JP4019265B2 - 内燃機関のｅｇｒ流量算出装置および内燃機関の制御装置 - Google Patents
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- Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の排ガスを吸気側に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出装置、および当該ＥＧＲ流量算出装置を備えた内燃機関の制御装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
筒内での燃焼温度を低下させてＮＯx排出量を低減するために、エンジンの排ガスをＥＧＲガスとして吸気側に還流させるＥＧＲ装置が広く実施されている。一般にＥＧＲの還流状態はＥＧＲ率（ＥＧＲガス／新気）で表され、筒内に導入される混合ガス（新気＋ＥＧＲガス）のＥＧＲ率に応じて燃焼状態が変化することから、ＥＧＲ率を加味した上で点火時期や燃料噴射制御などの各種制御が実施されている。
【０００３】
例えばＥＧＲ率は、以下の手順で算出される。まず、エンジン回転速度と吸気負圧とからＥＧＲガスの流速を求めるとともに、ＥＧＲ弁の開度からＥＧＲ通路の開口面積を求め、これらのＥＧＲ流速とＥＧＲ開口面積とを乗算してＥＧＲガスの流量を算出する。そして、求めたＥＧＲ流量に基づいてＥＧＲ率の推定を行う。例えば、ＥＧＲガスをサージタンク内に還流させる形式のエンジンでは、サージタンク内でのＥＧＲガスと新気との混合状況を模擬した上でＥＧＲ流量からサージタンク内のＥＧＲ率を算出し、さらにサージタンク内の混合ガスがブランチを経て筒内に導入されるまでに要する移送遅れを考慮して、所定行程前のサージタンク内のＥＧＲ率を筒内に導入されるＥＧＲ率と見なしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、周知のようにＥＧＲガスはエンジンの排気側と吸気側との差圧を利用して還流されるため、高地において大気圧の低下とともに排圧が低下すると、吸気負圧は変化しなくても差圧の低下によりＥＧＲ流量が減少してしまう。上記特許文献１に記載の技術では、この点への対処がなされていないため、高地では実際より高いＥＧＲ流量、ひいては実際より大きなＥＧＲ率が算出されてしまう。例えば点火時期制御においては、ＥＧＲ還流による燃焼の緩慢化を抑制すべくＥＧＲ率の増加に応じて点火時期を進角させているが、平地と同様の点火時期制御の結果、過進角によるノッキングや燃費悪化を発生するという問題が発生した。
【０００５】
一方、大気圧変化に伴ってＥＧＲ率が変動したときの制御量に対する影響を抑制する対策が提案されている（例えば、特許文献２）。当該特許文献２に記載の技術では、点火時期や燃料噴射量などの基本制御量を吸気負圧とエンジン回転速度とから算出したＥＧＲ作動時の補正量により補正するとともに、この補正量算出に使用する吸気負圧を大気圧検出値に基づいて補正することで大気圧変化の影響を抑制するように構成されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５４６５９号公報
【特許文献２】
特許第２５６９５８６号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に記載の技術では、大気圧変化の影響がＥＧＲ率に及ぶにも拘わらず、大気圧検出値に基づく吸気負圧により最終的な制御量を補正している。即ち、ＥＧＲ率の変動による影響を補償するのであれば、その要因であるＥＧＲ率、或いはこれと相関するＥＧＲ流量などを直接的に補正することが望ましい。ところが、特許文献２の技術では、ＥＧＲ率などに対する大気圧変化の影響が的確に解析されていないことから、直接的なＥＧＲ率などの補正が実施できずに言わば間接的に制御量を補正するしかなく、その結果、制御量に対する最適な補正が実施されているとは言い難かった。
【０００８】
そこで、請求項１〜３の発明の目的は、大気圧変化による影響の的確な解析結果に基づいてＥＧＲ流量を適切且つ直接的に補正し、もって、正確にＥＧＲ流量を算出することができる内燃機関のＥＧＲ流量算出装置を提供することにある。
また、請求項４，５の発明の目的は、上記内燃機関のＥＧＲ流量算出装置により算出された正確なＥＧＲ流量に基づいて機関制御で使用される制御量や状態量を適切に補正し、もって、的確な機関制御を実現することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の吸気管内圧力と大気圧との差圧により排気の一部を吸気管に再循環させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁の開度に基づいてＥＧＲ通路の開口面積を算出する開口面積算出手段と、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段と、吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、吸気管内圧力相関値と機関回転速度とに対応するＥＧＲ流速の所定大気圧下における関係を記憶したマップを有し、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正して求めた吸気管内圧力相関値と機関回転速度の検出値とに基づいて、マップからＥＧＲ流速を算出するＥＧＲ流速算出手段と、大気圧検出値に基づいて密度補正係数を算出する密度補正係数算出手段と、ＥＧＲ通路の開口面積とＥＧＲ流速と密度補正係数とからＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出手段とを備えたものである。
【００１０】
従って、ＥＧＲ弁の開度に基づいて開口面積算出手段によりＥＧＲ通路の開口面積が算出され、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正した吸気管内圧力相関値と機関回転速度の検出値とに基づいて、ＥＧＲ流速算出手段によりマップからＥＧＲ流速が算出され、大気圧検出値に基づいて密度補正係数算出手段により密度補正係数が算出され、これらのＥＧＲ通路の開口面積とＥＧＲ流速と密度補正係数とからＥＧＲ流量算出手段によりＥＧＲ流量が算出される。
【００１１】
ＥＧＲ通路内を流通する過程でＥＧＲガスの圧力は大気圧から吸気管内圧力へと変化することから、このときのＥＧＲガスの状態変化は、例えば、実施形態で説明した圧縮性流体の式(6)，(7)により表される。そして、式(7)において、
【００１２】
【数１】
【００１３】
はＥＧＲガスの速度成分を表し、何れの項にも大気圧Ｐ１が含まれて影響を受けるため、ＥＧＲ流量（両式(6),(7)の質量流量Ｇ）を求めるには、ＥＧＲガスの密度および流速に関する補正が必要不可欠であることが判る。
上記のようにマップからＥＧＲ流速を算出する際に、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正した吸気管内圧力相関値を適用することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化が補償されるとともに、密度補正係数に基づく補正を実施することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの密度変化が補償され、これらの要因によるＥＧＲ流量の算出に対する影響が排除される。そして、このように大気圧変化の影響を直接受けるＥＧＲ流量に対して補正を実施するため、例えば、このＥＧＲ流量を制御に利用する場合の最終的な制御量や状態量を間接的に補正する場合に比較して、大気圧変化に対する補正をより適切に実施可能となる。
【００１４】
