JP5844227B2 - 内燃機関の掃気ガス量算出装置および内部ｅｇｒ量算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、掃気ガス量を算出する内燃機関の掃気ガス量算出装置と、掃気ガス量を用いて内部ＥＧＲ量を算出する内部ＥＧＲ量算出装置に関する。

従来、内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この内部ＥＧＲ量算出装置では、残留既燃ガス量に吹き返しガス量を加算することにより、内部ＥＧＲ量が算出される。この残留既燃ガス量は、気筒内に残留する既燃ガス量であり、具体的には、気体の状態方程式を用いて算出される。

また、吹き返しガス量は、バルブオーバーラップ期間中、吸気通路と排気通路の間での圧力差に起因して、既燃ガスが排気通路から吸気通路側に一旦流れた後、気筒内に吹き返された既燃ガスの量を表している。この吹き返しガス量は、既燃ガスが流れる流路をノズルと見なし、ノズルの方程式を用いて算出される。

このノズルの方程式は、有効開口面積の時間積分値Σ（μＡ）を含んでいる。この有効開口面積の時間積分値Σ（μＡ）は、具体的には、有効開口面積をクランク角について積分することにより、クランク角積分値ｆ１（ＯＬ）を算出し、これを機関回転数ＮＥで除算することによって算出される。

特開２００４−２５１１８２号公報

上述したように、バルブオーバーラップ期間中における吹き返しガスは、吸気通路と排気通路の間での圧力差に起因して発生する関係上、バルブオーバーラップ期間中における吸気通路側の圧力（以下「吸気圧」という）と排気通路側の圧力（以下「排気圧」という）との関係によっては、吹き返しガス量が低下したり、吹き返しガスが発生しないことがある。例えば、バルブオーバーラップ期間が比較的長い場合において、内燃機関が高負荷運転されているときや、過給機付きの内燃機関において過給動作が実行されているときには、吸気圧が排気圧よりも高い状態になることがあり、その場合には、気筒内の既燃ガスは、吸気通路から流入する空気によって排気通路側に掃気されてしまう。以下、このように気筒内から排気通路側に掃気される既燃ガスを「掃気ガス」という。特許文献１の内部ＥＧＲ量算出装置の場合、このような掃気ガス量を考慮していない関係上、掃気ガスが発生するような条件下では、内部ＥＧＲ量の算出精度が低下してしまうことになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、バルブオーバーラップ期間中、掃気ガスが発生するような条件下において、掃気ガス量を精度よく算出することができる内燃機関の掃気ガス量算出装置と、そのような掃気ガス量を用いて、内部ＥＧＲ量を精度よく算出することができる内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置とを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、吸気弁４および排気弁５の少なくとも一方のバルブタイミングを変更することにより、バルブオーバーラップ期間が変更される内燃機関３の掃気ガス量算出装置１であって、内燃機関３の吸気通路８内の圧力である吸気圧Ｐｉｎを表す吸気圧パラメータ（平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅ）を取得する吸気圧パラメータ取得手段（ＥＣＵ２、吸気圧センサ３２、ステップ２）と、内燃機関３の排気通路９内の圧力である排気圧Ｐｅｘを表す排気圧パラメータ（最小排気圧ＰｅｘＭＩＮ、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸ）を取得する排気圧パラメータ取得手段（ＥＣＵ２、排気圧センサ３４、ステップ１、２１〜２４，３０〜３２）と、バルブオーバーラップ期間の長さを表す期間パラメータ（オーバーラップ角度ＯＶＬ）を取得する期間パラメータ取得手段（ＥＣＵ２、クランク角センサ３０、吸気カム角センサ３６、排気カム角センサ３７、ステップ３）と、バルブオーバーラップ期間中において吸気圧Ｐｉｎが排気圧Ｐｅｘよりも高くなる掃気状態にあるときに内燃機関３の気筒３ａ内から排気通路９に掃気されるガスの量である掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを、吸気圧パラメータ、排気圧パラメータおよび期間パラメータに応じて算出する掃気ガス量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ８，３０〜３５）と、を備え、排気圧パラメータ取得手段は、内燃機関３の運転状態を表す値（吸入空気量ＧＡＩＲ）に応じて、バルブオーバーラップ期間中における排気圧Ｐｅｘのうちの最小値である最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを、排気圧パラメータとして算出する最小排気圧算出手段（ＥＣＵ２、ステップ３０〜３２）を有し、掃気ガス量算出手段は、期間パラメータに応じて、バルブオーバーラップ期間中における掃気ガスの発生度合いを表す掃気発生度合いパラメータ（掃気割合Ｒ＿Ｓｃａ）を算出する掃気発生度合いパラメータ算出手段（ＥＣＵ２、ステップ３４）を有し、掃気発生度合いパラメータ（掃気割合Ｒ＿Ｓｃａ）、吸気圧パラメータおよび最小排気圧ＰｅｘＭＩＮに応じて、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを算出する［式（６），（７）］ことを特徴とする。

この内燃機関の掃気ガス量算出装置によれば、バルブオーバーラップ期間中において吸気圧が排気圧よりも高くなる掃気状態にあるときに内燃機関の気筒内から排気通路に掃気されるガスの量である掃気ガス量が、吸気圧パラメータ、排気圧パラメータおよび期間パラメータに応じて算出される。この場合、吸気圧パラメータは、内燃機関の吸気通路内の圧力である吸気圧を、排気圧パラメータは内燃機関の排気通路内の圧力である排気圧を、期間パラメータは、バルブオーバーラップ期間の長さをそれぞれ表すものであるので、バルブオーバーラップ期間中において、吸気圧が排気圧よりも高くなり、掃気ガスが発生するような条件にあるときに、掃気ガス量と相関性の高いバルブオーバーラップ期間の長さを反映させながら、掃気ガス量を算出することができる。それにより、バルブオーバーラップ期間中に掃気ガスが発生するような条件下において、掃気ガス量を精度よく算出することができる（なお、本明細書における「吸気圧パラメータを取得」や、「排気圧パラメータを取得」、「期間パラメータを取得」などにおける「取得」は、センサなどによりこれらのパラメータを直接検出することや、これらのパラメータを他のパラメータに基づいて推定することを含む）。さらに、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、バルブオーバーラップ期間中における排気圧のうちの最小値である最小排気圧が、排気圧パラメータとして算出され、期間パラメータに応じて、バルブオーバーラップ期間中における掃気ガスの発生度合いを表す掃気発生度合いパラメータが算出されるとともに、掃気発生度合いパラメータ、吸気圧パラメータおよび最小排気圧に応じて、掃気ガス量が算出される。この場合、最小排気圧およびバルブオーバーラップ期間の長さは、後述するように、バルブオーバーラップ期間中における掃気ガス量と相関性が高いので、そのような最小排気圧およびバルブオーバーラップ期間の長さと、掃気ガスの発生度合いとを反映させながら、掃気ガス量を算出することによって、掃気ガス量の算出精度をさらに向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関３の掃気ガス量算出装置１において、最小排気圧算出手段は、所定期間中の排気通路９内の圧力の平均値である平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを算出する平均排気圧算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１）と、内燃機関３の運転状態を表す値（吸入空気量ＧＡＩＲ）に応じて、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを算出するための最小振幅ＤＰｅｘＭＩＮを算出する最小振幅算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２２，３０，３１）と、を有し、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅおよび最小振幅ＤＰｅｘＭＩＮに基づき、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを算出することを特徴とする。

