KR100872017B1

KR100872017B1 - 내연 기관의 공기량 추정 장치

Info

Publication number: KR100872017B1
Application number: KR1020077007874A
Authority: KR
Inventors: 사토루 다나카
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2008-12-05
Also published as: WO2006028157A1; JP3922277B2; US7418857B2; CN101014762A; EP1795728A1; EP1795728A4; EP1795728B1; JP2006070881A; US20070255483A1; KR20070061860A; CN100520028C

Abstract

본 공기량 추정 장치는 물리 법칙에 의해 구성된 모델들 (M2 내지 M7) 을 구비한다. 공기량 추정 장치는, 컴프레셔 모델 (M4) 및 인터쿨러 모델 (M5) 에 의해, 인터쿨러 (45) 로 공급되는 공기로 과급기 (컴프레셔 (91a)) 에 의해 부여되는 제 1 에너지 (Ecm) 와, 인터쿨러의 벽과 인터쿨러내의 공기 사이에서 교환되는 제 2 에너지를 고려하여, 인터쿨러내의 공기의 압력 (Pic) 및 온도 (Tic) 를 추정한다. 그리고, 이 공기량 추정 장치는, 추정된 인터쿨러내의 공기의 압력 및 온도에 기초하여 현시점보다 이후의 미래 시점의 기통내 공기량 (KLfwd) 을 추정한다.

내연 기관, 인터쿨러, 컴프레셔, 전자 제어, 스로틀

Description

내연 기관의 공기량 추정 장치{INTERNAL COMBUSTION ENGINE AIR AMOUNT ESTIMATION DEVICE}

기술분야

본 발명은, 내연 기관의 기통에 도입되는 공기량을 추정하는 장치에 관한 것이다.

배경기술

내연 기관에 공급되는 혼합 기체의 공연비 (air-fuel ratio) 를 목표 공연비와 일치시키기 위해서, 내연 기관의 기통에 도입되는 공기량 (이하, "기통 흡입 공기량" 이라고 칭한다) 을 정확하게 추정해야 한다. 이 기통 흡입 공기량은, 스로틀 밸브의 개도 (opening) 가 거의 변하지 않는 정상 운전 상태에 있어서는, 내연 기관의 흡입 통로에 설치된 공기 유량 센서의 출력치에 의해 정확하게 추정된다. 한편, 스로틀 밸브의 개도가 급격하게 변화하는 과도 운전 상태에 있어서는, 공기 유량 센서의 시간 응답 특성이 양호하지 않기 때문에, 공기 유량 센서의 출력치에 기초하여 기통 흡입 공기량을 정확하게 추정하기 어렵다. 따라서, 공기 유량 센서를 사용하는 경우보다는 응답성이 우수한 기통 흡입 공기량을 추정하는 것이 요구된다.

또한, 일반적으로 연료는 흡입 스트로크의 종료시까지 분사된다. 반면에, 기통 흡입 공기량은, 흡입 스트로크가 종료하는 시점 (흡입 밸브가 닫힐 때) 에서 고정 (또는 확정) 된다. 따라서, 연료 분사시에는 기통 흡입 공기량이 확정되지 않는다. 이 때문에, 기통에 형성되는 혼합 기체의 공연비를 목표 공연비와 일치시키는 분사 연료량을 결정하기 위해, 연료 분사전 (즉, 흡입 스트로크의 종료 시점 전) 의 소정의 시점에서 "흡입 밸브 닫힐 때 기통 흡입 공기량" 을 추정하는 것이 요구된다.

이러한 요구를 만족하기 위한 기통 흡입 공기량 추정 장치의 하나로서, 일본 공개특허공보 제 2001-41095호는, 내부 기관의 흡입 통로내를 유통하는 공기 유량의 거동을 모델화한 물리 모델을 사용해 현시점보다 이후의 시간인 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 추정하는 장치를 개시하고 있다.

개시된 기통 흡입 공기량 추정 장치가 사용하는 물리 모델에 의하면, 현시점보다 이후의 미래 시점에서 추정된 기통 흡입 공기량은, 미래 시점의 스로틀 밸브의 상류 위치의 공기 (스로틀 밸브 상류 공기) 의 압력 및 미래 시점의 스로틀 밸브의 상류 공기의 온도를 이용한 관계식에 의해 표현된다. 따라서, 미래 시점의 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도가 정확하게 추정되지 않으면, 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 정확하게 추정할 수가 없다.

그런데, 상기 종래의 기통 흡입 공기량 추정 장치가 적용되는 상술한 내연 기관이 자연 흡입 기관이기 때문에, 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도는 대기 (또는 공기) 의 압력 및 온도와 대략 동일하다. 또한, 대기의 압력 및 온도는, 현시점으로부터 기통 흡입 공기량이 추정되는 미래 시점까지의 짧은 기간 내에서는 대부분 변화하지 않고 유지된다. 따라서, 상기 종래의 기통 흡입 공기량 추정 장치는, 대기의 압력 및 흡입 통로내에 설치된 온도 센서에 의해 검출된 흡입 공기 온도를, 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도로서 각각 채용하여, 미래 시점에서 기통 흡입 공기량을 정확하게 추정한다.

그러나, 내연 기관이 그 최고 출력 등을 향상시키기 위해, 과급기 (supercharger) 및 인터쿨러를 구비하는 경우, 흡입 통로내의 공기가 과급기에 의해 압축되고, 인터쿨러에 의해 냉각된다. 따라서, 스로틀 밸브 상류 공기 (즉, 인터쿨러내의 공기) 의 압력 및 온도는 상술한 짧은 시간내에 변화한다. 이 때문에, 과급기 및 인터쿨러를 구비하는 내연 기관에서, 상기 종래의 기통 흡입 공기량 추정 장치에 의해, 현시점보다 이후의 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 정확하게 추정하는 것이 어렵다.

발명의 요약

본 발명은 상기 기술한 과제에 대처하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, "현시점보다 이후의 미래 시점의 기통 흡입 공기량" 을 고정밀도로 추정가능한, 과급기를 구비한 내연 기관의 공기량 추정 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 공기량 추정 장치는, 내연 기관의 외부로부터 흡입된 공기를 기통내에 도입하는 흡입 통로, 흡입 통로내에 배치형성되고 흡입 통로를 통해 유통하는 공기량을 변경하도록 개도를 조정가능한 스로틀 밸브, 상기 스로틀 밸브의 상류 위치에서 상기 흡입 통로에 배치형성되고 상기 흡입 통로내의 공기를 압축하는 컴프레셔를 갖는 과급기, 및 상기 스로틀 밸브와 상기 과급기 사이의 상기 흡입 통로에 배치형성되고 흡입 통로내의 공기를 냉각하는 인터쿨러를 구비하는 내연 기관에 적용된다.

공기량 추정 장치는, 상기 인터쿨러로 공급 (또는 유입) 되는 공기에 상기 과급기에 의해 부여되는 제 1 에너지와, 인터쿨러의 벽과 인터쿨러내의 공기 사이에서 교환되는 제 2 에너지를 고려하여 설계되고 인터쿨러내의 공기에 관한 에너지 보존 법칙에 기초하여 구축된 인터쿨러 모델을 사용하여, 인터쿨러내의 공기의 압력 및 온도를, 스로틀 밸브의 상류 위치에서 상기 흡입 통로내의 공기인 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도로서 각각 추정하는 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단과, 상기 추정된 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도에 기초하여 상기 기통내에 도입되는 공기량인 기통 흡입 공기량을 추정하는 기통 흡입 공기량 추정 수단을 구비한다.

이 공기량 추정 장치에 의하면, 상기 인터쿨러에 공급되는 공기에 과급기에 의해 주어지는 제 1 에너지와, 인터쿨러의 벽과 인터쿨러내의 공기 사이에 교환되는 제 2 에너지를 고려해, 인터쿨러내의 공기의 압력 및 온도가 스로틀 밸브 상류 위치의 흡입 통로내의 공기 (스로틀 밸브 상류 공기) 의 압력 및 온도로서 각각 추정된다. 그리고, 추정된 스로틀 밸브 상류 공기의 압력과 온도에 기초하여 기통에 도입되는 공기량인 기통 흡입 공기량이 추정된다.

이 결과, 과급기의 압축 일량 (work amount), 및 인터쿨러의 벽과 공기 사이의 전열량 (heat-transfer amount) 이 고려되므로, 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도가 정확하게 추정된다. 이로써, 내연 기관의 기통에 도입되는 공기량 (기통 흡입 공기량 또는 기통 도입 공기량) 을 정확하게 추정할 수 있다.

위에서 설명한 공기량 추정 장치에서, 상기 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단은, 상기 과급기의 컴프레셔 회전 속도에 기초하여 상기 제 1 에너지를 추정하도록 구성되는 것이 바람직하다.

과급기의 운전 상태를 나타내는 과급기의 컴프레셔 회전 속도와, 인터쿨러에 공급되는 공기로 과급기에 의해 주어지는 제 1 에너지 사이는 매우 상관이 강하다. 따라서, 상기와 같이 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단을 구성하면, 제 1 에너지가 정확하게 추정된다. 이로써, 과급기의 운전 상태가 변동해도, 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도를 정확하게 추정할 수 있다.

이 경우, 상기 공기량 추정 장치는, 과급기의 컴프레셔 회전 속도를 검출하는 컴프레셔 회전 속도 검출 수단,

상기 검출된 컴프레셔 회전 속도에 기초하여 현시점보다 이후의 미래 시점의 상기 제 1 에너지를 추정하고, 추정된 미래 시점의 제 1 에너지를 상기 인터쿨러 모델에 사용되는 상기 제 1 에너지로서 채용하여, 미래 시점의 상기 인터쿨러내의 공기의 압력 및 온도를 미래 시점의 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도로서 각각 추정하는 상기 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단, 및

추정된 미래 시점의 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도에 기초하여 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 추정하는 상기 기통 흡입 공기량 추정 수단을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 발명자는 여러 가지의 검토를 실시한 결과, 컴프레셔 회전 속도는 현시점으로부터 기통 흡입 공기량이 추정되는 미래 시점까지의 짧은 시간내에는 대 부분 변화하지 않는다고 하는 지견을 얻었다. 따라서, 상기와 같이 공기량 추정 장치를 구성하면, 미래 시점의 제 l 에너지가 정확하게 추정된다. 이로써, 과급기를 구비하는 내연 기관에서, 미래 시점의 과급기의 운전 상태를, 일반적으로 복잡하게 되는 경향이 있는 과급기 모델의 사용에 의해 추정하지 않아도, 현시점보다 이후의 미래 시점의 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도를 정확하게 추정할 수 있다. 이 결과, 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 정확하게 추정할 수 있다.

