JP5337065B2

JP5337065B2 - Ｅｇｒ率推測検知装置

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Publication number: JP5337065B2
Application number: JP2010011944A
Authority: JP
Inventors: 憲二西田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: TWI418702B; CN102135052A; BRPI1100600A2; CN102135052B; TW201200718A; JP2011149351A

Description

本発明は、ＥＧＲ率推測検知装置に係り、特に、エンジンにおける排気ガスの再循環率（ＥＧＲ率）を推測検知することができるＥＧＲ率推測検知装置に関する。

従来から、エンジンの排気ガスの一部を吸気側へ導いて、これを再び混合気に混ぜて吸気させることで、排気ガス中の窒素酸化物の低減や燃費向上を可能とする排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）の技術が知られている。ＥＧＲには、吸気管と排気管との間に排気ガスを環流させるためのバイパス管を設ける「外部ＥＧＲ」と、排気バルブが閉じるタイミングを早めて排気ガスをシリンダ内に残留させるようにした「内部ＥＧＲ」とがあるが、どちらのＥＧＲ技術においても、シリンダに吸入された混合気にどのくらいの排気ガスが含まれるかを示す「ＥＧＲ率」が重要な制御パラメータとなる。

特許文献１には、外部ＥＧＲのバイパス管を有するエンジンにおいて、吸気管、排気管およびシリンダ内にそれぞれガス濃度センサを設け、このガス濃度センサの出力値に基づいて、外部ＥＧＲのＥＧＲ率および内部ＥＧＲのＥＧＲ率をそれぞれ算出できるようにしたガス濃度計測装置が開示されている。

特開２００９−２０３８７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、ガス濃度を直接検知する高性能なセンサが複数必要となり、構成が複雑化すると共にコスト高になるという課題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、クランクパルサロータの出力信号に基づいて、内部ＥＧＲにおけるＥＧＲ率を推測検知することができるＥＧＲ率推測検知装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、エンジン（５）のクランク軸（１）に同期して回転するクランクパルサロータ（２）に設けられる複数のリラクタ（４）の通過を検知するピックアップ（ＰＣ）からクランクパルスを供給されるＥＧＲ率推測検知装置（３０）において、前記エンジン（５）の吸入新気質量を検知する吸入新気質量検知部（３９）と、前記クランクパルスに基づいて、前記エンジン（５）の平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）を算出するＮｅＡ算出部（３３）と、前記エンジン（５）の圧縮上死点（ＴＤＣ）に重なる第１所定区間（τ１）の第１クランク角速度（ω１）を算出すると共に、前記平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第１変動量（Δω１）を算出するΔω１算出部（３４）と、前記第１変動量（Δω１）の値に基づいて、筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）を推測する筒内ガス全質量推測値導出部（３８）とを具備し、前記ＥＧＲ率推測検知装置（３０）は、前記吸入新気質量および前記筒内ガス全質量の推測値に基づいて、排気ガスの再循環率であるＥＧＲ率の推測値を導出する点に第１の特徴がある。

また、前記第１変動量（Δω１）と前記筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）との関係を示し、所定のエンジン回転数毎に設けられた複数のΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップ（３７）を具備し、前記筒内ガス全質量推測値導出部（３８）は、前記平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）と合致する１つのΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップ（３７）を選択し、前記第１変動量（Δω１）との対応により導出されるＧｔｏｔａｌの値を、前記筒内ガス全質量の推測値として用いる点に第２の特徴がある。

また、前記エンジン（５）は、予混合圧縮着火燃焼が可能に構成されており、前記ＥＧＲ率は、吸気バルブ（ＩＶ）および排気バルブ（ＥＶ）の開閉タイミングによってシリンダ内に排気ガスを残留させる内部ＥＧＲのＥＧＲ率である点に第３の特徴がある。

また、前記第１所定区間（τ１）は、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直前に位置するクランクパルスの立ち下がり点から、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直後に位置するクランクパルスの立ち下がり点（Ｃ２）までの期間である点に第４の特徴がある。

さらに、前記エンジン（５）の燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出し、該第２クランク角速度（ω２）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω２算出部を備え、前記第２変動量（Δω２）の値に基づいてエンジン負荷率を算出し、前記ＥＧＲ率の推測値および前記エンジン負荷率に基づいて、バルブタイミングの目標値を算出する点に第５の特徴がある。

