(57)【要約】    【課題】  内燃機関の吸気弁近傍の脈動する吸気圧力を高精度に推定する。    【解決手段】  吸気脈動の吸気管形状及び基準吸気温度で定まる基本周波数に同調するエンジン回転数を、該エンジン回転数による同調次数の補正と、吸気脈動が進行波であることによる補正と、吸気温度による補正とを施して、吸気弁近傍の吸気圧力とエンジン回転数の関係を、吸気／排気圧力比を吸気脈動の振幅パラメータとして求めて、脈動補正値ＤＰｉｎｔのマップを作成し、該マップから吸気／排気圧力比及びエンジン回転数に基づいて脈動補正値を検索し、吸気圧力検出値に加算して吸気弁近傍の脈動する吸気圧力を求める。【選択図】  図７
2005307801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁開直前のシリンダ内圧力と、吸気管内の吸気圧力とを検出または推定し、これら検出または推定されたシリンダ内圧力と吸気圧力値とに基づいて吸気弁近傍の吸気圧力を算出することを特徴とする内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項２】
吸気管内の吸気圧力と吸気弁開直前のシリンダ内圧力とを検出又は推定し、これら検出値又は推定値から算出した吸気脈動圧の振幅パラメータを用いて脈動補正値を算出し、前記吸気圧力の検出値又は推定値と前記脈動補正値とから吸気弁近傍の吸気圧力を算出することを特徴とする内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項３】
吸気管内の吸気圧力／吸気弁開直前のシリンダ内圧力で定義される圧力比を、前記吸気脈動圧の振幅パラメータとして用いることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項４】
前記振幅パラメータと共に、エンジン回転数を位相パラメータとして前記脈動補正値を算出することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項５】
前記脈動補正値を予め設定したマップからの検索により算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項６】
前記脈動補正値のマップは、吸気脈動の吸気管形状及び基準吸気温度で定まる基本周波数に同調するエンジン回転数を、該エンジン回転数による同調次数の補正と、吸気脈動が進行波であることによる補正と、吸気温度による補正とを施して求めた同調回転数のデータに基づいて作成されることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項７】
吸気管内の吸気圧力と吸気弁開直前のシリンダ内圧力とを検出又は推定すると共に、エンジン回転数を検出し、少なくとも吸気圧力、シリンダ内圧力、エンジン回転数に基づき吸気弁近傍の吸気圧力を算出することを特徴とする内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項８】
前記吸気圧力、シリンダ内圧力、エンジン回転数とから、脈動補正値を算出し、この脈動補正値と前記吸気圧力とに基づき吸気弁近傍の吸気圧力を算出することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の吸気圧力推定装置。
【請求項９】
吸気弁と排気弁の開期間がオーバーラップする間の吸気弁近傍の吸気圧力を推定するときは、前記吸気弁開直前のシリンダ内圧力として、排気管内の排気圧力を用いることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気圧力推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の吸気弁近傍の吸気圧力を推定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の筒内ガス組成は、新たに吸入される新気と残留ガスからなり、筒内ガス組成を知るには、残留ガス量を推定する必要がある。残留ガスには、筒内の隙間容積に残留するガスの他に、吸気弁開期間と排気弁開期間のオーバーラップ期間中に排気側と吸気側との間で吹き抜ける排気（以下、吹抜ガスとする）とがある。従って、残留ガス量を精度良く推定するには吹抜ガス量を精度良く求める必要がある。吹抜ガス量は、排気側と吸気側の圧力差に依存し、オーバーラップ期間における吸気弁近傍の吸気圧力を精度良く推定する必要がある。
