JPH10159641A - 可変吸気管の弁部抵抗係数の推定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】分流弁という可変機構的要素を吸気管にもつ自
動車のエンジンにおいて、エネルギ−平衡関係などの物
理法則を利用してエンジンの気筒流入空気量の推定にお
ける弁の抵抗係数の決定方法を提供する。 【解決手段】エンジンの可変機構的吸気管の分流弁４の
開度と、スロットル弁２を通過する空気量Ｑｉとエンジ
ンの回転数Ｎを測定するとともに、エネルギーの平衡関
係を利用して吸気管内の状態を求め、測定結果と求めら
れた吸気管内の状態から気筒３に流入する空気量を推定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の運転で発
生する排気ガス中の有害公害成分が所定の値以下となる
ように自動車エンジンの燃焼を行わす為に、吸気管を通
り気筒へ流入する空気量を推定してそれに見合う必要な
燃料量を決定可能とする、可変機構的吸気管を備えるエ
ンジンの気筒流入空気量の推定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在自動車エンジンの燃焼に関して、そ
の運転時に発生する排気ガス中の有害公害成分が所定の
値以下となるよう社会的に要請されている。そこで現在
は、エンジン内での燃料と空気との量的割合が所定の値
となるようにして燃焼を行わせ、燃焼後の排気ガスを排
気管の中に設けた触媒を通すことにより、その浄化をす
る方法を採っている。そのためには吸気管を通過してエ
ンジンの気筒に入る空気量と吸気管の中へ噴射する燃料
量とを、所定の割合に維持する必要がある。その維持の
手段として現在発表されているものの多くは静的に固定
した吸気管を対象として、其処を通過して流入する空気
量を推定している。エンジンの旧来の利用の仕方は、全
負荷状態で高効率なエンジンを設計して、部分負荷状態
でもそれと同じ構造の下に運転することであった。しか
し最近は全負荷時と部分負荷時とでエンジンの構造を変
えてそれぞれに適した状態のエンジン内燃焼を行わせる
ことも多くなっている。例えば本特許で対象とする可変
機構的吸気管は、吸気管入口のスロットル弁と気筒入口
の吸気弁の間に分流弁と称する弁を設けて自動車の運転
状態に応じてそれを開閉し、吸気弁を通して気筒の中に
入る空気の量やその流れの方向性の強さを加減する。こ
れにより気筒内での空気と燃料との混合状態を調節し
て、そこでの燃焼を運転状況に合わせた好適なものとし
高いエンジン出力を得ようとする。従来のスロットル弁
と吸気弁の他には管の中に動的に変化する要素の無い固
定機構吸気管を対象にして、吸気管を通過しエンジンの
気筒に入る空気量と吸気管の中へ噴射する燃料量とを所
定の割合に維持する方法（例えばエンジン制御に関する
特開昭 60−261948号公報）は、この分流弁の動きの影
響を考慮していないので、可変機構的吸気管に対しては
有効ではない。また従来はいろいろな運転状況の下に求
めた（吸気管内圧力、エンジン回転数、スロットル弁通
過空気量）の実験データマップを参照しながら吸気管を
通過してエンジンの気筒に入る空気量を計算して、それ
と吸気管の中へ噴射する燃料量と所定の割合に維持して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、可変
機構的吸気管を通過してエンジンの気筒に入る空気量と
吸気管の中へ噴射する燃料量とを、マップを参照しなが
ら所定の割合に維持する上記従来技術による方法とは別
の、物理現象と分流弁の動きの影響とを考慮して推定す
る方法のための、管路内の抵抗係数を決定する方法を提
供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、可変機構的吸気管の中の分流弁の開度とスロットル
弁を通過する空気量と自動車の運転状況を示すエンジン
回転数とを自動車の運転時に測定する手段を用意して、
吸気管内の状態をエネルギーの平衡関係などの物理法則
を利用することにより計算で定め、可変機構的吸気管を
備えるエンジンの気筒流入空気量を推定する。

【０００５】この方法の原理を次に示す。

【０００６】運転時の自動車の状態を知るために各種の
センサ類を用いる。スロットル弁を通過する空気量の測
定はホットワイヤセンサを使用し、単位時間当たりのエ
ンジン回転数の測定はクランク軸の回転角度を示すクラ
ンク角センサを使用し、分流弁の開度の測定は角度セン
サを使用する。

