CN105408608B - 排气系统的状态检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种排气系统的状态检测装置，通过简单的构成来有效地检测排气温度。具备：吸气氧浓度传感器(32)，检测发动机(10)的吸气氧浓度；发动机旋转传感器(30)、油门开度传感器(31)，检测运转状态；指示热效率计算部(42)，基于吸气氧浓度、燃料的喷射开始定时、以及预先存储的对吸气氧浓度、喷射开始定时以及指示热效率变化量的关系进行规定的第一模型式，对发动机(10)的指示热效率变化量进行计算；以及排气温度计算部(43)，基于指示热效率变化量、以及预先存储的对排气温度与指示热效率变化量的关系进行规定的第二模型式，对发动机(10)的排气温度进行计算。

Description

排气系统的状态检测装置
技术领域
本发明涉及一种排气系统的状态检测装置，特别涉及对从发动机排出的排气的温度进行检测的排气系统的状态检测装置。
背景技术
以往，已知使发动机的排气的一部分向吸气系统回流的排气回流装置(ExhaustGas Recirculation：以下，称为EGR装置)。EGR装置在对排气系统与吸气系统进行连接的配管上具有对EGR气体进行冷却的EGR冷却器等而构成。
当排气中的油、煤烟附着在EGR冷却器内时，导致冷却效率降低，高温状态的EGR气体向吸气系统再循环。着眼于这样的课题，已知有如下技术：在EGR冷却器的上游侧以及下游侧分别设置排气温度传感器，基于这些传感器的温度差对EGR冷却器的冷却效率进行诊断(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－114871号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，排气温度传感器的输出相对于实际的排气温度的变化产生响应延迟。因此，当基于排气温度传感器来进行发动机的各种控制时，控制产生延迟，有可能不能够实现对于运转状态最佳的控制。
此外，在EGR冷却器的上游侧以及下游侧分别设置排气温度传感器的构成中，还存在由于传感器数的增加而导致装置整体的成本上升的课题。
本发明的目的在于提供一种排气系统的状态检测装置，能够通过简单的构成来有效地检测排气温度。
用于解决课题的手段
本发明的排气系统的状态检测装置具备：氧浓度检测单元，对发动机的吸气氧浓度进行检测；运转状态检测单元，对上述发动机的运转状态进行检测；指示热效率变化量，基于所检测的上述吸气氧浓度、根据所检测的上述运转状态而设定的燃料喷射开始定时、以及预先存储的至少对吸气氧浓度、喷射开始定时以及指示热效率变化量的关系进行规定的第一模型式，对上述发动机的指示热效率变化量进行计算；以及排气温度计算单元，基于所计算出的上述指示热效率变化量、预先存储的至少对排气温度与指示热效率变化量的关系进行规定的第二模型式，对上述发动机的排气温度进行计算。
发明的效果
根据本发明的排气系统的状态检测装置，能够通过简单构成来有效地检测排气温度。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的排气系统的状态检测装置的示意性整体构成图。
图2是表示本发明的一个实施方式的排气系统的状态检测装置的控制内容的流程图。
具体实施方式
以下，基于图1、2对本发明的一个实施方式的排气系统的状态检测装置进行说明。对于相同的部件赋予相同的符号，这些部件的名称以及功能也相同。由此，不重复进行对于这些部件的详细说明。
如图1所示那样，在柴油发动机(以下，简称为发动机)10上设置有吸气歧管10A以及排气歧管10B。在吸气歧管10A上连接有导入新气的吸气通路(吸气管)11，在排气歧管10B上连接有将排气向大气排放的排气通路(排气管)12。
在排气通路12上，从排气上游侧起依次设置有增压器14的涡轮14B、未图示的排气后处理装置等。在吸气通路11上，从吸气上游侧起依次设置有MAF传感器32、增压器14的压缩机14A、中间冷却器15、吸气温度传感器33、吸气氧浓度传感器(氧浓度检测单元)34、以及增压压力传感器35。由这些各种传感器31～35检测的传感器值向电连接的电子控制单元(以下，称为ECU)40输出。
EGR装置20具备：EGR通路21，使排气的一部分向吸气系统回流；EGR冷却器22，对EGR气体进行冷却；以及EGR阀23，对EGR气体流量进行调整。此外，在比EGR冷却器22靠下游侧(出口)的EGR通路21上，设置有对由EGR冷却器22冷却的EGR气体的温度进行检测的冷却器出口温度传感器(排气温度检测单元)36。由EGR冷却器出口温度传感器36检测的传感器值，向电连接的ECU40输出。
