以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の排気温度推定装置の実施の形態を説明する。
本実施の形態では、本発明に係る内燃機関の排気温度推定装置を、ディーゼル車に搭載されるエンジン(内燃機関)のECUに適用する。本実施の形態に係るエンジンは、可変容量型のターボチャージャ及びHPL[High Pressure Loop]のEGRシステムを装備している。本実施の形態に係るエンジンは、ECUによって周知のエンジン制御、ターボの可変容量制御、EGR制御、排気ガス浄化制御、故障診断等が行われるとともに、それらの制御等に利用するための排気ガス温度の推定が行われる。なお、本実施の形態では、ECUにおけるこれらの周知の各制御等については説明せず、排気ガス温度の推定処理についてのみ詳細に説明する。
図1及び図2を参照して、本実施の形態に係るエンジン1について説明する。図1は、本実施の形態に係るエンジンの概略構成図である。図2は、排気損失率マップの一例である。
エンジン1(特に、ECU15における排気ガス温度推定)は、エキゾーストマニホールドの排気ガス温度を、温度センサを用いずに、エンジンに一般的に搭載される各センサだけを用いて推定する。特に、ECU15における排気ガス温度推定では、インテークマニホールドに吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールドに排気されるまでに断熱圧縮されることによる温度上昇分と、シリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量を排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分とを加算してエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度(以下、「エキマニ温度Tem」と記載)を推定する。
エンジン1は、エンジン本体1aに直列に6つのシリンダ(気筒)2a〜2fを配した直列式6気筒のディーゼルエンジンである。各シリンダ2a〜2fには、インジェクタ3a〜3fがそれぞれ設けられている。各インジェクタ3a〜3fでは、各シリンダ2a〜2f内に燃料(軽油)を噴射する。エンジン本体1aでは、シリンダ2a〜2f毎に、シリンダ内のガス(大気中からの空気+排気ガス再循環のEGRガス)がピストン(図示せず)によって断熱圧縮された状態で、燃料が噴射されることによって燃焼が行われる。この燃焼によって熱エネルギ(熱量)が発生し、この熱エネルギがピストンの往復運動、冷却水加熱等に使われるとともに、その残りが排気ガス中に損失される。
エンジン本体1a(シリンダ2a〜2f)には、インテークマニホールド4が接続されている。インテークマニホールド4では、吸い込んだガス(空気+EGRガス)を各シリンダ2a〜2fに分配して供給する。インテークマニホールド4には、インマニ温度センサ4aが設けられている。インマニ温度センサ4aでは、インテークマニホールド4内の吸気ガスの温度(以下、「インマニ温度Tim」と記載)を検出し、その検出値をECU15に出力する。なお、本実施の形態では、インマニ温度センサ4aが特許請求の範囲に記載する吸気ガス温度取得手段に相当する。
また、エンジン本体1a(シリンダ2a〜2f)には、エキゾーストマニホールド5が接続されている。エキゾーストマニホールド5では、各シリンダ2a〜2fから排気された排気ガスを合流させてターボチャージャ6のタービン6bやEGRシステム14のEGR通路14aに導く。エキゾーストマニホールド5には、エキマニ圧力センサ5aが設けられている。エキマニ圧力センサ5aでは、エキゾーストマニホールド5内の排気ガスの圧力(以下、「エキマニ圧力Pem」と記載)を検出し、その検出値をECU15に出力する。なお、本実施の形態では、エキマニ圧力センサ5aが特許請求の範囲に記載する排気ガス圧力取得手段に相当する。
