JP5644220B2

JP5644220B2 - 内燃機関の制御装置

Info

Publication number: JP5644220B2
Application number: JP2010158662A
Authority: JP
Inventors: 橋詰　剛; 剛橋詰
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-07-13
Also published as: JP2012021432A

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

筒内圧力、混合気中の酸素の質量分率、火炎面温度、及び既燃ガス質量に基づいて、シリンダから排出されるＮＯxの量を計算する技術が知られている（例えば、特許文献１参
照。）。

ところで、内燃機関の冷却水の温度が低いと、気筒壁面の温度が低くなる。このため、気筒内の温度分布は冷却水の温度によって変わる。従来技術では、このことが十分に考慮されていないため、気筒内の温度を正確に推定しているとはいえず、ＮＯxの量を正確に
計算できていない虞がある。

特表２００８−５２２０７１号公報特開２００５−１０５９４４号公報特開平１０−２５２５７３号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、気筒内の温度をより正確に推定することにある。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の制御装置は、
内燃機関の気筒内の圧力を検知する圧力検知手段と、
内燃機関の吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
内燃機関の気筒内の平均温度を検知する平均温度検知手段と、
内燃機関の温度を検知する機関温度検知手段と、
前記平均温度検知手段により検知される平均温度と、前記圧力検知手段により検知される圧力に基づいて得られる未燃ガスの温度と、吸入空気量検知手段により検知される吸入空気量に基づいて得られる気筒内ガス量と、気筒内における熱発生率、燃料の発熱量、吸気のＯ _２濃度、及び気筒内の空燃比に基づいて得られる既燃ガス量と、気筒内ガス量及び既燃ガス量に基づいて得られる未燃ガス量と、に基づいて、気筒内の既燃ガスの温度を算
出する既燃ガス温度算出手段と、
前記機関温度検知手段により検知される温度が低いほど、前記既燃ガス温度算出手段により算出される既燃ガスの温度をより高い側に補正する補正手段と、
を備える。

気筒内の平均温度は、気筒内の全領域における平均温度である。たとえば気筒内に複数の温度領域（温度分布）が存在する場合もあるため、全領域の平均温度が検知される。機関温度検知手段は、気筒壁面の温度と相関関係にある温度を検知する。これは、気筒壁面に形成される温度境界層の厚さと相関関係にある温度としてもよい。既燃ガス温度算出手段は、気筒内の平均温度から得られる内部エネルギと、既燃領域及び未燃領域から得られる内部エネルギと、が等しくなるように既燃ガス温度を算出する。このようにして算出される既燃ガス温度には、温度境界層の影響が考慮されていない。ここで、気筒内の平均温度を一定とするためには、低温部分である温度境界層が厚いほど、温度境界層以外の領域の温度を高く設定する必要がある。このため、補正手段は、温度境界層の厚さと相関関係
にある機関温度に応じて既燃ガスの温度を補正している。

本発明によれば、気筒内の温度をより正確に推定することができる。

実施例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。未燃ガス温度Ｔｕ、既燃ガス温度Ｔｂ、筒内平均温度Ｔｃの推移を示した図である。最高温度とＮＯx濃度との関係を運転条件を変えて示した図である。冷却水の温度と補正係数との関係を示した図である。実施例に係るＮＯx濃度の推定フローを示したフローチャートである。温度境界層の厚さと、最高温度の補正係数との関係を示した図である。筒内流動と温度境界層の厚さとの関係を示した図である。スワールの強さと筒内流動との関係を示した図である。気筒内の圧力と温度境界層の厚さとの関係を示した図である。

以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の概略構成を示す図である。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は４つの気筒２を備えているが、図１では１気筒のみを表している。内燃機関１は、例えば１サイクルが４ストロークのディーゼル機関である。内燃機関１はシリンダヘッド１０と、該シリンダヘッド１０の下面に接続されるシリンダブロック１１とを備えて構成されている。

気筒２には、シリンダヘッド１０に設けられた吸気ポート３を介して吸気管４が接続されている。吸気ポート３と気筒２との境には、吸気弁５が設けられている。また、気筒２内には、シリンダヘッド１０に設けられた排気ポート６を介して、排気管７が接続されている。排気ポート６と気筒２との境には、排気弁８が設けられている。

そして、内燃機関１のクランクシャフト１３にコンロッド１４を介して連結されたピストン１５が、気筒２内で往復運動を行う。また、内燃機関１には、燃料を気筒２内へ向けて噴射する燃料噴射弁１６が取り付けられている。

