JP2004169607A - Control device for internal combustion engine - Google Patents

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JP2004169607A
JP2004169607A JP2002335716A JP2002335716A JP2004169607A JP 2004169607 A JP2004169607 A JP 2004169607A JP 2002335716 A JP2002335716 A JP 2002335716A JP 2002335716 A JP2002335716 A JP 2002335716A JP 2004169607 A JP2004169607 A JP 2004169607A
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equation
exhaust
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exhaust gas
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Akihiro Katayama
章弘 片山
Toshinari Nagai
俊成 永井
Naoto Kato
直人 加藤
Shinji Kojima
晋爾 小島
Naoki Baba
直樹 馬場
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Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control device for an internal combustion engine with improved estimation precision of a mathematical model when the control device grasps the state of an exhaust emission control catalyst using the mathematical model and controls the internal combustion engine based on the state of the catalyst. <P>SOLUTION: The control device is equipped with an estimation means for estimating an emission amount of specific components inside and downstream of the exhaust emission control catalyst according to the mathematical model based on an exhaust air-fuel ratio (or an emission amount of specific components) on the downstream side of the exhaust emission control catalyst, a specific component detecting sensor positioned on the downstream side of the exhaust emission control catalyst, and a rich/lean setting means for forcedly vibrating the exhaust air-fuel ratio on the downstream side of the exhaust emission control catalyst into a rich side and a lean side. The estimation means calculates a constant of the mathematical model based on the result detected by the specific component detecting sensor while forcedly vibrating the exhaust air-fuel ratio by the rich/lean setting means, and calculates an estimation value by the mathematical model using the calculated constant. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関では、排気ガスを浄化するために排気通路上に排気浄化触媒(三元触媒)を配置し、排気通路に設けた空燃比センサにより空燃比を検出して、混合気が理論空燃比となるようにフィードバック制御を行うことにより、窒素酸化物NOx、一酸化炭素CO、炭化水素HCを同時に低減するようにしている。内燃機関から排出される排気ガスの浄化率をさらに向上させるには、上述したフィードバック制御を精度良く行うことが有効である。現在は、排気浄化触媒の下流側に設置した空燃比センサによって、排気浄化触媒から流出する排気ガス中の酸素濃度がどの程度かを検出することで、排気ガスの状態を判断している。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−184424号公報
【特許文献2】
特開2001−140686号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したような従来の制御は、排気浄化触媒から流出する排気空燃比がリッチであるかリーンであるかのみを検出しており、排気ガス中の浄化すべき特定成分の排出量(濃度)を検出あるいは推定するものではなかった。浄化すべき特定成分の排出量(濃度)を推定することで、より効果的な排気浄化制御や燃費制御を行える。そこで本発明者らは、数学的モデルを利用して排気浄化触媒の内部及び下流側の特定成分を数学的モデルを利用して推定することした。
【0005】
本発明の目的は、上述したような数学的モデルを用いた推定に基づいて内燃機関を制御する場合に、この数学的モデルの推定精度を向上させることにある。また、排気浄化触媒の内部では、その状況が上流側と下流側とで異なるような場合が生じ得る。例えば、排気浄化触媒の酸素吸蔵機能を利用して浄化率を向上させることが知られているが(特許文献1,2)、排気浄化触媒の内部の酸素吸蔵量分布は、上流側と下流側とで異なり得る。本発明によれば、排気浄化触媒の内部の状況(上述した分布など)も推定可能となるので、より高度な内燃機関制御を行うことも可能となる。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関の排気通路上に配設された排気浄化触媒に流入する排気ガスの排気空燃比に基づいて、排気浄化触媒下流側の排気ガス中に含まれる複数の特定成分の排出量を数学的なモデルに基づいて推定する推定手段と、排気浄化触媒の下流側に配された特定成分を検出する特定成分検出センサと、排気浄化触媒下流側の排気空燃比をリッチ側とリーン側とに強制的に振動させるリッチ・リーン設定手段とを備えている。ここで、推定手段が、リッチ・リーン設定手段によって排気空燃比を強制的に振動させつつ特定成分検出センサによって検出した検出結果に基づいて、数学的モデルにおいて使用する所定の定数を算出し、算出した定数を用いた数学的モデルによって推定値を推定することを特徴としている。
【0007】
なお、本発明における「排気ガス中に含まれる少なくとも一つの特定成分の排出量」には「排気ガスの状態を示す少なくとも一つの代表値」も含まれ得る。「排気ガスの状態を示す少なくとも一つの代表値」の例としては、排気空燃比がリーン又はリッチのときに排気ガスに含まれる複数の特定成分の量を総括して示す代表値(リーン成分値やリッチ成分値等)が挙げられる。また、本発明における「排出量」には「濃度」としてあらわされる排出量も含まれることは言うまでもない。
【0008】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の制御装置の構成について、図面を参照しつつ説明する。図1に本実施形態の制御装置が組み込まれた内燃機関の構成図を示す。
【0009】
本実施形態の制御装置は、内燃機関であるエンジン1を制御するものである。エンジン1は、多気筒エンジンであるが、ここではそのうちの一気筒のみを断面図として示す。エンジン1は、図1に示されるように、点火プラグ2によって各シリンダ3内の混合気に対して点火を行うことによって駆動力を発生する。エンジン1の燃焼に際して、外部から吸入した空気は吸気通路4を通り、インジェクタ5から噴射された燃料と混合され、混合気としてシリンダ3内に吸気される。シリンダ3の内部と吸気通路4との間は、吸気バルブ6によって開閉される。シリンダ3の内部で燃焼された混合気は、排気ガスとして排気通路7に排気される。シリンダ3の内部と排気通路7との間は、排気バルブ8によって開閉される。
【0010】
吸気通路4上には、シリンダ3内に吸入される吸入空気量を調節するスロットルバルブ9が配設されている。このスロットルバルブ9には、その開度を検出するスロットルポジションセンサ10が接続されている。また、スロットルバルブ9は、スロットルモータ11と連結されており、スロットルモータ11の駆動力によって開閉される。スロットルバルブ9の近傍には、アクセルペダルの操作量(アクセル開度)を検出するアクセルポジションセンサ12も配設されている。即ち、スロットルバルブ9の開度を電子制御する電子制御スロットル方式が採用されている。さらに、吸気通路4上には、吸入空気量を検出するためのエアフロメータ13も取り付けられている。
【0011】
エンジン1のクランクシャフト近傍には、クランクシャフトの位置を検出するクランクポジションセンサ14が取り付けられている。クランクポジションセンサ14の出力からは、シリンダ3内のピストン15の位置や、エンジン回転数NEを求めることもできる。また、エンジン1には、エンジン1のノッキングを検出するノックセンサ16や冷却水温度を検出する水温センサ17も取り付けられている。
【0012】
また、排気通路7上には、排気浄化触媒19が配設されている。排気浄化触媒は、排気通路上に複数設けられる場合もあり、この場合、直列的に複数設けられる場合や、分岐部分に並列的に複数設けられる場合などがある。例えば、四気筒のエンジンに対して、そのうちの二気筒の排気管が一つにまとめられた箇所に排気浄化触媒が一つ設置され、残りの二気筒の排気管が一つにまとめられた箇所にもう一つの排気浄化触媒が設置される場合がある。本実施形態においては、各シリンダ3毎の排気管が一つにまとめられらた箇所よりも下流側に一つの排気浄化触媒19が配設されている。
【0013】
これらの点火プラグ2、インジェクタ5、スロットルポジションセンサ10、スロットルモータ11、アクセルポジションセンサ12、エアフロメータ13、クランクポジションセンサ14、ノックセンサ16、水温センサ17やその他のセンサ類は、エンジン1を総合的に制御する電子制御ユニット(ECU)18と接続されており、ECU18からの信号に基づいて制御され、あるいは、検出結果をECU18に対して送出している。排気通路7上に配設された排気浄化触媒19の温度を測定する触媒温度センサ21、チャコールキャニスタ23によって捕集された燃料タンク内での蒸発燃料を吸気通路4上にパージさせるパージコントロールバルブ24もECU18に接続されている。
【0014】
また、ECU18には、排気浄化触媒19の上流側に取り付けられた空燃比センサ25及び排気浄化触媒19の下流側に取り付けられた特定成分検出センサ26も接続されている。空燃比センサ25は、その取付位置における排気ガス中の酸素濃度から排気空燃比を検出する。空燃比センサ25としては、排気空燃比をリニアに検出するリニア空燃比センサが用いられたり、排気空燃比をオン−オフ的に検出する酸素センサが用いられる。また、空燃比センサ25は、所定の温度(活性化温度)以上とならなければ正確な検出を行えないため、早期に活性化温度に昇温されるように、ECU18を介して供給される電力によって昇温される。
【0015】
特定成分検出センサ26は、その取付位置における排気ガス中の特定成分の濃度(排出量)を検出する。本実施形態では、特定成分としてO2,NO,CO,HCを取り扱う。即ち、特定成分検出センサ26は、これらの濃度をそれぞれ検出する機能が統合されたセンサである。特定成分検出センサ26も空燃比センサ25と同様に活性化温度がある場合があり、この場合はECU18を介して供給される電力によって昇温される。
【0016】
ECU18は、内部に演算を行うCPUや演算結果などの各種情報量を記憶するRAM、バッテリによってその記憶内容が保持されるバックアップRAM、各制御プログラムを格納したROM等を有している。ECU18は、空燃比に基づいてエンジン1を制御したり、排気浄化触媒19に吸蔵されている酸素吸蔵量を演算する。また、ECU18は、インジェクタ5によって噴射する燃料噴射量を演算したり、点火プラグ2の点火時期を制御したり、後述するモデル補正やセンサの診断なども行う。即ち、ECU18は、検出した排気空燃比や算出した酸素吸蔵量などに基づいてエンジン1を制御する。
【0017】
