JP6057787B2

JP6057787B2 - 排気温度推定装置

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Publication number: JP6057787B2
Application number: JP2013050814A
Authority: JP
Inventors: 祐吉林
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: JP2014177875A

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に酸化触媒及びＤＰＦが設けられ、該排気通路における排気温度を推定可能な排気温度推定装置の技術分野に関する。

ディーゼルエンジンなどの内燃機関の排気に含まれる大気汚染物質の削減は、近年、大きな課題となっている。そこで排気通路には、排気中に含まれる酸素を利用して排気中の炭化水素（ＨＣ）を主とした未燃焼物質を酸化して水（Ｈ_２０）と二酸化炭素（ＣＯ_２）に分解する酸化触媒（ＤＯＣ）や、排気中の未燃焼微細物質（ＰＭ）を捕集することによって浄化を行うディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）などからなる排気後処理装置が設けられている。この種の排気後処理装置では、ＤＰＦにおけるＰＭの蓄積量が増えると浄化能力が低下することから、所定タイミングで再生処理を実施することによって、蓄積したＰＭの燃焼処理を行う。

排気後処理装置では、その性能確保のために温度管理が重要である。特に酸化触媒では十分な浄化能力が発揮できるように活性温度以上に昇温する必要がある一方で、過昇温が生じると劣化や破損が生じるおそれがあるため、適切な温度範囲に管理する必要がある。そのため、排気通路に設けられた酸化触媒の前後には、排気温度センサがそれぞれ設置されている。しかしながらこの種の排気温度センサは比較的高価であるため、コスト削減の観点から設置箇所の低減が望まれている。

このような排気温度センサの設置箇所低減のための一策として、所定箇所に設置した排気温度センサの検出値に基づいて、他の箇所における排気温度を推定することによって、センサ数の低減を図ることが考えられる。特許文献１及び２は排気温度センサ数の低減を目的とするものではないが、排気通路において酸化触媒の前後いずれか一方に設置した排気温度センサの検出値に基づいて、他方の排気温度を推定する技術が開示されている。

特開２００６−２２７３０号公報特許第４３２５３６７号

特許文献１では、内燃機関の運転状態が所定の安定状態ある場合に限り、排気温度の推定が可能となっている。また特許文献２では、酸化触媒におけるＨＣ酸化燃焼熱が無視できるような限られた運転条件が成立した場合に限って、排気温度の推定が可能である。このように、従来技術ではごく限られた条件が成立した場合にのみ排気温度の推定が可能であるため（例えばＤＰＦ再生中や過渡的な運転状態では推定できないため）、内燃機関の運転中に定常的に使用される排気後処理装置の監視用には適していない。そのため、上記技術をそのまま適用したのでは、排気温度センサの削減に至ることは難しい。

また特許文献２では、排気温度を推定するために酸化触媒を含む一連の系をモデル化しているが、運転条件の変化に対する排気温度の遅れを単純な１次遅れフィルタ等の伝達関数で表しているため、良好な推定精度を得ることが難しい。

本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、広い条件下において排気通路における排気温度の推定を、低コスト且つ高精度で実現可能な排気温度推定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る排気温度推定装置は上記課題を解決するために、内燃機関の排気通路に酸化触媒及び該酸化触媒より下流側にＤＰＦが設けられ、前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流側、又は、前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間のいずれか一方における排気温度を推定する排気温度推定装置であって、前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流側、又は、前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間の他方における第１排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記酸化触媒へのＨＣ添加量を検出するＨＣ添加量検出手段と、前記ＨＣ添加量から前記酸化触媒における酸化燃焼熱量を算出する酸化燃焼熱量算出手段と、前記酸化触媒と該酸化触媒を流れる排気との間における熱交換量を算出する熱交換量算出手段と、前記検出された第１排気温度、前記酸化燃焼熱量及び熱交換量に基づいて、前記一方における第２排気温度を推定する排気温度推定手段とを備え、前記酸化燃焼熱量算出手段では、前記第１排気温度をパラメータとするアレニウス則を用いて前記酸化触媒で反応可能なＨＣ最大反応量を求め、前記ＨＣ添加量が前記ＨＣ最大反応量より大きい場合、前記ＨＣ最大反応量を前記ＨＣ添加量として前記酸化燃焼熱量を算出することを特徴とする。
また前記酸化燃焼熱量算出手段は、前記内燃機関の回転数及び燃料噴射量に基づいて前記内燃機関から排出される排気に含まれるＨＣ含有量を算出し、前記ＨＣ含有量を前記ＨＣ添加量に合算して前記酸化燃焼量を算出してもよい。

