特許 6587055 エンジンの内部ＥＧＲ率算出装置、及びエンジンの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6587055

(24)【登録日】2019年9月20日

(45)【発行日】2019年10月9日

(54)【発明の名称】エンジンの内部ＥＧＲ率算出装置、及びエンジンの制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02M 26/00 20160101AFI20191001BHJP

   F02D 13/02 20060101ALI20191001BHJP

   F02D 41/02 20060101ALI20191001BHJP

   F02D 43/00 20060101ALI20191001BHJP

【ＦＩ】

   F02M26/00 301

   F02D13/02 K

   F02D13/02 J

   F02D41/02 380E

   F02D41/02 385

   F02D43/00 301Z

   F02D43/00 301H

   F02D43/00 301J

【請求項の数】7

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-166060(P2015-166060)

(22)【出願日】2015年8月25日

(65)【公開番号】特開2017-44110(P2017-44110A)

(43)【公開日】2017年3月2日

【審査請求日】2018年7月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100059959

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 稔

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100162824

【弁理士】

【氏名又は名称】石崎 亮

(72)【発明者】

【氏名】水野 沙織

(72)【発明者】

【氏名】疋田 孝幸

(72)【発明者】

【氏名】津村 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 由大

【審査官】 種子島 貴裕

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２２５６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０２２６９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−０６３９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０７７９７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｍ ２６／００

Ｆ０２Ｄ １３／０２

Ｆ０２Ｄ ４１／０２

Ｆ０２Ｄ ４３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

排気弁を排気行程中に加えて吸気行程中にも開く排気二度開きを実行し、排気を内部ＥＧＲガスとして筒内に導入するエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置であって、
クランク角度に応じた吸気弁の有効開口面積をクランク角度に対する筒内容積変化によって重み付けした値を、吸気弁及び排気弁の両方が開いているオーバーラップ期間において積算することで、吸気弁を介して筒内に導入された新気量を求めると共に、クランク角度に応じた排気弁の有効開口面積をクランク角度に対する筒内容積変化によって重み付けした値を上記オーバーラップ期間において積算することで、排気弁を介して筒内に導入された上記内部ＥＧＲガスとしての排気量を求めて、これらの新気量と排気量との比率である内部ＥＧＲ率を算出する内部ＥＧＲ率算出手段を有する、ことを特徴とするエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置。

【請求項2】

上記内部ＥＧＲ率算出手段は、
クランク角度を「θ」とし、筒内容積を「Ｖ」とし、吸気温度を「Ｔ_in」とし、排気温度を「Ｔ_EVO2」とし、インテークマニホールドの圧力を「Ｐ_in」とし、エキゾーストマニホールドの圧力を「Ｐ_ex」とし、筒内圧を「Ｐ_cyl」とし、吸気弁の有効開口面積を「Ａ_eIV」とし、排気弁の有効開口面積を「Ａ_eEV」とし、内部ＥＧＲ率を「１／ｋ」とすると、以下の式（１）より、この内部ＥＧＲ率を求め、
この式（１）における積分区間には、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングに応じて規定される上記オーバーラップ期間が適用され、この式（１）中の「Ψ」には、比熱比である「κ」と、流体の流れ方向の上流側圧力である「Ｐ_in」と、流体の流れ方向の下流側圧力である「Ｐ_out」とを用いて表された、以下の式（２）の関数が適用される、請求項１に記載のエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置。

【請求項3】

上記内部ＥＧＲ率算出手段は、上記式（１）中の上記筒内圧Ｐ_cylとして固定値を用いる、請求項２に記載のエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置。

【請求項4】

上記内部ＥＧＲ率算出手段は、上記式（１）中の上記排気温度Ｔ_EVO2として、推定された筒内ガス温度を用いる、請求項２又は３に記載のエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置。

【請求項5】

上記内部ＥＧＲ率算出手段は、吸気弁のリフト量に応じた新気の流量係数に基づいて、吸気弁の有効開口面積を求めると共に、排気弁のリフト量に応じた排気の流量係数に基づいて、排気弁の有効開口面積を求める、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置。

【請求項6】

所定の運転領域において、上記排気二度開きを実行して内部ＥＧＲガスを筒内に導入して、燃料を含む混合気を圧縮自己着火させるエンジンに適用される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置。

【請求項7】

排気弁を排気行程中に加えて吸気行程中にも開く排気二度開きを実行し、排気を内部ＥＧＲガスとして筒内に導入するエンジンの制御装置であって、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の内部ＥＧＲ率算出装置の内部ＥＧＲ率算出手段によって算出された内部ＥＧＲ率に基づいて、吸気弁のリフト量、吸気弁の開閉タイミング、排気弁のリフト量、排気弁の開閉タイミング、燃料の噴射量、及び燃料の噴射タイミングのうちの少なくともいずれか１以上を制御するエンジン制御手段を有する、ことを特徴とするエンジンの制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンの内部ＥＧＲ率算出装置及びエンジンの制御装置に係わり、特に、排気弁を吸気行程中に開いて排気を内部ＥＧＲガスとして筒内に導入するエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置及びエンジンの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

この種の技術が、例えば特許文献１に開示されている。具体的には、特許文献１には、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、気筒内に再度流入する既燃ガスの量である吹き返しガス量と、気筒内に残留する既燃ガス量である残留ガス量とに基づいて、吸気弁及び排気弁の両方が開いているオーバーラップ期間に筒内に導入される内部ＥＧＲガスの量を算出する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−１５８５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、近年、燃費の向上を図る観点などから、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比を適用して、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いつつ、所定の運転領域において、圧縮自己着火（具体的にはＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）と呼ばれる予混合圧縮自己着火）を行う技術が開発されている。具体的には、そのようなエンジンでは、所定の低負荷領域において、排気弁を排気行程だけでなく吸気行程中にも開弁する排気二度開きを行って、相対的に温度の高い内部ＥＧＲガスを筒内に導入して、圧縮自己着火を実現するようにしている。したがって、圧縮自己着火を行うようにしたガソリンエンジンにおいては、排気二度開きを行って内部ＥＧＲガスを筒内に導入している最中に、リアルタイムで、内部ＥＧＲ率（内部ＥＧＲガス量でもよい。以下同様とする。）を精度良く算出できるようにすることが望ましい。ここで、内部ＥＧＲガスを導入している最中にリアルタイムで内部ＥＧＲ率を算出するためには、内部ＥＧＲ率の演算処理を簡略化し、その処理負荷を低減することが望ましい。

