JP4238597B2

JP4238597B2 - 内燃機関の状態検出装置

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Publication number: JP4238597B2
Application number: JP2003049446A
Authority: JP
Inventors: 慎一副島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP2004257315A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は内燃機関の状態検出装置に関し、特に、過給機を備えた内燃機関に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
近時においては、機関出力増大のため過給機（ターボチャージャー、スーパーチャージャー）を備えた内燃機関が一般的となっている。このような内燃機関において、機関を最適に制御するため、排気圧力、排気温度を推定することが行われている。特に、可変容量ターボチャージャー（VNT; Variable Nozzle Turbocharger）、排気ガス再循環装置（EGR; Exhaust Gas Recirculation System）等を備えた機関では、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（PM; Particulate Matter）などを最適に抑えるため、過給圧や吸入空気量、ＥＧＲ率を正確に制御する必要があり、排気圧力、排気温度を正確に推定することは非常に重要である。
【０００３】
このため、例えば特開２０００−３５６１６２号公報には、可変容量ターボチャージャーを備えた内燃機関の排気圧力、排気温度を推定する方法が記載されている。
【０００４】
上記公報に記載された方法は、ターボチャージャーのタービンをノズルと見立て、ノズルを流れる流体の一般式に基づいて、タービン下流側の圧力とＶＮＴの有効開度からタービン上流側の圧力を求めるものである。すなわち、ターボチャージャーでの排気圧力を、一般の流体の解析に用いられる非圧縮性流体の式を用いて推定している。
【０００５】
また、内燃機関の排気圧力、排気温度を推定する別の方法として、機関運転状態（燃料噴射量、機関回転数）に応じた排気圧力、排気温度を予め排気圧力センサ、排気温度センサで計測してマップを作成しておき、このマップに基づいて排気圧力、排気温度を取得する方法が知られている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−３５６１６２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載されているようにタービン周辺をノズルの一般式で近似した場合、タービン内の流路などに起因する流量特性、効率特性などのターボチャージャーの諸特性がノズルの式に含まれないこととなる。このため、ノズルの一般式に基づいて排気圧力、排気温度を正確に推定することは困難である。
【０００８】
また、ノズルに関する一般式をタービンに適用した場合、排気ガス流量、排気圧力及び排気ガス密度の関係が規定されることとなるが、排気ガス密度は排気ガス温度に応じて変動する。従って、排気圧力を正確に求めるためには、先ず排気温度を正確に求める必要があり、排気圧力の推定精度は排気温度の推定精度に大きく依存する。
【０００９】
上記公報に記載された方法では、排気温度を吸気温度、排気圧力などに関する４つの補正係数を用いて決定しているが、多数の補正係数を用いることでロジックの構造が複雑になり、複雑な演算処理が必要となるといった問題が生じる。また、補正係数を取得するため、多くの計測などの煩雑な作業が必要となる。更には、推定精度を高めるためには適合パラメーターを多く用いる必要があり、適合に長時間を要するという問題も生じる。
【００１０】
一方、マップに基づいて排気圧力、排気温度を取得する方法では、予め多数のデータに基づいてマップを作成しておく必要があり、マップ作成に非常に煩雑な作業が必要となるという問題が生じる。特に、排気圧力、排気温度を正確に取得するためには、機関運転条件に関する複数のパラメーター（回転数、負荷、ＥＧＲ開度、冷却水温など）を用いた多次元マップを作成する必要があり、マップ作成に非常に煩雑な作業が必要となる。更に、マップ作成の段階では、排気圧力センサ、排気温度センサなどの各種センサを機関周辺に取り付ける等の煩雑な作業も発生する。
【００１１】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、排気圧力、排気温度などの内燃機関の諸特性を高い精度で検出することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、前記コンプレッサーの上流及び下流における吸入空気の圧力比を取得する手段と、前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気の圧力比に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、前記タービンを流れる排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める排気ガスの状態検出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記排気ガスの状態検出手段は、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比、及び前記タービンの上流における排気ガス温度の相関関係を用いて、前記排気ガス圧力とともに前記タービンの上流における排気ガス温度を求めることを特徴とする。
【００１４】
第３の発明は、第２の発明において、前記排気ガスの状態検出手段は、前記相関関係から定まる排気ガス量と前記排気ガス量取得手段により取得された前記排気ガス量との比較の結果に基いて、求めた前記排気ガス圧力及び前記排気ガス温度の正確性を判断する手段を含むことを特徴とする。
【００１５】
第４の発明は、吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、前記タービンよりも上流の前記排気通路と前記コンプレッサーよりも下流の前記吸気通路とを接続し、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路へ送る排気ガス再循環手段と、前記排気ガス再循環手段に設けられ、前記吸気通路へ送る前記排気ガスの流量を調整する流量調整手段と、前記流量調整手段の前記吸気通路側における吸入空気圧力を取得する手段と、前記流量調整手段の有効開度を取得する手段と、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量を取得する手段と、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度を取得する手段と、前記吸気空気圧力、前記流量調整手段の有効開度、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量、及び前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度とに基づいて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
第５の発明は、第４の発明において、前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気圧力に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、前記タービンを流れる排気ガス量を取得する手段と、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流における排気ガスの圧力、及び前記タービンの上流における排気温度の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス温度を求める手段と、を更に備えたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる過給機付き内燃機関の状態検出装置及びその周辺の構造を説明するための図である。図１に示すように、内燃機関１０には吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２および排気通路１４には過給機（ターボチャージャー）１６が装着されている。過給機１６はコンプレッサー１６ａおよびタービン１６ｂを備えており、コンプレッサー１６ａは吸気通路１２に、タービン１６ｂは排気通路１４にそれぞれ設けられている。コンプレッサー１６ａとタービン１６ｂはシャフト１６ｃで連結され、シャフト１６ｃを中心軸として回転可能に構成されている。過給機１６は、排気通路１４を流れる排気ガスによってタービン１６ｂ及びコンプレッサー１６ａを回転させ、コンプレッサー１６ａの回転によって吸気通路１２を流れる吸入空気を圧縮するものである。
【００１９】
吸気通路１２のコンプレッサー１６ａよりも下流側には、エアフロメータ１８が設けられている。エアフロメータ１８は、吸気通路１２における内燃機関１０への吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ（＝Ｇａ）を検出するセンサである。エアフロメータ１８の下流には、スロットルバルブ２０が設けられている。スロットルバルブ２０の近傍には、スロットル開度Ａｓを検出するスロットルセンサ２１が配置されている。また、スロットルバルブ２０の更に下流のインテークマニホールド部には、吸気圧センサ２２が設けられている。吸気圧センサ２２は、インテークマニホールド圧力Ｐ３を検出するセンサである。また、スロットルバルブ２０の下流には、内燃機関１０の吸気ポートに燃料を噴射するための燃料噴射弁２４が設けられている。
【００２０】
吸気通路１２と排気通路１４はＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation System）管２６によって接続されている。ＥＧＲ管２６にはＥＧＲ弁２８が設けられており、ＥＧＲ弁２８によってＥＧＲ管２６を流れるＥＧＲガスの流量が制御される。そして、排気通路１４を流れる排気ガスをＥＧＲ管２６から吸気通路１２へ戻し、排気ガスを再循環させることで、排気ガス中の未燃成分を再び筒内へ送り込んで燃焼させるように構成されている。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の状態検出装置はＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０には、上述した各種センサおよび燃料噴射弁３０に加えて、大気圧を検出する大気圧センサ３２、大気温度（外気温）を検出する温度センサ３４などが接続されている。
【００２２】
本実施形態の状態検出装置は、タービン１６ｂの上流における、排気圧力Ｐ４および排気温度Ｔ４を、コンプレッサー１６ａおよびタービン１６ｂの特性から算出する。最初に排気圧力Ｐ４の算出方法を説明する。コンプレッサー１６ａの上流側の圧力（入口圧力）をＰ０、下流側の圧力（出口圧力）をＰ３、コンプレッサー１６ａを流れる吸入空気量をＧａ、コンプレッサー１６ａの回転数をＮ_ｔｂとすると以下の（１）式の関係が成立する。
【００２３】
【数１】

