JP4564911B2 - 内燃機関のｅｇｒ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内の未燃ガスを圧縮着火させる圧縮着火燃焼運転が可能な内燃機関において、燃焼により生じた既燃ガスの一部を気筒内に残留させるＥＧＲ量を制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置に関する。

従来の内燃機関の制御装置として、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関は、ガソリンエンジン（以下、単に「エンジン」という）であり、点火プラグによる火花点火と圧縮による自己着火とに切り換えて運転するように構成されている。また、吸気弁および排気弁の開閉タイミングをそれぞれ変更するための可変動弁機構を有している。吸気管には、吸気温度を検出するための吸気温度センサが、排気管には、排気温度を検出するための排気温度センサが、それぞれ設けられている。

この制御装置では、エンジンの回転数および要求負荷に応じて、エンジンが火花点火燃焼領域および自己着火燃焼領域のいずれにあるかを判別する。エンジンが火花点火燃焼領域にある場合には、可変動弁機構によって、吸・排気弁の開閉タイミングが、通常のタイミングに制御される。一方、エンジンが、自己着火燃焼領域にある場合には、排気弁を排気行程の途中で早く閉じ、吸気弁を吸気行程の途中で遅く開くように制御することによって、燃焼ガスの一部を内部ＥＧＲガスとして、シリンダ内に残留させる。それにより、次の燃焼サイクルにおいて、内部ＥＧＲガスを吸入新気に付加し、シリンダ内ガスの温度を高めることによって、シリンダ内ガスが圧縮により自己着火しやすいようにする。

また、このときの内部ＥＧＲガス量は、以下のように制御される。すなわち、エンジン回転数および要求負荷に応じて、圧縮開始時におけるシリンダ内ガスの要求温度が算出される。この要求温度は、シリンダ内ガスの自己着火のタイミングが、適切なタイミングになるように設定される。次に、吸気温度および排気温度に応じて、内部ＥＧＲガスの要求量である要求ＥＧＲ量が算出される。この要求ＥＧＲ量は、内部ＥＧＲガスを吸入新気に付加した際に、シリンダ内ガスが、算出した要求温度になるように算出される。そして、算出した要求ＥＧＲ量に基づいて、吸・排気弁の開閉タイミングが算出される。

上述したように、シリンダ内ガスを圧縮により適切なタイミングで自己着火させるには、内部ＥＧＲガスを用いてシリンダ内ガスの温度を適正な温度に調整する必要がある。しかし、特許文献１の制御装置では、上述したように排気温度に応じて要求ＥＧＲ量を算出しているので、以下の理由から、シリンダ内ガスの温度を適正な温度に調整できず、シリンダ内ガスを適切なタイミングで着火させることができないおそれがある。

排気温度は、排気管に設けた排気温度センサによって検出されるので、気筒内のシリンダ内ガスが燃焼した後、排気管に排出され、排気温度センサに到達し、検出されるまでに、遅れを伴う。このため、内燃機関の運転状態や環境条件が変化している状態、例えば、エンジンの運転状態が火花点火から自己着火に切り替わった直後や、自己着火による運転中に、運転状態や環境条件が変化することによって、燃焼温度が変動している場合には、排気温度センサの検出遅れにより、その検出温度が気筒内の燃焼後のガス温度に対してずれてしまう。このため、検出された排気温度を用いて要求ＥＧＲ量を算出すると、シリンダ内ガスの温度を適切な温度に制御できず、それにより、着火タイミングが適切なタイミングからずれてしまう。その結果、燃焼が不安定化することでエンジンの出力が安定せず、トルクショックが生じ、さらには失火やそれによるノッキングが発生することによって、排ガス特性およびドライバビリティが悪化するおそれがある。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の運転状態や環境条件の変化により燃焼温度が変動している場合でも、圧縮着火による安定した燃焼を確保でき、それにより、排ガス特性やドライバビリティを良好に維持することができる内燃機関のＥＧＲ制御装置を提供することを目的とする。

特開２００１−２８９０９２号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、気筒３ａ内の未燃ガスを圧縮着火させる圧縮着火燃焼運転が可能な内燃機関（実施形態における（以下、本項において同じ）エンジン）３において、燃焼により生じた既燃ガスの一部を気筒３ａ内に残留させるＥＧＲ量を制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置１であって、気筒３ａ内に残留するＥＧＲ量を変更可能な可変ＥＧＲ機構（排気弁保持機構７２）と、内燃機関３の運転状態（エンジン回転数ＮＥ、エンジン水温ＴＷ、要求トルクＰＭＣＭＤ、排気温ＴＥＸ、圧縮着火燃焼フラグＦ＿ＨＣＣＩ）を検出する運転状態検出手段（クランク角センサ２０、水温センサ２１、アクセル開度センサ２４、排気温センサ２５、ＥＣＵ２、図７のステップ１７）と、検出された内燃機関の運転状態に応じて、未燃ガスの圧縮行程の上死点近傍における温度の目標値である目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬを設定する目標未燃ガス温度設定手段（ＥＣＵ２、図５のステップ２）と、設定された目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬに応じて、気筒３ａ内に充填される未燃ガスの量（未燃ガス量ＧＣＹＬ）を算出する未燃ガス量算出手段（ＥＣＵ２、図５のステップ３）と、気筒３ａ内に吸入される新気の温度（吸気温ＴＡ）を検出する新気温度検出手段（吸気温センサ２２）と、未燃ガスが燃焼した直後の既燃ガスの温度（既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳ）を未燃ガスの燃焼ごとに取得する既燃ガス温度取得手段（ＥＣＵ２、図５のステップ６）と、設定された目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬ、算出された未燃ガス量ＧＣＹＬ、取得された既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳ、および検出された新気の温度に応じて、ＥＧＲ量の目標値である目標ＥＧＲ量（目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲ）を算出する目標ＥＧＲ量算出手段と、算出された目標ＥＧＲ量に基づいて、可変ＥＧＲ機構を制御するＥＧＲ制御手段（ＥＣＵ２、図５のステップ５）と、を備えていることを特徴とする。

