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発明の名称 内燃機関の筒内流入排気ガス量算出装置、および、吸気通路内流入排気ガス量算出装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−64230(P2007−64230A)
公開日 平成19年3月15日(2007.3.15)
出願番号 特願2006−306668(P2006−306668)
出願日 平成18年11月13日(2006.11.13)
代理人 【識別番号】100077517
【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬
発明者 小林 大介 / 武藤 晴文 / 江原 雅人 / 加古 純一
要約 課題
内燃機関の気筒内に流入する排気ガスの量を正確に算出する。

解決手段
吸気通路13と排気通路19とを排気ガス再循環通路21を介して接続すると共に排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁22を排気ガス再循環通路内に配置した。内燃機関の気筒5内に流入する排気ガスの量である筒内流入排気ガス量を、排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を利用して算出する。排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが気筒に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、通過排気ガス量の変化に対する筒内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを考慮して、筒内流入排気ガス量を算出する。この追従遅れは一次遅れであり、一次遅れの時定数と無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる。
特許請求の範囲
【請求項1】
吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に前記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、該内燃機関の気筒内に流入する排気ガスの量である筒内流入排気ガス量を、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を利用して算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが気筒に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する筒内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを考慮して、筒内流入排気ガス量を算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、
上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる筒内流入排気ガス量算出装置。
【請求項2】
吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に前記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を、該通過排気ガス量を変化させるパラメータを利用して算出し、該算出された通過排気ガス量を利用して、内燃機関の気筒内に流入する排気ガスの量である筒内流入排気ガス量を算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、前記パラメータの値を読み込み、該読込値に、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが気筒に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する筒内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを反映させ、該無駄時間と追従遅れが反映された読込値を利用して通過排気ガス量を算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、
上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる筒内流入排気ガス量算出装置。
【請求項3】
内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記算出された筒内流入排気ガス量に対する各気筒における実際の筒内流入排気ガス量の比を分配係数として予め求めておき、上記算出された筒内流入排気ガス量に該分配係数を乗ずることによって各気筒における筒内流入排気ガス量を算出する請求項1または2に記載の筒内流入排気ガス量算出装置。
【請求項4】
内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記追従遅れと無駄時間とが各気筒毎に設定されている請求項1〜3のいずれか1つに記載の筒内流入排気ガス量算出装置。
【請求項5】
内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて制御されて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記追従遅れの設定値および無駄時間の設定値が変更される請求項1〜4のいずれか1つに記載の筒内流入排気ガス量算出装置。
【請求項6】
上記通過排気ガス量を吸気通路内の圧力と該吸気通路内の圧力以外のパラメータとの関数でもって表された関数式を予め求めて記憶しておき、該関数式を利用して吸気通路内の圧力から通過排気ガス量を算出する請求項1に記載の内燃機関の筒内流入排気ガス量算出装置において、内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記吸気通路内の圧力以外のパラメータを変更する筒内流入排気ガス量算出装置。
【請求項7】
吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に上記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、吸気通路内に流入する排気ガスの量である吸気通路内流入排気ガス量を、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を利用して算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが吸気通路に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する吸気通路内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを考慮して、吸気通路内流入排気ガス量を算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、
上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる吸気通路内流入排気ガス量算出装置。
【請求項8】
吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に上記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を、該通過排気ガス量を変化させるパラメータを利用して算出し、該算出された通過排気ガス量を利用して、吸気通路内に流入する排気ガスの量である吸気通路内流入排気ガス量を算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、前記パラメータの値を読み込み、該読込値に、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが吸気通路に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する吸気通路内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを反映させ、該無駄時間と追従遅れが反映された読込値を利用して通過排気ガス量を算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、
上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる吸気通路内流入排気ガス量算出装置。
【請求項9】
内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記排気ガス再循環通路が各気筒にそれぞれ接続された吸気通路に接続されており、上記算出された吸気通路内流入排気ガス量に対する各気筒に接続された吸気通路への実際の吸気通路内流入排気ガス量の比を分配係数として予め求めておき、上記算出された吸気通路内流入排気ガス量に該分配係数を乗ずることによって各気筒に接続された吸気通路内への吸気通路内流入排気ガス量を算出する請求項7または8に記載の吸気通路内流入排気ガス量算出装置。
【請求項10】
内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記追従遅れと無駄時間とが各気筒毎に設定されている請求項7〜9のいずれか1つに記載の吸気通路内流入排気ガス量算出装置。
【請求項11】
内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて制御されて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記追従遅れの設定値および無駄時間の設定値が変更される請求項7〜10のいずれか1つに記載の吸気通路内流入排気ガス量算出装置。
【請求項12】
上記通過排気ガス量を吸気通路内の圧力と該吸気通路内の圧力以外のパラメータとの関数でもって表された関数式を予め求めて記憶しておき、該関数式を利用して吸気通路内の圧力から通過排気ガス量を算出する請求項7に記載の吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて制御されて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記吸気通路内の圧力以外のパラメータを変更する吸気通路内流入排気ガス量算出装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、内燃機関の筒内流入排気ガス量算出装置、および、吸気通路内流入排気ガス量算出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
内燃機関の排気通路と吸気通路とを排気還流通路を介して接続すると共に、排気還流通路内を流れる排気ガスの流量を制御するための排気ガス流量制御弁を排気還流通路内に配置した内燃機関が、特許文献1に開示されている。この内燃機関では、気筒から排気通路に排出された排気ガスをこの排気還流通路を介して吸気通路に導入し、これにより、排気ガスを気筒内に再循環させることができる。
このように気筒内に排気ガスを再循環させる内燃機関では、例えば、空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を決定するために、気筒内に充填されているガス量に対して排気ガスが占める割合(いわゆる、EGR率)を算出している。
【0003】
特許文献1では、定常運転時におけるEGR率をマップの形で予め求めておき、定常運転時においては、このマップからEGR率を求めるようにしている。また、特許文献1では、定常運転時におけるEGR率のマップから求まるEGR率を利用して、過渡運転時におけるEGR率を推定している。
具体的には、排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量を通過ガス量と称すると、排気ガス流量制御弁の目標の開度に関連して求まる通過ガス量に対する排気ガス流量制御弁の実際の開度に関連して求まる通過ガス量の比を、定常運転時におけるEGR率に乗じることによって、過渡運転時におけるEGR率を求めるようにしている。
【0004】
すなわち、排気ガス流量制御弁の目標の開度に関連して求まる通過ガス量をQtで表し、排気ガス流量制御弁の実際の開度に関連して求まる通過ガス量をQaで表し、定常運転時におけるEGR率をRcで表すとすると、特許文献1では、過渡運転時におけるEGR率Rを、R=Rc・Qa/Qtから求めるようにしている。
また、特許文献1では、排気ガス流量制御弁の開度を変更する命令が発せられてから、実際に、排気ガス流量制御弁の開度が目標の開度になるまでには、幾分かの遅れがあることに注目し、過渡運転時におけるEGR率として、この遅れ分だけ前に算出された過渡運転時におけるEGR率を利用するようにしている。
【0005】
【特許文献1】特開平8−128359号公報
【特許文献2】特開2002−130039号公報
【特許文献3】特開2001−41095号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1では、排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量を利用して、定常運転時におけるEGR率に基づいて、過渡運転時におけるEGR率を推定するものであって、気筒内に充填される排気ガスの量自体を直接求めるものではない。このため、過渡運転時におけるEGR率から気筒内に充填される排気ガスの量を推定した場合、その推定値の精度はあまり高くないと言える。
さらに、排気ガス流量制御弁の応答性にバラツキがある場合もあり、この場合には、排気ガス流量制御弁を通過するガス量自体の算出精度が低くなってしまう。
本発明の目的は、内燃機関の気筒内に流入する排気ガスの量を正確に算出することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、1番目の発明では、吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に前記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、該内燃機関の気筒内に流入する排気ガスの量である筒内流入排気ガス量を、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を利用して算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが気筒に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する筒内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを考慮して、筒内流入排気ガス量を算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる。
上記課題を解決するために、2番目の発明では、吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に前記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を、該通過排気ガス量を変化させるパラメータを利用して算出し、該算出された通過排気ガス量を利用して、内燃機関の気筒内に流入する排気ガスの量である筒内流入排気ガス量を算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、前記パラメータの値を読み込み、該読込値に、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが気筒に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する筒内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを反映させ、該無駄時間と追従遅れが反映された読込値を利用して通過排気ガス量を算出する筒内流入排気ガス量算出装置において、上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる。
3番目の発明では、1または2番目の発明において、内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記算出された筒内流入排気ガス量に対する各気筒における実際の筒内流入排気ガス量の比を分配係数として予め求めておき、上記算出された筒内流入排気ガス量に該分配係数を乗ずることによって各気筒における筒内流入排気ガス量を算出する。
4番目の発明では、1〜3番目の発明のいずれか1つにおいて、内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記追従遅れと無駄時間とが各気筒毎に設定されている。
5番目の発明では、1〜4番目の発明のいずれか1つにおいて、内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて制御されて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記追従遅れの設定値および無駄時間の設定値が変更される。
6番目の発明では、上記通過排気ガス量を吸気通路内の圧力と該吸気通路内の圧力以外のパラメータとの関数でもって表された関数式を予め求めて記憶しておき、該関数式を利用して吸気通路内の圧力から通過排気ガス量を算出する1番目の発明において、内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記吸気通路内の圧力以外のパラメータを変更する。
【0008】
上記課題を解決するために、7番目の発明では、吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に上記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、吸気通路内に流入する排気ガスの量である吸気通路内流入排気ガス量を、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を利用して算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが吸気通路に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する吸気通路内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを考慮して、吸気通路内流入排気ガス量を算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる。
上記課題を解決するために、8番目の発明では、吸気通路と排気通路とを排気ガス再循環通路を介して接続すると共に上記排気ガス再循環通路内を流れる排気ガスの流量を制御する排気ガス流量制御弁を排気ガス再循環通路内に配置した内燃機関において、前記排気ガス流量制御弁を通過する排気ガスの量である通過排気ガス量を、該通過排気ガス量を変化させるパラメータを利用して算出し、該算出された通過排気ガス量を利用して、吸気通路内に流入する排気ガスの量である吸気通路内流入排気ガス量を算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、前記パラメータの値を読み込み、該読込値に、前記排気ガス流量制御弁を通過した排気ガスが吸気通路に到達するのにかかる時間に相当する無駄時間と、前記通過排気ガス量の変化に対する吸気通路内流入排気ガス量の変化の追従遅れとを反映させ、該無駄時間と追従遅れが反映された読込値を利用して通過排気ガス量を算出する吸気通路内流入排気ガス量算出装置において、上記追従遅れが一次遅れであり、該一次遅れの時定数と上記無駄時間とが機関回転数に応じて変更され、該無駄時間は機関回転数が高くなるほど小さくせしめられる。
9番目の発明では、7または8番目の発明において、内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記排気ガス再循環通路が各気筒にそれぞれ接続された吸気通路に接続されており、上記算出された吸気通路内流入排気ガス量に対する各気筒に接続された吸気通路への実際の吸気通路内流入排気ガス量の比を分配係数として予め求めておき、上記算出された吸気通路内流入排気ガス量に該分配係数を乗ずることによって各気筒に接続された吸気通路内への吸気通路内流入排気ガス量を算出する。
10番目の発明では、7〜9番目の発明のいずれか1つにおいて、内燃機関が複数個の気筒を備えており、上記追従遅れと無駄時間とが各気筒毎に設定されている。
11番目の発明では、7〜10番目の発明のいずれか1つにおいて、内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて制御されて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記追従遅れの設定値および無駄時間の設定値が変更される。
12番目の発明では、上記通過排気ガス量を吸気通路内の圧力と該吸気通路内の圧力以外のパラメータとの関数でもって表された関数式を予め求めて記憶しておき、該関数式を利用して吸気通路内の圧力から通過排気ガス量を算出する7番目の発明において、内燃機関が機関運転状態に応じて制御されて上記排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積を変更せしめる手段、または、機関運転状態に応じて制御されて吸気通路の流路断面積を変更することによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガスの流速を変更せしめる手段を具備し、前記通路容積またはガスの流速に応じて上記吸気通路内の圧力以外のパラメータを変更する。
【発明の効果】
【0009】
1および2番目の発明によれば、無駄時間と追従遅れとが考慮された形で、筒内流入排気ガス量が直接算出されるので、この筒内流入排気ガス量の算出精度は高い。また、無駄時間と時定数とは機関回転数に依存するので、筒内流入排気ガス量の算出精度がより高い。
3番目の発明によれば、気筒毎の筒内流入排気ガス量にバラツキがある場合においても、各気筒に関して筒内流入排気ガス量の算出精度が高い。
4番目の発明によれば、気筒毎の無駄時間および追従遅れにバラツキがある場合においても、各気筒に関して筒内流入排気ガス量の算出精度が高い。
排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積が変わったり、吸気通路の流路断面積が変更せしめられることによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガス流速が変わったりすると、無駄時間および追従遅れも変わるが、5番目の発明によれば、こうした要素が考慮されることから、筒内流入排気ガス量の算出精度が高い。
6番目の発明によれば、通過排気ガス流量を吸気通路内の圧力と該吸気通路内の圧力以外のパラメータとの関数でもって表された関係式を利用して通過排気ガス量を算出する場合において、排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積、または、吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガス流速に応じて、吸気通路内の圧力以外のパラメータを変更するので、上記関係式から算出される通過排気ガス量の算出精度が高い。
【0010】
7および8番目の発明によれば、無駄時間と追従遅れとが考慮された形で、吸気通路内流入排気ガス量が直接算出されるので、この吸気通路内流入排気ガス量の算出精度は高いと言える。また、無駄時間と時定数とは機関回転数に依存するので、吸気通路内流入排気ガス量の算出精度がより高い。
9番目の発明によれば、気筒毎の吸気通路内流入排気ガス量にバラツキがある場合においても、各気筒に関して吸気通路内流入排気ガス量の算出精度が高い。
10番目の発明によれば、気筒毎の無駄時間および追従遅れにバラツキがある場合においても、各気筒に関して吸気通路内流入排気ガス量の算出精度が高い。
排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積が変わったり、吸気通路の流路断面積が変更せしめられることによって吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガス流速が変わったりすると、無駄時間および追従遅れも変わるが、11番目の発明によれば、こうした要素が考慮されることから、吸気通路内流入排気ガス量の算出精度が高い。
12番目の発明によれば、通過排気ガス流量を吸気通路内の圧力と該吸気通路内の圧力以外のパラメータとの関数でもって表された関係式を利用して通過排気ガス量を算出する場合において、排気ガス流量制御弁から吸気弁までの通路容積、または、吸気通路へ開口する排気ガス再循環通路の開口近傍のガス流速に応じて、吸気通路内の圧力以外のパラメータを変更するので、上記関係式から算出される通過排気ガス量の算出精度が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明が適用される内燃機関の全体図である。以下で説明では、筒内噴射型火花点火式内燃機関を例にとって説明するが、本発明は別の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関に適用可能である。
図1において、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はピストン、4はシリンダヘッド、5は気筒(燃焼室)、6は吸気弁、7は吸気ポート、8は排気弁、9は排気ポート、10は点火プラグ、11は燃料噴射弁、12はキャビティをそれぞれ示している。
【0012】
吸気ポート7は各気筒5毎に吸気枝管13を介してサージタンク14に連結される。サージタンク14は上流側吸気管15を介してエアクリーナ16に連結される。上流側吸気管15内には、ステップモータ17によって駆動されるスロットル弁18が配置される。
一方、排気ポート9は排気管19に連結される。排気管19は排気浄化装置20に連結される。
【0013】
排気管19は、排気ガス再循環通路(以下、EGR通路と称す)を介して吸気枝管13に接続される。また、EGR通路21内には、EGR通路21内を流れる排気ガスの流量を制御するEGR制御弁22が配置される。内燃機関の気筒5から排出された排気ガスは、このEGR通路21を介して、再び、気筒内に導入される。本明細書では、このEGR通路21を介して気筒内に再循環される排気ガスをEGRガスとも称する。
【0014】
電子制御ユニット(ECU)31はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス32を介して相互に接続されたRAM(ランダムアクセスメモリ)33、ROM(リードオンリメモリ)34、CPU(マイクロプロセッサ)35、入力ポート36および出力ポート37を具備する。
吸気枝管13には、当該吸気枝管13内の圧力(以下、吸気管圧力と称す)を検出するための吸気管圧力センサ40が取り付けられる。吸気管圧力センサ40は、吸気管圧力に比例した出力電圧を発生し、この出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
【0015】
また、内燃機関は、スロットル弁18の開度を検出するためのスロットル開度センサ43と、内燃機関周囲の大気の圧力、または、上流側吸気管15に吸入される空気の圧力(吸気圧)を検出するための大気圧センサ44と、内燃機関周囲の大気の温度、または、上流側吸気管15に吸入される空気の温度(吸気温)を検出するための大気温センサ45とを具備する。これらセンサ44,45は、それぞれ、大気圧および大気温度に比例した出力電圧を発生し、これら出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
【0016】
また、アクセルペダル46には、アクセルペダル46の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ47が接続される。負荷センサ47の出力電圧は、対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。
また、内燃機関はクランク角センサ48を具備する。クランク角センサ48は、例えば、クランクシャフトが30度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート36に入力される。CPU35は、クランク角センサ45の出力パルスから機関回転数を算出する。
【0017】
一方、出力ポート37は対応する駆動回路39を介して点火プラグ10、燃料噴射弁11、ステップモータ17、および、EGR制御弁22に接続される。なお、EGR制御弁22の開度は、出力ポート37からEGR制御弁22へ送られたステップ信号に基づいてECU31において算出される。
【0018】
ところで、燃料噴射弁10から気筒5内に噴射すべき燃料の量(以下、単に、燃料噴射量と称す)は、気筒5内に充填された空気の量に基づいて、気筒5内の混合ガスの空燃比が目標空燃比となるように決定される。したがって、気筒5内の混合ガスの空燃比を正確に目標空燃比とするためには、気筒5内に充填された空気の量(以下、筒内充填空気量と称す)を正確に把握する必要がある。
ここで、筒内充填空気量を推定する方法としては、スロットル弁18を通過する空気の質量流量を検出するエアフローメータやその他のセンサを内燃機関に取り付けると共に、これらセンサの出力値を変数とする筒内充填空気量算出用のマップを予め用意しておき、センサの出力値とマップとから筒内充填空気量を推定する方法がある。
【0019】
ところが、マップを利用して筒内充填空気量を推定する場合、筒内充填空気量を正確に推定するためには、マップの数やその引数を多くしなければならない。しかしながら、マップの数を多くすると、これらマップを記憶しておくROM34の記憶容量を大きくしなければならず、内燃機関のコストが高くなってしまう。
さらに、マップを利用して筒内充填空気量を推定する場合、内燃機関の機種ごと、あるいは、同機種の内燃機関であっても個々の内燃機関ごとに、マップを作成しなければならないので、マップの作成労力が大きくなる。
一方、筒内充填空気量をより正確に推定しようとして、マップの引数を多くすると、マップの作成労力が大幅に大きくなってしまう。
【0020】
そこで、マップの代わりに、モデルから導き出される式を利用した数値計算によって、筒内充填空気量を算出する方法が検討され、こうした方法が本願出願人によって既に出願されている(特願2001−316350号)。
この本願出願人によって既に出願されている方法は、気筒内に排気ガスが再循環されない内燃機関に適用される方法であるので、本実施形態のEGR装置付きの内燃機関にそのまま適用することはできないが、本実施形態に適用可能な後述する方法を理解する上で参考になると思われるので、まず、この本願出願人によって既に出願されている方法について説明する。
【0021】
本願出願人によって既に出願されている方法は、図2に示したモデル(以下、筒内流入ガス量モデルと称す)から導き出される。
図2に示した筒内流入ガス量モデルM20は、スロットルモデルM21と、吸気管モデルM22と、吸気弁モデルM23とからなる。
【0022】
スロットルモデルM21には、スロットル開度センサ43によって検出されたスロットル弁18の開度(スロットル開度)θtと、大気圧センサ45によって検出された大気圧Paと、大気温センサ44によって検出された大気温度Taと、吸気管モデルM22において算出される吸気枝管13内の圧力(以下、吸気管圧力と称す)Pmとが入力され、当該モデルM21において、これら入力されたパラメータから、単位時間当たりにスロットル弁18を通過する空気の流量(以下、スロットル弁通過空気流量と称す)mtが算出される。
【0023】
また、吸気管モデルM22には、上述したスロットルモデルM21において算出されたスロットル弁通過空気流量mtと、吸気弁モデルM23において算出される単位時間当たりに気筒5内に流入するガスの流量(以下、筒内流入ガス流量と称す)mcと、大気温度Taとが入力され、当該モデルM22において、これら入力されたパラメータから、吸気管圧力Pmと、吸気枝管13内のガスの温度(以下、吸気管温度と称す)Tmとが算出される。
【0024】
また、吸気弁モデルM23には、上述した吸気管モデルM22において算出された吸気管圧力Pmと、吸気管温度Tmと、大気温度Taとが入力され、当該モデルM23において、これら入力されたパラメータから、筒内流入ガス流量mcが算出される。
そして、この方法では、後述するように、筒内流入ガス流量mcを利用して気筒5内に流入したガスの量(以下、筒内充填ガス量と称す)Mcが算出される。
【0025】
図2から分かるように、筒内流入ガス量モデルM20では、各モデルにおいて算出されるパラメータ値が別のモデルに入力されるパラメータ値として利用されるので、筒内流入ガス量モデルM20に実際に入力されるパラメータ値は、スロットル開度θt、大気圧Pa、および、大気温度Taの3つのパラメータのみである。すなわち、この方法によれば、3つのパラメータから筒内充填ガス量Mcが算出されると言える。
【0026】
次に、各モデルM21〜M23について詳細に説明する。
スロットルモデルM21では、大気圧Paと大気温度Taと吸気管圧力Pmとスロットル開度θtとを次式(1)に入力し、この式を解くことによって、スロットル弁通過空気流量mtが算出される。
【数1】


