WO2012070100A1 - 過給機付き内燃機関の空気量推定装置 - Google Patents

過給機付き内燃機関の空気量推定装置 Download PDF

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WO2012070100A1
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throttle
flow rate
pressure
model
air
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PCT/JP2010/070807
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真知子 勝俣
田中　聡
龍太郎 森口
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for estimating the amount of air sucked into a cylinder in an internal combustion engine with a supercharger. More specifically, the air amount is estimated by calculation using a physical model representing the behavior of air flowing in an intake passage. Relates to the device.
  • ABV air bypass valve
  • EGR exhaust gas recirculation system
  • FIG. 9 is a functional block diagram showing an air amount estimation model when the behavior of air in the intake passage in an internal combustion engine with a supercharger is strictly modeled.
  • the air amount estimation model shown in FIG. 9 includes an intercooler model, a throttle model, an intake pipe model, and an intake valve model as sub models.
  • an intercooler model a throttle model
  • an intake pipe model a throttle model
  • an intake valve model as sub models.
  • the intercooler model is a physical model constructed based on the conservation law regarding the air in the intercooler section in the intake passage. Specifically, the following equation (1) based on the energy conservation law and the following equation (2) based on the flow rate conservation law are used as the intercooler model.
  • Pic is the pressure in the intercooler (hereinafter referred to as intercooler pressure)
  • Tic is the intercooler temperature
  • Vic is the intercooler volume
  • R is the gas constant
  • ⁇ is the specific heat ratio
  • mcp is the flow rate of the gas passing through the compressor ( hereinafter, the compressor flow rate)
  • m abv the gas withdrawn from the intercooler portion by ABV flow
  • m t is the gas passing through the throttle flow rate (hereinafter, the throttle flow rate)
  • T a is the air Temperature.
  • the compressor flow rate m cp , the throttle flow rate m t , the ABV flow rate m abv and the like are input, and the intercooler pressure P ic is calculated according to the equations (1) and (2).
  • the throttle model As the throttle model, the following expressions (3) and (4) are used.
  • mu is the opening area when the flow coefficient
  • a t is the throttle opening degree TA
  • the P m is the intake pipe pressure
  • P m / P ic is the pressure ratio before and after the throttle.
  • the throttle model, the throttle opening degree TA, the intercooler pressure P ics, the intake pipe pressure P m and the like are input, the throttle flow rate m t is calculated according to equation (3) and (4).
  • the intake pipe model is a physical model constructed based on a conservation law regarding air in the intake pipe (however, the intake pipe in this specification includes an intake manifold and a surge tank). Specifically, the following equation (5) based on the energy conservation law and the following equation (6) based on the flow rate conservation law are used as the intake pipe model.
  • m egr is a gas introduced into the intake pipe by the EGR flow rate (hereinafter, EGR flow)
  • T egr is EGR temperature
  • m c is the gas sucked into the cylinder through the intake valve flow rate (hereinafter, Intake valve flow rate)
  • Tm is the intake pipe temperature.
  • the throttle flow rate m t the intake valve flow rate m c , the EGR flow rate m egr and the like are input, and the intake pipe pressure P m is calculated according to the equations (5) and (6).
  • the intake valve model is an experiment-based model in which the relationship between the intake valve flow rate mc and the intake pipe pressure P m is examined.
  • the relationship between the intake valve flow rate mc and the intake pipe pressure P m can be approximated by a straight line. Therefore, specifically, the following equation (7) based on an empirical rule is used as the intake valve model.
  • a and b are constants determined according to the engine speed.
  • the intake valve model the intake pipe pressure P m is input, and the intake valve flow rate mc is calculated according to the equation (7).
  • the control apparatus for an internal combustion engine ECU calculates an intake valve flow rate m c with air quantity estimation model represented by the above equations, estimates the amount of air taken into the cylinder from the intake valve flow rate m c To do.
  • numerical calculation is performed by four arithmetic operations.
  • the ECU cannot perform calculation as it is. For this reason, when the air amount estimation model is mounted on the ECU, the differential equation is discretized using a difference method so that a solution can be obtained by four arithmetic operations.
  • the intercooler intake pipe combined model is a physical model that is constructed based on a conservation law regarding air in the volume, with the throttle being ignored and the intercooler section to the intake pipe being treated as an integrated volume. Therefore, the intercooler intake pipe combined model does not calculate the throttle flow rate using the throttle equation.
  • the intercooler intake pipe united model is assumed to be equal to the intercooler pressure P ics and the intake pipe pressure P m. Further, it is assumed that the intercooler temperature T ic and the intake pipe temperature T m are equal.
  • the intercooler intake pipe combination model specifically, the following equation (8) based on the energy conservation law and the following equation (9) based on the flow rate conservation law are used.
  • the intercooler intake pipe united model defined by the above formula (8) and (9), it is possible to calculate the intake pipe pressure P m and a largely intercooler pressure P ics and the intake valve flow rate m c. According to this, does not require the calculation of the throttle flow rate using the equation of the diaphragm, calculated conventionally calculated value of the intake pipe pressure P m is even in a region where tended become oscillatory, accurately intake pipe pressure P m can do. Moreover, according to the intercooler intake pipe combination model, the calculation load is not increased. Thus, prior art devices are considered effective as a solution to the aforementioned problems.
  • Intercooler intake pipe united model is a near throttle opening is WOT and intercooler pressure P ics and the intake pipe pressure P m is a model that assumes a substantially equal.
  • WOT the air amount estimation model
  • the calculation is performed by the air amount estimation model shown in FIG. 9, that is, the calculation model including the throttle equation.
  • the calculation value of the intake pipe pressure P m when the pressure difference is small becomes oscillatory is there.
  • the throttle opening is smaller than WOT, air quantity estimation in situations where some degree of pressure difference between the intercooler pressure P ics and the intake pipe pressure P m is generated There is room for improvement in accuracy.
  • EGR and ABV that affect the flow rate of air in the intake passage.
  • air exhaust gas
  • the EGR flow rate m abv generated along with the operation of EGR directly affects only the intake pipe pressure P m .
  • the influence of the EGR flow rate m egr on the intercooler pressure P ic is indirect, the intake pipe pressure P m changes due to the influence of the change of the EGR flow quantity m egr , and the throttle flow quantity m t becomes less than the influence of the change of the intake pipe pressure P m.
  • intercooler pressure P ics changes, through a process called intercooler pressure P ics is changed by the influence of change in the throttle flow rate m t, the change in EGR flow rate m egr affects the intercooler pressure P ics. Therefore, the response of the intercooler pressure P ic to the change in the EGR flow rate m egr is slower than the response of the intake pipe pressure P m .
  • ABV flow rate m abv that occurs with the operation of the ABV is the directly affects only the intercooler pressure P ics.
  • the influence of the ABV flow rate m abv on the intake pipe pressure P m is indirect, the intercooler pressure P ic changes due to the change of the ABV flow rate m abv , and the throttle flow rate m t changes due to the change of the intercooler pressure P ic. and, through the process that changes the intake pipe pressure P m by the influence of change in the throttle flow rate m t, the change in ABV flow m abv affects the intake pipe pressure P m. Therefore, the response of the intake pipe pressure P m to the change in the ABV flow rate m abv is slower than the response of the intercooler pressure P ic .
  • the influence of the change in the EGR flow rate m egr directly affects both the intercooler pressure P ic and the intake pipe pressure P m .
  • the influence of the change in the ABV flow rate m abv also directly affects both the intercooler pressure P ic and the intake pipe pressure P m . It is because has been the premise of the intercooler intake pipe united model intercooler pressure P ics and the intake pipe pressure P m is equal. Therefore, the air quantity estimation model shown in FIG.
  • both the EGR flow rate m egr and ABV flow rate m intercooler with a change in abv pressure P ics and the intake pipe pressure P m is a changing simultaneously, by the model There will be a discrepancy between the calculation result and the phenomenon actually occurring.
  • the amount of pressure change when only EGR operates and the amount of pressure change when only ABV operates are expressed in mathematical formulas.
  • the amount of change in the intake pipe pressure P m calculated by the intake pipe model is strictly represent phenomena happening in reality at the intake pipe, the amount of change in the intercooler pressure P ics calculated by the intercooler model, within the intercooler section It represents the phenomenon that actually occurs.
  • the change in pressure in each part of the intake passage cannot be accurately calculated during the operation of EGR or ABV. For this reason, in the apparatus according to the prior art, when EGR or ABV is operated and the EGR flow rate megr or ABV flow rate m abv is changed, the estimation accuracy of the air amount may be deteriorated.
  • an object of the present invention is to provide an air amount estimation device for an internal combustion engine with a supercharger that can estimate the air amount with higher accuracy without increasing the calculation load.
  • An air amount estimation device includes a function for calculating a compressor flow rate, a function for calculating a throttle upstream pressure, a function for calculating a throttle flow rate, a function for calculating a throttle downstream pressure, a function for calculating an intake valve flow rate, and And has a function of calculating the amount of air taken into the cylinder.
  • Each of these functions may be realized by dedicated hardware, or the hardware may be shared between the functions, and each function may be realized by software.
  • each function which this air quantity estimation apparatus has is demonstrated.
  • Compressor flow rate is the flow rate of air passing through the compressor.
  • This air amount estimation device calculates the compressor flow rate based on the pressure of the air in the upstream portion of the throttle, which is the intake passage from the compressor to the throttle (hereinafter referred to as the throttle upstream pressure), and the rotational speed of the compressor. For the calculation, a map in which the compressor flow rate is associated with the throttle upstream pressure and the compressor rotation speed, or a physical model of the compressor can be used.
  • the air amount estimation device uses a physical model constructed based on the conservation law regarding the air in the throttle upstream portion.
  • the main input to the physical model is the compressor flow rate and the throttle flow rate, which is the flow rate of air passing through the throttle.
  • the throttle upstream pressure is calculated from the physical model.
  • the internal combustion engine may be provided with an actuator that extracts air from the inside of the throttle upstream portion to the outside or introduces air from outside into the throttle upstream portion.
  • the physical model may be constructed so that the throttle upstream pressure is corrected in accordance with the increase or decrease of the air flow rate in the throttle upstream portion accompanying the operation of the actuator.
  • This function is one of the features of the present air amount estimation device with respect to the prior art, and is a core function for achieving the above-described problem.
  • the throttle flow rate is used to calculate the pressure of the air in the downstream portion of the throttle, which is the intake passage from the throttle to the intake valve (hereinafter, the throttle downstream pressure).
  • This air amount estimation apparatus uses a physical model constructed based on a conservation law relating to air in the downstream portion of the throttle for calculation of the throttle downstream pressure. Throttle flow rate and intake valve flow rate are used as main inputs to the physical model. When the throttle flow rate and the intake valve flow rate are input to the physical model, the throttle downstream pressure is calculated from the physical model.
