JP5581631B2 - 内燃機関の残留ガス率算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＧＲガス等の燃焼に寄与しない不燃ガスの筒内に占める割合である残留ガス率を推定する装置に関する。

残留ガス率を高精度に算出し、ひいては残留ガスを含まない空気のシリンダへの吸入量を高精度に算出して燃料噴射量の制御精度等を高めるために、特許文献１では、エンジン回転速度、負荷、バルブタイミングに基づいてマップ検索をして残留ガス率を算出している。

そして、バルブオーバーラップ期間があるバルブタイミングの場合には、バルブオーバーラップ期間の長さに応じた排気の吹き返し量についてもマップ化したものを準備しておき、これに基づいて残留ガス率を算出している。

特開２００７−２４０３１０号公報

しかし、例えばデコンプやミラーサイクルを実施するために、吸気側及び排気側に変換角の大きな可変動弁機構を備えるような内燃機関では、バルブオーバーラップ量が同じでも、過渡的にはバルブオーバーラップ中心位置が異なる運転点を通過する場合がある。そして、バルブオーバーラップ中心位置が異なると、バルブオーバーラップ量が同じでも残留ガス率は異なるため、特許文献１のようにバルブオーバーラップ期間毎に作成したマップでは、高精度で残留ガス率を算出することはできない。仮に特許文献１の方法で残留ガス率の算出精度を高めるには、バルブオーバーラップ期間毎のマップを、バルブオーバーラップ中心位置毎に作成しなければならず、適合に要する工数が増大してしまう。また、マップの数が多くなるため、これを格納するために必要なＲＯＭ容量も増加してしまう。

そこで、本発明では、バルブオーバーラップ中心位置の変化にも対応して高精度で残留ガス率を算出可能で、かつ適合のための工数及びマップ格納のためのＲＯＭ容量の増加を抑制できる装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の残留ガス率算出装置は、吸気弁の位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変吸気バルブタイミング機構と、排気弁の位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変排気バルブタイミング機構と、吸気弁及び前記排気弁のバルブタイミングに応じたシリンダ内の残留ガス率を算出する残留ガス率算出手段とを備える。そして、残留ガス率算出手段は、吸気弁開タイミングでのシリンダ内排ガス量と、バルブタイミング及び機関負荷に基づいてパラメータである吸気弁開タイミングに吸気弁と排気弁が共に開いているオーバーラップ期間が長くなるほど大きくなる係数を乗算し、さらに機関負荷が大きくなるほど大きくなる係数を加算して推定する、オーバーラップ期間に排気通路からシリンダまたは吸気通路の少なくとも一方に吹き返される排ガス量と、に基づいてシリンダ内の残留ガス率を算出する。

吸気通路へ吹き返した排ガスが吸気弁閉弁タイミング時に全体のガス量に占める割合（吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂ）は、バルブオーバーラップ中心位置に対する感度が小さいため、マップ化する際にはこれを無視することができる。

また、吸気弁開弁タイミングにおける筒内の排ガスが吸気弁閉弁タイミング時に全体のガス量に占める割合（残留ガス率ＶＲＥＳ_ａ）は、バルブオーバーラップ中心位置の違いに対する感度が大きいのだが、吸気弁開タイミング直前のシリンダ容積に基づいて演算により求めることができるので、ここでもバルブオーバーラップ中心位置を考慮した適合を行う必要も無い。

従って、本発明によれば、実質的にバルブオーバーラップ中心を適合パラメータとする必要が無いため、マップ数を削減できると共に適合工数も削減できる。

本発明を適用する内燃機関のシステム構成図である。 （ａ）〜（ｆ）は、バルブオーバーラップ期間がある場合の残留ガスの動きについて示した図である。 第１実施形態の残留ガス率演算のための制御ブロック図である。 バルブオーバーラップ中心位置の違いによる筒内全体の残留ガス率を機関負荷別に示した図である。 図４のグラフからＩＶＯにおける筒内残留ガス率を差し引いた吹き返し分残留ガス率を示す図である。 図３の制御を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態の残留ガス率演算のための制御ブロック図である。 第３実施形態の残留ガス率演算のための制御ブロック図である。 図８の制御を説明するためのフローチャートである。 ＩＶＯまでの残留ガス率を求めるためのサブルーチンである。 吹き返し分残留ガス率を求めるためのサブルーチンである。 ＥＶＣまでの残留ガス率を求めるためのサブルーチンである。 バルブオーバーラップ中心位置の違いによる残留ガス率のバラツキが大きい場合の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関１の構成を示している。

