JP6222138B2 - 内燃機関のエミッション推定装置 - Google Patents
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Description
内燃機関の運転条件に基づいて、前記内燃機関の筒内から排出されるNOx又はSootのうち何れか一方のエミッション排出量を推定するエミッション排出量推定手段を備え、
前記エミッション排出量推定手段は、
前記内燃機関に吸入される新気の湿度を検出する湿度検出手段と、
前記筒内に吸入されるガスに含まれる酸素の濃度である吸気O2濃度が絶対湿度に応じて変化することによる前記エミッション排出量の変化を補正する吸気O2濃度補正を行う吸気O2濃度補正手段と、
前記筒内に吸入されるガスの比熱が絶対湿度に応じて変化することによる前記エミッション排出量の変化を補正する比熱補正を行う比熱補正手段と、を含み、
前記吸気O2濃度を用いて特定される運転領域において、現在の運転領域が、前記吸気O2濃度の変化に対する前記エミッション排出量の変化量が相対的に大きい第1運転領域に属する場合には、前記吸気O2濃度補正を行うとともに前記比熱補正を制限し、現在の運転領域が、前記吸気O2濃度の変化に対する前記エミッション排出量の変化量が相対的に小さい第2運転領域に属する場合には、前記比熱補正を行うとともに前記吸気O2濃度補正を制限するように構成されていることを特徴としている。
前記エミッション排出量は、前記内燃機関の筒内から排出されるSootの量であるSoot排出量であり、
前記吸気O2濃度と当量比とを用いて特定される運転領域において、前記第1運転領域は、前記吸気O2濃度又は当量比の変化に対する前記Soot排出量の変化量が相対的に大きい領域であり、前記第2運転領域は、前記吸気O2濃度又は当量比の変化に対する前記Soot排出量の変化量が相対的に小さい領域であることを特徴としている。
前記エミッション排出量推定手段は、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量に基づいて、前記内燃機関の定常状態でのSoot排出量である基本Soot排出量を算出する基本Soot排出量算出手段と、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量に基づいて、前記内燃機関の定常状態での空燃比である基本空燃比を算出する基本空燃比算出手段と、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量に基づいて、前記内燃機関の定常状態での吸気O2濃度である基本吸気O2濃度を算出する基本吸気O2濃度算出手段と、
吸入空気量と指令燃料噴射量に基づいて、現在の空燃比の推定値である推定空燃比を算出する推定空燃比算出手段と、
吸入空気量と指令燃料噴射量に基づいて、現在の吸気O2濃度の推定値である推定吸気O2濃度を算出する推定吸気O2濃度算出手段と、
前記基本空燃比に対する前記推定空燃比の比率、及び前記基本吸気O2濃度に対する前記推定吸気O2濃度の比率に基づいて、前記基本Soot排出量を補正する過渡補正手段と、を含み、
前記吸気O2濃度補正手段は、絶対湿度による前記吸気O2濃度の変化度合が反映された補正値である吸気O2濃度補正値を算出し、当該吸気O2濃度補正値を用いて、前記推定吸気O2濃度を補正するように構成されていることを特徴としている。
前記比熱補正手段は、絶対湿度に基づいて、前記比熱の増減を前記Soot排出量に反映させるための補正係数である比熱補正係数を算出し、当該比熱補正係数を用いて、前記Soot排出量を補正するように構成されていることを特徴としている。
前記エミッション排出量は、前記内燃機関の筒内から排出されるNOxの量であるNOx排出量であり、
前記吸気O2濃度を用いて特定される運転領域において、前記第1運転領域は前記吸気O2濃度が所定濃度よりも大きい領域であり、前記第2運転領域は前記吸気O2濃度が所定濃度以下となる領域であることを特徴としている。
前記エミッション排出量推定手段は、
吸入空気量と指令燃料噴射量に基づいて、現在の吸気O2濃度の推定値である推定吸気O2濃度を算出する推定吸気O2濃度算出手段と、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量と平均噴射時期と前記推定吸気O2濃度に基づいて、前記NOx排出量を算出する基本NOx排出量算出手段と、を含み、
前記吸気O2濃度補正手段は、絶対湿度による前記吸気O2濃度の変化度合が反映された補正値である吸気O2濃度補正値を算出し、当該吸気O2濃度補正値を用いて、前記推定吸気O2濃度を補正するように構成されていることを特徴としている。