도면의 간단한 설명

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 공기량 추정 장치를 불꽃 점화식 다-기통 내연 기관에 적용한 시스템의 개략 구성도이다.

도 2는, 스로틀 밸브 개도를 제어함과 함께 기통 흡입 공기량을 추정하기 위한 논리 회로 및 각종 모델의 기능 블록도이다.

도 3은, 도 1에 나타낸 CPU가 참조하는 가속 페달 조작량과 목표 스로틀 밸브 개도 사이의 관계를 규정한 테이블을 나타낸 도이다.

도 4는, 잠정 목표 스로틀 밸브 개도, 목표 스로틀 밸브 개도 및 예측 스로틀 밸브 개도의 변화를 나타낸 타임 챠트이다.

도 5는, 예측 스로틀 밸브 개도를 산출하기 위해 이용하는 함수를 나타낸 그래프이다.

도 6은, 도 1에 나타낸 CPU가 참조하는 인터쿨러내 압력을, 흡입 공기 압력, 컴프레셔 회전 속도, 컴프레셔 유출 공기 유량으로 나누어 획득된 값의 관계를 규정한 테이블을 나타낸 도이다.

도 7은, 도 1에 나타낸 CPU가 참조하는 컴프레셔 유출 공기 유량, 컴프레셔 회전 속도, 및 컴프레셔 효율과의 관계를 규정한 테이블을 나타낸 도이다.

도 8은, 도 1에 나타낸 CPU가 실행하는 스로틀 밸브 개도를 추정하기 위한 프로그램을 나타낸 플로우차트이다.

도 9는, 도 1에 나타낸 CPU가 실행하는 기통 흡입 공기량을 추정하기 위한 프로그램을 나타낸 플로우차트이다.

도 10은, 도 1에 나타낸 CPU가 실행하는 스로틀 통과 공기 유량을 추정하기 위한 프로그램을 나타낸 플로우차트이다.

도 11은, 제 1 시점, 소정의 시간 간격 (Δt0), 전회 추정 시점 (t1) 및 이번 추정 시점 (t2) 의 관계를 나타낸 모식도이다.

도 12는, 도 1에 나타낸 CPU가 실행하는 컴프레셔 유출 공기 유량 및 컴프레셔 부여 에너지를 추정하기 위한 프로그램을 나타낸 플로우차트이다.

바람직한 실시형태의 상세한 설명

이하, 본 발명에 의한 내연 기관의 공기량 추정 장치의 각 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관련되는 공기량 추정 장치를 불꽃 점화식 다-기통 (예를 들면, 4 기통) 내연 기관 (10) 에 적용한 시스템의 개략 구성을 나타내고 있다. 또한, 도 1은, 특정 기통의 단면만을 나타내고 있지만, 다른 기통도 동일한 구성을 포함한다.

이 내연 기관 (10) 은, 기통 블록, 기통 블록 하부 케이스 및 오일 팬 등을 포함한 기통 블록부 (20), 기통 블록부 (20) 상에 고정되는 기통 헤드부 (30), 기 통 블록부 (20) 에 연료와 공기의 혼합 기체를 공급하기 위한 흡입계 (40), 및 기통 블록부 (20) 로부터의 배기가스를 내연 기관 (10) 의 외부로 방출하기 위한 배기계 (50) 를 포함하고 있다.

기통 블록부 (20) 는, 기통 (21), 피스톤 (22), 커넥팅 로드 (23) 및 크랭크축 (24) 을 포함한다. 각 피스톤 (22) 은 해당 기통 (21) 내를 왕복 운동한다. 피스톤 (22) 의 왕복 운동이 해당 커넥팅 로드 (23) 를 통하여 크랭크축 (24) 에 전달되어, 이로써 크랭크축 (24) 이 회전하게 된다. 기통 (21), 피스톤 (22) 의 헤드 및 기통 헤드부 (30) 는, 연소실 (25) 을 형성하고 있다.

기통 헤드부 (30) 는, 연소실 (25) 에 연통한 흡입 포트 (31), 흡입 포트 (31) 를 개폐하는 흡입 밸브 (32), 흡입 캠 샤프트의 위상각을 연속적으로 변경하기 위해 흡입 밸브 (32) 를 구동하는 흡입 캠 샤프트를 포함하는 가변 흡입 타이밍부 (33), 가변 흡입 타이밍부 (33) 의 액츄에이터 (33a), 연소실 (25) 에 연통한 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 인가되는 고전압을 발생하는 점화 코일을 포함한 점화기 (38), 및 연료를 흡입 포트 (31) 내로 분사하는 연료 분사 장치 (39) 를 포함한다.

흡입계 (40) 는, 흡입 포트 (31) 에 연통한 흡입 매니폴드 (41), 흡입 매니폴드 (41) 에 연통한 서지 탱크 (42), 서지 탱크 (42) 에 일단이 접속되고 흡입 매니폴드 (41) 및 서지 탱크 (42) 와 함께 흡입 통로를 형성하는 흡입 덕트 (43), 에어 필터 (44), 과급기 (91) 의 컴프레셔 (91a), 인터쿨러 (45), 스로틀 밸브 (46) 및 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 를 포함한다. 흡입 덕트 (43) 의 외단부로부터 하류 (서지 탱크 (42)) 측을 향하여 순서대로 흡입 덕트 (43) 에 배치형성된 에어 필터 (44), 컴프레셔 (91a), 인터쿨러 (45), 스로틀 밸브 (46) 를 포함한다. 또한, 스로틀 밸브 (46) 로부터 흡입 밸브 (32) 까지의 흡입 통로는, 흡입 파이프부를 구성하고 있다.

인터쿨러 (45) 는 공랭식 인터쿨러로서, 흡입 통로를 유통하는 공기를 내연 기관 (10) 의 외부의 공기에 의해 냉각시키도록 구성되어 있다. 인터쿨러 (45) 는, 컴프레셔 (91a) 의 출구 (하류) 로부터 스로틀 밸브 (46) 까지의 흡입 통로와 함께 인터쿨러부를 구성하고 있다.

스로틀 밸브 (46) 는 흡입 덕트 (43) 에 회전 가능하게 지지되고 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 에 의해 구동됨으로써 개도를 조정할 수 있다. 이 구성에 따라, 스로틀 밸브 (46) 는, 흡입 덕트 (43) 에 의해 형성된 통로의 단면적을 변경할 수 있다.

DC모터로 이루어지는 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 는, 후술하는 전기 제어장치 (70) 가 수행하는 전자 제어 스로틀 밸브 로직에 의해 송출되는 구동 신호에 따라, 실제의 스로틀 밸브 개도 (θTa) 가 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 가 되도록 스로틀 밸브 (46) 를 구동한다.

배기계 (50) 는, 배기 포트 (34) 에 연통해 배기 포트 (34) 와 함께 배기 통로를 형성하는 배기 매니폴드를 포함한 배기관 (5l), 배기관 (51) 내에 배치형성된 과급기 (91) 의 터빈 (91b), 및 터빈 (91b) 의 하류 위치에 배기관 (51) 내에 배치 형성된 3-웨이 촉매부 (52) 를 포함한다.

이러한 구성에 따르면, 과급기 (91) 의 터빈 (91b) 은 배기가스의 에너지에 의해 회전한다. 또한, 터빈 (91b) 은, 샤프트를 통하여 흡입계 (40) 의 컴프레셔 (9la) 로 연결된다. 이로써, 흡입계 (40) 내의 컴프레셔 (91a) 와 터빈 (91b) 이 일체화되어 회전해, 흡입 통로내의 공기를 압축한다. 즉, 과급기 (91) 는, 내연 기관 (10) 으로 공기를 과급 (supercharge) 한다.

한편, 배기계 (50) 는, 압력 센서 (61), 온도 센서 (62), 컴프레셔 회전 속도 검출 수단으로서의 컴프레셔 회전 속도 센서 (63), 캠 포지션 센서 (64), 크랭크 포지션 센서 (65), 운전 상태량 취득 수단으로서 액셀 개도 센서 (66), 및 전기 제어부 (70) 를 포함한다.

압력 센서 (61) 는, 에어 필터 (44) 와 컴프레셔 (91a) 사이의 흡입 덕트 (43) 내에 배치형성된다. 압력 센서 (61) 는, 흡입 덕트 (43) 내의 공기의 압력을 검출해, 컴프레셔 (91a) 의 상류 위치의 흡입 통로내의 공기의 압력인 흡입 공기 압력 (Pa) 을 나타내는 신호를 출력한다. 온도 센서 (62) 는, 에어 필터 (44) 와 컴프레셔 (91a) 사이의 흡입 덕트 (43) 내에 배치형성된다. 온도 센서 (62) 는, 흡입 덕트 (43) 내의 공기의 온도를 검출하고, 컴프레셔 (91a) 의 상류 위치의 흡입 통로내의 공기의 온도인 흡입 공기 온도 (Ta) 를 나타내는 신호를 출력한다. 컴프레셔 회전 속도 센서 (63) 는, 컴프레셔 (91a) 의 회전축이 360°회전할 때마다 신호를 출력한다. 이 신호는, 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 를 나타낸다. 캠 포지션 센서 (64) 는, 흡입 캠 샤프트가 90°회전할 때마다 (즉, 크랭크축 (24) 이 180°회전할 때마다) 1개의 펄스를 갖는 신호 (G2신호) 를 발생한다. 크랭크 포지션 센서 (65) 는, 크랭크축 (24) 이 10°회전할 때마다 폭이 좁은 펄스를 갖고, 크랭크축 (24) 이 360°회전할 때마다 폭이 넓은 펄스를 갖는 신호를 출력한다. 이 신호는, 엔진 회전 속도 (NE) 를 나타낸다. 액셀 개도 센서 (66) 는, 운전자에 의해 조작되는 가속 페달 (67) 의 조작량을 검출하고, 가속 페달의 조작량 (Accp) 을 나타내는 신호를 출력한다.

