 흐름)이다.

상기 (24)식에 있어서의 시각 T의 실린더 내 흡입 공기 유량 mc은 흡기 밸브 모델(M4; 상기 (22)식 또는 상기 (23)식)에 의해 주어지고 상기 시각 T의 흡기관 내 공기 온도 Tm는 흡입관 모델 M3에 의해 주어진다. 또한 시각 T의 실린더 용적 (Vc)은 상기 크랭크 각도에 기초하여 알 수 있기 때문에, (24)식의 우변 제 3 항(열량의 항)을 무시하면, 이론상, 상기 (24)식을 사용하여 시각 T에 있어서의 실린더 내 압력 Pc을 얻을 수 있다.

여기서, 상기 (24)식의 도출 과정에 관해서 설명한다. 우선, E를 실린더 내의 에너지, h를 엔탈피(enthalpy), W를 피스톤에 대한 일(work)로 하면, 실린더(21)에 관해서 에너지 보존 법칙에 의해 하기 (25)식을 얻을 수 있다.

현재, 내부 에너지를 u라고 하면 하기 (26)식이 성립하고, 상태 방정식은 하기 (27)식과 같다. 또한, 비열비(κ)의 식인 상기 (8)식(κ=Cp/Cv)과, 마이어(Mayer)의 관계식인 상기 (9)식(Cp=Cv+R)으로부터, 하기 (28)식 및 하기 (29)식이 성립한다. 또, Mcy를 실린더(21) 내의 공기량으로 한다.

따라서, (26)식 내지 (28)식으로부터 (25)식의 좌변 dE/dt에 대하여, 하기 (30)식이 성립한다.

한편, (25)식의 우변 제1항 mc·h에 대하여, 하기 (3)식의 엔 탈피의 정의와 상기 (29)식으로부터, 하기 (32)식이 성립한다.

또한, 일(W)은 하기 (33)식으로 나타나므로, 상기 (25)식의 우변 제2항 dW/dt에 대하여 하기 (34)식이 성립한다.

(30)식, (32)식, 및 (34)식에서 (25)식을 고쳐 쓰고 정리하면 상기 (24)식이 얻어진다.

또한, 실린더 모델 M5은 실린더 내 공기 온도 Tc를 상태 방정식인 하기 (35)식에 따라서 구한다. (35)식의 Mc1은 (22)식 또는 (23)식의 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 흡기 밸브(32)가 개방하고 나서 실린더 내 공기 온도 Tc를 구하는 시점까지 시간 적분하여 구한다.

상기 원리에 의하면, 실린더 모델 M5의 상기 (24)식, 및 상기 (35)식에 의해 실린더 내 압력 Pc, 및 실린더 내 공기 온도 Tc가 각각 구해지고, 이들에 기초하여(22)식 또는 (23)식에 의해 실린더 내 흡입 공기 유량 mc이 얻어진다. 따라서, 본 연료 분사량 제어 장치는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 흡기 밸브(23)가 개방한 시각 T0에서 상기 흡기 밸브(32)이 폐쇄하는 시각(tf)까지 시간 적분함으로써 1 흡기행정에서 실린더(21) 내로 흡입되는 실린더 내 흡입 공기량(Mc; 흡입 공기 총량 Smc)을 추정하여, 이 값 mc과 상기 (2)식에 기초하여 연료 분사량 fc을 결정한다.

(전기 제어 장치(80)에 실장하는 데에 있어서의 개량)

상기 (24)식의 우변 제 3 항의 열 전달 Q은 값이 작아 무시할 수 있으므로, 통상은 상기 (24)식을 하기 (36)식과 같이 이산화(離散化)하여 전기 제어 장치(80)에 실장한다. 여기서, Δt는 실린더 내 압력 Pc의 계산 시간 간격이다.

그러나, 이 수법에 의해 실제로 실린더 내 압력 Pc을 구하여 보면, 도 13의 일점쇄선으로 도시한 바와 같이, 상기 실린더 내 압력 Pc은 이산화의 영향을 받아 크게 변동하여, 참값과 크게 달라지는 것을 판명하였다. 그래서, 본 실시예에 있어서는 (24)식의 우변 제3항의 값 Q을 무시하고, 편의 상, (1)실린더의 용적을 일정하다고 가정한 경우(dVc=0), 및 (2)실린더 내 흡입 공기 유량이 0(mc= O)이라고 가정한 경우로 나누고, 각각의 가정하에서 (24)식을 해석적으로 계산함으로써 실린더 내 압력 Pc을 구하는 것으로 하였다. 이하, 상술한다.

(1) 실린더의 용적을 일정하다고 가정한 경우(dVc=0)

이 가정하에서는 상기 (24)식은 하기 (37)식의 미분 방정식이 되고, 상기 (37)식을 풀면 하기 (38)식이 얻어진다.

상기 (38)식에 있어서, θ₀=cos^-1(1)이다. 이 (38)식으로부터, 실린더 내 압력 Pc은 사인파형으로 변화하는 것을 알 수 있다. 한편, 상기 (37)식의 Euler 근사(approximation)는 하기 (39)식이 된다.

또한, 실린더 내 압력 Pc이 흡기관 내 공기 압력 Pm보다 커지는 일은 없으므로, 하기 (40)식이 성립한다. 따라서, (39)식과 (40)식으로부터 하기 (41)식이 성립한다.

또한, θ가 1과 비교하여 극히 작을(θ<<1) 때, 하기 (42)식이 성립하므로, 상기 (41)식과 하기 (42)식을 상기 (39)식에 적용하여 하기 (43)식을 얻을 수 있다. 또, 하기 (43)식에 있어서의 실린더 내 흡입 공기 유량 mc은 상기 (22)식, 및 상기 (23)식에 의해 구한다.

(2) 실린더 내 흡입 공기량이 없다고(mc=0) 가정한 경우

이 가정하에서는 상기 (24)식은 하기 (44)식의 미분 방정식이 된다. 또한, 이 경우, 단열 팽창으로서 취급하므로 하기 (45)식이 성립한다.

이상으로부터, 하기 (46)식이 도출된다.

상기 (43)식 및 상기 (46)식에 의해 구해지는 실린더 내 압력 Pc을 도 13에 있어서 각각 실선, 및 2점 쇄선에 의해 도시한다. 실린더 내 압력 Pc은 흡기관 내 공기 압력 Pm에 근사한 값이 된다고 예상되기 때문에, 본 실시예에서는, 흡기관 내 공기 압력 Pm에 의해 가까운 상기 (43)식에 의해 얻어지는 실린더 내 압력 P′c T 을 최종적으로 구하는 실린더 내 압력 Pc으로서 채용한다.