【００２４】
（１）式の関数ｆ_１は、過給機１６のコンプレッサー１６ａの流量特性から定められる関数であって、具体的には、コンプレッサー１６ａの形状、羽根外径、羽根枚数、ハウジング形状などの諸特性から定められる。（１）式に示されるように、コンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂは、吸入空気量Ｇａ、出口圧力と入口圧力の比Ｐ３／Ｐ０の関数として表すことができる。
【００２５】
また、タービン１６ｂにおいても、タービン１６ｂの上流側の圧力（入口圧力）をＰ４、下流側の圧力（出口圧力）をＰ６、タービン１６ｂを流れる排気ガスの流量をＧ４（＝ｄｍ_４／ｄｔ）、タービン１６ｂの回転数をＮ_ｔｂとすると以下の（２）式の関係が成立する。
【００２６】
【数２】

【００２７】
（２）式の関数ｆ_２も、過給機１６のタービン１６ｂの流量特性（タービン１６ｂの形状、羽根外径、羽根枚数、ハウジング形状などの諸特性）から定められる関数である。
【００２８】
（１）式において、Ｇａはエアフロメータ１８から、Ｐ３は吸気圧センサ２２からそれぞれ検出することができる。また、Ｐ０は大気圧である。従って、エアフロメータ１８及び吸気圧センサ２２の検出値に基づいてコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを求めることができる。
【００２９】
なお、コンプレッサー１６ａの出口と吸気圧センサ２２の間にはスロットルバルブ２０があるため、スロットルバルブ２０の開度によってはコンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３と吸気圧センサ２２の検出値が一致しない場合もある。しかし、内燃機関１０がディーゼルエンジンの場合、通常スロットルバルブ２０は全開に設定されているため、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３と吸気圧センサ２２での検出値は同一と考えてよい。また、ガソリンエンジンの場合には、スロットル開度に応じて吸気圧センサ２２で検出された圧力を例えば以下の圧縮性流体の（３）式で補正することで、吸気圧センサ２２の検出値から出口圧力Ｐ３を求めることができる。
【００３０】
【数３】

