JP2007247469A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気浄化装置の上流側の排気温度から同下流側の排気温度を精度良く推定することのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】ＤＰＦを排気の流れ方向に複数のセルに分割する。各セルの温度と同セルの下流側の排気温度とが等しくなるようにセルを分割すると、各セルにおける熱エネルギの伝達と排気温度の変化との関係から、各セルにおいては熱の伝播態様が一次遅れに従う。したがってセルの分割数ｎ＝４個の一次遅れ要素からなるセルブロックＢ１２−ｉ（ｉ＝１〜４）を組み合わせて、ＤＰＦ上流温度ＴｒｆからＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを推定する温度推定モデルを構成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、排気浄化装置を備えた内燃機関の制御装置において、同排気浄化装置の上流側又は下流側の一方の排気温度から他方の排気温度を推定する技術に関する。

例えば、ディーゼルエンジンにおいては、排気浄化装置として排気中に含まれるＰＭを捕集するディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設けられている。ＤＰＦには捕集したＰＭが蓄積するため、ＰＭを燃焼除去するＤＰＦ再生制御が定期的に実施される。かかるＤＰＦ再生制御に際してＤＰＦの温度が上昇しすぎるとＤＰＦが過度に上昇するとＤＰＦが劣化するおそれがある。このため、ＤＰＦの上流側には排気温度センサが設けられており、ＤＰＦ再生制御では、排気温度センサにより検出されるＤＰＦの上流側の排気温度に基づいてＤＰＦ内の燃焼状態が調整される。

ＤＰＦの下流側には、排気中の酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比センサが設けられる。空燃比センサは、例えばジルコニア等の固体電解質よりなるセンサ素子を有しており、同センサ素子が所定の活性温度（例えば７５０℃）に保持されることで、酸素濃度に対応する濃度検出信号を出力するものである。センサ素子にはヒータが内蔵されており、そのヒータが通電されて発熱することにより、センサ素子が加熱され、活性状態に保持されるようになっている。

かかる空燃比センサにより検出される酸素濃度や、同空燃比センサにおけるヒータの通電量などは、その近傍の排気熱の影響を受けて変化する。このため、ＤＰＦの下流側（空燃比センサ近傍）に排気温度センサが設けられ、この排気温度センサにより検出されるＤＰＦの下流側の排気温度に基づいて排気熱の影響が補償される。また、エンジンの冷間始動時において排気中の水蒸気の凝縮により凝縮水が発生し、その凝縮水がヒータによる加熱中のセンサ素子にかかると、センサ素子が破損するおそれがある。このため、排気温度センサによって検出されるＤＰＦの下流側の排気温度に基づいて排気管内の凝縮水の有無（乾湿状態）が判定され、その判定結果に応じてヒータの通電の許可／不許可が設定される。

以上説明したように、ＤＰＦ再生制御に際してＤＰＦを保護するためや、空燃比センサの検出精度を向上させるなどのために、ＤＰＦの上流側及び下流側の排気温度を知ることは欠かすことができない。すなわち、ＤＰＦの上流側及び下流側に排気温度センサをそれぞれ設けて、各々の排気温度を検出する必要がある。しかしながらコスト低減の観点から排気温度センサの削減が望まれている。

この要望を解決するために、ＤＰＦの上流側又は下流側のいずれか一方に設けた排気温度センサにより検出される排気温度から他方の排気温度を推定する技術が提案されている。例えば特許文献１では、ＤＰＦにおける温度変化を「一次遅れ＋ムダ時間」で表される伝達関数を用いてモデル化し、このモデルを用いて温度推定を行っている。特許文献２では、特許文献１と同様にして、「ｎ次遅れ＋ムダ時間」で表される伝達関数を用いてＤＰＦにおける温度変化をモデル化している。しかしながら、これらの伝達関数は実験的に求めた近似式により表現されているが故に、推定精度が十分でないことが懸念される。
特開２００５−１４００６９号公報 特開２００５−２４５１０９号公報

本発明は、排気浄化装置の上流側の排気温度から同下流側の排気温度を精度良く推定することのできる内燃機関の制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について説明する。

