(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒における筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記気筒の筒内容積を取得する筒内容積取得手段と、
前記気筒の筒内ガス温度を算出する筒内ガス温度算出手段と、
前記筒内圧、前記筒内容積、及び前記筒内ガス温度に基づいて、筒内に残留する残留ガス量を算出する残留ガス量算出手段と、を備え、
前記筒内ガス温度算出手段は、予め定めた２点のクランク角における筒内ガス温度の比を算出し、前記筒内ガス温度の比、及び筒内の壁温に基づいて前記筒内ガス温度を算出することを特徴とする内燃機関の残留ガス量算出装置。
【請求項２】
前記筒内の壁温は、冷却水温度に基づいて算出され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量算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒内に残留するガス量を算出する内燃機関の残留ガス量算出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関の各気筒に新規に流入される吸気量、或いは各気筒に残留するガス量を求める技術が知られている。例えば、特許文献１には、圧縮行程時の筒内圧の測定値からポリトロープ指数に基づいて筒内残留ガス率（気筒内に残留するガス量と新気に流入される吸気量との割合）を算出する技術が記載されている。この技術においては、ポリトロープ指数と筒内残留ガス率とが負の相関があることを仮定して、筒内残留ガス率を求めている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１６６４４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した特許文献１に記載された技術では、筒内ガス温度や筒内のガス組成が変化することにより、ポリトロープ指数と筒内残留ガス率との関係が変化してしまい、筒内残留ガス率を精度良く求めることができない場合があった。このような筒内ガス温度や筒内のガス組成の変化は、排気ガス温度や運転履歴の違いなどによって生じることが考えられる。
【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、内燃機関の気筒内に残留するガス量を精度良く算出することが可能な内燃機関の残留ガス量算出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの観点では、内燃機関の残留ガス量算出装置は、内燃機関の気筒における筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、前記気筒の筒内容積を取得する筒内容積取得手段と、前記気筒の筒内ガス温度を算出する筒内ガス温度算出手段と、前記筒内圧、前記筒内容積、及び前記筒内ガス温度に基づいて、筒内に残留する残留ガス量を算出する残留ガス量算出手段と、を備え、前記筒内ガス温度算出手段は、予め定めた２点のクランク角における筒内ガス温度の比を算出し、前記筒内ガス温度の比、及び筒内の壁温に基づいて前記筒内ガス温度を算出する。
【０００７】
上記の内燃機関の残留ガス量算出装置は、内燃機関における気筒内に残留するガス量を算出する装置である。筒内圧取得手段は筒内圧を取得し、筒内容積取得手段は筒内容積を取得し、筒内ガス温度算出手段は筒内ガス温度を算出する。そして、残留ガス量算出手段は、気体の状態方程式などを用いて、筒内圧、筒内容積、及び筒内ガス温度から残留ガス量を算出する。以上のように残留ガス量を算出することにより、筒内ガス温度や筒内のガス組成が変化することによりポリトロープ指数などが変化してしまった場合にも、残留ガス量を精度良く求めることができる。即ち、上記の内燃機関の残留ガス量算出装置によれば、ポリトロープ指数の変化による影響を受けることなく、残留ガス量を精度良く求めることができる。また、上記の内燃機関の残留ガス量算出装置によれば、吸気温センサや排気温センサなどを設けずに、簡便な装置構成によって残留ガス量を算出することができる。