エンジン1は、可変容量型のターボチャージャ6を装備している。ターボチャージャ6は、コンプレッサ6aとタービン6bを備えており、コンプレッサ6aとタービン6bとが同軸で回転する。ターボチャージャ6では、エキゾーストマニホールド5から導かれた排気ガスの圧力でタービン6bが回転し、タービン6bと同軸で回転するコンプレッサ6aで空気を圧縮して過給する。タービン6bには、ノズルベーン6cが設けられ、ノズルベーン6cの開度によってタービン6bに導入される排気ガス流量が制御される。
吸気側では、大気中から空気がエアクリーナ7を介して吸い込まれ、コンプレッサ6aで圧縮される。エアクリーナ7とコンプレッサ6aとの間の吸気通路8aには、空気量センサ9が設けられている。空気量センサ9は、大気中から吸い込まれる空気の量(以下、「空気量Ga」と記載)を検出し、その検出値をECU15に出力する。コンプレッサ6aで圧縮された空気は、インタークーラ10で冷却され、インテークマニホールド4に吸気される。インタークーラ10とインテークマニホールド4との間の吸気通路8bには、ブースト圧センサ11が設けられている。ブースト圧センサ11は、ブースト圧(ターボチャージャ6による過給圧)を検出し、その検出値をECU15に出力する。このブースト圧が、インテークマニホールド4内の吸気ガスの圧力(以下、「インマニ圧力Pim」と記載)である。なお、本実施の形態では、空気量センサ9が特許請求の範囲に記載する吸気ガス量取得手段に相当し、ブースト圧センサ11が特許請求の範囲に記載する吸気ガス圧力取得手段に相当する。
排気側では、エキゾーストマニホールド5からの排気ガスがノズルベーン6cで流量調整されてタービン6bに導入され、その排気ガスでタービン6bが回転する。タービン6bから出た排気ガスは、排気通路12を通って排気システム(図示せず)に導かれ、排気システムで浄化されて、マフラ13から車外に排気される。
また、エンジン1は、EGRシステム14を装備している。EGRシステム14は、EGR通路14aを備えている。EGR通路14aは、エキゾーストマニホールド5と吸気通路8bとを接続する通路であり、エキゾーストマニホールド5からの排気ガスを吸気側にEGRガスとして再循環させる。EGR通路14aには、EGRクーラ14bが設けられ、EGRクーラ14bで再循環させる排気ガスが冷却される。また、EGR通路14aには、EGRバルブ14cが設けられ、EGRバルブ14cによって再循環するEGRガス量が制御される。また、EGR通路14aには、EGRガス量センサ14dが設けられている。EGRガス量センサ14dは、再循環されるEGRガス量を検出し、その検出値をECU15に出力する。
ECU15は、CPU[CentralProcessing Unit]、ROM[ReadOnly Memory]、RAM[Random Access Memory]等からなる電子制御ユニットであり、エンジン1を統括制御する。ECU15では、ROMに記憶されている各種プログラムをRAMにロードしてCPUで実行することによって、エンジン本体制御(例えば、インジェクタ3a〜3fの燃料噴射制御)、ターボの可変容量制御(例えば、ノズルベーン6cの開度制御)、EGR制御(例えば、EGRバルブ14cの開度制御)、排気ガス浄化制御、故障診断等の周知の処理を行うとともに排気ガス温度推定処理を行う。本実施の形態では、ECU15で行う処理については、この排気ガス温度推定処理についてのみ詳細に説明する。
排気ガス温度推定処理について詳細に説明する前に、本実施の形態における排気ガス温度の推定方法について説明する。本実施の形態では、エキマニ温度Temを、インテークマニホールド4に吸気されたガスのインマニ温度Timがエキゾーストマニホールド5に排気されるまでに断熱圧縮されることによって温度上昇した温度Tim’に、シリンダ2a〜2f内に投入された熱量Qfのうち排気ガス中に損失される熱量Qexhをエキゾーストマニホールド5の排気ガス流量(希釈ガス流量)Gexhで除算した熱量による温度上昇分ΔTfを加算した温度と定義する。
