JP5204206B2

JP5204206B2 - ガス情報推定装置

Info

Publication number: JP5204206B2
Application number: JP2010280682A
Authority: JP
Inventors: 誠治前田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2030-12-16
Also published as: DE102011121060A1; US9267912B2; DE102011121060B4; US20120160008A1; JP2012127858A

Description

本発明は、内燃機関を流通する流通ガス（吸気管を流れる吸気ガスや排気管を流れる排出ガス）に関するガス情報を推定するガス情報推定装置に関する。

従来、内燃機関の排出系に設けた空燃比センサの検出素子温度を推定し、検出素子が活性温度に達しない時は空燃比制御に修正を加えることにより、空燃比の変動を小さくしたエンジンの空燃比制御装置が開発されている（特許文献１）。又、内燃機関の排出系に設けたガスセンサ素子の温度を所定のモデルで推定し、ガスセンサ素子のインピーダンスから算出した素子温度と比較してセンサの劣化度を判定する技術が開発されている（特許文献２）。
上記したガスセンサ素子温度の推定は例えば、以下のようにして行われる。まず、ガスセンサ素子の受熱量及び放熱量を予め排出ガスの温度等との関係式として用意しておき、さらにこの受熱量及び放熱量とガスセンサ素子温度との関係をもモデル化しておく。そして、内燃機関の排出系に取り付けた計測センサ（温度センサや流速センサ）の測定値をもとにガスセンサ素子の受熱量及び放熱量を算出し、上記モデル（素子温推定モデル）によってガスセンサ素子温度を推定する。

特開平７−２６９４０１号公報特開２００７−１７１５４号公報

上記計測センサ（温度センサや流速センサ）は、内燃機関に取り付けた排出ガス浄化用の触媒の活性状態を監視したり、排出タービンを保護するためにも必要であるが、これら計測センサは比較的高価であるために内燃機関の制御システム全体のコストアップを招くという問題がある。又、計測センサの数が増えると、それに伴って故障や劣化が生じるセンサも増え、制御システムの安定性も低下する虞がある。
そこで、本発明は、内燃機関を流通する流通ガスの特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサ素子を用いて、該流通ガスの濃度以外（例えば温度）のガス情報を推定でき、推定対象となるガス情報を計測するための計測センサを不要としたガス情報推定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガス情報推定装置は、内燃機関を流通する流通ガスの特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサ素子に接続され、前記濃度以外の前記流通ガスに関するガス情報を推定するガス情報推定装置であって、少なくとも推定対象となるガス情報に関するパラメータ値に基づいて前記ガスセンサ素子の推定温度を模擬可能なモデルを用いると共に、前記パラメータ値として基準値を入力して前記ガスセンサ素子の暫定温度を算出するガスセンサ素子暫定温度算出手段と、前記ガスセンサ素子の実際の温度を測定するガスセンサ素子実温度測定手段と、前記ガスセンサ素子暫定温度算出手段が算出した前記暫定温度が、前記ガスセンサ素子実温度測定手段が測定した前記実際の温度に所定範囲内で近付くよう、前記基準値に代わって前記モデルに入力され得る前記パラメータ値の真値を算出するガス情報算出手段と、前記ガス情報算出手段が算出した真値から前記ガス情報の推定値を取得するガス情報取得手段と、を備えている。
このようなガス情報推定装置によれば、ガスセンサ素子暫定温度算出手段が算出した暫定温度がガスセンサ素子温度の実際の温度（実測温度）の所定範囲内になるよう、ガス情報算出手段にて算出される、基準値に代わってモデルに入力され得るガス情報に関するパラメータ値の真値は、ガス情報の真値を近似していると考えられる。つまり、ガス情報に関するパラメータ値に基づいてガスセンサ素子の推定温度を模擬可能なモデルと、ガスセンサ素子の実測温度を測定することとを併用することにより、モデルの逆算が可能となり当該モデルに入力されるガス情報のパラメータ値を算出することができ、ガス情報の推定が可能となる。そして、このようにしてガス情報の推定が精度良く実現できることにより、このガス情報を実際に計測するための計測センサが不要となり、内燃機関の制御システム全体のコストを低下することができ、又、計測センサの数が減るのでシステムの安定性も向上する。なお、ガス情報の推定の精度を向上させる観点から、本発明の「所定範囲」についてはできるだけ小さな温度範囲に設定することが望ましく、例えば±１０℃の範囲（好ましくは±５℃の範囲）に設定すれば良い。