第１の特徴によれば、エンジンの吸入新気質量を検知する吸入新気質量検知部と、クランクパルスに基づいてエンジンの平均エンジン回転速度を算出するＮｅＡ算出部と、エンジンの圧縮上死点に重なる第１所定区間の第１クランク角速度を算出すると共に、平均エンジン回転速度から第１クランク角速度を減ずることで第１変動量を算出するΔω１算出部と、第１変動量の値に基づいて筒内ガス全質量を推測する筒内ガス全質量推測値導出部とを具備し、ＥＧＲ率推測検知装置は、吸入新気質量および筒内ガス全質量の推測値に基づいて、排気ガスの再循環率であるＥＧＲ率の推測値を導出するので、クランクパルス信号と、吸入新気質量を検知するためのエアフローセンサ等の出力とを用いることで、ＥＧＲ率を推測検知することが可能となる。これにより、ＥＧＲ率を直接検知するためのガス濃度センサ等を設ける必要がなくなり、エンジン構成の複雑化を避け、生産コストを低減することができる。

第２の特徴によれば、第１変動量と筒内ガス全質量との関係を示し、所定のエンジン回転数毎に設けられた複数のΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップを具備し、筒内ガス全質量推測値導出部は、平均エンジン回転速度と合致する１つのΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップを選択し、前記第１変動量との対応により導出されるＧｔｏｔａｌの値を、筒内ガス全質量の推測値として用いるので、クランクパルス出力から算出された第１変動量と予め実験等で導出されたマップを用いて、筒内ガス全質量を推測検知することが可能となる。

第３の特徴によれば、エンジンは予混合圧縮着火燃焼が可能に構成されており、ＥＧＲ率は、吸気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングによってシリンダ内に排気ガスを残留させる内部ＥＧＲのＥＧＲ率であるので、内部ＥＧＲを用いて予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）燃焼を可能とするエンジンにおいて、ＨＣＣＩ燃焼制御に必要な制御パラメータであるＥＧＲ率を正確に求め、適切な燃焼制御を行うことが可能となる。

第４の特徴によれば、第１所定区間は、圧縮上死点の直前に位置するクランクパルスの立ち下がり点から、圧縮上死点の直後に位置するクランクパルスの立ち下がり点までの期間であるので、圧縮上死点に重なる位置でのクランク角速度を正確に検知することが可能となる。

第５の特徴によれば、エンジンの燃焼下死点に重なる第２所定区間の第２クランク角速度を算出し、該第２クランク角速度から第１クランク角速度を減ずることで第２変動量を算出するΔω２算出部を備え、第２変動量の値に基づいてエンジン負荷率を算出し、ＥＧＲ率の推測値およびエンジン負荷率に基づいて、バルブタイミングの目標値を算出するので、クランクパルス信号に基づいてエンジン負荷率およびバルブタイミングの目標値を算出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るＥＧＲ率推測検知装置の構成を示すブロック図である。ＥＧＲ率推測値を用いたエンジン制御の流れを示すブロック図である。１サイクル間におけるクランクパルス信号とクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートである。図３の一部拡大図である。 Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップの一例である。ＨＣＣＩエンジンの燃焼特性を示すグラフである。ＶＶＴ機構により可変されるバルブタイミングを示したグラフである。ＥＧＲ率とエンジン負荷率との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＥＧＲ率推測検知装置３０の構成を示すブロック図である。また、図２は、ＥＧＲ率の推測値を用いたエンジン制御の流れを示すブロック図である。さらに、図３は１サイクル間におけるクランクパルス信号とクランク角速度ωの変動との関係を示したタイムチャートであり、図４は図３の一部拡大図である。ＥＧＲ率推測検知装置３０は、エンジン５を制御するＥＣＵ５０に内蔵されている。

