(57)【要約】【課題】排気系の状態検出装置に関し、簡素な構成で、排気温度を効果的に検出する。【解決手段】エンジン１０の吸気酸素濃度を検出する吸気酸素濃度センサ３２と、運転状態を検出するエンジン回転センサ３０，アクセル開度センサ３１と、吸気酸素濃度、燃料の噴射開始時期及び、予め記憶した吸気酸素濃度と噴射開始時期と図示熱効率変化量との関係を規定する第１モデル式に基づいて、エンジン１０の図示熱効率変化量を演算する図示熱効率演算部４２と、図示熱効率変化量及び、予め記憶した排気温度と図示熱効率変化量との関係を規定した第２モデル式に基づいて、エンジン１０の排気温度を演算する排気温度演算部４３とを備えた。【選択図】図２
2015031170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの吸気酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出される前記吸気酸素濃度、検出される前記運転状態に応じて設定される燃料の噴射開始時期及び、予め記憶した少なくとも吸気酸素濃度と噴射開始時期と図示熱効率変化量との関係を規定する第１モデル式に基づいて、前記エンジンの図示熱効率変化量を演算する図示熱効率変化量演算手段と、
演算される前記図示熱効率変化量及び、予め記憶した少なくとも排気温度と図示熱効率変化量との関係を規定した第２モデル式に基づいて、前記エンジンの排気温度を演算する排気温度演算手段と、を備える
ことを特徴とする排気系の状態検出装置。
【請求項２】
前記エンジンの吸気系と排気系とを接続する環流排気流路に設けられて環流排気を冷却する環流排気冷却手段と、
前記環流排気冷却手段よりも排気下流側の環流排気流路に設けられた排気温度検出手段と、
前記排気温度演算手段で演算される排気温度と、前記排気温度検出手段で検出される排気温度とに基づいて、前記環流排気冷却手段の冷却効率を診断する診断手段と、をさらに備える
請求項１に記載の排気系の状態検出装置。
【請求項３】
前記第１モデル式は、前記運転状態に応じて設定される基準吸気酸素濃度と、前記運転状態に応じて設定される吸気酸素濃度補正係数と、前記運転状態に応じて設定される基準噴射開始時期と、前記運転状態に応じて設定される噴射開始時期補正係数と、を含む
請求項１又は２に記載の排気系の状態検出装置。
【請求項４】
前記第２モデル式は、前記運転状態に応じて設定される基準排気エネルギと、前記運転状態に応じて設定される基準吸気エネルギと、少なくとも吸入空気量及び吸気温度から演算される吸気エネルギと、前記運転状態に応じて設定される燃料噴射量から演算される燃焼エネルギとを含む
請求項１から３の何れか一項に記載の排気系の状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気系の状態検出装置に関し、特に、エンジンから排出される排気の温度を検出する排気系の状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排気の一部を吸気系に環流する排気環流装置（Exhaust Gas Recirculation：以下、ＥＧＲ装置）が知られている。ＥＧＲ装置は、排気系と吸気系とを接続する配管に、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ等を備えて構成されている。
【０００３】
ＥＧＲクーラ内に排気中のオイルや煤が付着すると、冷却効率の低下を招き、高温状態のＥＧＲガスが吸気系に再循環される。このような課題に着目し、ＥＧＲクーラの上流側及び下流側に排気温度センサをそれぞれ設け、これらセンサの温度差に基づいてＥＧＲクーラの冷却効率を診断する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１１４８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、排気温度センサの出力は、実際の排気温度の変化に対して応答遅れを生じる。そのため、排気温度センサに基づいてエンジンの各種制御を行うと、制御に遅れが生じ、運転状態に最適な制御を実現できない可能性がある。
【０００６】
また、ＥＧＲクーラの上流側及び下流側に排気温度センサをそれぞれ設ける構成では、センサ数の増加により装置全体のコスト上昇を招く課題もある。
【０００７】
