JP2014025448A - 内燃機関の吸入空気量推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物理モデルを用いた演算により吸入空気量を推定する内燃機関の吸入空気量推定装置において、物理モデルの精度を高めることにより吸入空気量の推定精度を高める。
【解決手段】少なくとも吸気管径及び吸気管長を物理パラメータとして有する吸気管モデルを用いて吸気管圧力を計算するとともに、圧力センサを用いて吸気管圧力を実測する。そして、吸気管モデルにより得られた吸気管圧力の計算値と圧力センサにより得られた吸気管圧力の実測値とを比較し、その比較結果に基づいて前記物理パラメータを同定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、物理モデルを用いた演算により筒内への吸入空気量を推定する内燃機関の吸入空気量推定装置に関する。

例えば特許文献１に開示されているように、筒内への吸入空気量を吸気通路内の空気の挙動を表す物理モデルを用いた演算によって推定する手法が知られている。特許文献１に開示された吸入空気量の推定装置（以下、従来装置）では、吸気管モデル、シリンダモデル、吸気弁モデル、及び排気弁モデルを含む複数のモデルが用いられている。従来装置によるシリンダモデルを用いた演算では、吸気弁モデルにより算出される吸気弁通過ガス流量と排気弁モデルにより算出される排気弁通過ガス流量とから筒内ガス圧力が算出される。排気弁モデルを用いた演算では、筒内ガス圧力と排気ガス圧力から排気弁通過ガス流量が算出される。吸気弁モデルを用いた演算では、筒内ガス圧力と吸気管モデルにより算出される吸気管内空気圧力から吸気弁通過ガス流量が算出される。そして、吸気弁通過ガス流量の積算によって筒内吸入空気量が推定される。

特開２００７−０７７９７０号公報 特開２００４−２６３５７１号公報 特開２００７−２３９４８４号公報

従来装置によって推定される吸入空気量は、各モデルにより算出される各部の状態量に依存する。そして、各モデルにより算出される各部の状態量は、各モデルを特徴付ける物理パラメータや境界条件に依存する。このため、吸入空気量を精度良く推定するためには、各モデルの物理パラメータや境界条件の適切な設定が重要である。

ところが、従来装置では、各モデルにおける代表的な物理パラメータや境界条件には予め設定された設定値が用いられる。勿論、それらの設定値は実機を用いた適合によって決定されている場合もあるが、全ての物理パラメータや境界条件が必ずしも最適に設定されているとは限らない。

この場合、全てのモデルにおいて物理パラメータや境界条件を最適に設定することができるならば、吸入空気量の推定精度は非常に高いものになる。しかし、全てのモデルではなくとも、少なくとも一部のモデルにおいて物理パラメータと境界条件の何れかを最適にすることができるならば、従来装置に比較して吸入空気量の推定精度を高めることができる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、物理モデルを用いた演算により吸入空気量を推定する内燃機関の吸入空気量推定装置において、吸気管モデル或いは排気管モデルの物理パラメータの精度を高めることによって吸入空気量の推定精度を高めることを目的とする。

本発明に係る吸入空気量推定装置は、物理モデルを用いた演算により筒内への吸入空気量を推定する装置として構成される。そして、物理モデルを用いて内燃機関の吸気に関係する特定状態量を計算するとともに、センサを用いて特定状態量を実測し、特定状態量の計算値と実測値との比較結果に基づいて物理モデルの物理パラメータを同定するように構成される。

本発明に係る吸入空気量推定装置の第１の形態においては、物理モデルは吸気管モデルを含み、特定状態量は吸気管モデルを用いて計算され、特定状態量の計算値と実測値との比較結果に基づいて吸気管モデルの物理パラメータが同定される。

第１の形態における特定状態量としては吸気管圧力を用いることができる。吸気管圧力の計算値と実測値との比較結果に基づいて同定される物理パラメータの一例は、吸気管径及び吸気管長である。吸気管圧力の振幅の計算値と実測値との比較結果に基づいて吸気管径を同定し、吸気管圧力の位相の計算値と実測値との比較結果に基づいて吸気管長を同定することができる。好ましくは、吸気バルブの開弁直後の吸気管圧力波のピークの値が計算値と実測値とで一致するように吸気管径を同定し、吸気バルブの閉弁直前の吸気管圧力波のピークの位相が計算値と実測値とで一致するように吸気管長を同定する。

第１の形態における特定状態量としては吸入空気量を用いることもできる。この場合、同定の対象となる吸気管モデルの物理パラメータが吸気管径又は吸気管長であれば、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいて吸気管径又は吸気管長を同定することができる。また、同定の対象となる吸気管モデルの物理パラメータがサージタンク温度であれば、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいてサージタンク温度を同定することができる。さらに、同定の対象となる吸気管モデルの物理パラメータが吸気ポート熱伝達率であれば、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいて吸気ポート熱伝達率を同定することができる。

