JP2006322363A - エンジンの内部ｅｇｒ率推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの内部ＥＧＲを容易且つ高精度に推定する。
【解決手段】所定のエンジン運転状態Ａ１であって且つ吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ非実行時において、外部ＥＧＲを行うと共に外部ＥＧＲ率αに対するＮＯｘ排出量Ｘを求める第１ステップと、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ実行時で且つ外部ＥＧＲ非実行時において、所定のエンジン運転状態Ａ１における吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量β１に対するＮＯｘ排出量Ｘ１を求める第２ステップと、第１及び第２ステップの結果からＮＯｘ排出量を指標として吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量β１と外部ＥＧＲ率αとの関係を求め且つその外部ＥＧＲ率αを内部ＥＧＲ率γとみなすことによって所定のエンジン運転状態Ａ１における吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量β１に対する内部ＥＧＲ率γ１を推定する第３ステップとを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの内部ＥＧＲ率推定方法に関するものである。

従来より、エンジンの運転状態に応じて燃費を向上させると共にＮＯｘ排出量を低減させるために、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングをそれぞれ可変に制御して、内部ＥＧＲ率を最適に制御するものがある（特許文献１参照）。
特開平０５−１１８２３２号公報

しかしながら、エンジンの運転状態に応じて内部ＥＧＲ率を最適化すべくエンジンの運転状態毎に吸排気バルブの開閉タイミングを制御しても、エンジンの運転状態及びバルブの開閉タイミングに対する内部ＥＧＲ率を正確に把握していなければ、エンジンの運転状態に応じた最適な内部ＥＧＲ率を実現することはできない。さらに、内部ＥＧＲを行うエンジンにおいては、内部ＥＧＲ率に応じて空燃比や点火時期を制御するが、内部ＥＧＲ率を正確に把握していなければ、空燃比制御や点火時期制御の精度も悪化する。

この内部ＥＧＲは気筒内に既燃ガスを残留させることによって行われるが、気筒内の残留する既燃ガスを直接測定することは困難である。そのため、内部ＥＧＲ率を精度良く推定する必要がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エンジンの内部ＥＧＲを容易且つ高精度に推定することにある。

本発明は、外部ＥＧＲ率については容易且つ精度良く測定できることに着目して、外部ＥＧＲ率及び吸排気バルブのオーバーラップ量をそれぞれ変化させたときのエンジンの所定のアウトプットを基準にして内部ＥＧＲ率を推定するようにしたものである。

第１の発明は、吸気バルブ及び排気バルブのうち少なくとも一方の開閉時期を制御することによって吸排気バルブをオーバーラップさせて内部ＥＧＲを行うエンジンにおいて内部ＥＧＲ率を推定する推定方法が対象である。

そして、このエンジンの内部ＥＧＲ率推定方法は、所定のエンジン運転状態であって且つ上記吸排気バルブのオーバーラップ非実行時において、上記エンジンの排気の一部を還流させて外部ＥＧＲを行うと共に、外部ＥＧＲ率を変化させたときの外部ＥＧＲ率に対するエンジンから排出されるＮＯｘ排出量を求める第１ステップと、上記吸排気バルブのオーバーラップ実行時で且つ上記外部ＥＧＲ非実行時において、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対するエンジンから排出されるＮＯｘ排出量を求める第２ステップと、上記第１及び第２ステップの結果から、上記ＮＯｘ排出量を指標として上記吸排気バルブのオーバーラップ量と上記外部ＥＧＲ率との関係を求めると共に、求められた関係における外部ＥＧＲ率を内部ＥＧＲ率とみなすことによって、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を推定する第３ステップと、を含むものとする。

ここで、内部ＥＧＲ率とは、新気流量又は全吸気流量（新気流量と気筒内の既燃ガス流量（ＥＧＲガス流量）とを合わせたもの）に対する排気されずに気筒内に残留する既燃ガス流量（ＥＧＲガス流量）の割合を意味し、外部ＥＧＲ率とは、新気流量又は全吸気流量（新気流量と気筒内の既燃ガス流量（ＥＧＲガス流量）とを合わせたもの）に対する排気系から気筒の外部を介して吸気系へ還流された既燃ガス流量（ＥＧＲガス流量）の割合を意味する。

上記の構成の場合、第１ステップにおいては、上記吸排気バルブのオーバーラップを実行しないことによって、内部ＥＧＲを停止させる。つまり、外部ＥＧＲだけが行われ、エンジンの気筒内に存在するＥＧＲガスは外部ＥＧＲにより還流されたもののみとなる。よって、第１ステップにおいては、内部ＥＧＲを行うことなく外部ＥＧＲのみを行ったときの外部ＥＧＲ率に対するＮＯｘ排出量が求められる。ここで、外部ＥＧＲ率は、例えば、吸気マニホールドからサンプリングしたＣＯ₂濃度と排気管内のＣＯ₂濃度との比から吸気管内のＥＧＲガスの割合を求める等の公知の方法によって容易且つ精度良く測定することができる。

