(57)【要約】【課題】  遅くとも排気弁閉弁時において筒内残留排気ガス量の推定を可能とする筒内残留排気ガス量推定装置を提供する。【解決手段】  バルブオーバーラップ期間中において機関吸気系３へ逆流する排気ガス量を算出する逆流排気ガス量算出手段と、排気弁９の閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量を算出する残留排気ガス量算出手段とを具備し、逆流排気ガス量算出手段により算出された機関吸気系へ逆流した排気ガス量と、残留排気ガス量算出手段により算出された排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量との和を筒内残留排気ガス量とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブオーバーラップ期間中において機関吸気系へ逆流する排気ガス量を算出する逆流排気ガス量算出手段と、排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量を算出する残留排気ガス量算出手段とを具備し、前記逆流排気ガス量算出手段により算出された機関吸気系へ逆流した排気ガス量と、前記残留排気ガス量算出手段により算出された排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量との和を筒内残留排気ガス量とすることを特徴とする筒内残留排気ガス量推定装置。
【請求項２】
前記逆流排気ガス量算出手段は、吸気弁開口部を絞り部とした絞りの式を使用し、前記絞り部の下流側の圧力を吸気管圧力とし、前記絞り部の上流側の圧力を排気ガス圧力として、機関吸気系へ逆流した排気ガス量を算出し、前記残留排気ガス量算出手段は、状態方程式を使用し、排気弁閉弁時の気筒内容積が排気ガスにより満たされているとして排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量を算出することを特徴とする請求項１に記載の筒内残留排気ガス量推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の筒内残留排気ガス量推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気筒内の既燃ガスは、排気行程においてその全てが排出されることはなく、その一部は気筒内に残留する。この残留排気ガスは、燃焼を不安定化させる要因となるために、筒内残留排気ガス量を正確に推定し、それに基づき空燃比及び点火時期等を最適に制御して燃焼を安定化させることが必要である。
【０００３】
吸気行程終了時、すなわち、吸気弁閉弁時における気筒内圧力は、状態方程式を使用し、筒内残留排気ガス量及び吸気行程中に気筒内へ供給された吸入空気量と吸気弁閉弁時の気筒内温度とに基づき定まる。これを利用して筒内残留排気ガス量を推定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
具体的には、スロットル弁上流側にエアフローメータを配置すると共に、スロットル弁下流側の吸気管には圧力センサを配置し、圧力センサにより実測された吸気弁閉弁時の吸気管圧力を気筒内圧力とし、吸気弁閉弁時の気筒内温度は気筒内圧力から推定し、また、吸入空気量は、エアフローメータにより実測された新気量から吸気管の圧力を高めるのに使用された分を減算することにより推定し、これらに基づき筒内残留排気ガス量を算出するようになっている。吸気管の圧力を高めるのに使用された新気量は、圧力センサにより実測された吸気行程前後の吸気管圧力の変化により推定している。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２５３７３４号公報
【特許文献２】特開２００１−４１０９５号公報
【０００６】
