ノックス制御システム及び方法
【課題】別の排気分析装置やノックス測定センサーがなくても、 正確にノックスの量を予測し、これを基にノックスを制御することによって、信頼性のあるノックス制御システム及び方法を提供する。
【解決手段】本発明は、ノックス制御方法において、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階、及び、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階、を含み、前記ノックス制御方法は、車両の運行中に続いて繰り返され、前記ノックス発生量を制御する段階は、ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には燃費または出力向上モードで車両を制御し、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には排気モードで車両を制御することを特徴とする。
【解決手段】本発明は、ノックス制御方法において、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階、及び、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階、を含み、前記ノックス制御方法は、車両の運行中に続いて繰り返され、前記ノックス発生量を制御する段階は、ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には燃費または出力向上モードで車両を制御し、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には排気モードで車両を制御することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノックス制御システム及び方法に係り、より詳しくは、ノックス測定センサーがなくても、車両のエンジンで発生するノックスの量を予測し、これに基づいてノックスを制御できるノックス制御システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を備えた車両の汚染物質排出許容基準がますます厳格になる傾向にあるため、内燃機関の排出する汚染物質の量をできるだけ低くすることが要求されている。汚染物質の排出を減らす方法の一つは、内燃機関の各シリンダーで空気／燃料の混合物が燃焼する間に発生する汚染物質の排出を減らすことである。
前記方法の他の一つは、内燃機関内の排気ガス後処理システムを使用することである。排気ガス後処理システムは、それぞれのシリンダーで空気／燃料の混合物が燃焼する間に発生する汚染物質を無害な物質に変換する。このような目的で一酸化炭素、炭化水素、及び窒素酸化物を無害な物質に変換する触媒コンバータが用いられる。
【０００３】
このような排気ガス触媒コンバータを用いて効率的に汚染成分を変換するためには、ノックス（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｏｘｉｄｅｓ）を制御する技術が必要であり、ノックスを制御するためには、その前提としてエンジンから発生する窒素酸化物、即ち、ノックスの量を正確に測定する必要がある。
従来技術の場合、ノックスの量を予測するために、別に、排気分析装置や、ノックス測定のためのセンサーを備えていた。しかし、このような排気分析装置やノックス測定センサーを別に具備すれば、費用が上昇する問題があり、エンジンの排気ガス内の組成物が排気分析装置やノックスセンサーを汚染させることによって、センサー自体が誤作動する問題があった。
【０００４】
また、このような問題を解決するために、従来のノックス予測技術が提案されているが、このような従来技術の場合、過度に複雑な計算過程を経るか、または単純化された熱発生率式から計算された温度を利用してノックスを予測することによって、信頼性が落ちる問題があった。
したがって、上記のような従来技術によれば、ノックスの量を正確、かつ信頼性をもたせて予測することが困難であるため、これに基づいたノックス制御技術も信頼できないと言う問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０６７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、燃焼圧力及びエンジンの運転変数を利用して、別の排気分析装置やノックス測定センサーがなくても、正確にノックスの量を予測し、これを基にノックスを制御することによって、信頼性のあるノックス制御システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ノックス制御方法において、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階、及び、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階、を含むことを特徴とする。
【０００８】
前記ノックス制御方法は、車両の運行中に続いて繰り返されることを特徴とする。
【０００９】
前記ノックス発生量を制御する段階は、ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には燃費または出力向上モードで車両を制御し、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には排気モードで車両を制御することを特徴とする。
【００１０】
前記ノックス発生量を制御する段階は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって行われることを特徴とする。
【００１１】
前記ノックスの発生量を予測する段階は、エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算する段階、前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出する段階、前記ＮＯ発生率と前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算する段階、及び、前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測する段階、を含むことを特徴とする。
【００１２】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【００１４】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする。
ここで、ＭＦＢは、Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄを示す。
【００１５】
また、本発明は、ノックス制御システムにおいて、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する測定部、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部、及び、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部、を含むことを特徴とする。
【００１６】
前記制御部は、前記ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には車両が排気モードで運転するように制御することを特徴とする。
【００１７】
前記制御部は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって前記ノックス発生量を制御することを特徴とする。
【００１８】
前記仮想のセンサーは、エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算し、前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出し、前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算し、前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測することを特徴とする。
【００１９】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする。
【００２０】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【００２１】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のノックス制御システム及び方法によれば、複雑な過程なしにいくつかの変数だけで燃焼過程で生成されるノックスの量を予測することができ、計算時間が短いことでリアルタイムでノックスの予測が可能である。そして、このように予測されたノックス発生量を利用して運転状況に応じる目標値を設定することによって、ノックスの排出を減らすように制御することが可能であり、排気性能を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例によるノックス制御システムの構成図である。
