JP2020056323A - 触媒温度算出装置および内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の温度を高精度に算出できるようにした内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】ＣＰＵ５２は、吸入空気量Ｇａおよび上流側空燃比Ａｆｕに基づき三元触媒２４の酸素吸蔵量を算出する。ＣＰＵ５２は、三元触媒２４に流入する酸素が過剰であっても、酸素吸蔵量が最大値に達する場合、酸素吸蔵量の算出値を増加させない。ＣＰＵ５２は、酸素吸蔵量の算出値が増加する場合、三元触媒２４内のセリウムと三元触媒２４に流入した酸素との反応熱に基づき三元触媒２４の温度を推定する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気通路に触媒を備える内燃機関に適用される触媒温度算出装置、および内燃機関の制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、燃料カットされている気筒の数に応じて触媒の温度の補正量を定めることにより触媒の温度を算出する装置が記載されている。

特開２０１５−１６１２９０号公報

ところで、触媒の温度が上昇する主な要因には、触媒に流入する流体中の酸素と触媒中のセリウムとの反応によって酸素吸蔵量が増加する際の発熱と、触媒に吸蔵された酸素と触媒に流入した流体中の未燃燃料との反応による発熱とがある。特に前者の場合、たとえ触媒に流入する流体中の未燃燃料量が無視でき、同流体中の酸素量が過剰であったとしても、触媒の酸素吸蔵量が最大値となっている場合には、セリウムの反応に起因した発熱量は無視できるものとなる。そのため、酸素吸蔵量とは無関係に燃料カットがなされる気筒数に応じて補正量を定める場合には、触媒の温度を精度よく推定することができない。

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
１．排気通路に酸素吸蔵能力を有した触媒を備える内燃機関に適用され、前記触媒に流入する流体中の酸素量および未燃燃料成分量に基づき、前記触媒における酸素吸蔵量をゼロ以上最大値以下の値に算出する吸蔵量算出処理と、前記吸蔵量算出処理によって算出された前記酸素吸蔵量が増加する場合、前記酸素吸蔵量の増加量が大きい場合に小さい場合よりも前記触媒の温度上昇量が大きいとして前記触媒の温度を算出する温度算出処理と、を実行する触媒温度算出装置である。

上記構成では、酸素吸蔵量算出処理によって、酸素吸蔵量が最大値以下の値に算出される。このため、フューエルカット処理等によって、触媒に多量の酸素が流入する場合であっても、酸素吸蔵量の算出値が最大値となる場合には、酸素吸蔵量がそれ以上大きい値に算出されない。そして、酸素吸蔵量算出処理によって算出された酸素吸蔵量が増加する場合に、その増加量に基づき触媒の温度を算出することにより、触媒の酸素吸蔵量が最大値に達しているにもかかわらず触媒に過剰な酸素が流入することに基づき触媒の温度の算出値を増加させる場合と比較して、触媒の温度を高精度に算出できる。

２．前記温度算出処理は、前記吸蔵量算出処理によって算出された前記酸素吸蔵量が減少する場合、前記酸素吸蔵量の減少量が大きい場合に小さい場合よりも前記触媒の温度上昇量が大きいとして前記触媒の温度を算出する処理を含む上記１記載の触媒温度算出装置である。

上記構成では、酸素吸蔵量の算出値が減少する場合、酸素吸蔵量の減少量が大きい場合に小さい場合よりも触媒の温度上昇量が大きいとして触媒の温度を算出する。このため、酸素吸蔵量の算出値が増加する場合のみならず、減少する場合にも、触媒の温度を精度よく算出することができる。

３．前記温度算出処理は、前記触媒の上流端から下流端までの区間を複数の領域に分割し、前記吸蔵量算出処理によって算出された前記酸素吸蔵量が増加する場合、前記複数の領域のうちの第１領域の温度上昇量の方が前記第１領域よりも下流側の第２領域の温度上昇量よりも大きいとして前記第１領域および前記第２領域のそれぞれの温度を算出する処理を含む上記１または２記載の触媒温度算出装置である。

上記構成では、第１領域の温度上昇量の方が第２領域の温度上昇量よりも大きいとして第１領域および第２領域のそれぞれの温度を算出することから、触媒に流入した酸素の第２領域における吸蔵量よりも第１領域における吸蔵量が多くなりやすい傾向を反映させることができ、ひいては触媒の温度をより高精度に算出できる。

４．前記触媒の下流側には空燃比センサが設けられており、前記空燃比センサの検出値に基づき、前記最大値を学習更新する最大吸蔵量学習処理を実行し、前記吸蔵量算出処理は、前記最大吸蔵量学習処理によって学習された前記最大値に基づき前記酸素吸蔵量を算出する処理である上記１〜３のいずれか１つに記載の触媒温度算出装置である。

上記構成では、最大吸蔵量学習処理によって算出される酸素吸蔵量の最大値に基づき酸素吸蔵量を算出することにより、触媒の経年劣化によって最大値が変化する場合であっても、触媒の最大値を高精度に把握しつつ、酸素吸蔵量を算出できる。

５．前記内燃機関は、駆動源として回転電機を備えた車両に搭載されるものであり、上記１〜４のいずれか１つに記載の触媒温度算出装置の前記各処理と、前記車両が走行可能な状態にあって且つ前記内燃機関が停止状態にある場合、前記温度算出処理によって算出された前記触媒の温度に基づき、前記内燃機関を起動する起動処理と、を実行する内燃機関の制御装置である。

上記構成では、酸素吸蔵量の最大値を考慮して推定した触媒の温度に基づき内燃機関を起動する起動処理を実行することから、最大値を考慮することなく推定された触媒の温度を用いる場合と比較して、精度の高い推定値に基づき起動処理を実行でき、ひいては内燃機関の停止時間を長くすることが可能となる。