この内燃機関のＥＧＲ制御装置によれば、内燃機関の運転状態に応じて、次回の燃焼のために気筒内に生成すべき未燃ガスの、圧縮行程の上死点近傍、例えば上死点後のクランク角０°〜１０°付近における温度の目標値である目標未燃ガス温度が設定され、この目標未燃ガス温度に応じて、未燃ガス量が算出される。また、未燃ガスの燃焼により生じた気筒内の既燃ガスの、未燃ガスが燃焼した直後の温度が、既燃ガス温度取得手段によって未燃ガスの燃焼ごとに取得される。また、目標未燃ガス温度、未燃ガス量、既燃ガス温度、および気筒内に吸入される新気の温度に応じて、ＥＧＲ量の目標値である目標ＥＧＲ量が算出される。そして、可変ＥＧＲ機構が、目標ＥＧＲ量に基づいてＥＧＲ制御手段により制御されることによって、目標ＥＧＲ量の既燃ガスが、内部ＥＧＲガスとして気筒内に残留させられ、次回の燃焼に用いられる未燃ガスの温度が目標未燃ガス温度に制御される。

以上のように、気筒内の既燃ガスの温度を燃焼ごとに取得し、そのように取得した既燃ガスの温度、目標未燃ガス温度、未燃ガス量および新気の温度に応じて目標ＥＧＲ量を算出する。したがって、内燃機関の運転状態や環境条件の変化によって、既燃ガスの温度、すなわちＥＧＲガスの温度が燃焼ごとに変動するような場合でも、目標ＥＧＲ量を適切に設定することによって、実際の未燃ガスの温度を目標未燃ガス温度に精度良く制御することができる。その結果、着火タイミングを適切なタイミングに制御することができ、それにより、内燃機関の圧縮着火による安定した燃焼を確保し、内燃機関の出力を安定化させることができる。したがって、トルクショックの発生や、さらには失火およびノッキングの発生を防止することができ、排ガス特性およびドライバビリティを良好に維持することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関のＥＧＲ制御装置について説明する。図２に示すように、この制御装置１はＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２は、後述するように、内燃機関（以下「エンジン」という）３の運転状態などに応じて、ＥＧＲ制御処理などの各種の制御処理を実行する。

図１および図３に示すように、エンジン３は、例えば４つの気筒３ａ（１つのみ図示）を有する直列４気筒のガソリンエンジンであり、図示しない車両に搭載されていて、各気筒３ａのピストン３ｂとシリンダヘッド３ｃとの間に燃焼室３ｇが形成されている。

エンジン３は、気筒３ａごとに設けられた一対の吸気弁４，４（１つのみ図示）および一対の排気弁７，７（１つのみ図示）と、吸気弁４を開閉駆動する吸気側動弁機構４０と、排気弁７を開閉駆動する排気側動弁機構６０と、燃料噴射弁１０（図２参照）と、点火プラグ１１（図２参照）などを備えている。

排気弁７のステム７ａはガイド７ｂに摺動自在に嵌合しており、このガイド７ｂは、シリンダヘッド３ｃに固定されている。さらに、排気弁７は、上下のスプリングシート７ｃ，７ｄ間に設けられたバルブスプリング７ｅにより、閉弁側に付勢されている。また、吸気弁４およびその付近の構成は、排気弁７側と同じである。

吸気側動弁機構４０および排気側動弁機構６０は、互いにほぼ同じ構成を有しているので、以下、これらを代表して、排気側動弁機構６０について説明する。排気側動弁機構６０は、排気カム９を有する排気カムシャフト８、排気カム９およびロッカーアーム６３や、後述する排気弁保持機構７２を有している。排気カムシャフト８は、シリンダヘッド３ｃの上面に固定されたホルダ３ｆを介して、シリンダヘッド３ｃに回転自在に取り付けられるとともに、気筒３ａの配列方向に沿って延びている。この排気カムシャフト８の一端部には、排気スプロケット（図示せず）が同軸に設けられている。この排気スプロケットは、図示しないタイミングチェーンを介してクランクシャフト３ｄに連結されており、排気カムシャフト８は、クランクシャフト３ｄが２回転するごとに１回転する。

また、排気カム９は、排気カムシャフト８と一体に排気弁７ごとに設けられており（１つのみ図示）、ロッカアーム６３の中央部に上方から当接している。ロッカアーム６３は、排気カムシャフト８の下方に配置され、一端部においてロッカアームシャフト６２に回動自在に支持されているとともに、他端部において、排気弁７に上方から当接している。また、ロッカアームシャフト６２は、ホルダ３ｆに支持され、排気カムシャフト８と平行に延びている。以上の構成により、クランクシャフト３ｄの回転に伴う排気カムシャフト８の回転により、排気カム９でロッカアーム６３をロッカアームシャフト６２を中心として回動させることによって、各排気弁７が、ガイド７ｂに沿って上下方向に開閉駆動される。

燃料噴射弁１０は、気筒３ａごとに設けられ、燃料を気筒３ａ内に直接、噴射するようにシリンダヘッド３ｃに取り付けられている。すなわち、エンジン３は直噴エンジンとして構成されている。また、燃料噴射弁１０の開弁時間および開弁タイミングは、ＥＣＵ２によって制御され、それにより燃料の噴射時間および噴射タイミングが制御される。