この場合、筒内ガス温度算出手段は、筒内の壁温に基づいて筒内ガス温度を算出する。こうするのは、筒内ガス温度は筒内の壁温に起因して変化するため、筒内の壁温から一義的に筒内ガス温度を算出することができるからである。より具体的には、筒内ガス温度算出手段は、予め定めた２点のクランク角における筒内ガス温度の比を算出し、当該筒内ガス温度の比、及び筒内の壁温に基づいて筒内ガス温度を算出する。所定の２点のクランク角は、例えば、クランク角が変化する間に、気筒内におけるガスの流入・流出がなく、燃料の点火などが行われないような２点に設定することができる。このように２点のクランク角を設定することにより、クランク角が変化したときの筒内ガス温度の変化が、筒内壁温によって一義的に定まる。よって、筒内ガス温度の比と筒内の壁温との関係に基づいて、筒内ガス温度を精度良く算出することができる。
【０００９】
好ましくは、前記筒内の壁温は、冷却水温度に基づいて算出される。この場合、筒内の壁温と冷却水温度との間に成立する関係に基づいて、検出された冷却水温度に対応する筒内の壁温が求められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１３】
［全体構成］
まず、本発明の実施形態に係る内燃機関の構成について説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る内燃機関の残留ガス量算出装置が適用された内燃機関１の構成を示す概略図である。なお、図１では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。
【００１５】
内燃機関１は、主に、エアフロメータ２と、吸気通路３と、スロットルバルブ４と、燃料噴射弁５と、気筒（シリンダ）６ａと、吸気弁７と、排気弁８と、排気通路９と、点火プラグ１０と、筒内圧センサ１１と、クランク角センサ１２と、冷却水温度センサ１３と、を有する。内燃機関１は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンとして構成される。なお、図１においては、説明の便宜上、１つの気筒６ａのみを示しているが、実際には内燃機関１は複数の気筒６ａを有する。
【００１６】
吸気通路３には外部から導入された空気（新気）が通過し、スロットルバルブ４は吸気通路３を通過する空気の流量を調整する。吸気通路３を通過した空気は、気筒６ａの燃焼室６ｂに供給される。また、燃焼室６ｂには、燃料噴射弁５によって噴射された燃料が供給される。燃焼室６ｂ内では、点火プラグ１０の点火により着火されることによって、供給された空気と燃料との混合気が燃焼される。この場合、燃焼によってピストン６ｃが往復運動し、この往復運動がコンロッド６ｄを介してクランク軸（不図示）に伝達され、クランク軸が回転する。また、内燃機関１には排気通路９が接続されており、燃焼によって生じた排気は排気通路９から排出される。
【００１７】
更に、内燃機関１の燃焼室６ｂには、吸気弁７と排気弁８が設けられている。吸気弁７は、開閉することによって、吸気通路３と燃焼室６ｂとの導通／遮断を制御する。また、排気弁８は、開閉することによって、排気通路９と燃焼室６ｂとの導通／遮断を制御する。
【００１８】
エアフロメータ２は、吸気通路３を通過する新気の量を検出するセンサである。筒内圧センサ１１は、気筒６ａ内の圧力（筒内圧）を検出するセンサである。例えば、筒内圧センサ１１は、点火プラグ１０の座金として装着されるリング状の圧電素子から構成され、点火プラグ１０の締め付け荷重に対する相対圧として筒内圧を検出する。また、筒内圧センサ１１は、複数の気筒６ａごとに設けられ、各気筒６ａの筒内圧を検出する。
【００１９】
クランク角センサ１２は、各気筒６ａに設けられ、各気筒６ａにおけるクランク角を検出する。具体的には、クランク角センサ１２は、単位クランク角毎の他に角度信号と、所定ピストン位置毎の基準角度信号とを、それぞれ出力する。冷却水温度センサ１３は、内燃機関１の冷却水の温度（冷却水温度）を検出する。
【００２０】
演算処理部２０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェースなどを含んで構成されている。演算処理部２０は、前述した各種センサから検出信号を取得し、これに基づいて演算処理を行う。演算処理部２０は、例えばＥＣＵ（Engine Control Unit）などに組み込むことができる。
【００２１】
本実施形態では、演算処理部２０は、前述した各種センサから取得された検出信号に基づいて、気筒６ａ内に残留するガスの量（残留ガス量）を算出する。具体的には、演算処理部２０は、筒内圧センサ１１から取得される筒内圧、エアフロメータ２から取得される新気の量（以下、「新気ガス量」とも呼ぶ。）、及び冷却水温度センサ１３から取得される冷却水温度に基づいて、残留ガス量を算出する。このように、演算処理部２０は、本発明に係る内燃機関の残留ガス量算出装置として機能する。具体的には、演算処理部２０は、筒内圧取得手段、筒内容積取得手段、筒内ガス温度算出手段、及び残留ガス量算出手段として動作する。