一実施形態にかかる制御装置および車両の駆動系を示す図。 同実施形態にかかる制御装置が実行する処理を示すブロック図。 同実施形態にかかる温度変化量算出処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる前端部温度算出処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる中央部温度算出処理の手順を示す流れ図。 同実施形態にかかる酸素吸蔵量に応じた温度変化量の算出処理を説明するタイムチャート。

以下、内燃機関の制御装置にかかる一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示す内燃機関１０において、吸気通路１２から吸入された空気は、燃焼室１４に流入する。燃焼室１４において、燃料噴射弁１６から噴射された燃料と吸気通路１２から流入した空気との混合気は、点火装置１８の火花放電によって燃焼に供され、燃焼によって生じたエネルギは、クランク軸２０の回転エネルギに変換される。燃焼に供された混合気は、排気として排気通路２２に排出される。排気通路２２には、上流側の三元触媒２４および下流側の三元触媒２６が設けられている。

クランク軸２０は、動力分割機構を構成する遊星歯車機構３０のキャリアＣに機械的に連結されている。遊星歯車機構３０のサンギアＳにはモータジェネレータ３２の回転軸３２ａが機械的に連結されており、遊星歯車機構３０のリングギアＲには、モータジェネレータ３４の回転軸３４ａと駆動輪３６とが機械的に連結されている。これにより、本実施形態における内燃機関１０は、シリーズ・パラレルハイブリッド車における駆動源の１つとなっている。

モータジェネレータ３２には、インバータ４０を介してバッテリ４４の電力が供給され、モータジェネレータ３４には、インバータ４２を介してバッテリ４４の電力が供給される。バッテリ４４には、外部のプラグ４８を介して供給された電力をバッテリ４４に充電する充電器４６が接続されている。これにより、本実施形態にかかる車両は、外部から供給される電力をバッテリ４４に充電可能ないわゆるプラグインハイブリッド車となっている。

制御装置５０は、内燃機関１０を制御対象とし、その制御量であるトルクや排気成分比率等を制御すべく、燃料噴射弁１６や点火装置１８等の内燃機関１０の操作部を操作する。すなわち、たとえば燃料噴射弁１６に操作信号ＭＳ１を出力して燃料噴射弁１６を操作し、点火装置１８に操作信号ＭＳ２を出力して点火装置１８を操作する。

制御装置５０は、制御量の制御のために、エアフローメータ６０によって検出される吸入空気量Ｇａやクランク角センサ６２の出力信号Ｓｃｒを参照する。また、制御装置５０は、三元触媒２４の上流側に設けられた上流側空燃比センサ６４によって検出される上流側空燃比Ａｆｕや、三元触媒２４の下流側であって三元触媒２６の上流側に設けられた下流側空燃比センサ６６によって検出される下流側空燃比Ａｆｄ、水温センサ６８によって検出される内燃機関１０の冷却水の温度（水温ＴＨＷ）を参照する。

制御装置５０は、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ５４、および周辺回路５６を備え、それらが通信線５８によって接続されたものである。周辺回路５６は、内部の動作を規定するクロック信号を生成する回路や、電源回路、リセット回路等を含む。

図２に、制御装置５０が実行する処理を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５２が実行することにより実現される。
最大吸蔵量学習処理Ｍ１０は、上流側空燃比Ａｆｕおよび下流側空燃比Ａｆｄに基づき、三元触媒２４の酸素吸蔵量ＯＳの最大値ＯＳｍａｘを学習する処理である。詳しくは、下流側空燃比Ａｆｄがリーンからリッチに反転することをトリガとして上流側空燃比Ａｆｕがリーンとなるように燃料噴射弁１６を操作し、下流側空燃比Ａｆｄがリッチに反転してからリーンに反転するまでに三元触媒２４に流入した酸素量に基づき、酸素吸蔵量ＯＳの最大値ＯＳｍａｘが算出される。詳しくは、最大吸蔵量学習処理Ｍ１０は、上流側空燃比Ａｆｕおよび吸入空気量Ｇａに基づき、三元触媒２４に流入する酸素流量を算出する処理を含む。

ベース出ガス温度算出処理Ｍ１２は、内燃機関１０の動作点に基づき、燃焼室１４から排気通路２２に流出する流体の温度である出ガス温度Ｔｏｕｔのベース値であるベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂを算出する処理である。本実施形態では、内燃機関１０の動作点を、内燃機関１０の負荷としての充填効率ηと、回転速度ＮＥとによって規定する。なお、充填効率ηは、内燃機関１０の燃焼室１４に充填される空気量を定めるパラメータであり、ＣＰＵ５２により、吸入空気量Ｇａおよび回転速度ＮＥに基づき算出される。また、回転速度ＮＥは、ＣＰＵ５２により、出力信号Ｓｃｒに基づき算出される。

詳しくは、回転速度ＮＥおよび充填効率ηを入力変数とし、ベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂを出力変数とするマップデータが予めＲＯＭ５４に記憶された状態で、ＣＰＵ５２によりベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂがマップ演算される。ここで、ベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂは、たとえば、空燃比が所定の空燃比（ここでは、理論空燃比を想定）であることや、点火時期が所定の点火時期（ここでは、ＭＢＴを想定）であること、水温ＴＨＷが所定温度であることなどを前提としている。

なお、マップデータとは、入力変数の離散的な値と、入力変数の値のそれぞれに対応する出力変数の値と、の組データである。またマップ演算は、たとえば、入力変数の値がマップデータの入力変数の値のいずれかに一致する場合、対応するマップデータの出力変数の値を演算結果とし、一致しない場合、マップデータに含まれる複数の出力変数の値の補間によって得られる値を演算結果とする処理とすればよい。

出ガス温度算出処理Ｍ１４は、ベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂの算出に際して前提とした条件からの実際の状態のずれに基づき、ベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂを補正して出ガス温度Ｔｏｕｔを算出する処理である。すなわち、たとえば前提とされる空燃比に対して実際の空燃比がずれる場合、ベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂを減少補正して出ガス温度Ｔｏｕｔが算出される。またたとえば、前提とされる点火時期に対して実際の点火時期が遅角側にずれる場合、ベース出ガス温度Ｔｏｕｔｂを増加補正して出ガス温度Ｔｏｕｔが算出される。

