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JP4395120B2 - 内燃機関の排気ガス浄化装置 - Google Patents

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Description

この発明は、内燃機関の排気ガス浄化装置に関し、特に、内燃機関の排気通路に配置された触媒の温度を推定する装置として好適な内燃機関の排気ガス浄化装置に関する。
従来、例えば特許文献１には、内燃機関の運転状態に基づいて、排気通路に配置された触媒の触媒温度推定値を算出する触媒温度推定手段を備える内燃機関の排出ガス浄化装置が開示されている。この従来の装置では、触媒出口の排気ガス温度（以下、「出口ガス温度」と称する）の推定値とその実測値との偏差から推定値補正量を算出し、この推定値補正量を用いて上記触媒温度推定値を補正することとしている。
特開２００３−３３６５３８号公報 特開平１０−１９６４３３号公報 特開２００５−１２７２８５号公報 特開平１０−１５９５４３号公報
触媒の出口ガス温度や触媒温度（内部温度）などの触媒に関する温度は、触媒温度の影響だけでなく、触媒入口の排気ガス温度（以下、「入口ガス温度」と称する）が内燃機関の運転状態に応じて変化するのに伴って変化するものである。従って、触媒に関する温度をより精度良く推定するためには、触媒温度に加えて入口ガス温度が考慮されているのが望ましい。しかしながら、上記従来の技術では、この点について何らの考慮もなされておらず、触媒に関する温度を精度良く取得することのできるシステムを実現するうえで、未だ検討の余地を残すものであった。
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、内燃機関の排気通路に配置された触媒に関する正確な温度情報を取得することのできる内燃機関の排気ガス浄化装置を提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記触媒の入口における排気ガスの入口ガス温度を取得する入口ガス温度取得手段と、
前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
前記入口ガス温度と前記触媒温度との影響度を考慮して、前記触媒の出口における排気ガスの出口ガス温度を推定する出口ガス温度推定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記出口ガス温度推定手段は、前記影響度を考慮して前記入口ガス温度と前記触媒温度とを加重平均した値に所定係数を乗じた値を前記出口ガス温度として推定することを特徴とする。
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記出口ガス温度推定手段により推定された前記出口ガス温度の推定値に基づいて、前記触媒温度推定手段により推定された前記触媒温度の推定値を補正する、およびまたは、前記入口ガス温度取得手段により推定された前記入口ガス温度の推定値を補正する温度補正手段を更に備えることを特徴とする。
また、第４の発明は、第３の発明において、前記出口ガス温度を測定する出口ガス温度測定手段を更に備え、
前記温度補正手段は、前記出口ガス温度の前記推定値と前記出口ガス温度の実測値とに基づいて、前記触媒温度推定値およびまたは前記入口ガス温度推定値を補正することを特徴とする。
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、前記触媒温度推定手段は、前記触媒を複数箇所に分割してそれぞれの部位で触媒温度を推定するものであり、
前記温度補正手段は、前記触媒の入口部を含めた或いは当該入口部を含めない前記触媒の部位毎に前記影響度を異ならせることで、当該部位毎に前記触媒温度推定値およびまたは前記入口ガス温度推定値の推定値補正量を異ならせていることを特徴とする。
また、第６の発明は、第５の発明において、前記温度補正手段は、前記入口ガス温度の影響が前記触媒の出口側の部位における触媒温度の影響よりも大きい場合には、前記触媒の出口側の部位に比して入口側の部位における前記推定値補正量を大きく補正することを特徴とする。
また、第７の発明は、第５の発明において、前記温度補正手段は、前記触媒の出口側の部位における触媒温度の影響が前記入口ガス温度の影響よりも大きい場合には、前記触媒の入口側の部位に比して出口側の部位における前記推定値補正量を大きく補正することを特徴とする。
また、第８の発明は、第１乃至第７の発明の何れかにおいて、前記出口ガス温度推定手段およびまたは前記温度補正手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記影響度を変更する影響度変更手段を更に備えることを特徴とする。
また、第９の発明は、第２乃至第８の発明の何れかにおいて、前記出口ガス温度推定手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記所定係数を変更する係数変更手段を更に備えることを特徴とする。
また、第１０の発明は、第８または第９の発明において、前記運転状態を示すパラメータは、吸入空気量、クランク軸回転数、吸気管圧力、スロットル開度、および負荷率の少なくとも１つであることを特徴とする。
