JP4225234B2 - エンジンの吹抜ガス量算出装置及び内部ｅｇｒ量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの吹抜ガス量算出装置及び内部ＥＧＲ量推定装置に関し、詳細には、内部ＥＧＲにより還流される排気のうち、吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ期間中に排気側と吸気側との間で吹き抜ける排気の量を推定する技術に関する。

従来、エンジンでは、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。これらのうち、内部ＥＧＲによる還流ガス量を推定する装置として、次のものが知られている（特許文献１）。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作動条件のもと、エンジン回転数及び排気弁閉時期に基づいて内部ＥＧＲ量の基本値を算出するとともに、オーバーラップするときは、オーバーラップ量及び吸気圧力等を考慮して算出したオーバーラップ分の補正値を加算して、内部ＥＧＲ量を算出するものである。
特開２００１−２２１１０５号公報（段落番号００４９〜００５９）

しかしながら、基本値に対し、オーバーラップ分の補正値を加算することによる上記の装置には、次のような問題がある。補正値の算出に際し、吸気圧力等を考慮することとしているが、一層の正確さを期するため、エンジン回転数や混合気空燃比等の影響をも考慮しようとすれば、与えられたオーバーラップ量に対して加算すべき補正値を一義的に決定することができず、多くの適合工数が必要となることである。また、かりに適合させることができたとしても、カムプロフィールやポート部形状等を変更した場合は、変更後のものへの再適合が容易ではない。

本発明は、オーバーラップ期間中の吹抜ガス量を簡易、かつ正確に算出し、内部ＥＧＲ量を正確に推定することを目的とする。

本発明は、エンジンの吹抜ガス量算出装置及び内部ＥＧＲ量推定装置を提供する。本発明に係る吹抜ガス量算出装置は、吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ期間中に排気側と吸気側との間で吹き抜ける排気の量を吹抜ガス量として算出する。吹抜ガス量は、オーバーラップ期間における吸気圧力と、オーバーラップ期間における排気圧力とを検出するとともに、吸気弁及び排気弁により形成される、吹抜ガスの通路の実質的な開口面積（以下「有効開口面積」という。）を算出し、少なくとも検出した吸気圧力及び排気圧力、並びに算出した有効開口面積に基づいて算出する。第１の形態では、吹抜ガス量は、オーバーラップ期間の中間時点で検出した吸気圧力をオーバーラップ期間における代表吸気圧力として、算出する。第２の形態では、吹抜ガス量は、吸気弁により形成される第１の開口面積と、排気弁により形成される第２の開口面積とが等しくなる時点で検出した吸気圧力をオーバーラップ期間における代表吸気圧力として、算出する。本発明に係る内部ＥＧＲ量推定装置は、吹抜ガス量算出装置を含んで構成され、算出された吹抜ガス量をもとに、エンジンの内部ＥＧＲ量を算出する。

本発明によれば、オーバーラップ期間における吸気及び排気圧力、並びに有効開口面積をもとに、理論的な演算により吹抜ガス量を算出することができるので、運転状態によらず吹抜ガス量を正確に算出し、内部ＥＧＲ量を正確に推定することができる。また、吹抜ガス量の算出に際し、オーバーラップ期間中の所定のタイミングにおける吸気圧力を代表吸気圧力として採用することとしたので、演算負荷を少なく抑えることができる。更に、カムプロフィール等を変更した場合の再適合も容易である。

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としての電子制御ユニット（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からの吸入空気量検出信号、圧力センサ５２からのマニホールド圧力検出信号、温度センサ５３からの冷却水温度検出信号、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、エンジン回転数ＮＥを算出する。）、圧力センサ５５からの排気圧力検出信号、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。なお、本実施形態では、吸気温度Ｔｉｎを検出するための温度センサが、エアフローメータ５１と一体に構成されている。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量推定装置としての機能を備えている。
次に、ＥＣＵ４１による内部ＥＧＲ量ＭＲＥＳの推定について説明する。
本実施形態では、内部ＥＧＲ量ＭＲＥＳを、オーバーラップ期間中に排気側から吸気側に吹き抜ける排気の量である吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬと、排気弁閉時期を過ぎても筒内に残る排気の量である残留ガス量ＭＲＥＳＣＹＬとに分け、算出した各ガス量を加算することにより算出する。

ＭＲＥＳ＝ＭＲＥＳＯＬ＋ＭＲＥＳＣＹＬ ・・・（１）
図２は、内部ＥＧＲ量推定ルーチンのフローチャートである。
Ｓ１０１では、エンジン回転数ＮＥ、マニホールド圧力Ｐｍａｎｉ、排気圧力Ｐｅｘ、吸気温度Ｔｉｎ及び排気温度Ｔｅｘ等、各種の運転状態を読み込む。なお、マニホールド圧力Ｐｍａｎｉは、オーバーラップ期間における実際のマニホールド圧力のうち、脈動による変動成分を除いた静的成分に相当するものとして、圧力センサ５２の出力をもとに、オーバーラップ期間における平均圧力として検出される。

