JP4432594B2 - エンジンの弁開口面積算出装置及び内部ｅｇｒ量推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの弁開口面積算出装置及び内部ＥＧＲ量推定装置に関し、詳細には、内部ＥＧＲ量のうち、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（すなわち、吹抜ガス量）を算出するための技術に関する。

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。

本出願人は、内部ＥＧＲによる還流ガス量を推定する装置として、次のものを検討している。
内部ＥＧＲガスを、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（以下「吹抜ガス」という。）と、排気弁閉時期を過ぎても筒内に残る排気（以下「残留ガス」という。）とに分け、各ガス量の和として内部ＥＧＲ量を算出する。前者の吹抜ガス量は、オーバーラップ期間中に吸気側又は排気側のポート部に形成される絞りを理想ノズルと見立て、エネルギー保存則を適用することにより算出し、他方、後者の残留ガス量は、排気弁閉時期における筒内温度及び圧力等を推定するとともに、各推定値を気体の状態方程式に代入することにより算出する。吹抜ガス量の算出に際し、ノズルの開口面積は、吸気ポートの瞬時開口面積と排気ポートの瞬時開口面積とのうち小さい方を実質的な瞬時開口面積とし、各時点における瞬時開口面積を積算した積算開口面積として算出する（特願２００２−２７２６７０号、段落番号００３０）。瞬時開口面積は、ポート部端面に垂直な方向に流路断面を設定して算出する。

しかしながら、上記の装置には、開口面積の算出に関して次のような問題がある。吸気弁又は排気弁が僅かにリフトしたに過ぎない極低リフト域では、この領域で形成されるノズルを通過する吹抜ガスの流動特性のため、ポート部端面に垂直な方向に流路断面を設定する方法では、算出される開口面積が実際のものよりも概して大きく、吹抜ガス量、延いては内部ＥＧＲ量を正確に算出することができないことである。

本発明は、極低リフト域における開口面積を適切に算出するとともに、内部ＥＧＲ量の推定では、吹抜ガス量を正確に算出することを目的とする。

本発明は、エンジンの弁開口面積算出装置及び内部ＥＧＲ量推定装置を提供する。本発明に係る弁開口面積算出装置は、吸気弁又は排気弁の弁リフト量を検出するとともに、検出した弁リフト量が所定の第１のリフト量よりも小さい第１の領域において、吸気弁又は排気弁の弁シート当接面の最小径部から吸気弁又は排気弁の弁シート面に垂直な方向に流路断面を設定して開口面積を算出する一方、検出した弁リフト量が第１のリフト量以上である第２の領域において、弁シート当接面の最小径部からポート部端面に垂直な方向に流路断面を設定して開口面積を算出する。本発明に係る内部ＥＧＲ量推定装置は、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し、算出した吹抜ガス量をもとに、エンジンの内部ＥＧＲ量を算出する。オーバーラップ期間における排気圧力及び吸気圧力を検出するとともに、弁開口面積算出装置を用い、オーバーラップ期間中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を算出し、少なくとも検出した排気圧力及び吸気圧力、並びに算出した開口面積をもとに、吹抜ガス量を算出する。

本発明によれば、極低リフト域において、流路断面を実際の吹抜ガスの流動特性に合わせたものとすることができ、開口面積を適切に算出して、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。

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のクランク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ラ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からの吸気圧力検出信号、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、カムシャフトとクランク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。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。このルーチンは、一サイクル毎に繰り返され、クランク角センサ５４が出力する基準クランク角信号と同期させて実行される。
Ｓ１０１では、エンジン回転数Ｎｅ、吸気圧力Ｐｉｎ、排気圧力Ｐｅｘ及び排気温度Ｔｅｘ等、各種の運転状態を読み込む。

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ＶＥＶＣ及びＲｅｘと、排気弁閉時期における筒内圧力及び温度ＰＥＶＣ，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ＰＥＶＣ及び筒内温度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により形成される区間開口面積を積算したものに相当し、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、排気の比熱比ＳＨＥＡＴＲを算出する。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。

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、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、（３ａ）及び（３ｂ）式により第１及び第２のチョーク判定値ＳＬＣＨＯＫＥＨ，ＳＬＣＨＯＫＥＬを算出するとともに、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。