請求項１に記載の発明では、内燃機関の排気通路に排気浄化装置を備えるとともに、同排気浄化装置の上流側に排気温度センサを備える。そして、複数個の同一の一次遅れ要素にて表現した伝達関数を用いて、排気温度センサにより検出した上流側の排気温度から排気浄化装置の下流側の排気温度を推定する。

本願発明者は、排気浄化装置における熱の伝播をモデル化するべく、排気浄化装置を排気の流れ方向に沿って複数のセルに分割することを考えた。各セル自身の温度と同セルの下流側の排気温度とが等しくなるようにセルを分割すると、各セルでは、熱エネルギの伝達と温度変化との関係から、熱の伝播態様は一次遅れに従う。そして、排気浄化装置全体では、上流側の排気温度の変化に対する下流側の排気温度の変化がセルの分割数に応じた複数個の同一の一次遅れ要素にて表現される伝達関数に従うことを確認した。すなわち、かかる伝達関数を用いて、排気温度センサにより検出した上流側の排気温度から下流側の排気温度を推定することができる。これにより、排気浄化装置の上流側及び下流側のそれぞれの排気温度が得られ、内燃機関の各種制御を実施することができる。

特に、実験的に求められた「１次遅れ＋ムダ時間」又は「ｎ次遅れ＋ムダ時間」にて表現される伝達関数を用いる場合と比べ、ムダ時間要素を用いることなく実際の排気温度の変化の挙動を的確に表しており、推定精度の面で有利である。また、「ｎ次遅れ＋ムダ時間」にて表現される伝達関数を用いる場合にはｎ個の時定数を適合により求める必要があるが、本発明では伝達関数が同一の一次遅れ要素にて表現されるため、１個の時定数を適合させればよく、適合にかかる工数が少なくて済む。

また、排気浄化装置をセルに分割して伝達関数を用いているため、分割したセルの位置ごとに排気温度を推定することも可能である。これにより、排気浄化装置による排気の浄化状況を的確に知ることが可能である。

請求項２に記載の発明では、伝達関数の一次遅れ要素の時定数を内燃機関の運転状態に応じて可変設定する。すなわち、排気浄化装置の内部における熱の伝播態様は、排気流量や排気圧力などによって変化するものであり、前述した一次遅れ要素の時定数を内燃機関の運転状態に応じて都度設定することによって温度推定をより適切に行うことができる。好ましくは、既存の構成において取得可能な内燃機関の回転速度や燃料噴射量などに基づいて時定数を設定すると良い。

請求項３に記載の発明では、前述した複数の一次遅れ要素に加え、オフセット要素を用いて前述した伝達関数を表現したことを特徴とする。すなわち、前述した排気浄化装置を排気の流れ方向に分割するモデルでは、排気浄化装置の外周部における大気への放熱などの影響が考慮されないため、オフセット要素により補償することにより、温度推定をより適切に行うことができる。

請求項４に記載の発明では、排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子及び同センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサを排気浄化装置の下流側に備えており、センサ素子を活性状態に保つべくヒータの通電制御を行っている。そして、伝達関数を用いて推定した排気浄化装置の下流側の排気温度を用い、ガスセンサが排気熱から受ける影響を補償する。

ガスセンサにおいては、排気熱の影響を受けてセンサ素子による濃度検出値などが変化する。かかる排気熱の影響を補償するために、ガスセンサ近傍の排気温度を取得する必要がある。この点、本発明では、上述した伝達関数を用いて排気温度が推定され、その排気温度を用いてガスセンサが排気熱から受ける影響が補償される。すなわち、排気温度センサを設ける必要が無くコストの面で有利である。

請求項５に記載の発明では、ガスセンサが排気熱から受ける影響が補償として、センサ素子による濃度検出値、又はヒータの通電制御におけるヒータ通電量の少なくともいずれか一方を補正する。すなわち、センサ素子により濃度に応じて出力される検出信号は排気温度によって変化するため、その変化分を補正することにより精度良く濃度検出を行うことができる。また、ヒータ通電量は都度のセンサ素子の素子温度と目標とする活性温度との差に基づいて求められるものである。ここで、センサ素子の素子温度はヒータによる加熱以外に排気熱によっても変化するため、その排気熱による影響分に応じてヒータ通電量を補正することにより、センサ素子を活性状態に好適に保つことができる。さらに、排気中の水蒸気が凝縮してその凝縮水がかかるとセンサ素子が破損するおそれがあるため、排気温度に基づく乾湿判定を行い、その判定結果に応じてそのヒータの通電を許可・不許可にすると良い。これにより、センサ素子の保護を図ることができる。