Ｓ１０２では、次のようにして残留ガス量ＭＲＥＳＣＹＬを算出する。排気弁閉時期にシリンダヘッドとピストン１９とにより画成される空間の容積（以下「シリンダ容積」という。）ＶＥＶＣを算出するとともに、目標燃焼当量比ＴＦＢＹＡに応じた排気のガス定数Ｒｅｘを算出する。算出したシリンダ容積及びガス定数ＶＥＶＣ，Ｒｅｘと、排気弁閉時期における筒内圧力ＰＥＶＣ及び筒内温度ＴＥＶＣをもとに、次式により残留ガス量ＭＲＥＳＣＹＬを算出する。筒内圧力及び温度ＰＥＶＣ，ＴＥＶＣは、圧力センサ５５及び温度センサ５６からの信号に基づいて夫々推定することができ、排気弁閉時期は、排気側カム角センサ６０からの信号に基づいて検出する。

ＭＲＥＳＣＹＬ＝（ＰＥＶＣ×ＶＥＶＣ）／（Ｒｅｘ×ＴＥＶＣ） ・・・（２）
Ｓ１０３では、有効開口面積ＡＳＵＭＯＬを算出する。有効開口面積ＡＳＵＭＯＬは、オーバーラップ期間中に吸気弁２０及び排気弁２３により形成される実質的な区間開口面積を積算したものとして、後述する有効開口面積演算ルーチンにより算出される。
Ｓ１０４では、吸気圧力Ｐｉｎを検出する。この吸気圧力Ｐｉｎは、オーバーラップ期間における実際の吸気圧力であり、検出したマニホールド圧力Ｐｍａｎｉに対し、脈動による圧力変動分に応じた補正を施したものとして、後述する吸気圧力検出ルーチンにより検出される。本実施形態では、吸気弁２０により吸気ポート１６に形成される第１の開口面積と、排気弁２３により排気ポート２２に形成される第２の開口面積とが等しくなる時点における吸気圧力Ｐｉｎ（＝Ｐｉｎｃｔｒ、図１４）を検出し、これをオーバーラップ期間における代表吸気圧力として採用する。また、本実施形態では、これらの開口面積が等しくなる時点として、各弁作動特性値ＣＡＭＰＦＩ，ＣＡＭＰＦＥが等しくなるクランク角（以下「オーバーラップ中心時」という。）ＯＬＣＴＲを採用する。なお、吸気圧力Ｐｉｎに対応して、排気圧力Ｐｅｘもオーバーラップ中心時ＯＬＣＴＲにおけるものであるのが好ましい。

Ｓ１０５では、過給状態にあるか否かを判定する。過給状態の判定は、検出した吸気圧力Ｐｉｎと排気圧力Ｐｅｘとの比ＰＩＮＢＹＥＸ（＝Ｐｉｎ／Ｐｅｘ）を算出するとともに、算出した圧力比ＰＩＮＢＹＥＸが１よりも大きいか否かを判定することにより行う。圧力比ＰＩＮＢＹＥＸが１よりも大きく、過給状態にあるときは、Ｓ１０６へ、これが１以下であり、過給状態にないときは、Ｓ１０７へ進む。

Ｓ１０６では、過給により吸気側から排気側に吹き抜ける混合気の流れにチョークが発生しているか否かを判定する。ここでのチョークの判定は、混合気の比熱比ＭＩＸＳＨＲを算出するとともに、比熱比ＳＨＥＡＴＲを算出した比熱比ＭＩＸＳＨＲに置き換えて、下式により第１及び第２のチョーク判定値ＳＬＣＨＯＫＥＨ，ＳＬＣＨＯＫＥＬを算出し、圧力比ＰＩＮＢＹＥＸがこれらのチョーク判定値ＳＬＣＨＯＫＥＨ，ＳＬＣＨＯＫＥＬを上限及び下限とする所定の範囲内にあるか否かを判定することにより行う。圧力比ＰＩＮＢＹＥＸが所定の範囲内になく、チョークが発生しているときは、Ｓ１０８へ、これが所定の範囲内にあり、チョークが発生していないときは、Ｓ１０９へ進む。なお、混合気の比熱比ＭＩＸＳＨＲは、目標燃焼当量比ＴＦＢＹＡに応じて各比熱比を割り付けたテーブル（図４）を検索して算出する。比熱比ＭＩＸＳＨＲは、目標燃焼当量比ＴＦＢＹＡが大きいときほど、小さな値として算出される。

