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JP2010106718A - Exhaust gas estimation device of internal combustion engine - Google Patents

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JP2010106718A
JP2010106718A JP2008278501A JP2008278501A JP2010106718A JP 2010106718 A JP2010106718 A JP 2010106718A JP 2008278501 A JP2008278501 A JP 2008278501A JP 2008278501 A JP2008278501 A JP 2008278501A JP 2010106718 A JP2010106718 A JP 2010106718A
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JP
Japan
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catalyst
gas
exhaust gas
internal combustion
combustion engine
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Application number
JP2008278501A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoya Sano
友哉 佐野
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】この発明は、内燃機関に排気ガス推定装置に関し、計算負荷の増大を回避しつつ、触媒の劣化を考慮して排気ガス情報の推定精度を良好に確保することを目的とする。
【解決手段】内燃機関10の排気通路22に配置される触媒40に流入する触媒入りガスの情報を入力として、触媒出ガスの情報を出力する触媒モデル60を備える。当該触媒モデル60を用いて、複数の部位に仮想的に分割された触媒40の部位毎に、触媒床温Tw(i)、浄化量X(i)を算出する。算出された触媒床温Tw(i)が所定の閾値よりも高い場合には、該当する分割部位に関する浄化量X(i)の計算をスキップする。
【選択図】図2
The present invention relates to an exhaust gas estimation device for an internal combustion engine, and an object thereof is to ensure good estimation accuracy of exhaust gas information in consideration of catalyst deterioration while avoiding an increase in calculation load.
A catalyst model 60 is provided that receives information on a gas containing a catalyst flowing into a catalyst 40 disposed in an exhaust passage 22 of an internal combustion engine 10 and outputs information on a catalyst output gas. Using the catalyst model 60, the catalyst bed temperature Tw (i) and the purification amount X (i) are calculated for each part of the catalyst 40 virtually divided into a plurality of parts. When the calculated catalyst bed temperature Tw (i) is higher than a predetermined threshold, the calculation of the purification amount X (i) related to the corresponding divided part is skipped.
[Selection] Figure 2

Description

この発明は、内燃機関の排気ガス推定装置に関する。   The present invention relates to an exhaust gas estimation device for an internal combustion engine.

従来、例えば特許文献1には、内燃機関に用いられる排気ガスの推定装置が開示されている。この従来の推定装置は、内燃機関の運転状態に基づいて、触媒へ流入するガスの特性を推定する触媒入りガスモデルと、予め構築された触媒反応の総括式を用いて、触媒へ流入するガスの特性に基づいて、触媒から排出されるガスの特性を推定する触媒モデルと、触媒に与えられた熱負荷に基づいて、総括式を補正する補正項を求める触媒劣化モデルと、を備えている。   Conventionally, for example, Patent Document 1 discloses an exhaust gas estimation device used for an internal combustion engine. This conventional estimation device uses a catalyst-containing gas model that estimates the characteristics of gas flowing into the catalyst based on the operating state of the internal combustion engine, and a gas that flows into the catalyst using a preliminarily constructed general formula for the catalytic reaction. A catalyst model for estimating the characteristics of the gas discharged from the catalyst based on the characteristics of the catalyst, and a catalyst deterioration model for obtaining a correction term for correcting the general formula based on the thermal load applied to the catalyst. .

特開2002−195080号公報JP 2002-195080 A 特開2007−327475号公報JP 2007-327475 A 特表平10−512647号公報Japanese National Patent Publication No. 10-512647 特開2007−239472号公報JP 2007-239472 A

上記従来の推定装置によれば、触媒に与えられた熱負荷に基づいて、上記総括式を補正することで、熱負荷による触媒の劣化を考慮して、触媒から排出されるガスの特性を高精度に推定することが可能となる。しかしながら、上記のように総括式を補正する際には、複雑な演算を行うことが必要となる場合があり、計算負荷が高くなってしまうことが懸念される。   According to the above-described conventional estimation device, by correcting the general formula based on the thermal load applied to the catalyst, the characteristics of the gas discharged from the catalyst can be improved in consideration of the deterioration of the catalyst due to the thermal load. It is possible to estimate with accuracy. However, when correcting the general expression as described above, it may be necessary to perform a complicated calculation, and there is a concern that the calculation load increases.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、計算負荷の増大を回避しつつ、触媒の劣化を考慮して排気ガス情報の推定精度を良好に確保し得る内燃機関の排気ガス推定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is an internal combustion engine that can ensure good estimation accuracy of exhaust gas information in consideration of catalyst deterioration while avoiding an increase in calculation load. An object is to provide an exhaust gas estimation device.

第1の発明は、内燃機関の排気ガス推定装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記触媒を複数の部位に分け、その部位毎の触媒床温または当該部位毎の入口ガス温度を取得する温度取得手段と、
前記部位毎に、排気ガス中に含まれる未浄化成分の浄化率または浄化量の推定値を算出する浄化指標算出手段と、を備え、
前記浄化指標算出手段は、前記温度取得手段により取得された前記触媒床温または入口ガス温度が所定の閾値よりも高い場合には、該当する前記部位に関する前記推定値の算出を省略する推定値算出省略手段を含むことを特徴とする。
A first invention is an exhaust gas estimation device for an internal combustion engine,
A catalyst disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine;
Temperature acquisition means for dividing the catalyst into a plurality of parts, and obtaining the catalyst bed temperature for each part or the inlet gas temperature for each part;
Purification index calculating means for calculating an estimated value of the purification rate or amount of unpurified components contained in the exhaust gas for each part, and
When the catalyst bed temperature or the inlet gas temperature acquired by the temperature acquisition unit is higher than a predetermined threshold, the purification index calculation unit omits calculation of the estimated value for the corresponding part. Including omission means.

また、第2の発明は、第1の発明において、
前記触媒における前記複数の部位は、排気ガスの流れの上流側において当該流れの下流側よりも細かく分割されていることを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
The plurality of portions of the catalyst are divided more finely on the upstream side of the exhaust gas flow than on the downstream side of the flow.

また、第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記触媒に流入する入口ガスの流量を取得する入口ガス流量取得手段と、
前記触媒の入口ガス流量が少なく、かつ、前記触媒の入口ガス温度の変動が小さい場合に、排気ガスの流れ方向における前記複数の部位の分割数を少なくする分割数可変手段と、
を更に備えることを特徴とする。
The third invention is the first or second invention, wherein
Inlet gas flow rate acquisition means for acquiring the flow rate of the inlet gas flowing into the catalyst;
A dividing number variable means for reducing the dividing number of the plurality of portions in the flow direction of the exhaust gas when the inlet gas flow rate of the catalyst is small and the fluctuation of the inlet gas temperature of the catalyst is small;
Is further provided.

第1の発明によれば、触媒床温または入口ガス温度が所定の閾値を超えた分割部位に対して劣化が生じたとみなして浄化率または浄化量の推定値の算出を省略することで、触媒劣化の考慮のために別途新たなモデルを追加することなく、簡易的に触媒劣化を考慮することができる。これにより、計算負荷を低減しつつ、簡易的に触媒劣化を考慮して排気ガス情報の推定精度を良好に確保することが可能となる。   According to the first aspect of the invention, the catalyst bed temperature or the inlet gas temperature is considered to have deteriorated at the divided portion, and the calculation of the purification rate or the estimated amount of purification is omitted. Catalyst degradation can be easily taken into account without adding a new model to consider degradation. As a result, it is possible to ensure good estimation accuracy of the exhaust gas information in consideration of catalyst deterioration while reducing the calculation load.

第2の発明によれば、等間隔に分割する場合と比べ、同じ分割数であっても推定精度を効果的に向上させられるようになる。   According to the second invention, it is possible to effectively improve the estimation accuracy even when the number of divisions is the same as in the case of division at equal intervals.

触媒に流入する入口ガス流量(流速)が少なく、当該入口ガス温度の変動が小さい場合には、排気ガスの流れ方向の分割数が少なくても排気ガスの推定精度は比較的良くなる。このため、第3の発明によれば、そのような状況下での分割数を他の状況下よりも減らすことで、計算負荷の低減と排気ガスの推定精度の最適化を良好に図ることができる。   When the flow rate (flow velocity) of the inlet gas flowing into the catalyst is small and the fluctuation of the inlet gas temperature is small, the estimation accuracy of the exhaust gas becomes relatively good even if the number of divisions in the flow direction of the exhaust gas is small. For this reason, according to the third invention, by reducing the number of divisions under such circumstances as compared with other situations, it is possible to satisfactorily reduce the calculation load and optimize the estimation accuracy of the exhaust gas. it can.