請求項６に記載の発明では、排気浄化装置において発熱が生じる場合に、排気温度の推定を禁止する。すなわち、前述した伝達関数では排気浄化装置の内部における熱の増減の影響が反映されないため、発熱を生じる場合には排気温度の推定を行わないようにすると良い。

排気浄化装置として排気中のＰＭ（パティキュレートマター）を捕集するパティキュレートフィルタを備える場合には、パティキュレートフィルタにおいて捕集により堆積したパティキュレートを燃焼除去する際に、排気温度の推定を禁止する構成とする。すなわち、パティキュレートを燃焼除去する際には、ディーゼルパティキュレートフィルタ内部において発熱が生じるため、排気温度の推定を行わないようにすると良い。

請求項７に記載の発明では、排気温度センサを排気浄化装置の上流側に代えて下流側に設け、前記伝達関数の逆伝達関数を用いて、排気温度センサにより検出した下流側の排気温度から排気浄化装置の上流側の排気温度を推定する。すなわち、前述した伝達関数の逆伝達関数を用いることにより、排気浄化装置の下流側の排気温度から同上流側の排気温度を推定することが可能である。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、多気筒ディーゼルエンジンを対象にエンジン制御システムを構築するものである。本エンジン制御システムにおいては、電子制御ユニット（ＥＣＵ）を中枢とし、吸気量制御や燃料噴射制御などが実施される。先ずは、図１を用いて本エンジン制御システムの全体概略構成を説明する。

図１に示すエンジン１０において、吸気管１１にはスロットルバルブ１２が設けられ、スロットルバルブ１２はＤＣモータ等からなるスロットルアクチュエータ１３によって開度調節されるようになっている。吸気管１１はスロットルバルブ１２の下流にて分岐されてエンジン１０の各気筒の吸気ポートに接続されている。

エンジン１０には、気筒ごとにインジェクタ１５が配設され、インジェクタ１５は各気筒共通のコモンレール１６に接続されている。コモンレール１６には高圧ポンプ１７が接続されており、高圧ポンプ１７の駆動により燃料タンク（図示略）から燃料が汲み上げられ、高圧の燃料がコモンレール１６に連続的に蓄圧される。コモンレール１６にはコモンレール圧センサ１８が設けられており、このコモンレール圧センサ１８によりコモンレール１６内の燃料圧が検出される。

エンジン１０の吸気ポート及び排気ポートには、それぞれ吸気バルブ２１及び排気バルブ２２が設けられている。吸気バルブ２１の開動作により吸入空気が燃焼室２３内に導入され、インジェクタ１５より噴射供給された燃料と共に燃焼に供される。燃焼後の排気は、排気バルブ２２の開動作により排気管３１に排出される。

排気管３１に排出された排気の一部は、ＥＧＲガスとして、排気再循環装置（ＥＧＲ装置）により吸気系に再循環される。すなわち、吸気管１１のスロットルバルブ１２の下流側と排気管３１との間にＥＧＲ配管３２が設けられている。ＥＧＲ配管３２にはＥＧＲクーラ（図示略）が設けられ、ＥＧＲガスの冷却が行われるようになっている。ＥＧＲ配管３２には吸気管１１との連結部近傍にＥＧＲ弁３３が設けられ、ＥＧＲ弁３３がＥＧＲアクチュエータ３４により開閉されることによりＥＧＲガスの流量が調節される。かかるＥＧＲ装置によってＥＧＲガスを吸気系に再循環させることにより、燃焼温度が低下してＮＯｘの発生が抑制される。

排気管３１の下流部には、酸化触媒（ＤＯＣ）４１及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４２が設けられている。ＤＰＦ４２は、コーディエライト等の耐熱セラミックスをハニカム構造に成型してなり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するものである。