本発明に係る吸入空気量推定装置の第２の形態においては、物理モデルは排気管モデルを含み、特定状態量は排気管モデルを用いて計算され、特定状態量の計算値と実測値との比較結果に基づいて排気管モデルの物理パラメータが同定される。

第２の形態における特定状態量としては排気管圧力を用いることができる。排気管圧力の計算値と実測値との比較結果に基づいて同定される物理パラメータの一例は、排気管径及び排気管長である。排気管圧力の振幅の計算値と実測値との比較結果に基づいて排気管径を同定し、排気管圧力の位相の計算値と実測値との比較結果に基づいて排気管長を同定することができる。好ましくは、排気バルブの開弁直後の排気管圧力波のピークの値が計算値と実測値とで一致するように排気管径を同定し、排気バルブの閉弁直前の排気管圧力波のピークの位相が計算値と実測値とで一致するように排気管長を同定する。

第２の形態における特定状態量としては吸入空気量を用いることもできる。この場合、同定の対象となる吸気管モデルの物理パラメータが排気管径又は排気管長であれば、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいて排気管径又は排気管長を同定することができる。

本発明によれば、吸気に関係する特定状態量の計算値と実測値との比較結果に基づいた同定により物理パラメータの精度を高めることができるので、物理モデルを用いた演算による吸入空気量の推定精度を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係る吸入空気量推定装置を内燃機関に適用したシステムの概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る吸入空気量推定装置が用いる各モデル間の接続関係を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る吸入空気量推定装置が用いる吸気管モデルの内容を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１に係る吸入空気量推定装置が実行する吸気管モデル及び排気管モデルの物理パラメータの同定のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る吸入空気量推定装置による排気管モデルの物理パラメータの同定の方法を説明するためのグラフである。 本発明の実施の形態１に係る吸入空気量推定装置による排気管モデルの物理パラメータの同定の効果を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る吸入空気量推定装置が過渡時の空燃比の挙動に及ぼす効果を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る吸入空気量推定装置を内燃機関に適用したシステムの概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係る吸入空気量推定装置が用いる各モデル間の接続関係を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る吸入空気量推定装置が実行する吸気管モデル及び排気管モデルの物理パラメータの同定のためのルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る吸入空気量推定装置が実行する吸気管モデルの物理パラメータの同定のためのルーチンを示すフローチャートである。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

図１は本実施の形態に係る吸入空気量推定装置を内燃機関に適用したシステムの概略構成図である。本実施の形態に係る内燃機関は火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。また、図１では１つの気筒のみ描かれているが、本実施の形態に係る内燃機関は複数の気筒を有する多気筒内燃機関である。本実施の形態に係る内燃機関の各燃焼室４には吸気管１と排気管７とが接続されている。燃焼室４と吸気管１との連通は吸気弁５によって制御され、燃焼室４と排気管７との連通は排気弁６によって制御されている。吸気管１には、吸気管圧力を実測するための圧力センサ３と、吸気管温度を実測するための温度センサ２とが取り付けられている。排気管７には、排気管圧力を実測するための圧力センサ８が取り付けられている。これらのセンサ２，３，８の出力値はＥＣＵ９が備えるメモリ１０に記憶される。

本実施の形態に係る吸入空気量推定装置はＥＣＵ９の機能の一部として実現される。ＥＣＵ９による筒内への吸入空気量の推定には、プログラムされている吸入空気量推定モデルが用いられる。吸入空気量推定モデルは、エンジンにおける空気の挙動を物理的にモデル化したものであって、その概要は図２の機能ブロック図によって表される。

図２に示すように、本実施の形態に係る吸入空気量推定モデルは、複数の要素モデル、すなわち、吸気管モデルＭ１、吸気弁モデルＭ２、シリンダモデルＭ３、排気弁モデルＭ４及び排気管モデルＭ５から構成されている。また、吸入空気量推定モデルには、一部の要素モデルで算出されるパラメータの値を記憶するためのメモリＭ６が組み合わされている。以下、吸入空気量推定モデルに含まれる各要素モデルの概要について説明する。

吸気管モデルＭ１は、吸気管圧力Ｐｍと吸気管温度Ｔｍとを算出するための物理モデルであり、少なくとも吸気管長及び吸気管径を物理パラメータとして有している。吸気管モデルＭ１の内容は図３を用いて説明することができる。図３に示すように、吸気管モデルＭ１では、吸気管１が離散化長さｄｘの複数のセルに分割されている（図３ではｉ＋１個のセルに分割されている）。離散化長さｄｘ及びセル数は、吸気管モデルＭ１において物理パラメータとして設定されている吸気管長に応じて決定される。後述のように吸気管モデルＭ１の吸気管長は可変であり、例えば吸気管長が長くされた場合には離散化長さｄｘが長くされるか或いはセル数が増やされる。

