JP2014015913A - 内燃機関のガス温度推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用化した推定式を用いて下死点時の吸気ガス温度を推定することが可能なガス温度推定装置を提供する。
【解決手段】気筒内に吸入される吸入ガスの温度Ｔiinに、気筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量Ｑａを加算して吸気下死点時の吸気ガス温度を推定する。より具体的には、ピストンから受熱する受熱量Ｑａが内燃機関の油温Ｔｏｉｌに相関があることを考慮し、当該受熱量Ｑａを内燃機関の油温Ｔｏｉｌに基づいて推定して気筒内への吸入ガスの温度Ｔiinに加算することにより下死点時の吸気ガス温度を推定する。このように気筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量Ｑａをパラメータとすることにより、下死点時の吸気ガス温度を推定する推定式を簡単に汎用化することが可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関のガス温度を推定する装置に関し、さらに詳しくは、吸気下死点時の吸気ガス温度（圧縮開始時の筒内ガス温度）を推定するガス温度推定装置に関する。

車両用エンジン等として使用されるディーゼルエンジンにおいては、筒内ガスの温度、特に圧縮端温度（ピストンが圧縮上死点に達した時点での筒内温度）を推定し、その推定結果に基づいて燃焼を制御することが行われている。例えば、圧縮端温度を推定し、その推定した圧縮端温度に基づいて燃料噴射量（例えば、パイロット噴射量）を制御（補正）している（例えば、特許文献１参照）。こうした制御に用いる圧縮端温度は、吸気下死点時の吸気ガス温度（以下、「下死点時の吸気ガス温度」ともいう）に大きく依存することから、その下死点時の吸気ガス温度を基準温度として圧縮端温度を推定している。

特開２００９−００７９６６号公報 特開２００７−０７７８３８号公報

ところで、圧縮端温度の推定に用いる下死点時の吸気ガス温度は、実験式を用いて推定しているが、その実験式の影響パラメータについては汎用化されていない。このため、従来では、下死点時吸気ガス温度の推定用の実験式をエンジンの機種毎に実験などによって個別に適合しており、その適合作業に多くの工数とコストを要していた。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、汎用化した推定式を用いて下死点時の吸気ガス温度を推定することが可能な内燃機関のガス温度推定装置を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関の吸気下死点時の吸気ガス温度（吸気下死点時の筒内吸入ガス温度）を推定するガス温度推定装置において、前記内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの温度に、前記気筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量を加算して吸気下死点時の吸気ガス温度を推定することを特徴としている。

本発明によれば、気筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量に着目し、その受熱量と気筒内への吸入ガスの温度とをパラメータとして下死点時の吸気ガス温度を推定しているので、下死点時の吸気ガス温度を推定する推定式を簡単に汎用化することが可能になる。しかも、気筒内での受熱量が反映された精度の良い汎用式を用いて下死点時の吸気ガス温度を推定することができる。

このように、本発明では、下死点時の吸気ガス温度を精度良く推定することができるので、ディーゼルエンジン等の制御に用いる圧縮端温度を簡単な処理で精度良く推定すること可能になる。

本発明において、気筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量が内燃機関の油温（エンジンオイルの油温）に相関があることを考慮し、当該受熱量を内燃機関の油温に基づいて推定するようにしてもよい。

また、本発明において、内燃機関の油温が内燃機関の回転数と水温とに相関があることを考慮し、内燃機関の油温を、内燃機関の回転数と水温とに基づいて推定するようにしてもよい。

また、内燃機関の回転数と水温とをパラメータとする場合、内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの温度Ｔiinに、気筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量を内燃機関の回転数ＮＥと水温ＴＷＨとの関数として加算する下記の式（Ａ０）に基づいて、吸気下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを推定するようにしてもよい。

Ｔibdc＝Ｔiin＋ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ） ・・・（Ａ０）
ただし、Ｔiin：吸入ガスの温度、ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）：実験またはシミュレーションにより求められた関数

