JP3800828B2 - 可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電磁駆動式の吸気弁及び排気弁を備え、吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンのシリンダ吸入空気量（シリンダ内新気量）を検出ために検出されるシリンダ内の残ガス（既燃ガス) 量を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリンダ内残ガス量を算出する装置としては、特開平１０−３０５３５号公報に記載されているように、エンジンの運転条件、例えば、充填効率とエンジン回転速度Ｎとに基づいて残ガス量を算出するものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンでは、同一運転条件でも排気弁閉時のシリンダ容積が異なることや、吸・排気弁のオーバラップ量が大きく変化するため、充填効率が大きく変化し、以て、シリンダ内の残ガス量を精度良く検出できないという問題点があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、シリンダ内残ガス量を検出することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明では、図１に示すように、
少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
エンジン回転数と負荷とに基づいて、エンジン回転数が高く、負荷が高いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
排気弁の閉時期のシリンダ容積と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
を含んで構成される。
また、請求項２に係る発明は、
少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
排気圧力、排気温度に基づいて、排気圧力が高く、排気温度が低いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
排気弁の閉時期のシリンダ容積と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
を含んで構成される。
【０００６】
請求項１または請求項２に係る発明によると、
排気弁の閉時期のシリンダ容積により求められるシリンダ内残ガスの体積量と、排気密度とに基づいて、シリンダ内残ガス量（質量) を算出することができる。
そして、このように運転条件に応じて吸・排気弁の開閉時期を変化させ、特に、吸入空気量制御のため、吸気弁の閉時期等を大きく変化させる可変動弁エンジンにおいて、上記のようにして算出されたシリンダ内残ガス量を用いて、シリンダ内に吸入される新気量（質量) を応答性良く算出することができる。この点は、以下の発明でも同様である。
【０００７】
また、請求項３に係る発明は、図２に示すように、
少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
エンジン回転数と負荷とに基づいて、エンジン回転数が高く、負荷が高いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
を含んで構成される。
また、請求項４に係る発明は、
少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
排気圧力、排気温度に基づいて、排気圧力が高く、排気温度が低いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
を含んで構成される。
【０００８】
請求項３または請求項４に係る発明によると、
特に、排気弁の閉時期の変化が小さく、吸気弁の開時期が大きく変化するような条件では、吸・排気弁のオーバラップ量をパラメータとして、シリンダ内残ガスの体積量を実験などにより略正確に求めることができる。そこで、該オーバラップ量に基づいて求めたシリンダ内残ガス体積量と、排気密度とに基づいて、シリンダ内残ガス量を精度良く算出することができる。
【０００９】
また、請求項５に係る発明は、図３に示すように、
少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
エンジン回転数と負荷とに基づいて、エンジン回転数が高く、負荷が高いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
排気弁の閉時期のシリンダ容積と吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、を含んで構成される。
また、請求項６に係る発明は、
少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
排気圧力、排気温度に基づいて、排気圧力が高く、排気温度が低いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
を含んで構成される。
【００１０】
請求項５または請求項６に係る発明によると、排気弁の閉時期のシリンダ容積と、排気密度とに基づいて、シリンダ内残ガス量を、略正確に算出できるが、吸・排気弁のオーバラップによる新気と残ガスの混合度合いなどを考慮して、該オーバラップ量に基づいて補正することで、シリンダ内残ガス量を、より正確に算出できる。
【００１１】