ＳＬＣＨＯＫＥＨ＝（２／（ＳＨＥＡＴＲ＋１））＾（−ＳＨＥＡＴＲ／（ＳＨＥＡＴＲ−１）） ・・・（３ａ）
ＳＬＣＨＯＫＥＬ＝（２／（ＳＨＥＡＴＲ＋１））＾（ＳＨＥＡＴＲ／（ＳＨＥＡＴＲ−１）） ・・・（３ｂ）
Ｓ１０７では、排気側から吸気側に吹き抜ける排気の流れにチョークが発生しているか否かを判定する。ここでのチョークの判定は、排気の比熱比ＳＨＥＡＴＲを算出するとともに、算出したＳＨＥＡＴＲをもとに、（３ａ）及び（３ｂ）式により第１及び第２のチョーク判定値ＳＬＣＨＯＫＥＨ，ＳＬＣＨＯＫＥＬを算出し、圧力比ＰＩＮＢＹＥＸと算出した各チョーク判定値ＳＬＣＨＯＫＥＨ，ＳＬＣＨＯＫＥＬとを比較することにより行う。圧力比ＰＩＮＢＹＥＸが所定の範囲内になく、チョークが発生しているときは、Ｓ１１０へ、これが所定の範囲内にあり、チョークが発生していないときは、Ｓ１１１へ進む。比熱比ＳＨＥＡＴＲは、目標燃焼当量比ＴＦＢＹＡ及び排気温度Ｔｅｘに応じて各比熱比を割り付けたマップ（図３）を検索して算出する。比熱比ＳＨＥＡＴＲは、排気温度Ｔｅｘを一定としたときに、理論空燃比相当下で最も小さく、目標燃焼当量比ＴＦＢＹＡがこれよりも小さく又は大きくなるほど、大きな値として算出される。また、目標燃焼当量比ＴＦＢＹＡを一定としたときに、リーン側及びリッチ側の領域の双方において、排気温度Ｔｅｘが高くなるほど、小さな値として算出される。

Ｓ１０８では、次式により過給チョーク時吹抜ガス流量Ｑａを算出し、これを吹抜ガス流量ＭＲＥＳＯＬｔｍｐとする。なお、吸気温度をＴｉｎとし、吸入空気のガス定数をＲｉｎとする。
ＭＲＳＯＬＰＣ＝√｛ＭＩＸＳＨＲ×（２／（ＭＩＸＳＨＲ＋１））＾（（ＭＩＸＳＨＲ＋１）／（ＭＩＸＳＨＲ−１））｝ ・・・（４ａ）
Ｑａ＝ＭＲＥＳＯＬｔｍｐ＝−√｛１／（Ｒｉｎ×Ｔｉｎ）｝×Ｐｉｎ×ＭＲＳＯＬＰＣ ・・・（４ｂ）
Ｓ１０９では、次式により過給非チョーク時吹抜ガス流量Ｑｂを算出し、これを吹抜ガス流速ＭＥＲＳＯＬｔｍｐとする。

ＭＲＳＯＬＰＴ＝√｛ＭＩＸＳＨＲ／（ＭＩＸＳＨＲ−１）×（ＰＩＮＢＹＥＸ＾（−２／ＭＩＸＳＨＲ）−ＰＩＮＢＹＥＸ＾（−（ＭＩＸＳＨＲ＋１）／ＭＩＸＳＨＲ））｝ ・・・（５ａ）
Ｑｂ＝ＭＲＥＳＯＬｔｍｐ＝−１．４×√｛１／（Ｒｉｎ×Ｔｉｎ）｝×Ｐｉｎ×ＭＲＳＯＬＰＴ ・・・（５ｂ）
Ｓ１１０では、次式により無過給チョーク時吹抜ガス流量Ｑｃを算出し、これを吹抜ガス流量ＭＲＥＳＯＬｔｍｐとする。

ＭＲＳＯＬＤ＝√｛１／（Ｒｅｘ×Ｔｅｘ）｝ ・・・（６ａ）
ＭＲＳＯＬＰＣ＝√｛ＳＨＥＡＴＲ×（２／（ＳＨＥＡＴＲ＋１））＾（（ＳＨＥＡＴＲ＋１）／（ＳＨＥＡＴＲ−１））｝ ・・・（６ｂ）
Ｖｃ＝Ｖｂｌｏｗ＝Ｐｅｘ×ＭＲＳＯＬＤ×ＭＲＳＯＬＰＣ ・・・（６ｃ）
Ｓ１１１では、次式により通常時吹抜ガス流量Ｑｄを算出し、これを吹抜ガス流量ＭＲＥＳＯＬｔｍｐとする。

ＭＲＳＯＬＤ＝√｛１／（Ｒｅｘ×Ｔｅｘ）｝ ・・・（７ａ）
ＭＲＳＯＬＰ＝√｛ＳＨＥＡＴＲ／（ＳＨＥＡＴＲ−１）×（ＰＩＮＢＹＥＸ＾（２／ＳＨＥＡＴＲ）−ＰＩＮＢＹＥＸ＾（（ＳＨＥＡＴＲ＋１）／ＳＨＥＡＴＲ））｝ ・・・（７ｂ）
Ｑｄ＝ＭＲＥＳＯＬｔｍｐ＝１．４×Ｐｅｘ×ＭＲＳＯＬＤ×ＭＲＳＯＬＰ ・・・（７ｃ）
Ｓ１１２では、算出した吹抜ガス流量ＭＲＥＳＯＬｔｍｐをもとに、次式により吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬを算出する。