本発明によれば、下死点時の吸気ガス温度を推定する推定式を汎用化することが可能であるので、その推定式を作成する作業の簡略化やコストの低減化を図ることができる。

本発明を適用するエンジン及びその制御系の概略構成を示す図である。 ディーゼルエンジンの燃焼室及びその周辺部を示す断面図である。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 エンジンの筒内の状態を示す模式図である。 エンジン回転数ＮＥとΔＴ（Ｔiout−Ｔiin）との関係を示す図である。 油温Ｔoilと［ΔＴ／ＮＥ］との関係を示す図である。 エンジン回転数ＮＥと油温Ｔoilとの関係を示す図である。 エンジン回転数ＮＥと反映係数ｂ［（Ｔｉｂｄｃ−Ｔｉｉｎ）／ΔＴ］との関係を示す図である。 下死点時吸気ガス温度の推定処理の一例を示すフローチャートである。 Ｔibdcの算出方法の説明図である。 エンジンの筒内の状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態は、車両に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に、本発明を適用した場合について説明する。

−エンジンの構成−
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン１及びその制御系統の概略構成図である。また、図２は、ディーゼルエンジン１の燃焼室３及びその周辺部を示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。

燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、機関燃料通路２７等を備えている。

上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３・・２３に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。

吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続されるインテークマニホールド６３を備えており、このインテークマニホールド６３に吸気管６４が接続されている。これら吸気ポート１５ａ、インテークマニホールド６３及び吸気管６４等によって吸気通路が構成されている。この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ４３、後述するターボチャージャ５のコンプレッサインペラ５３、吸気絞り弁（ディーゼルスロットル）６２などが配設されている。上記エアフローメータ４３は、エアクリーナ６５を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力する。

排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続されるエキゾーストマニホールド７２を備えており、このエキゾーストマニホールド７２に対して、排気管７３が接続されている。これら排気ポート７１、エキゾーストマニホールド７２及び排気管７３等によって排気通路が構成されている。この排気通路には、後述するターボチャージャ５のタービンホイール５２、及び、排気浄化ユニット７７などが配設されている。

排気浄化ユニット７７には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒としてのＮＳＲ触媒(排気浄化触媒)７５及びＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）７６が備えられている。なお、排気浄化ユニット７７としてＤＰＮＲ触媒を適用してもよい。

上記ＮＳＲ触媒７５は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ₂もしくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ₂やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ₂となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ₂やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ₂ＯやＣＯ₂となる。すなわち、ＮＳＲ触媒７５に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を上記インジェクタ２３からの燃料噴射動作（ポスト噴射）や吸気絞り弁６２の開度制御によって行うようになっている。

また、ＤＰＦ７６は、例えば多孔質セラミック構造体からなり、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、この排気ガス中に含まれるＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）を捕集するようになっている。また、このＤＰＦ７６には、ＤＰＦ再生運転時に、上記捕集したＰＭを酸化・燃焼するための触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。

ここで、エンジン１の燃焼室３及びその周辺部の構成について、図２を参照して説明する。この図２に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック１１には、各気筒（４気筒）毎に円筒状のシリンダボア１２が形成されており、各シリンダボア１２の内部にはピストン１３が上下方向に摺動可能に収容されている。

ピストン１３の頂面１３ａの上側には上記燃焼室３が形成されている。つまり、この燃焼室３は、シリンダブロック１１の上部に取り付けられたシリンダヘッド１５の下面と、シリンダボア１２の内壁面と、ピストン１３の頂面１３ａとにより区画形成されている。そして、ピストン１３の頂面１３ａの略中央部には、キャビティ（凹陥部）１３ｂが凹設されており、このキャビティ１３ｂも燃焼室３の一部を構成している。

上記ピストン１３は、コネクティングロッド１８によってエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア１２内でのピストン１３の往復移動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。

また、燃焼室３に向けてグロープラグ１９が配設されている。このグロープラグ１９は、エンジン１の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。

