JP5859051B2 - 内燃機関の排気温度推定装置及びその装置を利用した制御装置。 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の排気温度の推定を行う排気温度推定装置およびその排気温度推定装置を利用した内燃機関用排気温度推定制御装置に関するものである

一般に、内燃機関（エンジン）の高負荷運転時には、触媒などの排気系部品の過熱防止を図るべく燃料増量が行われるが、その燃料増量は適合値（例えばマップ値）を用いて行われる。
内燃機関の高負荷運転時の場合、排気温度に基づいて燃料増量が補正されれば、最適なる燃料増量が実施できる。

また、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）手段を備えた内燃機関において、ＥＧＲによって吸気中に還流させる排気による空気質量（排気質量）とスロットルから吸入される空気質量（吸入空気質量）の最適な割合（ＥＧＲ率）は、エンジン回転数と充填効率等の運転状態により異なっている。最適なＥＧＲ率は、適合値（例えばマップ値）を用いて行われる。
ＥＧＲ手段を備えた内燃機関の場合、最適なＥＧＲ率を維持するためにＥＧＲバルブの開度を制御する構成となっている。ＥＧＲバルブを流れる空気量（排気流量）は、ＥＧＲバルブの開度より求められる。排気質量は、排気温度により密度が変わるため、排気流量を排気温度により補正（密度補正）して排気質量を求め、最適なＥＧＲ率となるように、ＥＧＲバルブの開度を補正する。

これらの制御を行う上で、排気温度を用いることにより有益な効果を得られることができる。
これらの場合、排気温度検出用の温度センサを設けることが考えられるが、これでは、コストの上昇を招く。そこで、従来から排気温度の推定手法が提案されている。
例えば、内燃機関の排気系に設けられた酸素センサに、当該酸素センサを活性化するためのヒータを設けた構成において、酸素センサの素子内部抵抗（素子インピーダンス）の変化状態に基づいて排気温度を推定するようにしている。また、ヒータ通電に伴うヒータ発熱量を算出し、素子内部抵抗の変化状態に基づいた素子温度と、ヒータデューティ制御によるヒータ発熱量に基づいて排気温度を推定している（特許文献１参照）。

特開２００６−１６１６２５号公報

一方、酸素センサは通常、内燃機関の各気筒から連絡する排気通路の集合部に設けられているため、各気筒から排出される排気の共通の流路途中に位置することとなる。共通の流路に対する各々の気筒からの排気出口の配置により、各々の気筒から酸素センサまでの排気ガスの流れ方が各々の気筒で変わり、酸素センサに対する排気ガスの当たり方（ガス当たり）が異なることになる。そのため、酸素センサに直接排気ガスが当たる場合と当らない場合では、酸素センサ付近の温度が異なることになる。

図１０は、内燃機関の各気筒の排気ガスの流れと酸素センサ７の位置を示した図で、図１０（ａ）は１気筒の排気ガスの流れを示し、図１０（ｂ）は２気筒の排気ガスの流れを示し、図１０（ｃ）は３気筒の排気ガスの流れを示し、図１０（ｄ）は４気筒の排気ガスの流れを示している。
内燃機関は１気筒、３気筒、４気筒、２気筒の順に排気が行われている。例えば、現在の各気筒の排気温度が５００℃とすると、図１０に示すように、１、２気筒は、直接酸素センサ７に排気ガスが当たるため、１、２気筒の排気ガスによる酸素センサ付近の温度は５００℃となる。その他の気筒は、直接酸素センサ７に当たっていないため、酸素センサ付近の温度は４５０℃になったとする。１、２気筒の排気ガスが当たるタイミング（１、２気筒の排気行程）で排気温度を算出すると５００℃となるが、３、４気筒の排気ガスが当たるタイミングで排気温度を算出すると４５０℃となる。これを平均すると４７５℃となり、実際の排気温度よりも低く推定される。

