JP4561656B2 - 内燃機関の触媒温度推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置された排気浄化用の触媒の温度を推定する触媒温度推定装置に関する。

内燃機関の排気浄化触媒の状態、例えば浄化率、劣化度合い、硫黄被毒の回復状態などは、触媒床温と深く関係する。このため、触媒の浄化性能を十分に引き出すには、様々な運転状態の下で、触媒床温を正確に知ることが重要となる。ところが、触媒床温を直接に計測することは困難である。そこで、触媒床温を運転状態等に基づいて推定することが必要とされている。

特許文献１に開示された内燃機関の排出ガス浄化装置では、次のようにして触媒床温を推定している。まず、内燃機関の運転状態に基づいて触媒床温推定値を算出し、その触媒床温推定値に基づいて触媒出口の排気ガス温度（以下、「出口ガス温度」と称する）の推定値を算出する。また、触媒出口に配置した排気温センサにより出口ガス温度の実測値を求める。そして、出口ガス温度の実測値と推定値との偏差が、触媒床温推定値のずれに相当するものとみなして、上記触媒床温推定値を補正することにより、触媒床温の最終的な推定値を得る。

特開２００３−３３６５３８号公報 特開平１０−１９６４３３号公報 特開平１０−１５９５４３号公報

ところで、内燃機関の運転中、触媒床温を上昇させるための触媒昇温制御が内燃機関に対して行われることがある。例えば、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒の硫黄被毒回復制御などが触媒昇温制御に該当する。ＮＯｘ触媒に吸着した硫黄分を離脱させて硫黄被毒を回復させるには、ＮＯｘ触媒を例えば６５０〜７００℃程度の高温にする必要がある。このため、硫黄被毒回復制御時には、未燃成分と酸素とがＮＯｘ触媒に供給されるように制御し、未燃成分をＮＯｘ触媒で酸化反応させることでＮＯｘ触媒の温度を上昇させることが行われる。

このような触媒昇温制御の実行時と、触媒昇温制御をしていない通常運転時とでは、触媒の状態が大きく異なる。上記従来の触媒床温推定装置は、通常運転時と、触媒昇温制御実行時との区別をしていない点で、未だ改良の余地を残すものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、排気浄化触媒の温度を上昇させるための触媒昇温制御の実行時および非実行時の何れにおいても、触媒温度を正確に推定することのできる内燃機関の触媒温度推定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の触媒温度推定装置であって、
内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて前記触媒の床温を推定する床温推定手段と、
前記触媒の出口における排気ガス温度である出口ガス温度を推定する出口ガス温度推定手段と、
前記出口ガス温度を実測する出口ガス温度実測手段と、
前記出口ガス温度の実測値と推定値との偏差に所定の補正係数を乗じた値を、前記床温推定手段により推定された推定床温に加えることにより、前記触媒の最終推定床温を算出する最終推定床温算出手段と、
前記内燃機関に対し、前記触媒の床温を上昇させるための触媒昇温制御を行う触媒昇温手段と、
前記触媒昇温制御の実行時と、前記触媒昇温制御を実行しない通常運転時とで、前記補正係数の値を異ならせる補正係数変更手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時の補正係数を通常運転時の補正係数より大きくすることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
前記補正係数変更手段は、吸入空気量が所定値より小さい場合にのみ、前記触媒昇温制御の実行時と通常運転時とで前記補正係数の値を異ならせることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記床温推定手段は、前記触媒を入口側から出口側に向かって複数の部位に分け、その部位毎の床温を推定し、
前記最終推定床温算出手段は、前記部位毎の推定床温と、前記部位毎の前記補正係数とに基づいて、前記部位毎に前記最終推定床温を算出することを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時は、前記触媒の入口に近い部位の補正係数を通常運転時よりも大きくすることを特徴とする。

また、第６の発明は、第４または第５の発明において、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
前記補正係数変更手段は、吸入空気量が所定値以上である場合には、吸入空気量が前記所定値より小さい場合に比して、前記触媒の入口に近い部位の通常運転時の補正係数を大きくすることを特徴とする。

また、第７の発明は、第４乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段を更に備え、
前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時の補正係数と通常運転時の補正係数との少なくとも一方を吸入空気量に応じて変化させることを特徴とする。

また、第８の発明は、第４乃至第７の発明の何れかにおいて、
通常運転時の補正係数は、前記触媒の出口に近い部位ではほぼ１であり、前記触媒の入口に近い部位になるほど小さくなっていることを特徴とする。

また、第９の発明は、第４乃至第８の発明の何れかにおいて、
前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時は、前記触媒の各部位の補正係数を何れもほぼ１とすることを特徴とする。