上記シリンダヘッド１５には、上記吸気ポート１５ａ及び上記排気ポート７１がそれぞれ形成されているとともに、吸気ポート１５ａを開閉する吸気バルブ１６及び排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。また、シリンダヘッド１５には、燃焼室３の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ２３が取り付けられている。このインジェクタ２３は、シリンダ中心線Ｐに沿う起立姿勢で燃焼室３の略中央上部に配設されており、上記コモンレール２２から導入される燃料を燃焼室３に向けて所定のタイミングで噴射する。

さらに、図１に示す如く、このエンジン１には、ターボチャージャ（過給機）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２及びコンプレッサインペラ５３を備えている。コンプレッサインペラ５３は吸気管（吸気通路）６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管（排気通路）７３内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ５は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサインペラ５３を回転させ、吸気圧を高めるといった、いわゆる過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。

ターボチャージャ５のタービンホイール５２はタービンハウジング５２ａ内に収容されており、また、コンプレッサインペラ５３はコンプレッサハウジング５３ａ内に収容されている。そして、タービンホイール５２、タービンハウジング５２ａ及び可変ノズルベーン機構などによってタービン５２０が構成されており、また、コンプレッサインペラ５３及びコンプレッサハウジング５３ａなどによってコンプレッサ５３０が構成されている。

吸気系６の吸気管６４（コンプレッサ５３０の吸気流れの下流側の吸気通路）には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。

また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続する排気還流通路（ＥＧＲ通路）８が設けられている。このＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ生成量を低減させるものである。また、このＥＧＲ通路８には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路８を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられている。これらＥＧＲ通路８、ＥＧＲバルブ８１、ＥＧＲクーラ８２等によってＥＧＲ装置（排気還流装置）が構成されている。

−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。

例えば、上記エアフローメータ４３は、吸気系６内の吸気絞り弁６２の上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２は吸気絞り弁６２の開度を検出する。

吸気圧センサ４８は、インテークマニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。インマニ温度センサ（吸気温センサ）４９は、インテークマニホールド６３に配置され、気筒内（燃焼室３内）への吸入ガスの温度に応じた検出信号を出力する。

Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４ａ，４４ｂは、ＮＳＲ触媒７５の上流側及び下流側にそれぞれ配設され、排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。なお、Ａ／Ｆセンサの配設位置としては、ＮＳＲ触媒７５の上流側のみであってもよいし、ＮＳＲ触媒７５の下流側のみであってもよい。排気温センサ４５ａ，４５ｂは、同じくＮＳＲ触媒７５の上流側及び下流側にそれぞれ配設され、排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。なお、排気温センサの配設位置も、ＮＳＲ触媒７５の上流側のみであってもよいし、ＮＳＲ触媒７５の下流側のみであってもよい。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。

図３に示すように、ＥＣＵ１００の入力回路には、上記レール圧センサ４１、スロットル開度センサ４２、エアフローメータ４３、Ａ／Ｆセンサ４４ａ，４４ｂ、排気温センサ４５ａ，４５ｂ、吸気圧センサ４８、インマニ温度センサ４９が接続されている。さらに、入力回路には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ４６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ４７、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０、及び、エンジンオイルの油温を検出する油温センサ（図示せず）などが接続されている。

一方、ＥＣＵ１００の出力回路には、上記サプライポンプ２１、インジェクタ２３、吸気絞り弁６２、ＥＧＲバルブ８１、及び、上記ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構（可変ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ）５４が接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ＲＯＭに記憶された各種マップに基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。

例えば、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射（副噴射）とメイン噴射（主噴射）とを実行する。

上記パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。また、このパイロット噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。

上記メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転数（エンジン回転速度）、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。

例えば、エンジン回転数（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数；エンジン回転速度）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。