この内燃機関の掃気ガス量算出装置によれば、所定期間中の排気通路内の圧力の平均値である平均排気圧が算出され、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、最小排気圧を算出するための最小振幅が算出されるとともに、平均排気圧および最小振幅に基づき、最小排気圧が算出される。したがって、この最小振幅の算出手法として、マップ検索手法や算出式を用いることにより、極めて短いサンプリング周期で排気圧を逐次サンプリングし、そのサンプリング結果に基づいて、最小排気圧を算出する場合と比べて、演算負荷を低減することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関３の掃気ガス量算出装置１において、掃気ガス量算出手段は、期間パラメータが表すバルブオーバーラップ期間の長さが長いほど、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａをより大きい値に算出することを特徴とする。

バルブオーバーラップ期間中において、吸気圧が排気圧よりも高くなることで、掃気ガスが発生した場合、バルブオーバーラップ期間が長いほど、掃気ガス量がより増大することが、本出願人の実験により確認できた（後述する図３〜５参照）。したがって、この内燃機関の掃気ガス量算出装置によれば、掃気ガス量が増大しやすい状態であるほど、それに応じて、掃気ガス量がより大きい値に算出されることになる。その結果、良好な算出精度を確保することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関３の掃気ガス量算出装置１を備え、内燃機関３は、バルブオーバーラップ期間の変更に伴って内部ＥＧＲ量が変更されるように構成されており、内燃機関３の気筒３ａから吸気系（吸気通路８）および排気系（排気通路９）の少なくとも一方に一旦、流出した後、気筒３ａ内に再度、流入するガスの量である吹き返しガス量（基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅ）を算出する吹き返しガス量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ６，２０〜２７）と、吹き返しガス量（基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅ）を掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａで補正することにより、補正後吹き返しガス量（吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ）を算出する補正後吹き返しガス量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１１）と、補正後吹き返しガス量（吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ）に応じて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出する内部ＥＧＲ量算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１２）と、をさらに備えることを特徴とする。

この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、前述したように、掃気ガス量が算出され、吹き返しガス量が算出されるとともに、吹き返しガス量を掃気ガス量で補正することにより、補正後吹き返しガス量が算出されるので、この補正後吹き返しガス量は、掃気ガス量を吹き返しガス量に反映させた値となる。したがって、そのような補正後吹き返しガス量に応じて、内部ＥＧＲ量が算出されるので、内部ＥＧＲ量を、掃気ガス量を反映させながら算出することができる。それにより、内部ＥＧＲ量の算出において、掃気ガス量を考慮していない特許文献１の場合と比べて、内部ＥＧＲ量の算出精度を向上させることができる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１において、排気圧パラメータ取得手段は、内燃機関３の運転状態を表す値（吸入空気量ＧＡＩＲ）に応じて、バルブオーバーラップ期間中における排気圧Ｐｅｘのうちの最大値である最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを、排気圧パラメータとして算出する最大排気圧算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２１〜２４）を有し、吹き返しガス量算出手段は、期間パラメータ（オーバーラップ角度ＯＶＬ）に応じて、バルブオーバーラップ期間中における吹き返しガスの発生度合いを表す吹き返しガス発生度合いパラメータ（補正係数Ｋｒｖ）を算出する吹き返しガス発生度合いパラメータ算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２６）を有し、吹き返しガス発生度合いパラメータ（補正係数Ｋｒｖ）、吸気圧パラメータおよび最大排気圧ＰｅｘＭＡＸに応じて、吹き返しガス量（基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅ）を算出することを特徴とする。

一般に、バルブオーバーラップ期間を有する内燃機関において、吹き返しガス量を算出する場合、吹き返しガスは、排気圧が吸気圧を上回っている条件下で発生する関係上、吹き返しガス量は、バルブオーバーラップ期間中の排気圧の最大値と高い相関性を有していることになる。したがって、この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、バルブオーバーラップ期間中における排気圧のうちの最大値である最大排気圧を、排気圧パラメータとして算出し、期間パラメータに応じて、バルブオーバーラップ期間中における吹き返しガスの発生度合いを表す吹き返しガス発生度合いパラメータが算出がされるとともに、このような吹き返しガス発生度合いパラメータ、吸気圧パラメータおよび最大排気圧に応じて、吹き返しガス量が算出されるので、吹き返しガス量の算出精度をさらに向上させることができる。また、吹き返しガス量が最大排気圧に応じて算出されるので、有効開口面積の積分演算を実行する特許文献１の手法と比べて、吹き返しガス量を容易に算出することができ、演算負荷を低減することができる。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１において、最大排気圧算出手段は、所定期間中の排気通路９内の圧力の平均値である平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを算出する平均排気圧算出手段（ＥＣＵ２、ステップ１）と、内燃機関３の運転状態を表す値（吸入空気量ＧＡＩＲ）に応じて、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを算出するための最大振幅ＤＰｅｘＭＡＸを算出する最大振幅算出手段（ＥＣＵ２、ステップ２１〜２３）と、を有し、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅおよび最大振幅ＤＰｅｘＭＡＸに基づき、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを算出することを特徴とする。

この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、所定期間中の排気通路内の圧力の平均値である平均排気圧が算出され、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、最大排気圧を算出するための最大振幅が算出されるとともに、平均排気圧および最大振幅に基づき、最大排気圧が算出される。したがって、この最大振幅の算出手法として、マップ検索手法や算出式を用いることにより、極めて短いサンプリング周期で排気圧を逐次サンプリングし、そのサンプリング結果に基づいて、最大排気圧を算出する場合と比べて、その演算負荷を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る掃気ガス量算出装置および内部ＥＧＲ量算出装置の構成と、これらを適用した内燃機関の構成とを模式的に示す図である。 可変吸気カム位相機構および可変排気カム位相機構による吸気弁および排気弁のバルブタイミングの変更状態を示すバルブリフト曲線である。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝０の場合のバルブオーバーラップ期間の前後における、（ａ）バルブリフト曲線と、（ｂ）吸気圧Ｐｉｎおよび排気圧Ｐｅｘの測定結果の一例とを示す図である。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝ＣＡＲＥＦの場合のバルブオーバーラップ期間の前後における、（ａ）バルブリフト曲線と、（ｂ）吸気圧Ｐｉｎおよび排気圧Ｐｅｘの測定結果の一例とを示す図である。 ＣＡＩＮ＝ＣＡＩＮ＿ａｄ、ＣＡＥＸ＝ＣＡＥＸ＿ｒｔの場合のバルブオーバーラップ期間の前後における、（ａ）バルブリフト曲線と、（ｂ）吸気圧Ｐｉｎおよび排気圧Ｐｅｘの測定結果の一例とを示す図である。 吹き返しガス量の計測値とオーバーラップ角度ＯＶＬとの関係を示す図である。 内部ＥＧＲ量の算出処理を示すフローチャートである。 基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅの算出処理を示すフローチャートである。 関数値ＣｄＡの算出に用いるマップの一例を示す図である。 最大排気圧のマップ値ＰｅｘＭＡＸ＿ｍａｐ、平均排気圧のマップ値ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐおよび最小排気圧のマップ値ＰｅｘＭＩＮ＿ｍａｐの算出に用いるマップの一例を示す図である。 補正係数Ｋｒｖの算出に用いるマップの一例を示す図である。 掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａの算出処理を示すフローチャートである。 掃気割合Ｒ＿Ｓｃａの算出に用いるマップの一例を示す図である。 本発明の手法により、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出した場合の算出誤差の一例を示す図である。 比較のために、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａ＝０として、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出した場合の算出誤差の一例を示す図である。

