JP2008138658A - エンジンの残留ガス量推定方法及び残留ガス量推定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の状態時と第2の状態時とで排気バルブ開閉時期を変化させ得る排気バルブ開閉時期可変機構を有し、第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力と第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内温度に基づいて第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量を算出する処理手順(59)と、第2の状態時の排気バルブ閉時期に基づいて第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバラップ中の吹き返しガス量を算出する処理手順(60)と、第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量と、このオーバラップ中の吹き返しガス量とに基づいて第2の状態時の燃焼室内残留ガス量を算出する処理手順(61)とを含む。
【選択図】図19
Description
以下では、(補1)式右辺第1項の吸気バルブ開時期IVOでの燃焼室内ガス量MR1の算出原理について先に説明し、その後に(補1)式右辺第2項の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ中の吹き返しガス量M2の算出原理について説明する。
1.吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量MR1の算出原理
吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量MR1は次の状態方程式に基づいて算出する。
ただし、PIVO:吸気バルブ開時期IVOでの燃焼室内圧力[kPa]、
VIVO:吸気バルブ開時期IVOでの燃焼室内容積[m^3]、
TIVO:吸気バルブ開時期IVOでの燃焼室内温度[K]、
REX :排気のガス定数[kJ/kg/K]、
以下、(1)式の排気のガス定数REX、吸気バルブ開時期での燃焼室内容積VIVO、吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力PIVO、吸気バルブ開時期での燃焼室内温度TIVOの各算出方法をこの順に説明する。
〈1〉排気ガス定数REXの算出方法
吸気バルブ開時期での燃焼室内ガスのモル数EGR molは、次式により与えられる。
={RESTR/(1−RESTR)}
×(空気燃料混合気質量)/(排気分子量)
={RESTR/(1−RESTR)}
×{(12×n+m)
+(n+m/4)/TFBYA×(32+0.79/0.21×28)}
/(44×A+18×B+28×C+32×D+28×E)×SUM
…(2)
ただし、RESTR:残ガス率、
TFBYA:目標当量比、
n :燃料中の炭素原子数、ガソリンの平均組成CnHm=C8H18
を用いる
m :燃料中の水素原子数、ガソリンの平均組成CnHm=C8H18
を用いる
A :CO2のモル数、
B :H2Oのモル数、
C :N2のモル数、
D :O2のモル数(ただし、φ>1の場合、D=0)、
E :COのモル数(ただし、φ≦1の場合、E=0)、
SUM :排気の総モル数、
44 :CO2の分子量[kg/kmol]、
18 :H2Oの分子量[kg/kmol]、
28 :N2の分子量[kg/kmol]、
32 :O2の分子量[kg/kmol]、
28 :COの分子量[kg/kmol]、
ここで、(2)式右辺のRESTR/(1−RESTR)は吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス質量と空気燃料混合気質量との比で、この比を空気燃料混合気質量に乗算することで、吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス質量を求めることができる。(2)式右辺の12×n+mは燃料(CnHm)の質量、(n+m/4)/TFBYA×(32+0.79/0.21×28)は空気の質量で、これらの合計が空気燃料混合気質量である。
=(燃焼室内残留ガス量+外部EGR量)
/(吸入空気量+燃料量+燃焼室内残留ガス量)
…(補2)
(2)式右辺の目標当量比TFBYAは、図3のようにエンジンの負荷と回転速度Neによるマップ(適合値)とする。(2)式右辺のA〜Bのモル数を図4に示す。図4においてφは目標当量比のことである。
+RESTR/(1−RESTR)×{(12×n+m)+(n+m/4)
/TFBYA×(32+0.79/0.21×28)}
/(44×A+18×B+28×C+32×D+28×E)×SUM
×(A・CO2+B・H2O+C・N2+D・O2+E・CO)/SUM
→A・CO2+B・H2O+C・N2+D・O2+E・CO
…(3)
質量保存則より、
44×A+18×B+28×C+32×D+28×E
=1/(1−RESTR)×((12×n+m)+(n+m/4)/TFBYA
×(32+0.79/0.21×28) …(4)
となるので、(4)式を(3)式に代入することにより次式を得る。
+RESTR×(A・CO2+B・H2O+C・N2+D・O2+E・CO)
→A・CO2+B・H2O+C・N2+D・O2+E・CO
…(5)
(5)式より、排気のガス定数REXは、
REX=R0/Mex …(6)
ただし、R0 :一般ガス定数(=8314.3J/kgK)、
Mex:排気分子量[kg/kmol]、
の式により求められる。(6)式右辺の排気分子量Mexは次式により算出する。
…(補3)
ただし、A〜B:各分子のモル数、(2)式参照。
〈2〉吸気バルブ開時期での燃焼室内容積VIVOの算出方法
吸気バルブ開時期での燃焼室内容積VIVOは次式により算出する。
ただし、D :ボア径[m]、
H :TDCからの変位量[m]、
Vc:隙間容積[m^3]、
(7)式右辺のTDCからの変位量Hは次式により算出する。
−(ST/2×cos(EVC+θoff)+(CND^2−X^2)^(1/2))
…(8)
ただし、CND :コンロッド長[m]、
CR off :クランクピンオフセット[m]、
PIN off:ピストンオフセット[m]、
ST :ストローク[m]、
