专利名称：内燃机的进气量估算装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种进气量估算装置，根据进气系统相关模型(仿真模型和物理模型)来估计内燃机气缸的进气量。
背景技术：
为了得到在内燃机中燃烧的混和气的预定空燃比，必须先精确地得到内燃机气缸(气缸燃烧室)的进气量(下文将代称为“气缸进气量Mc”)。通常，在内燃机的进气道上有一个空气流量传感器，气缸进气量Mc是根据该空气流量传感器的输出而估算出来的。可是，当内燃机处于非稳态过程，例如，节气门开度随着时间的变化而剧烈变化的时候，就难以通过空气流量传感器的输出来精确地得到气缸进气量Mc。因此，在近年来，有许多学者尝试使用进气系统相关模型来精确地估算气缸进气量Mc，这些进气系统相关模型表现为在流体力学或相关基础上得到的表达式(例如，参见日本发明专利No.6-74076)。图21指示了本发明的申请人一直在研究的一种进气量估算装置。该进气量估算装置包括一个电子控制节气门模型M10，一个节气门模型M20，一个进气阀模型M30，以及一个进气管模型M40。
那么，在进气阀关闭的时候，气缸进气量Mc是确定的，并且与气缸内部压力成比例。在进气阀关闭的时候气缸内部压力可以看作与进气阀上游的压力相等；即，与进气管内的空气压力Pm相等(进气管压力)。因此，如图21所示的进气量估算装置适应于使用模型M10～M40来估算进气阀关闭时刻的进气管空气压力Pm，并从进气管空气压力Pm来估算气缸进气量Mc。
更具体地说，电子控制节气们模型M10适应于估算进气阀关闭时刻的节气门开度θt。节气门模型M20是在能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律以及状态方程的基础上得到的模型，它适应于估算通过节气门的气流率mt(节气门空气流量)。
进气阀模型M30适应于从进气管空气压力Pm、进气管空气温度Tm、进气温度Ta及其它参数来估算气缸进气流率mc。也就是说，如上所述，由于气缸进气流率mc看作与进气管空气压力Pm成比例，所以，该进气阀模型M30是按照经验定律的方程(1)未得到气缸进气流率Mc。
mc＝(Ta/Tm)·(c·Pm-d) …(1)在上述方程(1)中，c代表比例系数，d代表气缸中残余的燃气量(该值可以看作与排气阀关闭时刻气缸内的燃气量，下文将代称为“残余燃气量d”)。该进气阀模型M30储存有以发动机转速Ne、进气阀打开/关闭时刻VT、进气阀最大升程Lmax及其它参数来确定比例系数c和残余燃气量d之间关系的图表(查值表或关系图表)。该进气阀模型M30在储存的图表、实际的发动机转速Ne、进气阀打开/关闭时刻VT、以及进气阀最大升程Lmax的基础上来获得比例系数c和残余燃气量d。在计算时，进气阀模型M30在方程(1)中，应用由后还的进气管模型M40已经估算出来的即将(最新)在进气阀关闭时刻的进气管空气压力Pm和进气管空气温度Tm来估算气缸进气流量Mc。
进气管模型M40适应于通过由节气门模型M20估算得到的节气门通道空气流量、由进气阀模型M30估算得到的气缸进气流率mc、并根据分别在质量守恒定律和能量守恒定律的基础上得到的表达式来估算进气管空气压力Pm。该进气量估算装置适应于在进气阀关闭时刻进气管空气压力Pm的基础上估算气缸进气量Mc，该进气管空气压力Pm由进气管模型M40估算。
但是，在上述的进气阀模型M30中，比例系数c和残余燃气量d是通过包含多个参数，例如发动机转速Ne、进气阀打开/关闭时刻VT、以及进气阀最大升程Lmax的查值表来得到的；气缸进气流率mc是在比例系数c和残余燃气量d的基础上估算出来的。因此，进气阀模型M30具有以下的问题由于各种参数所有可能的组合数目十分巨大，确定用于精确估算气缸进气流率mc用的比例系数c和残余燃气量d具有难度；比例系数c和残余燃气量d的正确性检查(调整)也是一个繁重的工作。
发明公开本发明的用于内燃机的一种进气量估算装置为了克服以上的问题而发明的，它包括包含用于使用在能量守恒定律基础上得到的气缸模型来估算气缸内部压力的气缸压力估算装置在内的进气量估算装置，该进气量估算装置在估算得到的气缸内部压力的基础上估算气缸进气量，该气缸进气量代表流进入气缸的空气量。
根据本发明，气缸内部压力(气缸压力)可以通过计算得到。算出的气缸压力可用于计算气缸进气量。因此，无需根据多个参数的组合来对图表上的值(比例系数c，残余燃气量d及其它)进行正确性检查(调整)就可精确地得到气缸进气量。
在这种情况下，适用于上述气缸压力估算装置使用的气缸模型在表达式dPc/dt＝(κ·R·Tm/Vc)·mc-(κ·Pc/Vc)·(dVc/dt)+(κ-1)·Q/Vc的基础上设定，其中Pc为气缸内部压力，κ为确定热量的比率，R为燃气常数，Tm为气缸进气温度，Vc为气缸体积，mc为代表进入气缸的空气流动率的气缸进气流率，Q为在气缸与气缸外部之间传递的热量。
在上述的方程中，适用于将热量Q忽略。由于热量Q相对比较小，所以，将热量Q忽略可以气缸内部压力的计算更为简单，也不会对气缸内部压力的计算带来本质上的误差。
进气量估算装置设计适用于为通过使用与进气阀的空气流量相关、并在能量守恒定律、动量守恒定律和质量守恒定律的基础上获得的进气阀模型来得到代表进入气缸的空气流动率的气缸进气流率，并在该气缸进气流率的基础上估算气缸进气量。也就是说，该进气阀模型从上述的估算得出的气缸内部压力来估算气缸进气流率。
根据这种设计结构，由于气缸进气量可以使用表现为与物理定律对应的模型(表达式)来计算，而不是使用经验方程来计算，因而提高了气缸进气量的估算精度。
该进气量估算装置设计适用于通过使用与排气阀的空气流量相关、并在能量守恒定律、动量守恒定律和质量守恒定律的基础上获得的排气阀模型来估算气缸进气量。
根据上述的这种设计结构，由于考虑了流过排气阀的气缸进气量，因而提高了气缸进气量的估算精度。
气缸压力估算装置设计适用于根据假设气缸体积固定、从代表气缸模型的表达式解答出的代表式，以及假设气缸进气流率为0、从代表气缸模型的表达式解答出的代表式来计算气缸内部压力。
根据上述这种结构，在使用数字计算机来计算气缸压力中无需过分缩短计算周期就可以较少估算结果的搜索现象。而所估算出的压力值可近似为气缸内部实际压力。
为了得到进气阀模型的输入量，进气量估算装置设计适用于使用一个与节气门空气流量相关的节气门模型、并根据一个计算方程来得到代表流过内燃机节气门的空气流动率的节气门空气流量；该进气量估算装置进一步包括进气流率测量装置，该进气流率测量装置用于实际测量代表流过内燃机进气通道的空气流量的进气流率，以及一个节气门模型修正部件，该节气门模型修正部件用来修正用于节气门模型计算方程的一个值，并根据以下的因素当内燃机处于稳态过程，由进气流率测量装置测量的进气流率与通过进气阀模型得到的气缸进气流率相等。
在这种情况下，节气门模型计算方程最好是在能量守恒定律、动量守恒定律和质量守恒定律的基础上获得的。
当内燃机的节气门开度比较小时，节气门开度的一个很小的变化也会使流过节气门的空气流量(节气门空气流量)发生大的变化。因此，节气门空气流量很容易受到节气门和进气管道的成品差异(个体的差异或制造的变化)所影响。结果，在某些情况下，内燃机中相同设计的节气门模型可能无法精确地估算节气门空气流量。
因此，如上所述，使用节气门模型修正部件来修正节气门模型，可以进一步提高进气量的估算精度。具体地说，由于在内燃机处于稳态过程时进气通道中的空气流量是稳定的，由进气流率测量装置(如空气流量计)测量的进气流率与使用进气阀模型得到的气缸进气流率相等。根据这个事实，节气门模型修正部件对用于节气门模型计算方程的一个值(特别地，一个流量系数)进行修正。
更具体地说，节气门模型修正部件根据由进气流率测量装置测量的进气流率与使用进气阀模型得到的气缸进气流率相等的这个事实，并假设节气门空气流量与由进气流率测量装置测量的进气流率相等，来获得用于节气门模型的进气管道空气压力。
然后，该节气门模型修正部件在获得的进气管空气压力和假设的节气门空气流量的基础上，获得流量系数的一个合适的值，并在该流量系数的一个合适的值的基础上对用于节气门模型得流量系数进行修正，从而对节气门模型进行修正。
也就是说，当内燃机处于稳态过程时，无需使用节气门模型，节气门模型修正部件就可以确定节气门模型的输入和输出值；并反过来在该输入和输出值的基础上获得一个流量系数和节气门模型的计算方程；并将获得的流量系数用于节气门空气流量的计算中。
因此，即使在节气门开度变化很大的非稳态过程中，也可以通过合适得流量系数来获得节气门空气流量，从而进一步提高气缸进气量的估算精度。
图纸的简单说明
