CN109139207A - 内燃机的控制装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种将因排气管散热而导致的废气温度下降考虑在内，从而能高精度地推定排气管的任意推定位置的废气温度的内燃机的控制装置及控制方法。内燃机的控制装置(50)包括：基于运行状态计算燃烧室的出口处的废气的温度即出口气体温度(Tout)的出口气体温度计算部(52)；计算因从燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的废气的温度下降量(ΔTd)的散热量计算部(53)；以及从出口气体温度(Tout)减去温度下降量(ΔTd)来对推定位置的废气温度(Tex)进行推定的排气温度推定部(54)。

Description

内燃机的控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及对内燃机的废气温度进行推定的内燃机的控制装置及控制方法。
背景技术
为了使内燃机适当地运行，正确地把握根据内燃机的运行状态而变化的各部分的压力、温度等状态量较为重要。近年来，也利用排气系统的状态量来进行内燃机的控制。作为使用排气系统的状态量的控制，例如如下在高速旋转高负荷运行时废气温度上升，设置于排气系统的催化剂、空燃比传感器等可能发生损伤的情况下，进行使空燃比加浓而降低废气温度的浓缩控制。用于进行该控制的废气温度可以利用废气温度传感器来检测，但为了降低传感器成本，也有进行推定的方法。例如，使用预先基于实验数据等设定了转速及填充效率与废气温度之间的关系的映射数据来推定废气温度的方法。
作为使用废气温度的其他示例，例如在专利文献1中公开了利用体积效率等效值来计算燃烧室的吸入空气量与内部EGR率的方法，该体积效率等效值的计算中使用废气温度。专利文献2中公开了控制带增压器的内燃机的方法，此处使用废气温度来控制为了达到压缩机的目标驱动力所需的废气门的开度。上述文献中采用的是使用了上述同样的映射数据的废气温度推定方法。除上述以外，有时为了基于EGR阀的开度计算外部EGR的流量，也使用废气温度。
上述示例中使用推定出的废气温度，而作为使用废气温度传感器的示例，可以举出伴随废气限制的加强，降低内燃机的废气中所包含的PM(Particulate Matter：颗粒物质)的排出量的控制。具体而言，利用安装于排气系统的DPF(Diesel Particulate Filter：柴油颗粒过滤器)与GPF(Gasoline Particulate Filter：汽油颗粒过滤器)等颗粒收集过滤器来收集PM，但由于颗粒收集过滤器所能收集的PM的量是有限的，因此适当执行使堆积于颗粒收集过滤器的PM燃烧的再生处理。为了恰当地进行该再生处理，使用排气温度传感器来控制废气温度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5409832号公报
专利文献2：日本专利第5963927号公报
专利文献3：日本专利第5373952号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
如上所述，作为废气温度的推定方法，有使用映射数据的推定方法，但废气温度易受点火时期、EGR量等的影响，例如在只有将转速与填充效率作为映射轴的映射设定下，若点火时期、EGR量等运行条件发生变化，则具有难以高精度地进行推定的问题。即使将点火时期、EGR量发生了变化时的废气温度全部作为映射来进行存储，由于映射数变得庞大，匹配所需的工时也变得庞大，因此在利用映射推定废气温度时，在推定精度与匹配工时方面存在问题。
作为在使用了利用映射所进行的废气温度推定的情况下考虑的其他问题，在浓缩控制中，为了预估温度推定误差以可靠地降低废气温度，存在浓缩频度变高从而导致燃料消耗率恶化的问题。内部EGR量及外部EGR量的推定精度因废气温度的推定误差而变低，因此具有未适当进行基于EGR量的点火时期控制从而无法充分获得燃料消耗率效果的问题。在因废气温度的推定误差而未对控制增压压力的废气门开度进行适当控制的情况下，也会由于无法获得驾驶员所要求的加速感而具有驾驶性能恶化的问题。若能提高废气温度的推定精度，则能解决上述问题。
作为映射以外的推定方法，具有例如专利文献3所公开的方法。专利文献3中公开了基于因绝热压缩而导致的温度上升量与因废气中损失的热量而导致的温度上升量来推定废气温度的方法。专利文献3的方法中，考虑了影响燃烧室出口处的废气温度的排气损失率，但未考虑从燃烧室排出后因排气管的散热而导致的温度下降。因此，若要推定远离燃烧室出口的排气管任意推定位置的废气温度，则具有因根据推定位置而变化的排气管的散热量所导致的推定误差变大的问题。
此外，专利文献3的方法中，将转速及燃料流量作为参数来计算废气中损失的热量相对于燃烧热量的比例即排气损失率。然而，排气损失率是可以通过从因燃料燃烧而在燃烧室中产生的燃烧热量减去作为缸内压力所做的功而取出的指示功及散热到燃烧室壁面的热量即冷却损失而计算出的比例。专利文献3的技术中，未考虑指示功、冷却损失，因此具有排气损失率的计算精度不佳的问题。
高精度地推定废气温度并不容易，因此有时也使用废气温度传感器。然而，废气温度传感器安装于高温的排气系统，因此需要进行异常诊断。为了进行异常诊断，考虑使用废气温度的推定值，因此，最终仍需要高精度地推定废气温度。
因此，期望得到一种将因排气管的散热而导致的废气的温度下降考虑在内，从而能高精度地推定排气管的任意推定位置的废气温度的内燃机的控制装置及控制方法。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明所涉及的内燃机的控制装置包括：运行状态检测部，该运行状态检测部检测内燃机的运行状态；出口气体温度计算部，该出口气体温度计算部基于所述运行状态来计算燃烧室的出口处的废气的温度即出口气体温度；散热量计算部，该散热量计算部计算因从所述燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的所述废气的温度下降量；以及排气温度推定部，该排气温度推定部从所述出口气体温度减去所述温度下降量来推定所述推定位置的废气温度。
本发明所涉及的内燃机的控制方法执行如下步骤：运行状态检测步骤，该运行状态检测步骤中检测内燃机的运行状态；出口气体温度计算步骤，该出口气体温度计算步骤中基于所述运行状态来计算燃烧室的出口处的废气的温度即出口气体温度；散热量计算步骤，该散热量计算步骤中计算因从所述燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的所述废气的温度下降量；以及排气温度推定部，该排气温度推定部从所述出口气体温度减去所述温度下降量来推定所述推定位置的废气温度。
发明效果
根据本发明所涉及的内燃机的控制装置及控制方法，分别计算物理现象各自不同的燃烧室的出口的废气温度与排气管的温度下降量，因此能提高各自的计算精度。计算因从燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的废气的温度下降量，因此能高精度地推定排气管的任意推定位置的废气温度。
附图说明
图1是本发明实施方式1所涉及的内燃机及控制装置的概要结构图。
图2是本发明实施方式1所涉及的控制装置的框图。
图3是本发明实施方式1所涉及的控制装置的硬件结构图。
图4是示意性示出本发明实施方式1所涉及的排气管的单流热交换器模型的图。
图5是表示本发明实施方式1所涉及的热平衡的方案的图。
图6是本发明实施方式1所涉及的出口气体温度计算部的详细框图。
图7是表示本发明实施方式1所涉及的控制装置的处理的流程图。
具体实施方式
实施方式1.
