JP5944249B2 - 内燃機関の内部ｅｇｒ量算出装置 - Google Patents

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、具体的には、気体の状態方程式を用いて算出される。

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、ノズルの方程式を適用した算出式によって算出される。この吹き返しガス量の算出式では、吸気通路内の圧力である吸気圧と排気通路内の圧力である排気圧との圧力比が用いられる。また、この算出式は、有効開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を含んでおり、この有効開口面積の時間積分値Σ（μＡ）は、具体的には、有効開口面積をクランク角について積分することにより、クランク角積分値ｆ１（ＯＬ）を算出し、これを機関回転数ＮＥで除算することによって算出される。

特開２００４−２５１１８２号公報

バルブオーバーラップ期間が変更される内燃機関の場合、バルブオーバーラップ期間中、排気圧が一旦、低下してから上昇するという挙動を示すのが一般的である。その場合、バルブオーバーラップ期間が長いときには、短いときと比べて、排気側と吸気側との間で流れるガス量が多くなることに起因して、排気圧の変動度合いが大きくなる。これに加えて、内燃機関の高負荷運転中は、排気の脈動に起因して、バルブオーバーラップ期間中における排気圧の変動度合いが低負荷運転中よりも大きくなるという特性を有している。

これに対して、特許文献１の内部ＥＧＲ量算出装置の場合、上記のような特性を考慮していないので、排気圧の変動度合いが増大したときに、それに起因して、吹き返しガス量の算出誤差が増大し、内部ＥＧＲ量の算出精度が低下してしまう。さらに、そのような算出精度の低い内部ＥＧＲ量を用いて内燃機関の運転状態を制御した場合には、燃焼状態が悪化し、ノッキングが発生してしまう。さらに、吹き返しガス量の算出式が有効開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を含んでいる関係上、この有効開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を算出する際、有効開口面積をクランク角について積分する必要があり、その分、演算負荷が高くなってしまう。

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中の排気圧の変動度合いが大きい条件下でも、内部ＥＧＲ量を適切かつ容易に算出することができ、算出精度の向上および演算負荷の低減を実現す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および排気弁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、第１排気圧パラメータとして取得する第１排気圧パラメータ取得手段（ＥＣＵ２、排気圧センサ３４）と、バルブオーバーラップ期間以外の期間を少なくとも含む所定期間中における排気通路９内の圧力を表す第２排気圧パラメータ（平均排気圧ＰｅｘＡｖｅ）を取得する第２排気圧パラメータ取得手段（ＥＣＵ２、排気圧センサ３４）と、気筒３ａから吸気系（吸気通路８）および排気系（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、流入する既燃ガスの量である吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを、第１排気圧パラメータに応じて算出する吹き返しガス量算出手段（ＥＣＵ２）と、気筒３ａ内に残留する既燃ガス量である残留ガス量Ｇｅｇｒｄを、第２排気圧パラメータに応じて算出する残留ガス量算出手段（ＥＣＵ２）と、残留ガス量Ｇｅｇｒｄおよび吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶに基づき、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出する内部ＥＧＲ量算出手段（ＥＣＵ２）と、を備え、吹き返しガス量算出手段は、第１排気圧パラメータである最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを、吹き返しガスが流れる流路をノズルと見なしたときのノズルの式（５）に適用することにより、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出する基本吹き返しガス量算出手段（ＥＣＵ２）と、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である吸気カム位相ＣＡＩＮを算出する吸気カム位相算出手段（ＥＣＵ２）と、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である排気カム位相ＣＡＥＸを算出する排気カム位相算出手段（ＥＣＵ２）と、吸気カム位相ＣＡＩＮ及び排気カム位相ＣＡＥＸに基づいて、バルブオーバーラップ期間の長さを表すオーバーラップ角度ＯＶＬを算出するオーバーラップ角度算出手段（ＥＣＵ２）と、内燃機関３に要求される要求トルクＴＲＱを算出する要求トルク算出手段（ＥＣＵ２）と、要求トルクＴＲＱ及びオーバーラップ角度ＯＶＬに応じて、補正係数ＫＧｅｇｒを算出する補正係数算出手段（ＥＣＵ２）と、吸気カム位相ＣＡＩＮ及び排気カム位相ＣＡＥＸに応じて、バルブオーバーラップ期間の中央を表すオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒを算出するオーバーラップ中央位置算出手段（ＥＣＵ２）と、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を算出する補正項算出手段（ＥＣＵ２）と、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅに加算することにより、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを算出する加算手段（ＥＣＵ２）と、を有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、気筒から吸気系および排気系の少なくとも一方に一旦、流出した後、気筒内に再度、流入する既燃ガスの量である吹き返しガス量が、第１排気圧パラメータに応じて算出され、気筒内に残留する既燃ガス量である残留ガス量が、第２排気圧パラメータに応じて算出されるとともに、残留ガス量および吹き返しガス量に基づき、内部ＥＧＲ量が算出される。この場合、第１排気圧パラメータは、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であるので、そのような第１排気圧パラメータに応じて、吹き返しガス量を算出することにより、バルブオーバーラップ期間中の排気圧の変動度合いが大きい条件下でも、その変動状態を反映させながら、吹き返しガス量を精度よく算出することができる。それにより、内部ＥＧＲ量を適切に算出することができ、その算出精度を向上させることができる（なお、本明細書における「第１排気圧パラメータを取得」や、「第２排気圧パラメータを取得」などにおける「取得」は、センサなどによりこれらのパラメータを直接検出することや、これらのパラメータを他のパラメータに基づいて推定することを含む）。