第１の発明によれば、入口ガス温度と触媒温度の影響度を考慮することで、出口ガス温度を正確に推定することができる。
第２の発明によれば、上記影響度を考慮して入口ガス温度と触媒温度を加重平均した値に所定係数を乗じた値を出口ガス温度として推定することで、出口ガス温度を正確に推定することができる。
第３の発明によれば、上記影響度を考慮して推定された出口ガス温度に基づいて、触媒温度の推定値およびまたは入口ガス温度の推定値を補正することで、それらの推定値を正確に取得することができる。
第４の発明によれば、上記影響度を考慮して推定された出口ガス温度と出口ガス温度の実測値とに基づいて、触媒温度の推定値およびまたは入口ガス温度の推定値を補正することで、それらの推定値を正確に取得することができる。
第５の発明によれば、触媒の各部位における触媒温度およびまたは入口ガス温度を、各部位における上記影響度を考慮して補正することで、触媒温度や入口ガス温度を正確に補正することができる。
第６または第７の発明によれば、入口ガス温度および触媒出口側の部位における触媒温度のそれぞれの影響を考慮して、触媒温度や入口ガス温度を正確に補正することができる。
第８の発明によれば、内燃機関の運転状態に基づいて上記影響度を変化させることで、出口ガス温度、触媒温度、或いは入口ガス温度を正確に推定することができる。
第９の発明によれば、内燃機関の運転状態に基づいて上記所定係数を変化させることで、出口ガス温度を正確に推定することができる。
第１０の発明によれば、内燃機関の運転状態を適切に把握して、正確な温度推定を行うことができる。
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の排気ガス浄化装置が適用された内燃機関１０の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、内燃機関１０には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。
吸気通路１２には、その内部を流れる空気量、すなわち、内燃機関１０に流入する吸入空気量GAを検知するエアフロメータ１６が配置されている。エアフロメータ１６の下流には、スロットルバルブ１８が配置されている。スロットルバルブ１８は、アクセル開度に基づいてスロットルモータ２０により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ１８の近傍には、スロットル開度TAを検出するためのスロットルポジションセンサ２２が配置されている。また、スロットルバルブ１８の下流には、吸気通路１２内の圧力を検出するための吸気圧センサ２４が配置されている。
排気通路１４には、排気ガスを浄化するための触媒２６が配置されている。触媒２６の下流には、触媒出口の排気ガス温度を検出するための触媒温度センサ２８が配置されている。
本実施形態のシステムは、ECU(Electronic Control Unit)３０を備えている。ECU３０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３２が接続されている。また、ECU３０には、上述したスロットルバルブ１８などのアクチュエータが接続されている。
以上のように構成された本実施形態のシステムにおいては、内燃機関１０の運転状態に基づいて、触媒２６の温度（内部温度）の推定値（以下、「触媒温度推定値」と称する）を算出することとしている。また、触媒２６の出口の排気ガス温度（以下、「出口ガス温度」と称する）の推定値ethcoと、上記触媒温度センサ２８の出力に基づく出口ガス温度の実測値との偏差exthufに基づいて、推定値補正量ecthufを算出することとしている。そして、推定値補正量ecthufを用いて上記触媒温度推定値を補正することとしている。
［実施の形態１の特徴］
図２は、本実施形態における触媒温度の推定手法を説明するための図である。図２に示すように、本実施形態では、触媒２６の各部位における触媒温度を正確に推定するために、触媒２６を複数の領域（この例では４つの領域）に分割することとしている。
そして、本実施形態では、上述した出口ガス温度の推定値ethcoを、触媒２６の入口の排気ガス温度（以下、「入口ガス温度」と称する）と触媒後端部温度ethuf[end]の影響を考慮して両者を加重平均する次式（１）に従って算出することとしている。
ethco＝｛入口ガス温度×emthc＋ethuf[end]×(1−emthc)｝×α ・・・（１）
ただし、上記（１）式において、emthcは、入口ガス温度と触媒後端部温度ethuf[end]の影響度に相当する重み係数であり、内燃機関１０の運転状態に応じて変更される値である。より具体的には、入口ガス温度の影響が触媒後端部温度ethuf[end]の影響に比して大きい場合には、影響度emthcが大きくなるように設定される。また、所定係数αも、内燃機関１０の運転状態に応じて変更される値である。尚、触媒後端部温度ethuf[end]は、図２に示す一例においては、最も触媒２６の出口側に近い部位における触媒温度に対応している。