前記比熱補正手段は、絶対湿度に基づいて、前記比熱の増減を前記NOx排出量に反映させるための補正係数である比熱補正係数を算出し、当該前記比熱補正係数を用いて、前記NOx排出量を補正するように構成されていることを特徴としている。
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1の制御装置が適用されるエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態に係る内燃機関は、ターボ過給機付きのディーゼルエンジン(以下、単に「エンジン」と称する)である。エンジンの本体2には4つの気筒が直列に備えられ、気筒ごとに燃料噴射弁8が設けられている。エンジン本体2にはインテークマニホールド4とエキゾーストマニホールド6が取り付けられている。インテークマニホールド4にはエアクリーナ20から取り込まれた新気が流れる吸気通路10が接続されている。吸気通路10にはターボ過給機のコンプレッサ14が取り付けられている。吸気通路10においてコンプレッサ14の下流にはディーゼルスロットル24が設けられている。吸気通路10においてコンプレッサ14とディーゼルスロットル24との間にはインタークーラ22が備えられている。エキゾーストマニホールド6にはエンジン本体2から出た排気ガスを大気中に放出するための排気通路12が接続されている。排気通路12にはターボ過給機のタービン16が取り付けられている。ターボ過給機は可変容量型であって、タービン16には可変ノズル18が備えられている。排気通路12においてタービン16の下流には排気ガスを浄化するための酸化触媒25、DPF(Diesel Particulate Filter)26、及びSCR(Selective Catalytic Reduction)27,28が設けられている。
ECU50により実行されるエンジン制御には、運転中に各気筒内から排出されるエミッション(NOx及びSoot)の排出量を、仮想的に構築されたオンボード推定モデルを用いて推定するエミッション排出量推定制御と、推定されたエミッション排出量を用いて触媒再生やエミッション浄化、故障診断等を行う触媒制御とが含まれる。図2は、ECU50が備える制御機能のうち、エミッション排出量を推定するための機能ブロックと、触媒制御を行うための機能ブロックとを抽出した制御ブロック図である。この図に示すエミッション推定モデル100は、本実施の形態のエミッション排出量推定制御が行われる機能ブロックである。エミッション推定モデル100では、エンジン回転速度、燃料噴射量、吸気O2濃度、比熱、及び空燃比等の運転条件の入力を受けてモデル演算を行い、SootやNOxの排出量を推定することが行われる。また、この図に示す触媒制御ブロック300は、本実施の形態の触媒制御を行うための機能ブロックである。触媒制御ブロック300では、エミッション排出量推定制御によって推定されたSootの排出量を利用して、DPF26の再生制御や故障診断が行われる。また、触媒制御ブロック300では、エミッション排出量推定制御によって推定されたNOx排出量を利用して、SCR27,28の故障診断や尿素添加制御が行われる。なお、これらの触媒制御については、既に多くの公知文献においてその手法が提案されているため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
本実施の形態のエミッション推定モデル100には、運転中に筒内から排出される単位時間当たりSoot排出量(mg/s)を推定する機能が含まれる。図3は、エミッション推定モデル100が備える推定機能のうち、筒内から排出されるSoot排出量を推定するための機能ブロックを抽出した制御ブロック図である。以下、図3を参照して、Soot排出量を推定するためのモデル構成について詳細に説明する。
次に、湿度補正部160が備える湿度補正機能について詳細に説明する。筒内から排出されるSoot排出量は、筒内に吸入される吸気の湿度に応じて変化する。湿度によるSoot排出量の変化の主因としては、筒内に吸入される吸入吸気に含まれる酸素濃度である吸気O2濃度の変化と、吸入空気の比熱の変化との2つが挙げられる。図7は、吸気O2濃度及び当量比に対するSoot排出量を示す図である。この図に示すように、燃料1g当たりのSoot排出量(g/g)は、吸気O2濃度及び当量比の変化に対して感度を有している。一方において、Soot排出量は、比熱の変化に対して特段の感度を有していないことが知られている。このため、吸気O2濃度の変化に対してSoot排出量の感度が大きい領域は、Soot排出量の変化に対して吸気O2濃度の変化が支配的であり、比熱の変化の影響は相対的に小さいものとなる。これに対して、吸気O2濃度の変化に対してSoot排出量の感度が小さい領域は、湿度変化によって吸気O2濃度が変化してもSoot排出量は殆ど変わらない。このような領域は、Soot排出量の変化に対して比熱の変化が支配的となり、吸気O2濃度変化の影響は相対的に小さいものとなる。
