WO2013108286A1 - 排気加熱装置の燃焼率算出方法 - Google Patents

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俊博 森
英孝 布施
義貴 沼田
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Definitions

  • the present invention relates to a method for calculating the combustion rate of fuel added to an exhaust passage when the exhaust is heated using an exhaust heating device disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine.
  • Patent Document 1 and the like propose an internal combustion engine in which an exhaust heating device is incorporated in an exhaust passage upstream of the exhaust purification device.
  • the exhaust gas heating device generates a heating gas in the exhaust gas, and supplies the generated heating gas to the exhaust gas purification device on the downstream side, thereby promoting activation of the exhaust gas purification device or maintaining an active state.
  • the exhaust heating device generally includes a fuel addition valve that adds fuel to the exhaust passage, and an ignition device such as a glow plug that generates heated gas by heating and igniting the fuel.
  • An intake air heating device used in an internal combustion engine or the like disclosed in Patent Document 2 or Patent Document 3 detects an ignition temperature of fuel added to a combustor, and determines that a misfire occurs when the detected temperature is lower than a predetermined value. Thus, fuel addition to the combustor is stopped.
  • Cited Document 2 when detecting the intake air temperature when the fuel is ignited, the ignition / misfire determination is performed at the temperature convergence stage after the combustion is completed. In such a case, an unburned fuel in an amount corresponding to the misfire period may be supplied to the engine side. For this reason, when the technique of the cited reference 2 is diverted to the exhaust gas heating device, the exhaust gas purification device may be adversely affected.
  • Cited Document 3 a misfire sign is determined based on a temperature change when the fuel added to the intake passage is ignited.
  • the ignition / misfire determination cannot be performed until the temperature change is stabilized, and the same problem as in the cited document 2 is caused.
  • An object of the present invention is to provide a method capable of estimating in real time the combustion rate of fuel added to an exhaust passage by an exhaust heating device with high reliability.
  • the combustion rate is the ratio of the actual amount of fuel burned with respect to the amount of fuel supplied, that is, the amount of fuel added. For example, a combustion rate of 0% means that the added fuel did not burn at all. Conversely, a combustion rate of 100% indicates that all the fuel has been burned.
  • the combustion rate calculation method adds fuel to the exhaust passage of the internal combustion engine, and heats the fuel added to the exhaust passage to ignite it, thereby heating the exhaust discharged from the internal combustion engine.
  • a method for calculating the combustion rate of the added to the exhaust passage fuel acquires the temperature T O of the exhaust gas fuel added to the exhaust passage flows through the downstream side of the exhaust passage than the area of burning in the exhaust temperature sensor A step of obtaining the heat capacity CE of the exhaust, a step of obtaining the energy amount Q F of the fuel supplied to the exhaust passage, and an increase amount ⁇ T O of the exhaust temperature T O immediately before heating the exhaust.
  • an exhaust purification device is incorporated in the middle of the exhaust passage, fuel is added to the exhaust passage upstream of the exhaust purification device, and the exhaust temperature sensor is upstream of the exhaust purification device. it may be used for detecting the exhaust gas temperature T O flowing through the exhaust passage.
  • the parameter Z includes at least one of the thermal conductivity ⁇ S of the exhaust temperature sensor itself, the thermal capacity C S of the exhaust temperature sensor, and the thermal conductivity ⁇ E transmitted from the exhaust flowing through the exhaust passage to the exhaust temperature sensor, z 1 ,
  • Z z 1 ⁇ C S
  • Z z 2 ⁇ C S ⁇ 1 / (z 3 ⁇ ⁇ S ) ⁇
  • Z z 4 ⁇ C S ⁇ 1 / (z 5 ⁇ ⁇ E ) ⁇
  • Z C S [ ⁇ 1 / (z 3 ⁇ ⁇ S ) ⁇ + ⁇ 1 / (z 5 ⁇ ⁇ E ) ⁇ ].
  • the method may further include a step of correcting the exhaust gas temperature T O based on at least one of the flow rate v E of the exhaust gas flowing through the exhaust passage and the exhaust gas temperature T O.
  • the method may further include a step of correcting the exhaust gas temperature T I based on at least one of the flow rate
  • Change rate dT O of exhaust gas temperature T O of the predetermined time after the start of the addition of fuel to the exhaust passage t further comprises the step of determining whether a threshold value or more set in advance, the fuel to the exhaust passage If added from the start of the change rate dT O of exhaust gas temperature T O after the predetermined time t is less than the threshold value of the combustion rate of the fuel can be calculated as 0.
  • the predetermined time t may comprise a flow time of the exhaust leading from the addition region of the fuel in the detection area of the exhaust gas temperature T O in the exhaust passage.
  • the method may further include a step of correcting the predetermined time t based on the exhaust gas temperature T O detected by the exhaust gas temperature sensor.
  • the difference between these change rates dT O and the rate of change dT I may be one which ends when less than the predetermined value.
  • the step of calculating the combustion rate RC of the fuel can be completed at the time when the time required for adding the fuel to the exhaust passage has passed from immediately before heating the exhaust.
  • the parameter Z is z 1 ⁇ C S , z 2 ⁇ C S ⁇ 1 / (z 3 ⁇ ⁇ S ) ⁇ , z 4 ⁇ C S ⁇ 1 / (z 5 ⁇ ⁇ E ) ⁇ , or C S [ ⁇ When 1 / (z 3 ⁇ ⁇ S ) ⁇ + ⁇ 1 / (z 5 ⁇ ⁇ E ) ⁇ ], the combustion rate of the fuel added to the exhaust passage can be grasped with higher reliability.
  • the method further includes a step of correcting the exhaust temperature T O based on at least one of the flow rate v E of the exhaust gas flowing through the exhaust passage and the exhaust temperature T O , the combustion rate can be grasped with higher accuracy.
  • the influence due to the change in the exhaust gas temperature flowing into the exhaust gas heating device can be taken into account.
  • the flow rate v E and exhaust gas temperature T O of the exhaust gas flowing in the exhaust passage when further comprising the step of correcting the exhaust gas temperature T I, even higher combustion rate were added to the exhaust passage fuel It is possible to grasp the accuracy.
  • the change rate dT O of exhaust gas temperature T O of the predetermined time after the start of the addition of fuel to the exhaust passage t is less than the threshold value, by calculating the combustion rate of the fuel 0, it is added to the exhaust passage It is possible to prevent a problem that the fuel remains unburned.
  • the predetermined time t reaches the detection area of the exhaust temperature T O from the addition region of the fuel in the exhaust passage, when coupling, in particular a predetermined time t was A E / q, from the exhaust heating device It is possible to determine the combustion rate of 0 at an appropriate timing according to the distance to the exhaust temperature sensor.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an embodiment in which a combustion rate calculation method according to the present invention is applied to a compression ignition type multi-cylinder internal combustion engine.
  • FIG. 2 is a control block diagram of the main part of the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a map schematically showing the relationship between the exhaust flow rate and the correction coefficient for the second exhaust temperature.
  • FIG. 4 is a map schematically showing the relationship between the exhaust temperature and the correction coefficient for the second exhaust temperature.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the exhaust gas heating process in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph schematically showing changes in the second exhaust temperature and the combustion rate in the embodiment shown in FIG.
  • the present invention is not limited to such an embodiment, and the configuration can be freely changed according to required characteristics.
  • the present invention is also effective for a spark ignition type internal combustion engine in which gasoline, alcohol, LNG (liquefied natural gas) or the like is used as fuel and is ignited by a spark plug.
  • FIG. 1 The main part of the engine system in the present embodiment is schematically shown in FIG. 1, and the control block of the main part is schematically shown in FIG.
  • a general exhaust turbo supercharger, an EGR device, and the like are omitted as auxiliary equipment of the engine 10. It should be noted that some of the various sensors required for smooth operation of the engine 10 are omitted for convenience.
  • the engine 10 in this embodiment is a compression ignition type multi-cylinder internal combustion engine that spontaneously ignites by directly injecting light oil as fuel into the combustion chamber 10a in a compressed state from the fuel injection valve 11.
  • a single cylinder internal combustion engine may be used due to the characteristics of the present invention.
  • the cylinder head 12 formed with the intake port 12a and the exhaust port 12b facing the combustion chamber 10a has a valve operating mechanism (not shown) including an intake valve 13a for opening and closing the intake port 12a and an exhaust valve 13b for opening and closing the exhaust port 12b. It has been incorporated.
  • the previous fuel injection valve 11 facing the center of the upper end of the combustion chamber 10a is also assembled to the cylinder head 12 so as to be sandwiched between the intake valve 13a and the exhaust valve 13b.
  • the amount and injection timing of fuel supplied to the combustion chamber 10a from the fuel injection valve 11, the ECU (E lectronic C ontrol U nit ) 15 based on operating conditions of the vehicle including the depression amount of the accelerator pedal 14 by the driver Be controlled.
  • the amount of depression of the accelerator pedal 14 is detected by the accelerator opening sensor 16, and the detection information is output to the ECU 15.