また、点火プラグ１１も、気筒３ａごとに設けられ、シリンダヘッド３ｃに取り付けられている。点火プラグ１１の放電は、ＥＣＵ２によって点火時期に応じて制御され、それにより、燃焼室３ｇ内の未燃ガスを火花点火させ、燃焼させる。

また、エンジン３の吸気管１２には、スロットル弁機構１３が設けられている。スロットル弁機構１３は、スロットル弁１３ａおよびこれを開閉駆動するＴＨアクチュエータ１３ｂなどを備えている。スロットル弁１３ａは、吸気管１２内に回動自在に設けられており、ＴＨアクチュエータ１３ｂで駆動されることによって回動し、その開度に応じて、気筒１３ａ内に吸入される空気の量を変化させる。

また、エンジン３には、クランク角センサ２０および水温センサ２１が設けられている。水温センサ２１は、エンジン３のシリンダブロック３ｅ内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温ＴＷを検出し、それを表す検出信号を、ＥＣＵ２に出力する。また、クランク角センサ２０は、マグネットロータおよびＭＲＥピックアップで構成されており、クランクシャフト３ｄの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。

このＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば１０゜）ごとに出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、各気筒３ａのピストン３ｂが吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、４気筒エンジンである本例においては、１８０°ごとに出力される。

また、吸気管１２のスロットル弁機構１３よりも下流側には、吸気温センサ２２および吸気管内圧センサ２３（いずれも図２参照）が設けられている。この吸気温センサ２２は、気筒３ａ内に吸入される空気（新気）の温度（以下「吸気温」という）ＴＡを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。吸気管内圧センサ２３は、吸気管１２内の圧力（以下「吸気管内圧」という）ＰＢＡを絶対圧として検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

排気弁保持機構７２は、排気弁７ごとに設けられ、本実施形態において可変ＥＧＲ機構を構成するものであり、排気弁７の閉弁タイミングを変更することにより、未燃ガスの燃焼によって気筒３ａ内に発生した既燃ガスの一部を、気筒３ａ内に残留させる内部ＥＧＲを実行する。排気弁保持機構７２は、特開２００４−５２５８０号公報などで既に提案されているものと同様に構成されており、以下、その概略構成を説明する。

排気弁保持機構７２は、対応する排気弁７の上方においてホルダ３ｆにそれぞれ固定されており、電磁アクチュエータ７３、油圧ダンパ機構８０およびアーマチュア係止機構９０を有している。電磁アクチュエータ７３は、多数の積層板をそれぞれ有する一対のヨーク７４、７４を有しており、各ヨーク７４のコイル収納溝７４ａには、ボビンに巻きつけられたコイル７５が嵌合している。ヨーク７４，７４の上方には、アーマチュア７６が設けられており、その中央には、上下方向に延びる保持ロッド７７が一体に設けられている。保持ロッド７７は、アーマチュア７６から、ヨーク７４，７４の間を延び、排気弁７のロッカアーム６３に当接している。また、コイル７５は、ＥＣＵ２に接続されており、ＥＣＵ２によって通電され、励磁されることによって、アーマチュア７６を吸引する。

油圧ダンパ機構８０は、電磁アクチュエータ７３の上方に設けられており、ケーシング８１と、このケーシング８１に形成されたシリンダ８１ａと、このシリンダ８１ａに連通する第１および第２油路８１ｂ，８１ｃと、シリンダ８１ａに摺動自在に嵌合するピストン８２と、ピストン８２とケーシング９１の間に設けられた戻しばね８３を有している。また、ピストン８２は、アーマチュア７６の上面に当接している。また、第１および第２油路８１ｂ，８１ｃは、図示しない油圧ポンプにそれぞれ接続されており、油圧ポンプは、ＥＣＵ２により駆動されることによって、第１および第２油路８１ｂ，８１ｃを介してシリンダ８１ａに油圧を供給する。

アーマチュア係止機構９０は、下ケーシング９１および上ケーシング９２を有しており、この下ケーシング９１に形成されたガイド孔９１ａにアーマチュア係止部材９３が、上ケーシング９２のシリンダ９２ａにピストン９４が、それぞれ摺動自在に嵌合している。アーマチュア係止部材９３は、ガイド孔９１ａ内に設けられた戻しばね９５で上方に付勢されており、それによりアーマチュア７６の下面の端部およびピストン９４の下面に当接し、これらを押圧している。また、シリンダ９２ａには、前記油圧ポンプから油圧が供給される。

次いで、上述した排気弁保持機構７２の動作を、図４を参照しながら説明する。排気行程において、排気弁７は、排気カム９によって駆動され、そのリフト量が最大になるタイミングに合わせて、電磁アクチュエータ７３のコイル７５が励磁される。それにより、アーマチュア７６が戻しばね９５の付勢力に抗してコイル７５，７５に引き寄せられることによって、保持ロッド７７が下降し、ロッカアーム６３を押圧する。それにより、同図の破線（ａ）に示すように、排気弁７はそのリフト量が最大の開弁状態に保持される。

その後、例えば閉じ角度ｄ１でコイル７５を非励磁にすると、アーマチュア７６への吸引力が消失することにより、アーマチュア７６および保持ロッド７７は、戻しばね９５の付勢力によって上方に押し上げられる。それにより、アーマチュア７６が、ヨーク７４，７４の上面から離れ、上方のピストン８２に衝突する。このときの衝撃は、油圧ダンパー機構８０の戻しばね８３および油圧などによって緩和される。また、排気弁７は、ロッカアーム６３を介して作用する保持ロッド７７の押圧力が消失することにより、バルブスプリング７ｅの付勢力によって、即座に閉弁状態に復帰する。

