JP2019190431A - 内燃機関の空燃比推定装置、及び、内燃機関の空燃比推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】煩雑な演算処理を行うことなく、吸気配管における燃料ガスの輸送遅れを考慮することにより、空燃比を精度よく推定する。【解決手段】空燃比推定装置は、予混合方式の内燃機関において空燃比を推定する。本装置は、吸気配管内に存在する混合気の燃料ガス濃度を含む空燃比推定モデルを用いて、状態パラメータに対応する空燃比を推定する。【選択図】図４

Description

本開示は、内燃機関の燃焼室における空燃比を推定するための内燃機関の空燃比推定装置、及び、内燃機関の空燃比推定方法に関する。

燃料ガスを吸気と混合することで生成した混合気を燃焼することにより動力を出力可能なガスエンジン等の内燃機関が知られている。この種の内燃機関の一方式として、燃焼室より上流側において燃料供給弁から供給される燃料ガスと、外部から取り込まれる吸気とを予混合することで混合気を生成し、所定の長さを有する吸気配管を介して混合気を燃焼室に吸気する、いわゆる予混合方式がある。

内燃機関は、例えば発電プラントにおける発電機の動力源として用いられ、主に燃焼制御及び空燃比制御が行われる。燃焼制御では、出力回転数及び負荷を一定に保持するために出力回転数又は負荷を制御量、燃料ガスの供給量を操作量とするフィードバック制御が行われる。空燃比制御では、燃焼室における空燃比を一定に保持するために、空燃比を制御量とするフィードバック制御を行うことで、インテークマニホールドの手前に配置されたスロットルバルブの開度が調整される。

ところで、この種の内燃機関では、負荷投入時や負荷遮断時のように負荷が変動した際に、出力回転数の変動を抑制することで、発電端の周波数への影響を低減することが求められる。このように負荷変動時の出力回転数の変動を抑制するためには、上述の空燃比制御で制御量とされる空燃比の推定精度が重要である。

予混合方式の内燃機関では、燃料供給弁から供給される燃料ガスが燃焼室に至るまでの配管容積が大きいため、燃料供給弁から供給された燃料ガスは、燃焼室に到達するまでに時間を要する。そのため空燃比の推定精度を良好に確保するためには、このような時間遅れを考慮する必要がある。例えば特許文献１では、吸気配管における燃料ガスの輸送遅れモデルを導入することで、時間遅れを考慮した空燃比の推定を行うことが記載されている。

特開２０００−２８２９４８号公報

しかしながら上記特許文献１では、燃料ガスの輸送遅れモデルにおける時定数をパラメータとして設定する必要があるため、運転状態に応じて適切な時定数を求めることが難しく、また結果の妥当性を保証することが難しい。また特許文献１では、内燃機関のコントロールユニット（ＥＣＵ）においてシステム同定を行っているため、煩雑な演算処理が必要となってしまう。

本発明の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、煩雑な演算処理を行うことなく、吸気配管における燃料ガスの輸送遅れを考慮することにより、空燃比を精度よく推定可能な内燃機関の空燃比推定装置、及び、内燃機関の空燃比推定方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の空燃比推定装置は上記課題を解決するために、
吸気及び燃料ガスが予混合された混合気が所定の容積を有する吸気配管を介して導入される燃焼室を有する内燃機関において、前記燃焼室における空燃比を推定するための内燃機関の空燃比推定装置であって、
前記吸気配管内に存在する前記混合気の燃料ガス濃度を含み、前記吸気配管における前記燃料ガス又は前記混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを変数とする演算式を用いて、前記空燃比を算出可能な前記吸気配管の空燃比推定モデルを記憶する記憶部と、
前記状態パラメータを取得する状態パラメータ取得部と、
前記記憶部に記憶された前記空燃比推定モデルを用いて、前記状態パラメータ取得部で取得された前記状態パラメータに対応する前記空燃比を推定する空燃比推定部と、
を備える。

上記（１）の構成によれば、吸気配管における燃料ガス又は混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを空燃比推定モデルに入力することにより、当該状態パラメータに対応する空燃比が推定される。このような空燃比推定モデルは、吸気配管内に存在する混合気の燃料ガス濃度を含む演算式を用いることによって、煩雑な演算処理を行うことなく、所定の容量を有する吸気配管を通過する燃料ガスの輸送遅れを考慮した空燃比の推定が可能である。

（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、
前記空燃比推定モデルは、前記吸気配管に対する前記燃料ガスの供給流量、及び、前記吸気配管に対する前記燃料ガスの排出流量の間の差分を積分することにより、前記燃料ガス濃度を評価可能な前記吸気配管の物理モデルである。

