JP5002987B2

JP5002987B2 - エンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置

Info

Publication number: JP5002987B2
Application number: JP2006062576A
Authority: JP
Inventors: 鉄也岩▲崎▼
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-03-08
Also published as: JP2007240310A

Description

本発明は、エンジンのシリンダに吸入されるガスの量、詳細には、シリンダに吸入されるガスのうち、燃焼に寄与しない不燃ガスの量を計測し、さらに該不燃ガス量の計測値に基づいて不燃ガスを含まない空気（新気）の量を計測する技術に関する。

特許文献１，２には、エンジンの吸気マニホールドに流入する空気量と、吸気マニホールドから流出してシリンダへ吸入される空気量から吸気マニホールド内の空気量を収支計算しつつ、シリンダに吸入される空気量を、吸気弁閉時期のシリンダ容積を吸・排気弁のバルブオーバラップ量に応じた残留ガス（内部ＥＧＲガス）の量に基づいて補正したシリンダ容積と、吸気マニホールド容積と、吸気マニホールド内の空気量と、によって算出することが開示されている。

また、特許文献３には、シリンダ吸入ＥＧＲ量を、吸気マニホールド内に流入するＥＧＲ流量を一次遅れ処理して算出することが開示されている。
特願２００１−２２１１０５号公報特願２００２−２２７６８７号公報特願平１０−３１８０４７号公報

特許文献１，２では、ＥＧＲ弁を介して吸気マニホールドに流入するＥＧＲガス（外部ＥＧＲガス）の影響を考慮していないため、一般的なＥＧＲ装置付のエンジンに適用した場合、吸気マニホールド内空気密度の算出誤差が大きく、また、シリンダ吸入ＥＧＲガスの影響分の補正ができないので、特に、可変動弁を備えたエンジンでバルブタイミングを急変させた場合などには、シリンダ吸入空気量の算出誤差が大きくなっていた。

また、特許文献３のようにシリンダ吸入ＥＧＲ量を吸気マニホールド内へのＥＧＲ流量の一次遅れ処理によって算出する方式では、上記のようにバルブタイミングを急変させた場合などには、シリンダに吸入されるＥＧＲガスの方が、吸気マニホールドに流入するＥＧＲガスより先に位相が変化するので、シリンダ吸入ＥＧＲガス量の算出誤差が拡大されてしまうこととなっていた。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、ＥＧＲガスなど燃焼に寄与しない不燃ガスのシリンダへの吸入量を高精度に算出し、ひいては不燃ガスを含まない空気のシリンダへの吸入量を高精度に算出して燃料噴射量の制御精度等を高めることを目的とする。

このため、本発明は、エンジンの吸気マニホールド内に占める燃焼に寄与しない不燃ガスの量と、吸気マニホールド内のガスの総量と、シリンダ内に吸入されるガスの総量とを周期的に算出更新しつつ、これらの算出値に基づいてシリンダ内に吸入される不燃ガスの量を求め、不燃ガスを含まないシリンダ吸入空気量を算出するシリンダ吸入ガス量計測装置であって、前記不燃ガスの量には、バルブオーバーラップ期間中に排気通路から吸気通路に吹き返す排気の量及び排気行程時にシリンダから排出されずにシリンダ内に滞留する排気の量の合計である内部ＥＧＲガス量が含まれ、吸気マニホールド内のガスの総量は、内部ＥＧＲガス量を含む不燃ガス量が加算されて求められ、前記シリンダ内に吸入される不燃ガスの量は、前記吸気マニホールド内に占める不燃ガスの量を吸気マニホールド内のガスの総量で除算した比に、シリンダ内に吸入されるガスの総量を乗算することによって求められ、前記不燃ガスを含まないシリンダ吸入空気量は、前記シリンダ内に吸入されるガスの総量から、対象シリンダの内部ＥＧＲガス量が減算されて、さらにシリンダ内に吸入される不燃ガス量が減算されて求められる。

本発明によると、吸気マニホールド内に占める不燃ガス量の吸気マニホールド内のガスの総量（不燃ガス量＋空気量）に対する割合は、シリンダ内に吸入された不燃ガス量のシリンダ内のガスの総量に対する割合と等しいとして近似できるので、吸気マニホールド内に占める不燃ガスの量と、吸気マニホールド内の総ガス量と、シリンダ内の総ガス量との算出値に基づいてシリンダ内に吸入された不燃ガスの量を算出できる。