上述したように、本発明では、排気浄化触媒から流出する排気ガス中に含まれる特定成分の排出量(あるいは、排気ガスの状態を表す代表値)を数学的モデルを用いて推定する。そして、この推定値を所定の目標状態とするように空燃比制御を行うことによって、排気浄化性能を向上させる。ここでは、排気ガス中に含まれる特定成分の排出量(あるいは、排気ガスの状態を表す代表値)を推定する手法を触媒モデルと言うこととする。本実施形態における触媒モデルでは、排気浄化触媒の酸素吸蔵作用を考慮して上述した排出量や代表値を推定する。
【0018】
まず、排気浄化触媒(以下、単に触媒とも言う)19の酸素吸蔵作用について簡単に説明し、その後に触媒モデルについて説明する。
【0019】
触媒19は、図2に外観を示したように、断面が楕円形(断面積がdA一定)の柱状のモノリス触媒コンバータと称呼される三元触媒であり、軸に直交する平面で触媒19を切断した拡大断面図である図3に示したように、セラミックの一種であるコージェライトからなる担体19aにより、その内部が軸方向に延在する軸線方向空間に細分されている。各軸線方向空間は、軸線に垂直な平面で切断するとほぼ正方形状を有していてセルとも呼ばれる。担体19aは、アルミナのコート層19bによりコーティングされていて、同コート層19bは白金(Pt)等の貴金属からなる活性成分(触媒成分)及びセリア(CeO)等の成分を担持している。
【0020】
この触媒19は、流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比のときに未燃成分(HC,CO)を酸化し、同時に窒素酸化物(NOx)を還元する機能(これを「触媒機能」又は「酸化還元機能」と言う)を有する。また、触媒19は、上記セリア等の成分を担持することにより、流入する排気ガス中の酸素分子を吸蔵(貯蔵、吸着)及び放出する性質(酸素吸蔵機能)を有していて、この酸素吸蔵機能により、空燃比が理論空燃比からある程度ズレても、HC,CO及びNOxを浄化することができる。即ち、触媒19は、排気空燃比がリーンとなって流入する排気ガスに過剰の酸素及び窒素酸化物NOxが多量に含まれると、過剰な酸素を吸蔵すると共に窒素酸化物NOxから酸素を奪って(NOxを還元して)酸素を吸蔵し、これによりNOxを浄化する。また、触媒19は、排気空燃比がリッチになって流入する排気ガスに炭化水素HCや一酸化炭素CO等の未燃成分が多量に含まれると、内部に吸蔵している酸素分子をこれらの未燃成分に与えて同未燃成分を酸化し、これによりHC,COを浄化する。
【0021】
従って、触媒19が酸素を吸蔵し得る限界まで酸素を吸蔵していると、排気空燃比がリーンとなったときに酸素を吸蔵することができないので、酸素吸蔵機能を利用したNOx浄化に寄与できなくなる。一方、触媒19が酸素を放出しきっていて酸素を全く吸蔵していなければ排気空燃比がリッチとなったときに酸素を放出することができないので、酸素吸蔵機能を利用したHC,CO浄化に寄与できなくなる。このため、触媒19に流入する排気ガスの空燃比が過渡的にリーン又はリッチとなった場合であっても、上述した浄化すべき成分を充分に浄化できるように、酸素吸蔵量を精度良く推定するとともに、酸素吸蔵量を所定の値に維持するように空燃比制御を行うことが望ましい。
【0022】
また、触媒19にリーンな空燃比の排気ガスが流入したときには、触媒19の上流側においてより多くの酸素が吸蔵され、触媒19にリッチな空燃比の排気ガスが流入したときには、触媒19の上流側から吸蔵されている酸素が消費されて行く。従って、触媒19の最上流位置から任意の位置までの酸素吸蔵量の合計量を推定してこの推定値に基づいて空燃比制御を行えば、酸素吸蔵量がなくなってしまったり上限一杯まで吸蔵してしまったりという状況を回避し易くなる。この結果、空燃比の制御に不可避的な制御遅れが存在していても、より効果的な排気浄化を行うことができる。
【0023】
ここで、上述した触媒モデルによって特定成分の排出量(濃度)を推定できれば、その推定値に基づく空燃比制御を行うことで、該特定成分の排出を高精度に抑制することができる。本実施形態の制御装置は、後述する触媒モデルと上述した酸素吸蔵量に関する制御とを併用して、排気浄化性能を向上させる。そのため、特定成分の排出量(濃度)と酸素吸蔵量とを推定する。
【0024】
以下、触媒モデルについて説明する。
【0025】
図4に示したように、触媒19を排気ガスの流入側Frから流出側Rrに向う軸線に直交する面により複数の領域(「ブロック」とも言う)に分割する。即ち、触媒19を排気ガスの流れ方向に沿って複数の領域に分割する。分割された各領域の軸線方向の長さはL(微小の長さdxとも表す)である。上述したように、触媒19の断面積はdAで一定である。なお、この触媒モデルは、触媒を複数の領域に分割して構築されたモデルであるが、触媒全体を以下に述べる一つの領域として考えることにより、触媒19を複数の領域に分割することなく触媒モデルを構築することもできる。
【0026】
次に、分割された領域のうちの任意の特定領域に注目し、この特定領域を通過する特定成分(特定の化学種)の収支を考える。化学種は、排気ガス中に含まれる成分であり、例えば、酸素0、一酸化炭素CO、炭化水素HC、及び窒素酸化物NOxである。なお、化学種は、触媒に流入する排気ガスの空燃比がリッチのときに同排気ガス中に含まれる成分を総合したもの(リッチ成分)、或いは、触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンのときに同排気ガス中に含まれる成分を総合したもの(リーン成分)とすることもできる。
【0027】
本触媒モデルで使用する種々の値を次の[表1]ように定義する。
【0028】
【表1】

Figure 2004169607
【0029】
いま、時刻t〜t+△tの所与の期間における特定領域での化学種の収支を考えると、図5に示したように、特定領域の排気ガス相(単に「排気ガス相」とも言う)における化学種の変化量△Mは、下記の(1)式に示したように、「特定領域に流入した化学種の量Min」から「流出した化学種の量Mout」及び「コート層に伝達された化学種の量Mcoat」を減算した量に等しい。このように、触媒モデルは特定領域における特定成分の物質収支に基づいて構築される。
【0030】
【数1】
Figure 2004169607
【0031】
以下、(1)式の各項について個別に検討する。まず、(1)式の左辺にある化学種の変化量△Mは、下記(2)式により求めることができる。(2)式は、上述した期間Δtにおける化学種の濃度変化量(化学種の濃度Cgの時間変化量を期間Δtにわたって積分した量)に微小体積σ・dA・dxを乗じた値を特定領域にわたって軸方向に積分したものである。
【0032】
【数2】
Figure 2004169607
【0033】
(1)式の右辺第1項のMinは、単位時間あたりに特定領域に流入する排気ガスの体積vgin・dAに、流入する排気ガス中の化学種の濃度Cginを乗じた値Cgin・vgin・dAを期間t→t+Δtにわたって積分した値である。ここで、「単位時間あたりに特定領域に流入する排気ガスの体積vgin・dA」は、「特定領域に流入する排気ガスの流速vgin」と「特定領域の断面積dA」との積である。なお、実際には、断面積dAで開口率σの触媒内に流速vginの排気ガスが流れ込むので、触媒内部での排気ガスの流速はvgin/σとなり、この実際の流速vgin/σと触媒の実質的な排ガス通過断面積σ・dAの積として求められる。
【0034】
また、(1)式の右辺第2項のMoutは、単位時間あたりに特定領域から流出する排気ガスの体積vgout・dAに、流出する排気ガス中の化学種の濃度Cgoutを乗じた値Cgout・vgout・dAを期間t→t+Δtにわたって積分した値である。ここで、「単位時間あたりに特定領域から流出する排気ガスの体積vgout・dA」は、「特定領域から流出する排気ガスの流速vgout」と「特定領域の断面積dA」との積である。なお、実際には、排気ガスの流速vgout/σと実質的な排ガス通過断面積σ・dAの積である。即ち、上記(1)式の右辺第1項及び第2項は下記(3)式のように記述することができる。
【0035】
【数3】
Figure 2004169607
【0036】
ところで、特定領域に流入する排気ガスの流速vginと特定領域から流出する排気ガスの流速vgoutとの間に大きな差異はないので、vg=vgin=vgoutとおくと、(3)式は、下記(4)式のように変形される。
【0037】
【数4】
Figure 2004169607
【0038】
次に、(1)式の右辺第3項のコート層に伝達される(移動する)化学種の量Mcoatについて検討する。幾何学的表面積Sgeoは触媒の単位体積あたりの化学種の物質及び熱の伝達に寄与する表面積であるから、特定領域において排気ガス相からコート層への伝達に寄与する表面積はSgeo・dA・dxであり、特定領域の単位長あたりの物質伝達寄与面積はSgeo・dAとなる。また、コート層に伝達される化学種の量は、フィックの法則から、排気ガス相の化学種の濃度Cgとコート層の化学種の濃度Cwとの差に比例すると考えることができる。これらから、下記の(5)式が得られる。なお、hは比例定数であるが、[表1]に示したように、物質伝達率と称呼される値である。
【0039】
【数5】
Figure 2004169607
【0040】
従って、上記(1),(2),(4)式、及び(5)式から、以下の(6)式が得られる。
【0041】
【数6】
Figure 2004169607
【0042】
この(6)式に準定常(quasistate)近似を適用すると、(6)式の左辺は「0」(∂Cg/∂t=0)であると考えることができるから(即ち、濃度Cgは瞬間的に定常値に至ると考えられるから)、下記の(7)式が得られる。
【0043】
【数7】
Figure 2004169607
【0044】
ここで、見かけの拡散速度(実質的な拡散速度)Rを以下の(8)式のようにおけば、(7)式は(9)式のように書き直される。
【0045】
【数8】
Figure 2004169607
【数9】
Figure 2004169607
【0046】
次に、特定領域のコート層における化学種の収支(特定成分の物質収支)を上記と同様に考えると、下記(10)式に示されるように、コート層内における化学種の時間的変化量(単位時間あたりの変化量)△Mcは、単位時間あたりに排気ガス相からコート層へ伝達される化学種の量Mdから、単位時間あたりにコート層にて反応により消費される化学種の量Mrを減じた量である。
【0047】
【数10】
Figure 2004169607
【0048】
(10)式の左辺(コート層内における化学種の時間的変化量)△Mcは、下記(11)式に示したように、化学種の濃度変化(∂Cw/∂t)に体積((1―σ)・dA・dx)を乗じることにより求められ、右辺第1項(単位時間あたりに排気ガス相からコート層へ伝達される化学種の量Md)は(5)式で説明した理由と同じ理由により、即ち、フィックの法則から考えると、下記(12)式のように記述することができる。
【0049】
【数11】
Figure 2004169607
【数12】
Figure 2004169607
【0050】
また、(10)式の右辺第2項(単位時間あたりにコート層において反応によって消費される化学種の量Mr)は、コート層での化学種の消費速度Rを用いた下記(13)式により求められる。
【0051】
【数13】
Figure 2004169607
【0052】
従って、(10)〜(13)式から、下記の(14)式が得られる。
【0053】
【数14】
Figure 2004169607
【0054】
この(14)式に準定常(quasistate)近似を適用すると(∂Cw/∂t=0)、下記の(15)式が得られる。
【0055】
【数15】
Figure 2004169607
【0056】
ここで、(15)式に(8)式を適用すれば、下記の(16)式が得られる。
【0057】
【数16】
Figure 2004169607
【0058】
以上を要約すると、(9)式及び(16)式が触媒モデルの基本式である。(9)式は、ある化学種の「特定領域への流入量」と「排気ガス相からコート層への拡散量+特定領域からの流出量」とが釣り合っていることを示し、(16)式は、化学種の「排気ガス相からコート層への拡散量」と「コート層での消費量」とが釣り合っていることを示している。
【0059】
次に、上述した触媒モデルを使用して特定領域から流出する特定の化学種iの濃度Cgoutを実際に算出するための方法について説明する。まず、(9)式を離散化すると、下記(17)式が得られる。なお、以下においては上記dxをLとして表す。
【0060】
【数17】
Figure 2004169607
【0061】
ここで、図6に概念的に示したように、特定領域Iから流出する化学種の濃度Cgoutは特定領域Iの化学種の濃度Cg(I)の影響を強く受けると考えられるので、下記の(18)式のように置くことができる。
【0062】
【数18】
Figure 2004169607
この考え方は「風上法」と呼ばれる。即ち、風上法とは、「特定領域Iに隣接する上流側の領域(I−1)における濃度Cg(I−1)の化学種が、特定領域Iに流入する」という考え方であり、下記(19)式のように記述することもできる。
【0063】
【数19】
Figure 2004169607
【0064】
ところで、反応速度論に基けば、ある化学種の消費速度Rは、その化学種のコート層での平均濃度Cwの関数fcw(例えば、CWのn乗)となるので、この関数fcwを最も簡便となるようにfcw(x)=xとおけば、消費速度Rは下記の(20)式のようにあらわすことができる。なお、以下において、(20)式中のR*を便宜上「消費速度定数」と称呼する。
【0065】
【数20】
Figure 2004169607
