JP2014118899A - 内燃機関の内部ｅｇｒ量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブオーバーラップ期間が変更される場合において、内部ＥＧＲ量の算出精度を向上させることができる内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置を提供する。
【解決手段】バルブオーバーラップ期間の変更に伴って内部ＥＧＲ量が変更される内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１は、バルブオーバーラップ期間中において、吸気弁４の開弁後に排気通路９から気筒３ａ内への排ガスの吹き返しが生じるタイミングである吹き返し発生タイミングでの筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを、エンジン回転数ＮＥ及び吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて算出し、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃに応じて、残留ガス量Ｇｅｇｒｄを算出し、この残留ガス量Ｇｅｇｒｄに吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを加算することにより、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の内部ＥＧＲ量を算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置に関する。

従来、内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この内部ＥＧＲ量算出装置では、残留既燃ガス量に吹き返しガス量を加算することにより、内部ＥＧＲ量が算出される。この残留既燃ガス量は、気筒内に残留する既燃ガス量であり、この特許文献１の場合、吸気弁の開弁直前に気筒内に残留する既燃ガス量に等しいとされている。これは、吸気弁の開弁直前に気筒内に残留する既燃ガスは、その一部が気筒内に留まり続けるとともに、残りのガスは、バルブオーバーラップ期間中に吸気通路側に一旦流出した後、吸気行程の終了までに気筒内に再流入するという技術的観点に基づいている。また、残留既燃ガス量は、具体的には、吸気弁の開弁直前の筒内容積を、吸気弁の開弁タイミング、気筒のボア径、ピストンのストローク及びクリアランス容積に基づいて算出し、この筒内容積を気体の状態方程式に適用することによって算出される。

また、吹き返しガス量は、バルブオーバーラップ期間中、吸気通路と排気通路の間での圧力差に起因して、既燃ガスが排気通路から吸気通路側に一旦流れた後、気筒内に吹き返された既燃ガスの量を表している。この吹き返しガス量は、既燃ガスが流れる流路をノズルと見なし、ノズルの方程式を用いて算出される。このノズルの方程式は、有効開口面積の積分値を含んでおり、この有効開口面積の積分値は、バルブオーバーラップ期間の長さ（すなわち排気弁の開弁タイミングから吸気弁の閉弁タイミングまでのクランク角度）とエンジン回転数の関数として算出される。

特開２００４−２５１１８２号公報

上記特許文献１の場合、前述した技術的観点に基づき、吸気弁の開弁直前に気筒内に残留する既燃ガス量を、吸気行程後に気筒内に残留する既燃ガス量と等しいと見なしている。しかしながら、吸気弁の開弁直前に気筒内に残留する既燃ガスは、吸気弁の開弁後、気筒内と排気通路内との圧力差や、排気行程中のピストン上昇に伴う気筒内の圧力上昇などに起因して、その一部が排気通路側に流出し、気筒内に戻ることなく、そのまま排気通路を介して排出されてしまう。その結果、実際の残留既燃ガス量は、吸気弁の開弁直前に気筒内に残留する既燃ガス量よりも小さい値となってしまう関係上、特許文献１の算出手法では、残留既燃ガス量の算出値が実際値よりも過大となる誤差が生じ、内部ＥＧＲ量が実際値よりも過大に算出されることで、内部ＥＧＲ量の算出精度が低下してしまう。特に、特許文献１のように、バルブオーバーラップ期間が可変動弁機構によって変更される場合には、この問題がより顕著になるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バルブオーバーラップ期間が変更される場合において、内部ＥＧＲ量の算出精度を向上させることができる内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、吸気弁４及び排気弁５の少なくとも一方のバルブタイミングを変更することにより、バルブオーバーラップ期間が変更されるとともに、バルブオーバーラップ期間の変更に伴って、気筒３ａ内に残留するガス量である内部ＥＧＲ量が変更される内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１であって、バルブオーバーラップ期間中において、吸気弁４の開弁後に排気通路９から気筒３ａ内への排ガスの吹き返しが生じるタイミングである吹き返し発生タイミングでの筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出する筒内容積算出手段（ＥＣＵ２、筒内容積算出部４０）と、算出された筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃに応じて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出する内部ＥＧＲ量算出手段（ＥＣＵ２、残留ガス量算出部４２、加算器４３、吹き返しガス量算出部５０）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、算出された筒内容積に応じて、内部ＥＧＲ量が算出される。この筒内容積は、バルブオーバーラップ期間中において、吸気弁の開弁後に排気通路から気筒内への排ガスの吹き返しが生じるタイミングである吹き返し発生タイミングでの値として算出されるので、特許文献１の場合と異なり、吸気弁の開弁後、排ガスの吹き返しが発生する前に排気通路に流出する既燃ガス量を除いた値として、内部ＥＧＲ量を算出することができる。それにより、内部ＥＧＲ量を、特許文献１の手法よりも実際値に近づけることができ、その算出精度を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１において、内部ＥＧＲ量算出手段は、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃに応じて、気筒３ａ内に残留する残留ガス量Ｇｅｇｒｄを算出する残留ガス量算出手段（ＥＣＵ２、残留ガス量算出部４２）を有し、算出された残留ガス量Ｇｅｇｒｄを用いて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出することを特徴とする。