第１の発明によれば、内燃機関の排気通路に配置された触媒の出口ガス温度の実測値と推定値との偏差に所定の補正係数を乗じた値を、内燃機関の運転状態に基づいて求められた推定床温に加えることにより、触媒の最終推定床温を算出することができる。そして、その最終推定床温の算出に際して、通常運転時と触媒昇温制御の実行時とで、補正係数の値を異ならせることができる。通常運転時と触媒昇温制御実行時とでは、触媒内で生ずる現象が大きく異なるが、第１の発明によれば、通常運転時と触媒昇温制御実行時とで補正係数を使い分けることで、触媒で生ずる現象の違いを適切に反映させることができ、触媒床温をそれぞれの場合に応じて精度良く補正することができる。このため、通常運転時および触媒昇温制御実行時の何れにおいても、最終推定床温を精度良く求めることができる。

第２の発明によれば、触媒昇温制御実行時の補正係数を通常運転時の補正係数より大きくすることができる。触媒昇温制御実行時は、触媒内で生ずる未燃成分の酸化反応等の影響で、通常運転時に比して推定床温の誤差が生じ易くなる。第２の発明によれば、触媒昇温制御実行時の補正係数を大きくすることで、そのような誤差を適切に補正することができ、最終推定床温を精度良く求めることができる。

第３の発明によれば、吸入空気量が所定値より小さい場合にのみ、通常運転時と触媒昇温制御実行時とで補正係数の値を異ならせることができる。吸入空気量が多い場合には、触媒内の伝熱遅れが生じにくくなるので、伝熱遅れに起因する誤差が小さくなる。このため、吸入空気量が多い場合には、通常運転時と触媒昇温制御実行時とで補正係数を使い分けない方が適切である場合もある。第３の発明によれば、そのような場合において、最終推定床温を精度良く求めることができる。

第４の発明によれば、触媒を入口側から出口側に向かって複数の部位に分け、その部位毎の推定床温を求め、その部位毎の推定床温と、部位毎の補正係数とに基づいて、部位毎に最終推定床温を算出することができる。これにより、触媒内の温度分布を把握することができる。このため、例えば触媒暖機時には、触媒の各部位の活性化状況を正確に把握することができる。その結果、触媒全体を有効に使って排気ガスを浄化することができ、浄化率を高めることができる。また、例えばＳ被毒回復等の触媒再生時には、触媒全体が再生温度以上に昇温されているかどうかを正確に把握することができるので、硫黄分等の触媒性能阻害成分を触媒内から余すところなく離脱させることが可能となる。

第５の発明によれば、触媒昇温制御実行時は、触媒の入口に近い部位の補正係数を通常運転時よりも大きくすることができる。触媒昇温制御実行時は、入口に近い部位で未燃成分の酸化反応等により多量の発熱が生ずるので、入口に近い部位の誤差が通常運転時に比して大きくなり易い。第５の発明によれば、そのような誤差を適切に補正することができるので、触媒昇温制御実行時における触媒各部位の最終推定床温を高い精度で求めることができる。

第６の発明によれば、吸入空気量が所定値以上である場合には、吸入空気量が所定値より小さい場合に比して、触媒の入口に近い部位の通常運転時の補正係数を大きくすることができる。触媒内の伝熱遅れに起因して出口側の部位の推定床温に蓄積する誤差は、吸入空気量が多いほど小さく、吸入空気量が少ないほど大きくなり易い。このため、通常運転時においては、吸入空気量が少ない場合には、入口側の部位の誤差が出口側の部位の誤差より小さくなり易いので、入口側の部位の補正係数をより小さくすべきである。逆に、吸入空気量が多い場合には、入口側の部位の誤差が出口側の部位の誤差に近くなるので、入口側の部位の補正係数を大きくすることが適切である。第６の発明によれば、このような吸入空気量の影響を適切に反映させて触媒各部位の推定床温を精度良く補正することができるので、各部位の最終推定床温をより高い精度で求めることができる。

第７の発明によれば、触媒昇温制御の実行時の補正係数と通常運転時の補正係数との少なくとも一方を吸入空気量に応じて変化させることができる。触媒内の伝熱遅れに起因して出口側の部位の推定床温に蓄積する誤差は、吸入空気量が多いほど小さく、吸入空気量が少ないほど大きくなり易い。第７の発明によれば、このような吸入空気量の影響を適切に反映させて触媒各部位の推定床温を精度良く補正することができるので、各部位の最終推定床温をより高い精度で求めることができる。

第８の発明によれば、通常運転時の補正係数を、触媒の出口に近い部位ではほぼ１とし、触媒の入口に近い部位になるほど小さくすることができる。通常運転時に算出される推定床温は、出口に近い部位ほど伝熱遅れ等に起因する誤差が蓄積するので誤差が大きくなり易く、逆に、入口に近い部位ほど誤差が小さくなり易い。第８の発明によれば、このような現象を適切に反映させて触媒各部位の推定床温を精度良く補正することができるので、各部位の最終推定床温をより高い精度で求めることができる。

第９の発明によれば、触媒昇温制御の実行時は、触媒各部位の補正係数を何れもほぼ１とすることができる。触媒昇温制御実行時は、入口に近い部位で未燃成分の酸化反応等により多量の発熱が生ずるので、入口に近い部位の誤差が通常運転時に比して大きくなり易い。第９の発明によれば、そのような誤差を適切に補正することができるので、触媒昇温制御実行時における触媒各部位の最終推定床温を高い精度で求めることができる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、車両の動力源として搭載される内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、複数の気筒を有する多気筒機関であり、図１は、そのうちの一気筒の断面を示している。本実施形態では、内燃機関１０は、直列４気筒であるものとする。

