ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、およびこれを利用した内燃機関の制御装置
【課題】ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、およびこれを利用した内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１から、ＥＧＲクーラ３２によるＥＧＲガスの温度低下分を差し引くことにより、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２を求めることができる。このＥＧＲガスの温度低下分は、ＥＧＲクーラ３２の実熱伝達率ｈＥＧＲから求めたＥＧＲクーラ効率ηＥＧＲに基づいて算出する。実熱伝達率ｈＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲから算出する。移動熱量ＱＥＧＲは、冷却水の受熱総量ＱＷと、気筒１０から冷却水が受ける熱量である受熱量Ｑｃｙｌとから算出する。受熱総量ＱＷは、サーモスタット４２の開弁率ｒから求める。受熱量Ｑｃｙｌは、筒内圧から求める。
【解決手段】ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１から、ＥＧＲクーラ３２によるＥＧＲガスの温度低下分を差し引くことにより、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２を求めることができる。このＥＧＲガスの温度低下分は、ＥＧＲクーラ３２の実熱伝達率ｈＥＧＲから求めたＥＧＲクーラ効率ηＥＧＲに基づいて算出する。実熱伝達率ｈＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲから算出する。移動熱量ＱＥＧＲは、冷却水の受熱総量ＱＷと、気筒１０から冷却水が受ける熱量である受熱量Ｑｃｙｌとから算出する。受熱総量ＱＷは、サーモスタット４２の開弁率ｒから求める。受熱量Ｑｃｙｌは、筒内圧から求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、およびこれを利用した内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００９−１１４８７１号公報に開示されているように、外部ＥＧＲシステムを備える内燃機関において、ＥＧＲクーラの放熱量（冷却効率）を求め、その冷却効率の値に基づいて各種制御を行う内燃機関の制御装置が知られている。
【０００３】
上記従来の技術においては、内燃機関の外部ＥＧＲガス通路に、２つの温度センサが取り付けられる。これら２つの温度センサのうち、１つは外部ＥＧＲガス通路内のＥＧＲクーラ上流側に設けられ、他の１つは外部ＥＧＲガス通路内のＥＧＲクーラ下流側に設けられる。この構成によれば、２つの温度センサの出力に基づいて、ＥＧＲクーラの通過前後のＥＧＲガス温度を検出することができる。２つの温度センサの出力に基づいて得たＥＧＲクーラの通過前後のＥＧＲガス温度に基づいて、ＥＧＲクーラの冷却効率を求めることができる。
【０００４】
ＥＧＲクーラの冷却効率は、気筒に還流されるＥＧＲガスの温度に影響を与える。よって、ＥＧＲクーラの冷却効率の実際の値を把握することは、ＥＧＲ制御を行う上で重要な事項となる。この点、上記従来の技術によれば、ＥＧＲクーラの冷却効率をセンサ出力に基づいて算出することにより、ＥＧＲガスの温度に応じてＥＧＲ制御を的確に行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１４８７１号公報
【特許文献２】特開２００４−２１１５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のＥＧＲクーラ冷却効率算出技術は、ＥＧＲガス温度を温度センサを用いて直接に測定する手法に頼っている。
【０００７】
ところで、内燃機関の冷却系には、冷却液が流れる冷却液通路、ラジエータ、この冷却液通路およびラジエータとの間に介在するサーモスタットといった各種機器が含まれている。冷却液通路は、内燃機関本体の内部を延びており、冷却液を流通させることによって内燃機関本体を冷却する。
【０００８】
外部ＥＧＲシステムは、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラを有している。ＥＧＲクーラの冷却も、内燃機関の冷却系の機能を用いて内燃機関本体の冷却と共通に行われる。
【０００９】
冷却液通路を流れる冷却液は、内燃機関本体およびＥＧＲクーラから熱を受け取り、その熱はラジエータにおいて放熱される。つまり、冷却系内の冷却液の流通の過程において、サーモスタットを境にして、ラジエータ側と、内燃機関およびＥＧＲクーラ側との間で熱が授受されている。そこで、本願発明者は、冷却液の熱収支の関係を解くことにより、上記従来技術にかかる温度センサによるＥＧＲガス温度の直接測定とは異なる手法によって、ＥＧＲクーラ冷却効率を算出する手法を見出した。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の冷却系における冷却液の熱収支に基づいて、ＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができるＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、およびこれを利用した内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置において、
内燃機関の気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲ通路と、前記外部ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、を備えた内燃機関における前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出装置であって、
前記サーモスタットの開弁率に基づいて、前記冷却液通路内の冷却液の受熱総量を算出する受熱総量算出手段と、
前記内燃機関の前記気筒での燃焼によって前記冷却液通路の前記冷却液が前記内燃機関から受けた熱量である燃焼受熱量を算出する燃焼受熱量算出手段と、
前記受熱総量と前記燃焼受熱量から、前記ＥＧＲクーラから前記冷却液通路の前記冷却液へ移動した熱量である移動熱量を算出する移動熱量算出手段と、
前記冷却液通路の前記ＥＧＲクーラ入口側における前記冷却液の温度を取得する入口冷却液温度取得手段と、
前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と、前記入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明は、上記第１の発明において、
前記冷却効率算出手段が、前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と前記ＥＧＲクーラ入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度とに基づいて前記ＥＧＲクーラの実熱伝達率を算出する実熱伝達率算出手段を、含み、
さらに、
前記ＥＧＲクーラに流れ込むＥＧＲガスの温度を取得する入口ガス温度取得手段と、
前記実熱伝達率算手段で算出した前記実熱伝達率に基づいて、前記ＥＧＲクーラを通過することによるＥＧＲガスの温度低下量を算出する温度低下量算出手段と、
前記入口ガス温度取得手段で算出した前記温度と、前記温度低下量算出手段で算出した前記温度低下量と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出するＥＧＲガス温度算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
第３の発明は、内燃機関の制御装置において、
気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲシステムと、
前記外部ＥＧＲシステムを経由して還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、
