KR20050047121A - 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치 - Google Patents

내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치 Download PDF

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Abstract

스로틀 밸브보다 상류측의 상류측 흡기압과 스로틀 밸브보다 하류측의 하류측 흡기압을 사용하여 스로틀 밸브 통과 공기량을 산출하고, 스로틀 밸브 통과 공기량에 근거하여 흡입 공기량을 추정하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 스로틀 밸브 통과 공기량의 산출에 사용되는 상류측 흡기압은, 적어도 대기압에 대한 에어 클리너의 압력손실이 고려되어 측정 또는 산출된다.

Description

내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치{SUCTION AIR AMOUNT PREDICTING DEVICE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 관한 것이다.
정확한 공연비 제어를 실현하기 위해서는, 실제로 기통 내에 공급된 흡입 공기량에 대하여 연료 분사량을 결정하지 않으면 안된다. 흡입 공기량을 검출하기 위해 일반적으로는 기관 흡기계에 에어 플로우미터가 배치되어 있지만, 에어 플로우미터는 응답 지연을 가지고 있기 때문에, 기관 과도(過渡)시가 되면 흡입 공기량의 정확한 검출이 불가능하다. 이 때문에, 기관 과도시를 포함하여 계산에 의해 흡입 공기량을 추정하는 것이 제안되어 있다 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2002-130039호 및 일본 공개특허공보 2002-201998호 참조).
흡입 공기량의 추정에는, 스로틀 밸브를 모델화하여, 스로틀 밸브 상류측의 흡기압과 스로틀 밸브 하류측의 흡기압의 차이에 근거하여 스로틀 밸브를 통과하는 공기량을 산출할 필요가 있다. 이 스로틀 밸브 통과 공기량의 산출에 있어서 전술한 종래 기술에서는, 스로틀 밸브 하류측의 흡기압, 즉 흡기관 압력은 변화시키고 있지만, 스로틀 밸브 상류측의 흡기압은 대기압으로 되어 있기 때문에 정확한 스로틀 밸브 통과 공기량이 산출되지 않는다. 이 때문에, 정확한 흡입 공기량을 추정할 수가 없다.
도 1 은, 본 발명에 의한 흡입 공기량 추정 장치가 장착되는 내연 기관의 개략도이다.
도 2 는, 스로틀 밸브 개도 (TA) 와 유량 계수 (μ) 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 3 은, 스로틀 밸브 개도 (TA) 와 스로틀 밸브의 개구 면적 (A) 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 4 는, 흡기관 압력 (Pm) 과 상류측 흡기압 (Pac) 의 비와, 함수 (φ) 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 5 는, 흡입 공기량을 산출하기 위한 플로우차트이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 기관 본체
2: 서지 탱크 (serge tank)
3: 흡기 지관 (枝管)
4: 흡기 통로
6: 스로틀 밸브
7: 압력 센서
11: 에어 클리너
따라서, 본 발명의 목적은, 종래와 비교하여 정확한 흡입 공기량을 추정할 수 있게 하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 청구항 1 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치는, 스로틀 밸브보다 상류측의 상류측 흡기압과 스로틀 밸브보다 하류측의 하류측 흡기압을 사용하여 스로틀 밸브 통과 공기량을 산출하고, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량에 근거하여 흡입 공기량을 추정하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량의 산출에 사용되는 상기 상류측 흡기압은, 적어도 대기압에 대한 에어 클리너의 압력손실이 고려되어 측정 또는 산출되는 것을 특징으로 한다.
스로틀 밸브 통과 공기량을 산출하는 데에 사용되는 상류측 흡기압은, 기관 흡기계에서의 스로틀 밸브 상류측의 압력손실이 있기 때문에 실제적으로는 대기압과 다르다. 이 때문에, 청구항 1 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에서는, 상류측 흡기압은 적어도 대기압에 대한 에어 클리너의 압력손실이 고려되어 측정 또는 산출되도록 하고 있다.