しかも、所定大気圧を前提としたマップに基づいてＥＧＲ流速を求め、そのＥＧＲ流速に基づいてＥＧＲ流量を算出する際に密度補正係数により補正することで、現在の大気圧に対応するＥＧＲ流量を求めている。よって、例えば各大気圧毎にマップを設定して、現在の大気圧に対応するマップからＥＧＲ流速を求める場合に比較して、より簡便にＥＧＲ流量を算出可能となる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項1において、吸気管内圧力相関値を、吸気管内圧力検出値と大気圧検出値との圧力比としたものである。
従って、吸気管内圧力検出値と大気圧検出値との圧力比に基づいて、正確なＥＧＲ流量を簡便に算出可能となる。
請求項３の発明は、請求項1において、密度補正係数算出手段が、所定大気圧に対する大気圧検出値の比を密度補正係数として算出するものである。
【００１６】
従って、所定大気圧に対する大気圧検出値の比として算出された密度補正係数に基づいて、正確なＥＧＲ流量を簡便に算出可能となる。
請求項４の発明は、内燃機関の吸気管内圧力と大気圧との差圧により排気の一部を吸気管に再循環させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁の開度に基づいてＥＧＲ通路の開口面積を算出する開口面積算出手段と、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段と、吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、吸気管内圧力相関値と機関回転速度とに対応するＥＧＲ流速の所定大気圧下における関係を記憶したマップを有し、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正して求めた吸気管内圧力相関値と機関回転速度の検出値とに基づいて、マップからＥＧＲ流速を算出するＥＧＲ流速算出手段と、大気圧検出値に基づいて密度補正係数を算出する密度補正係数算出手段と、ＥＧＲ通路の開口面積とＥＧＲ流速と密度補正係数とからＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出手段と、内燃機関の制御で使用される所定の制御量或いは所定の状態量を、算出されたＥＧＲ流量に基づいて補正する制御手段とを備えたものである。
【００１７】
従って、この請求項４では請求項１の説明と同様の作用が奏されるため、重複する説明は省略するが、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化および密度変化の解析結果に基づいてＥＧＲ流量が適切且つ直接的に補正されるとともに、所定大気圧を前提とした共通のマップを用いてＥＧＲ流速を求めることで、より簡便にＥＧＲ量を算出可能となる。
【００１８】
そして、このようにして正確に算出されたＥＧＲ流量に基づいて、内燃機関の制御で使用される制御量（例えば、点火時期）や状態量（例えば、体積効率）が制御手段により適切に補正される。
請求項５の発明は、請求項４において、所定の制御量或いは所定の状態量が複数存在するものである。
【００１９】
従って、大気圧変化に基づいて補正したＥＧＲ流量を複数の制御量や状態量の補正に適用することから、各制御量や状態量を個別に大気圧変化に基づいて補正する場合に比較して、処理が簡略化される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したエンジンの制御装置の一実施形態を説明する。本実施形態のエンジンの制御装置は、ＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出装置を備えるとともに、当該装置により算出されたＥＧＲ流量からＥＧＲ率を求めて、点火時期制御や燃料噴射制御に適用するように構成されている。
【００２１】
図１は本実施形態のエンジンの制御装置を示す全体構成図であり、当該エンジン１は吸気管噴射型の直列４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。エンジン１の各気筒の筒内１ａは、インテークマニホールド２のブランチ２ａを介して共通のサージタンク３（吸気管）に連結され、サージタンク３は吸気通路４を経てエアクリーナ５に接続されている。エアクリーナ５を経て吸気通路４内に導入された吸気は、スロットル弁６の開度に応じて流量調整された後にサージタンク３内に導入され、インテークマニホールド２の各ブランチ２ａ内を流通して、各ブランチ２ａに設けられた燃料噴射弁７から燃料を噴射された後、図示しない吸気弁の開弁に伴って各気筒の筒内１ａに導入される。
【００２２】
一方、各気筒の筒内１ａは、エキゾーストマニホールド８を介して排気通路９が接続されている。排気通路９と上記サージタンク３とはＥＧＲ通路１０により接続され、このＥＧＲ通路１０にはＥＧＲ弁１１が設けられている。吸気と共に筒内１ａに導入された噴射燃料は、各気筒の点火プラグ１２により所定タイミングで点火され、燃焼後の排ガスは図示しない排気弁の開弁に伴って筒内から排出され、エキゾーストマニホールド８、排気通路９、図示しない触媒を経て外部に排出される一方、排ガスの一部はＥＧＲガスとして、ＥＧＲ弁１１の開度に応じてＥＧＲ通路１０からサージタンク３内に還流される。
【００２３】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）２１が設置されている。ＥＣＵ２１の入力側には、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ２２（回転速度検出手段）、サージタンク３内の吸気負圧Ｐbを検出する吸気圧センサ２３（吸気管内圧力検出手段）、大気圧Ｐａを検出する大気圧センサ２４（大気圧検出手段）等の各種センサ類が接続され、出力側には上記燃料噴射弁７、ＥＧＲ弁１１、点火プラグ１２等の各種デバイス類が接続されている。
【００２４】
そして、ＥＣＵ２１は各種センサ類からの検出情報に基づいて燃料噴射量、ＥＧＲ率、点火時期等の目標値を設定し、目標値に基づいて燃料噴射弁７、ＥＧＲ弁１１、点火プラグ１２を制御する。上記点火時期や燃料噴射量の設定は、予め設定されたＥＧＲ時と非ＥＧＲ時とのマップを現在のＥＧＲ率により補間して行われるため、各気筒の筒内１ａに導入される混合ガスのＥＧＲ率（以下、筒内ＥＧＲ率ＲC(n)という）を推定する必要がある。筒内ＥＧＲ率ＲC(n)はサージタンク３内のＥＧＲ率（以下、タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)という）に基づいて推定され、このタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)を推定するには、サージタンク３内に導入されるＥＧＲガスの流量（以下、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)という）を算出する必要がある。そこで、この筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定するための一連の処理を順次説明する。
【００２５】
《ＥＧＲ流量ΔＰr(n)の算出》
筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定処理は、ＥＣＵ２１により図２に示す制御フローに従ってエンジン１の１行程毎に実行される。まず、ＥＧＲ開口面積演算部３１にはＥＧＲ弁１１の開度Ｓ0がステップ数（例えば、弁リフト量と相関する）として入力され、ＥＧＲ開度Ｓ0を開口面積相当にリニアライズしたマップに基づき、ＥＧＲ開度Ｓ0からＥＧＲ開口面積Ｓが求められる（開口面積算出手段）。
【００２６】
一方、ＥＧＲ流速演算部３２の圧力比設定部３２ａには吸気負圧Ｐbおよび大気圧Ｐaが入力され、これらの情報に基づいて圧力比Ｐb／Ｐaが算出される。ＥＧＲ流速演算部３２は、予め設定された標準大気圧Ｐ0における圧力比Ｐb／Ｐaおよびエンジン回転速度Ｎeに対するＥＧＲ流速Ｑの関係を記憶したマップを有し、当該マップに基づいて圧力比Ｐb／Ｐaおよびエンジン回転速度ＮeからＥＧＲ流速Ｑが算出される（ＥＧＲ流速算出手段）。