【００２２】
［残留ガス量算出方法］
次に、本実施形態に係る残留ガス量算出方法の基本概念について説明する。
【００２３】
本実施形態では、気筒６ａにおける筒内圧と、気筒６ａにおける容積（以下、「筒内容積」と呼ぶ。）と、気筒６ａ内のガスの温度（以下、「筒内ガス温度」と呼ぶ。）とに基づいて、筒内に残留する残留ガス量を算出する。具体的には、筒内圧、筒内容積、及び筒内ガス温度を気体の状態方程式に代入することによって筒内の全ガス量（以下、「筒内ガス量」とも呼ぶ。）を得て、この筒内ガス量からエアフロメータ２より取得された新気ガス量を減算することによって残留ガス量を得る。
【００２４】
より詳しくは、筒内ガス温度は、直接検出することは困難であるため、気筒６ａの壁温（以下、「筒内壁温」と呼ぶ。）に基づいて算出する。この場合、筒内の壁温は、冷却水温度に基づいて算出する。そして、筒内ガス温度は、所定の２点のクランク角における筒内ガス温度の比と、上記の筒内壁温とに基づいて算出する。詳しくは、所定の２点のクランク角は、クランク角が変化する間に、気筒６ａ内におけるガスの流入・流出がなく、燃料の点火などが行われないような２点に設定するものとする。即ち、圧縮行程時のクランク角の２点を選定する。このように２点のクランク角を設定することにより、クランク角が変化したときの筒内ガス温度の変化が、筒内壁温によって一義的に定まる。したがって、筒内ガス温度の比と筒内の壁温との関係に基づいて、筒内ガス温度を精度良く求めることが可能となる。なお、筒内ガス温度の比は、所定の２点のクランク角における筒内圧と筒内容積とを用いて、ボイル・シャルルの法則より求められる。
【００２５】
以上のように残留ガス量を算出することにより、筒内ガス温度や筒内のガス組成が変化することによりポリトロープ指数と筒内残留ガス率との関係が変化してしまった場合にも、残留ガス量を精度良く求めることができる。即ち、本実施形態に係る残留ガス量算出方法によれば、ポリトロープ指数の変化による影響を受けることなく、残留ガス量を精度良く求めることができる。また、本実施形態によれば、吸気温センサや排気温センサなどを設けずに、簡便な装置構成によって残留ガス量を算出することができる。
【００２６】
［演算処理部における処理］
次に、演算処理部２０における具体的な処理について説明する。なお、以下では、残留ガス量として、筒内における残留ガスの質量を算出する例について説明する。
【００２７】
図２は、本実施形態に係る演算処理部２０の概略構成を示すブロック図である。図示のように、演算処理部２０は、筒内容積算出部２１と、温度比算出部２２と、筒内壁温算出部２３と、筒内ガス温度算出部２４と、筒内ガス質量算出部２５と、残留ガス質量算出部２６と、を有する。
【００２８】
筒内容積算出部２１は、クランク角Ｃ１、Ｃ２のそれぞれに対応する筒内容積Ｖ１、Ｖ２を算出する。この場合、筒内容積算出部２１は、クランク角センサ１２からクランク角Ｃ１、Ｃ２を取得し、このクランク角Ｃ１、Ｃ２に対応する筒内容積Ｖ１、Ｖ２を算出する。具体的には、筒内容積算出部２１は、設計値やマップなどに基づいて、クランク角に対応する筒内容積を算出する。なお、クランク角Ｃ１、Ｃ２は、吸気弁７が閉弁している際と点火される際との間に位置するクランク角であり、予め決定される。
【００２９】
温度比算出部２２は、クランク角Ｃ１における筒内ガス温度Ｔ１と、クランク角Ｃ２における筒内ガス温度Ｔ２との比（Ｔ２／Ｔ１）を算出する。具体的には、温度比算出部２２は、筒内圧センサ１１からクランク角Ｃ１、Ｃ２のそれぞれに対応する筒内圧Ｐ１、Ｐ２を取得すると共に、筒内容積算出部２１からクランク角Ｃ１、Ｃ２のそれぞれに対応する筒内容積Ｖ１、Ｖ２を取得する。そして、温度比算出部２２は、ボイル・シャルルの法則に基づいて、筒内圧Ｐ１、Ｐ２及び筒内容積Ｖ１、Ｖ２を式（１）に代入することによって温度の比（Ｔ２／Ｔ１）を算出する。
【００３０】
Ｔ２／Ｔ１＝（Ｐ２・Ｖ２）／（Ｐ１・Ｖ１）    式（１）
筒内壁温算出部２３は、冷却水温度センサ１３から供給される冷却水温度Ｔclntを用いて筒内壁温Ｔwを算出する。具体的には、筒内壁温算出部２３は、予め求められた冷却水温度と筒内壁温との関係を示すマップ又は関係式を参照して、冷却水温度Ｔclntから筒内壁温Ｔwを算出する。例えば、冷却水温度と筒内壁温との関係を示す関数ｆＴｗを用いて、筒内壁温Ｔwは以下の式（２）より得られる。
【００３１】
Ｔw＝ｆＴｗ（Ｔclnt）    式（２）