内燃機関１の吸気通路１０１には、スロットル弁１０２が設置されている。また、吸気通路１０１には、燃料供給用のインジェクタ１０３が設置されている。このインジェクタ１０３は、所定の当量比を達成するべく吸入空気量に応じて必要な量の燃料を噴射する。吸気通路１０１のポート部１０１ａには、ポペット型の吸気弁１０４が設置され、図示しないカム軸により開閉駆動される。そして、カム軸には吸気側可変動弁機構１０５が接続し、この吸気弁１０４のリフト量を変更できる。これにより、吸気弁１０４が開弁している期間に筒内に導入される吸入空気を調整することもできる。なお、吸気側可変動弁機構１０５は、リフト量を一定にしたまま吸気弁１０４のバルブタイミングを連続的に変更する可変バルブタイミング機構も備えている。

内燃機関本体において、シリンダヘッドＨには、燃焼室の上部略中央に点火プラグ１０６が設置され、筒内に導入された混合気に対し点火が行われる。

燃焼後、発生した排気は、排気通路１０７に送り出される。排気通路１０７のポート部１０７ａにはポペット型の排気弁１０８が設置され、図示しないカム軸により開閉駆動される。そして、カム軸には、排気側可変動弁機構１０９が接続し、この排気弁４のリフト量を変更できる。そして、この排気弁１０８が開いている期間に、排気の送出が行われる。

排気側可変動弁機構１０９は、吸気側可変動弁機構１０５と同様に、可変バルブタイミング機構を備えており、排気弁１０８のバルブタイミングを連続的に変更することができる。

ここで説明した吸気側可変動弁機構１０５、排気側可変動弁機構１０９及びスロットル弁１０２等の動作は、電子制御ユニットとして構成されるエンジンコントローラ（以下「ＥＣＵ」という。）２０１により制御される。

ＥＣＵ２０１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。そして、アクセルペダルの踏込量（アクセル開度ＡＰＯを示す。）を検出するアクセルセンサ２１１の検出信号、及びクランクシャフトの回転位置を検出するクランク角センサ２１２の検出信号が入力されるとともに、吸気通路１０１内の圧力（以下「吸気圧力」という。）Ｐｍを検出する吸気圧力センサ２１３の検出信号、吸気通路１０１内の温度Ｔｍを検出する吸気温度センサ２１４の検出信号、排気通路１０７内の圧力（以下「排気圧力」という。）Ｐｅを検出する排気圧力センサ２１５の検出信号、及び排気通路１０７内の温度Ｔｅを検出する排気温度センサ２１６の検出信号、吸入空気量を検出するエアフローメータ２１７の検出信号等が入力される。

ＥＣＵ２０１は、入力した各種検出信号に基づいて、吸気動弁装置１０５と、排気動弁装置１０９と、スロットル弁１０２の動作の制御を行い、この他に筒内の残留ガス率を算出する。

図２は、本実施形態の残留ガス率算出方法の考え方について説明するための図である。図２の（ａ）〜（ｆ）は、バルブオーバーラップ期間がある場合の、吸気弁開弁タイミング（以下、ＩＶＯという）直前から、吸気弁閉弁タイミング（以下、ＩＶＣという）までの筒内の様子を模式的に示したものである。図中の細かいドットを付した部分はＩＶＯにおいて筒内にある排ガス、粗いドットを付した部分はＩＶＯにおいて排気通路１０７にある排ガスを示している。

ＩＶＯ直前では、図２（ａ）に示すように排気弁１０８が開弁、吸気弁１０４が閉弁している。その後ＩＶＯとなり、吸気弁１０４が開弁し始めると、吸気弁１０４も排気弁１０８も開いたオーバーラップ状態となるので、図２（ｂ）に示すようにシリンダ内にあった排ガスは、シリンダ内と吸気通路との差圧により筒内若しくは吸気通路１０１へ吹き返される。この現象とほぼ同時に、図２（ｃ）に示すように、排気通路１０７にあった排ガスが排気通路１０７と吸気通路の差圧により吸気側へ吹き返す。そして、図２（ｄ）に示すように排気弁の閉タイミング（以下、ＥＶＣという）で排気通路１０７から吹き返した排ガスは筒内に閉じ込められ、このとき、ピストンが下降しているので図２（ｅ）に示すように吸気通路１０１へ吹き返した排ガスは新気とともに筒内に再度吸入される。その結果、図２（ｆ）に示すように、ＩＶＣにおける筒内には、新気と、上記した排ガスが残留ガスとして筒内に残ることになる。この残留ガスは、図２（ａ）〜（ｆ）から分かるように吸気通路１０１に吹き返された排ガスは再度筒内に吸入されるため、結局、ＩＶＯ直前に筒内に存在する排ガスと、バルブオーバーラップ期間中に排気通路１０７から筒内若しくは吸気通路１０１に吹き返した残留ガスを考慮すれば求まることになる。