전기 제어부 (70) 는, 서로 버스로 접속된, CPU (71), CPU (71) 가 실행하는 프로그램, 테이블 (룩업테이블과 맵), 상수 등을 미리 저장한 ROM (72), CPU (71) 가 필요에 따라 데이터를 일시적으로 저장하는 RAM (73), 전원이 투입된 상태로 데이터를 저장함과 함께 저장한 데이터를 전원이 차단되고 있는 동안도 유지하는 백업 RAM (74), 및 AD 컨버터를 포함한 인터페이스 (75) 를 포함하는 마이크로 컴퓨터이다. 인터페이스 (75) 는, 상기 센서 (61 내지 66) 에 접속되고 센서 (61 내지 66) 로부터의 신호를 CPU (71) 로 공급한다. 인터페이스 (75) 는 CPU (71) 의 지시에 따라 가변 흡입 타이밍부 (33) 의 액츄에이터 (33a), 점화기 (38), 연료 분사 장치 (39), 및 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 에 구동 신호 (지시 신호) 를 송출한다.

다음에, 상기와 같이 구성된 내연 기관용 공기량 추정 장치에 의해 실현된 기통 흡입 공기량의 추정 방법의 개요에 대해 설명한다.

본 공기량 추정 장치가 적용되는 내연 기관 (10) 에서는, 연료 분사 장치 (39) 가 흡입 밸브 (32) 의 상류에 배치되기 때문에, 흡입 밸브 (32) 가 닫히기 전 (즉, 흡입 스트로크가 종료하는 시점) 까지 연료가 분사되지 않으면 안 된다. 따라서, 기통에 형성되는 혼합 기체의 공연비를 목표 공연비와 일치시키는 분사 연료량을 결정하기 위해서, 이 공기량 추정 장치는, 연료 분사전의 소정 또는 임의의 시점에서 "흡입 밸브가 닫힐 때의 기통 흡입 공기량" 을 추정해야만 한다.

위의 관점에서, 이 공기량 추정 장치는, 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙 및 질량 보존 법칙 등의 물리 법칙에 기초하여 구축된 물리 모델을 이용해 현시점보다 늦게 (또는 이후에) 미래 시점의 인터쿨러 (45) 내의 공기의 압력 및 온도를 미래 시점의 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도로서 추정한다. 공기량 추정 장치는, 미래 시점의 추정된 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도 (즉, 인터쿨러 (45) 내의 공기의 압력 및 온도) 에 기초하여, 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 추정한다.

공기량 추정 장치는, 미래 시점의 인터쿨러 (45) 내의 공기의 압력 및 온도를 추정하기 위한 물리 모델의 하나로서, 인터쿨러 (45) 에 공급되는 공기에 과급기 (91) 의 컴프레셔 (91a) 에 의해 주어지는 제 1 에너지와, 인터쿨러 (45) 의 벽과 인터쿨러 (45) 내의 공기 사이에 교환되는 제 2 에너지를 고려해 설계 (구축 또는 구성) 된 물리 모델을 채용 (사용) 한다.

이 공기량 추정 장치는, 기능 블록도인 도 2에 나타낸 것처럼, 전자 제어 스로틀 밸브 모델 (M1) 을 포함한다. 공기량 추정 장치는, 물리 법칙에 기초하여 구축된 상술한 물리 모델로서, 스로틀 모델 (M2), 흡입 밸브 모델 (M3), 컴프레셔 모델 (M4), 인터쿨러 모델 (M5), 흡입 파이프 모델 (M6), 및 흡입 밸브 모델 (M7) 을 포함한다. 또한, 공기량 추정 장치는, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 을 포함한다. 또한, 컴프레셔 모델 (M4) 및 인터쿨러 모델 (M5) 은, 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단의 주요한 부분을 구성한다. 또한, 스로틀 모델 (M2), 흡입 밸브 모델 (M3), 흡입 파이프 모델 (M6) 및 흡입 밸브 모델 (M7) 은, 기통 흡입 공기량 추정 수단의 주요한 부분을 구성한다.

모델들 (M2~M7, 스로틀 모델 (M2), 흡입 밸브 모델 (M3), 컴프레셔 모델 (M4), 인터쿨러 모델 (M5), 흡입 파이프 모델 (M6), 및 흡입 밸브 모델 (M7)) 은, 어떤 시점에 있어서의 공기의 거동을 나타내도록, 상기 물리 법칙에 기초하여 공식화된 (또는 도출된) 수식 (이하, "일반화된 수식" 이라고도 칭한다) 에 의해 나타내진다.

여기서, 일반화된 수식에서 사용되는 모든 값 (변수) 은, 요구하고 싶은 값이 "어떤 시점" 의 값이면, 모두 어떤 시점의 값이어야만 한다. 즉, 예를 들어, 어느 모델이 y=f(x) 라고 하는 일반화된 수식에 의해 나타낼 때, 현시점보다 이후의 특정의 미래 시점의 y의 값을 요구하려면, 변수 x를 특정의 미래 시점의 값으로 해야 한다.

그런데, 전술한 것처럼, 공기량 추정 장치에 의해 구해진 기통 흡입 공기량은, 현시점 (연산 시점) 에서보다 이후의 미래 시점의 값이다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 모델들 (M2~M7) 에서 사용하는 스로틀 밸브 개도 (θt), 컴프레셔 회전 속도 (Ncm), 흡입 공기 압력 (Pa), 흡입 공기 온도 (Ta), 엔진 회전 속도 (NE), 및 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 등은, 모두 현시점보다 이후의 미래 시점의 값이어야 한다.

따라서, 공기량 추정 장치는, 목표 스로틀 밸브 개도를 결정한 시점으로부터 목표 스로틀 밸브 개도를 지연시켜 스로틀 밸브 (46) 를 제어함으로써, 현시점보다 이후의 미래 시점 (현시점에서, 현시점보다 이후의 제 1 시점 (본 예에서는, 현시점으로부터 지연 시간 (TD) 만큼 경과한 후의 시점) 까지의 시점) 의 스로틀 밸브 개도를 추정한다.

더욱, 상술한 바와 같이, 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 는 현시점으로부터 기통 흡입 공기량이 추정되는 미래 시점까지의 짧은 시간내에서는 그만큼 크게 변화하지 않는다. 따라서, 공기량 추정 장치는, 미래 시점의 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 로서 컴프레셔 회전 속도 센서 (63) 에 의해 검출된 현시점의 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 를 사용 (또는 채용) 한다.

또한, 흡입 공기 압력 (Pa), 흡입 공기 온도 (Ta), 엔진 회전 속도 (NE) 및 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 은, 상기 미래 시점까지의 짧은 시간내에서는 크게 변화하지 않는다. 따라서, 공기량 추정 장치는, 상기 일반화된 수식에 있어서, 미래 시점의 흡입 공기 압력 (Pa), 흡입 공기 온도 (Ta), 엔진 회전 속도 (NE), 및 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 으로서 현시점의 흡입 공기 압력 (Pa), 흡입 공기 온도 (Ta), 엔진 회전 속도 (NE) 및 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 을 각각 사용 (또는 채용) 한다.

상술한 바와 같이, 본 공기량 추정 장치는, 현시점보다 이후의 미래 시점의 추정된 스로틀 밸브 개도 (θt), 검출된 현시점의 컴프레셔 회전 속도 (Ncm), 현시 점의 흡입 공기 압력 (Pa), 현시점의 흡입 공기 온도 (Ta), 현시점의 엔진 회전 속도 (NE), 현시점의 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT), 및 상기 모델들 (M2~M7) 에 기초하여, 현시점보다 이후의 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 추정한다.

이하, 구체적으로, 각 모델들 (M1~M7) 및 로직 (A1) 에 대해 설명한다. 또한, 이하에 말하는 스로틀 모델 (M2), 흡입 밸브 모델 (M3), 흡입 파이프 모델 (M6) 및 흡입 밸브 모델 (M7) 을 나타내는 식의 도출은 주지되었기 때문에 (일본 공개특허공보 제 2001-41095호 및 일본 공개특허공보 제 2003-184613호를 참조), 본 명세서에 있어서는 상세한 설명을 생략한다.

<전자 제어 스로틀 밸브 모델 (M1) 과 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1)>

전자 제어 스로틀 밸브 모델 (M1) 은, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 과 함께, 현시점까지의 가속 페달 조작량 (Accp) 에 기초하여 상술한 제 1 시점까지의 각 점에서 스로틀 밸브 개도 (θt) 를 추정한다.

구체적으로 말하면, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 은, 도 3에 나타낸 바와 같이 가속 페달 조작량 (Accp) 과 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 사이의 관계를 규정하는 테이블 및 액셀 개도 센서 (66) 에 의해 검출된 실제 가속 페달 조작량 (Accp) 에 기초하여 잠정 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt1) 를 소정 시간 (ΔTtl; 본 예에서는, 2 ms) 의 경과마다 결정한다. 또한, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 은, 시간 차트인 도 4에 나타낸 것처럼, 잠정 목표 스로틀 밸브 개도 (θttl) 를 소정의 지연 시간 (TD; 본 예에서는, 64ms) 후의 시점 (제 1 시점) 의 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 로서 설정한다. 즉, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 은, 소정의 지연 시간 (TD) 전의 현시점에서 결정된 잠정 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt1) 를 현시점의 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 로서 설정한다. 그리고, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 은, 현시점의 실제 스로틀 밸브 개도 (θta) 가 현시점의 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 가 되도록 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 에 대해서 구동 신호를 송출한다.

