JP7635700B2 - エンジンの状態推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの状態推定装置に関し、詳しくは、スロットルバルブを備えるエンジンと共にエンジン装置に搭載されるエンジンの状態推定装置に関する。

従来、この種のエンジンの状態推定装置としては、吸気管に配置されたスロットルバルブを備えるエンジンと共にエンジン装置に搭載されるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、エンジンを始動してから第１所定時間が経過するまでは、吸気管内の圧力（インマニ圧）からエンジンの吸入空気量を推定（算出）し、エンジンを始動してから第２所定時間が経過した後は、吸入空気量センサによって検出される吸入空気量からカルマンフィルタ演算により吸入空気量を推定する。カルマンフィルタ演算により吸入空気量の推定が困難な期間であるエンジンを始動してから第１所定時間が経過するまでは、吸気管内の圧力（インマニ圧）からエンジンの吸入空気量を推定（算出）するから、より適正に吸入空気量を推定できるとしている。

特開２０１８－１７３０６７号公報

上述のエンジンの状態推定装置では、エンジンに一時的に失火などの燃焼不良が発生すると、噴射された燃料が爆発しないかまたは爆発が不十分となることから、適正な燃焼が行なわれているときに比して、筒内の圧力が低くなる。この状態で排気バルブが開くと、排気管側から筒内に空気が流入し、筒内の圧力が高くなる。その後、吸気バルブが開いたときに、筒内から吸気管に空気が流れてしまい、筒内に吸入される空気量は少なくなってしまう。したがって、燃焼不良が発生しているときに、燃焼不良が発生していないときと同一の手法で吸入空気量を推定すると、推定した吸入空気量が実際の吸入空気量より過剰となり、燃料噴射制御で過剰な燃料が噴射されてリッチな状態となり、エンジンの燃焼不良が更に継続する場合がある。

本発明のエンジンの状態推定装置は、エンジンの燃焼不良の継続を抑制することを主目的とする。

本発明のエンジンの状態推定装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のエンジンの状態推定装置は、
吸気管に配置されたスロットルバルブを備えるエンジンと共にエンジン装置に搭載され、前記吸気管の圧力から前記エンジンの吸入空気量を推定するエンジンの状態推定装置であって、
前記スロットルバルブの開度から通過する筒内流入空気量を推定し、推定した前記筒内流入空気量と、前記エンジンの回転数に基づく上限係数と、を用いて、前記吸入空気量の上限値を設定し、
前記吸気管の圧力に基づく仮吸入空気量と、設定した前記上限値と、のうち小さいほうの値を、前記吸入空気量と推定する
ことを要旨とする。

この本発明のエンジンの状態推定装置では、スロットルバルブの開度から通過する筒内流入空気量を推定し、推定した筒内流入空気量と、エンジンの回転数に基づく上限係数と、を用いて、吸入空気量の上限値を設定し、吸気管の圧力に基づいて仮吸入空気量と、設定した前記上限値と、のうち小さいほうの値を吸入空気量と推定する。燃焼不良が生じたときに、次の吸気行程で筒内から吸気管へ流入する空気量は、エンジンの回転数に応じて異なる。したがって、推定したスロットル通過空気量と、エンジンの回転数に基づく上限係数と、を用いて、吸入空気量の上限値を設定し、吸気管の圧力に基づいて仮吸入空気量と、設定した前記上限値と、のうち小さいほうの値を吸入空気量と推定することにより、燃焼不良が発生したときに、吸入空気量が過剰に推定されることを抑制でき、エンジンの燃焼不良の継続を抑制できる。

こうした本発明のエンジンの状態推定装置において、推定した前記筒内流入空気量に値１より大きい前記上限係数を乗じたものを前記上限値としてもよい。この場合、前記上限係数は、前記エンジンの回転数が所定回転数以上のときには、所定回転数未満のときに比して高く設定してもよい。燃焼不良が生じたときに、次の吸気行程で筒内から吸気管へ流入する空気量は、エンジンの回転数が高いときには低いときに比して大きくなる。そのため、エンジンの回転数が所定回転数以上のときには、所定回転数未満のときに比して高く設定することにより、より適正に上限値を設定できる。

また、本発明のエンジンの状態推定装置において、前記エンジンは、前記吸気管の前記スロットルバルブよりも上流側に配置されたコンプレッサを有する過給機を備え、前記スロットルバルブの開度から前記吸入空気量を推定する第１推定処理と、前記過給機による過給を実行中且つ減速によりスロットルバルブを閉じているときに前記吸気管の圧力から前記吸入空気量を推定する第２推定処理と、を実行し、前記第１推定処理から前記第２推定処理に移行する場合において、前記上限値が前記スロットルバルブの開度から推定される前記吸入空気量より小さいときには、前記上限値を前記スロットルバルブの開度から推定される吸入空気量から徐々に変化させ、前記第２推定処理から前記第１推定処理に移行する場合において、前記上限値が前記スロットルバルブの開度から推定される吸入空気量より小さいときには、前記上限値を前記スロットルバルブの開度から推定される吸入空気量に向けて徐々に変化させてもよい。こうすれば、吸入空気量の急変を抑制できる。