発熱補正処理Ｍ１６は、燃焼室１４から排出された流体中に未燃燃料と酸素とが存在する場合に、それらが燃焼することによって生じる流体の温度上昇量を算出するとともに、そのうちの三元触媒２４の上流での温度上昇量によって出ガス温度Ｔｏｕｔを補正して、発熱補正後温度Ｔｏｕｔ１を算出する処理である。また、発熱補正処理Ｍ１６は、算出した温度上昇量のうちの三元触媒２４における温度上昇量である触媒内温度上昇量ΔＴｈｃを算出する処理を含む。なお、発熱補正処理Ｍ１６は、点火時期がＭＢＴに対して遅角側に位置するほど、燃焼室１４から排出された流体中に未燃燃料と酸素とが多量に存在するとして、それらの反応熱による温度上昇量を大きい値に算出する処理を含む。

エキマニ温度算出処理Ｍ１８は、排気通路２２の温度（エキマニ温度Ｔｅｘｍ）と水温ＴＨＷとの差に基づきエキマニ温度Ｔｅｘｍを逐次更新する処理である。詳しくは、エキマニ温度算出処理Ｍ１８は、エキマニ温度Ｔｅｘｍが水温ＴＨＷよりも高いほど、エキマニ温度Ｔｅｘｍの減少補正量を大きく算出して、同減少補正量によってエキマニ温度Ｔｅｘｍを補正して更新する処理を含む。ただし、エキマニ温度算出処理Ｍ１８は、内燃機関１０が停止状態にない場合には、さらに、発熱補正後温度Ｔｏｕｔ１がエキマニ温度Ｔｅｘｍよりも高いほど、エキマニ温度Ｔｅｘｍの増加補正量を大きく算出して、同増加補正量によってエキマニ温度Ｔｅｘｍを補正して更新する処理を含む。

入りガス温度算出処理Ｍ２０は、発熱補正後温度Ｔｏｕｔ１とエキマニ温度Ｔｅｘｍとの差に基づき、発熱補正後温度Ｔｏｕｔ１を補正して三元触媒２４に流入する流体の温度である入りガス温度Ｔｉｎを算出する処理である。詳しくは、発熱補正後温度Ｔｏｕｔ１がエキマニ温度Ｔｅｘｍよりも高いほど、減少補正量を大きい値に算出して、減少補正量によって発熱補正後温度Ｔｏｕｔ１が減少補正された値が入りガス温度Ｔｉｎとされる。

温度変化量算出処理Ｍ２２は、三元触媒２４の上流側から下流側までの領域を、前端部、中央部および後端部に分割した際の前端部の温度変化量と中央部の温度変化量とを算出する処理である。

図３に、温度変化量算出処理Ｍ２２の手順を示す。図３に示す処理は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって、各処理のステップ番号を表現する。

図３に示す一連の処理において、ＣＰＵ５２は、まず吸入空気量Ｇａおよび上流側空燃比Ａｆｕに基づき、余剰酸素量ＥＸＯおよび余剰燃料量ＥＸＨを算出する（Ｓ１０）。余剰酸素量ＥＸＯおよび余剰燃料量ＥＸＨは、混合気中の燃料と酸素とが可能な限りの最大量反応した場合に残る量である。すなわち、余剰酸素量ＥＸＯは、上流側空燃比Ａｆｕが理論空燃比よりもリッチの場合にゼロとなり、理論空燃比よりもリーンの場合にゼロよりも大きい値となる量であり、余剰燃料量ＥＸＨは、上流側空燃比Ａｆｕが理論空燃比よりもリーンの場合にゼロとなり、理論空燃比よりもリッチの場合にゼロよりも大きい値となる量である。

次にＣＰＵ５２は、余剰燃料量ＥＸＨおよび余剰酸素量ＥＸＯに基づき、酸素吸蔵量ＯＳを算出する（Ｓ１２）。詳しくは、ＣＰＵ５２は、酸素吸蔵量ＯＳの増加補正量を、余剰酸素量ＥＸＯとする。また、ＣＰＵ５２は、酸素吸蔵量ＯＳの減少補正量を、余剰燃料量ＥＸＨと、触媒反応率Ｒｒと、理論空燃比Ａｆｓと、空気中の酸素質量割合Ｒｏとの積とする。ここで、触媒反応率Ｒｒは、三元触媒２４に流入する流体中の未燃燃料のうち三元触媒２４に吸蔵されている酸素と反応する割合を示す。

ただし、ＣＰＵ５２は、酸素吸蔵量ＯＳがゼロ以上最大値ＯＳｍａｘ以下となるように、ガード処理を施す。すなわち、ＣＰＵ５２は、余剰酸素量ＥＸＯによって増加補正された酸素吸蔵量ＯＳが最大値ＯＳｍａｘを超える場合には、酸素吸蔵量ＯＳを最大値ＯＳｍａｘとする。また、ＣＰＵ５２は、「ＥＸＨ・Ｒｒ・Ａｆｓ・Ｒｏ」によって減少補正された酸素吸蔵量ＯＳがゼロ未満となる場合には、酸素吸蔵量ＯＳをゼロとする。

次にＣＰＵ５２は、今回算出した酸素吸蔵量ＯＳ（ｎ）から図３に示す処理の前回の制御周期において算出した酸素吸蔵量ＯＳ（ｎ−１）を減算した吸蔵変化量ΔＯＳが負であるか否かを判定する（Ｓ１４）。この処理は、上流側空燃比Ａｆｕが理論空燃比よりもリッチであるために、三元触媒２４に流入する流体中の未燃燃料が三元触媒２４に吸蔵されている酸素と反応する状況であるか否かを判定するためのものである。