上記のように実際の排気温度よりも低く排気温度を推定した場合、触媒などの排気系の過熱防止の燃料増量が過少となり、排気温度が上昇し、触媒などの排気系部品が過熱により破損する可能性が出てくる。
また、上記のように実際の排気温度よりも低く排気温度を推定した場合、ＥＧＲ流量を推定排気温度で補正（密度補正）をした場合、実際のＥＧＲ質量よりも過大に補正することとなり、最適なＥＧＲ率を保つことができず、排気ガスが悪化する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コストの上昇を招くことなく、排気温度を精度良く推定することができる内燃機関の排気温度推定装置およびそれを利用した内燃機関用排気温度推定制御装置を提供するものである。

この発明に係る内燃機関の排気温度推定装置は、内燃機関のエンジン回転数を検出する回転数検出手段と、内燃機関の排気系に取り付けられた酸素センサの検出素子のインピーダンスから素子温度を検出する素子温度検出手段と、回転数検出手段からの信号に基づいて内燃機関の各気筒の排気工程を検出し、酸素センサに排気ガスが直接当たる気筒が排気しているタイミングを排気温度の測定タイミングと判定する排気温度測定タイミング検出手段と、排気温度測定タイミング検出手段が測定タイミングと判定した時における素子温度検出手段が検出した素子温度を推定排気温度とする推定排気温度検出手段とを備えたものである。

また、この発明に係る内燃機関用排気温度推定制御装置は、排気温度推定装置と内燃機関のＥＧＲバルブを制御するＥＧＲ制御手段を備え、ＥＧＲ制御手段は、回転数検出手段で検出したエンジン回転数とＥＧＲバルブの開度からＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ量算定手段と、排気温度推定装置からの推定排気温度に基づきＥＧＲ流量を補正するための温度補正値を算出する温度補正値算出手段を有し、ＥＧＲ量算定手段が算出したＥＧＲ流量を温度補正値算出手段からの温度補正値により補正して、ＥＧＲバルブを制御するようにしたものである。

また、この発明に係る内燃機関用排気温度推定制御装置は、排気温度推定装置と内燃機関のエンジンに噴射する燃料を制御する燃料制御手段を備え、燃料制御手段は、回転数検出手段で検出したエンジン回転数と内燃機関の吸気管圧力に基づき基本燃料噴射量を算出する基本燃料噴射量算出手段と、内燃機関の高負荷運転時に、排気温度推定装置からの推定排気温度に基づき基本燃料噴射量を補正するための高負荷増量補正係数を算出する高負荷増量算出手段を有し、基本燃料噴射量算出手段が算出した基本燃料噴射量を高負荷増量算出手段が算出した高負荷増量補正係数により補正して、エンジンに噴射する燃料を制御するようにしたものである。

この発明の内燃機関の排気温度推定装置によれば、各気筒からの排気ガスによって酸素センサが検出する素子温度が異なる場合においても、コストの上昇を招くことなく、排気温度を精度良く推定することができる。
また、この発明の内燃機関用排気温度推定制御装置によれば、内燃機関のいかなる運転状態においても、精度よく推定した排気温度に基づき、ＥＧＲバルブの開度を補正制御するので最適なＥＧＲ率で制御したり、高負荷時に燃料噴射量を補正制御するので最適な燃料増量が実施できる。

この発明の実態の形態４に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置を示す構成図である。 この発明の実態の形態１に係わる内燃機関の排気温度推定装置を示す構成図である。 この発明の実態の形態１に係わる内燃機関の排気温度推定装置における各気筒の行程を示した図である。 この発明の実態の形態１に係わる内燃機関の排気温度推定装置に使用される酸素センサの素子インピーダンスと素子温度の関係を示す特性図である。 この発明の実態の形態１に係わる内燃機関の排気温度推定装置の処理を示すフローチャート図である。 この発明の実態の形態２に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置を示す構成図である。 この発明の実態の形態２に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置における推定排気温度と温度補正係数の関係を示す特性図である。 この発明の実態の形態３に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置を示す構成図である。 この発明の実態の形態３に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置における推定排気温度と高負荷時増量補正係数の関係を示す特性図である。 この発明の実態の形態に係わる内燃機関の排気温度推定装置におけるガス当たりによる酸素センサに影響を示した図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の排気温度推定装置および内燃機関用排気温度推定制御装置を図１から図５に基づいて説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置が設けられる車両の構成を示した図である。図１において、内燃機関１は多気筒ガソリンエンジンであり、吸気管２には吸気管２に流れる空気量を圧力で検出する吸気管圧力センサ３が設けられている。吸気管圧力センサ３の下流側の吸気ポート近傍には燃料を噴射するインジェクタ４が設けられている。

