JP2009002281A - 吸入空気量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応答遅れや誤差の少ない正確な吸入空気量の値を検出する。
【解決手段】エアフローメータによる検出吸入空気量Ｇａと、吸気圧に基づく推定吸入空気量Ｇａｅとの間の差分ΔＧのデータに対し、低振幅の周波数成分を除去するようなデータ処理を実行する。そしてデータ処理後の差分データを推定吸入空気量Ｇａｅのデータに加算して最終的な吸入空気量のデータを算出する。エアフローメータ出力を単になますよりも応答遅れや誤差の少ない吸入空気量の値を検出できる。またローパスフィルタと異なり、低振幅成分を除去するので、本来の吸入空気量を反映した高周波成分を最終的な吸入空気量の算出に含め、正確な吸入空気量を検出することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量を検出するための吸入空気量検出装置に関する。

内燃機関、特に自動車用ガソリンエンジンでは、例えば排気系の触媒を高効率で作動させるため、吸入空気量に対して燃料供給量を調節することにより空燃比の制御を行っている。吸入空気量の検出或いは測定はエンジン制御の基本となっている。こうした吸入空気量の検出装置としては熱線式等のエアフローメータが知られている。エンジンにはピストンのレシプロ運動に基づく吸気脈動があるので、必然的にエアフローメータの出力も脈動することになる。

エアフローメータの出力には、吸気脈動による脈動の他に、高周波のノイズ成分が加わっている。このノイズ成分は、吸入空気の温度及び圧力の変化、並びに吸入空気中のダスト量の変化等の外的要因によるものである。つまり、エアフローメータの出力は、元々のエンジン自体への吸入空気量に対応する中央値に、これを中心として高周波で振動するノイズ成分が足し合わされたものとなっている。エアフローメータは外的要因に対して非常に敏感である。吸入空気量が増大すると、外的要因も増大するため、ノイズ成分の振動は大きくなる。従って小排気量エンジンよりも大排気量エンジンの方がノイズ成分の振動は大きい。

ところで、高周波で振動するエアフローメータ出力を空燃比制御等の各種制御にそのまま用いると、制御を安定して行うことができない。そこで従来、ローパスフィルタを用いてエアフローメータ出力から高周波成分を除去したり（例えば特許文献１参照）、エアフローメータ出力をなましたりして、制御に使用するようにしていた。ここでなましとは、１サンプリング周期間の前回から今回までの出力変化量のうち一定割合を前回出力値に加算し、今回出力値とするものである。出力の反応を遅くし、振動を小さくする手法として知られている。

特開平７−４２５９９号公報

エアフローメータ出力をなますと、その出力の動きが鈍くなる。よって振動は抑えられるものの、実際の吸入空気量の変化に追従できず、絶対値誤差が大きくなることがある。また、エアフローメータ出力の中央値とノイズ成分との両方をなますことになるため、ノイズ成分が大きい場合、特に大排気量エンジンの場合、エアフローメータ出力自体を許容範囲までなまそうとすればなまし度合いを大きくしなければならず、応答遅れがより顕著となり、誤差が増大する。

他方、エアフローメータ出力に含まれる高周波振動には、ノイズ成分によるもののほか、極一部の狭い周波数帯においてではあるが、本来の吸入空気量を反映した中央値によるものも含まれる。ローパスフィルタで一律に高周波成分を除去してしまうと、この中央値によるものも除去されてしまい、本来の吸入空気量を検出する際の妨げとなる。

そこで、本発明はかかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、応答遅れや誤差の少ない正確な吸入空気量の値を検出することができる吸入空気量検出装置を提供することにある。

本発明の第１の形態によれば、
内燃機関の吸入空気量を検出するための吸入空気量検出装置であって、
吸気通路に設けられたエアフローメータと、
吸気通路に設けられた吸気圧センサと、
該吸気圧センサによって検出された吸気圧に基づいて吸入空気量を推定する推定手段と、
前記エアフローメータによって検出された検出吸入空気量と、前記推定手段によって推定された推定吸入空気量との各データに基づき、両者の間の差分のデータを取得する差分データ取得手段と、
前記差分データに対し、低振幅の周波数成分を除去し、高振幅の周波数成分を残すようなデータ処理を実行するデータ処理実行手段と、
前記データ処理後の差分データを前記推定吸入空気量のデータに加算して最終的な吸入空気量のデータを算出する吸入空気量算出手段と
を備えたことを特徴とする吸入空気量検出装置が提供される。