以上のように、コイル７５の励磁中においては、排気弁７が開弁状態に保持されるので、コイル７５を非励磁にする閉じ角度ｄ１を変化させることによって、排気弁７の閉弁タイミングを無段階に制御することができる。それにより、排気管１４への既燃ガスの排出量、すなわち、気筒３ａ内に残留する既燃ガスの量（内部ＥＧＲ量）を自在に制御することができる。具体的には、閉じ角度ｄ１を遅角側に変更すると、閉弁タイミングが遅くなることによって、内部ＥＧＲ量は減少する。一方、閉じ角度ｄ１を進角側に変更すると、閉弁タイミングが早くなることによって、内部ＥＧＲ量は増大する。

また、吸気弁４側の吸気弁保持機構７１は、排気弁保持機構７２と同様に構成されており、吸気行程において、吸気弁４のリフト量が最大になるタイミングに合わせてコイルを励磁するとともに、非励磁にするタイミング（閉じ角度ｄ２）を制御することによって、吸気弁４の閉弁タイミングを無段階に制御することが可能である（破線（ｂ））。

さらに、ＥＣＵ２には、アクセル開度センサ２４および排気温センサ２５が接続されている。このアクセル開度センサ２４は、図示しないアクセルペダルの操作量であるアクセル開度ＡＰを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。さらに、排気温センサ２５は、排気管１４内を流れる排ガスの温度（以下「排気温」という）ＴＥＸを検出し、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。

ＥＣＵ２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータ（いずれも図示せず）で構成されている。前述した各種のセンサ２０〜２５からの検出信号はそれぞれ、Ｉ／ＯインターフェースでＡ／Ｄ変換や整形がなされた後、ＣＰＵに入力される。

ＣＰＵは、これらの入力信号に応じ、ＲＯＭに記憶された制御プログラムなどに従って、エンジン３の運転状態を判別するとともに、判別した運転状態などに応じて、エンジン３の運転モードを、点火プラグ１１で火花点火することにより未燃ガスを燃焼させる火花点火燃焼モードと、火花点火することなく圧縮着火により未燃ガスを燃焼させる圧縮着火燃焼モードのいずれかに設定する。また、本実施形態では、ＥＣＵ２が、目標未燃ガス温度設定手段、未燃ガス量算出手段、既燃ガス温度取得手段、目標ＥＧＲ量算出手段およびＥＧＲ制御手段を構成している。

以下、図５を参照しながら、ＥＣＵ２で実行されるＥＧＲ制御処理について説明する。このＥＧＲ制御処理は、設定したエンジン３の運転モードに応じ、排気弁保持機構７２により排気弁７の閉弁タイミングを制御することによって、内部ＥＧＲ量を制御するものである。本処理は、ＴＤＣ信号の入力に同期して実行される。

まず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下、同じ）では、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度ＡＰに応じて、図６に示すマップを検索することにより、要求トルクＰＭＣＭＤを算出する。このマップでは、要求トルクＰＭＣＭＤは、図示平均有効圧として設定されているとともに、エンジン回転数ＮＥが高いほど、またアクセル開度ＡＰが大きいほど、より大きな値に設定されている。これは、エンジン回転数ＮＥが高いほど、またアクセル開度ＡＰが大きいほど、エンジン３の負荷がより大きい状態になるので、それに対応するためである。

次いで、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬを設定する（ステップ２）。この目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬは、次回の燃焼のために気筒３ａ内に充填すべき、新気および内部ＥＧＲガスを合わせた未燃ガスの温度の目標値である。

図７は、この目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬの設定処理を示している。まず、ステップ１１〜１３において、エンジン水温ＴＷ、吸気温ＴＡ、および排気温ＴＥＸが、それぞれの所定温度ＴＷＨＣＣＩ（例えば８０℃）、ＴＡＨＣＣＩ（例えば０℃）、ＴＥＸＨＣＣＩ（例えば２５０℃）よりも高いか否かを、それぞれ判別する。

これらの答がいずれもＹＥＳで、ＴＷ＞ＴＷＨＣＣＩ、且つＴＡ＞ＴＡＨＣＣＩ、且つＴＥＸ＞ＴＥＸＨＣＣＩのときには、ステップ１４に進み、エンジン３が圧縮着火可能な運転領域内にあるか否かを判別する。この判別は、要求トルクＰＭＣＭＤおよびエンジン回転数ＮＥに応じ、図８に示すマップを検索することによって行われる。このマップでは、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤがいずれも中程度の運転領域が、圧縮着火燃焼を行うべきＨＣＣＩ運転領域として設定され、他の運転領域が、火花点火燃焼を行うべきＳＩ運転領域として設定されている。

このステップ１４の答がＹＥＳで、エンジン３がＨＣＣＩ運転領域にあるときには、圧縮着火燃焼運転の実行条件が成立しているとして、それを表すために圧縮着火燃焼フラグＦ＿ＨＣＣＩを「１」にセットする（ステップ１５）。これにより、エンジン３は圧縮着火燃焼モードで運転される。一方、前記ステップ１１〜１４のいずれかの答がＮＯのときには、圧縮着火燃焼運転の実行条件が成立していないとして、ステップ１６で圧縮着火燃焼フラグＦ＿ＨＣＣＩを「０」にセットする。これにより、エンジン３は火花点火燃焼モードで運転される。