そこで、残留ガス率を算出するにあたって、ＩＶＯ直前に筒内にあった排ガスと、バルブオーバーラップ期間中に筒内に吹き返した排ガスとに分けて、以下に説明するように演算する。

図３は、ＩＶＯ直前に筒内にあった排ガスと、バルブオーバーラップ期間中に筒内に吹き返した排ガスとに分けて残留ガス率を算出するルーチンを説明するためのブロック図である。なお、この図に示す各ブロックはＥＣＵ２０１の機能を仮想なユニットとして示したものであり、物理的な存在を意味しない。

まず、ＩＶＯ直前に筒内にあった排ガス量を求めるのだが、本実施の形態ではＩＶＯ直前の排ガス量をＩＶＣ時に筒内に占める割合（容積比率）として演算する。このため、ＩＶＯ直前の排ガスがＩＶＣ時の温度・圧力下でどの程度の容積を占めるのかを演算し（下記数式（１）参照）、ＩＶＣ時のシリンダ容積値で除して、最終的な容積比率を残留ガス率として求めている。

ＩＶＯシリンダ状態量演算部Ｂ３０では、ＩＶＯ直前の筒内の排ガス量を求めるのに必要な、ＩＶＯにおける筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｏと、ＩＶＯにおける筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｏと、ＩＶＯにおける筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｏを演算する。

筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｏは、ＩＶＯ直前では排気弁１０８が開弁しているので、排気通路１０７内の圧力と同等とみなすことができ、例えば、エンジンの回転速度と吸入空気量に基づいて演算することができる。

また、筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｏは、ＩＶＯ時のピストン位置とシリンダ径、その他筒内容積を求めるために必要な設計値に基づいて演算できる。

筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｏは、筒内温度センサを設けて検出してもよいし、排気温度から推定するようにしてもよい。
なお、ＩＶＯ直前の筒内にあるのは排ガスだけなので、筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｏは、ＩＶＯ直前に筒内にある残留ガスの容積である。

次に、ＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ３１では、ＩＶＣにおける筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｃと、ＩＶＣにおける筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｃを演算する。

筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｃは、直前まで吸気弁１０４が開弁していたので、吸気通路１０１内の圧力と同等とみなすことができ、例えば、吸気圧力センサ２１３の値に基づいて演算することができる。筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｃについては、前述の筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｏと同様の方法で演算することができる。

そして、ＩＶＯ残留ガス容積演算部Ｂ３２では、ＩＶＯシリンダ状態量演算部Ｂ３０とＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ３１の演算した各パラメータに基づいて、ＩＶＯ時に筒内に残留する排ガスをＩＶＣ時の温度・圧力下に換算したときの容積値Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを演算する。具体的には、式（１）により求める。

Ｖｒｅｓ_ｉｖｃ＝[（Ｐｃｙｌ_ｉｖｏ×Ｔｃｙｌ_ｉｖｃ）／（Ｐｃｙｌ_ｉｖｃ×Ｔｃｙｌ_ｉｖｏ）]×Ｖｃｙｌ_ｉｖｏ ・・・（１）
また、ＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ３３では、ＩＶＣにおける筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｃを、筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｏと同様の方法で演算する。

そして、ＩＶＯ直前に筒内にあった残留ガスのＩＶＣ時における容積値Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを、ＩＶＣにおける筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｃで除して、ＩＶＯ直前の排ガスがＩＶＣ時に筒内に占める容積比率を求め、これがスイッチＢ３５のゼロ側に入力される。

スイッチＢ３５は、オーバーラップ判定部Ｂ３４でバルブオーバーラップ期間があると判定された場合にはゼロ側に、ないと判定された場合には１側に切換えられる。

つまり、スイッチＢ３５がゼロ側の場合には、ＩＶＯ直前に筒内にあった排ガスのＩＶＣ時の残留ガス率がＶＲＥＳ_ａとして用いられ、１側の場合には、残留ガス率ＶＲＥＳ_ａはゼロとなる。バルブオーバーラップ期間が無い場合に、ＶＲＥＳ_ａをゼロとする理由については後述する。

なお、オーバーラップ判定部Ｂ３４では、現在の吸気側及び排気側のバルブタイミングから、オーバーラップ期間の有無を判定する。

一方、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６では、バルブオーバーラップ期間中に排気通路１０７から筒内若しくは吸気通路へ吹き返される排ガス分が、ＩＶＣ時の温度・圧力下でどのような容積比率となるのかを演算する。具体的には、機関回転速度と、バルブオーバーラップ期間と、機関負荷とに基づいて上記容積比率（吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂ）をマップ検索する。ここでは、バルブオーバーラップ期間の長さごとのマップを、各機関負荷領域について予め作成しておき、これを検索する。