具体的な燃料噴射形態の一例としては、ピストン１３が圧縮上死点に達する前に上記パイロット噴射（インジェクタ２３に形成された複数の噴孔からの燃料噴射）が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン１３が圧縮上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。これにより燃料が自己着火によって燃焼し、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン１３を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ（エンジン出力となるエネルギ）、燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック１１やシリンダヘッド１５を経て外部（例えば冷却水）に放熱される熱エネルギとなる。

燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値、すなわち目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、及び、エンジン回転数（機関回転数）が高くなるほど高いものとされる。この目標レール圧は例えばＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶された燃圧設定マップに従って設定される。なお、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。

なお、上述したパイロット噴射及びメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。これらの噴射の機能は周知である。特に、ポスト噴射は、ＮＯｘ還元処理、Ｓ被毒回復制御、ＤＰＦ再生処理に利用される。

また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ８１の開度（開度＝０（閉鎖）の場合も含む）を制御し、インテークマニホールド６３（吸気系６）に向けての排気還流量（ＥＧＲ量）を調整する。このＥＧＲ量は、予め実験やシミュレーション等によって作成されてＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されたＥＧＲマップに従って設定される。このＥＧＲマップは、エンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとしてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップである。さらに、ＥＣＵ１００は、後述する下死点時の吸気ガス温度の推定（算出）を行う。

以上のＥＣＵ１００により実行されるプログラムによって、本発明のガス温度推定装置が実現される。

−下死点時の吸気ガス温度推定−
次に、本実施形態の特徴部分である、下死点時の吸気ガス温度（吸気下死点時の筒内吸入ガス温度）を推定する手法について図４〜図９を参照して説明する。

図４はエンジンの気筒（燃焼室）内の状態を示す模式図（モデル）である。この図４（ａ）、（ｂ）に示すモデルおいて、吸気ガス（吸入ガス）入口のエネルギＱin、ガス温度Ｔmin（Ｔiin）、ガス量Ｇmin（Ｇin）とし、吸気ガス（吸入ガス）出口のエネルギＱout、ガス温度Ｔmout（Ｔiout）、ガス量Ｇmout（Ｇiout）とする。さらに、吸気ガスが気筒内（筒内ともいう）でピストンからもらうエネルギ（受熱量）をＱaとし、気筒の入口と出口とにおけるガスのエネルギ変化量ΔＱとすると、
Ｑout＝Ｑin＋Ｑa
ΔＱ＝Ｑout−Ｑin＝Ｑa ・・・（１）
と表すことができる。

ここで、ファイアリングまたはモータリングに関わらず受熱量Ｑaは同じと定義する。その受熱量Ｑaの算出手法について以下に説明する。

まず、図４（ａ）、（ｂ）に示すモデルにおいて、筒内ではガス流れが上から下に流れると考えると、シリンダ壁面には境界層が形成され、熱の授受は無視できる（シリンダ壁面は断熱）と定義する。一方、筒内において上から下に流れたガスはピストンと衝突し、ピストン表面の境界層は破壊されるので、ガスはピストンから受熱すると定義する。

次に、気筒の入口と出口とにおけるガスのエネルギ変化量ΔＱは以下の式（２）で表すことができる。

ΔＱ＝Ｇmout×Ｃmout×Ｔmout−Ｇmin×Ｃmin×Ｔmin ・・・（２）
ただし、Ｃmout，Ｃmin：吸気ガスの比熱
モータリングを考えると、Ｇmin＝Ｇmoutとなるので、上記式（２）は
ΔＱ＝Ｇmin×（Ｃmout×Ｔmout−Ｃmin×Ｔmin） ・・・（３）
となる。さらにモータリングを考えると、Ｃmin≒Ｃmoutとなるので、エネルギ変化量ΔＱは以下の式（４）で表すことができる。

