JP5923993B2

JP5923993B2 - 筒内残留ガス量の推定装置及び、推定方法

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Publication number: JP5923993B2
Application number: JP2012011014A
Authority: JP
Inventors: 伸匡大橋
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013148057A

Description

本発明は、筒内残留ガス量の推定装置及び、推定方法に関する。

内燃機関等のエンジンの燃焼解析を行う場合、指圧線図の解析や熱発生率及び、筒内温度等の状況を把握することが非常に重要となる。例えば、特許文献１には吸気バルブ閉弁時（Intake Valve Close:以下、ＩＶＣという）から排気バルブ開弁時（Exhaust Valve Open:以下、ＥＶＯという）における筒内残留ガス量を状態方程式に基づいて推定算出する技術が開示されている。しかしながら、このような推定算出方法はＩＶＣからＥＶＯの間にしか適用できず、特に吸気行程時や排気行程時における燃焼解析が困難な現状がある。

特開平３−２５３７３４号公報

ところで、エンジンの燃焼状態を把握する上では、筒内の残留ガス量を精度良く解析することが非常に重要となる。筒内のガス量は吸入空気量、ＥＧＲガス量、燃焼ガス量及び、残留ガス量により構成され、筒内平均ガス温度を算出する際にこれらのガス量が直接的に影響を与える。

しかしながら、筒内の残留ガス量は排気行程時及び吸気行程時のガスの移動量、すなわち吸気の噴き返しや吹き抜け又は排気の噴き戻し等の収支により決まり、これらガスの移動量を測定することは困難である。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、エンジンの排気行程時及び吸気行程時における筒内の残留ガス量を精度良く推定することにある。

上記目的を達成するため、本発明の筒内残留ガス量推定装置は、内燃機関の筒内に残留するガス量を推定する筒内残留ガス量推定装置であって、筒内圧力と筒内容積と予め設定した所定の筒内総ガス量とに基づいて状態方程式より吸気弁閉弁時から排気弁開弁時の間の筒内温度を算出する第１演算過程と、筒内圧力と吸気圧と排気圧と排気温度と前記第１演算過程で算出した筒内温度と予め設定した所定の吸気温度とに基づいて熱力学関係式より排気弁開弁時から吸気弁閉弁時の間の筒内温度と筒内総ガス質量とを算出する第２演算過程とを実行処理する演算手段を備え、前記演算手段は、前記第２演算過程で算出される筒内総ガス量が吸気量と還流ガス量と筒内残留ガス量との総和と等しくなるまで前記所定の吸気温度の値を変化させながら前記第２演算過程を繰り返し実行すると共に、等しくなった際の筒内残留ガス量を残留ガス量推定値とすることを特徴とする。

また、前記演算手段はさらに、前記第１演算過程で算出した筒内温度と前記第２演算過程で算出した筒内温度とが等しくなるまで前記第１及び第２演算過程を繰り返し実行すると共に、二回目以降の第１演算過程では、予め設定した前記所定の筒内総ガス量を直前の第２演算過程で算出した筒内総ガス量に置き換えてもよい。

また、本発明の筒内残留ガス量推定方法は、内燃機関の筒内に残留するガス量を推定する筒内残留ガス量推定方法であって、筒内圧力と筒内容積と予め設定した所定の筒内総ガス量とに基づいて状態方程式より吸気弁閉弁時から排気弁開弁時の間の筒内温度を算出する第１演算過程と、筒内圧力と吸気圧と排気圧と排気温度と前記第１演算過程で算出した筒内温度と予め設定した所定の吸気温度とに基づいて熱力学関係式より排気弁開弁時から吸気弁閉弁時の間の筒内温度と筒内総ガス質量とを算出する第２演算過程とを含み、前記第２演算過程で算出される筒内総ガス量が吸気量と還流ガス量と筒内残留ガス量との総和と等しくなるまで予め設定した前記所定の吸気温度の値を変化させながら前記第２演算過程を繰り返し実行すると共に、等しくなった際の筒内残留ガス量を残留ガス量推定値とすることを特徴とする。