EVC :排気バルブ閉時期[°ATDC]
θoff :クランク垂直位置からTDCまでの角度[°]、
X :コンロッド大端部からピストンピン中心までの距離[m]、
ここで、(8)式右辺の排気バルブ閉時期EVCは、排気バルブ用VTC機構28に与える指令値により既知である。なお、排気バルブ閉時期EVCの単位としては、適当なクランク角位置(例えば圧縮上死点)を基準として遅角側に計測したクランク角とすればよい。
…(9)
θoff=arcsin((CR evc−PIS off/CND+ST/2)
…(10)
π×D^2×ST/(ε−1) …(11)
ただし、ε:圧縮比、エンジン毎に決まる定数
〈3〉吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力PIVOの算出方法
吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力PIVO[kPa]は、排気バルブ開度が十分大きいため、排気圧力に等しいと仮定する。平均排気圧力PEX[kPa]を基準としたときの各クランク角での燃焼室内圧力と平均排気圧力との差分値(各クランク角での排気バルブ周りの圧力脈動分)をマップとして記憶しておき、この記憶させているマップを参照して吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力と平均排気圧力との差分値PCTRM[kPa]を求め、この求めた吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力と平均排気圧力との差分値PCTRMと平均排気圧力PEXとの和を吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力PIVOとして、つまり次式により吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力PIVOを算出する。
ここで、(12)式のように吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力と平均排気圧力との差分値PCTRMを導入した理由は次の通りである。すなわち、排気流量が分かればPV=nRTより平均排気圧力が分かる。しかしながら、実際の燃焼室内圧力や排気圧力は図14に示したように脈動の影響でクランク角に対して時々刻々に変化しているので、図15に示したように排気圧力の平均値をPEXとし、吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力と平均排気圧力の差分値(つまり吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分)をPCTRMで表すこととしたものである。
…(13)
a=ITAC−ITACMN …(補4)
b=ITACMX−ITAC …(補5)
ただし、Pmin :充填効率最大時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力と 平均排気圧力との差分値[kPa]、
Pmax :充填効率最小時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力と 平均排気圧力との差分値[kPa]、
ITAC :実際の充填効率[%]、後に算出方法を説明する
ITACMN:充填効率最小値[%]、
ITACMX:充填効率最大値[%]、
ここで、(補4)式右辺の充填効率最小値ITACMN、(補5)式右辺の充填効率最大値ITACMXはエンジンの負荷と回転速度Neをパラメータとして予め求めておく。
ただし、κ :排気の比熱比、後に算出法を説明する
PIVO:吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力[kPa]、
ρ :排気の密度、
(14)式右辺の排気の密度ρの算出には次の式を用いる。
ただし、REX :排気ガス定数[kJ/kg/K]、(6)式にて算出済
TEX :平均排気温度[K]、後に算出法を説明する
PIVO:吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力[kPa]、
(14)、(15)式より、排気の速度cは排気の密度ρを消去した次式により算出することができる。
ただし、REX:排気ガス定数[kJ/kg/K]、(6)式にて算出済
TEX:平均排気温度[K]、後に算出法を説明する
燃焼室内から触媒9までの距離Lは既知であるので、次式により排気温度が基準排気温度より高温側に外れたときの脈動分波形の波長λ[m]を算出する。
ただし、L:燃焼室内から触媒9までの距離[m]
ここで、基準の脈動分波形の波長λ0は予め定まっているので、補正項はλ/λ0となる。従って、排気温度が基準排気温度より高温側に外れたときの脈動分波形は次のようにして求めることができる。
=基準の脈動分波形×(λ/λ0) …(補6)
上記(16)式右辺の比熱比κの算出方法を示す。排気の定圧比熱Cpは、単純化した次の反応式で考える。
+Cp_N2(TEX)×C+Cp_O2(TEX)×D
+Cp_CO(TEX)×E)
/(44×A+18×B+28×C+32×D+28×E)
…(18)
ただし、Cp_CO2(TEX):CO2の平均排気温度での定圧比熱
[J/kmolK]、
Cp_H2O(TEX):H2Oの平均排気温度での定圧比熱
[J/kmolK]、
Cp_N2(TEX):N2の平均排気温度での定圧比熱
[J/kmolK]、
Cp_O2(TEX):O2の平均排気温度での定圧比熱
[J/kmolK]、
Cp_CO(TEX):COの平均排気温度での定圧比熱
[J/kmolK]、
(18)式右辺の各定圧比熱は、それぞれ平均排気温度TEXの関数として次式により算出する。(補7−1)式〜(補7−5)においてTEX^4までは一般的に使われているが、本発明ではTEX^5、TEX^6を追加している。
+1.0×10^(−16)×TEX^5
−5.0×10^(−12)×TEX^4
+2.0×10^(−08)×TEX^3
−6.0×10^(−05)×TEX^2
+0.0727×TEX+20.075
…(補7−1)
Cp_H2O(TEX)=7.0×10^(−21)×TEX^6
−4.0×10^(−16)×TEX^5
+4.0×10^(−12)×TEX^4
−2.0×10^(−08)×TEX^3
+3.0×10^(−05)×TEX^2
−0.0057×TEX+33.393
…(補7−2)
Cp_N2(TEX)=4.0×10^(−19)×TEX^6
−4.0×10^(−15)×TEX^5
+2.0×10^(−11)×TEX^4
−4.0×10^(−08)×TEX^3
+5.0×10^(−05)×TEX^2
−0.0207×TEX+31.894
…(補7−3)
Cp_O2(TEX)=5.0×10^(−19)×TEX^6
−5.0×10^(−15)×TEX^5
+2.0×10^(−11)×TEX^4
−4.0×10^(−08)×TEX^3
+3.0×10^(−05)×TEX^2
−0.0014×TEX+27.941
…(補7−4)
Cp_CO(TEX)=3.0×10^(−19)×TEX^6
−4.0×10^(−15)×TEX^5
+2.0×10^(−11)×TEX^4
−4.0×10^(−08)×TEX^3
+5.0×10^(−05)×TEX^2
−0.0173×TEX+31.175
…(補7−5)
(18)式により求めた排気の定圧比熱CPから排気の比熱比κを次式により算出する。
上記(補4)式右辺、(補5)式右辺の充填効率ITACの算出方法を説明すると、この実際の充填効率ITACは次式により算出する。
ただし、MA :吸入空気量[kg/s]
MAMX:充填効率最大時の吸入空気量[kg/s]、
ここで、吸入空気量MAはエアフローセンサ32により検出する。充填効率最大時の吸入空気量MAMXは実機による計測値とする。
×TEX/1000000+PPAMB^2)^(1/2)
…(20)
ただし、MFEXG:排気流量[kg/s]、
PPAMB:大気圧力[kPa]、
KTBF :乱流係数、実験による適合値
KLMF :層流係数、実験による適合値
REX :排気ガス定数、(6)式にて算出済
TEX :平均排気温度、後に算出法を説明する
(20)式は、排気管内各部(触媒)の圧力損失及び大気圧PPAMBから平均排気圧力PEXを算出するものである。排気管内圧力損失は、触媒9入口(乱流)、触媒9(層流)にて生じるため、それぞれを分けて、つまり排気流量MFEXGと乱流係数KTBF及び層流係数KLMFから算出している。乱流係数、層流係数は、機種毎(排気マニホールド及び触媒システム)によって決まる適合項である。大気圧力PPAMBは大気圧力センサ36により検出する。1000000で除しているのは、ガス流量[kg/s]を圧力[kPa]へと換算するためである。
ただし、MA :吸入空気量[kg/s]、
TFBYA:目標当量比、
ここで、吸入空気量MAはエアフローセンサ32により検出する。目標当量比TFBYAはエンジンの負荷と回転速度をパラメータとするマップ(図3参照)を参照することにより求める。
〈4〉吸気バルブ開時期での燃焼室内温度TIVOの算出方法
吸気バルブ開時期での燃焼室内温度TIVOは、平均排気温度TEX、平均排気圧力PEXで代表される状態から吸気バルブ開時期IVOへの状態変化を断熱変化であると仮定して、次の式により算出する。
…(22)
ただし、PIVO:吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力[kPa]、(12)式に て算出済
PEX :平均排気圧力[kPa]、(20)式にて算出済
κ :排気の比熱比、(19)式により算出済
上記(20)式、(22)式右辺の平均排気温度TEXの算出方法を説明する。
…(23)
ただし、Q’ :廃熱量[kW]、
TEXMX:廃熱量最大時の排気平衡温度[K]、実験値
TEXMN:廃熱量ゼロ時の排気平衡温度[K]、実験値
KTEX :排気温度への廃熱量の感度(任意定数)、
(23)式右辺の廃熱量Q’は、供給熱量から軸仕事を引くことにより算出できると考え、次式により算出する。
−2π×TENG×Ne/60 …(24)
ただし、MA :吸入空気量、式(21)参照
TFBYA:目標当量比、式(21)参照
HL :低発熱量[kw]、シミュレーションによる適合値
HV :気化潜熱[kw]、シミュレーションによる適合値
NCYL :総シリンダ数、
TENG :実トルク推定値[Nm]、
Ne :エンジン回転速度[rpm]、
(24)式においては、軸仕事は実トルク推定値TENGに2πをかけることでエンジン一回転当りの軸仕事として算出している。実トルク推定値TENGは充填効率ITACとエンジン回転速度Neとをパラメータとする図10に示すようなマップを参照することにより求める。エンジン回転速度Neはクランク角センサ(33、34)により検出する。
2.吹き返しガス量M2の算出方法
吸気バルブの開期間と排気バルブの開期間のオーバーラップには、図11のようにマイナスオーバーラップとプラスオーバーラップとがある。
〈1〉マイナスオーバーラップの場合
図11上段に示すマイナスオーバーラップでは、吸気バルブ開時期での燃焼室内残留ガス量は排気バルブ閉時期EVCでの燃焼室内残留ガス量に等しい。吸気バルブ開時期IVOに、燃焼室内ガスが吸気ポート側に吹き返すが、吸気行程で再流入されるため、最終的な燃焼室内残留ガス量は、吸気バルブ開時期での燃焼室内残留ガス量と等しくなる。つまり、マイナスオーバーラップの場合、吹き返しガス量M2=0である。
〈2〉プラスオーバーラップの場合
図11下段に示すプラスオーバーラップの場合には、先に説明したように、吸気バルブの開期間と排気バルブの開期間のオーバーラップ中の吹き返しガス量M2を考慮する必要がある。
+|EVC−θ0|×(dm/dθ)c/2 …(25)
ただし、IVO :吸気バルブ開時期[°]、
(dm/dθ)ivo:吸気バルブ開時期での排気バルブ周りガス流量
[kg]、
θ0 :排気バルブ周りガス流量がゼロとなる点bのクラン ク角[°]、
θ1 :直線1と直線2の交点cのクランク角[°]、
(dm/dθ)c :交点cでの排気バルブ周りガス流量[kg]、
排気バルブ周りガス流量(以下単に「ガス流量」という。)は燃焼室内より排気ポート11に流れる向きを正に採っているので、(25)式右辺第1項は負の値、右辺第2項は正の値となり、(25)式右辺全体としては図13より判断して負の値となると思われるので、そのときには(25)式右辺の値を上記(補1)式に代入するときにM2の絶対値を採って加算する。(25)式のクランク角θは適当なクランク角位置(例えば圧縮上死点)を起点として遅角側に計測したクランク角を用いる。
〔1〕直線1の算出方法
(ア)吸気バルブ開時期でのガス流量(dm/dθ)ivoの算出方法
吸気バルブ開時期IVOに吸気バルブ通過ガス流量=0であるので、吸気バルブ開時期IVOに、
燃焼室内質量変化=排気バルブ通過ガス流量 …(26)
であるとして算出する。状態方程式(M=P×V/R/T)の両辺を微分すると次式を得る。
=V/R/T×dP/dt十P/R/T×dV/dt
−V×P/T/R^2×dR/dt
−V×P/T^2/R×dT/dt
…(27)
ただし、M:燃焼室内ガス質量[kg]
P:燃焼室内圧力[kPa]、吸気バルブ開時期にはPIVOとする
V:燃焼室内容積[m^3]、吸気バルブ開時期にはVIVOとする
T:燃焼室内ガス温度[K]、吸気バルブ開時期にはTIVOとする
R:ガス定数[kg/mol・K]、吸気バルブ開時期にはREXとする
吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス温度、ガス定数の各変化は微小なので、
dR/dt=0、dT/dt=0 …(補9)
であると仮定する。吸気バルブの開期間と排気バルブの開期間のオーバーラップ中の燃焼室内圧力変化率を一定とし、また排気バルブ閉時期に燃焼室内圧力が平均マニホールド圧力と等しくなるとすると、次式が成り立つ。
Cpa=(PEVC−PIVO)/((EVC−IVO)/360×Ne/60)
…(補10)
ただし、Cpa :燃焼室内圧力の時間微分値、
PIVO:吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力[kPa]、上記〈3〉に て算出済
PEVC:排気バルブ閉時期での燃焼室内圧力[kPa]、平均吸気圧力 と等しいとする
Ne :エンジン回転速度[rpm]、
ここで、PEVC−PIVOを360×Ne/60で除算することにより、[/°]の単位を[/sec]の単位へと変換している。平均吸気圧力は吸気圧力センサ44により検出する。エンジン回転速度Neはクランク角センサ(33、34)により検出する。
dθ/dt=360×Ne/60=6×Ne …(29)
ただし、θ:クランク角度、クランク角センサ(33、34)にて検出
であるため、(29)式、(28)式を(26)式に代入すると、(26)式は次のようになる。
…(30)
一方、吸気上死点付近では、燃焼室内容積の変化率は直線的に変化するので、次式で近似する。
ただし、Cva:吸気上死点付近で横軸にクランク角、縦軸に燃焼室内容積変化率 を採ったときの直線の傾き[m^3/deg^2]
Cvb:吸気上死点付近で横軸にクランク角、縦軸に燃焼室内容積変化率 を採ったときの直線の切片[m^3]
(31)式を(30)式に代入すると、(30)式は次のようになる。
…(32)
ここで、(26)式、(32)式より、吸気バルブ開時期でのガス流量(dm/dθ)ivoは次式で与えられることとなる。
+PIVO/REX/TIVO×(Cva×IVO+Cvb)
…(33)
ただし、VIVO:吸気バルブ開時期での燃焼室内容積[m^3]、算出済
TIVO:吸気バルブ開時期での燃焼室内温度[K]、算出済
PIVO:吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力[kPa]、算出済
IVO :吸気バルブ開時期[°]、算出済
REX :排気ガス定数[kJ/mol/K]、算出済
Ne :エンジン回転速度[rpm]
(イ)点bのクランク角θ0の算出方法
点bでは排気バルブ通過ガス流量=0より、(26)式と同様に
吸気バルブ通過ガス流量=燃焼室内質量変化 …(34)
とする。状態方程式から燃焼室内質量変化は次式となる。
=V/R/T×dP/dt+P/R/T×dV/dt
−V×P/T/R^2×dR/dt
−V×P/T^2/R×dT/dt …(35)
ただし、M:燃焼室内ガス質量[kg]
P:燃焼室内圧力[kPa]、排気バルブ通過ガス流量=0時は排気圧力 に等しく排気圧力=(PEX+PIVO)/2とする
V:燃焼室内容積[m^3]、排気バルブ通過ガス流量=0時は吸気上死 点付近であり、かつ燃焼室内容積の変化量は微々たるものなので、吸 気上死点での燃焼室内容積=隙間容積Vc(算出済)を用いる
T:燃焼室内ガス温度[K]、排気バルブ通過ガス流量=0時はTEXと する
R:ガス定数[kg/mol・K]、排気バルブ通過ガス流量=0時はR EXとする
排気バルブ通過ガス流量=0時は吸気上死点付近であり、この吸気上死点付近での燃焼室内ガス温度、ガス定数の変化は微小なので、
dR/dt=0、dT/dt=0 …(補11)
と仮定する。次に、吸気バルブ通過ガス量(dm/dt)inは次式で表せる。
×(2/(κ+1))^(κ+1)
/(2/(κ−1))×RMF1 …(36)
ただし、Ain :吸気バルブ開口面積、後に算出方法を説明する
TEX :平均排気温度、算出済
Pex :排気圧力、ここでは(PEX+PIVO)/2とする
REX :排気ガス定数、算出済
κ :排気の比熱比、算出済
RMF1:流量比、
(36)式右辺の流量比RMF1とは、音速時のガス流量と、通常時のガス流量の比(排気バルブ通過ガス流量=0時のクランク角を算出するときに用いる流量比)であり、次式で表せる。
×(1−(Pin/Pex)^((κ−1)/κ))^(1/2)
/κ^(1/2)/(2/(κ+1))^((κ+1)/2/(κ−1))
…(37)
ただし、Pin:平均吸気圧力、実験による適合値とする
Pex:排気圧力、ここでは(PEX+PIVO)/2とする
ここで、(37)式において排気圧力Pexとして(PEX+PIVO)/2としているのは、排気バルブ通過ガス流量=0時はオーバーラップ前半にあり燃焼室内での脈動が大きいためである。
β=Pex/(REX×TEX)×κ^(1/2)
×(2/(κ+1))^(κ+1)/(2/(κ−1))×RMF1 …(38)
とすると、(36)式は次式となる。
排気バルブ通過ガス流量はゼロであるため、dM/dt=(dm/dt)inとなる。また、吸気バルブ開時期直後のバルブプロファイル(マップ値)を2次関数で近似すると、吸気バルブ開口面積Ainは次式で表される。
ただし、Cai:係数、
IVO:吸気バルブ開時期[°]、
よって、(35)式は次式となる。
=Cai×(θ−IVO)^2×β …(39)
点aで説明した上記(27)式、(28)式、(30)式を用いて、さらに
V/REX/TEX×6×Ne=X …(補14)
P/REX/TEX×6×Ne=α …(補15)
とおくと、(39)式は次の式となる。
−β×Cai×IVO^2−α×Cva−X×Cpa=0
…(補16)
(補16)式はクランク角θについての2次方程式であるので、クランク角θについて解くと、解は次式で得られる。
±((2×β×Cai×IVO+α×Cva)^2−4×β×Cai
×(−β×Cai×IVO^2−α×Cva−X×Cpa))
^(1/2)/2/β/Cai …(補17)
この2つの解のうち正の値となるほうをガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0とおけば、θ0は次式となる。
−((2×β×Cai×IVO+α×Cva)^2−4×β×Cai
×(−β×Cai×IVO^2−α×Cva−X×Cpa))
^(1/2)/2/β/Cai …(補18)
従って、点a、点bを通る直線1を関数y1とおくと、関数y1はこのようにして得られたガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0、吸気バルブ開時期IVO、吸気バルブ開時期でのガス流量(dm/dθ)ivoを用いて次式により与えられる。
+(dm/dθ)ivo/(θ0−IVO)×θ0
…(補19)
ただし、(dm/dθ)ivo:吸気バルブ開時期でのガス流量、
θ0 :ガス流量がゼロとなるときのクランク角[°]、
〔2〕直線2の算出方法
吸気バルブの開期間と排気バルブの開期間のオーバーラップ後半(交点cのクランク角θ1以降)の吹き返しガス量を点d、eを通る直線2で近似する。基本的に点dのクランク角θ2は交点cのクランク角θ1以降でかつ排気バブル閉時期EVCより手前であればどこでも良いが、ここではクランク角が吸気バルブの開期間と排気バルブの開期間のオーバーラップ期間のうち3/4を経過した点のクランク角位置(2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置)とする。すなわち、点dのクランク角θ2を次式により与える。
ただし、EVC:排気バルブ閉時期[°]、
IVO:吸気バルブ開時期「°]、
ここで、吸気バルブ開時期IVOは固定で考えているので一定値である。また、排気バルブ閉時期EVCは、排気バルブ用VTC機構28に与える指令値より知り得る。
×κ^(1/2)×(2/(κ+1))^((κ+1)
/(2×(κ−1)))×RMF2/6/Ne
…(40)
ただし、Aex :θ2での排気バルブ開口面積、後に算出方法を説明する
PEX :平均排気圧力、算出済
REX :排気ガス定数、算出済
TEX :排気温度、算出済
κ :排気の比熱比、算出済
RMF2:流量比、
(40)式右辺の流量比RMF2は、オーバーラップ期間のうち3/4を経過した点のクランク角位置で排気バルブ通過ガス流量を算出するときに用いる流量比であり、次式で表せる。
×(1−(Pin/PEX)^((κ−1)/κ))^(1/2)
/κ^(1/2)/(2/(κ+1))^((κ+1)/2/(κ−1))
…(補21)
ただし、Pin:平均吸気圧力、実験による適合値とする
PEX:平気排気圧力、算出済
ここで、(補21)式において平均排気圧力PEXを用いているのは、オーバーラップ期間のうち3/4を経過した点はオーバーラップ後半にあり燃焼室内での脈動が小さくなるためである。
…(41)
この(41)式と上記の(補7)式とを連立させて解くと、その解であるクランク角θが点cのクランク角θ1として算出される。
+ROLA1
…(42)
この(42)式を点dでのクランク角θ2について整理すると次式が得られる。
+ROLA1)
…(43)
ただし、EVC :排気バルブ閉時期[°]、
IVO :吸気バルブ開時期[°]、
(dm2/d2m)0:ガス流量がゼロとなるときのガス流量の傾き、
ROLM1 :所定値(適合値)、
ROLA1 :所定値(適合値)、
この(43)式が、オーバーラップ期間が所定値より長い場合に、点dでのクランク角θ2を与える式である。ここで、(43)式右辺の、ガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0でのガス流量の傾き(dm2/d2θ)0は、上記(補19)式をθについて微分してd(y1)/dθを求め、この関数に上記(補18)式により得られるガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0を代入することで求めることができる。
×((dy1/dθ)×ROLM1+ROLA1)
…(44)
ただし、EVC :排気バルブ閉時期[°]、
IVO :吸気バルブ開時期[°]、
:直線1の傾き、
ROLM1 :所定値(適合値)、
ROLA1 :所定値(適合値)、
ここで、(44)式右辺の直線1の傾き(dy1/dθ)は、上記(補19)式より、次式で与えられる。
第1実施形態で点dでのクランク角θ2を与える上記(補20)式と比較してみると、(43)式右辺の(dm2/d2θ)0×ROLM1+ROLA1の部分を定数である1/4と置いたのが第1実施形態であることがわかる。これに対して、第2、第3の実施形態は、第1実施形態で定数と置いていたところを変数で与えるものとなる。言い替えると、第1実施形態は点dでのクランク角θ2を定数で置いていたのに対して、第2、第3の実施形態はオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、定数に代えて点dでのクランク角θ2を、ガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0でのガス流量の傾き(dm2/d2θ)0や直線1の傾き(dy1/dθ)の関数で与えるものである。
《1》ガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0でのガス流量の傾き(dm2/d2m)0
《2》直線1の傾き(dy1/dθ)
《3》吸気バルブ開時期IVOからガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0までの間 の任意のクランク角でのガス流量(dm/dθ)rand
《4》吸気バルブ開時期でのガス流量(dm/dθ)ivo
上記《1》、《2》の場合の点dでのクランク角θ2の算出式は上記(43)式、(44)式に示したので、上記《3》の場合の点dでのクランク角θ2の算出式を次に示す(第4実施形態)。
×((dm/dθ)rand×ROLM2+ROLA2)
…(46)
ただし、EVC :排気バルブ閉時期[°]、
IVO :吸気バルブ開時期[°]、
(dm/dθ)rand:吸気バルブ開時期IVOからガス流量がゼロとなる クランク角θ0までの間の任意のクランク角θでの ガス流量、
ROLM2 :所定値(適合値)、
ROLA2 :所定値(適合値)、
ここで、(46)式右辺の、吸気バルブ開時期IVOからガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0までの間の任意のクランク角でのガス流量(dm/dθ)randは、直線1から求める。つまり、吸気バルブ開時期IVOからガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0までの間で予め定めているクランク角を上記(補19)式に代入して得られる関数y1の値を、吸気バルブ開時期IVOからガス流量がゼロとなるときのクランク角θ0までの間の任意のクランク角でのガス流量(dm/dθ)randとすればよい。
×((dm/dθ)ivo×ROLM3+ROLA3)
…(47)
ただし、EVC :排気バルブ閉時期[°]、
IVO :吸気バルブ開時期[°]、
(dm/dθ)ivo:吸気バルブ開時期でのガス流量、
ROLM3 :所定値(適合値)、
ROLA3 :所定値(適合値)、
ここで、(47)式右辺の吸気バルブ開時期でのガス流量(dm/dθ)ivoは上記(33)式により算出済みである。
5 燃焼室
15 吸気バルブ
16 排気バルブ
28 排気バルブ用VTC機構(排気バルブ開閉時期可変機構)
31 エンジンコントローラ
32 エアフローセンサ
33、34 クランク角センサ
36 大気圧力センサ
44 吸気圧力センサ
Claims (28)
- 開時期に吸気ポートと燃焼室と連通し、閉時期に吸気ポートと燃焼室とを遮断する吸気バルブと、
開時期に排気ポートと燃焼室と連通し、閉時期に排気ポートと燃焼室とを遮断する排気バルブと
を備えるエンジンにおいて、
第1の状態時と第2の状態時とで排気バルブ開閉時期を変化させ得る排気バルブ開閉時期可変機構
を有し、
前記第2の状態時の排気バルブ閉時期に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力を算出する吸気バルブ開時期燃焼室内圧力算出処理手順と、
この吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内温度を算出する吸気バルブ開時期燃焼室内温度算出処理手順と、
これら吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力、吸気バルブ開時期での燃焼室内温度に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量を算出する燃焼室内ガス量算出処理手順と、
前記第2の状態時の排気バルブ閉時期に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバラップ中の吹き返しガス量を算出する吹き返しガス量算出処理手順と、
前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量と、このオーバラップ中の吹き返しガス量とに基づいて、前記第2の状態時の燃焼室内残留ガス量を算出する燃焼室内残留ガス量算出処理手順と
を含むことを特徴とするエンジンの残留ガス量推定方法。 - 平均排気圧力を算出する平均排気圧力算出処理手順と、
前記第2の状態時の排気バルブ開時期と、基準排気温度時かつ前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ周りの圧力脈動分とに基づいて、基準排気温度時かつ前記第2の状態時の排気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分を算出する第2の状態時排気バルブ開時期圧力脈動分算出処理手順と
を含み、
この算出された基準排気温度時かつ第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分と前記平均排気圧力とに基づいて、基準排気温度時かつ前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ周りの圧力脈動分をマップ値として記憶しておき、
前記第2の状態時の排気バルブ開時期とこのマップ値とに基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分を算出する
ことを特徴とする請求項2に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 平均排気圧力を算出する平均排気圧力算出処理手順と、
基準排気温度より外れた排気温度時の排気圧力伝播速度を算出する排気圧力伝播速度算出処理手順と、
この算出された排気圧力伝播速度と、前記第2の状態時の排気バルブ開時期と、基準排気温度時かつ前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ周りの圧力脈動分とに基づいて、基準排気温度より外れた排気温度時かつ前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分を算出する第2の状態時吸気バルブ開時期圧力脈動分算出処理手順と
を含み、
この算出された基準排気温度より外れた排気温度時かつ第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分と前記平均排気圧力とに基づいて、基準排気温度より外れた排気温度時かつ前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力を算出する
ことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 吸気バルブ開時期から前記第2の状態時の排気バルブ閉時期までの各クランク角での排気バルブ周りガス流量を算出する排気バルブ周りガス流量算出処理手順
を含み、
この吸気バルブ開時期から前記第2の状態時の排気バルブ閉時期までの各クランク角での排気バルブ周りガス流量に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ中の吹き返しガス量を算出する
ことを特徴とする請求項1から4までのいずれか一つに記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 前記吸気バルブ開時期から前記第2の状態時の排気バルブ閉時期までの各クランク角での排気バルブ周りガス流量の波形を第1の直線と第2の直線との2本の直線で近似し、その2本の直線と、吸気バルブ開時期の直線と、排気バルブ周りガス流量ゼロの水平線とで構成された2つの三角形の面積を求めることで、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ中の吹き返しガス量を算出する
ことを特徴とする請求項5に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 前記第1の直線は前記吸気バルブ開時期での排気バルブ周りガス流量の点とその後に排気バルブ周りガス流量がゼロとなる点とを結んだ直線であり、
前記第2の直線は前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置での排気バルブ周りガス流量の点と前記第2の状態時の排気バルブ閉時期での排気バルブ周りガス流量の点とを結んだ直線である
ことを特徴とする請求項6に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ開口面積をテーブル値として記憶しておき、前記第2の状態時の排気バルブ閉時期とこのテーブル値とに基づいて、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置での排気バルブ周りガス流量を算出する
ことを特徴とする請求項7に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 前記第1の状態時に排気バルブ開閉時期を初期位置に保ち、前記第2の状態になると排気バルブ開閉時期をこの初期位置より進角側または遅角側に変化させる
ことを特徴とする請求項1に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。 - 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバラップ中の排気バルブ周りガス流量がゼロとなるときのクランク角での排気バルブ周りガス流量の傾きに基づいて算出することを特徴とする請求項7に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。
- 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記第1の直線の傾きに基づいて算出することを特徴とする請求項7に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。
- 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記吸気バルブ開時期でのクランク角から前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ中の排気バルブ周りガス流量がゼロとなるときのクランク角までの間の任意のクランク角での排気バルブ周りガス流量に基づいて算出することを特徴とする請求項7に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。
- 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記吸気バルブ開時期での排気バルブ周りガス流量に基づいて算出することを特徴とする請求項7に記載のエンジンの残留ガス量推定方法。
- 前記第1の状態は前記排気バルブ開閉時期可変機構の非作動状態であり、前記第2の状態は前記排気バルブ開閉時期可変機構の作動状態であることを特徴とする請求項1から13までのいずれか一つに記載のエンジンの残留ガス量推定方法。
- 開時期に吸気ポートと燃焼室と連通し、閉時期に吸気ポートと燃焼室とを遮断する吸気バルブと、
開時期に排気ポートと燃焼室と連通し、閉時期に排気ポートと燃焼室とを遮断する排気バルブと
を備えるエンジンにおいて、
第1の状態時と第2の状態時とで排気バルブ開閉時期を変化させ得る排気バルブ開閉時期可変機構
を有し、
前記第2の状態時の排気バルブ閉時期に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力を算出する吸気バルブ開時期燃焼室内圧力算出手段と、
この吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内温度を算出する吸気バルブ開時期燃焼室内温度算出手段と、
これら吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力、吸気バルブ開時期での燃焼室内温度に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量を算出する燃焼室内ガス量算出手段と、
前記第2の状態時の排気バルブ閉時期に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバラップ中の吹き返しガス量を算出する吹き返しガス量算出手段と、
前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内ガス量と、このオーバラップ中の吹き返しガス量とに基づいて、前記第2の状態時の燃焼室内残留ガス量を算出する燃焼室内残留ガス量算出手段と
を含むことを特徴とするエンジンの残留ガス量推定装置。 - 平均排気圧力を算出する平均排気圧力算出手段と、
前記第2の状態時の排気バルブ開時期と、基準排気温度時かつ前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ周りの圧力脈動分とに基づいて、基準排気温度時かつ前記第2の状態時の排気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分を算出する第2の状態時排気バルブ開時期圧力脈動分算出手段と
を含み、
この算出された基準排気温度時かつ第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分と前記平均排気圧力とに基づいて、基準排気温度時かつ前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力を算出する
ことを特徴とする請求項15に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ周りの圧力脈動分をマップ値として記憶しておき、
前記第2の状態時の排気バルブ開時期とこのマップ値とに基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分を算出する
ことを特徴とする請求項16に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 平均排気圧力を算出する平均排気圧力算出手段と、
基準排気温度より外れた排気温度時の排気圧力伝播速度を算出する排気圧力伝播速度算出手段と、
この算出された排気圧力伝播速度と、前記第2の状態時の排気バルブ開時期と、基準排気温度時かつ前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ周りの圧力脈動分とに基づいて、基準排気温度より外れた排気温度時かつ前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分を算出する第2の状態時吸気バルブ開時期圧力脈動分算出手段と
を含み、
この算出された基準排気温度より外れた排気温度時かつ第2の状態時の吸気バルブ開時期での排気バルブ周りの圧力脈動分と前記平均排気圧力とに基づいて、基準排気温度より外れた排気温度時かつ前記第2の状態時の吸気バルブ開時期での燃焼室内圧力を算出する
ことを特徴とする請求項15に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 吸気バルブ開時期から前記第2の状態時の排気バルブ閉時期までの各クランク角での排気バルブ周りガス流量を算出する排気バルブ周りガス流量算出手段
を含み、
この吸気バルブ開時期から前記第2の状態時の排気バルブ閉時期までの各クランク角での排気バルブ周りガス流量に基づいて、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ中の吹き返しガス量を算出する
ことを特徴とする請求項15から18までのいずれか一つに記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 前記吸気バルブ開時期から前記第2の状態時の排気バルブ閉時期までの各クランク角での排気バルブ周りガス流量の波形を第1の直線と第2の直線との2本の直線で近似し、その2本の直線と、吸気バルブ開時期の直線と、排気バルブ周りガス流量ゼロの水平線とで構成された2つの三角形の面積を求めることで、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ中の吹き返しガス量を算出する
ことを特徴とする請求項19に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 前記第1の直線は前記吸気バルブ開時期での排気バルブ周りガス流量の点とその後に排気バルブ周りガス流量がゼロとなる点とを結んだ直線であり、
前記第2の直線は前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置での排気バルブ周りガス流量の点と前記第2の状態時の排気バルブ閉時期での排気バルブ周りガス流量の点とを結んだ直線である
ことを特徴とする請求項20に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 前記第1の状態時の各クランク角での排気バルブ開口面積をテーブル値として記憶しておき、前記第2の状態時の排気バルブ閉時期とこのテーブル値とに基づいて、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置での排気バルブ周りガス流量を算出する
ことを特徴とする請求項21に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 前記第1の状態時に排気バルブ開閉時期を初期位置に保ち、前記第2の状態になると排気バルブ開閉時期をこの初期位置より進角側または遅角側に変化させる
ことを特徴とする請求項15に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。 - 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバラップ中の排気バルブ周りガス流量がゼロとなるときのクランク角での排気バルブ周りガス流量の傾きに基づいて算出することを特徴とする請求項21に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。
- 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記第1の直線の傾きに基づいて算出することを特徴とする請求項21に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。
- 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記吸気バルブ開時期でのクランク角から前記第2の状態時の吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ中の排気バルブ周りガス流量がゼロとなるときのクランク角までの間の任意のクランク角での排気バルブ周りガス流量に基づいて算出することを特徴とする請求項21に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。
- 前記第2の状態時に吸気バルブ開期間と排気バルブ開期間のオーバーラップ期間が所定値より長い場合に、前記2本の直線が交わるときのクランク角位置より遅角側のクランク角位置を、前記吸気バルブ開時期での排気バルブ周りガス流量に基づいて算出することを特徴とする請求項21に記載のエンジンの残留ガス量推定装置。
- 前記第1の状態は前記排気バルブ開閉時期可変機構の非作動状態であり、前記第2の状態は前記排気バルブ開閉時期可変機構の作動状態であることを特徴とする請求項15から27までのいずれか一つに記載のエンジンの残留ガス量推定装置。
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