ΔＱ≒Ｇmin×Ｃmin×（Ｔmout−Ｔmin） ・・・（４）
そして、この式（４）及び上記式（１）から、エネルギ変化量ΔＱは、
ΔＱ＝Ｑout−Ｑin＝Ｑa＝Ｇmin×Ｃmin×（Ｔmout−Ｔmin）
と表すことができる。ここで、［Ｔmout−Ｔmin］をΔＴとすると、
ΔＱ＝Ｑa＝Ｇmin×Ｃmin×ΔＴ ・・・（５）
となる。

＜油温補正＞
次に、受熱量Ｑaの油温補正について説明する。

まず、吸気ガスが筒内でピストンからもらう受熱量Ｑaと、エンジン１の油温Ｔoilとに相関があると定義すると、受熱量Ｑaは以下の式（６）で表すことができる。

Ｑa＝ｇ（Ｔoil） ・・・（６）
また、油温Ｔoilとエンジン回転数ＮＥとに相関があると定義すると、油温Ｔoilは以下の式（７）で表すことができる。

Ｔoil＝ｈ（ＮＥ） ・・・（７）
上記式（６）及び式（７）について線形式（一次式）として整理すると、
Ｑa＝ａ×ＮＥ ・・・（８）
ただし、ａ：定数
となる。ここで、吸気ガスが受熱量Ｑaの一部を吸気下死点までに受熱すると定義し、その吸気ガスが受熱する受熱量を［ｂ×Ｑa］とする（ｂ：反映係数（詳細は後述））。また、下死点時のガス量ＧはＧinと同じ（Ｇ＝Ｇin）とし、吸気下死点時のガスの比熱ＣはＣinと同じ（Ｃ＝Ｃin）とすると、吸気ガスが吸気下死点までに受熱する受熱量［ｂ×Ｑa］と、図４（ｂ）のモデルに示す吸気ガス入口のガス温度Ｔiin、下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcとの関係は、
ｂ×Ｑa＝ａ×ｂ×ＮＥ＝ｃ×ＮＥ＝Ｑibdc−Ｑin＝Ｇin×Ｃin×（Ｔibdc−Ｔiin） ・・・（９）
ただし、ｃ：定数
となる。この式（９）を変形すると、
Ｔibdc＝Ｔiin＋ｂ×Ｑa／（Ｇin×Ｃin）＝Ｔiin＋ｃ×ＮＥ／（Ｇin×Ｃin） ・・・（１０）
となり、エンジン回転数ＮＥの関数として下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを求めることができる。

ここで、Ｇin≒Ｇmin、Ｃin≒Ｃminとすると、上記式（５）及び式（１０）により、下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcは以下の式（１１）で表すことができる。

Ｔibdc＝Ｔiin＋ｂ×Ｑa／（Ｇin×Ｃin）＝Ｔiin＋ｂ×ΔＴ ・・・（１１）
そして、ΔＴを［ΔＴ＝ｄ×ＮＥ］とすると、
Ｔibdc＝Ｔiin＋ｅ×ＮＥ ・・・（１２）
ただし、ｄ，ｅ＝定数
となり、エンジン回転数ＮＥの関数として下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを求めることができる。

＜ΔＴの推定＞
まず、実験・シミュレーション等により、ΔＴ（ΔＴ＝Ｔiout−Ｔiin）とエンジン回転数ＮＥとの関係を油温Ｔoil毎に取得して整理したところ、図５に示す結果が得られた。この図５のエンジン回転数ＮＥとΔＴ（ΔＴ＝Ｔiout−Ｔiin）との関係を、横軸Ｔoil、縦軸ΔＴ／ＮＥとして整理したところ、図６のような関係があることが判明した。この図６の関係（実線）を数式化すると、
ΔＴ／ＮＥ＝0.001×ｅｘｐ（0.034×Ｔoil）＋0.005
となり、この式を変形すると、
ΔＴ＝（0.001×ｅｘｐ（0.034×Ｔoil）＋0.005）×ＮＥ ・・・（１３）
となる。