これによれば、まず、吸気圧センサによって検出された吸気圧に基づいて吸入空気量が推定される。吸気圧センサの出力はエアフローメータの出力に比べ、高周波で振動するノイズ成分が遙かに少ない。よって吸気圧に基づいて推定された推定吸入空気量の値は、検出吸入空気量の中央値に近い性質を有する。よって推定吸入空気量の値は、最終的な吸入空気量を算出する際の基本値として用いられる。次いで、検出吸入空気量と推定吸入空気量との間の差分データに対し、低振幅の周波数成分を除去し、高振幅の周波数成分を残すようなデータ処理が実行される。従来のローパスフィルタのように高周波の成分を除去するのではなく、低振幅の成分が除去される。こうすると、高周波であっても高振幅の成分はそのまま残されるので、本来の吸入空気量を反映した高周波成分を最終的な吸入空気量の算出に含めることができる。このようなデータ処理後の差分データを推定吸入空気量のデータに加算して最終的な吸入空気量のデータを算出するので、応答遅れや誤差の少ない正確な吸入空気量を検出することができる。

本発明の第２の形態は、前記第１の形態において、
前記データ処理実行手段は、
前記差分データに対してフーリエ変換を実行するフーリエ変換実行手段と、
前記フーリエ変換後のデータについて、低振幅のデータを除去し、高振幅のデータを残すようなフィルタリングを実行するフィルタリング実行手段と、
前記フィルタリング後のデータに対して逆フーリエ変換を実行して前記データ処理後の差分データを算出する逆フーリエ変換実行手段と
を備えることを特徴とする。

これによれば、フーリエ変換の実行により、時間−吸入空気量系で表されていた差分データが周波数−振幅系に置き換えられる。次いでフィルタリングの実行により、フーリエ変換後の差分データのうち、低振幅の周波数成分が除去され、高振幅の周波数成分が残される。これによりノイズ成分に相当する低振幅のデータが除去される。次いで逆フーリエ変換の実行により、周波数−振幅系で表されていた差分データが元の時間−吸入空気量系に戻される。こうして、ノイズ成分を除去した差分データを好適に得ることが可能になる。

本発明の第３の形態は、前記第２の形態において、
前記フィルタリング実行手段は、前記フーリエ変換後のデータのうち、振幅が所定値以下のデータを除去し、振幅が当該所定値より大きいデータを残すことにより、フィルタリングを実行する
ことを特徴とする。

フィルタリングしきい値である所定値は、ノイズ成分を除去し、必要な成分のみを残すように、予め実験等を通じて設定することができる。このように設定された所定値を境にフィルタリングを実行することにより、実際の吸入空気量に対応した正確な吸入空気量の値を検出することができる。

本発明の第４の形態は、前記第２の形態において、
前記フィルタリング実行手段は、機関回転速度に基づいてデータを残すべき周波数帯を決定し、当該決定された周波数帯のデータを残し、それ以外のデータを除去することにより、フィルタリングを実行する
ことを特徴とする。

振幅値が大きくなる周波数帯は機関回転速度に応じて変化し、ある機関回転速度に対し、振幅値が大きくなる固有の周波数帯が存在する。よって、機関回転速度と固有周波数帯との関係を予め実験等を通じて定めておけば、この関係を利用し、機関回転速度から残すべき周波数帯を決定することができる。

本発明の第５の形態は、前記第１乃至第４のいずれかの形態において、
排気の一部を前記吸気通路に環流させるＥＧＲ手段が備えられ、該ＥＧＲ手段は、機関運転状態に基づいて決定される目標ＥＧＲ率に実際のＥＧＲ率が一致するようＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲガス流量制御手段を有し、
前記推定手段は、前記吸気圧に基づいて燃焼室内に吸入される全ガス量を算出すると共に、当該全ガス量に目標ＥＧＲ率を乗じた値を当該全ガス量から減ずることにより前記推定吸入空気量を算出する
ことを特徴とする。

これにより、全ガス量からＥＧＲガス量を差し引いた残りの吸入空気量を推定でき、ＥＧＲを考慮した正確な吸入空気量の検出が可能になる。

本発明によれば、応答遅れや誤差の少ない正確な吸入空気量の値を検出することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。本実施形態の内燃機関（エンジン）１０は自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、多気筒エンジン、特に直列４気筒エンジンとして構成されている。１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３はシリンダ内の燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ（燃料噴射弁）１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。

吸入空気が流通される吸気通路２１の上流端にはエアクリーナ２０が設けられ、このエアクリーナ２０付近の下流側にエアフローメータ２２が設けられている。エアフローメータ２２は吸入空気量を直接検出するためのセンサであり、具体的には、エアフローメータ２２を通過する吸入空気（新気）の流量に応じた信号を出力する。本実施形態のエアフローメータ２２は熱線式であるが、他のタイプであってもよい。エアフローメータ２２の下流側にはターボチャージャ１９、インタークーラ２３及びスロットルバルブ２４が上流側から順に設けられる。スロットルバルブ２４は電子制御式のものが採用され、そのバルブを駆動するサーボモータ等のアクチュエータと、バルブ開度を検出するセンサとを備えている。吸気マニフォルド１１は吸気通路２１の下流端部を構成している。吸気マニフォルド１１は、その上流側部分が集合部とされ、その下流側部分が、集合部から各気筒の各吸気ポートに分岐する分岐部となっている。