【００３１】
（３）式において、Ａ_Ｓはスロットル開度、ρ_１は吸入空気密度、Ｐｓは吸気圧センサ２２で検出された圧力をそれぞれ示している。
【００３２】
一方、（２）式を変形すると、以下の（４）式が得られる。
【００３３】
【数４】

【００３４】
（４）式において、タービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂはコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂと同一であり、（１）式から算出されている。また、排気ガスの流量Ｇ４は、吸入空気量Ｇａと燃料噴射弁２４による燃料噴射量ＴＡＵ（＝ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との和として算出することができる。また、Ｐ６は大気圧である。従って、（２）式によれば、（１）式から算出したタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂ、及びＧａとＴＡＵの和である排気ガス流量Ｇ４に基づいて排気圧力Ｐ４を求めることができる。
【００３５】
図２は、関数ｆ_１、関数ｆ_２’を規定するマップを示す模式図である。ここで、図２（ａ）は関数ｆ_１のマップを、図２（ｂ）は関数ｆ_２’のマップをそれぞれ示している。
【００３６】
図２（ａ）に示す関数ｆ_１のマップでは、吸入空気量Ｇａ及び圧力比Ｐ３／Ｐ０に対応したコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂが規定されている。従って、図２（ａ）のマップによれば、エアフロメータ１８で検出された吸入空気量Ｇａ、及び圧力比に基づいて回転数Ｎ_ｔｂを求めることができる。図２（ａ）のマップは、例えばコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを変動させ、コンプレッサー１６ａを流れるガス量（吸入空気量Ｇａ）と、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３と入口圧力Ｐ０の比を測定することにより求めることができる。
【００３７】
図２（ｂ）に示す関数ｆ_２’のマップでは、タービン１６ｂを流れる排気ガス流量Ｇ４及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂに対応した排気圧力Ｐ４が規定されている。上述のようにタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂはコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂと同一である。従って、図２（ｂ）のマップによれば、タービン１６ｂのガス流量Ｇ４と、図２（ａ）のマップから求めた回転数Ｎ_ｔｂとから排気圧力Ｐ４を求めることができる。図２（ｂ）のマップは、例えばタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂを変動させ、タービン１６ｂを流れるガス量（排気ガス流量Ｇ４）とタービン１６ｂの上流の排気圧力Ｐ４とを測定することにより求めることができる。
【００３８】
このように、本実施形態の状態検出装置では、先ず、コンプレッサー１６ａの流量特性からコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを求め、その後、回転数Ｎ_ｔｂを用いてタービン１６ｂの流量特性から排気圧力Ｐ４を求める。コンプレッサー１６ａとタービン１６ｂの流量特性を用いて排気圧力Ｐ４を求めることで、これらの特性に基づいて排気圧力Ｐ４を高精度に算出することが可能となる。また、コンプレッサー１６ａとタービン１６ｂの特性を用いて排気圧力Ｐ４を直接的に算出できるため、算出式における補正係数、適合パラーメーターなどを最小限に抑えることができ、複雑な演算が不要となる。
【００３９】
次に、排気温度Ｔ４の算出方法を説明する。排気温度Ｔ４は、タービン１６ｂを流れる排気ガスの流量Ｇ４、排気圧力Ｐ４、及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂから求めることができる。以下の（５）式は、排気温度Ｔ４、タービン１６ｂを流れる排気ガスの流量Ｇ４、排気圧力Ｐ４、及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂの関係を示している。
【００４０】
【数５】

【００４１】
従って、エアフロメータ１８で検出した吸入空気量Ｇａと燃料噴射弁２２による燃焼噴射量ＴＡＵとの和から排気ガス流量Ｇ４を求め、（１）式から求められるタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂ、（４）式から求めた排気温度Ｐ４とともに（５）式へ代入することで排気温度Ｐ４を求めることができる。
【００４２】
図３は、（４）式における関数ｆ_３を規定したマップを示す模式図である。図３のマップは、例えばタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂを変動させ、タービン１６ｂを流れるガス流量（排気ガス流量Ｇ４）、タービン１６ｂの上流の圧力（排気圧力Ｐ４）、タービン１６ｂの上流の温度（排気温度Ｔ４）を測定することにより求めることができる。そして、図３のマップによれば、排気ガス流量Ｇ４、排気圧力Ｐ４、及びタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂに基づいて排気温度Ｔ４を求めることができる。
【００４３】
次に、図４に基づいて、排気圧力Ｐ４及び排気温度Ｔ４を算出する具体的な方法を詳細に説明する。図４（ａ）は、コンプレッサー１６ａを流れる吸入空気量Ｇａと、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３とからコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂを求めるためのマップであり、図２（ａ）のマップの具体例を示している。図４（ａ）の特性は、過給機１６の製造メーカで標準的に計測されるコンプレッサー１６ａの流量特性に基づくものである。
【００４４】
図４（ａ）において、横軸はＰ３とＰ０の圧力比Ｐ３／Ｐ０を、縦軸はコンプレッサー１６ａを流れる空気の流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}をそれぞれ示している。図４（ａ）に示されるように、圧力比Ｐ３／Ｐ０及び流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}の交差する点からコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求めることができる。
【００４５】
図４（ａ）において、流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}はコンプレッサー１６ａを流れる空気の実際の流量（吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ）ではなく、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔを修正して得られた流量である。エアフロメータ１８で測定される吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔとＧ_{ｔｂｍａｐ}との間には以下の（６）式の関係がある。
【００４６】
【数６】