また、前記第１演算過程で算出した筒内温度と前記第２演算過程で算出した筒内温度とが等しくなるまで前記第１及び第２演算過程を繰り返し実行すると共に、二回目以降の第１演算過程では、前記所定の筒内総ガス量を直前の第２演算過程で算出された筒内総ガス量に置き換えてもよい。

本発明の筒内残留ガス量の推定装置によれば、エンジンの排気行程時及び吸気行程時における筒内の残留ガス量を精度良く推定することができる。

本発明の一実施形態に係る筒内残留ガス量の推定装置を示す概略図である。本発明の一実施形態に係る筒内残留ガス量の推定装置で推定された筒内温度の時間変化を示す図である。本発明の一実施形態に係る筒内残留ガス量の推定装置で推定された筒内ガス量の時間変化を示す図である。本発明の一実施形態に係る筒内残留ガス量の推定装置による第１演算過程を示すフローチャートである。本発明の一実施形態に係る筒内残留ガス量の推定装置による第２演算過程を示すフローチャートである。

以下、図１〜５に基づいて、本発明の一実施形態に係る筒内残留ガス量の推定装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

まず、本実施形態に係る筒内残留ガス量の推定装置１０が適用される機関全体の構成から説明する。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）２０には吸気ポート２１と排気ポート２２とが設けられている。また、吸気ポート２１には吸気バルブ２４の開弁によりエンジン２０の筒内２０ａに吸気を導入する吸気通路２６が接続され、排気ポート２２には排気バルブ２７の開弁により排気ガスを排出する排気通路２８が接続されている。

吸気通路２６の上流側には、吸入空気量を検出するマスエアフローセンサ（以下、ＭＡＦセンサという）３０が設けられている。また、吸気ポート２１には吸気圧を検出する吸気圧センサ３１が設けられ、エンジン２０には筒内圧を検出する筒内圧センサ３４が設けられている。さらに、排気ポート２２には、排気圧を検出する排気圧センサ３２と、排気温度（以下、排気ポート内温度）を検出する排気温度センサ３３が設けられている。これらＭＡＦセンサ３０、吸気圧センサ３１、排気圧センサ３２、排気温度センサ３３及び、筒内圧センサ３４は、後述する演算装置５０と電気的に接続されており、検出したセンサ値を出力するように構成されている。

ＥＧＲ装置４０は排気の一部を吸気系に還流するもので、排気通路２８と吸気通路２６とを接続するＥＧＲ通路４１と、ＥＧＲ通路４１に介装されたＥＧＲクーラ４２と、ＥＧＲガス量を調整するＥＧＲバルブ４３とを備え構成されている。このＥＧＲバルブ４３のバルブ開度は、電気的に接続された演算装置５０にＥＧＲ率として出力される。

演算装置５０は、エンジン２０の筒内温度や筒内残留ガス量を推定演算するもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種演算を行うために、ＭＡＦセンサ３０、吸気圧センサ３１、排気圧センサ３２、排気温度センサ３３等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。

以下、本実施形態の演算装置５０による筒内残留ガス量の推定演算について説明する。まず、この推定演算の基本的な原理について説明する。

ＩＶＣからＥＶＯ間における筒内平均ガス温度Ｔ_clyは、気体の状態方程式に基づいて算出する。しかしながら、吸気行程及び排気行程における筒内２０ａのガス交換過程では、状態方程式に基づいて算出することができない。そこで、ガス交換過程を含めた燃焼解析を行うことで、エンジン２０の運転条件下における筒内残留ガス量Ｇ_resを以下の手順で推定する。

系のモデルは、シリンダ（筒内）２０ａと吸排気ポート２１，２２とを考慮する。未知数は吸排気バルブ２４，２７を通過するガス量ｄＧ_clyin，ｄＧ_clyoutと、筒内平均ガス温度Ｔ_clyと、筒内残留ガス量Ｇ_resと、吸気ポート２１内の温度Ｔ_intである。一方、筒内圧力、吸気ポート圧、排気ポート圧及び、排気ポート２２内の温度Ｔ_outは実測値を用いる。