上記（２）の構成によれば、吸気配管に対する燃料ガスの供給流量、及び、吸気配管に対する燃料ガスの排出流量の間の差分を積分することで、吸気配管を通過する燃料ガス濃度を、比較的シンプルな演算処理によって的確に求めることができる。

（３）幾つかの実施形態では上記（１）又は（２）の構成において、
前記空燃比推定モデルを伝達関数に変換することにより時定数を算出する時定数算出部を備える。

上記（３）の構成によれば、空燃比推定モデルを伝達関数に変換することによって、吸気配管における燃料ガスの輸送遅れに関する時定数を、適切な値として求めることができる。このように求められた時定数は、例えば特許文献１のようにパラメータとして時定数が求められる際に、信頼性のある値（すなわち妥当性が保証された値）として用いることもできる。

（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずれか一構成において、
前記吸気配管は前記混合気の流れに対して互いに直列に配置された第１吸気配管及び第２吸気配管を含み、
前記空燃比推定モデルは、
−前記第１吸気配管に対応する第１物理モデルと、前記第２吸気配管に対応する第２物理モデルと、を含み、
−前記第１物理モデルで算出される前記第１吸気配管の出力側における前記状態パラメータと、前記第２物理モデルの前記第２吸気配管の入口側における前記状態パラメータとが共通するように構成される。

上記（４）の構成によれば、吸気配管を構成する第１吸気配管及び第２吸気配管の各々に対応する第１物理モデル及び第２物理モデルを用いた空燃比の推定が行われる。このように吸気配管を第１吸気配管及び第２吸気配管に分割し、各々に対応する物理モデルを用いることで、燃料ガスが吸気配管を通過する際に時間遅れが生じる様子をより的確にシミュレートすることができる。

（５）幾つかの実施形態では上記（４）の構成において、
前記第１吸気配管は、前記吸気配管に対する前記燃料ガスの供給箇所と、前記吸気配管上に設置されたコンプレッサとの間に設けられ、
前記第２吸気配管は、前記コンプレッサと前記燃焼室との間に設けられる。

上記（５）の構成によれば、吸気配管はコンプレッサを境界として第１吸気配管及び第２吸気配管に分割される。コンプレッサで圧力・温度の状態が大きく変わり、またコンプレッサ下流側の圧力・温度が計測可能である。またコンプレッサ上流側の圧力・温度は外気の条件に近いため推定が容易である。そのため、追加センサの設置のコスト増やシステム複雑化を回避しつつ、既存センサの計測値を利用した推定が可能となる。

（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の空燃比推定方法は上記課題を解決するために、
吸気及び燃料ガスが予混合された混合気が所定の容積を有する吸気配管を介して導入される燃焼室を有する内燃機関において、前記燃焼室における空燃比を推定するための内燃機関の空燃比推定方法であって、
前記吸気配管内に存在する前記混合気の燃料ガス濃度を含み、前記吸気配管における前記燃料ガス又は前記混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを変数とする演算式を用いて、前記空燃比を算出可能な前記吸気配管の空燃比推定モデルを用意する工程と、
前記状態パラメータを取得する工程と、
前記空燃比推定モデルを用いて、前記状態パラメータに対応する前記空燃比を推定する工程と、
を備える。

上記（６）の方法によれば、吸気配管における燃料ガス又は混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを空燃比推定モデルに入力することにより、当該状態パラメータに対応する空燃比が推定される。このような空燃比推定モデルは、吸気配管内に存在する混合気の燃料ガス濃度を含む演算式を用いることによって、煩雑な演算処理を行うことなく、所定の容量を有する吸気配管を通過する燃料ガスの輸送遅れを考慮した空燃比の推定が可能である。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、煩雑な演算処理を行うことなく、吸気配管における燃料ガスの輸送遅れを考慮することにより、空燃比を精度よく推定可能な内燃機関の空燃比推定装置、及び、内燃機関の空燃比推定方法を提供できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関の全体構成図である。 第１実施形態に係る空燃比推定装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。 図２の空燃比推定装置で実施される空燃比推定方法を工程毎に示すフローチャートである。 第１実施形態における空燃比推定モデルを概念的に示す模式図である。 内燃機関１の負荷が段階的に変化した際における空燃比の推移を、燃料ガス供給量の推移とともに示すグラフである。 第２実施形態に係る空燃比推定装置の内部構成を機能的に示すブロック図である。 図６の空燃比推定装置で実施される空燃比推定方法を工程毎に示すフローチャートである。 第２実施形態における空燃比推定モデルを概念的に示す模式図である。 図７の空燃比推定方法で推定された空燃比の推定値の推移を、状態パラメータとともに示すシミュレーション結果である。 第３実施形態において吸気配管を複数の区域に分割した様子を示す模式図である。 第３実施形態における空燃比推定モデルを概念的に示す模式図である。 第３実施形態に係る空燃比推定モデルに基づくシミュレーション結果である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の少なくとも一実施形態に係る内燃機関１の全体構成図である。内燃機関１は、燃料として燃料ガスを使用するガスエンジンであり、例えば、発電プラント等において発電を行うための発電機（不図示）に対して動力を出力する発電用エンジンである。

