内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置
阅读：371发布：2020-10-01
专利汇可以提供内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 的目的在于提供一种能够以较少的适应常数进行高 精度 地推定的 内燃机 的 气缸 吸入空气量及内部EGR率的推定装置。基于排气效率(进气管内压 力 的一次函数)和进气效率(进气管内压力的一次函数)来计算体积效率等效值和内部EGR率，其中，所述排气效率是表示燃烧后的废气未从气缸内排出到排气 歧管 而残留在气缸内的残留气体量的指标，所述进气效率是表示除残留气体量以外、从进气管进入气缸内的新鲜气体量的指标。，下面是内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置专利的具体信息内容。
1.一种内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，该内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置对在节流阀的下游侧的进气管上设置的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率进行推定，该一种内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置包括：
体积效率等效值计算单元，该体积效率等效值计算单元对表示从所述进气管进入所述气缸内的空气量的指标、即体积效率等效值进行计算；
气缸吸入空气量推定单元，该气缸吸入空气量推定单元使用所述体积效率等效值来对实际吸入到气缸内的空气量进行推定；以及
内部EGR率推定单元，该内部EGR率推定单元基于用来计算所述体积效率等效值的内部变量来对内部EGR率进行推定，
所述体积效率等效值计算单元基于排气效率、进气效率、以及压缩比来计算所述体积效率等效值，其中，所述排气效率是表示燃烧后的废气未从所述气缸内排出到排气管而残留在所述气缸内的残留气体量的指标，所述进气效率是表示除去所述残留气体量以外、从所述进气管进入所述气缸内的空气量的指标，所述压缩比表示气缸最大容积与气缸余隙容积之比，
所述内部EGR率推定单元基于所述排气效率和所述压缩比来计算所述内部EGR率。
2.如权利要求1所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
包括：吸入空气量检测单元，该吸入空气量检测单元设置在所述节流阀的上游侧，且对通过所述节流阀被吸入所述内燃机的吸入空气量进行检测；以及
物理模型，该物理模型对通过所述节流阀后的空气直到进入所述气缸内为止的进气系统的响应滞后进行模型化，
所述气缸吸入空气量推定单元基于所述吸入空气量、所述体积效率等效值、以及所述物理模型，对实际吸入到所述气缸内的空气量进行推定。
3.如权利要求1所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
包括：进气管内压力检测单元，该进气管内压力检测单元对所述进气管内的压力进行检测，以作为进气管内压力，
所述气缸吸入空气量推定单元基于所述进气管内压力及所述体积效率等效值，对实际吸入到所述气缸内的空气量进行推定。
4.如权利要求1所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
所述体积效率等效值计算单元使用基于进气效率Kin、排气效率Kex、以及压缩比ε的下式(1)，
计算体积效率等效值Kv，
所述内部EGR率推定单元使用基于排气效率Kex、以及压缩比ε的下式(2)，计算内部EGR率Regr。
5.如权利要求4所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
使用基于进气冲程结束时的缸内压力Pin[kPa]、进气管内压力Pb[kPa]、进气冲程结束时的缸内温度Tin[°K]、以及进气管内温度Tb[°K]的下式(3)，
计算所述进气效率Kin。
6.如权利要求5所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
将在所述进气效率的计算中所使用的、所述进气冲程结束时的缸内压力Pin 和所述进气管内压力Pb的压力比Pin/Pb近似为所述进气管内压力的一次函数。
7.如权利要求4所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
使用基于气缸余隙容积Vmin[cc]、残留气体容积Vex[cc]、进气冲程结束时的缸内压力Pin[kPa]、排气管内压力Pex[kPa]、进气冲程结束时的缸内温度Tin[°K]、以及排气温度Tex[°K]的下式(4)，
计算所述排气效率Kex。
8.如权利要求7所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
将所述排气效率近似为所述进气管内压力的一次函数。
9.如权利要求5至8中任一项所述的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，其特征在于，
将所述内燃机的规定曲柄角度间的进气管内压力的最大值用作为所述进气管内压力。
内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置
技术领域
背景技术
[0003] 关于燃料控制，可以进行控制以对气缸吸入空气量喷射作为目标空燃比的燃料量，但是关于点火控制，不仅要根据发动机转速和气缸吸入空气量，还要根据其它主要因素(例如，发动机温度、爆震产生状况、燃料特性，EGR量)以在输出最大的点火提前角(MBT：Minimun Spark Advance for Best Torque：最大转矩的最小点火提前角)的情况下进行控制。
[0004] 在对MBT产生影响的上述主要因素中，例如，发动机温度可以利用发动机冷却水温度传感器来进行检测，爆震产生状况可以由爆震传感器来进行检测，并能根据爆震产生状况来判断燃料特性是普通汽油或是高辛烷值汽油。
[0005] 然而，关于EGR量，已知一种技术来作为第一种现有装置，在该现有装置中，在将排气管和进气管连接的EGR通路中设置EGR阀、并根据其阀门开度来控制EGR量(外部EGR)。
[0006] 此外，还已知一种技术来作为第二种现有装置，在该第二种现有装置中，设置使进气阀及排气阀的阀门开关正时可变的可变阀正时机构(下文简称为“VVT：Variable Valve Timing:可变阀正时”)，并通过其阀开关正时来改变进气阀及排气阀同时开启的状态、即重叠期间，由此来控制排气残留在气缸内的EGR量(内部EGR)。另外，有时也会同时使用上述第一种及第二种技术。
[0007] 对于外部EGR，通过EGR阀的开度、大气压和进气管内压力，能够粗略地计算EGR量，而对于内部EGR，如后文所述，提出了各种技术。若能对外部/内部EGR的EGR量进行高精度的推定，则通过将其与其它对MBT有影响的主要因素结合起来对点火时期进行修正，能够以最佳的耗燃油量对发动机进行控制。
[0008] 以往，提出了如下技术来作为内部EGR量的推定装置：即，通过重叠量和发动机转速来求得内部EGR状态的基本指标，并求得内部EGR量最小的重叠中心相位来作为最小EGR中心相位，根据重叠的实际中心相位和最小EGR中心相位的偏差来对基本指标进行修正，并对内部EGR状态进行推定(例如，参照专利文献1)。
[0009] 作为其它推定装置，还提出了如下技术：即，将进气阀与排气阀的重叠期间分为前半部分和后半部分，计算各期间的排气阀通过气体量的近似特性线，并进一步通过以近似特性线为基础的几何学方法计算来计算喷出气体量和回吹气体量，从而对残留气体量进行计算(例如，参照专利文献2)。
[0010] 此外，作为其它推定装置，还提出了如下技术：即，基于进气阀开启时的残留气体量和在重叠期间回吹的残留气体量来计算残留气体率(例如，参照专利文献3)。
[0011] 在专利文献1所记载的技术中，可以认为由于需要另外对气缸吸入空气量进行运算所以会导致运算负担量的增加，因此具有以下问题：即，为了对于内部EGR量进行高精度的计算而需要进行较多的修正，随之映射数变得较为庞大，而且需要另外对气缸吸入空气量进行计算。
[0012] 在专利文献2所记载的技术中，将进气阀与排气阀的重叠期间分为前半部分和后半部分，计算各期间的排气阀通过气体量的近似特性线，并基于近似特性线来计算内部EGR量，因此，认为能够以较少的映射数来计算内部EGR量，但是仍与专利文献1一样，存在需要另外对气缸吸入空气量进行计算的问题。
[0013] 此外，在专利文献3所记载的技术中，基于排气阀开启时的残留气体量和在重叠期间回吹的残留气体量来计算内部EGR量，因此，认为能够以比较少的映射数来计算内部EGR量，但是仍与上述专利文献1一样，存在需要另外对气缸吸入空气量进行计算的问题。
[0014] 然而，不从排气阀排出而残留下来的内部EGR量和从进气阀进入的气缸吸入空气量原本应作为整体来进行考虑。