筒内ガス温度算出部２４は、温度比算出部２２から供給される筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）と、筒内壁温算出部２３から供給される筒内壁温Ｔwとに基づいて、クランク角Ｃ１における筒内ガス温度Ｔ１を算出する。具体的には、筒内ガス温度算出部２４は、予め求められた、筒内ガス温度の比、筒内壁温、及び筒内ガス温度の関係を示すマップ又は関係式を参照して、筒内ガス温度Ｔ１を算出する。こうするのは、筒内ガス温度の比と筒内壁温との関係に基づいて、筒内ガス温度を一義的に求めることができるからである。つまり、吸気弁閉弁時における筒内ガス温度Ｔ１から点火時付近の筒内ガス温度Ｔ２への変化（筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）に対応する）は、燃料の燃焼に起因するものではなく、筒内壁温Ｔwの伝達に起因するものであるため、筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）と筒内壁温Ｔwとの関係に基づいて、筒内ガス温度Ｔ１を一義的に求めることができる。
【００３２】
図３に、筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）と筒内ガス温度Ｔ１との関係、及び筒内壁温Ｔwと筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）との関係の一例を示す。図３（ａ）は、筒内壁温Ｔwが一定であるときの、筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）と筒内ガス温度Ｔ１との関係を示している。これより、筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）が大きくなるほど、筒内ガス温度Ｔ１が低くなることがわかる。言い換えると、筒内ガス温度Ｔ１が高くなるほど、筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）が小さくなる。更に、図３（ｂ）は、筒内壁温Ｔwと筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）との関係を示している。これより、筒内壁温Ｔwが高くなるほど、筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）が大きくなることがわかる。
【００３３】
図２に戻って、演算処理部２０における他の処理部について説明する。
【００３４】
筒内ガス質量算出部２５は、筒内容積算出部２１から供給される筒内容積Ｖ１と、筒内ガス温度算出部２４から供給される筒内ガス温度Ｔ１と、筒内圧センサ１１から供給される筒内圧Ｐ１とに基づいて、筒内における全ガスの質量Ｍ（以下、単に「筒内ガス質量」と呼ぶ。）を算出する。具体的には、式（３）に示すように、筒内容積Ｖ１、筒内ガス温度Ｔ１、及び筒内圧Ｐ１を気体の状態方程式に代入することによって、筒内ガス質量Ｍを算出する。なお、式（３）中の「Ｒ」はガス定数を示している。
【００３５】
Ｍ＝（Ｐ１・Ｖ１）／（Ｒ・Ｔ１）    式（３）
残留ガス質量算出部２６は、筒内ガス質量算出部２５から供給される筒内ガス質量Ｍと、エアフロメータ２から供給される新気ガス量に対応する質量Ｍｎ（以下、「新気ガス質量」と呼ぶ。）とに基づいて、残留ガス質量Ｍｅを算出する。具体的には、筒内ガス質量Ｍから新気ガス質量Ｍｎを減算することによって、残留ガス質量Ｍｅを得る（式（４）参照）。
【００３６】
Ｍｅ＝Ｍ−Ｍｎ    式（４）
［残留ガス質量算出処理］
次に、本実施形態に係る残留ガス質量算出処理について説明する。
【００３７】
図４は、残留ガス質量算出処理を示すフローチャートである。本処理は、筒内に残留するガスの質量を算出するための処理であり、前述した演算処理部２０によって繰り返し実行される。
【００３８】
まず、ステップＳ１０１では、演算処理部２０が、所定の２点のクランク角Ｃ１、Ｃ２を決定する。具体的には、演算処理部２０は、圧縮行程時におけるクランク角の２点を決定する。そして、処理はステップＳ１０２、Ｓ１０３に進む。
【００３９】
ステップＳ１０２では、演算処理部２０内の温度比算出部２２が、筒内圧センサ１１から、クランク角Ｃ１、Ｃ２のそれぞれに対応する筒内圧Ｐ１、Ｐ２を取得する。そして、処理はステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０３では、演算処理部２０内の筒内容積算出部２１が、クランク角Ｃ１、Ｃ２のそれぞれに対応する筒内容積Ｖ１、Ｖ２を算出する。この場合、筒内容積算出部２１は、設計値やマップなどに基づいて、クランク角Ｃ１、Ｃ２に対応する筒内容積Ｖ１、Ｖ２を算出する。そして、処理はステップＳ１０４に進む。
