(57)【要約】    【課題】  バルブ前後圧力比が所定値以下の場合において、バルブを通過する正確な吸気流量を得る。    【解決手段】  電制スロットルバルブの開度（デューティー比）に応じてバルブ開度と開口面積とのマップから開口面積を算出する。電制スロットルバルブの前後圧力比（下流圧力／上流圧力）と流量係数とのマップにより、前後圧力比が０．２以下のときにおける補正後の流量係数を算出する。そして、開口面積と補正後の流量係数とを乗算することで体積流量を算出する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ開口面積とバルブ前後圧力比に基づく流量係数とからバルブを通過する気体の体積流量を算出する装置であって、
前記バルブ前後圧力比が所定値以下のときは、前記圧力比が小さいほど前記体積流量が増加するように算出することを特徴とする流量算出装置。
【請求項２】
前記バルブは、内燃機関の吸気系に備えられ前記開口面積が可変であることを特徴とする請求項１記載の流量算出装置。
【請求項３】
前記バルブは、スロットルバルブであることを特徴とする請求項２記載の流量算出装置。
【請求項４】
前記バルブは、燃料タンクからの蒸発燃料を吸気側へ導くパージ配管の開度を制御するパージバルブであることを特徴とする請求項２記載の流量算出装置。
【請求項５】
前記バルブは、排気通路から排気の一部を吸気側へ還流させるＥＧＲ配管の開度を制御するＥＧＲバルブであることを特徴とする請求項２記載の流量算出装置。
【請求項６】
前記バルブは、ブレーキ倍力装置へ負圧を導くチェックバルブであることを特徴とする請求項２記載の流量算出装置。
【請求項７】
前記バルブは、内燃機関の吸気系に備えられ前記バルブ開口面積が一定である固定バルブであることを特徴とする請求項１記載の流量算出装置。
【請求項８】
前記体積流量は、前記圧力比が前記所定値以下のときは、前記圧力比と反比例するように流量係数を補正することで算出することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の記載の流量算出装置。
【請求項９】
前記体積流量は、前記圧力比が前記所定値以下のときは、前記圧力比と反比例するようにバルブ開口面積を補正することで算出することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の記載の流量算出装置。
【請求項１０】
前記体積流量は、前記流量係数に前記圧力比の逆数を乗じて流量係数を補正することで算出することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の記載の流量算出装置。
【請求項１１】
前記体積流量に質量密度を乗じて質量流量とすることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の流量算出装置。
【請求項１２】
前記体積流量にモル密度を乗じて物質量流量とすることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の流量算出装置。
【請求項１３】
前記バルブ前後圧力比の所定値は、０．２〜０．３の範囲の値であることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか１つに記載の流量算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気系にバルブ（絞り弁、電制スロットルバルブ）を設けた装置においては、特許文献１に示されるように、バルブ開口面積とバルブ前後圧力比（バルブ下流圧力／バルブ上流圧力）に基づく流量係数とからバルブを通過する気体の流量（体積流量）を算出することが記載されている。特許文献１の図７、特許文献２のＦＩＧ．４、および特許文献３の図４では、バルブ前後圧力比と流量係数との関係については示しているが、圧力比が所定値以下となるチョーク領域（流速が一定となる領域）においては常に一定値とされていた。
【０００３】
特許文献４の図７、および特許文献５の図９では、圧力比と流速との相関を示しており、流速は音速に収束することが述べられている。
【特許文献１】特開２００２−１３００３９号公報
【特許文献２】特開昭５９−１６２３４１号公報