この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、気筒内に残留する残留ガス量が、筒内容積に応じて算出されるので、この残留ガス量を、吸気弁の開弁後、排ガスの吹き返しが発生する前に排気通路に流出する既燃ガス量を除いた値として、精度よく算出することができる。さらに、以上のように精度よく算出された残留ガス量を用いて、内部ＥＧＲ量が算出されるので、内部ＥＧＲ量の算出精度をさらに向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１において、バルブオーバーラップ期間中の排気通路９内の圧力のうちの最小値である最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを取得する最小排気圧取得手段（ＥＣＵ２、排気圧センサ３４）をさらに備え、内部ＥＧＲ量算出手段は、取得された最小排気圧ＰｅｘＭＩＮに応じて、気筒３ａから吸気通路８及び排気通路９の少なくとも一方に一旦、流出した後、気筒３ａ内に再度、流入するガスの量である吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを算出する吹き返しガス量算出手段（ＥＣＵ２、吹き返しガス量算出部５０）をさらに有し、残留ガス量Ｇｅｇｒｄに加えて、算出された吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶをさらに用いて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出することを特徴とする。

この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、バルブオーバーラップ期間中の排気通路内の圧力のうちの最小値である最小排気圧が取得され、気筒から吸気通路及び排気通路の少なくとも一方に一旦、流出した後、気筒内に再度、流入するガスの量である吹き返しガス量が、最小排気圧に応じて算出される。この場合、バルブオーバーラップ期間を変更可能な内燃機関において、吹き返しガス量を算出する際、バルブオーバーラップ期間が長いときや内燃機関の運転負荷が高いときには、バルブオーバーラップ期間中の排気通路の圧力の最小値を用いることによって、吹き返しガス量の算出精度が向上するということが、本出願人の実験により確認されている（例えば、特願２０１２−１５２０８９号の図９，１０参照）。したがって、そのような条件下において、吹き返しガス量の算出精度を向上させることができる。さらに、内部ＥＧＲ量が、残留ガス量に加えて、以上のように精度よく算出された吹き返しガス量をさらに用いて算出されるので、バルブオーバーラップ期間が長いときや内燃機関の運転負荷が高いときにおいても、内部ＥＧＲ量を精度よく算出することができ、その算出精度をより一層、向上させることができる（なお、本明細書における「最小排気圧を取得」などの「取得」は、センサなどにより、最小排気圧などのパラメータを直接検出することや、パラメータを算出することを含む）。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１において、内燃機関３は、吸気弁４を開閉する吸気カムシャフト１１のクランクシャフト３ｃに対する位相である吸気カム位相ＣＡＩＮを変更する可変吸気カム位相機構１２を有しており、吸気カム位相ＣＡＩＮを表す吸気カム位相パラメータ（吸気カム位相ＣＡＩＮ）を取得する吸気カム位相パラメータ取得手段（ＥＣＵ２、クランク角センサ３０、吸気カム角センサ３６）をさらに備え、筒内容積算出手段は、取得された吸気カム位相パラメータ（吸気カム位相ＣＡＩＮ）に応じて、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出することを特徴とする。

一般に、内燃機関が吸気カム位相を変更する可変吸気カム位相機構を有している場合、この可変吸気カム位相機構によって吸気カム位相が変更されると、吸気弁の開弁タイミング及びバルブオーバーラップ期間が変化し、それに伴って、吹き返し発生タイミングも変化する。これに対して、この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、吸気カム位相を表す吸気カム位相パラメータが取得され、取得された吸気カム位相パラメータに応じて、筒内容積が算出されるので、吸気カム位相の変更に伴う、吹き返し発生タイミングの変化を反映させながら、筒内容積を精度よく算出することができる。それにより、可変吸気カム位相機構を有している場合においても、内部ＥＧＲ量の算出精度を向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１において、内燃機関３の回転数である機関回転数ＮＥを取得する機関回転数取得手段（ＥＣＵ２、クランク角センサ３０）をさらに備え、筒内容積算出手段は、取得された機関回転数ＮＥに応じて、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出することを特徴とする。