実施の形態1.
[システム構成の説明]
図1は、本発明の実施の形態1の内燃機関の排気ガス推定装置が適用された内燃機関システムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、内燃機関10を備えている。ここでは、内燃機関10は、直列4気筒型エンジンであるものとする。内燃機関10の筒内には、ピストン12が設けられている。ピストン12は、コンロッド14を介してクランク軸16と連結されている。また、内燃機関10の筒内には、ピストン12の頂部側に燃焼室18が形成されている。燃焼室18には、吸気通路20および排気通路22が連通している。
Embodiment 1 FIG.
[Description of system configuration]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of an internal combustion engine system to which an exhaust gas estimation device for an internal combustion engine according to Embodiment 1 of the present invention is applied. The system of this embodiment includes an internal combustion engine 10. Here, it is assumed that the internal combustion engine 10 is an in-line four-cylinder engine. A piston 12 is provided in the cylinder of the internal combustion engine 10. The piston 12 is connected to the crankshaft 16 via a connecting rod 14. A combustion chamber 18 is formed in the cylinder of the internal combustion engine 10 on the top side of the piston 12. An intake passage 20 and an exhaust passage 22 communicate with the combustion chamber 18.

吸気通路20の入口付近には、吸入空気量Gaを検出するためのエアフローメータ24が配置されている。また、吸気通路20には、スロットルバルブ26が設けられている。スロットルバルブ26は、アクセル開度と独立してスロットル開度を制御することのできる電子制御式スロットルバルブである。スロットルバルブ26の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットルポジションセンサ28が配置されている。スロットルバルブ26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30が配置されている。   An air flow meter 24 for detecting the intake air amount Ga is disposed near the inlet of the intake passage 20. In addition, a throttle valve 26 is provided in the intake passage 20. The throttle valve 26 is an electronically controlled throttle valve that can control the throttle opening independently of the accelerator opening. In the vicinity of the throttle valve 26, a throttle position sensor 28 for detecting the throttle opening degree TA is disposed. A fuel injection valve 30 for injecting fuel into the intake port of the internal combustion engine 10 is disposed downstream of the throttle valve 26.

また、内燃機関が備えるシリンダヘッドには、気筒毎に、燃焼室18の頂部から燃焼室18内に突出するように点火プラグ32がそれぞれ取り付けられている。吸気ポートおよび排気ポートには、それぞれ、燃焼室18と吸気通路20、或いは燃焼室18と排気通路22を導通状態または遮断状態とするための吸気弁34および排気弁36が設けられている。吸気弁34および排気弁36は、それぞれ吸気可変動弁(VVT)機構38および排気可変動弁(VVT)機構40により駆動される。可変動弁機構38、40は、吸気弁34や排気弁36のバルブタイミングを変更可能とする機構である。   Further, a spark plug 32 is attached to each cylinder head of the internal combustion engine so as to protrude from the top of the combustion chamber 18 into the combustion chamber 18 for each cylinder. The intake port and the exhaust port are respectively provided with an intake valve 34 and an exhaust valve 36 for bringing the combustion chamber 18 and the intake passage 20 or the combustion chamber 18 and the exhaust passage 22 into a conductive state or a cut-off state. The intake valve 34 and the exhaust valve 36 are driven by an intake variable valve operating (VVT) mechanism 38 and an exhaust variable valve operating (VVT) mechanism 40, respectively. The variable valve mechanisms 38 and 40 are mechanisms that can change the valve timings of the intake valve 34 and the exhaust valve 36.

内燃機関10の排気通路22には、排気ガスを浄化するための触媒42が配置されている。また、触媒42の上流には、その位置で排気空燃比を検出するための空燃比センサ44が配置されており、当該触媒42の下流には、その位置の空燃比がリッチであるかリーンであるかに応じた信号を発生する酸素センサ46が配置されている。   A catalyst 42 for purifying exhaust gas is disposed in the exhaust passage 22 of the internal combustion engine 10. Further, an air-fuel ratio sensor 44 for detecting the exhaust air-fuel ratio at that position is arranged upstream of the catalyst 42, and the air-fuel ratio at that position is rich or lean downstream of the catalyst 42. An oxygen sensor 46 that generates a signal according to whether or not there is disposed.

図1に示すシステムは、ECU(Electronic Control Unit)50を備えている。ECU50には、上述した各種センサに加え、エンジン回転数Neを検出するためのクランク角センサ52、吸気カム軸の回転位置(進角量)を検出するためのカム角センサ54、および、内燃機関10の冷却水温度を検出するための水温センサ56などが接続されている。また、ECU50には、変速機のシフトポジション情報を示す信号が入力されるようになっている。また、ECU50には、上述した各種アクチュエータが接続されている。ECU50は、それらのセンサ出力、およびECU50内に仮想的に構築された後述の触媒モデル60を用いた演算結果に基づいて、内燃機関10の運転状態を制御することができるようになっている。   The system shown in FIG. 1 includes an ECU (Electronic Control Unit) 50. In addition to the various sensors described above, the ECU 50 includes a crank angle sensor 52 for detecting the engine speed Ne, a cam angle sensor 54 for detecting the rotational position (advance amount) of the intake camshaft, and an internal combustion engine. A water temperature sensor 56 for detecting the cooling water temperature of 10 is connected. In addition, a signal indicating shift position information of the transmission is input to the ECU 50. The ECU 50 is connected to the various actuators described above. The ECU 50 can control the operation state of the internal combustion engine 10 based on the sensor output and the calculation result using a catalyst model 60 described later virtually built in the ECU 50.

[触媒モデルの概要]
図2は、本発明の実施の形態1における触媒モデル60の概要を説明するための図である。
触媒モデル60は、触媒42へ流入するガス(以下、「入りガス」と称する場合がある)の情報(組成(HC、CO、NOx)、温度Tg、流量(=Ga)など)を入力として、触媒反応をモデル化した総括式により触媒42から排出されるガス(以下、「出ガス」と称する場合がある)の情報(組成、温度)および触媒床温Twを出力するモデルであり、これらの入出力値から触媒42による排気ガスの浄化量Xを推定するモデルである。
[Overview of catalyst model]
FIG. 2 is a diagram for explaining the outline of the catalyst model 60 in the first embodiment of the present invention.
The catalyst model 60 receives as input information (composition (HC, CO, NOx), temperature Tg, flow rate (= Ga), etc.) of gas flowing into the catalyst 42 (hereinafter sometimes referred to as “entry gas”). This is a model that outputs information (composition, temperature) of the gas discharged from the catalyst 42 (hereinafter sometimes referred to as “outgas”) and the catalyst bed temperature Tw according to a general expression that models the catalytic reaction. This is a model for estimating the exhaust gas purification amount X by the catalyst 42 from the input / output values.

本実施形態の触媒モデル60では、モデルの推定精度を向上すべく、排気ガスの流れ方向に対して、触媒42を複数の部位に仮想的に分割し、その部位毎に触媒床温Tw(i)、浄化量X(i)を算出するようにしている。そのうえで、本実施形態では、図2に示すように、i番目の分割部位に流入する入りガス中の計算対象成分(未浄化成分(COなど)のガス量Cin(i)とi番目の分割部位での当該計算対象成分の浄化量X(i)との差として、i番目の分割部位から排出される出ガス中の計算対象成分のエミッション量Cout(i)を算出するようにしている。そして、このような算出をすべての分割部位に対して行うことで、最終的に触媒42から排出されるガス中のエミッション量Coutを、筒内から排出されるガス中のガス量Cinとすべての分割部位での浄化量の合計値和ΣX(i)との差として算出するようにしている。   In the catalyst model 60 of the present embodiment, in order to improve the estimation accuracy of the model, the catalyst 42 is virtually divided into a plurality of parts with respect to the flow direction of the exhaust gas, and the catalyst bed temperature Tw (i) for each part. ), The purification amount X (i) is calculated. In addition, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the gas amount Cin (i) of the calculation target component (unpurified component (such as CO)) in the incoming gas flowing into the i-th divided portion and the i-th divided portion. As a difference from the purification amount X (i) of the calculation target component at, the emission amount Cout (i) of the calculation target component in the output gas discharged from the i-th divided portion is calculated. By performing such calculation for all the divided portions, the emission amount Cout in the gas finally discharged from the catalyst 42 is changed from the gas amount Cin in the gas discharged from the cylinder to all the divided portions. The difference is calculated as the difference from the total sum ΣX (i) of the purification amounts at the site.