本実施形態に係るＥＧＲ率推測検知装置３０は、エンジン５のクランク軸１の回転位置を検知するためのクランクパルサロータ２の出力信号に基づいて、ＥＧＲ率の推測値を求めることを可能とするものである。ＥＧＲ率は、筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）と、吸入新気質量（Ｇｆ）とから求められる。すなわち、ＥＧＲ率は、ＥＧＲ率（％）＝（Ｇｔｏｔａｌ−Ｇｆ）÷Ｇｔｏｔａｌ×１００の算出式によって算出することができる。本願発明では、クランクパルサロータ２の出力信号に基づいて筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）が推測検知され、一方、吸入新気質量（Ｇｆ）は、吸気管１１に取り付けられて吸入空気量を計測するエアフローメータ１５の出力信号に基づいて求められる。

エンジン５のクランク軸１には、該クランク軸１と同期回転するクランクパルサロータ２が取り付けられている。本実施形態に係るクランクパルサロータ２は、クランク軸１と同期回転するロータ３に１箇所の歯抜け部Ｈを除いて、計１１個のリラクタ４を３０度間隔で設けた構成とされている。

ＥＧＲ率推測検知装置３０内のクランクパルス検出部３１は、磁気ピックアップ式のパルス発生器ＰＣによってリラクタ４の通過状態をパルス信号として検知することにより、クランク軸１の回転位置および回転速度を検知する。クランクパルス検出部３１は、歯抜け部Ｈの通過を検知することでクランクパルサロータ２の基準位置を検知し、リラクタ４の配置に基づいてクランク軸１回転を♯０〜１０の計１１クランクステージで分割する。その後、吸気管１１に生じる吸気圧変動等に基づいた行程判別が確定すると、ステージの表裏判定（クランク軸が１サイクル中の１回転目または２回転目のいずれであるかの判定）が確定し、エンジンの１サイクル（７２０度）が♯０〜２１の計２２サイクルステージに分割される。なお、吸気圧変化に基づく行程判別は、例えば、検知された吸気圧の変動パターンと、実験等で求められた吸気圧の変動パターンとを照合することにより実行される。実験等で求められた変動パターンは、サイクルステージと関連づけられている。

ＥＧＲ率推測検知装置３０には、クランクパルス検出部３１およびタイマ３２の出力信号に基づいて、所定の検知区間における平均エンジン回転速度ＮｅＡを算出するＮｅＡ算出部３３が含まれる。また、Δω１算出部３４では、ＮｅＡ算出部３３で算出された平均エンジン回転速度ＮｅＡと、クランク軸１の上死点位置に重なる第１所定区間で検知される第１クランク角速度ω１とに基づいて、クランク角速度の第１変動量Δω１の算出が行われる。本実施形態において、第１クランク角速度ω１は、圧縮上死点（ＴＤＣ）に重なる所定区間で検知される。

ここで、図３および４を参照する。クランク角速度ωは、平均エンジン回転速度ＮｅＡが一定である場合でも、シリンダ内圧の変動によってエンジンの１サイクル、すなわち、圧縮、燃焼・膨張、排気、吸気の４行程に合わせて周期的な変動を繰り返している。具体的には、圧縮行程では、シリンダ内圧の上昇による圧縮抵抗に起因するクランク角速度ωの減少が生じる。また、燃焼・膨張行程の区間では、燃焼によるシリンダ内圧の上昇によってクランク回転エネルギーが発生し、これに起因した増加が生じる。また、クランク角速度ωは、燃焼・膨張行程の終了時にピークを迎え、その後、エンジン内の機械的な摩擦抵抗、排気行程における既燃ガスの排出抵抗、吸入行程における吸入抵抗等のポンプ仕事により低下を続けて、再び吸入行程・圧縮行程に至るという変動を繰り返す。

このクランク角速度ωの変動によれば、圧縮上死点の近傍で検知される第１クランク角速度ω１は平均エンジン回転速度ＮｅＡより小さくなる。なお、燃焼下死点の近傍で検知される第２クランク角速度ω２は、平均エンジン回転速度ＮｅＡより大きくなり、例えば、平均エンジン回転速度ＮｅＡが３０００ｒｐｍであるときに、第１クランク角速度ω１＝２９００ｒｐｍ、第２クランク角速度ω２＝３１００ｒｐｍとなる。