【０００７】以下の説明で用いる数式文字の説明を次に
示す。

【０００８】 Ｇ：タンク内もしくは流入口、流出口通過の空気重量 Ｐ：タンク内もしくは流入口、流出口通過の空気圧力 Ｔ：タンク内もしくは流入口、流出口通過の空気温度 Ｔw：気筒壁の冷却水温 Ｖ：タンクの容積 μ：流量係数 ｔ：時間 α：分流弁開口面積比 Ｒ：ガス定数 ｇ：重力加速度 κ：定圧比熱／定積比熱 ｃｖ：定積比熱 ｃｐ：定圧比熱 Ａ：仕事当量 Ｗ：タンク内で消費される仕事 Ｖc：エンジン排気量 Ｎ：エンジン回転数 Ｆ：ピストン表面積 Ｃc：平均ピストン速さ Ｑi：単位時間当たりのスロットル弁通過空気重量 Ｑc：単位時間当たりの気筒流入空気重量 Ｑd：単位時間当たりの分流弁通過空気重量 Ｓd：分流弁開口面積 Ｓd０：分流弁全開面積 Ｓc：吸気弁開口面積 γ：空気比重量 Ｋd：分流弁抵抗係数 Ｋc：吸気弁抵抗係数 ｗ：弁部の空気流速 添字 Δ：微小量 n：現在値 b：直前の値 m：タンク c：気筒 連絡口 d：分流弁 w：水、壁 i：流入口 気筒流入空気量の計算を行うモデルを３に示す。管路部
分を含めた吸気管全体を一つのタンク１とみなして、こ
の入口にスロットル弁２があり、出口が気筒３へ連なる
とみて行う。このタンク１は入口と出口が一つづつのほ
ぼ内部の温度一定と見做せる。容積は一定である。

【０００９】このタンク１内の空気の状態方程式は次の
ようになる。

【００１０】

【数１】

【００１１】気筒３へ連なるタンク１の出口付近に小さ
い通路があり、そこに分流弁４が設けられている。一般
的には定常状態の空間ではそこで消費されるエネルギー
を無視すればそこへ入る空気量と出る量とは等しいが、
過渡状態ではそこに発生する空気の溜まりに応じてその
圧力が上昇する。スロットル弁２から分流弁４までの吸
気管容積に比べると、分流弁４と気筒入口にある吸気弁
５までの空間６の容積は小さい。従って分流弁４を通過
した空気がこの空間６に滞留してもたらす圧力上昇の量
は微小であると見做し無視する。これより数２の通りに
なる。

【００１２】

【数２】

【００１３】このタンク内のエネルギー量の微小時間に
於ける増減を見ると、空気がそこへ入る時持ち込むエネ
ルギーから出る時持ち去るエネルギーとその中で消費さ
れるエネルギーとを引いた量はそこでの内部エネルギー
とピストン仕事との和に等しく数３に示す関係が成り立
つ。

【００１４】

【数３】

【００１５】タンクの体積変化が無くその温度もほぼ一
定とした上で数１と数２を組み合わすとタンク内の圧力
上昇ΔＰｍが次のように表される。

【００１６】

【数４】

【００１７】また、スロットル弁２からの流入量の単位
時間当たりの変化量の関係から数５が求められる。さら
に、気筒３への流出量の単位時間当たりの変化量の関数
から数６が求められる。

【００１８】

【数５】

【００１９】

【数６】

【００２０】したがって数４を時間当たりの圧力上昇で
表現しなおすと次のようになる。

【００２１】

【数７】

【００２２】数７中のエネルギー消費量は分流弁４に於
ける次に示す圧力降下に伴うものである。

【００２３】

【数８】

【００２４】ここでαは分流弁の全開状態に対する開口
面積の比である。このことを数９に示す。

【００２５】

【数９】

【００２６】一方、ΔＰｍは数１０に示す通りであるか
ら数２と数７と数８より

【００２７】

【数１０】

【００２８】

【数１１】

【００２９】したがって、吸気管内圧力Ｐｍは気筒３へ
の流出量Ｑｃを決定することにより定まる。

【００３０】例えば気筒内状態の平均化により気筒流入
量Ｑｃを決定する場合で考える。

【００３１】吸気行程に於いては、吸気弁は平均開口面
積と同じ面積で開き、流量係数、通過空気量、通過空気
速さも平均値にて表現されるとする。気筒内もピストン
９は平均ピストン速さＣcで動き、圧力Ｐｃほかもそれ
に伴い平均化された量で表されるとみる。すると、以下
に示す数１２〜数１４の通りになる。

【００３２】

【数１２】

【００３３】

【数１３】

【００３４】

【数１４】

【００３５】ここでΔＰｃは気筒と吸気管の間の圧力差
である。したがって、数１５が導きだせる。

【００３６】

【数１５】

【００３７】また、吸気温度に関しては、数１６の通り
になるので、数１５を数１０に代入することにより吸気
管内圧力Ｐｍが代数的に解け、数１７のようになる。ま
た、このＰｍを数１５に代入することで気筒３への流出
量Ｑｃも決定される。