前記ガス情報は、前記内燃機関の排出ガスの温度、流速、圧力の少なくともいずれかであると、これらパラメータを計測する計測センサが比較的高価であるため、内燃機関の制御システム全体のコストをより一層低下させることができる。

また、本発明のガス情報推定装置においては、前記ガス情報実温度測定手段は、前記ガスセンサ素子のインピーダンスを検出して当該インピーダンスから前記実際の温度を測定するようにしてもよい。
ガスセンサ素子のインピーダンスは温度に応じて変化するため、当該インピーダンスを検出することによりガスセンサ素子の実際の温度を精度良く測定することができ、ひいてはガス情報を精度良く推定することができる。

この発明によれば、内燃機関を流通する流通ガスの特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサ素子を用いて、該流通ガスの濃度以外のガス情報を精度良く推定でき、ガス情報を計測するための計測センサを不要とすることができる。

本発明の実施形態に係るガス情報推定装置のブロック図である。ガス情報推定装置が行う処理を示すフロー図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガス情報推定装置１００のブロック図である。
内燃機関であるエンジン１１の排出管１２には、排出ガス（特許請求の範囲の「流通ガス」に相当）中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を低減させる三元触媒等の触媒１３が設けられ、この触媒１３の上流側に、排出ガスの酸素濃度を検出するガスセンサ１４が設けられている。ガスセンサ１４のガスセンサ素子（図示せず）は、例えば酸素イオン透過性のジルコニア固体電解質体の表面に一対の電極を形成したセルを少なくとも１つ備え、セルからの出力に基づいて酸素濃度を算出可能になっている。又、ガスセンサ素子を早期に活性化するため、ガスセンサ素子にはヒータが配置されている。
又、排出管１２には、排出ガスの流速を計測するための流速センサ１６が取り付けられている。流速センサ１６の出力（排出ガスの流速の値）は、後述するモデルを使用したセンサ素子温度の暫定温度の算出に用いられると共にエンジン１１を制御するために用いられる。

ガス情報推定装置１００は、エンジン運転中にガスセンサ１４の出力を読み込んで排出ガスの空燃比が目標空燃比になるように燃料噴射量をフィードバック制御すると共に、流速センサ１６の出力、及び、後述する推定される排出ガス温度に基づいてエンジンを制御する。
又、ガス情報推定装置１００は、予め設定されると共に、ガスセンサ素子の推定温度を模擬可能な所定のモデル（計算式又はマップ）を用い、流速センサ１６の出力、及び、推定対象となる排出ガス温度（特許請求の範囲の「ガス情報」に相当）に関するパラメータ値としての基準値に基づき、ガスセンサ素子の暫定温度を算出するガスセンサ素子暫定温度算出手段５１と、ガスセンサ素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段５３と、インピーダンス検出手段５３にて検出したインピーダンスからガスセンサ素子の実際の温度を算出するガスセンサ素子実温度算出手段５３と、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１が算出した暫定温度が、ガスセンサ素子実温度測定手段５３にて測定した実際の温度（実測温度）に所定範囲内（本実施の形態では±５℃の範囲内）で近付くよう、基準値に代わってモデルに入力され得るパラメータ値の真値を算出するガス情報算出手段５５と、ガス情報算出手段が算出した真値からガス情報の推定値を取得するガス情報取得手段５７と、ガス情報算出手段５５が算出したパラメータ値の真値を基準値として更新して記憶する基準値設定手段５９と、を備えている。なお、インピーダンス検出手段５３、及び、素子実温度算出手段５４が、特許請求の範囲の「ガスセンサ素子実温度測定手段」に相当する。