内燃機関１は少なくとも一つの気筒２を有する。本実施形態では内燃機関１は複数の気筒２を有するが、図１では理解しやすいように一つの気筒２のみが代表的に示されている。

気筒２は、シリンダブロック４と一体的に形成されたシリンダ６と、シリンダ内を往復動可能に構成されたピストン８とを含む。シリンダ６及びピストン８は、主燃焼室１０を構成する。また各気筒２には、燃料ガスと吸気との混合気を取り込むための吸気ポート１２と、主燃焼室１０で生じた排ガスを排出するための排気ポート１４が設けられている。

吸気ポート１２は、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット：Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からの制御信号に応じて開閉可能な吸気バルブ１６を有する。また各気筒２の吸気ポート１２は、上流側に設けられた吸気配管１８と接続するための吸気マニホールド２０を介して互いに接続されている。

吸気配管１８は、外気供給ライン２２と主燃料ガス供給ライン２４との合流点に配置されたミキサ２６と、吸気ポート１２との間を接続するように設けられる。ミキサ２６では、外気供給ライン２２を介して外部から取り込まれる吸気（外気）と、主燃料ガス供給ライン２４から供給される燃料ガスとが混合されることにより、混合気が生成される。ミキサ２６で生成された混合気は、吸気配管１８を介して吸気ポート１２に供給される。
尚、吸気配管１８には、吸気ポート１２に供給される混合気の流量を制御するためのスロットルバルブ１７が設けられている。

外気供給ライン２２には、外部から取り込まれる吸気に含まれる異物を除去するためのエアフィルタ２８が配置されている。また主燃料ガス供給ライン２４には、ミキサ２６への燃料ガスの供給量を調整するための調整バルブ３０が設けられている。これにより、吸気ポート１２には、ミキサ２６において予め燃料ガスと吸気とが混合されることで生成された混合気が吸気配管１８を介して供給される。

吸気配管１８のうちスロットルバルブ１７の上流側には、ミキサ２６で生成された混合気を主燃焼室１０に対して過給するためのコンプレッサ３２が配置されている。コンプレッサ３２は排気通路３４に設けられた排気タービン３６と連結されており、排気通路３４を流れる排ガスによって駆動する排気タービン３６と連動して駆動される。
尚、コンプレッサ３２によって昇圧された混合気は、スロットルバルブ１７の下流側に配置されたインタークーラ１９によって冷却された後、吸気ポート１２に供給される。

排気ポート１４には、外部に対して主燃焼室１０で生成された排ガスを排出するための排気通路３４が接続される。排気通路３４には、排ガスによって駆動可能な排気タービン３６が配置される。排気タービン３６は、上述のコンプレッサ３２とともにターボチャージャ４０を構成する。排気タービン３６を通過した排ガスは、不図示の排ガス処理装置によって所定の排ガス処理が実施された後、外部に排出される。

尚、本実施形態の排気通路３４は、排気タービン３６を迂回するように構成されたバイパス通路４２を有する。バイパス通路４２には制御信号に応じて開閉可能なウエストゲートバルブ４４が設置されている。

またシリンダブロック４には、副燃焼室４６を有する副室口金４８が設けられている。副室口金４８の先端部周囲には主燃焼室１０内に火炎を噴射するための噴口（不図示）が複数形成されている。副燃焼室４６には、副燃料ガス供給ライン５２を介して燃料ガスが供給され、副燃焼室４６内に設けられた点火プラグ（不図示）によって火炎が形成される。副燃焼室４６で形成された火炎は噴口から主燃焼室１０にトーチ状に吹き出されることで、主燃焼室１０の広範囲において効率的な燃焼が行われるように構成されている。

尚、副燃料ガス供給ライン５２には、副燃焼室４６に対する燃料ガスの供給量を調整するための調整バルブ５４が設けられている。また副燃料ガス供給ライン５２は、前述の主燃料ガス供給ライン２４と上流側において合流しているが、互いに独立していてもよい。

主燃料ガス供給ライン２４には、ミキサ２６に対して供給される燃料ガスの流量を検出するための第１流量センサ５６が設けられている。また吸気配管１８の出口（すなわち、吸気ポート１２近傍）には吸気配管１８から吸気ポート１２に供給される混合気の流量を検出するための第２流量センサ５８が設けられている。また吸気配管１８には、吸気配管１８内を流れる混合気の圧力及び温度をそれぞれ検出するための圧力センサ６０及び温度センサ６２が設けられている。これら各種センサの検出値は、電気的信号として後述する空燃比推定装置１００に入力される。

