JP2004257315A

JP2004257315A - Status detector of internal combustion engine

Info

Publication number: JP2004257315A
Application number: JP2003049446A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Soejima; 慎一副島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP4238597B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect various characteristics of an internal combustion engine, such as, an exhaust pressure, an exhaust temperature in a high accuracy. <P>SOLUTION: A status detector of the internal combustion engine includes a supercharger 16 having a compressor 16a and a turbine 16b, an air flow meter 18 for acquiring an amount of intake air dm<SB>1</SB>/dt, an intake pressure sensor 22 for acquiring an intake pressure P3, a means for obtaining the rotational speed N<SB>tb</SB>of the compressor 16a and the turbine 16b based on the amount of intake air dm<SB>1</SB>/dt and the intake pressure P3 by using flow rate characteristics of the compressor 16a, a means for acquiring an amount of exhaust gas flowing through the turbine 16b, and a means for obtaining an exhaust gas pressure P4 and an exhaust gas temperature T4 based on the rotational speed N<SB>tb</SB>and the amount of the exhaust gas of the turbine 16b by using the flow rate characteristics of the turbine 16b. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の状態検出装置に関し、特に、過給機を備えた内燃機関に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近時においては、機関出力増大のため過給機（ターボチャージャー、スーパーチャージャー）を備えた内燃機関が一般的となっている。このような内燃機関において、機関を最適に制御するため、排気圧力、排気温度を推定することが行われている。特に、可変容量ターボチャージャー（ＶＮＴ；ＶａｒｉａｂｌｅＮｏｚｚｌｅＴｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｒ）、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ；ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）等を備えた機関では、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ；ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）などを最適に抑えるため、過給圧や吸入空気量、ＥＧＲ率を正確に制御する必要があり、排気圧力、排気温度を正確に推定することは非常に重要である。
【０００３】
このため、例えば特開２０００−３５６１６２号公報には、可変容量ターボチャージャーを備えた内燃機関の排気圧力、排気温度を推定する方法が記載されている。
【０００４】
上記公報に記載された方法は、ターボチャージャーのタービンをノズルと見立て、ノズルを流れる流体の一般式に基づいて、タービン下流側の圧力とＶＮＴの有効開度からタービン上流側の圧力を求めるものである。すなわち、ターボチャージャーでの排気圧力を、一般の流体の解析に用いられる非圧縮性流体の式を用いて推定している。
【０００５】
また、内燃機関の排気圧力、排気温度を推定する別の方法として、機関運転状態（燃料噴射量、機関回転数）に応じた排気圧力、排気温度を予め排気圧力センサ、排気温度センサで計測してマップを作成しておき、このマップに基づいて排気圧力、排気温度を取得する方法が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３５６１６２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載されているようにタービン周辺をノズルの一般式で近似した場合、タービン内の流路などに起因する流量特性、効率特性などのターボチャージャーの諸特性がノズルの式に含まれないこととなる。このため、ノズルの一般式に基づいて排気圧力、排気温度を正確に推定することは困難である。
【０００８】
また、ノズルに関する一般式をタービンに適用した場合、排気ガス流量、排気圧力及び排気ガス密度の関係が規定されることとなるが、排気ガス密度は排気ガス温度に応じて変動する。従って、排気圧力を正確に求めるためには、先ず排気温度を正確に求める必要があり、排気圧力の推定精度は排気温度の推定精度に大きく依存する。
【０００９】
上記公報に記載された方法では、排気温度を吸気温度、排気圧力などに関する４つの補正係数を用いて決定しているが、多数の補正係数を用いることでロジックの構造が複雑になり、複雑な演算処理が必要となるといった問題が生じる。また、補正係数を取得するため、多くの計測などの煩雑な作業が必要となる。更には、推定精度を高めるためには適合パラメーターを多く用いる必要があり、適合に長時間を要するという問題も生じる。
【００１０】
一方、マップに基づいて排気圧力、排気温度を取得する方法では、予め多数のデータに基づいてマップを作成しておく必要があり、マップ作成に非常に煩雑な作業が必要となるという問題が生じる。特に、排気圧力、排気温度を正確に取得するためには、機関運転条件に関する複数のパラメーター（回転数、負荷、ＥＧＲ開度、冷却水温など）を用いた多次元マップを作成する必要があり、マップ作成に非常に煩雑な作業が必要となる。更に、マップ作成の段階では、排気圧力センサ、排気温度センサなどの各種センサを機関周辺に取り付ける等の煩雑な作業も発生する。
【００１１】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、排気圧力、排気温度などの内燃機関の諸特性を高い精度で検出することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、前記コンプレッサーの上流及び下流における吸入空気の圧力比を取得する手段と、前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気の圧力比に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、前記タービンを流れる排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める排気ガスの状態検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記排気ガスの状態検出手段は、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比、及び前記タービンの上流における排気ガス温度の相関関係を用いて、前記排気ガス圧力とともに前記タービンの上流における排気ガス温度を求めることを特徴とする。
【００１４】
第３の発明は、第２の発明において、前記排気ガスの状態検出手段は、前記相関関係から定まる排気ガス量と前記排気ガス量取得手段により取得された前記排気ガス量との比較の結果に基いて、求めた前記排気ガス圧力及び前記排気ガス温度の正確性を判断する手段を含むことを特徴とする。
【００１５】
第４の発明は、吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、前記タービンよりも上流の前記排気通路と前記コンプレッサーよりも下流の前記吸気通路とを接続し、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路へ送る排気ガス再循環手段と、前記排気ガス再循環手段に設けられ、前記吸気通路へ送る前記排気ガスの流量を調整する流量調整手段と、前記流量調整手段の前記吸気通路側における吸入空気圧力を取得する手段と、前記流量調整手段の有効開度を取得する手段と、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量を取得する手段と、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度を取得する手段と、前記吸気空気圧力、前記流量調整手段の有効開度、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量、及び前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度とに基づいて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
第５の発明は、第４の発明において、前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気圧力に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、前記タービンを流れる排気ガス量を取得する手段と、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流における排気ガスの圧力、及び前記タービンの上流における排気温度の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス温度を求める手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる過給機付き内燃機関の状態検出装置及びその周辺の構造を説明するための図である。図１に示すように、内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２および排気通路１４には過給機（ターボチャージャー）１６が装着されている。過給機１６はコンプレッサー１６ａおよびタービン１６ｂを備えており、コンプレッサー１６ａは吸気通路１２に、タービン１６ｂは排気通路１４にそれぞれ設けられている。コンプレッサー１６ａとタービン１６ｂはシャフト１６ｃで連結され、シャフト１６ｃを中心軸として回転可能に構成されている。過給機１６は、排気通路１４を流れる排気ガスによってタービン１６ｂ及びコンプレッサー１６ａを回転させ、コンプレッサー１６ａの回転によって吸気通路１２を流れる吸入空気を圧縮するものである。
【００１９】
吸気通路１２のコンプレッサー１６ａよりも下流側には、エアフロメータ１８が設けられている。エアフロメータ１８は、吸気通路１２における内燃機関１０への吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ（＝Ｇａ）を検出するセンサである。エアフロメータ１８の下流には、スロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の近傍には、スロットル開度Ａｓを検出するスロットルセンサ２１が配置されている。また、スロットルバルブ２０の更に下流のインテークマニホールド部には、吸気圧センサ２２が設けられている。吸気圧センサ２２は、インテークマニホールド圧力Ｐ３を検出するセンサである。また、スロットルバルブ２０の下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２４が設けられている。
【００２０】
吸気通路１２と排気通路１４はＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）管２６によって接続されている。ＥＧＲ管２６にはＥＧＲ弁２８が設けられており、ＥＧＲ弁２８によってＥＧＲ管２６を流れるＥＧＲガスの流量が制御される。そして、排気通路１４を流れる排気ガスをＥＧＲ管２６から吸気通路１２へ戻し、排気ガスを再循環させることで、排気ガス中の未燃成分を再び筒内へ送り込んで燃焼させるように構成されている。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の状態検出装置はＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、大気圧を検出する大気圧センサ３２、大気温度（外気温）を検出する温度センサ３４などが接続されている。
【００２２】
本実施形態の状態検出装置は、タービン１６ｂの上流における、排気圧力Ｐ４および排気温度Ｔ４を、コンプレッサー１６ａおよびタービン１６ｂの特性から算出する。最初に排気圧力Ｐ４の算出方法を説明する。コンプレッサー１６ａの上流側の圧力（入口圧力）をＰ０、下流側の圧力（出口圧力）をＰ３、コンプレッサー１６ａを流れる吸入空気量をＧａ、コンプレッサー１６ａの回転数をＮ_ｔｂとすると以下の（１）式の関係が成立する。
【００２３】
【数１】

【００２４】
（１）式の関数ｆ_１は、過給機１６のコンプレッサー１６ａの流量特性から定められる関数であって、具体的には、コンプレッサー１６ａの形状、羽根外径、羽根枚数、ハウジング形状などの諸特性から定められる。（１）式に示されるように、コンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂは、吸入空気量Ｇａ、出口圧力と入口圧力の比Ｐ３／Ｐ０の関数として表すことができる。
【００２５】
また、タービン１６ｂにおいても、タービン１６ｂの上流側の圧力（入口圧力）をＰ４、下流側の圧力（出口圧力）をＰ６、タービン１６ｂを流れる排気ガスの流量をＧ４（＝ｄｍ_４／ｄｔ）、タービン１６ｂの回転数をＮ_ｔｂとすると以下の（２）式の関係が成立する。
【００２６】
【数２】