【０００３】
ところで、特許文献１には、吸気脈動に共鳴するエンジン回転数（共鳴回転数）を吸気温度によって補正し、該補正量をエアフロメータにより検出される吸入空気流量の誤差補正に適用しており、吸気温度と基準状態での温度の率に応じて補正したエンジン回転数と、スロットル開度とに基づいて、吸入空気流量の誤差補正量を求めている
【特許文献１】特開平１０−１５３４６５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、上記特許文献１のように、吸気脈動の振幅を代表するパラメータとしてスロットル開度を用いた場合には、内部ＥＧＲ率が変化して吸気脈動の振幅が変化した場合に対応しておらず、補正するとしても複雑な演算が必要となる。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、吸気脈動の振幅を代表するパラメータを適切に設定することにより、吸気弁近傍の吸気圧力を高精度に推定することができる内燃機関の吸気圧力推定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】
【０００５】
このため、本発明に係る内燃機関の吸気圧力推定装置は、吸気弁開直前のシリンダ内圧力と、吸気管内の吸気圧力とを検出または推定し、これら検出または推定されたシリンダ内圧力と吸気圧力値とに基づいて吸気弁近傍の吸気圧力を算出する構成とした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、吸気脈動は、内部ＥＧＲ率も加味された吸気弁開弁直前のシリンダ内圧力と吸気管内圧力との比を起振力として発生するため、該吸気弁開弁直前のシリンダ内圧力と吸気管内圧力とに基づいて得られる脈動状態で、平滑された吸気圧検出値を補正することにより、内部ＥＧＲ率変化に影響されず高精度に吸気弁近傍の吸気圧を推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの構成を示している。
吸気通路１１の導入部には、エアクリーナ１２が取り付けられており、エアクリーナ１２により吸入空気中の粉塵等が除去される。吸気通路１１において、エアクリーナ１２の下流には、電子制御式のスロットル弁１３が設置されている。スロットル弁１３の下流には、サージタンク１４が取り付けられており、サージタンク１４にブランチ１５が取り付けられ、吸気マニホールドが構成されている。サージタンク１４内の吸入空気は、ブランチ１５及びシリンダヘッドに形成された吸気ポート１６を介して筒内に流入する。各気筒の吸気ポート１６には、燃料供給用のインジェクタ１７が設置されている。
【０００８】
エンジン本体において、燃焼室１８は、シリンダヘッド及びピストン１９により挟まれた空間として形成される。燃焼室１８は、気筒中心軸を基準とした一側で吸気ポート１６と接続しており、吸気ポート１６は、吸気弁２０により開放及び遮断される。吸気弁２０は、吸気カム２１により駆動される。また、燃焼室１８は、吸気ポート１６とは反対の一側で排気ポート２２と接続しており、排気ポート２２は、排気弁２３により開放及び遮断される。排気弁２３は、排気カム２４により駆動される。吸気カム２１に対して吸気側可変動弁装置２５が、排気カム２４に対して排気側可変動弁装置２６が設けられており、これらの可変動弁装置２５，２６により吸気カム２１又は排気カム２４の各カムシャフトに対する位相を変化させることで、吸気弁２０又は排気弁２３の作動特性を変化させ得るように構成されている。可変動弁装置２５，２６は、油圧型及びソレノイド型等のいかなる形態のものを採用してもよいが、本実施形態では、吸気弁２０又は排気弁２３の開閉時期（即ち、バルブタイミング）を変化させることで、吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ期間（以下、単に「オーバーラップ期間」という）を変化させ得るものを採用している。シリンダヘッドには、燃焼室１８の上部略中央に臨ませて点火プラグ２７が設置されている。
【０００９】