なお、ガス情報推定装置１００は、ＣＰＵ（中央制御装置）、ＲＡＭ，ＲＯＭ等を備えたマイクロコンピュータと、所定のアナログ回路とから構成された電子制御ユニット（ＥＣＵ）となっており、ＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムをＣＰＵが実行することで、後述する各種処理を行う。
具体的には、インピーダンス検出手段５３は、アナログ回路として構成され、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１、ガスセンサ素子実温度算出手段５４、ガス情報算出手段５５、ガス情報取得手段５７は、ＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムを実行するＣＰＵとして実現される。また、基準値設定手段５９は、マイクロコンピュータとは別に設けられた記憶媒体として構成される。

ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１は、排出ガス温度と、流速センサ１６の出力である排出ガスの流速とに基づき、所定のモデルによってガスセンサ素子の温度を推定する。この計算モデルは、計算式又はマップ等から構成することができ、例えば、ガスセンサ素子の受熱量及び放熱量を予め排出ガスの温度及び排出ガスの流速との関係式として用意しておき、さらにこの受熱量及び放熱量とガスセンサ素子温度との関係をも関係式としておくことで構成することができる。

上記モデルは、特許文献２に記載されているように、例えば下記計算式で表すことができる。
ｃＭ・ｄＴｕ／ｄｔ＝［排出ガスからの受熱］−［外気への放熱］＋［ヒータの加熱］
＝Ａ・Ｒｅ^ｎ・（Ｔｅ−Ｔｕ）−Ｂ（Ｔｕ−Ｔａ）＋Ｉ^２・Ｒ
ここで、ｃＭはガスセンサ素子の熱容量、ｄＴｕ／ｄｔは素子温度Ｔｕ時間微分値である。
又、排出ガスからの受熱、外気への放熱、ヒータの加熱は、下記式で表される。
排出ガスからの受熱＝Ａ・Ｒｅ^ｍ・（Ｔｅ−Ｔｕ）
Ａ：排出ガス伝熱係数
Ｔｅ：排出ガス温度
Ｔｕ：ガスセンサ素子温度（即ち、ガスセンサ素子暫定温度）
Ｒｅ：レイノルズ数
ｍ：指数
外気への放熱＝−Ｂ（Ｔｕ−Ｔａ）
Ｂ：外気伝熱係数
Ｔｕ：ガスセンサ素子温度（即ち、ガスセンサ素子暫定温度）
Ｔａ：外気温
ヒータの加熱＝Ｉ^２・Ｒ
Ｉ：ヒータ電流
Ｒ：ヒータ抵抗値

なお、流速センサ１６の出力である排出ガスの流速は、Ｒｅ（レイノルズ数）の値の設定に用いられる。又、Ｔａ（外気温）は、図示しない所定の温度センサによって測定される。ここで、本実施の形態では、モデルに入力される各種値のうち、排出ガス温度は未知であるため、本実施の形態では、基準値設定手段５９に記憶された排出ガス温度の基準値を用いて、上記モデルを用いてガスセンサ素子暫定温度（Ｔｕ）を算出するようにしている。
なお、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１は、暫定温度を算出する度に、基準値設定手段５９に記憶されている最新の基準値を入力するように構成されている。そして、基準値設定手段５９には初期値が設定されており、ガス情報推定装置１００の起動後にはこの初期値が最初の基準値とされ、ガス情報算出手段５５が新たなパラメータ値の真値を算出する都度、その真値が最新の基準値として更新されるようになっている。

インピーダンス検出手段５３及びガスセンサ素子実温度算出手段５４は、ガスセンサ素子のインピーダンスを検出する機能を有しており、ガスセンサ素子のインピーダンスがガスセンサ素子の温度に依存することから、ガスセンサ素子の実際の温度を測定することが可能である。
なお、インピーダンス検出手段５３は、所定のパルス電圧又はパルス電流をガスセンサ素子（セル）に供給し、そのときのガスセンサ素子の出力変化量を検出する公知の構成を有している。そして、ガスセンサ素子実温度算出手段５４は、ガスセンサ素子の出力変化量とガスセンサ素子に供給した所定のパルス電圧又はパルス電流に基づきガスセンサ素子のインピーダンスの値を算出し、さらにインピーダンスの値とガスセンサ素子の温度の関係（例えばマップ）に基づき、ガスセンサ素子の実際の温度（実測温度）を算出する構成をなしている。