参照附图对实施方式1所涉及的内燃机1的控制装置50(以下简称为控制装置50)进行说明。图1是本实施方式所涉及的内燃机1的概要结构图，图2是本实施方式所涉及的控制装置50的框图。内燃机1及控制装置50搭载于车辆，内燃机1成为车辆(车轮)的驱动力源。
1.内燃机1的结构
如图1所示，内燃机1包括使空气与燃料的混合气体进行燃烧的燃烧室25。内燃机1包括向燃烧室25提供空气的进气管23、排出燃烧室25中燃烧后的废气的排气管17。燃烧室25由气缸(cylinder)和活塞构成。下面，也将燃烧室25称为气缸。内燃机1为汽油发动机。内燃机1包括对进气管23进行开闭的节流阀6。节流阀6为通过由控制装置50控制的电动机进行开闭驱动的电子控制式节流阀。节流阀6设有输出与节流阀6的开度相对应的电信号的节流开度传感器7。
节流阀6的上游侧的进气管23设有输出与吸入到进气管23的吸入空气流量相对应的电信号的空气流量传感器3、输出与吸入空气的温度相对应的电信号的吸入空气温度传感器4。吸入空气温度传感器4检测出的吸入空气的温度能视为等于外部气体温度Ta。
内燃机1具备使废气从排气管17回流至进气歧管12的EGR流路21和对EGR流路21进行开闭的EGR阀22。进气歧管12是节流阀6的下游侧的进气管23的部分。EGR阀22为通过由控制装置50控制的电动机进行开闭驱动的电子控制式EGR阀。EGR阀22设有输出与EGR阀22的开度相对应的电信号的EGR开度传感器27。另外，EGR是废气再循环、即Exhaust GasRecirculation的首字母。将经由EGR阀22使废气再循环的EGR称为外部EGR，将通过进排气阀的阀门重叠使得在燃烧室内残留废气的EGR称为内部EGR。以下，将外部EGR简称为EGR。
进气歧管12设有输出与进气歧管12内的气体压力即歧管压力相对应的电信号的歧管压力传感器8、输出与进气歧管12内的气体温度即歧管温度Tin相对应的电信号的歧管温度传感器9。
内燃机1设有向燃烧室25提供燃料的喷射器13。喷射器13设为向燃烧室25内直接喷射燃料。喷射器13也可以设为向进气歧管12的下游侧的部分喷射燃料。内燃机1设有输出与大气压相对应的电信号的大气压传感器2。
燃烧室25的顶部设有对空气与燃料的混合气体进行点火的火花塞、向火花塞提供点火能量的点火线圈16。此外，燃烧室25的顶部设有调节从进气管23吸入到燃烧室25内的吸入空气量的进气阀14、调节从燃烧室25排出到排气管17的废气量的排气阀15。进气阀14设有使其阀开闭正时可变的进气可变阀正时机构。排气阀15设有使其阀开闭正时可变的排气可变阀正时机构。可变阀正时机构14、15具有电动致动器。内燃机1的曲柄轴设有输出与其旋转角相对应的电信号的曲柄角传感器20。
排气管17设有输出与废气中的空气与燃料的比率即空燃比AF(Air/Fuel：空气/燃料)相对应的电信号的空燃比传感器18。此外，排气管17设有对废气进行净化的催化剂19。
2.控制装置50的结构
接着，对控制装置50进行说明。控制装置50是将内燃机1作为控制对向的控制装置。如图2的框图所示，控制装置50包括运行状态检测部51、出口气体温度计算部52、散热量计算部53、排气温度推定部54及排气温度利用控制部55等控制部。控制装置50的各控制部51～55等利用控制装置50所具有的处理电路来实现。具体而言，如图3所示，控制装置50包括CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等运算处理装置90(计算机)、与运算处理装置90进行数据的交换的存储装置91、向运算处理装置90输入外部的信号的输入电路92、以及从运算处理装置90向外部输出信号的输出电路93等作为处理电路。
作为运算处理装置90，可以具有ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)、IC(Integrated Circuit：集成电路)、DSP(Digital SignalProcessor：数字信号处理器)、FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)、各种逻辑电路及各种信号处理电路等。此外，可以具备相同种类或不同种类的多个运算处理装置90，分担执行各处理。作为存储装置91，可具有能从运算处理装置90读取数据及写入数据的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)、能从运算处理装置90读取数据的ROM(Read Only Memory：只读存储器)等。输入电路92与各种传感器、开关连接，包括将这些传感器、开关的输出信号输入至运算处理装置90的A/D转换器等。输出电路93与电负载连接，且包括用于将来自运算处理装置90的控制信号输出至这些电负载的驱动电路等。
并且，控制装置50所具备的各控制部51～55等的各功能是通过由运算处理装置90执行存储于ROM等存储装置91的软件(程序)，并与存储装置91、输入电路92、输出电路93等控制装置50的其它硬件协作来实现的。另外，将各控制部51～55等所使用的特性数据、常数等设定数据作为软件(程序)的一部分存储于ROM等存储装置91。