また、内燃機関１には、排気管７内を流通する排気の一部を吸気管４へ再循環させるＥＧＲ装置２０が備えられている。このＥＧＲ装置２０は、排気管７と吸気管４とを接続するＥＧＲ通路２１、及びＥＧＲ通路２１の通路断面積を調節するＥＧＲ弁２２を備えて構成されている。

ＥＧＲ通路２１が接続される箇所よりも上流側の吸気管４の途中には、該吸気管４内を流れる空気の量に応じた信号を出力するエアフローメータ９１が取り付けられている。このエアフローメータ９１により内燃機関１の吸入空気量が検出される。また、内燃機関１には、冷却水の温度を測定する温度センサ９２が取り付けられている。さらに、内燃機関１には、気筒２内の圧力を測定する圧力センサ９３が取り付けられている。なお、本実施例においては圧力センサ９３が、本発明における圧力検知手段に相当する。また、本実施例においてはエアフローメータ９１が、本発明における吸入空気量検知手段に相当する。
また、本実施例においては温度センサ９２が、本発明における機関温度検知手段に相当する。

そして、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ９０が併設されている。このＥＣＵ９０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御する。

ここで、ＥＣＵ９０には、上記各種センサの他、アクセル開度センサ９４およびクランクポジションセンサ９５が電気的に接続されている。ＥＣＵ９０はアクセル開度センサ９４からアクセル開度に応じた信号を受け取り、この信号に応じて内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、ＥＣＵ９０はクランクポジションセンサ９５から内燃機関１のクランクシャフト１３の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度を算出する。

一方、ＥＣＵ９０には、燃料噴射弁１６及びＥＧＲ弁２２が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ９０によりこれらの装置が制御される。

そして、ＥＣＵ９０は、気筒２内で発生するＮＯx量を推定し、該ＮＯx量に応じて、例えば尿素ＳＣＲシステムにおける尿素の添加量を決定したり、吸蔵還元型ＮＯx触媒にお
ける還元剤の添加量を決定したりする。以下、気筒２内で発生するＮＯx量の推定手順に
ついて説明する。

本実施例においては、気筒２内を、燃焼領域（既燃領域ともいう）と未燃領域とに分けて考える。燃焼領域は、既に燃焼が行なわれている領域であり、未燃領域は、まだ燃焼が行われていない領域である。そして、燃焼領域は任意の当量比で均質であると仮定して、燃焼領域の最高温度（既燃ガスの最高温度ともいう）を算出する。燃焼領域の最高温度はＮＯx濃度と相関関係にあるため、燃焼領域の最高温度とＮＯx濃度との関係を予め実験等により求めてマップ化しておけば、算出された燃焼領域の最高温度を該マップに照らし合わせてＮＯx濃度を得ることができる。具体的には以下の（１）〜（８）の手順に従って
ＮＯx濃度を得る。

（１）吸入空気量から、ＥＧＲ率Ｅｅｇｒ、気筒内ガス量Ｇｃ、吸気Ｏ_２濃度Ｏ_２ｉｎを順に算出する。吸入空気量は、エアフローメータ９１により測定される。ＥＧＲ率Ｅｅｇｒは、気筒２内に吸入される全ガス量に対するＥＧＲガス量の比率である。これらは周知の技術により算出することができる。

（２）圧力センサ９３により気筒２内の圧力Ｐを測定する。

（３）気体の状態方程式（ＰＶ＝ＧＲＴ）から筒内平均温度Ｔｃを算出する。Ｖは気筒内容積、Ｒはガス定数である。また、Ｇはガス量であり、（１）で算出される気筒内ガス量Ｇｃに相当する。

（４）熱力学の第１法則に基づいた以下の式により熱発生率ｄＱを算出する。
ｄＱ＝１／（κ−１）×（Ｖ×ｄＰ＋κ×Ｐ×ｄＶ）
但し、κは比熱比である。

（５）既燃ガス量Ｇｂを以下の式により算出する。
Ｇｂ＝∫ｄＱｄθ／Ｈｕ×（２１／Ｏ_２ｉｎ）×（Ａ／Ｆ）
但し、Ｈｕは燃料の発熱量であり、想定される燃料の発熱量を予めＥＣＵ９０に記憶さ
せておく。Ｏ_２ｉｎは、（１）で算出される吸気のＯ_２濃度である。Ａ／Ｆは、空燃比であり、たとえば１４．７である。