吸気管モデルＭ１では、次の式（１）に示す一次元オイラー方程式によってセル毎に密度・流速・エネルギが計算される。これにより、吸気管１内の吸気の脈動を再現することができる。なお、式（１）におけるＱとＥは、それぞれ式（２）と式（３）によって表される。

式（１）におけるδｘは離散化長さｄｘに対応していることから、吸気管モデルＭ１における吸気管長を変化させればＱの時間変化量は変化する。つまり、吸気管長の変化に応じて密度、流速、エネルギの各計算値の時間変化量に変化が生じる。密度、流速、エネルギの各時間変化量は、吸気管モデルＭ１により算出される吸気管圧力Ｐｍの圧力波の位相を決定する。よって、吸気管モデルＭ１においては、物理パラメータである吸気管長を変化させることで、吸気管圧力Ｐｍの圧力波の位相を任意に調整することができる。

また、式（３）における断面積ｓは吸気管モデルＭ１における吸気管径から算出される。このため、吸気管モデルＭ１の吸気管径を変化させれば単位面積当たりの質量流量の計算値に変化が生じる。単位面積当たりの質量流量は、吸気管モデルＭ１により算出される吸気管圧力Ｐｍの圧力波の最大振幅を決定する。よって、吸気管モデルＭ１においては、物理パラメータである吸気管径を変化させることで、吸気管圧力Ｐｍの圧力波の最大振幅を任意に調整することができる。

吸気弁モデルＭ２は、吸気弁流量（吸気弁５を通過して燃焼室４内に流入する空気の流量）ｍｉを算出するための物理モデルである。吸気弁モデルＭ２によれば、後述するシリンダモデルＭ３により算出される筒内ガス圧力Ｐｃ及び筒内ガス温度Ｔｃと、吸気管モデルＭ１により算出される吸気管圧力Ｐｍ及び吸気管温度Ｔｍとに基づいて吸気弁流量ｍｉが算出される。なお、吸気弁モデルＭ２に用いることができる数式の例については公知であり、また、それ自体は本発明における特徴点ではないことから、吸気弁モデルＭ２のための具体的な数式については記載を省略する。

シリンダモデルＭ３は、筒内ガス圧力Ｐｃと筒内ガス温度Ｔｃとを算出するための物理モデルである。シリンダモデルＭ３によれば、吸気弁モデルＭ２により算出される吸気弁流量ｍｉと、後述する排気弁モデルＭ４により算出される排気弁流量（排気弁６を通過して燃焼室４内から流出する空気の流量）ｍｅとに基づいて筒内ガス圧力Ｐｃ及び筒内ガス温度Ｔｃが算出される。なお、シリンダモデルＭ３に用いることができる数式の例については公知であり、また、それ自体は本発明における特徴点ではないことから、シリンダモデルＭ３のための具体的な数式については記載を省略する。

排気弁モデルＭ４は、排気弁流量ｍｅを算出するための物理モデルである。排気弁モデルＭ４によれば、シリンダモデルＭ３により算出される筒内ガス圧力Ｐｃ及び筒内ガス温度Ｔｃと、後述する排気管モデルＭ５により算出される排気管圧力Ｐｅ及び排気管温度Ｔｅとに基づいて排気弁流量 ｍｅが算出される。なお、排気弁モデルＭ４に用いることができる数式の例については公知であり、また、それ自体は本発明における特徴点ではないことから、排気弁モデルＭ４のための具体的な数式については記載を省略する。

排気管モデルＭ５は、排気管圧力Ｐｅと吸気管温度Ｔｅとを算出するための物理モデルであり、排気管長及び排気管径を物理パラメータとして有している。排気管モデルＭ５の内容は吸気管モデルＭ１の内容に類似している。すなわち、排気管モデルＭ５では、排気管７が離散化長さの複数のセルに分割され、式（１）〜式（３）で表される一次元オイラー方程式によってセル毎に密度・流速・エネルギが計算されている。排気管モデルＭ５によれば、排気管７内の排気の脈動を再現することができる。吸気管モデルＭ１の場合と同じく、排気管モデルＭ５においては、物理パラメータである排気管長を変化させることで排気管圧力Ｐｅの圧力波の位相を任意に調整することができる。また、物理パラメータである排気管径を変化させることで排気管圧力Ｐｅの圧力波の最大振幅を任意に調整することができる。

本実施の形態に係る吸入空気量推定装置は、上記の各要素モデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５による演算を所定の演算周期で行い、吸気弁モデルＭ２により算出される吸気弁流量ｍｉの積算によって筒内吸入空気量を推定する。

