JP2014005819A - 内燃機関の内部ｅｇｒ量算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブオーバーラップ期間と排気上死点の位置関係が変化した場合でも、それに応じて内部ＥＧＲ量を適切に算出することができ、内部ＥＧＲ量の算出精度を向上させることができる内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置を提供する。
【解決手段】内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１は、ＥＣＵ２を備える。ＥＣＵ２は、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを算出し、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をオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒとして算出し、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに応じて、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを補正することにより、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを算出し、これを用いて内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の内部ＥＧＲ量を算出する内燃機関の内部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、有効開口面積の積分値を含んでおり、この有効開口面積の積分値は、バルブオーバーラップ期間の長さ（すなわち排気弁の開弁タイミングから吸気弁の閉弁タイミングまでのクランク角度）とエンジン回転数の関数として算出される。

特開２００４−２５１１８２号公報

一般に、バルブオーバーラップ期間が変更される内燃機関の場合、吹き返しガス量は、バルブオーバーラップ期間の長さとの相関性は高いものの、バルブオーバーラップ期間の長さが同じであっても、バルブオーバーラップ期間と排気上死点の位置関係に起因して、吹き返しガス量が変化するという特性を有している。例えば、バルブオーバーラップ期間の長さが同じであって、バルブオーバーラップ期間中の、排気上死点よりも後の期間の割合が少ない状態と、排気上死点よりも後の期間の割合が多い状態とを比較した場合、既燃ガスが排気通路から気筒内に直接戻されることに起因して、排気上死点よりも後の期間の割合が多い状態の方が、吹き返しガス量がより多くなる（後述する図８，１０参照）。

これに対して、上記特許文献１の内部ＥＧＲ量算出装置の場合、吹き返しガス量の算出式において、バルブオーバーラップ期間の長さとエンジン回転数の関数を用いているものに過ぎず、上述したような、バルブオーバーラップ期間と排気上死点の位置関係に起因して、吹き返しガス量が変化する特性が考慮されていない。そのため、そのように吹き返しガス量が変化した場合、吹き返しガス量の算出誤差が増大することにより、内部ＥＧＲ量の算出精度が低下してしまう。

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と排気上死点の位置関係が変化した場合でも、それに応じて内部ＥＧＲ量を適切に算出することができ、内部ＥＧＲ量の算出精度を向上させることができる内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置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とともに、バルブオーバーラップ期間の変更に伴って、気筒３ａ内に残留するガス量である内部ＥＧＲ量が変更される内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１であって、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、基本吹き返しガス量算出部５２）と、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および中央のクランク角位置近傍のクランク角位置の一方をオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒとして算出するオーバーラップ中央位置算出手段（ＥＣＵ２、オーバーラップ中央位置算出部５５）と、算出されたオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに応じて、算出された吹き返しガス量を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、吹き返しガス量算出部５０）と、算出された補正後吹き返しガス量に応じて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出する内部ＥＧＲ量算出手段（ＥＣＵ２、残留ガス量算出部４２、加算器４３）と、を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、吹き返しガス量が算出され、オーバーラップ中央位置が算出され、算出されたオーバーラップ中央位置に応じて、算出された吹き返しガス量を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とともに、算出された補正後吹き返しガス量に応じて、内部ＥＧＲ量が算出される。この場合、オーバーラップ中央位置は、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および中央のクランク角位置近傍のクランク角位置の一方であるので、排気上死点に対するクランク角位置を表す値として算出されることになる。したがって、そのようなオーバーラップ中央位置に応じて、吹き返しガス量を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、バルブオーバーラップ期間と排気上死点の位置関係が変化した場合でも、そのような位置関係の変化を反映させながら、補正後吹き返しガス量を適切に算出することができる。さらに、そのような補正後吹き返しガス量に応じて、内部ＥＧＲ量を算出することにより、内部ＥＧＲ量の算出精度を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の内部ＥＧＲ量算出装置１において、補正後吹き返しガス量算出手段は、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側であるほど、補正後吹き返しガス量（吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ）をより多くなるように算出するとともに、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも進角側であるほど、補正後吹き返しガス量（吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ）をより少なくなるように算出する（式（８），（９）、図７）ことを特徴とする。