【図２】ＥＧＲ率または噴射時期とノックス発生量との関係に関するグラフである。
【図３】本発明の実施例によるノックス制御方法のフローチャートである。
【図４】本発明の実施例によるノックス発生量予測方法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施例によるノックス発生量予測方法の概念図である。
【図６】酸素濃度、窒素濃度または燃焼ガス温度とＮＯ発生率との関係に関するグラフである。
【図７】本発明の実施例によるＮＯ生成期間を示したグラフである。
【図８】本発明の実施例によるＮＯ発生量に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例によるノックス制御システム１の構成図である。
図１に示すように、本発明の実施例によるノックス制御システム１は、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する測定部１０、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部２０、及び前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部３０を含む。
測定部１０は、ノックスの発生量を予測する役割を果たす部分であって、従来の技術のように別のノックス量を測定するセンサーを備えずに、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する。
【００２５】
本発明の実施例の場合、前記のように仮想のセンサーを利用してノックス発生量を予測するため、排気ガス内の組成物がセンサーを汚染させることでセンサー自体が誤作動する従来の技術の問題を解消することができる。
前記仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する方法については、以下で詳細に説明する。
一方、判断部２０は、測定部１０で予測されたノックスの発生量の予測値を、予め設定されたノックス目標値とリアルタイムで比較して判断する。ノックス目標値は、車両の環境条件や運転領域などの条件によって変化することがあり、このような車両の環境条件や運転領域などを考慮してノックス目標値を予め設定することができる。
【００２６】
制御部３０は、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値となるようにノックスの発生量を制御するものであり、車両のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等がこれに該当する。
一つまたは種々の実施例において、制御部３０は、前記ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には、車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には、車両が排気モードで運転するように制御することができる。
【００２７】
判断部２０の比較結果が、前記ノックス予測値がノックス目標値より小さいと表れる場合にはノックス発生量を増加させることができる。したがって、制御部３０は車両を燃費または出力向上モードで運転するように制御し、これによってノックスの発生量が増加してノックス目標値に近接する。測定部１０はリアルタイムでノックスの発生量を測定し、判断部２０でもノックスの発生量が目標値に到達するか判断し続けるので、制御部３０で持続的に車両の運転モードを制御する。
一方、判断部２０の比較結果が、前記ノックス予測値がノックス目標値より大きいと表れる場合には、ノックスの低減のために制御部３０は車両を前記排気モードで運転するように制御する。
【００２８】
一つまたは種々の実施例において、制御部３０は燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって、前記ノックス発生量を制御することができる。図２（ａ）に示すように、ＥＧＲ率が落ちるほどノックス排出量は上昇し、図２（ｂ）に示すように、燃料噴射時期が進角するほど（ａｄｖａｎｃｅ）ノックス排出量が大きくなる。燃料量とブースト圧力もノックス排出量と所定の関係を有するので、このような特性を利用して制御部３０で燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、ブースト圧力のうちのいずれか一つ以上を制御することによって、測定部１０で算出されるノックス予測値が前記ノックス目標値に到達するように制御することができる。
【００２９】
以下、本発明の実施例によるノックス制御方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図３に示すように、本発明の実施例によるノックス制御方法は、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階（Ｓ１０）、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階（Ｓ２０）、及び前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階（Ｓ３０）を含む。
即ち、本発明の実施例によるノックス制御方法は、実際のノックス測定センサーを備えずに、仮想のセンサーを利用してノックス発生量をリアルタイムで予測し、予測されたノックス発生量が設定された目標値に到達するように制御するようになっている。
【００３０】
最初に、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する（Ｓ１０）。
以下、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する段階（Ｓ１０）について、図面を参照して詳細に説明する。
仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する段階は、前記ノックス制御システムにも適用可能である。
図４は、本発明の実施例による仮想のセンサーを利用したノックス発生量予測方法（Ｓ１０）のフローチャートであり、図５は、本発明の実施例による仮想のセンサーを利用したノックス発生量予測方法（Ｓ１０）の概念図である。
【００３１】
図４及び図５に示すように、本発明の実施例によるノックス発生量予測方法（Ｓ１０）は、エンジン燃焼圧力１００及びエンジン運転変数２００を利用してＮＯ発生率３００を計算する段階（Ｓ１１）、エンジン燃焼圧力１００を利用してＮＯ生成期間４００を算出する段階（Ｓ１２）、ＮＯ発生率３００とＮＯ生成期間４００からＮＯ発生量５００を計算する段階（Ｓ１３）、及び前記ＮＯ発生量５００とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測する段階（Ｓ１４）を含む。
【００３２】
まず、エンジン燃焼圧力１００（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）及びエンジン運転変数２００を利用して、ＮＯ（一酸化窒素）発生率３００を計算する（Ｓ１１）。
エンジン運転変数２００には、燃料量２１０（ｍｆｕｅｌ）、エンジン回転数２２０（ＲＰＭ）、空燃比２３０（ＡＦ）、及びＥＧＲ量とＥＧＲ率（ＥＧＲ＿ｒａｔｅ）のようなＥＧＲ情報２４０が含まれる。このようなエンジン運転変数２００に基づいてＮＯ発生率３００を計算する。
【００３３】
一つまたは種々の実施例において、ＮＯ発生率３００は下記の（数１）によって計算できる。
【数１】
（数１）において、ｄ［ＮＯ］／ｄｔはＮＯ発生率３００であり、Ｔは燃焼ガス温度３１０であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度３２０であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度３３０であり、ＡとＢは実験や解釈によって決められる経験定数である。一つまたは種々の実施例において、Ａ値は６×１０１６、Ｂ値は−６９０９０である。
したがって、ＮＯ発生率３００（ｄ［ＮＯ］／ｄｔ）を求めるためには、燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ）３１０と燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０及び窒素濃度［Ｎ２］３３０を知る必要がある。
【００３４】
以下、燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ）と燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］及び窒素濃度［Ｎ２］を求める方法について説明する。
燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ＝Ｔｂｕｒｎｅｄ ｇａｓ）３１０は、断熱火炎温度（Ｔａｄ）に燃焼時の圧力上昇による追加的な燃焼ガス温度の上昇を考慮して計算できる。
一つまたは種々の実施例において、燃焼室の燃焼ガス温度３１０は下記の（数２）によって計算できる。
【数２】