本实施方式中，输入电路92与大气压传感器2、空气流量传感器3、吸入空气温度传感器4、节流开度传感器7、歧管压力传感器8、歧管温度传感器9、空燃比传感器18、曲柄角传感器20、油门位置传感器26及EGR开度传感器27等连接。输出电路93与节流阀6(电动机)、喷射器13、进气可变阀正时机构14、排气可变阀正时机构15、点火线圈16及EGR阀22(电动致动器)等连接。另外，控制装置50与未图示的各种传感器、开关及致动器等连接。
运行状态检测部51检测内燃机1的运行状态。运行状态检测部51基于各种传感器的输出信号等检测各种运行状态。具体而言，运行状态检测部51基于大气压传感器2的输出信号检测大气压，基于空气流量传感器3的输出信号检测吸入空气流量，基于吸入空气温度传感器4的输出信号检测外部气体温度Ta，基于节流开度传感器7的输出信号检测节流开度，基于歧管压力传感器8的输出信号检测歧管压力，基于歧管温度传感器9的输出信号等检测进气歧管12内的气体温度即歧管温度Tin，基于空燃比传感器18的输出信号检测废气的空燃比AF，基于曲柄角传感器20的输出信号检测曲柄角度及转速Ne，基于油门位置传感器26的输出信号检测油门开度，基于EGR开度传感器27的输出信号检测EGR开度。
运行状态检测部51基于吸入空气流量、转速Ne等计算流入燃烧室25内的空气量即吸入空气量Qc[g/stroke](stroke：冲程)、填充效率Ec[％]。例如，运行状态检测部51计算对吸入空气流量[g/s]乘上与转速Ne相对应的冲程周期而得的值进行模拟了进气歧管的延迟的滤波处理后的值，以作为吸入空气量Qc[g/stroke]。若是三气缸发动机，则冲程周期为240degCA间的周期，若是四气缸发动机，则冲程周期为180degCA间的周期。或者，运行状态检测部51也可以基于歧管压力、转速Ne等计算吸入空气量Qc[g/stroke]、填充效率Ec[％]。
运行状态检测部51基于EGR开度等计算流入到燃烧室25内的废气再循环量即EGR量Qce[g/stroke]。例如，运行状态检测部51基于EGR开度及歧管压力等计算通过EGR阀22的EGR流量[g/s]，计算对EGR流量乘上冲程周期而得的值进行了滤波处理后的值，以作为EGR量Qce[g/stroke]。运行状态检测部51计算EGR量Qce相对于吸入空气量Qc的比率即EGR率Regr[％]。
控制装置50基于计算得到的转速Ne、吸入空气量Qc、填充效率Ec、EGR率Regr等计算目标空燃比、燃料喷射量Qf、点火时期SA等，对喷射器13及点火线圈16等进行驱动控制。例如，控制装置50基于转速Ne及填充效率Ec计算目标空燃比，将吸入空气量Qc除以目标空燃比来计算燃料喷射量的基本值。并且，控制装置50在进行利用了空燃比传感器18的空燃比反馈控制的情况下，对燃料喷射量的基本值进行校正，来计算最终的燃料喷射量Qf，在不进行空燃比反馈控制的情况下，将燃料喷射量的基本值直接设定为最终的燃料喷射量Qf。
控制装置50基于油门开度等计算目标节流开度，并对节流阀6的电动机进行驱动控制，以使得节流开度接近目标节流开度。控制装置50基于转速Ne及填充效率Ec等计算EGR阀22的目标EGR开度，并对EGR阀22的电动致动器进行驱动控制，以使得EGR开度接近目标EGR开度。控制装置50基于转速Ne及填充效率Ec等计算进气阀14及排气阀15各自的目标开闭正时(相位)，并对进气及排气可变阀正时机构的电动致动器进行驱动控制，以使得进气阀14及排气阀15的开闭正时接近各自的目标开闭正时。
在进行基于转矩的控制的情况下，控制装置50对节流开度、点火时期SA、EGR开度、进气阀14及排气阀15的开闭正时进行控制，以实现基于油门开度等计算得到的内燃机1的要求输出转矩、或由变速机控制装置等外部的控制装置要求的内燃机1的要求输出转矩。具体而言，控制装置50基于通过匹配而预先设定的填充效率Ec与指示热效率ηi之间的关系计算为了实现与要求输出转矩相对应的指示热效率所需的目标填充效率，在以目标填充效率来运行的情况下，计算燃料消耗率、废气达到最佳的目标EGR率，计算达到目标填充效率及目标EGR率那样的目标节流开度、目标EGR开度、进气阀14的目标开闭正时及排气阀15的目标开闭正时，基于这些目标值对节流阀6的电动机、EGR阀22的电动致动器、进气及排气可变阀正时机构的电动致动机进行驱动控制。
2-1.废气温度的推定运算
控制装置50构成为除了以上那样的通常的发动机控制以外，还进行废气温度Tex的推定。推定得到的废气温度Tex在后述的排气温度利用控制部55中用于EGR率的计算等。
<利用单流热交换器模型的废气温度计算方法>
首先，对利用单流热交换器模型的废气温度计算方法进行说明。另外，单流热交换器详细记载于“大学讲座导热工程(大学講義伝熱工学)”(丸善株式会社、P224～226、1983年)。
图4示意性示出单流热交换器模型。在图中的推定位置安装匹配用的排气温度传感器，收集实验数据。匹配用的排气温度传感器仅安装于试验用的内燃机1，用于出口气体温度计算部52、散热量计算部53、排气温度推定部54等所包含的各种常数的匹配。已出厂的内燃机1中，利用由出口气体温度计算部52、散热量计算部53、排气温度推定部54推定得到的废气温度Tex来进行各种控制。