또한, 1 흡기행정에서의 실린더 내 흡입 공기량 mc은 (22)식 또는 (23)식으로 주어지는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 흡기 밸브(23)가 개방한 시각 T0으로부터 상기 흡기 밸브(32)가 폐쇄하는 시각(tf)까지 시간 적분함으로써 구해진다고 설명하였지만, 시뮬레이션의 결과, 에너지 보존 법칙에 기초하는 상기 (24)식을 시각 T0에서 시각(tf)까지 시간 적분하여 정리한 하기 (47)식에 의해 구해진 쪽이 정밀도가 높아지는 것이 판명되었다. 또, Pc(10) 및 Vc T0은 각각 흡기 밸브 개방 시의 실린더 내 압력 Pc T , 및 실린더 용적 Vc T 이고, Pc(tf) 및 Vc(tf)는 각각 흡기 밸브 폐쇄 시의 실린더 내 압력 Pc T , 및 실린더 용적 Vc T 이다.

따라서, 본 실시예는 (47)식을 이산화한 하기 (48)식에 기초하여 실린더 내 흡입 공기량 mc을 구한다.

(작동)

다음에, 전기 제어 장치(80)가 실린더 내 흡입 공기량 mc을 추정하고, 연료 분사량 fc을 결정할 때의 실제의 작동에 관해서 설명한다.

(스로틀 밸브 제어)

전기 제어 장치(80)의 CPU(81)는 도 14에 플로차트에 의해 도시한 스로틀 밸브 개방도를 제어하기 위한 루틴을 소정 시간(1msec)의 경과마다 실행하도록 되어 있다. 따라서, 소정의 타이밍으로 되면, CPU(81)는 스텝(1400)으로부터 처리를 개시하고, 스텝(1405)으로 진행하여 액셀 페달 조작량 Accp을 판독한다. 다음으로, CPU(81)는 스텝(1410)으로 진행하여, 상기 스텝(1410)에서 도 7과 같은 산술 제표를 사용함으로써 상기 판독한 액셀 페달 조작량 Accp에 기초하는 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1를 구한다.

다음에, CPU(81)는 스텝(1415)으로 진행하여 변수(I)를「64」에 설정하고, 계속되는 스텝(1420)에서 기억값 θr(I)에 θr(I-1)의 값을 격납한다. 현시점에서는 변수(I)는 「64」이므로, 기억값 θr(64)에 기억치 θr(63)의 값이 격납된다. 다음으로, CPU(81)는 스텝(1425)으로 진행하고, 변수(I)가 「1」과 동일하지 않는 지의 여부를 판정한다. 이 경우, 변수(I)의 값은 「64」이므로, CPU(81)는 스텝(1425)에서 「아니오(No)」라고 판정하여 스텝(1430)으로 진행하고, 상기 스텝(1430)에서 변수(I)의 값을 「1」만큼 감소하고, 그 후 상기 스텝(1420)으로 되돌아간다. 이 결과, 스텝(1420)이 실행되면, 기억값 θr(63)에 기억값 θr(62)의 값이 격납된다. 이러한 처리는 변수(I)의 값이 「1」이 될 때까지 반복하여 실행된다.

그 후, 스텝(1430)의 처리가 반복하여 변수(I)의 값이 「1」이 되면, CPU(81)는 스텝(1425)에서 「예(Yes)」라고 판정하고 스텝(1435)으로 진행하여, 상기 스텝(1435)에서 상기 스텝(1410)에서 구한 현시점에서의 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr1를 기억값 θr(O)에 격납한다. 이상으로부터, 현시점에서 Imsec 전(0msec≤Imsec≤64msec, I는 정수)이 잠정적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr(I) (I=64, 63, 62, ···, 2, 1, 0)가 RAM(483) 내에 기억된다.

다음에, CPU(81)는 스텝(1440)으로 진행하고, 상기 스텝(1440)에서 기억값 θr(64)를 최종적인 목표 스로틀 밸브 개방도 θr로서 설정하고, 계속되는 스텝(1445)에서 실제의 스로틀 밸브 개방도가 목표 스로틀 밸브 개방도 θr와 같아지도록, 스로틀 밸브 액추에이터(43a)에 대하여 구동 신호를 출력하고, 그 후 스텝(1495)에서 본 루틴을 일단 종료한다.

이후에 있어서도, 상기 루틴의 처리는 1msec의 경과마다 실행된다. 이 결과, 실제의 스로틀 밸브 개방도가, 소정 시간 T(=64msec) 전의 액셀 페달 조작량 Accp에 기초하는 목표 스로틀 밸브 개방도 θr와 같아지도록 제어된다. 이로써, 상기 전자 제어 스로틀 모델 M1은 현시점으로부터 시간 T-TO전의 목표 스로틀 밸브 개방도 θ T-TO 를, 현시점에서 소정 시간 TO만큼 앞서의 시각 T에서의 스로틀 밸브 개방도 θt로서 추정한다.

(스로틀 통과 공기 유량 mT, 흡기관 내 공기 압력 Pm, 흡기관 내 공기 온도 Tm 추정)

CPU(81)는 도 15에 플로차트에 의해 도시한 루틴을 소정 시간(8msec)의 경과마다 실행하도록 되어 있다. 따라서, 소정의 타이밍이 되면, CPU(81)는 스텝(1500)으로부터 처리를 개시하고, 스텝(1505)으로 진행하여 도 10에 도시한 산술 제표와 같은 산술 제표와, 현시점에서 소정 시간 TO만큼 앞서의 시각 T에서의 추정 스로틀 밸브 개방도 θt를 사용하여 유량 계수 Ct θt 와 개구 면적 At θt 의 곱값 Ct θt·At θt 을 구한다.

이어서, CPU(81)는 스텝(1510)으로 진행하고, 상기 스텝(151O)에서 상기 (3)식, 또는 상기 (4)식(스로틀 모델 M2)에 따라서 스로틀 통과 공기 유량 mT을 추정한다. 이 추정에서 사용되는 스로틀 밸브 상류 압력 Pa, 및 흡기 온도 Ta는 각각 대기압 센서(63) 및 흡기온도 센서(62)로부터 취득된다. 또한, 흡기관 내 공기 압력 Pm(k-1) , 및 흡기관 내 공기 온도 Tm(k-1) 는 전회의 본 루틴 실행 시에 있어서 후술하는 스텝(1515)에서 구해진 값 Pm(k), 및 Tm(k) 이다.

다음에 CPU(81)는 스텝(1515)으로 진행하고, 상기 (17)식 및 상기 (18)식을 적분하여 이산화한 하기 (49)식 및 하기 (50)식에 기초하여 흡기관 내 공기 압력 Pm(k) 및 흡기관 내 공기 온도 Tm(k) 를 구한다. 또, 첨자 (k-1)이 붙여진 값은 전회 본 루틴을 실행하였을 때에 구해진 값을 나타내고, Δt는 본 루틴의 계산 주기(즉, 8msec)이다.

실제로는 상기 (49)식에서 Pm/Tm을 구하고, 이것과 상기 (50)식에 의해 구한 Pm으로부터 Tm을 구한다. 또, (49)식 및 (50)식에 있어서의 mcAVE(k-1)는 후술하는 1msec 루틴으로 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc의 평균값이다.