또, 본 발명에 의한 청구항 2 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치는, 청구항 1 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 금회의 상기 스로틀 밸브 통과 공기량을 산출하기 위해서 사용하는 금회의 상기 상류측 흡기압은, 대기압으로부터 에어 클리너의 상기 압력손실을 감산하여 산출되고, 상기 압력손실은, 상기 에어 클리너를 통과하는 공기 유량으로서, 에어 플로우미터에 의해 검출되는 흡입 공기량 또는 전회 산출된 스로틀 밸브 통과 공기량을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 청구항 3 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치는, 청구항 2 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 상기 압력손실을 전회 산출된 스로틀 밸브 통과 공기량을 사용하여 산출함으로써 금회의 상기 상류측 흡기압을 산출하고, 산출된 상기 금회의 상류측 흡기압과 금회의 상기 하류측 흡기압을 사용하여 금회의 상기 스로틀 밸브 통과 공기량이 산출되고, 산출된 상기 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량은, 상기 금회의 상류측 흡기압과 전회의 하류측 흡기압을 사용하여 산출되는 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량과, 전회의 상류측 흡기압과 전회의 하류측 흡기압을 사용하여 산출되는 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량의 차에 의해 보정되는 것을 특징으로 한다.
전회 산출된 스로틀 밸브 통과 공기량에 근거하는 금회의 상류측 흡기압은, 실제적으로는 전회의 상류측 흡기압에 가까운 값이다. 이 때문에, 금회의 상류측 흡기압과 전회의 하류측 흡기압을 사용하여 산출되는 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량은, 전회의 상류측 흡기압과 전회의 하류측 흡기압을 사용하여 산출되는 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량보다 참값(眞値)에 가깝다. 따라서, 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량과 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량의 차는 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량의 산출 오차로 볼 수 있다. 이렇게 해서, 청구항 3 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에서는, 금회의 상류측 흡기압과 금회의 하류측 흡기압을 사용하여 산출된 금회의 상기 스로틀 밸브 통과 공기량을, 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량과 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량의 차에 의해 보정하고 있다.
또한, 본 발명에 의한 청구항 4 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치는, 청구항 3 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 상기 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량이 산출되었을 때에는 상기 임시 스로틀 밸브 통과 공기량에 근거하여 전회의 하류측 흡기압을 다시 산출하는 것을 특징으로 한다. 청구항 4 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에서는, 참값에 가까운 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량에 근거하여 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량을 다시 산출하고 있다.
또한, 본 발명에 의한 청구항 5 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치는, 청구항 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량은, 상기 하류측 흡기압과 상기 상류측 흡기압의 비와, 스로틀 밸브의 개구 면적 또는 개도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 청구항 6 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치는, 청구항 5 에 기재된 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량은, 상기 개구 면적 또는 상기 개도만을 변수로 하는 제 1 함수와, 상기 비를 변수로 하는 제 2 함수와, 상기 제 1 함수를 스로틀 밸브보다 상류측의 현재의 흡기 온도에 근거하여 보정하는 제 1 보정항과, 상기 제 1 함수를 현재의 상기 상류측 흡기압에 근거하여 보정하는 제 2 보정항과의 곱에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
도 1 은, 본 발명에 의한 흡기량 추정 장치가 장착되는 내연 기관을 나타내는 개략도이다. 동 도에 있어서, 부호 1 은 기관 본체이고, 부호 2 는 각 기통에 공통된 서지 탱크이다. 부호 3 은 서지 탱크 (2) 와 각 기통을 연결하여 통하게 하는 흡기 지관이고, 부호 4 는 서지 탱크 (2) 상류측의 흡기 통로이다. 각 흡기 지관 (3) 에는 연료 분사 밸브 (5) 가 배치되고, 흡기 통로 (4) 에서의 서지 탱크 (2) 의 바로 위 상류측에는 스로틀 밸브 (6) 가 배치되어 있다. 스로틀 밸브 (6) 는 엑셀 패달에 연동하는 것이어도 되지만, 여기서는 스텝 모터 등의 구동 장치에 의해 자유롭게 개도 설정이 가능한 것으로 하고 있다. 부호 7 은 흡기 통로 (4) 의 스로틀 밸브 (6) 보다 상류측의 흡기압을 검출하기 위한 압력 센서이다. 이 상류측 흡기압은, 기관 흡기계의 최상류부에 설치되어 있는 에어 클리너 (11) 의 압력손실이 있기 때문에, 기관 운전 중에는 대기압보다 낮은 압력으로 되어 있다.