本発明の目的は、簡素な構成で、排気温度を効果的に検出することができる排気系の状態検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の排気系の状態検出装置は、エンジンの吸気酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、前記エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、検出される前記吸気酸素濃度、検出される前記運転状態に応じて設定される燃料噴射開始時期及び、予め記憶した少なくとも吸気酸素濃度と噴射開始時期と図示熱効率変化量との関係を規定する第１モデル式に基づいて、前記エンジンの図示熱効率変化量を演算する図示熱効率変化量演算手段と、演算される前記図示熱効率変化量及び、予め記憶した少なくとも排気温度と図示熱効率変化量との関係を規定した第２モデル式に基づいて、前記エンジンの排気温度を演算する排気温度演算手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、前記エンジンの吸気系と排気系とを接続する環流排気流路に設けられて環流排気を冷却する環流排気冷却手段と、前記環流排気冷却手段よりも排気下流側の環流排気流路に設けられた排気温度検出手段と、前記排気温度演算手段で演算される排気温度と、前記排気温度検出手段で検出される排気温度とに基づいて、前記環流排気冷却手段の冷却効率を診断する診断手段と、をさらに備えるものであってもよい。
【００１０】
また、前記第１モデル式は、前記運転状態に応じて設定される基準吸気酸素濃度と、前記運転状態に応じて設定される吸気酸素濃度補正係数と、前記運転状態に応じて設定される基準噴射開始時期と、前記運転状態に応じて設定される噴射開始時期補正係数と、を含むことが好ましい。
【００１１】
また、前記第２モデル式は、前記運転状態に応じて設定される基準排気エネルギと、前記運転状態に応じて設定される基準吸気エネルギと、少なくとも吸入空気量及び吸気温度から演算される吸気エネルギと、前記運転状態に応じて設定される燃料噴射量から演算される燃焼エネルギとを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の排気系の状態検出装置によれば、簡素な構成で、排気温度を効果的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気系の状態検出装置を示す模式的な全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る排気系の状態検出装置による制御内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図１，２に基づいて、本発明の一実施形態に係る排気系の状態検出装置を説明する。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。
【００１５】
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）１０には、吸気マニホールド１０Ａ及び、排気マニホールド１０Ｂが設けられている。吸気マニホールド１０Ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０Ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。
【００１６】
排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機１４のタービン１４Ｂ、図示しない排気後処理装置が設けられている。吸気通路１１には、吸気上流側から順に、ＭＡＦセンサ３２、過給機１４のコンプレッサ１４Ａ、インタークーラ１５、吸気温度センサ３３、吸気酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）３４、ブースト圧センサ３５が設けられている。これらセンサ３２〜３５で検出されるセンサ値は、電気的に接続された電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０に出力される。
【００１７】
ＥＧＲ装置２０は、排気の一部を吸気系に環流するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ（環流排気冷却手段）２２と、ＥＧＲガス流量を調整するＥＧＲバルブ２３とを備えている。また、ＥＧＲクーラ２２よりも下流側（出口）のＥＧＲ通路２１には、ＥＧＲクーラ２２で冷却されたＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲクーラ出口温度センサ（排気温度検出手段）３６が設けられている。ＥＧＲクーラ出口温度センサ３６で検出されるセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。
