JP2015031169A - センサ出力値推定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】センサ出力値推定装置に関し、温度センサの応答遅れを反映したセンサ出力値を効果的に推定する。
【解決手段】少なくともエンジン10の運転状態及び、エンジン内ガスの状態量に基づいて、エンジン10の推定ガス温度を演算する推定ガス温度演算部43と、演算される推定ガス温度及び、予め記憶した温度センサ31の温度変化時定数とガス流量とガス温度との関係を規定する第1モデル式に基づいて、温度センサ31の応答遅れを反映させた推定センサ出力値を演算する推定センサ出力値演算部44とを備えた。
【選択図】図2

Description

本発明は、センサ出力値推定装置に関し、特に、センサの応答遅れを反映したセンサ出力値の推定に関する。
温度センサは、例えば、エンジンの排気を浄化する後処理装置や、排気の一部を吸気系に環流する排気環流装置(Exhaust Gas Recirculation:以下、EGR装置)等の各種制御に用いられている。温度センサに故障等による異常が生じると、これら各種制御を適切に行えなくなる可能性がある。
このような課題に着目し、エンジンの運転状態に基づいて推定した推定ガス温度と、温度センサのセンサ値とを比較して、温度センサの異常を検出する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−76311号公報
ところで、温度センサの出力は、実際の温度変化に対して応答遅れを生じる。そのため、実際のエンジン内ガス温度として推定した推定温度と、温度センサで検出されるセンサ出力値とを単純に比較する合理性診断においては、応答遅れの影響によりセンサ値と推定値とに差異が生じるため、正確な診断を行えない可能性がある。すなわち、診断精度の向上を図るためには、応答遅れの影響を反映したセンサ出力値の推定が重要となる。
本発明の目的は、温度センサの応答遅れを反映したセンサ出力値を効果的に推定することにある。
上述の目的を達成するため、本発明のセンサ出力値推定装置は、少なくともエンジンの運転状態及び、エンジン内ガスの状態量に基づいて、前記エンジンの推定ガス温度を演算する推定ガス温度演算手段と、演算される前記推定ガス温度及び、予め記憶した温度センサの温度変化時定数とガス流量とガス温度との関係を規定する第1モデル式に基づいて、前記温度センサの応答遅れを反映させた推定センサ出力値を演算する推定センサ出力値演算手段と、を備えることを特徴とする。
また、前記第1モデル式は、前記温度センサが設けられた配管の温度変化時定数とガス流量とガス温度との関係をさらに含むことが好ましい。
また、前記推定センサ出力値演算手段で演算される推定センサ出力値と、前記温度センサで検出される実センサ出力値とに基づいて、前記温度センサを診断する診断手段をさらに備えてもよい。
また、前記推定ガス温度演算手段は、前記エンジンの吸気酸素濃度と運転状態に応じて設定される燃料噴射時期と図示熱効率変化量との関係を規定する第2モデル式に基づいて、前記エンジンの図示熱効率変化量を演算すると共に、演算される図示熱効率変化量と排気温度との関係を規定する第3モデル式に基づいて、前記エンジンの推定排気温度を演算してもよい。
本発明のセンサ出力値推定装置によれば、温度センサの応答遅れを反映したセンサ出力値を効果的に推定することができる。
本発明の一実施形態に係るセンサ出力値推定装置を示す模式的な全体構成図である。 本発明の一実施形態に係るセンサ出力値推定装置による制御内容を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るセンサ出力値推定装置で演算されるエンジン出口推定排気温度、推定センサ出力値、排気温度センサで検出される実センサ入力値を比較したグラフである。