内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、
前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、
を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出する、上記第１または２の発明にかかるＥＧＲクーラの冷却効率算出装置と、
前記サーモスタットの開弁率を入力情報として前記ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置が算出した前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲガスの前記温度に基づいて、前記外部ＥＧＲシステムを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、内燃機関の冷却系における冷却液の熱収支に基づいて、ＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができる。すなわち、サーモスタットは、冷却液の温度調節の目的のために冷却液温度に応じて開弁率を変化させる。サーモスタットの開弁率から求めた冷却液の受熱総量と、気筒内の燃焼により冷却液が受けた熱量と、に基づき、ＥＧＲクーラから冷却液に移動した移動熱量を算出することができる。ＥＧＲクーラ入口側における冷却液の温度と、ＥＧＲクーラから冷却液への移動熱量とがわかれば、それらの関係からＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、内燃機関の冷却系における冷却液の熱収支の関係を解いて得た熱伝達率を用いて、ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、第１または第２の発明で得られたＥＧＲクーラ冷却効率或いはＥＧＲガス温度を用いて、外部ＥＧＲシステムを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置およびこれを備えた内燃機関の構成を示す。
【図２】本発明の実施の形態におけるＥＧＲクーラの冷却効率算出手法を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態においてＥＧＲクーラの入口におけるＥＧＲガスの温度を算出するためのルーチンのフローチャートを示す。
【図５】本発明の実施の形態において用いられるマップの一例である。
【図６】本発明の実施の形態において用いられるマップの一例である。
【図７】本発明の実施の形態において用いられるマップの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態にかかる、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置およびこれを備えた内燃機関２の構成を示す図である。本実施形態にかかるＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、および内燃機関２は、車両用内燃機関として好適に用いることができる。
【００１９】
本実施形態にかかる内燃機関２は、図１に示すように、気筒１０を備えている。本実施形態では、便宜上、１つの気筒を図示して説明を行う。ただし、本発明が搭載される内燃機関の構成は本実施形態で例示するものに限られず、本発明が対象とする内燃機関の具体的構成（気筒数や気筒配列方式、ディーゼル、ガソリンの別、その他）について限定はない。
【００２０】
気筒１０には、ピストン１２が備えられている。ピストン１２は、クランクシャフト１４と連結している。内燃機関２は、気筒１０と吸気ポートの間に介在する吸気バルブ２０と、気筒１０と排気ポートとの間に介在する排気バルブ２２を備えている。また、気筒１０は、そのシリンダヘッドに、燃焼室内に突出するように、点火プラグ１６および筒内圧センサ１８を備えている。吸気バルブ２０の上流側には、吸気ポート、サージタンク、スロットル２４を含む吸気通路が備えられている。
【００２１】
内燃機関２は、ＥＧＲガス通路３０、ＥＧＲバルブ３４、およびＥＧＲクーラ３２を含む外部ＥＧＲシステムを備えている。ＥＧＲガス通路３０は、一端が排気ポートと、他端が吸気ポートと連通している。排気ガスが、ＥＧＲガス通路３０を通って、ＥＧＲクーラ３２で所定温度に低下させられた状態であって且つＥＧＲバルブ３４の開度に応じた流量で、気筒１０へと再循環させられる。
【００２２】
内燃機関２は、冷却液通路４０を備えている。冷却液通路４０は、図１に示すように、気筒１０およびＥＧＲクーラ３２の周囲を延びることにより、冷却液（エンジン冷却水であり、以下、単に「冷却水」と称す）によってそれらを冷却することができる。冷却液通路４０における気筒１０下流側には、エンジン冷却水温センサ４６が備えられている。エンジン冷却水温センサ４６は、気筒１０下流位置における冷却水の温度を検知する。冷却液通路４０の途中には、ラジエータ４４、サーモスタット４２、およびウォーターポンプ（図示略）が備えられている。
【００２３】
内燃機関２には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０が備えられている。ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１８、点火プラグ１６、ＥＧＲバルブ３４、サーモスタット４２およびエンジン冷却水温センサ４６と接続している。ＥＣＵ５０は、エンジン冷却水温センサ４６の出力に基づいて冷却水温度ＴＷを、筒内圧センサ１８の出力に基づいて筒内圧Ｐｃｙｌを、それぞれ取得できる。また、ＥＣＵ５０はサーモスタット４２に制御信号を与えており、サーモスタット４２の現在の開弁率ｒも取得できる。
【００２４】
なお、図示しないが、ＥＣＵ５０は、内燃機関２に取り付けられた各種センサ（例えば、エアフローメータ、クランクポジションセンサ、空燃比センサや酸素センサなどの排気ガスセンサ）とも接続する。また、ＥＣＵ５０は、図示しないが、内燃機関２の運転に係る各種アクチュエータ（例えば燃料噴射弁（不図示）のアクチュエータ、吸排気バルブの駆動機構のアクチュエータなど）とも接続する。
【００２５】
［実施の形態のＥＧＲクーラ冷却効率算出］
以下、本発明の実施の形態にかかるＥＧＲクーラの冷却効率算出の内容を説明する。
【００２６】
ＥＧＲクーラの冷却効率は、一般に、部品の劣化やデポジット・汚れの付着により、経時的に劣化する。また、製品バラツキによる冷却効率のばらつきもある。ＥＧＲクーラの冷却効率は、ＥＧＲクーラの出口におけるＥＧＲガスの温度（つまり、気筒に還流されるＥＧＲガスの温度）に影響を与える。仮に、ＥＧＲクーラ出口におけるＥＧＲガスの温度を精度良く把握できないままＥＧＲ制御を行ってしまうと、各種の問題（例えば筒内空気量推定精度の悪化）を招いてしまう。こういった背景があるため、ＥＧＲクーラの冷却効率の実際の値を把握することは、ＥＧＲ制御を行う上で重要な事項となる。
【００２７】
そこで、本実施形態では、下記の（i）〜（v）の方針に従って冷却水の熱収支の関係を解くことにより、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度、およびＥＧＲクーラ３２の冷却効率を算出することにした。
【００２８】
（i）ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１を、排気温度と等しいと仮定し、筒内圧から求めておく。筒内圧Ｐｃｙｌは、筒内圧センサ１８の出力から求めることができる。温度Ｔｅｘ１から、ＥＧＲクーラ３２によるＥＧＲガスの温度低下分を差し引くことにより、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２を求めることができる。
【００２９】
（ii）ＥＧＲガスの温度低下分は、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲに基づいて算出する。ＥＧＲクーラ効率ηＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２の実熱伝達率ｈＥＧＲから求めることができる。
（iii）実熱伝達率ｈＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲから算出する。