次に、第２ステップにおいては、外部ＥＧＲを実行せずに上記吸排気バルブのオーバーラップを実行させることによって、外部ＥＧＲを停止させて内部ＥＧＲのみを行う。そのため、エンジンの気筒内に存在するＥＧＲガスは内部ＥＧＲにより残留したもののみとなる。この気筒内の内部ＥＧＲ率を直接測定することは困難であるため、第２ステップでは、内部ＥＧＲ率に直接影響を与える吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＮＯｘ排出量を求める。

そして、第３ステップでは、第１ステップで求めた外部ＥＧＲ率に対するＮＯｘ排出量の関係と第２ステップで求めた吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＮＯｘ排出量の関係とからＮＯｘ排出量を指標とすることによって、所定のエンジン運転状態において吸排気バルブが所定のオーバーラップ量であるときの内部ＥＧＲ率が、外部ＥＧＲ率で表せばいくらに相当するのかが求められる。ここで、外部ＥＧＲと内部ＥＧＲとは、ＥＧＲガスを気筒内に還流又は残留させる方法が異なるだけであって、気筒内の全吸気中にＥＧＲガスが含まれる点は同じであり、外部ＥＧＲ率も内部ＥＧＲ率も新気流量又は全吸気流量に対するＥＧＲガス流量の割合である点は同じである。すなわち、第１ステップにおいて求めたＮＯｘ排出量は、外部ＥＧＲに限られるものではなく、外部か内部かを問わないＥＧＲ率に対するＮＯｘ排出量を示すものであるといえる。つまり、上記のＮＯｘ排出量を指標として求められた、上記所定のオーバーラップ量に相当する外部ＥＧＲ率は、該所定のオーバーラップ量に対応する内部ＥＧＲ率であると推定することができる。

このように、外部ＥＧＲ率は容易且つ精度良く測定できる点、吸排気バルブのオーバーラップ量は容易且つ精度良く測定できると共に内部ＥＧＲ率に直接影響を与える点、およびＮＯｘ排出量は外部ＥＧＲ率であるか内部ＥＧＲ率であるかに拘わらずＥＧＲ率に対して一定の特性を有する点に着目して、上記第１〜３ステップによって、内部ＥＧＲ率を容易且つ精度良く推定することができる。

また、第１の発明は、上記第２ステップで、吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＮＯｘ排出量を、ある１つのオーバーラップ量に対してのみ求めるのではなく、オーバーラップ量を変化させながら、異なるオーバーラップ量毎にＮＯｘ排出量を求めるようにしてもよい。それと共に、上記第３ステップで、異なるオーバーラップ量毎にＮＯｘ排出量を指標として内部ＥＧＲ率を求めるようにしてもよい。こうすることによって、ある１つのオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を推定するだけでなく、異なる複数のオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を推定することができる。

さらに、所定のエンジン運転状態を変化させながら、上述の異なる複数のオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を推定することによって、エンジンの運転状態と吸排気バルブのオーバーラップ量とに応じた内部ＥＧＲ率を推定することができる。

第２の発明は、吸気バルブ及び排気バルブのうち少なくとも一方の開閉時期を制御することによって吸排気バルブをオーバーラップさせて内部ＥＧＲを行うエンジンにおいて内部ＥＧＲ率を推定する推定方法が対象である。

そして、このエンジンの内部ＥＧＲ率推定方法は、所定のエンジン運転状態であって且つ上記吸排気バルブのオーバーラップ非実行時において、上記エンジンの排気の一部を還流させて外部ＥＧＲを行うと共に、外部ＥＧＲ率を変化させたときの外部ＥＧＲ率に対するＭＢＴとなる点火進角量を求める第１ステップと、上記吸排気バルブのオーバーラップ実行時で且つ上記外部ＥＧＲ非実行時において、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＭＢＴとなる点火進角量を求める第２ステップと、上記第１及び第２ステップの結果から、上記ＭＢＴとなる点火進角量を指標として上記吸排気バルブのオーバーラップ量と上記外部ＥＧＲ率との関係を求めると共に、求められた関係における外部ＥＧＲ率を内部ＥＧＲ率とみなすことによって、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を推定する第３ステップと、を含むものとする。

ここで、「ＭＢＴとなる点火進角量」とは、ある運転条件下で最大の軸トルクを発生するのに必要な最小点火進角量をいう。

上記の構成は、上記第１の発明と同様に、容易且つ精度良く測定することができる外部ＥＧＲ率から内部ＥＧＲ率を推定する。この第２の発明は、内部ＥＧＲ率を推定する際に指標とする対象がエンジンからのＮＯｘ排出量ではなく、ＭＢＴとなる点火進角量である点で第１の発明と異なる。

詳しく説明すると、まず第１ステップでは、上記吸排気バルブのオーバーラップを実行しないことによって、内部ＥＧＲを停止させる。つまり、外部ＥＧＲだけが行われ、エンジンの気筒内に存在するＥＧＲガスは外部ＥＧＲにより還流されたもののみとなる。よって、第１ステップにおいては、内部ＥＧＲを行うことなく外部ＥＧＲのみを行ったときの外部ＥＧＲ率に対するＭＢＴとなる点火進角量が求められる。

