JP2009121401A - 内燃機関の排気温度推定装置に関する。 - Google Patents

Abstract

【課題】排気温度の推定精度の低下が抑制された内燃機関の排気温度推定装置を提供する。
【解決手段】エンジン２の排気に晒されるセンサ素子６５ａと、センサ素子６５ａを加熱するヒータ６５ｂと、を含むＡ／Ｆセンサ６４と、センサ素子６５ａの温度を検出するＥＣＵ４とを備え、ＥＣＵ４は、所定期間でのセンサ素子６５ａの温度変化の度合いに基づいてセンサ素子６５ａの受熱量を算出し、センサ素子６５ａの受熱量とヒータ６５ｂの発熱量とに基づいて排気及びセンサ素子６５ａ間の伝熱量を算出することにより排気の温度を推定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気温度推定装置に関する。

従来から、内燃機関の排気温度を推定する技術が知られている（特許文献１及び２参照）。具体的には、Ａ／Ｆセンサの素子インピーダンスに基づいて素子温度を推定し、この推定された素子温度に基づいて排気温度を推定する。

特開２００６−１６１６２５号公報 特開２００２−７０６２８号公報

図６は、Ａ／Ｆセンサの素子インピーダンスと、素子温度との関係を示した図である。図６に示すように、素子温度が比較的低温である場合には、素子温度の変動に対して素子インピーダンスの値が大きく変動するので、素子温度を精度よく推定することができる。しかし、素子温度が比較的高温である場合には、素子温度の変動に対して素子インピーダンスの値の変動は小さくなるため、この場合には素子温度を精度よく推定することが困難になる場合がある。素子温度の推定精度が低下すると、排気温度の推定精度に関しても低下する。

したがって本発明の目的は、排気温度の推定精度の低下が抑制された内燃機関の排気温度推定装置を提供することである。

上記目的は、内燃機関の排気に晒されるセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータと、を含むガスセンサと、前記センサ素子の温度を検出する温度検出手段と、所定期間での前記センサ素子の温度変化の度合いに基づいて前記センサ素子の受熱量を算出し、前記センサ素子の受熱量と前記ヒータの発熱量とに基づいて前記排気及びセンサ素子間の伝熱量を算出することにより前記排気の温度を推定する排気温度推定手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気温度推定装置によって達成できる。
上記構成により、センサ素子の熱収支に基づいて排気温度を推定することができる。これにより、センサ素子のインピーダンスからセンサ素子の温度を検出して、排気温度を推定する場合と比較し、排気温度の推定精度の低下が抑制される。

上記構成において、前記排気温度推定手段は、機関回転数に応じて前記伝熱量を補正する、構成を採用できる。
機関回転数に応じて排気の流速も変動し、排気の流速によって排気及びセンサ素子間の伝熱量も変動する。従って、機関回転数に応じて前記伝熱量を補正することにより、排気温度の推定精度の低下を抑制できる。

上記構成において、前記排気温度推定手段は、前記センサ素子の温度に基づいて前記ヒータの抵抗値を算出し、前記ヒータの抵抗値に基づいて前記ヒータの発熱量の算出する、構成を採用できる。
ヒータの抵抗値は、温度に依存するためこれによりヒータの発熱量を算出することができる。

上記構成において、前記排気温度推定手段は、前記ヒータの抵抗値を補正するための抵抗値補正処理を実行する、構成を採用できる。
ヒータの抵抗値の算出精度を向上させることができる。従って、排気温度の推定精度の低下を抑制できる。

上記構成において、前記抵抗値補正処理は、機関停止状態において前記ヒータへの通電量を所定の通電量とした場合での前記ヒータへの印加電圧値及び印加電流値に基づいて前記ヒータの実抵抗値を算出し、前記ヒータの実抵抗値と、諸元による前記ヒータの抵抗値とに基づいて、前記ヒータの抵抗値を補正するための補正係数を算出する、構成を採用できる。

