CN106194458A - 带增压器的内燃机的控制装置及带增压器的内燃机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能以更轻的运算负荷高精度地推定压缩机与节流阀间的增压路径的压力即节流上游压力的带增压器的内燃机的控制装置及控制方法。根据所有所述传感器的输出计算出流入增压路径的流入空气质量和从增压路径流出的流出空气质量，根据两空气质量计算高运行负荷时的节流阀的上游空气质量，并根据增压路径上游的温度传感器及气压传感器的输出计算低运行负荷时的节流阀的上游空气质量，根据内燃机的运行负荷状态选择节流阀的上游空气质量，并控制各种致动器。

Description

带增压器的内燃机的控制装置及带增压器的内燃机的控制方法

技术领域

本发明涉及带增压器的内燃机的控制装置及控制方法，该带增压器的内燃机的控制装置及控制方法能对从内燃机的进气系统所设置的增压器的压缩机到节流阀的增压路径中的节流阀的上游压力(以下，有时简称为节流上游压力)进行推定。

背景技术

一直以来，具有以提高内燃机(以下，有时称为发动机)的输出为目的的带增压器(以下，有时称为涡轮增压器)的发动机控制系统，作为增压器的示例，已知有将利用废气所具有的能量使涡轮高速旋转从而进行驱动的压缩机搭载于发动机的进气系统的涡轮增压器、将由曲柄轴通过传送带等进行

驱动的压缩机搭载于发动机的进气系统的机械增压器等。

此外，作为发动机控制系统中检测吸入空气量的检测方法，以往已知有利用气流传感器(AFS)进行检测的方式(以下，称为气流传感器方式)、基于吸入歧管(以下，有时称为进气歧管)内的压力(以下，有时称为进气歧管压力)进行推定的所谓的速度密度方式。

气流传感器方式中，直接测量通过气流传感器的安装部的空气流量(以下，有时称为气流传感器吸入空气量)，此外，由于正常运行时进入气缸的空气流量(以下，称为气缸吸入空气量)与气流传感器吸入空气量基本相等，因此具有正常运行时的气缸吸入空气量的计算误差比速度密度方式要稍小的优点。

一般通过对设置于空气吸入路径的节流阀(以下，有时简称为节流或THV)进行操作，并对空气吸入路径的开口面积进行调整，来进行发动机的输出调整。可通过利用节流阀的开口面积、对于空气的流动的节流阀的上游压力和下游压力、以及节流阀的上游和下游的温度等检测值，基于物理计算式对通过节流阀的空气流量进行控制，这是通常所使用的技术(例如，参照专利文献1)。

然而，这种技术需要设置对节流阀的上游压力进行测量的传感器，存在元器件数量增加、成本提高的缺点。

另一方面，具有如下技术：基于气流传感器吸入空气量和气缸吸入空气量，计算出将从增压器的压缩机到节流阀的增压路径和进气歧管组合后的区域的平均大气密度，基于进气歧管压力和平均大气密度来推定节流上游压力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4237214号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，对于上述那样推定节流上游压力的技术的情况，存在以下问题：由于利用复杂的计算，因此控制装置的运算负荷增大。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，在带增压器的内燃机的控制装置及控制方法中，以更轻的运算负荷高精度地推定压缩机与节流阀之间的增压路径的压力即节流上游压力。

解决技术问题所采用的技术方案

为了达到上述目的，本发明的所涉及的带增压器的内燃机的控制装置包括：第一温度传感器和第一气压传感器，该第一温度传感器和第一气压传感器设置于从增压器的压缩机到达节流阀的增压路径的上游；第二温度传感器及第二气压传感器，该第二温度传感器及第二气压传感器设置于所述增压路径的下游；以及控制部，该控制部根据所有所述传感器的输出计算出流入所述增压路径的流入空气质量和从所述增压路径流出的流出空气质量，根据两空气质量计算高运行负荷时的所述节流阀的上游空气质量，并根据所述第一温度传感器及第一气压传感器的输出计算低运行负荷时的所述节流阀的上游空气质量，根据内燃机的运行负荷状态选择所述节流阀的上游空气质量，基于该选出的所述上游空气质量及由所述第二温度传感器检测出的第二温度，计算所述节流阀的上游压力，并控制各种致动器。

另外，为了达到上述目的，根据本发明，提供一种带增压器的内燃机的控制方法，该带增压器的内燃机包括：第一温度传感器和第一气压传感器，该第一温度传感器和第一气压传感器设置于从增压器的压缩机到达节流阀的增压路径的上游；第二温度传感器及第二气压传感器，该第二温度传感器及第二气压传感器设置于所述增压路径的下游；以及与各传感器相连的控制部，该带增压器的内燃机的控制方法根据所有所述传感器的输出计算出流入所述增压路径的流入空气质量和从所述增压路径流出的流出空气质量，根据两空气质量计算高运行负荷时的所述节流阀的上游空气质量，并根据所述第一温度传感器及第一气压传感器的输出计算低运行负荷时的所述节流阀的上游空气质量，根据内燃机的运行负荷状态选择所述节流阀的上游空气质量，基于该选出的所述上游空气质量及由所述第二温度传感器检测出的第二温度，计算所述节流阀的上游压力，并控制各种致动器。

发明效果

由此，使从增压器到节流阀为止的区域整体的状态与节流阀的上游温度和大气密度(基于大气压和进气温度)紧密关联来进行运算，因此，能以较小的运算负荷高精度地推定节流上游压力。因而，能使用节流上游压力推定值，进行例如节流控制、节流上游压力控制。此外，在具有节流上游压力传感器的带增压器的发动机控制系统的情况下，例如能用于节流上游压力传感器的故障判定。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的带增压器的内燃机的控制装置及控制方法的示意性结构图。