（iv）移動熱量ＱＥＧＲは、冷却水の受熱総量ＱＷと、気筒１０から冷却水が受ける熱量である受熱量Ｑｃｙｌとから算出する。
【００３０】
（v）受熱総量ＱＷは、サーモスタット４２の開弁率ｒから求める。受熱量Ｑｃｙｌは、筒内圧から求める。
本実施形態では、受熱総量ＱＷをサーモスタット４２の開弁率ｒから求める。冷却液通路４０を流れる冷却水は気筒１０から熱を受け取り、その熱はラジエータ４４において放熱される。サーモスタット４２は、冷却水の温度調節を目的として備えられる構成であり、冷却水の温度に応じてラジエータ４４を通過する冷却水流量を調節すべく開弁率ｒを変化させる。内燃機関２の運転中に、冷却水の受熱量が多ければ、それに応じて冷却水の温度も上昇し、サーモスタット４２の開弁率ｒも大きくなる。このような関係が成立しているため、サーモスタット４２の開弁率ｒから、冷却水の熱収支を把握することが可能である。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態におけるＥＧＲクーラの冷却効率算出手法を説明するためのフローチャートである。図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１０４，Ｓ１０６が、上記（v）のステップに、ステップＳ１０８が、上記（iv）のステップに、ステップＳ１１２が、上記（iii）のステップに、ステップＳ１１２、Ｓ１１４が、上記（ii）のステップに、ステップＳ１１６が、上記（i）のステップに、それぞれ相当している。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態によれば、内燃機関２の冷却系における冷却水の熱収支に基づいて、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを算出することができる。すなわち、サーモスタット４２は、冷却水の温度調節の目的のために冷却水温度に応じて開弁率ｒを変化させる。サーモスタット４２の開弁率ｒから求めた冷却水の受熱総量ＱＷと、気筒１０内の燃焼により冷却水が受けた受熱量Ｑｃｙｌと、に基づき、ＥＧＲクーラ３２から冷却水に移動した移動熱量ＱＥＧＲを算出することができる。ＥＧＲクーラ３２入口側における冷却水の温度と、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲとがわかれば、それらの関係からＥＧＲクーラの冷却効率ηＥＧＲを算出することができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、サーモスタット４２の開弁率ｒから求めた受熱総量を用いて、冷却水の熱収支の関係を解くことにより、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを算出することができる。サーモスタットは内燃機関の冷却系に通常備えられる部品である。本実施形態によれば、ＥＧＲクーラの出入口付近に温度センサを設けるなどの専用部品を必要とせずに、ＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができる。
【００３４】
［実施の形態の具体的処理］
図３は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図３のルーチンは、上述した図２のフローチャートの内容を具体化したものである。
【００３５】
図３に示すルーチンでは、先ず、筒内圧Ｐおよび筒内容積Ｖが検出される（ステップＳ１００）。このステップでは、筒内圧センサ１８の出力や、例えばクランク角センサ（不図示）の出力に基づいて、筒内圧Ｐおよび筒内容積Ｖが算定される。
【００３６】
続いて、燃焼による筒内増加熱量Ｑｃｏｍｂが算出される（ステップＳ１２０）。このステップでは、熱力学第１法則および気体の状態方程式に則り、下記の式に従って筒内増加熱量Ｑｃｏｍｂが算出される。
【数１】
ただし、上記の式において、ＳＡは点火時期、ＥＶＯは排気バルブの開弁時期、κは比熱比である。
【００３７】
次に、燃料の低位発熱量Ｑｆｕｅｌが算出される（ステップＳ１２２）。燃料の低位発熱量は、噴射燃料種と質量とから一意に求めることができる。
【００３８】
次に、受熱量Ｑｃｙｌが算出される（ステップＳ１０２）。受熱量Ｑｃｙｌは、気筒１０から冷却水が受けた熱量である。このステップでは、下記の式に従って、受熱量Ｑｃｙｌが算出される。
【数２】
【００３９】
一方、図３のルーチンでは、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理と並行して、サーモスタット４２の開弁率ｒが算出される（ステップＳ１０４）。この開弁率ｒに基づいて、冷却水の受熱総量Ｑｗが算出される（ステップＳ１０６）。
開弁率ｒは、サーモスタット４２への制御信号に基づいて、一定時間当たりにサーモスタット４２が開かれている割合を求めることにより算定できる。具体的には、例えば過去６０秒間の間に４８秒開かれていればｒ＝４８（ｓｅｃ）／６０（ｓｅｃ）＝８０％というように、求めることができる。また、時間以外にも、開度つまり流量断面積を考慮して開弁率ｒを求めても良い。
受熱総量Ｑｗについては、本実施形態では、図５に一例として示すようなマップを予め作成しておき、このマップをＥＣＵ５０に記憶させておく。例えば開弁率ｒ＝８０％の場合には、図５において、横軸の０．８の値に対応するＱｗが取得される。ＥＣＵ５０は、このマップを参照することにより、ステップＳ１０４で求めた開弁率ｒに応じた受熱総量Ｑｗを取得する。なお、変形例として、２次元マップとしてではなく、一次式として記憶しておいてもよい。
【００４０】
次に、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲが算出される（ステップＳ１０８）。このステップでは、下記の式に従い受熱総量Ｑｗから受熱量Ｑｃｙｌを減ずることにより、移動熱量ＱＥＧＲが算出される。
【数３】
【００４１】
また、ＥＧＲクーラ３２の入口における冷却水温度ＴＷ，ＥＧＲの算出も行われる（ステップＳ１１０）。このステップでは、下記の式に従って、冷却水温度ＴＷ，ＥＧＲが産出される。
【数４】
上記の式において、Ｍｗは、冷却水流量［ｇ／ｓ］である。本実施形態では、Ｍｗとエンジン回転数とのマップ或いはそれらの一次式を予め作成してＥＣＵ５０に記憶しておくものとする。ｃｐは、定圧比熱［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］であり、定数或いはマップとして作成し、ＥＣＵ５０に記憶しておくものとする。
【００４２】
次に、ＥＧＲクーラ３２の実熱伝達率ｈＥＧＲが算出される（ステップＳ１１２）。このステップでは、下記の式に従って、実熱伝達率ｈＥＧＲが算出される。
【数５】
上記の式において、ＡＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２とＥＧＲガス通路３０との接触面積を示す。図１の構成図でも模式的に示しているように、接触面積ＡＥＧＲは、ＥＧＲガス通路３０を流れるＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３２と接する面積に相当する。接触面積ＡＥＧＲは、例えば設計値や実験値から求めて事前にＥＣＵ５０に記憶しておく。
【００４３】
Ｔｅｘ１は、前述したようにＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度であり、図４に示すルーチンに従って算出される。図４は、本実施形態においてＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１を算出するためのルーチンのフローチャートを示す。図４のルーチンでは、先ず、下記の式に従って、筒内質量Ｍｃｙｌの算出が行われる（ステップＳ２００）。
【数６】
上記の式において、筒内圧Ｐおよび容積Ｖのそれぞれの添え字のＩＶＣは、吸気バルブ２０の閉弁時の値を用いることを意味している。ＩＶＣ時（吸気バルブ閉弁時）の筒内温度は、エンジン水温に等しいと仮定し、エンジン冷却水温センサ４６から求める。Ｒは、気体定数である。
【００４４】