[実施の形態2の特徴]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。上述した実施の形態1では、エミッション推定モデル100が備える機能のうち、湿度補正を行うことによりSoot排出量を高精度に推定する機能について説明した。本実施の形態2では、エミッション推定モデル100が備える推定機能のうち、湿度補正を行うことにより筒内から排出されるNOx排出量を高精度に推定する機能について説明する。なお、以下の説明で用いるNOx排出量は、燃料1g当たり筒内から排気されるNOx量(g/g)を指すものとする。
筒内から排出されるNOx排出量は、筒内に吸入される吸気の湿度に応じて変化する。このことは上述したSoot排出量と同様であり、その主因が筒内に吸入される吸入吸気に含まれる酸素濃度である吸気O2濃度の変化と、吸入空気の比熱の変化である点も同様である。但し、Soot排出量が吸気O2濃度と当量比によって表される運転領域において感度分布を有していたのに対し、NOx排出量は吸気O2濃度の大きさのみによって所定の感度分布を有する。
本実施の形態のエミッション推定モデル100には、運転中に筒内から排出されるNOx排出量を推定する機能が含まれる。図14は、エミッション推定モデル100が備える推定機能のうち、筒内から排出されるNOx排出量を推定するための機能ブロックを抽出した制御ブロック図である。以下、図14を参照して、NOx排出量を推定するためのモデル構成について詳細に説明する。
NOx排出量=exp^A×(補正後吸気O2濃度)^B×(平均噴射時期)^C×(噴射量)^D×(エンジン回転速度)^E ・・・(14)
4 インテークマニホールド
6 エキゾーストマニホールド
8 燃料噴射弁
10 吸気通路
12 排気通路
14 コンプレッサ
16 タービン
18 可変ノズル
20 エアクリーナ
22 インタークーラ
24 ディーゼルスロットル
25 酸化触媒
30 EGR通路
32 EGR弁
34 EGRクーラ
36 バイパス通路
38 バイパス弁
50 ECU(Electronic Control Unit)
52 回転速度センサ
54 エアフローメータ
56 アクセル開度センサ
58 差圧センサ
62 NOxセンサ
64 PMセンサ
100 エミッション推定モデル
101 ベースSootマップ
102 ベースA/F算出部
103 現在A/F算出部
104 ベース吸気O2濃度算出部
105 現在吸気O2濃度算出部
106 過渡補正係数算出部
107 比熱補正係数算出部
108 環境補正部
111,112,113,114,115 演算部
121 乾燥空気量算出部
122 乾燥吸気O2濃度算出部
123 ベース吸気O2濃度マップ
124 吸気O2濃度補正値算出部
131 吸入湿潤空気分子量算出部
132 吸入湿潤空気比熱算出部
133 吸気ガス分子量算出部
134 吸気ガス比熱算出部
135 ベース比熱マップ
136 比熱補正値算出部
150 目標新気量マップ
151 目標EGR率マップ
152 EGR率算出部
160 湿度補正部
211 補正前吸気O2濃度算出部
212 平均噴射時期算出部
213 NOx排出量算出部
214 比熱補正係数算出部
221,222 演算部
300 触媒制御ブロック
Claims (7)
- 内燃機関の運転条件に基づいて、前記内燃機関の筒内から排出されるNOx又はSootのうち何れか一方のエミッション排出量を推定するエミッション排出量推定手段を備え、
前記エミッション排出量推定手段は、
前記内燃機関に吸入される新気の湿度を検出する湿度検出手段と、
前記筒内に吸入されるガスに含まれる酸素の濃度である吸気O2濃度が絶対湿度に応じて変化することによる前記エミッション排出量の変化を補正する吸気O2濃度補正を行う吸気O2濃度補正手段と、
前記筒内に吸入されるガスの比熱が絶対湿度に応じて変化することによる前記エミッション排出量の変化を補正する比熱補正を行う比熱補正手段と、を含み、