그런데, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 으로부터 구동 신호가 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 로 송출되면, 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 의 작동의 지연이나 스로틀 밸브 (46) 의 관성 등에 의해, 실제 스로틀 밸브 개도 (θta) 는, 어느 정도 지연을 수반해 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 에 추종한다. 이 관점에서, 전자 제어 스로틀 밸브 모델 (M1) 은, 다음의 식 (1) 에 기초하여 지연 시간 (TD) 이 경과한 이후 시점에서의 스로틀 밸브 개도를 추정 (예측) 한다 (도 4를 참조).

식 (1) 에 있어서, θte(k) 는 이번 연산 시점에서 새롭게 추정되는 예측 스로틀 밸브 개도 (θte) 이며, θtt(k) 는 이번 연산 시점에서 새롭게 설정된 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 이며, θte(k-1) 는 이번 연산 시점에서 이미 추정되고 있던 예측 스로틀 밸브 개도 (θte; 즉, 전회의 연산 시점에서 새롭게 추정된 예측 스로틀 밸브 개도) 이다. 또, 함수 f(θtt, θte) 는, 도 5에 나타낸 것처럼, θtt와 θte 의 차이 Δθ(=θtt-θte) 가 클수록 증가하는 값을 갖는 어떤 함수, Δθ 에 대한 단조 증가 함수 f 이다.

상술한 바와 같이, 전자 제어 스로틀 밸브 모델 (M1) 은, 이번 연산 시점에서 상기 제 1 시점 (현시점으로부터 지연 시간 (TD) 경과후의 시점) 의 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 를 새롭게 결정하고, 제 1 시점의 스로틀 밸브 개도 (θte) 를 새롭게 추정하고, 상기 제 1 시점까지의 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 와 예측 스로틀 밸브 개도 (θte) 의 세트를, 현시점으로부터의 시간 경과에 대응시킨 형태로 RAM (73) 에 저장한다. 또한, 구동 신호가 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 로 송출된 시점으로부터 지연이 거의 없는 실제 스로틀 밸브 개도 (θta) 가 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 가 되는 경우에는, 식 (1) 대신, 식 (θte(k)= θtt(k)) 을 이용해 스로틀 밸브 개도를 추정해도 된다.

<스로틀 모델 (M2)>

스로틀 모델 (M2) 은, 본 모델을 나타내는 일반화된 수식이고, 에너지 보존 법칙, 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙 및 상태 방정식 등의 물리 법칙에 기초하여 얻어진 식 (2) 및 식 (3) 에 따라, 스로틀 밸브 (46) 의 주위를 통과하는 공기의 유량 (스로틀 통과 공기 유량; mt) 을 추정한다. 식 (2) 에서, Ct(θt) 는 스로틀 밸브 개도 (θt) 에 따라 변하는 유량 계수, At(θt) 는 스로틀 밸브 개도 (θt) 에 따라 변하는 스로틀 개도 (단면) 면적 (흡입 통로내의 스로틀 밸브 (46) 의 주위의 개도 단면적), Pic는 인터쿨러 (45) 내의 공기 압력인 인터쿨러내 압력 (즉, 스로틀 밸브 (46) 의 상류 위치의 흡입 통로내의 공기의 압력인 스로틀 밸브 상류 압력), Pm는 흡입 파이프부내의 공기의 압력인 흡입 파이프내 압력, Tic는 인 터쿨러 (45) 내의 공기의 온도인 인터쿨러내 온도 (즉, 스로틀 밸브 (46) 의 상류 위치의 흡입 통로내의 공기의 온도인 스로틀 밸브 상류 온도), R는 기체 상수, 및 κ은 공기의 비열비 (이하, κ을 일정치로서 취급한다) 이다.

여기서, 식 (2) 의 우변의 Ct(θt) 및 At(θt) 의 곱인 Ct(θt)·At(θt) 는, 스로틀 밸브 개도 (θt) 에 기초하여 경험적으로 결정할 수가 있다. 이 관점에서, 스로틀 모델 (M2) 은, 스로틀 밸브 개도 (θt) 와 Ct(θt)·At(θt) 사이의 관계를 규정하는 테이블 (MAPCTAT) 을 ROM (72) 에 저장하고, 전자 제어 스로틀 밸브 모델 (Ml) 에 의해 추정된 예측 스로틀 밸브 개도 (θt(k-1)(=θte)) 에 기초하여 Ct(θt)·At(θt)(=MAPCTAT(θt(k-1))) 을 구한다.

더욱, 스로틀 모델 (M2) 은, 값 (Pm/Pic) 과 값 (

(Pm/Pic)) 사이의 관계를 규정하는 테이블 (MAP

) 을 ROM (72) 에 저장하고, 후술하는 흡입 파이프 모델 (M6) 에 의해 이미 추정된, 직전 (최신) 의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k-1)) 의 값을, 후술하는 인터쿨러 모델 (M5) 에 의해 이미 추정된, 직전 (최신) 의 인터쿨러내 압력 (스로틀 밸브 상류 압력; Pic(k-1)) 의 값으로 나눈 값 (Pm(k-1)/Pic(k- 1)) 과 테이블 (MAP

) 을 사용하여 값

(Pm(k-1)/Pic(k-1))(=MAP

(Pm(k-1)/Pic(k-1))) 을 구한다. 스로틀 모델 (M2) 은, 이상과 같이 구한 값 (

(Pm(k-1)/Pic(k-1))) 과, 후술하는 인터쿨러 모델 (M5) 에 의해 이미 추정된, 직전 (최신) 의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 및 인터쿨러내 온도 (Tic(k-1)) 를 상기 식 (2) 에 적용해 스로틀 통과 공기 유량 (mt(k-1)) 을 구한다.

<흡입 밸브 모델 (M3)>

흡입 밸브 모델 (M3) 은, 흡입 파이프부내의 공기의 압력인 흡입 파이프내 압력 (Pm), 흡입 파이프부내의 공기의 온도인 흡입 파이프내 온도 (Tm), 및 인터쿨러내 온도 (Tic) 등에 기초하여, 흡입 밸브 (32) 의 주위를 통과해 기통에 유입하는 공기의 유량인 기통 유입 공기 유량 (mc) 을 추정한다. 흡입 스트로크 (흡입 밸브 (32) 가 닫힐 때도 포함한다) 동안 기통 (기통 (21) 내, 또는 연소실 (25) 내) 의 압력은 흡입 밸브 (32) 의 상류 위치의 압력, 즉, 흡입 파이프내 압력 (Pm) 으로 간주 (또는 흡입 파이프내 압력과 동일) 할 수가 있다. 따라서, 기통 유입 공기 유량 (mc) 은 흡입 밸브가 닫힐 때의 흡입 파이프내 압력 (Pm) 에 비례한다고 간주할 수가 있다. 이 관점에서, 흡입 밸브 모델 (M3) 은, 기통 유입 공기 유량 (mc) 을, 본 모델을 나타내는 일반화된 수식이고, 경험칙에 기초하는 하기 식 (5) 에 따라 구한다.

상기 식 (5) 에서, 값 c는 비례 계수이고, 값 d는 기통에 잔존하고 있던 기 연가스량을 반영한 값이다. 계수 값 c는, 엔진 회전 속도 (NE) 및 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 과 계수 값 c 사이의 관계를 규정하는 테이블 (MAPC), 현시점의 엔진 회전 속도 (NE) 및 현시점의 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 으로부터 구할 수가 있다 (c=MAPC(NE, VT)). 흡입 밸브 모델 (M3) 은, 상기 테이블 (MAPC) 을 ROM (72) 에 저장한다. 마찬가지로, 값 d는, 엔진 회전 속도 (NE) 및 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 과 상수 값 d 사이의 관계를 규정하는 테이블 (MAPD), 현시점의 엔진 회전 속도 (NE) 및 현시점의 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 으로부터 구할 수가 있다 (d=MAPD(NE, VT)). 흡입 밸브 모델 (M3) 은, 상기 테이블 (MAPD) 을 ROM (72) 에 저장한다.

흡입 밸브 모델 (M3) 은, 후술하는 흡입 파이프 모델 (M6) 에 의해 이미 추정된, 직전 (최신) 의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k-1)) 및 흡입 파이프내 온도 (Tm(k-1)) 와, 후술하는 인터쿨러 모델 (M5) 에 의해 이미 추정된, 직전 (최신) 의 인터쿨러내 온도 (Tic(k-1)) 를 상기 식 (5) 에 적용해, 기통 유입 공기 유량 (mc(k-1)) 을 추정한다.

<컴프레셔 모델 (M4)>

컴프레셔 모델 (M4) 은, 인터쿨러내 압력 (Pic), 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 등에 기초하여, 컴프레셔 (91a) 로부터 유출하는 공기 (즉, 인터쿨러 (45) 에 공급되는 공기) 의 유량 (컴프레셔 유출 공기 유량; mcm) 및 인터쿨러 (45) 에 공급되는 공기가 과급기 (91) 의 컴프레셔 (91a) 를 통과할 때에 단위시간 동안에 컴프레셔 (91a) 에 의해 주어지는 컴프레셔 부여 에너지 (제 1 에너지; Ecm) 를 추정한 다.

먼저, 컴프레셔 모델 (M4) 에 의해 추정되는 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 에 대해 설명한다. 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 은, 인터쿨러내 압력 (Pic) 을 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic/Pa) 과 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 에 기초하여 경험적으로 추정할 수 있다. 따라서, 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 은, 인터쿨러내 압력 (Pic) 을 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic/Pa) 및 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 와 값 (Pic/Pa) 사이의 관계를 규정하는 테이블 (MAPMCM), 및 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 로부터 구한다.

컴프레셔 모델 (M4) 은, 도 6에 나타낸 것 같은 테이블 (MAPMCM) 을 ROM (72) 에 저장한다. 컴프레셔 모델 (M4) 은, 후술하는 인터쿨러 모델 (M5) 에 의해 이미 추정된, 직전 (최신) 의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 을 현시점의 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic(k-1)/Pa), 컴프레셔 회전 속도 센서 (63) 에 의해 검출된 현시점의 컴프레셔 회전 속도 (Ncm), 및 테이블 (MAPMCM) 에 기초한 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)(=MAPMCM(Pic(k-1)/Pa, Ncm)) 을 추정한다.