[0015] 这是因为考虑到例如即使在相同的进气管内压力下，当内部EGR量较多时气缸吸入空气量变得较少，反之，当内部EGR量较少时气缸吸入空气量变得较多。
[0016] 另外，以往，作为气缸吸入空气量的计算装置，提出了如下技术：即，在AFS(air flow sensor:气体流量传感器)方式中，仅根据质量守恒定律来对进气系统进行模型化并进行计算(例如，参照专利文献4)。
[0017] 在专利文献4(参照段落[0023]、[0024]、[0038]～[0042])中，使用从进气管进入气缸的空气的体积效率等效值(体积效率修正系数Kv)，并以简单的物理模型来对发动机进行适当的控制，由此以足够的精度对气缸吸入空气量进行推定。
[0018] 可以认为若假设明确了专利文献4中所示的体积效率修正系数Kv和内部EGR率之间的关系，则能够以良好的精度同时对气缸吸入空气量及内部EGR率进行计算。
[0019] 然而，无论在哪一篇公知文献中，都没有公开对于体积效率修正系数Kv和内部EGR率之间的关系具有启示的技术。
[0020] 即，当把专利文献4中记载的简单的物理模型用作内燃机的气缸吸入空气量的推定装置时会具有以下问题：即，由于体积效率修正系数和内部EGR率之间的关系是不明确的，因此，无法以良好的精度同时对气缸吸入空气量及内部EGR率进行计算。
[0021] 现有技术文献
[0022] 专利文献
[0023] 专利文献1：日本专利特开2006-189013号公报
[0024] 专利文献2：日本专利特开2007-255206号公报
[0025] 专利文献3：日本专利特开2011-47367号公报
[0026] 专利文献4：日本专利特开2008-138630号公报
发明内容
[0027] 发明所要解决的技术问题
[0028] 在现有的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置中，在设置有可变阀门机构的内燃机中对内部EGR率进行推定的情况下，由于内部EGR率会根据可变阀门机构的实际阀门正时而发生变化，因此需要根据阀门正时来对内部EGR率进行适应，此外，通过使用表示从进气歧管进入气缸内的空气量的指标、即体积效率等效值的进气系统的物理模型，来对实际被吸入到气缸内的空气量进行推定，即使在此情况下，由于体积效率等效值也会根据可变阀门机构的实际阀门正时而发生变化，因此，为了对体积效率等效值进行高精度的计算，需要根据阀门正时来对体积效率等效值进行适应，若采用这种结构，则存在对这些值进行存储的映射会变得较为庞大的问题。
[0029] 为解决上述课题而提出本发明，其目的在于提供一种内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置，在该推定装置中，不关注专利文献1～3那样仅计算内部EGR量的技术，而关注专利文献4中所示的、在进气系统的简化物理模型中所使用的体积效率修正系数和内部EGR量之间的关系，由此，不需要庞大的存储容量，且在较少的适应常数及较少的运算负担的情况下，以足够的精度来对体积效率修正系数、气缸吸入空气量和内部EGR率进行推定，从而对发动机进行适当的控制。
[0030] 解决技术问题所采用的技术方案
[0031] 本发明所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置对在节流阀的下游侧的进气管上设置的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率进行推定，其包括：体积效率等效值计算单元，该体积效率等效值计算单元对表示从进气管进入气缸内的空气量的指标、即体积效率等效值进行计算；气缸吸入空气量推定单元，该气缸吸入空气量推定单元使用体积效率等效值来对实际吸入到气缸内的空气量进行推定；以及内部EGR率推定单元，该内部EGR率推定单元基于用来计算体积效率等效值的内部变量来对内部EGR率进行推定，在内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置中，体积效率等效值计算单元基于排气效率和进气效率来计算体积效率等效值，其中，所述排气效率是表示燃烧后的废气未从气缸内排出到排气管而残留在气缸内的残留气体量的指标，所述进气效率是除去残留气体量以外、从进气管进入气缸内的空气量的指标，内部EGR率推定单元基于排气效率来计算内部EGR率。
[0032] 发明效果
[0033] 根据本发明，通过基于表示新鲜气体吸入量的进气效率和表示残留气体量的排气效率来计算体积效率等效值及内部EGR率，由此能够根据运转状态来对体积效率等效值及内部EGR率进行高精度地计算。附图说明
[0034] 图1是简要地表示本发明实施方式1所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置的结构图。
[0035] 图2是简要地表示本发明实施方式1所涉及的发动机及发动机控制部的结构框图。
[0036] 图3是表示本发明实施方式1所涉及的气缸吸入空气量的计算处理的流程图。
[0038] 图5是表示本发明实施方式1所涉及的缸内压力和缸内容积之间的关系(P-V线图，双对数表示)的一个例子的说明图。
[0039] 图6是表示本发明实施方式1所涉及的进气歧管压力峰值和进气冲程结束时的缸内压力之间的关系的说明图。
[0040] 图7是表示本发明实施方式1所涉及的进气歧管压力峰值和排气效率之间的关系的说明图。
[0041] 图8是表示本发明实施方式1所涉及的排气VVT的相位角在规定的进气VVT的相位角下发生变化时进气歧管压力峰值和排气效率之间的关系的说明图。
[0042] 图9是对本发明实施方式1所涉及的进气VVT的相位角及排气VVT的相位角发生变化时的进气歧管压力峰值和排气效率之间的关系进行线性近似的说明图。
[0043] 图10是表示本发明实施方式1所涉及的排气效率的计算值和线性近似值之间的误差的说明图。
[0044] 图11是表示本发明实施方式1所涉及的排气效率的计算部的功能框图。
[0045] 图12是表示本发明实施方式1所涉及的内部EGR率及进气效率的计算部的功能框图。
[0046] 图13是表示本发明实施方式1所涉及的体积效率修正系数的计算部的功能框图。
[0047] 图14是表示本发明实施方式1所涉及的体积效率修正系数计算单元的整体结构的功能框图。
[0048] 图15是简要地表示本发明实施方式2所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置的结构图。
[0049] 图16是简要地表示本发明实施方式2所涉及的发动机及发动机控制部的结构框图。
[0050] 图17是表示本发明实施方式2所涉及的气缸吸入空气量的计算处理的流程图。
具体实施方式
[0051] 实施方式1
[0052] 下面，参照附图对本发明的实施方式1进行详细说明。
[0053] 图1是简要地表示本发明实施方式1所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置的结构图，图2是简要地表示本发明实施方式1所涉及的发动机及发动机控制部的结构框图。
[0054] 图1中，内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置包括与发动机1相关的各种传感器，以及与各种传感器连接的电子控制单元20。下面，将电子控制单元20简称为ECU20(Electric Control Unit:电子控制单元)。
[0055] ECU20与各种传感器及各种致动器一起构成发动机控制装置，并基于来自对发动机1的运转状态进行表示的各种传感器的检测信息来控制发动机1的各种致动器。
[0056] 在发动机1的进气系统的上游侧设置有对吸入到发动机1的吸入空气量进行测定的AFS2，在AFS2的下游侧(发动机1一侧)设置有用于对吸入空气量进行调整的电子控制节流器4。
[0057] 电子控制节流器4上设置有用于以电子方式对开度进行控制的节流致动器，以及用于对电子控制节流器4的开度进行测定的节流开度传感器3。
[0058] 电子控制节流器4的下游侧设置有气室5及进气歧管6来作为用于将空气导入发动机1内的进气管(进气歧管部)。
[0059] 构成进气管的进气歧管6经由进气阀与发动机1气缸内的燃烧室连通。
[0060] 另一方面，发动机1的下游侧设置有排气歧管13来作为用于将气缸内燃烧所产生的废气排出的排气管。
[0062] 电子控制节流器4的下游侧的进气管上设置有对包含气室5及进气歧管6内部的空间(进气歧管)的压力(进气歧管压力)进行测定的进气歧管压力传感器7，以及对进气歧管内的温度(进气歧管温度Tb)进行测定的进气温度传感器8。
[0063] 另外，可以设置对进气歧管压力进行推定的单元来代替对进气歧管压力进行测定的进气歧管压力传感器7，此外，也可以设置近似地对外部气体温度(严格来说不同于进气歧管温度Tb)进行测量的温度传感器(例如，内置在AFS2中的温度传感器)来代替对进气歧管温度Tb进行测量的进气温度传感器8。