  • an internal combustion engine is provided with an actuator that extracts air from the inside of the throttle downstream portion to the outside or introduces air from the outside into the throttle downstream portion.
  • the physical model may be constructed so that the throttle downstream pressure is corrected in accordance with the increase or decrease of the air flow rate in the throttle downstream portion accompanying the operation of the actuator.
  • the intake valve flow rate is the flow rate of air passing through the intake valve.
  • the air amount estimation apparatus calculates the intake valve flow rate based on the throttle downstream pressure. For the calculation, a mathematical expression based on an empirical rule, specifically, a linear function with the throttle downstream pressure as a variable can be used. More specifically, the present air amount estimation device calculates the amount of air sucked into the cylinder from the integrated value of the intake valve flow rate from when the intake valve opens until it closes based on the intake valve flow rate.
  • This air amount estimation device can take the following two calculation methods as a method of calculating the throttle flow rate.
  • the first calculation method is a method of calculating the throttle flow rate by the throttle equation based on the throttle upstream pressure, the throttle downstream pressure, and the throttle opening.
  • the expression of the restriction employed by the air amount estimation device is an expression shown in the above-described Expression (3) and Expression (4).
  • the second calculation method that can be adopted by the present air amount estimation device is that a linear interpolation equation based on the compressor flow rate and the intake valve flow rate is assumed on the assumption that the throttle flow rate is intermediate between the compressor flow rate and the intake valve flow rate.
  • This is a method for calculating the throttle flow rate.
  • the linear interpolation equation employed by the air amount estimation device is an equation in which the ratio of the volume of the upstream portion of the throttle and the volume of the downstream portion of the throttle is an internal ratio, and specifically, the following equation (10) It is.
  • m t is the throttle flow rate
  • m cp is the compressor flow rate
  • m c is the intake valve flow rate
  • V ds is the volume of the throttle downstream portion.
  • This air amount estimation device selects one of the above two calculation methods, and calculates the throttle flow rate according to the selected calculation method.
  • the selection condition includes a pressure condition related to the relationship between the throttle downstream pressure and the throttle upstream pressure.
  • the pressure condition used in this air amount estimation device is that the difference between the throttle upstream pressure and the throttle downstream pressure is smaller than the reference difference or the ratio between the throttle downstream pressure and the throttle upstream pressure is larger than the reference ratio. is there.
  • the air amount estimation apparatus determines whether or not a predetermined selection condition including such a pressure condition is satisfied. When it is determined that the selection condition is not satisfied, the air amount estimation device selects to calculate the throttle flow rate according to the first calculation method. On the other hand, when it is determined that the selection condition is satisfied, the air amount estimation device selects to calculate the throttle flow rate according to the second calculation method.
  • the above selection condition is a condition in which vibration is generated in the calculated value of the throttle downstream pressure, that is, the intake pipe pressure, in the calculation using the throttle equation.
  • the present air amount estimation device calculates the throttle flow rate using a linear interpolation formula instead of the throttle formula.
  • the throttle equation is used for calculating the throttle flow rate
  • the throttle upstream pressure and the throttle downstream pressure are complicatedly related to each other in the calculation.
  • a linear interpolation equation as shown in equation (10) is used for calculating the throttle flow rate
  • the throttle upstream pressure and the throttle downstream pressure can be calculated separately. According to this, when the throttle flow rate is calculated using the throttle equation, the throttle downstream pressure can be accurately calculated even in a region where the calculated value of the throttle downstream pressure becomes oscillating.
  • Equation (12) Equation (12).
  • Equation (13) the change in the state of air in the downstream portion of the throttle can be expressed by equation (13) according to the flow rate conservation law.
  • P ds is the throttle downstream pressure
  • T ds is the throttle downstream temperature.
  • Equation (14) In the formula of the flow conservation law in the throttle downstream section (13), assuming that the throttle flow rate m t is calculated by Equation (10), equation (13) can be expressed by Equation (14).
  • Relationship between the throttle upstream pressure P us and the throttle downstream pressure P ds shown in Equation (16) is a relation that consists in reality in a situation where the pressure conditions described above are met.
  • Equation linear interpolation shown in Equation (10) irrespective of the boost condition of the internal combustion engine, in equation (16) between the calculated values and the calculated values of the throttle downstream pressure P ds of the throttle upstream pressure P us The relationship shown can be established.
  • the linear interpolation equation shown in equation (10) is appropriate as the equation for calculating the throttle flow rate in the situation where the pressure condition is satisfied.
  • the present air amount estimation device when the air is extracted from the inside of the throttle upstream to the outside, or the actuator for introducing the air from outside into the throttle upstream is operated, the influence directly affects the throttle upstream pressure. It affects only the calculation and does not directly affect the calculation of the throttle downstream pressure.
  • the internal combustion engine is provided with actuators such as ABV and EGR, and even when these actuators are operating, it is possible to accurately calculate the throttle upstream pressure and the throttle downstream pressure. Yes, as a result, the amount of air can be estimated with high accuracy.
  • the air amount estimation device of the present embodiment is applied to an internal combustion engine with a supercharger.
  • the internal combustion engine to which the present air amount estimation device is applied is a four-cycle reciprocating engine that can control torque by adjusting the air amount with a throttle.
  • the supercharger provided in the internal combustion engine in the present embodiment is a turbo-type supercharger that drives a compressor disposed in an intake passage by rotation of a turbine disposed in an exhaust passage.
  • An intercooler is provided between the compressor and the throttle for cooling the air whose temperature has increased due to compression by the compressor.
  • the supercharger-equipped internal combustion engine of the present embodiment includes ABV that bypasses the air in the intercooler section to the upstream side of the compressor in the intake passage, and EGR that recirculates the exhaust gas in the exhaust passage into the intake pipe. Yes.
  • the supercharged internal combustion engine of the present embodiment is also a port injection type internal combustion engine that injects fuel into the intake port of each cylinder.
  • This air amount estimation device is realized as a function of the ECU provided in the internal combustion engine. Specifically, the ECU functions as an air amount estimation device when a program stored in the memory is executed by the CPU. When the ECU functions as an air amount estimation device, the ECU estimates the amount of air sucked into the cylinder (hereinafter, in-cylinder air amount) using a programmed air amount estimation model.
  • the air amount estimation model used in the present embodiment is composed of four calculation models from first to fourth.
  • FIG. 1 is a functional block diagram showing a first calculation model of the air amount estimation model.
  • the first calculation model is a calculation model for calculating the intake valve flow rate with respect to the current throttle opening.
  • the first calculation model includes a turbo speed model M1, a compressor model M2, an intercooler model M3, a throttle model M4, an intake pipe model M5, an intake valve model M6, an air cleaner model M7, an ABV model M8, and an EGR model M9. Yes.
  • a turbo speed model M1 a compressor model M2, an intercooler model M3, a throttle model M4, an intake pipe model M5, an intake valve model M6, an air cleaner model M7, an ABV model M8, and an EGR model M9.
  • the turbo rotational speed model M1 is a model of the rotational behavior of the turbocharger, and is configured by a physical model represented by mathematical formulas or a map based on experimental data.
  • a diaphragm pressure P wgv the wastegate valve, and the intake valve flow rate m c calculated by the intake valve model M6 to be described later is inputted, the turbo speed N tb from their input information Is calculated.
  • the diaphragm pressure P wgv is sensor information obtained by the sensor.
  • the compressor model M2 is a model of a compressor of the supercharger, and is configured by a physical model represented by mathematical formulas or a map based on experimental data.
  • the turbo rotational speed N tb calculated in turbo rotational speed model M1 the intercooler pressure P ics calculated in intercooler model M3, which will be described later is input, calculated from their input information compressor flow rate m cp is Is done.
  • the air cleaner model M7 is a model for calculating the pressure loss in the air cleaner disposed at the inlet of the intake passage, and is configured by a physical model represented by mathematical formulas or a map based on experimental data.
  • the air cleaner model M7 calculates a value obtained by subtracting the pressure loss from the atmospheric pressure P a as a compressor upstream pressure P ac.
  • the atmospheric pressure P a which is input to the air cleaner model M7 can be obtained by multiplying the output value kPa of atmospheric pressure sensor to the base value P a0.
  • the ABV model M8 is a model for calculating the flow rate of air extracted from the intercooler unit to the outside by the ABV.
  • a diaphragm formula is used as the ABV model M8.
  • information such as the compressor upstream pressure P ac calculated by the air cleaner model M7, the intercooler pressure P ic calculated by the intercooler model M3 to be described later, the driving duty D abv of the ABV, and the like are input. From this, the ABV flow rate m abv is calculated. The ABV drive duty D abv is calculated in the ABV control by the ECU.
  • the EGR model M9 is a model for calculating the flow rate of air (exhaust gas) recirculated from the exhaust passage into the intake pipe by the EGR, and is configured by a physical model represented by mathematical formulas or a map based on experimental data. ing.
  • information such as an intake pipe pressure P am , an internal combustion engine load KL, and an EGR valve drive duty D egr calculated by an intake pipe model M5 described later is input, and EGR flow rate m is input from the input information. egr is calculated.
  • the drive duty D egr of the EGR valve is calculated in the EGR control by the ECU, and the load KL is calculated from the in-cylinder intake air amount.
  • the intercooler model M3, the throttle model M4, the intake pipe model M5, and the intake valve model M6 are as described in relation to the conventional air amount estimation model shown in FIG. That is, according to the intercooler model M3, the compressor flow rate m cp calculated by the compressor model M2, the throttle flow rate m t calculated by the throttle model M4 described later, the ABV flow rate m abv calculated by the ABV model M8, and the like are input. From the information, the intercooler pressure Pic is calculated according to the above-described formulas (1) and (2).
  • the throttle opening degree TA is sensor information obtained by a sensor.
  • the throttle flow rate m t calculated by the throttle model M4 the intake valve flow rate m c (eklcrt) calculated by the intake valve model M6 described later, and the EGR model M9 described later are calculated.
  • the intake pipe pressure P m is calculated according to the above formulas (5) and (6).
  • the intake valve model M6 the intake pipe pressure P m calculated by the intake pipe model M5, the intake valve flow rate m c is calculated according to the aforementioned equation (7).
  • the first calculation model of the air amount estimation model includes two intake valve models M6.
  • the one of the intake valve model M6, the intake pipe pressure P m calculated by the intake pipe model M5 is directly input.
  • Intake pipe pressure P intake valve is calculated from m flow rate m c (eklcrt) is used in calculation in the turbo rotational speed model M1 and the intake pipe model M5, as described above.
  • the other intake valve model M6 is the total value of the intake pipe pressure P m (epmcrt) calculated by the intake pipe model M5 and the correction amount for correcting the model error of the first calculation model.
  • the corrected intake pipe pressure P m (epmact) is input.
  • the intake valve flow rate m c (eklact) is calculated based on the corrected intake pipe pressure P m (epmact).