まず、入力温度T、出力温度T’、入力圧力P、出力圧力P’とした場合、断熱変化の状態式は式(1)となる。式(1)におけるκは、比熱比であり、κ=定圧比熱Cp/定容比熱Cvである。この式(1)により、インテークマニホールド4に吸気されたガスが断熱圧縮された後の温度Tim’については、インマニ温度Tim、インマニ圧力Pim、エキマニ圧力Pemを用いて、式(2)によって算出できる。インマニ温度Tim、インマニ圧力Pim、エキマニ圧力Pemは、インマニ温度センサ4a、ブースト圧センサ11、エキマニ圧力センサ5aでそれぞれ得ることができる。但し、エキマニ圧力Pemについては、圧力センサを用いずに、ブースト圧センサ11によるブースト圧とターボチャージャ6のノズルベーン6cのベーン開度等を用いた周知の推定によって得てもよい。
次に、シリンダ2a〜2f内に投入される熱量Qfについては、インジェクタ3a〜3fからシリンダ2a〜2f内に噴射される燃料流量Gfと軽油低位発熱量Kf(定数)を用いて、式(3)によって算出できる。燃料流量Gfは、ECU15から各インジェクタ3a〜3fに指示する燃料噴射量と実際の燃料噴射量とが十分に一致するように調整しておくことにより、ECU15からの燃料噴射量の指示量から得ることができる。また、エキゾーストマニホールド5の排気ガス流量(希釈ガス流量)Gexhについては、大気中から吹き込まれた空気量Ga、EGR率Er、燃料流量Gfを用いて、式(4)によって算出できる。空気量Gaは、空気量センサ9で得ることができる。EGR率Erは、空気量センサ9による空気量GaとEGRガス量センサ14dによるEGRガス量によって算出してもよいし、あるいは、ブースト圧センサ11によるブースト圧とインマニ温度センサ4aによるインマニ温度等を用いて周知の推定によって得てもよい。本実施の形態では、EGR率Erは0〜1の値としている。なお、EGRシステムを装備しない車両の場合、EGR率が0となる。
また、シリンダ内投入熱量Qfのうち排気ガス中に損失される熱量Qexhは、希釈ガス流量Gexh、定圧比熱Cp(定数)、シリンダ内投入熱量による排気ガスの温度上昇分ΔTfを用いて、式(5)によって算出できる。この式(5)を変形して温度上昇分ΔTfを求める式にすると、式(6)となる。また、シリンダ内投入熱量Qfから排気ガス中に損失される熱量Qexhの排気損失率熱ηexhについては、排気ガス中損失熱量Qexh、シリンダ内投入熱量Qfを用いて、式(7)によって算出できる。この式(7)を変形して排気ガス中損失熱量Qexhを求める式にすると、式(8)となる。
式(6)に式(8)を代入すると、温度上昇分ΔTfを求める式は式(9)となる。さらに、式(9)に式(3)と式(4)を代入すると、温度上昇分ΔTfを求める式は式(10)となる。式(10)における排気損失率熱ηexhは、排気損失率熱マップを事前に用意し、排気損失率熱マップから得ることができる。ECU15のROMに排気損失率マップを保持し、エンジン回転数や燃料噴射量からそのマップを検索して排気損失率熱ηexhを得る。
排気損失率熱マップについて説明する。事前に、実際に排気ガス温度を高精度に計測可能なエンジンを用いて、エンジン実機にてエンジン使用領域における定常データを取得して、その定常データを用いて式(7)により排気損失率を算出する。これを、エンジン回転数や燃料噴射量(指示量でよい)を変えて行い、エンジン回転数や燃料噴射量(燃料流量に相当)をパラメータとして、排気損失率を検索可能なマップを作成する。図2には、エンジン回転数と燃料噴射量をパラメータとしたマップの一例を示しており、エンジン回転数が高くなるほど排気損失率が低くなるとともに、燃料噴射量が多くなるほど排気損失率が低くなる。なお、このマップを、エンジンの燃焼モード(例えば、通常モード、昇温モード、還元剤添加モード)毎に作成し、保持しておくようにするとよい。