ＣＰＵ５２は、吸蔵変化量ΔＯＳが負であると判定する場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、三元触媒２４に流入する流体中の「ＥＸＨ・Ｒｒ」の量の未燃燃料が三元触媒２４に吸蔵されている酸素と反応することによる流体の温度上昇量であるＨＣ反応上昇量ΔＨを算出する（Ｓ１６）。詳しくは、ＣＰＵ５２は、吸蔵変化量ΔＯＳの絶対値に単位量の酸素と燃料との反応熱量Ｑを乗算した値を、理論空燃比Ａｆｓと、酸素質量割合Ｒｏと、流体の熱容量ＨＣｇとによって除算した値を、ＨＣ反応上昇量ΔＨとする。なお、流体の熱容量ＨＣｇは、図３に示す処理の制御周期の期間に三元触媒２４に流入する流体の熱容量であり、吸入空気量Ｇａが大きい場合に小さい場合よりも大きい値に算出される量である。

次にＣＰＵ５２は、三元触媒２４に流入する流体中の未燃燃料が三元触媒２４に貯蔵されている酸素と反応することによる前端部における流体の温度上昇量である前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨを算出する（Ｓ１８）。これは、「０」よりも大きく「１」よりも小さい係数αにＨＣ反応上昇量ΔＨを乗算した値を、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨに代入する処理である。ここで、係数αは、三元触媒２４に流入する流体中の未燃燃料と三元触媒２４に貯蔵されている酸素との反応が前端部で生じる割合に応じて設定されており、本実施形態では、「１／２」よりも大きい値に設定されている。これは、三元触媒２４の上流側ほど、三元触媒２４に流入する流体中の未燃燃料と三元触媒２４に吸蔵されている酸素との反応量が多くなりやすいことに鑑みたものである。

次にＣＰＵ５２は、三元触媒２４に流入する流体中の未燃燃料が三元触媒２４に吸蔵されている酸素と反応することによる中央部における流体の温度上昇量である中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨを算出する（Ｓ２０）。これは、「１−α」にＨＣ反応上昇量ΔＨを乗算した値を、中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨに代入する処理である。

これに対し、ＣＰＵ５２は、吸蔵変化量ΔＯＳがゼロ以上であると判定する場合（Ｓ１４：ＮＯ）、三元触媒２４に流入する流体中の余剰酸素量ＥＸＯの酸素が三元触媒２４のセリウムと反応してセリアとなる際の反応熱による三元触媒２４の温度上昇量であるセリウム反応上昇量ΔＣを算出する（Ｓ２２）。詳しくは、ＣＰＵ５２は、最大温度上昇量ΔＣｍａｘに、吸蔵変化量ΔＯＳを乗算し、最大値ＯＳｍａｘの初期値ＯＳｍａｘ０を除算した値を、セリウム反応上昇量ΔＣに代入する。ここで、最大温度上昇量ΔＣｍａｘは、三元触媒２４の酸素吸蔵量がゼロであるときから最大値ＯＳｍａｘの初期値ＯＳｍａｘ０となるまでにセリウムと酸素の反応で三元触媒２４の温度が上昇する量であり、予め実験等によって計測されてＲＯＭ５４に記憶保持されているものである。なお、最大値ＯＳｍａｘの初期値ＯＳｍａｘ０は、三元触媒２４の初期における酸素吸蔵量ＯＳの最大値のことであり、予め計測等によって把握された値がＲＯＭ５４に記憶されている。

次にＣＰＵ５２は、三元触媒２４に流入する流体中の酸素が三元触媒２４のセリウムと反応してセリアとなる際の反応熱による三元触媒２４の前端部の温度上昇量である前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣを算出する（Ｓ２４）。詳しくは、ＣＰＵ５２は、セリウム反応上昇量ΔＣに係数αを乗算した値を、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣに代入する。また、ＣＰＵ５２は、三元触媒２４に流入する流体中の酸素が三元触媒２４のセリウムと反応してセリアとなる際の反応熱による三元触媒２４の中央部の温度上昇量である中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣを算出する（Ｓ２６）。詳しくは、ＣＰＵ５２は、セリウム反応上昇量ΔＣに「１−α」を乗算した値を、中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣに代入する。

ＣＰＵ５２は、Ｓ２０の処理が完了する場合には、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣおよび中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣにゼロを代入し（Ｓ２８）、図３に示す一連の処理を一旦終了する。また、ＣＰＵ５２は、Ｓ２６の処理が完了する場合には、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨおよび中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨにゼロを代入し（Ｓ３０）、図３に示す一連の処理を一旦終了する。

図２に戻り、前端部温度算出処理Ｍ２４は、前端部温度Ｔｃａｔｆを算出する処理である。
図４に、前端部温度算出処理Ｍ２４の手順を示す。図４に示す処理は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。

図４に示す一連の処理において、ＣＰＵ５２は、まず、前端部温度Ｔｃａｔｆを算出するための演算上のパラメータとしての前端部における流体の熱量（ガス熱量Ｑｅｘｇｆ）を算出する（Ｓ４０）。詳しくは、入りガス温度Ｔｉｎと、触媒内温度上昇量ΔＴｈｃに係数βを乗算した値と、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨとの和に、流体の熱容量ＨＣｇを乗算した値を、ガス熱量Ｑｅｘｇｆに代入する。ここで、係数βは、触媒内温度上昇量ΔＴｈｃのうちの前端部での温度上昇割合を示し、「１／２」よりも大きく「１」以下の値を有する。

次にＣＰＵ５２は、前端部が排気通路２２から受ける熱量であるエキマニ交換量Ｑｅｘｍを算出する（Ｓ４２）。ＣＰＵ５２は、エキマニ温度Ｔｅｘｍが前端部温度Ｔｃａｔｆよりも高いほど、エキマニ交換量Ｑｅｘｍを大きい値に算出する。具体的には、ＣＰＵ５２は、エキマニ温度Ｔｅｘｍから前端部温度Ｔｃａｔｆを減算した値に所定の係数Ｋｃａｍを乗算した値を、エキマニ交換量Ｑｅｘｍとする。