更に、本実施形態では、図2に示すように、触媒42を排気ガスの流れの方向に対して複数の部位に分割する際に、排気ガスの流れの上流側の部位を、下流側の部位よりも細かく不当間隔に分割するようにしており、より具体的には、下流側に向かうに従ってより粗くなるように分割するようにしている。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, when the catalyst 42 is divided into a plurality of parts with respect to the direction of the exhaust gas flow, the upstream part of the exhaust gas flow is changed to the downstream part. It is divided more finely at unjust intervals, and more specifically, it is divided so as to become coarser toward the downstream side.

図3は、本発明の実施の形態1における触媒モデル60とその周辺の構成との関係をより詳細に示す模式図である。図3の構成は、実機の内燃機関システムが排気通路22に備える触媒42と、その周辺の構成をモデル化したものである。   FIG. 3 is a schematic diagram showing in more detail the relationship between the catalyst model 60 and the surrounding configuration in the first embodiment of the present invention. The configuration in FIG. 3 is a model of the configuration of the catalyst 42 provided in the exhaust passage 22 of the actual internal combustion engine system and the surrounding configuration.

図3に示すように、触媒モデル60には、触媒入りガスモデル62と、触媒劣化モデル64とが接続されている。触媒入りガスモデル62は、内燃機関10のエンジン回転数Ne、負荷率KL、空燃比A/F、点火時期SA、バルブタイミングVTなどの運転条件の入力値に基づいて、触媒入りガスの組成、温度Tg、流量Gaなどを算出するモデルである。   As shown in FIG. 3, the catalyst model 60 is connected to a catalyst-containing gas model 62 and a catalyst deterioration model 64. The catalyst-containing gas model 62 is based on the input values of the operating conditions such as the engine speed Ne of the internal combustion engine 10, the load factor KL, the air-fuel ratio A / F, the ignition timing SA, the valve timing VT, This is a model for calculating temperature Tg, flow rate Ga, and the like.

触媒モデル60は、触媒入りガスモデル62で算出された触媒入りガスの上記情報(組成、温度Tg、流量Ga等)を入力として使用するように構成されている。尚、このような構成に限らず、触媒入りガスの上記情報を検出するための各種センサを備えるようにしてもよい。   The catalyst model 60 is configured to use the information (composition, temperature Tg, flow rate Ga, etc.) of the catalyst-containing gas calculated by the catalyst-containing gas model 62 as an input. In addition, you may make it provide not only such a structure but the various sensors for detecting the said information of the gas containing a catalyst.

触媒モデル60は、実機の触媒42で行われる反応を、三元反応と酸素吸脱の総括反応でモデル化したものである。触媒モデル60は、既述したように、触媒入りガスの情報と触媒出ガスの情報とに基づいて、各分割部位の触媒床温Tw(i)や浄化量X(i)を算出することができ、最終的に触媒42から排出される排気ガス中のトータルエミッション量Cout(Cin−ΣX(i))を算出することができるようになっている。従って、触媒モデル60によれば、排気ガスの成分を実測することなく、エミッション値をモデル計算により求めることが可能となる。   The catalyst model 60 is obtained by modeling a reaction performed in the actual catalyst 42 by a general reaction of a ternary reaction and oxygen adsorption / desorption. As described above, the catalyst model 60 can calculate the catalyst bed temperature Tw (i) and the purification amount X (i) of each divided portion based on the information on the catalyst-containing gas and the information on the catalyst outgas. The total emission amount Cout (Cin−ΣX (i)) in the exhaust gas finally discharged from the catalyst 42 can be calculated. Therefore, according to the catalyst model 60, the emission value can be obtained by model calculation without actually measuring the exhaust gas component.

図3に示すように、触媒モデル60には、触媒形状の物性値が入力される。触媒形状の物性値としては、例えば、触媒42のセルの開口面積、セル数、熱伝達率などがある。触媒モデル60は、これらの特性値を考慮した上で、触媒出ガスの組成、温度を出力する。   As shown in FIG. 3, the catalyst model 60 is inputted with physical values of the catalyst shape. Examples of the physical property value of the catalyst shape include the opening area of the cell of the catalyst 42, the number of cells, and the heat transfer coefficient. The catalyst model 60 outputs the composition and temperature of the catalyst output gas in consideration of these characteristic values.

実機システムの触媒42内では、一酸化炭素COと一酸化窒素NOとの反応、一酸化炭素COと酸素Oとの反応、炭化水素HCと酸素Oとの反応など、複数の反応が行われる。触媒モデル60では、これらのすべての反応がモデル化される。そして、触媒モデル60は、これらの反応のそれぞれについて、触媒42が有するガスの浄化率に基づいて、触媒入りガスの組成、温度Tg、流量Gaから触媒出ガスの組成、温度を算出する。 In the catalyst 42 of the actual system, a plurality of reactions such as a reaction between carbon monoxide CO and nitrogen monoxide NO, a reaction between carbon monoxide CO and oxygen O 2, and a reaction between hydrocarbon HC and oxygen O 2 are performed. Is called. In the catalyst model 60, all these reactions are modeled. The catalyst model 60 calculates the composition and temperature of the catalyst output gas from the composition of the gas containing the catalyst, the temperature Tg, and the flow rate Ga based on the gas purification rate of the catalyst 42 for each of these reactions.

以下、一酸化炭素COと酸素Oとの反応を例に挙げて説明する。触媒42内において、一酸化炭素COは酸素Oと反応して二酸化炭素COになる。図4は、この反応による一酸化炭素COの浄化率(触媒の反応効率)を示す特性図である。図4に示すように、一酸化炭素COの浄化率は、触媒42へ流入する排気ガスの空燃比A/Fに応じて変化する。浄化率は、以下の(1)式で表すことができる。
(数1)
浄化率=([CO]−[CO])/[CO] ・・・(1)
上記(1)式において、[CO]は、触媒入りガス中における一酸化炭素COの濃度である。また、[CO]は、触媒出ガス中における一酸化炭素COの濃度である。
Hereinafter, the reaction between carbon monoxide CO and oxygen O 2 will be described as an example. Within the catalyst 42, carbon monoxide CO reacts with oxygen O 2 to become carbon dioxide CO 2 . FIG. 4 is a characteristic diagram showing the purification rate of carbon monoxide CO by this reaction (the reaction efficiency of the catalyst). As shown in FIG. 4, the purification rate of carbon monoxide CO varies according to the air-fuel ratio A / F of the exhaust gas flowing into the catalyst 42. The purification rate can be expressed by the following equation (1).
(Equation 1)
Purification rate = ([CO] input- [CO] output ) / [CO] input (1)
In the above formula (1), [CO] input is the concentration of carbon monoxide CO in the catalyst-containing gas. [CO] output is the concentration of carbon monoxide CO in the catalyst output gas.

図4に示すように、空燃比A/Fがリッチの場合は、排気ガスに含まれる酸素量が少ないため、一酸化炭素COの浄化率は低下する。空燃比A/Fがリーンになると、排気ガス中に含まれる酸素量が増加するため、一酸化炭素COの浄化率は増加する。   As shown in FIG. 4, when the air-fuel ratio A / F is rich, the amount of oxygen contained in the exhaust gas is small, so the purification rate of carbon monoxide CO decreases. When the air-fuel ratio A / F becomes lean, the amount of oxygen contained in the exhaust gas increases, and the purification rate of carbon monoxide CO increases.

触媒モデル60では、一酸化炭素COと酸素Oとの反応において、反応速度定数Kを同定することによって、予め図4の特性がモデル化されている。従って、触媒モデル60によれば、図4の特性を用いることで、触媒入りガスモデル62から入力された触媒入りガス中の一酸化炭素濃度に基づいて、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度を算出することができる。 In the catalyst model 60, in the reaction of carbon monoxide CO and oxygen O 2, by identifying the reaction rate constant K, characteristic of FIG. 4 is modeled in advance. Therefore, according to the catalyst model 60, the carbon monoxide concentration in the catalyst output gas is calculated based on the carbon monoxide concentration in the catalyst-containing gas input from the catalyst-containing gas model 62 by using the characteristics of FIG. Can be calculated.