（数２）において、Ｔｂｕｒｎｅｄ ｇａｓは燃焼ガス温度（Ｔ）３１０を示し、Ｔａｄは断熱火炎温度であり、Ｐｉは燃焼開始時点の圧力であり、Ｐｍａｘは最高燃焼圧であり、ｋは比熱比（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｈｅａｔ ｒａｔｉｏ）であって、Ｃｖ（定積比熱）／Ｃｐ（定圧比熱）値に相当する。
【００３５】
Ｐｉ（燃焼開始時点の圧力）とＰｍａｘ（最高燃焼圧）は、エンジンの燃焼圧力１００を測定するエンジンの燃焼圧センサーで測定できるが、その情報は電気的信号に転換されて、車両のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）制御部に転送される。
そして、（数２）において、断熱火炎温度（Ｔａｄ）は、一つまたは種々の実施例において下記の（数３）によって計算できる。
【数３】
（数３）において、Ｔｓｏｃは燃焼開始時点での燃焼室温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度３２０である。
【００３６】
燃焼開始時点の燃焼室温度（Ｔｓｏｃ）は、図５に示すように、燃焼室の燃焼圧力１００（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）及び熱発散率（Ｈｅａｔ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｒａｔｅ、ＨＲＲ）から燃焼開始時点（Ｓｔａｒｔ Ｏｆ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、ＳＯＣ）を決めて、決められた燃焼開始時点（ＳＯＣ）を利用して求めることができる。
一つまたは種々の実施例において、燃焼開始時点の燃焼室温度（Ｔｓｏｃ）は下記の（数３−１）によって求められる。
【数３−１】
ここで、Ｐｉは燃焼開始時点の圧力であって、決められた燃焼開始時点（ＳＯＣ）を利用して、その時点でエンジンの燃焼圧力センサーで測定された値であり、Ｒは理想気体の状態方程式の気体定数である。
【００３７】
そして、ｍはシリンダー内部の混合気体の全体量を示す値であって、下記の（数３−２）によって求められる。
【数３−２】
ここで、ＡＦは空燃比２３０であり、ｍｆｕｅｌは車両のＥＣＵ信号で分かる燃料量２１０である。ＡＦとｍｆｕｅｌいずれもエンジンの運転変数２００として入力される値である。
【００３８】
一方、Ｖは燃焼開始時点の体積であって、下記の（数３−３）によって計算できる。
【数３−３】
ここで、Ｖｃはクリアランスボリューム（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｖｏｌｕｍｅ）であり、ｒｃは圧縮比（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ）であり、ｒはコネクティングロッドの長さ（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｌｅｎｇｔｈ）であり、ａはクランクオフセット（ｃｒａｎｋ ｏｆｆｓｅｔ）であり、Ｂはシリンダーの直径、Ｓはピストンのストロークである。
したがって、（数３−２）と（数３−３）から求めたｍとＶ値を（数３−１）に代入して、燃焼開始時点の燃焼室温度（Ｔｓｏｃ）が分かる。
【００３９】
一方、断熱火炎温度（Ｔａｄ）を求めるためには、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］を求める必要があるが、これについては下記で説明する。
図５に示すように、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０を求めると、（数３）から断熱火炎温度（Ｔａｄ）を分かり、これを利用して燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ＝Ｔｂｕｒｎｅｄ ｇａｓ）３１０を求めることができる。
一つまたは種々の実施例において、（数１）の燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］と窒素濃度［Ｎ２］は下記（数４）によって計算できる。
【数４】
（数４）において、Ｏ２＿ｉｎとＮ２＿ｉｎは燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］と窒素濃度［Ｎ２］を示す、ＥＧＲ＿ｒａｔｅはＥＧＲ率であり、Ｏ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿Ａｉｒ［ｖｏｚｌ、％］はそれぞれ空気中酸素と窒素の濃度を示し、Ｏ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］はそれぞれＥＧＲガス中酸素と窒素の濃度を示す。
【００４０】
結局、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０は、吸入空気中酸素濃度Ｏ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＥＧＲガス中酸素濃度Ｏ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］から求められ、燃焼室内の窒素濃度［Ｎ２］３３０は、吸入空気中窒素濃度Ｎ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＥＧＲガス中窒素濃度Ｎ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］から求められる。
ＥＧＲ率（ＥＧＲ＿ｒａｔｅ）は排気ガスの再循環率であって、一般に、ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量）×１００で計算するか、吸気管内の二酸化炭素の濃度から大気中の二酸化炭素の濃度を引いた値と、排気ガス内の二酸化炭素の濃度から大気中の二酸化炭素の濃度を引いた値との比を測定して算出できる。
Ｏ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］は、吸入空気中酸素と窒素の濃度を示し、空気中酸素の濃度と窒素の濃度を用いる。
【００４１】
Ｏ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］は、ＥＧＲガス中酸素濃度と窒素濃度であって、下記の（数４−１）乃至（数４−３）によって求められる。
【数４−１】
【数４−２】
【数４−３】
【００４２】
（数４−３）において、ＡＦは空燃比２３０であって、燃焼に使用された燃料に対する空気の重量比率を示し、本発明の実施例ではエンジン運転変数２００として測定され入力される。そして、ＡＦｓｔｏｉは理論空燃比であって、燃料の種類によって決定される値であり、当該燃料で理想的な空燃比となる。ｙも燃料によって決定される値であり、当該燃料の分子式で水素（Ｈ）と炭素（Ｃ）の比率（ｙ＝Ｈ／Ｃ＿ｒａｔｉｏ）によって決められる。
（数４−２）において、ＱはＥＧＲガスでの窒素の組成比であって、燃料によって決定される値である。例えば、ディーゼル燃料の場合、Ｑ値は３．７７３である。
結局、（数４−１）乃至（数４−３）で測定され入力される値は空燃比（ＡＦ）２３０一つであり、それ以外のＱ、ＡＦｓｔｏｉ及びｙ値は燃料の種類によって決定される値となる。
【００４３】
したがって、（数４−３）と（数４−２）から（数４−１）のＯ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］を求めることができ、これら値をさらに（数４）に代入すれば、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］と燃焼室内の窒素濃度［Ｎ２］が求められる。
一方、図５に示すように、前記過程で求めた燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０を（数３）に代入すれば断熱火炎温度（Ｔａｄ）が求められ、Ｔａｄから（数２）によって燃焼ガス温度（Ｔ）３１０が求められる。
結局、本発明の実施例によれば、燃焼ガス温度３１０（Ｔ）と酸素濃度［Ｏ２］３２０及び窒素濃度［Ｎ２］３３０を全て求めることになるので、これらの値を（数１）に適用してＮＯ発生率（ｄ［ＮＯ］／ｄｔ）３００を求める。
そして、エンジン燃焼圧力１００を利用してＮＯ生成期間４００を算出する（Ｓ１２）。
【００４４】
ＮＯ生成期間４００は、ＮＯの発生がＭＦＢ（Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄ）の変化と類似に現れる点を利用する。このために、図５に示すように、エンジン燃焼圧力１００から熱発散率（ＨＲＲ）を求めて、熱発散率（ＨＲＲ）を積算し、積算された熱発散率が最大（Ｍａｘｉｍｕｍ）となる地点を基準にＭＦＢを計算することができる。
燃焼圧力からの燃焼解釈を通してＭＦＢ（Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄ）の変化推移を示すグラフ（図７の一点鎖線参照）を表し、グラフを用いてＮＯ生成期間４００を決める。
【００４５】