내연 기관 (1) 에서의 연소 공연비를, 예를 들어 이론 공연비 등의 원하는 공연비로 하기 위해서는, 기관 과도시를 포함하여 기통 내에 유입된 흡입 공기량을 정확히 파악하지 않으면 안된다. 본 실시형태에 있어서는, 기관 흡기계를 다음과 같이 모델화하여 흡입 공기량을 추정하도록 하고 있다.
먼저, 스로틀 밸브 (6) 를 모델화함으로써, 흡기가 스로틀 밸브 (6) 을 통과할 때의 에너지 보존칙, 운동량 보존칙, 및 상태 방정식을 사용하여, 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) (g/sec) 이 다음 식 (1) 에 의해서 표시된다. 이하의 식을 포함하여, 스로틀 밸브 통과 공기량 등의 변수의 첨자 (i) 는 금회 (현재) 를 나타내고, (i-1) 은 전회를 나타내고 있다.
여기서, μ(i) 는 유량 계수이고, A(i) 는 스로틀 밸브 (6) 의 개구 면적 (㎡) 이다. 물론, 기관 흡기계에 아이들 스피드 컨트롤 밸브 (ISC 밸브) 가 설치되어 있을 때에는, A(i) 에 ISC 밸브의 개구 면적이 더해진다. 유량 계수 및 스로틀 밸브의 개구 면적은, 각각이 스로틀 밸브 개도 (TA(i)) (도) 의 함수로 되어 있고, 도 2 및 3 에는, 각각의 스로틀 밸브 개도 (TA) 에 대한 맵이 도시되어 있다. R 은 기체 상수이고, Ta 는 스로틀 밸브 상류측의 흡기 온도 (K) 이고, Pac(i) 는 스로틀 밸브보다 상류측의 상류측 흡기압 (kPa) 이고, Pm(i) 는 스로틀 밸브 하류측의 흡기관 압력, 즉, 하류측 흡기압 (kPa) 이다. 또한, 함수 (φ) 에 관해서는 후술한다.
그런데, 식 (1) 은, 스로틀 밸브 상류측의 흡기 온도의 표준치 (T0) 와, 상류측 흡기압의 표준치 (Pa0) 를 사용하여 식 (1)' 와 같이 치환할 수 있다. 흡기 온도의 표준치 (T0) 를 현재의 흡기 온도 (Ta) 로 변환하기 위한 보정항을 제 1 보정항 (ktha) 으로 하고, 상류측 흡기압의 표준치 (Pa0) 를 현재의 상류측 흡기압 (Pac(i)) 으로 변환하기 위한 보정항을 제 2 보정항 (kpac) 으로 하면, 식 (1)' 는 식 (1)'' 와 같이 치환할 수 있다. 또한, 식 (1)'' 는, 스로틀 밸브 개도 (TA(i)) 만을 변수로 하는 함수 (F(TA(i))) 와, 함수 (φ) 와, 제 1 보정항 (ktha) 과, 제 2 보정항 (kpac) 의 곱의 형태로 한 식 (1)''' 와 같이 치환할 수 있다. 이와 같이, 식 (1) 을 치환함으로써, 함수 (F) 의 맵화가 용이하여, 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 을 간단하게 산출할 수 있다.
여기서, 함수 (F) 는, 스로틀 밸브의 개구 면적 (A(i)) 만을 변수로 하는 함수로 치환해도 된다. 현재의 제 1 보정항 (ktha(i)) 의 산출에 사용되는 현재의 스로틀 밸브 상류측의 흡기 온도 (Ta(i)) 는, 흡기 통로 (4) 의 스로틀 밸브 (6) 의 상류측에 온도 센서 (도시 생략) 를 배치하여 이 온도 센서에 의해 검출하는 것이 바람직하지만, 이 흡기 온도는, 에어 클리너 (11) 의 압력손실과는 관계없이 외기 온도와 거의 같다고 생각할 수 있어, 외기 온도 센서에 의해 검출된 외기 온도를 흡기 온도로서 사용해도 된다.