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内部ＥＧＲ量算出装置について説明する。本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１は、掃気ガス量算出装置も兼ねており、図１に示すように、ＥＣＵ２を備えている。このＥＣＵ２は、後述する手法により、掃気ガス量および内部ＥＧＲ量を算出するとともに、内燃機関（以下「エンジン」という）３の運転状態などを制御する。

エンジン３は、４組の気筒３ａおよびピストン３ｂ（１組のみ図示）を有する直列４気筒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る。また、エンジン３は、気筒３ａごとに設けられた吸気弁４（１つのみ図示）と、気筒３ａごとに設けられた排気弁５（１つのみ図示）と、吸気弁４を開閉駆動する吸気動弁機構１０と、排気弁５を開閉駆動する排気動弁機構２０などを備えている。

この吸気動弁機構１０は、吸気弁４を駆動する吸気カムシャフト１１と、可変吸気カム位相機構１２などで構成されている。この可変吸気カム位相機構１２は、吸気カムシャフト１１のクランクシャフト３ｃに対する相対的な位相（以下「吸気カム位相」という）ＣＡＩＮを無段階に（すなわち連続的に）進角側または遅角側に変更することで、吸気弁４のバルブタイミングを変更するものであり、吸気カムシャフト１１の吸気スプロケット（図示せず）側の端部に設けられている。

この可変吸気カム位相機構１２は、具体的には、本出願人が特開２００７−１００５２２号公報などで提案済みのものと同様に構成されているので、その詳細な説明は省略するが、吸気カム位相制御弁１２ａなどを備えている。この可変吸気カム位相機構１２の場合、ＥＣＵ２からの駆動信号によって吸気カム位相制御弁１２ａが制御されることにより、吸気カム位相ＣＡＩＮを、所定の原点値ＣＡＩＮ＿０と所定の最進角値ＣＡＩＮ＿ａｄとの間で連続的に変化させる。それにより、吸気弁４のバルブタイミングが、図２に実線で示す原点タイミングと、図２に１点鎖線で示す最進角タイミングとの間で無段階に変更される。なお、この図２では、排気上死点が「排気ＴＤＣ」と表記されており、この点は後述する各図においても同様である。

この場合、所定の原点値ＣＡＩＮ＿０は値０に設定され、所定の最進角値ＣＡＩＮ＿ａｄは、所定の正値に設定されている。したがって、吸気カム位相ＣＡＩＮが値０から増大するほど、吸気弁４のバルブタイミングが原点タイミングからより進角側に変更され、それにより、吸気弁４と排気弁５のバルブオーバーラップ期間がより長くなる。

また、排気動弁機構２０は、排気弁５を駆動する排気カムシャフト２１と、可変排気カム位相機構２２などで構成されている。この可変排気カム位相機構２２は、排気カムシャフト２１のクランクシャフト３ｃに対する相対的な位相（以下「排気カム位相」という）ＣＡＥＸを無段階に（すなわち連続的に）進角側または遅角側に変更することで、排気弁５のバルブタイミングを変更するものであり、排気カムシャフト２１の排気スプロケット（図示せず）側の端部に設けられている。

この可変排気カム位相機構２２は、上述した可変吸気排気カム位相機構１２と同様に構成されており、排気カム位相制御弁２２ａなどを備えている。この可変排気カム位相機構２２の場合、ＥＣＵ２からの駆動信号によって排気カム位相制御弁２２ａが制御されることにより、排気カム位相ＣＡＥＸを、所定の原点値ＣＡＥＸ＿０と所定の最遅角値ＣＡＥＸ＿ｒｔとの間で連続的に変化させる。それにより、排気弁５のバルブタイミングが、図２に実線で示す原点タイミングと、図２に破線で示す最遅角タイミングとの間で無段階に変更される。

この場合、所定の原点値ＣＡＥＸ＿０は値０に設定され、所定の最遅角値ＣＡＥＸ＿ｒｔは、前述した値ＣＡＥＸ＿ｒｔと所定の正値に設定されている。したがって、排気カム位相ＣＡＥＸが値０から増大するほど、排気弁５のバルブタイミングが原点タイミングからより遅角側に変更され、それにより、バルブオーバーラップ期間がより長くなる。

なお、このようなバルブオーバーラップ期間が存在する場合、後述するように、気筒３ａ内から排気通路９（排気系）に一旦、流出した既燃ガスが、気筒３ａ内に再度流入したり、気筒３ａ内を通り抜けて吸気通路８（吸気系）内まで流れ込んだ後、気筒３ａ内に再度、流入したりする事象が発生する。以下の説明では、このように、気筒３ａ内から排気通路９に一旦、流出した後、吸気弁４の閉弁タイミングまでに気筒３ａ内に最終的に戻る既燃ガスを「吹き返しガス」といい、その量を「吹き返しガス量」という。

さらに、後述するように、バルブオーバーラップ期間中、吸気通路８内の圧力が排気通路９内の圧力よりも高い状態になると、吸気通路８内のガスによって、気筒３ａ内の既燃ガスが排気通路９側に掃気される事象が発生する。以下の説明では、このように、気筒３ａ内から排気通路９側に掃気される既燃ガスを「掃気ガス」といい、その量を「掃気ガス量」という。

また、エンジン３には、点火プラグ６、燃料噴射弁７、クランク角センサ３０およびターボチャージャ４０が設けられており、これらの点火プラグ６および燃料噴射弁７はいずれも、気筒３ａごとに設けられている（いずれも１つのみ図示）。燃料噴射弁７は、各気筒３ａの吸気ポート内に燃料を噴射するようにインテークマニホールドに取り付けられている。点火プラグ６および燃料噴射弁７はいずれも、ＥＣＵ２に電気的に接続されており、ＥＣＵ２によって、燃料噴射弁７による燃料の噴射量および噴射時期と、点火プラグ６による混合気の点火時期とが制御される。すなわち、燃料噴射制御と点火時期制御が実行される。

さらに、クランク角センサ３０（期間パラメータ取得手段）は、クランクシャフト３ｃ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１゜）ごとに１パルスが出力され、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が排気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、本実施形態の４気筒エンジン３の場合、クランク角１８０゜ごとに１パルスが出力される。

一方、ターボチャージャ４０は、吸気通路８の途中のコンプレッサハウジング内に収容されたコンプレッサブレード４１と、排気通路９の途中のタービンハウジング内に収容されたタービンブレード４２と、２つのブレード４１，４２を一体に連結する軸４３と、ウエストゲート弁４４などを備えている。

このターボチャージャ４０では、排気通路９内の排ガスによってタービンブレード４２が回転駆動されると、これと一体のコンプレッサブレード４１も同時に回転することにより、吸気通路８内の吸入空気が加圧される。すなわち、過給動作が実行される。

また、上記ウエストゲート弁４４は、排気通路９のタービンブレード４２をバイパスするバイパス排気通路９ａを開閉するものであり、ＥＣＵ２に電気的に接続された電磁制御弁で構成されている。このウエストゲート弁４４は、ＥＣＵ２からの制御入力信号に応じて開度が変化することにより、バイパス排気通路９ａを流れる排ガスの流量、言い換えればタービンブレード４２を駆動する排ガスの流量を変化させる。これにより、ターボチャージャ４０による過給動作が制御される。

さらに、ＥＣＵ２には、エアフローセンサ３１、吸気圧センサ３２、吸気温センサ３３、排気圧センサ３４、排気温センサ３５、吸気カム角センサ３６および排気カム角センサ３７が電気的に接続されている。このエアフローセンサ３１は、吸気通路８内を流れる新気の流量を検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、このエアフローセンサ３１の検出信号に基づき、吸入空気量ＧＡＩＲ（内燃機関の運転状態を表す値）を算出する。