以下、触媒モデル60において、図4の特性をモデル化する手法を説明する。一酸化炭素COと酸素Oが反応する際の速度は、反応速度Rによって表される。そして、反応速度Rは、反応速度定数Kによって決定される。ここで、反応速度Rと反応速度定数Kとの間には、以下の(2)式の関係が成立する。
(数2)
R=K*[CO] ・・・(2)
Hereinafter, a method for modeling the characteristics of FIG. 4 in the catalyst model 60 will be described. The rate at which carbon monoxide CO and oxygen O 2 react is represented by the reaction rate R. The reaction rate R is determined by the reaction rate constant K. Here, the relationship of the following equation (2) is established between the reaction rate R and the reaction rate constant K.
(Equation 2)
R = K * [CO] input (2)

また、反応速度定数Kは、通常、以下の(3)式より算出される。
(数3)
K=(a/G)*exp(−E/RTw) ・・・(3)
上記(3)式において、aは頻度因子、Gは抑制項、Eは活性化エネルギーを示している。また、Rは気体定数、Twは上記のように触媒床温である。ここで、頻度因子aは、触媒42における活性ポイントの数を表すパラメータである。頻度因子aの値が増加するほど活性ポイントの数が増加するため、触媒42における反応が促進される。従って、頻度因子aの値が大きくなるほど、反応速度定数Kの値は大きくなる。また、活性化エネルギーEは、反応が生じる際に必要なエネルギーを示している。活性化エネルギーEの値が小さくなるほど、反応が生じ易くなるため、反応速度定数Kの値は小さくなる。尚、触媒床温Twに代え、触媒入りガス温度Tgを用いても良い。
The reaction rate constant K is usually calculated from the following equation (3).
(Equation 3)
K = (a / G) * exp (−E / RTw) (3)
In the above equation (3), a represents a frequency factor, G represents a suppression term, and E represents activation energy. R is a gas constant, and Tw is a catalyst bed temperature as described above. Here, the frequency factor a is a parameter representing the number of active points in the catalyst 42. Since the number of active points increases as the value of the frequency factor a increases, the reaction in the catalyst 42 is promoted. Therefore, the value of the reaction rate constant K increases as the value of the frequency factor a increases. Further, the activation energy E indicates energy necessary for the reaction to occur. As the activation energy E decreases, the reaction is more likely to occur, so the reaction rate constant K decreases. Instead of the catalyst bed temperature Tw, a catalyst-containing gas temperature Tg may be used.

上記(3)式によれば、頻度因子a、抑制項G、活性化エネルギーEの値を適正値に設定することで、図4の特性を同定することができる。触媒モデル60は、上記(3)式を総括式として触媒反応をモデル化することで、触媒入りガス中の組成、温度等に基づいて、触媒出ガス中の組成、温度を出力する。   According to the above equation (3), the characteristics shown in FIG. 4 can be identified by setting the frequency factor a, the suppression term G, and the activation energy E to appropriate values. The catalyst model 60 outputs the composition and temperature in the catalyst output gas based on the composition and temperature in the catalyst-containing gas by modeling the catalytic reaction using the above equation (3) as a general expression.

図4の特性をモデル化する際には、実機の触媒42から得られる浄化率の実測値に基づいて、反応速度定数Kを同定する処理が行われる。以下、図5および図6に基づいて、浄化率と空燃比A/Fとの関係の取得方法、更には反応速度定数Kを同定する手法を説明する。図5は、空燃比A/Fと浄化率との関係を実測する方法を示す模式図である。図5(A)は、触媒入りガス中および触媒出ガス中の一酸化炭素の濃度の実測値を示している。図5(A)において、破線で示す特性は触媒入りガス中の一酸化炭素濃度を示しており、実線で示す特性は触媒出ガス中の一酸化炭素濃度を示している。また、図5(B)は、実機の触媒42へ送られる触媒入りガスの空燃比A/Fを示している。   When modeling the characteristics of FIG. 4, a process for identifying the reaction rate constant K is performed based on the actual value of the purification rate obtained from the actual catalyst 42. Hereinafter, a method for obtaining the relationship between the purification rate and the air-fuel ratio A / F and a method for identifying the reaction rate constant K will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic diagram showing a method of actually measuring the relationship between the air-fuel ratio A / F and the purification rate. FIG. 5A shows the measured values of the concentration of carbon monoxide in the catalyst-containing gas and the catalyst output gas. In FIG. 5A, the characteristic indicated by the broken line indicates the carbon monoxide concentration in the gas containing the catalyst, and the characteristic indicated by the solid line indicates the carbon monoxide concentration in the catalyst output gas. FIG. 5B shows the air-fuel ratio A / F of the catalyst-containing gas sent to the actual catalyst 42.

図5(B)に示すように、反応速度定数Kを同定する際には、触媒入りガスの空燃比A/Fがリッチ−リーンの間で変化するように、内燃機関10へ供給される混合気の空燃比A/Fが制御される。図5(B)の例では、時間Tを周期として、空燃比A/Fが14と15の間で変化するように制御が行われる。なお、図5(B)に示す時刻t0以前には、触媒入りガスの空燃比A/Fはリーンに設定されている。   As shown in FIG. 5B, when the reaction rate constant K is identified, the mixture supplied to the internal combustion engine 10 so that the air-fuel ratio A / F of the gas containing the catalyst changes between rich and lean. The air-fuel ratio A / F is controlled. In the example of FIG. 5B, the control is performed so that the air-fuel ratio A / F changes between 14 and 15 with the time T as a period. Note that before the time t0 shown in FIG. 5B, the air-fuel ratio A / F of the catalyst-containing gas is set to lean.

図5(A)に示す一酸化炭素濃度は、触媒入りガスの空燃比A/Fを図5(B)に示す特性で可変させた場合に実測されたものである。図5(B)中に破線で示すように、時刻t0で空燃比A/Fが14(リッチ)に設定されると、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度は比較的高い値となり、時刻t1で空燃比A/Fが15(リーン)に設定されると、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度は低下する。   The carbon monoxide concentration shown in FIG. 5 (A) is actually measured when the air-fuel ratio A / F of the gas containing the catalyst is varied with the characteristics shown in FIG. 5 (B). As indicated by a broken line in FIG. 5B, when the air-fuel ratio A / F is set to 14 (rich) at time t0, the carbon monoxide concentration in the catalyst-containing gas becomes a relatively high value, and time t1 When the air-fuel ratio A / F is set to 15 (lean), the concentration of carbon monoxide in the catalyst-containing gas decreases.

図5(A)に実線で示すように、時刻t0で空燃比A/Fが14(リッチ)に設定された直後は、時刻t0以前の空燃比A/Fがリーンであることから、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度は低下している。その後、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度は、時間の経過とともに上昇し、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度と同程度の値となる。   As shown by the solid line in FIG. 5A, immediately after the air-fuel ratio A / F is set to 14 (rich) at time t0, the air-fuel ratio A / F before time t0 is lean, so The concentration of carbon monoxide in the gas is decreasing. Thereafter, the carbon monoxide concentration in the catalyst output gas increases with the passage of time, and becomes a value similar to the carbon monoxide concentration in the catalyst-containing gas.

時刻t1で空燃比A/Fが15に設定されると、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度が低下し、触媒入りガス中に含まれる一酸化炭素は触媒42を通過する際にほとんど浄化される。従って、空燃比A/Fが15に設定されている時刻t1から時刻t2の間では、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度はほぼ0となる。   When the air-fuel ratio A / F is set to 15 at time t1, the carbon monoxide concentration in the catalyst-containing gas decreases, and the carbon monoxide contained in the catalyst-containing gas is almost purified when passing through the catalyst 42. The Accordingly, the carbon monoxide concentration in the catalyst output gas is substantially zero between time t1 and time t2 when the air-fuel ratio A / F is set to 15.

図5のように、空燃比A/Fがリッチの場合とリーンの場合のそれぞれについて、触媒入りガス中の一酸化炭素濃度と、触媒出ガス中の一酸化炭素濃度が求まると、上記(1)式に基づいて、空燃比A/Fがリッチの場合とリーンの場合のそれぞれについて、一酸化炭素の浄化率の実測値を求めることができる。   As shown in FIG. 5, when the air-fuel ratio A / F is rich and lean, the carbon monoxide concentration in the catalyst-containing gas and the carbon monoxide concentration in the catalyst exit gas are obtained. ) Based on the equation, the actual measured value of the carbon monoxide purification rate can be obtained for each of the cases where the air-fuel ratio A / F is rich and lean.