この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、内燃機関の回転数である機関回転数が取得され、取得された機関回転数に応じて、筒内容積が算出される。この場合、後述するように、筒内容積は、機関回転数と相関性が高く、機関回転数が変化すると、それに伴って変化する。したがって、そのような機関回転数に応じて、筒内容積を算出することにより、筒内容積の算出精度をさらに向上させることができる。その結果、内部ＥＧＲ量の算出精度をさらに向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る内部ＥＧＲ量算出装置及びこれを適用した内燃機関の構成を模式的に示す図である。 可変吸気カム位相機構及び可変排気カム位相機構による吸気弁及び排気弁のバルブタイミングの変更状態を示すバルブリフト曲線である。 内部ＥＧＲ量算出装置の機能的な構成を示すブロック図である。 吹き返しガス量算出部の構成を示すブロック図である。 関数値ＣｄＡの算出に用いるマップの一例を示す図である。 ＮＥ＝ＮＥ１，ＣＡＥＸ＝０，ＣＡＩＮ＝０の条件下での排気流量及び吸気流量の測定結果を示す図である。 ＮＥ＝ＮＥ１，ＣＡＥＸ＝０，ＣＡＩＮ＝ＣＡＩＮ＿ｒｅｆの条件下での排気流量及び吸気流量の測定結果を示す図である。 吸気カム位相ＣＡＩＮと筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃの関係を示す図である。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝ＣＡｒｅｆ，ＮＥ＝ＮＥ１の条件下での排気流量及び吸気流量の測定結果を示す図である。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝ＣＡｒｅｆ，ＮＥ＝ＮＥ２の条件下での排気流量及び吸気流量の測定結果を示す図である。 エンジン回転数ＮＥと筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃの関係を示す図である。 本発明の算出手法と比較例の算出手法による、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出誤差を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置について説明する。図１に示すように、この内部ＥＧＲ量算出装置１は、ＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２は、後述する手法により、内部ＥＧＲ量を算出するとともに、内燃機関（以下「エンジン」という）３の運転状態などを制御する。

エンジン３は、４組の気筒３ａ及びピストン３ｂ（１組のみ図示）を有する直列４気筒ガソリンエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。また、エンジン３は、気筒３ａごとに設けられた吸気弁４（１つのみ図示）と、気筒３ａごとに設けられた排気弁５（１つのみ図示）と、吸気弁４を開閉駆動する吸気動弁機構１０と、排気弁５を開閉駆動する排気動弁機構２０などを備えている。

この吸気動弁機構１０は、吸気弁４を駆動する吸気カムシャフト１１と、可変吸気カム位相機構１２などで構成されている。この可変吸気カム位相機構１２は、吸気カムシャフト１１のクランクシャフト３ｃに対する相対的な位相（以下「吸気カム位相」という）ＣＡＩＮを無段階に（すなわち連続的に）進角側又は遅角側に変更することで、吸気弁４のバルブタイミングを変更するものであり、吸気カムシャフト１１の吸気スプロケット（図示せず）側の端部に設けられている。

この可変吸気カム位相機構１２は、具体的には、本出願人が特開２００７−１００５２２号公報などで提案済みのものと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略するが、吸気カム位相制御弁１２ａなどを備えている。この可変吸気カム位相機構１２の場合、ＥＣＵ２からの駆動信号によって吸気カム位相制御弁１２ａが制御されることにより、吸気カム位相ＣＡＩＮを、値０と所定の最進角値ＣＡＩＮ＿ａｄとの間で連続的に変化させる。それにより、吸気弁４のバルブタイミングが、図２に実線で示す原点タイミングと、図２に１点鎖線で示す最進角タイミングとの間で無段階に変更される。なお、この図２では、排気上死点が「排気ＴＤＣ」と表記されており、この点は後述する各図においても同様である。

この場合、所定の最進角値ＣＡＩＮ＿ａｄは、所定の正値に設定されている。したがって、吸気カム位相ＣＡＩＮが値０から増大するほど、吸気弁４のバルブタイミングが原点タイミングからより進角側に変更され、それにより、吸気弁４と排気弁５のバルブオーバーラップ期間がより長くなる。

また、排気動弁機構２０は、排気弁５を駆動する排気カムシャフト２１と、可変排気カム位相機構２２などで構成されている。この可変排気カム位相機構２２は、排気カムシャフト２１のクランクシャフト３ｃに対する相対的な位相（以下「排気カム位相」という）ＣＡＥＸを無段階に（すなわち連続的に）進角側又は遅角側に変更することで、排気弁５のバルブタイミングを変更するものであり、排気カムシャフト２１の排気スプロケット（図示せず）側の端部に設けられている。