【００４７】
（６）式において、Ｔ_ｓｔｄは図４（ａ）の特性の基準となる温度であって、予め所定の値に定められている。Ｔ_ｓｔｄは、例えば図４（ａ）の特性を求めた際の吸入空気の温度である。同様に、Ｐ_ｓｔｄは図４（ａ）の特性の基準となる圧力であって、予め所定の値に定められている。Ｐ_ｓｔｄは、例えば図４（ａ）の特性を求めた際の大気圧力である。（６）式に基づいて、エアフロメータ１８で測定される実際の吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔを、大気圧力Ｐ０、大気温度Ｔ０で補正することでＧ_{ｔｂｍａｐ}が算出される。なお、大気圧力Ｐ０、大気温度Ｔ０は、大気圧センサ３２、温度センサ３４からそれぞれ検出した値を用いる。
【００４８】
同様に、図４（ａ）のマップから求められたコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}は、実際のコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂではなく、Ｎ_ｔｂを修正して得られた回転数である。Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}とＮ_ｔｂとの間には以下の（７）式の関係がある。
【００４９】
【数７】

【００５０】
このように、実際の流量ｄｍ_１／ｄｔを修正して流量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}を設定し、また、実際の回転数Ｎ_ｔｂを修正して回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を設定することで、図４（ａ）に示すマップ特性を得ることができる。図４（ａ）のマップによれば、Ｇ_{ｔｂｍａｐ}と、Ｐ３／Ｐ０とに基づいて、Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求めることができ、Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求めた後は、（７）式に基づいてＮ_{ｔｂｍａｐｃ}からＮ_ｔｂを算出することができる。なお、Ｇ_{ｔｂｍａｐ}とＰ３／Ｐ０の交点が、図４（ａ）のマップで示される各回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}の特性の間に位置する場合は、補間などの方法を用いることで適正な回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を算出できる。
【００５１】
図４（ｂ）は、図４（ａ）及び（７）式から求めたＮ_ｔｂに基づいて、タービン１６ｂを流れる排気ガス流量Ｑ４と排気圧力Ｐ４とを求めるためのマップであり、図２（ｂ）のマップの具体例を示している。図４（ｂ）の特性は、過給機１６のメーカで標準的に計測されるタービン１６ｂの流量特性に基づくものである。図４（ｂ）において、横軸はＰ４とＰ６の圧力比Ｐ４／Ｐ６を、縦軸はタービン１６ｂを流れる排気ガスの流量Ｑ４をそれぞれ示している。
【００５２】
図４（ｂ）では、タービン１６ｂの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}から圧力比Ｐ４／Ｐ６及び流量Ｑ４を求める。ここで、回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}は、実際のタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂではなく、Ｎ_ｔｂを修正して得られた回転数である。Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}とＮ_ｔｂとの間には以下の（８）式の関係がある。
【００５３】
【数８】

【００５４】
同様に、図４（ｂ）のマップから求められる流量Ｑ４は、タービン１６ｂを流れる排気ガスの実際の流量ｄｍ_４／ｄｔではなく、ｄｍ_４／ｄｔを修正して得られた流量である。ｄｍ_４／ｄｔとＱ４の間には以下の（９）式の関係がある。
【００５５】
【数９】