次に、第２ステップにおいては、外部ＥＧＲを実行せずに上記吸排気バルブのオーバーラップを実行させることによって、外部ＥＧＲを停止させて内部ＥＧＲのみを行う。そのため、エンジンの気筒内に存在するＥＧＲガスは内部ＥＧＲにより残留したもののみとなる。この気筒内の内部ＥＧＲ率を直接測定することは困難であるため、第２ステップでは、内部ＥＧＲ率に直接影響を与える吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＭＢＴとなる点火進角量を求める。

そして、第３ステップにおいて、第１ステップで求めた外部ＥＧＲ率に対するＭＢＴとなる点火進角量の関係と第２ステップで求めた吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＭＢＴとなる点火進角量の関係とからＭＢＴとなる点火進角量を指標とすることによって、所定のエンジン運転状態において吸排気バルブが所定のオーバーラップ量であるときの内部ＥＧＲ率が、外部ＥＧＲ率で表せばいくらに相当するのかが求められる。ここで、第１ステップにおいて求めたＭＢＴとなる点火進角量は、外部ＥＧＲに限られるものではなく、外部か内部かを問わないＥＧＲ率に対するＭＢＴとなる点火進角量を示すものであるといえる。つまり、上記のＭＢＴとなる点火進角量を指標として求められた、上記所定のオーバーラップ量に相当する外部ＥＧＲ率は、該所定のオーバーラップ量に対応する内部ＥＧＲ率であると推定することができる。

このように、外部ＥＧＲ率は容易且つ精度良く測定できる点、吸排気バルブのオーバーラップ量は内部ＥＧＲ率に直接影響を与えると共に容易且つ精度良く測定できる点、およびＭＢＴとなる点火進角量は外部ＥＧＲ率であるか内部ＥＧＲ率であるかに拘わらずＥＧＲ率に対して一定の特性を有する点に着目して、上記第１〜３ステップによって、内部ＥＧＲ率を容易且つ精度良く推定することができる。

本発明によれば、外部ＥＧＲ率は内部ＥＧＲ率とは異なり、容易且つ精度良く測定することができる点、吸排気バルブのオーバーラップ量は内部ＥＧＲ率に直接影響を与えると共に容易且つ精度良く測定できる点、エンジンのアウトプットとしてのＮＯｘ排出量（又はＭＢＴとなる点火進角量）は外部ＥＧＲ率であるか内部ＥＧＲ率であるかに拘わらずＥＧＲ率に対して一定の特性を有する点に着目して、外部ＥＧＲ率に対するＮＯｘ排出量（又はＭＢＴとなる点火進角量）と吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＮＯｘ排出量（又はＭＢＴとなる点火進角量）とから、ＮＯｘ排出量（又はＭＢＴとなる点火進角量）を指標としてオーバーラップ量に相当する外部ＥＧＲ率を求めることによって、容易且つ精度良く内部ＥＧＲ率を推定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
以下では、工場等で行われるベンチ試験においてエンジンの内部ＥＧＲ率を推定する実施形態について説明する。

図１は、本発明の内部ＥＧＲ率推定方法を行うための各装置のブロック図である。エンジン１は多気筒エンジンであり、その気筒１１にはピストン１２が装填されてその上方に燃焼室１３が形成されている。燃焼室１３には吸気ポート１４と排気ポート１５が形成され、各々吸気バルブ１６、排気バルブ１７により開閉される。吸気バルブ１６及び排気バルブ１７は各々の頂部に設けられたカム１８，１９の回転によって駆動され、吸気バルブ１６側には、吸気バルブ１６と排気バルブ１７とのオーバーラップ量を変化させることができるようにカムの位相を変化させる弁開閉時期可変機構（以下、吸気ＶＶＴという。）２０が設けられている。

燃焼室１３の上部には、先端スパーク部が燃焼室１３に臨むように点火プラグ２１が配設されている。また、シリンダヘッドには燃料噴射弁２２が配設され、この燃料噴射弁２２から吸気ポート１４に燃料が噴射される。

吸気ポート１４には、吸気通路２３が接続され、該吸気通路２３には吸入空気量を調節する吸気調節手段としてのスロットルバルブ２４が設けられている。

排気ポート１５には、排気通路（排気マニホールドを含む）２５が接続され、その排気通路２５と吸気通路２３との間には、排気の一部を吸気系に還流するＥＧＲ通路２６が接続されている。このＥＧＲ通路２６は、ステッピングモータによって駆動される排気還流量調節弁（以下、ＥＧＲバルブという）２７により開度調節可能になっている。ＥＧＲ通路２６は、その上流端が排気通路２５に開口する一方、その下流端が吸気通路２３におけるスロットルバルブ２４の下流に開口している。