  • the ECU 15 is based on information from the accelerator opening sensor 16 and various sensors to be described later, an operation state determination unit 15a for determining the operation state of the vehicle, a fuel injection setting unit 15b, and a fuel injection valve drive unit 15c.
  • the fuel injection setting unit 15b sets the fuel injection amount and the injection timing from the fuel injection valve 11 based on the determination result in the operation state determination unit 15a.
  • the fuel injection valve drive unit 15c controls the operation of the fuel injection valve 11 so that the amount of fuel set by the fuel injection setting unit 15b is injected from the fuel injection valve 11 at the set time.
  • a surge tank 18 is formed in the middle of the intake pipe 17 connected to the cylinder head 12 so as to communicate with the intake port 12a and defining the intake passage 17a together with the intake port 12a.
  • a throttle valve 20 for adjusting the opening degree of the intake passage 17 a is incorporated in the intake pipe 17 upstream of the surge tank 18 via a throttle actuator 19.
  • An air flow meter 21 that detects the flow rate of the intake air flowing through the intake passage 17a and outputs it to the ECU 15 is attached to the intake pipe 17 upstream of the throttle valve 20.
  • an exhaust flow sensor having the same configuration may be attached to a portion of the exhaust pipe 23 located between an exhaust heating device 22 described later and the exhaust port 12b of the cylinder head 12.
  • the previous ECU 15 further includes a throttle opening setting unit 15d and an actuator driving unit 15e.
  • the throttle opening setting unit 15d sets the opening of the throttle valve 20 based on the determination result of the previous operation state determination unit 15a in addition to the depression amount of the accelerator pedal 14.
  • the actuator driving unit 15e controls the operation of the throttle actuator 19 so that the throttle valve 20 has the opening set by the throttle opening setting unit 15d.
  • a crank angle sensor 25 that detects the rotational phase of the crankshaft 24c to which the piston 24a is connected via the connecting rod 24b, that is, the crank angle, and outputs it to the ECU 15 is attached to the cylinder block 24 in which the piston 24a reciprocates. It has been. Based on the information from the crank angle sensor 25, the driving state determination unit 15a of the ECU 15 grasps the traveling speed of the vehicle in addition to the rotational phase of the crankshaft 24c and the engine speed in real time.
  • the exhaust pipe 23 connected to the cylinder head 12 so as to communicate with the exhaust port 12b defines an exhaust passage 23a together with the exhaust port 12b.
  • An exhaust purification device 26 for detoxifying harmful substances generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 10a is provided in the middle of the exhaust pipe 23 upstream of the silencer (not shown) attached to the downstream end side. It is attached.
  • Exhaust purification apparatus 26 of this embodiment includes at least an oxidation catalyst, it is also possible to incorporate the like In addition to this DPF (D iesel P articulate F ilter ) and the NO X storage catalyst.
  • the oxidation catalyst is mainly for oxidizing unburned gas contained in the exhaust gas, that is, for burning.
  • a catalyst temperature sensor 27 for detecting the temperature of the exhaust gas from the oxidation catalyst (hereinafter referred to as catalyst temperature) and outputting the detected temperature to the ECU 15 is incorporated. Yes. Based on the information from the catalyst temperature sensor 27, the operation state determination unit 15a of the ECU 15 also grasps whether or not the oxidation catalyst is in an active state.
  • Exhaust heating device 22 is arranged in the middle of the exhaust pipe 23 upstream of the exhaust purification device 26, so that its activation and active state are maintained.
  • Exhaust heating device 22 is arranged.
  • the exhaust heating device 22 in the present embodiment includes a fuel addition valve 22a and a glow plug 22b.
  • the fuel addition valve 22a has the same basic configuration as that of the normal fuel injection valve 11, and supplies an arbitrary amount of fuel to the exhaust passage 23a at an arbitrary time interval by controlling the energization time. Can be done.
  • the amount of fuel per time supplied from the fuel addition valve 22a to the exhaust passage 23a is based on the operating state of the vehicle including the intake air amount and air-fuel ratio detected by the air flow meter 21, and the fuel addition setting unit of the ECU 15 It is set by 15f.
  • the fuel addition setting unit 15f also combines the energy amount of the fuel to be supplied, that is, the fuel addition amount Q F based on the difference between the target catalyst temperature and the current catalyst temperature detected by the catalyst temperature sensor 27. calculate.
  • the lowest catalyst activity temperature As the catalyst temperature to be targeted, the lowest temperature at which the oxidation catalyst becomes active (hereinafter referred to as the lowest catalyst activity temperature) is generally selected.
  • an air-fuel ratio sensor may be incorporated in the exhaust passage 23a and read from a detection signal from the air-fuel ratio sensor.
  • the fuel addition valve drive unit 15g of the ECU 15 controls the operation of the fuel addition valve 22a so that the amount of fuel set by the fuel addition setting unit 15f is injected from the fuel addition valve 22a at a set cycle. In this case, operation of the fuel addition valve 22a until the fuel addition amount accumulated from the start of the fuel addition reaches a fuel addition amount Q F set by the fuel addition setting unit 15f, it is basically carried out.
  • the glow plug 22b for igniting the fuel added from the fuel addition valve 22a to the exhaust passage 23a is connected to a vehicle power supply (not shown) via a glow plug drive unit 15h of the ECU 15 as an on / off switch. Accordingly, switching between energization and non-energization for the glow plug 22b is controlled by the glow plug drive unit 15h of the ECU 15 according to a preset program.
  • the fuel addition valve 22a when the engine 10 is in a motoring state, that is, when the opening of the accelerator pedal 14 becomes 0 during operation of the engine 10 and a fuel cut state in which fuel is not injected from the fuel injection valve 11 is entered, the fuel addition valve The fuel addition process from 22a is executed. However, fuel may be added from the fuel addition valve 22a according to the driving state of the vehicle, and this may be ignited and combusted by the glow plug 22b, and the exhaust discharged from the engine 10 may be heated.
  • the intake air supplied from the intake passage 17a into the combustion chamber 10a forms an air-fuel mixture with the fuel injected from the fuel injection valve 11 into the combustion chamber 10a.
  • the piston 24a spontaneously ignites and burns in the vicinity of the compression top dead center of the piston 24a, and the exhaust generated thereby is discharged from the exhaust pipe 23 into the atmosphere through the exhaust purification device 26.
  • fuel is supplied from the fuel addition valve 22a to the exhaust passage 23a, thereby increasing the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 23a, and the active state of the oxidation catalyst of the exhaust purification device 26 is changed. Maintained.
  • a first exhaust temperature sensor 28 is disposed in the exhaust pipe 23 upstream of the exhaust heating device 22.
  • the first exhaust temperature sensor 28 is an exhaust temperature (hereinafter referred to as a first exhaust temperature) flowing through an exhaust passage 23a located downstream of the combustion chamber 10a of the engine 10 and upstream of a region where fuel is added to the exhaust passage 23a. by detecting the temperature and describes) T I and outputs it to the ECU 15.
  • a second exhaust temperature sensor 29 and an exhaust pressure sensor 30 are disposed in the exhaust pipe 23 between the exhaust heating device 22 and the exhaust purification device 26.
  • the second exhaust temperature sensor 29 detects the temperature of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 23a located downstream of the region where the fuel added to the exhaust passage 23a burns and upstream of the exhaust purification device 26 (hereinafter referred to as the second exhaust temperature sensor). by detecting the temperature and describes) T O outputs it to the ECU 15.
  • the exhaust pressure sensor 30 detects the pressure p of the exhaust flowing through the exhaust passage 23a and outputs this to the ECU 15.
  • First exhaust temperature change rate calculating unit 15i of the ECU15 the change rate of the exhaust gas temperature T I of the immediately preceding heating the exhaust (hereinafter, this describes the first exhaust temperature change rate) is calculated dT I, this It outputs to the combustion rate calculation part 15j.
  • the second exhaust temperature change rate calculating unit 15k of the ECU 15 the rate of change of the exhaust temperature T O from the previous heating the exhaust (hereinafter referred to as the second exhaust temperature change rate) was calculated dT O This is output to the combustion rate calculation unit 15j.
  • the combustion rate calculation unit 15j calculates the combustion rate RC of the fuel added to the exhaust passage 23a by the following equation (7).
  • R C (C E / Q F ) [C S [ ⁇ 1 / (z 3 ⁇ ⁇ S ) ⁇ + ⁇ 1 / (z 5 ⁇ ⁇ E ) ⁇ ] ⁇ dT O + ⁇ T O ] (7)
  • C E is the heat capacity of the exhaust
  • the Q F amount supplied energy C S is the heat capacity of the second exhaust temperature sensor 29, dT O the second exhaust gas temperature change rate
  • [Delta] T O is the second exhaust gas temperature rise amount .
  • the supply energy amount Q F corresponds to the amount of fuel added to the exhaust passage 23a as described above
  • the second exhaust temperature rise amount ⁇ T O is the second just before heating the exhaust from the current second exhaust temperature T O.