内燃機関１０の各気筒には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。吸気通路１２には、吸入空気量GAを検出するエアフロメータ１６が配置されている。エアフロメータ１６の下流には、スロットル弁１８が配置されている。スロットル弁１８は、アクセル開度等に基づいてスロットルモータ２０により駆動される電子制御式のバルブである。スロットル弁１８の近傍には、スロットル開度を検出するためのスロットルポジションセンサ２２が配置されている。アクセル開度は、アクセルペダルの近傍に設けられたアクセルポジションセンサ２４によって検出される。

内燃機関１０の各気筒には、吸気ポートの内に燃料を噴射するための燃料噴射弁２６が配置されている。なお、内燃機関１０は、図示のようなポート噴射式のものに限らず、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射弁を備えたものであってもよい。

内燃機関１０の各気筒には、更に、吸気弁２８、点火プラグ３０、および排気弁３２が設けられている。

内燃機関１０のクランク軸３６の近傍には、クランク軸３６の回転角を検出するためのクランク角センサ３８が取り付けられている。クランク角センサ３８の出力によれば、クランク軸３６の回転位置や機関回転数NE（機関回転速度）などを検知することができる。

内燃機関１０の排気通路１４の途中には、スタート触媒４０と、スタート触媒４０の下流側に配置されたＮＯｘ触媒４２とが設けられている。スタート触媒４０は、比較的小容量の三元触媒である。スタート触媒４０は、排気ポートに近い位置に配置されているので、始動から短時間のうちに暖機され、良好な排気浄化性能を発揮する。ＮＯｘ触媒４２は、比較的大容量の触媒であり、ＮＯｘ吸蔵還元型の三元触媒である。

ＮＯｘ触媒４２の後端付近には、排気温センサ４４が設置されている。排気温センサ４４によれば、ＮＯｘ触媒４２の出口における排気ガス温度（以下、「出口ガス温度」と称する）を検出することができる。そして、その検出信号に基づいて、出口ガス温度の実測値を取得することができる。

本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

図２は、内燃機関１０の排気系の構成を説明するための模式的な平面図である。図２に示すように、内燃機関１０の排気系には、スタート触媒４０が二つと、ＮＯｘ触媒４２が一つ設けられている。そして、１番気筒（＃１）および４番気筒（＃４）からの排気ガスが合流して一方のスタート触媒４０に流入し、２番気筒（＃２）および３番気筒（＃３）からの排気ガスが合流して他方のスタート触媒４０に流入し、両スタート触媒４０を出た排気ガスが合流して一つのＮＯｘ触媒４２に流入するように構成されている。

本実施形態の内燃機関１０は、理論空燃比（ストイキ）より希薄なリーン空燃比での運転が可能となっている。本実施形態のシステムでは、三元触媒がＮＯｘを浄化できないリーン空燃比運転時には、排気ガス中のＮＯｘをＮＯｘ触媒４２に吸蔵しておくことにより、大気中へのＮＯｘの排出を防止することができる。そして、ＮＯｘ触媒４２の吸蔵能力が限界に近くなった場合には、内燃機関１０を一時的にリッチ空燃比または理論空燃比で運転するリッチスパイク制御を行うことにより、蓄積されたＮＯｘを還元浄化して放出することができる。

ＮＯｘ触媒４２には、ＮＯｘだけでなく、排気中の硫黄分（ＳＯｘ）も蓄積する。硫黄分の蓄積が多くなると、硫黄被毒が生じ、ＮＯｘ触媒４２の浄化能力（吸蔵能力）が低下する。そこで、本システムでは、ＮＯｘ触媒４２の硫黄被毒を回復させるための硫黄被毒回復制御（以下、「Ｓ被毒回復制御」と称する）を時折行うこととしている。Ｓ被毒回復制御では、ＮＯｘ触媒４２の温度を例えば６５０〜７００℃程度までの上昇させるとともに、排気空燃比をリッチとする。これにより、排気中の未燃成分が還元剤となり、ＮＯｘ触媒４２から硫黄分を離脱させることができる。

本実施形態では、Ｓ被毒回復制御において、＃１および＃４気筒の空燃比がリーンとされ、＃２および＃３気筒の空燃比がリッチとされる。このようにすると、＃１および＃４気筒から排出されたリーンな排気ガスが流入する一方のスタート触媒４０を出た排気ガスには酸素が含まれているので、ＮＯｘ触媒４２に酸素を供給することができる。他方、＃２および＃３気筒から排出されたリッチな排気ガスが流入するスタート触媒４０では、ＨＣ、ＣＯ等の未燃成分が浄化されずに残るので、そのＨＣ、ＣＯ等をＮＯｘ触媒４２に供給することができる。このようにして、ＮＯｘ触媒４２にＨＣ、ＣＯ等と酸素とが供給されるので、ＮＯｘ触媒４２においてそのＨＣ、ＣＯ等が酸化反応し、その反応熱によってＮＯｘ触媒４２の温度を上昇させることができる。

