JP2015117621A - 排気浄化用触媒の状態推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転状態に影響されることなく触媒の状態を高精度に推定する。
【解決手段】触媒層内温度推定部５３において、排気温度推定部５１で推定した排気温度推定値と触媒反応熱推定部５２で推定した触媒反応熱推定値とを加算して触媒層内温度推定値を求め、触媒熱負荷算出部５４で触媒層内温度推定値から触媒の熱負荷を算出する。そして、触媒熱負荷積算部５５で触媒熱負荷を積算し、触媒劣化判定部５６で触媒熱負荷積算値に基づいて触媒の劣化を判定する。これにより、運転状態に影響されることなく触媒の状態を高精度に推定し、触媒の劣化状態を正確に判定することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの排気系に介装した排気浄化用の触媒の状態を推定する排気浄化用触媒の状態推定装置に関する。

自動車等の車両のエンジンの排気通路に介装されている排気浄化用の触媒は、貴金属等の化学反応によって排気中の有害成分を浄化するものが一般的であり、長期間高温に曝され続けると、貴金属や貴金属を担持する母材が熱によって劣化していき、排気浄化性能の低下を招く。

このような触媒の熱劣化に対処するため、従来から、触媒内の温度や劣化度合い等の触媒の状態を推定する技術が種々提案されている。例えば、特許文献１には、内燃機関の運転状態に応じて触媒の予測温度をマップに記憶しておき、このマップから求めた予測温度に、吸入空気量に基づいて算出した補正係数を適用することで、触媒の温度を推定する技術が開示されている。

また、特許文献２には、排気浄化用の触媒の複数箇所の床温を推定し、その推定された各床温の平均値に基づいて熱劣化を検出する技術が開示されている。触媒の床温は、機関運転状態等から推定可能な触媒の受熱量、及び触媒の温度勾配等に基づいて推定する。

特開２００７−１０７３９７号公報 特開２００６−２９１８３３号公報

しかしながら、触媒内の温度は、加速・減速が繰り返されるような運転状態と定常運転状態とでは異なる。このため、予め設定したマップ等の値を一義的に適用するだけでは、触媒内の温度を高精度に推定することは困難であり、更には、触媒内温度から劣化状態を正確に判定することは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、運転状態に影響されることなく触媒の状態を高精度に推定することのできる排気浄化用触媒の状態推定装置を提供することを目的としている。

本発明による排気浄化用触媒の状態推定装置は、エンジンの排気系に介装した排気浄化用の触媒の状態を推定する排気浄化用触媒の状態推定装置であって、前記触媒に流入する排気の排気温度を、エンジン回転数と吸入空気量とに基づいて推定する排気温度推定部と、エンジン回転数と吸入空気量とに基づいて予め設定した前記触媒の層内温度から前記排気温度推定部で推定した排気温度の推定値を減算した値に基づいて、前記触媒の反応熱を推定する触媒反応熱推定部と、前記排気温度推定部で推定した排気温度推定値と前記触媒反応熱推定部で推定した反応熱推定値とを加算し、触媒の層内温度を推定する触媒層内温度推定部とを備えるものである。

本発明によれば、運転状態に影響されることなく触媒の状態を高精度に推定することができ、触媒の劣化状態をも正確に判定することが可能となる。

エンジン制御系の概略構成図 触媒状態推定機能のブロック図 排気温度推定の説明図 触媒反応熱推定の説明図 触媒熱負荷算出の説明図 触媒熱負荷の積算／ホールド／リセットを示す説明図 触媒層内温度推定処理のフローチャート 触媒熱負荷積算処理のフローチャート

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１はエンジンであり、このエンジン１の上部にはシリンダヘッド２が設けられ、このシリンダヘッド２に、エンジン１の燃焼室１ａに連通する吸気ポート３と排気ポート４とが設けられている。また、シリンダヘッド２には、吸気ポート３を開閉する吸気弁５と排気ポート４を開閉する排気弁６とが配設され、更に、燃焼室１ａ内に先端の放電電極を露呈する点火プラグ７が取り付けられている。