图1是一个系统结构框图，该系统设计成用于火花点火式多缸内燃机上的一个喷油量控制装置包含对应本发明第一个实施例的一个进气量估算装置。
图2是一个原理平面图，指示了如图1所示一个特定气缸的燃烧室，以及该燃烧室的外围区域。
图3是如图1所示的一个空气流量计的原理透视图。
图4是如图3所示空气流量计的热丝测量部分的放大透视图。
图5是确定空气流量计的输出和进气流率之间的关系的一个图表，该图表为图1中的CPU所参考。
图6是如图1所示的用电子控制装置来估算气缸进气量而采用的多个模型之间互相连接的功能框图。
图7是确定加速踏板行程与目标节气门开度之间的关系的图表，该图表为图1中的CPU所参考。
图8是确定节气门开度与流量系数之间的关系的图表。
图9是确定节气门开度与一个打开面积之间的关系的图表。
图10是确定节气门开度与流量系数和打开面积的乘积之间的关系的图表。
图11是确定进气阀升程与流量系数和打开面积的乘积之间的关系的图表。
图12是一个气缸及其外围部件的原理图，用于解释代表气缸模型的各种参数。
图13是解释利用该气缸模型计算气缸压力的结果的时间图表。
图14是如图1所示CPU执行的一个程序的流程图。
图15是如图1所示CPU执行的一个程序的流程图。
图16是如图1所示CPU执行的一个程序的流程图。
图17是如图1所示CPU执行的一个程序的流程图。
图18是根据本发明的喷油量控制装置(进气量估算装置)的第一个实施例的变体的功能框图。
图19是确定相应的放热总量与根据从空气流量计输出的一个值而确定的节气门空气流量之间的关系的图表，该图表为图1中的CPU所参考。
图20是根据本发明的喷油量控制装置(进气量估算装置)的第一个实施例的另一个变体的功能框图。
图21是本发明申请人一直在研究的一个喷油量控制装置(进气量估算装置)的功能框图。
图22时根据本发明第二个实施例一个包含进气量估算装置的节气门模型修正部件的功能框图。
图23是图22中的一个进气管道空气压力反转模型的功能框图。
内燃机10包括一个气缸体部件20，该气缸体包括一个气缸体，一个气缸体底盖，一个油槽，等等；一个气缸盖部件30，该气缸盖部件固定在气缸体部件20上；一个进气系统，该进气系统用于向气缸体部件20提供汽油混合气；以及一个排气系统50，该排气系统用于将气缸体部件20中的废气排到发动机外。
该气缸体部件20包括气缸21，活塞22，连杆23，以及曲轴24。活塞22在气缸21内往复运动。活塞的往复运动通过连杆23传给曲轴24，从而去曲轴24旋转。气缸21和活塞22的顶部，以及气缸盖部件23共同形成了燃烧室25。
气缸盖部件30包括一个与燃烧室25相通的进气孔31；一个打开和关闭进气孔31的进气阀32；一个进气阀控制单元33，该进气阀控制单元包括一个驱动进气阀32的进气凸轮轴，并且可以连续地改变进气凸轮轴的相位角和进气阀32的升程(最大阀升程)；一个进气阀控制单元33的执行器33a；一个与燃烧室25相通的排气孔34；一个打开和关闭排气孔34的排气阀35；一个驱动排气阀35的排气凸轮轴36；一个火花塞37；一个点火器38，该点火器包括一个点火线圈，该点火线圈产生一个高电压并作用于火花塞37；以及一个喷射器(燃油喷射装置)39，用于将燃油喷射到进气孔31中。
该进气系统40包括一个进气管41，该进气管包括一个与进气孔31相通的进气歧管，并与该进气孔31共同形成一个进气通道；一个位于进气管41末端的空气过滤器42；一个位于进气管41内的节气门43，该进气阀用于改变进气通道横截打开面积；以及一个涡流控制阀(在下文中将代称为SCV)44。该节气门43由节气门执行器43a驱动，并在进气管41内旋转，该节气门执行器包括一个直流电机。SCV44可以相对于进气管41，在节气门43的下游和喷射器39的上游位置上旋转，并由一个SCV执行器44a所驱动旋转，该SCV执行器包括一个直流电机。
图2是一个原理平面图，指示了一个特定气缸的燃烧室25，以及该燃烧室25的外围区域。如图2所示，实际上，进气孔31包括一对进气孔31a和31b，每个气缸均有这样的一对进气孔。进气孔31a呈螺旋状，可以在燃烧室25内产生一个漩涡(涡流)，因而具有所谓漩涡孔的形状，而进气孔31b则具有所谓直线孔的形状。在进气管41中从气室(在图1中以SG表示)中延伸至燃烧室25而形成一个区域41a，即沿着进气管41的纵向方向延伸，因而将进气管41分成两个区域，分别是与进气孔31a相通的第一个进气歧管45和与进气孔31b相通的第二个进气歧管46。在区域41a的适当位置形成一个通道41b，用于连接第一个进气歧管45和第二个进气管46。喷射器39固定于通道41b的附近，从而将燃油喷射到进气孔31a和31b中。
上述SCV44位于第二个进气歧管46中。相应地，当SCV44关闭第二个进气歧管46时，空气(空气-燃油混合气)直接通过进气孔31a而进入到燃烧室25中，从而在燃烧室25内形成一个涡流，允许以一个超稀薄空燃比进行燃烧。当SCV44打开第二个进气歧管46时，空气通过进气孔31a和31b进入到燃烧室25中，从而提高流入燃烧室的空气量，允许提高发动机的输出功率。
再次参见图1，排气系统50包括一个与排气孔34相通的排气歧管51；一个与排气歧管51相连的排气管52；以及一个催化转换器(三元催化转换器)53，该催化转换器以插入的方式布置在排气管52中。
同时，该系统包括一个热丝空气流量计61；以个进气温度传感器62；一个大气压力传感器(节气门上游压力传感器)63；一个节气门位置传感器64；一个SCV开度传感器65；一个凸轮轴位置传感器66；一个进气阀升程传感器67；一个曲柄位置传感器68；一个水温传感器69；一个空燃比传感器(氧传感器)70；以及一个加速器开度传感器71。
该空气流量计61作为一种进气流率测量装置，用于测量实际的进气流率，也就是从内燃机10进气通道流过的空气的流动率。如图3的原理透视图所示，该空气流量计61包括一个旁通道，从进气管41中通过的空气出现分叉，进入该旁通道；一个热丝测量部件61a，用于测量从旁通道通过的空气的集中流率；以及一个信号处理部件61b，该部件根据所测量到的集中流率而输出一个电压Vg。如图4放大的透视图所示，该热空气测量部件61a包括一个用铂金属热丝形成的进气温度测量电阻(绕线部分)61a1；一个支撑部件61a2，该部件将进气温度测量电阻61a1连接到信号处理部件61b上，从而支撑着该电阻61a1；一个加热电阻(加热器)61a3；以及一个支撑部件61a4，该部件将加热电阻61a3连接到信号处理部件61b上，从而支撑着该电阻61a3。该信号处理部件61b具有一个由进气温度测量电阻61a1和加热电阻61a3组成的桥接电路；通过该桥接电路，调整提供给加热电阻61a3的功率，从而保持进气温度测量电阻61a1和加热电阻61a3之间的温度差；将提供的功率转换成电压Vg；以及输出该电压Vg。图5显示了空气流量计61输出的电压Vg和进气流率mtAFM之间的关系。
在空气流量计61内有一个进气温度传感器62，用于检测进气温度并输出一个指示该进气温度Ta的信号。大气压力传感器63检测节气门43上游的压力(即大气压力)并输出一个指示节气门上游压力Pa的信号。节气门位置传感器64检测节气门43的开度(节气门开度)并输出一个指示该节气门开度TA的信号。SCV开度传感器65检测SCV44的开度并输出一个指示该SCV开度θiv的信号。
凸轮轴位置传感器66在进气凸轮轴每转过90度(即，每当曲轴转过180度)的时候输出一个具有信号脉冲(G2信号)形式的信号。进气阀升程传感器67检测进气阀31的升程并输出一个指示该进气阀升程L的信号，并在进气阀完全关闭的时候输出“0”。曲柄位置传感器(发动机转速传感器)68在曲轴24每转过10度的时候输出一个窄脉冲信号，在曲轴24每转过360度的时候输出一个宽脉冲信号。该信号指示发动机的转速Ne。水温传感器69检测内燃机10的冷却水的温度，并输出一个指示该冷却水温度THW的信号。氧传感器70根据从催化转化器53排出的废气中的氧气浓度(对应废气中空燃比的一个值)而输出一个信号。加速器开度传感器71输出一个指示由驾驶员控制的加速踏板行程的信号。
电子控制单元80是一个微计算机，包括以下用总线相互连接的元件一个CPU81 一个只读存储器82，内存有CPU81执行的程序，图表(影射图)，常数，以及预先存储好的数据；一个读写存储器83，用于根据CPU81的需要存储临时数据；一个备用读写存储器84，在电源打开的时候存储数据，在电源关闭的时候可保持内存的数据；以及一个接口85，该接口包括一个AD转换器。该接口与传感器61-71相连。从传感器61-71输出的信号经由该接口85输入到CPU81中。从CPU81种输出的驱动信号经由接口85输出到进气阀控制单元33、点火单元38、喷射器39的执行器33a，节期门执行器43a，以及SCV执行器44a。
