JP2021063480A - 推定装置、推定方法及び、推定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】筒内流入空気量の推定精度を効果的に向上する。【解決手段】吸気を流通させる吸気通路２２，２３に、吸気を圧送するコンプレッサ４２が設けられたエンジン１０の気筒１７に流入する筒内流入空気量の推定装置であって、吸気通路２２，２３のコンプレッサ４２よりも上流側の吸入空気流量を取得する吸入空気流量取得部と、コンプレッサ４２により圧送される吸気の圧力を取得する吸気圧取得部と、吸入空気流量取得部により取得される吸入空気流量と、コンプレッサ４２と気筒１７との間の吸気通路容積と、吸気圧取得部により取得される吸気の圧力の所定期間における変化量とに基づいて、筒内流入空気量を演算する演算部と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、推定装置、推定方法及び、推定プログラムに関し、特に、吸気を流通させる吸気通路に、吸気を圧送するコンプレッサが設けられたエンジンの筒内流入空気量の推定装置、推定方法及び、推定プログラムに関する。

例えば、特許文献１には、吸入空気量センサ（Mass flow sensor：以下、ＭＡＦセンサ）により取得される吸入空気量及び、現在の過給圧と予測された過給圧との差に基づいて、エンジンの筒内流入空気量を推定する技術が開示されている。

特開２００８−６９７０７号公報

一般に、ＭＡＦセンサは、コンプレッサよりも上流側（例えば、エアクリーナの直下流側）に設けられており、エンジンの気筒から離間して配置されている。このため、エンジンの過渡運転時等においては、コンプレッサで圧送される吸気の状態変移の影響等により、ＭＡＦセンサにて取得される吸入空気量と、実際の筒内流入空気量との間に乖離が生じることになる。上記文献１記載の技術では、ＭＡＦセンサにて取得される吸入空気量に対して、コンプレッサから気筒までの通路容積等を考慮していないため、筒内流入空気量の推定精度を担保できない可能性がある。

本開示の技術は、上記事情に鑑みてなされたものであり、筒内流入空気量の推定精度を効果的に向上することを目的とする。

本開示の装置は、吸気を流通させる吸気通路に、吸気を圧送するコンプレッサが設けられたエンジンの気筒に流入する筒内流入空気量の推定装置であって、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも上流側の吸入空気流量を取得する吸入空気流量取得部と、前記コンプレッサにより圧送される吸気の圧力を取得する吸気圧取得部と、前記吸入空気流量取得部により取得される前記吸入空気流量と、前記コンプレッサから前記気筒までの吸気通路容積と、前記吸気圧取得部により取得される前記吸気の圧力の所定期間における変化量とに基づいて、前記筒内流入空気量を演算する演算部と、を備えることを特徴とする。

また、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流側の吸気の温度を取得する吸入空気温度取得部をさらに備え、前記演算部は、前記吸入空気温度取得部により取得される前記吸気の温度に基づいて演算される定数と、前記吸気通路容積と、前記変化量とを乗算した値を前記吸入空気流量から減算することにより、前記筒内流入空気量を演算することが好ましい。

本開示の方法は、吸気を流通させる吸気通路に、吸気を圧送するコンプレッサが設けられたエンジンの気筒に流入する筒内流入空気量の推定方法であって、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも上流側の吸入空気流量を取得し、前記コンプレッサにより圧送される吸気の圧力を取得し、取得した前記吸入空気流量と、前記コンプレッサと前記気筒との間の吸気通路容積と、取得した前記吸気の圧力の所定期間における変化量とに基づいて、前記筒内流入空気量を演算することを特徴とする。

本開示のプログラムは、吸気を流通させる吸気通路に、吸気を圧送するコンプレッサが設けられたエンジンのコンピュータを、前記吸気通路の前記コンプレッサよりも上流側の吸入空気流量を取得する吸入空気流量取得部、前記コンプレッサにより圧送される吸気の圧力を取得する吸気圧取得部、前記吸入空気流量取得部により取得される前記吸入空気流量と、前記コンプレッサと前記気筒との間の吸気通路容積と、前記吸気圧取得部により取得される前記吸気の圧力の所定期間における変化量とに基づいて、前記筒内流入空気量を演算する演算部、として機能させることを特徴とする。

