JP4364735B2 - 吸入空気量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、エアフローメータの出力をフィルタリングする装置に関し、特に、エアフローメータの出力値に含まれる脈動成分を除去する装置に関する。

内燃機関の吸気管内にはスロットル弁が設けられており、スロットル弁の開度を調節することにより吸入空気量を制御している。スロットル弁は通気抵抗であるので、開度が小さいときは吸気管内が負圧になり空気吸入効率の低下が発生する。よって近年では、スロットル弁を使用しないノンスロットル型レシプロエンジンが開発されている。

ノンスロットル型エンジンは、可変バルブリフト機構および可変バルブ位相機構を用いて、バルブリフト量およびバルブ開閉タイミングを調節することによって吸入空気量を制御する。可変バルブリフト機構は、特許文献１に開示されるように油圧により所定の高さのカムへと変更することによってバルブリフト量を変更する。また、可変バルブ位相機構は、特許文献２に開示されるように、カム軸の端部に油圧によって位相を遅角化または進角化させることができるようにベーンを設けてバルブ位相角を可変とする。

ところで、ノンスロットル型エンジンでは、図７(a)に示すように空燃比（Ａ／Ｆ値）が分散し目標空燃比へと収束しないということがあった。そして、ノンスロットル型エンジンのエアフローメータ出力を計測すると、図４に示すように実測値が大きく変動していた。これは、レシプロエンジンが吸入行程において、吸気バルブの開閉により断続的に空気を吸入するので、吸気管内における空気の流れに脈動を生じさせるためである。

図５は、スロットル型エンジンのスロットル弁開度thを増加させたときの吸入空気量の平均値に対する分散の変化を示している。図５(a)はスロットル弁開度を10(deg)にしたときの吸入空気量の分散を示し、図５(b)以降はスロットル弁開度を増加させたときの吸入空気量の分散を示している。図５(a)から(f)の吸入空気量の分散を比較すると、スロットル弁開度が大きいほど吸入空気量は分散していることが分かる。このように、通気抵抗となるスロットル弁による影響が小さくなると、吸入空気量に対する吸入空気量に対する脈動による影響が大きくなる。よって、ノンスロットル型エンジンでは、通気抵抗となるスロットル弁を使用しないため、脈動による影響が大きくなり、吸気管に配設されたエアフローメータからの測定値も大きく変動する値となる。燃料噴射装置は、吸入空気量に基づいて空燃比を目標空燃比へと制御するが、変動の大きい測定値に基づいて燃料噴射量を求めると、空燃比も大きく変動するので目標空燃比へと収束しない。

従来の技術において、スロットル弁型エンジンのスロットル全開状態における脈動成分の平滑化、および過渡状態における応答性向上には様々な工夫がなされている。例えば、脈動成分を平滑化するべく、エアフローメータの測定値の移動平均値を求め、移動平均値を測定値として使用する手法がある。また、特許文献３では、エンジンの状態に応じてフィルタの次数を切り替える制御が開示されている。さらに、特許文献４には、エンジン回転数と、吸気管圧力を用いて算出した吸入空気量推定値と、機関吸気管に設置したエアフローメータ計測値とを用いて、逐次型最小二乗法により吸入空気量を算出する方法が開示されている。
特開平７−５４６２５号公報 特開平１１−２２３１１３号公報 特開平５−３０６６４３号公報 特開２００４−１５６４５６号公報

しかしながら、測定値の移動平均を求め振幅を平滑化する手法では、図６に示すように過渡応答において遅れを生ずる。遅れを生じた値に基づいて燃料噴射量を求めると空燃比がリーンまたはリッチとなり、エミッションおよびドライバビリティを悪化させる。

特許文献３の手法では、フィルタの次数をエンジンの条件に応じて設定する必要があり、データ設定に非常に大きな工数を要する。また、低流速時から高流速時までの広範囲にわたって脈動成分が発生するシステムにおいて、出力値が定常状態であるか過渡状態であるのかを判別してフィルタの次数を設定することは困難である。

また、スロットル弁の無いノンスロットル型エンジンの場合、吸入空気管内圧力は大気圧と同じであるから機関吸入空気量との相関関係がなく、特許文献４の手法は使用できない。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、応答性を悪化させることなく、エアフローメータの測定値から吸気管内の脈動成分を除去した吸入空気量を推定する吸入空気量推定装置を提供することを目的とする。

