JP4277535B2 - 内燃機関の内部ｅｇｒ量推定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の内部ＥＧＲ量の推定を行うための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関では、シリンダ内に残留した既燃ガス、すなわち内部ＥＧＲが燃焼状態やエミッション等に影響を与えることから、内部ＥＧＲ量を推定し、その推定結果に基づいて吸入空気量、点火時期、燃料噴射量、或いは燃料噴射時期等の調整を行うことがなされている。一方、可変動弁機構を備える内燃機関では、バルブオーバーラップ量等の変化に応じて、排気系からシリンダ内に吹き返す排気ガスの量が増減して内部ＥＧＲ量が変化する。
【０００３】
そこで従来、機関回転速度、バルブオーバーラップ量、排気弁の閉時期、吸気圧等に基づくことで、上記のようなバルブオーバーラップ量の変化の影響を加味した内部ＥＧＲ量の推定を行う内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置が知られている（例えば特許文献１）。詳しくは、この装置では、排気弁の閉時期と機関回転速度とに基づいてバルブオーバーラップが無いときの内部ＥＧＲ量を算出した後、その算出値をバルブオーバーラップ時間や吸気圧等にそれぞれ基づき補正することで内部ＥＧＲ量の推定値を算出している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２１１０５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした従来の装置における内部ＥＧＲ量の推定値算出ロジックは、実際の内燃機関における既燃ガスの物理挙動に則したものとはなっていない。そのため、バルブオーバーラップの状態や排気弁の閉時期などのような種々のパラメータに応じて算出式や算出条件を切り替える必要があるなど、その推定値算出ロジックは複雑となっている。特に吸排気弁のバルブタイミングを個別に制御するような制御の自由度の高い可変動弁機構を有する内燃機関に適用した場合には、推定値算出ロジックが非常に複雑となってしまう。また推定値算出ロジックが複雑となれば、推定に必要なパラメータの数やパラメータに基づく補正の回数が増大し、それらパラメータや補正値等にそれぞれ含まれる誤差の積み重ねにより、内部ＥＧＲ量の推定精度も悪化してしまう。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡易且つ正確に内部ＥＧＲ量を推定することのできる内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下、上述した目的を達成するための手段及びその作用効果を記載する。
請求項１に記載の発明は、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量との和として内部ＥＧＲ量の推定値を算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置であって、前記吹返し既燃ガス量を、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数により算出し、前記有効バルブ開口面積の時間積分値を、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づき算出することをその要旨とする。
また、請求項２に記載の発明は、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量との和として内部ＥＧＲ量の推定値を算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置であって、前記吹返し既燃ガス量を、吸気管圧力、機関負荷、機関回転速度及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数により算出し、前記有効バルブ開口面積の時間積分値を、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づき算出することをその要旨とする。
【０００８】
上記請求項１や請求項２に記載の構成では、内部ＥＧＲ量の推定値が、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガス量である吹返し既燃ガス量との和として求められる。すなわち上記構成では、内部ＥＧＲを、内燃機関の排気行程において排気管に排出されることなくシリンダ内に残留した既燃ガスと、バルブオーバーラップ時の排気管からの排気の吹き返しによりシリンダ内に導入された既燃ガスとの２つの部分に切り分けて求めている。
【０００９】
燃料の燃焼により発生した既燃ガスは、排気弁の開弁とともにシリンダ内から排気管へと排出される。その後、吸気弁が開かれると、すなわちバルブオーバーラップが開始されると、排気管圧力と吸気管圧力との差圧のため、排気管からシリンダ内に既燃ガスが吹き返されるようになる。そのため、上記のような切り分けにより、内燃機関の既燃ガスの挙動を単純且つ的確に捉えることができるようになり、実際の既燃ガスの挙動に則した簡易且つ正確な内部ＥＧＲ量の推定ロジックの構築が可能となる。したがって上記構成によれば、より簡易且つ正確に内部ＥＧＲ量を推定することができる。
また、上記のようにバルブオーバーラップ中は、排気管圧力と吸気管圧力との差圧により、排気管から吸気管に向けて既燃ガスが流れ、シリンダ内に排気管の既燃ガスが吹き返されるようになる。こうした吹き返される既燃ガスの流れの経路を見ると、吸気弁の開口、或いは排気弁の開口が、流路面積の局所的に狭められた絞りとなっている。そのため、吸排気弁のバルブオーバーラップ中の特定時期における排気管からシリンダ内に吹き返す既燃ガスの流量は、吸排気弁の開口を絞りと見立てた絞りの流量算出式で表すことができる。そしてバルブオーバーラップ中の各時期の流量が求まれば、上記吹返し既燃ガス量を算出することができる。
ここで、上記のような吸排気弁の開口を絞りと見立てた絞りの流量算出式は、排気管圧力と吸気管圧力との差圧、排気温度、及び絞りとなる吸排気バルブの有効開口面積、すなわち有効バルブ開口面積の関数となる。従って、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積に基づく絞りの流量算出式にて、バルブオーバーラップ中の特定時期に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの流量を求めることができる。よって、その特定時期の流量を、バルブオーバーラップの開始から終了までの時間で積分すれば、吹返し既燃ガス量を求めることができる。
一方、バルブオーバーラップ中の排気管圧力や排気温度、及び吸気管圧力は、ほぼ一定と見なすことができる。その場合、上記流量の時間積分値は、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数となる。そのため、上記請求項１に記載の構成のように、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数を用いることで、吹返し既燃ガス量をより容易に求めることができる。
また、排気管圧力、排気温度は、機関負荷や機関回転速度のような機関運転状態に基づき推定することができる。したがって、上記請求項２に記載の構成のように、吸気管圧力、機関負荷、機関回転速度及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数を用いることでも、吹返し既燃ガス量を正確に求めることができる。この場合にも、機関負荷の指標値として吸気管圧力を用いれば、吸気管圧力、機関回転速度、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数より吹返し既燃ガス量を求めることができるようになり、その算出を更に簡易に行うことができる。
