JP2005307804A - 内燃機関の排気圧推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部ＥＧＲ量推定等のため排気弁開時の排気弁近傍の排気脈動圧を高精度に推定する。
【解決手段】 機関の図示トルクＴｅｓ１を当量比、点火時期補正して得られた図示トルクＴｅｓ２から、図示平均有効圧Ｐｉｍを排気弁直前のシリンダ内圧力に相関する値として算出し（Ｓ１〜Ｓ７）、図示平均有効圧Ｐｉｍの平滑された排気圧Ｐｅｘｍに対する比である排気圧力比Ｒｐｉｍ／Ｐｅｘｍと機関回転速度Ｎｅとをパラメータとして予め求められた脈動圧補正値のデータをセットして得られたマップから、現在の排気圧力比Ｒｐｉｍ／Ｐｅｘｍと機関回転速度Ｎｅとに基づいて脈動圧補正値を検索し、平滑された排気圧Ｐｅｘｍに加算して排気弁開時の排気弁近傍の脈動圧Ｐｅｘを算出する（Ｓ８〜Ｓ１１）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の内部ＥＧＲ量ひいてはシリンダ吸入空気量を推定するためなどに用いる排気圧を推定する装置に関する。

従来、内燃機関では、燃焼温度の上昇による窒素酸化物の発生を抑制するため、排気の一部を筒内に戻す排気還流（以下「ＥＧＲ」という。）が行われている。
ＥＧＲには、排気管と吸気管との間に接続されたＥＧＲ管を介して行う外部ＥＧＲと、このＥＧＲ管を介さずに行う内部ＥＧＲとがある。内部ＥＧＲを推定するには、吸気弁開期間と排気弁開期間とがオーバーラップしないときにシリンダ内に残留するガス量に、オーバーラップしているときに排気側と吸気側との間で吹き抜けた後、シリンダ内に吸入される吹き抜けガス量を加えて推定する必要がある。該吹き抜けガス量は、オーバーラップ中の有効開口面積と、排気圧及び吸気圧（両者の差圧）とにより求められる。
特開２００１−２２１１０５号公報

ところで、排気圧及び吸気圧は、特に高負荷時に吸・排気弁の開閉によって脈動となって変動し、特に上記吹き抜け量を推定するための吸・排気弁近傍の排気圧及び吸気圧は、前記脈動の影響を大きく受ける。
しかしながら、従来、上記吹き抜けガス量の推定に用いられる排気圧及び吸気圧は、吸・排気マニホールド集合部の圧力センサによって検出される平滑化された圧力値、あるいは機関運転状態（回転速度、負荷）から推定される圧力値が用いられ、脈動の影響が考慮されておらず、したがって、吹き抜けガス量を高精度に推定できていなかった。

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、排気弁近傍の排気圧を脈動を考慮して高精度に推定することを目的とする。

本発明は、排気弁開直前のシリンダ内圧力を検出又は推定し、該検出又は推定された排気弁開直前のシリンダ内圧力と機関回転速度とに基づいて、排気弁開時の排気弁近傍の排気圧を推定する構成とした。

本発明によれば、排気弁開直前のシリンダ内の圧力と平滑された排気圧との比を起振力として排気脈動が発生するので、この圧力比をパラメータとして脈動レベルが定まり、また、脈動の位相は機関回転速度によって定まるので、これら圧力比と機関回転速度とに基づいて、排気弁近傍の排気脈動圧を推定することができる。なお、平滑された排気圧は大気圧に近い略一定の値であるので、前記圧力比の代わりに排気弁開直前のシリンダ内の圧力をそのまま用いることもできる。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン（内燃機関）１の構成を示している。
吸気通路１１の導入部には、エアクリーナ１２が取り付けられており、エアクリーナ１２により吸入空気中の粉塵等が除去される。吸気通路１１において、エアクリーナ１２の下流には、電子制御式のスロットル弁１３が設置されている。スロットル弁１３の下流には、サージタンク１４が取り付けられており、サージタンク１４にブランチ１５が取り付けられ、吸気マニホールドが構成されている。サージタンク１４内の吸入空気は、ブランチ１５及びシリンダヘッドに形成された吸気ポート１６を介して筒内に流入する。各気筒の吸気ポート１６には、燃料供給用のインジェクタ１７が設置されている。