(실린더 내 압력 Pc, 실린더 내 흡입 공기 유량 mc, 실린더 내 흡입 공기량 mc 등의 추정)

CPU(81)는 도 16에 플로차트에 의해 도시한 루틴을 소정 시간(1msec)의 경과마다 실행하도록 되어 있다. 따라서, 소정의 타이밍이 되면, CPU(81)는 스텝(1600)으로부터 처리를 개시하고, 스텝(1605)으로 진행하여 상기 시각 T에서의 밸브 리프트량(L)과, 도 11에 도시한 산술 제표와 같은 산술 제표에 기초하여, 상기 (22)식 및 (23)식에서 사용하는 곱값 Cv(L)·Av(L) 을 구하고, 계속되는 스텝(1610)에서 상기 (22)식 또는 상기 (23)식에 따라서 실린더 내 흡입 공기 유량 Mc T 을 계산한다.

다음에, CPU(81)는 스텝(1615)으로 진행하고, 상기 스텝(1615)에서 상기 (43)식에 따라서 실린더 내 압력 P′c(t+Δt) 을 구한다. Δt는 본 루틴의 계산 주기(즉, 1msec)이다. 또한, Pm(k) 및 Tm(k)은 상술한 스텝(1515)에서 각각 구해진 흡기관 내 공기압, 및 흡기관 내 공기 온도이다. Pc T는 전회의 본 루틴 실행 시에 있어서 후술하는 스텝(1625)에서 설정된 값이고, mc T는 상기 스텝(1610)에서 구해진 값이다.

이어서, CPU(81)는 스텝(1620)으로 진행하고, 상기 (46)식에 따라서 실린더 내 압력 Pc(t+Δt) 을 구하고, 계속되는 스텝(1625)에서 이번에 구한 실린더 내 압력 Pc(t+Δt) , 및 실린더 내 압력 Pc(t+Δt) 을, 다음번의 본 루틴의 연산을 위해 각각 실린더 내 압력 Pc T 및 실린더 내 압력 Pc T 에 격납한다.

이어서, CPU(81)는 도 17에 도시한 스텝(1705)으로 진행하고, 시각 T이 흡기 밸브(23)가 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변화한 직후의 시점인지의 여부를 판정하여, 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변화한 직후이면, 스텝(1710)에서 변수 Z의 값을 「0」으로 하여 초기화하여, 스텝(1715)에서 그 시점에서 구해지고 있는 실린더 내 압력 Pc' T 을 흡기 밸브(23)가 개방하였을 때(흡기 밸브 개방 시)의 실린더 내 압력 Pc TO 으로서 격납한다. 그리고, CPU(81)는 스텝(1720)에서 시각 T의 실린더 용적 Vc T 를 흡기 밸브 개방 시의 실린더 용적 Vc TO 으로서 격납하고, 계속되는 스텝(1725)에서 흡기 밸브 개방 시로부터의 실린더 내 흡입 공기량(Mc1)의 값을 값(McO; 초기값, 예를 들면「0」)에 설정하여 스텝(1730)으로 진행한다. 한편, 시각 T이 흡기 밸브(23)가 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변화한 직후의 시점이 아니면, CPU(81)는 스텝(1705)에서 「아니오(No)」라고 판정하여 직접 1730으로 진행한다.

다음에, CPU(81)는 스텝(1730)에서 시각 T에서 흡기 밸브(23)가 개방 상태 에 있는 지의 여부를 판정한다. 지금, 시각 T이 흡기 밸브(23)가 폐쇄 상태로부터 개방 상태가 된 직후에 상당하고 있으면, CPU(81)는 스텝(1730)에서 「예(Yes)」라고 판정하고 스텝(1735)으로 진행하고, 상기 스텝(1735)에서 변수 Z에 값 Pc' T·dVc T/dt·Δt 의 값을 더하여 상기 변수 Z를 갱신한다. 이로써, 변수 Z는 값 P' T·dVc T/dt 의 적분값 상당량이 된다. 계속해서, CPU(81)는 스텝(1740)에서 흡기 밸브 개방 시로부터의 실린더 내 흡입 공기량(Mc1)에 mc T·Δt를 더한 값을 새로운 실린더 내 흡입 공기량(Mc1)으로서 격납하고, 스텝(1745)으로 진행하여 하기 (51)식에 기초하여 실린더 내 공기 온도 Tc T 를 구하고, 스텝(1795)에서 본 루틴을 일단 종료한다.

상기 스텝(1730 내지 1745)의 처리는 흡기 밸브(23)가 개방하고 있는 동안, 계속되기 때문에, 값 P' T·dVc T/dt·Δt 의 총합을 나타내는 변수 Z, 흡기 밸브 개방 시로부터의 실린더 내 흡입 공기량(Mc1) 및 실린더 내 공기 온도 Tc T 가 갱신되어 간다.

그 후, 소정의 시간이 경과하고 시각 T이 흡기 밸브(23)가 개방 상태로부터 폐쇄 상태로 변화한 직후의 시각으로 되면, CPU(81)는 스텝(1705) 및 스텝(1730)으로 진행하였을 때, 모두 「아니오(No)」라고 판정하여 스텝(1750)으로 진행하고, 상기 스텝(1750)에서 흡기 밸브(23)가 개방 상태로부터 폐쇄 상태로 변화한 직후인지의 여부를 판정한다. 그리고, 이 경우, CPU(81)는 스텝(1750)에서 「예(Yes)」라고 판정하여, 스텝(1755)으로 진행하고 1 흡기행정에 있어서의 실린더 내 흡입 공기량 mc을 상기 (48)식에 따라서 추정한다.

그 후, CPU(81)는 스텝(1760)으로 진행하고, 상기 구한 실린더 내 흡입 공기량 mc을 크랭크각 180° CA에 상당하는 시간(T_180CA)으로 나누고, 실린더 내 흡입 공기량 mc의 평균값 mcAVE(k-1)을 구하고, 계속되는 스텝(1765)에서 실린더 내 흡입 공기량 mc의 평균값 mcAVE(k-1)에 설정 공연비에 의해 변화하는 계수(K)를 곱하여 연료 분사량 fc을 구한다. 또, 실린더 내 흡입 공기량 mc의 평균값 mcAVE(k-1)는 실린더 내 흡입 공기량 mc에 비례하고 있으므로, 연료 분사량 fc은 (2)식에 따라서 계산된다. 그리고, CPU(81)는 스텝(1795)으로 진행하여, 본 루틴를 일단 종료한다. 또, 실린더 내 흡입 공기량 mc을 정수배하여 직접 연료 분사량 fc을 구하여도 좋다.

또한, 시각 T이 흡기 밸브(32)가 폐쇄 상태로부터 개방 상태로 변화한 직후의 시각이 아니고, 또한 개방 상태로부터 폐쇄 상태로의 변화한 직후의 시각이 아니고, 또한 상기 흡기 밸브(32)이 폐쇄 상태에 있는 시각인 경우, CPU(81)는 도 16의 스텝(1600 내지 1625)의 처리를 실행한 후, 도 17의 스텝(1705, 1730, 1750)에서 모두 「아니오(No)」라고 판정하여 스텝(1795)으로 진행하고, 본 루틴을 일단 종료한다.