クランク角速度ωの変動ピークは、エンジンの発生トルクに応じて大きくなり、その後の低下量は、吸入空気量が多いほど大きくなる。したがって、発生トルクが大きく、かつ吸入空気量が多いエンジンであるほど、クランク角速度ωの変動は大きくなる。さらに、この変動は、クランク軸の慣性力が小さい低回転域であるほど大きく、また、気筒数が少なく爆発間隔が大きいエンジンであるほど大きくなる。換言すれば、自動二輪車の単気筒エンジンのように、クランク軸の慣性モーメントが比較的小さいエンジンでは、クランク角速度ωの変動が大きくなる傾向にある。

Δω１算出部３４は、圧縮上死点近傍における第１クランク角速度ω１の第１変動量Δω１（平均エンジン回転速度ＮｅＡに対する変動量）を、Δω１＝ＮｅＡ−ω１の式で算出する。なお、図３，４には、燃焼下死点近傍における第２クランク角速度ω２の第２変動量Δω２（クランク角速度ω１に対する変動量）も記載している。第２変動量Δω２は、Δω２＝ω２−ω１の式で算出される。

Δω１算出部３４におけるΔω１の算出手順を説明する。クランク角速度ωは、クランク軸１が圧縮上死点（ＴＤＣ）の位置にある、すなわち、クランク角度が０度のときに最も小さくなる。したがって、圧縮行程によって生じるクランク軸１の減速度合は、クランク角速度の第１変動量Δω１（平均エンジン回転速度ＮｅＡ−第１クランク角速度ω１）によって表される。

また、クランク角速度ωは、クランク軸１が燃焼下死点の位置にある、すなわち、クランク角度が１８０度のときに最も大きくなる。したがって、燃焼・膨張行程によるクランク軸１の加速度合は、圧縮上死点から燃焼下死点までのクランク角速度の第２変動量Δω２（第２クランク角速度ω２−第１クランク角速度ω１）によって表される。

図４を参照して、本実施形態では、第１クランク角速度ω１を、圧縮上死点直前に位置するクランクパルスＰ１の立ち下がり点Ｃ１から、圧縮上死点直後に位置するクランクパルスＰ２の立ち下がり点Ｃ２までの３０度区間（第１所定区間）の通過時間τ１によって算出している。なお、第２クランク角速度ω２は、燃焼下死点（ＢＤＣ）直前に位置するクランクパルスＰ３の立ち下がり点Ｃ３から、燃焼下死点直後に位置するクランクパルスＰ４の立ち下がり点Ｃ４までの３０度区間（第２所定区間）の通過時間τ２によって算出している。

そして、第１変動量Δω１は、平均エンジン回転速度ＮｅＡからクランク角速度ω１を減ずることで算出され、第２変動量Δω２は、第２クランク角速度ω２から第１クランク角速度ω１を減ずることで算出される。

そして、第１変動量Δω１は、平均エンジン回転速度ＮｅＡからクランク角速度ω１を減ずることで算出される。次に、第１変動量Δω１と筒内ガス全質量Ｇｔｏｔａｌとの関係について説明する。

内燃機関（エンジン）のトルク変動ΔＮは、内燃機関の正味トルクおよび走行抵抗トルクの差であり、シリンダ内圧力による内燃機関の出力トルクをＮ_{cylindere.work}とし、内燃機関の摩擦抵抗トルクをＮ_frictionとし、走行抵抗トルクをＮ_loadとしたときに、クランクシャフト１の等価慣性モーメントＩとの関係は以下の運動方程式で表すことができる。
ΔＮ＝（Ｎ_{cylindere.work}−Ｎ_friction）−Ｎ_load＝Ｉ・（ｄω／ｄｔ）…（１）
ここでシリンダ内の圧力をＰ_cylinder、シリンダ内径をＢ、ガス定数をＲ、ガス絶対温度をＴ、シリンダ内容積をＶとし、トルク計算上の有効半径をｒとしたときに、
Ｎ_{cylindere.work}＝Ｐ_cylinder・（π／４）Ｂ²・ｒ…（２）
Ｐ_cylinder＝Ｇｔｏｔａｌ・Ｒ・Ｔ／Ｖ…（３）
であり、摩擦抵抗トルクＮ_frictionおよび走行抵抗トルクＮ_loadを無視した上記式（１）に上記式（２）および式（３）を代入すると、
ｄω／ｄｔ＝（１／Ｉ）・（Ｇｔｏｔａｌ・Ｒ・Ｔ／Ｖ）・（π／４）Ｂ²・ｒ…（４）
となる。