一般に、バルブオーバーラップ期間が変更される内燃機関の場合、後述するように、バルブオーバーラップ期間の長さが同じであっても、オーバーラップ中央位置が排気上死点よりも遅角側のときには、その遅角度合いが大きいほど、吹き返しガス量がより多くなるとともに、これとは逆に、オーバーラップ中央位置が排気上死点よりも進角側のときには、その進角度合いが大きいほど、吹き返しガス量がより少なくなるという特性を有している。したがって、この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、そのような特性を反映させながら、補正後吹き返しガス量を精度よく算出することができ、それにより、内部ＥＧＲ量の算出精度をさらに向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の内燃機関３の内部ＥＧＲ量算出装置１において、補正後吹き返しガス量算出手段は、バルブオーバーラップ期間が長いほど、補正後吹き返しガス量（吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ）をより多くなるように算出する（式（８），（９）、図７）ことを特徴とする。

一般に、バルブオーバーラップ期間が変更される内燃機関の場合、後述するように、バルブオーバーラップ期間が長いほど、吹き返しガス量がより多くなるという特性を有している。したがって、この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、そのような特性を反映させながら、補正後吹き返しガス量を精度よく算出することができ、それにより、内部ＥＧＲ量の算出精度をさらに向上させることができる。

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の内部ＥＧＲ量算出装置１において、内燃機関３の負荷を表す負荷パラメータ（要求トルクＴＲＱ）を取得する負荷パラメータ取得手段（ＥＣＵ２、クランク角センサ３０、エアフローセンサ３１、要求トルク算出部５３）をさらに備え、補正後吹き返しガス量算出手段は、取得された負荷パラメータ（要求トルクＴＲＱ）が表す内燃機関３の負荷が高いほど、補正後吹き返しガス量（吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ）をより少なくなるように算出する（式（８），（９）、図７）ことを特徴とする。

内燃機関においては、高負荷運転中の方が、低負荷運転中と比べて、吹き返しガス量が低下するという特性を有しているものがある（後述する図７参照）。これに対して、この内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置によれば、取得された負荷パラメータが表す内燃機関の負荷が高いほど、補正後吹き返しガス量がより少なくなるように算出されるので、上述したような特性を有する内燃機関において、補正後吹き返しガス量の算出精度をより一層、向上させることができ、その結果、内部ＥＧＲ量の算出精度をより一層、向上させることができる（なお、本明細書における「負荷パラメータを取得」の「取得」は、センサなどにより負荷パラメータを直接検出することや、負荷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）。

本発明の一実施形態に係る内部ＥＧＲ量算出装置およびこれを適用した内燃機関の構成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。 内部ＥＧＲ量算出装置の機能的な構成を示すブロック図である。 吹き返しガス量算出部の構成を示すブロック図である。 関数値ＣｄＡの算出に用いるマップの一例を示す図である。 要求トルクＴＲＱの算出に用いるマップの一例を示す図である。 補正係数ＫＧｅｇｒの算出に用いるマップの一例を示す図である。 オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも進角側に設定されている場合の、（ａ）吸気弁および排気弁のバルブリフト曲線と（ｂ）吸気流量および排気流量の測定結果の一例とを示す図である。 オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも進角側に設定されている場合の、（ａ）ピストンが排気上死点に向かって上昇しているときの気筒周辺のガスの流れを示す図と、（ｂ）ピストンが排気上死点から下降しているときの気筒周辺のガスの流れを示す図である。 オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側に設定されている場合の、（ａ）吸気弁および排気弁のバルブリフト曲線と（ｂ）吸気流量および排気流量の測定結果の一例とを示す図である。 オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側に設定されている場合の、（ａ）ピストンが排気上死点に向かって上昇しているときの気筒周辺のガスの流れを示す図と、（ｂ）ピストンが排気上死点から下降しているときの気筒周辺のガスの流れを示す図である。 オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒと吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶとの関係の測定結果の一例を示す図である。 オーバーラップ角度ＯＶＬと吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶとの関係の測定結果の一例を示す図である。 実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置による内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出誤差を表す図である。 比較のために、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬ＝０としたときの内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出誤差を示す図である。