＜第１実施形態＞
続いて上記構成を有する内燃機関１の空燃比推定装置１００について説明する。図２は第１実施形態に係る空燃比推定装置１００の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図３は図２の空燃比推定装置１００で実施される空燃比推定方法を工程毎に示すフローチャートである。

空燃比推定装置１００は、例えばコンピュータのような演算処理装置に対して、本発明の少なくとも一実施形態に係る空燃比推定方法を実施するためのプログラムがインストールされることにより構成される。この場合、プログラムは予めコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されていてもよく、当該記録媒体を演算処理装置によって読み込むことで、当該プログラムをインストールしてもよい。

また図２では、空燃比推定装置１００の構成要素を機能毎に分割した機能ブロックとして示しているが、これらの機能ブロックは互いに統合されてもよいし、更に細分化されていてもよい。また空燃比推定装置１００は、単一の演算処理装置によって構成されてもよいし、互いに通信可能な複数の演算処理装置（例えばクラウドサーバも含む）によって構成されてもよい。

空燃比推定装置１００は、空燃比推定モデル１１０を記憶する記憶部１０２と、状態パラメータ取得部１０４と、空燃比推定部１０６と、を備える。

記憶装置である記憶部１０２には、予め空燃比の推定に用いられる空燃比推定モデル１１０が予め記憶されることにより用意される（ステップＳ１０）。記憶部１０２に記憶される空燃比推定モデル１１０は、吸気配管１８における燃料ガス又は混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを変数とする演算式を用いて、空燃比を算出可能な演算モデルである。空燃比推定モデル１１０は、吸気配管１８内に存在する混合気の燃料ガス濃度を含むことにより、煩雑な演算処理を行うことなく、所定の容量を有する吸気配管を通過する燃料ガスの輸送遅れを考慮した空燃比の推定が可能である。

ここで空燃比推定モデル１１０の具体的内容について説明する。図４は第１実施形態いのける空燃比推定モデル１１０を概念的に示す模式図である。

この空燃比推定モデル１１０では、図４に示されるように、所定容積を有する吸気配管１８をモデリングしたボリューム１１２が設定される。ボリューム１１２には、吸気配管１８における燃料ガス又は混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータが変数として設定される。本実施形態では、このような状態パラメータとして、吸気配管１８の入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎ、出口混合気流量Ｗｍｉｘ_ｏｕｔ、出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔ、ボリューム１１２における燃料ガス濃度Ｃ、圧力Ｐ、温度Ｔ、体積Ｖ、質量ｍが設定される。

尚、空燃比推定モデル１１０では、吸気配管１８の入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎとして第１流量センサ５６の検出値が入力され、出口混合気流量Ｗｍｉｘ_ｏｕｔとして第２流量センサ５８の検出値が入力され、圧力Ｐとして圧力センサ６０の検出値が入力され、温度Ｔとして温度センサ６２の検出値が入力されるように構成されている。また体積Ｖには、吸気配管１８の仕様として設定される既知値が入力される。

吸気配管１８の出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔは、吸気配管１８内における燃料ガス濃度Ｃが一定であると仮定すると、吸気配管１８の出口混合気流量Ｗｍｉｘ_ｏｕｔを用いて次式により求められる。

ここで（１）式に用いられる燃料ガス濃度Ｃは次式により求められる。

（２）式の分子成分は、吸気配管１８に対する燃料ガスの供給流量である入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎ、及び、吸気配管１８からの燃料ガスの排出流量である出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔの差分を積分したものである。吸気配管１８は所定容積を有するため、燃料ガスが吸気配管１８を通過する際に要する時間（時間遅れ）に対応して、ある瞬間における燃料ガスの供給流量と排出流量との間には少なからず差分が生じる。（２）式では、当該積分値を吸気配管１８内に存在する混合気の質量ｍで割算することにより、所定容量を有する吸気配管１８における燃料ガス濃度Ｃをシンプルな演算式で精度よく算出することができる。

尚、（２）式に含まれる混合気の質量ｍは、吸気配管１８に設けられた圧力センサ６０及び温度センサ６２の検出値である圧力Ｐ及び温度Ｔ、吸気配管１８の仕様値である体積Ｖ、並びに、気体定数Ｒを用いて、次式に示される気体の状態方程式から算出することができる。

そして（１）式〜（３）式を連立して解くことにより、出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔが求められる。空燃比推定モデル１１０では、このように求められた出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔを次式に入力することにより、空燃比λが推定される。