한편, 상류측 흡기압은 시시각각 변화하기 때문에, 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt) 을 산출할 때마다 압력 센서 (7) 에 의해 현재의 상류측 흡기압 (Pac(i)) 을 검출하고, 이것을 제 2 보정 계수 (kpac(i)) 의 산출에 사용하는 것이 바람직하다.
함수 (φ(Pm(i)/Pac(i))) 는, 비열비 (κ) 를 사용하여 다음 식 (2) 에 의해 표시되는 것이고, 도 4 에는 Pm/Pac 에 대한 맵이 도시되어 있다.
그런데, 식 (1) (또는 식 (1)''') 및 식 (2) 에 있어서, 상류측 흡기압 (Pac(i)) 은 압력 센서 (7) 를 사용하지 않고서 산출할 수도 있다. 대기압 (Pa) 과 상류측 흡기압 (Pac) 의 차는, 베르누이의 정리 (Bernoulli's theorem) 에 의해 다음 식 (3) 과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, ρ 는 대기 밀도이고, v 는 에어 클리너 (11) 를 통과하는 공기의 유속이고, Ga 는 에어 클리너 (11) 를 통과하는 공기의 유량이고, k 는 v 와 Ga 의 비례 계수이다. 표준 대기 밀도 (ρ0) 와, 표준 대기 밀도 (ρ0) 를 현재의 대기 밀도 (ρ) 로 변환하기 위한 압력 보정 계수 (ekpa) 및 온도 보정 계수 (ektha) 를 사용하면, 식 (3) 은 식 (3)' 와 같이 치환할 수 있다. 또, 식 (3)' 는, 유량 (Ga) 만을 변수로 하는 함수 (f(Ga)) 를 사용하여 식 (3)'' 와 같이 치환할 수 있다.
식 (3)'' 는, 현재의 상류측 흡기압 (Pac(i)) 을 나타내는 식 (4) 와 같이 변형할 수 있다. 식 (4) 에 있어서 현재의 유량 (Ga(i)) 은, 에어 클리너 (11) 의 바로 밑 하류측에 에어 플로우미터가 설치되어 있는 경우에는 이 에어 플로우미터에 의해 검출할 수 있다. 또한, 압력 보정 계수 (ekpa) 는, 검출되는 현재의 대기압에 의해 설정 가능하고, 온도 보정 계수 (ektha) 는, 검출되는 현재의 대기 온도에 의해 설정 가능하다.
또한, 식 (4) 에 있어서, 에어 클리너 (11) 를 통과하는 공기의 유량 (Ga(i)) 은 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt) 으로 생각할 수 있어, 식 (4) 는 식 (4)' 와 같이 변형할 수 있다. 단, 식 (1) (또는 식 (1)''') 에 있어서 설명한 바와 같이, 현재의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 을 산출하기 위해서는 현재의 상류측 흡기압 (Pac(i)) 이 필요하기 때문에, 현재의 상류측 흡기압 (Pac(i)) 을 산출하기 위해서는 스로틀 밸브 통과 공기량으로서 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i-1)) 을 사용하지 않을 수 없다.
이어서, 흡기 밸브를 모델화한다. 기통 내에 공급되는 흡입 공기량 (mc(i)) (g/sec) 은, 하류측 흡기압, 즉, 흡기관 압력 (Pm(i)) 에 근거하여 거의 선형으로 변화하는 것이기 때문에, 다음 식 (5) 에 나타내는 1 차 함수에 의해 나타낼 수 있다.
여기서, Tm(i) 는 스로틀 밸브 하류측의 흡기 온도 (K) 이고, a 및 b 는 1 차 함수를 특정하기 위한 파라미터이다. b 는 기통 내의 잔류 기연(旣燃) 가스량에 상당하는 값이고, 밸브 오버랩이 있는 경우에는 흡기관으로 기연 가스가 역류하기 때문에, b 의 값은 무시할 수 없을 정도로 증가한다. 또한, 밸브 오버랩이 있는 경우에 있어서, 흡기관 압력 (Pm) 이 소정 압력 이상일 때에는, 흡기관 압력이 높을수록 기연 가스의 역류가 현저히 감소하기 때문에, 소정치 이하일 때와 비교하여 a 의 값은 커지는 동시에 b 의 값은 작아진다.