이상에 의해, 실린더 내 흡입 공기량 mc이 실린더 모델을 사용하여 추정되고, 이것에 따른 연료 분사량 fc이 결정된다. 그리고, CPU(81)는 도시하지 않는 연료 분사 루틴을 소정의 타이밍으로 실행하고, 상기 결정된 연료 분사량 fc만큼 연료를 분사한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료 분사량 제어 장치의 제 1 실시예에 따르면, 실린더 모델 M5에 의해 실린더 내 압력 Pc과 실린더 내 공기 온도 Tc가 구해지고, 이들의 값이 흡기 밸브 모델 M4에 제공된다. 따라서, 흡기 밸브 모델 M4은 종래와 같이 많은 변수에 의한 산술 제표 검색에 기초하는 것이 아니며, 상기 (22), (23)식에 따른 수치 계산에 의해 실린더 내 흡입 공기 유량(mc; 따라서, 실린더 내 흡입 공기량 mc)을 구할 수 있다. 이 결과, 산술 제표값의 적합화에 요하는 노동력을 저감할 수 있고, 정밀도 좋게 연료 분사량 fc을 구할 수 있다.

(오브서버를 추가한 변형예)

다음에, 오브서버(OBS)를 추가하여, 실린더 내 흡입 공기량 mc의 추정 정밀도를 더욱 향상시킨 본 발명에 따른 연료 분사량 제어 장치(실린더 내 흡입 공기량 추정 장치)의 변형예에 관해서, 도 18을 참조하면서 설명한다. 도 18에 있어서, 파선으로 둘러싼 부분이 추가된 오브서버(OBS)이다.

이 변형예는 상기 제 1 실시예에 대하여 공기 유량계 모델(M7)이 추가되어 있는 공기 유량계 모델(M7)은 스로틀 통과 공기 유량이 소정의 양(α)인 경우에, 공기 유량계(61)가 출력할 값을 추정하고, 이 추정값에 기초하여 스로틀 통과 공기 유량(mtes)을 추정하는 모델이다. 이 경우, 상기 소정의 양(α)은 스로틀 모델 M2이 추정한 스로틀 통과 공기 유량 mT이다. 공기 유량계 모델(M7)의 출력은 비교 요소 COM의 일단에 입력되도록 되고 있다.

또한, 이 변형예에 있어서는 공기 유량계(61)의 출력 Vg이 도 5에 도시한 산술 제표에 의해 흡입 공기 유량 mtAFM으로 변환되고, 상기 흡입 공기 유량 mtAFM이 비교 요소 COM의 타단에 입력되게 되고 있다. 그리고, 비교 요소 COM에서, 스로틀 통과 공기 유량 mtes과 흡입 공기 유량 mtAFM의 차 SA가 구해지고, 이 차 SA를 작게 하도록(즉, 상기 차 SA에 따라서) 공기 유량계 모델 M7의 게인 G1과 스로틀 모델 M2의 게인 G2이 변경되도록 구성되어 있다.

여기서, 공기 유량계 모델(M7)에 관해서 구체적으로 설명한다. 공기 유량계 모델(M7)은 우선, 스로틀 통과 공기 유량 mT에 대한 완전 방열량(W1, W2)을 상기 완전 방열량(W1, W2)과 스로틀 통과 공기 유량 mT의 관계를 규정하는 산술 제표와, 상기 구해진 스로틀 통과 공기 유량 mT에 기초하여 구한다. 완전 방열량(W1), 및 완전 방열량(W2)은 도 3에 도시한 열선 계량부(61a1) 및 상기 열선 계량부(61a)의 서포트부(61a2)에 각각 대응한 방열 지연을 포함하지 않는 방열량이다.

다음에, 공기 유량계 모델(M7)은 보빈부(bobbin portion;61a1), 및 서포트부(61a2)에 각각 대응하는 방열량이고, 완전 방열량(W1, W2)에 대하여 각각 1차 지연의 특성을 갖는(응답 지연을 포함한다) 방열량(응답 방열량; w1, w2)을 하기 (52)식 및 하기 (53)식에 따라서 구한다. (52)식, (53)식에 있어서의 첨자 i는 이번의 연산값, 첨자 i-1은 전회의 연산값을 나타내고, Δt는 전회의 연산값을 구하고 나서 이번의 연산값을 구하기까지의 시간이다.

상기 (52)식, (53)식에 있어서, τ1 및 τ2는 보빈부(61a1) 및 서포트부(61a2)에 각각 대응하는 상기 1차 지연 특성의 시정수이고, 하기 (54)식 및 하기 (55)식에 의해 구해진다. (54)식, (55)식 중의 값(k10, k20) 및 값(m1, m2)에는 실험적으로 구해진 값이 초기값으로서 주어진다. 또한, (54)식, (55)식 중의 값(u)은 공기 유량계(61)의 열선 계량부(61a)에 바이패스된 단위 단면적당의 통과 공기량이고, 도 5에 도시한 공기 유량계(61)의 출력 전압 Vg과 실측된 흡입 공기 유량 mtAFM의 관계를 규정하는 Vg-mtAFM 변환 산술 제표와, 공기 유량계(61)의 실제의 출력 전압 Vg에 기초하여 구해진 흡입 공기 유량 mtAFM을 상기 열선 계량부(61a)의 바이패스 유로 단면적(S)으로 나눈 값 mtAFM/S이다.

그리고, 공기 유량계 모델(M7)은 응답 방열량 w1, w2의 합 w1+w2과 공기 유량계(61)가 출력할 값에 기초하는 스로틀 통과 공기 유량 mtes의 관계를 규정한 도 19에 도시한 산술 제표와, 상기 (52)식 내지 (55)식에 의해 구해진 응답 방열량 w1, w2의 합 w1+w2에 기초하여, 현시점에서 공기 유량계(61)가 출력할 값에 기초하는 스로틀 통과 공기 유량(mtes)을 구한다.

이 예에 있어서의 공기 유량계 모델(M7)에 있어서는 상기 비교 요소 COM의 출력 SA에 의해, 예를 들면 상기 (52)식, (53)식에 사용할 때 정수(τ1 및 τ2)가 조정된다. 즉, 비교 요소 COM의 출력 SA이 작아지도록, 상기 (54)식, (55)식 중의 값(k10, k20) 및 값(m1, m2)이 변경된다. 이것은 도 18에 도시한 게인(G1)이 출력 SA에 따라서 변경되는 것을 의미한다.

다음에, 스로틀 모델 M2의 게인(G2)의 출력 SA에 기초하는 조정에 관해서 설명한다. 스로틀 통과 공기 유량 mT은 상기 (3)식에 의해 주어지므로, 함수(f1), 및 함수(f2)를 하기 (56)식 및 하기 (57)식과 같이 정의하면, 상기 (3)식은 하기 (58)식에 다시 기재한다.

상기 (58)식을 미분하면, 하기 (59)식이 얻어진다.

이(59)식에 상기 비교 요소 COM의 출력(차분; SA)을 피드백한다. 즉, 오브서버를 사용한 경우의 스로틀 모델을 나타내는 식은 하기 (60)식이 된다.