この可変排気カム位相機構２２は、上述した可変吸気排気カム位相機構１２と同様に構成されており、排気カム位相制御弁２２ａなどを備えている。この可変排気カム位相機構２２の場合、ＥＣＵ２からの駆動信号によって排気カム位相制御弁２２ａが制御されることにより、排気カム位相ＣＡＥＸを、値０と所定の最遅角値ＣＡＥＸ＿ｒｔとの間で連続的に変化させる。それにより、排気弁５のバルブタイミングが、図２に実線で示す原点タイミングと、図２に破線で示す最遅角タイミングとの間で無段階に変更される。

この場合、所定の最遅角値ＣＡＥＸ＿ｒｔは、所定の正値に設定されている。したがって、排気カム位相ＣＡＥＸが値０から増大するほど、排気弁５のバルブタイミングが原点タイミングからより遅角側に変更され、それにより、バルブオーバーラップ期間がより長くなる。

なお、このようなバルブオーバーラップ期間が存在する場合、後述するように、気筒３ａ内から排気通路９に一旦、流出した既燃ガスが、気筒３ａ内に再度流入したり、気筒３ａ内を通り抜けて吸気通路８内まで流れ込んだ後、気筒３ａ内に再度、流入したりする事象が発生する。以下の説明では、このように、気筒３ａ内から排気通路９に一旦、流出した後、バルブオーバーラップ期間の終了時までに気筒３ａ内に最終的に戻る既燃ガスを「吹き返しガス」といい、その量を「吹き返しガス量」という。

また、エンジン３には、点火プラグ６、燃料噴射弁７及びクランク角センサ３０が設けられており、これらの点火プラグ６及び燃料噴射弁７はいずれも、気筒３ａごとに設けられている（いずれも１つのみ図示）。燃料噴射弁７は、各気筒３ａの吸気ポート内に燃料を噴射するようにインテークマニホールドに取り付けられている。点火プラグ６及び燃料噴射弁７はいずれも、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２によって、燃料噴射弁７による燃料の噴射量及び噴射時期と、点火プラグ６による混合気の点火時期とが制御される。すなわち、燃料噴射制御と点火時期制御が実行される。

さらに、クランク角センサ３０は、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号及びＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば１゜）ごとに１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒３ａのピストン３ｂが吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態の４気筒エンジン３の場合、クランク角１８０゜ごとに１パルスが出力される。なお、本実施形態では、クランク角センサ３０が吸気カム位相パラメータ取得手段及び機関回転数取得手段に相当する。

一方、ＥＣＵ２には、エアフローセンサ３１、吸気圧センサ３２、吸気温センサ３３、排気圧センサ３４、排気温センサ３５、吸気カム角センサ３６及び排気カム角センサ３７が電気的に接続されている。このエアフローセンサ３１は、吸気通路８内を流れる新気の流量を検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このエアフローセンサ３１の検出信号に基づき、吸入空気量ＧＡＩＲを算出する。

また、吸気圧センサ３２は吸気通路８内の圧力（以下「吸気圧」という）Ｐｉｎを、検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気圧Ｐｉｎは、絶対圧として検出される。さらに、吸気温センサ３３は、吸気通路８内の空気の温度（以下「吸気温」という）Ｔｉｎを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気温Ｔｉｎは、絶対温度として検出される。

一方、排気圧センサ３４は、排気通路９内の圧力（以下「排気圧」という）Ｐｅｘを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この排気圧Ｐｅｘは、絶対圧として検出される。なお、本実施形態では、排気圧センサ３４が最小排気圧取得手段に相当する。また、排気温センサ３５は、排気通路９内の排ガスの温度（以下「排気温」という）Ｔｅｘを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この排気温Ｔｅｘは、絶対温度として検出される。

また、吸気カム角センサ３６は、吸気カムシャフト１１の可変吸気カム位相機構１２と反対側の端部に設けられており、吸気カムシャフト１１の回転に伴い、パルス信号である吸気ＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この吸気ＣＡＭ信号及び前述したＣＲＫ信号に基づき、吸気カム位相ＣＡＩＮを算出する。なお、本実施形態では、吸気カム角センサ３６が吸気カム位相パラメータ取得手段に相当し、吸気カム位相ＣＡＩＮが吸気カム位相パラメータに相当する。

さらに、排気カム角センサ３７は、排気カムシャフト２１の可変排気カム位相機構２２と反対側の端部に設けられており、排気カムシャフト２１の回転に伴い、パルス信号である排気ＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この排気ＣＡＭ信号及び前述したＣＲＫ信号に基づき、排気カム位相ＣＡＥＸを算出する。