ここで、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６においてバルブオーバーラップ期間を考慮するものの、バルブオーバーラップの中心位置を考慮しない理由について説明する。

図４は、バルブオーバーラップ期間が同一で機関負荷が異なる３つのパターンのそれぞれについて、バルブオーバーラップ中心位置を振った場合の筒内全体の残留ガス率の違いを示した図である。例えば、バルブオーバーラップ期間は１０°で、機関負荷の大きさを吸気管内の圧力で表わし、上から相対圧で−７０ｋＰａ、−６０ｋＰａ、−５０ｋＰａとする。

いずれの機関負荷でも、バルブオーバーラップ期間は同じにもかかわらず、バルブオーバーラップ中心位置の違いによって、残留ガス率（ＶＲＥＳ_ａ＋ＶＲＥＳ_ｂに相当する）にはバラツキが生じている。

図５は、図４の残留ガス率（ＶＲＥＳ_ａ＋ＶＲＥＳ_ｂに相当する）から、上述した方法で算出した残留ガス率ＶＲＥＳ_ａを除いたもの、つまり吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂである。図から明らかなように、いずいれの機関負荷でも、バルブオーバーラップ中心位置の違いによるバラツキが小さくなっている。すなわち、吹き返す残留ガス量はバルブオーバーラップ中心位置の違いによるバラツキが小さいので、バルブオーバーラップ中心位置ごとのマップは不要で、機関負荷とバルブオーバーラップ期間についてのマップを用意しておけば足りる。

そこで、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６では、各機関負荷についてバルブオーバーラップ期間毎の吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂのマップを予め作成し、これを格納しておく。

上記のようにして吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂをマップ検索したら、これと、演算によって得られたＩＶＯ直前に筒内にあった排ガスによる残留ガス率ＶＲＥＳ_ａとを加算して、筒内全体の残留ガス率ＶＲＥＳを算出する。

図６は、図３の制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。本制御ルーチンは、例えば１ミリ秒程度の間隔で繰り返し実行する。

ステップＳ１００では、バルブオーバーラップ期間の有無を判定する。バルブオーバーラップ期間がない場合はステップＳ１７０へ進み、残留ガス率ＶＲＥＳ_ａをゼロとして、ステップＳ１５０へ進む。一方、バルブオーバーラップ期間がある場合は、ステップＳ１１０へ進む。これにより、バルブオーバーラップ期間がない場合には無用な演算をすることを回避して、演算負荷を軽減できる。

ステップＳ１１０からステップＳ１３０では、それぞれ上述した図３のＩＶＯシリンダ状態量演算部Ｂ３０、ＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ３１、ＩＶＯ残留ガス容積演算部Ｂ３２に相当する。

ステップＳ１４０では、ＩＶＯ残留ガス容積演算部Ｂ３２で算出したＩＶＯ直前に筒内にあった残留ガスのＩＶＣにおける容積Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを、ＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ３３で算出したＩＶＣにおける筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｃで除して、残留ガス率ＶＲＥＳ_ａを算出する。

ステップＳ１５０は、上述した吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６での演算であり、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂをマップ検索し、ステップＳ１６０では、残留ガス率ＶＲＥＳ_ａと吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを加算して残留ガス率ＶＲＥＳを算出する。

なお、上記制御では、バルブオーバーラップ期間がない場合に残留ガス率ＶＲＥＳ_ａをゼロとして、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６で筒内全体の残留ガス率ＶＲＥＳを算出している。この理由は以下の通りである。

バルブオーバーラップ期間がない場合には、ＥＶＣまで吸気弁１０４が閉弁したままであり、排気通路１０７からの吹き返しはない。また、ＩＶＯによって吸気通路１０１へ吹き返した残留ガスは新気とともに再度吸入される。したがって、残留ガス量はもっぱらＥＶＣにより決まる。しかしながら、ＩＶＯ残留ガス容積演算部Ｂ３２に基づいて算出されるＶＲＥＳ_ａは、ＩＶＯ時の筒内容積に基づいて残ガス率を演算するため、ＥＶＣ時の筒内容積に基づいて最終的な残ガス量が決まるバルブオーバーラップ期間が無い場合の残留ガス率を演算することはできない。そこで、演算の都合上、バルブオーバーラップ期間が無い場合の残留ガス率の演算を、便宜的に、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６のマップに持たせることで、ＥＶＣ時の筒内容積に基づいて最終的な残ガス量が決まるバルブオーバーラップ期間が無い場合の残留ガス率を求めることとした。なお、バルブオーバーラップ期間が無い場合の残留ガス率はＥＶＣが遅くなるほど残留ガス率が高くなる。
そして、バルブオーバーラップ期間がない場合には、残留ガス率を吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６でマップ検索することとして、図６のステップＳ１１０からＳ１４０の演算（ＩＶＯ残留ガス容積演算部Ｂ３２に基づくＶＲＥＳ_ａの演算）を省略し、演算負荷を軽減できる。
すなわち、バルブオーバーラップ期間がない場合に、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６で算出されるのは、バルブオーバーラップ期間に排気通路１０７から吹き返した残留ガス率ではなく、ＥＶＣにおいて筒内にある残留ガス率である。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）バルブオーバーラップ期間がある場合には、吸気弁開弁タイミングにおける筒内の排ガスが吸気弁閉弁タイミング時に全体のガス量に占める割合（残留ガス率ＶＲＥＳ_ａ）と、オーバーラップ期間に排気通路からシリンダ内または吸気通路の少なくとも一方へ吹き返した排ガスが吸気弁閉弁タイミング時に全体のガス量に占める割合（吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂ）とに基づいて算出する。このため、精度よく残留ガス率を演算できる。