下面将说明该喷油量控制装置如何使用仿真模型(一种估算气缸进气量Mc的方法)来确定喷油量。下面说明的一些操作是通过CPU81执行程序而实现的。
(确定喷油量fc的方法和估算气缸进气量的方法)在进气冲程气缸的进气阀32关闭之前，喷油量控制装置必须将燃油喷入气缸。即使对于燃油直接喷入燃烧室25的发动机，也必须在进气结束之前将燃油喷入。因此，在进气阀关闭之前，喷油量控制装置估算出气缸进气量Mc，该气缸进气量代表当进气阀32关闭时(即，在进气阀关闭时刻)在气缸中的空气含量，并根据如下所示的方程(2)来确定喷油量(基本喷油量)fc。在方程(2)中，κ代表在一组空燃比的基础上确定的一个系数，该系数随工作状态的变化而变化。
fc＝K·Mc …(2)更具体地说，如图6所示，该喷油量控制装置(进气量估算装置)利用仿真模型来估算气缸进气量Mc；即，一个电子控制节气门模型M1，一个节气门模型M2，一个进气管模型M3，一个进气阀模型M4，一个气缸模型M5。另外，该气缸模型M5作为一个气缸压力估算装置。模型M1到M5包括一个用于估算进入气缸21的空气量的进气量估算装置。
(电子控制节气门模型M1)电子控制节气门模型M1在当前时刻加速踏板行程Accp的基础上估算时刻t(即比当前时刻提前一个预定时间T0的时刻)下的节气门开度θt。在本实施例中，节气门电子控制逻辑A1在加速踏板行程Accp的基础上获得一个节气门开度预定目标值θr1，该加速踏板行程Accp是根据加速器开度传感器71以及如图7所示的确定加速踏板行程与节气门开度目标值θr之间的关系的图表而确定的。由此获得的节气门开度预定目标值θr1有一定的延时T(如64毫秒)，并用作节气门开度最终目标值θr。该节气门电子控制逻辑A1(电子控制装置80)将一个驱动信号输出给节气门执行器43a，将实际的节气门开度TA假设为该节气门开度目标值θr。
如上所述，在比当前时刻提前一个预定时间T的时刻下，节气门开度目标值θr与根据加速踏板行程而确定的节气门开度预定目标值θr1相等。因此，在时刻t(即比当前时刻提前一个预定时间T0的时刻)下的节气门开度θr，与比当前时刻提前一个预定时间(T-T0)的时刻下的节气门开度预定目标值θr1相等。当忽略节气门执行器43a的延时动作时，比当前时刻提前一个预定时间(T-T0)的时刻下的节气门开度预定目标值θr1与节气门开度θt相等。在这种观点的基础上，电子控制节气门模型M1估算比当前时刻提前一个预定时间T0的时刻t下的节气门开度θt。也就是说，根据这种估算，比当前时刻提前一个预定时间(T-T0)的时刻下的节气门开度预定目标值θr1被视为比当前时刻提前一个预定时间T0的时刻t下的节气门开度θt。值得注意的是，节气门开度θt可以在考虑节气门执行器43a的情况下进行估算。
(节气门模型M2)节气门模型M2根据如下所示的方程(3)和方程(4)来估算通过节气门43的空气流量mt(节气门空气流量)，该方程(3)和方程(4)是在能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律以及状态方程的基础上得到的。在下面方程(3)和方程(4)中，Ct(θt)是流量系数，随着节气门开度θt的变化而变化；At(θt)是节气门打开面积(进气管41的打开面积)，随着节气门开度θt的变化而变化；Pa是节气门上游压力(即，大气压力)；Pm是进气管内的空气压力(进气管压力)；Ta是进气温度(大气温度)；Tm是在节气门43下游所观测到的进气管空气温度；R是气体常数；κ是比热比(在下文中，κ视为一个常数)。在节气门上游压力Pa高于进气管空气压力Pm的常规流动时，节气门模型M2使用方程(3)，而在节气门上游压力Pa低于进气管空气压力Pm的逆转流动时，节气门模型M2使用方程(4)。
mt=Ct(θt)At(θt)Paκ+12κRTa(κκ+1)2-(PmPa-1κ+1)2···(3)]]>mt=Ct(θt)At(θt)Pmκ+12κRTm(κκ+1)2-(PaPm-1κ+1)2···(4)]]>在上述方程(3)和方程(4)中，θt是比当前时刻提前一个预定时间T0的时刻t下的所估算的节气门开度，由电子控制节气门模型M1所估算。节气门模型M2利用所估算出的节气门开度θt和如图8所示的确定节气门开度θt与流量系数Ct(θt)之间关系的图表来获得流量系数Ct(θt)；并利用所估算出的节气门开度θt和如图9所示的确定节气门开度θt与打开面积At(θt)之间关系的图表来获得流量系数At(θt)。值得注意的是，节气门模型M2可以设计成利用所估算出的节气门开度θt和如图10所示的确定节气门开度θt与乘积Ct(θt)·At(θt)之间关系的图表来一次性地得到Ct(θt)·At(θt)的乘积，Ct(θt)·At(θt)是流量系数Ct(θt)与打开面积At(θt)的乘积。节气门模型M2也可以设计成利用确定流量系数Ct(θt，Pm)与节气门开度θt以及进气管空气压力Pm之间关系的图表Map Ct(θt，Pm)、所估算出的节气门开度θt以及利用进气管模型M3所获得的进气管空气压力Pm来获得该流量系数Ct(θt，Pm)，这种设计将在后面加以说明。
节气门模型M2分别从大气压力传感器63和进气温度传感器62中得到节气门上游压力Pa和进气温度Ta；从进气管模型M3中得到进气管空气压力Pm和进气管空气温度Tm，该进气管模型M3将在后面加以说明；并利用所获得的这些参数，计算方程(3)和方程(4)，从而估算出时刻t下的节气门空气流量。
下面将说明描述节气门模型M2的方程(3)和方程(4)的推导过程。其中，Au代表节气门43所测量的上游的横截打开面积；ρu代表空气浓度；vu代表空气速度；Ad代表在节气门43所测量的进气管41的横截打开面积；ρd代表在节气门43中所观测到的空气浓度；以及vd代表通过节气门43的空气速度，节气门空气流量mt如下面的方程(5)所表述。方程(5)可以说是记述质量守恒定律的方程。
mt＝Ad·ρd·vd＝Au·ρu·vu …(5)一方面，若用m代表空气质量，节气门43上游的动能为m·vu2/2，节气门43喉管处的动能为m·vd2/2。另一方面，节气门43上游的热能为m·Cp·Tu，节气门43喉管处的热能为m·Cp·Td。因此，根据能量守恒定律，可以得到如下所示的方程(6)。值得注意的是，Tu是节气门43上游的空气温度；Td是节气门43下游的空气温度；Cp是定压比热。
m·vu2/2+m·Cp·Tu＝m·vd2/2+m·Cp·Td…(6)可是，从状态方程如下面的方程(7)所述；比热比κ如下面的方程(8)所表述；迈尔关系如方程(9)所表述来看。与其说方程(7)～(9)，不如说Cp·T如方程(10)所表述。注意，P是气体压力；ρ是气体浓度；T是气体温度；R是气体常数；Cv是定容比热。
P＝ρ·R·T …(7)κ＝Cp/Cv…(8)Cp＝Cv+R …(9)Cp·T＝{κ/(κ-1)}·(P/ρ) …(10)根据能量守恒定律而得到的方程(6)可以利用方程(10)的关系而重写为方程(11)。
vu2/2+{κ/(κ-1)}·(Pu/ρu)＝vd2/2+{κ/(κ-1)}·(Pd/ρd)…(11)在无限逼近节气门43上游的位置，Au＝∞，vu＝0。因此，在能量守恒定律基础上得到的方程(11)，可以重写为方程(12)。
{κ/(κ-1)}·(Pu/ρ u)＝vd2/2+{κ/(κ-1)}·(Pd/ρd)…(12)下面将对动量进行说明。若用Pu表示施加在横截面积Au上的压力；Pd表示施加在横截面积Ad上的压力；Pmean表示在横截面积Au和横截面积Ad之间延伸的固定空间上的平均压力，可以得到如下所示的方程(13)。
ρd·vd2·Ad-ρu·vu2·Au＝Pu·Au-Pd·Ad+Pmean·(Ad-Au) …(13)在上述方程(13)中，若考虑Au＝，vu＝0，可以得到方程(14)。所以，从方程(14)和方程(13)，可以得到有关动量的关系式(在动量守恒基础上而建立的关系)，如方程(15)所示。
Pmean＝Pu …(14)ρd·vd2＝Pu-Pd…(15)从方程(5)，(12)和(15)，可以得到下面的方程(16)。
mt=AdPu·ρu(PdPu+12κ-1κ(1-PdPu))(1-PdPu)···(16)]]>在上述方程(16)中，Pu是节气门上游压力Pa，Pd是进气管空气压力Pm。因此，通过引入流量系数Ct(θt)(引入合理性系数)，并用打开面积At(θt)来代替横截面打开面积Ad，便可得到方程(3)。上述方程(4)的推导过程与方程(3)得相似，因此在这省略了多余的说明。
