JP7435284B2

JP7435284B2 - エンジン装置

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Publication number: JP7435284B2
Application number: JP2020102774A
Authority: JP
Inventors: 創一今井; 茂樹中山; 正直井戸側; 大吾安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2040-06-15
Also published as: CN113803185A; US20210388795A1; JP2021195901A; US11215137B1

Description

本発明は、エンジン装置に関する。

従来、この種のエンジン装置としては、エンジンの下死点時の筒内ガス温度と、燃料噴射量と、エンジンの回転数と、燃焼室内に吸入される筒内吸入ガス量と、空気比熱とを用いて排ガス温度を推定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－２３８１４７号公報

上述のエンジン装置では、ストイキの場合には、排ガス温度を精度よく推定することができるものの、リーンやリッチの場合、即ち、ストイキに対して余剰空気や余剰燃料が生じる場合には、排ガス温度の推定精度が低くなる可能性がある。

本発明のエンジン装置は、ストイキの場合に加えてリーンやリッチの場合でも排ガス温度を精度よく推定することを主目的とする。

本発明のエンジン装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のエンジン装置は、
吸気ポート、燃焼室、排気ポートを有するエンジンと、
前記エンジンを制御すると共に前記燃焼室から排出されて前記排気ポートを流れる排ガスの温度である排ガス温度を推定する制御装置と、
を備えるエンジン装置であって、
前記制御装置は、
前記エンジンの制御として、燃料噴射および点火を行なう通常制御を実行しているときに、
ストイキの場合には、燃焼ガス温度と燃焼ガス量と燃焼ガス比熱とに基づく第１熱エネルギに基づいて前記排ガス温度を推定し、
リーンの場合には、前記第１熱エネルギと、空気温度と前記ストイキに対する余剰空気量と空気比熱とに基づく第２熱エネルギと、に基づいて前記排ガス温度を推定し、
リッチの場合には、前記第１熱エネルギと、燃料温度と前記ストイキに対する余剰燃料量と燃料比熱と燃料蒸発潜熱とに基づく第３熱エネルギと、に基づいて前記排ガス温度を推定する、
ことを要旨とする。

本発明のエンジン装置では、エンジンの制御として、燃料噴射および点火を行なう通常制御を実行しているときに、ストイキの場合には、燃焼ガス温度と燃焼ガス量と燃焼ガス比熱とに基づく第１熱エネルギに基づいて排ガス温度を推定し、リーンの場合には、第１熱エネルギと、空気温度とストイキに対する余剰空気量と空気比熱とに基づく第２熱エネルギと、に基づいて排ガス温度を推定し、リッチの場合には、第１熱エネルギと、燃料温度とストイキに対する余剰燃料量と燃料比熱と燃料蒸発潜熱とに基づく第３熱エネルギと、に基づいて排ガス温度を推定する。これにより、ストイキの場合に加えて、リーンの場合（ストイキに対して余剰空気がある場合）や、リッチの場合（ストイキに対して余剰燃料がある場合）でも、排ガス温度を精度よく推定することができる。

本発明のエンジン装置において、前記エンジンの制御として前記通常制御を実行しているときに、前記ストイキの場合には、前記燃焼ガス温度と前記燃焼ガス量と前記燃焼ガス比熱との積として得られる前記第１熱エネルギを、前記燃焼ガス量と前記燃焼ガス比熱との積として得られる第１熱容量で徐して前記排ガス温度を推定し、前記リーンの場合には、前記第１熱エネルギと、前記空気温度と前記余剰空気量と前記空気比熱との積として得られる前記第２熱エネルギとの和を、前記第１熱容量と、前記余剰空気量と前記空気比熱との積として得られる前記第２熱容量との和で除して、前記排ガス温度を推定し、前記リッチの場合には、前記第１熱エネルギと、前記燃料温度と前記余剰燃料量と前記燃料比熱との積から前記余剰燃料量と前記燃料蒸発潜熱との積を減じて得られる前記第３熱エネルギとの和を、前記第１熱容量と、前記余剰燃料量と前記燃料比熱との積としてられる前記第３熱容量との和で除して、前記排ガス温度を推定するものとしてもよい。

本発明のエンジン装置において、前記制御装置は、前記エンジンの制御として、前記燃料噴射を行なうと共に前記点火を行なわない無点火噴射制御を実行しているときには、前記燃焼室を通過して前記排気ポートに流れる空気量を前記余剰空気量として得られる前記第２熱エネルギと、燃料噴射量を前記余剰燃料量として得られる前記第３熱エネルギと、に基づいて前記排ガス温度を推定するものとしてもよい。こうすれば、無点火噴射制御を実行しているときでも、排ガス温度を精度よく推定することができる。