特に、可変動弁を備えたエンジンで、バルブタイミングを急変させたような過渡状態でも、バルブタイミング変化により変化するシリンダ内の総ガス量を算出することで、同様に変化する不燃ガスの量を高応答で算出更新することができる。
そして、上記シリンダ内の総ガス量からシリンダ内の不燃ガス量を減算することで、不燃ガスを含まない新気の量を高精度に算出することができ、ひいては特に吸気弁のバルブタイミングを可変制御するエンジンにおいて、燃料噴射量制御、空燃比制御の精度をバルブタイミング制御に影響されることなく高精度に維持できる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、エンジン（内燃機関）の構成図である。
エンジン１の各気筒のピストン２により画成される燃焼室３には、点火栓４を囲むように、吸気弁５及び排気弁６を備えている。吸気は吸気通路７を通って吸気弁５から燃焼室３内に吸入され、該吸気通路７の途中にマニホールド部（吸気マニホールド）８が配設されている。燃焼室３内の排気は、排気弁６から排気通路９を通って排出される。

吸気弁５は、バルブタイミング（開閉時期）を可変な可変動弁機構５ａにより制御される。この可変動弁機構５ａは、吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変更してバルブタイミングを変更する方式の他、吸気弁５の弁体を直接電磁駆動する方式であってもよく、また、バルブタイミングだけでなくリフト量も可変する機構であってもよい。排気弁６については、本実施形態では弁特性を固定とするが、吸気弁同様に可変動弁装置によって弁特性を可変な構成としてもよい。

吸気通路７には、マニホールド部８の上流に、電制スロットル弁１０が設けられている。吸気通路７にはまた、各気筒毎の吸気ポート部分に、電磁式の燃料噴射弁１１が設けられている。
また、前記排気通路９と吸気通路７のマニホールド部８とを連通させるＥＧＲ通路（排気還流通路）１２が設けられ、該ＥＧＲ通路１２に介装されたＥＧＲ弁１３を開くと、圧力差によって排気の一部がマニホールド部８に還流されるようになっている。

ここにおいて、点火栓４、可変動弁装置５ａ、電制スロットル弁１０、燃料噴射弁１１及びＥＧＲ弁１３の作動は、コントロールユニット（ＥＣＵ）１４により制御される。
このＥＣＵ１４には、エンジン回転に同期してクランク角信号を出力することによりクランク角位置θと共にエンジン回転速度Ｎｅを検出可能なクランク角センサ１５、アクセル開度（アクセルペダル踏込み量）を検出するアクセルペダルセンサ１６、吸気通路７のスロットル弁１０上流にてマニホールド部８へ流入する空気流量（質量流量）ｖＱｔｈ［ｋｇ／ｈ］を計測する熱線式のエアフローメータ１７、マニホールド部８内の温度ＴＩＮ［Ｋ］を検出する温度センサ１８、排気通路９の排気圧力ＰＥＸ［Ｐａ］を検出する排気圧力センサ１９等からの信号が入力される。後述する第３の実施形態では、排気温度を検出する排気温度センサを設ける。

燃料噴射弁１１の燃料噴射時期及び燃料噴射量は、エンジン運転条件に基づいて制御するが、燃料噴射量は、基本的には、エアフローメータ１７により計測される流量ｖＱｔｈに基づいて後述のごとく算出されるシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬ［ｇ］に対し、所望の空燃比となるように制御する。
点火栓４による点火時期は、エンジン運転条件に基づいて、ＭＢＴ（トルク上の最適点火時期）又はノック限界に制御する。

本実施形態において、ＥＣＵ１４は、マニホールド部８におけるガスの出入りの収支計算を行いつつマニホールド部８内の総ガス量ＭＡＭＡＮＩ及び不燃ガスとしてＥＧＲガスの量ＭＥＭＡＮＩと、シリンダ内に吸入された総ガス量ＭＡＣＹＬを算出する。そして、前記マニホールド部８内における総ガス量とＥＧＲガス量との比ＭＥＭＡＮＩ／ＭＡＭＡＮＩが、シリンダ内に吸入された総ガス量とＥＧＲガス量との比に近似できることを用いて、シリンダ吸入ＥＧＲガス量を算出し、さらに最終的にＥＧＲガスを含まないシリンダ吸入空気量を算出し、該シリンダ吸入空気量に見合った燃料噴射量を設定して燃料噴射制御する。

図２は、燃料噴射制御の全体ブロック図を示す。
シリンダ吸入空気量算出部は、エアフローメータ１７で検出されるスロットル通過空気流量Ｑｔｈ、ＥＧＲ弁１３を通過するＥＧＲガス流量ＱＥＧＲ、エンジン回転速度Ｎｅを基本的なパラメータとして入力しつつ、マニホールド部８を出入りするＥＧＲガス量及び総ガス量の収支計算を行いつつシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬを算出する。なお、このシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬその他後述する各値は、単位時間周期Δｔ毎に算出して更新する。