ＩＶＣからＥＶＯの間及び、ＥＶＯからＩＶＣの間における燃焼解析は、それぞれの数値を受け渡すことで演算処理を行う。ここで、ＩＶＣからＥＶＯの間で演算されるＥＶＯ時筒内平均ガス温度Ｔ_clyをＥＶＯ筒内温度Ｔ_cly,1とし、ＥＶＯからＩＶＣの間で演算されるＥＶＯ時筒内平均ガス温度Ｔ_clyをＩＶＣ筒内温度Ｔ_cly,2とする。ただし、それぞれの過程で算出されるＥＶＯ筒内温度Ｔ_cly,1とＩＶＣ筒内温度Ｔ_cly,2とは一致する必要がある。

したがって、ＥＶＯ筒内温度Ｔ_cly,1とＩＶＣ筒内温度Ｔ_cly,2とが等しくなる（Ｔ_cly,1＝Ｔ_cly,2）まで演算を繰り返す。この演算過程において、系のエネルギと物質収支とはバランスが取れているので、ＥＶＯからＩＶＣの間における演算過程で筒内残留ガス量Ｇ_resが推定されることになる。

ここで、上述の各演算過程を詳述すると、筒内平均ガス温度Ｔ_clyは、次式（１）の状態方程式により算出される。

ここで、Ｐ_clyは筒内圧力、Ｖ_clyは筒内容積、Ｇ_clyは筒内総ガス量、Ｒはガス定数である。筒内総ガス量Ｇ_clyは、吸入空気Ｇ_MAF、ＥＧＲガス量Ｇ_EGR、燃焼ガス量Ｇ_burn及び、筒内残留ガス量Ｇ_resの総和であり、次式（２）のように表される。

吸入空気Ｇ_MAFはＭＡＦセンサ３０の検出値を用いる。また、ＥＧＲガス量Ｇ_EGRは、ＥＧＲバルブ４３の開度であるＥＧＲ率と、ＭＡＦセンサ３０の検出値である吸入空気Ｇ_MAFとに基づいて算出される。燃焼ガス量Ｇ_burnは、筒内圧力変化より算出した熱発生率を積分して得た値を、低位発熱量で除算することで算出される。筒内残留ガス量Ｇ_resは、以下に説明するＥＶＯからＩＶＣの間の演算過程において算出される。

ＥＶＯからＩＶＣの間における演算過程では、まず上式（１）により得られた筒内平均ガス温度Ｔ_clyのうち、ｔ＝ＥＶＯの時の値であるＥＶＯ筒内温度Ｔ_cly,1を初期値に設定する。さらに、吸気ポート内温度Ｔ_intをＴ₁（例えば、８０℃）と仮定して筒内２０ａ、吸気ポート２１及び排気ポート２２内の初期ガス量を算出する。吸排気バルブ２４，２７を通過するガス流量は、圧縮性流体の絞り流れとして各吸排気ポート２１，２２や筒内圧力比や有効開口面積等から、次式（３），（４）で算出することができる。

ここで、ｄＧは単位時間当たりに吸排気バルブ２４，２７を通過するガス流量、Ａは吸排気バルブ２４，２７の有効開口面積、ｐ₀は上流側の圧力、ｐは下流側の圧力、ｋは上流側の比熱比、Ｇは上流側のガス量、Ｖは上流側の容積である。また、筒内温度、圧力及び、ガス量は、エネルギバランス、質量保存及び、状態方程式により算出する。なお、上流側の圧力ｐ₀とは、吸気圧センサ３１及び排気圧センサ３２のうち高い値を示したセンサの検出値をいい、下流側の圧力ｐとは、吸気圧センサ３１及び排気圧センサ３２のうち低い値を示したセンサの検出値をいう。