尚、定数Ｌｔｈは理論空燃比である。

続いて状態パラメータ取得部１０４は、空燃比推定モデル１１０による空燃比の推定演算に必要な状態パラメータを取得する（ステップＳ１１）。すなわち（１）式〜（４）式において外部から入力されるべき各状態パラメータが取得される。具体的には、状態パラメータ取得部１０４は、第１流量センサ５６の検出値を入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎとして取得し、第２流量センサ５８の検出値を出口混合気流量Ｗｍｉｘ_ｏｕｔとして取得し、圧力センサ６０の検出値を圧力Ｐとして取得し、温度センサ６２の検出値を温度Ｔとして取得する。

続いて空燃比推定部１０６は、記憶部１０２に記憶された空燃比推定モデル１１０を用いて、状態パラメータ取得部１０４で取得された状態パラメータに対応する空燃比を推定する（ステップＳ１２）。すなわち、空燃比推定部１０６は、ステップＳ１１で取得した各状態パラメータを（１）式〜（４）式に代入することにより、空燃比λの推定値を算出する。

ここで図５は内燃機関１の負荷が段階的に変化した際における空燃比λの推移を、燃料ガス供給量の推移とともに示すグラフである。図５では、空燃比λの推定値に関する比較対象として、吸気配管１８を０次元のボリューム要素で表したＭＶＭ（Ｍｅａｎ Ｖａｌｕｅ Ｍｏｄｅｌ）を用いたシミュレーション結果と、従来モデルに基づいた推定値とが示されている。
尚、図５では従来モデルの一例として、時定数Ｔ（パラメータ）［Ｓｓｅｃ］を用いた１／（Ｔ・ｓ＋１）の一次遅れの式である次式
Ｗｇｏｕｔ＝１／（Ｔ・ｓ＋１）・Ｗｇｉｎ
からＷｇｏｕｔを求めている。

図５（ａ）では、内燃機関の負荷が０％、２５％、５０％、７５％、１００％と段階的に増加する際に、内燃機関１の出力回転数を一定に保持するために、燃料ガスの供給量が段階的に増加するように制御される様子が示されている。このとき空燃比λの推定値は、図５（ｂ）に示されるように、従来モデルの推定値に比べてＭＶＭを用いたシミュレーション結果に近いものが得られている。図５（ｃ）〜（ｆ）は図５（ｂ）の時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４近傍における空燃比λの推移を拡大して示しており、負荷変動が生じる各時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４において空燃比λが急激に変動した際におけるＭＶＭのシミュレーション結果に対する乖離量が少なくなっていることが表されている。これは、従来モデルに比べて精度のよい空燃比の推定ができていることを示している。

＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態に係る空燃比推定装置１００´の内部構成を機能的に示すブロック図であり、図７は図６の空燃比推定装置１００´で実施される空燃比推定方法を工程毎に示すフローチャートである。
尚、以下の説明では上述の実施形態に対応する構成には共通の符号を付すこととし、重複する説明は適宜省略する。

図６に示されるように、空燃比推定装置１００´は、上述の空燃比推定装置１００に比べて、吸気配管１８の物理モデルに基づいて時定数Ｌを算出する時定数算出部１１３と、時定数に基づいて空燃比推定モデルを作成する空燃比推定モデル作成部１１４と、を更に備える。

まず時定数算出部１１３は、吸気配管１８の物理モデルである（１）式〜（３）式を伝達関数Ｆに変換することにより時定数τを算出する（ステップＳ２０）。具体的には、（２）式をラプラス変換することにより次式

が得られる。このように得られた（５）式を（１）式に代入することにより、次式

が得られる。そして（６）式に（３）式を代入すると次式

が得られる。（７）式によれば、出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔは、入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎの一次遅れで表されており、時定数τが求められる。尚、むだ時間Ｌは次式

により得られる。ここでρは混合気の密度である。

続いて空燃比推定モデル作成部１１４は、時定数算出部１１３で算出された時定数τを用いて空燃比推定モデル１２０を作成する（ステップＳ２１）。ここで図８は第２実施形態における空燃比推定モデル１２０を概念的に示す模式図である。

空燃比推定モデル１２０は、入力パラメータとして入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎ及び出口吸気流量Ｗａを有する。入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎは、上記（７）の伝達関数に入力され、対応する出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔが算出される。伝達関数から出力された出口燃料ガス流量Ｗｇ_ｏｕｔ出口吸気流量Ｗａとともに次式