吸気ポート３には、吸気マニホルド８が連通され、この吸気マニホルド８の吸気ポート２ａ直上流側に、インジェクタ９が燃料噴射口を吸気弁５の方向へ指向した状態で配設されている。吸気マニホルド８は吸気通路１０に連通され、この吸気通路１０の中途にスロットル弁１１が配設され、スロットル弁１１の上流側に、エアクリーナ１２が配設されている。一方、排気ポート４は排気マニホルド１３を介して排気通路１４に連通され、この排気通路１４の中途に、例えば三元触媒等の排気浄化用の触媒１５が介装されている。

また、スロットル弁１１には、駆動用モータ等からなるスロットルアクチュエータ２０が連設されている。スロットルアクチュエータ２０は、電子制御装置（ＥＣＵ）５０によって駆動制御され、スロットル弁１１が電子的に開閉制御される。ＥＣＵ５０は、マイクロコンピュータを中心として、入出力インターフェースや各種周辺回路を備えて構成される制御ユニットであり、エンジン１の各種制御を行う。このＥＣＵ５０の入力側には、運転状態を検出する各種スイッチ・センサ類がに接続され、出力側には、エンジン１に備えられた各種機器類が接続されている。

ＥＣＵ５０の入力側に接続されるスイッチ・センサ類としては、吸気通路１０のエアクリーナ１２直下流に設けられて吸入空気量を検出する吸入空気量センサ３０、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ３１、排気通路１４の触媒１５上流側に配設された空燃比センサ３２、クランク角を検出するクランク角センサ３３、アクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセル開度センサ３４等がある。また、ＥＣＵ５０の出力側に接続される機器類としては、上述のインジェクタ９、スロットルアクチュエータ２０、点火プラグ７に接続される点火コイル（図示せず）をＯＮ，ＯＦＦするイグナイタ２１、その他、各種制御弁等がある。

尚、ＥＣＵ５０は、更に、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づく車内ネットワーク（図示せず）に接続され、この車内ネットワークに接続される他の複数のＥＣＵ、例えば変速機を制御するトランスミッションＥＣＵやブレーキを制御するブレーキＥＣＵ等の他の複数のＥＣＵと相互にデータを送受信し、各種情報の授受を行う。

ＥＣＵ５０は、エンジン運転状態を検出するセンサ・スイッチ類からの信号、車内ネットワークを介して入力される各種制御情報に基づいて、各種制御量を演算し、エンジン制御を実行する。このＥＣＵ５０によるエンジン制御においては、アクセルペダルの踏込量からドライバの要求するエンジントルク（目標エンジントルク）を演算し、この目標エンジントルクに対応した吸入空気量の目標値（目標吸入空気量）と、目標吸入空気量に対応する燃料噴射量とを用いてエンジンの出力トルクを制御する。このようなエンジン制御によってエンジンの筒内燃焼が最適化され、この燃焼による排気ガスが触媒１５で浄化された後、マフラ（図示省略）を介して大気に放出される。

ここで、ＥＣＵ５０は、触媒保護のため、エンジン運転状態に係る各種パラメータを用いて触媒１５の状態を推定し、触媒の劣化による排気浄化性能の低下を防止するようにしている。本実施の形態においては、ＥＣＵ５０は、触媒１５の状態として触媒層内温度を推定し、この触媒層内温度から触媒の熱負荷を求め、この触媒熱負荷の大きさによって劣化の度合いを判定するようにしている。そして、熱による触媒の劣化が過大となる虞があると判定した場合、燃料を増量して排気温度を下げることにより、触媒を保護する。

このため、ＥＣＵ５０は、触媒状態推定に係る機能として、図２に示すように、排気温度推定部５１、触媒反応熱推定部５２、触媒層内温度推定部５３、触媒熱負荷算出部５４、触媒熱負荷積算部５５、触媒劣化判定部５６を備えており、排気温度推定値と触媒反応熱推定値とから触媒層内温度を推定し、推定した触媒層内温度から触媒の熱負荷を求め、この触媒熱負荷に基づいて触媒の劣化を判定するようにしている。