式(1)において、μtはスロットル弁における流量係数であり、スロットル開度θtの関数であって、図3に示したマップから定まる。また、Atはスロットル弁の開口断面積であり、スロットル開度θtの関数であって、図4に示したマップから定まる。なお、これら流量係数μtおよび開口断面積Atをまとめたμt・Atをスロットル開度θtの関数で1つのマップから求めるようにしてもよい。また、Rは気体定数に関する定数であり、いわゆる気体定数R*を1モル当たりの空気の質量Maで除算した値である(R=R*/Ma)。
【0027】
また、Φ(Pm/Pa)は、次式(2)に示したように、Pm/Paを変数とする関数である。
【数2】


式(2)において、κは比熱比であり、この方法では、一定値としている。
【0028】
なお、関数Φ(Pm/Pa)とPm/Paとの間には、図5に示したような関係がある。そこで、式(2)の代わりに、Pm/Paを変数とする関数Φ(Pm/Pa)算出用のマップをROM34に予め記憶しておき、Pm/Paとこのマップとから関数Φ(Pm/Pa)の値を算出するようにしてもよい。
【0029】
なお、これら式(1)および(2)は、スロットル弁18上流の空気の圧力を大気圧Paとし、スロットル弁18上流の空気の温度を大気温度Taとし、スロットル弁18を通過した空気の圧力を吸気管圧力Pmとして、スロットル弁18に関し、図6に示したようなモデルを基礎として、スロットル弁18上流の空気とスロットル弁18を通過した空気との間において質量保存則、エネルギ保存則、および、運動量保存則上成立する関係式、ならびに、気体の状態方程式、比熱比の定義式(κ=Cp/Cv)、および、マイヤーの関係式(Cp=Cv+R*)を利用して導き出される。ここで、Cpは定圧比熱であり、Cvは定量比熱であり、R*はいわゆる気体定数である。
【0030】
次に、吸気管モデルM22について説明する。吸気管モデルM22では、スロットル弁通過空気流量mtと筒内流入ガス流量mcと大気温度Taとを次式(3)および(4)に入力し、これら式を解くことによって、吸気管圧力Pmおよび吸気管温度Tmが算出される。
【数3】


式(3)および(4)において、Vはスロットル弁18から吸気弁6までの吸気管15、サージタンク14、吸気枝管13、および、吸気ポート7(以下、これらまとめて、吸気管部分と称す)のトータルの容積であり、通常、一定値である。
【0031】
なお、これら式(3)および(4)は、吸気管部分に関し、図7に示したようなモデルを基礎にして、吸気管部分に流入する空気と吸気管部分から流出して気筒内に流入する空気との間において質量保存則、および、エネルギ保存則上成立する関係式から導き出される。
【0032】
詳細には、吸気管部分内のトータルの空気量をMとすると、このトータルの空気量Mの時間的変化は、吸気管部分に流入する空気の流量(すなわち、スロットル弁通過空気流量)mtと吸気管部分から流出して気筒内に流入する空気の流量(すなわち、筒内流入ガス流量)mcとの差に等しいことから、質量保存則上、次式(5)が成立する。
【数4】


そして、この式(5)と、気体の状態方程式(Pm・V=M・R*・Tm)とから、上記式(3)が導き出される。
【0033】
また、吸気管部分内の空気のエネルギ量M・Cv・Tmの時間的変化量は、吸気管部分に流入する空気のエネルギ量と吸気管部分から流出して気筒内に流入する空気のエネルギ量との差に等しいことから、吸気管部分に流入する空気の温度を大気温度Taとし、吸気管部分から流出して気筒内に流入する空気の温度を吸気管温度Tmとすると、エネルギ保存則上、次式(6)が成立する。
【数5】


そして、この式(6)と、上述した気体の状態方程式とから、上記式(4)が導き出される。
【0034】
次に、吸気弁モデルM23について説明する。吸気弁モデルM23では、吸気管圧力Pmと吸気管温度Tmと大気温度Taとを次式(7)に入力し、この式を解くことによって、筒内流入ガス流量mcが算出される。
【数6】


式(7)において、aおよびbは、機関回転数NEを変数として求まる値である。また、内燃機関において、吸気弁6の開弁タイミングまたは閉弁タイミングに相当するバルブタイミング、および、開弁時間に相当する作用角の少なくとも一方が変更可能となっている場合には、式(7)において、aおよびbは、機関回転数NEとバルブタイミングまたは位相角またはこれら両方とを変数として求まる値である。
別の云い方をすれば、式(7)において、aは比例係数であり、bは排気弁8の閉弁時に気筒5内に残存していたガスの量を表す値である。
【0035】
また、式(7)においては、機関運転状態が変化しているとき、すなわち、過渡運転時には、吸気管温度Tmが大きく変化することがあるので、この吸気管温度Tmの変化を補償するための補正係数として、理論および経験則から導かれたTa/Tmが用いられている。
【0036】
なお、式(7)は、吸気弁6に関し、図8に示したようなモデルを基礎にして、筒内流入ガス流量mcを以下で詳細に説明するように吸気管圧力Pmに比例するとみなし、そして、理論および経験則から導き出される。
すなわち、筒内充填ガス量Mcは、吸気弁6の閉弁時に確定し且つ吸気弁6の閉弁時の気筒5内の圧力に比例する。ここで、吸気弁6の閉弁時の気筒5内の圧力は、吸気弁6上流の空気の圧力(すなわち、吸気管圧力)Pmに等しいとみなせるので、筒内充填ガス量Mcは吸気管圧力Pmに比例すると近似できる。
【0037】
一方、筒内充填ガス量Mcは、吸気弁6の開弁期間中において気筒5内に流入する空気の流量(筒内流入ガス流量)mcを、吸気弁6の開弁期間に亘って時間積分することによって求まる。すなわち、筒内充填ガス量Mcと筒内流入ガス流量mcとの間には、筒内流入ガス流量mcの時間積分値が筒内充填ガス量Mcであるという関係がある。
このように、筒内充填ガス量Mcが吸気管圧力Pmに比例し、且つ、筒内充填ガス量Mcと筒内流入ガス流量mcとの間に、筒内流入ガス流量mcの時間積分値が筒内充填ガス量Mcであるという関係があることから、筒内流入ガス流量mcも吸気管圧力Pmに比例するとみなせる。
【0038】
したがって、この方法では、筒内流入ガス流量mcが吸気管圧力Pmに比例するとみなし、理論および経験則とから、式(7)が導き出されるのである。
なお、式(7)によって算出される筒内流入ガス流量mcは、単位時間当たりに吸気管部分から流出する空気の流量の平均値であるので、筒内流入ガス流量mcに、内燃機関の1サイクルにかかる時間を気筒数で割った時間をかけることによって、各気筒5における筒内充填ガス量Mcが算出される。
【0039】
次に、このことについて、4つの気筒を備えた内燃機関を例にとって、図9を参照して説明する。
図9では、横軸がクランク角度であり、縦軸が単位時間当たりに吸気管部分から気筒5に流入する空気の量である。また、図9に示した例では、吸気行程が第1気筒♯1、第3気筒♯3、第4気筒♯4、第2気筒♯2の順で行われる。このように吸気行程が行われると、吸気管部分から各気筒5に流入する空気の流量は、図9において破線で示したように変化し、その結果、吸気管部分から流出する空気の流量は、図9において実線で示したように変化することになる。
【0040】
そして、吸気管部分から流出する空気の流量(図9の実線)の平均値が筒内流入ガス流量mcであり、図9では、破線で示されている。したがって、各気筒5における筒内充填ガス量Mcは、筒内流入ガス流量mc(図9の破線)に、内燃機関の1サイクルにかかる時間(図9に示した例では、クランクシャフトが720°回転するのにかかる時間)を気筒数(図9に示した例では、4つ)で割った時間、すなわち、図9に示した例では、クランクシャフトが180°回転するのにかかる時間をかけることによって算出されるのである。そして、斯くして算出された各気筒5における筒内充填ガス量Mcは、例えば、図9の斜線に一致することになる。
【0041】
次に、上述した筒内流入ガス量モデルM20を内燃機関に実装したときの筒内充填ガス量Mcの算出方法について説明する。
筒内充填ガス量Mcは、筒内流入ガス量モデルM20の各モデルの式(1)〜(4)および(7)から求められるが、これら5つの式は、内燃機関に実装されるときには、ECU31で処理可能なように離散化される。すなわち、時刻をtとし、計算間隔(計算周期)をΔtとすると、これら5つの式は、次式(8)〜(12)に離散化される。
【数7】


【0042】
このように離散化されて内燃機関に実装された筒内流入ガス量モデルM20によれば、スロットルモデルM21において算出される時刻tにおけるスロットル弁通過空気流量mt(t)と、吸気弁モデルM23において算出される時刻tにおける筒内流入ガス流量mc(t)と、時刻tにおける吸気管温度Tm(t)とを吸気管モデルM22の式(10)および(11)に入力し、これら式(10)および(11)を解くことによって、時刻(t+Δt)における吸気管圧力Pm(t+Δt)および吸気管温度Tm(t+Δt)が算出される。
【0043】
そして、吸気管モデルM22において算出された吸気管圧力Pm(t+Δt)と時刻tにおけるスロットル開度θt(t)とをスロットルモデルM21の式(8)および(9)に入力し、これら式を解くことによって、時刻(t+Δt)におけるスロットル弁通過空気流量mt(t+Δt)が算出される。
さらに、吸気管モデルM22において算出された吸気管圧力Pm(t+Δt)および吸気管温度Tm(t+Δt)を吸気弁モデルM23の式(12)に入力し、この式を解くことによって、時刻(t+Δt)における筒内流入ガス流量mc(t+Δt)が算出される。
【0044】
こうした計算を繰り返すことによって、任意の時刻における筒内流入ガス流量mcが算出される。そして、こうして算出された筒内流入ガス流量mcに、上述したように、1サイクルにかかる時間を気筒数で割った時間をかけることによって、任意の時刻における各気筒の筒内充填ガス量Mcが算出される。
【0045】
なお、内燃機関の始動時、すなわち、時刻t=0においては、吸気管圧力Pmは大気圧Paと等しい(Pm(0)=Pa)とされ、一方、吸気管温度Tmは大気温度Taと等しい(Tm(0)=Ta)とされ、各モデルM21〜M23における計算が開始される。
また、上述した筒内流入ガス量モデルM20において使用される大気圧Paおよび大気温度Taとして、当該モデルM20の計算が開始されたときの大気圧および大気温度を常に用いてもよいし、時刻tにおける大気圧Pa(t)および大気温度Ta(t)を用いてもよい。
【0046】
次に、図1に示したEGR装置付の内燃機関に適用可能な筒内流入ガス量モデルについて説明する。
気筒内に流入するガス中の空気(新気)の流量を筒内流入新気流量mc-airと称すると、筒内流入新気流量mc-airは、次式(13)から求まる。
【数8】