次に、ステップＳ２００で算出された筒内質量Ｍｃｙｌを用いて、下記の式に従って、温度Ｔｅｘ１が算出される（ステップＳ２０２）。
【数７】
上記の式において、筒内圧Ｐおよび容積Ｖのそれぞれの添え字のＥＶＯは、排気バルブ２２の開弁時の値を用いることを意味している。本実施形態では、ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１は、ＥＶＯ時（排気バルブ閉弁時）の筒内温度に等しいと仮定している。以上説明した図４のルーチン（サブルーチン）によって、ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１を算出することができる。
【００４５】
図３のステップＳ１１２において実熱伝達率ｈＥＧＲが算出された後、図６のマップが参照されることにより、ＥＧＲクーラ冷却効率ηＥＧＲが算出される（ステップＳ１１４）。図６に示すマップは一例として示すものであり、予めｈＥＧＲとηＥＧＲの関係を実験等により定めてマップ化したものをＥＣＵ５０に記憶しておく。２次元マップに代えて、一次式として記憶させてもよい。
【００４６】
以上の処理により、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率を算出することができる。
【００４７】
図３のルーチンでは、続いて、ＥＧＲガス温度計数ｋが算出される（ステップＳ１２４）。このステップでは、図７のマップが参照されることにより、ＥＧＲクーラ冷却効率ηＥＧＲの値に応じたＥＧＲガス温度計数ｋが算出される。図７に示すマップは一例として示すものであり、予めηＥＧＲとｋの関係を実験等により定めてマップ化したものをＥＣＵ５０に記憶しておく。２次元マップに代えて、一次式として記憶させてもよい。
【００４８】
続いて、下記の式に従って、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２が算出される（ステップＳ１１６）。
【数８】
【００４９】
上記の式のうち、ＭＥＧＲは、ＥＧＲガスの質量流量である。具体的には、図１の構成図においては、ＥＧＲバルブ３４を通過する矢印位置のＥＧＲガスの質量流量である。ＭＥＧＲは、下記の式に従って算出される。但し、下記の式で、ＰｉｎはＰＩＶＣつまり吸気バルブ閉弁時の筒内圧とし、ＰｅｘはＰＩＶＯつまり吸気バルブ開弁時の筒内圧とする。Ｔｅｘ２は、前回値を使用する。
【数９】
上記の式の右辺において、ＳはＥＧＲバルブ３４の開口面積に相当し、φ（Ｐｉｎ／Ｐｅｘ）は流速に、Ｐｅｘ／（ＲＴｅｘ２）１／２は密度に相当している。φ（Ｐｉｎ／Ｐｅｘ）の値は、下記の式で求められる。
【数１０】
【００５０】
以上の処理により、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２を求めることができる。
【００５１】
なお、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ５０が、図３のフローチャートにおける、上記ステップＳ１０４およびＳ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「受熱総量算出手段」が、上記ステップＳ１００、Ｓ１２０、Ｓ１２２およびＳ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃焼受熱量算出手段」が、上記ステップＳ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「移動熱量算出手段」が、上記ステップＳ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「入口冷却液温度取得手段」が、上記ステップＳ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「冷却効率算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００５２】
［実施の形態の変形例］
実施の形態では、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを求め、これを利用してＥＧＲガスのＥＧＲクーラ出口温度Ｔｅｘ２を算出した。この温度Ｔｅｘ２を用いて、ＥＧＲバルブ３４の制御内容を補正するなど、ＥＧＲシステムの各種制御を行ってもよい。また、冷却効率ηＥＧＲの算出値を、内燃機関２の制御に利用してもよい。実施の形態のＥＧＲクーラ冷却効率算出の欄で述べたように、ＥＧＲクーラの冷却効率には、経時的な劣化やばらつきがある。ＥＧＲクーラの冷却効率はＥＧＲガスの温度に影響を与えるので、ＥＧＲクーラの冷却効率の変化は、筒内空気量推定精度の悪化をはじめ内燃機関の各種制御に影響を及ぼす。この点に関し、本実施の形態で求めたＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを、内燃機関２の各種制御（例えば筒内空気量推定に関する制御）に活用してもよい。或いは、ＥＧＲクーラ３２の異常診断（異常判定）に用いても良い。具体的には、例えば、現在の冷却効率ηＥＧＲの値が所定の目標値（基準値）に対して所定量以上大きく乖離しているか否かに基づいて、ＥＧＲクーラ３２の異常判定を行うことができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、サーモスタット４２として、ＥＣＵ５０からの電気信号により制御可能なタイプのサーモスタットを用いた。しかしながら本発明はこれに限られない。サーモスタットの具体的構成に特に限定は無く、サーモスタットの開弁率ｒを知るための構成が備えられていれば良い。
【符号の説明】
【００５４】
２ 内燃機関
１０ 気筒
１２ ピストン
１４ クランクシャフト
１６ 点火プラグ
１８ 筒内圧センサ
２０ 吸気バルブ
２２ 排気バルブ
２４ スロットル
３０ ＥＧＲガス通路
３２ ＥＧＲクーラ
３４ ＥＧＲバルブ
４０ 冷却液通路
４２ サーモスタット
４４ ラジエータ
４６ エンジン水温センサ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、およびこれを利用した内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００９−１１４８７１号公報に開示されているように、外部ＥＧＲシステムを備える内燃機関において、ＥＧＲクーラの放熱量（冷却効率）を求め、その冷却効率の値に基づいて各種制御を行う内燃機関の制御装置が知られている。
【０００３】
上記従来の技術においては、内燃機関の外部ＥＧＲガス通路に、２つの温度センサが取り付けられる。これら２つの温度センサのうち、１つは外部ＥＧＲガス通路内のＥＧＲクーラ上流側に設けられ、他の１つは外部ＥＧＲガス通路内のＥＧＲクーラ下流側に設けられる。この構成によれば、２つの温度センサの出力に基づいて、ＥＧＲクーラの通過前後のＥＧＲガス温度を検出することができる。２つの温度センサの出力に基づいて得たＥＧＲクーラの通過前後のＥＧＲガス温度に基づいて、ＥＧＲクーラの冷却効率を求めることができる。
【０００４】
ＥＧＲクーラの冷却効率は、気筒に還流されるＥＧＲガスの温度に影響を与える。よって、ＥＧＲクーラの冷却効率の実際の値を把握することは、ＥＧＲ制御を行う上で重要な事項となる。この点、上記従来の技術によれば、ＥＧＲクーラの冷却効率をセンサ出力に基づいて算出することにより、ＥＧＲガスの温度に応じてＥＧＲ制御を的確に行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１４８７１号公報
【特許文献２】特開２００４−２１１５６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来のＥＧＲクーラ冷却効率算出技術は、ＥＧＲガス温度を温度センサを用いて直接に測定する手法に頼っている。
【０００７】
ところで、内燃機関の冷却系には、冷却液が流れる冷却液通路、ラジエータ、この冷却液通路およびラジエータとの間に介在するサーモスタットといった各種機器が含まれている。冷却液通路は、内燃機関本体の内部を延びており、冷却液を流通させることによって内燃機関本体を冷却する。
【０００８】
外部ＥＧＲシステムは、ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラを有している。ＥＧＲクーラの冷却も、内燃機関の冷却系の機能を用いて内燃機関本体の冷却と共通に行われる。
