過給機付き内燃機関の空気量推定装置
【課題】過給機付き内燃機関において筒内空気量を精度良く推定する。
【解決手段】吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同時点よりも所定の先読み時間だけ先行する時点にて予測する。そのために、まず、測定した吸気管圧力Pmactを用いて現在の吸気弁流量Mcactを計算する。次に、吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間と先読み時間との差分だけ吸気弁流量Mcactを遅らせることで先読み時間だけ将来のタービン流量Mtbfwdを得る。そして、将来タービン流量Mtbfwdを用いて先読み時間だけ将来のターボ回転数Ntbfwdを計算する。次に、将来ターボ回転数Ntbfwdを用いて先読み時間だけ将来の吸気管圧Pmfwdを計算し、さらに、将来吸気管圧Pmfwdを用いて先読み時間だけ将来の吸気弁流量Mcfwdを計算する。そして、将来吸気弁流量Mcfwdを用いて吸気弁閉時点における筒内空気量を計算する。
【解決手段】吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同時点よりも所定の先読み時間だけ先行する時点にて予測する。そのために、まず、測定した吸気管圧力Pmactを用いて現在の吸気弁流量Mcactを計算する。次に、吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間と先読み時間との差分だけ吸気弁流量Mcactを遅らせることで先読み時間だけ将来のタービン流量Mtbfwdを得る。そして、将来タービン流量Mtbfwdを用いて先読み時間だけ将来のターボ回転数Ntbfwdを計算する。次に、将来ターボ回転数Ntbfwdを用いて先読み時間だけ将来の吸気管圧Pmfwdを計算し、さらに、将来吸気管圧Pmfwdを用いて先読み時間だけ将来の吸気弁流量Mcfwdを計算する。そして、将来吸気弁流量Mcfwdを用いて吸気弁閉時点における筒内空気量を計算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機付き内燃機関、特に、ターボ式の過給機付き内燃機関の空気量推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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内燃機関の筒内空気量を推定する手法が知られている。物理モデルとしては、例えば、スロットルモデル、吸気管モデル及び吸気弁モデルを組み合わせてなるものが用いられている。スロットルモデルは、スロットル上流圧力とスロットル開度とからスロットル流量を計算するためのモデルである。吸気管モデルは、スロットル流量から吸気管圧を計算するためのモデルである。そして、吸気弁モデルは、吸気管圧から吸気弁流量を計算するためのモデルである。
【０００３】
このような物理モデルを用いた筒内空気量の推定手法は、過給機付きの内燃機関にも適用することができる。ただし、自然吸気型の内燃機関であればスロットル上流圧力はほぼ大気圧に等しいとみなすことができるのに対し、過給機付きの内燃機関の場合には過給状態に応じてスロットル上流圧力は変動する。このため、過給機付き内燃機関に関して筒内空気量の推定を行うためには、過給機の動作特性をモデル化したものを前述の物理モデルの要素として組み込む必要がある。なお、過給機のモデル化に関しては、例えば特開２００６−０２２７６３号公報にその例が記載されている。
【０００４】
また、筒内空気量の推定手法に関連して、目標スロットル開度の算出時点からスロットルへの出力時点までの間に意図的に遅延時間を設ける、いわゆるスロットルディレイ制御が知られている。スロットルディレイ制御によれば、実際のスロットル開度を目標スロットル開度よりも遅延時間分だけ遅れて変化させることができるので、その遅延時間分だけ将来のスロットル開度を遅延前の目標スロットル開度から予測することが可能になる。将来のスロットル開度が予測できれば、前述の物理モデルを用いた計算によって、吸気弁の閉時点において確定する筒内空気量を前もって予測することが可能になる。より具体的には、吸気弁の閉時点に先行する燃料噴射量の計算時点において、吸気弁の閉時点における確定筒内空気量を精度良く予測することができ、その予測した確定筒内空気量に基づいて目標空燃比の実現に必要な燃料噴射量を計算することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０２２７６３号公報
【特許文献２】特開２００５−１５５３８４号公報
【特許文献３】特開２００６−１９４１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、対象となる内燃機関が過給機付き内燃機関である場合には、スロットルディレイ制御を用いたとしても筒内空気量を精度良く予測することができないおそれがある。スロットルディレイ制御では、先読みした将来のスロットル開度を得ることができるのに対し、従来の過給機のモデルでは、例えば、特開２００６−０２２７６３号公報に記載されているものがそうであるように、現在のスロットル上流圧力しか推定できないためである。自然吸気型の内燃機関の場合には、時間によるスロットル上流圧力の変化は僅かであるが、過給機付きの内燃機関の場合には、時間によってスロットル上流圧力は大きく変化する。このため、スロットルディレイ制御により将来のスロットル開度を先読みしたとしても、推定したスロットル上流圧力が現在のスロットル上流圧力である場合には、それらを用いて計算した吸気管圧は真の将来の吸気管圧とは異なったものになってしまう。将来の吸気管圧を正確に計算することができなければ、吸気弁の閉時点において確定する筒内空気量を精度良く予測することはできず、結果、目標空燃比の実現に必要な燃料噴射量を正しく算出することは困難となる。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、過給機付き内燃機関において筒内空気量を精度良く推定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同吸気弁閉時点よりも所定の先読み時間だけ先行する時点にて予測する過給機付き内燃機関の空気量推定装置において、吸気管圧力を測定する吸気管圧力測定手段と、前記吸気管圧力を用いて現在の吸気弁流量を計算する吸気弁流量計算手段と、前記吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間を計算する遅れ時間計算手段と、前記吸気弁流量を前記遅れ時間と前記先読み時間との差分だけ遅らせることで現在よりも前記先読み時間だけ将来のタービン流量を得る将来タービン流量予測手段と、前記将来タービン流量を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のターボ回転数を計算する将来ターボ回転数予測手段と、前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算する将来吸気管圧予測手段と、前記将来吸気管圧を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気弁流量を計算する将来吸気弁流量予測手段と、前記将来吸気弁流量を用いて前記吸気弁閉時点における筒内空気量を計算する筒内空気量予測手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記将来吸気管圧予測手段は、前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル上流圧力を計算する手段と、現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル開度を取得する手段と、前記将来スロットル上流圧力と前記将来スロットル開度とを用いて前記将来吸気管圧を計算する手段とを備えることを特徴としている。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記吸気弁流量を前記遅れ時間だけ遅らせることで現在のタービン流量を得る現在タービン流量推定手段と、前記現在タービン流量を用いて現在のターボ回転数を計算する現在ターボ回転数推定手段と、前記現在ターボ回転数を用いて現在の吸気管圧を計算する現在吸気管圧推定手段と、前記現在吸気管圧を用いて現在の吸気弁流量を計算する現在吸気弁流量推定手段と、前記現在吸気弁流量を用いて現在の筒内空気量を計算する筒内空気量推定手段とをさらに備えることを特徴としている。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、前記現在吸気管圧推定手段は、前記現在ターボ回転数を用いて現在のスロットル上流圧力を計算する手段と、現在のスロットル開度を取得する手段と、前記現在スロットル上流圧力と前記現在スロットル開度とを用いて前記現在吸気管圧を計算する手段とを備えることを特徴としている。