  • the present air quantity estimation apparatus is based on the intake valve flow rate m c (eklact), details, calculates the cylinder air amount from the integrated value of the intake valve flow rate m c (eklact) to close to open the intake valve .
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing a second calculation model of the air amount estimation model
  • FIG. 3 is a functional block diagram showing a third calculation model of the air amount estimation model.
  • the second calculation model is a model for calculating the intake pipe pressure based on the air flow rate (hereinafter referred to as AFM flow rate) actually measured by an air flow meter (hereinafter referred to as AFM).
  • the third calculation model is a model for calculating the intake pipe pressure based on the calculated value of the AFM flow rate.
  • the second calculation model includes an intercooler model M3, a throttle model M4, an intake pipe model M5, an intake valve model M6, an air cleaner model M7, an ABV model M8, and an EGR model M9.
  • the input / output of information between these submodels M3, M4, M5, M6, M7, M8, and M9 is the same as that in the first calculation model.
  • the total value of the AFM flow rate egaafm measured by the AFM and the ABV flow rate m abv calculated by the ABV model M8 is calculated as the compressor flow rate m cp .
  • Second calculation model is thus to calculate the intake valve flow rate m c (eklsm) based on the compressor flow rate m c calculated by also calculating the intake pipe pressure P m (epmafm).
  • the third calculation model includes an air flow meter model M10 in addition to the submodels M3, M4, M5, M6, M7, M8, and M9 of the second calculation model.
  • the AFM has a response delay based on a unique response characteristic.
  • the air flow meter model M10 is a model that simulates such AFM response characteristics, and outputs a flow rate that takes into account the response delay of the AFM with respect to the input flow rate.
  • a calculated value of the AFM flow rate (hereinafter, calculated AFM flow rate) m afm is input to the air flow meter model M10.
  • the calculated AFM flow rate m afm is calculated as a difference between the compressor flow rate m cp calculated by the compressor model M2 of the first calculation model and the ABV flow rate m abv calculated by the ABV model M8 of the first calculation model.
  • the airflow meter model M10 outputs a calculated AFM flow rate m afm that has been subjected to delay processing in accordance with the AFM response delay.
  • the total value of the calculated AFM flow rate m afm delayed by the air flow meter model M10 and the ABV flow rate m abv calculated by the ABV model M8 is calculated as the compressor flow rate m cp .
  • Third computing model in this way to calculate the intake valve flow rate m c (eklcrt4) based on the compressor flow rate m c calculated by also calculating the intake pipe pressure P m (epmcrtsm).
  • the first calculation model it is calculated the difference between the second calculated by the calculation model intake pipe pressure P m (epmafm), and a third calculation model intake pipe pressure calculated by P m (epmcrtsm) is .
  • This difference can be regarded as a value (model error) obtained by converting the error that the calculated AFM flow rate m afm calculated by the model has with respect to the actual AFM flow rate egaafm into the difference of the intake pipe pressure P m.
  • First calculation model adds to the intake pipe pressure P m (epmcrt) above the difference as a correction amount of the model error, and calculates the summed value as the corrected intake pipe pressure P m (epmact).
  • the present air quantity estimation apparatus calculates the corrected intake pipe pressure P m (epmact) from the intake valve flow rate m c (eklact), based on the intake valve flow rate m c (eklact), details, the intake valve opens calculating the in-cylinder air amount from the integrated value of the intake valve flow rate from before closing m c (eklact). According to this, the in-cylinder air amount can be estimated with high accuracy.
  • the time when the in-cylinder air amount is determined is when the intake valve is closed.
  • the internal combustion engine of the present embodiment is a port injection type internal combustion engine, fuel injection in each cycle must be completed at least before the intake valve is closed. Therefore, in order to make the air-fuel ratio of the air-fuel mixture formed in the cylinder coincide with the target air-fuel ratio, the in-cylinder air amount at the time of closing the intake valve of the cycle at the time of fuel injection before the intake valve is closed is set. It is required to read ahead. In order to enable this prefetching, it is necessary to prefetch the throttle opening at a time earlier than the present time, that is, the future throttle opening.
  • this air amount estimation device performs so-called throttle delay control that operates the throttle so that the actual throttle opening is delayed by a predetermined time with respect to the target throttle opening calculated based on the accelerator pedal operation amount of the vehicle. carry out.
  • this throttle delay control since the target throttle opening corresponds to the future throttle opening for a predetermined time, the future throttle opening can be prefetched from the target throttle opening.
  • the fourth calculation model is a calculation model for calculating the in-cylinder air amount when the intake valve is closed based on the future throttle opening degree TA fwd that has been read ahead.
  • FIG. 4 is a functional block diagram showing the fourth calculation model.
  • the fourth calculation model includes a turbo speed model M1, a compressor model M2, an intercooler model M3, a throttle model M4, an intake pipe model M5, an intake valve model M6, an air cleaner model M7, an ABV model M8, And the EGR model M9.
  • Input / output of information between these submodels M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, M8, and M9 is the same as that in the first calculation model.
  • the previously read throttle opening degree TA fwd is input to the throttle model M4.
  • the fourth calculation model includes two intake valve models M6 as in the first calculation model.
  • the intake valve flow rate m c (eklvlv) calculated from the intake pipe pressure P m is used in calculations in the turbo speed model M1 and the intake pipe model M5.
  • the other intake valve model M6 includes a corrected intake air pressure that is the sum of the intake pipe pressure P m (epmvlv) calculated by the intake pipe model M5 and the correction amount for correcting the model error of the fourth calculation model.
  • the pipe pressure P m (epmfwd) is input.
  • the correction amount includes a second calculation model intake pipe calculated by the pressure P m (epmafm), the difference between the third calculated by the calculation model intake pipe pressure P m (epmcrtsm) is used.
  • the intake valve flow rate m c eklcylfwd
  • Intake valve flow rate m c (eklcylfwd) is an intake valve flow rate in the future predetermined time.
  • the present air quantity estimation apparatus estimates the cylinder air quantity at the intake valve closing on the basis of the pre-read intake valve flow rate m c (eklcylfwd), estimated in-cylinder air amount and the target air-fuel ratio at the time of closing of the intake valve And calculate the fuel injection amount.
  • the air amount estimation model of the present embodiment has two modes, and two modes are prepared for each calculation model.
  • the configuration of each calculation model shown in FIGS. 1 to 4 is a configuration corresponding to one of the modes.
  • two modes of the air amount estimation model will be described.
  • the air amount estimation device has a first mode that is selected when a predetermined selection condition is not satisfied and a second mode that is selected when a predetermined selection condition is satisfied as modes of the air amount estimation model. And have.
  • the configuration of the air amount estimation model shown in FIGS. 1 to 4 is the configuration in the first mode.
  • the diaphragm that is, the throttle model M4 to calculate the throttle flow rate m t is used by the above equation (3) and (4).
  • the selection condition is a condition for switching the mode, the pressure conditions are included which can not be accurately estimated in-cylinder air amount in the calculation of the throttle flow rate m t by the throttle model M4.
  • the magnitude of the pressure ratio P m / P ics between the intake pipe pressure P m and the intercooler pressure P ics is, the pressure condition that is greater than a predetermined reference ratio set to a value smaller than 1 is selected condition Is included.
  • the value of the pressure ratio term ⁇ of equation (3) with respect to small changes in the pressure ratio P m / P ics Changes significantly. As a result, hunting occurs, the intake pipe pressure Pm becomes oscillating, and the in-cylinder air amount cannot be accurately estimated.
  • FIG. 5 is a functional block diagram showing the first calculation model in the second mode. Although illustration is omitted, input / output of information between the throttle model M4a and other submodels in other calculation models is the same as that in the first calculation model shown in FIG.
  • the following equation (17) is used in the calculation of the throttle flow rate m t.
  • the following equation (17) is an equation for calculating the throttle flow rate m t by linear interpolation from the compressor flow rate m cp and the intake valve flow rate m c.
  • the expression of this linear interpolation as shown in FIG. 6, the intercooler section volume V ics is the volume of the throttle upstream section, the ratio of the intake pipe volume V m is the volume of the throttle downstream section as internal ratio, intermediate the calculation of the a throttle flow rate m t points is performed.
  • a compressor flow rate m cp calculated by the compressor model M2 the throttle flow rate m t is calculated intake valve model intake valve calculated in M6 rate m c a (eklcrt) as input information.
  • the throttle opening is unnecessary, and information on the pressure such as the intake pipe pressure Pm and the intercooler pressure Pic is also unnecessary.
  • Throttle flow rate in the case of using the equation of the diaphragm in the calculation of m t, the intercooler pressure P ics intake pipe pressure P m complicatedly interrelated in their calculations.
  • the flowchart of FIG. 7 shows the flow of calculation processing of the intercooler pressure Pic by the air amount estimation device
  • the flowchart of FIG. 8 shows the intake pipe by the air amount estimation device. It shows the flow of computation of the pressure P m.
  • the compressor flow rate m cp is calculated by the compressor model M2 (step S101).
  • the throttle flow rate m t using the equation of throttle whether region vibrates in the intake pipe pressure P m occurring, i.e., it is determined whether the satisfied aforementioned selection condition (step S102). If the result of the determination is negative, the intake pipe pressure P m, the intercooler pressure P ics, and based on the throttle opening TA, according to the equation of the diaphragm shown in Equation (3) and (4) Throttle flow m t is calculated (Step S105).
  • the intake valve flow rate mc is calculated by the intake valve model M6 (step S103). Then, based on the compressor flow rate m cp and the intake valve flow rate m c, the throttle flow rate m t is calculated according to the equation of the linear interpolation shown in equation (17) (step S104). After the calculation of the throttle flow rate m t is, ABV flow rate m abv is calculated by the ABV model M8 (step S106). Then, the intercooler pressure Pic is calculated by the intercooler model M3 (step S107).
  • the intake valve flow rate m c is calculated by the intake valve model M6 (step S201).
  • the throttle flow rate m t is calculated using the equation of throttle whether region vibrates in the intake pipe pressure P m occurring, i.e., it is determined whether the satisfied aforementioned selection condition (step S202). If the result of the determination is negative, the intake pipe pressure P m, the intercooler pressure P ics, and based on the throttle opening TA, according to the equation of the diaphragm shown in Equation (3) and (4) Throttle flow m t is calculated (Step S205).
  • the compressor flow rate m cp is calculated by the compressor model M2 (step S203). Then, based on the compressor flow rate m cp and the intake valve flow rate m c, the throttle flow rate m t is calculated according to the equation of the linear interpolation shown in equation (17) (step S204). After the calculation of the throttle flow rate m t is, EGR flow rate m egr is calculated by the EGR model M9 (step S206). Then, the intake pipe pressure Pm is calculated by the intake pipe M5 (step S207).
  • a model constituted by the intercooler model M3, the throttle model M4a, and the intake pipe model M5 is defined as an intercooler intake pipe model M100a.
  • a model composed of the intercooler model M3, the throttle model M4, and the intake pipe model M5 is defined as an intercooler intake pipe model M100.
