JP2004197716A

JP2004197716A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2004197716A
Application number: JP2002370535A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kako; 純一加古; Masakazu Aoki; 優和青木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: JP4341240B2

Abstract

【課題】触媒温度を正確に推定し、触媒温度が最適な温度となるように制御する。
【解決手段】内燃機関の排気を浄化する触媒３２と、内燃機関の排気系に２次空気を供給する手段と、筒内圧を取得する筒内圧センサ４４と、筒内圧に基づいて、筒内で発生した発熱量のうちの排気による損失エネルギーを求める手段と、筒内での未燃燃料のエネルギーを求める手段と、排気による損失エネルギーと未燃燃料のエネルギーとに基づいて触媒３２の温度を推定する手段と、触媒温度に基づいて２次空気の供給を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の制御装置に関し、特に、排気系の温度に応じて２次空気を制御する装置に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の排気通路への２次空気の供給・停止を切換えることが行われている。例えば、特開平７−８３０３９号公報には、燃料噴射量及び点火時期から求めた排気通路への熱量と、始動時における冷却水温から求めた排気通路の熱容量とから、２次空気供給箇所の排気温度を推定する方法が記載されている。
【０００３】
そして、同公報に記載された方法では、推定した排気温度から２次空気による後燃え量を推定し、後燃え量に応じて２次空気の供給を終了させる触媒温度を決定し、排気温度がこの温度以上となったときに２次空気の供給を終了させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−８３０３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載された方法では、燃料噴射量、点火時期、及び冷却水温に基づいて２次空気による後燃え量を推定しているのみであり、筒内での未燃燃料が２次空気によって実際に燃焼する際のエネルギーを考慮したものではない。従って、２次空気による後燃え量を精度良く推定することは困難である。
【０００６】
また、同公報では、燃料噴射量及び点火時期から排気通路の熱量を求めているが、排気ガスにより実際に発生する熱エネルギー（排気損失エネルギー）の影響は考慮されていない。従って、排気通路における熱量を精度良く推定することは困難である。
【０００７】
このように、同公報に記載された方法では、燃料噴射量、点火時期、及び冷却水温のパラメータのみに基づいて排気温度を推定しているため、排気温度を精度良く推定することは難しい。特に、排気温度は内燃機関の個体毎の機差、経年変化等の影響によって変動するが、燃料噴射量、点火時期、及び冷却水温のパラメータには機差、経年変化などの要素が反映されないため、排気温度を正確に推定することはできない。従って、排気温度に基づいて２次空気の供給を正確に制御することは困難である。
【０００８】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、触媒温度を正確に推定し、触媒温度が最適な温度となるように制御することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気を浄化する排気浄化触媒と、前記排気浄化触媒を昇温させる触媒昇温手段と、筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した発熱量のうちの排気による損失エネルギーを求める排気損失エネルギー算出手段と、筒内での未燃燃料のエネルギーを求める未燃燃料エネルギー算出手段と、前記排気による損失エネルギーと前記未燃燃料のエネルギーとに基づいて前記排気浄化触媒の触媒温度を推定する触媒温度推定手段と、前記触媒温度に基づいて前記触媒昇温手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、前記触媒温度と所定のしきい値とを比較する比較手段を含み、前記触媒温度が前記しきい値以上である場合は前記触媒昇温手段による前記排気浄化触媒の昇温を停止させることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した前記発熱量を求める発熱量算出手段と、前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