(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通気経路の途中に設けられる可変絞り部を通過する流体の流量を算出する流量算出装置において、
前記可変絞り部を通過する前記流体の流量をｍｔ、前記可変絞り部の開口面積をＡｄ、前記通気経路における前記可変絞り部の上流側の上流圧力をＰｕ、前記通気経路における前記可変絞り部の上流側の上流密度をρｕ、前記通気経路における前記可変絞り部の下流側の下流圧力をＰｄ、前記流体の比熱比をｋとしたときに、以下の式により前記流体の流量ｍｔを算出する演算手段を備えたこと、
を特徴とする流量算出装置。
ｍｔ＝Ａｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2・（（（（ｋ−１）／（２・ｋ））・（１−Ｐｄ／Ｐｕ）＋Ｐｄ／Ｐｕ）・（１−Ｐｄ／Ｐｕ））1/2。
【請求項２】
前記演算手段は、以下の式を用いて前記流体の流量ｍｔを算出することを特徴とする請求項１に記載の流量算出装置。
ｍｔ＝Ａｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2・Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）。
なお、関数Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）は、
（Ｐｄ／Ｐｕ）≦（１／（１＋ｋ））のとき（ｋ／（２・（ｋ＋１）））1/2、（Ｐｄ／Ｐｕ）＞（１／（１＋ｋ））のとき（（（（ｋ−１）／（２・ｋ））・（１−Ｐｄ／Ｐｕ）＋Ｐｄ／Ｐｕ）・（１−Ｐｄ／Ｐｕ））1/2。
【請求項３】
前記可変絞り部は、内燃機関の吸気経路に設けられるスロットルバルブであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量算出装置。
【請求項４】
前記可変絞り部は、デューティー制御弁であり、前記開口面積がデューティー比に基づき設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量算出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通気経路の途中に設けられる可変絞り部を通過する流体の流量を算出する流量算出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通気経路を流れる流体の流量を算出する流量算出する技術手法として、特開平６−７４０７６号公報に記載されるように、スロットル弁を備えた吸気管を通じて内燃機関の気筒に吸入される空気量を算出する吸入空気量算出方法であって、スロットル弁をオリフィスとみなし、スロットル開度に応じそこを通過する空気量を流体力学の式を用いて求めるものが知られている。
【０００３】
この流量算出方法は、流量算出に際し実圧力を用いて流量の推定精度を向上させると共に、その推定誤差があっても次回の推定算出に影響しないように算出を行うとするものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この流量算出方法では、断熱変化の関係式を用いており、流通する流体において等エントロピー条件が成立することを前提として流量を算出していることから、等エントロピー条件が成立しない状況の下では正確な流量が算出できないという問題点がある。特に、内燃機関の吸気管を流れる空気量を算出する場合、必ずしも等エントロピー条件が成立しないため、正確な流量の算出が困難である。