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、これを吹抜ガス流量ＭＲＥＳＯＬｔｍｐとする。

ＭＲＳＯＬＰＴ＝√｛ＭＩＸＳＨＲ／（ＭＩＸＳＨＲ−１）×（ＰＩＮＢＹＥＸ＾（−２／ＭＩＸＳＨＲ）−ＰＩＮＢＹＥＸ＾（−（ＭＩＸＳＨＲ＋１）／ＭＩＸＳＨＲ））｝ ・・・（５ａ）
Ｑａ＝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）
Ｑｃ＝ＭＲＥＳＯＬｔｍｐ＝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、式（１）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、エアフローメータ５１により検出される吸入空気量を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、ともに閉弁時を基準（＝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、弁リフト量ＶＬＩＦＴＩ，ＶＬＩＦＴＥを算出する。算出した弁リフト量ＶＬＩＦＴＩ，ＶＬＩＦＴＥをもとに、弁リフト量に応じた所定の特性により吸気弁２０又は排気弁２３が形成する区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ，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１０）。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。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。また、このルーチンは、吸気弁２０及び排気弁２３により形成される区間開口面積ＶＡＲＥＡＩ，ＶＡＲＥＡＥの各々について実行されるが、ここでは、後者の区間開口面積ＶＡＲＥＡＥについてのみ、説明する。
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により特定される排気弁２３の弁作動特性値ＣＡＭＰＦＥｎを読み込む。
Ｓ２０３では、読み込んだ弁作動特性値ＣＡＭＰＦＥｎから排気弁２３に関するバルブクリアランスＶＣＬＲＥｎを減算し、弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎを算出する。なお、バルブクリアランス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ＶＬＩＦＴＥｎが第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１よりも小さいか否かを判定する。第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１よりも小さいときは、Ｓ２０６へ進み、それ以外のときは、Ｓ２０５へ進む。第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１は、シリンダヘッド側に形成される、排気弁２３の弁シート面２２ａの幅ｗに、弁シート面２２ａのポート部端面に対する傾斜角度θの正弦関数値の逆数を乗じた値として、次式により算出される。第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１は、排気ポート２２における吹抜ガスの流動特性の切換点を与えるものである。弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎが第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１であるときに、弁シート面２２ａのうち、ポート部端面側の端縁２２ｂから排気弁２３のシート当接面２３ａに下ろした垂線の足２３ｂは、シート当接面２３ａのうち、排気ポート２２側の端縁２３ｂ上にある（図７（ｂ））。

ＶＬＩＦＴ１＝ｗ／ｓｉｎθ ・・・（１１）
Ｓ２０５では、算出した弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎが第２のリフト量ＶＬＩＦＴ２よりも小さいか否かを判定する。第２のリフト量ＶＬＩＦＴ２よりも小さいときは、Ｓ２０７へ進み、それ以外のときは、Ｓ２０８へ進む。第２のリフト量ＶＬＩＦＴ２は、第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１よりも大きな値に設定される。本実施形態では、第２のリフト量ＶＬＩＦＴ２は、排気弁２３の弁頭部断面積（＝π×ＤＶＥ＾２／４）と等しい区間開口面積ＶＡＲＥＡＥｎを与えるものとして、排気弁２３の弁頭部径（すなわち、端縁２３ｂの直径）ＤＶＥに１／４を乗じた値に設定される。

ＶＬＩＦＴ２＝ＤＶＥ／４ ・・・（１２）
Ｓ２０６では、算出した弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎをもとに、弁シート面２２ａに垂直な面により形成される、切頭円錐の側面Ａ１の面積として、次式により区間開口面積ＶＡＲＥＡＥを算出する（図７（ａ））。すなわち、弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎが第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１よりも小さい極低リフト域では、弁シート面２２ａに垂直な方向に流路断面を設定する。なお、（１３）及び（１４）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の弁頭部径をＤＶＩとする。

ＶＡＲＥＡＩ＝ｆ１（ＶＬＩＦＴＩｎ）＝π×（ＤＶＩ＋（１／２）×ＶＬＩＦＴＩｎ×ｓｉｎ２θ）×ＶＬＩＦＴＩｎ×ｃｏｓθ×ａ ・・・（１３ａ）
ＶＡＲＥＡＥ＝ｆ１（ＶＬＩＦＴＥｎ）＝π×（ＤＶＥ＋（１／２）×ＶＬＩＦＴＥｎ×ｓｉｎ２θ）×ＶＬＩＦＴＥｎ×ｃｏｓθ×ｂ ・・・（１３ｂ）
Ｓ２０７では、算出した弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎをもとに、ポート部端面に垂直な面により形成される、円筒の側面Ａ２の面積として、次式により区間開口面積ＶＡＲＥＡＥを算出する（図７（ｂ））。すなわち、弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎが第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１以上であり、かつ第２のリフト量ＶＬＩＦＴ２よりも小さい低リフト域では、ポート部端面に垂直な方向に流路断面を設定する。