反応速度定数kの同定は、空燃比A/Fがリッチの場合における浄化率と、空燃比A/Fがリーンの場合の浄化率とに基づいて行われる。この際、一酸化炭素の濃度は、時刻t1の直前の時刻t3、および時刻t2の直前の時刻t4で安定状態となっているため、時刻t3および時刻t4のタイミングで実測された浄化率に基づいて、反応速度定数kの同定を行うことで、酸素の吸脱反応による影響を抑えることができ、精度良く同定を行うことができる。   The reaction rate constant k is identified based on the purification rate when the air-fuel ratio A / F is rich and the purification rate when the air-fuel ratio A / F is lean. At this time, the concentration of carbon monoxide is in a stable state at time t3 immediately before time t1 and time t4 immediately before time t2, and therefore is based on the purification rate measured at the timings of time t3 and time t4. Thus, by identifying the reaction rate constant k, the influence of the oxygen adsorption / desorption reaction can be suppressed, and the identification can be performed with high accuracy.

上述のように、時刻t3及び時刻t4における浄化率は、上記(1)式から算出することができる。また、時刻t3における触媒入りガスの空燃比A/Fは14であり、時刻t4における触媒出ガスの空燃比A/Fは15である。従って、空燃比A/Fが14と15の場合における浄化率を算出することができる。   As described above, the purification rates at time t3 and time t4 can be calculated from the above equation (1). Further, the air-fuel ratio A / F of the catalyst-containing gas at time t3 is 14, and the air-fuel ratio A / F of the catalyst output gas at time t4 is 15. Therefore, the purification rate when the air-fuel ratio A / F is 14 and 15 can be calculated.

図6は、図5の手法により算出された空燃比A/Fと浄化率の関係に基づいて、反応速度定数Kを同定する手法を示す模式図である。図6に示すように、空燃比A/Fが14の場合の浄化率と、空燃比A/Fが15の場合の浄化率は図6中に黒丸でプロットされる。そして、図5の手法による浄化率の算出は、触媒入りガスの空燃比A/Fを例えば14.2と14.8の間で変化させた場合にも行われる。これにより、図6に示すように、空燃比A/Fが14.2の場合の浄化率と、空燃比A/Fが14.8の場合の浄化率は図6中に白丸でプロットされる。従って、触媒入りガスの空燃比A/Fを可変して、このような処理を繰り返すことにより、図4において示すように、浄化率と空燃比A/Fとの関係を取得することができる。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a method for identifying the reaction rate constant K based on the relationship between the air-fuel ratio A / F calculated by the method of FIG. 5 and the purification rate. As shown in FIG. 6, the purification rate when the air-fuel ratio A / F is 14 and the purification rate when the air-fuel ratio A / F is 15 are plotted with black circles in FIG. The calculation of the purification rate by the method of FIG. 5 is also performed when the air-fuel ratio A / F of the catalyst-containing gas is changed between, for example, 14.2 and 14.8. Accordingly, as shown in FIG. 6, the purification rate when the air-fuel ratio A / F is 14.2 and the purification rate when the air-fuel ratio A / F is 14.8 are plotted with white circles in FIG. . Therefore, by changing the air-fuel ratio A / F of the catalyst-containing gas and repeating such processing, the relationship between the purification rate and the air-fuel ratio A / F can be obtained as shown in FIG.

そして、このようにして求められた浄化率の特性に適合するように、反応速度定数Kの同定が行われる。具体的には、図6の浄化率の特性に適合するように、反応速度定数Kを決定するパラメータのうち、頻度因子a、抑制項G、活性化エネルギーEの値が決定される。同定された反応速度定数Kによれば、図4の特性を再現することができる。これにより、触媒モデル60によれば、触媒入りガスの一酸化炭素濃度に基づいて、触媒出ガスの一酸化炭素濃度を算出することが可能となる。   Then, the reaction rate constant K is identified so as to meet the purification rate characteristic thus obtained. Specifically, among the parameters for determining the reaction rate constant K, the values of the frequency factor a, the suppression term G, and the activation energy E are determined so as to match the purification rate characteristics of FIG. According to the identified reaction rate constant K, the characteristics of FIG. 4 can be reproduced. Thereby, according to the catalyst model 60, it becomes possible to calculate the carbon monoxide concentration of the catalyst output gas based on the carbon monoxide concentration of the catalyst-containing gas.

次に、触媒劣化モデル64について説明する。実機の触媒42は、排気ガスによって高温状態となり、触媒床温Tw、酸素濃度(空燃比)などの熱負荷の要因によって劣化していく。触媒42が熱負荷の影響により劣化すると、排気ガス中に含まれる各成分の浄化率が変化する。触媒劣化モデル64は、触媒モデル60から触媒温度Tw、酸素濃度などの熱負荷の入力を受け、熱負荷に応じて触媒反応速度定数K、最大酸素吸蔵量などの特性値が変化する様子をモデル化したものである。   Next, the catalyst deterioration model 64 will be described. The actual catalyst 42 becomes a high temperature state due to the exhaust gas, and deteriorates due to factors such as the catalyst bed temperature Tw and oxygen concentration (air-fuel ratio). When the catalyst 42 deteriorates due to the influence of the heat load, the purification rate of each component contained in the exhaust gas changes. The catalyst deterioration model 64 receives the input of a thermal load such as the catalyst temperature Tw and oxygen concentration from the catalyst model 60, and changes the characteristic values such as the catalytic reaction rate constant K and the maximum oxygen storage amount according to the thermal load. It has become.

そして、触媒劣化モデル64から触媒モデル60には、これらの特性値の変化量を表す入力値が送られるようになっている。従って、触媒モデル60は、反応速度定数Kを同定することで得られた上述した浄化率のモデルと、触媒劣化モデル64から入力された反応速度定数Kの変化量を表すパラメータとに基づいて、触媒劣化を考慮した上で触媒出ガスのエミッションを正確に出力することができる。   An input value representing the amount of change in these characteristic values is sent from the catalyst deterioration model 64 to the catalyst model 60. Therefore, the catalyst model 60 is based on the above-described purification rate model obtained by identifying the reaction rate constant K and the parameter representing the change amount of the reaction rate constant K input from the catalyst deterioration model 64. The emission of catalyst outgas can be accurately output in consideration of catalyst deterioration.

尚、上記のような触媒劣化モデル64の詳細は、例えば特開2007−239723号公報に詳述されているのでここではその詳細な説明を省略するものとする。ただし、浄化率の実測値と、モデル化により得られた浄化率との間の乖離量は、触媒入りガスの空燃比A/Fまたは触媒床温Tw(もしくは当該触媒入りガスの温度Tg)に応じて変化する場合がある。そこで、例えば、上記(3)式の右辺に、空燃比A/Fおよび触媒床温Twに応じて変化する補正項f(A/F、Tw)を追加するようにしてもよい。以下の(4)式は、(3)式の右辺に補正項f(A/F、Tw)を乗算して得られた式である。
(数4)
K=f(A/F、Tw)*(a/G)*exp(−E/RTw) ・・・(4)
尚、上記補正項f(A/F、Tw)は、ここでは、空燃比A/Fや触媒床温Twとの関係で予めマップ化されているものとする。
The details of the catalyst deterioration model 64 as described above are described in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-239723, and thus detailed description thereof is omitted here. However, the amount of deviation between the actual value of the purification rate and the purification rate obtained by modeling is the air-fuel ratio A / F of the catalyst-containing gas or the catalyst bed temperature Tw (or the temperature Tg of the catalyst-containing gas). It may change depending on the situation. Therefore, for example, a correction term f (A / F, Tw) that changes according to the air-fuel ratio A / F and the catalyst bed temperature Tw may be added to the right side of the above equation (3). The following expression (4) is an expression obtained by multiplying the right side of expression (3) by the correction term f (A / F, Tw).
(Equation 4)
K = f (A / F, Tw) * (a / G) * exp (−E / RTw) (4)
Here, the correction term f (A / F, Tw) is assumed to be previously mapped in relation to the air-fuel ratio A / F and the catalyst bed temperature Tw.