なお、Ｓ被毒回復制御は、上記のような手法に限定されるものではなく、例えばＮＯｘ触媒４２の上流において排気ガス中に燃料を添加したり２次空気を導入したりする方法で行ってもよい。

［実施の形態１の特徴］
Ｓ被毒回復制御の実行時は、前述したように、ＮＯｘ触媒４２を所定の温度まで上昇させることが重要である。また、Ｓ被毒回復制御を実行していない通常運転時は、良好な浄化率が得られるような活性温度以上にＮＯｘ触媒４２の温度を保つことが重要である。このようなことから、ＮＯｘ触媒４２の性能を十分に発揮させるためには、通常運転時およびＳ被毒回復制御時の何れにおいても、ＮＯｘ触媒４２の温度を精度良く制御する必要があり、そのためには、ＮＯｘ触媒４２の温度（床温）を精度良く推定する必要がある。

そこで、本実施形態では、以下に説明するような手法でＮＯｘ触媒４２の床温を推定することとした。図３は、本実施形態の触媒温度推定手法を説明するための図である。より詳しくは、図３（Ａ）はＮＯｘ触媒４２の平面図であり、図３（Ｂ）はＮＯｘ触媒４２の各部位における後述の補正係数を示す図である。

図３に示すように、本実施形態では、ＮＯｘ触媒４２を入口側（エンジン側）から出口側（マフラー側）まで複数の部位（領域）に分け、各部位毎の床温を推定することとした。具体的には、図３に示すように、入口に近い順にＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つの部位に分け、各部位の中央の点（図中丸印で示す）の床温を、その部位の代表温度として推定することとした。なお、このようにしてＮＯｘ触媒４２を複数の部位に分けて部位毎の床温を推定する場合、その分ける数は４つに限らず、いくつでもよい。

本実施形態のように、ＮＯｘ触媒４２を複数の部位に分けて部位毎の床温を推定することは、ＮＯｘ触媒４２の能力を十分に引き出す上で極めて有効である。例えば、部位毎に床温を推定して、各部位の床温が何れも活性温度以上となるように制御すれば、ＮＯｘ触媒４２全体を有効に使って排気ガスを高効率で浄化することができ、浄化能力を最大限に発揮させることができる。また、Ｓ被毒回復制御時には、推定された各部位の床温が何れも必要温度（６５０〜７００℃）以上となるように制御すれば、ＮＯｘ触媒４２全体から硫黄分を余すところなく離脱させることができる。つまり、一旦離脱した硫黄分が、床温の上がりにくいＮＯｘ触媒４２の出口付近の部位に再吸着されるような事態を確実に防止することができる。

本実施形態では、Ａ〜Ｄの各部位について、床温を下記式に基づいて推定する。
最終推定床温＝推定床温＋出口ガス温度偏差＊補正係数 ・・・（１）

上記（１）式中の「推定床温」は、内燃機関１０の運転状態（機関回転数NE、負荷、空燃比A/F、点火時期SA、吸入空気量GA等）に基づいて、所定の手法により算出することができる。本実施形態において、この推定床温は、床温の暫定的な推定値としての意味合いを有する。

ＮＯｘ触媒４２においては、触媒の構成部材中（担体中）を熱が移動する熱伝導の作用や、排気ガスの流れによって熱が伝わる熱伝達の作用により、入口側の部位から出口側の部位に向かって伝熱が生ずる。そこで、上記推定床温の算出に当たっては、そのような伝熱現象をモデル化した手法を用いて、入口側の部位から出口側の部位に向かって、順次各部位の推定床温を算出することとされる。すなわち、本実施形態では、部位Ａの推定床温が運転状態に基づいてまず算出され、部位Ａからの伝熱量と運転状態とに基づいて部位Ｂの推定床温が算出され、部位Ｂからの伝熱量と運転状態とに基づいて部位Ｃの推定床温が算出され、部位Ｃからの伝熱量と運転状態とに基づいて部位Ｄの推定床温が算出される。

更に、最も出口側の部位Ｄの推定床温と運転状態とに基づいて、ＮＯｘ触媒４２の出口（図３中のＥ点）における排気ガス温度、すなわち出口ガス温度の推定値を算出することができる。

出口ガス温度は、前述したように、排気温センサ４４の信号に基づいて、その実測値を取得することができる。上記（１）式中の「出口ガス温度偏差」とは、出口ガス温度の実測値と推定値との差（実測値から推定値を減じた値）として算出される値である。

上記（１）式中の「最終推定床温」は、本実施形態において、上記推定床温を補正して得られる最終的な床温の推定値としての意味合いを有する。この最終推定床温は、上記出口ガス温度偏差に図３（Ｂ）に示す補正係数を乗じたものを上記推定床温に加算した値として算出される。本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、この補正係数の値を、Ｓ被毒回復制御の実行時と、通常運転時（Ｓ被毒回復制御の非実行時）とで使い分けることとした。