一般に、バルブオーバーラップ期間を有する内燃機関において、吹き返しガス量を算出する場合、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できた（後述する図９，１０参照）。したがって、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を、第１排気圧パラメータとして取得し、この最小排気圧に応じて、吹き返しガス量が算出されるので、吹き返しガス量の算出精度をさらに向上させることができる。また、吹き返しガス量が最小排気圧に応じて算出されるので、有効開口面積の積分演算を実行する特許文献１の手法と比べて、吹き返しガス量を容易に算出することができ、その演算負荷を低減することができる。さらに、同じ理由により、内部ＥＧＲ量が過剰な値として算出される可能性がなくなることによって、そのような内部ＥＧＲ量を用いて内燃機関を制御した場合、燃焼状態の悪化を回避でき、ノッキングの発生を抑制することができる。

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、第２排気圧パラメータ取得手段は、第２排気圧パラメータとして、所定期間中における排気通路９内の圧力の平均値である平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを算出する平均排気圧算出手段（ＥＣＵ２）を有し、第１排気圧パラメータ取得手段は、内燃機関３の運転状態を表す値（エンジン回転数ＮＥ、吸入空気量ＧＡＩＲ）に応じて、最小排気圧を算出するための振幅ΔＰｅｘを算出する振幅算出手段（ＥＣＵ２）と、振幅ΔＰｅｘおよび平均排気圧ＰｅｘＡｖｅに基づき、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを算出する最小排気圧算出手段（ＥＣＵ２）と、を有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、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、最小排気圧を算出するための振幅が算出されるとともに、振幅および平均排気圧に基づき、最小排気圧が算出される。したがって、この振幅の算出手法として、マップ検索手法や算出式を用いることにより、有効開口面積の積分演算を実行する特許文献１の手法と比べて、吹き返しガス量を容易に精度よく算出することができ、その演算負荷をさらに低減することができる。