【0005】

なお、上記した特許文献１に記載された技術は、排気二度開きを行って内部ＥＧＲガスを筒内に導入するエンジンを想定していなかったため、そのようなエンジンについて内部ＥＧＲ率を精度良く算出することができなかった。具体的には、排気二度開きを行う場合、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングに応じてオーバーラップ期間が種々に変わるが、そのような種々のオーバーラップ期間のそれぞれについての内部ＥＧＲ率を精度良く算出することができなかった。

【0006】

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、排気二度開きを行って内部ＥＧＲガスを筒内に導入している最中にリアルタイムで内部ＥＧＲ率を精度良く算出することができるエンジンの内部ＥＧＲ率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】

【0007】

上記の目的を達成するために、本発明は、排気弁を排気行程中に加えて吸気行程中にも開く排気二度開きを実行し、排気を内部ＥＧＲガスとして筒内に導入するエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置であって、クランク角度に応じた吸気弁の有効開口面積をクランク角度に対する筒内容積変化によって重み付けした値を、吸気弁及び排気弁の両方が開いているオーバーラップ期間において積算することで、吸気弁を介して筒内に導入された新気量を求めると共に、クランク角度に応じた排気弁の有効開口面積をクランク角度に対する筒内容積変化によって重み付けした値をオーバーラップ期間において積算することで、排気弁を介して筒内に導入された内部ＥＧＲガスとしての排気量を求めて、これらの新気量と排気量との比率である内部ＥＧＲ率を算出する内部ＥＧＲ率算出手段を有する、ことを特徴とする。

【0008】

このように構成された本発明によれば、クランク角度に対する筒内容積変化（つまりクランク角度に応じたピストンの移動に対応する筒内容積の変化）を考慮して新気量及び排気量を求めるので、内部ＥＧＲ率を精度良く算出することができる。また、オーバーラップ期間において吸気弁及び排気弁の有効開口面積を筒内容積変化で重み付けした値を積算（積分）して新気量及び排気量を求めるので、比較的簡易な演算処理で内部ＥＧＲ率を算出することができる。したがって、本発明によれば、排気二度開きを行って内部ＥＧＲガスを筒内に導入している最中にリアルタイムで内部ＥＧＲ率を精度良く算出することが可能となる。

【0009】

本発明において、好ましくは、内部ＥＧＲ率算出手段は、クランク角度を「θ」とし、筒内容積を「Ｖ」とし、吸気温度を「Ｔ_in」とし、排気温度を「Ｔ_EVO2」とし、インテークマニホールドの圧力を「Ｐ_in」とし、エキゾーストマニホールドの圧力を「Ｐ_ex」とし、筒内圧を「Ｐ_cyl」とし、吸気弁の有効開口面積を「Ａ_eIV」とし、排気弁の有効開口面積を「Ａ_eEV」とし、内部ＥＧＲ率を「１／ｋ」とすると、以下の式（１）より、この内部ＥＧＲ率を求め、この式（１）における積分区間には、吸気弁及び排気弁の開閉タイミングに応じて規定されるオーバーラップ期間が適用され、この式（１）中の「Ψ」には、比熱比である「κ」と、流体の流れ方向の上流側圧力である「Ｐ_in」と、流体の流れ方向の下流側圧力である「Ｐ_out」とを用いて表された、以下の式（２）の関数が適用される。

【0010】

【0011】

このように構成された本発明によれば、式（１）に示すように、吸気弁及び排気弁の有効開口面積Ａ_eIV、Ａ_eEV及び筒内容積変化ｄＶ／ｄθのみを被積分関数とし、吸気温度Ｔ_in、インテークマニホールドの圧力（インマニ圧力）Ｐ_in、エキゾーストマニホールドの圧力（エキマニ圧力）Ｐ_ex及び筒内圧Ｐ_cylをクランク角度θによらずにほぼ一定であるとみなして被積分関数から外しているので、内部ＥＧＲ率の演算処理負荷を適切に低減することができる。

【0012】

本発明において、好ましくは、内部ＥＧＲ率算出手段は、式（１）中の筒内圧Ｐ_cylとして固定値を用いる。
このように構成された本発明によれば、式（１）中の筒内圧Ｐ_cylを固定値として取り扱うことができるので、内部ＥＧＲ率の演算処理負荷を効果的に低減することができる。

【0013】

本発明において、好ましくは、内部ＥＧＲ率算出手段は、式（１）中の排気温度Ｔ_EVO2として、推定された筒内ガス温度を用いる。
このように構成された本発明によれば、式（１）中の排気温度Ｔ_EVO2として筒内ガス温度を用いるので、内部ＥＧＲ率の演算処理負荷を効果的に低減することができる。

【0014】

本発明において、好ましくは、内部ＥＧＲ率算出手段は、吸気弁のリフト量に応じた新気の流量係数に基づいて、吸気弁の有効開口面積を求めると共に、排気弁のリフト量に応じた排気の流量係数に基づいて、排気弁の有効開口面積を求める。
このように構成された本発明によれば、吸気弁及び排気弁のそれぞれのリフト量に応じた新気及び排気の流量係数を用いることで、吸気弁及び排気弁のそれぞれの有効開口面積を適切に求めることができる。

【0015】

本発明において、好ましくは、所定の運転領域において、排気二度開きを実行して内部ＥＧＲガスを筒内に導入して、燃料を含む混合気を圧縮自己着火させるエンジンに適用される。
このように構成された本発明によれば、上記のように算出された内部ＥＧＲ率に基づいて、燃料を含む混合気を圧縮自己着火させる運転を適切に実現させることができる。