また、以上請求項１、請求項３、請求項５に係る発明では、前記排気密度算出手段は、エンジン回転数と負荷とに基づいて、エンジン回転数が高く、負荷が高いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出するようにしたので、シリンダ内残ガス量を正確に求めるための排気密度を、エンジン回転数と負荷とに基づいて、精度良く推定できる。
【００１２】
また、以上請求項２、請求項４、請求項６に係る発明では、前記排気密度算出手段は、排気圧力、排気温度に基づいて、排気圧力が高く、排気温度が低いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出するので、シリンダ内残ガス量を正確に求めるための排気密度を、センサ等で検出した排気圧力と排気温度とに基づいて、精度良く推定できる。
【００１３】
また、請求項７に係る発明は、
大気圧を検出する手段と、検出された大気圧に応じた排気流動抵抗に基づいてシリンダ内残ガス量を補正するシリンダ内残ガス量補正手段を含んでいることを特徴とする。
請求項７に係る発明によると、例えば、高地等で大気圧が低下する場合は、大気圧に応じた排気通路の排気流動抵抗が減少するため、シリンダ内残ガス量が増大するので、大気圧に応じた補正を行うことでシリンダ内残ガス量をより精度良く求めることができる。
【００１４】
また、請求項８に係る発明は、
吸気圧と排気圧をそれぞれ検出する手段と、吸気圧と排気圧との差に基づいてシリンダ内残ガス量を補正するシリンダ内残ガス量補正手段を含んでいることを特徴とする。
請求項８に係る発明によると、例えば、スロットル弁を備えたものでは、吸気負圧による吸・排気弁のオーバラップ時の差圧により吸気系への排気の吹き抜けの影響を考慮して、シリンダ内残ガス量を補正することにより、シリンダ内残ガス量をより精度良く求めることができる。
【００１５】
また、請求項９に係る発明は、
吸気弁と排気弁とは、電磁駆動されることを特徴とする。
請求項９に係る発明によると、吸気弁と排気弁とは、電磁駆動されて任意の開閉特性を容易に得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。
図４は本発明の一実施形態を示す可変動弁エンジンのシステム図である。
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、電磁駆動式の吸気弁５及び排気弁６を備えている。７は吸気通路、８は排気通路である。
【００１７】
吸気弁５及び排気弁６の電磁駆動装置の基本構造を図５に示す。弁体２０の弁軸２１にプレート状の可動子２２が取付けられており、この可動子２２はスプリング２３，２４により中立位置に付勢されている。そして、この可動子２２の下側に開弁用電磁コイル２５が配置され、上側に閉弁用電磁コイル２６が配置されている。
【００１８】
従って、開弁させる際は、上側の閉弁用電磁コイル２６への通電を停止した後、下側の開弁用電磁コイル２５に通電して、可動子２２を下側へ吸着することにより、弁体２０をリフトさせて開弁させる。逆に、閉弁させる際は、下側の開弁用電磁コイル２５への通電を停止した後、上側の閉弁用電磁コイル２６に通電して、可動子２２を上側へ吸着することにより、弁体２０をシート部に着座させて閉弁させる。
【００１９】
図４に戻って、吸気通路７には、各気筒毎の吸気ポート部分に、電磁式の燃料噴射弁９が設けられている。
ここにおいて、吸気弁５、排気弁６、燃料噴射弁９及び点火栓４の作動は、コントロールユニット１０により制御され、このコントロールユニット１０には、エンジン回転に同期してクランク角信号を出力しこれによりエンジン回転数を検出可能なクランク角センサ１１、アクセル開度（アクセルペダルの踏込み量）を検出するアクセルペダルセンサ１２、吸気通路７にて吸気圧力を検出する吸気圧センサ１３、吸気通路７にて吸気温度を検出する吸気温センサ１４等から、信号が入力されている。
【００２０】
このエンジン１では、ポンプロスの低減による燃費向上を目的として、電磁駆動式の吸気弁５の閉時期を制御（早閉じ制御）することにより吸入空気量を制御して、ノンスロットル運転を行う。
すなわち、吸気弁５の開タイミング（ＩＶＯ）は上死点（ＴＤＣ）付近の一定タイミングとし、吸気弁５の閉タイミング（ＩＶＣ）はエンジン運転条件により決定する。
【００２１】
排気弁６の開タイミング（ＥＶＯ）及び閉タイミング（ＥＶＣ）は、最も熱効率の良いタイミングとなるように制御する。
燃料噴射弁９による燃料噴射量は、シリンダ吸入空気量（シリンダ内新気量）に基づいて、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又はノック限界に制御する。
【００２２】
かかる構成からなる可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量を、以下のようにして算出する。
図６は、シリンダ内残ガス量検出ルーチンのフローチャートであり、所定時間毎に実行される。
ステップ１（図にはＳ１と記す。以下同様）では、排気弁の閉時期か否かを判定し、排気弁の閉時期でない場合は、本ルーチンを終了する。
【００２３】
排気弁の閉時期の場合は、ステップ２へ進み、そのときのクランク角を計測する。
ステップ３では、排気弁の閉時期のクランク角より、予め定めたテーブルを参照するなどして、排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する。この部分が排気弁閉時シリンダ容積算出手段に相当する。
【００２４】