本発明の吸入空気量推定装置は、発明の一形態（請求項１）によると、可変バルブ機構を有する内燃機関の吸入空気量を求める吸入空気量推定装置であって、前記内燃機関の機関回転数、バルブリフト量、およびバルブ位相角に基づいて、所定のマップから吸入空気量基準値を求める基準値取得手段と、前記内燃機関の吸気管に設けられたエアフローメータの出力に応じた計測値を求める計測値取得手段と、前記吸入空気量基準値に補正係数を乗じた値と前記計測値との偏差が最小になる前記補正係数を求める演算手段と、求められた前記補正係数に前記吸入吸気量基準値を乗じて吸入空気量推定値を算出する推定値算出手段と、を備える。これによると、エアフローメータから取得した変動の大きい流量値を変動のない流量基準値へとあてはめるような補正係数を求め、該補正係数を流量基準値に乗じて空気流量の推定値を求める。よって、応答性を悪化させることなく、脈動成分を除去した空気流量推定値を求めることができる。

また、この発明のもう一つの形態（請求項２）による吸入空気量推定装置において、前記演算手段は、最小二乗法を用いて前記偏差が最小になる前記補正係数を求める。これによると、最小二乗法を用いて前記偏差を最小とする補正係数を求めるので、実測値である流量値に基づいて、空気流量推定値を求めるためにより適した補正係数を求めることができる。

図１を参照しつつ、本発明である、基準値およびエアフローメータの測定値に基づいて吸入空気量を推定する吸入空気量推定装置の一実施形態を説明する。図１は、この発明の実施形態に従う、可変バルブ機構（可変バルブリフト機構、可変バルブ位相機構）を有するガソリンエンジンおよびその制御装置の全体的な構成図である。本実施形態で使用されるエンジンは、吸気管内にスロットル弁を配設しないノンスロットル弁型エンジンである。スロットル弁としての吸気量の調節は、可変バルブ機構によるバルブリフト量およびバルブ位相角を変化させることによって行われる。また、図１において、本発明で使用されない内燃機関の周辺装置は省略してある。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）100は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース100b、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ100a、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ100d、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース100cを備えている。メモリ100dのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う制御のためのプログラムは、該ＲＯＭに格納される。ＲＯＭは、ＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ100aによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に格納される。

本実施形態において、上記のＲＯＭには後述の図３に示すフローチャートを実行するためのプログラム、吸入空気量推定演算式、所定の条件から吸入空気量基準値GAIRMAPを求めるための吸入空気量基準マップ、およびエンジン101を運転制御するために必要なその他のプログラムが記憶されている。

ＲＯＭに記憶されている上述の吸入空気量基準マップは、バルブリフト量LIFT、バルブ位相角CAIN、およびエンジン回転数NEの関数である。吸入空気量基準値GAIRMAPは、これら所定のパラメータから求められる定常状態および過渡状態における基準値を表し、上述のパラメータの変化に伴う吸入空気量の変化形状を表すものである。これは、後述するエアフローメータ102からの測定値との関係で最小二乗法を用いることにより、エアフローメータ102の測定値をマップから取得した変化形状にあてはめ、脈動成分を含む吸入空気量の測定値を補正するために使用される。

ＥＣＵ100に向けて送られた信号は入力インタフェース100bに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ100aは、変換されたデジタル信号を、メモリ100dに格納されているプログラムに従って処理し、車両の各部に送るための制御信号を作り出す。出力インタフェース100cは、これらの制御信号を車両の各部へと送る。

エンジン101は、可変バルブ機構を備えるエンジンであるため、ＥＣＵ100は、可変バルブリフト機構106および可変バルブ位相機構107を制御するためのプログラムも実行している。そして、ＥＣＵ100は、このプログラムを実行することにより求められたバルブリフト量LIFTおよびバルブ位相角CAINを可変バルブリフト機構106および可変バルブ位相機構107へと送出する。また、求められたバルブリフト量LIFTおよびバルブ位相角CAINはＲＡＭに記憶され、吸入空気量基準値GAIRMAPの検索の際に使用される。

可変バルブリフト機構106は、バルブリフト量を可変にすることができる装置であって、バルブシャフトを押し下げるカムを切り替えてバルブリフト量を変化させている。すなわち、ＥＣＵ100から送られたバルブリフト量LIFTにしたがって油圧制御により所定のバルブリフト量になるカム高さを有するカムへと切り替えられる。本実施形態では、カムの切り替えによりバルブリフト量を変化させているが、ロッカーアームの支点をアクチュエータにより可変にしてリフト量を可変にする機構など他の可変バルブリフト機構を採用することもできる。