ＭＲＥＳＯＬ＝（ＭＲＥＳＯＬｔｍｐ×６０×ＡＳＵＭＯＬ）／（Ｎｅ×３６０） ・・・（８）
Ｓ１１３では、算出した残留ガス量ＭＲＥＳＣＹＬ及び吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬをもとに、（１）式により内部ＥＧＲ量ＭＲＥＳを算出する。
ＥＣＵ４１は、算出した内部ＥＧＲ量ＭＲＥＳをもとに、次式により内部ＥＧＲ率ＭＲＥＳＦＲを算出するとともに、算出した内部ＥＧＲ率ＭＲＥＳＦＲをインジェクタ１７による燃料噴射制御や、点火プラグ２７による点火制御に反映させる。なお、下式において、一サイクル当たりの吸入空気量をＭＡＣＹＬとする。

ＭＲＥＳＦＲ＝ＭＲＥＳ／（ＭＲＥＳ＋ＭＡＣＹＬ×（１＋ＴＦＢＹＡ／１４．７）） ・・・（９）
次に、有効開口面積ＡＳＵＭＯＬの演算について説明する。
図９は、クランク角ＣＡと、弁作動特性値ＣＡＭＰＦ及び弁リフト量ＶＬＩＦＴとの関係を示している。弁作動特性値ＣＡＭＰＦは、カムプロフィールそのものが与える弁の変位であり、弁リフト量ＶＬＩＦＴは、弁作動特定値ＣＡＭＰＦからバルブクリアランスＶＣＬＲを減じた実際の弁の変位である。弁作動特性値ＣＡＭＰＦ及び弁リフト量ＶＬＩＦＴは、ともに開弁時を基準（＝０）としている。

本実施形態では、最大オーバーラップ時におけるオーバーラップ期間を所定のクランク角ＤＣＡ（ここでは、1°）毎に分割するとともに、ＥＣＵ４１に対し、分割した各区間の吸気弁２０及び排気弁２３の弁作動特性値ＣＡＭＰＦＩｎ，ＣＡＭＰＦＥｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を記憶させておく。これらの弁作動特性値ＣＡＭＰＦＩｎ，ＣＡＭＰＦＥｎは、カムに固有のものであり、カムプロフィールを変更した場合は、その都度適合させる。エンジン１の運転時には、記憶されている各弁作動特性値ＣＡＭＰＦＩｎ，ＣＡＭＰＦＥｎから吸気弁２０又は排気弁２３に関するバルブクリアランスＶＣＬＲＩｎ，ＶＣＬＲＥｎを減算し、吸気弁２０が形成する区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ、及び排気弁２３が形成する区間開口面積ＶＡＲＥＡＥを算出する。算出した区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ，ＶＡＲＥＡＥは、区間毎に対応させた配列として記憶させる（図８）。有効開口面積ＡＳＵＭＯＬの演算では、記憶されている配列を参照して、吸気側及び排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ，ＶＡＲＥＡＥのうち小さい方をその区間の実質的な区間開口面積ＶＡＲＥＡｎとして選択し、選択した区間開口面積ＶＡＲＥＡｎをオーバーラップ期間に渡り積算して、有効開口面積ＡＳＵＭＯＬを算出する。

図５は、開口面積配列作成ルーチンのフローチャートである。
Ｓ２０１では、列番号表示値ｎに１を加算する。列番号表示値ｎは、このルーチンによる配列の作成が終了するたびに、０に設定される。
Ｓ２０２では、列番号表示値ｎにより特定される吸気弁２０及び排気弁２３の弁作動特性値ＣＡＭＰＦＩｎ，ＣＡＭＰＦＥｎを読み込む。

Ｓ２０３では、読み込んだ弁作動特性値ＣＡＭＰＦＩｎ，ＣＡＭＰＦＥｎからそれぞれのバルブクリアランスＶＣＬＲＩｎ，ＶＣＬＲＥｎを減算し、吸気弁２０及び排気弁２３の弁リフト量ＶＬＩＦＴＩｎ、ＶＬＩＦＴＥｎを算出する。なお、バルブクリアランスＶＣＬＲＩｎ，ＶＣＬＲＥｎは、冷却水温度Ｔｗ及び排気温度Ｔｅｘ等をもとに、推定することができる。