컴프레셔 모델 (M4) 은, 테이블 (MAPMCM) 대신, 표준 상태의 인터쿨러내 압력 (Picstd) 을 표준 압력 (Pstd) 으로 나눈 값 (Picstd/Pstd) 및 표준 상태의 컴프레셔 회전 속도 (Ncmstd) 와 표준 상태의 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcmstd) 사이의 관계를 규정하는 테이블 (MAPMCMSTD) 을 ROM (72) 에 저장할 수도 있다. 여기서, 표준 상태는, 컴프레셔 (91a) 에 유입하는 공기인 컴프레셔 유입 공기의 압력이 표준 압력 (Pstd; 예를 들어, 96,276 Pa) 이고, 컴프레셔 유입 공기의 온도 가 표준 온도 (Tstd; 예를 들어, 303.02 K) 인 상태이다.

이 경우, 컴프레셔 모델 (M4) 은, 인터쿨러내 압력 (Pic) 을 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic/Pa), 컴프레셔 회전 속도 센서 (63) 에 의해 검출된 현시점의 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 를 하기 식 (6) 의 우변에 적용해, 얻을 수 있는 표준 상태의 컴프레셔 회전 속도 (Ncmstd), 및 테이블 (MAPMCMSTD) 에 기초하여 표준 상태의 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcmstd) 을 구한다.

그 결과, 컴프레셔 모델 (M4) 은, 구해진 표준 상태의 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcmstd) 을 하기 식 (7) 의 우변에 적용해, 컴프레셔 유입 공기의 압력이 흡입 공기 압력 (Pa) 이고, 컴프레셔 유입 공기의 온도가 흡입 공기 온도 (Ta) 인 상태의 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 을 구한다.

다음에, 컴프레셔 모델 (M4) 에 의해 추정되는 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm) 에 대해 설명한다. 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm) 는, 컴프레셔 모델 (M4) 의 일부를 나타내는 일반화된 수식이고, 에너지 보존 법칙에 근거한 하기 식 (8), 컴프 레셔 효율 (

), 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm), 인터쿨러내 압력 (Pic) 을 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic/Pa), 및 흡입 공기 온도 (Ta) 에 의해 구해진다.

식 (8) 에서, Cp는 공기의 정압비열이다. 컴프레셔 효율 (

) 은, 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 과 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 에 기초하여 경험적으로 추정할 수 있다. 따라서, 컴프레셔 효율 (

) 은, 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm), 컴프레셔 회전 속도 (Ncm), 컴프레셔 효율 (

) 과의 관계를 규정하는 테이블 (MAPETA), 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 및 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 에 기초하여 구해진다.

컴프레셔 모델 (M4) 은, 도 7에 나타낸 것 같이 테이블 (MAPETA) 을 ROM (72) 에 저장한다. 컴프레셔 모델 (M4) 은, 상기 추정된 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)), 컴프레셔 회전 속도 센서 (63) 에 의해 검출된 현시점의 컴프레셔 회전 속도 (Ncm), 및 테이블 (MAPETA) 로부터 컴프레셔 효율 (

(k-1)(=MAPETA(mcm(k-1), Ncm))) 을 추정한다.

그 후, 컴프레셔 모델 (M4) 은, 추정된 컴프레셔 효율 (

(k-1)), 추정된 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)), 후술하는 인터쿨러 모델 (M5) 에 의해 이미 추정된, 직전 (최신) 의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 을 현시점의 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic(k-1)/Pa), 및 현시점의 흡입 공기 온도 (Ta) 를 상기 식 (8) 에 적용해 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm(k-1)) 를 추정한다. 도 6 및 도 7에 나타낸 것처럼, 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm), 컴프레셔 효율 (

), 및 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 사이는 매우 상관이 강하다. 따라서, 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm), 컴프레셔 효율 (

) 에 기초하여 추정되는 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm) 도, 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 와 매우 상관이 강하다.

여기서, 컴프레셔 모델 (M4) 의 일부를 기술한 상기 식 (8) 의 도출 과정에 대해 설명한다. 이하, 컴프레셔 (91a) 에 유입하고 나서 컴프레셔 (91a) 로부터 유출할 때까지의 공기의 모든 에너지가 온도 상승에 기여한다 (즉, 운동 에너지를 무시한다) 고 가정한다.

컴프레셔 (91a) 에 유입하는 공기인 컴프레셔 유입 공기의 유량을 mi 및 컴프레셔 유입 공기의 온도를 Ti로 나타낸다. 유사하게, 컴프레셔 (91a) 로부터 유출하는 공기인 컴프레셔 유출 공기의 유량을 mo 및 컴프레셔 유출 공기의 온도를 To 로 나타낸다. 이 경우, 컴프레셔 유입 공기의 에너지는 Cp·mi·Ti 이고, 컴프레셔 유출 공기의 에너지는 Cp·mo·To 이다. 컴프레셔 유입 공기의 에너지와 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm) 를 더한 에너지가 컴프레셔 유출 공기의 에너지와 동일하기 때문에, 에너지 보존 법칙에 기초하는 하기 식 (9) 을 얻을 수 있다.

또한, 컴프레셔 유입 공기의 유량 (mi) 이 컴프레셔 유출 공기의 유량 (mo) 과 동일하기 때문에, 하기 식 (10) 을 얻을 수 있다.

한편, 컴프레셔 효율 (

) 은, 하기 식 (11) 에 의해 규정된다.

식 (11) 에서, Pi는 컴프레셔 유입 공기의 압력이고, Po는 컴프레셔 유출 공기의 압력이다. 상기 식 (11) 을 상기 식 (10) 에 대입하면, 하기 식 (12) 을 얻을 수 있다.

또한, 컴프레셔 유입 공기의 압력 (Pi) 및 온도 (Ti) 는, 각각 흡입 공기 압력 (Pa) 및 흡입 공기 온도 (Ta) 와 동일하다고 생각할 수가 있다. 또한, 압력이 온도와 비교해 전파하기 쉽기 때문에, 컴프레셔 유출 공기의 압력 (Po) 은 인터쿨러내 압력 (Pic) 과 동일하다고 생각할 수가 있다. 또한, 컴프레셔 유출 공기의 유량 (mo) 은 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 이다. 이들을 고려하면, 상기 식 (12) 으로부터 상기 식 (8) 을 얻을 수 있다.

<인터쿨러 모델 (M5)>

인터쿨러 모델 (M5) 은, 본 모델을 나타내는 일반화된 수식이고, 질량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙에 각각 기초를 둔 하기 식 (13) 및 하기 식 (14) 에 따라, 흡입 공기 온도 (Ta), 인터쿨러부에 유입하는 공기의 유량 (즉, 컴프레셔 유출 공기 유량; mcm), 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm), 및 인터쿨러부로부터 유출하는 공기의 유량 (즉, 스로틀 통과 공기 유량; mt) 에 기초하여, 인터쿨러내 압력 (Pic) 및 인터쿨러내 온도 (Tic) 를 구한다. 또한, 하기 식 (13) 및 하기 (l4) 식에 있어서, Vic는 인터쿨러부의 용적을 나타낸다.

인터쿨러 모델 (M5) 은, 컴프레셔 모델 (M4) 에 의해 구한 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)), 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm(k-1)), 스로틀 모델 (M2) 에 의해 구한 스로틀 통과 공기 유량 (mt(k-1)), 및 현시점의 흡입 공기 온도 (Ta) 를 상기 식 (13) 및 상기 식 (14) 의 우변에 적용한다. 그 후, 인터쿨러 모델 (M5) 은, 식 (13) 및 식 (14) 에 기초하여 계산을 실시해, 최신의 인터쿨러내 압력 (Pic(k)) 및 최신의 인터쿨러내 온도 (Tic(k)) 를 추정한다.

여기서, 인터쿨러 모델 (M5) 을 나타내는 식 (13) 및 식 (14) 의 도출 과정에 대해 설명한다. 먼저, 인터쿨러부내의 공기에 관한 질량 보존의 법칙에 기초를 두는 식 (13) 에 대해 검토한다. 인터쿨러부의 총공기량을 M으로 하면, 총공기량 M의 단위시간당 변화량 (일시적인 변화) 은, 인터쿨러부에 유입하는 공기 의 유량에 상당하는 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm) 과 인터쿨러부로부터 유출하는 공기의 유량에 상당하는 스로틀 통과 공기 유량 (mt) 사이의 차이이다. 따라서, 질량 보존 법칙에 기초하는 하기 식 (15) 을 얻을 수 있다.

또한, 상태방정식은 하기 식 (16) 에 의해 나타낸다. 따라서, 식 (15) 에 하기 식 (16) 을 대입해 총공기량 (M) 을 소거함과 함께, 인터쿨러부의 용적 (Vic) 이 변화하지 않는 것을 고려하면, 질량 보존 법칙에 기초하는 식 (13) 을 얻을 수 있다.

다음에, 인터쿨러부내의 공기에 관한 에너지 보존 법칙에 기초하는 식 (14) 에 대해 검토한다. 인터쿨러부내의 공기의 에너지 (M·Cv·Tic (Cv는 공기의 정용비열)) 의 단위시간당 변화량 (d(M·Cv·Tic)／dt) 은, 단위시간당 인터쿨러부내의 공기에 부여되는 에너지와 단위시간당 인터쿨러부내의 공기로부터 빼앗기는 에너지 사이의 차이와 동일하다. 이하, 인터쿨러부내의 공기의 모든 에너지가 온도 상승에 기여한다 (즉, 운동 에너지를 무시한다) 고 가정한다.

상기 인터쿨러부내의 공기에 부여되는 에너지는, 인터쿨러부에 유입하는 공기의 에너지이다.