【0016】

別の観点では、本発明は、排気弁を排気行程中に加えて吸気行程中にも開く排気二度開きを実行し、排気を内部ＥＧＲガスとして筒内に導入するエンジンの制御装置であって、上記の内部ＥＧＲ率算出装置の内部ＥＧＲ率算出手段によって算出された内部ＥＧＲ率に基づいて、吸気弁のリフト量、吸気弁の開閉タイミング、排気弁のリフト量、排気弁の開閉タイミング、燃料の噴射量、及び燃料の噴射タイミングのうちの少なくともいずれか１以上を制御するエンジン制御手段を有する、ことを特徴とする。
このように構成された本発明によれば、上記のようにして算出された内部ＥＧＲ率に基づいて、吸気弁のリフト量、吸気弁の開閉タイミング、排気弁のリフト量、排気弁の開閉タイミング、燃料の噴射量、及び燃料の噴射タイミングのうちの少なくともいずれか１以上を制御するので、所望の内部ＥＧＲ率などを適切に実現できるようになる。

【発明の効果】

【0017】

本発明のエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置によれば、排気二度開きを行って内部ＥＧＲガスを筒内に導入している最中にリアルタイムで内部ＥＧＲ率を精度良く算出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態によるエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置及びエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。

【図2】本発明の実施形態によるパワートレイン・コントロール・モジュール（ＰＣＭ）を示すブロック図である。

【図3】本発明の実施形態によるエンジンの運転領域の説明図である。

【図4】本発明の実施形態による、第１の運転領域での吸気弁及び排気弁の動作の一例についての説明図である。

【図5】本発明の実施形態による内部ＥＧＲ率の算出方法の説明図である。

【図6】本発明の実施形態による吸気弁及び排気弁の有効開口面積の求め方についての説明図である。

【図7】本発明の実施形態によるクランク角度に対する筒内容積変化についての説明図である。

【図8】本発明の実施形態による吸気弁と排気弁とのオーバーラップ期間の具体例についての説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置及びエンジンの制御装置について説明する。

【0020】

［装置構成］
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置及びエンジンの制御装置が適用されたエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示し、図２は、本発明の実施形態によるパワートレイン・コントロール・モジュール（以下では「ＰＣＭ」と呼ぶ。）を示すブロック図である。

【0021】

エンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（なお、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述するインジェクタ６７に相対する。シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を画定する。なお、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

【0022】

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。

【0023】

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

【0024】

吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変バルブリフト機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１と、クランクシャフト１５に対する排気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７５と、が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されている。第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的には、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。なお、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。

【0025】

ＶＶＴ７５は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。排気弁２２は、ＶＶＴ７５によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。

【0026】

なお、内部ＥＧＲの実行は、上記したような排気弁２２の二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁２１を二回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。

【0027】

ＶＶＬ７１及びＶＶＴ７５を備えた排気側の動弁系と同様に、吸気側には、図２に示すように、ＶＶＬ７４とＶＶＴ７２とが設けられている。吸気側のＶＶＬ７４は、排気側のＶＶＬ７１とは異なる。吸気側のＶＶＬ７４は、吸気弁２１のリフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁２１のリフト量を相対的に小さくする小リフトカムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、大リフトカム及び小リフトカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁２１に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されている。ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。これに対し、ＶＶＬ７４が小リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。大リフトカムと小リフトカムとは、閉弁時期又は開弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。

【0028】

吸気側のＶＶＴ７２は、排気側のＶＶＴ７５と同様に、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。吸気弁２１もまた、ＶＶＴ７２によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。なお、吸気側にＶＶＬ７４を適用せずに、ＶＶＴ７２のみを適用し、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期のみを変更するようにしてもよい。

【0029】

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する（直噴）インジェクタ６７が取り付けられている。インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、インジェクタ６７は、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。なお、インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

【0030】

図外の燃料タンクとインジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、インジェクタ６７に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料がインジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ６７に供給することを可能にする。燃料圧力は、最高で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更される。なお、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。

【0031】

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９内の混合気に強制点火（具体的には火花点火）する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される。

【0032】

エンジン１の一側面には、図１に示すように、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気）を排出する排気通路４０が接続されている。

【0033】

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設され、その下流側には、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

【0034】

吸気通路３０におけるスロットル弁３６とサージタンク３３との間には、気筒１８に導入する新気にオゾンを添加するオゾン発生器（Ｏ₃発生器）７６が介設されている。オゾン発生器７６は、吸気に含まれる酸素を原料ガスとして、無声放電によりオゾンを生成する。つまり、電極に対して、図外の電源から高周波交流高電圧を印加することにより、放電間隙において無声放電が発生し、そこを通過する空気（つまり、吸気）がオゾン化される。こうしてオゾンが添加された吸気は、サージタンク３３から吸気ポート１６を介して、各気筒１８内に導入される。オゾン発生器７６の電極に対する電圧の印加態様を変更する、及び／又は、電圧を印加する電極の数を変更することによって、オゾン発生器７６を通過した後の、吸気中のオゾン濃度を調整することが可能である。

【0035】

排気通路４０の上流側の部分は、気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。

【0036】

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気の一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気をエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１を含んで構成されている。主通路５１には、排気の吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設されている。

【0037】

エンジン１は、ＰＣＭ１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

【0038】

ＰＣＭ１０には、図１及び図２に示すように、各種のセンサＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４〜ＳＷ１８の検出信号が入力される。具体的には、ＰＣＭ１０には、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１の検出信号と、新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２の検出信号と、サージタンク３３付近に設けられ、吸気の圧力（以下では適宜「インマニ圧力」と呼ぶ。）を検出する吸気圧センサＳＷ４と、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５の検出信号と（以下で使用する「吸気温度」の文言は特に吸気ポート温度センサＳＷ５が検出した温度のことを指すものとする）、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６の検出信号と、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力（以下では適宜「エキマニ圧力」と呼ぶ。）を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８の検出信号と、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサＳＷ９の検出信号と、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ₂センサＳＷ１０の検出信号と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１の検出信号と、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２の検出信号と、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３の検出信号と、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４、ＳＷ１５の検出信号と、燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６の検出信号と、エンジン１の油圧を検出する油圧センサＳＷ１７の検出信号と、エンジン１の油温を検出する油温センサＳＷ１８の検出信号と、が入力される。