【００２７】
得られたＥＧＲ開口面積ＳおよびＥＧＲ流速ＱはＥＧＲ流量演算部３３の乗算部３３ａに入力され、次式(1)に従って１行程間にサージタンク３内に導入される基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)が算出される。尚、基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)の単位は、サージタンク３の分圧相当で表現される。
ΔＰr0(n)＝Ｓ×Ｑ ………(1)
また、上記大気圧Ｐaおよび標準大気圧Ｐ0はＥＧＲ流量演算部３３の補正係数設定部３３ｂに入力され、これらの情報に基づいて密度補正係数Ｐa／Ｐ0が算出される（密度補正係数算出手段）。得られた基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)および密度補正係数Ｐa／Ｐ0はＥＧＲ流量演算部３３の補正部３３ｃに入力され、次式(2)に従ってＥＧＲ流量ΔＰr(n)が算出される（ＥＧＲ流量算出手段）。
ΔＰr(n)＝ΔＰr0(n)×Ｐa／Ｐ0 ………(2)
《タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)の推定》
その後、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)はＥＧＲ分圧演算部３４に入力され、次式(3)に従ってサージタンク３内のＥＧＲ分圧Ｐr(n)が算出される。
Ｐr(n)＝Ｐr(n-1)×（１−Ｖcyl／Ｖst）＋ΔＰr(n)×Ｖcyl／Ｖst ………(3)
ここに、Ｖcylは気筒容積、Ｖstはサージタンク容積であり、その比Ｖcyl／Ｖstは、１気筒当たりの混合ガスの流出入がサージタンク３全体に及ぼす影響度を表す。よって、式(3)の前半は、前回処理時（１行程前）のＥＧＲガス分圧Ｐr(n-1)が気筒容積分だけ流出した後の残存分に相当し、式(3)の後半は、新たな流入分に相当し、これらの分圧の加算により現在のサージタンク３内のＥＧＲ分圧Ｐr(n)が求められる。
【００２８】
ＥＧＲ分圧Ｐr(n)はタンク内ＥＧＲ率演算部３５に入力され、次式(4)に従ってタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)が算出される。
尚、吸気負圧Ｐbとしては１行程間の平均値が適用される。
【００２９】
《筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定》
タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)は筒内ＥＧＲ率演算部３６に入力されて順次記憶される。ここで、本実施形態のエンジン１では、各ブランチ２ａ内の容積が気筒容積の２倍に設定されているため、図１においてサージタンク３内の混合ガスが各気筒の点火順序に従って各ブランチ２ａを移送されて対応する気筒の筒内に導入されるのは、各気筒の行程が２巡した後、つまり８行程後である。そこで、筒内ＥＧＲ率演算部３６では、各気筒の筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定する際に８行程前のタンク内ＥＧＲ率ＲS(n-8)が読み出され、当該タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)が筒内ＥＧＲ率ＲC(n)として設定される。
【００３０】
尚、以上のＥＧＲ流量ΔＰr(n)からタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)を推定する処理、およびタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)から筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定する処理は、上記手法に限ることはなく種々に変更可能である。例えばタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)の推定処理では、上式(3)の比Ｖcyl／Ｖstを適用することでサージタンク３内での新気とＥＧＲガスとの混合過程を模擬したが、これに代えて１次フィルタを用いたなまし処理により混合過程を模擬してもよいし、筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定処理では、各ブランチ２ａ内での混合ガスの圧縮・膨張を考慮しなかったが、圧縮・膨張に伴う混合ガスの移送状況を考慮した上で、筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定するようにしてもよい。
【００３１】
そして、以上のようにして推定された筒内ＥＧＲ率ＲC(n)が点火時期ＳＡや体積効率係数の設定に適用される。
図３は点火時期ＳＡを設定する処理手順を示す制御フローであり、まず、エンジン回転速度Ｎeおよび吸気負圧Ｐbに基づき、ＥＧＲ時点火時期演算部４１でマップからＥＧＲ時の点火時期ＳＡwが算出される一方、非ＥＧＲ時点火時期演算部４２ではマップから非ＥＧＲ時の点火時期ＳＡw/oが算出される。また、エンジン回転速度Ｎeおよび吸気負圧Ｐbに基づき、目標ＥＧＲ演算部４３でマップから目標ＥＧＲ率ＲSTDが算出される。
【００３２】
得られた点火時期ＳＡw，ＳＡw/o、目標ＥＧＲ率ＲSTD、および上記した筒内ＥＧＲ率ＲC(n)は補間処理部４５に入力され、次式(5)に従って現在の筒内ＥＧＲ率ＲC(n)に対応する点火時期ＳＡが直線補完により算出される（制御手段）。
ＳＡ＝ＳＡw/o＋（ＳＡw−ＳＡw/o）×ＲC(n)／ＲSTD ………(5)
一方、体積効率係数も上記点火時期ＳＡと同様の手順で算出され、詳細は説明しないが、ＥＧＲ時のマップおよび非ＥＧＲ時のマップから求めた体積効率係数を補間処理し、得られた現在の体積効率係数に基づき新気量を求めて燃料噴射制御に適用している。そして、この補間処理でも、上式(5)の比ＲC(n)／ＲSTD、つまり、推定した筒内ＥＧＲ率ＲC(n)が利用される。
【００３３】
一方、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)の算出処理において、マップに基づくＥＧＲ流速Ｑの算出に圧力比Ｐb／Ｐaを適用する一方、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)の推定に密度補正係数Ｐa／Ｐ0を適用しているのは、以下の要因を考慮した結果である。
まず、ＥＧＲ通路１０は図４に示すように模式的に表すことができ、同図においてＥＧＲ通路１０の右方は上流側の排気通路９に、ＥＧＲ通路１０の左方は下流側のサージタンク３内に対応する。ＥＧＲ通路１０内を流通する過程でＥＧＲガスの圧力は、排気通路９内の圧力である大気圧Ｐaからサージタンク内の圧力である吸気負圧Ｐbへと変化することから、このときのＥＧＲガスの状態変化は、周知のノズルを流れる圧縮性流体の式(6)により表すことができる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
ここで、ＧはＥＧＲガスの質量流量、ＳはＥＧＲ通路１０の開口面積、Ｔ1はＥＧＲガスの温度、Ｒはガス定数、ｋは比熱比であり、Ｐ1は排気通路９内の圧力（大気圧Ｐa）、Ｐ2はサージタンク３内の圧力（吸気負圧Ｐb）であり、上式(6)は、次式(7)のように展開できる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
すると、単位面積当たりのＥＧＲガスの質量流量を表す。そして、何れの項にも圧力Ｐ１が含まれて大気圧Ｐaの影響を受けるため、ＥＧＲガスの質量流量Ｇを求めるには、ＥＧＲガスの密度および流速に関する補正が必要不可欠であることが判る。