【0066】
この(20)式を上記(16)式に適用すると下記(21)式が得られ、同(21)式を変形することにより下記(22)式が得られる。
【0067】
【数21】
Figure 2004169607
【数22】
Figure 2004169607
【0068】
また、上述した風上法によれば、Cg=Cgoutであるから、(22)式は下記(23)式に書き換えられる。
【0069】
【数23】
Figure 2004169607
【0070】
そして、Cg=Cgoutなる関係を上記(17)式に適用してCgを消去するとともに、同(17)式と上記(23)式とからCwを消去すると、下記(24)式が得られる。
【0071】
【数24】
Figure 2004169607
【0072】
そこで、値SPを下記(25)式のようにおけば、(24)式は(26)式のように書き直すことができる。値SPは、見かけの拡散速度Rと消費速度定数R*のうちの小さい方の値に強い影響を受ける値であるから、Cgoutの変化が物質の伝達(R)又は化学的反応(R*)の何れによって律速されているかを示す値であり、「反応律速因子」と呼ぶこともできる。
【0073】
【数25】
Figure 2004169607
【数26】
Figure 2004169607
【0074】
以上のことから、消費速度定数R*と見かけの拡散速度Rとを決定できれば、特定領域に流入する化学種濃度Cginを与えることにより、(25)式と(26)式とに基づいて同特定領域から流出する化学種の濃度Cgoutを求めることができる。以上が、化学種の濃度Cgoutを算出する基本的考え方である。
【0075】
本実施形態の空燃比制御では、上述したように触媒モデルを用いて算出される「特定領域から流出する特定成分(化学種)の濃度Cgout」に基づいて内燃機関制御(空燃比制御)を行う。このCgoutに対して目標値を設定し、Cgoutがこの目標値となるような空燃比となるように燃料を噴射する。このとき、特定領域をまず触媒19の最上流側に設定すれば、この特定領域に流入する特定成分の濃度Cginは、触媒19の上流側に設定された空燃比センサ25によって検出できる。このCginに基づいてCgoutを算出すれば、このCgoutは一つ下流側の特定領域のCginとなる。このように順次計算することで、触媒19の状態を詳しく(触媒19のコート層における特定成分の濃度Cwの流れ方向の分布など)把握することができ、最終的に触媒19から排出される特定成分の濃度(排出量)もより正確に求められる。
【0076】
排気ガス中の浄化すべき成分とされているCO,NO(NOx),HCについてのCgout(Cgout,CO・Cgout,NO・Cgout,HC)を推定し、これらの排出量(濃度)を触媒19の下流で少なくなるように制御すれば、排気浄化性能を向上させることができる。また、触媒19の酸素吸蔵量を利用して浄化性能をより向上させようとした場合は、OについてのCgout(Cgout,O)を触媒内部について求めて分布を把握すれば、酸素吸蔵機能をより一層効果的に利用して排気浄化性能を向上させることができる。
【0077】
触媒モデルを用いてCginからCgoutを算出するには、上述したように、消費速度定数R*と見かけの拡散速度Rとを決定する必要がある。まず、拡散速度Rについてであるが、(8)式から分かるように、R=Sgeo・hである。[表1]に示されるように、Sgeoは触媒19の固定の数値となるので、Rはhに左右される。h
は、[表1]に示されるように、特定成分(化学種)毎に異なり、触媒19の温度に依存する。このため、拡散速度Rは、予め実験などを行い触媒温度Tempの関数として決定しておき、これをマップ化してECU18内のROMに格納しておく。
【0078】
一方、消費速度定数R*は、制御中に制御装置において算出・更新し、この算出・更新した値を用いる。このように、実際の制御系における検出結果に基づいて消費速度定数R*を算出・更新することで、制御精度をより一層精度の高いものとすることができる。以下、消費速度定数R*の決定方法について説明する。
【0079】
まず、触媒19の最も下流側の特定領域I(あるいは、触媒19全体と把握することも可能)についてのCgoutを求める。このとき、消費速度定数R*がまだ決定されていない(また、一つ上流側のCgoutも算出されていない)のであるから、当然上述した触媒モデルによってCgoutを算出することはできない。このため、まずO2濃度について説明するが、下記(27)式によってCgout,Oを算出する。このとき、下記(27)式に示されるように、触媒19の下流側の排気ガス中のO濃度を検出する特定成分検出センサ26の出力を利用する。
【0080】
【数27】
Figure 2004169607
【0081】
(27)式において、AF−AFstoichは理論空燃比からどの程度リッチ又はリーン側に寄っているかを示す空燃比差であり、これに供給燃料量Gfをかけることで空気の質量流量が得られる。さらに、この空気質量に対して空気中の酸素の重量割合0.23をかけることで、過剰又は不足の酸素量が得られる。つまり、これが、触媒モデル(数学的モデル)によらずに実際の検出に基づいて算出された、触媒19の最下流側の特定領域Iから流出する(即ち、触媒19から流出する)酸素排出量である。
【0082】
本実施例では、Cgout,Oを算出するに際し、ECU18によってインジェクタ5からの燃料噴射量を調節したり、スロットルバルブ9の開度を調節することで、排気空燃比を強制的にリーンにする。即ち、ECU18やインジェクタ5、スロットルバルブ9などが、リッチ・リーン設定手段として機能する。リーン時には排気ガス中にNOも含まれるため、((27)式相当式を用いて)同様の手法によってCgout,NOも算出し得る。このとき、特定成分検出センサ26はNOを検出する。
【0083】
一方、Cgout,COやCgout,HCを算出するには、特定成分検出センサ26においてCO濃度やHC濃度が検出されなくてはならない。そこで、この場合は、上述したリッチ・リーン設定手段によって排気空燃比を強制的にリッチにする。その後、やはり、((27)式相当式を用いて)同様の手法によってCgout,COやCgout,HCを算出する。このとき、特定成分検出センサ26はCOやHCを検出する。このようにして、実際の制御系における検出結果に基づいて、触媒19(の最下流側の特定領域I)から流出する排気ガスについての各特定成分についてのCgoutが算出された。
【0084】
次に、Cginを算出する。まず、Cgin,Oについて説明する。このときも、消費速度定数R*がまだ決定されていない(また、一つ上流側のCgoutというものも存在しない)のであるから、当然上述した触媒モデルによってCgin,Oを算出することはできない。そこで、まず、触媒19の最も上流側の領域(あるいは、触媒19全体と把握することも可能)に流入する排気ガスについてのCgin,Oを、下記(28)式によって算出する。このとき、下記(28)式に示されるように、触媒19の上流側の排気空燃比を検出する空燃比センサ25の出力を利用する。
【0085】
【数28】
Figure 2004169607
【0086】
上記(28)式の導入過程を簡単に述べると、触媒19に流入する排気ガスの空燃比AFはGa/Gfであり、Gfに対して理論空燃比を得るために必要な空気質量をGastoichとすると、理論空燃比AFstoichはGastoich/Gfとなる。一方、供給燃料質量がGfであるときに空燃比がAFとなったとき、理想空燃比AFstoichを得るために必要な空気質量に対する過剰な空気質量はGa−Gastoichであるから、酸素の質量をMassO2とおくと、下記(29)式が得られ、この(29)式から上述した(28)式が導かれている。
【0087】
【数29】
Figure 2004169607
【0088】
Cgin,NO・Cgin,CO・Cgin,HCについては、図7〜図9に示されるマップに基づいて推定する。なお、ここでは、最も上流側のCgin,NO・Cgin,CO・Cgin,HCを触媒19の上流側の排気空燃比に基づいて決定したが、図7〜図9のパラメータを増やして多次元のマップとしても良いことは言うまでもない。このときのパラメータとしては、排気温度や点火時期、冷却水温、排気ガスの流速、触媒19に流入する排気ガス流量(エアフロメータ13によって検出される吸入空気量)等が挙げられる。このようにして、各特定成分毎のCgoutとCginとが、制御系における検出結果に基づいて算出された。
【0089】
一方、この触媒モデルでは、触媒での酸化・還元反応である三元反応は瞬時に且つ完全に終了するものと仮定し、その結果としての酸素の過不足に基づく酸素の吸蔵・放出反応に着目して上述した特定成分(化学種i)を以下のようにストレージ・エージェントとリダクション・エージェントとして定義する。例えば、酸素0や窒素酸化物の一つである一酸化窒素NOのように酸素を生成する(酸素をもたらす)化学種(ストレージ・エージェント)、及び、一酸化炭素COや炭化水素HCのように酸素を消費する化学種(リダクション・エージェント)である。
【0090】
ストレージ・エージェントの化学種iのCgoutをCgout,stor,i、同化学種iのCwをCw,stor,i、同化学種iのCginをCgin,stor,i、同化学種iの見かけの拡散速度RをR,i、同化学種iの消費速度をRstor,i、同化学種iの消費速度定数をR*stor,i、及び、同化学種iの反応律速因子をSPstor,iと表す(この場合、化学種iはO又はNO等)。同様に、リダクション・エージェントの化学種iのCgoutをCgout,reduc,i、同化学種iのCwをCw,reduc,i、同化学種iのCginをCgin,reduc,i、同化学種iの見かけの拡散速度RをR,i、同化学種iの消費速度をRreduc,i、同化学種iの消費速度定数をR*reduc,i、及び、同化学種iの反応律速因子SPreduc,i(この場合、化学種iはCO又はHC等)と表す。このように各値を表すと、上記(20),(23),(25),(26)式から、ストレージ・エージェント及びリダクション・エージェント毎に、以下の(30)〜(33)式及び(34)〜(37)式が得られる。
【0091】
【数30】
Figure 2004169607
【数31】
Figure 2004169607
【数32】
Figure 2004169607
【数33】
Figure 2004169607
【0092】
【数34】
Figure 2004169607
【数35】
Figure 2004169607
【数36】
Figure 2004169607
【数37】
Figure 2004169607
【0093】
ここで、特定成分がOである場合に関しては、上記(33)式及び(32)式において、Cgout,stor,iに(27)式を用いて算出した触媒19から流出するCgout,Oを適用し、Cgin,stor,iに(28)式を用いて算出した触媒19に流入するCgin,Oを適用し、予め触媒19の温度の関数として決定される拡散速度Rを適用することで、消費速度定数R*Oを算出することができる。同様に、特定成分がNOである場合に関しては、上記(33)式及び(32)式において、Cgout,stor,iに(27)式相当式を用いて算出した触媒19から流出するCgout,NOを適用し、Cgin,stor,iに図7から求めた触媒19に流入するCgin,NOを適用し、予め触媒19の温度の関数として決定される拡散速度RNOを適用することで、消費速度定数R*NOを算出することができる。
【0094】
さらに、特定成分がCOである場合に関しては、上記(37)式及び(36)式において、Cgout,reduc,iに(27)式相当式を用いて算出した触媒19から流出するCgout,COを適用し、Cgin,reduc,iに図8から求めた触媒19に流入するCgin,COを適用し、予め触媒19の温度の関数として決定される拡散速度RCOを適用することで、消費速度定数R*COを算出することができる。同様に、特定成分がHCである場合に関しては、上記(37)式及び(36)式において、Cgout,reduc,iに(27)式相当式を用いて算出した触媒19から流出するCgout,HCを適用し、Cgin,reduc,iに図9から求めた触媒19に流入するCgin,HCを適用し、予め触媒19の温度の関数として決定される拡散速度RHCを適用することで、消費速度定数R*HCを算出することができる。
【0095】
これで、各特定成分毎の消費速度定数R*が算出されたので、触媒19の上流側の特定領域Iから下流側の向けて順に各特定成分毎のCgoutを算出することができる。このときは、上述した触媒モデルにおける(24)式又はこれと同値な(25),(26)式[=(32),(33)式/(36),(37)式]を用いて順次算出する。併せて、(23)式[=(31)式/(35)式]を用いることで、触媒19内部のコート層における特定成分の濃度も算出できる。もちろん、最上流側の特定領域IについてのCginは(28)式や図7〜図9のマップによって求めた値を用いる。そして、ある特定領域のCginは、一つ上流側の特定領域におけるCgoutである。
【0096】
このように、実際の制御系における検出結果に基づいて消費速度定数R*を算出し、この消費速度定数R*を用いた数学的モデル(触媒モデル)を用いて触媒19の状態を詳しく把握することで、触媒19の能力をより一層有効に活用することができる。その結果、本実施形態では、触媒19から最終的に流出する(即ち、最も下流側の特定領域Iから流出する)各特定成分のCgoutに対して目標値を設定し、各Cgoutがこの目標値となるように燃料噴射量及び吸入空気量を調節する空燃比制御を行っている。