そして、吸気弁及び排気弁の流量係数が共に一定であると見なせれば、上記有効バルブ開口面積の時間積分値は、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に比例した値となる。そのため、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づいて有効バルブ開口面積の時間積分値を算出することができる。
【００１０】
また請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、前記残留既燃ガス量は、排気管圧力、排気温度、及び前記吸気弁開直前のシリンダ容積に基づく気体状態方程式により算出されることをその要旨とする。
【００１１】
内燃機関の排気行程中に排気管に排出されることなくシリンダ内に残留した既燃ガスの圧力及び温度は、排気管圧力及び排気温度でそれぞれ表される。更にそうした既燃ガスの体積は、吸気弁開直前のシリンダ容積で表わされる。したがって、それら排気管圧力、排気温度、及び吸気弁開直前のシリンダ容積に基づく気体状態方程式を用いれば、残留既燃ガス量を正確に求めることができる。
【００１２】
また請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置において、前記残留既燃ガス量は、機関回転速度、機関負荷、及び前記吸気弁開直前のシリンダ容積の関数として算出されることをその要旨とする。
【００１３】
上記のように、排気管圧力、排気温度、及び吸気弁開直前のシリンダ容積に基づく気体状態方程式を用いることで、残留既燃ガス量を正確に求めることができる。ここで排気管圧力及び排気温度は、機関負荷や機関回転速度のような機関運転状態に基づいて推定することができる。そのため、機関回転速度、機関負荷、及び吸気弁開直前のシリンダ容積の関数として残留既燃ガス量を表すことができる。そしてその関数を用いることで残留既燃ガス量をより容易に求めることができる。
【００１４】
また請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置において、前記吸気弁開直前のシリンダ容積は、該吸気弁の開時期の関数として算出されることをその要旨とする。
【００１５】
吸気弁開直前のシリンダ容積は、吸気弁の開時期からその値を容易に求めることができる。そのため、排気管圧力及び排気温度、或いは機関回転速度及び機関負荷と、吸気弁の開時期との関数を用いることで、残留既燃ガス量を容易且つ正確に求めることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
［発明の原理］
まず、本発明の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置における内部ＥＧＲ量推定の原理について説明する。
【００３３】
燃料の燃焼によりシリンダ内で発生した既燃ガスは、排気弁の開弁に応じて排気管へと排出される（図１−Ａ参照）。その後、吸気弁が開かれてバルブオーバーラップが開始されると、排気管圧力Ｐｅと吸気管圧力Ｐｍとの差圧により、排気管からシリンダ内に既燃ガスが吹き返されるようになる（図１−Ｃ参照）。このとき一部の既燃ガスはシリンダ内を吹き抜けて吸気管内に流入するが、そうした既燃ガスはその後の吸気行程において、新気と共にシリンダ内に再導入される。ここでは、こうした吸気弁開後のバルブオーバーラップ期間に、排気管からの吹き返しによりシリンダ内に導入される既燃ガスを「吹返し既燃ガス」といい、その量を「吹返し既燃ガス量Ｍegr2」という。
【００３４】
一方、吸気弁開直前には、ある程度の量の既燃ガスが、排気管に排出されることなくシリンダ内に残留している（図１−Ｂ参照）。そうした既燃ガスの一部は、そのままシリンダ内に留まり続け、残りの部分は、バルブオーバーラップ中の排気の吹返しにより吸気管内に一旦流出した後、吸気行程中にシリンダ内に再導入される。よって、吸気弁開直前までシリンダ内に残留した既燃ガスは、いずれにせよ、そのすべてが燃焼時にシリンダ内に存在することとなる。ここでは、そうした吸気弁の開直前のシリンダ内に残留した既燃ガスを「残留既燃ガス」といい、その量を「残留既燃ガス量Ｍegr1」という。
【００３５】
したがって燃焼時にシリンダ内に存在する内部ＥＧＲ量の推定値（内部ＥＧＲ量ＭegrALL）は、下式（１）に示すように、残留既燃ガス量Ｍegr1と吹返し既燃ガス量Ｍegr2との和として求めることができる。
【００３６】
【数１】
１．残留既燃ガス量Ｍegr1の算出
残留既燃ガス量Ｍegr1は、下式（２）に示されるような吸気弁開直前のシリンダ内の状態に基づく気体状態方程式で表すことができる。ここでＰｍ：吸気管圧力、Ｐｅ：排気管圧力、Ｒｅ：既燃ガスの気体定数、Ｔｅ：排気温度、Ｖ：吸気弁開直前のシリンダ容積をそれぞれ示している。
【００３７】
【数２】
更に吸気弁開直前のシリンダ容積Ｖは、吸気弁開時期Ｔopen（ＢＴＤＣ）、シリンダボア径ｒｂ、ピストンのストロークＳ、ピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積、すなわちクリアランス容積Ｖｃに基づき、下式（３）にて求められる。
【００３８】
【数３】
上式（３）においてシリンダボア径ｒｂ、ストロークＳ、及びクリアランス容積Ｖｃは、設計諸元等により決まる定数である。そのため、吸排気弁のバルブタイミングを可変とする可変動弁機構を備える内燃機関の場合、シリンダ容積Ｖは、吸気弁開時期Ｔopenの関数ｆ２（Ｔopen）として求めることができる（Ｖ＝ｆ２（Ｔopen））。
【００３９】
２．吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出
バルブオーバーラップ期間には、排気管圧力Ｐｅと吸気管圧力Ｐｍとの差圧により、排気管から吸気管に向けて既燃ガスが流れ、シリンダ内に排気管の既燃ガスが吹き返されるようになる。このときの既燃ガスの流通経路では、吸排気弁の開口が、流路面積の局所的に狭められた絞りとなっている。したがって、このときの既燃ガスの流れの様相は、図２のようなモデルで表すことができ、その流量Ｑは、絞りの流量算出式を用いて求めることができる。
【００４０】
ここでは、そうした絞りの流量算出式として、下式（４）を用いている。ここで、κ：既燃ガスの比熱比、μ：流量係数、Ａ：バルブ開口面積をそれぞれ示している。
【００４１】
【数４】
上式（４）のΦ（Ｐｍ／Ｐｅ）は、１／（κ＋１）＜Ｐｍ／Ｐｅのとき、下式（５）で表される。
【００４２】
【数５】
一方、１／（κ＋１）≧Ｐｍ／Ｐｅのときには、上式（４）のΦ（Ｐｍ／Ｐｅ）は下式（６）で表される。
【００４３】
【数６】
よって、排気の吹返しによりシリンダ内に導入される既燃ガスの量、すなわち吹返し既燃ガス量Ｍegr2は、そうした絞りの既燃ガス流量のバルブオーバーラップ期間における時間積分値として求めることができる。更に吸気管圧力Ｐｍ、排気管圧力Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、及び既燃ガスの比熱比κは、急激に変化することはないため、バルブオーバーラップ中のそれらの値は一定と見なすことができる。そのため、吹返し既燃ガス量Ｍegr2は、有効バルブ開口面積μＡ（＝流量係数μ×バルブ開口面積Ａ）の時間積分値Σ（μＡ）に比例する値として求めることができる。よって吹返し既燃ガス量Ｍegr2は、次式（７）で表すことができる。
【００４４】
【数７】
