JP2014177875A - 排気温度推定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の排気温度推定装置は、内燃機関(1)の排気通路(4)に酸化触媒(5)とDPF(6)とが設けられ、該排気通路のうち酸化触媒の上流側又は下流側の一方の排気温度を、他方に設けられた排気温度センサ(11)の検出値に基づいて推定する。当該推定には、HC添加量から酸化触媒における酸化燃焼熱量QHC、及び、酸化触媒と排気との間の熱交換量Qexhを考慮した熱収支モデルを使用することで、精度のよい排気温度推定を実施できる。
【選択図】図1
Description
また、このような熱収支モデルは、従来技術のような1次遅れフィルタ等の伝達関数を用いた場合に比べて実体に近いため、良好な推定精度を得ることができる。
この態様によれば、熱収支モデルに酸化触媒から外気への放熱量を組み込むことによって、より高精度に排気温度を推定することができる。
この態様によれば、ポスト噴射等によってHCが過剰に添加された場合に酸化触媒で反応することなく下流側へ流出する分を考慮し、HC最大反応量(酸化触媒で反応可能なHC量の最大値)に基づいて酸化燃焼熱を算出することで、より高精度に排気温度を推定することができる。
この態様によれば、酸化触媒及びDPF間の排気温度を検出することによって、酸化触媒の上流側における排気温度を推定できる。このように酸化触媒及びDPF間における排気温度を第1排気温度として検出することで、酸化触媒を通過後の排気温度を実測値として監視できるので、酸化触媒の上流側の排気温度を第1排気温度として検出する場合に比べて、酸化触媒の実状態を確実に把握することができる。
この態様によれば、排気温度検出手段を酸化触媒及びDPF間に設けることによって、酸化触媒の上流側における排気温度を推定できる。このように酸化触媒及びDPF間における排気温度を第1排気温度として検出することで、酸化触媒を通過後の排気温度を実測値として監視できるので、酸化触媒の上流側の排気温度を第1排気温度として検出する場合に比べて、酸化触媒の実状態を確実に把握することができる。
また、このような熱収支モデルは、従来技術のような1次遅れフィルタ等の伝達関数を用いた場合に比べて実体に近いため、良好な推定精度を得ることができる。
図1は本実施例に係る排気温度推定装置を搭載した車両の内部構造を示す構成図である。
符号1はコモンレール式の燃料噴霧装置を備えた内燃機関であるディーゼルエンジン(以下、適宜「エンジン」と称する)であり、各気筒の燃焼室内には燃料噴射弁から燃料が直接噴射され、圧縮着火燃焼が行われる。燃料噴射弁の燃料噴射時期及び噴射量は電子制御ユニット(以下、適宜「ECU」と称する)10によって電気的に制御されている。
DPF6では、排気中の未燃焼微細物質(PM)を捕集することによって浄化を行う。DPF6に捕集されたPMの蓄積量が増えると浄化能力が低下することから、所定のタイミングでDPF6の再生処理が実施される。再生処理時には、DOC5の上流側に設けられたHC添加装置7によって排気管4中に燃料(HC)を噴射し、DOC5で当該排気中に含まれる燃料を酸化させて排気を昇温し、高温になった排気をDPF6に送り込むことによって、蓄積したPMを燃焼処理する。
吸気流量センサ8の検出値Gair[kg/s]、入口圧力センサ9の検出値Pin[Pa]、排気温度センサ11の検出値Tout[K]、外気温度センサ12の検出値Tamb[K]、及び、車速センサ13の検出値Vvehicle[km/h]は、それぞれ演算装置であるECU10に送られ、後述の排気温度推定制御の演算に利用される。
図1では特に、ECU10の内部構成として、該ECU10で実施される後述の排気温度算出方法の各ステップに対応する機能ブロックを示しており、HC添加装置7によるHC添加量を検出するHC添加検出手段15と、酸化燃焼熱量QHC[W]を算出する酸化燃焼熱量算出手段16と、放熱量Qrad[W]を算出する放熱量算出手段17と、熱交換量Qexh[W]を算出する熱交換量算出手段18と、排気温度の推定結果を求める排気温度推定手段19とを含んで構成されている。
尚、本実施例では、HC添加装置7を用いてHCを添加する場合を示しているが、これに代えてエンジン燃焼室内に設けられた燃料インジェクタによるポスト噴射を用いてHC添加を行ってもよい。
本実施例では、第1排気温度としてDOC5及びDPF6間に配置された排気温度センサ11によって検出される排気温度値を用い、DOC5の上流側における排気温度Tin[K]を推定する場合について、以下詳述する。
尚、排気温度センサ11をDOC5の上流側に配置することにより、DOC5の上流側での排気温度検出値を第1排気温度として用いた場合も同様の技術的思想に基づいて、DOC5及びDPF6間における排気温度を推定することができる。
まずECU10は各センサ類の検出値(吸気流量Gair[kg/s]、入口圧力Pin[Pa]、排気温度Tout[K]、外気温度Tamb[K]、車速Vvehicle[km/h])を取得する(ステップS101)。そして、取得した検出値を用いて、DOC5の上流側に設けられたHC添加装置7から添加された燃料が酸化されることによって与えられる酸化燃焼熱量QHC[W]を算出し(ステップS102)、DOC5から外気への放熱量Qrad[W]を算出し(ステップS103)、DOC5及び排気間の熱交換量Qexh[W]を算出する(ステップS104)。そして、最後にステップS102〜S104の算出結果に基づいて、DOC5の上流側における排気温度Tin[K]の推定が行われる(ステップS105)。