ＥＣＵ３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備えており、少なくとも、エンジン回転速度センサ４１、吸気流量（新気流量）を検出するエアフローセンサ４２、吸気温を検出する吸気温センサ４３から出力される検出信号等が入力される。そして、ＥＣＵ３は、それらの信号に基づいてエンジン１の運転状態を判定し、その判定結果に応じてエンジン１の点火時期、燃料噴射量、ＥＧＲ量等の制御を実行する。

そして、このエンジン１を搭載した車両には、推定装置５やエンジン負荷装置５４等が設置されており、エンジン１に対する負荷を制御しながら、エンジン１の内部ＥＧＲ率が推定される。

推定装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備えており、少なくとも、エンジン１から排出されるＮＯｘ排出量を測定するＮＯｘ分析計５１と、吸気通路２３内のＣＯ₂濃度を測定する吸気側ＣＯ₂センサ５２と、排気通路２５内のＣＯ₂濃度を測定する排気側ＣＯ₂センサ５３とから出力される検出信号等が入力されると共に、上記エンジン１のＥＣＵ３及びエンジン負荷装置５４とに制御信号を出力する。

エンジン負荷装置５４は、試験走行ローラ（図示省略）を有しており、エンジン１を搭載した車両が試験走行ローラの上を走行するように設置されている。そして、エンジン負荷装置５４は、試験走行ローラの負荷を調節することによってエンジン１に対する負荷を所望の値に設定することができる。

ＮＯｘ分析計５１は、排気通路２５に設けられ、排気中に含まれるＮＯｘ排出量を測定する。

吸気側ＣＯ₂センサ５２は、吸気通路２３におけるＥＧＲ通路２６の開口よりも下流に設けられ、スロットルバルブ２４を介して吸気通路２３に導入される新気とＥＧＲ通路２６を介して吸気通路２３に導入されるＥＧＲガスとを合わせた全吸気中のＣＯ₂濃度を測定する。

排気側ＣＯ₂センサ５３は、排気通路２５に設けられ、排気（既燃ガス）中のＣＯ₂濃度を測定する。

そうして、推定装置５は、エンジン負荷装置５４を制御してエンジン１に対する負荷を調節しつつ、ＥＣＵ３を介してＶＶＴ２０、燃料噴射弁２２、スロットルバルブ２４等を制御して所望のエンジン運転状態を実現しながら、ＮＯｘ分析計５１、吸気側ＣＯ₂センサ５２及び排気側ＣＯ₂センサ５３の検出信号を受けてエンジン１の内部ＥＧＲ率を推定する。

次に、上記推定装置５によるエンジンの内部ＥＧＲ率の推定方法について説明する。

まず、第１ステップでは、推定装置５は、エンジン負荷装置５４及びＥＣＵ３を制御してエンジン１の運転状態Ａを所定のエンジン運転状態Ａ１（所定のエンジン回転速度ｎｅ１、所定の吸気充填効率ｃｅ１）に制御する。このとき、推定装置５はＥＣＵ３を介して、吸気バルブ１６と排気バルブ１７とがオーバーラップしないようにＶＶＴ２０を制御することによって内部ＥＧＲを停止させると共に、ＥＧＲバルブ２７を制御することによって外部ＥＧＲを行う。そして、推定装置５は、このときの外部ＥＧＲ率αとＮＯｘ排出量Ｘとを測定する。

外部ＥＧＲ率αは、本実施形態１では、吸気通路中のＣＯ₂濃度を基準として以下の式によって求めている。

ここで、吸気通路のＣＯ₂濃度は上記吸気側ＣＯ₂センサ５２によって検出される。この吸気側ＣＯ₂センサ５２によって吸気通路内においてスロットルバルブ２４から導入された新気とＥＧＲ通路２６から還流されたＥＧＲガスとの混合気中のＣＯ₂濃度が検出される。排気通路のＣＯ₂濃度は上記排気側ＣＯ₂センサによって検出される。大気中のＣＯ₂濃度は別途設けられたＣＯ₂センサによって検出された値又は一般的な大気中のＣＯ₂濃度を用いる。

ＮＯｘ排出量Ｘは、上記ＮＯｘ分析計５１によって測定される。

こうして、所定のエンジン運転状態Ａ１における、所定の外部ＥＧＲ率αに対するＮＯｘ排出量Ｘが求められる。

そして、推定装置５は、ＥＣＵ３を介してＥＧＲバルブ２７を制御することにより外部ＥＧＲ率αを変化させて、変化させた外部ＥＧＲ率α毎にＮＯｘ排出量Ｘを測定していく（図２中のＡ１のグラフ）。

さらに、推定装置５は、エンジン１の運転状態Ａを所定のエンジン運転状態Ａ１から変化させて、変化させたエンジン運転状態Ａ毎に上述の如く外部ＥＧＲ率αに対するＮＯｘ排出量Ｘを測定していく（例えば、図２中のＡ２のグラフ）。