ＶＬＩＦＴＩｎ＝ＣＡＭＰＦＩｎ−ＶＣＬＲＩｎ ・・・（１０ａ）
ＶＬＩＦＴＥｎ＝ＣＡＭＰＦＥｎ−ＶＣＬＲＥｎ ・・・（１０ｂ）
Ｓ２０４では、算出した弁リフト量ＶＬＩＦＴＩｎ，ＶＬＩＦＴＥｎに対し、流量感度係数Ｃｖに応じた係数ＫＣＶＩ＃，ＫＣＶＥ＃と、吸気弁２０又は排気弁２３の弁体投影面積ＶＡＲＥＡＩ０＃，ＶＡＲＥＡＥ０＃とを乗算し、吸気側及び排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ，ＶＡＲＥＡＥを算出する。なお、流量感度係数Ｃｖは、弁リフト量ＶＬＩＦＴに対して理論的に与えられる流量と実際に与えられる流量との比で表し、弁開期間がオーバーラップする低リフト域では、弁リフト量ＶＬＩＦＴにほぼ比例する（図７）。係数ＫＣＶＩ＃，ＫＣＶＥ＃は、流量感度係数Ｃｖが描く近似直線の傾きとして算出し、固定値としてＥＣＵ４１に記憶させる。また、次式において、一気筒当たりに設けられる吸気弁２０又は排気弁２３の数をａ，ｂとし、吸気弁２０及び排気弁２３のシート当接部径をＶＤＩ，ＶＤＥとする。

ＶＡＲＥＡＩ＝ＶＬＩＦＴＩｎ×ＫＣＶＩ＃×ＶＡＲＥＡＩ０＃×ａ ・・・（１１ａ）
ＶＡＲＥＡＥ＝ＶＬＩＦＴＥｎ×ＫＣＶＥ＃×ＶＡＲＥＡＥ０＃×ｂ ・・・（１１ｂ）
ＶＡＲＥＡＩ０＃＝（ＶＤＩ／２）＾２×π ・・・（１２ａ）
ＶＡＲＥＡＥ０＃＝（ＶＤＥ／２）＾２×π ・・・（１２ｂ）
Ｓ２０５では、算出した区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ，ＶＡＲＥＡＥを列番号表示値ｎと対応させて記憶する。

ＶＡＲＥＡＩｎ＝ＶＡＲＥＡＩ ・・・（１３ａ）
ＶＡＲＥＡＥｎ＝ＶＡＲＥＡＥ ・・・（１３ｂ）
Ｓ２０６では、列番号表示値ｎが最終列番号Ｎに達したか否かを判定する。達したときは、Ｓ２０７へ進み、達していないときは、Ｓ２０１へ戻り、次の列について吸気側及び排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ，ＶＡＲＥＡＥを算出し、記憶する。

Ｓ２０７では、列番号表示値ｎを０に設定する。
図６は、有効開口面積演算ルーチンのフローチャートである。
Ｓ３０１では、吸気カム捻り角ＡＮＧＩ及び排気カム捻り角ＡＮＧＥを読み込む。
Ｓ３０２では、読み込んだカム捻り角ＡＮＧＩ，ＡＮＧＥをもとに、最大オーバーラップ時からの吸気弁開時期に対する排気弁閉時期の相対変化量ＳＩＦＴＥＶＣを算出し、吸気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＩの配列に対し、排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＥの配列を算出した相対変化量ＳＩＦＴＥＶＣに応じた列数だけ前進させる（図９）。たとえば、最大オーバーラップ時からの吸気弁開時期及び排気弁閉時期の変化量が夫々クランク角で３０°及び１０°である場合は、相対変化量ＳＩＦＴＥＶＣが４０°であり、配列の作成に当たりオーバーラップ期間を１°毎に分割しているので、排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＥの配列を４０°に応じた列数（＝４０）だけ前進させる。

Ｓ３０３では、列番号表示値ｎに１を加算する。
Ｓ３０４では、吸気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＩの配列及び前進させた排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＥの配列から、列番号表示値ｎに対応する列の区間開口面積ＶＡＲＥＡＩｎ，ＶＡＲＥＡＥｎを読み出す。
Ｓ３０５では、読み出した吸気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＩｎが排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＥｎよりも大きいか否かを判定する。ＶＡＲＥＡＥｎよりも大きいときは、Ｓ３０６へ進み、ＶＡＲＥＡＥｎ以下であるときは、Ｓ３０７へ進む。

Ｓ３０６では、排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＥｎをその区間についての実質的な区間開口面積ＶＡＲＥＡｎとする。
Ｓ３０７では、吸気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＩｎをその区間についての実質的な区間開口面積ＶＡＲＥＡｎとする。
Ｓ３０８では、各区間について算出した区間開口面積ＶＡＲＥＡｎをオーバーラップ期間に渡り積算する。

ＳＩＧＭＡ＝ＳＩＧＭＡ＋ＶＡＲＥＡｎ×ＤＣＡ ・・・（１４）
Ｓ３０９では、列番号表示値ｎが最終列番号Ｎに達したか否かを判定する。達したときは、Ｓ３１０へ進み、達していないときは、Ｓ３０３へ戻り、次の列について区間開口面積ＶＡＲＥＡｎを算出し、積算する。
Ｓ３１０では、算出した積算値ＳＩＧＭＡを有効開口面積ＡＳＵＭＯＬとする。