エンジン本体において、燃焼室１８は、シリンダヘッド及びピストン１９により挟まれた空間として形成される。燃焼室１８は、気筒中心軸を基準とした一側で吸気ポート１６と接続しており、吸気ポート１６は、吸気弁２０により開放及び遮断される。吸気弁２０は、吸気カム２１により駆動される。また、燃焼室１８は、吸気ポート１６とは反対の一側で排気ポート２２と接続しており、排気ポート２２は、排気弁２３により開放及び遮断される。排気弁２３は、排気カム２４により駆動される。吸気カム２１に対して吸気側可変動弁装置２５が、排気カム２４に対して排気側可変動弁装置２６が設けられており、これらの可変動弁装置２５，２６により吸気カム２１又は排気カム２４の各カムシャフトに対する位相を変化させることで、吸気弁２０又は排気弁２３の作動特性を変化させ得るように構成されている。可変動弁装置２５，２６は、油圧型及びソレノイド型等のいかなる形態のものを採用してもよいが、本実施形態では、吸気弁２０又は排気弁２３の開閉時期（すなわち、バルブタイミング）を変化させることで、吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ期間（以下、単に「オーバーラップ期間」という。）を変化させ得るものを採用している。シリンダヘッドには、燃焼室１８の上部略中央に臨ませて点火プラグ２７が設置されている。

排気通路２８には、排気マニホールドの直後に第１の触媒コンバータ２９が介装されるとともに、その下流に第２の触媒コンバータ３０が介装されている。排気ポート２２に流出した排気は、これらの触媒コンバータ２９，３０及びマフラー３１を通過して、大気中に放出される。
インジェクタ１７、点火プラグ２７及び各可変動弁装置２５，２６の動作は、エンジンコントロールユニット（以下「ＥＣＵ」という。）４１により制御される。ＥＣＵ４１には、エアフローメータ５１からの吸入空気量Ｑａ検出信号、吸気マニホールドの集合部に設けられた吸気圧センサ５２からの吸気圧Ｐｉｎ検出信号、水温センサ５３からの冷却水温度Ｔｗ検出信号、クランク角センサ５４からの単位クランク角及び基準クランク角検出信号（ＥＣＵ４１は、これをもとに、機関回転速度Ｎｅを算出する。）、排気マニホールドの集合部に設けられた排気圧センサ５５により検出される排気圧Ｐｅｘ検出信号、温度センサ５６からの排気温度検出信号、酸素センサ５７からの空燃比検出信号、アクセルセンサ５８からのアクセル開度検出信号、及びカム角センサ５９，６０からのカム角検出信号（これをもとに、カムとカムシャフトとの実際の位相差を検出可能である。）が入力される。ＥＣＵ４１は、入力した各信号をもとに、上記の各デバイスの制御量を設定する。

本実施形態では、ＥＣＵ４１がエンジン１の内部ＥＧＲ量推定等のため、排気弁２３近傍の脈動する排気圧を推定する機能を備えている。
以下、上記排気弁２３近傍の排気圧（排気弁開から排気弁閉における任意の時点での排気弁近傍の排気圧）の推定について説明する。
排気弁２３が開くと、燃焼室内の燃焼ガスが排気ポート２２に押し出され、この際発生する圧力波が音速で排気通路２８を伝播し、開放端で反射波となって上流側に伝播し、新たに排気弁開時に発生する圧力波と合成して、いわゆる排気脈動圧となる。該排気脈動圧のレベル（振幅）は、起振力となる排気弁開弁直前のシリンダ内圧力と平滑化された排気圧（以下排気平滑圧という）との圧力比によって定まる。ここで、前記排気圧センサ５５が取り付けられる排気マニホールド集合部は、容積が大きく各気筒からの圧力波が干渉して平滑化されるので、該排気圧センサ５５で検出される排気圧を排気平滑圧として用いることができる。さらに検出値を平均化処理した値を用いてもよい。