本発明の一実施例としての状態推定装置を備えるエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。 エンジン装置１０の電子制御ユニット７０に入出力される信号の一例を示す説明図である。 エアモデルの一例を示す説明図である。 流量係数推定用マップの一例を示す説明図である。 開口断面積推定用マップの一例を示す説明図である。 関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す説明図である。 スロットルモデルＭ１０についての説明図である。 吸気管モデルＭ２０についての説明図である。 吸気バルブモデルＭ３０についての説明図である。 筒内流入空気量ｍｃｉおよび筒内充填空気量ｍｃｆについての説明図である。 上限負荷率設定処理の一例を示すブロック図である。 マップＭａｐの一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのエンジンの状態推定装置を備えるエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、エンジン装置１０の電子制御ユニット７０に入出力される信号の一例を示す説明図である。実施例のエンジン装置１０は、図１や図２に示すように、エンジン１２と電子制御ユニット７０とを備える。このエンジン装置１０は、エンジン１２からの動力を用いて走行する一般的な車両や、エンジン１２に加えてモータを備える各種のハイブリッド車両などに搭載される。実施例の状態推定装置としては、電子制御ユニット７０が該当する。

エンジン１２は、ガソリンや軽油などの燃料を用いて吸気、圧縮、膨張、排気の４行程により動力を出力する４気筒の内燃機関として構成されている。このエンジン１２は、エアクリーナ２２により清浄された空気を吸気管２３に吸入してスロットルバルブ２６、サージタンク２７の順に通過させると共に吸気管２３のサージタンク２７よりも下流側で燃料噴射弁２８から燃料を噴射し、空気と燃料とを混合する。以下、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側の部分を「スロットル上流部２３ｕ」といい、スロットルバルブ２６よりも下流側の部分を「スロットル下流部２３ｄ」という。そして、この混合気を吸気バルブ２９を介して燃焼室３０に吸入し、点火プラグ３１による電気火花により爆発燃焼させて、爆発燃焼によるエネルギにより押し下げられるピストン３２の往復運動をクランクシャフト１４の回転運動に変換する。燃焼室３０から排気バルブ３３を介して排気管３５に排出される排気は、浄化装置３７，３８を介して外気に排出されると共に排気再循環装置（以下、「ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置」という）４０を介して吸気管２３のサージタンク２７に供給（還流）される。

浄化装置３７，３８は、それぞれ、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する触媒（三元触媒）３７ａ，３８ａを有する。ＥＧＲ装置４０は、ＥＧＲ管４２とＥＧＲバルブ４４とを備える。ＥＧＲ管４２は、排気管３５の浄化装置３７と浄化装置３８との間と吸気管２３のサージタンク２７とを連絡する。ＥＧＲバルブ４４は、ＥＧＲ管４２に設けられ、電子制御ユニット７０により制御される。このＥＧＲ装置４０では、ＥＧＲバルブ４４の開度の調節により、排気管３５の排気の還流量が調節されて吸気管２３に還流する。エンジン１２は、このようにして空気と排気と燃料との混合気を燃焼室３０に吸引することができる。

また、エンジン１２は、可変バルブタイミング装置３４を更に備える。可変バルブタイミング装置３４は、吸気バルブ２９や排気バルブ３３の開閉タイミングをそれぞれ連続的に変更可能に構成されている。

過給機５０は、ターボチャージャとして構成されており、タービン５１と、コンプレッサ５２と、ウェイストゲートバルブ５４と、ブローオフバルブ５５とを備える。タービン５１は、排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に配置されている。コンプレッサ５２は、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に配置されており、タービン５１に回転軸５３を介して連結されている。ウェイストゲートバルブ５４は、排気管３５のタービン５１よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管３６に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。ブローオフバルブ５５は、吸気管２３のコンプレッサ５２よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管２４に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。

この過給機５０では、ウェイストゲートバルブ５４の開度の調節により、バイパス管３６を流通する排気量とタービン５１を流通する排気量との配分比が調節され、タービン５１の回転駆動力が調節され、コンプレッサ５２による圧縮空気量が調節され、エンジン１２の過給圧（吸気圧）が調節される。なお、エンジン１２は、ウェイストゲートバルブ５４が全開のときには、過給機５０を備えない自然吸気タイプのエンジンと同様に動作可能になっている。

また、過給機５０では、吸気管２３のコンプレッサ５２よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度高いときに、ブローオフバルブ５５の開弁により、コンプレッサ５２よりも下流側の余剰圧力を解放することができる。なお、ブローオフバルブ５５は、電子制御ユニット７０により制御されるバルブに代えて、吸気管２３のコンプレッサ５２よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度高くなると開弁する逆止弁が用いられるものとしてもよい。

インタークーラ２５は、吸気管２３のコンプレッサ５２とスロットルバルブ２６との間に配置されている。このインタークーラ２５は、コンプレッサ５２により圧縮された空気と図示しない冷却装置の冷却水との熱交換を行なう。

電子制御ユニット７０は、図２に示すように、ＣＰＵ７１やＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、フラッシュメモリ７４、入出力ポートを有するマイクロコンピュータを備える。電子制御ユニット７０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力される。電子制御ユニット７０に入力される信号としては、例えば、エンジン１２のクランクシャフト１４の回転位置を検出するクランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒや、エンジン１２の冷却水の温度を検出する水温センサ１５からの冷却水温Ｔｗ、スロットルバルブ２６のポジション（開度）を検出するスロットルポジションセンサ２６ａからのスロットル開度θｔを挙げることができる。吸気バルブ２９を開閉するインテークカムシャフトの回転位置や排気バルブ３３を開閉するエキゾーストカムシャフトの回転位置を検出するカムポジションセンサ１６からのカム角θｃｉ，θｃｏも挙げることができる。吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられたエアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａや、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられた吸気温センサ２３ｔからの吸気温Ｔａ、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられた吸気圧センサ２３ｂからの吸気圧Ｐａも挙げることができる。サージタンク２７に取り付けられた圧力センサ２７ａからの吸気管２３のスロットル下流部２３ｄの気体の圧力である第１下流部圧Ｐｓや、サージタンク２７に取り付けられた温度センサ２７ｔからの吸気管２３のスロットル下流部２３ｄの空気の温度である下流部温Ｔｓも挙げることができる。排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に取り付けられたフロント空燃比センサ３９ａからのフロント空燃比ＡＦ１や、排気管３５の浄化装置３７と浄化装置３８との間に取り付けられたリヤ空燃比センサ３９ｂからのリヤ空燃比ＡＦ２も挙げることができる。ＥＧＲバルブ４４の開度を検出する開度センサ４５からのＥＧＲバルブ４４の開度θｅｇｒも挙げることができる。吸気管２３のコンプレッサ５２とインタークーラ２５との間に取り付けられた過給圧センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃを挙げることができる。