以下、ステップS102〜S105における具体的な算出方法について詳しく説明する。尚、図3ではステップS102〜S104を順に実施するように示しているが、これらのステップは同時に実施してもよい。
ECU10の酸化燃焼熱量算出手段16において、酸化燃焼熱量はHC添加装置7によって排気中に添加されたHCがDOC5で酸化反応した際に発生する熱量であり、大まかにはHC添加量qHC[kg/s]と燃料の低位発熱量Hufuel[J/kg]とに基づいて次式
QHC1=(qHC+qHC_exh)・Hufuel (1)
から求められる。ここでHC添加量qHC[kg/s]はECU10のHC添加装置7に対する指示値を用い(機能ブロック的に言えば、図1に示すようにHC添加量検出手段15によってHC添加装置7の添加量を取得する)、燃料の低位発熱量Hufuel[J/kg]は予めメモリ等の記憶部に記憶された代表値を読み出すことによって取得したものを用いるとよい。またqHCexh[kg/s]は、エンジンから排出された排気に含まれるHC含有量であり、不図示のエンジン回転数センサの検出値であるエンジン回転数Nengと、ECU10の指示値である燃料噴射量qfuel[kg/s]をパラメータとする任意関数により算出される。
QHC2=A・NHC・NO2・exp(−E/(R・Tsub(i−1)) (2)
により得られる。ここでA及びEは適合係数であり、Rは気体定数である。また、NHC[mol/L]及びNO2[mol/L]はそれぞれ排気中の燃料濃度及び酸素濃度であり、吸気流量センサ8の検出値Gair[kg/s]、ECU10のHC添加装置7に対するHC添加量指示値qHC[kg/s]、エンジンから排出された排気に含まれるHC含有量qHCexh[kg/s]、ECU10の燃料噴射装置(図1において不図示)に対する燃料噴射量指示値qfuel[kg/s]、当該排気温度推定方法の前回実施時に求められたDOC5の温度推定値(触媒温度の前回推定値)Tsub(i−1)に基づいて算出することができる。
QHC=max(QHC1,QHC2) (3)
これにより、HC添加装置7から過剰に添加された場合にDOC5で反応せずに下流側へ流出する分を考慮し、精度よく酸化燃焼熱量を求めることができる。
QHCsub=dHCsub・QHC (4)
QHCexh=(1−dHCsub)・QHC (5)
となる。
dHCsub=f(Gexh) (6)
により得られる。
尚、排気流量Gexh[kg/s]は、吸気流量センサ8の検出値Gair[kg/s]及びエンジン制御パラメータであるエンジン燃料噴射量qfuel[kg/s]に基づいて次式
Gexh=Gair+qfuel (7)
により得られる。
ECU10の放熱量算出手段17はDOC5と外気との温度差や、DOC5の周りの外気の流れを考慮することにより、放熱量Qrad[W]を算出する。
まずECU10は、外気の特性を規定するパラメータである動粘度νair[m2/s]、比熱Cair[J/kg・K]、密度ρair[kg/m3]、熱伝導率λair[W/m・K]、体積膨張係数βair[1/K]について、それぞれ外気温度センサ12の検出値Tamb[K]をパラメータとする任意関数を用いて、次式
νair=f(Tamb) (8)
Cair=f(Tamb) (9)
ρair=f(Tamb) (10)
λair=f(Tamb) (11)
βair=f(Tamb) (12)
により求める。
Reamb=vvehicle・Lsub/νair (13)
Pramb=Cair・ρair・νair/λair (14)
Gramb=Lsub 3・g・βair・(Tsub(i−1)−Tamb)/νair 2 (15)
Nuamb=c0・(Gramb・Pramb)1/3 (vvehicle=0) (16−1)
Nuamb=c1・Reamb m1・Pramb n1 (vvehicle>0) (16−2)
ここでvvehicleは車速センサ13の検出値[km/h]であり、Lsubは酸化触媒の長さ[m]であり、gは重力加速度(≒9.80)[m/s2]であり、Tsub(i−1)は当該排気温度推定方法で求めたDOC5の触媒温度Tsubの前回推定値[K]である。c0は任意の適合定数である。またc1、m1、n1はヌッセルト数Nuambの補関数であり任意関数fを用いて
c1=f(Reamb) (17)
m1=f(Reamb) (18)
n1=f(Reamb) (19)
により表わされる。
hamb=Nuamb・λair/Lsub (20)
で表わされ、DOC5及び外気間の熱伝達係数kは、DOC5のカバー外径dcov[m]、DOC5の外径dsub[m]を用いて次式
k=1/(ln(dcov/dsub)/(2・λcov)+1/(hamb・dcov)) (21)
により表わされる。従って、DOC5から外気への放熱量Qrad[W]は
Qrad=k・π・Lsub・(Tsub(i−1)−Tamb) (22)
となる。
ECU10の熱交換量算出手段18は、DOC5と該DOC5を流れる排気との温度差を考慮することにより、熱交換量Qexh[W]を算出する。
まずECU10は、排気の特性を規定するパラメータである動粘度νexh[m2/s]、比熱Cexh[J/kg・K]、密度ρexh[kg/m3]、熱伝導率λexh[W/m・K]について、それぞれDOC5の入口温度の前回推定値Tin(i−1)をパラメータとする任意関数を用いて、次式