上記ステップ１５またはステップ１６に続くステップ１７では、圧縮着火燃焼フラグＦ＿ＨＣＣＩが「１」であるか否かを判別する。この答がＹＥＳで、エンジン３が圧縮着火燃焼モードで運転されているときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、図示しないマップを検索することにより、圧縮着火燃焼モード用の目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬを算出する（ステップ２１）。このマップでは、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬは、良好な排ガス特性を得ることを優先して、要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、より小さな値に設定され、また、エンジン回転数ＮＥが大きいほど、より大きな値に設定されている。また、この圧縮着火燃焼モード用の目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬは、後述する火花点火燃焼モード用の目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬよりも全体的に高い値に設定されている。これは、未燃ガスの圧縮着火を良好に行わせるためには、未燃ガスの温度を高くすることが有効であるのに対し、火花点火には、そのような必要性がないからである。

一方、前記ステップ１７の答がＮＯで、エンジン３が火花点火燃焼モードで運転されているときには、要求トルクＰＭＣＭＤが、所定トルクＰＭＣＭＤ１以上であるか否かを判別する（ステップ１８）。この答がＮＯのときには、エンジン回転数ＮＥおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じ、図示しないマップを検索することにより、火花点火燃焼モード用の目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬを算出する（ステップ２０）。このマップでは、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬは、良好な排ガス特性を得ることを優先して、圧縮着火燃焼モード用の目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬと同様の傾向で設定されている。

一方、上記ステップ１８の答がＹＥＳで、要求トルクＰＭＣＭＤが所定トルクＰＭＣＭＤ１以上のときには、エンジン３の出力を優先するものとして、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬを所定温度ＴｅｍｐＣＹＬ１（例えば４０℃）に設定する（ステップ１９）。

図５に戻り、そのステップ３では、吸気管内圧センサ２３で検出された吸気管内圧ＰＢＡ、および上記ステップ２で設定した目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬに応じ、次式（１）によって、気筒３ａ内に充填される未燃ガス量ＧＣＹＬを算出する。
ＧＣＹＬ＝Ｋ・ＰＢＡ／ＴｅｍｐＣＹＬＡ ……（１）
この式（１）は、気体の状態方程式に基づくものであり、ＴｅｍｐＣＹＬＡは、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬを絶対温度に換算した値、また、Ｋは気筒３ａの容積や気体定数などに応じて定まる定数である。

次いで、ステップ４において、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲを算出する。この目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲは、未燃ガスの燃焼によって発生した既燃ガスのうち、次回の燃焼のために気筒３ａ内に残留させるべき内部ＥＧＲガスの量である。

図９は、この目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲの算出処理を示している。まず、ステップ３１において、次式（２）によって、内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲを算出する。この内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲは、既燃ガスが次回の燃焼で内部ＥＧＲガスとして用いられるときの温度である。
ＴＥＧＲ＝α×ＴＥＸＧＡＳ（ｎ−１）＋β×ＴｅｍｐＢ（ｎ−１）
……（２）
ＴＥＸＧＡＳ（ｎ−１）は、後述するＴＥＸＧＡＳ算出処理で求められる既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳの前回値である。また、ＴｅｍｐＢ（ｎ−１）は、気筒３ａの壁部を代表とする、既燃ガスが次回の燃焼で内部ＥＧＲガスとして用いられるまでの既燃ガスの温度変化に影響を及ぼす構成部分の温度（以下「周囲温度」という）の前回値である。また、αおよびβは、互いの和が１．０で、それぞれ値０と１．０の間の重み係数である。

燃焼により生じた既燃ガスは、その一部が、内部ＥＧＲガスとして次回の燃焼で用いられるまでの間、気筒３ａ内に留まるので、気筒３ａの壁温であるシリンダ壁温などの影響を受ける。したがって、上記の式（２）のように、燃焼直後の既燃ガスの温度である既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳとその周囲温度ＴｅｍｐＢを、重み係数αおよびβを用いて加重平均することによって、内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲを精度良く推定することができる。

次いで、上記の周囲温度ＴｅｍｐＢを、次式（３）によって算出する（ステップ３２）。
ＴｅｍｐＢｎ＝（１−α）×ＴＥＸＧＡＳ（ｎ−１）
＋（１−β）×ＴｅｍｐＢ（ｎ−１） ……（３）

次いで、前記ステップ２および３で算出した目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬおよび未燃ガス量ＧＣＹＬ、上記ステップ３１で算出した内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲ、および吸気温ＴＡを用い、次式（４）によって、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲを算出する（ステップ３２）。
ｎＥＧＲ＝ＧＣＹＬ
×（ＴｅｍｐＣＹＬ−ＴＡ）／（ＴＥＧＲ−ＴＡ） ……（４）

この式（４）は、以下の関係から導かれるものである。すなわち、気筒３ａに吸入される吸入空気量をＱＡとすると、次式（５）が成立する。
ＴｅｍｐＣＹＬ＝（ｎＥＧＲ×ＴＥＧＲ＋ＱＡ×ＴＡ）／（ｎＥＧＲ＋ＱＡ）
……（５）
また、次の式（６）の関係から、式（７）が成立する。
ｎＥＧＲ＋ＱＡ＝ＧＣＹＬ ……（６）
ＱＡ＝ＧＣＹＬ−ｎＥＧＲ ……（７）
そして、この式（７）を式（５）に代入してｎＥＧＲについて解くと、式（４）が得られる。したがって、この式（４）によって、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲを適切に算出することができる。