一つまたは種々の実施例において、ＮＯ生成期間４００はＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出できる。図７に示すように、ＮＯが２０〜９０％生成される区間をＮＯ生成期間４００と仮定する時、この区間に対応するＭＦＢの区間はＭＦＢ４０−８０区間である。したがって、ＭＦＢ４０−８０区間やＭＦＢ５０−９０区間を利用すれば、有効にＮＯの生成期間４００を算出することができる。即ち、ＮＯの生成期間４００はＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間に相当する時間となる。
ＮＯ生成期間４００が算出されると、図８に示すように、（数１）から求めたＮＯ発生率（ｄ［ＮＯ］／ｄｔ）３００とＮＯ生成期間（ｔ）４００からＮＯ発生量５００が計算できる（Ｓ１３）。
その後、ＮＯ発生量５００とエンジンの運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出して、ノックス（ＮＯｘ）発生量６００を予測する（Ｓ１４）。
【００４６】
一つまたは種々の実施例において、前記ＮＯ２の発生量は、エンジン運転領域によってＮＯ発生量５００とＮＯ２発生量の比率を実験式を活用して算出できる。
一つまたは種々の実施例において、ノックス（ＮＯｘ）発生量６００は、ＮＯ発生量５００とＮＯ２発生量を合わせた値で予測できる。
次に、図３に示すように、予測されたノックス発生量の予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する（Ｓ２０）。ノックス目標値は車両の環境条件や運転領域などの条件によって変化することがあり、このような車両の環境条件や運転領域などを考慮して、ノックス目標値を予め設定することができる。
そして、ノックス予測値とノックス目標値とに差がある場合、ノックス予測値がノックス目標値に追従するようにノックス発生量を制御する（Ｓ３０）。
一つまたは種々の実施例において、制御段階（Ｓ３０）では、図３に示すように、ノックス予測値が目標値より小さい場合（Ｓ３１）には車両が燃費または出力向上モードで運行されるようにし、ノックス予測値が目標値より大きい場合（Ｓ３２）には車両が排気モードで運行されるように制御することができる。
【００４７】
（数１）から分かるように、燃焼ガス温度（Ｔ）、酸素濃度［Ｏ２］、窒素濃度［Ｎ２］を制御すればＮＯ発生率を制御することができ、結局、ノックスの発生量も制御できる。
特に、図６に示すように、酸素濃度［Ｏ２］と燃焼ガス温度（Ｔ）は、窒素濃度［Ｎ２］に比べてノックス発生量に大きな影響を与える。
したがって、一つまたは種々の実施例において、酸素濃度［Ｏ２］と燃焼ガス温度（Ｔ）を変化させることでノックス発生量を制御することができ、このために車両の燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することができる。一般に、燃焼ガス温度（Ｔ）は酸素濃度［Ｏ２］、噴射燃料量及び燃料噴射時期などによって決定され、酸素濃度［Ｏ２］はＥＧＲ率やブースト圧力などによって決定されるためである。
【００４８】
一例として、変化したＥＧＲ率または燃料噴射時期とノックス発生量の関係は図２に示す通りである。車両のＥＣＵのような制御部ではこのような関係を考慮して、車両の燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力などを制御することによって、ノックス発生量を制御する。
一方、本発明の実施例によるノックス制御方法は、車両の運行中には連続的に繰り返すことができる。
上述の通り、本発明の実施例によるノックス制御システム及び方法によれば、複雑な過程なしにいくつかの変数だけで燃焼過程で生成されるノックスの量を予測することができ、計算時間が短いことでリアルタイムでノックスの予測が可能である。そして、このように予測されたノックス発生量を利用して運転状況に応じる目標値を設定することによって、ノックスの排出を減らすように制御することが可能であり、排気性能を向上させる効果がある。 また、仮想のセンサーを利用してノックス発生量を予測する技術は、ＬＮＴまたはＳＣＲのようなノックス後処理装置の制御にも適用することができる。
【００４９】
以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ノックス制御システム
１０ 測定部
２０ 判断部
３０ 制御部
１００ エンジン燃焼圧力
２００ エンジン運転変数
２１０ 燃料量（ｍｆｕｅｌ）
２２０ エンジン回転数（ＲＰＭ）
２３０ 空燃比（ＡＦ）
２４０ ＥＧＲ情報
３００ ＮＯ発生率
３１０ 燃焼ガス温度（Ｔ）
３２０ 酸素濃度［Ｏ２］
３３０ 窒素濃度［Ｎ２］
４００ ＮＯ生成期間
５００ ＮＯ発生量
６００ ＮＯｘ発生量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノックス制御システム及び方法に係り、より詳しくは、ノックス測定センサーがなくても、車両のエンジンで発生するノックスの量を予測し、これに基づいてノックスを制御できるノックス制御システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を備えた車両の汚染物質排出許容基準がますます厳格になる傾向にあるため、内燃機関の排出する汚染物質の量をできるだけ低くすることが要求されている。汚染物質の排出を減らす方法の一つは、内燃機関の各シリンダーで空気／燃料の混合物が燃焼する間に発生する汚染物質の排出を減らすことである。
前記方法の他の一つは、内燃機関内の排気ガス後処理システムを使用することである。排気ガス後処理システムは、それぞれのシリンダーで空気／燃料の混合物が燃焼する間に発生する汚染物質を無害な物質に変換する。このような目的で一酸化炭素、炭化水素、及び窒素酸化物を無害な物質に変換する触媒コンバータが用いられる。
【０００３】
このような排気ガス触媒コンバータを用いて効率的に汚染成分を変換するためには、ノックス（Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｏｘｉｄｅｓ）を制御する技術が必要であり、ノックスを制御するためには、その前提としてエンジンから発生する窒素酸化物、即ち、ノックスの量を正確に測定する必要がある。
従来技術の場合、ノックスの量を予測するために、別に、排気分析装置や、ノックス測定のためのセンサーを備えていた。しかし、このような排気分析装置やノックス測定センサーを別に具備すれば、費用が上昇する問題があり、エンジンの排気ガス内の組成物が排気分析装置やノックスセンサーを汚染させることによって、センサー自体が誤作動する問題があった。
【０００４】
また、このような問題を解決するために、従来のノックス予測技術が提案されているが、このような従来技術の場合、過度に複雑な計算過程を経るか、または単純化された熱発生率式から計算された温度を利用してノックスを予測することによって、信頼性が落ちる問題があった。
したがって、上記のような従来技術によれば、ノックスの量を正確、かつ信頼性をもたせて予測することが困難であるため、これに基づいたノックス制御技術も信頼できないと言う問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０６７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、燃焼圧力及びエンジンの運転変数を利用して、別の排気分析装置やノックス測定センサーがなくても、正確にノックスの量を予測し、これを基にノックスを制御することによって、信頼性のあるノックス制御システム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ノックス制御方法において、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階、及び、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階、を含むことを特徴とする。
【０００８】
前記ノックス制御方法は、車両の運行中に続いて繰り返されることを特徴とする。
【０００９】
前記ノックス発生量を制御する段階は、ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には燃費または出力向上モードで車両を制御し、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には排気モードで車両を制御することを特徴とする。
【００１０】
前記ノックス発生量を制御する段階は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって行われることを特徴とする。
【００１１】
前記ノックスの発生量を予測する段階は、エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算する段階、前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出する段階、前記ＮＯ発生率と前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算する段階、及び、前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測する段階、を含むことを特徴とする。