发动机旋转传感器30对未图示的曲轴的转速进行检测。油门开度传感器31对与未图示的油门踏板的踏入量相对应的油门开度进行检测。由这些传感器30、31检测的传感器值向电连接的ECU40输出。此外，发动机旋转传感器30、油门开度传感器31是作为运转状态检测单元的一个例子而优选的。
ECU40用于进行发动机10的燃料喷射等的各种控制，具备公知的CPU、ROM、RAM、输入端口、输出端口等而构成。此外，ECU40作为一部分功能要素而具有燃料喷射控制部41、指示热效率计算部(指示热效率变化量计算单元)42、排气温度计算部(排气温度计算单元)43以及EGR冷却器诊断部(诊断单元)44。对这些各功能要素包含于一体的硬件即ECU40的情况进行说明，但也能够将这些要素的任意一部分设置于独立的硬件。
燃料喷射控制部41基于从发动机旋转传感器30输入的转速N以及从油门开度传感器31输入的油门开度Q，对发动机10的未图示的燃料喷射装置的燃料喷射定时、燃料喷射量进行控制。
指示热效率计算部42基于由各种传感器30～36检测的传感器值以及后述的模型式等，对发动机10的指示热效率变化量Δηi进行计算。以下，对其计算顺序进行详述。
发动机10的缸内的能量守恒由以下的数式(1)表示，该数式(1)表示排气能量Hex、吸气能量Hin、燃料的燃烧能量Qfuel、冷却损失能量Uhloss以及发动机10的指示功率Wid的关系。
[数1]
Hex＝Hin+Qfuel-Uhloss-Wid
此外，发动机10的指示热效率ηi由表示指示功率Wid与燃烧能量Qfuel之比的以下的数式(2)表示。
[数2]
ηi≡Wid*/Qfuel
当向数式(1)代入数式(2)的指示功率Wid时，排气能量Hex由以下的数式(3)表示。
[数3]
Hex＝(1-ηi)Qfuel-Uhloss+Hin
并且，当基于数式(3)对从基准排气能量Hex,ref的变化量ΔHex进行计算时，由以下的数式(4)表示。
[数4]
ΔHex＝Hex-Hex，ref
＝[(1-ηi)Qfuel-Uhloss+Hin]-[(1-ηi，ref)Qfuel，ref-Uhloss，ref+Hin，ref]
在数式(4)中，当假设燃料喷射量为恒定、冷却损失能量Uhloss的变化较微小时，排气能量的变化量ΔHex通过以下的数式(5)来近似。
[数5]
ΔHex≈Hin-Hin，ref-Δηi·Qfuel
并且，从发动机10排出的排气温度(以下，称为发动机出口排气温度)T3根据数式(4)的ΔHex＝Hex－Hex,ref而由以下的数式(6)表示。
[数6]
其中
Hex＝cp，exT3mex
当向数式(6)代入数式(5)时，发动机出口排气温度T3由以下的数式(7)(第二模型式)表示，在该数式(7)中，吸气的定压比热：Cp,in，排气流量：mex，基准排气能量：Hex，ref，基准吸气能量：Hin，ref，排气能量：Hin，燃烧能量：Qfuel。
[数7]
在此，作为指示热效率ηi的变化重要因素，对燃料的喷射开始定时Φ以及吸气氧浓度XO2进行考虑。当假设指示热效率变化量Δηi相对于吸气氧浓度XO2的变化为线形时，指示热效率变化量Δηi通过泰勒展开，而通过以下的数式(8)来近似，在该数式(8)中，吸气氧浓度：XO2，喷射开始定时：Φ，吸入氧浓度修正系数：k1,O2，基准吸入氧浓度：XO2，ref，喷射开始定时修正系数：kn(n＝1,2),soi，基准喷射开始定时：Φref。
[数8]
在数式(8)中，当假设喷射开始定时Φ与吸入氧浓度XO2之间的相互作用项的影响较微小时，指示热效率变化量Δηi由以下的数式(9)(第一模型式)表示。
[数9]
指示热效率计算部42基于该数式(9)实时地计算指示热效率变化量Δηi。更详细地说，在ECU40存储有预先通过实验等而制作的对发动机转速N、油门开度Q以及吸入氧浓度修正系数k1,O2的关系进行规定的修正值映射(未图示)、以及对发动机转速N、油门开度Q以及基准吸入氧浓度XO2，ref的关系进行规定的基准值映射(未图示)。并且，在ECU40中存储有预先通过实验等而制作的对发动机转速N、油门开度Q以及喷射开始定时修正系数kn(n＝1,2),soi的关系进行规定的修正值映射(未图示)、以及对发动机转速N、油门开度Q以及基准喷射开始定时Φref的关系进行规定的基准值映射(未图示)。