图2是表示本发明的实施方式1中的带增压器的内燃机的控制装置及控制方法所使用的电子控制单元(以下，有时称为ECU)所构成的控制系统的框图。

图3是示意性表示本发明的实施方式中的带增压器的内燃机的控制装置及控制方法的各区域的空气状态变化和与之关联的参数值的图。

图4是本发明的实施方式1中用于计算节流吸入空气质量的运算框图。

图5是用于计算本发明的实施方式1中的压缩机吸入空气质量的运算框图。

图6是用于计算本发明的实施方式1中的节流上游空气质量的运算框图。

图7是用于计算本发明的实施方式1中的节流上游压力的运算框图。

图8是用于计算本发明的实施方式1中的节流上游温度的运算框图。

图9是表示本发明的实施方式1中的ECU内的图4～8的相互连接关系的框图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明所涉及的带增压器的内燃机的控制装置的实施方式进行说明。

实施方式1

图1所示的本发明的实施方式1中，发动机1安装有用于生成与曲柄角的旋转相对应的电信号(转速信号)的曲柄角传感器11。此外，发动机1的气缸8分别与形成进气路径的进气管2和形成排气路径的排气管7相连。

在进气管2的最上游部安装有空气净化器3。空气净化器3的下游侧一体或分开设有生成与吸入空气流量相对应的电信号的气流传感器12、生成与吸入管2内的吸入空气温度相对应的电信号的吸入空气温度传感器(以下，有时称为进气温度传感器)13。另外，图1示出了将两个传感器12、13一体构成的示例。

排气管7的下游部设有废气净化催化剂22。废气净化催化剂22的上游侧设有生成与燃烧后的燃料和空气的比例相对应的电信号的空燃比传感器23。

此外，在由进气管2和排气管7构成的进排气系统中设有增压器(涡轮增压器)36，该增压器36包括压缩机(compressor)31和涡轮32。涡轮32设置在比排气管7的废气净化催化剂22更上游侧的位置，并由排气管7内流过的废气来对其进行旋转驱动。压缩机31设置于进气管2的气流传感器12的下游侧。该压缩机31能通过伴随涡轮32的旋转所进行的旋转驱动，来对进气路径内的空气进行压缩。

压缩机31的下游侧设有用于使压缩空气量分流至进气管2的空气旁通阀(ABV)33，以防止主要在油门关闭时增压压力过高。空气旁通阀33的下游侧设有用于对利用压缩机31进行绝热压缩而达到高温的空气进行冷却的中间冷却器(以下，有时称为I/C)30。中间冷却器30的下游侧设有用于对送至发动机1的空气量进行调整的电子控制式的节流阀4。节流阀4与生成与节流开度相对应的电信号的节流开度传感器14相连。

在节流阀4的下游侧设有包含用于抑制进气脉动的气室的进气歧管5。进气歧管5中一体或者分开地设有生成与从气室到进气歧管的空间内的压力及温度相对应的电信号的进气歧管压力传感器15和进气歧管温度传感器16。另外，图1示出了将两个传感器15、16一体构成的示例。

进气歧管5的下游的发动机1侧设有喷射燃料的喷射器17。另外，喷射器17可以设置为直接向气缸8内喷射燃料。

气缸8设有：用于对由吸入发动机1的空气与从喷射器17喷射出的燃料混合产生的可燃混合气体进行点火的火花塞18；及提供用于使该火花塞18打出火花的电流的点火线圈19。此外，还设有：对从进气路径导入到气缸8内的空气量进行调节的进气阀20；及对从气缸8内排出到发动机1的排气路径的空气量进行调节的排气阀21。另外，也可以在进气阀20及排气阀21双方或任一方的凸轮轴上设置用于改变阀开闭的时刻的可变阀正时机构(VVT)、用于改变阀的升程量的可变阀升程机构(VVL)。

在排气阀21的下游、涡轮32的上游侧设有用于使废气分流到排气阀通路35的废气阀34，以使得即使以高旋转高负载增加增压压力，发动机也不会破损。作为驱动废气阀34的方法，具有对施加至膜片的压力进行控制的压力式、直接驱动阀门开度的电动式。通常，对于压力式，若增压压力不高至某一程度则无法驱动废气阀34，然而电动式没有这样的限制，无论运行状态如何，均能进行驱动，因此具有压缩机31与节流阀4之间的压力即节流上游压力的可控制范围较广的优点。本实施方式中使用电动式的废气阀34，但在使用压力式的废气阀的情况下，也能应用完全相同的方法。

图2所示的控制系统图中，电子控制单元(ECU)100如公知的那样以CPU、ROM、RAM等构成的微处理器为主体来构成，通过执行预先存储在ROM中的各种控制程序(包含后述的(1)式～(12)式)，基于该情况下发动机1的运行状态来实施发动机1的各种控制。即，ECU100输入有来自各种传感器的检测信号，基于这些信号计算目标节流开度、燃料喷射量、点火时期等，并输出用于驱动节流阀4、喷射器17、点火线圈19等的信号。

具体而言，将来自节流开度传感器14、曲柄角传感器11、气流传感器12、进气温度传感器13、进气歧管压力传感器15、及进气歧管温度传感器16的电信号输入至ECU100。此外，也输入有图1中未图示的油门开度传感器40、大气压传感器9的信号，但油门开度传感器9设置在驾驶座的脚下，生成与油门的操作量相对应电信号，大气压传感器9生成与大气压相对应的电信号，有时设置在图1的空气净化器3的附近，有时设置在ECU100的基板上等。