図５に戻り、そのステップ５では、排気弁７の閉じ角度ｄ１を算出する。図１０は、その閉じ角度算出処理を示している。まず、ステップ４１では、エンジン回転数ＮＥ、要求トルクＰＭＣＭＤ、および前記ステップ４で算出した目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲに応じて、図示しないマップを検索することにより、排気弁７の閉じ角度ｄ１を算出する。

次いで、算出した排気弁７の閉じ角度ｄ１に基づく駆動信号を、排気弁保持機構７２の電磁アクチュエータ７３に出力する（ステップ４２）。これにより、内部ＥＧＲ量が、算出した目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲに制御され、その結果、未燃ガスの温度が、設定した目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬに制御される。

図５に戻り、そのステップ６では、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳを算出し、本処理を終了する。この既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳは、上記ステップ５の実行により、排気弁７の閉じ角度ｄ１を制御したときに生成された未燃ガスが燃焼することによって生じる既燃ガスの燃焼直後の温度である。

図１１は、この既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳの算出処理を示している。まず、ステップ５１では、前回のループにおいて算出した既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳを、その前回値ＴＥＸＧＡＳＺにシフトする。

次いで、フューエルカットフラグＦ＿ＦＣが「１」であるか否かを判別する（ステップ５２）。このフューエルカットフラグＦ＿ＦＣは、フューエルカット運転の実行中であるときに「１」にセットされるものである。この答がＹＥＳで、フューエルカット運転の実行中であるときには、気筒３ａのシリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬを、既燃ガス温度の今回算出値ＴＥＸＧＡＳＴとして設定する（ステップ５３）。これは、フューエルカット運転中は燃焼が行われないため、気筒３ａ内に残留するガスの温度は、シリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬとほぼ一致するためである。

一方、上記ステップ５２の答がＮＯで、フューエルカット運転が実行されていないときには、圧縮着火燃焼フラグＦ＿ＨＣＣＩが「１」であるか否かを判別する（ステップ５５）。この答がＮＯで、エンジン３が火花点火燃焼モードで運転されているときには、吸気温ＴＡおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、図１２に示す火花点火燃焼モード用のマップを検索することにより、既燃ガス温度のマップ値ＴＥＸＧＡＳＭを算出する（ステップ５６）。このマップでは、マップ値ＴＥＸＧＡＳＭは、エンジン回転数ＮＥが所定の回転数（例えば６０００ｒｐｍ）の場合を想定し、吸気温ＴＡが高いほど、また、要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、より大きな値に設定されている。

火花点火燃焼モード中は、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬが低い値に設定されるのに応じて、内部ＥＧＲ量が少量に制御される。このため、既燃ガスの温度に及ぼす内部ＥＧＲガスの温度の影響は小さく、むしろ吸気温ＴＡの影響が大きい。このため、火花着火燃焼モードでは、既燃ガス温度のマップ値ＴＥＸＧＡＳＭは吸気温ＴＡを用いて算出される。

一方、上記ステップ５５の答がＹＥＳで、エンジン３が圧縮着火燃焼モードで運転されているときには、内部ＥＧＲ量が多く、未燃ガスの温度が高いので、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬおよび要求トルクＰＭＣＭＤに応じて、図示しない圧縮着火燃焼モード用のマップを検索することにより、既燃ガス温度のマップ値ＴＥＸＧＡＳＭを算出する（ステップ５７）。このマップ値ＴＥＸＧＡＳＭは、火花点火燃焼モードの場合と同じく、エンジン回転数ＮＥが所定の回転数（例えば６０００ｒｐｍ）の場合を想定し、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬが大きいほど、また、要求トルクＰＭＣＭＤが大きいほど、より大きな値に設定されている。

上記ステップ５６またはステップ５７に続くステップ５８では、既燃ガス温度のマップ値ＴＥＸＧＡＳＭに応じ、次式（８）によって、既燃ガス温度の今回算出値ＴＥＸＧＡＳＴを求める。
ＴＥＸＧＡＳＴ＝ＴＥＸＧＡＳＭ
×（１−ＫＴＥＸＧＭＥ×（ＴＤＣＭＥ−５））
＋ＴＣＹＬＷＡＬ×ＫＴＥＸＧＭＥ×（ＴＤＣＭＥ−５）
……（８）

この式（８）から明らかなように、既燃ガス温度の今回算出値ＴＥＸＧＡＳＴは、ＫＴＥＸＧＭＥ×（ＴＤＣＭＥ−５）を重み係数とする、既燃ガス温度のマップ値ＴＥＸＧＡＳＭとシリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬとの加重平均によって算出される。燃焼温度は、シリンダ壁温との温度差が大きいほど、その影響を受けやすく、冷却されやすくなる。したがって、シリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬを加重平均の一方として用いることによって、シリンダ壁温の影響を反映させながら、既燃ガス温度の今回算出値ＴＥＸＧＡＳＴを適切に求めることができる。なお、このシリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬとしては、所定値（例えば８０℃）を用いてもよく、あるいは、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳを排気系の遅れモデルに入力することにより算出した排気温の推定値と、排気温センサ２５で検出された排気温ＴＥＸとの偏差によって、逐次、補正したものを用いてもよい。

また、重み係数ＫＴＥＸＧＭＥ×（ＴＤＣＭＥ−５）のうち、ＫＴＥＸＧＭＥは、値０と１．０の間の重み係数の基本値であり、ＴＤＣＭＥ−５は、その補正係数である。このうち、ＴＤＣＭＥは、ＴＤＣ信号の発生間隔（ｍｓｅｃ）であり、減算項の値５は、既燃ガス温度のマップ値ＴＥＸＧＡＳＭを設定した際の基準回転数であるエンジン回転数ＮＥ＝６０００ｒｐｍのときのＴＤＣ信号の時間間隔（ｍｓｅｃ）である。