ステップ４では、エンジン回転数と負荷（アクセル開度に基づく目標トルク又は基本燃料噴射量）とから、予め定めた例えば図７に示すようなマップを参照して、排気密度を算出する。この部分が排気密度算出手段に相当する。
ステップ５では、次式のごとく、排気弁の閉時期のシリンダ容積と、排気密度とから、シリンダ内残ガス量を算出する。
【００２５】
シリンダ内残ガス量＝排気弁の閉時期のシリンダ容積×排気密度
この部分がシリンダ内残ガス量算出手段に相当する。
また、前記ステップ４でエンジン回転数と負荷とに基づいて排気密度を検出する代わりに、排気温度と排気圧とを計測し、これらに基づいて排気密度を算出することもできる。但し、この場合は、排気温度Ｔ，排気圧Ｐと、前記排気弁閉時シリンダ容積Ｖとに基づいて、直接シリンダ内残ガス量（質量) Ｇを次式により算出すればよい。
【００２６】
Ｇ＝（Ｐ・Ｖ) ／（Ｒ・Ｔ)
なお、排気温度，排気圧は、それぞれ温度センサ，圧力センサで計測すればよいが、排気圧は、大気圧から（望ましくはエンジン運転条件をも考慮して) 推定して求めてもよい。
また、上記のようにして求めたシリンダ内残ガス量を、大気圧で補正する構成としてもよい。即ち、高地等で大気圧が低下すると排気通路内の排気流動抵抗が低下するため、シリンダ内の既燃ガスが排気通路へ排出しやすくなり、残ガス量は減少するので、このような場合に対処した大気圧補正を行う。
【００２７】
さらに、前記の実施の形態ではスロットル弁を備えないものを示したが、スロットル弁を備えるものでは、吸気負圧がある程度増大することがあるため、排気圧と吸気圧との差圧による吸・排気弁オーバラップ時の排気の吹き抜けを考慮して、シリンダ内残ガス量を前記差圧によって補正することにより、より精度良くシリンダ内残ガス量を求めることができる。
【００２８】
図８は、シリンダ内残ガス量検出ルーチンの別の例のフローチャートを示す。
ステップ11では、吸・排気弁のオーバラップ量を算出する。
ステップ12では、吸・排気弁のオーバラップ量に基づいて、シリンダ内残ガスの体積量を算出する。これは、例えば、排気弁の閉時期（あるいは吸気弁の開時期) が略一定で吸気弁の開時期（排気弁の閉時期) のみが大きく変化するような条件では、オーバラップ量をパラメータとしてシリンダ内残ガス量を実験等で予め求めておくことができるので、該データを記憶したマップからの検索等で算出することができる。
【００２９】
以下、ステップ13で、前記ステップ４と同様にして、排気密度を算出し、ステップ14で、前記ステップ12で算出したシリンダ残ガス体積量に、排気密度を乗じることによりシリンダ内残ガス量（質量) を算出する。
図９は、シリンダ内残ガス量検出ルーチンの更に別の例のフローチャートを示す。
【００３０】
このものでは、ステップ21〜ステップ25で前記図６と同様にしてシリンダ内残ガス量を算出した後、ステップ26でオーバラップ量を算出し、ステップ27で該オーバラップ量に応じた補正を行う。即ち、図６では、オーバラップが無い場合の排気弁閉時期のシリンダ容積全体が既燃ガスであることを前提にして残ガス量が算出されるが、オーバラップがある場合は、該オーバラップ量に応じて新気が混ざっていたり、一旦吸気ポートに吹き抜けた排気がシリンダ内に戻されるなどして、残ガス量が変化するので、これを考慮して補正する。具体的には、実験的に求めたデータを記憶したマップから補正量を検索して補正すればよい。
【００３１】
また、前記図７，図８の例でも、エンジン運転条件に基づいて排気密度を検出する代わりに前記排気圧，排気温度を測定（推定を含む) してもよく、また、大気圧補正，吸気圧と排気圧との差圧補正などを行ってよいことは勿論である。
以上のようにして算出されたシリンダ内残ガス量は、種々の目的で用いることができる。例えば、この種の可変動弁エンジンでは、吸・排気弁の開閉時期を急変するような場合にも、エアフロメータ等の検出遅れを有する計測手段と比べ、直接シリンダの吸入空気量を求めるので、前記シリンダ内残ガス量を用いて応答性良くシリンダ吸入空気量を算出することが可能である。
【００３２】
具体的には、吸気弁閉時のシリンダ容積と、そのときの吸気密度とに基づいて吸気弁閉時のシリンダ内総ガス量を算出し、該シリンダ内総ガス量から、前記シリンダ内残ガス量を減算して、シリンダ内新気量を求めることができる。
この他、内部ＥＧＲの制御にシリンダ内残ガス量を検出しつつ、フィードバック制御を行って制御精度を高めたり、点火時期補正に用いたりすることもできる。
【００３３】
さらに、本実施の形態においては、電磁式動弁装置で説明したが、油圧をかけると開弁し、スプリングにより閉弁する動弁装置におて油圧をかける時期を制御することにより吸・排気弁の開閉時期を制御するような構成のものにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 請求項１に係る発明の構成を示す機能ブロック図
【図２】 請求項２に係る発明の構成を示す機能ブロック図
【図３】 請求項３に係る発明の構成を示す機能ブロック図
【図４】 本発明の一実施形態を示す可変動弁エンジンのシステム図
【図５】 吸排気弁の電磁駆動装置の基本構造図
【図６】 シリンダ内残ガス量検出ルーチンの一例を示すフローチャート
【図７】 排気密度算出用マップを示す図
【図８】 シリンダ内残ガス量検出ルーチンの別の例を示すフローチャート
【図９】 シリンダ内残ガス量検出ルーチンの更に別の例を示すフローチャート
【符号の説明】
１ エンジン
２ ピストン
３ 燃焼室
４ 点火栓
５ 電磁駆動式の吸気弁
６ 電磁駆動式の排気弁
７ 吸気通路
８ 排気通路
９ 燃料噴射弁
１０ コントロールユニット
１１ クランク角センサ
１２ アクセルペダルセンサ