이와 같이, 흡입 공기량 (mc) 을 산출하기 위해서 사용되는 1 차 함수는, 내연 기관마다 상이한 것이면서 또한 기관 운전 상태에 따라서도 변화하는 것이다. 이 때문에, 내연 기관별 및 기관 운전 상태별로 파라미터 a, b 를 맵화해 두는 것이 바람직하다.
이어서, 흡기관을 모델화한다. 흡기관 내에 존재하는 흡기의 질량 보존칙, 에너지 보존칙, 및 상태 방정식을 사용하여, 흡기관 압력 (Pm) 과 스로틀 밸브 하류측의 흡기 온도 (Tm) 와의 비에 있어서의 시간 변화율은 다음 식 (6) 에 의해 표시되고, 또, 흡기관 압력 (Pm) 의 시간 변화율은 다음 식 (7) 에 의해 표시된다. 여기서, V 는 흡기관의 용적 (㎥), 즉, 기관 흡기계에서의 스로틀 밸브 하류측의 용적이고, 구체적으로는, 흡기 통로 (4) 의 일부와 서지 탱크 (2) 와 흡기 지관 (3) 의 합계 용적이다.
식 (6) 및 식 (7) 이 이산화되어, 각각 다음 식 (8) 및 (9) 가 얻어지고, 식 (9) 에 의해 금회의 흡기관 압력 (Pm(i)) 이 얻어지면, 식 (8) 에 의해 금회의 흡기관 내의 흡기 온도 (Tm(i)) 를 얻을 수 있다. 식 (8) 및 (9) 에 있어서, 이산(離散) 시간 (△t) 은, 흡입 공기량 (mc(i)) 을 산출하기 위한 플로우차트 (도 5) 에서의 실행 간격이 되고, 예를 들어 8ms 이다.
...(8)
다음으로, 도 5 에 나타내는 플로우차트를 설명한다. 본 플로우차트는, 기관 시동 완료와 동시에 실행된다. 먼저, 단계 101 에 있어서, 식 (9) 를 사용하여 하류측 흡기압 (흡기관 압력: Pm(i)) 이 산출된다. 식 (9) 에 있어서, 전회의 흡기관 압력 (Pm(i-1)) (초기값은 대기압 (Pa)) 과, 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i-1)) 과, 전회의 스로틀 밸브보다 상류측의 흡기 온도 (Ta(i-1)) 와, 전회의 흡입 공기량 (mc(i-1)) 과, 전회의 흡기관 내의 흡기 온도 (Tm(i-1)) (초기값은 상류측의 흡기 온도) 를 사용하여, 금회의 흡기관 압력 (Pm(i)) 을 산출한다. 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i-1)) 의 초기값은, 다른 초기값를 사용하여 식 (1)''' 에 의해 산출되고, 흡입 공기량 (mc(i-1)) 의 초기값은, 다른 초기값를 사용하여 식 (5) 에 의해 산출된다.
이어서, 단계 102 에 있어서, 식 (8) 을 사용하여 금회의 흡기관 내 흡기 온도 (Tm(i)) 가 산출된다. 이어서, 단계 103 에 있어서, 식 (4)' 를 사용하여, 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i-1)) 에 근거하여 상류측 흡기압 (Pac(i)) 이 산출된다. 이렇게 해서, 단계 101 에 있어서 하류측 흡기압 (Pm(i)) 이 산출되고, 단계 103 에 있어서 상류측 흡기압 (Pac(i)) 이 산출되면, 식 (1)''' 를 사용하여 현재의 스로틀 밸브 개도 (TA(i)) 에 근거하여 현재의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 을 산출할 수 있다.
그러나, 단계 103 에 있어서 산출된 금회의 상류측 흡기압 (Pac(i)) 은, 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i-1)) 에 근거하는 것이기 때문에, 실제적으로는 전회의 상류측 흡기압에 가까운 값이다. 이 때문에, 금회의 하류측 흡기압 (Pm(i)) 과 금회의 상류측 흡기압 (Pac(i)) 은 시간적으로 일치하고 있지 않아, 이들의 비에 근거하여 함수 (φ) 를 산출하더라도 정확한 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 을 산출할 수는 없다.
