JP2010265786A - 触媒床温推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の再始動直後の触媒床温も精度良く推定できる触媒床温推定装置を提供する。
【解決手段】触媒床温推定装置は、所定量以上の排気ガスが触媒に流入されているか否かを周期的にチェックし、所定量以上の排気ガスが触媒に流入されている場合には、当該排気ガスにより触媒に供給される熱量を考慮して触媒の床温を推定する第１床温推定処理（Ｓ１０２）を行い、所定量以上の排気ガスが触媒に流入されていない場合には、触媒から、触媒の下流側空気層及び／又は触媒の上流側空気層のみに熱が放出されると仮定した熱伝導モデルに基づき、各触媒床温を推定する第２床温推定処理（Ｓ１０２）を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられている触媒の床温を推定するための触媒床温推定装置に関する。

内燃機関の排気系に設けられている触媒（酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵還元触媒等）は、床温により性能が変化するものである。従って、触媒の正確な床温を知りたいのであるが、床温を直接的に測定するための温度センサを触媒に設けると、触媒の信頼性（温度変化に対する耐久性）が低下してしまう。

そのため、触媒床温を、触媒に流入する排気ガスの量や温度、排気ガス中のＨＣ量等から推定する技術（例えば、特許文献１参照。）が開発されている。

ただし、当該技術によって正確な触媒床温が推定できるのは、内燃機関が運転されている場合だけである。そのため、内燃機関が一時的に停止されることがあるアイドルストップ車やハイブリッド車では、図８（Ａ）に模式的に示したように、内燃機関（図では、エンジン）の再始動時における触媒床温として、停止前の触媒床温を使用することや、図８（Ｂ）に模式的に示したように、内燃機関の停止時又は始動時に、触媒床温（及び触媒床温算出用のパラメータ）を初期化することが行われている。

また、最初のエンジンの始動から所定時間経過した後は、エンジンが自動停止されているときでも触媒床温等を初期値へリセットしないこと（例えば、特許文献２参照。）も提案されている。

特開２００２−１２２０１９号公報 特開２００５−２７３５３０号公報 特開２００７−００９８７８号公報 特開２００３−５１９７４５号公報 特開２００６−２５０９４５号公報 特開２００７−３２７４２５号公報 特開２００７−０９２６１４号公報

上記したように、既存のアイドルストップ車等における、内燃機関の再始動直後の触媒床温推定手順（アルゴリズム）は、極めて誤差が大きな触媒床温しか推定できないもの（図８参照。）となっている。そして、その結果として、既存のアイドルストップ車等は、内燃機関の再始動直後から触媒関連の制御を適切に行うことができないものとなっている。

そこで、本発明の課題は、内燃機関の再始動直後の触媒床温も精度良く推定できる触媒床温推定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の、内燃機関の排気系に設けられている触媒の床温
を推定するための触媒床温推定装置は、所定量以上の排気ガスが前記触媒に流入されている場合に機能する、当該排気ガスにより前記触媒に供給される熱量を考慮して前記触媒の床温を推定する第１床温推定手段と、前記所定量以上の排気ガスが前記触媒に流入されていない場合に機能する、前記触媒の床温の推定値と前記触媒の下流側の空気層温度及び／又は前記触媒の上流側の空気層温度とに基づき、前記触媒から前記触媒の下流側の空気層及び／又は前記触媒の上流側の空気層のみに熱が放出されると仮定した熱伝導モデルにて、前記触媒の各時刻における床温を推定する第２床温推定手段とを備える。

すなわち、本発明の触媒床温推定装置は、内燃機関の停止中（“前記所定量以上の排気ガスが前記触媒に流入されていない場合”）も、第２床温推定手段によって、『前記触媒の床温の推定値と前記触媒の下流側の空気層温度及び／又は前記触媒の上流側の空気層温度とに基づき、前記触媒から前記触媒の下流側の空気層及び／又は前記触媒の上流側の空気層のみに熱が放出されると仮定した熱伝導モデル』にて、触媒の各時刻における床温が推定される構成を有している。

そして、上記熱伝導モデルにて算出される触媒床温は、既存のアイドルストップ車等における、内燃機関の再始動直後の触媒床温推定手順により算出される触媒床温よりも実際の触媒床温に近いものとなる。従って、本発明の触媒床温推定装置は、内燃機関の再始動直後の触媒床温も精度良く推定できる装置となっていると言うことが出来る。