【０００９】
冷却液通路を流れる冷却液は、内燃機関本体およびＥＧＲクーラから熱を受け取り、その熱はラジエータにおいて放熱される。つまり、冷却系内の冷却液の流通の過程において、サーモスタットを境にして、ラジエータ側と、内燃機関およびＥＧＲクーラ側との間で熱が授受されている。そこで、本願発明者は、冷却液の熱収支の関係を解くことにより、上記従来技術にかかる温度センサによるＥＧＲガス温度の直接測定とは異なる手法によって、ＥＧＲクーラ冷却効率を算出する手法を見出した。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、内燃機関の冷却系における冷却液の熱収支に基づいて、ＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができるＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、およびこれを利用した内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置において、
内燃機関の気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲ通路と、前記外部ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、を備えた内燃機関における前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出装置であって、
前記サーモスタットの開弁率に基づいて、前記冷却液通路内の冷却液の受熱総量を算出する受熱総量算出手段と、
前記内燃機関の前記気筒での燃焼によって前記冷却液通路の前記冷却液が前記内燃機関から受けた熱量である燃焼受熱量を算出する燃焼受熱量算出手段と、
前記受熱総量と前記燃焼受熱量から、前記ＥＧＲクーラから前記冷却液通路の前記冷却液へ移動した熱量である移動熱量を算出する移動熱量算出手段と、
前記冷却液通路の前記ＥＧＲクーラ入口側における前記冷却液の温度を取得する入口冷却液温度取得手段と、
前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と、前記入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明は、上記第１の発明において、
前記冷却効率算出手段が、前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と前記ＥＧＲクーラ入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度とに基づいて前記ＥＧＲクーラの実熱伝達率を算出する実熱伝達率算出手段を、含み、
さらに、
前記ＥＧＲクーラに流れ込むＥＧＲガスの温度を取得する入口ガス温度取得手段と、
前記実熱伝達率算手段で算出した前記実熱伝達率に基づいて、前記ＥＧＲクーラを通過することによるＥＧＲガスの温度低下量を算出する温度低下量算出手段と、
前記入口ガス温度取得手段で算出した前記温度と、前記温度低下量算出手段で算出した前記温度低下量と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出するＥＧＲガス温度算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
第３の発明は、内燃機関の制御装置において、
気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲシステムと、
前記外部ＥＧＲシステムを経由して還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、
内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、
前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、
を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出する、上記第１または２の発明にかかるＥＧＲクーラの冷却効率算出装置と、
前記サーモスタットの開弁率を入力情報として前記ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置が算出した前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲガスの前記温度に基づいて、前記外部ＥＧＲシステムを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、内燃機関の冷却系における冷却液の熱収支に基づいて、ＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができる。すなわち、サーモスタットは、冷却液の温度調節の目的のために冷却液温度に応じて開弁率を変化させる。サーモスタットの開弁率から求めた冷却液の受熱総量と、気筒内の燃焼により冷却液が受けた熱量と、に基づき、ＥＧＲクーラから冷却液に移動した移動熱量を算出することができる。ＥＧＲクーラ入口側における冷却液の温度と、ＥＧＲクーラから冷却液への移動熱量とがわかれば、それらの関係からＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、内燃機関の冷却系における冷却液の熱収支の関係を解いて得た熱伝達率を用いて、ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、第１または第２の発明で得られたＥＧＲクーラ冷却効率或いはＥＧＲガス温度を用いて、外部ＥＧＲシステムを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置およびこれを備えた内燃機関の構成を示す。
【図２】本発明の実施の形態におけるＥＧＲクーラの冷却効率算出手法を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態においてＥＧＲクーラの入口におけるＥＧＲガスの温度を算出するためのルーチンのフローチャートを示す。
【図５】本発明の実施の形態において用いられるマップの一例である。
【図６】本発明の実施の形態において用いられるマップの一例である。
【図７】本発明の実施の形態において用いられるマップの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態にかかる、ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置およびこれを備えた内燃機関２の構成を示す図である。本実施形態にかかるＥＧＲクーラの冷却効率算出装置、および内燃機関２は、車両用内燃機関として好適に用いることができる。
【００１９】
本実施形態にかかる内燃機関２は、図１に示すように、気筒１０を備えている。本実施形態では、便宜上、１つの気筒を図示して説明を行う。ただし、本発明が搭載される内燃機関の構成は本実施形態で例示するものに限られず、本発明が対象とする内燃機関の具体的構成（気筒数や気筒配列方式、ディーゼル、ガソリンの別、その他）について限定はない。
【００２０】
気筒１０には、ピストン１２が備えられている。ピストン１２は、クランクシャフト１４と連結している。内燃機関２は、気筒１０と吸気ポートの間に介在する吸気バルブ２０と、気筒１０と排気ポートとの間に介在する排気バルブ２２を備えている。また、気筒１０は、そのシリンダヘッドに、燃焼室内に突出するように、点火プラグ１６および筒内圧センサ１８を備えている。吸気バルブ２０の上流側には、吸気ポート、サージタンク、スロットル２４を含む吸気通路が備えられている。
【００２１】
内燃機関２は、ＥＧＲガス通路３０、ＥＧＲバルブ３４、およびＥＧＲクーラ３２を含む外部ＥＧＲシステムを備えている。ＥＧＲガス通路３０は、一端が排気ポートと、他端が吸気ポートと連通している。排気ガスが、ＥＧＲガス通路３０を通って、ＥＧＲクーラ３２で所定温度に低下させられた状態であって且つＥＧＲバルブ３４の開度に応じた流量で、気筒１０へと再循環させられる。