一方、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、以上の各種のセンサ３０〜３７の検出信号などに基づいて、以下に述べるように、内部ＥＧＲ量の算出処理を実行するとともに、点火プラグ６、燃料噴射弁７、吸気カム位相制御弁１２ａ及び排気カム位相制御弁２２ａの動作状態を制御する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、筒内容積算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段、残留ガス量算出手段、最小排気圧取得手段、吹き返しガス量算出手段、吸気カム位相パラメータ取得手段、及び機関回転数取得手段に相当する。

次に、図３を参照しながら、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１の機能的な構成について説明する。同図に示すように、内部ＥＧＲ量算出装置１は、筒内容積算出部４０、平均排気圧算出部４１、残留ガス量算出部４２、加算器４３及び吹き返しガス量算出部５０を備えており、これらはいずれもＥＣＵ２によって構成されている。

この筒内容積算出部４０（筒内容積算出手段）では、エンジン回転数ＮＥ及び吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて、図示しないマップを検索することにより、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃが算出される。この筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃは、バルブオーバーラップ期間中において、吸気弁４の開弁後に排気通路９から気筒３ａ内への排ガスの吹き返しが生じるタイミング、すなわち吹き返し発生タイミングでの気筒３ａ内の容積であり、上述した手法によって筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出する理由については後述する。

また、平均排気圧算出部４１では、以下に述べるように平均排気圧ＰｅｘＡｖｅが算出される。すなわち、排気圧ＰｅｘをＴＤＣ信号の発生タイミングに同期してサンプリングし、１燃焼サイクル分の排気圧Ｐｅｘのサンプリング値に移動平均処理を施すことによって、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅが算出される。

さらに、残留ガス量算出部４２（内部ＥＧＲ量算出手段、残留ガス量算出手段）では、下式（１）により、残留ガス量Ｇｅｇｒｄが算出される。

この式（１）は気体の状態方程式に相当するものであり、この式（１）のＲｅは気体定数である。この残留ガス量Ｇｅｇｒｄは、吹き返し発生タイミングで気筒３ａ内に残留する既燃ガス量に相当する。

さらに、吹き返しガス量算出部５０（内部ＥＧＲ量算出手段、吹き返しガス量算出手段）では、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅ及び排気温Ｔｅｘなどの各種のパラメータを用いて、後述する手法により、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが算出される。

そして、加算器４３（内部ＥＧＲ量算出手段）において、下式（２）により、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔが算出される。

上式（２）に示すように、この内部ＥＧＲ量算出装置１では、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔは、残留ガス量Ｇｅｇｒｄと吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶの和として算出される。

次に、図４を参照しながら、前述した吹き返しガス量算出部５０について説明する。同図に示すように、この吹き返しガス量算出部５０は、要求トルク算出部５１、振幅算出部５２、減算器５３、オーバーラップ角度算出部５４、基本吹き返しガス量算出部５５、補正項５６及び加算器５７を備えている。

まず、要求トルク算出部５１では、エンジン回転数ＮＥ及び吸入空気量ＧＡＩＲに応じて、図示しないマップを検索することにより、要求トルクＴＲＱが算出される。

次に、振幅算出部５２では、要求トルクＴＲＱ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、図示しないマップを検索することにより、振幅ΔＰｅｘが算出される。

次いで、減算器５３では、下式（３）により、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮ（第１排気圧パラメータ）が算出される。この最小排気圧ＰｅｘＭＩＮは、バルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの最小値を推定した値に相当する。

一方、前述したオーバーラップ角度算出部５４では、下式（４）により、オーバーラップ角度ＯＶＬが算出される。

また、前述した基本吹き返しガス量算出部５５では、下式（５）〜（７）により、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅが算出される。この基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅは、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸが成立しているときの吹き返しガス量に相当する。

上式（５）のＣｄＡは、有効開口面積と流量係数の積に相当する関数値であり、この関数値ＣｄＡは、具体的には、オーバーラップ角度ＯＶＬに応じて、図５に示すマップを検索することにより算出される。また、式（５）のΨは、式（６），（７）によって算出される流量関数であり、式（６），（７）のκは比熱比である。

以上の式（５）〜（７）に示すように、本実施形態の場合、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いて基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅが算出される。これは、本出願人が特願２０１２−１５２０８９号に記載したように、吹き返しガス量を算出する際、バルブオーバーラップ期間が長いときやエンジン３の運転負荷が高いときには、バルブオーバーラップ期間中の排気通路９の圧力の最小値である最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いることによって、吹き返しガス量の算出精度が向上するためである。