可変バルブ位相機構107は、吸気カムの端にベーン式のアクチュエータが組み込まれ、油圧制御により進角側または遅角側へとバルブ位相角を変化させられるようになっている。そして、ＥＣＵ100から送られたバルブ位相角CAINにしたがって、油圧制御によりカム位相角が変化させられる。

本実施形態のノンスロットル型エンジンでは上述のように、可変バルブリフト機構106および可変バルブ位相機構107を使用し、シリンダ内に流入する吸入空気量を制御してノンスロットルエンジンを実現している。

エンジン101には、エンジン101のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ105が設けられている。クランク角センサ105は、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度で（ここではクランク角１８０度ごとに）ＴＤＣ信号パルスを出力するＴＤＣセンサ、およびＴＤＣ信号パルスより短い一定クランク角周期（たとえば、３０度）で１パルスを発生するＣＲＫセンサからなる。そして、ＴＤＣ信号パルス、およびＣＲＫ信号パルスはＥＣＵ100に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時期、点火時期等のエンジンを運転するための各種タイミング制御に使用される。特に本実施形態において、これらの信号は、所定時間に出力されたＴＤＣ信号パルス数をカウントすることでエンジン回転数NEの算出に使用される。また、これらの信号は、エアフローメータ102から測定値をサンプリングするタイミングの取得にも使用される。

エンジン101には、吸気管103および排気管104が取り付けられており、吸気管103にはエアフローメータ102が取り付けられている。

エアフローメータ102は、吸入空気量を計測するために使用される空気流量計であって、測定した流速をＥＣＵ100へと出力する。本実施形態におけるエアフローメータ102は、空気の流れの中に棒状の抵抗体を置き、その後方に発生する流速に比例した渦の数を光センサや超音波でカウントするカルマン渦方式のエアフローメータを採用している。ここではカルマン渦方式を採用したが、ベーン型エアフローメータまたは熱線方式のエアフローメータを採用することもできる。

エアフローメータ102から取得した空気流速に対して、ＥＣＵ100は、上述のＴＤＣ信号パルスよりエンジンの１ストロークの時間を求め、さらに所定の係数を乗ずることによって、１ストロークあたりの吸入空気量(g/str)を求めることができるように構成されている。

また、図に示していないものもあるが、エンジン101には、運転するために必要な他の機器（たとえば、水温センサなどのセンサ類や、燃料噴射装置、点火プラグ、三元触媒等の各種装置）が取り付けられている。

本実施形態において吸入空気量推定値は、下に示す式（３）から（５）にしたがってＥＣＵ100によって算出される。これらの式は、式（５）を用いて、吸入空気量基準値GAIRMAP(i)および測定値GAIRTH(i)からe(i)を最小とするθ(i)を逐次算出することによって吸入空気量推定値GAIRHATを求める構成となっている。偏差e(i)を最小とするθを求めるに際し、本実施形態では最小二乗法を用いている。以下に最小二乗法を用いた上式の導出方法を示す。

吸入空気量基準値GAIRMAPに基づく吸入空気量の推定値を吸入空気量推定値GAIRHAT(i)として、以下のようにモデル化する。

測定値（センサ出力値）GAIRTH(i)と推定値であるGAIRHAT(i)の偏差をe(i)として次のように定義する。

このとき、時間ｉにおける空気流量推定値GAIRHAT(i)は、次式の（３）から（５）で算出することができる。

図２に本実施形態による、吸入空気量推定装置200のブロック図を示す。吸入空気量推定装置200は、モジュール201、モジュール202、およびモジュール203を含む。モジュール201は、吸入空気量基準値をマップとして記憶しており、時間ｉにおけるエンジン回転数NE(i)、バルブリフト量LIFT(i)、およびバルブ位相角CAIN(i)に基づいて、対応する吸入空気量基準値GAIRMAP(i)を出力する。乗算器204は、モジュール201から出力された吸入空気量基準値GAIRMAP(i)と、モジュール203から出力されたθ(i-1)を乗じ、その結果を差分算出器205へ出力する。乗算器204からの出力が入力されると、差分算出器205は、入力された値と測定値GAIRTHとの差分を算出して、差分値ｅ(i)を乗算器206へと出力する。