【００２２】
内燃機関２は、冷却液通路４０を備えている。冷却液通路４０は、図１に示すように、気筒１０およびＥＧＲクーラ３２の周囲を延びることにより、冷却液（エンジン冷却水であり、以下、単に「冷却水」と称す）によってそれらを冷却することができる。冷却液通路４０における気筒１０下流側には、エンジン冷却水温センサ４６が備えられている。エンジン冷却水温センサ４６は、気筒１０下流位置における冷却水の温度を検知する。冷却液通路４０の途中には、ラジエータ４４、サーモスタット４２、およびウォーターポンプ（図示略）が備えられている。
【００２３】
内燃機関２には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０が備えられている。ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１８、点火プラグ１６、ＥＧＲバルブ３４、サーモスタット４２およびエンジン冷却水温センサ４６と接続している。ＥＣＵ５０は、エンジン冷却水温センサ４６の出力に基づいて冷却水温度ＴＷを、筒内圧センサ１８の出力に基づいて筒内圧Ｐｃｙｌを、それぞれ取得できる。また、ＥＣＵ５０はサーモスタット４２に制御信号を与えており、サーモスタット４２の現在の開弁率ｒも取得できる。
【００２４】
なお、図示しないが、ＥＣＵ５０は、内燃機関２に取り付けられた各種センサ（例えば、エアフローメータ、クランクポジションセンサ、空燃比センサや酸素センサなどの排気ガスセンサ）とも接続する。また、ＥＣＵ５０は、図示しないが、内燃機関２の運転に係る各種アクチュエータ（例えば燃料噴射弁（不図示）のアクチュエータ、吸排気バルブの駆動機構のアクチュエータなど）とも接続する。
【００２５】
［実施の形態のＥＧＲクーラ冷却効率算出］
以下、本発明の実施の形態にかかるＥＧＲクーラの冷却効率算出の内容を説明する。
【００２６】
ＥＧＲクーラの冷却効率は、一般に、部品の劣化やデポジット・汚れの付着により、経時的に劣化する。また、製品バラツキによる冷却効率のばらつきもある。ＥＧＲクーラの冷却効率は、ＥＧＲクーラの出口におけるＥＧＲガスの温度（つまり、気筒に還流されるＥＧＲガスの温度）に影響を与える。仮に、ＥＧＲクーラ出口におけるＥＧＲガスの温度を精度良く把握できないままＥＧＲ制御を行ってしまうと、各種の問題（例えば筒内空気量推定精度の悪化）を招いてしまう。こういった背景があるため、ＥＧＲクーラの冷却効率の実際の値を把握することは、ＥＧＲ制御を行う上で重要な事項となる。
【００２７】
そこで、本実施形態では、下記の（i）〜（v）の方針に従って冷却水の熱収支の関係を解くことにより、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度、およびＥＧＲクーラ３２の冷却効率を算出することにした。
【００２８】
（i）ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１を、排気温度と等しいと仮定し、筒内圧から求めておく。筒内圧Ｐｃｙｌは、筒内圧センサ１８の出力から求めることができる。温度Ｔｅｘ１から、ＥＧＲクーラ３２によるＥＧＲガスの温度低下分を差し引くことにより、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２を求めることができる。
【００２９】
（ii）ＥＧＲガスの温度低下分は、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲに基づいて算出する。ＥＧＲクーラ効率ηＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２の実熱伝達率ｈＥＧＲから求めることができる。
（iii）実熱伝達率ｈＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲから算出する。
（iv）移動熱量ＱＥＧＲは、冷却水の受熱総量ＱＷと、気筒１０から冷却水が受ける熱量である受熱量Ｑｃｙｌとから算出する。
【００３０】
（v）受熱総量ＱＷは、サーモスタット４２の開弁率ｒから求める。受熱量Ｑｃｙｌは、筒内圧から求める。
本実施形態では、受熱総量ＱＷをサーモスタット４２の開弁率ｒから求める。冷却液通路４０を流れる冷却水は気筒１０から熱を受け取り、その熱はラジエータ４４において放熱される。サーモスタット４２は、冷却水の温度調節を目的として備えられる構成であり、冷却水の温度に応じてラジエータ４４を通過する冷却水流量を調節すべく開弁率ｒを変化させる。内燃機関２の運転中に、冷却水の受熱量が多ければ、それに応じて冷却水の温度も上昇し、サーモスタット４２の開弁率ｒも大きくなる。このような関係が成立しているため、サーモスタット４２の開弁率ｒから、冷却水の熱収支を把握することが可能である。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態におけるＥＧＲクーラの冷却効率算出手法を説明するためのフローチャートである。図２のフローチャートにおいて、ステップＳ１０４，Ｓ１０６が、上記（v）のステップに、ステップＳ１０８が、上記（iv）のステップに、ステップＳ１１２が、上記（iii）のステップに、ステップＳ１１２、Ｓ１１４が、上記（ii）のステップに、ステップＳ１１６が、上記（i）のステップに、それぞれ相当している。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態によれば、内燃機関２の冷却系における冷却水の熱収支に基づいて、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを算出することができる。すなわち、サーモスタット４２は、冷却水の温度調節の目的のために冷却水温度に応じて開弁率ｒを変化させる。サーモスタット４２の開弁率ｒから求めた冷却水の受熱総量ＱＷと、気筒１０内の燃焼により冷却水が受けた受熱量Ｑｃｙｌと、に基づき、ＥＧＲクーラ３２から冷却水に移動した移動熱量ＱＥＧＲを算出することができる。ＥＧＲクーラ３２入口側における冷却水の温度と、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲとがわかれば、それらの関係からＥＧＲクーラの冷却効率ηＥＧＲを算出することができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、サーモスタット４２の開弁率ｒから求めた受熱総量を用いて、冷却水の熱収支の関係を解くことにより、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを算出することができる。サーモスタットは内燃機関の冷却系に通常備えられる部品である。本実施形態によれば、ＥＧＲクーラの出入口付近に温度センサを設けるなどの専用部品を必要とせずに、ＥＧＲクーラの冷却効率を算出することができる。
【００３４】
［実施の形態の具体的処理］
図３は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。図３のルーチンは、上述した図２のフローチャートの内容を具体化したものである。
【００３５】
図３に示すルーチンでは、先ず、筒内圧Ｐおよび筒内容積Ｖが検出される（ステップＳ１００）。このステップでは、筒内圧センサ１８の出力や、例えばクランク角センサ（不図示）の出力に基づいて、筒内圧Ｐおよび筒内容積Ｖが算定される。
【００３６】
続いて、燃焼による筒内増加熱量Ｑｃｏｍｂが算出される（ステップＳ１２０）。このステップでは、熱力学第１法則および気体の状態方程式に則り、下記の式に従って筒内増加熱量Ｑｃｏｍｂが算出される。
【数１】
ただし、上記の式において、ＳＡは点火時期、ＥＶＯは排気バルブの開弁時期、κは比熱比である。
【００３７】
次に、燃料の低位発熱量Ｑｆｕｅｌが算出される（ステップＳ１２２）。燃料の低位発熱量は、噴射燃料種と質量とから一意に求めることができる。
【００３８】
次に、受熱量Ｑｃｙｌが算出される（ステップＳ１０２）。受熱量Ｑｃｙｌは、気筒１０から冷却水が受けた熱量である。このステップでは、下記の式に従って、受熱量Ｑｃｙｌが算出される。
【数２】
【００３９】