以上の設定により、重み係数ＫＴＥＸＧＭＥ×（ＴＤＣＭＥ−５）は、エンジン回転数ＮＥが基準回転数のときには０になり、シリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬの重みが０になるとともに、エンジン回転数ＮＥが低いほど、ＴＤＣ信号の発生間隔ＴＤＣＭＥが大きくなり、重み係数ＫＴＥＸＧＭＥ×（ＴＤＣＭＥ−５）が大きくなるため、シリンダ壁温の影響が大きくなる。また、エンジン回転数ＮＥが低いほど、燃焼間の時間間隔が長くなるので、燃焼温度へのシリンダ壁温の影響が大きくなる。したがって、上記のような重み係数ＫＴＥＸＧＭＥ×（ＴＤＣＭＥ−５）を用いることによって、エンジン回転数ＮＥの影響を反映させながら、既燃ガス温度の今回値ＴＥＸＧＡＳＴを適切に求めることができる。

前記ステップ５３またはステップ５８に続くステップ５４では、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳを次式（９）によって算出する。
ＴＥＸＧＡＳ＝γＴＥＸＧＡＳＴ＋（１−γ）ＴＥＸＧＡＳＺ ……（９）
ここで、γは、値０と１．０の間の所定の重み係数である。この式（９）から明らかなように、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳは、既燃ガス温度の今回算出値ＴＥＸＧＡＳＴと、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳの前回値ＴＥＸＧＡＳＺとの加重平均値として算出される。

図１３は、図５のＥＧＲ制御処理による動作例を示すタイミングチャートである。この例は、要求トルクＰＭＣＭＤが一定であるとともに、エンジン回転数ＮＥの変化などに伴い、時刻ｔ１において、エンジン３の運転モードが火花点火燃焼モードから圧縮着火燃焼モードに切り換わった例である。

まず、時刻ｔ１以前の火花点火燃焼モードでは、圧縮着火燃焼フラグＦ＿ＨＣＣＩが「０」であり、前記ステップ２０の実行により、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬは、火花点火燃焼モード用の比較的低い値（例えば２０℃）に設定されるとともに、要求トルクＰＭＣＭＤが一定であることから、一定の値に維持されている。また、ステップ５６およびステップ３１により、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳおよび内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲは、比較的高い値（例えば４００℃）に算出されている。以上のように目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬおよび内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲが設定されるのに応じ、式（４）により、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲは低い値（例えば１０％）に設定され、それに応じて、排気弁７の閉じ角度ｄ１が遅角側（例えば３００°）に設定されている。その結果、実際の未燃ガス温度は、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬとほぼ同じ値に制御されている。

この状態から、エンジン３の運転モードが圧縮着火燃焼モードに切り換えられると、その直後の１回目のループ（ｔ１）では、ステップ２１により、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬが、火花点火燃焼モードよりも高い圧縮着火燃焼モード用の値（例えば２００℃）に設定され、それ以降は、その値に維持される。

また、内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲは、式（２）において、切換え直前の火花点火燃焼モード時の値が、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳの前回値および周囲温度ＴｅｍｐＢの前回値として用いられるため、切換え前と同じ値に維持される。以上の設定から、式（４）によって、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲは火花点火燃焼モード時よりも大きな値に設定され、それに応じて、排気弁７の閉じ角ｄ１が、火花点火燃焼モード時よりも進角側に設定される。また、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳは、ステップ５７により、火花着火燃焼モード時よりも小さな値に算出されるとともに、式（９）により、段階的に減少するように算出される。

圧縮着火燃焼モードへの切換え後、２回目および３回目のループ（ｔ２およびｔ３）では、式（２）において、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳの前回値が用いられることにより、内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲは、段階的に増加し、最終的に例えば３００℃に設定される。それに応じて、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲは、段階的に増加し、最終的に例えば５０％に設定されるとともに、排気弁７の閉じ角度ｄ１も、段階的に進角側に設定され、最終的に１００°に設定される。圧縮着火燃焼モードへの切換え後、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲおよび排気弁７の閉じ角度ｄ１が以上のように制御される結果、実際の未燃ガス温度は、タイミングチャートの最下段に示すように、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬに一致するように精度良く制御されている。

以上のように、本実施形態によれば、気筒３ａ内に発生した既燃ガスの推定値である既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳを燃焼ごとに算出する（ステップ６）。そして、算出した既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳ、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬ、未燃ガス量ＧＣＹＬ、および既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳに応じて、目標未燃ガス量ｎＥＧＲを算出する（ステップ３３）ので、エンジン３の運転状態や環境条件の変化によって、燃焼温度、ひいては内部ＥＧＲガスの温度が燃焼ごとに変動するような場合でも、未燃ガスの実際の温度を目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬに精度良く制御でき、着火タイミングを適切なタイミングに制御することができる。

また、既燃ガス温度の今回値ＴＥＸＧＡＳＴを算出する際、目標未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬや要求トルクＰＭＣＭＤに応じて算出した既燃ガス温度のマップ値ＴＥＸＧＡＳＭを、ＴＤＣ信号の発生間隔ＴＤＣＭＥおよびシリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬに応じて補正するので、ＴＤＣ信号の発生間隔ＴＤＣＭＥやシリンダ壁温ＴＣＹＬＷＡＬが燃焼温度に与える影響を反映させながら、既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳを精度良く算出することができる。さらに、上記のように算出した既燃ガス温度ＴＥＸＧＡＳを用いて、周囲温度ＴｅｍｐＢに応じて内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲを算出する（ステップ３１）ので、既燃ガスが内部ＥＧＲガスとして用いられるまでの温度変化を反映させながら、内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲを精度良く算出することができる。

