JP5373952B1 - 内燃機関の排気温度推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に設けられる一般的なセンサだけを用いて低処理負荷でエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を高精度に推定できる内燃機関の排気温度推定装置を提供することを課題とする。
【解決手段】内燃機関１からエキゾーストマニホールド５に排気されるガス温度を推定する排気温度推定装置であって、インテークマニホールド４に吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールド５に排気されるまでに断熱圧縮されることによる温度上昇分と、シリンダ２ａ〜２ｆ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量をエキゾーストマニホールド５の排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分とに基づいてエキゾーストマニホールド５における排気ガス温度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を推定する排気温度推定装置に関する。

車両のエンジン制御や排気ガス浄化制御等を行う場合、制御精度を向上させるためには、エンジンの各部の状態量を正確に把握することが重要となる。特に、エキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度が極めて重要である。排気ガス温度を検出するために、一般的なサーミスタ型温度センサを用いた場合、エキゾーストマニホールド内へのセンサの突出量が大きくなると（特に、エキゾーストマニホールドの径が大きい大型ディーゼルエンジンの場合には突出量が大きくなる）、エンジン振動や排気振動によってセンサが折損する虞がある。折損対策としてセンサを太径にすると、応答性が低下し、制御に不適となる。そこで、このようなセンサを用いずに、エンジンの他箇所に設けられたセンサの検知値を利用して排気ガス温度を推定する技術がある。特許文献１には、エンジンのシリンダに筒内圧センサを設けて筒内圧を検出し、その検出値に基づいて排気側の温度を推定することが開示されている。また、特許文献２には、エンジン回転数やエンジン負荷を計測し、その各値を用いて排気温度マップから標準排気温度を求め、大気圧と吸気温度により標準排気温度を修正して排気温度を推定することが開示されている。

特開２００４−１９７７１６号公報 特開２００３−３０７１５１号公報

特許文献１に開示の推定方法の場合、シリンダに筒内圧センサを設けているが、一般的に筒内圧センサは使用されておらず、センサとしての信頼性が低い。また、筒内圧を用いた推定処理の場合、処理負荷が高くなるため、一般的に用いられているエンジンＥＣＵ[Electronic Control Unit]の処理能力ではリアルタイム処理できない。また、特許文献２に開示の推定方法の場合、定常運転状態での推定であり、過渡運転状態での推定精度が低くなる。特に、ディーゼルエンジンの場合、排気ガスを抑制するためにＥＧＲ[Exhaust Gas Recirculation]システムや可変容量型ターボチャージャが必須となるので、複雑なシステムでも十分な精度が得られる推定でなければならない。

そこで、本発明は、内燃機関に設けられる一般的なセンサだけを用いて低処理負荷でエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を高精度に推定できる内燃機関の排気温度推定装置を提供することを課題とする。

本発明に係る内燃機関の排気温度推定装置は、内燃機関のエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を推定する排気温度推定装置であって、内燃機関のインテークマニホールドに吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールドに排気されるまでに断熱圧縮されることによる温度上昇分と、内燃機関のシリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量をエキゾーストマニホールドの排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分とに基づいて排気ガス温度を推定する推定手段を備えることを特徴とする。

この排気温度推定装置では、推定手段によって、インテークマニホールドに吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールドに排気されるまでに内燃機関内で断熱圧縮されることによる温度上昇分を推定するとともに、内燃機関のシリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量をエキゾーストマニホールドの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分を推定し、その２つの温度上昇分を加算してエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を推定する。インテークマニホールドに吸気されたガスは内燃機関で断熱圧縮されてエキゾーストマニホールドに排気されるので、その断熱圧縮によって、インテークマニホールドに吸気したときのガス温度からエキゾーストマニホールドに排気されるときにはガス温度が上昇する。この断熱圧縮後のガス温度は、インテークマニホールドの吸気ガスの温度や圧力及びエキゾーストマニホールドの排気ガス圧力を用いて、断熱状態の状態式により、簡単に算出できる。また、内燃機関のシリンダ内には燃料が投入されて燃焼され、その燃焼による熱量（熱エネルギ）がピストンの往復運動や冷却水の温度上昇等で使用され、その残りの熱量が排気ガス中に損失される。排気ガスはエキゾーストマニホールドに排気されて希釈されるので、その排気ガス中に損失される熱量を希釈ガス流量で除算した熱量によって、エキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度が上昇する。このシリンダ内に投入された熱量による排気ガスの温度上昇分は、シリンダ内に投入される熱量（燃料流量）、エキゾーストマニホールドでの希釈ガス量（排気ガス流量）、シリンダ内に投入された熱量が排気ガス中に損失される損失率から、簡単に算出できる。この２つの温度上昇分を加算することによって、エキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を高精度に推定できる。このように、この排気温度推定装置は、内燃機関における断熱圧縮による温度上昇分とシリンダ内投入熱量のうちの排気ガス中に損失される熱量／希釈ガス流量による温度上昇分とからエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を推定することにより、内燃機関に設けられる一般的なセンサだけを用いて低処理負荷で排気ガス温度を高精度に推定できる。