本開示の技術によれば、筒内流入空気量の推定精度を効果的に向上することができる。

本実施形態に係る推定装置を備えるエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。 本実施形態に係る制御装置及び関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。 （Ａ）は、本実施形態に係る推定装置、推定方法及び、推定プログラムに基づいて燃料噴射制御を行った場合の作用を、（Ｂ）は、比較例の作用を説明する模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る推定装置、推定方法及び、推定プログラムを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

［全体構成］
図１は、本実施形態に係る推定装置を備えるエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。

エンジン１０は、主としてシリンダヘッド１１及び、シリンダブロック１６を含むエンジン本体部を有する。

シリンダブロック１６には、ピストンＰを往復移動自在に収容する気筒１７が設けられている。ピストンＰには、コネクティングロッドＣＲやクランクアームＣＡ等を介してクランクシャフトＣＳが連結されており、ピストンＰの往復運動が回転運動に変換されてクランクシャフトＣＳに伝達されるようになっている。なお、図示の関係上、図１にはエンジン１０の複数気筒のうち１気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。エンジン１０は、複数気筒又は単気筒の何れであってもよい。

シリンダヘッド１１には、気筒１７内に吸気を導入する吸気ポート１１Ａ及び、気筒１７内から排気を導出する排気ポート１１Ｂが設けられている。また、シリンダヘッド１１には、図示しない動弁機構により開閉作動する吸気バルブ１２及び、排気バルブ１４が設けられている。さらに、シリンダヘッド１１には、気筒１７内に燃料を直噴するインジェクタ１５が設けられている。インジェクタ１５の燃料噴射量や噴射タイミングは、制御装置１００から入力される指示信号に応じて制御される。なお、エンジン１０は、直噴式エンジンに限定されず、予混合式エンジンであってもよい。

シリンダヘッド１１の吸気側の側部には、吸気ポート１１Ａと連通する吸気マニホールド２０が設けられている。吸気マニホールド２０には、吸気上流側から順に、エアクリーナ２１、上流側吸気通路２２、過給機４０のコンプレッサハウジング４５、下流側吸気通路２３等が接続されている。下流側吸気通路２３には、過給機４０から圧送される吸気を冷却するインタークーラ２４等が設けられている。

シリンダヘッド１１の排気側の側部には、排気ポート１１Ｂと連通する排気マニホールド３０が設けられている。排気マニホールド３０には、排気上流側から順に、上流側排気通路３１、過給機４０のタービンハウジング４４、下流側排気通路３２等が設けられている。下流側排気通路３２には、排気浄化装置３３等が設けられている。

過給機４０は、排気により駆動するタービン４１と、タービン４１と回転軸４３で連結されて吸気を圧送するコンプレッサ４２と、回転軸４３を軸支する不図示の軸受とを備えている。タービン４１はタービンハウジング４４内に収容されている。コンプレッサ４２はコンプレッサハウジング４５内に収容されている。これらタービンハウジング４４とコンプレッサハウジング４５との間には、軸受を収容する軸受ハウジング４６が設けられている。なお、過給機４０は、図示例のコンベンショナルタイプに限定されず、可変翼を備える可変容量型タイプであってもよい。

コンプレッサハウジング４５には、コンプレッサ４２の周囲を周方向に延びる吸気スクロール通路４７が設けられている。また、コンプレッサハウジング４５には、吸気を吸入する吸入通路部４８が設けられている。さらに、コンプレッサハウジング４５には、吸気スクロール通路４７から吸気を吐出する吐出通路部４９が設けられている。吸入通路部４８には上流側吸気通路２２が接続され、吐出通路部４９には下流側吸気通路２３が接続されている。