以下、図1〜3に基づいて、本発明の一実施形態に係るセンサ出力値推定装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図1に示すように、ディーゼルエンジン(以下、単にエンジン)10には、吸気マニホールド10A及び、排気マニホールド10Bが設けられている。吸気マニホールド10Aには新気を導入する吸気通路(吸気管)11が接続され、排気マニホールド10Bには排気を大気に放出する排気通路(排気管)12が接続されている。
排気通路12には、排気上流側から順に、排気温度センサ31、過給機14のタービン14B、図示しない排気後処理装置が設けられている。吸気通路11には、吸気上流側から順に、MAFセンサ32、過給機14のコンプレッサ14A、インタークーラ15、吸気温度センサ33、吸気酸素濃度センサ34、ブースト圧センサ35が設けられている。これら各種センサ31〜35で検出されるセンサ値は、電気的に接続された電子制御ユニット(以下、ECU)40に出力される。
EGR装置20は、排気の一部を吸気系に環流するEGR通路21と、EGRガスを冷却するEGRクーラ22と、EGRガス流量を調整するEGRバルブ23とを備えている。また、EGRクーラ22よりも上流側(入口)のEGR通路21には、排気通路12から取り込まれた排気の温度を検出するクーラ入口温度センサ37が設けられている。さらに、EGRクーラ22よりも下流側(出口)のEGR通路21には、EGRクーラ22で冷却されたEGRガスの温度を検出するクーラ出口温度センサ36が設けられている。これらセンサ36,37で検出されるセンサ値は、電気的に接続されたECU40に出力される。
エンジン回転センサ29は、図示しないクランク軸の回転数を検出する。アクセル開度センサ30は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度を検出する。これらセンサ29,30で検出されるセンサ値は、電気的に接続されたECU40に出力される。
ECU40は、エンジン10の燃料噴射等の各種制御を行うもので、公知のCPUやROM、RAM、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。また、ECU40は、燃料噴射制御部41と、図示熱効率演算部42と、推定排気温度演算部43と、推定センサ出力値演算部44と、排気温度センサ診断部45とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるECU40に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
燃料噴射制御部41は、エンジン回転センサ29から入力される回転数N及び、アクセル開度センサ30から入力されるアクセル開度Qに基づいて、エンジン10の図示しない燃料噴射装置による燃料噴射時期や燃料噴射量を制御する。
図示熱効率演算部42は、本発明の推定ガス温度演算手段の一部を構成するもので、各種センサ29〜37で検出されるセンサ値及び、後述するモデル式等に基づいて、エンジン10の図示熱効率変化量Δηiを演算する。以下、その演算手順を詳述する。
エンジン10の筒内におけるエネルギ保存は、排気エネルギHex、吸気エネルギHin、燃料の燃焼エネルギQfuel、冷却損失エネルギUhloss及び、エンジン10の図示仕事Widの関係を示す以下の数式(1)で表される。
Figure 2015031169
また、エンジン10の図示熱効率ηiは、図示仕事Widと燃焼エネルギQfuelとの比を示す以下の数式(2)で表される。
Figure 2015031169
数式(1)に数式(2)の図示仕事Widを代入すると、排気エネルギHexは以下の数式(3)で表される。
Figure 2015031169
さらに、数式(3)に基づいて、基準排気エネルギHex,refからの変化量ΔHexを計算すると以下の数式(4)で表される。
Figure 2015031169
数式(4)において、燃料噴射量は一定、冷却損失エネルギUhlossの変化は微小であると仮定すると、排気エネルギの変化量ΔHexは以下の数式(5)で近似される。
Figure 2015031169
さらに、エンジン10から排出される推定排気温度(以下、エンジン出口推定排気温度)T3は、数式(4)のΔHex=Hex−Hex,refから以下の数式(6)で表される。