式(13)において、mcは気筒内に流入するガスの流量である筒内流入ガス流量であり、mc-egrは気筒内に流入するガス中の排気ガスの流量である筒内流入EGRガス流量である。
【0047】
ここで、定常運転時である場合(例えば、スロットル開度、EGR開度、機関回転数などがほぼ一定に維持されている場合)、EGR制御弁22を通過する排気ガスの流量(以下、EGR制御弁通過ガス流量と称す)megrと、筒内流入EGRガス流量mc-egrとは等しい(mc-egr=megr)。
このため、式(13)は、次式(14)に書き直せる。
【数9】


【0048】
したがって、筒内流入ガス流量mcとEGR制御弁通過ガス流量megrとが求まれば、筒内流入新気流量mc-airが求まり、したがって、吸気弁6の閉弁時に気筒5内に充填されている空気(新気)の量である筒内充填新気量Mc-airが求まる。
そこで、第1実施形態では、筒内流入ガス流量mcを算出するための筒内流入ガス量モデルとして、図10に示したモデルM10を用いる。
図10に示した筒内流入ガス量モデルM10は、スロットルモデルM11と、吸気管モデルM12と、吸気弁モデルM13と、EGR制御弁モデルM14とからなる。
【0049】
スロットルモデルM11は、図2に示したスロットルモデルM21と同じモデルであり、吸気弁モデルM13も、図2に示した吸気弁モデルM23と同じモデルであるので、詳細な説明は省略するが、簡単に説明すると、スロットルモデルM11では、スロットル開度θtと大気圧Paと大気温度Taと吸気管圧力Pmとを式(1)に入力し、この式を解くことによって、スロットル弁通過空気流量mtが算出され、吸気弁モデルM13では、大気温度Taと吸気管圧力Pmと吸気管温度Tmとを式(7)に入力し、この式を解くことによって、筒内流入ガス流量mcが算出される。
【0050】
吸気管モデルM12には、スロットルモデルM11において算出されたスロットル弁通過空気流量mtと、吸気弁モデルM13において算出された筒内流入ガス流量mcと、大気温度Taと、EGR制御弁モデルM14において算出される単位時間当たりにEGR制御弁22を通過する排気ガスの流量(以下、EGR制御弁通過ガス流量と称す)megrとが入力され、当該モデルM12において、これら入力されたパラメータから吸気管圧力Pmおよび吸気管温度Tmが算出される。
【0051】
また、EGR制御弁モデルM14には、EGR開度θeと大気圧Paと大気温度Taと吸気管モデルM12において算出された吸気管圧力Pmと排気温度Teとが入力され、当該モデルM15において、これら入力されたパラメータから、EGR制御弁通過ガス流量megrが算出される。
図10から分かるように、筒内流入ガス量モデルM10では、各モデルにおいて算出されるパラメータ値が別のモデルに入力されるパラメータ値として利用されるので、筒内流入ガス量モデルM10に実際に入力されるパラメータ値は、スロットル開度θt、EGR開度θe、大気圧Pa、および、大気温度Taの4つのパラメータのみである。すなわち、本実施形態によれば、これら4つのパラメータから筒内充填ガス量Mcが算出されると言える。
【0052】
次に、吸気管モデルM12およびEGR制御弁モデルM14について詳細に説明する。
吸気管モデルM12では、スロットル弁通過空気流量mtと筒内流入ガス流量mcと大気温度TaとEGR制御弁通過ガス流量megrと排気温度Teとを次式(15)および(16)に入力し、これら式を解くことによって、吸気管圧力Pmおよび吸気管温度Tmが算出される。
【数10】


式(15)および(16)においても、Vはスロットル弁18から吸気弁6までの吸気管部分の容積であり、通常、一定値である。
【0053】
なお、上述した吸気管モデルM22に関して説明したのと同様に、これら式(15)および(16)は、吸気管部分に関し、図11に示したようなモデルを基礎にして、吸気管部分に流入する空気と、吸気管部分に流入する排気ガスと、吸気管部分から流出して気筒内に流入するガスとの間において質量保存則、および、エネルギ保存則上成立する関係式から導き出される。
【0054】
また、EGR制御弁モデルM14では、EGR開度θeと吸気管圧力Pmと排気圧Peと排気温度Teとを次式(17)に入力することによって、EGR制御弁通過ガス流量megrが算出される。
【数11】


式(17)において、μeはEGR制御弁22における流量係数であって、EGR開度θeの関数である。また、AeはEGR制御弁22の開口断面積であって、EGR開度θeの関数である。また、Rは気体定数に関する定数であり、いわゆる気体定数R*を1モル当たりの排気ガスの質量Meで除算した値である(Re=R*/Me)。
【0055】
また、PeはEGR制御弁22上流の排気ガスの圧力であり、TeはEGR制御弁22上流の排気ガスの温度である。
また、Φ(Pm/Pe)は、次式(18)に示したように、Pm/Peを変数とする関数である。
【数12】


この式(18)は、式(2)の変数Pm/Paを変数Pm/Peに置き換えたものである。したがって、κは比熱比であり、本実施形態では、一定値である。
【0056】
また、関数Φ(Pm/Pe)とPm/Peとの間にも、図5に示したような関係がある。そこで、式(18)の代わりに、Pm/Peを変数とする関数Φ(Pm/Pe)算出用のマップをROM34に予め記憶しておき、Pm/Peとこのマップとから関数Φ(Pm/Pe)の値を算出するようにしてもよい。
【0057】
なお、これら式(17)および(18)は、EGR制御弁22上流の排気ガスの圧力を排気圧Peとし、EGR制御弁22上流の排気ガスの温度を排気温度Teとし、EGR制御弁22を通過した排気ガスの圧力を吸気管圧力Pmとして、EGR制御弁に関し、図12に示したようなモデルを基礎にして、EGR制御弁22上流の排気ガスとEGR制御弁22を通過した排気ガスとの間において質量保存則、エネルギ保存則、および、運動量保存則上成立する関係式、ならびに、気体の状態方程式、比熱比の定義式、および、マイヤーの関係式を利用して導き出される。
すなわち、これら式(17)および(18)を導出する上での基本的な考え方は、スロットル弁通過空気流量を算出するための式(1)および(2)を導出する上での考え方と同様である。
【0058】
このように、本実施形態によれば、排気圧Peと排気温度Teと吸気管圧力PmとEGR開度θeとを計算式に入力し、数値計算することによって、EGR制御弁通過ガス流量が算出され、したがって、このときに利用されるマップの数が少なくなるので、マップの作成労力を大幅に低減できる。
【0059】
次に、筒内流入ガス量モデルM10を内燃機関に実装したときの筒内充填新気量Mc-airの算出方法について説明する。
筒内充填新気量Mc-airは、筒内流入ガス量モデルM10の各モデルの式(1)(2)(7)および(15)〜(18)から求められるが、これら7つの式は、内燃機関に実装されるときには、ECU31で処理可能なように離散化される。すなわち、時刻をtとし、計算間隔(計算周期)をΔtとすると、式(1)(2)および(7)は、それぞれ、上記式(8)(9)および(12)に離散化される。
また、式(15)〜(18)は、それぞれ、次式(19)〜(22)に離散化される。
【数13】


【0060】
また、排気圧Peおよび排気温度Teを算出するための式も次式(23)および(24)のように離散化される。これら式に関する詳細は後述する。
【数14】


【0061】
このように離散化されて内燃機関に実装された筒内流入ガス量モデルM10によれば、スロットルモデルM11において算出される時刻tにおけるスロットル弁通過空気流量mt(t)と、EGR制御弁モデルM14において算出される時刻tにおけるEGR制御弁通過ガス量megr(t)と、吸気弁モデルM13において算出される時刻tにおける筒内流入ガス流量mc(t)と、時刻tにおける排気温度Te(t)とを吸気管モデルM12の式(19)および(20)に入力し、これら式を解くことによって、時刻(t+Δt)における吸気管圧力Pm(t+Δt)および吸気管温度Tm(t+Δt)が算出される。
【0062】
そして、吸気管モデルM12において算出された時刻(t+Δt)における吸気管圧力Pm(t+Δt)と、同じく時刻(t+Δt)におけるスロットル開度θt(t+Δt)とをスロットルモデルM11の式(8)および(9)に入力し、これら式を解くことによって、時刻(t+Δt)におけるスロットル弁通過空気流量mt(t+Δt)が算出される。
さらに、吸気管モデルM12において算出された時刻(t+Δt)における吸気管圧力Pm(t+Δt)および吸気管温度Tm(t+Δt)を吸気弁モデルM13の式(12)に入力し、この式を解くことによって、時刻(t+Δt)における筒内流入ガス流量mc(t+Δt)が算出される。
【0063】
そして、吸気管モデルM12において算出された時刻(t+Δt)における筒内流入ガス流量mc(t+Δt)と、前回のルーチンにおいてEGR制御弁モデルM14において算出された時刻tにおけるEGR制御弁通過ガス流量megr(t)とを式(14)に入力し、この式を解くことによって、時刻(t+Δt)における筒内流入新気流量mc-air(t+Δt)が算出される。
【0064】
そして、吸気管モデルM12において算出された時刻(t+Δt)における吸気管圧力Pm(t+Δt)と、同じく時刻(t+Δt)における排気圧Pe(t+Δt)と、同じく時刻(t+Δt)におけるEGR開度θe(t+Δt)とをEGR制御弁モデルM14の式(21)および(22)に入力し、これら式を解くことによって、時刻(t+Δt)におけるEGR制御弁通過ガス流量megr(t+Δt)が算出される。
また、時刻(t+Δt)における機関負荷率KL(t+Δt)と、同じく時刻(t+Δt)における機関回転数NEとを式(23)に入力し、この式を解くことによって、時刻(t+Δt)における排気圧Pe(t+Δt)が算出される。
【0065】
また、時刻tにおけるEGR制御弁通過ガス流量megr(t)と、時刻(t+Δt)における機関回転数NE(t+Δt)とを式(24)に入力し、この式を解くことによって、時刻(t+Δt)における排気温度Te(t+Δt)が算出される。
こうして算出されたmc(t+Δt)、megr(t+Δt)、mt(t+Δt)は、再び、吸気管モデルM12の式(19)および(20)に入力される。
こうした計算を繰り返すことによって、任意に時刻における筒内流入新気流量mc-airが算出される。そして、こうして算出された筒内流入新気流量mc-airに、上述したように、1サイクルにかかる時間を気筒数で割った時間をかけることによって、任意の時刻における各気筒の筒内充填新気量Mc-airが算出される。
【0066】
なお、内燃機関の始動時、すなわち、時刻t=0においては、吸気管圧力Pmは大気圧Paと等しい(Pm(0)=Pa)とされ、吸気管温度Tmおよび排気温度Teは大気温度Taと等しい(Tm(0)=Ta、Te(0)=Ta)とされ、各モデルM11〜M13における計算が開始される。
また、上述した筒内流入ガス量モデルM10において使用される大気圧Paおよび大気温度Taとして、当該モデルM10の計算が開始されたときの大気圧および大気温度を常に用いてもよいし、時刻tにおける大気圧Pa(t)および大気温度Ta(t)を用いてもよい。
【0067】
また、本実施形態では、排気圧Pe、排気温度Te、吸気管圧力Pm、および、EGR開度θeの4つのパラメータを利用する式(17)から、EGR制御弁通過ガス流量megrが算出されるが、これら4つのパラメータを利用するが式(17)とは異なる式から、EGR制御弁通過ガス流量megrを求めてもよいし、あるいは、これら4つのパラメータを引数としたマップから、EGR制御弁通過ガス流量megrを求めてもよい。
【0068】
また、本実施形態によれば、EGR制御弁通過ガス流量が精度良く算出されるので、このEGR制御弁通過ガス流量に基づいて算出される筒内充填新気量も精度高く算出され、したがって、空燃比を目標空燃比とするための燃料噴射量が精度良く算出される。
さらに、本実施形態に従って算出されるEGR制御弁通過ガス流量を利用して、EGR制御弁通過ガス量が目標値になるように、EGR開度をフィードバック制御するようにしてもよい。
【0069】
次に、排気圧を算出するための式(23)の導出方法について説明する。
機関負荷率(%)とは、気筒の最大容積を標準状態において占めるガスの量(g)に対して実際に気筒に充填された空気の量(g)の比であり、次式(25)から求まる。
【数15】