シリンダ吸入ＥＧＲガス量算出部は、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲ、エンジン回転速度Ｎｅを基本的なパラメータとして入力しつつ、マニホールド部８を出入りするＥＧＲガス量の収支計算を行いつつシリンダ内に吸入されるＥＧＲガスの量（シリンダ吸入ＥＧＲガス量）ＭＥＣＹＬ］を算出する。
ここで、既燃成分を含むＥＧＲガスと空気とは同一状態（温度、圧力）での量（質量）が若干異なるが、最終的に求めたいのはＥＧＲガスを含まない空気の量（質量）であり、ＥＧＲガスを空気として取り扱い、空気相当の量（質量）を算出することとする。以下の演算でも同様であり、総ガス量もＥＧＲガス量を空気に換算した量と実際の空気の量とを合計した量として算出する。このようにすれば、空気のみで取り扱えるので収支計算しやすくなる。あるいは、ＥＧＲガス、空気の区別なく、モル流量、モル量で取り扱うようにしてもよい。

上記両算出部は、それぞれの収支計算の過程で算出されるパラメータをやり取りして演算する。
マニホールド部圧算出部は、前記マニホールド内の総ガス量及び前記温度センサ１８で検出されたマニホールド温度ＴＩＮに基づいて、マニホールド部８内の圧力（マニホールド内圧力＝吸気圧力）ＰＩＮを算出する。

基本燃料噴射パルス幅算出部は、シリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬに基づいて基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを算出する。
燃料噴射パルス幅算出部は、前記基本燃料噴射パルス幅Ｔｐを補正して、最終的な燃料噴射パルス幅Ｔｉを算出する。
燃料噴射弁駆動部は、前記燃料噴射パルス幅Ｔｉに相当するパルス幅の燃料噴射信号を出力して燃料噴射弁１１を駆動し、算出されたシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬに見合った燃料噴射量を噴射供給する。

図３は、前記シリンダ内ＥＧＲガス量算出部の詳細を示す。
前記ＥＧＲ弁１３を通過するＥＧＲガス流量ＱＥＧＲ［ｋｇ／ｈ］に、ＥＧＲ弁１３からシリンダまでの伝達遅れ分の無駄時間補正を施したＥＧＲガス流量ＱＥＧＲＤ［ｋｇ／ｈ］を算出する。
前記マニホールド部８に流入するＥＧＲガス流量ＱＥＧＲＤ［ｋｇ／ｈ］から、マニホールド部８を流出してシリンダに吸入されるＥＧＲガス流量ＱＥＣＹＬ［ｋｇ／ｈ］を差し引いた流量を、この演算の実行周期Δｔ［ｓ］当たりのマニホールド部８におけるＥＧＲガスの収支量（変化量）ΔＭＥＭＡＮＩ［ｇ］に換算する。なお、ΔＭＥＭＡＮＩ［ｇ］が正の値であるときは、マニホールド部８内のＥＧＲガス量は増加し、負の値であるときは、ＥＧＲガス量が減少する。

ΔＭＥＭＡＮＩ＝（ＱＴＲＭ−ＱＣＹＬｚ）×Δｔ×（１０００／６０／６０）・・（１）
前記マニホールド内ＥＧＲガス収支量ΔＭＥＭＡＮＩ［ｇ］を、マニホールド内ＥＧＲガス量の前回算出値ＭＥＭＡＮＩｚ［ｇ］に積算して現在のマニホールド内ＥＧＲガス量ＭＥＭＡＮＩ［ｇ］を算出する。

ＭＥＭＡＮＩ＝ＭＥＭＡＮＩｚ＋ΔＭＥＭＡＮＩ・・・（２）
前記マニホールド内ＥＧＲガス量ＭＥＭＡＮＩ［ｇ］を、マニホールド内総ガス量ＭＡＭＡＮＩ［ｇ］で除算して、ＥＧＲガス量比ＭＥＧＭＮＲを算出する。ここで、マニホールド内総ガス量ＭＡＭＡＮＩは、後述するシリンダ内空気量算出部でマニホールド部８内のＥＧＲガス量とＥＧＲガスを含まない空気量とを加算して算出された値を入力して用いる。

ＭＥＧＭＮＲ＝ＭＥＭＡＮＩ／ＭＡＭＡＮＩ・・・（３）
そして、シリンダ内においてもマニホールド部８内と同一のＥＧＲガス量比でＥＧＲガスを含んでいるとして、シリンダ内総ガス量ＭＡＣＹＬ０［ｇ］に、前記ＥＧＲガス量比ＭＥＧＭＮＲを乗算して、１シリンダ、かつ１サイクル当たりのシリンダ吸入ＥＧＲガス量ＭＥＣＹＬ［ｇ］を算出する。ここで、シリンダ吸入総ガス量ＭＡＣＹＬ０［ｇ］も、後述するシリンダ吸入空気量算出部でシリンダ吸入ＥＧＲガス量とシリンダ吸入空気量とを加算して算出された値を入力して用いる。

