JP3897690B2 - 制御弁通過ガス流量算出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気再循環ガス制御弁通過ガス量算出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比を最適な値とするためには、吸気弁が閉じたときに燃焼室内に充填されている吸気ガスの量（以下、「筒内充填ガス量」と称す）を正確に推定する必要がある。通常、筒内充填ガス量は、流量センサ（エアフロメータ）等の多数のセンサ、およびこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定される。ところが、このようにマップを用いて筒内充填ガス量を推定すると、必要なマップの数およびその引数の数が多くなり、これにより筒内充填ガス量算出時のマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう問題がある。
【０００３】
さらに、上記のようにマップに基づいて吸入ガス量を算出するためには、各内燃機関の形式毎に実際の測定に基づいて各マップを作成する、いわゆる適合作業を行わなければならないが、この適合作業における測定点はマップの引数の数に応じて増大するため、引数の数が多くなると適合を行う際の工数が多大になり、また引数の数が一つ増えるだけで、その工数は何十倍にも増加してしまう問題がある。
【０００４】
そこで、近年において、流体力学等に基づく式で表される吸入ガス量モデルを用いることにより、マップの数および引数を減らして筒内充填ガス量を算出することが検討されている。このような吸入ガス量モデルＭ２０の一つは、例えば、後述するスロットルモデルＭ２１と、吸気管モデルＭ２２と、吸気弁モデルＭ２３とを備え、これら各モデルを用いることによりスロットル弁開度、大気圧、および大気温度から、筒内充填ガス量を求めるようにしている。
【０００５】
より詳細には、スロットルモデルＭ２１は、エネルギ保存則、運動量保存則、質量保存則、および状態方程式に基づいて、スロットル弁開度、大気圧、および大気温度から、スロットル弁を通過する空気流量（以下、「スロットル弁通過空気流量」と称す）を算出するようになっている。また、吸気管モデルＭ２２は、エネルギ保存則、質量保存則および状態方程式に基づいて、スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量と後述する吸気弁モデルＭ２３において算出された筒内吸入ガス流量とから、吸気管内圧力および吸気管内温度を算出するようになっている。さらに、吸気弁モデルＭ２３は、筒内充填ガス量が吸気管内圧力にほぼ比例するという経験則から導かれた近似式に基づいて、吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力、吸気管内温度、および大気温度から、燃焼室内に流入する吸気ガスの流量（以下、「筒内吸入ガス流量」と称す）および筒内充填ガス量を算出するようになっている。
【０００６】
このように、吸入ガス量モデルを用いて筒内充填ガス量を算出することにより、ＥＣＵに記憶させるべきマップの数が減少し、適合を行う際の工数を削減すことができる。また、各モデルに用いられる計算式は比較的単純なものであるため、マップを使用する場合に比べて制御負荷を小さくすることができる。
【０００７】
ところで、従来から、燃焼室から排気通路へ排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に戻す機構であるＥＧＲを備えた内燃機関が知られているが、上述したような吸入ガス量モデルＭ２０では、このようなＥＧＲを備えた内燃機関を考慮しておらず、よってこの内燃機関に適用することはできない。例えば、ＥＧＲを備えていない内燃機関においては、筒内に吸い込むガス量には実際には吸気ポートに吹き返した内部ＥＧＲが含まれるが、この内部ＥＧＲはその吸気行程中に再び吸い込まれるので、筒内吸入ガス流量（新気ガス流量）に基づいて燃料噴射量が決定されるが、ＥＧＲを備えた内燃機関では、燃焼室内に流入する吸気ガスには大気中から流入した空気（新気）の他にＥＧＲ通路２１を通って吸気管１３に流入した排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称す）が含まれるため、筒内吸入ガス流量から燃焼室内に流入するＥＧＲガスの流量（以下「筒内吸入ＥＧＲ流量」と称す）を除いた、燃焼室内に流入する空気（新気）の流量（以下、「筒内吸入新気流量」と称す）に基づいて燃料噴射量を決定しなければならない。したがって、ＥＧＲを備えた内燃機関に上述したような吸入ガス量モデルを適用するためには、筒内吸入ＥＧＲ流量を正確に推定することができなければならない。
【０００８】
一般に、筒内吸入ＥＧＲ流量はＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスの流量（以下、「ＥＧＲ弁通過ガス流量」と称す）に応じて変化するため、筒内吸入ＥＧＲ流量はＥＧＲ弁通過ガス流量から求めることができる。そして、ＥＧＲ弁通過ガス流量は、ＥＧＲ弁の上流側の圧力、ＥＧＲ弁の下流側の圧力、ＥＧＲ弁開度といったパラメータに応じて変化する。そこで、従来のＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置では、上記パラメータを引数としてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出するためのマップを作成している。そして実際に使用するときには、センサ等によって検出されたパラメータの値から上記マップを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出し、算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量から筒内吸入ＥＧＲ流量を算出している。（特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２８０２０２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１に記載の装置では、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力との差圧をマップの引数としてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出している。上述したように、ＥＧＲ弁通過ガス流量は、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力とに応じて変化するため、マップの引数を上記差圧にすると、正確にＥＧＲ弁通過ガス流量を算出することができない。さらに、ＥＧＲ弁通過ガス流量は上記パラメータのみならず、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出される排気ガスの温度（以下、「排気温度」と称す）によっても変化する。したがって、実際には上記パラメータに加えて、排気温度にも基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出しなければ、正確な値を算出することができない。このように、従来では、ＥＧＲ弁通過ガス流量を正確に算出することができなかった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、ＥＧＲ弁を通過するＥＧＲガスの流量を正確に算出することができるＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路に流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、少なくとも前記機関の排気圧と、吸気管内圧力と、前記制御弁の開度とに基づいて制御弁通過ガス流量を算出する制御弁通過ガス流量算出手段とを具備する制御弁通過ガス流量算出装置において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記排気圧と吸気管内圧力と制御弁開度に加えて更に機関排気温度に基づいて所定時間毎に前記制御弁通過ガス流量を算出し、機関回転数と前記制御弁通過ガス流量算出手段によって前回算出された制御弁通過ガス流量とから今回の制御弁通過ガス流量算出に使用する機関排気温度を算出する。
【００１３】
第１の発明によれば、制御弁通過ガス量算出手段は、実際にセンサ等で機関排気温度を検出することなく比較的正確に機関排気温度を算出することができる。
【００１４】
第２の発明では、第１の発明において、上記制御弁通過ガス流量算出手段は、μｅを制御弁における流量係数、Ａｅを制御弁の開口断面積、Ｐｅを前記排気圧、Ｔｅを前記排気温度、Ｐｍを前記吸気管内圧力、Ｒを定数、Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）をＰｍ／Ｐｅの値に応じて定まる係数とすると、下記数２に基づいて制御弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。
【数２】
【００１５】
第２の発明によれば、制御弁通過ガス流量算出手段は、予め用意したマップに基づいてではなく、数値計算によって制御弁通過ガス流量を算出する。このため、マップを用いる場合に生じる適合の問題と、算出された制御弁通過ガス流量の値の精度の問題とを共に解決することができる。
【００１６】
第３の発明では、第１または第２の発明において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、充填効率と機関回転数とに基づいて算出した排気圧を利用して前記制御弁通過ガス流量を算出する。
第３の発明によれば、制御弁通過ガス量算出手段は、実際にセンサ等で排気圧を検出することなく排気圧を比較的正確に算出することができる。なお、上記充填効率とは、標準状態において燃焼室の総行程容積を占める空気量に対する実際に燃焼室に充填された空気量の比を意味する。また、この充填効率を機関負荷率に替えることも可能である。
【００１７】
第４の発明では、第３の発明において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記充填効率と機関回転数とに基づいて大気圧が所定の標準大気圧にあるときの機関排気圧を算出し、該標準大気圧における機関排気圧を実際の大気圧に基づいて補正した排気圧を使用して前記制御弁通過ガス流量を算出する。
一般に、排気圧は充填効率と機関回転数とに応じて変化し、さらに実際に燃焼室に充填される空気量は、他の条件が同一であっても内燃機関周囲の大気圧（または、吸気通路に吸入される気体の吸気圧）に応じて変化する。そこで、第４の発明によれば、制御弁通過ガス流量算出手段は、上記充填効率および機関回転数に基づいて算出された排気圧を実際の大気圧に基づいて補正し、上記充填効率および機関回転数に基づいて算出された排気圧の替わりに上記補正された排気圧を使用して制御弁通過ガス流量を算出することにより、より正確に制御弁通過ガス流量を算出することができる。
【００１８】
第５の発明では、第１〜第４の発明において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記機関回転数と前回算出された制御弁通過ガス流量とに基づいて大気温度が所定の標準大気温度にあるときの機関排気温度を算出し、該標準大気温度における機関排気温度を実際の大気温度に基づいて補正した機関排気温度を使用して前記制御弁通過ガス流量を算出する。
一般に、機関排気温度は機関回転数と前回の制御弁通過ガス流量と、さらに内燃機関周囲の大気温度（すなわち、吸気通路に吸入される気体の吸気温）とに応じて変化する。そこで、第６の発明によれば、制御弁通過ガス流量算出手段が、機関回転数と前回の制御弁通過ガス流量とに基づいて算出された機関排気温度を実際の大気温度に基づいて補正し、機関回転数と前回の制御弁通過ガス流量とに基づいて算出された機関排気温度の代わりに上記補正された機関排気温度を使用して制御弁通過ガス流量を算出することにより、より正確に制御弁通過ガス流量を算出することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１に概略的に示した機関本体１は筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す。しかしながら、本発明を別の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関に適用してもよい。
【００２１】
図１に示したように、本発明の第一の実施形態では機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００２２】
各気筒の吸気ポート７は下流側吸気管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は上流側吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気管１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気管１９に連結され、この排気管１９は排気浄化装置２０に連結される。排気通路（排気ポート、排気管等）と吸気通路（吸気ポート、吸気管）とは排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）２１を介して互いに連結され、この排気再循環通路２１内には排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ弁」と称す）２２が配置される。
【００２３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１３には、吸気管内の吸気ガス（新気およびＥＧＲガス）の圧力を検出するための吸気管内圧力センサ４０が設けられており、吸気管内圧力センサ４０は吸気管内圧力に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気管１９には、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの圧力および温度をそれぞれ検出するための排気圧センサ４１、排気温度センサ４２が設けられており、同様に出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２４】
また、スロットル弁１８の開度を検出するためのスロットル開度センサ４３と、内燃機関の周囲の大気の温度、または吸気管１５に吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための大気温度センサ４４と、内燃機関の周囲の大気の圧力、または吸気管１５に吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための大気圧センサ４５とが設けられ、これらセンサの出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、アクセルペダル４６にはアクセルペダル４６の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４７が接続され、負荷センサ４７の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４８は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４５の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７およびＥＧＲ弁２２に接続される。なお、ＥＧＲ弁２２の開度は、ＥＣＵ３１において出力ポート３７からＥＧＲ弁２２へ送信されるステップ信号に基づいて計算される。
【００２５】
ところで、内燃機関の制御装置では、内燃機関の燃焼室５において燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比にするためには、吸気弁が閉じたときに燃焼室５内に充填されている吸気ガスの量（以下、「筒内充填ガス量Ｍｃ」と称す）を推定し、推定された筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて混合気の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁によって内燃機関の燃焼室５（または吸気通路）に噴射する燃料の量（以下、「燃料噴射量」と称す）を定めている。したがって、内燃機関の燃焼室５において燃焼される混合気の空燃比を正確に目標空燃比とするためには、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に推定する必要がある。
【００２６】
通常、筒内充填ガス量Ｍｃは、流量センサ（エアフロメータ）等の多数のセンサ、およびこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定される。ところが、このようにマップを用いて筒内充填ガス量Ｍｃを推定する場合、推定される筒内充填ガス量Ｍｃの値をより正確なものにするためには、必要なマップの数およびその引数の数が多くなる。このようにマップの数が多くなると、マップを保存するためのＥＣＵのＲＯＭを記憶容量の大きいものにしなければならず、内燃機関の制御装置の製造コストが高くなってしまう。さらに、各マップを作成するにはマップが用いられる内燃機関の形式毎に適合作業を行わなければならないが、この適合作業における測定点はマップの数およびその引数の数に応じて増大するため、マップの数およびその引数の数が多くなると適合作業の工数も増大してしまう。
【００２７】
そこで、マップを用いずに様々なモデルを用いて、数値計算により筒内充填ガス量Ｍｃを算出する内燃機関の制御装置が検討されている。このような制御装置では、数値計算を多用することにより必要なマップの数を極力減らすようにしており、これにより適合作業を行う際の工数を大幅に削減しながらも、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に算出することができる。このような制御装置のうち本願出願人により提案されたものの一つに、図７に示した吸入ガス量モデルＭ２０を搭載した制御装置がある（特願２００１−３１６３５０号）。図示した吸入ガス量モデルＭ２０はＥＧＲ機構を装備していない内燃機関に適用される最も単純なモデルであり、以下この吸入ガス量モデルＭ２０について説明する。