[0064] 进气歧管6的进气阀附近设置有用于对燃料进行喷射的喷射器9，且进气阀及排气阀上分别设置有用于使阀正时可变的进气VVT10及排气VVT11。
[0066] 图2中，ECU20包括气缸吸入空气量计算单元21，而且气缸吸入空气量计算单元21还包括体积效率修正系数计算单元22。
[0067] 另外，体积效率修正系数计算单元22不仅具有体积效率修正系数Kv的计算部的功能，如后文所述，还具有对内部EGR率Regr进行计算的内部EGR率计算部的功能。
[0068] 除了上述各传感器2、3、7、8之外，ECU20还与大气压传感器14连接，且将由AFS2所测定的吸入空气量、由节流开度传感器3所测定的电子控制节流器4的开度、由进气歧管压力传感器7所测定的进气歧管压力、由进气温度传感器8所测定的进气歧管温度Tb、以及由大气压传感器14所测定的大气压输入至ECU20。
[0069] 另外，可以使用对大气压进行推定的单元或使用内置在ECU20中的大气压传感器，来代替对大气压进行测定的大气压传感器14。
[0071] ECU20内的气缸吸入空气量计算单元21包含物理模型(后文进行阐述)，并根据由AFS2所测定的吸入空气量来计算气缸吸入空气量，ECU20基于计算出的气缸吸入空气量来对喷射器9及点火线圈12进行驱动。
[0072] 此外，ECU20基于油门开度等各种输入信息来计算目标转矩，计算用于达到所计算出的目标转矩的目标气缸吸入空气量，计算目标节流开度、目标进气VVT相位角及目标排气VVT相位角来作为用于达到目标气缸吸入空气量的控制目标值，并对电子控制节流器4的开度、进气VVT10及排气VVT11的相位角进行控制以达到这些控制目标值。此外，根据需要还对此处未图示的其它各种致动器进行控制。
[0073] 接着，对气缸吸入空气量计算单元21的功能，即用于根据由AFS2所测定的吸入空气量来对气缸吸入空气量进行计算的进气系统的物理模型进行详细说明。
[0074] 首先，作为发动机1的冲程数n的函数，对各参数Qa(n)、Qc(n)、T(n)[s]、Vs[cm3]、3 3
Vc[cm]、ρb(n)[g/cm]及Kv(n)进行如下定义。
Vc[cm]、ρb(n)[g/cm]及Kv(n)进行如下定义。
[0075] Qa(n)是由AFS2所测定的实际吸入空气量[g/s]在一个冲程内的平均值，Qc(n)是气缸吸入空气量[g/s]在一个冲程内的平均值，T(n)[s]是一个冲程(四气缸发动机中为180degCA，三气缸发动机中为240degCA)的时间。
[0076] Vs[cm3]是从电子控制节流器4的下游侧到各气缸入口为止的进气管容积，3 3
Vc[cm]是每个气缸的气缸冲程容积，ρb(n)[g/cm]是进气歧管内的新鲜气体密度在一个冲程内的平均值。
Vc[cm]是每个气缸的气缸冲程容积，ρb(n)[g/cm]是进气歧管内的新鲜气体密度在一个冲程内的平均值。
[0077] Kv(n)是从进气歧管进入气缸的空气的体积效率修正系数。
[0078] 若在由从电子控制节流器4的下游侧到发动机1的各气缸入口为止的进气管容积Vs所表示的区域中，仅关注新鲜气体(经由电子控制节流器4进入进气歧管的空气)并应用质量守恒定律，则下式(1)成立。
[0079] [数学式1]
[0080] Qa(n)T(n)-Qc(n)T(n)={ρb(n)-ρb(n-1)}·Vs…(1)
[0081] 接着，若使用体积效率修正系数Kv(n)，则由下式(2)来表示一个冲程内的气缸吸入空气量Qc(n)T(n)。
[0082] [数学式2]
[0083] Qc(n)T(n)=Kv(n)·ρb(n)·Vc…(2)
[0084] 另外，在稳定运转时，实际吸入空气量[g/s]在一个冲程内的平均值Qa(n)和一个冲程的时间T(n)的积Qa(n)T(n)、与气缸吸入空气量[g/s]在一个冲程内的平均值Qc(n)和一个冲程的时间T(n)的积Qc(n)T(n)相等，因此，能够在对发动机控制常数进行适应时，通过将式(2)的左边替换为Qa(n)T(n)来计算体积效率修正系数Kv。
[0085] 接着，将式(2)代入式(1)，消去进气歧管内的新鲜气体密度在一个冲程内的平均值ρb(n)，并对Qc(n)T(n)求解，则Qc(n)T(n)表示为下式(3)。
[0086] [数学式3]
[0087]
[0088]
[0089] 式(3)中，K是滤波常数。
[0090] 通过式(3)，能够基于由AFS2中所测定的吸入空气量Qa(n)T(n)来对气缸吸入空气量Qc(n)T(n)高精度地进行计算。
[0091] 若将式(3)进一步变形，则可得到下式(4)
[0092] [数学式4]
[0093]
[0094] 在与发动机1的旋转同步的(例如，每个规定曲柄角度的)中断处理中，式(3)表示数字低通滤波。由此可知发动机1的进气系统是一次滞后元件。
[0095] 接着，参照图3所示的流程图，对用于在ECU20内实现式(3)的处理、即在每个规定曲柄角度的中断处理中执行气缸吸入空气量计算单元21的动作，进行详细说明。
[0096] 这里，假设每个规定曲柄角度的中断处理为例如BTDC5degCA中断处理(下面称为“B05处理”)。
[0097] 图3是表示本发明实施方式1所涉及的气缸吸入空气量的计算处理的流程图。
[0098] 图3中，ECU20内的气缸吸入空气量计算单元21首先对一个冲程内的实际吸入空气量Qa(n)T(n)[g]进行计算(步骤301)。
[0099] 具体而言，在AFS2是质量流量计的情况下，每隔例如1.25ms进行采样并对AFS2的输出电压进行累计，从而能够根据从前一次中断处理到本次中断处理为止的累计值来计算一个冲程内的实际吸入空气量Qa(n)T(n)[g]。
[0100] 另外，在AFS2是体积流量计的情况下，能够基于标准大气密度、大气压及进气温度将体积转换为质量，由此来进行计算。
[0101] 接着，气缸吸入空气量计算单元21内的体积效率修正系数计算单元22计算体积效率修正系数Kv(n)(步骤302)。另外，体积效率修正系数Kv(n)的计算处理的细节将在后文中进行阐述。
[0102] 接着，气缸吸入空气量计算单元21根据式(3)内的滤波常数K的计算式来计算滤波常数K(步骤303)。
[0103] 接着，气缸吸入空气量计算单元21根据式(3)内的滤波计算式来计算实际气缸吸入空气量Qc(n)T(n)[g](步骤304)。
[0104] 另外，关于式(3)中的一个冲程内(前一次)的体积效率修正系数Kv(n-1)，对步骤302中的一个冲程内的体积效率修正系数Kv(n-1)进行存储(步骤305)，并使用该前一次值，由此能够进行步骤304的处理。
[0105] 最后，气缸吸入空气量计算单元21对步骤304中计算出的实际气缸吸入空气量Qc(n)T(n)[g]进行储存(步骤306)，结束图3的处理程序。
[0106] 另外，对步骤306中的一个冲程内(前一次)的实际气缸吸入空气量Qc(n-1)T(n-1)[g]进行存储(步骤307)，且该前一次值被用作为式(3)内的参数，由此能够进行步骤304的处理。
[0107] 据此，通过使用了体积效率修正系数Kv(n)的简单运算，能够高精度地对实际气缸吸入空气量Qc(n)T(n)[g]进行计算。
[0108] 接着，作为气缸吸入空气量计算单元21内的体积效率修正系数计算单元22的处理，首先对体积效率修正系数Kv的近似处理进行说明。
[0109] 如上所述，体积效率修正系数Kv是与从进气歧管进入气缸的空气的体积效率等效值，对于通常的固定阀正时的发动机，在局部(部分负载)区约其值为60～80％左右，在WOT(Wide Open Throttle，满负载)区其值为80～90%左右，但在具备进气VVT10及排气VVT11的可变阀正时的发动机1中，可以根据阀正时在更大的范围内进行变化。
[0110] 由此，可以认为下面的(A)～(E)是体积效率修正系数Kv根据运转状态发生变化的主要因素。
[0111] (A)阀的开启时间较短
[0112] 由于进气/排气阀的动作期间受到限制(约180[degCA]左右)，因此，在留下余隙容积而结束排气之前，或在吸入冲程容积量的新鲜气体(通过进气管被吸入的燃烧前的空气)之前，阀会在空气流动的途中关闭。
[0113] (B)进气/排气阀的间隙较窄
[0114] 由于开口面积仅由进气/排气阀的抬起(lift)量决定，因此，从气缸内排出的废气的流量、吸入气缸内的新鲜气体的流量会被限制为规定流量。
[0115] (C)残留气体的影响
[0116] 排气阀封闭后残留在气缸内的气体和内部EGR(流出到进气端口的残留气体)在气缸内膨胀以使得压力下降到进气歧管压力以下之前，不会从进气阀侧吸入新鲜气体。
[0117] (D)回吹的影响(重叠区域及局部区域)
[0118] 当阀在局部区发生重叠时，变为“进气歧管压力＜气缸内压力”，产生回吹(内部EGR从气缸内流出到进气端口)，在重新吸入这些回吹的量之前不会吸入新鲜气体。
[0119] (E)窜气的影响(重叠区域及WOT区域)
[0120] 在进气歧管内，由于进气阀开启和关闭的影响，经常会产生压力脉动，在WOT区域的重叠的正时变为“进气歧管压力(端口部压力)＞气缸内压力”，此时，会产生窜气(新鲜气体将气缸内的残留气体挤出，使得新鲜气体量增大且内部EGR量降低)。
