JP2015055236A

JP2015055236A - Ｅｇｒガス温度推定装置

Info

Publication number: JP2015055236A
Application number: JP2013190858A
Authority: JP
Inventors: 寛之杉原; Hiroyuki Sugihara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-03-23

Abstract

【課題】排気通路における触媒の下流から排気ガスを吸気通路に再循環させるＥＧＲ通路を備える内燃機関においてＥＧＲガス温度を精度良く推定する。【解決手段】内燃機関の１サイクルに供給した燃料の量である供給燃料量を算出する。また、燃料の燃焼によって内燃機関で発生したトルクを算出し、燃料の燃焼によって内燃機関で発生したトルクを算出し、これに基づいて筒内で１サイクルに燃焼した燃料の量である燃焼燃料量を算出する。そして、供給燃料量と燃焼燃料量との差から未燃燃料量を算出する。さらに、燃焼燃料量に基づいて触媒の上流における排気ガスの温度である触媒上流排気ガス温度を算出する。そして、触媒上流排気ガス温度と未燃燃料量とに基づいて触媒の下流における排気ガスの温度である触媒下流排気ガス温度を算出し、触媒下流排気ガス温度に基づいてＥＧＲガス温度を算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、排気通路から吸気通路へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ通路を備える内燃機関において、ＥＧＲ通路における排気ガスの温度（ＥＧＲガス温度）を推定するＥＧＲガス温度推定装置に関する。

ＥＧＲ装置付きの内燃機関に対し、ＥＧＲクーラによってＥＧＲガスを冷却することによって筒内へのＥＧＲガスの充填量を高めるとともに筒内ガス温度を低下させ、それにより燃費を向上させたいという要望が有る。しかし、ＥＧＲガスを冷却する場合、背反として凝縮水の発生という問題が生じる。このため、ＥＧＲクーラによるＥＧＲガスの過度の冷却は望ましくない。特許文献１には、このような課題に関連する技術が開示されている。特許文献１に開示された技術によれば、燃料噴射量から排気ガス温度を推定し、排気ガス温度からＥＧＲガス温度を推定し、ＥＧＲガス温度に基づいてＥＧＲクーラを制御することが行われる。

特開平１１−１６６４５２号公報特開２００７−２０５２７４号公報特開２００８−０６９６６２号公報特開平１１−２００９５６号公報

ところで、ＥＧＲ装置には、排気通路における触媒の上流から排気ガスを取り出すタイプと、触媒の下流から排気ガスを取り出すタイプとが存在する。前者の場合であれば、特許文献１に記載されている通り、排気ガス温度からＥＧＲガス温度を推定することができる。ところが、後者の場合には、簡単にはＥＧＲガス温度を推定することはできない。なぜなら、スカベンジにより筒内から排気通路に吹き抜けた未燃燃料が触媒にて反応し、その反応で生じた熱によって触媒の上流と下流とで排気ガス温度に違いが生じてしまうからである。特許文献１に開示された技術では、触媒での未燃燃料の燃焼による排気ガス温度の上昇については考慮されていない。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、排気通路における触媒の下流から排気ガスを吸気通路に再循環させるＥＧＲ通路を備える内燃機関においてＥＧＲガス温度を精度良く推定することのできるＥＧＲガス温度推定装置を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明に係るＥＧＲガス温度推定装置は、排気通路における触媒の下流から排気ガスを吸気通路に再循環させるＥＧＲ通路を備える内燃機関のＥＧＲガス温度推定装置であって、前記内燃機関の１サイクルに筒内に供給した燃料の量である供給燃料量を算出する手段と、燃料の燃焼によって前記内燃機関で発生したトルクを算出する手段と、前記トルクに基づいて筒内で１サイクルに燃焼した燃料の量である燃焼燃料量を算出する手段と、前記供給燃料量と前記燃焼燃料量との差から未燃燃料量を算出する手段と、前記燃焼燃料量に基づいて前記触媒の上流における排気ガスの温度である触媒上流排気ガス温度を算出する手段と、前記触媒上流排気ガス温度と前記未燃燃料量とに基づいて前記触媒の下流における排気ガスの温度である触媒下流排気ガス温度を算出する手段と、前記触媒下流排気ガス温度に基づいて前記ＥＧＲ通路内の排気ガスの温度であるＥＧＲガス温度を算出する手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、スカベンジにより未燃燃料が発生しても、筒内で燃焼する燃料の減少を考慮して触媒上流における排気ガス温度が計算され、さらに、未燃燃料の触媒での反応を考慮して触媒下流における排気ガス温度が計算されることにより、ＥＧＲガス温度の推定値に含まれる誤差を抑えることができる。