ＶＡＲＥＡＩ＝ｆ２（ＶＬＩＦＴＩｎ）＝π×ＤＶＩ×ＶＬＩＦＴＩｎ×ａ ・・・（１４ａ）
ＶＡＲＥＡＥ＝ｆ２（ＶＬＩＦＴＥｎ）＝π×ＤＶＥ×ＶＬＩＦＴＥｎ×ｂ ・・・（１４ｂ）
Ｓ２０８では、算出した弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎをもとに、飽和特性を持たせて区間開口面積ＶＡＲＥＡＥを算出する。この特性のもと、区間開口面積ＶＡＲＥＡＥは、弁リフト量ＶＬＩＦＴＥｎの増大とともに、単位リフト量当たりの変化代ＤＬＴＶＡＥが減少し、最大値ＭＡＸＶＡＥに収束する（図８）。

ＶＡＲＥＡＩ＝ｆ３（ＶＬＩＦＴＩｎ） ・・・（１５ａ）
ＶＡＲＥＡＥ＝ｆ３（ＶＬＩＦＴＥｎ） ・・・（１５ｂ）
Ｓ２０９では、算出した区間開口面積ＶＡＲＥＡＥを列番号表示値ｎと対応させて記憶する。
ＶＡＲＥＡＩｎ＝ＶＡＲＥＡＩ ・・・（１６ａ）
ＶＡＲＥＡＥｎ＝ＶＡＲＥＡＥ ・・・（１６ｂ）
Ｓ２１０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、Ｓ２１１へ進み、達していないときは、Ｓ２０１へ戻り、次の列について区間開口面積ＶＡＲＥＡＥを算出し、記憶する。

Ｓ２１１では、列番号表示値ｎを０に設定する。
図８は、弁リフト量ＶＬＩＦＴと区間開口面積ＶＡＲＥＡとの関係を示している。区間開口面積ＶＡＲＥＡは、リフト域全体に渡り弁リフト量ＶＬＩＦＴの増加関数として与えられるが、弁リフト量ＶＬＩＦＴにより区画される領域毎に、異なる特性により算出される。すなわち、弁リフト量ＶＬＩＦＴが第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１よりも小さい極低リフト域（「第１の領域」に相当する。）Ａでは、区間開口面積ＶＡＲＥＡは、（１３）式により算出され、次の低リフト域について設定された特性による場合よりも小さな値として算出される。弁リフト量ＶＬＩＦＴが第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１以上であり、かつ第２のリフト量ＶＬＩＴＦ２よりも小さい低リフト域（「第２の領域」に相当する。）Ｂでは、区間開口面積ＶＡＲＥＡは、（１４）式により弁リフト量ＶＬＩＦＴに比例して算出される。また、弁リフト量ＶＬＩＦＴが第２のリフト量ＶＬＩＦＴ２以上である高リフト域（「第３の領域」に相当する。）Ｃでは、区間開口面積ＶＡＲＥＡは、弁リフト量ＶＬＩＦＴの増加に従い変化代ＤＬＴＶＡが減少し、最大値ＭＡＸＶＡに収束する。

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、排気側区間開口面積ＶＡＲＥＡＥの配列を相対的にずらし、現状のオーバーラップ期間に適合させる。すなわち、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を読み込む。
Ｓ３０５では、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。大きいときは、Ｓ３０６へ進み、それ以外のときは、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 ・・・（１７）
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。

Ｓ３１１では、列番号表示値ｎ及び積算値ＳＩＧＭＡを０に設定する。
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。
本実施形態に関し、図２に示すフローチャートのＳ１０１（吸気圧力Ｐｉｎ及び排気圧力Ｐｅｘの検出），１０３〜１１２の処理が吹抜ガス量算出手段を、同フローチャートのＳ１０２の処理が残留ガス量算出手段を、同フローチャートのＳ１１３の処理が内部ＥＧＲ量算出手段を構成する。また、図５及び６に示すフローチャート全体が弁開口面積算出装置を構成する。