本実施形態のターボチャージャ１９は、タービンへの排気流量を調節する可変ベーンと、その可変ベーンを駆動するターボアクチュエータ１９Ａとを備えている。ターボチャージャ１９の下流側の排気通路１５には触媒３０が設置されている。触媒３０は、排気ガス中のＮＯｘを浄化する吸蔵還元型等のＮＯｘ触媒からなっている。なお、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、酸化触媒といった他の排気浄化装置を追加して設けるのが好ましい。

またエンジン１０には、排気の一部を吸気系に還流させるための排気環流装置、即ちＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置３５が設けられる。ＥＧＲ装置３５は、排気通路１５（排気マニフォルド１２の集合部）及び吸気通路２１（吸気マニフォルド１１の集合部））を連通するＥＧＲ通路３６と、ＥＧＲ通路３６に設けられたＥＧＲ弁３７と、ＥＧＲ通路３６においてＥＧＲ弁３７の上流側に設けられたＥＧＲクーラ３８とを備える。ＥＧＲ弁３７は、ＥＧＲ通路３６を流れる排気ガス即ちＥＧＲガスの流量を調節する。ＥＧＲ弁３７には、その弁開度を検出するためのセンサが設けられている。ＥＧＲクーラ３８は、吸気系に戻されるＥＧＲガスの流量を増大すべくＥＧＲガスを冷却する。

エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４、ＥＧＲ弁３７及びターボアクチュエータ１９Ａ等を制御する。ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２、スロットルバルブ開度センサ及びＥＧＲ弁開度センサの他、エンジン１０のクランク角を検出するクランク角センサ２６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２７、及びコモンレール１８内の燃料圧力（コモンレール圧）を検出するコモンレール圧センサ２８が含まれる。ＥＣＵ１００はクランク角センサ２６の出力に基づきエンジン１０の回転速度を常時演算している。

ＥＣＵ１００は、インジェクタ１４から噴射される燃料噴射量をエンジン運転状態（主に回転速度及びアクセル開度）に基づき制御する。またＥＣＵ１００は、燃焼室３内に吸入される全ガス量のうちのＥＧＲガス量の比率、即ち実際のＥＧＲ率が、所定の目標ＥＧＲ率になるように、ＥＧＲ弁３７及びスロットルバルブ２４を制御する。さらにＥＣＵ１００は、コモンレール圧センサ２８により検出された実際のコモンレール圧が所定の目標コモンレール圧になるように、高圧ポンプ１７を制御する。ＥＣＵ１００は、また、エンジン運転状態（主に回転速度及びアクセル開度）に基づいてターボアクチュエータ１９Ａを制御し、吸気圧ないし過給圧を制御している。

吸気マニフォルド１１の集合部には、その内部の吸気ガスの圧力及び温度をそれぞれ検出するための吸気圧センサ３１及び吸気温センサ３２が設置されており、これら吸気圧センサ３１及び吸気温センサ３２もＥＣＵ１００に接続されている。これら吸気圧センサ３１及び吸気温センサ３２は、それぞれ、吸気ガスの圧力及び温度に対応した信号をＥＣＵ１００に出力する。

ＥＧＲ通路３６の下流端は、スロットルバルブ２４と、吸気圧センサ３１及び吸気温センサ３２との間に位置する吸気通路２１に接続されている。よってＥＧＲガスは、スロットルバルブ２４の下流側、且つ吸気圧センサ３１及び吸気温センサ３２の上流側に戻され、吸気圧センサ３１及び吸気温センサ３２は、吸入空気（新気）にＥＧＲガスが混入された後の吸気ガスの圧力及び温度を検出する。

排気通路１５においては、ＮＯｘ触媒３０の上流側に、ＮＯｘ触媒３０に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆを検出するための空燃比センサ４０が設置されており、この空燃比センサ４０もＥＣＵ１００に接続されている。空燃比センサ４０は、例えば、ＮＯｘ触媒３０に吸蔵されたＮＯｘ量の推定に用いられ、さらに、ＮＯｘ触媒３０から吸蔵ＮＯｘを放出させるためのリッチスパイクのタイミングを決定するために用いられる。なお空燃比センサ４０の用途及び目的は他にも様々なものが可能である。空燃比センサ４０は、酸素センサ或いは酸素濃度センサなどとも称され、排気ガスの酸素濃度に応じた電流信号を出力する。この電流信号の値はＥＣＵ１００により空燃比に換算される。空燃比センサ４０は、エンジンが運転する空燃比領域（例えばＡ／Ｆ＝２０〜６０程度）に対応して、広範囲の空燃比を連続的に検出可能である。