した前記発熱量による図示仕事を求める図示仕事算出手段と、を更に備え、前記排気損失エネルギー算出手段は、前記発熱量と前記図示仕事とに基づいて前記排気による損失エネルギーを求めることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第１又は第２の発明において、筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを求める燃料エネルギー算出手段と、前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した前記発熱量を求める発熱量算出手段と、前記筒内圧に基づいて、筒内での冷却損失を求める冷却損失算出手段と、を更に備え、前記未燃燃料エネルギー算出手段は、前記燃料エネルギーと、前記発熱量、前記冷却損失、及び前記未燃燃料が有するエネルギーとの間で成立するエネルギー保存則に基づいて前記未燃燃料が有するエネルギーを求めることを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、第４の発明において、前記冷却損失算出手段は、ウッシーニの熱伝達係数モデル式から筒内と燃焼室壁面の間の熱伝達率を求める熱伝達率算出手段を含み、前記熱伝達率に基づいて前記冷却損失を算出することを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、筒内への燃料噴射量を取得する燃料噴射量取得手段と、排気空燃比を検出する空燃比センサと、筒内への吸入空気量を取得する吸入空気量取得手段と、を更に備え、前記未燃燃料エネルギー算出手段は、前記燃料噴射量、前記排気空燃比及び前記吸入空気量に基づいて前記未燃燃料のエネルギーを求めることを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、第１〜第６の発明のいずれかにおいて、前記触媒温度推定手段は、前記触媒温度を、前記排気による損失エネルギー及び前記未燃燃料のエネルギーとの関係で定めたマップと、前記マップを参照して、前記排気による損失エネルギー及び前記未燃燃料のエネルギーに対応する前記触媒温度を特定する手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を説明するための図である。図１に示すように、内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２は、上流側の端部にエアフィルタ１６を備えている。エアフィルタ１６には、吸気温ＴＨＡ（すなわち外気温）を検出する吸気温センサ１８が組みつけられている。
【００１８】
エアフィルタ１６の下流には、エアフロメータ２０が配置されている。エアフロメータ２０は、吸気通路１２を流れる吸入空気量Ｇａを検出するセンサである。エアフロメータ２０の下流には、スロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するスロットルセンサ２４と、スロットルバルブ２２が全閉となることでオンとなるアイドルスイッチ２６とが配置されている。スロットルバルブ２２の下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁３０が配置されている。
【００１９】
内燃機関１０の各気筒はシリンダ３２、ピストン３４を備えている。ピストン３４には、その往復運動によって回転駆動されるクランク軸３６が連結されている。車両駆動系と補機類（エアコンのコンプレッサ、オルタネータ、トルクコンバータ、パワーステアリングのポンプ等）は、このクランク軸３６の回転トルクによって駆動される。クランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角を検出するためのクランク角センサ３８が取り付けられている。また、内燃機関１０には、筒内の圧力（筒内圧）を検出するための筒内圧センサ４４が設けられている。
【００２０】
シリンダ３２、ピストン３４など内燃機関１０を構成する部材は、周囲を流れる冷却水によって冷却されている。内燃機関１０のシリンダブロックには、冷却水温ＴＨＷを検出する水温センサ４２が取り付けられている。
【００２１】
排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒３２が配置されている。また、触媒３２の前後には空燃比センサ３４およびＯ_２センサ３６が配置されている。ここで、空燃比センサ３４は、排気空燃比に応じたリニアな信号を発生するセンサである。一方、Ｏ_２センサ３６は、排気空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じた出力を発するセンサである。
【００２２】