上記構成において、前記温度検出手段は、前記センサ素子に一定の電圧を印加して該センサ素子に流れる電流を計測することで該センサ素子の抵抗値を算出し、該センサ素子の抵抗値に基づいて該センサ素子の温度を検出する、構成を採用できる。

本発明によれば、排気温度の推定精度の低下が抑制された内燃機関の排気温度推定装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。

図１は、本実施例に係るエンジンシステムの構成を示した模式図であり、自動車に搭載された多気筒ガソリンエンジン（以下「エンジン」と略す）２及びその電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と称す）４の概略構成を示している。図１では１つの気筒の構成を中心として示している。ここでエンジン２の出力は変速機（図示略）を介して最終的に車輪に走行駆動力として伝達される。エンジン２には、燃焼室１０内に燃料を直接噴射する筒内噴射弁１２と、この噴射された燃料に点火する点火プラグ１４とがそれぞれ設けられている。

燃焼室１０に接続している吸気ポート１６は吸気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。吸気ポート１６に接続された吸気通路２０の途中にはサージタンク２２が設けられ、サージタンク２２の上流側にはスロットルモータ２４によって開度が調節されるスロットルバルブ２６が設けられている。

このスロットルバルブ２６の開度（スロットル開度ＴＡ）により吸気量が調整される。スロットル開度ＴＡはスロットル開度センサ２８により検出され、サージタンク２２内の吸気圧ＰＭは、サージタンク２２に設けられた吸気圧センサ３０により検出されて、ＥＣＵ４に読み込まれている。また、吸気通路２０にはエアフロメータ２１が配置されて、吸入空気量をＥＣＵ４に出力する。また、吸気通路２０には、吸気の温度を検出する吸気温センサ２７が設けられており、吸気温度をＥＣＵ４に出力する。

燃焼室１０に接続している排気ポート３２は排気バルブ（図示略）の駆動により開閉される。

また、排気通路３６には、Ａ／Ｆセンサ（ガスセンサ）６４が配置されている。Ａ／Ｆセンサ６４として、触媒３８に流入する排気ガスの空燃比に応じた電圧信号を出力するリニア空燃比センサが使用されている。Ａ／Ｆセンサ６４は、それぞれ排気ガス中の残留酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを感知するセンサである。Ａ／Ｆセンサ６４は、円柱状に形成されている。

また、エンジン冷却水温度を検出する水温センサ４１が設けられ、検出したエンジン冷却水温度は、ＥＣＵ４に出力される。

ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成され、エンジン全体の作動を制御する。このＥＣＵ４は、スロットル開度センサ２８及び吸気圧センサ３０以外に、アクセルペダル４４の踏み込み量（アクセル開度ＡＣＣＰ）を検出するアクセル開度センサ５６からの信号が入力されている。更に、ＥＣＵ４は、クランク軸５４の回転からエンジン回転数ＮＥを検出するエンジン回転数センサ５８から信号が入力されている。ＥＣＵ４は、各種センサからの検出内容に基づいて、筒内噴射量、噴射時期、及びスロットル開度ＴＡを適宜制御する。ＥＣＵ４は、燃料噴射量をＡ／Ｆセンサ６４の出力に基づいてフィードバック制御する。また、イグニッションスイッチ７０のオン、オフ信号に基づいて、ＥＣＵ４はエンジン２を始動、停止させる。またＥＣＵ４は、詳しくは後述するが、Ａ／Ｆセンサ６４のセンサ素子の温度を検出する温度検出手段、排気温度推定処理を実行する排気温度推定手段としての機能を有する。

次に、Ａ／Ｆセンサ６４の構成について簡単に説明する。図２は、Ａ／Ｆセンサ６４の説明図である。Ａ／Ｆセンサ６４は、カバー６９を備える。カバー６９は、排気ガスに晒されるように、排気通路中に組みつけられる。カバー６９にはその内部に排気ガスを導くための孔が設けられている。