本発明の一実施形態に係る内部ＥＧＲ量算出装置およ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および可変排気カム位相機構による吸気弁およ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。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝０の場合の（ａ）バルブリフト曲線と、（ｂ）排気流量の測定結果の一例と、（ｃ）排気圧Ｐｅｘの測定結果の一例とを示す図である。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝ＣＡＲＥＦで、低負荷運転中の場合の（ａ）バルブリフト曲線と、（ｂ）排気圧Ｐｅｘの測定結果の一例とを示す図である。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝ＣＡＲＥＦで、高負荷運転中の場合の（ａ）バルブリフト曲線と、（ｂ）排気圧Ｐｅｘの測定結果の一例とを示す図である。 最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いて基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出した場合の算出結果の誤差の一例を示す図である。 平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを用いて基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出した場合の算出結果の誤差の一例を示す図である。

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およびピストン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）進角側また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、所定の原点値ＣＡＩＮ＿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、所定の原点値ＣＡＩＮ＿０は値０に設定され、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）進角側また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、所定の原点値ＣＡＥＸ＿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、所定の原点値ＣＡＥＸ＿０は値０に設定され、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（排気系）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（吸気系）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およ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および燃料噴射弁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および燃料噴射弁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および噴射時期と、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信号および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。

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およ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が第１排気圧パラメータ取得手段および第２排気圧パラメータ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信号および前述したＣＲＫ信号に基づき、吸気カム位相ＣＡＩＮを算出する。

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信号および前述した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および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およ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、第１排気圧パラメータ取得手段、第２排気圧パラメータ取得手段、吹き返しガス量算出手段、残留ガス量算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段、平均排気圧算出手段、振幅算出手段および最小排気圧算出手段に相当する。

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およ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では、吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて、図示しないテーブルを検索することにより、筒内容積Ｖｃｙｌが算出される。この筒内容積Ｖｃｙｌは、吸気弁４の開弁タイミングにおける気筒３ａ内の容積であり、吸気弁４の開弁タイミングに依存する特性を有している。そのため、本実施形態では、吸気弁４の開弁タイミングを決定する吸気カム位相ＣＡＩＮを用い、これに応じたテーブル検索手法によって、筒内容積Ｖｃｙｌが算出される。

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（第２排気圧パラメータ）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、吸気弁４が開弁する直前において気筒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では、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅおよび排気温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および加算器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および吸入空気量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およびエンジン回転数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。なお、本実施形態では、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＧＡＩＲが内燃機関の運転状態を表す値に相当する。

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、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅの算出において、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いているが、その理由については後述する。

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および要求トルク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および吸気カム位相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、図６〜１０を参照しながら、前述したように、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いて基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出した理由および観点について説明する。まず、図６（ａ）に示すように、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝０の場合、前述したオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点になる。その場合、図６（ｂ）に示すように、バルブオーバーラップ期間中、既燃ガスが排気通路９から吸気通路８側に逆流することで、排気流量が負値を示すとともに、その値がオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒ付近で最も小さくなる。すなわち、既燃ガスの逆流量が最大となる。それに伴い、排気圧Ｐｅｘは、図６（ｃ）に示すように、既燃ガスの逆流量が最大となる手前のタイミングで、最小値を示す。

また、図７および図８は、吸気カム位相ＣＡＩＮおよび排気カム位相ＣＡＥＸがいずれも所定値ＣＡＲＥＦ（＞０）に設定されている場合の、低負荷運転中および高負荷運転中のときの排気圧Ｐｅｘの測定結果をそれぞれ表している。図７（ｂ）および図８（ｂ）を比較すると明らかなように、バルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの変動量は、エンジン３の高負荷運転中のときの方が低負荷運転中のときよりも大きくなっており、排気圧Ｐｅｘの平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを下回る度合い（すなわち乖離度合い）がより大きくなっていることが判る。

したがって、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを用いて、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出した場合、低負荷運転中のときには、実際の吹き返しガス量との誤差が小さいものの、高負荷運転中のときには、実際の吹き返しガス量との誤差が増大することになる。