【００１２】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記吸気管圧力測定手段は、吸気管に取り付けられて吸気管圧力に応じた信号する吸気管圧力センサと、前記吸気管圧力センサの信号を吸気管圧力に変換する手段とを備えることを特徴としている。
【００１３】
第６の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記吸気管圧力測定手段は、コンプレッサとスロットルとの間に取り付けられてスロットル上流圧力に応じた信号するスロットル上流圧力センサと、前記スロットル上流圧力センサの信号をスロットル上流圧力に変換する手段と、前記スロットル上流圧力と現在スロットル開度とを用いて吸気管圧を計算する手段とを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、現在よりも先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算するために、吸気管圧力の測定値に基づいて計算された現在よりも先読み時間だけ将来のターボ回転数が用いられるので、吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同吸気弁閉時点よりも先読み時間だけ先行する時点にて精度良く予測することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、現在よりも先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算するために、将来ターボ回転数を用いて計算された将来スロットル上流圧力に加えて先読み時間だけ将来のスロットル開度が用いられるので、将来のスロットル開度に変化がある場合でも筒内空気量を精度良く予測することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、吸気弁閉時点における筒内空気量を前もって予測することができるだけでなく、吸気管圧力の測定値に基づいて計算された現在のターボ回転数を用いて現在の筒内空気量を精度良く推定することもできる。
【００１７】
第４の発明によれば、現在の吸気管圧を計算するために、現在ターボ回転数を用いて計算された現在スロットル上流圧力に加えて現在のスロットル開度が用いられるので、スロットル開度が変化している場合でも現在の筒内空気量を精度良く推定することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、吸気管圧力センサの信号を処理してられた吸気管圧力の測定値を用いることによって、将来のターボ回転数や現在のターボ回転数を精度良く計算することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、スロットル上流圧力センサの信号を処理して得られた吸気管圧力の測定値を用いることによって、将来のターボ回転数や現在のターボ回転数を精度良く計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１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。
【図２】本発明の実施の形態１で採られている吸気弁流量を用いて各タービン流量を計算する方法について説明するための図である。
【図３】吸気弁流量の変化に対するタービン流量の遅れ時間について説明するための図である。
【図４】図１の空気量推定モデルに含まれるターボ回転数モデルの詳細を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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筒内空気量を推定する。
【００２４】
図１は、本実施の形態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。本実施の形態で用いられる空気量推定モデルは、３つの計算モデルＭ１００、Ｍ２００、Ｍ３００から構成されている。
【００２５】
第１の計算モデルＭ１００は、現在のスロットル開度TAに基づいて筒内空気量を推定するための計算モデルである。第１の計算モデルＭ１００は、エアクリーナモデルＭ１、コンプレッサモデルＭ２、インタークーラモデル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を含んでいる。これらのサブモデルＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６の内容については公知であるので、ここではその概略についてのみ示すものとする。
【００２６】
エアクリーナモデルＭ１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Ｍ１は、大気圧から圧力損失分だけ減算した値をエアクリーナ圧力Pacとして算出する。
【００２７】
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、エアクリーナ圧力Pacと、後述するインタークーラモデルＭ３で算出された現在インタークーラ圧力Piccrtと、後述する第３の計算モデルで算出された現在ターボ回転数Ntbcrtとが入力され、それらの入力情報から現在のコンプレッサ流量Mcpcrtが算出される。
【００２８】
インタークーラモデルＭ３は、吸気通路におけるインタークーラ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。インタークーラモデルＭ３としては、具体的にはエネルギー保存則の式と流量保存則の式とが用いられている。インタークーラモデルＭ３によれば、コンプレッサモデルＭ２で算出された現在コンプレッサ流量Mcpcrt等の入力情報から現在のインタークーラ圧力Piccrtが算出される。
【００２９】
スロットルモデルＭ４は、スロットルの前後の圧力状態とスロットル開度とからスロットルを通過する空気量の流量を算出するたけのモデルであって、具体的には絞りの式が用いられる。スロットルモデルＭ４によれば、現在のスロットル開度TA、インタークーラモデルＭ３で算出された現在インタークーラ圧力Piccrt、及び後述する吸気管モデルＭ５で算出された現在吸気管圧力Pmcrt等の入力情報から現在のスロットル流量Mtcrtが算出される。
【００３０】
吸気管モデルＭ５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。吸気管モデルＭ５としては、具体的にはエネルギー保存則の式と流量保存則の式とが用いられている。吸気管モデルＭ５によれば、スロットルモデルＭ４で算出された現在スロットル流量Mtcrt等の入力情報から現在の吸気管圧力Pmcrtが算出される。
【００３１】
吸気弁モデルＭ６は、吸気弁流量と吸気管圧力との関係について調べた実験ベースのモデルである。実験で得られた経験則により、吸気弁モデルＭ６においては吸入空気量と吸気管圧力との関係が直線で近似されている。吸気弁モデルＭ６に現在の吸気管圧力Pmcrtを入力することによって、それにより実現される吸気弁流量Mccrtが算出される。本空気量推定装置は、吸気弁流量Mccrt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Mccrtの積算値から筒内空気量を計算する。