【００１８】
エンジン回転センサ３０は、図示しないクランク軸の回転数を検出する。アクセル開度センサ３１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度を検出する。これらセンサ３０，３１で検出されるセンサ値は、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。なお、エンジン回転センサ３０やアクセル開度センサ３１は、運転状態検出手段の一例として好ましい。
【００１９】
ＥＣＵ４０は、エンジン１０の燃料噴射等の各種制御を行うもので、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。また、ＥＣＵ４０は、燃料噴射制御部４１と、図示熱効率演算部（図示熱効率変化量演算手段）４２と、排気温度演算部（排気温度演算手段）４３と、ＥＧＲクーラ診断部（診断手段）４４とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。
【００２０】
燃料噴射制御部４１は、エンジン回転センサ３０から入力される回転数Ｎ及び、アクセル開度センサ３１から入力されるアクセル開度Ｑに基づいて、エンジン１０の図示しない燃料噴射装置による燃料噴射時期や燃料噴射量を制御する。
【００２１】
図示熱効率演算部４２は、各種センサ３０〜３６で検出されるセンサ値及び、後述するモデル式等に基づいて、エンジン１０の図示熱効率変化量Δηiを演算する。以下、その演算手順を詳述する。
【００２２】
エンジン１０の筒内におけるエネルギ保存は、排気エネルギＨex、吸気エネルギＨin、燃料の燃焼エネルギＱfuel、冷却損失エネルギＵhloss及び、エンジン１０の図示仕事Ｗidの関係を示す以下の数式（１）で表される。
【００２３】
【数１】
2015031170.tif 000003
【００２４】
また、エンジン１０の図示熱効率ηiは、図示仕事Ｗidと燃焼エネルギＱfuelとの比を示す以下の数式（２）で表される。
【００２５】
【数２】
2015031170.tif 000004
【００２６】
数式（１）に数式（２）の図示仕事Ｗidを代入すると、排気エネルギＨexは以下の数式（３）で表される。
【００２７】
【数３】
2015031170.tif 000005
【００２８】
さらに、数式（３）に基づいて、基準排気エネルギＨex,refからの変化量ΔＨexを計算すると以下の数式（４）で表される。
【００２９】
【数４】
2015031170.tif 000006
【００３０】
数式（４）において、燃料噴射量は一定、冷却損失エネルギＵhlossの変化は微小であると仮定すると、排気エネルギの変化量ΔＨexは以下の数式（５）で近似される。
【００３１】
【数５】
2015031170.tif 000007
【００３２】
さらに、エンジン１０から排出される排気温度（以下、エンジン出口排気温度）Ｔ3は、数式（４）のΔＨex＝Ｈex−Ｈex,refから以下の数式（６）で表される。
【００３３】
【数６】
2015031170.tif 000008
【００３４】
数式（６）に数式（５）を代入すると、エンジン出口排気温度Ｔ3は、吸気の定圧比熱：Ｃp,in、排気流量：ｍex、基準排気エネルギ：Ｈex、ref、基準吸気エネルギ：Ｈin、ref、排気エネルギ：Ｈin、燃焼エネルギ：Ｑfuelとする以下の数式（７）（第２モデル式）で表される。
【００３５】
【数７】
2015031170.tif 000009
【００３６】
ここで、図示熱効率ηiの変化要因として、燃料の噴射開始時期φ及び、吸気酸素濃度ＸO2を考慮する。図示熱効率変化量Δηiの吸気酸素濃度ＸO2に対する変化を線形と仮定すると、図示熱効率変化量Δηiはテイラー展開により、吸気酸素濃度：ＸO2、噴射開始時期：φ、吸入酸素濃度補正係数：ｋ1,O2、基準吸入酸素濃度：ＸO2、ref、噴射開始時期補正係数：ｋn(n=1,2),soi、基準噴射開始時期：φrefとする以下の数式（８）で近似される。
【００３７】
【数８】
2015031170.tif 000010
【００３８】
数式（８）において、噴射開始時期φと吸入酸素濃度ＸO2との相互作用項の影響を微小と仮定すると、図示熱効率変化量Δηiは以下の数式（９）（第１モデル式）で表される。
【００３９】
【数９】
2015031170.tif 000011
【００４０】