ＭＥＣＹＬ＝ＭＡＣＹＬ０×ＭＥＧＭＮＲ・・・（４）
前記ＥＧＲガス量ＭＥＣＹＬ［ｇ］を、エンジン回転速度Ｎｅに基づいてシリンダ内へ吸入される時間当たりのＥＧＲガス流量ＱＥＣＹＬ［ｋｇ／ｈ］に換算する。
ＱＥＣＹＬ＝ＭＥＣＹＬ×Ｎｅ×ｍＮＲＥＦ×６０／１０００・・・（５）
ただし、ｍＮＲＥＦは、エンジン１回転当たりの総吸気行程回数（４サイクルエンジンでは、ｍＮＲＥＦ＝エンジンの気筒数／２）である。

図４は、シリンダ吸入空気量算出部の詳細を示す。
前記エアフローメータ１７で検出されるマニホールド部８への空気流量（マニホールド流入空気流量）Ｑｔｈ［ｋｇ／ｈ］に、無駄時間補正前のＥＧＲガス流量ＱＥＧＲ［ｋｇ／ｈ］を加算して、マニホールド部８へ流入するガスの総流量（マニホールド流入総ガス流量）ＱＴＲＭ［ｋｇ／ｈ］を算出する。

ＱＴＲＭ＝Ｑｔｈ＋ＱＥＧＲ・・・（６）
前記マニホールド流入総ガス流量ＱＴＲＭ［ｋｇ／ｈ］から、前回演算されたシリンダへ吸入されるガスの総流量（シリンダ吸入総ガス流量）ＱＣＹＬｚ［ｋｇ／ｈ］を差し引いた流量を、この演算の実行周期Δｔ［ｓ］当たりのマニホールド部８内の総ガスの収支量（変化量）ΔＭＡＭＡＮＩ［ｇ］に換算する。ΔＭＡＭＡＮＩ［ｇ］が正の値であるときは、マニホールド部８内の総ガス量は増加し、負の値であるときは、総ガス量が減少する。

ΔＭＡＭＡＮＩ＝（ＱＴＲＭ−ＱＣＹＬｚ）×Δｔ×（１０００／６０／６０）・・（７）
前記マニホールド内総ガス収支量ΔＭＡＭＡＮＩ［ｇ］を、マニホールド内総ガス量の前回算出値ＭＡＭＡＮＩｚ［ｇ］に積算して、現在のマニホールド内総ガス量ＭＡＭＡＮＩ［ｇ］を算出する。

ＭＡＭＡＮＩ＝ＭＡＭＡＮＩｚ＋ΔＭＡＭＡＮＩ・・・（８）
前記マニホールド内総ガス量ＭＡＭＡＮＩ［ｇ］を、吸気マニホールドの実効容積ＶＭＡＮＩ［ｍ^３］で除算して、マニホールド部８内のガスの密度ＤＭＡＮＩ［ｇ／ｍ^３］を算出する。
ＤＭＡＮＩ＝ＭＡＭＡＮＩ／ＶＭＡＮＩ・・・（９）
ここで、マニホールド容積ＶＭＡＮＩ［ｍ^３］は、簡易的には、スロットル弁の回転軸の位置から吸気ポートまでの固定された容積（幾何マニホールド容積ＶＭＡＮＩ＃）を用いればよいが、この容積に吸気行程にあるシリンダにおいて吸気弁が閉じる直前でマニホールド部８と連通する総シリンダ容積を加算した値を実効容積として用いると、ガス密度を高精度に算出できる。

前記マニホールド内ガス密度ＤＭＡＮＩ［ｇ／ｍ^３］に、吸気弁閉時期によって求められるシリンダの実効行程容積ＶＣＹＬ［ｍ^３］を乗算して、シリンダに吸入されたガスの総量（シリンダ吸入総ガス量）ＭＡＣＹＬ０［ｇ］を算出する。すなわち、マニホールド部８内とシリンダ内とでガスの密度に実質的な差が生じない（温度及び圧力がほぼ一致する。）ものとして扱うのである。

ＭＡＣＹＬ０＝ＤＭＡＮＩ×ＶＣＹＬ・・・（１０）
前記シリンダ吸入総ガス量ＭＡＣＹＬ［ｇ］を、エンジン回転速度Ｎｅに基づいてシリンダ内へ吸入される時間当たりの総ガス流量ＱＣＹＬ［ｋｇ／ｈ］に換算する。
ＱＣＹＬ＝ＭＡＣＹＬ×Ｎｅ×ＮＲＥＦ×６０／１０００・・・（１１）
一方、前記シリンダ吸入ガス総量ＭＡＣＹＬ０から前記シリンダ吸入ＥＧＲ量を差し引いて、１サイクル当たりにシリンダに吸入されるＥＧＲガスを含まない空気の量（シリンダ吸入空気量）ＭＡＣＹＬ［ｇ］を算出する。