モジュール202は、式（５）において、偏差ｅ(i)に乗じられる部分を算出し出力する。乗算器206は、モジュール202から出力された値を受け取り、この値に差分値ｅ(i)を乗算して、その結果を加算器207へと出力する。加算器207は、乗算器206からの出力値にモジュール203からの出力値θ(i-1)を加算し、その結果を乗算器208およびモジュール203へと出力する。

モジュール203は、遅延モジュールであって、モデルパラメータθ(i)を受け取り、これを一時的に記憶するとともに、前回時に記憶したモデルパラメータθ(i-1)を乗算器204および加算器207へと出力する機能を有する。

乗算器207から出力されたθ(i)は、乗算器208において、吸入空気量基準値GAIRMAP(i)が乗じられ、吸入空気量推定値GAIRHAT(i)が出力される。

このような構成にすることで、偏差ｅ(i)を最小とするθ(i)を求めることができる。

図３は、本実施形態における吸入空気量推定装置を使用して目標空燃比となるような燃料噴射量を求めるためのプロセスである。図３に示す吸入空気量推定のプロセスは、メインプログラムから所定のタイミングまたは所定の条件下で呼び出されるように構成されている。また、本実施形態において、以下のプロセスの演算周期は１０〜３０(msec)の時間同期とした。ただし、エンジン回転数同期としてもよい。

メインプログラムから、吸入空気量推定プロセスが呼び出されると、ＥＣＵ100は、ＴＤＣ信号パルスの入力タイミングに基づいて演算を行いエンジン回転数NEを算出する（S301）。次に、ＥＣＵ100は、バルブリフト量LIFTおよびバルブ位相角CAINをメモリ100dから取得する（S302）。ここで、本実施形態におけるエンジン101は、可変バルブ機構を備えるエンジンである。そして、可変バルブリフト機構および可変バルブ位相機構を制御するために必要なバルブリフト量LIFTおよびバルブ位相角CAINは、ＥＣＵ100が可変バルブ機構を制御するための従来技術であるプログラムを実行することによって予め算出されており、メモリ100d内に格納されている。本実施形態では、このようにメモリ100dに予め格納されたバルブリフト量LIFTおよびバルブ位相角CAINを使用している。

次にＥＣＵ100は、エンジン回転数NE、バルブリフト量LIFT、およびバルブ位相角CAINに基づいて、メモリ100d内の吸入空気量基準マップを参照し、対応する吸入空気量基準値GAIRMAPを取得する（S303）。

次に、ＥＣＵ100は、エアフローメータ102からの測定値GAIRTHを取得する。測定値GAIRTHは、直接エアフローメータ102から得られたサンプリング値を使用することもできるが、本実施形態では、６ＣＲＫ分の出力のサンプリング値を移動平均した値を測定値として使用している。そして、ＥＣＵ100は、この移動平均値に所定の係数を乗じて、１ストロークあたりの測定値である吸入空気量GAIRTH(g/str)を得る（S304）。

測定値GAIRTHを取得すると、ＥＣＵ100は、前回時のθをメモリから読み出し、式（４）にしたがって偏差ｅを算出する。また、ＥＣＵ100は、前回時のＰをメモリから読み出し、式（５）にしたがってθを算出する。そして、このθを式（３）に適用して吸入空気量推定値GAIRHATを算出する（S305）。また、上述のようにして計算されたθ、Ｐなどの各値は、次回時の計算に必要となるため、メモリ100dに記憶される。また、本実施形態では、同定ゲインであるＰを逐次算出することとしているが、固定値とすることもできる。

本実施形態では、偏差eを最小にするθを求めるために最小二乗法を用いた式を使用したが、最急降下法を用いてもよい。

吸入空気量推定値GAIRHATを算出すると、ＥＣＵ100は、吸入空気量推定値GAIRHATに基づいて燃料噴射量を算出する（S306）。燃料噴射量の算出は、目標空燃比になるように燃料量を計算する従来の技術を用いて行われる。

このようにすることで、過渡状態であるか否かの判定が困難であるエアフローメータからの測定値をマップ値で補正することができ、脈動成分である変動を除去した吸入空気量値を得ることができる。そして、このように変動を除去した吸入空気量推定値に基づいて、燃料噴射量を制御することができるようになるので、ノンスロットル型エンジンであっても安定した空燃比を実現することができる。