排気通路１４には、内燃機関１０の個々の気筒に対応する支管毎に１つの注入孔５０が連通している。注入孔５０は、排気通路１４の支管に２次空気を導入するための管路である。それらの注入孔５０は、空気配管５２に連通している。空気配管５２は、その途中にバルブユニット５４を備えている。また、空気配管５２は、その端部においてエアポンプ５６に接続されている。エアポンプ５６は、エアフィルタ５８を介して空気を吸入し、その空気を２次空気として空気配管５２に送出することができる。そして、２次空気を空気配管５２から排気通路１４の支管へ導入することで、排気ガス中の未燃燃料を燃焼させて触媒３２を昇温（暖機）することができ、触媒３２が所望の機能を発揮する温度に設定される。
【００２３】
バルブユニット５４は、エアスイッチング弁６２と逆止弁６４を備えている。エアスイッチング弁６２は、ダイアフラム式の負圧駆動弁である。エアスイッチング弁６２は、ＶＳＶ（Vacuum Switching Valve）６６を介して吸気通路１２に連通している。また、エアスイッチング弁６２は、VSV６６を介して吸気通路１２の負圧が供給されることにより開弁状態となり、また、その負圧が供給されていない場合に閉弁状態を維持するダイアフラム式の弁機構６８を備えている。従って、本実施形態のシステムでは、ＶＳＶ６６をオン状態（導通状態）とすることで、エアスイッチング弁６２を導通状態とし、また、ＶＳＶ６６をオフ状態（遮断状態）とすることで、エアスイッチング弁６２を遮断状態とすることができる。
【００２４】
逆止弁６４は、エアポンプ５６から排気通路１４へ向かう順方向の流体の流れのみを許容し、逆方向の流れを阻止するための弁機構である。逆止弁６４は、エアスイッチング弁６２に開故障が生じた場合に、高温の排気ガスが、排気通路１４側からエアポンプ５６側へ逆流するのを防ぐために設けられている。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態の装置はＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０が接続されていると共に、内燃機関１０のイグニッションスイッチ（ＩＧ）７２や、高度センサ７４が接続されている。高度センサ７４は、車両の高度を検知するために、車両を取り巻く大気圧Ｐａを検出するセンサである。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力を受けて、上述したＶＳＶ６６やエアポンプ５６の状態を制御する。
【００２６】
次に、図１のシステムにより触媒３２の温度を推定する方法を説明する。機関始動時、または外気温の低下時等、触媒３２の温度が比較的低い場合には、排気通路に２次空気が導入されて触媒３２が暖機される。本実施形態では、図１のシステムにより触媒３２の温度を推定し、触媒温度に応じて２次空気の供給を制御する。
【００２７】
燃料噴射弁３０から噴射された燃料は筒内（燃焼室）で燃焼し、発熱する。以下の（１）式は、筒内へ噴射された燃料が本来的に有するエネルギーと、燃焼による発熱量、冷却損失、及び未燃燃料によるエネルギーとの関係を示す式である。
【００２８】
【数１】

【００２９】
（１）式において、Ｑｆは燃料のエネルギー［ｋＪ］、Ｑｈは燃焼ガスによる発熱量［ｋＪ］、Ｑｗは冷却損失エネルギー［ｋＪ］、Ｑｆ_Ｌは未燃排出燃料エネルギー［ｋＪ］をそれぞれ示している。燃料のエネルギーＱｆは、筒内へ流入した燃料が完全燃焼した場合に発生する理論上のエネルギーであって、燃料の物性、及び燃料量から定められる。
【００３０】
理論上Ｑｆのエネルギーを有する燃料は、その殆どが燃焼して燃焼によるエネルギーを発生させる。燃焼ガスによる発熱量Ｑｈは、燃焼によるエネルギーのうち、発熱分によるエネルギーを示している。発熱量Ｑｈは、クランク軸３６の回転トルク発生に寄与し、残りは燃焼ガスの排出エネルギーとなる。
【００３１】
一方、燃焼によるエネルギーは、その全てが発熱量Ｑｈとなるわけではなく、一部は筒内で冷却されてしまうため発熱量Ｑｈを発生させるに至らない。燃焼によるエネルギーのうち、冷却による損失分が冷却損失エネルギーＱｗとなる。
【００３２】
また、筒内へ流入した燃料の一部は、燃焼することなく次の排気行程で排出される。例えば、理論空燃比で必要な燃料量よりも多くの燃料が筒内へ噴射された場合、余剰分が燃焼することなく排出される。また、理論空燃比で必要な燃料量よりも少ない燃料が筒内へ噴射された場合であっても、ピストンリング近傍などに溜まった燃料は燃焼することなく排出される場合がある。燃料のエネルギーＱｆのうち、このような未燃分が未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌとなる。
【００３３】