본 플로우차트에서는, 정확한 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 을 산출하기 위해 이하의 처리를 실시한다. 우선, 단계 104 에서는, 다음 식 (10) 에 의해 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 을 산출한다. 식 (10) 은, 식 (1)''' 에 있어서, 전회값에 가까운 상류측 흡기압 (Pac(i)) 을 그대로 하고, 스로틀 밸브 개도, 제 1 보정 계수, 제 2 보정 계수, 및 하류측 흡기압을 전회값으로 한 것이다. 이렇게 해서, 식 (10) 에 의해 산출되는 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 은, 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량의 참값에 가까운 값이 된다.
전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 의 산출에는, 전회의 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 이 사용되고 있지만, 이 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 을 산출하는 데에 사용된 전전회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i-2)) 의 신뢰성은 높지 않아, 이 때문에 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 에 근거하여 전회의 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 을 다시 산출하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 단계 105 에서는, 다음 식 (11) 을 사용하여, 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 에 근거하여 전회의 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 을 산출한다. 식 (11) 은, 전술한 식 (9) 와는 달리, 스로틀 밸브 통과 공기량과, 산출되는 하류측 흡기압은 동일 시간으로 하고 있다.
이렇게 해서, 전회의 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 이 다시 산출되면, 단계 106 에는, 식 (8) 을 사용하여 전회의 하류측 흡기 온도 (Tm(i-1)) 를 다시 산출하고, 단계 107 에서는, 식 (5) 를 사용하여 전회의 흡입 공기량 (mc(i-1)) 을 다시 산출한다.
이어서 단계 108 에 있어서, 식 (10) 과 동일한 식을 사용하여, 단계 105에서 다시 산출된 전회의 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 에 근거하여 새로운 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 을 산출한다. 이 mt2(i-1) 를 산출함에 있어서, 사용하는 상류측 흡기압 (Pac(i)) 을 mt1(i-1) 을 사용하여 다시 산출해도 된다. 이렇게 해서 산출된 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 은, 더욱 참값에 가까운 것으로 되어 있다.
이어서, 단계 109 에서는, 새로운 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 과 구(舊) 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 의 차가 설정치 (d) 보다 작아졌는지 아닌지가 판단되고, 즉, 새롭게 산출되는 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 이 충분히 참값으로 수렴되었는지 여부가 판단된다. 단계 109 에서의 판단이 부정되는 경우에는, 단계 110 에서 새로운 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 은 구 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 이 되고, 단계 105 이후의 처리가 반복된다. 이 때, 단계 105 에 있어서, 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 뿐만 아니라, 전회의 하류측 흡기 온도 (Tm(i-1)) 및 전회의 흡입 공기량 (mc(i-1)) 도 참값에 가까와지고 있기 때문에, 산출되는 전회의 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 더욱 참값에 가까와진다.
단계 109 에서의 판단이 긍정되면, 이 때의 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 은 거의 참값으로 되어 있다. 이 때문에, 이 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 과 식 (1)''' 를 사용하여 산출된 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i-1)) 의 차는, 식 (1)''' 를 사용한 경우의 계산 오차를 비교적 정확하게 나타내게 된다. 따라서, 단계 111 에서, 식 (1)''' 를 사용하여 산출한 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 은 전술한 차에 의해 보정되고, 이것에 의해 정확한 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 을 산출할 수 있다.
이 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 의 산출에 사용하는 금회의 스로틀 밸브 개도 (TA(i)) 는, 현재의 엑셀 패달의 밟음량에 대하여 스로틀 밸브의 구동 장치 (스텝 모터) 의 응답 지연 등이 고려되어 추정된다.
이어서, 단계 112 에서는, 단계 101 및 102 에 의해 산출된 금회의 하류측 흡기압 (Pm(i)) 및 금회의 하류측 흡기 온도 (Tm(i)) 에 근거하여 식 (5) 를 사용하여 금회의 흡입 공기량 (mc(i)) 을 산출한다. 전술한 바와 같이 하여 정확한 스로틀 밸브 통과 공기량이 산출되기 때문에, 여기에 근거하여 산출되는 하류측 흡기압이 정확한 것이 되고, 또, 이 하류측 흡기압에 근거하여 산출되는 흡입 공기량도 정확한 것이 된다. 이어서, 플로우차트에는 나타내고 있지 않지만, 금회의 하류측 흡기압 (Pm(i)), 금회의 하류측 흡기 온도 (Tm(i)), 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)), 금회의 흡입 공기량 (mc(i)) 및 금회의 상류측 흡기 온도 (Ta(i)) 는, 각각 전회값으로서 기억되어, 다음번 플로우차트의 실시를 위해 준비된다.