ＡＳＵＭＯＬ＝ＳＩＧＭＡ ・・・（１５）
Ｓ３１１では、列番号表示値ｎ及び積算値ＳＩＧＭＡを０に設定する。
なお、ここでは、区間開口面積ＶＡＲＥＡｎをオーバーラップ期間に渡り積算して有効開口面積ＡＳＵＭＯＬを算出することとしているが、区間開口面積ＶＡＲＥＡｎの選択及び積算は、排気弁２３の弁リフト量ＶＬＩＦＴＥが０となった時点で中断してもよい。

算出した有効開口面積ＡＳＵＭＯＬは、既述の内部ＥＧＲ量推定ルーチンにおいて、吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬの演算（Ｓ１１２）に用いられる。
次に、吸気圧力Ｐｉｎの検出について説明する。
図１０は、吸気圧力検出ルーチンのフローチャートである。
ＥＣＵ４１には、図１１に示す同調次数テーブルと、図１３に示す脈動圧力比テーブルとが記憶されている。ＥＣＵ４１は、実際の運転条件（ここでは、吸気温度Ｔｉｎ）に応じた同調回転数ＮＥＫの変化量ＤＮＥを算出し、算出した変化量ＤＮＥ分、脈動圧力比ＲＰｐｕｌをエンジン回転数ＮＥに関してずらし、ずらした後の脈動圧力比テーブルを参照して、実際の脈動圧力比ＲＰｐｕｌを算出する。算出した脈動圧力比ＲＰｐｕｌを脈動補正値ＤＰｉｎに換算し、これを検出したマニホールド圧力Ｐｍａｎｉに加算して、オーバーラップ中心時ＯＬＣＴＲにおける吸気圧力（マニホールド圧力Ｐｍａｎｉに対し、脈動による圧力変動分が考慮される。）Ｐｉｎを算出する。

ここで、上記の各テーブルについて付言する。
同調次数テーブルは、基準吸気温度（たとえば、Ｔｉｎ＝２５℃）での同調次数Ｍｉｎ０の理論式を、計算又は実験の結果により補正して設定する。図１１に点線で示す直線Ｌ１は、基準吸気温度での理論上の同調次数Ｍｉｎ０の逆数を示しており、次式により表される。

１／Ｍｉｎ０＝（１／（１２０×Ｆｉｎ））×ＮＥ ・・・（１６）
（１６）式において、吸気通路内での気柱振動の基本周波数をＦｉｎとしており、この基本周波数Ｆｉｎは、吸気通路１１の等価管長をＬｅとし、音速をＳｐｓｄとして、次式により算出される。なお、（１８）式において、吸気通路１１の実管長をＬｉｎとし、開放端補正値をＤＬとする。また、（１９）式において、比熱比をκａｉｒとし、ガス定数をＲａｉｒとする。

Ｆｉｎ＝Ｓｐｓｄ／（２×Ｌｅ） ・・・（１７）
Ｌｅ＝２（Ｌｉｎ＋ＤＬ） ・・・（１８）
Ｓｐｓｄ＝√｛κａｉｒ×Ｒａｉｒ×Ｔｉｎ｝ ・・・（１９）
マニホールド圧力Ｐｍａｎｉを検出して、エンジン回転数毎にプロットするとともに、得られた曲線Ｃ１（図１２）から、同調次数Ｍｉｎ＝Ａに相当する点Ｐ１のエンジン回転数ＮＥａ１を読み取る。図１１において、直線Ｌ１上の１／Ｍｉｎ０＝１／Ａに対応するエンジン回転数ＮＥａ０を読み取り、理論式（１６）の傾きを次式により補正する（直線Ｌ２）。なお、点Ｐ１のエンジン回転数ＮＥａ１は、机上計算により得られるマニホールド圧力をもとに、特定することもできる。

１／Ｍｉｎ＝（１／（１２０×Ｆｉｎ））×（ＮＥａ０／ＮＥａ１）×ＮＥ ・・・（２０）
このようにして得られた（２０）式をテーブル化し、同調次数テーブルとしてＥＣＵ４１に記憶する。なお、同調次数Ｍｉｎの特性は、テーブルに代え、関数として記憶してもよい。

他方、脈動圧力比テーブルは、次のようにして設定する。エンジン１が温度に関して平衡状態にあり、かつ吸気温度及び外気圧力が夫々基準吸気温度、大気圧であるとして、オーバーラップ中心時ＯＬＣＴＲにおける、脈動分を考慮したマニホールド圧力Ｐｉｎｃｌ（＝Ｐｉｎｃｔｒ）を、机上計算によりエンジン回転数毎に把握する。得られたマニホールド圧力Ｐｉｎｃｌの、検出したマニホールド圧力Ｐｍａｎｉに対するずれ分を、脈動圧力比ＲＰｐｕｌとしてテーブル化し、ＥＣＵ４１に記憶する。なお、マニホールド圧力Ｐｉｎｃｌの算出に際して採用するオーバーラップ期間ＯＬＰＲＤは、実際の運転時における各可変動弁装置２５，２６の作動状態に応じ、エンジン回転数毎に設定する（図１４）。