此外，燃烧室出口及排气管入口相当于燃烧室与排气端口的边界部分，相当于配置排气阀15的位置。假设从燃烧室出口到推定位置(匹配用的排气温度传感器的安装位置)为止为圆筒。从燃烧室出口到推定位置为止的排气管的内部表面积为废气向排气管导热的总导热面积A0[m2]。另外，在多个气缸的情况下，能使用将所有气缸的从燃烧室出口到推定位置为止的总内部表面积A0除以气缸数而得到的值。将流过排气管的废气流量设为Qex[g/s]。排气管的外部被外部气体(排气管附近的空气)冷却，假设其外部气体温度Ta[K]为固定。
接着，将燃烧室出口的废气温度即出口气体温度设为Tout[K]，将该出口气体温度Tout与外部气体温度Ta之差设为θ1。将推定位置的废气温度设为Tex[K]，将废气温度Tex与外部气体温度Ta之差设为θ2。另外，废气温度Tex是没有受到排气温度传感器的响应延迟影响的温度，为废气温度的瞬时值。此外，将总导热面积A0中从燃烧室出口到任意位置为止的面积设为A[m2]，将该任意位置的瞬时排气温度设为T[K]，将任意位置的微小导热面积dA上的废气温度的变化设为dT。若将瞬时排气温度T与外部气体温度Ta之差设为θ，则dθ＝dT。若利用传热系数(导热系数)Kht[W/(m2·K)]来表示在该微小导热面积dA上每单位时间交换的热量dQ，则得到下式。
[数学式1]
dQ＝Kht·(T-Ta)·dA＝Kht·θ·dA(∵θ＝T-Ta) (1)
将废气流量Qex[g/s]与废气的比热Cex[J/(g·K)]的积称为水当量。该水当量的废气失去dQ[J]的热量，温度下降dT，因此能以下式来表示。
[数学式2]
dQ＝-Qex·Cex·dT＝-Qex·Cex·dθ(∵dθ＝dT) (2)
从式(1)、式(2)删去dQ并进行整理、积分，成为下式。此处，Const为积分常数。
[数学式3]
在燃烧室出口，A＝0、θ＝θ1，在推定位置，A＝A0、θ＝θ2，因此若应用于式(3)并进行公式变形，则获得下式。
[数学式4]
该排气管中被外部气体剥夺的热量Q[J]由下式来表示。
[数学式5]
Q＝Qex·Cex·(Tout-Tex)＝Qex·Cex·(θ1-θ2) (5)
此外，该排气管中被外部气体剥夺的热量的最大值Qmax是在θ2＝0的时候(废气温度Tex冷却至外部气体温度Ta的时候)，因此成为下式。
[数学式6]
Qmax＝Qex·Cex·(Tout-Ta)＝Qex·Cex·θ1 (6)
根据式(4)、式(5)、式(6)，排气管的温度效率η以下式来表示。
[数学式7]
式(7)中，若假设传热系数Kht、从燃烧室出口到推定位置为止的总导热面积A0及废气的比热Cex为固定值，则可知排气管的温度效率η是废气流量Qex的函数。最终，只要知道与废气流量Qex对应的排气管的温度效率η[％]、外部气体温度Ta、出口气体温度Tout，就能通过下式推定废气温度Tex。
[数学式8]
式(8)的第2式的右边第2项表示对排气系统应用了单流热交换器模型时的温度下降量ΔTd。由以上内容示出根据出口气体温度Tout、外部气体温度Ta、排气管的温度效率η计算废气温度Tex的方法。
<出口气体温度Tout的计算方法>
对利用式(8)来计算废气温度Tex所需的出口气体温度Tout的计算方法进行说明。将表示怎样分配通过使提供给燃烧室内的燃料进行燃烧而产生的燃烧热量hl_b的内容称为热平衡，图5示出热平衡的方案。燃烧热量hl_b中，将作为燃烧室内的缸内压力所做的功而取出的热量的比例设为指示热效率ηi[％]，将膨胀冲程中散热到燃烧室壁面的热量的比例设为冷却损失率ηc[％]，剩余部分作为排气损失率ηex[％]，是废气的温度上升所使用的热量的比例。另外，泵送损失、机械损失虽然一度作为功取出，但被认为是用于轴输出以外的功，从而包含在指示热效率ηi中。这里，如果假定指示热效率ηi、冷却损失率ηc已知，则排气损失率ηex能由下式来表示。
[数学式9]
ηex＝100-η1-ηc (9)
此时，若将导入至进气歧管12的气体温度即歧管气温设为Tin[K]，将通过本次燃烧而产生的燃烧热量设为hl_b[J/stroke]，将本次燃烧的燃烧室内气体量设为Qall[g/stroke]，将燃烧室内气体(废气)的比热设为Cex[J/(g·K)]，则出口气体温度的基本值Tout0[K]能由下式计算得到。
[数学式10]
这里，将由式(10)计算出的出口气体温度设为基本值是由于：尽管在空燃比是理论空燃比或稀空燃比时，能直接使用由式(10)计算出的出口气体温度，但在空燃比是浓空燃比时，出口气体温度因浓缩而下降，因此需要对该部分进行校正。因浓缩而导致温度下降的理由被认为是由于因燃料气化而导致的蒸发热量、未燃烧燃料分解为分子量较小的烃时消耗的能量所造成的。最终，若将因浓缩而导致的温度下降量设为浓缩温度下降量ΔTrich，则能通过下式计算出出口气体温度Tout。能通过以上内容计算出出口气体温度Tout，因此也能计算出废气温度Tex。
[数学式11]
Tout＝Tout0-ΔTrich (11)
<出口气体温度计算部52>
对基于以上导出的计算方法设计得到的控制装置50进行说明。出口气体温度计算部52基于运行状态来计算燃烧室的出口处的废气的温度即出口气体温度Tout。如图6中的出口气体温度计算部52的详细框图所示，出口气体温度计算部52包括燃烧室气体量计算部52a、燃烧热量计算部52b、冷却损失率计算部52c、指示热效率计算部52d、热平衡温度计算部52e及空燃比温度校正部52f。