νexh=f(Tin(i−1)) (23)
Cexh=f(Tin(i−1)) (24)
ρexh=f(Tin(i−1)) (25)
λexh=f(Tin(i−1)) (26)
により求める。
Reexh=uexh・Lsub/νexh (27)
vexh=Gexh・(R/Mexh)・Tin(i−1)/Pin (28)
uexh=vexh/(nsub・psub 2) (29)
Prexh=Cexh・ρexh・νexh/λexh (30)
Nuexh=c2・Reexh m2・Prexh n2 (31)
ここでc2、m2、n2はヌッセルト数Nuexhの補関数であり任意関数fを用いて
c2=f(Reexh) (32)
m2=f(Reexh) (33)
n2=f(Reexh) (34)
により表わされる。
hexh=Nuexh・λexh/Lsub (35)
で表わされ、DOC5から排気への熱交換量Qexh[W]は
Qexh=hexh・nsub・4・psub・Lsub・(Tsub(i−1)−Tin) (36)
となる。
尚、nsubはDOC5のセル数、psubはDOC5のセルピッチ[m]であり、予めメモリ等の記憶部に記憶された設計値を読み出すことによって取得するとよい。
ECU10の排気温度推定手段19では、上述の演算により得られた酸化燃焼熱量QHC[W]、放熱量Qrad[W]及び熱交換量Qexh[W]を、図2に示す熱収支モデルに適用することにより、DOC5の上流側の排気温度Tin[K]は次式
Tin=Tout−(QHCexh+Qexh)/(Gexh・Cexh) (37)
により推定される。
またDOC5の触媒温度Tsub[K]もまた次式
Tsub=Tsub(i−1)+(QHCsub−Qrad−Qexh)/(msub・Csub) (38)
により推定される。尚、msubはDOC5の質量[kg]であり、CsubはDOC5の特性温度[J/kg・K]であり、予めメモリ等の記憶部に記憶された設計値を読み出すことによって取得するとよい。
特に、熱収支モデルにDOC5から外気への放熱量Qrad[W]を組み込むことによって、より高精度に排気温度を推定することができる。
また、このような熱収支モデルは、従来技術のような1次遅れフィルタ等の伝達関数を用いた場合に比べて実体に近いため、良好な推定精度を得ることができる。
2 エアクリーナ
3 吸気管
4 排気管
5 酸化触媒(DOC)
6 ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)
7 HC添加装置
8 吸気流量センサ
9 入口圧力センサ
10 ECU
11 排気温度センサ
12 外気温度センサ
13 車速センサ
15 HC添加量検出手段
16 酸化燃焼熱量算出手段
17 放熱量算出手段
18 熱交換量算出手段
19 排気温度推定手段
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に酸化触媒及び該酸化触媒より下流側にDPFが設けられ、前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流側、又は、前記酸化触媒及び前記DPF間のいずれか一方における排気温度を推定する排気温度推定装置であって、
前記排気通路のうち前記酸化触媒の上流側、又は、前記酸化触媒及び前記DPF間の他方における第1排気温度を検出する排気温度検出手段と、
前記酸化触媒へのHC添加量を検出するHC添加量検出手段と、
前記HC添加量から前記酸化触媒における酸化燃焼熱量を算出する酸化燃焼熱量算出手段と、
前記酸化触媒と該酸化触媒を流れる排気との間における熱交換量を算出する熱交換量算出手段と、
前記検出された第1排気温度、前記酸化燃焼熱量及び熱交換量に基づいて、前記前記一方における第2排気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排気温度推定装置。 - 外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記外気と前記酸化触媒との温度差から、前記酸化触媒から外気への放熱量を算出する放熱量算出手段と
を備え、
前記熱交換量算出手段は、前記放熱量に基づいて前記熱交換量を算出することを特徴とする請求項1に記載の排気温度推定装置。 - 前記酸化燃焼熱量算出手段では、前記第1排気温度をパラメータとするアレニウス則を用いて前記酸化触媒で反応可能なHC最大反応量を求め、前記HC添加量が前記HC最大反応量より大きい場合、前記HC最大反応量を前記HC添加量として酸化燃焼熱を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の排気温度推定装置。
- 前記排気温度検出手段では、前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記DPF間における排気温度を前記第1排気温度として検出することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の排気温度推定装置。
- 前記排気温度検出手段は前記排気通路のうち前記酸化触媒及び前記DPF間に設けられていることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の排気温度推定装置。
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