并且，也从所述传感器以外的其他传感器输入电信号。作为其他传感器包含空燃比传感器23、例如检测出发动机1的缸体振动的爆震传感器(未图示)、检测出发动机1的冷却水温的水温传感器(未图示)、检测出车速的车速传感器(未图示)、检测出后述的节流上游温度(T2)的传感器(未图示)等。

并且，如后述那样，对于节流阀4的上游侧温度(以下，有时也称为节流上游温度)，除了利用运算进行推定以外，也可以在节流阀4的上游侧设置温度传感器(未图示)来实际检测。

此外，在ECU100的输出侧连接节流阀4、喷射器17、点火线圈19、空气旁通阀33、以及废气阀34。此外，ECU100也连接有除了这些致动器以外的其他致动器。作为其他致动器包含例如用于对设置于进气阀20、排气阀21的可变阀正时机构进行驱动的致动器等。

ECU100中，根据基于来自曲柄角传感器11的曲柄角周期计算出的发动机旋转速度Ne及基于油门开度传感器9计算出的油门开度AP，计算出司机所要求的目标输出转矩TRQt。并且，计算出为了达到该目标输出转矩TRQt而所需的目标节流吸入空气量Qtht，并且计算出为了达到该目标节流吸入空气量Qtht而所需的目标节流开度TPt，基于它们来驱动节流阀4。为了高精度地达到该目标节流开度TPt，也使用来自节流开度传感器14的节流开度TP实施反馈控制(以虚线来图示)。

此外，ECU100中，基于发动机旋转速度Ne、来自气流传感器12的气流传感器吸入空气量Qa、来自进气温度传感器13的进气温度Ta、来自进气歧管压力传感器15的进气歧管压力Pb、来自进气歧管温度传感器16的进气歧管温度Tb、以及来自大气压传感器9的大气压Pa，使用后述的进气系统的物理模型，计算出压缩机31与节流阀4之间的压力即节流上游压力P2、及通过节流阀4的节流吸入空气量Qth。

此外，虽省略了详细说明，但基于利用上述值计算出的气缸吸入空气量Qc，驱动喷射器17，使得成为实现目标空燃比的燃料喷射量Qf，以达到适当的废气、排气温度，并且驱动点火线圈19，以实现不会引起爆震等异常燃烧的适当的点火时期IG。另外，燃料喷射量Qf的运算中也实施基于目标空燃比和空燃比传感器23的输出值的反馈控制。

为了高精度地达到所述目标节流吸入空气量Qtht，也利用节流吸入空气量Qth实施目标节流开度TPt的反馈控制。也根据气流传感器吸入空气量Qa、节流上游压力P2计算压缩机驱动力Pc，基于该压缩机驱动力Pc来计算用于防止进气系统压力、发动机输出过度增大的目标废气阀开度WG，实施驱动废气阀34的发动机输出的控制(参照日本专利第5420013号)。也计算空气旁通阀开度来实施驱动空气旁通阀33的控制，以使得不会因非预期的过度增压而导致节流上游压力P2过高。

如上所述，ECU100中实施了发动机控制，但以下基于进气系统的物理模型，对于计算压缩机31-节流阀4之间的压力即节流上游压力P2、进入气缸8的气缸吸入空气量Qc、及通过节流阀4的节流吸入空气量Qth的方法，在参照上述图1及图2的同时，参照图3～图8来进行详细说明。

首先，如下所示那样对图3所示的本发明的实施方式的带增压器的内燃机的控制装置各区域的空气的状态变化及检测出上述状态变化的传感器类进行定义。另外，n表示冲程数编号。

Qcmp(n)：压缩机吸入空气量[g/s]的一个冲程间的平均值

Gcmp(n)：压缩机吸入空气质量[g]的一个冲程间的平均值

Qa(n)：气流传感器吸入空气量[g/s]的一个冲程间的平均值

Qth(n)：节流吸入空气量[g/s]的一个冲程间的平均值

Gth(n)：节流吸入空气质量[g]的一个冲程间的平均值

Qc(n)：气缸吸入空气量[g/s]的一个冲程间的平均值

G2(n)：节流上游(V2内)空气质量[g]的一个冲程间的平均值

ΔT(n)：一个冲程间的时间[s]

V2：I/C上游容积(压缩机～节流阀的容积)[m³]

Pa(n)：大气压[kPa]的一个冲程间的平均值

P2(n)：节流上游压力(推定值)[kPa]

Pb(n)：进气歧管压力[kPa]的一个冲程间的平均值

Ta(n)：进气温度[K]的一个冲程间的平均值

T2u(n)：I/C上游温度[K]的一个冲程间的平均值

T2(n)：节流上游温度(I/C下游温度)[K]的一个冲程间的平均值

Tb(n)：进气歧管温度[K]的一个冲程间的平均值

ρa(n)：大气密度[g/m³]的一个冲程间的平均值

以下的示例中，不利用传感器测量节流上游压力，因此，以一个冲程前计算出节流上游压力P2的推定值(在首次的情况下为初始值)为前提来进行以下说明。将在后文阐述节流阀上游压力P2的推定值的计算。

对图3的状态变化进行说明。首先，压缩机31的上游侧(区域a)开放到大气中，基本成为大气压Pa(传感器测量值)及进气温度Ta(传感器测量值)。严格而言，需要考虑因空气净化器3而产生的压力损耗等，但此处对其进行无视。压缩机31中，利用可逆绝热变化来进行压缩，因此压缩机的下游侧即中间冷却器上游侧的压力及温度上升，大气密度也上升。接着，虽然通过中间冷却器30，但若无视此处的压力损耗，则仅中间冷却器30的下游侧即节流上游侧的温度下降，大气密度上升。

