(57)【要約】【課題】機関定常時の吸気管圧力を高速且つ高精度に算出する。【解決手段】内燃機関の吸気管圧力算出装置が、吸気管圧力に応じたスロットル弁を通過する空気流量を推定する推定手段（ステップ１００）と、吸気管圧力に応じた吸気弁を通過し気筒内へ供給される空気流量を推定する推定手段（ステップ１００）と、機関定常時において、これら推定手段によって推定された空気流量を等しくする吸気管圧力の値を複数算出し（ステップ１００）、その中から所定の成立条件及び実数条件を満たす唯一の吸気管圧力の値を１つ算出する（ステップ１０２からステップ１０９）吸気管圧力算出手段とを具備する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気管圧力に応じたスロットル弁を通過する空気流量を推定する推定手段と、吸気管圧力に応じた吸気弁を通過し気筒内へ供給される空気流量を推定する推定手段と、機関定常時において、これら推定手段によって推定された空気流量を等しくする吸気管圧力の値を複数算出し、その中から所定の成立条件及び実数条件を満たす唯一の吸気管圧力の値を１つ選択する吸気管圧力算出手段とを具備することを特徴とする内燃機関の吸気管圧力算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の吸気管圧力算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空燃比制御を実施するために、気筒内へ供給された吸入空気量を正確に把握することが必要となる。そこで、スロットル弁下流側の吸気管圧力を算出して、吸入空気量の推定に使用する内燃機関の吸入空気量推定装置において、機関運転の過度時においても比較的正確な吸入空気量の推定が可能な吸入空気量推定装置が公知である（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に係る装置では、スロットル弁をモデル化することにより、吸気がスロットル弁を通過する際のエネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式を使用して、スロットル弁を通過する空気流量を特性式で表している。同様に、吸気弁をモデル化することにより、吸気弁を通過する空気流量を別の特性式で表している。機関運転の定常時には、スロットル弁を通過する空気流量と、吸気弁を通過する空気流量とが等しいため、これら空気流量特性式の連立方程式の解を求めることによって、吸気管圧力を算出することができ、気筒内へ供給された吸入空気量を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１５０３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来、この連立方程式の解を求める際に、反復探索アルゴリズム、例えば線形探索を用いていたため、演算負荷が大きく、演算に長時間を要していた。また、各線形探索領域では、非線形関数を線形近似していたため、誤差が生じ、高精度な算出ができないという問題があった。
【０００６】
これに関し、吸気管圧力と空気流量との関係を示す図５を参照しながら説明する。図５は、横軸が吸気管圧力Ｐｍを示し、縦軸は空気流量ｍを示す。ｍｔはスロットル弁を通過する空気流量を示す曲線であり、ｍｃは吸気弁を通過し気筒内へ供給される空気流量を示す曲線である。機関定常時には、ｍｔ＝ｍｃとなる。従って、これら曲線の交点のＰｍの値が求める吸気管圧力Ｐｍａｓである。
【０００７】
従来、線形探索を用いた場合、吸気管圧力Ｐｍａｓを求めるために、図５に示されるように区間１から順に交点の有無を探索し、交点が存在する区間ｉに到達するまで、その探索を繰り返していた。更に、その探索の際には、各区間（各線形探索領域）において、区間ｉのＡ部分を拡大した図６に示されるように、区間ｉにおける曲線ｍｔ及びｍｃの線分である曲線ｍｔｉ及びｍｃｉを直線ｍｔｉ’及びｍｃｉ’にそれぞれ線形に近似している。そのため、実際の交点はＫであるにも関わらず、算出された結果はＫ’というように、誤差が生じていた。
【０００８】