【００２８】
吸入ガス量モデルＭ２０は、図７に示したようにスロットルモデルＭ２１、吸気管モデルＭ２２、吸気弁モデルＭ２３を備える。スロットルモデルＭ２１には、スロットル開度センサ４３によって検出されたスロットル弁１８の開度（スロットル開度）θｔと、大気圧センサ４５によって検出された内燃機関周囲の大気圧（または、吸気管１５に吸入される空気の圧力）Ｐａと、大気温度センサ４４によって検出された内燃機関周囲の大気温度（または、吸気管１５に吸入される空気の温度）Ｔａと、後述する吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管１３内の圧力（吸気管内圧力）Ｐｍとが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述するスロットルモデルＭ２１のモデル式に代入することで、単位時間当たりにスロットル弁１８を通過する空気の流量（以下、「スロットル弁通過空気流量ｍｔ」と称す）が算出される。スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔは、吸気管モデルＭ２２へ入力される。
【００２９】
吸気管モデルＭ２２には、スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔと、以下で詳述する単位時間当たりに燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量（以下、「筒内吸入ガス流量ｍｃ」と称す。なお、筒内吸入ガス流量ｍｃの定義については、吸気弁モデルＭ２３において詳述する）とが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述する吸気管モデルＭ２２のモデル式に代入することで、吸気管１３内に存在する吸気ガスの圧力（以下、「吸気管内圧力Ｐｍ」と称す）と吸気管１３内に存在する吸気ガスの温度（以下、「吸気管内温度Ｔｍ」と称す）とが算出される。吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍは共に吸気弁モデルＭ２３へ入力され、さらに吸気管内圧力ＰｍはスロットルモデルＭ２１にも入力される。
【００３０】
吸気弁モデルＭ２３には、吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力Ｐｍおよび吸気管内温度Ｔｍの他に大気温度Ｔａが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述する吸気弁モデルＭ２３のモデル式に代入することで、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。算出された筒内吸入ガス流量ｍｃは、筒内充填ガス量Ｍｃに変換され、この筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて燃料噴射弁からの燃料噴射量が決定される。また、吸気管モデルＭ２３において算出された筒内吸入ガス流量ｍｃは吸気管モデルＭ２２に入力される。
【００３１】
図７から分かるように、吸入ガス量モデルＭ２０では或るモデルにおいて算出されたパラメータの値が別のモデルへの入力値として利用されるので、吸入ガス量モデルＭ２０全体では、実際に入力される値はスロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａの三つのパラメータのみであり、これら三つのパラメータから筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００３２】
次に、吸入ガス量モデルＭ２０の各モデルＭ２１〜Ｍ２３について説明する。
スロットルモデルＭ２１では、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａ、吸気内圧力Ｐｍ、スロットル開度θｔから、下記数３に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔが算出される。ここで、数３におけるμｔはスロットル弁における流量係数で、スロットル弁開度θｔの関数であり、よって図８に示したようなマップから定まる。また、Ａｔはスロットル弁の開口断面積を示し、スロットル弁開度θｔの関数であり、図９に示したようなマップから定まる。なお、これら流量係数μｔおよび開口断面積Ａｔをまとめたμ・Ａｔをスロットル弁開度θｔから一つのマップで求まるようにしてもよい。また、Ｒは気体定数に関する定数であり、実際には気体定数を１mol当たりの気体（空気）の質量Ｍlmolで除算した値である。
【数３】
【００３３】
また、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記数４に示した関数であり、この数４におけるκは比熱比（一定値とする）である。この関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は図１０に示したようなグラフに表すことができるので、このようなグラフをマップとしてＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に保存し、実際には数４を用いて計算するのではなくマップからΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の値を求めるようにしてもよい。
【数４】
【００３４】
これらスロットルモデルＭ２１の数３および数４は、スロットル弁１８上流の気体の圧力を大気圧Ｐａ、スロットル弁１８上流の気体の温度を大気温度Ｔａ、スロットル弁１８の下流の気体の圧力を吸気管内圧力Ｐｍとして、図１１に示したようなスロットル弁１８のモデルに対して、質量保存則、エネルギ保存則および運動量保存則を適用し、さらに気体の状態方程式、比熱比の定義式、およびマイヤーの関係式を利用することによって得られる。
【００３５】
吸気管モデルＭ２２では、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、筒内吸入ガス流量ｍｃ、および大気温度Ｔａから、下記数５および数６に基づいて吸気管内圧力Ｐｍおよび吸気管内温度Ｔｍが算出される。なお、数５および数６におけるＶｍはスロットル弁１８から吸気弁６までの吸気管１３等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）の容積に等しい定数である。
【数５】
【数６】
【００３６】
ここで、吸気管モデルＭ２２について図１２を参照して説明する。吸気管部分の総気体量（総吸気ガス量）をＭとすると、総気体量Ｍの時間的変化は、吸気管部分に流入する気体の流量、すなわちスロットル弁通過空気流量ｍｔと、吸気管部分から流出する気体の流量、すなわち筒内吸入ガス流量ｍｃとの差に等しいため、質量保存則により下記数７が得られ、この数７および気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、数５が得られる。
【数７】
【００３７】
また、吸気管部分の気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間的変化量は、吸気管部分に流入する気体のエネルギと吸気管部分から流出する気体のエネルギとの差に等しい。このため、吸気管部分に流入する気体の温度を大気温度Ｔａ、吸気管部分から流出する気体の温度を吸気管内温度Ｔｍとすると、エネルギ保存則により下記数８が得られ、この数８および上記気体の状態方程式より、数６が得られる。
【数８】
【００３８】
吸気弁モデルＭ２３では、吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、および大気温度Ｔａから、下記数９に基づいて、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。なお、数９におけるａ、ｂは、機関回転数Ｎｅから、さらに吸気弁６の位相角（バルブタイミング）および作用角を変更できる可変動弁機構を備えた内燃機関の場合には吸気弁６の位相角、作用角から定まる値である。
【数９】
【００３９】
上述した吸気弁モデルＭ２３について図１３を参照して説明する。一般に、吸気弁６が閉じたときに燃焼室５内に充填されている吸気ガスの量である筒内充填ガス量Ｍｃは、吸気弁６が閉弁するとき（吸気弁閉弁時）に確定し、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力に比例する。また、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力は吸気弁上流の気体の圧力、すなわち吸気管内圧力Ｐｍと等しいとみなすことができる。したがって、筒内充填ガス量Ｍｃは、吸気管内圧力Ｐｍに比例すると近似することができる。
【００４０】
ここで、単位時間当たりに吸気管部分から流出する全吸気ガスの量を平均化したもの、または単位時間当たりに吸気管部分から全ての燃焼室５に吸入される吸気ガスの量を一つの気筒の吸気行程に亘って（後述するように本実施形態ではクランク角１８０°分）平均化したものを筒内吸入ガス流量ｍｃ（以下で詳述する）とすると、筒内充填ガス量Ｍｃが吸気管内圧力Ｐｍに比例することから、筒内吸入ガス流量ｍｃも吸気管内圧力Ｐｍに比例すると考えられる。このことから、理論および経験則に基づいて、上記数９が得られる。なお、数９における値ａは比例係数であり、値ｂは燃焼室５内に残存していた既燃ガスを表す値（排気弁８閉弁時に燃焼室５内に残る既燃ガス量を後述する時間ΔＴ180 °で除算したものと考えられる）である。また、実際の運転では過渡時に吸気管内温度Ｔｍが大きく変化する場合があるため、これに対する補正として理論および経験則に基づいて導かれたＴａ／Ｔｍが乗算されている。
【００４１】
ここで、筒内吸入ガス流量ｍｃについて、図１４を参照して内燃機関が４気筒である場合について説明する。なお、図１４は横軸がクランクシャフトの回転角度、縦軸が単位時間当たりに吸気管部分から燃焼室５に実際に流入する吸気ガスの流量である。図１４に示したように、４気筒の内燃機関では、吸気弁６が例えば１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に開弁し、各気筒に対応する吸気弁６の開弁量に応じて吸気管部分から各気筒の燃焼室５内へ吸気ガスが流入する。例えば、吸気管部分から各気筒の燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量の変位は図１４に破線で示した通りであり、これを総合して吸気管１３から全気筒の燃焼室に流入する吸気ガスの流量は図１４に実線で示した通りである。また、例えば１番気筒への筒内充填ガス量Ｍｃは図１４に斜線で示した通りである。
【００４２】
これに対して、実線で示した吸気管から全ての気筒の燃焼室に流入する吸気ガスの量を平均化したものが筒内吸入ガス流量ｍｃであり、図中に一点鎖線で示す。そして、この一点鎖線で示した筒内吸入ガス流量ｍｃに、４気筒の場合にはクランクシャフトが１８０°（すなわち、４ストローク式内燃機関において１サイクル中にクランクシャフトが回転する角度７２０°を気筒数で割った角度）回転するのにかかる時間ΔＴ180 °を乗算したものが筒内充填ガス量Ｍｃとなる。したがって、吸気弁モデルＭ２３で算出された筒内吸入ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算することで、筒内充填ガス量Ｍｃが算出される（Ｍｃ＝ｍｃ・ΔＴ180 °）。より詳細には、筒内充填ガス量Ｍｃが吸気弁閉弁時の圧力に比例することを考慮して、吸気弁閉弁時の筒内吸入ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算したものが筒内充填ガス量Ｍｃとされる。
【００４３】
次に、上記吸入ガス量モデルＭ２０を内燃機関の制御装置に実装して、実際に筒内充填ガス量Ｍｃを算出する場合について説明する。筒内充填ガス量Ｍｃは吸入ガス量モデル１０を用いて、上記数３、数５、数６、および数９を解くことにより表される。この場合、ＥＣＵ３１で処理するために、これらの式を離散化する必要がある。時刻ｔ、計算間隔Δｔを用いて数３、数５、数６、および数９を離散化すると、それぞれ下記数１０、数１１、数１２、および数１３が得られる。なお、吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）は、数１１および数１２によってそれぞれ算出されたＰｍ／Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）およびＰｍ（ｔ＋Δｔ）から、数１４によって算出される。
【数１０】
【数１１】
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【００４４】
このようにして実装された吸入ガス量モデルＭ２０では、スロットルモデルＭ２１の数１０で算出された時刻ｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ２３の数１３で算出された時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ２２の数１１および数１２に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）および吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）およびＴｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ２１および吸気弁モデルＭ２３の数１０および数１３に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ＋Δｔ）および筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）が算出される。そして、このような計算を繰り返すことによって、スロットル弁開度θｔ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａから、任意の時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃが算出され、算出された筒内吸入ガス流量ｍｃに上記時間ΔＴ180 °を乗算することで、任意の時刻ｔにおける筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００４５】
なお、内燃機関の始動時には、すなわち時刻ｔ＝０においては、吸気管内圧力Ｐｍは大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、吸気管内温度Ｔｍは大気温度と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔａ）とされて、各モデルＭ２１〜Ｍ２３における計算が開始される。
【００４６】
なお、上記吸入ガス量モデルＭ２０では、大気温度Ｔａおよび大気圧Ｐａが一定であるとしているが、時刻によって変化する値としてもよく、例えば、大気温度を検出するための大気温度センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気温度Ｔａ（ｔ）、大気圧を検出するための大気圧センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気圧Ｐａ（ｔ）として上記数１０、数１２、および数１３に代入するようにしてもよい。
【００４７】
ところで、排気通路と吸気通路とを連通する排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）２１と、このＥＧＲ通路２１を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ弁」と称す）２２とを備え、内燃機関の燃焼室５から排気通路に排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に戻す機構であるＥＧＲを備えた内燃機関が知られているが、上述した吸入ガス量モデルＭ２０では、このようなＥＧＲを備えた内燃機関を考慮しておらず、よって上記吸入ガス量モデルＭ２０をこのような内燃機関に適用することはできない。例えば、ＥＧＲを備えた内燃機関では、燃焼室５内に流入する吸気ガスには大気中から流入した空気（新気）の他に、ＥＧＲガスが含まれるため、筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて燃料噴射量を算出すると燃焼室５内の混合気の空燃比を目標空燃比にすることができない。また、上記吸気管モデルＭ２２では、吸気管１３に流入する吸気ガスとしてスロットル弁１８を通過した空気のみを想定しているが、ＥＧＲを備えた内燃機関では吸気管１３にはＥＧＲ通路２１を通ったＥＧＲガスも流入する。したがって、上記吸気管モデルＭ２２では、ＥＧＲを備えた内燃機関において吸気管内圧力Ｐｍおよび吸気管内温度Ｔｍを算出することはできない。
【００４８】
このように、ＥＧＲを備えた内燃機関にも適用可能な吸入ガス量モデルを作成するには、まず、ＥＧＲ弁２２を通過する排気ガスの流量（以下、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ」と称す）を算出する必要がある。このＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒは、ＥＧＲ弁２２の上流側の圧力、ＥＧＲ弁２２の下流側の圧力、ＥＧＲ弁開度といったパラメータに応じて変化するため、従来ではこれらパラメータを引数としてマップからＥＧＲ弁通過ガス流量を推定していた。ところが、マップを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を推定する場合、マップを作成するために内燃機関の形式毎に運転パラメータ（マップの引数に相当）を変えて運転を行ってＥＧＲ弁通過ガス流量を計測する、いわゆる適合作業を行う必要がある。この適合作業における測定点はマップの数およびその引数の数に応じて増大するため、マップの数が多くなると適合を行う際の工数が多大になり、またマップの引数が一つ増えるだけで、その工数は何十倍にも増加してしまう。したがって、マップの適合作業における工数を考慮した場合、マップの引数の数は少ない方が好ましい。そこで、従来の制御装置の一つでは、ＥＧＲ弁通過ガス流量を推定する場合に引数として用いられるＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力とを、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力との差圧という一つの引数にまとめることで、マップの引数の数を少なくしている。
【００４９】
しかしながら、一般に、マップの引数を減らすと、そのマップから推定されるパラメータの値の正確性は低くなる。したがって、上記従来の制御装置では、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力とをＥＧＲ弁の上下差圧にまとめて一つの引数とすることで、マップによって推定されるＥＧＲ弁通過ガス流量の精度は低くなってしまう。したがって、マップを用いると、マップの引数を多くした場合には、マップにより推定されるパラメータの値の正確性は高くなるが適合を行う際の工数が多くなり、逆に、マップの引数を少なくした場合には、適合を行う際の工数は少なくなるが、マップにより推定されるパラメータの値の正確性は低くなる。よって、マップを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を推定した場合には、適合を行う際の工数とマップにより算出されるＥＧＲ弁通過ガス流量の正確性とのいずれかを犠牲にしなければならいという問題があった。
【００５０】
そこで、本発明のＥＧＲ弁通過ガス量算出装置では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段が、ＥＧＲ弁通過ガス流量を、マップからではなく、内燃機関の燃焼室５から排気通路に排出された排気ガスの圧力（以下、「排気圧Ｐｅ」と称す）、ＥＧＲ弁２２の上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度、または内燃機関の燃焼室５から排気通路に排出された排気ガスの温度（以下、「排気温度Ｔｅ」と称す）、上記吸気管内圧力Ｐｍ、ＥＧＲ弁開度θｅとの少なくとも四つのパラメータの値に基づく数値計算によって算出している。より詳細には、μｅをＥＧＲ弁における流量係数、ＡｅをＥＧＲ弁２２の開口断面積、Ｐｅを排気圧、Ｔｅを排気温度、Ｐｍを吸気管内圧力、Ｒを気体定数に関する定数、Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）をＰｍ／Ｐｅの関数とすると、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、下記数１５からＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。ここで、流量係数μｅおよびＥＧＲ弁の開口断面積Ａｅは、ＥＧＲ弁の開度θｅによって定まる値である。なお、数１５における関数Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）は、数１６に示した関数であり、図１０に示した関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）の変数Ｐｍ／Ｐａを変数Ｐｍ／Ｐｅに置き換えたものである。また、気体定数に関する定数Ｒは、実際には気体定数を１mol当たりの気体（空気、排気ガス、またはそれらの混合気）の質量Ｍlmolで除算した値である。
【数１５】
【数１６】
【００５１】
したがって、本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置によれば、排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、吸気管内圧力Ｐｍ、およびＥＧＲ弁開度θｅからＥＧＲ弁通過ガス流量を算出するときにマップを用いずに数値計算を用いることにより、マップにおける適合作業の工数の問題およびマップから算出される値の精度の問題が発生することなくＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを正確に求めることができる。
【００５２】
なお、上記数１５および数１６は、基本的に上記スロットルモデルＭ２１における数３および数４と同様である。したがって、ＥＧＲ弁２２上流の気体の圧力を排気圧Ｐｅ、ＥＧＲ弁２２上流の気体の温度を排気温度Ｔｅ、ＥＧＲ弁２２の下流の気体の圧力を吸気管内圧力Ｐｍとして、図２に示したようなＥＧＲ弁２２のモデルに対して、質量保存則、エネルギ保存則および運動量保存則を適用し、さらに気体の状態方程式、比熱比の定義式、およびマイヤーの関係式を利用することによって得られる。
【００５３】
次に、上記ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段が利用する排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅの算出過程について説明する。
【００５４】
ところで、一般に、内燃機関の製造コストを考慮した場合、センサの数はできるだけ少ない方が好ましい。そこで、例えば、排気再循環機構（ＥＧＲ）を備えた内燃機関において、排気圧センサ４１を用いないで排気圧を検出する場合について考える。このような場合、通常、機関回転数、燃料噴射量、燃料点火時期、ＥＧＲ率（燃焼室に流入した総吸気ガス量に対するＥＧＲガス量の割合）等、様々なパラメータを引数としたマップを用いなければならなかった。ところが、上述したようにマップの引数が多いと、適合作業を行う際の工数が増大してしまう。逆に、引数を減らすと、マップから得られた値の精度に欠けてしまう。
【００５５】
これに対して、排気圧Ｐｅは、標準状態において燃焼室５の総行程容積を占める吸気ガス量に対する実際に燃焼室５に充填された空気量の比（すなわち、「充填効率」または「機関負荷率」。詳細は以下に示す。以下、「充填効率」と称す）ＫＬと機関回転数Ｎｅとから求まる。図３に充填効率ＫＬおよび機関回転数Ｎｅと排気圧Ｐｅとの関係を示す。なお、図３の横軸は充填効率ＫＬであり、縦軸は排気圧Ｐｅであり、図中の複数の実線は機関回転数Ｎｅの異なる場合における関係を示す。
【００５６】
図３から分かるように、充填効率ＫＬが大きくなると排気圧Ｐｅが高くなり、逆に、充填効率ＫＬが小さくなると排気圧Ｐｅが低くなる。また、機関回転数Ｎｅが高くなると排気圧Ｐｅも高くなり、逆に、機関回転数Ｎｅが低くなると排気圧Ｐｅも低くなる。そして、これら充填効率ＫＬと機関回転数Ｎｅとのパラメータを引数としたマップからは、引数となるパラメータの数が少ないのにも関わらず排気圧Ｐｅが比較的精度良く求まる。したがって、これら二つのパラメータを変数として排気圧Ｐｅを求めるためのマップを作成すれば、マップの引数を減らしながらも、マップから比較的高い精度で排気圧Ｐｅの値を得ることができる。
【００５７】
そこで、本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、充填効率ＫＬと機関回転数Ｎｅとから排気圧Ｐｅを算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、充填効率ＫＬと機関回転数Ｎｅとを引数として図３に示したようなマップから、または図３に示したような関数ｆ1（ＫＬ、Ｎｅ）から排気圧Ｐｅを算出する。なお、図３に示したようなマップ、または関数ｆ1（ＫＬ、Ｎｅ）で用いられる充填効率ＫＬの算出過程については後述する。
【００５８】
次に、排気圧センサ４１の場合と同様に、ＥＧＲを備えた内燃機関において、排気温度センサ４２を用いないで排気温度Ｔｅを検出する場合について考える。一般に、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの温度は、機関回転数Ｎｅに応じて変化し、機関回転数Ｎｅが高くなると高くなり、機関回転数Ｎｅが低くなると低くなる。したがって、このことを利用して、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの温度Ｔｅを、機関回転数Ｎｅを引数とした一次元マップから求めることができる。
【００５９】
ところが、上述したようにＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する場合、排気温度Ｔｅとして内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの温度を用いるよりも、ＥＧＲ弁２２上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度を用いた方が、高い精度でＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出することができる。
【００６０】
そこで、ＥＧＲ弁２２上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度を求めるにあたり、ＥＧＲ通路２１に対する入熱および放熱について考えると、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒが多い場合、すなわちＥＧＲ通路２１に流入するＥＧＲガスの量が多い場合には、ＥＧＲ通路２１内のＥＧＲガスからＥＧＲ通路２１を形成するＥＧＲ管を介して大気中へ放出される熱量に対して、排気ガスがＥＧＲ通路２１へ流入することによるＥＧＲ通路２１へ入る熱量の割合が大きくなり、逆に、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒが少ない場合、ＥＧＲ通路２１に流入するＥＧＲガスの量が少ない場合には、ＥＧＲ通路２１へ入る熱量に対して大気中へ放出される熱量の割合が大きくなる。このため、ＥＧＲ弁通路ガス流量ｍｅｇｒが多くなると排気温度Ｔｅが上がり、ＥＧＲ弁通過ガス流量が少なくなると排気温度Ｔｅが下がる。この様子を図４に示す。なお、図４の横軸はＥＧＲ通過ガス流量ｍｅｇｒであり、縦軸は排気温度Ｔｅであり、図中の複数の実線は機関回転数Ｎｅの異なる場合における関係を示す。
【００６１】
以上のことを考慮すると、排気温度ＴｅとしてＥＧＲ弁２２上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度を用いる場合、排気温度ＴｅはＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒと機関回転数Ｎｅとに応じて変化する。そこで、本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒと機関回転数Ｎｅとから排気温度Ｔｅを算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒと機関回転数Ｎｅとを引数としたマップから排気温度を算出する。換言すると、排気温度は、図４に示したような関数ｆ2（ｍｅｇｒ、Ｎｅ）から算出される。ここで図４の横軸は、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、縦軸は関数ｆ2、すなわち排気温度を示している。また、図中に複数ある実線は、全体的に関数ｆ2の値が最も高い実線は機関回転数Ｎｅが高い場合を示しており、全体的に関数ｆ2の値が最も低い実線は機関回転数Ｎｅが低い場合を示している。
【００６２】
このようにして排気温度ＴｅとしてＥＧＲ弁上流におけるＥＧＲ通路内の排気ガスの温度を算出することにより、算出された排気温度ＴｅからＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒをより高い精度で算出することができるようになる。
【００６３】
なお、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段が後述するように所定の時間間隔Δｔ毎にＥＧＲ弁通過ガス流量を算出する場合、関数ｆ2（ｍｅｇｒ、Ｎｅ）はＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段によって前回算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量と機関回転数Ｎｅとから排気温度Ｔｅを算出し、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段はこのようにして算出された排気温度Ｔｅを用いて今回の制御弁通過ガス量算出に使用する排気温度を算出する。
【００６４】
また、上述したように関数ｆ1から排気圧Ｔｅを算出する場合および関数ｆ2から排気温度Ｔｅを算出する場合には、機関回転数Ｎｅの替わりに内燃機関の燃焼室内に流入する空気流量（筒内充填新気流量ｍｃair）を用いてもよい。
【００６５】
ところで、上記説明では関数ｆ1によって算出される排気圧を実際の排気圧としている。しかしながら、排気圧Ｐｅは実際には内燃機関の周囲の大気の圧力（大気圧）によっても変化するため、上記関数ｆ1によって算出される排気圧は、大気圧が所定の標準大気圧（例えば１ａｔｍ）であると仮定した場合における排気圧（すなわち、大気条件が所定の標準状態にあると仮定した場合における排気圧）Ｐｅｂであり、実際の排気圧Ｐｅとは僅かに異なる。
【００６６】
そこで、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上述したように関数ｆ1によって算出された排気圧Ｐｅｂを実際の大気圧に基づく排気圧Ｐｅに補正し、この補正された排気圧ＰｅからＥＧＲ弁通過ガス流量を算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、内燃機関周囲の大気圧が基準大気圧であると仮定した場合の排気圧Ｐｅｂを、内燃機関周囲の大気圧が任意の大気圧である場合の排気圧Ｐｅに補正するための補正係数Ｋpaを算出し、算出された補正係数Ｋpaを関数ｆ1によって算出された排気圧Ｐｅｂに乗算することによって排気圧Ｐｅを求める（Ｐｅ＝Ｋpa・Ｐｅｂ）。そして、このようにして求められた排気圧Ｐｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。このように関数ｆ1に大気圧から求まる補正係数Ｋpaを乗算した排気圧Ｐｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出することにより、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒをより正確に算出することができるようになる。なお、補正係数Ｋpaは、内燃機関周囲の大気圧のみから定まる変数であり、内燃機関周囲の大気圧が高くなると大きくなり、逆に、内燃機関周囲の大気圧が低くなると小さくなる。
【００６７】
なお、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上記関数ｆ1に補正係数Ｋpaを乗算することによって排気圧Ｐｅを算出する替わりに、充填効率ＫＬ、機関回転数Ｎｅ、および大気圧の三つのパラメータを引数としたマップに基づいて排気圧Ｐｅを算出してもよい。
【００６８】
また、排気温度Ｔｅに関しても同様に、上記説明では関数ｆ2によって算出される排気温度を実際の排気温度としている。しかしながら、排気温度Ｔｅは実際には内燃機関の周囲の大気の温度（大気温度）によっても変化するため、上記関数ｆ2によって算出される排気温度は、大気温度が所定の標準温度（例えば２９８Ｋ）であると仮定した場合における排気温度（すなわち、大気条件が所定の標準状態にあると仮定した場合における排気温度）Ｔｅｂであり、実際の排気温度とは僅かに異なる。
【００６９】
そこで、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上述したように関数ｆ2によって算出された排気温度Ｔｅｂを実際の大気温度に基づく排気温度Ｔｅに補正し、この補正された排気温度ＴｅからＥＧＲ弁通過ガス流量を算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、内燃機関周囲の大気温度が基準大気温度であると仮定した場合の排気温度Ｔｅｂを、内燃機関周囲の大気温度が任意の大気温度である場合の排気温度Ｔｅに補正するための補正係数Ｋtaを算出し、算出された補正係数Ｋtaを関数ｆ2によって算出された排気温度Ｔｅｂに乗算することによって排気温度Ｔｅを求める（Ｔｅ＝Ｋta・Ｔｅｂ）。そして、このようにして求められた排気温度Ｔｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。このように関数ｆ2に大気温度から求まる補正係数Ｋtaを乗算した排気温度Ｔｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出することにより、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒをより正確に算出することができるようになる。なお、補正係数Ｋtaは、内燃機関周囲の排気温度のみから定まる変数であり、内燃機関周囲の大気温度が高くなると大きくなり、逆に、内燃機関周囲の大気温度が低くなると小さくなる。
【００７０】
なお、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上記関数ｆ2に補正係数Ｋtaを乗算することによって排気温度Ｔｅを算出する替わりに、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、機関回転数Ｎｅ、大気温度の三つのパラメータを引数としたマップに基づいて排気温度Ｔｅを算出してもよい。
【００７１】
次に、上述したＥＧＲ弁通過流量算出手段を実装する場合について説明する。一般に、ＥＣＵ３１のＣＰＵ３４で行われる計算の中に除算や平方根の計算が含まれていると、ＣＰＵ３４に対する負荷が大きくなり、またＣＰＵ３４での計算に時間がかかってしまう。そこで、ＥＧＲ弁通過流量算出手段を実装する場合には、できるだけＣＰＵ３４に除算や平方根の計算を行わせないようにするのが好ましい。
【００７２】
そこで、ＥＧＲ弁通過流量算出手段の実装時には、数１５から除算や平方根の計算を除いた数１７が用いられる。ここで数１７のｅｋｐｅ、ｅｋｔｅ、およびｅｋｌｅｇｒｍはそれぞれ排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、およびＥＧＲ弁開度θｅの関数であり、より詳細には数１８、数１９、および数２０に示した通りである。これら関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅ、およびｅｋｌｅｇｒｍを乗算すると数１５が得られる。
【数１７】
【数１８】
【数１９】
【数２０】
ここで、数２０に示したように関数ｅｋｌｅｇｒｍは、排気ガスが所定の状態、例えば排気ガスが標準状態にある場合（すなわち、排気圧Ｐｅ＝１０１．３２５（ｋＰａ）、排気温度Ｔｅ＝２９８（Ｋ）である場合）における数１５の関数Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）を除いた右項部分に等しく、ＥＧＲ弁開度θｅのみの関数である。このＥＧＲ弁開度θｅのみの関数ｅｋｌｅｇｒｍは適合によって求められるが、排気ガスが標準状態にある場合のみの値を算出すればよいため、適合の工数は非常に少ない。
【００７３】
また、数１８および数１９に示した通り、関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅは排気ガスが標準状態にあると仮定して算出された関数ｅｋｌｅｇｒｍをそれぞれ実際の排気圧Ｐｅ、および排気温度Ｔｅに基づいて補正するための関数である。数１８および数１９から分かるように、これら関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅには除算や平方根の計算が含まれている。上述したように除算や平方根の計算をＥＣＵ３１のＣＰＵ３４に計算を行わせるとＣＰＵ３４の負荷が大きくなってしまう。そこで、排気圧Ｐｅと関数ｅｋｐｅとのマップ、および排気温度Ｔｅと関数ｅｋｔｅとのマップを予め用意し、実際にＣＰＵ３４に計算を行わせずにマップから値を求めるようにする。これにより、ＣＰＵ３４の負荷が大きくなってしまうことはなく、また、関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅは計算によって算出することができるため適合を行う必要もない。このように、数１５を数１７に変形して実装することで、ＣＰＵ３４の負荷を小さくしながらも適合の工数を少なくすることができる。
【００７４】
また、関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅの引数である排気圧Ｐｅおよび排気温度Ｔｅには、それぞれ上述したように関数ｆ1に補正係数Ｋpaを乗算したもの（Ｐｅ＝Ｋpa・ｆ1（ＫＬ、Ｎｅ））および関数ｆ2に補正係数Ｋtaを乗算したもの（Ｔａ＝Ｋta・ｆ2（ｍｅｇｒ，Ｎｅ））が用いられる。ここで、機関回転数はクランク角センサ４８から算出され、充填効率ＫＬは後述するＥＧＲを備えた内燃機関用の吸入ガス量モデルＭ１０において求められ、また、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒはＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段によって算出される。大気圧Ｐａ、大気温度Ｐｅはそれぞれ大気圧センサ、大気温度センサによって検出される。
【００７５】
次に、上述したＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段に用いられているモデルをＥＧＲ弁モデルＭ１４として、ＥＧＲを備えた内燃機関に用いられる吸入ガス量モデルＭ１０について説明する。なお、以下では、特に定常状態（スロットル弁開度、ＥＧＲ弁開度、機関回転数等がほぼ一定のまま維持されている状態）に適用可能な吸入ガス量モデルＭ１０について説明する。
【００７６】
本発明で用いられる吸入ガス量モデルＭ１０を図５に示した。図５に示したように、吸入ガス量モデルＭ１０は、スロットルモデルＭ１１と、吸気管モデルＭ１２と、吸気弁モデルＭ１３と、ＥＧＲ弁モデルＭ１４とを具備する。スロットルモデルＭ１１および吸気弁モデルＭ１３は基本的に図７に示したＥＧＲを備えていない内燃機関に用いられる吸入ガス量モデルＭ２０のスロットルモデルＭ２１および吸気弁モデルＭ２３と同様である。したがって、スロットルモデルＭ２１は、スロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａ、および吸気管モデルＭ１２で求められた吸気管内圧力Ｐｍに基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔを算出し、吸気弁モデルＭ２３は、吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、および大気温度Ｔａに基づいて筒内吸入ガス流量ｍｃを算出する。
【００７７】
一方、吸気管１３にはスロットル弁１８を通過した空気（新気）に加えて、ＥＧＲ弁２２を通過したＥＧＲガスが流入する。したがって、吸気管モデルＭ１２は、図１２に示した吸気管モデルＭ２２とは異なり、図６に示したモデルを用いる。図１２に示した吸気管モデルＭ２２における数１１および数１２と同様に、ＥＧＲガスが流入する場合の吸気管部分に質量保存則およびエネルギ保存則を適用すると、数２１および数２２が得られる。ここで、数２１、数２２におけるＥＧＲ弁通過ガス量ｍｅｇｒおよび排気温度ＴｅはＥＧＲ弁モデルＭ１４で求められる。
【数２１】
【数２２】
【００７８】
上述したＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段の説明から、ＥＧＲ弁モデルＭ１４は、ＥＧＲ弁開度θｅ、吸気管内圧力Ｐｍ、充填効率ＫＬ、前回のＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、機関回転数Ｎｅ、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａから、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出するモデルであることが分かる。ここで、機関回転数Ｎｅセンサから検出され、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａは定数とする。吸気管内圧力Ｐｍは、吸気管モデルＭ１２で求められ、充填効率ＫＬは後述するように吸気弁モデルＭ１３から求められる。前回のＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒはＥＧＲ弁モデルＭ１４における前回の計算で算出された値である。
【００７９】
ところで、吸気ガス量モデルＭ１０は燃焼噴射量を決定するために用いられるモデルである。燃料噴射量は燃焼室５内に流入する空気（新気）の量に応じて決定する必要があるが、ＥＧＲを備えた内燃機関では燃焼室５内に流入する吸気ガスには空気だけでなく、ＥＧＲガスが含まれる。そこで、ＥＧＲを備えた内燃機関において燃料噴射量を決定するためには、燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量（筒内吸入ガス流量ｍｃ）から燃焼室５内に流入するＥＧＲガスの流量（以下、「筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃegr」と称す）を除いた燃焼室５内に流入する空気の流量（以下、「筒内吸入新気流量ｍｃair」と称す）を求めなければならない（ｍｃair＝ｍｃ−ｍｃegr）。
【００８０】
ここで、上述したように定常状態である場合、ＥＧＲ弁２２を通過するＥＧＲガスの流量と燃焼室５内に流入するＥＧＲガスの流量は等しい（ｍｃegr＝ｍｅｇｒ）。これにより、筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃegrが求まり、これと上記吸気弁モデルで求められる筒内吸入ガス流量ｍｃとから、筒内吸入新気流量ｍｃairが得られる。得られた筒内吸入新気流量ｍｃairに、上記吸気弁モデルＭ２３で説明したように、時間Ｔ180 °を乗算することで、一回の吸気行程で燃焼室内に充填される空気（新気）の量（以下、「筒内充填新気量Ｍｃair」と称す）が求められ、この筒内充填新気量Ｍｃairに基づいて燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量が決定される。
【００８１】
また、充填効率ＫＬは、標準状態において燃焼室５の総行程容積を占める吸気ガス量に対する実際に燃焼室５に充填された空気量の比、すなわち筒内充填新気量Ｍｃairを標準状態において燃焼室５内に充填可能な吸気ガス量（以下、「最大筒内充填ガス量Ｍｃmax」と称す）で割った値を意味する（ＫＬ＝Ｍｃair／Ｍｃmax）。したがって、充填効率ＫＬは、上述したように算出された筒内充填新気量Ｍｃairと定数である最大筒内充填ガス量Ｍｃmaxとから算出され、算出された充填効率ＫＬはＥＧＲ弁モデルＭ１４で用いられる。
【００８２】
このように、吸入ガス量モデルＭ１０では、或るモデルにおいて算出されたパラメータの値が別のモデルへの入力値として利用されるので、吸入ガス量モデルＭ１０全体では、実際に入力される値は基本的にスロットル開度θｔ、ＥＧＲ弁開度θｅ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａの四つのパラメータのみであり、これら四つのパラメータから筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００８３】
次に、上記吸入ガス量モデルＭ１０を内燃機関の制御装置に実装して、実際に筒内充填新気量Ｍｃairを算出する場合について説明する。この場合、スロットルモデルＭ１１、吸気弁モデルＭ１３等で用いられる数式は、ＥＧＲを備えていない内燃機関におけるスロットルモデルＭ２１、吸気弁モデルＭ２３等で用いられる数１０、数１３、数１４と同じである。
【００８４】
ＥＧＲ弁モデルＭ１４では、数１７が数２３の形で実装され、数２３内の排気圧Ｐｅ（ｔ）および排気温度Ｔｅ（ｔ）はそれぞれ数２４および数２５の形で実装された式によって求められる。ここで、ｍｅｇｒ（ｔ−Δｔ）は、時刻ｔより計算間隔Δｔだけ前のＥＧＲ弁通過ガス流量、すなわち前回計算されたＥＧＲ弁通過ガス流量を示している。このようにして、ＥＧＲ弁モデル５では、時刻ｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ）が算出される。
【数２３】
【数２４】
【数２５】
【００８５】
また、吸気管モデルＭ１２では、数２１および数２２を離散化した下記数２６および数２７と、上記吸入ガス量モデルＭ２０で用いられた数１４とから成る式に、スロットルモデルＭ１１で算出されたスロットル弁通過ガス流量ｍｔ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ１３で算出された筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）と、ＥＧＲ弁モデルＭ１４で算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ）とを代入することで、時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）および時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）とが算出される。
【数２６】
【数２７】
【００８６】
このようにして実装された吸入ガス量モデルＭ１０では、スロットルモデルＭ１１において算出された時刻ｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）と、ＥＧＲ弁モデルＭ１４において算出された時刻ｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス量ｍｅｇｒ（ｔ）および排気温度Ｔｅ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ１３において算出された時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ１２の数２６および数２７に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）および吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）およびＴｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ１１および吸気弁モデルＭ２３に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ＋Δｔ）および筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）が算出される。また、筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）と時刻ｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ）とから筒内吸入新気流量ｍｃair（ｔ＋Δｔ）が算出され、この筒内吸入新気流量ｍｃair（ｔ＋Δｔ）から時刻ｔ＋Δｔにおける充填効率ＫＬ（ｔ＋Δｔ）が算出される。そして、このＫＬ（ｔ＋Δｔ）と上記Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）とからＥＧＲ弁モデルＭ１４において、時刻ｔ＋ΔｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ＋Δｔ）が算出される。算出されたｍｃ（ｔ＋Δｔ）、ｍｅｇｒ（ｔ＋Δｔ）、ｍｔ（ｔ＋Δｔ）は再び吸気管モデルＭ１２に代入される。このような計算を繰り返すことによって、スロットル弁開度θｔ、ＥＧＲ弁開度θｅ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａとから筒内吸入新気流量ｍｃairが算出され、算出された筒内吸入新気流量ｍｃairに時間ΔＴ180 °を乗算することで常に筒内充填新気量Ｍｃairを算出することができる。
【００８７】
なお、内燃機関の始動時には、すなわち時刻ｔ＝０においては、吸気管内圧力は大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、吸気管内温度および排気温度は大気温度と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔａ、Ｔｅ（０）＝Ｔａ）とされて、各モデルＭ１１〜Ｍ１３における計算が開始される。
【００８８】
また、上記吸入ガス量モデルＭ１０では、大気温度Ｔａおよび大気圧Ｐａが一定であるとしているが、上記吸入ガス量モデルＭ２０と同様に時刻ｔにおける大気温度Ｔａ（ｔ）、時刻ｔにおける大気圧Ｐａ（ｔ）を上記数１０、数１３、数２２に代入するようにしてもよい。
【００８９】
なお、上記実施形態では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、排気圧Ｐｅおよび排気温度Ｔｅを、機関回転数Ｎｅ、充填効率ＫＬおよびＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ等に基づくマップから求めているが、これら排気圧Ｐｅおよび排気温度Ｔｅを排気圧センサ４１および排気温度センサＴｅによって検出してもよい。また、上記実施形態では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、吸気管内圧力Ｐｍを吸入ガス量モデルＭ１０から算出しているが、吸気管内圧力Ｐｍを吸気管内圧力センサ４０によって検出してもよい。
【００９０】
また、上記実施形態では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、吸気管内圧力Ｐｍ、およびＥＧＲ弁開度θｔの四つのパラメータを引数とした数１５に示した計算式からＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを求めているが、少なくとも上記四つのパラメータを引数としていれば数１５とは異なる計算式またはマップからＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを求めてもよい。
【００９１】
上述したように、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段によってＥＧＲ弁通過ガス流量を正確に算出することにより、例えば、算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量に基づいて上述したように筒内充填新気量を算出し、この筒内充填新気量に基づいて燃料噴射量を正確に算出することが可能となる。また、算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量に基づいて、ＥＧＲ弁通過ガス量が目標値になるようにＥＧＲ弁の開度をフィードバック制御することも可能となる。
【００９２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、制御弁上流側の気体の圧力、吸気管内圧力、および制御弁開度のみならず、排気温度をも考慮してＥＧＲ弁通過ガス流量が算出されるため、より正確に制御弁通過ガス流量を算出することができるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置を備えた内燃機関全体を示す図である。
【図２】ＥＧＲ弁通過ガス流量の算出における基本概念を示す図である。
【図３】充填効率と排気圧との関係を表した図である。
【図４】ＥＧＲ通過ガス流量と排気温度との関係を表した図である。
【図５】ＥＧＲを備えた内燃機関に適用可能な本発明の吸入ガス量モデルを示す図である。
【図６】ＥＧＲを備えた内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図７】ＥＧＲを備えていない内燃機関に適用可能な吸入ガス量モデルを示す図である。
【図８】スロットル弁開度と流量係数との関係を示す図である。
【図９】スロットル弁開度と開口断面積との関係を示す図である。
【図１０】関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。
【図１１】スロットルモデルの基本概念を示す図である。
【図１２】ＥＧＲを備えていない内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図１３】吸気弁モデルの基本概念を示す図である。
【図１４】筒内充填ガス量および筒内吸気ガス量の定義に関する図である。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
１１…燃料噴射弁
１３…吸気管
１８…スロットル弁
２２…ＥＧＲ弁
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気再循環ガス制御弁通過ガス量算出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃焼室において燃焼される混合気の空燃比を最適な値とするためには、吸気弁が閉じたときに燃焼室内に充填されている吸気ガスの量（以下、「筒内充填ガス量」と称す）を正確に推定する必要がある。通常、筒内充填ガス量は、流量センサ（エアフロメータ）等の多数のセンサ、およびこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定される。ところが、このようにマップを用いて筒内充填ガス量を推定すると、必要なマップの数およびその引数の数が多くなり、これにより筒内充填ガス量算出時のマップ検索操作が増大し、制御負荷が増大してしまう問題がある。
【０００３】
さらに、上記のようにマップに基づいて吸入ガス量を算出するためには、各内燃機関の形式毎に実際の測定に基づいて各マップを作成する、いわゆる適合作業を行わなければならないが、この適合作業における測定点はマップの引数の数に応じて増大するため、引数の数が多くなると適合を行う際の工数が多大になり、また引数の数が一つ増えるだけで、その工数は何十倍にも増加してしまう問題がある。
【０００４】
そこで、近年において、流体力学等に基づく式で表される吸入ガス量モデルを用いることにより、マップの数および引数を減らして筒内充填ガス量を算出することが検討されている。このような吸入ガス量モデルＭ２０の一つは、例えば、後述するスロットルモデルＭ２１と、吸気管モデルＭ２２と、吸気弁モデルＭ２３とを備え、これら各モデルを用いることによりスロットル弁開度、大気圧、および大気温度から、筒内充填ガス量を求めるようにしている。
【０００５】
より詳細には、スロットルモデルＭ２１は、エネルギ保存則、運動量保存則、質量保存則、および状態方程式に基づいて、スロットル弁開度、大気圧、および大気温度から、スロットル弁を通過する空気流量（以下、「スロットル弁通過空気流量」と称す）を算出するようになっている。また、吸気管モデルＭ２２は、エネルギ保存則、質量保存則および状態方程式に基づいて、スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量と後述する吸気弁モデルＭ２３において算出された筒内吸入ガス流量とから、吸気管内圧力および吸気管内温度を算出するようになっている。さらに、吸気弁モデルＭ２３は、筒内充填ガス量が吸気管内圧力にほぼ比例するという経験則から導かれた近似式に基づいて、吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力、吸気管内温度、および大気温度から、燃焼室内に流入する吸気ガスの流量（以下、「筒内吸入ガス流量」と称す）および筒内充填ガス量を算出するようになっている。
【０００６】
このように、吸入ガス量モデルを用いて筒内充填ガス量を算出することにより、ＥＣＵに記憶させるべきマップの数が減少し、適合を行う際の工数を削減すことができる。また、各モデルに用いられる計算式は比較的単純なものであるため、マップを使用する場合に比べて制御負荷を小さくすることができる。
【０００７】
ところで、従来から、燃焼室から排気通路へ排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に戻す機構であるＥＧＲを備えた内燃機関が知られているが、上述したような吸入ガス量モデルＭ２０では、このようなＥＧＲを備えた内燃機関を考慮しておらず、よってこの内燃機関に適用することはできない。例えば、ＥＧＲを備えていない内燃機関においては、筒内に吸い込むガス量には実際には吸気ポートに吹き返した内部ＥＧＲが含まれるが、この内部ＥＧＲはその吸気行程中に再び吸い込まれるので、筒内吸入ガス流量（新気ガス流量）に基づいて燃料噴射量が決定されるが、ＥＧＲを備えた内燃機関では、燃焼室内に流入する吸気ガスには大気中から流入した空気（新気）の他にＥＧＲ通路２１を通って吸気管１３に流入した排気ガス（以下、「ＥＧＲガス」と称す）が含まれるため、筒内吸入ガス流量から燃焼室内に流入するＥＧＲガスの流量（以下「筒内吸入ＥＧＲ流量」と称す）を除いた、燃焼室内に流入する空気（新気）の流量（以下、「筒内吸入新気流量」と称す）に基づいて燃料噴射量を決定しなければならない。したがって、ＥＧＲを備えた内燃機関に上述したような吸入ガス量モデルを適用するためには、筒内吸入ＥＧＲ流量を正確に推定することができなければならない。
【０００８】
一般に、筒内吸入ＥＧＲ流量はＥＧＲ弁を通過したＥＧＲガスの流量（以下、「ＥＧＲ弁通過ガス流量」と称す）に応じて変化するため、筒内吸入ＥＧＲ流量はＥＧＲ弁通過ガス流量から求めることができる。そして、ＥＧＲ弁通過ガス流量は、ＥＧＲ弁の上流側の圧力、ＥＧＲ弁の下流側の圧力、ＥＧＲ弁開度といったパラメータに応じて変化する。そこで、従来のＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置では、上記パラメータを引数としてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出するためのマップを作成している。そして実際に使用するときには、センサ等によって検出されたパラメータの値から上記マップを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出し、算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量から筒内吸入ＥＧＲ流量を算出している。（特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−２８０２０２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１に記載の装置では、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力との差圧をマップの引数としてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出している。上述したように、ＥＧＲ弁通過ガス流量は、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力とに応じて変化するため、マップの引数を上記差圧にすると、正確にＥＧＲ弁通過ガス流量を算出することができない。さらに、ＥＧＲ弁通過ガス流量は上記パラメータのみならず、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出される排気ガスの温度（以下、「排気温度」と称す）によっても変化する。したがって、実際には上記パラメータに加えて、排気温度にも基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量を算出しなければ、正確な値を算出することができない。このように、従来では、ＥＧＲ弁通過ガス流量を正確に算出することができなかった。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、ＥＧＲ弁を通過するＥＧＲガスの流量を正確に算出することができるＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路に流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、少なくとも前記機関の排気圧と、吸気管内圧力と、前記制御弁の開度とに基づいて制御弁通過ガス流量を算出する制御弁通過ガス流量算出手段とを具備する制御弁通過ガス流量算出装置において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記排気圧と吸気管内圧力と制御弁開度に加えて更に機関排気温度に基づいて所定時間毎に前記制御弁通過ガス流量を算出し、機関回転数と前記制御弁通過ガス流量算出手段によって前回算出された制御弁通過ガス流量とから今回の制御弁通過ガス流量算出に使用する機関排気温度を算出する。
【００１３】
第１の発明によれば、制御弁通過ガス量算出手段は、実際にセンサ等で機関排気温度を検出することなく比較的正確に機関排気温度を算出することができる。
【００１４】
第２の発明では、第１の発明において、上記制御弁通過ガス流量算出手段は、μｅを制御弁における流量係数、Ａｅを制御弁の開口断面積、Ｐｅを前記排気圧、Ｔｅを前記排気温度、Ｐｍを前記吸気管内圧力、Ｒを定数、Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）をＰｍ／Ｐｅの値に応じて定まる係数とすると、下記数２に基づいて制御弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。
【数２】
第２の発明によれば、制御弁通過ガス流量算出手段は、予め用意したマップに基づいてではなく、数値計算によって制御弁通過ガス流量を算出する。このため、マップを用いる場合に生じる適合の問題と、算出された制御弁通過ガス流量の値の精度の問題とを共に解決することができる。
【００１６】
第３の発明では、第１または第２の発明において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、充填効率と機関回転数とに基づいて算出した排気圧を利用して前記制御弁通過ガス流量を算出する。
第３の発明によれば、制御弁通過ガス量算出手段は、実際にセンサ等で排気圧を検出することなく排気圧を比較的正確に算出することができる。なお、上記充填効率とは、標準状態において燃焼室の総行程容積を占める空気量に対する実際に燃焼室に充填された空気量の比を意味する。また、この充填効率を機関負荷率に替えることも可能である。
【００１７】
第４の発明では、第３の発明において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記充填効率と機関回転数とに基づいて大気圧が所定の標準大気圧にあるときの機関排気圧を算出し、該標準大気圧における機関排気圧を実際の大気圧に基づいて補正した排気圧を使用して前記制御弁通過ガス流量を算出する。
一般に、排気圧は充填効率と機関回転数とに応じて変化し、さらに実際に燃焼室に充填される空気量は、他の条件が同一であっても内燃機関周囲の大気圧（または、吸気通路に吸入される気体の吸気圧）に応じて変化する。そこで、第４の発明によれば、制御弁通過ガス流量算出手段は、上記充填効率および機関回転数に基づいて算出された排気圧を実際の大気圧に基づいて補正し、上記充填効率および機関回転数に基づいて算出された排気圧の替わりに上記補正された排気圧を使用して制御弁通過ガス流量を算出することにより、より正確に制御弁通過ガス流量を算出することができる。
【００１８】
第５の発明では、第１〜第４の発明において、前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記機関回転数と前回算出された制御弁通過ガス流量とに基づいて大気温度が所定の標準大気温度にあるときの機関排気温度を算出し、該標準大気温度における機関排気温度を実際の大気温度に基づいて補正した機関排気温度を使用して前記制御弁通過ガス流量を算出する。
一般に、機関排気温度は機関回転数と前回の制御弁通過ガス流量と、さらに内燃機関周囲の大気温度（すなわち、吸気通路に吸入される気体の吸気温）とに応じて変化する。そこで、第６の発明によれば、制御弁通過ガス流量算出手段が、機関回転数と前回の制御弁通過ガス流量とに基づいて算出された機関排気温度を実際の大気温度に基づいて補正し、機関回転数と前回の制御弁通過ガス流量とに基づいて算出された機関排気温度の代わりに上記補正された機関排気温度を使用して制御弁通過ガス流量を算出することにより、より正確に制御弁通過ガス流量を算出することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１に概略的に示した機関本体１は筒内噴射型火花点火式内燃機関を示す。しかしながら、本発明を別の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関に適用してもよい。
【００２１】
図１に示したように、本発明の第一の実施形態では機関本体１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で往復動するピストン３と、シリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド４とを具備する。ピストン３とシリンダヘッド４との間には燃焼室５が形成される。シリンダヘッド４には各気筒毎に吸気弁６と、吸気ポート７と、排気弁８と、排気ポート９とが配置される。さらに、図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。
【００２２】
各気筒の吸気ポート７は下流側吸気管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は上流側吸気管１５を介してエアクリーナ１６に連結される。吸気管１５内にはステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気管１９に連結され、この排気管１９は排気浄化装置２０に連結される。排気通路（排気ポート、排気管等）と吸気通路（吸気ポート、吸気管）とは排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）２１を介して互いに連結され、この排気再循環通路２１内には排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ弁」と称す）２２が配置される。
【００２３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を具備する。吸気管１３には、吸気管内の吸気ガス（新気およびＥＧＲガス）の圧力を検出するための吸気管内圧力センサ４０が設けられており、吸気管内圧力センサ４０は吸気管内圧力に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、排気管１９には、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの圧力および温度をそれぞれ検出するための排気圧センサ４１、排気温度センサ４２が設けられており、同様に出力電圧が対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。
【００２４】
また、スロットル弁１８の開度を検出するためのスロットル開度センサ４３と、内燃機関の周囲の大気の温度、または吸気管１５に吸入される空気の温度（吸気温）を検出するための大気温度センサ４４と、内燃機関の周囲の大気の圧力、または吸気管１５に吸入される空気の圧力（吸気圧）を検出するための大気圧センサ４５とが設けられ、これらセンサの出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、アクセルペダル４６にはアクセルペダル４６の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４７が接続され、負荷センサ４７の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４８は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３６に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４５の出力パルスから機関回転数が計算される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７およびＥＧＲ弁２２に接続される。なお、ＥＧＲ弁２２の開度は、ＥＣＵ３１において出力ポート３７からＥＧＲ弁２２へ送信されるステップ信号に基づいて計算される。
【００２５】
ところで、内燃機関の制御装置では、内燃機関の燃焼室５において燃焼される混合気の空燃比を目標空燃比にするためには、吸気弁が閉じたときに燃焼室５内に充填されている吸気ガスの量（以下、「筒内充填ガス量Ｍｃ」と称す）を推定し、推定された筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて混合気の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁によって内燃機関の燃焼室５（または吸気通路）に噴射する燃料の量（以下、「燃料噴射量」と称す）を定めている。したがって、内燃機関の燃焼室５において燃焼される混合気の空燃比を正確に目標空燃比とするためには、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に推定する必要がある。
【００２６】
通常、筒内充填ガス量Ｍｃは、流量センサ（エアフロメータ）等の多数のセンサ、およびこれらセンサからの出力値を引数とした多数のマップから推定される。ところが、このようにマップを用いて筒内充填ガス量Ｍｃを推定する場合、推定される筒内充填ガス量Ｍｃの値をより正確なものにするためには、必要なマップの数およびその引数の数が多くなる。このようにマップの数が多くなると、マップを保存するためのＥＣＵのＲＯＭを記憶容量の大きいものにしなければならず、内燃機関の制御装置の製造コストが高くなってしまう。さらに、各マップを作成するにはマップが用いられる内燃機関の形式毎に適合作業を行わなければならないが、この適合作業における測定点はマップの数およびその引数の数に応じて増大するため、マップの数およびその引数の数が多くなると適合作業の工数も増大してしまう。
【００２７】
そこで、マップを用いずに様々なモデルを用いて、数値計算により筒内充填ガス量Ｍｃを算出する内燃機関の制御装置が検討されている。このような制御装置では、数値計算を多用することにより必要なマップの数を極力減らすようにしており、これにより適合作業を行う際の工数を大幅に削減しながらも、筒内充填ガス量Ｍｃを正確に算出することができる。このような制御装置のうち本願出願人により提案されたものの一つに、図７に示した吸入ガス量モデルＭ２０を搭載した制御装置がある（特願２００１−３１６３５０号）。図示した吸入ガス量モデルＭ２０はＥＧＲ機構を装備していない内燃機関に適用される最も単純なモデルであり、以下この吸入ガス量モデルＭ２０について説明する。
【００２８】
吸入ガス量モデルＭ２０は、図７に示したようにスロットルモデルＭ２１、吸気管モデルＭ２２、吸気弁モデルＭ２３を備える。スロットルモデルＭ２１には、スロットル開度センサ４３によって検出されたスロットル弁１８の開度（スロットル開度）θｔと、大気圧センサ４５によって検出された内燃機関周囲の大気圧（または、吸気管１５に吸入される空気の圧力）Ｐａと、大気温度センサ４４によって検出された内燃機関周囲の大気温度（または、吸気管１５に吸入される空気の温度）Ｔａと、後述する吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管１３内の圧力（吸気管内圧力）Ｐｍとが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述するスロットルモデルＭ２１のモデル式に代入することで、単位時間当たりにスロットル弁１８を通過する空気の流量（以下、「スロットル弁通過空気流量ｍｔ」と称す）が算出される。スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔは、吸気管モデルＭ２２へ入力される。
【００２９】
吸気管モデルＭ２２には、スロットルモデルＭ２１において算出されたスロットル弁通過空気流量ｍｔと、以下で詳述する単位時間当たりに燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量（以下、「筒内吸入ガス流量ｍｃ」と称す。なお、筒内吸入ガス流量ｍｃの定義については、吸気弁モデルＭ２３において詳述する）とが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述する吸気管モデルＭ２２のモデル式に代入することで、吸気管１３内に存在する吸気ガスの圧力（以下、「吸気管内圧力Ｐｍ」と称す）と吸気管１３内に存在する吸気ガスの温度（以下、「吸気管内温度Ｔｍ」と称す）とが算出される。吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力Ｐｍと吸気管内温度Ｔｍは共に吸気弁モデルＭ２３へ入力され、さらに吸気管内圧力ＰｍはスロットルモデルＭ２１にも入力される。
【００３０】
吸気弁モデルＭ２３には、吸気管モデルＭ２２において算出された吸気管内圧力Ｐｍおよび吸気管内温度Ｔｍの他に大気温度Ｔａが入力され、これら入力された各パラメータの値を後述する吸気弁モデルＭ２３のモデル式に代入することで、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。算出された筒内吸入ガス流量ｍｃは、筒内充填ガス量Ｍｃに変換され、この筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて燃料噴射弁からの燃料噴射量が決定される。また、吸気管モデルＭ２３において算出された筒内吸入ガス流量ｍｃは吸気管モデルＭ２２に入力される。
【００３１】
図７から分かるように、吸入ガス量モデルＭ２０では或るモデルにおいて算出されたパラメータの値が別のモデルへの入力値として利用されるので、吸入ガス量モデルＭ２０全体では、実際に入力される値はスロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａの三つのパラメータのみであり、これら三つのパラメータから筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００３２】
次に、吸入ガス量モデルＭ２０の各モデルＭ２１〜Ｍ２３について説明する。
スロットルモデルＭ２１では、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａ、吸気内圧力Ｐｍ、スロットル開度θｔから、下記数３に基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔが算出される。ここで、数３におけるμｔはスロットル弁における流量係数で、スロットル弁開度θｔの関数であり、よって図８に示したようなマップから定まる。また、Ａｔはスロットル弁の開口断面積を示し、スロットル弁開度θｔの関数であり、図９に示したようなマップから定まる。なお、これら流量係数μｔおよび開口断面積Ａｔをまとめたμ・Ａｔをスロットル弁開度θｔから一つのマップで求まるようにしてもよい。また、Ｒは気体定数に関する定数であり、実際には気体定数を１mol当たりの気体（空気）の質量Ｍlmolで除算した値である。
【数３】
また、Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は下記数４に示した関数であり、この数４におけるκは比熱比（一定値とする）である。この関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）は図１０に示したようなグラフに表すことができるので、このようなグラフをマップとしてＥＣＵ３１のＲＯＭ３４に保存し、実際には数４を用いて計算するのではなくマップからΦ（Ｐｍ／Ｐａ）の値を求めるようにしてもよい。
【数４】
これらスロットルモデルＭ２１の数３および数４は、スロットル弁１８上流の気体の圧力を大気圧Ｐａ、スロットル弁１８上流の気体の温度を大気温度Ｔａ、スロットル弁１８の下流の気体の圧力を吸気管内圧力Ｐｍとして、図１１に示したようなスロットル弁１８のモデルに対して、質量保存則、エネルギ保存則および運動量保存則を適用し、さらに気体の状態方程式、比熱比の定義式、およびマイヤーの関係式を利用することによって得られる。
【００３５】
吸気管モデルＭ２２では、スロットル弁通過空気流量ｍｔ、筒内吸入ガス流量ｍｃ、および大気温度Ｔａから、下記数５および数６に基づいて吸気管内圧力Ｐｍおよび吸気管内温度Ｔｍが算出される。なお、数５および数６におけるＶｍはスロットル弁１８から吸気弁６までの吸気管１３等の部分（以下、「吸気管部分」と称す）の容積に等しい定数である。
【数５】
ここで、吸気管モデルＭ２２について図１２を参照して説明する。吸気管部分の総気体量（総吸気ガス量）をＭとすると、総気体量Ｍの時間的変化は、吸気管部分に流入する気体の流量、すなわちスロットル弁通過空気流量ｍｔと、吸気管部分から流出する気体の流量、すなわち筒内吸入ガス流量ｍｃとの差に等しいため、質量保存則により下記数７が得られ、この数７および気体の状態方程式（Ｐｍ・Ｖｍ＝Ｍ・Ｒ・Ｔｍ）より、数５が得られる。
【数７】
また、吸気管部分の気体のエネルギＭ・Ｃｖ・Ｔｍの時間的変化量は、吸気管部分に流入する気体のエネルギと吸気管部分から流出する気体のエネルギとの差に等しい。このため、吸気管部分に流入する気体の温度を大気温度Ｔａ、吸気管部分から流出する気体の温度を吸気管内温度Ｔｍとすると、エネルギ保存則により下記数８が得られ、この数８および上記気体の状態方程式より、数６が得られる。
【数８】
吸気弁モデルＭ２３では、吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、および大気温度Ｔａから、下記数９に基づいて、筒内吸入ガス流量ｍｃが算出される。なお、数９におけるａ、ｂは、機関回転数Ｎｅから、さらに吸気弁６の位相角（バルブタイミング）および作用角を変更できる可変動弁機構を備えた内燃機関の場合には吸気弁６の位相角、作用角から定まる値である。
【数９】
上述した吸気弁モデルＭ２３について図１３を参照して説明する。一般に、吸気弁６が閉じたときに燃焼室５内に充填されている吸気ガスの量である筒内充填ガス量Ｍｃは、吸気弁６が閉弁するとき（吸気弁閉弁時）に確定し、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力に比例する。また、吸気弁閉弁時の燃焼室５内の圧力は吸気弁上流の気体の圧力、すなわち吸気管内圧力Ｐｍと等しいとみなすことができる。したがって、筒内充填ガス量Ｍｃは、吸気管内圧力Ｐｍに比例すると近似することができる。
【００４０】
ここで、単位時間当たりに吸気管部分から流出する全吸気ガスの量を平均化したもの、または単位時間当たりに吸気管部分から全ての燃焼室５に吸入される吸気ガスの量を一つの気筒の吸気行程に亘って（後述するように本実施形態ではクランク角１８０°分）平均化したものを筒内吸入ガス流量ｍｃ（以下で詳述する）とすると、筒内充填ガス量Ｍｃが吸気管内圧力Ｐｍに比例することから、筒内吸入ガス流量ｍｃも吸気管内圧力Ｐｍに比例すると考えられる。このことから、理論および経験則に基づいて、上記数９が得られる。なお、数９における値ａは比例係数であり、値ｂは燃焼室５内に残存していた既燃ガスを表す値（排気弁８閉弁時に燃焼室５内に残る既燃ガス量を後述する時間ΔＴ180 °で除算したものと考えられる）である。また、実際の運転では過渡時に吸気管内温度Ｔｍが大きく変化する場合があるため、これに対する補正として理論および経験則に基づいて導かれたＴａ／Ｔｍが乗算されている。
【００４１】
ここで、筒内吸入ガス流量ｍｃについて、図１４を参照して内燃機関が４気筒である場合について説明する。なお、図１４は横軸がクランクシャフトの回転角度、縦軸が単位時間当たりに吸気管部分から燃焼室５に実際に流入する吸気ガスの流量である。図１４に示したように、４気筒の内燃機関では、吸気弁６が例えば１番気筒、３番気筒、４番気筒、２番気筒の順に開弁し、各気筒に対応する吸気弁６の開弁量に応じて吸気管部分から各気筒の燃焼室５内へ吸気ガスが流入する。例えば、吸気管部分から各気筒の燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量の変位は図１４に破線で示した通りであり、これを総合して吸気管１３から全気筒の燃焼室に流入する吸気ガスの流量は図１４に実線で示した通りである。また、例えば１番気筒への筒内充填ガス量Ｍｃは図１４に斜線で示した通りである。
【００４２】
これに対して、実線で示した吸気管から全ての気筒の燃焼室に流入する吸気ガスの量を平均化したものが筒内吸入ガス流量ｍｃであり、図中に一点鎖線で示す。そして、この一点鎖線で示した筒内吸入ガス流量ｍｃに、４気筒の場合にはクランクシャフトが１８０°（すなわち、４ストローク式内燃機関において１サイクル中にクランクシャフトが回転する角度７２０°を気筒数で割った角度）回転するのにかかる時間ΔＴ180 °を乗算したものが筒内充填ガス量Ｍｃとなる。したがって、吸気弁モデルＭ２３で算出された筒内吸入ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算することで、筒内充填ガス量Ｍｃが算出される（Ｍｃ＝ｍｃ・ΔＴ180 °）。より詳細には、筒内充填ガス量Ｍｃが吸気弁閉弁時の圧力に比例することを考慮して、吸気弁閉弁時の筒内吸入ガス流量ｍｃにΔＴ180 °を乗算したものが筒内充填ガス量Ｍｃとされる。
【００４３】
次に、上記吸入ガス量モデルＭ２０を内燃機関の制御装置に実装して、実際に筒内充填ガス量Ｍｃを算出する場合について説明する。筒内充填ガス量Ｍｃは吸入ガス量モデル１０を用いて、上記数３、数５、数６、および数９を解くことにより表される。この場合、ＥＣＵ３１で処理するために、これらの式を離散化する必要がある。時刻ｔ、計算間隔Δｔを用いて数３、数５、数６、および数９を離散化すると、それぞれ下記数１０、数１１、数１２、および数１３が得られる。なお、吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）は、数１１および数１２によってそれぞれ算出されたＰｍ／Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）およびＰｍ（ｔ＋Δｔ）から、数１４によって算出される。
【数１０】
このようにして実装された吸入ガス量モデルＭ２０では、スロットルモデルＭ２１の数１０で算出された時刻ｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ２３の数１３で算出された時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ２２の数１１および数１２に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）および吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）およびＴｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ２１および吸気弁モデルＭ２３の数１０および数１３に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ＋Δｔ）および筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）が算出される。そして、このような計算を繰り返すことによって、スロットル弁開度θｔ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａから、任意の時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃが算出され、算出された筒内吸入ガス流量ｍｃに上記時間ΔＴ180 °を乗算することで、任意の時刻ｔにおける筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００４５】
なお、内燃機関の始動時には、すなわち時刻ｔ＝０においては、吸気管内圧力Ｐｍは大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、吸気管内温度Ｔｍは大気温度と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔａ）とされて、各モデルＭ２１〜Ｍ２３における計算が開始される。
【００４６】
なお、上記吸入ガス量モデルＭ２０では、大気温度Ｔａおよび大気圧Ｐａが一定であるとしているが、時刻によって変化する値としてもよく、例えば、大気温度を検出するための大気温度センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気温度Ｔａ（ｔ）、大気圧を検出するための大気圧センサによって時刻ｔにおいて検出された値を大気圧Ｐａ（ｔ）として上記数１０、数１２、および数１３に代入するようにしてもよい。
【００４７】
ところで、排気通路と吸気通路とを連通する排気再循環通路（以下、「ＥＧＲ通路」と称す）２１と、このＥＧＲ通路２１を通る排気ガスの流量を調整するための制御弁（以下、「ＥＧＲ弁」と称す）２２とを備え、内燃機関の燃焼室５から排気通路に排出された排気ガスの一部を再び燃焼室に戻す機構であるＥＧＲを備えた内燃機関が知られているが、上述した吸入ガス量モデルＭ２０では、このようなＥＧＲを備えた内燃機関を考慮しておらず、よって上記吸入ガス量モデルＭ２０をこのような内燃機関に適用することはできない。例えば、ＥＧＲを備えた内燃機関では、燃焼室５内に流入する吸気ガスには大気中から流入した空気（新気）の他に、ＥＧＲガスが含まれるため、筒内充填ガス量Ｍｃに基づいて燃料噴射量を算出すると燃焼室５内の混合気の空燃比を目標空燃比にすることができない。また、上記吸気管モデルＭ２２では、吸気管１３に流入する吸気ガスとしてスロットル弁１８を通過した空気のみを想定しているが、ＥＧＲを備えた内燃機関では吸気管１３にはＥＧＲ通路２１を通ったＥＧＲガスも流入する。したがって、上記吸気管モデルＭ２２では、ＥＧＲを備えた内燃機関において吸気管内圧力Ｐｍおよび吸気管内温度Ｔｍを算出することはできない。
【００４８】
このように、ＥＧＲを備えた内燃機関にも適用可能な吸入ガス量モデルを作成するには、まず、ＥＧＲ弁２２を通過する排気ガスの流量（以下、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ」と称す）を算出する必要がある。このＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒは、ＥＧＲ弁２２の上流側の圧力、ＥＧＲ弁２２の下流側の圧力、ＥＧＲ弁開度といったパラメータに応じて変化するため、従来ではこれらパラメータを引数としてマップからＥＧＲ弁通過ガス流量を推定していた。ところが、マップを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を推定する場合、マップを作成するために内燃機関の形式毎に運転パラメータ（マップの引数に相当）を変えて運転を行ってＥＧＲ弁通過ガス流量を計測する、いわゆる適合作業を行う必要がある。この適合作業における測定点はマップの数およびその引数の数に応じて増大するため、マップの数が多くなると適合を行う際の工数が多大になり、またマップの引数が一つ増えるだけで、その工数は何十倍にも増加してしまう。したがって、マップの適合作業における工数を考慮した場合、マップの引数の数は少ない方が好ましい。そこで、従来の制御装置の一つでは、ＥＧＲ弁通過ガス流量を推定する場合に引数として用いられるＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力とを、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力との差圧という一つの引数にまとめることで、マップの引数の数を少なくしている。
【００４９】
しかしながら、一般に、マップの引数を減らすと、そのマップから推定されるパラメータの値の正確性は低くなる。したがって、上記従来の制御装置では、ＥＧＲ弁の上流側の圧力とＥＧＲ弁の下流側の圧力とをＥＧＲ弁の上下差圧にまとめて一つの引数とすることで、マップによって推定されるＥＧＲ弁通過ガス流量の精度は低くなってしまう。したがって、マップを用いると、マップの引数を多くした場合には、マップにより推定されるパラメータの値の正確性は高くなるが適合を行う際の工数が多くなり、逆に、マップの引数を少なくした場合には、適合を行う際の工数は少なくなるが、マップにより推定されるパラメータの値の正確性は低くなる。よって、マップを用いてＥＧＲ弁通過ガス流量を推定した場合には、適合を行う際の工数とマップにより算出されるＥＧＲ弁通過ガス流量の正確性とのいずれかを犠牲にしなければならいという問題があった。
【００５０】
そこで、本発明のＥＧＲ弁通過ガス量算出装置では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段が、ＥＧＲ弁通過ガス流量を、マップからではなく、内燃機関の燃焼室５から排気通路に排出された排気ガスの圧力（以下、「排気圧Ｐｅ」と称す）、ＥＧＲ弁２２の上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度、または内燃機関の燃焼室５から排気通路に排出された排気ガスの温度（以下、「排気温度Ｔｅ」と称す）、上記吸気管内圧力Ｐｍ、ＥＧＲ弁開度θｅとの少なくとも四つのパラメータの値に基づく数値計算によって算出している。より詳細には、μｅをＥＧＲ弁における流量係数、ＡｅをＥＧＲ弁２２の開口断面積、Ｐｅを排気圧、Ｔｅを排気温度、Ｐｍを吸気管内圧力、Ｒを気体定数に関する定数、Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）をＰｍ／Ｐｅの関数とすると、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、下記数１５からＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。ここで、流量係数μｅおよびＥＧＲ弁の開口断面積Ａｅは、ＥＧＲ弁の開度θｅによって定まる値である。なお、数１５における関数Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）は、数１６に示した関数であり、図１０に示した関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）の変数Ｐｍ／Ｐａを変数Ｐｍ／Ｐｅに置き換えたものである。また、気体定数に関する定数Ｒは、実際には気体定数を１mol当たりの気体（空気、排気ガス、またはそれらの混合気）の質量Ｍlmolで除算した値である。
【数１５】
したがって、本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置によれば、排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、吸気管内圧力Ｐｍ、およびＥＧＲ弁開度θｅからＥＧＲ弁通過ガス流量を算出するときにマップを用いずに数値計算を用いることにより、マップにおける適合作業の工数の問題およびマップから算出される値の精度の問題が発生することなくＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを正確に求めることができる。
【００５２】
なお、上記数１５および数１６は、基本的に上記スロットルモデルＭ２１における数３および数４と同様である。したがって、ＥＧＲ弁２２上流の気体の圧力を排気圧Ｐｅ、ＥＧＲ弁２２上流の気体の温度を排気温度Ｔｅ、ＥＧＲ弁２２の下流の気体の圧力を吸気管内圧力Ｐｍとして、図２に示したようなＥＧＲ弁２２のモデルに対して、質量保存則、エネルギ保存則および運動量保存則を適用し、さらに気体の状態方程式、比熱比の定義式、およびマイヤーの関係式を利用することによって得られる。
【００５３】
次に、上記ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段が利用する排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅの算出過程について説明する。
【００５４】
ところで、一般に、内燃機関の製造コストを考慮した場合、センサの数はできるだけ少ない方が好ましい。そこで、例えば、排気再循環機構（ＥＧＲ）を備えた内燃機関において、排気圧センサ４１を用いないで排気圧を検出する場合について考える。このような場合、通常、機関回転数、燃料噴射量、燃料点火時期、ＥＧＲ率（燃焼室に流入した総吸気ガス量に対するＥＧＲガス量の割合）等、様々なパラメータを引数としたマップを用いなければならなかった。ところが、上述したようにマップの引数が多いと、適合作業を行う際の工数が増大してしまう。逆に、引数を減らすと、マップから得られた値の精度に欠けてしまう。
【００５５】
これに対して、排気圧Ｐｅは、標準状態において燃焼室５の総行程容積を占める吸気ガス量に対する実際に燃焼室５に充填された空気量の比（すなわち、「充填効率」または「機関負荷率」。詳細は以下に示す。以下、「充填効率」と称す）ＫＬと機関回転数Ｎｅとから求まる。図３に充填効率ＫＬおよび機関回転数Ｎｅと排気圧Ｐｅとの関係を示す。なお、図３の横軸は充填効率ＫＬであり、縦軸は排気圧Ｐｅであり、図中の複数の実線は機関回転数Ｎｅの異なる場合における関係を示す。
【００５６】
図３から分かるように、充填効率ＫＬが大きくなると排気圧Ｐｅが高くなり、逆に、充填効率ＫＬが小さくなると排気圧Ｐｅが低くなる。また、機関回転数Ｎｅが高くなると排気圧Ｐｅも高くなり、逆に、機関回転数Ｎｅが低くなると排気圧Ｐｅも低くなる。そして、これら充填効率ＫＬと機関回転数Ｎｅとのパラメータを引数としたマップからは、引数となるパラメータの数が少ないのにも関わらず排気圧Ｐｅが比較的精度良く求まる。したがって、これら二つのパラメータを変数として排気圧Ｐｅを求めるためのマップを作成すれば、マップの引数を減らしながらも、マップから比較的高い精度で排気圧Ｐｅの値を得ることができる。
【００５７】
そこで、本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、充填効率ＫＬと機関回転数Ｎｅとから排気圧Ｐｅを算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、充填効率ＫＬと機関回転数Ｎｅとを引数として図３に示したようなマップから、または図３に示したような関数ｆ1（ＫＬ、Ｎｅ）から排気圧Ｐｅを算出する。なお、図３に示したようなマップ、または関数ｆ1（ＫＬ、Ｎｅ）で用いられる充填効率ＫＬの算出過程については後述する。
【００５８】
次に、排気圧センサ４１の場合と同様に、ＥＧＲを備えた内燃機関において、排気温度センサ４２を用いないで排気温度Ｔｅを検出する場合について考える。一般に、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの温度は、機関回転数Ｎｅに応じて変化し、機関回転数Ｎｅが高くなると高くなり、機関回転数Ｎｅが低くなると低くなる。したがって、このことを利用して、内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの温度Ｔｅを、機関回転数Ｎｅを引数とした一次元マップから求めることができる。
【００５９】
ところが、上述したようにＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する場合、排気温度Ｔｅとして内燃機関から排気通路に排出された排気ガスの温度を用いるよりも、ＥＧＲ弁２２上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度を用いた方が、高い精度でＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出することができる。
【００６０】
そこで、ＥＧＲ弁２２上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度を求めるにあたり、ＥＧＲ通路２１に対する入熱および放熱について考えると、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒが多い場合、すなわちＥＧＲ通路２１に流入するＥＧＲガスの量が多い場合には、ＥＧＲ通路２１内のＥＧＲガスからＥＧＲ通路２１を形成するＥＧＲ管を介して大気中へ放出される熱量に対して、排気ガスがＥＧＲ通路２１へ流入することによるＥＧＲ通路２１へ入る熱量の割合が大きくなり、逆に、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒが少ない場合、ＥＧＲ通路２１に流入するＥＧＲガスの量が少ない場合には、ＥＧＲ通路２１へ入る熱量に対して大気中へ放出される熱量の割合が大きくなる。このため、ＥＧＲ弁通路ガス流量ｍｅｇｒが多くなると排気温度Ｔｅが上がり、ＥＧＲ弁通過ガス流量が少なくなると排気温度Ｔｅが下がる。この様子を図４に示す。なお、図４の横軸はＥＧＲ通過ガス流量ｍｅｇｒであり、縦軸は排気温度Ｔｅであり、図中の複数の実線は機関回転数Ｎｅの異なる場合における関係を示す。
【００６１】
以上のことを考慮すると、排気温度ＴｅとしてＥＧＲ弁２２上流におけるＥＧＲ通路２１内の排気ガスの温度を用いる場合、排気温度ＴｅはＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒと機関回転数Ｎｅとに応じて変化する。そこで、本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒと機関回転数Ｎｅとから排気温度Ｔｅを算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒと機関回転数Ｎｅとを引数としたマップから排気温度を算出する。換言すると、排気温度は、図４に示したような関数ｆ2（ｍｅｇｒ、Ｎｅ）から算出される。ここで図４の横軸は、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、縦軸は関数ｆ2、すなわち排気温度を示している。また、図中に複数ある実線は、全体的に関数ｆ2の値が最も高い実線は機関回転数Ｎｅが高い場合を示しており、全体的に関数ｆ2の値が最も低い実線は機関回転数Ｎｅが低い場合を示している。
【００６２】
このようにして排気温度ＴｅとしてＥＧＲ弁上流におけるＥＧＲ通路内の排気ガスの温度を算出することにより、算出された排気温度ＴｅからＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒをより高い精度で算出することができるようになる。
【００６３】
なお、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段が後述するように所定の時間間隔Δｔ毎にＥＧＲ弁通過ガス流量を算出する場合、関数ｆ2（ｍｅｇｒ、Ｎｅ）はＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段によって前回算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量と機関回転数Ｎｅとから排気温度Ｔｅを算出し、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段はこのようにして算出された排気温度Ｔｅを用いて今回の制御弁通過ガス量算出に使用する排気温度を算出する。
【００６４】
また、上述したように関数ｆ1から排気圧Ｔｅを算出する場合および関数ｆ2から排気温度Ｔｅを算出する場合には、機関回転数Ｎｅの替わりに内燃機関の燃焼室内に流入する空気流量（筒内充填新気流量ｍｃair）を用いてもよい。
【００６５】
ところで、上記説明では関数ｆ1によって算出される排気圧を実際の排気圧としている。しかしながら、排気圧Ｐｅは実際には内燃機関の周囲の大気の圧力（大気圧）によっても変化するため、上記関数ｆ1によって算出される排気圧は、大気圧が所定の標準大気圧（例えば１ａｔｍ）であると仮定した場合における排気圧（すなわち、大気条件が所定の標準状態にあると仮定した場合における排気圧）Ｐｅｂであり、実際の排気圧Ｐｅとは僅かに異なる。
【００６６】
そこで、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上述したように関数ｆ1によって算出された排気圧Ｐｅｂを実際の大気圧に基づく排気圧Ｐｅに補正し、この補正された排気圧ＰｅからＥＧＲ弁通過ガス流量を算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、内燃機関周囲の大気圧が基準大気圧であると仮定した場合の排気圧Ｐｅｂを、内燃機関周囲の大気圧が任意の大気圧である場合の排気圧Ｐｅに補正するための補正係数Ｋpaを算出し、算出された補正係数Ｋpaを関数ｆ1によって算出された排気圧Ｐｅｂに乗算することによって排気圧Ｐｅを求める（Ｐｅ＝Ｋpa・Ｐｅｂ）。そして、このようにして求められた排気圧Ｐｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。このように関数ｆ1に大気圧から求まる補正係数Ｋpaを乗算した排気圧Ｐｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出することにより、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒをより正確に算出することができるようになる。なお、補正係数Ｋpaは、内燃機関周囲の大気圧のみから定まる変数であり、内燃機関周囲の大気圧が高くなると大きくなり、逆に、内燃機関周囲の大気圧が低くなると小さくなる。
【００６７】
なお、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上記関数ｆ1に補正係数Ｋpaを乗算することによって排気圧Ｐｅを算出する替わりに、充填効率ＫＬ、機関回転数Ｎｅ、および大気圧の三つのパラメータを引数としたマップに基づいて排気圧Ｐｅを算出してもよい。
【００６８】
また、排気温度Ｔｅに関しても同様に、上記説明では関数ｆ2によって算出される排気温度を実際の排気温度としている。しかしながら、排気温度Ｔｅは実際には内燃機関の周囲の大気の温度（大気温度）によっても変化するため、上記関数ｆ2によって算出される排気温度は、大気温度が所定の標準温度（例えば２９８Ｋ）であると仮定した場合における排気温度（すなわち、大気条件が所定の標準状態にあると仮定した場合における排気温度）Ｔｅｂであり、実際の排気温度とは僅かに異なる。
【００６９】
そこで、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上述したように関数ｆ2によって算出された排気温度Ｔｅｂを実際の大気温度に基づく排気温度Ｔｅに補正し、この補正された排気温度ＴｅからＥＧＲ弁通過ガス流量を算出する。より詳細には、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、内燃機関周囲の大気温度が基準大気温度であると仮定した場合の排気温度Ｔｅｂを、内燃機関周囲の大気温度が任意の大気温度である場合の排気温度Ｔｅに補正するための補正係数Ｋtaを算出し、算出された補正係数Ｋtaを関数ｆ2によって算出された排気温度Ｔｅｂに乗算することによって排気温度Ｔｅを求める（Ｔｅ＝Ｋta・Ｔｅｂ）。そして、このようにして求められた排気温度Ｔｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する。このように関数ｆ2に大気温度から求まる補正係数Ｋtaを乗算した排気温度Ｔｅに基づいてＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出することにより、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒをより正確に算出することができるようになる。なお、補正係数Ｋtaは、内燃機関周囲の排気温度のみから定まる変数であり、内燃機関周囲の大気温度が高くなると大きくなり、逆に、内燃機関周囲の大気温度が低くなると小さくなる。
【００７０】
なお、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、上記関数ｆ2に補正係数Ｋtaを乗算することによって排気温度Ｔｅを算出する替わりに、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、機関回転数Ｎｅ、大気温度の三つのパラメータを引数としたマップに基づいて排気温度Ｔｅを算出してもよい。
【００７１】
次に、上述したＥＧＲ弁通過流量算出手段を実装する場合について説明する。一般に、ＥＣＵ３１のＣＰＵ３４で行われる計算の中に除算や平方根の計算が含まれていると、ＣＰＵ３４に対する負荷が大きくなり、またＣＰＵ３４での計算に時間がかかってしまう。そこで、ＥＧＲ弁通過流量算出手段を実装する場合には、できるだけＣＰＵ３４に除算や平方根の計算を行わせないようにするのが好ましい。
【００７２】
そこで、ＥＧＲ弁通過流量算出手段の実装時には、数１５から除算や平方根の計算を除いた数１７が用いられる。ここで数１７のｅｋｐｅ、ｅｋｔｅ、およびｅｋｌｅｇｒｍはそれぞれ排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、およびＥＧＲ弁開度θｅの関数であり、より詳細には数１８、数１９、および数２０に示した通りである。これら関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅ、およびｅｋｌｅｇｒｍを乗算すると数１５が得られる。
【数１７】
【００７３】
また、数１８および数１９に示した通り、関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅは排気ガスが標準状態にあると仮定して算出された関数ｅｋｌｅｇｒｍをそれぞれ実際の排気圧Ｐｅ、および排気温度Ｔｅに基づいて補正するための関数である。数１８および数１９から分かるように、これら関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅには除算や平方根の計算が含まれている。上述したように除算や平方根の計算をＥＣＵ３１のＣＰＵ３４に計算を行わせるとＣＰＵ３４の負荷が大きくなってしまう。そこで、排気圧Ｐｅと関数ｅｋｐｅとのマップ、および排気温度Ｔｅと関数ｅｋｔｅとのマップを予め用意し、実際にＣＰＵ３４に計算を行わせずにマップから値を求めるようにする。これにより、ＣＰＵ３４の負荷が大きくなってしまうことはなく、また、関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅは計算によって算出することができるため適合を行う必要もない。このように、数１５を数１７に変形して実装することで、ＣＰＵ３４の負荷を小さくしながらも適合の工数を少なくすることができる。
【００７４】
また、関数ｅｋｐｅ、ｅｋｔｅの引数である排気圧Ｐｅおよび排気温度Ｔｅには、それぞれ上述したように関数ｆ1に補正係数Ｋpaを乗算したもの（Ｐｅ＝Ｋpa・ｆ1（ＫＬ、Ｎｅ））および関数ｆ2に補正係数Ｋtaを乗算したもの（Ｔａ＝Ｋta・ｆ2（ｍｅｇｒ，Ｎｅ））が用いられる。ここで、機関回転数はクランク角センサ４８から算出され、充填効率ＫＬは後述するＥＧＲを備えた内燃機関用の吸入ガス量モデルＭ１０において求められ、また、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒはＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段によって算出される。大気圧Ｐａ、大気温度Ｐｅはそれぞれ大気圧センサ、大気温度センサによって検出される。
【００７５】
次に、上述したＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段に用いられているモデルをＥＧＲ弁モデルＭ１４として、ＥＧＲを備えた内燃機関に用いられる吸入ガス量モデルＭ１０について説明する。なお、以下では、特に定常状態（スロットル弁開度、ＥＧＲ弁開度、機関回転数等がほぼ一定のまま維持されている状態）に適用可能な吸入ガス量モデルＭ１０について説明する。
【００７６】
本発明で用いられる吸入ガス量モデルＭ１０を図５に示した。図５に示したように、吸入ガス量モデルＭ１０は、スロットルモデルＭ１１と、吸気管モデルＭ１２と、吸気弁モデルＭ１３と、ＥＧＲ弁モデルＭ１４とを具備する。スロットルモデルＭ１１および吸気弁モデルＭ１３は基本的に図７に示したＥＧＲを備えていない内燃機関に用いられる吸入ガス量モデルＭ２０のスロットルモデルＭ２１および吸気弁モデルＭ２３と同様である。したがって、スロットルモデルＭ２１は、スロットル開度θｔ、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａ、および吸気管モデルＭ１２で求められた吸気管内圧力Ｐｍに基づいてスロットル弁通過空気流量ｍｔを算出し、吸気弁モデルＭ２３は、吸気管内圧力Ｐｍ、吸気管内温度Ｔｍ、および大気温度Ｔａに基づいて筒内吸入ガス流量ｍｃを算出する。
【００７７】
一方、吸気管１３にはスロットル弁１８を通過した空気（新気）に加えて、ＥＧＲ弁２２を通過したＥＧＲガスが流入する。したがって、吸気管モデルＭ１２は、図１２に示した吸気管モデルＭ２２とは異なり、図６に示したモデルを用いる。図１２に示した吸気管モデルＭ２２における数１１および数１２と同様に、ＥＧＲガスが流入する場合の吸気管部分に質量保存則およびエネルギ保存則を適用すると、数２１および数２２が得られる。ここで、数２１、数２２におけるＥＧＲ弁通過ガス量ｍｅｇｒおよび排気温度ＴｅはＥＧＲ弁モデルＭ１４で求められる。
【数２１】
上述したＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段の説明から、ＥＧＲ弁モデルＭ１４は、ＥＧＲ弁開度θｅ、吸気管内圧力Ｐｍ、充填効率ＫＬ、前回のＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ、機関回転数Ｎｅ、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａから、ＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出するモデルであることが分かる。ここで、機関回転数Ｎｅセンサから検出され、大気圧Ｐａ、大気温度Ｔａは定数とする。吸気管内圧力Ｐｍは、吸気管モデルＭ１２で求められ、充填効率ＫＬは後述するように吸気弁モデルＭ１３から求められる。前回のＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒはＥＧＲ弁モデルＭ１４における前回の計算で算出された値である。
【００７９】
ところで、吸気ガス量モデルＭ１０は燃焼噴射量を決定するために用いられるモデルである。燃料噴射量は燃焼室５内に流入する空気（新気）の量に応じて決定する必要があるが、ＥＧＲを備えた内燃機関では燃焼室５内に流入する吸気ガスには空気だけでなく、ＥＧＲガスが含まれる。そこで、ＥＧＲを備えた内燃機関において燃料噴射量を決定するためには、燃焼室５内に流入する吸気ガスの流量（筒内吸入ガス流量ｍｃ）から燃焼室５内に流入するＥＧＲガスの流量（以下、「筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃegr」と称す）を除いた燃焼室５内に流入する空気の流量（以下、「筒内吸入新気流量ｍｃair」と称す）を求めなければならない（ｍｃair＝ｍｃ−ｍｃegr）。
【００８０】
ここで、上述したように定常状態である場合、ＥＧＲ弁２２を通過するＥＧＲガスの流量と燃焼室５内に流入するＥＧＲガスの流量は等しい（ｍｃegr＝ｍｅｇｒ）。これにより、筒内吸入ＥＧＲ流量ｍｃegrが求まり、これと上記吸気弁モデルで求められる筒内吸入ガス流量ｍｃとから、筒内吸入新気流量ｍｃairが得られる。得られた筒内吸入新気流量ｍｃairに、上記吸気弁モデルＭ２３で説明したように、時間Ｔ180 °を乗算することで、一回の吸気行程で燃焼室内に充填される空気（新気）の量（以下、「筒内充填新気量Ｍｃair」と称す）が求められ、この筒内充填新気量Ｍｃairに基づいて燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量が決定される。
【００８１】
また、充填効率ＫＬは、標準状態において燃焼室５の総行程容積を占める吸気ガス量に対する実際に燃焼室５に充填された空気量の比、すなわち筒内充填新気量Ｍｃairを標準状態において燃焼室５内に充填可能な吸気ガス量（以下、「最大筒内充填ガス量Ｍｃmax」と称す）で割った値を意味する（ＫＬ＝Ｍｃair／Ｍｃmax）。したがって、充填効率ＫＬは、上述したように算出された筒内充填新気量Ｍｃairと定数である最大筒内充填ガス量Ｍｃmaxとから算出され、算出された充填効率ＫＬはＥＧＲ弁モデルＭ１４で用いられる。
【００８２】
このように、吸入ガス量モデルＭ１０では、或るモデルにおいて算出されたパラメータの値が別のモデルへの入力値として利用されるので、吸入ガス量モデルＭ１０全体では、実際に入力される値は基本的にスロットル開度θｔ、ＥＧＲ弁開度θｅ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａの四つのパラメータのみであり、これら四つのパラメータから筒内充填ガス量Ｍｃが算出される。
【００８３】
次に、上記吸入ガス量モデルＭ１０を内燃機関の制御装置に実装して、実際に筒内充填新気量Ｍｃairを算出する場合について説明する。この場合、スロットルモデルＭ１１、吸気弁モデルＭ１３等で用いられる数式は、ＥＧＲを備えていない内燃機関におけるスロットルモデルＭ２１、吸気弁モデルＭ２３等で用いられる数１０、数１３、数１４と同じである。
【００８４】
ＥＧＲ弁モデルＭ１４では、数１７が数２３の形で実装され、数２３内の排気圧Ｐｅ（ｔ）および排気温度Ｔｅ（ｔ）はそれぞれ数２４および数２５の形で実装された式によって求められる。ここで、ｍｅｇｒ（ｔ−Δｔ）は、時刻ｔより計算間隔Δｔだけ前のＥＧＲ弁通過ガス流量、すなわち前回計算されたＥＧＲ弁通過ガス流量を示している。このようにして、ＥＧＲ弁モデル５では、時刻ｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ）が算出される。
【数２３】
また、吸気管モデルＭ１２では、数２１および数２２を離散化した下記数２６および数２７と、上記吸入ガス量モデルＭ２０で用いられた数１４とから成る式に、スロットルモデルＭ１１で算出されたスロットル弁通過ガス流量ｍｔ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ１３で算出された筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）と、ＥＧＲ弁モデルＭ１４で算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ）とを代入することで、時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）および時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）とが算出される。
【数２６】
このようにして実装された吸入ガス量モデルＭ１０では、スロットルモデルＭ１１において算出された時刻ｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ）と、ＥＧＲ弁モデルＭ１４において算出された時刻ｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス量ｍｅｇｒ（ｔ）および排気温度Ｔｅ（ｔ）と、吸気弁モデルＭ１３において算出された時刻ｔにおける筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ）とが、吸気管モデルＭ１２の数２６および数２７に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおける吸気管内圧力Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）および吸気管内温度Ｔｍ（ｔ＋Δｔ）が算出される。次いで、算出されたＰｍ（ｔ＋Δｔ）およびＴｍ（ｔ＋Δｔ）は、スロットルモデルＭ１１および吸気弁モデルＭ２３に代入され、これにより時刻ｔ＋Δｔにおけるスロットル弁通過空気流量ｍｔ（ｔ＋Δｔ）および筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）が算出される。また、筒内吸入ガス流量ｍｃ（ｔ＋Δｔ）と時刻ｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ）とから筒内吸入新気流量ｍｃair（ｔ＋Δｔ）が算出され、この筒内吸入新気流量ｍｃair（ｔ＋Δｔ）から時刻ｔ＋Δｔにおける充填効率ＫＬ（ｔ＋Δｔ）が算出される。そして、このＫＬ（ｔ＋Δｔ）と上記Ｐｍ（ｔ＋Δｔ）とからＥＧＲ弁モデルＭ１４において、時刻ｔ＋ΔｔにおけるＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ（ｔ＋Δｔ）が算出される。算出されたｍｃ（ｔ＋Δｔ）、ｍｅｇｒ（ｔ＋Δｔ）、ｍｔ（ｔ＋Δｔ）は再び吸気管モデルＭ１２に代入される。このような計算を繰り返すことによって、スロットル弁開度θｔ、ＥＧＲ弁開度θｅ、大気圧Ｐａ、および大気温度Ｔａとから筒内吸入新気流量ｍｃairが算出され、算出された筒内吸入新気流量ｍｃairに時間ΔＴ180 °を乗算することで常に筒内充填新気量Ｍｃairを算出することができる。
【００８７】
なお、内燃機関の始動時には、すなわち時刻ｔ＝０においては、吸気管内圧力は大気圧と等しい（Ｐｍ（０）＝Ｐａ）とされ、吸気管内温度および排気温度は大気温度と等しい（Ｔｍ（０）＝Ｔａ、Ｔｅ（０）＝Ｔａ）とされて、各モデルＭ１１〜Ｍ１３における計算が開始される。
【００８８】
また、上記吸入ガス量モデルＭ１０では、大気温度Ｔａおよび大気圧Ｐａが一定であるとしているが、上記吸入ガス量モデルＭ２０と同様に時刻ｔにおける大気温度Ｔａ（ｔ）、時刻ｔにおける大気圧Ｐａ（ｔ）を上記数１０、数１３、数２２に代入するようにしてもよい。
【００８９】
なお、上記実施形態では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、排気圧Ｐｅおよび排気温度Ｔｅを、機関回転数Ｎｅ、充填効率ＫＬおよびＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒ等に基づくマップから求めているが、これら排気圧Ｐｅおよび排気温度Ｔｅを排気圧センサ４１および排気温度センサＴｅによって検出してもよい。また、上記実施形態では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、吸気管内圧力Ｐｍを吸入ガス量モデルＭ１０から算出しているが、吸気管内圧力Ｐｍを吸気管内圧力センサ４０によって検出してもよい。
【００９０】
また、上記実施形態では、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段は、排気圧Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、吸気管内圧力Ｐｍ、およびＥＧＲ弁開度θｔの四つのパラメータを引数とした数１５に示した計算式からＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを求めているが、少なくとも上記四つのパラメータを引数としていれば数１５とは異なる計算式またはマップからＥＧＲ弁通過ガス流量ｍｅｇｒを求めてもよい。
【００９１】
上述したように、ＥＧＲ弁通過ガス流量算出手段によってＥＧＲ弁通過ガス流量を正確に算出することにより、例えば、算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量に基づいて上述したように筒内充填新気量を算出し、この筒内充填新気量に基づいて燃料噴射量を正確に算出することが可能となる。また、算出されたＥＧＲ弁通過ガス流量に基づいて、ＥＧＲ弁通過ガス量が目標値になるようにＥＧＲ弁の開度をフィードバック制御することも可能となる。
【００９２】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、制御弁上流側の気体の圧力、吸気管内圧力、および制御弁開度のみならず、排気温度をも考慮してＥＧＲ弁通過ガス流量が算出されるため、より正確に制御弁通過ガス流量を算出することができるという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＥＧＲ弁通過ガス流量算出装置を備えた内燃機関全体を示す図である。
【図２】ＥＧＲ弁通過ガス流量の算出における基本概念を示す図である。
【図３】充填効率と排気圧との関係を表した図である。
【図４】ＥＧＲ通過ガス流量と排気温度との関係を表した図である。
【図５】ＥＧＲを備えた内燃機関に適用可能な本発明の吸入ガス量モデルを示す図である。
【図６】ＥＧＲを備えた内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図７】ＥＧＲを備えていない内燃機関に適用可能な吸入ガス量モデルを示す図である。
【図８】スロットル弁開度と流量係数との関係を示す図である。
【図９】スロットル弁開度と開口断面積との関係を示す図である。
【図１０】関数Φ（Ｐｍ／Ｐａ）を示す図である。
【図１１】スロットルモデルの基本概念を示す図である。
【図１２】ＥＧＲを備えていない内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図１３】吸気弁モデルの基本概念を示す図である。
【図１４】筒内充填ガス量および筒内吸気ガス量の定義に関する図である。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
１１…燃料噴射弁
１３…吸気管
１８…スロットル弁
２２…ＥＧＲ弁
Claims (5)
- 内燃機関の燃焼室から排気通路に排出された排気ガスの少なくとも一部を吸気通路に流入させる排気再循環通路と、該排気再循環通路を通る排気ガスの流量を調整する制御弁と、少なくとも前記機関の排気圧と、吸気管内圧力と、前記制御弁の開度とに基づいて制御弁通過ガス流量を算出する制御弁通過ガス流量算出手段とを具備する制御弁通過ガス流量算出装置において、
前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記排気圧と吸気管内圧力と制御弁開度に加えて更に機関排気温度に基づいて所定時間毎に前記制御弁通過ガス流量を算出し、機関回転数と前記制御弁通過ガス流量算出手段によって前回算出された制御弁通過ガス流量とから今回の制御弁通過ガス流量算出に使用する機関排気温度を算出する制御弁通過ガス流量算出装置。 - 前記制御弁通過ガス流量算出手段は、μｅを制御弁における流量係数、Ａｅを制御弁の開口断面積、Ｐｅを前記排気圧、Ｔｅを前記排気温度、Ｐｍを前記吸気管内圧力、Ｒを定数、Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）をＰｍ／Ｐｅの値に応じて定まる係数とすると、下記数１に基づいて制御弁通過ガス流量ｍｅｇｒを算出する請求項１に記載の制御弁通過ガス流量算出装置。
- 前記制御弁通過ガス流量算出手段は、充填効率と機関回転数とに基づいて算出した排気圧を使用して前記制御弁通過ガス流量を算出する請求項１または２に記載の制御弁通過ガス流量算出装置。
- 前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記充填効率と機関回転数とに基づいて大気圧が所定の標準大気圧にあるときの機関排気圧を算出し、該標準大気圧における機関排気圧を実際の大気圧に基づいて補正した排気圧を使用して前記制御弁通過ガス流量を算出する請求項３に記載の制御弁通過ガス流量算出装置。
- 前記制御弁通過ガス流量算出手段は、前記機関回転数と前回算出された制御弁通過ガス流量とに基づいて大気温度が所定の標準大気温度にあるときの機関排気温度を算出し、該標準大気温度における機関排気温度を実際の大気温度に基づいて補正した機関排気温度を使用して前記制御弁通過ガス流量を算出する請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御弁通過ガス流量算出装置。
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