ガス情報算出手段５５は、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１が算出したガスセンサ素子の暫定温度が、ガスセンサ素子実温度算出手段５４が測定したガスセンサ素子の実際の温度（実測温度）に所定範囲内（本実施の形態では±５℃の範囲内）で近付く（収束する）よう、基準値設定手段５９から入力された基準値に代わってモデルに入力され得る排出ガス温度のパラメータ値の真値をＰＩ制御の計算式又はＰＩＤ制御の計算式を用いて算出する。
そして、ガス情報取得手段５７は、ガス情報算出手段５５が算出した排出ガス温度のパラメータ値の真値から推定対象である排出ガス温度の推定値を最終的に取得する。このように、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１が算出した暫定温度が実測温度の所定範囲内になるよう、ガス情報算出手段５５にて算出される排出ガス温度は、排出ガス温度の真値を近似していると考えられる。つまり、ガスセンサ素子温度推定手段５１に入力されるガス情報の１つの値を推定することで、このガス情報を実際に計測するための計測センサが不要となり、内燃機関の制御システム全体のコストを低下することができ、又、計測センサの数が減るのでシステムの安定性も向上する。つまり、ガスセンサ素子温度推定手段が算出した暫定温度がガスセンサ素子温度の実測温度の所定範囲内になるよう、ガス情報算出手段にて算出される、基準値に代わってモデルに入力され得るパラメータ値の真値は、排出ガス温度の真値を近似していると考えられる。つまり、少なくとも排出ガス温度に基づいてガスセンサ素子の推定温度を模擬可能なモデルと、ガスセンサ素子の実測温度を測定することとを併用することにより、モデルの逆算が可能となり当該モデルに入力される排出ガス温度（Ｔｅ）のパラメータ値を算出することができ、その結果、ガス情報の推定が可能となる。
なお、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１におけるモデルに入力されると共に、推定対象となるガス情報は、本実施の形態のように排出ガス温度に限定されるものではない。内燃機関の排出ガスのガス情報であって、ガスセンサ素子の推定温度を模擬可能なモデルに用いることができるパラメータ値であれば、本発明の思想のもと、推定対象となるガス情報を計測する計測センサを設けることなく、ガス情報の推定を行うことができる。なお、本実施の形態の排出ガス温度に代わるガス情報としては、内燃機関の排出ガスの流速又は圧力のいずれかを具体的に挙げることができる。