に入力されることで、空燃比の推定値λが算出される。尚、Ｌｔｈは理論空燃比である。

このように空燃比推定モデル作成部１１４で作成された空燃比推定モデル１２０は、記憶部に読み出し可能に記憶される。

続いて状態パラメータ取得部１０４は、空燃比推定モデル１２０による空燃比の推定演算に必要な状態パラメータを取得する（ステップＳ２２）。空燃比推定モデル１２０の入力パラメータとして、第１流量センサ５６の検出値を入口燃料ガス流量Ｗｇ_ｉｎとして取得するとともに、圧力センサ６０の検出値を用いた演算により得られた出口吸気流量Ｗａが取得される（実際には圧力センサ６０の検出値を用いて混合気流量Ｗｍｉｘ_ｏｕｔが演算され、出口吸気流量Ｗａが式（Ｗａ＝Ｗｍｉｘ_ｏｕｔ−Ｗｇ_ｉｎ）で計算される）。

続いて空燃比推定部１０６は、記憶部１０２に記憶された空燃比推定モデル１２０を用いて、状態パラメータ取得部１０４で取得された状態パラメータに対応する空燃比を推定する（ステップＳ２３）。すなわち、空燃比推定部１０６は、ステップＳ２２で取得した各状態パラメータを空燃比推定モデル１２０に入力することにより、空燃比λの推定値を算出する。

ここで図９は図７の空燃比推定方法で推定された空燃比の推定値の推移を、状態パラメータとともに示すシミュレーション結果である。図９（ａ）は吸気配管１８の入口及び出口における燃料ガスの流量の推移を示しており、図９（ｂ）は空燃比の推定値λの推移を示しており、図９（ｃ）は吸気配管１８の入口及び出口における混合気の流量の推移を示しており、図９（ｄ）は状態パラメータである圧力（圧力センサ６０の検出値）の推移を示しており、図９（ｅ）は状態パラメータである温度（温度センサ６２の検出値）の推移を示しており、図９（ｆ）は式（２）によって算出された燃料ガス濃度Ｃの推移を示している。

図９（ａ）及び図９（ｂ）に示されるように、このシミュレーションでは吸気配管１８の入口における燃料ガスの流量をステップ変化させた場合に、本実施形態における空燃比の推定値λはＭＶＭのものと一致する結果が得られた。これは、第２実施形態における空燃比の推定値λが信頼性に足りるものであることを示している。

＜第３実施形態＞
続いて第３実施形態について説明する。上述の第１及び第２実施形態では吸気配管１８の全体を一つの空燃比推定モデルでモデリングすることにより空燃比を推定したが、第３実施形態では、吸気配管１８を複数の区域に分割し、分割された区域の各々をモデリングすることにより、空燃比の推定を行う。

図１０は第３実施形態において吸気配管１８を複数の区域に分割した様子を示す模式図である。図１０では、図１のうち吸気配管１８が周辺構成とともに簡略して示されている。この例では、吸気配管１８に配置されているコンプレッサ３２を境界として上流側の第１吸気配管１８ａと下流側の第２吸気配管１８ｂとに分割されている。

尚、以下の説明では、互いに分割された複数の区域を第１吸気配管１８ａ及び第２吸気配管１８ｂと称するが、これは吸気配管１８が複数の区域に分割できることを概念的に示すものであり、第１吸気配管１８ａ及び第２吸気配管１８ｂは構造的に一体的に構成されていてもよい。

この場合、空燃比の推定に用いられる上述の空燃比推定モデル１１０，１２０は、領域（第１吸気配管１８ａ及び第２吸気配管１８ｂ）の各々について上記各式を適用することにより構築されてもよい。図１１は第３実施形態における空燃比推定モデル１３０を概念的に示す模式図である。

空燃比推定モデル１３０は、第１吸気配管に対応する第１ボリューム１１２ａと、第２吸気配管に対応する第２ボリューム１１２ｂとを有する。上述の空燃比推定モデル１１０では吸気配管１８の全体を一つのボリューム１１２でモデリングしているが、本実施形態に係る空燃比推定モデル１３０では、吸気配管１８を混合気の流れに対して互いに直列に配置された第１吸気配管に対応する第１ボリューム１１２ａと、第２吸気配管に対応する第２ボリューム１１２ｂとに分割し、第１ボリューム１１２ａ及び第２ボリューム１１２ｂの各々に対して同様のモデリングが行われる。

具体的に説明すると、図１１に示されるように、空燃比推定モデル１３０では、第１吸気配管１８ａの体積Ｖ１に対応する第１ボリューム１１２ａと、及び、第２吸気配管１８ｂの体積Ｖ２に対応する第２ボリューム１１２ｂと、が設定される。第１ボリューム１１２ａ及び第２ボリューム１１２ｂには、第１吸気配管１８ａ及び第２吸気配管１８ｂの各々における燃料ガス又は混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータが変数としてそれぞれ設定される。