ところで圧縮上死点前においてクランク角速度ωは、図３，４で示すように、減速するものであり、圧縮上死点前での減速の傾き（ｄω／ｄｔ）は、圧縮上死点前の２点間で近似することが可能であり、２点間の時間をΔτとしたときに、平均のクランク角速度すなわち内燃機関の回転速度Ｎｅからの角速度変動量（第１変動量）をΔωとすると、
ｄω／ｄｔ＝Δω／Δτ…（５）
である。

而して圧縮上死点前での角速度変動量Δωは、リラクタ４を検出するパルサピックアップ（パルス発生器）ＰＣから出力されるパルスによって得られる平均角速度ωｔｄｃに基づいて（Δω＝Ｎｅ−ωｔｄｃ）として算出されるものであり、上記式（４）は、
Δω／Δτ＝Ｇｔｏｔａｌ・Ｔ・（１／Ｉ）・（Ｒ／Ｖ）・（π／４）Ｂ²・ｒ…（６）
となる。

ここで、｛（１／Ｉ）・（Ｒ／Ｖ）・（π／４）Ｂ²・ｒ｝は一定であり、内燃機関の回転速度Ｎｅが同一であるときにはΔτは一定であると仮定すると、Δω∝Ｇｔｏｔａｌ・Ｔであり、吸入温度Ｔが一定であるときには、Δω∝Ｇｔｏｔａｌであり、リラクタ４を検出するパルサピックアップＰＣから出力されるパルスに基づいて得られた角速度変動量Δωによって筒内ガス全質量Ｇｔｏｔａｌを簡単に推定することができる。したがって、Δω１に基づいて筒内ガス全質量Ｇｔｏｔａｌの予測が可能となる。

図１に戻って、エンジン回転速度別Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップ群３６には、所定のエンジン回転速度に対応する複数のΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップ３７（例えば、１０００ｒｐｍ毎に１０００〜１００００ｒｐｍ時までの１０個）が収納されている。Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップ３７は、予め行われた実験データに基づいて作成され、第１変動量Δω１と筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）との関係を示したものである。

図５に示すように、Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップは、第１変動量Δω１と筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）との関係を示すものであり、例えば、シリンダ内にガス濃度センサを取り付けた実験用エンジンを用いて予め定められたものである。第１変動量Δω１と筒内ガス全質量との間には、概ね比例関係が成立する。

マップ照合部３５は、ＮｅＡ算出部３３で算出された平均エンジン回転速度ＮｅＡの値に基づいて、エンジン回転速度別Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップ群３６から、エンジン回転速度が合致するΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップ３７を１つ選択する。そして、筒内ガス全質量推測値導出部３８は、このΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップ３７に示されたＧｔｏｔａｌの値を、筒内ガス全質量の推測値として導出する。

一方、吸入新気質量検知部３９は、エアフローセンサ１５で検知される吸入空気量に基づいて、吸入される新気の質量、すなわち吸入新気質量（Ｇｆ）を検知する。そして、ＥＧＲ率推測値算出部４１は、ＥＧＲ率（％）＝（Ｇｔｏｔａｌ−Ｇｆ）÷Ｇｔｏｔａｌ×１００の算出式によって、ＥＧＲ率の推測値を算出する。

図２のブロック図を参照して、推測検知されたＥＧＲ率を用いて、エンジン５の可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Variable Valve Timing）機構を駆動制御する流れを説明する。４サイクル単気筒のエンジン５のシリンダ１０の上部には、吸排気バルブのバルブタイミングを任意に可変するＶＶＴ機構を備えたシリンダヘッド８が取り付けられている。ＶＶＴ機構は、ＥＣＵ５０の駆動指令に基づいて制御モータを動かし、これにより、吸気バルブＩＶおよび排気バルブＥＶのバルブタイミングを変更する。なお、このバルブタイミングの変更に伴って、バルブリフト量も変化する。ＶＶＴ機構によるバルブタイミングの可変状態は、制御モータの回転角等を検知するセンサ１９によってＥＣＵ５０に伝達される。