触媒劣化モデル64は、触媒モデル60から触媒床温Tw、酸素濃度などの値を取得し、触媒42に与えられた熱負荷に応じた補正係数f(A/F、Tw)を算出し、算出した補正係数f(A/F、W)を触媒モデル60へ入力する。触媒モデル60では、(3)式の右辺に補正係数f(A/F、Tw)を乗算し、(4)式を構築する。このような手法によれば、触媒モデル60において、熱負荷による触媒劣化を考慮した上で、触媒出ガスのエミッション値を高精度に算出することが可能となる。   The catalyst deterioration model 64 obtains values such as the catalyst bed temperature Tw and oxygen concentration from the catalyst model 60, calculates a correction coefficient f (A / F, Tw) corresponding to the heat load applied to the catalyst 42, and calculates it. The corrected coefficient f (A / F, W) is input to the catalyst model 60. In the catalyst model 60, the right side of the equation (3) is multiplied by the correction coefficient f (A / F, Tw) to construct the equation (4). According to such a method, in the catalyst model 60, it is possible to calculate the emission value of the catalyst output gas with high accuracy in consideration of the catalyst deterioration due to the heat load.

しかしながら、上述した触媒劣化モデル64を追加的に用いて熱負荷による触媒劣化の影響を考慮する手法に常に頼ることとした場合には、複雑な演算が追加的に行われることとなり、場合によっては計算負荷が高くなってしまうことが懸念される。   However, when the above-described catalyst deterioration model 64 is additionally used and the method is always relied on a method that considers the influence of the catalyst deterioration due to the heat load, a complicated calculation is additionally performed. There is a concern that the calculation load will increase.

[実施の形態1の特徴部分]
そこで、本実施形態では、計算負荷の増大を回避しつつ、熱負荷による触媒42の劣化を考慮して触媒モデル60の演算精度を確保できるようにするために、以下のような処理を行うようにした。
[Characteristics of Embodiment 1]
Therefore, in the present embodiment, in order to ensure the calculation accuracy of the catalyst model 60 in consideration of deterioration of the catalyst 42 due to the heat load while avoiding an increase in calculation load, the following processing is performed. I made it.

すなわち、触媒42の床温が高くなっている時は、触媒42が劣化することが想定される。そこで、本実施形態では、触媒床温Tw(i)が所定の閾値よりも高くなっていることで劣化が想定される分割部位については、当該分割部位において劣化が生じたものと判断するようにした。そして、当該分割部位における浄化量X(i)の計算をスキップし、当該分割部位における浄化量X(i)をゼロとみなすこととした。   That is, it is assumed that the catalyst 42 deteriorates when the bed temperature of the catalyst 42 is high. Therefore, in the present embodiment, it is determined that degradation has occurred in the divided portion where the catalyst bed temperature Tw (i) is assumed to be deteriorated when the catalyst bed temperature Tw (i) is higher than a predetermined threshold. did. Then, the calculation of the purification amount X (i) at the divided part is skipped, and the purification amount X (i) at the divided part is regarded as zero.

図7は、上記の機能を実現するために、本実施の形態1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7に示すルーチンでは、先ず、上記の触媒入りガスモデル62および空燃比センサ44を用いて、触媒42の入りガスの情報(組成、温度、流量、空燃比A/F等)が取得される(ステップ100)。尚、当該入りガスの各種情報は、上記触媒入りガスモデル62を用いる手法に代え、各種センサによって実測するようにしてもよい。
FIG. 7 is a flowchart of a routine executed by the ECU 50 in the first embodiment to realize the above function.
In the routine shown in FIG. 7, first, information (composition, temperature, flow rate, air-fuel ratio A / F, etc.) of the gas entering the catalyst 42 is acquired using the catalyst-containing gas model 62 and the air-fuel ratio sensor 44 described above. (Step 100). Note that the various types of information on the input gas may be actually measured by various sensors instead of using the catalyst-containing gas model 62.

次に、分割部位毎に、触媒床温Tw(i)が、触媒壁とガスとの熱伝達、触媒壁での熱伝導、および生成熱を考慮した以下の(5)式に従って算出される(ステップ102)。尚、この触媒床温Tw(i)についても、温度センサによって実測する方法を利用することもできる。

Figure 2010106718
上記(5)式において、σは触媒セルの開口率、ρgはガス密度、ρwは触媒密度、Cpgはガス比熱、Cpwは触媒比熱、hzは熱伝達率、λwは熱伝導率、Sgeoは幾何学的表面積、およびνgはガス流速である。 Next, for each divided portion, the catalyst bed temperature Tw (i) is calculated according to the following equation (5) in consideration of heat transfer between the catalyst wall and the gas, heat conduction at the catalyst wall, and generated heat ( Step 102). Note that a method of actually measuring the catalyst bed temperature Tw (i) with a temperature sensor can also be used.
Figure 2010106718
In the above equation (5), σ is the opening ratio of the catalyst cell, ρg is the gas density, ρw is the catalyst density, Cpg is the specific heat of the gas, Cpw is the specific heat of the catalyst, hz is the heat transfer coefficient, λw is the thermal conductivity, and Sgeo is the geometric The chemical surface area, and νg is the gas flow rate.

次に、触媒42の各分割部位の劣化条件が成立しているか否か、より具体的には、触媒床温Tw(i)が所定の閾値よりも高くなっているか否かが判別される(ステップ104)。本ステップ104における閾値は、触媒42が熱負荷による劣化によって浄化率が悪化する温度として、予め実験やシミュレーションにより決定された値である。   Next, it is determined whether or not the deterioration condition of each divided portion of the catalyst 42 is satisfied, more specifically, whether or not the catalyst bed temperature Tw (i) is higher than a predetermined threshold ( Step 104). The threshold value in this step 104 is a value determined in advance by experiment or simulation as a temperature at which the purification rate of the catalyst 42 deteriorates due to deterioration due to heat load.

上記ステップ104において、ある分割部位における触媒床温Tw(i)が上記閾値よりも高くないと判定された場合には、当該分割部位は劣化していないと判断され、当該分割部位における浄化量X(i)が算出される(ステップ106)。より具体的には、当該分割部位における各成分の浄化率は、図4〜6を参照して既述した手法によって空燃比A/Fとの関係で取得することができる。浄化量X(i)は、そのようにして取得される浄化率と当該分割部位に流入する計算対象成分のガス量Cin(i)とに基づいて算出することができる。   If it is determined in step 104 that the catalyst bed temperature Tw (i) at a certain divided portion is not higher than the threshold value, it is determined that the divided portion has not deteriorated, and the purification amount X at the divided portion is determined. (I) is calculated (step 106). More specifically, the purification rate of each component in the divided part can be obtained in relation to the air-fuel ratio A / F by the method described above with reference to FIGS. The purification amount X (i) can be calculated based on the purification rate thus obtained and the gas amount Cin (i) of the calculation target component flowing into the divided part.

一方、上記ステップ104において、ある分割部位における触媒床温Tw(i)が上記閾値よりも高くなっていると判定された場合には、当該分割部位が劣化していると判断される。この場合には、当該分割部位に対して劣化フラグがONとされ、当該分割部位における浄化量X(i)がゼロとされ、浄化量計算がスキップされる。   On the other hand, when it is determined in step 104 that the catalyst bed temperature Tw (i) at a certain divided portion is higher than the threshold value, it is determined that the divided portion is deteriorated. In this case, the deterioration flag is set to ON for the divided part, the purification amount X (i) at the divided part is set to zero, and the purification amount calculation is skipped.

上記ステップ106および108の処理によってすべての分割部位に対して浄化量X(i)の算出(ゼロとみなす場合も含む)が終了すると、次いで、触媒42から排出される排気ガス中に含まれるエミッション量がトータルエミッション量Coutとして、対象成分(NOx等)毎に算出される(ステップ110)。具体的には、既述したように、ある成分の触媒42への入りガス量をCinとすると、当該成分の触媒42からの出ガス量(トータルエミッション量)Coutが(Cin−ΣX(i))として算出される。   When the calculation of the purification amount X (i) (including the case where it is regarded as zero) is completed for all the divided parts by the processing of steps 106 and 108, the emission contained in the exhaust gas discharged from the catalyst 42 is then performed. The amount is calculated as a total emission amount Cout for each target component (NOx, etc.) (step 110). Specifically, as described above, if the amount of gas entering the catalyst 42 of a certain component is Cin, the amount of gas emitted from the catalyst 42 of the component (total emission amount) Cout is (Cin−ΣX (i)). ).