なお、以上の式（５）〜（７）は、吹き返しガス（すなわち既燃ガス）を圧縮性流体かつ断熱流と見なすとともに、吹き返しガスが流れる流路をノズルと見なし、ノズルの式を用いて導出されるものであり、その導出方法は、本出願人が特開２０１１−１４０８９５号公報などで説明したものと同じであるので、ここでは説明を省略する。

また、補正項算出部５６では、以下に述べるように、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬが算出される。まず、オーバーラップ角度ＯＶＬ及び要求トルクＴＲＱに応じて、図示しないマップを検索することにより、補正係数ＫＧｅｇｒを算出する。さらに、排気カム位相ＣＡＥＸ及び吸気カム位相ＣＡＩＮに基づき、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒを算出する。このオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒは、バルブオーバーラップ期間の始点と終点の間における中央のクランク角位置に相当する。そして、このオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに補正係数ＫＧｅｇｒを乗算することにより、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬが算出される。

そして、最終的に、加算器５９において、下式（８）により、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが算出される。

以上のように、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶは、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬで補正することによって算出される。

次に、前述したように、エンジン回転数ＮＥ及び吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出した理由及び観点について説明する。まず、図６〜８を参照しながら、吸気カム位相ＣＡＩＮと筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃの関係について説明する。図６，７は、吸気流量及び排気流量の測定結果をそれぞれ示しており、図６は、エンジン回転数ＮＥを所定値ＮＥ１に、排気カム位相ＣＡＥＸを値０にそれぞれ保持した場合において、吸気カム位相ＣＡＩＮを値０に設定したときの測定結果を示している。

また、図７は、エンジン回転数ＮＥ及び排気カム位相ＣＡＥＸを図６と同じ値に保持した場合において、吸気カム位相ＣＡＩＮを所定値ＣＡＩＮ＿ｒｅｆに設定したときの測定結果を示している。この所定値ＣＡＩＮ＿ｒｅｆは、０＜ＣＡＩＮ＿ｒｅｆ＜ＣＡＥＸ＿ｒｔが成立する値である。さらに、両図６，７の場合、吸気流量及び排気流量の値は、吸気側から排気側に向かって流れるときに正値で表され、これとは逆に、排気側から吸気側に向かって流れるときに負値で表されている。この点は後述する図９，１０などにおいても同様である。

まず、図６の測定結果では、クランク角が排気上死点よりも所定値分、進角側の位置に達したタイミングで、吸気弁４が開き始めるとともに、このタイミングでは、排気弁５のリフトが吸気弁４よりも大きいとともに、ピストン３ｂが上昇状態にあることで、気筒３ａ内の既燃ガスは気筒３ａ内から排気通路９側に流出し、それにより、排気流量が正値となる。この場合、図中の網掛けで示す領域が、既燃ガスの排気通路９側への流出が発生する領域に相当する。そして、クランクシャフト３ｃの回転に伴い、ピストン３ｂが排気上死点を通過する際、排気上死点よりも若干進角側のタイミングで、排気弁５のリフトが吸気弁４のリフトとほぼ等しくなり、排気流量は一時的に値０になるとともに、それ以降、排ガスの排気通路からの吹き返しが発生することで、排気流量は負値になる。すなわち、排気上死点よりも若干進角側のタイミングが吹き返し発生タイミングとなる。

また、図７の測定結果では、吹き返し発生タイミングは、図６の測定結果と比べて、より進角側に変化している。すなわち、吸気カム位相ＣＡＩＮが増大し、吸気弁４の開弁タイミングが進角側に変化するほど、吹き返し発生タイミングがより進角側に変化する。これに加えて、吹き返し発生タイミングでの吸気弁４のリフトは、図７の方が図６よりも大きくなっていることが判る。以上のような、吸気カム位相ＣＡＩＮの変化に伴う、吹き返し発生タイミングの変化と、この吹き返し発生タイミングにおける吸気弁４のリフトの変化とに起因して、吸気カム位相ＣＡＩＮと筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃの関係は、図８に示すものとなる。

次に、図９〜１１を参照しながら、エンジン回転数ＮＥと筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃの関係について説明する。図９は、吸気カム位相ＣＡＩＮ及び排気カム位相ＣＡＥＸをいずれも所定値ＣＡｒｅｆに保持した場合において、エンジン回転数ＮＥを所定値ＮＥ１に設定したときの、吸気流量及び排気流量の測定結果を示しており、図１０は、吸気カム位相ＣＡＩＮ及び排気カム位相ＣＡＥＸを図９と同じ値に保持した場合において、エンジン回転数ＮＥを所定値ＮＥ１よりも高い所定値ＮＥ２に設定したときの測定結果を示している。