前記吸気O2濃度を用いて特定される運転領域において、現在の運転領域が、前記吸気O2濃度の変化に対する前記エミッション排出量の変化量が相対的に大きい第1運転領域に属する場合には、前記吸気O2濃度補正を行うとともに前記比熱補正を制限し、現在の運転領域が、前記吸気O2濃度の変化に対する前記エミッション排出量の変化量が相対的に小さい第2運転領域に属する場合には、前記比熱補正を行うとともに前記吸気O2濃度補正を制限するように構成されていることを特徴とする内燃機関のエミッション推定装置。 - 前記エミッション排出量は、前記内燃機関の筒内から排出されるSootの量であるSoot排出量であり、
前記吸気O2濃度と当量比とを用いて特定される運転領域において、前記第1運転領域は、前記吸気O2濃度又は当量比の変化に対する前記Soot排出量の変化量が相対的に大きい領域であり、前記第2運転領域は、前記吸気O2濃度又は当量比の変化に対する前記Soot排出量の変化量が相対的に小さい領域であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のエミッション推定装置。 - 前記エミッション排出量推定手段は、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量に基づいて、前記内燃機関の定常状態でのSoot排出量である基本Soot排出量を算出する基本Soot排出量算出手段と、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量に基づいて、前記内燃機関の定常状態での空燃比である基本空燃比を算出する基本空燃比算出手段と、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量に基づいて、前記内燃機関の定常状態での吸気O2濃度である基本吸気O2濃度を算出する基本吸気O2濃度算出手段と、
吸入空気量と指令燃料噴射量に基づいて、現在の空燃比の推定値である推定空燃比を算出する推定空燃比算出手段と、
吸入空気量と指令燃料噴射量に基づいて、現在の吸気O2濃度の推定値である推定吸気O2濃度を算出する推定吸気O2濃度算出手段と、
前記基本空燃比に対する前記推定空燃比の比率、及び前記基本吸気O2濃度に対する前記推定吸気O2濃度の比率に基づいて、前記基本Soot排出量を補正する過渡補正手段と、を含み、
前記吸気O2濃度補正手段は、絶対湿度による前記吸気O2濃度の変化度合が反映された補正値である吸気O2濃度補正値を算出し、当該吸気O2濃度補正値を用いて、前記推定吸気O2濃度を補正するように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関のエミッション推定装置。 - 前記比熱補正手段は、絶対湿度に基づいて、前記比熱の増減を前記Soot排出量に反映させるための補正係数である比熱補正係数を算出し、当該比熱補正係数を用いて、前記Soot排出量を補正するように構成されていることを特徴とする請求項2又は3に記載の内燃機関のエミッション推定装置。
- 前記エミッション排出量は、前記内燃機関の筒内から排出されるNOxの量であるNOx排出量であり、
前記吸気O2濃度を用いて特定される運転領域において、前記第1運転領域は前記吸気O2濃度が所定濃度よりも大きい領域であり、前記第2運転領域は前記吸気O2濃度が所定濃度以下となる領域であることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のエミッション推定装置。 - 前記エミッション排出量推定手段は、
吸入空気量と指令燃料噴射量に基づいて、現在の吸気O2濃度の推定値である推定吸気O2濃度を算出する推定吸気O2濃度算出手段と、
前記内燃機関の機関回転速度と指令燃料噴射量と平均噴射時期と前記推定吸気O2濃度に基づいて、前記NOx排出量を算出する基本NOx排出量算出手段と、を含み、
前記吸気O2濃度補正手段は、絶対湿度による前記吸気O2濃度の変化度合が反映された補正値である吸気O2濃度補正値を算出し、当該吸気O2濃度補正値を用いて、前記推定吸気O2濃度を補正するように構成されていることを特徴とする請求項5に記載の内燃機関のエミッション推定装置。 - 前記比熱補正手段は、絶対湿度に基づいて、前記比熱の増減を前記NOx排出量に反映させるための補正係数である比熱補正係数を算出し、当該前記比熱補正係数を用いて、前記NOx排出量を補正するように構成されていることを特徴とする請求項5又は6に記載の内燃機関のエミッション推定装置。
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