電子制御ユニット７０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力される。電子制御ユニット７０から出力される信号としては、例えば、エンジン１２のスロットルバルブ２６への制御信号や、燃料噴射弁２８への制御信号、点火プラグ３１への制御信号、可変バルブタイミング装置３４への制御信号を挙げることができる。ＥＧＲバルブ４４への制御信号も挙げることができる。ウェイストゲートバルブ５４への制御信号や、ブローオフバルブ５５への制御信号を挙げることができる。

電子制御ユニット７０は、クランクポジションセンサ１４ａからのクランクシャフト１４のクランク角θｃｒに基づいて、エンジン１２の回転数Ｎｅを演算する。また、電子制御ユニット７０は、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて、負荷率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の割合）ＫＬを演算する。更に、電子制御ユニット７０は、クランクポジションセンサ１４ａからのクランクシャフト１４のクランク角θｃｒに対するカムポジションセンサ１６からのインテークカムシャフトやエキゾーストカムシャフトのカム角θｃｉ，θｃｏの角度（θｃｉ－θｃｒ），（θｃｏ－θｃｒ）に基づいて、吸気バルブ２９や排気バルブ３３の開閉タイミングＶＴｉ，ＶＴｏを演算する。

こうして構成された実施例のエンジンの状態推定装置を搭載したエンジン装置１０では、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７１は、エンジン１２の要求負荷率ＫＬ＊に基づいて、エンジン１２の運転制御（吸入空気量制御や燃料噴射制御、点火制御、可変バルブタイミング制御）やＥＧＲ制御、過給制御を行なう。吸入空気量制御については後述する。燃料噴射制御では、燃料噴射弁２８からの燃料噴射量を制御する。点火制御では、点火プラグ３１の点火時期を制御する。可変バルブタイミング制御では、可変バルブタイミング装置３４により吸気バルブ２９や排気バルブ３３の開閉タイミングを制御する。ＥＧＲ制御では、ＥＧＲバルブ４４の開度を制御する。過給制御では、ウェイストゲートバルブ５４の開度を制御する。

次に、実施例のエンジン装置１０における吸入空気量制御について説明する。吸入空気量制御は、負荷率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の割合）ＫＬを上限負荷率ＫＬｍａｘで上限ガードしたものを制御用負荷率ＫＬｅｘｅに設定し（負荷率ＫＬと上限負荷率ＫＬｍａｘのうち小さいほうの値を制御用負荷率ＫＬｅｘｅに設定し）、制御用負荷率ＫＬｅｘｅが要求負荷率ＫＬ＊となるようにスロットルバルブ２６の開度を調整する。負荷率ＫＬは、基本的には、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて演算される。しかし、過給機５０が過給を行なっている状態で減速によりスロットル開度θｔが値０になっているときは、過給による残圧の影響でエアフローメータ２３ａによる検出値の精度が悪くなり、負荷率ＫＬの精度が悪くなる。そのため、過給機５０が過給を行なっている状態で減速によりスロットル開度θｔが値０になっているときは、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられた吸気圧センサ２３ｂからの吸気圧（吸気管２３内の圧力）Ｐａと負荷率設定用マップとから負荷率ＫＬを導出する。負荷率設定用マップは、エンジン１２が適正に燃焼している場合の吸気圧Ｐａと負荷率ＫＬとの関係として予め実験や解析などにより定められたマップである。上限負荷率ＫＬｍａｘは、後述するエアモデルを用いて演算される。実施例では、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとから演算する負荷率ＫＬを用いた吸入空気量制御を「ＬＪ制御」と称することがある。また、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられた吸気圧センサ２３ｂからの吸気圧Ｐａと負荷率設定用マップとから導出される負荷率ＫＬを用いた吸入空気量制御を「ＤＪ制御」と称することがある。

ここで、エアモデルについて説明する。実施例のエンジン装置１０では、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７１は、図３のエアモデルを用いて、スロットル通過空気量ｍｔや第２下流部圧Ｐｍ、下流部温Ｔｍ、筒内流入空気量ｍｃｉ、下流部体積Ｖｍ、筒内充填空気量ｍｃｆを演算する（推定する）。ここで、スロットル通過空気量ｍｔは、単位時間当たりにスロットルバルブ２６を通過する空気の流量である。第２下流部圧Ｐｍは、現在のスロットル開度θｔに応じた吸気管２３のスロットル下流部２３ｄの気体の圧力である。下流部温Ｔｍは、スロットル下流部２３ｄの空気の温度である。筒内流入空気量ｍｃｉは、単位時間当たりに燃焼室３０に流入する空気の流量（スロットル下流部２３ｄから全気筒の燃焼室３０に流入する空気の流量を平均化した値）である。下流部体積Ｖｍは、スロットル下流部２３ｄの体積である。筒内充填空気量ｍｃｆは、吸気バルブ２９が閉弁したときに燃焼室３０内に充填されている空気の量である。演算したスロットル通過空気量ｍｔや第２下流部圧Ｐｍ、下流部温Ｔｍ、筒内流入空気量ｍｃｉ、下流部体積Ｖｍ、筒内充填空気量ｍｃｆのうち、筒内充填空気量ｍｃｆは、エンジン１２の吸入空気量制御に用いられる。