ＭＡＣＹＬ＝ＭＡＣＹＬ０−ＭＥＣＹＬ・・・（１１）
前記シリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬに、係数ＫＣＯＮＳＴ［ｍｓ／ｇ］を乗算してリアルタイムの基本燃料噴射パルス幅ＴＰＴＲＭＮ［ｍｓ］を算出する。
ＴＰＴＲＭＮ＝ＫＣＯＮＳＴ×ＭＡＣＹＬ・・・（１２）
吸気脈動の影響を回避するため、上記ＴＰＴＲＭＮ［ｍｓ］を加重平均して最終的な基本燃料噴射パルス幅Ｔｐ［ｍｓ］を算出する。

このようにすれば、マニホールド部８内のＥＧＲガス量と総ガス量とを周期的に収支計算しながら、ガス量比に基づいてシリンダ内に吸入されるＥＧＲガス量を正確に算出できる。
そして、前記シリンダ吸入ＥＧＲガス量に基づいて、ＥＧＲガスを含まないシリンダ吸入空気量（新気量）を過渡時にも正確に算出しつつ該新気量に見合った高精度、高応答な燃料噴射量制御（空燃比制御）を行うことができる。

図５は、図４のシリンダ内空気量算出部の一部を変形した実施形態を示す。
図４では、吸入総ガス量ＭＡＣＹＬ０から図３で算出したシリンダ吸入ＥＧＲガス量ＭＥＣＹＬを減算してシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬを算出したが、本実施形態では、図３で算出されたＥＧＲガス量の総ガス量に対するガス量比ＭＥＧＭＮＲを１（１００％）から減算して、ＥＧＲガスを含まない空気量の総ガス量に対するガス量比ＭＡＧＭＮＲを算出し、このガス量比ＭＡＧＭＮＲを吸入総ガス量ＭＡＣＹＬ０に乗じることによりシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬを算出する。

ＭＡＣＹＬ＝（１−ＭＥＧＭＮＲ）×ＭＡＣＹＬ０
＝ＭＡＧＭＮＲ×ＭＡＣＹＬ０・・・（１３）
以上、図４、図５に示したシリンダ内空気量算出部では、マニホールド内の総ガス量の算出に際して、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲを用いたが、図６に示すシリンダ内空気量算出部の実施形態では、ＥＧＲガス流量ＱＥＧＲは用いず、図３で算出したマニホールド内ＥＧＲガス量ＭＥＭＡＮＩを、ＥＧＲガスを含まないマニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩ０’ （マニホールド部８の空気量収支の積算値として求められる）に加算することで、マニホールド内総ガス量を算出する。

ＭＡＭＡＮＩ＝ＭＥＭＡＮＩ＋ＭＡＭＡＮＩ０’ ・・・（１４）
また、シリンダ吸入総ガス量ＭＡＣＹＬ０からシリンダ吸入ＥＧＲガス量ＭＥＣＹＬを減算したシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬに対して、エンジン回転速度Ｎｅに基づいてシリンダ内へ吸入される時間当たりの空気流量ＱＣＹＬ’[ｋｇ／ｈ］への換算を行う。
ＱＣＹＬ’＝ＭＡＣＹＬ×Ｎｅ×ＮＲＥＦ×６０／１０００・・・（１５）
また、以上示した実施形態では、内部ＥＧＲ量（シリンダ残ガス量）については、最も簡易的には、前記シリンダの実効行程容積ＶＣＹＬを、吸気弁閉時期におけるシリンダ容積からピストン上死点位置におけるシリンダ容積を差し引いて算出した実効行程容積を用いることで、予め内部ＥＧＲ量分を除去して算出することができる。

しかし、この方法では、バルブオーバラップによる排気の吹き返し量等が考慮されておらず、内部ＥＧＲガス量を正確に算出できていない。そこで、より正確には、吸気弁閉時期、エンジン回転速度Ｎｅ、吸気圧力（マニホールド部８圧力）ＰＩＮ基づいて、シリンダ内の全ガス量に対する内部ＥＧＲガス量のガス量比を予め計測しておき、吸気弁閉時期におけるシリンダ容積から内部ＥＧＲガスのガス量比分の容積を減算した容積をシリンダ実効容積として用いることで内部ＥＧＲガス量の影響を十分に除去できる。