ＤＰＦ４２の上流側には排気温度を検出する排気温度センサ５１が設けられおり、ＤＰＦ４２の下流側には排気中の酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比センサ５２が設けられている。空燃比センサ５２は、例えばジルコニア等の固体電解質よりなるセンサ素子を有しており、同センサ素子が所定の活性温度（例えば７５０℃）に保持されることで、都度の酸素濃度に対応する濃度検出信号が出力されるようになっている。センサ素子にはヒータが内蔵されており、そのヒータの通電に伴う発熱によってセンサ素子が加熱され、同センサ素子の活性状態が保持される。ここで、ヒータの通電量は、ＰＷＭ制御により調整され、ヒータ通電Ｄｕｔｙ比によって決定される。

ＥＣＵ６０は、周知の通りＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されるものである。ＥＣＵ６０には、エンジン１０の運転状態を表す情報として前述したコモンレール圧センサ１８、排気温度センサ５１及び空燃比センサ５２などから検出信号が入力される。また、この他に、エンジン回転速度やアクセル操作量などの運転情報が入力される。ＥＣＵ６０は、ＲＯＭに記憶された種々の制御プログラムを実行することにより、都度入力される運転情報に基づいて、吸気量制御や燃料噴射制御等のエンジン１０の各種制御を実施する。

さて、ＤＰＦ４２には捕集したＰＭが次第に蓄積するため、その堆積したＰＭを適宜除去する必要がある。このため、本エンジン制御システムでは、ＤＰＦ再生制御として、ポスト噴射やリッチパージなどを実施してＤＯＣ４１に対して未燃燃料を供給する。これにより、ＤＯＣ４１において反応熱が生じてＤＰＦ４２の温度が高くなり、ＤＰＦ４２に堆積したＰＭが燃焼除去される。このＤＰＦ再生制御に際し、ＤＰＦ４２の内部の温度が上昇しすぎるとＤＰＦ４２が劣化するおそれがある。したがって、排気温度センサ５１により検出されるＤＰＦ４２の上流側の排気温度に基づき、ＤＰＦ４２の内部の排気温度を把握するとともに調整する必要がある。

また、空燃比センサ５２におけるセンサ素子による酸素濃度の検出に際して排気熱の影響を受けるため、空燃比センサ５２近傍の排気温度としてＤＰＦ４２の下流側の排気温度を取得し、その排気温度に応じて検出値を補正する必要がある。さらに、空燃比センサ５２のセンサ素子を活性温度に保持するためのヒータの通電制御に際して、実際のセンサ素子の素子温度と目標とする活性温度との差に基づきヒータ通電Ｄｕｔｙ比を決定するが、センサ素子の素子温度は排気熱の影響を受けて変化するため、ヒータ通電Ｄｕｔｙ比を補正する必要がある。

これらの目的を達成するために、ＤＰＦ４２の上流側及び下流側（空燃比センサ５２近傍）の排気温度を知ることを欠かすことができない。そこで、本実施の形態では、以下に説明する温度推定モデルを用い、排気温度センサ５１にて検出されるＤＰＦ４２の上流側の排気温度（以下、ＤＰＦ上流温度Ｔｒｆという）から、ＤＰＦ４２の下流側の排気温度（以下、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅという）の推定を行う。

図２は、ＤＰＦ４２の内部における排気温度の変化の様子を示す図である。図２に示すように、ＤＰＦ４２の内部の温度は一様に分布しておらず、熱の伝播により時間の経過に伴って変化する。すなわち、あるタイミングにおけるＤＰＦ４２の内部の温度分布が実線にて示すようにＤＰＦ上流温度Ｔｒｆが高温でありＤＰＦ下流温度Ｔｒｅが低温である場合、時間の経過に伴って順次下流側の排気温度が高くなる。

本願発明者は、ＤＰＦ４２を流れ方向に沿って複数のセル（領域）に分割することにより、ＤＰＦ４２における熱の伝播をモデル化することを考えた。各セル自身の温度と同セルの下流側の排気温度とが等しくなるようにセルを分割すると、各セルがその上流側から受け取る熱エネルギに基づき、各セルにおける熱の伝播態様を求めることができる。すなわち、ＤＰＦ４２全体としては各セルにおける熱の伝播態様を組み合わせることにより、ＤＰＦ上流温度Ｔｒｆの変化に対するＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの変化を表す伝達関数を得ることができる。