図３のエアモデルは、スロットルモデルＭ１０と、吸気管モデルＭ２０と、吸気バルブモデルＭ３０と、を有する。スロットルモデルＭ１０には、スロットル開度θｔや吸気温Ｔａ、吸気圧Ｐａ、第２下流部圧Ｐｍが入力される。スロットル開度θｔは、スロットルポジションセンサ２６ａにより検出された値が入力される。吸気温Ｔａは、吸気温センサ２３ｔにより検出された値が入力される。吸気圧Ｐａは、吸気圧センサ２３ｂにより検出された値が入力される。第２下流部圧Ｐｍは、吸気管モデルＭ２０により演算された値が入力される。スロットルモデルＭ１０は、スロットル開度θｔや吸気温Ｔａ、吸気圧Ｐａ、第２下流部圧ＰｍをスロットルモデルＭ１０のモデル式に代入してスロットル通過空気量ｍｔを演算し、演算したスロットル通過空気量ｍｔを吸気管モデルＭ２０に出力する。

吸気管モデルＭ２０には、吸気温Ｔａやスロットル通過空気量ｍｔ、筒内流入空気量ｍｃｉ、下流部体積Ｖｍが入力される。吸気温Ｔａは、吸気温センサ２３ｔにより検出された値が入力される。スロットル通過空気量ｍｔは、スロットルモデルＭ１０により演算され値が入力される。筒内流入空気量ｍｃｉは、吸気バルブモデルＭ３０により演算された値が入力される。下流部体積Ｖｍは、下流部体積ベース値Ｖｍ０が入力される。下流部体積ベース値Ｖｍ０は、スロットル下流部２３ｄの体積のベース値（例えば、エンジン装置１０の製造完了時の値）として予め定められた値である。吸気管モデルＭ２０は、吸気温Ｔａやスロットル通過空気量ｍｔ、筒内流入空気量ｍｃｉ、下流部体積Ｖｍを吸気管モデルＭ２０のモデル式に代入して第２下流部圧Ｐｍおよび下流部温Ｔｍを演算し、演算した第２下流部圧ＰｍをスロットルモデルＭ１０および吸気バルブモデルＭ３０に出力すると共に、演算した下流部温Ｔｍを吸気バルブモデルＭ３０に出力する。

吸気バルブモデルＭ３０には、吸気温Ｔａや回転数Ｎｅ、吸気バルブ２９や排気バルブ３３の開閉タイミングＶＴｉ，ＶＴｏ、第２下流部圧Ｐｍ、下流部温Ｔｍが入力される。吸気温Ｔａは、吸気温センサ２３ｔにより検出された値が入力される。回転数Ｎｅは、クランクポジションセンサ１４ａからのクランクシャフト１４のクランク角θｃｒに基づいて演算された値が入力される。吸気バルブ２９や排気バルブ３３の開閉タイミングＶＴｉ，ＶＴｏは、クランクポジションセンサ１４ａからのクランクシャフト１４のクランク角θｃｒに対するカムポジションセンサ１６からのインテークカムシャフトやエキゾーストカムシャフトのカム角θｃｉ，θｃｏの角度（θｃｉ－θｃｒ），（θｃｏ－θｃｒ）に基づいて演算された値が入力される。第２下流部圧Ｐｍおよび下流部温Ｔｍは、吸気管モデルＭ２０により演算された値が入力される。吸気バルブモデルＭ３０は、吸気温Ｔａや回転数Ｎｅ、吸気バルブ２９や排気バルブ３３の開閉タイミングＶＴｉ，ＶＴｏ、第２下流部圧Ｐｍ、下流部温Ｔｍを吸気バルブモデルＭ３０のモデル式に代入して筒内流入空気量ｍｃｉを演算し、これを筒内充填空気量ｍｃｆに変換して出力すると共に吸気管モデルＭ２０に出力する。

スロットルモデルＭ１０、吸気管モデルＭ２０、吸気バルブモデルＭ３０の詳細について順に説明する。最初に、スロットルモデルＭ１０の詳細について説明する。スロットルモデルＭ１０は、式（１）に示すように、スロットル開度θｔと吸気温Ｔａと吸気圧Ｐａと第２下流部圧Ｐｍとを用いてスロットル通過空気量ｍｔを演算する。

ここで、式（１）中、「μ（θｔ）」は、スロットルバルブ２６における流量係数である。この流量係数μ（θｔ）は、実施例では、スロットル開度θｔを流量係数推定用マップに適用して推定される。ここで、流量係数推定用マップは、スロットル開度θｔと流量係数μ（θｔ）との関係として予め実験や解析により定められ、フラッシュメモリ７４に記憶されている。図４は、流量係数推定用マップの一例を示す説明図である。流量係数μ（θｔ）は、図示するように、スロットル開度θｔが大きいほど小さくなるように設定される。