また、吸気圧センサ３２（吸気圧パラメータ取得手段）は、吸気通路８内の圧力（以下「吸気圧」という）Ｐｉｎを、検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気圧Ｐｉｎは、絶対圧として検出される。さらに、吸気温センサ３３は、吸気通路８内の空気の温度（以下「吸気温」という）Ｔｉｎを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この吸気温Ｔｉｎは、絶対温度として検出される。

一方、排気圧センサ３４（排気圧パラメータ取得手段）は、排気通路９内の圧力（以下「排気圧」という）Ｐｅｘを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この排気圧Ｐｅｘは、絶対圧として検出される。また、排気温センサ３５は、排気通路９内の排ガスの温度（以下「排気温」という）Ｔｅｘを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。この排気温Ｔｅｘは、絶対温度として検出される。

また、吸気カム角センサ３６（期間パラメータ取得手段）は、吸気カムシャフト１１の可変吸気カム位相機構１２と反対側の端部に設けられており、吸気カムシャフト１１の回転に伴い、パルス信号である吸気ＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この吸気ＣＡＭ信号および前述したＣＲＫ信号に基づき、吸気カム位相ＣＡＩＮを算出する。

さらに、排気カム角センサ３７（期間パラメータ取得手段）は、排気カムシャフト２１の可変排気カム位相機構２２と反対側の端部に設けられており、排気カムシャフト２１の回転に伴い、パルス信号である排気ＣＡＭ信号を所定のカム角（例えば１゜）ごとにＥＣＵ２に出力する。ＥＣＵ２は、この排気ＣＡＭ信号および前述したＣＲＫ信号に基づき、排気カム位相ＣＡＥＸを算出する。

一方、ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよびＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、以上の各種のセンサ３０〜３７の検出信号などに基づいて、以下に述べるように、内部ＥＧＲ量の算出処理を実行するとともに、点火プラグ６、燃料噴射弁７、吸気カム位相制御弁１２ａ、排気カム位相制御弁２２ａおよびウエストゲート弁４４の動作状態を制御する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、吸気圧パラメータ取得手段、排気圧パラメータ取得手段、期間パラメータ取得手段、掃気ガス量算出手段、掃気発生度合いパラメータ算出手段、最小排気圧算出手段、平均排気圧算出手段、最小振幅算出手段、吹き返しガス量算出手段、補正後吹き返しガス量算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段、最大排気圧算出手段、吹き返しガス発生度合いパラメータ算出手段、および最大振幅算出手段に相当する。

以下、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１による内部ＥＧＲ量の算出手法の原理および観点について説明する。まず、図３〜５を参照しながら、バルブオーバーラップ期間の長さと、気筒３ａ周辺のガスの流れとの関係について説明する。なお、図３〜５に示す動作例は、前述したターボチャージャ４０による過給動作が実行されているときのものである。

まず、図３（ａ）に示すように、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝０に設定されている場合、すなわち吸気バルブタイミングおよび排気バルブタイミングがいずれも前述した図２に実線で示す基準タイミングに設定されている場合には、図３（ｂ）に示すように、バルブオーバーラップ期間中の全域において、排気圧Ｐｅｘが吸気圧Ｐｉｎを上回る状態となり、それに起因して、前述した掃気ガスが発生しないとともに、前述した吹き返しガスが発生する状態となる。この場合、図３（ｂ）にハッチングを施した領域が吹き返しガスの発生領域を表している。

次に、図４（ａ）に示すように、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝ＣＡＲＥＦに設定されている場合について説明する。この値ＣＡＲＥＦは、０＜ＣＡＲＥＦ＜ＣＡＩＮ＿ｒｔ，０＜ＣＡＲＥＦ＜ＣＡＥＸ＿ａｄが成立するような所定値であり、そのため、図４（ａ）の動作例の場合、吸気バルブタイミングが前述した基準タイミングよりも所定値ＣＡＲＥＦ分遅角側に、排気バルブタイミングが前述した基準タイミングよりも所定値ＣＡＲＥＦ分進角側に設定されていることで、バルブオーバーラップ期間が図３に示す場合よりも長くなる。

それに伴い、図４（ｂ）に示すように、バルブオーバーラップ期間の前半途中までにおいて、Ｐｅｘ＜Ｐｉｎが成立することで、掃気ガスが発生するとともに、Ｐｅｘ＞Ｐｉｎが成立した以降は、吹き返しガスが発生することになる。この場合、図４（ｂ）に網掛けを施した領域が掃気ガスの発生領域を表している。このように掃気ガスおよび吹き返しガスが発生した場合、掃気ガス量の分、内部ＥＧＲ量が減少することになる。

さらに、図５（ａ）に示すように、ＣＡＩＮ＝ＣＡＩＮ＿ａｄ，ＣＡＥＸ＝ＣＡＥＸ＿ｒｔに設定されている場合には、バルブオーバーラップ期間が最も長くなり、それに伴い、図５（ｂ）に示すように、バルブオーバーラップ期間の後半途中までにおいて、Ｐｅｘ＜Ｐｉｎが成立することで、掃気ガスが発生するとともに、Ｐｅｘ＞Ｐｉｎが成立した以降は、吹き返しガスが発生することになる。このように掃気ガスおよび吹き返しガスが発生した場合にも、掃気ガス量の分、内部ＥＧＲ量が減少することになる。

以上のように、バルブオーバーラップ期間の長さが変更されるのに伴い、吹き返しガス量と掃気ガス量の割合が変化する。具体的には、バルブオーバーラップ期間が長くなるほど、吹き返しガス量が減少すると同時に、掃気ガス量が増大することになる。

ここで、排気流量に基づき、吹き返しガス量を計測したところ、図６に示す計測結果が得られた。同図において、横軸のオーバーラップ角度ＯＶＬ（期間パラメータ）は、吸気カム位相ＣＡＩＮと排気カム位相ＣＡＥＸの和であり、値ＯＶＬｒｅｆは、値０より大きいオーバーラップ角度ＯＶＬの所定値である。また、値ＯＶＬｍａｘは、ＯＶＬｍａｘ＝ＣＡＩＮ＿ａｄ＋ＣＡＥＸ＿ｒｔとなる、オーバーラップ角度ＯＶＬの最大値である。この場合、吸気カム位相ＣＡＩＮおよび排気カム位相ＣＡＥＸが前述したように設定されている関係上、オーバーラップ角度ＯＶＬは、バルブオーバーラップ期間が長いほど、より大きい値として算出される。

同図に示すように、吹き返しガス量は、ＯＶＬ＜ＯＶＬｒｅｆの領域で正値となり、ＯＶＬｒｅｆ＜ＯＶＬ≦ＯＶＬｍａｘの領域では負値となっている。これは、前述したように、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きい場合、すなわちバルブオーバーラップ期間が長い場合、吹き返しガス量が減少し、掃気ガス量が増大するので、それに起因して、ＯＶＬｒｅｆ＜ＯＶＬ≦ＯＶＬｍａｘの領域では、掃気ガス量が吹き返しガス量を上回っている状態が発生しているものと推定される。

以上の理由により、本実施形態では、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが、下式（１）に示すように、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅから掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを減算した値に、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを加算することによって算出される。

上式（１）に示すように、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶは、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａで補正することによって算出される。なお、本実施形態では、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが補正後吹き返しガス量に、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅが吹き返しガス量に相当する。また、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬの意味および算出手法については後述する。

