JP5772575B2

JP5772575B2 - スロットル弁開度推定方法

Info

Publication number: JP5772575B2
Application number: JP2011286194A
Authority: JP
Inventors: 河崎　高志; 高志河崎; 坂柳　佳宏; 佳宏坂柳; 田中　宏幸; 宏幸田中; 敬野正岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JP2013133793A

Description

本発明は、内燃機関のスロットル弁開度推定方法に関する。

機関定常時において、アクセルペダルの踏み込み量（機関負荷）と、機関回転数とに基づき目標吸入空気量が決定され、エアフローメータにより検出される吸入空気量が目標吸入空気量となるように、アクセルペダルとは連動せずにアクチュエータにより駆動されるスロットル弁の開度をフィードバック制御することが提案されている（特許文献１参照）。

スロットル弁の開度は、スロットル弁開度センサが故障しても、機関定常時において、エアフローメータにより検出される吸入空気量が現在のスロットル弁を通過する吸気量となるために、現在の吸入空気量に基づき現在のスロットル弁の開度を推定することができる。

特開２００２−０２１６１７特開２００８−３０３７５４特開平１１−２７０３６９特開２００５−２８２４６４特開２００１−０６５３７６

前述のようにしてスロットル弁の開度を推定するときに、吸気弁の閉弁時期が吸気下死点より大きく遅角されていて、圧縮行程の吸気弁開弁中に比較的多量の吸気が気筒内からスロットル弁下流側の吸気管へ戻されて吸気管内の圧力が比較的高くなっていると、スロットル弁を通過する吸気量はスロットル弁の開度だけでなく、吸気管内の圧力によっても変化することとなり、正確なスロットル弁の開度を推定することが困難となる。

従って、本発明の目的は、機関定常時においてエアフローメータにより検出される吸入空気量に基づき、正確にスロットル弁の開度を推定することができるスロットル弁開度推定方法を提供することである。

本発明による請求項１に記載のスロットル弁開度推定方法は、吸気弁閉弁時期が遅角されていて吸気がスロットル弁を亜音速で通過しているときに、スロットル弁の開度を推定するスロットル弁開度推定方法であって、前記吸気弁閉弁時期を進角して吸気が前記スロットル弁を音速で通過するようにする第一段階と、エアフローメータにより吸入空気量を検出する第二段階と、前記エアフローメータにより検出された前記吸入空気量に基づき前記スロットル弁の開度を推定する第三段階とを有することを特徴とする。

吸気弁閉弁時期が遅角されていて圧縮行程の吸気弁開弁中に比較的多量の吸気が気筒内からスロットル弁下流側の吸気管へ戻されると、吸気管内の圧力が比較的高くなって、吸気はスロットル弁を亜音速で通過することとなる。このときには、スロットル弁を通過する吸気量はスロットル弁の開度だけでなく、吸気管内の圧力によっても変化することとなるために、正確なスロットル弁の開度を推定することが困難である。本発明による請求項１に記載のスロットル弁開度推定方法によれば、第一段階として、吸気弁閉弁時期を進角して圧縮行程の吸気弁開弁中に気筒内から吸気管へ戻される吸気を少なくして吸気管内の圧力を低下させ、吸気がスロットル弁を音速で通過するようにし、第二段階として、エアフローメータにより吸入空気量を検出し、第三段階として、エアフローメータにより検出された吸入空気量に基づきスロットル弁の開度を推定するようになっている。それにより、第二段階においてエアフローメータにより検出される吸入空気量は、第一段階によって吸気がスロットル弁を音速で通過しているときの吸気量となり、スロットル弁の開度だけにより変化する値となるために、第三段階において、エアフローメータにより検出された吸入空気量に基づき正確にスロットル弁の開度を推定することが可能となる。

本発明によるスロットル弁開度推定方法が適用される内燃機関の概略図である。スロットル弁開度と流量係数との関係を示すマップである。スロットル弁開度とスロットル弁の開口面積との関係を示すマップである。スロットル弁の下流側の吸気圧とスロットル弁の上流側の吸気圧との比に対する関数Φのマップである。スロットル弁の開度を推定するためのフローチャートである。

図１は、本発明によるスロットル弁開度推定方法が適用される内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気管（シリンダヘッドに形成された吸気ポートを含む）であり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。各吸気管３には燃料噴射弁５が配置され、吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁６が配置されている。スロットル弁６は、アクセルペダルに連動するものではなく、ステップモータ等のアクチュエータによって駆動されるものであり、自由に開度設定可能となっている。