吸気通路へ吹き返した排ガスが吸気弁閉弁タイミング時に全体のガス量に占める割合（吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂ）は、バルブオーバーラップ中心位置に対する感度が小さいため、マップ化する際にはこれを無視することができる。

また、吸気弁開弁タイミングにおける筒内の排ガスが吸気弁閉弁タイミング時に全体のガス量に占める割合（残留ガス率ＶＲＥＳ_ａ）は、バルブオーバーラップ中心位置の違いに対する感度が大きいのだが、吸気弁開タイミング直前のシリンダ容積に基づいて演算により求めることができるので、ここでもバルブオーバーラップ中心位置を考慮した適合を行う必要も無い。
従って、本実施形態では、実質的にバルブオーバーラップ中心を適合パラメータとする必要が無いため、マップ数を削減できると共に適合工数も削減できる。

（２）吸気弁開弁タイミングにおける筒内の残留ガス率ＶＲＥＳ_ａを、吸気弁開弁タイミングにおけるシリンダ状態量と吸気弁閉弁タイミングにおけるシリンダ状態量とに基づいて算出するので、簡便な方法で演算することができる。

（３）吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂは、機関運転状態から定まる筒内全体の残留ガス率から残留ガス率ＶＲＥＳ_ａを引いた残留ガス率を、機関回転速度、機関負荷及びバルブオーバーラップ期間により検索する。吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂは、残留ガス率ＶＲＥＳ_ａに比べて、バルブオーバーラップ中心位置の違いによるバラツキが小さい。このため、上記方法で作成したマップでは、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂのバルブオーバーラップ中心位置の違いによるバラツキは、無視できる程度まで小さくなる。すなわち、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂ検索用のマップについては、バルブオーバーラップ中心位置ごとに作成する必要はなくなるので、演算に必要なマップ数を低減でき、ＥＣＵ２０１のＲＯＭ容量を低減できる。

（４）バルブオーバーラップ期間がない場合には、機関負荷及び機関回転速度に基づいて上記マップ検索により吸気弁閉弁タイミングにおける残留ガス率を算出するので、演算負荷を軽減できる。

第２実施形態について説明する。

本実施形態は、システムの構成は第１実施形態の図１と同様であるが、残留ガス率の算出方法が異なる。具体的には、第１実施形態では、便宜的に吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６のマップに持たせていたバルブオーバーラップ期間が無い場合の残留ガス率を、ＥＶＣ及びＩＶＣのタイミングにおける筒内圧や筒内温度等に基づいて演算により求める。これは、バルブオーバーラップ期間がない場合の残留ガス率を簡便な方法で算出することで、第１実施形態ではバルブオーバーラップ期間がない場合用に設けていたマップを不要としてＲＯＭ容量の低減を図り、かつマップ作成のための適合工数を削減するためである。

図７は、本実施形態の残留ガス率の算出ルーチンを説明するためのブロック図である。なお、この図に示す各ブロックはＥＣＵ２０１の機能を仮想なユニットとして示したものであり、物理的な存在を意味しない。

ＥＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ７０では、ＥＶＣにおける筒内圧Ｐｃｙｌ_ｅｖｃと、ＥＶＣにおける筒内容積Ｖｃｙｌ_ｅｖｃと、ＥＶＣにおける筒内温度Ｔｃｙｌ_ｅｖｃを演算する。

ＥＶＣのタイミングにおける筒内圧Ｐｃｙｌ_ｅｖｃは、ＥＶＣ直前まで排気弁１０８が開弁していたので、排気通路１０７内の圧力と同等とみなすことができ、例えば、エンジンの回転速度と吸入空気量に基づいて演算することができる。