Figure 2015031169
数式(6)に数式(5)を代入すると、エンジン出口推定排気温度T3は、吸気の定圧比熱:Cp,in、排気流量:mex、基準排気エネルギ:Hex、ref、基準吸気エネルギ:Hin、ref、排気エネルギ:Hin、燃焼エネルギ:Qfuelとする以下の数式(7)(第3モデル式)で表される。
Figure 2015031169
ここで、図示熱効率ηiの変化要因として、燃料の噴射開始時期φ及び、吸気酸素濃度XO2を考慮する。図示熱効率変化量Δηiの吸気酸素濃度XO2に対する変化を線形と仮定すると、図示熱効率変化量Δηiはテイラー展開により、吸気酸素濃度:XO2、噴射開始時期:φ、吸入酸素濃度補正係数:k1,O2、基準吸入酸素濃度:XO2、ref、噴射開始時期補正係数:kn(n=1,2),soi、基準噴射開始時期:φrefとする以下の数式(8)で近似される。
Figure 2015031169
数式(8)において、噴射開始時期φと吸入酸素濃度XO2との相互作用項の影響を微小と仮定すると、図示熱効率変化量Δηiは以下の数式(9)(第2モデル式)で表される。
Figure 2015031169
図示熱効率演算部42は、この数式(9)に基づいて、図示熱効率変化量Δηiをリアルタイムで演算する。より詳しくは、ECU40には、予め実験等により作成したエンジン回転数Nとアクセル開度Qと吸入酸素濃度補正係数k1,O2との関係を規定する補正値マップ(不図示)及び、エンジン回転数Nとアクセル開度Qと基準吸入酸素濃度XO2、refとの関係を規定する基準値マップ(不図示)が記憶されている。さらに、ECU40には、予め実験等により作成したエンジン回転数Nとアクセル開度Qと噴射開始時期補正係数kn(n=1,2),soiとの関係を規定する補正値マップ(不図示)及び、エンジン回転数Nとアクセル開度Qと基準噴射開始時期φrefとの関係を規定する基準値マップ(不図示)が記憶されている。
図示熱効率演算部42は、数式(9)にこれらマップからエンジン10の運転状態に応じた値を読み取って代入すると共に、吸気酸素濃度センサ34から入力される吸気酸素濃度XO2及び、燃料噴射制御部41で決定される噴射開始時期φをそれぞれ代入する。これにより、基準吸入酸素濃度XO2、refからの変化量及び、基準噴射開始時期φrefからの変化量を反映した図示熱効率変化量Δηiが、エンジン10の運転状態に応じてリアルタイムで演算されるように構成されている。
推定ガス温度演算部43は、本発明の推定ガス温度演算手段の一部を構成するもので、上述の数式(7)に基づいて、エンジン出口推定排気温度T3をリアルタイムで演算する。より詳しくは、ECU40には、予め実験等により作成したエンジン回転数Nとアクセル開度Qと基準吸気エネルギHin、refとの関係を示す基準値マップ(不図示)及び、エンジン回転数Nとアクセル開度Qと基準排気エネルギHex、refとの関係を示す基準値マップ(不図示)が記憶されている。
推定ガス温度演算部43は、これらマップからエンジン10の運転状態に応じた値を読み取ると共に、吸気の定圧比熱Cp,in、吸気温度T2及び、吸気流量minの関係を示す以下の数式(10)から吸気エネルギHinを演算する。
Figure 2015031169
さらに、推定ガス温度演算部43は、燃料の低位発熱量hl及び、燃料噴射量mfuelの関係を示す以下の数式(11)から燃料の燃焼エネルギQfuelを演算する。
Figure 2015031169
そして、推定ガス温度演算部43は、マップから読み取った値や数式(10),(11)から演算した値及び、排気の定圧比熱Cp,ex、排気流量mexを数式(7)に代入することで、エンジン出口推定排気温度T3を演算する。これにより、エンジン10の運転状態に応じて変化するエンジン出口推定排気温度T3がリアルタイムで演算されるように構成されている。
推定センサ出力値演算部44は、本発明の推定センサ出力値演算手段の一例であって、排気温度センサ31の応答遅れの影響を反映させる二次のLPF(Low Pass Filter)を用いて、推定ガス温度演算部43で演算されたエンジン出口推定排気温度T3を排気温度センサ31のセンサ出力値に近づける演算を行う。以下、その演算の詳細手順を説明する。