図示熱効率演算部４２は、この数式（９）に基づいて、図示熱効率変化量Δηiをリアルタイムで演算する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により作成したエンジン回転数Ｎとアクセル開度Ｑと吸入酸素濃度補正係数ｋ1,O2との関係を規定する補正値マップ（不図示）及び、エンジン回転数Ｎとアクセル開度Ｑと基準吸入酸素濃度ＸO2、refとの関係を規定する基準値マップ（不図示）が記憶されている。さらに、ＥＣＵ４０には、予め実験等により作成したエンジン回転数Ｎとアクセル開度Ｑと噴射開始時期補正係数ｋn(n=1,2),soiとの関係を規定する補正値マップ（不図示）及び、エンジン回転数Ｎとアクセル開度Ｑと基準噴射開始時期φrefとの関係を規定する基準値マップ（不図示）が記憶されている。
【００４１】
図示熱効率演算部４２は、数式（９）にこれらマップからエンジン１０の運転状態に応じた値を読み取って代入すると共に、吸気酸素濃度センサ３４から入力される吸気酸素濃度ＸO2及び、燃料噴射制御部４１で決定される噴射開始時期φをそれぞれ代入する。これにより、基準吸入酸素濃度ＸO2、refからの変化量及び、基準噴射開始時期φrefからの変化量を反映した図示熱効率変化量Δηiが、エンジン１０の運転状態に応じてリアルタイムで演算されるように構成されている。
【００４２】
排気温度演算部４３は、数式（７）に基づいて、エンジン出口排気温度Ｔ3をリアルタイムで演算する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により作成したエンジン回転数Ｎとアクセル開度Ｑと基準吸気エネルギＨin、refとの関係を示す基準値マップ（不図示）及び、エンジン回転数Ｎとアクセル開度Ｑと基準排気エネルギＨex、refとの関係を示す基準値マップ（不図示）が記憶されている。
【００４３】
排気温度演算部４３は、これらマップからエンジン１０の運転状態に応じた値を読み取ると共に、吸気の定圧比熱Ｃp,in、吸気温度Ｔ2及び、吸気流量ｍinの関係を示す以下の数式（１０）から吸気エネルギＨinを演算する。
【００４４】
【数１０】
2015031170.tif 000012
【００４５】
さらに、排気温度演算部４３は、燃料の低位発熱量ｈl及び、燃料噴射量ｍfuelの関係を示す以下の数式（１１）から燃料の燃焼エネルギＱfuelを演算する。
【００４６】
【数１１】
2015031170.tif 000013
【００４７】
そして、排気温度演算部４３は、マップから読み取った値や数式（１０），（１１）から演算した値及び、排気の定圧比熱Ｃp,ex、排気流量ｍexを数式（７）に代入することで、エンジン出口排気温度Ｔ3を演算する。これにより、エンジン１０の運転状態に応じて変化するエンジン出口排気温度Ｔ3がリアルタイムで演算されるように構成されている。なお、排気流量ｍexは、図示しない排気流量センサで直接的に検出してもよく、又は、エンジン回転数Ｎ及びアクセル開度Ｑから把握されるエンジン１０の運転状態に基づいて推定してもよい。
【００４８】
ＥＧＲクーラ診断部４４は、排気温度演算部４３で演算されるエンジン出口排気温度Ｔ3と、ＥＧＲクーラ出口温度センサ３６から入力されるＥＧＲクーラ出口温度Ｔ4とに基づいて、ＥＧＲクーラ２２の故障診断を実行する。
【００４９】
より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等で求めたＥＧＲクーラ２２の故障を示す下限閾値Ｔminが記憶されている。ここで、故障とは、例えば、ＥＧＲクーラ２２の図示しないフィン等に排気中の煤やオイルが付着し、ＥＧＲガスと冷却水との間の熱交換が妨げられることで、冷却効率を著しく低下させた状態をいう。
【００５０】
ＥＧＲクーラ診断部４４は、エンジン出口排気温度Ｔ3とＥＧＲクーラ出口温度Ｔ4との温度差ΔＴが下限閾値Ｔminよりも低くなった場合は、ＥＧＲクーラ２２を故障と判定する。なお、故障判定は、必ずしも温度差ΔＴに基づく必要はなく、エンジン出口排気温度Ｔ3とＥＧＲクーラ出口温度Ｔ4との比Ｔ3／Ｔ4に基づいて行われてもよい。
【００５１】
次に、図２に基づいて、本実施形態の排気系の状態検出装置による制御フローを説明する。
【００５２】
まず、イグニッションキーのＯＮ操作と同時に、ステップ１００では、各種センサ３０〜３６のセンサ値がＥＣＵ４０に入力される。
【００５３】
ステップ１１０では、エンジン１０の運転状態に応じて、補正値マップから吸入酸素濃度補正係数ｋ1,O2及び、噴射開始時期補正係数ｋn(n=1,2),soi、基準値マップから基準吸入酸素濃度ＸO2、ref及び、基準噴射開始時期φrefがそれぞれ読み取られる。
【００５４】
ステップ１２０では、ステップ１１０で各種マップから読み取った値と、吸気酸素濃度センサ３４から入力される吸気酸素濃度ＸO2と、燃料噴射制御部４１で決定される噴射開始時期φとに基づいて、数式（９）のモデル式から図示熱効率変化量Δηiが演算される。