【0097】
例えば、窒素酸化物NOx、一酸化炭素CO、炭化水素HCの排出量は少ない程良いので、触媒19から流出するCgout,NOやCgout,COやCgout,HCをゼロとする目標を設定する。また、触媒の内部の各特定領域IについてのCgout,NOやCgout,COやCgout,HCはゼロでない各成分の浄化が進むような目標を設定することも考えられる。例えば、ある特定領域IにおけるCw,HCが高い場合には、これを酸化させるためにその一つ上流側の特定領域(I−1)のCgout,NOを多くするような目標を設定することも考えられる。
【0098】
さらに、上述したように、触媒19の浄化性能を向上させるために、触媒19の酸素吸蔵機能を利用することがある。そして、触媒19の酸素吸蔵密度Ostは、触媒の中で分布をもち得る。この触媒19内部における酸素吸蔵密度Ostの状態をより効率よく把握・制御することで、排気浄化性能をより一向上させることができる。この場合、Cgoutを制御目標とせずに、酸素吸蔵密度Ostを制御目標とすることも考えられる。これについて以下に説明する。
【0099】
上述したように、触媒19の酸素の吸蔵/放出に着目して、ストレージ・エージェント及びリダクション・エージェント毎に、(30)〜(33)式及び(34)〜(37)式を得た。これらの式に基づいて、Cgout,stor,i(具体的には、特定領域から流出する酸素の濃度Cgout,0、特定領域から流出する一酸化窒素の濃度Cgout,NO)及びCgout,reduc,i(具体的には、特定領域から流出する一酸化炭素の濃度Cgout,CO、特定領域から流出する炭化水素の濃度Cgout,HC)を各特定領域毎に上述したように求めることができる。また、各特定成分に関しての消費速度定数R*stor,i及びR*reduc,iも、各特定領域毎のCgoutを算出する上で上述したように決定されるのも上述したとおりである。
【0100】
反応速度論によれば、特定領域のコート層で酸素が吸蔵される速度(酸素の吸蔵速度)Rstor,iは、「コート層のストレージ・エージェント(0、NO等)の濃度Cw,stor,i(例えば、Cw,0、Cw,NO)の関数f1(Cw,stor,i)」の値に比例するとともに、「特定領域のコート層の最大酸素吸蔵密度Ostmaxと実際の酸素吸蔵密度Ostとの差(Ostmax−Ost)の関数f2(Ostmax−Ost)」の値に比例すると考えられる。この最大酸素吸蔵密度Ostmaxと酸素吸蔵密度との差(Ostmax−Ost)は、着目している特定領域における酸素吸蔵余裕量を表す。そこで、簡単のために関数f1(x)=f2(x)=xとすると、下記の(38)式が得られる。
【0101】
【数38】
Figure 2004169607
【0102】
(38)式のkstor,iは酸素吸蔵速度係数(吸蔵側反応速度係数,ストレージ・エージェントの消費速度係数)であって、よく知られたアレニウスの式で表される温度に依存して変化する係数であり、別途検出(推定)される触媒温度Tempの関数として(あるいは、酸素吸蔵速度係数kstor,iと触媒温度Tempとの間の関係を規定したマップから)求めることができる。なお、酸素吸蔵速度係数kstor,iは、触媒劣化程度に応じても変化するので、触媒劣化程度に応じて求めてもよい。従って、(30)式と(38)式とから、消費速度定数R*stor,iは、最大酸素吸蔵密度Ostmaxと酸素吸蔵密度との差(Ostmax−Ost)を用いて、下記(39)式のようにあらわすこともできる。
【0103】
【数39】
Figure 2004169607
【0104】
また、酸素の吸蔵(吸着)と放出とに着目しているこのモデルにおいては、還元剤であるリダクション・エージェントはコート層に吸蔵されている酸素の放出にのみ使用されるから、リダクション・エージェントの消費速度Rredcu,iはコート層に吸蔵されている酸素が放出される速度(酸素の放出速度)Rrel,iと等しい。そこで、酸素の放出速度Rrel,iについて検討すると、この放出速度Rrel,iは、酸素の吸蔵速度Rstor,iと同様に反応速度論に基づいて、「コート層において酸素を消費する化学種(例えば、CO,HC)の濃度Cw,reduc,i(例えば、Cw,CO、Cw,HC)の関数g1(Cw,reduc,i)」の値に比例するとともに、「酸素吸蔵密度Ostの関数g2(Ost)」の値に比例すると考えられる。そこで・簡単のために関数g1(x)=g2(x)=xとすると、下記の(40)式が得られる。
【0105】
【数40】
Figure 2004169607
【0106】
(40)式のkrel,iは酸素放出速度係数(吸脱側反応速度係数,リダクション・エージェントの消費速度係数)であって、酸素吸蔵速度係数kstor,iと同様にアレニウスの式で表される温度に依存して変化する係数であり、別途検出(推定)される触媒温度Tempの関数として(あるいは、酸素放出速度係数krel,iと触媒温度Tempとの間の関係を規定したマップから)求めることができる。なお、酸素放出速度係数krel,iは、触媒劣化程度に応じても変化するので、触媒劣化程度に応じて求めてもよい。この結果、上述したようにリダクション・エージェントの消費速度Rredc,iはコート層の酸素の放出速度Rrel,iと等しいから、消費速度定数R*reduc,iは(34)式と(40)式とから、酸素吸蔵密度Ostを用いて、下記(41)式のようにあらわすこともできる。
【0107】
【数41】
Figure 2004169607
【0108】
(39)式及び(41)式には、消費速度定数R*と酸素吸蔵密度Ostとの関係があらわされている。ここで、コート層での化学種としての酸素の収支について着目すると、この酸素の収支はコート層での酸素の吸蔵分と酸素の放出分の差であるから、下記(42)式により記述される。(42)式でdA・Lは特定領域の体積dVである。また、下記(42)式を変形すると、下記(43)式が得られる。
【0109】
【数42】
Figure 2004169607
【数43】
Figure 2004169607
【0110】
この(43)式を、(38)式と(40)式とを用いながら離散化すると、下記の(44)式が得られる。この(44)式を変形すると、下記(45)式〜(47)式が得られ、これらから酸素吸蔵密度Ostを更新して行くことができる。
【0111】
【数44】
Figure 2004169607
【数45】
Figure 2004169607
【数46】
Figure 2004169607
【数47】
Figure 2004169607
【0112】
このように、式(45)〜(47)式を用いて、触媒モデルに基づいて酸素吸蔵密度Ostを算出することができる。また、酸素吸蔵密度Ostに基づいて、下記(48)式を用いて酸素吸蔵量OSAも算出することができる。
【0113】
【数48】
Figure 2004169607
【0114】
従って、触媒に流入する化学種濃度Cgin,iが境界条件として与えられたとき、触媒上流のブロック(特定領域)から、順次、(45)式を用いて各ブロックの酸素吸蔵量OSAを求めることができ、これにより、触媒内部の酸素吸蔵量の分布が精度良く推定される。また、各ブロックの酸素吸蔵量OSAを触媒全体について積算すれば、触媒全体の酸素吸蔵量についても精度良く推定することができる。そして、この特定領域毎の酸素吸蔵量OSA(酸素吸蔵密度Ost)を所望の状態とすべく、Cgin,Cgout,Cwを制御することで排気浄化性能をより一層向上させることができる。
【0115】
例えば、リッチな排気ガスが連続して流入した結果、触媒19の上流側の領域では、リッチな排気ガス中のCOやHCを酸化するために触媒19に吸蔵されているOが消費される。その消費量が多い場合は、さらにリッチな排気ガスが流入したときに十分に浄化できなくなることが懸念される。このような場合は、上流側の特定領域の酸素吸蔵量OSA(酸素吸蔵密度Ost)の低下を抑止するような制御を行うことが考えられる。あるいは、既に排気空燃比がリーンに移行しているような場合は、低下してしまった酸素吸蔵量OSA(酸素吸蔵密度Ost)を早期に回復させるような制御を行うことも考えられる。
【0116】
【発明の効果】
本発明によれば、数学的モデルを用いた推定に基づいて内燃機関を制御する場合に、この数学的モデルの推定精度を向上させることができる。また、本発明によれば、排気浄化触媒の内部の状況もより詳しく推定することが可能となるので、より高度な内燃機関制御を行うことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の制御装置の実施形態を有する内燃機関を示す断面図である。
【図2】
図1に示した排気浄化触媒の外観図である。
【図3】
図2の排気浄化触媒の部分断面図である。
【図4】
本発明における触媒モデル(数学的モデル)を説明するための模式図である。
【図5】
本発明における触媒モデル(数学的モデル)を説明するための模式図である。
【図6】
本発明における触媒モデル(数学的モデル)で使用される風上法を説明するための模式図である。
【図7】
排気浄化触媒に流入する一酸化窒素濃度を決定するために使用される排気空燃比と一酸化窒素濃度との関係を規定したマップである。
【図8】
排気浄化触媒に流入する一酸化炭素濃度を決定するために使用される排気空燃比と一酸化炭素濃度との関係を規定したマップである。
【図9】
排気浄化触媒に流入する炭化水素濃度を決定するために使用される排気空燃比と炭化水素濃度との関係を規定したマップである。
【符号の説明】
1…エンジン(内燃機関)、2…点火プラグ、3…シリンダ、4…吸気通路、5…インジェクタ、7…排気通路、9…スロットルバルブ、18…ECU(推定手段、リッチ・リーン設定手段)、19…排気浄化触媒、25…空燃比検出センサ、26…特定成分検出センサ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
In an internal combustion engine, an exhaust purification catalyst (three-way catalyst) is disposed on an exhaust passage to purify exhaust gas, and an air-fuel ratio is detected by an air-fuel ratio sensor provided in the exhaust passage. By performing the feedback control as described above, nitrogen oxide NOx, carbon monoxide CO, and hydrocarbon HC are simultaneously reduced. In order to further improve the purification rate of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine, it is effective to perform the above-described feedback control with high accuracy. At present, the state of the exhaust gas is determined by detecting the concentration of oxygen in the exhaust gas flowing out of the exhaust purification catalyst using an air-fuel ratio sensor installed downstream of the exhaust purification catalyst.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-10-184424
[Patent Document 2]
JP 2001-140686 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional control as described above detects only whether the exhaust air-fuel ratio flowing out of the exhaust gas purification catalyst is rich or lean, and detects the amount (concentration) of the specific component to be purified in the exhaust gas. ) Was not detected or estimated. By estimating the emission amount (concentration) of the specific component to be purified, more effective exhaust gas purification control and fuel efficiency control can be performed. Therefore, the present inventors have estimated the specific components inside and downstream of the exhaust purification catalyst using a mathematical model using a mathematical model.