ここで、油温Ｔoilは、エンジンの冷却水の水温ＴＨＷをベースに摩擦によって筒内から熱をもらうが、ピストンからの受熱が一番大きいと考えて、油温Ｔoilはエンジン回転数ＮＥによる関数とする。つまり、油温Ｔoilはエンジン回転数ＮＥと相関があると定義し、図６の関係（ＴoilとＮＥとの関係）を、横軸ＮＥ、縦軸Ｔoilとして整理すると図７のようになる。この図７の関係を線形式（一次式）で近似すると、
Ｔoil＝0.0043×ＮＥ＋ＴＨＷ ・・・（１４）
ただし、ＴＨＷ：水温
となる。この式（１４）及び上記式（１３）によりΔＴは、
ΔＴ＝(0.001×ｅｘｐ(0.034×(0.0043×ＮＥ＋ＴＨＷ))＋0.005)×ＮＥ ・・（Ｂ）
となり、エンジン回転数ＮＥと水温ＴＨＷとの関数としてΔＴを求めることができる。

＜下死点時の吸気ガス温度の推定式の実験式化＞
まず、吸気ガスが吸気から排気までにΔＴ上昇するうちの一部を吸気下死点（ＢＤＣ）までに受熱するものとすると、
Ｔibdc＝Ｔiin＋ｂ×ΔＴ ・・・（Ａ）
ただし、ｂ：反映係数
ここで、反映係数ｂは、受熱時間で決まるエンジン回転数ＮＥと相関があると定義し、その反映係数ｂとエンジン回転数ＮＥとの相関を実験・シミュレーション等によって取得したところ、図８に示す関係が得られた。なお、図８に示す関係を取得するにあたり、縦軸のパラメータであるＴibdcについては後述する算出方法で求めた。

そして、図８の関係（反映係数ｂとエンジン回転数ＮＥとの関係）を線形式（一次式）で近似すると、
ｂ＝−0.000293×ＮＥ＋1.006398 ・・・（Ｃ）
となる。

以上の結果をまとめると、
Ｔibdc＝Ｔiin＋ｂ×ΔＴ ・・・（Ａ）
ΔＴ＝(0.001×ｅｘｐ(0.034×(0.0043×ＮＥ＋ＴＨＷ))＋0.005)×ＮＥ ・・（Ｂ）
ｂ＝−0.000293×ＮＥ＋1.006398 ・・・（Ｃ）
となり、これら式（Ａ）、式（Ｂ）及び式（Ｃ）によって下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcの推定値を算出することができる。

上記式（Ａ）、及び、この式（Ａ）のパラメータである［ΔＴ］及び［ｂ］を得る式（Ｂ）及び式（Ｃ）はＥＣＵ１００のＲＯＭに記憶されている。

そして、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転時において、筒内への吸入ガスの温度Ｔiin、エンジン回転数ＮＥ及び水温ＴＨＷを用いて、上記式（Ａ）、式（Ｂ）及び式（Ｃ）に基づいて、下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを算出（推定）する。その算出処理の一例について図９のフローチャートを参照して説明する。なお、この図９の処理ルーチンはＥＣＵ１００において実行される。

この図９の処理ルーチンが開始されると、ステップＳＴ１０１において、筒内への吸入ガスの温度Ｔiinを取得する。具体的には、インマニ温度センサ４９の出力信号からインマニガス温度を算出して、そのインマニガス温度を筒内への吸入ガスの温度Ｔiinとして取得する。

ステップＳＴ１０２において、クランクポジションセンサ４０の出力信号からエンジン回転数ＮＥを取得（算出）し、さらにステップＳＴ１０３において、水温センサ４６の出力信号から水温ＴＨＷを取得（算出）する。

そして、ステップＳＴ１０４において、上記ステップＳＴ１０１〜ＳＴ１０３で取得した筒内への吸入ガスの温度Ｔiin、エンジン回転数ＮＥ及び水温ＴＨＷを用いて、上記式（Ａ）、式（Ｂ）及び式（Ｃ）に基づいて、下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを算出（推定）する。