【００５５】
ステップ１３０では、エンジン１０の運転状態に応じて、基準値マップから基準吸入エネルギＨin、ref、基準排気エネルギＨex、refが読み取られると共に、数式（１０），（１１）から排気エネルギＨin、燃焼エネルギＱfuelが演算される。
【００５６】
ステップ１４０では、ステップ１２０で演算された図示熱効率変化量Δηi、ステップ１３０でマップから読み取った値及び、数式（１０），（１１）から演算された値に基づいて、数式（７）のモデル式からエンジン出口排気温度Ｔ3が演算される。
【００５７】
ステップ１５０では、ステップ１４０で演算されたエンジン出口排気温度Ｔ3と、ＥＧＲクーラ出口温度センサ３６から入力されるＥＧＲクーラ出口温度Ｔ4との差ΔＴに基づいて、ＥＧＲクーラ２２の故障が判定される。温度差ΔＴが下限閾値Ｔminよりも低い場合（ＹＥＳ）、ステップ１６０でＥＧＲクーラ２２は故障と判定される。一方、温度差ΔＴが下限閾値Ｔmin以上の場合（ＮＯ）、本制御はステップ１００に戻される。その後、ステップ１００〜１６０までの各制御ステップは、イグニッションキーのＯＦＦ操作まで繰り返し実行される。
【００５８】
次に、本実施形態に係る排気系の状態検出装置による作用効果を説明する。
【００５９】
従来は、排気通路に設けた排気温度センサを用いて、エンジンから排出される排気の温度を直接的に測定していた。この排気温度センサには、実際の排気温度に対して応答遅れが生じるため、エンジンの各種制御に遅れを引き起こす課題があった。
【００６０】
これに対し、本実施形態の排気系の状態検出装置は、上述の数式（９）で示されるモデル式からエンジン１０の図示熱効率変化量Δηiをリアルタイムで演算すると共に、この図示熱効率変化量Δηi及び、上述の数式（７）で示されるモデル式からエンジン出口排気温度Ｔ3をリアルタイムで演算する。すなわち、応答遅れの生じる排気温度センサを用いることなく、予め規定したモデル式を用いることで、エンジン出口排気温度Ｔ3を迅速且つ高精度に演算するように構成されている。
【００６１】
したがって、本実施形態の排気系の状態検出装置によれば、モデル式を用いた簡素な構成で、エンジン出口排気温度Ｔ3を効果的に検出（演算）することが可能になる。
【００６２】
また、従来は、ＥＧＲクーラの診断を行うために、ＥＧＲクーラの上流側及び下流側に排気温度センサをそれぞれ設けていた。そのため、診断に排気温度センサの応答遅れの影響を与えると共に、センサ数の増加により装置全体のコスト上昇を招く課題があった。
【００６３】
これに対し、本実施形態の排気系の状態検出装置は、上述の数式（７）で示されるモデル式からリアルタイムで演算されるエンジン出口排気温度Ｔ3と、ＥＧＲクーラ出口温度センサ３６から入力されるＥＧＲクーラ出口温度Ｔ4との温度差ΔＴに基づいて、ＥＧＲクーラ２２の故障を判定するように構成されている。
【００６４】
したがって、本実施形態の排気系の状態検出装置によれば、センサの応答遅れの影響を受けることなく、ＥＧＲクーラ２２の診断を迅速且つ正確に行うことが可能になる。また、上流側の排気温度センサを省略することが可能となり、センサ数の増加によるコスト上昇を効果的に抑制することもできる。
【００６５】
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。
【００６６】
例えば、上述の実施形態では、排気温度演算部４３で演算されるエンジン出口排気温度Ｔ3をＥＧＲクーラ２２の診断に用いるものとして説明したが、ＥＧＲガス量の制御や図示しない排気後処理装置の制御に用いるように構成してもよい。また、エンジン１０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エンジンにも広く適用することが可能である。これら何れの場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１０  エンジン
２０  ＥＧＲ装置
２２  ＥＧＲクーラ（環流排気冷却手段）
３０  エンジン回転センサ（運転状態検出手段）
３１  アクセル開度センサ（運転状態検出手段）
３４  吸気酸素濃度センサ（酸素濃度検出手段）
３５  ブースト圧センサ
３６  ＥＧＲクーラ出口温度センサ（排気温度検出手段）
４０  ＥＣＵ
４２  図示熱効率演算部（図示熱効率変化量演算手段）
４３  排気温度演算部（排気温度演算手段）
４４  ＥＧＲクーラ診断部（診断手段）
【図１】
2015031170.tif 000014
【図２】
2015031170.tif 000015