[0005]
An object of the present invention is to improve the estimation accuracy of a mathematical model when controlling an internal combustion engine based on the estimation using a mathematical model as described above. Further, inside the exhaust purification catalyst, the situation may be different between the upstream side and the downstream side. For example, it is known that the purification rate is improved by utilizing the oxygen storage function of the exhaust purification catalyst (Patent Documents 1 and 2), but the distribution of oxygen storage inside the exhaust purification catalyst has an upstream side and a downstream side. And may vary. According to the present invention, it is also possible to estimate the state inside the exhaust purification catalyst (such as the distribution described above), so that it is possible to perform more advanced internal combustion engine control.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a method for controlling the amount of specific components contained in exhaust gas downstream of an exhaust purification catalyst based on an exhaust air-fuel ratio of exhaust gas flowing into an exhaust purification catalyst disposed on an exhaust passage of an internal combustion engine. Estimating means based on a mathematical model, a specific component detection sensor that detects a specific component disposed downstream of the exhaust gas purification catalyst, and an exhaust air-fuel ratio downstream of the exhaust gas purification catalyst on the rich side and lean side. And rich / lean setting means for forcibly vibrating. Here, the estimating means calculates a predetermined constant used in the mathematical model based on the detection result detected by the specific component detection sensor while forcibly vibrating the exhaust air-fuel ratio by the rich / lean setting means, It is characterized by estimating the estimated value by a mathematical model using the obtained constant.
[0007]
In the present invention, “the emission amount of at least one specific component contained in the exhaust gas” may include “at least one representative value indicating the state of the exhaust gas”. As an example of “at least one representative value indicating the state of the exhaust gas”, a representative value (lean component value) that generally indicates the amounts of a plurality of specific components contained in the exhaust gas when the exhaust air-fuel ratio is lean or rich And rich component values). Further, it goes without saying that the “discharge amount” in the present invention includes the discharge amount represented as “concentration”.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the configuration of the control device of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration diagram of an internal combustion engine in which the control device of the present embodiment is incorporated.
[0009]
The control device according to the present embodiment controls an engine 1 that is an internal combustion engine. The engine 1 is a multi-cylinder engine, but here, only one of the cylinders is shown as a sectional view. As shown in FIG. 1, the engine 1 generates a driving force by igniting an air-fuel mixture in each cylinder 3 with a spark plug 2. During combustion of the engine 1, air taken in from the outside passes through the intake passage 4, is mixed with fuel injected from the injector 5, and is taken into the cylinder 3 as a mixture. The interior of the cylinder 3 and the intake passage 4 are opened and closed by an intake valve 6. The air-fuel mixture burned inside the cylinder 3 is exhausted to the exhaust passage 7 as exhaust gas. The interior of the cylinder 3 and the exhaust passage 7 are opened and closed by an exhaust valve 8.
[0010]
On the intake passage 4, a throttle valve 9 for adjusting the amount of intake air taken into the cylinder 3 is provided. The throttle valve 9 is connected to a throttle position sensor 10 for detecting the opening degree. The throttle valve 9 is connected to a throttle motor 11 and is opened and closed by a driving force of the throttle motor 11. An accelerator position sensor 12 for detecting an operation amount of an accelerator pedal (accelerator opening) is also provided near the throttle valve 9. That is, an electronically controlled throttle system for electronically controlling the opening of the throttle valve 9 is employed. Further, an air flow meter 13 for detecting the amount of intake air is mounted on the intake passage 4.
[0011]
In the vicinity of the crankshaft of the engine 1, a crank position sensor 14 for detecting the position of the crankshaft is attached. From the output of the crank position sensor 14, the position of the piston 15 in the cylinder 3 and the engine speed NE can also be obtained. The engine 1 is also provided with a knock sensor 16 for detecting knocking of the engine 1 and a water temperature sensor 17 for detecting the temperature of cooling water.
[0012]
An exhaust purification catalyst 19 is provided on the exhaust passage 7. A plurality of exhaust purification catalysts may be provided on the exhaust passage. In this case, a plurality of exhaust purification catalysts may be provided in series, or a plurality of exhaust purification catalysts may be provided in parallel at the branch portion. For example, for a four-cylinder engine, one exhaust purification catalyst is installed at a location where the exhaust pipes of two cylinders are integrated into one, and a location where the exhaust pipes of the remaining two cylinders are integrated. There is a case where another exhaust gas purification catalyst is installed in the vehicle. In the present embodiment, one exhaust gas purifying catalyst 19 is provided downstream of a location where exhaust pipes for each cylinder 3 are united.
[0013]
The ignition plug 2, the injector 5, the throttle position sensor 10, the throttle motor 11, the accelerator position sensor 12, the air flow meter 13, the crank position sensor 14, the knock sensor 16, the water temperature sensor 17, and other sensors are integrated with the engine 1. The ECU 18 is connected to an electronic control unit (ECU) 18 that performs control, and is controlled based on a signal from the ECU 18 or sends a detection result to the ECU 18. A catalyst temperature sensor 21 for measuring the temperature of the exhaust gas purification catalyst 19 disposed on the exhaust passage 7, a purge control valve 24 for purging the evaporated fuel in the fuel tank collected by the charcoal canister 23 onto the intake passage 4. Are also connected to the ECU 18.
[0014]
Further, the ECU 18 is also connected to an air-fuel ratio sensor 25 mounted on the upstream side of the exhaust purification catalyst 19 and a specific component detection sensor 26 mounted on the downstream side of the exhaust purification catalyst 19. The air-fuel ratio sensor 25 detects the exhaust air-fuel ratio from the oxygen concentration in the exhaust gas at the mounting position. As the air-fuel ratio sensor 25, a linear air-fuel ratio sensor that linearly detects the exhaust air-fuel ratio is used, or an oxygen sensor that detects the exhaust air-fuel ratio on-off. In addition, since the air-fuel ratio sensor 25 cannot perform accurate detection unless the temperature becomes equal to or higher than a predetermined temperature (activation temperature), the power supplied via the ECU 18 is increased so that the temperature is quickly raised to the activation temperature. Temperature.
[0015]
The specific component detection sensor 26 detects the concentration (discharge amount) of the specific component in the exhaust gas at the mounting position. In the present embodiment, O2, NO, CO, and HC are handled as specific components. That is, the specific component detection sensor 26 is a sensor in which the function of detecting these concentrations is integrated. The specific component detection sensor 26 may have an activation temperature similarly to the air-fuel ratio sensor 25. In this case, the temperature is increased by electric power supplied through the ECU 18.
[0016]
The ECU 18 has a CPU for performing calculations therein, a RAM for storing various amounts of information such as calculation results, a backup RAM for storing the stored contents by a battery, a ROM for storing each control program, and the like. The ECU 18 controls the engine 1 based on the air-fuel ratio and calculates the amount of oxygen stored in the exhaust purification catalyst 19. The ECU 18 also calculates the amount of fuel injected by the injector 5, controls the ignition timing of the spark plug 2, and performs model correction and sensor diagnosis, which will be described later. That is, the ECU 18 controls the engine 1 based on the detected exhaust air-fuel ratio, the calculated oxygen storage amount, and the like.
[0017]
As described above, in the present invention, the emission amount (or a representative value representing the state of the exhaust gas) of a specific component contained in the exhaust gas flowing out of the exhaust purification catalyst is estimated using a mathematical model. The exhaust gas purification performance is improved by performing air-fuel ratio control so that the estimated value is set to a predetermined target state. Here, a method of estimating the emission amount of a specific component contained in the exhaust gas (or a representative value representing the state of the exhaust gas) is referred to as a catalyst model. In the catalyst model according to the present embodiment, the above-described emission amount and the representative value are estimated in consideration of the oxygen storage effect of the exhaust purification catalyst.
[0018]
First, the oxygen storage effect of the exhaust purification catalyst (hereinafter, also simply referred to as a catalyst) 19 will be briefly described, and then a catalyst model will be described.
[0019]
As shown in FIG. 2, the catalyst 19 is a three-way catalyst called a columnar monolith catalytic converter having an elliptical cross section (constant cross-sectional area is dA). As shown in FIG. 3 which is a cut-away enlarged sectional view, the inside is subdivided into an axial space extending in the axial direction by a carrier 19a made of cordierite which is a kind of ceramic. Each axial space has a substantially square shape when cut along a plane perpendicular to the axis, and is also called a cell. The carrier 19a is coated with an alumina coat layer 19b. The coat layer 19b is composed of an active component (catalyst component) made of a noble metal such as platinum (Pt) and ceria (CeO).2) Is carried.
[0020]
This catalyst 19 oxidizes unburned components (HC, CO) and reduces nitrogen oxides (NOx) when the air-fuel ratio of the inflowing exhaust gas is a stoichiometric air-fuel ratio (this is referred to as a "catalytic function" or (Referred to as “redox function”). The catalyst 19 has the property of storing (storing and adsorbing) and releasing oxygen molecules in the inflowing exhaust gas (oxygen storage function) by supporting the above-mentioned components such as ceria. With the function, HC, CO and NOx can be purified even if the air-fuel ratio deviates to some extent from the stoichiometric air-fuel ratio. That is, when the exhaust gas flowing lean and the exhaust air-fuel ratio contains a large amount of excess oxygen and nitrogen oxide NOx, the catalyst 19 stores excess oxygen and deprives the nitrogen oxide NOx of oxygen. Oxygen is stored (by reducing NOx), thereby purifying NOx. Further, when the exhaust gas having a rich exhaust air-fuel ratio and a large amount of unburned components such as hydrocarbon HC and carbon monoxide CO are contained in the exhaust gas that flows in, the catalyst 19 removes oxygen molecules occluded therein. It is given to the unburned components to oxidize the unburned components, thereby purifying HC and CO.
[0021]
Therefore, if the catalyst 19 has stored oxygen to the extent that it can store oxygen, oxygen cannot be stored when the exhaust air-fuel ratio becomes lean, so that it is possible to contribute to NOx purification using the oxygen storage function. Disappears. On the other hand, if the exhaust air-fuel ratio becomes rich, oxygen cannot be released unless the catalyst 19 has completely released oxygen and does not occlude oxygen at all, contributing to HC and CO purification using the oxygen storage function. become unable. For this reason, even if the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst 19 becomes transiently lean or rich, the oxygen storage amount is accurately estimated so that the components to be purified can be sufficiently purified. In addition, it is desirable to perform air-fuel ratio control so as to maintain the oxygen storage amount at a predetermined value.
[0022]
When exhaust gas with a lean air-fuel ratio flows into the catalyst 19, more oxygen is stored upstream of the catalyst 19, and when exhaust gas with a rich air-fuel ratio flows into the catalyst 19, the oxygen upstream of the catalyst 19 is increased. The oxygen stored from the side is consumed. Therefore, if the total amount of oxygen storage from the most upstream position of the catalyst 19 to an arbitrary position is estimated and the air-fuel ratio control is performed based on the estimated value, the oxygen storage becomes exhausted or the oxygen storage becomes full. This makes it easier to avoid situations in which the As a result, even if there is an unavoidable control delay in the control of the air-fuel ratio, more effective exhaust gas purification can be performed.