吸気管１１の一端部には、新気を濾過するエアクリーナボックス１６が取り付けられている。エアクリーナボックス１６の内部には、吸気温度センサ１７および大気圧センサ１８が設けられている。また、吸気管１１には、吸入空気量を計測するエアフローセンサ１５、スロットルバルブ１３の回転角度を検知するスロットルバルブ開度センサ１４、吸気圧力を検知する吸気圧センサ２０が取り付けられている。燃焼室の上部には点火装置９が設けられ、スロットルバルブ１３の下流側の吸気管１１には燃料噴射弁１２が配設されている。また、排気管６には、酸素濃度センサ７が取り付けられている。

なお、エアフローセンサ１５には、加熱した白金線から熱が奪われる際に電気抵抗が変化することを利用したホットワイヤ式や、流路に発生するカルマン渦の数を超音波で計測するカルマン渦式のセンサ素子を用いることができる。

ＥＣＵ５０は、各種センサの出力信号を用いて各種演算を実行し、燃料噴射装置１２、点火装置９、そして、ＶＶＴ機構を駆動制御する。前記したＥＧＲ率の推測値は、主にＶＶＴ機構の制御に用いられる。本実施形態では、まず、バルブタイミング目標値導出部５１が、ＥＧＲ率推測値とエンジン負荷率とを用いてバルブタイミングの目標値を導出する。そして、ＶＶＴ機構目標位置導出部５２が、バルブタイミングの目標値を実現するためのＶＶＴ機構の制御モータの駆動量を導出し、このモータ駆動量に基づいて、ＶＶＴ機構制御部５３が制御モータに駆動信号を出力するように構成されている。なお、エンジン負荷率は、前記したΔω２（図４参照）の大きさ等に基づいて算出することができる。

なお、エンジン回転速度が一定で、点火時期がＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）に設定されており、かつ燃焼ガス中の空燃比（Ａ／Ｆ）が一定であるときに、ＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）およびηｃ（充填効率）に比例関係が成立することが知られている。これにより、酸素濃度センサ７によって検知される空燃比と、前記した第２変動量Δω２によって、ＩＭＥＰを求めることが可能となる。なお、点火時期におけるＭＢＴとは、スロットル開度が一定かつエンジン回転速度が一定の下で、かつ発生トルクが最大となる点火時期であり、予め実験等で導出される値である（例えば、３０００ｒｐｍ時は０度）。また、充填効率（Charging efficiency）ηｃは、所定気圧および所定温度において、吸気行程で燃焼室内に取り込むことができる吸入新気の質量に関する効率である。さらに、ＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）は、燃焼によって発生したシリンダ内の仕事量を行程体積で除した値（例えば、５００ｋＰａ）であり、排気量にかかわらず、仕事の発生度によってエンジンの性能を表すための指標のひとつである。

ここで、第２変動量Δω２と前記したＩＭＥＰ等との関係について説明する。前記したように、クランク軸の角速度ωは、クランク軸の変動トルクに起因し、平均エンジン回転速度ＮｅＡを中心に脈動する。ここで、燃焼・膨張行程（図３，４参照）における回転エネルギー上昇分ΔＥ（圧縮上死点から燃焼下死点までの回転エネルギー上昇量）は、クランク軸系慣性モーメントをＩとしたとき、圧縮上死点および燃焼・膨張行程終わり時のω、すなわち、ω１およびω２から次式で求められる。
ΔＥ＝１／２×Ｉ×（ω２＾２−ω１＾２）…（７）
このΔＥは、エンジンの燃焼による仕事であるから、次式で求められる。
ΔＥ＝ＩＭＩＰ×排気量Ｖｓ…（８）

ここで、前記式（７）の右辺の１／２×（ω２＾２−ω１＾２）は次式に変換できる。
１／２×（ω２＾２−ω１＾２）＝（ω２−ω１）×１／２×（ω２＋ω１）…（９）
以上より、燃焼・膨張行程区間のクランク角速度の加速量Δω２を次式と定義する。
Δω２＝ω２−ω１…（１０）
また、前記式（９）の右辺の１／２×（ω２＋ω１）はサイクル平均のωであるから、平均エンジン回転速度ＮｅＡと一致する。
１／２×（ω２＋ω１）＝ＮｅＡ…（１１）