上式（１）の基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅは、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝０のとき、すなわちオーバーラップ角度ＯＶＬ＝０のときの吹き返しガス量に相当する値であり、下式（２）〜（４）によって算出される。なお、下式（２）〜（４）は、吹き返しガス（すなわち既燃ガス）を圧縮性流体かつ断熱流と見なし、吹き返しガスが流れる流路をノズルと見なすとともに、ノズルの式を用いて導出されるものであり、その導出方法は、本出願人が特開２０１１−１４０８９５号公報などで説明したものと同じであるので、ここでは説明を省略する。

この式（２）において、ＰｅｘＭＡＸは最大排気圧を、ＣｄＡは関数値を、ＰｉｎＡｖｅは平均吸気圧を、Ｒｅは気体定数を、Ψは流量関数を、Ｋｒｖは補正係数をそれぞれ表しており、式（３），（４）のκは比熱比を表している。この最大排気圧ＰｅｘＭＡＸ（排気圧パラメータ）は、バルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの最大値を推定した値であり、後述する手法によって算出される。

このような最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを用いて、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出するのは、以下の理由による。すなわち、前述した図３（ｂ）〜５（ｂ）を参照すると明らかなように、吹き返しガスの発生領域は、バルブオーバーラップ期間中のハッチングを施した領域、すなわち排気圧Ｐｅｘが吸気圧Ｐｉｎを上回っている領域となるので、吹き返しガス量は、バルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの最大値である最大排気圧ＰｅｘＭＡＸと相関性が高い特性を有している。そのため、本実施形態では、そのような最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを用いて、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅが算出される。

また、関数値ＣｄＡは、有効開口面積と流量係数の積に相当する値であり、オーバーラップ角度ＯＶＬに応じて、後述する手法によって算出される。さらに、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅ（吸気圧パラメータ）は、吸気圧Ｐｉｎの移動平均値であり、後述するように算出される。

また、補正係数Ｋｒｖは、エンジン回転数ＮＥおよびオーバーラップ角度ＯＶＬに応じて、後述する手法によって算出される。このような補正係数Ｋｒｖを用いて、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出する理由は、前述したように、バルブオーバーラップ期間の長さの変化によって吹き返しガス量が変化することに加えて、エンジン回転数ＮＥの変化によっても吹き返しガス量が変化するので、それらの影響を基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅの算出結果に反映させるためである。

一方、前述した掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａは、気体の状態方程式に基づき、下式（５），（６）によって算出される。

上式（５）において、ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬは総掃気ガス量を、ＰｅｘＭＩＮは最小排気圧を、Ｖｃｙｌは筒内容積をそれぞれ表しており、上式（６）のＲ＿Ｓｃａは掃気割合である。この総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬは、バルブオーバーラップ期間中であるか否かにかかわらず、Ｐｉｎ＞Ｐｅｘが成立しているときに発生すると推定される掃気ガスの総量を表している。また、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮ（排気圧パラメータ）は、バルブオーバーラップ期間中の排気圧Ｐｅｘの最小値を推定した値であり、後述する手法によって算出される。

上式（５）に示すように、総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬの算出において、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅと最小排気圧ＰｅｘＭＩＮとの差圧を用いるのは、以下の理由による。すなわち、前述した図４（ｂ），５（ｂ）を参照すると明らかなように、掃気ガスの発生領域は、バルブオーバーラップ期間中の網掛けを施した領域、すなわち、排気圧Ｐｅｘが吸気圧Ｐｉｎを下回っている領域となるので、掃気ガス量は、バルブオーバーラップ期間中の吸気圧Ｐｉｎと排気圧Ｐｅｘの最小値である最小排気圧ＰｅｘＭＩＮとの差圧と相関性が高いという特性を有している。そのため、本実施形態では、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅと最小排気圧ＰｅｘＭＩＮとの差圧を用いて、総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬが算出される。また、式（５）の筒内容積Ｖｃｙｌは、吸気弁４の開弁タイミングにおける気筒３ａ内の容積を表しており、後述する手法によって算出される。

さらに、式（６）の掃気割合Ｒ＿Ｓｃａは、総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬのうちの、バルブオーバーラップ期間中に発生する掃気ガス量の割合を表す値であり、エンジン回転数ＮＥおよびオーバーラップ角度ＯＶＬに応じて、後述する手法によって算出される。また、上式（６）に示すように、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａは、掃気割合Ｒ＿Ｓｃａを総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬに乗算することによって算出される。これは以下の理由による。

すなわち、総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬは、バルブオーバーラップ期間中であるか否かにかかわらず、Ｐｉｎ＞Ｐｅｘが成立しているときに発生すると推定される掃気ガス量であるのに対して、掃気ガスは、実際には、前述した図３（ｂ）〜５（ｂ）を参照すると明らかなように、バルブオーバーラップ期間中において、Ｐｉｎ＞Ｐｅｘが成立している領域でのみ発生することになる。したがって、Ｐｉｎ＞Ｐｅｘが発生している全領域のうちの、バルブオーバーラップ期間中の掃気ガスが実際に発生する領域の割合を反映させるために、本実施形態では、掃気割合Ｒ＿Ｓｃａを総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬに乗算することによって、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａが算出される。

以上の原理および観点に基づき、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１では、図７に示すように、内部ＥＧＲ量の算出処理が実行される。なお、この算出処理は、具体的には、ＥＣＵ２によって、ＴＤＣ信号の発生タイミングに同期する周期で実行される。

同図に示すように、まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同じ）で、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを算出する。この平均排気圧ＰｅｘＡｖｅは、具体的には、排気圧Ｐｅｘの今回値と、前回値以前の３つの時系列データとの移動平均値として算出される。すなわち、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅは、ＴＤＣ信号の発生タイミングに同期してサンプリングされた排気圧Ｐｅｘの４個の時系列データ（すなわち１燃焼サイクル分のデータ）の移動平均値として算出される。

次いで、ステップ２に進み、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅを算出する。この平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅは、具体的には、吸気圧Ｐｉｎの今回値と、前回値以前の３つの時系列データとの移動平均値として算出される。すなわち、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅは、ＴＤＣ信号の発生タイミングに同期してサンプリングされた吸気圧Ｐｉｎの４個の時系列データ（すなわち１燃焼サイクル分のデータ）の移動平均値として算出される。

次に、ステップ３で、オーバーラップ角度ＯＶＬを吸気カム位相ＣＡＩＮと排気カム位相ＣＡＥＸの和（ＣＡＩＮ＋ＣＡＥＸ）に設定する。

ステップ３に続くステップ４で、吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて、図示しないマップを検索することにより、筒内容積Ｖｃｙｌを算出する。

次いで、ステップ５に進み、下式（７）により、残留ガス量Ｇｅｇｒｄを算出する。この残留ガス量Ｇｅｇｒｄは、吸気弁４が開弁する直前において気筒３ａ内に残留する既燃ガス量に相当する。

次に、ステップ６で、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出する。この算出処理は、具体的には、図８に示すように実行される。同図に示すように、まず、ステップ２０で、オーバーラップ角度ＯＶＬに応じて、図９に示すマップを検索することにより、関数値ＣｄＡを算出する。

次いで、ステップ２１に進み、吸入空気量ＧＡＩＲに応じて、図１０に示すマップを検索することにより、最大排気圧のマップ値ＰｅｘＭＡＸ＿ｍａｐを算出する。

ステップ２１に続くステップ２２で、吸入空気量ＧＡＩＲに応じて、図１０に示すマップを検索することにより、平均排気圧のマップ値ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐを算出する。