この場合、前記制御装置は、前記エンジンの制御として前記無点火噴射制御を実行しているときには、前記空気温度と前記余剰空気量と前記空気比熱との積として得られる前記第２熱エネルギと、前記燃料温度と前記余剰燃料量と前記燃料比熱との積から前記余剰燃料量と前記燃料蒸発潜熱との積を減じて得られる前記第３熱エネルギとの和を、前記余剰空気量と前記空気比熱との積として得られる前記第２熱容量と、前記余剰燃料量と前記燃料比熱との積としてられる前記第３熱容量との和で除して、前記排ガス温度を推定するものとしてもよい。

本発明のエンジン装置において、前記制御装置は、前記エンジンの制御として、前記燃料噴射および前記点火を行なわない燃料カット制御を実行しているときには、前記エンジンの冷却水温と前記エンジンの排気管の温度とに基づいて前記排ガス温度を推定するものとしてもよい。こうすれば、燃料カット制御を熟考しているときでも、排ガス温度を精度よく推定することができる。この場合、前記制御装置は、前記エンジンの制御として前記燃料カット制御を実行しているときには、前記排気ポートを通過する空気の流速を考慮して前記排ガス温度を推定するものとしてもよい。こうすれば、排ガス温度をより精度よく推定することができる。

本発明のエンジン装置において、前記エンジンは、排気管に配置されたタービンと前記吸気管に配置されたコンプレッサとが連結シャフトを介して連結された過給機を更に有し、前記制御装置は、前記エンジンの制御として、前記燃料噴射および前記点火を行なわない燃料カット制御を実行しているときには、前記エンジンの冷却水温と前記タービンを収容するタービンハウジングの温度とに基づいて前記排ガス温度を推定するものとしてもよい。こうすれば、エンジンが過給機を備えるものにおいて、燃料カット制御を実行しているときでも、排ガス温度を精度よく推定することができる。この場合、前記制御装置は、前記エンジンの制御として前記燃料カット制御を実行しているときには、前記排気ポートを通過する空気の流速を考慮して前記排ガス温度を推定するものとしてもよい。こうすれば、排ガス温度をより精度よく推定することができる。

本発明のエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図である。電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。排ガス温度推定ルーチンの一例を示すフローチャートである。反映係数設定用マップの一例を示す説明図である。変形例のエンジン装置１０Ｂの構成の概略を示す構成図である。過給機４０の構成の概略を示す構成図である。冷却装置６５の構成の概略を示す構成図である。電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。排ガス温度推定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのエンジン装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。実施例のエンジン装置１０は、一般的な自動車や各種のハイブリッド自動車に搭載され、図１や図２に示すように、エンジン１２と、冷却装置６０と、制御装置としての電子制御ユニット７０とを備える。

エンジン１２は、ガソリンや軽油などの炭化水素系の燃料を用いて吸気、圧縮、膨張、排気の４行程により動力を出力する複数気筒（例えば、４気筒や６気筒など）の内燃機関として構成されている。このエンジン１２は、エアクリーナ２２により清浄された空気を吸気管２３に吸入してスロットルバルブ２６、サージタンク２７の順に通過させて、吸気管２３が接続された吸気ポート２９に案内する。そして、吸気ポート２９から吸気バルブ２９ａを介して燃焼室３０に吸入した空気に燃焼室３０に取り付けられた筒内噴射弁２８から燃料を噴射して空気と燃料とを混合し、点火プラグ３１による電気火花によって爆発燃焼させる。そして、爆発燃焼によるエネルギにより押し下げられるピストン３２の往復運動をクランクシャフト１４の回転運動に変換する。燃焼室３０から排気バルブ３４ａを介して排気ポート３４に排出される排気は、排気ポート３４に接続された排気管３５を介して外気に排出される。排気管３５には、上流側から浄化装置３７および浄化装置３８が取り付けられている。浄化装置３７，３８は、それぞれ、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）の有害成分を浄化する触媒（三元触媒）３７ａ，３８ａを有する。

冷却装置６０は、エンジン１２のエンジン本体１３を冷却する。冷却装置６０は、ラジエータ６１と、冷却水の循環流路６２と、電動ポンプ６３とを備える。ラジエータ６１は、冷却水を走行風や電動ファンなどにより冷却する。循環流路６２は、ラジエータ６１や、エンジン本体１３のシリンダブロックやシリンダヘッドなどを含んで形成される。電動ポンプ６３は、循環流路６２に設けられ、冷却水を圧送する。

電子制御ユニット７０は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵに加えて、処理プログラムを記憶するＲＯＭや、データを一時的に記憶するＲＡＭ、入出力ポート、通信ポートを備える。図２に示すように、電子制御ユニット７０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。