他のセンサ類として、排気温を検出する排気温センサや、排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ等を設けるのも好ましい。

次に、本実施形態に係る吸入空気量検出装置について説明する。

前述したように、エアフローメータ２２の出力値は、本来の吸入空気量に対応する中央値に、これを中心として高周波で振動するノイズ成分が足し合わされたような値となっている。これを図示すると図２のようになる。実線が、エアフローメータ２２の出力値から換算された吸入空気量（新気量）Ｇａを示し、破線がその中央値Ｇａｃを示す。Ｇａはエアフローメータ２２によって検出された吸入空気量の値であり、以下「検出吸入空気量」という。制御の上で必要且つ望ましいのはノイズ成分を含んだ検出吸入空気量Ｇａではなく、その中央値Ｇａｃである。検出吸入空気量Ｇａ及びその中央値Ｇａｃは、吸気脈動に基づく低周波の脈動成分を含んでいる。

従来、エアフローメータ出力の高周波ノイズ成分を除去するため、ローパスフィルタを通したり、エアフローメータ出力をなましたりしていた。しかし、なましを行うと、結果として得られる値の応答性が悪くなり、絶対値誤差が大きくなる。特にノイズ振幅が大きい場合だと、必要ななまし度合いも大きくなり、応答遅れ及び誤差がより増大する。他方、エアフローメータ出力に含まれる高周波振動には、ノイズ成分によるもののほか、極一部の狭い周波数帯においてではあるが中央値によるものも含まれる。よってローパスフィルタで一律に高周波成分を除去してしまうと、その中央値による高周波成分も除去されてしまい、吸入空気量を正確に検出することができない。

そこで本実施形態では、検出吸入空気量Ｇａからノイズ成分を除去し、その中央値Ｇａｃのみを抽出するため、以下のような処理を実行する。

図３を参照して、ＥＣＵ１００が実行する吸入空気量検出処理の手順を概略的に説明する。まずＥＣＵ１００は、吸気圧センサ３１によって検出された吸気圧に基づいて吸入空気量を推定する（ステップＳ１０１）。このようにして推定された吸入空気量を以下「推定吸入空気量」といい、符号Ｇａｅで表す。

吸気圧センサ３１は吸気通路２１、特に吸気マニフォルド１１の集合部内の、十分均等化されたガス圧を検出すると共に、エアフローメータ出力のノイズの原因となる外的要因によって影響されづらい。よって、吸気圧センサ３１の出力はエアフローメータ出力に比べノイズ成分が遙かに少なく、推定吸入空気量Ｇａｅは検出吸入空気量Ｇａの中央値Ｇａｃに近い性質を有する。そこでこの推定吸入空気量Ｇａｅを、最終的に検出すべき吸入空気量の基本値として用いる。

次にＥＣＵ１００は、エアフローメータ２２によって検出された検出吸入空気量Ｇａと、前記推定吸入空気量Ｇａｅとの各データに基づき、両者の間の差分のデータを取得する（ステップＳ１０２）。即ち、検出吸入空気量Ｇａ及び推定吸入空気量Ｇａｅの所定時間の間における各データが、所定のサンプリング間隔でサンプリングされ、同一タイミングにおける両者のサンプリングデータ同士の差分が、全てのサンプリングタイミングについて計算される。こうして、各サンプリングタイミング毎の複数の差分データが得られる。

次にＥＣＵ１００は、この差分データに対し、低振幅の周波数成分を除去し、高振幅の周波数成分を残すようなデータ処理を実行する（ステップＳ１０３〜Ｓ１０５）。このデータ処理については様々な周波数解析の手法が利用できるが、本実施形態ではその好適例としてフーリエ解析を基本とする手法を採用する。その詳細は後に述べるが、まずＥＣＵ１００は、差分データに対してフーリエ変換を実行する（ステップＳ１０３）。すると時間−吸入空気量系で表されていた差分データが周波数−振幅系に置き換わる。次にＥＣＵ１００は、フーリエ変換後のデータについて、低振幅のデータを除去し、高振幅のデータを残すようなフィルタリングを実行する（ステップＳ１０４）。この後、ＥＣＵ１００は、フィルタリング後のデータに対して逆フーリエ変換を実行する（ステップＳ１０５）。これにより周波数−振幅系で表されていた差分データが元の時間−吸入空気量系に戻される。これによりデータ処理後の差分データが取得される。

最後に、ＥＣＵ１００は、データ処理後の差分データを推定吸入空気量Ｇａｅのデータに加算し、つまり検出吸入空気量Ｇａを復元し、最終的な吸入空気量のデータを算出する（ステップＳ１０６）。この最終的な吸入空気量データが、最終的に検出すべき各サンプリングタイミングの吸入空気量の値を示すことになる。