ＲＰｐｕｌ＝（Ｐｉｎｃｌ−Ｐｍａｎｉ）／Ｐｍａｎｉ ・・・（２１）
Ｓ４０１では、吸気温度Ｔｉｎ、マニホールド圧力Ｐｍａｎｉ及びエンジン回転数ＮＥを読み込む。
Ｓ４０２では、実際の運転条件での同調回転数ＮＥＫを算出する。読み込んだ吸気温度Ｔｉｎ（たとえば、７０℃）での同調次数特性線（図１１のＬ３）を、（１７）〜（２０）式により算出し、算出した特性線上の、１／Ｍｉｎ＝１／Ａに対応するエンジン回転数ＮＥａ２を、同調回転数ＮＥＫとして算出する。同調回転数ＮＥＫの算出に際して採用する同調次数Ｍｉｎは、実用運転領域を考慮して選択する。

Ｓ４０３では、同調回転数ＮＥＫ（＝ＮＥａ２）と、基準吸気温度下で同調次数ＭｉｎをＡとするエンジン回転数ＮＥａ１との差ＤＮＥを算出し、脈動圧力比テーブル（図１３）を、算出した差ＤＮＥだけずらす。
Ｓ４０４では、ずらした後の脈動圧力比テーブル（以下「補正脈動圧力比テーブル」という。）を用い、脈動補正値ＤＰｉｎを算出する。脈動補正値ＤＰｉｎは、補正脈動圧力比テーブルから現在のエンジン回転数ＮＥに対応する脈動圧力比ＲＰｐｕｌを読み出し、読み出した脈動圧力比ＲＰｐｕｌにマニホールド圧力Ｐｍａｎｉを乗算することにより算出する。

ＤＰｉｎ＝ＲＰｐｕｌ×Ｐｍａｎｉ ・・・（２２）
Ｓ４０５では、算出した脈動補正値ＤＰｉｎにマニホールド圧力Ｐｍａｎｉを加算して、吸気圧力Ｐｉｎを算出する。
Ｐｉｎ＝Ｐｍａｎｉ＋ＤＰｉｎ ・・・（２３）
算出した吸気圧力Ｐｉｎは、オーバーラップ期間における代表吸気圧力として、既述の内部ＥＧＲ量推定ルーチンにおいて、吹抜ガス流速Ｖｂｌｏｗの演算（Ｓ１０８〜１１１）に用いられる。

本実施形態に関し、図２に示すフローチャートのＳ１０１，１０３〜１１２が吹抜ガス量算出装置（図１０に示すフローチャート全体が吸気圧力検出手段を、図２に示すフローチャートのＳ１０１が排気圧力検出手段を、図５，６に示すフローチャート全体が有効開口面積算出手段を構成する。）を構成する。また、図２に示すフローチャートのＳ１０２が残留ガス量算出手段を構成する。

本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、オーバーラップ期間における吸気及び排気圧力Ｐｉｎ，Ｐｅｘ、並びに有効開口面積ＡＳＵＭＯＬをもとに、理論的な演算により吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬを算出することとしたので、運転状態によらず吹抜ガス量を簡易、かつ正確に算出し、内部ＥＧＲ量を正確に推定することができる。

第２に、吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬの算出に際し、オーバーラップ期間中の所定のタイミング（すなわち、オーバーラップ中心時ＯＬＣＴＲ）における吸気圧力Ｐｉｎｃｔｒを代表吸気圧力として採用することとしたので、少ない演算負荷で上記第１の効果を得ることができる。
第３に、カムプロフィールやポート部形状を変更した場合は、変更後の形状に関する設定値自体（例えば、弁作動特性値ＣＡＭＰＦ）の再適合を行えばよいので、再適合が容易である。

第４に、基準吸気温度での脈動圧力比ＲＰｐｕｌを予めテーブル化して設定しておき、実際の運転時において、吸気温度Ｔｉｎに応じてこのテーブルをずらして得た補正脈動圧力比テーブルを用いて脈動補正値ＤＰｉｎを算出することとしたので、脈動圧力比テーブルを異なる温度毎に設定する必要がない。
第５に、オーバーラップ期間を複数の区間に分割するとともに、分割した各区間について実質的な開口面積（すなわち、区間開口面積ＶＡＲＥＡ）を算出し、算出した区間開口面積ＶＡＲＥＡを積算して有効開口面積ＡＳＵＭＯＬを算出することとしたので、バルブクリアランスが変化した場合等において、この変化の大きさを算出される有効開口面積に正確に反映させ、有効開口面積を的確に算出することができる。

以上では、カムプロフィール自体は一定とし、バルブタイミングのみを変化させることでオーバーラップ期間を変化させる場合を例に説明したが、カムプロフィールの変化を伴ってオーバーラップ期間を変化させることとしてもよい。
また、以上では、吸気弁２０及び排気弁２３により形成される各開口面積が等しくなる時点における吸気圧力Ｐｉｎを検出し、これを代表吸気圧力として吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬを算出する場合を例に説明したが、オーバーラップ期間の中間時点における吸気圧力Ｐｉｎを検出し、これを代表吸気圧力に採用することとしてもよい。