本発明の上記内燃機関の排気温度推定装置では、インテークマニホールドにおける吸気ガス温度を取得する吸気ガス温度取得手段と、インテークマニホールドにおける吸気ガス圧力を取得する吸気ガス圧力取得手段と、エキゾーストマニホールドにおける排気ガス圧力を取得する排気ガス圧力取得手段と、大気中からの吸気ガス量を取得する吸気ガス量取得手段と、シリンダ内に供給される燃料流量を取得する燃料流量取得手段と、排気損失率を取得する排気損失率取得手段とを備え、推定手段は、吸気ガス温度取得手段で取得した吸気ガス温度、吸気ガス圧力取得手段で取得した吸気ガス圧力及び排気ガス圧力取得手段で取得した排気ガス圧力を用いてインテークマニホールドに吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールドに排気されるまでに断熱圧縮されることによる温度上昇分を推定するとともに、吸気ガス量取得手段で取得した吸気ガス量、燃料流量取得手段で取得した燃料流量及び排気損失率取得手段で取得した排気損失率を用いて内燃機関のシリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量をエキゾーストマニホールドの排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分を推定すると好適である。

この排気温度推定装置では、吸気ガス温度取得手段によって、インテークマニホールドにおける吸気ガス温度を取得する。この吸気ガス温度取得手段としては、例えば、従来から一般的に用いられている吸気ガス温度センサである。また、排気温度推定装置では、吸気ガス圧力取得手段によって、インテークマニホールドにおける吸気ガス圧力を取得する。この吸気ガス圧力取得手段としては、例えば、従来から一般的に用いられている吸気ガス圧力センサ（ターボを装備している内燃機関の場合にはブースト圧センサ）である。また、排気温度推定装置では、排気ガス圧力取得手段によって、エキゾーストマニホールドにおける排気ガス圧力を取得する。この排気ガス圧力取得手段としては、例えば、従来から一般的に用いられている排気ガス圧力センサ、あるいは、周知の推定方法による推定手段である。そして、排気温度推定装置の推定手段では、吸気ガス温度、吸気ガス圧力及び排気ガス圧力を用いて、断熱状態の状態式により断熱圧縮されることによる温度上昇分を推定する。また、この排気温度推定装置では、吸気ガス量取得手段によって、大気中からの吸気ガス量を取得する。この吸気ガス量取得手段としては、例えば、従来から一般的に用いられている吸気ガス量センサである。また、この排気温度推定装置では、燃料流量取得手段によって、シリンダ内に供給される燃料流量を取得する。この燃料流量取得手段としては、例えば、内燃機関の制御装置における燃料噴射量の指示量から取得する。また、この排気温度推定装置では、排気損失率取得手段によって、シリンダ内に投入された熱量から排気ガス中に損失される熱量の排気損失率を取得する。そして、排気温度推定装置の推定手段では、シリンダ内に供給される燃料流量からシリンダ内に投入された熱量を推定し、吸気ガス量及び燃料流量を用いて希釈ガス流量を推定し、シリンダ内に投入された熱量、排気損失率及び希釈ガス流量を用いて排気ガス中に損失される熱量／希釈ガス流量による温度上昇分を推定する。さらに、排気温度推定装置の推定手段では、この２つの温度上昇分を加算することによってエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を推定する。

本発明の上記内燃機関の排気温度推定装置では、少なくともエンジン回転数と燃料流量をパラメータとして排気損失率を示すマップを予め用意し、排気損失率取得手段は、マップを利用して排気損失率を取得すると好適である。このように、この排気温度推定装置では、エンジン回転数と燃料流量をパラメータとした排気損失率マップを予め用意しておくことにより、簡単に排気損失率を取得することができる。