本発明によれば、ポスト噴射等によるＨＣ添加量から求められる酸化燃焼熱量や、酸化触媒と排気との間における熱交換量を算出することにより、酸化触媒における熱収支モデルを構築し、第１排気温度（酸化触媒の上流側、又は、酸化触媒及びＤＰＦ間のいずれか一方における排気温度の検出値）から第２排気温度（酸化触媒の上流側、又は、酸化触媒及びＤＰＦ間の他方における排気温度）を推定できる。このような排気温度の推定は、内燃機関の運転状態に関わらず広い条件下において実施可能であるため、酸化触媒の前後いずれか一方の排気温度検出手段を廃止して、コスト削減を図ることができる。
また、このような熱収支モデルは、従来技術のような１次遅れフィルタ等の伝達関数を用いた場合に比べて実体に近いため、良好な推定精度を得ることができる。

本発明の一態様では、外気温度を検出する外気温度検出手段と、前記外気と前記酸化触媒との温度差から、前記酸化触媒から外気への放熱量を算出する放熱量算出手段とを備え、前記熱交換量算出手段は、前記放熱量に基づいて前記熱交換量を算出する。
この態様によれば、熱収支モデルに酸化触媒から外気への放熱量を組み込むことによって、より高精度に排気温度を推定することができる。

また他の態様では、前記酸化燃焼熱量算出手段では、前記酸化触媒温度をパラメータとするアレニウス則を用いて前記酸化触媒で反応可能なＨＣ最大反応量を求め、前記ＨＣ添加量が前記ＨＣ最大反応量より大きい場合、前記ＨＣ最大反応量を前記ＨＣ添加量として酸化燃焼熱を算出する。
この態様によれば、ポスト噴射等によってＨＣが過剰に添加された場合に酸化触媒で反応することなく下流側へ流出する分を考慮し、ＨＣ最大反応量（酸化触媒で反応可能なＨＣ量の最大値）に基づいて酸化燃焼熱を算出することで、より高精度に排気温度を推定することができる。

また他の態様では、前記排気温度検出手段では、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間における排気温度を前記第１排気温度として検出する。
この態様によれば、酸化触媒及びＤＰＦ間の排気温度を検出することによって、酸化触媒の上流側における排気温度を推定できる。このように酸化触媒及びＤＰＦ間における排気温度を第１排気温度として検出することで、酸化触媒を通過後の排気温度を実測値として監視できるので、酸化触媒の上流側の排気温度を第１排気温度として検出する場合に比べて、酸化触媒の実状態を確実に把握することができる。

尚、前記排気温度検出手段で、前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流側の排気温度を第１排気温度として検出した場合には、酸化触媒の上流側における排気温度を検出することで、酸化触媒及びＤＰＦ間の排気温度を推定できる。この場合、酸化触媒を通過する前の排気温度を検出することで、検出値にタイムラグが少なく、酸化触媒及びＤＰＦ間における排気温度を第１排気温度として検出する場合に比べて精度のよい排気温度推定ができる。

また他の態様では、前記排気温度検出手段は前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間に設けられている。
この態様によれば、排気温度検出手段を酸化触媒及びＤＰＦ間に設けることによって、酸化触媒の上流側における排気温度を推定できる。このように酸化触媒及びＤＰＦ間における排気温度を第１排気温度として検出することで、酸化触媒を通過後の排気温度を実測値として監視できるので、酸化触媒の上流側の排気温度を第１排気温度として検出する場合に比べて、酸化触媒の実状態を確実に把握することができる。

尚、排気温度検出手段を酸化触媒の上流側に設けた場合には、酸化触媒及びＤＰＦ間の排気温度を推定できる。この場合、酸化触媒を通過する前の排気温度を検出することで、検出値にタイムラグが少なく、排気温度検出手段を酸化触媒及びＤＰＦ間に設けた場合に比べて精度のよい排気温度推定ができる。

本実施例に係る排気温度推定装置を搭載した車両の内部構造を示す構成図である。排気温度推定制御のフローチャートである。排気温度推定制御の制御内容を概念的に示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を例示的に詳しく説明する。但し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（全体構成）
図１は本実施例に係る排気温度推定装置を搭載した車両の内部構造を示す構成図である。
符号１はコモンレール式の燃料噴霧装置を備えた内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、適宜「エンジン」と称する）であり、各気筒の燃焼室内には燃料噴射弁から燃料が直接噴射され、圧縮着火燃焼が行われる。燃料噴射弁の燃料噴射時期及び噴射量は電子制御ユニット（以下、適宜「ＥＣＵ」と称する）１０によって電気的に制御されている。