(进气管模型M3)进气管模型M3根据方程(17)和(18)，并在节气门空气流量mt、节气门空气温度(即，进气温度)Ta、以及进气管流出的空气流量mc(即，代表进入气缸的空气流动率的气缸进气流率)的基础上来获得(输出)进气管空气压力Pm和进气管空气温度Tm，方程(17)和(18)分别在质量守恒定律和能量守恒定律的基础上得到。在下面方程(17)和(18)中，Vm是进气管41中在节气门43与进气阀32之间延伸的部分(下文将代称为“进气管部分”)的体积。
d(Pm/Tm)/dt＝(R/Vm)·(mt-mc) …(17)dPm/dt＝κ·(R/Vm)·(mt·Ta-mc·Tm) …(18)进气管模型M3从节气门模型M2中获得上述方程(17)和(18)中的节气门空气流量mt，从进气阀模型M4中获得方程(17)和(18)中的气缸进气流率mc，该进气阀模型M4将在后面加以说明。进气管模型M3根据方程(17)和(18)进行计算，从而得到时刻t下的进气管空气压力Pm和时刻t下的进气管空气温度Tm。
下面将说明描述进气管模型M3的方程(17)和(18)的推导过程。若用M表示进气管部分的空气总量，空气总量M的时间变化率等于节气门空气流量mt与气缸进气流率mc之间的差，节气门空气流量对应流入进气管部分的空气量，气缸进气流率对应从进气管部分流出的空气量。因此，在质量守恒定律的基础上得到下面的方程(19)。
dM/dt＝mt-mc …(19)同时，由于状态方程如方程(20)所表述，所以，从上述方程(19)和下面方程(20)中消去空气总量M，便可得到基于质量守恒定律的方程(17)。
Pm·Vm＝M·R·Tm …(20)下面，将研究关于进气管部分的能量守恒定律。在这种情况下，进气管部分的体积Vm没有变化，而大部分的能量都转化为热能(动能可以忽略)。由于在进气管部分的空气能量M·Cv·Tm的时间变化率等于流入进气管部分的空气能量Cp·mt·Ta与流出进气管部分的空气能量Cp·mc·Tm的差，因此可得到下面的方程(21)。
d(M·Cv·Tm)/dt＝Cp·mt·Ta-Cp·mc·Tm…(21)利用方程(8)和(20)来修改方程(21)，可得到方程(18)。
(进气阀模型M4)进气阀模型M4根据下面的方程(22)和(23)来估算进气阀32周围的空气流量(即，气缸进气流率)，方程(22)和(23)是在能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律以及状态方程的基础上得到的。方程(22)和(23)的推导过程与上述节气门模型M2的情况相似。在方程(22)和(23)中，Cv(L)是流量系数，随进气阀32升程L的变化而变化；Av(L)进气阀32周围的打开面积，随进气阀32升程L的变化而变化；Pc是气缸压力(气缸21内的压力Pc)。在进气管空气压力Pm高于气缸压力Pc的常规流动时，进气阀模型M4使用方程(22)，在进气管空气压力Pm低于气缸压力Pc的逆转流动时，进气阀模型M4使用方程(23)。
mc=Cv(L)Av(L)Pmκ+12κRTm(κκ+1)2-(PcPm-1κ+1)2...(22)]]>mc=Cv(L)Av(L)Pcκ+12κRTc(κκ+1)2-(PmPc-1κ+1)2···(23)]]>进气阀模型M4在由传感器67检测到的当前阀升程L以及发动机转速Ne的基础上，估算比当前时刻提前一个预定时间T0的时刻t下的阀升程L(t)。进气阀模型M4在如图11所示的确定阀升程L(t)与乘积Cv(L)·Av(L)之间关系的图表以及所估计的阀升程L(t)的基础上得到用于方程(22)和(23)的乘积Cv(L)·Av(L)。
另外，进气阀模型M4从进气管模型M3中获得进气管空气压力Pm和进气管空气温度Tm；从气缸模型M5中获得气缸压力Pc和气缸温度Tc，该气缸模型M5将在后面加以说明；并利用所获得的这些参数计算方程(22)或(23)，从而估算出时刻t下的气缸进气流量mc。
(气缸模型M5)气缸模型M5根据下面的方程(24)来获得(输出)气缸压力Pc和气缸温度Tc，方程(24)是在关于气缸21的能量守恒定律的基础上得到的。如图12所示，在下面方程(24)中，Vc是气缸21的体积；Tm是进气管空气温度，等于流入气缸21的空气温度Ti；mc是从进气管部分流出的空气流量，等于流入气缸21的空气流量；Q是从气缸21传递到气缸21外围(气缸壁面，进气孔及其他)的热量(热量的时间变化率或热流率)。
dPcdt=κRTmVcmc-κPcVcdVcdt+(κ-1)QVc···(24)]]>方程(24)中的在时刻t下的气缸进气流率mc是从进气阀模型M4(方程(22)和(23))中得到的；而方程(24)中的在时刻t下的进气管空气温度Tm是在进气管模型M3中得到的。时刻t下的气缸体积可以在曲柄转角的基础上得到。因此，若忽略方程(24)右边的第三项(热量项)，时刻t下的气缸压力Pc可以在理论上利用方程(24)得到。
下面将说明上述方程(24)的推导过程。首先，若用E表示气缸内的能量，h表示焓，W表示作用于活塞上的功，再关于气缸21的能量守恒定律的基础上可得到下面的方程(25)。
dE/dt＝mc·h-dW/dt+Q…(25)若用u表示内能，有以下的方程(26)。状态方程如下面的方程(27)所表述。在方程(8)(比热比κ的表达式)和方程(9)(迈尔关系表达式)的基础上，有以下的方程(28)和(29)。注意，Mcy是气缸21内的空气量。
u＝Cv·Tc …(26)Mcy·Tc＝Pc·Vc/R …(27)Cv＝R/(κ-1) …(28)Cp＝κ·R/(κ-1) …(29)因此，从方程(26)到(28)，得到表示方程(25)左边的dE/dt的方程(30)。
dE/dt＝d(Mcy·u)/dt＝d(Mcy·Cv·Tc)/dt＝d{Pc·Vc/(κ-1)}/dt …(30)从方程(29)和由方程(31)给出的焓定义式，可以得到表示方程(25)右边第一项mc·h的方程(32)。
h＝Cp·Tm …(31)mc·h＝mc·{κ·R/(κ-1)}·Tm …(32)由于功W由方程(33)所表述，所以，可以得到表示方程(25)右边第二项dW/dt的方程(34)。
dW＝Pc·dVc …(33)dW/dt＝Pc·dVc/dt …(34)利用方程(30)，(32)和(34)，将方程(25)重写为方程(24)。
气缸模型M5根据下面的状态方程(35)来获得气缸空气温度Tc。方程(35)中的Mc1是在进气阀32打开的时刻到获得气缸空气温度Tc的时刻这一段时间上对方程(22)或(23)中的气缸进气流率进行积分而得到的。
Tc＝(Pc·Vc)/(Mc1·R)…(35)根据上述的原理，气缸压力Pc和气缸空气温度Tc分别根据气缸模型M5的方程(24)和方程(35)而得到。在得到的压力Pc和温度Tc的基础上，根据方程(22)和(23)来得到气缸进气流率mc。因此，喷油量控制装置通过在进气阀23打开的时刻t0到进气阀32关闭的时刻tf这段时间上对气缸进气流率mc进行积分，来估算出气缸进气量Mc(进气总量Smc)，Mc对应为在一个进气冲程中流入气缸21的空气量。在估算出的Mc以及上述的方程(2)的基础上，喷油量控制装置确定出喷油量fc。
(有关结合电子控制装置80的改进)由于在方程(24)中右边第三项的热传递量Q很小并且可以忽略，所以，方程(24)通常转化为如下面的方程(36)所表述的离散系统应用到电子控制装置80中。在方程(36)中，Δt是计算气缸压力Pc的时间步长。
Pc(t+Δt)=Pc(t)+[κRTmVcmc-κPcVcdVcdt]Δt···(36)]]>但是，如图13的点划线所示，由于使用离散系统的形式，用上述方法得到的气缸压力Pc出现很大的变化，与实际值相差很多。因此，在本实施例中，忽略方程(24)右边第三项Q；同时，为了方便起见，方程(24)在以下每种假设的基础上来解析(1)气缸体积不变(dVc＝0)，(2)气缸进气流率为0(mc＝0)，从而获得每种情况的气缸压力Pc。这个过程详细说明如下。
(1) 假设气缸体积不变(dVc＝0)基于这种假设，方程(24)变成如方程(37)所表述的微分方程。解方程(37)可得到方程(38)。
dPcdt=κRTmVcmc···(37)]]>Pc(t)=κPmκ+1[1κ+cos(θ0-κ+1Pmκ2(κ+1)RTmVcAvPmρmt)]···(38)]]>在上述方程(38)中，θ0＝cos-1(I)。方程(38)说明了气缸压力Pc的变化是正弦波的形式。同时，对方程(37)进行欧拉近似，可得到方程(39)P′c(t+Δt)=Pc(t)+mcκRTmVcΔt···(39)]]>由于气缸压力Pc永远不可能高于进气管空气压力Pm，于是得到下面的方程(40)。因此，从方程(39)和(40)，可以得到下面的方程(41)。