本発明の上記内燃機関の排気温度推定装置では、ＥＧＲを備える内燃機関の場合、ＥＧＲ率を取得するＥＧＲ率取得手段を備え、推定手段は、ＥＧＲ率取得手段で取得したＥＧＲ率も加味して内燃機関のシリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量をエキゾーストマニホールドの排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分を推定すると好適である。

ＥＧＲを備える内燃機関の場合、排気ガスの一部が吸気側に再循環されるので、ＥＧＲ率（排気ガスの還流率）が希釈ガス流量に影響する。そこで、この排気温度推定装置では、ＥＧＲ率取得手段によって、ＥＧＲ率を取得する。このＥＧＲ率取得手段としては、例えば、各流量センサでそれぞれ検出された吸入空気量やＥＧＲガス流量を用いた算出手段、あるいは、周知の推定方法による推定手段である。そして、排気温度推定装置の推定手段では、このＥＧＲ率も加味して希釈ガス流量を推定し、この希釈ガス流量等を用いて排気ガス中に損失される熱量／希釈ガス流量による温度上昇分を推定する。

本発明によれば、内燃機関における断熱圧縮による温度上昇分とシリンダ内投入熱量のうちの排気ガス中に損失される熱量／希釈ガス流量による温度上昇分とからエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を推定することにより、内燃機関に設けられる一般的なセンサだけを用いて低処理負荷で排気ガス温度を高精度に推定できる。

本実施の形態に係るエンジンの概略構成図である。 排気損失率マップの一例である。 本実施の形態に係る内燃機関の過渡運転における排気ガス温度の推定結果の一例である。

以下、図面を参照して、本発明に係る内燃機関の排気温度推定装置の実施の形態を説明する。

本実施の形態では、本発明に係る内燃機関の排気温度推定装置を、ディーゼル車に搭載されるエンジン（内燃機関）のＥＣＵに適用する。本実施の形態に係るエンジンは、可変容量型のターボチャージャ及びＨＰＬ[High Pressure Loop]のＥＧＲシステムを装備している。本実施の形態に係るエンジンは、ＥＣＵによって周知のエンジン制御、ターボの可変容量制御、ＥＧＲ制御、排気ガス浄化制御、故障診断等が行われるとともに、それらの制御等に利用するための排気ガス温度の推定が行われる。なお、本実施の形態では、ＥＣＵにおけるこれらの周知の各制御等については説明せず、排気ガス温度の推定処理についてのみ詳細に説明する。

図１及び図２を参照して、本実施の形態に係るエンジン１について説明する。図１は、本実施の形態に係るエンジンの概略構成図である。図２は、排気損失率マップの一例である。

エンジン１（特に、ＥＣＵ１５における排気ガス温度推定）は、エキゾーストマニホールドの排気ガス温度を、温度センサを用いずに、エンジンに一般的に搭載される各センサだけを用いて推定する。特に、ＥＣＵ１５における排気ガス温度推定では、インテークマニホールドに吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールドに排気されるまでに断熱圧縮されることによる温度上昇分と、シリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量を排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分とを加算してエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度（以下、「エキマニ温度Ｔｅｍ」と記載）を推定する。

エンジン１は、エンジン本体１ａに直列に６つのシリンダ（気筒）２ａ〜２ｆを配した直列式６気筒のディーゼルエンジンである。各シリンダ２ａ〜２ｆには、インジェクタ３ａ〜３ｆがそれぞれ設けられている。各インジェクタ３ａ〜３ｆでは、各シリンダ２ａ〜２ｆ内に燃料（軽油）を噴射する。エンジン本体１ａでは、シリンダ２ａ〜２ｆ毎に、シリンダ内のガス（大気中からの空気＋排気ガス再循環のＥＧＲガス）がピストン（図示せず）によって断熱圧縮された状態で、燃料が噴射されることによって燃焼が行われる。この燃焼によって熱エネルギ（熱量）が発生し、この熱エネルギがピストンの往復運動、冷却水加熱等に使われるとともに、その残りが排気ガス中に損失される。

エンジン本体１ａ（シリンダ２ａ〜２ｆ）には、インテークマニホールド４が接続されている。インテークマニホールド４では、吸い込んだガス（空気＋ＥＧＲガス）を各シリンダ２ａ〜２ｆに分配して供給する。インテークマニホールド４には、インマニ温度センサ４ａが設けられている。インマニ温度センサ４ａでは、インテークマニホールド４内の吸気ガスの温度（以下、「インマニ温度Ｔｉｍ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１５に出力する。なお、本実施の形態では、インマニ温度センサ４ａが特許請求の範囲に記載する吸気ガス温度取得手段に相当する。