また、内部ＥＧＲ量の算出には、排気弁開時期における排気弁近傍の排気脈動圧を求める必要があるが、該排気脈動圧の位相は、排気通路形状（等価管長）と圧力波の速度、つまり音速で定まる基本周波数に対し機関回転速度に応じて変化する。なお、音速は、排気温度変化により変化するが排気温度の変化代による音速変化は小さいので、ほぼ機関回転速度のみで位相が決まる。

そこで、本実施形態では、シリンダ内圧力と排気平滑圧との圧力比及び機関回転速度をパラメータとして、排気脈動圧を推定する。
以下、排気脈動圧推定の詳細を、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
ステップ１では、標準状態でのストイキ燃焼（理論空燃比での燃焼）時の軸トルクＴｅｓ０を、吸気充填効率ＩＴＡＣと機関回転速度Ｎｅとに基づいて図３に示す特性を有したマップから検索する。ここで、前記吸気充填効率ＩＴＡＣは、例えば、吸入空気量Ｑａと機関回転速度Ｎｅとから算出される基本燃料噴射量Ｔｐと、１００％の充填効率に相当する燃料噴射量との比として算出する。

ステップ２では、スロットル弁全閉時のフリクショントルクＴｅｆを、機関回転速度Ｎｅに基づいて、図４に示す特性を有したマップから検索する。
ステップ３では、ポンピングロストルクＴｅｐを、次式により算出する。
Ｔｅｐ＝（Ｐｅｘ−Ｐｉｎ）×（Ｖｏｌ−Ｖｉｖｏ×０．５）
／（６０×２×２π）
Ｐｅｘ：排気平滑圧
Ｐｉｎ：吸気圧
Ｖｏｌ：行程容積
Ｖｉｖｏ：下死点から吸気弁開時期までの行程容積
なお、前記吸気圧センサ５２で検出される吸気圧Ｐｉｎも、吸気マニホールド集合部で吸気圧力波が平滑化された圧力値となっている。さらに検出値を平均化処理した値を用いてもよい。

ステップ４では、ストイキ図示トルクＴｅｓ１を、次式により算出する。
Ｔｅｓ１＝Ｔｅｓ０＋Ｔｅｆ−Ｔｅｐ
ステップ５では、ストイキ図示トルクＴｅｓ１を、燃焼混合気の当量比ＴＦＢＹＡＸに応じて図５に示す特性を有した当量比補正テーブルより検索した当量比補正率Ｋｔｆを乗じることによって補正する。

ステップ６では、機関運転状態（回転速度、負荷）に基づいて算出された最大トルク発生用の基本点火時期ＭＢＴを、水温,ノッキング検出状態等に基づいて算出された要求リタード補正値により補正した補正後の点火時期における図示トルク（現状の機関発生トルク）Ｔｅｓ２を算出する。
ステップ７では、次式のように、前記図示トルクＴｅｓ２を図示平均有効圧Ｐｉｍに変換する。

Ｐｉｍ＝ｋ×Ｔｅｓ２／Ｖｏｌ（ｋ：定数）
ここで、前記図示平均有効圧Ｐｉｍは、排気弁開直前のシリンダ内圧力そのものではないが、排気弁開直前のシリンダ内圧力と相関（比例）する値といえるので、本実施形態では排気弁開直前のシリンダ内圧力として図示平均有効圧Ｐｉｍを用いる。また、排気弁開直前のシリンダ内圧力（図示平均有効圧Ｐｉｍ）をエンジン運転状態に用いて推定してもよい。なお、可変バルブタイミング機構を備えず吸気弁閉時期が一定でＶｏｌ一定の場合は、単位は異なるが、図示トルクＴｅｓ２も図示平均有効圧Ｐｉｍに比例し、したがって、排気弁開直前のシリンダ内圧力とも相関（比例）する値といえるので、該図示トルクＴｅｓ２を排気弁開直前のシリンダ内圧力の大きさを表すパラメータとして用いることもできる。