（通常運転時の補正係数）
本発明者らの知見によれば、通常運転時、ＮＯｘ触媒４２の出口近傍の床温、つまり部位Ｄの床温は、出口ガス温度とほぼ等しくなる。このため、出口ガス温度の実測値と推定値との間にずれ（出口ガス温度偏差）がある場合には、部位Ｄの実際の床温と推定床温との間にもほぼ同じ分だけのずれがあると見込むことができる。そこで、この場合には、部位Ｄについて、補正係数を１に近い値として上記（１）式の演算を行うことにより、部位Ｄの推定床温を出口ガス温度偏差の分だけ補正した値を最終推定床温として得ることができる。すなわち、通常運転時は、部位Ｄの補正係数（図３（Ｂ）中のｄ）をほぼ１とすることにより、部位Ｄの最終推定床温を精度良く求めることができる。

ＮＯｘ触媒４２の各部位の推定床温は、前述したように、伝熱をモデル化した手法により、入口側の部位から出口側の部位に向かって順次算出される。このため、通常運転時は、出口側の部位になるほど、モデルの誤差が蓄積することにより、誤差が大きくなると考えられる。つまり、図３の場合では、部位Ａの推定床温の誤差が最も小さく、部位Ｄの推定床温の誤差が最も大きいといえる。

そこで、本実施形態では、図３に示すように、ＮＯｘ触媒４２の入口に近い部位ほど、通常運転時の補正係数が小さくなるようにした。図３（Ｂ）中、ａ，ｂ，ｃは、それぞれ、部位Ａ、部位Ｂ、部位Ｃの補正係数である。本実施形態では、通常運転時、ＮＯｘ触媒４２の各部位の補正係数をこのように設定することにより、各部位の最終推定床温を高精度に求めることができる。

（Ｓ被毒回復制御時の補正係数）
ところで、通常運転時には、内燃機関１０の排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ等の未燃成分はスタート触媒４０で浄化されるので、ＮＯｘ触媒４２に流入する排気ガス中にはＨＣ、ＣＯ等の未燃成分はほとんど含まれない。つまり、通常運転時には、ＨＣ、ＣＯ等の酸化反応による発熱がＮＯｘ触媒４２で生ずることはない。

これに対し、Ｓ被毒回復制御時には、前述したように、ＨＣ、ＣＯ等の未燃成分と酸素とを含む排気ガスがＮＯｘ触媒４２に流入する。そして、その未燃成分の多くは、ＮＯｘ触媒４２に流入後、直ちに酸化反応する。このため、ＮＯｘ触媒４２に流入した未燃成分のうち、例えば８０〜９０％程度は部位Ａで反応し、その残りが部位Ｂで反応することとなる。

このように、Ｓ被毒回復制御時は、ＮＯｘ触媒４２の入口に近い部位で多くの反応熱が生ずるので、入口に近い部位ほど、温度が上昇し易くなる。このため、入口に近い部位の推定床温は、入口に近い部位でどれだけの割合の未燃成分が反応するかの予測を加味して算出されるが、その予測精度次第で、入口に近い部位の推定床温は大きく左右されることとなる。このようなことから、Ｓ被毒回復制御時、入口に近い部位では、通常運転時と比べ、推定床温の誤差が拡大し易くなる。このため、Ｓ被毒回復制御時は、入口に近い部位でも、補正係数を大きくした方が、最終推定床温の精度を良くすることができると言える。

一方、本発明者らの知見によれば、ＮＯｘ触媒４２の出口近傍の部位Ｄの床温は、Ｓ被毒回復制御時においても、出口ガス温度とほぼ等しくなる。そこで、本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、Ｓ被毒回復制御時は、入口に近い部位の補正係数を大きくし、Ａ〜Ｄの各部位とも、補正係数を１にすることとした。このようにすることにより、Ｓ被毒回復制御時、誤差の大きくなり易い入口に近い部位の推定床温を精度良く補正することができる。このため、本実施形態によれば、通常運転時のみならず、Ｓ被毒回復制御時においても、ＮＯｘ触媒４２の各部位の最終推定床温を正確に求めることができる。

［実施の形態１における具体的処理］
図４は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、本ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。図４に示すルーチンによれば、まず、内燃機関１０の現在の運転状態に関するパラメータ（機関回転数NE、負荷、空燃比A/F、点火時期SA、吸入空気量GA等）が取得される（ステップ１００）。次いで、その取得された運転状態のパラメータに基づいて、前述したような手法により、部位Ａ〜Ｄの推定床温が順次算出される（ステップ１０２）。

続いて、部位Ｄの推定床温と、運転状態のパラメータとに基づいて、出口ガス温度の推定値が算出される（ステップ１０４）。なお、各部位の推定床温、および出口ガス温度推定値の算出手法は、公知であり、かつ、本発明の主要部ではないため、ここでは、前述した以上の説明は省略する。