本発明のＥＧＲガス温度推定装置を適用可能な内燃機関の構成を示す図である。本発明の実施の形態でＥＣＵにより実行されるルーチンを示すフローチャートである。本発明の実施の形態の変形例でＥＣＵにより実行されるルーチンを示すフローチャートである。

図１は、本発明のＥＧＲガス温度推定装置を適用可能な内燃機関の構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関は過給器付きのガソリンエンジンである。そのエンジン本体２には、複数の気筒４（ここでは４つの気筒）が直列に備えられている。本実施の形態に係る内燃機関はいわゆる直噴エンジンであり、各気筒４には燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ４０が取り付けられている。

エンジン本体２の吸気側には、吸気マニホールド６が取り付けられている。エンジン本体２の各気筒４には、エアクリーナ１２から吸気通路１０に取り込まれた新気が吸気マニホールド６を介して供給される。吸気通路１０におけるエアクリーナ１２の下流には、スロットル１４が取り付けられている。そして、吸気通路１０におけるスロットル１４の下流には、過給器のコンプレッサ１６が取り付けられている。

エンジン本体２の排気側には、排気マニホールド８が取り付けられている。エンジン本体２の各気筒４から排気マニホールド８に排出された排気ガスは、排気通路２０を介して大気中に放出される。排気通路２０には、過給器のタービン１８が取り付けられている。また、タービン１８をバイパスするバイパス通路２４がタービン１８と並んで設けられている。バイパス通路２４には、ウエストゲートバルブ２６が取り付けられている。排気通路２０におけるタービン１８の下流には、排気ガスの浄化に用いられる触媒２２が取り付けられている。

本実施の形態に係る内燃機関は、排気系から吸気系へ排気ガスを再循環させるＥＧＲ装置を備えている。ＥＧＲ装置は、排気通路２０における触媒２２の下流と吸気通路１０におけるコンプレッサ１６の上流とをＥＧＲ通路３０によって接続している。ＥＧＲ通路３０には、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ３４と、吸気通路１０に再循環させるＥＧＲガスの量を調整するためのＥＧＲバルブ３２とが取り付けられている。ＥＧＲクーラ３４は水冷式であり、ＥＧＲクーラ３４の冷却能力は冷却水温度或いは冷却水流量を調整することによって制御することができる。

本実施の形態では、ＥＧＲガス温度推定装置は内燃機関を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００の機能の一部として実現される。ＥＣＵ１００には、内燃機関の各所に取り付けられた各種のセンサから、内燃機関の運転状態や運転条件に関する様々な情報や信号が入力される。具体的には、エンジン本体２に取り付けられたクランク角センサ５０からクランクの位相情報が入力される。各気筒４に取り付けられた筒内圧センサ５２からは各気筒４の筒内圧に応じた信号が入力される。触媒２２の上流に取り付けられたＡ／Ｆセンサ５４からは触媒２２に流れこむ排気ガスの空燃比に応じた信号が入力され、触媒２２の下流に取り付けられたＡ／Ｆセンサ５６からは触媒２２を通過した排気ガスの空燃比に応じた信号が入力される。これらの他にも、内燃機関には、吸気通路１０の入口付近に取り付けられたエアフローメータ５８をはじめとして様々なセンサが取り付けられている。ＥＣＵ１００は、これらのセンサから入力される情報や信号に基づいて、所定の制御プログラムに従ってインジェクタ４０やスロットル１４等の各種のアクチュエータを制御する。ＥＣＵ１００によって制御されるアクチュエータには、ＥＧＲクーラ３４に流れる冷却水の温度或いは流量を変化させることによってＥＧＲクーラ３４の冷却効率を調整できるアクチュエータが含まれている。

