(57)【要約】    【課題】  脈動分を考慮した吸気圧を精度良く推定できるようにする。    【解決手段】  吸気圧力波の基本周波数と検出したエンジン回転数ＮＥから、理論式を用いて基準吸気温度での同調次数を計算する。基準吸気温度におけるエンジン回転数に応じた実際の吸気圧力波をシミュレーション等から取得して同調次数を読み取る。読み取った同調次数に一致するように、理論式の同調次数を補正する。補正した基準吸気温度における同調次数特性を用いて、検出した現在の吸気温度Ｔｉｎｔにおけるエンジンの同調回転数ＮＥＫを算出する。この同調回転数ＮＥＫを吸気圧力波の同調周波数とする。【選択図】  図２
2005307800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気管形状と音速に基づいて吸気管内の圧力波の基本周波数を算出すると共に、エンジン回転数を検出し、算出した基本周波数と検出したエンジン回転数を用いて、前記圧力波の同調周波数を算出する構成としたことを特徴とする内燃機関の同調周波数推定装置。
【請求項２】
吸気管形状と音速に基づいて吸気管内の圧力波の基本周波数を算出する基本周波数算出手段と、
エンジン回転数検出手段と、
算出した基本周波数と検出したエンジン回転数を用いて、前記圧力波の同調周波数を算出する同調周波数算出手段と、
を備えて構成したことを特徴とする内燃機関の同調周波数推定装置。
【請求項３】
前記同調周波数算出手段は、予め設定した基準吸気温度における基本周波数とエンジン回転数とに基づいて基本同調次数を算出し、吸気温度に応じて変化する基本周波数と前記基本同調次数を用いて前記同調周波数を算出する構成である請求項２に記載の内燃機関の同調周波数推定装置。
【請求項４】
前記同調周波数算出手段は、定在波と仮定して算出した前記基準吸気温度における基本周波数を用いて算出した同調次数を、進行波で得られる前記基準吸気温度における同調次数と一致するように補正する補正手段を備え、該補正手段で補正した補正同調次数を前記基本同調次数とする構成とした請求項３に記載の内燃機関の同調周波数推定装置。
【請求項５】
前記補正手段は、モデル化した等価管長で算出した定在波の前記基準吸気温度における基本周波数を用いて算出した同調次数を、当該同調次数が、実際の吸気管形状で得られる進行波の前記基準吸気温度における同調次数と一致するように補正する構成である請求項４に記載の内燃機関の同調周波数推定装置。
【請求項６】
前記補正手段は、実際の吸気管形状で得られる前記基準吸気温度における吸気管内圧力波のエンジン回転数に応じた変化状態に基づいて同調次数を設定し、当該設定同調次数に、等価管長から算出した同調次数が一致するよう補正係数を設定し、等価管長から算出した同調次数に前記補正係数を乗算してエンジン回転数に応じた前記基本同調次数を設定する請求項５に記載の内燃機関の同調周波数推定装置。
【請求項７】
基準吸気温度下で設定された、吸気圧力に関するエンジン回転数に応じた基本脈動補正値を有し、前記基準吸気温度で算出した同調周波数に対する実際の運転条件に応じた同調周波数の変化量分、前記基本脈動補正値をずらし、実際の脈動補正値を算出し、吸気圧力検出手段で検出した吸気圧力を、前記算出した脈動補正値により補正して吸気圧力を算出する吸気圧力算出手段を備える請求項２〜６のいずれか１つに記載の内燃機関の同調周波数推定装置。
【請求項８】
吸気管形状と音速に基づいて吸気管内の圧力波の基本周波数を算出すると共に、エンジン回転数を検出し、算出した基本周波数と検出したエンジン回転数を用いて、前記圧力波の同調周波数を算出し、算出した圧力波の同調周波数に基づいて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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の同調周波数推定技術に関し、特に、吸気弁付近の吸気圧の推定精度を向上する技術に関する。
【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から吸気側に吹き抜ける排気（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付近の吸気圧を精度良く推定する必要がある。
【０００３】
吹抜ガスによる逆流を考慮して吸気圧状態を推定する技術を開示したものとして、次のものがある（例えば、特許文献１参照）。
これは、逆流によるエアフローメータの検出誤差を補正する技術であり、この技術において、逆流分の誤差を補正する際に、吸気温度を検出してエンジン同調回転数を補正し、空気流量の脈動影響の誤差補正を行っている。
【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、エンジンの同調回転数の変化を吸気温度の変化だけで求めている上述の従来技術では、エンジンの同調回転数の推定精度が良いとは言えず、エンジン回転数に同調する吸気圧の同調周波数の推定精度が良いとは言えない。吸気弁が閉じた後に吸気管内には次第に減衰していく圧力振動が残る。この圧力波の正圧波が次のサイクルの吸入行程に同調すると吸入期間の圧力を高めるが、負圧波が同調すると吸入期間の圧力は低下する。このような圧力波の重なり状態は、圧力波の周波数と毎秒吸入回数に関係し、同調次数（＝（圧力波の周波数）／（毎秒吸入回数））として表せることが知られている。即ち、吸気圧の周波数はエンジン回転数にも影響を受ける。従って、吸気温度しか考慮しない従来技術では、エンジン回転数に同調する吸気圧力波の同調周波数を精度良く推定できず、吸気弁付近の吸気圧を精度良く推定できるとは言えない。
【０００５】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、吸気圧力波の同調周波数の推定精度を高めることにより、吸気弁付近の吸気圧の推定精度を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明に係る内燃機関の同調周波数推定装置及び吸気圧力推定装置は、吸気管形状と音速に基づいて吸気管内の圧力波の基本周波数を算出すると共に、エンジン回転数を検出し、算出した基本周波数と検出したエンジン回転数を用いて、前記圧力波の同調周波数を算出する構成とし、及び、算出した圧力波の同調周波数に基づいて吸気圧力を算出する構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、吸気温度の変化で変化する基本周波数とエンジン回転数を用いて吸気圧力の同調周波数を算出するので、吸気温度だけでなくエンジン回転数によっても変化する吸気圧力の同調周波数の算出精度を向上でき、吸気圧力を高精度に推定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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からのマニホールド圧力検出信号、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。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。