式（１）中、「Ａ（θｔ）」は、スロットルバルブ２６の開口断面積である。この開口断面積Ａ（θｔ）は、実施例では、スロットル開度θｔを開口断面積推定用マップに適用して推定される。ここで、開口断面積推定用マップは、スロットル開度θｔと開口断面積Ａ（θｔ）との関係として予め実験や解析により定められ、フラッシュメモリ７４に記憶されている。図５は、開口断面積推定用マップの一例を示す説明図である。開口断面積Ａ（θｔ）は、図示するように、スロットル開度θｔが所定値θｔ１未満の領域では、スロットル開度θｔが大きいほど所定値Ａ１に向けて大きくなり、スロットル開度θｔが所定値θｔ１以上の領域では、所定値Ａ１で一定となるように設定される。なお、スロットル開度θｔと、流量係数μ（θｔ）と開口断面積Ａ（θｔ）との積としての値μ（θｔ）・Ａ（θｔ）と、の予め定められた関係にスロットル開度θｔが適用されて値μ（θｔ）・Ａ（θｔ）が推定されるものとしてもよい。

式（１）中、「Ｒ」は、気体定数に関する定数である。この定数Ｒは、気体定数を１ｍｏｌ当たりの気体（空気）の質量で除した値に相当する。式（１）中、「Φ（Ｐｍ／Ｐａ）」は、式（２）および式（３）により得られる関数である。式（２）および式（３）中、「κ」は、比熱比である。この比熱比は、一定値とした。この関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は、図６に示すように、マップとして表わすことができる。したがって、式（２）および式（３）に代えて、図６のマップに、第２下流部圧Ｐｍと吸気圧Ｐａとを適用して、関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）の値を求めるものとしてもよい。

図７は、スロットルモデルＭ１０についての説明図である。上述の式（１）～式（３）は、以下のようにして得られる。最初に、スロットル上流部２３ｕの気体の圧力を吸気圧Ｐａ、スロットル上流部２３ｕの気体の温度を吸気温Ｔａ、スロットル下流部２３ｄの気体の圧力を第２下流部圧Ｐｍとする。そして、図７のスロットルモデルＭ１０に対して質量保存則とエネルギ保存則と運動量保存則とを適用し、更に、気体の状態方程式と比熱比の方程式とマイヤーの関係式とを利用する。これにより、式（１）～式（３）が得られる。

次に、吸気管モデルＭ２０の詳細について説明する。吸気管モデルＭ２０は、式（４）および式（５）に示すように、吸気温Ｔａとスロットル通過空気量ｍｔと筒内流入空気量ｍｃｉと下流部体積Ｖｍと定数Ｒと比熱比κとを用いて第２下流部圧Ｐｍおよび下流部温Ｔｍを演算する。

図８は、吸気管モデルＭ２０についての説明図である。図８から分かるように、スロットル下流部２３ｄの総気体量（総空気量）をＭとすると、総気体量Ｍの時間変化量は、スロットル下流部２３ｄに流入する気体の流量すなわちスロットル通過空気量ｍｔと、スロットル下流部２３ｄから流出する気体の流量すなわち筒内流入空気量ｍｃｉと、の差に等しい。このため、質量保存則により、式（６）が得られる。そして、この式（６）とスロットル下流部２３ｄにおける気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）とにより、式（４）が得られる。

また、スロットル下流部２３ｄの気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間変化量は、スロットル下流部２３ｄに流入する気体のエネルギと、スロットル下流部２３ｄから流出する気体のエネルギと、の差に等しい。このため、スロットル下流部２３ｄに流入する気体の温度を吸気温Ｔａ、スロットル下流部２３ｄから流出する気体の温度を下流部温Ｔｍとすると、エネルギ保存則により、式（７）が得られる。ここで、式（７）中、「Ｃｐ」は空気の定圧比熱であり、「Ｃｖ」は空気の定容比熱である、そして、この式（７）と上述の気体の状態方程式とにより、式（５）が得られる。

次に、吸気バルブモデルＭ３０の詳細について説明する。吸気バルブモデルＭ３０は、式（８）に示すように、吸気温Ｔａと第２下流部圧Ｐｍと下流部温Ｔｍとを用いて筒内流入空気量ｍｃｉを演算する。ここで、式（８）中、「ａ」および「ｂ」は、エンジン１２の回転数Ｎｅと、吸気バルブ２９や排気バルブ３３の開閉タイミングＶＴｉ，ＶＴｏとに基づいて定められる。

図９は、吸気バルブモデルＭ３０についての説明図である。一般に、筒内充填空気量ｍｃｆは、吸気バルブ２９の閉弁時に確定し、そのときの燃焼室３０内の圧力に比例する。また、吸気バルブ２９の閉弁時の燃焼室３０内の圧力は、吸気バルブ２９よりも上流側の気体の圧力、具体的には、第２下流部圧Ｐｍと等しいとみなすことができる。したがって、筒内充填空気量ｍｃｆは、第２下流部圧Ｐｍに比例すると近似することができる。