  • the intercooler intake pipe model M100 is switched to the intercooler intake pipe model M100a when the above-described selection conditions are satisfied.
  • the intercooler intake pipe combined model shown in FIG. 10 is used in a portion corresponding to the intercooler intake pipe model M100a.
  • the direct effect of the ABV flow m abv limited only to the calculation of the intercooler pressure P ics
  • the direct influence of the EGR flow rate m egr can be limited only to the calculation of the intake pipe pressure P m .
  • the present air quantity estimation apparatus even when the ABV and the EGR is operating, but it may be accurate calculation of the intercooler pressure P ics and the intake pipe pressure P m As a result, the in-cylinder air amount can be estimated with high accuracy.
  • the pressure condition is that the pressure ratio between the intercooler pressure P ic and the intake pipe pressure P m is larger than the reference ratio, but the difference between the inter cooler pressure P ic and the intake pipe pressure P m is the reference.
  • the pressure condition may be smaller than the difference.
  • one of the selection conditions may include that the throttle opening is larger than the reference opening.
  • An internal combustion engine with a supercharger to which an air amount estimation device of the present invention is applied is an internal combustion engine provided with a mechanical supercharger that drives a compressor disposed in an intake passage by a driving force extracted from an output shaft of the internal combustion engine. It may be an institution. Further, the present invention is not limited to the port injection type internal combustion engine as in the above-described embodiment, and the air amount estimation of the present invention is also applied to a direct injection type internal combustion engine or an internal combustion engine capable of both port injection and direct injection. The device is applicable.
  • an intercooler is not essential. Also, ABV and EGR are not essential.
  • the air amount estimation apparatus of the present invention can be applied to an internal combustion engine in which only one of ABV and EGR is provided, or an internal combustion engine in which neither ABV nor EGR is provided.
  • the EGR may recirculate exhaust gas not in the intake pipe but in the upstream portion of the throttle.

Abstract

　本発明が提供する空気量推定装置は、過給機付き内燃機関において計算負荷を増大させることなく気筒内に吸入される空気量を高い精度で推定することのできる空気量推定装置である。本空気量推定装置は、吸気通路内を流れる空気の挙動を表す物理モデルを用いた計算によって筒内空気量を推定する。その際、物理モデルを用いて計算されるスロットル下流圧力とスロットル上流圧力の比が基準比以下の場合には、スロットル上流圧力とスロットル下流圧力とスロットルの開度とに基づいて絞りの式によってスロットル流量を計算する。一方、スロットル下流圧力とスロットル上流圧力の比が基準比より大きい場合には、コンプレッサ流量と吸気弁流量とに基づいて線形補間の式によってスロットル流量を計算する。

Description

過給機付き内燃機関の空気量推定装置
　本発明は、過給機付き内燃機関において気筒内に吸入される空気量を推定する装置に関し、詳しくは、吸気通路内を流れる空気の挙動を表す物理モデルを用いた計算によって空気量を推定する装置に関する。
　内燃機関の気筒内に吸入される空気量を吸気通路内の空気の挙動を表す物理モデルを用いた計算によって推定する手法が知られている。そのような空気量の推定方法は、過給機付きの内燃機関にも適用することが可能であり、さらには、エアバイパスバルブ（以下、ＡＢＶ）や排気ガス再循環システム（以下、ＥＧＲ）を備えた過給機付き内燃機関にも適用することができる。
　図９は、過給機付き内燃機関における吸気通路内の空気の挙動を厳密にモデル化した場合の空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。図９に示す空気量推定モデルは、サブモデルとして、インタークーラーモデル、スロットルモデル、吸気管モデル、及び吸気弁モデルを備えている。以下、式を用いて各サブモデルの詳細について説明する。
　インタークーラーモデルは、吸気通路におけるインタークーラー部内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルである。インタークーラーモデルとしては、具体的には、エネルギー保存則に基づいた下記の式（１）と流量保存則に基づいた下記の式（２）とが用いられている。ここで、Ｐｉｃはインタークーラー部内の圧力（以下、インタークーラー圧力）、Ｔｉｃはインタークーラー温度、Ｖｉｃはインタークーラー容積、Ｒは気体定数、κは比熱比、ｍｃｐはコンプレッサを通過するガスの流量（以下、コンプレッサ流量）、ｍａｂｖはＡＢＶによってインタークーラー部内から抜き出されるガスの流量（以下、ＡＢＶ流量）、ｍｔはスロットルを通過するガスの流量（以下、スロットル流量）、そして、Ｔａは大気温度である。インタークーラーモデルでは、コンプレッサ流量ｍｃｐ、スロットル流量ｍｔ、及びＡＢＶ流量ｍａｂｖ等が入力され、式（１）及び式（２）に従ってインタークーラー圧力Ｐｉｃが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　スロットルモデルとしては、下記の式（３）及び式（４）に示す絞りの式が用いられる。ここで、μは流量係数、Ａｔはスロットル開度がＴＡの時の開口面積、Ｐｍは吸気管圧力である。また、Ｐｍ／Ｐｉｃは、スロットルの前後の圧力比である。スロットルモデルでは、スロットル開度ＴＡ、インタークーラー圧力Ｐｉｃ、吸気管圧力Ｐｍ等が入力され、式（３）及び式（４）に従ってスロットル流量ｍｔが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　吸気管モデルは、吸気管内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルである（ただし、本明細書における吸気管には、吸気マニホールドとサージタンクが含まれている）。吸気管モデルとしては、具体的には、エネルギー保存則に基づいた下記の式（５）と流量保存則に基づいた下記の式（６）とが用いられている。ここで、ｍｅｇｒはＥＧＲによって吸気管内に導入されるガスの流量（以下、ＥＧＲ流量）、ＴｅｇｒはＥＧＲ温度、ｍｃは吸気弁を通って気筒内に吸入されるガスの流量（以下、吸気弁流量）、そして、Ｔｍは吸気管温度である。吸気管モデルでは、スロットル流量ｍｔ、吸気弁流量ｍｃ、ＥＧＲ流量ｍｅｇｒ等が入力され、式（５）及び式（６）に従って吸気管圧力Ｐｍが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　吸気弁モデルは、吸気弁流量ｍｃと吸気管圧力Ｐｍとの関係について調べた実験ベースのモデルである。吸気弁流量ｍｃと吸気管圧力Ｐｍとの関係は直線で近似することができる。このため、吸気弁モデルとしては、具体的には、経験則に基づいた下記の式（７）が用いられている。式（７）におけるａ及びｂは機関回転数に応じて定まる定数である。吸気弁モデルでは、吸気管圧力Ｐｍが入力され、式（７）に従って吸気弁流量ｍｃが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　内燃機関の制御装置であるＥＣＵは、上記の各式で表される空気量推定モデルを用いて吸気弁流量ｍｃを算出し、吸気弁流量ｍｃから気筒内に吸入される空気量を推定する。ただし、ＥＣＵでは四則演算による数値計算が行われるが、上記の式は微分方程式を含むためにそのままの形ではＥＣＵによる計算を行うことはできない。このため、空気量推定モデルをＥＣＵに搭載する場合には、四則演算によって解を求めることが可能になるように、差分法を用いて微分方程式を離散化することが行われている。
　ところが、上記の空気量推定モデルには、特開２００６－１５２８９９号公報に記載されているような計算上の問題が存在する。スロットル開度がＷＯＴの付近であってスロットルの前後の差圧が小さい条件では、過給状態が変化すると、吸気管圧力Ｐｍの計算値が振動的に変化してしまう。これは、スロットルの前後の差圧が小さい領域、すなわち、スロットルの前後の圧力比が１に近い領域では、圧力比の微小変化に対して式（３）の圧力比項Φの値が大きく変化する結果、ハンチングが発生してしまうためである。この問題を解決する一つの方法としては、近似式で用いるタイムステップの値を小さくとることが考えられるが、上記公報でも指摘されているように、その方法ではＥＣＵの計算負荷を増大させてしまうことになる。