【０００５】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、通気経路を流れる流体の流量を正確に算出できる流量算出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る流量算出装置は、通気経路の途中に設けられる可変絞り部を通過する流体の流量を算出する流量算出装置において、可変絞り部を通過する流体の流量をｍｔ、可変絞り部の開口面積をＡｄ、通気経路における可変絞り部の上流側の上流圧力をＰｕ、通気経路における可変絞り部の上流側の上流密度をρｕ、通気経路における可変絞り部の下流側の下流圧力をＰｄ、流体の比熱比をｋとしたときに、以下の式により流体の流量ｍｔを算出する演算手段を備えたことを特徴とする。ｍｔ＝Ａｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2・（（（（ｋ−１）／（２・ｋ））・（１−Ｐｄ／Ｐｕ）＋Ｐｄ／Ｐｕ）・（１−Ｐｄ／Ｐｕ））1/2。
【０００７】
また本発明に係る流量算出装置は、前述の演算手段が以下の式を用いて流体の流量ｍｔを算出することを特徴とする。ｍｔ＝Ａｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2・Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）。なお、関数Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）は、（Ｐｄ／Ｐｕ）≦（１／（１＋ｋ））のとき（ｋ／（２・（ｋ＋１）））1/2であり、（Ｐｄ／Ｐｕ）＞（１／（１＋ｋ））のとき（（（（ｋ−１）／（２・ｋ））・（１−Ｐｄ／Ｐｕ）＋Ｐｄ／Ｐｕ）・（１−Ｐｄ／Ｐｕ））1/2である。
【０００８】
また本発明に係る流量算出装置は、前述の可変絞り部が内燃機関の吸気経路に設けられるスロットルバルブであることを特徴とする。
【０００９】
また本発明に係る流量算出装置は、前述の可変絞り部がデューティー制御弁であり、開口面積がデューティー比に基づき設定されることを特徴とする。
【００１０】
これらの発明によれば、断熱変化の関係式に基づかずに流体の流量を算出するため、等エントロピ条件が成立しない条件の下で流体の流量の算出が正確に算出できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第一実施形態）
【００１２】
図１に本実施形態に係る流量算出装置の説明図を示す。
【００１３】
本図に示すように、本実施形態に係る流量算出装置は、エンジン２の吸気管２０のスロットルバルブ２３を通過する空気量の算出に適用したものである。エンジン２は、可変動弁機構を備えたものであり、例えば、吸気弁３及び排気弁４の開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構５を備えている。
【００１４】
可変バルブタイミング機構５は、ＥＣＵ６と電気的に接続されており、ＥＣＵ６から出力される制御信号に基づいて作動し、カムポジションセンサなどの検出センサ７を介してＥＣＵ６にバルブタイミングに関する検出信号を出力する。
【００１５】
エンジン２には、クランクポジションセンサ１２が設けられている。クランクポジションセンサ１２は、エンジン回転数を検出するセンサであり、ＥＣＵ６と接続され、ＥＣＵ６に対し検出信号を出力する。
【００１６】
エンジン２には、燃焼室８に燃料を噴射するインジェクタ９が設けられている。インジェクタ９は、燃料を燃焼室８へ供給する燃料噴射手段であり、エンジン２が備えるシリンダ１０ごとに設置されている。燃焼室８は、シリンダ１０内に配設されたピストン１１の上方に形成されている。燃焼室８の上部には、吸気弁３及び排気弁４が配設されている。
【００１７】
吸気弁３の上流側には、インテークマニホルドなどからなる吸気管２０が接続されている。吸気管２０の上流側には、エアクリーナ２２が設置されている。また、吸気管２０の途中には、スロットルバルブ２３が設けられている。
【００１８】
スロットルバルブ２３は、吸気経路の途中に設けられる可変絞り部であり、ＥＣＵ６の制御信号に基づいて作動しスロットル開度を変化させ、それに伴い吸気経路の開口面積を変化させる。スロットルバルブ２３のスロットル開度は、スロットルポジションセンサ２４により検出され、ＥＣＵ６に入力される。
【００１９】
エアクリーナ２２の下流位置には、エアフローメータ２５が設けられている。エアフローメータ２５は、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段である。エアフローメータ２５の検出信号は、ＥＣＵ６に入力される。
【００２０】
ＥＣＵ６は、流量算出装置の装置全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには、流量算出ルーチンを含む各種制御ルーチンが記憶されている。
【００２１】
次に、本実施形態に係る流量算出装置の動作について説明する。
【００２２】
図２は、流量算出装置の動作を示すフローチャートである。
【００２３】
本図のステップＳ１０（以下、単に「Ｓ１０」と示す。他のステップについても同様とする。）にて、スロットル開度ＴＡ、エンジン回転数ＮＥ、バルブタイミングＶＴの読み込みが行われる。
【００２４】
スロットル開度ＴＡの読み込みは、スロットルポジションセンサ２４の出力信号に基づいて行われる。エンジン回転数ＮＥの読み込みは、クランクポジションセンサ１２の出力信号に基づいて行われる。バルブタイミングＶＴの読み込みは、検出センサ７の出力信号に基づいて行われる。
【００２５】
そして、Ｓ１２に移行し、吸気管２０のスロットルバルブ２３を通過する空気流量ｍｔの演算が行われる。この空気流量ｍｔの演算は、次の式（１）に基づいて行われる。
【００２６】
ｍｔ＝Ａｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2・Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）  ‥‥（１）
【００２７】
ここで、関数Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）は、（Ｐｄ／Ｐｕ）≦（１／（１＋ｋ））のとき（ｋ／（２・（ｋ＋１）））1/2であり、（Ｐｄ／Ｐｕ）＞（１／（１＋ｋ））のとき（（（ｋ−１）／（２・ｋ））・（１−Ｐｄ／Ｐｕ）＋Ｐｄ／Ｐｕ）・（１−Ｐｄ／Ｐｕ））1/2である。
【００２８】
また、Ａｄは吸気管２０のスロットルバルブ２３の位置における開口面積、Ｐｕは吸気管２０のスロットルバルブ２３の上流側の上流圧力、ρｕは吸気管２０のスロットルバルブ２３の上流側の上流密度、Ｐｄは吸気管２０のスロットルバルブ２３の下流側の下流圧力、ｋは吸入される空気の比熱比である。
【００２９】
具体的な空気流量ｍｔの演算は、例えば、以下の通りに行われる。
【００３０】
エンジン２が定常状態であるときには空気流量及び吸気管圧力が一意に決まるので、このときの定常流量をｍｔTA、定常圧力をＰｄTAとすると、上述の式（１）に基づいて、次の式（２）が成立する。
【００３１】
ｍｔTA＝Ａｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2・Φ（ＰｄTA／Ｐｕ）‥‥（２）
【００３２】
ここで、式（１）が定常状態以外の過渡状態でも成立するとし、式（１）及び式（２）において同一スロットル開度でＡｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2が上下の差圧に依存しないものとして取り扱い、式（１）及び式（２）によりＡｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2を消去すると、次の式（３）が得られる。
【００３３】
ｍｔ＝ｍｔTA・Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）／Φ（ＰｄTA／Ｐｕ）‥‥（３）
【００３４】
そして、定常状態時のｍｔTA及びΦ（ＰｄTA／Ｐｕ）はスロットル開度ＴＡ、エンジン回転数ＮＥ、バルブタイミングＶＴにより決定できるので、ｍｔTA／Φ（ＰｄTA／Ｐｕ）をスロットル開度ＴＡ、エンジン回転数ＮＥ、バルブタイミングＶＴのテーブルとして設定し、Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）をＰｄのテーブルとして設定する。
【００３５】
これにより、スロットル開度ＴＡ、エンジン回転数ＮＥ、バルブタイミングＶＴに従い、式（３）を用いて、スロットルバルブ２３を通過する空気流量ｍｔを算出することができる。
【００３６】
なお、前述の空気流量ｍｔの算出において、定常状態時のｍｔTA及びＰｄTAをそれぞれスロットル開度ＴＡ、エンジン回転数ＮＥ、バルブタイミングＶＴのテーブルとして設定し、Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）をＰｄのテーブルとして設定しＰｄ、ＰｄTAで参照することにより、過渡状態の空気流量ｍｔの算出を行ってもよい。
【００３７】
また、定常状態の場合、スロットル開度ＴＡとエンジン２への吸入空気量は等しいので、ＰｄTAをスロットル開度ＴＡ、エンジン回転数ＮＥ、バルブタイミングＶＴのテーブルとして設定し、充填効率によってｍｔTAを算出し、Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）をＰｄのテーブルとして設定しＰｄ、ＰｄTAで参照することにより、過渡状態の空気流量ｍｔを算出してもよい。
【００３８】
また、上流圧力Ｐｄは、吸気管２０に圧力センサを設けて実測値を用いてもよいし、エアフローメータ２５などの検出値から推定により決定してもよい。更に、Φ（Ｐｄ／Ｐｕ）のテーブルは、引数をＰｄにしても、Ｐｄ／Ｐｕにしてもよい。
【００３９】
次に、本実施形態に係る流量算出装置における算出結果について説明する。
【００４０】
図３に本実施形態に係る流量算出装置におけるスロットル通過空気量の算出結果、比較例となる流量算出装置におけるスロットル通過空気量の算出結果及び高応答流量計の実測結果を示す。図４は図３の算出におけるスロットル開度の時間変化、図５は吸気管圧力（吸気圧）の時間変化を表したものである。
【００４１】
図３に示すように、本実施形態に係る流量算出装置における算出結果は、高応答流量計の実測値によく追従しており、正確に流量が算出されていることが分かる。一方、比較例となる流量算出装置における算出結果は、通過空気量が立ち上がった部分で高応答流量計の実測値に追従しておらず、流量が正確には算出されていないことが分かる。
【００４２】
ここで、比較例となる流量算出装置は、スロットル通過空気量ｍｔを次の式（４）に基づき、算出するものを用いた。
【００４３】
ｍｔ＝Ａｄ・（Ｐｕ・ρｕ）1/2・Φ１（Ｐｄ／Ｐｕ）  ‥‥（４）
【００４４】
ここで、関数Φ１（Ｐｄ／Ｐｕ）は、（Ｐｄ／Ｐｕ）≦（２／（ｋ＋１））k/(k-1)のときに（２／（ｋ＋１））1/(k-1)・（２・ｋ／（ｋ＋１））1/2であり、（Ｐｄ／Ｐｕ）＞（２／（ｋ＋１））k/(k-1)のときに（（２・ｋ／（ｋ−１））・（（Ｐｄ／Ｐｕ）2/k−（Ｐｄ／Ｐｕ）(k+1)/k））1/2である。
【００４５】
この比較例の算出の式（４）は、質量保存則（式（５））、エネルギ保存則（式（６））及び等エントロピー条件成立を前提とする断熱変化の関係式（式（７））により、導かれた式である。
【００４６】
Ａｕ・ρｕ・ｖｕ＝Ａｄ・ρｄ・ｖｄ  ‥‥（５）
【００４７】
ｖｕ2／２＋（ｋ／（ｋ−１））・（Ｐｕ／ρｕ）＝ｖｄ2／２＋（ｋ／（ｋ−１））・（Ｐｄ／ρｄ）  ‥‥（６）
【００４８】
Ｐｕ／ρｕk＝Ｐｄ／ρｄk  ‥‥（７）
【００４９】
なお、ρｄは、吸気管２０のスロットルバルブ２３の下流側の下流密度、ｖｕは、スロットルバルブ２３の上流側の空気流速、ｖｄは、スロットルバルブ２３の下流側の空気流速である。
【００５０】
一方、本実施形態に係る流量算出装置は、スロットル通過空気量ｍｔを上述の式（１）に基づき算出している。式（１）は、上述の質量保存則（式（５））、エネルギ保存則（式（６））及び次の運動量保存則（式（８））により、導かれる式である。
【００５１】
ρｄ・ｖｄ2・Ａｄ−ρｕ・ｖｕ2・Ａｕ＝Ｐｕ・Ａｕ−Ｐｄ・Ａｄ＋ｐ・（Ａｄ−Ａｕ）  ‥‥（８）
【００５２】
なお、ｐはスロットルバルブ２３の上流の全体平均圧力である。
【００５３】
図６に示すように、スロットルバルブ２３の上流側の開口面積Ａｕ、密度ρｕ、圧力Ｐｕ、流速ｖｕとし、スロットルバルブ２３の開口面積Ａｄ、密度ρｄ、圧力Ｐｄ、流速ｖｄとしたときに、上流側の開口面積Ａｕを無限大として考えると、式（５）の質量保存則から、ｖｕ＝０となる。
【００５４】
また、式（８）の運動量保存則から、ｖｕ＝０も考慮すると、ｐ＝Ｐｕとなる。従って、運動量保存則は、ρｄ・ｖｄ2＝Ｐｕ−Ｐｄとなる。
【００５５】
ゆえに、スロットル通過空気量ｍｔとして、式（１）（（Ｐｄ／Ｐｕ）＞（１／（１＋ｋ））の場合）が導かれる。図７は、本実施形態に係る流量算出装置における式（１）のΦ（Ｐｄ／Ｐｕ）をグラフ化したものである（ｋ＝１．４の場合）。
【００５６】
以上のように、本実施形態に係る流量算出装置によれば、等エントロピー条件成立を前提とせずに、質量保存則（式（５））、エネルギ保存則（式（６））及び運動量保存則（式（８））により導かれる式（１）を用いて、吸気管２０のスロットルバルブ２３を通過する空気流量を算出している。このため、必ずしも等エントロピー条件が成立しないスロットルバルブ２３通過空気流量を正確に算出することができる。
（第二実施形態）
【００５７】
次に第二実施形態に係る流量算出装置について説明する。
【００５８】
第一実施形態に係る流量算出装置ではエンジン２の吸気管２０のスロットルバルブ２３を通過する空気量の算出に適用した場合について説明したが、本実施形態に係る流量算出装置は、通気経路の途中に設けられる可変絞り部を通過する流体の流量を算出する流量算出装置であって、可変絞り部がデューティー制御弁である場合に適用したものである。
【００５９】
例えば、本実施形態に係る流量算出装置は、ＥＧＲ弁やパージ制御弁などの制御弁がオン、オフを繰り返してデューティー制御され流体の流量が調整される場合において、上述した式（１）を用いて流通する流量を算出するものに適用される。
【００６０】
この場合、デューティー制御の制御周波数が流量の計算周波数よりも小さいときには、式（１）の開口面積Ａｄとして実際の開口面積を代入して流量の算出が行われる。
【００６１】
一方、図８に示すように、デューティー制御の制御周波数が流量の計算周波数よりも大きいときには、式（１）の開口面積Ａｄは、デューティー制御のデューティー比に基づいて設定される。すなわち、開口面積Ａｄとして、計算時間間隔Δｔにおける平均開口面積が用いられて流量の算出が行われる。
【００６２】
このような本実施形態に係る流量算出装置にあっても、第一実施形態に係る流量算出装置と同様に流量の算出が可能であり、可変絞り部を通過する流体の流量を正確に算出することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、断熱変化の関係式に基づかずに流体の流量を算出するため、等エントロピ条件が成立しない条件の下で流体の流量の算出が正確に算出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る流量算出装置の説明図である。
【図２】図１の流量算出装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】図１の流量算出装置の算出結果を示した図である。
【図４】図３におけるスロットル開度の変化を示した図である。
【図５】図３における吸気圧の変化を示した図である。
【図６】図１の流量算出装置における算出式の説明図である。
【図７】図１の流量算出装置における算出式をグラフ化した図である。
【図８】第二実施形態に係る流量算出装置の説明図である。
【符号の説明】
２…エンジン、３…吸気弁、４…排気弁、６…ＥＣＵ（演算手段）、２０…吸気管、２３…スロットルバルブ。
【図１】
0004017336.tif 000002
【図２】
0004017336.tif 000003
【図３】
0004017336.tif 000004
【図４】
0004017336.tif 000005
【図５】
0004017336.tif 000006
【図６】
0004017336.tif 000007
【図７】
0004017336.tif 000008
【図８】
0004017336.tif 000009