ここで、所定時間（例えば、クランク角θｃｒの７２０°分）当たりにスロットル下流部２３ｄから全気筒の燃焼室３０に流入する空気の流量をその所定時間で除算したもの（平均化したもの）を筒内流入空気量ｍｃｉとすると、上述のように、筒内充填空気量ｍｃｆが第２下流部圧Ｐｍに比例することから、筒内流入空気量ｍｃｉも第２下流部圧Ｐｍに比例すると考えられる。このことから、理論および経験則に基づいて、上述の式（８）が得られる。式（８）中、「ａ」は、比例係数であり、「ｂ」は、燃焼室３０内に残存する既燃ガスを表わす適合値である。この適合値は、排気バルブ３３の閉弁時に燃焼室３０内に残存する既燃ガス量を、クランクシャフト１４が１８０°回転するのに要する時間ΔＴ１８０°で除して得られる。ここで、１８０°は、１サイクル（吸気、圧縮、膨張、排気の４行程）でクランクシャフト１４が回転する角度７２０°をエンジン１２の気筒数４で除した角度を意味する。また、エンジン１２の実際の運転では、下流部温Ｔｍが大きく変化する場合がある。このため、式（８）では、下流部温Ｔｍの変化を考慮した補正として、理論および経験則に基づいて導いた「Ｔａ／Ｔｍ」を「ａ・Ｐｍ－ｂ」に乗じるものとした。

図１０は、筒内流入空気量ｍｃｉおよび筒内充填空気量ｍｃｆについての説明図である。図１０中、横軸は、クランクシャフト１４のクランク角θｃｒであり、縦軸は、単位時間当たりにスロットル下流部２３ｄから各気筒の燃焼室３０に実際に流入する空気の流量である。実施例では、４気筒のエンジン１２を用いるから、吸気バルブ２９は、例えば、１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に開弁する。そして、図示するように、各気筒に対応する吸気バルブ２９の開弁量に応じて、スロットル下流部２３ｄから各気筒の燃焼室３０に空気が流入する。例えば、スロットル下流部２３ｄから各気筒の燃焼室３０に流入する空気の流量は、図１０に破線で示した通りである。また、この変位を総合して、スロットル下流部２３ｄから全気筒の燃焼室３０に流入する空気の流量は、図１０に実線で示した通りである。更に、１番気筒の筒内充填空気量ｍｃｆは、図１０にハッチングで示した通りである。

これに対して、スロットル下流部２３ｄから全気筒の燃焼室３０に流入する空気の流量を平均化したものが筒内流入空気量ｍｃｉであり、図１０に一点鎖線で示した通りである。そして、この筒内流入空気量ｍｃｉに時間ΔＴ１８０°を乗じたものが筒内充填空気量ｍｃｆとなる。したがって、吸気バルブモデルＭ３０により演算された筒内流入空気量ｍｃｉに時間ΔＴ１８０°を乗算することにより、筒内充填空気量ｍｃｆを演算することができる。より詳細には、筒内充填空気量ｍｃｆが吸気バルブ２９の閉弁時の圧力に比例することを考慮して、吸気バルブ２９の閉弁時の筒内流入空気量ｍｃｉに時間ΔＴ１８０°を乗算したものが筒内充填空気量ｍｃｆとされる。

続いて、上限負荷率ＫＬｍａｘを設定する上限負荷率設定処理について説明する。図１１は、上限負荷率設定処理の一例を示すブロック図である。上限負荷率設定処理は、ガード係数設定処理Ｓ１００と、なまし処理Ｓ１０２と、乗算処理Ｓ１０４、Ｓ１０６と、加算処理Ｓ１０８と、変換処理Ｓ１１０と、を有する。

ガード係数設定処理Ｓ１００には、スロットル開度θｔ、回転数Ｎｅが入力される。スロットル開度θｔは、スロットルポジションセンサ２６ａにより検出された値が入力される。回転数Ｎｅは、クランクポジションセンサ１４ａからのクランクシャフト１４のクランク角θｃｒに基づいて演算された値が入力される。ガード係数設定処理Ｓ１００は、マップＭａｐからスロットル開度θｔ、回転数Ｎｅに対応するガード係数（上限係数）Ｃｇを設定する。図１２は、マップＭａｐの一例を示す説明図である。ガード係数Ｃｇは、値１より大きく、回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｒｅｆ以上のときには、回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｒｅｆ未満のときに比して、小さくなるように設定される。エンジン１２の回転数Ｎｅが低回転のとき、すなわち、ピストン３２がゆっくり動いているときには、筒内に吸入される空気量は、燃焼不良が発生していてもさほど少なくならない。こうしたことを考慮して、所定回転数Ｎｅｒｅｆは、エンジン１２に燃焼不良が発生したときに、適正な燃焼が行なわれているときに比して、筒内に吸入される空気量が少なくなる回転数の下限値に設定されている。ガード係数Ｃｇは、回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｒｅｆ以上のときには、スロットル開度θｔが所定開度θｔｒｅｆになると徐々に大きくなるように設定される。これは、スロットル開度θｔ（スロットルバルブ２６の開口断面積）が小さいほどスロットルバルブ２６の個体バラツキによる流量感度が大きくなることに基づく。

なまし処理Ｓ１０２には、ガード係数設定処理Ｓ１００により演算されたガード係数Ｃｇが入力される。なまし処理Ｓ１０２は、スロットル開度θｔの変化に対する筒内流入空気量ｍｃｉの応答遅れを考慮して、ガード係数Ｃｇの変化を緩やかにする処理である。

乗算処理Ｓ１０４には、筒内流入空気量ｍｃｉや移行係数Ｃｔ、ガード係数Ｃｇが入力される。筒内流入空気量ｍｃｉは、吸気バルブモデルＭ３０により演算された値が入力される。移行係数Ｃｔは、吸入空気量制御としてＤＪ制御を実行しているときには値１に設定され、吸入空気量制御としてＬＪ制御を実行しているときには値０に設定される値である。ガード係数Ｃｇは、なまし処理Ｓ１０２により設定された値が入力される。乗算処理Ｓ１０４は、筒内流入空気量ｍｃｉと移行係数Ｃｔとガード係数Ｃｇとを乗じた上限ガード値ｍｍａｘ２を加算処理Ｓ１０８に出力する。したがって、上限ガード値ｍｍａｘ２は、次式（９）により演算される。上限ガード値ｍｍａｘ２は、ＤＪ制御を実行しているときには、筒内流入空気量ｍｃｉと移行係数Ｃｔとを乗じた値になり、ＬＪ制御を実行しているときには、値０になる。

mmax2=mci・Ct・Cg ・・・(9)

