(57)【要約】【課題】本発明の目的は、排気管の温度を高い解析精度で、かつ、その解析をより早期に完了させることのできる排気管温度推定方法を提供すること。【解決手段】本発明の排気管温度推定方法は、内燃機関の１サイクルあたりの排気脈動変化に基づいて、非定常計算によって排気管内壁の熱伝達率の時間変化を推定する熱伝達率変化推定手段と、前記熱伝達率変化推定手段によって推定された熱伝達率変化の時間平均を演算によって算出する平均算出手段と、前記平均算出手段によって算出された熱伝達率変化の時間平均、与えられる排気ガス温度、及び、与えられる排気管−外気流の関係に基づいて、定常計算によって前記排気管内壁の温度を推定する排気管温度推定手段とを備えていることを特徴としている。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の１サイクルあたりの排気脈動変化に基づいて、非定常計算によって排気管内壁の熱伝達率の時間変化を推定する熱伝達率変化推定手段と、
前記熱伝達率変化推定手段によって推定された熱伝達率変化の時間平均を演算によって算出する平均算出手段と、
前記平均算出手段によって算出された熱伝達率変化の時間平均、与えられる排気ガス温度、及び、与えられる排気管−外気流の関係に基づいて、定常計算によって前記排気管内壁の温度を推定する排気管温度推定手段とを備えたことを特徴とする車両制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気管温度を推定する排気管温度推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気管の温度を推定する手法としては、〔特許文献１〕に記載されたものなどが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２１４７８８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、〔特許文献１〕に記載されている手法は、推定装置を内燃機関と共に車両などに搭載して推定を行うものである。このような推定方法とは別に、内燃機関の開発過程において行われるような、ＣＡＥを用いたより高度な解析によって排気管温度を精密に推定する方法もある。このようなＣＡＥを用いた解析では、解析精度を向上させるために計算量が増大してしまう場合が多いが、計算量が増大すれば解析結果を得るのに長時間かかるので開発を行いにくくなってしまう。解析精度を向上させつつも、より短い時間で解析を行うことのできる解析手法が要望されている。
【０００５】
従って、本発明の目的は、排気管の温度を高い解析精度で、かつ、その解析をより早期に完了させることのできる排気管温度推定方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
内燃機関の開発過程で図１に示されるような排気管１の温度を解析によって求める場合、排気ガスの流れから受け取る熱に関する計算を行うこととなる。なお、図１は、ＣＡＥ用にメッシュ化された排気管１を示している。このとき、従来は非定常計算法又は定常計算法によって算出する。非定常計算とは、時間とともに状態が変化する非定常状態として演算を行うことであり、定常計算とは、時間的に変化のない定常状態として演算を行うことである。
【０００７】
非定常計算法では、排気ガスの脈動現象と排気管の壁温の上昇とを同時に非定常計算することとなる。図で示せば、図２（ａ）に示されるように、四気筒エンジンの各シリンダ（＃１〜＃４）からの排気流量を非常に短い時間オーダーで算出し、これに基づいて排気管壁温の時間変化を、即ち、図２（ｂ）における温度曲線Ｔを算出する。図２（ａ）の場合は、内燃機関の全気筒の燃焼が一巡する１サイクルが０．０２秒であり、その中での流量の山を把握するためには０．００１秒以下の時間オーダーで算出を行う必要がある。この非定常計算法によれば、算出される温度曲線Ｔの精度は高いが、温度曲線Ｔの収束する時間が長いため（図２（ａ）の場合は１８０秒）計算量が膨大となり（例えば数百万ステップ、数万時間にも及ぶ）、結果が得られるまでに膨大な時間がかかるという欠点があった。
【０００８】
一方、定常計算法では、上述した排気流量を平均値として把握して（排気ガスは定常流れであると仮定して）、最終的な温度も時間変化ではなく最終的に収束する温度（図２（ｂ）のＴ１に相当する温度：図２（ｂ）では８００℃）を算出する。このため、結果は比較的早期（例えば、千ステップ前後、数時間）に得られる。しかし、排気ガスを定常流れであるとしてしまうと、排気ガスの他気筒へのまわり込みやガスの混合現象が表現されないため、解析としては高い精度は得られない。
【０００９】
本発明の排気管温度推定手段は、解析精度を向上させ（高く維持し）つつも、解析時間を短時間に抑制する（短縮する）ことのできるものであり、内燃機関の１サイクルあたりの排気脈動変化に基づいて、非定常計算によって排気管内壁の熱伝達率の時間変化を推定する熱伝達率変化推定手段と、前記熱伝達率変化推定手段によって推定された熱伝達率変化の時間平均を演算によって算出する平均算出手段と、前記平均算出手段によって算出された熱伝達率変化の時間平均、与えられる排気ガス温度、及び、与えられる排気管−外気流の関係に基づいて、定常計算によって前記排気管内壁の温度を推定する排気管温度推定手段とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の排気管温度推定方法の実施形態について以下に説明する。