そこで本発明は、機関定常時の吸気管圧力を高速且つ高精度に算出することが可能な内燃機関の吸気管圧力算出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、吸気管圧力に応じたスロットル弁を通過する空気流量を推定する推定手段と、吸気管圧力に応じた吸気弁を通過し気筒内へ供給される空気流量を推定する推定手段と、機関定常時において、これら推定手段によって推定された空気流量を等しくする吸気管圧力の値を複数算出し、その中から所定の成立条件及び実数条件を満たす唯一の吸気管圧力の値を１つ算出する吸気管圧力算出手段とを具備することを特徴とする内燃機関の吸気管圧力算出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、機関定常時の吸気管圧力を高速且つ高精度に算出することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による吸気管圧力算出装置が取り付けられる内燃機関の概略図である。
【図２】本発明による吸気管圧力の算出方法を説明するための吸気管圧力と空気流量との関係を示す図である。
【図３】本発明の１番目の実施形態による吸気管圧力算出操作のフローチャートである。
【図４】本発明の２番目の実施形態による吸気管圧力算出操作のフローチャートである。
【図５】従来の吸気管圧力の算出方法を説明するための吸気管圧力と空気流量との関係を示す図である。
【図６】従来の吸気管圧力の算出方法を説明するための吸気管圧力と空気流量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明による吸気管圧力算出装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気枝管であり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。各吸気枝管３には燃料噴射弁５が配置され、吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁６が配置されている。ここで、スロットル弁６下流側の機関吸気系（サージタンク２及び吸気枝管３）は吸気管と称される。スロットル弁６は、アクセルペダルに連動するものではなく、ステップモータ等の駆動装置によって自由に開度設定可能なものである。７は吸気通路４のスロットル弁６より上流側の空気流量を検出するエアフローメータである。機関本体１において、８は吸気弁であり、９は排気弁であり、１０はピストンである。
【００１３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１により互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５及び出力ポート３６を具備する。エアフローメータ７の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。一方、出力ポート３６は対応する駆動装置３８を介して燃料噴射弁５、スロットル弁６の駆動装置に接続される。
【００１４】
内燃機関１における燃焼空燃比を、例えば、理論空燃比等の所望空燃比にするためには、気筒内へ流入した吸入空気量を正確に推定することが必要とされる。そこで、吸入空気量を推定するため、機関吸気系をモデル化した空気流量の特性式について説明する。
【００１５】
まず、スロットル弁６をモデル化することにより、吸気がスロットル弁６を通過する際のエネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式を使用して、スロットル弁を通過する空気流量ｍｔ（ｇ／ｓｅｃ）が、式（１）によって表される。
【数１】
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【００１６】
ここで、μは流量係数、Ａはスロットル弁６の開口面積（ｍ3）、Ｐａｃはスロットル弁上流側の吸気通路圧力（ｋＰａ）、Ｒは気体定数、Ｔａはスロットル弁上流側の吸気温度（Ｋ）、Ｐｍはスロットル弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）、κは比熱比をそれぞれ示す。また、関数Φ（Ｐｍ／Ｐａｃ）は、比熱比κを使用し、不等号で表されたＰｍの条件（以下、「成立条件」と称す）に応じて式（２）及び式（３）によって表される。
【数２】
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【数３】