【００２７】
（２）式の関数ｆ_２も、過給機１６のタービン１６ｂの流量特性（タービン１６ｂの形状、羽根外径、羽根枚数、ハウジング形状などの諸特性）から定められる関数である。
【００２８】
（１）式において、Ｇａはエアフロメータ１８から、Ｐ３は吸気圧センサ２２からそれぞれ検出することができる。また、Ｐ０は大気圧である。従って、エアフロメータ１８及び吸気圧センサ２２の検出値に基づいてコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを求めることができる。
【００２９】
なお、コンプレッサー１６ａの出口と吸気圧センサ２２の間にはスロットルバルブ２０があるため、スロットルバルブ２０の開度によってはコンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３と吸気圧センサ２２の検出値が一致しない場合もある。しかし、内燃機関１０がディーゼルエンジンの場合、通常スロットルバルブ２０は全開に設定されているため、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３と吸気圧センサ２２での検出値は同一と考えてよい。また、ガソリンエンジンの場合には、スロットル開度に応じて吸気圧センサ２２で検出された圧力を例えば以下の圧縮性流体の（３）式で補正することで、吸気圧センサ２２の検出値から出口圧力Ｐ３を求めることができる。
【００３０】
【数３】

【００３１】
（３）式において、Ａ_Ｓはスロットル開度、ρ_１は吸入空気密度、Ｐｓは吸気圧センサ２２で検出された圧力をそれぞれ示している。
【００３２】
一方、（２）式を変形すると、以下の（４）式が得られる。
【００３３】
【数４】

【００３４】
（４）式において、タービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂはコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂと同一であり、（１）式から算出されている。また、排気ガスの流量Ｇ４は、吸入空気量Ｇａと燃料噴射弁２４による燃料噴射量ＴＡＵ（＝ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との和として算出することができる。また、Ｐ６は大気圧である。従って、（２）式によれば、（１）式から算出したタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂ、及びＧａとＴＡＵの和である排気ガス流量Ｇ４に基づいて排気圧力Ｐ４を求めることができる。
【００３５】
図２は、関数ｆ_１、関数ｆ_２’を規定するマップを示す模式図である。ここで、図２（ａ）は関数ｆ_１のマップを、図２（ｂ）は関数ｆ_２’のマップをそれぞれ示している。
【００３６】
図２（ａ）に示す関数ｆ_１のマップでは、吸入空気量Ｇａ及び圧力比Ｐ３／Ｐ０に対応したコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂが規定されている。従って、図２（ａ）のマップによれば、エアフロメータ１８で検出された吸入空気量Ｇａ、及び圧力比に基づいて回転数Ｎ_ｔｂを求めることができる。図２（ａ）のマップは、例えばコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを変動させ、コンプレッサー１６ａを流れるガス量（吸入空気量Ｇａ）と、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３と入口圧力Ｐ０の比を測定することにより求めることができる。
【００３７】
図２（ｂ）に示す関数ｆ_２’のマップでは、タービン１６ｂを流れる排気ガス流量Ｇ４及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂに対応した排気圧力Ｐ４が規定されている。上述のようにタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂはコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂと同一である。従って、図２（ｂ）のマップによれば、タービン１６ｂのガス流量Ｇ４と、図２（ａ）のマップから求めた回転数Ｎ_ｔｂとから排気圧力Ｐ４を求めることができる。図２（ｂ）のマップは、例えばタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂを変動させ、タービン１６ｂを流れるガス量（排気ガス流量Ｇ４）とタービン１６ｂの上流の排気圧力Ｐ４とを測定することにより求めることができる。
【００３８】
このように、本実施形態の状態検出装置では、先ず、コンプレッサー１６ａの流量特性からコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを求め、その後、回転数Ｎ_ｔｂを用いてタービン１６ｂの流量特性から排気圧力Ｐ４を求める。コンプレッサー１６ａとタービン１６ｂの流量特性を用いて排気圧力Ｐ４を求めることで、これらの特性に基づいて排気圧力Ｐ４を高精度に算出することが可能となる。また、コンプレッサー１６ａとタービン１６ｂの特性を用いて排気圧力Ｐ４を直接的に算出できるため、算出式における補正係数、適合パラーメーターなどを最小限に抑えることができ、複雑な演算が不要となる。
【００３９】
次に、排気温度Ｔ４の算出方法を説明する。排気温度Ｔ４は、タービン１６ｂを流れる排気ガスの流量Ｇ４、排気圧力Ｐ４、及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂから求めることができる。以下の（５）式は、排気温度Ｔ４、タービン１６ｂを流れる排気ガスの流量Ｇ４、排気圧力Ｐ４、及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂの関係を示している。
【００４０】
【数５】

【００４１】
従って、エアフロメータ１８で検出した吸入空気量Ｇａと燃料噴射弁２２による燃焼噴射量ＴＡＵとの和から排気ガス流量Ｇ４を求め、（１）式から求められるタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂ、（４）式から求めた排気温度Ｐ４とともに（５）式へ代入することで排気温度Ｐ４を求めることができる。
【００４２】
図３は、（４）式における関数ｆ_３を規定したマップを示す模式図である。図３のマップは、例えばタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂを変動させ、タービン１６ｂを流れるガス流量（排気ガス流量Ｇ４）、タービン１６ｂの上流の圧力（排気圧力Ｐ４）、タービン１６ｂの上流の温度（排気温度Ｔ４）を測定することにより求めることができる。そして、図３のマップによれば、排気ガス流量Ｇ４、排気圧力Ｐ４、及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂに基づいて排気温度Ｔ４を求めることができる。
【００４３】
次に、図４に基づいて、排気圧力Ｐ４及び排気温度Ｔ４を算出する具体的な方法を詳細に説明する。図４（ａ）は、コンプレッサー１６ａを流れる吸入空気量Ｇａと、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３とからコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを求めるためのマップであり、図２（ａ）のマップの具体例を示している。図４（ａ）の特性は、過給機１６の製造メーカで標準的に計測されるコンプレッサー１６ａの流量特性に基づくものである。
【００４４】
図４（ａ）において、横軸はＰ３とＰ０の圧力比Ｐ３／Ｐ０を、縦軸はコンプレッサー１６ａを流れる空気の流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}をそれぞれ示している。図４（ａ）に示されるように、圧力比Ｐ３／Ｐ０及び流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}の交差する点からコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求めることができる。
【００４５】
図４（ａ）において、流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}はコンプレッサー１６ａを流れる空気の実際の流量（吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ）ではなく、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔを修正して得られた流量である。エアフロメータ１８で測定される吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔとＧ_{ｔｂｍａｐ}との間には以下の（６）式の関係がある。
【００４６】
【数６】

【００４７】
（６）式において、Ｔ_ｓｔｄは図４（ａ）の特性の基準となる温度であって、予め所定の値に定められている。Ｔ_ｓｔｄは、例えば図４（ａ）の特性を求めた際の吸入空気の温度である。同様に、Ｐ_ｓｔｄは図４（ａ）の特性の基準となる圧力であって、予め所定の値に定められている。Ｐ_ｓｔｄは、例えば図４（ａ）の特性を求めた際の大気圧力である。（６）式に基づいて、エアフロメータ１８で測定される実際の吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔを、大気圧力Ｐ０、大気温度Ｔ０で補正することでＧ_{ｔｂｍａｐ}が算出される。なお、大気圧力Ｐ０、大気温度Ｔ０は、大気圧センサ３２、温度センサ３４からそれぞれ検出した値を用いる。
【００４８】
同様に、図４（ａ）のマップから求められたコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}は、実際のコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂではなく、Ｎ_ｔｂを修正して得られた回転数である。Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}とＮ_ｔｂとの間には以下の（７）式の関係がある。
【００４９】
【数７】

【００５０】
このように、実際の流量ｄｍ_１／ｄｔを修正して流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}を設定し、また、実際の回転数Ｎ_ｔｂを修正して回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を設定することで、図４（ａ）に示すマップ特性を得ることができる。図４（ａ）のマップによれば、Ｇ_{ｔｂｍａｐ}と、Ｐ３／Ｐ０とに基づいて、Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求めることができ、Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求めた後は、（７）式に基づいてＮ_{ｔｂｍａｐｃ}からＮ_ｔｂを算出することができる。なお、Ｇ_{ｔｂｍａｐ}とＰ３／Ｐ０の交点が、図４（ａ）のマップで示される各回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}の特性の間に位置する場合は、補間などの方法を用いることで適正な回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を算出できる。
【００５１】
図４（ｂ）は、図４（ａ）及び（７）式から求めたＮ_ｔｂに基づいて、タービン１６ｂを流れる排気ガス流量Ｑ４と排気圧力Ｐ４とを求めるためのマップであり、図２（ｂ）のマップの具体例を示している。図４（ｂ）の特性は、過給機１６のメーカで標準的に計測されるタービン１６ｂの流量特性に基づくものである。図４（ｂ）において、横軸はＰ４とＰ６の圧力比Ｐ４／Ｐ６を、縦軸はタービン１６ｂを流れる排気ガスの流量Ｑ４をそれぞれ示している。
【００５２】
図４（ｂ）では、タービン１６ｂの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}から圧力比Ｐ４／Ｐ６及び流量Ｑ４を求める。ここで、回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}は、実際のタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂではなく、Ｎ_ｔｂを修正して得られた回転数である。Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}とＮ_ｔｂとの間には以下の（８）式の関係がある。
【００５３】
【数８】

【００５４】
同様に、図４（ｂ）のマップから求められる流量Ｑ４は、タービン１６ｂを流れる排気ガスの実際の流量ｄｍ_４／ｄｔではなく、ｄｍ_４／ｄｔを修正して得られた流量である。ｄｍ_４／ｄｔとＱ４の間には以下の（９）式の関係がある。
【００５５】
【数９】