次に、以上の吸入空気量検出処理について詳細に説明する。

まず、ステップＳ１０１の吸入空気量Ｇａｅの推定について説明する。この推定は、図４に示される手順に従って、サンプリングタイミング毎に、ＥＣＵ１００により実行される。

最初のステップＳ２０１では、実際に検出されたエンジン回転速度Ｎｅ及びアクセル開度Ａｃの値がそれぞれ取得される。次いでステップＳ２０２では、取得されたエンジン回転速度Ｎｅ及びアクセル開度Ａｃに基づき、所定のマップＭ１（関数でもよい、以下同様）に従って、次回噴射すべき指示値としての燃料噴射量Ｑの値が決定される。

ステップＳ２０３では、取得されたエンジン回転速度Ｎｅと決定された燃料噴射量Ｑとに基づき、所定のマップＭ２に従って、目標ＥＧＲ率ＥＧＲｔｒｇの値が決定される。次いでステップＳ２０４では、この目標ＥＧＲ率ＥＧＲｔｒｇに基づき、図示しない所定のマップに従って、ＥＧＲ弁２７及びスロットルバルブ２４の目標開度である目標ＥＧＲ弁開度ＥＶｔｒｇ及び目標スロットル開度ＴＨｔｒｇが決定される。なお、この目標ＥＧＲ弁開度ＥＶｔｒｇ及び目標スロットル開度ＴＨｔｒｇの決定に際しては、目標ＥＧＲ率ＥＧＲｔｒｇに加えて或いは目標ＥＧＲ率ＥＧＲｔｒｇに代えて、他のエンジン運転状態量（例えば回転速度Ｎｅ、アクセル開度Ａｃ）を用いてもよい。

次に、ステップＳ２０５では、ＥＧＲ弁２７及びスロットルバルブ２４の実際の開度、即ち実ＥＧＲ弁開度ＥＶ及び実スロットル開度ＴＨが、それぞれ目標ＥＧＲ弁開度ＥＶｔｒｇ及び目標スロットル開度ＴＨｔｒｇに一致したか否かが判断される。ＥＧＲ弁２７及びスロットルバルブ２４の実際の開度は各々に設けられた開度センサにより検出される。

実ＥＧＲ弁開度ＥＶ及び実スロットル開度ＴＨがそれぞれ目標ＥＧＲ弁開度ＥＶｔｒｇ及び目標スロットル開度ＴＨｔｒｇに一致していなければ、一致するまで待機する。即ち、ＥＧＲ弁２７及びスロットルバルブ２４の作動遅れがある間は待機する。

他方、実ＥＧＲ弁開度ＥＶ及び実スロットル開度ＴＨがそれぞれ目標ＥＧＲ弁開度ＥＶｔｒｇ及び目標スロットル開度ＴＨｔｒｇに一致した場合、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率ＥＧＲｔｒｇに一致したとみなすことができる。そこでこの状態で、ステップＳ２０６において、吸気圧センサ３１及び吸気温センサ３２によって検出された吸気圧Ｐｉ及び吸気温ＴＨｉの値が取得され、ステップＳ２０７において、取得された吸気圧Ｐｉ及び吸気温ＴＨｉに基づき、所定のマップＭ３に従って、シリンダ内燃焼室１３に吸入される推定値としての全ガス量Ｇｃｙｌが算出される。

そして、ステップＳ２０８で、全ガス量Ｇｃｙｌ及び目標ＥＧＲ率ＥＧＲｔｒｇに基づき、次式に従って、推定吸入空気量Ｇａｅが算出される。
Ｇａｅ＝Ｇｃｙｌ×（１−ＥＧＲｔｒｇ）
ＥＧＲが実行されているとき、燃焼室１３に吸入される全ガスのうち、一部はＥＧＲガスであり、残部が吸入空気（新気）である。よって全ガス量Ｇｃｙｌに目標ＥＧＲ率ＥＧＲｔｒｇ（実際のＥＧＲ率に等しいとみなせる）を乗じた値、即ちＥＧＲガス量を、全ガス量Ｇｃｙｌから減ずることにより、推定吸入空気量Ｇａｅを算出するようにしている。なお、ＥＧＲが実行されないときには目標ＥＧＲ率＝０（％）なので、全ガス量Ｇｃｙｌがそのまま推定吸入空気量Ｇａｅとなる。

このように、ＥＧＲを考慮して推定吸入空気量Ｇａｅを算出、取得するので、推定吸入空気量Ｇａｅを正確に算出することができる。また、ステップＳ２０７におけるように、吸気温ＴＨｉをも考慮して全ガス量Ｇｃｙｌひいては推定吸入空気量Ｇａｅを算出するので、推定吸入空気量Ｇａｅの算出精度を高めることができる。