上記式（７）〜（１１）より、Δω２は次式となる。
Δω２＝（ＩＭＥＰ×Ｖｓ）／（Ｉ×ＮｅＡ）…（１２）
すなわち、Δω２はＩＭＥＰ（図示平均有効圧力）と排気量Ｖｓに比例し、平均エンジン回転速度ＮｅＡとクランク軸系慣性モーメントＩに反比例することとなる。そして、ＩＭＥＰは、エンジン負荷率と比例することから、Δω２の値に基づいてエンジン負荷率を算出できる。

図６は、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ：Homogeneous Charge Compression Ignition）を可能とするＨＣＣＩエンジンの燃焼特性を示すグラフである。ＨＣＣＩとは、ディーゼルエンジンのようにガソリンを圧縮過熱して自己着火させる燃焼方式であり、本実施形態では、内部ＥＧＲを用いることでＨＣＣＩ燃焼を実現している。具体的には、ガソリンエンジンは圧縮比も低く自己着火しにくいため、排気バルブＥＶを早く閉じることで筒内に排気ガスを残留させ、この残留排気ガスの熱エネルギーを利用して自己着火させる。

このグラフでは、エンジントルクとエンジン回転速度との関係を示している。ＨＣＣＩ燃焼が可能な領域は、通常のＳＩ（spark ignition）燃焼が可能な領域に比して、エンジントルクおよびエンジン回転速度が低い比較的狭い領域に限られる（図示斜線部）。そのため、確実にＨＣＣＩ燃焼を実現するためには、ＥＧＲ率の正確な検知が必要となる。なお、「ＷＯＴ時」の線は、スロットル全開（Wide open throttle）時、すなわち、全負荷時のエンジン特性を示している。

図７は、ＶＶＴ機構により可変されるバルブタイミングを示したグラフである。通常のＳＩ燃焼では、排気バルブＥＶの閉じ始めと吸気バルブＩＶの開き始めとが近接したバルブタイミングによって運転されており、破線ＡのＳＩ燃焼では、ＴＤＣ（オーバーラップトップ。排気下死点）で排気バルブＥＶおよび吸気バルブＩＶが共に開いた状態が生じる。

これに対し、実線Ｂ，Ｃで示すＨＣＣＩ燃焼においては、ＶＶＴ機構によって、排気バルブを閉じるタイミングを早めると共に、吸気バルブＩＶが開くタイミングを遅くする「マイナスオーバーラップ法」を適用することで、シリンダ内に多量の排気ガスを残留させて、混合気の自己着火が行われるように構成されている。

図８は、ＥＧＲ率とエンジン負荷率との関係を示すグラフである。図示するように、ＨＣＣＩ燃焼は、エンジン負荷率が比較的低い領域でのみ実現可能であり、さらに、エンジン負荷率が下がるほど高いＥＧＲ率が要求されるという特性を有する。一方、ＳＩ燃焼領域では、エンジン負荷率が上がるほど低いＥＧＲ率が要求される。図中のＡ，Ｂ，Ｃは、図７に示したバルブタイミングＡ，Ｂ，Ｃと対応しており、ＥＣＵ５０は、エンジン負荷率に応じたＥＧＲ率が実現されるようにＶＶＴ機構を制御する。

上記したように、本発明に係るＥＧＲ率推測検知装置によれば、クランクパルサ信号から検知されるクランク角速度に基づいて、ＥＧＲ率を推測検知することが可能となる。これにより、ＥＧＲ率を直接検知するためのガス濃度センサ等を用いることなく、ＶＶＴ機構、点火装置および燃料噴射装置等を適切に制御することが可能となる。

なお、クランクパルサロータやパルス発生器の構成や形状、Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップの形態や個数、ＥＣＵ内の構成等は、上記した実施形態に限られず、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、Δω１およびΔω２を、それぞれ圧縮上死点および燃焼下死点をまたぐ期間で算出していたが、その算出位置は、エンジンの排気量や形態等に合わせて、それぞれ進角方向または遅角方向に所定角度だけずらしてもよい。また、ω１やω２を算出する期間の長さも、クランクパルサロータのリラクタの形状等に応じて任意に変更可能である。また、クランクパルサロータのリラクタを、圧縮上死点および燃焼下死点をまたぐように形成し、この各リラクタの通過時間に基づいてΔω１およびΔω２を算出することもできる。