本実施の形態に係る吸入空気量推定装置では、筒内吸入空気量の推定精度は上記の各要素モデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５のモデル精度に依存する。このうち、吸気管モデルＭ１に関しては、吸気管１内の吸気の脈動をいかに厳密に再現できるかによってそのモデル精度の良否が決まる。同様に、排気管モデルＭ５に関しては、排気管７内の排気の脈動をいかに厳密に再現できるかによってそのモデル精度の良否が決まる。ところが、本実施の形態のような多気筒内燃機関の場合、その吸排気の脈動を物理モデルによって厳密に再現することは難しい。より具体的には、吸気管モデルＭ１と排気管モデルＭ５では、物理パラメータである管長及び管径の設定によって圧力波の振幅と位相が決まる。しかし、それらが実際の脈動における振幅及び位相と一致するように管長及び管径を予め設定することは難しい。

このため、本実施の形態に係る吸入空気量推定装置は、予め設定された管長及び管径をそのまま用い続けるのではなく、内燃機関の運転時に圧力センサ３，８によって実測される吸気管圧力及び排気管圧力を用いて各モデルＭ１，Ｍ５の管長及び管径を同定する。より詳しくは、本実施の形態に係る吸入空気量推定装置は、吸気管モデルＭ１により得られた吸気管圧力の計算値と圧力センサ３により得られた吸気管圧力の実測値とを比較し、その比較結果に基づいて吸気管モデルＭ１の吸気管長及び吸気管径を同定する。また、排気管モデルＭ５により得られた排気管圧力の計算値と圧力センサ８により得られた排気管圧力の実測値とを比較し、その比較結果に基づいて排気管モデルＭ５の排気管長及び排気管径を同定する。以下、各モデルＭ１，Ｍ５の管長及び管径の同定の方法について図を用いて説明する。

図４は本実施の形態に係る吸入空気量推定装置により実行されるルーチンを示すフローチャートである。このルーチンを実行することによって、本実施の形態に係る吸入空気推定装置は各モデルＭ１，Ｍ５の管長及び管径を同定する。ただし、図４のフローチャートは吸気管モデルＭ１と排気管モデルＭ５の両方における管長及び管径の同定が１つのルーチンで同時に行われるかのように書かれているが、これは説明の便宜上そのように書かれているにすぎない。実際には、吸気管モデルＭ１の吸気管長及び吸気管径の同定と、排気管モデルＭ５の排気管長及び排気管径の同定とはそれぞれ別のルーチンで行われる。以下の説明では、図４に示すルーチンによって吸気管モデルＭ１の吸気管長及び吸気管径の同定が行われるものとする。

図４に示すルーチンによれば、ステップＳ１０１において、上述の吸入空気量推定モデルを用いた演算によって各要素モデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５におけるクランク角ごとの状態量Ｐｍ，Ｔｍ，Ｐｃ，Ｔｃ，Ｐｅ，Ｔｅ，ｍｉ，ｍｅが算出される。次のステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で算出された状態量のうち吸気管モデルＭ１で算出された吸気管圧力Ｐｍ（以下、吸気管圧力の計算値）がメモリＭ６に格納される。

また、ステップＳ１０１及びＳ１０３と並行して、ステップＳ１０２及びＳ１０４が実行される。ステップＳ１０２においては、圧力センサ３によってクランク角ごとの実際の吸気管圧力が実測される。次のステップＳ１０４では、ステップＳ１０２で実測された吸気管圧力（以下、吸気管圧力の実測値）がメモリ１０に格納される。

ステップＳ１０３及びＳ１０４に続いてステップＳ１０５が実行される。ステップＳ１０５では、吸気弁５の開弁後の一定期間において得られた吸気管圧力の計算値がメモリＭ６から読み出されるとともに、同期間において得られた吸気管圧力の実測値がメモリ１０から読み出される。そして、同期間における吸気管圧力の計算値と実測値のそれぞれについて圧力波のピークが特定される。特定される圧力波のピークは吸気弁５の開弁直後のピークと吸気弁５の閉弁直前のピークである。特定されたピークはステップＳ１０６及びＳ１０８において比較され、その比較結果に基づいて吸気管モデルＭ１の吸気管長及び吸気管径が同定される。

ステップＳ１０６では、吸気管圧力の実測値のピークに対して計算値のピークの位相がずれているかどうか判定される。本ステップで比較の対象となるピークは吸気弁５の閉弁直前のピークである。吸気管圧力の実測値と計算値との位相のずれは、反射波による位相への影響が大きい吸気弁５の閉弁直前のピークにおいて顕著になるからである。吸気管圧力の実測値のピークと計算値のピークとの間に位相のずれがある場合、具体的には、位相差が閾値以上の場合、ステップＳ１０７の処理が行われる。