図３は、図２に示す触媒２６に関する各種の温度の挙動の一例を表した図である。図３に示すように、触媒２６の入口ガス温度は、ガスの温度であるので内燃機関１０の運転状態の変化に伴って高い応答性を有して変化する。これに対し、触媒後端部温度ethuf[end]は、内燃機関１０の運転状態に変化があっても、入口ガス温度に比して緩やかに変化する。そして、触媒２６の出口ガス温度の実測値は、入口ガス温度と触媒後端部温度ethuf[end]の影響を受けることとなるため、両者の中間的な度合いで内燃機関１０の運転状態に応じて変化する。図３中に破線で表された波形は、上記（１）式に従って算出された出口ガス温度の推定値ethcoを示している。このように、上記（１）式によれば、入口ガス温度と触媒後端部温度ethuf[end]の影響を考慮して、出口ガス温度の実測値に追従するように出口ガス温度を精度良く推定することができる。
次に、図２および図４を参照して、触媒温度推定値を補正するための上記推定値補正量ecthufの補正手法について説明する。
本実施形態では、上記（１）式のように、出口ガス温度推定値ethcoを入口ガス温度と触媒後端部温度ethuf[end]の複合値で表すこととしている。出口ガス温度推定値ethcoと出口ガス温度の実測値との偏差exthufとして表される出口ガス温度の推定誤差は、入口ガス温度の影響が触媒後端部温度ethuf[end]の影響に比して大きい場合には、触媒２６の入口側の部位で大きくなる。逆に、当該推定誤差は、触媒後端部温度ethuf[end]の影響が入口ガス温度の影響に比して大きい場合には、触媒２６の出口側の部位で大きくなる。
従って、触媒２６の部位の相違に関係なしに上記推定値補正量ecthufが一定値とされていると、触媒温度推定値の推定精度を良くすることができない。そこで、本実施形態では、図２に示すように、上記推定値補正量ecthufを触媒２６の部位毎に異なる値となるように算出することとしている。より具体的には、当該推定値補正量ecthufを、上記偏差exthufと温度補正係数ekthufとを用いた次式（２）に従って算出することとしている。
ecthuf[x]＝exthuf×ekthuf[x] ・・・（２）
尚、上記（２）式において、[x]は、触媒２６の部位を示す数字であり、図２において、触媒２６の入口側の部位から１、２・・・の順で、触媒２６に付された番号に対応するものである。
更に、本実施形態では、温度補正係数ekthuf[x]を上記影響度emthcの関数として算出されるようにし、当該影響度emthcの値に応じて、温度補正係数ekthuf[x]を変化させるようにした。
図４は、そのような温度補正係数ekthuf[x]の設定の一例であり、触媒２６の各部位に対する温度補正係数ekthuf[x]の傾向を示している。尚、図４の横軸に付された番号は、上記図２の触媒２６の各部位に付された番号に対応している。また、図４は、影響度emthcが0および0.3である場合の温度補正係数ekthuf[x]の設定を示している。
より具体的には、図４に示す設定によれば、入口ガス温度の影響が触媒後端部温度ethuf[end]の影響に比して大きい場合、すなわち、影響度emthcが大きくなる場合には、触媒前方の温度補正係数ekthuf[x]が大きくなるように、また、触媒後方の温度補正係数ekthuf[x]が小さくなるように変更される。一方、触媒後端部温度ethuf[end]の影響が入口ガス温度の影響に比して大きい場合、すなわち、影響度emthcが小さくなる場合には、触媒前方の温度補正係数ekthuf[x]が小さくなるように、また、触媒後方の温度補正係数ekthuf[x]が大きくなるように変更される。このような設定によれば、入口ガス温度と触媒後端部温度ethuf[end]の影響を考慮して、触媒２６の各部位における温度推定値を精度良く算出することが可能となる。
［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の手法で触媒温度推定値を補正するために、本実施形態においてECU３０が実行するルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、吸入空気量GAがエアフロメータ１６の出力に基づいて取得される（ステップ１００）。
次に、上記ステップ１００において取得された吸入空気量GAに基づいて、影響度emthcが算出される（ステップ１０２）。より具体的には、吸入空気量GAが多くなるほど、影響度emthc（0＜emthc＜１）がより大きな値として算出される。吸入空気量GAが多くなるほど、触媒２６への空気（排気）流量も多くなる。つまり、入口ガス温度の影響が触媒後端部温度ethuf[end]の影響に比して大きくなる。一方、吸入空気量GAが少なくなるほど、触媒２６への空気（排気）流量も少なくなる。つまり、触媒後端部温度ethuf[end]の影響が入口ガス温度の影響に比して大きくなる。このため、本ステップ１０２の処理によれば、吸入空気量GAに基づいて、影響度emthcを正確に算出することができる。尚、ここでは、影響度emthcを吸入空気量GAに基づいて変更しているが、内燃機関１０の運転状態を適切に把握することのできるパラメータであれば、吸入空気量GAに限らず、例えば、エンジン回転数NE、スロットル開度TA、負荷率KL、または吸気管圧力PM等であってもよい。