【００３２】
第２の計算モデルＭ２００は、先読みした将来のスロットル開度ＴＡfwdに基づいて吸気弁の閉時点での筒内空気量を予測するための計算モデルである。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時点である。一方、本実施の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時点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、吸気弁の閉時点よりも前の燃料噴射時にそのサイクルの確定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、つまり将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将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将来のスロットル開度TAfwdを先読みすることが可能となる。ここでは、スロットル開度TAfwdの実際のスロットル開度TAに対する先読み時間をTfwdとする。先読み時間Tfwdは、燃料噴射量の計算時点（燃料噴射の開始時点）から吸気弁の開時点までの時間に設定される。
【００３３】
第２の計算モデルＭ２００は、第１の計算モデルＭ１００と同じく、エアクリーナモデルＭ１、コンプレッサモデルＭ２、インタークーラモデル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を含んでいる。これらのサブモデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６間における情報の入出力は、第１の計算モデルＭ１００におけるそれと共通している。ただし、第２の計算モデル２００では、後述する第３の計算モデルＭ３００で算出された現在より先読み時間Tfwdだけ将来のターボ回転数NtbfwdがコンプレッサモデルＭ２に入力されるとともに、先読みした将来のスロットル開度TAfwdがスロットルモデルＭ４に入力される。
【００３４】
コンプレッサモデルＭ２では、エアクリーナ圧力Pac、将来インタークーラ圧力Picfwd、及び将来ターボ回転数Ntbfwdなどの入力情報から先読み時間Tfwdだけ将来のコンプレッサ流量Mcpfwdが算出される。インタークーラモデルＭ３では、将来コンプレッサ流量Mcpfwd等の入力情報から現在より先読み時間Tfwdだけ将来のインタークーラ圧力Picfwdが算出される。スロットルモデルＭ４では、先読みした将来のスロットル開度TAfwd、将来インタークーラ圧力Picfwd、及び将来吸気管圧力Pmfwd等の入力情報から先読み時間Tfwdだけ将来のスロットル流量Mtfwdが算出される。吸気管モデルＭ５では、将来スロットル流量Mtfwd等の入力情報から先読み時間Tfwdだけ将来の吸気管圧力Pmfwdが算出される。そして、吸気弁モデルＭ６では、将来吸気管圧力Pmfwdによって実現される吸気弁流量Mcfwdが算出される。吸気弁流量Mcfwdは、現在より先読み時間Tfwdだけ将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Mcfwdに基づいて吸気弁の閉弁時点の筒内空気量を計算し、吸気弁閉弁時点の予測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。
【００３５】
第３の計算モデルＭ３００は、吸気管圧力センサ（図示略）の信号に基づいて現在のターボ回転数Ntbcrtを推定するとともに、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のターボ回転数Ntbfwdを予測するための計算モデルである。将来ターボ回転数Ntbfwdを予測することは、過給機付き内燃機関において筒内空気量を精度良く予測する上で特に重要な事項である。筒内空気量はターボ回転数によって決まるスロットル上流圧力とスロットル開度とによって定まるから、燃料噴射量の計算時点において吸気弁の閉弁時点における筒内空気量を精度良く予測するためには、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のスロットル開度だけでなく同時間だけ将来のスロットル上流圧力も予測する必要がある。この将来スロットル上流圧力を正確に予測するため、第３の計算モデルＭ３００では将来ターボ回転数Ntbfwdの予測を行っている。
【００３６】
第３の計算モデルＭ３００は、前述の吸気弁モデルＭ６と、２種類のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１、Ｄｅｌａｙ２、及び２つのターボ回転数モデルＭ７を含んでいる。吸気管圧力センサの信号からは吸気管圧力Pmactが測定される。測定された吸気管圧力Pmactは吸気弁モデルＭ６に入力される。吸気弁モデルＭ６で用いる吸気管圧力の値として、吸気管モデルＭ５で算出される吸気管圧力Pmcrtではなく、吸気管圧力センサによる実測値である吸気管圧力Pmactを用いることには理由がある。吸気管圧力Pmcrtを用いる場合には、この計算モデルＭ３００における計算誤差が再び吸気管圧力Pmcrtを介して計算モデルＭ３００に戻ってくる構成になるため、最終的な推定誤差が大きくなってしまう。これに対して、実測値である吸気管圧力Pmactを用いる場合には、この計算モデルＭ３００による誤差の影響を小さくすることができるので、筒内空気量の推定精度は向上する。
【００３７】
吸気弁モデルＭ６では、吸気管圧力Pmactによって実現されている吸気弁流量Mcactが算出される。吸気弁流量Mcactは、２種類のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１、Ｄｅｌａｙ２のそれぞれに入力される。吸気弁流量Mcactは、第１のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１を通すことで現在のタービン流量Mtbcrtに変換される。一方、第２のディレイ要素Ｄｅｌａｙ２を通された吸気弁流量Mcactは、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のタービン流量Mtbfwdに変換される。
【００３８】
図２は、吸気弁流量とタービン流量との関係を示す図である。この図に示すように、タービン流量は吸気弁流量に遅れて変化する。その遅れ時間が、第１のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１において設定されているディレイ時間Tdly1である。図３は、吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間の内訳を示す図である。この遅れ時間は、筒内での遅れ時間と排気マニホールドでの遅れ時間とに分けられる。前者は、詳しくは、吸気弁が閉じてから排気弁が開くまでの時間であって、エンジン回転数やバルブタイミングに依存する。したがって、ディレイ時間Tdly1のうちの前者に対応する分は、エンジン回転数とバルブタイミングから算出することができる。後者は、詳しくは、筒内から排出された排気ガスがタービンに到達するまでの時間であって、排気ガスの流速に依存する。したがって、ディレイ時間Tdly1のうちの後者に対応する分は、吸気弁流量Mcactから算出することができる。ただし、排気ガスの流速にはウェストゲートバルブの開度も関係することから、その開度に応じてディレイ時間を補正することが望ましい。
【００３９】
また、図２には、タービン流量と先読みしたい将来タービン流量との関係についても示されている。前述のように、筒内空気量の精度良い予測のためには、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のターボ回転数を先読みする必要がある。そのためには、吸気弁流量から推定される現在のタービン流量に対し、先読み時間Tfwdだけ将来のタービン流量が必要となる。そこで、第２のディレイ要素Ｄｅｌａｙ２では、吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間と先読み時間Tfwdとの差分がディレイ時間Tdly2として設定されている。