指示热效率计算部42对这些映射读取与发动机10的运转状态相对应的值并代入数式(9)，并且将从吸气氧浓度传感器34输入的吸气氧浓度XO2以及由燃料喷射控制部41决定的喷射开始定时Φ分别代入数式(9)。由此，构成为，根据发动机10的运转状态而实时地计算反映了从基准吸入氧浓度XO2，ref的变化量、以及从基准喷射开始定时Φref的变化量的指示热效率变化量Δηi。
排气温度计算部43基于数式(7)实时地计算发动机出口排气温度T3。更详细地说，在ECU40中存储有预先通过实验等而制作的对发动机转速N、油门开度Q以及基准吸气能量Hin，ref的关系进行表示的基准值映射(未图示)、以及对发动机转速N、油门开度Q以及基准排气能量Hex，ref的关系进行表示的基准值映射(未图示)。
排气温度计算部43从这些映射读取与发动机10的运转状态相对应的值，并且根据对吸气的定压比热Cp,in、吸气温度T2以及吸气流量min的关系进行表示的以下的数式(10)来计算吸气能量Hin。
[数10]
Hin＝cp，in·T2·min
并且，排气温度计算部43根据对燃料的低位发热量hl以及燃料喷射量mfuel的关系进行表示的以下的数式(11)来计算燃料的燃烧能量Qfuel。
[数11]
Qfuel＝hl·mfuel
然后，排气温度计算部43将从映射读取的值、根据数式(10)、(11)计算出的值、排气的定压比热Cp,ex、以及排气流量mex代入数式(7)，由此计算出发动机出口排气温度T3。由此，构成为，实时地计算根据发动机10的运转状态而变化的发动机出口排气温度T3。此外，排气流量mex可以通过未图示的排气流量传感器直接检测，或者也可以基于根据发动机转速N以及油门开度Q而掌握的发动机10的运转状态来进行推断。
EGR冷却器诊断部44基于由排气温度计算部43计算出的发动机出口排气温度T3、以及从EGR冷却器出口温度传感器36输入的EGR冷却器出口温度T4，执行EGR冷却器22的故障诊断。
更详细地说，在ECU40中存储有预先通过实验等而求出的对EGR冷却器22的故障进行表示的下限阈值Tmin。在此，故障例如是指：在EGR冷却器22的未图示的翅片等上附着有排气中的煤烟、油，EGR气体与冷却水之间的热交换被妨碍，由此使冷却效率显著降低的状态。
EGR冷却器诊断部44在发动机出口排气温度T3与EGR冷却器出口温度T4的温度差ΔT变得低于下限阈值Tmin的情况下，判断为EGR冷却器22产生故障。此外，故障判断不一定需要基于温度差ΔT来进行，也可以基于发动机出口排气温度T3与EGR冷却器出口温度T4之比T3/T4来进行。
接下来，根据图2对本实施方式的排气系统的状态检测装置的控制流程进行说明。
首先，在点火开关的开启操作的同时，在步骤100中，各种传感器30～36的传感器值被向ECU40输入。
在步骤110中，根据发动机10的运转状态，从修正值映射读取吸入氧浓度修正系数k1,O2以及喷射开始定时修正系数kn(n＝1,2),soi，从基准值映射读取基准吸入氧浓度XO2，ref以及基准喷射开始定时Φref。
在步骤120中，基于在步骤110中从各种映射读取的值、从吸气氧浓度传感器34输入的吸气氧浓度XO2、以及由燃料喷射控制部41决定的喷射开始定时Φ，根据数式(9)的模型式来计算指示热效率变化量Δηi。
在步骤130中，根据发动机10的运转状态，从基准值映射读取基准吸入能量Hin，ref、基准排气能量Hex，ref，并且根据数式(10)、(11)来计算排气能量Hin、燃烧能量Qfuel。
在步骤140中，基于在步骤120中计算出的指示热效率变化量Δηi、在步骤130中从映射读取的值以及根据数式(10)、(11)计算出的值，根据数式(7)的模型式来计算发动机出口排气温度T3。
在步骤150中，基于在步骤140中计算出的发动机出口排气温度T3与从EGR冷却器出口温度传感器36输入的EGR冷却器出口温度T4之差ΔT，来判断EGR冷却器22的故障。在温度差ΔT低于下限阈值Tmin的情况(是)下，在步骤160中判断为EGR冷却器22产生故障。另一方面，在温度差ΔT为下限阈值Tmin以上的情况(否)下，主控制返回步骤100。然后，反复执行步骤100～160的各控制步骤，直到点火开关的关闭操作为止。
接下来，对本实施方式的排气系统的状态检测装置的作用效果进行说明。
以往，使用设置于排气通路的排气温度传感器，来直接测定从发动机排出的排气的温度。由于该排气温度传感器相对于实际的排气温度产生响应延迟，因此存在对发动机的各种控制产生延迟的课题。