　上記の問題に対する解決策として、特開２００６－１５２８９９号公報に記載の空気量推定装置（以下、先行技術による装置）では、スロットルの開度とその前後の圧力差とに応じて空気量推定モデルを切り替える方法が採られている。具体的には、先行技術による装置によれば、スロットル開度が閾値開度よりも大きく、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとがほぼ等しい定常値に収束している状況では、図１０に示す空気量推定モデルが使用され、それ以外では、前述の図９に示す空気量推定モデルが使用される。図１０に示す空気量推定モデルでは、図９に示す空気量推定モデルにおけるインタークーラーモデル、スロットルモデル及び吸気管モデルに代えて、インタークーラー吸気管合体モデルが用いられている。
　インタークーラー吸気管合体モデルは、スロットルを無視してインタークーラー部から吸気管までを一体化したボリュームとして扱い、そのボリューム内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルである。したがって、インタークーラー吸気管合体モデルでは、絞りの式を用いたスロットル流量の計算は行われない。インタークーラー吸気管合体モデルでは、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとは等しいと仮定される。また、インタークーラー温度Ｔｉｃと吸気管温度Ｔｍとは等しいと仮定される。インタークーラー吸気管合体モデルとしては、具体的には、エネルギー保存則に基づいた下記の式（８）と流量保存則に基づいた下記の式（９）とが用いられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　上記の式（８）及び式（９）で定義されるインタークーラー吸気管合体モデルによれば、主としてインタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気弁流量ｍｃとから吸気管圧力Ｐｍを算出することができる。これによれば、絞りの式を用いたスロットル流量の計算を必要としないので、従来、吸気管圧力Ｐｍの計算値が振動的になりやすかった領域でも、精度良く吸気管圧力Ｐｍを算出することができる。しかも、上記のインタークーラー吸気管合体モデルによれば、計算負荷を増大させることもない。したがって、先行技術による装置は、前述の問題に対する解決策としては有効であると考えられる。
　しかしながら、先行技術による装置には、空気量の推定精度に関していくつかの課題がある。
　その課題の１つは、インタークーラー吸気管合体モデルを使用可能な領域に関係する課題である。インタークーラー吸気管合体モデルは、スロットル開度がＷＯＴの付近であってインタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとがほぼ等しいことを前提としたモデルである。このため、先行技術による装置では、スロットルの前後に差圧が生じている状況では、図９に示す空気量推定モデル、すなわち、絞りの式を含む計算モデルによって計算が行われることになる。ところが、絞りの式を用いる場合には、スロットルの前後に差圧が生じているときであっても、その差圧が小さいときには吸気管圧力Ｐｍの計算値は振動的になってしまう場合がある。このような理由により、先行技術による装置は、スロットル開度がＷＯＴよりも小さく、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとの間にある程度の圧力差が生じている状況での空気量の推定精度について改善の余地がある。
　もう１つの課題は、吸気通路内の空気の流量に影響するＥＧＲやＡＢＶに関係する課題である。ＥＧＲが動作した場合、ＥＧＲ通路から吸気管内に空気（排気ガス）が導入される。図９に示す空気量推定モデルによれば、ＥＧＲの動作に伴って生じるＥＧＲ流量ｍａｂｖは、直接的には吸気管圧力Ｐｍにのみ影響する。ＥＧＲ流量ｍｅｇｒのインタークーラー圧力Ｐｉｃに対する影響は間接的であり、ＥＧＲ流量ｍｅｇｒの変化の影響により吸気管圧力Ｐｍが変化し、吸気管圧力Ｐｍの変化の影響によりスロットル流量ｍｔが変化し、スロットル流量ｍｔの変化の影響によりインタークーラー圧力Ｐｉｃが変化するという過程を経て、ＥＧＲ流量ｍｅｇｒの変化がインタークーラー圧力Ｐｉｃに影響する。したがって、ＥＧＲ流量ｍｅｇｒの変化に対するインタークーラー圧力Ｐｉｃの応答は、吸気管圧力Ｐｍの応答に比較して遅くなる。
　また、ＡＢＶが動作した場合は、インタークーラー部内から外部に空気が抜き出される。図９に示す空気量推定モデルによれば、ＡＢＶの動作に伴って生じるＡＢＶ流量ｍａｂｖは、直接的にはインタークーラー圧力Ｐｉｃにのみ影響する。ＡＢＶ流量ｍａｂｖの吸気管圧力Ｐｍに対する影響は間接的であり、ＡＢＶ流量ｍａｂｖの変化の影響によりインタークーラー圧力Ｐｉｃが変化し、インタークーラー圧力Ｐｉｃの変化の影響によりスロットル流量ｍｔが変化し、スロットル流量ｍｔの変化の影響により吸気管圧力Ｐｍが変化するという過程を経て、ＡＢＶ流量ｍａｂｖの変化が吸気管圧力Ｐｍに影響する。したがって、ＡＢＶ流量ｍａｂｖの変化に対する吸気管圧力Ｐｍの応答は、インタークーラー圧力Ｐｉｃの応答に比較して遅くなる。
　ところが、図１０に示す空気量推定モデルの場合には、ＥＧＲ流量ｍｅｇｒの変化の影響はインタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍの両方に直接的に影響する。またＡＢＶ流量ｍａｂｖの変化の影響もインタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍの両方に直接的に影響する。インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとが等しいことが、インタークーラー吸気管合体モデルの前提になっているからである。このため、図１０に示す空気量推定モデルでは、ＥＧＲ流量ｍｅｇｒやＡＢＶ流量ｍａｂｖの変化に伴ってインタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍの両方が同時に変化することとなって、モデルによる計算結果と現実に起きている現象との間で乖離が発生してしまう。
　図１１の表には、吸気管モデル、インタークーラーモデル、及びインタークーラー吸気管合体モデルのそれぞれについて、ＥＧＲのみが動作したときの圧力変化量と、ＡＢＶのみが動作したときの圧力変化量とが数式で記載されている。吸気管モデルにより計算される吸気管圧力Ｐｍの変化量は、吸気管内にて現実に起きている現象を厳密に表し、インタークーラーモデルにより計算されるインタークーラー圧力Ｐｉｃの変化量は、インタークーラー部内で現実に起きている現象を厳密に表している。これらとインタークーラー吸気管合体モデルによる計算結果との比較から分かるように、インタークーラー吸気管合体モデルでは、ＥＧＲやＡＢＶの動作時には、吸気通路の各部における圧力の変化を精度良く計算することができない。このため、先行技術による装置では、ＥＧＲやＡＢＶが動作してＥＧＲ流量ｍｅｇｒやＡＢＶ流量ｍａｂｖが変化した場合に、空気量の推定精度が悪化するおそれがある。
特開２００６－１５２８９９号公報 特開２００８－００８１５５号公報
　以上のように、先行技術による装置は、過給機付き内燃機関における空気量の推定精度に関して未だ改善の余地を有している。そこで、本発明は、計算負荷を増大させることなく空気量をより高い精度で推定することができる過給機付き内燃機関の空気量推定装置を提供することを目的とする。
　本発明が提供する空気量推定装置は、コンプレッサ流量を計算する機能、スロットル上流圧力を計算する機能、スロットル流量を計算する機能、スロットル下流圧力を計算する機能、吸気弁流量を計算する機能、及び、気筒内に吸入される空気量を計算する機能を有している。これらの機能はそれぞれが専用のハードウェアによって実現されてもよいし、ハードウェアは機能間で共有して個々の機能はソフトウェアによって実現されてもよい。以下、本空気量推定装置が有する各機能について説明する。
　コンプレッサ流量はコンプレッサを通過する空気の流量である。本空気量推定装置は、コンプレッサからスロットルまでの吸気通路であるスロットル上流部内の空気の圧力（以下、スロットル上流圧力）と、コンプレッサの回転速度とに基づいてコンプレッサ流量を計算する。その計算には、スロットル上流圧力及びコンプレッサ回転速度にコンプレッサ流量を関連付けたマップ、或いは、コンプレッサの物理モデルを用いることができる。
　スロットル上流圧力の計算のためには、本空気量推定装置は、スロットル上流部内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルを使用する。その物理モデルへの主たる入力としては、コンプレッサ流量とスロットルを通過する空気の流量であるスロットル流量とが用いられる。前記の物理モデルにコンプレッサ流量とスロットル流量とが入力されると、その物理モデルからはスロットル上流圧力が算出される。なお、内燃機関には、スロットル上流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、スロットル上流部内に外部から空気を導入するアクチュエータが備えられている場合がある。そのような場合には、アクチュエータの作動に伴うスロットル上流部内の空気流量の増減に応じてスロットル上流圧力が補正されるように、前記の物理モデルを構築しておけばよい。
　スロットル流量を計算する機能の詳細については後述する。本機能は先行技術に対する本空気量推定装置の一つの特徴であって、前述の課題を達成するための核となる機能である。
　スロットル流量は、スロットルから吸気弁までの吸気通路であるスロットル下流部内の空気の圧力（以下、スロットル下流圧力）の計算に用いられる。本空気量推定装置は、スロットル下流圧力の計算のためにスロットル下流部内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルを使用する。その物理モデルへの主たる入力として、スロットル流量と吸気弁流量とが用いられる。前記の物理モデルにスロットル流量と吸気弁流量とが入力されると、その物理モデルからはスロットル下流圧力が算出される。なお、内燃機関には、スロットル下流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、スロットル下流部内に外部から空気を導入するアクチュエータが備えられている場合がある。そのような場合には、アクチュエータの作動に伴うスロットル下流部内の空気流量の増減に応じてスロットル下流圧力が補正されるように、前記の物理モデルを構築しておけばよい。
　吸気弁流量は吸気弁を通過する空気の流量である。本空気量推定装置は、スロットル下流圧力に基づいて吸気弁流量を計算する。その計算には、経験則に基づく数式、具体的には、スロットル下流圧力を変数とする一次関数を用いることができる。本空気量推定装置は、吸気弁流量に基づいて、詳しくは、吸気弁が開いてから閉じるまでの吸気弁流量の積算値から気筒内に吸入される空気量を計算する。
　本空気量推定装置は、スロットル流量の計算の方法として、次の２つの計算方法を採ることができる。第１の計算方法は、スロットル上流圧力とスロットル下流圧力とスロットルの開度とに基づいて絞りの式によってスロットル流量を計算する方法である。本空気量推定装置が採用する絞りの式は、具体的には、前述の式（３）及び式（４）に示す式である。