【００４０】
ターボ回転数モデルＭ７は、過給機の回転挙動のモデルであって、その詳細な構成は図４に示される。図４に示すように、ターボ回転数モデルＭ７では、現ステップにおけるターボ回転数Ntbを維持することのできるタービン流量Mtb0が現ステップにおける回転数Ntbと定常線（タービン流量−ターボ回転数特性線）より算出される。そして、現ステップにおけるタービン流量Mtbとターボ回転数維持流量Mtb0との差分ΔMtbが算出される。この差分ΔMtbの大きさはターボ回転数を変化させるエネルギーの大きさに対応することから、差分ΔMtbに変化量係数Ａを掛けて得られる値がターボ回転数の変化量ΔNtbとして算出される。変化量係数Ａは現ステップにおけるタービン流量Mtbに応じて決定される。そして、現ステップにおけるターボ回転数Ntbにターボ回転数変化量ΔNtbを加えて得られる値が次ステップにおけるターボ回転数Ntbとして算出される。
【００４１】
このようなターボ回転数モデルＭ７に現在タービン流量Mtbcrtが入力されることによって現在ターボ回転数Ntbcrtが算出される。現在ターボ回転数Ntbcrtは、前述のとおり、第１の計算モデルＭ１００のコンプレッサモデルＭ２において現在コンプレッサ流量Mcpcrtの計算に用いられる。また、このターボ回転数モデルＭ７に将来タービン流量Mtbfwdが入力されることによって将来ターボ回転数Ntbfwdが算出される。将来ターボ回転数Ntbfwdは、前述のとおり、第２の計算モデルＭ２００のコンプレッサモデルＭ２において将来コンプレッサ流量Mcpfwdの計算に用いられる。
【００４２】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。
【００４３】
本実施の形態の空気量推定装置と実施の形態１のそれとの違いは使用する空気量推定モデルの構成にある。具体的には、実施の形態１で用いられている空気量推定モデルの第３の計算モデルＭ３００を図５に示す第４の計算モデルＭ４００に置き換えたものが、本実施の形態で用いられる空気量推定モデルである。
【００４４】
第４の計算モデルＭ４００は、スロットルモデルＭ４、吸気管モデルＭ５、吸気弁モデルＭ６、２種類のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１、Ｄｅｌａｙ２、及び２つのターボ回転数モデルＭ７を含んでいる。第４の計算モデルＭ４００と第３の計算モデルＭ３００との違いは、測定値である吸気管圧力Pmactを計算する方法にある。第３の計算モデルＭ３００では、吸気管圧力センサの信号から吸気管圧力Pmactが測定されていた。しかし、第４の計算モデルＭ３００では、インタークーラ圧力センサ（図示略）の信号からインタークーラ圧力Picactが測定される。次に、スロットルモデルＭ４により、測定されたインタークーラ圧力Picactと現在のスロットル開度TAとからスロットル流量Mtactが算出される。そして、吸気管モデルＭ５により、スロットル流量Mtactから吸気管圧力Pmactが算出される。吸気管圧力Pmactに基づいて現在ターボ回転数Ntbcrtと将来ターボ回転数Ntbfwdとを計算するための仕組みは第３の計算モデルＭ３００のそれと同じである。
【００４５】
このような第４の計算モデルＭ４００を用いる方法は、吸気管圧力センサは有していないがインタークーラ圧力センサを備える内燃機関に用いて好適である。また、吸気管圧力センサとインタークーラ圧力センサの両方を備える内燃機関において、通常は吸気管圧力センサの信号を用いて第３の計算モデルＭ３００による計算を行うが、吸気管圧力センサが故障した場合には、インタークーラ圧力センサの信号を用いた第４の計算モデルＭ４００による計算を行うようにしてもよい。
【００４６】
その他．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態ものから種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態で示した各サブモデルのうちのいくつかを統合したり、逆に、１つのサブモデルを複数に分離したりすることも可能である。例えば、特開２００６−１５２８９９号公報に記載されているように、インタークーラモデルＭ４とスロットルモデルＭ５と吸気管モデルＭ６とを合体させたインタークーラ吸気管合体モデルを用いてもよい。インタークーラ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。
【符号の説明】
【００４７】
Ｍ１ エアクリーナモデル
Ｍ２ コンプレッサモデル
Ｍ３ インタークーラモデル
Ｍ４ スロットルモデル
Ｍ５ 吸気管モデル
Ｍ６ 吸気弁モデル
Ｍ７ ターボ回転数モデル
Ｄｅｌａｙ１ 第１のディレイ要素
Ｄｅｌａｙ２ 第２のディレイ要素
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機付き内燃機関、特に、ターボ式の過給機付き内燃機関の空気量推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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内燃機関の筒内空気量を推定する手法が知られている。物理モデルとしては、例えば、スロットルモデル、吸気管モデル及び吸気弁モデルを組み合わせてなるものが用いられている。スロットルモデルは、スロットル上流圧力とスロットル開度とからスロットル流量を計算するためのモデルである。吸気管モデルは、スロットル流量から吸気管圧を計算するためのモデルである。そして、吸気弁モデルは、吸気管圧から吸気弁流量を計算するためのモデルである。
【０００３】
このような物理モデルを用いた筒内空気量の推定手法は、過給機付きの内燃機関にも適用することができる。ただし、自然吸気型の内燃機関であればスロットル上流圧力はほぼ大気圧に等しいとみなすことができるのに対し、過給機付きの内燃機関の場合には過給状態に応じてスロットル上流圧力は変動する。このため、過給機付き内燃機関に関して筒内空気量の推定を行うためには、過給機の動作特性をモデル化したものを前述の物理モデルの要素として組み込む必要がある。なお、過給機のモデル化に関しては、例えば特開２００６−０２２７６３号公報にその例が記載されている。
【０００４】
また、筒内空気量の推定手法に関連して、目標スロットル開度の算出時点からスロットルへの出力時点までの間に意図的に遅延時間を設ける、いわゆるスロットルディレイ制御が知られている。スロットルディレイ制御によれば、実際のスロットル開度を目標スロットル開度よりも遅延時間分だけ遅れて変化させることができるので、その遅延時間分だけ将来のスロットル開度を遅延前の目標スロットル開度から予測することが可能になる。将来のスロットル開度が予測できれば、前述の物理モデルを用いた計算によって、吸気弁の閉時点において確定する筒内空気量を前もって予測することが可能になる。より具体的には、吸気弁の閉時点に先行する燃料噴射量の計算時点において、吸気弁の閉時点における確定筒内空気量を精度良く予測することができ、その予測した確定筒内空気量に基づいて目標空燃比の実現に必要な燃料噴射量を計算することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０２２７６３号公報
【特許文献２】特開２００５−１５５３８４号公報