続いて、排気温センサ４４によって出口ガス温度が計測され、出口ガス温度の実測値が取得される（ステップ１０６）。次いで、Ｓ被毒回復制御を現在実行中であるか否かが判別される（ステップ１０８）。その判別の結果、Ｓ被毒回復制御を実行していない通常運転状態であることが認められた場合には、通常運転時用の補正係数の値が取得される（ステップ１１０）。具体的には、図３（Ｂ）に示すａ〜ｄの値がそれぞれ部位Ａ〜Ｄの補正係数の値として取得される。一方、上記ステップ１０８においてＳ被毒回復制御の実行中であることが認められた場合には、Ｓ被毒回復制御時用の補正係数が取得される（ステップ１１２）。具体的は、部位Ａ〜Ｄの補正係数の値として何れも１が取得される。

上記ステップ１１０または１１２において補正係数が取得されたら、その補正係数と、上記ステップ１０２で算出された推定床温と、上記ステップ１０４で算出された出口ガス温度推定値と、上記ステップ１０６で取得された出口ガス温度実測値とに基づき、上記（１）式に従って、各部位毎に最終推定床温が算出される（ステップ１１４）。

以上説明した図４に示すルーチンの処理によれば、通常運転時とＳ被毒回復制御時とで補正係数を使い分けることとしたことにより、通常運転時およびＳ被毒回復制御時の何れにおいても、ＮＯｘ触媒４２の各部位の床温を正確に推定することができる。

なお、上述した実施の形態１では、ＮＯｘ触媒４２を複数の部位に分けて各部位の床温を推定することとしているが、本発明は、このようなものに限定されない。すなわち、本発明は、ＮＯｘ触媒４２を複数の部位に分けずに、ＮＯｘ触媒４２全体を代表するある一つの箇所の床温を推定する場合にも適用することが可能である。

また、上述した実施の形態１では、通常運転時とＳ被毒回復制御時とで補正係数を使い分ける場合について説明したが、本発明は、このような場合に限らず、Ｓ被毒回復制御以外の触媒昇温制御（例えば、触媒温度を活性温度まで上げるための触媒暖機制御）の実行時と非実行時とで補正係数を使い分ける場合にも適用することが可能である。

また、上述した実施の形態１においては、ＮＯｘ触媒４２が前記第１の発明における「触媒」に、Ｓ被毒回復制御が前記第１の発明における「触媒昇温制御」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１および第４の発明における「床温推定手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「出口ガス温度推定手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第１の発明における「出口ガス温度実測手段」が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１および第４の発明における「最終推定床温算出手段」が、Ｓ被毒回復制御を必要時に実行することにより前記第１の発明における「触媒昇温手段」が、上記ステップ１０８〜１１２の処理を実行することにより前記第１、第２、第５、第８および第９の発明における「補正係数変更手段」が、それぞれ実現されている。

実施の形態２．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。本実施形態は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に、前述した図４に示すルーチンに代えて後述する図５に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

前述した実施の形態１では、図３（Ｂ）に示すように、通常運転時の補正係数を、ＮＯｘ触媒４２の入口に近い部位ほど、小さくなるようにしている。この理由は、前述したように、通常運転時の推定床温は、入口に近い部位Ａで最も誤差が小さく、出口に近い部位になるほど、推定に用いるモデルの誤差が蓄積して、誤差が大きくなるからである。

本発明者らの知見によれば、上記のモデル誤差のうちでは、ＮＯｘ触媒４２内の入口側の部位から出口側の部位への伝熱遅れに起因する成分が多くを占めている。そして、ＮＯｘ触媒４２内での伝熱遅れは、吸入空気量GAが多いほど、少なくなる。これは、吸入空気量GAが多いと、ＮＯｘ触媒４２内を流れる排気ガス量が多く、排気ガスの流れによる熱伝達によって伝熱が促進されるからである。このため、吸入空気量GAが多い場合には、伝熱遅れに起因する誤差成分が小さくなるので、出口側の部位の推定床温に生ずる誤差が縮小する。このため、通常運転時であっても、吸入空気量GAが多い場合には、入口側の部位の推定床温に生ずる誤差と、出口側の部位の推定床温に生ずる誤差とが同じくらいになるので、入口に近い部位の補正係数を小さくする必要性が少なくなる。つまり、部位Ａ〜Ｄの補正係数を何れも１にしてもよいと言える。

そこで、本実施形態では、吸入空気量GAが少ないときには、前記実施の形態１と同様に通常運転時とＳ被毒回復制御時とで補正係数と使い分けることとする一方、吸入空気量GAが多いときには、通常運転時かＳ被毒回復制御時かにかかわらず、部位Ａ〜Ｄの補正係数を何れも１にすることとした。

［実施の形態２における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図５において、図４に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図５に示すルーチンは、ステップ１０６とステップ１０８との間にステップ１１６が挿入されていること以外は、図４に示すルーチンと同様である。この挿入されたステップ１１６においては、エアフロメータ１６で検出された吸入空気量GAが所定値以上であるか否かが判別される。このステップ１１６において、吸入空気量GAが所定値以上であった場合には、吸入空気量GAが十分に多いためＮＯｘ触媒４２内の伝熱遅れが少なく、入口に近い部位の補正係数を小さくする必要がないと判断できる。そこで、この場合には、通常運転時かＳ被毒回復制御時かにかかわらず、図３（Ｂ）中のＳ被毒回復制御時の補正係数が取得される（ステップ１１２）。つまり、部位Ａ〜Ｄの補正係数が何れも１とされる。