【００５６】
このように、実際のタービン回転数Ｎ_ｔｂを修正して回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を設定し、また、実際の流量ｄｍ_４／ｄｔを修正して流量Ｑ４を設定することで、図４（ｂ）に示すマップ特性を得ることができる。そして、図４（ｂ）のマップによれば、Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}が与えられると、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６を求めることができる。この際、図４（ｂ）に示されるように、各回転数毎にＮ_{ｔｂｍａｐｔ}が所定の曲線でマップ上に規定されるため、例えばＮ_{ｔｂｍａｐｔ}＝１５００００ｒｐｍの場合、図４（ｂ）に示すようにＮ_{ｔｂｍａｐｔ}＝１５００００ｒｐｍ特性の中心の値に基づいて、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６を求める。
【００５７】
なお、図４（ｂ）では、１００００〜３００００回転毎にＮ_{ｔｂｍａｐｔ}の特性を示しており、各回転数毎のＮ_{ｔｂｍａｐｔ}が所定の範囲をもってマップ上に示されているが、回転数毎のＮ_{ｔｂｍａｐｔ}の刻み幅を小さく設定する（例えば１０００回転毎のＮ_{ｔｂｍａｐｔ}の特性をマップ上に載せる）ことで、個々の回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}が示す特性範囲を縮小することができ、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６の算出精度をより向上させることができる。また、（８）式から算出した回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}が図４（ｂ）で示される隣接する回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}の特性の間に位置する場合は、補間などの方法により両特性の間の特性を求めることで、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６を算出できる。
【００５８】
図４（ｂ）のマップからＱ４及びＰ４／Ｐ６を求める際には、（８）式からＮ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出する必要がある。この際、排気温度Ｔ４の正確な値は得られていないため、最初は仮に設定した排気温度Ｔ４を（８）式へ代入してＮ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出する。そして、仮設定した排気温度Ｔ４から求めたＮ_{ｔｂｍａｐｔ}を図４（ｂ）のマップに当てはめてＱ４及びＰ４／Ｐ６を求める。そして、Ｐ６は大気圧力であるため、Ｐ４／Ｐ６からＰ４を算出することが可能となる。
【００５９】
図４（ｂ）からＰ４を求めた後、（９）式に基づいてＱ４からＴ４を算出する。この際、（９）式の右辺に図４（ｂ）から得られたＱ４，Ｐ４を代入し、Ｔ４については（８）式に代入した仮設定した排気温度Ｔ４を代入する。これにより、（９）式の左辺のｄｍ_４／ｄｔを求めることができる。排気ガス流量ｄｍ_４／ｄｔは、エアフロメータ１８から検出された吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔと燃料噴射量ｄｍ_ｆ／ｄｔとの和であるため、仮に設定したＴ４の値の正否を判定するため、（９）式から算出されたｄｍ_４／ｄｔと（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）とを比較する。
【００６０】
そして、ｄｍ_４／ｄｔと（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との差の絶対値が、予め設定しておいたしきい値以下となった場合は、このときの排気圧力Ｐ４，排気温度Ｔ４を最終的な値として決定する。一方、ｄｍ_４／ｄｔと（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との差の絶対値が予め設定しておいたしきい値以上である場合は、仮設定したＴ４の値を変更して再度ｄｍ_４／ｄｔを求め、（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との比較を行う。そして、最終的なＴ４が算出されるまで繰り返し演算を行う。この際、最終的なＴ４が算出されるまで、例えば、仮設定したＴ４の値をある刻み幅で変更するなどして繰り返し演算を行う。
【００６１】
排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４が求まった後は、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４に基づいて内燃機関１０を最適に制御する。例えば、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４に基づいて、燃料噴射弁２４による燃料噴射量ｄｍ_ｆ／ｄｔ、点火時期、ＥＧＲ弁２８の開度、過給圧を変更するなどの制御を行い、機関運転状態を最適に制御する。また、標準状態での排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を検出することができるため、算出した排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４が標準状態の値から大きく外れている場合は、過給機１６の故障判定を行うことも可能となる。
【００６２】
次に、図５のフローチャートに基づいて、本実施形態の状態検出装置における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１では、エアフロメータ１８、吸気圧センサ２２から吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３をそれぞれ検出する。なお、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ、出口圧力Ｐ３を流体モデル等から推定する手段を備えている場合は、センサの検出値を用いることなく推定値を用いても良い。次のステップＳ２では、（６）式に基づいて修正された吸入空気量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}を算出する。次のステップＳ３では、吸入空気量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}と吸気圧センサ２２で検出された出口圧力Ｐ３とを図４（ａ）のマップに当てはめて、コンプレッサー１６ａの修正された回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求める。
【００６３】
次のステップＳ４では、（７）式に基づいて、修正された回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}から実際の回転数Ｎ_ｔｂを算出する。次のステップＳ５では、（８）式に基づいてタービン１６ｂの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出するために、排気温度Ｔ４を仮設定する。排気温度Ｔ４の初期値は大気温度に設定しても良いし、運転状態などから排気温度の概略値が推定できる場合は、初期値をその推定値に設定してもよい。次のステップＳ６では、（８）式に基づいて、仮設定した排気温度Ｔ４とタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂ（＝コンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂ）から修正されたタービン１６ｂの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出する。この際、上述のようにコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂは（７）式から算出した値を用いる。
【００６４】
次のステップＳ７では、ステップＳ４で算出した回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を図４（ｂ）のマップに当てはめ、図４（ｂ）の縦軸、横軸からタービン１６ｂにおける排気ガスの流量Ｑ４、圧力比Ｐ４／Ｐ６を求める。
【００６５】
次のステップＳ８では、ステップＳ７で求めた排気圧力Ｐ４，排気ガス流量Ｑ４と、ステップＳ７で設定した排気温度Ｔ４の仮の値を（９）式に代入して、タービン１６ｂの排気ガス流量ｄｍ_４／ｄｔを求める。
【００６６】
次のステップＳ９では、ステップＳ８で求めたタービン１６ｂの排気ガス流量ｄｍ_４／ｄｔと、（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）とを比較し、両者の差の絶対値が所定のしきい値ｔ未満であるか否かを判定する。ここで、ｄｍ_１／ｄｔはエアフロメータ１８による吸入空気量の検出値であり、ｄｍ_ｆ／ｄｔは燃料噴射弁２４による燃料噴射量である。
【００６７】
ステップＳ９で｜ｄｍ_４／ｄｔ−（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）｜＜ｔの場合はステップＳ１０へ進み、ステップＳ５で仮設定した排気温度Ｔ４を最終的な値（真の値）とし、また、最終的な排気温度Ｔ４が求まった際に（９）式へ代入したＰ４を排気圧力Ｐ４の最終的な値（真の値）とする。一方、ステップＳ９で｜ｄｍ_４／ｄｔ−（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）｜≧ｔの場合は、ステップＳ５〜Ｓ９の処理を繰り返す。
【００６８】
上記処理手順では、ステップＳ５において仮設定した排気温度Ｔ４の値が真の排気温度Ｔ４よりも小さい場合には、（９）式から算出されるｄｍ_４／ｄｔの値は、真の排気ガス流量（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）よりも大きくなる。そして、（９）式から算出されたｄｍ_４／ｄｔと真の排気ガス流量との差はステップＳ９で判定され、ステップＳ５〜Ｓ９の繰り返し処理を行うことで、ｄｍ_４／ｄｔが本来タービン１６ｂを流れているはずの流量となるまでＴ４が繰り返し変更されてｄｍ_４／ｄｔが算出されることとなる。従って、この繰り返し処理により、排気温度Ｔ４が真の値となるまで演算が行われることとなり、｜ｄｍ_４／ｄｔ−（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）｜＜ｔとなった時点で真の排気温度Ｔ４が求まることとなる。
【００６９】
以上説明したように実施形態１によれば、コンプレッサー１６ａおよびタービン１６ｂの流量特性に基づいて排気圧力Ｐ４および排気温度Ｔ４を算出することができるため、過給機１６の特性に応じた排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を算出することが可能となる。排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４の算出の際に用いる流量特性は、コンプレッサー１６ａ、タービン１６ｂ毎に求められた標準的な流量特性であり、コンプレッサー１６ａ、タービン１６ｂの性質を直接的に示すものであるため、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を高精度に算出することが可能となる。また、コンプレッサー１６ａ、タービン１６ｂ毎の流量特性を用いることで、流体に関する既存の数式を近似して過給機１６に適用する必要がなくなるため、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を算出する際に必要な測定、補正係数の設定、既存式の適合に必要な項目、時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００７０】
更に、過給機１６毎の流量特性に基づいて排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を算出できるため、過給機１６が別のものに変わった場合であっても、個々の過給機１６に対応する排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を正確に算出することが可能となる。従って、本実施形態によれば、正確に算出された排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態では、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４の双方を過給機１６の流量特性から算出したが、一方をセンサによる検出など他の手法を用いて取得し、他方を本実施形態の手法で算出しても良い。
【００７２】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２にかかる内燃機関の状態検出装置の構成は図１に示す実施の形態１と同様である。実施の形態２では、ＥＧＲ管２６の流体モデル用いて排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を求めるものである。
【００７３】
図１で説明したように、吸気通路１２と排気通路１４はＥＧＲ管２６によって接続されている。ＥＧＲ管２６を流れるＥＧＲガスの流量は、圧縮性流体の式により以下の（１０）式で示される。
【００７４】
【数１０】

【００７５】
（１０）式において、Ａ_ＥＧＲはＥＧＲ弁２８の有効開度を示している。また、ρ_２はＥＧＲガスの密度であって、吸入空気量Ｇａと燃料噴射量ＴＡＵから算出できる。また、κは比熱比である。
【００７６】
また、以下の（１１）式に示すように、内燃機関１０の筒内へ流れる空気量ｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔは、機関動作状態（機関回転数Ｎｅ、インテークマニホールド圧力Ｐ３など）から推定することができる。
【００７７】
【数１１】

【００７８】
そして、ＥＧＲ弁２８を流れるＥＧＲガスの流量ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔは、エアフロメータ１８で検出される吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔとｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔの差であるため、ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔは以下の（１２）式で示される。
【００７９】
【数１２】

【００８０】
従って、（１１）式、（１２）式によれば、ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔは以下の（１３）式で示される。
【００８１】
【数１３】