【特許文献３】特開２００６−１９４１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、対象となる内燃機関が過給機付き内燃機関である場合には、スロットルディレイ制御を用いたとしても筒内空気量を精度良く予測することができないおそれがある。スロットルディレイ制御では、先読みした将来のスロットル開度を得ることができるのに対し、従来の過給機のモデルでは、例えば、特開２００６−０２２７６３号公報に記載されているものがそうであるように、現在のスロットル上流圧力しか推定できないためである。自然吸気型の内燃機関の場合には、時間によるスロットル上流圧力の変化は僅かであるが、過給機付きの内燃機関の場合には、時間によってスロットル上流圧力は大きく変化する。このため、スロットルディレイ制御により将来のスロットル開度を先読みしたとしても、推定したスロットル上流圧力が現在のスロットル上流圧力である場合には、それらを用いて計算した吸気管圧は真の将来の吸気管圧とは異なったものになってしまう。将来の吸気管圧を正確に計算することができなければ、吸気弁の閉時点において確定する筒内空気量を精度良く予測することはできず、結果、目標空燃比の実現に必要な燃料噴射量を正しく算出することは困難となる。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、過給機付き内燃機関において筒内空気量を精度良く推定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同吸気弁閉時点よりも所定の先読み時間だけ先行する時点にて予測する過給機付き内燃機関の空気量推定装置において、吸気管圧力を測定する吸気管圧力測定手段と、前記吸気管圧力を用いて現在の吸気弁流量を計算する吸気弁流量計算手段と、前記吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間を計算する遅れ時間計算手段と、前記吸気弁流量を前記遅れ時間と前記先読み時間との差分だけ遅らせることで現在よりも前記先読み時間だけ将来のタービン流量を得る将来タービン流量予測手段と、前記将来タービン流量を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のターボ回転数を計算する将来ターボ回転数予測手段と、前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算する将来吸気管圧予測手段と、前記将来吸気管圧を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気弁流量を計算する将来吸気弁流量予測手段と、前記将来吸気弁流量を用いて前記吸気弁閉時点における筒内空気量を計算する筒内空気量予測手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記将来吸気管圧予測手段は、前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル上流圧力を計算する手段と、現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル開度を取得する手段と、前記将来スロットル上流圧力と前記将来スロットル開度とを用いて前記将来吸気管圧を計算する手段とを備えることを特徴としている。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記吸気弁流量を前記遅れ時間だけ遅らせることで現在のタービン流量を得る現在タービン流量推定手段と、前記現在タービン流量を用いて現在のターボ回転数を計算する現在ターボ回転数推定手段と、前記現在ターボ回転数を用いて現在の吸気管圧を計算する現在吸気管圧推定手段と、前記現在吸気管圧を用いて現在の吸気弁流量を計算する現在吸気弁流量推定手段と、前記現在吸気弁流量を用いて現在の筒内空気量を計算する筒内空気量推定手段とをさらに備えることを特徴としている。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、前記現在吸気管圧推定手段は、前記現在ターボ回転数を用いて現在のスロットル上流圧力を計算する手段と、現在のスロットル開度を取得する手段と、前記現在スロットル上流圧力と前記現在スロットル開度とを用いて前記現在吸気管圧を計算する手段とを備えることを特徴としている。
【００１２】
第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記吸気管圧力測定手段は、吸気管に取り付けられて吸気管圧力に応じた信号する吸気管圧力センサと、前記吸気管圧力センサの信号を吸気管圧力に変換する手段とを備えることを特徴としている。
【００１３】
第６の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記吸気管圧力測定手段は、コンプレッサとスロットルとの間に取り付けられてスロットル上流圧力に応じた信号するスロットル上流圧力センサと、前記スロットル上流圧力センサの信号をスロットル上流圧力に変換する手段と、前記スロットル上流圧力と現在スロットル開度とを用いて吸気管圧を計算する手段とを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、現在よりも先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算するために、吸気管圧力の測定値に基づいて計算された現在よりも先読み時間だけ将来のターボ回転数が用いられるので、吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同吸気弁閉時点よりも先読み時間だけ先行する時点にて精度良く予測することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、現在よりも先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算するために、将来ターボ回転数を用いて計算された将来スロットル上流圧力に加えて先読み時間だけ将来のスロットル開度が用いられるので、将来のスロットル開度に変化がある場合でも筒内空気量を精度良く予測することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、吸気弁閉時点における筒内空気量を前もって予測することができるだけでなく、吸気管圧力の測定値に基づいて計算された現在のターボ回転数を用いて現在の筒内空気量を精度良く推定することもできる。
【００１７】
第４の発明によれば、現在の吸気管圧を計算するために、現在ターボ回転数を用いて計算された現在スロットル上流圧力に加えて現在のスロットル開度が用いられるので、スロットル開度が変化している場合でも現在の筒内空気量を精度良く推定することができる。
【００１８】
第５の発明によれば、吸気管圧力センサの信号を処理してられた吸気管圧力の測定値を用いることによって、将来のターボ回転数や現在のターボ回転数を精度良く計算することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、スロットル上流圧力センサの信号を処理して得られた吸気管圧力の測定値を用いることによって、将来のターボ回転数や現在のターボ回転数を精度良く計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１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。
【図２】本発明の実施の形態１で採られている吸気弁流量を用いて各タービン流量を計算する方法について説明するための図である。
【図３】吸気弁流量の変化に対するタービン流量の遅れ時間について説明するための図である。
【図４】図１の空気量推定モデルに含まれるターボ回転数モデルの詳細を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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筒内空気量を推定する。
【００２４】
図１は、本実施の形態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。本実施の形態で用いられる空気量推定モデルは、３つの計算モデルＭ１００、Ｍ２００、Ｍ３００から構成されている。
【００２５】