式(25)において、Mc-airは吸気弁が閉弁したときに各気筒内に充填されている新気の量である筒内充填新気量(g)であり、DSPは内燃機関の排気量(リットル)であり、NCYLは気筒数であり、ρastdは標準状態(1気圧、25℃)における空気の密度(約1.2g/リットル)である。
【0070】
機関負荷率KLと機関回転数NEと排気圧Peとの関係を示した図13を参照すると、機関負荷率KLが大きくなると排気圧Peが高くなり、機関回転数NEが高くなると排気圧Peが高くなることが分かる。そして、排気圧Peは、主に、これら機関負荷率KLと機関回転数NEとに大きく依存しているので、これら機関負荷率KLと機関回転数NEとから求まる排気圧の精度は比較的高い。
【0071】
したがって、排気圧Peは、式(23)のように、機関負荷率KLと機関回転数NEとを変数とした関数f1(KL、NE)で表せる。第1実施形態では、この関数f1(KL、NE)を機関負荷率KLと機関回転数NEとを変数としてマップの形で予めROM34に記憶しておき、機関負荷率KLと機関回転数NEとこのマップとから排気圧Peを算出する。
これによれば、排気圧を検出するためのセンサを内燃機関に設ける必要がないので、内燃機関のコストを抑えつつ、排気圧を精度良く検出することができ、引いては、EGR制御弁通過ガス流量megrを精度良く算出することができる。
【0072】
また、EGR装置付きの内燃機関において、センサを用いずに、マップを用いて排気圧を検出する場合、通常、機関回転数、燃料噴射量、燃料点火時期、EGR率(気筒内に充填されたガス量(g)に対する排気ガスの量(g)の割合)といった多くのパラメータを引数としたマップを用いなければならなかった。ところが、本実施形態のように、機関負荷率をパラメータとすることによって、機関負荷率と機関回転数とを引数としたマップを用いればよいので、本実施形態によれば、マップの作成労力を削減できる。
もちろん、内燃機関のコストアップを問題としないのであれば、センサを用いて排気圧を検出するようにしてもよい。
【0073】
また、上述した関数f1から排気圧を算出する場合において、変数として、機関回転数NEの代わりに、筒内充填新気流量mc-airを用いてもよい。
【0074】
次に、排気温度Teを算出するための式(24)の導出方法について説明する。
EGR通路21に新たに流入する排気ガスによってもたらされる熱量を入力熱量と称し、EGR通路21から大気に放出される熱量を放熱量と称すると、EGR制御弁通過ガス流量megrが多くなると、すなわち、EGR通路21に流入する排気ガスの量が多くなると、放熱量よりも入力熱量のほうが多くなる。したがって、EGR制御弁通路ガス流量megrが多くなると、排気温度は高くなる。
また、機関回転数が高くなると、気筒から排出される排気ガスの温度自体が高くなる。
すなわち、EGR制御弁通過ガス流量megrと機関回転数NEと排気温度Teとの関係は、図14に示したようになる。
【0075】
そして、排気温度Teは、主に、これらEGR制御弁通過ガス流量megrと機関回転数NEとに大きく依存しているので、これらEGR制御弁通過ガス流量megrと機関回転数NEとから求まる排気温度の精度は比較的高い。
したがって、排気温度Teは、式(24)のように、EGR制御弁通過ガス流量megrと機関回転数NEとを変数とした関数f2(megr、NE)で表せる。第1実施形態では、この関数f2(megr、NE)をEGR制御弁通過ガス流量megrと機関回転数NEとを変数としてマップの形で予めROM34に記憶しておき、EGR制御弁通過ガス流量megrと機関回転数NEとこのマップとから排気温度Teを算出する。
【0076】
これによれば、排気温度を検出するためのセンサを内燃機関に設ける必要がないので、内燃機関のコストを抑えつつ、排気温度を精度良く検出することができ、引いては、EGR制御弁通過ガス流量megrを精度良く算出することができる。
もちろん、内燃機関のコストアップを問題にしないのであれば、センサを用いて排気温度を検出するようにしてもよい。
【0077】
また、上述したように、気筒から排出される排気ガスの温度は、機関回転数NEに応じて変化するので、機関回転数NEを引数とした一次元マップから排気ガスの温度を求めることができる。
しかしながら、EGR制御弁モデルM14においてEGR制御弁通過ガス流量megrを算出する場合、排気温度Teとして、気筒から排出される排気ガスの温度を用いるよりも、EGR制御弁22上流の排気ガスの温度を用いたほうが、EGR制御弁通過ガス流量megrを精度良く算出することができる。
本実施形態によれば、EGR制御弁通過ガス流量megrを算出するのに用いられる排気温度Teとして、EGR制御弁22上流の排気ガスの温度を用いることになるので、EGR制御弁通過ガス流量megrを精度良く算出することができる。
【0078】
また、上述した関数f2から排気温度を算出する場合において、変数として、機関回転数NEの代わりに、筒内充填新気流量mc-airを用いてもよい。
【0079】
ところで、上述した実施形態では、定常運転時であることを前提にし、したがって、吸気管部分に流入する排気ガスの流量(以下、流入排気ガス分流量と称す)がEGR制御弁通過ガス流量に等しく、気筒内に流入する排気ガスの流量(以下、筒内流入排気ガス流量と称す)もEGR制御弁通過ガス流量に等しいとしている。
【0080】
しかしながら、過渡運転時において、例えば、EGR開度が変わり、EGR制御弁通過ガス流量が変わると、流入排気ガス分流量および筒内流入排気ガス流量は、一時的に、EGR制御弁通過ガス流量とは等しくなくなる。すなわち、これら流入排気ガス分流量および筒内流入排気ガス流量は、EGR制御弁通過ガス流量の変化に追従するものの、遅れて変化する。
したがって、過渡運転時において、上述した実施形態において算出される各パラメータ値の精度を高く維持するためには、流入排気ガス分流量や筒内流入排気ガス流量がEGR制御弁通過ガス流量の変化に遅れて変化することを考慮する必要がある。
【0081】
EGR制御弁通過ガス流量が変わったときの流入排気ガス分流量を考察してみると、図15に示したように、流入排気ガス分流量megr-kは、EGR制御弁通過ガス流量megrが変わってから一定の時間Tdが経過するまでは変化せず、この一定の時間Tdが経過してから一次遅れを伴いつつEGR制御弁通過ガス流量megrに向かって変化する。
【0082】
ここで、一定の時間Tdは、EGR制御弁22を通過した排気ガスが吸気管部分に到達するまでに要する時間であり、EGR制御弁22を通過した排気ガスの流速が速いほど、したがって、吸気管圧力が低いほど、したがって、機関回転数が大きいほど、短くなる。すなわち、一定の時間(以下、無駄時間と称す)Tdは、図16(A)に示したように、機関回転数の関数である。
【0083】
一方、一次遅れの時定数τは、EGR制御弁22を通過した排気ガスの拡散のし易さを代表しており、EGR制御弁22を通過した排気ガスの流速が速いほど、したがって、吸気管圧力が低いほど、したがって、機関回転数が大きいほど、小さくなる。すなわち、時定数τも、図16(B)に示したように、機関回転数の関数である。
【0084】
そこで、本実施形態では、無駄時間Td1を図16(A)に示したようなマップの形で予めROM34に記憶しておき、EGR制御弁通過ガス流量が変化したときには、機関回転数NEに基づいて無駄時間Td1を算出し、この無駄時間Td1が経過してから流入排気ガス分流量がEGR制御弁通過ガス流量に向かって変化を開始するものとして、流入排気ガス分流量を算出する。
そして、本実施形態では、時定数τ1を図16(B)に示したようなマップの形で予めROM34に記憶しておき、EGR制御弁通過ガス流量が変化したときには、機関回転数NEに基づいて時定数τ1を算出し、無駄時間Td1が経過してからこの時定数τ1でもってEGR制御弁通過ガス流量に向かって流入排気ガス分流量が変化するものとして、流入排気ガス分流量を算出する。
【0085】
具体的には、EGR制御弁通過ガス流量megrの算出周期をΔt(sec)で表し、EGR制御弁通過ガス流量megrの計算回数をkで表すとすると、k番目の計算ルーチンにおけるEGR制御弁通過ガス流量megr(k)を算出した後に、その時の機関回転数NEに基づいて図16(B)に示したようなマップから時定数τ1を読み込み、この時定数τ1を利用してEGR制御弁通過ガス流量megr(k)を次式(26)に従って一次遅れ処理して、k番目の計算ルーチンが行われた時の一次遅れを伴った流入排気ガス分流量m’egr-k(k)を算出する。
m’egr-k(k)=m’egr-k(k−1)+Δt/τ1・(megr(k)−m’egr-k(k−1) (26)
【0086】
そして、同じくk番目の計算ルーチンが行われた時の機関回転数NEに基づいて図16(A)に示したようなマップから無駄時間Td1を読み込み、この無駄時間Td1を利用して次式(27)に従って無駄時間Td1に相当する無駄ルーチン回数Idx1を算出する。
Idx1=Td1/Δt (27)
【0087】
次いで、この無駄ルーチン回数Idx1を利用して流入排気ガス分流量m’egr-k(k)を次式(28)に従って無駄時間処理して、k番目の計算ルーチンが行われた時の流入排気ガス分流量megr-k(k)を算出する。
egr-k(k)=m’egr-k(k−Idx1) (28)
【0088】
こうした流入排気ガス分流量に関する無駄時間および一次遅れの考え方は、筒内流入排気ガス流量に関しても同様に当てはまる。
すなわち、筒内流入排気ガス流量に関する無駄時間Td2を図17(A)に示したようなマップの形で予めROM34に記憶しておき、EGR制御弁通過ガス流量が変化したときには、機関回転数NEに基づいて無駄時間Td2を算出し、この無駄時間Td2が経過してから筒内流入排気ガス流量がEGR制御弁通過ガス流量に向かって変化を開始するものとして、筒内流入排気ガス流量を算出する。
【0089】
そして、筒内流入排気ガス流量に関する時定数τ2を図17(B)に示したようなマップの形で予めROM34に記憶しておき、EGR制御弁通過ガス流量が変化したときには、機関回転数NEに基づいて時定数τ2を算出し、無駄時間Td2が経過してからこの時定数τ2でもってEGR制御弁通過ガス流量に向かって筒内流入排気ガス流量が変化するものとして、筒内流入排気ガス流量を算出する。
【0090】
具体的には、k番目の計算ルーチンにおけるEGR制御弁通過ガス流量megr(k)を算出した後に、その時の機関回転数NEに基づいて図17(B)に示したようなマップから時定数τ2を読み込み、この時定数τ2を利用してEGR制御弁通過ガス流量megr(k)を次式(29)に従って一次遅れ処理して、k番目の計算ルーチンが行われた時の一次遅れを伴った筒内流入排気ガス流量m’egr-egr(k)を算出する。
m’egr-egr(k)=m’egr-egr(k−1)+Δt/τ1・(megr(k)−m’egr-egr(k−1) (29)
【0091】
そして、同じくk番目の計算ルーチンが行われた時の機関回転数NEに基づいて図17(A)に示したようなマップから無駄時間Td2を読み込み、この無駄時間Td2を利用して次式(30)に従って無駄時間Td2に相当する無駄ルーチン回数Idx2を算出する。
Idx2=Td2/Δt (30)
【0092】
次いで、この無駄ルーチン回数Idxを利用して筒内流入排気ガス流量m’egr-egr(k)を次式(31)に従って無駄時間処理して、k番目の計算ルーチンが行われた時の筒内流入排気ガス流量megr-egr(k)を算出する。
egr-egr(k)=m’egr-egr(k−Idx2) (31)
【0093】
なお、EGR制御弁22から気筒までの距離は、EGR制御弁22から吸気管部分までの距離よりも長いので、筒内流入排気ガス流量に関する無駄時間Td2は流入排気ガス分流量に関する無駄時間Td1よりも長い傾向にあり、筒内流入排気ガス流量に関する時定数τ2は流入排気ガス分流量に関する時定数τ1よりも大きい傾向にある。
【0094】
図18に、上述したように、一次遅れ処理および無駄時間処理を利用して筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンの一例を示した。
図18に示したルーチンでは、始めに、ステップ10において、上述の式(17)に従ってEGR制御弁通過ガス流量megr(k)が算出される。続くステップ11において、機関回転数NEに基づいて図17(B)に示したようなマップから時定数τ2が読み込まれる。
【0095】
そして、続くステップ12において、ステップ10にて算出されたEGR制御弁通過ガス流量megr(k)が一次遅れ処理されて、一次遅れを伴った筒内流入排気ガス流量m’egr-egr(k)が算出される。すなわち、ここでは、上述の式(29)が利用される。
続くステップ13では、機関回転数NEに基づいて図17(A)に示したようなマップから無駄時間Td2が読み込まれる。そして、続くステップ14において、式(30)に従って無駄ルーチン回数Idx2が算出される。
【0096】
続くステップ15において、ステップ12にて算出された筒内流入排気ガス流量m’egr-egr(k)が式(31)に従って無駄時間処理される。
なお、上述した実施形態では、機関回転数NEを変数として無駄時間Td(Td1,Td2)および時定数τ(τ1,τ2)を算出するようにしているが、詳細には、無駄時間Tdや時定数τは、クランクシャフトが360°回転するのにかかる時間にほぼ比例するので、例えば、図19に示したように、クランクシャフトが360°回転するのにかかる時間T360°を変数として、無駄時間Tdや時定数τのマップを作成するほうが好ましい。
【0097】
ところで、EGR制御弁通過ガス流量megrは、式(17)を参照すれば分かるように、種々のパラメータ、例えば、EGR制御弁22のステップ数、すなわち、EGR開度θeによって変化する。
したがって、EGR開度θeが変化したときに、このEGR開度θe自体を無駄時間処理し且つ遅れ処理(なまし処理)し、このように処理された後のEGR開度θeを上述した式(17)に入力することによって、EGR開度θeの変化に伴うEGR制御弁通過ガス流量megrの変化に対し、無駄時間と追従遅れとを反映させた形の流入排気ガス分流量megr-k、あるいは、筒内流入排気ガス流量megr-egrが得られる。
【0098】
例えば、EGR開度θeが変化したときに、機関回転数NEに基づいて図20(A)に示したようなマップから無駄時間Td1を算出し、この無駄時間Td1が経過してからEGR開度θeを変化させ始め、そして、同じく機関回転数NEに基づいて図20(B)に示したようなマップからなまし数N1を算出し、このなまし数N1でもってEGR開度θeの変化をなまし処理し、このようになまし処理されたEGR開度θeに基づいて式(17)から流入排気ガス分流量megr-kを算出するようにしてもよい。
【0099】
具体的には、k番目の計算ルーチンが行われるときに、EGR開度θeが、例えば、値θe1から値θe2に変化したときには、その時の機関回転数NEに基づいて図20(B)に示したようなマップからなまし数N1を読み込み、このなまし数N1を利用してEGR開度θe2を次式(32)に従ってなまし処理し、k番目の計算ルーチンが行われた時の追従遅れを伴ったEGR開度θe’(k)を算出する。
θe’(k)={(N1−1)・θe(k−1)+θe2} (32)
【0100】
そして、同じくk番目の計算ルーチンが行われた時の機関回転数NEに基づいて図20(A)に示したようなマップから無駄時間Td1を読み込み、この無駄時間Td1を利用して次式(33)に従って無駄時間Td1に相当する無駄ルーチン回数Idx1を算出する。
Idx1=Td1/Δt (33)
【0101】
次いで、この無駄ルーチン回数Idx1を利用してEGR開度θe’(k)を次式(34)に従って無駄時間処理して、k番目の計算ルーチンが行われた時のEGR開度θe(k)を算出する。
θe(k)=θe’(k−Idx1) (34)
そして、このθe(k)を式(17)に入力して算出される値は、k番目の計算ルーチンが行われた時の真の流入排気ガス分流量megr-k(k)を表している。
【0102】
もちろん、これと同様の考え方が筒内流入排気ガス流量を算出する場合にも当てはまる。
すなわち、EGR開度θeが変化したときに、機関回転数NEに基づいて図21(A)に示したようなマップから無駄時間Td2を算出し、この無駄時間Td2が経過してからEGR開度θeを変化させ始め、そして、同じく機関回転数NEに基づいて図21(B)に示したようなマップからなまし数N2を算出し、このなまし数N2でもってEGR開度θeの変化をなまし処理し、このようになまし処理されたEGR開度θeに基づいて式(17)から筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するようにしてもよい。
【0103】
具体的には、k番目の計算ルーチンが行われるときに、EGR開度θeが、例えば、値θe1から値θe2に変化したときには、その時の機関回転数NEに基づいて図21(B)に示したようなマップからなまし数N2を読み込み、このなまし数N2を利用してEGR開度θe2を次式(35)に従ってなまし処理し、k番目の計算ルーチンが行われた時の追従遅れを伴ったEGR開度θe’(k)を算出する。
θe’(k)={(N2−1)・θe(k−1)+θe2} (35)
【0104】
そして、同じくk番目の計算ルーチンが行われた時の機関回転数NEに基づいて図21(A)に示したようなマップから無駄時間Td2を読み込み、この無駄時間Td2を利用して次式(36)に従って無駄時間Td2に相当する無駄ルーチン回数Idx2を算出する。
Idx2=Td2/Δt (36)
【0105】
次いで、この無駄ルーチン回数Idx2を利用してEGR開度θe’(k)を次式(37)に従って無駄時間処理して、k番目の計算ルーチンが行われた時のEGR開度θe(k)を算出する。
θe(k)=θe’(k−Idx2) (37)
そして、このθe(k)を式(17)に入力して算出される値は、k番目の計算ルーチンが行われた時の真の筒内流入排気ガス流量megr-egr(k)を表している。
なお、上述したなまし数の代わりに、上述した時定数τ1,τ2を利用してもよい。
【0106】
図22に、上述したように、なまし処理(追従遅れ処理)および無駄時間処理を利用して筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンの一例を示した。
図22に示したルーチンでは、始めに、ステップ20において、k番目の計算ルーチンにおけるEGR開度θe(k)が読み込まれる。続くステップ21において、機関回転数NEに基づいて図21(B)に示したようなマップからなまし数N2が読み込まれる。
【0107】
そして、続くステップ22において、ステップ20にて検出されたEGR開度θe(k)がなまし処理されて、追従遅れを反映させたEGR開度θ’e(k)が算出される。すなわち、ここでは、上述の式(35)が利用される。
続くステップ23では、機関回転数NEに基づいて図21(A)に示したようなマップから無駄時間Td2が読み込まれる。そして、続くステップ24において、式(36)に従って無駄ルーチン回数Idx2が算出される。
続くステップ25において、ステップ22にて算出された追従遅れを反映させたEGR開度θ’e(k)が式(37)に従って無駄時間処理される。そして、続くステップ26において、ステップ25にて算出されたθe(k)が上述の式(17)に入力され、筒内流入排気ガス流量megr-egr(k)が算出される。
【0108】
ところで、上述の実施形態では、筒内流入排気ガス流量megr-egrを利用して、筒内流入新気量Mc-airを算出し、最終的には、この筒内流入新気量Mc-airに基づいて空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量を決定している。言い換えると、上述の実施形態では、各気筒に関して、筒内流入排気ガス流量megr-egrが同じ値であることを前提として、燃料噴射量を決定していることになる。