若如上述那样考虑，则通过中间冷却器30时的状态变化为等压变化，因此从作为中间冷却器上游侧的节流上游侧即压缩机31到节流阀4的区域b(以下，有时称为增压路径)的压力共同成为节流上游压力P2(推定值)，对于温度，中间冷却器上游侧成为中间冷却器上游温度T2u，节流上游侧成为节流上游温度T2。

接着，虽然通过节流阀4，但此处节流后发生膨胀而残留于进气歧管5，因此节流前后的状态变化为等温变化，仅压力降低，并且大气密度也降低。但是，也有来自发动机侧的受热，因此温度稍稍上升。其结果是，区域c的压力为进气歧管压力Pb(传感器测量值)，温度成为进气歧管温度Tb(传感器测量值)。

接着，对计算区域b的空气质量的方法进行说明。区域b的空气质量能利用质量守恒定律基于下述式(1)来计算。此处，将压缩机吸入空气质量、即流入区域b的流入空气质量设为Gcmp，将节流吸入空气质量、即从区域b流出的流出空气质量设为Gth。

[数学式1]

G₂(n)＝G₂(n-1)+G_cmp(n)-G_th(n) (1)式

即，区域b的空气质量能基于流入区域b的流入空气质量即Gcmp和从区域b流出的流出空气质量即Gth的进出运算来计算得到。

流入区域b的流入空气质量即Gcmp根据由气流传感器12测量的值Qa来计算。由气流传感器12测量的空气量Qa测量每单位时间的空气质量，对ECU100的输出为通常情况，因此一个冲程间(ΔT)的流入空气质量能基于下述的式(2)来计算得到。此处，认为压缩机吸入空气量Qcmp与气流传感器吸入空气量Qa实质相等。

[数学式2]

G_cmp(n)＝Q_cmp(n)×ΔT(n) (2)式

此外，从区域b流出的流出空气质量即Gth能基于节流阀4的前后的、所谓的节流式流量计的体积流量计算式(在是压缩性流体的情况下)进行计算，体积流量计算式以下式表示。

[数学式3]

$Q_{\mathrm{thv}}={\mathrm{\α}}_2\×{\mathrm{CA}}_t\×\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\κ}-1}\×[{\left(\frac{P_b}{P_2}\right)}^{\frac{2}{\mathrm{\κ}}}-{\left(\frac{P_b}{P_2}\right)}^{\frac{\mathrm{\κ}+1}{\mathrm{\κ}}}]}$ (3)式

此处，将节流吸入空气量(体积流量)设为Qthv[L/s]，将节流上游的声速设为α2[m/s]，将节流的有效开口面积设为CAt[cm²]。此处，声速α2能基于节流上游温度T2根据已知的物理式计算得到，有效开口面积CAt能根据节流开度传感器14的值并基于节流阀4所具有的特性来计算得到。节流阀4具有设备偏差，与预先设定的特性值之间产生差，进行设备偏差的学习校正后的值被作为有效开口面积CAt来使用。

区域a的大气压Pa及进气温度Ta均是传感器测量值，因此能基于下述式(4)所示的状态方程式，计算区域a的大气密度即大气密度ρa。这里，R是气体常数。

[数学式4]

P_a＝ρ_a×R×T_a ∴ ${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{P_a}{R\×T_a}$ (4)式

能基于体积流量Qthv并基于下述式(5)计算出节流吸入空气量(质量流量)Qth。这里，将标准大气压设为P0[kPa]，将标准温度设为T0[K]。

[数学式5]

$Q_{\mathrm{th}}=Q_{\mathrm{thv}}\×{\mathrm{\ρ}}_a\×\frac{T_0}{T_2}\×\frac{P_2}{P_0}$ （5)式

区域b的流出空气质量即一个冲程间的流出空气质量Gth(n)能基于下述的式(6)来计算得到。

[数学式6]

G_th(n)＝Q_th(n)×ΔT(n) (6)式

接着，对计算节流上游压力P2的方法进行说明。通过使用上述计算式，能计算区域b的空气质量G2，区域b的压力即节流上游压力P2能基于下述式(7)来进行计算。这里，R是气体常数。

[数学式7]

$P_2=\frac{G_2\×T_2\×R}{V_2}$ (7)式

区域b中具有中间冷却器30的上游侧和下游侧这两个不同的状态，如上所述，因这些区域而导致大气密度、温度不同，由此为了计算出更准确的节流上游压力P2，需要个别计算这些区域的空气质量、温度。若追加安装对各区域测量温度传感器等的状态的单元，则通过解出状态方程式等能准确地计算各区域的空气质量、压力，但传感器的追加会导致成本上升。

也可以考虑能不追加传感器而使用状态方程式等各种物理式来推定上述区域的温度、空气质量等，但需要较多复杂的计算，这些复杂的计算所包含的误差会对最终计算结果造成较大影响。因此，将区域b整体的状态与从中间冷却器30到节流阀4为止的温度T2和大气密度ρa紧密关联来进行计算，能以较小的运算负荷高精度地计算节流上游压力P2。

接着，说明对如下情况下的区域b的空气质量进行计算的方法：即、发动机1处于空转或油门关闭减速等吸入空气量较低的情况。

如上所述，涡轮32利用废气进行旋转，由于与涡轮32联动的压缩机31进行旋转，从而对节流上游的压力进行增压。因此，废气量、即节流通过空气量较少的区域中，涡轮的转速较低，因此不会由压缩机31进行增压，压缩机31的下游(节流上游)的压力与区域a大致成为相同状态，若处于该状态，则能考虑到区域b的温度、大气密度等状态与压缩机31的上游大致处于相同状态，因此区域b的空气质量能基于下述的式(8)来计算得到。