  • ⁇ S is the thermal conductivity of the second exhaust temperature sensor 29 itself
  • ⁇ E is the thermal conductivity transmitted from the exhaust flowing through the exhaust passage 23a to the second exhaust temperature sensor 29, and z 3 and z 5 are constants.
  • the heat capacity C E and the exhaust, the amount of heat generated per unit mass of the fuel being used and the heat capacity C S of the second exhaust temperature sensor 29 is acquired in advance ECU 15, it is stored.
  • C S [ ⁇ 1 / (z 3 ⁇ ⁇ S ) ⁇ + ⁇ 1 / (z 5 ⁇ ⁇ E ) ⁇ ] in the equation (7) is regarded as a parameter Z related to the exhaust gas flowing through the exhaust passage 23a. Therefore, the expression (7) can be expressed as the above expression (6).
  • R C (C E / Q F ) (Z ⁇ dT O + ⁇ T O ) (6)
  • the parameter Z related to the exhaust gas flowing through the exhaust passage 23a is set to z 1 ⁇ C S , z 2 ⁇ C S ⁇ 1 / (z 3 ⁇ ⁇ S ) ⁇ , or z 4 ⁇ C S ⁇ 1 / (z 5 ⁇ ⁇ E ) ⁇ , and the combustion rate RC can be simply calculated.
  • z 1, z 2, z 4 are constants.
  • the exhaust temperatures T I and T O flowing through the exhaust passage 23a are not uniform in a plane orthogonal to the longitudinal axis of the exhaust passage 23a, and have a distribution specific to the configuration of the exhaust system. For this reason, it is desirable to correct the detected temperatures of the first and second exhaust temperature sensors 28 and 29.
  • the first and second exhaust temperatures T I and T O are corrected based on at least one of the flow rate v E of the exhaust flowing through the exhaust passage 23a and the second exhaust temperature T O.
  • the operating state determination unit 15a stores an exhaust temperature correction map as shown in FIGS. 4 and 5, and the first and second exhaust temperatures T I and T O are corrected based on this map.
  • an exhaust temperature detecting unit of the exhaust temperature sensor 28, 29 is disposed in the tube wall near the exhaust pipe 23, becomes excellent mixed state of exhaust gas flowing through the exhaust passage 23a as the exhaust flow rate v E increases
  • the amount of unburned fuel and particulate components contained in the exhaust varies depending on the tube wall temperature of the exhaust pipe 23, and the concentration distribution changes radially from the center of the exhaust passage 23a. The system is targeted. Therefore, it should be noted that the exhaust temperature correction map as shown in FIGS. 4 and 5 needs to be appropriately changed according to the configuration and characteristics of the exhaust system.
  • the combustion rate calculation unit 15j subtracts the first exhaust temperature rise amount ⁇ T I from the second exhaust temperature rise amount ⁇ T O immediately before heating the exhaust, and uses this as a corrected second exhaust temperature rise amount ⁇ T O ( 7) Substitute into equation.
  • the first exhaust temperature increase amount [Delta] T I corresponding to a value obtained by subtracting the first exhaust gas temperature T IS immediately before heating the exhaust from the first exhaust gas temperature T I of the current.
  • the second exhaust gas temperature change rate dT O calculated by the second exhaust temperature change rate calculating unit 15k subtracts the first exhaust temperature change rate dT I, the second exhaust temperature change rate dT corrected this Substitute into equation (7) as O.
  • the combustion rate calculating section 15j determines whether or not the exhaust gas temperature change rate dT O after a predetermined time from the start of the addition of fuel to the exhaust passage 23a t is equal to or higher than the threshold ⁇ a preset.
  • the combustion rate R C of the fuel is calculated as 0.
  • Combustion rate calculation unit 15j in this embodiment are corrected as a predetermined time t based on the exhaust gas temperature T O is detected by the second exhaust temperature sensor 29 (9).
  • the combustion rate calculating section 15j the second exhaust gas temperature change rate of the fuel of the amount set by the fuel addition setting unit 15f from finished added to the exhaust passage 23a dT O and first exhaust temperature change rate dT I
  • the difference ⁇ dT is calculated again.
  • the calculation of the fuel combustion rate RC is finished.
  • the count is started immediately before heating the exhaust, and when this reaches the time tP, the fuel combustion rate R C The calculation of may be terminated.
  • FIG. 5 schematically shows the procedure of the exhaust heat treatment according to this embodiment. That is, it is determined whether there is a fuel addition request in step S11.
  • the addition request for fuel after setting such as a fuel amount Q F corresponding to the current operating state of the engine 10 at step S12, the energization to the glow plug 22b In step S13, fuel addition is started.
  • the process proceeds to step S14 to determine whether or not the start flag is set. Since initially not set start flag, the process proceeds to step S15, the difference ⁇ dT between the second exhaust temperature change rate dT O and first exhaust temperature change rate dT I whether greater than a predetermined value S judge.
  • the difference between the second exhaust gas temperature change rate dT O and first exhaust temperature change rate dT I .DELTA.DT is less than a predetermined value S, that is, increase in the exhaust temperature T O by ignition of the fuel added to the exhaust passage 23a If it is determined that the process has not started, the process returns to the first step and the processes after S11 are repeated.
  • step S15 the difference ⁇ dT the second exhaust gas temperature change rate dT O and first exhaust temperature change rate dT I is greater than the predetermined value S in step S15, i.e., the exhaust gas temperature T by ignition of the fuel added to the exhaust passage 23a If it is determined that the increase in O has started, the process proceeds to step S16. Then, after starting the count-up of the timer and setting the start flag, calculation of the combustion rate RC is started in step S17. Next, determining the timer count value K N of S18 is whether or not reached a predetermined time t. At first, the count value K N of the timer has not reached the predetermined time t, so the process returns to the first step and the processes after S11 are repeated.
  • step S14 when it is determined that the start flag is set in step S14, that is, the combustion rate RC calculation process is being performed, the process proceeds to step S17 to calculate the combustion rate RC . Processing will continue. In this manner, when it is determined in step S18 that the timer count value K N has reached the predetermined time t, the process proceeds to step S19 and the addition of fuel to the exhaust passage 23a is started. It determines whether the exhaust temperature change rate dT O after the predetermined time t is more than the threshold value theta.
  • the exhaust gas temperature change rate dT O is equal to or more than the threshold theta, that is, when it is determined that the fuel added to the exhaust passage 23a is burning properly, it sets an end flag goes to step S20 It is determined whether or not. Since initially not set the end flag, and proceeds to S21 in step, the fuel in the set amount Q F at step S12 determines whether finished added to the exhaust passage 23a. Here, when the fuel set amount Q F is judged it not yet finished added to the exhaust passage 23a is returned to the first step, and repeats S11 and subsequent steps.
  • step S22 sets the end flag, then the at S23 in step the difference between the second exhaust temperature change rate dT O and first exhaust temperature change rate dT I .DELTA.DT determines whether less than a predetermined value F.
  • it determines the difference ⁇ dT the second exhaust gas temperature change rate dT O and first exhaust temperature change rate dT I is not less than the predetermined value F, that is, the influence due to the combustion of the fuel added to the exhaust passage 23a is still observed If so, the process returns to the first step and the processes from S11 onward are repeated.
  • step difference ⁇ dT the second exhaust gas temperature change rate dT O and first exhaust temperature change rate dT I is smaller than the predetermined value F, that is, the second exhaust gas temperature T due to the combustion of the fuel added to the exhaust passage 23a If it is determined that the change in O has disappeared, the process proceeds to step S24.
  • the count value K N timer resets the start flag and the end flag is reset to 0, and terminates the calculation of the combustion rate.
  • step S19 the second exhaust temperature change rate dT O is less than the threshold value theta, that is, when it is determined that the ignition and combustion of the fuel does not occur for some reason, the fuel proceeds to step S25 After calculating the combustion rate RC as 0, the process proceeds to step S24. On the other hand, if it is determined in step S20 that the end flag has been set, the addition of fuel to the exhaust passage 23a has been completed, and the process proceeds to step S23. It is determined difference ⁇ dT the second exhaust gas temperature change rate dT O and first exhaust temperature change rate dT I is whether less than a predetermined value F.
  • step S11 determines that there is no fuel addition request, that is, it is not necessary to perform the exhaust heat treatment.
  • the process proceeds to step S24 to reset the timer count value KN to 0 and start flag Then, the end flag is reset, and the exhaust heating process is ended.
  • FIG. Figure 6 shows the correlation between combustion rate R C and change of the second exhaust gas temperature T O, it understood that exhaust temperature R C combustion rate R C by following the change in is continuously measured Let's be done.
  • the two-dot chain line in the drawing represents the second exhaust gas temperature T O at unburned schematically.