図２は、本実施の形態のガス情報推定装置１００が行う処理を示すフロー図である。まず、ガス情報推定装置１００の処理のタイミングを待つため、所定の時間が経過するまで周期待ち（例えば１ｍｓ）を行う（ステップＳ１０）。ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」であれば、ステップＳ１２に移行して、基準値設定手段５９から最新の基準値を入力する処理を行う（ステップＳ１２）。なお、前述したように、基準値設定手段５９に設定される基準値は更新されるものであるが、ガス情報推定装置１００が起動してから最初の読み込み時には、予め設定された初期値が基準値として入力される。一方、ステップＳ１０で「Ｎｏ」であれば、上記時間が経過するまでステップＳ１０の処理を繰り返す。
ステップＳ１２に続き、ガスセンサ素子実温度算出手段５４は、インピーダンス検出回路５３からの出力に基づいてガスセンサ素子のインピーダンスの値を算出し、ガスセンサ素子の実測温度を計測する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４に続き、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１は、ステップＳ１２で入力した排出ガス温度の基準値、及び、流速センサ１６からの出力を入力すると共に、外気温の情報やヒータの加熱に関する情報（ヒータ電流、ヒータ抵抗値）を基にして、上記モデル（計算式）のもとガスセンサ素子の暫定温度（Ｔｕ）を算出する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６に続き、ガス情報算出手段５５は、ステップＳ１６で計算されたガスセンサ素子の暫定温度と、ステップＳ１２で計測されたガスセンサ素子の実測温度との差分値ΔＴ_１を計算し（ステップＳ１８）、このΔＴ_１が所定範囲内になるよう、基準値に代わる、モデルに入力され得る排出ガス温度のパラメータの真値を算出するパラメータ収束処理（ＰＩ制御の計算式やＰＩＤ制御の計算式による演算）を行う（ステップＳ２０）。
次いで、ステップ２２に移行し、ステップＳ２０にて算出された排出ガス温度のパラメータの真値から推定対象である排出ガス温度の推定値を取得する。ステップＳ２２で取得された排出ガス温度の推定値は、ガスセンサ１４から得られる酸素濃度に関する出力値と共に、エンジンの各種制御に用いられる。そして、ステップＳ２２の処理後は、ステップＳ２０にて算出された排出ガス温度のパラメータの真値を最新の基準値に更新するべく、基準値設定手段５９に対して、基準値を更新する処理を実施し（ステップＳ２４）、ステップＳ１０に戻る。このようにして、ガス情報推定装置１００によって、排出ガス温度を計測する計測センサを用いることなく、排出ガスの排出ガス温度の推定値を推定することができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では、ガスセンサ素子暫定温度算出手段５１は、排出ガス温度の基準値及び流速センサ１６の出力の２つのパラメータを基にガスセンサ素子の暫定温度を算出したが、モデル（計算式又はマップ）に応じてパラメータの数及び種類は変わってもよい。例えば、上記２つのパラメータに加え、車速を用いてもよい。
又、上記実施形態では、本発明のガス情報推定装置１００をＥＣＵに組み込んだ構成としたが、ＥＣＵとは別体にしてガス情報推定装置を設けても良い。つまり、ガスセンサ１４とＥＣＵとの間に、上述の各種処理を実行可能なマイクロコンピュータ及びアナログ回路を回路基板に搭載した別体のガス情報推定装置を設置しても良い。さらに、上記実施形態では、ガス情報としてエンジン１１の排出ガスの情報（具体的には、排出ガス温度）を対象にしたが、エンジン１１に吸入される吸気ガスが流れる吸気管にガスセンサを装着し、吸気管を流通する吸気ガスの情報（例えば、吸気ガスの温度、流速、圧力のいずれか）の推定値を算出するようにしてもよい。

１１内燃機関（エンジン）
１４ガスセンサ
５１ガスセンサ素子暫定温度算出手段
５３インピーダンス検出手段（ガスセンサ素子実温度測定手段）
５４ガス素子実温度算出手段（ガスセンサ素子実温度測定手段）
５５ガス情報算出手段
５７ガス情報取得手段
１００ガス情報推定装置

Claims

内燃機関を流通する流通ガスの特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサ素子に接続され、前記濃度以外の前記流通ガスに関するガス情報を推定するガス情報推定装置であって、
少なくとも推定対象となるガス情報に関するパラメータ値に基づいて前記ガスセンサ素子の推定温度を模擬可能なモデルを用いると共に、前記パラメータ値として基準値を入力して前記ガスセンサ素子の暫定温度を算出するガスセンサ素子暫定温度算出手段と、
前記ガスセンサ素子の実際の温度を測定するガスセンサ素子実温度測定手段と、
前記ガスセンサ素子暫定温度算出手段が算出した前記暫定温度が、前記ガスセンサ素子実温度測定手段が測定した前記実際の温度に所定範囲内で近付くよう、前記基準値に代わって前記モデルに入力され得る前記パラメータ値の真値を算出するガス情報算出手段と、
前記ガス情報算出手段が算出した真値から前記ガス情報の推定値を取得するガス情報取得手段と、
を備えたガス情報推定装置。
前記ガス情報は、前記内燃機関の排出ガスの温度、流速、圧力の少なくともいずれかである請求項１記載のガス情報推定装置。
前記ガスセンサ素子実温度測定手段は、前記ガスセンサ素子のインピーダンスを検出して当該インピーダンスから前記実際の温度を測定する請求項１又は２に記載のガス情報推定装置。