（６）未燃ガス温度Ｔｕを算出する。ここで、未燃ガスは既燃ガスにより断熱圧縮されるために温度が上昇するので、「ＰＶ^κ＝一定」の関係が成立する。このため、以下の式により未燃ガス温度Ｔｕを算出することができる。
Ｔｕ＝Ｔ０×（Ｐ／Ｐ０）^{（κ−１）／κ}
但し、κはたとえば１．３５とし、Ｐ０は圧力センサ９３により得られる初期の圧力、Ｔ０は初期の温度であり気体の状態方程式から算出される値とする。

（７）未燃領域と燃焼領域との内部エネルギの和が、筒内平均温度Ｔｃに基づいて得られる気筒内全体の内部エネルギと等しくなるように、既燃ガス温度Ｔｂを以下の式により算出する。
Ｔｂ＝（ＧｃＴｃ−ＧｕＴｕ）／Ｇｂ
但し、Ｇｕは未燃ガス量である。

このようにして既燃ガス温度Ｔｂを算出することができる。ここで、図２は、未燃ガス温度Ｔｕ、既燃ガス温度Ｔｂ、筒内平均温度Ｔｃの推移を示した図である。横軸はクランクアングルであり、縦軸は温度である。この図２は、上述の式により算出した値をグラフ化したものである。このようにして、既燃ガスの最高温度を得ることができる。

（８）既燃ガスの最高温度とＮＯx濃度との関係を予めマップ化しておき、該マップに
照らし合わせてＮＯx濃度を算出する。ここで、図３は、最高温度とＮＯx濃度との関係を運転条件を変えて示した図である。「筒内平均」は、筒内平均温度の最高温度を示し、「２領域」は、既燃ガス温度Ｔｂの最高温度を示している。これら最高温度とＮＯx濃度と
には、運転条件が変わっても一定の関係があることが分かる。

以上の（１）〜（８）の手順に従ってＮＯx濃度を算出することができるが、本実施例
では、気筒２の壁面に形成される温度境界層に着目して既燃ガスの最高温度を補正することでＮＯx濃度の推定精度を高めている。

ここで、上記手順では、筒内平均温度Ｔｃを均質と仮定している。この場合、温度境界層の影響が考慮されていない。温度境界層は、気筒内の他の領域よりも低温の領域である。このため、温度境界層が厚くなるほど、低温の領域が広くなる。このため、筒内平均温度Ｔｃを一定とするためには、温度境界層が厚くなるほど、温度境界層以外の領域をより高い温度に設定する必要がある。すなわち、既燃ガスの温度は、温度境界層の厚さの影響を受けるため、温度境界層の厚さを考慮しなければ、既燃ガスの最高温度の推定精度が低くなる。

そこで本実施例では、内燃機関１の冷却水の温度が低いほど、温度境界層が厚くなるため、既燃ガスの最高温度が高くなるように補正する。冷却水の温度は、温度境界層の厚さと相関関係にある物理量である。図４は、冷却水の温度と補正係数との関係を示した図である。冷却水温度が高いほど温度境界層が薄くなるため補正係数を小さくし、冷却水温度が低いほど温度境界層が厚くなるため補正係数を大きくしている。そして、最高温度は以下の式により得る。
最高温度＝暫定最高温度×補正係数
但し、暫定最高温度は、上述の手順の（７）で算出される既燃ガスの最高温度である。

このようにして、補正された既燃ガスの最高温度に基づいてＮＯx濃度を算出する。

次に図５は、本実施例に係るＮＯx濃度の推定フローを示したフローチャートである。
本ルーチンはＥＣＵ９０により所定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、エアフローメータ９１により吸入空気量が測定される。ステップＳ１０２では、ＥＧＲ率Ｅｅｇｒ、吸気Ｏ_２濃度Ｏ_２ｉｎが算出される。ステップＳ１０３では、筒内平均温度Ｔｃが算出される。ステップＳ１０４では、未燃ガス温度Ｔｕが算出される。ステップＳ１０５では、既燃ガス温度Ｔｂが算出される。ステップＳ１０６では、暫定最高温度が算出される。暫定最高温度は、上記手順の（７）で算出される既燃ガス温度Ｔｂの最大値である。ステップＳ１０７では、温度センサ９２により冷却水温度が測定される。ステップＳ１０８では、冷却水温度に基づいて補正係数が算出される。冷却水温度と補正係数との関係は、予め実験等により求めてＥＣＵ９０に記憶される。ステップＳ１０９では、暫定最高温度に補正係数を乗じて最高温度が算出される。ステップＳ１１０では、最高温度に基づいてＮＯx濃度が算出される。最高温度とＮＯx濃度との関係は、予め実験等により求めてＥＣＵ９０に記憶される。なお、本実施例ではステップＳ１０３を処理するＥＣＵ９０が、本発明における平均温度検知手段に相当する。また、本実施例ではステップＳ１０５を処理するＥＣＵ９０が、本発明における既燃ガス温度算出手段に相当する。また、本実施例ではステップＳ１０９を処理するＥＣＵ９０が、本発明における補正手段に相当する。