カバー６９内部には、センサ素子６５ａが配置されている。センサ素子６５ａは、一端が閉じられた管状の構造を有している。管状構造の外側表面は、拡散抵抗層６６ａで覆われている。拡散抵抗層６６ａは、アルミナ等の耐熱性の多孔質物質であり、センサ素子６５ａの表面における排気の拡散速度を律する働きを有している。拡散抵抗層６６ａの内側には排気側電極６７ａが設けられている。排気側電極６７ａは、拡散抵抗層６６ａを介して、排気に晒された状態となっている。

排気側電極６７ａの表面には、固体電解質層６６ｂが設けられている。固体電解質層６６ｂの、排気側電極６７ａとは反対側の表面には、大気側電極６７ｂが形成されている。排気側電極６７ａ及び大気側電極６７ｂは、Ｐｔのように触媒作用の高い金属で構成された電極である。また、それぞれ後述するバイアス制御回路と電気的に接続されている。固体電解質層６６ｂは、ＺｒＯ２などを含む焼結体であり、酸素イオンを伝導させる特性を有する。

センサ素子６５ａの内側には、大気室６８が形成されている。大気室６８内には、大気が導かれる構造となっている。従って、大気側電極６７ｂは、大気に晒されている。大気室６８内には、ヒータ６５ｂが配置されている。ヒータ６５ｂは、後述するヒータ制御回路と電気的に接続されており、その制御回路に制御されることにより、センサ素子６５ａを適切な温度に加熱する。なお、センサ素子６５ａは、７００℃程度の活性温度に加熱されることにより、安定した出力特性を示す。

センサ素子６５ａは、一方の端子は定電圧源（不図示）に接続され、また、他方の端子はＥＣＵ４に接続されていると共に接地されている。センサ素子６５ａが活性化する温度（６５０℃程度）においては、排気通路３６内の酸素濃度に応じてセンサ素子６５ａに流れる電流は変化する。

一方、ヒータ６５ｂは、ＥＣＵ４によりその作動が制御される。ＥＣＵ４によってヒータ６５ｂを作動させることにより、センサ素子６５ａが加熱して早期に活性化温度へと上昇させることができる。また、ヒータ６５ｂは、デューティ制御によりＥＣＵ４によってその加熱温度が制御される。

次に、ＥＣＵ４が実行する、排気温度推定処理について説明する。図３は、ＥＣＵ４が実行する排気温度推定処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、所定期間毎に繰り返し実行される。

ＥＣＵ４は、イグニッションスイッチ７０がオンであるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。否定判定の場合には、再度ステップＳ１０１の処理を実行する。肯定判定の場合には、Ａ／Ｆセンサ６４が正常に作動しているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。否定判定の場合には、再度ステップＳ１０１の処理を実行する。

肯定判定の場合には、ＥＣＵ４は、Ａ／Ｆセンサ６４のセンサ素子６５ａの素子温度Ｔを取得する（ステップＳ１０３）。具体的には、ＥＣＵ４は、センサ素子６５ａに常に一定の電圧を印加しておき、センサ素子６５ａを流れる電流を計測することで、センサ素子６５ａの抵抗値Ｒ_ｓを求める。抵抗値Ｒ_ｓを求めた後、以下の式により素子温度Ｔを算出する。

ここで、ａ_ｓ、ｂ_ｓ、ｃ_ｓは、実験等により予め算出された値であり、センサ素子毎に異なる値をとる。尚、ＥＣＵ４は、取得した素子温度ＴをＲＡＭに記憶させる。

次に、ＥＣＵ４は、Ａ／Ｆセンサ６４のヒータ６５ｂへの制御デューティＤ_ｈ（ステップＳ１０４）、ヒータ６５ｂへの印加電圧値Ｖ_ｈを取得する（ステップＳ１０５）。次に、ＥＣＵ４は、ヒータ６５ｂの抵抗値Ｒ_ｈを算出する（ステップＳ１０６）。具体的には、以下の式により算出する。