ところが、EGR制御弁22から各気筒までの流路の形状やその他、様々な要因によって、実際の筒内流入排気ガス流量megr-egrが気筒毎に異なる場合がある。したがって、空燃比がより正確に目標空燃比となるように燃料噴射量を決定するためには、筒内流入排気ガス流量megr-egrが気筒毎に異なることを考慮すべきである。
【0109】
そこで、上述の実施形態において算出される筒内流入排気ガス流量megr-egrに対する各気筒における実際の筒内流入排気ガス流量の比を分配係数として、予め実験等によって求め、あるいは、機関運転中に特定の条件が成立する毎に求め、上述の実施形態において算出される筒内流入排気ガス流量megr-egrにこの分配係数を乗じ、この分配係数が反映された後の筒内流入排気ガス流量megr-egrを利用して、各気筒に関して、燃料噴射量を決定するようにしてもよい。
この方法を採用すれば、空燃比がより正確に目標空燃比となる。
【0110】
なお、各気筒に関する分配係数は、例えば、以下のようにして、予め実験等によって求められ、あるいは、機関運転中に求められる。
すなわち、EGR率(筒内充填排気ガス量/筒内充填ガス量)が最も大きい運転状態において、EGR開度を一定とし且つスロットル開度を一定とした上で、各気筒において同じ量の燃料を噴射し、この時に各気筒から排出される排気ガスの空燃比を検出し、この排気ガスの空燃比の検出値に基づいて、各気筒における空燃比を推定する。
【0111】
ここで、空燃比がリーンであると推定された気筒に関しては、その気筒内に予想以上に空気が充填されており、したがって、その気筒内に予想したほど排気ガスが充填されていないことになる。この場合、この気筒に関する分配係数は1.0よりも小さくなる。詳細には、推定された空燃比に基づいてこの気筒に関する筒内流入排気ガス流量を逆算し、上述の実施形態にて算出される筒内流入排気ガス流量でこの逆算して算出される筒内流入排気ガス流量を除算すれば、この気筒に関する分配係数が算出される。
一方、空燃比がリッチであると推定された気筒に関しても、同様に考えれば、分配係数が算出可能であり、この場合、分配係数は1.0よりも大きくなる。
【0112】
図23に、上述したように、気筒毎の分配係数を考慮して筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンの一例を示した。以下のルーチンは、4つの気筒を備えている内燃機関に適用される。
図23に示したルーチンでは、始めに、ステップ30において、上述の式(17)に従ってEGR制御弁通過ガス流量megr(k)が算出される。続くステップ31において、機関回転数NEに基づいて図17(B)に示したようなマップから時定数τ2が読み込まれる。
【0113】
そして、続くステップ32において、ステップ30にて算出されたEGR制御弁通過ガス流量megr(k)が一次遅れ処理されて、一次遅れを伴った筒内流入排気ガス流量m’egr-egr(k)が算出される。すなわち、ここでは、上述の式(29)が利用される。
続くステップ33では、機関回転数NEに基づいて図17(A)に示したようなマップから無駄時間Td2が読み込まれる。そして、続くステップ34において、式(30)に従って無駄ルーチン回数Idx2が算出される。
【0114】
続くステップ35において、ステップ32にて算出された筒内流入排気ガス流量m’egr-egr(k)が式(31)に従って無駄時間処理される。
そして、最後に、ステップ36において、次式(38)に従って、ステップ35にて算出された筒内流入排気ガス流量megr-egr(k)に、各気筒に関する分配係数K1〜K4が乗算され、各気筒に関する筒内流入排気ガス流量megr-egr(k)(1)〜(4)が算出される。
egr-egr(k)(1)=megr-egr(k)・K1
egr-egr(k)(2)=megr-egr(k)・K2
egr-egr(k)(3)=megr-egr(k)・K3
egr-egr(k)(4)=megr-egr(k)・K4 (38)
【0115】
なお、式(38)において、megr-egr(k)(1)は第1気筒に関する筒内流入排気ガス流量であり、K1は第1気筒に関する分配係数であり、megr-egr(k)(2)は第2気筒に関する筒内流入排気ガス流量であり、K2は第2気筒に関する分配係数であり、megr-egr(k)(3)は第3気筒に関する筒内流入排気ガス流量であり、K3は第3気筒に関する分配係数であり、megr-egr(k)(4)は第4気筒に関する筒内流入排気ガス流量であり、K4は第4気筒に関する分配係数である。
【0116】
ところで、上述の実施形態では、EGR制御弁22から各気筒までの流路の形状やその他、様々要因によって、実際の筒内流入排気ガス流量megr-egrが気筒毎に異なることを考慮して、各気筒毎の分配係数を求め、各気筒毎に筒内流入排気ガス流量megr-egrを求めたが、例えば、EGR制御弁22から各気筒までの流路長が非常に長く、ここでの流路抵抗が非常に大きい場合には、無駄時間や時定数、あるいは、なまし数も異なってくる。
【0117】
そこで、上述の実施形態にように、求められた筒内流入排気ガス流量megr-egrに分配係数を反映させるだけでなく、無駄時間や時定数、あるいは、なまし数に、分配係数を反映させてもよい。すなわち、より具体的には、上述の実施形態においては、求められた筒内流入排気ガス流量megr-egrにのみ分配係数を乗じているが、さらに、無駄時間および時定数、あるいは、なまし数に、各気筒に関して、同じ分配係数を乗じてもよい。
これによれば、より正確に、各気筒に関して、筒内流入排気ガス流量megr-egrが算出される。
【0118】
図24に、無駄時間と時定数に各気筒毎の分配係数を反映させて各気筒における筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンの一例を示した。
図24に示したルーチンでは、始めに、ステップ40において、式(17)からEGR制御弁通過ガス流量megrが算出される。続くステップ41では、機関回転数NEに基づいて図17(B)に示したマップから時定数τ2が読み込まれる。続くステップ42では、機関回転数NEに基づいて図17(A)に示したマップから無駄時間Td2が読み込まれる。続くステップ43では、気筒の番号を示すパラメータcylに1が入力される。この場合、cyl=1となり、パラメータcylは第1気筒を示すこととなる。
【0119】
続くステップ44では、パラメータcylが気筒の総数Ncyl以下である(cyl≦Ncyl)か否かが判別される。ここで、cyl≦Ncylであると判別されたときには、ルーチンはステップ45に進んで、ここで、上述の式(17)からk番目の計算ルーチンにおけるEGR制御弁通過ガス流量megr(k)が算出される。
【0120】
続くステップ46で、以下の式(39)から対応の気筒に関する時定数τ2(cyl)、すなわち、パラメータcylが1であるときには第1気筒に関する時定数τ2(1)、パラメータcylが2であるときには第2気筒に関する時定数τ2(2)が算出される。
τ2(cyl)=K(cyl)・τ2 (39)
ここで、K(cyl)は各気筒に関する分配係数であり、例えば、パラメータcylが1であるときには第1気筒に関する分配係数K(1)であり、パラメータcylが2であるときには第2気筒に関する分配係数K(2)である。
【0121】
続くステップ47で、EGR制御弁通過ガス流量megr(k)が次式(40)に従って一次処理されて、k番目の計算ルーチンにおける対応の気筒に関する筒内流入排気ガス流量m’egr-egr(cyl)(k)が算出される。
m’egr-egr(cyl)(k)=m’egr-egr(cyl)(k−1)+Δt/τ2(cyl)・(megr(cyl)(k)−m’egr-egr(cyl)(k−1)) (40)
ここで、ΔtはEGR制御弁通過ガス流量の計算周期である。
【0122】
続くステップ48では、次式(41)に従って対応の気筒に関する無駄時間に相当する無駄ルーチン回数Idx2が算出される。
Idx2=K(cyl)・Td2/Δt (41)
続くステップ49では、k番目の計算ルーチンにおける対応する気筒に関する筒内流入排気ガス流量megr-egr(cyl)(k)が次式(42)から無駄時間処理された形で算出される。
egr-egr(cyl)(k)=m’egr-egr(cyl)(k−Idx2) (42)
【0123】
続くステップ50では、パラメータcylが1だけ増大され、ルーチンはステップ44に戻る。したがって、ルーチンがステップ50に到来したときに、パラメータcylが1である場合には、ステップ50において、パラメータcylが2とされ、ステップ44〜49が繰り返される。
【0124】
そして、ルーチンがステップ50に到来したときに、パラメータcylが4である場合には、ステップ50において、パラメータcylが5とされ、ルーチンがステップ44に戻ったときに、このステップ44で、cyl>Ncylであると判別され、ルーチンはステップ51に進む。すなわち、ステップ44において、cyl>Ncylであると判別されたときには、全ての気筒に関して筒内流入排気ガス流量megr-egr(cyl)(k)が算出されたことになる。
なお、ステップ51では、パラメータcylに零が入力され、すなわち、パラメータcylがクリアされる。
なお、このルーチンは、Td2をTd1に変え、τ2をτ1に変えれば、各吸気枝管13に流入する流入排気ガス分流量megr-kを算出するためのルーチンとしても利用可能である。
【0125】
ところで、吸気弁の閉弁タイミングを変更するためのバルブタイミング変更機構を備えた内燃機関が知られている。例えば、或る1つのバルブタイミング変更機構では、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点以降で変更可能となっている。
吸気弁が吸気下死点以降で閉弁する場合、いったん気筒内に流入したガスの一部が気筒内のピストンによってその気筒から吸気通路へと排出される。そして、このように気筒から吸気通路へと排出されるガス(以下、吹戻しガスとも称す)の量は、吸気弁が吸気下死点以降のいずれのタイミングで閉弁するかによって異なり、吸気弁が吸気下死点以降のより遅いタイミングで閉弁するほど多くなる。
【0126】
すなわち、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点以降で変更するバルブタイミング機構を備えた内燃機関では、このバルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁タイミングが変更されると、吹戻しガス量が変化する。
ここで、このように気筒から吸気通路へとガスが排出される場合における吸気通路内での排気ガスの拡散について考えると、吹戻しガスの量が多いほど、吸気通路内での排気ガスの拡散が抑制される傾向にある。すなわち、吹戻しガスの量が多いほど、EGR制御弁22を通過して吸気通路内に流入した排気ガスの拡散が抑制される傾向にある。
すなわち、このことは、吹戻しガスの量が多いほど、すなわち、吸気弁の閉弁タイミングが遅いほど、上述の時定数τ2が大きくなることを意味する。
【0127】
さらに、EGR通路21に関して考えると、EGR通路21内の圧力は吸気通路内の圧力よりも大幅に高いので、気筒から吸気通路へとガスが排出されたとしても、このガスがEGR通路21内に流入することはない。したがって、気筒から吸気通路へとガスが排出されたとしても、EGR制御弁22を通過した排気ガスが気筒に到達するのにかかる時間は、さほど、変わらない。
すなわち、このことは、吹戻しガスの量に関わらず、すなわち、吸気弁の閉弁タイミングの如何に関わらず、上述の無駄時間Td2はさほど変化しないことを意味する。
【0128】
そこで、このように吸気弁の閉弁タイミングに応じて、上述の時定数τ2が変化することを考慮して、吸気弁の閉弁タイミングが吸気下死点以降において変更可能となっている内燃機関においては、上述の実施形態において、図25(A)および(B)に示されているような関係でもって、吸気弁閉弁タイミングに応じて無駄時間Td2および時定数τ2を決定してもよい。
【0129】
図25(A)に示されているように、ここでは、吸気弁の閉弁タイミングに相当する吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDC以降の如何なる角度にあっても、無駄時間Td2は一定となっている。
一方、図25(B)に示されているように、ここでは、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDC以降において遅い角度となるほど、時定数τ2は大きくなっている。
【0130】
なお、上述したように、無駄時間Td2や時定数τ2は機関回転数NEにも依存しているので、無駄時間Td2および時定数τ2を機関回転数NEと吸気弁閉弁タイミングとの関数として決定するようにしてもよい。
例えば、この場合、吸気弁の閉弁タイミングが吸気下死点であるときにおける無駄時間Td2および時定数τ2を機関回転数NEを変数として、図17(A)および(B)に示されているようなマップの形で予め求めてROM34に記憶しておく。
【0131】
そして、無駄時間としては、機関回転数NEに基づいて図17(A)に示されているマップから求められた無駄時間Td2に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図26(A)に示されているマップから求められる補正係数Ktdを乗じた値を用いる。この場合、図26(A)から分かるように、補正係数Ktdは、吸気弁閉弁クランク角度CAの如何に関わらず、1.0で一定であるので、実質的には、図17(A)に示されているマップから求められた無駄時間Td2がそのまま用いられることになる。
【0132】
一方、時定数としては、機関回転数NEに基づいて図17(B)に示されているマップから求められた時定数τ2に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図26(B)に示されているマップから求められる補正係数Kτを乗じた値を用いる。この場合、図26(B)から分かるように、補正係数Kτは、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDCにあるときには、1.0であり、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDCよりも遅くなるほど、大きくなる値である。
【0133】
なお、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点以降において変更可能となっている内燃機関では、図25(A)および(B)に示されている関係と同様な関係でもって、上述の無駄時間Td1および時定数τ1を決定するようにしてもよい。この場合、無駄時間Td1および時定数τ1は無駄時間Td2および時定数τ2よりも小さい値となる。
【0134】
さらに、無駄時間Td1および時定数τ1を機関回転数NEと吸気弁閉弁タイミングとの関数として決定するようにしてもよい。
例えば、この場合、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点であるときにおける無駄時間Td1および時定数τ1を機関回転数NEを変数として、図16(A)および(B)に示されているようなマップの形で予め求めてROM34に記憶しておく。
【0135】
そして、無駄時間としては、機関回転数NEに基づいて図16(A)に示されているマップから求められた無駄時間Td1に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図26(A)に示されているマップから求められる補正係数Ktdを乗じた値を用いる。この場合、図26(A)から分かるように、補正係数Ktdは、吸気弁閉弁クランク角度CAの如何に関わらず、1.0で一定であるので、実質的には、図16(A)に示されているマップから求められた無駄時間Td1がそのまま用いられることになる。
【0136】
一方、時定数としては、機関回転数NEに基づいて図16(B)に示されているマップから求められた時定数τ1に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図26(B)に示されているマップから求められる補正係数Kτを乗じた値を用いる。この場合、図26(B)から分かるように、補正係数Kτは、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDCにあるときには、1.0であり、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDCよりも遅くなるほど、大きくなる値である。
【0137】
ところで、吸気弁の閉弁タイミングを吸気下死点以前で変更するバルブタイミング機構を備えた内燃機関では、このバルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁タイミングが変更されると、吹戻しガス量はほとんど零であるが、気筒内に充填されるトータルのガス量は変化する。
ここで、このように吹戻しガス量がほとんど零であると、吸気弁の閉弁タイミングが吸気下死点以前において変化しても、この吸気弁の閉弁タイミングの変化は、吸気通路内での排気ガスの拡散には何ら影響しない。
すなわち、このことは、吸気弁の閉弁タイミングに関わらず、上述の時定数τ2は一定であることを意味する。
【0138】
一方、気筒内に充填されるトータルのガス量が変化する場合におけるEGR制御弁22から気筒まで排気ガスが到達するのにかかる時間について考えると、気筒内に充填されるトータルのガス量が少ないほど、この時間は長くなる傾向にある。
【0139】
すなわち、このことは、気筒内に充填されるトータルのガス量が少ないほど、すなわち、吸気弁の閉弁タイミングが吸気下死点以前の範囲内で早いほど、上述の無駄時間Td2が長くなることを意味する。
【0140】
このように吸気弁の閉弁タイミングに応じて、上述の無駄時間Td2が変化することを考慮して、吸気弁の閉弁タイミングが吸気下死点以前において変更可能となっている内燃機関においては、上述の実施形態において、図27(A)および(B)に示されているような関係でもって、吸気弁の閉弁タイミングに応じて無駄時間Td2および時定数τ2を決定してもよい。
図27(A)に示されているように、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDC以前において早い角度となるほど、無駄時間Td2は大きくなっている。
【0141】
一方、図27(B)に示されているように、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDC以前の如何なる角度にあっても、時定数τ2は一定となっている。
なお、上述したように、無駄時間Td2や時定数τ2は機関回転数NEにも依存しているので、無駄時間Td2および時定数τ2を機関回転数NEと吸気弁閉弁タイミングとの関数として決定するようにしてもよい。
例えば、この場合、吸気弁の閉弁タイミングが吸気下死点であるときにおける無駄時間Td2および時定数τ2を機関回転数NEを変数として、図17(A)および(B)に示されているようなマップの形で予め求めてROM34に記憶しておく。
【0142】
そして、無駄時間としては、機関回転数NEに基づいて図17(A)に示されているマップから求めた無駄時間Td2に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図28(A)に示されているマップから求められる補正係数Ktdを乗じた値を用いる。この場合、図28(A)から分かるように、補正係数Ktdは、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDCにあるときには、1.0であり、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDCよりも早くなるほど、大きくなる値である。