次に、出口ガス温度の推定値（推定出ガス温）ethcoが上記（１）式に従って算出される（ステップ１０４）。本ステップ１０４では、上記（１）式中における所定係数αは、吸入空気量GA、エンジン回転数NE、スロットル開度TA、負荷率KL、または吸気管圧力PM等の内燃機関１０の運転状態を示すパラメータに基づいて変更された値が用いられる。尚、入口ガス温度は、ここでは内燃機関１０の運転状態に基づいて推定される推定値として算出されるものとする。しかしながら、入口ガス温度の取得方法はこれに限らず、排気通路１４における触媒２６の入口に温度センサを設けて実測してもよい。また、触媒後端部温度（床温）ethuf[end]も、内燃機関１０の運転状態に基づいて推定される推定値である。
次に、出口ガス温度推定値ethcoと出口ガス温度の実測値との偏差（出ガス温誤差）exthufが、上記ステップ１０４において算出された出口ガス温度推定値ethcoから出口ガス温度の実測値（実測出ガス温）を減じた値として算出される（ステップ１０６）。
次に、触媒２６の各部位（各セル）におけるそれぞれの温度補正係数ekthuf[x]が、影響度emthcの関数f(emthc)として算出される（ステップ１０８）。具体的には、上述した図４に示す設定に基づいて、温度補正係数ekthuf[x]が算出される。
次に、上記（２）式に従って、触媒２６の各部位（各セル）の推定値補正量（補償温度）ecthuf[x]が算出される(ステップ１１０)。次いで、内燃機関１０の運転状態に基づいて、触媒温度推定値（推定床温）が算出される（ステップ１１２）。次いで、上記ステップ１１０において算出された推定値補正量ecthuf[x]が、上記ステップ１１２において算出された触媒温度推定値に加算される（ステップ１１４）。
以上説明した図５に示すルーチンによれば、入口ガス温度と触媒後端部温度ethuf[end]との影響度emthcを考慮して、出口ガス温度推定値ethcoや触媒温度推定値を算出することで、それらの推定値を正確に取得することができ、温度推定のロバスト性を高めることができる。また、上記ルーチンでは、触媒２６の部位毎に影響度emthcを考慮して温度補正係数ekthuf[x]を変化させている。このため、触媒２６の各部位における触媒温度推定値を精度良く取得することができる。その結果、内燃機関１０の運転状態に応じた触媒２６の内部温度分布を正確に予測することができるので、触媒２６の活性化状態が分かり、触媒上流から下流までの全体を活用した空燃比制御と組み合わせることで、排気ガスの有害成分をより低減することができる。
ところで、上述した実施の形態１においては、上記（２）式に従って算出された推定値補正量ecthufに基づいて触媒温度推定値を補正することとしているが、入口ガス温度と触媒後端部温度ethuf[end]との影響度emthcを考慮して推定された出口ガス温度推定値ethcoを用いて補正させる値は触媒温度推定値に限定されるものではない。すなわち、触媒２６の入口ガス温度の推定値を上記出口ガス温度推定値ethcoを用いて補正してもよい。
具体的には、上記図５に示すルーチンのステップ１０８と同様のステップにおいて、触媒２６の入口部を含めた当該触媒２６の部位毎に影響度emthcを設定しておき、そのように設定された影響度emthcの関数F(emthc)に基づいて、入口ガス温度の温度補正係数ekthufを例えばekthuf[0]として算出するようにする。次いで、上記ステップ１１０と同様のステップにおいて、当該温度補正係数ekthuf[0]を用いて入口ガス温度推定値のための推定値補正量ecthuf[0]を算出する。次いで、上記ステップ１１４と同様のステップにおいて、別途算出された入口ガス温度推定値に当該推定値補正量ecthuf[0]を加算する。
尚、上述した実施の形態１においては、ECU３０が、上記ステップ１０４の処理により入口ガス温度の推定値を取得することにより前記第１の発明における「入口ガス温度取得手段」が、上記ステップ１０４の処理により触媒後端部温度（床温）ethuf[end]を取得または上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「触媒温度推定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「出口ガス温度推定手段」が、それぞれ実現されている。
また、ECU３０が上記図５に示すルーチンの一連の処理を実行することにより前記第３の発明における「温度補正手段」が実現されている。
また、ECU３０が上記ステップ１０６の処理により出口ガス温度の実測値を取得することにより前記第４の発明における「出口ガス温度測定手段」が実現されている。
また、ECU３０が上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第８の発明における「影響度変更手段」が実現されている。
また、ECU３０が上記ステップ１０４の処理により内燃機関１０の運転状態に応じた所定係数αを取得することにより前記第９の発明における「係数変更手段」が実現されている。
本発明の実施の形態１の排気ガス浄化装置が適用された内燃機関の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における触媒温度の推定手法を説明するための図である。 図２に示す触媒に関する各種の温度の挙動の一例を表した図である。 本発明の実施の形態１における温度補正係数ekthuf[x]の設定の一例である。 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。