【００４０】
ステップＳ１０４では、演算処理部２０内の温度比算出部２２が、クランク角Ｃ１における筒内ガス温度Ｔ１と、クランク角Ｃ２における筒内ガス温度Ｔ２との比（Ｔ２／Ｔ１）を算出する。具体的には、温度比算出部２２は、ボイル・シャルルの法則に基づいて、ステップＳ１０２で取得された筒内圧Ｐ１、Ｐ２、及びステップＳ１０３で取得された筒内容積Ｖ１、Ｖ２を、前述した式（１）に代入することによって温度の比（Ｔ２／Ｔ１）を算出する。そして、処理はステップＳ１０７に進む。
【００４１】
一方、ステップＳ１０５では、演算処理部２０内の筒内壁温算出部２３が、冷却水温度センサ１３から冷却水温度Ｔclntを取得する。そして、処理はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、演算処理部２０内の筒内壁温算出部２３が、ステップＳ１０５で取得された冷却水温度Ｔclntを用いて筒内壁温Ｔwを算出する。具体的には、筒内壁温算出部２３は、予め求められた冷却水温度と筒内壁温との関係を示すマップ又は関係式を参照して、冷却水温度Ｔclntから筒内壁温Ｔwを算出する。例えば、前述した式（２）の関係式を用いて、筒内壁温Ｔwを算出する。そして、処理はステップＳ１０７に進む。
【００４２】
ステップＳ１０７では、演算処理部１０内の筒内ガス温度算出部２４が、ステップＳ１０４で算出された筒内ガス温度の比（Ｔ２／Ｔ１）と、ステップＳ１０６で算出された筒内壁温Ｔwとに基づいて、クランク角Ｃ１における筒内ガス温度Ｔ１を算出する。具体的には、筒内ガス温度算出部２４は、筒内ガス温度の比、筒内壁温、及び筒内ガス温度の関係を示すマップ又は関係式を参照して、筒内ガス温度Ｔ１を算出する。そして、処理はステップＳ１０８に進む。
【００４３】
ステップＳ１０８では、演算処理部２０内の筒内ガス質量算出部２５が、ステップＳ１０３で算出された筒内容積Ｖ１と、ステップＳ１０７で算出された筒内ガス温度Ｔ１と、ステップＳ１０２で取得された筒内圧Ｐ１とに基づいて、筒内ガス質量Ｍを算出する。具体的には、前述した式（３）に示すように、筒内容積Ｖ１、筒内ガス温度Ｔ１、及び筒内圧Ｐ１を気体の状態方程式に代入することによって、筒内ガス質量Ｍを算出する。そして、処理はステップＳ１１０に進む。
【００４４】
一方、ステップＳ１０９では、演算処理部２０内の残留ガス質量算出部２６が、エアフロメータ２から新気ガス質量Ｍｎを取得する。そして、処理はステップＳ１１０に進む。
【００４５】
ステップＳ１１０では、演算処理部２０内の残留ガス質量算出部２６が、ステップＳ１０８で算出された筒内ガス質量Ｍと、ステップＳ１０９で取得された新気ガス質量Ｍｎとに基づいて、残留ガス質量Ｍｅを算出する。具体的には、筒内ガス質量Ｍから新気ガス質量Ｍｎを減算することによって、残留ガス質量Ｍｅを得る（式（４）参照）。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００４６】
以上のように、本実施形態に係る残留ガス質量算出処理では、筒内圧、筒内容積、及び筒内ガス温度に基づいて、残留ガス質量を算出する。これにより、筒内ガス温度や筒内のガス組成が変化することによりポリトロープ指数と筒内残留ガス率との関係が変化してしまった場合にも、残留ガス量を精度良く求めることができる。また、本実施形態に係る残留ガス質量算出処理によれば、吸気温度や排気温度などを用いずに、簡便な処理によって残留ガス質量を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の本実施形態に係る残留ガス量算出装置が適用された内燃機関の構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態に係る演算処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】筒内ガス温度の比、筒内ガス温度Ｔ１、及び筒内壁温の関係の一例を示す図である。
【図４】残留ガス質量算出処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１  内燃機関
２  エアフロメータ
３  吸気通路
４  スロットルバルブ
６ａ  気筒
７  吸気弁
８  排気弁
９  排気通路
１１  筒内圧センサ
１２  クランク角センサ
１３  冷却水温度センサ
２０  演算処理部
【図１】
0004665835.tif 000002
【図２】
0004665835.tif 000003
【図３】
0004665835.tif 000004
【図４】
0004665835.tif 000005