次いで、ステップ２３に進み、最大振幅ＤＰｅｘＭＡＸを、最大排気圧のマップ値ＰｅｘＭＡＸ＿ｍａｐと平均排気圧のマップ値ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐとの差分（ＰｅｘＭＡＸ＿ｍａｐ−ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐ）に設定する。

次に、ステップ２４で、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅと最大振幅ＤＰｅｘＭＡＸの和（ＰｅｘＡｖｅ＋ＤＰｅｘＭＡＸ）に設定する。

ステップ２４に続くステップ２５で、前述した式（３），（４）により、流量関数Ψを算出する。

次いで、ステップ２６に進み、オーバーラップ角度ＯＶＬおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図１１に示すマップを検索することにより、補正係数Ｋｒｖを算出する。同図において、ＯＶＬ１〜ｉ（ｉは正の整数）は、ＯＶＬ１＜……＜ＯＶＬｉが成立するオーバーラップ角度ＯＶＬの所定値であり、ＮＥ１〜ｊ（ｊは正の整数）は、ＮＥ１＜……＜ＮＥｊが成立するエンジン回転数ＮＥの所定値である。このマップでは、補正係数Ｋｒｖ（吹き返しガス発生度合いパラメータ）は、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きいほど、より小さい値に設定されている。これは、前述したように、オーバーラップ角度ＯＶＬが増大するほど、すなわちバルブオーバーラップ期間が長いほど、吹き返しガス量が減少するためである。

そして、最終的に、ステップ２７において、前述した式（２）により、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出した後、本処理を終了する。

図７に戻り、ステップ６で、以上のように基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出した後、ステップ７に進み、掃気判定フラグＦ＿ＳＣＡＶが「１」であるか否かを判別する。この掃気判定フラグＦ＿ＳＣＡＶは、図示しない判定処理において、掃気ガスが発生する条件下にあるときには「１」に、掃気ガスが発生しない条件下にあるときには「０」にそれぞれ設定される。具体的には、本実施形態のエンジン３の場合、ターボチャージャ４０による過給動作が実行されているときや、高負荷運転中のときに、Ｆ＿ＳＣＡＶ＝１となる。

ステップ７の判別結果がＹＥＳで、掃気ガスが発生する条件下にあるときには、ステップ８に進み、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを算出する。この算出処理は、具体的には、図１２に示すように実行される。同図に示すように、まず、ステップ３０で、吸入空気量ＧＡＩＲに応じて、前述した図１０のマップを検索することにより、最小排気圧のマップ値ＰｅｘＭＩＮ＿ｍａｐを算出する。

次いで、ステップ３１に進み、最小振幅ＤＰｅｘＭＩＮを、平均排気圧のマップ値ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐと最小排気圧のマップ値ＰｅｘＭＩＮ＿ｍａｐの差分（ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐ−ＰｅｘＭＩＮ＿ｍａｐ）に設定する。

次に、ステップ３２で、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅと最小振幅ＤＰｅｘＭＩＮの差分（ＰｅｘＡｖｅ−ＤＰｅｘＭＩＮ）に設定する。

ステップ３２に続くステップ３３で、前述した式（５）により、総掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａＡＬＬを算出する。

次いで、ステップ３４に進み、オーバーラップ角度ＯＶＬおよびエンジン回転数ＮＥに応じて、図１３に示すマップを検索することにより、掃気割合Ｒ＿Ｓｃａを算出する。このマップでは、掃気割合Ｒ＿Ｓｃａ（掃気発生度合いパラメータ）は、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きいほど、より大きい値に設定されている。これは、前述したように、前述したように、オーバーラップ角度ＯＶＬが増大するほど、すなわちバルブオーバーラップ期間が長いほど、掃気ガス量が増大するためである。

そして、最終的に、ステップ３５において、前述した式（６）により、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを算出した後、本処理を終了する。

図７に戻り、ステップ８で、以上のように掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを算出した後、後述するステップ１０に進む。

一方、ステップ７の判別結果がＮＯで、掃気ガスが発生しない条件下にあるときには、ステップ９に進み、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを値０に設定した後、ステップ１０に進む。

以上のステップ８または９に続くステップ１０で、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを算出する。この補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬは、オーバーラップ角度ＯＶＬの変化に伴う吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶの変化を補正するためのものであり、図示しないが、具体的には、以下に述べるように算出される。

まず、オーバーラップ角度ＯＶＬおよび吸入空気量ＧＡＩＲに応じて、図示しないマップを検索することにより、補正係数ＫＧｅｇｒを算出する。さらに、排気カム位相ＣＡＥＸおよび吸気カム位相ＣＡＩＮに基づき、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒを算出する。このオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒは、バルブオーバーラップ期間の始点と終点の間における中央のクランク角位置に相当する。そして、このオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに補正係数ＫＧｅｇｒを乗算することにより、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬが算出される。

ステップ１０で、以上のように補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを算出した後、ステップ１１に進み、前述した式（１）により、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを算出する。

次いで、ステップ１２に進み、下式（８）により、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出した後、本処理を終了する。すなわち、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔは、残留ガス量Ｇｅｇｒｄと吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶの和として算出される。

次に、図１４および図１５を参照しながら、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１による内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出結果の精度について説明する。図１４は、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１による内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出誤差とオーバーラップ角度ＯＶＬとの関係を表しており、この算出誤差は、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出結果と実際値との偏差を百分率で表したものである。また、図１５は、比較のために、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａ＝０とし、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＝ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅ＋ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬとしたときの、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出誤差とオーバーラップ角度ＯＶＬとの関係を表している。

まず、図１４に示すように、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを用いて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出した場合、オーバーラップ角度ＯＶＬの大小にかかわらず、算出誤差が±Ｎ（Ｎは整数）％の範囲内に収まっていることが判る。これに対して、図１５に示すように、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａ＝０として、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出した場合、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きい領域、すなわちバルブオーバーラップ期間が長い領域において、算出誤差の絶対値が値Ｎを超えており、算出精度が低下していることが判る。すなわち、前述したように、バルブオーバーラップ期間が長く、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａが発生するような条件下では、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａ＝０とした場合、掃気ガスの発生に起因して、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出精度が低下することになる。したがって、本実施形態のように、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出する際、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａで補正することによって、バルブオーバーラップ期間が長いときに、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出精度が向上することが判る。

以上のように、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１によれば、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａが、前述した式（５），（６）に示すように、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅ、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮおよび掃気割合Ｒ＿Ｓｃａを用いて算出される。この場合、掃気割合Ｒ＿Ｓｃａは、オーバーラップ角度ＯＶＬに応じて算出されるので、バルブオーバーラップ期間の長さを反映した値として算出される。また、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮは、前述したように、バルブオーバーラップ期間中の掃気ガス量と相関性の高いという特性を有している。

したがって、そのような最小排気圧ＰｅｘＭＩＮおよび掃気割合Ｒ＿Ｓｃａを用いることにより、バルブオーバーラップ期間中に掃気ガスが発生するような条件下において、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａと相関性の高いバルブオーバーラップ期間の長さおよび最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを反映させながら、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを算出することができる。それにより、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａの算出精度を向上させることができる。

さらに、図１３に示す掃気割合Ｒ＿Ｓｃａの算出マップでは、掃気割合Ｒ＿Ｓｃａが、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きいほど、すなわちバルブオーバーラップ期間が長いほど、より大きい値に設定されている。そのため、バルブオーバーラップ期間が長いことに起因して、掃気ガスが増大しやすい状態であるほど、それに応じて、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａをより大きくなるように算出できる。その結果、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａの算出精度をさらに向上させることができる。