なお、マニホールド部８の実効容積についても、吸気弁閉時期直前でマニホールド部８が連通するのは、この吸気弁閉時期直前にあるシリンダの他、吸気弁が開かれ吸気行程が開始されまたは途中にあるシリンダについてそれぞれ内部ＥＧＲガス容積相当分として減算して算出するのがよい。
図７は、内部ＥＧＲガス量を質量として算出しつつマニホールド内総ガス量の収支計算に反映させた実施形態を示す。

図８は、本実施形態におけるシリンダ実効容積及び実効マニホールド容積算出の構成を示す。
まず、図９を参照して、吸気弁閉時期ＩＶＣ、エンジン回転速度Ｎｅ及び吸気圧力ＰＩＮをもとに、吸気弁閉時期ＩＶＣにあるシリンダ（対象シリンダ）ｃ１及び該対象シリンダのＩＶＣにおいてマニホールド部８に連通するシリンダ（連通シリンダ）ｃ４について、吸気効率ＩＴＡＶ１、ＩＴＡＶ２を算出する。

そして、対象シリンダｃ１の実容積（＝ＶＣ１＋ＶＰＲＯＯＦ＃；ＶＰＲＯＯＦ＃は、ピストンが移動する空間を除く燃焼室部分の容積）に吸気効率ＩＴＡＶ１を乗算して、対象シリンダの実効容積ＶＣＹＬ１’を算出し、ＩＶＣにおける連通シリンダｃ４の実容積（＝ＶＣ２＋ＶＰＲＯＯＦ＃）に吸気効率ＩＴＡＶ２を乗算して、連通シリンダｃ４の実効容積ＶＣＹＬ２’を算出する。

ＶＣＹＬ１’＝（ＶＣ１＋ＶＰＲＯＯＦ＃）×ＩＴＡＶ１・・・（１６）
ＶＣＹＬ２’＝（ＶＣ２＋ＶＰＲＯＯＦ＃）×ＩＴＡＶ２・・・（１７）
算出したＶＣＹＬ１’、ＶＣＹＬ２’に前記幾何マニホールド容積ＶＭＡＮＩ＃を加算し、実効マニホールド容積ＶＭＡＮＩを算出する。
ＶＭＡＮＩ＝ＶＭＡＮＩ＃＋ＶＣＹＬ１’＋ＶＣＹＬ２’ ・・・（１８）
次に、内部ＥＧＲガス量の算出を以下のように行う。図１０は、内部ＥＧＲガス量算出の構成を示す。

本実施形態では、内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳを、バルブオーバラップ期間中に排気通路から吸気通路に吹き返す排気の量（吹き返しガス量）ＭＲＥＳＯＬと、排気行程時にシリンダから排出されずにシリンダ内に滞留する排気の量（滞留ガス量）ＭＲＥＳＥＶＣとの合計として算出する。なお、吸気弁５の弁特性のみ可変とし、排気弁６の弁特性は一定とする。

そして、吸気弁閉時期ＩＶＣ及び排気の温度ＴＥＸ、圧力ＰＥＸに基づいて、下式（１９）〜（２３）により吹き返しガス量ＭＲＥＳＯＬを算出する。ＴＥＸ、ＰＥＸは、排気マニホールド等に設けた排気温度センサ、排気圧力センサにより検出することができる。
下式（１９）は、最終的にＭＲＥＳＯＬを算出する式を示す。
ＭＲＥＳＯＬ＝（ＭＲＥＳＯＬｔｅｍｐ×ＡＳＵＭＯＬ×６０）／（ＮＥ×３６０）・・・（１９）
式（１９）において、ＭＲＥＳＯＬｔｅｍｐは、排気が吹き返す際の平均流速であり、吸気弁５または排気弁６により吸気ポートまたは排気ポートに形成される微小な隙間をオリフィスとみなして、下式（２０）により算出する。

ＭＲＥＳｔｅｍｐ＝１．４×ＰＥＶＣ×ＭＲＳＯＬＤ×ＭＲＳＯＬＰ・・・（２０）
式（２０）において、ＰＥＶＣは、排気弁閉時期ＥＶＣにおけるシリンダ内圧力であり、ＥＶＣ直前における排気圧力ＰＥＸにより近似する。同じく、ＭＲＳＯＬＤは、排気の密度であり、排気のガス定数ＲＥＸ、及びＥＶＣにおけるシリンダ内温度ＴＥＶＣをもとに、下式（２１）により算出する。

式（２１）で、ＲＥＸは、目標当量比に基づいて算出することができ、本実施形態では、これを示すものとして係数ＫＣＯＮＳＴを採用することができる。ＴＥＶＣは、ＥＶＣ直前における排気温度ＴＥＸにより近似する。
式（２０）において、ＭＲＳＯＬＰは、排気の圧力であり、吸気マニホールドと排気マニホールドとの間の圧力比ＰＩＮＢＹＥＸ（＝ＰＩＮ／ＰＥＸ）をもとに、下式（２２）により算出する。ＳＨＥＡＴＲは、比熱比であり、目標当量比に基づいて算出することができる。