　本空気量推定装置が採りうる第２の計算方法は、スロットル流量はコンプレッサ流量と吸気弁流量との中間にあるとの仮定のもと、コンプレッサ流量と吸気弁流量とに基づいて線形補間の式によってスロットル流量を計算する方法である。本空気量推定装置が採用する線形補間の式は、スロットル上流部の容積とスロットル下流部の容積との比を内分比とする式であって、具体的には次に示す式（１０）である。式（１０）において、ｍｔはスロットル流量、ｍｃｐはコンプレッサ流量、ｍｃは吸気弁流量、Ｖｕｓはスロットル上流部の容積、そして、Ｖｄｓはスロットル下流部の容積である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　本空気量推定装置は、上記の２つの計算方法のうちの１つを選択し、選択した計算方法に従ってスロットル流量を計算する。その選択条件には、スロットル下流圧力とスロットル上流圧力との関係に関する圧力条件が含まれている。本空気量推定装置において用いられている圧力条件は、スロットル上流圧力とスロットル下流圧力との差が基準差より小さいこと、或いは、スロットル下流圧力とスロットル上流圧力との比が基準比より大きいことである。本空気量推定装置は、このような圧力条件を含む所定の選択条件が満たされているかどうか判定する。選択条件が満たされていないと判定されるときは、本空気量推定装置は、第１の計算方法に従ってスロットル流量を計算することを選択する。一方、選択条件が満たされていると判定されるときは、本空気量推定装置は、第２の計算方法に従ってスロットル流量を計算することを選択する。
　上記の選択条件は、絞りの式を用いた計算では、スロットル下流圧力、すなわち、吸気管圧力の計算値に振動が発生するような条件である。本空気量推定装置は、そのような条件下では、絞りの式に代えて線形補間の式によってスロットル流量を計算する。スロットル流量の計算に絞りの式を用いる場合には、スロットル上流圧力とスロットル下流圧力はその計算において相互に複雑に関係する。しかし、スロットル流量の計算に式（１０）に示すような線形補間の式を用いれば、スロットル上流圧力とスロットル下流圧力を個別に計算することができる。これによれば、絞りの式を用いてスロットル流量を計算する場合にはスロットル下流圧力の計算値が振動的になってしまう領域でも、精度良くスロットル下流圧力を算出することが可能となる。また、式（１０）に示す関係は、スロットル開度がＷＯＴよりも小さく、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとの間にある程度の圧力差が生じている状況でも成り立つ関係である。したがって、式（１０）に示すような線形補間の式を用いれば、スロットル下流圧力の計算値が振動的になってしまう全ての領域において、空気量の推定精度を向上させることができる。しかも、式（１０）に示すような線形補間の式によれば、空気量の推定精度と引き換えに計算負荷が増大してしまうこともない。
　ここで、スロットル流量の計算に線形補間の式を用いることの妥当性について説明する。まず、スロットル上流部内の空気の状態の変化は、流量保存則により式（１１）によって表すことができる。式（１１）において、Ｐｕｓはスロットル上流圧力であり、Ｔｕｓはスロットル上流温度である。ただし、簡単のために、ここではスロットル上流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、スロットル下流部内に外部から空気を導入するアクチュエータは存在していない、若しくは、存在していても作動していないものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　スロットル上流部内の流量保存則の式（１１）において、スロットル流量ｍｔが式（１０）で計算されるものとすると、式（１１）は式（１２）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　一方、スロットル下流部内の空気の状態の変化は、流量保存則により式（１３）によって表すことができる。式（１３）において、Ｐｄｓはスロットル下流圧力であり、Ｔｄｓはスロットル下流温度である。ただし、簡単のために、ここではスロットル下流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、スロットル下流部内に外部から空気を導入するアクチュエータは存在していない、若しくは、存在していても作動していないものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　スロットル下流部内の流量保存則の式（１３）において、スロットル流量ｍｔが式（１０）で計算されるものとすると、式（１３）は式（１４）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　式（１３）と式（１４）とからは、次の式（１５）で示す関係が導き出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　前述の圧力条件が満たされるような状況では、スロットル上流温度Ｔｕｓとスロットル下流温度Ｔｄｓとは等しいと考えてもよい。したがって、式（１５）からは次の式（１６）で示す関係を得ることができる。式（１６）は、スロットル上流圧力Ｐｕｓの変化量とスロットル下流圧力Ｐｄｓの変化量とが等しいことを表している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　式（１６）に示すスロットル上流圧力Ｐｕｓとスロットル下流圧力Ｐｄｓとの関係は、前述の圧力条件が満たされる状況で現実に成り立っている関係である。式（１０）に示す線形補間の式によれば、内燃機関の過給状態によらず、スロットル上流圧力Ｐｕｓの計算値とスロットル下流圧力Ｐｄｓの計算値との間に式（１６）に示す関係を成り立たせることができる。これにより、前述の圧力条件が成立する状況でのスロットル流量の計算式としては、式（１０）に示す線形補間の式が妥当であることが確認できる。
　また、本空気量推定装置によれば、スロットル上流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、スロットル上流部内に外部から空気を導入するアクチュエータが作動した場合、その影響は直接的にはスロットル上流圧力の計算にのみ影響し、スロットル下流圧力の計算には直接的には影響しない。同様に、スロットル下流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、スロットル下流部内に外部から空気を導入するアクチュエータが作動した場合、その影響は直接的にはスロットル下流圧力の計算にのみ影響し、スロットル上流圧力の計算には直接的には影響しない。したがって、本空気量推定装置によれば、内燃機関にＡＢＶやＥＧＲといったアクチュエータが備えられ、それらアクチュエータが作動している場合であっても、スロットル上流圧力やスロットル下流圧の正確な計算が可能であり、ひいては、精度良く空気量を推定することができる。
本発明の実施の形態の空気量推定装置で用いられている空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態の空気量推定装置で用いられている空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態の空気量推定装置で用いられている空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態の空気量推定装置で用いられている空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態の空気量推定装置で用いられている空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態の空気量推定装置で用いられているスロットルモデルについて説明するための図である。 本発明の実施の形態の空気量推定装置によるインタークーラー圧力の計算処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の空気量推定装置による吸気管圧力の計算処理の流れを示すフローチャートである。 過給機付き内燃機関における吸気通路内の空気の挙動を厳密にモデル化した場合の空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。 先行技術による装置で用いられている空気量推定モデルを示す機能ブロック図である。 先行技術による装置で用いられている空気量推定モデルの課題について説明するための図である。
　本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
　本実施の形態の空気量推定装置は、過給機付き内燃機関に適用される。本空気量推定装置の適用対象となる内燃機関は、スロットルによる空気量の調整によってトルクを制御することのできる４サイクルレシプロエンジンである。本実施の形態において内燃機関に設けられる過給機は、吸気通路に配置されたコンプレッサを排気通路に配置されたタービンの回転によって駆動するターボ式の過給機である。コンプレッサとスロットルとの間には、コンプレッサによる圧縮によって温度が上昇した空気を冷却するためのインタークーラーが設けられている。また、本実施の形態の過給機付き内燃機関は、インタークーラー部内の空気を吸気通路におけるコンプレッサの上流側へパイパスさせるＡＢＶと、排気通路の排気ガスを吸気管内に再循環させるＥＧＲとを備えている。また、本実施の形態の過給機付き内燃機関は、各気筒の吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関でもある。
　本空気量推定装置は、内燃機関に備えられるＥＣＵの一機能として実現される。詳しくは、メモリに記憶されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで、ＥＣＵは空気量推定装置として機能する。ＥＣＵが空気量推定装置として機能する場合、ＥＣＵは、プログラムされている空気量推定モデルを用いて、気筒内に吸入される空気量（以下、筒内空気量）を推定する。
　本実施の形態で用いられる空気量推定モデルは、第１から第４までの４つの計算モデルから構成されている。図１は、空気量推定モデルの第１の計算モデルを示す機能ブロック図である。第１の計算モデルは、現在のスロットル開度に対する吸気弁流量を計算するための計算モデルである。第１の計算モデルは、ターボ回転数モデルＭ１、コンプレッサモデルＭ２、インタークーラーモデルＭ３、スロットルモデルＭ４、吸気管モデルＭ５、吸気弁モデルＭ６、エアクリーナモデルＭ７、ＡＢＶモデルＭ８、及びＥＧＲモデルＭ９を含んでいる。以下、第１の計算モデルに含まれる各サブモデルの内容について説明する。
　ターボ回転数モデルＭ１は、過給機の回転挙動のモデルであって、数式で表される物理モデル或いは実験データに基づくマップによって構成されている。ターボ回転数モデルＭ１では、ウエストゲートバルブのダイヤフラム圧Ｐｗｇｖと、後述する吸気弁モデルＭ６で算出された吸気弁流量ｍｃ(eklcrt)とが入力され、それらの入力情報からターボ回転数Ｎｔｂが算出される。なお、ダイヤフラム圧Ｐｗｇｖは、センサによって得られるセンサ情報である。
　コンプレッサモデルＭ２は、過給機のコンプレッサのモデルであって、数式で表される物理モデル或いは実験データに基づくマップによって構成されている。コンプレッサモデルＭ２では、ターボ回転数モデルＭ１で算出されたターボ回転数Ｎｔｂと、後述するインタークーラーモデルＭ３で算出されたインタークーラー圧力Ｐｉｃとが入力され、それらの入力情報からコンプレッサ流量ｍｃｐが算出される。
　エアクリーナモデルＭ７は、吸気通路の入口に配置されるエアクリーナでの圧力損失を算出するためのモデルであって、数式で表される物理モデル或いは実験データに基づくマップによって構成されている。エアクリーナモデルＭ７は、大気圧Ｐａから圧力損失分だけ減算した値をコンプレッサ上流圧力Ｐａｃとして算出する。なお、エアクリーナモデルＭ７に入力される大気圧Ｐａは、ベース値Ｐａ０に大気圧センサの出力値ｋＰａを乗じることで得ることができる。
　ＡＢＶモデルＭ８は、ＡＢＶによってインタークーラー部から外部に抜き出される空気の流量を算出するためのモデルである。ＡＢＶモデルＭ８としては、絞りの式が用いられている。ＡＢＶモデルＭ８では、エアクリーナモデルＭ７で算出されたコンプレッサ上流圧力Ｐａｃ、後述するインタークーラーモデルＭ３で算出されたインタークーラー圧力Ｐｉｃ、及びＡＢＶの駆動デューティＤａｂｖ等の情報が入力され、それらの入力情報からＡＢＶ流量ｍａｂｖが算出される。なお、ＡＢＶの駆動デューティＤａｂｖは、ＥＣＵによるＡＢＶ制御において算出される。