また、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮが、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅと最小振幅ＤＰｅｘＭＩＮとの差分（ＰｅｘＡｖｅ−ＤＰｅｘＭＩＮ）として算出され、この最小振幅ＤＰｅｘＭＩＮが、平均排気圧のマップ値ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐから最小排気圧のマップ値ＰｅｘＭＩＮ＿ｍａｐの差分（ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐ−ＰｅｘＭＩＮ＿ｍａｐ）として算出されるので、極めて短いサンプリング周期で排気圧Ｐｅｘを逐次サンプリングし、そのサンプリング結果に基づいて、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを算出する場合と比べて、演算負荷を低減することができる。

さらに、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａで補正することにより算出され、この吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを残留ガス量Ｇｅｇｒｄに加算することにより、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔが算出されるので、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを反映させながら算出することができる。それにより、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出において、掃気ガス量ＧｅｇｒＳｃａを考慮していない特許文献１の場合と比べて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出精度を向上させることができる。

また、吹き返しガスは、排気圧Ｐｅｘが吸気圧Ｐｉｎを上回っている条件下で発生する関係上、吹き返しガス量は、バルブオーバーラップ期間中の最大排気圧ＰｅｘＭＡＸと高い相関性を有している。これに対して、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅが、式（２）〜（４）により、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸ、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅおよび補正係数Ｋｒｖなどを用いて算出されるので、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを精度よく算出することができる。

さらに、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸが、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅと最大振幅ＤＰｅｘＭＡＸとの和（ＰｅｘＡｖｅ＋ＤＰｅｘＭＡＸ）として算出され、この最大振幅ＤＰｅｘＭＡＸが、最大排気圧のマップ値ＰｅｘＭＡＸ＿ｍａｐと平均排気圧のマップ値ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐの差分（ＰｅｘＭＡＸ＿ｍａｐ−ＰｅｘＡｖｅ＿ｍａｐ）として算出されるので、極めて短いサンプリング周期で排気圧Ｐｅｘを逐次サンプリングし、そのサンプリング結果に基づいて、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを算出する場合と比べて、その演算負荷を低減することができる。

なお、実施形態は、吸気弁４および排気弁５の少なくとも一方のバルブタイミングが変更される内燃機関として、可変吸気カム位相機構１２および可変排気カム位相機構２２を備えた内燃機関３を用いた例であるが、本発明の内燃機関はこれに限らず、吸気弁および／または排気弁のバルブタイミングを変更できる内燃機関であればよい。例えば、内燃機関として、可変吸気カム位相機構１２および可変排気カム位相機構２２の一方を備えたものを用いてもよく、これら以外の機構によって、吸気弁および／または排気弁のバルブタイミングが変更される内燃機関を用いてもよい。例えば、カム位相を変更する機構として、電気モータとギヤ機構を組み合わせたタイプの可変カム位相機構や、ソレノイドによって弁体が駆動される電磁動弁機構、３次元カムによってバルブタイミングを機械的に変更するバルブタイミング変更機構などを用いてもよい。

また、実施形態は、吸気圧パラメータとして、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅを用いた例であるが、本発明の吸気圧パラメータはこれに限らず、吸気圧を表すものであればよい。例えば、吸気圧パラメータとして、バルブオーバーラップ期間中の吸気圧の平均値を用いてもよい。

さらに、実施形態では、平均吸気圧ＰｉｎＡｖｅを、ＴＤＣ信号の発生タイミングに同期してサンプリングされた４個の時系列データの移動平均値として算出した例であるが、本発明の平均吸気圧はこれに限らず、吸気圧の平均値であればよい。例えば、平均吸気圧を５個以上の時系列データの移動平均値として算出してもよく、ＴＤＣ信号の発生タイミングと異なるサンプリング周期でサンプリングした吸気圧の移動平均値として算出してもよい。さらに、平均吸気圧を、移動平均演算法に代えて、相加平均演算法で算出してもよい。

一方、実施形態は、排気圧パラメータとして、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを用いた例であるが、本発明の排気圧パラメータはこれに限らず、排気通路内の圧力を表すものであって、掃気ガス量を精度よく算出できるものであればよい。例えば、排気圧パラメータとして、バルブオーバーラップ期間の始点付近における所定クランク角度分の区間の排気圧の平均値を用いてもよい。

また、実施形態は、排気圧パラメータとして、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを用いた例であるが、本発明の排気圧パラメータはこれに限らず、排気通路内の圧力を表すものであって、吹き返しガス量を精度よく算出できるものであればよい。例えば、排気圧パラメータとして、バルブオーバーラップ期間の中央位置付近から所定クランク角度分の区間の排気圧の平均値を用いてもよい。

さらに、実施形態は、マップ検索により算出した最小振幅ＤＰｅｘＭＩＮを平均排気圧ＰｅｘＡｖｅから減算する手法によって、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを算出した例であるが、本発明の最小排気圧ＰｅｘＭＩＮの算出手法はこれに限らず、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、バルブオーバーラップ期間中における排気圧の最小値を算出できる手法であればよい。例えば、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、マップ検索により、最小排気圧ＰｅｘＭＩＮを直接、算出してもよい。

また、実施形態は、マップ検索により算出した最大振幅ＤＰｅｘＭＡＸを平均排気圧ＰｅｘＡｖｅから減算する手法によって、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを算出した例であるが、本発明の最大排気圧ＰｅｘＭＡＸの算出手法はこれに限らず、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、バルブオーバーラップ期間中における排気圧のうちの最大値を算出できる手法であればよい。例えば、内燃機関の運転状態を表す値に応じて、マップ検索により、最大排気圧ＰｅｘＭＡＸを直接、算出してもよい。

さらに、実施形態は、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅを、ＴＤＣ信号の発生タイミングに同期してサンプリングされた排気圧Ｐｅｘの４個の時系列データの移動平均値として算出した例であるが、本発明の平均排気圧はこれに限らず、排気圧の平均値であればよい。例えば、平均排気圧を５個以上の時系列データの移動平均値として算出してもよく、ＴＤＣ信号の発生タイミングと異なるサンプリング周期でサンプリングした排気圧の移動平均値として算出してもよい。さらに、平均排気圧を、移動平均演算法に代えて、相加平均演算法で算出してもよい。

一方、実施形態は、期間パラメータとして、オーバーラップ角度ＯＶＬを用いた例であるが、本発明の期間パラメータはこれに限らず、バルブオーバーラップ期間の長さを表すものであればよい。例えば、吸気カム位相ＣＡＩＮおよび排気カム位相ＣＡＥＸに基づいて、吸気弁４の開弁タイミングでのクランク角位置および排気弁５の閉弁タイミングでのクランク角位置をそれぞれ算出し、これらのクランク角位置から算出したバルブオーバーラップ期間を、期間パラメータとして用いてもよい。

また、実施形態は、掃気発生度合いパラメータとして、掃気割合Ｒ＿Ｓｃａを用いた例であるが、本発明の掃気発生度合いパラメータはこれに限らず、バルブオーバーラップ期間中における掃気ガスの発生度合いを表すものであればよい。例えば、掃気発生度合いパラメータとして、バルブオーバーラップ期間中における掃気ガスの発生率を百分率で算出したものを用いてもよい。

さらに、実施形態は、吹き返しガス発生度合いパラメータとして、補正係数Ｋｒｖを用いた例であるが、本発明の吹き返しガス発生度合いパラメータはこれに限らず、バルブオーバーラップ期間中における吹き返しガスの発生度合いを表すものであればよい。例えば、吹き返しガス発生度合いパラメータとして、バルブオーバーラップ期間中における吹き返しガスの発生率を百分率で算出したものを用いてもよい。