また、式（１９）において、ＡＳＵＭＯＬは、前記オリフィスの積算開口面積であり、下式（２３）に示すように、吸気弁５または排気弁６のうちリフト量の小さい方の弁が形成するクランク角Δθ毎の区間開口面積ＡＳＩＩＴＡを、オーバーラップ期間全体に渡り積算して算出する。
ＡＳＵＭＯＬ＝Σ（ＡＳＩＩＴＡ×θ）・・・（２３）
他方、滞留ガス量算出部では、排気の温度ＴＥＸ、圧力ＰＥＸをもとに、下式（２４）により滞留ガス量ＭＲＥＳＥＶＣを算出する。

ＭＲＥＳＥＶＣ＝（ＰＥＶＣ×ＶＥＶＣ）／（ＲＥＸ×ＴＥＶＣ）・・・（２４）
式（２４）で、シリンダ内圧力ＰＥＶＣ、温度ＴＥＶＣをＥＶＣ直前における排気圧力ＰＥＸおよび温度ＴＥＸにより近似することができ、ガス定数ＲＥＸを目標当量比に基づいて算出することができるのは、上記のとおりである。また、ＶＥＶＣは、排気弁閉時期ＥＶＣにおけるシリンダの容積であるが、本実施形態では排気弁６の弁特性が不変であるため、予め算出し、ＥＣＵ１４に記憶させておく。

以上のようにして算出される吹き返しガス量ＭＲＥＳＯＬ及び滞留ガス量ＭＲＥＳＥＶＣをもとに、対象シリンダｃ１について下式（２５）により第１の内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳ１を算出する。
ＭＲＥＳ１＝ＭＲＥＳＯＬ１＋ＭＲＥＳＥＶＣ１・・・（２５）
また、ＭＲＥＳＯＬ，ＭＲＥＳＥＶＣをもとに、連通シリンダについて下式（２６）により第２の内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳ２を算出する。

ＭＲＥＳ２＝ＭＲＥＳＯＬ２＋ＭＲＥＳＥＶＣ２
＝ＭＲＥＳＯＬ１×ＯＬＲＡＴＩＯ＋ＭＲＥＳＥＶＣ２・・・（２６）
（２６）式で、ＯＬＲＡＴＩＯは、オーバーラップ開口面積比であり、連通シリンダについて算出される、バルブオーバラップ期間中のクランク角θｉｖｃまでの積算開口面積ＳＩＧＭＡＡと、対象シリンダについて算出される、オーバーラップ期間全体に亘る積算開口面積ＡＳＵＭＯＬとの比として、下式（２７）により算出する。

ＯＬＲＡＴＩＯ＝ＳＩＧＭＡＡ／ＡＳＵＭＯＬ・・・（２７）
図１１は、オーバーラップ期間中における吸気弁５および排気弁６の弁特性を示しており、斜線で示す部分の面積がＳＩＧＭＡＡに相当する。
図１２は、クランク角θｉｖｃにおける対象シリンダ及び連通シリンダのピストン位置を示しており、４気筒エンジンの場合を（ａ）に、６気筒エンジンの場合を（ｂ）に示している。４気筒エンジンの場合は、対象シリンダｃ１が吸気弁閉時期ＩＶＣにあるθｉｖｃにおいて、連通シリンダｃ４が排気弁閉時期ＥＶＣを過ぎているため、ＯＬＲＡＴＩＯは１に設定される。他方、６気筒エンジンの場合は、θｉｖｃにおいて、２つの連通シリンダｃ２、ｃ３のうち、一方がＥＶＣを通り過ぎているが、他方がオーバーラップ期間中にあるため、連通シリンダｃ２については、ＯＬＲＡＴＩＯは１に、連通シリンダｃ３については、ＯＬＲＡＴＩＯは１未満の値に設定される。なお、オーバーラップ期間が存在しない場合は、吹き返しガス量ＭＲＥＳＯＬが０となり、内部ＥＧＲガス量として滞留ガス量ＭＲＥＳＥＶＣが出力される。

そして、対象シリンダの内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳ１と、連通シリンダの内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳ２とを加算し、総内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳＴＴＬを算出する。
図７に戻って、上記のように算出した総内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳＴＴＬ［ｇ］を、前記マニホールド内総ガス量ＭＡＭＡＮＩ［ｇ］の算出の際に加算する一方、シリンダ吸入総ガス量ＭＡＣＹＬ０［ｇ］から対象シリンダの内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳ１［ｇ］を減算し、この減算した値から更にシリンダ吸入ＥＧＲガス量ＭＥＣＹＬ［ｇ］を減算することによってシリンダ吸入空気量ＭＡＣＹＬ［ｇ］を算出する。また、前記内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳ１を減算したシリンダ吸入総ガス量を時間当たりのシリンダ吸入総ガス流量ＱＣＹＬ［ｋｇ／ｈ］に換算して収支計算を行う。