電子制御ユニット７０に入力される信号としては、例えば、エンジン１２のクランクシャフト１４の回転位置を検出するクランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒや、スロットルバルブ２６の開度を検出するスロットルポジションセンサ２６ａからのスロットル開度ＴＨを挙げることができる。吸気バルブ２９ａを開閉するインテークカムシャフトや排気バルブ３４ａを開閉するエキゾーストカムシャフトの回転位置を検出する図示しないカムポジションセンサからのカムポジションθｃａも挙げることができる。吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられたエアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑｉｎや、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられた吸気温センサ２３ｔからの吸気温Ｔｉｎ、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に取り付けられた吸気圧センサ２３ｂからの吸気圧Ｐｉｎも挙げることができる。サージタンク２７に取り付けられたサージ圧センサ２７ａからのサージ圧Ｐｓや、サージタンク２７に取り付けられたサージ温センサ２７ｂからのサージ温（空気の温度）Ｔｓも挙げることができる。筒内噴射弁２８に供給する燃料の温度を検出する燃温センサ２８ａからの燃料温度Ｔｆも挙げることができる。排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に取り付けられた空燃比センサ３９ａからの空燃比ＡＦや、排気管３５の浄化装置３７，３８の間に取り付けられた酸素センサ３９ｂからの酸素信号Ｏ２も挙げることができる。冷却装置６０の循環流路６２の冷却水の温度を検出する水温センサ６２ｔからの冷却水温Ｔｗも挙げることができる。大気圧センサ７１からの大気圧Ｐｏｕｔや、外気温センサ７２からの外気温Ｔｏｕｔも挙げることができる。

電子制御ユニット７０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット７０から出力される信号としては、例えば、エンジン１２のスロットルバルブ２６への制御信号や、筒内噴射弁２８への制御信号、点火プラグ３１への制御信号を挙げることができる。冷却装置６０の電動ポンプ６３への制御信号も挙げることができる。電子制御ユニット７０は、クランクポジションセンサ１４ａからのクランク角θｃｒに基づいてエンジン１２の回転数Ｎｅを演算している。また、電子制御ユニット７０は、エアフローメータ２３ａからの吸入空気量Ｑａとエンジン１２の回転数Ｎｅとに基づいて負荷率（エンジン１２の１サイクルあたりの行程容積に対する１サイクルで実際に吸入される空気の容積の割合）ＫＬを演算している。

こうして構成された実施例のエンジン装置１０では、電子制御ユニット７０は、基本的には、エンジン１２の制御として通常制御を実行する。通常制御では、電子制御ユニット７０は、エンジン１２の要求負荷率ＫＬ＊に基づいて、スロットルバルブ２６の開度を制御する吸入空気量制御や、筒内噴射弁２８からの燃料噴射量を制御する燃料噴射制御、点火プラグ３１の点火時期を制御する点火制御などを行なう。

また、電子制御ユニット７０は、燃料カット条件が成立しているときにおいて、浄化装置３７，３８の触媒３７ａ，３８ａの暖機が要求されているときには、エンジン１２の制御として無点火噴射制御を実行し、触媒３７ａ，３８ａの暖機が要求されているときには、エンジン１２の制御として燃料カット制御を実行する。燃料カット条件としては、例えば、エンジン装置１０が搭載される車両の走行中にアクセルオフされた条件などが用いられる。触媒３７ａ，３８ａの暖機の要求は、例えば、冷却水温Ｔｗが閾値Ｔｗｒｅｆ以下のときなど、触媒３７ａ，３８ａが活性化していないと想定されるときに行なわれる。無点火噴射制御では、電子制御ユニット７０は、筒内噴射弁２８から微少量の燃料噴射を行なうと共に点火プラグ３１による点火を行なわない。燃料カット制御では、電子制御ユニット７０は、筒内噴射弁２８からの燃料噴射および点火プラグ３１による点火を行なわない。

次に、こうして構成された実施例のエンジン装置１０の動作、特に、燃焼室３０から排出されて排気ポート３４を流れる排ガス（後述の燃焼ガスや余剰空気、余剰燃料（余剰の気化燃料）のうちの少なくとも何れかを含む気体）の温度である排ガス温度Ｔｅｇを推定する動作について説明する。図３は、エンジン１２の制御として通常制御または無点火噴射制御を実行しているときに、電子制御ユニット７０により繰り返し実行される排ガス温度推定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

図３の排ガス温度推定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０は、最初に、エンジン１２の制御として通常制御、無点火噴射制御、燃料カット制御のうちの何れを実行しているかを判定する（ステップＳ１００）。エンジン１２の制御として通常制御を実行していると判定したときには、燃焼ガス温度Ｔｃや空気温度Ｔａ、燃料温度Ｔｆ、燃焼ガス量Ｑｓｔ、余剰空気量Ｑｓａ、余剰燃料量Ｑｓｆなどのデータを入力する（ステップＳ１１０）。