両図を比較すると明らかなように、図１０の測定結果の方が、図９の測定結果と比べて、吹き返し発生タイミングがより遅角側になっているとともに、吹き返し発生タイミングでの吸気弁４のリフトは、図１０の方が図９よりも大きくなっていることが判る。以上のような、エンジン回転数ＮＥの変化に伴う、吹き返し発生タイミングの変化と、この吹き返し発生タイミングにおける吸気弁４のリフトの変化とに起因して、エンジン回転数ＮＥと筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃの関係は、図１１に示すものとなる。

以上のように、吹き返し発生タイミングにおける筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃは、エンジン回転数ＮＥ及び吸気カム位相ＣＡＩＮと相関性が高く、これらのパラメータの変化に伴って変化する。したがって、本実施形態では、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを精度よく算出するために、前述したように、エンジン回転数ＮＥ及び吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて設定したマップを検索することによって、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃが算出される。

次に、図１２を参照しながら、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１による内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出結果の精度について説明する。同図において、丸印で示すデータは、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１による内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出誤差（以下「本発明の算出誤差」という）とオーバーラップ角度ＯＶＬとの関係を表しており、この算出誤差は、内部ＥＧＲ量の算出値Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔから実測値を減算した値に相当する。また、四角形で示すデータは、比較のために、残留ガス量Ｇｅｇｒｄの算出に用いる筒内容積を吸気弁４の開弁タイミングにおける値として算出したときの、内部ＥＧＲ量の算出結果から実測値を減算した比較例の算出誤差である。

同図に示すように、本発明の算出誤差が値０付近に保持されているのに対して、比較例の誤差は、本発明の算出誤差と比べて＋側の値になっており、本実施形態の内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出手法によって、その算出精度が向上することが判る。これは、比較例の手法の場合、前述したように、吹き返し発生前に排気通路９側に流出する既燃ガス量が、内部ＥＧＲ量の算出結果に含まれてしまうので、内部ＥＧＲ量の算出結果が実際値よりも過大になるためである。

以上のように、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１によれば、エンジン回転数ＮＥ及び吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃが算出され、この筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃに応じて、残留ガス量Ｇｅｇｒｄが算出され、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮに応じて算出されるとともに、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃに吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを加算することにより、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔが算出される。

この場合、前述したように、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃは、吸気カム位相ＣＡＩＮ及びエンジン回転数ＮＥと相関性が高いので、これらに応じて、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出することにより、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを精度よく算出することができる。

また、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃは、バルブオーバーラップ期間中において、吸気弁４の開弁後に排気通路９から気筒３ａ内への排ガスの吹き返しが生じるタイミング、すなわち吹き返し発生タイミングでの値として算出されるので、特許文献１の場合と異なり、吸気弁４の開弁後、排ガスの吹き返しが発生する前に排気通路９に流出してしまう既燃ガス量を除いた値として、残留ガス量Ｇｅｇｒｄを算出することができる。それにより、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出精度を向上させることができる。

さらに、バルブオーバーラップ期間を変更可能なエンジン３において、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを算出する際、バルブオーバーラップ期間が長いときやエンジン３の運転負荷が高いときには、バルブオーバーラップ期間中の排気通路９の圧力の最小値を用いることによって、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶの算出精度が向上することが本出願人の実験により確認されている。したがって、上記の算出手法により、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶの算出精度を向上させることができる。また、以上のように精度よく算出された吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを残留ガス量Ｇｅｇｒｄに加算することにより、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔが算出されるので、バルブオーバーラップ期間が長いときやエンジン３の運転負荷が高いときにおいても、内部ＥＧＲ量を精度よく算出することができ、その算出精度をより一層、向上させることができる。

なお、実施形態は、吸気弁４及び排気弁５の少なくとも一方のバルブタイミングが変更される内燃機関として、可変吸気カム位相機構１２及び可変排気カム位相機構２２を備えた内燃機関３を用いた例であるが、本発明の内燃機関はこれに限らず、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミングを変更できる内燃機関であればよい。例えば、内燃機関として、可変吸気カム位相機構１２及び可変排気カム位相機構２２の一方を備えたものを用いてもよく、これら以外の機構によって、吸気弁及び／又は排気弁５のバルブタイミングが変更される内燃機関を用いてもよい。例えば、カム位相を変更する機構として、電気モータとギヤ機構を組み合わせたタイプの可変カム位相機構や、ソレノイドによって弁体が駆動される電磁動弁機構、３次元カムによってバルブタイミングを機械的に変更するバルブタイミング変更機構などを用いてもよい。