ここで、図７（ｂ），８（ｂ）に示す排気圧Ｐｅｘのデータに鑑み、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮの方が、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅと比べて、バルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの変動傾向、特に高負荷運転中の変動傾向をより適切に表していると推定される。この推定に基づき、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮおよび平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを用いて基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出し、その算出結果の実際の吹き返しガス量に対する誤差（％）を算出したところ、図９，１０に示す算出結果がそれぞれ得られた。

両図において、ＴＲＱ１〜３は、ＴＲＱ１＜ＴＲＱ２＜ＴＲＱ３が成立する要求トルクＴＲＱの所定値である。図９に示すように、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いた場合、オーバーラップ角度ＯＶＬの大小にかかわらず、誤差が±Ｎ（Ｎは整数）％の範囲内に収まっていることが判る。これに対して、図１０に示すように、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを用いた場合、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きく、要求トルクＴＲＱが大きい状態のとき、すなわちバルブオーバーラップ期間が長く、運転負荷が大きい状態のときには、誤差が値Ｎを超えており、算出精度が低下していることが判る。

すなわち、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出する際、バルブオーバーラップ期間が長い場合や高負荷運転中の場合、言い換えればバルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの変動度合いが大きい条件の場合には、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いることによって、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを用いたときよりも算出精度が向上することになる。以上の理由および観点に基づき、本実施形態では、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。

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、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶに残留ガス量Ｇｅｇｒｄを加算することによって、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔが算出される。この場合、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶは、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いて算出し、これに補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを加算することによって算出されるので、前述した理由により、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、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを用いた場合と比べて、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶの算出精度を向上させることができ、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。

また、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いて算出される関係上、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔが過剰な値として算出される可能性がなくなることによって、そのような内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを用いてエンジン３を制御した場合、燃焼状態の悪化を回避でき、ノッキングの発生を抑制することができる。

さらに、振幅ΔＰｅｘが、要求トルクＴＲＱおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、マップ検索により算出され、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅからこの振幅ΔＰｅｘを減算することにより、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮが算出されるので、有効開口面積の積分演算を実行する特許文献１の手法と比べて、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを容易に算出することができ、その演算負荷を低減することができる。

なお、実施形態は、第１排気圧パラメータとして、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いた例であるが、本発明の第１排気圧パラメータはこれに限らず、バルブオーバーラップ期間中の排気通路内の圧力を表すものであればよい。例えば、第１排気圧パラメータとして、クランク角位置がバルブオーバーラップ期間の中央位置付近にあるときの排気圧の平均値を用いてもよい。

また、実施形態は、第２排気圧パラメータとして、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを用いた例であるが、本発明の第２排気圧パラメータはこれに限らず、バルブオーバーラップ期間以外の期間を少なくとも含む所定期間中における排気通路内の圧力を表すものであればよい。例えば、第２排気圧パラメータとして、２回以上の燃焼サイクルにおける排気圧Ｐｅｘの平均値を用いてもよく、１燃焼サイクルにおいて平均排気圧ＰｅｘＡｖｅよりも短いサンプリング周期でサンプリングした排気圧Ｐｅｘの平均値を用いてもよい。

さらに、実施形態は、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを、マップ検索により算出した振幅ΔＰｅｘを、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅから減算する手法によって算出した例であるが、本発明の最小排気圧ＰｅｘＭＩＮの算出手法はこれに限らず、バルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの最小値を算出できる手法であればよい。例えば、バルブオーバーラップ期間中において、排気圧Ｐｅｘを極めて短いサンプリング周期でサンプリングし、そのサンプリングデータ中の最小値を最小排気圧ＰｅｘＭＩＮとして設定してもよい。

一方、実施形態は、内燃機関の運転状態を表す値として、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＧＡＩＲを用いた例であるが、本発明の内燃機関の運転状態を表す値はこれらに限らず、内燃機関の運転状態を表すものであればよい。例えば、内燃機関の運転状態を表す値として、アクセルペダルの開度や内燃機関の冷却水温などを用いてもよい。