以上説明した図7に示すルーチンによれば、触媒床温Tw(i)が上記閾値を超えた分割部位に対して劣化が生じたとみなして浄化量計算をスキップすることで、触媒モデル60が触媒劣化の考慮のために別途新たなモデルを必要とすることなく、簡易的に触媒劣化を考慮することができる。これにより、触媒42の後方に排出されるエミッション値を逐次推定する触媒モデルを備える構成において、計算負荷を低減しつつ、簡易的に触媒劣化を考慮してエミッションの推定精度を良好に確保することが可能となる。   According to the routine shown in FIG. 7 described above, the catalyst model 60 determines that the catalyst bed temperature Tw (i) has deteriorated at the divided portion where the catalyst bed temperature Tw (i) exceeds the threshold value, and skips the purification amount calculation. Catalyst degradation can be easily taken into account without requiring a new model for considering degradation. As a result, in a configuration including a catalyst model that sequentially estimates the emission value discharged behind the catalyst 42, the estimation accuracy of the emission can be easily secured in consideration of catalyst deterioration while reducing the calculation load. Is possible.

また、本実施形態では、図2に示すように、触媒42を排気ガスの流れの方向に対して複数の部位に分割する際に、排気ガスの流れの上流側の部位を、下流側の部位よりも細かく不当間隔に分割するようにしており、より具体的には、下流側に向かうに従ってより粗くなるように分割するようにしている。一般的に、触媒の上流側の部位は、下流側の部位と比べ、高温の排気ガスが流入し、またガスの乱れが大きいので熱伝達率が高い。このため、上流側の部位では、温度が非常に変化する。暖機過程においてこの特性を利用するために、上流側の貴金属の担持量を増やした触媒も知られている。その一方で、劣化し易い部分も上流側である。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, when the catalyst 42 is divided into a plurality of parts in the direction of the exhaust gas flow, the upstream part of the exhaust gas flow is changed to the downstream part. It is divided more finely at unjust intervals, and more specifically, it is divided so as to become coarser toward the downstream side. In general, the upstream portion of the catalyst has a higher heat transfer rate than the downstream portion because high-temperature exhaust gas flows in and the gas is more turbulent. For this reason, temperature changes very much in the upstream part. In order to utilize this characteristic in the warm-up process, a catalyst having an increased amount of noble metal supported on the upstream side is also known. On the other hand, the portion that is easily deteriorated is also upstream.

触媒モデル60では、排気ガスの流れ方向の分割数を増やすほど、推定精度が向上し、当該分割数を減らせば計算負荷が低減される。よって、触媒モデル60において、温度変化の大きいために触媒モデル60の推定精度への影響が大きい上流側の部位を細かく分割することにより、触媒モデル60によるエミッションの推定精度を向上させることができる。そのうえで、温度変化が比較的小さいために触媒モデル60の推定精度への影響が小さい下流側の部位を粗く分割することで、計算負荷の増大を防ぐことができる。このように、本実施形態の分割手法によれば、等間隔に分割する場合と比べ、同じ分割数であっても触媒モデル60の推定精度を効果的に向上させられるようになる。   In the catalyst model 60, the estimation accuracy is improved as the number of divisions in the exhaust gas flow direction is increased, and the calculation load is reduced if the number of divisions is reduced. Therefore, in the catalyst model 60, the estimation accuracy of the emission by the catalyst model 60 can be improved by finely dividing the upstream portion that has a large influence on the estimation accuracy of the catalyst model 60 due to a large temperature change. In addition, an increase in calculation load can be prevented by roughly dividing the downstream portion that has a small influence on the estimation accuracy of the catalyst model 60 because the temperature change is relatively small. As described above, according to the division method of the present embodiment, the estimation accuracy of the catalyst model 60 can be effectively improved even when the number of divisions is the same as in the case of division at equal intervals.

ところで、上述した実施の形態1においては、分割部位毎に触媒床温Tw(i)を所定の閾値と比較して、各分割部位が劣化しているか否かを判断するようにしている。しかしながら、そのような判断に用いるパラメータは、触媒床温Tw(i)に限られず、例えば、各分割部位に流入する入りガス温度Tg(i)であってもよい。   By the way, in the first embodiment described above, the catalyst bed temperature Tw (i) is compared with a predetermined threshold value for each divided portion to determine whether or not each divided portion is deteriorated. However, the parameter used for such determination is not limited to the catalyst bed temperature Tw (i), and may be, for example, the inlet gas temperature Tg (i) flowing into each divided portion.

尚、上述した実施の形態1においては、ECU50が、上記ステップ102または100の処理を実行することにより前記第1の発明における「温度取得手段」が、上記ステップ106の処理を実行することにより前記第1の発明における「浄化指標算出手段」が、そして、上記ステップ104および108の処理を実行することにより前記第1の発明における「推定値算出省略手段」が、それぞれ実現されている。   In the first embodiment described above, the ECU 50 executes the process of step 102 or 100, so that the “temperature acquisition means” in the first invention executes the process of step 106. The “purification index calculating means” in the first invention and the “estimated value calculation omitting means” in the first invention are realized by executing the processing of steps 104 and 108, respectively.

実施の形態2.
次に、図8を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
本実施形態のシステムは、図1に示すハードウェア構成および図2、3に示す触媒モデル60の構成を用いて、ECU50に図7に示すルーチンに代えて後述する図8に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The system of the present embodiment uses the hardware configuration shown in FIG. 1 and the configuration of the catalyst model 60 shown in FIGS. 2 and 3 to cause the ECU 50 to execute a routine shown in FIG. 8 described later instead of the routine shown in FIG. Can be realized.

本実施形態のシステムは、内燃機関10の運転条件、触媒入りガス流量Ga、および触媒入りガス温度Tgに基づいて、触媒モデル60の分割数を変化させている点に特徴を有している。より具体的には、本実施形態では、例えば暖機後のアイドリング時のように内燃機関10が定常状態にあると判断できる運転条件下であって、触媒入りガス流量Gaおよび触媒入りガス温度Tgがともに安定している場合に、触媒モデル60の分割数を、他の運転条件下での分割数よりも少なくしている。   The system of the present embodiment is characterized in that the number of divisions of the catalyst model 60 is changed based on the operating conditions of the internal combustion engine 10, the catalyst-containing gas flow rate Ga, and the catalyst-containing gas temperature Tg. More specifically, in the present embodiment, for example, under the operating conditions where it can be determined that the internal combustion engine 10 is in a steady state, such as during idling after warm-up, the catalyst-containing gas flow rate Ga and the catalyst-containing gas temperature Tg Are both stable, the number of divisions of the catalyst model 60 is made smaller than the number of divisions under other operating conditions.

図8は、上記の機能を実現するために、本実施の形態2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8に示すルーチンでは、先ず、触媒入りガスモデル62(もしくはセンサ)を用いて、触媒入りガス流量Gaおよび触媒入りガス温度Tgがそれぞれ取得される(ステップ200)。
FIG. 8 is a flowchart of a routine executed by the ECU 50 in the second embodiment to realize the above function.
In the routine shown in FIG. 8, first, the catalyst-containing gas flow rate Ga and the catalyst-containing gas temperature Tg are respectively acquired using the catalyst-containing gas model 62 (or sensor) (step 200).

次に、現在の車両のシフトポジション情報が取得される(ステップ202)。次いで、取得されたシフトポジションがN(ニュートラル)レンジであるか否かが判別される(ステップ204)。   Next, the current vehicle shift position information is acquired (step 202). Next, it is determined whether or not the acquired shift position is in an N (neutral) range (step 204).

その結果、上記ステップ204において、現在のシフトポジションがNレンジでないと判定された場合には、通常の分割数の設定を用いて、触媒モデル60によってエミッション量Coutが算出される(ステップ206)。   As a result, if it is determined in step 204 that the current shift position is not in the N range, the emission amount Cout is calculated by the catalyst model 60 using the normal division number setting (step 206).

一方、上記ステップ204において、現在のシフトポジションがNレンジであると判定された場合、つまり、内燃機関10が定常状態にあると判断できる場合には、次いで、触媒入りガス流量Gaおよび触媒入りガス温度Tgがともに安定している安定条件が成立しているか否かが判別される(ステップ208)。   On the other hand, if it is determined in step 204 that the current shift position is in the N range, that is, if it can be determined that the internal combustion engine 10 is in a steady state, then the catalyst-containing gas flow rate Ga and the catalyst-containing gas are determined. It is determined whether or not a stable condition that both temperatures Tg are stable is established (step 208).