【００１２】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【００１４】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする。
ここで、ＭＦＢは、Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄを示す。
【００１５】
また、本発明は、ノックス制御システムにおいて、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する測定部、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部、及び、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部、を含むことを特徴とする。
【００１６】
前記制御部は、前記ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には車両が排気モードで運転するように制御することを特徴とする。
【００１７】
前記制御部は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって前記ノックス発生量を制御することを特徴とする。
【００１８】
前記仮想のセンサーは、エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算し、前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出し、前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算し、前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測することを特徴とする。
【００１９】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする。
【００２０】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【００２１】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のノックス制御システム及び方法によれば、複雑な過程なしにいくつかの変数だけで燃焼過程で生成されるノックスの量を予測することができ、計算時間が短いことでリアルタイムでノックスの予測が可能である。そして、このように予測されたノックス発生量を利用して運転状況に応じる目標値を設定することによって、ノックスの排出を減らすように制御することが可能であり、排気性能を向上させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例によるノックス制御システムの構成図である。
【図２】ＥＧＲ率または噴射時期とノックス発生量との関係に関するグラフである。
【図３】本発明の実施例によるノックス制御方法のフローチャートである。
【図４】本発明の実施例によるノックス発生量予測方法のフローチャートである。
【図５】本発明の実施例によるノックス発生量予測方法の概念図である。
【図６】酸素濃度、窒素濃度または燃焼ガス温度とＮＯ発生率との関係に関するグラフである。
【図７】本発明の実施例によるＮＯ生成期間を示したグラフである。
【図８】本発明の実施例によるＮＯ発生量に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好ましい実施例について、添付した図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例によるノックス制御システム１の構成図である。
図１に示すように、本発明の実施例によるノックス制御システム１は、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する測定部１０、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部２０、及び前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部３０を含む。
測定部１０は、ノックスの発生量を予測する役割を果たす部分であって、従来の技術のように別のノックス量を測定するセンサーを備えずに、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する。
【００２５】
本発明の実施例の場合、前記のように仮想のセンサーを利用してノックス発生量を予測するため、排気ガス内の組成物がセンサーを汚染させることでセンサー自体が誤作動する従来の技術の問題を解消することができる。
前記仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する方法については、以下で詳細に説明する。
一方、判断部２０は、測定部１０で予測されたノックスの発生量の予測値を、予め設定されたノックス目標値とリアルタイムで比較して判断する。ノックス目標値は、車両の環境条件や運転領域などの条件によって変化することがあり、このような車両の環境条件や運転領域などを考慮してノックス目標値を予め設定することができる。
【００２６】
制御部３０は、前記ノックス予測値が前記ノックス目標値となるようにノックスの発生量を制御するものであり、車両のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等がこれに該当する。
一つまたは種々の実施例において、制御部３０は、前記ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には、車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には、車両が排気モードで運転するように制御することができる。
【００２７】
判断部２０の比較結果が、前記ノックス予測値がノックス目標値より小さいと表れる場合にはノックス発生量を増加させることができる。したがって、制御部３０は車両を燃費または出力向上モードで運転するように制御し、これによってノックスの発生量が増加してノックス目標値に近接する。測定部１０はリアルタイムでノックスの発生量を測定し、判断部２０でもノックスの発生量が目標値に到達するか判断し続けるので、制御部３０で持続的に車両の運転モードを制御する。
一方、判断部２０の比較結果が、前記ノックス予測値がノックス目標値より大きいと表れる場合には、ノックスの低減のために制御部３０は車両を前記排気モードで運転するように制御する。
【００２８】
一つまたは種々の実施例において、制御部３０は燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって、前記ノックス発生量を制御することができる。図２（ａ）に示すように、ＥＧＲ率が落ちるほどノックス排出量は上昇し、図２（ｂ）に示すように、燃料噴射時期が進角するほど（ａｄｖａｎｃｅ）ノックス排出量が大きくなる。燃料量とブースト圧力もノックス排出量と所定の関係を有するので、このような特性を利用して制御部３０で燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、ブースト圧力のうちのいずれか一つ以上を制御することによって、測定部１０で算出されるノックス予測値が前記ノックス目標値に到達するように制御することができる。
【００２９】
以下、本発明の実施例によるノックス制御方法について、図面を参照して詳細に説明する。
図３に示すように、本発明の実施例によるノックス制御方法は、仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階（Ｓ１０）、前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階（Ｓ２０）、及び前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階（Ｓ３０）を含む。
即ち、本発明の実施例によるノックス制御方法は、実際のノックス測定センサーを備えずに、仮想のセンサーを利用してノックス発生量をリアルタイムで予測し、予測されたノックス発生量が設定された目標値に到達するように制御するようになっている。
【００３０】
最初に、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する（Ｓ１０）。
以下、仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する段階（Ｓ１０）について、図面を参照して詳細に説明する。
仮想のセンサーを利用してノックスの発生量を予測する段階は、前記ノックス制御システムにも適用可能である。
図４は、本発明の実施例による仮想のセンサーを利用したノックス発生量予測方法（Ｓ１０）のフローチャートであり、図５は、本発明の実施例による仮想のセンサーを利用したノックス発生量予測方法（Ｓ１０）の概念図である。
【００３１】
図４及び図５に示すように、本発明の実施例によるノックス発生量予測方法（Ｓ１０）は、エンジン燃焼圧力１００及びエンジン運転変数２００を利用してＮＯ発生率３００を計算する段階（Ｓ１１）、エンジン燃焼圧力１００を利用してＮＯ生成期間４００を算出する段階（Ｓ１２）、ＮＯ発生率３００とＮＯ生成期間４００からＮＯ発生量５００を計算する段階（Ｓ１３）、及び前記ＮＯ発生量５００とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測する段階（Ｓ１４）を含む。