ここで、燃焼ガス温度Ｔｃは、燃焼室３０で燃焼して排気ポート３４に排出されるガスである燃焼ガスの温度であり、エンジン１２の回転数Ｎｅおよび負荷率ＫＬに基づいて推定した値を入力することができる。空気温度Ｔａは、燃焼室３０で燃焼に寄与せずに排気ポート３４に排出される（ストイキに対して余剰な）空気である余剰空気の温度であり、水温センサ６２ｔにより検出された冷却水温Ｔｗを入力することができる。これは、空気が吸気ポート２９、燃焼室３０、排気ポート３４を順に流れるときに、空気の温度が冷却水温Ｔｗ（エンジン本体１３の温度）に近づくためである。燃料温度Ｔｆは、燃焼室３０で燃焼に寄与せずに排気ポート３４に排出される（ストイキに対して余剰な）燃料である余剰燃料の温度であり、燃温センサ２８ａにより検出された値を入力することができる。

燃焼ガス量Ｑｓｔ、余剰空気量Ｑｓａ、余剰燃料量Ｑｓｆは、吸入空気量Ｑｉｎおよび燃料噴射量Ｑｆに基づいて推定した値を入力することができる。余剰空気量Ｑｓａは、リーンの場合には正の値となり、ストイキやリッチの場合には値０となる。余剰燃料量Ｑｓｆは、リッチの場合には正の値となり、ストイキやリーンの場合には値０となる。

こうしてデータを入力すると、入力した燃焼ガス温度Ｔｃや燃焼ガス量Ｑｓｔ、空気温度Ｔａ、余剰空気量Ｑｓａ、燃料温度Ｔｆ、余剰燃料量Ｑｓｆを用いて式（１）により排ガス温度Ｔｅｇを推定して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。ここで、式（１）において、「Ｃｃ」は、燃焼ガス比熱であり、「Ｃａ」は、空気比熱（余剰空気の比熱）であり、「Ｃｆ」は、燃料比熱（余剰燃料の比熱）であり、「Ｌｆ」は、燃料蒸発潜熱（余剰燃料の蒸発潜熱）である。また、式（１）の右辺の分子について、第１項は、燃焼ガスの熱エネルギ（第１熱エネルギ）であり、第２項は、余剰空気の熱エネルギ（第２熱エネルギ）であり、第３項および第４項は、余剰燃料の熱エネルギ（第３熱エネルギ）である。さらに、式（１）の右辺の分母について、第１項は、燃焼ガスの熱容量（第１熱容量）であり、第２項は、余剰空気の熱容量（第２熱容量）であり、第３項は、余剰燃料の熱容量（第３熱容量）である。

ストイキの場合には、余剰空気量Ｑｓａおよび余剰燃料量Ｑｓｆが値０となるため、式（１）の右辺の分子の第２項、第３項、第４項と分母の第２項、第３項とが値０となり、式（２）のように表わすことができる。リーンの場合には、余剰燃料量Ｑｓｆが値０となるため、式（１）の右辺の分子の第３項、第４項と分母の第３項とが値０となり、式（３）のように表わすことができる。リッチの場合には、余剰空気量Ｑｓａが値０となるため、式（１）の右辺の分子の第２項と分母の第２項とが値０となり、式（４）のように表わすことができる。このように排ガス温度Ｔｅｇを推定することにより、通常制御を実行しているときに、ストイキの場合だけでなく、リーンやリッチの場合でも、排ガス温度Ｔｅｇを精度よく推定することができる。

ステップＳ１００でエンジン１２の制御として無点火噴射制御を実行していると判定したときには、空気温度Ｔａや燃料温度Ｔｆ、余剰空気量Ｑｓａ、余剰燃料量Ｑｓｆなどのデータを入力する（ステップＳ１３０）。ここで、空気温度Ｔａおよび燃料温度Ｔｆは、上述のステップＳ１１０の処理と同様に入力することができる。余剰空気量Ｑｓａは、エアフローメータ２３ａにより検出された吸入空気量Ｑｉｎを入力することができる。余剰燃料量Ｑｓｆは、筒内噴射弁２８からの燃料噴射量Ｑｆを入力することができる。無点火噴射制御を実行しているときには、燃焼室３０で燃焼が生じないため、燃焼室３０に吸入した空気を余剰空気とみなすことができると共に筒内噴射弁２８から噴射した燃料を余剰燃料とみなすことができる。

こうしてデータを入力すると、入力した空気温度Ｔａや余剰空気量Ｑｓａ、燃料温度Ｔｆ、余剰燃料量Ｑｓｆを用いて式（５）により排ガス温度Ｔｅｇを推定して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。ここで、式（５）は、無点火噴射制御を実行しているときには燃焼室３０で燃焼が生じない（燃焼ガスの熱エネルギおよび熱容量を値０としてよい）ことを考慮して、式（１）から右辺の分子および分母の第１項を除いた式である。このように排ガス温度Ｔｅｇを推定することにより、無点火噴射制御を実行しているときも、排ガス温度Ｔｅｇを精度よく推定することができる。