【0039】

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、本実施形態では特に内部ＥＧＲ率を算出し、これに応じて、（直噴）インジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４、排気弁側のＶＶＴ７５及びＶＶＬ７１、燃料供給システム６２、各種の弁（スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１１）のアクチュエータ、並びに、オゾン発生器７６へ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。詳細は後述するが、ＰＣＭ１０は、本発明における「エンジンの内部ＥＧＲ率算出装置」及び「エンジンの制御装置」に相当する。この場合、ＰＣＭ１０は、本発明における「内部ＥＧＲ率算出手段」及び「エンジン制御手段」として機能する。

【0040】

［運転領域］
次に、図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの運転領域について説明する。図３は、本実施形態によるエンジン１の運転制御マップの一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域である第１の運転領域Ｒ１１では、点火プラグ２５による点火を行わずに、予混合圧縮自己着火（ＨＣＣＩ）による圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン１の負荷が高くなるに従って、この圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、燃焼騒音が発生したり、着火時期の制御が困難になったりする（失火などが発生する傾向にある）。そのため、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域である第２の運転領域Ｒ１２では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ２５を利用した強制点火燃焼（ここでは火花点火燃焼）を行うようにする。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、圧縮着火燃焼による運転を実行するＣＩ（Compression Ignition）運転と、火花点火燃焼による運転を実行するＳＩ（Spark Ignition）運転とを切り替えるように構成されている。但し、ＣＩ運転とＳＩ運転との切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。

【0041】

ここで、第１の運転領域Ｒ１１において実行するＣＩ運転と、第２の運転領域Ｒ１２において実行するＳＩ運転について具体的に説明する。

【0042】

第１の運転領域Ｒ１１内における低負荷側の領域では、ＣＩ運転として、圧縮着火燃焼の着火性及び安定性を高めるために、燃料の低温酸化反応を促進すべく、オゾン発生器７６が発生したオゾンを筒内に導入すると共に、筒内の圧縮端温度を高めるべく、排気側のＶＶＬ７１をオンにして、排気弁２２を吸気行程中に開弁する排気二度開きを行って、相対的に温度の高い内部ＥＧＲガスを筒内に導入する。また、ＣＩ運転では、第１の運転領域Ｒ１１における低負荷側の領域では、均質な混合気を形成すべく、少なくとも吸気行程から圧縮行程中期までの期間内において、インジェクタ６７が筒内に燃料を噴射する。この場合、吸気行程と圧縮行程とにおいて、燃料を分割噴射してもよい。

【0043】

一方で、第１の運転領域Ｒ１１内における高負荷側の領域では、ＣＩ運転として、筒内へのオゾンの導入を停止すると共に、筒内の温度環境が高くなるため、過早着火を抑制するために、内部ＥＧＲガス量を低下させる一方で、ＥＧＲクーラ５２を通過することによって冷却された外部ＥＧＲガスを筒内に導入する。また、このような筒内の温度制御に加えて、過早着火等の異常燃焼を回避しつつ、圧縮着火燃焼の安定化を図るべく、大幅に高圧化した燃料圧力でもって、少なくとも圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内で、筒内に燃料噴射を実行する（高圧リタード噴射）。

【0044】

このような第１の運転領域Ｒ１１でのＣＩ運転に対して、第２の運転領域Ｒ１２でのＳＩ運転では、排気側のＶＶＬ７１をオフにして、ホットＥＧＲガスの導入を中止する一方で、クールドＥＧＲガスの導入は継続する。ＳＩ運転ではまた、スロットル弁３６を全開にする一方で、ＥＧＲ弁５１１の開度調整により、筒内に導入する新気量及び外部ＥＧＲガス量を調整する。こうして筒内に導入するガス割合を調整することは、ポンプ損失の低減と共に、大量のクールドＥＧＲガスを筒内に導入することによる異常燃焼の回避、火花点火燃焼の燃焼温度を低く抑えることによるＲａｗ ＮＯｘの生成抑制及び冷却損失の低減が図られる。なお、全開負荷域では、ＥＧＲ弁５１１を閉弁することにより、外部ＥＧＲをゼロにする。

【0045】

また、ＳＩ運転においては、過早着火やノッキングなどの異常燃焼を回避すべく、高圧リタード噴射を行う。具体的には、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でもって、圧縮行程後期から膨張行程初期にかけてリタード期間内で、筒内に燃料噴射を実行する高圧リタード噴射を行う。なお、ＳＩ運転においては、リタード期間内での高圧リタード噴射に加えて、噴射する燃料の一部を、吸気弁２１が開弁している吸気行程期間内で筒内に噴射するようにしてもよい（つまり分割噴射を行うとしてもよい）。

【0046】

［吸気弁及び排気弁の制御］
次に、図４を参照して、本発明の実施形態による吸気弁２１及び排気弁２２の制御の具体例について説明する。

【0047】

図４は、ＣＩ運転を行う第１の運転領域Ｒ１１での吸気弁２１及び排気弁２２の動作を示している。具体的には、図４は、横方向にクランク角度を示し、縦方向に吸気弁２１及び排気弁２２のリフト量を示しており、実線のグラフＧ１１は、クランク角度に応じた吸気弁２１の動作を示し、破線のグラフＧ１２は、クランク角度に応じた排気弁２２の動作を示している。図４に示すように、ＣＩ運転を行う第１の運転領域Ｒ１１においては、排気弁２２を排気行程中に開弁させると共に吸気行程中にも開弁させる排気二度開きを実行して、吸気弁２１及び排気弁２２の両方が開いているオーバーラップ期間ＯＬにおいて、相対的に温度の高い排気を内部ＥＧＲガスとして筒内に導入するようにする。
なお、上記したように、吸気弁２１は、ＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４を介してＰＣＭ１０によって開閉タイミング及びリフト量が適宜制御され、排気弁２２は、ＶＶＴ７５及びＶＶＬ７１を介してＰＣＭ１０によって開閉タイミング及びリフト量が適宜制御される。