インジェクタ４から燃料が噴射されると、その噴射燃料と吸気管２から吸入された空気とが混合され、その混合気が内燃機関１のエンジン燃焼室にて燃焼される。燃焼した燃料は排気ガスとして排気管５に排出され、排気管５において触媒６よりも上流に設けられているガスセンサである酸素センサ７で排気温度が検出される。
酸素センサ７は、酸素濃度検出素子７ａとヒータ７ｂを備え、酸素濃度検出素子７ａは排気ガス中の酸素濃度を検出して温度を測定する素子で、ヒータ７ｂは酸素濃度検出素子７ａを加熱する加熱素子である。

また、ＥＧＲ手段として、排気管５と吸気管２との間を接続するＥＧＲ通路８が設けられており、そのＥＧＲ通路８の途中にＥＧＲバルブ９が設けられている。内燃機関１のエンジ室にはエンジン回転数を検出する回転数検出手段としての回転数センサ１０が設けられている。
吸気管圧力センサ３が検出した空気圧力に対応した信号、酸素センサ７が検出した素子温度に対応した信号、回転数センサ１０が検出したエンジン回転数に対応した信号はＥＣＵ（電子制御ユニット）２０に入力される。ＥＣＵ２０には他にも各種センサからの信号が入力されるが、この発明には直接関係ないので説明を省略する。

ＥＣＵ２０は、酸素センサ７のヒータ７ｂへ通電を行い、酸素濃度検出素子７ａを予め定められた指標素子温度となるようにヒータ通電操作量を帰還制御する。ガスセンサである酸素センサ７の酸素濃度検出素子７ａのインピーダンスは、温度により変わるため、素子インピーダンスを測定することにより、素子温度に変換して排気温度を検出する。
また、ヒータ７ｂが通電中の場合は、ヒータ７ｂによる過熱分が含まれている。ヒータ７ｂによる過熱分は、ヒータ７ｂの駆動デューティ比に比例するのでヒータデューティ比から算出する。酸素濃度検出素子７ａが検出した温度からヒータ７ｂによる過熱分を減算し、素子温度とする。これにより、測定した素子温度をＥＣＵ２０に送って排気管５に流れる排気ガスの温度を推定する。

ＥＣＵ２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどよりなるマイクロコンピュータを主体として構成されており、排気温度検出手段２１とＥＧＲ制御手段２２と燃料制御手段２３を備えている。
排気温度検出手段２１は、回転数センサ１０により排気温度推定を実施するタイミングを判定し、酸素濃度検出素子７ａの抵抗値（インピーダンス）より排気温度を推定する。ＥＧＲ制御手段２２は、排気温度検出手段２１で検出した推定排気温度よりＥＧＲ質量を推定し、最適なＥＧＲ率となるようにＥＧＲバルブ９を制御する。燃料制御手段２３は、インジェクタ４から噴射する燃料を制御すると共に、内燃機関１の高負荷運転時には排気温度検出手段２１で検出した推定排気温度より燃料を増量補正するように制御する。