【００８２】
（１３）式から、ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔを算出し、（１０）式の左辺へ代入すれば、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲ、インテークマニホールド圧力Ｐ３、ＥＧＲガス密度ρ_２に基づいて排気圧力Ｐ４を算出することができる。
【００８３】
ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲはＥＧＲ弁２８の有効開度から求めることができ、ステッピングモータを用いたＥＧＲ弁２８の場合、ステップ数から算出することができる。また、排気圧力Ｐ４を求める際には、ＥＧＲガスが流れている必要があるため、内燃機関１０の運転条件によってＥＧＲガスの流れを停止させている場合は、ＥＣＵ４０からの指令によりＥＧＲ弁２８を開いてＥＧＲガスを流すようにする。
【００８４】
次に、排気温度Ｔ４を算出する方法について説明する。実施の形態１で用いた（９）式を変形すると以下の（１４）式が得られる。また、実施の形態１における図４（ｂ）の特性は、以下の（１５）式で表すことができる。更に、実施の形態１で説明したように、タービン１６ｂの真の回転数Ｎ_ｔｂと図４（ｂ）の特性にのせられた回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}との関係は（１６）式で示すことができる。
【００８５】
【数１４】

【００８６】
（１６）式によれば，Ｎ_{ｔｂｍａｐ}はＮ_ｔｂ及びＴ４の関数であるため、（１６）式を（１５）式に代入すると以下の（１７）式が得られる。（１７）式は、実施の形態１で説明した（５）式と同様に、排気ガス流量、排気圧力、タービン回転数、排気温度の関係を示している。そして、（１４）式の左辺と（１７）式の左辺が等しいため、以下の（１８）式が導かれる。
【００８７】
【数１５】

【００８８】
（１８）式において、Ｐ４は（１０）式から算出されている。また、実施の形態１で説明したように、ｄｍ_４／ｄｔは、ｄｍ_１／ｄｔとｄｍ_ｆ／ｄｔとの和として算出できる。また、実施の形態１で説明した（７）式を変形すると、以下の（１９）式が得られ、（１９）式から回転数Ｎ_ｔｂを算出できる。なお、Ｎ_ｔｂを算出する際には、実施の形態１と同様の方法で予めＮ_{ｔｂｍａｐｃ}を算出しておく。
【００８９】
【数１６】

【００９０】
従って、（１８）式へＰ４、ｄｍ_４／ｄｔ、Ｎ_ｔｂを代入し、排気温度Ｔ４について解くことで、排気温度Ｔ４を求めることが可能となる。
【００９１】
次に、図６のフローチャートに基づいて、本実施形態の状態検出装置における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１１では、機関回転数Ｎｅ、インテークマニホールド圧力Ｐ３、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲを取得する。この際、インテークマニホールド圧力Ｐ３は吸気圧センサ２２から、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔはエアフロメータ１８からそれぞれ検出し、また、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲはＥＧＲ弁２８の開度から検出する。次のステップＳ１２では、（１１）式を表したマップに基づいて、機関回転数Ｎｅおよびインテークマニホールド圧力Ｐ３から内燃機関１０の筒内へ流れる空気量ｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔを求める。
【００９２】
次のステップＳ１３では、（１２）式に基づいて、ｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔ及びｄｍ_１／ｄｔからｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔを算出する。次のステップＳ１４では、ステップＳ１１で取得したインテークマニホールド圧力Ｐ３、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲ、ステップＳ１３で算出したｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔ、ＥＧＲガスの密度ρ_２を（１０）式へ代入し、排気圧力Ｐ４を算出する。
【００９３】
次のステップＳ１５では、実施の形態１と同様の方法により、図４（ａ）のマップからコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求め、（１９）式へ代入して真のコンプレッサー回転数Ｎ_ｔｂを算出する。次のステップＳ１６では、ｄｍ_１／ｄｔとｄｍ_ｆ／ｄｔの和からｄｍ_４／ｄｔを算出する。
【００９４】
次のステップＳ１７では、（１８）式へＰ４、ｄｍ_４／ｄｔ、Ｎ_ｔｂを代入する。これにより、（１８）式において未知変数は排気温度Ｔ４のみとなり、（１８）式から排気温度Ｔ４を算出することができる。
【００９５】
なお、実施の形態２ではＥＧＲ管２６の流体モデルから排気圧力Ｐ４を算出したが、他の方法で排気圧力Ｐ４を取得した後、実施の形態２の方法で排気温度Ｔ４を算出しても良い。
【００９６】
以上説明したように実施の形態２によれば、ＥＧＲ管２６を流れるＥＧＲガスの流量ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔとＥＧＲ弁２８の開度Ａ_ＥＧＲから排気圧力Ｐ４を直接的に求めることができる。従って、簡素な演算で排気圧力Ｐ４を高い精度で算出することが可能となる。また、実施の形態１と同様に過給機１６の流量特性を用いて排気温度Ｔ４を算出することができるため、実施の形態１と同様に流体に関する既存の数式を近似して過給機１６に適用する必要がなくなる。従って、排気温度Ｔ４を算出する際に必要な測定、補正係数の設定、既存式の適合に必要な項目、時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００９７】
なお、上述した各実施形態では、通常のターボチャージャーに本発明を適用したが、可変容量ターボチャージャーに本発明を適用しても良い。この場合、ＶＮＴ開度を考慮して過給機の流量特性を使用し、上述した各実施形態と同様の処理を行う。
【００９８】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００９９】
第１の発明によれば、コンプレッサー及びタービンの流量特性に基づいてタービンの上流における排気ガス圧力を求めることができる。従って、過給機の特性に応じた排気ガス圧力を高い精度で求めることが可能となり、排気ガス圧力に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となる。
【０１００】
第２の発明によれば、コンプレッサー及びタービンの流量特性に基づいてタービンの上流における排気ガス温度を求めることができる。従って、過給機の特性に応じた排気ガス温度を高い精度で求めることが可能となり、排気ガス温度に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となる。
【０１０１】
第３の発明によれば、排気ガス量に基づいて、求めた排気ガス圧力及び排気ガス温度の正確性を判断することが可能となるため、タービンの上流における排気ガス圧力及び排気ガス温度を正確に求めることができる。
【０１０２】
第４の発明によれば、吸気空気圧力、排気ガス再循環手段に設けられた流量調整手段の有効開度、流量調整手段を流れる排気ガスの流量及び密度とに基づいてタービンの上流の排気ガス圧力を高い精度で算出することが可能となる。
【０１０３】
第５の発明によれば、タービンの流量特性に基づいて、タービンの回転数、排気ガス量、及びタービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比に基づいてタービンの上流における排気ガス温度を高精度に算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態にかかる内燃機関の状態検出装置及びその周辺の構造を説明するための模式図である。
【図２】過給機のコンプレッサー回転数、排気圧力を求めるマップの例を示す模式図である。
【図３】排気温度を求めるマップの例を示す模式図である。
【図４】過給機のコンプレッサー回転数、排気圧力を求めるマップの具体例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の状態検出装置による処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の状態検出装置による処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１６過給機
１６ａコンプレッサー
１６ｂタービン
１８エアフロメータ
２２吸気圧センサ
２６ＥＧＲ管
２８ＥＧＲ弁
３０ＥＣＵ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a state detection device for an internal combustion engine, and is particularly suitably applied to an internal combustion engine having a supercharger.
[0002]
[Prior art]
In recent years, an internal combustion engine equipped with a supercharger (turbocharger, supercharger) for increasing engine output has become common. In such an internal combustion engine, exhaust pressure and exhaust temperature are estimated in order to optimally control the engine. In particular, in an engine equipped with a variable capacity turbocharger (VNT; Variable Nozzle Turbocharger), an exhaust gas recirculation device (EGR; Exhaust Gas Recirculation System), etc., nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (PM; Particulate Material) are used. It is necessary to control the supercharging pressure, the intake air amount, and the EGR rate accurately in order to suppress such factors as being optimal, and it is very important to accurately estimate the exhaust pressure and the exhaust temperature.
[0003]
For this reason, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-356162 describes a method for estimating the exhaust pressure and the exhaust temperature of an internal combustion engine equipped with a variable capacity turbocharger.
[0004]
In the method described in the above publication, a turbine of a turbocharger is regarded as a nozzle, and a pressure on a turbine upstream side is obtained from a pressure on a turbine downstream side and an effective opening degree of a VNT based on a general formula of a fluid flowing through the nozzle. is there. That is, the exhaust pressure of the turbocharger is estimated using the expression of an incompressible fluid used for analyzing a general fluid.
[0005]
As another method for estimating the exhaust pressure and the exhaust temperature of the internal combustion engine, the exhaust pressure and the exhaust temperature according to the engine operating state (fuel injection amount, engine speed) are measured in advance by an exhaust pressure sensor and an exhaust temperature sensor. A method is known in which a map is created in advance, and exhaust pressure and exhaust temperature are acquired based on the map.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-356162 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the periphery of the turbine is approximated by the general formula of the nozzle as described in the above publication, various characteristics of the turbocharger such as flow characteristics and efficiency characteristics caused by the flow path in the turbine are included in the formula of the nozzle. It will not be. Therefore, it is difficult to accurately estimate the exhaust pressure and the exhaust temperature based on the general formula of the nozzle.
[0008]
Further, when the general formula for the nozzle is applied to the turbine, the relationship among the exhaust gas flow rate, the exhaust pressure, and the exhaust gas density is defined, but the exhaust gas density varies according to the exhaust gas temperature. Therefore, in order to accurately obtain the exhaust pressure, it is necessary to first obtain the exhaust temperature accurately, and the estimation accuracy of the exhaust pressure largely depends on the estimation accuracy of the exhaust temperature.
[0009]
In the method described in the above publication, the exhaust temperature is determined by using four correction coefficients relating to the intake air temperature, the exhaust pressure, and the like. There is a problem that arithmetic processing is required. In addition, complicated operations such as many measurements are required to obtain the correction coefficient. Furthermore, in order to increase the estimation accuracy, it is necessary to use many matching parameters, and there is a problem that it takes a long time for matching.
[0010]
On the other hand, in the method of obtaining the exhaust pressure and the exhaust temperature based on the map, it is necessary to create a map based on a large number of data in advance, and there is a problem that a very complicated operation is required to create the map. . In particular, in order to accurately obtain exhaust pressure and exhaust temperature, it is necessary to create a multidimensional map using a plurality of parameters (engine speed, load, EGR opening, cooling water temperature, etc.) relating to engine operating conditions. Very complicated work is required to create the map. Further, at the stage of creating the map, complicated operations such as mounting various sensors such as an exhaust pressure sensor and an exhaust temperature sensor around the engine also occur.
[0011]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to detect various characteristics of an internal combustion engine such as exhaust pressure and exhaust temperature with high accuracy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
A first invention comprises a compressor arranged in an intake passage and a turbine arranged in an exhaust passage, and a supercharging means for rotating the compressor and the turbine to compress intake air flowing through the intake passage; Means for obtaining the amount of intake air flowing through the compressor; means for obtaining the pressure ratio of the intake air upstream and downstream of the compressor; and using the flow characteristics of the compressor, the amount of intake air and the pressure ratio of the intake air. Means for determining the number of rotations of the compressor based on the following, means for determining the number of rotations of the turbine from the number of rotations of the compressor, exhaust gas amount obtaining means for obtaining the amount of exhaust gas flowing through the turbine, flow rate of the turbine The number of rotations of the turbine, the amount of exhaust gas flowing through the turbine, determined based on characteristics Using the correlation of the pressure ratio of the exhaust gas upstream and downstream of the turbine, characterized in that and a state detection means of the exhaust gas to determine the exhaust gas pressure upstream of the turbine.
[0013]
In a second aspect based on the first aspect, the exhaust gas state detecting means includes a number of rotations of the turbine, an amount of exhaust gas flowing through the turbine, and an amount of the exhaust gas determined based on a flow characteristic of the turbine. An exhaust gas temperature upstream of the turbine is determined together with the exhaust gas pressure using a correlation between an upstream and downstream exhaust gas pressure ratio and an exhaust gas temperature upstream of the turbine.
[0014]
In a third aspect based on the second aspect, the state detection means for the exhaust gas includes a comparison result between the exhaust gas amount determined from the correlation and the exhaust gas amount acquired by the exhaust gas amount acquisition means. And means for judging the accuracy of the obtained exhaust gas pressure and the obtained exhaust gas temperature.
[0015]
A fourth invention comprises a compressor arranged in an intake passage and a turbine arranged in an exhaust passage, and a supercharging means for rotating the compressor and the turbine to compress intake air flowing through the intake passage; Exhaust gas recirculation means for connecting the exhaust passage upstream of the turbine and the intake passage downstream of the compressor, and for sending a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage to the intake passage; A flow control means provided in the circulation means for adjusting a flow rate of the exhaust gas sent to the intake passage; a means for obtaining an intake air pressure on the intake passage side of the flow control means; and an effective opening of the flow control means Means for obtaining a degree, a means for obtaining a flow rate of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means, and a density of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means. Means for obtaining the turbine based on the intake air pressure, the effective opening of the flow rate adjusting means, the flow rate of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means, and the density of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means. Means for determining the exhaust gas pressure upstream of the apparatus.
[0016]
In a fifth aspect based on the fourth aspect, the compressor for rotating the compressor based on the intake air amount and the intake air pressure using a means for acquiring an intake air amount flowing through the compressor and a flow characteristic of the compressor. Means for calculating the number of rotations, means for obtaining the number of rotations of the turbine from the number of rotations of the compressor, means for obtaining the amount of exhaust gas flowing through the turbine, and the flow rate of the turbine determined based on flow characteristics of the turbine. Means for determining an exhaust gas temperature upstream of the turbine using a correlation between a rotation speed, an exhaust gas amount flowing through the turbine, an exhaust gas pressure upstream of the turbine, and an exhaust temperature upstream of the turbine. It is further characterized by being provided.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Elements common to the drawings are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. The present invention is not limited by the following embodiments.
[0018]
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram for explaining a state detection device for a supercharged internal combustion engine according to the first embodiment of the present invention and a structure around the device. As shown in FIG. 1, an intake passage 12 and an exhaust passage 14 communicate with the internal combustion engine 10. A supercharger (turbocharger) 16 is mounted in the intake passage 12 and the exhaust passage 14. The supercharger 16 includes a compressor 16a and a turbine 16b. The compressor 16a is provided in the intake passage 12, and the turbine 16b is provided in the exhaust passage 14, respectively. The compressor 16a and the turbine 16b are connected by a shaft 16c, and are configured to be rotatable around the shaft 16c. The supercharger 16 rotates the turbine 16b and the compressor 16a by exhaust gas flowing through the exhaust passage 14, and compresses intake air flowing through the intake passage 12 by rotation of the compressor 16a.
[0019]
An air flow meter 18 is provided downstream of the compressor 16a in the intake passage 12. The air flow meter 18 is configured to supply the intake air amount dm to the internal combustion engine 10 in the intake passage 12. ₁ / Dt (= Ga). A throttle valve 20 is provided downstream of the air flow meter 18. In the vicinity of the throttle valve 20, a throttle sensor 21 for detecting a throttle opening As is arranged. Further, an intake pressure sensor 22 is provided in an intake manifold section further downstream of the throttle valve 20. The intake pressure sensor 22 is a sensor that detects the intake manifold pressure P3. Further, a fuel injection valve 24 for injecting fuel to an intake port of the internal combustion engine 10 is provided downstream of the throttle valve 20.
[0020]
The intake passage 12 and the exhaust passage 14 are connected by an EGR (Exhaust Gas Recirculation System) pipe 26. The EGR pipe 26 is provided with an EGR valve 28, and the flow rate of the EGR gas flowing through the EGR pipe 26 is controlled by the EGR valve 28. Then, the exhaust gas flowing through the exhaust passage 14 is returned from the EGR pipe 26 to the intake passage 12, and the exhaust gas is recirculated, so that the unburned components in the exhaust gas are sent back into the cylinder and burned. I have.
[0021]
As shown in FIG. 1, the state detection device of the present embodiment includes an ECU (Electronic Control Unit) 30. The ECU 30 is connected to an atmospheric pressure sensor 32 for detecting atmospheric pressure, a temperature sensor 34 for detecting atmospheric temperature (outside air temperature), and the like, in addition to the various sensors and the fuel injection valve 30 described above.
[0022]
The state detection device of the present embodiment calculates the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 upstream of the turbine 16b from the characteristics of the compressor 16a and the turbine 16b. First, a method of calculating the exhaust pressure P4 will be described. The upstream pressure (inlet pressure) of the compressor 16a is P0, the downstream pressure (outlet pressure) is P3, the amount of intake air flowing through the compressor 16a is Ga, and the rotational speed of the compressor 16a is N. _tb Then, the relationship of the following equation (1) is established.
[0023]
(Equation 1)