[0121] 由此，若要用严格的物理模型来表示体积效率修正系数Kv根据运转状态发生变动的主要因素(A)～(E)，则需要像上述专利文献1那样进行庞大的运算。
[0122] 此外，即使通过基于通常可考虑的严格的物理模型和通过发动机实验而采集到的实验数据的探讨，当作为严格的物理模型来求解时，由于未知的物理量较多，因此也无法得到良好的结果。
[0123] 因此，在本发明实施方式1中，仅关注排气结束时刻及进气结束时刻时的气缸内状态，从而构建更简单的物理模型。
[0124] 下面，对本发明实施方式1所涉及的简单的物理模型进行详细说明。
[0125] 在本发明的实施方式1中，基于表示在排气结束时刻(排气阀封闭时)时的燃烧后的废气不从气缸内排出到排气歧管13(排气管)而残留在气缸内的残留气体量的指标、即排气效率，以及表示在进气结束时刻(进气阀封闭时)时来自进气管的、除残留气体量以外进入气缸内的新鲜气体量的指标、即进气效率，来计算体积效率修正系数Kv。
[0126] 另外，通过这种方式来考虑排气结束时刻及进气结束时刻时的气缸内状态，能够使上述主要因素(A)～(E)中的(D)回吹的影响及(E)窜气的影响包含在(C)残留气体的影响的主要因素中，因此能够简化物理模型。
[0127] 接着，参照图4对发动机1的排气/进气冲程时的气缸内状态进行说明。
[0128] 图4是示意地表示本发明实施方式1所涉及的气缸内的状态的说明图，图4(a)表示排气阀封闭时的状态，图4(b)表示开始吸入新鲜气体时的状态，图4(c)表示进气冲程结束时的状态。
[0129] 首先，对图4(a)所示的排气阀封闭时的气缸内状态进行说明。
[0130] 在排气阀设计上的关闭正时的前后，会有向排气端口侧流出排气完全停止的正时(有效排气阀封闭时)。
[0131] 由于在该有效排气阀封闭时刻时，气缸内残留的残留气体的压力与排气端口侧的压力、即排气压力Pex(≒大气压Pa)严格来说也是不同的，因此，定义有效排气阀封闭时的3
缸内容积Vexo[cm]及缸内压力Pexo。
缸内容积Vexo[cm]及缸内压力Pexo。
[0133] 此外，将有效排气阀封闭时的缸内压力定义为假定缸内压力Pex(＝排气压力≒大气压Pa)，将有效排气阀封闭时的缸内温度定义为假定缸内温度Tex(＝排气温度)。下文也将排气温度Tex简称为“排气温度Tex”。
[0135] 接着，对图4(b)所示的开始吸入新鲜气体时的气缸内状态进行说明。
[0136] 在进气冲程中，由于考虑到直到气缸内残留的内部EGR发生膨胀使得压力下降到进气歧管压力Pb以下之前，不会吸入新鲜气体，因此，使用多方(polytrope)数n，将开始吸入新鲜气体时(缸内压力与进气歧管压力相等的时刻)、内部EGR所占据的缸内容积Vegro表示为下式(5)。
[0137] [数学式5]n n
[0138] pex·Vex=pb·Vegro
[0139] 然而，式(5)所示的状态是吸入新鲜气体以前的状态，实际吸入新鲜气体以后的进气冲程结束时刻下的气缸内状态，在此情况下，温度、压力及密度的值均不同，因此，不能将其作为进气冲程结束时内部EGR所占据的容积。
[0140] 因此，如图4(c)所示，计算在进气冲程结束时的下止点处，内部EGR所占据的容积。另外，在图4(c)中，“@Tegr”表示“在绝热膨胀后的残留气体温度Tegr下的容积值”，“@Tin”表示“在进气冲程结束时的缸内温度Tin下的容积值”。
[0141] 内部EGR(Vex、Pex、Tex)发生绝热膨胀并变为进气冲程结束时的缸内压力Pin时刻时的内部EGR容积Vegr(参照图4(c)的左侧)表示为下式(6)。
[0142] [数学式6]
[0143] pex·Vexn=pin·Vegrn
[0144] 此外，若考虑绝热膨胀后的残留气体温度Tegr(参照图4(c)的左侧)，则表示为下式(7)。
[0145] [数学式7]
[0146]
[0147] 另外，若考虑气缸内被新鲜气体冷却，缸内压力保持一定，仅温度发生变化，并在该温度变为进气冲程结束时的缸内温度Tin[°K]时刻时的内部EGR容积Vegr'(参照图4(c)的右侧)，则能通过玻意耳·查理定律并按下式(8)来进行计算。
[0148] [数学式8]
[0149]
[0150]
[0151]
[0152] 由此，对假定残留气体容积Vex进行温度修正后得到的内部EGR容积Vex′即为吸入新鲜气体后的假定残留气体容积(修正后的假定残留气体容积)。
[0153] 由此，进气冲程结束时最终吸入的实际新鲜气体容积Vnew'(参照图4(c)的右侧)表示为下式(9)。
[0154] [数学式9]
[0155]
[0156] 接着，对气缸内吸入的新鲜气体量进行考虑。
[0157] 首先，在图4(c)中，定义进气冲程结束时的气缸内密度ρin(n)[g/cm3]及进气冲程结束时的缸内压力Pin(n)[kPa]。
[0158] 此时，使用气体常数R将一个冲程内的气缸吸入空气量Qc(n)T(n)表示为下式(10)。
[0159] [数学式10]
[0160] (∵pin=ρinRTin)
[0161] …(10)
[0162] 这里，若将进气冲程结束时的实际新鲜气体容积Vnew'的气缸内质量ρin·Vnew'(实际进入的进气量)与进气歧管新鲜气体质量ρb·Vnew′(推定体积效率为100%时进入的新鲜气体量)的比设为进气效率Kin，则由式(10)及上式(2)将体积效率修正系数Kv表示为下式(11)。
[0163] [数学式11]
[0164]
[0165]
[0166] 然而，由于式(11)中包含冲程容积Vc、最大容积Vmax和修正后的假定残留气体容积Vex′，因此，特别在排气量不同的发动机中，设定值会产生差异。因此，进行归一化，以使得可以用压缩比ε来进行描述。
[0167] 此时，气缸内的各容积和压缩比ε的关系表示为下式(12)。
[0168] [数学式12]
[0169] Vmax=Vc+Vmin
[0170]
[0171] 因此，根据式(11)及式(12)，体积效率修正系数Kv也能表示为下式(13)。
[0172] [数学式13]
[0173]
[0174]
[0175]
[0176] …(13)
[0177] 另外，在式(13)中，将排气结束后的假定残留气体容积Vex下的排气质量ρex·Vex(实际的残留气体量)，与把进气冲程结束时的余隙容积量的气缸内气体作为残留气体残留在气缸内时的质量ρin·Vin的比设为排气效率Kex。
[0178] 而且，由于对进气冲程结束时的内部EGR的容积进行了计算，因此，能够根据该时刻的内部EGR的质量和整个气缸内的气体质量的比，按照下式(14)那样来计算内部EGR率Regr。
[0179] [数学式14]
[0180]
[0181] 若对上述计算体积效率修正系数Kv及内部EGR率Regr的式(13)、式(14)进行整理并重新表示，则得到下式(15)。
[0182] [数学式15]
[0183]
[0184]
[0185] 由式(15)明确可知，为了计算体积效率修正系数Kv及内部EGR率Regr，需要求得进气效率Kin及排气效率Kex。
[0186] 为了计算进气效率Kin及排气效率Kex，可以考虑作为与发动机转速Ne、进气歧管压力、和进气VVT10及排气VVT11的相位角的映射进行存储的方法。
[0187] 然而，若如上所述作为多个参数的映射进行存储，则映射数量会变得庞大，相比于现有技术(生成体积效率修正系数Kv的映射)没有任何改进，因此，在本发明实施方式1中进行近似的计算处理。
[0188] 下面，对本发明实施方式1所涉及的进气效率Kin及排气效率Kex的近似计算处理进行详细说明。
[0189] 首先，在计算体积效率修正系数Kv的式(11)中，按照下式(16)那样来定义进气效率Kin。
[0190] [数学式16]
[0191]
[0192] 式(16)表明，若在进气歧管压力Pb及进气歧管温度Tb的基础上，使用通过利用缸内压力及排气温度而计算出的缸内压力Pin及缸内温度Tin，则能对进气效率Kin进行计算。然而，由于这些物理量(缸内压力Pin及缸内温度Tin)是现有的发动机控制中不使用的参数，因此，需要使用发动机控制中能够使用的物理量来推定缸内压力Pin及缸内温度Tin。
[0193] 首先，参照图5对进气冲程结束时的缸内压力Pin的计算处理进行说明。
[0194] 图5是表示利用缸内压力传感器(未图示)所测得的缸内压力和缸内容积之间的关系(P-V线图，双对数表示)的一个示例的说明图。
[0195] 图5中，横轴是缸内容积V[cc](对数轴)，纵轴是缸内压力Pin[kPa](对数轴)，虚线所包围的区域表示压缩冲程。
[0196] 这里，已知不伴随燃烧的压缩冲程的状态变化是多方变化，通常表示为下式。
[0197] [数学式17]
[0198] PVn=C(固定)
[0199] ∴logP＝-nlogV+logC…(17)
[0200] 另外，多方变化是指当对混合气体或燃烧气体进行压缩时，一部分热量实际上被外界气体、冷却水等带走，压力和温度之间的关系按照等温变化和绝热变化的中间变化来进行。