燃烧室气体量计算部52a计算流入燃烧室的气体量即燃烧室气体量Qall。本实施方式中，燃烧室气体量计算部52a如下式所示，计算对流入燃烧室的空气量即吸入空气量Qc[g/stroke]、流入燃烧室的废气再循环量即EGR量Qce[g/stroke]、及提供给燃烧室的燃料喷射量Qf[g/stroke]进行合计后的值，以作为燃烧室气体量Qall[g/stroke]。另外，如上所述，吸入空气量Qc及EGR量Qce通过运行状态检测部51来计算得到。
[数学式12]
Qall＝Qc+Qcc+Qf (12)
此外，燃烧室气体量计算部52a如下式所示，计算将燃烧室气体量Qall除以冲程周期ΔTsgt后的值，以作为由排气冲程排出的废气流量Qex[g/s]。若是三气缸发动机，则冲程周期ΔTsgt为240degCA间的周期，若是四气缸发动机，则冲程周期ΔTsgt为180degCA间的周期。这里(n)表示当前的冲程，(n-3)表示从当前冲程起3个冲程前的冲程。Qex(n)表示从当前处于排气冲程的气缸排出的废气流量，Qall(n-3)表示当前处于排气冲程的气缸在3个冲程前处于进气冲程时流入的燃烧室气体量。
[数学式13]
燃烧热量计算部52b计算通过燃料的燃烧而在燃烧室中产生的燃烧热量hl_b。燃烧热量计算部52b基于燃料喷射量Qf[g/stroke]及空燃比AF计算燃料喷射量Qf中实际燃烧的燃烧燃料量Qfb[g/stroke]。在空燃比AF为理论空燃比或稀空燃比时，能假设燃料喷射量Qf全部燃烧，但在空燃比AF是浓空燃比时，理论空燃比部分的燃料量燃烧，但超出理论空燃比的浓空燃比部分的燃料量不燃烧。因此，燃烧热量计算部52b如下式所示，在空燃比AF是理论空燃比或稀空燃比时，将燃料喷射量Qf直接设定为燃烧燃料量Qfb，在空燃比AF是浓空燃比时，计算将空燃比AF除以理论空燃比AF0所得的值乘以燃料喷射量Qf后的值作为燃烧燃料量Qfb。空燃比AF可以使用用于计算燃料喷射量Qf的目标空燃比，也可以使用利用空燃比传感器18检测出的废气的空燃比。
[数学式14]
并且，燃烧热量计算部52b计算将燃烧燃料量Qfb[g/stroke]乘以单位发热量而得的值以作为燃烧热量hl_b[J/stroke]。将汽油的单位发热量设定为44000[J/g]左右。另外，可以从单位发热量中减去燃料的气化热量，但汽油的气化热量为272[J/g]左右，因此可以忽略。
冷却损失率计算部52c计算因燃烧而产生的燃烧热量hl_b中散热到燃烧室壁面的热量的比例即冷却损失率ηc。本申请的发明人根据实施的实验结果发现废气流量Qex与通过倒算得到的冷却损失率ηc之间存在较强的相关性，而与运行条件无关。因此，冷却损失率计算部52c基于排气管内的废气流量Qex计算冷却损失率ηc。具体而言，冷却损失率计算部52c参照预先设定了废气流量Qex与冷却损失率ηc之间的关系的损失率特性数据，计算出与当前的废气流量Qex(n)相对应的冷却损失率ηc(n)。损失率特性数据中，基于实验数据预先设定有冷却损失率ηc随着废气流量Qex增加而降低的特性。另外，各特性数据使用数据映射、数据表格、多项式、数学式等，这些设定数据存储于存储装置91。
指示热效率计算部52d计算出燃烧热量hl_b中作为燃烧室内的缸内压力所做的功取出的热量的比例即指示热效率ηi。指示热效率计算部52d参照预先设定了转速Ne、填充效率Ec、EGR率Regr及点火时期SA等运行条件与指示热效率ηi之间的关系的指示热效率特性数据，计算与当前的运行条件对应的指示热效率ηi。这里，当前的填充效率Ec、EGR率Regr使用当前处于排气冲程的气缸在3个冲程前处于进气冲程时的值。
指示热效率特性数据使用基于转矩的控制中用于计算输出转矩的数据，并基于实验数据预先设定。对于指示热效率ηi的测量，若测量所有运行点则变得庞大，因此利用诸如MBC(Model Based Calibration：基于模型校准)、DoE(Design of Experiments：实验设计)的方法来抑制测量点，并利用近似式来关联测量到的点处的数据，从而生成相当于所有运行点的近似数据。作为指示热效率特性数据，使用进一步简化后的近似式。另外，在不进行基于转矩的控制的情况下，指示热效率特性数据也可以是设定有转速Ne及填充效率Ec与指示热效率ηi之间的关系的数据。另外，指示热效率ηi可以使用将因燃烧而产生的热量作为分母并将相当于指示平均有效压的热量作为分子而计算得到的值。
热平衡温度计算部52e基于燃烧室气体量Qall[g/stroke]、燃烧热量hl_b[J/stroke]、冷却损失率ηc及指示热效率ηi来计算出口气体温度Tout。具体而言，如上述那样，利用基于热平衡的方案的式(9)、式(10)，热平衡温度计算部52e如下式所示计算从100[％]减去指示热效率ηi[％]及冷却损失率ηc[％]而得的值，以作为燃烧热量中被废气的温度上升使用的热量的比例即排气损失率ηex[％]。并且，热平衡温度计算部52e对燃烧热量hl_b[J/stroke]乘上排气损失率ηex[％]，来计算废气的温度上升所使用的的温度上升热量[J/stroke]，将温度上升热量[J/stroke]除以燃烧室气体量Qall[g/stroke]与废气的比热Cex[J/(g·K)]相乘而得的水当量[J/(stroke·g)]来计算温度上升量[K]，并将温度上升量[K]加上歧管温度Tin[K]，计算出口气体温度的基本值Tout0[K]。