外部からエアクリーナ２を介して導入された吸気は吸気管３を介してエンジン１に取り込まれ、燃焼室にて圧縮着火燃焼によって発生した排気は排気管４に排出される。排気管４には上流側から順に酸化触媒（ＤＯＣ）５及びディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）６を備えている。

ＤＯＣ５では、排気中に含まれる酸素を利用して、排気中の炭化水素（ＨＣ）を主とした未燃焼物質を酸化して水（Ｈ_２０）と二酸化炭素（ＣＯ_２）に分解する。
ＤＰＦ６では、排気中の未燃焼微細物質（ＰＭ）を捕集することによって浄化を行う。ＤＰＦ６に捕集されたＰＭの蓄積量が増えると浄化能力が低下することから、所定のタイミングでＤＰＦ６の再生処理が実施される。再生処理時には、ＤＯＣ５の上流側に設けられたＨＣ添加装置７によって排気管４中に燃料（ＨＣ）を噴射し、ＤＯＣ５で当該排気中に含まれる燃料を酸化させて排気を昇温し、高温になった排気をＤＰＦ６に送り込むことによって、蓄積したＰＭを燃焼処理する。

このようにＤＯＣ５及びＤＰＦ６で浄化された排気は、更に下流側に配置された不図示のＮＯｘ選択還元型触媒において排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を水（Ｈ_２０）と窒素（Ｎ_２）に分解浄化した後、外部に排出される。

吸気管３には吸気流量Ｇ_ａｉｒ［ｋｇ／ｓ］を検出するための吸気流量センサ８が設けられている。ＤＯＣ５の上流側の排気管４にはＤＯＣ５の入口圧力Ｐ_ｉｎを検出するための圧力センサ９が設けられている。排気管４のうちＤＯＣ５及びＤＰＦ６間にはＤＯＣ５の下流側温度Ｔ_ｏｕｔ［Ｋ］を検出するための排気温度センサ１１が設けられている。また車両には外気温度Ｔ_ａｍｂ［Ｋ］を検出するための外気温度センサ１２、及び、車速Ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}［ｋｍ／ｈ］を検出するための車速センサ１３が設けられている。
吸気流量センサ８の検出値Ｇ_ａｉｒ［ｋｇ／ｓ］、入口圧力センサ９の検出値Ｐ_ｉｎ［Ｐａ］、排気温度センサ１１の検出値Ｔ_ｏｕｔ［Ｋ］、外気温度センサ１２の検出値Ｔ_ａｍｂ［Ｋ］、及び、車速センサ１３の検出値Ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}［ｋｍ／ｈ］は、それぞれ演算装置であるＥＣＵ１０に送られ、後述の排気温度推定制御の演算に利用される。

ＥＣＵ１０はエンジン１をはじめとする車両全体の制御を統括するコントロールユニットであり、一般的なエンジン制御に加えて、本実施例ではＤＯＣ５の下流側に配置された排気温度センサ１１の検出値に基づいて、ＤＯＣ５の入口温度Ｔ_ｉｎ［Ｋ］を推定する排気温度推定方法を実施する排気温度推定装置として機能する。尚、当該推定方法の実施に必要な制御ロジックはＥＣＵ１０が備えるメモリ等の記憶部に予めプログラムとして記憶されており、演算装置によって適宜読みだされることによって実施可能に構成されている。
図１では特に、ＥＣＵ１０の内部構成として、該ＥＣＵ１０で実施される後述の排気温度算出方法の各ステップに対応する機能ブロックを示しており、ＨＣ添加装置７によるＨＣ添加量を検出するＨＣ添加検出手段１５と、酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］を算出する酸化燃焼熱量算出手段１６と、放熱量Ｑ_ｒａｄ［Ｗ］を算出する放熱量算出手段１７と、熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］を算出する熱交換量算出手段１８と、排気温度の推定結果を求める排気温度推定手段１９とを含んで構成されている。
尚、本実施例では、ＨＣ添加装置７を用いてＨＣを添加する場合を示しているが、これに代えてエンジン燃焼室内に設けられた燃料インジェクタによるポスト噴射を用いてＨＣ添加を行ってもよい。