本発明の触媒床温推定装置の第１床温推定手段は、所定量以上の排気ガスが前記触媒に流入されている場合（排気ガスにより直接的／間接的に触媒に供給されることになる熱量が、触媒からの放熱量に比して十分に小さくなる場合）に機能するものでありさえすれば良い。そして、第２床温推定手段は、第１床温推定手段が機能しない場合に機能するものでありさえすれば良いので、例えば、第１床温推定手段として、排気ガスが前記触媒に流入されていない場合に機能する手段を採用し、第２床温推定手段として、例えば、排気ガスが前記触媒に流入されている場合に機能する手段を採用することが出来る。

また、第２床温推定手段としては、『前記触媒の床温の推定値と前記触媒の下流側の空気層温度及び／又は前記触媒の下流側の空気層温度とに基づき、前記触媒から前記触媒の下流側の空気層及び／又は前記触媒の下流側の空気層のみに熱が放出されると仮定した熱伝導モデル』に基づき、触媒の各時刻における床温を推定するものでありさえすれば、さまざまなものを採用することが出来る。

例えば、触媒床温推定装置の計算負荷を低減するために、第２床温推定手段として、『所定時間が経過する度に、前記触媒の予め定められている複数の部分のそれぞれについて、その部分の温度の推定値を、隣接する部分との温度差に応じた値分、減少させることによって、前記触媒の各時刻における床温を推定する手段』を採用することが出来る。

本発明によれば、内燃機関の再始動直後の触媒床温も精度良く推定できる触媒床温推定装置を提供することが出来る。

本発明の第１実施形態に係る触媒床温推定装置を適用した車両用内燃機関システムの構成図である。 第１実施形態に係る触媒床温推定装置が床温を推定する場所、及び、第１実施形態に係る触媒床温推定装置が床温を推定するために使用する温度の測定場所の説明図である。 第１実施形態に係る触媒床温推定装置が周期的に実行する床温推定処理の流れ図である。 第１実施形態に係る触媒床温推定装置が実行する第２床温推定処理の内容／意味を説明するための図である。 第１実施形態に係る触媒床温推定装置が実行する第２床温推定処理の内容／意味を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る触媒床温推定装置が実行する第２床温推定処理の内容を模式的に示した図である。 排気管内温度T6等の推定法の説明図である。 既存のアイドルストップ車等における、内燃機関の再始動直後の触媒床温推定手順の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

《第１実施形態》
図１に、本発明の第１実施形態に係る触媒床温推定装置を備えた車両用内燃機関システムの構成を示す。なお、本発明の第１実施形態に係る触媒床温推定装置は、この車両用内燃機関システムにおけるＥＣＵ３０の一機能として実現したものとなっている。

この車両用内燃機関システムが備える内燃機関（内燃機関本体）１０は、４つの気筒１１を有するディーゼルエンジンである。内燃機関１０には、各気筒１１内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１２や、図示せぬ吸気弁及び排気弁が取り付けられている。また、内燃機関１０には、機関回転数を検出するためのクランクポジションセンサ２４や、冷却水の温度を検出するための水温センサ２５も取り付けられている。

内燃機関１０には、各気筒１１の燃焼室と吸気ポート（図示略）を介して連通する吸気マニホールド１３、及び、各気筒１１の燃焼室と排気ポートを介して連通する排気マニホールド１７が、接続されている。

吸気マニホールド１３には、空気を吸気マニホールド１３に導入するための吸気管１４が接続されている。吸気管１４の上流側には、塵や埃を空気（吸気）から除去するためのエアクリーナ１５が設けられている。また、吸気管１４のエアクリーナ１５よりも下流側の部分には、ターボチャージャ２０のコンプレッサハウジング２０ａと、コンプレッサハウジング２０ａ通過後の空気を冷却するためのインタークーラ１６とが設けられている。

吸気管１４のインタークーラ１６よりも下流側の部分には、吸気管１４内を流通する吸気の温度を測定するための温度センサ２２、及び、吸気管１４内を流通する吸気の流量を調節可能な吸気絞り弁２３が設けられている。また、吸気管１４の、エアクリーナ１５、コンプレッサハウジング２０ａ間の部分には、吸気の流量を測定するためのエアフローメータ２１が設けられている。