本発明の一実施形態に係るエンジンの構成 内部ＥＧＲ量推定ルーチンのフローチャート 排気比熱比演算テーブル 混合気比熱比演算テーブル 開口面積配列作成ルーチンのフローチャート 有効開口面積演算ルーチンのフローチャート 弁リフト量に対する流量感度係数Ｃｖの変化 最大オーバーラップ時に作成される配列の概念 実際のバルブタイミングに対して設定される配列の概念 吸気圧力検出ルーチンのフローチャート 同調次数Ｍｉｎの特性 エンジン回転数ＮＥとマニホールド圧力Ｐｍａｎｉとの関係 脈動圧力比演算テーブル オーバーラップ中心時ＯＬＣＴＲにおける吸気圧力及び排気圧力

符号の説明

１…エンジン、１１…吸気通路、１２…エアクリーナ、１３…スロットル弁、１４…サージタンク、１６…吸気ポート、１７…インジェクタ、１８…燃焼室、１９…ピストン、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…吸気圧力センサ、５３…冷却水温度センサ、５４…クランク角センサ、５５…排気圧力センサ、５６…排気温度センサ、５７…酸素センサ、５８…アクセルセンサ、５９，６０…カム角センサ。

Claims (8)

1. エンジンの吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ期間中に排気側と吸気側との間で吹き抜ける排気の量を吹抜ガス量として算出するエンジンの吹抜ガス量算出装置であって、
   オーバーラップ期間における吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段と、オーバーラップ期間における排気圧力を検出する排気圧力検出手段と、吸気弁及び排気弁により形成される、吹抜ガスの通路の実質的な開口面積を有効開口面積として算出する有効開口面積算出手段と、を含んで構成され、
   少なくとも検出した吸気圧力及び排気圧力、並びに算出した有効開口面積をもとに、吹抜ガス量を算出し、
   オーバーラップ期間の中間時点で検出した吸気圧力をオーバーラップ期間における代表吸気圧力として、吹抜ガス量を算出するエンジンの吹抜ガス量算出装置。
2. オーバーラップ期間の中間時点で検出した排気圧力をオーバーラップ期間における代表排気圧力として、吹抜ガス量を算出する請求項１に記載のエンジンの吹抜ガス量算出装置。
3. エンジンの吸気弁開期間と排気弁開期間とのオーバーラップ期間中に排気側と吸気側との間で吹き抜ける排気の量を吹抜ガス量として算出するエンジンの吹抜ガス量算出装置であって、
   オーバーラップ期間における吸気圧力を検出する吸気圧力検出手段と、オーバーラップ期間における排気圧力を検出する排気圧力検出手段と、吸気弁及び排気弁により形成される、吹抜ガスの通路の実質的な開口面積を有効開口面積として算出する有効開口面積算出手段と、を含んで構成され、
   少なくとも検出した吸気圧力及び排気圧力、並びに算出した有効開口面積をもとに、吹抜ガス量を算出し、
   吸気弁により形成される第１の開口面積と、排気弁により形成される第２の開口面積とが等しくなる時点で検出した吸気圧力をオーバーラップ期間における代表吸気圧力として、吹抜ガス量を算出するエンジンの吹抜ガス量算出装置。
4. 第１及び第２の開口面積が等しくなる時点で検出した排気圧力をオーバーラップ期間における代表排気圧力として、吹抜ガス量を算出する請求項３に記載のエンジンの吹抜ガス量算出装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の吹抜ガス量算出装置を含んで構成され、
   算出された吹抜ガス量をもとに、エンジンの内部ＥＧＲ量を算出するエンジンの内部ＥＧＲ量推定装置。
6. 排気弁閉時期に筒内に残る排気の量を残留ガス量として算出する残留ガス量算出手段を更に含んで構成され、
   吹抜ガス量算出装置及び残留ガス量算出手段により算出された各ガス量をもとに、内部ＥＧＲ量を算出する請求項５に記載のエンジンの内部ＥＧＲ量推定装置。
7. 吸気圧力検出手段は、基準温度下で設定された、吸気圧力に関するエンジン回転数毎の基本脈動補正値を有し、全期間における吸気圧力の平均圧力を検出する一方、実際の運転条件に応じた同調回転数の変化量分、前記基本脈動補正値をずらして、実際の脈動補正値を算出し、検出した平均吸気圧力を算出した脈動補正値により補正して、吸気圧力を検出する請求項５又は６に記載のエンジンの内部ＥＧＲ量推定装置。
8. 有効開口面積算出手段は、オーバーラップ期間を含む所定の期間を複数の区間に分割するとともに、各区間につき、予め定められた弁作動特性値をもとに、吸気弁及び排気弁により形成される実質的な区間開口面積を算出し、算出した区間開口面積をオーバーラップ期間に亘り積算して、有効開口面積を算出する請求項５〜７のいずれかに記載のエンジンの内部ＥＧＲ量推定装置。

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