各セルにおける熱エネルギの伝達と排気温度の変化との関係は、ｉ番目のセルの上流側の温度及び同ｉ番目のセルの温度をそれぞれｕi-1（ｔ），ｙi（ｔ）とし、ＤＰＦ４２の熱伝達率及び熱容量をそれぞれα［Ｊ／（℃・ｓｅｃ）］，Ｃｄ［Ｊ／℃］とすると、

となる。そして、この（１）式を状態空間モデルに変換すると次の（２）式になる。

この（２）式より、各セルにおける熱の伝播は、一次遅れにより表される伝達関数に従うことが分かる。ここで、ｉ番目のセル自身の温度が同ｉ番目のセルの下流側の排気温度と同一になるようにセルを分割していることから

である。また、ＤＰＦ４２の最上流側（ｉ＝１番目）のセルの上流側の温度ｕ0としてＤＰＦ上流温度Ｔｒｆが入力される。そして、ＤＰＦ４２がｎ個のセルに分割されたとすると、ＤＰＦ４２の最下流側（ｉ＝ｎ番目）の排気温度ｙnとしてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅが出力される。したがって、ＤＰＦ上流温度Ｔｒｆの変化に対するＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの変化を表す伝達関数はｎ個の一次遅れにより表現される。

図３は、上記伝達関数から構成される温度推定モデルにおいて、その次数ｎ及び時定数Ｔを選定する方法を説明するための図であり、次数ｎ及び時定数Ｔを選定するために燃料噴射量を変化させた一例を示している。本エンジン制御システムでは、その適合時において、ＤＰＦ４２の下流側に排気温度センサを設けてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの実温度を検出し、同実温度の変化態様に対して温度推定モデルにより算出した推定温度の変化態様が合致するように、温度推定モデルの次数ｎ及び時定数Ｔを選定する。

詳しくは、図３に示すように、燃料噴射量をあるタイミングにてステップ状に増加させる。すると、その燃料噴射量の増加に応じてＤＰＦ上流温度Ｔｒｆが上昇するとともに、そのＤＰＦ上流温度Ｔｒｆの上昇に対して遅れを伴ってＤＰＦ下流温度Ｔｒｅが上昇する。このようにしてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを変化させ、温度推定モデルの次数ｎ及び時定数Ｔの選定を行う。本実施の形態では、エンジン１０の運転領域に応じて次数ｎ及び時定数Ｔを設定することとしており、常用されるエンジン１０の運転領域として、エンジン回転速度＝１０００，１５００，２０００，３０００［ｒｐｍ］ごとに、燃料噴射量を１０［ｍｍ3／ｓｔ］から２０，３０，５０［ｍｍ3／ｓｔ］にそれぞれ変化させた場合における温度推定モデルの次数ｎ及び時定数Ｔの選定を行う。

図４は、燃料噴射量をステップ状に変化させた際におけるＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの実温度及び温度推定モデルから算出した推定温度の変化の様子を示す図である。本実施の形態では、図４に示すＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの変化態様に対し、次数ｎ＝４，５，６とする温度推定モデルから推定温度を算出して比較した結果、次数ｎ＝４のものが実温度の変化態様にほぼ一致した。このとき、時定数Ｔは４２．６［ｓｅｃ］である。このようにして、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの実温度に一致する次数ｎ及び時定数Ｔの選定を行う。また、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの実温度と推定温度のオフセット（ずれ）は１０．８［℃］であった。このオフセットは温度推定モデルの伝達関数に反映されない各種要素の影響を表すものであり、例えばＤＰＦ４２の外周部における大気への放熱の影響などを表している。

前述したエンジン１０の各運転領域において次数ｎ及び時定数Ｔを選定した結果、温度推定モデルにより算出したＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの推定温度は、ＥＵモード（欧州にて燃料消費率や排気エミッションなどを測定する運転サイクル）において、同実温度に対する最大誤差が１０数％程度であった。これは、エンジン１０のより詳細な運転領域ごとに次数ｎ及び時定数Ｔを選定することにより、推定精度がさらに向上すると考えられる。

また、本実施の形態では、温度推定モデルの次数ｎがエンジン１０の運転領域によらず一定になることを確認した。すなわち、次数ｎは、ＤＰＦ４２の寸法、材質及び構造などに依存して定まるものと考えられる。材質の異なるＤＰＦについて検討を行ったところ、そのＤＰＦでは次数ｎ＝６であり、この次数ｎはエンジン１０の運転領域によらず一定であった。