乗算処理Ｓ１０６には、筒内流入空気量ｍｃｉや値１から移行係数Ｃｔを減じた値（１－Ｃｔ）が入力される。筒内流入空気量ｍｃｉは、吸気バルブモデルＭ３０により演算された値が入力される。移行係数Ｃｔは、吸入空気量制御としてＤＪ制御を実行しているときには値１に設定され、吸入空気量制御としてＬＪ制御を実行しているときには値０に設定される値である。乗算処理Ｓ１０４は、筒内流入空気量ｍｃｉと値１から移行係数Ｃｔを減じた値とを乗じた上限ガード値ｍｍａｘ１を加算処理Ｓ１０８に出力する。したがって、上限ガード値ｍｍａｘ１は、次式（１０）により演算される。上限ガード値ｍｍａｘ１は、ＬＪ制御を実行しているときには、筒内流入空気量ｍｃｉになり、ＤＪ制御を実行しているときには、値０になる。

mmax1=mci・(1-Ct) ・・・(10)

加算処理Ｓ１０８には、上限ガード値ｍｍａｘ１、ｍｍａｘ２が入力される。上限ガード値ｍｍａｘ１は、乗算処理Ｓ１０６により演算された値が入力される。上限ガード値ｍｍａｘ２は、乗算処理Ｓ１０４により演算された値が入力される。加算処理Ｓ１０８は、上限ガード値ｍｍａｘ１に上限ガード値ｍｍａｘ２を加えた上限ガード値ｍｍａｘを演算し、演算した上限ガード値ｍｍａｘを変換処理Ｓ１１０に出力する。したがって、上限ガード値ｍｍａｘは、次式（１１）により演算される。ＬＪ制御を実行しているときには、上限ガード値ｍｍａｘ２は値０になることから、上限ガード値ｍｍａｘは、上限ガード値ｍｍａｘ１（筒内流入空気量ｍｃｉ）となる。ＤＪ制御を実行しているときには、上限ガード値ｍｍａｘ１は値０になることから、上限ガード値ｍｍａｘは、上限ガード値ｍｍａｘ２となる。

mmax=mmax1+mmax2 ・・・(11)

変換処理Ｓ１１０には、上限ガード値ｍｍａｘが入力される。上限ガード値ｍｍａｘは、加算処理Ｓ１０８で演算した値が入力される。変換処理Ｓ１１０は、演算した上限ガード値ｍｍａｘを負荷率に換算した上限負荷率ＫＬｍａｘを演算する。ＬＪ制御を実行しているときには、上限ガード値ｍｍａｘは上限ガード値ｍｍａｘ１（筒内流入空気量ｍｃｉ）になることから、上限負荷率ＫＬｍａｘは、上限ガード値ｍｍａｘ１（筒内流入空気量ｍｃｉ）を負荷率に換算した値になる。ＤＪ制御を実行しているときには、上限ガード値ｍｍａｘは上限ガード値ｍｍａｘ２になることから、上限負荷率ＫＬｍａｘは、上限ガード値ｍｍａｘ２を負荷率に換算した値になる。

こうして上限負荷率ＫＬｍａｘを演算することにより、ＬＪ制御を実行しているときには、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａを用いて演算した負荷率ＫＬを上限負荷率ＫＬｍａｘ（筒内流入空気量ｍｃｉ）で上限ガードしたものを制御用負荷率ＫＬｅｘｅに設定し、制御用負荷率ＫＬｅｘｅが要求負荷率ＫＬ＊となるようにスロットルバルブ２６の開度を調整する。ＬＪ制御では、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａを用いて演算した負荷率ＫＬと筒内流入空気量ｍｃｉである上限負荷率ＫＬｍａｘとの乖離が小さいことから、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａを用いて演算した負荷率ＫＬに近い値を制御用負荷率ＫＬｅｘｅとして、スロットルバルブ２６の開度を調整することになる。

ＤＪ制御を実行しているときには、吸気圧センサ２３ｂからの吸気圧Ｐａを用いて設定した負荷率ＫＬを上限負荷率ＫＬｍａｘ（上限ガード値ｍｍａｘ２）で上限ガードしたものを制御用負荷率ＫＬｅｘｅに設定し、制御用負荷率ＫＬｅｘｅが要求負荷率ＫＬ＊となるようにスロットルバルブ２６の開度を調整する。ＤＪ制御では、上述したように、吸気圧センサ２３ｂからの吸気圧Ｐａを用いて設定した負荷率ＫＬが実際の負荷率より過度に大きくなることがある。そのため、エンジン１２の燃焼不良が発生しているときに、ＤＪ制御が実行されると、吸気圧センサ２３ｂからの吸気圧Ｐａを用いて設定した負荷率ＫＬを制御用負荷率ＫＬｅｘｅに設定すると、過剰な燃料が噴射されてリッチな状態となり、燃焼不良が更に継続する場合がある。実施例では、ＤＪ制御を実行しているときには、負荷率ＫＬを上限負荷率ＫＬｍａｘ（上限ガード値ｍｍａｘ２）で上限ガードしたものを制御用負荷率ＫＬｅｘｅに設定することにより、過剰な燃料が噴射されてリッチな状態となることを抑制できる。これにより、エンジン１２の燃焼不良の継続を抑制できる。