【0048】

以下では、吸気弁２１が開弁するときのクランク角度を「θ_IVO」と表記し、吸気弁２１が閉弁するときのクランク角度を「θ_IVC」と表記し、排気弁２２が一回目に開弁するときのクランク角度を「θ_EVO1」と表記し、排気弁２２が二回目に開弁するとき（つまり排気二度開きを実行するとき）のクランク角度を「θ_EVO2」と表記し、排気弁２２が閉弁するときのクランク角度を「θ_EVC」と表記する。厳密には、排気二度開きにおけるクランク角度θ_EVO2は、排気弁２２のプロフィールの変曲点に対応するクランク角度、具体的には排気弁２２の動作が閉じ側から開き側へと変位するときのクランク角度に相当する。
なお、図４に示す例では、吸気弁２１が開弁するときのクランク角度θ_IVOと排気弁２２が閉弁するときのクランク角度θ_EVCとの間の期間が、オーバーラップ期間ＯＬに相当する。

【0049】

［内部ＥＧＲ率算出］
次に、本発明の実施形態による内部ＥＧＲ率の算出方法について具体的に説明する。

【0050】

まず、図５を参照して、本発明の実施形態による内部ＥＧＲ率の算出方法の基本概念について説明する。図５は、エンジン１の気筒１８周辺の構成要素を簡略化して表した断面図である。

【0051】

算出したい内部ＥＧＲ率を「１／ｋ」とすると、この内部ＥＧＲ率は、図５中の矢印Ａ１に示すように、吸気ポート１６から吸気弁２１を介して筒内に導入される新気量（ガス重量に相当する）である「ｍ_air」と、図５中の矢印Ａ２に示すように、排気ポート１７から排気弁２２を介して筒内に導入される、内部ＥＧＲガスとしての排気量（ガス重量に相当する）である「ｍ_reb」と、に基づいて表される。具体的には、内部ＥＧＲ率は、新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebを用いて、「１／ｋ＝ｍ_air／ｍ_reb」と表される。

【0052】

ここで、吸気ポート１６から筒内への新気（吸気）の流れは、絞りのある場での流体の流れとして扱うことができ、また、排気ポート１７から筒内への排気の流れは、絞りのある場での流体の流れとして扱うことができる。したがって、本実施形態では、以下の式（３）で示すような、絞りのある場での流体（圧縮性流体）の質量流量の理論式から、上記した新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebを定義することとした。

【0053】

【0054】

また、式（３）において、「Ａ」は流体が通過する箇所の流れ方向に直交する面の面積を示し、「Ｐ_in」は流体の流れ方向の上流側圧力を示し、「Ｐ_out」は流体の流れ方向の下流側圧力を示し、「Ｔ_in」は上流側の流体の温度を示し、「Ｒ」はガス定数を示している。また、式（３）中の「Ψ」は、以下の式（４）に示すような、上記の圧力Ｐ_in、Ｐ_outと、比熱比である「κ」とを用いて表された関数である。

【0055】

【0056】

本実施形態では、このような式（３）から、上記した新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebの算出式を規定することとした。具体的には、本実施形態では、式（３）を、吸気弁２１と排気弁２２とのオーバーラップ期間ＯＬについて積分するように変形した、以下の式（５）及び式（６）より、新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebを求めることとした。そして、本実施形態では、上記した「１／ｋ＝ｍ_air／ｍ_reb」という内部ＥＧＲ率の算出式に式（５）及び式（６）を代入することで得られる以下の式（７）より、内部ＥＧＲ率（１／ｋ）を求めることとした。ＰＣＭ１０は、この式（７）を用いて、内部ＥＧＲ率を算出するようにする。なお、式（７）（式（５）及び式（６）も含む）中の関数Ψは、上記の式（４）と同様の以下の式（８）によって表される。

【0057】

【0058】

式（７）において、「θ」はクランク角度を示し、「Ｖ」は筒内容積（燃焼室１９の容積に相当する）を示し、「Ｔ_in」は吸気温度を示し、「Ｔ_EVO2」は排気温度を示し、「Ｐ_in」はインマニ圧力を示し、「Ｐ_ex」はエキマニ圧を示し、「Ｐ_cyl」は筒内圧を示し、「Ａ_eIV」はクランク角度に応じた吸気弁２１の有効開口面積を示し、「Ａ_eEV」はクランク角度に応じた排気弁２２の有効開口面積を示している（図５参照）。また、式（７）における積分区間には、吸気弁２１及び排気弁２２の開閉タイミングに応じて規定されるオーバーラップ期間ＯＬ（例えば図４参照）が適用される。

【0059】

式（７）中の式（５）の部分は、式（３）中の「Ａ」をクランク角度に応じた吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIVで置き換え、式（３）中の「Ｐ_in」をインマニ圧力Ｐ_inで置き換え、式（３）中の「Ｐ_out」を筒内圧Ｐ_cylで置き換え、式（３）中の「Ｔ_in」を吸気温度Ｔ_inで置き換えたものである。同様に、式（７）中の式（６）の部分は、式（３）中の「Ａ」をクランク角度に応じた排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVで置き換え、式（３）中の「Ｐ_in」をエキマニ圧力Ｐ_exで置き換え、式（３）中の「Ｐ_out」を筒内圧Ｐ_cylで置き換え、式（３）中の「Ｔ_in」を排気温度Ｔ_EVO2で置き換えたものである。なお、式（８）を式（７）中の式（５）の部分に適用するに当たっては、式（８）中の「Ｐ_in」をインマニ圧力Ｐ_inで置き換え、式（８）中の「Ｐ_out」を筒内圧Ｐ_cylで置き換えればよく、式（８）を式（７）中の式（６）の部分に適用するに当たっては、式（８）中の「Ｐ_in」をエキマニ圧力Ｐ_exで置き換え、式（８）中の「Ｐ_out」を筒内圧Ｐ_cylで置き換えればよい。