図５は、エンジン回転速度及び燃料噴射量と時定数Ｔとの関係を示すマップである。このマップは、前述した時定数Ｔの選定の方法に従って得たものである。図５に示すように、エンジン回転速度が大きいほど時定数Ｔは小さくなり、また、噴射量が多いほど時定数Ｔは小さくなる傾向がある。これは、エンジン回転速度が大きいほど、また噴射量が多いほど、排気流速が早くなり、熱の伝播態様としてその速度が速くなることに起因している。

図６は、ＤＰＦ４２が４つのセルに分割される場合の温度推定モデル（次数ｎ＝４）のブロック図であり、ＥＣＵ６０におけるＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの推定処理にて用いるために離散システムとして表現している。

本温度推定モデルにおいて、時定数算出ブロックＢ１１は、予め規定した時定数マップを用い、都度のエンジン回転速度及び燃料噴射量に応じて時定数Ｔを出力する演算ブロックである。セルブロックＢ１２−１，Ｂ１２−２，Ｂ１２−３，Ｂ１２−４は、分割された４つのセルにおける熱の伝播態様を表すものであり、（２）式に基づく一次遅れを演算する演算ブロックである。ｉ番目のセルブロックＢ１２−ｉでは、上流側の温度Ｕi-1（ｋ），時定数Ｔ，前回（ｋ−１）における下流側の排気温度Ｙi（ｋ−１）がそれぞれ入力され、今回（ｋ）における下流側の排気温度Ｙi（ｋ）が出力される。今回（ｋ）における下流側の排気温度Ｙi（ｋ）は、具体的に

として算出される。前回（ｋ−１）の下流側の排気温度Ｙi（ｋ−１）は、遅延器Ｂ１３を用いて１／ｚ×Ｙi（ｋ）として求められる。また、最上流側（ｉ＝１番目）のセルブロックＢ１２−１には、上流側の温度Ｕi-1（ｋ）としてＤＰＦ上流温度Ｔｒｆ（ｋ）が入力される。そして、最下流側（ｉ＝４番目）のセルブロックＢ１２−４の下流側の排気温度Ｙ4（ｋ）から、オフセット値としてのオフセットブロックＢ１４の出力値が減算器Ｂ１５により減じられ、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅ（ｋ）が出力される。

図７は、温度推定モデルを用いてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを推定するＤＰＦ下流温度推定処理のフローチャートである。本実施の形態では、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの推定値をＥＣＵ６０のＲＡＭ上に記憶し、エンジン１０の各種制御ではその記憶した推定値を用いることとしている。このため、本処理では、通常、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを推定し、ＲＡＭ上の記憶値の更新を行う。なお、本処理は、ＥＣＵ６０により所定周期毎（例えば１秒毎）に実行される。

ステップＳ１０１では、排気温度センサ５１によりＤＰＦ上流温度Ｔｒｆを検出するとともに、エンジン回転速度及び燃料噴射量を取得する。ステップＳ１０２では、これらの各取得運転情報に基づき、上述した温度推定モデルを用いてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを算出する。

ステップＳ１０３では、ＤＰＦ４２が定常状態であるか否かを判定する。具体的には、ＤＰＦ再生制御を実施していない場合に、ＤＰＦ４２が定常状態であると判定する。これは、ＤＰＦ再生制御時には、ＤＰＦ４２の内部において発熱が生じるため、温度推定モデルを適用できないためである。

ＤＰＦ４２が定常状態であると判定した場合には、ステップＳ１０４においてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを更新した後、本ＤＰＦ下流温度推定処理を終了する。一方で、ＤＰＦ４２が定常状態でないと判定した場合には、ステップＳ１０１に移行して再びＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの推定を行う。

図８及び図９は、空燃比センサ５２に関する処理を示すフローチャートである。図８には排気中の酸素濃度（空燃比）を算出する空燃比算出処理のフローチャートを示し、図９にはヒータ通電Ｄｕｔｙ比を算出してヒータの通電制御を行うヒータ通電制御処理のフローチャートを示す。各々の処理は、ＥＣＵ６０によりそれぞれ所定周期毎に実行される。