また、実施形態は、吸気カム位相パラメータとして、吸気カム位相ＣＡＩＮを用いた例であるが、本発明の吸気カム位相パラメータはこれに限らず、吸気カム位相を表すものであればよい。例えば、吸気カム位相パラメータとして、可変吸気カム位相機構１２への制御入力信号の値を用いてもよく、その場合には、この制御入力信号の値に応じて、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出すればよい。

さらに、実施形態は、吸気カム位相ＣＡＩＮ及びエンジン回転数ＮＥに応じて、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを算出した例であるが、筒内容積Ｖｃｙｌｉｖｃを、吸気カム位相ＣＡＩＮ及びエンジン回転数ＮＥの一方に応じて算出してもよい。

一方、実施形態は、本発明の内部ＥＧＲ量算出装置１を車両用の内燃機関３に適用した例であるが、本発明の内部ＥＧＲ量算出装置は、これに限らず、船舶用の内燃機関や、他の産業機器用の内燃機関にも適用可能である。

１ 内部ＥＧＲ量算出装置
２ ＥＣＵ（筒内容積算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段、残留ガス量算出手段、最小 排気圧取得手段、吹き返しガス量算出手段、吸気カム位相パラメータ取得手段、 機関回転数取得手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
３ｃ クランクシャフト
４ 吸気弁
５ 排気弁
８ 吸気通路
９ 排気通路
１２ 可変吸気カム位相機構
２２ 可変排気カム位相機構
３０ クランク角センサ（吸気カム位相パラメータ取得手段、機関回転数取得手段）
３４ 排気圧センサ（最小排気圧取得手段）
３６ 吸気カム角センサ（吸気カム位相パラメータ取得手段）
４０ 筒内容積算出部（筒内容積算出手段）
４２ 残留ガス量算出部（内部ＥＧＲ量算出手段、残留ガス量算出手段）
４３ 加算器（内部ＥＧＲ量算出手段）
５０ 吹き返しガス量算出部（内部ＥＧＲ量算出手段、吹き返しガス量算出手段）
Ｖｃｙｌｉｖｃ 筒内容積
Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔ 内部ＥＧＲ量
Ｇｅｇｒｄ 残留ガス量
ＰｅｘＭＩＮ 最小排気圧
ＧｅｇｒＲＶ 吹き返しガス量
ＣＡＩＮ 吸気カム位相（吸気カム位相パラメータ）
ＮＥ 機関回転数

Claims (5)

1. 吸気弁及び排気弁の少なくとも一方のバルブタイミングを変更することにより、バルブオーバーラップ期間が変更されるとともに、当該バルブオーバーラップ期間の変更に伴って、気筒内に残留するガス量である内部ＥＧＲ量が変更される内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置であって、
   前記バルブオーバーラップ期間中において、前記吸気弁の開弁後に排気通路から前記気筒内への排ガスの吹き返しが生じるタイミングである吹き返し発生タイミングでの筒内容積を算出する筒内容積算出手段と、
   当該算出された筒内容積に応じて、前記内部ＥＧＲ量を算出する内部ＥＧＲ量算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
2. 前記内部ＥＧＲ量算出手段は、
   前記筒内容積に応じて、前記気筒内に残留する残留ガス量を算出する残留ガス量算出手段を有し、
   当該算出された残留ガス量を用いて、前記内部ＥＧＲ量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
3. 前記バルブオーバーラップ期間中の前記排気通路内の圧力のうちの最小値である最小排気圧を取得する最小排気圧取得手段をさらに備え、
   前記内部ＥＧＲ量算出手段は、
   当該取得された最小排気圧に応じて、前記気筒から吸気通路及び前記排気通路の少なくとも一方に一旦、流出した後、前記気筒内に再度、流入するガスの量である吹き返しガス量を算出する吹き返しガス量算出手段をさらに有し、
   前記残留ガス量に加えて、当該算出された吹き返しガス量をさらに用いて、前記内部ＥＧＲ量を算出することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
4. 前記内燃機関は、前記吸気弁を開閉する吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する位相である吸気カム位相を変更する可変吸気カム位相機構を有しており、
   前記吸気カム位相を表す吸気カム位相パラメータを取得する吸気カム位相パラメータ取得手段をさらに備え、
   前記筒内容積算出手段は、当該取得された吸気カム位相パラメータに応じて、前記筒内容積を算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
5. 前記内燃機関の回転数である機関回転数を取得する機関回転数取得手段をさらに備え、
   前記筒内容積算出手段は、当該取得された機関回転数に応じて、前記筒内容積を算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。

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