なお、図９の処理ルーチンは、例えば、吸気開始（吸気バルブ開弁開始）のタイミングで実行するようにしてもよいし、吸気開始前の所定のクランク角のタイミングで実行するようにしてもよい。また、筒内への吸入ガスの温度Ｔiin、エンジン回転数ＮＥ、水温ＴＨＷを取得する順は図９の処理ルーチンの形態に限られることなく任意である。また、これら吸入ガスの温度Ｔiin、エンジン回転数ＮＥ、水温ＴＨＷは同時に取得するようにしてもよい。

＜効果＞
以上のように、本実施形態によれば、筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量（エネルギ）Ｑａはエンジン１の油温Ｔｏｉｌに相関があり、さらに、油温Ｔｏｉｌはエンジン１の回転数ＮＥと水温ＴＨＷとに相関があることを考慮して、気筒内に吸入される吸入ガスの温度Ｔiinに、前記受熱量Ｑａをエンジン回転数ＮＥと水温ＴＨＷとの関数［ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）］として加算して汎用化した推定式（例えば、上記式（Ａ），式（Ｂ），式（Ｃ））を用いて下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを推定しているので、下死点時吸気ガス温度推定用の実験式をエンジンの機種毎に個別に適合する必要がなくなり、作業の簡略化やコストの低減化を図ることができる。しかも、筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量（エネルギ）を反映した汎用式（推定式）を用いているので、圧縮の基準となる下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを精度良く推定することができる。

このように、本実施形態では、下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを精度良く推定することができるので、ディーゼルエンジン等の制御に用いる圧縮端温度を簡単な処理で精度良く推定すること可能になる。

＜Ｔibdc推定の一般式＞
下死点時の吸気ガス温度を推定する推定式（汎用式）の一般式は、
Ｔibdc＝Ｔiin＋ｂ×ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）・・・（Ａ０）
である。ここで、上述した式（Ａ）［Ｔibdc＝Ｔiin＋ｂ×ΔＴ］の右辺の［ｂ×ΔＴ］は、上記式（Ａ０）の関数ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）を実験式化した式の一例であって、関数ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）については、他の実験化式（１次式または２次式など）を適用してもよい。

また、上記式（Ａ０）のｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）については、このｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）［（例えば、上記式（Ａ）、式（Ｂ）及び式（Ｃ）など］をマップ化しておき、そのマップに基づいて下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを推定するようにしてもよい。

＜Ｔibdcの算出方法＞
図１０に示すように、吸気ＢＤＣから吸気バルブが閉弁するまでの期間と、吸気バルブ閉弁期間とを区別し、その吸気バルブ閉弁期間においては、気体の状態方程式［Ｔ＝Ｐ×Ｖ／ｎ×Ｒ］によりＴ０を算出する。そして、その算出したＴ０を用いてポリトロープ変化の式［Ｔ＝Ｔ０×ε^(n-1)］によりＴibdcを算出する。ただし、Ｒ：ガス定数、ε：圧縮比、ｎ＝ポリトロープ指数である。

−Ｔibdcの使用方法−
次に、上記した推定式（汎用式）から算出される下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcの使用方法の一例について説明する。この例では、下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを用いて下死点時筒内ガス平均温度Ｔbdcを算出する例を示す。

まず、筒内の吸入ガス（新気ガス＋ＥＧＲガス）の状態と、残留ガスの状態とを図１１に示すように定義する。

筒内吸入ガスの状態方程式は以下の式（２１）で表すことができる。

（Ｐa＋Ｐb）×Ｖd＝（Ｇcyl／２）×Ｒi×（Ｔibdc＋273） ・・・（２１）
ただし、Ｒi：筒内吸入ガスのガス定数
次に、残留ガスの状態方程式は以下の式（２２）で表すことができる。