【００５６】
このように、実際のタービン回転数Ｎ_ｔｂを修正して回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を設定し、また、実際の流量ｄｍ_４／ｄｔを修正して流量Ｑ４を設定することで、図４（ｂ）に示すマップ特性を得ることができる。そして、図４（ｂ）のマップによれば、Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}が与えられると、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６を求めることができる。この際、図４（ｂ）に示されるように、各回転数毎にＮ_{ｔｂｍａｐｔ}が所定の曲線でマップ上に規定されるため、例えばＮ_{ｔｂｍａｐｔ}＝１５００００ｒｐｍの場合、図４（ｂ）に示すようにＮ_{ｔｂｍａｐｔ}＝１５００００ｒｐｍ特性の中心の値に基づいて、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６を求める。
【００５７】
なお、図４（ｂ）では、１００００〜３００００回転毎にＮ_{ｔｂｍａｐｔ}の特性を示しており、各回転数毎のＮ_{ｔｂｍａｐｔ}が所定の範囲をもってマップ上に示されているが、回転数毎のＮ_{ｔｂｍａｐｔ}の刻み幅を小さく設定する(例えば１０００回転毎のＮ_{ｔｂｍａｐｔ}の特性をマップ上に載せる)ことで、個々の回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}が示す特性範囲を縮小することができ、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６の算出精度をより向上させることができる。また、（８）式から算出した回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}が図４（ｂ）で示される隣接する回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}の特性の間に位置する場合は、補間などの方法により両特性の間の特性を求めることで、Ｑ４及びＰ４／Ｐ６を算出できる。
【００５８】
図４（ｂ）のマップからＱ４及びＰ４／Ｐ６を求める際には、（８）式からＮ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出する必要がある。この際、排気温度Ｔ４の正確な値は得られていないため、最初は仮に設定した排気温度Ｔ４を（８）式へ代入してＮ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出する。そして、仮設定した排気温度Ｔ４から求めたＮ_{ｔｂｍａｐｔ}を図４（ｂ）のマップに当てはめてＱ４及びＰ４／Ｐ６を求める。そして、Ｐ６は大気圧力であるため、Ｐ４／Ｐ６からＰ４を算出することが可能となる。
【００５９】
図４（ｂ）からＰ４を求めた後、（９）式に基づいてＱ４からＴ４を算出する。この際、（９）式の右辺に図４（ｂ）から得られたＱ４，Ｐ４を代入し、Ｔ４については（８）式に代入した仮設定した排気温度Ｔ４を代入する。これにより、（９）式の左辺のｄｍ_４／ｄｔを求めることができる。排気ガス流量ｄｍ_４／ｄｔは、エアフロメータ１８から検出された吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔと燃料噴射量ｄｍ_ｆ／ｄｔとの和であるため、仮に設定したＴ４の値の正否を判定するため、（９）式から算出されたｄｍ_４／ｄｔと（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）とを比較する。
【００６０】
そして、ｄｍ_４／ｄｔと（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との差の絶対値が、予め設定しておいたしきい値以下となった場合は、このときの排気圧力Ｐ４，排気温度Ｔ４を最終的な値として決定する。一方、ｄｍ_４／ｄｔと（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との差の絶対値が予め設定しておいたしきい値以上である場合は、仮設定したＴ４の値を変更して再度ｄｍ_４／ｄｔを求め、（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）との比較を行う。そして、最終的なＴ４が算出されるまで繰り返し演算を行う。この際、最終的なＴ４が算出されるまで、例えば、仮設定したＴ４の値をある刻み幅で変更するなどして繰り返し演算を行う。
【００６１】
排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４が求まった後は、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４に基づいて内燃機関１０を最適に制御する。例えば、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４に基づいて、燃料噴射弁２４による燃料噴射量ｄｍ_ｆ／ｄｔ、点火時期、ＥＧＲ弁２８の開度、過給圧を変更するなどの制御を行い、機関運転状態を最適に制御する。また、標準状態での排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を検出することができるため、算出した排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４が標準状態の値から大きく外れている場合は、過給機１６の故障判定を行うことも可能となる。
【００６２】
次に、図５のフローチャートに基づいて、本実施形態の状態検出装置における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１では、エアフロメータ１８、吸気圧センサ２２から吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ、コンプレッサー１６ａの出口圧力Ｐ３をそれぞれ検出する。なお、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ、出口圧力Ｐ３を流体モデル等から推定する手段を備えている場合は、センサの検出値を用いることなく推定値を用いても良い。次のステップＳ２では、（６）式に基づいて修正された吸入空気量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}を算出する。次のステップＳ３では、吸入空気量Ｇ_{ｔｂｍａｐ}と吸気圧センサ２２で検出された出口圧力Ｐ３とを図４（ａ）のマップに当てはめて、コンプレッサー１６ａの修正された回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求める。