ａ_ｈ、ｂ_ｈは、予め定められた係数である。一般的に金属の電気抵抗は温度に比例するため、上記の式により、ヒータ６５ｂの抵抗を算出することができる。尚、センサ素子６５ａの温度とヒータ６５ｂの抵抗値との関係を示したマップに基づいて算出してもよい。

次に、ＥＣＵ４は、ヒータ６５ｂの発熱量Ｑ_１を算出する（ステップＳ１０７）。具体的には、以下の式により算出する。

Δｔは、ステップＳ１０７からＳ１１１までの処理を実行し、再びステップＳ１０１からＳ１０７にまで処理が実行されるまでの所定期間を示している。即ち、ＥＣＵ４が、ステップＳ１０７を実行してから本排気温度推定処理を終了し再び本排気温度推定処理を実行して、再度ステップＳ１０７の処理を実行するまでの所定期間を示している。これにより、所定期間でのヒータ６５ｂの発熱量Ｑ_１を算出できる。尚、「（Ｖ_ｈ ^２／Ｒ_ｈ）・Ｄ_ｈ」は、単位時間当たりのヒータ６５ｂの発熱量に相当する。

次に、ＥＣＵ４は、エンジン回転数センサ５８からの出力に基づいて、機関回転数が安定しているか否かを判定する（ステップＳ１０８）。詳しくは後述するが、機関回転数が不安定な場合には、排気温度の推定精度が低下する恐れがあるからである。否定判定の場合には、再度ステップＳ１０１の処理を実行する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ４は、エンジン回転数センサ５８の出力から機関回転数ＮＥを取得する（ステップＳ１０９）。

次に、ＥＣＵ４は、機関回転数ＮＥに応じた値である、レイノルズ数Ｐ_ｅｘ、パラメータａ、ｂを算出する（ステップＳ１１０）。具体的には、ＥＣＵ４は、図４に示した、機関回転数ＮＥと、レイノルズ数Ｐ_ｅｘ、パラメータａとの関係を示したマップに基づいて算出する。機関回転数ＮＥとレイノルズ数Ｐ_ｅｘとの関係は、機関回転数ＮＥが大きくなるほど、レイノルズ数Ｐ_ｅｘも大きな値をとる。また、機関回転数ＮＥとパラメータａとの関係は、機関回転数ＮＥが大きくなるほど、パラメータａは小さな値をとる。また、パラメータａは、０．５〜０．０２５までの値をとる。また、パラメータｂは、一定値（０．４）をとる。

次にＥＣＵ４は、排気温度Ｔ_ｅｘを推定する（ステップＳ１１１）。具体的には、以下の式により算出する。

Ｔ_ｏｌｄは、所定期間Δｔ前の、センサ素子６５ａの温度である。即ち、前回の本フローチャート実行時でのステップＳ１０３の処理で取得したセンサ素子６５ａの温度である。Ｔ_ｏｌｄはＲＡＭに記憶されている。λは、Ａ／Ｆセンサ６４の熱伝導率である。

次に、上記式（４）について詳細に説明する。まず、センサ素子６５ａの熱収支を算出するために、センサ素子６５ａの温度変化を左辺にとり、右辺に、排気及びセンサセンサ素子６５ａの伝熱量と、ヒータ６５ｂの発熱量Ｑ_１とをとる。すると以下の式で表すことができる。

Ｃは、センサ素子６５ａの熱容量、ＡはＡ／Ｆセンサ６４の表面積（排気に接する部分の表面積）、ｈは排気ガス及びセンサ素子６５ａ間の熱伝達係数を示している。左辺はセンサ素子６５ａの受熱量を示している。「Ａｈ（Ｔ_ｅｘ―Ｔ）」は、排気及びセンサセンサ素子６５ａの伝熱量を示している。