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Abstract

　排気通路(２３ａ)に燃料を添加し、この排気通路に添加された燃料を加熱して着火させることにより、エンジン(１０)から排出された排気を加熱する際に、排気通路に添加された燃料の燃焼率ＲＣを算出する本発明の方法は、排気通路に添加された燃料が燃焼する領域よりも下流側の排気通路を流れる排気温ＴＯを排気温センサー(２９)にて取得し、排気の熱容量ＣＥを取得し、排気通路に供給された燃料のエネルギー量ＱＦを取得し、排気を加熱する直前からの排気温上昇量ΔＴＯを求め、排気を加熱する直前からの排気温変化率dＴＯを求め、排気通路を流れる排気に関連するパラメーターＺを取得し、排気通路に添加された燃料の燃焼率をＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)(Ｚ・dＴＯ＋ΔＴＯ)によって算出する。

Description

排気加熱装置の燃焼率算出方法
　本発明は、内燃機関の排気通路に配された排気加熱装置を用いて排気を加熱する際に排気通路に添加される燃料の燃焼率を算出するための方法に関する。
　近年、内燃機関に対する厳しい排気規制に対処するため、内燃機関の始動時に排気浄化装置の活性化を促進させたり、内燃機関の運転中にその活性状態を維持したりすることが必要となっている。このため、排気浄化装置よりも上流側の排気通路に排気加熱装置を組み込んだ内燃機関が特許文献１などで提案されている。この排気加熱装置は、排気中に加熱ガスを生成し、この生成された加熱ガスを下流側の排気浄化装置に供給することにより、排気浄化装置の活性化を促進させたり、活性状態を維持するものである。このため、排気加熱装置は、燃料を排気通路に添加する燃料添加弁と、この燃料を加熱して着火させることにより、加熱ガスを生成させるグロープラグなどの着火装置とを一般的に有する。
　このような排気加熱装置において、排気通路に添加された燃料の着火状態を把握することは重要であり、排気加熱装置の運転中であっても、必要に応じてその運転停止などを行うことが望ましい場合がある。しかしながら、従来の排気加熱装置はこのような要求を満たすものではなかった。
　特許文献２や特許文献３に開示された内燃機関などで用いられる吸気加熱装置は、燃焼器に添加された燃料の着火温度を検出し、この検出温度が所定値よりも低い場合に失火と判定して燃焼器に対する燃料添加を停止するようにしている。
特開２０１０－０８４７１０号公報 特開２００３－２０７１２８号公報 特開２００４－３０９０３８号公報
　引用文献２においては、燃料が着火する際の吸気温を検出する場合、燃焼を終えた後の温度収束段階で着火／失火の判定を行うため、吸気温が収束するまでの間に失火していた場合、この失火期間に応じた量の未燃燃料がエンジン側に供給されるおそれがある。このため、引用文献２の技術を排気加熱装置に転用した場合、排気浄化装置に悪影響を与える可能性がある。
　引用文献３においては、吸気通路に添加した燃料の着火の際の温度変化に基づいて失火兆候を判定している。しかしながら、この方法においても温度変化が安定するまでは着火／失火の判定を行うことができず、引用文献２と同じような弊害を有する。
　また、これらの引用文献２，３においては、ある燃料添加期間中での温度変化を計測しているため、実時間での着火／失火の判定を行うことが本質的に不可能である。しかも、燃焼器に流入する外気温の変化などによる影響を全く考慮していないため、その判定精度には大いなる改善の余地があった。
　本発明の目的は、排気加熱装置により排気通路に添加される燃料の燃焼率を高い信頼性を以て実時間で推定し得る方法を提供することにある。なお、ここでいう燃焼率とは、燃料のエネルギー供給量、すなわち燃料添加量に対して実際に燃料が燃焼した割合であり、例えば燃焼率が０％とは添加した燃料が全く燃焼しなかったことを示し、逆に燃焼率が１００％とは燃料がすべて燃焼したことを示す。
　本発明による燃焼率算出方法は、内燃機関の排気通路に燃料を添加し、この排気通路に添加された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排出される排気を加熱する際に、排気通路に添加された燃料の燃焼率を算出する方法であって、排気通路に添加された燃料が燃焼する領域よりも下流側の排気通路を流れる排気の温度ＴＯを排気温センサーにて取得するステップと、排気の熱容量ＣＥを取得するステップと、排気通路に供給された燃料のエネルギー量ＱＦを取得するステップと、排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの上昇量ΔＴＯを求めるステップと、排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの変化率dＴＯを求めるステップと、排気通路を流れる排気に関連するパラメーターＺを取得するステップと、排気通路に添加された燃料の燃焼率ＲＣをＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)(Ｚ・dＴＯ＋ΔＴＯ)にて算出するステップとを具えたことを特徴とするものである。
　排気温センサーの熱容量をＣＳで表し、排気通路を流れる排気から排気温センサーに伝わる熱エネルギー量をＱで表した場合、排気温センサーによって検出される排気温ＴＯの変化率dＴＯは、
　　dＴＯ＝Ｑ/ＣＳ　・・・ (１)
で表すことができる。また、ｚ３，ｚ５を定数とし、排気温センサーの周囲の排気温をＴＥで表し、排気温センサー自体の熱伝導率をκＳで表し、排気通路を流れる排気から排気温センサーへと伝わる熱伝導率をκＥで表すと、一般的な伝熱法則から
　　Ｑ＝(ＴＥ－ＴＯ)／{(１/ｚ３・κＳ)＋(１/ｚ５・κＥ)}　・・・ (２)
である。ここで、(１)式に(２)式を代入すると、
　　ＴＥ＝ＣＳ・dＴＯ{(１/ｚ３・κＳ)＋(１/ｚ５・κＥ)}＋ＴＯ　・・・ (３)
となる。
　一方、燃焼率ＲＣを考慮した排気温センサーの周囲の排気温ＴＥは、燃料の添加直前における排気通路の排気温をＴＯＳで表すと、
　　ＴＥ＝(ＱＦ・ＲＣ/ＣＥ)＋ＴＯＳ　・・・（４）
である。ここで、(４)式を(３)式に代入すると、
　　ＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)・[ＣＳ・dＴＯ{(１/ｚ３・κＳ)＋(１/ｚ５・κＥ)}＋ＴＯ－ＴＯＳ]　・・・ (５)
となる。(５)式におけるＣＳ{(１/ｚ３・κＳ)＋(１/ｚ５・κＥ)}は、排気通路を流れる排気に関連するパラメーターＺとして表すことができるので、(ＴＯ－ＴＯＳ)を排気温上昇量ΔＴＯとして表すと、(５)式は
　　ＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)(Ｚ・dＴＯ＋ΔＴＯ)　・・・ (６)
のように変形することができる。
　本発明による燃焼率算出方法において、排気通路の途中に排気浄化装置が組み込まれ、燃料は排気浄化装置よりも上流側の排気通路に添加され、排気温センサーは、排気浄化装置よりも上流側の排気通路を流れる排気温ＴＯを検出するものであってよい。
　パラメーターＺが排気温センサー自体の熱伝導率κＳおよび排気温センサーの熱容量ＣＳおよび排気通路を流れる排気から排気温センサーに伝わる熱伝導率κＥのうちの少なくとも１つを含み、ｚ１，ｚ２，ｚ４をそれぞれ定数とした場合、Ｚ＝ｚ１・ＣＳか、Ｚ＝ｚ２・ＣＳ{１/(ｚ３・κＳ)}か、Ｚ＝ｚ４・ＣＳ{１/(ｚ５・κＥ)}か、Ｚ＝ＣＳ[{１/(ｚ３・κＳ)}＋{１/(ｚ５・κＥ)}]であってよい。
　排気通路を流れる排気の流量ｖＥおよび排気温ＴＯの少なくとも一方に基づき、排気温ＴＯを補正するステップをさらに具えることができる。
　内燃機関の燃焼室よりも下流かつ排気通路に燃料が添加される領域よりも上流に位置する排気通路を流れる排気の温度ＴＩを取得するステップと、排気を加熱する直前からの排気温ＴＩの上昇量ΔＴＩを求めるステップと、排気を加熱する直前からの排気温ＴＩの変化率dＴＩを求めるステップと、排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの上昇量ΔＴＯから排気温ＴＩの上昇量ΔＴＩを減算して排気温ＴＯの上昇量ΔＴＯを補正するステップと、排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの変化率dＴＯから排気温ＴＩの変化率dＴＩを減算して排気温ＴＯの変化率dＴＯを補正するステップとをさらに具えることができる。この場合、排気通路を流れる排気の流量ｖＥおよび排気温ＴＯの少なくとも一方に基づき、排気温ＴＩを補正するステップをさらに具えることができる。
　排気温ＴＯの変化率dＴＯと排気温ＴＩの変化率dＴＩとの差を求めるステップをさらに具え、排気を加熱する直前として、これら変化率dＴＯと変化率dＴＩとの差が所定値を越えた時点を設定することができる。