ここで、第１ボリューム１１２ａ及び第２ボリューム１１２ｂに設定される状態パラメータは次の通りである。
まず第１ボリューム１１２ａに対して設定される状態パラメータとして、第１吸気配管１８ａに対する混合気流量Ｑｍｉｘ_ａｃｔ、燃料ガス流量Ｑｇａｓ_ｉｎ、燃料ガス濃度Ｃ１、圧力Ｐ１、温度Ｔ１、体積Ｖ１、質量ｍ１及び出口燃料ガス流量Ｑｇａｓ_ｏｕｔ１がある。混合気流量Ｑｍｉｘ_ａｃｔは、圧力センサ６０の検出値に基づいて算出可能である。燃料ガス流量Ｑｇａｓ_ｉｎは、第１流量センサ５６の検出値として取得可能である。燃料ガス濃度Ｃ１は次式

により算出される。また第１吸気配管１８ａはコンプレッサ３２の上流側に位置するため、圧力Ｐ１、温度Ｔ１はそれぞれ大気圧及び大気温度に対応する一定値として設定される。尚、圧力Ｐ１、温度Ｔ１は大気圧及び大気温度を検出するためのセンサを設置して、それらの検出値を用いるようにしてもよい。質量ｍ１は次式

により算出される。また出口燃料ガス流量Ｑｇａｓ_ｏｕｔ１は、上述の（１）式の類似式である次式

により算出される。

尚、空燃比推定モデル１３０では、吸気配管１８に供給される混合気流量Ｑｍｉｘ_ａｃｔは第１ボリューム１１２ａ及び第２ボリューム１１２ｂの前後において一定であると仮定されている。

続いて第２ボリューム１１２ｂに対して設定される状態パラメータとして、第２吸気配管１８ｂにおける燃料ガス濃度Ｃ２、圧力Ｐ２、温度Ｔ２、体積Ｖ２、質量ｍ２及び出口燃料ガス流量Ｑｇａｓ_ｏｕｔ２がある。燃料ガス濃度Ｃ２は次式

により算出される。また圧力Ｐ２、温度Ｔ２はそれぞれ圧力センサ６０及び温度センサ６２の検出値として取得される。また質量ｍ２は次式

により算出される。また出口燃料ガス流量Ｑｇａｓ_ｏｕｔ２は、上述の（１）式の類似式である次式

により算出される。

尚、図１１に示されるように、第１ボリューム１１２ａ及び第２ボリューム１１２ｂは互いに直列に接続されているため、第１ボリューム１１２ａの出口側の状態パラメータである混合気流量Ｑｍｉｘ_ａｃｔ及び出口燃料ガス流量Ｑｇａｓ_ｏｕｔ１は、第２ボリューム１１２ｂの入口側の状態パラメータと共通している。

空燃比推定部１０６では、このような構成を有する空燃比推定モデル１３０に基づいて空燃比の推定が行われる。図１１を参照して上述したように、空燃比推定部１０６は、記憶部に用意された空燃比推定モデル１３０に対して、状態パラメータ取得部１０４で取得された各状態パラメータを入力することにより、空燃比の推定を行う。

空燃比推定モデル１３０による空燃比の推定演算は、第１ボリューム１１２ａの出口側の状態パラメータと第２ボリューム１１２ｂの入口側の状態パラメータとが共通するという前提条件を設定することで、上記各実施形態と同様の思想に基づいて、空燃比の推定値が算出される。特に本実施形態では、所定容量を有する吸気配管１８を第１ボリューム１１２ａ及び第２ボリューム１１２ｂに分割してモデリングすることにより、上流側から下流側に向けて時間遅れを伴いながら流れる燃料ガスの振る舞いを考慮した、空燃比の推定が可能となる。すなわち、二次遅れを考慮した空燃比の推定が推定となる。そのため、上述した空燃比推定モデル１１０のように吸気配管１８の全体に対して一つのモデリングを適用した場合に比べて、精度のよい空燃比推定が可能となる。

図１２は第３実施形態に係る空燃比推定モデル１３０に基づくシミュレーション結果である。この結果においても、空燃比推定モデル１３０によって得られる空燃比の推定値は、ＭＶＭで得られるシミュレーション結果に近いものが得られており、推定精度の高さが検証できた。

尚、空燃比推定モデル１３０では吸気配管１８を２分割したモデリングを行うことで二次遅れを考慮した空燃比推定を行っているが、吸気配管１８をより細かく分割したモデリングを行うことで、より高次遅れを考慮した空燃比推定を行うことも可能である。また吸気配管１８の分割を細かくするほど空燃比の推定精度も向上することができるが、比較的少ない分割数においても十分な推定精度が得られる。またモデリングを細分化した際の演算負荷も増加することから、必要な推定精度に応じて、分割数を決定することが好ましい。