換言すれば上式(7)は、大気圧Ｐaが変化しても、圧力比Ｐ2／Ｐ1（つまり、圧力比Ｐb／Ｐa）をパラメータとした流速計算を行い、且つ、排気通路９側の密度補正（つまり、密度補正係数Ｐa／Ｐ0による補正）を実施すれば、正確な質量流量Ｇ（つまり、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)）を算出可能であることを意味している。
【００３８】
以上のように本実施形態では、ＥＧＲガスに対する大気圧変化の影響の解析結果から、大気圧変化に伴って筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の変動する要因がＥＧＲガスの流速変化および密度変化にあることを究明した。そして、マップからＥＧＲ流速Ｑを算出する際に、吸気負圧Ｐbに代えて圧力比Ｐb／Ｐaを適用することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化を補償するとともに、密度補正係数Ｐa／Ｐ0に基づく補正を実施することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの密度変化を補償しているため、これらの要因によるＥＧＲ流量ΔＰr(n)の推定に対する影響を確実に排除できる。また、大気圧変化の影響を直接受けるＥＧＲ流量ΔＰr(n)に対して補正を実施するため、特許文献２に記載の技術のように最終的な制御量（点火時期や燃料噴射量）を間接的に補正する場合に比較して、大気圧変化に対する補正をより適切に実施できる。
【００３９】
図５は所定のエンジン回転速度Ｎeおよび吸気負圧Ｐbでの運転時において、大気圧変化に対するＥＧＲ率変化の実測値と本実施形態による推定値とを比較した説明図であるが、大気圧が変化しても実測値に近いＥＧＲ率を推定できることがわかる。その結果、本実施形態のエンジン１の制御装置によれば、大気圧変化に影響されることなくＥＧＲ流量ΔＰr(n)、ひいては筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を正確に推定でき、結果として筒内ＥＧＲ率ＲC(n)に基づく点火時期制御や燃料噴射制御を的確に実行することができる。例えば点火時期制御では、ＥＧＲ還流による燃焼の緩慢化を抑制すべく筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の増加に応じて点火時期ＳＡを進角させているが、大気圧が変化しても常に正確な筒内ＥＧＲ率ＲC(n)に基づいて点火時期ＳＡが制御されるため、高地での過進角によるノッキングや燃費悪化などの不具合を未然に防止できる。
【００４０】
しかも、標準大気圧Ｐ0を前提としたマップに基づいてＥＧＲ流速Ｑを求め、そのＥＧＲ流速Ｑから算出した基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)を密度補正係数Ｐa／Ｐ0により補正することで、現在の大気圧Ｐaに対応するＥＧＲ流量ΔＰr(n)を求めている。よって、例えば各大気圧毎にマップを設定して、現在の大気圧Ｐaに対応するマップからＥＧＲ流速Ｑを求める場合に比較して、より簡便にＥＧＲ流量ΔＰr(n)を推定することができる。
【００４１】
一方、上記のように点火時期ＳＡと体積効率係数とを共に算出する場合でも、その基礎となるＥＧＲ率に対して既に大気圧変化に基づく補正が行われているため、点火時期ＳＡや体積効率係数を大気圧変化に基づいて個別に補正する必要がなく、ＥＣＵ２１の処理を簡略化できるという利点もある。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、吸気管噴射型の直列４気筒ガソリンエンジン１用の制御装置に具体化したが、エンジンの形式等はこれに限ることはなく、例えば筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに適用したり、気筒配列や気筒数の異なるエンジンに適用したりしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、ＥＧＲガスをサージタンク３に還流したが、エンジン1の吸気側であればＥＧＲガスの還流先はこれに限ることはなく、例えばインテークマニホールド２の各ブランチ２ａにＥＧＲガスを還流してもよい。
さらに、上記実施形態では、ＥＧＲガスの流速変化に対する補償に圧力比Ｐb／Ｐaを用い、密度変化に対する補償に密度補正係数Ｐa／Ｐ0を用いたが、何れの場合も大気圧変化に応じた流速や密度の変化と相関するパラメータであれば、これらに限定されることはなく、例えば圧力比Ｐb／Ｐaに代えて差圧Ｐa−Ｐbを用いてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１〜３の発明の内燃機関のＥＧＲ流量算出装置によれば、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化および密度変化の的確な解析結果に基づき、ＥＧＲ流量を適切且つ直接的に補正することから、正確にＥＧＲ流量を算出できるとともに、所定大気圧を前提とした共通のマップを用いてＥＧＲ流速を求めるため、より簡便にＥＧＲ流量を推定することができる。
【００４４】
請求項４の発明の内燃機関の制御装置によれば、大気圧変化による影響の的確な解析結果に基づいてＥＧＲ流量を正確に算出し、そのＥＧＲ流量に基づき内燃機関の制御で使用される制御量や状態量を適切に補正するようにしたため、的確な機関制御を実現することができる。
請求項５の発明の内燃機関の制御装置によれば、請求項４に加えて、複数の制御量や状態量を大気圧変化に基づいて個別に補正する必要がないため、処理を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のエンジンのＥＧＲ制御装置を示す全体構成図である。
【図２】ＥＣＵが筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定するときの制御フローを示す説明図である。
【図３】ＥＣＵが点火時期ＳＡを設定するときの制御フローを示す説明図である。
【図４】ＥＧＲ通路内を流通するＥＧＲガスの状態変化を示す模式図である。
【図５】ＥＧＲ率変化の実測値と本実施形態による推定値とを比較した特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
３ サージタンク（吸気管）
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲ弁
２１ ＥＣＵ（開口面積算出手段、ＥＧＲ流速算出手段、密度補正係数算出手段、ＥＧＲ流量算出手段、制御手段）
２２ 回転速度センサ（回転速度検出手段）
２３ 吸気圧センサ（吸気管内圧力検出手段）
２４ 大気圧センサ（大気圧検出手段）
Ｎe エンジン回転速度
Ｓ ＥＧＲ開口面積
Ｑ ＥＧＲ流速
Ｐa 大気圧
Ｐb 吸気負圧（吸気管内圧力）
Ｐ0 標準大気圧（所定大気圧）
ΔＰr(n) ＥＧＲ流量
Ｐb／Ｐa 圧力比（吸気管内圧力相関値）
Ｐa／Ｐ0 密度補正係数
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンという）の排ガスを吸気側に還流させるＥＧＲ装置のＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出装置、および当該ＥＧＲ流量算出装置を備えた内燃機関の制御装置に関するものである。
【０００２】
【関連する背景技術】
筒内での燃焼温度を低下させてＮＯx排出量を低減するために、エンジンの排ガスをＥＧＲガスとして吸気側に還流させるＥＧＲ装置が広く実施されている。一般にＥＧＲの還流状態はＥＧＲ率（ＥＧＲガス／新気）で表され、筒内に導入される混合ガス（新気＋ＥＧＲガス）のＥＧＲ率に応じて燃焼状態が変化することから、ＥＧＲ率を加味した上で点火時期や燃料噴射制御などの各種制御が実施されている。
【０００３】