도 5 에 나타내는 플로우차트에서는, 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 이 참값에 상당히 가까워질 때까지 (단계 109 에서의 판단이 긍정될 때까지) 전회의 하류측 흡기압 (Pm(i-1)) 및 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt2(i-1)) 의 산출을 반복하도록 하였지만, 이 반복 회수를 미리 설정하도록 해도 된다. 또한, 단계 105 로부터 110 의 처리를 생략하고, 단계 104 에서 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt1(i-1)) 이 산출된 후, 곧바로 단계 111 에 있어서 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt(i)) 을 산출하도록 해도 된다. 이 경우에 있어서, 단계 111 의 식의 mt2(i-1) 는 mt1(i-1) 로 치환하여 생각하면 된다.
그런데, 연소 공연비를 정확히 제어하기 위해서는, 연료 분사를 시작하기 이전에 기통 내로의 정확한 흡입 공기량을 추정하여 연료 분사량을 결정하지 않으면 안된다. 그러나, 정확한 흡입 공기량을 추정하기 위해서는, 엄밀하게는 흡기 밸브를 닫았을 때에 있어서의 흡입 공기 유량을 산출하지 않으면 안된다. 즉, 연료 분사량을 결정할 때에 있어서, 현재의 흡입 공기량 (mc(i)) 이 아니라, 흡기 밸브를 닫았을 때에 있어서의 흡입 공기량 (mc(i＋n)) 을 산출하지 않으면 안된다. 이것은, 도 1 에 나타내는 바와 같은 흡기 지관 (3) 에 연료를 분사하는 내연 기관뿐만 아니라, 흡기 행정에 있어서 통 내로 직접 연료를 분사하는 내연 기관에 있어서도 동일하다.
이를 위해서는, 현재에 있어서, 현재의 스로틀 밸브 개도 (TA(i)) 뿐만 아니라, 흡기 밸브를 닫을 때까지의 시간 (△t) 별 스로틀 밸브 개도 (TA(i＋1), TA(i＋2), … TA(i＋n)) 에 근거하여, 식 (1)''' 에서 TA 를 변화시키고, 각 시간의 스로틀 밸브 통과 공기량 (mt) 을 산출할 필요가 있다.
각 시간의 스로틀 밸브 개도 (TA) 는, 현재의 시간에 대한 엑셀 패달의 밞음 변화량에 근거하여, 이 밟음 변화량이 흡기 밸브를 닫을 때까지 지속되는 것으로 가정하여 각 시간의 엑셀 패달의 밟음량을 추정하고, 각각의 추정 밟음량에 대하여, 스로틀 밸브 액츄에이터의 응답 지연을 고려하여 결정하는 방법이 있다. 이 방법은, 스로틀 밸브가 엑셀 패달과 기계적으로 연결되어 있는 경우에도 적용할 수 있다.
그러나, 이렇게 해서 추정되는 흡기 밸브를 닫았을 때에 있어서의 스로틀 밸브 개도 (TA(i＋n)) 는 어디까지나 예측으로, 실제와 일치한다는 보장은 없다. 흡기 밸브를 닫았을 때에 있어서의 스로틀 밸브 개도 (TA(i＋n)) 를 실제와 일치시키기 위해서, 스로틀 밸브를 지연 제어하도록 해도 된다. 엑셀 패달의 밟음량이 변화했을 때에, 액츄에이터의 응답 지연에 의해 스로틀 밸브 개도가 뒤늦게 변화하지만, 이 지연 제어는, 이 스로틀 밸브의 응답 지연을 의도적으로 증대시키는 것이다.