[数学式15]
作为废气的比热Cex，设定为1.1[J/(g·K)]左右的值。废气的比热Cex严格意义上来说会根据空燃比而变化，因此可以根据空燃比AF使其变化，例如利用空气及燃料的比热进行校正等，但为了简化，也可以使用相同的固定值。作为歧管温度Tin，可以直接使用由歧管温度传感器9检测出的进气歧管12内的气体温度，但也可以使用对进气歧管12内的气体温度加上规定值而得的温度作为歧管温度Tin，以使得接近流入燃烧室内的气体温度。或者，也可以将根据基于进排气阀的开闭正时而计算出的内部EGR率对进气歧管12内的气体温度进行校正后的温度用作为歧管温度Tin。作为歧管温度Tin，也可以使用基于外部气体温度Ta推定出的气体温度。
空燃比温度校正部52f在空燃比AF比理论空燃比要浓的情况下，根据浓缩量ΔAFr进行出口气体温度Tout的降低校正。本申请的发明人根据实施的实验结果发现如下特性：若浓缩量ΔAFr增加1，则出口气体温度Tout下降35～40℃而不依赖于运行条件。空燃比温度校正部52f参照预先设定了浓缩量ΔAFr(＝AF0-AF)与浓缩温度下降量ΔTrich之间的关系的温度下降特性数据，计算与当前的浓缩量ΔAFr相对应的浓缩温度下降量ΔTrich。温度下降特性数据中，基于实验数据预先设定有随着浓缩量ΔAFr增加，正值的浓缩温度下降量ΔTrich增加的特性。
如下式所示，空燃比温度校正部52f在空燃比AF是理论空燃比或稀空燃比的情况下，将出口气体温度的基本值Tout0直接设定为出口气体温度Tout，在空燃比AF为浓空燃比的情况下，计算从出口气体温度的基本值Tout0减去正值的浓缩温度下降量ΔTrich而得的值，以作为出口气体温度Tout。
[数学式16]
<散热量计算部53>
散热量计算部53计算因从燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的废气的温度下降量ΔTd。如上所述，根据将排气管模型化为单流热交换器而导出的式(7)，可知排气管的温度效率η是废气流量Qex的函数，根据式(8)可知能基于排气管的温度效率η计算出温度下降量ΔTd。因此，散热量计算部53基于排气管内的废气流量Qex，计算作为以排气管内的废气为加热流体、以排气管外的空气为受热流体的单流热交换器的排气管的温度效率η，并基于排气管的温度效率η计算出温度下降量ΔTd。
散热量计算部53利用与式(7)相同的下式，基于废气流量Qex计算出排气管的温度效率η。
[数学式17]
Kη是运算常数。运算常数Kη能通过将排气管的传热系数Kht乘以从燃烧室出口到推定位置为止的总导热面积A0并除以废气的比热Cex来设定。排气管的传热系数Kht是匹配值，例如为10～15[W/(m2·K)]左右的值。总导热面积A0能根据排气管的结构计算得到。废气的比热Cex可使用上述的值。运算常数Kη可设为固定值，也可以根据废气的比热Cex而变化，该废气的比热Cex根据空燃比AF变化。此外，运算常数Kη可以是通过实验得到的匹配值。
或者，散热量计算部53可以构成为参照预先设定了废气流量Qex与排气管的温度效率η之间的关系的温度效率特性数据，计算出与当前的废气流量Qex相对应的排气管的温度效率η。温度效率特性数据表示式(17)的特性，也可以通过实验来匹配。例如，基于在多个废气流量Qex的动作点测定得到的、使用了匹配用排气温度传感器的出口气体温度Tout的测定值、使用了匹配用排气温度传感器的推定位置的废气温度Tex0的测定值、外部气体温度Ta的测定值，利用式(8)的第1式，计算出排气管的温度效率η。然后，对多个动作点的废气流量Qex及排气管的温度效率η的实验数据进行近似，设定温度效率特性数据。也可以通过同样的方法来设定运算常数Kη。
散热量计算部53如与式(8)的第2式相同的下式所示那样，从由出口气体温度计算部52计算得到的出口气体温度Tout减去外部气体温度Ta所得的值乘以排气管的温度效率η，将由此得到的值作为废气的温度下降量ΔTd。
[数学式18]
ΔTd＝η·(Tout-Ta) (18)
<排气温度推定部54>
排气温度推定部54如下式所示那样从出口气体温度Tout减去温度下降量ΔTd来对推定位置的废气温度Tex进行推定。
[数学式19]
Tex＝Tout-ΔTd (19)
推定位置被设定为后述的排气温度利用控制部55中所需的废气温度的位置。例如，推定位置被设定为催化剂19的上游侧的位置、排气管17与EGR流路21的连接位置、排气管设有增压器时涡轮的上游侧的位置、排气管设有废气传感器时废气传感器的位置等。根据推定位置设定计算温度效率η所需的运算常数Kη或温度效率特性数据。
排气温度推定部54可以构成为推定多个推定位置的废气温度。该情况下，散热量计算部53根据推定位置切换运算常数Kη或温度效率特性数据的设定值，计算各推定位置的温度效率η，并计算各推定位置的温度下降量ΔTd。然后，排气温度推定部54利用各推定位置的温度下降量ΔTd推定各推定位置的废气温度Tex。由此，只要根据推定位置来切换运算常数Kη或温度效率特性数据，就能容易地推定多个推定位置的废气温度。