　排気通路への燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温ＴＯの変化率dＴＯが予め設定した閾値以上であるか否かを判定するステップをさらに具え、排気通路への燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温ＴＯの変化率dＴＯが閾値未満の場合、燃料の燃焼率を０と算出することができる。この場合、所定時間ｔとは、排気通路における燃料の添加領域から排気温ＴＯの検出領域に至る排気の流動時間を含むものであってよい。また、排気通路における燃料の添加領域から排気温ＴＯの検出領域に至る排気通路の容積ＡＥを取得するステップと、排気通路を流れる単位時間あたりの排気の流量ｑを取得するステップとをさらに具えた場合、所定時間ｔをｔ＝ＡＥ/ｑで表すことができる。さらに、排気温センサーによって検出される排気温ＴＯに基づいて所定時間ｔを補正するステップをさらに具えることができる。この場合、排気圧をｐで表し、単位時間あたりの排気の質量をＷで表した場合、所定時間ｔがｔ＝(１２９３ｐ・ＡＥ)/{１０１.３Ｗ(１＋０.００３６７ＴＯ)}により補正されるものであってよい。
　排気通路への燃料の添加を終了してからの排気温ＴＯの変化率dＴＯと排気温ＴＩの変化率dＴＩとの差を求めるステップをさらに具え、燃料の燃焼率ＲＣを算出するステップは、これら変化率dＴＯと変化率dＴＩとの差が所定値以下となった時点で終了するものであってよい。あるいは、排気を加熱する直前から排気通路への燃料の添加に要する時間が経過した時点で燃料の燃焼率ＲＣを算出するステップを終了することができる。
　本発明の燃焼率算出方法によると、排気通路に添加された燃料の燃焼率ＲＣをＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)(Ｚ・dＴＯ＋ΔＴＯ)にて算出するので、燃焼率を実時間にて精度よく把握することができる。
　燃料を排気浄化装置よりも上流側の排気通路に添加し、排気温センサーが排気浄化装置よりも上流側の排気通路を流れる排気温ＴＯを検出する場合、排気浄化装置へ流入する未燃燃料の量を高精度に推定することができる。
　パラメーターＺをｚ１・ＣＳか、ｚ２・ＣＳ{１/(ｚ３・κＳ)}か、ｚ４・ＣＳ{１/(ｚ５・κＥ)}か、ＣＳ[{１/(ｚ３・κＳ)}＋{１/(ｚ５・κＥ)}]とした場合、排気通路に添加された燃料の燃焼率をより高い信頼性にて把握することができる。
　排気通路を流れる排気の流量ｖＥおよび排気温ＴＯの少なくとも一方に基づき、排気温ＴＯを補正するステップをさらに具えた場合、燃焼率をさらに高精度に把握することができる。
　排気温上昇量ΔＴＯを補正すると共に排気温変化率dＴＯを補正した場合、排気加熱装置に流入する排気温の変化による影響を加味することができる。特に、排気通路を流れる排気の流量ｖＥおよび排気温ＴＯの少なくとも一方に基づき、排気温ＴＩを補正するステップをさらに具えた場合、排気通路に添加された燃料の燃焼率をより一層高精度に把握することができる。
　排気温ＴＯの変化率dＴＯと排気温ＴＩの変化率dＴＩとの差が所定値を越えた時点が、排気を加熱する直前として規定した場合、排気加熱装置から排気温センサーまでの距離が遠く離れていても、燃焼率の算出開始時期を正確に規定することができる。
　排気通路への燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温ＴＯの変化率dＴＯが閾値未満の場合、燃料の燃焼率を０と算出することにより、排気通路に添加される燃料が未燃状態のままとなるような不具合を未然に防止することができる。ここで、所定時間ｔが排気通路における燃料の添加領域から排気温ＴＯの検出領域に至る排気の流動時間を含み、合、特に所定時間ｔをＡＥ/ｑとした場合、排気加熱装置から排気温センサーまでの距離に応じた適切なタイミングで燃焼率０の判定を行うことができる。また、排気温センサーによって検出される排気温ＴＯに基づき、特にｔ＝(１２９３ｐ・ＡＥ)/{１０１.３Ｗ(１＋０.００３６７ＴＯ)}により補正した場合、より高い信頼性を持った燃焼率を算出することができる。
　排気通路への燃料の添加を終了してからの排気温ＴＯの変化率dＴＯと排気温ＴＩの変化率dＴＩとの差が所定値以下となった時点で、燃料の燃焼率ＲＣを算出するステップを終了する場合、燃焼の終了時期を精度よく予測することができる。この結果、より高精度な燃焼率の算出を行うことが可能となる。排気を加熱する直前から排気通路への燃料の添加に要する時間が経過した時点で、燃料の燃焼率ＲＣを算出するステップを終了する場合も同様な効果を得ることができる。
図１は、本発明による燃焼率算出方法を圧縮点火方式の多気筒内燃機関に応用した一実施形態の概念図である。 図２は、図１に示した実施形態の主要部の制御ブロック図である。 図３は、排気流量と第２排気温に対する補正係数との関係を模式的に表すマップである。 図４は、排気温と第２排気温に対する補正係数との関係を模式的に表すマップである。 図５は、図１に示した実施形態における排気加熱処理の手順を表すフローチャートである。 図６は、図１に示した実施形態における第２排気温および燃焼率の変化を模式的に表すグラフである。
　本発明による燃焼率算出方法を圧縮点火方式の多気筒内燃機関に応用した実施形態について、図１～図６を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、要求される特性に応じてその構成を自由に変更することが可能である。例えば、ガソリンやアルコールまたはＬＮＧ（液化天然ガス）などを燃料としてこれを点火プラグにて着火させる火花点火式内燃機関に対しても本発明は有効である。
　本実施形態におけるエンジンシステムの主要部を模式的に図１に示し、その主要部の制御ブロックを概略的に図２に示す。なお、図１にはエンジン１０の吸排気のための動弁機構や消音器の他に、このエンジン１０の補機として一般的な排気ターボ式過給機やＥＧＲ装置なども省略されている。また、エンジン１０の円滑な運転のために必要とされる各種センサー類もその一部が便宜的に省略されていることに注意されたい。
　本実施形態におけるエンジン１０は、燃料である軽油を燃料噴射弁１１から圧縮状態にある燃焼室１０ａ内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火式の多気筒内燃機関である。しかしながら、本発明の特性上、単気筒の内燃機関であってもかまわない。
　燃焼室１０ａにそれぞれ臨む吸気ポート１２ａおよび排気ポート１２ｂが形成されたシリンダーヘッド１２には、吸気ポート１２ａを開閉する吸気弁１３ａおよび排気ポート１２ｂを開閉する排気弁１３ｂを含む図示しない動弁機構が組み込まれている。燃焼室１０ａの上端中央に臨む先の燃料噴射弁１１もまた、これら吸気弁１３ａおよび排気弁１３ｂに挟まれるようにシリンダーヘッド１２に組み付けられている。燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に供給される燃料の量および噴射時期は、運転者によるアクセルペダル１４の踏み込み量を含む車両の運転状態に基づいてＥＣＵ(Electronic Control Unit)１５により制御される。アクセルペダル１４の踏み込み量は、アクセル開度センサー１６により検出され、その検出情報がＥＣＵ１５に出力される。
　ＥＣＵ１５は、このアクセル開度センサー１６や後述する各種センサー類などからの情報に基づき、車両の運転状態を判定する運転状態判定部１５ａと、燃料噴射設定部１５ｂと、燃料噴射弁駆動部１５ｃとを有する。燃料噴射設定部１５ｂは、運転状態判定部１５ａでの判定結果に基づいて燃料噴射弁１１からの燃料の噴射量や噴射時期を設定する。燃料噴射弁駆動部１５ｃは、燃料噴射設定部１５ｂにて設定された量の燃料が設定された時期に燃料噴射弁１１から噴射されるように、燃料噴射弁１１の作動を制御する。
　吸気ポート１２ａに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結されて吸気ポート１２ａと共に吸気通路１７ａを画成する吸気管１７の途中には、サージタンク１８が形成されている。このサージタンク１８よりも上流側の吸気管１７には、スロットルアクチュエーター１９を介して吸気通路１７ａの開度を調整するためのスロットル弁２０が組み込まれている。また、スロットル弁２０よりも上流側の吸気管１７には、吸気通路１７ａを流れる吸気の流量を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するエアーフローメーター２１が取り付けられている。なお、このエアーフローメーター２１に代えて同じ構成の排気流量センサーを後述する排気加熱装置２２とシリンダーヘッド１２の排気ポート１２ｂとの間に位置する排気管２３の部分に取り付けるようにしてもよい。
　先のＥＣＵ１５は、スロットル開度設定部１５ｄと、アクチュエーター駆動部１５ｅとをさらに有する。スロットル開度設定部１５ｄは、アクセルペダル１４の踏み込み量に加え、先の運転状態判定部１５ａでの判定結果に基づいてスロットル弁２０の開度を設定する。アクチュエーター駆動部１５ｅは、スロットル弁２０がスロットル開度設定部１５ｄにて設定された開度となるように、スロットルアクチュエーター１９の作動を制御する。