以上のようにして推定吸入空気量Ｇａｅの算出を終えたら、次に、ステップＳ１０２の差分データの取得を実行する。

図５は、検出吸入空気量Ｇａ、推定吸入空気量Ｇａｅ及び両者の差分の推移をそれぞれ示している。ここで差分はΔＧ＝Ｇａ−Ｇａｅとして定義されるが、逆の減算で定義してもよい。

図示されるように、エンジン運転状態の変化に対応して、検出吸入空気量Ｇａと推定吸入空気量Ｇａｅとの両者の値は同じように変化する。エアフローメータ２２で検出された検出吸入空気量Ｇａの値は、外的要因によるノイズを含み、高周波で大きく振動している。これに対し、吸気圧から推定された推定吸入空気量Ｇａｅの値は、外的要因によるノイズが少なく、高周波振動が少ない。吸気圧センサ３１は外的要因に影響されづらく、応答速度がエアフローメータ２２よりも若干遅い。よって吸気圧に基づいて推定された推定吸入空気量Ｇａｅも、外的要因によるノイズを殆ど含まず、実際の吸入空気量の急激な変動や微小な変動を反映しづらい。推定吸入空気量Ｇａｅの値は、検出吸入空気量Ｇａのほぼ中央値となることもあるが、推定誤差等により図示例のように検出吸入空気量Ｇａの中央値からオフセットされてしまうこともある。このオフセットの点を除けば、推定吸入空気量Ｇａｅの値は、検出吸入空気量Ｇａの中央値に近い性質を有し、より言えば、その中央値とほぼ同等と取り扱えるものである。なお、検出吸入空気量Ｇａ及び推定吸入空気量Ｇａｅの両者の値は、吸気脈動に基づく低周波の脈動成分を含むものである。

これら検出吸入空気量Ｇａ及び推定吸入空気量Ｇａｅの各データが所定時間の間サンプリングされ、ＥＣＵ１００のメモリ内に一時記憶される。そして同一のサンプリングタイミングにおける検出吸入空気量Ｇａ及び推定吸入空気量Ｇａｅの値から、両者の差分ΔＧが計算される。各サンプリングタイミングにおいてこのような計算を実行すると、サンプリング時間の間の全てのサンプリングタイミングにおける複数の差分ΔＧのデータが得られる。図示されるように、差分ΔＧは、前記オフセットの値を中心として、検出吸入空気量Ｇａと同じように高周波で振動する値となる。この差分ΔＧには、吸気圧センサ３１では検出し得ない急激な変動や微小な変動が含まれる。

以上により差分データが得られたならば、次に、ステップＳ１０３における、差分データに対してのフーリエ変換が実行される。特に、差分データは各サンプリングタイミング毎の離散データであり、ここで行われるのは離散関数に対してのフーリエ変換、即ち離散フーリエ変換である。

このフーリエ変換実行後のデータを図６に示す。これから分かるように、図５の如く時間−吸入空気量系で表されていた差分データは、周波数−振幅系の差分データに変換され、差分データは各周波数成分に分解される。フーリエ変換実行後の差分データは、ドット塗りで示されるような振幅が大きい周波数成分と、白抜きで示されるような振幅が小さい周波数成分とに大別される。振幅が小さい周波数成分は、広い周波数帯に分散しており、外的要因によるノイズ、即ちホワイトノイズによるものと考えられる。外的要因により発生する振動は、環境に応じてランダムに発生し、固有の振動数を持たないからである。他方、振幅が大きい周波数成分は、エンジンのレシプロ運動によるもの、つまり実際の吸入空気量の変化を反映したものであり、ここで必要な成分と考えられる。この周波数成分は、最低レベルの周波数帯Ｆ₁〜Ｆ₃と、それより高い固有の周波数帯Ｆ₄，Ｆ₅で見られる。

次に、ステップＳ１０４におけるフィルタリングを実行する。このフィルタリングでは、振幅が小さい周波数成分ないし周波数帯のデータを除去し、振幅が大きい周波数成分ないし周波数帯のデータを残すようなフィルタリングを実行する。具体的には、白抜きで示されるような振幅が所定値Ａｓ以下である周波数成分については、フィルタリング係数０を乗じてこれを除去する。またドット塗りで示されるような振幅が所定値Ａｓより大きい周波数成分については、フィルタリング係数１を乗じてこれをそのまま残す。フィルタリングしきい値である所定値Ａｓについては、ノイズ成分を除去し、必要な成分のみを残すように、予め実験等を通じて設定される。これにより好適なフィルタリングを実行することができる。