排気温度センサ31の時定数は排気流量等に依存するため一定ではない。そのため、時定数と物理量との依存関係を物理式から導き出す必要がある。排気から排気温度センサ31の外壁面又は排気通路(排気管)12の内壁面に伝わる熱エネルギは、これら壁面の温度上昇に全て使われると仮定すると、熱伝達式は、固体の密度:ρw、固体の比熱:cp、固体の体積:Vw、壁面温度:TS、熱伝達率:h、伝熱面積:S、流体温度:Tfとする以下の数式(12)で表される。
Figure 2015031169
数式(12)をラプラス変換して変形すると、以下の数式(13)で表される。
Figure 2015031169
数式(13)から、温度変化の時定数は、排気と壁面との間の熱伝達率hに反比例することが分かる。
本実施形態では、まず排気温度センサ31の熱伝達率と物理量との関係を考慮する。例えば、排気流とセンサとの熱伝達現象を、一様流中におかれた円柱の熱伝達現象と相似であると仮定すると、公知の熱伝達率の実験式から、一様流中に置かれた円柱状センサの平均熱伝達率は、ヌセルト数:Nu、レイノルズ数:Re、プラント数:Pr、定数:Cとする以下の数式(14)で表される。
Figure 2015031169
数式(14)の無次元数を物理量に書き直し、さらに、熱伝達率hについて解くと、代表長さ:l、流体比熱cpf、流体の熱伝導率:λ、流体の粘度:μ、流体の密度:ρ、流体の動粘度:vとする以下の数式(15)で表される。
Figure 2015031169
排気の熱伝導率λ、粘度μは温度に依存して変化するため、これら熱伝導率λ、粘度μを以下の数式(16)に示す近似式で表せるものと仮定する。
Figure 2015031169
数式(16)において、α及びβは両方の対数をとった以下の数式(17)により、一次関数の近似で求めることができる。
Figure 2015031169
数式(17)を公知の理科年表等に記載されている、熱伝導率λは例えば0〜100℃、粘度μは例えば−50〜350℃の値を用いて同定すると、近似式は以下の数式(18),(19)で表される。
Figure 2015031169
Figure 2015031169
数式(18),(19)を上述の数式(15)に代入すると、以下の数式(20)で表される。
Figure 2015031169
さらに、センサの有効断面積をAeとすると、排気の質量流量mfは、以下の数式(21)で表される。
Figure 2015031169
数式(20),(21)から流体密度ρと流体流速uとを消去し、流体温度Tfと質量流量mfとを抽出すると、以下の数式(22)で表される。
Figure 2015031169
数式(22)を数式(13)に代入すると、センサの温度変化時定数τ1が流体温度Tfと質量流量mfとに比例する以下の数式(23)が得られる。なお、数式(23)において、Tf0は流体温度の基準値、mf0は質量流量の基準値である。
Figure 2015031169
次に、本実施形態では、排気通路(排気管)12の熱伝達率と物理量との関係を考慮する。排気通路12が滑らかな円筒管と仮定すると、円管内部の平均熱伝達率は、公知の経験式から以下の数式(24)で表される。
Figure 2015031169
上述の数式(14)〜(23)と同様の変形を施すと、排気管の温度変化時定数τ2と物理量(流体温度Tf、質量流量mf)との比例関係は、以下の数式(25)で表される。
Figure 2015031169
さらに、本実施形態では、排気温度センサ31の推定センサ出力値Testと排気通路12の壁面温度との関係についても考慮する。推定センサ出力値Testは、センサ壁面温度Ts1と排気管温度Ts2との中間値になると仮定すると、重み係数をαとする以下の数式(26)で示すこができる。
Figure 2015031169
センサ壁面温度Ts1及び排気管温度Ts2がそれぞれ個別の時定数を有し、上述の数式(23)又は数式(25)に従って変化すると仮定すると、推定センサ出力値Testの変化を表す伝達関数は、二次のLPFとして以下の数式(27)(第1モデル式)で示される。