　ピストン２４ａが往復動するシリンダーブロック２４には、連接棒２４ｂを介してピストン２４ａが連結されるクランク軸２４ｃの回転位相、つまりクランク角を検出してこれをＥＣＵ１５に出力するクランク角センサー２５が取り付けられている。ＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａは、このクランク角センサー２５からの情報に基づき、クランク軸２４ｃの回転位相やエンジン回転数の他に車両の走行速度などを実時間で把握する。
　排気ポート１２ｂに連通するようにシリンダーヘッド１２に連結される排気管２３は、排気ポート１２ｂと共に排気通路２３ａを画成する。下流端側に取り付けられた図示しない消音器よりも上流側の排気管２３の途中には、燃焼室１０ａ内での混合気の燃焼により生成する有害物質を無害化するための排気浄化装置２６が取り付けられている。本実施形態における排気浄化装置２６は、少なくとも酸化触媒を含むが、この他にＤＰＦ(Diesel Particulate Filter)やＮＯＸ吸蔵触媒などを組み込むことも可能である。酸化触媒は、主として排気に含まれる未燃ガスを酸化、つまり燃焼させるためのものである。この酸化触媒の出口側の排気通路２３ａには、酸化触媒を出た排気の温度（以下、これを触媒温度と記述する）を検出してこれをＥＣＵ１５に出力する触媒温度センサー２７が組み込まれている。ＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａは、この触媒温度センサー２７からの情報に基づき、酸化触媒が活性状態にあるか否かも把握する。
　この排気浄化装置２６よりも上流側の排気管２３の途中には、加熱ガスを生成してこれを下流側に配された排気浄化装置２６に供給し、その活性化および活性状態を維持するための排気加熱装置２２が配されている。本実施形態における排気加熱装置２２は、燃料添加弁２２ａと、グロープラグ２２ｂとを具えている。この他、燃料供給弁２６から供給される燃料を受けてその霧化およびグロープラグ２２ｂ側への飛散を促進させるための特許文献１に開示されたような衝突板や、これらよりも下流側の排気通路２３ａに補助的な酸化触媒を配することも有効である。
　燃料添加弁２２ａは、基本的な構成が通常の燃料噴射弁１１と同じものであり、通電時間を制御することによって、任意の量の燃料を任意の時間間隔で排気通路２３ａにパルス状に供給することができるようになっている。
　燃料添加弁２２ａから排気通路２３ａに供給される１回あたりの燃料の量は、エアーフローメーター２１によって検出される吸入空気量および空燃比を含む車両の運転状態に基づき、ＥＣＵ１５の燃料添加設定部１５ｆにより設定される。燃料添加設定部１５ｆはまた、目標とすべき触媒温度と触媒温度センサー２７によって検出される現在の触媒温度との差に基づき、供給すべき燃料のエネルギー量、すなわち燃料添加量ＱＦも併せて算出する。目標とすべき触媒温度は、酸化触媒が活性状態となる最低温度（以下、これを触媒活性最低温度と記述する）が一般的に選択される。
　なお、本実施形態では空燃比を吸入空気量と燃料添加弁２２ａからの燃料添加量ＱＦとによってＥＣＵ１５の運転状態判定部１５ａにて算出するようにしている。しかしながら、空燃比センサーを排気通路２３ａの途中に組み込み、この空燃比センサーからの検出信号から読み出すようにしてもよい。
　ＥＣＵ１５の燃料添加弁駆動部１５ｇは、燃料添加設定部１５ｆにて設定された量の燃料が設定された周期で燃料添加弁２２ａから噴射されるように、燃料添加弁２２ａの作動を制御する。この場合、燃料添加弁２２ａの作動は、燃料添加を開始してから積算される燃料添加量が燃料添加設定部１５ｆにて設定された燃料添加量ＱＦに達するまで、基本的に行われる。
　燃料添加弁２２ａから排気通路２３ａに添加された燃料を着火させるためのグロープラグ２２ｂは、車載の図示しない電源にオン／オフスイッチとしてのＥＣＵ１５のグロープラグ駆動部１５ｈを介して接続している。従って、グロープラグ２２ｂに対する通電および非通電の切り替えは、予め設定されたプログラムに従ってＥＣＵ１５のグロープラグ駆動部１５ｈにより制御される。
　本実施形態においては、エンジン１０がモータリング状態、すなわちエンジン１０の運転中にアクセルペダル１４の開度が０となり、燃料噴射弁１１から燃料が噴射されない燃料カット状態になった場合、燃料添加弁２２ａからの燃料の添加処理が実行される。しかしながら、車両の運転状態に応じて燃料添加弁２２ａから燃料を添加し、これをグロープラグ２２ｂによって着火燃焼させ、エンジン１０から排出される排気を加熱するようにしてもよい。
　従って、吸気通路１７ａから燃焼室１０ａ内に供給される吸気は、燃料噴射弁１１から燃焼室１０ａ内に噴射される燃料と混合気を形成する。そして、ピストン２４ａの圧縮上死点近傍にて自然着火して燃焼し、これによって生成する排気が排気浄化装置２６を通って排気管２３から大気中に排出される。一方、エンジン１０が燃料カット状態になると、燃料添加弁２２ａから燃料が排気通路２３ａに供給され、これによって排気通路２３ａを流れる排気の昇温を図り、排気浄化装置２６の酸化触媒の活性状態が維持される。
　排気加熱装置２２よりも上流側の排気管２３には、第１排気温センサー２８が配されている。この第１排気温センサー２８は、エンジン１０の燃焼室１０ａよりも下流かつ排気通路２３ａに燃料が添加される領域よりも上流に位置する排気通路２３ａを流れる排気温（以下、これを第１排気温と記述する）ＴＩを検出してこれをＥＣＵ１５に出力する。同様に、排気加熱装置２２と排気浄化装置２６との間の排気管２３には、第２排気温センサー２９および排気圧センサー３０が配されている。第２排気温センサー２９は、排気通路２３ａに添加された燃料が燃焼する領域よりも下流かつ排気浄化装置２６よりも上流に位置する排気通路２３ａを流れる排気の温度（以下、これを第２排気温と記述する）ＴＯを検出してこれをＥＣＵ１５に出力する。排気圧センサー３０は、排気通路２３ａを流れる排気の圧力ｐを検出してこれをＥＣＵ１５に出力する。
　ＥＣＵ１５の第１排気温変化率算出部１５ｉは、排気を加熱する直前からの排気温ＴＩの変化率（以下、これを第１排気温変化率と記述する）dＴＩを算出し、これを燃焼率算出部１５ｊに出力する。同様に、ＥＣＵ１５の第２排気温変化率算出部１５ｋは、排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの変化率（以下、これを第２排気温変化率と記述する）dＴＯを算出し、これを燃焼率算出部１５ｊに出力する。
　燃焼率算出部１５ｊは、排気通路２３ａに添加された燃料の燃焼率ＲＣを下式(７)により算出する。
　　ＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)[ＣＳ[{１/(ｚ３・κＳ)}＋{１/(ｚ５・κＥ)}]・dＴＯ＋ΔＴＯ]　・・・ (７)
　ここで、ＣＥは排気の熱容量，ＱＦは供給エネルギー量，ＣＳは第２排気温センサー２９の熱容量，dＴＯは第２排気温変化率，ΔＴＯは第２排気温上昇量である。供給エネルギー量ＱＦは、前述したように排気通路２３ａに添加される燃料量に対応し、第２排気温上昇量ΔＴＯは、現時点の第２排気温ＴＯから排気を加熱する直前における第２排気温ＴＯＳを減算した値に対応する。また、κＳは第２排気温センサー２９自体の熱伝導率，κＥは排気通路２３ａを流れる排気から第２排気温センサー２９へと伝わる熱伝導率，ｚ３，ｚ５は定数である。
　なお、排気の熱容量ＣＥや、使用する燃料の単位質量あたりの発熱量，第２排気温センサー２９の熱容量ＣＳなどは、予めＥＣＵ１５に取得され、記憶されている。また、(７)式中のＣＳ[{１/(ｚ３・κＳ)}＋{１/(ｚ５・κＥ)}]は、排気通路２３ａを流れる排気に関連するパラメーターＺとして見なすことができるので、(７)式を先の(６)式のように表すことも可能である。すなわち
　　ＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)(Ｚ・dＴＯ＋ΔＴＯ)　・・・ (６)
　この場合、排気通路２３ａを流れる排気に関連するパラメーターＺをｚ１・ＣＳか、ｚ２・ＣＳ{１/(ｚ３・κＳ)}か、ｚ４・ＣＳ{１/(ｚ５・κＥ)}の何れかとし、簡易的に燃焼率ＲＣを算出することも可能である。ただし、ｚ１，ｚ２，ｚ４は定数である。
　排気通路２３ａを流れる排気から第２排気温センサー２９へと伝わる熱伝導率κＥは、一般的な熱伝導率の算出手法から、ヌセルト数Ｎｕを変数とする関数式、すなわちκＥ＝ａ・ｆ(Ｎｕ)で表すことができる。また、この関数式はプラントル数Ｐｒよびレイノルズ数Ｒｅを変数とする関数式、すなわちκＥ＝ｂ・ｆ(Ｐｒ，Ｒｅ)に変換することができる。従って、この熱伝導率κＥは最終的に排気通路２３ａを流れる排気の流速ｖＥを変数とする関数式、すなわちκＥ＝ｃ・ｆ(ｖＥ)に置換することが可能である。つまり、(６)式におけるパラメーターＺのうち、排気通路２３ａを流れる排気から第２排気温センサー２９へと伝わる熱伝導率κＥは、ヌセルト数Ｎｕか、プラントル数Ｐｒおよびレイノルズ数Ｒｅか、排気通路２３ａを流れる排気流速ｖＥを変数とする関数式で表すことも可能である。なお、上述の関数式におけるａ～ｃは何れも定数であり、これらは何れもＥＣＵ１５の燃焼率算出部１５ｊに記憶されている。