左辺に示したセンサ素子６５ａの受熱量は、所定期間でのセンサ素子６５ａの温度変化の度合に基づいて算出されている。ここで、熱伝達係数ｈは、以下の式で近似される。

Ｎｕは、ヌセルト数、ｄは、Ａ／Ｆセンサ６４の代表寸法（Ａ／Ｆセンサ６４の直径）である。尚、排気の流速は機関回転数に比例すると仮定する。また、式（６）は以下のように変形できる。

式（５）に式（７）を代入して変形すると、上述した式（４）を導き出すことができる。上述した式（４）に、ステップＳ１１０において算出されたレイノルズ数Ｐ_ｅｘとパラメータａ、ｂとを代入することにより、排気温度Ｔ_ｅｘを推定することができる。

以上のように、ＥＣＵ４は、所定期間でのセンサ素子６５ａの温度変化の度合いに基づいてセンサ素子６５ａの受熱量を算出し、センサ素子６５ａの受熱量とヒータ６５ｂの発熱量Ｑ_１とに基づいて排気及びセンサ素子６５ａ間の伝熱量を算出することにより排気の温度を推定する。これにより、センサ素子６５ａの熱収支に基づいて排気温度を推定することができる。従って、センサ素子６５ａのインピーダンスからセンサ素子６５ａの温度を検出して、排気温度を推定した場合と比較し、排気温度の推定精度の低下が抑制される。

また、ＥＣＵ４は、図４に示したように、機関回転数に応じて前記伝熱量を補正する。機関回転数に応じて排気の流速も変動し、排気の流速によって排気及びセンサ素子６５ａ間の伝熱量も変動する。従って、機関回転数に応じて伝熱量を補正することにより、排気温度の推定精度の低下を抑制できる。

更に、ＥＣＵ４は、式（１）で示したように、センサ素子６５ａのインピーダンスによらずにセンサ素子６５ａの温度を検出できるので、排気温度の推定精度の低下が抑制される。

次に、ＥＣＵ４が実行する、抵抗値補正処理について説明する。図５は、ＥＣＵ４が実行する抵抗値補正処理の一例を示したフローチャートである。図５に示すように、ＥＣＵ４は、イグニッションスイッチ７０がＯｆｆであるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。否定判定の場合には、再度ステップＳ２０１の処理を実行する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ４は、センサ素子６５ａの温度Ｔを取得する（ステップＳ２０２）。次に、ＥＣＵ４は、吸気温センサ２７により吸気温度Ｔ_ａｉｒを取得する（ステップＳ２０３）。

次に、ＥＣＵ４は、ソーク状態であるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。ソーク状態とは、エンジン２の停止から所定期間経過し、排気通路３６内の温度が外気温と略等しくなる状態をいう。具体的には、以下の式により判定する。

Ｔ_ｓは、ソーク状態であるか否かの判定の基準値であり、吸気温度Ｔ_ａｉｒと、センサ素子６５ａの温度Ｔとの差の絶対値が基準値Ｔ_ｓより小さい場合には、ＥＣＵ４はソーク状態にあると判定する。否定判定の場合には、ＥＣＵ４は、再度ステップＳ２０２の処理を実行する。肯定判定の場合には、ＥＣＵ４は以下の処理を実行する。

次に、ＥＣＵ４は、制御デューティ１００パーセントでヒータ６５ｂを通電制御する（ステップＳ２０５）。次に、ヒータ６５ｂへの印加電圧Ｖ_ｈｍ、印加電流Ｉ_ｈｍを取得する（ステップＳ２０６、Ｓ２０７）。次に、印加電圧Ｖ_ｈｍ、印加電流Ｉ_ｈｍに基づいて、ＥＣＵ４は、ヒータ６５ｂの抵抗値Ｒ_ｈｍを算出する（ステップＳ２０８）。具体的には、以下の式により算出する。