　ＥＧＲモデルＭ９は、ＥＧＲによって排気通路から吸気管内に再循環される空気（排気ガス）の流量を算出するためのモデルであって、数式で表される物理モデル或いは実験データに基づくマップによって構成されている。ＥＧＲモデルＭ９では、後述する吸気管モデルＭ５で算出された吸気管圧力Ｐａｍ、内燃機関の負荷ＫＬ、及びＥＧＲバルブの駆動デューティＤｅｇｒ等の情報が入力され、それらの入力情報からＥＧＲ流量ｍｅｇｒが算出される。なお、ＥＧＲバルブの駆動デューティＤｅｇｒは、ＥＣＵによるＥＧＲ制御において算出され、負荷ＫＬは、筒内吸入空気量から計算される。
　インタークーラーモデルＭ３、スロットルモデルＭ４、吸気管モデルＭ５、及び吸気弁モデルＭ６については、図９に示す従来の空気量推定モデルに関連して説明したとおりである。すなわち、インタークーラーモデルＭ３によれば、コンプレッサモデルＭ２で算出されたコンプレッサ流量ｍｃｐ、後述するスロットルモデルＭ４で算出されたスロットル流量ｍｔ、及びＡＢＶモデルＭ８で算出されたＡＢＶ流量ｍａｂｖ等の入力情報から、前述の式（１）及び式（２）に従ってインタークーラー圧力Ｐｉｃが算出される。
　また、スロットルモデルＭ４によれば、スロットル開度ＴＡ、インタークーラーモデルＭ３で算出されたインタークーラー圧力Ｐｉｃ、及び後述する吸気管モデルＭ５で算出された吸気管圧力Ｐｍ等の入力情報から、前述の式（３）及び式（４）に従ってスロットル流量ｍｔが算出される。なお、スロットル開度ＴＡは、センサによって得られるセンサ情報である。
　また、吸気管モデルＭ５によれば、スロットルモデルＭ４で算出されたスロットル流量ｍｔ、後述する吸気弁モデルＭ６で算出された吸気弁流量ｍｃ(eklcrt)、及び後述するＥＧＲモデルＭ９で算出されたＥＧＲ流量ｍｅｇｒ等の入力情報から、前述の式（５）及び式（６）に従って吸気管圧力Ｐｍが算出される。
　また、吸気弁モデルＭ６によれば、吸気管モデルＭ５で算出された吸気管圧力Ｐｍから、前述の式（７）に従って吸気弁流量ｍｃが算出される。ただし、図１に示すように、本空気量推定モデルの第１の計算モデルは、吸気弁モデルＭ６を２つ備えている。一方の吸気弁モデルＭ６には、吸気管モデルＭ５で算出された吸気管圧力Ｐｍがそのまま入力されている。吸気管圧力Ｐｍから算出された吸気弁流量ｍｃ(eklcrt)は、前述のようにターボ回転数モデルＭ１や吸気管モデルＭ５における計算で使用される。
　そして、他方の吸気弁モデルＭ６には、吸気管モデルＭ５で算出された吸気管圧力Ｐｍ(epmcrt)と、第１の計算モデルのモデル誤差を補正するための補正量との合計値である補正吸気管圧力Ｐｍ(epmact)が入力されている。他方の吸気弁モデルＭ６では、補正吸気管圧力Ｐｍ(epmact)に基づいて吸気弁流量ｍｃ(eklact)が算出される。本空気量推定装置は、吸気弁流量ｍｃ(eklact)に基づいて、詳しくは、吸気弁が開いてから閉じるまでの吸気弁流量ｍｃ(eklact)の積算値から筒内空気量を計算する。
　吸気管圧力Ｐｍ(epmcrt)に加えられる補正量は、第２の計算モデル及び第３の計算モデルによって計算される。図２は、空気量推定モデルの第２の計算モデルを示す機能ブロック図、図３は、空気量推定モデルの第３の計算モデルを示す機能ブロック図である。第２の計算モデルは、エアフローメータ（以下、ＡＦＭ）により実際に計測される空気の流量（以下、ＡＦＭ流量）に基づいて吸気管圧力を算出するモデルである。第３の計算モデルは、ＡＦＭ流量の計算値に基づいて吸気管圧力を算出するモデルである。
　第２の計算モデルは、インタークーラーモデルＭ３、スロットルモデルＭ４、吸気管モデルＭ５、吸気弁モデルＭ６、エアクリーナモデルＭ７、ＡＢＶモデルＭ８、及びＥＧＲモデルＭ９を含んでいる。これらサブモデルＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８，Ｍ９間における情報の入出力は、第１の計算モデルにおけるそれと共通している。ただし、第２の計算モデルでは、ＡＦＭにより計測されたＡＦＭ流量egaafmと、ＡＢＶモデルＭ８で算出されたＡＢＶ流量ｍａｂｖとの合計値がコンプレッサ流量ｍｃｐとして算出される。第２の計算モデルは、このようにして算出されたコンプレッサ流量ｍｃに基づいて吸気弁流量ｍｃ(eklsm)を算出し、また、吸気管圧力Ｐｍ(epmafm)を算出する。
　一方、第３の計算モデルは、第２の計算モデルが有するサブモデルＭ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８，Ｍ９に加えて、エアフローメータモデルＭ１０を含んでいる。ＡＦＭは固有の応答特性に基づく応答遅れを有している。エアフローメータモデルＭ１０は、そのようなＡＦＭの応答特性をシミュレートしたモデルであり、入力された流量に対してＡＦＭの応答遅れを考慮した流量を出力する。
　第３の計算モデルでは、ＡＦＭ流量の計算値（以下、計算ＡＦＭ流量）ｍａｆｍがエアフローメータモデルＭ１０に入力される。計算ＡＦＭ流量ｍａｆｍは、第１の計算モデルのコンプレッサモデルＭ２で算出されたコンプレッサ流量ｍｃｐと、第１の計算モデルのＡＢＶモデルＭ８で算出されたＡＢＶ流量ｍａｂｖとの差分として算出される。エアフローメータモデルＭ１０からは、ＡＦＭの応答遅れに合わせてディレイ処理された計算ＡＦＭ流量ｍａｆｍが出力される。そして、第３の計算モデルでは、エアフローメータモデルＭ１０でディレイ処理された計算ＡＦＭ流量ｍａｆｍと、ＡＢＶモデルＭ８で算出されたＡＢＶ流量ｍａｂｖとの合計値がコンプレッサ流量ｍｃｐとして算出される。第３の計算モデルは、このようにして算出されたコンプレッサ流量ｍｃに基づいて吸気弁流量ｍｃ(eklcrt4)を算出し、また、吸気管圧力Ｐｍ(epmcrtsm)を算出する。
　第１の計算モデルでは、第２の計算モデルで算出された吸気管圧力Ｐｍ(epmafm)と、第３の計算モデルで算出された吸気管圧力Ｐｍ(epmcrtsm)との差分が算出される。この差分は、モデルにより算出された計算ＡＦＭ流量ｍａｆｍが実際のＡＦＭ流量egaafmに対して持っている誤差を吸気管圧力Ｐｍの差に換算した値（モデル誤差）であるとみなすことができる。第１の計算モデルは、上記の差分をモデル誤差の補正量として吸気管圧力Ｐｍ(epmcrt)に加算し、その加算値を補正吸気管圧力Ｐｍ(epmact)として算出する。本空気量推定装置は、この補正吸気管圧力Ｐｍ(epmact)から吸気弁流量ｍｃ(eklact)を算出し、吸気弁流量ｍｃ(eklact)に基づいて、詳しくは、吸気弁が開いてから閉じるまでの吸気弁流量ｍｃ(eklact)の積算値から筒内空気量を計算する。これによれば、筒内空気量を精度良く推定することができる。
　ところで、実際の内燃機関において筒内空気量が確定する時点は吸気弁の閉弁時である。一方、本実施形態の内燃機関はポート噴射型の内燃機関であるので、各サイクルの燃料噴射は少なくとも吸気弁の閉弁時よりも前に完了する必要がある。したがって、筒内に形成される混合気の空燃比を目標空燃比に一致させるためには、吸気弁閉弁時よりも前の燃料噴射時にそのサイクルの吸気弁閉弁時の筒内空気量を先読みすることが求められる。この先読みを可能とするためには、現時点より先の時点のスロットル開度、つまり未来のスロットル開度を先読みする必要がある。そこで、本空気量推定装置は、車両のアクセルペダル操作量に基づいて算出される目標スロットル開度に対し、実際のスロットル開度が所定時間だけ遅れるようにスロットルを動作させる、いわゆるスロットルディレイ制御を実施する。このスロットルディレイ制御によれば、目標スロットル開度は所定時間だけ未来のスロットル開度に相当するので、目標スロットル開度から未来のスロットル開度を先読みすることが可能となる。
　第４の計算モデルは、先読みした未来のスロットル開度ＴＡｆｗｄに基づいて、吸気弁閉弁時の筒内空気量を算出するための計算モデルである。図４は、第４の計算モデルを示す機能ブロック図である。図４に示すように、第４の計算モデルは、ターボ回転数モデルＭ１、コンプレッサモデルＭ２、インタークーラーモデルＭ３、スロットルモデルＭ４、吸気管モデルＭ５、吸気弁モデルＭ６、エアクリーナモデルＭ７、ＡＢＶモデルＭ８、及びＥＧＲモデルＭ９を含んでいる。それらサブモデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６，Ｍ７，Ｍ８，Ｍ９間における情報の入出力は、第１の計算モデルにおけるそれと共通している。ただし、第４の計算モデルでは、先読みしたスロットル開度ＴＡｆｗｄがスロットルモデルＭ４に入力される。
　また、第４の計算モデルは、第１の計算モデルと同様に、吸気弁モデルＭ６を２つ備えている。一方の吸気弁モデルＭ６には、吸気管モデルＭ５で算出された吸気管圧力Ｐｍがそのまま入力されている。吸気管圧力Ｐｍから算出された吸気弁流量ｍｃ(eklvlv)は、ターボ回転数モデルＭ１や吸気管モデルＭ５における計算で使用される。
　他方の吸気弁モデルＭ６には、吸気管モデルＭ５で算出された吸気管圧力Ｐｍ(epmvlv)と、第４の計算モデルのモデル誤差を補正するための補正量との合計値である補正吸気管圧力Ｐｍ(epmfwd)が入力されている。補正量には、第２の計算モデルで算出された吸気管圧力Ｐｍ(epmafm)と、第３の計算モデルで算出された吸気管圧力Ｐｍ(epmcrtsm)との差分が用いられる。他方の吸気弁モデルＭ６では、補正吸気管圧力Ｐｍ(epmfwd)に基づいて吸気弁流量ｍｃ(eklcylfwd)が算出される。吸気弁流量ｍｃ(eklcylfwd)は、所定時間だけ未来の吸気弁流量である。本空気量推定装置は、この先読みした吸気弁流量ｍｃ(eklcylfwd)に基づいて吸気弁閉弁時の筒内空気量を推定し、吸気弁閉弁時の推定筒内空気量と目標空燃比とを用いて燃料噴射量を計算する。
　以上、本実施の形態の空気量推定モデルを構成する４つの計算モデルについて説明した。ただし、本実施の形態の空気量推定モデルには２つのモードがあり、それぞれの計算モデルごとに２つのモードが用意されている。図１乃至図４に示す各計算モデルの構成は、そのうちの１つのモードに対応する構成である。以下、空気量推定モデルの２つのモードについて説明する。
　本空気量推定装置は、空気量推定モデルのモードとして、所定の選択条件が満たされていないときに選択する第１のモードと、所定の選択条件が満たされたときに選択する第２のモードとを有している。図１乃至図４で表される空気量推定モデルの構成は、第１のモードにおける構成である。第１のモードの特徴は、絞りの式、すなわち、前述の式（３）及び式(４)によってスロットル流量ｍｔを計算するスロットルモデルＭ４が用いられることである。
　モードの切り替えの条件である選択条件には、スロットルモデルＭ４によるスロットル流量ｍｔの計算では筒内空気量を精度良く推定できないような圧力条件が含まれている。具体的には、吸気管圧力Ｐｍとインタークーラー圧力Ｐｉｃとの圧力比Ｐｍ／Ｐｉｃの大きさが、１より小さい値に設定された所定の基準比より大きいという圧力条件が選択条件には含まれている。吸気管圧力Ｐｍとインタークーラー圧力Ｐｉｃとの圧力比Ｐｍ／Ｐｉｃが１に近い領域では、圧力比Ｐｍ／Ｐｉｃの微小変化に対して式（３）の圧力比項Φの値が大きく変化する。その結果、ハンチングが発生して吸気管圧力Ｐｍが振動的になり、筒内空気量を精度良く推定することができなくなる。
　上記の選択条件が満たされたときに使用される空気量推定モデルの第２のモードは、スロットル流量ｍｔの計算に絞りの式を使用しないモードである。第２のモードでは、第１のモードのスロットルモデルＭ４に代えて、以下に説明するスロットルモデルＭ４ａが各計算モデルにおいて使用される。図５は、第２のモードにおける第１の計算モデルを示す機能ブロック図である。図示は省略するが、他の計算モデルにおけるスロットルモデルＭ４ａとの他のサブモデルとの間における情報の入出力は、図５に示す第１の計算モデルにおけるそれと共通している。