続いてＥＣＵ１０において実施される排気温度推定方法の具体的内容について説明する。この排気温度推定方法では、ＤＯＣ５における熱収支モデルを構築することによって、第１排気温度（ＤＯＣ５の上流側、又は、ＤＯＣ５及びＤＰＦ６間のいずれか一方における排気温度の検出値）から第２排気温度（ＤＯＣ５の上流側、又は、ＤＯＣ５及びＤＰＦ６間の他方における排気温度）を推定する。
本実施例では、第１排気温度としてＤＯＣ５及びＤＰＦ６間に配置された排気温度センサ１１によって検出される排気温度値を用い、ＤＯＣ５の上流側における排気温度Ｔ_ｉｎ［Ｋ］を推定する場合について、以下詳述する。
尚、排気温度センサ１１をＤＯＣ５の上流側に配置することにより、ＤＯＣ５の上流側での排気温度検出値を第１排気温度として用いた場合も同様の技術的思想に基づいて、ＤＯＣ５及びＤＰＦ６間における排気温度を推定することができる。

図２はＥＣＵ１０において実施される排気温度推定方法が採用するＤＯＣ５の熱収支モデルを概念的に示す図である。ＤＯＣ５には上流側でＨＣ添加装置７によって添加された燃料が酸化することによって酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］が与えられる一方で、該ＤＯＣ５を流れる排気との間に生じる温度差に基づいた熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］が生じる。また酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］や熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］に比べて排気温度に与える影響は小さいものの、ＤＯＣ５と外気との間の温度差に基づいて放熱量Ｑ_ｒａｄ［Ｗ］が生じる。本実施例における排気温度推定方法では、これら３つの熱量の移動を考慮することによって、ＤＯＣ５を熱収支モデル化して排気温度を推定することができる。

図３は本実施例に係る排気温度推定方法の実施プロセスを示すフローチャートである。
まずＥＣＵ１０は各センサ類の検出値（吸気流量Ｇ_ａｉｒ［ｋｇ／ｓ］、入口圧力Ｐ_ｉｎ［Ｐａ］、排気温度Ｔ_ｏｕｔ［Ｋ］、外気温度Ｔ_ａｍｂ［Ｋ］、車速Ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}［ｋｍ／ｈ］）を取得する（ステップＳ１０１）。そして、取得した検出値を用いて、ＤＯＣ５の上流側に設けられたＨＣ添加装置７から添加された燃料が酸化されることによって与えられる酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］を算出し（ステップＳ１０２）、ＤＯＣ５から外気への放熱量Ｑ_ｒａｄ［Ｗ］を算出し（ステップＳ１０３）、ＤＯＣ５及び排気間の熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］を算出する（ステップＳ１０４）。そして、最後にステップＳ１０２〜S１０４の算出結果に基づいて、ＤＯＣ５の上流側における排気温度Ｔ_ｉｎ［Ｋ］の推定が行われる（ステップＳ１０５）。
以下、ステップＳ１０２〜Ｓ１０５における具体的な算出方法について詳しく説明する。尚、図３ではステップＳ１０２〜Ｓ１０４を順に実施するように示しているが、これらのステップは同時に実施してもよい。

（酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣの算出方法）
ＥＣＵ１０の酸化燃焼熱量算出手段１６において、酸化燃焼熱量はＨＣ添加装置７によって排気中に添加されたＨＣがＤＯＣ５で酸化反応した際に発生する熱量であり、大まかにはＨＣ添加量ｑ_ＨＣ［ｋｇ／ｓ］と燃料の低位発熱量Ｈｕ_ｆｕｅｌ［Ｊ／ｋｇ］とに基づいて次式
Ｑ_ＨＣ１＝（ｑ_ＨＣ＋ｑ_{ＨＣ＿ｅｘｈ}）・Ｈｕ_ｆｕｅｌ（１）
から求められる。ここでＨＣ添加量ｑ_ＨＣ［ｋｇ／ｓ］はＥＣＵ１０のＨＣ添加装置７に対する指示値を用い（機能ブロック的に言えば、図１に示すようにＨＣ添加量検出手段１５によってＨＣ添加装置７の添加量を取得する）、燃料の低位発熱量Ｈｕ_ｆｕｅｌ［Ｊ／ｋｇ］は予めメモリ等の記憶部に記憶された代表値を読み出すことによって取得したものを用いるとよい。またｑ_{ＨＣｅｘｈ}［ｋｇ／ｓ］は、エンジンから排出された排気に含まれるＨＣ含有量であり、不図示のエンジン回転数センサの検出値であるエンジン回転数Ｎ_ｅｎｇと、ＥＣＵ１０の指示値である燃料噴射量ｑ_ｆｕｅｌ［ｋｇ／ｓ］をパラメータとする任意関数により算出される。