【0143】
一方、時定数としては、機関回転数NEに基づいて図17(B)に示されているマップから求められた時定数τ2に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図28(B)に示されているマップから求められる補正係数Kτを乗じた値を用いる。この場合、図28(B)から分かるように、補正係数Kτは、吸気弁閉弁クランク角度CAの如何に関わらず、1.0で一定であるので、実質的には、図17(B)に示されているマップから求められた時定数τ2がそのまま用いられることとになる。
【0144】
なお、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点以前において変更可能となっている内燃機関では、図27(A)および(B)に示されている関係と同様な関係でもって、上述の無駄時間Td1および時定数τ1を決定するようにしてもよい。この場合、無駄時間Td1および時定数τ1は無駄時間Td2および時定数τ2よりも小さい値となる。
【0145】
さらに、無駄時間Td1および時定数τ1を機関回転数NEと吸気弁閉弁タイミングとの関数として決定するようにしてもよい。
例えば、この場合、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点であるときにおける無駄時間Td1および時定数τ1を機関回転数NEを変数として、図16(A)および(B)に示されているようなマップの形で予め求めてROM34に記憶しておく。
【0146】
そして、無駄時間としては、機関回転数NEに基づいて図16(A)に示されているマップから求められた無駄時間Td1に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図28(A)に示されているマップから求められる補正係数Ktdを乗じた値を用いる。この場合、図28(A)から分かるように、補正係数Ktdは、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点BDCにあるときには、1.0であり、吸気弁閉弁クランク角度CAが吸気下死点よりも早くなるほど、大きくなる値である。
【0147】
一方、時定数としては、機関回転数NEに基づいて図16(B)に示されているマップから求められた時定数τ1に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図28(B)に示されているマップから求められる補正係数Kτを乗じた値を用いる。この場合、図28(B)から分かるように、補正係数Kτは、吸気弁閉弁クランク角度CAの如何に関わらず、1.0で一定であるので、実質的には、図16(B)に示されているマップから求められた時定数τ1がそのまま用いられる。
【0148】
ところで、吸気弁閉弁タイミングを吸気下死点を跨いで変更可能なバルブタイミング機構を備えた内燃機関の知られている。こうしたバルブタイミング機構は、例えば、電磁的に吸気弁の開弁したり閉弁したりするメカニズムを採用している。
このように吸気下死点を跨いで吸気弁閉弁タイミングを変更可能な場合、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点以前で変更されるのか、あるいは、吸気下死点以降で変更されるのかによって、上述の無駄時間Td2および時定数τ2が異なってくる。
【0149】
ここで、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点以前で変更される場合においては、無駄時間Td2および時定数τ2は、図27に関連して説明したような傾向を示す。一方、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点以降で変更される場合においては、無駄時間Td2および時定数τ2は、図25に関連して説明したような傾向を示す。
【0150】
そこで、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点を跨いで変更可能となっている内燃機関においては、上述の実施形態において、図29(A)および(B)に示されているような関係でもって、吸気弁閉弁タイミングに応じて無駄時間Td2および時定数τ2を決定してもよい。
【0151】
図29(A)に示されているように、ここでは、吸気下死点BDC以前の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAが早い角度となるほど、無駄時間Td2は大きくなっており、吸気下死点BDC以降の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAに関わらず、無駄時間Td2は一定となっている。
一方、図29(B)に示されているように、ここでは、吸気下死点BDC以前の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAに関わらず、時定数τ2は一定となっており、吸気下死点BDC以降の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAが遅くなるほど、時定数τ2は大きくなっている。
なお、上述したように、無駄時間Td2や時定数τ2は機関回転数NEにも依存しているので、無駄時間Td2および時定数τ2を機関回転数NEと吸気弁閉弁タイミングとの関数として決定するようにしてもよい。
【0152】
例えば、この場合、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点であるときにおける無駄時間Td2および時定数τ2を機関回転数NEを変数として、図17(A)および(B)に示されているようなマップの形で予め求めてROM34に記憶しておく。
【0153】
そして、無駄時間としては、機関回転数NEに基づいて図17(A)に示されているマップから求められた無駄時間Td2に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図30(A)に示されているマップから求められる補正係数Ktdを乗じた値を用いる。ここで、図30(A)のマップでは、吸気下死点BDC以前の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAが早くなるほど、補正係数Ktdは大きくなり、吸気下死点BDC以降の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAの如何に関わらず、補正係数Ktdは、1.0で一定である。
【0154】
一方、時定数としては、機関回転数NEに基づいて図17(B)に示されているマップから求められた時定数τ2に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図30(B)に示されているマップから求められる補正係数Kτを乗じた値を用いる。ここで、図30(B)のマップでは、吸気下死点BDC以前の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAの如何に関わらず、補正係数Kτは、1.0で一定であり、吸気下死点BDC以降の領域では、吸気弁閉弁クランク角度CAが遅くなるほど、補正係数Kτは大きくなる。
なお、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点を跨いで変更可能となっている内燃機関では、図29(A)および(B)に示されている関係と同様な関係でもって、上述の無駄時間Td1および時定数τ1を決定するようにしてもよい。この場合、無駄時間Td1および時定数τ1は無駄時間Td2および時定数τ2よりも小さい値となる。
【0155】
さらに、無駄時間Td1および時定数τ1を機関回転数NEと吸気弁閉弁タイミングとの関数として決定するようにしてもよい。
例えば、この場合、吸気弁閉弁タイミングが吸気下死点であるときにおける無駄時間Td1および時定数τ1を機関回転数NEを変数として、図16(A)および(B)に示されているようなマップの形で予め求めてROM34に記憶しておく。
【0156】
そして、無駄時間としては、機関回転数NEに基づいて図16(A)に示されているマップから求められた無駄時間Td1に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図30(A)に示されているマップから求められる補正係数Ktdを乗じた値を用いる。
【0157】
一方、時定数としては、機関回転数NEに基づいて図16(B)に示されているマップから求められた時定数τ1に、吸気弁閉弁クランク角度CAに基づいて図30(B)に示されているマップから求められる補正係数Kτを乗じた値を用いる。
【0158】
ところで、上述の実施形態では、EGR制御弁通過ガス流量megrを計算式、すなわち、式(17)および(18)を利用して算出しているが、本願発明者は、こうした計算式を利用しなくとも、比較的簡便にEGR制御弁通過ガス流量megrを算出する方法を考案した。したがって、上述の実施形態において、式(17)および(18)を利用する代わりに、以下に説明する方法を利用して、EGR制御弁通過ガス流量を算出してもよい。
【0159】
筒内充填ガス量Mcは吸気弁6が閉弁したときの吸気管圧力Pmの一次関数式で表されることが知られている。すなわち、理論および経験則によれば、筒内充填ガス量Mcは吸気弁6が閉弁したときの筒内圧力に比例し、この筒内圧力は吸気弁6上流の混合ガス圧力、すなわち、吸気管圧力Pmにほぼ一致する。
EGRガスが供給されていないときには筒内に新気のみが充填されるので、このときの筒内充填新気量Mc-air、したがって、機関負荷率KLを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができる。すなわち、機関負荷率KLを簡単に且つ正確に求めることができる。
【0160】
ところが、EGRガスが供給されているときには状況が全く異なり、筒内には新気だけでなくEGRガスも充填される。このため、従来では、筒内充填新気量Mc-air、または、機関負荷率KLを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことは到底できないと考えられていたのである。
筒内充填EGRガス量Mc-egrを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができるならば、筒内充填ガス量Mcを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができ、筒内充填ガス量Mcが筒内充填新気量Mc-airと筒内充填EGRガス量Mc-egrとの和であることを考えれば、EGRガスが供給されているときの筒内充填新気量Mc-air、または、機関負荷率KLを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができる。
【0161】
しかしながら、従来では、筒内充填EGRガス量Mc-egrも吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができないと考えられていたのである。このことを図12および図31を参照しながら説明する。
まず、上述したように、EGR制御弁通過ガス流量megr(g/sec)は式(17)により表され、関数Φ(Pm/Pe)は、式(18)により表される。
【0162】
ここで、計算を簡単にするために排気圧Peが大気圧Paであるとすると、式(17)により表されるEGR制御弁通過ガス流量megrは図31のようになる。すなわち、EGR制御弁通過ガス流量megrは吸気管圧力Pmが小さいときにはほぼ一定に維持され、吸気管圧力Pmが高くなると図31においてNRで示されるように吸気管圧力Pmに対し非線形性を示しながら大気圧Paに向けて減少する。なお、この非線形性部分NRは式(17)のうちPe/√Teの部分および関数Φ(Pm/Pe)によるものである。
【0163】
したがって、EGR制御弁通過ガス流量megr、とりわけ非線形性部分NRを吸気管圧力Pmの一次関数式により表すことはできないものと考えられていたのである。もっとも、かなり多くの数の一次関数式を用いれば、EGR制御弁通過ガス流量megrを吸気管圧力Pmの一次関数式により表すことができると考えられる。しかしながら、この場合には、もはや機関負荷率KLを簡単に求めているとは言えない。
【0164】
ところが、本願発明者らによれば、EGR制御弁通過ガス流量megrを吸気管圧力Pmの2つの一次関数式で表すことができ、したがって、筒内充填新気量Mc-air、または、機関負荷率KLを吸気管圧力Pmの2つの一次関数式で表すことができることが判明したのである。
すなわち、まず、図32に示されるように、排気温度Teは吸気管圧力Pmの増大に対し、排気圧Peが増大するよりも大幅に増大し、その結果、Pe/√Teを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができるのである。
【0165】
また、関数Φ(Pm/Pe)も吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができるのである。これを図33を参照して説明する。排気圧Peが一定の大気圧Paに維持されるのではなく、吸気管圧力Pmに応じて変動することを考慮すると、図33(A)に示されるように、吸気管圧力PmがPm1のときの関数Φ(Pm/Pe)は大気圧Paに収束する曲線Ca上にあるのではなく、排気圧Pe1に収束する曲線C1上にあり、これがプロット(○)で表されている。同様に、Pm=Pm2(>Pm1)のときのΦ(Pm/Pe)は排気圧Pe2(>Pe1)に収束する曲線C2上にあり、Pm=Pm3(>Pm2)のときのΦ(Pm/Pe)は排気圧Pe3(>Pe2)に収束する曲線C3上にある。
【0166】
このようにして得られるプロットは、図33(B)に示されるように、直線L2で結ぶことができる。したがって、関数Φ(Pm/Pe)は吸気管圧力Pmが小さいときには直線L1に相当する吸気管圧力Pmの一次関数式により、吸気管圧力Pmが大きいときには直線L2に相当する吸気管圧力Pmの一次関数式により表すことができ、斯くして吸気管圧力Pmの2つの一次関数式で表すことができることになる。すなわち、EGR制御弁通過ガス流量megrを吸気管圧力Pmの2つの一次関数式で表すことができるのである。
【0167】
ここで、定常運転時には、EGR制御弁通過ガス流量megr(g/sec)と筒内流入EGRガス流量mc-egr(g/sec)とが互いに等しい。また、筒内充填EGRガス量Mc-egrは、筒内流入EGRガス流量mc-egrに、各気筒の吸気行程1回に要する時間、すなわち、内燃機関の1サイクルにかかる時間を気筒数で割った時間ΔT(sec)を乗算することにより得られるものである(Mc-egr=mc-egr・ΔT)。
そうすると、定常運転時の筒内充填EGRガス量Mc-egrを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができるということになる。
【0168】
したがって、定常運転時で且つEGRガスが供給されているときの筒内充填新気量Mc-air、または、機関負荷率KLを吸気管圧力Pmの2つの一次関数式で表すことができるということになる。
【0169】
EGRガスが供給されているときの機関負荷率KLをKLonとすると、図34には、定常運転時(例えば、機関回転数NEおよびEGR開度θeがそれぞれ一定に保持されているとき)の機関負荷率KLonを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式の一例が示されている。図34に示されるように、機関負荷率KLonは、勾配が互いに異なり且つ接続点CPにおいて連続している、吸気管圧力Pmの2つの一次関数式により表される。すなわち、吸気管圧力Pmが小さいときには勾配e1の一次関数式によって、機関負荷率KLonが表され、吸気管圧力Pmが高いときには勾配e2の一次関数式によって、機関負荷率KLonが表される。
【0170】
ここで、2つの一次関数式の勾配をそれぞれe1,e2とし、接続点CPにおける吸気管圧力および機関負荷率をそれぞれd,rとすると、これら2つの一次関数式は次式により表すことができる。
KLon=e1・(Pm−d)+r …Pm≦d
KLon=e2・(Pm−d)+r …Pm>d
これらをひとまとめにして表すと次式(43)のようになる。
KLon=e・(Pm−d)+r (43)
e=e1 …Pm≦d
e=e2 …Pm>d
【0171】
本実施形態では、定常運転時の機関負荷率KLonを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式が式(43)に示す形で予めROM34内に記憶されている。このようにすると、2つの一次関数式をe,d,rの3つのパラメータで表すことができる。すなわち、2つの一次関数式を表すために必要なパラメータの数を少なくすることができる。
この式(43)の各パラメータe,d,rは次式に基づいて算出される。
e1=e1*・ktha
e2=e2*・ktha
d=d*・ktha・kpa
r=r*・ktha・kpa
ここで、e1*,e2*,d*,r*はそれぞれ、機関周囲環境状態が予め定められた基準環境状態であるときの、勾配ならびに接続点における吸気管圧力および機関負荷率である。基準環境状態にはどのような状態を用いてもよいが、本実施形態では基準環境状態として標準状態(1気圧、25℃)が用いられている。
【0172】
一方、kthaは大気温度補正係数を、kpaは大気圧補正係数をそれぞれ表している。大気温度補正係数kthaは大気温センサ44により検出される実際の大気温度に応じ、基準環境状態における各パラメータe1*,e2*,d*,r*をそれぞれ補正するためのものであり、補正する必要がないときには1.0とされる。また、大気圧補正係数kpaは大気圧センサ45により検出される実際の大気圧に応じ、基準環境状態における各パラメータd*,r*をそれぞれ補正するためのものであり、補正する必要がないときには1.0とされる。
【0173】
したがって、大気温度補正係数kthaまたは大気圧補正係数kpaが実際の機関周囲環境状態を代表する代表値であるということを考えると、実際の機関周囲環境状態を代表する代表値に基づき、基準環境状態における各パラメータe1*,e2*,d*,r*を補正しているということになる。あるいは、実際の機関周囲環境状態を代表する代表値に基づき、基準環境状態における機関負荷率KLonを補正しているという見方もできる。
【0174】
一方、式(17)におけるEGR制御弁22の開口断面積AeがEGR開度θeに依存し、機関充填効率が機関回転数NEに依存することを考慮して、本実施形態では、パラメータe*(e1*,e2*),d*,r*をEGR開度θeまたは機関回転数NEに応じて設定している。
【0175】
具体的に説明すると、勾配e1*は、図35(A)に示されるように、機関回転数NEが低いときには機関回転数NEが高くなるにつれて大きくなり、機関回転数NEが高いときには機関回転数NEが高くなるにつれて小さくなり、さらに、EGR開度θeが大きくなるにつれて大きくなる。また、勾配e2*は、図35(B)に示されるように、機関回転数NEが低いときには機関回転数NEが高くなるにつれて大きくなり、機関回転数NEが高いときには機関回転数NEが高くなるにつれて小さくなり、さらに、EGR開度θeが大きくなるにつれて大きくなる。これら勾配e1*,e2*は予め実験により求められており、それぞれ機関回転数NEおよびEGR開度θeの関数として図35(C)および(D)に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
【0176】