以上説明した実施例のエンジンの状態推定装置を搭載したエンジン装置１０では、推定した筒内流入空気量ｍｃｉと、エンジン１２の回転数Ｎｅに基づくガード係数（上限係数）Ｃｇと、を用いて、筒内流入空気量ｍｃｉの上限ガード値ｍｍａｘ２を演算し、吸気圧Ｐａに基づく負荷率ＫＬと、上限負荷率ＫＬｍａｘと、のうち小さいほうの値を制御用負荷率ＫＬｅｘｅに設定（推定）することにより、エンジン１２の燃焼不良の継続を抑制できる。

実施例のエンジンの状態推定装置を搭載したエンジン装置１０では、乗算処理Ｓ１０４で、筒内流入空気量ｍｃｉと移行係数Ｃｔとガード係数Ｃｇとを乗じた値を上限ガード値ｍｍａｘ２として演算している。しかし、ＬＪ制御からＤＪ制御へ移行する場合において上限ガード値ｍｍａｘ２が吸気圧Ｐａを用いて設定した負荷率ＫＬ未満のときには、直ちに上限負荷率ＫＬｍａｘ（上限ガード値ｍｍａｘ２）で負荷率ＫＬを上限ガードしたものを制御用負荷率ＫＬｅｘｅとすると、実際の負荷率が急変することがある。こうした負荷率の急変を抑制するために、ＬＪ制御からＤＪ制御へ移行する場合において上限ガード値ｍｍａｘ２が負荷率ＫＬ未満のときに、移行係数Ｃｔを値０から値１に向けて徐々に変化させてもよい。同様に、ＤＪ制御からＬＪ制御へ移行する場合において上限ガード値ｍｍａｘ２が吸気圧Ｐａを用いて設定した負荷率ＫＬ未満のときには、移行係数Ｃｔを値１から値０に向けて徐々に変化させてもよい。

実施例のエンジンの状態推定装置を搭載したエンジン装置１０では、エンジン１２として、過給機５０を備えている。しかしながら、過給機５０を備えていないものとして、吸入空気量制御として、上述のＤＪ制御を常時行なっていてもよい。

実施例のエンジンの状態推定装置を搭載したエンジン装置１０では、吸気圧Ｐａに基づく負荷率ＫＬと、設定した上限ガード値ｍｍａｘを負荷率に変換した上限負荷率ＫＬｍａｘと、のうち小さいほうの値を、制御用負荷率ＫＬｅｘｅと推定している。しかし、吸気圧Ｐａに基づく吸入空気量と、設定した上限ガード値ｍｍａｘと、のうち小さいほうの値を、吸入空気量と推定して、吸入空気量制御において、推定した吸入空気量がエンジン１２の目標トルクＴｅ＊に対応する目標吸入空気量Ｑａ＊になるようにスロットル開度θｔを調整してもよい。

実施例や変形例のエンジン装置１０では、エンジン１２は、４気筒として構成されるものとしたが、６気筒や８気筒などとして構成されるものとしてもよい。また、エンジン１２は、ＥＧＲ装置４０を備えるものとしたが、ＥＧＲ装置４０を備えないものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、電子制御ユニット７０が「エンジンの状態推定装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、エンジンの状態推定装置の製造産業などに利用可能である。

１０ エンジン装置、１２ エンジン、１４ クランクシャフト、１４ａ クランクポジションセンサ、１５ 水温センサ、１６ カムポジションセンサ、２２ エアクリーナ、２３ 吸気管、２３ａ エアフローメータ、２３ｂ 吸気圧センサ、２３ｃ 過給圧センサ、２３ｄ スロットル下流部、２３ｔ 吸気温センサ、２３ｕ スロットル上流部、２４ バイパス管、２５ インタークーラ、２６ スロットルバルブ、２６ａ スロットルポジションセンサ、２７ サージタンク、２７ａ 圧力センサ、２７ｔ 温度センサ、２８ 燃料噴射弁、２９ 吸気バルブ、３０ 燃焼室、３１ 点火プラグ、３２ ピストン、３３ 排気バルブ、３４ 可変バルブタイミング装置、３５ 排気管、３６ バイパス管、３７，３８ 浄化装置、３９ａ フロント空燃比センサ、３９ｂ リヤ空燃比センサ、４０ ＥＧＲ装置、４２ ＥＧＲ管、４４ ＥＧＲバルブ、４５ 開度センサ、５０ 過給機、５１ タービン、５２ コンプレッサ、５３ 回転軸、５４ ウェイストゲートバルブ、５５ ブローオフバルブ、７０ 電子制御ユニット、７１ ＣＰＵ、７２ ＲＯＭ、７３ ＲＡＭ、７４ フラッシュメモリ。

Claims (1)

1. 吸気管に配置されたスロットルバルブを備えるエンジンと共にエンジン装置に搭載され、前記吸気管の圧力から前記エンジンの吸入空気量を推定するエンジンの状態推定装置であって、
   前記スロットルバルブの開度から通過する筒内流入空気量を推定し、推定した前記筒内流入空気量と、前記エンジンの回転数に基づく上限係数と、を用いて、前記吸入空気量の上限値を設定し、
   前記吸気管の圧力に基づく仮吸入空気量と、設定した前記上限値と、のうち小さいほうの値を、前記吸入空気量と推定する
   エンジンの状態推定装置。

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