【００６３】
次のステップＳ４では、（７）式に基づいて、修正された回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}から実際の回転数Ｎ_ｔｂを算出する。次のステップＳ５では、（８）式に基づいてタービン１６ｂの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出するために、排気温度Ｔ４を仮設定する。排気温度Ｔ４の初期値は大気温度に設定しても良いし、運転状態などから排気温度の概略値が推定できる場合は、初期値をその推定値に設定してもよい。次のステップＳ６では、（８）式に基づいて、仮設定した排気温度Ｔ４とタービン１６ｂの回転数Ｎ_ｔｂ（＝コンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂ）から修正されたタービン１６ｂの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を算出する。この際、上述のようにコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_ｔｂは（７）式から算出した値を用いる。
【００６４】
次のステップＳ７では、ステップＳ４で算出した回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}を図４（ｂ）のマップに当てはめ、図４（ｂ）の縦軸、横軸からタービン１６ｂにおける排気ガスの流量Ｑ４、圧力比Ｐ４／Ｐ６を求める。
【００６５】
次のステップＳ８では、ステップＳ７で求めた排気圧力Ｐ４，排気ガス流量Ｑ４と、ステップＳ７で設定した排気温度Ｔ４の仮の値を（９）式に代入して、タービン１６ｂの排気ガス流量ｄｍ_４／ｄｔを求める。
【００６６】
次のステップＳ９では、ステップＳ８で求めたタービン１６ｂの排気ガス流量ｄｍ_４／ｄｔと、（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）とを比較し、両者の差の絶対値が所定のしきい値ｔ未満であるか否かを判定する。ここで、ｄｍ_１／ｄｔはエアフロメータ１８による吸入空気量の検出値であり、ｄｍ_ｆ／ｄｔは燃料噴射弁２４による燃料噴射量である。
【００６７】
ステップＳ９で｜ｄｍ_４／ｄｔ−（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）｜＜ｔの場合はステップＳ１０へ進み、ステップＳ５で仮設定した排気温度Ｔ４を最終的な値（真の値）とし、また、最終的な排気温度Ｔ４が求まった際に（９）式へ代入したＰ４を排気圧力Ｐ４の最終的な値（真の値）とする。一方、ステップＳ９で｜ｄｍ_４／ｄｔ−（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）｜≧ｔの場合は、ステップＳ５〜Ｓ９の処理を繰り返す。
【００６８】
上記処理手順では、ステップＳ５において仮設定した排気温度Ｔ４の値が真の排気温度Ｔ４よりも小さい場合には、（９）式から算出されるｄｍ_４／ｄｔの値は、真の排気ガス流量（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）よりも大きくなる。そして、（９）式から算出されたｄｍ_４／ｄｔと真の排気ガス流量との差はステップＳ９で判定され、ステップＳ５〜Ｓ９の繰り返し処理を行うことで、ｄｍ_４／ｄｔが本来タービン１６ｂを流れているはずの流量となるまでＴ４が繰り返し変更されてｄｍ_４／ｄｔが算出されることとなる。従って、この繰り返し処理により、排気温度Ｔ４が真の値となるまで演算が行われることとなり、｜ｄｍ_４／ｄｔ−（ｄｍ_１／ｄｔ＋ｄｍ_ｆ／ｄｔ）｜＜ｔとなった時点で真の排気温度Ｔ４が求まることとなる。
【００６９】
以上説明したように実施形態１によれば、コンプレッサー１６ａおよびタービン１６ｂの流量特性に基づいて排気圧力Ｐ４および排気温度Ｔ４を算出することができるため、過給機１６の特性に応じた排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を算出することが可能となる。排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４の算出の際に用いる流量特性は、コンプレッサー１６ａ、タービン１６ｂ毎に求められた標準的な流量特性であり、コンプレッサー１６ａ、タービン１６ｂの性質を直接的に示すものであるため、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を高精度に算出することが可能となる。また、コンプレッサー１６ａ、タービン１６ｂ毎の流量特性を用いることで、流体に関する既存の数式を近似して過給機１６に適用する必要がなくなるため、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を算出する際に必要な測定、補正係数の設定、既存式の適合に必要な項目、時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００７０】
更に、過給機１６毎の流量特性に基づいて排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を算出できるため、過給機１６が別のものに変わった場合であっても、個々の過給機１６に対応する排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を正確に算出することが可能となる。従って、本実施形態によれば、正確に算出された排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となる。
【００７１】
なお、本実施形態では、排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４の双方を過給機１６の流量特性から算出したが、一方をセンサによる検出など他の手法を用いて取得し、他方を本実施形態の手法で算出しても良い。
【００７２】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２にかかる内燃機関の状態検出装置の構成は図１に示す実施の形態１と同様である。実施の形態２では、ＥＧＲ管２６の流体モデル用いて排気圧力Ｐ４、排気温度Ｔ４を求めるものである。
【００７３】
図１で説明したように、吸気通路１２と排気通路１４はＥＧＲ管２６によって接続されている。ＥＧＲ管２６を流れるＥＧＲガスの流量は、圧縮性流体の式により以下の（１０）式で示される。
【００７４】
【数１０】