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【００１７】
従って、式（１）と式（２）及び式（３）より、スロットル弁６を通過する空気流量ｍｔは成立条件に応じて式（４）及び式（５）によって表される。
【数４】
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【数５】
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【００１８】
次に、吸気弁８をモデル化する。吸気弁８を通過し気筒内へ供給される空気流量ｍｃ（ｇ／ｓｅｃ）は、吸気管圧力Ｐｍに基づき略線形に変化するものであるために、成立条件に応じて式（６）及び式（７）によって表される。
【数６】
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【数７】
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【００１９】
ここで、ｇｒａｄｈ、ｇｒａｄｌ、ｋｌｃｈｌ、ｐｍｃｈｌは、それぞれ機関回転数や機関負荷等に応じて決定される定数であり、これら定数と式（６）及び式（７）とは予め実験的に求められ、マップの形でＲＯＭ３２に記憶されている。
【００２０】
図２は吸気管圧力と空気流量との関係を示す図である。図２は、横軸が吸気管圧力Ｐｍを示し、縦軸は空気流量ｍを示す。スロットル弁６を通過する空気流量ｍｔ及び吸気弁８を通過し気筒内へ供給される空気流量ｍｃは、式（４）及び式（７）によって、図２のように示される。図２において、スロットル弁６を通過する空気流量ｍｔ及び吸気弁８を通過し気筒内へ供給される空気流量ｍｃが等しい、ｍｔ＝ｍｃとなるときのＰｍ値が、求めたい機関定常時の吸気管圧力Ｐｍａｓである。従来は、この値を求めるために、上述のように線形探索を行っていた。それによって演算負荷の増大や計算制度の悪化といった問題が生じていた。
【００２１】
そこで、ｍｔ＝ｍｃを前提として連立方程式について検討すると、Ｐｍの連立方程式は、式（４）及び式（６）の連立方程式ＳＥ４６、式（４）及び式（７）の連立方程式ＳＥ４７、式（５）及び式（６）の連立方程式ＳＥ５６、式（５）及び式（７）の連立方程式ＳＥ５７、の４つが成立しうる。
【００２２】
連立方程式４６及び連立方程式４７は、式（４）及び式（６）及び式（７）の形から、Ｐｍの１次方程式に帰着され、容易に解くことができる。連立方程式４６は、交点Ｋ４６のＰｍ座標Ｐｍ４６が解となり、連立方程式４７は、交点Ｋ４７のＰｍ座標Ｐｍ４７が解となる。
【００２３】
一方、連立方程式５６及び連立方程式５７は、式（５）及び式（６）及び式（７）の形から、一見、平方根を含む複雑な連立方程式の形である。しかし、本発明の発明者は、これら式を２乗することによって、Ｐｍの２次方程式に帰着でき、連立２次方程式の解の公式を用いることによって、容易に解けることを発見した。従って、連立方程式５６は、交点Ｋ５６のＰｍ座標Ｐｍ５６が解となり、連立方程式５７は、交点Ｋ５７のＰｍ座標Ｐｍ５７が解となる。なお、上記連立方程式を解く際には、不等号で表されたＰｍの条件は考慮しない。また、連立２次方程式の解は２つ存在するが、図２に示す傾向より、大きい方の解を採用する。
【００２４】
以上より、機関定常時の求めるべき吸気管圧力Ｐｍａｓの候補として、Ｐｍ４６、Ｐｍ４７、Ｐｍ５６、Ｐｍ５７の４つが存在するが、当然のことながら真の解は１つである。即ち、真の解以外の解は、虚数であるか、成立条件を満たさないことになる。従って、４つの解に対しその成立条件や実数条件を検討し、満たさないものを除外すれば、最終的に残った１つが求めたい機関定常時の吸気管圧力Ｐｍａｓとなる。
【００２５】
図３は本発明の１番目の吸気管圧力算出操作のフローチャートである。この操作は、機関定常時に、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０によって予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。
【００２６】
まず、ステップ１００において、Ｐｍ４６、Ｐｍ４７、Ｐｍ５６、Ｐｍ５７を算出し、ステップ１０１へと進む。次いで、ステップ１０１では、ステップ１０１で算出したＰｍ４６、Ｐｍ４７、Ｐｍ５６、Ｐｍ５７を、ＲＡＭ３３の記憶領域であるスタックＰｍｂｏｘに一時的に格納し、ステップ１０２へと進む。