이상과 같이, 오브서버(0BS)를 더하면, 실린더 내 흡입 공기량 mc을 추정하는 모델(이 경우는 스로틀 모델 M2)의 게인이 공기 유량계(61)의 실제의 출력에 기초하여 조정된다. 이 결과, 실제의 실린더 내 흡입 공기량과 상기 모델(M1 내지 M5)에 의해 얻어지는 실린더 내 흡입 공기량 mc의 정상적인 오차를 작게 할 수 있기 때문에, 실린더 내 흡입 공기량 mc의 추정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료 분사량 제어 장치(흡입 공기량 추정 장치)에 의하면, 적합해야 할 산술 제표의 데이터량이 삭감되므로, 적합화에 요하는 노동력을 저감하면서, 정밀도 좋게 실린더 내 흡입 공기량을 추정할 수 있고, 적정한 연료 분사량을 얻어 공연비를 겨냥한 값으로 할 수 있다.

또한, 상기 제 1 실시예의 각 모델 외에, 배기 밸브를 통해 실린더(21) 내에 유입하는 공기량을 추정하기 위한 배기 밸브 모델을 추가 채용할 수도 있다. 이 경우, 도 20에 도시한 바와 같이, 배기 밸브 모델(M8)은 실린더 모델 M5에 대하여 접속되고, 흡기 밸브 모델 M4과 같은 도출 과정을 지나서 얻어 진 하기 (61)식, 및 하기 (62)식에 의해 나타난다. 또, (61)식, 및 (62)식에 있어서, Pe는 배기관 내 공기 압력, Te는 배기관 내 공기 온도이고, (61)식은 배기계에서 실린더(21) 내에 공기가 유입하는 경우(Pc<Pe), 하기 (62)식은 실린더(21)로부터 배기계에 공기가 유출되는 경우(Pc>Pc)에 사용된다. 또, 이 경우, 배기관 내 공기 압력 Pe을 검출하는 센서, 및 배기관 내 공기 온도 Te를 검출하는 센서를 설치하고, 이들의 센서의 검출값을 배기 밸브 모델(M8)에서 사용하도록 구성한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 배기관 내 공기 압력 Pe 및 배기관 내 공기 온도 Te를, 내연 기관(10)의 운전 파라미터(흡입 공기 유량 mtAFM, 엔진 회전 속도 Ne 등)에 기인하여 추정하도록 구성하여도 좋다.

또한, 상기 제 1 실시예에 있어서는 인젝터(39)는 흡기 포트(31a, 31b)를 향하여 연료를 분사하도록 되어 있었지만, 연소실(25) 내로 직접 분사하도록 구성되어 있어도 좋다. 또한, 본 발명은 각 기통의 연소실(25)에 대하여 병렬로, 또한 서로 거의 동일 형상으로 형성된 한 쌍의 흡기통로의 어느 한쪽으로 회전 가능하게 배치된 흡기류 제어 밸브(일본 특개평8-109836호 공보를 참조.)를 SCV(44) 대신에 채용한 내연 기관에도 적용할 수 있다.

다음에, 본 발명에 따른 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치의 제 2 실시예에 관해서 설명한다. 제 2 실시예의 흡입 공기량 추정 장치는 상기 제 1 실시예의 흡입 공기량 추정 장치가 갖는 도 6에 도시한 각 모델에 더하여, 기능 블록도인 도 22에 도시한 스로틀 모델 수정부를 구비하고 있다. 이 흡입 공기량 추정 장치는 스로틀 모델 수정부에 의해서 스로틀 모델 M2을 수정함으로써, 흡입 공기량의 추정 정밀도를 한층 더 높이는 것을 목적으로 하고 있다.

스로틀 모델 M2을 수정하는 것은 스로틀 밸브 개방도가 작은 경우, 상기 스로틀 개방도가 약간 변화한 것만으로도, 스로틀 밸브(43)를 통과하는 유량(스로틀 통과 공기 유량 mT)은 크게 변화하기 때문에, 스로틀 밸브 통과 공기 유량 mT은 스로틀 밸브(43)나 흡기관(41)의 기차(개체차)의 영향을 크게 받아, 그 결과, 각 내연 기관에 대하여 일률적으로 설정된 스로틀 모델 M2은 스로틀 통과 공기 유량 mT을 정밀도 좋게 추정할 수 없는 경우가 있기 때문이다.

그래서, 본 흡입 공기량 추정 장치는 내연 기관(10)이 정상 운전 상태(예를 들면, 스로틀 밸브 개방도가 소정 시간 이상 일정하게 유지되고 있는 등의 운전 상태)에 있을 때, 공기 유량계(61)의 출력 Vg에 기인하여 취득되는 흡입 공기 유량 mtAFM이 실제의 실린더 내 흡입 공기 유량(mcact)과 같아지는 것을 이용하여, 적정한 스로틀 모델 M2의 유량 계수 Ct(θt, Pm) 를 구한다. 그리고, 본 흡입 공기량 추정 장치는 구한 유량 계수 Ct(θt, Pm) 에 기인하여 스로틀 모델 M2의 유량 계수 산술 제표 MapCt(θt, Pm)의 데이터를 수정하고, 이로써 상기 스로틀 모델 M2을 수정한다.

보다 구체적으로 말하면, 도 22에 도시한 스로틀 모델 수정부는 수정용 유량 계수 산출부(M100), 흡기관 내 공기 압력 역모델(M110), 유량 계수 재기록부(M120), 정상 운전 상태 판정부(M130) 및 재기록 허용부(M140)로 이루어지고 있다. 이들의 블록의 각 기능은 CPU(81)이 프로그램을 실행함으로써 실현된다.

본 흡입 공기량 추정 장치에 있어서는 스로틀 모델 M2 이외의 모델인 전자 제어 스로틀 모델 M1, 흡기관 모델 M3, 흡기 밸브 모델 M4 및 실린더 모델 M5은 모두 올바르다는 전제에 선다.

또한, 본 장치는 흡기 밸브 모델 M4이 참된 실린더 내 흡입 공기 유량(mcact)과 일치하는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 출력하고 있는 경우에 있어서의 스로틀 모델 M2의 입력값(즉, 스로틀 밸브 개방도 θt, 흡기관 내 공기 압력 Pm, 흡기온도 Ta 및 스로틀 밸브 상류 압력 Pa의 각 참값)과, 그 경우에 스로틀 모델 M2이 출력하고 있어야 할 스로틀 통과 공기 유량 mT을 스로틀 모델 M2을 사용하지 않고서 취득하고, 이들로부터 스로틀 모델 M2이 사용해야 할 유량 계수 Ct(θt, Pm) 의 값을 구한다. 그리고, 그 구한 유량 계수 Ct(θt, Pm) 의 값에 기인하여 스로틀 모델 M2의 유량 계수 산술 제표 MapCt(θt, Pm)의 데이터를 재기록한다.

이하, 스로틀 모델 수정부를 구성하는 각 블록의 기능에 관해서 상세하게 설명한다.