ところで、振幅値が大きくなる周波数帯はエンジン回転速度に応じて変化し、あるエンジン回転速度に対し振幅値が大きくなる固有周波数帯が存在する。そこで代替的に次のようなフィルタリングを実行することも可能である。即ち、エンジン回転速度と固有周波数帯との関係を予め実験等を通じて調べ、マップ等で規定しておき、実際のエンジン回転速度から当該関係を利用して、残すべき周波数帯を決定する。そして、その残すべき周波数帯の成分を残し、それ以外の周波数帯の成分を除去するフィルタリングを実行する。これによっても好適なフィルタリングを実行することができる。

こうしてフィルタリングを終えたら、次に、フィルタリング後のデータに対しステップＳ１０５の逆フーリエ変換を実行する。すると、フィルタリング後の周波数−振幅系の差分データが、図５に示したような時間−吸入空気量系に戻される。

最後に、ステップＳ１０６において、逆フーリエ変換後の差分データ（ΔＧ’とする）を推定吸入空気量Ｇａｅのデータに加算し、即ち元の検出吸入空気量Ｇａの値を復元し、最終的な吸入空気量（Ｇａ’とする）のデータを算出、取得する。これにより各サンプリングタイミングにおける吸入空気量の最終値Ｇａ’が得られる。ここで、フィルタリング後に残された周波数成分にはその振幅に前記オフセット分が含まれる。よって、図５に示したようなオフセットがあっても、逆フーリエ変換後の差分ΔＧ’のデータを推定吸入空気量Ｇａｅのデータに加算した時点でオフセット分が加算され、オフセットはキャンセルされる。最終的に得られる吸入空気量Ｇａ’は、元々の検出吸入空気量Ｇａに対しより振動が小さく、遅れずにその中央値をとるような、制御等への使用に非常に好ましい値となる。

このように本実施形態によれば、エアフローメータ出力をなました場合よりも遙かに応答遅れや誤差の少ない吸入空気量の値を検出することができる。また、ローパスフィルタのように高周波成分を一律に除去しないので、ローパスフィルタの場合よりも正確に吸入空気量の値を検出することができる。即ち、ローパスフィルタの場合だと、振幅が大きくても、周波数が高い成分（図６の周波数帯Ｆ₅（及びＦ₄）の成分）であれば、これを除去してしまう可能性がある。これは、本来のエンジンのレシプロ運動に基づく成分、言い換えれば本来の吸入空気量を反映した必要な成分を除去してしまっていることになる。本実施形態では、周波数ではなく振幅の大小で除去する成分と残す成分とを決定するので、そのような必要な成分を残して最終的な吸入空気量Ｇａ’を検出することができる。よって、吸入空気量をより正確に検出することが可能である。

ところで、近年では、ディーゼルエンジンの分野でもガソリンエンジン（火花点火式内燃機関）と同様に、空燃比をフィードバック制御しようという試みがなされている。その主な理由は、排気エミッションの改善、特にＮＯｘ触媒等の排気浄化装置の有効活用である。この場合、ガソリンエンジンと同様に、排気通路に空燃比を検出するための空燃比センサを設け、この空燃比センサによる検出空燃比が目標空燃比に一致するように燃料噴射量をフィードバック制御することが考えられる。現に本実施形態でも、空燃比センサ４０による検出空燃比により空燃比をフィードバック制御することが考えられる。

しかし、ディーゼルエンジンの場合だと、通常、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝約１４．６）よりもリーンでしかも広範な空燃比領域（Ａ／Ｆ＝２０〜６０程度）に亘ってエンジンが運転されている。この広範な空燃比領域をカバーできる空燃比センサも開発されてきてはいるが、特に高リーン領域におけるセンサの応答性が、理論空燃比のときの２．５〜３倍といったように、著しく悪化する欠点がある。また、センサの応答性が空燃比に応じて異なるため、実際の空燃比の変化幅が大きい場合に応答性にむらが生じ、ハンチングの原因ともなる。さらに、排気中のエミッション成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ、ＰＭ）に依存して大きな絶対値誤差が生じる場合もある。このように空燃比センサを用いた空燃比フィードバック制御には未だ解決すべき課題が残されている。

そこで、空燃比センサで排気空燃比を直接検出する代わりに、エンジンの実際の燃料噴射量と吸入空気量から実際の空燃比を算出或いは推定することが考えられる。この場合、空燃比Ａ／Ｆは、燃料噴射量と吸入空気量との比として算出することができる（空燃比＝吸入空気量／燃料噴射量）。このようにして算出される空燃比を以下、推定空燃比と称する。燃料噴射量としては前述のようなエンジン運転状態に基づいて算出される指示値Ｑを用いることができる。また、吸入空気量としては、例えばエアフローメータで検出された値Ｇａを用いることができる。

しかし、エアフローメータの検出値Ｇａをそのまま用いると、前述したように、その値が絶えず大きく高周波で振動しているので、結果として推定空燃比の値も同じように振動してしまい、安定した制御を行うことができない。