７は吸気通路４のスロットル弁６より上流側において吸気流量を検出するエアフローメータである。機関本体１において、８は吸気弁であり、９は排気弁であり、１０はピストンである。１１はスロットル弁６の開度を検出するためのスロットル弁開度センサである。１２はエアクリーナである。吸気弁８は可変バルブタイミング機構（図示せず）により少なくとも閉弁時期が可変とされている。可変バルブタイミング機構は、例えば、吸気弁用カムの位相を変化させるものでも良いし、吸気弁を任意の時期に開閉させることができるアクチュエータとしても良い。

内燃機関１における燃焼空燃比を、例えば、理論空燃比等の所望空燃比にするためには、機関過渡時を含めて気筒内へ流入した吸入空気量を正確に推定することが必要とされる。エアフローメータ７は、機関定常時においては、比較的正確に吸入空気量を測定することができる。しかしながら、機関過渡時においては、急激に変化する吸入空気量に対してエアフローメータ７の出力が直ぐに応答せず、正確な吸入空気量の測定は不可能である。

それにより、機関過渡時においても、正確な吸入空気量を把握することを可能とするために、機関吸気系をモデル化して電子制御装置（図示せず）によって吸入空気量を推定するようにしている。

先ずは、スロットル弁６をモデル化する。吸気がスロットル弁６を通過する際のエネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式を使用して、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)（ｇ/ｓｅｃ）が、次式（１）によって表される。以下の式を含めて、スロットル弁通過空気量等の変数の添え字（ｉ）は今回を示し、（ｉ−１）は前回を示している。
ｍｔ_(i)＝μ_(i)・Ａ_(i)・(Ｐａ/(Ｒ・Ｔａ_(i))^1/2)・Φ(Ｐｍ_(i)/Ｐａ）・・・（１）

ここで、μ_(i)は流量係数であり、Ａ_(i)はスロットル弁６の開口面積（ｍ³）である。もちろん、機関吸気系にアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ弁）が設けられている時には、Ａ_(i)には、ＩＳＣ弁の開口面積が加えられる。流量係数及びスロットル弁の開口面積は、それぞれがスロットル弁開度ＴＡ_(i)（度）の関数となっており、図２及び３には、それぞれのスロットル弁開度ＴＡに対するマップが図示されている。Ｒは気体定数であり、Ｔａ_(i)はスロットル弁上流側の吸気温度（Ｋ）であり、Ｐａはスロットル弁上流側の吸気通路圧力（ｋＰａ）、すなわち、大気圧（必要に応じて変数として大気圧センサにより測定するようにしても良い）であり、Ｐｍ_(i)はスロットル弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）である。また、関数Φ(Ｐｍ_(i)/Ｐａ)は、比熱比ｋを使用して次式（２）及び（２）’によって表されるものであり、図４にはＰｍ／Ｐａに対するマップが図示されている。
Ｐｍ_(i)/Ｐａ＜＝１/(ｋ＋１)の場合
Φ(Ｐｍ_(i)/Ｐａ)＝(ｋ／２(ｋ＋１))^1/2・・・（２）
Ｐｍ_(i)/Ｐａ＞１/(ｋ＋１)の場合
Φ(Ｐｍ_(i)/Ｐａ)
＝｛[(ｋ-１)/２ｋ・(１-Ｐｍ_(i)/Ｐａ)＋Ｐｍ_(i)/Ｐａ]・(１-Ｐｍ_(i)/Ｐａ)｝^1/2
・・・（２）’

次いで、吸気弁をモデル化する。気筒内へ供給される吸入空気量ｍｃ_(i)（ｇ/ｓｅｃ）は、吸気管圧力Ｐｍ_(i)に基づきほぼ線形に変化するものであるために、次式（３）によって表すことができる。
ｍｃ_(i)＝Ｔａ_(i)/Ｔｍ_(i)・ａ・Ｐｍ_(i)・・・（３）

ここで、Ｔｍ_(i)はスロットル弁下流側の吸気温度（Ｋ）であり、ａは、可変バルブタイミング機構により吸気弁８の閉弁時期が遅角されるほど、気筒内から吸気系へ戻される吸気量が増加して結果的に吸気量が減少し、また、機関回転数Ｎが高いほど、単位時間当たりの吸気量が減少するために、小さくなる係数であり、実機を使用する適合試験等によって吸気弁８の閉弁時期と機関回転数Ｎとに基づきマップ化しておくことが好ましい。