【特許文献３】特開２００２−１８０８７７号公報
【特許文献４】特開昭６２−７８４４３号公報
【特許文献５】特開平１−１２１５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、バルブ前後圧力比が所定値以下になると圧力比に反比例して流量或いはバルブ開口面積が増加するという現象が生じる。すなわち、チョーク状態（流速が一定）であるにもかかわらず、圧力比を小さくすると流量が増加することとなる。
特許文献１〜５のように、従来はこの現象を扱っていなかったため、アイドル時や減速時など圧力比が小さくなる時に吸気流量の推定精度が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、バルブ前後圧力比が所定値以下の場合において、正確な吸気流量を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのため本発明では、バルブ開口面積とバルブ前後圧力比に基づく流量係数とからバルブを通過する気体の体積流量を算出する装置であって、バルブ前後圧力比が所定値以下のときは、この圧力比が小さいほど体積流量が増加するように算出する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、バルブ前後圧力比が所定値以下のとき（例えば、内燃機関ではアイドル時や減速時）の体積流量（吸気流量）の推定精度を向上できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るエンジンの制御装置のシステム構成図である。
エンジン１の各気筒のシリンダ２及びピストン３により画成される燃焼室４には、点火プラグ５を囲むように、吸気バルブ６と排気バルブ７とを備えている。８は排気通路、９は吸気通路である。
【０００９】
吸気通路９には、上流側からエアクリーナ１２および電制スロットルバルブ（バタフライバルブ）１３が配設されており、電制スロットルバルブ１３のバルブ開口面積に応じて空気を燃焼室４内に導入する。電制スロットルバルブ１３は、エンジン制御装置（ＥＣＵ）３０の開度指令（デューティー比）に基づいてバルブ開口面積が決定される。
吸気通路９のコレクタ１１の下流のマニホールドブランチ部には、燃料噴射弁１０が配設されている。
【００１０】
コレクタ１１には、エンジン停止時においてキャニスタに吸着した燃料タンクからの蒸発燃料を吸気側へ導くパージ配管１５、排気通路８から排気の一部を吸気側へ還流させるＥＧＲ配管１６、ブレーキ倍力装置へ負圧を導くためのブレーキ負圧配管１７が接続されている。
パージ配管１５及びＥＧＲ配管１６には、配管１５，１６の開度（流量）を制御するパージバルブ１９及びＥＧＲバルブ２０が設けられている。そして、ブレーキ負圧配管１７には、逆止弁としてチェックバルブ２１が設けられている。
【００１１】
また、ＥＣＵ３０には、圧力センサ２４、ブーストセンサ（圧力センサ）２５、温度センサ２６、及びクランク角センサ２７からの信号が入力される。
圧力センサ２４は、電制スロットルバルブ１３より上流の吸気通路９に設けられ、圧力に応じた信号を出力する。
ブーストセンサ２５は、電制スロットルバルブ１３より下流のコレクタ１１に設けられ、コレクタ１１内の圧力に応じた信号を出力する。
【００１２】
温度センサ２６は、コレクタ１１に設けられ、吸気温度に応じた信号を出力する。
クランク角センサ２７は、エンジン１に設けられ、エンジン１のクランク角に応じた信号を出力する。このクランク角センサ２７の信号によりエンジン回転数を検出可能である。
ＥＣＵ３０は、各種制御を行う。例えば、デューティー制御による電制スロットルバルブ１３の開度制御、燃料噴射時期および噴射量の制御、点火時期制御、パージバルブ１９の開度制御、ＥＧＲバルブ２０の開度制御などを行う。
【００１３】
次に、電制スロットルバルブ１３を通過する空気の流れについて図２を用いて説明する。
図２（イ）は電制スロットルバルブ１３周辺の流れを示す図であり、（ロ）はスロットルバルブ１３の前後圧力比（バルブ１３の下流側の圧力／上流側の圧力）が所定値を越えた状態を示す図、（ハ）は圧力比が所定値以下の状態を示す図である。なお、電制スロットルバルブ前後の圧力比の所定値は０．２〜０．３の範囲の値であり、以下、所定値を０．２として説明する。