[0201] 由图5明确可知，若以双对数的坐标系来考虑燃烧前的状态变化，则如虚线区域所示，表示为斜率为-n 的一次函数。
[0202] 因此，为了计算进气冲程结束时(B180)的缸内压力Pin，可以根据点火前(燃烧前)的几个点(例如，虚线区域内的×部分)，对与B180相当的位置的缸内压力进行推定并求得其平均值。
[0203] 图6是表示如上所述计算出的进气冲程结束时的缸内压力Pin和进气歧管压力之间的关系的说明图。
[0204] 图6中，横轴是进气歧管压力峰值(规定曲柄角度间，例如B05间的最大值)Pbp[kPa]，纵轴是进气冲程结束时的缸内压力Pin[kPa]，与表示进气VVT10的相位角InVVT的数值IN(=0、25、45)的不同相对应的特性由沿着黑色菱形、黑色矩形、黑色三角形的点的多项式来表示。
[0205] 这里，使用进气歧管压力峰值Pbp而不使用进气歧管压力平均值(规定曲柄角度间，例如B05间的平均值)的理由在于，比起进气歧管压力平均值，进气歧管压力峰值能得到更好的相关性。
[0206] 因此，在下面的说明中，将使用进气歧管压力峰值Pbp来作为进气歧管压力Pb。
[0207] 另外，由于图6没有考虑排气VVT11，因此图6是仅由进气VVT10整理后得到的图，而与排气VVT11无关。
[0208] 由图6的特性(多项式)明确可知，对于每个进气VVT10，进气冲程结束时的缸内压力Pin可以由通过原点的进气歧管压力峰值Pbp的二次函数来进行近似，而与排气VVT11无关。
[0209] 此时，进气冲程结束时的缸内压力Pin表示为下式(18)。
[0210] [数学式18]2
[0211] Pin=A·Pbp+B·Pbp
[0212]
[0213] 其结果是，进气冲程结束时的缸内压力Pin和进气歧管压力峰值Pbp(进气管内压力)的压力比Pin/Pbp能够以进气歧管压力峰值Pbp的一次函数来进行近似。
[0214] 能够以上述方式来计算压力比Pin/Pbp的理由在于，可以认为压力比Pin/Pbp是当进气歧管压力峰值Pbp为规定值时，以多少的压力比将气体压入气缸内的指标。
[0215] 即，可以认为压力比Pin/Pbp通过与进气阀有关的进气VVT10的相位角InVVT和进气阀的开启期间(∝发动机转速Ne)来表示，而和与排气阀有关的重叠量或排气VVT11的相位角InVVT无关，此外，也不会对排气压力Pex(= 大气压Pa)产生影响。
[0216] 另一方面，能够根据进气歧管温度Tb、排气温度Tex及内部EGR率Regr，并按照下式(19)那样来计算缸内温度Tin。
[0217] [数学式19]
[0218] Tin=(1-Regr)×Tb+Regr×Tex…(19)
[0219] 这里，关于排气温度Tex，可以基于测定值来进行映射设定(例如，发动机转速Ne和进气歧管压力的映射)，也可以根据另外在发动机控制中计算出的热效率等指标来进行计算，更简单地也可以是设定为固定值(例如，800°C左右)。
[0220] 此外，也需要对内部EGR率Regr进行计算，但内部EGR率Regr可以由上式(15)计算得到。对于使用式(15)的情况，可以预先对后文阐述的排气效率Kex进行计算。
[0221] 如上所述，由于没有未知数，因此，能够根据式(16)对进气效率Kin进行近似计算。
[0222] 接着，对排气效率Kex的近似计算处理进行说明。
[0223] 首先，在式(13)中，将排气效率Kex定义为下式(20)。
[0224] [数学式20]
[0225]
[0226] 式(20)中，排气温度Tex、进气冲程结束时的缸内压力Pin在对进气效率Kin进行计算时已求得，假定缸内压力Pex可以由大气压Pa来代替，但对于假定残留气体容积Vex，需要另外进行计算。
[0227] 此外，还需要使用根据内部EGR率Regr而计算出的缸内温度Tin(参照式(19))。
[0228] 因此，为了在不使用缸内温度Tin的前提下计算出排气效率Kex，首先将式(16)代入式(15)，得到下式(21)。
[0229] [数学式21]
[0230]
[0231]
[0232] …(21)
[0233]
[0234] 这里，若根据式(19)并使用排气效率Kex表示缸内温度Tin以消去缸内温度Tin，则变为下式(22)。
[0235] [数学式22]
[0236]
[0237]
[0238]
[0239] 以下，若将式(22)代入式(21)，则变为下式(23)。
[0240] [数学式23]
[0241]
[0242]
[0243]
[0244] 通过式(23)，能够不使用缸内温度Tin，而由体积效率修正系数Kv、缸内压力Pin、进气歧管压力Pb等来求得排气效率Kex。
[0245] 若计算出了排气效率Kex，则内部EGR率Regr可以利用式(15)中计算得到，缸内温度Tin可以利用式(19)中计算得到。
[0246] 然而，由于式(23)中包含了未知数、即体积效率修正系数Kv，因此，理所应当地无法在发动机1的控制中使用。
[0247] 因此，使用式(23)而预先计算出排气效率Kex，并以近似方式对排气效率Kex进行计算。
[0248] 图7是表示使用式(23)所计算出的进气歧管压力峰值Pbp[kPa](横轴)和排气效率Kex(纵轴)之间的关系的说明图。
[0249] 另外，由于图7与图6一样，未考虑排气VVT11，因此图7是仅由进气VVT10整理后得到的图，而与排气VVT11无关。
[0250] 然而，与图6不同，图7中示出了根据排气VVT11也会有所不同的趋势。
[0251] 由图7明确可知，对于排气效率Kex，当Pbp=45～95[kPa]左右时，与进气歧管压力峰值Pbp有非常好的相关性，但当Pbp在100[kPa]以上时，则会下降。
[0252] 因此，对排气效率Kex进行线性近似，并另外对Pbp在100[kPa]以上的下降部分进行修正。
[0253] 图8是表示排气VVT11的相位角ExVVT在规定的进气VVT10的相位角InVVT下发生变化时的进气歧管压力峰值Pbp[kPa](横轴)和排气效率Kex(纵轴)之间的关系的说明图。
[0254] 有图8明确可知，进气歧管压力峰值Pbp在45～95[kPa]左右的范围内能够由一次函数来实现良好的近似。
[0255] 图9是对进气VVT10的相位角InVVT及排气VVT11的相位角ExVVT发生变化时的进气歧管压力峰值Pbp(横轴)和排气效率Kex(纵轴)之间的关系进行线性近似后的说明图。
[0256] 图10是表示排气效率Kex的计算值(图7)和排气效率Kex的线性近似值(图9)的误差ΔKex的说明图，横轴是进气歧管峰值Pbp[kPa]，纵轴是排气效率误差ΔKex。
[0257] 如图9所示，即使在规定相位角以外的进气VVT10的相位角InVVT及排气VVT11的相位角ExVVT下，也能得到线性近似后的结果。
[0258] 此外，如图10所示，排气效率误差ΔKex与各相位角InVVT、ExVVT无关，大致保持不变。
[0259] 由此，通过使用图10所示的多项式近似后的排气效率误差ΔKex来对线性近似值进行修正，由此能够良好地计算出排气效率Kex。
[0260] 如上所述，进行进气效率Kin及排气效率Kex的计算处理，和使用了进气效率Kin及排气效率Kex的体积效率修正系数Kv及内部EGR率Regr的计算处理，以起到气缸吸入空气量计算单元21内的体积效率修正系数计算单元22的作用。
[0261] 接着，参照图11～图14，对体积效率修正系数计算单元22的具体处理功能进行详细说明。
[0262] 图11是表示排气效率Kex的计算部的功能框图，图12是表示内部EGR率Regr及进气效率Kin的计算部的功能框图，图13是表示体积效率修正系数Kv的计算部的功能框图。
[0263] 此外，图14是表示本发明实施方式1所涉及的体积效率修正系数计算单元22的整体结构的功能框图，综合地示出了图11～图13的各个计算部(运算内容)。另外，图14中，对与图11～图13内功能相同的部分标注了相同的标号。
[0264] 图14中，体积效率修正系数计算单元22包括：排气效率计算系数设定部(计算增益设定部，计算偏移设定部)401、403，一次函数近似部(乘法器、加法器)402、404，Kex修正量设定部405，排气效率计算部(加法器)406，内部EGR率计算部(除法器)501，缸内温度计算部(排气温度设定部)502、503，进气效率计算系数设定部(计算增益设定部、计算偏移设定部)504、505，一次函数近似部(压力比计算部)506，进气效率计算部507，以及体积效率修正系数计算部601。
[0265] 首先，参照图11及图14，对排气效率Kex的计算部进行说明。
[0266] 图11中，排气效率Kex的计算部包括：基于发动机转速Ne和进气VVT10的相位角InVVT的映射的Kex计算增益设定部401，基于发动机转速Ne和进气VVT10的相位角InVVT的映射的Kex计算偏移设定部403，基于发动机转速Ne和进气歧管压力比(峰值)Rpp的映射的Kex修正量设定部405，将Kex计算增益的设定值与进气歧管压力比(峰值)Rpp相乘的乘法器402，将Kex计算偏移的设定值与乘法器402的乘法结果相加的加法器404，以及将Kex修正量(ΔKex)的设定值与加法器404的加法结果相加以计算出排气效率Kex的加法器406。