排気温度推定部５１は、エンジン回転数Neと吸入空気量Qとに基づいて予め定常状態で作成した定常排気温度マップMAPexを用い、この定常排気温度マップMAPexを参照して得られる排気温度マップ値mEXTEMPを基本値として排気温度を推定する。排気温度マップ値mEXTEMPは、図３に破線で示すように、エンジン回転数Neと吸入空気量Qとによる区域毎の定常的な一定値であり、この区域毎に一定のマップ値に対して、点火時期による補正及びなまし処理を行い、図３に太線で示す排気温度推定値extempを求める。

詳細には、点火時期による補正は、基準点火時期abaseから補正後最終点火時期aesaを減算したものを補正点火時期aretとして算出し、その補正点火時期aretをパラメータとする排気温度補正テーブルTABLEexaretを参照して得られる排気温度補正係数tiEXTEMPARETを、排気温度マップ値mEXTEMPに乗算する。また、なまし処理は、エンジン回転数Neと吸入空気量Qとに基づいて予め作成した排気温度時定数マップMAPexsmuを用いて行い、この排気温度時定数マップMAPexsmuを参照して得られる排気温度時定数mEXTEMPSMUにより、例えば一次遅れによるなまし処理を行う。

触媒反応熱推定部５２は、エンジン回転数Neと吸入空気量Qとに基づいて予め定常状態で作成した定常触媒層内温度マップMAPcatのマップ値から上述の排気温度マップ値mEXTEMPを減算した値を触媒反応熱の基本値として各種処理を行い、触媒反応熱推定値rtempを求める。基本値に対する処理は、点火時期による補正、燃料カットによる反応熱初期値の加算及び減衰、なまし処理であり、これらの処理を行って触媒反応熱推定値rtempを求める。

詳細には、図４に示すように、定常触媒層内温度マップMAPcatの定常触媒層内温度マップ値mCATTEMPから排気温度マップ値mEXTEMPを減算し、触媒反応熱マップ値mRTEMPとする。更に、触媒反応熱マップ値mRTEMPに対して、補正点火時期aretをパラメータとする触媒層内温度補正テーブルTABLEcataretを参照して得られる触媒層内温度補正係数tCATTEMPARETを触媒層内温度マップ値mCATTEMPに乗算し、触媒反応熱の初期値mCATTEMPFCを加算する。

触媒反応熱の初期値mCATTEMPFCは、吸入空気量Qと空燃比A/Fとに基づいて予め作成した反応熱初期値テーブルMAPcatfcから、燃料カットのタイミングでテーブル値を読み出すことで得られる。そして、この初期値mCATTEMPFCを、吸入空気量Qに基づいて予め作成した反応熱減衰値マップMAPcatfcdから読み出した反応熱減衰値tCATTEMPFCDで漸次的に減衰させる処理を行い、更に、吸入空気量Qと空燃比A/Fとに基づいて予め作成した触媒層内温度時定数マップMAPcatsmuから読み出した触媒層内温度時定数mCATTEMPSMUでなまし処理を行うことにより、触媒反応熱推定値rtempを求める。

すなわち、定常触媒層内温度マップ値mCATTEMPから排気温度マップ値mEXTEMPを減算した触媒反応熱マップ値mRTEMPに、触媒層内温度補正係数tEXTEMPARETを乗算した後、燃料カットのタイミングで初期値mCATTEMPFCを加算し、図４に破線で示すように、反応熱減衰値tCATTEMPFCDで減衰させる。そして、この反応熱減衰値tCATTEMPFCDによる減衰曲線に対して、更に、触媒層内温度時定数mCATTEMPSMUによるなまし処理を適用することにより、図４に太線の変化曲線で示す触媒反応熱推定値rtempを得る。