このように、筒内へ噴射された燃料が理論上有するエネルギーＱｆと、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、冷却損失エネルギーＱｗ及び未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌとの間には、（１）式に示されるエネルギー保存則が成立している。
【００３４】
以下の（２）式は、発熱量Ｑｈと、図示仕事Ｗｉ及び排気損失エネルギーＱ_ＥＬとの間で成立するエネルギー保存を示している。上述したように、発熱量Ｑｈはクランク軸３６の回転トルク発生に寄与し、図示仕事Ｗｉを発生させる。一方、発熱量Ｑｈの一部は回転トルク発生に寄与することなく排気ガスとして排出される。排気損失エネルギーＱ_ＥＬは、発熱量Ｑｈのうち排気ガスとして排出される損失エネルギーを示している。
【００３５】
【数２】

【００３６】
（１）式、（２）式に示される各エネルギーのうち、触媒３２の温度に関係するエネルギーは、排気損失エネルギーＱ_ＥＬと未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌである。排気損失エネルギーＱ_ＥＬは発熱量Ｑｈのうち図示仕事Ｗｉの発生に寄与しないエネルギーであるため、触媒３２の温度上昇、温度低下に直接作用する。また、未燃燃料は排気通路１４への２次空気の導入によって燃焼するため、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌも触媒３２の温度変化に作用する。
【００３７】
本実施形態では、（１）式、（２）式から排気損失エネルギーＱ_ＥＬ及び未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを算出し、これらのエネルギーに基づいて触媒３２の温度を推定する。このため、先ず（１）式、（２）式における燃料のエネルギーＱｆ、燃焼ガスによる発熱量Ｑｈ、冷却損失エネルギーＱｗ、及び図示仕事Ｗｉを算出する。
【００３８】
（１）式において、燃料のエネルギーＱｆは、筒内へ流入した燃料量と、燃料の物性から定まる単位量あたりの発熱量とから求められ、具体的には、以下の（３）式より算出することができる。
【００３９】
【数３】

【００４０】
ここで、Ｈｕは燃料の低位発熱量［Ｊ／ｇ］、ｍｆは燃料噴射弁３０から噴射された筒内への燃料噴射量［ｇ］である。
【００４１】
発熱量Ｑｈは、筒内容積、筒内圧との関係から発熱量を定めたエネルギー保存式から求めることができ、以下の（４）式から求める。
【００４２】
【数４】

【００４３】
（４）式において、Ｖ（θ）は筒内容積［ｍ^３］、ｐ（θ）は筒内圧［ｋＰａ］、θはクランク角［ｄｅｇ］、κは比熱比をそれぞれ示している。筒内容積、筒内圧はクランクθの関数である。また、κは燃料から定まる値である。θ_１は点火時のクランク角を、θ_２はＱｈが最大値となるクランク角をそれぞれ示しているが、θ_２については燃焼終了時のクランク角としてもよい。（４）式に示されるようにクランク角θ_１からクランク角θ_２までの積分によって、発熱量Ｑｈが求められる。
【００４４】
冷却損失エネルギーＱｗは、ウッシーニ（Woschni）の熱伝達率モデル式を用いて算出する。ここでは、先ずウッシーニ（Woschni）の熱伝達率モデル式を用いて、筒内容積Ｖ、筒内温度Ｔから筒内と筒内内壁（ピストン、シリンダ、シリンダヘッド）の熱伝達率を算出する。そして、熱伝達率と筒内の表面積Ａ、筒内と筒内内壁の温度差から冷却損失エネルギーＱｗを求める。
【００４５】
以下の（５），（６）式は、ウッシーニ（Woschni）の熱伝達率モデル式を示しており、（５）式は熱伝達率ｈ（θ）の算出式を、（６）式は筒内ガス平均速度ｗ（θ）の算出式を示している。また、（７），（８）式は筒内温度Ｔ（θ）を算出する際に用いる式を示している。
【００４６】
【数５】

【００４７】
（５）式において、ｄはシリンダボア径［ｍ］、ｐ（θ）は筒内圧［ｋｇ／ｍ^２］、ｗ（θ）は筒内ガス平均速度［ｍ／ｓ］、Ｔ（θ）は筒内温度［Ｋ］を示している。また、（６）式において、ｃ_ｍ（θ）はピストン速度［ｍ／ｓ］、Ｖ（θ）は筒内容積［ｍ^２］、Ｖ_１は点火時の筒内容積［ｍ^２］、Ｔ_１は点火時の筒内温度［Ｋ］、ｐ_１は点火時の筒内圧［ｋｇ／ｍ^２］、ｐ_０（θ）はモータリング時の筒内圧［ｋｇ／ｍ^２］をそれぞれ示している。
【００４８】
（６）式から筒内ガス平均速度ｗ（θ）を、（７），（８）式から筒内温度Ｔ（θ）を算出し、（５）式へ代入することで熱伝達率ｈ（θ）を算出することができる。（７）式において、ｘｂ（θ）は燃焼割合であって、（８）式に示されるようにＱｆと（Ｑｈ（θ）＋Ｑｗ（θ））との比率から求められる。（７）式において、Ｒａ、Ｒｂは未燃ガス気体定数、既燃ガス気体定数をそれぞれ示しており、また、Ｇａは吸入空気量［ｇ／ｓｅｃ］、Ｇｅは残留ガス量［ｇ／ｓｅｃ］、Ｇｆは燃料流量［ｇ／ｓｅｃ］をそれぞれ示している。ここで、Ｇｅは、エンジン回転数、吸気管圧力、バルブタイミングのマップ値として与えられる。なお、簡易的には、筒内ガス平均速度ｗ（θ）をピストン速度ｃ_ｍ（θ）として演算をしてもよい。