図２は、ＥＧＲガス温度推定装置としてのＥＣＵ１００によって実行されるルーチンを示すフローチャートである。このルーチンはＥＣＵ１００の制御プログラムの一つである。メモリに記憶された制御プログラムがプロセッサによって読み出されて実行されることにより、本発明のＥＧＲガス温度推定装置としての機能がＥＣＵ１００に与えられる。以下、このルーチンについて順に説明する。

ステップＳ１では、ＥＣＵ１００は、クランク角センサ５０の信号から出力値を取得し、出力値から得られるクランクの位相情報と取得時間とに基づいてクランク回転速度と回転角速度をそれぞれ算出する。

ステップＳ２では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１で算出したクランク回転速度と回転角速度とに基づいて、燃料の燃焼によって内燃機関で発生している実トルクの推定値を算出する。

ステップＳ３では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２で算出した実トルクから筒内で１サイクルに燃焼した燃料の量である燃焼燃料量を算出する。

ステップＳ４では、ＥＣＵ１００は、インジェクタ４０に対する通電時間から筒内に１サイクルに供給した燃料の量である供給燃料量（燃料噴射量）を算出する。

ステップＳ５では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ３で算出した燃焼燃料量に基づいて気筒４から排出される排気ガス（エンジン出ガス）の温度を算出する。また、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４で算出した供給燃焼燃料量とステップＳ３で算出した燃焼燃料量との差から、エンジン出ガス中の未燃燃料量を算出する。

なお、ＥＣＵ１００がステップＳ５で算出する排気ガス温度は、本発明のＥＧＲガス温度推定装置により算出される触媒上流排気ガス温度に相当する。また、ＥＣＵ１００がステップＳ５で算出する未燃燃料量は、本発明のＥＧＲガス温度推定装置により算出される未燃燃料量に相当する。

ステップＳ６では、ＥＣＵ１００は、触媒２２の上流に取り付けられたＡ／Ｆセンサ５４の信号から出力値を取得する。この出力値は触媒２２を通過する前の排気ガスの空燃比に対応している。

ステップＳ７では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ６で取得したＡ／Ｆセンサ５４の出力値より、触媒２２を通過する前の排気ガスに含まれる未燃燃料量を算出する。次に、ステップＳ５で算出した未燃燃料量と本ステップで算出した未燃燃料量との差から、排気通路２０内で燃焼した燃料の量を算出する。そして、排気通路２０内で燃焼した燃料の量とステップＳ５で算出した排気ガス温度とに基づいて、触媒２２を通過する前の排気ガス温度（触媒前排気ガス温度）を算出する。

ステップＳ８では、ＥＣＵ１００は、触媒２２の下流に取り付けられたＡ／Ｆセンサ５６の信号から出力値を取得する。この出力値は触媒２２を通過後の排気ガスの空燃比に対応している。

ステップＳ９では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ６で取得したＡ／Ｆセンサ５４の出力値とステップＳ８で取得したＡ／Ｆセンサ５６の出力値との差分より、触媒２２で反応した燃料の量を算出する。そして、触媒２２で反応した燃料の量とステップＳ７で算出した触媒前排気ガス温度とに基づいて、触媒２２を通過後の排気ガス温度（触媒後排気ガス温度）を算出する。触媒２２での燃料の反応によって生じた熱により、触媒後排気ガス温度は触媒前排気ガス温度よりも高くなっている。また、ＥＣＵ１００は、ステップＳ８で取得したＡ／Ｆセンサ５６の出力値より、触媒２２を通過後の排気ガスに含まれる未燃燃料量を算出する。