Pc(t+Δt)≤Pm…(40)κRTmmcVcΔt≤Pm-Pc(t)···(41)]]>另外，当θ远远小于1时，有以下的方程(41)成立。因此，将上述方程(41)和下面方程(42)应用到方程(39)中可得到方程(43)。注意，方程(43)中的气缸进气流率mc是根据方程(22)和(23)而得到的。
sin(θ)≅θ···(42)]]>P′c(t+Δt)=Pc(t)+(Pm-Pc(t))sin[mcκRTmVc(Pm-Pc(t))Δt]···(43)]]>(2)假设气缸进气流率为0(mc＝0)基于这种假设，上述方程(24)变成如方程(44)所表述的微分方程。由于这种情况可视为绝热膨胀的情况，因此有以下的方程(45)。
dPcdt=-κPcVcdVcdt···(44)]]>PcVcκ=constant···(45)]]>从而可推导出下面的方程(46)。
Pc(t+Δt)=P′c(t)[Vc(t)Vc(t+Δt)]κ···(46)]]>根据上述方程(43)得到的气缸压力Pc和根据方程(46)得到的气缸压力Pc分别如图13上的实线和双点划线所示。可以想象，气缸压力Pc接近于进气管空气压力Pm。因此，本实施例使用根据方程(43)得到的、并且更接近于进气管空气压力Pm的气缸压力P’c(t)作为最终获得的气缸压力Pc。
如上所述，一个进气冲程的气缸进气量Mc是通过在进气阀23打开的时刻t0到进气阀32关闭的时刻tf这段时间上对如方程(22)和(23)所表述的气缸进气流率mc进行积分而获得的。但是，仿真结果表明，根据下面的方程(47)来获得的气缸进气量Mc具有更高的精度，方程(47)是在能量守恒定律的基础上，通过对方程(24)在t0到tf之间进行积分而得到的。注意，Pc(t0)和Vc(t0)分别是进气阀打开时刻下的气缸压力Pc(t)和气缸体积Vc(t)；Pc(tf)和Vc(tf)分别是进气阀关闭时刻下的气缸压力Pc(t)和气缸体积Vc(t)。
Mc=1κ(Pc(tf)Vc(tf)-Pc(t0)Vc(t0))+κ-1κ∫t0tfPcdVcdtdtRTm···(47)]]>因此，本实施例根据下面的方程(48)来获得气缸进气量Mc，方程(48)是方程(47)的离散系统表达式。
Mc=1κ(Pc(tf)Vc(tf)-Pc(t0)Vc(t0))+κ-1κΣt0tfPc(t)dVcdtΔtRTm···(48)]]>(操作)下面将说明该电子控制装置80在估算气缸进气量Mc和确定喷油量fc中的实际操作。
(节气门控制)电子控制装置80中的CPU81，如图14流程图所示，为了控制节气门开关的程序。每毫秒执行一次。当到达预定的时刻，CPU81从第1400步开始运行，然后继续执行第1405步，在这一步CPU81读入加速踏板行程Accp。然后，CPU81执行第1410步，利用与图7相同的图表来获得与所读入的加速踏板行程Accp对应的节气门开度预定目标值θr1。
然后，CPU81执行第1415步，将变量I设置为“64”。然后，继续在第1420步，CPU81将θr(I-1)的值存为θr(I)。在当前时刻，由于变量I为“64”，θr(63)的值作为θr(64)存储。然后，CPU81执行第1425步，判断变量I是否为“1”。在这种情况下，由于变量I为“64”，因此CPU81在第1425步形成否定的判断，从而跳到第1430步。在第1430步，CPU81将变量I减1。然后，CPU81回到第1420步。结果，当执行第1420步，θr(62)的值将作为θr(63)的值存储。这个过程一直循环执行下去，直到变量I等于1。
当第1430步一直循环执行使得变量I为1之后，CPU81在第1425步形成肯定的判断，从而跳到第1435步。在第1435步，CPU81将在第1410步得到的节气门开度预定目标值θr1作为当前的θr(0)存储起来。因此，比当前时刻提早I(0 I 64)毫秒的时刻下的节气门开度预定目标值存储在读写存储器83中。
然后，CPU81执行第1440步，将存储的值θr(64)作为节气门开度的最终目标值θr。然后，在第1445步，CPU81将一个驱动信号输出给节气门执行器43a，使实际的节气门开度变成与该节气门开度目标值θr相等。然后，在第1495步，结束当前的程序。
即使在以上，上述的程序每一毫秒执行一次。结果，实际的节气门开度受到控制，变成与预定时间(64毫秒)之前的对应加速踏板行程Accp的节气门开度目标值θr相等。因此，上述的电子控制节气门模型M1将比当前时刻提早(T-T0)的节气门开度目标值θ(T-T0)估算为比当前时刻提早T0的时刻t下的节气门开度θt。
(节气门空气流量mt，进气管空气压力Pm以及进气管空气温度Tm的估算)CPU81每隔一定的时间(8毫秒)执行一次如图15的流程图所示的程序。当到达预定的时刻，CPU81从第1500步开始执行，然后执行第1505步。在第1505步，CPU81利用与图10同样的图表以及所估算出的比当前时刻提前一个预定时间T0的时刻t下的节气门开度θt，来获得流量系数Ct(θt)与打开面积At(θt)的乘积Ct(θt)·At(θt)。
然后，CPU81执行第1510步，根据方程(3)和(4)(节气门模型M2)来估算节气门空气流量mt。在估算中使用的节气门上游压力Pa和进气温度Ta分别由大气压力传感器63和进气温度传感器62获得。进气管空气压力Pm(k-1)和进气管空气温度Tm(k-1)分别是在本程序的上一个循环中的第1515步得到的Pm(k)和Tm(k)，这将在后面加以说明。
然后，CPU81执行第1515步，根据下面的方程(49)和(50)来获得进气管空气压力Pm(k)和进气管空气温度Tm(k)，方程(49)和(50)是分别对方程(17)和(18)进行积分和离散化而得到的。注意，带有后缀(k-1)的值表示在本程序的上一个循环中得到的值，Δt是本程序的计算步长。
PmTm(k)=PmTm(k-1)+ΔtRVm(mt(k-1)-mcAVE(k-1))···(49)]]>Pm(k)=Pm(k-1)+ΔtκRVm(mt(k-1)Ta-mcAVE(k-1)Tm(k-1))···(50)]]>实际上，Pm/Tm是根据方程(49)获得的，而Tm是根据方程(50)并利用所得到的Pm/Tm以及Pm来获得的。注意，出现在方程(49)和(50)中的mcAVE(k-1)是气缸进气流率mc的平均值，通过1毫秒程序的执行而得到的，该程序将在后面加以说明。
(气缸压力Pc，气缸进气流率mc，气缸进气量Mc及其它的估算)CPU81每隔一定的时间(1毫秒)执行如图16流程图所示的程序。因此，当到达预定的时刻，CPU81从第1600步开始，并执行1605步。在第1605步，CPU81在上述时刻t下的阀升程L以及与图11相同的图表的基础上获得用于方程(22)和(23)中的Cv(L)·Av(L)。然后，在第1610步，CPU81根据方程(22)和(23)计算气缸进气流率mc(t)。
然后，CPU81执行第1615步，根据方程(43)获得气缸压力P’c(t+Δt)。Δt是本程序的计算步长(即，1毫秒)。Pm(k)和Tm(k)分别表示在上述的第1515步中已经得到的进气管空气压力和进气管空气温度。Pc(t)表示在本程序上一循环的第1625步中设定的值(将在后面加以说明)，mc(t)表示在上述第1610步得到的一个值。
然后，CPU81执行第1620步，根据方程(46)获得气缸压力Pc(t+Δt)。然后，在第1625步中，CPU81分别将所获得的气缸压力P’c(t+Δt)和气缸压力Pc(t+Δt)存储为气缸压力P’c(t)和气缸压力Pc(t)，为本程序的下一次循环所用。
然后，CPU81执行如图17所示的第1705步，判断当前时刻t进气阀32是否刚刚从关闭状态转换到打开状态，若当前时刻t进气阀32刚刚从关闭状态转换到打开状态，那么在第1710步中，CPU81将变量Z初始化为“0”。在第1715步，CPU81将当前获得的气缸压力Pc’(t)存储为进气阀32打开时刻的气缸压力Pc(t0)。在第1720步，CPU81将时刻t的气缸体积Vc(t)存储为进气阀打开时刻的气缸体积Vc(t0)。然后，在第1725步，CPU81将从进气阀打开时刻累加得到的气缸进气量Mc1设置为Mc0(一个初始值，如“0”)。然后，CPU81执行第1730步。同时，若时刻t下进气阀32不是刚刚从关闭状态转变为打开状态，CPU81在第1705步形成否定的判断，并直接跳到第1730步。
