JP5742535B2

JP5742535B2 - 吸気コレクターの内部状態推定装置

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Publication number: JP5742535B2
Application number: JP2011159206A
Authority: JP
Inventors: 俊一吉川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-07-20
Also published as: CN102889137B; CN102889137A; JP2013024121A

Description

この発明は、内燃エンジンの吸気コレクターの内部状態を推定する装置に関する。

特許文献１では、吸気スロットルの下流に配置された吸気コレクターに対してインタークーラーが一体的に設けられている。このような構造にすることで、インタークーラーがＥＧＲクーラーとしても機能できるとしている。

特開２００９−２７０５０８号公報

しかしながら、特許文献１では、インタークーラーの前後の温度差が、診断等で必要となる吸気圧(吸気コレクターの内部状態)に影響を与えるということが、一切考慮されていない。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、インタークーラーの前後の温度差の影響を考慮することで吸気コレクターの内部状態をより正確に推定でき、診断の精度を向上させることができる吸気コレクターの内部状態推定装置を提供することである。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による吸気コレクターの内部状態推定装置のひとつの態様は、エンジンに吸入される空気を圧送する過給器と、前記過給器の下流に位置する吸気コレクターと、前記吸気コレクターの内部に設けられ、過給器で圧送されて昇温した空気を冷却するインタークーラーと、を含む。そして、前記インタークーラーよりも上流に設けられ、前記過給器で圧送されて前記インタークーラーで冷却される前の空気温度を検出する冷却前温度検出部と、前記インタークーラーよりも下流に設けられ、インタークーラーで冷却された空気温度を検出する冷却後温度検出部と、冷却前温度及び冷却後温度に基づいて、吸気コレクターの内部の代表温度を演算する代表温度演算部と、をさらに含むことを特徴とする。

この態様によれば、冷却前温度及び冷却後温度に基づいて、吸気コレクターの内部の代表温度を演算することで、吸気コレクターの内部状態をより正確に推定できる。

本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。

図１は、本発明による吸気コレクターの内部状態推定装置を適用するシステムの全体を示す図である。図２は、発明の基本コンセプトについて説明する図である。図３は、コントローラーの吸気コレクターの内部状態推定にかかる機能をブロック図として表したものである。図４は、吸気コレクター内の吸気温の変化を説明する図である。図５は、吸気コレクター内の圧力の変化を説明する図である。

図１は、本発明による吸気コレクターの内部状態推定装置を適用するシステムの全体を示す図である。

エンジン本体１０には、吸気通路２０及び排気通路３０が接続される。吸気バルブ１１は、吸気通路２０を開閉する。排気バルブ１２は、排気通路３０を開閉する。吸気カムポジションセンサー１１ａは、吸気カムのポジションを検出することで、吸気バルブ１１の開閉タイミングを検出する。排気カムポジションセンサー１２ａは、排気カムのポジションを検出することで、排気バルブ１２の開閉タイミングを検出する。イグニッションコイル１３は、筒内の混合気に点火する。クランク角センサー１４は、クランクシャフトの回転位置を検出する。

吸気通路２０には、吸気の流れ方向の上流から、マスエアフローメーター２１と、過給器２２と、過給器バイパスバルブ２３と、スロットル上流温度センサー２４と、吸気スロットル２５と、吸気コレクター２６と、インタークーラー２７と、吸気温センサー２８と、燃料インジェクター２９と、を含む。

マスエアフローメーター２１は、空気流量を検出する。

過給器２２は、空気を圧送する。この圧送された空気がエンジン本体１０に吸入される。過給器バイパスバルブ２３は、過給器２２と並行に設けられる。

過給器バイパスバルブ２３は、過給器２２による過給が望まれないときに開く。これによって、空気が過給器２２を迂回する。

スロットル上流温度センサー２４は、吸気スロットル２５よりも上流に設けられる。スロットル上流温度センサー２４は、過給器２２で圧送されてインタークーラー２７で冷却される前の空気の温度を検出する。

