JP2010539389A - ディーゼルエンジンの壁に取り付けられたガス圧センサの温度推定方法、及びこのような方法の使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボ過給される自動車のディーゼルエンジンの壁に取り付けられたガス圧センサの温度を推定する方法に関するものであり、前記センサは、ターボチャージャのタービンの上流に配置される。本発明によれば、ガス圧センサの前記温度は、少なくとも外気の温度、及びセンサが取り付けられている壁の温度に基づいて推定される。

Description

本発明は、自動車のディーゼルエンジンの壁に取り付けられたガス圧センサの温度を推定する方法に関する。
本発明はまた、ターボチャージャによって過給される自動車ディーゼルエンジンのタービン手前のガス圧を求めるためのこのような方法の使用に関する。

ターボチャージャは、タービンとコンプレッサとから構成され、エンジンに送り込むことができる空気の量を増やすように設計される。タービンは排気マニホールドの排気口に配置され、排気ガスによって駆動される。
排気ガスによって与えられる出力は、排気バルブ（固定形状のターボコンプレッサであり、「ＴＧＦ」の略語で表記される）又は排出フィン（可変形状のターボであり、「ＴＧＶ」の略語で表記される）によって変化させることができる。

コンプレッサは、タービンと同じ軸に取り付けられる。コンプレッサは、吸気マニホールドに流入する空気を圧縮する。熱交換器をコンプレッサと吸気マニホールドとの間に配置することにより、コンプレッサから出て行く空気を冷却することができる。
アクチュエータを使用して、バルブ又はフィンの開閉を制御する。アクチュエータ用制御信号は、ＵＣＥ（電子制御ユニット）と表記されるコンピュータにより供給され、吸気マニホールド内の圧力のサーボ制御を可能にする。マニホールド内の圧力設定ポイントはＵＣＥによって計算される。吸気マニホールド内の圧力は、このマニホールドに配置されるセンサによって測定される。

タービンの手前の圧力（「Ｐａｖｔ」の略語で表記される）に関する情報は、可変形状のタービンを備えるディーゼルエンジンの制御に際して極めて重要である。
この情報は以下の三つの異なる方式で使用することができる。
−過給応答時間を短縮する。
−エンジン吸排気損失を正確に計算することにより、トルク構造をさらに安定させることができる。トルク機構は、エンジンの実トルク（生成されるトルクから、オルタネーター、空調コンプレッサなどの種々の周辺装置が消費するトルクを減算した値）を算出し、これによって、エンジンの均一な運転を保証することができる。
−タービン手前の圧力の応力に曝されるエンジンの構成部品（排気バルブ、ターボアクチュエータなど）の信頼性を保証することができる。

エンジンを制御するためには、タービン手前の圧力センサを確実に正しく作動させ、当該センサの正しい作動範囲を正確に求めることができることが極めて重要である。
排気ガスは、とりわけ、ガス状の水から成る。エンジンを切ると、排気管の壁の温度が下がる。排気ガスに含まれる水が壁で液化する。

水はこのようにして、Ｐａｖｔセンサの位置で液化し得る。
特定の動作条件（大気温度、車両速度など）では、液体であるこの水は、センサの位置で凍結し得る。従って、センサが示す圧力は誤っている。

大気の温度が０℃を下回る（凍結の危険が生じ得る）ときにＰａｖｔセンサによる情報の供給を阻止することが既に提案されている。このとき、エンジンは劣化モードで動作していると言える。
この方式は、大気の温度が０℃を下回るときにセンサが必ずしも凍結するとは限らないので、極めて制限的な方法である。

Ｐａｖｔセンサに関する凍結基準を完全なものにして、センサの作動範囲を最大限に拡張する必要がある。特許文献１は、一つのこのような方法を示している。
別の方法では、Ｐａｖｔセンサをエンジン蓋の下の熱的に安定な場所に配置することにより同センサの凍結防止効果を最大にする（すなわち、温度変動を小さくするか、又は完全に制御することにより）。したがって、競合する一つの自動車製造業者は、ＥＧＲ回路の冷却回路にセンサを配置することを提案している（したがって、冷却回路の水温周辺で、熱が完全に制御及び調整される）。