排気通路２８には、排気マニホールドの直後に第１の触媒コンバータ２９が介装されるとともに、その下流に第２の触媒コンバータ３０が介装されている。排気ポート２２に流出した排気は、これらの触媒コンバータ２９，３０及びマフラー３１を通過して、大気中に放出される。
インジェクタ１７、点火プラグ２７及び各可変動弁装置２５，２６の動作は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という）４１により制御される。ＥＣＵ４１には、エアフローメータ５１からの吸入空気量検出信号、圧力センサ５２からの吸気圧力検出信号、温度センサ５３からの吸気温度検出信号、温度センサ５４からの冷却水温度検出信号、クランク角センサ５５からの単位クランク角及び基準クランク角検出信号（ＥＣＵ４１は、これをもとに、エンジン回転数ＮＥを算出する）、圧力センサ５６からの排気圧力検出信号、温度センサ５７からの排気温度検出信号、酸素センサ５８からの空燃比検出信号、アクセルセンサ５９からのアクセル開度検出信号、及びカム角センサ６０，６１からのカム角検出信号（これをもとに、カムとカムシャフトとの実際の位相差を検出可能である）が入力される。上記圧力センサ５２によって検出される吸気圧力は、前記容量の大きなサージタンク１４において脈動が平滑された圧力として検出されるが、さらに平均化処理を行って平滑化して用いてもよい。また、該平滑された吸気圧力をエンジン運転状態に基づいて推定してもよい。ＥＣＵ４１は、入力した各信号をもとに、上記の各デバイスの制御量を設定する。
【００１０】
以下に、ＥＣＵ４１による吸気弁近傍の脈動する吸気圧力、特に、残留ガス量（内部ＥＧＲ量）の算出に必要な、オーバーラップ期間中の吸気圧力の推定について説明する。
本実施形態では、上記脈動する吸気圧力を推定するに際し、脈動の振幅パラメータと位相パラメータとを用いて脈動変化分に相当する脈動補正値を算出し、前記圧力センサ５２で検出した平滑された吸気圧力を脈動補正値で補正して推定する。
【００１１】
始めに、前記脈動の位相パラメータについて概要を説明すると、吸気管形状と音速とに基づいて算出した基本周波数とエンジン回転数から同調次数を算出し、この同調次数を用いて吸気脈動圧（圧力波）の同調周波数を算出する。尚、吸気脈動圧の同調周波数とは、吸気脈動圧に同調するエンジン回転数（同調回転数）である。ここで、吸気脈動圧は吸気弁の開閉に同期した、つまり、エンジン回転数に応じた進行波であるため、該エンジン回転数に対する同調次数の特性を進行波に応じて補正し、かつ、後述するように音速が吸気温度によって変化するので、吸気温度によって補正したエンジン回転数を吸気脈動圧の位相パラメータとして用いる。
【００１２】
図２は、同調回転数（同調周波数）算出ルーチンのフローチャートである。
ＥＣＵ４１には、図６に示す同調次数テーブル（図６の実線で示す直線Ｌ２）が記憶されており、この同調次数テーブルを用いて、実際の運転条件に応じた同調回転数を、図２のステップ１（図中Ｓ１で示し、以下同様とする）及びステップ２のようにして算出する。
【００１３】
ここで、上記の同調次数テーブルの作成過程を図３のフローチャートに示し説明する。
同調次数テーブルは、基準吸気温度（例えば２５℃）での同調次数の理論式を、シミュレーション又は実験の結果により補正して設定する。
ステップ１１では、吸気弁閉時の等価管長Ｌｅを下記（１）式のように設定する。
Ｌｅ＝２（Ｌｉｎｔ＋ΔＬｉｎｔ）  ・・・（１）
Ｌｉｎｔは吸気通路の実管長、ΔＬｉｎｔは開放端補正である。
【００１４】
ステップ１２では、音速Ｓｐｓｄと等価管長Ｌｅから基本周波数Ｆｉｎｔを算出する下記（２）式と音速を算出する（３）式から、基準吸気温度２５℃における基本周波数Ｆｉｎｔを算出する。
Ｆｉｎｔ＝Ｓｐｓｄ／（２×Ｌｅ）  ・・・（２）
Ｓｐｓｄ＝√｛κａｉｒ×Ｒａｉｒ×Ｔｉｎｔ｝  ・・・（３）
ここで、Ｔｉｎｔは吸気温度、κａｉｒは比熱比、Ｒａｉｒはガス定数である。このステップ１２で、Ｔｉｎｔ＝２５℃とする。
【００１５】
ステップ１３では、吸気管内の圧力波を定在波と仮定した場合の同調次数特性を求める。これは、ステップ１２の基本周波数Ｆｉｎｔとエンジン回転数ＮＥから、基準吸気温度２５℃でのエンジン回転数ＮＥに応じた、モデル化した等価管長Ｌｅでの同調次数Ｍｉｎｔ０を算出し、図４の点線で示す直線Ｌ１で表される同調次数特性を求める。尚、直線Ｌ１は、同調次数Ｍｉｎｔ０の逆数を示しており、次式により表される。
【００１６】