筒内残留ガス量Ｇ_resは、このガス交換過程において筒内２０ａに補足されたガス量として算出することができる。上述のＥＶＯからＩＶＣの間における演算過程をｔ＝ＩＶＣの時まで行い、この時点で算出される筒内ガス量Ｇ_clyが吸入空気Ｇ_MAFとＥＧＲガス量Ｇ_EGRと筒内残留ガス量Ｇ_resとの総和（Ｇ_cly＝Ｇ_MAF＋Ｇ_EGR＋Ｇ_res）となるまで、仮定した吸気ポート内温度Ｔ₁を変化させる。

これらＩＶＣからＥＶＯの間及び、ＥＶＯからＩＶＣの間の演算過程は、ｔ＝ＩＶＣの時において、ＥＶＯ筒内温度Ｔ_cly,1とＩＶＣ筒内温度Ｔ_cly,2とが等しくなるまで繰り返される。このようにして得られた結果は、図２に示す筒内温度の時間変化及び、図３に示す筒内ガス量の時間変化として表される。

次に、本実施形態の演算装置５０による演算過程の流れを図４，５のフローチャートに基づいて説明する。

図４のフローチャートはＩＶＣからＥＶＯの間における演算過程を示している。まずステップ１（以下、ステップを単にＳと記載する）ではｔ＝ＩＶＣ時における各パラメータが設定される。Ｓ２では今回の演算過程が１回目の演算であるか否かが確認される。１回目の演算の場合は、Ｓ３で筒内残留ガス量Ｇ_resを任意の値であるＧ_res,1と仮定する。一方、２回目以降の演算の場合は、Ｓ３’で後述するＥＶＯからＩＶＣの間における演算過程で算出されたＧ_res,calcを設定する。

Ｓ４では、上式（１）に基づいて筒内平均ガス温度Ｔ_clyが算出されると共に、上式（２）に基づいて筒内残留ガス量Ｇ_resが算出される。さらにＳ５ではｔ＝ＥＶＯか否かが確認される。ｔ＝ＥＶＯの場合はＳ６へと進む一方、ｔ≠ＥＶＯの場合はＳ４に戻される。

Ｓ６では、ｔ＝ＥＶＯの時に算出された筒内平均ガス温度Ｔ_clyをＥＶＯ筒内温度Ｔ_cly,1に設定して、図５に示すＥＶＯからＩＶＣの間の演算過程へと進む。

図５のＳ７ではｔ＝ＥＶＯ時における各パラメータが設定される。

Ｓ８では、吸気ポート内温度Ｔ_intを任意の値であるＴ₁（例えば、８０℃）に設定する。その後、Ｓ９では上式（１）に基づいてＧ_cly(t)，Ｇ_int(t)，Ｇ_exh(t)が算出され、さらにＳ１０では上式（３），（４）に基づいてｄＧ_cly(t)，ｄＰ_cly(t)，ｄＰ_cly,2(t)が算出される。

Ｓ１１ではＳ１０で算出されたｄＧ_cly(t)，ｄＰ_cly(t)，ｄＰ_cly,2(t)が時間で積分される。そして、Ｓ１２ではｔ＝ＩＶＣであるか否かが確認される。ｔ＝ＩＶＣの場合はＳ１３へと進む一方、ｔ≠ＩＶＣの場合はＳ１０に戻される。

Ｓ１３では、Ｇ_cly,IVCからＧ_MAFとＧ_EGRとＧ_res,calcとの総和を減算した値が所定の判定閾値α以下であるか否かが確認される。ここでＧ_res,calcは、Ｓ１１の過程で算出されるＧ_cly(t+1)の最小値が用いられる。判定閾値α以下の場合はＳ１４へと進む一方、判定閾値αよりも大きい場合はＳ８に戻される。この時、吸気ポート内温度Ｔ_intを新たな値に設定すべくＴ₁にΔＴ（例えば５℃）が加算される。