以上説明したように本実施例によれば、温度境界層の厚さから既燃ガスの最高温度を補正しているため、該最高温度をより正確に算出することができる。これにより、ＮＯx濃
度をより正確に推定することができる。したがって、例えば選択還元型ＮＯx触媒または
吸蔵還元型ＮＯx触媒に要求される還元剤量を正確に算出することができるため、還元剤
不足によるＮＯx浄化率の低下を抑制できる。また、還元剤が過剰となって、該還元剤の
一部が反応しないまま触媒を通過することを抑制できる。

なお、本実施例では内燃機関１の冷却水の温度に基づいて補正係数を算出しているが、気筒２の壁面温度に基づいて補正係数を算出してもよい。

（参考例）
温度境界層の厚さは、他の条件によっても変わるため、この条件に基づいて既燃ガスの最高温度を補正することで、該最高温度の推定精度をより高めることができる。

まず、温度境界層が厚いと判定された場合には、最高温度がより高くなるように補正する。図６は、温度境界層の厚さと、最高温度の補正係数との関係を示した図である。温度境界層が厚いほど、低温の領域が広いために、補正係数を大きくしている。そして、最高温度は以下の式により得る。
最高温度＝暫定最高温度×補正係数
但し、暫定最高温度は、上述の手順の（７）で算出される最高温度である。

そして、例えば筒内流動が小さい場合には温度境界層が厚いと判断することができる。図７は、筒内流動と温度境界層の厚さとの関係を示した図である。筒内流動が大きいほど、温度境界層が薄いと判定される。

たとえば、低スワール時に筒内流動が小さいと判断することができる。図８は、スワールの強さと筒内流動との関係を示した図である。スワールが強いほど筒内流動が大きいと判定される。スワールは、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転数および機関負荷）に応じて変化するため、該運転状態を測定することで、スワールの強さを得ることができる。

また、気筒２内の圧力が高い場合には、温度境界層が薄いと判断することができる。図９は、気筒２内の圧力と温度境界層の厚さとの関係を示した図である。気筒２内の圧力が高いほど温度境界層が薄いと判定される。

以上の関係は、予め実験等により求めてマップ化することができる。また、冷却水温度に基づいて算出される補正係数と組み合わせることもできる。

１内燃機関
２気筒
３吸気ポート
４吸気管
５吸気弁
６排気ポート
７排気管
８排気弁
１０シリンダヘッド
１１シリンダブロック
１３クランクシャフト
１４コンロッド
１５ピストン
１６燃料噴射弁
２０ＥＧＲ装置
２１ＥＧＲ通路
２２ＥＧＲ弁
９０ＥＣＵ
９１エアフローメータ
９２温度センサ
９３圧力センサ
９４アクセル開度センサ
９５クランクポジションセンサ

Claims

内燃機関の気筒内の圧力を検知する圧力検知手段と、
内燃機関の吸入空気量を検知する吸入空気量検知手段と、
内燃機関の気筒内の平均温度を検知する平均温度検知手段と、
内燃機関の温度を検知する機関温度検知手段と、
前記平均温度検知手段により検知される平均温度と、前記圧力検知手段により検知される圧力に基づいて得られる未燃ガスの温度と、前記吸入空気量検知手段により検知される吸入空気量に基づいて得られる気筒内ガス量と、気筒内における熱発生率、燃料の発熱量、吸気のＯ _２濃度、及び気筒内の空燃比に基づいて得られる既燃ガス量と、気筒内ガス量及び既燃ガス量に基づいて得られる未燃ガス量と、に基づいて、気筒内の既燃ガスの温度を算出する既燃ガス温度算出手段と、
前記機関温度検知手段により検知される温度が低いほど、前記既燃ガス温度算出手段により算出される既燃ガスの温度をより高い側に補正する補正手段と、
を備える内燃機関の制御装置。