図２はこの発明の実施の形態に関わる内燃機関の排気温度推定装置の構成図を示し、図１のＥＣＵ２０に含まれる排気温度検出手段２１の具体的構成を表してしている。
図２において、排気温度測定タイミング検出手段２１１は、図３に示すように回転数センサ１０から送られてくる信号に基づいて各気筒の行程から現在の内燃機関の行程を検出し、排気温度を推定する測定タイミングであるかを判定する。具体的には、内燃機関の各気筒の排気工程を検出し、酸素センサ７に排気ガスが直接当たる気筒（図１０の１気筒と２気筒）が排気しているタイミングを測定タイミングとして判定するようにする。

素子温度検出手段２１２は、酸素濃度検出素子７ａから送られてくる測定素子温度を検出する。酸素濃度検出素子７ａは、図４の特性図に示すように素子インピーダンスが温度により変わるので、素子インピーダンスを測定することで素子温度が分かる。
推定排気温度検出手段２１３は、排気温度測定タイミング検出手段２１１により排気温度を推定する測定タイミングであると判定された場合、その時における酸素濃度検出素子７ａが検出した測定素子温度を推定排気温度とする。

図５は、この発明の実施の形態に関わる内燃機関の排気温度推定装置の処理工程を示したフローチャート図である。
図５において、ステップＳ５０１は、回転数センサ１０からの信号により現在の内燃機関の運転状態を検出する。ステップＳ５０２は運転状態から現在の内燃機関の各気筒の行程を検出する。
ステップＳ５０３は、酸素濃度検出素子７ａの測定素子温度を検出する。ステップＳ５０４は、ステップＳ５０２により検出した内燃機関の行程が、1気筒の排気行程であるか否かを判定する。

ステップＳ５０４において、今回の内燃機関の行程が、１気筒の排気工程と判定した場合、すなわちＹｅｓと判定した場合は、ステップＳ５０５に進む。ステップＳ５０５おいて、ステップＳ５０３で検出した酸素濃度検出素子７ａの測定素子温度より推定排気温度を推定する。

ステップＳ５０４において、今回の内燃機関の行程が、１気筒排気行程でないと判定した場合、すなわちＮｏと判定した場合は、ステップＳ５０６に進む。ステップＳ５０６おいて、ステップＳ５０２で検出した内燃機関の行程が、２気筒排気行程であるか否かを判定する。
ステップＳ５０６にて、今回の内燃機関の行程が、２気筒排気工程と判定した場合、すなわちＹｅｓと判定した場合は、ステップＳ５０５にて、ステップＳ５０３で検出した酸素濃度検出素子７ａの測定素子温度より推定排気温度を推定する。ステップＳ５０６において、今回の内燃機関の行程が、２気筒排気行程でないと判定した場合、すなわちＮｏと判定した場合は、検出を終了する。

このように内燃機関１の各気筒からの排気ガスによって酸素センサ７が検出する素子温度が異なる場合においても、内燃機関の各気筒の排気工程を検出し、酸素センサ７に排気ガスが直接当たる気筒が排気しているタイミングの素子温度を測定することで、排気温度を精度良く推定することができる。こうしてコストの上昇を招くことなく、いかなる運転状態においても内燃機関の排気温度を精度良く推定できる。

実施の形態２．
次に、上記した内燃機関の排気温度推定装置を利用して内燃機関のＥＧＲバルブを制御するＥＧＲ制御手段を有した、この発明の実態の形態２に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置を図６及び図７に基づいて説明する。
図６は内燃機関用排気温度推定制御装置におけるＥＧＲ量推定に関わる構成図であり、図１に示したＥＣＵ２０内のＥＧＲ制御手段２２の具体的な構成を示す。
ＥＧＲ制御手段２２は、回転数センサ１０で検出したエンジン回転数とＥＧＲバルブ９の開度に基づいてＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ量算定手段２２１と、排気温度検出手段２１からの推定排気温度に基づきＥＧＲ流量を補正するための温度補正値（密度補正係数）を算出する温度補正値算出手段２２２を有している。

温度補正値算出手段２２２は、図７の特性図に示すように、推定排気温度が高いほど温度補正値は大きく、推定排気温度が低いほど温度補正値は小さくなるように温度補正値（密度補正係数）を算出する。
そして、ＥＧＲ量算定手段２２１により算出したＥＧＲ流量に、温度補正値算出手段２２２が算出した温度補正値を乗算して温度補正後ＥＧＲ量推定値を算出する。