【００１１】
後述する演算は、コンピュータによって行われる。コンピュータは、演算を行うＣＰＵなどを備えた演算処理部、演算中のデータやその他のデータを記憶させておくメモリやハードディスク・記録媒体などの記憶部、操作を行うキーボードやマウスなどの操作部、演算過程や結果を表示するＣＲＴモニタなどの表示部などを備えている。以下の方法は、記憶部に保存されたプログラムを介して行われ、各種設定（初期設定［解析のための境界条件などを含む］及び操作中の設定など）はオペレータが表示部に表示されるデータを参照しつつ操作部を介して操作する。
【００１２】
なお、以下に説明する演算に関しては、『コロナ社、１９８６年、「熱の流れのコンピュータアナリシス」日本機械学会編』にも一般化した形で説明されている。以下の説明は、排気管の温度推定に適用した場合で説明している。本実施形態では、図１に示されるような排気管１の温度を推定する。まず、排気管内の排気ガスに関して、ガス流の入口側及び出口側の境界条件を設定する。具体的には、排気バルブを通過する排気ガスの流速ｕ（ｕｉ：ｉ＝１，２，３）、密度ρ、ガス温度Ｔ、及び、エキゾーストマニフォールド下流のガス圧力ｐなどを設定する。
【００１３】
これらの境界条件に関しては、エンジンの燃焼をモデル化したものに基づいて算出しても良いし、実験を通して得た値を用いても良い。また、排気管内壁の温度の境界条件に関しては、ここでは、一定・一様であると仮定して排気管内壁温度Ｔｗとして設定しておく。本来は、排気管内壁温度の分布（位置及び時間の分布）を求めたいのであるが、その前段階として排気管の熱伝達率Ｈｃ（ｔ）を求めるために、ここでは排気管内壁温度が一定・一様であると仮定した排気管内壁温度Ｔｗを用いる。
【００１４】
これらの境界条件に基づいて、下記（１）〜（６）式の方程式を連立させることで、排気管内部の排気ガス流について、各位置における各時間の流速ｕ（ｕｉ：ｉ＝１，２，３）、圧力ｐ、密度ρ、温度Ｔ、乱流エネルギーｋ、乱流散逸率εが算出される。なお、解析する排気管に対してｘｉ（ｉ＝１，２，３）からなる直交座標系を設定し、流速ｕのｘｉ軸方向の成分をｕｉと表すこととする。以下に示す（１），（２）式は、いわゆるナビエ−ストークス（Ｎａｖｉｅｒ  Ｓｔｏｋｅｓ）方程式である。（２）式は上述したｘｉ（ｉ＝１，２，３）軸毎にそれぞれ立てられる。（３）式は一般的な混合流体に関するエンタルピー保存方程式である。（４）式は気体の状態方程式である。（５），（６）は乱流モデルの方程式である。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
【数２】
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【００１７】
【表１】
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【００１８】
【数３】
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【００１９】
【数４】
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【００２０】
【数５】
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【００２１】
【数６】
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【００２２】
このとき、排気管内壁の境界条件として、下記式（７）で示される壁関数が適用される。また、壁近傍の無次元温度Ｔ＋は熱フラックスＦｗを用いて下記式（８）のように表せる。この結果、局所熱移動係数Ｈｔ（ｔ）は下記式（９）のように表せる。文献などでは、温度Ｔのバルク平均Ｔｂを用いた熱伝達係数Ｈｃ（ｔ）が広く使用されており、ここでも熱伝達係数Ｈｃ（ｔ）を使用する。熱伝達係数Ｈｃ（ｔ）は、下記式（９）式で求まる熱フラックスＦｗを用いて下記式（１０）のように表せる。
【００２３】
【数７】
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【００２４】
【数８】
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【００２５】
【数９】
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【００２６】
【数１０】
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【００２７】
このようにして、排気ガスから排気管内壁への熱伝達率Ｈｃ（ｔ）がクランク角１°（１°ＣＡ）毎に求められる。即ち、内燃機関の燃焼１サイクルあたりの排気脈動変化に基づいて、熱伝達率Ｈｃ（ｔ）の時間変化が推定される。ここでの算出は、「排気管内部の排気ガスの流れ」と「排気管」との間の熱収支に着目して行われている。また、上述した算出は非定常計算法によるものとなる。次のステップは、「排気管外部の外気の流れ」と「排気管」との間の熱収支に着目して行われる。この算出は、定常計算法によるものとなる。