排気マニホールド１７には、ターボチャージャ２０のタービンハウジング２０ｂを介して、排気管１８が接続されている。排気管１８の途中には、ＮＳＲ(NOx Storage Reduction)触媒コンバータ１９ａの後段にＤＰＮＲ(Diesel Paticulate-NOx Reduction)触媒コンバータ１９ｂを設けた排気浄化装置１９が配置されている。この排気浄化装置１９には、ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａとＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂとの間の部分の温度を測定するための温度センサ２７と、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂの下流側の部分の温度を測定するための温度センサ２８とが取り付けられている。また、排気管１８には、排気浄化装置１９に流入する排気の温度を測定するための温度センサ２６が取り付けられている。

以下、温度センサ２６によって測定される温度のことを、排気管内温度T6と表記し、温度センサ２７，２８によって測定される温度のことを、それぞれ、触媒直前温度Thci、触媒後温度Thcoと表記する。また、図２に模式的に示したように、ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａを排気ガスの流れ方向に垂直な面で仮想的に三等分した各部分の温度のことを、上流側から、Tnx1、Tnx2，Tnx3と表記し、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂを排気ガスの流れ方向に垂直な面で仮想的に四等分した各部分の温度のことを、上流側から、Tdp1、Tdp2、Tdp3、Tdp4と表記する。

車両用内燃機関システム（図１）は、上記した各種センサや、アクセルポジションセンサ２９の出力に基づき、システムの各部（燃料噴射弁１２、吸気弁、排気弁等）を統合的に制御するＥＣＵ（electronic control unit）３０も備えている。このＥＣＵ３０は、
車両が停止された場合に、内燃機関１０の動作を停止させるユニット（いわゆるアイドルストップ制御を行うユニット）となっている。

以上のことを前提に、以下、本実施形態に係る触媒床温推定装置の機能（ＥＣＵ３０の、触媒床温推定装置としての機能）を、具体的に説明する。なお、以下の説明では、ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａ、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂの各部の温度（Tnx1、Tnx2、Tnx3、Tdp1、Tdp2、Tdp3、Tdp4）のことを、触媒床温、或いは、触媒床温の推定値と表記することにする。

ＥＣＵ３０は、図３に示した手順の床温推定処理を周期的に行うユニットとして構成（プログラミング）されている。

すなわち、ＥＣＵ３０は、所定時間が経過する度に、排気浄化装置１９への排気ガスの流入量（以下、触媒通過ガス流量と表記する）が所定値α未満であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。なお、所定値αとは、後述する第１、第２床温推定処理の各触媒床温の算出結果がほぼ一致する触媒通過ガス流量（第１、第２床温推定処理のいずれを用いても、同程度の精度の触媒床温が得られる触媒通過ガス流量）として予め定められている値のことである。

そして、ＥＣＵ３０は、触媒通過ガス流量が所定値α未満でなかった場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）には、触媒通過ガス流量、排気管内温度Ｔ６、排気ガス中のＨＣ量等に基づき、現時点における各触媒床温を推定（算出）する第１床温推定処理（ステップＳ１０２）を実行する。なお、この第１床温推定処理は、既存の処理と同様の手順（アルゴリズム）で、処理の実行時点における各触媒床温を推定するものとなっている。

一方、触媒通過ガス流量が所定値α未満であった場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、第２床温推定処理（ステップＳ１０３）を実行する。

この第２床温推定処理は、以下に記す（１）式〜（７）式を順々に行うことにより、現時点における触媒床温TdpX[i]（X＝1〜4）、TnxY[i]（Y＝1〜3）を算出する処理である。

Tdp4[i]＝(Thco[i]-Tdp4[i-1])・Δｔ/τ(Thco[i])＋Tdp4[i-1] …(１)
Tdp3[i]＝(Tdp4[i]-Tdp3[i-1])・Δｔ/τ(Tdp4[i])＋Tdp3[i-1] …(２)
Tdp2[i]＝(Tdp3[i]-Tdp2[i-1])・Δｔ/τ(Tdp3[i])＋Tdp2[i-1] …(３)
Tdp1[i]＝(Thci[i]-Tdp1[i-1])・Δｔ/τ(Thci[i])＋Tdp1[i-1] …(４)
Tnx1[i]＝(T6[i]-Tnx1[i-1])・Δｔ/τ(T6[i])＋Tnx1[i-1] …(５)
Tnx2[i]＝(Tnx1[i]-Tnx2[i-1])・Δｔ/τ(Tnx1[i])＋Tnx2[i-1] …(６)
Tnx3[i]＝(Tnx2[i]-Tnx3[i-1])・Δｔ/τ(Tnx2[i])＋Tnx3[i-1] …(７)