その結果、上記ステップ208において、上記安定条件が成立していないと判定された場合には、通常の分割数の設定を用いてエミッション量Coutが算出される(ステップ206)。一方、上記安定条件が成立していると判定された場合には、通常の分割数よりも少ない分割数の設定を用いた触媒モデル60を利用して、エミッション量Coutが算出される(ステップ210)。   As a result, if it is determined in step 208 that the stability condition is not satisfied, the emission amount Cout is calculated using the normal setting of the number of divisions (step 206). On the other hand, if it is determined that the stability condition is satisfied, the emission amount Cout is calculated using the catalyst model 60 using the setting of the division number smaller than the normal division number (step 210). ).

以上説明した図8に示すルーチンによれば、内燃機関10が定常状態にあると判断でき、かつ、触媒入りガス流量Gaおよび触媒入りガス温度Tgがともに安定していると判断できる場合には、触媒モデル60の分割数が通常よりも少なくなるように設定される。触媒入りガス流量Ga(流速)が少なく、触媒入りガス温度Tgの変動が小さい場合には、排気ガスの流れ方向の分割数が少なくても触媒床温Twや浄化量Xの推定精度は比較的良くなる。このため、そのような状況下での分割数を他の状況下よりも減らすことで、計算負荷の低減とモデル推定精度の最適化を良好に図ることができる。   According to the routine shown in FIG. 8 described above, when it can be determined that the internal combustion engine 10 is in a steady state and the catalyst-containing gas flow rate Ga and the catalyst-containing gas temperature Tg are both stable, The number of divisions of the catalyst model 60 is set to be smaller than usual. When the catalyst-containing gas flow rate Ga (flow velocity) is small and the fluctuation of the catalyst-containing gas temperature Tg is small, the estimation accuracy of the catalyst bed temperature Tw and the purification amount X is relatively high even if the number of divisions in the exhaust gas flow direction is small. Get better. Therefore, by reducing the number of divisions under such circumstances as compared with other situations, the calculation load can be reduced and the model estimation accuracy can be optimized.

ところで、上述した実施の形態2においては、上記ステップ202および204の処理によって、内燃機関10の運転状態が定常な状態にあるか否かを判断するようにしている。しかしながら、内燃機関10が定常状態にあるか否かを判断できる条件は、上記の判断手法に限られるものではない。   By the way, in the second embodiment described above, it is determined whether or not the operating state of the internal combustion engine 10 is in a steady state by the processing of the above steps 202 and 204. However, the condition for determining whether or not the internal combustion engine 10 is in a steady state is not limited to the above determination method.

また、上述した実施の形態2においては、内燃機関10が定常状態にあると判断でき、かつ、触媒入りガス流量Gaおよび触媒入りガス温度Tgがともに安定していると判断できる場合に、触媒モデル60の分割数を通常よりも少なくなるように設定している。しかしながら、エミッション推定精度と計算負荷低減との最適化という点においては、このような手法に限らず、例えば、急加速時などの内燃機関10の運転状態が急変する条件下において、触媒モデル60の分割数を他の運転条件下よりも増やすようにし、エミッション推定精度を計算負荷低減よりも優先させてもよい。   In the second embodiment described above, the catalyst model can be determined when it can be determined that the internal combustion engine 10 is in a steady state and both the catalyst-containing gas flow rate Ga and the catalyst-containing gas temperature Tg are stable. The number of divisions of 60 is set to be smaller than usual. However, the optimization of the emission estimation accuracy and the calculation load reduction is not limited to such a method. For example, the catalyst model 60 can be used under conditions in which the operating state of the internal combustion engine 10 changes suddenly, such as during sudden acceleration. The number of divisions may be increased over other operating conditions, and emission estimation accuracy may be prioritized over calculation load reduction.

尚、上述した実施の形態2においては、ECU50が、上記ステップ200の処理を実行することにより前記第3の発明における「入口ガス流量取得手段」が、そして、上記ステップ204〜210の処理を実行することにより前記第3の発明における「分割数可変手段」が、それぞれ実現されている。   In the second embodiment described above, the ECU 50 executes the process of step 200, whereby the “inlet gas flow rate acquisition means” in the third invention executes the processes of steps 204 to 210. As a result, the “division number variable means” in the third aspect of the present invention is realized.

本発明の実施の形態1の内燃機関の排気ガス推定装置が適用された内燃機関システムの構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the internal combustion engine system to which the exhaust-gas estimation apparatus of the internal combustion engine of Embodiment 1 of this invention was applied. 本発明の実施の形態1における触媒モデルの概要を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline | summary of the catalyst model in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における触媒モデルとその周辺の構成との関係をより詳細に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the catalyst model in Embodiment 1 of this invention and the structure of the periphery in detail. 一酸化炭素COと酸素Oとの反応による一酸化炭素COの浄化率(触媒の反応効率)を示す特性図である。It is a characteristic diagram showing the purification of carbon monoxide CO by reaction with carbon monoxide CO and oxygen O 2 (reaction efficiency of the catalyst). 空燃比A/Fと浄化率との関係を実測する方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the method of actually measuring the relationship between an air fuel ratio A / F and a purification rate. 図5の手法により算出された空燃比A/Fと浄化率の関係に基づいて、反応速度定数Kを同定する手法を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing a method for identifying a reaction rate constant K based on the relationship between the air-fuel ratio A / F calculated by the method of FIG. 5 and the purification rate. 本発明の実施の形態1において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態2において実行されるルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of the routine performed in Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 内燃機関
20 吸気通路
22 排気通路
24 エアフローメータ
42 触媒
44 空燃比センサ
46 酸素センサ
50 ECU(Electronic Control Unit)
52 クランク角センサ
60 触媒モデル
62 触媒入りガスモデル
64 触媒劣化モデル
10 Internal combustion engine 20 Intake passage 22 Exhaust passage 24 Air flow meter 42 Catalyst 44 Air-fuel ratio sensor 46 Oxygen sensor 50 ECU (Electronic Control Unit)
52 Crank angle sensor 60 Catalyst model 62 Gas model with catalyst 64 Catalyst degradation model

Claims (3)

内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記触媒を複数の部位に分け、その部位毎の触媒床温または当該部位毎の入口ガス温度を取得する温度取得手段と、
前記部位毎に、排気ガス中に含まれる未浄化成分の浄化率または浄化量の推定値を算出する浄化指標算出手段と、を備え、
前記浄化指標算出手段は、前記温度取得手段により取得された前記触媒床温または入口ガス温度が所定の閾値よりも高い場合には、該当する前記部位に関する前記推定値の算出を省略する推定値算出省略手段を含むことを特徴とする内燃機関の排気ガス推定装置。
A catalyst disposed in the exhaust passage of the internal combustion engine;
Temperature acquisition means for dividing the catalyst into a plurality of parts, and obtaining the catalyst bed temperature for each part or the inlet gas temperature for each part;
Purification index calculating means for calculating an estimated value of the purification rate or amount of unpurified components contained in the exhaust gas for each part, and
When the catalyst bed temperature or the inlet gas temperature acquired by the temperature acquisition unit is higher than a predetermined threshold, the purification index calculation unit omits calculation of the estimated value for the corresponding part. An exhaust gas estimation device for an internal combustion engine, characterized in that the exhaust gas estimation device includes an omission unit.
前記触媒における前記複数の部位は、排気ガスの流れの上流側において当該流れの下流側よりも細かく分割されていることを特徴とする請求項1記載の内燃機関の排気ガス推定装置。   The exhaust gas estimation device for an internal combustion engine according to claim 1, wherein the plurality of portions of the catalyst are divided more finely on the upstream side of the flow of exhaust gas than on the downstream side of the flow. 前記触媒に流入する入口ガスの流量を取得する入口ガス流量取得手段と、
前記触媒の入口ガス流量が少なく、かつ、前記触媒の入口ガス温度の変動が小さい場合に、排気ガスの流れ方向における前記複数の部位の分割数を少なくする分割数可変手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項1または2記載の内燃機関の排気ガス推定装置。
Inlet gas flow rate acquisition means for acquiring the flow rate of the inlet gas flowing into the catalyst;
A dividing number variable means for reducing the dividing number of the plurality of portions in the flow direction of the exhaust gas when the inlet gas flow rate of the catalyst is small and the fluctuation of the inlet gas temperature of the catalyst is small;
The exhaust gas estimation device for an internal combustion engine according to claim 1 or 2, further comprising:
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JP2012168062A (en) * 2011-02-15 2012-09-06 Honda Motor Co Ltd Simulation device
JP2020514606A (en) * 2016-12-21 2020-05-21 パーキンス エンジンズ カンパニー リミテッドPerkins Engines Company Ltd Method for selective catalytic reduction system

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