ステップＳ１０７では、吸気管圧力の実測値と計算値との間の位相のずれを減少させる方向に吸気管モデルＭ１の吸気管長が変化させられる。詳しくは、吸気管圧力の実測値に対して計算値の位相が進角している場合には、吸気管長は現在値よりも所定値だけ長くされる。逆に吸気管圧力の実測値に対して計算値の位相が遅角している場合には、吸気管長は現在値よりも所定値だけ短くされる。ステップＳ１０７の後、本ルーチンの工程は再び最初に戻り、ステップＳ１０６の判定結果が否定になるまでステップＳ１０１乃至Ｓ１０７が繰り返し実行される。

ステップＳ１０６の判定結果は、吸気管圧力の実測値と計算値との間の位相のずれが解消された場合に否定になる。その場合はステップＳ１０８に進み、吸気管圧力の実測値のピーク値に対して計算値のピーク値、すなわち振幅がずれているかどうか判定される。本ステップで比較の対象となるピークは吸気弁５の開弁直後のピークである。吸気管圧力の実測値と計算値との振幅のずれは、振幅への影響が大きい吸気弁５の開弁直後のピークにおいて顕著になるからである。吸気管圧力の実測値と計算値との間に振幅のずれがある場合、具体的には、振幅の差が閾値以上の場合、ステップＳ１０９の処理が行われる。

ステップＳ１０９では、吸気管圧力の実測値と計算値との間の振幅のずれを減少させる方向に吸気管モデルＭ１の吸気管径が変化させられる。詳しくは、吸気管圧力の実測値に対して計算値の振幅が大きい場合には、吸気管径は現在値よりも所定値だけ大きくされる。逆に吸気管圧力の実測値に対して計算値の振幅が小さい場合には、吸気管径は現在値よりも所定値だけ小さくされる。ステップＳ１０９の後、本ルーチンの工程は再び最初に戻り、ステップＳ１０８の判定結果が否定になるまでステップＳ１０１乃至Ｓ１０６、ステップＳ１０８及びＳ１０９が繰り返し実行される。

ステップＳ１０８の判定結果は、吸気管圧力の実測値と計算値との間の振幅のずれが解消された場合に否定になる。その場合、吸気管モデルＭ１の吸気管長及び吸気管径の同定は完了し、本ルーチンの工程は全て終了する。本ルーチンによる方法によって吸気管モデルＭ１の吸気管長及び吸気管径が同定されることにより、吸気管モデルＭ１による吸気管１内の圧力波の再現性が向上する。

排気管モデルＭ５についても、上述のルーチンによる方法と同様の方法によって排気管長及び排気管径の同定が行われる。図５のグラフ上には、排気弁６の開弁期間において排気管モデルＭ５で算出された排気管圧力Ｐｅ（以下、排気管圧力の計算値）と、圧力センサ８によって実測された排気管圧力（以下、排気管圧力の実測値）とが併せて示されている。このグラフにおいて、番号“１”を付している圧力波のピークは排気弁６の開弁直後の圧力波のピークであり、番号“２”を付している圧力波のピークは排気弁６の閉弁直前の圧力波のピークである。

図５のグラフに示す例では、排気弁６の閉弁直前の圧力波のピークの位相が実測値と計測値とで一致していないことから、その位相のずれを減少させる方向に排気管モデルＭ５の排気管長が変化させられる。具体的には、このグラフに示す例のように排気管圧力の実測値に対して計算値の位相が進角している場合には、排気管長はその位相の進角分に応じた量だけ長くされる。

また、図５のグラフに示す例では、排気弁６の開弁直後の圧力波のピーク値、すなわち、振幅が実測値と計測値とで一致していないことから、その振幅のずれを減少させる方向に排気管モデルＭ５の排気管径が変化させられる。具体的には、このグラフに示す例のように排気管圧力の実測値に対して計算値の振幅が大きい場合には、排気管径はその振幅の過剰分に応じた量だけ大きくされる。

図６のグラフ上には、図５のグラフ上に示すものと同じ排気管圧力の計算値と実測値の各波形に加えて、排気管長及び排気管径の同定後に算出された排気管圧力の計算値の波形が併せて示されている。このグラフからわかるように、上述の方法で排気管モデルＭ５の排気管長及び排気管径の同定が行われることにより、排気管モデルＭ５による排気管７内の圧力波の再現性が向上する。