一方、上記ステップ１１６において、吸入空気量GAが所定値より小さかった場合には、次のステップ１０８でＳ被毒回復制御の実行中であるか否かが判別され、実施の形態１と同様にして、通常運転時とＳ被毒回復制御時とで補正係数を使い分けることとされる。

以上説明した実施の形態２によれば、吸入空気量GAの影響を適切に反映させて各部位の推定床温を精度良く補正することができる。このため、通常運転時およびＳ被毒回復制御時の何れにおいても、各部位の最終推定床温をより高い精度で求めることができる。

なお、上述した実施の形態２においては、エアフロメータ１６が前記第３の発明における「吸入空気量検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１６および１０８乃至１１２の処理を実行することにより前記第３の発明における「補正係数変更手段」が実現されている。

実施の形態３．
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した各実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。本実施形態は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に、前述した図４に示すルーチンに代えて後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

図６は、本実施形態の触媒温度推定手法を説明するための図であり、より詳しくは、図６（Ａ）はＮＯｘ触媒４２の平面図であり、図６（Ｂ）はＮＯｘ触媒４２の各部位における補正係数を示す図である。

前記実施の形態２で説明したように、ＮＯｘ触媒４２内の伝熱遅れに起因して出口側の部位の推定床温に蓄積する誤差は、吸入空気量GAが多いほど小さく、吸入空気量GAが少ないほど大きい。このため、通常運転時においては、吸入空気量GAが少ないほど、出口側の部位の誤差は、入口側の部位の誤差より大きくなり易いので、入口側の部位ほど補正係数を小さくすべきであり、逆に、吸入空気量GAが多いほど、入口側の部位の誤差が出口側の部位の誤差に近くなるので、入口側の部位の補正係数を大きくすることが適切である。

本実施形態では、上記の事情に鑑みて、通常運転時の補正係数を吸入空気量GAの多い場合と少ない場合とで分け、吸入空気量GAが多い場合には、吸入空気量GAが少ない場合に比して、特に入口に近い部位において、補正係数を大きくすることとした。つまり、通常運転時、吸入空気量GAが少ない場合には図６（Ｂ）中の「通常運転時（１）」の補正係数を使用し、吸入空気量GAが多い場合には図６（Ｂ）中の「通常運転時（２）」の補正係数を使用することとした。

［実施の形態３における具体的処理］
図７は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図７において、図４に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図７に示すルーチンによれば、ステップ１００からステップ１０８までは、実施の形態１と同様の処理が行われる。そして、ステップ１０８において、Ｓ被毒回復制御の実行中であることが認められた場合には、実施の形態１と同様に、図６（Ｂ）中のＳ被毒回復制御時用の補正係数が取得される（ステップ１１２）。

一方、ステップ１０８において、Ｓ被毒回復制御を実行していない通常運転状態であることが認められた場合には、次に、エアフロメータ１６で検出された吸入空気量GAが所定値以上であるか否かが判別される（ステップ１１８）。このステップ１１８において、吸入空気量GAが所定値より小さかった場合には、低吸入空気量用の補正係数、つまり図６（Ｂ）中で通常運転時（１）と示された補正係数が取得される（ステップ１２０）。これに対し、吸入空気量GAが所定値以上であった場合には、高吸入空気量用の補正係数、つまり図６（Ｂ）中で通常運転時（２）と示された補正係数が取得される（ステップ１２２）。この通常運転時（２）の補正係数は、通常運転時（１）の補正係数に比して、特に入口に近い部位において大きくされている。

上記ステップ１１２，１２０または１２２において補正係数が取得されたら、前記実施の形態１と同様に、上記（１）式に従って、各部位毎に最終推定床温が算出される（ステップ１１４）。

以上説明した実施の形態３によれば、吸入空気量GAの影響をより適切に反映させて各部位の推定床温を精度良く補正することができる。このため、通常運転時およびＳ被毒回復制御時の何れにおいても、吸入空気量GAの大小にかかわらず、各部位の最終推定床温をより高い精度で求めることができる。

なお、上述した実施の形態３においては、エアフロメータ１６が前記第６の発明における「吸入空気量検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１８，１２０，１２２の処理を実行することにより前記第６の発明における「補正係数変更手段」が実現されている。

実施の形態４．
次に、図６および図８を参照して、本発明の実施の形態４について説明するが、上述した各実施の形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略または簡略する。本実施形態は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に、前述した図４に示すルーチンに代えて後述する図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

本実施形態では、前記実施の形態３と同様の思想に基づいて、通常運転時の補正係数を吸入空気量GAに応じて変更することとした。前記実施の形態３では、通常運転時の補正係数を吸入空気量GAに応じて２段階に変化させることとしたが、本実施形態では、通常運転時の補正係数を吸入空気量GAに応じて連続的に変化させることとした。