ステップＳ１００でエンジン１２の制御として燃料カット制御を実行していると判定したときには、エンジン１２の冷却水温Ｔｗや、排気ポート３４を流れる排ガスの流速である排ガス流速Ｖｅｇ、排気管３５の温度である排気管温度Ｔｅｘなどのデータを入力する（ステップＳ１５０）。ここで、冷却水温Ｔｗは、水温センサ６２ｔにより検出された値を入力することができる。排ガス流速Ｖｅｐは、エンジン１２の回転数Ｎｅに基づいて推定した値を入力することができる。排気管温度Ｔｅｘは、排ガス温度Ｔｅｇや外気温センサ７２からの外気温Ｔｏｕｔなどに基づいて推定した値を入力することができる。

こうしてデータを入力すると、入力した排ガス流速Ｖｅｇに基づいて反映係数ｋｅｇを設定する（ステップＳ１６０）。ここで、反映係数ｋｅｇは、排ガス流速Ｖｅｇを反映係数設定用マップに適用して設定することができる。反映係数設定用マップは、排ガス流速Ｖｅｇと反映係数ｋｅｇとの関係として実験や解析により予め定められている。図４は、反映係数設定用マップの一例を示す説明図である。反映係数ｋｅｇは、図示するように、値０よりも大きく且つ値１よりも小さい範囲内で、排ガス流速Ｖｅｇが大きいほど大きくなるように設定される。この理由については後述する。

続いて、冷却水温Ｔｗと排気管温度Ｔｅｘと反映係数ｋｅｇとを用いて式（６）により排ガス温度Ｔｅｇを推定して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。ここで、式（６）において、冷却水温Ｔｗを用いるのは、空気が吸気ポート２９、燃焼室３０、排気ポート３４を順に流れるときに空気の温度が冷却水温Ｔｗ（エンジン本体１３の温度）に近づくためであり、排気管温度Ｔｅｘを用いるのは、空気が排気ポート３４を流れるときに熱容量の大きい排気管３５から受熱するためである。反映係数ｋｅｇを上述のように設定することにより、排ガス温度Ｔｅｇは、排ガス流速Ｖｅｇが大きいほど冷却水温Ｔｗに近づくように推定される。これは、排ガス流速Ｖｅｇが大きいほど排ガスの排気管３５からの受熱量が小さくなるためである。このように排ガス温度Ｔｅｇを推定することにより、燃料カット制御を実行しているときでも、排ガス温度Ｔｅｇ（詳細には、排気ポート３４を経由して排気管３５に流入する排ガスの温度）を精度よく推定することができる。

以上説明した実施例のエンジン装置１０では、電子制御ユニット７０は、エンジン１２の制御として通常制御を実行しているときに、ストイキの場合には、燃焼ガス温度Ｔｃと燃焼ガス量Ｑｓｔと燃焼ガス比熱Ｃｃとに基づく燃焼ガスの熱エネルギに基づいて排ガス温度Ｔｅｇを推定する。また、通常制御を実行しているときに、リーンの場合には、燃焼ガスの熱エネルギと、空気温度Ｔａと余剰空気量Ｑｓａと空気比熱Ｃａとに基づく余剰空気の熱エネルギと、に基づいて排ガス温度Ｔｅｇを推定する。さらに、通常制御を実行しているときに、リッチの場合には、燃焼ガスの熱エネルギと、燃料温度Ｔｆと余剰燃料量Ｑｓｆと燃料比熱Ｃｆと燃料蒸発潜熱Ｌｆとに基づく余剰燃料の熱エネルギと、に基づいて排ガス温度Ｔｅｇを推定する。これにより、通常制御を実行しているときに、ストイキの場合だけでなく、リーンやリッチの場合でも、排ガス温度Ｔｅｇを精度よく推定することができる。

実施例のエンジン装置１０では、エンジン１２は、過給機を有しないものとした。しかし、エンジン１２は、過給機を有するものとしてもよい。図５は、変形例のエンジン装置１０Ｂの構成の概略を示す構成図であり、図６は、過給機４０の構成の概略を示す構成図であり、図７は、冷却装置６５の構成の概略を示す構成図であり、図８は、電子制御ユニット７０の入出力信号の一例を示す説明図である。

エンジン装置１０Ｂは、エンジン１２Ｂが過給機４０やインタークーラ２５、冷却装置６５などを更に有する点で、図１のエンジン装置１０のエンジン１２とは異なる。以下、エンジン装置１０Ｂのうちエンジン装置１０とは異なる点について説明する。