然后，在第1730步，CPU81判断进气阀32在时刻t下是否为打开状态。若时刻t下进气阀32刚刚从关闭状态转变为打开状态，CPU81在第1730步就形成肯定的判断并跳到第1735步。在第1735步，CPU81将Pc’(t)·dVc(t)/dt·Δt与Z相加，从而更新变量Z的值。因此，变量Z与P’(t)·dVc(t)/dt的积分值相等。然后，在第1740步，CPU81将从进气阀打开时刻起累加得到的气缸进气量Mc1与mc(t)·Δt的和作为新的气缸进气量Mc1。CPU81执行第1745步，根据方程(51)得到气缸空气温度Tc(t)。然后，在第1795步结束本程序。
Tc(t)＝Pc(t)·Vc(t)/(Mc1·R) …(51)由于当进气阀32处于打开状态时，连续执行第1730步到第1745步；代表P’(t)·dVc(t)/dt·Δt总和的变量Z、从进气阀打开时刻开始累加的气缸进气量Mc1，和气缸空气温度Tc(t)都处于连续的更新状态中。
然后，当过了一个预定的时间，到了进气阀32刚刚从打开状态转变为关闭状态的时刻，CPU81在第1705和1730步中形成否定的判断，并跳到第1750步。在第1750步，CPU81判断进气阀32是否刚刚从打开状态转变为关闭状态。在这种情况下，在第1750步，CPU81形成肯定的判断并跳到第1755步。在第1755步，CPU81根据上述的方程(48)估算在一个进气冲程内的气缸进气量Mc。
然后，CPU81执行第1760步，用上述得到的气缸进气量Mc除以对应曲柄转角180度的时间T180CA，从而得到气缸进气量Mc的平均值mcAVE(k-1)。然后，在第1765步，CPU81用系数K(系数K随设定的空燃比变化而变化)乘以气缸进气量Mc的平均值mcAVE(k-1)，从而得到喷油量fc。注意，由于气缸进气量Mc的平均值mcAVE(k-1)与气缸进气量Mc成比例，因此喷油量fc根据方程(2)计算。然后，CPU81跳到第1795步并结束本程序。注意，直接喷油量fc可以通过将气缸进气量Mc乘以一个常数而得到。
另外，当时刻t下进气阀32不是刚刚从关闭状态转变为打开状态；并且进气阀32处于关闭状态，在执行完如图16所示的第1600到1625步之后，CPU81在如图17所示的第1705、1730和1750步均形成否定的判断并跳到第1795步。在第1795步，CPU81结束当前的程序。
如上所述，气缸进气量Mc是利用气缸模型估算得到的，同时喷油量fc也得以确定。CPU81在预定时刻执行喷油的指令(没有在图中显示)，从而根据上述得到的喷油量fc把燃油喷出。
如上所述，根据本发明喷油量控制装置的第一个实施例，气缸模型M5得到气缸压力Pc和气缸空气温度Tc，并将这些得到的值提供给进气阀模型M4。因此进气阀模型M4从而可以根据方程(22)和(23)进行数值运算来获得气缸进气流率mc(从而获得气缸进气量Mc)，而无需使用传统的包含多个参数的查表方式。这样，可以省去查表正确性检查的工作，而且也可以得到高精度的喷油量fc。
(追加观测器的改装例)下面，根据本发明的喷油量控制装置(气缸进气量估算装置)的一种改装例，将结合图18进行说明。该种改装加用了一种观测器OBS，从而提高气缸进气量Mc的估算精度。在图18中，用虚线圈起的部分是该观测器OBS。
在该种改装的结构中，上述的第一个实施例中加用了一个空气流量计模型M7。该空气流量计模型M7估算节气门空气流量为预定值α时的空气流量计61的输出值。在该估算值的基础上，空气流量计模型M7估算节气门空气流量mtes。在这种情况下，预定流率α为节气门模型M2所估算的节气门空气流量mt。空气流量计模型M7的一个输出将输入到一个比较器COM的一端上。
另外，在本改装中，空气流量计61的一个输出Vg根据如图5所示的图表转化成进气流率mtAFM，而mtAFM则输入到比较器COM的另一端上。比较器COM通过比较节气门空气流量mtes和进气流率mtAFM而得到差值SA。该改装设计成以减小差值SA的目的来修改空气流量计模型M7的增益G1和节气门模型M2的增益G2。
空气流量计模型M7将特别地说明如下。空气流量计模型M7首先在确定节气门空气流量mt与总放热量W1和W2之间的关系图表、以及所获得的节气门空气流量mt的基础上来获得对应节气门空气流量mt的总放热量W1和W2。总放热量W1不包括对应如图3所示的热丝测量部件61a中绕线部分61a1的放热迟滞。总放热量W2不包括对应该热丝测量部件61a中支撑部分61a2的放热迟滞。
然后，空气流量计模型M7分别根据方程(52)和(53)来获得放热量w1和w2(响应放热量)。放热量w1和w2分别对应绕线部分61a1和支撑部分61a2，并分别相应于总放热W1和W2具有一个一级迟滞特性(包括响应迟滞)。在方程(52)和(53)中，后缀i代表当前的计算值；后缀i-1代表上一次的计算值；Δt代表上一次计算值与当前计算值之间的时间。
w1i＝Δt·(W1i-1-w1i-1)/τ1+w1i-1…(52)w2i＝Δt·(W2i-1-w2i-1)/τ2+w2i-1…(53)在方程(52)和(53)中，τ1是对应绕线部分61a1的上述初次迟滞特性时间常数，τ2是对应支撑部分61a2的上述初次迟滞特性时间常数。τ1和τ2分别根据方程(53)和(54)得到。在方程(54)和(55)中，k10和k20的值，m1和m2的值，分别采用实验确定的值来作为初始值。在方程(54)和(55)中，u的值是对应空气流量计61的热丝测量部件61a旁通道每单位横截面积的空气流量，等于mtAFM/S，是用进气流率mtAFM除以热丝测量部件61a旁通道的横截面积S而得到的，其中进气流率mtAFM是根据空气流量计61的实际输出Vg和如图5所示确定空气流量计61的输出Vg与所测量的进气流率mtAFM之间的转换关系图表而得到的。
τ1＝k10·um1…(54)τ2＝k20·um2…(55)
空气流量计模型M7在如图19所示确定(w1+w2)与响应放热量w1和w2之间的关系图表的基础上获得基于当前时刻下空气流量计61输出值的节气门空气流量mtes，以及在根据方程(52)和(55)所获得的响应放热量w1和w2两者之和(w1+w2)的基础上获得基于当前时刻下空气流量计61输出值的节气门空气流量mtes。
例如，在本改装的空气流量计模型M7中，用于方程(52)和(53)的时间常数τ1和τ2是根据比较器COM的输出SA而进行调整的。也就是说，方成(54)和(55)中的k10和k20，m1和m2的值以减小比较器COM的输出SA为目的来进行修改。这意味着如图18所示的增益G1是根据输出SA而进行修改的。
下面将说明在输出SA的基础上对节气门模型M2的增益G2进行的调整。节气门空气流量mt如方程(3)所表述。若函数f1和f2如下面的方程(56)和(57)所定义，方程(3)可重写为方程(58)。
f1=Paκ+12κRTa···(56)]]>f2(Pm)=(κκ+1)2-(PmPa-1κ+1)2···(57)]]>mt＝Ct(θt)At(θt)f1 f2(Pm) …(58)对方程(58)进行微分，可以得到方程(59)。
dmtdt=f1At(θt)df2dPmRTmTaVmmt-f1At(θt)df2dPmRTm2Vmmc+f1f2(Pm)dAt(θt)dθtdθtdt···(59)]]>比较器COM的输出SA反馈给方程(59)。即，代表使用观测器的节气门模型的表达式如下面的方程(60)所表述dmtdt=f1At(θt)df2dPmRTmTaVmmt-f1At(θt)df2dPmRTm2Vmmc···(60)]]>+f1f2(Pm)dAt(θt)dθtdθtdt+G2(mtes-mtAFM)]]>如上所述，由于加用了观测器OBS，用于估算气缸进气量Mc的模型，其增益在空气流量计61的实际输出的基础上进行调整。这样，就可以减小实际气缸进气量与利用模型M1到M5而获得的气缸进气量Mc之间的固定误差，从而提高气缸进气量Mc的估算精度。
如上所述，根据本发明第一个实施例的喷油量控制装置(进气量估算装置)减少了所需查表的数据量，并能够高精度地估算气缸进气量，也减少了查表的工作量。因此，该装置可以获得一个合适的喷油量，并用该喷油量去满足一个目标空燃比。