２−１．有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）の算出
バルブオーバーラップ期間の排気の吹返しに際して、図３のＡ．に示すように、吸気弁の有効バルブ開口面積μi Ａi が排気弁の有効バルブ開口面積μe Ａeよりも小さいときには、吸気弁が絞りとして機能する。また図３のＢ．に示すように、排気弁の有効バルブ開口面積μe Ａe が吸気弁の有効バルブ開口面積μi Ａi よりも小さいときには、排気弁が絞りとして機能する。すなわち、排気弁及び吸気弁のうち、有効バルブ開口面積μＡの小さい方が絞りとして機能することとなる。したがって、有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）は、下式（８）で表される。
【００４５】
【数８】
ここで吸気弁、排気弁の流量係数μが共に同一と見なすことができるのであれば（μi ＝μe ＝μ）、同式（８）は更に下式（９）のように表すことができる。なお下式（９）の右辺括弧内は、図４にハッチングで示されるバルブ開口面積曲線の部分の面積、すなわちバルブオーバーラップ時間面積ＡＯＬを示している。
【００４６】
【数９】
ここで吸気弁や排気弁の開閉時期、すなわちバルブタイミングを可変とする可変動弁機構を備える内燃機関の場合、上記バルブオーバーラップ時間面積は、吸排気弁のバルブタイミングの設定状況に応じて変化する。ただし、瞬時毎の有効バルブ開口面積μＡは、カムプロフィール等の設計諸元により決まるため、上記時間積分値Σ（μＡ）を、吸排気弁のバルブオーバーラップ量ＯＬと機関回転速度ＮＥの関数として求めることができる。すなわち有効バルブ開口面積μＡをクランク角について積分すれば、バルブオーバーラップ量ＯＬのみによる関数ｆ１（ＯＬ）が得られるようになる。そして、そのクランク角積分値を機関回転速度ＮＥで除算すれば、バルブオーバーラップ時間面積を、すなわち有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を求めることができる。したがって上式（９）は、下式（１０）により表すことができる。更にこの式（１０）を上式（７）に代入すれば、下式（１１）が得られる。
【００４７】
【数１０】
【００４８】
【数１１】
３．内部ＥＧＲ量ＭegrALLの算出
燃焼時にシリンダ内に存在する内部ＥＧＲ量ＭegrALLは、上式（２）により表される残留既燃ガス量Ｍegr1と上式（１１）により表される吹返し既燃ガス量Ｍegr2との和として、下式（１２）により求められるようになる。
【００４９】
【数１２】
なお排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅは、機関運転状態より推定可能であり、機関回転速度ＮＥと機関負荷との関数として求めることができる。したがって、排気管圧力Ｐｅ、及び排気温度Ｔｅを常に計測、乃至は推定しないのであれば、例えば機関負荷率ＫＬ（全負荷（ＷＯＴ）に対する現在の負荷の割合）、吸入空気量ＧＡ、吸気管圧力Ｐｍ等のような機関負荷を表すパラメータと機関回転速度ＮＥとの関数としてそれらを求めるようにすれば良い。
【００５０】
例えば機関負荷の指標値として吸気管圧力Ｐｍを用いた場合、上式（１１）は下式（１３）に示すように、バルブオーバーラップ量ＯＬ、機関回転速度ＮＥ、及び吸気管圧力Ｐｍの関数として表すことができる。図５は、そうした関数ｆ３（ＮＥ，Ｐｍ）の設定態様の一例を示している。
【００５１】
【数１３】
また同様に上式（２）の｛Ｐｅ／（Ｒｅ・Ｔｅ）｝を機関回転速度ＮＥ、及び吸気管圧力Ｐｍの関数ｆ４（ＮＥ，Ｐｍ）として与えると、残留既燃ガス量Ｍegr1は次式（１４）で表すことができる。
【００５２】
【数１４】
このような場合、内部ＥＧＲ量ＭegrALLは、次式（１５）に示すように、機関回転速度ＮＥ、吸気管圧力Ｐｍ、バルブオーバーラップ量ＯＬ、吸気弁開時期Ｔopenの関数により求めることができる。
【００５３】
【数１５】
［発明の実施例］
続いて、以上説明した原理に基づき内部ＥＧＲ量の推定を行う本発明の実施例を、図６〜図８を参照して説明する。
【００５４】
本実施例に係る内部ＥＧＲ量推定装置は、図６に示すように、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングをそれぞれ可変とする２つの可変動弁機構１１ｍ，１１ｅを備える内燃機関１０に適用されている。そして、その内燃機関１０の各種制御を司る電子制御装置２０を中心として構成されている。
【００５５】
内燃機関１０には、機関運転状況を検出する各種センサ類が配設されている。例えば内燃機関１０の出力軸であるクランクシャフトの近傍には、クランク角センサ２１が設けられている。また吸気側及び排気側のカムシャフトの近傍には、カム角センサ２２ｍ，２２ｅがそれぞれ設けられている。更に内燃機関１０の吸気管には、吸気圧センサ２３、及び流量センサであるエアフローメータ２４がそれぞれ配設されている。
【００５６】
電子制御装置２０は、そうしたセンサ類の検出信号に基づき機関運転状況を把握している。例えばクランク角センサ２１の検出信号からは、クランクシャフトの回転位相、すなわちクランク角が求められ、更に機関回転速度ＮＥが算出される。また各カム角センサ２２ｍ，２２ｅの検出信号からは、吸気側及び排気側のカムシャフトの回転位相、すなわちカム角がそれぞれ求められる。更に吸気圧センサ２３の検出信号からは吸気管圧力Ｐｍが、エアフローメータ２４の検出信号からは吸入空気量ＧＡがそれぞれ求められている。
【００５７】
そして電子制御装置２０は、上記のようなセンサ類の検出結果から把握される機関運転状況に基づいて内燃機関１０の各種制御を実施する。例えば電子制御装置２０は、機関運転状況に応じて内燃機関１０のインジェクタ１２や点火プラグ１４、スロットルバルブ１３に指令信号を出力して、燃料噴射制御や点火時期制御、吸入空気量制御を行っている。
【００５８】
また電子制御装置２０は、以下の態様で吸排気弁のバルブタイミング制御を行っている。すなわち電子制御装置２０は、機関運転状況に応じた指令信号を上記可変動弁機構１１ｍ，１１ｅに出力する。可変動弁機構１１ｍ，１１ｅは、電子制御装置２０からの指令信号に応じてクランクシャフトに対する吸気側又は排気側のカムシャフトの相対回転位相を変更する。これにより、吸気弁及び排気弁の開閉時期が、すなわちバルブタイミングが、図７に例示されるような態様で機関運転状況に応じて変更される。
【００５９】
さてこうした内燃機関１０では、可変動弁機構１１ｍ，１１ｅによる吸排気弁のバルブタイミングの変更に応じて、燃焼時に燃焼室内に存在する内部ＥＧＲ量が大きく変化する。例えば内部ＥＧＲ量は、吸排気弁のバルブオーバーラップが大きくなるほど増加する傾向にあり、たとえバルブオーバーラップ量が同じであっても、その開始時期、すなわち吸気弁の開時期が異なれば、内部ＥＧＲ量は変化する。また機関回転速度ＮＥや機関負荷などの機関運転状況によっても、内部ＥＧＲ量は変化する。
【００６０】
こうした内部ＥＧＲ量の変化は、内燃機関１０の燃焼状態に影響を与える。そこで、この内燃機関１０では、点火時期等を内部ＥＧＲ量の変化に応じて補正して内燃機関１０の燃焼状態を好適に維持させるようにしている。
【００６１】
そうした点火時期等の補正を行うには、内部ＥＧＲ量を正確に把握しておく必要がある。そこで電子制御装置２０は、そうした点火時期等の補正量の算出に際して、以下の態様で内部ＥＧＲ量の推定を行っている。
【００６２】
図８は、そうした内部ＥＧＲ量の推定処理における内部ＥＧＲ量ＭegrALLの算出ロジックのブロック図である。ここでは、先に導き出した式（１５）に基づいて内部ＥＧＲ量ＭegrALLの推定値が算出されている。
【００６３】