その結果、図２に示すような、エンジン運転状態Ａ毎の外部ＥＧＲ率αに対するＮＯｘ排出量Ｘを表すマップが求められる。図２のマップに示すように、所定のエンジン運転状態Ａ１（エンジン回転速度がｎｅ１、吸気充填効率がｃｅ１）においては、外部ＥＧＲ率αが高くなるほど燃焼温度が低下するためＮＯｘ排出量Ｘは少なくなる。また、外部ＥＧＲ率αが同じであっても、エンジン回転速度ｎｅが速くなるほど（ｎｅ１→ｎｅ２）又は吸気充填効率ｃｅが高くなるほど（ｃｅ１→ｃｅ２）燃焼温度が高くなるためＮＯｘ排出量Ｘは多くなる。

次に、第２ステップでは、推定装置５は、エンジン負荷装置５４及びＥＣＵ３を制御してエンジン１の運転状態Ａを所定のエンジン運転状態Ａ１（エンジン回転速度ｎｅ１、吸気充填効率ｃｅ１）に制御する。このとき、推定装置５はＥＣＵ３を介して、ＥＧＲバルブ２７を全閉に制御することによって外部ＥＧＲを停止すると共に、吸気バルブ１６と排気バルブ１７とがオーバーラップするようにＶＶＴ２０を制御することによって内部ＥＧＲを行う。そして、推定装置５は、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップが所定のオーバーラップ量β１のときのＮＯｘ排出量Ｘ１を測定する。ＮＯｘ排出量は、上記ＮＯｘ分析計５１によって測定される。

続いて、第３ステップでは、第１ステップで求めたエンジン運転状態Ａ毎の外部ＥＧＲ率αに対するＮＯｘ排出量Ｘの関係を表すマップと第２ステップで求めた吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量β１に対するＮＯｘ排出量Ｘ１との関係とから、ＮＯｘ排出量を指標として、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップが所定のオーバーラップ量β１であるときの内部ＥＧＲ率γ１が外部ＥＧＲ率αで表せばいくらに相当するかを求める。詳しくは、図２において矢印で示すように、所定のエンジン運転状態Ａ１においてＮＯｘ排出量がＸ１のときの外部ＥＧＲ率αがいくらになるかを求める。図２においてはＮＯｘ排出量Ｘ１に対応する外部ＥＧＲ率はα１となる。ここで、外部ＥＧＲと内部ＥＧＲとは、ＥＧＲガスを気筒１１内に還流又は残留させる方法が異なるだけであって、気筒１１内の全吸気中にＥＧＲガスが含まれる点では同じであり、外部ＥＧＲ率も内部ＥＧＲ率も新気流量又は全吸気流量に対するＥＧＲガス流量の割合である点は同じである。つまり、第１ステップで求めたエンジン運転状態Ａ毎の外部ＥＧＲ率αに対するＮＯｘ排出量Ｘの関係を表すマップは、外部ＥＧＲであるか内部ＥＧＲであるかに拘わらず、ＥＧＲ率に対するＮＯｘ排出量Ｘを表すものであって、マップの横軸はＥＧＲ率又は内部ＥＧＲ率γとみなすことができる。したがって、図２のマップから求められたＮＯｘ排出量Ｘ１に対応する外部ＥＧＲ率α１は、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量がβ１のときの内部ＥＧＲ率γ１に相当するとして、内部ＥＧＲ率γ１を推定することができる。

さらに、推定装置５は、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βを変化させると共にエンジン１の運転状態Ａを変化させながら第２及び第３ステップを繰り返して、種々のオーバーラップ量β及びエンジン運転状態Ａに対する内部ＥＧＲ率γを推定することによって、図３に示すようなエンジンの運転状態Ａ毎の吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βに対する内部ＥＧＲ率γの関係を表すマップを求めることができる。図３のマップに示すように、所定のエンジン運転状態Ａ１（エンジン回転速度がｎｅ１、吸気充填効率がｃｅ１）においては、オーバーラップ量βが大きくなるほど気筒１１内に残留する既燃ガスが多くなるため内部ＥＧＲ率γは大きくなる。また、オーバーラップ量βが同じであっても、エンジン回転速度ｎｅが速くなるほど（ｎｅ１→ｎｅ２）又は吸気充填効率ｃｅが高くなるほど（ｃｅ１→ｃｅ２）新気流量が多くなるため内部ＥＧＲ率γは低下する。逆に、オーバーラップ量βが同じであっても、エンジン回転速度ｎｅが遅くなるほど（ｎｅ１→ｎｅ３）又は吸気充填効率ｃｅが低くなるほど（ｃｅ１→ｃｅ３）新気流量が少なくなるため内部ＥＧＲ率γは高くなる。