[数学式8]

G₂＝ρ_a×V₂ (8)式

即使是利用所述Gcmp和Gth的进出运算的式(1)的运算方法，也能计算出低负荷区域中的区域b的空气质量G2，但在吸入空气量较少的区域中，通常可确认到气流传感器12的吸入空气量的检测值的误差易于增大。因此，在低负荷区域的运行过程中，若利用使用所述Gcmp和Gth的进出运算的方法计算区域b的空气质量G2，则认为容易产生误差。

因此，根据吸入到发动机1的吸入空气量Gth，来将区域b的空气质量G2的计算方法在上述式(1)的使用Gcmp和Gth的进出运算的方法与上述式(8)的使用大气密度的方法之间进行切换，从而即使在气流传感器12的吸入空气量检测误差较大的低负荷运行区域，也能在不受到该误差影响的情况下计算节流上游压力P2。

然而，认为在因发动机的运行状态(Gth)从高负荷区域转移到低负荷区域而进行空气质量G2的计算方法的切换时，节流上游压力P2计算中所使用的空气质量G2的值会产生阶差。在产生阶差的情况下，考虑会对发动机运行性能、运行感受产生影响。因此，优选通过对节流上游压力P2进行由初级滤波器等进行的滤波处理，从而避免产生该阶差。

作为滤波处理的方法，具有移动平均、初级滤波等多种，但已知发动机的进气系统是一次滞后因素，因此通过进行对运算处理的负担也较小的、一般的过滤处理即初级滤波处理，能使该阶差成为与实际的压力变动相近的状态(平滑化)。对于滤波器增益(Filter Gain)，认为与相对于空气质量G2和流入空气质量Gcmp的流出空气质量Gth的比例相关。其关系在下述式(9)中示出。能通过利用式(9)的关系来设定滤波器增益，来进行与发动机的运行状态相适应的滤波器增益FG的设定。

[数学式9]

(9)式

接着，说明对如下情况下的区域b的空气质量进行计算的方法：发动机处于节流全开等吸入空气量较高的情况。节流吸入空气量Qthv基于节流阀的有效开口面积CAt并利用式(3)来计算得到，但最大吸入空气量受到发动机转速Ne、进气歧管压力Pb、及排气量的限制，因此特别在较低的发动机转速下的节流高开度区域，实际流入的吸入空气量成为比由式(3)计算出的吸入空气量Qthv要少的值。

在上述运行状态下，流出空气质量Gth成为比实际值要大的值，因此根据式(1)，节流上游的空气质量G2发生减少，计算出比实际要低的节流上游压力P2的值。若考虑空气的流动，则节流上游压力P2与进气歧管压力Pb之间的关系物理上成立P2≥Pb，因此能认为区域b的压力P2在Pb以上。因此，区域b的空气质量G2的下限值(限幅(clip)值)G2lim能基于下述的式(10)来计算得到。

[数学式10]

$G_{2\lim }=\frac{P_b+X}{T_2\×R}\×V_2$ (10)式

此处，X是假设即使节流全开时也产生的节流上游压力P2与进气歧管压力Pb的差压而得到的偏移值。利用该下限限幅值G2lim对区域b的空气质量进行下限限幅，从而即使在节流高开度区域也能高精度地计算节流上游压力。

这里，对不测量节流上游温度T2而计算推定值的方法进行说明。

区域b中的中间冷却器下游部由于通过中间冷却器30，因此温度降低，但该温度降低量受到中间冷却器的冷却能力、用于冷却的外部气体的影响较大，因此难以简单地进行预测。因此，着眼于节流阀4的前后为等温变化但仅伴随微小的温度变化的情况，能基于传感器测量值即进气歧管温度Tb，并基于例如下述式(11)来进行近似。

[数学式11]

T₂＝K_a×T_b+K_b (11)式

另外，可以暂定为Ka＝1.0、Kb＝0.0，但也能通过利用测量结果来求得近似系数，从而提高精度。

然而，在上述发动机运行状态的区域b的空气质量G2的计算过程中进行切换(图6的B605)时，配合该切换，在低负荷运行时将节流上游温度T2的推定值切换为进气温度Ta。通过该切换能计算出与运行状态相适应的节流上游温度T2。对于该节流上游温度T2，也考虑到因切换而产生阶差，因此可以进行滤波处理。

接着，参照图4～图9对ECU100内基于该进气系统的物理模型实际所执行的运算过程进行具体说明。以下说明中，以节流上游压力的推定值P2为一个冲程前计算出的推定值为前提。首次进行该运算时，设定节流上游压力P2的初始值。

图4～图8所示的运算过程在每个发动机1的旋转和同步后的曲柄轴的规定曲柄角(例如、BTDC5degCa)所执行的中断处理(以下为B05中断处理)内进行处理。以下的运算中使用由传感器检测出的值的一个冲程间的平均值，但若在每个预先决定的间隔(例如1ms或10degCA)检测出传感器输出值，并计算从前一次B05中断处理开始时到这一次B05中断处理开始之间的所有传感器检测值的平均值，则能够获得一个冲程间的平均值。