如后述那样，在排气管设有废气温度传感器，并进行废气温度传感器的异常诊断的情况下，对由废气温度传感器检测出的废气温度与推定得到的废气温度Tex进行比较。然而，由废气温度传感器检测出的废气温度会因传感器的热容量等而产生响应延迟。或者，废气温度因排气管的热容量而产生响应延迟。因此，排气温度推定部54对废气温度Tex进行响应延迟处理，从而计算出响应延迟处理后的废气温度Texft。例如，排气温度推定部54如下式所示进行一次延迟滤波处理，计算出响应延迟处理后的废气温度Texft。这里，滤波常数Kf根据传感器的时间常数τ与运算周期Δt来设定。(n)表示是本次运算周期的值，(n-1)表示是前一次运算周期的值。
[数学式20]
<排气温度利用控制部55>
排气温度利用控制部55使用废气温度的推定值Tex来进行排气温度控制、阀流量特性运算、排气温度传感器异常诊断及涡轮输出运算中的任意一个以上。
排气温度控制是利用废气温度的推定值Tex进行废气温度的控制的处理。排气温度推定部54将进行废气温度的控制的位置设定为推定位置，来进行废气温度的推定。例如，排气温度利用控制部55在进行用于使废气的温度下降的浓缩控制的情况下，改变燃料喷射的浓缩量以使得废气温度的推定值Tex接近目标温度。此外，排气温度利用控制部55改变点火时期SA或改变排气冲程的燃料喷射量，以使得废气温度的推定值Tex接近目标温度。
阀流量特性运算是利用废气温度的特定值Tex来计算有废气流过的阀的流量特性的处理。排气温度推定部54将阀的上游侧的位置设定为推定位置，进行废气温度的推定。排气温度利用控制部55基于废气温度的推定值Tex计算出阀上游侧的废气的音速及密度，以作为阀的流量特性。有废气流过的阀为EGR阀22、绕过增压器的涡轮的废气门阀等。排气温度利用控制部55利用EGR阀22的流量特性计算出EGR流量，并计算EGR量Qce、EGR率Regr。排气温度利用控制部55利用废气门阀的流量特性，计算通过废气门阀的旁通流量，从废气流量减去旁通流量计算涡轮通过流量，涡轮通过流量与涡轮输出成比例，因此利用涡轮通过流量计算出涡轮的输出。涡轮输出用于增压压力的控制。
排气温度传感器异常诊断是利用废气温度的推定值Tex来对设置于排气管的废气温度传感器进行异常诊断的处理。废气温度传感器是为了对流入催化剂、颗粒收集过滤器等废气净化装置的废气温度进行管理而设置的。排气温度推定部54将废气温度传感器的位置设定为推定位置，来进行废气温度的推定。排气温度利用控制部55对响应延迟处理后的废气温度的推定值Texft与废气温度传感器所得的废气温度的检测值进行比较，在两者之差较大的情况下，判定为废气温度传感器发生了异常。
涡轮输出运算是利用废气温度的推定值Tex计算设置于排气管的增压器的涡轮输出的运算。排气温度推定部54将涡轮的上游侧的位置设定为推定位置，进行废气温度的推定。由于流入涡轮的废气温度与涡轮输出成比例，因此排气温度利用控制部55利用废气温度的特定值Tex来计算涡轮输出。
2-2.流程图
基于图7所示的流程图，对本实施方式所涉及的控制装置50的概要处理顺序(内燃机1的控制方法)进行说明。图7的流程图的处理是通过运算处理装置90执行存储于存储装置91的软件(程序)，从而每隔规定的运算周期重复执行。
步骤S01中，运行状态检测部51如上所述执行检测内燃机1的各种运行状态的运行状态检测处理(运行状态检测步骤)。
步骤S02中，出口气体温度计算部52如上所述执行基于运行状态计算燃烧室出口处的废气温度即出口气体温度Tout的出口气体温度计算处理(出口气体温度计算步骤)。本实施方式中，出口气体温度计算部52如上所述计算出流入到燃烧室的气体量即燃烧室气体量Qall，计算出因燃料的燃烧而在燃烧室中产生的燃烧热量hl_b，计算出因燃烧而产生的燃烧热量hl_b中散热到燃烧室壁面的热量的比例即冷却损失率ηc，计算出燃烧热量hl_b中作为燃烧室内的缸内压力所做的功而取出的热量的比例即指示热效率ηi，并基于燃烧室气体量Qall、燃烧热量hl_b、冷却损失率ηc、及指示热效率ηi来计算出口气体温度Tout。
步骤S03中，散热量计算部53如上所述执行计算因从燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的废气的温度下降量ΔTd的散热量计算处理(散热量计算步骤)。本实施方式中，散热量计算部53基于排气管内的废气流量Qex计算作为单流热交换器的排气管的温度效率η，基于排气管的温度效率η计算温度下降量ΔTd。散热量计算部53利用式(17)基于废气流量Qex计算出排气管的温度效率η。
步骤S04中，排气温度推定部54如上所述执行从出口气体温度Tout减去温度下降量ΔTd来对推定位置的废气温度Tex进行推定的排气温度推定处理(排气温度推定步骤)。
步骤S05中，排气温度利用控制部55如上所述执行排气温度利用控制处理(排气温度利用控制步骤)，该排气温度利用控制处理使用废气温度的推定值Tex来进行排气温度控制、阀流量特性运算、排气温度传感器异常诊断及涡轮输出运算中的任意一个以上。
[其他的实施方式]
最后，对本发明的其他实施方式进行说明。另外，以下说明的各实施方式的结构并不限于分别单独地进行应用，只要不产生矛盾，也能与其他的实施方式的结构组合进行应用。
(1)上述实施方式1中，对于内燃机1，以汽油发动机的情况为例进行了说明。然而，本发明的实施方式并不限于此。即，内燃机1可以是柴油发动机、进行HCCI燃烧(Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion：均质充量压缩点火燃烧)的发动机等各种内燃机。