例えばＥＧＲ率は、以下の手順で算出される。まず、エンジン回転速度と吸気負圧とからＥＧＲガスの流速を求めるとともに、ＥＧＲ弁の開度からＥＧＲ通路の開口面積を求め、これらのＥＧＲ流速とＥＧＲ開口面積とを乗算してＥＧＲガスの流量を算出する。そして、求めたＥＧＲ流量に基づいてＥＧＲ率の推定を行う。例えば、ＥＧＲガスをサージタンク内に還流させる形式のエンジンでは、サージタンク内でのＥＧＲガスと新気との混合状況を模擬した上でＥＧＲ流量からサージタンク内のＥＧＲ率を算出し、さらにサージタンク内の混合ガスがブランチを経て筒内に導入されるまでに要する移送遅れを考慮して、所定行程前のサージタンク内のＥＧＲ率を筒内に導入されるＥＧＲ率と見なしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、周知のようにＥＧＲガスはエンジンの排気側と吸気側との差圧を利用して還流されるため、高地において大気圧の低下とともに排圧が低下すると、吸気負圧は変化しなくても差圧の低下によりＥＧＲ流量が減少してしまう。上記特許文献１に記載の技術では、この点への対処がなされていないため、高地では実際より高いＥＧＲ流量、ひいては実際より大きなＥＧＲ率が算出されてしまう。例えば点火時期制御においては、ＥＧＲ還流による燃焼の緩慢化を抑制すべくＥＧＲ率の増加に応じて点火時期を進角させているが、平地と同様の点火時期制御の結果、過進角によるノッキングや燃費悪化を発生するという問題が発生した。
【０００５】
一方、大気圧変化に伴ってＥＧＲ率が変動したときの制御量に対する影響を抑制する対策が提案されている（例えば、特許文献２）。当該特許文献２に記載の技術では、点火時期や燃料噴射量などの基本制御量を吸気負圧とエンジン回転速度とから算出したＥＧＲ作動時の補正量により補正するとともに、この補正量算出に使用する吸気負圧を大気圧検出値に基づいて補正することで大気圧変化の影響を抑制するように構成されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２５４６５９号公報
【特許文献２】
特許第２５６９５８６号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に記載の技術では、大気圧変化の影響がＥＧＲ率に及ぶにも拘わらず、大気圧検出値に基づく吸気負圧により最終的な制御量を補正している。即ち、ＥＧＲ率の変動による影響を補償するのであれば、その要因であるＥＧＲ率、或いはこれと相関するＥＧＲ流量などを直接的に補正することが望ましい。ところが、特許文献２の技術では、ＥＧＲ率などに対する大気圧変化の影響が的確に解析されていないことから、直接的なＥＧＲ率などの補正が実施できずに言わば間接的に制御量を補正するしかなく、その結果、制御量に対する最適な補正が実施されているとは言い難かった。
【０００８】
そこで、請求項１〜３の発明の目的は、大気圧変化による影響の的確な解析結果に基づいてＥＧＲ流量を適切且つ直接的に補正し、もって、正確にＥＧＲ流量を算出することができる内燃機関のＥＧＲ流量算出装置を提供することにある。
また、請求項４，５の発明の目的は、上記内燃機関のＥＧＲ流量算出装置により算出された正確なＥＧＲ流量に基づいて機関制御で使用される制御量や状態量を適切に補正し、もって、的確な機関制御を実現することができる内燃機関の制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の吸気管内圧力と大気圧との差圧により排気の一部を吸気管に再循環させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁の開度に基づいてＥＧＲ通路の開口面積を算出する開口面積算出手段と、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段と、吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、吸気管内圧力相関値と機関回転速度とに対応するＥＧＲ流速の所定大気圧下における関係を記憶したマップを有し、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正して求めた吸気管内圧力相関値と機関回転速度の検出値とに基づいて、マップからＥＧＲ流速を算出するＥＧＲ流速算出手段と、大気圧検出値に基づいて密度補正係数を算出する密度補正係数算出手段と、ＥＧＲ通路の開口面積とＥＧＲ流速と密度補正係数とからＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出手段とを備えたものである。
【００１０】
従って、ＥＧＲ弁の開度に基づいて開口面積算出手段によりＥＧＲ通路の開口面積が算出され、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正した吸気管内圧力相関値と機関回転速度の検出値とに基づいて、ＥＧＲ流速算出手段によりマップからＥＧＲ流速が算出され、大気圧検出値に基づいて密度補正係数算出手段により密度補正係数が算出され、これらのＥＧＲ通路の開口面積とＥＧＲ流速と密度補正係数とからＥＧＲ流量算出手段によりＥＧＲ流量が算出される。
【００１１】
ＥＧＲ通路内を流通する過程でＥＧＲガスの圧力は大気圧から吸気管内圧力へと変化することから、このときのＥＧＲガスの状態変化は、例えば、実施形態で説明した圧縮性流体の式(6)，(7)により表される。そして、式(7)において、
【００１２】
【数１】
はＥＧＲガスの速度成分を表し、何れの項にも大気圧Ｐ１が含まれて影響を受けるため、ＥＧＲ流量（両式(6),(7)の質量流量Ｇ）を求めるには、ＥＧＲガスの密度および流速に関する補正が必要不可欠であることが判る。
上記のようにマップからＥＧＲ流速を算出する際に、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正した吸気管内圧力相関値を適用することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化が補償されるとともに、密度補正係数に基づく補正を実施することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの密度変化が補償され、これらの要因によるＥＧＲ流量の算出に対する影響が排除される。そして、このように大気圧変化の影響を直接受けるＥＧＲ流量に対して補正を実施するため、例えば、このＥＧＲ流量を制御に利用する場合の最終的な制御量や状態量を間接的に補正する場合に比較して、大気圧変化に対する補正をより適切に実施可能となる。
【００１４】
しかも、所定大気圧を前提としたマップに基づいてＥＧＲ流速を求め、そのＥＧＲ流速に基づいてＥＧＲ流量を算出する際に密度補正係数により補正することで、現在の大気圧に対応するＥＧＲ流量を求めている。よって、例えば各大気圧毎にマップを設定して、現在の大気圧に対応するマップからＥＧＲ流速を求める場合に比較して、より簡便にＥＧＲ流量を算出可能となる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項1において、吸気管内圧力相関値を、吸気管内圧力検出値と大気圧検出値との圧力比としたものである。
従って、吸気管内圧力検出値と大気圧検出値との圧力比に基づいて、正確なＥＧＲ流量を簡便に算出可能となる。
請求項３の発明は、請求項1において、密度補正係数算出手段が、所定大気圧に対する大気圧検出値の比を密度補正係数として算出するものである。
【００１６】
従って、所定大気圧に対する大気圧検出値の比として算出された密度補正係数に基づいて、正確なＥＧＲ流量を簡便に算出可能となる。