第１の計算モデルＭ１００は、現在のスロットル開度TAに基づいて筒内空気量を推定するための計算モデルである。第１の計算モデルＭ１００は、エアクリーナモデルＭ１、コンプレッサモデルＭ２、インタークーラモデル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を含んでいる。これらのサブモデルＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６の内容については公知であるので、ここではその概略についてのみ示すものとする。
【００２６】
エアクリーナモデルＭ１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Ｍ１は、大気圧から圧力損失分だけ減算した値をエアクリーナ圧力Pacとして算出する。
【００２７】
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、エアクリーナ圧力Pacと、後述するインタークーラモデルＭ３で算出された現在インタークーラ圧力Piccrtと、後述する第３の計算モデルで算出された現在ターボ回転数Ntbcrtとが入力され、それらの入力情報から現在のコンプレッサ流量Mcpcrtが算出される。
【００２８】
インタークーラモデルＭ３は、吸気通路におけるインタークーラ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。インタークーラモデルＭ３としては、具体的にはエネルギー保存則の式と流量保存則の式とが用いられている。インタークーラモデルＭ３によれば、コンプレッサモデルＭ２で算出された現在コンプレッサ流量Mcpcrt等の入力情報から現在のインタークーラ圧力Piccrtが算出される。
【００２９】
スロットルモデルＭ４は、スロットルの前後の圧力状態とスロットル開度とからスロットルを通過する空気量の流量を算出するたけのモデルであって、具体的には絞りの式が用いられる。スロットルモデルＭ４によれば、現在のスロットル開度TA、インタークーラモデルＭ３で算出された現在インタークーラ圧力Piccrt、及び後述する吸気管モデルＭ５で算出された現在吸気管圧力Pmcrt等の入力情報から現在のスロットル流量Mtcrtが算出される。
【００３０】
吸気管モデルＭ５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。吸気管モデルＭ５としては、具体的にはエネルギー保存則の式と流量保存則の式とが用いられている。吸気管モデルＭ５によれば、スロットルモデルＭ４で算出された現在スロットル流量Mtcrt等の入力情報から現在の吸気管圧力Pmcrtが算出される。
【００３１】
吸気弁モデルＭ６は、吸気弁流量と吸気管圧力との関係について調べた実験ベースのモデルである。実験で得られた経験則により、吸気弁モデルＭ６においては吸入空気量と吸気管圧力との関係が直線で近似されている。吸気弁モデルＭ６に現在の吸気管圧力Pmcrtを入力することによって、それにより実現される吸気弁流量Mccrtが算出される。本空気量推定装置は、吸気弁流量Mccrt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Mccrtの積算値から筒内空気量を計算する。
【００３２】
第２の計算モデルＭ２００は、先読みした将来のスロットル開度ＴＡfwdに基づいて吸気弁の閉時点での筒内空気量を予測するための計算モデルである。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時点である。一方、本実施の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時点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、吸気弁の閉時点よりも前の燃料噴射時にそのサイクルの確定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、つまり将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将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将来のスロットル開度TAfwdを先読みすることが可能となる。ここでは、スロットル開度TAfwdの実際のスロットル開度TAに対する先読み時間をTfwdとする。先読み時間Tfwdは、燃料噴射量の計算時点（燃料噴射の開始時点）から吸気弁の開時点までの時間に設定される。
【００３３】
第２の計算モデルＭ２００は、第１の計算モデルＭ１００と同じく、エアクリーナモデルＭ１、コンプレッサモデルＭ２、インタークーラモデル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を含んでいる。これらのサブモデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５，Ｍ６間における情報の入出力は、第１の計算モデルＭ１００におけるそれと共通している。ただし、第２の計算モデル２００では、後述する第３の計算モデルＭ３００で算出された現在より先読み時間Tfwdだけ将来のターボ回転数NtbfwdがコンプレッサモデルＭ２に入力されるとともに、先読みした将来のスロットル開度TAfwdがスロットルモデルＭ４に入力される。
【００３４】
コンプレッサモデルＭ２では、エアクリーナ圧力Pac、将来インタークーラ圧力Picfwd、及び将来ターボ回転数Ntbfwdなどの入力情報から先読み時間Tfwdだけ将来のコンプレッサ流量Mcpfwdが算出される。インタークーラモデルＭ３では、将来コンプレッサ流量Mcpfwd等の入力情報から現在より先読み時間Tfwdだけ将来のインタークーラ圧力Picfwdが算出される。スロットルモデルＭ４では、先読みした将来のスロットル開度TAfwd、将来インタークーラ圧力Picfwd、及び将来吸気管圧力Pmfwd等の入力情報から先読み時間Tfwdだけ将来のスロットル流量Mtfwdが算出される。吸気管モデルＭ５では、将来スロットル流量Mtfwd等の入力情報から先読み時間Tfwdだけ将来の吸気管圧力Pmfwdが算出される。そして、吸気弁モデルＭ６では、将来吸気管圧力Pmfwdによって実現される吸気弁流量Mcfwdが算出される。吸気弁流量Mcfwdは、現在より先読み時間Tfwdだけ将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Mcfwdに基づいて吸気弁の閉弁時点の筒内空気量を計算し、吸気弁閉弁時点の予測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。
【００３５】
第３の計算モデルＭ３００は、吸気管圧力センサ（図示略）の信号に基づいて現在のターボ回転数Ntbcrtを推定するとともに、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のターボ回転数Ntbfwdを予測するための計算モデルである。将来ターボ回転数Ntbfwdを予測することは、過給機付き内燃機関において筒内空気量を精度良く予測する上で特に重要な事項である。筒内空気量はターボ回転数によって決まるスロットル上流圧力とスロットル開度とによって定まるから、燃料噴射量の計算時点において吸気弁の閉弁時点における筒内空気量を精度良く予測するためには、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のスロットル開度だけでなく同時間だけ将来のスロットル上流圧力も予測する必要がある。この将来スロットル上流圧力を正確に予測するため、第３の計算モデルＭ３００では将来ターボ回転数Ntbfwdの予測を行っている。
【００３６】
第３の計算モデルＭ３００は、前述の吸気弁モデルＭ６と、２種類のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１、Ｄｅｌａｙ２、及び２つのターボ回転数モデルＭ７を含んでいる。吸気管圧力センサの信号からは吸気管圧力Pmactが測定される。測定された吸気管圧力Pmactは吸気弁モデルＭ６に入力される。吸気弁モデルＭ６で用いる吸気管圧力の値として、吸気管モデルＭ５で算出される吸気管圧力Pmcrtではなく、吸気管圧力センサによる実測値である吸気管圧力Pmactを用いることには理由がある。吸気管圧力Pmcrtを用いる場合には、この計算モデルＭ３００における計算誤差が再び吸気管圧力Pmcrtを介して計算モデルＭ３００に戻ってくる構成になるため、最終的な推定誤差が大きくなってしまう。これに対して、実測値である吸気管圧力Pmactを用いる場合には、この計算モデルＭ３００による誤差の影響を小さくすることができるので、筒内空気量の推定精度は向上する。