【００１４】
図２（イ）に示すように、電制スロットルバルブ１３を閉じるように制御した場合、圧力比が０．２を越えた（圧力比＞０．２）状態と、０．２以下（圧力比≦０．２）の状態とでは、電制スロットルバルブ１３の下流側の所定位置（図２（ロ）に示すＡ−Ａ線，図２（ハ）に示すＢ−Ｂ線）における吸気通路９壁付近の流れが異なったものとなる。
すなわち、図２（ロ）ではＡ−Ａ線の位置において吸気が層流（定常流れ）となる。一方、図２（ハ）ではＢ−Ｂ線の位置において吸気が吸気通路９から剥離した状態の流れ（乱流）となる。これは電制スロットルバルブ１３周辺の流れは渦流を伴うので、等エントロピー流れにはならずバルブ開口面積は必ずしも一定にならないためである。
【００１５】
図３は、図２の状態を圧力比と流量係数（流量若しくは流速に比例する値であり、物理的には音速比）との関係について示したものである。
図３では、電制スロットルバルブ１３の前後圧力比が１．０、すなわち吸気が流れていない状態においては流量係数が０となり、流速が０となることを示している。一方、エンジン１が空気を吸い込む際には、電制スロットルバルブ１３の下流側の圧力が上流側の圧力に対して低下するため、圧力比が低下する。
【００１６】
ここで、圧力比が臨界（例えば、約０．４以下）まで低下すると流量係数が所定値に収束することとなり（流速＝音速となる）、前述の特許文献１〜３の吸気制御装置では、圧力比が０．２以下の場合においても一次元流れの圧力比となる収束値（点線にて示した流量係数の値）を用いていた。
しかしながら、実際の流量（体積流量）は、実線にて示すように圧力比が０．２以下の場合において増加するため、次式による計算によって求める値と、実際の値との間に誤差が生じてしまう。
【００１７】
流量＝バルブ開口面積×流量係数
そこで本発明では、電制スロットルバルブ１３の前後圧力比が０．２以下の場合においても精度良く流量を算出するため、圧力比を用いてバルブ開口面積または流量係数（圧力比の関数として求められる値）を補正する。
次に、圧力比で流量係数を補正して体積流量を算出する処理について図４を用いて説明する。この処理はＥＣＵ３０内で行われる。
【００１８】
電制スロットルバルブ１３の開度（ＥＣＵ３０からのデューティー比）をスロットルバルブ開度と有効開口面積とのテーブルに割り当てて、スロットルバルブ開度に応じた有効開口面積を算出する。
電制スロットルバルブ１３の前後圧力比（下流圧力／上流圧力）を圧力比と流量係数とのテーブルに割り当てて、補正後の流量係数を算出する。圧力比と流量係数とのテーブルは、圧力比が０．２以下では圧力比と流量係数とが反比例している。すなわち、圧力比が小さくなるほど流量係数が大きくなる。
【００１９】
そして、開口面積および補正後の流量係数を前述の流量を算出する式（流量＝開口面積×流量係数）に代入して、体積流量を算出する。これにより電制スロットルバルブ１３の前後圧力比が０．２以下の場合において、流量係数を増加補正することで高精度に流量を算出する。
次に、本発明の吸気系モデルについて図５を用いて説明する。
【００２０】
吸気系モデルは、スロットルモデル３１、ポンプ（エンジン）モデル３２、コレクタモデル３３、およびシリンダモデル３４から大別構成されている。
スロットルモデル３１は、電制スロットルバルブ１３の開度（開口面積）、電制スロットルバルブ１３の上流の圧力（大気圧）、および電制スロットルバルブ１３の下流の圧力（コレクタ１１内の圧力）が入力される。電制スロットルバルブ１３の前後圧力比を算出し、これに基づいて流量係数を算出する。そして、前述の流量を算出する式（流量＝開口面積×流量係数）により、電制スロットルバルブ１３を通過する吸気量（体積流量）を算出する。
【００２１】
ポンプモデル３２は、エンジン１の吸気をポンプ作用と考え、エンジン回転数に基づいて体積吸気量を算出する。
コレクタモデル３３は、スロットル通過吸気量、大気圧、吸気温度、エンジン回転数、および体積吸気量に基づいてコレクタ圧力（密度）を算出する。
シリンダモデル３４は、コレクタ密度および体積吸気量に基づいてシリンダ吸気量を算出する。
【００２２】
図６は、電制スロットルバルブ１３を通過する体積流量を算出するため、前後圧力比から仮想流速（流量係数）を補正する場合を示している。