次いで、吸気管をモデル化する。吸気管内に存在する吸気の質量保存則、エネルギ保存則、及び、状態方程式を使用して、吸気管圧力Ｐｍとスロットル弁下流側の吸気温度Ｔｍとの比における時間変化率は次式（４）によって表され、また、吸気管圧力Ｐｍの時間変化率は次式（５）によって表される。ここで、Ｖは吸気管の容積（ｍ³）であり、具体的には、サージタンク２と吸気管３との合計容積である。
ｄ/ｄｔ(Ｐｍ/Ｔｍ)＝Ｒ/Ｖ・(ｍｔ-ｍｃ)・・・（４）
ｄＰｍ/ｄｔ＝ｋ・Ｒ/Ｖ・(ｍｔ・Ｔａ-ｍｃ・Ｔｍ)・・・（５）

式（４）及び式（５）は離散化され、それぞれ、次式（６）及び（７）が得られ、式（７）によって今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)が得られれば、式（６）によって今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)を得ることができる。式（６）及び（７）において、離散時間Δｔは、現在の吸入空気量ｍｃ_(i)を算出する実行間隔とされ、例えば８ｍｓである。
Ｐｍ_(i)/Ｔｍ_(i)＝Ｐｍ_(i-1)/Ｔｍ_(i-1)＋Δｔ・Ｒ/Ｖ・(ｍｔ_(i-1)-ｍｃ_(i-1))
・・・（６）
Ｐｍ_(i)＝Ｐｍ_(i-1)
＋Δｔ・ｋ・Ｒ/Ｖ・(ｍｔ_(i-1)・Ｔａ_(i-1)-ｍｃ_(i-1)・Ｔｍ_(i-1))
・・・（７）

こうして、吸気量を推定する際には、先ず、式（７）を使用して吸気管圧力Ｐｍ_(i)が算出される。式（７）は、前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)と、前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)と、前回のスロットル弁上流側の吸気温度Ｔａ_(i-1)と、前回の吸入空気量ｍｃ_(i-1)と、前回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i-1)とに基づき、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)を算出するようになっている。これらの初期値として、Ｐｍ_(i-1)には大気圧Ｐａが、Ｔａ_(i-1)とＴｍ_(i-1)にはスロットル弁上流側の吸気温度Ｔａがそれぞれ実測されて使用され、ｍｔ_(i-1)には、これらのＰｍ_(i-1)及びＴａ_(i-1)を使用して式（１）から算出された値が使用され、また、ｍｃ_(i-1)には、これらのＰｍ_(i-1)、Ｔａ_(i-1)及びＴｍ_(i-1)を使用して式（３）により算出された値が使用される。

次いで、式（６）を使用して今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)が算出される。次いで、式（１）を使用して今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)が算出される。この式（１）を使用するスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)の算出において、現在の流量係数μ_(i)及び現在のスロットル弁６の開口面積Ａ_(i)を決定するための現在のスロットル弁開度ＴＡ_(i)は、スロットル弁開度センサ１１の出力が使用される。

次いで、式（３）を使用して今回の吸入空気量ｍｃ_(i)が算出される。その後は、今回の吸気管圧力Ｐｍ_(i)は前回の吸気管圧力Ｐｍ_(i-1)とされ、今回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i)は前回の吸気管内の吸気温度Ｔｍ_(i-1)とされ、今回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)は前回のスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i-1)とされ、今回の吸入空気量ｍｃ_(i)は前回の吸入空気量ｍｃ_(i-1)とされる。こうして、吸入量ｍｃは、機関始動完了と同時に逐次算出される吸気管圧力Ｐｍに基づき、逐次推定されることとなる。

ところで、スロットル弁開度センサ１１が故障したときには、現在のスロットル弁６の開度を推定することが必要となる。本実施例では、スロットル弁開度センサ１１が故障したときには、電子制御装置により図５に示すフローチャートに従ってスロットル弁６の開度を推定するようになっている。

先ず、ステップ１０１において、スロットル弁開度センサ１１が故障したか否かが判断される。この判断が否定されるときには、スロットル弁６の開度の推定は必要なく、そのまま終了する。

しかしながら、例えば、スロットル弁開度センサ１１が出力信号を発しないときや、アクチュエータを作動してスロットル弁６の開度を変更しているにも係わらずにスロットル弁開度センサ１１の出力信号が変化しないときには、スロットル弁開度センサ１１は故障していると判断され、ステップ１０１が肯定されてステップ１０２へ進む。