すなわち、この推定処理においては、まずクランク角センサ２１により検出された機関回転速度ＮＥ、及び吸気圧センサ２３により検出された吸気管圧力Ｐｍが電子制御装置２０に読み込まれる。またカム角センサ２２ｍ、２２ｅの検出結果に基づき、吸排気弁のバルブオーバーラップ量ＯＬ、及び吸気弁開時期Ｔopenが算出される。
【００６４】
またバルブオーバーラップ量ＯＬの関数ｆ１（ＯＬ）、及び機関回転速度ＮＥより、上式（１０）に基づいて有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）が求められる。更にその時間積分値Σ（μＡ）と、機関回転速度ＮＥ及び吸気管圧力Ｐｍの関数ｆ３（ＮＥ，Ｐｍ）とにより、上式（１３）に基づいて吹返し既燃ガス量Ｍegr2が算出される。
【００６５】
これとともに上式（３）に示される関数ｆ２（Ｔopen）に基づいて、上記算出された吸気弁開時期Ｔopenから吸気弁開時のシリンダ容積Ｖが求められる。更に機関回転速度ＮＥ及び吸気管圧力Ｐｍの関数ｆ４（ＮＥ，Ｐｍ）とその算出されたシリンダ容積Ｖとにより、上式（１４）に基づいて残留既燃ガス量Ｍegr1が算出される。
【００６６】
本実施例では、以上のように算出された残留既燃ガス量Ｍegr1及び吹返し既燃ガス量Ｍegr2の和として内部ＥＧＲ量ＭegrALLが算出される。そして、その算出された内部ＥＧＲ量ＭegrALLに基づき、点火時期等の補正量の算出が行われることとなる。
【００６７】
以上説明した本実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）上記実施例では内部ＥＧＲ量ＭegrALLが、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量Ｍegr1と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量Ｍegr2との和として求められている。そのため、内燃機関１０における実際の既燃ガスの挙動に則して、簡易且つ正確に内部ＥＧＲ量ＭegrALLの推定を行うことができる。
【００６８】
（２）上記実施例では、吸気管圧力Ｐｍ、機関回転速度ＮＥ、及び吸気弁開時期Ｔopenに基づく上式（１４）に示される関数より残留既燃ガス量Ｍegr1が算出されている。そのため、残留既燃ガス量Ｍegr1を正確且つ容易に求めることができる。
【００６９】
（３）上記実施例では、吸気管圧力Ｐｍ、機関回転速度ＮＥ、及びバルブオーバーラップ量ＯＬに基づく上式（１３）に示される関数より吹返し既燃ガス量Ｍegr2が算出されている。そのため、吹返し既燃ガス量Ｍegr2を正確且つ容易に求めることができる。
【００７０】
以上説明した実施例は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施例では、機関回転速度ＮＥ及び吸気管圧力Ｐｍより排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅを推定して、残留既燃ガス量Ｍegr1や吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出が行われている。こうした排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅの推定は、機関負荷と機関回転速度ＮＥとに基づいて行うことができる。したがって、例えば内燃機関１０の負荷率、吸入空気量、燃料噴射量、スロットル開度、アクセル操作量等の機関負荷の指標値となる制御パラメータのいずれかと、機関回転速度ＮＥとに基づいて排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅを推定することもできる。
【００７１】
・上記実施例での残留既燃ガス量Ｍegr1や吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出を、排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅを直接計測、或いは推定して行うようにしても良い。例えば例えば残留既燃ガス量Ｍegr1は、排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅに基づいて上式（２）を用いて算出することができる。また吹返し既燃ガス量Ｍegr2は、同様に上式（１１）等を用いて算出することができる。
【００７２】
・上記実施例では、吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出に際し、バルブオーバーラップ量ＯＬ及び機関回転速度ＮＥから上式（１０）に基づいて有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を求めて行うようにしている。すなわち、バルブオーバーラップ量ＯＬ及び機関回転速度ＮＥからバルブオーバーラップ時間面積ＡＯＬを算出し、その算出されたバルブオーバーラップ時間面積を有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）として求めている。バルブオーバーラップ時間面積ＡＯＬを求められるのであれば、他の態様で同時間面積を求めて上記時間積分値Σ（μＡ）の算出を行うようにしても良い。
【００７３】
・上記実施例では、吸排気弁の開口を絞りと見立てた絞りの流量算出式として上式（４）に示す算出式を用いて吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出を行うようにしている。なお絞りの流量算出式としては、上式（４）以外にも様々な式が導き出されている。そうした他の算出式を用いて吹返し既燃ガス量Ｍegr2を算出するようにしても良い。要は、吸排気弁の開口を絞りと見なしてバルブオーバーラップ中に排気管からシリンダ内に吹き返す既燃ガスの流量が求まれば、吹返し既燃ガス量Ｍegr2を算出することは可能である。
【００７４】
例えば下式（１６）は、そうした絞りの流量算出式の一例である。この式（１６）の流量算出式は、排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスが非圧縮性流体と見なせる場合に用いることができる。同式（１６）において、Ｑ：排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの流量、μ：流量係数、Ａ：有効バルブ開口面積、Ｐｅ：排気管圧力、Ｐｍ：吸気管圧力、ρ：排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの密度、をそれぞれ示している。
【００７５】
【数１６】
なお、既燃ガスの密度ρは、排気温度Ｔｅの関数として表すことができる。よって、上式（１６）を用いた場合であれ、バルブオーバーラップ中の排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの流量Ｑは、排気管圧力Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、吸気管圧力Ｐｍ及び有効バルブ開口面積μＡの関数として求めることができる。したがって、この場合にも、排気管圧力Ｐｅ、排気温度Ｔｅ、吸気管圧力Ｐｍ、及び有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）に基づく関数に基づいて吹返し既燃ガス量Ｍegr2を算出することができる。またここでの排気管圧力Ｐｅ、排気温度Ｔｅを機関回転速度ＮＥ及び機関負荷から推定して、吸気管圧力Ｐｍ、機関負荷、機関回転速度ＮＥ及び有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）に基づく関数から吹返し既燃ガス量Ｍegr2を求めることもできる。勿論、この場合にも、有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を、バルブオーバーラップ時間面積の関数、或いは上式（１０）に示すバルブオーバーラップ量ＯＬ及び機関回転速度ＮＥの関数より求めるようにすることもできる。