仮想流速は、次式に示すように、総行程容積［ｍ3］、電制スロットルバルブ１３の全開時体積効率、エンジン回転数［rpm］、およびスロットルバルブ開口面積［ｍ2］に基づいて算出する。
【００２３】
仮想流速＝総行程容積×効率×回転数／（開口面積×１２０）
算出した仮想流速を、流速と圧力比とのテーブルに割り当てて流速の平衡値を算出する。ここで、流速と圧力比とのテーブルは、両対数表示であり、圧力比の逆数を乗じて流量係数（流速）を補正するようになっている。例えば、圧力比が０．２の場合には、流量係数（流速）は５倍となるように補正され、圧力比が小さくなれば、これに応じて流量を算出する式（流量＝開口面積×流量係数）に代入することで、補正後の流量が算出される。
【００２４】
なお、前述の仮想流速を算出して、これを流速と圧力比とのテーブル（図６）に割り当てて圧力比を求め、この圧力比に基づいて流量係数を算出し、前述の流量を算出する式（流量＝開口面積×流量係数）に代入することで、補正後の流量を算出してもよい。
また、圧力、温度、密度などの状態量を使って物質量流量若しくは質量流量を演算するため、体積流量に質量密度もしくはモル密度を乗じて質量流量若しくは物質量流量としてもよい。これにより、圧力および温度が分かれば体積流量を求めることができ、気体の種類が分かれば、質量流量やモル流量などの物理的な流量を求めることができる。
【００２５】
なお、これまでは、バルブを通過する空気量として電制スロットルバルブ１３を通過する空気量について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、パージバルブ１９を通過するパージガス流量、ＥＧＲバルブ２０を通過するＥＧＲガス流量、またはチェックバルブ２１を通過するガス流量についても同様に適用可能である。これらの場合は、前述のコレクタモデル３３のコレクタ圧力（密度）に、パージガス流量、ＥＧＲガス流量、またはチェックバルブ２１を通過するガス流量による圧力変化を考慮して算出するようにすればよい。
【００２６】
そして、パージガス流量、ＥＧＲガス流量、チェックバルブ２１部のガス流量を考慮することでエンジン１に吸入される吸気量をより正確に算出し、この算出値に基づいて燃料噴射量制御等における補正量に反映させるようにする。
本実施形態によれば、バルブ開口面積とバルブ前後圧力比（下流圧力／上流圧力）に基づく流量係数とからバルブを通過する気体の体積流量を算出する装置であって、バルブ前後圧力比が所定値以下のときは、圧力比が小さいほど体積流量が増加するように算出する。このため、バルブ前後圧力比が所定値以下のとき（例えば、内燃機関ではアイドル時や減速時）の体積流量（吸気流量）の推定精度を向上できる。特に、上記推定に基づいて燃料噴射量等を制御すれば、空燃比精度やアイドリング安定性の向上、トルク制御の精度を向上できる。
【００２７】
また本実施形態によれば、バルブは、内燃機関１の吸気系（吸気通路９）に備えられ開口面積が可変である。このため、バルブの開口面積に応じてバルブ前後圧力比が変化する場合においても、精度良く体積流量を算出できる。
また本実施形態によれば、バルブは、スロットルバルブ１３である。このため、吸気通路９におけるスロットルバルブ１３の前後圧力比に応じて体積流量を精度良く算出できる。
【００２８】
また本実施形態によれば、バルブは、燃料タンクからの蒸発燃料を吸気側へ導くパージ配管１５の開度を制御するパージバルブ１９、排気通路８から排気の一部を吸気側へ還流させるＥＧＲ配管１６の開度を制御するＥＧＲバルブ２０、またはブレーキ倍力装置へ負圧を導くチェックバルブ２１である。このため、これらのバルブ１９〜２１についても体積流量が精度良く算出できる。
【００２９】
また本実施形態によれば、体積流量は、圧力比が所定値以下のときは、圧力比と反比例するように流量係数を補正することで算出する。このため、圧力比と流量係数との特性は、圧力比と流量が一対一の関数になっており、圧力比に応じた流量係数補正を含ませることができるので、記憶装置の容量や演算負荷を増加させずに体積流体を補正できる。
また本実施形態によれば、体積流量は、流量係数に圧力比の逆数を乗じて流量係数を補正することで算出する。このため、精度良く流量係数を補正でき、体積流量の推定精度を向上できる。