次にＣＰＵ５２は、前端部が中央部から受ける熱量である中央部交換量Ｑｆｃを算出する（Ｓ４４）。ＣＰＵ５２は、中央部温度Ｔｃａｔｃが前端部温度Ｔｃａｔｆよりも高いほど、中央部交換量Ｑｆｃを大きい値に算出する。具体的には、ＣＰＵ５２は、中央部温度Ｔｃａｔｃから前端部温度Ｔｃａｔｆを減算した値に所定の係数Ｋｆｃを乗算した値を、中央部交換量Ｑｆｃに代入する（Ｓ４４）。

次にＣＰＵ５２は、三元触媒２４の前端部が持っている熱量である触媒熱量Ｑｃａｔｆを算出する（Ｓ４６）。ＣＰＵ５２は、前端部温度Ｔｃａｔｆと、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣとの和を、前端部の熱容量ＨＣｆで除算することによって、触媒熱量Ｑｃａｔｆを算出する。

そしてＣＰＵ５２は、ガス熱量Ｑｅｘｇｆと、エキマニ交換量Ｑｅｘｍと、中央部交換量Ｑｆｃと、触媒熱量Ｑｃａｔｆとの和を、流体の熱容量ＨＣｇと前端部の熱容量ＨＣｆとで除算した値によって、前端部温度Ｔｃａｔｆを更新する（Ｓ４８）。なお、ＣＰＵ５２は、Ｓ４８の処理が完了する場合、図４に示す一連の処理を一旦終了する。

図２に戻り、中央部温度算出処理Ｍ２６は、中央部温度Ｔｃａｔｃを算出する処理である。
図５に、中央部温度算出処理Ｍ２６の手順を示す。図５に示す処理は、ＲＯＭ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。

図５に示す一連の処理において、ＣＰＵ５２は、まず、中央部温度Ｔｃａｔｃを算出するための演算上のパラメータとしての中央部における流体の熱量（ガス熱量Ｑｅｘｇｃ）を算出する（Ｓ５０）。詳しくは、中央部に流入する流体の温度とみなされる前端部温度Ｔｃａｔｆと、触媒内温度上昇量ΔＴｈｃに「１−β」を乗算した値と、中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨとの和に、流体の熱容量ＨＣｇを乗算した値を、ガス熱量Ｑｅｘｇｃに代入する。

次にＣＰＵ５２は、中央部が前端部から受ける熱量である前端部交換量Ｑｃｆを算出する（Ｓ５２）。ＣＰＵ５２は、前端部温度Ｔｃａｔｆが中央部温度Ｔｃａｔｃよりも高いほど、前端部交換量Ｑｃｆを大きい値に算出する。具体的には、ＣＰＵ５２は、前端部温度Ｔｃａｔｆから中央部温度Ｔｃａｔｃを減算した値に所定の係数Ｋｆｃを乗算した値を、前端部交換量Ｑｃｆとする。

次にＣＰＵ５２は、中央部が後端部から受ける熱量である後端部交換量Ｑｃｂを算出する（Ｓ５４）。本実施形態では、後端部と前端部との熱容量が等しいとし、後端部交換量Ｑｃｂを前端部交換量Ｑｃｆに等しいとする。これは、本実施形態では、特に内燃機関１０の停止時における三元触媒２４の温度の推定精度を高めることを狙ったことに対応する。すなわち、内燃機関１０の停止時等には、燃焼室１４から燃焼に供された混合気が排出される量については無視できることから、前端部と中央部との熱交換と、後端部と中央部との熱交換との差は、大きくないと考えられる。

次にＣＰＵ５２は、三元触媒２４の中央部が持っている熱量である触媒熱量Ｑｃａｔｃを算出する（Ｓ５６）。ＣＰＵ５２は、中央部温度Ｔｃａｔｃと、中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣとの和に、中央部の熱容量ＨＣｃを乗算することによって、触媒熱量Ｑｃａｔｃを算出する。

そしてＣＰＵ５２は、ガス熱量Ｑｅｘｇｃと、前端部交換量Ｑｃｆと、後端部交換量Ｑｃｂと、触媒熱量Ｑｃａｔｃとの和を、流体の熱容量ＨＣｇと中央部の熱容量ＨＣｃとで除算した値によって、中央部温度Ｔｃａｔｃを更新する（Ｓ５８）。なお、ＣＰＵ５２は、Ｓ５８の処理が完了する場合、図５に示す一連の処理を一旦終了する。

ちなみに、ＣＰＵ５２は、図３のＳ１２の処理に用いた触媒反応率Ｒｒを、前端部における触媒反応率Ｒｒと中央部における触媒反応率Ｒｒとに基づき算出する。すなわち、ＣＰＵ５２は、触媒反応率Ｒｒを、三元触媒２４の温度と三元触媒２４に流入する流体の流量に応じて可変とし、三元触媒２４の温度として、前端部温度Ｔｃａｔｆを用いることにより前端部における触媒反応率Ｒｒを算出し、中央部温度Ｔｃａｔｃを用いることにより中央部における触媒反応率Ｒｒを算出する。そしてＣＰＵ５２は、前端部における触媒反応率Ｒｒに係数αを乗算した値と、中央部における触媒反応率Ｒｒに「１−α」を乗算した値との和によって、Ｓ１２の処理において用いる触媒反応率Ｒｒを算出する。なお、流体の流量については、燃料噴射弁１６から噴射される燃料量と吸入空気量Ｇａとに基づき算出される。