【００３２】
まず、エンジン燃焼圧力１００（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）及びエンジン運転変数２００を利用して、ＮＯ（一酸化窒素）発生率３００を計算する（Ｓ１１）。
エンジン運転変数２００には、燃料量２１０（ｍｆｕｅｌ）、エンジン回転数２２０（ＲＰＭ）、空燃比２３０（ＡＦ）、及びＥＧＲ量とＥＧＲ率（ＥＧＲ＿ｒａｔｅ）のようなＥＧＲ情報２４０が含まれる。このようなエンジン運転変数２００に基づいてＮＯ発生率３００を計算する。
【００３３】
一つまたは種々の実施例において、ＮＯ発生率３００は下記の（数１）によって計算できる。
【数１】
（数１）において、ｄ［ＮＯ］／ｄｔはＮＯ発生率３００であり、Ｔは燃焼ガス温度３１０であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度３２０であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度３３０であり、ＡとＢは実験や解釈によって決められる経験定数である。一つまたは種々の実施例において、Ａ値は６×１０１６、Ｂ値は−６９０９０である。
したがって、ＮＯ発生率３００（ｄ［ＮＯ］／ｄｔ）を求めるためには、燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ）３１０と燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０及び窒素濃度［Ｎ２］３３０を知る必要がある。
【００３４】
以下、燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ）と燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］及び窒素濃度［Ｎ２］を求める方法について説明する。
燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ＝Ｔｂｕｒｎｅｄ ｇａｓ）３１０は、断熱火炎温度（Ｔａｄ）に燃焼時の圧力上昇による追加的な燃焼ガス温度の上昇を考慮して計算できる。
一つまたは種々の実施例において、燃焼室の燃焼ガス温度３１０は下記の（数２）によって計算できる。
【数２】
（数２）において、Ｔｂｕｒｎｅｄ ｇａｓは燃焼ガス温度（Ｔ）３１０を示し、Ｔａｄは断熱火炎温度であり、Ｐｉは燃焼開始時点の圧力であり、Ｐｍａｘは最高燃焼圧であり、ｋは比熱比（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｈｅａｔ ｒａｔｉｏ）であって、Ｃｖ（定積比熱）／Ｃｐ（定圧比熱）値に相当する。
【００３５】
Ｐｉ（燃焼開始時点の圧力）とＰｍａｘ（最高燃焼圧）は、エンジンの燃焼圧力１００を測定するエンジンの燃焼圧センサーで測定できるが、その情報は電気的信号に転換されて、車両のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）制御部に転送される。
そして、（数２）において、断熱火炎温度（Ｔａｄ）は、一つまたは種々の実施例において下記の（数３）によって計算できる。
【数３】
（数３）において、Ｔｓｏｃは燃焼開始時点での燃焼室温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度３２０である。
【００３６】
燃焼開始時点の燃焼室温度（Ｔｓｏｃ）は、図５に示すように、燃焼室の燃焼圧力１００（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）及び熱発散率（Ｈｅａｔ Ｒｅｌｅａｓｅ Ｒａｔｅ、ＨＲＲ）から燃焼開始時点（Ｓｔａｒｔ Ｏｆ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、ＳＯＣ）を決めて、決められた燃焼開始時点（ＳＯＣ）を利用して求めることができる。
一つまたは種々の実施例において、燃焼開始時点の燃焼室温度（Ｔｓｏｃ）は下記の（数３−１）によって求められる。
【数３−１】
ここで、Ｐｉは燃焼開始時点の圧力であって、決められた燃焼開始時点（ＳＯＣ）を利用して、その時点でエンジンの燃焼圧力センサーで測定された値であり、Ｒは理想気体の状態方程式の気体定数である。
【００３７】
そして、ｍはシリンダー内部の混合気体の全体量を示す値であって、下記の（数３−２）によって求められる。
【数３−２】
ここで、ＡＦは空燃比２３０であり、ｍｆｕｅｌは車両のＥＣＵ信号で分かる燃料量２１０である。ＡＦとｍｆｕｅｌいずれもエンジンの運転変数２００として入力される値である。
【００３８】
一方、Ｖは燃焼開始時点の体積であって、下記の（数３−３）によって計算できる。
【数３−３】
ここで、Ｖｃはクリアランスボリューム（ｃｌｅａｒａｎｃｅ ｖｏｌｕｍｅ）であり、ｒｃは圧縮比（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ）であり、ｒはコネクティングロッドの長さ（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｌｅｎｇｔｈ）であり、ａはクランクオフセット（ｃｒａｎｋ ｏｆｆｓｅｔ）であり、Ｂはシリンダーの直径、Ｓはピストンのストロークである。
したがって、（数３−２）と（数３−３）から求めたｍとＶ値を（数３−１）に代入して、燃焼開始時点の燃焼室温度（Ｔｓｏｃ）が分かる。
【００３９】
一方、断熱火炎温度（Ｔａｄ）を求めるためには、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］を求める必要があるが、これについては下記で説明する。
図５に示すように、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０を求めると、（数３）から断熱火炎温度（Ｔａｄ）を分かり、これを利用して燃焼室の燃焼ガス温度（Ｔ＝Ｔｂｕｒｎｅｄ ｇａｓ）３１０を求めることができる。
一つまたは種々の実施例において、（数１）の燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］と窒素濃度［Ｎ２］は下記（数４）によって計算できる。
【数４】
（数４）において、Ｏ２＿ｉｎとＮ２＿ｉｎは燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］と窒素濃度［Ｎ２］を示す、ＥＧＲ＿ｒａｔｅはＥＧＲ率であり、Ｏ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿Ａｉｒ［ｖｏｚｌ、％］はそれぞれ空気中酸素と窒素の濃度を示し、Ｏ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］はそれぞれＥＧＲガス中酸素と窒素の濃度を示す。
【００４０】
結局、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０は、吸入空気中酸素濃度Ｏ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＥＧＲガス中酸素濃度Ｏ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］から求められ、燃焼室内の窒素濃度［Ｎ２］３３０は、吸入空気中窒素濃度Ｎ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＥＧＲガス中窒素濃度Ｎ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］から求められる。
ＥＧＲ率（ＥＧＲ＿ｒａｔｅ）は排気ガスの再循環率であって、一般に、ＥＧＲガス量／（ＥＧＲガス量＋吸入空気量）×１００で計算するか、吸気管内の二酸化炭素の濃度から大気中の二酸化炭素の濃度を引いた値と、排気ガス内の二酸化炭素の濃度から大気中の二酸化炭素の濃度を引いた値との比を測定して算出できる。
Ｏ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿Ａｉｒ［ｖｏｌ、％］は、吸入空気中酸素と窒素の濃度を示し、空気中酸素の濃度と窒素の濃度を用いる。
【００４１】
Ｏ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］は、ＥＧＲガス中酸素濃度と窒素濃度であって、下記の（数４−１）乃至（数４−３）によって求められる。
【数４−１】
【数４−２】
【数４−３】
【００４２】
（数４−３）において、ＡＦは空燃比２３０であって、燃焼に使用された燃料に対する空気の重量比率を示し、本発明の実施例ではエンジン運転変数２００として測定され入力される。そして、ＡＦｓｔｏｉは理論空燃比であって、燃料の種類によって決定される値であり、当該燃料で理想的な空燃比となる。ｙも燃料によって決定される値であり、当該燃料の分子式で水素（Ｈ）と炭素（Ｃ）の比率（ｙ＝Ｈ／Ｃ＿ｒａｔｉｏ）によって決められる。