【００３０】
また本実施形態において、体積流量に質量密度若しくはモル密度を乗じて質量流量若しくは物質量流量とする。このため、圧力、温度、密度などの状態量を使って質量流量若しくは物質量流量を算出できる。
また本実施形態において、バルブ前後圧力比の所定値は、０．２〜０．３の範囲の値である。このため、圧力比の低下による流量の誤差を適切に抑制できる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施形態について、図７を用いて説明する。図７は、圧力比で開口面積を補正して体積流量を算出する処理を示す図である。
電制スロットルバルブ１３の開度をスロットルバルブ開度と有効開口面積とのテーブルに割り当てて、スロットルバルブ開度に応じた開口面積を算出する。
電制スロットルバルブ１３の前後圧力比（下流圧力／上流圧力）を、圧力比と開口面積補正係数とのテーブルに割り当てて、開口面積を補正する割合を算出する。開口面積補正係数算出テーブルは、圧力比が０．２以下では圧力比と開口面積補正係数とが反比例している。すなわち、圧力比が小さくなるほど開口面積補正係数が大きくなる。
【００３２】
開口面積と開口面積補正係数を乗算することにより補正後の開口面積を算出する。
圧力比を、圧力比と流量係数とのテーブルに割り当てて、流量係数を算出する。
そして、補正後開口面積および流量係数を前述の流量を算出する式（流量＝開口面積×流量係数）に代入して、体積流量を算出する。これにより電制スロットルバルブ１３の前後圧力比が０．２以下の場合においても、開口面積を補正することで高精度の流量を算出する。
【００３３】
本実施形態によれば、体積流量は、圧力比が所定値以下のときは、圧力比と反比例するようにバルブ開口面積を補正することで算出する。このため、物理現象に沿って忠実に開口面積を増加するように設定できるので、確実に精度良く流量の補正を行うことができる。そして、流量の特性を実験によって取得して使うこともでき、理論計算が難しい場合でも適用することができる。
【００３４】
なお、これまでは体積流量として電制スロットルバルブ１３、パージバルブ１９、ＥＧＲバルブ２０、チェックバルブ２１を通過する流量について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、電制スロットルバルブ１３に換えて吸気通路９を一定の開口面積にするように固定したバルブ（例えば、オリフィス）を用いて、このバルブの前後の圧力比（バルブ下流の圧力／上流圧力）によりバルブを通過する空気量の算出をするようにしてもよい。
【００３５】
そして、パージ流量、ＥＧＲ流量、チェックバルブ２１から流出する流量からエンジン１に吸入される吸気量を算出し、この算出値に基づいて燃料噴射量制御等における補正量に反映させるようにする。
なお、本発明は、筒内直接噴射式の内燃機関においても同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】流量算出装置を示す構成図
【図２】電制スロットルバルブ周辺の流れを示す図
【図３】圧力比と流量係数とを示すテーブル
【図４】圧力比に基づく補正流量係数により体積流量を補正するブロック図
【図５】吸気系モデルを示すブロック図
【図６】圧力比を仮想流速に基づいて算出するブロック図
【図７】圧力比に基づく開口面積の補正係数により体積流量を補正するブロック図
【符号の説明】
【００３７】
１  エンジン
２  シリンダ
５  点火プラグ
９  吸気通路
１０  燃料噴射弁
１１  コレクタ
１３  電制スロットルバルブ
１９  パージバルブ
２０  ＥＧＲバルブ
２１  チェックバルブ
２４  圧力センサ
２５  ブーストセンサ
２６  温度センサ
２７  クランク角センサ
３０  ＥＣＵ
３１  スロットルモデル
３２  ポンプモデル
３３  コレクタモデル
３４  シリンダモデル
【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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【図７】
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