首先，说明对图4所示的节流吸入空气质量Gth、即从区域b流出的流出空气质量Gth进行计算的过程。

框B401中，基于式(4)，根据大气压Pa(n)和进气温度Ta(n)来计算大气密度ρa(n)。框B402中，基于式(3)，根据一个冲程前的(或初始值的)节流上游压力P2、进气歧管压力Pb、节流有效开口面积CAt、及节流上游温度T2(如后所述，利用框B801～B803来求得)计算节流吸入空气量(体积流量)Qthv。

接着，在框B403中，基于式(5)，根据节流吸入空气量(体积流量)Qthv、一个冲程前的节流上游压力P2、节流上游温度T2、及大气密度ρa计算节流吸入空气量(质量流量)Qth。接着在框B404中，基于式(6)，根据节流吸入空气量(质量流量)Qth及一个冲程间的时间ΔT计算节流吸入空气质量、即从区域b流出的流出空气质量Gth。

接着，说明对图5所示的压缩机吸入空气质量Gcmp、即流入到区域b的流入空气质量Gcmp进行计算的过程。

框B501中，基于式(2)，根据压缩机吸入空气量Qcmp及一个冲程间的时间ΔT计算压缩机吸入空气质量、即流入区域b的流入空气质量Gcmp。此处，认为压缩机吸入空气量Qcmp与气流传感器12所测量的气流传感器吸入空气量Qa相等。

接着，对图6所示的计算节流上游空气质量G2的过程进行说明。

框B601中，基于式(1)，根据一个冲程前的节流上游空气质量G2(n-1)及当前冲程的流入空气质量Gcmp(n)和流出空气质量Gth(n)，计算节流上游空气质量G2a。框B602中，基于式(10)，根据进气歧管压力Pb及节流上游温度T2计算节流上游空气质量下限值G2lim。该计算所使用的值X是预先设定的值，设定为与节流全开时的节流上游压力与进气歧管压力Pb之间的差压相当的值，可以通过单一的参数进行设定，也可以通过利用发动机转速的表格来进行设定等。

框B603中，将来自框B601的G2a与来自框B602的G2lim进行比较，将值较大的一方作为G2b进行输出。框B604中，基于式(8)，根据大气密度ρa和增压路径容积V2计算低负荷时的节流上游空气质量G2atm。

框B605中，进行基于发动机的运行负荷状态的输出切换，例如利用节流吸入空气量Qth进行切换判定，若节流吸入空气量Qth在预先决定的阈值以下，则低负荷区域判定成立，作为节流上游空气质量G2输出作为低负荷侧的G2atm，在低负荷区域判定不成立的情况下，选择G2b作为节流上游空气质量G2来进行输出。低负荷区域判定所使用的阈值设定为如下值：即、能判定压缩机31的下游侧即节流上游压力大致处于大气压状态的值，可以是基于单一的参数的设定值，也可以是基于利用发动机转速的表格的设定值等。

接着，对图7所示的计算节流上游压力P2的过程进行说明。

框B701中，基于式(7)，根据节流上游空气质量G2计算P2a。框B702中，根据节流上游空气质量G2、流入空气质量Gcmp、及流出空气质量Gth计算滤波器增益FG。该滤波器增益FG例如具有与式(9)所示的流出空气质量Gth与节流上游空气质量G2+流入空气质量Gcmp之间的相关性，因此可以根据使用Gth/(G2+Gcmp)的计算结果的值并利用计算式来计算，也可以利用由Gth/(G2+Gcmp)的计算结果分配的表格来设定。

在利用计算式进行计算的情况下，例如是进行使用下述式(12)的初级滤波的情况下，只要对(1-Gth/(G2+Gcmp))的计算结果使用滤波器增益FG，就能与发动机运行负荷状态相联动地调整滤波器增益FG。

[式12]

P2(n)＝P2(n-1)×FG+P2a×(1-FG) (12)式

框B703中，根据P2a及滤波器增益FG进行滤波处理，并计算节流上游压力P2。作为滤波处理，可以使用低通滤波处理、对过去数冲程间的值计算单纯的移动平均值的处理、计算加权移动平均值(对过去数冲程间的各个数据附加不同的权重而得到的平均值)的处理。需要根据滤波处理方法将由框B702所设定的滤波器增益FG的设定值匹配成与滤波处理方法相适应的值。

接着，对图8所示的推定节流上游温度T2的运算过程进行说明。

框B801中，基于式(11)，根据进气歧管温度Tb计算T2a。框B802与所述框B605相同，在基于Gth的时刻进行切换选择，在低负荷区域判定成立时作为T2b选择输出作为低负荷侧的进气温度Ta，在低负荷区域判定不成立的情况下作为T2b选择输出T2a。框B803中实施滤波处理，从T2b计算出节流上游温度T2。

作为滤波处理，可以使用低通滤波处理、对过去数冲程间的值计算单纯的移动平均值的处理、计算加权移动平均值(对过去数冲程间的各个数据附加不同的权重而得到的平均值)的处理。预先设定滤波处理所使用的滤波器增益，可以通过单一的参数进行设定，也可以通过使用其他信息的表格进行设定等。

图9示出了ECU100中图4～图8所说明的各框的联系。另外，图4～图8未图示的框B901基于节流上游温度T2计算声速α2。声速相对于温度的关系是已知的物理现象，因此省略关系式等的详细说明。为了减少运算处理，可以利用表格来设定声速α2相对于节流上游温度T2的关系并进行计算。框B902基于节流开度TP计算节流的有效开口面积CAt。

有效开口面积CAt能基于节流阀4所具有的特性来计算，但节流阀4具有设备偏差，从而与预先设定的特性值产生差分，将进行设备偏差的学习校正后的值作为有效开口面积CAt来使用。框B903根据曲柄角传感器11的信号测量每个规定的曲柄角(例如BTDC5degCA)的周期时间。