筒内容積Ｖｃｙｌ_ｅｖｃは、ＩＶＯ時のピストン位置とシリンダ径、その他筒内容積を求めるために必要な設計値に基づいて演算できる。

なお、ＥＶＣのタイミングにおいて筒内にあるのは残留ガスだけなので、筒内容積Ｖｃｙｌ_ｅｖｃは、ＥＶＣのタイミングにおいて筒内にある残留ガスの容積である。

筒内温度Ｔｃｙｌ_ｅｖｃは、筒内温度センサを設けて検出してもよいし、排気温度から推定するようにしてもよい。

ＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ７１では、図３のＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ３１と同様の方法で、ＩＶＣにおける筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｃと、ＩＶＣにおける筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｃを演算する。

そして、ＥＶＣ残留ガス容積演算部Ｂ７２では、ＥＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ７０とＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ７１で演算した各パラメータに基づいて、ＩＶＯ時に筒内に残留する排ガスをＩＶＣ時の温度・圧力下に換算したときの容積値Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを演算する。具体的には、式（２）により求める。

Ｖｒｅｓ_ｉｖｃ＝[（Ｐｃｙｌ_ｅｖｃ×Ｔｃｙｌ_ｉｖｃ）／（Ｐｃｙｌ_ｉｖｃ×Ｔｃｙｌ_ｅｖｃ）]×Ｖｃｙｌ_ｅｖｃ ・・・（２）

オーバーラップ用演算部Ｂ７７は、図３のＩＶＯシリンダ状態量演算部Ｂ３０と、ＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ３１と、ＩＶＯ残留ガス容積演算部Ｂ３２と同様の演算部からなる。

ＥＶＣ残留ガス容積演算部Ｂ７２の演算結果はスイッチＢ７５の１側に入力され、オーバーラップ用演算部Ｂ７７の演算結果はスイッチＢ７５のゼロ側に入力される。

スイッチＢ７５は、オーバーラップ判定部Ｂ７４でバルブオーバーラップ期間があると判定された場合にはゼロ側に、ないと判定された場合には１側に切換えられる。

また、ＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ７３では、図３のＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ３３と同様の方法で、ＩＶＣにおける筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｃを演算する。

そして、スイッチＢ７５で選択されたＩＶＯ残留ガスのＩＶＣ時における容積値Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを、筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｃで除算してＩＶＯにおける残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃが得られる。

これに、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ７６で図３の吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ３６と同様の方法でマップ検索された吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを加算することで、筒内全体の残留ガス率ＶＲＥＳが得られる。

つまり、バルブオーバーラップ期間がない場合に、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ７６で全体の残留ガス率をマップ検索するのではなく、ＥＶＣ時に筒内にある残留ガス率を、ＥＶＣ時及びＩＶＣ時における筒内圧や筒内温度等に基づいて演算により求める。このため、バルブオーバーラップ期間がない場合には、吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ７６の出力はゼロになる。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果が得られる。

（５）バルブオーバーラップ期間がない場合には、排気弁閉弁タイミングと吸気弁閉弁タイミングのそれぞれのシリンダ状態量を用い、気体の状態方程式に基づいて吸気弁閉弁タイミングにおける残留ガスの体積を算出し、これに基づいて残留ガス率を算出する。したがって、簡便な方法で算出することができる。

第３実施形態について説明する。

本実施形態は、第１実施形態、第２実施形態とシステムの構成は同様であるが、残留ガス率の算出方法が異なる。特に、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂの演算方法が異なる。具体的には、バルブオーバーラップ中心位置の違いによる吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂのバラツキが無視できない程度に大きくなった場合にも、精度良く残留ガス率を算出できるように、バルブタイミングと機関負荷の多項式により残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃと吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを算出する。

図８は、本実施形態の残留ガス率の算出ルーチンを説明するためのブロック図である。なお、この図に示す各ブロックはＥＣＵ２０１の機能を仮想なユニットとして示したものであり、物理的な存在を意味しない。

ＥＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ８０、ＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ８１、ＥＶＣ残留ガス容積演算部Ｂ８２は、それぞれ図７のＥＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ７０、ＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ７１、ＥＶＣ残留ガス容積演算部Ｂ７２と同様なので、説明を省略する。

ＩＶＯシリンダ状態量演算部Ｂ８７と、ＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ８８と、ＩＶＯ残留ガス容積演算部Ｂ８９は、オーバーラップ用演算部Ｂ７７と同様なので説明を省略する。

ＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ８３、オーバーラップ判定部Ｂ８４、スイッチＢ８５についても、図７のＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ７３、オーバーラップ判定部Ｂ７４、スイッチＢ７５と同様なので説明を省略する。

本実施形態ではスイッチＢ９０を備えており、オーバーラップ判定部Ｂ８４の判定結果はこのスイッチＢ９０にも入力される。スイッチＢ９０は、バルブオーバーラップがある場合にはゼロ側に、ない場合には１側に切り換えられる。

吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ８６には、ＩＶＯ位置と、バルブオーバーラップ期間と、機関負荷とが読み込まれ、式（３）のようにＩＶＯ位置ｘをパラメータとする一次式を用いて吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを演算する。

ＶＲＥＳ_ｂ＝Ｂ’ｘ＋Ｃ’ ・・・（３）

ここで、Ｂ’はバルブオーバーラップ期間が長くなるほど大きくなる係数であり、Ｃ’は機関負荷が大きくなるほど大きくなる係数である。吹き返し分残留ガス率演算部Ｂ８６には、Ｂ’とバルブオーバーラップ期間との関係を示すテーブルと、Ｃ’と機関負荷の関係を示すテーブルが格納されている。

以下、本実施形態の残留ガス率算出方法について具体的に説明する。

図９は、本実施形態の残留ガス率算出ルーチンを示すフローチャートである。本制御ルーチンは、例えば１ミリ秒程度の間隔で繰り返し実行する。

ステップＳ９０１では、現在のバルブタイミングからバルブオーバーラップ期間があるか否かを判定する。ある場合にはステップＳ９０２へ進み、ない場合にはステップＳ９０５へ進む。

ステップＳ９０２では、ＩＶＯまでの残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃを演算する。具体的には、図１０に示すサブルーチンを実行する。以下、サブルーチンにしたがって説明する。

ステップＳ１００１は、図８のＩＶＯシリンダ状態量演算部Ｂ８７に相当しており、ＩＶＯ時における筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｏと、ＩＶＯ時における筒内容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｏと、ＩＶＯにおける筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｏを演算する。

ステップＳ１００２は、図８のＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ８８に相当しており、ＩＶＣ時における筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｃと、ＩＶＣ時における筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｃを演算する。

ステップＳ１００３は、図８のＢ８９に相当しており、ＩＶＯ残留ガスのＩＶＣ時における容積Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを演算する。

ステップＳ１００４では、ステップＳ１００３で演算したＩＶＯ残留ガスのＩＶＣにおける容積Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを、図８のＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ８３で演算したＩＶＣシリンダ容積Ｖｃｙ_ｉｖｃで除してＩＶＯ時における残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃを演算する。そして、図９のフローチャートに戻る。

図９のステップＳ９０３では、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを演算する。具体的には、図１１のサブルーチンを実行する。

図１１のステップＳ１１０１では、式（３）のＢ’及びＣ’を、上述したようにそれぞれバルブオーバーラップ期間及び機関負荷に基づいてテーブル検索によって求める。

ステップＳ１１０２では、ＩＶＯ位置ｘを読み込む。

ステップＳ１１０３では、式（３）のＢ’、Ｃ’、ｘにステップＳ１１０１、Ｓ１１０２で読み込んだ値を入れることで、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを演算する。そして、図９のフローチャートに戻る。

図９のステップＳ９０４では、ＩＶＯにおける残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃと吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂ加算して筒内全体の残留ガス率ＶＲＥＳを演算する。

一方、バルブオーバーラップ期間がない場合には、ステップＳ９０５でＥＶＣ時における残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃ’を演算する。具体的には図１２のサブルーチンを実行する。

図１２のステップＳ１２０１は、図８のＥＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ８０に相当し、ＥＶＣ時における筒内圧Ｐｃｙｌ_ｅｖｃと、ＥＶＣ時における筒内容積Ｖｃｙｌ_ｅｖｃと、ＥＶＣにおける筒内温度Ｔｃｙｌ_ｅｖｃを演算する。

ステップＳ１２０２は、図８のＩＶＣシリンダ状態量演算部Ｂ８１に相当し、ＩＶＣ時における筒内圧Ｐｃｙｌ_ｉｖｃと、ＩＶＣ時における筒内温度Ｔｃｙｌ_ｉｖｃを演算する。

ステップＳ１２０３は、図８のＥＶＣ残留ガス容積演算部Ｂ８２に相当し、ＩＶＯ残留ガスのＩＶＣ時における容積Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを演算する。

ステップＳ１２０４では、ステップＳ１２０３で演算したＩＶＯ残留ガスのＩＶＣ時における容積Ｖｒｅｓ_ｉｖｃを、図８のＩＶＣシリンダ容積演算部Ｂ８３で演算したＩＶＣシリンダ容積Ｖｃｙｌ_ｉｖｃで除してＩＶＯ時における残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃ’を演算する。そして、図９のフローチャートに戻る。

図９のステップＳ９０６では、ステップＳ９０５で求めた残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃ’を筒内全体の残留ガス率ＶＲＥＳとする。

上記のように、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを一次式による近似によって求めることで、オーバーラップ中心位置の変動範囲がより広くなった場合にも、残留ガス率の演算精度を高く維持することができる。