ところでＨＣ添加装置７から過剰に燃料が添加された場合には、その一部が未反応のままＤＯＣ５の下流側に流出する。このような未燃分を加味することによって、より精度よく酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］を求めることができる。ＤＯＣ５で反応可能な添加燃料の最大反応値は、アレニウス則を用いて次式
Ｑ_ＨＣ２＝Ａ・Ｎ_ＨＣ・Ｎ_Ｏ２・ｅｘｐ（−Ｅ／（Ｒ・Ｔ_{ｓｕｂ（ｉ−１）}）（２）
により得られる。ここでＡ及びＥは適合係数であり、Ｒは気体定数である。また、Ｎ_ＨＣ［ｍｏｌ／Ｌ］及びＮ_Ｏ２［ｍｏｌ／Ｌ］はそれぞれ排気中の燃料濃度及び酸素濃度であり、吸気流量センサ８の検出値Ｇ_ａｉｒ［ｋｇ／ｓ］、ＥＣＵ１０のＨＣ添加装置７に対するＨＣ添加量指示値ｑ_ＨＣ［ｋｇ／ｓ］、エンジンから排出された排気に含まれるＨＣ含有量ｑ_{ＨＣｅｘｈ}［ｋｇ／ｓ］、ＥＣＵ１０の燃料噴射装置（図１において不図示）に対する燃料噴射量指示値ｑ_ｆｕｅｌ［ｋｇ／ｓ］、当該排気温度推定方法の前回実施時に求められたＤＯＣ５の温度推定値（触媒温度の前回推定値）Ｔ_{ｓｕｂ（ｉ−１）}に基づいて算出することができる。

ＥＣＵ１０は、ＨＣ添加量に基づいた算出値Ｑ_ＨＣ１［Ｗ］とＤＯＣ５で反応可能な添加燃料の最大反応値Ｑ_ＨＣ２［Ｗ］とを比較し、より大きい方を酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］として特定する。
Ｑ_ＨＣ＝ｍａｘ（Ｑ_ＨＣ１，Ｑ_ＨＣ２）（３）
これにより、ＨＣ添加装置７から過剰に添加された場合にＤＯＣ５で反応せずに下流側へ流出する分を考慮し、精度よく酸化燃焼熱量を求めることができる。

ＤＯＣ５に与えられる酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］は、所定の割合ｄ_{ＨＣｓｕｂ}（０≦ｄ_{ＨＣｓｕｂ}≦１）でＤＯＣ５及び該ＤＯＣ５を流れる排気に分配される。ＤＯＣ５及び排気に分配される熱量をそれぞれＱ_{ＨＣｓｕｂ}［Ｗ］及びＱ_{ＨＣｅｘｈ}［Ｗ］とすると、
Ｑ_{ＨＣｓｕｂ}＝ｄ_{ＨＣｓｕｂ}・Ｑ_ＨＣ（４）
Ｑ_{ＨＣｅｘｈ}＝（１−ｄ_{ＨＣｓｕｂ}）・Ｑ_ＨＣ（５）
となる。

ここで分配係数ｄ_{ＨＣｓｕｂ}は排気流量Ｇ_ｅｘｈ［ｋｇ／ｓ］をパラメータとする任意の関数として次式
ｄ_{ＨＣｓｕｂ}＝ｆ（Ｇ_ｅｘｈ）（６）
により得られる。
尚、排気流量Ｇ_ｅｘｈ［ｋｇ／ｓ］は、吸気流量センサ８の検出値Ｇ_ａｉｒ［ｋｇ／ｓ］及びエンジン制御パラメータであるエンジン燃料噴射量ｑ_ｆｕｅｌ［ｋｇ／ｓ］に基づいて次式
Ｇ_ｅｘｈ＝Ｇ_ａｉｒ＋ｑ_ｆｕｅｌ（７）
により得られる。