【００２８】
外気は定常流れと把握することができ、時間に関して収束計算が実施できる。このため、定常計算によっても解析精度を維持でき、大幅に短い時間で計算できる。そこで、まず、算出された１°ＣＡ毎の熱伝達率Ｈｃ（ｔ）を時間平均して、時間平均された熱伝達率Ｈｃを求める。この平均化された熱伝達率Ｈｃは、排気管の各位置毎に算出される。即ち、この熱伝達率Ｈｃは、時間平均されたものであるが、位置毎に異なる分布を持つ。上述したように、精度よく求められた１°ＣＡ毎の熱伝達率Ｈｃ（ｔ）を定常計算のために時間平均して用いるが、元々精度よく算出されたものであるので、その時間平均されたもの（熱伝達率Ｈｃ）を用いても解析精度を悪化させない。
【００２９】
次に、排気管と外気との境界条件、具体的には、外気流の流速ｕ（ｕｉ：ｉ＝１，２，３）、圧力ｐ、密度ρ、温度Ｔを設定する。そして、この境界条件と時間平均された熱伝達率Ｈｃとに基づいて、上記（１）〜（１０）式に加えて下記式（１１）式を用いて、排気管内壁の温度分布Ｔｗを算出する。この温度分布Ｔｗは仮定したものではなく、一定でも一様でもない分布として収束計算によって算出される。なお、（１１）式は固体（排気管）に関する熱伝導方程式である。
【００３０】
なお、上述した「排気管内のガス流」と「排気管」との間の関係では、上記（１）〜（１０）式に関するガスは排気管内の排気ガスであった。ここでは、「排気管外の外気流」と「排気管」との関係であり、上記（１）〜（１１）式中のガスは外気流である。ここでの算出には、上述した「排気管内のガス流」と「排気管」との間の関係の場合と同様に、「排気管」と「排気管外の外気流」に関して上記（１）〜（１０）式の方程式を適用するが、排気管の内部側（排気ガス側）の境界条件には、上述した熱伝達率Ｈｃの分布と排気ガスのバルク平均温度Ｔｂが与えられる。これにより、排気管の温度Ｔｗを精度よく算出し、かつ、その際の解析に要する時間を少なくすることができる。
【００３１】
【数１１】
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【００３２】
上述した手法をまとめると、熱伝達率の算出は排気ガス流を定常流れと把握しないで非定常計算で精度よく求め、求めた熱伝達率に基づいて排気管の内壁温度を定常計算で求める。このとき、非定常計算と定常計算とは独立して行われる。このように、非定常計算と定常計算とを効果的に適用することで、高い解析精度と短い解析時間とを両立することができる。例えば、図１に示される排気管の温度を解析する場合、すべて非定常計算によると３００時間以上かかっていたものが、本実施形態によれば数時間で済むようになり、その精度はほとんど変わらない。
【００３３】
特に、上述した非定常計算において、非定常流れとして解析する排気ガスの流れ（脈動変化）は、内燃機関の２〜３サイクルほどで収束するため、非定常計算であっても計算量が比較的少なくなる（壁温を非定常計算するよりも計算量が少なくなる）。また、熱伝達率は、壁温に対する依存性が少ない。これらのことを考慮して、ここでは、排気ガスの流れを壁温とは分離し、非定常計算によって解析している。また、壁温は収束した後であれば内燃機関の１サイクルの間での変動が少ないので、時間平均した熱伝達率を用いて定常計算法によって解析しても解析精度を大きく悪化させることがない。
【００３４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態においては、非定常な熱伝達率Ｈｃ（ｔ）を求めるために、排気管内壁温度Ｔｗを一定・一様であると仮定した。しかし、温度の設定の仕方によっては、このような手法以外の方法もある。例えば、類似形状での実測あるいは計算結果の壁温分布からの推定値を与えるなどの方法がある。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の排気管温度推定方法によれば、熱伝達率変化推定手段が非定常計算によって排気管内壁の熱伝達率の時間変化を厳密に推定することで精度を維持し（あるいは、向上させ）つつ、排気管温度推定手段が熱伝達率変化の時間平均・排気ガス温度・排気管−外気流の関係に基づいて定常計算によって排気管内壁の温度を推定することで計算量低減を実現している。排気管内のガス流の脈動に対して時間変化を考慮して非定常計算を適用して制度を維持しつつ、外気流は定常と見なしても精度をほとんど悪化させることはないため、定常計算を適用して計算量を低減する。このように、非定常計算・定常計算を適宜使い分けることで、排気管の温度を高い解析精度で、かつ、その解析をより早期に完了させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の推定方法の一実施形態によって温度を推定する排気管のメッシュモデル（ＣＡＥ用データ）を示している。
【図２】（ａ）は時間に対する排気管内の排気ガス流量（非定常）を示すグラフであり、（ｂ）は時間に対する排気管内壁温度の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…排気管。
【図１】
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【図２】
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