[0267] 在Kex计算增益设定部401及Kex计算偏移设定部403中，对于每个排气VVT11的相位ExVVT，还设定发动机转速Ne和进气VVT10的相位角InVVT的多个映射。
[0268] 由此，通过基于发动机1的控制过程中所获取的发动机转速Ne、各相位角InVVT及ExVVT，在上述映射值和映射值之间进行插值，从而能够对用于计算排气效率Kex的系数、即Kex计算增益及Kex计算偏移进行计算。
[0269] 另外，设定对于发动机转速Ne、每个各相位角InVVT及ExVVT计算出的线性近似的斜率及截距(参照图8)，来作为Kex计算增益设定部401及Kex计算偏移设定部403中的映射数据。
[0270] 接着，通过乘法器402及加法器404中的运算，并利用一次函数近似计算出排气效率Kex的基准值。
[0271] 另外，在图11的运算中，作为进气歧管压力峰值Pbp，虽然使用了由大气压Pa对进气歧管压力峰值Pbp进行归一化后得到的进气歧管压力比(峰值)Rpp，但也可以直接使用进气歧管压力峰值Pbp。
[0272] 另一方面，Kex修正量设定部405使用发动机转速Ne和进气歧管压力比(峰值)Rpp的映射数据，来计算Kex修正量、即ΔKex。
[0273] 设定图10所示的排气效率误差ΔKex，以作为Kex修正量的映射数据。
[0274] 最后，加法器406将利用一次函数近似计算出的排气效率Kex的基准值和Kex修正量(=ΔKex)相加，由此计算出排气效率Kex。
[0275] 由此，能够通过简单的运算和较少的数据来计算排气效率Kex。
[0276] 接着，参照图12及图14，对内部EGR率Regr及进气效率Kin的计算部进行说明。
[0277] 图12中，内部EGR率Regr及进气效率Kin的计算部包括：用压缩比ε对排气效率Kex进行除法运算的除法器501，基于发动机转速Ne和进气歧管压力比(峰值)Rpp的映射的排气温度设定部502，基于除法器501的除法结果、排气温度Tex及进气歧管温度Tb的缸内温度计算部503，基于发动机转速Ne和进气VVT10的相位角InVVT的映射的Pin计算增益设定部504，基于发动机转速Ne和进气VVT10的相位角InVVT的映射的Pin计算偏移设定部505，基于进气歧管压力峰值Pbp和来自各设定部504、505的Pin计算增益及Pin计算偏移的设定值的压力比计算部506，以及基于进气歧管温度Tb和来自各计算部503、506的计算结果(缸内温度Tin、压力比Pin/Pbp)的进气效率计算部507。
[0278] 首先，除法器501基于由排气效率Kex的计算部(图11)所计算出的排气效率Kex和压缩比ε，使用上式(15)来计算内部EGR率Regr，排气温度设定部502基于发动机转速Ne和进气歧管压力比(峰值)Rpp的映射来计算排气温度Tex。
[0279] 另外，可以对每个发动机转速Ne和进气歧管压力峰值Pbp设定测定值，来作为排气温度设定部502中的映射数据。
[0280] 或者，可以不使用映射，而使用在发动机控制中另外计算出的热效率等指标，来计算排气温度Tex，更简单地，还可以将排气温度Tex设为固定值(例如，800°C左右)。
[0281] 接着，缸内温度计算部503基于之前已算出的内部EGR率Regr及排气温度Tex，和另外测定到的进气歧管压力Tb，并使用上式(19)来计算进气冲程结束时的缸内温度Tin。
[0282] 另一方面，Pin计算增益设定部504及Pin计算偏移设定部505使用发动机转速Ne和进气VVT10的相位角InVVT的映射数据，来对用于计算压力比Pin/Pbp的系数、即Pin计算增益Kgain及Pin计算偏移Kofs进行计算。
[0283] 接着，压力比计算部506基于进气歧管压力峰值Pbp、Pin计算增益Kgain及Pin计算偏移Kofs，并使用上式(18)来计算压力比Pin/Pbp。
[0284] 最后，进气效率计算部507基于进气冲程结束时的缸内温度Tin、进气歧管温度Tb及压力比Pin/Pbp，并使用上式(18)来计算进气效率Kin。
[0285] 接着，参照图13及图14，对体积效率修正系数Kv的计算部进行说明。
[0286] 图13中，体积效率修正系数Kv的计算部包括体积效率修正系数计算部601。
[0287] 体积效率修正系数计算部601基于由排气效率Kex的计算部(图11)所计算得到的排气效率Kex、由内部EGR率Regr及进气效率Kin的计算部(图12)所计算得到的进气效率Kin、以及压缩比ε，并使用上式(15)，来计算体积效率修正系数Kv。
[0288] 由此，能够在气缸吸入空气量计算单元21内的体积效率修正系数计算单元22中，对体积效率修正系数Kv及内部EGR率Regr进行计算。
[0289] 如上所述，为了对在电子控制节流器4(节流阀)的下游侧的进气歧管6(进气管)上设置的发动机1(内燃机)的气缸吸入空气量Qc(n)T(n)及内部EGR率Regr进行推定，本发明实施方式1(图1～图14)所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置包括：对表示从进气管进入气缸内的空气量的指标、即体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)进行计算的体积效率修正系数计算单元22(体积效率等效值计算单元)，使用体积效率等效值来对气缸内实际吸入的空气量进行推定的气缸吸入空气量计算单元21(气缸吸入空气量推定单元)，以及基于用于计算体积效率等效值的内部变量来对内部EGR率Regr进行推定的内部EGR率推定单元(ECU20)。
[0290] 体积效率修正系数计算单元22(体积效率等效值计算单元)(图13、图14)基于排气效率Kex和进气效率Kin来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)，其中，排气效率Kex是表示燃烧后的废气未从气缸内排出到排气歧管13(排气管)而残留在气缸内的残留气体量的指标，进气效率Kin是除了残留气体的量以外、从进气管进入气缸内的空气量的指标。
[0291] 此外，内部EGR推定单元(图12、图14)基于排气效率Kex来计算内部EGR率Regr。
[0292] 根据上述结构，由基于表示新鲜气体量的进气效率Kin和表示残留气体量的排气效率Kex来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及内部EGR率Regr，因此，能够根据运转状态来对体积效率等效值及内部EGR率Regr高精度地进行计算。
[0293] 此外，本发明实施方式1所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置包括：设置在电子控制节流器4(节流阀)的上游侧、并对通过节流阀而被吸入到发动机1(内燃机)的吸入空气量进行检测的AFS2(吸入空气量检测单元)，以及对通过节流阀的空气进入气缸内为止的进气系统的响应滞后进行模型化后得到的物理模型。
[0294] 对于这种情况，气缸吸入空气量计算单元21(气缸吸入空气量推定单元)基于吸入空气量、体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及物理模型，来推定实际被吸入到气缸内的气缸吸入空气量Qc(n)T(n)。
[0295] 根据上述结构，在利用AFS2进行的进气量测定中，使用简化后的物理模型和体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)来计算气缸吸入空气量，因此，能够在较少的适应常数及较少的运算负担下，以足够的精度对气缸吸入空气量Qc(n)T(n)进行推定，从而对发动机1进行适当地控制。
[0296] 此外，体积效率修正系数计算单元22(体积效率等效值计算单元)(图13、图14)使用基于进气效率Kin、排气效率Kex及压缩比ε的式(15)来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)，内部EGR率推定单元(图12)使用基于排气效率Kex及压缩比ε的式(15)来计算内部EGR率Regr。
[0297] 根据上述结构，由于通过式(15)来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及内部EGR率Regr，因此，能够基于理论来对体积效率等效值及内部EGR率进行高精度地推定。
[0298] 此外，使用基于进气冲程结束时的缸内压力Pin[kPa]、进气管内压力Pb[kPa]、进气冲程结束时的缸内温度Tin[°K]及进气管内温度Tb[°K]的式(16)，来计算进气效率Kin。
[0299] 根据上述结构，由于通过式(16)来计算进气效率Kin，因此，能够基于理论来对进气效率Kin进行高精度地推定。