【００７５】
（１０）式において、Ａ_ＥＧＲはＥＧＲ弁２８の有効開度を示している。また、ρ_２はＥＧＲガスの密度であって、吸入空気量Ｇａと燃料噴射量ＴＡＵから算出できる。また、κは比熱比である。
【００７６】
また、以下の（１１）式に示すように、内燃機関１０の筒内へ流れる空気量ｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔは、機関動作状態（機関回転数Ｎｅ、インテークマニホールド圧力Ｐ３など）から推定することができる。
【００７７】
【数１１】

【００７８】
そして、ＥＧＲ弁２８を流れるＥＧＲガスの流量ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔは、エアフロメータ１８で検出される吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔとｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔの差であるため、ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔは以下の（１２）式で示される。
【００７９】
【数１２】

【００８０】
従って、（１１）式、（１２）式によれば、ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔは以下の（１３）式で示される。
【００８１】
【数１３】

【００８２】
（１３）式から、ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔを算出し、（１０）式の左辺へ代入すれば、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲ、インテークマニホールド圧力Ｐ３、ＥＧＲガス密度ρ_２に基づいて排気圧力Ｐ４を算出することができる。
【００８３】
ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲはＥＧＲ弁２８の有効開度から求めることができ、ステッピングモータを用いたＥＧＲ弁２８の場合、ステップ数から算出することができる。また、排気圧力Ｐ４を求める際には、ＥＧＲガスが流れている必要があるため、内燃機関１０の運転条件によってＥＧＲガスの流れを停止させている場合は、ＥＣＵ４０からの指令によりＥＧＲ弁２８を開いてＥＧＲガスを流すようにする。
【００８４】
次に、排気温度Ｔ４を算出する方法について説明する。実施の形態１で用いた（９）式を変形すると以下の（１４）式が得られる。また、実施の形態１における図４（ｂ）の特性は、以下の（１５）式で表すことができる。更に、実施の形態１で説明したように、タービン１６ｂの真の回転数Ｎ_ｔｂと図４（ｂ）の特性にのせられた回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｔ}との関係は（１６）式で示すことができる。
【００８５】
【数１４】

【００８６】
（１６）式によれば，Ｎ_{ｔｂｍａｐ}はＮ_ｔｂ及びＴ４の関数であるため、（１６）式を（１５）式に代入すると以下の（１７）式が得られる。（１７）式は、実施の形態１で説明した（５）式と同様に、排気ガス流量、排気圧力、タービン回転数、排気温度の関係を示している。そして、（１４）式の左辺と（１７）式の左辺が等しいため、以下の（１８）式が導かれる。
【００８７】
【数１５】

【００８８】
（１８）式において、Ｐ４は（１０）式から算出されている。また、実施の形態１で説明したように、ｄｍ_４／ｄｔは、ｄｍ_１／ｄｔとｄｍ_ｆ／ｄｔとの和として算出できる。また、実施の形態１で説明した（７）式を変形すると、以下の（１９）式が得られ、（１９）式から回転数Ｎ_ｔｂを算出できる。なお、Ｎ_ｔｂを算出する際には、実施の形態１と同様の方法で予めＮ_{ｔｂｍａｐｃ}を算出しておく。
【００８９】
【数１６】

【００９０】
従って、（１８）式へＰ４、ｄｍ_４／ｄｔ、Ｎ_ｔｂを代入し、排気温度Ｔ４について解くことで、排気温度Ｔ４を求めることが可能となる。
【００９１】
次に、図６のフローチャートに基づいて、本実施形態の状態検出装置における処理の手順を説明する。先ず、ステップＳ１１では、機関回転数Ｎｅ、インテークマニホールド圧力Ｐ３、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔ、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲを取得する。この際、インテークマニホールド圧力Ｐ３は吸気圧センサ２２から、吸入空気量ｄｍ_１／ｄｔはエアフロメータ１８からそれぞれ検出し、また、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲはＥＧＲ弁２８の開度から検出する。次のステップＳ１２では、（１１）式を表したマップに基づいて、機関回転数Ｎｅおよびインテークマニホールド圧力Ｐ３から内燃機関１０の筒内へ流れる空気量ｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔを求める。
【００９２】
次のステップＳ１３では、（１２）式に基づいて、ｄｍ_ｃｙｌ／ｄｔ及びｄｍ_１／ｄｔからｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔを算出する。次のステップＳ１４では、ステップＳ１１で取得したインテークマニホールド圧力Ｐ３、ＥＧＲ有効面積Ａ_ＥＧＲ、ステップＳ１３で算出したｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔ、ＥＧＲガスの密度ρ_２を（１０）式へ代入し、排気圧力Ｐ４を算出する。
【００９３】
次のステップＳ１５では、実施の形態１と同様の方法により、図４（ａ）のマップからコンプレッサー１６ａの回転数Ｎ_{ｔｂｍａｐｃ}を求め、（１９）式へ代入して真のコンプレッサー回転数Ｎ_ｔｂを算出する。次のステップＳ１６では、ｄｍ_１／ｄｔとｄｍ_ｆ／ｄｔの和からｄｍ_４／ｄｔを算出する。
【００９４】
次のステップＳ１７では、（１８）式へＰ４、ｄｍ_４／ｄｔ、Ｎ_ｔｂを代入する。これにより、（１８）式において未知変数は排気温度Ｔ４のみとなり、（１８）式から排気温度Ｔ４を算出することができる。
【００９５】
なお、実施の形態２ではＥＧＲ管２６の流体モデルから排気圧力Ｐ４を算出したが、他の方法で排気圧力Ｐ４を取得した後、実施の形態２の方法で排気温度Ｔ４を算出しても良い。
【００９６】
以上説明したように実施の形態２によれば、ＥＧＲ管２６を流れるＥＧＲガスの流量ｄｍ_ＥＧＲ／ｄｔとＥＧＲ弁２８の開度Ａ_ＥＧＲから排気圧力Ｐ４を直接的に求めることができる。従って、簡素な演算で排気圧力Ｐ４を高い精度で算出することが可能となる。また、実施の形態１と同様に過給機１６の流量特性を用いて排気温度Ｔ４を算出することができるため、実施の形態１と同様に流体に関する既存の数式を近似して過給機１６に適用する必要がなくなる。従って、排気温度Ｔ４を算出する際に必要な測定、補正係数の設定、既存式の適合に必要な項目、時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００９７】
なお、上述した各実施形態では、通常のターボチャージャーに本発明を適用したが、可変容量ターボチャージャーに本発明を適用しても良い。この場合、ＶＮＴ開度を考慮して過給機の流量特性を使用し、上述した各実施形態と同様の処理を行う。
【００９８】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００９９】
第１の発明によれば、コンプレッサー及びタービンの流量特性に基づいてタービンの上流における排気ガス圧力を求めることができる。従って、過給機の特性に応じた排気ガス圧力を高い精度で求めることが可能となり、排気ガス圧力に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となる。
【０１００】
第２の発明によれば、コンプレッサー及びタービンの流量特性に基づいてタービンの上流における排気ガス温度を求めることができる。従って、過給機の特性に応じた排気ガス温度を高い精度で求めることが可能となり、排気ガス温度に基づいて内燃機関を最適に制御することが可能となる。
【０１０１】
第３の発明によれば、排気ガス量に基づいて、求めた排気ガス圧力及び排気ガス温度の正確性を判断することが可能となるため、タービンの上流における排気ガス圧力及び排気ガス温度を正確に求めることができる。
【０１０２】
第４の発明によれば、吸気空気圧力、排気ガス再循環手段に設けられた流量調整手段の有効開度、流量調整手段を流れる排気ガスの流量及び密度とに基づいてタービンの上流の排気ガス圧力を高い精度で算出することが可能となる。
【０１０３】
第５の発明によれば、タービンの流量特性に基づいて、タービンの回転数、排気ガス量、及びタービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比に基づいてタービンの上流における排気ガス温度を高精度に算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態にかかる内燃機関の状態検出装置及びその周辺の構造を説明するための模式図である。
【図２】過給機のコンプレッサー回転数、排気圧力を求めるマップの例を示す模式図である。
【図３】排気温度を求めるマップの例を示す模式図である。
【図４】過給機のコンプレッサー回転数、排気圧力を求めるマップの具体例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の状態検出装置による処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の状態検出装置による処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１６過給機
１６ａコンプレッサー
１６ｂタービン
１８エアフロメータ
２２吸気圧センサ
２６ＥＧＲ管
２８ＥＧＲ弁
３０ＥＣＵ