触媒層内温度推定部５３は、排気温度推定部５１で求めた排気温度推定値extempに、触媒反応熱推定部５２で求めた触媒反応熱推定値rtempを加算し、触媒層内温度推定値cattempestとして求める。この触媒層内温度推定値cattempestにより、実際の排気系の状態に対応して変化する触媒層内温度を的確に把握することができ、この触媒層内温度から触媒の熱負荷を求めることにより、触媒の劣化を正確に判定することが可能となる。

触媒熱負荷算出部５４は、触媒層内温度推定値cattempestから以下の関数式で算出される値を、触媒の熱による劣化度合いを評価するための触媒熱負荷heatldとして求める。下式から算出される触媒熱負荷heatldは、図５に示すような指数関数の関数値として算出されるが、指数関数の値を数値計算等で計算すると、処理時間が増大して制御性が悪化する。このため、本実施の形態においては、ＥＣＵ５０は予め計算値を格納した熱負荷テーブルtheatldを保持しておき、この熱負荷テーブルtheatldを参照して触媒熱負荷heatldを求める。尚、式中のR,RTは、触媒の特性に依存する定数（R:熱劣化感度、RT:リファレンス温度）であり、実験或いはシミュレーションによって求められる。
heatld＝exp(R・(1/(RT-273)-1/(cattempest+273)))

触媒熱負荷積算部５５は、テーブルから読み出した触媒熱負荷heatldが第１，第２の２つの閾値kHEATLD1,kHEATLD2（kHEATLD1＞kHEATLD2）に基づく以下の条件（１）〜（３）を満足するか否かを判定する。そして、判定結果に応じて、図６に示すように、触媒熱負荷heatldの積算、触媒熱負荷積算値heatldsumのホールド／リセットを行う。

（１）heatld＞kHEATLD1
熱負荷テーブルtheatldから読み出した今回の触媒熱負荷heatldが第１の閾値kHEATLD1より大きいときには、触媒の熱劣化への影響が大きいものとみなして、触媒熱負荷heatldを積算する。

（２）kHEATLD1≧heatld＞kHEATLD2
熱負荷テーブルtheatldから読み出した今回の触媒熱負荷heatldが第１の閾値kHEATLD1以下で第２の閾値kHEATLD2より大きいときには、触媒の熱劣化への影響は中程度であるとみなし、過去の触媒熱負荷積算値heatldsumをホールドする。

（３）kHEATLD2≧heatld
熱負荷テーブルtheatldから読み出した今回の触媒熱負荷heatldが第２の閾値kHEATLD2以下のときには、触媒の熱劣化への影響は小さいものとして、触媒熱負荷積算値heatldsumをリセットし、熱負荷を積算しない。

触媒劣化判定部５６は、触媒熱負荷積算部５５で積算された触媒熱負荷積算値heatldsumを所定の劣化判定閾値と比較する。そして、触媒熱負荷積算値heatldsumが劣化判定閾値を超えたときには、触媒に過大な熱劣化が生じる虞があると判定する。この判定結果により燃料噴射量が増量され、排気温度の低下による触媒保護が実行される。

次に、以上の各部の機能を実現するＥＣＵ５０のプログラム処理について、図７に示す触媒層内温度推定処理のフローチャート、図８に示す触媒熱負荷積算処理のフローチャートを用いて説明する。

図７に示す触媒層内温度推定処理は、所定の周期（例えば、128msec周期）で実行され、最初のステップS101において、クランク角センサ３３からの信号に基づくエンジン回転数Ne、吸入空気量センサ３０で計測した吸入空気量Q、空燃比センサ３２からの信号に基づく空燃比A/F、補正点火時期ARET等の各パラメータを読み込む。次に、ステップS102へ進み、エンジン回転数Neと吸入空気量Qとをパラメータとして定常排気温度マップMAPexを参照し、排気温度マップ値mEXTEMPを算出する。そして、この排気温度マップ値mEXTEMPを用いて、ステップS103A-1〜S103A-3の排気温度推定値extempを求める処理と、ステップS103B-1〜S103B-7の触媒反応熱推定値rtempを求める処理とをを並列的に実行する。