[0024]
Function f of equation (1) ₁ Is a function determined from the flow characteristics of the compressor 16a of the supercharger 16, and is specifically determined from various characteristics such as the shape of the compressor 16a, the outer diameter of the blade, the number of blades, and the shape of the housing. As shown in equation (1), the rotational speed N of the compressor 16a _tb Can be expressed as a function of the intake air amount Ga, the ratio of the outlet pressure to the inlet pressure P3 / P0.
[0025]
In the turbine 16b, the pressure on the upstream side (inlet pressure) of the turbine 16b is P4, the pressure on the downstream side (outlet pressure) is P6, and the flow rate of exhaust gas flowing through the turbine 16b is G4 (= dm). ₄ / Dt), the rotation speed of the turbine 16b is set to N _tb Then, the relationship of the following equation (2) is established.
[0026]
(Equation 2)

[0027]
Function f of equation (2) ₂ Is a function determined from the flow characteristics of the turbine 16b of the supercharger 16 (various characteristics such as the shape of the turbine 16b, the outer diameter of the blade, the number of blades, and the housing shape).
[0028]
In the equation (1), Ga can be detected from the air flow meter 18, and P 3 can be detected from the intake pressure sensor 22. P0 is the atmospheric pressure. Therefore, the rotation speed N of the compressor 16a is determined based on the detection values of the air flow meter 18 and the intake pressure sensor 22. _tb Can be requested.
[0029]
Since the throttle valve 20 is provided between the outlet of the compressor 16a and the intake pressure sensor 22, the outlet pressure P3 of the compressor 16a may not match the detection value of the intake pressure sensor 22 depending on the opening degree of the throttle valve 20. . However, when the internal combustion engine 10 is a diesel engine, the throttle valve 20 is normally set to fully open, so that the outlet pressure P3 of the compressor 16a and the value detected by the intake pressure sensor 22 may be considered to be the same. In the case of a gasoline engine, the pressure detected by the intake pressure sensor 22 according to the throttle opening is corrected by, for example, the following expression (3) of the compressible fluid, so that the detected value of the intake pressure sensor 22 is obtained. The outlet pressure P3 can be determined.
[0030]
[Equation 3]

[0031]
In equation (3), A _S Is the throttle opening, ρ ₁ Represents the intake air density, and Ps represents the pressure detected by the intake pressure sensor 22.
[0032]
On the other hand, when the equation (2) is modified, the following equation (4) is obtained.
[0033]
(Equation 4)