請求項４の発明は、内燃機関の吸気管内圧力と大気圧との差圧により排気の一部を吸気管に再循環させるＥＧＲ通路と、ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁の開度に基づいてＥＧＲ通路の開口面積を算出する開口面積算出手段と、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、大気圧を検出する大気圧検出手段と、吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、吸気管内圧力相関値と機関回転速度とに対応するＥＧＲ流速の所定大気圧下における関係を記憶したマップを有し、吸気管内圧力検出値を大気圧検出値で補正して求めた吸気管内圧力相関値と機関回転速度の検出値とに基づいて、マップからＥＧＲ流速を算出するＥＧＲ流速算出手段と、大気圧検出値に基づいて密度補正係数を算出する密度補正係数算出手段と、ＥＧＲ通路の開口面積とＥＧＲ流速と密度補正係数とからＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出手段と、内燃機関の制御で使用される所定の制御量或いは所定の状態量を、算出されたＥＧＲ流量に基づいて補正する制御手段とを備えたものである。
【００１７】
従って、この請求項４では請求項１の説明と同様の作用が奏されるため、重複する説明は省略するが、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化および密度変化の解析結果に基づいてＥＧＲ流量が適切且つ直接的に補正されるとともに、所定大気圧を前提とした共通のマップを用いてＥＧＲ流速を求めることで、より簡便にＥＧＲ量を算出可能となる。
【００１８】
そして、このようにして正確に算出されたＥＧＲ流量に基づいて、内燃機関の制御で使用される制御量（例えば、点火時期）や状態量（例えば、体積効率）が制御手段により適切に補正される。
請求項５の発明は、請求項４において、所定の制御量或いは所定の状態量が複数存在するものである。
【００１９】
従って、大気圧変化に基づいて補正したＥＧＲ流量を複数の制御量や状態量の補正に適用することから、各制御量や状態量を個別に大気圧変化に基づいて補正する場合に比較して、処理が簡略化される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したエンジンの制御装置の一実施形態を説明する。本実施形態のエンジンの制御装置は、ＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出装置を備えるとともに、当該装置により算出されたＥＧＲ流量からＥＧＲ率を求めて、点火時期制御や燃料噴射制御に適用するように構成されている。
【００２１】
図１は本実施形態のエンジンの制御装置を示す全体構成図であり、当該エンジン１は吸気管噴射型の直列４気筒ガソリンエンジンとして構成されている。エンジン１の各気筒の筒内１ａは、インテークマニホールド２のブランチ２ａを介して共通のサージタンク３（吸気管）に連結され、サージタンク３は吸気通路４を経てエアクリーナ５に接続されている。エアクリーナ５を経て吸気通路４内に導入された吸気は、スロットル弁６の開度に応じて流量調整された後にサージタンク３内に導入され、インテークマニホールド２の各ブランチ２ａ内を流通して、各ブランチ２ａに設けられた燃料噴射弁７から燃料を噴射された後、図示しない吸気弁の開弁に伴って各気筒の筒内１ａに導入される。
【００２２】
一方、各気筒の筒内１ａは、エキゾーストマニホールド８を介して排気通路９が接続されている。排気通路９と上記サージタンク３とはＥＧＲ通路１０により接続され、このＥＧＲ通路１０にはＥＧＲ弁１１が設けられている。吸気と共に筒内１ａに導入された噴射燃料は、各気筒の点火プラグ１２により所定タイミングで点火され、燃焼後の排ガスは図示しない排気弁の開弁に伴って筒内から排出され、エキゾーストマニホールド８、排気通路９、図示しない触媒を経て外部に排出される一方、排ガスの一部はＥＧＲガスとして、ＥＧＲ弁１１の開度に応じてＥＧＲ通路１０からサージタンク３内に還流される。
【００２３】
一方、車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えたＥＣＵ（電子制御ユニット）２１が設置されている。ＥＣＵ２１の入力側には、エンジン回転速度Ｎeを検出する回転速度センサ２２（回転速度検出手段）、サージタンク３内の吸気負圧Ｐbを検出する吸気圧センサ２３（吸気管内圧力検出手段）、大気圧Ｐａを検出する大気圧センサ２４（大気圧検出手段）等の各種センサ類が接続され、出力側には上記燃料噴射弁７、ＥＧＲ弁１１、点火プラグ１２等の各種デバイス類が接続されている。
【００２４】
そして、ＥＣＵ２１は各種センサ類からの検出情報に基づいて燃料噴射量、ＥＧＲ率、点火時期等の目標値を設定し、目標値に基づいて燃料噴射弁７、ＥＧＲ弁１１、点火プラグ１２を制御する。上記点火時期や燃料噴射量の設定は、予め設定されたＥＧＲ時と非ＥＧＲ時とのマップを現在のＥＧＲ率により補間して行われるため、各気筒の筒内１ａに導入される混合ガスのＥＧＲ率（以下、筒内ＥＧＲ率ＲC(n)という）を推定する必要がある。筒内ＥＧＲ率ＲC(n)はサージタンク３内のＥＧＲ率（以下、タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)という）に基づいて推定され、このタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)を推定するには、サージタンク３内に導入されるＥＧＲガスの流量（以下、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)という）を算出する必要がある。そこで、この筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定するための一連の処理を順次説明する。
【００２５】
《ＥＧＲ流量ΔＰr(n)の算出》
筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定処理は、ＥＣＵ２１により図２に示す制御フローに従ってエンジン１の１行程毎に実行される。まず、ＥＧＲ開口面積演算部３１にはＥＧＲ弁１１の開度Ｓ0がステップ数（例えば、弁リフト量と相関する）として入力され、ＥＧＲ開度Ｓ0を開口面積相当にリニアライズしたマップに基づき、ＥＧＲ開度Ｓ0からＥＧＲ開口面積Ｓが求められる（開口面積算出手段）。
【００２６】
一方、ＥＧＲ流速演算部３２の圧力比設定部３２ａには吸気負圧Ｐbおよび大気圧Ｐaが入力され、これらの情報に基づいて圧力比Ｐb／Ｐaが算出される。ＥＧＲ流速演算部３２は、予め設定された標準大気圧Ｐ0における圧力比Ｐb／Ｐaおよびエンジン回転速度Ｎeに対するＥＧＲ流速Ｑの関係を記憶したマップを有し、当該マップに基づいて圧力比Ｐb／Ｐaおよびエンジン回転速度ＮeからＥＧＲ流速Ｑが算出される（ＥＧＲ流速算出手段）。
【００２７】
得られたＥＧＲ開口面積ＳおよびＥＧＲ流速ＱはＥＧＲ流量演算部３３の乗算部３３ａに入力され、次式(1)に従って１行程間にサージタンク３内に導入される基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)が算出される。尚、基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)の単位は、サージタンク３の分圧相当で表現される。
ΔＰr0(n)＝Ｓ×Ｑ ………(1)
また、上記大気圧Ｐaおよび標準大気圧Ｐ0はＥＧＲ流量演算部３３の補正係数設定部３３ｂに入力され、これらの情報に基づいて密度補正係数Ｐa／Ｐ0が算出される（密度補正係数算出手段）。得られた基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)および密度補正係数Ｐa／Ｐ0はＥＧＲ流量演算部３３の補正部３３ｃに入力され、次式(2)に従ってＥＧＲ流量ΔＰr(n)が算出される（ＥＧＲ流量算出手段）。
ΔＰr(n)＝ΔＰr0(n)×Ｐa／Ｐ0 ………(2)
《タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)の推定》
その後、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)はＥＧＲ分圧演算部３４に入力され、次式(3)に従ってサージタンク３内のＥＧＲ分圧Ｐr(n)が算出される。