（Ｐa＋Ｐ4）×Ｖtdc＝（Ｇr／２）×Ｒr×（Ｔ4＋273） ・・・（２２）
ただし、Ｒr：残留ガスのガス定数
そして、エネルギ保存則から以下の式（２３）が成立する。

Ｃpi×Ｇcyl×(Ｔbdc−(Ｔibdc＋273))＋Ｃpr×Ｇr×(Ｔbdc−(Ｔ4＋273))＝０ ・・・（２３）
ただし、Ｃpi：筒内の吸入ガスの比熱、Ｃpr：残留ガスの比熱
この式（２３）をＴbdcについて解くと、
Ｔbdc＝(Ｃpi×Ｇcyl×(Ｔibdc＋273)＋Ｃpr×Ｇr×(Ｔ4＋273))／(Ｃpi×Ｇcyl＋Ｃpr×Ｇr) ・・・（２４）
上記式（２１）をＧcylについて解くとともに、式（２２）をＧrについて解いて、上記式（２４）に代入すると、

となる。そして、上述した処理にて算出される下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを用いて上記式（２５）に基づいて、下死点時筒内ガス平均温度Ｔbdcを算出することが可能になる。

−他の実施形態−
以上の例では、筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量Ｑaを、エンジン回転数ＮＥと水温ＴＨＷとをパラメータとして推定するようにしているが、これに限られることなく、筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量Ｑaを、エンジンの油温Ｔｏｉｌをパラメータとして推定するようにしてもよい。この場合、受熱量Ｑaを推定する式［Ｑa＝ｇ（Ｔoil）］の関数［ｇ（Ｔoil）］を、実験・シミュレーション等によって実験式化しておき、その実験式化した式（汎用式）を用いて受熱量Ｑaを求めて下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを推定するようにすればよい。

以上の例では、車両に搭載される直列４気筒ディーゼルエンジンの下死点時吸気ガス温度の推定に本発明を適用した場合について説明した。本発明は、車両用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンの下死点時吸気ガス温度の推定にも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン、水平対向型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。

以上の例では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンの下死点時吸気ガス温度の推定への適用も可能である。

本発明は、内燃機関（ディーゼルエンジン）の吸気下死点時の吸気ガス温度を推定するガス温度推定装置に利用可能である。

１ エンジン
３ 燃焼室
４０ クランクポジションセンサ
４６ 水温センサ
４９ インマニ温度センサ
６ 吸気系
６３ インテークマニホールド
７ 排気系
７２ エキゾーストマニホールド
１００ ＥＣＵ

Claims (4)

1. 内燃機関の吸気下死点時の吸気ガス温度を推定するガス温度推定装置であって、
   前記内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの温度に、前記気筒内で吸気ガスがピストンから受熱する受熱量を加算して吸気下死点時の吸気ガス温度を推定することを特徴とする内燃機関のガス温度推定装置。
2. 請求項１記載の内燃機関のガス温度推定装置において、
   前記ピストンから受熱する受熱量を、当該受熱量に相関のある前記内燃機関の油温に基づいて推定することを特徴とする内燃機関のガス温度推定装置。
3. 請求項２記載の内燃機関のガス温度推定装置において、
   前記内燃機関の油温を、当該油温に相関のある前記内燃機関の回転数と水温とに基づいて推定することを特徴とする内燃機関のガス温度推定装置。
4. 請求項１または３記載の内燃機関のガス温度推定装置において、
   内燃機関の気筒内に吸入される吸入ガスの温度Ｔiinに、前記ピストンから受熱する受熱量を内燃機関の回転数ＮＥと水温ＴＷＨとの関数として加算する下記の式（Ａ０）に基づいて、吸気下死点時の吸気ガス温度Ｔibdcを推定することを特徴とする内燃機関のガス温度推定装置。
   Ｔibdc＝Ｔiin＋ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ） ・・・（Ａ０）
   ただし、ｆ（ＮＥ，ＴＨＷ）：実験またはシミュレーションにより求められた関数

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