このようにすれば、内部ＥＧＲガス量を質量として算出しつつマニホールド内空気量ＭＡＭＡＮＩの収支計算に反映させることとしたので、内部ＥＧＲガスによる吸気マニホールド内の状態（主に密度）の変化を考慮して、シリンダ内のガスの密度、ひいてはシリンダ吸入空気量ＱＣＹＬをより正確に算出することができる。
また、各内部ＥＧＲガス量ＭＲＥＳ１，ＭＲＥＳ２を吹き返しガス量ＭＲＥＳＯＬ及び滞留ガス量ＭＲＥＳＥＶＣの合計として扱うことにしたので、内部ＥＧＲガス量を正確に算出することができると共に、オーバーラップ期間中にある連通シリンダに関する内部ＥＧＲガス量の的確な評価が可能となる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの構成を示す断面図同上実施形態における燃料噴射制御を示すブロック図シリンダ吸入ＥＧＲガス量算出部を示す制御ブロック図シリンダ吸入空気量算出部の第１の例を示す制御ブロック図シリンダ吸入空気量算出部の第２の例を示す制御ブロック図シリンダ吸入空気量算出部の第３の例を示す制御ブロック図シリンダ吸入空気量算出部の第３の例を示す制御ブロック図同上の第３の例におけるシリンダ実効容積及び実効マニホールド容積算出の構成を示す図。吸気弁閉時期における吸気マニホールド内及び各シリンダ内のガスの状態を示す図。内部ＥＧＲガス量算出の構成を示す図。吸気弁閉時期ＩＶＣのクランク角θｉｖｃでオーバーラップ期間中にある連通シリンダに関する積算開口面積ＳＩＧＭＡＡを示す図。同上クランク角θｉｖｃにおける対象シリンダ及び連通シリンダの各ピストンの位置を示す図。

符号の説明

１エンジン（内燃機関）
５吸気弁
６排気弁
７吸気通路
８マニホールド部
１１燃料噴射弁
１２ＥＧＲ通路
１３ＥＧＲ弁
１４コントロールユニット
１５クランク角センサ
１６アクセルペダルセンサ
１７エアフローメータ
１８温度センサ
１９排気圧力センサ

Claims

エンジンの吸気マニホールド内に占める燃焼に寄与しない不燃ガスの量と、吸気マニホールド内のガスの総量と、シリンダ内に吸入されるガスの総量とを周期的に算出更新しつつ、これらの算出値に基づいてシリンダ内に吸入される不燃ガスの量を計測するシリンダ吸入ガス量計測装置であって、
前記吸気マニホールド内のガスの総量を、
前記吸気マニホールド内に占める燃焼に寄与しない不燃ガスと、
前記燃焼に寄与しない不燃ガスを含まない吸気マニホールド内の空気の量と、
バルブオーバーラップ期間中に排気通路から吸気通路に吹き返す排気の量及び排気行程時にシリンダから排出されずにシリンダ内に滞留する排気の量の合計である内部ＥＧＲガスと、
を加算することにより計測することを特徴とするエンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置。
前記吸気マニホールド内に占める不燃ガスの量を吸気マニホールド内のガスの総量で除算した比に、シリンダ内に吸入されるガスの総量を乗算することにより、シリンダ内に吸入される不燃ガスの量を計測することを特徴とする請求項１に記載のエンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置。
吸気マニホールド内に流入する不燃ガスの量と、吸気マニホールドから流出してシリンダへ流入する不燃ガスの量との収支計算によって、前記吸気マニホールド内に占める不燃ガスの量を算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置。
前記シリンダ内に吸入されるガスの総量から前記内部ＥＧＲガスを減算し、当該減算した値から前記シリンダ内に吸入される不燃ガスの量を減算することによりシリンダ内に吸入される空気の量を算出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のエンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置。
前記シリンダ内に吸入されるガスの総量は、吸気マニホールドにおけるガスの総量の収支演算に基づいて算出することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のエンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置。
前記吸気マニホールドに流入する不燃ガスは、外部ＥＧＲガスまたは総ての不燃ガス成分と空気とが混合したガスであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のエンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置。
前記不燃ガスの量の算出において、不燃ガスを同一温度、同一圧力における空気の質量相当量を用いて算出することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のエンジンのシリンダ吸入ガス量計測装置。