次にＥＣＵ４は、ヒータ抵抗値Ｒ_ｈｍの補正係数Ｃ_ｈを算出する（ステップＳ２０９）。具体的には、以下の式により算出する。

ここで、Ｒ_ｈ０は、予め諸元によって定められた、ヒータ６５ｂを制御デューティ１００パーセントで通電した場合の抵抗値である。

例えば、ステップＳ１０７におけるヒータ６５ｂの発熱量Ｑ_１を算出する処理で、算出されたヒータ抵抗値Ｒ_ｈを補正係数Ｃ_ｈで割ることにより、抵抗値を補正することができる。これにより、ヒータ６５ｂの経時変化やバラつきによる抵抗値の検出精度の低下を抑制できる。従って、補正されたヒータ抵抗値に基づいてヒータ６５ｂの発熱量Ｑ_１を算出することにより、排気温度の推定精度の低下を抑制できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Ａ／Ｆセンサは、積層型の酸素センサであってもよい。

本実施例に係るエンジンシステムの構成を示した模式図である。 Ａ／Ｆセンサの説明図である。 ＥＣＵが実行する排気温度推定処理の一例を示すフローチャートである。 機関回転数ＮＥと、レイノルズ数Ｐ_ｅｘ、パラメータａとの関係を示したマップである。 ＥＣＵが実行する抵抗値補正処理の一例を示したフローチャートである。 Ａ／Ｆセンサの素子インピーダンスと、素子温度との関係を示した図である。

符号の説明

２ エンジン
４ ＥＣＵ（温度検出手段、排気温度推定手段）
１０ 燃焼室
１２ 筒内噴射弁
１４ 点火プラグ
１６ 吸気ポート
２０ 吸気通路
２２ サージタンク
２４ スロットルモータ
２６ スロットルバルブ
２７ 吸気温センサ
２８ スロットル開度センサ
３０ 吸気圧センサ
３２ 排気ポート
３６ 排気通路
４１ 水温センサ
４４ アクセルペダル
５４ クランク軸
５６ アクセル開度センサ
５８ エンジン回転数センサ
６４ Ａ／Ｆセンサ
６５ａ センサ素子
６５ｂ ヒータ

Claims (6)

1. 内燃機関の排気に晒されるセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータと、を含むガスセンサと、
   前記センサ素子の温度を検出する温度検出手段と、
   所定期間での前記センサ素子の温度変化の度合いに基づいて前記センサ素子の受熱量を算出し、前記センサ素子の受熱量と前記ヒータの発熱量とに基づいて前記排気及びセンサ素子間の伝熱量を算出することにより前記排気の温度を推定する排気温度推定手段とを備えた、ことを特徴とする内燃機関の排気温度推定装置。
2. 前記排気温度推定手段は、機関回転数に応じて前記伝熱量を補正する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気温度推定装置。
3. 前記排気温度推定手段は、前記センサ素子の温度に基づいて前記ヒータの抵抗値を算出し、前記ヒータの抵抗値に基づいて前記ヒータの発熱量の算出する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気温度推定装置。
4. 前記排気温度推定手段は、前記ヒータの抵抗値を補正するための抵抗値補正処理を実行する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の内燃機関の排気温度推定装置。
5. 前記抵抗値補正処理は、機関停止状態において前記ヒータへの通電量を所定の通電量とした場合での前記ヒータへの印加電圧値及び印加電流値に基づいて前記ヒータの実抵抗値を算出し、前記ヒータの実抵抗値と、諸元による前記ヒータの抵抗値とに基づいて、前記ヒータの抵抗値を補正するための補正係数を算出する、ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気温度推定装置。
6. 前記温度検出手段は、前記センサ素子に一定の電圧を印加して該センサ素子に流れる電流を計測することで該センサ素子の抵抗値を算出し、該センサ素子の抵抗値に基づいて該センサ素子の温度を検出する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の内燃機関の排気温度推定装置。
   

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