以上述べたように、本実施の形態に係る吸入空気量推定装置によれば、吸気管モデルＭ１による吸気管１内の圧力波の再現性と排気管モデルＭ５による排気管７内の圧力波の再現性とがともに向上することから、従来装置に比べて筒内への吸入空気量の推定精度が向上する。そして、吸入空気量の推定値は空燃比制御において燃料噴射量の計算に用いられていることから、吸入空気量の推定精度が向上すれば空燃比制御による目標空燃比の実現性も向上する。よって、例えば、図７に示すようにＶＶＴが進角側或いは遅角側に作動する過渡運転時においては、本実施の形態に係る吸入空気量推定装置（本装置）によれば、従来装置に比較して空燃比の目標空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）に対する乖離が抑えられる。つまり、本実施の形態に係る吸入空気量推定装置によれば、空燃比の過渡応答性を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

図８は本実施の形態に係る吸入空気量推定装置を内燃機関に適用したシステムの概略構成図である。図８では、図１に示す実施の形態１に係るシステムと同じ構成或いは機能を有する要素には同じ符号を付している。本実施の形態に係るシステムの実施の形態１に係るシステムに対する相違点は、吸入空気量を実測するための流量センサ１１が吸気管１に取り付けられたことである。流量センサ１１の出力値は他のセンサ２，３，８の出力値とともにＥＣＵ９が備えるメモリ１０に記憶され、吸入空気量の実測値の計算に用いられる。なお、吸入空気量は筒内に吸入される１サイクルあたりの空気量と定義される。

本実施の形態に係る吸入空気量推定装置はＥＣＵ９の機能の一部として実現される。ＥＣＵ９による筒内への吸入空気量の推定には、プログラムされている吸入空気量推定モデルが用いられる。吸入空気量推定モデルは、エンジンにおける空気の挙動を物理的にモデル化したものであって、その概要は図９の機能ブロック図によって表される。図９では、図２に示す実施の形態１に係る吸入空気量推定モデルと同じ機能を有する要素には同じ符号を付している。本実施の形態に係る吸入空気量推定モデルの実施の形態１に係る吸入空気量推定モデルに対する相違点は、吸入空気量計算モデルＭ７が備えられたことである。吸入空気量計算モデルＭ７は、吸気弁モデルＭ２で算出された吸気弁流量ｍｉを用いて、或いは、排気弁モデルＭ４で算出された吸気弁流量ｍｅを用いて１サイクルあたりの吸入空気量Ｇａを算出する。

図１０は本実施の形態に係る吸入空気量推定装置による実行されるルーチンを示すフローチャートである。このルーチンを実行することによって、本実施の形態に係る吸入空気推定装置は各モデルＭ１，Ｍ５の管長又は管径を同定する。ただし、図１０のフローチャートは吸気管モデルＭ１と排気管モデルＭ５の両方における管長の同定と、それら両方における管径の同定とが１つのルーチンで同時に行われるかのように書かれているが、これは説明の便宜上そのように書かれているにすぎない。実際には、吸気管モデルＭ１に対する同定と排気管モデルＭ５に対する同定とはそれぞれ別のルーチンで行われる。さらに、各モデルＭ１，Ｍ５における吸気管長の同定と吸気管径の同定とは何れか一方のみが択一的に行われる。以下の説明では、図１０に示すルーチンによって吸気管モデルＭ１の吸気管長の同定が行われるものとする。

図１０に示すルーチンによれば、ステップＳ２０１において、上述の吸入空気量推定モデルを用いた演算によって各要素モデルＭ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，Ｍ５におけるクランク角ごとの状態量Ｐｍ，Ｔｍ，Ｐｃ，Ｔｃ，Ｐｅ，Ｔｅ，ｍｉ，ｍｅが算出される。次のステップＳ２０３では、ステップＳ２０１で算出された状態量のうち吸気弁モデルＭ２で算出された吸気弁流量ｍｉから１サイクルあたりの吸入空気量Ｇａが算出される。そして、次のステップＳ２０５では、ステップＳ２０３で算出された吸入空気量（以下、吸入空気量の計算値）がメモリＭ６に格納される。

また、ステップＳ２０１，Ｓ２０３及びＳ２０５と並行して、ステップＳ２０２及びＳ２０４が実行される。ステップＳ２０２においては、流量センサ１１によって１サイクルあたりの吸入空気量が実測される。次のステップＳ２０４では、ステップＳ２０２で実測された吸入空気量（以下、吸入空気量の実測値）がメモリ１０に格納される。

ステップＳ２０５及びＳ２０４に続いてステップＳ２０６が実行される。ステップＳ２０６では、吸入空気量推定モデルを用いて算出された１サイクルあたりの吸入空気量の計算値がメモリＭ６から読み出されるとともに、同サイクルにおける吸入空気量の実測値がメモリ１０から読み出される。そして、吸入空気量の計算値と実測値とが比較され、その比較結果に基づいて吸気管モデルＭ１の吸気管長及び吸気管径が同定される。