符号の説明
１０ 内燃機関
１４ 排気通路
２６ 触媒
２８ 触媒温度センサ
３０ ECU(Electronic Control Unit)
α 所定係数
ecthuf 推定値補正量
ekthuf 温度補正係数
emthc 影響度
ethco 出口ガス温度推定値
ethuf[end] 触媒後端部温度
exthuf 出口ガス温度推定値と出口ガス温度実測値との偏差（出ガス温誤差）

Claims (9)

  1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
    前記触媒の入口における排気ガスの入口ガス温度を取得する入口ガス温度取得手段と、
    前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
    前記入口ガス温度と前記触媒の後端部温度の影響度を考慮して、前記触媒の出口における排気ガスの出口ガス温度を推定する出口ガス温度推定手段と、
    前記出口ガス温度推定手段により推定された前記出口ガス温度の推定値に基づいて、前記触媒温度推定手段により推定された前記触媒温度の推定値を補正する温度補正手段と、
    を備え、
    前記触媒温度推定手段は、前記触媒を複数箇所に分割してそれぞれの部位で触媒温度を推定するものであり、
    前記温度補正手段は、前記入口ガス温度の影響が前記触媒の後端部温度の影響よりも大きくなるほど、前記触媒の入口側の部位における前記推定値補正量がより大きくなり、前記触媒の出口側の部位における前記推定値補正量がより小さくなるように補正することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
  2. 内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
    前記触媒の入口における排気ガスの入口ガス温度を取得する入口ガス温度取得手段と、
    前記触媒の温度を推定する触媒温度推定手段と、
    前記入口ガス温度と前記触媒温度の影響度を考慮して、前記触媒の出口における排気ガスの出口ガス温度を推定する出口ガス温度推定手段と、
    前記出口ガス温度推定手段により推定された前記出口ガス温度の推定値に基づいて、前記入口ガス温度取得手段により推定された前記入口ガス温度の推定値を補正する温度補正手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化装置。
  3. 前記出口ガス温度を測定する出口ガス温度測定手段を更に備え、
    前記温度補正手段は、前記出口ガス温度の前記推定値と前記出口ガス温度の実測値とに基づいて、前記触媒温度推定値を補正す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浄化装置。
  4. 前記出口ガス温度を測定する出口ガス温度測定手段を更に備え、
    前記温度補正手段は、前記出口ガス温度の前記推定値と前記出口ガス温度の実測値とに基づいて、前記入口ガス温度推定値を補正することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
  5. 前記触媒温度推定手段は、前記触媒を複数箇所に分割してそれぞれの部位で触媒温度を推定するものであり、
    前記温度補正手段は、前記出口ガス温度推定手段により推定された前記出口ガス温度の推定値に基づいて、前記触媒温度推定手段により推定された前記触媒温度の推定値をも補正するものであって、更に、前記影響度に基づいて、前記触媒の入口部を含めた前記触媒の部位毎に前記触媒温度推定値および前記入口ガス温度推定値の推定値補正量を異ならせていることを特徴とする請求項２または４記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
  6. 前記出口ガス温度推定手段は、前記影響度を考慮して前記入口ガス温度と前記触媒温度とを加重平均した値に所定係数を乗じた値を前記出口ガス温度として推定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
  7. 前記出口ガス温度推定手段およびまたは前記温度補正手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記影響度を変更する影響度変更手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
  8. 前記出口ガス温度推定手段は、前記内燃機関の運転状態に基づいて前記所定係数を変更する係数変更手段を更に備えることを特徴とする請求項６記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
  9. 前記運転状態を示すパラメータは、吸入空気量、クランク軸回転数、吸気管圧力、スロットル開度、および負荷率の少なくとも１つであることを特徴とする請求項７または８記載の内燃機関の排気ガス浄化装置。
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