一方、図３のルーチンでは、ステップＳ１００〜Ｓ１０２の処理と並行して、サーモスタット４２の開弁率ｒが算出される（ステップＳ１０４）。この開弁率ｒに基づいて、冷却水の受熱総量Ｑｗが算出される（ステップＳ１０６）。
開弁率ｒは、サーモスタット４２への制御信号に基づいて、一定時間当たりにサーモスタット４２が開かれている割合を求めることにより算定できる。具体的には、例えば過去６０秒間の間に４８秒開かれていればｒ＝４８（ｓｅｃ）／６０（ｓｅｃ）＝８０％というように、求めることができる。また、時間以外にも、開度つまり流量断面積を考慮して開弁率ｒを求めても良い。
受熱総量Ｑｗについては、本実施形態では、図５に一例として示すようなマップを予め作成しておき、このマップをＥＣＵ５０に記憶させておく。例えば開弁率ｒ＝８０％の場合には、図５において、横軸の０．８の値に対応するＱｗが取得される。ＥＣＵ５０は、このマップを参照することにより、ステップＳ１０４で求めた開弁率ｒに応じた受熱総量Ｑｗを取得する。なお、変形例として、２次元マップとしてではなく、一次式として記憶しておいてもよい。
【００４０】
次に、ＥＧＲクーラ３２から冷却水への移動熱量ＱＥＧＲが算出される（ステップＳ１０８）。このステップでは、下記の式に従い受熱総量Ｑｗから受熱量Ｑｃｙｌを減ずることにより、移動熱量ＱＥＧＲが算出される。
【数３】
【００４１】
また、ＥＧＲクーラ３２の入口における冷却水温度ＴＷ，ＥＧＲの算出も行われる（ステップＳ１１０）。このステップでは、下記の式に従って、冷却水温度ＴＷ，ＥＧＲが産出される。
【数４】
上記の式において、Ｍｗは、冷却水流量［ｇ／ｓ］である。本実施形態では、Ｍｗとエンジン回転数とのマップ或いはそれらの一次式を予め作成してＥＣＵ５０に記憶しておくものとする。ｃｐは、定圧比熱［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］であり、定数或いはマップとして作成し、ＥＣＵ５０に記憶しておくものとする。
【００４２】
次に、ＥＧＲクーラ３２の実熱伝達率ｈＥＧＲが算出される（ステップＳ１１２）。このステップでは、下記の式に従って、実熱伝達率ｈＥＧＲが算出される。
【数５】
上記の式において、ＡＥＧＲは、ＥＧＲクーラ３２とＥＧＲガス通路３０との接触面積を示す。図１の構成図でも模式的に示しているように、接触面積ＡＥＧＲは、ＥＧＲガス通路３０を流れるＥＧＲガスがＥＧＲクーラ３２と接する面積に相当する。接触面積ＡＥＧＲは、例えば設計値や実験値から求めて事前にＥＣＵ５０に記憶しておく。
【００４３】
Ｔｅｘ１は、前述したようにＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度であり、図４に示すルーチンに従って算出される。図４は、本実施形態においてＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１を算出するためのルーチンのフローチャートを示す。図４のルーチンでは、先ず、下記の式に従って、筒内質量Ｍｃｙｌの算出が行われる（ステップＳ２００）。
【数６】
上記の式において、筒内圧Ｐおよび容積Ｖのそれぞれの添え字のＩＶＣは、吸気バルブ２０の閉弁時の値を用いることを意味している。ＩＶＣ時（吸気バルブ閉弁時）の筒内温度は、エンジン水温に等しいと仮定し、エンジン冷却水温センサ４６から求める。Ｒは、気体定数である。
【００４４】
次に、ステップＳ２００で算出された筒内質量Ｍｃｙｌを用いて、下記の式に従って、温度Ｔｅｘ１が算出される（ステップＳ２０２）。
【数７】
上記の式において、筒内圧Ｐおよび容積Ｖのそれぞれの添え字のＥＶＯは、排気バルブ２２の開弁時の値を用いることを意味している。本実施形態では、ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１は、ＥＶＯ時（排気バルブ閉弁時）の筒内温度に等しいと仮定している。以上説明した図４のルーチン（サブルーチン）によって、ＥＧＲクーラ３２の入口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ１を算出することができる。
【００４５】
図３のステップＳ１１２において実熱伝達率ｈＥＧＲが算出された後、図６のマップが参照されることにより、ＥＧＲクーラ冷却効率ηＥＧＲが算出される（ステップＳ１１４）。図６に示すマップは一例として示すものであり、予めｈＥＧＲとηＥＧＲの関係を実験等により定めてマップ化したものをＥＣＵ５０に記憶しておく。２次元マップに代えて、一次式として記憶させてもよい。
【００４６】
以上の処理により、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率を算出することができる。
【００４７】
図３のルーチンでは、続いて、ＥＧＲガス温度計数ｋが算出される（ステップＳ１２４）。このステップでは、図７のマップが参照されることにより、ＥＧＲクーラ冷却効率ηＥＧＲの値に応じたＥＧＲガス温度計数ｋが算出される。図７に示すマップは一例として示すものであり、予めηＥＧＲとｋの関係を実験等により定めてマップ化したものをＥＣＵ５０に記憶しておく。２次元マップに代えて、一次式として記憶させてもよい。
【００４８】
続いて、下記の式に従って、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２が算出される（ステップＳ１１６）。
【数８】
【００４９】
上記の式のうち、ＭＥＧＲは、ＥＧＲガスの質量流量である。具体的には、図１の構成図においては、ＥＧＲバルブ３４を通過する矢印位置のＥＧＲガスの質量流量である。ＭＥＧＲは、下記の式に従って算出される。但し、下記の式で、ＰｉｎはＰＩＶＣつまり吸気バルブ閉弁時の筒内圧とし、ＰｅｘはＰＩＶＯつまり吸気バルブ開弁時の筒内圧とする。Ｔｅｘ２は、前回値を使用する。
【数９】
上記の式の右辺において、ＳはＥＧＲバルブ３４の開口面積に相当し、φ（Ｐｉｎ／Ｐｅｘ）は流速に、Ｐｅｘ／（ＲＴｅｘ２）１／２は密度に相当している。φ（Ｐｉｎ／Ｐｅｘ）の値は、下記の式で求められる。
【数１０】
【００５０】
以上の処理により、ＥＧＲクーラ３２の出口におけるＥＧＲガスの温度Ｔｅｘ２を求めることができる。
【００５１】
なお、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ５０が、図３のフローチャートにおける、上記ステップＳ１０４およびＳ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「受熱総量算出手段」が、上記ステップＳ１００、Ｓ１２０、Ｓ１２２およびＳ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃焼受熱量算出手段」が、上記ステップＳ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「移動熱量算出手段」が、上記ステップＳ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「入口冷却液温度取得手段」が、上記ステップＳ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「冷却効率算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００５２】
［実施の形態の変形例］
実施の形態では、ＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを求め、これを利用してＥＧＲガスのＥＧＲクーラ出口温度Ｔｅｘ２を算出した。この温度Ｔｅｘ２を用いて、ＥＧＲバルブ３４の制御内容を補正するなど、ＥＧＲシステムの各種制御を行ってもよい。また、冷却効率ηＥＧＲの算出値を、内燃機関２の制御に利用してもよい。実施の形態のＥＧＲクーラ冷却効率算出の欄で述べたように、ＥＧＲクーラの冷却効率には、経時的な劣化やばらつきがある。ＥＧＲクーラの冷却効率はＥＧＲガスの温度に影響を与えるので、ＥＧＲクーラの冷却効率の変化は、筒内空気量推定精度の悪化をはじめ内燃機関の各種制御に影響を及ぼす。この点に関し、本実施の形態で求めたＥＧＲクーラ３２の冷却効率ηＥＧＲを、内燃機関２の各種制御（例えば筒内空気量推定に関する制御）に活用してもよい。或いは、ＥＧＲクーラ３２の異常診断（異常判定）に用いても良い。具体的には、例えば、現在の冷却効率ηＥＧＲの値が所定の目標値（基準値）に対して所定量以上大きく乖離しているか否かに基づいて、ＥＧＲクーラ３２の異常判定を行うことができる。