Claims

吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、
前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、
前記コンプレッサーの上流及び下流における吸入空気の圧力比を取得する手段と、
前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気の圧力比に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、
前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、
前記タービンを流れる排気ガス量を取得する排気ガス量取得手段と、
前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める排気ガスの状態検出手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の状態検出装置。
前記排気ガスの状態検出手段は、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比、及び前記タービンの上流における排気ガス温度の相関関係を用いて、前記排気ガス圧力とともに前記タービンの上流における排気ガス温度を求めることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の状態検出装置。
前記排気ガスの状態検出手段は、前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流及び下流における排気ガスの圧力比、及び前記タービンの上流における排気ガス温度の相関関係から定まる排気ガス量と前記排気ガス量取得手段により取得された前記排気ガス量との比較の結果に基いて、求めた前記排気ガス圧力及び前記排気ガス温度の正確性を判断する手段を含むことを特徴とする請求項２記載の内燃機関の状態検出装置。
吸気通路に配置されたコンプレッサーと排気通路に配置されたタービンとから構成され、前記コンプレッサー及びタービンを回転させて前記吸気通路を流れる吸入空気を圧縮する過給手段と、
前記タービンよりも上流の前記排気通路と前記コンプレッサーよりも下流の前記吸気通路とを接続し、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を前記吸気通路へ送る排気ガス再循環手段と、
前記排気ガス再循環手段に設けられ、前記吸気通路へ送る前記排気ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記流量調整手段の前記吸気通路側における吸入空気圧力を取得する手段と、
前記流量調整手段の有効開度を取得する手段と、
前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量を取得する手段と、
前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度を取得する手段と、
前記吸気空気圧力、前記流量調整手段の有効開度、前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの流量、及び前記流量調整手段を流れる前記排気ガスの密度とに基づいて、前記タービンの上流における排気ガス圧力を求める手段と、
前記コンプレッサーを流れる吸入空気量を取得する手段と、
前記コンプレッサーの流量特性を用いて、前記吸入空気量及び前記吸入空気圧力に基づいて前記コンプレッサーの回転数を求める手段と、
前記コンプレッサーの回転数から前記タービンの回転数を求める手段と、
前記タービンを流れる排気ガス量を取得する手段と、
前記タービンの流量特性に基づいて定められた、前記タービンの回転数、前記タービンを流れる排気ガス量、前記タービンの上流における排気ガスの圧力、及び前記タービンの上流における排気温度の相関関係を用いて、前記タービンの上流における排気ガス温度を求める手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の状態検出装置。