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。図１に示すように、この内部ＥＧＲ量算出装置１は、ＥＣＵ２を備えており、このＥＣＵ２は、後述する手法により、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、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、バルブオーバーラップ期間の終了時までに気筒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。

また、エンジン３には、点火プラグ６、燃料噴射弁７およびクランク角センサ３０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（負荷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、パルス信号であるＣＲＫ信号をＥＣＵ２に出力する。このＣＲＫ信号は、所定のクランク角（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。

一方、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（負荷パラメータ取得手段）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を算出する。

また、吸気圧センサ３２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および排気カム位相制御弁２２ａの動作状態を制御する。

なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、吹き返しガス量算出手段、オーバーラップ中央位置算出手段、補正後吹き返しガス量算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段および負荷パラメータ取得手段に相当する。

次に、図３を参照しながら、本実施形態の内部ＥＧＲ量算出装置１の機能的な構成について説明する。同図に示すように、内部ＥＧＲ量算出装置１は、平均排気圧算出部４０、筒内容積算出部４１、残留ガス量算出部４２、加算器４３および吹き返しガス量算出部５０を備えており、これらはいずれもＥＣＵ２によって構成されている。なお、本実施形態では、残留ガス量算出部４２および加算器４３が内部ＥＧＲ量算出部に相当し、吹き返しガス量算出部５０が補正後吹き返しガス量算出手段に相当する。

この平均排気圧算出部４０では、平均排気圧ＰｅｘＡｖｅが、所定周期でサンプリングされた所定個数の排気圧Ｐｅｘの移動平均値として算出される。

また、筒内容積算出部４１では、吸気カム位相ＣＡＩＮに応じて、図示しないテーブルを検索することにより、筒内容積Ｖｃｙｌが算出される。この筒内容積Ｖｃｙｌは、吸気弁４の開弁タイミングにおける気筒３ａ内の容積であり、吸気弁４の開弁タイミングに依存する特性を有している。そのため、本実施形態では、吸気弁４の開弁タイミングを決定する吸気カム位相ＣＡＩＮを用い、これに応じたテーブル検索手法によって、筒内容積Ｖｃｙｌが算出される。

さらに、残留ガス量算出部４２では、下式（１）により、残留ガス量Ｇｅｇｒｄが算出される。

この式（１）は気体の状態方程式に相当するものであり、この式（１）のＲｅは気体定数である。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。

さらに、吹き返しガス量算出部５０では、排気圧Ｐｅｘおよび排気温Ｔｅｘなどの各種のパラメータを用いて、後述する手法により、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが算出される。

そして、加算器４３において、下式（２）により、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔが算出される。

上式（２）に示すように、この内部ＥＧＲ量算出装置１では、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４を参照しながら、前述した吹き返しガス量算出部５０について説明する。同図に示すように、この吹き返しガス量算出部５０は、オーバーラップ角度算出部５１、基本吹き返しガス量算出部５２、要求トルク算出部５３、補正係数算出部５４、オーバーラップ中央位置算出部５５、乗算器５６および加算器５７を備えている。

なお、本実施形態では、基本吹き返しガス量算出部５２が吹き返しガス量算出手段に、要求トルク算出部５３が負荷パラメータ取得手段に、オーバーラップ中央位置算出部５５がオーバーラップ中央位置算出手段にそれぞれ相当する。