[0023]
Here, if the emission amount (concentration) of the specific component can be estimated by the above-described catalyst model, the emission of the specific component can be suppressed with high accuracy by performing the air-fuel ratio control based on the estimated value. The control device of the present embodiment improves the exhaust purification performance by using a catalyst model described later and the above-described control on the oxygen storage amount. Therefore, the emission amount (concentration) and the oxygen storage amount of the specific component are estimated.
[0024]
Hereinafter, the catalyst model will be described.
[0025]
As shown in FIG. 4, the catalyst 19 is divided into a plurality of regions (also referred to as “blocks”) by a surface orthogonal to the axis from the inflow side Fr to the outflow side Rr of the exhaust gas. That is, the catalyst 19 is divided into a plurality of regions along the flow direction of the exhaust gas. The length in the axial direction of each of the divided regions is L (also referred to as a minute length dx). As described above, the cross-sectional area of the catalyst 19 is constant at dA. Note that this catalyst model is a model constructed by dividing the catalyst into a plurality of regions. However, by considering the entire catalyst as one region described below, the catalyst 19 can be divided without dividing the catalyst 19 into a plurality of regions. You can also build models.
[0026]
Next, attention is paid to an arbitrary specific region among the divided regions, and the balance of a specific component (specific chemical species) passing through the specific region is considered. The chemical species is a component contained in the exhaust gas.2, Carbon monoxide CO, hydrocarbon HC, and nitrogen oxide NOx. The chemical species is a sum of components contained in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is rich (rich component), or the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the catalyst is lean. In this case, the component contained in the exhaust gas may be integrated (lean component).
[0027]
Various values used in the present catalyst model are defined as in the following [Table 1].
[0028]
[Table 1]
Figure 2004169607
[0029]
Now, considering the balance of chemical species in a specific region in a given period from time t to t + Δt, as shown in FIG. 5, an exhaust gas phase in a specific region (also simply referred to as an “exhaust gas phase”). The amount of change ΔM of the chemical species at the time is calculated from the “amount Min of the chemical species flowing into the specific region” to the “amount Mout of the chemical species flowing out” and the “transmission amount to the coat layer” as shown in the following equation (1). The amount of the applied chemical species Mcoat "is subtracted. As described above, the catalyst model is constructed based on the material balance of the specific component in the specific region.
[0030]
(Equation 1)
Figure 2004169607
[0031]
Hereinafter, each term of the equation (1) will be individually examined. First, the variation ΔM of the chemical species on the left side of the equation (1) can be obtained by the following equation (2). The expression (2) is obtained by multiplying the concentration change amount of the chemical species (the amount obtained by integrating the time change amount of the concentration Cg of the chemical species over the period Δt) by the minute volume σ · dA · dx in the above-mentioned period Δt in the specific region. Is integrated in the axial direction.
[0032]
(Equation 2)
Figure 2004169607
[0033]
Min of the first term on the right side of the equation (1) is a value Cgin · vgin · obtained by multiplying the volume vgin · dA of the exhaust gas flowing into the specific region per unit time by the concentration Cgin of the chemical species in the flowing exhaust gas. This is a value obtained by integrating dA over the period t → t + Δt. Here, the “volume vgin · dA of the exhaust gas flowing into the specific region per unit time” is a product of the “flow velocity vgin of the exhaust gas flowing into the specific region” and the “cross-sectional area dA of the specific region”. Actually, since the exhaust gas having the flow rate vgin flows into the catalyst having the cross-sectional area dA and the opening ratio σ, the flow rate of the exhaust gas inside the catalyst becomes vgin / σ. It is obtained as the product of the substantial exhaust gas passage cross section σ · dA.
[0034]
Further, Mout of the second term on the right side of the equation (1) is a value Cgout · obtained by multiplying the volume vgout · dA of the exhaust gas flowing out of the specific area per unit time by the concentration Cgout of the chemical species in the exhaust gas flowing out. This is a value obtained by integrating vgout · dA over the period t → t + Δt. Here, the “volume vgout · dA of the exhaust gas flowing out of the specific area per unit time” is a product of the “flow velocity vgout of the exhaust gas flowing out of the specific area” and the “cross-sectional area dA of the specific area”. Actually, it is the product of the exhaust gas flow rate vgout / σ and the substantial exhaust gas passage sectional area σ · dA. That is, the first and second terms on the right side of the above equation (1) can be described as the following equation (3).
[0035]
(Equation 3)
Figure 2004169607
[0036]
By the way, since there is no significant difference between the flow rate vgin of the exhaust gas flowing into the specific area and the flow rate vgout of the exhaust gas flowing out of the specific area, if vg = vgin = vgout, the equation (3) becomes It is transformed as in equation 4).
[0037]
(Equation 4)
Figure 2004169607
[0038]
Next, the amount Mcoat of the chemical species transmitted (moved) to the coat layer in the third term on the right side of the equation (1) will be examined. Since the geometric surface area Sgeo is a surface area that contributes to the transfer of chemical substances and heat per unit volume of the catalyst, the surface area that contributes to the transfer from the exhaust gas phase to the coat layer in a specific region is Sgeo · dA · dx. And the mass transfer contribution area per unit length of the specific region is Sgeo · dA. Further, the amount of the chemical species transmitted to the coat layer can be considered to be proportional to the difference between the concentration Cg of the chemical species in the exhaust gas phase and the concentration Cw of the chemical species in the coat layer from Fick's law. From these, the following equation (5) is obtained. Note that hDIs a proportionality constant, and as shown in Table 1, is a value called a mass transfer rate.
[0039]
(Equation 5)
Figure 2004169607
[0040]
Therefore, from the above equations (1), (2), (4) and (5), the following equation (6) is obtained.
[0041]
(Equation 6)
Figure 2004169607
[0042]
When a quasi-state approximation is applied to the equation (6), the left side of the equation (6) can be considered to be “0” (∂Cg / ∂t = 0) (that is, the concentration Cg is instantaneous). (It is considered that the steady state value is reached) in the following manner.
[0043]
(Equation 7)
Figure 2004169607
[0044]
Here, the apparent diffusion rate (substantial diffusion rate) RDIs written as the following equation (8), the equation (7) is rewritten as the equation (9).
[0045]
(Equation 8)
Figure 2004169607
(Equation 9)
Figure 2004169607
[0046]
Next, considering the balance of the chemical species (the material balance of the specific component) in the coat layer in the specific region in the same manner as described above, the time change amount of the chemical species in the coat layer as shown in the following equation (10) (Change per unit time) ΔMc is the amount of chemical species consumed by the reaction in the coat layer per unit time from the amount Md of chemical species transferred from the exhaust gas phase to the coat layer per unit time. It is an amount obtained by subtracting Mr.
[0047]
(Equation 10)
Figure 2004169607
[0048]
The left side of the equation (10) (the amount of temporal change of the chemical species in the coat layer) △ Mc is, as shown in the following equation (11), the volume change of the chemical species concentration change (∂Cw / ∂t) 1−σ) · dA · dx), and the first term on the right-hand side (the amount Md of chemical species transferred from the exhaust gas phase to the coat layer per unit time) is the reason explained by the equation (5). For the same reason as above, that is, considering Fick's law, it can be described as the following equation (12).
[0049]
(Equation 11)
Figure 2004169607
(Equation 12)
Figure 2004169607
[0050]
The second term on the right side of the equation (10) (the amount Mr of the chemical species consumed by the reaction in the coat layer per unit time) is expressed by the following equation (13) using the consumption rate R of the chemical species in the coat layer. Required by
[0051]
(Equation 13)
Figure 2004169607
[0052]
Therefore, the following expression (14) is obtained from the expressions (10) to (13).
[0053]
[Equation 14]
Figure 2004169607
[0054]
When the quasi-state approximation is applied to the equation (14) (∂Cw / ∂t = 0), the following equation (15) is obtained.
[0055]
[Equation 15]
Figure 2004169607
[0056]
Here, if the equation (8) is applied to the equation (15), the following equation (16) is obtained.
[0057]
(Equation 16)
Figure 2004169607
[0058]
To summarize the above, equations (9) and (16) are the basic equations of the catalyst model. Equation (9) indicates that the “inflow amount into a specific region” of a certain chemical species and the “diffusion amount from the exhaust gas phase into the coat layer + the outflow amount from the specific region” are balanced, and (16) The equation shows that the “diffusion amount of the chemical species from the exhaust gas phase to the coat layer” and the “consumption amount in the coat layer” are balanced.
[0059]
Next, a method for actually calculating the concentration Cgout of the specific chemical species i flowing out of the specific region using the above-described catalyst model will be described. First, when the equation (9) is discretized, the following equation (17) is obtained. In the following, the above dx is represented as L.
[0060]
[Equation 17]
Figure 2004169607
[0061]
Here, as conceptually shown in FIG. 6, the concentration Cgout of the chemical species flowing out of the specific region I is considered to be strongly influenced by the concentration Cg (I) of the chemical species in the specific region I. Equation (18) can be used.
[0062]
(Equation 18)
Figure 2004169607
This concept is called the "windward method." That is, the windward method is based on the idea that "chemical species having a concentration Cg (I-1) in the upstream region (I-1) adjacent to the specific region I flow into the specific region I". Expression (19) can also be described.
[0063]
[Equation 19]
Figure 2004169607
[0064]
By the way, based on the reaction kinetics, the consumption rate R of a certain chemical species is a function fcw of the average concentration Cw of the chemical species in the coat layer (for example, the nth power of CW). If fcw (x) = x is set for simplicity, the consumption speed R can be expressed as the following equation (20). In the following, R * in equation (20) is referred to as “consumption rate constant” for convenience.
[0065]
(Equation 20)
Figure 2004169607
[0066]
When this equation (20) is applied to the above equation (16), the following equation (21) is obtained. By modifying the equation (21), the following equation (22) is obtained.
[0067]
(Equation 21)
Figure 2004169607
(Equation 22)
Figure 2004169607
[0068]
Further, according to the above-mentioned upwind method, since Cg = Cgout, the expression (22) can be rewritten into the following expression (23).
[0069]
(Equation 23)
Figure 2004169607
[0070]
Then, the relationship Cg = Cgout is applied to the above equation (17) to eliminate Cg, and when Cw is eliminated from the equation (17) and the above equation (23), the following equation (24) is obtained.
[0071]
[Equation 24]
Figure 2004169607
[0072]
Therefore, if the value SP is set as in the following equation (25), the equation (24) can be rewritten as the equation (26). The value SP is the apparent diffusion rate RDAnd the consumption rate constant R * are values that are strongly affected by the smaller value of Cgout.D) Or a chemical reaction (R *), which can be referred to as a “reaction-limiting factor”.
[0073]
(Equation 25)
Figure 2004169607
(Equation 26)
Figure 2004169607
[0074]
From the above, the consumption rate constant R * and the apparent diffusion rate RDIs determined, the concentration Cgout of the chemical species flowing out of the specific area can be obtained based on the equations (25) and (26) by giving the chemical species concentration Cgin flowing into the specific area. The above is the basic idea of calculating the concentration Cgout of the chemical species.