このように、本実施形態１においては、外部ＥＧＲ率αは内部ＥＧＲ率γとは異なり、吸気通路のＣＯ₂濃度、排気通路のＣＯ₂濃度、大気中のＣＯ₂濃度から容易且つ精度良く測定することができる点、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βは内部ＥＧＲ率γに直接影響を与えると共に容易且つ精度良く測定できる点、エンジン１のアウトプットとしてのＮＯｘ排出量Ｘは外部ＥＧＲ率αであるか内部ＥＧＲ率γであるかに拘わらずＥＧＲ率に対して一定の特性を有する点に着目して、外部ＥＧＲ率αに対するＮＯｘ排出量Ｘと、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βに対するＮＯｘ排出量Ｘとから、ＮＯｘ排出量Ｘを指標とすると共に外部ＥＧＲ率αを内部ＥＧＲ率γとみなして、エンジン運転状態Ａ毎の、オーバーラップ量βに対する内部ＥＧＲ率γを容易且つ精度良く推定することができる。

《発明の実施形態２》
続いて、本発明の実施形態２について説明する。上記実施形態１がＮＯｘ排出量Ｘを指標として外部ＥＧＲ率αと吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βとの関係を算出しているのに対して、本実施形態２は、ＭＢＴとなる点火進角量Ｙを指標としている点で異なる。

図４に、本実施形態２に係るエンジンの内部ＥＧＲ率推定方法を実施するための各装置のブロック図を示す。上記実施形態１と同じ構成については同一の符号を付して、それ以上の説明を省略する。実施形態１と異なる点は、上記ＮＯｘ分析計５１が削除されて、軸トルクセンサ５５が追加された点である。この軸トルクセンサ５５は、推定装置５に接続されていて、軸トルクを検出して検出信号を推定装置５へ出力する。

推定装置５は、エンジン負荷装置５４を制御してエンジン１に対する負荷を調節しつつ、ＥＣＵ３を介してＶＶＴ２０、燃料噴射弁２２、スロットルバルブ２４等を制御して所望のエンジン運転状態を実現しながら、軸トルクセンサ５５、吸気側ＣＯ₂センサ５２及び排気側ＣＯ₂センサ５３の検出信号を受けてエンジン１の内部ＥＧＲ率を推定する。

以下に、本実施形態２における推定装置５による内部ＥＧＲ率の推定方法について説明する。

まず、第１ステップでは、推定装置５は、エンジン負荷装置５４及びＥＣＵ３を制御してエンジン１の運転状態Ａを所定のエンジン運転状態Ａ１（所定のエンジン回転速度ｎｅ１、所定の吸気充填効率ｃｅ１）に制御する。このとき、推定装置５はＥＣＵ３を介して、吸気バルブ１６と排気バルブ１７とがオーバーラップしないようにＶＶＴ２０を制御することによって内部ＥＧＲを停止させると共に、ＥＧＲバルブ２７を制御することによって外部ＥＧＲを行う。そして、推定装置５は、このときの外部ＥＧＲ率αとＭＢＴとなる点火進角量Ｙとを測定する。

外部ＥＧＲ率αは、上記実施形態１と同様の式によって求められる。

ＭＢＴとなる点火進角量Ｙは、あるエンジン運転状態下で最大の軸トルクを発生するのに必要な最小点火進角量であって、点火プラグ２１の点火時期を変化させながら軸トルクを測定することによって求めることができる。

こうして、所定のエンジン運転状態Ａ１における、所定の外部ＥＧＲ率αに対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙが求められる。

そして、推定装置５は、ＥＣＵ３を介してＥＧＲバルブ２７を制御することにより外部ＥＧＲ率αを変化させて、変化させた外部ＥＧＲ率α毎にＭＢＴとなる点火進角量Ｙを測定していく（図５中のＡ１のグラフ）。

さらに、推定装置５は、エンジン１の運転状態Ａを所定のエンジン運転状態Ａ１から変化させて、変化させたエンジン運転状態Ａ毎に上述の如く外部ＥＧＲ率αに対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙを測定していく（例えば、図５中のＡ２のグラフ）。

その結果、図５に示すような、エンジン運転状態Ａ毎の外部ＥＧＲ率αに対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙを表すマップが求められる。図５のマップに示すように、所定のエンジン運転状態Ａ１（エンジン回転速度がｎｅ１、吸気充填効率がｃｅ１）においては、外部ＥＧＲ率αが高くなるほど燃焼室１３内のＥＧＲガスが多くなって燃焼速度が遅くなるためＭＢＴとなる点火進角量は進角側に移行する。また、外部ＥＧＲ率αが同じであっても、エンジン回転速度ｎｅが速くなるほど（ｎｅ１→ｎｅ２）又は吸気充填効率ｃｅが高くなるほど（ｃｅ１→ｃｅ２）新気流量が多くなって燃焼速度が速くなるためＭＢＴとなる点火進角量は遅角側に移行する。

次に、第２ステップでは、推定装置５は、エンジン負荷装置５４及びＥＣＵ３を制御してエンジン１の運転状態Ａを所定のエンジン運転状態Ａ１（エンジン回転速度ｎｅ１、吸気充填効率ｃｅ１）に制御する。このとき、推定装置５はＥＣＵ３を介して、ＥＧＲバルブ２７を全閉に制御することによって外部ＥＧＲを停止すると共に、吸気バルブ１６と排気バルブ１７とがオーバーラップするようにＶＶＴ２０を制御することによって内部ＥＧＲだ行う。そして、推定装置５は、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップが所定のオーバーラップ量β１のときのＭＢＴとなる点火進角量Ｙ１を測定する。ＭＢＴとなる点火進角量Ｙ１は上述のとおり軸トルクセンサ５５からの出力を用いて測定する。