【００４９】
このように、ウッシーニ（Woschni）の熱伝達率モデル式によれば、シリンダボア径ｄ、筒内圧ｐ（θ）、筒内ガスの平均速度ｗ（θ）、筒内温度Ｔ（θ）から熱伝達率ｈ（θ）を求めることができる。
【００５０】
以下の（９），（１０）式は、熱伝達率ｈ（θ）から冷却損失エネルギーＱｗを求める際に用いる演算式である。（９）式において、Ｓ（θ）は燃焼室壁面積［ｍ^２］を、Ｔｗはシリンダーヘッド壁温［Ｋ］を示している。また、θ_１は点火時のクランク角を、θ_２はＱｈが最大値となるクランク角をそれぞれ示しているが、θ_２については燃焼終了時のクランク角としてもよい。ＥＣＵ４０は、機関回転数及び負荷との関係でシリンダーヘッド壁温Ｔｗを規定したマップを記憶しており、Ｔｗはこのマップから求められる。（９）式に示されるように、熱伝達率ｈ（θ）、燃焼室壁面積Ｓ（θ）、筒内ガス温度Ｔ（θ）、及びシリンダーヘッド壁温Ｔｗから冷却損失エネルギーＱｗ［ｋＪ］を求めることができる。
【００５１】
【数６】

【００５２】
（９）式の演算において、筒内ガス温度Ｔ（θ）は（７）式で求めた値を用いる。また、（９）式におけるＳ（θ）は（１０）式に示されるように、筒内ヘッド部面積Ｓｈ［ｍ_２］、ピストン頭部面積Ｓｐ［ｍ_２］、及び筒内シリンダ部面積Ｓｃ（θ）［ｍ_２］の和として求められる。これらの面積のうち、筒内シリンダ部面積Ｓｃ（θ）はピストンの往復運動によって変動するため、クランク角θの関数となる。
【００５３】
Ｑｗを算出する際は、先ず（７），（８）式から筒内温度Ｔ（θ）を求める。この際、（８）式でＱｗの値が必要となるが、最初は仮に設定したＱｗの値を用いる。そして、求めた筒内温度Ｔ（θ）を用いて（９）式からＱｗを求める。ここでは、（９）式から求めたＱｗをＱｗ’とする。そして、Ｑｗ’と仮決めによるＱｗとがほぼ等しくなるまで、仮決めによるＱｗを変更してＱｗ’を繰り返し求める。Ｑｗ’と仮決めによるＱｗがほぼ等しくなった時点で演算を終了し、この時点で得られたＱｗ’を最終的なＱｗの値とする。これにより、ウッシーニ（Woschni）の熱伝達率モデル式に基づいて、冷却損失エネルギーＱｗを算出できる。
【００５４】
なお、筒内温度、シリンダーヘッド壁温Ｔｗを求める際には、温度センサを設けてこれらの温度を実際に検出しても良い。筒内温度を温度センサから求めることで、（７）式、（８）式を用いることなく冷却損失エネルギーＱｗを求めることができ、演算を簡略化できる。
【００５５】
図示仕事Ｗｉは筒内圧ｐ（θ）による仕事量として求めることができ、以下の（１１）式に示すように、筒内圧ｐ（θ）をθ_１からθ_２まで積分することで算出できる。
【００５６】
【数７】

【００５７】
なお、上述の説明では、筒内圧、筒内容積、ピストン速度、筒内温度などの特性値をクランク角θの関数として各エネルギーを算出しているが、所定のクランク角の区間、例えば点火時のクランク角θ_１からＱｈが最大値となるクランク角θ_２までの区間、またはＴＤＣからＢＤＣまでの区間等におけるこれらの特性値の平均値を用いて演算を簡略化しても良い。
【００５８】
このように、（３）〜（１１）式からＱｆ、Ｑｈ、Ｑｗ、Ｗｉを算出することができ、算出したこれらのエネルギーを（１）式、（２）式へ代入することで、排気損失エネルギーＱ_ＥＬ、及び未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを算出することができる。すなわち、Ｑ_ＥＬ＝Ｑｈ−Ｗｉ、Ｑｆ_Ｌ＝Ｑｆ−Ｑｈ−Ｑｗを演算することでＱ_ＥＬ，Ｑｆ_Ｌが求まる。
【００５９】
ＥＣＵ４０は、触媒３２の温度と、排気損失エネルギーＱ_ＥＬ及び未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌとの関係を規定したマップを予め記憶している。このマップは、触媒３２の温度と、排気損失エネルギーＱ_ＥＬ及び未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌとの関係を実験等によって求めた３次元マップである。そして、（１）式、（２）式から求めたＱ_ＥＬ，Ｑｆ_Ｌをこのマップに当てはめることで、触媒３２の温度を求めることが可能となる。
【００６０】
そして、本実施形態の制御装置は、触媒３２の温度が所定値より高い場合には、２次空気の供給を停止する。２次空気の供給を停止する場合は、ＥＣＵ４０からＶＳＶ６６をオフ状態とする指令を出し、エアスイッチング弁６２を遮断状態とする。これにより、エアポンプ５６から排気通路１４への２次空気の供給が停止される。
【００６１】