[0075]
In the air-fuel ratio control of the present embodiment, the internal combustion engine control (air-fuel ratio control) is performed based on the “concentration Cgout of the specific component (chemical species) flowing out of the specific region” calculated using the catalyst model as described above. . A target value is set for this Cgout, and fuel is injected so that the air-fuel ratio becomes such that Cgout becomes this target value. At this time, if the specific region is first set on the most upstream side of the catalyst 19, the concentration Cgin of the specific component flowing into the specific region can be detected by the air-fuel ratio sensor 25 set on the upstream side of the catalyst 19. If Cgout is calculated based on this Cgin, this Cgout becomes a Cgin of a specific region one downstream side. By sequentially calculating in this manner, the state of the catalyst 19 can be grasped in detail (such as the distribution of the concentration Cw of the specific component in the coating layer of the catalyst 19 in the flow direction), and the specific state finally discharged from the catalyst 19 can be determined. The concentrations (emissions) of the components are also determined more accurately.
[0076]
The Cgout (Cgout, CO.Cgout, NO.Cgout, HC) for CO, NO (NOx), and HC, which are components to be purified in the exhaust gas, is estimated, and the amount (concentration) of these emissions is determined by the catalyst 19. , The exhaust gas purification performance can be improved. When the purifying performance is to be further improved by utilizing the oxygen storage amount of the catalyst 19, O2Cgout (Cgout, O2If the distribution is obtained by obtaining the above (2) inside the catalyst, the exhaust gas purifying performance can be improved by using the oxygen storage function more effectively.
[0077]
In order to calculate Cgout from Cgin using the catalyst model, as described above, the consumption rate constant R * and the apparent diffusion rate RDAnd need to decide. First, the diffusion rate RD, As can be seen from equation (8), RD= Sgeo · hDIt is. As shown in [Table 1], Sgeo is a fixed value of the catalyst 19,DIs hDDepends on hD
Is different for each specific component (chemical species) and depends on the temperature of the catalyst 19, as shown in [Table 1]. Therefore, the diffusion speed RDIs determined in advance as a function of the catalyst temperature Temp by performing an experiment or the like, and is mapped and stored in the ROM in the ECU 18.
[0078]
On the other hand, the consumption rate constant R * is calculated and updated in the control device during control, and the calculated and updated value is used. As described above, by calculating and updating the consumption rate constant R * based on the detection result in the actual control system, the control accuracy can be further improved. Hereinafter, a method of determining the consumption rate constant R * will be described.
[0079]
First, Cgout for the specific region I on the most downstream side of the catalyst 19 (or it can be grasped as the entire catalyst 19) is obtained. At this time, since the consumption rate constant R * has not yet been determined (and the Cgout on one upstream side has not been calculated), it is naturally impossible to calculate Cgout using the above-described catalyst model. For this reason, the O2 concentration will be described first, but Cgout, O2Is calculated. At this time, as shown in the following equation (27), O 2 in the exhaust gas on the downstream side of the catalyst 19 is2The output of the specific component detection sensor 26 for detecting the concentration is used.
[0080]
[Equation 27]
Figure 2004169607
[0081]
In the equation (27), AF-AFstoich is an air-fuel ratio difference indicating a degree of leaning or leaning from the stoichiometric air-fuel ratio, and a mass flow rate of air can be obtained by multiplying the difference by the supplied fuel amount Gf. Further, by multiplying the mass of air by the weight ratio of oxygen in the air of 0.23, an excess or insufficient oxygen amount can be obtained. That is, this is the amount of oxygen emission flowing out of the specific region I on the most downstream side of the catalyst 19 (that is, flowing out of the catalyst 19), which is calculated based on actual detection without depending on the catalyst model (mathematical model). It is.
[0082]
In the present embodiment, Cgout, O2Is calculated by adjusting the fuel injection amount from the injector 5 or the opening of the throttle valve 9 by the ECU 18 to forcibly make the exhaust air-fuel ratio lean. That is, the ECU 18, the injector 5, the throttle valve 9, and the like function as rich / lean setting means. Since NO is also included in the exhaust gas at the time of lean operation, Cgout and NO can be calculated by the same method (using the equation corresponding to the equation (27)). At this time, the specific component detection sensor 26 detects NO.
[0083]
On the other hand, in order to calculate Cgout, CO, Cgout, HC, the specific component detection sensor 26 must detect the CO concentration or the HC concentration. Therefore, in this case, the exhaust air-fuel ratio is forcibly made rich by the above-described rich / lean setting means. Thereafter, Cgout, CO and Cgout, HC are calculated by the same method (using the equation corresponding to the equation (27)). At this time, the specific component detection sensor 26 detects CO and HC. In this manner, Cgout for each specific component of the exhaust gas flowing out from (the specific region I on the most downstream side of) the catalyst 19 was calculated based on the detection result in the actual control system.
[0084]
Next, Cgin is calculated. First, Cgin, O2Will be described. At this time, the consumption rate constant R * has not yet been determined (and there is no upstream Cgout).2Cannot be calculated. Therefore, first, Cgin, O with respect to the exhaust gas flowing into the most upstream region of the catalyst 19 (or it can be understood as the whole catalyst 19).2Is calculated by the following equation (28). At this time, as shown in the following equation (28), the output of the air-fuel ratio sensor 25 that detects the exhaust air-fuel ratio on the upstream side of the catalyst 19 is used.
[0085]
[Equation 28]
Figure 2004169607
[0086]
Briefly describing the introduction process of the above equation (28), the air-fuel ratio AF of the exhaust gas flowing into the catalyst 19 is Ga / Gf, and the air mass required for obtaining the stoichiometric air-fuel ratio with respect to Gf is defined as Gastoich. Then, the stoichiometric air-fuel ratio AFstoich becomes Gastoich / Gf. On the other hand, when the air-fuel ratio becomes AF when the supplied fuel mass is Gf, the excess air mass with respect to the air mass necessary to obtain the ideal air-fuel ratio AFstoich is Ga-Gastoch. In other words, the following equation (29) is obtained, and the above equation (28) is derived from the equation (29).
[0087]
(Equation 29)
Figure 2004169607
[0088]
Cgin, NO · Cgin, CO · Cgin, and HC are estimated based on the maps shown in FIGS. 7 to 9. Here, the most upstream Cgin, NO · Cgin, CO · Cgin, and HC are determined based on the exhaust air-fuel ratio on the upstream side of the catalyst 19, but the parameters of FIGS. Needless to say, it can be used as a map. The parameters at this time include the exhaust gas temperature, the ignition timing, the cooling water temperature, the flow rate of the exhaust gas, the flow rate of the exhaust gas flowing into the catalyst 19 (the amount of intake air detected by the air flow meter 13), and the like. In this manner, Cgout and Cgin for each specific component were calculated based on the detection result in the control system.
[0089]
On the other hand, in this catalyst model, it is assumed that the three-way reaction, which is an oxidation / reduction reaction in the catalyst, is completed instantaneously and completely, and as a result, attention is paid to the oxygen storage / release reaction based on excess / deficiency of oxygen. Then, the above-mentioned specific component (chemical species i) is defined as a storage agent and a reduction agent as follows. For example, oxygen 02Species (storage agents) that produce oxygen (produce oxygen), like nitrogen monoxide NO, which is one of nitrogen oxides, and consume oxygen like carbon monoxide CO and hydrocarbon HC It is a chemical species (reduction agent).
[0090]
Apparent diffusion of Cgout of chemical species i of the storage agent, Cgout, sto, i, Cw of chemical species i of Cw, sto, i, and Cgin of chemical species i of Cgin, stor, i, and chemical species i Speed RDTo RD, I, the consumption rate of the same species i is represented by Rstor, i, the consumption rate constant of the same species i is represented by R * stor, i, and the reaction-limiting factor of the same species i is represented by SPstor, i (in this case, Species i is O2Or NO). Similarly, Cgout of the species i of the reduction agent is Cgout, reduc, i, Cw of the species i is Cw, reduc, i, and Cgin of the species i is Cgin, reduc, i, and Apparent diffusion rate RDTo RD, I, the consumption rate of the same species i is Rreduc, i, the consumption rate constant of the same species i is R * reduc, i, and the reaction-limiting factor SPreduc, i of the same species i (in this case, the species i Represents CO or HC). Expressing each value in this way, from the above equations (20), (23), (25), and (26), the following equations (30) to (33) and (33) for each storage agent and reduction agent are used. Expressions 34) to (37) are obtained.
[0091]
[Equation 30]
Figure 2004169607
(Equation 31)
Figure 2004169607
(Equation 32)
Figure 2004169607
[Equation 33]
Figure 2004169607
[0092]
[Equation 34]
Figure 2004169607
(Equation 35)
Figure 2004169607
[Equation 36]
Figure 2004169607
(37)
Figure 2004169607
[0093]
Here, the specific component is O2In the above-mentioned equations (33) and (32), Cgout, stor, i are calculated by using equation (27) as Cgout, stor, i.2Is applied to Cgin, stor, i, and Cgin, O flowing into the catalyst 19 calculated using the equation (28).2And the diffusion rate R previously determined as a function of the temperature of the catalyst 19DO2Is applied, the consumption rate constant R * O2Can be calculated. Similarly, regarding the case where the specific component is NO, Cgout, NO flowing out of the catalyst 19 calculated by using the equation (27) corresponding to the equation (27) in the equations (33) and (32). Is applied, Cgin, NO flowing into the catalyst 19 obtained from FIG. 7 is applied to Cgin, sto, i, and the diffusion rate R determined in advance as a function of the temperature of the catalyst 19 is calculated.DBy applying NO, the consumption rate constant R * NO can be calculated.
[0094]
Further, as for the case where the specific component is CO, Cgout, CO flowing out of the catalyst 19 calculated by using the equation (27) corresponding to Cgout, reduc, i in the above equations (37) and (36). Applying Cgin, CO flowing into the catalyst 19 obtained from FIG. 8 to Cgin, reduc, i, the diffusion rate R previously determined as a function of the temperature of the catalyst 19DBy applying CO, the consumption rate constant R * CO can be calculated. Similarly, in the case where the specific component is HC, Cgout, HC flowing out of the catalyst 19 calculated by using the equation (27) corresponding to the equation (27) in the equations (37) and (36). Is applied, and Cgin, HC flowing into the catalyst 19 obtained from FIG. 9 is applied to Cgin, reduc, i, and the diffusion rate R determined in advance as a function of the temperature of the catalyst 19 is calculated.DBy applying HC, the consumption rate constant R * HC can be calculated.
[0095]
Thus, the consumption rate constant R * for each specific component has been calculated, so that Cgout for each specific component can be calculated in order from the specific region I on the upstream side of the catalyst 19 to the downstream side. At this time, the following equation (24) or equivalent equations (25) and (26) [= (32), (33) / (36), (37)] in the above-described catalyst model are used in this order. calculate. In addition, by using the equation (23) [= (31) / (35)], the concentration of the specific component in the coat layer inside the catalyst 19 can also be calculated. As a matter of course, Cgin for the specific region I on the most upstream side uses the value obtained from the equation (28) and the maps in FIGS. 7 to 9. And Cgin of a certain specific region is Cgout in the specific region one upstream side.