[0300] 此外，将进气效率Kin的计算中所使用的、进气冲程结束时的缸内压力Pin和进气歧管压力Pb(进气管内压力)的压力比Pin/Pb(Pin/Pbp)近似为进气管内压力Pb的一次函数。
[0301] 根据上述结构，由于将式(16)内的压力比Pin/Pb近似为进气管内压力的一次函数，因此，能够在较少的适应常数及较少的运算负担下，对进气效率进行高精度地推定，从而对发动机1进行适当地控制。
[0302] 此外，使用基于气缸余隙容积(上止点时的容积)Vmin[cc]、残留气体容积Vex[cc]、进气冲程结束时的缸内压力Pin[kPa]、排气管内压力Pex[kPa]、进气冲程结束时的缸内温度Tin[°K]、及排气温度Tex[°K]的式(20)，来计算排气效率Kex。
[0303] 根据上述结构，由于通过式(20)来计算排气效率Kex，因此，能够基于理论来对排气效率Kex进行高精度地推定。
[0304] 此外，由于将排气效率Kex近似为进气歧管压力Pb(进气管内压力)的一次函数，因此，能够在较少的适应常数及较少的运算负担下，对排气效率进行高精度地推定，从而对发动机1进行适当地控制。
[0305] 而且，由于使用发动机1(内燃机)的规定曲柄角度间的进气歧管压力峰值Pbp(进气管内压力的最大值)来作为进气歧管压力Pb(进气管内压力)，因此，能够对体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)进行高精度地推定。
[0306] 根据本发明的实施方式1，在设置有进气VVT10及排气VVT(可变阀门机构)的内燃机的控制装置中，基于表示新鲜气体吸入量的进气效率Kin和表示残留气体量的排气效率Kex来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及内部EGR率Regr，因此，能够根据运转状态来对体积效率等效值及内部EGR率进行高精度地计算。
[0307] 此外，通过对进气系统的简化后的物理模型、以及简化后的物理模型中所使用的体积效率修正系数进行近似计算，由此能够在不需要庞大的存储容量的情况下，以较少的适应常数及较少的运算负担，对气缸吸入空气量及内部EGR量进行高精度地推定，从而对发动机1进行适当地控制。
[0308] 即，基于排气效率Kex(进气管内压力的一次函数)和进气效率Kin(进气管内压力的一次函数)来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及内部EGR率Regr，其中，所述排气效率Kex是表示燃烧后的废气未从气缸内排出到排气歧管13(排气管)而残留在气缸内的残留气体量的指标，所述进气效率Kin是表示除去残留气体量以外、从进气歧管6(进气管)进入气缸内的空气量的指标，因此，能够以较少的适应常数来进行高精度地推定。
[0309] 实施方式2
[0310] 在上述实施方式1(图1、图2)中，示出了在具备进气VVT10及排气VVT11的发动机1中，通过设置在进气管的电子控制节流器4的上游侧的AFS2来对空气量进行测定的AFS方式的结构示例，但也可以不使用AFS2，而如图15及图16所示，使用如下结构：即，设置对发动机1的进气歧管压力Pb(进气管内压力)进行测定的进气歧管压力传感器7，并根据由进气歧管压力传感器7测定到的进气歧管压力Pb和发动机转速Ne来对吸入气缸的空气量进行推定的S/D(Speed/Density：速度/密度)方式。
[0311] 图15是简要地表示本发明实施方式2所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置的结构图，图16是简要地表示本发明实施方式2所涉及的发动机及发动机控制部的结构框图。
[0312] 在图15、图16中，对于与上文(参照图1、图2)相同的部分，赋予与上文相同的标号，对于与上文相对应的部分，在其标号后附加“A”。
[0313] 本发明的实施方式2与上述实施方式1的共同点较多，因此，将围绕与上述内容(图1、图2)的不同点来进行说明。
[0314] 图15及图16与图1及图2的不同点仅在于：未在发动机1的进气系统的上游侧设置对吸入空气量进行测定的AFS2。
[0315] 图15中，发动机1的进气系统中设置有被进行电子控制以对吸入空气量进行调整的电子控制节流器4。
[0316] 此外，电子控制节流器4上设置有用于对开度进行测定的节流开度传感器3。
[0317] 而且，电子控制节流器4的下游侧设置有对包括气室5及进气歧管6内部的空间(进气歧管)的压力(进气歧管压力)进行测定的进气歧管压力传感器7，以及对进气歧管内的温度(进气歧管温度Tb)进行测定的进气温度传感器8。
[0318] 在进气歧管6的进气阀附近设置有用于对燃料进行喷射的喷射器9，且在进气阀及排气阀上分别设置有用于使阀正时可变的进气VVT10及排气VVT11。
[0319] 此外，在气缸盖上设置有用于对在气缸内产生火花的火花塞进行驱动的点火线圈12。另外，在排气歧管13中设置有未图示的氧气传感器和催化剂。
[0320] 图16中，将由节流开度传感器3测定得到的电子控制节流器4的开度，由进气歧管压力传感器7测定得到的进气歧管压力Pb，由进气温度传感器8测定得到的进气歧管温度Tb，以及由大气压传感器14测定得到的大气压Pa输入至ECU20A。
[0321] 另外，可以使用对大气压Pa进行推定的单元，或者使用内置在ECU20A中的大气压传感器，来代替对大气压Pa进行测定的大气压传感器14。
[0322] 此外，也从上述以外的各种传感器(未图示的油门开度传感器、曲柄角度传感器等)向ECU20A输入测定值。
[0323] 在ECU20A内的气缸吸入空气量计算单元21A(细节将在后文中阐述)中，根据由进气歧管压力传感器7测定得到的进气歧管压力Pb来计算气缸吸入空气量。
[0324] ECU20A基于由气缸吸入空气量计算单元21A计算得到的气缸吸入空气量来对喷射器9及点火线圈12进行驱动控制。
[0325] 此外，ECU20A根据输入的各种数据(油门开度等)来计算目标转矩，并计算用于达到计算出的目标转矩的目标气缸吸入空气量，并计算目标节流开度、目标进气VVT相位角及目标排气VVT相位角，以达到目标气缸吸入空气量，并对电子控制节流器4的开度、进气VVT10及排气VVT11的各相位角InVVT、ExVVT进行控制，以达到这些目标值。另外，还根据需要对未图示的其它各种致动器进行控制。
[0326] 接着，参照图15对气缸吸入空气量计算单元21A，即用于根据进气歧管压力传感器7测定得到的进气歧管压力Pb，来计算气缸吸入空气量的进气系统的物理模型，进行详细说明。
[0327] S/D方式的气缸吸入空气量Qc(n)T(n)的计算式基本上使用上式(2)的进气歧管内的新鲜气体密度及一个冲程内的平均值ρb(n)，并进一步通过状态方式(P=ρRT)来表示为使用了进气歧管压力Pb(n)及进气歧管温度Tb(n)的下式(24)。
[0328] [数学式24]
[0329]
[0330]
[0331] 另外，式(24)内的各个物理量的定义与上述实施方式1相同。
[0332] 对于S/D方式的情况，因为在不使用AFS2的情况下，无法对吸入空气量Qa(n)T(n)进行测定，因此，通过使用下式(25)所表示的空燃比A/F，能够在发动机控制常数的适当时候，对体积效率修正系数Kv进行计算。
[0333] [数学式25]
[0334]
[0335] 式(25)中，Qf(n)是燃料喷射量，通常能够利用喷射器9的流量特性和喷射器9的驱动脉冲宽度来进行计算。
[0336] 接着，参照图17的流程图，对在ECU20A中实现式(24)的处理顺序，即在每个规定的曲柄角度的中断处理(例如，B05处理)中执行气缸吸入空气量计算单元21A的步骤进行详细说明。
[0337] 图17是表示本发明实施方式2所涉及的气缸吸入空气量的计算处理的流程图，各步骤702～704分别与上述(图3)中的各步骤302、301、306相对应。
[0338] 图17中，气缸吸入空气量计算单元21A首先计算出一个冲程内的进气歧管压力平均值Pb(n)[kPa](步骤701)。
[0339] 为实现步骤701的计算处理，可以每隔例如1.25ms进行采样以对进气歧管压力传感器7的输出电压进行累计，并用从前一次中断处理到本次中断处理为止的期间的累计值除以累计次数。由此，能够计算出一个冲程内的进气歧管压力平均值Pb(n)[kPa]。
[0340] 接着，计算体积效率修正系数Kv(n)(步骤702)。
[0341] 步骤702的处理相当于体积效率修正系数计算单元22A，体积效率修正系数计算单元22A内的体积效率修正系数Kv(n)的计算部进行与上述(参照图13)相同的运算处理。
[0342] 接着，通过式(24)来进行实际气缸吸入空气量的运算(步骤703)，最后对步骤703中计算出的实际气缸吸入空气量Qc(n)T(n)[g]进行储存(步骤704)，图17的处理程序结束。
[0343] 如图17所示，通过使用了体积效率修正系数Kv(n)的简单的运算处理，能够对实际气缸吸入空气量Qc(n)T(n)[g]进行高精度地计算。
[0344] 由此，无论是在上述AFS方式中，或是在本发明实施方式2所涉及的S/D方式中，都能通过进气系统的简化后的物理模型来进行实际气缸吸入空气量Qc(n)T(n)[g]的计算。