(2)上述实施方式1中，如例示说明的那样，内燃机1可以具备增压器。增压器包括设置于排气管的涡轮、设置于进气管中的节流阀的上游侧且与涡轮一体旋转的压缩机及设置于绕过涡轮的涡轮旁通通路的废气门阀。此外，内燃机1除了催化剂以外也可以具备颗粒收集过滤器，也可以在催化剂、颗粒收集过滤器的上游侧具备废气温度传感器。
另外，本发明在其发明范围内可对实施方式进行适当变形、省略。
标号说明
1内燃机、17排气管、25燃烧室、50内燃机的控制装置、51运行状态检测部、52出口气体温度计算部、53散热量计算部、54排气温度推定部、55排气温度利用控制部、Kη运算常数、Qall燃烧室气体量、Qex废气流量、Regr EGR率、Ta外部气体温度、Tex废气温度、Tout出口气体温度、hl_b燃烧热量、ΔTd温度下降量、η温度效率、ηc冷却损失率、ηex排气损失率、ηi指示热效率。

Claims (10)

1.一种内燃机的控制装置，其特征在于，包括：
运行状态检测部，该运行状态检测部检测内燃机的运行状态；
出口气体温度计算部，该出口气体温度计算部基于所述运行状态来计算燃烧室的出口处的废气的温度即出口气体温度；
散热量计算部，该散热量计算部计算因从所述燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的所述废气的温度下降量；以及
排气温度推定部，该排气温度推定部从所述出口气体温度减去所述温度下降量来推定所述推定位置的废气温度。
2.如权利要求1所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述散热量计算部基于所述排气管内的废气流量，计算所述排气管作为单流热交换器的温度效率，其中，所述单流热交换器以所述排气管内的废气为加热流体，以所述排气管外的空气为受热流体，
基于所述温度效率计算所述温度下降量。
3.如权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述散热量计算部将所述排气管的温度效率设为η，将所述排气管内的废气流量设为Qex，将运算常数设为Kη，通过计算式：
η＝1-exp(-Kη/Qex)
计算出所述温度效率，
并基于所述温度效率计算所述温度下降量。
4.如权利要求1或2所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述散热量计算部参照预先设定了所述排气管内的废气流量与所述排气管的温度效率之间的关系的温度效率特性数据，计算与当前的所述废气流量相对应的所述温度效率，
并基于所述温度效率计算所述温度下降量。
5.如权利要求2至4的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述散热量计算部计算从所述出口气体温度减去外部气体温度所得的值乘以所述温度效率后的值作为所述温度下降量。
6.如权利要求1至5的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述出口气体温度计算部
计算出流入到所述燃烧室的气体量即燃烧室气体量，
计算出因燃料的燃烧而在所述燃烧室中产生的燃烧热量，
计算出所述燃烧热量中散热到所述燃烧室的壁面的热量的比例即冷却损失率，
计算出所述燃烧热量中作为所述燃烧室内的缸内压力所做的功而取出的热量的比例即指示热效率，
基于所述燃烧室气体量、所述燃烧热量、所述冷却损失率及所述指示热效率计算所述出口气体温度。
7.如权利要求6所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述出口气体温度计算部基于所述排气管内的废气流量计算所述冷却损失率。
8.如权利要求1至7的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
所述出口气体温度计算部在空燃比相比理论空燃比要浓的情况下，根据浓缩量进行所述出口气体温度的下降校正。
9.如权利要求1至8的任一项所述的内燃机的控制装置，其特征在于，
还包括排气温度利用控制部，该排气温度利用控制部执行如下处理的任意一个以上：利用所述废气温度的推定值进行所述废气温度的控制的排气温度控制；利用所述废气温度的推定值计算供废气流过的阀的流量特性的阀流量特性运算；利用所述废气温度的推定值对设置于所述排气管的废气温度传感器进行异常诊断的排气温度传感器异常诊断；以及利用所述废气温度的推定值计算设置于所述排气管的增压器的涡轮输出的涡轮输出运算。
10.一种内燃机的控制方法，其特征在于，执行如下步骤：
运行状态检测步骤，该运行状态检测步骤中检测内燃机的运行状态；
出口气体温度计算步骤，该出口气体温度计算步骤中基于所述运行状态来计算燃烧室的出口处的废气的温度即出口气体温度；
散热量计算步骤，该散热量计算步骤中计算因从所述燃烧室的出口到推定位置为止的排气管的散热而导致的所述废气的温度下降量；以及
排气温度推定步骤，该排气温度推定步骤中从所述出口气体温度减去所述温度下降量来推定所述推定位置的废气温度。
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