図２に戻り、起動処理Ｍ２８は、車両が走行可能な状態において内燃機関１０が停止している場合、中央部温度Ｔｃａｔｃが規定温度以下であるか否かを判定し、規定温度以下であると判定する場合、内燃機関１０を起動させて三元触媒２４の温度低下を抑制する処理である。ここで、走行可能な状態とは、たとえばモータジェネレータ３２，３４に電力を供給可能な状態とするためのスイッチがオン状態となっていることである。したがって、走行可能な状態には、モータジェネレータ３２，３４が駆動されて車両が走行している状態も含まれる。

ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。
図６に、酸素吸蔵量ＯＳの推移を示す。図６に示すように、酸素吸蔵量ＯＳが減少する時刻ｔ１〜ｔ２の期間、ＣＰＵ５２は、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨおよび中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨをゼロよりも大きい値に算出する一方、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣおよび中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣをゼロとする。これに対し、酸素吸蔵量ＯＳが増加する時刻ｔ３〜ｔ４の期間、ＣＰＵ５２は、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣおよび中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣをゼロよりも大きい値に算出する一方、前端部ＨＣ反応上昇量ΔＦＨおよび中央部ＨＣ反応上昇量ΔＣＨをゼロとする。図６には、フューエルカット処理によって、時刻ｔ４以降も三元触媒２４に酸素が過剰に流入する状況を想定している。しかし、時刻ｔ４において酸素吸蔵量ＯＳが最大値ＯＳｍａｘに達するため、時刻ｔ４以降、ＣＰＵ５２は、酸素吸蔵量ＯＳを変化させない。そのため、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣおよび中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣはゼロとなる。

このように、本実施形態によれば、酸素吸蔵量ＯＳが最大値ＯＳｍａｘに達する場合、前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣおよび中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣがゼロとされるため、三元触媒２４において実際にはセリウムと酸素との反応が生じていないにも関わらず、反応が生じたとして三元触媒２４の温度の算出値を上昇させることを抑制できる。このため、三元触媒２４の温度を高精度に算出できることから、酸素吸蔵量ＯＳが最大値ＯＳｍａｘに達した後にも前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣおよび中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣをゼロよりも大きい値とする場合と比較すると、起動処理Ｍ２８による内燃機関１０の起動の条件となる規定温度をより低い温度に設定できる。そのため、本実施形態によれば、内燃機関１０の再起動時における三元触媒２４による排気の浄化性能を確保しつつも、酸素吸蔵量ＯＳが最大値ＯＳｍａｘに達した後にも前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣおよび中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣをゼロよりも大きい値とする場合と比較して内燃機関１０の停止時間を長くすることができる。

以上説明した本実施形態によれば、さらに以下に記載する効果が得られる。
（１）三元触媒２４を、前端部、中央部、および後端部に分割し、それらの間での熱交換を考慮しつつ中央部の温度を算出した。これにより、前端部や後端部と比較して中央部は保温性能が高いことを考慮して、中央部温度Ｔｃａｔｃをより高い精度で算出することができる。そして、三元触媒２４の中央部の温度が活性温度となっているのであれば、内燃機関１０を起動した際の三元触媒２４の浄化性能を確保できることから、中央部温度Ｔｃａｔｃに基づいて内燃機関１０の停止状態において内燃機関１０を起動するか否かを適切に判定することができる。

（２）前端部セリウム反応上昇量ΔＦＣの方が中央部セリウム反応上昇量ΔＣＣよりも大きいとした。これにより、三元触媒２４の上流側の方が下流側よりも酸素を吸蔵しやすいことを考慮して前端部温度Ｔｃａｔｆや中央部温度Ｔｃａｔｃを算出できる。

（３）酸素吸蔵量ＯＳの最大値ＯＳｍａｘを学習した。これにより、三元触媒２４の経年劣化によって最大値ＯＳｍａｘが変化する場合であっても、三元触媒２４の最大値ＯＳｍａｘを高精度に把握できる。

＜対応関係＞
上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。以下では、「課題を解決するための手段」の欄に記載した解決手段の番号毎に、対応関係を示している。［１，４］触媒は、三元触媒２４に対応し、温度算出装置は、制御装置５０に対応する。吸蔵量算出処理は、Ｓ１０，Ｓ１２の処理に対応し、「流体中の酸素量および未燃燃料成分量」は、余剰酸素量ＥＸＯおよび余剰燃料量ＥＸＨに対応する。温度算出処理は、Ｓ１４〜Ｓ５８の処理に対応し、特に吸蔵変化量ΔＯＳが正であって大きい場合に小さい場合よりもセリウム反応上昇量ΔＣを大きい値に算出することに対応する。すなわち、これにより、Ｓ４６，Ｓ５６において触媒熱量Ｑｃａｔｆ，Ｑｃａｔｃが大きい値に算出され、前端部温度Ｔｃａｔｆや中央部温度Ｔｃａｔｃの前回値からの更新量が大きい値となることに対応する。［２］図３のＳ１６の処理によって、吸蔵変化量ΔＯＳが負であってその絶対値が大きい場合に小さい場合よりもＨＣ反応上昇量ΔＨが大きい値に算出され、これによりＳ４０，Ｓ５０の処理によって算出されるガス熱量Ｑｅｘｇｆ，Ｑｅｘｇｃが大きい値に算出されることに対応する。すなわち、ガス熱量Ｑｅｘｇｆ，Ｑｅｘｇｃが大きい値に算出されることにより、前端部温度Ｔｃａｔｆや中央部温度Ｔｃａｔｃの前回値からの更新量が大きい値となることに対応する。［３］第１領域は、前端部に対応し、第２領域は、中央部に対応する。Ｓ１８，Ｓ２０，Ｓ２４，Ｓ２６の処理において、係数αを「１／２」よりも大きい値としている点に対応する。［５］回転電機は、モータジェネレータ３２，３４に対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・「吸蔵量算出処理について」
上記実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳの最大値として、最大吸蔵量学習処理Ｍ１０によって学習された最大値ＯＳｍａｘを用いて酸素吸蔵量ＯＳを算出したが、これに限らず、たとえばＳ２２の処理において用いる初期値ＯＳｍａｘ０を用いてもよい。