除了上述的用于第一个实施例的模型，还可使用一个排气阀模型来估算通过排气阀进入到气缸21的空气量。在这种情况下，如图20所示，一个排气阀模型M8与气缸模型M5连接，并如下面的方程(61)和(62)所表述，这些方程的推导过程与进气阀模型M4的那些相似。在方程(61)和(62)中，Pe是排气管空气压力，Te是排气管空气温度。方程(61)用于空气从排气系统流入气缸21的情况(Pc＜Pe)；方程(62)用于空气从气缸21流入排气系统的情况(Pc＞Pe)。注意，在这种情况下，结构上提供了用于检测排气管空气压力Pe的传感器以及用于检测排气管空气温度Te的传感器，使得可以将这些传感器检测到的值用于排气阀模型M8中。如下所述，也可以设计成这样，在内燃机10的工作参数(进气流率mtAFM，发动机转速NE及其他)的基础上来估算排气管空气压力Pe和排气管空气温度Te。
mc=Cv(L)Av(L)Peκ+12κRTe(κκ+1)2-(PcPe-1κ+1)2···(61)]]>mc=Cv(L)Av(L)Pcκ+12κRTc(κκ+1)2-(PePc-1κ+1)2···(62)]]>另外，在上述的第一个实施例中，喷射器39设计成向进气孔31a和31b喷入燃油。但是，喷射器39也可以设计成直接将燃油喷射入燃烧室25中。同样，本发明也可以应用在具有如下所述这种结构的内燃机上，其中用一个进气流动控制阀(参见日本发明专利8-109836)代替SCV44，并旋转布置于一对进气通道中的其中一个上，该对进气通道平行地形成于燃烧室25内，并具有本质相同的形状。
下面将说明根据本发明用于内燃机上的一种进气量估算装置的第二个实施例。第二个实施例的进气量估算装置除了使用如图6所示的、用于上述第一个实施例的进气量估算装置中的模型之外，还另外使用一个节气门模型修正部件，其功能框图如图22所示。该进气量估算装置通过利用节气门模型修正部件对节气门模型M2进行修正，达到提高进气量的估算精度。
节气门模型M2由于以下的原因而进行修正。当节气门开度很小时，节气门开度的一个很小的变化就会引起流过节气门43的空气流量(节气门空气流量mt)发生很大的变化。因此，节气门空气流量mt很容易受到节气门43和进气管41的成品差异(个体差异)的影响。这样，在某些情况下，内燃机中相同设计的节气门模型可能无法精确地估算节气门空气流量mt。
因此，该进气量估算装置根据以下的事实，来获得节气门模型M2的一个合适的流量系数Ct(θt，Pm)在内燃机处于稳态过程时(例如，节气门开度在一段预定的时间之内保持不变)，在空气流量计61的输出Vg的基础上获得的进气流率mtAFM与实际的气缸进气流率mcact相等。在所获得的流量系数Ct(θt，Pm)的基础上，该进气量估算装置对包含在节气门模型M2的流量系数图表Map Ct(θt，Pm)中的数据进行修正，从而修正节气门模型M2。
更具体地说，如图22所示的节气门模型修正部件包括一个修正流量系数计算模块M100，一个进气管空气压力反转模型M110，一个流量系数重写模块M120，一个稳态过程判断模块M130，以及一个重写许可模块M140。这些模块的功能通过CPU81执行程序来实现。
该进气量估算装置基于以下的前提节气门模型M2之外的模型；特别地，电子控制节气门模型M1，进气管模型M3，进气阀模型M4，以及气缸模型M5，都是准确的。
在进气阀模型M4输出的气缸进气流率mc恰巧与实际的气缸进气流率mcact一致的情况下，本装置为节气门模型M2获得输入值(即，实际的节气门开度θt，进气管空气压力Pm，进气温度Ta，以及节气门上游压力Pa)，同时无需使用节气门模型M2，就可获得节气门模型M2在这种情况下将要输出的节气门空气流量mt。在获得这些值的基础上，本装置获得将要用于节气门模型M2的流量系数Ct(θt，Pm)。在获得该流量系数Ct(θt，Pm)的基础上，本装置重写包含在节气门模型M2的流量系数图表MapCt(θt，Pm)中的数据。
该节气门模型修正部件组成模块的功能将详细说明如下。
节气门模型M2使用方程(3)来计算节气门空气流量mt。方程(3)如下面的方程(63)所表述。在方程(63)中，流量系数Ct(θt，Pm)根据节气门开度θt和进气管空气压力Pm而确定。
mt=Ct(θtPm)At(θt)Paκ+12κRTa(κκ+1)2-(PmPa-1κ+1)2···(63)]]>
从方程(63)可以知道，当实际的节气门开度θt，进气管空气压力Pm，进气温度Ta，以及节气门上游压力Pa——节气门模型M2的输入量，以及节气门模型M2将要输出的节气门空气流量mt均已得到时，在某时刻下(当实际的节气门开度θt和进气管空气压力Pm均已观测到)用于节气门模型M2的流量系数Ct(θt，Pm)可以根据下面的方程(64)来得到，该方程(64)是方程(63)的一种变形。
Ct(θt,Pm)=mtAt(θt)Paκ+12κRTa(κκ+1)2-(PmPa-1κ+1)2···(64)]]>当内燃机处于稳态过程时，修正流量系数模块M100根据方程(64)来获得流量系数Ct(θt，Pm)。稳态过程指的是至少其中一个实际的节气门开度TA在一段预定时间内保持不变。稳态过程判断模块M130判断内燃机是否处于稳态过程中，该模块将在后面加以说明。
方程(64)中右边的量将说明如下。当使用方程(64)时，内燃机处于稳态过程。因此，节气门开度θt与实际的节气门开度TA相等(θt＝TA)，TA由节气门位置传感器64检测得到。从而，修正流量系数计算模块M100从节气门位置传感器64中获得节气门开度TA，并作为节气门开度θt的实际值。
由于内燃机处于稳态过程，流过进气管41的空气流量在进气管41内是不变的。从而，节气门空气流量mt与进气流率mtAFM相等(mt＝mtAFM)，mtAFM是在空气流量计61的输出Vg的基础上得到的。从而，修正流量系数计算模块M100得到进气流率mtAFM，并作为节气门空气流量mt的实际值。
另外，节气门上游压力Pa和进气温度Ta分别等于大气压力传感器63和进气温度传感器62所检测得到的值。从而，修正流量系数计算模块M100分别将由大气压力传感器63和由进气温度传感器62所检测得到的值作为节气门上游压力Pa和进气温度Ta的实际值。
如上所述，当内燃机处于稳态过程，除了进气管空气压力Pm(出现在方程(64)的右边)之外的实际值都很容易得到。注意，打开面积At(θt)在节气门开度θt的基础上得到。比热比κ是一个常数，并已预先给出。
进气管空气压力Pm的一个实际值如下所述那样获得。当内燃机处于稳态过程，流过进气管41的空气流量在进气管41内不变。因而，实际的气缸进气流率mcact与进气流率mtAFM相等，mtAFM是在空气流量计61的输出Vg的基础上得到的。因此，当使用进气管模型M3、进气阀模型M4以及位于节气门模型M2下游的气缸模型M5而得到的气缸进气流率mc，等于进气流率mtAFM(＝mcact)时，进气管空气压力Pm的一个实际值一定等于从进气管模型M3输出的进气管空气压力Pm。
该进气管空气压力Pm是通过进气管空气压力反转模型M110而得到的。如图23的功能框图所示，进气管空气压力反转模型M110设计成，使进气管模型M3，进气阀模型M4以及气缸模型M5以如图6所示第一个实施例的进气量估算装置的那种方式相互连接。
在反转模型M110中，进气管模型M3得到进气流率mtAFM(mtAFM是在空气流量计61的输出Vg的基础上得到)，并将它作为节气门空气流量mt的一个实际值，同时得到气缸进气流率mc，mc是进气阀模型M4的一个输出量。进气阀模型M4得到从进气温度传感器62输出的进气温度Ta，并将它作为进气管空气温度Tm的一个实际值，同时得到从进气管模型M3中输出的Pmh。注意，从进气管模型M3中输出的进气管空气温度Tm可以代替从进气温度传感器62输出的进气温度Ta，输入到进气阀模型M4中。
如前所述，本装置基于以下的前提电子控制节气门模型M1，进气管模型M3，进气阀模型M4，以及气缸模型M5，都是准确的。另外当内燃机处于稳态过程时，进气管空气压力反转模型M110使用进气阀模型M4重复地计算气缸进气流率mc。因此，计算的气缸进气流率mc应收敛到与进气流率mtAFM(mtAFM是在空气流量计61的输出Vg的基础上得到)相等的一个值。另外，当由进气阀模型M4计算得到的气缸进气流率mc与进气流率mtAFM相等时，将从进气管模型M3输出的进气管空气压力Pmh应与上述的进气管空气压力Pm实际值相等。如上所述，进气管空气压力反转模型M110获得作为进气管空气压力Pm实际值的进气管空气压力Pmh。所获得的该进气管空气压力Pmh，作为进气管空气压力Pm的实际值，输入到如图22所示的修正流量系数计算模块M100中。
如上所述，修正流量系数计算模块M100获得节气门开度θt，进气管空气压力Pm，节气门上游压力Pa和进气温度Ta的实际值，以及节气门模型M2在这种情况下将要输出的节气门空气流量mt。因此，修正流量系数计算模块M100可以获得节气门模型M2在节气门开度和进气管空气压力分别是θt和Pm的情况下必须使用的流量系数Ct(θt，Pm)。修正流量系数计算模块M100将所获得的这个值输出给流量系数重写模块M120。