（放熱量Ｑ_ｒａｄの算出方法）
ＥＣＵ１０の放熱量算出手段１７はＤＯＣ５と外気との温度差や、ＤＯＣ５の周りの外気の流れを考慮することにより、放熱量Ｑ_ｒａｄ［Ｗ］を算出する。
まずＥＣＵ１０は、外気の特性を規定するパラメータである動粘度ν_ａｉｒ［ｍ^２／ｓ］、比熱Ｃ_ａｉｒ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、密度ρ_ａｉｒ［ｋｇ／ｍ^３］、熱伝導率λ_ａｉｒ［Ｗ／ｍ・Ｋ］、体積膨張係数β_ａｉｒ［１／Ｋ］について、それぞれ外気温度センサ１２の検出値Ｔ_ａｍｂ［Ｋ］をパラメータとする任意関数を用いて、次式
ν_ａｉｒ＝ｆ（Ｔ_ａｍｂ）（８）
Ｃ_ａｉｒ＝ｆ（Ｔ_ａｍｂ）（９）
ρ_ａｉｒ＝ｆ（Ｔ_ａｍｂ）（１０）
λ_ａｉｒ＝ｆ（Ｔ_ａｍｂ）（１１）
β_ａｉｒ＝ｆ（Ｔ_ａｍｂ）（１２）
により求める。

続いて、ＤＯＣ５の周りを流れる外気について、流体の熱伝達性を特徴付けるパラメータであるレイノルズ数Ｒｅ_ａｍｂ、プラントル数Ｐｒ_ａｍｂ、グラスホフ数Ｇｒ_ａｍｂ、ヌッセルト数Ｎｕ_ａｍｂを算出する。
Ｒｅ_ａｍｂ＝ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}・Ｌ_ｓｕｂ／ν_ａｉｒ（１３）
Ｐｒ_ａｍｂ＝Ｃ_ａｉｒ・ρ_ａｉｒ・ν_ａｉｒ／λ_ａｉｒ（１４）
Ｇｒ_ａｍｂ＝Ｌ_ｓｕｂ ^３・ｇ・β_ａｉｒ・（Ｔ_{ｓｕｂ（ｉ−１）}−Ｔ_ａｍｂ）／ν_ａｉｒ ^２（１５）
Ｎｕ_ａｍｂ＝ｃ０・（Ｇｒ_ａｍｂ・Ｐｒ_ａｍｂ）^１／３（ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}＝０）（１６−１）
Ｎｕ_ａｍｂ＝ｃ１・Ｒｅ_ａｍｂ ^ｍ１・Ｐｒ_ａｍｂ ^ｎ１（ｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}＞０）（１６−２）
ここでｖ_{ｖｅｈｉｃｌｅ}は車速センサ１３の検出値［ｋｍ／ｈ］であり、Ｌ_ｓｕｂは酸化触媒の長さ［ｍ］であり、ｇは重力加速度（≒９．８０）［ｍ／ｓ^２］であり、Ｔ_{ｓｕｂ（ｉ−１）}は当該排気温度推定方法で求めたＤＯＣ５の触媒温度Ｔ_ｓｕｂの前回推定値［Ｋ］である。ｃ０は任意の適合定数である。またｃ１、ｍ１、ｎ１はヌッセルト数Ｎｕ_ａｍｂの補関数であり任意関数ｆを用いて
ｃ１＝ｆ（Ｒｅ_ａｍｂ）（１７）
ｍ１＝ｆ（Ｒｅ_ａｍｂ）（１８）
ｎ１＝ｆ（Ｒｅ_ａｍｂ）（１９）
により表わされる。

上記計算結果を用いて、外気の熱伝達係数ｈ_ａｍｂ［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］は次式
ｈ_ａｍｂ＝Ｎｕ_ａｍｂ・λ_ａｉｒ／Ｌ_ｓｕｂ（２０）
で表わされ、ＤＯＣ５及び外気間の熱伝達係数ｋは、ＤＯＣ５のカバー外径ｄ_ｃｏｖ［ｍ］、ＤＯＣ５の外径ｄ_ｓｕｂ［ｍ］を用いて次式
ｋ＝１／（ｌｎ（ｄ_ｃｏｖ／ｄ_ｓｕｂ）／（２・λ_ｃｏｖ）＋１／（ｈ_ａｍｂ・ｄ_ｃｏｖ））（２１）
により表わされる。従って、ＤＯＣ５から外気への放熱量Ｑ_ｒａｄ［Ｗ］は
Ｑ_ｒａｄ＝ｋ・π・Ｌ_ｓｕｂ・（Ｔ_{ｓｕｂ（ｉ−１）}−Ｔ_ａｍｂ）（２２）
となる。