스로틀 모델 M2은 상술한 (3)식을 사용하여 스로틀 통과 공기 유량 mT을 계산한다. (3)식을 하기 (63)식으로서 고쳐서 기술한다. 또, (63)식에 있어서, 유량 계수 Ct(θt, Pm) 는 스로틀 밸브 개방도 θt와 흡기관 내 공기 압력 Pm에 따라서 정해지는 값으로 되어 있다.

상기 (63)식으로부터도 이해할 수 있는 바와 같이, 스로틀 모델 M2의 입력값인 스로틀 밸브 개방도 θt, 흡기관 내 공기 압력 Pm, 스로틀 밸브 상류 압력 Pa, 및 흡기 온도 Ta의 각 참값과, 그 경우에 스로틀 모델 M2이 출력하고 있어야 할 스로틀 통과 공기 유량 mT이 얻어지면, 상기 (63)식을 변형한 하기 (64)식에 의해 스로틀 모델 M2이 그 시점에서(상기 스로틀 밸브 개방도 θt 및 상기 흡기관 내 공기 압력 Pm에 대하여)사용해야 할 유량 계수 Ct(θt, Pm) 를 구할 수 있다.

그래서, 수정용 유량 계수 산출부(M100)는 내연 기관(10)의 운전 상태가 정상 운전 상태에 있을 때, 상기 (64)식에 의해 유량 계수 Ct(θt, Pm) 를 구하도록 되어 있다. 정상 운전 상태는 적어도, 실제의 스로틀 밸브 개방도 Ta가 소정 시간 이상에 걸쳐서 변화하고 있지 않는 상태이다. 내연 기관(10)의 운전 상태가 정상 운전 상태에 있는 지의 여부는 후술하는 정상 운전 상태 판정부(M130)에 의해 판정된다.

여기서, 상기 (64)식의 우변의 각 값에 관해서 설명한다. (64)식을 사용할 때, 내연 기관(10)은 정상 운전 상태에 있다. 이 사실로부터, 스로틀 밸브 개방도 θt는 스로틀 위치 센서(64)에 의해 검출되는 실제의 스로틀 밸브 개방도 Ta와 같다(θt=TA). 따라서, 수정용 유량 계수 산출부(M100)는 스로틀 위치 센서(64)로부터의 스로틀 밸브 개방도 Ta를 스로틀 밸브 개방도 θt의 참값으로서 입력하도록 되어 있다.

또한, 내연 기관(10)은 정상 운전 상태에 있으므로, 흡기관(41) 내를 통과하는 공기 유량은 상기 흡기관(41)의 부위에 관계없이 일정하다. 따라서, 스로틀 통과 공기 유량 mT은 공기 유량계(61)의 출력 Vg에 기인하여 취득되는 흡입 공기 유량 mtAFM과 같다(mt=mtAFM). 그래서, 수정용 유량 계수 산출부(M100)는 공기 유량계(61)의 출력 Vg에 기인하여 취득되는 흡입 공기 유량 mtAFM을 스로틀 통과 공기 유량 mT의 참값으로서 입력하도록 되어 있다.

또한, 스로틀 밸브 상류 압력 Pa 및 흡기 온도 Ta는 대기압 센서(63)의 검출값 및 흡기온도 센서(62)의 검출값과 각각 같다. 따라서, 수정용 유량 계수 산출부(M100)는 대기압 센서(63)의 검출값 및 흡기온도 센서(62)의 검출값을, 스로틀 밸브 상류 압력 Pa 및 흡기 온도 Ta의 각각의 참값으로서 입력하도록 되어 있다.

이와 같이, 내연 기관(1O)이 정상 운전 상태에 있는 경우, (64)식의 우변의 각 값은 흡기관 내 공기 압력 Pm을 제외하고, 용이하게 참값을 얻을 수 있다. 또, 개구 면적 At θt 은 스로틀 밸브 개방도 θt에 기인하여 구해진다. 비열비(κ)는 일정하고, 미리 주어진다.

흡기관 내 공기 압력 Pm의 참값은 이하와 같이 구해진다. 내연 기관(10)의 운전 상태가 정상 운전 상태에 있을 때, 흡기 통로 내를 통과하는 공기 유량은 상기 흡기 통로의 부위에 관계없이 일정하므로, 참된 실린더 내 흡입 공기 유량(Mcact)은 공기 유량계(61)의 출력 Vg에 기인하여 취득되는 흡입 공기 유량 mtAFM과 같다. 따라서, 흡기관 내 공기 압력 Pm의 참값은 스로틀 모델 M2보다도 하류의 모델인 흡기관 모델 M3, 흡기 밸브 모델 M4 및 실린더 모델 M5에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc이 흡입 공기 유량 mtAFM(=mcact) 과 같아져 있을 때에 흡기관 모델 M3이 출력하고 있는 흡기관 내 공기 압력 Pm과 동일한 것이다.

이러한 흡기관 내 공기 압력 Pm은 흡기관 내 공기 압력 역모델(M110)에 의해 구한다. 이 흡기관 내 공기 압력 역모델(M110)은 기능 블록도인 도 23에 도시한 바와 같이, 흡기관 모델 M3, 흡기 밸브 모델 M4, 및 실린더 모델 M5을 도 6에 도시한 제 1 실시예의 흡입 공기량 추정 장치와 같이 접속한 모델이다.

이 역모델(M110)에 있어서, 흡기관 모델 M3에는 스로틀 통과 공기량 mT의 참값으로서 공기 유량계(61)의 출력 Vg에 기인하여 취득되는 흡입 공기 유량 mtAFM과, 흡기 밸브 모델 M4의 출력값인 실린더 내 흡입 공기 유량 mc이 입력된다. 또한, 흡기 밸브 모델 M4에는 흡기관 내 공기 온도 Tm의 참값으로서 흡기온도 센서(62)의 출력값인 흡기 온도 Ta와, 흡기관 모델 M3의 출력값(Pmh)이 입력된다. 또, 흡기 밸브 모델 M4에는 흡기온도 센서(62)의 출력값인 흡기 온도 Ta 대신에, 흡기관 모델 M3의 출력인 흡기관 내 공기 온도 Tm이 주어져도 좋다.

한편, 본 장치에 있어서는 상술한 바와 같이, 전자 제어 스로틀 모델 M1, 흡기관 모델 M3, 흡기 밸브 모델 M4 및 실린더 모델 M5은 모두 옳다는 전제에 서 있다. 또한, 흡기관 내 공기 압력 역모델(M110)은 내연 기관(10)이 정상 운전 상태에 있을 때, 흡기 밸브 모델 M4에 의해 실린더 내 흡입 공기 유량 mc을 반복하여 계산한다. 따라서, 이 계산되는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc은 공기 유량계(61)의 출력 Vg에 기인하여 취득되는 흡입 공기 유량 mtAFM과 같은 값에 수속한다. 또한, 흡기 밸브 모델 M4에 의해 계산되는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc이 흡입 공기 유량 mtAFM과 같은 값으로 되어 있는 경우, 흡기관 모델 M3로부터 출력되는 흡기관 내 공기 압력(Pmh)은 상술한 흡기관 내 공기 압력(Pmh)의 참값이 된다. 이와 같이, 흡기관 내 공기 압력 Pm의 참값은 흡기관 내 공기 압력 역모델(M110)에 의해 흡기관 내 공기 압력(Pmh)으로서 구해지고, 이 흡기관 내 압력(Pmh)이 도 22에 도시한 수정용 유량 계수 산출부(M100)에 흡기관 내 압력 Pm의 참값으로서 주어진다.