　排気通路２３ａを流れる排気温ＴＩ，ＴＯは、排気通路２３ａの長手方向軸線に対して直交する平面内において均一ではなく、その排気系の構成に特有の分布がある。このため、第１および第２排気温センサー２８，２９の検出温度を補正することが望ましい。本実施形態では、排気通路２３ａを流れる排気の流量ｖＥおよび第２排気温ＴＯの少なくとも一方に基づき、第１および第２排気温ＴＩ，ＴＯを補正するようにしている。このため、運転状態判定部１５ａは、図４および図５に示すような排気温補正マップを記憶しており、これに基づいて第１および第２排気温ＴＩ，ＴＯが補正される。本実施形態においては、排気温センサー２８，２９の排気温検出部が排気管２３の管壁近傍に配され、排気流量ｖＥが増大するほど排気通路２３ａを流れる排気の混合状態が良好となるような排気系を想定している。また、排気管２３の管壁温度によって排気中に含まれる未燃燃料や粒子成分などが管壁に付着する量が変化し、その濃度分布が排気通路２３ａの中心から放射状に変化するような排気系を対象としている。従って、図４および図５に示すような排気温補正マップは、排気系の構成や特性などに応じて適宜変更させる必要があることに注意されたい。
　また、排気加熱装置２２に流入する排気温ＴＩの変化が第２排気温変化率dＴＯや第２排気温上昇量ΔＴＯに影響を与えるため、第２排気温変化率dＴＯおよび第２排気温上昇量ΔＴＯが排気温ＴＩの変化による影響を受けないようにすることが望まれる。
　燃焼率算出部１５ｊは、排気を加熱する直前からの第２排気温上昇量ΔＴＯから第１排気温上昇量ΔＴＩを減算し、これを補正後の第２排気温上昇量ΔＴＯとして(７)式に代入する。第１排気温上昇量ΔＴＩは、現時点の第１排気温ＴＩから排気を加熱する直前における第１排気温ＴＩＳを減算した値に対応する。同様に、第２排気温変化率算出部１５ｋにて算出される第２排気温変化率dＴＯから第１排気温変化率dＴＩを減算し、これを補正後の第２排気温変化率dＴＯとして(７)式に代入する。
　燃焼率算出部１５ｊは、第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴ（＝dＴＯ－dＴＩ）を算出し、これが所定値Ｓを越えた時点で、(７)式による燃焼率ＲＣの算出を開始する。つまり、排気を加熱する直前とは、第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｓを越えた時点のことを指す。従って、この時の第１および第２排気温ＴＩＳ，ＴＯＳが第１および第２排気温上昇量ΔＴＩ，ΔＴＯならびに第１および第２排気温変化率dＴＩ，dＴＯの算出基準となる。
　また、燃焼率算出部１５ｊは、排気通路２３ａへの燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温変化率dＴＯが予め設定した閾値θ以上であるか否かを判定する。そして、排気通路２３ａへの燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温変化率dＴＯが閾値θ未満の場合、燃料の燃焼率ＲＣを０と算出する。この場合、所定時間ｔは、排気通路２３ａにおける燃料の添加領域、つまり燃料添加弁２２ａの配設位置から排気温ＴＯの検出領域、つまり第２排気温センサー２９の配設位置に至る排気の流動時間に相当する。つまり、排気通路２３ａにおける燃料の添加領域から排気温ＴＯの検出領域に至る排気通路２３ａの容積ＡＥとし、排気通路２３ａを流れる単位時間あたりの排気の流量をｑで表した場合、所定時間ｔは、次式
　　ｔ＝ＡＥ/ｑ　・・・ (８)
で表すことができる。ここで、排気流量ｑは、エアーフローメーター２１によって検出される単位時間あたりの吸気の質量Ｗを排気の密度ρで除算することによって算出されるが、排気厚をｐで表すと、ρは
　　ρ＝{１２９３/(１＋０.００３６７ＴＯ)}・(ｐ/１０１.３)
で表すことができるので、(８)式を以下のように変形させることができる。
　　ｔ＝(１２９３ｐ・ＡＥ)/{１０１.３Ｗ(１＋０.００３６７ＴＯ)}　・・・ (９)
　本実施形態における燃焼率算出部１５ｊは、所定時間ｔを第２排気温センサー２９によって検出される排気温ＴＯに基づいて(９)式のように補正している。
　一方、燃焼率算出部１５ｊは、燃料添加設定部１５ｆにて設定された量の燃料を排気通路２３ａに添加し終えてからの第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴを再び算出する。そして、これが所定値Ｆよりも小さくなった時点で、燃料の燃焼率ＲＣの算出を終了する。代わりに、燃料添加設定部１５ｆにて設定された量の燃料の添加に要する時間ｔPに基づき、排気を加熱する直前からカウントを開始し、これが時間ｔPに達した時点で燃料の燃焼率ＲＣの算出を終了するようにしてもよい。
　このような本実施形態による排気加熱処理の手順を図５に模式的に示す。すなわち、Ｓ１１のステップにて燃料の添加要求があるか否かを判定する。ここで、燃料の添加要求があると判定した場合には、Ｓ１２のステップにて現在のエンジン１０の運転状態に応じた燃料添加量ＱＦなどの設定を行った後、グロープラグ２２ｂに対する通電を行ってＳ１３のステップにて燃料の添加を開始する。次に、Ｓ１４のステップに移行して開始フラグがセットされているか否かを判定する。最初は開始フラグがセットされていないので、Ｓ１５のステップに移行し、第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｓよりも大きいか否かを判定する。ここで、第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｓ以下である、すなわち排気通路２３ａに添加した燃料の着火による排気温ＴＯの上昇が始まっていないと判断した場合には、最初のステップに戻ってＳ１１以降の処理を繰り返す。
　一方、Ｓ１５のステップにて第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｓよりも大きい、すなわち排気通路２３ａに添加した燃料の着火による排気温ＴＯの上昇が始まっていると判断した場合には、Ｓ１６のステップに移行する。そして、タイマーのカウントアップを開始すると共に開始フラグをセットした後、Ｓ１７のステップにて燃焼率ＲＣの算出を開始する。次に、Ｓ１８のステップタイマーのカウント値ＫＮが所定時間ｔに達したか否かを判定する。最初はタイマーのカウント値ＫＮが所定時間ｔに達していないので、最初のステップに戻ってＳ１１以降の処理を繰り返す。この場合、２回目以降ではＳ１４のステップにて開始フラグがセットされている、すなわち燃焼率ＲＣの算出処理を行っているとの判断により、Ｓ１７のステップに移行して燃焼率ＲＣの算出処理を継続することとなる。このようにして、Ｓ１８のステップにてタイマーのカウント値ＫＮが所定時間ｔに達したと判断した場合には、Ｓ１９のステップに移行して排気通路２３ａへの燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温変化率dＴＯが閾値θ以上あるか否かを判定する。ここで、排気温変化率dＴＯが閾値θ以上である、すなわち排気通路２３ａに添加した燃料が正常に燃焼していると判断した場合には、Ｓ２０のステップに移行して終了フラグがセットされているか否かを判定する。最初は終了フラグがセットされていないので、Ｓ２１のステップに移行し、Ｓ１２のステップにて設定された量ＱＦの燃料が排気通路２３ａに添加し終えたか否かを判定する。ここで、設定された量ＱＦの燃料がまだ排気通路２３ａに添加し終えていないと判断した場合には、最初のステップに戻り、Ｓ１１以降の処理を繰り返す。
　一方、設定された量ＱＦの燃料を排気通路２３ａに添加し終えたとＳ２１のステップにて判断した場合には、Ｓ２２のステップに移行して終了フラグをセットし、次いでＳ２３のステップにて第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｆよりも小さいか否かを判定する。ここで、第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｆ以上である、すなわち排気通路２３ａに添加した燃料の燃焼による影響がまだ認められると判断した場合には、最初のステップに戻ってＳ１１以降の処理を繰り返す。
　Ｓ２３のステップにて第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｆよりも小さい、すなわち排気通路２３ａに添加した燃料の燃焼による第２排気温ＴＯの変化がなくなったと判断した場合には、Ｓ２４のステップに移行する。ここでは、タイマーのカウント値ＫＮを０にリセットすると共に開始フラグおよび終了フラグをリセットし、燃焼率の算出を終了する。