　スロットルモデルＭ４ａでは、スロットル流量ｍｔの計算に下記の式（１７）が用いられる。下記の式（１７）は、コンプレッサ流量ｍｃｐと吸気弁流量ｍｃとから線形補間によってスロットル流量ｍｔを計算するための式である。この線形補間の式では、図６に示すように、スロットル上流部の容積であるインタークーラー部容積Ｖｉｃと、スロットル下流部の容積である吸気管容積Ｖｍとの比を内分比として、中間点であるスロットル流量ｍｔの計算が行われる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　スロットルモデルＭ４ａによれば、コンプレッサモデルＭ２で算出されたコンプレッサ流量ｍｃｐと、吸気弁モデルＭ６で算出された吸気弁流量ｍｃ(eklcrt)とを入力情報としてスロットル流量ｍｔが算出される。入力情報としてスロットル開度は不要であり、また、吸気管圧力Ｐｍやインタークーラー圧力Ｐｉｃといった圧力に関する情報も不要である。スロットル流量ｍｔの計算に絞りの式を用いる場合には、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍはその計算において相互に複雑に関係する。しかし、スロットル流量ｍｔの計算に式（１７）に示す線形補間の式を用いれば、図７及び図８のフローチャートに示すように、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍを個別に計算することができる。
　図７及び図８のフローチャートについて説明すると、図７のフローチャートには本空気量推定装置によるインタークーラー圧力Ｐｉｃの計算処理の流れが示され、図８のフローチャートには本空気量推定装置による吸気管圧力Ｐｍの計算処理の流れが示されている。
　インタークーラー圧力Ｐｉｃの計算では、図７のフローチャートに示すように、まず、コンプレッサモデルＭ２によってコンプレッサ流量ｍｃｐが算出される（ステップＳ１０１）。次に、絞りの式を用いたスロットル流量ｍｔの計算では吸気管圧力Ｐｍに振動が発生する領域かどうか、すなわち、前述の選択条件が満たされているかどうか判定される（ステップＳ１０２）。判定の結果が否定であるならば、吸気管圧力Ｐｍ、インタークーラー圧力Ｐｉｃ、及びスロットル開度ＴＡに基づき、式（３）及び式（４）に示す絞りの式に従ってスロットル流量ｍｔが算出される（ステップＳ１０５）。一方、判定の結果が肯定であるならば、吸気弁モデルＭ６によって吸気弁流量ｍｃが算出される（ステップＳ１０３）。そして、コンプレッサ流量ｍｃｐと吸気弁流量ｍｃとに基づき、式（１７）に示す線形補間の式に従ってスロットル流量ｍｔが算出される（ステップＳ１０４）。スロットル流量ｍｔの計算後は、ＡＢＶモデルＭ８によってＡＢＶ流量ｍａｂｖが算出される（ステップＳ１０６）。そして、インタークーラーモデルＭ３によってインタークーラー圧力Ｐｉｃが算出される（ステップＳ１０７）。
　吸気管圧力Ｐｍの計算では、図８のフローチャートに示すように、まず、吸気弁モデルＭ６によって吸気弁流量ｍｃが算出される（ステップＳ２０１）。次に、絞りの式を用いたスロットル流量ｍｔの計算では吸気管圧力Ｐｍに振動が発生する領域かどうか、すなわち、前述の選択条件が満たされているかどうか判定される（ステップＳ２０２）。判定の結果が否定であるならば、吸気管圧力Ｐｍ、インタークーラー圧力Ｐｉｃ、及びスロットル開度ＴＡに基づき、式（３）及び式（４）に示す絞りの式に従ってスロットル流量ｍｔが算出される（ステップＳ２０５）。一方、判定の結果が肯定であるならば、コンプレッサモデルＭ２によってコンプレッサ流量ｍｃｐが算出される（ステップＳ２０３）。そして、コンプレッサ流量ｍｃｐと吸気弁流量ｍｃとに基づき、式（１７）に示す線形補間の式に従ってスロットル流量ｍｔが算出される（ステップＳ２０４）。スロットル流量ｍｔの計算後は、ＥＧＲモデルＭ９によってＥＧＲ流量ｍｅｇｒが算出される（ステップＳ２０６）。そして、吸気管Ｍ５によって吸気管圧力Ｐｍが算出される（ステップＳ２０７）。
　以上のような手順でインタークーラー圧力Ｐｉｃ及び吸気管圧力Ｐｍの計算が行われることで、絞りの式では吸気管圧力Ｐｍの振動が発生しやすい領域でも、振動を生じさせることなく精度良く吸気管圧力Ｐｍを算出することが可能となる。しかも、式（１７）によるスロットル流量ｍｔの計算であれば、筒内空気量の推定精度と引き換えに計算負荷が増大してしまうこともない。
　ここで、図５においてインタークーラーモデルＭ３、スロットルモデルＭ４ａ、及び吸気管モデルＭ５から構成されるモデルを、インタークーラー吸気管モデルＭ１００ａと定義する。また、図１乃至図４の各図においてインタークーラーモデルＭ３、スロットルモデルＭ４、及び吸気管モデルＭ５から構成されるモデルを、インタークーラー吸気管モデルＭ１００と定義する。各計算モデルにおけるモードの切り替えでは、前述の選択条件が満たされた場合に、インタークーラー吸気管モデルＭ１００がインタークーラー吸気管モデルＭ１００ａに切り替えられる。
　特開２００６－１５２８９９号公報に記載された先行技術による装置では、インタークーラー吸気管モデルＭ１００ａに当たる部分に図１０に示すインタークーラー吸気管合体モデルが使用されている。先行技術のインタークーラー吸気管合体モデルとインタークーラー吸気管モデルＭ１００ａとを比較した場合、インタークーラー吸気管モデルＭ１００ａによれば、ＡＢＶ流量ｍａｂｖの直接的な影響はインタークーラー圧力Ｐｉｃの計算にのみ限定することができ、ＥＧＲ流量ｍｅｇｒの直接的な影響は吸気管圧力Ｐｍの計算にのみ限定することができるという特徴がある。このような特徴を備えることで、本空気量推定装置によれば、ＡＢＶやＥＧＲが作動している場合であっても、インタークーラー圧力Ｐｉｃや吸気管圧力Ｐｍの正確な計算が可能であり、ひいては、精度良く筒内空気量を推定することができる。
　以上が本発明の実施の形態についての説明である。ただし、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態では、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとの圧力比が基準比よりも大きいことを圧力条件としていたが、インタークーラー圧力Ｐｉｃと吸気管圧力Ｐｍとの差が基準差より小さいことを圧力条件としてもよい。また、圧力条件に加えて、スロットル開度が基準開度よりも大きいことを選択条件の一つに含めてもよい。
　本発明の空気量推定装置が適用される過給機付き内燃機関は、吸気通路に配置されたコンプレッサを内燃機関の出力軸から取り出した駆動力によって駆動する機械式の過給機を備えた内燃機関でもよい。また、上述の実施の形態のようなポート噴射型の内燃機関には限定されず、直噴型の内燃機関や、ポート噴射と直噴の両方が可能な内燃機関にも本発明の空気量推定装置は適用可能である。
　また、本発明の空気量推定装置が適用される過給機付き内燃機関においては、インタークーラーは必須ではない。また、ＡＢＶやＥＧＲも必須ではない。ＡＢＶとＥＧＲのいずれか一方のみが設けられている内燃機関や、ＡＢＶとＥＧＲのどちらも設けられていない内燃機関にも本発明の空気量推定装置は適用可能である。また、ＥＧＲは、排気ガスを吸気管内ではなくスロットルの上流部に再循環させるものであってもよい。
Ｍ１　ターボ回転数モデル
Ｍ２　コンプレッサモデル
Ｍ３　インタークーラーモデル
Ｍ４　Ｐｍ発振領域外で使用するスロットルモデル
Ｍ４ａ　Ｐｍ発振領域で使用するスロットルモデル
Ｍ５　吸気管モデル
Ｍ６　吸気弁モデル
Ｍ７　エアクリーナモデル
Ｍ８　ＡＢＶモデル
Ｍ９　ＥＧＲモデル
Ｍ１０　エアフローメータモデル
Ｍ１００　Ｐｍ発振領域外で使用するインタークーラー吸気管モデル
Ｍ１００ａ　Ｐｍ発振領域で使用するインタークーラー吸気管モデル

Claims (4)

  1. 　外部から取り込んだ空気を気筒内に導入する吸気通路と、前記吸気通路に配置されたコンプレッサと、前記コンプレッサの下流にて前記吸気通路内に配置されたスロットルと、前記吸気通路と前記気筒との接続部に配置された吸気弁と、を備える過給機付き内燃機関の空気量推定装置において、
    　前記コンプレッサから前記スロットルまでの吸気通路（以下、スロットル上流部）内の空気の圧力（以下、スロットル上流圧力）と前記コンプレッサの回転速度とに基づき前記コンプレッサを通過する空気の流量（以下、コンプレッサ流量）を計算するコンプレッサ流量計算手段と、
    　前記スロットル上流部内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルを用いて、前記コンプレッサ流量と前記スロットルを通過する空気の流量（以下、スロットル流量）とに基づき前記スロットル上流圧力を計算するスロットル上流圧力計算手段と、
    　前記スロットル流量を計算するスロットル流量計算手段と、
    　前記スロットルから前記吸気弁までの吸気通路（以下、スロットル下流部）内の空気に関する保存則に基づいて構築された物理モデルを用いて、前記スロットル流量と前記吸気弁を通過する空気の流量（以下、吸気弁流量）とに基づき前記スロットル下流部内の空気の圧力（以下、スロットル下流圧力）を計算するスロットル下流圧力計算手段と、
    　前記スロットル下流圧力に基づき前記吸気弁流量を計算する吸気弁流量計算手段と、
    　前記吸気弁流量に基づき前記気筒内に吸入される空気量を計算する空気量計算手段と、を備え、
    　前記スロットル流量計算手段は、
    　前記スロットル上流圧力と前記スロットル下流圧力と前記スロットルの開度とに基づいて絞りの式によって前記スロットル流量を計算する第１の計算手段と、
    　前記コンプレッサ流量と前記吸気弁流量とに基づいて線形補間の式によって前記スロットル流量を計算する第２の計算手段と、
    　前記スロットル上流圧力と前記スロットル下流圧力との差が基準差より小さいか、或いは、前記スロットル下流圧力と前記スロットル上流圧力との比が基準比より大きいという圧力条件を含む所定の選択条件を満足するか否かを判定する選択条件判定と、
    　前記選択条件を満足しないと判定されるときは、前記第１の計算手段により前記スロットル流量を計算することを選択し、前記選択条件を満足すると判定されるときは、前記第２の計算手段により前記スロットル流量を計算することを選択する選択手段と、
    を含むことを特徴とする過給機付き内燃機関の空気量推定装置。
  2. 　前記内燃機関は、前記スロットル上流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、前記スロットル上流部内に外部から空気を導入するアクチュエータを備え、
    　前記スロットル上流圧力計算手段は、前記アクチュエータの作動に伴う前記スロットル上流部内の空気流量の増減に応じて前記スロットル上流圧力を補正するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関の空気量推定装置。
  3. 　前記内燃機関は、前記スロットル下流部内から外部に空気を抜き出し、或いは、前記スロットル下流部内に外部から空気を導入するアクチュエータを備え、
    　前記スロットル下流圧力計算手段は、前記アクチュエータの作動に伴う前記スロットル下流部内の空気流量の増減に応じて前記スロットル下流圧力を補正するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の過給機付き内燃機関の空気量推定装置。
  4. 　前記第２の計算手段は、前記スロットル流量をｍｔ、前記コンプレッサ流量をｍｃｐ、前記吸気弁流量をｍｃ、前記スロットル上流部の容積をＶｕｓ、前記スロットル下流部の容積をＶｄｓとした場合、以下の式によって前記スロットル流量を計算するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の過給機付き内燃機関の空気量推定装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
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