同时，稳态过程判断模块M130与发动机转速传感器68、节气门位置传感器64以及空气流量计61相连，并从而分别获得发动机转速NE，节气门开度TA，以及进气流率mtAFM。稳态过程判断模块M130判断以下条件是否持续了一段预定的时间(如，几秒)进气流率mtAFM在每单位时间下的绝对变化量，或绝对变化量ΔmtAFM，小于阈值ThAFM；发动机转速NE在每单位时间下的绝对变化量，或绝对变化量ΔNE，小于阈值ThNE；节气门开度TA在每单位时间下的绝对变化量，或绝对变化量ΔTA，小于阈值ThTA。当模块M130判断出该状态已经持续一段预定的或更长的时间，模块M130判断内燃机10是否处于稳态过程中，同时产生一个重写许可信号给重写许可模块M140。
接收到稳态过程判断模块M130的重写许可信号之后，重写许可模块M140允许流量系数重写模块M120对包含在节气门模型M2的流量系数图表MapCt(θt，Pm)中的数据进行重写。在这种状态下，流量系数重写模块M120对包含在流量系数图表MapCt(θt，Pm)中、在当时根据进气管压力Pm和节气门开度θt而确定的数据，重写(更换)为修正流量系数计算模块M100计算得到的数据Ct(θt，Pm)。以这样的方式，节气门模型M2得到修正。
节气门模型M2也可以以下面的方式进行修正，而不是仅仅更换数据根据以下的方程(65)，使用包含在流量系数图表MapCt(θt，Pm)中的数据(为方便起见，以Ct0(θt，Pm)表示)和修正流量系数计算模块M100计算的数据Ct(θt，Pm)，来计算加权平均Ctave(θt，Pm)；包含在流量系数图表MapCt(θt，Pm)中的数据则替换为该加权平均值。方程(65)中的ǎ表示0到1之间的任一个值。
Ctave(θt，Pm)＝β·Ct0(θt，Pm)+(1-β)·Ct(θt，Pm)…(65)如上所述，根据本发明第二个实施例的进气量估算装置包括节气门模型修正部件，该节气门模型修正部件利用以下的事实，对用于节气门模型M2计算方程的一个值(流量系数)进行修正当内燃机10处于稳态过程时，“由空气流量计61(作为一种进气流率测量装置)测量的进气流率mtAFM”与“利用进气阀模型M4而得到的气缸进气流率mc”相等。
也就是说，节气门模型修正部件(进气管空气压力反转模型M110)利用以下的事实，来获得用于节气门模型M2的进气管空气压力Pm根据空气流量计61的输出而获得的进气流率mtAFM与利用进气阀模型M4获得的气缸进气流率mc相等。同样，节气门模型修正部件认为利用节气门模型M2而获得的节气门空气流量mt与进气流率mtAFM相等。
并且，节气门模型修正部件在上述获得的进气管空气压力Pm以及上述的假设节气门空气流量mtAFM的基础上，获得将用于节气门模型M2计算方程的流量系数Ct(θt，Pm)的一个合适的值。在获得流量系数Ct(θt，Pm)一个合适的值的基础上，节气门模型修正部件对节气门模型M2进行修正(包含在节气门模型M2的流量系数图表MapCt(θt，Pm)中的数据)。
因此，根据第二个实施例的进气量估算装置除了具有根据第一个实施例的进气量估算装置的优点之外，还可以为单独的内燃机10将节气门模型M2修正为一个合适的模型，从而提高估算气缸进气量的精度。因此，该装置可以获得一个合适的喷油量，并可以利用该喷油量满足一个目标空燃比。
修正流量系数计算模块M100使用经由方程(3)推导而来的方程(64)，特别用于节气门上游压力Pa高于节气门下游压力Pm的常规流动的情况。但是，在节气门上游压力Pa低于节气门下游压力Pm的逆转流动的情况下，流量系数Ct(θt，Pm)可以根据方程(4)来得到。
上述的第二个实施例使用空气流量计61作为一种进气流率测量装置。但是，该进气流率测量装置也可以设计成在空燃比传感器70和CPU81所认可的喷油量的基础上测量进气流率。
虽然，以上是根据本发明的进气量估算装置的实施例及其改装例来进行说明的，但是本发明并不局限于此，而是可以在本发明的范围内进行适当的改动。
例如，在如图17所示的第1715步，在进气冲程中与气缸有关的排气管空气压力Pe可以存为气缸压力Pc(t0)。在这种情况下，可以设计成排气管空气压力Pe是在发动机转速NE、进气流率mtAFM以及预先存储在只读存储器82中的图表的基础上得到的。在第1725步，气缸进气流率Mc1的初始值Mc0可以在排气管空气压力Pe、排气温度Te、进气阀打开时的气缸体积Vco以及气体的状态方程(Mc0＝Pe·Vco/(R·Te))的基础上而确定。另外，也可以设计成排气温度Te在发动机转速NE、进气流率mtAFM、喷油量fc以及预先存储在只读存储器82中的图表的基础上得到。
权利要求
1.一种内燃机进气量估算装置，其包含缸内压力估算机构，使用基于能量守恒定律求出的气缸的模型，通过计算来估算该气缸内的压力；并具有进气量估算机构，基于该估算的气缸内的压力，来估算吸入该气缸内的缸内进气量。
2.如权利要求1所述的内燃机进气量估算装置，其中关于气缸压力估算装置中的气缸模型表述为下式dPc/dt＝(κ·R·Tm/Vc)·mc-(κ·Pc/Vc)·(dVc/dt)+(κ-1)·Q/Vc，式中Pc为气缸内部压力，κ为比热比，R为气体常数，Tm为吸入气缸的空气温度，Vc为气缸体积，mc为代表吸入气缸的空气的流量的空气吸入缸内的流量，Q为在气缸和气缸外部之间传递的热量。
3.如权利要求1或2所述的内燃机进气量估算装置，其中上述的进气量估算机构被设计成，利用基于能量守恒定律、动量守恒定律以及质量守恒定律求出的通过进气阀的空气的进气阀模型，求出作为吸入气缸内的空气流量的气缸内气缸进气量的同时，基于该求出的气缸内的空气流量，估算上述气缸进气量的构成。
4.如权利要求3所述的内燃机进气量估算装置，其中上述的进气量估算机构被设计成，利用基于能量守恒定律、动量守恒定律以及质量守恒定律求出的通过排气阀的空气的排气阀模型，估算上述气缸进气量的构成。
5.如权利要求1至4任何一项所述的内燃机进气量估算装置，其中上述缸内压力估算机构被设计成，基于将表示上述气缸模型的表达式假定气缸容积是一定后通过解析求出的表达式、和将表示上述气缸模型的表达式假定吸入上述气缸的空气流量是0后通过解析求出的表达式，来估算上述气缸内的压力。
6.如权利要求3所述的内燃机进气量估算装置，其中上述进气量估算机构被设计成，使用为了求出上述进气阀模型使用的输入量时，通过关于上述节气门的空气的节气门模型，根据计算式求出作为通过该节气门的空气流量的通过节气门空气流量；进而，具有进气流量测定机构，实际的测定流入上述内燃机的进气通路内的空气流量的进气流量；和节气门模型修正部，当上述内燃机的运转状态是稳定运转状态时，利用使上述进气量测定机构所测定的进气量和用上述进气阀模型求出的缸内进气量成为相等，修正在上述节气门模型的计算式中使用的值。
7.如权利要求6所述的内燃机进气量估算装置，其中上述节气门模型的计算式是基于能量守恒定律、动量守恒定律以及质量守恒定律得到的计算式。
8.如权利要求7所述的内燃机进气量估算装置，其中上述节气门模型的计算式是设计成，使用对应至少上述内燃机的节气门的下游的进气管内的压力和该进气管的压力所决定的流量系数，求出上述通过节流的空气流量的构成，上述节气门模型修正部，利用通过上述进气量测定机构所测定的进气量和用上述进气阀模型求出的缸内进气量成为相等，求出上述模型所使用的进气管内的压力的同时，假定用该进气量测定机构测定的进气量与上述通过节气门的空气量相等、基于求出的进气管内空气压力和该假定的通过节气门的空气量，求出上述流量系数的适宜值，基于该流量系数的适宜值来修正该节气门模型中使用的流量系数。
全文摘要
节气门模型(M2)，根据能量守恒定律、动量守恒定律和质量守恒定律得到的方程来估算通过节气门的空气流量mt。进气管模型(M3)，根据质量守恒定律和能量守恒定律上得到的方程来估算进气管内部空气压力Pm和进气管内部空气温度Tm。进气阀模型(M4)，根据在能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律和状态方程等得到的方程来估算进气阀周围的空气流量mc。气缸模型(M5)，根据有关气缸在能量守恒定律得到的方程来估算气缸内部压力Pc和气缸内部空气温度Tc。根据这些模型，允许在无需大量查表的情况下，通过计算就可确定气缸进气量Mc。
文档编号F02D41/30GK1571880SQ02820469
公开日2005年1月26日 申请日期2002年10月15日 优先权日2001年10月15日
发明者田中聪, 罗伯特·比克尔, 大甾明 申请人:丰田自动车株式会社