【0060】

本実施形態では、式（７）に示すように、ＰＣＭ１０による内部ＥＧＲ率（１／ｋ）の演算処理を簡略化するため、吸気温度Ｔ_in、インマニ圧力Ｐ_in、エキマニ圧力Ｐ_ex及び筒内圧Ｐ_cylをクランク角度によらずにほぼ一定であるとみなして被積分関数から外している。別の言い方をすると、本実施形態では、吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIV、排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEV、及び筒内容積Ｖのみをクランク角度θに応じて変化する変数として扱い、被積分関数として用いている。加えて、式（７）では、ガス定数Ｒ及び比熱比κは、新気と排気とでほぼ同じであるとみなしている。そのため、ガス定数Ｒは式（７）に残っていない。

【0061】

また、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、式（７）中の吸気温度Ｔ_inとして、吸気ポート温度センサＳＷ５によって検出された温度を用い、式（７）中のインマニ圧力Ｐ_inとして、吸気圧センサＳＷ４によって検出された圧力を用い、式（７）中のエキマニ圧Ｐ_exとして、排気圧センサＳＷ８によって検出された圧力を用いる。更に、本実施形態では、内部ＥＧＲ率の演算処理を簡略化するため、ＰＣＭ１０は、式（７）中の筒内圧Ｐ_cylとして、大気圧に相当する固定値（例えば９８ｋＰａ）を用いる（この代わりに、大気圧のセンサ値を用いても構わない）。加えて、ＰＣＭ１０は、式（７）中の排気温度Ｔ_EVO2として、排気二度開きを行った時点（図４のクランク角度θ_EVO2に対応するタイミング）での筒内ガス温度を用いる。この場合、ＰＣＭ１０は、筒内ガス温度を推定し、この推定した筒内ガス温度を排気温度Ｔ_EVO2として用いる。具体的には、ＰＣＭ１０は、内部ＥＧＲ率などに基づき、排気弁２２の閉弁時の排気温度やガスの組成などを求め、これらに基づき、圧縮後の混合気の着火時期や燃焼期間などを求め、そして、これらに基づき、膨張による温度低下から筒内ガス温度を推定する。
なお、少なくともインマニ圧力Ｐ_in及びエキマニ圧Ｐ_exについては、それぞれ、吸気圧センサＳＷ４によって検出された圧力の平均値及び排気圧センサＳＷ８によって検出された圧力の平均値を用いるのがよい。

【0062】

ここで、図６を参照して、式（７）中の吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIV及び排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVの求め方について説明する。図６は、横軸に吸気弁２１及び排気弁２２のリフト量を示し、縦軸に流量係数であるＣｄ値を示している。図６において、グラフＧ２１は、吸気弁２１を介して筒内に新気が流入するときの、吸気弁２１のリフト量とＣｄ値との関係を示し、グラフＧ２２は、排気弁２２を介して筒内に排気が流入するときの、排気弁２２のリフト量とＣｄ値との関係を示している。なお、吸気弁２１と排気弁２２とでリフト量とＣｄ値との関係が異なるのは、バルブ径やバルブ角度などの違いに起因する。

【0063】

基本的には、弁の有効開口面積は、弁の幾何学面積に対して、弁を通って流れる流体の流量係数であるＣｄ値を乗算することで求められる（弁の有効開口面積＝弁の幾何学面積×Ｃｄ値）。したがって、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIVを、吸気弁２１の幾何学面積に対して、吸気弁２１を介して筒内に新気が流入するときのＣｄ値を乗算することで求めると共に、排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVを、排気弁２２の幾何学面積に対して、排気弁２２を介して筒内に排気が流入するときのＣｄ値を乗算することで求める。なお、吸気弁２１及び排気弁２２のそれぞれについての幾何学面積及びＣｄ値は、クランク角度θ（言い換えるとリフト量）によって変化する変数である。

【0064】

この場合、ＰＣＭ１０は、図６のグラフＧ２１を参照して、吸気弁２１のリフト量に対応するＣｄ値を求めると共に、図６のグラフＧ２２を参照して、排気弁２２のリフト量に対応するＣｄ値を求める。また、ＰＣＭ１０は、所定の係数ｎと、吸気ポート１６のスロート径と、吸気弁２１のリフト量とを乗算することで（ｎ×スロート径×リフト量）、吸気弁２１の幾何学面積を求め、同様に、所定の係数ｎと、排気ポート１７のスロート径と、排気弁２２のリフト量とを乗算することで、排気弁２２の幾何学面積を求める。

【0065】

ＰＣＭ１０は、このようにして、吸気弁２１及び排気弁２２のそれぞれについて求められたＣｄ値と幾何学面積とから、吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIV及び排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVを求める。具体的には、ＰＣＭ１０は、クランク角度θが変化している最中に（詳しくは吸気弁２１と排気弁２２とのオーバーラップ期間ＯＬに）、所定の周期で繰り返し、吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIV及び排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVを求める。なお、ＰＣＭ１０は、事前に求めた値をマップ値として記憶しておき、このマップ値を用いて有効開口面積Ａ_eIV、Ａ_eEVを得てもよい。