이 인터쿨러부에 유입하는 공기의 에너지는, 컴프레셔 (91a) 에 의해 압축되지 않는다고 가정했을 경우에, 흡입 공기 온도 (Ta) 에서 유지되는 온도의 인터쿨 러부에 유입하는 공기의 에너지 (Cp·mcm·Ta) 와, 인터쿨러부에 유입하는 공기에 과급기 (91) 의 컴프레셔 (9la) 에 의해 주어지는 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm) 의 합과 동일하다.

한편, 인터쿨러부내의 공기로부터 빼앗기는 에너지는, 인터쿨러부로부터 유출하는 공기의 에너지 (Cp·mt·Tic) 와, 인터쿨러 (45) 내의 공기와 인터쿨러 (45) 의 벽 사이에 교환되는 에너지인 제 2 에너지와의 합과 동일하다.

제 2 에너지는, 일반적인 경험칙에 기초하는 식으로부터, 인터쿨러 (45) 내의 공기의 온도 (Tic) 와 인터쿨러 (45) 의 벽의 온도 (Ticw) 사이의 차이에 비례하는 값 (K·(Tic-Ticw)) 으로서 구해진다. 여기서, K는, 인터쿨러 (45) 의 표면적과, 인터쿨러 (45) 내의 공기와 인터쿨러 (45) 의 벽 사이의 열전달율과의 곱에 따른 값이다. 상기 기술한 것처럼, 인터쿨러 (45) 는, 내연 기관 (10) 의 외부의 공기에 의해 흡입 통로내의 공기를 냉각한다. 따라서, 인터쿨러 (45) 의 벽의 온도 (Ticw) 는 내연 기관 (10) 의 외부의 공기의 온도와 대략 동일하다. 따라서, 인터쿨러 (45) 의 벽의 온도 (Ticw) 는 흡입 공기 온도 (Ta) 와 동일하다고 생각되는 것으로, 제 2 에너지는, 값 (K·(Tic-Ta)) 으로서 구해진다.

이상에 의해, 인터쿨러부내의 공기에 관한 에너지 보존 법칙에 기초하는 하기 식 (17) 을 얻을 수 있다.

그런데, 비열비 κ은 하기 식 (18) 에 의해 나타나고, 마이어의 관계는 하기 식 (19) 에 의해 나타난다. 따라서, 식 (16)(Pic·Vic=M·R·Tic), 하기 식 (18) 및 하기 식 (19) 을 이용해 상기 식 (17) 을 변형함으로써, 상기 식 (14) 을 얻을 수 있다. 여기서, 상기 변셩의 인터쿨러부의 용적 (Vic) 은 변화하지 않는다고 고려하여 수행된다.

<흡입 파이프 모델 (M6)>

흡입 파이프 모델 (M6) 은, 본 모델을 나타내는 일반화된 수식이고, 질량 보존 법칙과 에너지 보존 법칙에 각각 기초를 둔 하기 식 (20) 및 하기 식 (21) 에 따라, 흡입 파이프부에 유입하는 공기의 유량 (즉, 스로틀 통과 공기 유량; mt), 인터쿨러내 온도 (즉, 스로틀 밸브 상류 온도; Tic), 및 흡입 파이프부로부터 유출하는 공기의 유량 (즉, 기통 유입 공기 유량; mc) 에 기초하여, 흡입 파이프내 압력 (Pm) 및 흡입 파이프내 온도 (Tm) 를 추정한다. 하기 식 (20) 및 하기 식 (21) 에서, Vm은 흡입 파이프부 (스로틀 밸브 (46) 로부터 흡입 밸브 (32) 까지의 흡입 통로) 의 용적을 나타낸다.

흡입 파이프 모델 (M6) 은, 스로틀 모델 (M2) 에 의해 구해진 스로틀 통과 공기 유량 (mt(k-1)) 과 흡입 밸브 모델 (M3) 에 의해 구해진 기통 유입 공기 유량 (mc(k-1)), 및 인터쿨러 모델 (M5) 이 추정한 최신의 인터쿨러내 온도 (스로틀 밸 브 상류 온도; Tic(k)) 를 식 (20) 및 식 (21) 의 우변에 적용한다. 흡입 파이프 모델 (M6) 은, 식 (20) 및 식 (21) 을 이용한 계산에 기초하여, 최신의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k)) 및 흡입 파이프내 온도 (Tm(k)) 를 추정한다.

<흡입 밸브 모델 (M7)>

흡입 밸브 모델 (M7) 은, 상기 기술한 흡입 밸브 모델 (M3) 과 동일한 모델을 포함한다. 흡입 밸브 모델 (M7) 은, 상기 흡입 파이프 모델 (M6) 이 추정한 최신 흡입 파이프내 압력 (Pm(k)) 및 최신 흡입 파이프내 온도 (Tm(k)), 및 인터쿨러 모델 (M5) 이 추정한 최신 인터쿨러내 온도 (Tic(k)) 를, 흡입 밸브 모델 (M7) 을 나타내는 일반화된 수식이고, 경험칙에 기초하는 식 (5) (mc=(Tic/Tm)·(c·Pm-d)) 에 적용해 최신 기통 유입 공기 유량 (mc(k)) 을 구한다. 그 후, 흡입 밸브 모델 (M7) 은, 구한 기통 유입 공기 유량 (mc(k)) 에, 흡입 밸브 (32) 가 개방되고 나서 닫힐 때까지의 시간 (Tint) 을 곱하여 추정되는 기통 흡입 공기량인 예측 기통 흡입 공기량 (KLfwd) 을 구한다. 시간 (Tint) 은 현시점의 엔진 회전 속도 (NE) 및 현시점의 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 에 기초해 산출된다.

다음에, 전기 제어부 (70) 의 실제의 작동에 대해, 도 8 내지 도 12를 참조하면서 설명한다.

<스로틀 밸브 개도 추정>

CPU (71) 는, 도 8의 플로우차트에 의해 도시된 스로틀 밸브 개도 추정 루틴을 소정의 연산 주기 (ΔTtl; 본 예에서는, 2 ms) 의 경과마다 실행함으로써, 전자 제어 스로틀 밸브 모델 (M1) 및 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 의 기능을 달성 한다. 구체적으로 말하면, CPU (71) 는 소정의 타이밍에서 단계 800으로부터 처리를 개시해, 단계 805로 진행되어 변수 i에 0을 설정한다. 이어, CPU (71) 는 단계 810으로 진행되어 변수 i가 지연 횟수 (ntdly) 와 동일한가 아닌가를 판정한다. 이 지연 횟수 (ntdly) 는, 지연 시간 (TD; 본 예에서는, 64 ms) 을 연산 주기 (ΔTt1) 로 나누어 구한 값 (본 예에서는, 32) 이다.

현시점에서 변수 i가 0이기 때문에, CPU (71) 는 단계 810에서 "아니오" 라고 판정한다. 그리고, CPU (71) 는 단계 815로 진행되어 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(i)) 용 메모리 위치에 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(i+1)) 의 값을 저장하고, 다음 단계 820에서 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(i)) 용 메모리 위치에 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(i+1)) 의 값을 저장한다. 이상의 처리에 의해, 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(0)) 용 메모리 위치에 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(l)) 의 값이 저장되고, 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(O)) 용 메모리 위치에 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(1)) 의 값이 저장된다.

그 다음에, CPU (7l) 는, 단계 825에서 변수 i의 값을 "1" 만큼 증가시키고, 단계 810에 돌아온다. 그리고, 변수 i의 값이 지연 횟수 (ntdly) 보다 작으면, CPU (71) 는 다시 단계 815 내지 단계 825를 실행한다. 즉, 단계 815 내지 단계 825는, 변수 i의 값이 지연 횟수 (ntdly) 와 동일해질 때까지 반복 실행된다. 이로써, 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(i+1)) 의 값이 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(i)) 용 메모리 위치에 순차 시프트되고, 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(i+1)) 의 값이 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(i)) 용 메모리 위치에 순차 시프트된다.

상기 기술한 단계 825의 반복 결과, 변수 i의 값이 지연 횟수 (ntdly) 와 동일해지면, CPU (71) 는 단계 810에서 "예" 라고 판정한다. 그리고, CPU (71) 가 단계 830으로 진행되어, 단계 830에서 현시점의 가속 페달 조작량 (Accp) 과 도 3에 나타낸 테이블에 기초하고, 이번 잠정 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt1) 를 구해 이것을 지연 시간 (TD) 후의 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 가 되도록, 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(ntdly)) 용 메모리 위치에 저장한다.

다음에, CPU (71) 는 단계 835로 진행되어, 단계 835에서, 식 (1) (의 우변) 에 기초하는 단계 835 박스내에 나타낸 식, 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(ntdly-1)), 및 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(ntdly)) 에 기초하여 현시점으로부터 지연 시간 (TD) 후의 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(ntdly)) 를 산출한다. 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(ntdly-1)) 는 전회 연산 시점에서 지연 시간 (TD) 후의 예측 스로틀 밸브 개도 (θte) 로서 전회의 연산 시점에서 저장되었다. 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(ntdly)) 는 상기 단계 830에서 지연 시간 (TD) 후의 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 로서 저장되었다. 그 후, 단계 840에서 CPU (71) 는 실제의 스로틀 밸브 개도 (θta) 가 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(0)) 와 일치하도록 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 에 대해서 구동 신호를 송출하고, CPU (71) 는 단계 895에 진행되어 본 루틴을 일단 종료한다.

이상과 같이, 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 용 메모리 (RAM (73)) 에서는, 본 루틴이 실행될 때마다 메모리에 저장된 목표 스로틀 밸스 개도 (θtt) 의 각각의 값이 시프트된다. 그 결과, 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(0)) 용 메모리 위 치에 저장된 값이, 전자 제어 스로틀 밸브 로직 (A1) 에 의해 스로틀 밸브 액츄에이터 (46a) 에 출력되는 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt) 로서 사용된다. 즉, 이번 루틴의 본 실행에 의해 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(ntdly)) 용 메모리 위치에 저장된 값은, 본 루틴이 지연 횟수 (ntdly) 만큼 (즉, 지연 시간 (TD) 후) 반복적으로 실행되면, 목표 스로틀 밸브 개도 (θtt(0)) 용 메모리 위치에 저장된다. 또한, 예측 스로틀 밸브 개도 (θte) 용 메모리에서, θte(m) 에 대한 메모리 위치에 현시점으로부터 소정 시간 (m·ΔTt) 경과 후의 예측 스로틀 밸브 개도 (θte) 가 저장된다. 이 경우의 값 m 은, O 과 ntdly 사이의 정수이다.