図８に示す空燃比算出処理では、ステップＳ２０１において、ＲＡＭ上に記憶されたＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを取得する。続いて、ステップＳ２０２において、空燃比センサ５２の濃度検出信号を取得するとともに、ステップＳ２０３において、その取得した濃度検出信号から空燃比（酸素濃度）を算出する。そして、ステップＳ２０４において、空燃比センサ５２近傍の排気温度としてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅに基づき、算出した空燃比の補正を行う。

図９に示すヒータ通電制御処理では、ステップＳ３０１において、ＲＡＭ上に記憶されたＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを取得する。続いて、ステップＳ３０２において、ヒータの通電Ｄｕｔｙ比を算出する。詳しくは、センサ素子の素子温度に相当する素子インピーダンスを検出するとともに、目標とする活性温度（７５０℃）に相当する素子インピーダンスとの差に基づき、ヒータ通電Ｄｕｔｙ比を算出する。そして、ステップＳ３０３において、空燃比センサ５２近傍の排気温度としてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅに基づいてヒータ通電Ｄｕｔｙ比を補正する。

以上、詳述した実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ＤＰＦ上流温度Ｔｒｆの変化に対するＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの変化を表す伝達関数として、複数個の同一の一次遅れ要素にて表現される伝達関数を用いた温度推定モデルを用意した。この温度推定モデルの伝達関数はＤＰＦ４２を排気の流れ方向に沿ってセルに分割した際の各セルにおける熱エネルギの伝達と温度変化との関係から理論的に求められており、かかる温度推定モデルを用いてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを推定することが可能である。

時定数Ｔをエンジン１０の運転領域ごとに予め求めておき、都度の運転情報に応じて時定数Ｔを可変設定するようにした。これにより、エンジン１０の運転領域ごとに変化する熱の伝播態様が適切に表現され、温度推定モデルによるＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの推定がより的確に行われる。ここで、温度推定モデルの伝達関数は複数個の同一の一次遅れ要素にて表現されているため、１種類の時定数Ｔのみを適合させるだけで良く、適合にかかる工数が少なくてすむ。

オフセット値を減じてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを求めるようにした。これにより、ＤＰＦ４２の外周部における大気への放熱などの影響が考慮され、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅが適切に行われる。

温度推定モデルを用いて算出したＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを用いて、空燃比センサ５２のセンサ素子により検出される酸素濃度の補正及びヒータＤｕｔｙ比の補正を行うようにした。これにより、排気熱の影響が補償され、酸素濃度が精確に検出されるとともに、センサ素子の活性状態が好適に保たれる。また、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを検出するセンサ類を設けることなく、空燃比センサ５２における排気熱の影響を補償することができるため、コストの面で有利である。

ＤＰＦ再生制御時には、ＲＡＭ上の記憶値の更新を行わないようにした。本実施の形態における温度推定モデルにはＤＰＦ４２の内部における熱の増減の影響をしていないため、発熱が生じる場合にＲＡＭ上の記憶値の更新が行われないことにより、ＤＰＦ下流温度Ｔｒｅが誤推定されることが回避される。

なお、本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、以下のように実施しても良い。

上記実施の形態では、図６に示した温度推定モデルのブロック図において、ＤＰＦ４２の外周部から大気への放熱等を考慮するべく減算器Ｂ１５を用いてオフセットブロックＢ１４の出力値を減ずる構成としたが、これに限らない。ＤＰＦ４２の外周部から大気への放熱は大気温度や車速などの影響を受けるため、それら大気温度や車速に応じてオフセットブロックＢ１４の出力値を変更するようにしても良い。このように大気への放熱の影響等を考慮することにより、温度推定モデルを用いたＤＰＦ下流温度Ｔｒｅの推定をより的確に行うことができる。

上記実施の形態では、エンジン回転速度及び燃料噴射量に応じて時定数Ｔを設定するようにしたが、これに限らない。時定数Ｔは排気流量や排気圧力によって変化するものであり、それらは排気流量や排気圧力に相関する情報として吸気系に設けられた図示しないエアフローメータにより検出される吸気量及びエンジン回転速度に基づいて時定数Ｔを設定するようにしても良い。また、排気管３１に排気流量を検出する検出手段を備えている場合には、その検出手段により検出した排気流量に基づいて時定数Ｔを設定するように構成しても良い。