Ｐr(n)＝Ｐr(n-1)×（１−Ｖcyl／Ｖst）＋ΔＰr(n)×Ｖcyl／Ｖst ………(3)
ここに、Ｖcylは気筒容積、Ｖstはサージタンク容積であり、その比Ｖcyl／Ｖstは、１気筒当たりの混合ガスの流出入がサージタンク３全体に及ぼす影響度を表す。よって、式(3)の前半は、前回処理時（１行程前）のＥＧＲガス分圧Ｐr(n-1)が気筒容積分だけ流出した後の残存分に相当し、式(3)の後半は、新たな流入分に相当し、これらの分圧の加算により現在のサージタンク３内のＥＧＲ分圧Ｐr(n)が求められる。
【００２８】
ＥＧＲ分圧Ｐr(n)はタンク内ＥＧＲ率演算部３５に入力され、次式(4)に従ってタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)が算出される。
【００２９】
《筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定》
タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)は筒内ＥＧＲ率演算部３６に入力されて順次記憶される。ここで、本実施形態のエンジン１では、各ブランチ２ａ内の容積が気筒容積の２倍に設定されているため、図１においてサージタンク３内の混合ガスが各気筒の点火順序に従って各ブランチ２ａを移送されて対応する気筒の筒内に導入されるのは、各気筒の行程が２巡した後、つまり８行程後である。そこで、筒内ＥＧＲ率演算部３６では、各気筒の筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定する際に８行程前のタンク内ＥＧＲ率ＲS(n-8)が読み出され、当該タンク内ＥＧＲ率ＲS(n)が筒内ＥＧＲ率ＲC(n)として設定される。
【００３０】
尚、以上のＥＧＲ流量ΔＰr(n)からタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)を推定する処理、およびタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)から筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定する処理は、上記手法に限ることはなく種々に変更可能である。例えばタンク内ＥＧＲ率ＲS(n)の推定処理では、上式(3)の比Ｖcyl／Ｖstを適用することでサージタンク３内での新気とＥＧＲガスとの混合過程を模擬したが、これに代えて１次フィルタを用いたなまし処理により混合過程を模擬してもよいし、筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の推定処理では、各ブランチ２ａ内での混合ガスの圧縮・膨張を考慮しなかったが、圧縮・膨張に伴う混合ガスの移送状況を考慮した上で、筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定するようにしてもよい。
【００３１】
そして、以上のようにして推定された筒内ＥＧＲ率ＲC(n)が点火時期ＳＡや体積効率係数の設定に適用される。
図３は点火時期ＳＡを設定する処理手順を示す制御フローであり、まず、エンジン回転速度Ｎeおよび吸気負圧Ｐbに基づき、ＥＧＲ時点火時期演算部４１でマップからＥＧＲ時の点火時期ＳＡwが算出される一方、非ＥＧＲ時点火時期演算部４２ではマップから非ＥＧＲ時の点火時期ＳＡw/oが算出される。また、エンジン回転速度Ｎeおよび吸気負圧Ｐbに基づき、目標ＥＧＲ演算部４３でマップから目標ＥＧＲ率ＲSTDが算出される。
【００３２】
得られた点火時期ＳＡw，ＳＡw/o、目標ＥＧＲ率ＲSTD、および上記した筒内ＥＧＲ率ＲC(n)は補間処理部４５に入力され、次式(5)に従って現在の筒内ＥＧＲ率ＲC(n)に対応する点火時期ＳＡが直線補完により算出される（制御手段）。
ＳＡ＝ＳＡw/o＋（ＳＡw−ＳＡw/o）×ＲC(n)／ＲSTD ………(5)
一方、体積効率係数も上記点火時期ＳＡと同様の手順で算出され、詳細は説明しないが、ＥＧＲ時のマップおよび非ＥＧＲ時のマップから求めた体積効率係数を補間処理し、得られた現在の体積効率係数に基づき新気量を求めて燃料噴射制御に適用している。そして、この補間処理でも、上式(5)の比ＲC(n)／ＲSTD、つまり、推定した筒内ＥＧＲ率ＲC(n)が利用される。
【００３３】
一方、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)の算出処理において、マップに基づくＥＧＲ流速Ｑの算出に圧力比Ｐb／Ｐaを適用する一方、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)の推定に密度補正係数Ｐa／Ｐ0を適用しているのは、以下の要因を考慮した結果である。
まず、ＥＧＲ通路１０は図４に示すように模式的に表すことができ、同図においてＥＧＲ通路１０の右方は上流側の排気通路９に、ＥＧＲ通路１０の左方は下流側のサージタンク３内に対応する。ＥＧＲ通路１０内を流通する過程でＥＧＲガスの圧力は、排気通路９内の圧力である大気圧Ｐaからサージタンク内の圧力である吸気負圧Ｐbへと変化することから、このときのＥＧＲガスの状態変化は、周知のノズルを流れる圧縮性流体の式(6)により表すことができる。
【００３４】
【数２】
ここで、ＧはＥＧＲガスの質量流量、ＳはＥＧＲ通路１０の開口面積、Ｔ1はＥＧＲガスの温度、Ｒはガス定数、ｋは比熱比であり、Ｐ1は排気通路９内の圧力（大気圧Ｐa）、Ｐ2はサージタンク３内の圧力（吸気負圧Ｐb）であり、上式(6)は、次式(7)のように展開できる。
【００３６】
【数３】
すると、単位面積当たりのＥＧＲガスの質量流量を表す。そして、何れの項にも圧力Ｐ１が含まれて大気圧Ｐaの影響を受けるため、ＥＧＲガスの質量流量Ｇを求めるには、ＥＧＲガスの密度および流速に関する補正が必要不可欠であることが判る。
換言すれば上式(7)は、大気圧Ｐaが変化しても、圧力比Ｐ2／Ｐ1（つまり、圧力比Ｐb／Ｐa）をパラメータとした流速計算を行い、且つ、排気通路９側の密度補正（つまり、密度補正係数Ｐa／Ｐ0による補正）を実施すれば、正確な質量流量Ｇ（つまり、ＥＧＲ流量ΔＰr(n)）を算出可能であることを意味している。
【００３８】
以上のように本実施形態では、ＥＧＲガスに対する大気圧変化の影響の解析結果から、大気圧変化に伴って筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の変動する要因がＥＧＲガスの流速変化および密度変化にあることを究明した。そして、マップからＥＧＲ流速Ｑを算出する際に、吸気負圧Ｐbに代えて圧力比Ｐb／Ｐaを適用することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化を補償するとともに、密度補正係数Ｐa／Ｐ0に基づく補正を実施することで、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの密度変化を補償しているため、これらの要因によるＥＧＲ流量ΔＰr(n)の推定に対する影響を確実に排除できる。また、大気圧変化の影響を直接受けるＥＧＲ流量ΔＰr(n)に対して補正を実施するため、特許文献２に記載の技術のように最終的な制御量（点火時期や燃料噴射量）を間接的に補正する場合に比較して、大気圧変化に対する補正をより適切に実施できる。
【００３９】
図５は所定のエンジン回転速度Ｎeおよび吸気負圧Ｐbでの運転時において、大気圧変化に対するＥＧＲ率変化の実測値と本実施形態による推定値とを比較した説明図であるが、大気圧が変化しても実測値に近いＥＧＲ率を推定できることがわかる。その結果、本実施形態のエンジン１の制御装置によれば、大気圧変化に影響されることなくＥＧＲ流量ΔＰr(n)、ひいては筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を正確に推定でき、結果として筒内ＥＧＲ率ＲC(n)に基づく点火時期制御や燃料噴射制御を的確に実行することができる。例えば点火時期制御では、ＥＧＲ還流による燃焼の緩慢化を抑制すべく筒内ＥＧＲ率ＲC(n)の増加に応じて点火時期ＳＡを進角させているが、大気圧が変化しても常に正確な筒内ＥＧＲ率ＲC(n)に基づいて点火時期ＳＡが制御されるため、高地での過進角によるノッキングや燃費悪化などの不具合を未然に防止できる。