通过进行图4～图9所示的运算来计算节流上游压力P2，但计算节流上游压力P2的上游运算中使用节流上游压力P2。此时，如上所述那样，可以使用一个冲程前的节流上游压力P2。此外，在使用一个冲程前的节流上游压力P2的情况下，框B402中计算压力比所使用的进气歧管压力Pb也需要使用一个冲程前的值。

由此，若利用图4～图8所示的运算顺序来进行计算，则可在安装于ECU100内的发动机控制系统内使用进气系统的物理模型，由此通过使用计算得到的节流上游压力P2，在带涡轮增压器的发动机控制系统中，能高精度地控制节流开度、节流吸入空气量、输出转矩等。

如上所述，说明了如下情况：本实施方式的带涡轮增压器的发动机控制系统中，通过应用本发明的进气系统的物理模型，能推定节流上游压力P2。通过使用该推定P2，即使在没有节流上游压力传感器的系统中，也能高精度地计算节流吸入空气量等。此外，在具有节流上游压力传感器的系统中，也能使用推定P2应用于节流上游压力传感器的故障诊断等。

标号说明

1：发动机、2：进气管、3：空气净化器、4：节流阀(THV)、5：进气歧管、7：排气管、8：气缸、11：曲柄角传感器、12：气流传感器(AFS)、13：进气温度传感器、14：节流开度传感器、15：进气歧管压力传感器、16：进气歧管温度传感器、17：喷射器、18：火花塞、19：点火线圈、20：进气阀、21：排气阀、22：废气净化催化剂、23：空燃比传感器、30：中间冷却器(I/C)、31：压缩机、32：涡轮、33：空气旁通阀(ABV)、34：废气阀、36：涡轮增压器(增压器)、100：电子控制单元(ECU)。

Claims (18)

1.一种带增压器的内燃机(1)的控制装置，其特征在于，包括：

第一温度传感器(13)和第一气压传感器(12)，该第一温度传感器(13)和第一气压传感器(12)设置于从增压器(36)的压缩机(31)到达节流阀(4)的增压路径(b)的上游；

第二温度传感器(16)和第二气压传感器(15)，该第二温度传感器(16)和第二气压传感器(15)设置于所述增压路径(b)的下游；以及

控制部(100)，该控制部(100)根据所有所述传感器(12,13,15,16)的输出计算出流入所述增压路径(b)的流入空气质量(Gcmp)和从所述增压路径(b)流出的流出空气质量(Gth)，根据两空气质量(Gcmp,Gth)计算高运行负荷时的所述节流阀(4)的上游空气质量(G2a,G2b)，并根据所述第一温度传感器(13)和第一气压传感器(12)的输出计算低运行负荷时的所述节流阀(4)的上游空气质量(G2atm)，根据内燃机(1)的运行负荷状态(Qth)选择所述节流阀(4)的上游空气质量(G2b,G2atm)，基于该选出的所述上游空气质量(G2b,G2atm,G2)及由所述第二温度传感器(16)检测出的第二温度(Tb)，计算所述节流阀(4)的上游压力(P2)，并控制各种致动器。

2.如权利要求1所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述第一温度传感器(13)是对连接到所述压缩机(31)的进气管(2)的进气温度(Ta)进行检测的进气温度传感器(13)，

所述第一气压传感器(12)包含对环境大气压(Pa)进行检测的大气压传感器(9)和对所述进气管(2)的吸入空气量(Qa)进行检测的吸入空气量传感器(12)，

所述第二温度传感器(16)是对所述节流阀下游的进气歧管部(5)的温度(Tb)进行检测的进气歧管温度传感器(16)，

所述第二气压传感器(15)是对所述进气歧管部(5)的压力(Pb)进行检测的进气歧管压力传感器(15)，

所述控制部(100)包括：

第一部(B601)，该第一部(B601)根据所述内燃机(1)的一个冲程前(n-1)所求得的第一节流上游压力(P2(n-1)))、所述进气歧管压力(Pb)、节流上游温度(T2)、所述大气压(Pa)、所述进气温度(Ta)、所述吸入空气量(Qa)、一个冲程前求得的第一节流上游空气质量(G2(n-1))计算出第二节流上游空气质量(G2a，G2b)；

第二部(B605)，该第二部(B605)根据内燃机(1)的运行负荷状态(Qth)，切换选择所述第二节流上游空气质量(G2b)和根据所述大气压(Pa)和所述进气温度(Ta)计算得到的第三节流上游空气质量(G2atm)中的任意一个，以作为第四节流上游空气质量(G2(n))；以及

第三部(B701，B703)，该第三部(B701，B703)根据所述第四节流上游空气质量(G2(n))和所述节流上游温度(T2)计算第二节流上游压力(P2a，P2(n))，

所述控制部(100)基于所述第二节流上游压力(P2(n))进行所述致动器的控制。

3.如权利要求2所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述节流上游温度(T2)是所述进气歧管温度(Tb)或与该进气歧管温度线性近似的温度(T2a)。

4.如权利要求2所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述节流上游温度(T2)是由设置于所述节流阀(4)的上游侧的传感器检测得到的温度。

5.如权利要求3所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述控制部(100)还包括第四部(B802)，该第四部(B802)与所述内燃机的运行负荷状态(Qth)同步地切换选择所述进气歧管温度(Tb)或与该进气歧管温度线性近似的温度(T2a)和所述进气温度(Ta)的任意一个，以作为所述节流上游温度(T2b，T2)。