[0034]
In equation (4), the rotational speed N of the turbine 16b _tb Is the rotation speed N of the compressor 16a _tb And is calculated from equation (1). Further, the flow rate G4 of the exhaust gas is determined by the intake air amount Ga and the fuel injection amount TAU (= dm _f / Dt). P6 is the atmospheric pressure. Therefore, according to the equation (2), the rotation speed N of the turbine 16b calculated from the equation (1) _tb , And the exhaust pressure P4 can be obtained based on the exhaust gas flow rate G4 which is the sum of Ga and TAU.
[0035]
FIG. 2 shows the function f ₁ , Function f ₂ It is a schematic diagram which shows the map which defines'. Here, FIG. 2A shows the function f ₁ FIG. 2B shows the function f ₂ 'Respectively.
[0036]
The function f shown in FIG. ₁ In the map, the rotation speed N of the compressor 16a corresponding to the intake air amount Ga and the pressure ratio P3 / P0 _tb Is stipulated. Therefore, according to the map of FIG. 2A, the rotation speed N is determined based on the intake air amount Ga detected by the air flow meter 18 and the pressure ratio. _tb Can be requested. The map of FIG. 2A shows, for example, the rotational speed N of the compressor 16a. _tb Can be obtained by measuring the ratio of the amount of gas flowing through the compressor 16a (the amount of intake air Ga) to the outlet pressure P3 and the inlet pressure P0 of the compressor 16a.
[0037]
Function f shown in FIG. ₂ In the map of ', the exhaust gas flow rate G4 flowing through the turbine 16b and the rotation speed N of the turbine 16b _tb The exhaust pressure P4 corresponding to. As described above, the rotation speed N of the turbine 16b _tb Is the rotation speed N of the compressor 16a _tb Is the same as Therefore, according to the map of FIG. 2B, the gas flow rate G4 of the turbine 16b and the rotation speed N obtained from the map of FIG. _tb From this, the exhaust pressure P4 can be obtained. The map of FIG. 2B shows, for example, the rotational speed N of the turbine 16b. _tb And the amount of gas flowing through the turbine 16b (exhaust gas flow rate G4) and the exhaust pressure P4 upstream of the turbine 16b are measured.
[0038]
As described above, in the state detection device of the present embodiment, first, the rotational speed N of the compressor 16a is determined based on the flow rate characteristics of the compressor 16a. _tb , And then the rotational speed N _tb The exhaust pressure P4 is obtained from the flow characteristics of the turbine 16b using By obtaining the exhaust pressure P4 using the flow characteristics of the compressor 16a and the turbine 16b, the exhaust pressure P4 can be calculated with high accuracy based on these characteristics. Further, since the exhaust pressure P4 can be directly calculated using the characteristics of the compressor 16a and the turbine 16b, the correction coefficient, the adaptation parameter, and the like in the calculation formula can be minimized, and complicated calculations are not required.
[0039]
Next, a method of calculating the exhaust gas temperature T4 will be described. The exhaust temperature T4 is determined by the flow rate G4 of the exhaust gas flowing through the turbine 16b, the exhaust pressure P4, and the rotation speed N of the turbine 16b. _tb Can be obtained from The following equation (5) represents the exhaust temperature T4, the flow rate G4 of the exhaust gas flowing through the turbine 16b, the exhaust pressure P4, and the rotation speed N of the turbine 16b. _tb Shows the relationship.
[0040]
(Equation 5)

[0041]
Accordingly, the exhaust gas flow rate G4 is obtained from the sum of the intake air amount Ga detected by the air flow meter 18 and the combustion injection amount TAU by the fuel injection valve 22, and the rotation speed N of the turbine 16b obtained from the equation (1). _tb The exhaust gas temperature P4 can be obtained by substituting into the equation (5) together with the exhaust gas temperature P4 obtained from the formula (4).
[0042]
FIG. 3 shows the function f in equation (4). ₃ FIG. 3 is a schematic diagram showing a map that defines. The map of FIG. 3 shows, for example, the rotation speed N of the turbine 16b. _tb Can be obtained by measuring the flow rate of the gas flowing through the turbine 16b (exhaust gas flow rate G4), the pressure upstream of the turbine 16b (exhaust pressure P4), and the temperature upstream of the turbine 16b (exhaust temperature T4). According to the map of FIG. 3, the exhaust gas flow rate G4, the exhaust pressure P4, and the rotation speed N of the turbine 16b are determined. _tb The exhaust temperature T4 can be obtained based on the following equation.
[0043]
Next, a specific method of calculating the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 4A shows the rotational speed N of the compressor 16a based on the intake air amount Ga flowing through the compressor 16a and the outlet pressure P3 of the compressor 16a. _tb 2 is a map for obtaining the, and shows a specific example of the map in FIG. The characteristic in FIG. 4A is based on the flow characteristic of the compressor 16a which is measured by a manufacturer of the turbocharger 16 as standard.
[0044]
4A, the horizontal axis represents the pressure ratio P3 / P0 between P3 and P0, and the vertical axis represents the flow rate G of the air flowing through the compressor 16a. _tbmap Are respectively shown. As shown in FIG. 4A, the pressure ratio P3 / P0 and the flow rate G _tbmap From the intersection of the rotation speed N of the compressor 16a _tbmapc Can be requested.
[0045]
In FIG. 4A, the flow rate G _tbmap Is the actual flow rate of the air flowing through the compressor 16a (the intake air amount dm ₁ / Dt), not the intake air amount dm ₁ It is the flow rate obtained by correcting / dt. Intake air amount dm measured by air flow meter 18 ₁ / Dt and G _tbmap Has the relationship of the following equation (6).
[0046]
(Equation 6)

[0047]
In equation (6), T _std Is a reference temperature for the characteristic shown in FIG. 4A, and is set to a predetermined value in advance. T _std Is the temperature of the intake air when the characteristic of FIG. Similarly, P _std Is a pressure which is a reference of the characteristic of FIG. 4A and is set to a predetermined value in advance. P _std Is, for example, the atmospheric pressure when the characteristics of FIG. Based on the equation (6), the actual intake air amount dm measured by the air flow meter 18 ₁ / Dt is corrected by the atmospheric pressure P0 and the atmospheric temperature T0 to obtain G _tbmap Is calculated. As the atmospheric pressure P0 and the atmospheric temperature T0, values detected from the atmospheric pressure sensor 32 and the temperature sensor 34 are used.
[0048]
Similarly, the rotational speed N of the compressor 16a obtained from the map of FIG. _tbmapc Is the actual rotational speed N of the compressor 16a. _tb Not N _tb Is the rotation speed obtained by correcting. N _tbmapc And N _tb Has the relationship of the following equation (7).
[0049]
(Equation 7)

[0050]
Thus, the actual flow rate dm ₁ / Dt is corrected and flow rate G _tbmap And the actual rotational speed N _tb To correct the rotation speed N _tbmapc Is set, the map characteristics shown in FIG. 4A can be obtained. According to the map of FIG. _tbmap And P3 / P0, N _tbmapc And N _tbmapc Is calculated, then N is calculated based on equation (7). _tbmapc To N _tb Can be calculated. Note that G _tbmap And the intersection of P3 / P0 is the number of rotations N shown in the map of FIG. _tbmapc In this case, the rotation speed N can be adjusted appropriately by using a method such as interpolation. _tbmapc Can be calculated.
[0051]
FIG. 4 (b) is a graph showing N obtained from the equations (a) and (7). _tb 2 is a map for obtaining an exhaust gas flow rate Q4 flowing through the turbine 16b and an exhaust pressure P4 based on the above, and shows a specific example of the map of FIG. The characteristic in FIG. 4B is based on the flow characteristic of the turbine 16b which is measured by the manufacturer of the turbocharger 16 as standard. In FIG. 4B, the horizontal axis represents the pressure ratio P4 / P6 of P4 and P6, and the vertical axis represents the flow rate Q4 of the exhaust gas flowing through the turbine 16b.
[0052]
In FIG. 4B, the rotation speed N of the turbine 16b is shown. _tbmapt From the pressure ratio P4 / P6 and the flow rate Q4. Here, the rotation speed N _tbmapt Is the actual rotation speed N of the turbine 16b. _tb Not N _tb Is the rotation speed obtained by correcting. N _tbmapt And N _tb And the following equation (8).
[0053]
(Equation 8)

[0054]
Similarly, the flow rate Q4 obtained from the map of FIG. 4B is the actual flow rate dm of the exhaust gas flowing through the turbine 16b. ₄ Dm instead of / dt ₄ It is the flow rate obtained by correcting / dt. dm ₄ The following equation (9) is present between / dt and Q4.
[0055]
(Equation 9)