【0066】

次に、図７を参照して、式（７）中の「ｄＶ／ｄθ」について説明する。図７は、横軸に吸気行程におけるクランク角度を示し、縦軸に下死点（ＢＤＣ）での筒内容積の大きさを１００（％）としたときの筒内容積割合（％）を示している。つまり、図７は、吸気行程におけるクランク角度θの変化に対する筒内容積Ｖの変化（「ｄＶ／ｄθ」に相当する。）を示している。図７に示すように、筒内容積Ｖは、クランク角度θの変化に対して非線形にて変化している、より詳しくは三角関数（正弦関数／余弦関数）に基づく式に従って変化している。そのため、例えば、上死点（ＴＤＣ）及び下死点（ＢＤＣ）から離れたクランク角度θ１では筒内容積変化ｄＶ／ｄθが大きくなっているが、下死点（ＢＤＣ）に近いクランク角度θ２では筒内容積変化ｄＶ／ｄθが小さくなっている。

【0067】

本実施形態では、このようなクランク角度θに応じた筒内容積変化ｄＶ／ｄθを考慮して、上述した吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIV及び排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVのそれぞれに対して、筒内容積変化ｄＶ／ｄθを重み付けする。つまり、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIVを筒内容積変化ｄＶ／ｄθによって重み付けして新気量ｍ_airを求めると共に（式（５）参照）、排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVを筒内容積変化ｄＶ／ｄθによって重み付けして排気量ｍ_rebを求めて（式（６）参照）、これらの新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebから内部ＥＧＲ率を求める（式（７）参照）。この場合、式（７）に示したように、筒内容積変化ｄＶ／ｄθを有効開口面積Ａ_eIV、Ａ_eEVと共に被積分関数として用いて、ＰＣＭ１０は、有効開口面積Ａ_eIV、Ａ_eEVに対して筒内容積変化ｄＶ／ｄθを乗算した値を吸気弁２１と排気弁２２とのオーバーラップ期間ＯＬにおいて積分することで、内部ＥＧＲ率を求める。

【0068】

次に、図８を参照して、吸気弁２１と排気弁２２との種々のオーバーラップ期間ＯＬについて説明する。図８（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、図４と同様に、横方向にクランク角度を示し、縦方向に吸気弁２１及び排気弁２２のリフト量を示しており、実線のグラフＧ３１〜Ｇ３４は、クランク角度に応じた吸気弁２１の動作を示し、破線のグラフＧ４１〜Ｇ４４は、クランク角度に応じた排気弁２２の動作を示している。なお、ここで示す例では、排気弁２２が上死点（ＴＤＣ）において二回目の開弁を行うものとする、つまり排気弁２２が二回目に開弁するとき（つまり排気二度開きを実行するとき）のクランク角度θ_EVO2が０度であるものとする。

【0069】

図８（Ａ）に示す例では、吸気弁２１が上死点（ＴＤＣ）前に開弁し（θ_IVO＜ＴＤＣ）、排気弁２２が吸気弁２１よりも前に閉弁している（θ_EVC＜θ_IVC）。この例では、排気弁２２が二回目に開弁するときのクランク角度θ_EVO2と排気弁２２が閉弁するときのクランク角度θ_EVCとの間の期間が、オーバーラップ期間ＯＬ（以下では適宜「ＯＬ１」と表記する。）に相当する。

【0070】

図８（Ｂ）に示す例では、吸気弁２１が上死点（ＴＤＣ）前に開弁し（θ_IVO＜ＴＤＣ）、吸気弁２１が排気弁２２よりも前に閉弁している（θ_IVC＜θ_EVC）。この例では、排気弁２２が二回目に開弁するときのクランク角度θ_EVO2と吸気弁２１が閉弁するときのクランク角度θ_IVCとの間の期間が、オーバーラップ期間ＯＬ（以下では適宜「ＯＬ２」と表記する。）に相当する。

【0071】

図８（Ｃ）に示す例では、吸気弁２１が上死点（ＴＤＣ）後に開弁し（θ_IVO＞ＴＤＣ）、排気弁２２が吸気弁２１よりも前に閉弁している（θ_EVC＜θ_IVC）。この例では、吸気弁２１が開弁するときのクランク角度θ_IVOと排気弁２２が閉弁するときのクランク角度θ_EVCとの間の期間が、オーバーラップ期間ＯＬ（以下では適宜「ＯＬ３」と表記する。）に相当する。

【0072】

図８（Ｄ）に示す例では、吸気弁２１が上死点（ＴＤＣ）後に開弁し（θ_IVO＞ＴＤＣ）、吸気弁２１が排気弁２２よりも前に閉弁している（θ_IVC＜θ_EVC）。この例では、吸気弁２１が開弁するときのクランク角度θ_IVOと吸気弁２１が閉弁するときのクランク角度θ_IVCとの間の期間が、オーバーラップ期間ＯＬ（以下では適宜「ＯＬ４」と表記する。）に相当する。

【0073】

このような図８（Ａ）〜（Ｄ）に示すオーバーラップ期間ＯＬ１〜ＯＬ４のそれぞれを式（７）に適用すると、具体的にはオーバーラップ期間ＯＬ１〜ＯＬ４のそれぞれに対応する積分区間を式（７）に適用すると、以下の式（９）〜（１２）が得られる。本実施形態では、ＰＣＭ１０は、吸気弁２１及び排気弁２２の開閉タイミングに基づいて、オーバーラップ期間ＯＬ１〜ＯＬ４のうちで適用されるオーバーラップ期間を決定し、式（９）〜（１２）のうちで、決定したオーバーラップ期間に対応する式を用いて、内部ＥＧＲ率（１／ｋ）を算出する。なお、式（９）〜（１２）では、説明の便宜上、クランク角度θ_IVOを単に「ＩＶＯ」と表記し、クランク角度θ_IVCを単に「ＩＶＣ」と表記し、クランク角度θ_EVO2を単に「ＥＶＯ２」と表記し、クランク角度θ_EVCを単に「ＥＶＣ」と表記している。