１／Ｍｉｎｔ０＝（１／（１２０×Ｆｉｎｔ））×ＮＥ  ・・・（４）
ステップ１４では、ステップ１３の同調次数特性に対して以下のように進行波補正を行い、図４に実線で示す直線Ｌ２の進行波補正後の同調次数特性を求め、基本同調次数を設定する。まず、実際の吸気管形状で得られるエンジン回転数ＮＥに応じた基準吸気温度（本実施形態では２５℃）での吸気／排気圧力比Ｐｐｒをパラメータとしてシミュレーション又は実験等により求める。ここで、吸気／排気圧力比Ｐｐｒは、圧力センサ５２によって検出された吸気圧力と、圧力センサ５６によって検出された排気圧力との比として算出され、後述するように吸気脈動圧の振幅パラメータとして用いられる。図５は、吸気脈動圧を大きく発生する全開時相当の吸気／排気圧力比Ｐｐｒ＝１における吸気弁近傍の吸気圧の波形を示す。得られた図５の波形から実際の特性における所定の同調次数Ｍｉｎｔ＝Ａを読み取り、同調次数Ｍｉｎｔ＝Ａに相当する点のエンジン回転数ＮＥａ１を読み取る。ここで、同調次数Ｍｉｎｔは、圧力波の谷にあたるときがｎ（整数）、山にあたるときがｎ＋1/2となるので、前記所定の同調次数Ｍｉｎｔ＝Ａは、谷や山にあたる部分で、そのときのエンジン回転数からｎを算出して、決定することができる。このエンジン回転数ＮＥａ１と、図４の直線Ｌ１における同一同調次数Ａでのエンジン回転数ＮＥａ０の比を求め、下記（５）式により補正係数Ｋを設定する。この補正係数Ｋを用いて、ステップ３のモデル化した同調次数Ｍｉｎｔ０が実際の同調次数Ｍｉｎｔと一致するよう、直線Ｌ１の傾きを下記（６）式により補正し、図４の直線Ｌ２で示す同調次数特性を求め、これを基本同調次数とする。
【００１７】
Ｋ＝ＮＥａ０／ＮＥａ１  ・・・（５）
１／Ｍｉｎｔ＝（１／（１２０×Ｆｉｎｔ））×Ｋ×ＮＥ  ・・・（６）
ＥＣＵ４１には、このステップ４で求めた進行波補正後の基本同調次数特性（直線Ｌ２）が同調次数テーブルとして記憶される。尚、この基本同調次数特性は、テーブルに代えて、関数として記憶してもよい。
【００１８】
実際に同調回転数を算出する場合、図２のステップ１で、吸気温度Ｔｉｎｔ及びエンジン回転数ＮＥを読み込む。ステップ２で、検出した吸気温度Ｔｉｎｔにおける同調回転数ＮＥＫを算出する。ここでは、検出したエンジン回転数ＮＥＲにおける同調次数Ｂを、図６の同調次数テーブルに示す基準吸気温度での基本同調次数特性（直線Ｌ２）から検索する。また、（２）式と（３）式から検出吸気温度Ｔｉｎｔ（例えば７０℃）での基本周波数Ｆｉｎｔを算出する。そして、検索した同調次数Ｂと算出した基本周波数Ｆｉｎｔから、（６）式を用いて算出されたエンジン回転数ＮＥａ２を実際の同調回転数ＮＥＫとする。
【００１９】
このように、吸気の基本周波数とエンジン回転数から同調次数を算出し、この同調次数を用いて、エンジンの同調回転数を算出することで、吸気温度だけでなくエンジン回転数も考慮した同調回転数特性を算出できる。
また、ステップ１４の進行波補正した同調次数特性（基本同調次数特性）を用いることにより、吸気開始から次の吸気開始までの期間における減衰を考慮したものとなり、他気筒の吸気行程の影響を考慮したものとなって、より一層同調回転数特性を高精度に算出しすることができる。そして、前記同調回転数特性は吸気圧力の脈動位相と相関するので、この特性を用いることで後述する吸気圧力脈動分の推定精度が向上する。
【００２０】
上記のように算出した同調回転数特性を用い、前記吸気／排気圧力比を吸気脈動の振幅パラメータとし、エンジン回転数を位相パラメータとして、脈動分を考慮した吸気弁近傍の吸気圧力を推定する。ここで、吸気脈動は、吸気弁開直前のシリンダ内圧力と吸気管内の吸気圧力との比を起振力として発生し、脈動の振幅は起振力に相関する。吸気弁開直前のシリンダ内圧力は排気弁が開弁しているので、排気圧力とすることができ、したがって、吸気／排気圧力比Ｐｐｒを吸気脈動の振幅パラメータとして用いることができる。また、吸気弁開直前のシリンダ内圧力（排気圧力）をエンジン運転状態に用いて推定してもよい。
【００２１】
また、該吸気／排気圧力比Ｐｐｒを振幅パラメータとすれば、バルブタイミングを変化するなどして内部ＥＧＲ率が変化しても、吸気弁開直前のシリンダ内圧力として用いる排気圧力は、内部ＥＧＲ率変化による変化を含んで検出された値であるので、特許文献１のように内部ＥＧＲ率変化による振幅変化の影響を捉えられないスロットル開度を振幅パラメータとするものに比較し、吸気脈動の振幅を高精度に捉えることができ、内部ＥＧＲ率変化による補正、再適合の必要もない。