이상, 설명한 바와 같이, 수정용 유량 계수 산출부(M100)에는 스로틀 밸브 개방도 θt, 흡기관 내 공기 압력 Pm, 스로틀 밸브 상류 압력 Pa 및 흡기 온도 Ta의 각 참값과, 그 경우에 스로틀 모델 M2이 출력하고 있어야 할 스로틀 통과 공기 유량 mT이 주어진다. 따라서, 수정용 유량 계수 산출부(M100)는 스로틀 밸브 개방도가 θt이고 흡기관 내 공기 압력이 Pm일 때 스로틀 모델 M2이 사용해야 할 유량 계수 Ct(θt, Pm) 를 구할 수 있고, 이 값을 유량 계수 재기록부(M 120)에 출력한다.

한편, 정상 운전 상태 판정부(M130)는 엔진 회전 속도 센서(68), 스로틀 위치 센서(64) 및 공기 유량계(61)와 접속되고, 이들로부터 엔진 회전 속도 Ne, 스로틀 버블 개방도 Ta, 및 흡입 공기 유량 mtAFM을 각각 입력하고 있다. 그리고, 정상 운전 상태 판정부(M130)는 흡입 공기 유량 mtAFM의 단위 시간당의 변화량 ΔmtAFM의 절대값이 임계값 ThAFM보다 작고, 또한 엔진 회전 속도 Ne의 단위 시간당의 변화량(ΔNE)의 절대값이 임계값 ThNE보다 작고, 또한 스로틀 버블 개방도 Ta의 단위 시간당의 변화량(ΔTA)의 절대값이 임계값 ThTA보다 작은 상태가 소정 시간(예를 들면, 수초) 이상 계속하였는 지의 여부를 판정하고, 동일 상태가 동일 소정 시간 이상 계속된다고 판정한 경우, 내연 기관(10)의 운전 상태가 정상 운전 상태에 있다고 판정하여 재기록 허용부(M140)에 재기록 허용 신호를 발생한다.

재기록 허용부(M140)는 정상 운전 상태 판정부(M130)로부터 재기록 허용 신호를 받아들이면, 유량 계수 재기록부(M120)에 의한 스로틀 모델 M2의 유량 계수 산술 제표 MapCt(θt, Pm)의 데이터의 재기록을 허용한다. 이 상태에서, 유량 계수 재기록부(M120)는 그 시점에서의 흡기관 내 공기 압력 Pm과 스로틀 밸브 개방도 θt로 특정되는 유량 계수 산술 제표 NJapCt(θt, Pm)의 데이터를 수정용 유량 계수 산출부(M100)가 계산한 데이터 Ct(θt, Pm)에 재기록한다(치환한다). 이렇게 하여, 스로틀 모델 M2의 수정이 행해진다.

또, 단순히 데이터를 치환하는 대신에, 유량 계수 산술 제표 MapCt(θt, Pm)의 그 시점의 데이터(편의상, CtO(θt, Pm)으로 나타낸다.)와 수정용 유량 계수 산출부(M100)가 계산한 데이터 Ct(θt, Pm) 의 가중 평균값 Ctave(Ot, Pm)를 하기 (65)식에 의해 구하고, 유량 계수 산술 제표 MapCt(θt, Pm)의 데이터를 그 가중 평균값으로 치환함으로써, 스로틀 모델 M2을 수정하여도 좋다. (65)식에 있어서의 β는 0 내지 1까지의 임의의 값이다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 흡입 공기량 추정 장치는 내연 기관(10)의 운전 상태가 정상 운전 상태에 있을 때, 「흡입 공기 유량계측 수단인 공기 유량계(61)에 의해 측정되는 흡입 공기 유량 mtAFM」과 「흡기 밸브 모델 M4에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc」이 같아지는 것을 이용하여 스로틀 모델 M2의 계산식에 있어서 사용하는 값(유량 계수)을 수정하는 스로틀 모델 수정부를 구비하고 있다.

즉, 스로틀 모델 수정부 흡기관 내 공기 압력 역모델(MI1O) 는 공기 유량계(61)의 출력에 기인하는 흡입 공기 유량 mtAFM과 흡기 밸브 모델 M4에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량 mc이 같아지는 것을 이용하여 스로틀 모델 M2에서 사용하는 흡기관 내 공기 압력 Pm을 구한다. 동시에, 스로틀 모델 M2에 의해 구해지는 스로틀 통과 공기 유량 mT을 상기 흡입 공기 유량 mtAFM과 같다고 가정한다.

그리고, 스로틀 모델 수정부는 상기 구해진 흡기관 내 공기 압력 Pm과 상기 가정된 스로틀 통과 공기 유량 mtAFM에 기인하여 스로틀 모델 M2의 계산식에서 사용하는 값인 유량 계수 Ct(θt, Pm) 의 적정값을 구하고, 상기 유량 계수의 적정값에 기인하여 상기 스로틀 모델 M2; 스로틀 모델 M2이 미리 구비하고 있는 유량 계수 산술 제표 (MapCt(θt, Pm)의 데이터)를 수정하도록 구성되어 있다.

따라서, 제 2 실시예에 따른 흡입 공기량 추정 장치는 제 1 실시예에 따른 흡입 공기량 추정 장치가 갖는 이점에 더하여, 스로틀 모델 M2을 개개의 내연 기관(10)에 대하여 적절한 모델로 수정할 수 있기 때문에, 보다 정밀도 좋게 실린더 내 흡입 공기량을 추정할 수 있고, 적정한 연료 분사량을 얻어 공연비를 겨냥한 값으로 할 수 있다.

또, 상기 수정용 유량 계수 산출부(M100)는 스로틀 밸브 상류 압력 Pa이 흡기관 내 공기 압력 Pm보다 큰 순류의 경우를 상정한 (3)식에 기인하는 (64)식을 사용하였지만, 스로틀 밸브 상류 압력 Pa이 흡기관 내 공기 압력 Pm보다 작은 역류의 경우에는 (4)식에 기인하여 유량 계수 Ct(θt, Pm) 를 구하면 좋다.

또한, 상기 제 2 실시예에서는 흡입 공기 유량 측정 수단으로서 공기 유량계(61)를 사용하고 있었지만, 예를 들면, 이것 대신에, CPU(81)가 인식하고 있는 연료 분사량과 공연비 센서(70)의 출력으로부터 흡입 공기 유량을 실질적으로 측정하도록 구성하여도 좋다.