図２は、本実施形態の制御装置で行われる処理を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１ではクランク角θ、筒内圧ｐ（θ）、筒内容積Ｖ（θ）、吸入空気量Ｇａ、燃料噴射量ｍｆを計測する。次のステップＳ２では、燃料のエネルギーＱｆ、発熱量Ｑｈ、図示仕事Ｗｉ、冷却損失エネルギーＱｗを算出する。ここで、Ｑｆ、Ｑｈ、Ｗｉは、（３）式、（４）式、（１１）式からそれぞれ算出する。また、Ｑｗは後述するように図３の処理によって算出する。
【００６２】
次のステップＳ３では、（１）式、（２）式から排気損失エネルギーＱ_ＥＬ、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを算出する。次のステップＳ４では、排気損失エネルギーＱ_ＥＬ、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌに基づいて、ＥＣＵ４０が記憶しているマップから触媒３２の触媒温度Ｔｃａｔを求める。
【００６３】
次のステップＳ５では、触媒温度Ｔｃａｔと所定のしきい値Ｔｃａｔｍａｘとを比較する。ステップＳ５でＴｃａｔ＞Ｔｃａｔｍａｘの場合はステップＳ６へ進み、触媒３２が過昇温することを抑えるため２次空気の供給を停止する。一方、ステップＳ５でＴｃａｔ＞Ｔｃａｔｍａｘでない場合はステップＳ７へ進み、２次空気の供給を引き続き行う。
【００６４】
図３は、図２のステップＳ２において冷却損失エネルギーＱｗを算出する処理を具体的に示すフローチャートである。先ず、ステップＳ１１では、冷却損失エネルギーＱｗの初期値Ｑｗを仮に与える。次のステップＳ１２では、初期値Ｑｗを用いて燃焼割合ｘｂ（θ）を求め、ｘｂ（θ）から筒内ガス温度Ｔ（θ）を算出する。ここでは、（７），（８）式を用いてｘｂ（θ），Ｔ（θ）を算出する。
【００６５】
次のステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出した筒内ガス温度Ｔ（θ）を用いて、（９）式から冷却損失エネルギーＱｗを算出する。ここで、（９）式から算出した冷却損失エネルギーをＱｗ’とする。
【００６６】
次のステップＳ１４では、（９）式から算出した冷却損失エネルギーＱｗ’と、ステップＳ１１で与えた初期値Ｑｗとの差の絶対値が、収束判定値Ｈ以下であるか否かを判別する。すなわち、ここでは｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈであるか否かを判別する。
【００６７】
ステップＳ１４で｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈの場合は処理を終了する（END）。ステップＳ１４で｜Ｑｗ’−Ｑｗ｜＜Ｈでない場合は、ステップＳ１１へ戻って初期値Ｑｗの値を再設定し、ステップＳ１２でｘｂ（θ），Ｔ（θ）を再び算出し、ステップＳ１３で冷却損失エネルギーＱｗ’を再び算出する。このように、繰り返しステップＳ１１〜Ｓ１３の処理を行い、Ｑｗ’の収束値を求めることで、最終的な冷却損失エネルギーＱｗを算出する。
【００６８】
以上説明したように実施の形態１によれば、触媒３２の温度と直接的に関係する排気損失エネルギーＱ_ＥＬ、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを求めることができるため、Ｑ_ＥＬ、Ｑｆ_Ｌに基づいて触媒３２の温度を高い精度で推定することができる。従って、触媒３２の温度に基づいて２次空気の供給を最適に制御することができ、内燃機関に機差、経年変化が生じている場合であっても、２次空気の供給を正確に制御することが可能となる。従って、本実施形態によれば、触媒３２を最適な温度に維持することができる。
【００６９】
実施の形態２．
次にこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２は、排気通路１４で検出される排気空燃比と吸入空気量Ｇａから未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを算出するものである。実施の形態２における内燃機関の制御装置の構成は図１と同様であるため、以下の説明では主として制御装置で行われる処理について説明する。
【００７０】
図１で説明したように、排気通路１２には空燃比センサ３４が設けられている。空燃比センサ３４は排気空燃比に応じたリニアな信号を発生するため、空燃比センサ３４の出力から、筒内で実際に燃焼した燃料の量と吸入空気量Ｇａとの比が求まる。従って、排気空燃比と吸入空気量Ｇａから、筒内で実際に燃焼した燃料の量を求めることができる。
【００７１】
筒内での未燃燃料量は、筒内への燃料噴射量と筒内で実際に燃焼した燃料量との差である。また、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌは、未燃燃料量と、燃料の物性から定まる単位量あたりの発熱量とから算出できる。従って、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌは、以下の（１２）式より算出することができる。