また、実施形態は、吸気弁４および排気弁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およ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、吸気弁および／また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およ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、吸気弁および／または排気弁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。

さらに、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（第１排気圧パラメータ取得手段、第２排気圧パラメータ取得手段、吹き 返しガス量算出手段、残留ガス量算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段、平均排気圧 算出手段、振幅算出手段、最小排気圧算出手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
４ 吸気弁
５ 排気弁
８ 吸気通路（吸気系）
９ 排気通路（排気系）
３４ 排気圧センサ（第１排気圧パラメータ取得手段、第２排気圧パラメータ取得手段 ）
PexMIN 最小排気圧（第１排気圧パラメータ）
PexAve 平均排気圧（第２排気圧パラメータ）
GegrRV 吹き返しガス量
Gegrd 残留ガス量
Gegr_int 内部ＥＧＲ量
NE エンジン回転数（内燃機関の運転状態を表す値）
GAIR 吸入空気量（内燃機関の運転状態を表す値）
ΔPex 振幅

Claims (2)

1. 吸気弁およ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の排気通路内の圧力のうちの最小値である最小排気圧を、第１排気圧パラメータとして取得する第１排気圧パラメータ取得手段と、
   前記バルブオーバーラップ期間以外の期間を少なくとも含む所定期間中における前記排気通路内の圧力を表す第２排気圧パラメータを取得する第２排気圧パラメータ取得手段と、
   前記気筒から吸気系および排気系の少なくとも一方に一旦、流出した後、当該気筒内に再度、流入する既燃ガスの量である吹き返しガス量を、前記第１排気圧パラメータに応じて算出する吹き返しガス量算出手段と、
   前記気筒内に残留する既燃ガス量である残留ガス量を、前記第２排気圧パラメータに応じて算出する残留ガス量算出手段と、
   前記残留ガス量および前記吹き返しガス量に基づき、前記内部ＥＧＲ量を算出する内部ＥＧＲ量算出手段と、
   を備え、
   前記吹き返しガス量算出手段は、
   前記第１排気圧パラメータである前記最小排気圧を、前記吹き返しガスが流れる流路をノズルと見なしたときのノズルの式に適用することにより、基本吹き返しガス量を算出する基本吹き返しガス量算出手段と、
   吸気カムシャフトのクランクシャフトに対する相対的な位相である吸気カム位相を算出する吸気カム位相算出手段と、
   排気カムシャフトのクランクシャフトに対する相対的な位相である排気カム位相を算出する排気カム位相算出手段と、
   前記吸気カム位相及び前記排気カム位相に基づいて、前記バルブオーバーラップ期間の長さを表すオーバーラップ角度を算出するオーバーラップ角度算出手段と、
   前記内燃機関に要求される要求トルクを算出する要求トルク算出手段と、
   前記要求トルク及び前記オーバーラップ角度に応じて、補正係数を算出する補正係数算出手段と、
   前記吸気カム位相及び前記排気カム位相に応じて、前記バルブオーバーラップ期間の中央を表すオーバーラップ中央位置を算出するオーバーラップ中央位置算出手段と、
   当該オーバーラップ中央位置に前記補正係数を乗算することにより、補正項を算出する補正項算出手段と、
   当該補正項を前記基本吹き返しガス量に加算することにより、前記吹き返しガス量を算出する加算手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
2. 前記第２排気圧パラメータ取得手段は、
   前記第２排気圧パラメータとして、前記所定期間中における前記排気通路内の圧力の平均値である平均排気圧を算出する平均排気圧算出手段を有し、
   前記第１排気圧パラメータ取得手段は、
   前記内燃機関の運転状態を表す値に応じて、前記最小排気圧を算出するための振幅を算出する振幅算出手段と、
   当該振幅および前記平均排気圧に基づき、前記最小排気圧を算出する最小排気圧算出手段と、
   を有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。

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