また、エンジン本体１ａ（シリンダ２ａ〜２ｆ）には、エキゾーストマニホールド５が接続されている。エキゾーストマニホールド５では、各シリンダ２ａ〜２ｆから排気された排気ガスを合流させてターボチャージャ６のタービン６ｂやＥＧＲシステム１４のＥＧＲ通路１４ａに導く。エキゾーストマニホールド５には、エキマニ圧力センサ５ａが設けられている。エキマニ圧力センサ５ａでは、エキゾーストマニホールド５内の排気ガスの圧力（以下、「エキマニ圧力Ｐｅｍ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１５に出力する。なお、本実施の形態では、エキマニ圧力センサ５ａが特許請求の範囲に記載する排気ガス圧力取得手段に相当する。

エンジン１は、可変容量型のターボチャージャ６を装備している。ターボチャージャ６は、コンプレッサ６ａとタービン６ｂを備えており、コンプレッサ６ａとタービン６ｂとが同軸で回転する。ターボチャージャ６では、エキゾーストマニホールド５から導かれた排気ガスの圧力でタービン６ｂが回転し、タービン６ｂと同軸で回転するコンプレッサ６ａで空気を圧縮して過給する。タービン６ｂには、ノズルベーン６ｃが設けられ、ノズルベーン６ｃの開度によってタービン６ｂに導入される排気ガス流量が制御される。

吸気側では、大気中から空気がエアクリーナ７を介して吸い込まれ、コンプレッサ６ａで圧縮される。エアクリーナ７とコンプレッサ６ａとの間の吸気通路８ａには、空気量センサ９が設けられている。空気量センサ９は、大気中から吸い込まれる空気の量（以下、「空気量Ｇａ」と記載）を検出し、その検出値をＥＣＵ１５に出力する。コンプレッサ６ａで圧縮された空気は、インタークーラ１０で冷却され、インテークマニホールド４に吸気される。インタークーラ１０とインテークマニホールド４との間の吸気通路８ｂには、ブースト圧センサ１１が設けられている。ブースト圧センサ１１は、ブースト圧（ターボチャージャ６による過給圧）を検出し、その検出値をＥＣＵ１５に出力する。このブースト圧が、インテークマニホールド４内の吸気ガスの圧力（以下、「インマニ圧力Ｐｉｍ」と記載）である。なお、本実施の形態では、空気量センサ９が特許請求の範囲に記載する吸気ガス量取得手段に相当し、ブースト圧センサ１１が特許請求の範囲に記載する吸気ガス圧力取得手段に相当する。

排気側では、エキゾーストマニホールド５からの排気ガスがノズルベーン６ｃで流量調整されてタービン６ｂに導入され、その排気ガスでタービン６ｂが回転する。タービン６ｂから出た排気ガスは、排気通路１２を通って排気システム（図示せず）に導かれ、排気システムで浄化されて、マフラ１３から車外に排気される。

また、エンジン１は、ＥＧＲシステム１４を装備している。ＥＧＲシステム１４は、ＥＧＲ通路１４ａを備えている。ＥＧＲ通路１４ａは、エキゾーストマニホールド５と吸気通路８ｂとを接続する通路であり、エキゾーストマニホールド５からの排気ガスを吸気側にＥＧＲガスとして再循環させる。ＥＧＲ通路１４ａには、ＥＧＲクーラ１４ｂが設けられ、ＥＧＲクーラ１４ｂで再循環させる排気ガスが冷却される。また、ＥＧＲ通路１４ａには、ＥＧＲバルブ１４ｃが設けられ、ＥＧＲバルブ１４ｃによって再循環するＥＧＲガス量が制御される。また、ＥＧＲ通路１４ａには、ＥＧＲガス量センサ１４ｄが設けられている。ＥＧＲガス量センサ１４ｄは、再循環されるＥＧＲガス量を検出し、その検出値をＥＣＵ１５に出力する。

ＥＣＵ１５は、ＣＰＵ[CentralProcessing Unit]、ＲＯＭ[ReadOnly Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]等からなる電子制御ユニットであり、エンジン１を統括制御する。ＥＣＵ１５では、ＲＯＭに記憶されている各種プログラムをＲＡＭにロードしてＣＰＵで実行することによって、エンジン本体制御（例えば、インジェクタ３ａ〜３ｆの燃料噴射制御）、ターボの可変容量制御（例えば、ノズルベーン６ｃの開度制御）、ＥＧＲ制御（例えば、ＥＧＲバルブ１４ｃの開度制御）、排気ガス浄化制御、故障診断等の周知の処理を行うとともに排気ガス温度推定処理を行う。本実施の形態では、ＥＣＵ１５で行う処理については、この排気ガス温度推定処理についてのみ詳細に説明する。