以上説明したように上述の実施形態によれば、吸気配管１８における燃料ガス又は混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを空燃比推定モデル１１０，１２０，１３０に入力することにより、当該状態パラメータに対応する空燃比が推定される。このような空燃比推定モデル１１０，１２０，１３０は、吸気配管１８内に存在する混合気の燃料ガス濃度Ｃ、Ｃ１、Ｃ２を含む演算式を用いることによって、煩雑な演算処理を行うことなく、所定の容量を有する吸気配管１８を通過する燃料ガスの輸送遅れを考慮した空燃比の推定が可能である。

本発明の少なくとも一実施形態は、内燃機関の燃焼室における空燃比を推定するための内燃機関の空燃比推定装置、及び、内燃機関の空燃比推定方法に利用可能である。

１ 内燃機関
２ 気筒
４ シリンダブロック
６ シリンダ
８ ピストン
１０ 主燃焼室
１２ 吸気ポート
１４ 排気ポート
１６ 吸気バルブ
１７ スロットルバルブ
１８ 吸気配管
１９ インタークーラ
２０ 吸気マニホールド
２２ 外気供給ライン
２４ 主燃料ガス供給ライン
２６ ミキサ
２８ エアフィルタ
３０ 調整バルブ
３２ コンプレッサ
３４ 排気通路
３６ 排気タービン
４０ ターボチャージャ
４２ バイパス通路
４４ ウエストゲートバルブ
４６ 副燃焼室
４８ 副室口金
５２ 副燃料ガス供給ライン
５４ 調整バルブ
５６ 第１流量センサ
５８ 第２流量センサ
６０ 圧力センサ
６２ 温度センサ
１００ 空燃比推定装置
１０２ 記憶部
１０４ 状態パラメータ取得部
１０６ 空燃比推定部
１１０，１２０，１３０ 空燃比推定モデル
１１２ ボリューム
１１２ａ 第１ボリューム
１１２ｂ 第２ボリューム
１１３ 時定数算出部
１１４ 空燃比推定モデル作成部

Claims (6)

1. 吸気及び燃料ガスが予混合された混合気が所定の容積を有する吸気配管を介して導入される燃焼室を有する内燃機関において、前記燃焼室における空燃比を推定するための内燃機関の空燃比推定装置であって、
   前記吸気配管内に存在する前記混合気の燃料ガス濃度を含み、前記吸気配管における前記燃料ガス又は前記混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを変数とする演算式を用いて、前記空燃比を算出可能な前記吸気配管の空燃比推定モデルを記憶する記憶部と、
   前記状態パラメータを取得する状態パラメータ取得部と、
   前記記憶部に記憶された前記空燃比推定モデルを用いて、前記状態パラメータ取得部で取得された前記状態パラメータに対応する前記空燃比を推定する空燃比推定部と、
   を備える、内燃機関の空燃比推定装置。
2. 前記空燃比推定モデルは、前記吸気配管に対する前記燃料ガスの供給流量、及び、前記吸気配管に対する前記燃料ガスの排出流量の間の差分を積分することにより、前記燃料ガス濃度を評価可能な前記吸気配管の物理モデルである、請求項１に記載の内燃機関の空燃比推定装置。
3. 前記空燃比推定モデルを伝達関数に変換することにより時定数を算出する時定数算出部を備える、請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比推定装置。
4. 前記吸気配管は前記混合気の流れに対して互いに直列に配置された第１吸気配管及び第２吸気配管を含み、
   前記空燃比推定モデルは、
   −前記第１吸気配管に対応する第１物理モデルと、前記第２吸気配管に対応する第２物理モデルと、を含み、
   −前記第１物理モデルで算出される前記第１吸気配管の出力側における前記状態パラメータと、前記第２物理モデルの前記第２吸気配管の入口側における前記状態パラメータとが共通するように構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比推定装置。
5. 前記第１吸気配管は、前記吸気配管に対する前記燃料ガスの供給箇所と、前記吸気配管上に設置されたコンプレッサとの間に設けられ、
   前記第２吸気配管は、前記コンプレッサと前記燃焼室との間に設けられる、請求項４に記載の内燃機関の空燃比推定装置。
6. 吸気及び燃料ガスが予混合された混合気が所定の容積を有する吸気配管を介して導入される燃焼室を有する内燃機関において、前記燃焼室における空燃比を推定するための内燃機関の空燃比推定方法であって、
   前記吸気配管内に存在する前記混合気の燃料ガス濃度を含み、前記吸気配管における前記燃料ガス又は前記混合気の少なくとも一方に関する状態パラメータを変数とする演算式を用いて、前記空燃比を算出可能な前記吸気配管の空燃比推定モデルを用意する工程と、
   前記状態パラメータを取得する工程と、
   前記空燃比推定モデルを用いて、前記状態パラメータに対応する前記空燃比を推定する工程と、
   を備える、内燃機関の空燃比推定方法。

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