Figure 2015031169
推定センサ出力値演算部44は、数式(27)の流体温度Tfに推定ガス温度演算部43で演算されるエンジン出口推定排気温度T3を代入することで、排気温度センサ31の推定センサ出力値Testを演算する。これにより、エンジン10の運転状態に応じて変化するエンジン出口推定排気温度T3からセンサの応答遅れを反映した推定センサ出力値Testがリアルタイムで演算されるように構成されている。なお、質量流量(排気の質量流量)mfは、図示しない排気流量センサで直接的に検出してもよく、又は、エンジン回転数N及びアクセル開度Qから把握されるエンジン10の運転状態に基づいて推定してもよい。
排気温度センサ診断部45は、本発明の診断手段の一例であって、排気温度センサ31から入力される実センサ入力値Tactと、推定センサ出力値演算部44で演算される推定センサ出力値Testとに基づいて、排気温度センサ31の合理性診断を行う。
より詳しくは、ECU40には、予め実験等により求めた排気温度センサ31の故障を示す温度差上限閾値T0が記憶されている。ここでいう故障には、例えばセンサのショートや断線等によりセンサ値を出力できなくなる状態のみならず、正確な値を検出できない状態も含まれる。排気温度センサ診断部45は、実センサ入力値Tactと推定センサ出力値Testとの温度差ΔTが温度差上限閾値T0よりも大きくなった場合に、排気温度センサ31を故障と判定する。
なお、故障判定は、必ずしも温度差ΔTに基づく必要はなく、実センサ入力値Tactと推定センサ出力値Testとの比Tact/Testに基づいて行われてもよい。また、診断対象は、排気温度センサ31と略同等の温度を検出するものであれば、例えば、EGRクーラ22の入口に設けられたクーラ入口温度センサ37であってもよい。
次に、図2に基づいて、本実施形態のセンサ出力値推定装置による制御フローを説明する。
まず、イグニッションキーのON操作と同時に、ステップ100では、各種センサ29〜37のセンサ値がECU40に入力される。
ステップ110では、エンジン10の運転状態に応じて、補正値マップから吸入酸素濃度補正係数k1,O2及び、噴射開始時期補正係数kn(n=1,2),soi、基準値マップから基準吸入酸素濃度XO2、ref及び、基準噴射開始時期φrefがそれぞれ読み取られる。
ステップ120では、ステップ110で各種マップから読み取った値と、吸気酸素濃度センサ34から入力される吸気酸素濃度XO2と、燃料噴射制御部41で決定される噴射開始時期φとに基づいて、数式(9)のモデル式から図示熱効率変化量Δηiが演算される。
ステップ130では、エンジン10の運転状態に応じて、基準値マップから基準吸入エネルギHin、ref、基準排気エネルギHex、refが読み取られると共に、数式(10),(11)から排気エネルギHin、燃焼エネルギQfuelが演算される。
ステップ140では、ステップ120で演算された図示熱効率変化量Δηi、ステップ130でマップから読み取った値及び、数式(10),(11)から演算された値に基づいて、数式(7)のモデル式からエンジン出口推定排気温度T3が演算される。
ステップ150では、ステップ100で入力されたエンジン回転数N及びアクセル開度Qから推定(又は、センサで直接的に検出)される質量流量mf及び、ステップ140で演算されたエンジン出口推定排気温度T3を数式(27)に代入することで、排気温度センサ31の推定センサ出力値Testが演算される。
ステップ160では、ステップ150で演算された推定センサ出力値Testと、ステップ100で排気温度センサ31から入力された実センサ入力値Tactとの温度差ΔTに基づいて、排気温度センサ31の診断が実行される。温度差ΔTが閾値T0よりも大きい場合(YES)、ステップ170で排気温度センサ31は故障と判定される。一方、温度差ΔTが閾値T0以下の場合(NO)、本制御はステップ100に戻される。その後、ステップ100〜170までの各制御ステップは、イグニッションキーのOFF操作まで繰り返し実行される。