まず、オーバーラップ角度算出部５１では、下式（３）により、オーバーラップ角度ＯＶＬを算出する。

上式（３）に示すように、オーバーラップ角度ＯＶＬは、吸気カム位相ＣＡＩＮと排気カム位相ＣＡＥＸの和として算出されるので、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝０のときに値０となるとともに、ＣＡＩＮ＝ＣＡＩＮ＿ａｄ，ＣＡＥＸ＝ＣＡＥＸ＿ｒｔのときに最大値ＯＶＬｍａｘとなる。以上のように、オーバーラップ角度ＯＶＬは、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸ＝０のときのバルブオーバーラップ期間を基準値として、この基準値よりも増大した分のクランク角度として算出される。言い換えれば、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。

また、基本吹き返しガス量算出部５２では、下式（４）〜（６）により、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅ（吹き返しガス量）が算出される。この基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅは、ＣＡＩＮ＝ＣＡＥＸが成立しているときの吹き返しガス量に相当する。

上式（４）のＣｄＡは、有効開口面積と流量係数の積に相当する関数値であり、この関数値ＣｄＡは、具体的には、オーバーラップ角度ＯＶＬに応じて、図５に示すマップを検索することにより算出される。また、式（４）のΨは、式（５），（６）によって算出される流量関数であり、式（５），（６）のκは比熱比である。この場合、以上の式（４）〜（６）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すとともに、吹き返しガスが流れる流路をノズルと見なし、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。

さらに、前述した要求トルク算出部５３では、エンジン回転数ＮＥおよび吸入空気量ＧＡＩＲ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ＴＲＱが算出される。同図においては、ＧＡＩＲ１〜ｉ（ｉは正の整数）は、ＧＡＩＲ１＜……＜ＧＡＩＲｉが成立する吸入空気量ＧＡＩＲ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。

一方、補正係数算出部５４では、オーバーラップ角度ＯＶＬおよび要求トルクＴＲＱに応じて、図７に示すマップを検索することにより、補正係数ＫＧｅｇｒが算出される。同図において、ＯＶＬ１〜４は、ＯＶＬ１＜ＯＶＬ２＜ＯＶＬ３＜ＯＶＬ４が成立するオーバーラップ角度ＯＶＬの所定値である。同図に示すように、このマップでは、要求トルクＴＲＱが大きいほど、補正係数ＫＧｅｇｒがより小さい値に設定されているとともに、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きいほど、補正係数ＫＧｅｇｒがより大きい値に設定されている。この理由については後述する。

また、オーバーラップ中央位置算出部５５では、下式（７）により、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが算出される。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を表すものである。

上式（７）を参照すると明らかなように、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒは、ＣＡＥＸ＝ＣＡＩＮ＝０が成立し、排気上死点にあるときには値０になり、ＣＡＥＸ＜ＣＡＩＮが成立し、排気上死点よりも進角側にあるときには負値になるとともに、ＣＡＥＸ＞ＣＡＩＮが成立し、排気上死点よりも遅角側にあるときには正値になる。

また、乗算器５６では、下式（８）により、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬが算出される。

上式（８）に示すように、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬは、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算出される。この理由については後述する。

そして、加算器５７において、下式（９）により、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ（補正後吹き返しガス量）が算出される。

以上のように、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶは、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬで補正することによって算出される。以下、その理由および原理について説明する。

まず、図８および図９を参照しながら、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも進角側に設定されている場合の吸気流量および排気流量の測定結果例と、吸気通路８、気筒３ａおよび排気通路９におけるガスの流れなどについて説明する。

なお、図８および後述する図１０においては、吸気流量および排気流量は、下流側に流れる方向を正値とし、上流側に逆流する方向を負値として示されている。また、図９および後述する図１１において、ハッチングを施した矢印が既燃ガスの流れの向きを、点描を施した矢印が新気の流れの向きをそれぞれ表している。