【００３７】
吸気弁モデルＭ６では、吸気管圧力Pmactによって実現されている吸気弁流量Mcactが算出される。吸気弁流量Mcactは、２種類のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１、Ｄｅｌａｙ２のそれぞれに入力される。吸気弁流量Mcactは、第１のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１を通すことで現在のタービン流量Mtbcrtに変換される。一方、第２のディレイ要素Ｄｅｌａｙ２を通された吸気弁流量Mcactは、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のタービン流量Mtbfwdに変換される。
【００３８】
図２は、吸気弁流量とタービン流量との関係を示す図である。この図に示すように、タービン流量は吸気弁流量に遅れて変化する。その遅れ時間が、第１のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１において設定されているディレイ時間Tdly1である。図３は、吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間の内訳を示す図である。この遅れ時間は、筒内での遅れ時間と排気マニホールドでの遅れ時間とに分けられる。前者は、詳しくは、吸気弁が閉じてから排気弁が開くまでの時間であって、エンジン回転数やバルブタイミングに依存する。したがって、ディレイ時間Tdly1のうちの前者に対応する分は、エンジン回転数とバルブタイミングから算出することができる。後者は、詳しくは、筒内から排出された排気ガスがタービンに到達するまでの時間であって、排気ガスの流速に依存する。したがって、ディレイ時間Tdly1のうちの後者に対応する分は、吸気弁流量Mcactから算出することができる。ただし、排気ガスの流速にはウェストゲートバルブの開度も関係することから、その開度に応じてディレイ時間を補正することが望ましい。
【００３９】
また、図２には、タービン流量と先読みしたい将来タービン流量との関係についても示されている。前述のように、筒内空気量の精度良い予測のためには、現在より先読み時間Tfwdだけ将来のターボ回転数を先読みする必要がある。そのためには、吸気弁流量から推定される現在のタービン流量に対し、先読み時間Tfwdだけ将来のタービン流量が必要となる。そこで、第２のディレイ要素Ｄｅｌａｙ２では、吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間と先読み時間Tfwdとの差分がディレイ時間Tdly2として設定されている。
【００４０】
ターボ回転数モデルＭ７は、過給機の回転挙動のモデルであって、その詳細な構成は図４に示される。図４に示すように、ターボ回転数モデルＭ７では、現ステップにおけるターボ回転数Ntbを維持することのできるタービン流量Mtb0が現ステップにおける回転数Ntbと定常線（タービン流量−ターボ回転数特性線）より算出される。そして、現ステップにおけるタービン流量Mtbとターボ回転数維持流量Mtb0との差分ΔMtbが算出される。この差分ΔMtbの大きさはターボ回転数を変化させるエネルギーの大きさに対応することから、差分ΔMtbに変化量係数Ａを掛けて得られる値がターボ回転数の変化量ΔNtbとして算出される。変化量係数Ａは現ステップにおけるタービン流量Mtbに応じて決定される。そして、現ステップにおけるターボ回転数Ntbにターボ回転数変化量ΔNtbを加えて得られる値が次ステップにおけるターボ回転数Ntbとして算出される。
【００４１】
このようなターボ回転数モデルＭ７に現在タービン流量Mtbcrtが入力されることによって現在ターボ回転数Ntbcrtが算出される。現在ターボ回転数Ntbcrtは、前述のとおり、第１の計算モデルＭ１００のコンプレッサモデルＭ２において現在コンプレッサ流量Mcpcrtの計算に用いられる。また、このターボ回転数モデルＭ７に将来タービン流量Mtbfwdが入力されることによって将来ターボ回転数Ntbfwdが算出される。将来ターボ回転数Ntbfwdは、前述のとおり、第２の計算モデルＭ２００のコンプレッサモデルＭ２において将来コンプレッサ流量Mcpfwdの計算に用いられる。
【００４２】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。
【００４３】
本実施の形態の空気量推定装置と実施の形態１のそれとの違いは使用する空気量推定モデルの構成にある。具体的には、実施の形態１で用いられている空気量推定モデルの第３の計算モデルＭ３００を図５に示す第４の計算モデルＭ４００に置き換えたものが、本実施の形態で用いられる空気量推定モデルである。
【００４４】
第４の計算モデルＭ４００は、スロットルモデルＭ４、吸気管モデルＭ５、吸気弁モデルＭ６、２種類のディレイ要素Ｄｅｌａｙ１、Ｄｅｌａｙ２、及び２つのターボ回転数モデルＭ７を含んでいる。第４の計算モデルＭ４００と第３の計算モデルＭ３００との違いは、測定値である吸気管圧力Pmactを計算する方法にある。第３の計算モデルＭ３００では、吸気管圧力センサの信号から吸気管圧力Pmactが測定されていた。しかし、第４の計算モデルＭ３００では、インタークーラ圧力センサ（図示略）の信号からインタークーラ圧力Picactが測定される。次に、スロットルモデルＭ４により、測定されたインタークーラ圧力Picactと現在のスロットル開度TAとからスロットル流量Mtactが算出される。そして、吸気管モデルＭ５により、スロットル流量Mtactから吸気管圧力Pmactが算出される。吸気管圧力Pmactに基づいて現在ターボ回転数Ntbcrtと将来ターボ回転数Ntbfwdとを計算するための仕組みは第３の計算モデルＭ３００のそれと同じである。
【００４５】
このような第４の計算モデルＭ４００を用いる方法は、吸気管圧力センサは有していないがインタークーラ圧力センサを備える内燃機関に用いて好適である。また、吸気管圧力センサとインタークーラ圧力センサの両方を備える内燃機関において、通常は吸気管圧力センサの信号を用いて第３の計算モデルＭ３００による計算を行うが、吸気管圧力センサが故障した場合には、インタークーラ圧力センサの信号を用いた第４の計算モデルＭ４００による計算を行うようにしてもよい。
【００４６】
その他．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施の形態ものから種々変形して実施することができる。例えば、実施の形態で示した各サブモデルのうちのいくつかを統合したり、逆に、１つのサブモデルを複数に分離したりすることも可能である。例えば、特開２００６−１５２８９９号公報に記載されているように、インタークーラモデルＭ４とスロットルモデルＭ５と吸気管モデルＭ６とを合体させたインタークーラ吸気管合体モデルを用いてもよい。インタークーラ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。
【符号の説明】
【００４７】
Ｍ１ エアクリーナモデル
Ｍ２ コンプレッサモデル
Ｍ３ インタークーラモデル
Ｍ４ スロットルモデル
Ｍ５ 吸気管モデル
Ｍ６ 吸気弁モデル
Ｍ７ ターボ回転数モデル
Ｄｅｌａｙ１ 第１のディレイ要素
Ｄｅｌａｙ２ 第２のディレイ要素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同吸気弁閉時点よりも所定の先読み時間だけ先行する時点にて予測する過給機付き内燃機関の空気量推定装置において、
吸気管圧力を測定する吸気管圧力測定手段と、
前記吸気管圧力を用いて現在の吸気弁流量を計算する吸気弁流量計算手段と、
前記吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間を計算する遅れ時間計算手段と、