[0056]
Thus, the actual turbine speed N _tb To correct the rotation speed N _tbmapt And the actual flow rate dm ₄ By modifying / dt and setting the flow rate Q4, the map characteristics shown in FIG. 4B can be obtained. Then, according to the map of FIG. _tbmapt Given, Q4 and P4 / P6 can be determined. At this time, as shown in FIG. _tbmapt Is defined on the map by a predetermined curve, for example, N _tbmapt = 150,000 rpm, as shown in FIG. _tbmapt = 150,000 rpm Q4 and P4 / P6 are obtained based on the center value of the characteristic.
[0057]
In FIG. 4B, N is set every 10,000 to 30,000 rotations. _tbmapt , And N for each rotation speed. _tbmapt Is shown on the map with a predetermined range. _tbmapt Is set small (for example, N every 1000 rotations). _tbmapt Characteristic on a map), the individual rotation speed N _tbmapt Can be reduced, and the calculation accuracy of Q4 and P4 / P6 can be further improved. Also, the rotation speed N calculated from the equation (8) _tbmapt Is the adjacent rotation speed N shown in FIG. _tbmapt Are located between the two characteristics, Q4 and P4 / P6 can be calculated by obtaining the characteristic between the two characteristics by a method such as interpolation.
[0058]
When calculating Q4 and P4 / P6 from the map of FIG. _tbmapt Needs to be calculated. At this time, since an accurate value of the exhaust gas temperature T4 has not been obtained, initially, the temporarily set exhaust gas temperature T4 is substituted into the equation (8) to obtain N _tbmapt Is calculated. Then, N obtained from the temporarily set exhaust temperature T4 _tbmapt Is applied to the map of FIG. 4B to obtain Q4 and P4 / P6. Since P6 is the atmospheric pressure, P4 can be calculated from P4 / P6.
[0059]
After obtaining P4 from FIG. 4B, T4 is calculated from Q4 based on equation (9). At this time, Q4 and P4 obtained from FIG. 4B are substituted for the right side of the equation (9), and the tentatively set exhaust temperature T4 substituted for the equation (8) is substituted for T4. Thus, dm on the left side of equation (9) ₄ / Dt can be determined. Exhaust gas flow dm ₄ / Dt is the intake air amount dm detected from the air flow meter 18 ₁ / Dt and fuel injection amount dm _f / Dt, the dm calculated from the equation (9) is used to judge whether the value of the tentatively set T4 is correct or not. ₄ / Dt and (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt).
[0060]
And dm ₄ / Dt and (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt), when the absolute value of the difference is equal to or smaller than a preset threshold value, the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 at this time are determined as final values. On the other hand, dm ₄ / Dt and (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt), if the absolute value of the difference is equal to or greater than a preset threshold value, the value of T4 temporarily set is changed and dm is again set. ₄ / Dt, and (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt). Then, the calculation is repeatedly performed until the final T4 is calculated. At this time, until the final T4 is calculated, the calculation is repeatedly performed, for example, by changing the value of the tentatively set T4 by a certain step size.
[0061]
After the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 are determined, the internal combustion engine 10 is optimally controlled based on the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4. For example, based on the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4, the fuel injection amount dm by the fuel injection valve 24 is determined. _f / Dt, the ignition timing, the opening degree of the EGR valve 28, the supercharging pressure, and the like are changed to optimally control the engine operating state. Further, since the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 in the standard state can be detected, if the calculated exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 greatly deviate from the values in the standard state, the failure determination of the supercharger 16 is performed. Can also be performed.
[0062]
Next, a procedure of processing in the state detection device of the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG. First, at step S1, the intake air amount dm is obtained from the air flow meter 18 and the intake pressure sensor 22. ₁ / Dt and the outlet pressure P3 of the compressor 16a are detected. The intake air amount dm ₁ In the case where a means for estimating / dt and the outlet pressure P3 from a fluid model or the like is provided, the estimated value may be used without using the detected value of the sensor. In the next step S2, the intake air amount G corrected based on the equation (6) _tbmap Is calculated. In the next step S3, the intake air amount G _tbmap And the outlet pressure P3 detected by the intake pressure sensor 22 is applied to the map of FIG. 4A to obtain the corrected rotation speed N of the compressor 16a. _tbmapc Ask for.
[0063]
In the next step S4, based on the equation (7), the corrected rotational speed N _tbmapc From the actual speed N _tb Is calculated. In the next step S5, the rotational speed N of the turbine 16b is calculated based on the equation (8). _tbmapt Is calculated, the exhaust gas temperature T4 is provisionally set. The initial value of the exhaust gas temperature T4 may be set to the atmospheric temperature, or if the approximate value of the exhaust gas temperature can be estimated from the operating state or the like, the initial value may be set to the estimated value. In the next step S6, based on the equation (8), the temporarily set exhaust temperature T4 and the rotational speed N of the turbine 16b are set. _tb (= Number of rotations N of compressor 16a _tb ) Corrected from the rotation speed N of the turbine 16b _tbmapt Is calculated. At this time, as described above, the rotation speed N of the compressor 16a is _tb Uses the value calculated from equation (7).
[0064]
In the next step S7, the rotational speed N calculated in step S4 _tbmapt Is applied to the map of FIG. 4B, and the flow rate Q4 of the exhaust gas and the pressure ratio P4 / P6 in the turbine 16b are obtained from the vertical and horizontal axes of FIG. 4B.
[0065]
In the next step S8, the exhaust pressure P4 and the exhaust gas flow rate Q4 obtained in step S7 and the temporary value of the exhaust gas temperature T4 set in step S7 are substituted into the equation (9), and the exhaust gas flow rate dm of the turbine 16b is substituted. ₄ / Dt is determined.
[0066]
In the next step S9, the exhaust gas flow rate dm of the turbine 16b obtained in step S8. ₄ / Dt and (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt) to determine whether the absolute value of the difference between the two is less than a predetermined threshold value t. Where dm ₁ / Dt is a detected value of the amount of intake air by the air flow meter 18, and dm _f / Dt is the fuel injection amount by the fuel injection valve 24.
[0067]
| Dm in step S9 ₄ / Dt- (dm ₁ / Dt + dm _f / T) | <t, the process proceeds to step S10, where the exhaust temperature T4 provisionally set in step S5 is set to a final value (true value), and when the final exhaust temperature T4 is determined (9 ) Is used as the final value (true value) of the exhaust pressure P4. On the other hand, in step S9, | dm ₄ / Dt- (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt) | ≧ t, the processing of steps S5 to S9 is repeated.
[0068]
In the above processing procedure, if the value of the exhaust gas temperature T4 provisionally set in step S5 is lower than the true exhaust gas temperature T4, dm calculated from the equation (9) is used. ₄ / Dt is the true exhaust gas flow rate (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt). Then, dm calculated from equation (9) ₄ The difference between / dt and the true exhaust gas flow rate is determined in step S9, and dm is obtained by repeating steps S5 to S9. ₄ T4 is repeatedly changed until / dt becomes a flow rate that should be flowing through the turbine 16b, and dm is changed. ₄ / Dt will be calculated. Therefore, by this repetitive processing, calculation is performed until the exhaust gas temperature T4 becomes a true value, and | dm ₄ / Dt- (dm ₁ / Dt + dm _f / Dt) | <t, the true exhaust gas temperature T4 is determined.
[0069]
As described above, according to the first embodiment, since the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 can be calculated based on the flow characteristics of the compressor 16a and the turbine 16b, the exhaust pressure P4 according to the characteristics of the supercharger 16 can be calculated. , The exhaust gas temperature T4 can be calculated. The flow rate characteristics used in calculating the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 are standard flow rate characteristics obtained for each of the compressor 16a and the turbine 16b, and directly indicate the properties of the compressor 16a and the turbine 16b. Therefore, the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 can be calculated with high accuracy. In addition, by using the flow characteristics for each of the compressor 16a and the turbine 16b, it is not necessary to approximate the existing mathematical formula for the fluid and apply it to the supercharger 16, so that it is necessary to calculate the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4. It is possible to greatly reduce the items and time required for accurate measurement, setting of correction coefficients, and adaptation of existing formulas.
[0070]
Furthermore, since the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 can be calculated based on the flow characteristics of each supercharger 16, even if the supercharger 16 is changed to another one, it is possible to correspond to each individual turbocharger 16. It is possible to accurately calculate the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 to be performed. Therefore, according to this embodiment, it is possible to optimally control the internal combustion engine based on the accurately calculated exhaust pressure P4 and exhaust temperature T4.
[0071]
In the present embodiment, both the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 are calculated from the flow characteristics of the supercharger 16. However, one of the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 is obtained using another method such as detection by a sensor, and the other is obtained according to the present embodiment. It may be calculated by a method.
[0072]
Embodiment 2 FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The configuration of the state detection device for an internal combustion engine according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG. In the second embodiment, the exhaust pressure P4 and the exhaust temperature T4 are obtained using the fluid model of the EGR pipe 26.
[0073]
As described in FIG. 1, the intake passage 12 and the exhaust passage 14 are connected by the EGR pipe 26. The flow rate of the EGR gas flowing through the EGR pipe 26 is expressed by the following equation (10) according to the equation of the compressible fluid.
[0074]
(Equation 10)

[0075]
In equation (10), A _EGR Indicates the effective opening of the EGR valve 28. Also, ρ ₂ Is the density of the EGR gas, which can be calculated from the intake air amount Ga and the fuel injection amount TAU. Κ is a specific heat ratio.
[0076]
Further, as shown in the following equation (11), the air amount dm flowing into the cylinder of the internal combustion engine 10 is dm. _cyl / Dt can be estimated from the engine operating state (engine speed Ne, intake manifold pressure P3, etc.).
[0077]
[Equation 11]

[0078]
The flow rate dm of the EGR gas flowing through the EGR valve 28 _EGR / Dt is the intake air amount dm detected by the air flow meter 18 ₁ / Dt and dm _cyl / Dt, so dm _EGR / Dt is expressed by the following equation (12).
[0079]
(Equation 12)

[0080]
Therefore, according to the equations (11) and (12), dm _EGR / Dt is expressed by the following equation (13).
[0081]
(Equation 13)

[0082]
From equation (13), dm _EGR / Dt is calculated and substituted into the left side of the equation (10), the EGR effective area A _EGR , Intake manifold pressure P3, EGR gas density ρ ₂ , The exhaust pressure P4 can be calculated.
[0083]
EGR effective area A _EGR Can be calculated from the effective opening of the EGR valve 28, and in the case of the EGR valve 28 using a stepping motor, can be calculated from the number of steps. When the exhaust pressure P4 is obtained, the EGR gas needs to be flowing. Therefore, when the flow of the EGR gas is stopped according to the operating conditions of the internal combustion engine 10, the EGR valve 28 is turned on by a command from the ECU 40. Open to allow EGR gas to flow.
[0084]
Next, a method for calculating the exhaust gas temperature T4 will be described. By modifying equation (9) used in the first embodiment, the following equation (14) is obtained. Further, the characteristic of FIG. 4B in the first embodiment can be expressed by the following equation (15). Further, as described in the first embodiment, the true rotational speed N of the turbine 16b _tb And the number of revolutions N on the characteristics shown in FIG. _tbmapt Can be expressed by equation (16).
[0085]
[Equation 14]

[0086]
According to equation (16), N _tbmap Is N _tb And T4, the following equation (17) is obtained by substituting equation (16) into equation (15). Equation (17) shows the relationship among the exhaust gas flow rate, the exhaust pressure, the turbine speed, and the exhaust temperature, as in equation (5) described in the first embodiment. Since the left side of the equation (14) is equal to the left side of the equation (17), the following equation (18) is derived.
[0087]
(Equation 15)

[0088]
In equation (18), P4 is calculated from equation (10). Also, as described in Embodiment 1, dm ₄ / Dt is dm ₁ / Dt and dm _f / Dt. Further, when the equation (7) described in the first embodiment is modified, the following equation (19) is obtained. _tb Can be calculated. Note that N _tb Is calculated in advance in the same manner as in the first embodiment. _tbmapc Is calculated in advance.
[0089]
(Equation 16)