先ず、排気温度推定値extempを求める処理について説明する。この処理では、ステップS103A-1で、補正点火時期aretをパラメータとして排気温度補正テーブルTABLEexaretを参照し、排気温度補正係数tiEXTEMPARETを算出する。次に、ステップS103A-2へ進んで、エンジン回転数Neと吸入空気量Qとをパラメータとして排気温度時定数マップMAPexsmuを参照し、排気温度時定数mEXTEMPSMUを算出する。そして、ステップS103A-3で、排気温度マップ値mEXTEMPに排気温度補正係数tiEXTEMPARETを乗算して補正した値に対して排気温度時定数mEXTEMPSMUでなまし処理を行い、排気温度推定値extempとする。

一方、触媒反応熱推定値rtempを求める処理では、ステップS103B-1において、エンジン回転数Neと吸入空気量Qとをパラメータとして定常触媒層内温度マップMAPcatを参照し、定常触媒層内温度マップ値mCATTEMPを算出する。次に、ステップS103B-2へ進んで定常触媒層内温度マップ値mCATTEMPから排気温度マップ値mEXTEMPを減算し、触媒反応熱マップ値mRTEMPとして算出する。

その後、ステップS103B-3へ進み、補正点火時期aretをパラメータとして触媒層内温度補正テーブルTABLEcataretを参照し、触媒層内温度補正係数tEXTEMPARETを算出する。次に、ステップS103B-4へ進み、燃料カットが実行された場合、吸入空気量Qと空燃比A/Fとをパラメータとして反応熱初期値テーブルMAPcatfcを参照し、触媒反応熱の初期値mCATTEMPFCを算出する。

次に、ステップS103B-5で、吸入空気量Qをパラメータとして反応熱減衰値マップMAPcatfcdを参照し、反応熱減衰値tCATTEMPFCDを算出する。更に、ステップS103B-6で、吸入空気量Qと空燃比A/Fとをパラメータとして触媒層内温度時定数マップMAPcatsmuを参照し、触媒層内温度時定数mCATTEMPSMUを算出する。そして、ステップS103B-7で、触媒反応熱マップ値mRTEMPに触媒層内温度補正係数tEXTEMPARETを乗算した補正した後、燃料カットのタイミングで初期値mCATTEMPFCを加算して反応熱減衰値tCATTEMPFCDで減衰させ、更に、触媒層内温度時定数mCATTEMPSMUによるなまし処理を適用することにより、触媒反応熱推定値rtempを得る。

以上の並列処理で得られた排気温度推定値extempと触媒反応熱推定値rtempとは、ステップS104で加算され、触媒層内温度推定値cattempestが得られる。この触媒層内温度推定値cattempestは、一旦、メモリに保存され、図８に示す触媒熱負荷積算処理で参照されて触媒の熱負荷が求められ、積算処理が実行される。

次に、触媒熱負荷積算処理について説明する。この触媒熱負荷積算処理は、熱負荷積算値のオーバーフローを回避するため、触媒層内温度推定処理よりも緩やかな周期（例えば、1024msec周期）で実行され、最初のステップS201において、触媒層内温度推定値cattempestをメモリから読み出す。次に、ステップS202へ進み、触媒層内温度推定値cattempestをパラメータとして熱負荷テーブルtheatldを参照して触媒熱負荷heatldを算出し、ステップS203へ進む。

ステップS203では、触媒熱負荷heatldを第１の閾値kHEATLD1と比較する。そして、heatld＞kHEATLD1の場合には、ステップS204へ進んで触媒熱負荷積算値heatldsumの前回までの積算値heatldsum_n-1に今回の触媒熱負荷heatldを加算して今回の積算値heatldsum_nとし（heatldsum_n＝heatldsum_n-1＋heatld）、本処理を抜ける。この触媒熱負荷積算値heatldsumは、劣化判定閾値と比較され、劣化判定値を超えると燃料噴射量が増量されて排気温度を低下させることで触媒が保護される。