過給機４０は、図５や図６に示すように、ターボチャージャとして構成されており、タービン４１と、コンプレッサ４２と、ウェイストゲートバルブ４４と、ブローオフバルブ４５とを備える。タービン４１は、排気管３５の浄化装置３７よりも上流側に配置されている。コンプレッサ４２は、吸気管２３のスロットルバルブ２６よりも上流側に配置されており、タービン４１に連結シャフト４３を介して連結されている。したがって、コンプレッサ４２は、タービン４１により駆動される。ウェイストゲートバルブ４４は、排気管３５のタービン４１よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管３６に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。ブローオフバルブ４５は、吸気管２３のコンプレッサ４２よりも上流側と下流側とを連絡するバイパス管２４に設けられており、電子制御ユニット７０により制御される。

タービン４１は、排気管３５のタービンハウジング５１内に配置され、コンプレッサ４２は、吸気管２３のコンプレッサハウジング５２内に収容され、連結シャフト４３は、タービンハウジング５１およびコンプレッサハウジング５２に接続されるシャフトハウジング５３内に配置される。連結シャフト４３は、ベアリング５３ｂを介してシャフトハウジング５３により回転自在に支持される。タービンハウジング５１とシャフトハウジング５３との境界部、および、コンプレッサハウジング５２とシャフトハウジング５３との境界部には、シールリング５３ｓが配置される。シャフトハウジング５３内には、冷却装置６５の冷却水の循環流路６７に含まれる流路５３ｗや、潤滑油が流れる油路５３ｏも形成されている。

この過給機４０では、ウェイストゲートバルブ４４の開度の調節により、バイパス管３６を流通する排気量とタービン４１を流通する排気量との分配比が調節され、タービン４１の回転駆動力が調節され、コンプレッサ４２による圧縮空気量が調節され、エンジン１２の過給圧（吸気圧）が調節される。ここで、分配比は、詳細には、ウェイストゲートバルブ４４の開度が小さいほど、バイパス管３６を流通する排気量が少なくなると共にタービン４１を流通する排気量が多くなるように調節される。なお、ウェイストゲートバルブ４４が全開のときには、エンジン１２は、過給機４０を備えない自然吸気タイプのエンジンと同様に動作する。

また、過給機４０では、吸気管２３のコンプレッサ４２よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度大きいときに、ブローオフバルブ４５を開弁させることにより、コンプレッサ４２よりも下流側の余剰圧力を解放することができる。なお、ブローオフバルブ４５は、電子制御ユニット７０により制御されるバルブに代えて、吸気管２３のコンプレッサ４２よりも下流側の圧力が上流側の圧力よりもある程度高くなったときに開弁する逆止弁として構成されるものとしてもよい。

インタークーラ２５は、吸気管２３のコンプレッサ４２とスロットルバルブ２６との間に配置される。冷却装置６５は、図７に示すように、インタークーラ２５や過給機４０のシャフトハウジング５３を冷却する。冷却装置６５は、ラジエータ６６と、冷却水の循環流路６７と、電動ポンプ６８とを備える。ラジエータ６６は、冷却水を走行風や電動ファンなどにより冷却する。循環流路６７は、ラジエータ６６やインタークーラ２５、過給機４０のシャフトハウジング５３内の流路５３ｗ（図６や図７参照）などを含んで形成される。電動ポンプ６８は、循環流路６７に設けられ、冷却水を圧送する。

図８に示すように、電子制御ユニット７０に入力される信号としては、エンジン装置１０と同様の信号に加えて、吸気管２３のコンプレッサ４２およびインタークーラ２５の間に取り付けられた過給圧センサ２３ｃからの過給圧Ｐｃを挙げることができる。電子制御ユニット７０から出力される信号としては、エンジン装置１０と同様の信号に加えて、ウェイストゲートバルブ４４への制御信号や、ブローオフバルブ４５への制御信号、冷却装置６５の電動ポンプ６８への制御信号を挙げることができる。

こうして構成された変形例のエンジン装置１０Ｂでは、電子制御ユニット７０は、エンジン１２の制御として通常制御を実行するときには、エンジン１２の要求負荷率ＫＬ＊に基づいて、吸入空気量制御や燃料噴射制御、点火制御に加えて、ウェイストゲートバルブ４４の開度を制御する過給制御を行なう。なお、上述したように、ウェイストゲートバルブ４４が全開のときには、エンジン１２は、過給機４０を備えない自然吸気タイプのエンジンと同様に動作する。

また、変形例のエンジン装置１０Ｂでは、電子制御ユニット７０は、図３の排ガス温度推定ルーチンに代えて、図９の排ガス温度推定ルーチンを実行する。図９の排ガス温度推定ルーチンは、ステップＳ１５０，Ｓ１７０の処理がステップＳ１５２，Ｓ１７２の処理に置き換えられた点で、図３の排ガス温度推定ルーチンとは異なる。以下、図９の排ガス温度推定ルーチンのうち図３の排ガス温度推定ルーチンとは異なる点について説明する。