ステップ１０２では、式（７）により算出されるスロットル弁下流側の現在の吸気管圧力と大気圧との比Ｐｍ_(i)/Ｐａが１/(ｋ＋１)より大きいか否かが判断される。ここでｋは前述したように比熱比であり、ステップ１０２の判断が否定されるときには、吸気はスロットル弁６を音速で通過しており、式（２）及び図４に示すように、関数Φの値がスロットル弁下流側の現在の吸気管圧力と大気圧との比Ｐｍ_(i)/Ｐａに対して一定値となる。

それにより、式（１）で示すスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)は、スロットル弁６の開口面積Ａ_(i)（図２及び３に示すように、流量係数μと共にスロットル弁開度ＴＡから一義的に定まる値であり、また、スロットル弁上流側の吸気温度Ｔａ_(i)は正確に測定可能である）だけにより変化する値となる。こうして、ステップ１０４においてエアフローメータ７により現在の吸入吸気量Ｑを検出し、次いで、ステップ１０５において、吸入空気量Ｑが一定となる機関定常時には、エアフローメータ７により検出される吸入空気量Ｑとスロットル弁通過空気量ｍｔとは等しくなることを利用して、吸入空気量Ｑに基づき式（１）を使用してスロットル弁７の開口面積Ａを逆算し、こうして算出された開口面積Ａからスロットル弁６の開度ＴＡを正確に推定する。

一方、現在の吸気管圧力と大気圧との比Ｐｍ_(i)/Ｐａが１/(ｋ＋１)より大きいときには、吸気はスロットル弁６を亜音速で通過しており、式（２）’及び図４に示すように、関数Φの値は吸気管圧力Ｐｍによって変化する。

それにより、式（１）で示すスロットル弁通過空気量ｍｔ_(i)は、スロットル弁６の開口面積Ａ_(i)だけでなく、吸気管圧力Ｐｍ_(i)によっても変化する値となり、式（１）を使用してスロットル弁７の開口面積Ａを正確に逆算することが困難であり、こうして算出された開口面積Ａからスロットル弁６の開度ＴＡを正確に推定することも難しい。

そのために、本フローチャートでは、ステップ１０２の判断が肯定されるときには、ステップ１０３において、スロットル弁６の開度を変化させることなく、可変バルブタイミング機構によって吸気弁８の閉弁時期を進角するようになっている。それにより、圧縮行程の吸気弁開弁中に、気筒内から吸気管へ戻される吸気を減少させることにより、吸気管圧力Ｐｍ_(i)を低下させる。このような吸気弁８の閉弁時期の進角によってエアフローメータ７により検出される吸入空気量Ｑは増加することとなる。

こうして、吸気管圧力Ｐｍ_(i)を十分に低下させれば、吸入空気量Ｑが吸気管圧力の低下により増加せずに一定となり、ステップ１０２の判断が否定され、吸気がスロットル弁６を音速で通過するようになり、ステップ１０４において吸入空気量Ｑが一定となる機関定常時にエアフローメータ７により現在の吸入空気量Ｑを検出し、次いで、ステップ１０５において現在の吸入空気量Ｑに基づき正確にスロットル弁６の開度ＴＡを推定することが可能となる。ステップ１０２の判断は、吸気弁８の閉弁時期を遅角してもエアフローメータ７により検出される吸入空気量Ｑが増加しなくなったときに否定されるようにしても良い。

もし、スロットル弁開度センサ１１の故障時にスロットル弁６の開度が比較的大きいと、吸気弁８の閉弁時期を進角しても吸気管圧力Ｐｍは十分に低くならず、ステップ１０２の判断が否定されないこともある。この場合には、スロットル弁６の開度を正確に推定することはできない。

２サージタンク
３吸気管
６スロットル弁
７エアフローメータ
８吸気弁

Claims

吸気弁閉弁時期が遅角されていて吸気がスロットル弁を亜音速で通過しているときに、スロットル弁の開度を推定するスロットル弁開度推定方法であって、前記吸気弁閉弁時期を進角して吸気が前記スロットル弁を音速で通過するようにする第一段階と、エアフローメータにより吸入空気量を検出する第二段階と、前記エアフローメータにより検出された前記吸入空気量に基づき前記スロットル弁の開度を推定する第三段階とを有することを特徴とするスロットル弁開度推定方法。