【００２２】
ＥＣＵ４１には、図６の同調次数テーブルに加えて、脈動補正マップが記憶されている。該脈動補正マップは、基準吸気温度２５℃において、複数の異なる吸気／排気圧力比Ｐｐｒ毎に、エンジン回転数に応じて脈動する吸気圧の特性をシミュレーションで求め（図７参照）、該脈動する吸気圧の平滑圧に対する差分（＋、−値）を脈動補正値ＤＰｉｎｔとして記憶したものである。
【００２３】
図８は、本発明にかかる吸気圧力推定ルーチンのフローチャートである。このルーチンは所定の時間毎に実行される。
ステップ２１で、各種センサで検出された吸気温度Ｔｉｎｔ、吸気圧力Ｐｍａｎｉ、排気圧力Ｐｅｘ及びエンジン回転数ＮＥを読込む。
ステップ２２では、前述のようにして検出された吸気温度Ｔｉｎｔでの同調回転数ＮＥＫを算出する。例えば、同調次数Ｍｉｎｔ＝Ｂ、検出された吸気温度Ｔｉｎｔ＝７０℃であれば、エンジン回転数ＮＥａ２を同調回転数ＮＥＫとして算出する。
【００２４】
ステップ２３では、ステップ２２で算出した同調回転数ＮＥＫ（＝ＮＥａ２）と、検出された現在のエンジン回転数ＮＥＲとの差ＤＮＥを算出し、脈動補正マップにおける、検出された吸気圧力Ｐｍａｎｉと排気圧力Ｐｅｘの比に対応する脈動補正値ＤＰｉｎｔの特性曲線（図９に破線で示す）を、エンジン回転数に関して差ＤＮＥだけシフトし、前記脈動補正マップにおける脈動補正値ＤＰｉｎｔの特性を、図９の実線のように修正する。
【００２５】
ステップ２４では、修正した脈動補正値ＤＰｉｎｔの特性を用いて、検出されたエンジン回転数ＮＥにおける脈動補正値ＤＰｉｎｔ（図９の点Ｘ）を検索する。ここで、内容を明瞭にするためマップをシフトして検索する構成としたが、実際には、脈動補正マップの特性データ全体を差ＤＮＥシフトすることは複雑な処理になる。そこで、脈動補正マップは、そのままにしておき、エンジン回転数の検出値ＮＥに対し、前記マップのシフト方向とは逆向きに差ＤＮＥだけシフトした回転数（ＤＮＥが正であればＮＥからＤＮＥを差し引き、ＤＮＥが負であればＮＥにＤＮＥを加算した回転数）ＮＥＨを用いて、点線で図示する元のマップから検索しても同一値Ｘが検索されることとなり、簡易な処理で済む。
【００２６】
ステップ２５では、検出した吸気圧力Ｐｍａｎｉに、検索した脈動補正値ＤＰｉｎｔを加算して、脈動分を考慮した吸気弁近傍の吸気圧力Ｐｉｎｔを算出する。
Ｐｉｎｔ＝Ｐｍａｎｉ＋ＤＰｉｎｔ  ・・・（７）
このように、振幅パラメータとして吸気／排気圧力比Ｐｐｒを用い、位相パラメータとしてエンジン回転数を用いて吸気圧力を推定するので、吸気弁近傍の吸気圧力の推定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの構成図
【図２】同調回転数算出ルーチンのフローチャート
【図３】同調次数テーブル作成過程を説明するフローチャート
【図４】基本同調次数特性の作成の説明図
【図５】全開状態及び基準吸気温度での吸気弁近傍の吸気圧力とエンジン回転数の関係を示した図
【図６】同調次数テーブルを示す図
【図７】基準吸気温度での吸気／排気圧力比を振幅パラメータとする吸気弁近傍の吸気圧力とエンジン回転数の関係を示した図
【図８】吸気圧力検出ルーチンのフローチャート
【図９】脈動補正値の検索を説明する図
【符号の説明】
【００２８】
１    エンジン
１１    吸気通路
１３    スロットル弁
１６    吸気ポート
１８    燃焼室
２０    吸気弁
２２    排気ポート
２３    排気弁
２８    排気通路
４１    エンジンコントロールユニット
５２    マニホールド圧力センサ
５３    吸気温度センサ
５５    クランク角センサ
５６    排気圧力センサ
【図１】
2005307801.tif 000003
【図２】
2005307801.tif 000004
【図３】
2005307801.tif 000005
【図４】
2005307801.tif 000006
【図５】
2005307801.tif 000007
【図６】
2005307801.tif 000008
【図７】
2005307801.tif 000009
【図８】
2005307801.tif 000010
【図９】
2005307801.tif 000011