【００２７】
次いで、ステップ１０２では、Ｐｍ４６が実数条件及び成立条件を満たすか否かが判定される。成立条件とは、Ｐｍ４６が式（４）及び式（６）の連立方程式であることから、Ｐｍ≦Ｐａｃ／（κ＋１）且つＰｍ≧ｐｍｃｈｌ、を満たすことである。これら条件をいずれか１つでも満たさない場合、ステップ１０３へと進む。次いで、ステップ１０３では、スタックＰｍｂｏｘから、解として成立し得ないＰｍ４６を除去し、ステップ１０４へと進む。
【００２８】
一方、ステップ１０２において、いずれの条件も満たす場合、ステップ１０４へと進む。次いで、ステップ１０４では、Ｐｍ４７が実数条件及び成立条件を満たすか否かが判定される。成立条件とは、Ｐｍ４７が式（４）及び式（７）の連立方程式であることから、Ｐｍ≦Ｐａｃ／（κ＋１）且つＰｍ＜ｐｍｃｈｌ、を満たすことである。これら条件をいずれか１つでも満たさない場合、ステップ１０５へと進む。次いで、ステップ１０５では、スタックＰｍｂｏｘから、解として成立し得ないＰｍ４７を除去し、ステップ１０６へと進む。
【００２９】
一方、ステップ１０４において、いずれの条件も満たす場合、ステップ１０６へと進む。次いで、ステップ１０６では、Ｐｍ５６が実数条件及び成立条件を満たすか否かが判定される。成立条件とは、Ｐｍ５６が式（５）及び式（６）の連立方程式であることから、Ｐｍ＞Ｐａｃ／（κ＋１）且つＰｍ≧ｐｍｃｈｌ、を満たすことである。これら条件をいずれか１つでも満たさない場合、ステップ１０７へと進む。次いで、ステップ１０７では、スタックＰｍｂｏｘから、解として成立し得ないＰｍ５６を除去し、ステップ１０８へと進む。
【００３０】
一方、ステップ１０６において、いずれの条件も満たす場合、ステップ１０８へと進む。次いで、ステップ１０８では、Ｐｍ５７が実数条件及び成立条件を満たすか否かが判定される。成立条件とは、Ｐｍ５７が式（５）及び式（７）の連立方程式であることから、Ｐｍ＞Ｐａｃ／（κ＋１）且つＰｍ＜ｐｍｃｈｌ、を満たすことである。これら条件をいずれか１つでも満たさない場合、ステップ１０９へと進む。次いで、ステップ１０９では、スタックＰｍｂｏｘから、解として成立し得ないＰｍ５７を除去し、ステップ１１０へと進む。
【００３１】
一方、ステップ１０８において、いずれの条件も満たす場合、ステップ１１０へと進む。上述のステップによって、条件を満たさない解を除去した結果、スタックＰｍｂｏｘにはＰｍ４６、Ｐｍ４７、Ｐｍ５６、Ｐｍ５７の中で１つだけ残っている。従って、ステップ１１０では、唯一残った解を求めたい吸気管圧力Ｐｍａｓとして設定し、ルーチンを終了する。
【００３２】
図４は本発明の２番目の実施形態による吸気管圧力算出操作のフローチャートである。この操作は、機関定常時に、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０によって予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。
【００３３】
１番目の実施形態による吸気管圧力算出操作のフローチャートと異なる点のみ説明すると、１番目の実施形態において、実数条件及び成立条件を満たさなかった解をスタックＰｍｂｏｘから除去していたのに対し、本実施形態では、その解に無限大（∞）をセットしている。従って、ステップ２１０では、スタックＰｍｂｏｘ内の最小の値、即ち、無限大にセットされなかった解を求めたい吸気管圧力Ｐｍａｓとして設定し、ルーチンを終了する。
【００３４】
以上より、本願発明によれば、従来行っていたような探索アルゴリズムを用いた反復計算や近似を行わないため、機関定常時の吸気管圧力を高速且つ高精度に算出することが可能となる。従って、算出された吸気管圧力に基づいて気筒内へ供給される空気量を算出することによって、正確な空燃比制御を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００３５】
１    機関本体
２    サージタンク
３    吸気枝管
４    吸気通路
６    スロットル弁
７    エアフローメータ
８    吸気弁
９    排気弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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