6.如权利要求2所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述控制部(100)还包括第五部(B602，B603)，该第五部(B602，B603)根据所述进气歧管压力(Pb)和所述节流上游温度(T2)计算出所述节流上游空气质量(G2)的下限值(G2lim)，并选择该下限值(G2lim)和所述第二节流上游空气质量(G2a)中的较大的一个。

7.如权利要求2所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述第三部(B701，B703)包含对所述第二节流上游压力(P2a)实施平滑处理的初级滤波器(B703)。

8.如权利要求5所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述第四部(B802，B803)包含对进行了所述切换选择后的所述节流上游温度(T2b)实施平滑处理的滤波器(B803)。

9.如权利要求2所述的带增压器的内燃机的控制装置，其特征在于，

所述内燃机(1)的运行负荷状态(Qth)是在计算所述第二节流上游空气质量(G2a)的过程中计算出的所述节流阀(4)的吸入空气量(Qth)。

10.一种带增压器的内燃机的控制方法，所述带增压器的内燃机包括：

第一温度传感器(13)和第一气压传感器(12)，该第一温度传感器(13)和第一气压传感器(12)设置于从增压器(36)的压缩机(31)到达节流阀(4)的增压路径(b)的上游；

第二温度传感器(16)和第二气压传感器(15)，该第二温度传感器(16)和第二气压传感器(15)设置于所述增压路径(b)的下游；以及

与各传感器(12，13，15，16)相连的控制部(100)，该带增压器的内燃机的控制方法的特征在于，

根据所有所述传感器(12,13,15,16)的输出计算出流入所述增压路径(b)的流入空气质量(Gcmp)和从所述增压路径(b)流出的流出空气质量(Gth)，根据两空气质量(Gcmp,Gth)计算高运行负荷时的所述节流阀(4)的上游空气质量(G2a,G2b)，并根据所述第一温度传感器(13)及第一气压传感器(12)的输出计算低运行负荷时的所述节流阀(4)的上游空气质量(G2atm)，根据内燃机(1)的运行负荷状态(Qth)选择所述节流阀(4)的上游空气质量(G2b,G2atm)，基于该选出的所述上游空气质量(G2b,G2atm,G2)及由所述第二温度传感器(16)检测出的第二温度(Tb)，计算所述节流阀(4)的上游压力(P2)，并控制各种致动器。

11.如权利要求10所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述第一温度传感器(13)是对连接到所述压缩机(31)的进气管(2)的进气温度(Ta)进行检测的进气温度传感器(13)，

所述第一气压传感器(12)包含对环境大气压(Pa)进行检测的大气压传感器(9)和对所述进气管(2)的吸入空气量(Qa)进行检测的吸入空气量传感器(12)，

所述第二温度传感器(16)是对所述节流阀下游的进气歧管部(5)的温度(Tb)进行检测的进气歧管温度传感器(16)，

所述第二气压传感器(15)是对所述进气歧管部(5)的压力(Pb)进行检测的进气歧管压力传感器(15)，

所述控制部(100)包括：

第一步骤(B601)，该第一步骤(B601)根据所述内燃机(1)的一个冲程前(n-1)所求得的第一节流上游压力(P2(n-1)))、所述进气歧管压力(Pb)、节流上游温度(T2)、所述大气压(Pa)、所述进气温度(Ta)、所述吸入空气量(Qa)、一个冲程前求得的第一节流上游空气质量(G2(n-1))计算出第二节流上游空气质量(G2a，G2b)；

第二步骤(B605)，该第二步骤(B605)根据内燃机(1)的运行负荷状态(Qth)，切换选择所述第二节流上游空气质量(G2b)、及根据所述大气压(Pa)和所述进气温度(Ta)计算得到的第三节流上游空气质量(G2atm)中的某一个，以作为第四节流上游空气质量(G2(n))；以及

第三步骤(B701，B703)，该第三步骤(B701，B703)根据所述第四节流上游空气质量(G2(n))和所述节流上游温度(T2)计算第二节流上游压力(P2a，P2(n))，

所述控制部(100)基于所述第二节流上游压力(P2(n))进行所述致动器的控制。

12.如权利要求11所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述节流上游温度(T2)是所述进气歧管温度(Tb)或与该进气歧管温度线性近似的温度(T2a)。

13.如权利要求11所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述节流上游温度(T2)是由设置于所述节流阀(4)的上游侧的传感器检测得到的温度。

14.如权利要求12所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

还包括第四步骤(B802)，该第四步骤(B802)与所述内燃机(1)的运行负荷状态(Qth)同步地切换选择所述进气歧管温度(Tb)或与该进气歧管温度线性近似的温度(T2a)和所述进气温度中的任意一个，以作为所述节流上游温度(T2b，T2)。

15.如权利要求11所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

还包括第五步骤(B602，B603)，该第五步骤(B602，B603)根据所述进气歧管压力(Pb)和所述节流上游温度(T2)计算出所述节流上游空气质量(G2)的下限值(G2lim)，并选择该下限值(G2lim)和所述第二节流上游空气质量(G2a)中较大的一个。

16.如权利要求11所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述第三步骤(B701，B703)包含对所述第二节流上游压力(P2a)实施平滑处理的步骤(B703)。

17.如权利要求14所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述第四步骤(B802，B803)还包含对进行了所述切换选择后的所述节流上游温度(T2b)实施平滑处理的步骤(B803)。

18.如权利要求11所述的带增压器的内燃机的控制方法，其特征在于，

所述内燃机(1)的运行负荷状态(Qth)是在计算所述第二节流上游空气质量(G2a)的过程中计算出的所述节流阀(4)的吸入空气量(Qth)。