Claims (9)

1. 少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
   排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
   エンジン回転数と負荷とに基づいて、エンジン回転数が高く、負荷が高いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
   排気弁の閉時期のシリンダ容積と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
   を含んで構成される可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
2. 少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
   排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
   排気圧力、排気温度に基づいて、排気圧力が高く、排気温度が低いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
   排気弁の閉時期のシリンダ容積と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
   を含んで構成される可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
3. 少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
   吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
   エンジン回転数と負荷とに基づいて、エンジン回転数が高く、負荷が高いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
   吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
   を含んで構成される可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
4. 少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
   吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
   排気圧力、排気温度に基づいて、排気圧力が高く、排気温度が低いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
   吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
   を含んで構成される可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
5. 少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
   排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
   吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
   エンジン回転数と負荷とに基づいて、エンジン回転数が高く、負荷が高いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
   排気弁の閉時期のシリンダ容積と吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、を含んで構成される可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
6. 少なくとも吸気弁の閉時期を制御して吸入空気量を制御する可変動弁エンジンにおいて、
   排気弁の閉時期のシリンダ容積を算出する排気弁閉時シリンダ容積算出手段と、
   吸・排気弁のオーバラップ量を算出するオーバラップ量算出手段と、
   排気圧力、排気温度に基づいて、排気圧力が高く、排気温度が低いほど、排気密度を大きくするように、排気密度を算出する排気密度算出手段と、
   吸・排気弁のオーバラップ量と排気密度とからシリンダ内残ガス量を算出するシリンダ内残ガス量算出手段と、
   を含んで構成される可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
7. 大気圧を検出する手段と、検出された大気圧に応じた排気流動抵抗に基づいてシリンダ内残ガス量を補正するシリンダ内残ガス量補正手段を含んでいることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
8. 吸気圧と排気圧をそれぞれ検出する手段と、吸気圧と排気圧との差に基づいてシリンダ内残ガス量を補正するシリンダ内残ガス量補正手段を含んでいることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。
9. 吸気弁と排気弁とは、電磁駆動されることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の可変動弁エンジンのシリンダ内残ガス量検出装置。

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