<기통 흡입 공기량 추정>

한편, CPU (71) 는, 도 9의 플로우챠트에 의해 도시된, 기통 흡입 공기량 추정 루틴을 소정의 연산 주기 (ΔTt2; 본 예에서는, 8 ms) 의 경과마다 실행함으로써, 현시점 이후의 미래 시점의 기통 흡입 공기량을 추정한다. 구체적으로 설명하면, 소정의 타이밍에서, CPU (71) 는 단계 900으로부터 처리를 개시하고, 단계 905로 진행되어 상기 스로틀 모델 (M2) 에 의해 스로틀 통과 공기 유량 (mt(k-1)) 을 구하기 때문에, CPU (71) 는 도 1O의 플로우차트에 나타낸 단계 1000로 진행된다.

그 다음에, CPU (71) 는, 단계 1005로 진행되고, 도 8의 스로틀 밸브 개도 추정 루틴에 의해 메모리에 저장되는 θte(m)(m은, 0 과 ntdly 사이의 정수) 로부터, 현시점 이후 소정의 시간 간격 ΔtO (본 예에서는, 특정의 기통의 연료 분사 개시시간전의 소정의 시점 (분사 연료량을 결정할 필요가 있는 최종의 시점) 으로 부터 특정 기통의 흡입 스트로크에서의 흡입 밸브 (32) 가 닫힐 때 (제 2 시점) 까지의 시간) 만큼의 현시점 이후의 시점과 가장 가까운 시점의 스로틀 밸브 개도로서 추정된 예측 스로틀 밸브 개도 (θte(m)) 를, 예측 스로틀 밸브 개도 (θt(k-1)) 로서 입력한다. 이하, 설명의 편의상, 전회의 연산 시점에서의 상기 예측 스로틀 밸브 개도 (θt(k-1)) 에 대응하는 시점을 "전회 추정 시점 (t1)" 으로 하고, 이번 연산 시점에서의 예측 스로틀 밸브 개도 (θt(k-1)) 에 대응하는 시점을 "이번 추정 시점 (t2)" 으로 한다 (제 1 시점, 소정의 시간 간격 (Δt0), 전회 추정 시점 (t1), 및 이번 추정 시점 (t2) 의 관계를 나타낸 모식도인 도 11을 참조).

그리고, CPU (71) 는, 단계 1010로 진행되어, 식 (2) 의 Ct(θt)·At(θt) 를, 상기 테이블 (MAPCTAT) 과 예측 스로틀 밸브 개도 (θt(k-1)) 에 기초하여 구한다.

다음에, CPU (71) 는 단계 1015로 진행되고, 전회 추정 시점 (t1) 에서의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k-1)) 을 전회 추정 시점 (t1) 에서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 으로 나눈 값 (Pm(k-1)/Pic(k-1)) 과 상기 테이블 (MAP

) 에 기초하여, 값 (

(Pm(k-1)/Pic(k-1))) 을 구한다. 흡입 파이프내 압력 (Pm(k-1)) 은 이전의 도 9 루틴의 실행시에 있어서의 후술하는 단계 925에서 구해진다. 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 은 이전의 도 9의 루틴의 실행시에 있어서의 후술하는 단계 920에서 구해진다.

그리고, CPU (71) 는 단계 1020로 진행되어, 상기 단계 l010 및 단계 1015에서 각각 구해진 값, 스로틀 모델 (M2) 을 나타내는 식 (2) 에 기초하는 단계 1020 박스내에 나타낸 식, 및 이전의 도 9의 루틴의 실행시에 있어서의 후술하는 단계 920에서 구해진 전회 추정 시점 (t1) 에서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 및 전회 추정 시점 (t1) 에서의 인터쿨러내 온도 (Tic(k-1)) 에 기초하여, 전회 추정 시점 (t1) 에서의 스로틀 통과 공기 유량 (mt(k-1)) 을 구한다.

그 후, CPU (71) 는 단계 1095를 경유해 도 9의 단계 910에 진행된다.

CPU (71) 는, 단계 910에서 흡입 밸브 모델 (M3) 을 나타내는 식 (5) 의 계수 c를, 테이블 (MAPC), 현시점의 엔진 회전 속도 (NE), 및 현시점의 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 에 기초하여 구한다. 마찬가지로, CPU (71) 는 값 d를, 테이블 (MAPD), 현시점의 엔진 회전 속도 (NE), 및 현시점의 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 에 기초하여 구한다. 그리고, CPU (71) 는, 단계 9l0에서 흡입 밸브 모델 (M3) 을 나타내는 식 (5) 에 기초하는 단계 910내에 나타낸 식과 전회의 본 루틴의 실행시에 있어서의 후술하는 단계 920에서 구해진 전회 추정 시점 (t1) 에서의 인터쿨러내 온도 (Tic(k-1)) 와 전회의 본 루틴의 실행시에 있어서의 후술하는 단계 925에서 구해진 전회 추정 시점 (t1) 에서의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k-1)) 및 전회 추정 시점 (t1) 에서의 흡입 파이프내 온도 (Tm(k-1)) 에 기초하여 전회 추정 시점 (t1) 에 있어서의 기통 유입 공기 유량 (mc(k-1)) 을 구한다.

다음에, CPU (71) 는 단계 915로 진행되어 컴프레셔 모델 (M4) 에 의해 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)) 및 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm(k-1)) 를 구하기 위해서, 도 12의 플로우차트에 나타낸 단계 1200로 진행된다.

다음으로, CPU (71) 는, 단계 1205로 진행되어 컴프레셔 회전 속도 센서 (63) 에 의해 검출된 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 를 읽어들인다. CPU (71) 는, 단계 l210에 진행되어, 상기 테이블 (MAPMCM), 전회의 도 9의 루틴의 실행시에 있어서의 후술하는 단계 920에서 구해진 전회 추정 시점 (tl) 에서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 을 현시점의 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic(k-1)/Pa) 및 상기 단계 1205에서 읽어들인 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 로부터 전회 추정 시점 (t1) 에서의 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)) 을 구한다.

그리고, CPU (71) 는, 단계 1215로 진행되어, 테이블 (MAPETA), 단계 1210에서 구해진 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)) 및 상기 단계 1205에서 읽어들인 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 로부터 컴프레셔 효율 (

(k-1)) 을 구한다.

다음에, CPU (71) 는, 단계 1220으로 진행되어, 이전의 도 9의 루틴의 실행시에 있어서의 후술하는 단계 920에서 구해진 전회 추정 시점 (t1) 에 있어서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 을, 현시점의 흡입 공기 압력 (Pa) 으로 나눈 값 (Pic(k-1)/Pa), 상기 단계 1210에서 구한 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)), 단계 1215에서 구한 컴프레셔 효율 (

(k-1)), 현시점의 흡입 공기 온도 (Ta), 및 컴프레셔 모델 (M4) 의 일부를 나타내는 식 (8) 에 기초하는 단계 1220에 도시된 식에 따라 전회 추정 시점 (t1) 에서의 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm(k-1)) 를 구한다. CPU (71) 는 단계 1295를 경유해 도 9의 단계 920로 진행된다.

CPU (71) 는, 단계 920에서 인터쿨러 모델 (M5) 을 나타내는 식 (13) 및 식 (14) 을 이산하여 구해진 단계 920내에 나타낸 식 (차분 방정식), 단계 905에서 구한 스로틀 통과 공기 유량 (mt(k-1)), 및 단계 915에서 구해진 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)) 및 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm(k-1)) 에 따라, 이번 추정 시점 (t2) 에서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k)) 을 인터쿨러내 온도 (Tic(k)) 로 나누어 얻어진 값인, 값 {Pic/Tic}(k) 과, 이번 추정 시점 (t2) 에서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k)) 을 구한다.

또한, Δt는 인터쿨러 모델 (M5) 및 후술하는 흡입 파이프 모델 (M6) 로 사용되는 이산 간격을 나타내고, 식 (Δt=t2-tl) 에 의해 나타내진다. 즉, 단계 920에서는, 전회 추정 시점 (t1) 에서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k-1)) 및 전회 추정 시점 (t1) 에서의 인터쿨러내 온도 (Tic(k-1)) 등으로부터, 이번 추정 시점 (t2) 에서의 인터쿨러내 압력 (Pic(k)) 및 인터쿨러내 온도 (Tic(k)) 가 구해진다.

다음에, CPU (71) 는 단계 925로 진행되어, 상기 흡입 파이프 모델 (M6) 을 나타내는 식 (20) 및 식 (21) 을 이산하여 구한 단계 925내에 도시된 식 (차분 방정식), 단계 905 및 단계 910에서 각각 구한 스로틀 통과 공기 유량 (mt(k-1)) 및 기통 유입 공기 유량 (mc(k-1)), 및 전회의 본 루틴의 실행시에 있어서의 상기 단계 920에서 구해진 전회 추정 시점 (t1) 에 있어서의 인터쿨러내 온도 (Tic(k-1)) 에 따라, 이번 추정 시점 (t2) 에 있어서의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k)) 을 흡입 파이프내 온도 (Tm(k)) 로 나눈 값 {Pm/Tm}(k) 과 이번 추정 시점 (t2) 에서의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k)) 을 이번 추정 시점 (t2) 에서 구한다.

즉, 단계 925에서는, 전회 추정 시점 (t1) 에서의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k-1)) 및 전회 추정 시점 (t1) 에서의 흡입 파이프내 온도 (Tm(k-1)) 등으로부터, 이번 추정 시점 (t2) 에서의 흡입 파이프내 압력 (Pm(k)) 및 이번 추정 시점 (t2) 에서의 흡입 파이프내 온도 (Tm(k)) 가 구해진다.