吸気スロットル２５は、エンジン本体１０に吸入される空気量を調整する。

吸気コレクター２６は、過給器２２の下流かつ吸気スロットル２５の下流に位置する。エンジン本体１０の各シリンダーのポートに結合されるブランチパイプは、この吸気コレクター２６から延びる。

インタークーラー２７は、吸気コレクター２６の内部に設けられる。インタークーラー２７は、過給器２２で圧送されて昇温した空気を冷却する。本実施形態では、インタークーラー２７は、水冷式である。インタークーラー２７には、冷却水配管２７１を介してラジエーター２７２に接続されている。また冷却水配管２７１には、冷却水ポンプ２７３と、ＨＥＶインバーター２７４と、が配置されている。

吸気温センサー２８は、インタークーラー２７よりも下流に設けられる。吸気温センサー２８は、インタークーラー２７で冷却された空気温度を検出する。

燃料インジェクター２９は、筒内に燃料を噴射する。

排気通路３０には、排気の流れ方向の上流から、マニフォールド触媒３１と、床下触媒３２と、マフラー３３と、を含む。

エンジンコントローラーユニット５１及びＨＥＶシステムコントローラーユニット５２は、互いに通信する。エンジンコントローラーユニット５１は、ＨＥＶシステムコントローラーユニット５２、吸気カムポジションセンサー１１ａ、排気カムポジションセンサー１２ａ、クランク角センサー１４、マスエアフローメーター２１、スロットル上流温度センサー２４、吸気温センサー２８の信号を入力する。そしてエンジンコントローラーユニット５１は、これらの信号に基づいて所定の演算を実行して、イグニッションコイル１３、過給器バイパスバルブ２３、吸気スロットル２５、燃料インジェクター２９に対する指令信号を出力する。ＨＥＶシステムコントローラーユニット５２は、エンジンコントローラーユニット５１、アクセルペダル操作量センサー４０の信号を入力する。ＨＥＶシステムコントローラーユニット５２は、これらの信号に基づいて所定の演算を実行して、冷却水ポンプ２７３、ＨＥＶインバーター２７４に対する指令信号を出力する。

ここで本発明の理解を容易にするために、発明の基本コンセプトについて説明する。

圧力センサーを用いることなく吸気コレクター内の圧力を正確に推定したいという要望がある。この推定値は、マスエアフローメーター２１の故障診断に利用できる。また吸気コレクター内の圧力が変化すれば、燃料インジェクターの圧力も変わる。したがって吸気コレクター内の圧力変化に応じて、燃料インジェクターのパルス幅を調整することが好ましい。

このような理由によって、吸気コレクター内の圧力を正確に推定することが望ましい。

その一方で、発明者らは、エンジンルーム内のレイアウトの自由度を高めるべく、各部品の小形化に取り組んでいる。そこで発明者らは、吸気コレクターの内部にインタークーラーを配置することに想到した。さらにインタークーラー自体を小形化すべく、インタークーラーを水冷式にすることに想到した。

通常は、インタークーラーは、吸気コレクターとは別個独立して設けられる。このような場合は、吸気コレクター内の温度は略一様であるとみなすことができる。そしてこの温度に基づけば、吸気コレクター内の圧力を精度良く推定できる。

しかしながら、吸気コレクターの内部にインタークーラーが配置されている場合は、インタークーラーの前後で空気の温度が大きく変わるため、前述の手法では、吸気コレクター内の圧力を精度良く推定することができない。

図２は、発明の基本コンセプトについて説明する図である。

そこで、発明者らは、図２に示すように、吸気コレクターの内部のインタークーラーの前後の状態から、吸気コレクターの内部の代表温度Ｔ_Mを算出することを知見した。

これについて詳述する。

スロットル上流温度センサー２４による検出温度(インタークーラー２７による冷却前の吸気温度)をＴ１とする。インタークーラー２７よりも下流の吸気温センサー２８による検出温度(インタークーラー２７による冷却後の吸気温度)をＴ２とする。吸気スロットル２５から、ＩＶＣにおける吸気バルブ１１までの吸気通路の容積(ただしインタークーラー２７の容積を除く)をＶ１＋Ｖ２とする。吸気スロットル２５から、インタークーラー２７の上流端面までの吸気通路の容積をＶ１とする。インタークーラー２７の下流端面から、ＩＶＣにおける吸気バルブ１１までの吸気通路の容積をＶ２とする。