図８（ａ），（ｂ）は、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも所定値分、進角側に設定されている状態で、排気弁５の開弁中、吸気弁４が排気上死点よりも進角側のタイミングで開き始めるときの例を示している。その場合、吸気弁４が開き始めたタイミングでは、ピストン３ｂが上昇中であることに加えて、吸気圧Ｐｉｎが排気圧Ｐｅｘよりも低い状態となることで、図９（ａ）に示すように、気筒３ａ内の既燃ガスの一部が吸気通路８内に逆流するとともに、排気通路９内の既燃ガスの一部も気筒３ａ内に戻った後、吸気通路８側に逆流する。それにより、図８（ｂ）に示すように、吸気流量に加えて、排気流量が負値となる。

その後、排気上死点を過ぎたタイミングで、排気弁５が閉弁状態になり、ピストンが下降し始めるとともに、吸気弁４が開弁し、それに伴って、図９（ｂ）に示すように、吸気通路８内の新気および既燃ガスが気筒３ａ内に流入する。それにより、図８（ｂ）に示すように、排気流量が値０になるとともに、吸気流量が増大する。

以上のように、気筒３ａ内から排気通路９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内まで流れ込んだ後、気筒３ａ内に再度流入したりすることになる。すなわち、吹き返しガスが発生し、その吹き返しガス量は、排気流量が負値になった領域（図８（ｂ）にハッチングで示した領域）の面積に比例することになる。

次に、図１０および図１１を参照しながら、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側に設定されている場合の吸気流量および排気流量の測定結果例と、吸気通路８、気筒３ａおよび排気通路９におけるガスの流れなどについて説明する。なお、図１０は、バルブオーバーラップ期間の長さを図８と同じ長さに設定するとともに、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒを、図８の例とは逆に、排気上死点に対して、前述した所定値分、進角側に設定した場合のものである。

図１０および図１１に示す例では、排気弁５の開弁中、排気上死点よりも若干手前で、吸気弁４が開き始めるようになっており、その場合、吸気弁４が開き始める前のタイミングでは、図１１（ａ）に示すように、ピストン３ｂが上昇中であることに加えて、吸気弁４が閉弁状態にあることで、気筒３ａ内の既燃ガスが排気通路９側にのみ流れ出る。それにより、図１０（ｂ）に示すように、排気流量が正値を示すとともに、吸気流量が値０になる。

さらに、ピストン３ｂが上昇し、排気上死点に向かうのに連れて、排気弁５のリフトが低下し、吸気弁４が開き始める。それに伴い、排気通路９内の既燃ガスの一部が気筒３ａ内に逆流し始めるとともに、気筒３ａ内の既燃ガスの一部が吸気通路８側に逆流し始める。それにより、図１０（ｂ）に示すように、排気流量および吸気流量の双方が負値を示すようになる。

その後、排気上死点よりも遅角側のタイミングでは、排気弁５のリフトが減少し、ピストンが下降するとともに、吸気弁４のリフトが増大する。それに伴って、図１１（ｂ）に示すように、吸気通路８内の新気および既燃ガスが気筒３ａ内に流入するとともに、排気通路９内の既燃ガスの一部も気筒３ａ内に流入する。それにより、図１０（ｂ）に示すように、排気流量および吸気流量が一時的に急増する。その後、排気弁５が閉弁するのに伴い、吸気流量が増大するとともに、排気流量が値０となる。

以上のように、気筒３ａ内から排気通路９に一旦、流出した既燃ガスは、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内まで流れ込んだ後、気筒３ａ内に再度、流入したりすることになる。すなわち、吹き返しガスが発生することになるとともに、その吹き返しガス量は、排気流量が負値になった領域（図１０（ｂ）にハッチングで示した領域）の面積に比例することになる。

この場合、図８および図１０におけるハッチング部分の面積を比較すると明らかなように、図１０の方の面積が大きく、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが大きいことが判る。すなわち、バルブオーバーラップ期間の長さが同じであっても、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側に設定されている方が、進角側に設定されているときと比べて、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが多くなることが判る。これは、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側に設定されている場合、前述したように、既燃ガスが排気通路９から気筒３ａ内に直接、流れ込むことになるので、その分、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも進角側に設定されているときよりも多くなるものと推測される。