つまり、ＥＧＲ流量は、排気温度により変化するが、該ＥＧＲ流量を排気温度推定値に基づいて補正することで、正確なＥＧＲ流量を求めることができ、最適なＥＧＲ率となるように、ＥＧＲバルブ９の開度を補正することができる。
このように、ＥＧＲ量算定手段２２１が算出したＥＧＲ流量を、排気温度推定値に基づいて温度補正値算出手段２２２が算出した温度補正値により補正して、ＥＧＲバルブ９を制御することで、最適なＥＧＲ率となるように制御できる。

実施の形態３．
次に、上記した内燃機関の排気温度推定装置を利用して内燃機関のエンジンに噴射する燃料を制御する燃料制御手段を有した、この発明の実態の形態３に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置を図８及び図９に基づいて説明する。
図８は内燃機関用排気温度推定制御装置における高負荷時の燃料増量手段に関わる構成図であり、図１に示したＥＣＵ２０内の燃料制御手段２３の具体的な構成を示す。
燃料制御手段２３は、回転数センサ１０で検出したエンジン回転数と内燃機関１の吸気管圧力センサ３で検出した吸気管圧力に基づき基本燃料噴射量を算出する基本燃料噴射量算出手段２３１と、内燃機関の高負荷運転時に、排気温度検出手段２１からの推定排気温度に基づき基本燃料噴射量を補正するための高負荷増量補正係数を算出する高負荷増量算出手段２３２を有している。

高負荷増量算出手段２３２は、図９の特性図に示すように、推定排気温度が高いほど高負荷増量補正係数は大きく、推定排気温度が低いほど高負荷増量補正係数は小さくなるように高負荷増量補正係数を算出する。
そして、基本燃料噴射量算出手段２３１が算出した基本燃料噴射量に、高負荷増量算出手段２３２が算出した高負荷増量補正係数を乗算し、燃料噴射量を算出する。

つまり、基本燃料噴射量算出手段２３１が算出した基本燃料噴射量を、内燃機関の高負荷運転時に、排気温度推定値に基づいて燃料の増量補正をすることで、触媒などの排気系部品の過熱防止を図るべく燃料増量が行われ、最適なる燃料増量が実施できる。
このように、基本燃料噴射量算出手段２３１が算出した基本燃料噴射量を、高負荷運転時に、排気温度推定値に基づいて高負荷増量算出手段２３２が算出した高負荷増量補正係数により補正して燃料噴射量を調整することで、エンジンに噴射する燃料を最適に制御できる。

実施の形態４．
次に、上記した内燃機関の排気温度推定装置を利用して、内燃機関のＥＧＲバルブを制御するＥＧＲ制御手段と、内燃機関のエンジンに噴射する燃料を制御する燃料制御手段を有した、この発明の実態の形態４に係わる内燃機関用排気温度推定制御装置について説明する。
この実施の形態４の発明は、実施の形態２で説明したＥＧＲ制御手段２２と、実施の形態３で説明した燃料制御手段２３の両方を備えた内燃機関用排気温度推定制御装置であって、その全体構成は図１に示したもので、また個々の手段の具体的構成は図６および図８に示したものと同じであるので、図示を省略する。