エンジン１０には、各種センサ類が設けられている。エンジン回転数センサ９０は、エンジン１０のクランクシャフトＣＳからエンジン回転数Ｎｅを検出する。アクセル開度センサ９１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度Ａｃを検出する。ＭＡＦセンサ９２は、コンプレッサ４２よりも上流側の吸気系（例えば、エアクリーナ２１直下流の上流側吸気通路２２）に設けられており、エアクリーナ２１から上流側吸気通路２２に導入される吸入空気流量Ｍｍａｆを検出する。ブースト圧センサ９３は、コンプレッサ４２よりも下流側の吸気系（例えば、吸気マニホールド２０）に設けられており、コンプレッサ４２により圧送される空気の圧力（以下、ブースト圧）Ｐｉｎを検出する。吸入空気温度センサ９４は、例えば、インタークーラ２４より下流側の下流側吸気通路２３に設けられており、インタークーラ２４を通過した吸気の温度（以下、吸気温度）Ｔｉｎを検出する。これらセンサ９０〜９４の検出信号は、電気的に接続された制御装置１００に送信される。

［制御装置］
図２は、本実施形態に係る制御装置１００及び、関連する周辺構成を示す模式的な機能ブロック図である。

制御装置１００は、例えば、コンピュータ等の演算を行う装置であり、互いにバス等で接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入力ポート、出力ポート等を備え、推定プログラムを実行する。

また、制御装置１００は、推定プログラムの実行により、吸入空気流量取得部１１０、吸入空気温度取得部１２０、ブースト圧取得部１３０、筒内流入空気量推定部１４０及び、燃料噴射制御部１５０を備える装置として機能する。これら各機能要素は、本実施形態では一体のハードウェアである制御装置１００に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

吸入空気流量取得部１１０は、ＭＡＦセンサ９２から送信される吸入空気流量Ｍｍａｆを取得する。吸入空気流量取得部１１０により取得される吸入空気流量Ｍｍａｆは、筒内流入空気量推定部１４０に送信される。

吸入空気温度取得部１２０は、吸入空気温度センサ９４から送信される吸気温度Ｔｉｎを取得する。吸入空気温度取得部１２０により取得される吸気温度Ｔｉｎは、筒内流入空気量推定部１４０に送信される。

ブースト圧取得部１３０（本開示の吸気圧取得部の一例）は、例えば、不揮発性メモリであって、ブースト圧センサ９３から送信されるブースト圧Ｐｉｎを取得して格納する。ブースト圧取得部１３０により取得又は格納されるブースト圧Ｐｉｎは、筒内流入空気量推定部１４０に送信される。

筒内流入空気量推定部１４０（本開示の演算部の一例）は、吸入空気流量取得部１１０から送信される吸入空気流量Ｍｍａｆと、吸入空気温度取得部１２０から送信される吸気温度Ｔｉｎと、コンプレッサ４２の出口から気筒１７の入口までの通路総容積Ｖと、ブースト圧取得部１３０から送信されるブースト圧Ｐｉｎとに基づいて、エンジン１０の気筒１７内に流入する筒内流入空気量Ｍｃｙｌを推定する。

具体的には、筒内流入空気量推定部１４０は、ＭＡＦセンサ９２により取得される吸入空気流量Ｍｍａｆから、コンプレッサ４２により加圧される圧縮性流体である吸気の状態変移ΔＭの影響を差し引く修正を行うことにより、筒内流入空気量Ｍｃｙｌを推定する。ここで、吸気の状態変移ΔＭは、以下の数式（１）により表わされる。

ΔＭ＝Ｐｉｎ_＿ｎ×Ｃ×Ｖ×（Ｐｉｎ_＿ｎ−Ｐｉｎ_＿ｎ−１)／Ｐｉｎ_＿ｎ
＝Ｃ×Ｖ×（Ｐｉｎ_＿ｎ−Ｐｉｎ_＿ｎ−１) ・・・（１）

数式（１）において、Ｃは定数である。定数Ｃは、空気モル質量を、ガス定数に吸入空気温度センサ９４にて取得される吸気温度Ｔｉｎを乗算して得た値で除算することより求めればよい（Ｃ＝空気モル質量／（ガス定数×吸気温度Ｔｉｎ））。

また、数式（１）において、Ｐｉｎ_＿ｎは制御周期ｎ番目におけるブースト圧を、Ｐｉｎ_＿ｎ−１は制御周期ｎ−１番目におけるブースト圧をそれぞれ示している。制御周期は、例えば、エンジン１０の燃料噴射制御の周期でもよく、或いは、ブースト圧センサ９３のサンプリング周期等であってもよい。周期をどの程度とするかは、エンジン１０の具体的な仕様等に応じて適宜に設定すればよい。