前記吸気弁流量を前記遅れ時間と前記先読み時間との差分だけ遅らせることで現在よりも前記先読み時間だけ将来のタービン流量を得る将来タービン流量予測手段と、
前記将来タービン流量を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のターボ回転数を計算する将来ターボ回転数予測手段と、
前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算する将来吸気管圧予測手段と、
前記将来吸気管圧を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気弁流量を計算する将来吸気弁流量予測手段と、
前記将来吸気弁流量を用いて前記吸気弁閉時点における筒内空気量を計算する筒内空気量予測手段と、
を備える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。
【請求項２】
前記将来吸気管圧予測手段は、
前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル上流圧力を計算する手段と、
現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル開度を取得する手段と、
前記将来スロットル上流圧力と前記将来スロットル開度とを用いて前記将来吸気管圧を計算する手段と、
を備え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。
【請求項３】
前記吸気弁流量を前記遅れ時間だけ遅らせることで現在のタービン流量を得る現在タービン流量推定手段と、
前記現在タービン流量を用いて現在のターボ回転数を計算する現在ターボ回転数推定手段と、
前記現在ターボ回転数を用いて現在の吸気管圧を計算する現在吸気管圧推定手段と、
前記現在吸気管圧を用いて現在の吸気弁流量を計算する現在吸気弁流量推定手段と、
前記現在吸気弁流量を用いて現在の筒内空気量を計算する筒内空気量推定手段と、
をさらに備え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。
【請求項４】
前記現在吸気管圧推定手段は、
前記現在ターボ回転数を用いて現在のスロットル上流圧力を計算する手段と、
現在のスロットル開度を取得する手段と、
前記現在スロットル上流圧力と前記現在スロットル開度とを用いて前記現在吸気管圧を計算する手段と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の過給機付き内燃機関の空気量推定装置。
【請求項５】
前記吸気管圧力測定手段は、
吸気管に取り付けられて吸気管圧力に応じた信号する吸気管圧力センサと、
前記吸気管圧力センサの信号を吸気管圧力に変換する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４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。
【請求項６】
前記吸気管圧力測定手段は、
コンプレッサとスロットルとの間に取り付けられてスロットル上流圧力に応じた信号するスロットル上流圧力センサと、
前記スロットル上流圧力センサの信号をスロットル上流圧力に変換する手段と、
前記スロットル上流圧力と現在スロットル開度とを用いて吸気管圧を計算する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４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。
【請求項１】
吸気弁の閉時点にて確定する筒内空気量を同吸気弁閉時点よりも所定の先読み時間だけ先行する時点にて予測する過給機付き内燃機関の空気量推定装置において、
吸気管圧力を測定する吸気管圧力測定手段と、
前記吸気管圧力を用いて現在の吸気弁流量を計算する吸気弁流量計算手段と、
前記吸気弁流量の変化に対するタービン流量の変化の遅れ時間を計算する遅れ時間計算手段と、
前記吸気弁流量を前記遅れ時間と前記先読み時間との差分だけ遅らせることで現在よりも前記先読み時間だけ将来のタービン流量を得る将来タービン流量予測手段と、
前記将来タービン流量を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のターボ回転数を計算する将来ターボ回転数予測手段と、
前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気管圧を計算する将来吸気管圧予測手段と、
前記将来吸気管圧を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来の吸気弁流量を計算する将来吸気弁流量予測手段と、
前記将来吸気弁流量を用いて前記吸気弁閉時点における筒内空気量を計算する筒内空気量予測手段と、
を備える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。
【請求項２】
前記将来吸気管圧予測手段は、
前記将来ターボ回転数を用いて現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル上流圧力を計算する手段と、
現在よりも前記先読み時間だけ将来のスロットル開度を取得する手段と、
前記将来スロットル上流圧力と前記将来スロットル開度とを用いて前記将来吸気管圧を計算する手段と、
を備え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。
【請求項３】
前記吸気弁流量を前記遅れ時間だけ遅らせることで現在のタービン流量を得る現在タービン流量推定手段と、
前記現在タービン流量を用いて現在のターボ回転数を計算する現在ターボ回転数推定手段と、
前記現在ターボ回転数を用いて現在の吸気管圧を計算する現在吸気管圧推定手段と、
前記現在吸気管圧を用いて現在の吸気弁流量を計算する現在吸気弁流量推定手段と、
前記現在吸気弁流量を用いて現在の筒内空気量を計算する筒内空気量推定手段と、
をさらに備え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。
【請求項４】
前記現在吸気管圧推定手段は、
前記現在ターボ回転数を用いて現在のスロットル上流圧力を計算する手段と、
現在のスロットル開度を取得する手段と、
前記現在スロットル上流圧力と前記現在スロットル開度とを用いて前記現在吸気管圧を計算する手段と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の過給機付き内燃機関の空気量推定装置。
【請求項５】
前記吸気管圧力測定手段は、
吸気管に取り付けられて吸気管圧力に応じた信号する吸気管圧力センサと、
前記吸気管圧力センサの信号を吸気管圧力に変換する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４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。
【請求項６】
前記吸気管圧力測定手段は、
コンプレッサとスロットルとの間に取り付けられてスロットル上流圧力に応じた信号するスロットル上流圧力センサと、
前記スロットル上流圧力センサの信号をスロットル上流圧力に変換する手段と、
前記スロットル上流圧力と現在スロットル開度とを用いて吸気管圧を計算する手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２１９７１４（Ｐ２０１２−２１９７１４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８６２６９（Ｐ２０１１−８６２６９）
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月８日（２０１１．４．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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