　一方、Ｓ１９のステップにて第２排気温変化率dＴＯが閾値θ未満である、すなわち何らかの原因で燃料の着火燃焼が起こっていないと判断した場合には、Ｓ２５のステップに移行して燃料の燃焼率ＲＣを０と算出した後、Ｓ２４のステップに移行する。また、Ｓ２０のステップにて終了フラグがセットされていると判断した場合には、排気通路２３ａへの燃料の添加が終わっているので、先のＳ２３のステップに移行する。そして、第２排気温変化率dＴＯと第１排気温変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｆよりも小さいか否かを判定する。さらに、Ｓ１１のステップにて燃料添加要求がない、すなわち排気加熱処理を行う必要がないと判断した場合には、Ｓ２４のステップに移行してタイマーのカウント値ＫＮを０にリセットすると共に開始フラグおよび終了フラグをリセットし、排気加熱処理を終了する。
　本実施形態による燃焼率ＲＣの計測結果を模式的に図６に表す。図６は、第２排気温ＴＯの変化と燃焼率ＲＣとの相関を示しており、排気温ＲＣの変化に追従して燃焼率ＲＣが連続的に計測されていることが理解されよう。図中の二点鎖線は、未燃状態における第２排気温ＴＯを模式的に表している。
　なお、本発明はその請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
　１０　エンジン
　１０ａ　燃焼室
　１１　燃料噴射弁
　１２　シリンダーヘッド
　１２ａ　吸気ポート
　１２ｂ　排気ポート
　１３ａ　吸気弁
　１３ｂ　排気弁
　１４　アクセルペダル
　１５　ＥＣＵ
　１５ａ　運転状態判定部
　１５ｂ　燃料噴射設定部
　１５ｃ　燃料噴射弁駆動部
　１５ｄ　スロットル開度設定部
　１５ｅ　アクチュエーター駆動部
　１５ｆ　燃料添加設定部
　１５ｇ　燃料添加弁駆動部
　１５ｈ　グロープラグ駆動部
　１５ｉ　第１排気温変化率算出部
　１５ｊ　燃焼率算出部
　１５ｋ　第２排気温変化率算出部
　１６　アクセル開度センサー
　１７　吸気管
　１７ａ　吸気通路
　１８　サージタンク
　１９　スロットルアクチュエーター
　２０　スロットル弁
　２１　エアーフローメーター
　２２　排気加熱装置
　２２ａ　燃料添加弁
　２２ｂ　グロープラグ
　２３　排気管
　２３ａ　排気通路
　２４　シリンダーブロック
　２４ａ　ピストン
　２４ｂ　連接棒
　２４ｃ　クランク軸
　２５　クランク角センサー
　２６　排気浄化装置
　２７　触媒温度センサー
　２８　第１排気温センサー
　２９　第２排気温センサー
　３０　排気圧センサー
　ｔ　所定時間
　Ｆ，Ｓ　所定値
　ＫＮ　タイマーのカウント値
　ＱＦ　燃料添加量（供給エネルギー量）
　ＲＣ　燃焼率
　θ　閾値
　ΔdＴ　第２排気温変化率と第１排気温変化率との差
　ΔＴＯ　第２排気温上昇量

Claims (14)

  1. 　排気通路に燃料を添加し、この排気通路に添加された燃料を加熱して着火させることにより、内燃機関から排出される排気を加熱する際に、排気通路に添加された燃料の燃焼率を算出する方法であって、
    　排気通路に添加された燃料が燃焼する領域よりも下流側の排気通路を流れる排気温ＴＯを排気温センサーにて取得するステップと、
    　排気の熱容量ＣＥを取得するステップと、
    　排気通路に供給された燃料のエネルギー量ＱＦを取得するステップと、
    　排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの上昇量ΔＴＯを求めるステップと、
    　排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの変化率dＴＯを求めるステップと、
    　排気通路を流れる排気に関連するパラメーターＺを取得するステップと、
    　排気通路に添加された燃料の燃焼率ＲＣを次式
    　　ＲＣ＝(ＣＥ/ＱＦ)(Ｚ・dＴＯ＋ΔＴＯ)
    にて算出するステップと
    　を具えたことを特徴とする燃焼率算出方法。
  2. 　排気通路の途中に排気浄化装置が組み込まれ、燃料は排気浄化装置よりも上流側の排気通路に添加され、排気温センサーは、排気浄化装置よりも上流側の排気通路を流れる排気温ＴＯを検出することを特徴とする請求項１に記載の燃焼率算出方法。
  3. 　パラメーターＺが排気温センサー自体の熱伝導率κＳおよび排気温センサーの熱容量ＣＳおよび排気通路を流れる排気から排気温センサーに伝わる熱伝導率κＥのうちの少なくとも１つを含み、ｚ１，ｚ２，ｚ３，ｚ４，ｚ５をそれぞれ定数とした場合、
    　　Ｚ＝ｚ１・ＣＳか、
    　　Ｚ＝ｚ２・ＣＳ{１/(ｚ３・κＳ)}か、
    　　Ｚ＝ｚ４・ＣＳ{１/(ｚ５・κＥ)}か、
    　　Ｚ＝ＣＳ[{１/(ｚ３・κＳ)}＋{１/(ｚ５・κＥ)}]であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼率算出方法。
  4. 　排気通路を流れる排気の流量ｖＥおよび排気温ＴＯの少なくとも一方に基づき、排気温ＴＯを補正するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の燃焼率算出方法。
  5. 　内燃機関の燃焼室よりも下流かつ排気通路に燃料が添加される領域よりも上流に位置する排気通路を流れる排気の温度ＴＩを取得するステップと、
    　排気を加熱する直前からの排気温ＴＩの上昇量ΔＴＩを求めるステップと、
    　排気を加熱する直前からの排気温ＴＩの変化率dＴＩを求めるステップと、
    　排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの上昇量ΔＴＯから排気温ＴＩの上昇量ΔＴＩを減算して排気温ＴＯの上昇量ΔＴＯを補正するステップと、
    　排気を加熱する直前からの排気温ＴＯの変化率dＴＯから排気温ＴＩの変化率dＴＩを減算して排気温ＴＯの変化率dＴＯを補正するステップと
      をさらに具えたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の燃焼率算出方法。
  6. 　排気通路を流れる排気の流量ｖＥおよび排気温ＴＯの少なくとも一方に基づき、排気温ＴＩを補正するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項５に記載の燃焼率算出方法。
  7. 　排気温ＴＯの変化率dＴＯと排気温ＴＩの変化率dＴＩとの差ΔdＴを求めるステップをさらに具え、
    　排気を加熱する直前とは、これら変化率dＴＯと変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｓを越えた時点であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃焼率算出方法。
  8. 　排気通路への燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温変化率dＴＯが予め設定した閾値以上であるか否かを判定するステップをさらに具え、
    　排気通路への燃料の添加を開始してから所定時間ｔ後の排気温ＴＯの変化率dＴＯが閾値未満の場合、燃料の燃焼率を０と算出することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の燃焼率算出方法。
  9. 　所定時間ｔとは、排気通路における燃料の添加領域から排気温ＴＯの検出領域に至る排気の流動時間を含むことを特徴とする請求項８に記載の燃焼率算出方法。
  10. 　排気通路における燃料の添加領域から排気温ＴＯの検出領域に至る排気通路の容積ＡＥを取得するステップと、
    　排気通路を流れる単位時間あたりの排気の流量ｑを取得するステップと、
    をさらに具え、所定時間ｔが
    　　ｔ＝ＡＥ/ｑ
    で表されることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃焼率算出方法。
  11. 　排気温センサーによって検出される排気温ＴＯに基づいて所定時間ｔを補正するステップをさらに具えたことを特徴とする請求項８から請求項１０の何れかに記載の燃焼率算出方法。
  12. 　大気圧をｐで表し、単位時間あたりの排気の質量をＷで表した場合、所定時間ｔが
    　　ｔ＝(１２９３ｐ・ＡＥ)/{１０１.３Ｗ(１＋０.００３６７ＴＯ)}
    により補正されることを特徴とする請求項１１に記載の燃焼率算出方法。
  13. 　排気通路への燃料の添加を終了してからの排気温ＴＯの変化率dＴＯと排気温ＴＩの変化率dＴＩとの差ΔdＴを求めるステップをさらに具え、
    　燃料の燃焼率ＲＣを算出するステップは、これら変化率dＴＯと変化率dＴＩとの差ΔdＴが所定値Ｆ以下となった時点で終了することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の燃焼率算出方法。
  14. 　燃料の燃焼率ＲＣを算出するステップは、排気を加熱する直前から排気通路への燃料の添加に要する時間が経過した時点で終了することを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の燃焼率算出方法。
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