図９の排ガス温度推定ルーチンでは、ステップＳ１００でエンジン１２の制御として燃料カット制御を実行していると判定したときには、ステップＳ１５０の処理と同様に冷却水温Ｔｗや排ガス流速Ｖｅｇを入力すると共に、排気管３５の温度である排気管温度Ｔｅｘに代えて、タービンハウジング５１の温度であるタービンハウジング温度Ｔｔｂを入力する（ステップＳ１５２）。ここで、タービンハウジング温度Ｔｔｂは、排ガス温度Ｔｅｇや外気温センサ７２からの外気温Ｔｏｕｔなどに基づいて推定した値を入力することができる。

ステップＳ１６０で反映係数ｋｅｇを設定すると、冷却水温Ｔｗとタービンハウジング温度Ｔｔｈと反映係数ｋｅｇとを用いて式（７）により排ガス温度Ｔｅｇを推定して（ステップＳ１７２）、本ルーチンを終了する。ここで、式（７）は、排気管温度Ｔｅｘがタービンハウジング温度Ｔｔｈに置き換えられた点で、式（６）とは異なる。式（７）において、排気管温度Ｔｅｘに代えてタービンハウジング温度Ｔｔｈを用いるのは、一般に、過給機４０を備える場合には、タービンハウジング５１の熱容量による影響が排気管３５の熱容量による影響に比して大きく、空気が排気ポート３４を流れるときに、タービンハウジング５１からの受熱量が排気管３５からの受熱量に比して大きくなりやすいためである。このように排ガス温度Ｔｅｇを推定することにより、過給機４０を備えるものにおいて、燃料カット制御を実行しているときでも、排ガス温度Ｔｅｇ（詳細には、排気ポート３４を経由してタービン４１に流入する排ガスの温度）を精度よく推定することができる。

変形例のエンジン装置１０Ｂでは、エンジン本体１３のシリンダブロックやシリンダヘッドなどを含んで形成される循環流路６２を有する冷却装置６０と、インタークーラ２５、過給機４０のシャフトハウジング５３内の流路５３ｗなどを含んで形成される循環流路６７を有する冷却装置６５とを備えるものとした。しかし、冷却装置６０，６５に代えて、循環流路６２および循環流路６７をまとめて含んで形成される循環流路を有する冷却装置を備えるものとしてもよい。

変形例のエンジン装置１０Ｂでは、過給機４０は、排気管３５に配置されたタービン４１と吸気管２３に配置されたコンプレッサ４２とが連結シャフト４３を介して連結されたターボチャージャとして構成されるものとした。しかし、エンジン１２やモータにより駆動されるコンプレッサが吸気管２３に配置されたスーパーチャージャとして構成されるものとしてもよい。過給機４０がスーパーチャージャとして構成される場合、排気管３５にタービンハウジング５１（タービン４１）が配置されないため、図９の排ガス温度推定ルーチンではなく、図３の排ガス温度推定ルーチンを実行し、燃料カット制御を実行しているときには、排気管温度Ｔｅｘに基づいて排ガス温度Ｔｅｇを推定すればよい。

実施例や変形例のエンジン装置１０，１０Ｂでは、燃料カット制御を実行しているときには、排ガス流速Ｖｅｇに基づく反映係数ｋｅｇを用いて排ガス温度Ｔｅｇを推定するものとした。しかし、このときには、排ガス流速Ｖｅｇを考慮せずに一定の反映係数ｋｅｇを用いて排ガス温度Ｔｅｇを推定するものとしてもよい。

実施例や変形例のエンジン装置１０，１０Ｂでは、排ガス温度Ｔｅｇなどに基づいて排気管温度Ｔｅｘやタービンハウジング温度Ｔｔｈを推定するものとした。しかし、排気管３５やタービンハウジング５１に温度センサを取り付け、これらの温度センサにより排気管温度Ｔｅｘやタービンハウジング温度Ｔｔｈを検出するものとしてもよい。

実施例では、エンジン装置１０は、一般的な自動車や各種のハイブリッド自動車に搭載されるものとした。しかし、自動車以外の車両に搭載されるものとしてもよいし、建設設備などの移動しない設備に搭載されるものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、エンジン１２が「エンジン」に相当し、電子制御ユニット７０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、エンジン装置の製造産業などに利用可能である。