排気ガス温度推定処理について詳細に説明する前に、本実施の形態における排気ガス温度の推定方法について説明する。本実施の形態では、エキマニ温度Ｔｅｍを、インテークマニホールド４に吸気されたガスのインマニ温度Ｔｉｍがエキゾーストマニホールド５に排気されるまでに断熱圧縮されることによって温度上昇した温度Ｔｉｍ’に、シリンダ２ａ〜２ｆ内に投入された熱量Ｑｆのうち排気ガス中に損失される熱量Ｑｅｘｈをエキゾーストマニホールド５の排気ガス流量（希釈ガス流量）Ｇｅｘｈで除算した熱量による温度上昇分ΔＴｆを加算した温度と定義する。

まず、入力温度Ｔ、出力温度Ｔ’、入力圧力Ｐ、出力圧力Ｐ’とした場合、断熱変化の状態式は式（１）となる。式（１）におけるκは、比熱比であり、κ＝定圧比熱Ｃｐ／定容比熱Ｃｖである。この式（１）により、インテークマニホールド４に吸気されたガスが断熱圧縮された後の温度Ｔｉｍ’については、インマニ温度Ｔｉｍ、インマニ圧力Ｐｉｍ、エキマニ圧力Ｐｅｍを用いて、式（２）によって算出できる。インマニ温度Ｔｉｍ、インマニ圧力Ｐｉｍ、エキマニ圧力Ｐｅｍは、インマニ温度センサ４ａ、ブースト圧センサ１１、エキマニ圧力センサ５ａでそれぞれ得ることができる。但し、エキマニ圧力Ｐｅｍについては、圧力センサを用いずに、ブースト圧センサ１１によるブースト圧とターボチャージャ６のノズルベーン６ｃのベーン開度等を用いた周知の推定によって得てもよい。

次に、シリンダ２ａ〜２ｆ内に投入される熱量Ｑｆについては、インジェクタ３ａ〜３ｆからシリンダ２ａ〜２ｆ内に噴射される燃料流量Ｇｆと軽油低位発熱量Ｋｆ（定数）を用いて、式（３）によって算出できる。燃料流量Ｇｆは、ＥＣＵ１５から各インジェクタ３ａ〜３ｆに指示する燃料噴射量と実際の燃料噴射量とが十分に一致するように調整しておくことにより、ＥＣＵ１５からの燃料噴射量の指示量から得ることができる。また、エキゾーストマニホールド５の排気ガス流量（希釈ガス流量）Ｇｅｘｈについては、大気中から吹き込まれた空気量Ｇａ、ＥＧＲ率Ｅｒ、燃料流量Ｇｆを用いて、式（４）によって算出できる。空気量Ｇａは、空気量センサ９で得ることができる。ＥＧＲ率Ｅｒは、空気量センサ９による空気量ＧａとＥＧＲガス量センサ１４ｄによるＥＧＲガス量によって算出してもよいし、あるいは、ブースト圧センサ１１によるブースト圧とインマニ温度センサ４ａによるインマニ温度等を用いて周知の推定によって得てもよい。本実施の形態では、ＥＧＲ率Ｅｒは０〜１の値としている。なお、ＥＧＲシステムを装備しない車両の場合、ＥＧＲ率が０となる。

また、シリンダ内投入熱量Ｑｆのうち排気ガス中に損失される熱量Ｑｅｘｈは、希釈ガス流量Ｇｅｘｈ、定圧比熱Ｃｐ（定数）、シリンダ内投入熱量による排気ガスの温度上昇分ΔＴｆを用いて、式（５）によって算出できる。この式（５）を変形して温度上昇分ΔＴｆを求める式にすると、式（６）となる。また、シリンダ内投入熱量Ｑｆから排気ガス中に損失される熱量Ｑｅｘｈの排気損失率熱ηｅｘｈについては、排気ガス中損失熱量Ｑｅｘｈ、シリンダ内投入熱量Ｑｆを用いて、式（７）によって算出できる。この式（７）を変形して排気ガス中損失熱量Ｑｅｘｈを求める式にすると、式（８）となる。