そして、以上の知見に基づき、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒと吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶとの関係を測定したところ、図１２に示す測定結果例が得られた。この吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶは、ΔＧｅｇｒＲＶ＝ＧｅｇｒＲＶ−ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅで算出される値である。すなわち、前述した基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶに対する吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶの変化分に相当する値である。

同図を参照すると明らかなように、吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶは、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに対して線形性を有していることが判る。言い換えれば、バルブオーバーラップ期間の長さが同じであっても、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側のときには、その遅角度合いが大きいほど、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶがより増大するとともに、これとは逆に、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも進角側のときには、その進角度合いが大きいほど、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶがより減少するという特性を有していることが判る。したがって、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが値０から変化したときに、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを補正するための補正値は、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに補正係数を乗算することによって算出すればよいことが判る。

これに加えて、オーバーラップ角度ＯＶＬと吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶとの関係を測定したところ、図１３に示す測定結果例が得られた。同図を参照すると明らかなように、吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶは、オーバーラップ角度ＯＶＬが大きいほど、より大きい値になることが判る。さらに、吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶと要求トルクＴＲＱとの関係を測定したところ、その測定結果の図示は省略するが、要求トルクＴＲＱが大きいほど、吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶが小さくなることが判った。

以上の理由および原理に基づき、本実施形態の場合、オーバーラップ角度ＯＶＬおよび要求トルクＴＲＱに応じて、前述した図７に示すマップを検索する手法により、補正係数ＫＧｅｇｒを算出し、この補正係数ＫＧｅｇｒをオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに乗算する手法によって、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを算出する。そして、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬで補正する手法によって、吹き返しガス変化量ΔＧｅｇｒＲＶが最終的に算出される。

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誤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、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬ＝０としたとき、すなわち内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出結果を基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅに等しい値としたときの、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。

両図を比較すると明らかなように、オーバーラップ角度ＯＶＬ＝０〜ＯＶＬｍａｘの範囲内において、本実施形態の算出結果の方が、図１５の算出結果と比べて、算出誤差が極めて小さくなっていることが判る。すなわち、本実施形態の内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出手法のように、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを用いることによって、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを用いない場合と比べて、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、補正係数ＫＧｅｇｒにオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒを乗算することにより、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬが算出され、この補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬで基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを補正することによって、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが算出される。

この場合、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であり、排気上死点に対するクランク角位置を表す値として算出される。そして、そのようなオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒを用いて、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが算出されるので、吸気カム位相ＣＡＩＮおよび排気カム位相ＣＡＥＸの変更に伴って、バルブオーバーラップ期間と排気上死点との位置関係が変化した場合でも、そのような位置関係の変化を反映させながら、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを適切に算出することができる。さらに、そのような吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを用いて、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔを算出することにより、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、このエンジン３の場合、前述したように、バルブオーバーラップ期間の長さが同じであっても、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも遅角側のときには、その遅角度合いが大きいほど、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶがより増大するとともに、これとは逆に、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒが排気上死点よりも進角側のときには、その進角度合いが大きいほど、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶがより減少するという特性を有している。これに加えて、前述したように、バルブオーバーラップ期間が長いほど、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが増大するという特性と、高負荷運転中の方が、低負荷運転中と比べて、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶが減少するという特性とを有している。

これに対して、補正係数ＫＧｅｇｒは、図７を用いて算出されるとともに、そのような補正係数ＫＧｅｇｒをオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒに乗算することにより、補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬが算出されるので、上記の特性を反映させながら、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶをさらに精度よく算出することができる。それにより、内部ＥＧＲ量Ｇｅｇｒ＿ｉｎｔの算出精度をさらに向上させることができる。

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５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、本発明の内部ＥＧＲ量算出装置１を車両用の内燃機関３に適用した例であるが、本発明の内部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。