１０エンジン装置、１２エンジン、１３エンジン本体、１４クランクシャフト、１４ａクランクポジションセンサ、２２エアクリーナ、２３吸気管、２３ａエアフローメータ、２３ｂ吸気圧センサ、２３ｃ過給圧センサ、２３ｔ吸気温センサ、２４バイパス管、２５インタークーラ、２６スロットルバルブ、２６ａスロットルポジションセンサ、２７サージタンク、２７ａサージ圧センサ、２７ｂサージ温センサ、２８筒内噴射弁、２９吸気ポート、２９ａ吸気バルブ、３０燃焼室、３１点火プラグ、３２ピストン、３４排気ポート、３４ａ排気バルブ、３５排気管、３６バイパス管、３７，３８浄化装置、３７ａ，３８ａ触媒、３９ａ空燃比センサ、３９ｂ酸素センサ、４０過給機、４１タービン、４２コンプレッサ、４３連結シャフト、４４ウェイストゲートバルブ、４５ブローオフバルブ、５１タービンハウジング、５２コンプレッサハウジング、５３シャフトハウジング、５３ｂベアリング、５３ｏ油路、５３ｓシールリング、５３ｗ流路、６２ｔ水温センサ、６０，６５冷却装置、６１，６６ラジエータ、６２，６７循環流路、６３，６８電動ポンプ、７０電子制御ユニット、７１大気圧センサ、７２外気温センサ。

Claims

吸気ポート、燃焼室、排気ポートを有するエンジンと、
前記エンジンを制御すると共に前記燃焼室から排出されて前記排気ポートを流れる排ガスの温度である排ガス温度を推定する制御装置と、
を備えるエンジン装置であって、
燃焼ガス温度を取得する燃焼ガス温度取得手段と、
燃焼ガス量を取得する燃焼ガス量取得手段と、
空気温度を取得する空気温度取得手段と、
ストイキに対する余剰空気量を取得する余剰空気量取得手段と、
燃料温度を取得する燃料温度取得手段と、
前記ストイキに対する余剰燃料量を取得する余剰燃料量取得手段と、
を備え、
前記制御装置は、
前記エンジンの制御として、燃料噴射および点火を行なう点火噴射制御を実行しているときに、
前記ストイキの場合には、前記燃焼ガス温度と前記燃焼ガス量と燃焼ガス比熱との積として得られる第１熱エネルギを、前記燃焼ガス量と前記燃焼ガス比熱との積として得られる第１熱容量で徐して前記排ガス温度を推定し、
リーンの場合には、前記第１熱エネルギと、前記空気温度と前記余剰空気量と空気比熱との積として得られる第２熱エネルギとの和を、前記第１熱容量と、前記余剰空気量と前記空気比熱との積として得られる第２熱容量との和で除して、前記排ガス温度を推定し、
リッチの場合には、前記第１熱エネルギと、前記燃料温度と前記余剰燃料量と燃料比熱との積から前記余剰燃料量と燃料蒸発潜熱との積を減じて得られる第３熱エネルギとの和を、前記第１熱容量と、前記余剰燃料量と前記燃料比熱との積として得られる第３熱容量との和で除して、前記排ガス温度を推定する、
エンジン装置。
請求項１記載のエンジン装置であって、
前記制御装置は、前記エンジンの制御として、前記燃料噴射を行なうと共に前記点火を行なわない無点火噴射制御を実行しているときには、前記空気温度と前記余剰空気量と前記空気比熱との積として得られる前記第２熱エネルギと、前記燃料温度と前記余剰燃料量と前記燃料比熱との積から前記余剰燃料量と前記燃料蒸発潜熱との積を減じて得られる前記第３熱エネルギとの和を、前記余剰空気量と前記空気比熱との積として得られる第２熱容量と、前記余剰燃料量と前記燃料比熱との積として得られる第３熱容量との和で除して、前記排ガス温度を推定する、
エンジン装置。
請求項１または２記載のエンジン装置であって、
前記エンジンの冷却水温を取得する冷却水温取得手段と、
前記エンジンの排気管の温度を取得する排気管温度取得手段と、
前記排気ポートを通過する空気の流速である排ガス流速を取得する排ガス流速取得手段と、
を更に備え、
前記制御装置は、前記エンジンの制御として、前記燃料噴射および前記点火を行なわない燃料カット制御を実行しているときには、前記排気管の温度と、前記冷却水温から前記排気管の温度を減じて更に前記排ガス流速が大きいほど大きくなる傾向の係数を乗じた値と、の和として前記排ガス温度を推定する、
エンジン装置。
請求項１または２記載のエンジン装置であって、
前記エンジンは、排気管に配置されたタービンと吸気管に配置されたコンプレッサとが連結シャフトを介して連結された過給機を更に有し、
前記エンジンの冷却水温を取得する冷却水温取得手段と、
前記タービンを収容するタービンハウジングの温度を取得するタービンハウジング温度取得手段と、
前記排気ポートを通過する空気の流速である排ガス流速を取得する排ガス流速取得手段と、
を更に備え、
前記制御装置は、前記エンジンの制御として、前記燃料噴射および前記点火を行なわない燃料カット制御を実行しているときには、前記タービンハウジングの温度と、前記冷却水温から前記タービンハウジングの温度を減じて更に前記排ガス流速が大きいほど大きくなる傾向の係数を乗じた値と、の和として前記排ガス温度を推定する、
エンジン装置。