이상, 본 발명에 따른 흡입 공기량 추정 장치의 각 실시예 및 변형예에 관해서 설명하였지만, 본 발명은 이들의 실시예에 한정되지 않고서, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 변형예를 채용할 수 있다.

예를 들면, 도 17에 도시한 스텝(1715)에 있어서는 흡기 행정에 있는 기통의 배기관 내 공기 압력 Pe을 실린더 내 압력 Pc TO 으로서 격납하여도 좋다. 이 경우, 배기관 내 공기 압력 Pe은 엔진 회전 속도 Ne 및 흡입 공기 유량 mtAFM과 미리 ROM(182) 내에 격납하고 있는 산술 제표로부터 구하도록 구성되어도 좋다. 또한, 스텝부(1725)에 있어서, 배기관 내 공기 압력 Pe, 배기 온도 Te, 흡기 밸브 개방 시의 실린더의 체적 Vco 및 기체의 상태 방정식 Mc0= Pe·Vco/(R·Te) 로부터 실린더 내 흡입 공기량 Mc1의 초기값 Mc0를 결정하여도 좋다. 또한, 배기 온도 Tc는 엔진 회전 속도 Ne, 흡입 공기 유량 mtAFM, 연료, 분사량 fc, 및 미리 ROM(482) 내에 격납하고 있는 산술 제표로부터 구하도록 구성할 수 있다.

Claims

에너지 보존 법칙에 기초하여 구해진 실린더에 대한 모델을 사용하여 상기 실린더 내의 압력을 계산에 의해 추정하는 실린더 내 압력 추정 수단을 포함하고, 상기 추정된 실린더 내의 압력에 기초하여 상기 실린더로 흡입되는 실린더 내 흡입 공기량을 추정하는 흡입 공기량 추정 수단을 구비하여 구성되는 내연기관의 흡입 공기량 추정 장치로서,

상기 실린더 내 압력 추정 수단이 사용하는 상기 실린더에 대한 모델은, Pc를 실린더 내의 압력, κ를 비열비, R을 기체 정수, Tm을 실린더에 흡입되는 공기의 온도, Vc를 실린더 용적, mc를 실린더 내로 흡입되는 공기유량인 실린더 내 흡입 공기유량으로 할 때,

dPc/dt=(κ·R·Tm/Vc)·mc-(κ·Pc/Vc)·(dVc/dt)인 식에 기초하여 구성되는 흡입 공기량 추정 장치.
에너지 보존 법칙에 기초하여 구해진 실린더에 대한 모델을 사용하여 상기 실린더 내의 압력을 계산에 의해 추정하는 실린더 내 압력 추정 수단을 포함하고, 상기 추정된 실린더 내의 압력에 기초하여 상기 실린더로 흡입되는 실린더 내 흡입 공기량을 추정하는 흡입 공기량 추정 수단을 구비하여 구성되는 내연기관의 흡입 공기량 추정 장치로서,

상기 실린더 내 압력 추정 수단이 사용하는 상기 실린더에 대한 모델은, Pc을 실린더 내의 압력, κ를 비열비, R을 기체 정수, Tm을 실린더로 흡입되는 공기의 온도, Vc를 실린더 용적, mc를 실린더 내로 흡입되는 공기 유량인 실린더 내 흡입 공기 유량, Q를 실린더와 상기 실린더 외부 사이에서 전달되는 열량으로 할 때,

dPc/dt=(κ·R·Tm/Vc)·mc-(κ·Pc/Vc)·(dVc/dt)+(κ-1)·Q/Vc인 식에 기초하여 구성되는 흡입 공기량 추정 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 흡입 공기량 추정 수단은,

에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 및 질량 보존 법칙에 기초하여 구해진 흡기 밸브를 통과하는 공기에 대한 흡기 밸브 모델을 사용하여 실린더 내로 흡입되는 공기 유량인 실린더 내 흡입 공기 유량을 구하고, 상기 구해진 실린더 내 흡입 공기 유량에 기초하여 상기 실린더 내 흡입 공기량을 추정하도록 구성되는 흡입 공기량 추정 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 흡입 공기량 추정 수단은,

에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 및 질량 보존 법칙에 기초하여 구해진 배기 밸브를 통과하는 공기에 대한 배기 밸브 모델을 사용하여 상기 실린더 내 흡입 공기량을 추정하도록 구성되는 흡입 공기량 추정 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 실린더 내 압력 추정 수단은,

상기 실린더에 대한 모델을 나타낸 식을 실린더 용적이 일정하다고 가정하여 계산함으로써 구한 식과, 상기 실린더에 대한 모델을 나타낸 식을 상기 실린더로 흡입되는 공기 유량이 O이라고 가정하여 계산함으로써 구한 식에 기초하여 상기 실린더 내의 압력을 추정하도록 구성되는 흡입 공기량 추정 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 흡입 공기량 추정 수단은 상기 흡기 밸브 모델이 사용하는 입력량을 구하기 위해서 상기 내연 기관의 스로틀 밸브를 통과하는 공기에 대한 스로틀 모델을 사용하여 상기 스로틀 밸브를 통과하는 공기의 유량인 스로틀 통과 공기 유량을 계산식에 따라서 구하도록 구성되고,

상기 내연 기관의 흡기 통로 내를 흐르는 공기 유량인 흡입 공기 유량을 실제로 측정하는 흡입 공기 유량 측정 수단과, 상기 내연 기관의 운전 상태가 정상 운전 상태일 때, 상기 흡입 공기 유량 측정 수단에 의해 측정되는 흡입 공기 유량과 상기 흡기 밸브 모델에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량이 같아지는 것을 이용하여 상기 스로틀 모델의 계산식에 있어서 사용하는 값을 수정하는 스로틀 모델 수정부를 추가로 구비하는 흡입 공기량 추정 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 스로틀 모델의 계산식은 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 및 질량 보존 법칙에 기초하여 얻어진 계산식인 흡입 공기량 추정 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 스로틀 모델의 계산식은 적어도 상기 내연 기관의 스로틀 밸브 하류의 흡기관 내 공기 압력과 상기 흡기관 내 압력에 따라서 결정되는 유량 계수를 사용하여 상기 스로틀 통과 공기 유량을 구하도록 구성되고,

상기 스로틀 모델 수정부는 상기 흡입 공기 유량 측정 수단에 의해 측정되는 흡입 공기 유량과 상기 흡기 밸브 모델에 의해 구해지는 실린더 내 흡입 공기 유량이 같아지는 것을 이용하여 상기 스로틀 모델로 사용하는 흡기관 내 공기 압력을 구하고, 상기 스로틀 통과 공기 유량을 상기 흡입 공기 유량 측정 수단에 의해 측정되는 흡입 공기 유량과 같다고 가정하고, 그와 같이 구해진 흡기관 내 공기 압력과 상기 가정된 스로틀 통과 공기 유량에 기초하여 상기 유량 계수의 적정값을 구하여, 상기 유량 계수의 적정값에 기초하여 상기 스로틀 모델로 사용되는 상기 유량 계수를 수정하도록 구성된 흡입 공기량 추정 장치.