（数４−２）において、ＱはＥＧＲガスでの窒素の組成比であって、燃料によって決定される値である。例えば、ディーゼル燃料の場合、Ｑ値は３．７７３である。
結局、（数４−１）乃至（数４−３）で測定され入力される値は空燃比（ＡＦ）２３０一つであり、それ以外のＱ、ＡＦｓｔｏｉ及びｙ値は燃料の種類によって決定される値となる。
【００４３】
したがって、（数４−３）と（数４−２）から（数４−１）のＯ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］とＮ２＿ＥＧＲ［ｖｏｌ、％］を求めることができ、これら値をさらに（数４）に代入すれば、燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］と燃焼室内の窒素濃度［Ｎ２］が求められる。
一方、図５に示すように、前記過程で求めた燃焼室内の酸素濃度［Ｏ２］３２０を（数３）に代入すれば断熱火炎温度（Ｔａｄ）が求められ、Ｔａｄから（数２）によって燃焼ガス温度（Ｔ）３１０が求められる。
結局、本発明の実施例によれば、燃焼ガス温度３１０（Ｔ）と酸素濃度［Ｏ２］３２０及び窒素濃度［Ｎ２］３３０を全て求めることになるので、これらの値を（数１）に適用してＮＯ発生率（ｄ［ＮＯ］／ｄｔ）３００を求める。
そして、エンジン燃焼圧力１００を利用してＮＯ生成期間４００を算出する（Ｓ１２）。
【００４４】
ＮＯ生成期間４００は、ＮＯの発生がＭＦＢ（Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄ）の変化と類似に現れる点を利用する。このために、図５に示すように、エンジン燃焼圧力１００から熱発散率（ＨＲＲ）を求めて、熱発散率（ＨＲＲ）を積算し、積算された熱発散率が最大（Ｍａｘｉｍｕｍ）となる地点を基準にＭＦＢを計算することができる。
燃焼圧力からの燃焼解釈を通してＭＦＢ（Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄ）の変化推移を示すグラフ（図７の一点鎖線参照）を表し、グラフを用いてＮＯ生成期間４００を決める。
【００４５】
一つまたは種々の実施例において、ＮＯ生成期間４００はＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出できる。図７に示すように、ＮＯが２０〜９０％生成される区間をＮＯ生成期間４００と仮定する時、この区間に対応するＭＦＢの区間はＭＦＢ４０−８０区間である。したがって、ＭＦＢ４０−８０区間やＭＦＢ５０−９０区間を利用すれば、有効にＮＯの生成期間４００を算出することができる。即ち、ＮＯの生成期間４００はＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間に相当する時間となる。
ＮＯ生成期間４００が算出されると、図８に示すように、（数１）から求めたＮＯ発生率（ｄ［ＮＯ］／ｄｔ）３００とＮＯ生成期間（ｔ）４００からＮＯ発生量５００が計算できる（Ｓ１３）。
その後、ＮＯ発生量５００とエンジンの運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出して、ノックス（ＮＯｘ）発生量６００を予測する（Ｓ１４）。
【００４６】
一つまたは種々の実施例において、前記ＮＯ２の発生量は、エンジン運転領域によってＮＯ発生量５００とＮＯ２発生量の比率を実験式を活用して算出できる。
一つまたは種々の実施例において、ノックス（ＮＯｘ）発生量６００は、ＮＯ発生量５００とＮＯ２発生量を合わせた値で予測できる。
次に、図３に示すように、予測されたノックス発生量の予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する（Ｓ２０）。ノックス目標値は車両の環境条件や運転領域などの条件によって変化することがあり、このような車両の環境条件や運転領域などを考慮して、ノックス目標値を予め設定することができる。
そして、ノックス予測値とノックス目標値とに差がある場合、ノックス予測値がノックス目標値に追従するようにノックス発生量を制御する（Ｓ３０）。
一つまたは種々の実施例において、制御段階（Ｓ３０）では、図３に示すように、ノックス予測値が目標値より小さい場合（Ｓ３１）には車両が燃費または出力向上モードで運行されるようにし、ノックス予測値が目標値より大きい場合（Ｓ３２）には車両が排気モードで運行されるように制御することができる。
【００４７】
（数１）から分かるように、燃焼ガス温度（Ｔ）、酸素濃度［Ｏ２］、窒素濃度［Ｎ２］を制御すればＮＯ発生率を制御することができ、結局、ノックスの発生量も制御できる。
特に、図６に示すように、酸素濃度［Ｏ２］と燃焼ガス温度（Ｔ）は、窒素濃度［Ｎ２］に比べてノックス発生量に大きな影響を与える。
したがって、一つまたは種々の実施例において、酸素濃度［Ｏ２］と燃焼ガス温度（Ｔ）を変化させることでノックス発生量を制御することができ、このために車両の燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することができる。一般に、燃焼ガス温度（Ｔ）は酸素濃度［Ｏ２］、噴射燃料量及び燃料噴射時期などによって決定され、酸素濃度［Ｏ２］はＥＧＲ率やブースト圧力などによって決定されるためである。
【００４８】
一例として、変化したＥＧＲ率または燃料噴射時期とノックス発生量の関係は図２に示す通りである。車両のＥＣＵのような制御部ではこのような関係を考慮して、車両の燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力などを制御することによって、ノックス発生量を制御する。
一方、本発明の実施例によるノックス制御方法は、車両の運行中には連続的に繰り返すことができる。
上述の通り、本発明の実施例によるノックス制御システム及び方法によれば、複雑な過程なしにいくつかの変数だけで燃焼過程で生成されるノックスの量を予測することができ、計算時間が短いことでリアルタイムでノックスの予測が可能である。そして、このように予測されたノックス発生量を利用して運転状況に応じる目標値を設定することによって、ノックスの排出を減らすように制御することが可能であり、排気性能を向上させる効果がある。 また、仮想のセンサーを利用してノックス発生量を予測する技術は、ＬＮＴまたはＳＣＲのようなノックス後処理装置の制御にも適用することができる。
【００４９】
以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ノックス制御システム
１０ 測定部
２０ 判断部
３０ 制御部
１００ エンジン燃焼圧力
２００ エンジン運転変数
２１０ 燃料量（ｍｆｕｅｌ）
２２０ エンジン回転数（ＲＰＭ）
２３０ 空燃比（ＡＦ）
２４０ ＥＧＲ情報
３００ ＮＯ発生率
３１０ 燃焼ガス温度（Ｔ）
３２０ 酸素濃度［Ｏ２］
３３０ 窒素濃度［Ｎ２］
４００ ＮＯ生成期間
５００ ＮＯ発生量
６００ ＮＯｘ発生量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノックス制御方法において、
仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階、
前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階、及び、
前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階、
を含むことを特徴とするノックス制御方法。
【請求項２】
前記ノックス制御方法は、車両の運行中に続いて繰り返されることを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項３】
前記ノックス発生量を制御する段階は、ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には燃費または出力向上モードで車両を制御し、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には排気モードで車両を制御することを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項４】
前記ノックス発生量を制御する段階は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって行われることを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項５】
前記ノックスの発生量を予測する段階は、
エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算する段階、
前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出する段階、
前記ＮＯ発生率と前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算する段階、及び
前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測する段階、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項６】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項５に記載のノックス制御方法。