【００３８】

【数１６】

【００３９】

【数１７】

【００４０】ところで、上記の吸気管内圧力Ｐｍと気筒
３への流出量Ｑｃの決定式には、分流弁抵抗係数Ｋdと
吸気弁抵抗係数 Ｋcとが含まれており、これを決定する
必要がある。

【００４１】分流弁を通過する時の圧力降下量は、ｋを
弁開度曲線とそれを取り付けた系に依存する定数とする
と次の関係が近似的に成り立つ。

【００４２】

【数１８】

【００４３】

【数１９】

【００４４】ここで、数１８と数１９より数２０が導き
だせる。

【００４５】

【数２０】

【００４６】ここで、γｍは数２１、数８のＫdは数２
２のようになる。

【００４７】そこでｋが定まれば、Ｑｄとγｍを前の時
点のデータを使用することにより、数２１と数２２から
Ｋｄを定めることが出来る。吸気弁のＫｃについても同
様に定めうる。

【００４８】

【数２１】

【００４９】

【数２２】

【００５０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。図２は本発明による可変機構的吸気管を
備えるエンジンのマップデータを参照しない方式による
気筒流入空気量の推定で対象となる自動車の吸気管とエ
ンジン部分を簡略化して示したものである。

【００５１】吸気管は比較的大きな容器であるサ−ジタ
ンク７と管路８とから成り、その入口には車速の加減へ
の運転者の意図を反映するアクセルと直結したスロット
ル弁２が設けられ、出口はエンジンの気筒３の入口にあ
る吸気弁５に連なっている。図の例は管路８が二本に分
岐しそれぞれに３気筒が連なる６気筒エンジンを示す。
本特許で対象とする可変機構的吸気管は、吸気弁の近辺
に分流弁４と称する弁がそれぞれの気筒にある。運転者
の意図とは別に自動車の運転状態に応じてそれら全てを
同時に開閉し、吸気弁を通して気筒の中に入る空気の量
やその流れの方向性の強さを加減する。これにより気筒
内での空気と燃料との混合状態を調節して、そこでの燃
焼を運転状況に合わせた好適なものとし高いエンジン出
力を得ようとする。分流弁４のない吸気管を備える固定
機構の従来型エンジンは分流弁４の弁開度が常時固定さ
れて使用される上記エンジンの一変形と見做せる。この
固定機構の従来型エンジンでは、自動車の運転とは別に
前もって測定しておいた（エンジン回転数，スロットル
弁を通過する空気量，吸気管内圧力）を同時測定して得
られるデ−タの集合であるマップデ−タを利用してその
気筒流入空気量を推定していた。種々に変化する全ての
弁開度に対してこのマップデ−タを用意することはそれ
を格納するメモリが膨大となる。そこでマップデ−タを
用意する代わりにエンジンの熱力学的性質を用いて任意
の分流弁開度に対する気筒流入空気量計算式を考案す
る。

【００５２】この気筒流入空気量計算式は、この図２に
示す可変機構的吸気管を備えるエンジンを管路部分を含
めた吸気管全体７および８を一つのタンク１とみなす図
３に示す系に置き換えて行う。本発明はこの計算式を用
いる上で必要な吸気管内の分流弁と吸気弁での抵抗係数
の大きさを推定する方法を与える。

【００５３】本発明の第１の実施例は次のようになる。
図１に本実施例で用いられる吸気弁の弁揚程曲線と流量
係数曲線とｋの補間方法の例を示す。

【００５４】数１９のｋは、その弁の弁開度とそれを取
り付けた管に依存して定まる。

【００５５】吸気弁を例にとると、その弁揚程曲線と流
量係数は弁開度（吸気弁閉から開いてまた閉じるまでの
クランク角度）に応じて図１に示すような複雑な変化を
示す。弁開口面積は弁開度に応じた弁の垂直方向の移動
量（弁揚程）と弁座角と弁径から幾何的に定まる。数１
９に示されるようにｋは弁開口面積と流量係数の積とそ
の弁での圧力降下量とそこでの空気通過流量の関数であ
る。従って弁開口面積と流量係数の積の変化状況が単調
な増加もしくは減少となるような分割点としての弁開度
を有限個選択し、そこでの定常状態でのｋを数１９と数
２０を用いて圧力降下量と空気流量の測定値から実験的
に決定しておく。

【００５６】エンジンの運転時にはその時の弁開度が、
上で述べた実験で用いた分割点としての弁開度の中から
前後を挟まれる弁開度を複数個選び、その複数のｋと弁
開度から補間関数を作成して運転時の弁開度に対するｋ
を補間して決定する。図１の補間は補間関数を一次関数
としている。分流弁についても同様である。