この方法は、熱的に安定であるという利点をもたらすが、欠点、すなわちセンサの配置に関する自由度がないという欠点をもたらす。

国際公開第２００５／０８５１９号

本発明は、Ｐａｖｔセンサの温度を推定することにより、大気温度が０℃未満でも該センサ自体の温度が０℃を超える場合にこのセンサの使用を可能にする方法を直接提案することにより、前述の方法の欠点を解決することを目的としている。
したがって、本発明は、ターボチャージャによって過給される自動車のディーゼルエンジンの壁に取り付けられたガス圧センサの温度を推定する方法に関するものであり、このセンサは、前記ターボチャージャのタービンの上流に配置される。

この方法は、前記推定が、少なくとも外気の温度の測定値と、前記前記センサが取り付けられた前記壁の温度とに基づいて行なわれるという点で注目に値する。
この方法の他の有利かつ非制限的な特徴によれば、
−前記推定が、次の関係式に基づいて行なわれ、

上の式では、

＝時間の経過に伴うセンサの温度の変化、
・Ｔ_{ｗａｔｅｒ}＝エンジン冷却水の温度、
・Ｔ_ａｉｒ＝外気の温度、

・ΔＴ_{ｅｘｈａｕｓｔ}＝関連する排気管の温度の変化＝Ｋ_３・τ・（Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ} ^４−Ｔ_{ｗａｔｅｒ} ^４）、
であり、ここでＴｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}は前記排気管の壁の温度であり、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びｎは、前記車両に固有の定数であり、「ｓｐｅｅｄ」は前記車両の移動速度である。

一実施形態では、変数ΔＴ_{ｅｘｈａｕｓｔ}は無視される。
一変形例では、数Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}は、センサを使用して求めることができる。
更に別の変形例によれば、変数Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}は、コンピュータモデルに基づいて求めることができる。

本発明はまた、ターボチャージャにより過給される自動車のディーゼルエンジンのタービン手前のガス圧を求める、上に定義した方法の使用に関し、この方法は、前記センサの推定温度が０℃以下であるとき当該センサからの圧力情報の供給を阻止することを特徴とする。
本発明の他の特徴及び利点は、好適な実施形態に関する以下の説明により明らかになるものと思われる。

本明細書の説明は、添付の図１を参照して行なわれ、図１は、実測定値及び２つの推定値に基づく、時間の経過に伴うＰａｖｔセンサの温度を示している。

図１は、実測定値及び２つの推定値に基づく、時間の経過に伴うＰａｖｔセンサの温度を示している。

本発明の主な目的は、Ｐａｖｔセンサの温度に関する有用な情報の供給を可能にすることにある。
本発明の原理は、タービン手前の圧力センサに影響を与える熱現象を分析し、当該センサの温度の傾向のモデルを提案することである。

Ｐａｖｔセンサは、
−外気の温度（車両の速度を介して測定される）と、
−当該センサを取り付けるボディ（壁）の温度（多くの場合、エンジンから出て行く水の温度に近い温度）と
の間で平衡状態になる。
センサの配置に応じて、追加の熱源が考慮される。この熱源は普通、排気管を熱源とする（センサがタービンの手前の圧力を測定するという性質を持っているので）。

熱交換器のモデル化は、電気伝導に類似する熱伝導方程式を利用する。
この類似性に基づき、関与するパラメータは以下の通りである。
−蓋の下に流入する空気の対流係数：ｈＳ、車両の速度に関連付けられる
−エンジンの壁の熱伝導係数：Ｇｃ、センサとセンサの取り付け壁との接点に関連付けられる
−排気ガスによって放出される、排気管の温度に関連付けられる出力（Ｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}）

センサの温度を規定する方程式は次の通りである。

式中の各項について以下のように説明する。

１．外気とセンサとの対流熱交換：ｈＳ
熱交換係数ｈにより、この対流熱交換を巨視的に説明する。この係数は、三つの無次元係数：ヌッセルト数（Ｎｕ）、レイノルズ数（Ｒｅ）、及びプラントル数（Ｐｒ）を関連付ける経験的関係式を使用することにより得られる。
Ｎｕ＝ｆ（Ｒｅ”、Ｐｒ）
１次では、
・レイノルズ数は、エンジン室に流入する冷却空気の流量の関数であり、車両速度に直接関連付けられる。すなわち、
Ｒｅ＝ｆ（ｖｅｈｉｃｌｅ＿ｓｐｅｅｄ”）
・プラントル数は一定である。空気の場合、
Ｐｒ≒０．７という関係が成り立つ。
・ヌッセルト数は：