【００７２】
【数８】

【００７３】
（１２）式において、Ｇａは筒内への吸入空気量［ｇ／ｓ］であって、エアフロメータ２０で検出される。（Ａ／Ｆ）は排気空燃比であって、空燃比センサ３４で検出される。また、Ｈｕは燃料の低位発熱量［Ｊ／ｇ］、ｍｆは燃料噴射弁３０から噴射された筒内への燃料噴射量［ｇ］である。筒内へ噴射された燃料のうち、空燃比センサ３４で検出された排気空燃比に応じた燃料量Ｇａ／（Ａ／Ｆ）が燃焼するため、（ｍｆ−Ｇａ／（Ａ／Ｆ））は筒内へ噴射した燃料量のうちの未燃燃料量となる。従って、（１２）式に示されるように、未燃燃料量（ｍｆ−Ｇａ／（Ａ／Ｆ））と低位発熱量Ｈｕとを乗算することで未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを求めることができる。
【００７４】
排気損失エネルギーＱ_ＥＬについては実施の形態１と同様に、発熱量Ｑｈと図示仕事Ｗｉから求める。これにより、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌと排気損失エネルギーＱ_ＥＬとから触媒３２の温度を推定することができる。
【００７５】
図４は、本実施形態の制御装置で行われる処理を示すフローチャートである。先ず、ステップＳ２１ではクランク角θ、筒内圧ｐ（θ）、筒内容積Ｖ（θ）、吸入空気量Ｇａ、燃料噴射量ｍｆ、排気空燃比を計測する。次のステップＳ２２では、発熱量Ｑｈ、図示仕事Ｗｉを算出する。ここで、Ｑｈ、Ｗｉは、（４）式、（１１）式からそれぞれ算出する。
【００７６】
次のステップＳ２３では、（２）式に基づいて、発熱量Ｑｈ、図示仕事Ｗｉから排気損失エネルギーＱ_ＥＬを算出する。次のステップＳ２４では、（１２）式に基づいて、吸入空気量Ｇａ、排気空燃比から未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを算出する。
【００７７】
次のステップＳ２５では、排気損失エネルギーＱ_ＥＬ、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌに基づいて、ＥＣＵ４０が記憶しているマップから触媒温度Ｔｃａｔを求める。
【００７８】
次のステップＳ２６では、触媒温度Ｔｃａｔと所定のしきい値Ｔｃａｔｍａｘとを比較する。ステップＳ２６でＴｃａｔ＞Ｔｃａｔｍａｘの場合はステップＳ２７へ進み、触媒３２が過昇温することを抑えるため２次空気の供給を停止する。一方、ステップＳ２６でＴｃａｔ＞Ｔｃａｔｍａｘでない場合はステップＳ２８へ進み、２次空気の供給を引き続き行う。
【００７９】
以上説明したように実施の形態２によれば、吸入空気量Ｇａと排気空燃比から未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌを求めることができるため、実施の形態１と同様に、未燃排出燃料エネルギーＱｆ_Ｌと排気損失エネルギーＱ_ＥＬに基づいて触媒３２の温度を高い精度で推定することができる。従って、触媒３２の温度に基づいて２次空気の供給を最適に制御することが可能となり、触媒３２を最適な温度に維持することができる。
【００８０】
なお、上述した各実施形態では、２次空気の供給によって触媒３２を昇温させ、触媒温度が所定値以上となったときに２次空気の供給を停止することとしたが、２次空気の供給以外の方法で触媒３２を昇温させても良い。例えば、燃料噴射量の増量、点火時期を遅角側にする等の方法によって触媒３２を昇温させ、上述した方法で触媒３２の温度を求めた後、触媒温度が所定値以上となったときに燃料噴射量、点火時期等による触媒３２の昇温を停止させるようにしても良い。すなわち、本発明は２次空気の供給手段を含む装置に限定されるものではなく、上述した各実施形態による触媒温度推定の手段を含む装置は本発明の範疇に属する。
【００８１】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００８２】
第１の発明によれば、排気による損失エネルギーと未燃燃料のエネルギーとに基づいて排気浄化触媒の触媒温度を取得するようにしたため、触媒温度を高い精度で取得することが可能となり、触媒温度に基づいて２次空気供給装置などの触媒昇温手段を最適に制御することができる。
【００８３】
第２の発明によれば、触媒温度がしきい値以上である場合は触媒昇温手段による昇温を停止するため、排気浄化触媒が過昇温してしまうことを抑止できる。
【００８４】
第３の発明によれば、発熱量と図示仕事とに基づいて排気による損失エネルギーを求めるようにしたため、発熱量と図示仕事及び排気による損失エネルギーとの間で成立するエネルギー保存則から排気による損失エネルギーを高い精度で求めることができる。
【００８５】
第４の発明によれば、燃料エネルギーと、発熱量、冷却損失、及び未燃燃料が有するエネルギーとの間で成立するエネルギー保存則に基づいて、未燃燃料が有するエネルギーを精度良く求めることができる。
【００８６】
第５の発明によれば、ウッシーニの熱伝達係数モデル式から筒内と燃焼室壁面の間の熱伝達率を求めて、この熱伝達率に基づいて冷却損失を算出することができる。
【００８７】
第６の発明によれば、燃料噴射量、排気空燃比及び吸入空気量に基づいて未燃燃料のエネルギーを精度良く求めることができる。
【００８８】
第７の発明によれば、触媒温度を排気による損失エネルギー及び未燃燃料のエネルギーとの関係で定めたマップを参照することにより、簡単に、かつ、精度良く触媒温度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる内燃機関の制御装置及びその周辺の構造を示す模式図である。
【図２】実施の形態１にかかる制御装置で行われる処理を示すフローチャートである。
【図３】冷却損失エネルギーＱｗを算出する処理を示すフローチャートである。
【図４】実施の形態２にかかる制御装置で行われる処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０エアフロメータ
３２触媒
３４空燃比センサ
４０ＥＣＵ
４４筒内圧センサ
５６エアポンプ
６２エアスイッチング弁
６６ＶＳＶ

Claims

内燃機関の排気を浄化する排気浄化触媒と、
前記排気浄化触媒を昇温させる触媒昇温手段と、
筒内圧を取得する筒内圧取得手段と、
前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した発熱量のうちの排気による損失エネルギーを求める排気損失エネルギー算出手段と、
筒内での未燃燃料のエネルギーを求める未燃燃料エネルギー算出手段と、
前記排気による損失エネルギーと前記未燃燃料のエネルギーとに基づいて前記排気浄化触媒の触媒温度を推定する触媒温度推定手段と、
前記触媒温度に基づいて前記触媒昇温手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記制御手段は、
前記触媒温度と所定のしきい値とを比較する比較手段を含み、前記触媒温度が前記しきい値以上である場合は前記触媒昇温手段による前記排気浄化触媒の昇温を停止させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した前記発熱量を求める発熱量算出手段と、
前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した前記発熱量による図示仕事を求める図示仕事算出手段と、を更に備え、
前記排気損失エネルギー算出手段は、前記発熱量と前記図示仕事とに基づいて前記排気による損失エネルギーを求めることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。
筒内への噴射燃料が有する理論上の燃料エネルギーを求める燃料エネルギー算出手段と、
前記筒内圧に基づいて、筒内で発生した前記発熱量を求める発熱量算出手段と、
前記筒内圧に基づいて、筒内での冷却損失を求める冷却損失算出手段と、を更に備え、
前記未燃燃料エネルギー算出手段は、前記燃料エネルギーと、前記発熱量、前記冷却損失、及び前記未燃燃料が有するエネルギーとの間で成立するエネルギー保存則に基づいて前記未燃燃料が有するエネルギーを求めることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の制御装置。
前記冷却損失算出手段は、
ウッシーニの熱伝達係数モデル式から筒内と燃焼室壁面の間の熱伝達率を求める熱伝達率算出手段を含み、前記熱伝達率に基づいて前記冷却損失を算出することを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
筒内への燃料噴射量を取得する燃料噴射量取得手段と、
排気空燃比を検出する空燃比センサと、
筒内への吸入空気量を取得する吸入空気量取得手段と、を更に備え、
前記未燃燃料エネルギー算出手段は、前記燃料噴射量、前記排気空燃比及び前記吸入空気量に基づいて前記未燃燃料のエネルギーを求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
前記触媒温度推定手段は、
前記触媒温度を、前記排気による損失エネルギー及び前記未燃燃料のエネルギーとの関係で定めたマップと、
前記マップを参照して、前記排気による損失エネルギー及び前記未燃燃料のエネルギーに対応する前記触媒温度を特定する手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。