【００５７】次に本発明の第２の実施例は次のようにな
る。図２に示す可変機構的吸気管を備えるエンジンにお
いて、自動車の運転状況を測定する手段として吸気管の
中の分流弁開度βのために角度センサ−、エンジン回転
数Ｎの測定のためにクランク角センサ−またスロットル
弁を通過する空気量Ｑｉのためにホットワイヤセンサ−
を備え付ける。数１６に示すように吸気行程での空気温
度Ｔｍ（Ｔｗ，Ｔｃ）は吸気管内、吸気管壁、気筒内で
共に等しいと見なして代表的ポイントで測定する。

【００５８】これらのセンサーによる測定値を（課題を
解決するための手段）において述べた諸式に代入するこ
とにより吸気管内圧力Ｐｍを求め、さらに気筒流入空気
量Ｑｃを決定することになる。前回の測定から微小時間
△ｔあとに各センサーから測定値を得るとする。

【００５９】分流弁開度βが開度センサーにより得られ
ると、弁構造からその時の開口面積が定まる。したがっ
て数９からその時点のαが決まる。

【００６０】微小時間△ｔ前に計算された吸気管内圧力
Ｐｍｂの他は今回の測定で得られるエンジン回転数Ｎ，
吸気管温度Ｔｍ等はセンサーから得られる。したがって
分流弁抵抗係数Ｋdと吸気弁抵抗係数 Ｋcとが決定でき
るならば、上述の通り、数１０と数１５から現時点の吸
気管内圧力Ｐｍｎと気筒流入量Ｑｃが決定できる。また
このＰｍｎは次回の微小時間△ｔ後のＰｍｎの決定時に
Ｐｍｂとして使用される。

【００６１】分流弁抵抗係数Ｋdと吸気弁抵抗係数 Ｋc
との決定は次のようにする。第１の実施例で述べた方法
により各弁に対するその時点でのｋを定める。

【００６２】ついで分流弁抵抗係数Ｋdを例にとるとそ
の弁を通過する空気量Ｑｄとその空気の温度と圧力から
定まる比重量γｍは前の測定時点のデータを使用するこ
とで数２１と数２２からＫｄを定める。吸気弁抵抗係数
Ｋcについても同様である。

【００６３】最後に本発明の第３の実施例は次のように
なる。第２の実施例における、一回の計算では抵抗係数
の精度が十分でないことがある。この時は、一回目の計
算では第２の実施例における計算で求めた弁部の抵抗係
数を用いて気筒流入空気量や管内の温度と圧力とを計算
し、二回目の計算では一回目の計算による気筒流入空気
量や管内の温度と圧力とを用いてその弁部の抵抗係数を
第２の実施例におけると同様の方法で求め、以下同様に
して抵抗係数が前後の計算で所定の値以下の違いとなる
まで繰り返し計算を行なって、その弁部の抵抗係数を決
定する。

【００６４】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
可変機構的吸気管を備えるエンジンに於いて従来のよう
なマップデータを参照しないで気筒流入空気量を推定出
来る。従ってマップデータを作成する非常に多くのデー
タ作成工数の削減が可能となると共にエンジン制御コン
トロールユニットのデータ用メモリー量の削減が出来
る。またこの方式は熱力学の法則に則っているためエン
ジンの機種からくる制限を受けることが比較的少なく適
用範囲が広い。更にこの方式により推定する気筒流入空
気量をもとに適切な燃焼を行わす燃料量を決定できるの
で、自動車の運転で発生する排気ガス中の有害公害成分
が所定の値以下となるようなエンジン制御が可能となる
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】吸気弁の弁揚程曲線と流量係数曲線とｋの補間
方法の図である。

【図２】本発明の実施例に係わる可変機構的吸気管を有
するエンジンの構造図である。

【図３】本発明の実施例に係わるエンジンの気筒流入空
気量推定のためのタンク近似モデル図である。

【符号の説明】

１：吸気管を置き換えたタンク、２：スロットル、３：
気筒、４：分流弁、５：吸気弁、６：空間、７：サ−ジ
タンク、８：管路、９：ピストン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可変機構的吸気管を備えるエンジンの、吸
   気管の中の分流弁の開度とエンジン回転数とスロットル
   弁を通過する空気量とを自動車の運転時に測定する手段
   を用意して分流弁の測定開度における吸気管内圧力を算
   出することによりエンジンの気筒流入空気量を推定する
   ときの、管路内の弁部の抵抗係数を決定する方法に関し
   て、その弁の弁開度とそれを取り付けた系に依存する定
   数（ｋ）を、その弁開度での弁開口面積とその時の流量
   係数の変化を考慮してその積が単調な増加もしくは減少
   の変化を示すように弁開度を有限個に分割して、その分
   割点において気流の定常状態での値（ｋ）を求めてお
   き、自動車の運転時にはその時の弁開度の前後における
   この定常状態の値を用いてその弁開度におけるｋを補間
   により前記弁部抵抗係数を決定する可変吸気管の弁部抵
   抗係数の推定方法。