Ｓ１４では、算出された筒内温度Ｔ_cly,2と筒内残留ガス量Ｇ_res,calcとがＥＶＯからＩＶＣの間の値として記憶される。ここで記憶されるＧ_res,calcは前述のＳ２で２回目以降の演算と判定された場合のＧ_resに用いられる（図４のＳ３’参照）。

Ｓ１５では、ＥＶＯ筒内温度Ｔ_cly,1とＩＶＣ筒内温度Ｔ_cly,2とが等しいか否かが判定される。Ｔ_cly,1とＴ_cly,2とが等しい場合はリターンされる一方、等しくない場合はさらに演算を繰り返すべくＳ１に戻される。

以上詳述したように、本実施形態の筒内残留ガス量の推定装置１０によれば、エンジン２０の運転条件下においてガス交換過程（排気・吸気行程）時の筒内ガス量の変化を把握することが可能となる。したがって、筒内２０ａの残留ガス量を精度良く推定算出することができる。さらに、ガス交換過程時の筒内温度の解析も精度良く行うことができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、推定装置１０はＥＧＲ装置４０を備えるエンジン２０に適用されるものとして説明したが、ＥＧＲ装置４０を備えないシステムに適用することもできる。この場合は、上述の各演算過程の式からＥＧＲガス量Ｇ_EGRを省略すればよい。

また、エンジン２０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０推定装置
２０エンジン
２１吸気ポート
２２排気ポート
２４吸気バルブ
２６吸気通路
２７排気バルブ
２８排気通路
３０ＭＡＦセンサ
３１吸気圧センサ
３２排気圧センサ
３３排気温度センサ
３４筒内圧センサ
４０ＥＧＲ装置
４１ＥＧＲ通路
４３ＥＧＲバルブ
５０演算装置

Claims

内燃機関の筒内に残留するガス量を推定する筒内残留ガス量推定装置であって、
筒内圧を検出する筒内圧センサと、
吸気圧を検出する吸気圧センサと、
排気圧を検出する排気圧センサと、
排気温度を検出する排気温度センサと、
筒内圧力実測値と筒内容積と予め設定した所定の筒内総ガス量とに基づいて状態方程式より吸気弁閉弁時から排気弁開弁時の間の筒内温度を算出する第１演算過程と、筒内圧力実測値と吸気圧実測値と排気圧実測値と排気温度実測値と前記第１演算過程で算出した筒内温度と予め設定した所定の吸気温度とに基づいて熱力学関係式より排気弁開弁時から吸気弁閉弁時の間の筒内温度と筒内総ガス量とを算出する第２演算過程とを実行処理する演算手段を備え、
前記演算手段は、前記第２演算過程で算出される筒内総ガス量が吸気量と還流ガス量と筒内残留ガス量との総和と等しくなるまで前記所定の吸気温度の値を変化させながら前記第２演算過程を繰り返し実行すると共に、等しくなった際の筒内残留ガス量を残留ガス量推定値とすることを特徴とする筒内残留ガス量推定装置。
内燃機関の筒内に残留するガス量を推定する筒内残留ガス量推定方法であって、
筒内圧力実測値と筒内容積と予め設定した所定の筒内総ガス量とに基づいて状態方程式より吸気弁閉弁時から排気弁開弁時の間の筒内温度を算出する第１演算過程と、筒内圧力実測値と吸気圧実測値と排気圧実測値と排気温度実測値と前記第１演算過程で算出した筒内温度と予め設定した所定の吸気温度とに基づいて熱力学関係式より排気弁開弁時から吸気弁閉弁時の間の筒内温度と筒内総ガス量とを算出する第２演算過程とを含み、
前記第２演算過程で算出される筒内総ガス量が吸気量と還流ガス量と筒内残留ガス量との総和と等しくなるまで予め設定した前記所定の吸気温度の値を変化させながら前記第２演算過程を繰り返し実行すると共に、等しくなった際の筒内残留ガス量を残留ガス量推定値とすることを特徴とする筒内残留ガス量推定方法。