さらに、本実施形態における吸入空気量推定装置は、フィルタ次数の設定を必要とせず、また過渡状態であるか否かの判定も要しない。

図６は、エアフローメータ102の実測値（破線）、エアフローメータ出力の移動平均（点線）、および本実施形態によって算出された推定値（実線）を示している。この中でも実測値は、最も振幅が大きく脈動による空気流量の変動が大きいことが分かる。また、この脈動成分を取り除くべく移動平均を算出した場合であっても、大きな変動は除去しきれず、また移動平均から生ずる過渡期の遅れが発生していることが分かる。これに対し、本実施形態の吸入空気量推定装置による吸入空気量推定値は、過渡期における遅れが発生しておらず、また脈動から生ずる大きな空気流量の変動が収束していることが分かる。よって、吸入空気量推定装置を用いることで、過渡期における高い応答性を実現することができる。

図７(a)は、吸入空気量推定装置を採用しないときの実空燃比（以下Ａ／Ｆ比）の測定結果を示し、図７(b)は、吸入空気量推定装置を採用したときのＡ／Ｆの測定結果を示している。運転条件は、ともにエンジン回転数1000(rpm)、バルブ位相角50(deg)、バルブリフト量1.5(mm)である。そして、図７(a)(b)において、中央の実線KCMDは目標空燃比であり、KACTは計測したＡ／Ｆ値である。図７(a)において、吸入空気量推定装置を採用しないときは、空気流量の測定値にばらつきを生じるために、これに基づいて燃料噴射量を制御したとしてもＡ／Ｆ値が安定せず大きく振幅している。これに対して、吸入空気量推定装置を採用すると、図７(b)に示すように、吸入空気量推定値は変動値を除去した値となるため、これに基づいて噴射された燃料噴射量は図７(a)のように変動せず、空燃比KACTが目標値に収束していることが分かる。

図８は、Ａ／Ｆ値の出現頻度を示している。本実施形態の吸入空気量推定装置を採用しないときにおいて、±１％以内に納まるKACTは、３４．２％にとどまる。一方、本実施形態における吸入空気量推定装置を採用したときは、±１％以内に納まるKACTは１００％となり、良好な結果が得られた。よって、本吸入空気量推定装置を用いることで、ノンスロットル型エンジンのような脈動が大きな環境においても、安定した吸入空気量値を得ることができる。

この発明の一実施形態に従う、エンジンおよびその制御装置の概略図。 この発明の一実施形態に従う、吸入空気量推定装置の構成図。 この発明の一実施形態に従う、吸入空気量推定プロセスによる演算のフローチャート。 従来技術における、エアフローメータの出力値、およびその移動平均値を示す図。 従来技術における、吸入空気量推定装置を使用しないときの吸入空気量の平均値に対する分散を示す図。 この発明の一実施形態に従う、過渡状態における出力の追従性を示す図。 この発明の一実施形態に従う、吸入空気量推定装置を採用したときと、採用しないときのＡ／Ｆ測定結果を表す図。 この発明の一実施形態に従う、吸入空気量推定装置を使用したときのＡ／Ｆ比の出現頻度を示す図。

符号の説明

１００ ＥＣＵ
１０１ 内燃機関
１０２ エアフローメータ

Claims (3)

1. 可変バルブ機構を有する内燃機関の吸入空気量を求める吸入空気量推定装置であって、
   前記内燃機関の機関回転数、バルブリフト量、およびバルブ位相角に基づいて、所定のマップから吸入空気量基準値を求める基準値取得手段と、
   前記内燃機関の吸気管に設けられたエアフローメータの出力に応じた計測値を求める計測値取得手段と、
   前記吸入空気量基準値に補正係数を乗じた値と前記計測値との偏差が最小になる前記補正係数を求める演算手段と、
   求められた前記補正係数に前記吸入吸気量基準値を乗じて吸入空気量推定値を算出する推定値算出手段と、
   を備える吸入空気量推定装置。
2. 前記演算手段は、最小二乗法を用いて前記偏差が最小となる前記補正係数を求める、請求項１記載の吸入空気量推定装置。
3. 可変バルブ機構を有する内燃機関の吸入空気量を求めるように電子制御装置に、
   前記内燃機関の機関回転数、バルブリフト量、およびバルブ位相角に基づいて、所定のマップから吸入空気量基準値を求める機能と、
   前記内燃機関の吸気管に設けられたエアフローメータの出力に応じた計測値を求める機能と、
   前記吸入空気量基準値に補正係数を乗じた値と前記計測値との偏差が最小になる前記補正係数を求める機能と、
   求められた前記補正係数に前記吸入吸気量基準値を乗じて吸入空気量推定値を算出する機能と、
   を実現させるためのプログラム。
   

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