예를 들어, 기관 과도시에 있어서, 연료 분사량을 결정할 때에 있어서의 현재의 엑셀 패달의 밟음량에 대응하는 스로틀 밸브 개도가 흡기 밸브를 닫을 때에 실현되도록, 실제의 응답 지연 (낭비된 시간) 을 고려하여 스로틀 밸브의 액츄에이터를 제어하면, 현재부터 흡기 밸브를 닫을 때까지의 시간별 스로틀 밸브 개도 (TA(i), TA(i＋1), … TA(i＋n)) 를 정확하게 파악할 수 있다. 더욱 구체적으로 말하면, 엑셀 패달의 밞음량이 변화할 때에는, 곧바로 액츄에이터로 작동 신호를 발하는 것이 아니라, 연료 분사량을 결정할 때부터 흡기 밸브를 닫을 때까지의 시간에서 낭비된 시간을 뺀 시간만큼 경과했을 때에 액츄에이터에 대하여 작동 신호를 발하도록 하는 것이다. 물론, 현재의 엑셀 패달의 밞음량에 대응하는 스로틀 밸브 개도를, 흡기 밸브를 닫았을 때 이후에 실현되도록 스로틀 밸브를 지연 제어해도 된다.
이렇게 해서, 본 발명에 의한 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 의하면, 스로틀 밸브 통과 공기량을 산출하는 데에 사용되는 상류측 흡기압은, 적어도 대기압에 대한 에어 클리너의 압력손실이 고려되어 흡기 통로의 스로틀 밸브 상류측에 배치된 압력 센서에 의해 측정되거나, 또는, 적어도 대기압에 대한 에어 클리너의 압력손실이 고려되어 산출되도록 하고 있기 때문에, 상류측 흡기압으로서 대기압을 사용하는 경우와 비교하여 산출되는 스로틀 밸브 통과 공기량이 정확해져, 이 스로틀 밸브 통과 공기량을 사용하여 산출되는 흡입 공기량을 정확하게 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 스로틀 밸브보다 상류측의 상류측 흡기압과 스로틀 밸브보다 하류측의 하류측 흡기압을 사용하여 스로틀 밸브 통과 공기량을 산출하고, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량에 근거하여 흡입 공기량을 추정하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치에 있어서, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량의 산출에 사용되는 상기 상류측 흡기압은, 적어도 대기압에 대한 에어 클리너의 압력손실이 고려되어 측정 또는 산출되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 금회의 상기 스로틀 밸브 통과 공기량을 산출하기 위해서 사용하는 금회의 상기 상류측 흡기압은, 대기압으로부터 에어 클리너의 상기 압력손실을 감산하여 산출되고, 상기 압력손실은, 상기 에어 클리너를 통과하는 공기 유량으로서, 에어 플로우미터에 의해 검출되는 흡입 공기량 또는 전회 산출된 스로틀 밸브 통과 공기량을 사용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 압력손실을 전회 산출된 스로틀 밸브 통과 공기량을 사용하여 산출함으로써 금회의 상기 상류측 흡기압을 산출하고, 산출된 상기 금회의 상류측 흡기압과 금회의 상기 하류측 흡기압을 사용하여 금회의 상기 스로틀 밸브 통과 공기량이 산출되고, 산출된 상기 금회의 스로틀 밸브 통과 공기량은, 상기 금회의 상류측 흡기압과 전회의 하류측 흡기압을 사용하여 산출되는 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량과, 전회의 상류측 흡기압과 전회의 하류측 흡기압을 사용하여 산출되는 전회의 스로틀 밸브 통과 공기량의 차에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전회의 임시 스로틀 밸브 통과 공기량이 산출되었을 때에는 상기 임시 스로틀 밸브 통과 공기량에 근거하여 전회의 하류측 흡기압을 다시 산출하는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량은, 상기 하류측 흡기압과 상기 상류측 흡기압의 비와, 스로틀 밸브의 개구 면적 또는 개도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 스로틀 밸브 통과 공기량은, 상기 개구 면적 또는 상기 개도만을 변수로 하는 제 1 함수와, 상기 비를 변수로 하는 제 2 함수와, 상기 제 1 함수를 스로틀 밸브보다 상류측의 현재의 흡기 온도에 근거하여 보정하는 제 1 보정항과, 상기 제 1 함수를 현재의 상기 상류측 흡기압에 근거하여 보정하는 제 2 보정항과의 곱에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 내연 기관의 흡입 공기량 추정 장치.
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