【００７６】
・上記実施例では、吸排気弁のバルブタイミングをそれぞれ可変とする２つの可変動弁機構１１ｍ，１１ｅを備える内燃機関１０への本発明の適用例を示したが、吸排気弁のいずれか一方のみに可変動弁機構を備える内燃機関にも本発明は適用することができる。またバルブリフト量を可変とするなどの他のタイプの可変動弁機構を備える内燃機関にも、或いは可変動弁機構を備えていない内燃機関にも本発明を適用することはできる。すなわち、本発明は、内燃機関の構成の差違に拘わらず、同様或いはそれに準じた態様で適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関における既燃ガスの挙動を示す模式図。
【図２】排気管からの既燃ガスの吹返しについてのモデル図。
【図３】排気管から吹き返す既燃ガスの挙動を示す模式図。
【図４】吸排気弁のバルブ開口面積の推移を示すグラフ。
【図５】関数ｆ３（ＮＥ，Ｐｍ）の設定例を示すグラフ。
【図６】本発明の一実施例の全体構造を示す模式図。
【図７】バルブタイミングの制御態様例を示すグラフ。
【図８】上記実施例での内部ＥＧＲ量の算出ロジックを示すブロック図。
【符号の説明】
１０…内燃機関、１１ｍ，１１ｅ…可変動弁機構、１２…インジェクタ、１３…スロットルバルブ、１４…点火プラグ、２０…電子制御装置、２１…クランク角センサ、２２ｍ，２２ｅ…カム角センサ、２３…吸気圧センサ、２４…エアフローメータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の内部ＥＧＲ量の推定を行うための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関では、シリンダ内に残留した既燃ガス、すなわち内部ＥＧＲが燃焼状態やエミッション等に影響を与えることから、内部ＥＧＲ量を推定し、その推定結果に基づいて吸入空気量、点火時期、燃料噴射量、或いは燃料噴射時期等の調整を行うことがなされている。一方、可変動弁機構を備える内燃機関では、バルブオーバーラップ量等の変化に応じて、排気系からシリンダ内に吹き返す排気ガスの量が増減して内部ＥＧＲ量が変化する。
【０００３】
そこで従来、機関回転速度、バルブオーバーラップ量、排気弁の閉時期、吸気圧等に基づくことで、上記のようなバルブオーバーラップ量の変化の影響を加味した内部ＥＧＲ量の推定を行う内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置が知られている（例えば特許文献１）。詳しくは、この装置では、排気弁の閉時期と機関回転速度とに基づいてバルブオーバーラップが無いときの内部ＥＧＲ量を算出した後、その算出値をバルブオーバーラップ時間や吸気圧等にそれぞれ基づき補正することで内部ＥＧＲ量の推定値を算出している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２１１０５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
こうした従来の装置における内部ＥＧＲ量の推定値算出ロジックは、実際の内燃機関における既燃ガスの物理挙動に則したものとはなっていない。そのため、バルブオーバーラップの状態や排気弁の閉時期などのような種々のパラメータに応じて算出式や算出条件を切り替える必要があるなど、その推定値算出ロジックは複雑となっている。特に吸排気弁のバルブタイミングを個別に制御するような制御の自由度の高い可変動弁機構を有する内燃機関に適用した場合には、推定値算出ロジックが非常に複雑となってしまう。また推定値算出ロジックが複雑となれば、推定に必要なパラメータの数やパラメータに基づく補正の回数が増大し、それらパラメータや補正値等にそれぞれ含まれる誤差の積み重ねにより、内部ＥＧＲ量の推定精度も悪化してしまう。
【０００６】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より簡易且つ正確に内部ＥＧＲ量を推定することのできる内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以下、上述した目的を達成するための手段及びその作用効果を記載する。
請求項１に記載の発明は、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量との和として内部ＥＧＲ量の推定値を算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置であって、前記吹返し既燃ガス量を、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数により算出し、前記有効バルブ開口面積の時間積分値を、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づき算出することをその要旨とする。
また、請求項２に記載の発明は、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量との和として内部ＥＧＲ量の推定値を算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置であって、前記吹返し既燃ガス量を、吸気管圧力、機関負荷、機関回転速度及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数により算出し、前記有効バルブ開口面積の時間積分値を、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づき算出することをその要旨とする。
【０００８】
上記請求項１や請求項２に記載の構成では、内部ＥＧＲ量の推定値が、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガス量である吹返し既燃ガス量との和として求められる。すなわち上記構成では、内部ＥＧＲを、内燃機関の排気行程において排気管に排出されることなくシリンダ内に残留した既燃ガスと、バルブオーバーラップ時の排気管からの排気の吹き返しによりシリンダ内に導入された既燃ガスとの２つの部分に切り分けて求めている。
【０００９】
燃料の燃焼により発生した既燃ガスは、排気弁の開弁とともにシリンダ内から排気管へと排出される。その後、吸気弁が開かれると、すなわちバルブオーバーラップが開始されると、排気管圧力と吸気管圧力との差圧のため、排気管からシリンダ内に既燃ガスが吹き返されるようになる。そのため、上記のような切り分けにより、内燃機関の既燃ガスの挙動を単純且つ的確に捉えることができるようになり、実際の既燃ガスの挙動に則した簡易且つ正確な内部ＥＧＲ量の推定ロジックの構築が可能となる。したがって上記構成によれば、より簡易且つ正確に内部ＥＧＲ量を推定することができる。
また、上記のようにバルブオーバーラップ中は、排気管圧力と吸気管圧力との差圧により、排気管から吸気管に向けて既燃ガスが流れ、シリンダ内に排気管の既燃ガスが吹き返されるようになる。こうした吹き返される既燃ガスの流れの経路を見ると、吸気弁の開口、或いは排気弁の開口が、流路面積の局所的に狭められた絞りとなっている。そのため、吸排気弁のバルブオーバーラップ中の特定時期における排気管からシリンダ内に吹き返す既燃ガスの流量は、吸排気弁の開口を絞りと見立てた絞りの流量算出式で表すことができる。そしてバルブオーバーラップ中の各時期の流量が求まれば、上記吹返し既燃ガス量を算出することができる。