なお、ＥＣＵ１００がステップＳ９で算出する排気ガス温度は、本発明のＥＧＲガス温度推定装置により算出される触媒下流排気ガス温度に相当している。ステップＳ６からステップＳ９までの処理は、一つの処理、すなわち、ステップＳ５で算出した触媒上流排気ガス温度と未燃燃料量とに基づいて触媒下流排気ガス温度を算出する処理としてまとめてもよい。

ステップＳ１０では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ９で算出した触媒後排気ガス温度と未燃燃料量とに基づいて、ＥＧＲクーラ３４に流れ込むＥＧＲガスの温度を算出する。

ステップＳ１１では、ＥＣＵ１００は、ＥＧＲクーラ３４の温度、すなわち、ＥＧＲクーラ３４を通過後のＥＧＲガスの温度の目標値を取得する。

ステップＳ１２では、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０で算出したＥＧＲガス温度とステップＳ１１で取得したＥＧＲガス温度目標値との差分より、ＥＧＲクーラ３４の冷却効率を調整するアクチュエータの制御量の指示値を決定する。

以上のルーチンでは、スカベンジにより未燃燃料が発生する状況において、筒内で燃焼する燃料の減少を考慮して触媒２２の上流における排気ガス温度が計算され、さらに、未燃燃料の触媒２２での反応を考慮して触媒下流における排気ガス温度が計算される。これによれば、ＥＧＲガス温度の推定値に含まれる誤差を抑えることができるので、ＥＧＲクーラ３４の冷却効率の調整をより適切に行うことが可能となる。

なお、本発明は上述の実施の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種々変形して実施することができる。例えば、図３は、上述の実施の形態の変形例におけるルーチンを示している。このルーチンでは、図２に示すルーチンのステップＳ１及びステップＳ２の処理に代えてステップＳ１′及びステップＳ２′の処理が実行される。ステップＳ１′では、ＥＣＵ１００は、筒内圧センサ５２の出力値とクランク角センサ５０の出力値とを取得する。ステップＳ２′では、ＥＣＵ１００は、筒内圧センサ５２の出力値から得られる筒内圧力とクランク角センサ５０の出力値から得られるクランク位相とに基づいて、燃料の燃焼によって内燃機関で発生している実トルクの推定値を算出する。

また、上述の実施の形態では過給器付き内燃機関に本発明のＥＧＲガス温度推定装置を適用するが、本発明のＥＧＲガス温度推定装置は自然吸気の内燃機関に適用可能である。また、本発明のＥＧＲガス温度推定装置は、ガソリンエンジンだけでなくディーゼルエンジンにも適用することができるし、直噴エンジンだけでなくポート噴射エンジンにも適用することができる。

２エンジン本体
４気筒
６吸気マニホールド
８排気マニホールド
１０吸気通路
２０排気通路
２２触媒
３０ＥＧＲ通路
３４ＥＧＲクーラ
４０インジェクタ
５０クランク角センサ
５２筒内圧センサ
５４，５６Ａ/Ｆセンサ
１００ＥＣＵ

Claims

排気通路における触媒の下流から排気ガスを吸気通路に再循環させるＥＧＲ通路を備える内燃機関のＥＧＲガス温度推定装置であって、
前記内燃機関の１サイクルに供給した燃料の量である供給燃料量を算出する手段と、
燃料の燃焼によって前記内燃機関で発生したトルクを算出する手段と、
前記トルクに基づいて筒内で１サイクルに燃焼した燃料の量である燃焼燃料量を算出する手段と、
前記供給燃料量と前記燃焼燃料量との差から未燃燃料量を算出する手段と、
前記燃焼燃料量に基づいて前記触媒の上流における排気ガスの温度である触媒上流排気ガス温度を算出する手段と、
前記触媒上流排気ガス温度と前記未燃燃料量とに基づいて前記触媒の下流における排気ガスの温度である触媒下流排気ガス温度を算出する手段と、
前記触媒下流排気ガス温度に基づいて前記ＥＧＲ通路内の排気ガスの温度であるＥＧＲガス温度を算出する手段と、
を備えることを特徴とするＥＧＲガス温度推定装置。