すなわち、図４に示した場合のように、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂのバルブオーバーラップ中心位置の違いによるバラツキが小さい場合であれば、第１実施形態及び第２実施形態の方法でも、高精度で残留ガス率を求めることができる。しかし、バルブオーバーラップ中心位置の変動範囲が図４よりも広いと、例えば図１３のように、バルブオーバーラップ中心位置の違いによる残留ガス率のバラツキが大きくなる場合がある。この場合には、全体の残留ガス要求値からＩＶＯ時における残留ガス率を差し引いたもののバラツキは無視できるほど小さくならず、図３や図７の制御ルーチンでは残留ガス率の算出精度が低下するおそれがある。これに対して、機関運転状態に応じて一次式で近似する方法によれば、バルブオーバーラップ中心位置の変動範囲がより広くなっても、算出精度を維持できる。

なお、現在の一般的な可変動弁機構付き内燃機関における、バルブオーバーラップ中心位置の変動範囲内では、吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂのバルブオーバーラップ中心位置の違いによるバラツキは無視できる程度に小さいので、図３及び図７の制御ルーチンでも十分な算出精度を維持できる。

以上により本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果に加えて、さらに次のような効果が得られる。

（６）バルブタイミングと機関負荷の多項式により残留ガス率ＶＲＥＳ_ａｃと吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂを算出するので、バルブオーバーラップ中心位置の違いによる吹き返し分残留ガス率ＶＲＥＳ_ｂのバラツキを考慮した残留ガス率を算出することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 内燃機関
１０１ 吸気通路
１０２ スロットル弁
１０３ インジェクタ
１０４ 吸気弁
１０５ 吸気動弁装置
１０６ 点火プラグ
１０７ 排気通路
１０８ 排気弁
１０９ 排気動弁装置
１５１ 駆動軸
１５２ 揺動カム
１５３ 偏心駆動カム
１５４ リング状リンク
１５５ 制御軸
１５６ 偏心制御カム
１５７ ロッカーアーム
１５８ ロッド状リンク
１６１ 電磁アクチュエータ
１６２ ギア列
２０１ エンジンコントローラ（ＥＣＵ）
２１１ アクセルセンサ
２１２ クランク角センサ
２１３ 吸気圧力センサ
２１４ 吸気温度センサ
２１５ 排気圧力センサ
２１６ 排気温度センサ

Claims (6)

1. 吸気弁の位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変吸気バルブタイミング機構と、
   排気弁の位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変排気バルブタイミング機構と、
   前記吸気弁及び前記排気弁のバルブタイミングに応じたシリンダ内の残留ガス率を算出する残留ガス率算出手段と、
   を備える内燃機関の残留ガス率算出装置において、
   前記残留ガス率算出手段は、吸気弁開タイミングでのシリンダ内排ガス量と、バルブタイミング及び機関負荷に基づいてパラメータである吸気弁開タイミングに前記吸気弁と前記排気弁が共に開いているオーバーラップ期間が長くなるほど大きくなる係数を乗算し、さらに機関負荷が大きくなるほど大きくなる係数を加算して推定する、前記オーバーラップ期間に排気通路からシリンダまたは吸気通路の少なくとも一方に吹き返される排ガス量と、に基づいてシリンダ内の残留ガス率を算出することを特徴とする内燃機関の残留ガス率算出装置。
2. 前記残留ガス率算出手段は、吸気弁開弁タイミングにおけるシリンダ容積に基づいて前記吸気弁開タイミングでのシリンダ内排ガス量を算出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の残留ガス率算出装置。
3. 前記残留ガス率算出手段は、機関回転速度、機関負荷及びバルブオーバーラップ期間をパラメータとして予め設定した残留ガス率マップを検索することにより前記吸気弁と排気弁が共に開いているバルブオーバーラップ期間に排気通路からシリンダまたは吸気通路の少なくとも一方に吹き返される排ガス量を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の残留ガス率算出装置。
4. 前記残留ガス率算出手段は、バルブオーバーラップ期間がない場合には、機関負荷及び機関回転速度に基づいて吸気弁閉弁タイミングにおける残留ガス率を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関の残留ガス率算出装置。
5. バルブオーバーラップ期間がない場合には、前記残留ガス率算出手段は、排気弁閉弁タイミングにおけるシリンダ状態量及び吸気弁閉弁タイミングにおけるシリンダ状態量に基づいて吸気弁閉弁タイミングにおける残留ガスの体積を算出し、これに基づいて前記吸気弁開タイミングでのシリンダ内排ガス量を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関の残留ガス率算出装置。
6. 前記残留ガス率算出手段は、前記吸気弁開タイミングでのシリンダ内排ガス量を吸気弁開弁タイミングについての二次の近似式で推定することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の残留ガス算出装置。

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