エキマニ温度Temは、式(11)に示すように、インテークマニホールド4に吸気されたガスが断熱圧縮された後の温度Tim’にシリンダ内投入熱量による温度上昇分ΔTfを加算した温度である。したがって、この式(11)に式(2)と式(10)を代入すると、エキマニ温度Temを求める式は、式(12)となる。この式(12)によって、インマニ温度Tim、インマニ圧力Pim、エキマニ圧力Pem、燃料流量Gf、空気量Ga、EGR率Er、排気損失率熱ηexhを用いて、エキマニ温度Temを推定できる。なお、この式(12)によってエキマニ温度Temの瞬時値を求めることができるので、使用目的により、一次遅れ補正等を用いてエキマニ温度Temのなました値を使用すればよい。
なお、この式(12)においてEGR率Erを0とすることにより、EGRシステムを装備していないエンジンに適用することができる。また、式(12)には、ターボチャージャやターボチャージャの可変容量型/固定容量型に関するパラメータが含まれていないので、式(12)をターボチャージャの有無、単段過給/多段過給、可変容量型/固定容量型に関係なく適用可能である。また、式(12)におけるKf、κ、Cpの定数を変更することにより、各種ディーゼルエンジンだけでなく、各種ガソリンエンジンにも適用できる。
それでは、ECU15における排気ガス温度推定処理について説明する。ECU15では、一定時間毎に、インマニ温度センサ4a、ブースト圧センサ11、エキマニ圧力センサ5a、空気量センサ9から、インマニ温度Tim、インマニ圧力Pim、エキマニ圧力Pem、空気量Gaをそれぞれ取得する。また、ECU15では、一定時間毎に、空気量センサ9、EGRガス量センサ14dから空気量Ga、EGRガス量をそれぞれ取得し、空気量GaとEGRガス量からEGR率Erを算出する。なお、本実施の形態では、空気量センサ9、EGRガス量センサ14d及びECU15における処理が特許請求の範囲に記載するEGR率取得手段に相当する。
ECU15では、一定時間毎に、周知のエンジン制御を行い、シリンダ2a〜2fの燃料噴射量(指示量)等を求めており、この燃料噴射量(指示量)から燃料流量Gfを取得する。また、ECU15では、ROMに予め保持している燃焼モード毎の排気損失率マップの中からエンジン1の現在の燃焼モードに応じて排気損失率マップを選択する。そして、ECU15では、一定時間毎に、エンジン回転数センサ(図示せず)から取得したエンジン回転数と燃料流量Gf(燃料噴射量)を用いて、その選択した排気損失率マップを検索し、排気損失率熱ηexhを取得する。なお、本実施の形態では、ECU15における処理が特許請求の範囲に記載する燃料流量取得手段及び排気損失率取得手段に相当する。
そして、ECU15では、一定時間毎に、インマニ温度Tim、インマニ圧力Pim、エキマニ圧力Pem、燃料流量Gf、空気量Ga、EGR率Er、排気損失率熱ηexh及びECU15のROMに予め保持している軽油低位発熱量Kf、定圧比熱Cp、比熱比κの各値を用いて、式(12)によりエキマニ温度Tem(瞬時値)を算出する。この算出されたエキマニ温度Temは、ECU15のRAMに時系列で所定時間分記憶される。そして、ECU15では、必要に応じて、時系列のエキマニ温度Tem(瞬時値)を用いて一次遅れ補正等を行い、エキマニ温度Temのなまし値を算出する。そして、ECU15では、この推定したエキマニ温度Tem(瞬時値あるいはなまし値)を、エンジン本体制御、ターボの可変容量制御、EGR制御、排気ガス浄化制御、故障診断等で用いる。なお、本実施の形態では、ECU15における処理が特許請求の範囲に記載する推定手段に相当する。