に等しく、上の式では、空気の場合、λ＝０．０２１Ｗ／ｍ．Ｋであり、Ｌ_{ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ}＝定数（センサの形状に関連付けられる）である。

これによって、ｈＳ＝ｆ（ｖｅｈｉｃｌｅ＿ｓｐｅｅｄ”）＝Ｃ_１．ｖｅｈｉｃｌｅ＿ｓｐｅｅｄ”と推定される。
上の式では、Ｃ_１及びｎは、テストによって各種車両に特定される定数である。

２．外気とセンサとの伝導熱交換：Ｇｃ
伝導熱交換は、一定の定数である熱コンダクタンスＧｃにより次のように説明される。
Ｇｃ＝Ｃ_２
上の式では、Ｃ_２はテストによって各種車両に特定される定数である。

３．排気ガスから放出される出力：Ｐ _{ｅｘｈａｕｓｔ}
この出力は排気管の壁温度（Ｔ_{ｅｘｈａｕｓｔ}）に直接関連付けられ、次式により表わされる。

上の式では、
ε：センサの放射率（１に近い）、
Ｓ：センサの表面積、
σ：ボルツマン定数（５．６７．１０^−８Ｗ／ｍ^２．Ｋ^４）、
Ｔはケルビン度で表わされ、
ｆ_{ｓｅｎｓｏｒ−＞ｅｘｈａｕｓｔ}：センサが放出し、かつ排気管が受け取るエネルギーの一部である波形率。この波形率は純粋に幾何学的に計算され、所定の車両に関しては定数である。
所定のセンサに関し：ε．σ．Ｓ．ｆ_{ｓｅｎｓｏｒ−＞ｅｘｈａｕｓｔ}＝Ｃ_４（定数）が成り立つ。

４．センサの慣性：

この項は、センサの慣性を表わしている。
Ｃｐ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、所定のセンサに関して定数であるセンサの比熱である。
Ｍは、センサの質量である。
所定のセンサに関して、Ｍ・Ｃｐ_{ｓｅｎｓｏｒ}は、Ｍ・Ｃｐ_{ｓｅｎｓｏｒ}＝Ｃ_３で表わされる定数である。

は、時間の経過に伴うセンサの温度変化である。

次いで、次式で表わされる効率のコンセプトを導入する。

次の形式で表わされるセンサの温度の傾向を説明する簡易方程式を求める。

上の式で、τは方程式２の時定数である。

方程式１及び２を特定することにより、次式の関係が得られる。

ここで、上述のように、
ｈＳ＝Ｃ_１．ｖｅｈｉｃｌｅ＿ｓｐｅｅｄ”
Ｇｃ＝Ｃ_２、
ＭＣｐ＝Ｃ_３、
ε．σ．Ｓ．ｆ_{ｓｅｎｓｏｒ−＞ｅｘｈａｕｓｔ}＝Ｃ_４
である。
次の関係が成り立つと仮定すると、

となる。

定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びｎを車両に関して特定することにより、センサの温度の傾向を次式で表わすことができる。

項ΔＴ_{ｅｘｈａｕｓｔ}は、排気管の温度Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}に関する情報を必要とする。この温度はセンサで測定するか、又はモデルにより推定することができる。追加モデルの作成を考慮することができるが、追加モデルの作成はＰａｖｔセンサの初期温度モデルの複雑さを増大させる。ここで、このモデルをエンジンのソフトウェアに取り込むことが依然として簡単であることが好ましい。

排気ガスから放出される熱出力によってセンサの温度が上昇すると仮定する。実際、排気ガスはエンジン室の中で最も高温となる構成要素である。したがって、この出力を無視すると、Ｐａｖｔセンサの温度を低く見積もることになる。これは、Ｐａｖｔセンサ温度推定器の主要な用途が凍結を診断することであるので、問題とはならない。推定器が０℃を超える温度を示す場合、センサが凍結していないことが確実である。
したがって、好適な実施形態では、項ΔＴ_{ｅｘｈａｕｓｔ}を意図的に無視し（Ｋ_３をゼロにすることと等価）、最終的に次の系を解くことを決定できる。