（熱交換量Ｑ_ｅｘｈの算出方法）
ＥＣＵ１０の熱交換量算出手段１８は、ＤＯＣ５と該ＤＯＣ５を流れる排気との温度差を考慮することにより、熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］を算出する。
まずＥＣＵ１０は、排気の特性を規定するパラメータである動粘度ν_ｅｘｈ［ｍ^２／ｓ］、比熱Ｃ_ｅｘｈ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］、密度ρ_ｅｘｈ［ｋｇ／ｍ^３］、熱伝導率λ_ｅｘｈ［Ｗ／ｍ・Ｋ］について、それぞれＤＯＣ５の入口温度の前回推定値Ｔ_{ｉｎ（ｉ−１）}をパラメータとする任意関数を用いて、次式
ν_ｅｘｈ＝ｆ（Ｔ_{ｉｎ（ｉ−１）}）（２３）
Ｃ_ｅｘｈ＝ｆ（Ｔ_{ｉｎ（ｉ−１）}）（２４）
ρ_ｅｘｈ＝ｆ（Ｔ_{ｉｎ（ｉ−１）}）（２５）
λ_ｅｘｈ＝ｆ（Ｔ_{ｉｎ（ｉ−１）}）（２６）
により求める。

続いて、ＤＯＣ５を流れる排気について、流体の熱伝達性を特徴付けるパラメータであるレイノルズ数Ｒｅ_ｅｘｈ、プラントル数Ｐｒ_ｅｘｈ、ヌッセルト数Ｎｕ_ｅｘｈを算出する。
Ｒｅ_ｅｘｈ＝ｕ_ｅｘｈ・Ｌ_ｓｕｂ／ν_ｅｘｈ（２７）
ｖ_ｅｘｈ＝Ｇ_ｅｘｈ・（Ｒ／Ｍ_ｅｘｈ）・Ｔ_{ｉｎ（ｉ−１）}／Ｐ_ｉｎ（２８）
ｕ_ｅｘｈ＝ｖ_ｅｘｈ／（ｎ_ｓｕｂ・ｐ_ｓｕｂ ^２）（２９）
Ｐｒ_ｅｘｈ＝Ｃ_ｅｘｈ・ρ_ｅｘｈ・ν_ｅｘｈ／λ_ｅｘｈ（３０）
Ｎｕ_ｅｘｈ＝ｃ２・Ｒｅ_ｅｘｈ ^ｍ２・Ｐｒ_ｅｘｈ ^ｎ２（３１）
ここでｃ２、ｍ２、ｎ２はヌッセルト数Ｎｕ_ｅｘｈの補関数であり任意関数ｆを用いて
ｃ２＝ｆ（Ｒｅ_ｅｘｈ）（３２）
ｍ２＝ｆ（Ｒｅ_ｅｘｈ）（３３）
ｎ２＝ｆ（Ｒｅ_ｅｘｈ）（３４）
により表わされる。

上記計算結果を用いて、排気の熱伝達係数ｈ_ａｍｂ［Ｗ／ｍ^２・Ｋ］は次式
ｈ_ｅｘｈ＝Ｎｕ_ｅｘｈ・λ_ｅｘｈ／Ｌ_ｓｕｂ（３５）
で表わされ、ＤＯＣ５から排気への熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］は
Ｑ_ｅｘｈ＝ｈ_ｅｘｈ・ｎ_ｓｕｂ・４・ｐ_ｓｕｂ・Ｌ_ｓｕｂ・（Ｔ_{ｓｕｂ（ｉ−１）}−Ｔ_ｉｎ）（３６）
となる。
尚、ｎ_ｓｕｂはＤＯＣ５のセル数、ｐ_ｓｕｂはＤＯＣ５のセルピッチ［ｍ］であり、予めメモリ等の記憶部に記憶された設計値を読み出すことによって取得するとよい。

（排気温度Ｔ_ｉｎの推定方法）
ＥＣＵ１０の排気温度推定手段１９では、上述の演算により得られた酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣ［Ｗ］、放熱量Ｑ_ｒａｄ［Ｗ］及び熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］を、図２に示す熱収支モデルに適用することにより、ＤＯＣ５の上流側の排気温度Ｔ_ｉｎ［Ｋ］は次式
Ｔ_ｉｎ＝Ｔ_ｏｕｔ−（Ｑ_{ＨＣｅｘｈ}＋Ｑ_ｅｘｈ）／（Ｇ_ｅｘｈ・Ｃ_ｅｘｈ）（３７）
により推定される。
またＤＯＣ５の触媒温度Ｔ_ｓｕｂ［Ｋ］もまた次式
Ｔ_ｓｕｂ＝Ｔ_{ｓｕｂ（ｉ−１）}＋（Ｑ_{ＨＣｓｕｂ}−Ｑ_ｒａｄ−Ｑ_ｅｘｈ）／（ｍ_ｓｕｂ・Ｃ_ｓｕｂ）（３８）
により推定される。尚、ｍ_ｓｕｂはＤＯＣ５の質量［ｋｇ］であり、Ｃ_ｓｕｂはＤＯＣ５の特性温度［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］であり、予めメモリ等の記憶部に記憶された設計値を読み出すことによって取得するとよい。