そして、そのように精度良く算出した内部ＥＧＲ温度ＴＥＧＲを用いて目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲを算出するので、目標内部ＥＧＲ量ｎＥＧＲを燃焼サイクルごとにより適切に設定することができる。それにより、未燃ガスの実際の温度を未燃ガス温度ＴｅｍｐＣＹＬにより精度良く制御することができる。その結果、未燃ガスの着火タイミングをより適切に制御でき、それにより、エンジン３の圧縮着火による安定した燃焼を確保し、エンジン３の出力を安定化させることができる。したがって、エンジン３の運転モードの切換え時などにおいて、トルクショックの発生や、さらには失火およびノッキングの発生を防止することができ、排ガス特性およびドライバビリティを良好に維持することができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、排気弁保持機構７２による排気弁７の閉じ角度ｄ１の制御によって内部ＥＧＲ量を制御しているが、これに加え、吸気弁保持機構７１によって吸気弁４の閉じ角度ｄ２を変化させ、吸気弁４の閉弁タイミングを制御することによって、内部ＥＧＲガス量をよりきめ細かく制御してもよい。また、実施形態では、内部ＥＧＲ量を変更する可変ＥＧＲ機構として、排気弁保持機構７２を用いているが、これに代えて、他の可変機構、例えば排気カム９および吸気カムの位相やリフトを変更可能な機構を用い、内部ＥＧＲ量を変更するようにしてもよい。

さらに、実施形態は、本発明をガソリンエンジンに適用した例であるが、これに限らず、ガソリンエンジン以外の各種のエンジン、例えばディーゼルエンジンやクランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンにも適用可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の一実施形態に係るＥＧＲ制御装置が適用された内燃機関の概略構成を示す模式図である。 ＥＧＲ制御装置の概略構成を示すブロック図である。 排気弁開度保持機構を含む内燃機関の排気側動弁機構の概略構成を示す断面図である。 圧縮着火燃焼を実行しているときの排気弁および吸気弁のリフト曲線を示す図である。 ＥＧＲ制御処理を示すフローチャートである。 要求トルクＰＭＣＭＤの算出に用いるマップの一例を示す図である。 目標未燃ガス温度設定処理を示すフローチャートである。 内燃機関の運転領域判定に用いるマップの一例を示す図である。 目標内部ＥＧＲ量算出処理を示すフローチャートである。 排気弁の閉じ角度算出処理を示すフローチャートである。 既燃ガス温度算出処理を示すフローチャートである。 既燃ガス温度のマップ値の設定に用いるマップの一例を示す図である。 ＥＧＲ制御処理により、内燃機関の運転状態が、火花点火燃焼モードから圧縮着火燃焼モードに切り換わる際のタイミングチャートである。

符号の説明

１ ＥＧＲ制御装置
２ ＥＣＵ（運転状態検出手段、目標未燃ガス温度設定手段、
未燃ガス量算出手段、既燃ガス温度取得手段、
目標ＥＧＲ量算出手段、ＥＧＲ制御手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
２０ クランク角センサ（運転状態検出手段）
２１ 水温センサ（運転状態検出手段）
２２ 吸気温センサ（新気温度検出手段）
２４ アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
２５ 排気温センサ（運転状態検出手段）
７２ 排気弁保持機構（可変ＥＧＲ機構）
ＮＥ エンジン回転数（運転状態）
ＴＷ エンジン水温（運転状態）
ＰＭＣＭＤ 要求トルク（運転状態）
ＴＥＸ 排気温（運転状態）
ＴＡ 吸気温（新気温度）
ＴｅｍｐＣＹＬ 目標未燃ガス温度
ＧＣＹＬ 未燃ガス量
ｎＥＧＲ 目標内部ＥＧＲ量（目標ＥＧＲ量）
ＴＥＸＧＡＳ 既燃ガス温度（既燃ガスの温度）
Ｆ＿ＨＣＣＩ 圧縮着火燃焼フラグ（運転状態）

Claims (1)

1. 気筒内の未燃ガスを圧縮着火させる圧縮着火燃焼運転が可能な内燃機関において、燃焼により生じた既燃ガスの一部を前記気筒内に残留させるＥＧＲ量を制御する内燃機関のＥＧＲ制御装置であって、
   前記気筒内に残留するＥＧＲ量を変更可能な可変ＥＧＲ機構と、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   当該検出された内燃機関の運転状態に応じて、未燃ガスの圧縮行程の上死点近傍における温度の目標値である目標未燃ガス温度を設定する目標未燃ガス温度設定手段と、
   当該設定された目標未燃ガス温度に応じて、前記気筒内に充填される未燃ガスの量を算出する未燃ガス量算出手段と、
   前記気筒内に吸入される新気の温度を検出する新気温度検出手段と、
   前記未燃ガスが燃焼した直後の前記既燃ガスの温度を前記未燃ガスの燃焼ごとに取得する既燃ガス温度取得手段と、
   前記設定された目標未燃ガス温度、前記算出された未燃ガス量、前記取得された既燃ガス温度、および前記検出された新気温度に応じて、前記ＥＧＲ量の目標値である目標ＥＧＲ量を算出する目標ＥＧＲ量算出手段と、
   当該算出された目標ＥＧＲ量に基づいて、前記可変ＥＧＲ機構を制御するＥＧＲ制御手段と、
   を備えていることを特徴とする内燃機関のＥＧＲ制御装置。

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