【請求項７】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする請求項６に記載のノックス制御方法。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【請求項８】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする請求項６に記載のノックス制御方法。
ここで、ＭＦＢは、Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄを示す。
【請求項９】
ノックス制御システムにおいて、
仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する測定部、
前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部、及び、
前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部、
を含むことを特徴とするノックス制御システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には車両が排気モードで運転するように制御することを特徴とする請求項９に記載のノックス制御システム。
【請求項１１】
前記制御部は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって前記ノックス発生量を制御することを特徴とする請求項９に記載のノックス制御システム。
【請求項１２】
前記仮想のセンサーは、エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算し、前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出し、前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算し、前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測することを特徴とする請求項９に記載のノックス制御システム。
【請求項１３】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１２に記載のノックス制御システム。
【請求項１４】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする請求項１３に記載のノックス制御システム。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【請求項１５】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする請求項１３に記載のノックス制御システム。
【請求項１】
ノックス制御方法において、
仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する段階、
前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する段階、及び、
前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する段階、
を含むことを特徴とするノックス制御方法。
【請求項２】
前記ノックス制御方法は、車両の運行中に続いて繰り返されることを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項３】
前記ノックス発生量を制御する段階は、ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には燃費または出力向上モードで車両を制御し、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には排気モードで車両を制御することを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項４】
前記ノックス発生量を制御する段階は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって行われることを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項５】
前記ノックスの発生量を予測する段階は、
エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算する段階、
前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出する段階、
前記ＮＯ発生率と前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算する段階、及び
前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測する段階、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のノックス制御方法。
【請求項６】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項５に記載のノックス制御方法。
【請求項７】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする請求項６に記載のノックス制御方法。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【請求項８】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする請求項６に記載のノックス制御方法。
ここで、ＭＦＢは、Ｍａｓｓ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｂｕｒｎｅｄを示す。
【請求項９】
ノックス制御システムにおいて、
仮想のセンサーを利用して前記ノックスの発生量を予測する測定部、
前記ノックス予測値を予め設定されたノックス目標値と比較する判断部、及び、
前記ノックス予測値が前記ノックス目標値を追従するようにノックス発生量を制御する制御部、
を含むことを特徴とするノックス制御システム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記ノックス予測値が前記目標値より小さい場合には車両が燃費または出力向上モードで運転するようにし、前記ノックス予測値が前記目標値より大きい場合には車両が排気モードで運転するように制御することを特徴とする請求項９に記載のノックス制御システム。
【請求項１１】
前記制御部は、燃料量、燃料噴射時期、ＥＧＲ率、及びブースト圧力のうちの少なくとも一つ以上を制御することによって前記ノックス発生量を制御することを特徴とする請求項９に記載のノックス制御システム。
【請求項１２】
前記仮想のセンサーは、エンジン燃焼圧力及びエンジン運転変数を利用してＮＯ発生率を計算し、前記エンジン燃焼圧力を利用してＮＯ生成期間を算出し、前記ＮＯ生成期間からＮＯ発生量を計算し、前記ＮＯ発生量とエンジン運転領域によるＮＯとＮＯ２の比率からＮＯ２発生量を算出してノックス（ＮＯｘ）発生量を予測することを特徴とする請求項９に記載のノックス制御システム。
【請求項１３】
前記エンジン運転変数は、燃料量、エンジン回転数（ＲＰＭ）、空燃比（ＡＦ）、及びＥＧＲ情報のうちの少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１２に記載のノックス制御システム。
【請求項１４】
前記ＮＯ発生率は、
【数１】
を利用して計算することを特徴とする請求項１３に記載のノックス制御システム。
ここで、ｄ［ＮＯ］／ｄｔは時間によるＮＯ発生率であり、Ｔは燃焼ガス温度であり、［Ｏ２］は燃焼室内の酸素濃度であり、［Ｎ２］は燃焼室内の窒素濃度であり、ＡとＢは定数である。
【請求項１５】
前記ＮＯ生成期間は、ＭＦＢ４０−８０区間またはＭＦＢ５０−９０区間を用いて算出することを特徴とする請求項１３に記載のノックス制御システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１０８４８９（Ｐ２０１３−１０８４８９Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−８４０７２（Ｐ２０１２−８４０７２）
【出願日】平成２４年４月２日（２０１２．４．２）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【出願人】（５０８２９８０７５）ソウル大学校産学協力団 (27)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月２日（２０１２．４．２）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【出願人】（５０８２９８０７５）ソウル大学校産学協力団 (27)
【Ｆターム（参考）】
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