［実施の形態４における具体的処理］
図８は、上記の機能を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。なお、図８において、図４に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図８に示すルーチンは、ステップ１１０がステップ１２４に置換されていること以外は、図４に示すルーチンと同様である。ステップ１０８で通常運転状態であることが認められた場合には、このステップ１２４が実行される。ステップ１２４では、エアフロメータ１６で検出された吸入空気量GAの値に応じた補正係数が取得される。具体的には、図６（Ｂ）中で通常運転時（１）と示された曲線と、通常運転時（２）と示された曲線との間に位置するような曲線で表される補正係数が取得される。この場合、吸入空気量GAが、内燃機関１０において生じ得る最小の値に近いほど、取得される補正係数は通常運転時（１）に近い値とされる。逆に、吸入空気量GAが、内燃機関１０において生じ得る最大の値に近いほど、取得される補正係数は通常運転時（２）に近い値とされる。

以上説明した実施の形態４によれば、吸入空気量GAの影響をきめ細かく、より適切に反映させて各部位の推定床温を精度良く補正することができる。このため、通常運転時およびＳ被毒回復制御時の何れにおいても、吸入空気量GAの大小にかかわらず、ＮＯｘ触媒４２の各部位の最終推定床温を更に高い精度で求めることができる。

なお、上述した実施の形態４においては、通常運転時の補正係数を吸入空気量GAに応じて変化させることとしているが、本発明では、触媒昇温制御時（Ｓ被毒回復制御時）の補正係数を吸入空気量GAに応じて変化させることとしてもよく、また、通常運転時と触媒昇温制御時との双方の補正係数を吸入空気量GAに応じてそれぞれ変化させることとしてもよい。

また、上述した実施の形態４においては、エアフロメータ１６が前記第７の発明における「吸入空気量検出手段」に相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１２４の処理を実行することにより前記第７の発明における「補正係数変更手段」が実現されている。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 実施の形態１の内燃機関の排気系の構成を説明するための模式的な平面図である。 実施の形態１の触媒温度推定手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 実施の形態３および４の触媒温度推定手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態４において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 排気通路
１８ スロットル弁
２６ 燃料噴射弁
３０ 点火プラグ
４０ スタート触媒
４２ ＮＯｘ触媒
４４ 排気温センサ
５０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気通路に配置された触媒と、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて前記触媒の床温を推定する床温推定手段と、
   前記触媒の出口における排気ガス温度である出口ガス温度を推定する出口ガス温度推定手段と、
   前記出口ガス温度を実測する出口ガス温度実測手段と、
   前記出口ガス温度の実測値と推定値との偏差に所定の補正係数を乗じた値を、前記床温推定手段により推定された推定床温に加えることにより、前記触媒の最終推定床温を算出する最終推定床温算出手段と、
   前記内燃機関に対し、前記触媒の床温を上昇させるための触媒昇温制御を行う触媒昇温手段と、
   前記触媒昇温制御の実行時と、前記触媒昇温制御を実行しない通常運転時とで、前記補正係数の値を異ならせる補正係数変更手段と、
   前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段と、
   を備え、
   前記補正係数変更手段は、吸入空気量が所定値より小さい場合にのみ、前記触媒昇温制御の実行時と通常運転時とで前記補正係数の値を異ならせることを特徴とする内燃機関の触媒温度推定装置。
2. 前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時の補正係数を通常運転時の補正係数より大きくすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の触媒温度推定装置。
3. 前記床温推定手段は、前記触媒を入口側から出口側に向かって複数の部位に分け、その部位毎の床温を推定し、
   前記最終推定床温算出手段は、前記部位毎の推定床温と、前記部位毎の前記補正係数とに基づいて、前記部位毎に前記最終推定床温を算出することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の触媒温度推定装置。
4. 前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時は、前記触媒の入口に近い部位の補正係数を通常運転時よりも大きくすることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の触媒温度推定装置。
5. 前記補正係数変更手段は、吸入空気量が所定値以上である場合には、吸入空気量が前記所定値より小さい場合に比して、前記触媒の入口に近い部位の通常運転時の補正係数を大きくすることを特徴とする請求項３または４記載の内燃機関の触媒温度推定装置。
6. 前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時の補正係数と通常運転時の補正係数との少なくとも一方を吸入空気量に応じて変化させることを特徴とする請求項３乃至５の何れか１項記載の内燃機関の触媒温度推定装置。
7. 通常運転時の補正係数は、前記触媒の出口に近い部位ではほぼ１であり、前記触媒の入口に近い部位になるほど小さくなっていることを特徴とする請求項３乃至６の何れか１項記載の内燃機関の触媒温度推定装置。
8. 前記補正係数変更手段は、前記触媒昇温制御の実行時は、前記触媒の各部位の補正係数を何れもほぼ１とすることを特徴とする請求項３乃至７の何れか１項記載の内燃機関の触媒温度推定装置。

Images