[0090]
Therefore, P4, dm ₄ / Dt, N _tb , And solving for the exhaust gas temperature T4 makes it possible to obtain the exhaust gas temperature T4.
[0091]
Next, a procedure of processing in the state detection device of the present embodiment will be described based on the flowchart of FIG. First, in step S11, the engine speed Ne, the intake manifold pressure P3, the intake air amount dm ₁ / Dt, EGR effective area A _EGR To get. At this time, the intake manifold pressure P3 is obtained from the intake pressure sensor 22 based on the intake air amount dm. ₁ / Dt is detected from the air flow meter 18 and the EGR effective area A _EGR Is detected from the opening of the EGR valve 28. In the next step S12, the air amount dm flowing into the cylinder of the internal combustion engine 10 from the engine speed Ne and the intake manifold pressure P3 based on the map expressing the equation (11). _cyl / Dt is determined.
[0092]
In the next step S13, dm is calculated based on equation (12). _cyl / Dt and dm ₁ / Dt to dm _EGR / Dt is calculated. In the next step S14, the intake manifold pressure P3 and the EGR effective area A acquired in step S11 _EGR , The dm calculated in step S13 _EGR / Dt, density of EGR gas ρ ₂ Into the equation (10) to calculate the exhaust pressure P4.
[0093]
In the next step S15, the rotation speed N of the compressor 16a is calculated from the map of FIG. _tbmapc And substitute it into equation (19) to obtain the true compressor speed N _tb Is calculated. In the next step S16, dm ₁ / Dt and dm _f Dm from the sum of / dt ₄ / Dt is calculated.
[0094]
In the next step S17, P4 and dm are added to the equation (18). ₄ / Dt, N _tb Is assigned. Thus, the only unknown variable in equation (18) is the exhaust temperature T4, and the exhaust temperature T4 can be calculated from equation (18).
[0095]
In the second embodiment, the exhaust pressure P4 is calculated from the fluid model of the EGR pipe 26. However, after obtaining the exhaust pressure P4 by another method, the exhaust temperature T4 may be calculated by the method of the second embodiment. .
[0096]
As described above, according to the second embodiment, the flow rate dm of the EGR gas flowing through the EGR pipe 26 _EGR / Dt and the opening A of the EGR valve 28 _EGR , The exhaust pressure P4 can be directly obtained. Therefore, the exhaust pressure P4 can be calculated with high accuracy by a simple calculation. Further, since the exhaust gas temperature T4 can be calculated using the flow rate characteristics of the supercharger 16 as in the first embodiment, an existing mathematical expression relating to the fluid is approximated similarly to the first embodiment. Need to be applied to Therefore, it is possible to greatly reduce the measurement and setting of the correction coefficient required for calculating the exhaust gas temperature T4, and the items and time required for adapting the existing formula.
[0097]
In each of the embodiments described above, the present invention is applied to a normal turbocharger. However, the present invention may be applied to a variable capacity turbocharger. In this case, the same processing as in the above-described embodiments is performed using the flow rate characteristics of the supercharger in consideration of the VNT opening.
[0098]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it has the following effects.
[0099]
According to the first aspect, the exhaust gas pressure upstream of the turbine can be determined based on the flow characteristics of the compressor and the turbine. Therefore, the exhaust gas pressure according to the characteristics of the supercharger can be obtained with high accuracy, and the internal combustion engine can be optimally controlled based on the exhaust gas pressure.
[0100]
According to the second aspect, the exhaust gas temperature upstream of the turbine can be obtained based on the flow characteristics of the compressor and the turbine. Therefore, it is possible to obtain the exhaust gas temperature according to the characteristics of the supercharger with high accuracy, and it is possible to optimally control the internal combustion engine based on the exhaust gas temperature.
[0101]
According to the third aspect, it is possible to determine the accuracy of the obtained exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature based on the amount of the exhaust gas. Can be sought.
[0102]
According to the fourth aspect, the exhaust gas upstream of the turbine is determined based on the intake air pressure, the effective opening of the flow rate adjusting means provided in the exhaust gas recirculation means, and the flow rate and density of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means. The pressure can be calculated with high accuracy.
[0103]
According to the fifth aspect, based on the flow rate characteristics of the turbine, the exhaust gas temperature upstream of the turbine can be accurately determined based on the rotation speed of the turbine, the amount of exhaust gas, and the pressure ratio of the exhaust gas upstream and downstream of the turbine. Can be calculated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a state detecting device of an internal combustion engine and a structure around the device according to each embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a map for obtaining a compressor rotation speed and an exhaust pressure of a supercharger.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a map for obtaining an exhaust gas temperature.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a specific example of a map for obtaining a compressor rotation speed and an exhaust pressure of a supercharger.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a processing procedure performed by the internal combustion engine state detection device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a flowchart illustrating a processing procedure performed by the internal combustion engine state detection device according to the second embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
16 Supercharger
16a compressor
16b turbine
18 Air flow meter
22 Intake pressure sensor
26 EGR pipe
28 EGR valve
30 ECU

Claims

吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、
前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、
前記コンプレッサーの上流及び下流における吸入空気の圧力比を取得する手段と、
前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気の圧力比に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、
前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、
前記タービンを流れる排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める排気ガスの状態検出手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の状態検出装置。A supercharger configured of a compressor disposed in an intake passage and a turbine disposed in an exhaust passage, and rotating the compressor and the turbine to compress intake air flowing through the intake passage;
Means for obtaining the amount of intake air flowing through the compressor,
Means for obtaining a pressure ratio of intake air upstream and downstream of the compressor,
Means for determining the number of revolutions of the compressor based on the intake air amount and the pressure ratio of the intake air, using a flow rate characteristic of the compressor,
Means for determining the rotation speed of the turbine from the rotation speed of the compressor,
Exhaust gas amount obtaining means for obtaining the amount of exhaust gas flowing through the turbine,
Determined based on the flow characteristics of the turbine, the number of rotations of the turbine, the amount of exhaust gas flowing through the turbine, the correlation between the pressure ratio of the exhaust gas upstream and downstream of the turbine, upstream of the turbine Exhaust gas state detecting means for obtaining exhaust gas pressure;
A state detection device for an internal combustion engine, comprising:

前記排気ガスの状態検出手段は、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比、及び前記タービンの上流における排気ガス温度の相関関係を用いて、前記排気ガス圧力とともに前記タービンの上流における排気ガス温度を求めることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の状態検出装置。The exhaust gas state detecting means is configured based on a flow rate characteristic of the turbine, a rotation speed of the turbine, an exhaust gas amount flowing through the turbine, a pressure ratio of exhaust gas upstream and downstream of the turbine, and 2. The internal combustion engine state detection device according to claim 1, wherein the exhaust gas temperature upstream of the turbine is determined together with the exhaust gas pressure using a correlation of the exhaust gas temperature upstream of the turbine.

前記排気ガスの状態検出手段は、前記相関関係から定まる排気ガス量と前記排気ガス量取得手段により取得された前記排気ガス量との比較の結果に基いて、求めた前記排気ガス圧力及び前記排気ガス温度の正確性を判断する手段を含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の状態検出装置。The exhaust gas state detection unit is configured to determine the exhaust gas pressure and the exhaust gas based on a result of comparison between an exhaust gas amount determined from the correlation and the exhaust gas amount acquired by the exhaust gas amount acquisition unit. 3. The apparatus according to claim 2, further comprising means for judging the accuracy of the gas temperature.

吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、
前記タービンよりも上流の前記排気通路と前記コンプレッサーよりも下流の前記吸気通路とを接続し、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路へ送る排気ガス再循環手段と、
前記排気ガス再循環手段に設けられ、前記吸気通路へ送る前記排気ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記流量調整手段の前記吸気通路側における吸入空気圧力を取得する手段と、
前記流量調整手段の有効開度を取得する手段と、
前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量を取得する手段と、
前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度を取得する手段と、
前記吸気空気圧力、前記流量調整手段の有効開度、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量、及び前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度とに基づいて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の状態検出装置。A supercharger configured of a compressor disposed in an intake passage and a turbine disposed in an exhaust passage, and rotating the compressor and the turbine to compress intake air flowing through the intake passage;
An exhaust gas recirculation unit that connects the exhaust passage upstream of the turbine and the intake passage downstream of the compressor, and sends a part of exhaust gas flowing through the exhaust passage to the intake passage;
A flow rate adjustment unit provided in the exhaust gas recirculation unit and adjusting a flow rate of the exhaust gas sent to the intake passage;
Means for obtaining the intake air pressure on the intake passage side of the flow rate adjusting means,
Means for obtaining an effective opening of the flow rate adjusting means,
Means for obtaining a flow rate of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means,
Means for obtaining the density of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means,
An exhaust gas upstream of the turbine based on the intake air pressure, an effective opening of the flow rate adjusting means, a flow rate of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means, and a density of the exhaust gas flowing through the flow rate adjusting means; Means for determining pressure;
A state detection device for an internal combustion engine, comprising:

前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、
前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気圧力に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、
前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、
前記タービンを流れる排気ガス量を取得する手段と、
前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流における排気ガスの圧力、及び前記タービンの上流における排気温度の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス温度を求める手段と、
を更に備えたことを特徴とする請求項４記載の内燃機関の状態検出装置。Means for obtaining the amount of intake air flowing through the compressor,
Means for determining the number of revolutions of the compressor based on the intake air amount and the intake air pressure using a flow characteristic of the compressor;
Means for determining the rotation speed of the turbine from the rotation speed of the compressor,
Means for obtaining an amount of exhaust gas flowing through the turbine,
Determined based on the flow characteristics of the turbine, the number of rotations of the turbine, the amount of exhaust gas flowing through the turbine, the pressure of the exhaust gas upstream of the turbine, and the correlation of the exhaust temperature upstream of the turbine Means for determining the exhaust gas temperature upstream of the turbine;
The state detecting device for an internal combustion engine according to claim 4, further comprising: