JP4050221B2 - シリンダ吸入空気量算出装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車などに使用される内燃機関（エンジン）のシリンダに吸入される空気量を算出する技術に関する。

エンジンの吸入空気量を検出する装置として、エアフローセンサ（AFS）がある。特許文献１には、エアフローメータから検出された吸入空気量と、吸気圧センサから検出された吸気圧の変化量と、吸気温度とからシリンダへの吸入空気量を算出することが記載されている。
特開2000-16113号公報

エアフローセンサおよび吸気圧センサの出力を用いた吸入空気量算出手法では、エアフローセンサの出力および吸気圧センサの出力に生じる脈動成分を低減するため、これらの出力の所定周期のサンプル値の移動平均をとることが提案されている。本願の発明者は、脈動成分を低減させるために移動平均の対象期間を長くしていくと、脈動成分は低減されるが、自動車が加速するときなどの過渡状態において算出される吸入空気量が実際の値よりも遅れることを観察した。たとえば、自動車が加速状態にあるときには、算出される吸入空気量が実際の値よりも低い値を示す。エンジンの電子制御ユニットは、この低い値に基づいて目標空燃比に応じた燃料噴射を行うよう制御を行うので、結果として空燃比は目標空燃比よりもリーンになり、加速性能に影響を及ぼすことになる。

したがって、この発明は、このような問題を低減するシリンダ吸入空気量の算出手法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、この発明のシリンダ吸入空気量を算出する装置は、内燃機関の吸気管に設けられた、吸入空気量を検出するための吸入空気量センサと、前記吸気管の吸気圧を検出する吸気圧センサとを備えている。さらにこの発明の装置は、前記吸入空気量センサの出力をサンプリングして平均吸気量を算出する空気量平均化手段と、前記吸気圧センサの出力をサンプリングして平均吸気圧を算出する吸気圧平均化手段とを備える。また、この発明の装置は、前記平均吸気圧の変動に基づいて、平均吸気量を補正するための補正量を算出する補正量算出手段を備えており、補正量算出手段は、内燃機関の運転状態に応じた係数を用いて補正量を算出するよう構成されている。

この発明によると、平均吸気量は、平均吸気圧の変動に基づいて補正され、補正量はエンジンの運転状態に応じた係数を用いて算出されるので、エンジン負荷の過渡状態についても適正にシリンダ吸入空気量を算出することができる。

一形態（請求項２）においては、前記係数は、前記平均吸気圧の変動に応じた値であり、さらに他の形態（請求項３）では、前記係数は、前記平均吸気圧の今回値と前回値との差に応じて決められる。

次に図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。図１は、エンジン系統全体の概念図である。吸入空気は、吸気管11を通り、スロットル15の開度に応じて気筒（以下、シリンダ）10に供給される。シリンダ10で燃焼したガスは、排気管23を通り大気中に排気される。

シリンダ10の近くの吸気管には燃料を噴射するためのインジェクタ21が設けられている。インジェクタ21は、筒内直噴エンジンではシリンダ内にノズルが位置するよう設けられる。スロットル15の上流には空気流量を検出するエアフローセンサ13が設けられている。エアフローセンサは、空気流量計であり、ベーン式エアフローセンサ、カルマン渦式エアフローセンサ、および熱線式エアフローセンサが知られている。この発明は、これらのどのエアフローセンサについても使用することができる。

図には示していないが、エンジンのクランクシャフトにはエンジンの回転に応じて、一定角度ごとに基準角度信号を出すクランク角センサが設けられている。この実施例では、クランクシャフトの回転角度30度ごとにクランクパルスが発生され、このクランクパルスの周期でエアフローセンサの出力がサンプリングされる。

クランク角センサの出力、エンジン水温を検出する水温センサの出力、エアフローセンサの出力、空燃比センサその他エンジンの各部に設けられたセンサからの出力がマイクロコンピュータで構成される電子制御ユニット（Electronic Control Unit）30の入力インターフェイス31に入力される。入力インターフェイス31は、入力信号を処理し、その出力を運転状態判定部37に渡す。運転状態判定部は、入力信号から車両の運転状態を判断し、その出力を制御演算部39に渡す。制御演算部39は、運転状態に応じた空燃比制御を行うための演算を行い、インジェクタ21、点火プラグ、その他の構成要素を駆動する信号を出力する。

燃料噴射量の制御に必要な吸入空気量は、エアフローセンサ13による空気流量の計測出力に基づいて算出される。エアフローセンサ13の出力はECU30の入力インターフェイス31で波形処理されクランクパルス周期でサンプリングされ、アナログ・ディジタル変換器でディジタル信号に変換されて、吸入空気量(GAIRTH)算出部35に送られる。

エアフローセンサ13の出力は、エンジンの吸気工程（TDC）を周期Tとする脈動を含むことが知られている。空気量算出部35は、入力インターフェイス31から送られてくるサンプル値を処理して、脈動周波数成分を取り除いた値を出力する移動平均ディジタル・フィルタを含んでいる。

次に図２を参照すると、スロットル開度が大きく変化すると、エアフローセンサによる空気量計測に基づく吸入空気量GAIRTH(図２ではGair-thで示す)にオーバーシュートを生じることが知られている。この現象は、スロットル下流の吸気マニホールド19（図１）に充填される空気量GBの変化によって発生することが知られている。ここで、エアフローセンサ出力から算出される空気量Gair-afs(g/sec)をシリンダ当たりの吸入空気量GAIRTH(g/TDC)に変換する。たとえば、４シリンダでは、GAIRTH = Gair-afs*60/(NE*2)となり、６シリンダであれば、GAIRTH = Gair-afs*60/(NE*3)となる。

また、次の式によりこのマニホールド充填空気量によるオーバーフローを補正し、シリンダ10に吸入される空気量Gair-cylを算出することが知られている。

式１
GAIRCYL = GAIRTH - ΔPB・V／(R・T)

ここで、ΔPBは吸気管に設けられた圧力センサ17（図１）によって検出される吸気管の圧力、Vはマニホールドの容積、Rは気体定数、Tは吸気温度（絶対温度）である。

図１を参照すると、吸気管（インテークマニホールド）付近に配置された吸気圧センサ17の出力がECU30の入力インターフェイス31に送られ、クランクパルス周期でサンプリングされ、ディジタル値に変換されてPBAVE算出部33に送られる。PBAVE算出部33は、GAIRTH算出部35と同様に移動平均ディジタル・フィルタを備えており、吸気圧の移動平均値を算出する。

図３(A)は、４気筒エンジンにおける吸入空気量および吸気圧のクランクパルス周期（30度）でのサンプリング(81)と、PBAVE算出部33およびGAIRTH算出部35におけるTDC周期（180度=6クランクパルス周期）での吸気圧平均値および吸入空気量平均値算出(83)のタイミング関係を示している。図３(Ｂ)は、図４(A)に示すタイミングで求められたTDC周期の平均値について4TDC区間で移動平均を算出し吸入空気量の平均値および吸気圧の平均値を求めるタイミング（85）を示す。つまり、図３（Ｂ）では、4TDC区間、24クランクパルス区間の移動平均で平均値を算出する。

図３（Ａ）のタイミングでの平均値算出では、出力に4TDC周期の脈動が生じるが、移動平均区間を長くとり、たとえば図３（Ｂ）のタイミングにすると、この脈動成分が現れないことが観測された。しかしながら、このような長い移動平均区間を採用すると、算出されるシリンダ吸入空気量GAIRCYLの過渡特性に問題を生じる。すなわち、自動車の運転状態が加速状態にあるなど、吸気圧および吸入空気量に比較的大きな変化を生じる状態では、算出されるシリンダ吸入空気量GAIRCYLの値が実際のシリンダ吸入空気量の値より遅れることが観測された。たとえば、加速状態にあるときには、算出されるGAIRCYLの値は、実際のシリンダ吸入空気量よりも小さい値になる。

本願の発明者は、次の式１の右辺の２項目に0から1の範囲の補正係数KINVOをかけて、次の式２で表されるGAIRINVOを算出し、式３によりシリンダ吸入空気量GAIRCYLを算出することにより、この現象を低減することができることを認識した。

式２
GAIRINVO =ΔPB・V／(R・T) × KINVO
式３
GAIRCYL = GAIRTH − GAIRINVO

図４は、GAIRINVOを算出するルーチン・プログラムのフローを示す。このルーチン・プログラムは、クランクパルス周期で実行される。この実施例では、図３（B）の方法にしたがって吸気圧平均値PBAVEを求める（ステップS101）。図３（Ｂ）の方法で得られる吸気圧平均値PBAVE(85)は、前述したように24クランクパルス区間の吸入空気圧の移動平均値である。PBAVEの今回値と前回値との差ΔPBAVEを求める(S103)。

この処理と前後してまたは並行して、図３(Ｂ)の方法でエアーフローセンサ出力に基づく吸入空気量平均値GAIRAVEを求める。この平均値も２４クランクパルス区間の平均値である。GAIRAVEの変化量のなまし（平滑化）計算をおこなって変化量GAIRVSを求める(S107)。このなまし計算は、たとえば次の式を用いて行われる。

式４
GAIRVS(n) = dgairave_temp × c + GAIRVS(n-1) × (1-c)

ここで、cは、平滑化係数で 0<c<1 であり、代表的な値は、0.2から0.3である。dgariave_tempは一時変数であり、GAIRAVEの今回値と前回値との差分である。

GAIRVSが下限値以上で(S109)、上限値以下である(S111)ときは、ステップS113に進み、スロットル開度THAがアイドリング時のスロットル開度THIDLE以上かどうかを点検する。THAがTHIDLE未満で、車速VPが所定値以下のときは（S115）、KINVOの値を０に設定する(S117)。したがって、式２で算出される、吸気圧センサ出力に基づく補正項GAIRINVOは０となる（S121）。

GAIRVSが下限値未満(S109)、または上限値超過(S111)のときは、ステップS103で求めたΔPBAVEの値にしたがって、予め用意されている図５に示すテーブルからKINVOの値を求める(S119)。図５のテーブルは、ΔPBAVEの絶対値が大きいほど大きな値をとるよう設定されている。図５でΔPBAVEの絶対値が小さいとき、KINVOが０になるよう設定されているのは、上述のプロセスでステップS117に入ることに対応している。図５に関し、代替的に、ΔPBAVEの絶対値が小さいとき、KINVOをたとえば0.3のような小さな値に設定してもよい。図５の縦軸の値0.3付近で横軸に平行な線が示されているのは、このような代替的な設定を示している。ステップS113でスロットル開度がアイドリング時のスロットル開度以上であるとき、およびステップS115で車速VPが所定値を超過するときも、ステップS119に進み、上述のようにしてKINVOを設定する。

こうして設定されたKINVOを用いて、式２によりGAIRINVOを算出する(S121)。このGAIRINVOを用いて式３により、シリンダ吸入空気量GAIRCYLを算出する。このGAIRCYLを用いて、エンジンの電子制御ユニット30（図１）は、インジェクタを作動させる燃料噴射時間を演算し、インジェクタに駆動信号を送る。

以上にこの発明を具体的な実施例について記述したが、この発明はこのような実施例に限定されるものではない。

この発明の一実施例の全体的な構成を示す機能ブロック図。 エアフローセンサ出力に従って算出される吸入空気量と、あるべきシリンダ吸入空気量との関係を示す波形図。 エアフローセンサ出力および吸気圧センサ出力に基づいて吸入空気量および吸気圧のサンプル値を求め、それらの平均値を求める方法を示すタイミング図。 この発明の一実施例における吸入空気量の補正項を求めるルーチン・プログラムのフローを示す図。 図４のフローのステップS119において参照するテーブルを示す図。

符号の説明

１０ エンジン
１３ エアフローセンサ
１７ 吸気圧センサ
３３ PBAVE算出部
３５ GAIRTH算出部
３４ GAIRINVO算出部

Claims (1)

1. 内燃機関のシリンダ吸入空気量を算出する装置であって、
   内燃機関の吸気管に設けられた、吸入空気量を検出するための吸入空気量センサと、
   前記吸気管の吸気圧を検出する吸気圧センサと、
   前記吸入空気量センサの出力をサンプリングしてTDC区間ごとに平均吸気量を算出する第１の空気量平均化手段と、
   前記吸気圧センサの出力をサンプリングしてTDC区間ごとに平均吸気圧を算出する第１の吸気圧平均化手段と、
   前記第１の空気量平均化手段で算出された平均吸気量の複数TDC区間にわたる移動平均を算出して第２の平均吸気量とする第２の空気量平均化手段と、
   前記第１の吸気圧平均化手段で算出された平均吸気圧の複数TDC区間にわたる移動平均を算出して第２の平均吸気圧とする第２の吸気圧平均化手段と、
   前記第２の平均吸気圧の今回値と前回値の差ΔPBAVEに応じた係数KINVOを求め、該係数を用いて前記第２の平均吸気量を補正するための補正量を算出する補正量算出手段と、
   を備え、前記第２の平均吸気量と前記補正量により前記シリンダ吸入空気量を算出するよう構成されている、シリンダ吸入空気量算出装置。

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