この実施の形態４では、ＥＧＲ制御手段２２は排気温度検出手段２１からの推定排気温度に基づきＥＧＲ流量を補正してＥＧＲバルブ９を制御し、燃料制御手段２３は内燃機関の高負荷運転時に、排気温度検出手段２１からの推定排気温度に基づきインジェクタ４からエンジンに噴射する燃料を補正して制御するようにする。
このように排気温度検出手段２１で精度良く推定された推定排気温度に基づき、ＥＧＲバルブ９の開度およびインジェクタ４からの燃料噴射量を補正することで、エンジン負荷の運転状態にかかわらず、最適に制御できる。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：内燃機関、 ２：吸気管、 ３：吸気管圧力センサ、 ４：インジェクタ、
５：排気管、 ６：触媒、 ７：酸素センサ、 ７ａ：酸素濃度検出素子、
７ｂ：酸素センサヒータ、 ８：ＥＧＲ通路、 ９：ＥＧＲバルブ、
１０：回転数センサ、 ２０：ＥＣＵ、 ２１：排気温度検出手段、
２２：ＥＧＲ制御手段、 ２３：燃料制御手段、 ２２１：ＥＧＲ量算出手段、
２２２：温度補正値算出手段、 ２３１：基本燃料噴射量算出手段、
２３２：高負荷増量算出手段。

Claims (6)

1. 内燃機関のエンジン回転数を検出する回転数検出手段と、前記内燃機関の排気系に取り付けられた酸素センサの検出素子のインピーダンスから素子温度を検出する素子温度検出手段と、前記回転数検出手段からの信号に基づいて前記内燃機関の各気筒の排気工程を検出し、前記酸素センサに排気ガスが直接当たる気筒が排気しているタイミングを排気温度の測定タイミングと判定する排気温度測定タイミング検出手段と、前記排気温度測定タイミング検出手段が測定タイミングと判定した時における前記素子温度検出手段が検出した素子温度を推定排気温度とする推定排気温度検出手段とを備えた内燃機関の排気温度推定装置。
2. 請求項１に記載の排気温度推定装置と前記内燃機関のＥＧＲバルブを制御するＥＧＲ制御手段を備え、前記ＥＧＲ制御手段は、前記回転数検出手段で検出したエンジン回転数と前記ＥＧＲバルブの開度からＥＧＲ流量を算出するＥＧＲ量算定手段と、前記排気温度推定装置からの推定排気温度に基づき前記ＥＧＲ流量を補正するための温度補正値を算出する温度補正値算出手段を有し、前記ＥＧＲ量算定手段が算出したＥＧＲ流量を前記温度補正値算出手段からの温度補正値により補正して、前記ＥＧＲバルブを制御するようにした内燃機関用排気温度推定制御装置。
3. 前記排気温度推定装置と前記ＥＧＲ制御手段は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭよりなるマイクロコンピュータの電子制御ユニットで構成された請求項２に記載の内燃機関用排気温度推定制御装置。
4. 請求項１に記載の排気温度推定装置と前記内燃機関のエンジンに噴射する燃料を制御する燃料制御手段を備え、前記燃料制御手段は、前記回転数検出手段で検出したエンジン回転数と前記内燃機関の吸気管圧力に基づき基本燃料噴射量を算出する基本燃料噴射量算出手段と、前記内燃機関の高負荷運転時に、前記排気温度推定装置からの推定排気温度に基づき前記基本燃料噴射量を補正するための高負荷増量補正係数を算出する高負荷増量算出手段を有し、前記基本燃料噴射量算出手段が算出した基本燃料噴射量を前記高負荷増量算出手段が算出した高負荷増量補正係数により補正して、前記エンジンに噴射する燃料を制御するようにした内燃機関用排気温度推定制御装置。
5. 前記排気温度推定装置と前記燃料制御手段は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭよりなるマイクロコンピュータの電子制御ユニットで構成された請求項４に記載の内燃機関用排気温度推定制御装置。
6. 請求項１に記載の排気温度推定装置と、前記内燃機関のＥＧＲバルブを制御するＥＧＲ制御手段と、前記内燃機関のエンジンに噴射する燃料を制御する燃料制御手段を備え、前記ＥＧＲ制御手段は、前記排気温度推定装置からの推定排気温度に基づきＥＧＲ流量を補正してＥＧＲバルブを制御し、前記燃料制御手段は、前記内燃機関の高負荷運転時に、前記排気温度推定装置からの推定排気温度に基づきエンジンに噴射する燃料を補正して制御するようにした内燃機関用排気温度推定制御装置。

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