一方、接続点CPにおける吸気管圧力d*は、図36に示されるように、機関回転数NEが高くなるにつれて小さくなる。接続点CPにおける吸気管圧力d*も予め実験により求められており、機関回転数NEの関数として図36に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
【0177】
さらに、接続点CPにおける機関負荷率r*は、図37(A)に示されるように、機関回転数NEが低いときには機関回転数NEが高くなるにつれて大きくなり、機関回転数NEが高いときには機関回転数NEが高くなるにつれて小さくなり、さらに、EGR開度θeが大きくなるにつれて小さくなる。接続点CPにおける機関負荷率r*も予め実験により求められており、機関回転数NEおよびEGR開度θeの関数として図37(B)に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
【0178】
したがって、一般的に言うと、互いに異なる複数のEGR開度θeに対し、定常運転時における筒内充填新気量Mc-air、または、機関負荷率KLonを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式がそれぞれ予め求められて記憶されているということになる。また、互いに異なる複数の機関回転数NEに対し、定常運転時における筒内充填新気量Mc-air、または、機関負荷率KLonを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式が予め求められて記憶されているということにもなる。
【0179】
図38は一定の機関回転数NEで且つ様々なEGR開度θeにおける、定常運転時の機関負荷率KLonを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式の一例を示している。なお、図38における破線はEGRガスが供給されていないとき、すなわち、EGR開度θeがゼロのときの機関負荷率KLoffを示している。
【0180】
一方、上述したように、EGRガスが供給されていないときの機関負荷率KLoffを吸気管圧力Pmの一次関数式で表すことができる。図39には、定常運転時機(例えば、関回転数NEが一定に保持されているとき)の機関負荷率KLoffを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式の一例が示されている。本実施形態では、図39に示されるように、機関負荷率KLoffは、勾配が互いに異なり且つ接続点CPにおいて連続している、吸気管圧力Pmの2つの一次関数式により表される。すなわち、吸気管圧力Pmが小さいときには勾配a1の一次関数式によって機関負荷率KLoffが表され、吸気管圧力Pmが高いときには勾配a2の一次関数式によって機関負荷率KLoffが表される。
【0181】
ここで、2つの一次関数式の勾配をそれぞれa1,a2とし、接続点CPにおける吸気管圧力および機関負荷率をそれぞれd,cとすると、これら2つの一次関数式は次式により表すことができる。
KLoff=a1・(Pm−d)+c …Pm≦d
KLoff=a2・(Pm−d)+c …Pm>d
これらをひとまとめにして表すと次式(44)のようになる。
KLoff=a・(Pm−d)+c (44)
a=a1 …Pm≦d
a=a2 …Pm>d
【0182】
本実施形態では、定常運転時の機関負荷率KLoffを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式が式(44)に示す形で予めROM34内に記憶されている。なお、この場合の接続点CPにおける吸気管圧力dは、上述した機関負荷率KLonについての接続点CPにおける吸気管圧力dと同一である。したがって、パラメータの数をさらに少なくすることができる。もちろん、これら接続点CPにおける吸気管圧力を互いに異ならせることもできる。
この式(44)の各パラメータa,rは次式に基づいて算出される。
a1=a1*・ktha
a2=a2*・ktha
c=c*・ktha・kpa
ここで、a1*,a2*,c*はそれぞれ、機関周囲環境状態が上述した基準環境状態すなわち標準状態であるときの、勾配および接続点における機関負荷率である。
【0183】
したがって、大気温度補正係数kthaまたは大気圧補正係数kpaが実際の機関周囲環境状態を代表する代表値であるということを考えると、実際の機関周囲環境状態を代表する代表値に基づき、基準環境状態における各パラメータa1*,a2*,c*を補正しているということになる。あるいは、実際の機関周囲環境状態を代表する代表値に基づき、基準環境状態における機関負荷率KLoffを補正しているという見方もできる。
【0184】
一方、機関充填効率が機関回転数NEに依存することを考慮して、本実施形態では、パラメータa*(a1*,a2*),c*を機関回転数NEに応じて設定している。
【0185】
具体的に説明すると、勾配a1*は、図40(A)に示されるように、機関回転数NEが低いときには機関回転数NEが高くなるにつれて大きくなり、機関回転数NEが高いときには機関回転数NEが高くなるにつれて小さくなる。また、勾配a2*は、図40(B)に示されるように、機関回転数NEが低いときには機関回転数NEが高くなるにつれて大きくなり、機関回転数NEが高いときには機関回転数NEが高くなるにつれて小さくなる。これら勾配a1*,a2*は予め実験により求められており、それぞれ機関回転数NEの関数として図40(A)および(B)に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
【0186】
さらに、接続点CPにおける機関負荷率c*は、図41に示されるように、機関回転数NEが低いときには機関回転数NEが高くなるにつれて大きくなり、機関回転数NEが高いときには機関回転数NEが高くなるにつれて小さくなる。接続点CPにおける機関負荷率c*も予め実験により求められており、機関回転数NEの関数として図41に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
【0187】
したがって、一般的に言うと、互いに異なる複数の機関回転数NEに対し、定常運転時における筒内充填新気量Mc-air、または、機関負荷率KLoffを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式が予め求められて記憶されているということになる。
そうすると、吸気管圧力Pmを例えば圧力センサ39により検出すれば、この検出された吸気管圧力Pmから上述の式(43)または(44)を用いて機関負荷率KLonまたはKLoffを正確に且つ簡単に求めることができ、斯くして空燃比を目標空燃比に正確に且つ簡単に一致させることができることになる。
【0188】
このように機関負荷率KLon,KLoffを吸気管圧力Pmの一次関数式で表せるということは、機関負荷率KLon,KLoffと吸気管圧力Pmとの関係を表すマップを作成する必要がないことを意味しており、したがってまずマップの作成労力がなくされる。また、複雑な例えば微分方程式などを解く必要がないということも意味しており、したがってCPU35の計算負荷が軽減されることにもなる。
【0189】
ところで、式(25)を参照すれば分かるように、機関負荷率KLは、筒内充填新気量Mc-airを表しているとも言える。ここで、EGRガスが供給されていないときには、筒内に新気のみが充填されることを考えると、EGRガスが供給されていないときの機関負荷率KLoffは、このとき筒内に充填されるガスの総量、すなわち、筒内充填ガス量Mcを表していると考えることができる。
【0190】
ここで、EGRガスが供給されているときと供給されていないときとで筒内充填ガス量Mcが変わらないと考えると、EGRガスが供給されていないときの機関負荷率KLoffは、EGRガスが供給されていないときの筒内充填ガス量Mcだけでなく、EGRガスが供給されているときの筒内充填ガス量Mcをも表しているということになる。
【0191】
一方、定常運転時で且つEGRガスが供給されているときの筒内充填新気量Mc-airが機関負荷率KLonによって表されることは上述したとおりである。
したがって、EGRガスが供給されていないときの機関負荷率KLoffから、EGRガスが供給されているときの機関負荷率KLonを差し引いた結果ΔKL(=KLoff−KLon)は、定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrを表しているということになる。
【0192】
具体的に説明すると、例えば、図42に示されるように、Pm=Pm1のときにKLoff=KLoff1であって且つKLon=KLon1である場合には、定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrはΔKL(=KLoff1−KLon1)で表される。
【0193】
したがって、定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrは次式(45)に基づいて算出できることになる。
c-egr=kegr1・ΔKL (45)
ここで、kegr1は機関負荷率KLから筒内充填EGRガス量Mc-egrへの変換係数を、KLoff,KLonは、それぞれ、上記式(43),(44)からそれぞれ算出される機関負荷率を表している。
【0194】
したがって、吸気管圧力Pmを上述した計算式によって算出し、あるいは、圧力センサによって検出すれば、この吸気管圧力Pmから上述の式(45)を用いて定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrを正確に且つ簡単に求めることができることになる。
【0195】
ところで、上述したように、定常運転時にはEGR制御弁通過ガス流量megrと筒内吸入EGRガス量mc-egrとが互いに等しく、筒内充填EGRガス量Mc-egrは筒内吸入EGRガス量mc-egrとΔT(sec)との積で表される(Mc-egr=mc-egr・ΔT)。
したがって、上述した差ΔKLは定常運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrも表しているということになる。
【0196】
本実施形態では、次式(46)に基づいて定常運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrが算出される。
egr=kegr2・ΔKL (46)
ここで、kegr2は機関負荷率KLからEGR制御弁通過ガス流量megrへの変換係数を表し、KLoff,KLonは、ぞれぞれ、上記式(43),(44)からそれぞれ算出される機関負荷率を表している。
【0197】
これまで説明してきたように、上述の式(46)を用いて定常運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrが算出される。しかしながら、この式(46)を用いて過渡運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrを算出することもできる。
すなわち、EGR制御弁通過ガス流量megrはEGR制御弁22前後の圧力差、すなわち、排気圧Peと吸気管圧力Pmとの差に大きく依存し、過渡運転時におけるEGR制御弁22上流の排気圧Peおよび排気温度Teが定常運転時における排気圧Peおよび排気温度Teとそれほど変わらないと考えれば、定常運転時であろうと過渡運転時であろうと、吸気管圧力Pmが決まればEGR制御弁通過ガス流量megrが決まるのである。
【0198】
したがって、上述の式(46)を用いて吸気管圧力Pmから定常運転時および過渡運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrを正確に且つ簡単に求めることができることになる。この場合、定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrは定常運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrから算出することもできるし、上述の式(45)を用いて差ΔKLから算出することもできる。
【0199】
図43は上述した本実施形態におけるEGR制御弁通過ガス流量megrの算出ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【0200】
図43を参照すると、まずステップ100では吸気管圧力Pm、機関回転数NE、およびEGR開度θeが読み込まれる。続くステップ101では、大気温度補正係数ktaおよび大気圧補正係数kpaが算出される。続くステップ102では、図36、図37(B)、および図41のマップから、基準環境状態のもとでの接続点CPにおける吸気管圧力d*および機関負荷率c*,r*が算出される。続くステップ103では、ktha,kpaによりd*,c*,r*を補正することにより、パラメータd,c,rが算出される。続くステップ104では、検出された吸気管圧力Pmが接続点における吸気管圧力d以下か否かが判別される。Pm≦dのときには次いでステップ105に進み、図35(C)および図40(A)のマップからa1*,e1*が算出される。続くステップ106では、勾配a*,e*がそれぞれa1*,e1*とされる。次いでステップ109に進む。これに対し、Pm>dのときには次いでステップ107に進み、図35(D)および図40(B)のマップからa2*,e2*が算出される。続くステップ108では、勾配a*,e*がそれぞれa2*,e2*とされる。次いでステップ109に進む。
【0201】
ステップ109では、ktha,kpaによりa*,e*を補正することにより、パラメータa,eが算出される。続くステップ110では、式(44)に基づいて機関負荷率KLoffが算出される(KLoff=a・(Pm−d)+c)。続くステップ111では、式(43)に基づいて機関負荷率KLonが算出される(KLon=e・(Pm−d)+r)。続くステップ112では差ΔKLが算出される(ΔKL=KLoff−KLon)。続くステップ113では、式(45)に基づいてEGR制御弁通過ガス流量megrが算出される(megr=kegr2・ΔKL)。
【0202】
上述の実施形態では、機関負荷率KLoff,KLonを、それぞれ、2つの一次関数式により表している。しかしながら、機関負荷率KLoff,KLonを、それぞれ、n個のm次関数式により表すこともできる(n,m=1,2…)。
【0203】
したがって、上述の実施形態では、定常運転時で且つEGRガスが供給されていないときの筒内充填新気量または機関負荷率KLoffを吸気管圧力Pmの関数式である第1の関数式により表すと共に第1の関数式を予め求めて記憶しておき、定常運転時で且つEGRガスが供給されているときの筒内充填新気量または機関負荷率KLonを吸気管圧力Pmの関数式である第2の関数式により表すと共に第2の関数式を予め求めて記憶しておき、前記求められた吸気管圧力Pmから前記第1および第2の関数式を用いてそれぞれ筒内充填新気量または機関負荷率KLoff,KLonを算出し、これら算出された筒内充填新気量または機関負荷率KLoff,KLonの差ΔKLを算出し、EGR制御弁通過ガス量megrを差ΔKLに基づいて算出しているということになる。
【0204】
さらに一般的に言うと、定常運転時で且つEGRガスが供給されていないときの筒内充填新気量または機関負荷率KLoffと、定常運転時で且つEGRガスが供給されているときの筒内充填新気量または機関負荷率KLonとの差ΔKLを吸気管圧力Pmの関数式により表すと共に、関数式を予め求めて記憶しておき、吸気管圧力Pmを求め、求められた吸気管圧力Pmから前記関数式を用いて前記差ΔKLを算出し、定常運転時および過渡運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrならびに定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrを、この差ΔKLに基づいて算出しているということになる。
【0205】
次に、本発明の別の実施形態を説明する。
上述した差ΔKLはKLoffおよびKLonをそれぞれ表す式(44),(43)を用いて次式(47)のように表すことができる。
ΔKL=KLoff−KLon
=(a−e)・(Pm−d)+(c−r) (47)
ここで、(a−e)=h,(c−r)=iと置き換えると、式(47)は次のようになる。
ΔKL=h・(Pm−d)+i (48)
h=h1 …Pm≦d
h=h2 …Pm>d
【0206】
したがって、差ΔKLは、図44に示されるように、勾配が互いに異なり且つ接続点CPにおいて連続している、吸気管圧力Pmの2つの一次関数式により表されることになる。すなわち、吸気管圧力Pmが小さいときには勾配h1の一次関数式により、吸気管圧力Pmが高いときには勾配h2の一次関数式により、差ΔKLが表される。
【0207】
本実施形態では、差ΔKLを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式が式(48)に示す形で予めROM34内に記憶されている。このようにすると、パラメータの数をさらに少なくすることができる。
この式(48)の各パラメータh,d,iは次式に基づいて算出される。
h1=h1*・ktha
h2=h2*・ktha
i=i*・ktha・kpa
ここで、h1*,h2*,i*はそれぞれ、機関周囲環境状態が基準環境状態であるときの、勾配および接続点CPにおける差である。これらh1*,h2*,i*は予め実験により求められており、それぞれ機関回転数NEおよびEGR開度θeの関数として図45(A),(B),(C)に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。なお、パラメータdは上述の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【0208】
したがって、一般的に言うと、互いに異なる複数のEGR開度θeに対し、差ΔKLを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式がそれぞれ予め求められて記憶されているということになる。また、互いに異なる複数の機関回転数NEに対し、差ΔKLを表す吸気管圧力Pmの2つの一次関数式が予め求められて記憶されているということにもなる。
【0209】
図46は上述した本発明の別の実施形態におけるEGR制御弁通過ガス流量megrの算出ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
【0210】
図46を参照すると、まずステップ120では吸気管圧力Pm、機関回転数NE、およびEGR開度θeが読み込まれる。続くステップ121では、大気温度補正係数kthaおよび大気圧補正係数kpaが算出される。続くステップ122では、図36および図45(C)のマップから、基準環境状態のもとでの接続点CPにおける吸気管圧力d*および差i*が算出される。続くステップ123では、ktha,kpaによりd*,i*を補正することにより、パラメータd,iが算出される。続くステップ124では、検出された吸気管圧力Pmが接続点における吸気管圧力d以下か否かが判別される。Pm≦dのときには次いでステップ125に進み、図45(A)のマップからh1*が算出される。続くステップ126では、勾配h*がh1*とされる。次いでステップ129に進む。これに対し、Pm>dのときには次いでステップ127に進み、図45(B)のマップからh2*が算出される。続くステップ128では、勾配h*がh2*とされる。次いでステップ129に進む。
【0211】
ステップ129では、ktha,kpaによりh*を補正することにより、パラメータhが算出される。続くステップ130では、式(48)に基づいて差ΔKLが算出される(ΔKL=h・(Pm−d)+i)。続くステップ131では、式(46)に基づいてEGR制御弁通過ガス流量megrが算出される(megr=kegr2・ΔKL)。