【0074】

【0075】

以上説明したようにして、ＰＣＭ１０は、式（７）を用いて、詳しくは式（９）〜（１２）のいずれかを用いて、内部ＥＧＲ率を算出する。本実施形態では、ＰＣＭ１０は、こうして算出した内部ＥＧＲ率に基づいて、更に、吸気弁２１のリフト量、吸気弁２１の開閉タイミング、排気弁２２のリフト量、排気弁２２の開閉タイミング、燃料の噴射量、及び燃料の噴射タイミングのうちの少なくともいずれか１以上を制御する。例えば、ＰＣＭ１０は、推定された内部ＥＧＲ率と目標の内部ＥＧＲ率とを比較して、目標の内部ＥＧＲ率が実現されるように、原則、吸気弁２１及び／又は排気弁２２のリフト量及び／又は開閉タイミングを制御（補正）することとし、目標の内部ＥＧＲ率を実現するのに、吸気弁２１及び／又は排気弁２２の制御（補正）では追い付かない場合に、燃料の噴射量及び／又は噴射タイミングを制御（補正）することとする。

【0076】

［作用効果］
次に、本発明の実施形態によるエンジンの内部ＥＧＲ率算出装置及びエンジンの制御装置の作用効果について説明する。

【0077】

本実施形態では、クランク角度θに応じた吸気弁２１の有効開口面積Ａ_eIVをクランク角度θに対する筒内容積変化ｄＶ／ｄθによって重み付けした値をオーバーラップ期間において積算することで、吸気弁２１を介して筒内に導入された新気量ｍ_airを求めると共に、クランク角度θに応じた排気弁２２の有効開口面積Ａ_eEVをクランク角度θに対する筒内容積変化ｄＶ／ｄθによって重み付けした値をオーバーラップ期間において積算することで、排気弁２２を介して筒内に導入された排気量ｍ_rebを求めて、これらの新気量ｍ_airと排気量ｍ_rebとの比率である内部ＥＧＲ率（１／ｋ）を算出する。
このような本実施形態によれば、クランク角度θに対する筒内容積変化ｄＶ／ｄθ（つまりクランク角度θに応じたピストン１４の移動に対応する筒内容積の変化）を考慮して新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebを求めるので、内部ＥＧＲ率を精度良く算出することができる。また、オーバーラップ期間ＯＬにおいて吸気弁２１及び排気弁２２の有効開口面積Ａ_eIV、Ａ_eEVを筒内容積変化ｄＶ／ｄθで重み付けした値のみを積分して新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebを求めるので、比較的簡易な演算処理で内部ＥＧＲ率を算出することができる。したがって、本実施形態によれば、排気二度開きを行って内部ＥＧＲガスを筒内に導入している最中にリアルタイムで内部ＥＧＲ率を精度良く算出することができる。

【0078】

より具体的には、本実施形態では、式（７）に示すように、吸気弁２１及び排気弁２２の有効開口面積Ａ_eIV、Ａ_eEV及び筒内容積変化ｄＶ／ｄθのみを被積分関数とし、吸気温度Ｔ_in、インマニ圧力Ｐ_in、エキマニ圧力Ｐ_ex及び筒内圧Ｐ_cylをクランク角度θによらずにほぼ一定であるとみなして被積分関数から外しているので、内部ＥＧＲ率の演算処理負荷を適切に低減することができる。
特に、本実施形態では、筒内圧Ｐ_cylとして固定値（大気圧に相当する）を用いると共に、排気温度Ｔ_EVO2として筒内ガス温度を用いるので、内部ＥＧＲ率の演算処理負荷を効果的に低減することができる。

【0079】

また、本実施形態では、このようにして算出された内部ＥＧＲ率に基づいて、吸気弁２１のリフト量、吸気弁２１の開閉タイミング、排気弁２２のリフト量、排気弁２２の開閉タイミング、燃料の噴射量、及び燃料の噴射タイミングのうちの少なくともいずれか１以上を制御するので、所望の内部ＥＧＲ率などを適切に実現できるようになる。その結果、所定の低負荷領域（第１の運転領域Ｒ１１）において、燃料を含む混合気を圧縮自己着火させるＣＩ運転を適切に実現できるようになる。

【0080】

［変形例］
以下では、上記した実施形態の変形例について述べる。

【0081】

上記した実施形態では、新気量ｍ_airと排気量ｍ_rebとの比率である内部ＥＧＲ率（１／ｋ）を算出していたが、この代わりに、内部ＥＧＲガス量を算出してもよい。この内部ＥＧＲガス量は、式（７）に含まれる式（６）により求められる排気量ｍ_rebに相当する。そういった観点より、内部ＥＧＲ率を算出することには内部ＥＧＲガス量を算出することが含まれており、内部ＥＧＲ率を算出することと内部ＥＧＲガス量を算出することはほぼ同義であると言える。

【0082】

また、上記した実施形態では、「１／ｋ」を内部ＥＧＲ率として求めていたが、「ｋ」を内部ＥＧＲ率として求めてもよい。新気量ｍ_air及び排気量ｍ_rebより、「１／ｋ＝ｍ_air／ｍ_reb」であるので、「ｋ」を内部ＥＧＲ率として求める場合には、「ｍ_reb／ｍ_air」を演算すればよい。

【0083】

また、上記した実施形態では、本発明を、排気二度開きを実行して内部ＥＧＲガスを筒内に導入するエンジン１に適用する例を示したが、本発明は、排気二度開きを実行するエンジン１への適用に限定はされない。本発明は、排気弁２２を一度しか開かないが、排気弁２２の開弁期間を吸気行程に重ならせることで（つまり吸気弁２１と排気弁２２とのオーバーラップ期間を生じさせて）、内部ＥＧＲガスを筒内に導入するエンジン１にも適用可能である。

【0084】

また、上記した実施形態では、ガソリンエンジンとしてのエンジン１に本発明を適用する例を示したが、本発明は、ディーゼルエンジンにも適用可能である。この場合にも、内部ＥＧＲガスを筒内に導入するようにしたディーゼルエンジンに本発明を適用するのがよい。

【符号の説明】

【0085】

１ エンジン（エンジン本体）
１０ ＰＣＭ
１８ 気筒
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２５ 点火プラグ
６７ インジェクタ
７１、７４ ＶＶＬ
７２、７５ ＶＶＴ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】