以上説明したように、本実施例によれば、排気温度推定装置として機能するＥＣＵ１０において排気温度推定方法を実施することで、ＨＣ添加装置７からのＨＣ添加量に基づいて求められる酸化燃焼熱量Ｑ_ＨＣや、ＤＯＣ５と排気との間における熱交換量Ｑ_ｅｘｈ［Ｗ］を算出することにより、ＤＯＣ５における熱収支モデルを構築し、第１排気温度（ＤＯＣ５の上流側、又は、ＤＯＣ５及びＤＰＦ６間のいずれか一方における排気温度の検出値）から第２排気温度（ＤＯＣ５の上流側、又は、ＤＯＣ５及びＤＰＦ６間の他方における排気温度）を推定できる。このような排気温度の推定は、エンジン１の運転状態に関わらず広い条件下において実施可能である。
特に、熱収支モデルにＤＯＣ５から外気への放熱量Ｑ_ｒａｄ［Ｗ］を組み込むことによって、より高精度に排気温度を推定することができる。
また、このような熱収支モデルは、従来技術のような１次遅れフィルタ等の伝達関数を用いた場合に比べて実体に近いため、良好な推定精度を得ることができる。

このように排気通路４においてＤＯＣ５の前後いずれか一方に配置した排気温度センサ１１によって他方側の排気温度を推定できるので、該他方側に排気温度センサを設ける必要がなくなり、センサ類の削減に貢献することで、コスト削減を図ることができる。

本発明は、内燃機関の排気通路に酸化触媒及びＤＰＦが設けられ、該排気通路における排気温度を推定可能な排気温度推定装置に利用可能である。

１エンジン
２エアクリーナ
３吸気管
４排気管
５酸化触媒（ＤＯＣ）
６ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）
７ＨＣ添加装置
８吸気流量センサ
９入口圧力センサ
１０ＥＣＵ
１１排気温度センサ
１２外気温度センサ
１３車速センサ
１５ＨＣ添加量検出手段
１６酸化燃焼熱量算出手段
１７放熱量算出手段
１８熱交換量算出手段
１９排気温度推定手段

Claims

内燃機関の排気通路に酸化触媒及び該酸化触媒より下流側にＤＰＦが設けられ、前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流側、又は、前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間のいずれか一方における排気温度を推定する排気温度推定装置であって、
前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流側、又は、前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間の他方における第１排気温度を検出する排気温度検出手段と、
前記酸化触媒へのＨＣ添加量を検出するＨＣ添加量検出手段と、
前記ＨＣ添加量から前記酸化触媒における酸化燃焼熱量を算出する酸化燃焼熱量算出手段と、
前記酸化触媒と該酸化触媒を流れる排気との間における熱交換量を算出する熱交換量算出手段と、
前記検出された第１排気温度、前記酸化燃焼熱量及び熱交換量に基づいて、前記一方における第２排気温度を推定する排気温度推定手段と
を備え、
前記酸化燃焼熱量算出手段では、前記第１排気温度をパラメータとするアレニウス則を用いて前記酸化触媒で反応可能なＨＣ最大反応量を求め、前記ＨＣ添加量が前記ＨＣ最大反応量より大きい場合、前記ＨＣ最大反応量を前記ＨＣ添加量として前記酸化燃焼熱量を算出することを特徴とする排気温度推定装置。
前記酸化燃焼熱量算出手段は、前記内燃機関の回転数及び燃料噴射量に基づいて前記内燃機関から排出される排気に含まれるＨＣ含有量を算出し、前記ＨＣ含有量を前記ＨＣ添加量に合算して前記酸化燃焼量を算出することを特徴とする請求項１に記載の排気温度推定装置。
外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記外気と前記酸化触媒との温度差から、前記酸化触媒から外気への放熱量を算出する放熱量算出手段と
を備え、
前記熱交換量算出手段は、前記放熱量に基づいて前記熱交換量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気温度推定装置。
前記排気温度検出手段では、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間における排気温度を前記第１排気温度として検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の排気温度推定装置。
前記排気温度検出手段は前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記ＤＰＦ間に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の排気温度推定装置。