ここで、EGR開度θeについて簡単に説明する。上述したように、EGR開度はEGR制御弁22のステップモータのステップ数STPで表され、すなわち、ステップ数STPがゼロになるとEGR制御弁22は閉弁し、ステップ数STPが大きくなるとEGR開度も大きくなる。
【0212】
ところが、実際には、図47に示されるようにステップ数STPがゼロから大きくなっても、EGR制御弁22は直ちに開弁せず、ステップ数STPがSTP1を越えるとようやくEGR制御弁22が開弁する。このため、ステップ数STPからSTP1だけ減算した結果(STP−STP1)でもって、EGR開度θeを表す必要がある。
また、EGR制御弁22には通常、製造誤差が含まれているので、ステップ数STPに対する実際のEGR開度θeが正規の開度からずれている恐れがある。そこで、図1に示される内燃機関では、実際のEGR開度を正規の開度に一致させるための補正係数kgを求め、この補正係数kgをステップ数STPに加算するようにしている。
【0213】
したがって、EGR開度θeは次式に基づいて表されることになる。
θe=STP−STP0+kg
ここで、STP0は図面公差中央品においてEGR制御弁22が開弁し始めるステップ数である。本実施形態では、このようにして算出されるEGR開度θeをマップの引数として用いている。
【0214】
ところで、上述のように算出されるEGR制御弁通過ガス流量megrまたは定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrを、排気温度Teを考慮してさらに補正することもできる。
【0215】
EGR制御弁通過ガス流量megrを補正する場合について説明すると、この場合のEGR制御弁通過ガス流量megrは例えば次式で表される。
egr=megr・kwu・krtd・kinc
ここで、kwuは暖機時補正係数を、krtdは遅角時補正係数を、kincは増量時補正係数を、それぞれ表している。
【0216】
暖機時補正係数kwuは機関暖機運転時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrを補正するためのものである。すなわち、暖機運転時には暖機運転完了後に比べて排気温度Teが低くなっており、その分だけEGR制御弁通過ガス流量megr(g/sec)が多くなる。上記式(43),(44)または式(48)を用いて算出されるEGR制御弁通過ガス流量megrは暖機運転完了後におけるEGR制御弁通過ガス流量であるので、これを補正する必要があるのである。
【0217】
暖機時補正係数kwuは、図48(A)に示されるように、暖機の程度を表す機関冷却水温THWが高くなるにつれて小さくなり、暖機完了を表す温度TWU以上になると1.0に保持される。この暖機時補正係数kwuは図48(A)に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
一方、遅角時補正係数krtdは点火時期の遅角補正時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrを補正するためのものである。すなわち、遅角補正時には遅角補正が行われないときに比べて排気温度Teが高くなっており、その分だけEGR制御弁通過ガス流量megrが少なくなる。
【0218】
遅角時補正係数krtdは、図48(B)に示されるように、遅角量RTDがゼロのときに1.0であり、遅角量RTDが大きくなるにつれて小さくなる。この遅角時補正係数krtdは図48(B)に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
【0219】
さらに、増量時補正係数kincは燃料噴射量の増量補正時におけるEGR制御弁通過ガス流量megrを補正するためのものである。すなわち、増量補正時には増量補正が行われないときに比べて排気温度Teが低くなっており、その分だけEGR制御弁通過ガス流量megrが多くなる。
増量時補正係数kincは、図48(C)に示されるように、増量補正分Fincがゼロのときに1.0であり、増量補正分Fincが大きくなるにつれて大きくなる。この増量時補正係数kincは図48(C)に示されるマップの形で予めROM34内に記憶されている。
このようにすると、EGR制御弁通過ガス流量megrをさらに高精度で求めることができる。
【0220】
なお、点火時期遅角補正または燃料増量補正が行われないときの排気温度Teを機関運転状態(例えば、機関回転数NEおよび要求負荷L)の関数として予め求めておき、実際の排気温度Teを検出または推定し、遅角補正または燃料増量補正が行われないときの排気温度Teと実際の排気温度Teとの差に基づいてEGR制御弁通過ガス流量megrを補正するようにしてもよい。定常運転時における筒内充填EGRガス量Mc-egrも同様であるので、説明を省略する。
【0221】
図1に示される内燃機関では上述したように、EGR制御弁22下流のEGR通路21が分岐されて各気筒の吸気枝管12にそれぞれ接続されている。この構成において、各気筒に供給されるEGRガスの量にばらつきが生ずるのを抑制するために、図49に示されるように、EGR制御弁22下流の各EGR通路21内に絞り23を設けることができる。
【0222】
この場合、まず、定常運転時であれば、絞り23を通過するEGRガスの流量である絞り通過ガス流量mchk(g/sec)はEGR制御弁通過ガス流量megrに一致する。したがって、これまでの説明からわかるように、定常運転時における絞り通過ガス流量mchkを差ΔKLに基づいて算出することができるということになる。なお、絞り通過ガス流量mchkは吸気管部分に流入するEGRガスの流量を表している。
【0223】
一方、過渡運転時には、絞り通過ガス流量mchkはEGR制御弁通過ガス流量megrに必ずしも一致しない。しかしながら、EGR制御弁22から絞り23までのEGR通路21内の容積が比較的小さい場合には、mchkはmegrに概ね一致する。したがって、EGR制御弁22から絞り23までのEGR通路21内の容積が比較的小さい場合には、定常運転時であろうと過渡運転時であろうと、絞り通過ガス流量mchkを差ΔKLに基づいて算出できるということになる。
【0224】
これまで述べてきた本実施形態では、例えば、計算モデルを用いて推定された吸気管圧力Pm、あるいは、圧力センサ39により検出された吸気管圧力Pmから機関負荷率KLon,KLoffまたは差ΔKLを算出するようにしている。しかしながら、例えば、スロットル開度、またはスロットル弁17上流の吸気ダクト14内に配置されたエアフローメータの出力に基づき吸気管圧力Pmを推定し、この推定された吸気管圧力Pmから機関負荷率KLを算出することもできる。
ここで、スロットル開度に基づいて吸気管圧力Pmを推定する場合には、吸気管圧力Pmを、スロットル開度θtと、機関回転数NEと、EGR開度θeとの関数として予め求められ、これがマップの形で記憶される。
【0225】
一方、エアフローメータの出力に基づいて吸気管圧力Pmを推定する場合、エアフローメータの検出精度などのために、推定された吸気管圧力Pmが、吸気管圧力Pmがとりうる最高圧Pmmaxを越える恐れがある。ところが、Pm>Pmmaxの領域では、図50(B)に示されるように、上述の式(43)で表される機関負荷率KLonが式(44)で表される機関負荷率KLoffよりも大きくなっている場合があり、この場合には、差ΔKLが負値になる。すなわち、推定された吸気管圧力Pmが最高圧Pmmaxを越えると、差ΔKLを正確に算出できなくなる恐れがある。
【0226】
そこで、図50(A)に示されるように、Pm>Pmmaxの領域では、差ΔKLを一定値ΔKLCに保持すれば、このような不具合をなくすことができる。すなわち、推定された吸気管圧力Pmが最高圧Pmmaxを越えたときに、差ΔKLを正確に算出し続けることができるのである。
【0227】
ところで、図51に示されているように、各気筒5に対応する吸気枝管13内に、隔壁24によって互いに分離された一対の吸気通路13a,13bが設けられ、一方の吸気通路13b内にスワール制御弁25が配置されている内燃機関が知られている。
【0228】
このスワール制御弁25は、例えば、機関低負荷運転時に閉弁され、機関高負荷運転時に開弁される。図51(A)に示したように、スワール制御弁25が開弁されると、両吸気通路13a,13bからガスが気筒5内に流入し、したがって、気筒5内に十分な量の新気が供給される。一方、図51(B)に示したように、スワール制御弁25が閉弁されると、一方の吸気通路13aからのみガスが気筒5内に流入し、斯くして、気筒5内にシリンダ軸線周りの旋回流が形成される。
【0229】
ここで、スワール制御弁25が閉弁されると、上述したように、ガスは一方の吸気通路13aのみから気筒5内に流入するようになるので、EGR制御弁22から気筒5までの流路の容積は、スワール制御弁25が開弁されている場合に比べて、小さくなる。
また、スワール制御弁25が閉弁されると、EGR通路21の出口近傍におけるガスの流速が速くなる。特に、図51に示されているように、EGR通路21が隔壁24によって分離された領域において吸気通路13aに接続されている場合には、スワール制御弁25が閉弁されたときのEGR通路21の出口近傍におけるガス流速の上昇は大きい。
【0230】
このように、スワール制御弁25が閉弁されると、スワール制御弁25が開弁されている場合に比べて、EGR制御弁22から気筒5までの流路の容積は小さくなり、且つ、EGR通路21の出口近傍のガスの流速が速くなるので、排気ガスがEGR制御弁22を通過してから気筒5に到達するのにかかる時間は短くなり、且つ、EGR制御弁22下流のEGR通路21内および吸気通路13a内における排気ガスの拡散が促進される。
すなわち、このことは、スワール制御弁25が閉弁されると、スワール制御弁25が開弁されている場合に比べて、上述の無駄時間Td2が短くなり、且つ、上述の時定数τ2が小さくなる。
【0231】
そこで、内燃機関がスワール制御弁25を備えている場合においては、上述の実施形態において、スワール制御弁25が開弁された状態を基準にして、機関回転数NEを変数とした無駄時間Td2および時定数τ2のマップを予め実験等で求めてROM34に記憶しておき、スワール制御弁25が開弁されているときには、このマップから機関回転数NEに基づいて求まる無駄時間Td2および時定数τ2を用いて、筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出する。
【0232】
ここでの無駄時間Td2および時定数τ2のマップは、それぞれ、図17(a)および(B)のような形になる。
一方、スワール制御弁25が閉弁されたときには、図17(A)および(B)に示したマップから機関回転数NEに基づいて無駄時間Td2および時定数τ2を求め、これら無駄時間Td2および時定数τ2に1.0よりも小さい補正係数を乗じて算出した無駄時間Td2および時定数τ2を用いて、筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出する。
これによれば、内燃機関がスワール制御弁を備えている場合にも、より正確に筒内流入排気ガス流量を算出することができる。
【0233】
なお、この技術思想は、より一般的に言うと、機関運転状態に応じてEGR制御弁から吸気弁までの通路容積が変更せしめられ、あるいは、機関運転状態に応じて吸気通路の流路断面積が変更せしめられることによって吸気通路へ開口するEGR通路の出口近傍のガス流速が変更せしめられるようになっている内燃機関にも、等しく適用可能である。
【0234】
ところで、図51に示したようにスワール制御弁を備えた内燃機関において、スワール制御弁が閉弁されると、上述したように、スワール制御弁が開弁されている場合に比べて、EGR制御弁から気筒までの流路の容積が小さくなり、且つ、EGR通路の出口近傍のガスの流速が速くなるので、筒内に充填されるEGRガス量は多くなる。
すなわち、スワール制御弁が閉弁されると、筒内に充填されるEGRガス量が多くなるので、逆に、筒内に充填される新気の量が少なくなり、したがって、機関負荷率が小さくなる。
【0235】
したがって、内燃機関がスワール制御弁を備えている場合において、上述の式(43)を利用してEGRガスが気筒内に供給されている時の機関負荷率KLonを算出するときには、スワール制御弁が開弁しているか閉弁しているかによって、筒内に充填されるEGRガスの量が異なることを考慮するのが好ましい。
【0236】
そこで、内燃機関がスワール制御弁25を備えている場合においては、上述の実施形態において、スワール制御弁25が開弁された状態を基準として、式(43)で用いられるパラメータe(e1*,e2*),d*,r*を設定するためのマップを実験等で求めてROM34に記憶しておき、スワール制御弁25が開弁されているときには、これらマップから各パラメータe(e1*,e2*),d*,r*を求め、これらパラメータに基づいて式(43)から機関負荷率KLonを算出する。
【0237】
一方、スワール制御弁25が閉弁されたときには、上述のマッから各パラメータe(e1*,e2*),d*,r*を求め、これらパラメータの少なくとも一方に1.0よりも大きい補正係数を乗じて算出したパラメータに基づいて式(43)から機関負荷率KLonを算出する。
これによれば、内燃機関がスワール制御弁を備えている場合にも、より正確に機関負荷率KLonを算出することができる。
なお、この技術思想は、より一般的に言うと、機関運転状態に応じてEGR制御弁から吸気弁までの通路容積が変更せしめられ、あるいは、機関運転状態に応じて吸気通路の流路断面積が変更せしめられることによって吸気通路へ開口するEGR通路の出口近傍のガス流速が変更せしめられるようになっている内燃機関にも、等しく適用可能である。
【0238】
また、筒内流入排気ガス流量を算出するのではなく、筒内流入新気流量を直接算出している場合には、スワール制御弁が閉弁されており且つ筒内流入排気ガス流量が多くなるときには、筒内流入新気流量が、スワール制御弁が開弁されている場合に比べて、早く少なくなるように補正するようにしてもよい。
また、上述の式(43)および(44)において、パラメータd*は、上述の実施形態では、式(43)および(44)において同じマップから求まる値としているが、式(43)にて用いられるパラメータd*と式(44)にて用いられるパラメータd*とを別のマップから求まる値としてもよい。
なお、流量に時間をかければ量が算出されることから、上述の実施形態において流量とは、実質的に、量をも意味するものである。
【0239】
また、本発明は、特に、EGR通路を介して吸気枝管に供給された排気ガスが、そこに溜まるようにEGR通路が吸気枝管(あるいは、吸気ポート)に接続されている内燃機関に適用されると、有利である。
【図面の簡単な説明】
【0240】
【図1】本発明の制御装置を備えた内燃機関全体を示す図である。
【図2】EGR装置を備えていない内燃機関に適用可能な筒内流入ガス量モデルを示す図である。
【図3】スロットル開度と流量係数との関係を示す図である。
【図4】スロットル開度と開口断面積との関係を示す図である。
【図5】関数Φ(Pm/Pa)を示す図である。
【図6】スロットルモデルの基本概念を示す図である。
【図7】EGR装置を備えていない内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図8】吸気弁モデルの基本概念を示す図である。
【図9】筒内充填ガス量および筒内流入ガス流量の定義に関する図である。
【図10】EGR装置を備えた内燃機関に適用可能な本発明の筒内流入ガス量モデルを示す図である。
【図11】EGR装置を備えた内燃機関に適用可能な吸気管モデルの基本概念を示す図である。
【図12】EGR制御弁通過ガス流量の算出における基本概念を示す図である。
【図13】機関負荷率と排気圧との関係を表した図である。
【図14】EGR制御弁通過ガス流量と排気温度との関係を表した図である。
【図15】EGR制御弁通過ガス流量が変化したときの流入排気ガス分流量の変化を示す図である。
【図16】流入排気ガス分流量に関する無駄時間Td1と時定数τ1とを示す図である。
【図17】筒内流入排気ガス流量に関する無駄時間Td2と時定数τ2とを示す図である。
【図18】筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンを示すフローチャートである。
【図19】無駄時間Tdと時定数τとを示す図である。
【図20】流入排気ガス分流量に関する無駄時間Td1となまし数N1とを示す図である。
【図21】筒内流入排気ガス流量に関する無駄時間Td2となまし数N2とを示す図である。
【図22】筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンを示すフローチャートである。
【図23】気筒毎の分配係数を考慮して筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンを示すフローチャートである。
【図24】気筒毎の分配係数ならびに無駄時間および時定数を考慮して筒内流入排気ガス流量megr-egrを算出するためのルーチンを示すフローチャートである。
【図25】吸気弁閉弁タイミングCAと無駄時間Td2および時定数τ2との関係を示す図である。
【図26】吸気弁閉弁タイミングCAと無駄時間Td2に関する補正係数Ktdおよび時定数τ2に関する補正係数Kτとの関係を示す図である。
【図27】吸気弁閉弁タイミングCAと無駄時間Td2および時定数τ2との関係を示す図である。
【図28】吸気弁閉弁タイミングCAと無駄時間Td2に関する補正係数Ktdおよび時定数τ2に関する補正係数Kτとの関係を示す図である。
【図29】吸気弁閉弁タイミングCAと無駄時間Td2および時定数τ2との関係を示す図である。
【図30】吸気弁閉弁タイミングCAと無駄時間Td2に関する補正係数Ktdおよび時定数τ2に関する補正係数Kτとの関係を示す図である。
【図31】EGR制御弁通過ガス量megrを説明するための図である。
【図32】排気圧Pe、排気温度Te、およびPe/√Teを示す線図である。
【図33】関数Φ(Pm/Pe)を示す線図である。
【図34】機関負荷率KLonと吸気管圧力Pmとの関係の一例を示す線図である。
【図35】勾配e1,e2を示す線図である。
【図36】接続点における吸気管圧力dを示す線図である。
【図37】接続点における機関負荷率rを示す線図である。
【図38】機関負荷率KLonと吸気管圧力Pmとの関係の一例を示す線図である。
【図39】機関負荷率KLoffと吸気管圧力Pmとの関係の一例を示す線図である。
【図40】勾配a1,a2を示す線図である。
【図41】接続点における機関負荷率cを示す線図である。
【図42】差ΔKLを説明するための線図である。
【図43】EGR制御弁通過ガス流量megrの算出ルーチンを示すフローチャートである。
【図44】差ΔKLと吸気管圧力Pmとの関係の一例を示す線図である。
【図45】勾配h1,h2および接続点における差iを示す線図である。
【図46】本発明の別の実施形態による、EGR制御弁通過ガス流量megrの算出ルーチンを示すフローチャートである。
【図47】EGR開度θeとステップ数STPとの関係を示す線図である。
【図48】各種補正係数を示す線図である。
【図49】本発明のさらに別の実施形態を示す内燃機関の部分図である。
【図50】吸気管圧力Pmが最高圧Pmmaxを越えたときの機関負荷率KLを示す線図である。
【図51】スワール制御弁を備えた内燃機関の吸気枝管を示す図である。
【符号の説明】
【0241】
1 機関本体
5 燃焼室
6 吸気弁
7 吸気ポート
8 排気弁
11 燃料噴射弁
13 吸気管
18 スロットル弁
22 EGR制御弁




 

 


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