上記実施の形態では、空燃比センサ５２が排気熱から受ける影響の補償として、酸素濃度の検出値の補正及びヒータ通電Ｄｕｔｙ比の補正を行ったが、これに限らない。この他にも、エンジン１０の冷間始動時において、排気中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生じ、その凝縮水がヒータによる加熱中のセンサ素子にかかると、同センサ素子が破損するおそれがある。このため、大気温度とＤＰＦ下流温度Ｔｒｅとから排気管３１内に凝縮水が生じているかを判定し、凝縮水が発生していると判定された場合には、ヒータ通電を禁止するように構成すると良い。これにより、凝縮水がかかることによってセンサ素子が破損することを回避できる。

上記実施の形態では、ＤＰＦ４２の上流側に排気温度センサ５１を設け、排気温度センサ５１によりＤＰＦ上流温度Ｔｒｆを検出するとともに、温度推定モデルを用いて同ＤＰＦ下流温度を推定する構成としたが、これに限らない。ＤＰＦ４２の上流側に代えて下流側に排気温度センサを設け、同排気温度センサを用いてＤＰＦ下流温度Ｔｒｅを検出するとともに、前述した伝達関数の逆伝達関数からなる温度推定モデルを用いてＤＰＦ上流温度Ｔｒｆを推定することも可能である。

上記実施の形態では、排気浄化装置としてＤＰＦ４２を対象としたが、これに限らない。ＤＯＣ４１やＮＯｘを浄化するＮＯｘ触媒等を対象としても良く、またこれらの組み合わせとしても良い。

上記実施の形態では、ガスセンサとして排気中の酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比センサ５２を対象としたが、これに限らない。ガスセンサとして同排気中のＮＯｘ、ＣＯ又はＨＣ等のガス濃度を検出するものであっても、適用することが可能である。

上記実施の形態では、ディーゼルエンジンを対象としたが、これに限らない。ガソリンエンジンであっても温度推定モデルを設けるとともに、その温度推定モデルを用いて排気温度の推定を行うことが可能である。

エンジン制御システムの概略構成図である。 ＤＰＦ内部における排気温度の分布を示す図である。 温度推定モデルの次数ｎ及び時定数Ｔの選定方法を説明するための図である。 温度推定モデルの次数ｎ及び時定数Ｔの選定の一例を示す図である。 エンジン回転速度及び燃料噴射量と時定数との関係を示す図である。 離散システムとして表現される温度推定モデルのブロック図である。 ＤＰＦ下流温度推定処理のフローチャートである。 空燃比算出処理のフローチャートである。 ヒータ通電制御処理のフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、３１…排気通路としての排気管、４２…排気浄化装置としてのＤＰＦ、５１…排気温度センサ、５２…ガスセンサとしての空燃比センサ、６０…ＥＣＵ。

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置と、
   前記排気通路において前記排気浄化装置の上流側に設けられた排気温度センサと、
   複数個の同一の一次遅れ要素にて表現した伝達関数を用い、前記排気温度センサにより検出した前記排気浄化装置の上流側の排気温度から前記排気浄化装置の下流側の排気温度を推定する温度推定手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記伝達関数の一次遅れ要素の時定数を前記内燃機関の運転状態に応じて可変設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記複数の一次遅れ要素に加え、オフセット要素を用いて前記伝達関数を表現したことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記排気通路において前記排気浄化装置の下流側に設けられ、排気中の特定成分の濃度を検出するセンサ素子及び該センサ素子を加熱するヒータを有するガスセンサを備え、前記センサ素子を活性状態に保つべく前記ヒータの通電制御を行う内燃機関の制御装置において、
   前記温度推定手段により推定した排気温度に基づき、前記ガスセンサが排気熱から受ける影響を補償する補償手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記補償手段は、前記ガスセンサが排気熱から受ける影響に対する補償として、前記センサ素子による濃度検出値、又は前記ヒータの通電制御におけるヒータ通電量の少なくともいずれか一方を補正することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記排気浄化装置において発熱が生じる場合に、前記温度推定手段による排気温度の推定を禁止することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記排気温度センサを前記排気浄化装置の上流側に代えて下流側に設け、前記温度推定手段は、前記伝達関数の逆伝達関数を用いて、前記排気温度センサにより検出した下流側の排気温度から前記排気浄化装置の上流側の排気温度を推定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。

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