上記実施形態では、上流側空燃比Ａｆｕおよび吸入空気量Ｇａに基づき酸素吸蔵量を算出したが、これに限らない。たとえば吸入空気量Ｇａおよび燃料噴射弁１６による燃料噴射量に基づき算出してもよい。

・「発熱補正処理Ｍ１６について」
上記実施形態では、燃焼室１４から排出された流体中に未燃燃料と酸素とが存在する場合に、それらが燃焼することによって生じる流体の温度上昇量を算出したが、これに限らず、熱量を算出してもよい。その場合、その熱量を、入りガス温度Ｔｉｎを上昇させる熱量と、前端部における流体の温度を上昇させる熱量と、中央部における流体の温度を上昇させる熱量とに割り振ればよい。

上記実施形態では、燃焼室１４から排出された流体中に未燃燃料と酸素とが存在することを条件に、発熱補正を実行したがこれに限らない。たとえば、フューエルカット処理中に、吸気通路１２やピストンに付着していた燃料が燃焼室１４を介して排気通路２２に流出し、排気通路２２に流入する空気と反応することによる熱量に応じた補正量を算出してもよい。これについても、補正量を、入りガス温度Ｔｉｎの上昇補正量と、前端部における流体の温度の上昇補正量と、中央部における流体の温度の上昇補正量とに割り振ればよい。またこれに代えて、入りガス温度Ｔｉｎを上昇させる熱量と、前端部における流体の温度を上昇させる熱量と、中央部における流体の温度を上昇させる熱量とに割り振ってもよい。その場合、前端部における流体の温度を上昇させる熱量は、Ｓ４８の処理で利用すればよく、中央部における流体の温度を上昇させる熱量は、Ｓ５８の処理に利用すればよい。また、入りガス温度Ｔｉｎを上昇させる熱量は、たとえば流体の熱容量によって除算することによって出ガス温度Ｔｏｕｔの補正量とすればよい。

また、内燃機関１０が過給機を備えて且つ吸気バルブと排気バルブとの双方が開弁するオーバーラップ期間が生じる場合には、吸気通路１２に吸入された空気が燃焼室１４内で燃焼対象とされることなく排気通路２２に流出するいわゆるスカベンジが生じることがある。そのため、その場合にも、燃焼室１４内で燃焼対象とされることなく排気通路２２に流出する空気と、吸気通路１２やピストンに付着していた燃料との反応による補正量を算出してもよい。

・「温度算出処理について」
上記実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳが増加する場合、温度変化量算出処理Ｍ２２において、セリウムがセリアに変化する際の反応熱に起因した三元触媒２４の温度上昇量であるセリウム反応上昇量ΔＣを算出したが、これに限らない。たとえば、酸素吸蔵量ＯＳがゼロから最大値ＯＳｍａｘとなるまでの総反応熱に「ΔＯＳ／ＯＳｍａｘ０」を乗算することによって、熱量を算出してもよい。その場合、算出した熱量を、Ｓ２４，Ｓ２６の処理において、前端部の熱量と中央部の熱量とに割り振り、Ｓ４６，Ｓ５６の処理において、比熱による除算をすることなく触媒熱量の一部として扱えばよい。

上記実施形態では、酸素吸蔵量ＯＳが減少する場合、温度変化量算出処理Ｍ２２において、未燃燃料と三元触媒２４に吸蔵されていた酸素との反応による流体の温度上昇量であるＨＣ反応上昇量ΔＨを算出したが、これに限らない。たとえば熱量自体を算出し、これをＳ１８，Ｓ２０の処理に代えて前端部の熱量と中央部の熱量とに割り振り、Ｓ４８，Ｓ５８の処理において、熱容量による除算の対象に加えてもよい。

Ｓ４８，Ｓ５８の処理において用いられるガス熱量Ｑｅｘｇｆ，Ｑｅｘｇｃに代えて、それらの指数移動平均処理値やローパスフィルタ処理値を用いてもよい。これにより、燃焼室１４から排気通路２２に単位時間あたりに排出される流体中の熱量が急激に上昇した場合であっても、前端部温度Ｔｃａｔｆや中央部温度Ｔｃａｔｃがステップ的に上昇せず、漸増する傾向を表現できる。もっとも、過渡的な現象を表現するうえでＳ４８，Ｓ５８の処理において用いられるガス熱量Ｑｅｘｇｆ，Ｑｅｘｇｃに代えて、それらの指数移動平均処理値やローパスフィルタ処理値を用いることは必須ではない。たとえば、Ｓ１６の処理によって算出されるＨＣ反応上昇量ΔＨに、「０」よりも大きくて「１」よりも小さい定数を乗算した値を、Ｓ１８，Ｓ２０の入力としてもよい。この場合、未燃燃料と三元触媒２４に吸蔵されていた酸素との反応によって発生する熱量を流体の熱容量と三元触媒２４の熱容量との和で除算した値だけ三元触媒２４の温度がステップ的に上昇する代わりに、三元触媒２４の温度が漸増する現象を表現できる。

さらに、前端部温度Ｔｃａｔｆや中央部温度Ｔｃａｔｃの漸増傾向を表現するうえでは、上記に限らず、たとえば、三元触媒２４に流入する流体と三元触媒２４との熱交換量を計算してもよい。すなわち、たとえば入りガス温度Ｔｉｎから前端部温度Ｔｃａｔｆを減算した値に係数を乗算した値を、三元触媒２４に流入する流体と前端部との熱交換量として算出してもよい。

上記実施形態では、後端部の温度の算出処理を実行しなかったがこれを行ってもよい。その場合、後端部と中央部との熱交換量を、前端部と中央部との熱交換量と独立に算出できる。

上記実施形態では、三元触媒２４を、前端部、中央部および後端部に分割したが、これに限らない。たとえば２つの領域に分割したり、４つ以上の領域に分割したりしてもよい。もっとも、三元触媒２４を、複数の領域に分割することは必須ではない。その場合、三元触媒２４の温度は、ＨＣ反応上昇量ΔＨやセリウム反応上昇量ΔＣに加えて、上流側の流体との熱交換等を考慮して算出すればよい。