このような筒内残留排気ガス量の推定では、圧力センサにより実測される吸気弁閉弁時の吸気管圧力が必要であり、すなわち、吸気弁閉弁時とならなければ、筒内残留排気ガス量を推定することができない。そのために、推定された筒内残留排気ガス量に基づき空燃比を変更させることが必要となっても、吸気行程は終了しているために、一般的には燃料噴射も終了しており、実際的な空燃比の変更は非常に困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、遅くとも排気弁閉弁時において筒内残留排気ガス量の推定を可能とする筒内残留排気ガス量推定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による請求項１に記載の筒内残留排気ガス量推定装置は、バルブオーバーラップ期間において機関吸気系へ逆流する排気ガス量を算出する逆流排気ガス量算出手段と、排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量を算出する残留排気ガス量算出手段とを具備し、前記逆流排気ガス量算出手段により算出された機関吸気系へ逆流した排気ガス量と、前記残留排気ガス量算出手段により算出された排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量との和を筒内残留排気ガス量とすることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の筒内残留排気ガス量推定装置は、請求項１に記載の筒内残留排気ガス量推定装置において、前記逆流排気ガス量算出手段は、吸気弁開口部を絞り部とした絞りの式を使用し、前記絞り部の下流側の圧力を吸気管圧力とし、前記絞り部の上流側の圧力を排気ガス圧力として、機関吸気系へ逆流した排気ガス量を算出し、前記残留排気ガス量算出手段は、状態方程式を使用し、排気弁閉弁時の気筒内容積が排気ガスにより満たされているとして排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の筒内残留排気ガス量推定装置によれば、逆流排気ガス算出手段及び残留排気ガス算出手段は、それぞれ、遅くとも排気弁閉弁時において、機関吸気系へ逆流した排気ガス量と、排気弁閉弁時に気筒内に残留する排気ガス量とを算出することができ、これらの和が筒内残留排気ガス量とされるために、この筒内残留排気ガス量に基づき空燃比を変更する際には、吸気行程は終了しておらず、燃料噴射量の調整が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明による筒内残留排気ガス量推定装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気枝管であり、４はサージタンク２の上流側の吸気通路である。各吸気枝管３には燃料噴射弁５が配置され、吸気通路４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁６が配置されている。機関本体１において、８は吸気弁であり、９は排気弁であり、１０はピストンである。また、７は機関排気系である。
【００１２】
排気行程において、気筒内の既燃ガスは排気弁９を介して機関排気系７へ排出されるが、その全てが排出されることはなく、その一部は気筒内に残留することとなる。この残留排気ガスは、燃焼を不安定化させる要因となるために、筒内残留排気ガス量を正確に推定し、それに基づき空燃比及び点火時期等を最適に制御して燃焼を安定化させることが必要である。
【００１３】
図１に示すように、一般的な内燃機関では、排気行程末期から吸気行程初期の間において、吸気弁８及び排気弁９が共に開弁するバルブオーバーラップが設けられている。このバルブオーバーラップが開始すると、すなわち、開弁している排気弁に加えて、吸気弁が開弁すると、それまで、気筒内の排気ガスは排気弁９を介して機関排気系７へ排出されていたが、機関排気系７の排気圧力は大気圧以上であり、吸気枝管３内の吸気圧力に比較して高圧であるために、機関排気系７内の排気ガスが、気筒内を介して吸気枝管３へ逆流する。この逆流は、図２に示すバルブオーバーラップの終了時、すなわち、排気弁９の閉弁時まで起こる。
【００１４】
その後は、吸気弁８を介して、吸気枝管３へ逆流した排気ガスが気筒内へ吸入されると共に、スロットル弁６を通過した新気が吸入空気量として気筒内へ吸入され、吸気弁８の閉弁により吸気行程が終了する。
【００１５】