【００５３】
なお、本実施形態では、サーモスタット４２として、ＥＣＵ５０からの電気信号により制御可能なタイプのサーモスタットを用いた。しかしながら本発明はこれに限られない。サーモスタットの具体的構成に特に限定は無く、サーモスタットの開弁率ｒを知るための構成が備えられていれば良い。
【符号の説明】
【００５４】
２ 内燃機関
１０ 気筒
１２ ピストン
１４ クランクシャフト
１６ 点火プラグ
１８ 筒内圧センサ
２０ 吸気バルブ
２２ 排気バルブ
２４ スロットル
３０ ＥＧＲガス通路
３２ ＥＧＲクーラ
３４ ＥＧＲバルブ
４０ 冷却液通路
４２ サーモスタット
４４ ラジエータ
４６ エンジン水温センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲ通路と、前記外部ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、を備えた内燃機関における前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出装置であって、
前記サーモスタットの開弁率に基づいて、前記冷却液通路内の冷却液の受熱総量を算出する受熱総量算出手段と、
前記内燃機関の前記気筒での燃焼によって前記冷却液通路の前記冷却液が前記内燃機関から受けた熱量である燃焼受熱量を算出する燃焼受熱量算出手段と、
前記受熱総量と前記燃焼受熱量から、前記ＥＧＲクーラから前記冷却液通路の前記冷却液へ移動した熱量である移動熱量を算出する移動熱量算出手段と、
前記冷却液通路の前記ＥＧＲクーラ入口側における前記冷却液の温度を取得する入口冷却液温度取得手段と、
前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と、前記入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出手段と、
を備えることを特徴とするＥＧＲクーラの冷却効率算出装置。
【請求項２】
前記冷却効率算出手段が、前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と前記ＥＧＲクーラ入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度とに基づいて前記ＥＧＲクーラの実熱伝達率を算出する実熱伝達率算出手段を、含み、
さらに、
前記ＥＧＲクーラに流れ込むＥＧＲガスの温度を取得する入口ガス温度取得手段と、
前記実熱伝達率算出手段で算出した前記実熱伝達率に基づいて、前記ＥＧＲクーラを通過することによるＥＧＲガスの温度低下量を算出する温度低下量算出手段と、
前記入口ガス温度取得手段で算出した前記温度と、前記温度低下量算出手段で算出した前記温度低下量と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出するＥＧＲガス温度算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラの冷却効率算出装置。
【請求項３】
気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲシステムと、
前記外部ＥＧＲシステムを経由して還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、
内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、
前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、
を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出する、請求項１または２に記載のＥＧＲクーラの冷却効率算出装置と、
前記サーモスタットの開弁率を入力情報として前記ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置が算出した前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲガスの前記温度に基づいて、前記外部ＥＧＲシステムを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項１】
内燃機関の気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲ通路と、前記外部ＥＧＲ通路を流れるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、を備えた内燃機関における前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出装置であって、
前記サーモスタットの開弁率に基づいて、前記冷却液通路内の冷却液の受熱総量を算出する受熱総量算出手段と、
前記内燃機関の前記気筒での燃焼によって前記冷却液通路の前記冷却液が前記内燃機関から受けた熱量である燃焼受熱量を算出する燃焼受熱量算出手段と、
前記受熱総量と前記燃焼受熱量から、前記ＥＧＲクーラから前記冷却液通路の前記冷却液へ移動した熱量である移動熱量を算出する移動熱量算出手段と、
前記冷却液通路の前記ＥＧＲクーラ入口側における前記冷却液の温度を取得する入口冷却液温度取得手段と、
前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と、前記入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラの冷却効率を算出する冷却効率算出手段と、
を備えることを特徴とするＥＧＲクーラの冷却効率算出装置。
【請求項２】
前記冷却効率算出手段が、前記移動熱量算出手段で算出した前記移動熱量と前記ＥＧＲクーラ入口冷却液温度取得手段で取得した前記温度とに基づいて前記ＥＧＲクーラの実熱伝達率を算出する実熱伝達率算出手段を、含み、
さらに、
前記ＥＧＲクーラに流れ込むＥＧＲガスの温度を取得する入口ガス温度取得手段と、
前記実熱伝達率算出手段で算出した前記実熱伝達率に基づいて、前記ＥＧＲクーラを通過することによるＥＧＲガスの温度低下量を算出する温度低下量算出手段と、
前記入口ガス温度取得手段で算出した前記温度と、前記温度低下量算出手段で算出した前記温度低下量と、に基づいて、前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出するＥＧＲガス温度算出手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲクーラの冷却効率算出装置。
【請求項３】
気筒内にＥＧＲガスを還流する外部ＥＧＲシステムと、
前記外部ＥＧＲシステムを経由して還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラと、
内部に冷却液が流通し、ラジエータと接続し、前記内燃機関の前記気筒の周囲に延び且つ前記ＥＧＲクーラと接続する冷却液通路と、
前記冷却液通路と前記ラジエータとの間に介在するサーモスタットと、
を備える内燃機関を制御する制御装置であって、
前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲクーラ下流におけるＥＧＲガスの温度を算出する、請求項１または２に記載のＥＧＲクーラの冷却効率算出装置と、
前記サーモスタットの開弁率を入力情報として前記ＥＧＲクーラの冷却効率算出装置が算出した前記ＥＧＲクーラの冷却効率または前記ＥＧＲガスの前記温度に基づいて、前記外部ＥＧＲシステムを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１１１９４２（Ｐ２０１１−１１１９４２Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６７５９２（Ｐ２００９−２６７５９２）
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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