式（６）に式（８）を代入すると、温度上昇分ΔＴｆを求める式は式（９）となる。さらに、式（９）に式（３）と式（４）を代入すると、温度上昇分ΔＴｆを求める式は式（１０）となる。式（１０）における排気損失率熱ηｅｘｈは、排気損失率熱マップを事前に用意し、排気損失率熱マップから得ることができる。ＥＣＵ１５のＲＯＭに排気損失率マップを保持し、エンジン回転数や燃料噴射量からそのマップを検索して排気損失率熱ηｅｘｈを得る。

排気損失率熱マップについて説明する。事前に、実際に排気ガス温度を高精度に計測可能なエンジンを用いて、エンジン実機にてエンジン使用領域における定常データを取得して、その定常データを用いて式（７）により排気損失率を算出する。これを、エンジン回転数や燃料噴射量（指示量でよい）を変えて行い、エンジン回転数や燃料噴射量（燃料流量に相当）をパラメータとして、排気損失率を検索可能なマップを作成する。図２には、エンジン回転数と燃料噴射量をパラメータとしたマップの一例を示しており、エンジン回転数が高くなるほど排気損失率が低くなるとともに、燃料噴射量が多くなるほど排気損失率が低くなる。なお、このマップを、エンジンの燃焼モード（例えば、通常モード、昇温モード、還元剤添加モード）毎に作成し、保持しておくようにするとよい。

エキマニ温度Ｔｅｍは、式（１１）に示すように、インテークマニホールド４に吸気されたガスが断熱圧縮された後の温度Ｔｉｍ’にシリンダ内投入熱量による温度上昇分ΔＴｆを加算した温度である。したがって、この式（１１）に式（２）と式（１０）を代入すると、エキマニ温度Ｔｅｍを求める式は、式（１２）となる。この式（１２）によって、インマニ温度Ｔｉｍ、インマニ圧力Ｐｉｍ、エキマニ圧力Ｐｅｍ、燃料流量Ｇｆ、空気量Ｇａ、ＥＧＲ率Ｅｒ、排気損失率熱ηｅｘｈを用いて、エキマニ温度Ｔｅｍを推定できる。なお、この式（１２）によってエキマニ温度Ｔｅｍの瞬時値を求めることができるので、使用目的により、一次遅れ補正等を用いてエキマニ温度Ｔｅｍのなました値を使用すればよい。

なお、この式（１２）においてＥＧＲ率Ｅｒを０とすることにより、ＥＧＲシステムを装備していないエンジンに適用することができる。また、式（１２）には、ターボチャージャやターボチャージャの可変容量型／固定容量型に関するパラメータが含まれていないので、式（１２）をターボチャージャの有無、単段過給／多段過給、可変容量型／固定容量型に関係なく適用可能である。また、式（１２）におけるＫｆ、κ、Ｃｐの定数を変更することにより、各種ディーゼルエンジンだけでなく、各種ガソリンエンジンにも適用できる。

それでは、ＥＣＵ１５における排気ガス温度推定処理について説明する。ＥＣＵ１５では、一定時間毎に、インマニ温度センサ４ａ、ブースト圧センサ１１、エキマニ圧力センサ５ａ、空気量センサ９から、インマニ温度Ｔｉｍ、インマニ圧力Ｐｉｍ、エキマニ圧力Ｐｅｍ、空気量Ｇａをそれぞれ取得する。また、ＥＣＵ１５では、一定時間毎に、空気量センサ９、ＥＧＲガス量センサ１４ｄから空気量Ｇａ、ＥＧＲガス量をそれぞれ取得し、空気量ＧａとＥＧＲガス量からＥＧＲ率Ｅｒを算出する。なお、本実施の形態では、空気量センサ９、ＥＧＲガス量センサ１４ｄ及びＥＣＵ１５における処理が特許請求の範囲に記載するＥＧＲ率取得手段に相当する。

ＥＣＵ１５では、一定時間毎に、周知のエンジン制御を行い、シリンダ２ａ〜２ｆの燃料噴射量（指示量）等を求めており、この燃料噴射量（指示量）から燃料流量Ｇｆを取得する。また、ＥＣＵ１５では、ＲＯＭに予め保持している燃焼モード毎の排気損失率マップの中からエンジン１の現在の燃焼モードに応じて排気損失率マップを選択する。そして、ＥＣＵ１５では、一定時間毎に、エンジン回転数センサ（図示せず）から取得したエンジン回転数と燃料流量Ｇｆ（燃料噴射量）を用いて、その選択した排気損失率マップを検索し、排気損失率熱ηｅｘｈを取得する。なお、本実施の形態では、ＥＣＵ１５における処理が特許請求の範囲に記載する燃料流量取得手段及び排気損失率取得手段に相当する。