次に、本実施形態に係るセンサ出力値推定装置による作用効果を説明する。
従来は、排気温度センサの合理性診断に際し、エンジンの運転状態から推定した推定排気温度と、排気温度センサの実センサ出力値とを比較していた。排気温度センサのセンサ出力値には応答遅れが生じるため、これらセンサ値と推定値とを単純に比較する手法では、正確な診断を行えない可能性があった。
これに対し、本実施形態のセンサ出力値推定装置は、センサの応答遅れを反映させる数式(27)を用いて、排気温度センサ31の推定センサ出力値Testをリアルタイムで演算する。この数式(27)は、応答遅れを高精度に反映させるように、排気温度センサ31の温度変化時定数τ1と物理量(排気流量mf、排気温度Tf)との関係及び、排気通路(排気管)12の温度変化時定数τ2と物理量(排気流量mf、排気温度Tf)との関係を含む二次のLPFとして構成されている。このような二次のLPFとすることで、図3に示すように、エンジン10の過渡運転を含めた全運転領域において、センサの応答遅れを反映した排気温度センサ31の推定センサ出力値Testを高精度に演算することができる。
したがって、本実施形態のセンサ出力値推定装置によれば、応答遅れの影響を反映した推定センサ出力値Testを効果的に演算することができると共に、排気温度センサ31の実センサ値Tactとの比較が容易になり、合理性診断を高精度に行うことが可能になる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
例えば、上述の実施形態では、エンジン出口推定排気温度T3は、上述の数式(7)及び、数式(9)に基づいて演算されるものとして説明したが、エンジン10の運転状態や排気の状態量等を含む他のモデル式から演算してもよい。また、推定センサ出力値Testを排気温度センサ31の診断に用いるものとして説明したが、EGRクーラ22の診断に適用することも可能である。この場合は、推定センサ出力値Testをクーラ出口温度センサ36のセンサ値と比較すればよい。また、エンジン10はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他のエンジンにも広く適用することが可能である。
10 エンジン
12 排気通路(排気管)
31 排気温度センサ
36 クーラ出口温度センサ
37 クーラ入口温度センサ
40 ECU
42 図示熱効率演算部(推定ガス温度演算手段)
43 推定ガス温度演算部(推定ガス温度演算手段)
44 推定センサ出力値演算部(推定センサ出力値演算手段)
45 排気温度センサ診断部(診断手段)

Claims (4)

  1. 少なくともエンジンの運転状態及び、エンジン内ガスの状態量に基づいて、前記エンジンの推定ガス温度を演算する推定ガス温度演算手段と、
    演算される前記推定ガス温度及び、予め記憶した温度センサの温度変化時定数とガス流量とガス温度との関係を規定する第1モデル式に基づいて、前記温度センサの応答遅れを反映させた推定センサ出力値を演算する推定センサ出力値演算手段と、を備える
    ことを特徴とするセンサ出力値推定装置。
  2. 前記第1モデル式は、
    前記温度センサが設けられた配管の温度変化時定数とガス流量とガス温度との関係をさらに含む
    請求項1に記載のセンサ出力値推定装置。
  3. 前記推定センサ出力値演算手段で演算される推定センサ出力値と、前記温度センサで検出される実センサ出力値とに基づいて、前記温度センサを診断する診断手段をさらに備える
    請求項1又は2に記載のセンサ出力値推定装置。
  4. 前記推定ガス温度演算手段は、
    前記エンジンの吸気酸素濃度と運転状態に応じて設定される燃料噴射時期と図示熱効率変化量との関係を規定する第2モデル式に基づいて、前記エンジンの図示熱効率変化量を演算すると共に、演算される図示熱効率変化量と排気温度との関係を規定する第3モデル式に基づいて、前記エンジンの推定排気温度を演算する
    請求項1から3の何れか一項に記載のセンサ出力値推定装置。
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