通路総容積Ｖについては、コンプレッサ４２の出口から気筒１７の入口までを構成する各通路要素の容積を積算した値を、予め制御装置１００のメモリに格納しておけばよい。通路総容積Ｖは、例えば、吸気スクロール通路４７の出口に相当する吐出通路部４９の通路容積、下流側吸気通路２３の通路容積、インタークーラ２４の通路容積、吸気マニホールド２０の通路容積及び、吸気ポート１１Ａの通路容積を加算することにより求めればよい。

筒内流入空気量推定部１４０は、数式（１）により得られる吸気の状態変移ΔＭを、ＭＡＦセンサ９２により取得される吸入空気流量Ｍｍａｆから減算する以下の数式（２）に基づいて、筒内流入空気量Ｍｃｙｌを推定演算する。

Ｍｃｙｌ＝Ｍｍａｆ−ΔＭ
＝Ｍｍａｆ−Ｃ×Ｖ×（Ｐｉｎ_＿ｎ−Ｐｉｎ_＿ｎ−１) ・・・（２）

このように、コンプレッサ４２の出口から気筒１７の入口までの通路総容積Ｖと、所定の制御周期におけるブースト圧Ｐｉｎの変化量（Ｐｉｎ_＿ｎ−Ｐｉｎ_＿ｎ−１)とに基づいて、コンプレッサ４２により加圧される吸気の状態変移ΔＭを求め、当該状態変移ΔＭの影響をＭＡＦセンサ９２により取得される吸入空気流量Ｍｍａｆから差し引く修正（Ｍｍａｆ−ΔＭ）を行うことにより、例えばエンジン１０の過渡運転時等、ＭＡＦセンサ９２で取得される吸入空気流量Ｍｍａｆに対して、実際の気筒１７内に流れ込む吸入空気流量が減少する運転状態においても、筒内流入空気量Ｍｃｙｌを高精度に推定することが可能になる。筒内流入空気量推定部１４０により推定演算される筒内流入空気量Ｍｃｙｌは、燃料噴射制御部１５０にリアルタイムで送信される。

燃料噴射制御部１５０は、エンジン回転数センサ９０から送信されるエンジン回転数Ｎｅ、アクセル開度センサ９１から送信されるアクセル開度Ａｃ、筒内流入空気量推定部１４０から送信される筒内流入空気量Ｍｃｙｌ等のエンジン１０の運転状態に基づいて、インジェクタ１５の燃料噴射量や燃料噴射タイミング、噴射回数等を制御する燃料噴射制御を実施する。

次に、図３（Ａ），（Ｂ）に基づいて、本実施形態に係る推定装置、推定方法及び、推定プログラムに基づいて燃料噴射制御を行った場合の作用効果を、比較例を用いて説明する。

図３（Ｂ）は、比較例の作用を説明する模式図である。比較例は、例えばエンジン１０の過渡運転状態において、ＭＡＦセンサ９２により取得される吸入空気流量Ｍｍａｆに基づいて、筒内空燃比が所望のラムダリミット値となるようにエンジン１０の燃料噴射量を制御した一例である。

過渡運転状態においては、ＭＡＦセンサ９２で取得される吸入空気流量Ｍｍａｆに対して、実際に気筒１７内に流れ込む実筒内流入空気量Ｍｃｙｌ_＿Ａｃｔは遅れて上昇することになる。このため、これら吸入空気流量Ｍｍａｆと実筒内流入空気量Ｍｃｙｌ_＿Ａｃｔとの間には、遅れに伴う乖離が生じるようになる。

その結果、吸入空気流量Ｍｍａｆに基づいて燃料噴射量を制御すると、実筒内流入空気量Ｍｃｙｌ_＿Ａｃｔに対する燃料噴射量が過多になり、筒内空燃比がラムダリミット値を大きく下回るリッチ状態となる。筒内空燃比が過剰なリッチになると、燃料の燃焼状態が悪化し、スパイク状のスモーク排出や燃料消費量の増加を招くといった課題がある。