本筒内残留排気ガス量推定装置は、この事実に基づき筒内残留排気ガス量を推定するようになっている。すなわち、バルブオーバーラップ期間中の逆流排気ガス量Ｇｅ１と、排気弁９の閉弁時（バルブオーバーラップ終了時）に気筒内を満たす残留排気ガス量Ｇｅ２との和（Ｇｅ１＋Ｇｅ２）を筒内残留排気ガス量Ｇｅとしている。
【００１６】
先ず、逆流排気ガス量Ｇｅ１について説明する。この逆流排気ガス量Ｇｅ１は、吸気弁開口部を絞り部として、この絞り部を通過する排気ガス流量をバルブオーバーラップ期間に渡り時間積分することにより算出する。吸気弁開口部を通過する排気ガス流量Ｑｅは、エネルギ保存則、運動量保存則、及び、状態方程式に基づき、次式（１）に示す絞りの式を使用して表すことができる。
【数１】
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【００１７】
ここで、Ａは吸気弁開口面積（ｍ2）であり、μは吸気弁開口面積に対する流量係数である。Ｒは気体定数であり、Ｔｅは気筒内の排気ガス温度（Ｋ）であり、Ｐｅは気筒内の排気ガス圧力（ｋＰａ）であり、Ｐｍはスロットル弁下流側の吸気管圧力（ｋＰａ）である。また、関数Φ（Ｐｍ／Ｐｅ）は、比熱比κを使用して次式（２）によって表されるものであり、図４にはＰｍ／Ｐｅに対するマップが図示されている。
【数２】
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【００１８】
この吸気弁８を通過する排気ガス流量Ｑｅをバルブオーバーラップ期間に渡り時間積分することとなるが、計算を簡単にするために、バルブオーバーラップ期間において変化するのは、吸気弁開口面積Ａだけとし、流量係数μ、排気ガス温度Ｔｅ、排気ガス圧力Ｐｅ、及び吸気管圧力Ｐｍは、バルブオーバーラップ開始時の値から変化しないとしている。
【００１９】
図３はクランク角度と吸気弁開口面積との関係を示すグラフである。ＩＶＯは吸気弁８の開弁時期、すなわち、バルブオーバーラップ開始時期を示し、ＩＶＣは吸気弁８の閉弁時期を示している。また、ＥＶＣは排気弁９の閉弁時期、すなわち、バルブオーバーラップ終了時期を示している。このグラフにおけるＩＶＯからＥＶＣまでの斜線で示す面積をＡｏｌとすれば、吸気弁８を逆流する排気ガス流量Ｑｅの時間積分値である逆流排気ガス量Ｇｅ１は、次式（３）によって表すことができる。
【数３】
2005083342.tif 000005
【００２０】
次いで、排気弁９の閉弁時の残留排気ガス量Ｇｅ２について説明する。この残留排気ガス量Ｇｅ２は、排気弁９の開弁中は気筒内へ吸気は供給されず、排気弁９の閉弁時までは気筒内は排気ガスにより満たされているとして、状態方程式により次式（４）によって表すことができる。
【数４】
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【００２１】
ここで、ＶＥＶＣ（ｍ3）は、排気弁９の閉弁時におけるピストン１０の位置により定まる気筒内容積である。こうして、筒内残留排気ガス量Ｇｅ（Ｇｅ１＋Ｇｅ２）は、次式（５）によって表すことができる。
【数５】
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【００２２】
これらに基づき、本筒内残留排気ガス量推定装置は、図５に示すフローチャートに従って筒内残留排気ガス量を推定する。本フローチャートは、各気筒の排気行程末期における吸気弁開弁時毎に、対応する気筒の筒内残留排気ガス量を算出するようになっている。先ず、ステップ１０１において、現在の機関回転数Ｎｅと、現在の機関運転状態に基づき設定された吸気弁８の開弁クランク角度ＩＶＯ及び排気弁９の閉弁クランク角度ＥＶＣとが読み込まれる。ここで、内燃機関１が可変バルブタイミング機構を有していなければ、吸気弁８の開弁クランク角度ＩＶＯ及び排気弁９の閉弁クランク角度ＥＶＣとは機関運転状態に係らずに一定となる。
【００２３】
次いで、ステップ１０２において、今回のバルブオーバーラップ期間における吸気弁開口面積の時間積分値Ａｏｌが算出される。この時間積分値Ａｏｌは、前述したように図３のグラフにおける斜線部の面積であり、排気弁閉弁クランク角度ＥＶＣと吸気弁開弁クランク角度ＩＶＯとのクランク角度差と、バルブオーバーラップ時間ｄｔとの関数ｆとして次式（６）のように、予め設定することができる。