上の式では、次の関係が成り立ち、

Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びｎは、車両に関して特定される定数である。

したがって、排気ガスの熱出力を考慮に入れないモデルを選択することにより、より簡単な解が得られるとともに、ソフトウェアへの取り込みが効果的かつ容易に行なわれる。
添付の図１は、時間経過に伴うＰａｖｔセンサの温度変化曲線を示している。

曲線Ａは、前記センサの温度の直接測定値に対応する。曲線Ｂは、この方法に従って、排気ガスから放出される出力を考慮して得られる推定曲線である（方程式２）。最後に、曲線Ｃは、本発明の方法に従って、排気ガスから放出される出力を考慮せずに得られる推定曲線である（方程式３）。
したがって、これらの曲線から、本方法の結果により、ＵＣＥの取り込みが申し分なく、かつ容易に行なえることが分かる。エンジンの用途の全ての較正が、確実かつ容易に行われる（このような理由から、前に定義された定数Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びｎを特定し直すだけで十分である）。

本方法は以下のような多くの利点をもたらす。
・Ｐａｖｔセンサ及び関連する方法を、センサの温度が０℃を上回る限り０℃未満の大気温度に拡張して使用することができる。
・センサの熱挙動を規定する熱伝導方程式は、高いサンプリング周波数を必要としない。したがって、この種のモデルでは、ＵＣＥによる計算時間がほとんどかからない。したがって、当該モデルはソフトウェアに容易に取り込むことができる。
・当該モデルは動作が単純であるので、車両の用途の全てに使用することができる。
・センサの温度を推定することにより、車両内のセンサの配置の自由度を確保することができる。
・センサの温度情報は、Ｐａｖｔ情報の質に関する追加情報である。温度の関数としてＰａｖｔ情報のバラツキ又はドリフトに対する補正を行なうことを考慮することができる。このようにすると、単にセンサの診断（凍結しているか、又はしていないか）という問題でなく、情報の補正という問題となる。
簡易なモデル構造を保持するために、大気の温度をエンジン始動時に適用する必要がある。この温度は系の最低温度である。したがって、センサの凍結の診断を可能にする温度の「過小評価」というコンセプトは、依然として保持される。

本方法は、熱的に非活性の構成要素（すなわち、エネルギーを放出しない構成要素）の全てに適用することができる。このとき、考慮する構成要素の配置に従って、上述の方程式を、係数（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びｎ）を利用して、適合させるだけで十分である。

Claims (6)

1. ターボチャージャによって過給される自動車のディーゼルエンジンの壁に取り付けられたガス圧センサの温度を推定する方法であって、このセンサは前記ターボチャージャのタービンの上流に配置されており、前記推定を、少なくとも外気の温度の測定値と前記センサが取り付けられた壁の温度に基づいて行なうことを特徴とする、方法。
2. 前記推定を、次の関係式：
   

   

   
   上式中、
   

   

   
   ＝時間の経過に伴うセンサの温度の変化、
   ・Ｔ_{ｗａｔｅｒ}＝エンジン冷却水の温度、
   ・Ｔ_ａｉｒ＝外気の温度、
   

   

   
   

   

   
   ・ΔＴ_{ｅｘｈａｕｓｔ}＝関連する排気管の温度の変化＝Ｋ_３・τ・（Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ} ^４−Ｔ_{ｗａｔｅｒ} ^４）（Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}は排気管の壁の温度であり、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、及びｎは、前記車両に固有の定数であり、「ｓｐｅｅｄ」は前記車両の移動速度である）
   に基づいて行なうことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 変数ΔＴ_{ｅｘｈａｕｓｔ}を無視することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 変数Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}を、センサを使用して求めることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
5. 変数Ｔｐ_{ｅｘｈａｕｓｔ}を、コンピュータモデルに基づいて求めることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
6. ターボチャージャによって過給される自動車のディーゼルエンジンのタービン手前のガス圧を求めるための、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法の使用であって、前記センサの推定温度が０℃以下である場合に前記センサによる圧力情報の供給を阻止することを特徴とする、使用。

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