このようにすると、吸気スロットル２５から、インタークーラー２７の上流端面までの吸気通路について、次式(1)が成立する。

またインタークーラー２７の下流端面から、ＩＶＣにおける吸気バルブ１１までの吸気通路について、次式(2)が成立する。なおインタークーラー２７による圧力損失は、最大でも１．３ｋＰａ程度であり、大気圧(およそ１００ｋＰａ)と比較して非常に小さい。そこでインタークーラー２７による圧力損失を無視して、インタークーラー２７の下流端面から、ＩＶＣにおける吸気バルブ１１までの吸気通路における圧力は、吸気スロットル２５から、インタークーラー２７の上流端面までの吸気通路における圧力と同じであるとみなす。

また吸気スロットル２５から、ＩＶＣにおける吸気バルブ１１までの吸気通路について、次式(3)が成立する。

式(1)(2)からＭ１，Ｍ２を求めて式(3)に代入すると次式(4)が求まる。

式(4)において、Ｖ１，Ｖ２は、エンジンの仕様によって定まる値である。したがって、スロットル上流温度センサー２４による温度Ｔ１及び吸気温センサー２８による温度Ｔ２をこの式(4)に適用することで、吸気コレクターの内部の代表温度Ｔ_Mを正確に推定することができる。

そしてこの代表温度Ｔ_Mに基づくことで、吸気コレクター内の圧力を正確に推定できるのである。

図３は、コントローラーの吸気コレクターの内部状態推定にかかる機能をブロック図として表したものである。

なおブロック図に示される各ブロックは、コントローラーの各機能を仮想ユニットとして示すものであり、各ブロックは物理的な存在を意味しない。

このような技術思想を実現するための具体的な制御内容について、以下で説明する。

吸気コレクター内代表温度推定ブロックＢ１０１は、スロットル上流温度センサー２４による検出温度Ｔ１と、インタークーラー２７よりも下流の吸気温センサー２８による検出温度Ｔ２と、に基づいて、吸気コレクターの内部の代表温度Ｔ_Mを推定する。具体的には、上式(4)に基づいて推定する。

吸気コレクター内空気質量推定ブロックＢ１０２は、吸気コレクター２６に流入する空気量Ｑから、吸気コレクター２６から流出する空気量Ｑc(エンジンに流入する空気量に等しい)を差し引くことで、吸気コレクター内の空気量(吸気スロットル２５からＩＶＣにおける吸気バルブ１１までの吸気通路内の空気量)を求める。そしてその空気量を質量(＝Ｍ１＋Ｍ２)に換算する。なおこれは公知の手法であるので、ここでは簡単な説明にとどめる。吸気コレクター２６に流入する空気量Ｑは、マスエアフローメーター２１によって検出される。必要であれば、パージ空気量をも考慮してもいい。この場合は、マスエアフローメーター２１によってパージ空気量も一緒に検出すればよい。吸気コレクター２６から流出する空気量Ｑcは、エンジンに流入する空気量に等しく、これはエンジン吸入空気量推定ブロックＢ１０３によって求められている。

エンジン吸入空気量推定ブロックＢ１０３は、エンジン本体１０に吸入される空気量を推定する。なおこれも公知の手法であるので、ここでは簡単な説明にとどめる。吸気コレクター内空気質量推定ブロックＢ１０２によって、空気の質量Ｍ１＋Ｍ２が求められているので、空気の密度が求められる。この空気密度がそのままシリンダー容積Ｖｃを満たすとして、エンジンに吸入される空気量Ｑｃを求める。なおシリンダー容積Ｖｃは、ＩＶＣのタイミングにおけるシリンダー容積である。またエンジン回転速度Ｎｅは、１シリンダー１サイクル当たりに変換するための単位換算のために用いられる。