そこで、本発明に係る吸入空気量検出装置により検出された吸入空気量Ｇａ’を用いると、その吸入空気量Ｇａ’の振動が少ないため、推定空燃比の振動も少なくなり、安定した空燃比制御を行うことができる。また、吸入空気量Ｇａ’の応答性が良いため、結果的に高応答の推定空燃比を得ることができる。しかもこれは、空燃比の値や排気エミッション成分によって何等制約を受けない。よってあらゆる空燃比において高応答且つ高精度の空燃比推定及び空燃比制御を実現することが可能になる。

さらに、本実施形態のように排気通路に別途空燃比センサが設けられている場合には、吸入空気量Ｇａ’を用いて推定空燃比を算出し、この推定空燃比を、空燃比センサによって検出された実際の空燃比と比較して、空燃比センサの故障診断を行うこともできる。即ち、実際の排気空燃比と推定空燃比との差が所定値以上であれば空燃比センサを故障と診断し、その差が所定値より小さければ空燃比センサを正常と診断できる。

これらの説明で分かるように、本発明に係る吸入空気量検出装置により検出された吸入空気量を用いて推定空燃比を算出する装置及び方法、この推定空燃比を用いて空燃比を制御する装置及び方法、並びにこの推定空燃比を用いて空燃比センサの故障診断を行う装置及び方法といった各発明をも把握することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、前記実施形態は圧縮着火式内燃機関への適用例であったが、本発明は火花点火式内燃機関にも適用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。 エアフローメータによって検出された吸入空気量と、その中央値を示すグラフである。 吸入空気量検出処理の手順を示すフローチャートである。 推定吸入空気量の算出手順を示すフローチャートである。 検出吸入空気量、推定吸入空気量及び両者の差分の推移を示すグラフである。 フーリエ変換実行後の差分データを示すグラフである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１３ 燃焼室
２１ 吸気通路
２２ エアフローメータ
２４ スロットルバルブ
３１ 吸気圧センサ
３５ ＥＧＲ装置
３６ ＥＧＲ通路
３７ ＥＧＲ弁
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
Ｇａ 検出吸入空気量
Ｇａｅ 推定吸入空気量
ΔＧ 差分
Ｇａ’ 最終的な吸入空気量
Ａｓ 所定値
Ｇｃｙｌ 全ガス量

Claims (5)

1. 内燃機関の吸入空気量を検出するための吸入空気量検出装置であって、
   吸気通路に設けられたエアフローメータと、
   吸気通路に設けられた吸気圧センサと、
   該吸気圧センサによって検出された吸気圧に基づいて吸入空気量を推定する推定手段と、
   前記エアフローメータによって検出された検出吸入空気量と、前記推定手段によって推定された推定吸入空気量との各データに基づき、両者の間の差分のデータを取得する差分データ取得手段と、
   前記差分データに対し、低振幅の周波数成分を除去し、高振幅の周波数成分を残すようなデータ処理を実行するデータ処理実行手段と、
   前記データ処理後の差分データを前記推定吸入空気量のデータに加算して最終的な吸入空気量のデータを算出する吸入空気量算出手段と
   を備えたことを特徴とする吸入空気量検出装置。
2. 前記データ処理実行手段は、
   前記差分データに対してフーリエ変換を実行するフーリエ変換実行手段と、
   前記フーリエ変換後のデータについて、低振幅のデータを除去し、高振幅のデータを残すようなフィルタリングを実行するフィルタリング実行手段と、
   前記フィルタリング後のデータに対して逆フーリエ変換を実行して前記データ処理後の差分データを算出する逆フーリエ変換実行手段と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の吸入空気量検出装置。
3. 前記フィルタリング実行手段は、前記フーリエ変換後のデータのうち、振幅が所定値以下のデータを除去し、振幅が当該所定値より大きいデータを残すことにより、フィルタリングを実行する
   ことを特徴とする請求項２記載の吸入空気量検出装置。
4. 前記フィルタリング実行手段は、機関回転速度に基づいてデータを残すべき周波数帯を決定し、当該決定された周波数帯のデータを残し、それ以外のデータを除去することにより、フィルタリングを実行する
   ことを特徴とする請求項２記載の吸入空気量検出装置。
5. 排気の一部を前記吸気通路に環流させるＥＧＲ手段が備えられ、該ＥＧＲ手段は、機関運転状態に基づいて決定される目標ＥＧＲ率に実際のＥＧＲ率が一致するようＥＧＲガス流量を制御するＥＧＲガス流量制御手段を有し、
   前記推定手段は、前記吸気圧に基づいて燃焼室内に吸入される全ガス量を算出すると共に、当該全ガス量に目標ＥＧＲ率を乗じた値を当該全ガス量から減ずることにより前記推定吸入空気量を算出する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の吸入空気量検出装置。

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