・「推定値の用途について」
上記実施形態では、三元触媒２４の温度の推定値を内燃機関１０の起動処理Ｍ２８に利用したが、これに限らない。たとえば内燃機関１０の稼働時において内燃機関１０を停止させるか否かの判定処理に利用してもよい。これは、たとえば前端部温度Ｔｃａｔｆが所定温度以上となる場合に内燃機関１０を停止させると判定することにより実現できる。

・「最大吸蔵量学習処理について」
上記実施形態では、上流側空燃比Ａｆｕおよび吸入空気量Ｇａに基づき算出される三元触媒２４に流入する酸素流量を用いて最大値ＯＳｍａｘを算出したが、これに限らない。たとえば、燃料噴射弁１６からの燃料噴射量と吸入空気量Ｇａとに基づき算出される酸素流量を用いてもよい。

・「温度算出装置、制御装置について」
温度算出装置や制御装置がＣＰＵ５２とＲＯＭ５４とを備えて、ソフトウェア処理を実行するものに限らない。たとえば、上記実施形態においてソフトウェア処理されたものの少なくとも一部を、ハードウェア処理する専用のハードウェア回路（たとえばＡＳＩＣ等）を備えてもよい。すなわち、温度算出装置や制御装置は、以下の（ａ）〜（ｃ）のいずれかの構成であればよい。（ａ）上記処理の全てを、プログラムに従って実行する処理装置と、プログラムを記憶するＲＯＭ等のプログラム格納装置とを備える。（ｂ）上記処理の一部をプログラムに従って実行する処理装置およびプログラム格納装置と、残りの処理を実行する専用のハードウェア回路とを備える。（ｃ）上記処理の全てを実行する専用のハードウェア回路を備える。ここで、処理装置およびプログラム格納装置を備えたソフトウェア処理回路や、専用のハードウェア回路は複数であってもよい。すなわち、上記処理は、１または複数のソフトウェア処理回路および１または複数の専用のハードウェア回路の少なくとも一方を備えた処理回路によって実行されればよい。

・「車両について」
上記実施形態では、モータジェネレータ３２，３４に供給する電力を蓄えるバッテリ４４を外部から充電可能ないわゆるプラグインハイブリッド車両を想定したが、これに限らない。たとえばバッテリ４４を車両の外部から充電する手段を有しないものであってもよい。

ハイブリッド車両としては、シリーズ・パラレルハイブリッド車に限らず、たとえばパラレルハイブリッド車やシリーズハイブリッド車であってもよい。もっとも、ハイブリッド車に限らず、車両の駆動源が内燃機関１０のみとなる車両であってもよい。

・「そのほか」
たとえば燃料噴射弁１６から噴射される燃料がガソリンとアルコールとの割合が変化しうるものである場合には、アルコール濃度に応じて反応熱量Ｑを可変設定してもよい。

１０…内燃機関、１２…吸気通路、１４…燃焼室、１６…燃料噴射弁、１８…点火装置、２０…クランク軸、２２…排気通路、２４，２６…三元触媒、３０…遊星歯車機構、３２…モータジェネレータ、３２ａ…回転軸、３４…モータジェネレータ、３４ａ…回転軸、３６…駆動輪、４０，４２…インバータ、４４…バッテリ、４８…プラグ、５０…制御装置、５２…ＣＰＵ、５４…ＲＯＭ、５６…周辺回路、５８…通信線、６０…エアフローメータ、６２…クランク角センサ、６４…上流側空燃比センサ、６６…下流側空燃比センサ、６８…水温センサ。

Claims (5)

1. 排気通路に酸素吸蔵能力を有した触媒を備える内燃機関に適用され、
   前記触媒に流入する流体中の酸素量および未燃燃料成分量に基づき、前記触媒における酸素吸蔵量をゼロ以上最大値以下の値に算出する吸蔵量算出処理と、
   前記吸蔵量算出処理によって算出された前記酸素吸蔵量が増加する場合、前記酸素吸蔵量の増加量が大きい場合に小さい場合よりも前記触媒の温度上昇量が大きいとして前記触媒の温度を算出する温度算出処理と、を実行する触媒温度算出装置。
2. 前記温度算出処理は、前記吸蔵量算出処理によって算出された前記酸素吸蔵量が減少する場合、前記酸素吸蔵量の減少量が大きい場合に小さい場合よりも前記触媒の温度上昇量が大きいとして前記触媒の温度を算出する処理を含む請求項１記載の触媒温度算出装置。
3. 前記温度算出処理は、前記触媒の上流端から下流端までの区間を複数の領域に分割し、前記吸蔵量算出処理によって算出された前記酸素吸蔵量が増加する場合、前記複数の領域のうちの第１領域の温度上昇量の方が前記第１領域よりも下流側の第２領域の温度上昇量よりも大きいとして前記第１領域および前記第２領域のそれぞれの温度を算出する処理を含む請求項１または２記載の触媒温度算出装置。
4. 前記触媒の下流側には空燃比センサが設けられており、
   前記空燃比センサの検出値に基づき、前記最大値を学習更新する最大吸蔵量学習処理を実行し、
   前記吸蔵量算出処理は、前記最大吸蔵量学習処理によって学習された前記最大値に基づき前記酸素吸蔵量を算出する処理である請求項１〜３のいずれか１項に記載の触媒温度算出装置。
5. 前記内燃機関は、駆動源として回転電機を備えた車両に搭載されるものであり、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の触媒温度算出装置の前記各処理と、
   前記車両が走行可能な状態にあって且つ前記内燃機関が停止状態にある場合、前記温度算出処理によって算出された前記触媒の温度に基づき、前記内燃機関を起動する起動処理と、を実行する内燃機関の制御装置。