一方、ステップS203においてheatld≦kHEATLD1の場合には、ステップS203からステップS205へ進み、触媒熱負荷heatldを第２の閾値kHEATLD1と比較する。その結果、heatld＞kHEATLD2である場合には、ステップS205からステップS206へ進んで前回の触媒熱負荷積算値heatldsum_n-1を今回の触媒熱負荷積算値heatldsum_nとして積算値を保持（heatldsum_n＝heatldsum_n-1）したまま本処理を抜け、kHEATLD2≧heatldの場合、ステップS205からステップS207へ進んで触媒熱負荷積算値heatldsumを０にリセット（heatldsum＝０）、本処理を抜ける。

このように本実施の形態においては、排気温度の推定値と触媒反応熱の推定値とを加算して触媒層内温度推定値を求め、この触媒層内温度推定値から算出した触媒の熱負荷を積算することで、触媒の劣化を判定するようにしている。これにより、運転状態に影響されることなく触媒の状態を高精度に推定することができ、触媒の劣化状態を正確に判定することが可能となる。

１ エンジン
１４ 排気通路
１５ 触媒
５０ 電子制御装置
５１ 排気温度推定部
５２ 触媒反応熱推定部
５３ 触媒層内温度推定部
５４ 触媒熱負荷算出部
５５ 触媒熱負荷積算部
５６ 触媒劣化判定部
Ne エンジン回転数
Q 吸入空気量
cattempest 触媒層内温度推定値
extemp 排気温度推定値
heatld 触媒熱負荷
rtemp 触媒反応熱推定値

Claims (5)

1. エンジンの排気系に介装した排気浄化用の触媒の状態を推定する排気浄化用触媒の状態推定装置であって、
   前記触媒に流入する排気の排気温度を、エンジン回転数と吸入空気量とに基づいて推定する排気温度推定部と、
   エンジン回転数と吸入空気量とに基づいて予め設定した前記触媒の層内温度から前記排気温度推定部で推定した排気温度の推定値を減算した値に基づいて、前記触媒の反応熱を推定する触媒反応熱推定部と、
   前記排気温度推定部で推定した排気温度推定値と前記触媒反応熱推定部で推定した反応熱推定値とを加算し、触媒の層内温度を推定する触媒層内温度推定部と
   を備えることを特徴とする排気浄化用触媒の状態推定装置。
2. 前記触媒層内温度推定部で推定した触媒層内温度推定値に基づいて、前記触媒の熱負荷を算出する触媒熱負荷算出部と、
   前記触媒熱負荷算出部で算出した前記熱負荷を積算する触媒熱負荷積算部と、
   前記触媒熱負荷積算部で積算した前記熱負荷の積算値に基づいて前記触媒の劣化を判定する触媒劣化判定部と
   を更に備えることを特徴とする請求項１記載の排気浄化用触媒の状態推定装置。
3. 前記排気温度推定部は、エンジン回転数と吸入空気量とに基づいて予め設定した排気温度に対して、点火時期による補正及び所定の時定数によるなまし処理を行って前記排気温度の推定値を求めることを特徴とする請求項１記載の排気浄化用触媒の状態推定装置。
4. 前記触媒反応熱推定部は、前記触媒の層内温度から前記排気温度の推定値を減算した値に、点火時期による補正、燃料カットによる反応熱初期値の加算及び減衰、なまし処理を行って前記触媒の反応熱推定値を求めることを特徴とする請求項１記載の排気浄化用触媒の状態推定装置。
5. 前記触媒熱負荷積算部は、前記触媒熱負荷算出部で算出した熱負荷が所定の閾値に基づく条件を満足するか否かに応じて、前記熱負荷の積算、積算値のホールド／リセットを行うことを特徴とする請求項２記載の排気浄化用触媒の状態推定装置。

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