[0345] 此外，对于实际气缸吸入空气量的计算过程中所需要的体积效率修正系数Kv，通过近似计算，能够在不需要庞大的存储容量的情况下，以较少的适应常数和较少的运算负担，并以足够的精度进行计算，从而对发动机1进行适当地控制，并且也能够同时计算内部EGR率Regr。
[0346] 如上所述，为了对在电子控制节流器4(节流阀)的下游侧的与进气歧管6(进气管)设置的发动机1(内燃机)的气缸吸入空气量Qc(n)T(n)、以及内部EGR率Regr进行推定，本发明实施方式2(图15～图17)所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置包括：对表示从进气管进入气缸内的空气量的指标、即体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)进行计算的体积效率修正系数计算单元22A(体积效率等效值计算单元)，使用体积效率等效值来对实际吸入气缸内的空气量进行推定的气缸吸入空气量计算单元21A(气缸吸入空气量推定单元)，以及基于用于计算体积效率等效值的内部变量来对内部EGR率Regr进行推定的内部EGR率推定单元(ECU20A)。
[0347] 体积效率修正系数计算单元22A(体积效率等效值计算单元)基于排气效率Kex和进气效率Kin来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)，其中，所述排气效率Kex是表示燃烧后的废气未从气缸内排出到排气歧管13(排气管)而残留在气缸内的残留气体量的指标，所述进气效率Kin是除去残留气体的量以外、从进气管进入气缸内的空气量的指标。
[0348] 此外，内部EGR推定单元基于排气效率Kex来计算内部EGR率Regr。
[0349] 根据上述结构，由基于表示新鲜气体量的进气效率Kin和表示残留气体量的排气效率Kex来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及内部EGR率Regr，因此，能够根据运转状态来对体积效率等效值及内部EGR率Regr进行高精度地计算。
[0350] 此外，本发明实施方式2所涉及的内燃机的气缸吸入空气量及内部EGR率的推定装置包括对进气管内的压力进行检测以作为进气歧管压力Pb(进气管内压力)的进气歧管压力传感器7(进气管内压力检测单元)。
[0351] 对于这种情况，气缸吸入空气量计算单元21A(气缸吸入空气量推定单元)基于进气管内压力及体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)来对实际吸入气缸内的空气量进行推定。
[0352] 根据上述结构，在S/D所进行的进气量测定中，使用简化后的物理模型和体积效率等效值来计算气缸吸入空气量，因此，能够以较少的适应常数和较少的运算负担，以足够的精度对气缸吸入空气量进行推定，从而对发动机进行适当地控制。
[0353] 此外，体积效率修正系数计算单元22A(体积效率等效值计算单元)使用基于进气效率Kin、排气效率Kex及压缩比ε的式(15)来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)，内部EGR率推定单元(图12)使用基于排气效率Kex及压缩比ε的式(15)来计算内部EGR率Regr，因此，能够基于理论来对体积效率等效值及内部EGR率进行高精度地推定。
[0354] 此外，使用基于进气冲程结束时的缸内压力Pin[kPa]、进气管内压力Pb[kPa]、进气冲程结束时的缸内温度Tin[°K]、以及进气管内温度Tb[°K]的式(16)，计算进气效率Kin，因此，能够基于理论来对进气效率Kin进行高精度地推定。
[0355] 此外，在计算进气效率Kin时，将式(16)中所使用的、进气冲程结束时的缸内压力Pin和进气歧管压力Pb(进气管内压力)的压力比Pin/Pb(Pin/Pbp)近似为进气管内压力的一次函数，因此，能够以较少的适应常数及较少的运算负担，对进气效率进行高精度地推定，从而对发动机1进行适当地控制。
[0356] 此外，使用基于气缸余隙容积(上止点时的容积)Vmin[cc]、残留气体容积Vex[cc]、进气冲程结束时的缸内压力Pin[kPa]、排气管内压力Pex[kPa]、进气冲程结束时的缸内温度Tin[°K]、以及排气温度Tex[°K]的式(20)，计算排气效率Kex，因此，能够基于理论来对排气效率Kex进行高精度地推定。
[0357] 此外，由于将排气效率Kex近似为进气歧管压力Pb(进气管内压力)的一次函数，因此，能够以较少的适应常数及较少的运算负担，对排气效率进行高精度地推定，从而对发动机1进行适当地控制。
[0358] 而且，由于使用发动机1(内燃机)的规定曲柄角度间的进气歧管压力峰值Pbp(进气管内压力的最大值)来作为进气歧管压力Pb(进气管内压力)，因此，能够对体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)进行高精度地推定。
[0359] 根据本发明的实施方式2，在设置有进气VVT10及排气VVT(可变阀门机构)的内燃机的控制装置中，基于表示新鲜气体吸入量的进气效率Kin和表示残留气体量的排气效率Kex来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及内部EGR率Regr，因此，能够根据运转状态来对体积效率等效值及内部EGR率进行高精度地计算。
[0360] 此外，通过对进气系统的简化后的物理模型，以及在简化后的物理模型中所使用的体积效率修正系数进行近似计算，能够在不需要庞大的存储容量的情况下，以较少的适应常数及较少的运算负担，对气缸吸入空气量及内部EGR量进行高精度地推定，从而对发动机1进行适当地控制。
[0361] 也就是说，基于排气效率Kex(进气管内压力的一次函数)进气效率Kin(进气管内压力的一次函数)来计算体积效率修正系数Kv(体积效率等效值)及内部EGR率Regr，其中，所述排气效率Kex是表示燃烧后的废气不从气缸内排出到排气歧管13(排气管)、而残留在气缸内的残留气体量的指标，所述进气效率Kin是表示除去残留气体量以外、从进气歧管6(进气管)进入气缸内的空气量的指标，因此，能够以较少的适应常数来进行高精度地推定。
[0362] 标号说明
[0363] 1 发动机(内燃机)
[0364] 2 AFS(吸入空气量检测单元)
[0365] 3 节流开度传感器
[0366] 4 电子控制节流器(节流阀)
[0367] 5 气室
[0368] 6 进气歧管
[0369] 7 进气歧管压力传感器(进气管内压力检测单元)
[0370] 8 进气温度传感器
[0371] 9 喷射器
[0372] 10 进气VVT
[0373] 11 排气VVT
[0374] 12 点火线圈
[0375] 13 排气歧管
[0376] 14 大气压传感器
[0377] 20、20A ECU(电子控制单元)
[0378] 21、21A 气缸吸入空气量计算单元
[0379] 22、22A 体积效率修正系数计算单元
[0380] 501 内部EGR率计算部(除法器)
[0381] 503 缸内温度计算部
[0382] 506 压力比计算部
[0383] 507 进气效率计算部
[0384] 601 体积效率修正系数计算部
[0385] ExVVT 排气VVT的相位角
[0386] InVVT 进气VVT的相位角
[0387] Kex 排气效率
[0388] Kin 进气效率
[0389] Kv 体积效率修正系数(体积效率等效值)
[0390] Pa 大气压
[0391] Pb 进气歧管压力(进气管内压力)
[0392] Pb(n) 进气歧管压力平均值
[0393] Pbp 进气歧管压力峰值
[0394] Pex 排气压力(有效排气阀封闭时的缸内压力：排气管内压力)
[0395] Pin缸内压力
[0396] Pin/Pb、Pin/Pbp 压力比
[0397] Qa 吸入空气量(实际吸入空气量)
[0398] Qa(n) 吸入空气量(平均值)
[0399] Qc 气缸吸入空气量(实际气缸吸入空气量)
[0400] Qc(n) 气缸吸入空气量(平均值)
[0401] Regr 内部EGR率
[0402] Tb 进气歧管温度(进气管内温度)
[0403] Tegr 残留气体温度
[0404] Tex 排气温度(有效排气阀封闭时的缸内温度)
[0405] Tin 缸内温度
[0406] Vex 残留气体容积
[0407] Vmax 最大容积
[0408] Vmin 余隙容积
[0409] Vnew 实际新鲜气体容积
[0410] Vs 进气管容积
[0411] ΔKex 排气效率误差
[0412] ε 压缩比
[0413] ρb 进气歧管新鲜气体质量(平均值)
[0414] ρex 排气质量
[0415] ρin 气缸内密度
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