図3には、このエンジン1を用いてWHTC[World HarmonizedTransient Cycle]の排気ガス試験モードで試験を行い、過渡運転における排気ガス温度(エキマニ温度)の推定結果の一例を示している。図3において、実線(細線)が上記の排気ガス温度推定処理で推定されたエキマニ温度(瞬時値:なまし未処理)であり、実線(太線)がその推定されたエキマニ温度(瞬時値)をなましたエキマニ温度(なまし値:なまし処理後)であり、破線が実測されたエキマニ温度である。推定エキマニ温度(なまし値)と実測エキマニ温度とを比較すると、実測値に非常に近い推定値が得られていることが判る。この例では、誤差が、最大±30℃程度であった。
このエンジン1(特に、ECU15における排気ガス温度推定処理)によれば、エンジン1における断熱圧縮による温度上昇分とシリンダ内投入熱量のうちの排気ガス中損失熱量/希釈ガス流量による温度上昇分とからエキマニ温度を推定することにより(式(12)を用いることにより)、エキマニ温度センサを設けることなく、エンジンに従来から設けられる信頼性のある一般的なセンサだけを用いて低処理負荷でエキマニ温度(排気ガス温度)を高精度に推定できる。この推定されたエキマニ温度は、定常運転状態だけでなく、過渡運転状態の場合でも精度が高い。また、このエンジン1によれば、エンジン回転数と燃料噴射量をパラメータとした排気損失率マップを予め用意しておくことにより、簡単に排気損失率を取得することができる。
ちなみに、ターボチャージャを装備したエンジンの場合、断熱圧縮によって(ターボチャージャによるインマニ圧力とエキマニ圧力との差が大きいほど)エキマニ温度が変化し易くなり、エキマニ温度の推定誤差が出易くなる。しかし、ECU15における排気ガス温度推定処理では、断熱圧縮の温度上昇分を考慮しているので、ターボチャージャを装備したエンジンでも推定精度が高い。また、EGRシステムを装備したエンジンの場合、希釈ガス量が増加するので、エキマニ温度の推定誤差が出易くなる。しかし、ECU15における排気ガス温度推定処理では、シリンダ内投入熱量による排気ガスの温度上昇分に希釈ガス流量(特に、EGR率)を考慮しているので、EGRシステムを装備したエンジンでも推定精度が高い。
なお、エキマニ温度を検出するセンサを備えるエンジンの場合、この推定したエキマニ温度を用いることにより、そのセンサの故障診断を行うことができる。また、エキマニ温度は、エンジン制御(ターボの可変容量制御、EGR制御も含む)だけでなく、排気ガス浄化制御に非常に重要となる。
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
例えば、本実施の形態ではエンジンのECUの一つの機能として排気温度推定装置を組み込む形態としたが、他のECUに組み込む形態、排気温度推定装置単体として構成する形態など、排気温度推定装置を他の形態で構成してもよい。
また、本実施の形態では内燃機関としてはディーゼルエンジンであり、可変容量型のターボチャージャ及びEGRシステムを装備するものに適用したが、ガソリンエンジン等の他の内燃機関でも適用可能であり、ターボチャージャを装備しないものでも適用可能であり、EGRシステムを装備しないものでも適用可能であり、ターボチャージャについては固定容量型のものもや多段過給のターボチャージャにも適用可能であり、EGRシステムについてはLPLのEGRシステムにも適用可能である。
また、本実施の形態でマップを用いては排気損失率を取得する構成としたが、他の方法で取得してもよい。例えば、エンジン回転数や燃料噴射量を変数とした排気損失率の算出式を用意しておき、この算出式を用いて排気損失率を算出する。
また、本実施の形態では断熱圧縮による温度上昇分とシリンダ内投入熱量のうちの排気ガス中損失熱量/希釈ガス流量による温度上昇分とからエキマニ温度を推定するために上記の式(12)を構築し、式(12)を用いてエキマニ温度を推定する構成としたが、この式(12)以外の他の推定式を構築してもよいし、マップ等を使った他の方法で推定してもよい。