Ａｏｌ＝ｆ（ＥＶＣ−ＩＶＯ）・ｄｔ                                …（６）
ここで、バルブオーバーラップ時間ｄｔは１／（６Ｎｅ）により算出することができる。関数ｆは、可変バルブタイミング機構によってクランク角度に対する吸気弁開口面積のグラフ自身が変化する場合、すなわち、吸気弁の最大リフト量が可変とされる場合又は吸気弁の開弁期間が可変とされる場合等には、グラフ毎に設定しなければならない。また、厳密には、流量係数μは、吸気弁８の開口面積及び開口形状によって変化する値であるために、吸気弁８の各開口面積に対して適合値を設定し、これを関数ｆに取り込んで置くことが好ましい。
【００２４】
次いで、ステップ１０３においては、前回の燃焼に際しての吸入空気量Ｇａ’と現在の吸気管圧力Ｐｍとが取り込まれ、この吸入空気量Ｇａ’に基づき予め定めた関数を使用して現在の気筒内における排気ガス圧力Ｐｅを算出し、また、この吸入空気量Ｇａ’と、現在の機関回転数Ｎｅと、前回の燃焼に際しての空燃比Ａ／Ｆ’とに基づき予め定めた関数を使用して現在の気筒内における排気ガス温度Ｔｅを算出する。吸入空気量は燃料噴射量を決定するために必要であり、内燃機関１がエアフローメータにより吸入空気量を測定していれば、前回の吸入空気量Ｇａ’は前回のエアフローメータの測定値となる。また、現在の吸気管圧力Ｐｍはサージタンク２等に圧力センサを配置して測定すれば良い。
【００２５】
また、スロットル弁開度に基づきスロットル弁通過空気量を、スロットル弁通過空気量に基づき吸気管圧力を、吸気管圧力に基づき吸入空気量を、それぞれ逐次計算する場合には、前回の吸入空気量Ｇａ’及び現在の吸気管圧力Ｐｍは、この計算値を使用しても良い。
【００２６】
次いで、ステップ１０４においては、マップ等を使用して排気弁９の閉弁時における気筒内容積ＶＥＶＣを算出する。こうして、式（５）における変数は全て定まり、ステップ１０５において、式（５）により、現在、吸気弁開弁時期となっている気筒の筒内残留排気ガス量Ｇｅを算出する。それにより、吸気弁開弁時期、すなわち、排気行程末期に筒内残留排気ガス量Ｇｅを推定することができ、例えば、筒内残留排気ガス量が多くてそのままでは燃焼が不安定となるために空燃比をリッチ側に変更することが必要となれば、本実施形態のように燃料噴射弁５が気筒外へ設けられていても、その後の吸気行程において噴射燃料の増量が可能である。また、逆に空燃比をリーン側に変更することが好ましい場合には、吸気同期噴射であれば噴射燃料の減量も可能である。
【００２７】
本実施形態において、吸気弁開弁時に筒内残留排気ガス量を算出するようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、吸気弁開弁時以前にも筒内残留排気ガス量の算出は可能である。しかしながら、この場合において、現在の吸気管圧力Ｐｍ及び機関回転数Ｎｅが吸気弁開弁時の値と異なる場合には、その分は、算出される筒内残留排気ガス量が不正確となる。また、排気弁閉弁時において、筒内残留排気ガス量を算出するようにしても良い。この場合には、吸気管圧力Ｐｍ及び機関回転数Ｎｅは、それぞれ、吸気弁開弁時の値と排気弁閉弁時の値との平均値とすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による筒内残留排気ガス量推定装置が取り付けられる内燃機関の概略図であり、バルブオーバーラップ中を示している。
【図２】図１の内燃機関の排気弁閉弁時を示している。
【図３】クランク角度と吸気弁開口面積との関係を示すグラフである。
【図４】吸気管圧力Ｐｍと排気ガス圧力Ｐｅとの比と、関数Φとの関係を示すマップである。
【図５】筒内残留排気ガス量を算出するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００２９】
１…機関本体
２…サージタンク
３…吸気枝管
４…吸気通路
６…スロットル弁
７…機関排気系
８…吸気弁
９…排気弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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