なお、これらの式において、TdpX[i-1]（X＝1〜4）、TnxY[i-1]（Y＝1〜3）とは、それぞれ、第２床温推定処理の開始時点におけるTdpXの値、TdpYの値（前回実行された第１／第２床温推定処理の処理結果）のことである。T6[i]、Thci[i]、Thco[i]とは、それぞれ
、排気管内温度T6、触媒直前温度Thci、触媒後温度Thcoの測定値のことであり、Δｔとは、床温推定処理の実行周期のことである。

τ(温度)とは、（１）式〜（７）式により、正確な（実温度との差が少ない）触媒床温が算出できるようにするために、各種温度について予め定められている値のことである。なお、ＥＣＵ３０は、その内部（本実施形態では、ＲＯＭ上）に、各種温度についてτ(
温度)を記憶したマップが用意されているユニットとなっている。そして、第２床温推定
処理は、当該マップから、各触媒床温の算出に必要とされるτ(温度)を読み出す処理となっている。

ここで、図４及び図５を用いて、上記した（１）式〜（７）式の物理的な意味を説明しておくことにする。

排気浄化装置１９内を排気ガスが流れている場合、触媒（ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａ、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂ）の各部が発熱し、発生した熱が下流側に伝わるため、図４に点線で示したように、排気浄化装置１９の下流側の温度の方が高くなる。

そして、各部の温度分布が上記のようなものになった後、内燃機関の運転が停止される（又は、内燃機関からの排気ガス量が極めて少量になる）と、図４に実線で示したように、両端側の部分の床温低下速度が早い形で触媒床温が低下することになる。何故ならば、排気浄化装置１９のＮＳＲ触媒コンバータ１９ａよりも上流側の部分、ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａとＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂとの間の部分、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂよりも下流側の部分には、断熱材が設けられていないからである。

換言すれば、排気浄化装置１９は、図５に模式的に示したように、ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａよりも上流側の部分、ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａとＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂとの間の部分、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂよりも下流側の部分のみから放熱が生ずる（従って、触媒内で熱移動は、図における上下方向にしか生じない）と仮定することが可能なものとなっている。

そして、排気浄化装置１９が、そのようなものであると仮定すると、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂの下端部分の温度Tpp4は、より低い触媒後温度Thcoに一次遅れで漸近していくと考えることが出来る。また、他の各部分の温度も、隣接する、より温度が低い方の部分（図４の点線参照。）の温度に一次遅れで漸近していくと考えることができるため、上記した（１）〜（７）式（指数関数を含む一次遅れ式の近似式）を用いているのである。

以上、説明したように、本実施形態に係る触媒床温推定装置（ＥＣＵ３０）は、内燃機関の停止中（触媒通過ガス流量が所定値α未満である場合）には、各触媒床温の推定値と、触媒の下流側空気層温度（Thco）、触媒の上流側空気層温度（Thci、T6）とに基づき、触媒（ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａ、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂ）から、触媒の下流側空気層、触媒の上流側空気層のみに熱が放出されると仮定した熱伝導モデルにて、触媒の各時刻における床温を推定する構成を有している。

そして、上記熱伝導モデルにて算出される各触媒床温は、既存のアイドルストップ車等における、内燃機関の再始動直後の触媒床温推定手順により算出される触媒床温よりも実際の触媒床温に近いものとなる。従って、本実施形態に係る触媒床温推定装置は、内燃機関の再始動直後の触媒床温も精度良く推定できる装置となっていることになる。

《第２実施形態》
以下、第１実施形態の触媒床温推定装置の説明時に用いたものと同じ符号を用いて、本発明の第２実施形態に係る触媒床温推定装置の動作を、第１実施形態の触媒床温推定装置と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る触媒床温推定装置（ＥＣＵ３０）は、図６に模式的に示したような内容の第２床温推定処理内容を行うように、第１実施形態に係る触媒床温推定装置を改良した装置である。

すなわち、第２実施形態に係る触媒床温推定装置は、触媒（ＮＳＲ触媒コンバータ１９ａ、ＤＰＮＲ触媒コンバータ１９ｂ）の各部の床温を、各部の両端面（仮想的なもの）における熱の出入りを考慮して求める第２床温推定処理を行うように、第１実施形態に係る触媒床温推定装置を改良した装置となっている。