ステップ８では、図示平均有効圧Ｐｉｍと排気平滑圧Ｐｅｘｍとから排気脈動の起振力の指標となる排気圧力比ＲＰｉｍ／Ｐｅｘｍを算出する。
ステップ９では、前記排気圧力比ＲＰｉｍ／Ｐｅｘｍと機関回転速度Ｎｅとをパラメータとする排気脈動圧補正マップに、予め実験乃至シミュレーションによって求めた排気弁開時期における排気弁近傍の排気脈動圧と排気平滑圧との差圧である脈動圧補正値データをセットする。

ステップ１０では、現在の運転状態における機関回転速度Ｎｅと排気圧力比ＲＰｉｍ／Ｐｅｘｍとに基づいて、上記排気脈動圧補正マップから脈動圧補正値ＤＰを検索する。
ステップ１１では、次式のように、前記排気平滑圧Ｐｅｘｍに脈動圧補正値ＤＰを加算して排気脈動圧Ｐｅｘを算出する。
Ｐｅｘ＝Ｐｅｘｍ＋ＤＰ
図６は、排気圧力比ＲＰｉｍ／Ｐｅｘｍと機関回転速度Ｎｅをパラメータとする排気弁開時の排気弁近傍の排気脈動圧の特性を示す。

このようにすれば、比較的簡易な演算処理によって排気弁開時の排気弁近傍の排気圧を脈動を考慮して高精度にリアルタイムで推定することができ、ひいては、内部ＥＧＲ量さらにはシリンダ吸入空気量を高精度に推定して該推定値に基づく機関制御性能を向上させることができる。
なお、上記実施形態では、排気圧センサで検出した排気平滑圧を用いることにより、より高精度に排気圧を推定できるが、簡易的には排気平滑値は大気圧に近い値であるので、大気圧を用いてもよく、大気圧を固定値とした場合にはシリンダ内圧力（上記実施形態では図示平均有効圧を用いる）そのものを用いればよい。

本発明の一実施形態に係るエンジンの構成 排気脈動圧推定ルーチンのフローチャート 軸トルクの特性を示す図 フリクショントルクの特性を示す図 当量比補正率の特性を示す図 排気脈動圧の特性を示す図

符号の説明

１…エンジン、１１…吸気通路、１３…スロットル弁、１６…吸気ポート、１７…インジェクタ、１８…燃焼室、２０…吸気弁、２１…吸気カム、２２…排気ポート、２３…排気弁、２４…排気カム、２５…吸気側可変動弁装置、２６…排気側可変動弁装置、２７…点火プラグ、２８…排気通路、４１…エンジンコントロールユニット、５１…エアフローメータ、５２…吸気圧センサ、５３…水温センサ、５４…クランク角センサ、５５…排気圧センサ、５８…アクセルセンサ、５９，６０…カム角センサ。

Claims (8)

1. 排気弁開直前のシリンダ内圧力を検出又は推定し、該検出された排気弁開直前のシリンダ内圧力と機関回転速度とに基づいて、排気弁開時の排気弁近傍の排気圧を推定することを特徴とする内燃機関の排気圧推定装置。
2. 前記排気弁開時の排気弁近傍の排気圧は、排気弁開から排気弁閉における任意の時点での排気弁近傍の排気圧であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気圧推定装置。
3. 前記排気弁開直前のシリンダ内圧力を、平滑された排気圧に対する値に処理したパラメータを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の排気圧推定装置。
4. 前記パラメータは、排気弁開直前のシリンダ内圧力と平滑された排気圧との比であることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気圧推定装置。
5. 前記平滑された排気圧として大気圧を用いることを特徴とする請求項３または請求項４３に記載の内燃機関の排気圧推定装置。
6. 前記排気弁開直前のシリンダ内圧力として図示平均有効圧を用いることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気圧推定装置。
7. 前記排気弁開直前のシリンダ内圧力として図示トルクを用いることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の排気圧推定装置。
8. 前記図示平均有効圧または図示トルクは、点火時期，空燃比等の補正を行った値を用いることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の内燃機関の排気圧推定装置。

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