[0096]
As described above, the consumption rate constant R * is calculated based on the detection result in the actual control system, and the state of the catalyst 19 is grasped in detail using a mathematical model (catalyst model) using the consumption rate constant R *. Thus, the ability of the catalyst 19 can be more effectively utilized. As a result, in the present embodiment, a target value is set for Cgout of each specific component that finally flows out of the catalyst 19 (that is, flows out of the specific region I on the most downstream side), and each Cgout is set to the target value. The air-fuel ratio control for adjusting the fuel injection amount and the intake air amount is performed so that
[0097]
For example, the smaller the emissions of nitrogen oxides NOx, carbon monoxide CO, and hydrocarbons HC, the better. Therefore, a target is set for reducing Cgout, NO, Cgout, CO, C, Cgout, and HC flowing out of the catalyst 19 to zero. It is also conceivable to set a target such that the purification of non-zero components of Cgout, NO, Cgout, CO, Cgout, and HC for each specific region I inside the catalyst proceeds. For example, when Cw and HC in a specific region I are high, a target may be set such that Cgout and NO in the specific region (I-1) one upstream side are increased to oxidize the Cw and HC. Conceivable.
[0098]
Furthermore, as described above, in order to improve the purification performance of the catalyst 19, the oxygen storage function of the catalyst 19 may be used. The oxygen storage density Ost of the catalyst 19 may have a distribution in the catalyst. By more efficiently grasping and controlling the state of the oxygen storage density Ost inside the catalyst 19, the exhaust gas purification performance can be further improved. In this case, it is conceivable to set the oxygen storage density Ost as the control target without setting Cgout as the control target. This will be described below.
[0099]
As described above, the expressions (30) to (33) and the expressions (34) to (37) are obtained for each storage agent and reduction agent, focusing on the occlusion / release of oxygen of the catalyst 19. Based on these equations, Cgout, sto, i (specifically, the concentration of oxygen Cgout, 02, Concentration of nitric oxide flowing out of the specific region Cgout, NO) and Cgout, reduc, i (specifically, concentration of carbon monoxide flowing out of the specific region Cgout, CO, concentration of hydrocarbon flowing out of the specific region) Cgout, HC) can be obtained for each specific region as described above. Further, as described above, the consumption rate constants R * stor, i and R * reduc, i for each specific component are also determined as described above when calculating Cgout for each specific region.
[0100]
According to the reaction kinetics, the rate at which oxygen is occluded in the coat layer in a specific region (oxygen occlusion rate) Rstor, i is “storage agent (02, NO, etc.) concentration Cw, sto, i (eg, Cw, 0)2, Cw, NO) and the difference between the maximum oxygen storage density Ostmax of the coat layer in the specific region and the actual oxygen storage density Ost (Ostmax−Ost). Function f2 (Ostmax−Ost) ”. The difference between the maximum oxygen storage density Ostmax and the oxygen storage density (Ostmax-Ost) indicates the oxygen storage allowance in the specific region of interest. Therefore, if the function f1 (x) = f2 (x) = x for simplicity, the following equation (38) is obtained.
[0101]
[Equation 38]
Figure 2004169607
[0102]
In Equation (38), kstor, i is an oxygen storage rate coefficient (storage side reaction rate coefficient, storage agent consumption rate coefficient), and varies depending on the temperature expressed by the well-known Arrhenius equation. It is a coefficient and can be obtained as a function of the catalyst temperature Temp that is separately detected (estimated) (or from a map that defines the relationship between the oxygen storage rate coefficient kstor, i and the catalyst temperature Temp). It should be noted that the oxygen storage rate coefficient kstor, i changes depending on the degree of catalyst deterioration, and thus may be obtained according to the degree of catalyst deterioration. Therefore, from the equations (30) and (38), the consumption rate constant R * stor, i is calculated by the following equation (39) using the difference between the maximum oxygen storage density Ostmax and the oxygen storage density (Ostmax−Ost). It can also be expressed as
[0103]
[Equation 39]
Figure 2004169607
[0104]
In this model, which focuses on the occlusion (adsorption) and release of oxygen, the reduction agent, which is a reducing agent, is used only to release the oxygen stored in the coat layer. The consumption speed Rredcu, i is equal to the speed (releasing speed of oxygen) Rrel, i at which the oxygen stored in the coat layer is released. Considering the oxygen release rate Rrel, i, the release rate Rrel, i is calculated based on the reaction kinetics, as in the case of the oxygen storage rate Rstor, i. , CO, HC) in proportion to the value of the function g1 (Cw, reduc, i) of the concentration Cw, reduc, i (for example, Cw, CO, Cw, HC) and the “function g2 (oxygen storage density Ost) g2 ( Ost) ". Then, if the function g1 (x) = g2 (x) = x for simplicity, the following equation (40) is obtained.
[0105]
(Equation 40)
Figure 2004169607
[0106]
Krel, i in the equation (40) is an oxygen release rate coefficient (removal rate coefficient on the desorption side, consumption rate coefficient of the reduction agent), and is represented by an Arrhenius equation like the oxygen storage rate coefficient kstor, i. A coefficient that varies depending on the temperature, and is obtained as a function of the separately detected (estimated) catalyst temperature Temp (or from a map that defines the relationship between the oxygen release rate coefficient krel, i and the catalyst temperature Temp). be able to. Since the oxygen release rate coefficient krel, i changes depending on the degree of catalyst deterioration, it may be determined according to the degree of catalyst deterioration. As a result, as described above, the consumption rate Rredc, i of the reduction agent is equal to the oxygen release rate Rrel, i of the coat layer. Therefore, the consumption rate constant R * reduc, i is given by the equations (34) and (40). Therefore, using the oxygen storage density Ost, the following equation (41) can be used.
[0107]
(Equation 41)
Figure 2004169607
[0108]
Equations (39) and (41) show the relationship between the consumption rate constant R * and the oxygen storage density Ost. Here, paying attention to the balance of oxygen as a chemical species in the coat layer, since this balance of oxygen is the difference between the amount of oxygen absorbed and the amount of released oxygen in the coat layer, it is described by the following equation (42). You. In the equation (42), dA · L is the volume dV of the specific area. Further, when the following equation (42) is modified, the following equation (43) is obtained.
[0109]
(Equation 42)
Figure 2004169607
[Equation 43]
Figure 2004169607
[0110]
When the equation (43) is discretized using the equations (38) and (40), the following equation (44) is obtained. By transforming the equation (44), the following equations (45) to (47) are obtained, from which the oxygen storage density Ost can be updated.
[0111]
[Equation 44]
Figure 2004169607
[Equation 45]
Figure 2004169607
[Equation 46]
Figure 2004169607
[Equation 47]
Figure 2004169607
[0112]
As described above, the oxygen storage density Ost can be calculated based on the catalyst model using the equations (45) to (47). Further, based on the oxygen storage density Ost, the oxygen storage amount OSA can be calculated using the following equation (48).
[0113]
[Equation 48]
Figure 2004169607
[0114]
Therefore, when the chemical species concentration Cgin, i flowing into the catalyst is given as a boundary condition, the oxygen storage amount OSA of each block is sequentially obtained from the block (specific region) upstream of the catalyst using the equation (45). Thereby, the distribution of the oxygen storage amount inside the catalyst is accurately estimated. Further, if the oxygen storage amount OSA of each block is integrated for the entire catalyst, the oxygen storage amount of the entire catalyst can be accurately estimated. By controlling Cgin, Cgout, and Cw in order to set the oxygen storage amount OSA (oxygen storage density Ost) for each specific region to a desired state, it is possible to further improve exhaust gas purification performance.
[0115]
For example, as a result of the continuous flow of the rich exhaust gas, in the region on the upstream side of the catalyst 19, the O stored in the catalyst 19 to oxidize the CO and HC in the rich exhaust gas.2Is consumed. If the amount of consumption is large, there is a concern that purification may not be sufficiently performed when richer exhaust gas flows. In such a case, it is conceivable to perform control to suppress a decrease in the oxygen storage amount OSA (oxygen storage density Ost) in the specific region on the upstream side. Alternatively, in a case where the exhaust air-fuel ratio has already shifted to a lean state, it is conceivable to perform control to recover the decreased oxygen storage amount OSA (oxygen storage density Ost) at an early stage.
[0116]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when controlling an internal combustion engine based on the estimation using a mathematical model, the estimation accuracy of this mathematical model can be improved. Further, according to the present invention, it is possible to estimate the situation inside the exhaust gas purification catalyst in more detail, so that it is possible to perform more advanced internal combustion engine control.
[Brief description of the drawings]
FIG.
It is a sectional view showing the internal-combustion engine which has an embodiment of a control device of the present invention.
FIG. 2
FIG. 2 is an external view of the exhaust purification catalyst shown in FIG. 1.
FIG. 3
FIG. 3 is a partial sectional view of the exhaust purification catalyst of FIG. 2.
FIG. 4
It is a schematic diagram for explaining the catalyst model (mathematical model) in the present invention.
FIG. 5
It is a schematic diagram for explaining the catalyst model (mathematical model) in the present invention.
FIG. 6
It is a schematic diagram for explaining the upwind method used in the catalyst model (mathematical model) in the present invention.
FIG. 7
4 is a map that defines the relationship between the exhaust air-fuel ratio and the concentration of nitric oxide used to determine the concentration of nitric oxide flowing into the exhaust purification catalyst.
FIG. 8
4 is a map that defines a relationship between an exhaust air-fuel ratio and a carbon monoxide concentration used to determine the concentration of carbon monoxide flowing into the exhaust purification catalyst.
FIG. 9
4 is a map that defines a relationship between an exhaust air-fuel ratio and a hydrocarbon concentration used for determining a hydrocarbon concentration flowing into an exhaust purification catalyst.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine (internal combustion engine), 2 ... Spark plug, 3 ... Cylinder, 4 ... Intake passage, 5 ... Injector, 7 ... Exhaust passage, 9 ... Throttle valve, 18 ... ECU (Estimation means, rich / lean setting means), 19: exhaust purification catalyst, 25: air-fuel ratio detection sensor, 26: specific component detection sensor.

Claims (1)

内燃機関の排気通路上に配設された排気浄化触媒上流側の排気空燃比、又は、該排気浄化触媒上流側の排気ガス中に含まれる少なくとも一つの特定成分の排出量に基づいて、前記排気浄化触媒内及び下流側の排気ガス中に含まれる少なくとも一つの特定成分の排出量を数学的モデルに基づいて推定する推定手段と、
前記排気浄化触媒の下流側に配された前記特定成分を検出する特定成分検出センサと、
前記排気浄化触媒下流側の排気空燃比をリッチ側とリーン側とに強制的に振動させるリッチ・リーン設定手段とを備えており、
前記推定手段が、前記リッチ・リーン設定手段によって排気空燃比を強制的に振動させつつ前記特定成分検出センサによって検出した検出結果に基づいて、前記数学的モデルにおいて使用する定数を算出し、算出した該定数を用いた数学的モデルによって前記特定成分排出量を算出することを特徴とする内燃機関の制御装置。
The exhaust air-fuel ratio on the upstream side of the exhaust purification catalyst provided on the exhaust passage of the internal combustion engine or the amount of at least one specific component contained in the exhaust gas on the upstream side of the exhaust purification catalyst; Estimating means for estimating the emission of at least one specific component contained in the purification catalyst and in the exhaust gas on the downstream side based on a mathematical model,
A specific component detection sensor that detects the specific component disposed downstream of the exhaust purification catalyst;
Rich / lean setting means for forcibly oscillating the exhaust air-fuel ratio on the downstream side of the exhaust purification catalyst between the rich side and the lean side,
The estimating means calculates and calculates a constant used in the mathematical model based on the detection result detected by the specific component detection sensor while forcibly oscillating the exhaust air-fuel ratio by the rich / lean setting means. The control device for an internal combustion engine, wherein the specific component emission amount is calculated by a mathematical model using the constant.
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