【００４０】
しかも、標準大気圧Ｐ0を前提としたマップに基づいてＥＧＲ流速Ｑを求め、そのＥＧＲ流速Ｑから算出した基本ＥＧＲ流量ΔＰr0(n)を密度補正係数Ｐa／Ｐ0により補正することで、現在の大気圧Ｐaに対応するＥＧＲ流量ΔＰr(n)を求めている。よって、例えば各大気圧毎にマップを設定して、現在の大気圧Ｐaに対応するマップからＥＧＲ流速Ｑを求める場合に比較して、より簡便にＥＧＲ流量ΔＰr(n)を推定することができる。
【００４１】
一方、上記のように点火時期ＳＡと体積効率係数とを共に算出する場合でも、その基礎となるＥＧＲ率に対して既に大気圧変化に基づく補正が行われているため、点火時期ＳＡや体積効率係数を大気圧変化に基づいて個別に補正する必要がなく、ＥＣＵ２１の処理を簡略化できるという利点もある。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、吸気管噴射型の直列４気筒ガソリンエンジン１用の制御装置に具体化したが、エンジンの形式等はこれに限ることはなく、例えば筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに適用したり、気筒配列や気筒数の異なるエンジンに適用したりしてもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、ＥＧＲガスをサージタンク３に還流したが、エンジン1の吸気側であればＥＧＲガスの還流先はこれに限ることはなく、例えばインテークマニホールド２の各ブランチ２ａにＥＧＲガスを還流してもよい。
さらに、上記実施形態では、ＥＧＲガスの流速変化に対する補償に圧力比Ｐb／Ｐaを用い、密度変化に対する補償に密度補正係数Ｐa／Ｐ0を用いたが、何れの場合も大気圧変化に応じた流速や密度の変化と相関するパラメータであれば、これらに限定されることはなく、例えば圧力比Ｐb／Ｐaに代えて差圧Ｐa−Ｐbを用いてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１〜３の発明の内燃機関のＥＧＲ流量算出装置によれば、大気圧変化に伴うＥＧＲガスの流速変化および密度変化の的確な解析結果に基づき、ＥＧＲ流量を適切且つ直接的に補正することから、正確にＥＧＲ流量を算出できるとともに、所定大気圧を前提とした共通のマップを用いてＥＧＲ流速を求めるため、より簡便にＥＧＲ流量を推定することができる。
【００４４】
請求項４の発明の内燃機関の制御装置によれば、大気圧変化による影響の的確な解析結果に基づいてＥＧＲ流量を正確に算出し、そのＥＧＲ流量に基づき内燃機関の制御で使用される制御量や状態量を適切に補正するようにしたため、的確な機関制御を実現することができる。
請求項５の発明の内燃機関の制御装置によれば、請求項４に加えて、複数の制御量や状態量を大気圧変化に基づいて個別に補正する必要がないため、処理を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のエンジンのＥＧＲ制御装置を示す全体構成図である。
【図２】ＥＣＵが筒内ＥＧＲ率ＲC(n)を推定するときの制御フローを示す説明図である。
【図３】ＥＣＵが点火時期ＳＡを設定するときの制御フローを示す説明図である。
【図４】ＥＧＲ通路内を流通するＥＧＲガスの状態変化を示す模式図である。
【図５】ＥＧＲ率変化の実測値と本実施形態による推定値とを比較した特性図である。
【符号の説明】
１ エンジン（内燃機関）
３ サージタンク（吸気管）
１０ ＥＧＲ通路
１１ ＥＧＲ弁
２１ ＥＣＵ（開口面積算出手段、ＥＧＲ流速算出手段、密度補正係数算出手段、ＥＧＲ流量算出手段、制御手段）
２２ 回転速度センサ（回転速度検出手段）
２３ 吸気圧センサ（吸気管内圧力検出手段）
２４ 大気圧センサ（大気圧検出手段）
Ｎe エンジン回転速度
Ｓ ＥＧＲ開口面積
Ｑ ＥＧＲ流速
Ｐa 大気圧
Ｐb 吸気負圧（吸気管内圧力）
Ｐ0 標準大気圧（所定大気圧）
ΔＰr(n) ＥＧＲ流量
Ｐb／Ｐa 圧力比（吸気管内圧力相関値）
Ｐa／Ｐ0 密度補正係数
Claims (5)
- 内燃機関の吸気管内圧力と大気圧との差圧により排気の一部を吸気管に再循環させるＥＧＲ通路と、
上記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁の開度に基づいて上記ＥＧＲ通路の開口面積を算出する開口面積算出手段と、
上記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
大気圧を検出する大気圧検出手段と、
上記吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、
吸気管内圧力相関値と機関回転速度とに対応するＥＧＲ流速の所定大気圧下における関係を記憶したマップを有し、上記吸気管内圧力検出値を上記大気圧検出値で補正して求めた吸気管内圧力相関値と上記機関回転速度の検出値とに基づいて、上記マップからＥＧＲ流速を算出するＥＧＲ流速算出手段と、
上記大気圧検出値に基づいて密度補正係数を算出する密度補正係数算出手段と、
上記ＥＧＲ通路の開口面積と上記ＥＧＲ流速と上記密度補正係数とからＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関のＥＧＲ流量算出装置。 - 上記吸気管内圧力相関値は、上記吸気管内圧力検出値と上記大気圧検出値との圧力比であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のＥＧＲ流量算出装置。
- 上記密度補正係数算出手段は、上記所定大気圧に対する上記大気圧検出値の比を密度補正係数として算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関のＥＧＲ流量算出装置。
- 内燃機関の吸気管内圧力と大気圧との差圧により排気の一部を吸気管に再循環させるＥＧＲ通路と、
上記ＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲ弁の開度に基づいて上記ＥＧＲ通路の開口面積を算出する開口面積算出手段と、
上記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
大気圧を検出する大気圧検出手段と、
上記吸気管内圧力を検出する吸気管内圧力検出手段と、
吸気管内圧力相関値と機関回転速度とに対応するＥＧＲ流速の所定大気圧下における関係を記憶したマップを有し、上記吸気管内圧力検出値を上記大気圧検出値で補正して求めた吸気管内圧力相関値と上記機関回転速度の検出値とに基づいて、上記マップからＥＧＲ流速を算出するＥＧＲ流速算出手段と、
上記大気圧検出値に基づいて密度補正係数を算出する密度補正係数算出手段と、
上記ＥＧＲ通路の開口面積と上記ＥＧＲ流速と上記密度補正係数とからＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ流量算出手段と、
上記内燃機関の制御で使用される所定の制御量或いは所定の状態量を、上記算出されたＥＧＲ流量に基づいて補正する制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。 - 上記所定の制御量或いは上記所定の状態量は複数存在することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
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