さらに、エンジンの圧縮行程開始時の角速度と圧縮上死点近傍の角速度との差分により第１変動量（Δω１）を算出し、一方、エンジンの燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出すると共に、第２クランク角速度（ω２）から第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω１，Δω２算出部を具備するようにしてもよい。

本発明に係るＥＧＲ率推測検知装置は、クランク角速度の変動に基づいてエンジンの負荷を推測検知する負荷検知装置と併用したり、また、自動二輪車用エンジンに限られず、種々の形態のエンジンに適用することが可能である。

１…クランク軸、２…クランクパルサロータ、４…リラクタ、１５…エアフローセンサ、３０…ＥＧＲ率推測検知装置、３１…クランクパルス検出部、３２…タイマ、３３…ＮｅＡ算出部、３４…Δω１算出部、３５…マップ照合部、３６…エンジン回転数別Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップ群、３７…Δω１−Ｇｔｏｔａｌマップ、３８…筒内ガス質量推測値導出部、３９…吸入新気質量検知部、４１…ＥＧＲ推測値算出部、ＰＣ…パルス検出器

Claims

エンジン（５）のクランク軸（１）に同期して回転するクランクパルサロータ（２）に設けられる複数のリラクタ（４）の通過を検知するピックアップ（ＰＣ）からクランクパルスを供給されるＥＧＲ率推測検知装置（３０）において、
前記エンジン（５）の吸入新気質量を検知する吸入新気質量検知部（３９）と、
前記クランクパルスに基づいて、前記エンジン（５）の平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）を算出するＮｅＡ算出部（３３）と、
前記エンジン（５）の圧縮上死点（ＴＤＣ）に重なる第１所定区間（τ１）の第１クランク角速度（ω１）を算出すると共に、前記平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第１変動量（Δω１）を算出するΔω１算出部（３４）と、
前記第１変動量（Δω１）の値に基づいて、筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）を推測する筒内ガス全質量推測値導出部（３８）とを具備し、
前記ＥＧＲ率推測検知装置（３０）は、前記吸入新気質量および前記筒内ガス全質量の推測値に基づいて、排気ガスの再循環率であるＥＧＲ率の推測値を導出し、
前記第１変動量（Δω１）と前記筒内ガス全質量（Ｇｔｏｔａｌ）との関係を示し、所定のエンジン回転数毎に設けられた複数のΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップ（３７）を具備し、
前記筒内ガス全質量推測値導出部（３８）は、前記平均エンジン回転速度（ＮｅＡ）と合致する１つのΔω１−Ｇｔｏｔａｌマップ（３７）を選択し、前記第１変動量（Δω１）との対応により導出されるＧｔｏｔａｌの値を、前記筒内ガス全質量の推測値として用いることを特徴とするＥＧＲ率推測検知装置。
前記エンジン（５）は、予混合圧縮着火燃焼が可能に構成されており、
前記ＥＧＲ率は、吸気バルブ（ＩＶ）および排気バルブ（ＥＶ）の開閉タイミングによってシリンダ内に排気ガスを残留させる内部ＥＧＲのＥＧＲ率であることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ率推測検知装置。
前記第１所定区間（τ１）は、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直前に位置するクランクパルスの立ち下がり点から、圧縮上死点（ＴＤＣ）の直後に位置するクランクパルスの立ち下がり点（Ｃ２）までの期間であることを特徴とする請求項１または２に記載のＥＧＲ率推測検知装置。
前記エンジン（５）の燃焼下死点（ＢＤＣ）に重なる第２所定区間（τ２）の第２クランク角速度（ω２）を算出し、該第２クランク角速度（ω２）から前記第１クランク角速度（ω１）を減ずることで第２変動量（Δω２）を算出するΔω２算出部を備え、
前記第２変動量（Δω２）の値に基づいてエンジン負荷率を算出し、
前記ＥＧＲ率の推測値および前記エンジン負荷率に基づいて、バルブタイミングの目標値を算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のＥＧＲ率推測検知装置。