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、弁リフト量ＶＬＩＦＴにより区画される領域Ａ〜Ｃ毎に区間開口面積算出上の特性を異ならせ、極低リフト域Ａにおいて、流路断面を弁シート面２２ａに垂直な方向に設定する一方（図７（ａ））、低リフト域Ｂにおいて、流路断面をポート部端面に垂直な方向に設定することとした（図７（ｂ））。このため、各領域Ａ，Ｂについて設定される流路断面を実際の吹抜ガスの流動特性に合わせたものとすることができ、区間開口面積ＶＡＲＥＡを適切に算出して、吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬを正確に算出することができる。

第２に、高リフト域Ｃにおいて、弁リフト量ＶＬＩＦＴに対する飽和特性を持たせて区間開口面積ＶＡＲＥＡを算出することとしたので、吹抜ガス量ＭＲＥＳＯＬに対し、高リフト域Ｃにおける吹抜ガスの流動特性を反映させることができる。
第３に、第１のリフト量ＶＬＩＦＴ１を（１１）式により算出することとしたので、流動特性の切換点を適切に与えることができる。

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、本発明は、これに限らず、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ものに適用することもできる。

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 排気比熱比設定テーブル 混合気比熱比設定テーブル 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 弁リフト量に応じた吹抜ガスの流動特性 弁リフト量に対する区間開口面積の増加特性 クランク角に対する弁作動特性値及び弁リフト量の変化 最大オーバーラップ時に作成される配列の概念

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ラ、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 (9)

1. エンジンの吸気弁又は排気弁によりポート部に形成される開口面積を算出するエンジンの弁開口面積算出装置であって、
   吸気弁又は排気弁の弁リフト量を検出するとともに、検出した弁リフト量が所定の第１のリフト量よりも小さい第１の領域において、吸気弁又は排気弁の弁シート当接面の最小径部から吸気弁又は排気弁の弁シート面に垂直な方向に流路断面を設定して開口面積を算出する一方、検出した弁リフト量が第１のリフト量以上である第２の領域において、弁シート当接面の最小径部からポート部端面に垂直な方向に流路断面を設定して開口面積を算出するエンジンの弁開口面積算出装置。
2. 第１の領域において、吸気弁又は排気弁の弁リフト量をＬ、吸気弁又は排気弁の弁頭部の弁シート当接面の最小径をＤ、弁シート面のポート部端面に対する傾斜角度をθとして、次式により開口面積Ａを算出する請求項１に記載のエンジンの弁開口面積算出装置。
   Ａ＝π×（Ｄ＋（１／２）×Ｌ×ｓｉｎ２θ）×Ｌ×ｃｏｓθ
3. 第１のリフト量は、弁シート面の幅に、弁シート面のポート部端面に対する傾斜角度の正弦関数値の逆数を乗じた値である請求項１又は２に記載のエンジンの弁開口面積算出装置。
4. 前記第１のリフト量よりも大きい第２のリフト量を基準として、第２の領域のうち、検出した弁リフト量が第２のリフト量よりも小さい低リフト側の領域において、リフト量に比例する特性により開口面積を算出する一方、検出したリフト量が第２のリフト量以上である高リフト側の領域において、低リフト側の領域におけるものとは異なる特性により開口面積を算出する請求項１〜３のいずれかに記載のエンジンの弁開口面積算出装置。
5. 第２のリフト量は、吸気弁又は排気弁の弁頭部径に１／４を乗じた値である請求項４に記載のエンジンの弁開口面積算出装置。
6. 前記高リフト側の領域において、弁リフト量の増大とともに単位リフト量当たりの変化代が小さくなる特性により開口面積を算出する請求項４又は５に記載のエンジンの弁開口面積算出装置。
7. 予め定められた弁作動特性値から吸気弁又は排気弁のクリアランスを減算して、対応する弁の弁リフト量を検出する請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの弁開口面積算出装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の弁開口面積算出装置と、
   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吹抜ガス量算出手段と、
   吹抜ガス量算出手段により算出された吹抜ガス量をもとに、エンジンの内部ＥＧＲ量を算出する内部ＥＧＲ量算出手段と、を含んで構成され、
   吹抜ガス量算出手段は、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、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、を含んで構成され、少なくとも検出した排気圧力及び吸気圧力、並びに弁開口面積算出装置により算出された開口面積をもとに、吹抜ガス量を算出し、
   弁開口面積算出装置は、オーバーラップ期間中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を算出するエンジンの内部ＥＧＲ量推定装置。
9. 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、
   内部ＥＧＲ量算出手段は、吹抜ガス量算出手段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８に記載のエンジンの内部ＥＧＲ量推定装置。

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