これに対し、図３（Ａ）に示す本実施形態では、ＭＡＦセンサ９２で取得される吸入空気流量Ｍｍａｆから、コンプレッサ４２により加圧される吸気の状態変移ΔＭの影響を差し引く修正式により求めた筒内流入空気量Ｍｃｙｌに基づいて、筒内空燃比が所望のラムダリミット値となるようにエンジン１０の燃料噴射量を制御する。

ここで、図３（Ａ）から明らかなように、吸気の状態変移ΔＭに基づいて修正された筒内流入空気量Ｍｃｙｌは、実際に気筒１７内に流れ込む実筒内流入空気量Ｍｃｙｌ_＿Ａｃｔと概ね一致する。このような精度の高い筒内流入空気量Ｍｃｙｌに基づいて、燃料噴射量を制御すると、実筒内流入空気量Ｍｃｙｌ_＿Ａｃｔに対する燃料噴射量の最適化が図られるようになる。すなわち、筒内空燃比がラムダリミット値を大きく下回るリッチ状態を効果的に防止できるようになる。これにより、燃料の燃焼状態を改善することができるようになり、スモークの排出を効果的に抑制しつつ、燃費性能の向上を図ることが可能になる。

［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態において、過給機４０は、コンプレッサ４２及び、タービン４１を備え、排気エネルギを用いて駆動するものとして説明したが、電動モータによりコンプレッサ４２を駆動させる電動過給機等を備えるエンジンにも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
２０ 吸気マニホールド
２２ 上流側吸気通路
２３ 下流側吸気通路
２４ インタークーラ
３０ 排気マニホールド
４０ 過給機
４１ タービン
４２ コンプレッサ
１００ 制御装置
１１０ 吸入空気流量取得部
１２０ 吸入空気温度取得部
１３０ 過給圧取得部（吸気圧取得部）
１４０ 筒内流入空気量推定部（演算部）
１５０ 燃料噴射制御部

Claims (4)

1. 吸気を流通させる吸気通路に、吸気を圧送するコンプレッサが設けられたエンジンの気筒に流入する筒内流入空気量の推定装置であって、
   前記吸気通路の前記コンプレッサよりも上流側の吸入空気流量を取得する吸入空気流量取得部と、
   前記コンプレッサにより圧送される吸気の圧力を取得する吸気圧取得部と、
   前記吸入空気流量取得部により取得される前記吸入空気流量と、前記コンプレッサから前記気筒までの吸気通路容積と、前記吸気圧取得部により取得される前記吸気の圧力の所定期間における変化量とに基づいて、前記筒内流入空気量を演算する演算部と、を備える
   ことを特徴とする推定装置。
2. 前記吸気通路の前記コンプレッサよりも下流側の吸気の温度を取得する吸入空気温度取得部をさらに備え、
   前記演算部は、前記吸入空気温度取得部により取得される前記吸気の温度に基づいて演算される定数と、前記吸気通路容積と、前記変化量とを乗算した値を前記吸入空気流量から減算することにより、前記筒内流入空気量を演算する
   請求項１に記載の推定装置。
3. 吸気を流通させる吸気通路に、吸気を圧送するコンプレッサが設けられたエンジンの気筒に流入する筒内流入空気量の推定方法であって、
   前記吸気通路の前記コンプレッサよりも上流側の吸入空気流量を取得し、
   前記コンプレッサにより圧送される吸気の圧力を取得し、
   取得した前記吸入空気流量と、前記コンプレッサと前記気筒との間の吸気通路容積と、取得した前記吸気の圧力の所定期間における変化量とに基づいて、前記筒内流入空気量を演算する
   ことを特徴とする推定方法。
4. 吸気を流通させる吸気通路に、吸気を圧送するコンプレッサが設けられたエンジンのコンピュータを、
   前記吸気通路の前記コンプレッサよりも上流側の吸入空気流量を取得する吸入空気流量取得部、
   前記コンプレッサにより圧送される吸気の圧力を取得する吸気圧取得部、
   前記吸入空気流量取得部により取得される前記吸入空気流量と、前記コンプレッサと前記気筒との間の吸気通路容積と、前記吸気圧取得部により取得される前記吸気の圧力の所定期間における変化量とに基づいて、前記筒内流入空気量を演算する演算部、として機能させる
   ことを特徴とする推定プログラム。

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