【００１１】
本実施形態では、ＥＣＵ４１が同調周波数推定装置としての機能を備えている。
以下に、ＥＣＵ４１による同調周波数の推定について説明する。
本実施形態では、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圧力波の同調周波数を算出する。尚、吸気圧力波の同調周波数は、エンジン回転数と同調する周波数のことでエンジンの同調回転数と同義であり、本実施形態では、吸気圧力波の同調周波数をエンジンの同調回転数として算出している。
【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。これは、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、マニホールド圧力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。例えば、マニホールド圧力Ｐｍａｎｉ＝１とした場合の吸気／排気圧力比Ｐｐｒの波形を図５に示す。得られた図５の波形から実際の同調次数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１３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１４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ＮＥ（ＮＥａ１）における同調次数Ａ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Ａ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（吸気圧力波の同調周波数）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吸気圧力波の同調周波数を算出でき、吸気圧力波の同調周波数の推定精度が向上する。また、本実施形態では、少なくとも基本同調次数特性を示したテーブルを１つ備えればよく、ＥＣＵ４１のメモリ容量を節約できる。ただし、（６）式を用いて図６の直線Ｌ３で示すような吸気温度７０℃での同調次数特性を求めておき、この同調次数特性線上の１／Ｍｉｎｔ＝１／Ａに対応するエンジン回転数ＮＥａ２を同調回転数ＮＥＫとして算出するようにしてもよい。
【００２０】
また、ステップ１４の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、より一層吸気圧力波の同調周波数の推定精度を高めることができる。
次に、本実施形態の同調周波数推定装置を用いて、脈動分を考慮した吸気弁付近の吸気圧力の推定について説明する。
【００２１】
図７は、本実施形態の吸気圧力検出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。
ＥＣＵ４１には、図６の同調次数テーブルに加えて、図８の脈動補正テーブルが記憶されている。ＥＣＵ４１は、実際の運転条件に応じた同調回転数ＮＥＫの、基準吸気温度における同調回転数に対する変化量ＤＮＥを算出し、算出した変化量ＤＮＥ分、脈動補正テーブルの脈動補正値ＤＰｉｎｔの特性曲線をエンジン回転数ＮＥに関してずらし、ずらした後の特性曲線（図８の実線で示す曲線）を参照して、実際の脈動補正値ＤＰｉｎｔを検索する。検索した脈動補正値ＤＰｉｎｔを、検出した吸気圧力Ｐｍａｎｉに加算して、吸気弁付近の脈動を考慮した吸気圧力ＰＤｉｎｔを算出する。
【００２２】
ここで、脈動補正テーブルについて説明する。
脈動補正テーブルは、次のようにして設定する。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２５℃での脈動を考慮した吸気／排気圧力比Ｐｐｒを、スロットル開度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。求めた吸気／排気圧力比Ｐｐｒの、平滑化されている吸気／排気圧力比Ｐｐｒ０に対する差分を求める。この差分を圧力値に換算して、図５のように脈動補正値ＤＰｉｎｔとしてテーブル化し、図８の脈動補正テーブルをＥＣＵ４１に記憶する。尚、図５では、スロットル開度が全開の場合だけを例として示してある。
【００２３】
ステップ２１で、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＝Ａ、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、基準吸気温度下で同調次数Ｍｉｎｔ＝Ａとするエンジン回転数ＮＥａ１との差ＤＮＥを算出し、脈動補正テーブルにおける、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８に破線で示す）を、エンジン回転数に関して差ＤＮＥだけずらし、脈動補正値ＤＰｉｎｔの特性を、図８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の特性曲線を用いて、検出されたエンジン回転数ＮＥにおける脈動補正値ＤＰｉｎｔ（図８の点Ｘ）を検索する。
ステップ２５では、検出したマニホールド圧力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付近の吸気圧力ＰＤｉｎｔを算出する。
ＰＤｉｎｔ＝Ｐｍａｎｉ＋ＤＰｉｎｔ  ・・・（７）
このように、吸気温度により変化する吸気圧力の基本周波数とエンジン回転数を用いて算出した同調周波数から吸気圧力を推定するので、吸気弁付近の吸気圧力の推定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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】実際の吸気／排気圧力比とエンジン回転数の関係図
【図６】同調次数テーブルを示す図
【図７】吸気圧力検出ルーチンのフローチャート
【図８】脈動補正テーブルを示す図
【符号の説明】
【００２７】
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】
2005307800.tif 000003
【図２】
2005307800.tif 000004
【図３】
2005307800.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005307800.tif 000009
【図８】
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