さらに、実施形態は、オーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿ＣｅｎｔｅｒＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒとして、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を用いた例であるが、本発明のオーバーラップ中央位置ＯＶＬ＿Ｃｅｎｔｅｒはこれに限らず、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の近傍のクランク角位置を用いてもよい。このように構成した場合、実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、実施形態は、負荷パラメータ取得手段として、ＥＣＵ２、クランク角センサ３０およびエアフローセンサ３１を用いた例であるが、本発明の負荷パラメータ取得手段はこれに限らず、負荷を表す負荷パラメータを取得できるものであればよい。例えば、負荷パラメータ取得手段として、アクセル開度を検出するアクセル開度センサおよびＥＣＵ２を用い、ＥＣＵ２により、このアクセル開度センサの検出信号に応じて、負荷パラメータを算出してもよい。

さらに、実施形態は、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅを補正するための補正値として、加算項である補正項ｄＧｅｇｒ＿ＯＶＬを用いた例であるが、これに代えて、基本吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶ＿Ｂａｓｅに補正係数を乗算することによって、吹き返しガス量ＧｅｇｒＲＶを算出するように構成してもよい。

１ 内部ＥＧＲ量算出装置
２ ＥＣＵ（吹き返しガス量算出手段、オーバーラップ中央位置算出手段、補正後吹 き返しガス量算出手段、内部ＥＧＲ量算出手段、負荷パラメータ取得手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
３ｃ クランクシャフト
４ 吸気弁
５ 排気弁
８ 吸気通路（吸気系）
９ 排気通路（排気系）
１２ 可変吸気カム位相機構
２２ 可変排気カム位相機構
３０ クランク角センサ（負荷パラメータ取得手段）
３１ エアフローセンサ（負荷パラメータ取得手段）
４２ 残留ガス量算出部（内部ＥＧＲ量算出部）
４３ 加算器（内部ＥＧＲ量算出部）
５０ 吹き返しガス量算出部（補正後吹き返しガス量算出手段）
５２ 基本吹き返しガス量算出部（吹き返しガス量算出手段）
５３ 要求トルク算出部（負荷パラメータ取得手段）
５５ オーバーラップ中央位置算出部（オーバーラップ中央位置算出手段）
OVL オーバーラップ角度（バルブオーバーラップ期間の長さを表す値）
OVL_Center オーバーラップ中央位置
GegrRV_Base 基本吹き返しガス量（吹き返しガス量）
GegrRV 吹き返しガス量（補正後吹き返しガス量）

Claims (4)

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とともに、当該バルブオーバーラップ期間の変更に伴って、気筒内に残留するガス量である内部ＥＧＲ量が変更される内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置であって、
   前記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および当該中央のクランク角位置近傍のクランク角位置の一方をオーバーラップ中央位置として算出するオーバーラップ中央位置算出手段と、
   当該算出されたオーバーラップ中央位置に応じて、前記算出された吹き返しガス量を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、
   当該算出された補正後吹き返しガス量に応じて、前記内部ＥＧＲ量を算出する前記内部ＥＧＲ量を算出する内部ＥＧＲ量算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。
2. 前記補正後吹き返しガス量算出手段は、前記オーバーラップ中央位置が排気上死点よりも遅角側であるほど、前記補正後吹き返しガス量をより多くなるように算出するとともに、前記オーバーラップ中央位置が排気上死点よりも進角側であるほど、前記補正後吹き返しガス量をより少なくなるように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内部ＥＧＲ量算出装置。
3. 前記補正後吹き返しガス量算出手段は、前記バルブオーバーラップ期間が長いほど、前記補正後吹き返しガス量をより多くなるように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内部ＥＧＲ量算出装置。
4. 前記内燃機関の負荷を表す負荷パラメータを取得する負荷パラメータ取得手段をさらに備え、
   前記補正後吹き返しガス量算出手段は、当該取得された負荷パラメータが表す前記内燃機関の前記負荷が高いほど、前記補正後吹き返しガス量をより少なくなるように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内燃機関の内部ＥＧＲ量算出装置。

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