与此相对，本实施方式的排气系统的状态检测装置构成为，根据由上述数式(9)表示的模型式来实时地计算发动机10的指示热效率变化量Δηi，并且根据该指示热效率变化量Δηi以及由上述数式(7)表示的模型式来实时地计算发动机出口排气温度T3。即，不适用产生响应延迟的排气温度传感器，而使用预先规定的模型式，由此能够迅速且高精度地计算出发动机出口排气温度T3。
由此，根据本实施方式的排气系统的状态检测装置，通过使用了模型式的简单构成，就能够有效地对发动机出口排气温度T3进行检测(计算)。
此外，以往，为了进行EGR冷却器的诊断，而在EGR冷却器的上游侧以及下游侧分别设置排气温度传感器。因此，存在对诊断带来排气温度传感器的响应延迟的影响，并且由于传感器数的增加而导致装置整体的成本上升的课题。
与此相对，本实施方式的排气系统的状态检测装置构成为，基于根据由上述数式(7)表示的模型式而实时地计算出的发动机出口排气温度T3与从EGR冷却器出口温度传感器36输入的EGR冷却器出口温度T4的温度差ΔT，来判断EGR冷却器22的故障。
由此，根据本实施方式的排气系统的状态检测装置，能够不受传感器的响应延迟的影响，而迅速且正确地进行EGR冷却器22的诊断。此外，能够省略上游侧的排气温度传感器，还能够有效地抑制由于传感器数的增加而导致的成本上升。
此外，本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当地变形而实施。
例如，在上述实施方式中，说明了将由排气温度计算部43计算出的发动机出口排气温度T3用于EGR冷却器22的诊断的情况，但也可以构成为将其用于EGR气体量的控制、未图示的排气后处理装置的控制。此外，发动机10不限定于柴油发动机，也能够广泛地应用于汽油发动机等其他发动机。在这些任一种情况下，能够起到与上述实施方式同样的作用效果。
符号的说明
10 发动机
20 EGR装置
22 EGR冷却器(回流排气冷却单元)
30 发动机旋转传感器(运转状态检测单元)
31 油门开度传感器(运转状态检测单元)
34 吸气氧浓度传感器(氧浓度检测单元)
35 增压压力传感器
36 EGR冷却器出口温度传感器(排气温度检测单元)
40 ECU
42 指示热效率计算部(指示热效率变化量计算单元)
43 排气温度计算部(排气温度计算单元)
44 EGR冷却器诊断部(诊断单元)

Claims (3)

1.一种排气系统的状态检测装置，具备：
氧浓度检测单元，对发动机的吸气氧浓度进行检测；
运转状态检测单元，对上述发动机的运转状态进行检测；
指示热效率变化量计算单元，基于所检测的上述吸气氧浓度、根据所检测的上述运转状态而设定的燃料的喷射开始定时、以及预先存储的至少对吸气氧浓度、喷射开始定时以及指示热效率变化量的关系进行规定的第一模型式，对上述发动机的指示热效率变化量进行计算；以及
排气温度计算单元，基于所计算出的上述指示热效率变化量、以及预先存储的至少对排气温度与指示热效率变化量的关系进行规定的第二模型式，对上述发动机的排气温度进行计算，
上述排气系统的状态检测装置还具备：
回流排气冷却单元，设置于将上述发动机的吸气系统与排气系统进行连接的回流排气流路，对回流排气进行冷却；
排气温度检测单元，设置于比上述回流排气冷却单元更靠排气下游侧的回流排气流路；以及
诊断单元，基于由上述排气温度计算单元计算出的排气温度、以及由上述排气温度检测单元检测的排气温度，对上述回流排气冷却单元的冷却效率进行诊断，
上述排气系统的状态检测装置存储有预先确定的基准排气能量与基准指示热效率的关系，
上述指示热效率变化量是基准指示热效率与根据现在的运转状态所求出的指示热效率的差值，
上述排气温度计算单元，
根据指示热效率变化量计算基准排气能量与现在的运转状态下的排气能量的差，
根据基准排气能量与现在的运转状态下的排气能量的差，计算现在的运转状态下的排气温度。
2.如权利要求1所述的排气系统的状态检测装置，其中，
上述第一模型式包含根据上述运转状态而设定的基准吸气氧浓度、根据上述运转状态而设定的吸气氧浓度修正系数、根据上述运转状态而设定的基准喷射开始定时、以及根据上述运转状态而设定的喷射开始定时修正系数。
3.如权利要求1或2所述的排气系统的状态检测装置，其中，
上述第二模型式包含根据上述运转状态而设定的基准排气能量、根据上述运转状态而设定的基准吸气能量、至少根据吸入空气量以及吸气温度而计算出的吸气能量、以及基于根据上述运转状态而设定的燃料喷射量而计算出的燃烧能量。
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