그 다음에, CPU (71) 는, 단계 930에서 흡입 밸브 모델 (M7) 을 나타내는 식 (5) 를 이용해 이번 추정 시점 (t2) 에서의 기통 유입 공기 유량 (mc(k)) 을 구한다. 이 때, 단계 9l0에서 구해진, 계수 c 및 값 d 를 사용한다. 또, 인터쿨러내 온도 (Tic(k)), 흡입 파이프내 압력 (Pm(k)) 및 흡입 파이프내 온도 (Tm(k)) 는, 단계 920 및 단계 925에서 각각 구해진 이번 추정 시점 (t2) 에서의 값 (최신의 값) 을 이용한다.

그리고, CPU (71) 는, 단계 935로 진행되어 현시점의 엔진 회전 속도 (NE), 현시점의 흡입 밸브 (32) 의 개폐 타이밍 (VT) 에 기초해, 흡입 밸브 개방 시간 (흡입 밸브 (32) 가 개방하고 나서 닫힐 때까지의 시간 주기; Tint) 을 계산한다. 계속되는 단계 940에서, CPU (71) 는 이번 추정 시점 (t2) 에서의 기통 유입 공기 유량 (mc(k)) 에 흡입 밸브 개방 시간 (Tint) 을 곱해 예측 기통 흡입 공기량 (KLfwd) 을 구한다. 그리고, CPU (71) 는 단계 995에 진행되어 본 루틴을 일단 종료한다.

상술한 바와 같이, 검출된 컴프레셔 회전 속도 (Ncm) 에 기초하여, 전회 추정 시점 (t1) 의 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)) 및 전회 추정 시점 (t1) 의 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm(k-1)) 가 추정된다. 다음에, 추정된 컴프레셔 유출 공기 유량 (mcm(k-1)) 및 컴프레셔 부여 에너지 (Ecm(k-1)) 에 기초하여, 전회 추정 시점 (t1) 보다 미소 시간 (Δt) 만큼 이후에 오는 이번 추정 시점 (t2) 에서 인터쿨러내 압력 (Pic(k)) 및 이번 추정 시점 (t2) 에서 인터쿨러내 온도 (Tic(k)) 가 추정된다. 그리고, 추정된 인터쿨러내 압력 (Pic(k)) 및 인터쿨러내 온도 (Tic(k)) 에 기초하여, 이번 추정 시점 (t2) 의 예측 기통 흡입 공기량 (KLfwd) 이 추정된다.

이상과 같이 산출되는 예측 기통 흡입 공기량 (KLfwd) 에 대해, 추가적으로 설명한다. 여기서, 설명의 편의상, 도 9의 기통 흡입 공기량 추정 루틴의 연산 주기 (ΔTt2) 가 크랭크축 (24) 이 360° 회전하는 시간보다 충분히 짧은 경우와, 또한, 소정의 시간 간격 (Δt0) 이 크게 변화하지 않는 경우를 생각한다. 이 때, 이번 추정 시점 (t2) 은, 상기 기술한 기통 흡입 공기량 추정 루틴의 실행될 때마다 대략 연산 주기 (ΔTt2) 만큼 미래 시점으로 이행해 나간다.

그리고, 특정 기통의 연료 분사 개시 직전의 소정의 시점 (분사 연료량을 결정할 필요가 있는 최종의 시점) 에서 기통 흡입 공기량 추정 루틴이 실행되면, 이번 추정 시점 (t2) 은 제 2 시점 (특정 기통의 흡입 스트로크에서의 흡입 밸브 (32) 가 닫힐 때) 과 대략 일치한다. 따라서, 이 시점에서 산출되는 예측 기통 흡입 공기량 (KLfwd) 은, 상기 제 2 시점의 기통 흡입 공기량의 추정치와 일치한다.

이상 설명한 것처럼, 본 발명의 실시 형태에 따른 내연 기관의 공기량 추정 장치는, 인터쿨러 (45) 로 공급 (유입) 되는 공기에 과급기 (91) 의 컴프레셔 (91a) 에 의해 주어지는 컴프레셔 부여 에너지 (제 1 에너지) 와, 인터쿨러 (45) 의 벽과 인터쿨러 (45) 내의 공기 사이에 교환되는 제 2 에너지를 고려해, 인터쿨러 (45) 내의 공기의 압력 및 온도를, 스로틀 밸브 (46) 의 상류 위치의 흡입 통로내의 공기 (스로틀 밸브 상류 공기) 의 압력 및 온도로서 각각 추정한다. 이로 써, 과급기 (91) 의 압축 일량 및 인터쿨러 (45) 의 벽과 공기 사이의 전열량이 고려되므로, 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도가 정확하게 추정된다. 상기 실시 형태는, 추정한 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도에 기초하여 기통 흡입 공기량을 추정한다. 이로써, 내연 기관 (10) 의 기통에 도입되는 공기량 (기통 흡입 공기량) 을 정확하게 추정할 수 있다.

더욱, 상기 실시 형태는, 과급기의 운전 상태를 나타내는 컴프레셔 회전 속도 (과급기 (91) 의 컴프레셔 (91a) 의 회전 속도) 에 기초하여 컴프레셔 부여 에너지를 추정한다. 이로써, 과급기 (91) 의 운전 상태가 변동해도, 스로틀 밸브 상류 공기 (인터쿨러 (45) 내의 공기) 의 압력 및 온도를 정확하게 추정할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태는, 컴프레셔 회전 속도 센서 (63) 에 의해 검출된 현시점의 컴프레셔 회전 속도에 기초하여 현시점보다 이후의 미래 시점의 컴프레셔 부여 에너지를 추정한다. 이로써, 과급기를 구비하는 내연 기관에서, 미래 시점의 과급기 (91) 의 운전 상태를 일반적으로 복잡하게 하는 과급기 모델의 사용에 의해 추정하지 않아도, 현시점보다 이후의 미래 시점의 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도를 정확하게 추정할 수 있다. 이 결과, 미래 시점에서 기통 흡입 공기량을 정확하게 추정할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 범위내에서 여러 가지의 변형예를 채용할 수가 있다. 예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서는, 지연 시간 (TD) 이 일정하다. 그러나, 내연 기관 (10) 이 소정의 크랭크 각도 (예를 들어, 270°의 크랭크 각도) 를 회전하는데 필요로 하는 시간 (T270) 과 같이, 엔진 회전 속도 (NE) 에 따른 가변의 시간일 수도 있다.

상기 실시 형태에 있어서는, 인터쿨러 (45) 는 공랭식 인터쿨러이다. 하지만, 흡입 통로를 유통하는 공기를 냉각수를 순환시킴으로써 냉각하는 수냉식일 수도 있다. 이 경우, 공기량 추정 장치는, 냉각수의 온도 (Tw) 를 검출하는 수온 센서를 포함하고, 수온 센서에 의해 검출된 냉각수의 온도 (Tw) 에 기초하여 인터쿨러 (45) 내의 공기와 인터쿨러 (45) 의 벽 사이에 교환되는 에너지 (제 2 에너지) 를 구할 수도 있다. 즉, 인터쿨러 모델 (M5) 에 있어서 상기 식 (14) 대신, 하기 식 (22) 이 사용된다.

또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 과급기는 터보식 과급기이다. 그러나, 과급기는 터보식 과급기 대신, 기계식 또는 전기식의 과급기로 할 수도 있다.

Claims

내연 기관의 외부로부터 흡입된 공기를 기통내에 도입하는 흡입 통로, 상기 흡입 통로내에 배치형성되고 상기 흡입 통로를 통해 유통하는 공기량을 변경하도록 개도를 조정가능한 스로틀 밸브, 상기 스로틀 밸브의 상류 위치에서 상기 흡입 통로에 배치형성되고 상기 흡입 통로내의 공기를 압축하는 컴프레셔를 갖는 과급기, 및 상기 스로틀 밸브와 상기 과급기 사이의 상기 흡입 통로에 배치형성되고 상기 흡입 통로내의 공기를 냉각하는 인터쿨러를 구비한 내연 기관의 공기량 추정 장치로서,

상기 인터쿨러로 공급되는 공기에 상기 과급기에 의해 부여되는 제 1 에너지와, 상기 인터쿨러의 벽과 상기 인터쿨러내의 공기 사이에서 교환되는 제 2 에너지를 고려하여 설계되고 상기 인터쿨러내의 공기에 관한 에너지 보존 법칙에 기초하여 구축된 인터쿨러 모델을 사용하여, 상기 인터쿨러내의 공기의 압력 및 온도를 상기 스로틀 밸브의 상류 위치에서 상기 흡입 통로내의 공기인 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도로서 각각 추정하는 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단과,

상기 추정된 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도에 기초하여 상기 기통 내에 도입되는 공기량인 기통 흡입 공기량을 추정하는 기통 흡입 공기량 추정 수단을 구비하고,

상기 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단은, 상기 과급기의 컴프레셔 회전 속도에 기초하여 상기 제 1 에너지를 추정하도록 구성되고,

상기 과급기의 컴프레셔 회전 속도를 검출하는 컴프레셔 회전 속도 검출 수단을 더 구비하고,

상기 인터쿨러내 공기 상태 추정 수단은, 상기 검출된 컴프레셔의 회전 속도에 기초하여 현시점보다 이후의 미래 시점의 상기 제 1 에너지를 추정하고, 상기 추정된 미래 시점의 제 1 에너지를 상기 인터쿨러 모델에 사용되는 상기 제 1 에너지로서 채용하여, 상기 미래 시점의 상기 인터쿨러내의 공기의 압력 및 온도를 상기 미래 시점의 상기 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도로서 각각 추정하도록 구성되며,

상기 기통 흡입 공기량 추정 수단은, 상기 추정된 미래 시점의 상기 스로틀 밸브 상류 공기의 압력 및 온도에 기초하여 상기 미래 시점의 상기 기통 흡입 공기량을 추정하도록 구성되는, 내연 기관의 공기량 추정 장치.
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