一方、実施形態は、内燃機関の運転状態を表す値として、吸入空気量ＧＡＩＲを用いた例であるが、本発明の内燃機関の運転状態を表す値はこれらに限らず、内燃機関の運転状態を表すものであればよい。例えば、内燃機関の運転状態を表す値として、アクセルペダルの開度や内燃機関の冷却水温などを用いてもよい。

また、実施形態は、本発明の掃気ガス量算出装置および内部ＥＧＲ量算出装置を車両用の内燃機関に適用した例であるが、本発明の掃気ガス量算出装置および内部ＥＧＲ量算出装置は、これに限らず、船舶用の内燃機関や、他の産業機器用の内燃機関にも適用可能であることは言うまでもない。

さらに、実施形態は、本発明の掃気ガス量算出装置および内部ＥＧＲ量算出装置をターボチャージャ付きの内燃機関に適用した例であるが、本発明の掃気ガス量算出装置および内部ＥＧＲ量算出装置は、これに限らず、機械式過給機付きの内燃機関や、自然吸気タイプの内燃機関にも適用可能である。なお、自然吸気タイプの内燃機関の場合、掃気ガスは高負荷運転中に発生することになるので、そのような運転状態のとき掃気ガス量を算出するように構成すればよい。

１ 掃気ガス量算出装置、内部ＥＧＲ量算出装置
２ ＥＣＵ（吸気圧パラメータ取得手段、排気圧パラメータ取得手段、期間パラメー タ取得手段、掃気ガス量算出手段、掃気発生度合いパラメータ算出手段、最小排 気圧算出手段、平均排気圧算出手段、最小振幅算出手段、吹き返しガス量算出手 段、補正後吹き返しガス量算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段、最大排気圧算出手 段、吹き返しガス発生度合いパラメータ算出手段、最大振幅算出手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
４ 吸気弁
５ 排気弁
８ 吸気通路（吸気系）
９ 排気通路（排気系）
３０ クランク角センサ（期間パラメータ取得手段）
３２ 吸気圧センサ（吸気圧パラメータ取得手段）
３４ 排気圧センサ（排気圧パラメータ取得手段）
３６ 吸気カム角センサ（期間パラメータ取得手段）
３７ 排気カム角センサ（期間パラメータ取得手段）
CAIN 吸気カム位相（吸気弁のバルブタイミングを表す値）
CAEX 排気カム位相（排気弁のバルブタイミングを表す値）
Pin 吸気圧
PinAve 平均吸気圧（吸気圧パラメータ）
Pex 排気圧
PexMIN 最小排気圧（排気圧パラメータ）
DPexMIN 最小振幅
PexMAX 最大排気圧（排気圧パラメータ）
DPexMAX 最大振幅
PexAve 平均排気圧
OVL オーバーラップ角度（期間パラメータ）
R_Sca 掃気割合（掃気発生度合いパラメータ）
GAIR 吸入空気量（内燃機関の運転状態を表す値）
GegrRV_Base 基本吹き返しガス量（吹き返しガス量）
Krv 補正係数（吹き返しガス発生度合いパラメータ）
GegrRV 吹き返しガス量（補正後吹き返しガス量）
Gegr_int 内部ＥＧＲ量

Claims (6)

1. 吸気弁および排気弁の少なくとも一方のバルブタイミングを変更することにより、バルブオーバーラップ期間が変更される内燃機関の掃気ガス量算出装置であって、
   当該内燃機関の吸気通路内の圧力である吸気圧を表す吸気圧パラメータを取得する吸気圧パラメータ取得手段と、
   前記内燃機関の排気通路内の圧力である排気圧を表す排気圧パラメータを取得する排気圧パラメータ取得手段と、
   前記バルブオーバーラップ期間の長さを表す期間パラメータを取得する期間パラメータ取得手段と、
   前記バルブオーバーラップ期間中において前記吸気圧が前記排気圧よりも高くなる掃気状態にあるときに前記内燃機関の前記気筒内から前記排気通路に掃気されるガスの量である掃気ガス量を、前記吸気圧パラメータ、前記排気圧パラメータおよび前記期間パラメータに応じて算出する掃気ガス量算出手段と、
   を備え、
   前記排気圧パラメータ取得手段は、前記内燃機関の運転状態を表す値に応じて、前記バルブオーバーラップ期間中における前記排気圧のうちの最小値である最小排気圧を、前記排気圧パラメータとして算出する最小排気圧算出手段を有し、
   前記掃気ガス量算出手段は、
   前記期間パラメータに応じて、前記バルブオーバーラップ期間中における前記掃気ガスの発生度合いを表す掃気発生度合いパラメータを算出する掃気発生度合いパラメータ算出手段を有し、
   当該掃気発生度合いパラメータ、前記吸気圧パラメータおよび前記最小排気圧に応じて、前記掃気ガス量を算出することを特徴とする内燃機関の掃気ガス量算出装置。
2. 前記最小排気圧算出手段は、
   所定期間中の前記排気通路内の圧力の平均値である平均排気圧を算出する平均排気圧算出手段と、
   前記内燃機関の運転状態を表す値に応じて、前記最小排気圧を算出するための最小振幅を算出する最小振幅算出手段と、
   を有し、
   前記平均排気圧および前記最小振幅に基づき、前記最小排気圧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掃気ガス量算出装置。
3. 前記掃気ガス量算出手段は、前記期間パラメータが表す前記バルブオーバーラップ期間の長さが長いほど、前記掃気ガス量をより大きい値に算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の掃気ガス量算出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の掃気ガス量算出装置を備え、
   前記内燃機関は、前記バルブオーバーラップ期間の変更に伴って内部ＥＧＲ量が変更されるように構成されており、
   前記内燃機関の気筒から吸気系および排気系の少なくとも一方に一旦、流出した後、当該気筒内に再度、流入するガスの量である吹き返しガス量を算出する吹き返しガス量算出手段と、
   前記吹き返しガス量を前記掃気ガス量で補正することにより、補正後吹き返しガス量を算出する補正後吹き返しガス量算出手段と、
   当該補正後吹き返しガス量に応じて、前記内部ＥＧＲ量を算出する内部ＥＧＲ量算出手段と、
   をさらに備えることを特徴とする内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
5. 前記排気圧パラメータ取得手段は、前記内燃機関の運転状態を表す値に応じて、前記バルブオーバーラップ期間中における前記排気圧のうちの最大値である最大排気圧を、前記排気圧パラメータとして算出する最大排気圧算出手段を有し、
   前記吹き返しガス量算出手段は、
   前記期間パラメータに応じて、前記バルブオーバーラップ期間中における前記吹き返しガスの発生度合いを表す吹き返しガス発生度合いパラメータを算出する吹き返しガス発生度合いパラメータ算出手段を有し、
   当該吹き返しガス発生度合いパラメータ、前記吸気圧パラメータおよび前記最大排気圧に応じて、前記吹き返しガス量を算出することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
6. 前記最大排気圧算出手段は、
   所定期間中の前記排気通路内の圧力の平均値である平均排気圧を算出する平均排気圧算出手段と、
   前記内燃機関の運転状態を表す値に応じて、前記最大排気圧を算出するための最大振幅を算出する最大振幅算出手段と、
   を有し、
   前記平均排気圧および前記最大振幅に基づき、前記最大排気圧を算出することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。

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