ステップＳ２０７では、吸入空気量の実測値に対して計算値がずれているかどうか判定される。実測値と計算値との間にずれがある場合、具体的には、吸入空気量の実測値と計算値との差が閾値以上の場合、ステップＳ２０８の処理が行われる。

ステップＳ２０８では、吸入空気量の実測値と計算値とのずれを減少させる方向に吸気管モデルＭ１の吸気管長が変化させられる。吸気管モデルＭ１の吸気管長の変化の方向と吸入空気量の計算値の変化の方向との関係は分かっているので、その既知の関係に基づいて吸気管モデルＭ１の吸気管長が調整される。ステップＳ２０８の後、本ルーチンの工程は再び最初に戻り、ステップＳ２０７の判定結果が否定になるまでステップＳ２０１乃至Ｓ２０８が繰り返し実行される。

ステップＳ２０８の判定結果は、吸入空気量の実測値と計算値との差が解消された場合に否定になる。その場合、吸気管モデルＭ１の吸気管長の同定は完了し、本ルーチンの工程は全て終了する。本ルーチンによる方法によって吸気管モデルＭ１の吸気管長が同定されることにより、吸気管モデルＭ１を含む吸入空気量推定モデルを用いた吸入空気量の推定精度が向上する。

上述ルーチンでは吸気管モデルＭ１の吸気管長を同定しているが、吸気管長に代えて吸気管径を同定することもできる。その場合、ステップＳ２０８では、吸気管モデルＭ１の吸気管径の変化の方向と吸入空気量の計算値の変化の方向との既知の関係に基づき、吸入空気量の実測値と計算値とのずれを減少させる方向に吸気管モデルＭ１の吸気管径が変化させられる。

排気管モデルＭ５についても、上述のルーチンによる方法と同様の方法によって排気管長又は排気管径の同定が行われる。まず、排気管モデルＭ５で算出された排気弁流量ｍｅから１サイクルあたりの吸入空気量Ｇａが算出される。そして、同サイクルにおける吸入空気量の実測値と、排気管モデルＭ５で算出された吸入空気量の計算値とが比較される。吸入空気量の実測値と計算値との間にずれがある場合には、そのずれを減少させる方向に排気管モデルＭ１の排気管長又は排気管径が変化させられる。このような方法で排気管モデルＭ５の排気管長又は排気管径が同定されることにより、排気管モデルＭ５を含む吸入空気量推定モデルを用いた吸入空気量の推定精度が向上する。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図を参照して説明する。

本実施の形態に係る吸入空気量推定装置は、実施の形態２に係る吸入空気量推定装置と同じく図８に示すシステムに適用される装置であり、その概要は実施の形態２に係る吸入空気量推定装置と同じく図９の機能ブロック図によって表される。ただし、本実施の形態に係る吸気管モデルＭ１は、吸気管長及び吸気管径に加えてサージタンク温度と吸気ポート熱伝達率とを物理パラメータとして有している。

図１１は本実施の形態に係る吸入空気量推定装置により実行されるルーチンを示すフローチャートである。このルーチンを実行することによって、本実施の形態に係る吸入空気推定装置は吸気管モデルＭ１のサージタンク温度又は吸気ポート熱伝達率を同定する。ただし、図１１のフローチャートは吸気管モデルＭ１のサージタンク温度の同定と吸気ポート熱伝達率の同定とが１つのルーチンでともに行われるかのように書かれているが、これは説明の便宜上そのように書かれているにすぎない。実際には、吸気管モデルＭ１におけサージタンク温度の同定と吸気ポート熱伝達率の同定とは何れか一方のみが択一的に行われる。以下の説明では、図１１に示すルーチンによって吸気管モデルＭ１のサージタンク温度の同定が行われるものとする。

図１１に示すルーチンでは、図１０に示す実施の形態２に係るルーチンと同じ内容の処理を行うステップには同じ番号を付している。本実施の形態に係るルーチンと実施の形態２に係るルーチンとは、ステップＳ２０７において吸入空気量の実測値に対して計算値がずれていると判定された後の処理に違いが有る。本実施の形態に係るルーチンによれば、吸入空気量の実測値と計算値との差が閾値以上の場合、ステップＳ２０９の処理が行われる。

ステップＳ２０９では、吸入空気量の実測値と計算値とのずれを減少させる方向に吸気管モデルＭ１のサージタンク温度が変化させられる。吸気管モデルＭ１のサージタンク温度の変化の方向と吸入空気量の計算値の変化の方向との関係は分かっているので、その既知の関係に基づいて吸気管モデルＭ１のサージタンク温度が調整される。ステップＳ２０９の後、本ルーチンの工程は再び最初に戻り、ステップＳ２０７の判定結果が否定になるまでステップＳ２０１乃至Ｓ２０９が繰り返し実行される。