より具体的には、第２実施形態に係る触媒床温推定装置が実行する第２床温推定処理は、以下の（８）式により、Tdp4[i]の算出される処理となっている。

Tdp4[i]＝(Thco[i]-Tdp4[i-1])・Δｔ/τ(Thco[i])＋
(Tdp4[i-1]-Tdp3[i-1])・Δｔ/τ(Tdp3[i-1])＋Tdp4[i-1] …(８)

また、第２床温推定処理は、他の各触媒温度も、上記した（２）式〜（７）式に対して同様の変更を行った式により算出される処理となっている。

そして、触媒の各部の床温を各部の両端面における熱の出入りを考慮して求めた方が、正確な床温を求めることが出来るのであるから、この触媒床温推定装置は、第１実施形態に係る触媒床温推定装置よりも、精度良く各触媒床温を推定できる装置となっていることになる。

《変形形態》
上記した各実施形態の触媒床温推定装置は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、各実施形態の触媒床温推定装置は、排気管内温度T6、触媒直前温度Thci、触媒後温度Thcoとして実測値を使用するものであったが、各実施形態の触媒床温推定装置を、いずれかの温度（又は全ての温度）として推定値を使用するものに変形することが出来る。

また、排気管内温度T6等として推定値を使用する触媒床温推定装置は、例えば、エンジンコンパートメント内の温度Tecon等を測定するための温度センサを設け、第１床温推定
処理を、温度の推定が必要な部分の壁温Ｔｗも推定する処理とし、第２床温推定処理を、図７に模式的に示したように、壁温Ｔｗと温度Teconとから、放熱量Ｑout（Tenco、Tw）
を決定して、温度Tecon、温度Ta(T6等)を推定する処理としておけば、実現することが出
来る。なお、その際、放熱量Ｑout（Tenco、Tw）を、ステファン・ボルツマンの法則に基づき算出するようにすることも、TencoとTwとの差に基づき算出するようにすることも出
来る。

さらに、各実施形態に係る触媒床温推定装置を、触媒通過ガス流量がα以上β以下である場合等に、排気ガスの供給に因る温度上昇分と放熱による温度減少分を考慮して各触媒温度を推定する第３床温推定処理を行う装置に変形することも出来る。

１０・・・内燃機関
１１・・・気筒
１２・・・燃料噴射弁
１３・・・吸気マニホールド
１４・・・吸気通路
１５・・・エアクリーナ
１６・・・インタークーラ
１７・・・排気マニホールド
１８・・・排気通路
１９・・・排気浄化装置
１９ａ・・・ＮＳＲ触媒コンバータ
１９ｂ・・・ＤＰＮＲ触媒コンバータ
２０・・・ターボチャージャ
２０ａ・・・コンプレッサハウジング
２０ｂ・・・タービンハウジング
２１・・・エアフローメータ
２２、２６、２７、２８・・・温度センサ
２３・・・吸気絞り弁
２４・・・クランクポジションセンサ
２５・・・水温センサ
２９・・・アクセルポジションセンサ
３０・・・ＥＣＵ

Claims (2)

1. 内燃機関の排気系に設けられている触媒の床温を推定するための触媒床温推定装置であって、
   所定量以上の排気ガスが前記触媒に流入されている場合に機能する、当該排気ガスにより前記触媒に供給される熱量を考慮して前記触媒の床温を推定する第１床温推定手段と、
   前記所定量以上の排気ガスが前記触媒に流入されていない場合に機能する、前記触媒の床温の推定値と前記触媒の下流側の空気層温度及び／又は前記触媒の上流側の空気層温度とに基づき、前記触媒から前記触媒の下流側の空気層及び／又は前記触媒の上流側の空気層のみに熱が放出されると仮定した熱伝導モデルにて、前記触媒の各時刻における床温を推定する第２床温推定手段と
   を備えることを特徴とする触媒床温推定装置。
2. 前記第２床温推定手段が、
   所定時間が経過する度に、前記触媒の予め定められている複数の部分のそれぞれについて、その部分の温度の推定値を、隣接する部分との温度差に応じた値分、減少させることによって、前記触媒の各時刻における床温を推定する手段である
   ことを特徴とする請求項１に記載の触媒床温推定装置。

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