そして、ＥＣＵ１５では、一定時間毎に、インマニ温度Ｔｉｍ、インマニ圧力Ｐｉｍ、エキマニ圧力Ｐｅｍ、燃料流量Ｇｆ、空気量Ｇａ、ＥＧＲ率Ｅｒ、排気損失率熱ηｅｘｈ及びＥＣＵ１５のＲＯＭに予め保持している軽油低位発熱量Ｋｆ、定圧比熱Ｃｐ、比熱比κの各値を用いて、式（１２）によりエキマニ温度Ｔｅｍ（瞬時値）を算出する。この算出されたエキマニ温度Ｔｅｍは、ＥＣＵ１５のＲＡＭに時系列で所定時間分記憶される。そして、ＥＣＵ１５では、必要に応じて、時系列のエキマニ温度Ｔｅｍ（瞬時値）を用いて一次遅れ補正等を行い、エキマニ温度Ｔｅｍのなまし値を算出する。そして、ＥＣＵ１５では、この推定したエキマニ温度Ｔｅｍ（瞬時値あるいはなまし値）を、エンジン本体制御、ターボの可変容量制御、ＥＧＲ制御、排気ガス浄化制御、故障診断等で用いる。なお、本実施の形態では、ＥＣＵ１５における処理が特許請求の範囲に記載する推定手段に相当する。

図３には、このエンジン１を用いてＷＨＴＣ[World HarmonizedTransient Cycle]の排気ガス試験モードで試験を行い、過渡運転における排気ガス温度（エキマニ温度）の推定結果の一例を示している。図３において、実線（細線）が上記の排気ガス温度推定処理で推定されたエキマニ温度（瞬時値：なまし未処理）であり、実線（太線）がその推定されたエキマニ温度（瞬時値）をなましたエキマニ温度（なまし値：なまし処理後）であり、破線が実測されたエキマニ温度である。推定エキマニ温度（なまし値）と実測エキマニ温度とを比較すると、実測値に非常に近い推定値が得られていることが判る。この例では、誤差が、最大±３０℃程度であった。

このエンジン１（特に、ＥＣＵ１５における排気ガス温度推定処理）によれば、エンジン１における断熱圧縮による温度上昇分とシリンダ内投入熱量のうちの排気ガス中損失熱量／希釈ガス流量による温度上昇分とからエキマニ温度を推定することにより（式（１２）を用いることにより）、エキマニ温度センサを設けることなく、エンジンに従来から設けられる信頼性のある一般的なセンサだけを用いて低処理負荷でエキマニ温度（排気ガス温度）を高精度に推定できる。この推定されたエキマニ温度は、定常運転状態だけでなく、過渡運転状態の場合でも精度が高い。また、このエンジン１によれば、エンジン回転数と燃料噴射量をパラメータとした排気損失率マップを予め用意しておくことにより、簡単に排気損失率を取得することができる。

ちなみに、ターボチャージャを装備したエンジンの場合、断熱圧縮によって（ターボチャージャによるインマニ圧力とエキマニ圧力との差が大きいほど）エキマニ温度が変化し易くなり、エキマニ温度の推定誤差が出易くなる。しかし、ＥＣＵ１５における排気ガス温度推定処理では、断熱圧縮の温度上昇分を考慮しているので、ターボチャージャを装備したエンジンでも推定精度が高い。また、ＥＧＲシステムを装備したエンジンの場合、希釈ガス量が増加するので、エキマニ温度の推定誤差が出易くなる。しかし、ＥＣＵ１５における排気ガス温度推定処理では、シリンダ内投入熱量による排気ガスの温度上昇分に希釈ガス流量（特に、ＥＧＲ率）を考慮しているので、ＥＧＲシステムを装備したエンジンでも推定精度が高い。

なお、エキマニ温度を検出するセンサを備えるエンジンの場合、この推定したエキマニ温度を用いることにより、そのセンサの故障診断を行うことができる。また、エキマニ温度は、エンジン制御（ターボの可変容量制御、ＥＧＲ制御も含む）だけでなく、排気ガス浄化制御に非常に重要となる。

以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。

例えば、本実施の形態ではエンジンのＥＣＵの一つの機能として排気温度推定装置を組み込む形態としたが、他のＥＣＵに組み込む形態、排気温度推定装置単体として構成する形態など、排気温度推定装置を他の形態で構成してもよい。