ステップＳ２０９の判定結果は、吸入空気量の実測値と計算値との差が解消された場合に否定になる。その場合、吸気管モデルＭ１のサージタンク温度の同定は完了し、本ルーチンの工程は全て終了する。本ルーチンによる方法によって吸気管モデルＭ１のサージタンク温度が同定されることにより、吸気管モデルＭ１を含む吸入空気量推定モデルを用いた吸入空気量の推定精度が向上する。

上述ルーチンでは吸気管モデルＭ１のサージタンク温度を同定しているが、サージタンク温度に代えて吸気ポート熱伝達率を同定することもできる。その場合、ステップＳ２０９では、吸気管モデルＭ１のて吸気ポート熱伝達率の変化の方向と吸入空気量の計算値の変化の方向との既知の関係に基づき、吸入空気量の実測値と計算値とのずれを減少させる方向に吸気管モデルＭ１のて吸気ポート熱伝達率が変化させられる。

その他．
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、図４に示すルーチンでは吸気管モデルＭ１の吸気管長の同定の後に吸気管径の同定を行っているが、その順序は逆でもよい。排気管モデルＭ５についても同様であり、排気管径の同定の後に排気管長の同定を行ってもよい。

また、上述の実施の形態１では圧力波のピークに着目して管長及び管径の同定を行っているが、圧力波の計算値を実測値に適合させることができる方法であれば、管長及び管径の同定方法には限定は無い。

１ 吸気管
２ 温度センサ
３ 圧力センサ
４ 燃焼室
５ 吸気弁
６ 排気弁
７ 排気管
８ 圧力センサ
９ ＥＣＵ
１０ メモリ
１１ 流量センサ

Claims (17)

1. 物理モデルを用いた演算により筒内への吸入空気量を推定する内燃機関の吸入空気量推定装置において、
   前記物理モデルを用いて前記内燃機関の吸気に関係する特定状態量を計算する計算手段と、
   センサを用いて前記特定状態量を実測する実測手段と、
   前記特定状態量の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記物理モデルの物理パラメータを同定する同定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の吸入空気量推定装置。
2. 前記物理モデルは吸気管モデルを含み、
   前記計算手段は前記吸気管モデルを用いて前記特定状態量を計算し、
   前記同定手段は前記吸気管モデルの物理パラメータを同定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
3. 前記特定状態量は吸気管圧力であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
4. 前記吸気管モデルの物理パラメータには少なくとも吸気管径及び吸気管長が含まれることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
5. 前記同定手段は、吸気管圧力の振幅の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記吸気管径を同定し、吸気管圧力の位相の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記吸気管長を同定することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
6. 前記同定手段は、吸気バルブの開弁直後の吸気管圧力波のピークの値が計算値と実測値とで一致するように前記吸気管径を同定し、吸気バルブの閉弁直前の吸気管圧力波のピークの位相が計算値と実測値とで一致するように前記吸気管長を同定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
7. 前記特定状態量は吸入空気量であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
8. 前記吸気管モデルの物理パラメータには少なくとも吸気管径又は吸気管長が含まれ、
   前記同定手段は、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記吸気管径又は吸気管長を同定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
9. 前記吸気管モデルの物理パラメータにはサージタンク温度が含まれ、
   前記同定手段は、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記サージタンク温度を同定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
10. 前記吸気管モデルの物理パラメータには吸気ポート熱伝達率が含まれ、
    前記同定手段は、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記吸気ポート熱伝達率を同定することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
11. 前記物理モデルは排気管モデルを含み、
    前記計算手段は前記排気管モデルを用いて前記特定状態量を計算し、
    前記同定手段は前記排気管モデルの物理パラメータを同定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
12. 前記特定状態量は排気管圧力であることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
13. 前記排気管モデルの物理パラメータには少なくとも排気管径及び排気管長が含まれることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
14. 前記同定手段は、排気管圧力の振幅の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記排気管径を同定し、排気管圧力の位相の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記排気管長を同定することを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
15. 前記同定手段は、排気バルブの開弁直後の排気管圧力波のピークの値が計算値と実測値とで一致するように前記排気管径を同定し、排気バルブの閉弁直前の排気管圧力波のピークの位相が計算値と実測値とで一致するように前記排気管長を同定することを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
16. 前記特定状態量は吸入空気量であることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。
17. 前記排気管モデルの物理パラメータには少なくとも排気管径又は排気管長が含まれ、
    前記同定手段は、吸入空気量の計算値と実測値との比較結果に基づいて前記排気管径又は排気管長を同定することを特徴とする請求項１６に記載の内燃機関の吸入空気量推定装置。

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