吸気コレクター内圧力推定ブロックＢ１０４は、吸気コレクターの内部の代表温度Ｔ_M及びコレクター内空気質量推定値Ｍ１＋Ｍ２に基づいて、吸気コレクター内圧力Ｐを推定する。なおコレクター内空気質量推定値Ｍ１＋Ｍ２は、吸気コレクター内空気質量推定ブロックＢ１０２で推定される。そして次式(5)によって吸気コレクター内圧力Ｐが推定される。

以上の制御ブロック図から、吸気コレクターの内部の代表温度Ｔ_Mが推定され、さらに吸気コレクター内圧力Ｐが推定される。

図４は、吸気コレクター内の吸気温の変化を説明する図である。

時刻ｔ１でアクセルペダルが踏み込まれた場合で考える。

このとき、過給器２２で過給されることで、空気の温度Ｔ１が上昇する。そしてこの空気がインタークーラー２７で冷却されるので、インタークーラー２７よりも下流の空気の温度Ｔ２は、あまり上昇しない。

これに対して、吸気コレクター内代表温度推定ブロックＢ１０１で推定された吸気コレクターの内部の代表温度Ｔ_Mは、空気温度Ｔ１よりも低く空気温度Ｔ２よりも高い温度となり、正確な温度が推定される。

図５は、吸気コレクター内の圧力の変化を説明する図である。

そしてこの代表温度Ｔ_Mによって、吸気コレクター内の圧力が推定されるので、図５に示されるように、正確な圧力を推定できるようになったのである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

１０エンジン本体
１１吸気バルブ
１２排気バルブ
２０吸気通路
２１マスエアフローメーター
２２過給器
２３過給器バイパスバルブ
２４スロットル上流温度センサー
２５吸気スロットル
２６吸気コレクター
２７インタークーラー
２８吸気温センサー
２９燃料インジェクター
３０排気通路
Ｂ１０１吸気コレクター内代表温度推定ブロック
Ｂ１０２吸気コレクター内空気質量推定ブロック
Ｂ１０３エンジン吸入空気量推定ブロック
Ｂ１０４吸気コレクター内圧力推定ブロック

Claims

エンジンに吸入される空気を圧送する過給器と、
前記過給器の下流に位置する吸気コレクターと、
前記吸気コレクターの内部に設けられ、過給器で圧送されて昇温した空気を冷却するインタークーラーと、
前記インタークーラーよりも上流に設けられ、前記過給器で圧送されて前記インタークーラーで冷却される前の空気温度を検出する冷却前温度検出部と、
前記インタークーラーよりも下流に設けられ、インタークーラーで冷却された空気温度を検出する冷却後温度検出部と、
冷却前温度及び冷却後温度に基づいて、吸気コレクターの内部の代表温度を推定する代表温度推定部と、
を含む吸気コレクターの内部状態推定装置。
請求項１に記載の吸気コレクターの内部状態推定装置において、
前記代表温度に基づいて前記吸気コレクターの内部の圧力を推定する圧力推定部をさらに含む、
吸気コレクターの内部状態推定装置。
請求項１又は請求項２に記載の吸気コレクターの内部状態推定装置において、
前記代表温度推定部は、次式(1)に基づいて吸気コレクターの内部の代表温度Ｔ_Mを推定する、

吸気コレクターの内部状態推定装置。
請求項３に記載の吸気コレクターの内部状態推定装置において、
前記圧力推定部は、次式(2)に基づいて吸気コレクターの内部の圧力Ｐを推定する、

吸気コレクターの内部状態推定装置。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の吸気コレクターの内部状態推定装置において、
前記インタークーラーは、水冷式である、
吸気コレクターの内部状態推定装置。