続いて、第３ステップでは、第１ステップで求めたエンジン運転状態Ａ毎の外部ＥＧＲ率αに対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙの関係を表すマップと第２ステップで求めた吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量β１に対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙ１との関係とから、ＭＢＴとなる点火進角量を指標として、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップが所定のオーバーラップ量β１であるときの内部ＥＧＲ率γ１が外部ＥＧＲ率αで表せばいくらに相当するかを求める。詳しくは、図５において矢印で示すように、所定のエンジン運転状態Ａ１においてＭＢＴとなる点火進角量がＹ１のときの外部ＥＧＲ率αがいくらになるかを求める。図５においてはＭＢＴとなる点火進角量Ｙ１に対応する外部ＥＧＲ率はα１となる。ここで、外部ＥＧＲと内部ＥＧＲとは、ＥＧＲガスを気筒１１内に還流又は残留させる方法が異なるだけであって、気筒１１内の全吸気中にＥＧＲガスが含まれる点では同じであり、外部ＥＧＲ率も内部ＥＧＲ率も新気流量又は全吸気流量に対するＥＧＲガス流量の割合である点は同じである。つまり、第１ステップで求めたエンジン運転状態Ａ毎の外部ＥＧＲ率αに対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙの関係を表すマップは、外部ＥＧＲであるか内部ＥＧＲであるかに拘わらず、ＥＧＲ率に対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙを表すものであって、マップの横軸はＥＧＲ率又は内部ＥＧＲ率γとみなすことができる。したがって、図５のマップから求められたＭＢＴとなる点火進角量Ｙ１に対応する外部ＥＧＲ率α１は、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量がβ１のときの内部ＥＧＲ率γ１に相当するとして、内部ＥＧＲ率γ１を推定することができる。

さらに、推定装置５は、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βを変化させると共にエンジン１の運転状態Ａを変化させながら第２及び第３ステップを繰り返して、種々のオーバーラップ量β及びエンジン運転状態Ａに対する内部ＥＧＲ率γを推定することによって、図３に示すようなエンジンの運転状態Ａ毎の吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βに対する内部ＥＧＲ率γの関係を表すマップを求めることができる。

このように、本実施形態２においては、外部ＥＧＲ率αは内部ＥＧＲ率γとは異なり、吸気通路のＣＯ₂濃度、排気通路のＣＯ₂濃度、大気中のＣＯ₂濃度から容易且つ精度良く測定することができる点、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βは内部ＥＧＲ率γに直接影響を与えると共に容易且つ精度良く測定できる点、エンジン１のアウトプットとしてのＭＢＴとなる点火進角量Ｙは外部ＥＧＲ率αであるか内部ＥＧＲ率γであるかに拘わらずＥＧＲ率に対して一定の特性を有する点に着目して、外部ＥＧＲ率αに対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙと、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βに対するＭＢＴとなる点火進角量Ｙとから、ＭＢＴとなる点火進角量Ｙを指標とすると共に外部ＥＧＲ率αを内部ＥＧＲ率γとみなして、エンジン運転状態Ａ毎の、オーバーラップ量βに対する内部ＥＧＲ率γを容易且つ精度良く推定することができる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、上記実施形態１及び２では、エンジン１は内部ＥＧＲと外部ＥＧＲとの両方を行うものを採用しているが、これに限られるものではない。つまり、少なくとも内部ＥＧＲを行うエンジンであればよく、外部ＥＧＲを行うものである必要はない。かかるエンジンの内部ＥＧＲ率を推定する場合には、推定時にＥＧＲ通路及びＥＧＲバルブをエンジンに別途取り付けて、推定時のみ外部ＥＧＲを行うように構成すればよい。

また、エンジン負荷装置５４は、上述のように試験走行ローラを有するものである必要はなく、エンジン１に対する負荷を可変に制御できるものであればよい。

さらに、上記実施形態１及び２では、エンジン１を車両に搭載した上で、エンジンの内部ＥＧＲ率を推定しているが、車両に搭載したエンジンではなく、エンジン単体で内部ＥＧＲ率を推定するようにしてもよい。かかる場合には、上記実施形態１及び２ではＥＣＵ３に接続されているＶＶＴ２０、点火プラグ２１、燃料噴射弁２２、スロットルバルブ２４、ＥＧＲバルブ２７、エンジン回転速度センサ４１、エアフローセンサ４２、吸気温センサ４３を推定装置５に接続して、ＶＶＴ２０等が推定装置５によって制御され、又推定装置５に検出信号を入力するように構成すればよい。このとき、エンジン負荷装置５４は、エンジンのクランクシャフトに負荷が作用するように設置するとよい。このように構成することで、推定装置５によって、エンジン運転状態を制御するすると共に、外部ＥＧＲ率や吸排気バルブのオーバーラップ量を調整しながら、エンジンの内部ＥＧＲ率を推定することができる。