また、本実施の形態では内燃機関としてはディーゼルエンジンであり、可変容量型のターボチャージャ及びＥＧＲシステムを装備するものに適用したが、ガソリンエンジン等の他の内燃機関でも適用可能であり、ターボチャージャを装備しないものでも適用可能であり、ＥＧＲシステムを装備しないものでも適用可能であり、ターボチャージャについては固定容量型のものもや多段過給のターボチャージャにも適用可能であり、ＥＧＲシステムについてはＬＰＬのＥＧＲシステムにも適用可能である。

また、本実施の形態でマップを用いては排気損失率を取得する構成としたが、他の方法で取得してもよい。例えば、エンジン回転数や燃料噴射量を変数とした排気損失率の算出式を用意しておき、この算出式を用いて排気損失率を算出する。

また、本実施の形態では断熱圧縮による温度上昇分とシリンダ内投入熱量のうちの排気ガス中損失熱量／希釈ガス流量による温度上昇分とからエキマニ温度を推定するために上記の式（１２）を構築し、式（１２）を用いてエキマニ温度を推定する構成としたが、この式（１２）以外の他の推定式を構築してもよいし、マップ等を使った他の方法で推定してもよい。

１…エンジン、１ａ…エンジン本体、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ…シリンダ、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ…インジェクタ、４…インテークマニホールド、４ａ…インマニ温度センサ、５…エキゾーストマニホールド、５ａ…エキマニ圧力センサ、６…ターボチャージャ、６ａ…コンプレッサ、６ｂ…タービン、６ｃ…ノズルベーン、７…エアクリーナ、８ａ，８ｂ…吸気通路、９…空気量センサ、１０…インタークーラ、１１…ブースト圧センサ、１２…排気通路、１３…マフラ、１４…ＥＧＲシステム、１４ａ…ＥＧＲ通路、１４ｂ…ＥＧＲクーラ、１４ｃ…ＥＧＲバルブ、１４ｄ…ＥＧＲガス量センサ、１５…ＥＣＵ。

Claims (4)

1. 内燃機関のエキゾーストマニホールドにおける排気ガス温度を推定する排気温度推定装置であって、
   前記内燃機関のインテークマニホールドに吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールドに排気されるまでに断熱圧縮されることによる温度上昇分と、前記内燃機関のシリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量を前記エキゾーストマニホールドの排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分とに基づいて排気ガス温度を推定する推定手段を備えることを特徴とする内燃機関の排気温度推定装置。
2. 前記インテークマニホールドにおける吸気ガス温度を取得する吸気ガス温度取得手段と、
   前記インテークマニホールドにおける吸気ガス圧力を取得する吸気ガス圧力取得手段と、
   前記エキゾーストマニホールドにおける排気ガス圧力を取得する排気ガス圧力取得手段と、
   大気中からの吸気ガス量を取得する吸気ガス量取得手段と、
   前記シリンダ内に供給される燃料流量を取得する燃料流量取得手段と、
   排気損失率を取得する排気損失率取得手段と、
   を備え、
   前記推定手段は、前記吸気ガス温度取得手段で取得した吸気ガス温度、前記吸気ガス圧力取得手段で取得した吸気ガス圧力及び前記排気ガス圧力取得手段で取得した排気ガス圧力を用いて前記インテークマニホールドに吸気されたガスの温度がエキゾーストマニホールドに排気されるまでに断熱圧縮されることによる温度上昇分を推定するとともに、前記吸気ガス量取得手段で取得した吸気ガス量、前記燃料流量取得手段で取得した燃料流量及び前記排気損失率取得手段で取得した排気損失率を用いて前記内燃機関のシリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量を前記エキゾーストマニホールドの排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分を推定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. 少なくともエンジン回転数と燃料流量をパラメータとして排気損失率を示すマップを予め用意し、
   前記排気損失率取得手段は、前記マップを利用して排気損失率を取得することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気温度推定装置。
4. ＥＧＲを備える内燃機関の場合、ＥＧＲ率を取得するＥＧＲ率取得手段を備え、
   前記推定手段は、前記ＥＧＲ率取得手段で取得したＥＧＲ率も加味して前記内燃機関のシリンダ内に投入された熱量のうち排気ガス中に損失される熱量を前記エキゾーストマニホールドの排気ガスの希釈ガス流量で除算した熱量による温度上昇分を推定することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の内燃機関の排気温度推定装置。

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