ここで、上記のような吸排気弁の開口を絞りと見立てた絞りの流量算出式は、排気管圧力と吸気管圧力との差圧、排気温度、及び絞りとなる吸排気バルブの有効開口面積、すなわち有効バルブ開口面積の関数となる。従って、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積に基づく絞りの流量算出式にて、バルブオーバーラップ中の特定時期に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの流量を求めることができる。よって、その特定時期の流量を、バルブオーバーラップの開始から終了までの時間で積分すれば、吹返し既燃ガス量を求めることができる。
一方、バルブオーバーラップ中の排気管圧力や排気温度、及び吸気管圧力は、ほぼ一定と見なすことができる。その場合、上記流量の時間積分値は、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数となる。そのため、上記請求項１に記載の構成のように、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数を用いることで、吹返し既燃ガス量をより容易に求めることができる。
また、排気管圧力、排気温度は、機関負荷や機関回転速度のような機関運転状態に基づき推定することができる。したがって、上記請求項２に記載の構成のように、吸気管圧力、機関負荷、機関回転速度及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数を用いることでも、吹返し既燃ガス量を正確に求めることができる。この場合にも、機関負荷の指標値として吸気管圧力を用いれば、吸気管圧力、機関回転速度、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数より吹返し既燃ガス量を求めることができるようになり、その算出を更に簡易に行うことができる。
そして、吸気弁及び排気弁の流量係数が共に一定であると見なせれば、上記有効バルブ開口面積の時間積分値は、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に比例した値となる。そのため、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づいて有効バルブ開口面積の時間積分値を算出することができる。
【００１０】
また請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置において、前記残留既燃ガス量は、排気管圧力、排気温度、及び前記吸気弁開直前のシリンダ容積に基づく気体状態方程式により算出されることをその要旨とする。
【００１１】
内燃機関の排気行程中に排気管に排出されることなくシリンダ内に残留した既燃ガスの圧力及び温度は、排気管圧力及び排気温度でそれぞれ表される。更にそうした既燃ガスの体積は、吸気弁開直前のシリンダ容積で表わされる。したがって、それら排気管圧力、排気温度、及び吸気弁開直前のシリンダ容積に基づく気体状態方程式を用いれば、残留既燃ガス量を正確に求めることができる。
【００１２】
また請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置において、前記残留既燃ガス量は、機関回転速度、機関負荷、及び前記吸気弁開直前のシリンダ容積の関数として算出されることをその要旨とする。
【００１３】
上記のように、排気管圧力、排気温度、及び吸気弁開直前のシリンダ容積に基づく気体状態方程式を用いることで、残留既燃ガス量を正確に求めることができる。ここで排気管圧力及び排気温度は、機関負荷や機関回転速度のような機関運転状態に基づいて推定することができる。そのため、機関回転速度、機関負荷、及び吸気弁開直前のシリンダ容積の関数として残留既燃ガス量を表すことができる。そしてその関数を用いることで残留既燃ガス量をより容易に求めることができる。
【００１４】
また請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置において、前記吸気弁開直前のシリンダ容積は、該吸気弁の開時期の関数として算出されることをその要旨とする。
【００１５】
吸気弁開直前のシリンダ容積は、吸気弁の開時期からその値を容易に求めることができる。そのため、排気管圧力及び排気温度、或いは機関回転速度及び機関負荷と、吸気弁の開時期との関数を用いることで、残留既燃ガス量を容易且つ正確に求めることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
［発明の原理］
まず、本発明の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置における内部ＥＧＲ量推定の原理について説明する。
【００３３】
燃料の燃焼によりシリンダ内で発生した既燃ガスは、排気弁の開弁に応じて排気管へと排出される（図１−Ａ参照）。その後、吸気弁が開かれてバルブオーバーラップが開始されると、排気管圧力Ｐｅと吸気管圧力Ｐｍとの差圧により、排気管からシリンダ内に既燃ガスが吹き返されるようになる（図１−Ｃ参照）。このとき一部の既燃ガスはシリンダ内を吹き抜けて吸気管内に流入するが、そうした既燃ガスはその後の吸気行程において、新気と共にシリンダ内に再導入される。ここでは、こうした吸気弁開後のバルブオーバーラップ期間に、排気管からの吹き返しによりシリンダ内に導入される既燃ガスを「吹返し既燃ガス」といい、その量を「吹返し既燃ガス量Ｍegr2」という。
【００３４】
一方、吸気弁開直前には、ある程度の量の既燃ガスが、排気管に排出されることなくシリンダ内に残留している（図１−Ｂ参照）。そうした既燃ガスの一部は、そのままシリンダ内に留まり続け、残りの部分は、バルブオーバーラップ中の排気の吹返しにより吸気管内に一旦流出した後、吸気行程中にシリンダ内に再導入される。よって、吸気弁開直前までシリンダ内に残留した既燃ガスは、いずれにせよ、そのすべてが燃焼時にシリンダ内に存在することとなる。ここでは、そうした吸気弁の開直前のシリンダ内に残留した既燃ガスを「残留既燃ガス」といい、その量を「残留既燃ガス量Ｍegr1」という。
【００３５】
したがって燃焼時にシリンダ内に存在する内部ＥＧＲ量の推定値（内部ＥＧＲ量ＭegrALL）は、下式（１）に示すように、残留既燃ガス量Ｍegr1と吹返し既燃ガス量Ｍegr2との和として求めることができる。
【００３６】
【数１】
残留既燃ガス量Ｍegr1は、下式（２）に示されるような吸気弁開直前のシリンダ内の状態に基づく気体状態方程式で表すことができる。ここでＰｍ：吸気管圧力、Ｐｅ：排気管圧力、Ｒｅ：既燃ガスの気体定数、Ｔｅ：排気温度、Ｖ：吸気弁開直前のシリンダ容積をそれぞれ示している。
【００３７】
【数２】
【００３８】
【数３】
【００３９】
２．吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出
バルブオーバーラップ期間には、排気管圧力Ｐｅと吸気管圧力Ｐｍとの差圧により、排気管から吸気管に向けて既燃ガスが流れ、シリンダ内に排気管の既燃ガスが吹き返されるようになる。このときの既燃ガスの流通経路では、吸排気弁の開口が、流路面積の局所的に狭められた絞りとなっている。したがって、このときの既燃ガスの流れの様相は、図２のようなモデルで表すことができ、その流量Ｑは、絞りの流量算出式を用いて求めることができる。
【００４０】
ここでは、そうした絞りの流量算出式として、下式（４）を用いている。ここで、κ：既燃ガスの比熱比、μ：流量係数、Ａ：バルブ開口面積をそれぞれ示している。
【００４１】
【数４】
【００４２】
【数５】
【００４３】
【数６】
【００４４】
【数７】
バルブオーバーラップ期間の排気の吹返しに際して、図３のＡ．に示すように、吸気弁の有効バルブ開口面積μi Ａi が排気弁の有効バルブ開口面積μe Ａeよりも小さいときには、吸気弁が絞りとして機能する。また図３のＢ．に示すように、排気弁の有効バルブ開口面積μe Ａe が吸気弁の有効バルブ開口面積μi Ａi よりも小さいときには、排気弁が絞りとして機能する。すなわち、排気弁及び吸気弁のうち、有効バルブ開口面積μＡの小さい方が絞りとして機能することとなる。したがって、有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）は、下式（８）で表される。
【００４５】
【数８】
【００４６】
【数９】
【００４７】
【数１０】
【数１１】
燃焼時にシリンダ内に存在する内部ＥＧＲ量ＭegrALLは、上式（２）により表される残留既燃ガス量Ｍegr1と上式（１１）により表される吹返し既燃ガス量Ｍegr2との和として、下式（１２）により求められるようになる。
【００４９】
【数１２】
【００５０】
例えば機関負荷の指標値として吸気管圧力Ｐｍを用いた場合、上式（１１）は下式（１３）に示すように、バルブオーバーラップ量ＯＬ、機関回転速度ＮＥ、及び吸気管圧力Ｐｍの関数として表すことができる。図５は、そうした関数ｆ３（ＮＥ，Ｐｍ）の設定態様の一例を示している。
【００５１】
【数１３】
【００５２】
【数１４】
【００５３】
【数１５】
続いて、以上説明した原理に基づき内部ＥＧＲ量の推定を行う本発明の実施例を、図６〜図８を参照して説明する。
【００５４】
本実施例に係る内部ＥＧＲ量推定装置は、図６に示すように、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングをそれぞれ可変とする２つの可変動弁機構１１ｍ，１１ｅを備える内燃機関１０に適用されている。そして、その内燃機関１０の各種制御を司る電子制御装置２０を中心として構成されている。
【００５５】
内燃機関１０には、機関運転状況を検出する各種センサ類が配設されている。例えば内燃機関１０の出力軸であるクランクシャフトの近傍には、クランク角センサ２１が設けられている。また吸気側及び排気側のカムシャフトの近傍には、カム角センサ２２ｍ，２２ｅがそれぞれ設けられている。更に内燃機関１０の吸気管には、吸気圧センサ２３、及び流量センサであるエアフローメータ２４がそれぞれ配設されている。
【００５６】
電子制御装置２０は、そうしたセンサ類の検出信号に基づき機関運転状況を把握している。例えばクランク角センサ２１の検出信号からは、クランクシャフトの回転位相、すなわちクランク角が求められ、更に機関回転速度ＮＥが算出される。また各カム角センサ２２ｍ，２２ｅの検出信号からは、吸気側及び排気側のカムシャフトの回転位相、すなわちカム角がそれぞれ求められる。更に吸気圧センサ２３の検出信号からは吸気管圧力Ｐｍが、エアフローメータ２４の検出信号からは吸入空気量ＧＡがそれぞれ求められている。
【００５７】
そして電子制御装置２０は、上記のようなセンサ類の検出結果から把握される機関運転状況に基づいて内燃機関１０の各種制御を実施する。例えば電子制御装置２０は、機関運転状況に応じて内燃機関１０のインジェクタ１２や点火プラグ１４、スロットルバルブ１３に指令信号を出力して、燃料噴射制御や点火時期制御、吸入空気量制御を行っている。
【００５８】
また電子制御装置２０は、以下の態様で吸排気弁のバルブタイミング制御を行っている。すなわち電子制御装置２０は、機関運転状況に応じた指令信号を上記可変動弁機構１１ｍ，１１ｅに出力する。可変動弁機構１１ｍ，１１ｅは、電子制御装置２０からの指令信号に応じてクランクシャフトに対する吸気側又は排気側のカムシャフトの相対回転位相を変更する。これにより、吸気弁及び排気弁の開閉時期が、すなわちバルブタイミングが、図７に例示されるような態様で機関運転状況に応じて変更される。
【００５９】
さてこうした内燃機関１０では、可変動弁機構１１ｍ，１１ｅによる吸排気弁のバルブタイミングの変更に応じて、燃焼時に燃焼室内に存在する内部ＥＧＲ量が大きく変化する。例えば内部ＥＧＲ量は、吸排気弁のバルブオーバーラップが大きくなるほど増加する傾向にあり、たとえバルブオーバーラップ量が同じであっても、その開始時期、すなわち吸気弁の開時期が異なれば、内部ＥＧＲ量は変化する。また機関回転速度ＮＥや機関負荷などの機関運転状況によっても、内部ＥＧＲ量は変化する。
【００６０】
こうした内部ＥＧＲ量の変化は、内燃機関１０の燃焼状態に影響を与える。そこで、この内燃機関１０では、点火時期等を内部ＥＧＲ量の変化に応じて補正して内燃機関１０の燃焼状態を好適に維持させるようにしている。
【００６１】
そうした点火時期等の補正を行うには、内部ＥＧＲ量を正確に把握しておく必要がある。そこで電子制御装置２０は、そうした点火時期等の補正量の算出に際して、以下の態様で内部ＥＧＲ量の推定を行っている。
【００６２】
図８は、そうした内部ＥＧＲ量の推定処理における内部ＥＧＲ量ＭegrALLの算出ロジックのブロック図である。ここでは、先に導き出した式（１５）に基づいて内部ＥＧＲ量ＭegrALLの推定値が算出されている。
【００６３】
すなわち、この推定処理においては、まずクランク角センサ２１により検出された機関回転速度ＮＥ、及び吸気圧センサ２３により検出された吸気管圧力Ｐｍが電子制御装置２０に読み込まれる。またカム角センサ２２ｍ、２２ｅの検出結果に基づき、吸排気弁のバルブオーバーラップ量ＯＬ、及び吸気弁開時期Ｔopenが算出される。
【００６４】
またバルブオーバーラップ量ＯＬの関数ｆ１（ＯＬ）、及び機関回転速度ＮＥより、上式（１０）に基づいて有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）が求められる。更にその時間積分値Σ（μＡ）と、機関回転速度ＮＥ及び吸気管圧力Ｐｍの関数ｆ３（ＮＥ，Ｐｍ）とにより、上式（１３）に基づいて吹返し既燃ガス量Ｍegr2が算出される。
【００６５】
これとともに上式（３）に示される関数ｆ２（Ｔopen）に基づいて、上記算出された吸気弁開時期Ｔopenから吸気弁開時のシリンダ容積Ｖが求められる。更に機関回転速度ＮＥ及び吸気管圧力Ｐｍの関数ｆ４（ＮＥ，Ｐｍ）とその算出されたシリンダ容積Ｖとにより、上式（１４）に基づいて残留既燃ガス量Ｍegr1が算出される。
【００６６】
本実施例では、以上のように算出された残留既燃ガス量Ｍegr1及び吹返し既燃ガス量Ｍegr2の和として内部ＥＧＲ量ＭegrALLが算出される。そして、その算出された内部ＥＧＲ量ＭegrALLに基づき、点火時期等の補正量の算出が行われることとなる。
【００６７】
以上説明した本実施例によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）上記実施例では内部ＥＧＲ量ＭegrALLが、吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量Ｍegr1と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量Ｍegr2との和として求められている。そのため、内燃機関１０における実際の既燃ガスの挙動に則して、簡易且つ正確に内部ＥＧＲ量ＭegrALLの推定を行うことができる。
【００６８】
（２）上記実施例では、吸気管圧力Ｐｍ、機関回転速度ＮＥ、及び吸気弁開時期Ｔopenに基づく上式（１４）に示される関数より残留既燃ガス量Ｍegr1が算出されている。そのため、残留既燃ガス量Ｍegr1を正確且つ容易に求めることができる。
【００６９】
（３）上記実施例では、吸気管圧力Ｐｍ、機関回転速度ＮＥ、及びバルブオーバーラップ量ＯＬに基づく上式（１３）に示される関数より吹返し既燃ガス量Ｍegr2が算出されている。そのため、吹返し既燃ガス量Ｍegr2を正確且つ容易に求めることができる。
【００７０】
以上説明した実施例は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施例では、機関回転速度ＮＥ及び吸気管圧力Ｐｍより排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅを推定して、残留既燃ガス量Ｍegr1や吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出が行われている。こうした排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅの推定は、機関負荷と機関回転速度ＮＥとに基づいて行うことができる。したがって、例えば内燃機関１０の負荷率、吸入空気量、燃料噴射量、スロットル開度、アクセル操作量等の機関負荷の指標値となる制御パラメータのいずれかと、機関回転速度ＮＥとに基づいて排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅを推定することもできる。
【００７１】
・上記実施例での残留既燃ガス量Ｍegr1や吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出を、排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅを直接計測、或いは推定して行うようにしても良い。例えば例えば残留既燃ガス量Ｍegr1は、排気管圧力Ｐｅ及び排気温度Ｔｅに基づいて上式（２）を用いて算出することができる。また吹返し既燃ガス量Ｍegr2は、同様に上式（１１）等を用いて算出することができる。
【００７２】
・上記実施例では、吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出に際し、バルブオーバーラップ量ＯＬ及び機関回転速度ＮＥから上式（１０）に基づいて有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を求めて行うようにしている。すなわち、バルブオーバーラップ量ＯＬ及び機関回転速度ＮＥからバルブオーバーラップ時間面積ＡＯＬを算出し、その算出されたバルブオーバーラップ時間面積を有効バルブ開口面積の時間積分値Σ（μＡ）として求めている。バルブオーバーラップ時間面積ＡＯＬを求められるのであれば、他の態様で同時間面積を求めて上記時間積分値Σ（μＡ）の算出を行うようにしても良い。
【００７３】
・上記実施例では、吸排気弁の開口を絞りと見立てた絞りの流量算出式として上式（４）に示す算出式を用いて吹返し既燃ガス量Ｍegr2の算出を行うようにしている。なお絞りの流量算出式としては、上式（４）以外にも様々な式が導き出されている。そうした他の算出式を用いて吹返し既燃ガス量Ｍegr2を算出するようにしても良い。要は、吸排気弁の開口を絞りと見なしてバルブオーバーラップ中に排気管からシリンダ内に吹き返す既燃ガスの流量が求まれば、吹返し既燃ガス量Ｍegr2を算出することは可能である。
【００７４】
例えば下式（１６）は、そうした絞りの流量算出式の一例である。この式（１６）の流量算出式は、排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスが非圧縮性流体と見なせる場合に用いることができる。同式（１６）において、Ｑ：排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの流量、μ：流量係数、Ａ：有効バルブ開口面積、Ｐｅ：排気管圧力、Ｐｍ：吸気管圧力、ρ：排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの密度、をそれぞれ示している。
【００７５】
【数１６】
【００７６】
・上記実施例では、吸排気弁のバルブタイミングをそれぞれ可変とする２つの可変動弁機構１１ｍ，１１ｅを備える内燃機関１０への本発明の適用例を示したが、吸排気弁のいずれか一方のみに可変動弁機構を備える内燃機関にも本発明は適用することができる。またバルブリフト量を可変とするなどの他のタイプの可変動弁機構を備える内燃機関にも、或いは可変動弁機構を備えていない内燃機関にも本発明を適用することはできる。すなわち、本発明は、内燃機関の構成の差違に拘わらず、同様或いはそれに準じた態様で適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関における既燃ガスの挙動を示す模式図。
【図２】排気管からの既燃ガスの吹返しについてのモデル図。
【図３】排気管から吹き返す既燃ガスの挙動を示す模式図。
【図４】吸排気弁のバルブ開口面積の推移を示すグラフ。
【図５】関数ｆ３（ＮＥ，Ｐｍ）の設定例を示すグラフ。
【図６】本発明の一実施例の全体構造を示す模式図。
【図７】バルブタイミングの制御態様例を示すグラフ。
【図８】上記実施例での内部ＥＧＲ量の算出ロジックを示すブロック図。
【符号の説明】
１０…内燃機関、１１ｍ，１１ｅ…可変動弁機構、１２…インジェクタ、１３…スロットルバルブ、１４…点火プラグ、２０…電子制御装置、２１…クランク角センサ、２２ｍ，２２ｅ…カム角センサ、２３…吸気圧センサ、２４…エアフローメータ。
Claims (5)
- 吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量との和として内部ＥＧＲ量の推定値を算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置であって、
前記吹返し既燃ガス量を、排気管圧力、排気温度、吸気管圧力、及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数により算出し、
前記有効バルブ開口面積の時間積分値を、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づき算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置。 - 吸気弁開直前のシリンダ内に存在する既燃ガスの量である残留既燃ガス量と、吸気弁開後に排気管からシリンダ内に吹き返される既燃ガスの量である吹返し既燃ガス量との和として内部ＥＧＲ量の推定値を算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置であって、
前記吹返し既燃ガス量を、吸気管圧力、機関負荷、機関回転速度及び有効バルブ開口面積の時間積分値に基づく関数により算出し、
前記有効バルブ開口面積の時間積分値を、吸排気弁のバルブオーバーラップ時間面積に基づき算出する内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置。 - 前記残留既燃ガス量は、排気管圧力、排気温度、及び前記吸気弁開直前のシリンダ容積に基づく気体状態方程式により算出される請求項１又は２に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置。
- 前記残留既燃ガス量は、機関回転速度、機関負荷、及び前記吸気弁開直前のシリンダ容積の関数として算出される請求項１又は２に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置。
- 前記吸気弁開直前のシリンダ容積は、該吸気弁の開時期の関数として算出される請求項３又は４に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量推定装置。
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