さらにまた、上記実施形態１及び２では、ＶＶＴ２０を吸気バルブ１６側に設けているが、排気バルブ１７側に設けてもよく、又は吸気バルブ１６側及び排気バルブ１７側の両方に設けてもよい。つまり、吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量を可変に制御できる構成であればよく、必ずしも吸気バルブ１６の弁開閉時期を可変に構成する必要はない。

また、上記実施形態１及び２では、ＥＧＲ率として、式（１）により定義されるものを採用しているがこれに限られるものではない。つまり、全吸気流量又は新気流量に対するＥＧＲガス流量の割合であればよく、以下の式等であってもよい。

さらに、上記実施形態１及び２では、最終的に、図３に示すようなエンジンの運転状態Ａ毎の吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量βに対する内部ＥＧＲ率γの関係を表すマップを作成しているが、必ずしもマップを作成する必要はない。本発明は、エンジンの内部ＥＧＲ率を推定する方法であって、例えば、所定のエンジン運転状態Ａ１であって且つ吸排気バルブ１６、１７が所定のオーバーラップ量β１である、１つの状態における内部ＥＧＲ率を１点だけ測定する場合であっても適用することができる。かかる場合には、上記第２及び第３ステップを各１回だけ行えばよい。

尚、上記実施形態１及び２において、第１ステップと第２ステップとは、必ずしもこの順番である必要はなく、先に第２ステップで吸排気バルブ１６、１７のオーバーラップ量に対するＮＯｘ排出量又はＭＢＴとなる点火進角量を求めてから、その後第１ステップで外部ＥＧＲ率に対するＮＯｘ排出量又はＭＢＴとなる点火進角量を求め、これらの結果を用いて、第３ステップで内部ＥＧＲ率を推定するようにしてもよい。

本発明の実施形態１に係るエンジンの内部ＥＧＲ率推定方法における各装置のブロック図である。 外部ＥＧＲ率に対するＮＯｘ排出量を表すマップの一例である。 エンジン運転状態毎の、バルブのオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を表すマップの一例である。 本発明の実施形態２に係るエンジンの内部ＥＧＲ率推定方法における各装置のブロック図である。 外部ＥＧＲ率に対するＭＢＴとなる点火進角量を表すマップの一例である。

符号の説明

１ エンジン
１６ 吸気バルブ
１７ 排気バルブ

Claims (2)

1. 吸気バルブ及び排気バルブのうち少なくとも一方の開閉時期を制御することによって吸排気バルブをオーバーラップさせて内部ＥＧＲを行うエンジンにおいて内部ＥＧＲ率を推定する推定方法であって、
   所定のエンジン運転状態であって且つ上記吸排気バルブのオーバーラップ非実行時において、上記エンジンの排気の一部を還流させて外部ＥＧＲを行うと共に、外部ＥＧＲ率を変化させたときの外部ＥＧＲ率に対するエンジンから排出されるＮＯｘ排出量を求める第１ステップと、
   上記吸排気バルブのオーバーラップ実行時で且つ上記外部ＥＧＲ非実行時において、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対するエンジンから排出されるＮＯｘ排出量を求める第２ステップと、
   上記第１及び第２ステップの結果から、上記ＮＯｘ排出量を指標として上記吸排気バルブのオーバーラップ量と上記外部ＥＧＲ率との関係を求めると共に、求められた関係における外部ＥＧＲ率を内部ＥＧＲ率とみなすことによって、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を推定する第３ステップと、を含むことを特徴とするエンジンの内部ＥＧＲ率推定方法。
2. 吸気バルブ及び排気バルブのうち少なくとも一方の開閉時期を制御することによって吸排気バルブをオーバーラップさせて内部ＥＧＲを行うエンジンにおいて内部ＥＧＲ率を推定する推定方法であって、
   所定のエンジン運転状態であって且つ上記吸排気バルブのオーバーラップ非実行時において、上記エンジンの排気の一部を還流させて外部ＥＧＲを行うと共に、外部ＥＧＲ率を変化させたときの外部ＥＧＲ率に対するＭＢＴとなる点火進角量を求める第１ステップと、
   上記吸排気バルブのオーバーラップ実行時で且つ上記外部ＥＧＲ非実行時において、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対するＭＢＴとなる点火進角量を求める第２ステップと、
   上記第１及び第２ステップの結果から、上記ＭＢＴとなる点火進角量を指標として上記吸排気バルブのオーバーラップ量と上記外部ＥＧＲ率との関係を求めると共に、求められた関係における外部ＥＧＲ率を内部ＥＧＲ率とみなすことによって、上記所定のエンジン運転状態における上記吸排気バルブのオーバーラップ量に対する内部ＥＧＲ率を推定する第３ステップと、を含むことを特徴とするエンジンの内部ＥＧＲ率推定方法。

Images